콘크리트구조물 결함의 조사 5

콘크리트 構造物 缺陷의 調査

E. 鐵筋과 PC鋼材의 腐蝕

Ⅰ. 鐵筋의 腐蝕

1. 槪要

철근 콘크리트 구조물의 내구성은 콘크리트의 균열에 의해 크게 달라진다. 균열이 구조물의 耐力에 영향을 주는 정도가 아닌 경우에도, 철근이 부식될 기회를 만들며, 더구나 균열을 통해 침입한 雨水의 凍結融解에 의해 콘크리트가 침식을 받고, 구조물의 내구성을 현저하게 해치는 경우가 있다.

부식성 용액의 침투에 의한 철근의 부식은 약품 및 오수처리시설을 포함한 구조물이나, 고염화물을 함유하는 海水에 접하는 구조물 등에 일어나며, 이것의 발생을 방지하는데는 수밀성이 좋은 양질의 콘크리트를 사용하고, 철근의 피복두께를 충분히 하거나 耐蝕性인 철근을 사용하여야 한다.

콘크리트속에 철근의 부식을 촉진하는 요소가 존재하는 경우에는 단기간에 철근의 녹발생 및 콘크리트 균열발생현상이 일어난다.

<그림1-3>은 일본에서 철근콘크리트 Girer의 균열을 조사한 결과를 정리한 것이며, 콘크리트의 균열폭과 철근 부식과의 관계를 실제 구조물에서의 균열조사에 의하여 어느 정도 조사할 수 있다.

<그림1>, <그림2>, <그림3>

조사한 범위에서는 보통 정도의 환경조건하에서는 최대균열폭 0.3mm정도이어도 철근의 부식은 확인할 수 없었다.

이와같이 철근이 부식할 가능성은 철근콘크리트 부재의 주변환경, 균열폭의 최대치, 균열의 方向, 콘크리트의 品質, 피복두께, 철근의 재질, 직경 등에 관계가 있는 것이다.

2. 녹에 의한 콘크리트의 변색조사

구조물의 손상에 대하여 보수, 보강이 필요한지 어떤지 판정하려면 손상정도의 중대성이 따르는 것은 당연한데, 조사시에는 문제시되지 않는 손상도 장래 구조물에 중대한 영향을 미치는 손상으로 발전할 가능성이 잇는지 어떤지, 사용조건, 환경조건이 구조물의 손상에 미치는 영향, 또 그대로 방치한 경우의 장래의 보강, 보수방법 등을 종합적으로 판단하여 결정할 필요가 있다.

구조물의 변형조사에서 균열의 조사와 같이 철근의 부식조사는 매우 중요한 조사항목이다. 철근 콘크리트 구조물의 철근의 부식은 구조물의 내구성에 큰 영향을 미친다. 내하력의 감소를 일으키고 구조물을 파괴에 이르게 할 염려가 있다.

하중에 의한 균열폭이 크다든지 균열부근의 철근이 녹슬고, 콘크리트의 중성화가 진행되어 주철근에 연하여 녹에 의한 균열이 발생한 경우에는, 철근이 상당히 녹슬어 있다고 생각된다. 이와 같은 경우 철근의 녹이 콘크리트에 침투하여 콘크리트 표면에 녹물이 들어 변색되는 경우가 많다. 또한 철근의 피복두께가 적은 경우, 시간경과에 따른 콘크리트의 중성화가 진행되어 콘크리트속의 철근이 녹이 슬고, 또 철근에 연하여 균열이 발생하지 않은 상태에서도 철근의 녹에 의해 콘크리트 표면을 변색시킨다. 이와같이 콘크리트속의 철근이 녹스는 진행상황을 추정하기 위해서 콘크리트 표면의 변색상태를 조사할 필요가 있다.

(1) 변색부분의 너비 조사

콘크리트 표면의 녹에 의한 변색부분 표시를 하여 시간경과에 따른 변색부분의 너비와 진보속도를 조사한다.

(2) 햄머에 의한 打音調査

콘크리트 변색부분을 검사용 햄머에 의해 타격하여 그 타음에 의해 표면콘크리트가 들떠 있는지를 조사한다.

(3) 칼라사진에 의한 변색의 색도조사

시간이 경과한 시점마다 3-4매의 변색부분의 칼라사진을 찍어 변색부의 색농도 변화를 조사한다.

