염해로 인한 CONC구조물의 하차

염해로 인한 콘크리트 구조물의 하자사례

종래에는 콘크리트 자체의 알칼리성에 의해 내부 철근의 부식을 방지한다는 생각으로 대개는 도장 등의 방식처리를 할 필요가 없다고 판단, 강구조물에 비해 콘크리트 구조물의 유지관리가 용이하다고 간주되어 왔으나, 염수가 해양대기의 영향을 받는 구조물에 있어서는 최근 콘크리트의 열화 및 철근의 부식이 두드러지고 있어 전세계적으로 그 현상에 관한 전반적인 조사와 아울러 그 대책을 새로이 강구하여 설계에 반영하는 추세이다.

3면이 바다고 둘러싸여 조력발전소 건설, 임해공업 단재의 확장, 항구도시의 신설 및 정비, 더욱이 기존시설들에 대한 보수등 장차 해안지역에서의 건설 공사의 비중이 작지 않은 국내실정을 감안하여 해양환경의 영향을 받는 콘크리트 구조물에 있어서는 설계 및 보수에 대한 지침을 마련하는데 도움이 되고자 대림산업(주)가 SAUDI JUBAIL에서 시공한 ELECTRIC MANHOLE의 설계와 염해에 대하여 소개하고자 한다.

Ⅰ. 공사개요

1. 공사공종 : Electric M/H, Duct Bank & Cabling

2. 현장위치 : Saudi AL-Jubail 페르시아만에 인접

Ⅱ. M/H 염분함량 TEST

시공완료후 2년여 기간이 경과한 시점에서, 내벽으로부터 CORE Test한 결과, 구조물중 다수가 유해염분농도기준(시멘트 중량비 0.4%)을 초과하고 있었고 외부결함 부위(Crack, Cavity 등)를 제외하고는 철근의 부식은 아직 진행되지 않은 상태였다.

그중 2개의 맨홀(#9625, #9626)에 대한 시험결과를 소개하면 다음 그림과 같다.

<그림1> MH #9625 염분함량 Test Result

<그림2> MH #9626 염분함량 Test Result

이들 염분함량 테스트가 보여주는 현상을 요약해 보면,

첫째, 맨홀 부위별로 정도의 차이는 있으나 내벽 표면에서 가장 농도가 높으며 core의 심도가 깊어질수록 그 농도가 감소하는 동일한 양상을 보이고 있으며<그림1>,<그림2> 참조

둘째, 동일한 맨홀에서 Roof쪽이 Floor쪽 보다 Content가 높은 경우 (MH#9625)도 있다는 점이다. 한편 <그림1>,<그림2>에서 보여주는 Chloride Content의 크기에 대해서는 콘크리트 중량에 대한 염소이온의 중량비를 %로 나타낸 것이지만, 콘크리트 중에는 부식에 관여하는 Cl-와 시멘트 수화물속에 고정되어 부식과는 무관한 Cl-의 두가지 염소이온이 존재하며 MH#9625에 대한 시험방법은 Acid를 사용하여 두가지 염소이온을 모두 추출해낸 결과치이므로 실제 부식에 대한 지표로서는 부적당하여 다만 Core 심도별 Chrolide Contamination의 변화추이를 알 수 있는 정도이다.

Ⅲ. 철근의 부식 Mechanism과 Chloride Content규제치

보통의 콘크리트는 pH가 높아(pH11-13) 그 내부의 철근은 불활성상태로 전재하게 된다.

그러나 외부요인에 의해 철근의 부동태가 깨어질 경우, 부식이 진행되는데 이러한 외부요인으로 두가지를 생각할 수 있다.

첫째는 콘크리트의 중성화로 콘크리트 내부의 수산화칼슘(Ca(OH)2)이 공기중의 CO2와 반응하여 콘크리트의 pH를 저하시키는 현상이며 반응식은 다음과 같다.
 

Ca(OH)2

 +CO2→

CaCO3

+H2O

   pH∼13

 

pH∼7

 

이는 Carbonation이라 불리는 대표적인 콘크리트의 노화현상으로 오랜시간을 두고 서서히 진행되는 것이 특징이다.

