1. 서론

 

기존에 설치된 콘크리트 구조물의 경년 노화가 뚜렷하게 나타나고 있는 가운데 이것을 합리적으로 유지관리 해 나가기 위해서는 적절한 건전성 평가방법을 확립해 나가는 것이 요구되고 있다. 일반적으로 건전성 평가는 외관을 눈으로 확인하는 방법을 주체로 한 정기점검과 비파괴 또는 파괴검사를 동반한 상세조사 등으로 구성된다. 그 중 상세조사 시에는 구조성능을 평가할 필요가 발생하기 때문에 경년 노화와 구조성능의 관계를 명확하게 하는 것이 중요하다.

 

일본의 화력, 원자력발전소에서 철근 콘크리트제(RC) 지중 구조물은 임해부에 건설된다. 이 임해 철근 콘크리트 구조물에서는 경년화에 따른 염해 및 중성화 등의 노화가 진행되어 철근 부식이 발생하는 경우가 있다. 철근이 부식된 철근 콘크리트에서는 부식에 의해 철근의 단면적이 감소하고, 철근과 콘크리트의 부착력 저하, 철근 부식 팽창에 의한 균열발생과 진전 등 다양한 노화현상이 발생한다. 이러한 경우에는 그 정도에 따라 보수 등 적절한 대책이 시행된다.

 

1995년 효교현 남부지진 및 2007년 니가타현 주에쓰 지진에서 큰 지진력이 철근 콘크리트 구조물에 작용한 것 등을 검토하여 철근 콘크리트 지중 구조물에서는 지진 후의 건전성 평가가 과제로 되어 있다. 예를 들면, 지중 구조물의 지중측 및 조개류가 부착되어 있는 수중부 등에서는 간단하게 점검 및 보수가 이루어질 수 없기 때문에 보수적인 평가 및 안전측의 대책을 실시하여야 한다. 한편, 지진 후의 건전성을 합리적으로 평가하기 위해서는 지진 후의 손상 정도를 파악하여, 현 시점에서의 성능을 평가할 뿐만 아니라 손상이 구조성능에 미치는 경년적인 영향을 평가할 필요가 있다.

 

전력중앙연구소에서는 전력시설과 관련된 철근 콘크리트 지중 구조물이 경년 노화된 경우를 상정하여 이러한 구조물에 관한 건전성 평가 연구를 추진해 왔다. 기존에 설치된 철근 콘크리트 구조물에서는 시공, 사용환경, 구조, 외력 등에 의해 균열이 발생하는 경우도 있어, 이러한 상태에서 염해 등의 노화가 진행되면 철근부식 및 그것에 따른 내하력의 저하가 우려된다. 따라서, 고경년화된 철근 콘크리트 구조물의 구조성능에 미치는 환경과 하중의 상호작용의 영향을 해명하고, 건전성 평가에 편입시는 것이 유지관리의 합리화와 정도 향상을 도모하는 데 중요하다.

 

이러한 점을 검토하여 본 연구에서는 손상 및 초기결함 등이 철근 콘크리트 기둥 부재의 염해 노화와 내하 특성 및 이러한 것들의 상호관계에 미치는 경년적인 영향을 밝히는 것을 목적으로 하여, 균열 등의 손상을 가진 철근 콘크리트 기둥부재의 화경, 하중 작용 부하실험을 실시하였다.

 

본 보고서의 2장에서는 균열을 가진 콘크리트 중에서의 철근부식 및 손상, 노화를 동반하는 철근 콘크리트의 내하 성능에 관한 기존 연구를 나타낸다. 3장에서는 균열을 가진 철근 콘크리트 기중 부재의 환경, 하중작용 부하실험에 관하여 기술하였다. 4장에서는 염화물이온(Cl^-) 및 그 공간분포를 계측하고, 분극 저항에 의한 철근부식의 진행상황을 측정하여 환경작용에 의한 철근부식의 분석을 실시하였다. 5장에서는 하중작용 부하실험 결과에 기초하여 내하 특성에 미치는 손상 및 초기결함을 동반한 재료노화의 영향을 평가하였다.

 

2. 기존연구

 

(1) 균열을 가진 콘크리트 중의 철근부식

균열을 가진 철근 콘크리트 중의 철근부식은 균열 및 균열폭에 영향을 받는 경우와 영향을 받지 않는 경우의 결과를 나타내고 잇다. 한편, 균열폭의 범위 및 피복두께, 물시멘트비, 환경조건, 하중조건 등의 영향도 받는 것으로 지적되고 있지만, 그 메커니즘은 명확하게 밝혀지지 않았다. 또한, 소형 시험체에 실험에 의한 검토가 대부분으로 철근이 복수 배치된 부재수준의 검토는 수행되지 않은 것이 현재 상태이다.