3. 녹에 의한 부식정도의 조사

철근에 녹이 상당히 슬어있다고 생각되는 경우에는 이 부분의 콘크리트를 제거하고 철근을 노출시켜 부식정도를 조사한다. 철근의 녹은 균열면에서 발생하고, 철근의 표면에 산화막을 만든 후 발달하며, 하중, 외력 등에 의하여 산화막이 파괴되면 녹의 진행을 조장하여 철근단면적의 감소에 의한 응력의 증대를 수반한다.

(1) 노출철근종류의 조사

노출된 철근의 주철근,  配力  Stirrup등의 종류를 조사하여 그 종별을 확인한다.

(2) 鐵筋이 녹슨 범위의 조사

노출된 철근의 녹이 발생되어 있는 개소의 길이, 철근주위의 녹상황 등을 조사한다.

(3) 철근단면적의 감소 조사

철근의 산화피막을 Wire Bursh등에 의해 제거한후 철근의 유효단면적을 측정한다.

(4) 콘크리트의 중성화 조사

콘크리트의 열화정도의 조사는 구조물의 내력 및 내구성 검토상 필요하다. 구조물을 철근 깊이까지 파내서 페놀프탈레인 1%용액을 噴霧한다. 콘크리트가 알칼리성이면 붉은색을 띠고 중성화되어 있으면 착색되지 않는다.

철근이 붉은 색 범위밖에 있으면 空氣中과 같은 정도로 녹이 진행된다고 생각하여도 좋다.

4. 철근표출에 의한 응력측정

철근콘크리트 구조물의 강도를 추정하기 위한 시험방법에는 비파괴강도시험 및 직접강도시험이 일반적으로 실시되고 있다. 비파괴강도시험은 시험결과에 변동이 심한 경우가 많으며 명확하지 않아서, 신뢰성이 부족하다.

따라서 이러한 결과는 어디까지나 비교자료로서 이용되며, 기본적으로는 직접강도시험에 따라야 한다.

구조물의 응력 측정은 재하하중에 의한 부재의 변형량을 측정하여 部材에 발생하는 응력을 구한다. 변형량은 Strain Guage에 의해 전기적으로 측정한다. 일반적으로는 압축부는 콘크리트에 , 인장부는 철근을 표출시키고 그 부위에 Strain-Guage를 붙이는데, 콘크리트는 영계수가 불명확한 경우가 많으므로 압축부도 철근에 붙이는 것이 좋다.

구조물의 변형은 일반적으로 活河重載荷에 의한 측정이 가능하며, 死荷重을 포함한 전응력의 추정에는 주의를 요한다. 특히 사하중에 의한 변형을 구할 경우에는 철근에 Strain-Guage를 붙인후, 철근을 절단하여 철근의 압축변형을 측정하고 응력도를 구하는 방법이 있다. 그러나 철근을 切取하는 것은 부재의 내력에 큰 영향을 주므로 채취장소의 선정에 주의하고 사후처리를 충분히 하여야 한다.

철근을 표출시켜서 재하하중에 의해 측정한 경우에는 그 측정치를 검토하여 구조물의 내력을 추정하고, 특히 설계시 단면에 고려되지 않은 배수구배콘크리트, 교량보도부 등도 유효단면으로 고려한 계산치와의 비교하여야 한다. 응력측정결과에 근거하여 철도교에서의 통상의 판단기준을 나타내면 아래와 같다.

(1) 계산 또는 재하시험에 의해 구해진 콘크리트 및 철근의 응력도가 콘크리트 실측강도의 75%를 넘거나, 또는 철근의 降伏點應力度를 넘는 경우에는 바로 보강조치를 할 필요가 있다. 이 한계치의 75%값은 안전율을 1.3정도로 한 것이며, 이 경우 파괴시 콘크리트변형에 대하여 약1/2정도로 추정되므로, 변형에 의한 파괴가 발생하는 경우는 없다고 생각되고 있는 것이다.

(2) 계산 또는 재하시험에서 구해진 콘크리트 또는 철근의 응력도가 어쨌든 허용응력도를 초과하는데, 콘크리트는 실측강도의 75%정도를 넘지 않고 철근은 降伏點應力度를 초과하지 않는 경우는, 가능한 한 빠른 시기에 보강 또는 보수할 필요가 있다.

(3) 계산 또는 재하시험에 의해 구해진 콘크리트 및 철근의 응력도가 각각 허용응력도를 넘지 않는 경우에는 설계상의 제조건을 만족하고 현재까지 유해한 외적영향을 받지 않은 것으로 한다.