둘째는 염소이온에 의한 부동태 피막의 파괴로서 이는 주로 해수의 영향을 받는 지역에서 흔히 있는 현상이다. 일단, 부식이 시작되면 그 속도는 양극과 음극 사이의 용매의 전기 저항성과 음극에 산소공급이 얼마나 원활한가에 달려 있는데, 해양환경에서는 염소이온의 침입에 의해 콘크리트의 전기저항성이 매우 작으므로 산소공급량에 따라 부식의 속도가 좌우될 수밖에 없다. 이러한 철근의 부식과정을 식으로 나타내면 다음과 같다.

1. 염화물이 존재하고 산소가 없는 경우

ANODE(양극)영역

Fe+2Cl-→(Fe2++2Cl-)+2e-

         (Fe2++2CL-)+2H2O→

         Fe(OH2)+2H++2Cl-

CATHOD영역

6(FE2++2Cl-)+O2+6H2O→

 6Fe3O4(흑색)+12H++2Cl-

24시간 정도 경과후

4Fe3O4+O2+18H2O→6Fe2O3·3H2O(적갈색)

2. 산소가 존재하는 경우

ANode영역

Fe+2Cl-→Fe2++2Cl-+2e-

CATHOD영역
 

1

O2+H2O+2e-→2(OH)-

2

Fe2++2(OH)-→Fe(OH)2

4Fe(OH)2+2H2O+O2→4Fe(OH)3

2Fe(OH)3→Fe2O3+3H2O

상기 화학방정식에서 알 수 있듯이 염소(Cl-)는 철분의 이온화를 촉진시키는 역할을 하여 철근의 부식을 촉진시킬 뿐 반응의 생성물에 관여하지 않기 때문에 일단 콘크리트 내부에 함유된 Chloride는 계속적으로 Na+, Cl-형태로 남아 철근의 부식을 돕게 된다.

이러한 철근의 발청에 영향을 미치는 콘크리트중의 염소이온 (Cl-)의 한계치는 0.5∼2.5kg/㎥의 범위인 것이 여러 실험에 의해 확인되었으며, 그들을 토대로 염화물의 함유 허용치를 적용하고 있는데 각국의 염화물 함유량의 규제를 소개하면 <표1>과 같다

