1. 서    론

콘크리트는 내구성이 우수한 재료로써 사회간접자본의 건설에 큰 비중을 차지하고 있으며, 콘크리트 구조물은 강구조물에 비해 특별한 유지 관리 없이도 장기 내구성이 높은 재료로 알려져 있다(Jang et al. 2015). 그러나 최근 연구들(Kim et al. 2006a; Kim et al. 2006b; Shin et al. 2007; Lee and Kim 2014)에 따르면, 해양구조물 또는 해안에 인접한 콘크리트 구조물은 해양 환경 하에 장기간 노출되면서 해수와의 화학적 작용에 의해 콘크리트 내부에 묻힌 철근에 부식이 발생하는 현상이 발생하고 있다. 철근이 부식될 경우 체적팽창으로 인해 콘크리트에 균열과 박리가 발생하며 철근의 부착성능이 저하되고, 결과적으로 구조물의 내구성과 안전성이 저하된다.

따라서 해안이나 해안에 인접한 구조물은 필요한 내구성능을 확보하기 위해 소요의 피복두께를 가져야 하며, 목표성능에 따른 재료의 선택 등과 같은 조치를 설계단계에서부터 고려해야 한다. 이러한 염해 내구성 설계는 구조물의 염해 노출 환경 조건을 고려하여 이루어져야 한다. 국내의 경우에는 지역별로 파도, 조석간만 등의 물리적 작용이 다르며, 건습 반복의 영향에 의한 염해 메커니즘이 다르므로, 각 지역의 환경조건을 고려하여 내구성 설계를 수행하여야 한다(Kim et al. 2006a). 최근 들어 콘크리트 구조물의 염해 손상 및 내구 수명에 대한 연구 결과가 축적됨에 따라 염화물에 대한 확산 해석을 통하여 염해 진행 정보와 내구수명을 직접 예측하고 설계에 적용할 수 있게 되었다(RILEM 1996, RILEM 2000). 하지만 이러한 방법들은 복잡한 수식을 활용하는 계산과정을 포함하는 내구성 계산을 하거나, 관련 소프트웨어 해석을 수행하여야 하기 때문에 일반 설계 기술자들이 접근하기에 용이하지 않다(Shin et al. 2012). 따라서 본 논문에서는 일반 설계 기술자들이 일련의 내구성 해석 과정을 거치지 않고 쉽게 기본적인 염해 내구성 설계를 수행할 수 있도록 고정변수와 설계변수를 설정하여 주어진 조건에 따라 내구성 설계를 할 수 있는 설계도표를 제안하였다. 내구성 설계는 결정론적 방법론을 사용하였으며, 세부적인 조건들은 콘크리트표준시방서(Korea Standard Specification 2009)의 내구성편을 기본으로 적용하였다.

2. 염해 내구성 해석

2.1 해석 모델 및 가정

2.1.1 염화물에 의한 철근콘크리트 구조물의 열화

해수에 존재하는 염소이온(Cl^-)은 시멘트 수화생성물 Ca(OH)₂와 반응하여 CaO･CaCl₂･2H₂O를 생성한다. 생성과정에서 용적이 팽창하게 되며 그에 따라 콘크리트가 표면에서부터 열화하게 된다(Song et al. 2007). 이와 더불어 염소이온이 콘크리트의 기공 및 골재 계면의 천이대를 통하여 직접 확산, 침투하여 콘크리트 내부의 철근을 부식시키게 된다. 염화물에 의한 콘크리트의 열화과정보다 염소이온이 철근의 부동태피막을 파괴하여 열화되는 과정이 상대적으로 단기간에 진행되고(Song et al. 2009) 구조물의 전체적인 내구성에 주는 영향이 크므로, 본 논문에서는 철근의 열화과정을 기준으로 내구성을 평가하였다.