Ⅱ. PC鋼材의 腐蝕

1. 槪要

프리스트레스트 콘크리트에서는 강재응력이 매우 높으므로 부식에 의한 판단의 위험성이 크다.

부식의 형태로서는 표면부식, 孔蝕, 應力腐蝕 및 水素脆化등을 들 수 있는데 PC鋼奉이나 오일템퍼선과 같은 열처리재에서는 응력부식에 의한 鋼材破斷의 사례가 많다.

응력부식파괴는 어느 정도 크기의 인장응력을 받고 있는 금속재료가 부식성 분위기에 놓여서 상당시간 경과한 때, 突然발성적으로 파괴하는 일종의 자연 파괴현상이며 응력부식에 대한 감수성은 열처리재쪽이 冷間引拔材보다 높다.

<사진1> 은 응력부식에 의해 파단된 PC강봉의 부식상태를 나타낸 것이다. 파단된 강봉을 회수한 시점에서 평행부 표면에 일정한 발청이 있는 것, 전면부식뿐만 아니라 국소적으로 비교적 깊은 孔狀부식이 나타나는 것, 길이 數cm에 이르는 강장부식을 나타나는 것, 나사부에서의 나사산이 부식되어 완전히 없어진 것 등이 있다. 전면부식되어 있는 경우에는 sheeth안에 Grout의 주입이 보이지 않고, 부식의 상태는 일정하며, 국부부식인 경우에는 어느 정도 Grout가 주입되어 있고 부식부와 신품의 느낌을 나타내는 부분이 동일Sheet내에 倂存한다. 파단면은 PC. 강봉의 축에 거의 직각이며, 판단기점을 갖고 이 기점으로 향하여 집중되는 파도형태가 나타난다. 또한 염화칼슘을 다량으로 함유한 콘크리트나 Grout를 사용한 구조물에서는 냉간인발선에서도 응력부식에 의나 판단을 일으킨 예가 있으며, 또 알루미나분이 많은 시멘트를 사용한 PC부재의 變狀이 강재의 수소脆化에 의한 파괴의 예로서 보고되고 있다. PC강재에 대한 부식환경으로서는 대기나 우수 등이 침입 또는 관통하는 균열이나 이음절단 부분을 갖는 Sheeth내부, 손질하지 않은 재료분리부, 空洞部등을 들 수 있다.

2. 균열이 조사

적당한 재료를 선정하여 설계 및 시공에 주의하여도 콘크리트 구조물에서는 균열이 발생할 기회가 많다.

프리스트레스트 콘크리트에서는 특히, 初期材令의 콘크리트에 큰 외력을 작용시킴으로 인한 문제를 여기에 부가하여 생각하여야 한다. 균열을 조사하여 이것을 확인하므로써, 그 구조물의 손상의 정도, 나아가서는 구조물의 내력을 어느 정도까지 판단할 수 있다.

따라서 콘크리트 구조물의 健全度를 판정하기 위해서는, 균열의 성질이나 그 발생상태 및 발생원인등을 명확히 밝히는 것이 주요한 사항의 하나로 된다.

PC行에 발생한 균열의 여러 가지 예를 <그림4>에 의해 나타냈다.

3. 放射線 透過에 의한 그라우트의 調査

PC부대에서 케이블덕트내로의 Grout주입불량은 주변의 균열과 함께 PC강재에 대한 부식환경을 형성하여 PC강재부식의 조장, 나아가서는 破斷을 일으키는 원인으로 되고 있다. 따라서 Grout가 불확실한 상태에 있는 것에 대해서는 그 주입상태의 조사를 실시하고 , 재주입을 실시하여 보수를 할 필요가 있다. 철도교에서 실시한 PC Girder교의 횡제강봉에 대한 조사에서 교측보도부까지 PC강봉을 연장하여 보도부측면에서 정착되어 있는 것에 대해서는 보도부 Slab콘크리트의 상면을 떼에내고 또, 주항만을 횡제하여 T항상돌선의 측면에서 강봉이 정착되어 있는 것에 대해서는 항간의 채움 콘크리트를 하면부터 떼어내어, Sheeth를 깨서 Grout의 주입유무를 직접확인하도록 한다. 주입상태의 확인방법으로서는 그밖에 여러 가지 방법이 고려될 수 있으나, 주입의 실태가 다양하여, 최종적으로는 직접적인 수단에 의존할 수밖에 없다. 이와같이 확인의 방법으로서 부재 콘크리트를 떼어내고 개구하여 직접적으로 Sheeth를 확인하는 방법은 확실하지만 개구, 확인, 보수 등의 방법이나 프리스트레스를 받고 있는 비교적 얇은 부재를 파손시키는 것에 대한 문제와 제거 작업의 성질상 확인할 수 있는 위치가 한정되는 나쁜점이 있다.

