정유석
(Yoseok Jeong)
1iD
이일근
(Ilkeun Lee)
2
민근형
(Geunhyeong Min)
3
김기환
(Kihwan Kim)
4
김우석
(and WooSeok Kim5)
5†iD
-
경북대학교 건설방재공학부 조교수
(Assistant Professor, Department of Construction and Disaster Prevention Engineering,
Kyungpook National University, Sangju 37224, Rep. of Korea)
-
도로교통연구원 구조물연구실 연구위원
(Research Fellow, Expressway & Transportation Research Institute, Construction & Environment
Research Group, Hwaseong 20896, Rep. of Korea)
-
충남대학교 토목공학과 박사과정
(Graduate Student, Department of Civil Engineering, Chungnam National University, Daejeon
34134, Rep. of Korea)
-
도로교통연구원 구조물연구실 책임연구원
(Senior Researcher, Expressway & Transportation Research Institute, Construction &
Environment Research Group, Hwaseong 20896, Rep. of Korea)
-
충남대학교 토목공학과 교수
(Professor, Department of Civil Engineering, Chungnam National University, Daejeon
34134, Rep. of Korea)
Copyright © Korea Concrete Institute(KCI)
키워드
염화물, 열화, 유지관리, 보수, 보수범위
Key words
chloride content, deterioration, maintenance, repairs, removal area
1. 서 론
국내 교량의 관리 수량은 매년 증가하여 35,000여 개에 이르고 있으며 30년 이상 노후화된 교량의 개소 수 또한 빠르게 증가하고 있다(Jeong et al. 2021). 특히, 보수･보강을 필요로 하는 30년 이상의 노후 교량은 2015년도에 8 %(약 2,500개소) 수준에서 2025년에는 30 %(약 9,600개소)로
증가하고, 2035년에는 72 %(약 21,000개소)까지 급증할 것으로 예측되고 있다(Jeong et al. 2021).
염수환경에 대한 노출로 인해 교량의 조기손상이(예, 균열, 박락, 들뜸, 철근부식 등) 증가하고 있으며(Seo et al. 2017; Kwon 2021) 교량의 수명연장 및 안전등급 저하를 막기 위해 콘크리트 열화부에 대한 단면복구공사가 시행되고 있다. 하지만 한국도로공사 도로교통연구원 2021년
연구보고서 “콘크리트 단면복구 및 균열 보수공사 성능개선 연구”에 따르면 단면복구공사 시행 후 보수부재에서 균열이 발생하고 모재와 보수재 사이에 부착이
되지 않아 들뜸이나 부착성능 미달 등의 보수 재손상 비율이 70~80 %에 이르고 있다(Fig. 1)(KECRI 2021).
단면복구공사를 실시한 7개 교량의 교대와 교각에 대하여 현장 조사 결과 단면복구 된 콘크리트 부재의 대부분에서 균열이 발생하였고 들뜸 또한 보수 단면의
17 %로 조사 되었다(Min et al. 2021). 그리고 KS F 2762(KATS 2016)를 따라 실시한 인장부착강도실험에서 모재와 보수재 사이의 부착강도는 모든 실험체에서 기준치 1.0 MPa 이하 값을 보였으며 평균 0.29 MPa
수준으로 매우 낮았다. 파괴 형상은 전체 26개 실험체 중에서 77 %에 해당하는 20개 실험체에서 부착면 파괴(13개소, 50 %) 또는 모재파괴(7개소,
27 %)로 조사 되었다(Min et al. 2021). 이는 부착면 파괴의 경우 보수재료 자체의 부착성능 저하 그리고 모재파괴의 경우는 열화부 면처리 불량으로 그 원인을 추정할 수 있다(Min et al. 2021).
단면복구 공사는 열화된 콘크리트를 제거하고 보수재를 이용해 제거 단면을 재건하는 보수공사로 콘크리트 열화부 제거작업을 수반한다. 여기서, 모재와 보수재료간의
부착성능 향상을 위해서는 열화된 콘크리트의 완전제거가 전제되어야 한다. 하지만 콘크리트 열화 정도를 평가하는 방법은 육안검사, 내구성시험, 비파괴검사
등 다양한 방식으로 이루어지고 있으나(Jeong et al. 2018), 실제 현장에서는 육안검사에 의존하고 있는 실정이다. 이러한 열화평가방법을 활용하더라도 콘크리트의 열화부와 건전부를 명확하게 구분하여 제거하는 것은
불가능하다. 그리고 콘크리트 열화부와 건전부를 구분하여 보수범위를 결정하는 명확한 기준 또한 현재 없는 실정이다.
단면복구 공사가 실시되는 콘크리트 부재의 모재와 보수재간의 부착성능 향상 및 재손상을 줄이기 위해서는 구체적이고 명확한 콘크리트 보수범위 산정기준이
필요하다. 따라서 본 논문에서는 콘크리트 열화의 주된 원인인 콘크리트 내 염화물에 의한 콘크리트 열화 메커니즘을 설명하고 교량 부재별(예, 교각 코핑부,
교각 구체, 교대 전면) 염화물 함유량 조사 및 육안검사를 통한 교량 손상 조사 결과를 바탕으로 단면복구공사를 위한 보수범위 기준을 제안하고자 한다.
