2.1 가속부식 실험

부식된 강연선의 인장강도 감소식 제안을 위한 가속부식 실험을 위해서 12.7 mm와 15.2 mm의 직경별로 목표 부식레벨은 0 %~30 %까지 2 % 간격으로 설정하였으며 부식 레벨별 시편 개수는 2개씩으로 총 64개의 시편을 제작하였다.

강연선 시편의 길이는 Fig. 1과 같이 500 mm이며 인장시험 시 중앙부분의 파단을 유도하기 위해 양끝단 100 mm는 테이핑으로 방수처리하여 부식을 방지하였고, 중앙부분 300 mm 부분에 대해서 부식을 가속하였다.

Fig. 2와 같이 3 % NaCl 용액에 강연선 시편를 침지시켜 (+)극은 강연선 시편에 (-)극은 용액 속 희생 철근에 연결하여 부식유도 회로를 구성하여 철근의 전위를 부식이 일어나지 않은 전위로 떨어뜨리는 방식을 채택하였다. 직류전원 공급장치는 일정하게 20 V로 전압을 공급했고, 일정한 전류를 공급하기 위해 각 강연선 시편마다 10 Ω의 저항을 연결하였다.

이때 전위차계가 내장된 직류 정류기를 통합한 시스템을 통해 각 시편에 전류 강도를 제어하였으며 2 A의 일정한 양극전류를 가하여 부식을 가속하였고, 전류의 방향을 조정하여 강연선 시편이 양극이 되고 희생철근이 음극 역할을 하도록 하였다. 강연선 시편 표면에서는 산화 및 환원 반응이 동시에 일어나며 양극 및 음극전류가 동시에 표면에 흐르게 되는데, 부식현상은 양극전류의 흐름으로 인해 발생하는 결과이다.

강연선의 부식량 평가는 식 (1)과 같은 Faraday 법칙^{(Oh et al. 2016)}을 사용하였으며 이를 통해 강연선의 부식량을 정확하게 예측할 수 있다.

여기서, $M$은 부식량(mol), $z$는 철의 이온수(=2), $F$는 Faraday의 수(=96,500 C), $q$는 전류(mA), $t$는 측정시간(sec), $c$는 실험상수, 그리고 1 mol의 철(Fe)은 55.847 g이다.

목표로 하는 부식량에 도달하는 데 필요한 적산 전류량(A･sec)을 확인하기 위해 데이터로거를 이용하여 각 시편의 저항($\omega$)에 걸리는 전압(V)을 매시간 측정(1회/hour)하여 전류로 환산 후 구분구적법을 이용하여 계산하였다.

Fig. 1 Prestressing strand specimens

Fig. 2 Schematic diagram of corrosion acceleration

2.2 가속부식 실험 결과 및 분석

강연선 시편들의 직경별 12.7 mm, 15.2 mm 부식량을 측정하기 위하여 부식되지 않은 500 mm 강연선 3개에 대한 평균 무게를 측정하였다. 부식레벨 측정은 부식되지 않은 강연선의 평균 무게를 기준으로 실제 부식이 발생하는 300 mm의 부식구간에 대한 무게를 길이비로 환산하고, 부식된 강연선에 대해서는 각각의 부식된 강연선의 총 무게를 측정하여 실제 부식이 발생하는 부식구간에 대한 무게를 추정하여 실제 부식레벨을 산정하였다.

강연선 시편의 명명법은 직경-목표부식레벨-시편번호 순서이며 대표적인 사례를 Fig. 3에 나타내었고, Tables 1, 2에는 직경별 강연선에 대한 목표 부식레벨, 측정 부식레벨 및 평균 측정 부식레벨, 적산전류량, 부식 단면적, 그리고 인장강도를 각각 나타내었다.

12.7 mm 강연선 시편은 부식레벨이 최대 30.5 %, 그리고 15.2 mm 강연선 시편은 부식레벨이 최대 28.0 %이다. 그리고 12.7 mm, 15.2 mm의 적산전류량에 따른 부식레벨을 실험값과 전 절에서 기술한 Faraday 법칙(식 (1))에 의한 이론값을 비교하여 Fig. 4에 나타내었다. 이론값 산정 시 부식전 무게는 공칭무게로 부식 후 무게는 Faraday 법칙에 의한 이론식으로 하였고, 실험값 산정 시 부식전 무게는 측정값으로 부식 후 무게는 Faraday 법칙에 의한 이론식으로 산정하였다. 전체적으로 적산전류량이 증가함에 따라 부식레벨도 거의 선형적으로 증가하며 부식레벨이 클 때 실험값이 이론값과 다소 차이를 보이고 있으나 전반적인 경향은 일치하는 것으로 나타났다. 다소 차이를 보이는 이유는 Faraday 법칙에 의한 부식량 평가에서 강연선의 경우 1개의 심선 둘레에 측선 6개를 S연으로 꼬아 만든 7연선으로 부식이 강선에 각각 영향을 미치고, 이것이 몇 개의 강선에 집중적으로 나타난 것이 원인으로 판단된다.

Fig. 3 Corroded prestressing strand samples

Fig. 4 Variation in corrosion level of prestressing strand with respect to accumulated current

3.1 인장 시험

부식된 강연선의 인장강도 감소식 제안을 위한 인장강도를 평가하기 위하여 Fig. 5와 같이 1,000 kN의 UTM(univeral testing machine)을 이용하여 단조 인장시험을 수행하였다. 시편의 표점거리는 각 강연선의 부식구간 길이인 300 mm로 설정하였으며 인장파단이 발생할 때까지 10 mm/min의 속도로 재하하였다.