2.1.2 내구성 수명의 정의

염해에 의한 철근 콘크리트 구조물의 내구성 상실은 콘크리트를 투과한 염분에 의해 철근 위치의 염소이온 농도가 한계값을 초과하면 철근 주위의 부동태 피막이 파괴되고 철근 부식이 시작된다. 이때 철근의 부식이 진행됨에 따라 철근 주위는 팽창하게 되며, 그 팽창압에 따라 콘크리트의 박리 또는 탈락이 일어나면서 구조성능의 저하로 이어지게 된다(Lee et al. 2008). 따라서 엄밀한 의미에서의 내구성 상실 시기는 염분 침투로 인해 철근위치에서의 염소이온의 농도가 임계값을 초과하고, 철근의 부식 개시로 인한 철근의 단면적이 감소하고 부착강도가 저하되어 단면 구조성능의 저하가 발생하는 시기이다. 하지만 철근의 부식 개시 이후 철근주변 콘크리트의 균열 또는 박리를 관찰하기까지는 통상 3∼5년 정도의 시간이 소요되며, 이로 인한 구조물의 전체적인 내구성을 판단하기까지는 추가적인 소요시간이 필요하다. 이에 따라 본 논문에서는 공학적으로 명확하게 정의되는 시점인 철근 주위의 염소이온 농도가 임계값을 넘는 시점을 내구수명의 한계점으로 정의하였다.

한편, 콘크리트표준시방서 내구성편에서는 식 (1)과 같이 염해에 대한 환경계수와 내구성감소계수를 적용하여 콘크리트 구조물의 내구성을 평가하도록 규정되어 있으며(Korea Standard Specification 2009), 본 연구에서는 이 규정에 따라 환경계수와 내구성 감소계수를 고려하여 내구수명을 계산하였다.

 (1)

여기서, 와 는 환경계수와 내구성 감소계수이며, 본 연구에서는 콘크리트표준시방서에 따라 1.11과 0.86을 각각 사용하였다. 와 는 철근위치에서 염화물 이온농도의 예측값과 임계염화물이온 농도를 의미한다.

2.1.3 내구성 해석 모델

콘크리트 염해를 해석하는 방법 중에서 가장 보편적으로 활용하는 방법은 Fick의 확산 제2법칙(Fick’s Second Law of Diffusion)에 기반한 방법으로써 콘크리트 내부의 염소이온 침투를 시간과 깊이의 함수로 나타내는 방법이다(Lee et al. 2008). Fick의 확산 제2법칙의 기본 방정식은 식 (2)와 같이 표현이 가능하다.

                (2)

여기서, C는 시간 t동안 염분에 노출된 콘크리트의 표면에서 x만큼 떨어진 위치에서의 염소이온 농도이며, D(t)는 시간에 따른 콘크리트의 염소이온 확산계수이다. D(t)를 초기염소이온 확산계수에 대한 함수로 나타내면 식 (3)과 같이 표현할 수 있다(Kim et al. 2006).

             (3)

여기서, D₀는 시간 t₀에서의 확산계수를 나타내며, m은 시간에 따른 염소이온의 확산계수 변화를 반영한 재령 계수이다.

 한편, 초기조건과 경계조건으로 초기염소이온 농도가 0이고 표면염소이온농도가 일정할 경우를 가정하여 편미분방정식을 풀면, 단면 임의의 위치에서의 염소이온농도는 식 (4)와 같이 나타낼 수 있다(Kim et al. 2006).

 (4)

여기서, 는 에러함수를 나타내며 D_m은 식 (5), (6)과 같이 표현되는 시간 t까지의 평균 염소이온 확산계수이다.

                  (5)

     (6)

여기서, t_c는 염소이온의 확산계수 변화가 일어나지 않는 시점을 나타내며, 본 연구에서는 30년으로 가정하였다.

한편, 식 (4)는 시간에 따른 단면의 염화물 농도를 계산하기 쉽도록 전개되어진 식이다. 반면 설계단계에서는 이러한 형태의 수식 보다는, 주어진 조건하에서 필요한 설계 변수의 값은 얼마인지 직접 계산하는 식이 유리하다. 따라서, 설계 조건에 따라 소요 피복두께를 직접구하는 식이나 소요 확산계수의 최대값을 구하는 식 등을 유도하여 사용하는 것이 바람직하다. 다음의 식 (7)과 (8)은 주어진 염화물 노출 및 설계 조건에 대하여 필요한 소요 확산계수 또는 소요 피복 두께를 구하는 식이다.

(7)

(8)

여기서, erfinv는 에러함수의 역함수를 뜻한다. 콘크리트의 확산계수 산정식은 30년을 기준으로 달라지게 되기 때문에, 계산된 식 (7)과 (8)은 내구성 수명이 30년 이상(t_c)인 경우에 유효한 식이다. 설계자가 직접 이들 식을 활용하여 내구성 관련 계산 및 설계를 수행할 수 있겠지만, 연산의 과정과 단위의 일치 등 여러 가지 오류가 개입될 가능성이 크다. 따라서, 일반적으로 가정되는 값들의 범위를 참조하여 염해 내구성 설계 계산을 간단한 설계도표로 나타내고자 하였다.