<표1> 각국의 염화물 함유량 규제

<표1> 각국의 염화물 함유량 규제
국    명	규    격	염화물 함유량의 규제	1㎥중의 C1­ 중량
영    국	BS CP110(구)	1)해산골재중의 염화물은 시멘트 중량의 0.1%(CaCl2로서)이하	1.92㎏/㎥
		2)혼화제로서 CaCl2를 이용하는 경우:해산골재 함유분과외 합이 1.5%(CaCl2로서)이하
		3)알루미나 시멘트를 사용하는 경우, Prestressed Con.c(PC)의 경우:시멘트 중량의 0.1%이하	2.87
		시멘트중량에 대한 전염화물은, 일반 RC:0.4%, 내황산시멘트사용:0.2%, PC(고온양생RC):0.1%
	BS 8110-85	(혼화제:혼화제의 2% 정도는 시멘트의 0.03%)	0.29
	Part 1	해산골재의 염화물량은 시멘트량의 0.5%(cacl2로서)이하
		1)해산골재중의 염화물량은 세골재로서 0.10% 조골재로서 0.03%(모두 Nacl기준)이하	1.2,
		2)1)의 규정을 만족하는 경우도, Nacl전량이 시멘트 중량의 0.32%이하	0.6,
			0.45 (0.30)
	Covernment of
	Environment
	Greater
	London Council
			0.96
			-0.49
			0.58
프 랑 스	DUT 21.4	1)무근 Mortar 콘크리트 또는 피복두께 4㎝의 RC에 대하여 시멘트 중량의 2%(CaCl2로서)	3.87
		2)피복두께 2㎝의 RC로는 시멘트 중량의 1%(CaCl2로서)
		3)RC용 Water의 염화물은 0.25g/ι(Cl-)	1.94
			-0.04
서    독	DIN 4226-83	골재중의 수용성 염화물은	0.61(0.16)
		Preten.PC, pc grout(DIN 4227):0.02%(Cl2)이하	0.62(0.32)
		RC(DIN1045), post PC(DIN 4227):0.04%(Cl2)이하
		(시멘트중의 염화물은, 시멘트중량의 0.1%(Cl2))	RC:0.30, PC:0.45
덴마아크		단위 시멘트량 300㎏/㎥의 콘크리트에 대하여 2%(CaCl2로서)이하
미    국	ACI 301-72	염화칼숨(CaCl2 2H2O로서)의 혼화는 시멘트중량의 2%이하	2.92
		1)PC:Cl-중량환산 가용성 염화물량이 시멘트중량의 0.06%이하
	ACI 318-83	2)RC(염분영향하):  〃   0.15%이하	0.27
		RC(일반환경하):  〃   0.30%이하
		RC(건조상태하):  〃   1.00%이하	0.45
		1)PC:Cl-경화후 산추출염화물량이 시멘트중량의 0.08%이하	0.9
		2)RC:       〃          0.20%이하	3
	ACI222R-85		0.36
	추산치
			0.6
일    본	일본건축학회	세골재(Ⅰ급)에 대해 0.04% 이하(NaCl로서)	0.19
	(구 JASS5)	세골재(Ⅱ,Ⅲ급)에 대해0.10% 이하(NaCl로서)
	JASS 5-86	콘크리트에 함유된 염화물량은 염소이온량으로서 0.3kg/㎥이하, 부득이 이것을 초과하는 경우는 철근방청에 유효한 대책을 강구하여야 하며 그방법은 특기되어 있다. 단, 이 경우도 염화물은 염소이온량으로서 0.6kg/㎥를 초과하면 안된다.	0.49
		1)일반 RC구조로는 해사의 건조비중에 대하여 0.1%(NaCl로서)미만
		1)Pretension 부재로서 주구조, 환경조건이 좋지 않은 곳에 사용하는 것 또는 post tension부재의 PC grout에는 모래의 절대건조중량에 대하여 0.03%	0.30 (0.60)
		2)기타의 경우에는, 시멘트중량의 0.1%에 상당하는 양 이하로서 구조물의 중요도, 환경조건에 따라 적절히 정한다.
		1)일반RC, Postten, PC:콘크리트중의 전염소이온중량 0.6kg/㎥이하
		2)내구성이 특히 요구되는 RC, Postten, PC로서 염해랑 전식이 우려되는 경우 또는 PC:perstressed Conc중의 전 염소이온 중량 0.6kg/㎥이하
	토목학회		0.49 (0.25→grout)
	RC 시방서(구)
	PC 시방서(구)
			0.29
			0.6
	EONC시방서
			0.3

 

 

주)Cl-중량환산에는 단위 시멘트량 RC:300kg/㎥, PC:450kg/㎥, 콘크리트 단위중량 2,300kg/㎥ 단위세골제량 800kg/㎥를 이용하였다.

국내의 경우는 콘크리트 표준시방서에 해사를 잔골재로 사용할 때 염화물의 허용한도는 구조물의 종류, 중요도, 환경조건 기타에 따라 감독관이 정하는 것으로 되어 있으며 단지, 해사에 대해서만 해사의 절대건조 중량에 대하여 NaCl로 환산하여 0.10%를 그 표준 허용한도로 정하고 있다.

Ⅳ. 현상에 대한 원인과 설계상의 문제점 고찰

앞에서 MH#9625, 9626의 chloride Content Test가 보여주는 것처럼 맨홀내벽 표면에서 염분농도가 가장 높고 Core의 심도가 깊어질수록 그 농도가 떨어지는 현상은 염분의 영향을 받는 콘크리트 구조물에 나타나는 보편적인 현상이지만 본 현장구조물의 경우는 다음의 2가지 방향에서 생각해 볼 수 있다.

