철근의 부식과 CONC교량의 내구성

철근의 부식과 콘크리트 교량의 내구성

Ⅰ. 머리말

영국에서는 지난 60여년간 수많은 철근콘크리트 교량이 건설되어 왔는데, 환경영향·불량자재 사용·시공부량 등으로 인해 채 20년도 되지 않은 교량들에서 품질열화의 징후들이 많이 나타나고 있다. 교량의 약화를 야기하는 주 요인의 하나는 철근의 부식이며, 이는 주로 겨울철에 도로유지를 우해 사용하는 암염(Rock Salt)에 기인하는 경우가 많다.

미국에서는 이 문제가 보다 심각하여 미국내 교량의 19%가 보수 혹은 교체를 요하며, 여기에는 1977년도 기준으로 230억불이 소요될 것으로 추산된다. 이는 1960년대에 건설된 미국내의 교량들이 대부분 콘크리트 슬래브를 그대로 노면으로 사용하였기 때문이다. 반면, 영국에서는 슬래브 위에 방수처리 및 약 10두께의 아스팔트 덧씌우기를 해줌으로써 철근의 부식을 어느 정도 방지할 수 있었다. 일단 철근이 부식되면 보수에 많은 비용을 들고 원래의 내구성을 얻기가 어려우며 작업기간 동안에는 교통장애를 야기하게 된다.

Ⅱ. 교량 철근의 부식

1. 하부구조에서의 전면부식(General Corrosion)

교각, 보, 파라펫(Parapet)·소피트(Soffit)등 교량의 하부구조에서는 대개 전면부식이 진행된다. 전면부식은 철근의 상당부분에 걸쳐서 부식부위의 철근 둘레에서 연속적으로 균일하게 진행되는 부식의 종류이며, 철근의 단면적 감소(Metal Loss)가 국부부식(Localised Corrosion)에 비해 상대적으로 크지만 구조적인 문제는 더 적다.(그림1(위)). 전면부식의 경우에는 철근의 단면적 감소량이 많아 부식의 산물인 녹(Fe₂O₃·XH₂O, Commom Rust)이 많이 생성된다. 철근의 부식에 있어서 녹의 문제점은 변색 외에도, 단위 질량부피가 철의 3배정도 되기 때문에 콘크리트의 팽창균열 혹은 박리 등의 원인이 된다는 점이다.

일반적으로 전면 부식은 구조적인 문제로까지 발전되기 전에 콘크리트 피복의 박리나 발청변색(Rust Staining)등으로부터 사전에 시각적으로 탐지할 수 있다.

`2. 슬래브에서의 국부부식(Localised Corrosion)

교량 슬래브에서의 부식은 대체적으로 국부부식의 형태를 띤다. 부식이 철근둘레의 어느 한부분에만 중점적으로 움푹 패이듯이 진행되기 때문에 붙여진 명칭이며 공식(Pitting)이라고도 하는데, 교량 슬래브의 경우에는 염화물(Ch loride)의 영향을 가장 먼저 받는 노면쪽에서 국부부식이 발생된다. 국부부식일때는 전면부식의 경우와 비교하여 단면감소(Metal Loss)가 불균등하기 때문에, 부식으로 인한 전체 단면감소량은 적다 할지라도 철근의 일부분에만 집중되므로 구조적으로 보다 유해할 수 있다. 국부부식일 때는 부식이 상당히 진행되기 전까지는 콘크리트에 미치는 발청변색의 징후가 잘 나타나지 않기 때문에 구조적인 문제를 사전에 예측하기가 어렵다. 이는 전체 단면 감소량(Metal Loss)이 적고, 부식생성물이 전면부식의 경우와 달리 보통 녹(Common Rust)이 아니라 종류가 다른 철산화물이며 이것이 부식부위에만 집중되어 있기 때문이다.

국부부식 생성물의 중요한 특징은,

① 검정색을 띠고,

② 보통 녹보다 단위질량부피가 적고,

③ 산화상태Ⅱ와 산화상태Ⅲ의 철산화물이 혼합되어 있어서 자철관(Magnetite)과 유사하다는 점이다. 단위질량부피가 적기 때문에 국부부식일 때는 팽창압에 의한 콘크리트의 균열발생도 적다.

Ⅲ. 교량에서 철근부식의 원인

철근부식의 원인은 화학적인 것과 물리적인 것으로 나눌 수 있는 데, 콘크리트에 철근을 부식시키는 가장 중요한 물질은 염화물(Chloride Salt)과 이산화탄소(CO₂)이다.