2.1.4 해석조건의 고찰

염해 내구성 해석 및 설계에 사용되는 대표적인 변수는 내구수명, 피복두께, 표면염화물량, 임계염화물량, 콘크리트 확산계수, 콘크리트 재령계수 이다. 여기서 표면염화물량, 임계염화물량, 그리고 확산계수 등의 설계변수는 구조물의 노출 조건 및 사용 콘크리트의 특성에 따라 여러 가지 다양한 값이 사용될 수 있다. 반면 내구수명, 피복두께, 재령계수는 경험적으로 특정 범위의 값들이 주로 사용되고 있다. 따라서, 염화물 내구성 설계 도표를 생성하기 위해서는 설계 단계에서 우선적으로 결정되는 인자들을 선정하고 이를 단순화하여 고정 설계 변수로 제한하고, 그에 따라 필요한 설계 조건을 구하는 방법을 사용하였다. 본 논문에서는 구조물의 내구수명과 콘크리트의 재령계수를 설계 고정변수로 설정하였으며, 표면염화물이온 농도와 콘크리트의 확산계수, 그리고 철근의 피복두께는 설계 도표를 통해 계산할 수 있는 설계변수로 설정하였다.

3. 내구성 해석 및 설계 조건

3.1 목표 내구수명

콘크리트표준시방서의 내구성편에 따르면 콘크리트 구조물의 목표수명은 구조물이 특별한 유지관리 없이 일상적인 유지관리 하에서 내구적 한계상태에 도달하기까지의 기간으로 정의되며, Table 1과 같이 내구등급이 구조물의 목표내구수명에 따라 정해진다.

본 연구에서는 콘크리트표준시방서에 명시된 기준에 따라 목표내구수명을 100, 65, 30년으로 고정하였고, 각각의 목표내구수명에 대한 설계 도표를 제시하였다.

3.2 임계 염화물 농도

콘크리트표준시방서에 따르면 목표내구수명동안 유입되는 염화물량이 임계염화물농도인 1.2 kg/m³이나 단위결합재량의 0.4 %를 초과하지 않도록 유도하고 있다(Korea Standard Specification 2009). 1.2 kg/m³의 임계염화물이온농도는 단위시멘트량 300 kg/m³에 해당하는 값이다. 한편, 기존 연구자들의 연구 결과(Kim et al. 2007)와 일본토목학회의 보고(Japan Concrete Standard Specification 2002)에 따르면, 일반적인 폭로 조건의 실험에서 한계 염화물 농도는 1.2∼2.4 kg/m³ 정도로 알려져 있다.

3.3 표면 염화물 농도

표면염화물이온 농도는 구조물의 노출 및 환경 조건에 따라 변화된다. 즉, 간만대와 물보라 지역은 조석의 간만, 파랑의 물보라에 의한 건습반복의 영향에 따라 높은 표면염화물이온 농도를 보인다. 콘크리트 표준시방서 해설에 따르면 콘크리트 구조물의 표면 염화물이온농도는 Table 2와 같이 서‧남해안과 동해안의 노출 환경 조건에 따라 주어진다. 해안지역에 위치하는 구조물의 설계 시에는 지역 및 노출 조건에 따라 표면염화물이온 농도를 고려하여야 한다.

한편, 해안가를 따라 건설된 콘크리트 구조물은 해수와 직접 접하지 않더라도 토양과 대기 중의 해염입자에 의해 염해의 영향을 받는다. 해안가에서 점차 멀어짐에 따라 콘크리트의 표면의 염화물이온 농도는 작아지게 되므로, 콘크리트 표준시방서(Korea Standard Specification 2009)에서는 Table 3과 같이 구조물과 해안거리에 따른 표면염화물이온 농도를 제시하고 있다.

본 논문에서는 Tables 2와 3에 제시된 콘크리트 표준시방서(Korea Standard Specification 2009)의 표면염화물이온 농도를 고려할 수 있도록 설계도표를 제시하였다. 염해 내구성 계산 식 (7)과 식 (8)에서는 표면염화물농도와 임계염화물농도 각각의 절대값보다는 두 값의 비율이 반영되도록 구성되어 있다. 따라서 표면염화물농도와 임계염화물농도의 비율인 C_s/C_cr을 설계변수로 설계도표를 작성하여 활용하도록 구성하였다.