1. 외벽방수 불충분으로 인한 지하수 침투가능성

맨혹의 설계 벽체두께는 30㎝정도이며, 방수는 외벽면을 Liquid Asphalt로 3회 도포하도록 되어있으나 구조물 주변의 지하수위가 매우 높은 반면 (GL-0.1m정도) 기후조건이 밀실한 콘크리트를 형성하기에 매우 불리하다는 점, 바닷가가 근접한 연유로 지하수가 염분을 다량 함유하고 있다는 점 등의 환경조건을 고려할 때 S/S현장 맨홀의 방수설계는 불충분하다고 판단되며 따라서 염소함유량이 높은 외부지하수가 오랜 시간을 두고 서서히 방수층을 통과, 내부 공극을 경우, 맨홀 내벽표면에 도달하여 Evaporation을 일으킴으로써 내벽 표면에서 농도를 증가시킨 것으로 추정된다.

참고로 일본에서의 구조물 방수설계 예를 본 현장과 비교해 보면 <표2>와 같다.

<표2> 일본동경지하철 방수 표준설계와의 비교

<표2> 일본동경지하철 방수 표준설계와의 비교

ITEM         /         구분	Jubail S/S	일본동경지하철
방수 Type	Liquid Asphalt 3회	햇션클로스와 As.Felt교차 3층 방수+전후 Blown Asphalt 4회도포
프라이마층	무	유
Total Thickness	0.38mm이상	8mm 이상
Protection	13mm 이상 Polystyrene Board	30mm이상 보호 Mortar

 

 

일본 지하철의 경우 지하수위가 대체로 높고 염수의 영향을 받는 곳도 종종 있으므로 그 설계기준은 본 현장 방수설계에도 유사적용이 가능하며 오히려 S/S현장 구조물 방수는 확실히 염해가 우려되는 지역임을 감안할 때 동경지하철 방수 이상으로 그 설계가 보강되어야 한다는 것을 느낄 수 있다.

한편, 국내에서도 지하구조물의 외벽방수는 거의 Sheet계열방수를 근간으로 하고 있으며 구조물의 중요도에 따라 더욱 보강이 되고 있는 실정이다.

이처럼 S/S현장의 방수가 불충분하다는 점을 뒷받침하는 현상으로 현장 Inspection시 맨홀에서 부분적으로 소금기, 즉 백화현상(efflorescence)이 발견되었음을 들 수 있다. 이러한 현상을 구체적으로 확인할 수 있는 방법으로, 현장에서 공시체를 제작하여 시방서의 방수조건을 적용한 뒤 특수시험을 통하여 방수효과를 시험해 보는 방법이 있다는 점도 부언한다.

<표3><표4>는 동경지하철의 방수 설계기준을 상세히 보여주고 있다.              

<표3> 방수층 시공순서

명  칭	저부2층	저부3층	측부3층	정부3층,중상3층
시공개소 층별	2선부 정차 장부 (통로포함)	계단부 승강장 연락 지하도	각부동일	각부동일
			아스팔트프라이머	동좌
	블로운아스팔트 (도장2회)	동 좌 (동좌)	동 좌 (동좌)	동 좌 (도장1회)
제1층	아스팔트 펠트	동좌	헷션 크로스	아스팔트 펠트
	블로운아스팔트 (도장1회)	동 좌 (동좌)	동 좌 (도장2회)	동 좌 (도장1회)
제2층	헷션 크로스	동 좌	아스팔트 펠트	동 좌
	블로운아스팔트 (도장2회)	동 좌 (동좌)	동 좌 (도장1회)	동 좌 (도장2회)
제3층		아스팔트 펠트	헷션 크로스	아스팔스 펠트
		블로운아스팔트 (도장2회)	동 좌 (동좌)	동 좌 (동좌)

<표4> 재료의 표준사용량 및 완성치수

명  칭		저부2층	저부3층	축부3층	정부3층 중상3층
시공개소 재료별		2선부   정거장부   (통로포함)	승강장   연락   지하도	각부 동일	각부 동일
블 로 운 아스팔트	kg/㎥	6.5	9.1	11.2	7.8
헷    션 크 로 스	㎥/㎥	1.25	1.25	2.34	1.17
아스팔트 펠    트	㎥/㎥	1.25	2.34	1.17	2.34
완성치수	mm이상	5	8	8	8