부재를 손상시키지 않고, 확인이 쉽게 또한 목적에 알맞는 한가지 방법으고서 콘크리트 부재에 방사선을 투과시켜서 사진을 찍고 이 사진에 의해 Grout주입의 양부를 판단하는 것은 부재치수, 부재내의 PC강재배치상태의 여하에 따라서 가능하다.

이 방법은 방사선의 물질투과작용 및 암광제를 감광시키는 작용을 이용하여, 이것을 콘크리트에 照射하여 그 투과량을 측정하거나 또는 투과 사진을 찍는 등으로 피검사체의 콘크리트를 훼손하지 않고, 그 물리적 성질을 조사하거나 또는 콘크리트 내부에 배치된 철근이나 公同의 유무, 크기 등을 탐지할 수 잇는 검사방법이다.

콘크리트의 비파괴검사용으로는 방사선원으로서 ⁶⁰CO, ¹⁹²Ir, ¹³⁷Cs 및 X선 발생장치 등이 이용되는데, 지금까지 실시된 구조물에서의 콘크리트의 비파괴검사에서는 주로 방사성동위원소에서 방사된 r선에 의한 방사선 투과사진 撮影이 실시되고 있다. 이 경우 실용상, 피사체의 재질과 두께에 알맞는 에너지의 r선을 방사하는 璿源이 선정된다. <표1>은 코발트 60투과장치의 일종으로 이 장치의 사양 구성의 구성이다.

<표1> 방사성투과시험장치

일반적으로 조사장치는 안전취급상, 적절한 수납용기를 가지며, 원격조작(원격조작)에 의한 조사가 가능하며 누설선량이 적고, 그 형상이나 중량도 높은 장소 또는 좁고 험한곳의 작업에 알맞는 것이 좋다.

PCGirder에서 PC강재 주변으로 Grout가 충전되는 상황을 X선을 사용하여 실험실에서 실시하면 공시체는 <그림5>에 나타낸 구조로서 내부에 직경 30, 35 및 40m/m의 sheeth를 피복두께를 변화시켜 재치하고 콘크리트를 타설하여, PC강봉을 삽입한 후, Sheeth내의 일부에 시멘트 밀크를 주입하여 강봉이 Grout에 묻힌 부분과 노출상태로 되어 있는 부분을 만들고, 각각의 부분에 X선을 투과시켜, X선의 투과비율의 다과에 의해 필름의 흑화정도가 다르고 여기에서 Grout주입을 양부를 판단할 수 있다.

실내시험에 이어서 현장에서 투과 사진촬영을 하면 (방사선원으로 이리듐, 192r선을 사용하고 <그림6>에 나타낸 것처럼 촬영배치로서 선원원가조작하고, 파나라마조사를 실시했다. 촬영은 조사시분에 3분, 그리고 필름의 현상에 5분을 요한다) 현상된 필름에서 바로 현장 Grout주임의 양우, PC강봉의 외형, Sheeth의 요철이나 파손 등을 어느 정도까지 판별할 수 있다.

Gtout주입의 양우에 관해서는 이와같이 하여 동일조건하에서 동일 수법에 의해 촬영한 많은 필름을 서로 비교하므로써, 또는 미리 미리 준비해 둔 기준이 되는 상태의 필름과 대조하므로써 보다 확실히 주입상황을 알 수 있다.

4. PC강재의 열영향의 조사

Girder식 고가나 입체교차를 위한 교챵으로서 시가지등의 강고이 밀집한 지역에서도 PC Girder가 빈번히 사용되고 있는 것이 현실이며, 장기적으로 생각하면 이러한 PC Girder가 화재를 입는 경우, Girder로서는 내화능력의 저하 및 부재 콘크리트의 폭락, 폭력등이 문제시되는데, 부재두께가 얇은 PC판과 같은 것이 강열을 받는 경우와는 달리, 보통의 Post-tension 방식 Girder정도의 부재치수라고 한다면 폭열은 일어나지 않는다고 알려져 있다.

PC Girder도 RC구조와 같이 내화구조물의 하나라고 생각하면, PC Girder를 화재에서 안전하게 보호하기 위한 주요한 대책은 높은 인장력을 갖는 PC강재에 대한 火熱의 영향을 밝혀서 이것을 방호하고, 내화성을 증강시키는 것이다.