 

균열 등의 손상 및 철근부식 등 경년 노화가 단독으로 수행된 경우의 철근 콘크리트 구조물의 내하 성능에 미치는 영향에 관하여 연구가 진행되었지만, 상호작용의 영향에 관해서는 지금까지 거의 연구가 이루어지지 않았다. 특히, 기존연구에서는 손상이 없는 것을 전제로 하여 경년 변화의 검토를 하고 있는 경우가 많아 손상 및 초기 결함이 있는 철근 콘크리트가 철근부식 된 경우의 내하 특성에 관하여 검토한 사례는 적다.

 

(2) 손상 및 노화가 발생한 철근 콘크리트의 내하 특성

철근 콘크리트의 손상과 내하 성능의 관계에 대해서는 지금까지 부재 수준, 구조물 수준에서 수 많은 다양한 연구가 이루어져 왔다. 굽힘 파괴되는 일반적인 철근 콘크리트 구조물의 손상파괴 과정은 다음과 같은 물리적인 현상이 발생한다고 생각할 수 있다.

 

A점: 콘크리트에 굽힘 균열이 발생하는 시점에 대응한다. 재료수준에서 콘크리트는 인장강도에 도달하고 있다.

 

B점: 인장 철근이 항복(降伏)하는 시점에 대응한다. 이 시점에 도달하기까지는 부재 전체로서 탄성적인 거동을 하기 때문에 잔류변위도 적다. 재료수준에서는 이 이후, 철근의 소성화가 진행된다.

 

C점: 최대 하중점에 대응한다. 이 이후, 피복 콘크리트의 박리 등의 현상이 발생한다. 콘크리트의 압축 변형률은 0.35%(3500×10^-6), 응력수준에서는 압축강도의 0.85배 정도의 상태에 해당한다.

 

D점: B점에서의 상당한 항복하중을 유지하는 시점에 대응한다. 이 시점은 피복 콘크리트가 박리되고, 압축철근이 항복하며, 내부 콘크리트가 손상되는 상태가 된다.

 

D점 이후: D점 이후에 압축철근이 좌굴되는 경우 및 인장철근이 판단되는 경우가 있다. 좌굴은 전단 보강근 간격 등에 의해 크게 영향을 받기 때문에 명확하게 예측하는 것은 어렵다.

 

3. 연구결과

 

실험에 이용한 철근 콘크리트 기둥 시험체는 길이 2800mm×높이 400mm×폭 200mm로 주 철근비는 1.11%로 설계되었으며, 콘크리트 압축강도는 평균치로 45.4N/mm²이었다. 환경작용부하에서는 일본의 해안에서 가장 엄격한 염해환경(염수 폭로량 60mg/dm²/day, 온도 40도, 습도 90% 등)을 상정하였다. 하중작용 부하는 전단 스팬비를 2.78로 하고, 변위제어에서 재하 하였다.

 

실험 파라미터는 초기 결함의 유무(슬릿으로 모의)와 초기 손상의 정도(철근 항복 직후와 그 전후) 및 환경작용 기간(0, 12, 22개월)이다. 실험에 의한 얻어진 결과는 다음과 같다.

 

(1) 환경작용에 의한 재료 노화 평가

콘크리트 중 Cl^- 농도는 콘크리트 내에서도 균열 위치에서 높게 되는 경향이 있다. 또는 레이저 유도 플라즈마 분광분석법(LIBS, Laser-induced breakdown spectroscopy)에 의한 측정에 의해 균열부 및 철근 주변에 Cl이 분포하고 있는 상황을 가시화하였다. 이것에 의한 균열을 통하여 염분이 침투, 확산하는 상황을 파악하는 것이 가능하다. 레이저 유도 플라즈마 분광분석법에 의한 Cl 분포 계측의 적용성도 확인하였다.

 

손상이 철근항복 정도인 시험체에서는 4개의 주 철근 중, 외측의 2개 주 철근에 뚜렷한 부식이 나타났다. 이것은 외측의 주 철근은 각부(角部)에 위치하기 때문에 윗면과 측면 양방향에서의 염분 침투에 의해 Cl^- 농도가 비교적 높게 된 것과, 피복이 얇은 측면에 균열이 발생한 것이 주요 원인이라고 생각된다. 이것은 철근의 부식진행에는 철근배치 및 피복, 부식 균열 발생 등의 영향을 받았다는 것을 나타내고 있다.

