1. 개요

발전소와 같은 전력구조물이 큰 지진작용을 받은 경우, 구조물의 건전성을 평가하는 것은 설비의 재가동 및 재사용에 대한 안전성을 확보하는 데 있어서 매우 중요하다. 지진작용을 받은 후 구조물의 건전성은 손상이 발생한 구조물이 그 후의 병용기간에 필요한 성능을 유지할 수 있는 것으로 이해할 수 있다. 이러한 사용기간에 따른 성능의 변화를 평가하기 위해서는 손상이 발생한 구조물의 시간적인 노화 진행을 평가하는 것이 필요하다.

본 연구에서는 화력발전소 및 원자력발전소 등의 취수 및 방수계 콘크리트 구조물을 대상으로 평가방법을 구축하는 것을 염두에 두고, 대표적인 손상의 일종이라고 할 수 있는 균열에 대하여 시간변화에 따른 노화를 검토하였다. 화력발전소 및 원자력발전소 등 취수 및 방수계 콘크리트 구조물의 대부분은 해수와 접하고 있기 때문에 시간변화에 따른 노화의 주요 원인은 염분에 의한 철근부식, 즉 철근콘크리트의 염해(salt damage)를 생각할 수 있다.  

일반적인 철근 콘크리트의 염해 평가는 염화물이온이 콘크리트 표면으로부터 침입한다는 것으로 가정하고, 철근위치와 염화물 이온 농도가 한계치를 초과하는 시간을 산정하여 예정 공용기간과 비교함으로써 염해에 대한 내구성을 조사하는 경우가 많다. 그러나 균열이 발생한 콘크리트 구조물에서는 균열을 통한 염화물 이온의 침입이 가능하기 때문에 통상적인 방법을 그대로 적용하는 것은 어렵다.

일반적으로 철근 콘크리트 염해의 진행은 대기 중, 해수 중, 조수 간만환경 등 환경조건에 의해 영향을 받는다. 염해의 진행에 영향을 주는 콘크리트 표면의 염화물이온 농도 및 염화물이온의 침투성과 산소투과성이 각각 다르기 때문이다.

취수 및 방수계 콘크리트 구조물이 위치한 주요 환경조건은 간만환경(조수의 간만작용을 받는 부위), 토양환경(구조물의 외측), 해수 중 환경(항상 해수에 접하고 있는 부위), 대기 중 환경(항상 대기에 접하고 있는 부위) 등이다. 일반적으로 간만환경은 콘크리트 내부의 염화물이온 농도가 높고, 산소의 공급량도 많기 때문에 염해에 대해 가장 취약한 환경조건이다. 한편, 토양 환경에 접촉되어 있는 구조물의 외측은 손상상태의 관찰 및 보수 등을 실시하는 것이 바람직하지 않다. 따라서, 손상상태와 시간변화에 따른 노화의 관계를 파악하는 것은 중요하다. 본 연구에서는 이러한 사항 중 간만환경과 토양환경을 대상으로 하였다.

본 연구팀은 지금까지 간만환경에서 균열을 가진 콘크리트 내부의 철근부식에 관한 연구를 실시하고 있다. 이 연구에서는 간만환경을 모의환경(온도 40℃의 3wt% NaCl 0.4mm)의 균열 폭을 가진 시험체를 최장 73주간 노출시켰으며, 그 결과 부식면적의 증대 및 철근의 인장강도비(건전한 철근에 대해 부식된 철근의 비)의 저하경향은 시멘트 종류 및 균열폭에 의해 약간의 영향을 받았지만, 명확한 관계는 밝혀지지 않았다.

이 연구에서 사용한 시험체의 피복은 30mm이며, 취수 및 방수 콘크리트 구조물의 대부분은 80mm 이상의 피복을 가지고 있다. 균열을 가진 콘크리트 내부의 철근부식에 미치는 피복의 영향에 관해서는 충분히 밝혀지지 않았지만, 피복이 클수록 부식은 나타나지 않았다.

본 연구에서는 비교적 피복이 큰 시험체를 이용하여 토양환경 및 간만 모의환경에서 노화실험을 수행하여 철근부식과 염화물이온 농도 등의 시간변화에 따른 노화에 관한 자료를 취득하고, 이러한 자료에 기초하여 균열을 가진 콘크리트 내부 철근부식의 진행 예측방법을 검토하였다.

2. 실험개요

(1) 시험체

시험에 이용한 시험체는 폭 200mm, 높이 200mm, 길이 600mm의 형상을 가지고 있으며, D16철근(SD295, 길이 600mm)을 시험체의 단면 중심위치에 1개 배치하였다. 실제 취수 및 방수계 콘크리트 구조물을 참고로 피복을 90mm로 하였다. 시험체의 축방향 중심위치에 균열을 만들고 그 후, 측면 1면을 제외한 5면은 에폭시 수지 도료를 도포하고 실링(sealing)하였다.

(2) 균열 생성방법

두 개의 강제에 에지(edge)를 시험체의 상하에 각각 설치하고 내압시험기에서 재하(載荷, 구조 실험, 현장 실험 등에서 구조물에 하중을 서서히 작용시키는 것)시킴으로써 시험체에 균열을 생성시켰다. 재하중은 강제의 에지 및 시험체가 기울어지지 않도록 에지의 높이와 동일한 두께의 고무판(폭100mm 정도)을 에지의 양측에 설치하였다. 하중을 점점 증가시키면서 양측면 철근위치의 균열폭을 크랙스케일(주택의 외벽 및 기초 등 콘크리트의 균열을 계측)에 의해 수시로 계측하여 소정의 균열 폭이 잔류하도록 약간 큰(0.1mm 정도) 균열 폭이 되었을 때 재하를 멈추었다. 또한, 철근에 스트레인 게이지(Strain Gauge)를 부착시킨 시험체를 이용하여 철근 변형률과 균열폭, 하중을 측정하고, 이러한 관계를 파악하였다. 파이형 게이지는 균열의 길이방향의 중앙위치에 표면과 뒷면에 각각 설치하였다.

