Application of CNT/CF Composite Anodes for Corrosion Monitoring and Electrochemical Chloride Extraction in Chloride-Exposed Reinforced Concrete = 염화물에 노출된 철근 콘크리트의 부식 모니터링 및 전기화학적 염화물 추출을 위한 CNT/CF 복합재 양극의 적용

국문 초록 (Abstract)

염화물에 노출된 철근 콘크리트의 부식 모니터링 및 전기화학적 염화물 추출을 위한 CNT/CF 복합 양극의 적용 에미루 마이클 테스파예, 이학사 지도교수: 김형기 교수, 박사 건축공학과 조선대학교 대학원 염화물에 노출된 철근 콘크리트의 부식 모니터링 및 전기화학적 염화물 추출을 위한 CNT/CF 복합재 양극의 적용 염화물 침투에 의한 철근 부식은 해양 환경 및 제설염에 노출된 철근 콘크리트（RC） 구조물의 가장 심각한 열화 기구 중 하나로, 구조물의 내구성과 사용성을 크게 저하시킨다. 본 연구에서는 시멘트계 복합재의 전기 전도 특성을 활용하여, 탄소나노튜브-탄소섬유（CNT-CF） 시멘트 복합재를 부식 모니터링용 전극과 전기화학적 염화물 추출（electrochemical chloride extrac- tion, ECE）용 양극으로 동시에 적용하는 방안을 검토하였다. 연구의 첫 번째 단계에서는 CNT-CF 시멘트 복합재 기준전극이 철근 모르타르 및 콘크리트 시험체 내 염화물 유발 부식을 신뢰성 있게 감지할 수 있는지를 평가하였다. 염화물 오염, 탄산화, 포화 환경에 노출된 복합재의 전기화학적 응답을 분석하여 가혹 환경 하에서의 안정성을 검증하였으며, 부식 활성도는 자연전위（OCP） 및 선형분극저항（LPR） 측정을 통해 평가하였다. NT Build 492 규격에 따른 촉진 염화물 침투를 적용한 150 mm 입방체 철근 모르타르 시험체, 그리고 NT Build 443에 따라 장기 침지 노출을 적용한 길이 0.8 m 및 2.0 m의 실대형 철근 콘크리트 보 시험체를 대상으로 측정을 수행하였다. 두 번째 단계에서는 촉진 염화물 침투로 오염된 철근 모르타르 시험체에 대해 CNT-CF 시멘트 복합재 양극의 ECE 성능을 평가하였다. 비교군으로는 티타늄 메쉬와 스테인리스 강판을 사용하였으며, EN 14038-2 에 따라 2 A/m²의 전류밀도를 5 일간 인가한 후 EPMA 및 산용해성 염화물 분석을 통해 2 mm 간격으로 잔류 염화물 농도를 정량화하였다. 피복 깊이 16 mm 이상의 영역에서는 세 종류 양극이 유사한 추출 효율을 나타냈으나, 표면부 0~16 mm의 얕은 피복 영역에서는 CNT-CF 복합재 양극의 잔류 염화물 농도가 금속 양극에 비해 높게 측정되었다. 이러한 표면부 효율 저하는 ECE 진행 중 CNT-CF 복합재 내부에서 염화물 기반 AFm 상, 특히 Friedel's salt의 생성에 따른 점진적인 전기저항 증가에 기인한 것으로 분석되었다. 열중량분석（TGA）, 수은압입세공측정（MIP）, X 선 회절분석（XRD） 결과는 포틀란다이트（portlandite）의 소모와 Friedel's salt 의 형성이 저항 증가를 유발한 주요 미세구조 변화임을 확인하였다. 세 번째 단계에서는 COMSOL Multiphysics 기반의 3 차원 유한요소 모델을 구축하여, 촉진 염화물 침투（RCPT） 및 다중 양극 조건의 ECE 과정에서 발생하는 염화물 이동을 모사하였다. 수치해석 결과는 실험적으로 측정된 염화물 분포와 전반적으로 양호하게 일치하였으며, 노출면 및 철근 표면 인근에서는 일부 차이가 관찰되었다. 결론적으로 CNT-CF 시멘트 복합재는 염화물에 오염된 철근 콘크리트 구조물에서 부식 모니터링과 전기화학적 보수 기능을 동시에 수행할 수 있는 다기능 비금속 양극 시스템으로서 활용 가능성을 제시하였다. 또한 적절한 재료 특성 자료가 반영될 경우, 유한요소 해석은 다양한 양극 조건에 따른 염화물 이동 거동과 추출 효율을 평가할 수 있는 신뢰성 있는 예측 도구로 활용될 수 있음을 확인하였다. 주요어: 철근 콘크리트, 염화물 유발 부식, CNT/CF 시멘트 복합재, 전기화학적 염화물 추출（ECE）, 부식 모니터링, Friedel's salt, 유한요소 해석