1. 탄산염화(Chebonation)

교량콘크리트는 대기중의 이산화탄소에, 특히 공단지역에서는 이산화황에 노출되어 있다. 이들 개스가 노출면으로부터 서서히 콘크리트속으로 침투해 들어가 콘크리트중의 알칼리를 중성화시킨다. 중성화로 인해 콘크리트의 PH가 약 13정도에서 9로 낮아지면 콘크리트의 부식방지작용이 상실되어 콘크리트내의 철근이 부식된다. 탄산염화작용으로 인한 이러한 문제들은 충분한 피복두께 및 콘크리트 품질을 확보하면 해결될 수 있다. 교량 슬래브의 경우에는 포장표층의 보호효과로 탄산염화의 깊이가 별로 깊지 않다. 현재까지의 관찰결과에 의하면 탄산염화작용 자체만으로는 단지 약간의 전면부식만을 야기할 뿐이다.

2. 염화물(Chloride)

교량 구조물에서 염화물의 주원은 제설용으로 사용된 암염(Rock Salt)이다. 이 염이 경화된 콘크리트속에 침투하여, 콘크리트 타설시에 섞여진 염화물보다 더 심한 영향을 끼친다고 한다. 이 염의 일부능 염화알루민산칼슘(고정염화물, Fixed Chloride)과 같은 불용성 물질로 바꾸어지고, 대부분은 수용액 상태의 자유염화이온(Free Chloride Ion)으로 남아서 부식의 원인이 된다. 시험에 의해, 이 이하에서는 철근이 부식되지 않는다는 염화물의 한계농도가 있는데, 이 한계치는 콘크리트의 PH와 고정 염화물에 대한 자유 염화물의 비율에 따라 변하기 때문에, 즉 시멘트 함량·시멘트 종류·염화물 종류·총 염화물 함량등에 좌우되기 때문에, 일률적으로 규정하기가 어려우며, 결과적으로 허용염화물 함량이라는 것도 단정적으로 결정할 수 없다.

3. 물리적 요인

철근의 부식가능성을 증가시키는 물리적 요인으로는 얇은 콘크리트 피복두께, 이음부에서의 누수, 열악한 배수상태, 방수막 부재, 콘크리트내의 공극, 동결융해의 횟수 및 강도 등을 들 수 있다. 이러한 요인들이 이산화탄소와 염화물이 철근에 도달하는 것을 용이하게 해준다.

피복두께가 얇을수록 이산화탄소 및 염화물이 빠르게 철근에 도달한다. 즉 피복두께를 두껍게 할수록 이로운데, 실질적으로 5㎝이상이면 부식문제는 별로 없다고 보고 되고 있다.

수축이음부에 누수가 생기거나 배수시설이 제대로 기능을 발휘하지 못하면 콘크리트 중에 염수가 접촉하게 되는 데, 이 때 수산이온(Chloride Ion)은 걸러지고 염화이온(Chloride Ion)이 콘크리트 속으로 침투된다. 죠인트 휠러(Joint Filler)는 세월이 경과됨에 따라 품질이 저하되어 인접한 콘크리트 면이 연중내내 염화물 용액에 노출되도록 염화물의 안식처러 된다. 이리하여 이음부 근방의 슬래브, 소피트(Soffit), 교각, 교좌 등의 부위에서 부식이 일어난다. 또한 겨울철에 노면에 염기성 물질을 뿌리게 됨으로써, 피어, 기둥, 파라펫, 소피트 등에 영향을 미친다.

슬래브에 방수처리를 하지 않으면, 슬래브 콘크리트가 물 속의 염화물에 심하게 오염된다. 불투수성 표충(아스팔트 포장 등)이 보호역할을 할 수 있지만, 시간이 경과함에 따라 투수성으로 되어 염수의 안식처로 작용하게 되며, 그 결과 슬래브 콘크리트는 염화물에 계속적으로 노출되어 있게 된다.

콘크리트 표면 아래에 수분이 갇혀 있으면 동결융해로 인한 팽창파손을 입게 된다. 이러한 부위에서는 많은 염화물이 파손된 콘크리트 내의철근 주위에 축적되어 더욱 악 영향을 끼치게 된다.

Ⅳ. 초기단계에서의 부식탐지 방법

보수조치계획을 세울 때는 먼저 모든 부식부위를 찾아내야 하며, 여기에는 가식적인 파손을 야기한 부식부위 뿐만 아니라 보이지 않는 부식부위도 포함시켜야 한다. 또한 부식이 시작되지는 않았으나 투수가능하고 오염되어 있는 콘크리트 부위도 확인하여 둔다.

