1. 개요

포스트텐션(post-tensioned: PT) 콘크리트 교량은 고성능 재료로 적절하게 건설된다면 매우 내구성이 있을 수 있음. 1990년대 후반과 2000년대 초반에 미국 플로리다에 있는 그라우팅된 포스트텐션 배관(grouted post-tensioned duct)에서 문제점이 발견되었고, 이는 그라우팅 재료와 건설 시공에서 변화가 필요함을 보여주었음. 그때 이후로, 재료와 시공은 상당히 개선되어 왔음. 오래된 포스트텐션 교량을 검사했던 주들은, 기후, 건설 시공, 구조 타입 및 다른 변수들에 근거하여 다양한 수준의 열화(deterioration)를 발견하였음. 2003년 이전에 건설된 교량의 경우에, 그라우팅된 텐돈(tendon)에서의 공극(voided areas)이 매우 일반적이었음.

이 보고서는 2003년 이전에 미국 미네소타에서 건설된 포스트텐션 교량에 중점을 둠. 연구범위는 계획 및 검사 노트의 검토에 근거하여 그라우팅 관련 부식문제가 있을 것으로 예상되는 교량에 대한 표적 검사(targeted check)를 제공하는 것에 제한됨. 프로젝트는 세 단계로 구성됨: (1) 2003년 이전에 건설된 40개의 포스트텐션 교량의 계획 및 검사 보고서의 검토; (2) 교량 외관에 대한 현장 시험을 위해 10개의 교량 선정; (3) 3개의 선택된 교량에 대한 광범위한 검사. 선택된 교량은 미네소타에 있는포스트텐션 교량 목록에 대한 임의 추출을 위해서 여러 다른 교량 건설 타입을 대표하도록 선정되었음. 3개 교량 중 하나는 불량한 그라우팅으로 인한 부식 및 공극을 가지고 있었고, 다른 하나는 건설 이슈와 관련된 주요한 부식 문제를 가지고 있었으며, 나머지 하나는 광범위한 임의 추출 검사 동안 어떤 텐돈 부식이나 그라우팅 문제가 없었음. 조사된 교량과 미네소타에 있는 포스트텐션 교량에 대한 일반적인 검사 계획을 위해 보고서 끝부분에 제안사항이 제시되었음. 교량 검사 직원들을 위해 포스트텐션 교량에 대한 간결한 안내도 제공되었음.

2. 배경

포스트텐션에 대한 기본사항

1930년대 2차 세계대전 동안 재료의 부족으로 인해, 유럽은 프리스트레스 콘크리트(prestressed concrete)의 개발로 이동하기 시작했음. 포스트텐션은 콘크리트가 경화된 후 인장력을 적용함으로써 콘크리트에 프리스트레스를 주는 방법임. 포스트텐션은 교량 및 빌딩을 포함한 다양한 곳에 사용되었음. 콘크리트 부재에 힘을 부여함으로써 포스트텐션은 적용된 인장력을 극복하기 위해 콘크리트를 사전압축된 상태(pre-compressive state)로 만듦. 이 과정은 콘크리트 빔(beam)이나 거더(girder) 내부에 금속 또는 플라스틱 중공관을 사용함으로 완료됨. 철근(bar) 또는 가닥(strand)(일반적으로 여러 철사가 꼬여서 만들어짐)의 형태로 고강도 철이 관을 통해 꼬여 있고 텐돈으로 불림. 빔이나 거더가 압축력을 지지할 정도로 충분한 강도로 양생이 되면, 인장력이 텐돈에 가해짐. 각각의 가닥을 잡고 있기 위해 영구적인 테이퍼 웨지(tapered wedge) 시스템이 사용되고, 텐돈의 살아있는 끝에 인장력을 가하기 위해 유압잭(hydraulic jack)이 사용됨. 텐돈에 있는 각각의 가닥에 적절한 인장력이 걸리게되면, 살아있는 끝은 테이퍼 웨지 고정을 사용하여 고정됨.

<그림 1> 관을 통해 꼬여져 있고 테이퍼 웨지 고정을 사용하여 고정되어 있는 가닥

<그림 2>는 단경간, 단순 지지 박스 거더 (a) 와 다경간 오픈 박스 거더 (b)에 대한 일반적인 텐돈 프로파일을 보여줌.