3.4 피복두께

콘크리트의 최소피복두께는 프리스트레스 및 프리캐스트 여부, 사용된 철근의 종류, 콘크리트의 노출 환경 등에 따라 요구되는 규정을 만족하여야 한다. 콘크리트 구조기준에 따르면 해안에서 250 m 이내에 위치하는 구조체로서 추가의 표면처리 공사를 수행하지 않고 직접 외부에 노출되어 염해를 받는 경우, 특수 환경에 노출되는 콘크리트의 피복두께 규정을 따라야 하며, 상세규정은 Table 4와 같다.

한편, 본 연구에서는 콘크리트 구조기준(Structural Concrete Design Code 2012)에서 요구하는 특수환경에 노출되는 콘크리트의 최소피복두께 범위인 40∼80 mm를 확장하여, 범용적으로 사용되는 값인 40, 60, 80, 100, 120, 140 mm의 피복두께를 대상으로 설계도표를 도식하였다.

3.5 확산 계수

확산계수는 콘크리트 내에서 염화물 이온이 확산되는 정도를 나타내는 값으로서, 염해 내구성능을 결정하는 가장 중요한 설계변수이다. 확산계수는 물-결합재 비율뿐만 아니라 혼화재의 사용량과 사용한 재료의 특성에 따라 달라지는 경향이 있기 때문에 구조물의 설계단계에서 주어진 설계강도로부터 단순히 추정하여 사용하기는 어렵다.

따라서 별도의 내구성 설계 절차를 통하여 주어진 구조물에 사용될 콘크리트의 최소 성능을 제한함으로써 소요 내구성을 확보할 수 있도록 하는 성능기반설계 개념을 사용하는 것이 바람직 할 것이다.

본 연구에서는 제안한 설계도표를 활용하여 주어진 설계 조건에서 소요 내구성능 확보를 위해 필요한 최대 확산계수 값을 찾아낼 수 있도록 하였다. 재료 설계 단계에서는 재령 28일 콘크리트에 대하여 NT Buid 492와 같은 실험 방법으로 콘크리트의 확산계수를 검증할 수 있다.

3.6 재령 계수

재령계수는 콘크리트의 수화에 의한 시간에 따른 확산계수의 변화를 나타내는 값으로서, 콘크리트에서 염화물의 확산 특성을 정의하는 중요한 상수이다. 확산계수는 비교적 간단하게 실험으로 확인할 수 있는 반면, 재령계수는 오랜 기간의 실험 데이터로부터 추정할 수 있는 상수이다. 따라서, 재령계수는 설계 및 시공단계에서 예측하거나 검증하기 어려운 특성이 있다.

기존의 연구결과(Thomas and Bentz 2014)에 따르면 재령계수는 플라이 애시 및 슬래그의 혼입률에 따라 결정이 되는 것으로 알려져 있다. 플라이 애시 및 슬래그는 조기 확산 계수 및 임계 염화물 농도에 영향을 미치지는 않지만 확산계수의 감소율에 영향을 미치므로 재령계수에 영향을 주게 되며, 두 물질과 재령계수와의 관계는 식 (9)와 같이 표현이 된다.

 (9)

여기서, FA는 플라이 애시의 혼입비율이며 SG는 슬래그의 혼입비율이다. 일반적으로 활용되는 콘크리트의 경우, 플라이 애시 또는 슬래그는 각각 최대 50 %, 70 % 이상의 혼입률을 초과하지 않음으로 재령계수는 대부분 0.2∼0.6 사이의 수치 내에서 결정이 된다.

재령계수는 구체적인 배합이 결정되기 전인 구조물 설계 단계에서는 특정하기 어렵다. 따라서 염해 내구성 설계 과정에서는 일반적으로 여러 값의 재령계수에 대하여 내구 성능을 만족하기 위한 콘크리트의 확산특성을 제시하는 방법을 사용하는 것이 유용할 것이다. 따라서 본 연구에서는 재령계수의 범위를 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6로 설정하고, 그에 대한 설계도표를 제시하였다.

