2020-08-13 Thu
 
콘크리트용 철근의 기초와 부식·방식에 대하여… (4)
2020-07-02 14:03 21

코로나 19는 조용하다가 대형 사건이 툭 터지고 할 때마다 긴장을 늦출 수가 없다. 지역 확산이 줄어들어 올 여름철에는 마스크로부터 해방을 기대해 보자. 잠시 기억을 3년 전으로 더듬어 보면, 당시 봄철에 기세를 부렸던 초미세 먼지는 19대 대통령출마자 선거공약에 나올 정도로 심각했었고, 생명에도 영향을 주는 일이었다. 그러다 보니 공기청정기는 지금도 매장에 없어서 못 팔 정도로 히트상품 기록을 남겼다. 그런데 나는 별로 심각하게 생각지 않고 살았던 것 같다. 이유는 초미세 먼지와 접할 기회가 그리 많지 않았고, 해외 출장 등으로 시기적으로 행운이 따라준 것 같다. 인간은 물을 며칠 안 먹어도 살 수 있지만, 호흡은 몇 초만 하지 않아도 사망에 이를 수가 있다. 우리나라의 초미세 먼지 이야기는 2017년 봄부터 집중되기 시작하였다. 아마도 중국 몽골 지방의 황사, 중국 공업지대에서의 초미세 먼지, 우리나라의 오래된 발전소, 경유 차량 들이 복합적으로 많은 영향을 준 것으로 보도되었다. 그래서 문 대통령은 취임하자마자 30년 이상 된 발전소의 운전을 한 달간 중지토록 하였고, 그 결과 효과도 바로 나타나 초미세 먼지의 농도도 보통 이하를 보였다. 당시는 마스크를 착용한 사람들은 별로 없었는데, 코로나 19 상황에서는 필수품으로 자리잡고 있다. 나의 기억에는 미세먼지 하면 과거 시멘트공장에 근무할 때 생각이 전부이다. 해외의 사례는 이렇게 기록하고 있다. 1948년 미국 펜실베이니아주 도노라에서 20명이 사망한 대기 오염사고, 1952년 약 4,000명의 사망자를 발생시킨 런던 스모그는 미세먼지의 대표적인 사례이다. 그 이후로 미세먼지가 인체에 미치는 영향에 대한 다양한 역학조사가 시행되었고, 특히 10㎛ 이하의 미세먼지 입자(PM10)가 취약집단의 질병 발생률과 사망률을 높이는 등 인체에 해로운 영향을 미칠 가능성이 높다는 것이 밝혀졌다. 이후 각국 정부에서는 대기 오염대책을 마련하기 시작했고, 미세먼지가 인체와 환경에 미치는 해로운 영향을 줄이기 위해 대기 오염기준도 마련하였다. 먼지는 미세먼지, 초미세 먼지로 분류된다. 미세먼지란 일반적인 공기 중 먼지에 비해 크기가 훨씬 작은 입자를 말한다. 미세먼지는 입자의 크기(지름)에 따라 PM10과 PM2.5로 구분한다. PM10은 지름이 10㎛ 이하의 먼지이고, PM2.5는 2.5㎛ 이하의 먼지로 초미세 먼지라고 한다. 사람 머리카락이 50㎛ 정도이니까 2.5㎛는 사람 머리카락의 1/20~1/30 정도로 매우 작은 입자이다. 그리고 황사와 미세먼지가 있다. 이들 둘은 차이가 있다. 황사는 모래 먼지가 대기 중에 퍼진 것으로 칼슘, 철분, 알루미늄, 마그네슘 등 토양 성분이 주성분인 데 반해서, 미세먼지는 연료의 연소, 자동차 배기가스에서 배출되는 것으로 주성분이 황산염, 질산염, 암모니아 등 유해물질로 되어있어 인체에 더 나쁜 영향을 미친다.
각설하고, 이번에는 마지막 편으로 콘크리트 중의 철근은 어떤 상태로 되어 있는가, 철근의 부식에 대해서는 어떤 대책을 세우면 좋은가를 알아보자


