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상이한 그라우트와 접촉한 프리스트레스 스트랜드의 부식 성능
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등록일2016-01-26
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| 리포트구분 | 기술리포트 | 콘텐츠구분 | SOC |
|---|---|---|---|
| 출처 | Kansas Department of Transportation | ||
| 원문제목 | Corrosion Performance of Prestressing Strands in Contact with Dissimilar Grouts원문보기 | ||
| 언어 | 영어 | 국가 | 미국 |
| 등록일 | 2016-01-26 | 발행일 | 2013-01-00 |
| 첨부파일 | 등록된 첨부파일이 없습니다. | ||
□ 소개
캔사스 교통부(Kansas Department of Transportation)에 의한 포스트 텐션 교량의 검사는 오래된 포틀랜드 시멘트 그라우트(grouts)의 블리딩(bleeding)과 수축(shrinkage)으로 인한 스트랜드 덕트(strand ducts)에서의 공극을 밝혀냈음. 캔사스 교통부는 이러한 공극을 채울지 그대로 놔눌 지에 대한 결정에 직면해 있음. 공극이 건조한 상태로 있는 한, 스트랜드는 일반적으로 일부 표면의 녹을 가지고 멀쩡한 상태로 있음. 하지만, 현장 관측에 의하면 물이나 염화물을 함유한 물이 스트랜드와 접촉하게 되면 심각한 부식이 발생함.
포스트 텐션 덕트에서 공극을 채우는 일반적인 방법은 미리 팩키지화된 블리딩 방지 그라우트를 사용하는 것임. 불행히도, 많은 경우에 다시 그라우트가 채워진 스트랜드에서 급속한 부식으로 이어졌음. 급속한 부식의 원인으로는, 유사하지 않은 그라우트에 의해 제공된 환경의 차이로 야기된 스트랜드에서의 전기능(electrical potential)의 차이 때문임.
이 연구의 두가지 목적은: (1) 두 번째 그라우트를 사용하는 것이 프리스트레스된 스트랜드에 대한 부식 보호를 개선하였는지, 아니면 부식을 가속화하였는지를 결정하고; (2) 공극을 채우지 않고 그대로 두었을 때의 가능한 결과를 결정하는 것임. 이러한 목적을 달성하기 위해, 이 연구는 상이한 그라우트에 의해 제공된 환경의 차이가 미치는 영향을 측정하고, 공극을 블리딩 방지 그라우트로 채움으로써 야기된 부식의 정도와 스트랜드를 다시 그라우트로 채우진 않지만 물이나 염화물을 포함한 물에 노출되어 취약하게 된 결과를 비교하는 것임.
이 연구는 두 부분으로 구성됨. 첫 번째 부분에서, 공극 용액이 각 그라우트의 경화된 표본에서 추출되고, 화학적 구성에서 차이점을 결정하기 위해 분석됨. 두 번째 부분에서, 그라우트에 의해 제공된 환경의 차이가 스트랜드의 부식을 야기하는지 결정하기 위해 프리스트레스 스트랜드가 시뮬레이션된 그라우트 공극 용액이나 그라우트 자체에서 테스트됨. 두 번째 목적을 달성하기 위해, 일부 스트랜드는 이온이 제거된 물이나 염화나트륨이 중량 기준으로 3% 포함된 시뮬레이션된 그라우트 공극 용액에 담궈짐. 이는 공극이 채워지지 않았을 때 발생할 수 있는 심각한 노출의 영향을 평가하기 위한 것임.
6가지의 그라우팅 시스템이 시험되었음: (1) 포틀랜드 시멘트 그라우트; (2) US Mix (NA)에 의해 생산된 NA-50 그라우트; (3) Euclid Chemical에 의해 생산된 Euco Cable Grout PTX (Euco); (4) Sika Corp.에 의해 생상된 SikaGrout 300 PT (Sika); (5) 부식 감소 첨가물인 SikaFerroGard를 섞은 Sika 그라우트 (Sika w/FerroGard); 그리고 (6) 타일 아래에 설치되는 그라우트(이 그라우트는 석고를 함유한 그라우트를 시뮬레이션하기 위해 선택됨). NA-50, Euco, 그리고 Sika는 미리 팩키지화된 블리딩 방지 그라우트임.
□ 실험
⊙ 그라우트의 공극 용액 분석
공극 용액의 시험체는 3.75인치 길이와 1.5인치 직경의 Schedule 40 PVC 파이프 안에서 주조되었음. 그라우트는 역삼투로 여과된 물과 혼합되어 물에 있는 이온의 영향을 최소화하였음. 시험체는 비닐로 밀봉되어 증발을 최소화하였음. 시험체는 공극 용액의 추출에 앞서 몰드(molds, 틀)에서 제거되었음. 공극 용액은 경화된 그라우트를 80,000 psi에 노출시켜 수집되었음. 공극 용액은 주조한 날로부터 1일과 7일 후에 그라우트에서 수집되었음. 수집될 수 있는 공극 용액의 부피는 시간이 지남에 따라 감소함.