 

 

2. 공기중의 염소가스(Cl2)가 용해되었을 가능

공기중의 Cl2가 맨홀내벽표면상의 습기에 용해되고 다시 Evaporation에 의한 수분의 증발로 농도가 점차 증가하는 현상이 수년간 되풀이되어, 내벽표면에서의 농도증가가 구체콘크리트 내부로 확산되는 현상으로 이는 해수와 직접 접촉하지는 않지만 해수와 가까워 습기(Moisture) 및 염소가스(Cl2)의 영향을 많이 받는 해안구조물에 나타나는 현상으로서 이는 해수의 염분 농도, 구조물의 연령에 따라 염해의 정도가 다르다.

이러한 현상은 맨홀 내벽표면에서 Chloride Content가 가장 높은 시험결과로부터 유추해 볼 수 있다.

<그림3>는 콘크리트 표면에서의 염분농도와 표면에서의 거리(심도), 염분의 영향을 받는 시간 등에 따른 염분량의 계산도표이다. 이 그림으로부터 우리는 해양대기와 접촉하는 콘크리트 구조물은 그 표면에서 염분의 농도가 가장 높으며 그 정도는 노출기간이 길수록 더해가고 있다는 것을 알 수 있으며 구체내부로 들어갈수록 그 농도가 감소하되 내부 어느 정도 깊이까지 미치는가는 콘크리트의 확산계수(Dc)에 달려있음을 볼 수 있는 한편, 역으로 확산계수 Dc=5×10-8㎠/s정도일 때 염분의 표면농도 5%에서 구조물내부 철근이 10년이 지난 후에도 부식되지 않으려면 콘크리트 피복이 최소한 75mm이상이어야 한다는 사실도 유추해 볼 수 있다. 이러한 확산계수에 가장 큰 영향을 미치는 것은 콘크리트 타설 및 양생시의 물시멘트비(W/C)와 온도라고 할 수 있다.

<그림> 염분량의 계산치

<표5> 보통 Portland Cenent Paste의 확산계수(10-8㎠/s)

<표5> 보통 Portland Cenent Paste의 확산계수(10^-8㎠/s)

W/C 온도(℃)	0.4	0.5	0.6
14.5 25.0 35.0	1.27 2.60 4.47	2.35 4.47 9.48	8.46 12.35 16.52

 

<표5>는 콘크리트의 물 시멘트비와 온도에 따라 확산계수(Dc)를 나타내고 있는데 쥬베일 S/S현장의 경우를 추정해 볼 때 W/C=0.5이상이며 온도는 35℃로 보아 Dc≒10×10-8㎠/s이상으로 판단하며 <그림4>에서의 아래 쪽 그래프(Dc=5×10-8㎠/s일 때)를 근거로 추산하면 확산의 정도는 즉, 표면에서의 염분의 영향이 미치는 심도는 이보다 훨씬 크리라는 것을 쉽게 짐작할 수 있다. 어쨌든, 공기중의 염소가스가 콘크리트 구조물 표면으로부터 용해되어 구조물 내부로 확산되는 현상은 해안대기의 영향을 받는 구조물에서 볼 수 있는 보편적인 현상이며, 이는 구조물 설계에 고려되어야 할 중요한 사항이라고 볼 수 있다.

즉, 이러한 현상으로부터 구체 콘크리트와 내부철근을 보호하여 구조물의 내구성을 높이기 위해서는 종래의 방식과는 달리, 해양대기와 접촉하는 콘크리트 표면에 Damp Proofing Barrier를 두거나 콘크리트 피복두께를 늘리거나 철근에 방청처리를 하는 등의 조치가 필요하다고 판단된다.

그러나, S/S현장의 경우 맨홀벽체 콘크리트의 샪근에 대한 피복두께는 지하수 및 흙과 접하는 외벽은 75mm, 해양대기와 접하는 내변은 40mm로 되어 있으며 철근에 대한 방청처리는 고려되어 있지 않다.