4. 콘크리트 중의 철근은 어떤 상태로 되어 있는가?
콘크리트는 높은 알칼리성으로 되어 있다. 이와 같이 높은 알칼리 환경에서는 철근의 표면은 부동태 피막으로 보호되어 있어서 부식이 생기기 어렵다. 콘크리트 중의 세공용액에는 수산화칼슘, 나트륨이온이나 칼슘이온 등의 알칼리 금속이온이 녹아 있다. 이 때문에 세공용액의 pH는 13.5 정도의 매우 높은 알칼리성으로 되어 있다. 이러한 고 알칼리 환경에서는 철은 부동태 피막을 형성하여, 부식하는 속도가 현저히 낮아진다. 물의 pH와 철의 부식속도 관계를 그림-6에 나타내었다. 물의 pH가 약 4에서 10까지의 영역에서는 부식속도는 pH에 무관하게 일정하다. 다만 철의 표면에 확산하고 있는 산소의 양에 의존하게 된다. pH가 10 이상이 되면 알칼리성의 상승으로 철의 부식속도가 감소한다. 알칼리와 용존산소가 존재하는 것에 의해 철의 부동태화의 경향이 증가하기 때문에 부식이 어렵게 된다. 또한, 부동태 피막의 성질에 관해서는 주로 2개의 설(說)이 있다. 첫 번째는 부동태 피막은 금속산화물 등으로부터 생긴 확산장벽이 있으며, 금속을 환경으로부터 격리해서 부식속도를 저하한다고 생각하는 것으로, 산화물 피막설로 부른다. 2번째는 금속 표면은 산소가 화학 흡착한 층에 피복되는 것이며, 이 층이 표면에 흡착하고 있는 물을 쫓아내기 때문에 아노드 용출속도를 저하한다고 생각하는 것으로 흡착설이라고 부른다. 그러나 대기 중의 이산화탄소에 영향에 의해 콘크리트가 탄산화(중성화)하면, 콘크리트 중의 세공용액의 pH가 저하하기 때문에 부동태 피막을 유지하는 것이 불가능하다. 해양환경에서 유래하는 비래 염분이나 해수 등을 받아, 염화물 이온이 세공용액 중으로 침투해서 철근에까지 도달해서 만나게 되면 부동태 피막은 파괴되기 시작한다.


5. 철근의 부식에 대해서 어떤 대책을 세우면 좋은가?
 대상으로 하는 철근콘크리트 구조물을 조사·진단하고, 그 상황에 따라서 적절한 대책을 세우는 것이 중요하다. 1편에서 설명한 바와 같이, 철근콘크리트에서 철근은 주로 인장력을 받아 유지하는 역할을 담당한다. 이 철근이 부식하는 것에 의해 단면적이 감소하거나, 파단하거나 하면 인장력을 받아 유지하는 것이 어렵게 되어 콘크리트 부재는 내하력을 잃게 된다. 철근 부식에 의한 콘크리트 구조물의 내하력 저하의 과정을 그림-7에 나타내었다. 철근이 부식을 개시하기까지의 잠복기, 부식개시부터 부재에 부식균열이 발생하기까지의 진전기, 부식균열의 영향으로 부식속도가 대폭 증가하는 가속기, 철근의 대폭적인 단면적 감소 때문에 내하력 등의 성능이 대폭 저하하는 열화기라고 하는 4단계의 과정을 거쳐 열화가 진행한다. 철근을 부식으로부터 보호하기 위해서는 먼저, 대상으로 하는 철근콘크리트 구조물을 조사·진단하여 어느 정도 열화가 진행한 것인가 확인하고, 또한, 발생원인이나 요인이 무엇인지를 제대로 인식할 필요가 있다. 그래서 열화 상태나 대책을 기대하는 효과에 따라서 적절한 것을 선택한다. 일례로서 염해를 받는 콘크리트 구조물에 대한 보수·보강공법을 표-3에 나타내었다. 잠복기에서는 철근의 부식에 의한 균열은 발생하지 않지만, 콘크리트 중에 염화물 이온이 존재하고 있으면 이 단계에서는 염화물 이온량의 증가를 억제하기 위하여 열화인자의 차단을 우선으로 검토해야한다. 진전기나 가속기에서는 철근의 부식에 의한 균열이 발생하고, 부식이 급속하게 진행한다. 이 단계에서는 열화인자의 차단만으로는 충분한 보수효과를 기대할 수 없음으로 철근 부식의 진행속도를 억제하는 공법이 우선된다. 열화기에서는 철근의 부식에 따라 단면적의 감소 때문에 내하력의 저하가 우려된다. 이 단계에서는 열화한 단면을 보수하고, 철근 부식의 진행속도를 억제하는 것과 함께 보강공법에 대해서도 검토할 필요가 있다. (이상)

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