<그림 2> 단경간 (a) 와 다경간 (b) 에 대한 일반적인 텐돈 프로파일

포스트텐션이 구조적, 건설, 그리고 내구성 측면에서 제공할 수 있는 많은 이점이 있음. 그러나 철근이나 가닥은 부식에 취약해서 보호되야 함. 부식 방지를 위한 여러 수단이 사용되는데, 도로 표면 처리, 플라스틱 관, 그리고 고성능 그라우트(grout) 등이 포함됨. 그라우트는 가닥에 대한 부식 방지 뿐만 아니라 부착도 제공함. 가닥 자체가 에폭시(epoxy) 또는 아연도금(galvanizing)과 같은 보호코팅을 가질 수 있으나, 이는 일반적이진 않음. 포스트텐션의 사용은 상당한 구조적 이점이 있음. 구조물이 모든 응력으로부터 해방되기 때문에, 구조물은 균열이 없는 상태로 유지됨. 과부하가 걸리게 되면, 하중이 제거된 후 포스트텐션 힘이 균열을 좁힐 수 있음. 구조적 부재에 사용될 때, 부재 크기 및 수량의 감소가 가능해질 수 있음. 이러한 효율성은 더 작은 양의 콘크리트와 그로 인해 더 작은 사하중(dead load)으로 이어져 교대와 기초 같은 지지부재의 감소로 이어질 수 있음. 콘크리트 양의 감소는 또한 시멘트의 감소로 이어져 구조물과 관련된 온실가스 배출을 줄임. 플라이 애쉬, 실리카 흄, 또는 슬래그 시멘트와 같은 시멘트 성질의 부차적인 물질은 온실가스를 더욱 줄일 수 있음.

3. 포스트텐션 그라우트

적절하게 건설된 포스트텐션 교량은, 줄어든 균열과 프리스트레스 철에 대한 여러 보호수단으로 인하여 매우 내구성이 있을 수 있음. 부식에 대해 가닥을 보호하기 위한 마지막 수단으로써, 시멘트 성질의 그라우트는 구조물의 장기 내구성에 중요한 역할을 담당함. 텐돈에 있는 가닥은 부식에 대한 보호를 위해 높은 pH의 그라우트에 포함될 필요가 있음. 관에 있는 공극은 가닥을 부식에 취약하게 만들 수 있는데, 특히 산소와 습기가 있을 때 더욱 그러함. 충분히 높은 농도의 염소(chlorides)는 높은 pH의 그라우트나 콘크리트 환경에서 철에 형성된 보호 피막(protection passive film)을 파괴할 수 있음. 보호 피막의 파괴는 가닥을 부식에 보출시킴. 적절한 앵커 보호를 가진 완벽히 그라우팅 및 실링 처리된 텐돈은 가능한 최선의 보호를 위해 필요함.

그라우트는 포스트텐션 가닥에 있어 부식에 대한 마지막 방어선임. 가닥에 대한 부적절한 그라우트 보호는 주로 관의 부적절한 채움과 그라우트의 블리딩(bleeding) 때문에 발생함. 관을 완벽하게 채우지 못하는 것은, 부적절한 환기로 인해서 관 안에 갇혀있는 공기방울(air pocket), 관의 막힘, 또는 건설 중 불량한 작업 때문에 발생할 수 있음. 그라우트 블리딩은 그라우트가 가소성 상태일때 시멘트와 물의 분리가 일어나기 때문에 발생할 수 있음. 이와 같은 발생은 텐돈 프로파일이 고도에서 변화를 경험할 때 악화될 수 있는데, 왜냐하면 정수 압력(hydrostatic pressure)이 물과 시멘트의 분리가 일어나도록 하기 때문임. 블리딩의 양에 기여하는 또다른 요소는 가닥에서 생기는 심지 효과(wicking effect)임. 여러 철사가 꼬인 가닥은 물과 시멘트를 분리하는 필터 역할을 하고, 텐돈 안에서 물이 밀도가 낮은 곳에서 높은 곳으로 이동하는 블리딩 통로를 생성함 ？ 부력 효과(buoyancy effect). 이로 인한 텐돈안의 공극은 산소, 습기 및 오염물질이 모일 수 있는 공간을 제공하여 가닥의 부식으로 이어짐.

2003년 이전에 건설된 교량은 블리딩 이슈에 취약한 그라우트로 건설되었을 가능성이 있음. 미네소타에서 2003년 이후에 건설된 교량은 일반적으로 블리딩 효과를 최소화하는 미리 포장된 요변성 그라우트(pre-packaged thixotropic grout)를 가지고 있음. 요변성 그라우트는 새롭게 배합될 때 유체상태이나 정체되면 겔 상태(gel state)로 변화됨.