(3) 실험요인 및 수준

실험요인은 환경조건, 균열폭 및 실험기간 등 세 가지로 하여, 각각은 수준은 다음 표와 같다.

(4) 노화실험방법

① 간만환경

간만환경에서의 노화실험은 간만을 발생시킬 수 있는 조(槽, tank)를 이용하여 수행하였다. 실험조건은 부식에 대해 가혹한 조건을 모의하고, 기체 중의 시간을 길게 하며, 산소가 콘크리트에 침입하기 쉬운 환경을 고려하여 해수를 모의한 3%(무게기준) 농도의 NaCl 수용액에 1일 2회 30분간(12시간 간격) 침지시켰다.

② 토양환경 

토양환경에서의 노화실험은 토조(土槽, soil box)를 이용하여 수행하였다. 우선 모래를 토조 내에 설치하고 시험체를 일단(段)당 10개로 삼단으로 매설하였다. 모래를 약 100mm 두께 별로 깔고, 래밍(ramming) 기구를 이용하여 종 200mm, 횡 200mm 정도의 면적에 관하여 10회 정도 다져 넣었다.

토조 밑부분의 급배수 구멍으로부터 물을 공급 및 배출함으로써 토조 내의 수위를 12시간별로 1일 2회, 모래지반 윗면과 모래지반 아랫면의 사이에 유지시켰다. 만수시간은 부식이 잘 되도록 단시간인 0.5시간으로 하였다.

(그림) 간만조(干満槽)를 이용한 노화실험 상황(고수위 상태)

이용한 규사의 평균 입경은 1mm이며, 입경의 범위가 비교적 작기 때문에 보수성이 작고, 공기가 들어가기 쉬운 모래이며 부식에 대해 안전한 조건이라고 생각된다.

일반적으로, 상온의 개방계(open system)에서 부식속도는 온도가 높을수록 크다고 알려져 있다. 노화실험 중에는 모래의 온도(표면에서 약 100mm 깊이)와 기온(모래면 부근)을 1일 2회 12시간 간격으로 계측하였다. 계측시각은 8:00과 20:00이다.

일정기간 경과 후, 시험체를 토조에서 꺼내어 시험체의 균열 등 외관을 관찰하고, 시험체를 해체하여 철근의 부식상태의 관찰 및 부식량과 부식면적을 측정하였다. 또한, 철근 주변의 콘크리트 내부의 염화물이온 농도를 측정하였다. 측정방법은 JIS A 1154 “경화 콘크리트 중에 포함된 염화물이온의 시험방법”에 준거하였다. 또한, 철근의 인장시험을 간만환경과 동일하게 수행하여 철근의 강도 물성치를 측정하였다.

3. 실험결과 및 마무리

균열 폭을 변화시킨 철근 콘크리트 시험체를 이용하여 간만환경 및 토양환경 하에서 노화실험을 최대 약 1년 반 동안 수행하여 철근의 부식면적, 부식량(질량감소량), 강도특성치 및 콘크리트 내부의 염화물이온 농도에 관한 자료를 얻었다. 얻어진 실험결과에 기초하여 이러한 환경 하에서 균열을 가진 콘크리트 중의 철근 부식 진행 예측방법을 검토하였다.

주요결과는 다음과 같다.

(1) 간만환경 및 토양환경 모두 철근의 부식면적, 부식량(질량감소량)은 균열 폭이 클수록 크게 되는 경향이 나타났으며, 실험기간이 길수록 이러한 증가비율은 작게 된다.

(2) 철근의 외관상 인장강도의 저하경향은 환경조건에 의해 다르게 나타났으며, 젖음과 건조를 반복한 간만환경에서는 균열 폭이 클수록 저하되는 경향이 크게 나타났지만, 항상 젖은 상태인 토양환경에서는 균열 폭에 의존하지 않고 저하되는 경향은 같게 나타났다.

(3) 염화물이온은 균열로부터 철근에도 침투가 나타났지만, 비교적 고농도(콘크리트 내부의 부식발생의 한계 염화물이온 농도 1.2kg/m³ 이상)에서도 철근이 부식되지 않은 부분이 많이 나타났다. 균열을 가진 콘크리트의 부식발생 조건은 균열이 없는 경우와 다른 결과를 나타냈으며, 염화물이온 농도만으로 부식범위를 추정하는 것은 합리적이 않을 가능성이 있다.

(4) 철근의 외관상 인장강도와 경과시간의 관계는 유사한 1차함수일 가능성이 나타났다. 간만환경에서 균열 폭에 대응한 다른 근사식을 도출하였으며, 토양환경에서는 균열 폭에 의존하지 않는 근사식을 도출하였으며, 이것을 철근의 평균 부식 깊이로 환산한 철근 부식 진행 예측식을 제안하였다. 이러한 평가식은 지진 후의 건전성 평가에서 보수시기의 검토에 활용할 수 있을 것으로 생각된다.