부식된 직경별 강연선에 대한 인장강도를 전절의 Tables 1, 2에 함께 나타내었으며 대표적인 인장시험 사례를 Fig. 6에 나타내었다. 강연선은 강선이 다발로 꼬여있는 특성이 있어 인장시험 중 강선이 하나씩 끊어지는 모습을 보였고 7개의 강선 중 약 3개 이상이 끊어지면 급격한 하중저하가 발생하여 인장시험을 종료하였다. 또한 전체적으로 부식레벨이 증가하면서 인장강도는 감소하는 경향을 보였다.

Fig. 5 1,000 kN UTM

Fig. 6 Tensile test results of different samples

3.2 인장시험 결과 및 분석

일반적으로 강연선의 부식레벨이 증가함에 따라 공칭 항복강도, 공칭 인장강도, 그리고 공칭 탄성계수가 감소하고, 부식레벨은 강연선의 기계적 특성과 매우 높은 상관관계가 있다. ^{El-Joukhadar et al. (2023)}은 부식된 철근의 잔류 인장강도를 기존에 수행된 신뢰성 있는 여러 연구자의 자연 기후 환경에서 부식된 시편 및 가속부식된 시편의 실험데이터의 회귀분석에 의해 식 (2)와 같이 제안하였고, 이 연구에서는 이와 같은 강재 관련 제안 식을 준용하고 철근의 평균 질량 감소율과 선형적인 관계로 이를 대체하여 강연선의 인장강도 감소식을 Fig. 7 및 Table 3과 같이 제안하였다.

여기서, $f_{u,\: res}$는 잔류 인장강도, $f_{u}$는 인장강도, 그리고 $x$는 철근의 평균 질량 감소율이다.

모든 강연선 시편들은 1,000 kN UTM을 통해 단조 인장시험을 수행하였고, 얻어진 하중-변위 곡선과 응력-변형률 곡선을 기본으로 부식된 강연선의 잔류인장강도를 평가하였다. 이때 7연선인 강연선의 파단은 KS D 7002^{(KATS 2019)}에서 인장하중의 80 %로 규정함을 근거로 시험 시 취성적인 파괴에 의한 안전을 고려하여 인장강도에서 30 % 저하된 점으로 더 낮게 설정하였고, 모든 강연선 직경에 대하여 부식 손상이 증가하면 잔류인장강도가 감소하는 것을 보여주고 있으며 모든 시편에 대해 기계적 특성이 감소하고 항복 고원의 급격한 감소가 관찰되었다. 이때 응력 수준은 강연선의 공칭 단면적(공학적 응력)과 부식 열화 후의 단면적(유효 응력)을 모두 고려하여 산정할 수 있고, 두 경우 모두 감소하는 관계식을 도출할 수 있으며 이 연구에서는 유효 응력으로 산정하였다.

강연선의 기계적 특성의 열화 방정식은 시험결과를 바탕으로 통계적 접근 방식에 따라 정의하였으며 특히 선형회귀와 지수회귀가 유효인장응력에 가장 적합한 것으로 확인되었다.

Fig. 7은 직경별로 부식되지 않은 강연선의 인장강도를 기준으로 부식레벨에 따른 잔류인장강도의 비를 나타낸 것으로 부식레벨이 증가할수록 잔류인장강도 비는 2차 식의 형태로 감소하는 경향을 나타낸다. 그리고 선형회귀 방정식의 계수는 데이터의 선형 형태를 가정하여 선형회귀 모델의 계수를 추정할 수 있는 일반 최소제곱(ordinary least square)법을 통해 산정하였다. 이때 잔차의 제곱의 합은 데이터 집합에 근사한 연속함수를 맞추기 위해 최소화되었으며 종축을 무차원 인장강도, 그리고 횡축을 부식레벨로 나타내었고 잔차의 제곱의 합은 최소화하여 강연선에 대한 잔류인장강도의 감소식을 정의하였다. 그리고 회귀분석의 성능평가 척도인 결정계수 R2는 강연선의 가속부식 실험에서 필연적으로 나타나는 국부부식 등의 결과를 반영하고 있으며 신뢰성 있는 관련 실험결과^{(El-Joukhadar et al. 2023)}와 유사한 결과를 나타내고 있다.

Table 3에는 부식된 강연선의 잔류인장강도를 부식되지 않은 강연선을 기준으로 정규화하여 직경별, 그리고 이를 통합한 결과로 나타내었다. 이때 x는 부식레벨로 3.2절에서 설명한 ^{El-Joukhadar et al. (2023)}이 제안한 식 (2)의 철근의 평균 질량 감소율과 선형적인 관계로 이를 대체하여 나타내었다.

이 연구에서는 강연선의 부식레벨과 직경을 실험변수로 강연선 시편의 중요한 기계적 특성인 인장강도의 감소를 분석하였는데 Fig. 7과 Table 3에서 보는 바와 같이 인장강도 감소는 직경과 큰 관련성이 없음을 보여주고 있다.

12.7 mm와 15.2 mm의 총 64개의 부식된 강연선의 특성을 분석하여 잔류인장강도를 부식되지 않은 강연선의 인장강도를 기준으로 정규화하여 감소계수 형식으로 Fig. 8에 나타내었다.

Fig. 7 Variation in tensile normalized stress with respect to the corrosion level

Fig. 8 Corrosion level versus normalized stress