현재 일반적으로 5종류의 시험이 현장에서 적용되고 있는데, 이는 Half-Cell Potentials측정·Resistivity 측정·탄산염화측정·염화물 함량측정 및 콘크리트 품질조사(Pules Velocity, Schmidt Hammer, Pullout)이다. 각 시험으로부터의 결과를 취합하여 전체적으로 해석함으로써 신뢰성 있는 판단을 해야한다. 여기에 신중한 육안관찰을 더하여, 교량내 철근의 실제적인 그리고 잠재적인 부식의 상세도를 작성할 수 있다. 이리하여 부식의 위치·원인·종류 등을 파악하고 부식속도를 평가하여 적절한 보수대책을 세우는 데 필요한 정보를 확보할 수 있다.

Half-Cell Potential의 측정에 의해 부식이 진행되고 있는 부위를 찾아내고, 등포텐셜선의 형태로부터 전면부식인가, 국부부식인가도 판단할 수 있다. 국부부식인 경우에는 그림1에서 점선으로 표시된 부분과 같이 0.2㎡정도의 작은 부위로 소용돌이 모양의 형태를 나타낸다. 전면부식인 경우에는 이와 달리 1.0㎡이상의 넓은 부위에 걸쳐 상대적으로 낮은 포텐셜값선에 의해 나타내진다.

 

콘크리트의 저항(Resistirity)은 콘크리트 수분함량의 일차적인 척도가 되기 때문에, 이 시험은 콘크리트의 젖은 부위를 파악하는 데 이용한다. Half-Cel Potential시험으로부터 부식이 진행되고 있음을 알고 있으면, 저항값의 역수와 포텐셜값의 곱으로부터 부식률을 평가할 수 있다.

콘크리트 내의 염화물 함량 및 콘크리트 표면으로부터의 깊이별로 염화물농도의 변화를 분석하여 부식위험정도를 알아 낼 수 있다. 페놀프탈레인 탄산염화 시험에 의해 콘크리트 표면으로부터 철근면까지의 콘크리트 피복 내에서의 개략적인 PH값의 변화를 알 수 있다. 그리고 피복두께에 대한 충분한 조사내용을 확보하여 탄산염화 및 염화물데이타를 분석하는데 이용할 수 있다.

초음파 펄스 속도 측정에 의해 콘크리트 품질을 평가하고 콘크리트내의 공극이나 파열부분을 찾아낼 수 있으며, 슈미트 해머는 콘크리트의 품질이 좋지 않은 표면을 찾아내는데 이용된다. 콘크리트 코아를 떠서 압축강도를 측정하는 것은 콘크리트의 내구성 평가에는 적합치 않다. 이는 이 시험이 파괴시험의 일종이므로 코아의 수에 제한이 있을 수밖에 없기 때문이며, 또한 고강도의 콘크리트이면서도 내구성은 매우 낮은 경우가 있어서 압축강도 자체만으로는 내구성에 대한 신뢰할 만한 기준이 될 수 없기 때문이다.

BS-CP110에서는 철근 콘크리트에 염화칼슘 혼화제의 사용을 금지하고, 큰크리트 배합시의 총염화물 함량 한계는 시멘트 중량에 대한 염화물 이온의 중량비로 철근콘크리트인 경우에 0.35%, PS콘크리트인 경우에 0.06%로 규제하고 있다. 이 때문에 0.35%라는 값이 부식이 발생되지 않는 한계값으로 일반적으로 인정되고 있다. 그러나 교량 슬래브에서의 염화물함량 데이터 분석에 의하면, 표1에서 보듯이 0.35%이상에서도 부식이 발생되지 않거나 혹은 그 이하에서도 부식이 발견될 수 있다. 다시말해 교량에서 염화물 농도의 측정만으로는 부식위치를 찾아내는데 적합치 못하며, 단지 부식의 원인을 파악하고 적절한 보수 조치를 강구하는 데 유용할 수 있을 뿐이다.

<표1> 염화율 함량데이터의 분석

Chloride range	0.2	0.20% to 0.35	0.35% to 0.50	0.50% to 1.0	1.0% to 1.5	1.5%
No. of cases investigated	99	86	43	105	59	54
No. showing corrosion	2	19	10	34	38	41
Percentage showing corrosion	2.0	22.1	23.3	32.4	64.4	75.9

Units % Cr by weight of cement

Ⅴ. 염화물로 인한 부식의 보수

이전에는 부식으로 인해 콘크리트 피복이 손상된 부위만 부수를 하였으나, 교량 슬래브에서는 양질상태의 콘크리트 아래에서도 심하게 국부부식된 철근이 발견되기도 하기 때문에 이는

타당치 않다. Half-Cell Potential측정을 하면 부식부위를 찾아내는 문제는 해결이 되지만, 보수를 어느 범위로 어떻게 할 것인가의 문제는 남는다.