4. 포스트텐션 교량에 대한 검사 안내

미네소타 교통부(Minnesota Department of Transportation, MnDOT)의 교량 목록은 1970년부터 현재에 이르는 포스트텐션 교량르 포함하고 있음. 표준 교량 검사는 표전 검사에 더하여 모든 포스트텐션 교량에 대해 행해져야 하는 특정 검사 리스트를 포함해야 함. 제안되는 절차는 포스트텐션 교량의 구성 타입에 의해 아래에 제시되어 있음. 상태가 상당히 광범위한 검사나 보수를 요구하면, 포스트텐션 구조물에 경험많은 계약자가 선호되는데 왜냐하면 포스트텐션 교량 타입에서 많은 변수가 있기 때문임.

5. 모든 포스트텐션 부재에 대한 일반적인 검사

5.1 외부 시각 검사 (표준 검사와 함께 매년)
a.  포스트텐션과 관련이 있거나 포스트텐션에 문제를 일으킬 수 있는 어떤 균열이나 부식을 기록(텐돈 프로파일 정보 / 계획은 검토될 필요가 있고 검사 동안 현장에서 가용해야 함)

i.       앵커 부위 균열

ii.     텐돈 프로파일을 따라 생긴 균열

iii.    텐돈과 상호작용할 수 있는 습기 또는 배수 문제

5.2 패칭(patching)
a.  공극을 메우기 위한 패칭 절차와 캡 등의 교체는 관으로 천공하기 전에 수행되어야 함. 관으로 천공하는 것은 부식을 일으킬 수 있는 습기와 산소에 대한 접근로를 제공함.

6. 박스거더 상부구조(superstructure)에 대한 상세

6.1 내부 시각 검사 (3년 마다 또는 외부 시각 검사의 결과에 의해 언급되면)

a.  내부 텐돈

i.       외부 시각 검사에 대해 한 것처럼 똑같은 절차를 따름

ii.     박스 내부에 습기(특히, 제빙제로부터의 염화물 함유 습기)의 축적으로 이어질 수 있는 배수 또는 누수 문제를 파악; 습기가 박스에 축적될 때 바닥 슬랩 텐돈은 특히 취약함

iii.    패칭을 표시한 어떤 지역도 잘 살피고 습기, 균열, 분리 등을 주의깊게 평가함

b.  외부 텐돈

i.       관의 길이방향으로 균열을 체크

ii.     편차(deviator)와 앵커 부위의 실링 상태를 체크

iii.    앵커 또는 편차에서 텐돈의 움직임을 예의 주시하는데, 이는 프리스트레스의 손실을 의미할 수 있음

iv.     어떤 습기, 배수, 또는 누수 문제를 언급, 특히 제빙제로부터의 염화물 함유 습기를 언급

v.       잠재적 공극을 파악하기 위해 해머로 텐돈을 체크

6.2 광범위한 검사

a.  시각 검사의 결과나 임의 추출에 의한 통계적 결정을 통해 관심 부위를 파악

b.  지반침투 레이다(ground penetrating radar, GPR)로 길이 방향을 따라 텐돈 위치를 파악; 시험 천공이 사용될 수도 있으나, 구조물에 또다른 손상을 일으킬 수 있고 시간 및 인건비가 소모적임

c.  관의 레벨이 이르렀을 때 주의 깊게 관심 부위를 천공함. 공극을 찾기 위해 관의 상부를 천공하는 것이 바람직함.

i.       천공기의 비트(bit)가 관을 통과하면 그라우트는 불량 상태이거나 관이 공극을 가지고 있는 것임. 공극을 조사하고 상태를 기록하기 위해 보스코프(borescope)를 사용

ii.     비트가 관에 흠집을 내지만 저항성이 있다면 텐돈은 일반적으로 꽉 차 있거나 소규모의 공극만이 있는 상태임; 아래의 그라우트를 보기 위해 드릴 끝으로 관에 구멍을 낼 수 있음

iii.    염화물의 관에 대한 침입이 우려된다면 염화물 테스트를 위해 주위 콘크리트의 표본을 사용할 수 있음

iv.     부위를 즉시 패칭 처리함

d.  텐돈 부식이 발견되거나 더 큰 부위가 관을 따라 조사되어야 하면 더 큰 검사 구멍이 필요할 것임

i.       얇은 톱날(shallow saw cut)로 절개 지역의 경계를 표시

ii.     관의 레벨에 가깝게 콘크리트를 깍아냄

iii.    관의 상태를 평가함, 그 후 그라우트를 파악하기 위해 소규모 회전도구(rotary tool)를 사용하여 관의 일부분을 절개함

iv.     그라우트 상태를 평가함, 그 후 가닥을 검사하기 위해 소규모 부위를 깍아냄; 염화물 테스트를 위해 깍아낸 그라우트를 보존

v.       부위를 즉시 패칭 처리함