PC Girder의 耐火性을 확인할 목적으로 실시한 시험Girder에 의한 화재실험에서는, 화재중에서의 PC Girder내부의 온도측정을 실시하고 , 부재 콘크리트 및 PC 鋼線의 온도를 각각 계측하고 있다. 실험에 있어서 화재의 단속시간은 2시간 10분, 이 사이의 최고온도는 1120℃로 되고, 부재내의 여러곳에 위치한 PC강선(Φ7) 의 시간경과에 따른 온도상승은 30분경과후에 최고 100℃, 1시간 경과후에 최고 200℃정도로 되고, 160분 경과시에는 460℃의 최고치에 달해있다. 이 시험에 사용한 PC鋼線의 인장시험 결과에서는, 300℃이하의 가열에 의해서 냉각후의 강도는 原材와 거의 변하지 않고, 320℃부근에서 다소의 저하를 나타내고 400℃이상으로 되면 인장강도는 급저하한다고 기록되어 있다.

일반적으로 온도상승에 의한 PC강재의 기계적 성질의 변화는 상승온도의 정도에 따라 대략 다음과 같이 된다.

(1) 상온∼200℃

인장강도, 탄성계수는 거의 변화되지 않고, 降伏點 탄성한도는 온도상승과 더불어 저하한다.

(2) 250∼400℃

가열시의 인장강도, 降伏點등은 저하하는데, 냉각후의 강도는 그다지 변하지 않는다.

(3) 400℃이상

가열시 강도는 상온시의 1/2이하로 되며, 냉각후도 강도는 저하되고 연신율이 증대한다.

<그림7>은 PC 鋼線(Blueing재 φ5)의 고온시 인장특성의 일례를 나타낸 것이며, 또한 <그림8>은 PC鋼線(Blueing재 φ7)을 30분간 가열하고 냉각한 후에 실시한 인장시험에서의 하중연신 곡선의 일례를 나타낸 것이다.

화재에 의해 PC Girder의 외면이 고온으로 되어도, 내부에 배치되어 dlT는 PC강재는 항상피복콘크리트에 의하여 방호되어 있다. 전술한 시험에서는 온도측정의 결과에서, 피복과 部材內外의 온도차의 관계를 구해 여기에서 PC강선의 인장강도가 저하하지 않을 만큼의 피복두께의 표준으로서 Girder외면이 1000℃의 가열을 계속적으로 2시간 받는다고 하여도 피복두께가 5cm 이상이면, 냉각후의 PC鋼線의 인장강도는 거의 저하되지 않는다고 하는 결론을 기술하고 있다.

PC강재에 대한 열영향을 조사하는 경우, 화재의 계속시간 및 화재시의 최고 온도등을 조사한 후에, 火災部分에서의 콘크리트를 떼어내고, PC강재의 피복두께를 부재의 여러곳에 직접적으로 확인하면, 여기에서 강재에 대한 화재中의 가열상태를 어느 정도까지 추정할 수 있다. 또한, 열영향을 받기 쉬운 금속재료의 자료가 被災部에서 얻어지면, 이것을 끼워서 금속재료학적인 수법에 의해 가열정도를 추정하는 것도 가능하다.

被災桁의 PC강재에 대한 리락세이션에 대해서는 이것에 영향을 미치는 제요인이 복잡하고 불명한점이 많고, 정확한 수치를 나타내기는 곤란하다.

그러나 부재내의 PC 강재에 대한 가열의 정도가 알려지면 다음과 같이 하여 대략적인 값을 알 수 는 있다. <그림9>,<그림10>은 PC강선(φ7)의 고온시에서의 리락세이션 변화를 나타낸 예인데, <그림10>에서 얻어진 20.40,60 및 80℃에 대한 1시간 리락세이션의 값을 <그림10>중에 기입하고, 같은 그림속에 실선으로 나타낸 10시간 리락세이션의 자료에 근사시켜 이것을 점선으로 나타나도록 고온측으로 연장하고, 예를 들어 200℃에 대한 값을 구해보면 리락세이션 약10%가 얻어진다. 단, 이러한 자료는 실험적으로 PC강선을 벗긴채로 高溫爐內에 넣어서 시험한 것이며, PC강재에 대한 가열온도, 강재응력도, 또는 고온리락세이션의 거동에 있어서는 被災時 Girder에서의 PC강재와는 당연히 상태가 달라지므로 주의할 필요가 있다.