부식된 철근 주위의 콘크리트를 제거하고 철근을 청소하면 이 부위의 양극(Anode)이 사라진다.여러가지 보수재료들을 사용하여 보수부위에서 더 이상의 부식을 효과적으로 방지할 수 있지만, 보수 부위의 인접부분 콘크리트가 상당량의 염화물을 함유하고 있으면 여기에서 다시 철근에 부식이 시작될 수 있다. 즉, 적절하게 보수작업을 한다 할지라도 인접부위에서의 새로운 부식을 촉진시킬 수 있다. 보수 전에, 보수할 부위의 바깥둘레에서 염화물로 오염된 콘크리트에 묻혀 있던 음극(Cathode)의 철근은 보수할 부위에서의 양극에 의해 방식되어 있다. 보수 중에 이 양극이 사라지면 이러한 방식효과는 사라지고 원래 응극이던 부위들이 양극으로 된다. 이러한 잠재양극 부위는 보수전에 포텐셜값 측정으로 탐지할 수 있다.

근본적인 보수를 위해서는 부식된 부분뿐만 아니라, Half-Cell 조사를 신중히 하면 탐지할 수 있는 잠재 양극 부위에도 보수 조치를 하여야 한다. 보수 방법으로서 에폭시 코팅한 철근을 사용하는 격리보수방법이 제안되고 하는데, 이 방법으로는 보수부위에서의 부식은 방지할 수 있지만 보수부위 주변 콘크리트에서의 양극의 형성을 예방할 수는 없다.

보통 국부부식의 부식생성물에는 상대적으로 고농도의 염화물 이온이 함유되어 있어서, 양극상태를 유지하면서 계속적으로 부식을 진행시킨다. 이를 제지하기 위해서는 부식생성물을 완전히 제거시켜야 하는 데, 이는 실제적으로 어렵기 때문에 국부부시된 철근을 교체 보수하는 것이 바람직하다.

음극화 과정은 산소감소의 과정이기 때문에 콘크리트 표면에 멤브레인(Surface Membrance)을 붙여서 산소와 수분을 배제시킴으로써 부식을 중지시킬 수도 있다. 그러나 구조물 전체를 멤브레인으로 코팅하기가 실제적으로 곤란하고, 또한 이 방법만으로는 기껏해야 산소와 수분함량의 점진적 감소를 통해 부식속도를 감소시킬 수 있을 뿐이다.

부식을 효과적으로 중지시킬 수 있는 방법은 음극방식(Cathodic Protection)이다. 이 방식방법은 철근의 전기적 포텐셜값(Elecetrical Potential)을 부식이 발생 혹은 성장하지 못하는 값으로 되도록 조절하는 방법이다. 현재로선 음극방식법을 철근콘크리트에 적용하는 데 약간의 어려운 문제들이 있으나 점차적으로 극복될 수 있을 것이다. 가장 중요한 문제중의 하나는 철근의 포텐셜 값을 장기적으로 관찰할 수 있도록 콘크리트내에 매설할 수 있는 전극봉(Electrode)을 확보하는 문제이다. 또 하나의 문제점은 음극방식법을 적용할 경우 교량슬래브에 방수용 멤브레인(Waterproofing membrance)을 사용할 수 없다는 점이다. 음극방식으로 철근을 보호할 수는 있지만, 방수 멤브레인이 없으면 교량의 내구성에 또다른 문제가 생길 것이다.

Ⅵ. 요약

부식은 교량의 상부구조·하부구조 어느 부위에서도 발생될 수 있으며, 보통 제설용 염의 사용에 기인한다.

하부구조의 부식은 흔히 이음부 누수, 부적절한 배수 혹은 차량으로부터 흘려지는 염(Salt)등과 관련있다.

하부구조에서는 주로 전면부식이 진행되는데, 부식속도가 대체로 느리지만 부식 생성물의 팽창에 의한 콘크리트 피복의 파손을 야기한다. 국부부식은 방수처리되지 않은 슬래브에서 발생하는데, 전면부식보다 훨씬 속도가 빠르고 철근단면이 국부적으로 심하게 감소되며 시각적으로 탐지하기가 용이치 않다. 이는 국부부식의 경우에는 콘크리트 파손이나 발청변색(Rust Staining)이 항상 나타나는 것이 아니고 또한 슬래브가 대개는 아스팔트 포장으로 씌워져 있기 때문이다.

여러 가지 현장조사결과를 조합하여 부식 철근의 위치를 찾아내고 부식의 정도·종류·원인을 파악하여 보수방법을 결정한다. 보수는 부식부위만을 보수하는 것도 일단은 효과적이지만, 그 부위의 인접 콘크리트에서의 양극의 발현으로 재부식을 야기할 수 있다. 이러한 문제를 해결하는 가장 신뢰할 만한 방법은 음극 방식법인데, 효과적으로 이 방법을 적용하기 위해서는 더욱 연구개발이 요구된다.