이제 내벽측의 40mm 피복에 대하여 앞에서 보여준 염분량 계산을 위한 그래프<그림3>을 참고로 MH#9625의 경우 (<그림1>참고)를 생각해 보기로 한다.

내벽표면에서의 염분량(%)은
 

0.35%×

2,300kg

≒2%

370kg

콘크리트 중량에 대한 값을 시멘트 중량에 대한 값으로 환산

이때, <그림4>의 Graph에서 확산계수 Dc=5×10-8일 때10년후의 염분 함유량은 유해농도인 0.4%를 나타내고 있다. 한편, MH#9625의 경우 확산계수 DC가 DC=5×10-8㎠/s보다 클 것으로 판단되므로 유행농도 0.4가 되는 위치는 75mm보다 깊을 것으로 추정되며 설계내구 연한이 10년을 초과하면 그 위치는 더더욱 깊어질 것으로 판단된다.

따라서 본 설계의 피복두께는 40mm는 불충분하며 최소한 75mm이상의 피복을 유지하거나 철근에 별도의 방청처리가 필요하다고 할 수 있다.

<그림4>는 방청처리벼로 철근의 피복두께에 따른 발청면적률을 보여주는데 40mm정도의 피복두께에는 아연도금처리 혹은 에폭시 코팅을 할 필요가 있음을 쉽게 알 수 있다. 즉, 일반철근의 경우 방청처리한 철근과 비교하여 40%에 가까운 발청률을 나타내고 있다.

Ⅴ. 결론

쥬베일 S/S현장 맨홀의 Chloride또는 해양대기와 접촉하고 있는 내벽면으로부터 염소가스가 용해되어 콘크리트 내부로 확산됨에 기인한다고 볼 수 있으며 특히, 호주의 경우에 있어 내부벽면측 철근피복두께 40mm는 절대부족하여 별도의 방청처리를 하거나 피복두께를 충분히 크게 하는 등 설계상의 보완이 필요했었다는 점에 비추어, 앞으로의 국내공사에는 해수와 직접 접하는 구조물 뿐만아니라 (현재, 콘크리트 표준 시방서에는 피복두께를 심한 기상작용을 받는 부분에서 4∼5mm이상으로 해수의 작용을 받는 구조물에서는 7.5㎝이상으로 규정하고 있다) 해양대기의 영향을 받는 구조물의 설계에도 그 중요도 및 염해의 정도에 따라 적절한 보호조치가 이루어져야 할 것이다.

토막상식

半導體    

I.C회로, 소형화 輕量化의 핵심 역할    

전기가 통하는 導體와 통하지 않는 절연體의 중간 성질을 가진 물질인 반도체는 열이나 불순물의 혼합방법에 따라 전기가 통하는 정도가 달라진다. 이러한 성질을 이용하여 진공관과 같은 기능을 하도록 할 수 있다.  

반도체의  集積回路(I.C=Integrated Circuit)는 수mm의 반도체 基板내에 프렌지스터·저항 등 필요한 부품을 넣어 접속시켜 전자회로를 만든 것.

각종 전자기기는 여러 가지 기능을 가진 회로로 구성되는데 I.C회로를 사용함으로써 소형화·경량화가 급속히 이루어졌고, VTR등 가전제품은 물론 O·A기기·자동차 등 모든 분야에서 I.C가 쓰이고 있다.

「産業의 쌀」이라고 불리는 I.C는 동작이나 구조의 차이에 따라 MOS(금속산화막 반도체)형과 바이폴라(Bipolar)형으로, 또 기능에 따라 메모리(기억소자)와 로직(논리소자)으로 대별하며, 集積度에 따라 소규모 직접회로(SSI), 중규모 집적회로(MSL), 최대규모 직접회로(VLSI=하나의 Chip에 10만 소자 이상을 집적한 것)등으로 불린다.

반도체의 종류로는 단원소 반도체(실리콘게르마늄)과 화합물 반도체(갈륨-비소 반도체)가 있다.