4. 설계 도표 및 활용

4.1 설계 도표

염해 내구성 설계에 사용되는 변수들을 고정변수와 설계변수로 나누어 설계도표를 제안하였다. 고정변수는 목표내구수명, 재령계수, 염해노출조건, 임계염화물농도이고, 설계변수는 확산계수, 피복두께이다. 도표를 활용한 설계 절차의 예를 Fig. 1에 나타내었고, 목표내구수명과 재령계수의 조합으로 나타낸 도표를 Figs. 2~4에 나타내었다. 우선 고정변수인 구조물의 목표내구수명과 구조물의 염해 노출조건(표면 염화물 농도), 임계염화물량과 재령계수를 정한 후에 Figs. 2~4에서 목표내구수명과 재령계수에 따른 도표를 선택한다. 선택한 도표에서 C_s/C_cr과 피복두께의 상관관계를 통해 내구성능 확보를 위한 최대확산계수를 도출할 수 있다. 만약 설계 절차에서 확산계수조건을 알고 있고, 내구수명을 만족하는 피복두께를 찾고자 한다면, C_s/C_cr와 확산계수조건의 상관관계를 통해 피복두께를 도출할 수 있다.

4.2 설계도표 적용 예제

4.2.1 서해상 해상구조물

첫 번째 예제는 서남해안에 위치한 구조물 내구수명의 목표가 100년이고, 고로슬래그 35 % 치환율과 피복두께가 80 mm인 물보라지역에 사용가능한 콘크리트의 확산계수 조건을 찾는 예제이다.

고로슬래그 35 % 배합을 가정한다면 재령계수는 식 (8)에 따라 0.4로 계산이 되며, 이에 따라 내구수명 100년, 재령계수 0.4의 조건에 해당하는 Fig. 2(b)의 도표를 활용하면 된다. 서남해안 물보라 지역의 경우, 표면염화물 이온농도 (C_s)는 7.5 kg/m³이며 임계염화물농도(C_cr)는 1.2 kg/m³ 이므로 C_s/C_cr은 6.25가 된다. 따라서 가로축 6.25 값과 피복두께 80 mm의 선과 교차지점을 찾으면, 주어진 조건에서 요구되는 콘크리트의 확산계수인 3.5×10^-12 m²/s를 도출할 수 있다.

4.2.2 동해안 해안가의 구조물

두 번째 예제는 동해안의 해안선에 위치한 콘크리트 구조물의 내구수명과 사용되는 콘크리트의 조건(확산계수, 재령계수)을 가정하여 내구 성능을 만족시키기 위한 피복두께를 찾는 과정에 대한 예제이다.

내구수명은 65년을 가정하였고, 확산계수 3.5×10^-12 m²/s이고 재령계수 0.5을 만족하는 콘크리트를 사용한다고 가정하였다. Table 3으로부터 동해안의 해안선에 위치한 지역의 표면 염화물 농도를 찾으면 7.0 kg/m³이며 임계염화물농도(C_cr)는 1.2 kg/m³이므로 C_s/C_cr은 5.83이 된다. 내구수명 65년과 재령계수 0.5에 해당하는 도표는 Fig. 3(c)이며, 가로축(C_s/C_cr)의 5.83 지점과 세로축(확산계수)의 3.5×10^-12 m²/s 지점으로부터 교차점의 위치를 찾으면, 피복두께 40 mm와 60 mm 사이에 위치함을 알 수 있으며, 이로부터 최소피복두께 60 mm를 산정할 수 있다

.

5. 결    론

본 연구에서는 복잡한 염해 내구성 해석절차를 거치지 않고 쉽게 염해 내구성 계산 및 설계가 가능하도록 염해 내구성 설계도표를 제시하였다.

설계도표는 결정론적 설계 방법론에 따라 작성되었으며, 우리나라 콘크리트 표준시방서 내구성편의 환경계수와 내구성 감소계수를 반영하였다. 염해 내구성 설계에 사용되는 여러 가지 인자들을 분석하여 목표내구수명, 재령계수, 염해노출조건, 임계염화물농도는 설계에 앞서 결정해야 하는 설계고정변수로 가정하였다. 설계도표는 주어진 조건에서 내구성 설계 조건을 만족하는 콘크리트의 확산계수와 피복두께의 관계를 나타낸다.

사용자는 제시된 도표를 사용하여 설계고정변수의 값을 결정한 후에, 내구수명을 만족하기 위한 재료의 목표확산계수와 피복두께의 조합을 찾아 낼 수 있으며, 조건을 만족하는 콘크리트를 재료 설계에 반영하는 방식으로 염해 내구성 설계를 수행할 수 있을 것이다.

제시된 도표는 염해 내구성 해석에 대한 기본 지식을 갖춘 설계 기술자들이 복잡한 연산이나 전용 소프트웨어 없이 염해 내구성 설계를 수행하는데 활용할 수 있을 것이며, 예비 설계 절차 등에서 간략하게 내구성 수명을 평가하는 용도로 유용하게 사용할 수 있을 것이다.