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Application of CNT/CF Composite Anodes for Corrosion Monitoring and Elec- trochemical Chloride Extraction in Chloride-Exposed Reinforced Concrete Emiru Michael Tesfaye, B.Sc Advisor: Prof. Hyeong-Ki, Kim, Ph.D. Department of Architectural Engineering Graduate School of Chosun University Chloride-induced corrosion of reinforcing steel remains one of the most critical deterioration mechanisms affecting reinforced concrete structures exposed to marine environments and deicing salt. Considering the conductive behaviors of cementitious composites this thesis investigates the dual application of carbon nanotube–carbon fiber （CNT–CF） cement composites as both corrosion monitor- ing electrodes and electrochemical chloride extraction （ECE） anodes. The first phase of the study evaluates the reliability of CNT–CF cement com- posite reference electrodes for monitoring chloride-induced corrosion in rein- forced mortar and concrete specimens. The electrochemical response of the composite was characterized under chloride-contaminated, carbonated, and sat- urated conditions to establish its stability in aggressive environments. Corrosion activity was assessed using open-circuit potential （OCP） and linear polarization resistance （LPR） measurements on 150 mm cubic reinforced mortar specimens subjected to accelerated chloride penetration in accordance with NT Build 492, and on full-scale reinforced concrete beams of 0.8 m and 2.0 m length subjected to long-term immersion exposure following NT Build 443. The second phase investigates the performance of CNT–CF cement compo- site anodes for ECE in reinforced mortar specimens previously subjected to ac- celerated chloride ingress. Three anode systems were evaluated comparatively （titanium mesh, a stainless-steel plate, and a CNT–CF cement composite bar）. ECE was performed by applying a current density of 2 A/m² for 5 consecutive days in accordance with EN 14038-2, and residual chloride profiles were quanti- fied using both EPMA mapping and acid-soluble chloride analysis at 2 mm depth intervals. In the depth range beyond 16mm all three anodes produced comparable chlo- ride extraction profiles with similar extraction efficiencies. However, within the shallow cover region the CNT–CF composite anode exhibited higher residual chloride concentrations than the metallic anodes. This reduced near surface effi- ciency was attributed to the progressive increase in electrical resistance of the CNT–CF composite during ECE, driven by the formation of chloride-based AFm phases, particularly Friedel's salt, within the composite structure. Thermogravi- metric analysis, mercury intrusion porosimetry, and X-ray diffraction confirmed the consumption of portlandite and formation of Friedel's salt as the primary mi- crostructural changes responsible for the resistance increase. The third phase presents a three-dimensional finite element model developed in COMSOL Multiphysics to simulate chloride ion transport during rapid chloride penetration and ECE under multiple anodes. The model showed good agreement with experimental chloride profiles, although discrepancies were observed near the exposed surface and rebar surface. The result demonstrates that CNT–CF cement composites offer a promising multifunctional platform for integrated corrosion monitoring and electrochemical remediation in chloride-contaminated reinforced concrete structures, and that fi- nite element modeling provides a reliable predictive framework for evaluating chloride transport and extraction efficiency under different anode configurations, provided that appropriate material characterization data are incorporated

목차 (Table of Contents)

• 1. INTRODUCTION 1
• 1.1. Background 1
• 1.2. Objective of the research 4
• 1.3. Outline of the research. 5
• 2. LITERATURE REVIEW 7
• 2.1. Introduction 7
• 2.2. Corrosion in Reinforced Concrete 7
• 2.2.1. Carbonation-induced Corrosion 11
• 2.2.2. Chloride-induced Corrosion 12
• 2.3. Corrosion Monitoring Methods 14
• 2.3.1. Direct Methods 15
• 2.3.2. Indirect Methods 19
• 2.4. Corrosion Mitigation Methods 22
• 2.4.1. High-Durability Concrete Application 22
• 2.4.2. Cathodic Protection 22
• 2.4.3. Electrochemical-Chloride Extraction 23
• 2.5. Anodic Application of CNT-CF Cement Composites 26
• 3. APPLICATION OF CNT-CF CEMENT COMPOSITE FOR CORROSION MONITORING 30
• 3.1. INTRODUCTION 30
• 3.2 Material and Methodology 30
• 3.2.1. Material and Mix Proportion 30
• 3.2.2. Experimental Methodology 32
• 3.3 Result and Discussion 39
• 3.4 Conclusion 51
• 4. APPLICATION OF CNT-CF CEMENT COMPOSITE ANODE FOR ELECTROCHEMICAL CHLORIDE EXTRACTION 54
• 4.1. Introduction 54
• 4.2 Material and Methodology 55
• 4.2.1. Material and Mix Proportion 55
• 4.2.2. Experimental Methodology 56
• 4.3 Result and Discussion 61
• 4.3.1 Chloride migration and ECE 61
• 4.3.2 Resistance of CNT-CF composite 67
• 4.3.3 Corrosion monitoring and ECE 71
• 4.3.4 Chloride binding 77
• 4.4 Conclusion 79
• 5. FINITE ELEMENT MODELING OF CHLORIDE DIFFUSION AND ELECTROCHEMICAL EXTRACTION 82
• 5.1 Introduction 82
• 5.2 Simulation Detail 82
• 5.3 Finite Element Modeling 89
• 5.3.1 Transport of Diluted Species （TDS） 89
• 5.3.2 Electrical Current Multiphysics 89
• 5.3.3 Meshing 90
• 5.4 Analysis and Discussion 91
• 5.5 Conclusion 100
• 6. Conclusion and Recommendation 102
• 6.1 Conclusion 102
• 6.2 Recommendation 104
• Appendix 107
• Reinforcement details of the RC beams 107
• Appendix B 109
• ECE treatment for reinforced concrete User Manual 109
• REFERENCE 134
• ACKNOWLEDGMENTS 139