 

철근의 부식량은 이미 Cl- 농도가 높게 될수록 크게 되는 경향이 있지만, 철근이 부식된다고 하는 1.2kg/m³을 크게 상회하더라도 주 철근의 부식은 일부에서만 나타났다. 또한, 균열이 있는 경우에는 부식량이 크게 되는 경향이 있지만, 균열폭과의 상관은 반드시 명확하지는 않았다. 이것은 철근의 부식진행에는 Cl^-농도뿐만 아니라, 균열의 유무에도 영향을 받는다는 것을 나타내고 있다.

 

 

(그림) 염화물 이온 농도의 측정 예, (위) 전위차 적정법에 의한 측정, (아래) LIBS에 의한 측정

 

 

(2) 내하 특성에 미치는 재료노화의 영향 평가

손상수준이 철근 항복이전에 잔류 균열폭은 0.2mm 정도이었으며, 균열의 유무가 부식 진행에 미치는 영향은 작고, 피복 400mm에서는 22개월간에 주 철근의 최대 부식량은 1% 미만이었다.

 

한편, 손상수준이 철근 항복을 넘은 경우에는 잔류 균열폭의 영향이 크게 되어 최대 부식량이 10% 이상이 되는 경우도 있었다. 또한, 전단 보강근에 관해서도, 손상수준이 크게 될수록 부식량도 크게 되는 것으로 나타났다. 이 증가경향은 환경작용 기간이 길수록 크게 되는 것으로 나타났다. 이것에 의해 손상수준이 철근 항복을 넘은 경우에는 철근의 부식진행에 철근 배치 및 피복 등보다도 잔류 균열폭이 미치는 영향이 증가 된다는 것을 알게 되었다.

 

재하실험에서는 손상 후에 부식이 진행된 장소의 균열폭이 크게 되는 경향이 나타났다. 또한, 초기 결함이 있는 장소에서 균열이 발생하고, 진행되기 쉬운 것으로 나타났다. 또한, 철근부식에 따른 철근과 콘크리트 부착노화에 의해 경사균열이 발생하기 어렵고, 굽힘 모멘트가 크게 되는 구간의 굽힘균열만이 진행하는 경향이 나타났다. 이것에 의해 손상 및 초기결함을 동반한 철근부식의 경우에는 균열의 분산성이 저하되는 것이 확인되었다.

 

균열을 가진 철근 콘크리트 기둥 부재가 염해 노화 된 경우, 손상정도 및 슬릿의 유무 및 철근부식이 미치는 영향은 적으며, 내하력의 저하비율은 수 % 정도이라는 것이 확인되었다. 이것은 전단 보강근에서는 국소적으로 뚜렷한 부식이 나타났지만, 환경작용 부하 22개월에서 주 철근의 평균 부식량이 최대일지라도 약 5% 이었기 때문이라고 생각된다.

 

한편, 초기 손상의 정도보다도 피복의 박리를 모의한 경우에 발생한 철근부식이 내하력에 미치는 영향은 큰 것으로 나타났다. 이것은 철근 항복 시의 굽힘 내력의 저하에는 평균 부식량보다도 최대 부식량과의 상관이 좋기 때문이다. 철근 부식에 동반된 피복이 박리된 경우에는 최대 부식량이 증가하는 경향이 있으며, 철근 항복 시의 굽힘 내력은 약 20% 저하되는 것을 나타내고 있다.

 

앞으로는 손상 및 초기 결함을 가진 철근 콘크리트 부재의 환경, 하중작용 부하 실험을 지속적으로 수행하여 자료를 축적하고, 얻어진 결과를 검토함으로써 철근부식 및 내하특성에 미치는 영향을 더욱 정확하게 분석하여 노화예측 및 내하성능 평가에서 균열의 고려방법을 제안할 예정이다.

 

 

(그림) 주 철근의 부식상황

 

▣ 원문제목 : ひび割れを有する鉄筋コンクリートはり部材の塩害劣化と耐荷特性に関する実験的検討

 

 

▣ 원문의 주요목차********************************************************************

1. 서론

2. 기존 연구

3. 균열을 가진 철근콘크리트 교량부재의 환경, 하중작용 부하실험

4. 환경작용에 의한 재료노화 평가

5. 내하 특성에 미치는 재료노화의 영향 평가

6. 마무리