각 상업용 그라우트에 대해 2가지의 물/고형물(water-solids, w/s) 비율이 사용되었음: 0.25와 0.31. 0.35와 0.27의 w/s 비율이 포틀랜드 시멘트와 석고 그라우트에 각각 사용되었음. 이러한 w/s 비율에서, 포틀랜드 시멘트 그라우트만이 7일째에 분석에 충분한 공극 용액을 만들어냈음. 더 많은 공극 용액의 부피를 만들기 위해, 두 번째의 시험편은 0.5의 w/s 비율로 만들어졌음. 그러나, NA와 Euco로 만들어진 높은 w/s 비율의 시험체는 1일차에 공극 용액이 생길 만큼 충분한 강도를 가지지 못했음. 높은 w/s 비율의 석고 그라우트는 1일차와 7일차 모두에서 충분한 강도를 가지지 못했음.
모든 공극 용액은 pH와 나트륨, 칼륨, 불산염, 염화물, 질산염, 탄산염, 황산염 등의 이온 함량에 대해 분석되었음. pH는 염산으로 적정(titration)하여 측정되었음. 나트륨과 인 함량은 불꽃 배출 분광기를 사용하여 측정되었음. 다른 이온은 이온 크로마토그래피(chromatography)를 사용하여 측정되었음.
⊙ 포스트 텐션 스트랜드의 급속 매크로 전지(macrocell) 시험
포스트 텐션 스트랜드에서 부식을 유도하는 상이한 그라우트에 대한 가능성은 수정된 급속 매크로 전지 시험 - 캔사스대학(University of Kansas)에서 개발된 부식 성능 시험 - 을 사용하여 평가되었음. 급속 매크로 전지 시험은 ASTM A955에 서술되어 있고 스테인리스 철근을 평가하기 위해 사용됨. 그러나, 이 시험은 다양한 철근의 부식 성능을 평가하기 위해 사용되어 왔음.
이 연구에서, ASTM A416 낮은 이완의 7개 철사로 구성된 스트랜드(low-relaxation seven-wire strands)가 그라우트로 싸여진 상태와 그라우트가 없는 상태에서 시험되었음. 급속 매크로 전지 시험에서 사용된 각각의 포스트 텐션 스트랜드는 10인치 길이였음. 스트랜드는 표면의 오염물질을 모두 제거하기 위해 테스트 전에 아세톤(acetone)으로 청소를 하였음. 16 게이지의 절연 구리선이 철사 사이의 간극에서 스트랜드에 부착되었음. 전기적 연결선은 부식으로부터 철사를 보호하기 위해 에폭시로 코팅되었고 3인치 길이의 열 수축 튜브로 씌워졌음. 그라우트로 덮여진 스트랜드는 8인치 깊이에 0.5인치의 커버로 그라우트 안에 내재됨.
각각의 매크로 전지 시험에서 2가지의 스트랜드가 사용됨. 스트랜드는 여러 다른 시뮬레이션된 그라우트 용액에 담궈졌음. 그라우트가 없는 스트랜드는 3인치 깊이로 담궈졌고, 그라우트로 둘러싸인 스트랜드는 0.5인치의 커버를 고려하여 3.5인치 깊이로 담궈졌음. 급속 매크로 전지 시험에서 사용된 공극 용액의 구성은 공극 용액 분석의 결과에 기초하였음. 그라우트로 둘러싸인 시험체는 그라우트와 맞는 공극 용액에 담궈졌음. 용액은 대기중의 이산화탄소로부터의 탄산염을 제한하기 위해 5주 마다 바꾸었음.
대부분의 시험편은 15주차에 테스트되었음. 그러나, 그라우트로 둘러싸인 시험편에 대해서 석고 그라우트와 Sika w/FerroGard를 제외한 모든 시험편은 추가적인 데이타의 수집을 위해 13주차에 테스트되었음.
각 시험에서 2개의 스트랜드는 10옴의 저항기를 통하여 전기적으로 연결되었고, 용액은 질산 칼륨의 염분 이음(salt bridge)으로 이온의 관점에서 연결되었음. 염분 이음은 ASTM A955에서 서술된 것처럼 만들어졌음. 염분 이음에서 용질(solute)의 변경이 이루어졌는데, 이는 염화물이 공극 용액으로 침투하는 위험을 막기 위함이었음. 부식비율은 10옴 저항기에서의 전압 강하(voltage drop)에 근거하여 계산되었음.
부식 비율에 더하여, 스트랜드의 부식 가능성은 포화 칼로멜 전극(saturated calomel electrode, SCE)의 관점에서 측정되었음. 7일 동안은 매일 측정되었고 그 이후에는 주별로 측정되었음. 추가로, 각 시험체의 부식 비율은 3주 마다 선형 분극 저항(linear polarization resistance, LPR)을 사용하여 측정되었음.
LPR은 적용된 전압에 대한 대응을 측정함으로써 매크로 전지와 매크로 전지의 부식을 측정하는 수단을 제공함. 이는 보다 완벽한 부식 활동에 대한 그림을 제공함.
전반적으로, 매크로 전지 부식 결과는 프리스트레스 스트랜드를 상이한 그라우트를 사용함으로 발생하는 여러 다른 환경에 노출시키는 것의 영향을 측정함. 반면에, LPR은 전체 부식의 손실을 측정함.
4가지의 테스트 방식이 사용되었음: (1) 그라우트 공극 용액 안에서 그라우트에 둘러싸여 있지 않은 스트랜드; (2) 그라우트 공극 용액 안에서 그라우트에 둘러싸인 스트랜드; (3) 이온이 제거된 물에 담궈진 스트랜드를 가지고 그라우트에 둘러싸여 있지 않은 스트랜드; 그리고 (4) 중량 기준으로 염화나트륨이 3% 함유된 그라우트 공극 용액 안에서 그라우트에 둘러싸여 있지 않은 스트랜드.
□ 요약과 결론
포틀랜드 시멘트 그라우트, 석고 그라우트, 그리고 4가지의 상업용 그라우트(NA-50, Euco, Sika, Sika w/FerroGard)가 공극 용액의 화학적 구성을 결정하기 위해 분석되었고, 두 번째 그라우트를 사용하는 것이 프리스트레스 스트랜드의 부식 보호를 개선하는지 부식을 가속화하는지 결정하기 위해 테스트되었음. 공극을 채우지 않고 그대로 두는 것의 잠재적 영향도 평가되었음. 공극 용액은 pH와 나트륨, 칼륨, 불산염, 염화물, 질산염, 황산염, 탄산염 등의 이온 함량을 위해 분석되었음. 분석의 결과는 시뮬레이션된 공극 용액을 개발하기 위해 사용되었음. 선택된 그라우트와 시뮬레이션된 공극 용액은 짝지워져 부식을 일으키는 가능성을 평가하였음. 스트랜드는 또한 염화물을 함유한 공극 용액과 이온이 제거된 물에서 평가되었음.
이 보고서에서 제시된 결과에 근거하여, 다음의 결론이 도출될 수 있음:
- 프리스트레스 스트랜드를 원소로부터 보호없이 그대로 두는 것은 노출된 스트랜드의 급속한 부식으로 이어질 가능성이 있음.
- 석고 그라우트는 다른 그라우트보다 상당히 낮은 pH를 가지고 있음. 이는 또한 대부분의 다른 그라우트보다 높은 황 함유량을 가지고 있음. 석고는 포틀랜드 시멘트 그라우트나 다른 상업용 그라우트와 같이 사용될 때 스트랜드의 부식 가속화를 야기할 것임.
- 상업용 프리팩키지 그라우트에서 스트랜드의 부식은, 그라우트 공극 용액의 황산염(sulfate) 이온 함량이 늘어날수록 증가함.
- 포틀랜드 시멘트 그라우트와 짝지어 질 때, 이 연구에서 평가된 프리팩키지 블리딩 방지 그라우트는, 물이나 염분에 노출된 스트랜드에 대해 관찰된 것보다 상당히 낮은 부식 손실로 이어졌음. 포틀랜드 시멘트 그라우트와 같이 사용된 프리팩키지 그라우트에 대해 측정된 가장 높은 부식도는, 공극 용액에서 가장 높은 황산염 함유량을 가진 그라우트에서 나타났음.
□ 제안사항
- 스트랜드를 물이나 염화물에 노출시키는 것은 급속한 부식을 야기할 수 있기 때문에, 포스트 텐션 덕트에서의 공극은 블리딩 방지 그라우트로 채우는 것을 제안함.
- 블리딩 방지 그라우트는 기존의 그라우트와 환경적 차이를 최소화하도록 선정되어야 함. 그렇지 않으면, 포스트 텐션 스트랜드의 부식 가속화로 이어질 수 있음. pH에 더하여, 상업용 그라우트의 공극 용액의 황산염 이온 농도는 모니터링되어야 함. 포틀랜드 시멘트 그라우트를 포함하는 덕트에 대한 보수를 위해, 이 연구에서 평가된 4가지의 상업용 그라우트는 물이나 염분에 노출된 스트랜드와 비교할 때 상당히 부식의 감소를 가져왔음. 높은 석고 함유량을 가진 그라우트의 사용은 포스트 텐션에서 지양되어야 함.
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