Fig. 1 Defects in repaired concrete bridge elements
2. 국내･외 보수 범위 기준
본 장에서는 콘크리트 열화의 주원인 염화물과 수분에 의한 열화 메커니즘을 설명하고 단면복구공사를 위한 국내･외 국가별 보수범위 산정기준 및 염화물
관련 기준을 비교･기술하도록 하겠다.
2.1 콘크리트 열화 메커니즘
콘크리트는 내구성이 우수하여 대부분의 구조물에 사용되어 왔으나 여러 가지 열화 인자(예, 염해, 탄산화, 동결융해 등)에 의한 열화가 발생한다. 하지만
콘크리트 구조물의 내구성은 콘크리트 자체보다는 강재의 부식 문제일 경우가 많다. 콘크리트 교량의 주요부재(예: 바닥판, 거더, 교각 및 교대)의 열화
패턴은 균열 및 철근 부식이 가장 크게 나타나고 있다(KECRI 2016). 콘크리트 철근 부식은 철근 부식 팽창에 따른 콘크리트 균열, 들뜸 또는 탈락으로 진행된다. 철근 부식의 주된 원인은 외부에서 공급된 염화물 이온(이하
Cl-)이며 콘크리트내 Cl-의 확산은 철근부의 Cl-의 농도를 증가시키며 철근 부식을 야기한다. 염화물에 의한 콘크리트 열화 메커니즘은 Fig. 2와 같다.
콘크리트에 수분과 함께 염분이 침투하게 되면 Fig. 2와 같은 단계를 걸쳐 콘크리트 열화가 발생한다. 철근의 부식으로 철근이 팽창하고 철근을 기준으로 모든 방향으로 균열이 발생한다. 그리고 균열의 진전으로
인해 표면에서 균열이 발생하고, 내부에서는 들뜸, 박락 등 여러 형태의 콘크리트 열화가 발생한다.
Fig. 2 Concrete deterioration mechanism due to chloride ingress
2.2 국내 기준
2.2.1 보수범위
한국시설안전관리공단(현, 국토안전관리원)의 시설물 보수･보강 요령[교량, 터널]에 따르면 단면복구공사 시공절차 과정에서 시공면적은 열화부에 의해 결정되며
그에 따른 구체적이고 명확한 규정은 없는 실정이다(KISTEC 2019a).
한국도로공사의 단면복구공사 시공 및 품질관리 방안(KEC 2014)에 따르면 보수범위의 산정은 손상부 경계에서 30~50 mm 정도 추가하여 직선으로 제거한다. 손상부는 육안으로 확인 가능한 콘크리트 열화 형태인
균열 또는 물얼룩으로 일반적으로는 물얼룩을 기준으로 손상부 경계를 정하고 있다. 여기서, 물얼룩은 우수 또는 염수에 의해 형성된 것으로 콘크리트 열화
메커니즘에 따르면 콘크리트 열화의 근본 원인으로 추정된다. 그리고 콘크리트 건전성 평가는 필요시 페노프탈레인 용액을 사용하여 탄산화 깊이 정도를 활용해서
파악하고 있다(KEC 2014).
시멘트 콘크리트 포장면 보수공사에 적용하는 고속도로공사 전문시방서(KEC 2021)에 따르면 보수범위 설정은 파손부위 경계면에서 최소한 75 mm 이격시켜 직사각형 형태로 절단하며 최소깊이는 50 mm이다. 여기서, 시멘트 콘크리트
포장의 파손은 육안으로 확인 가능한 콘크리트 열화 형태인 균열 또는 콘크리트 박락을 의미한다.
2.2.2 염화물
고속도로 교량유지관리 실무요령(KEC 2019)에 따르면 염화물 침투량에 따른 콘크리트 내구성 평가기준은 철근부 전염화물 침투량을 기준으로 하며 Table 1과 같다.
철근부의 전염화물이 1.2 kg/㎥부터는 철근의 부식이 개시될 가능성이 있으며, 2.5 kg/㎥에 도달하면 철근이 부식이 발생한다(KEC 2019). 염화물에 대한 염해수명을 평가는 “철근부의 전염화물 침투량”과 “철근부의 전염화물이 2.5 kg/㎥가 되는 시점”을 각각 평가하여 열악한 등급을
사용한다. 반면, 안전점검 및 정밀안전진단 세부지침해설서(교량)(KISTEC 2019b)의 염화물 상태평가 기준은 Table 2와 같다. 채취된 코어의 전염화물 시험 결과는 염화물에 의한 강재부식 가능성 평가를 위한 것으로 Table 2에 따르면 철근부 콘크리트 염화물 함유량이 2.5 kg/㎥부터는 철근 부식이 발생한 것으로 보고 있다.
Table 1 Condition ratings for chloride ion content ($C_{r}$) at reinforcement(KEC 2019)
|
Ratings
|
Time to reach $C_{r}$ value, of 2.5 kg/m3
|
$C_{r}$ (kg/m3)
|
|
a
|
≥30 yr.
|
≤0.3
|
|
b
|
20 yr.<$C_{r}$≤30 yr.
|
0.3<$C_{r}$≤0.6
|
|
c
|
10 yr.<$C_{r}$≤20 yr
|
0.6<$C_{r}$≤1.2
|
|
d
|
5 yr.<$C_{r}$<10 yr.
|
1.2<$C_{r}$<2.5
|
|
e
|
≤ 5 yr.
|
≥2.5
|
Table 2 Condition ratings for chloride ion content ($C_{r}$)(KISTEC 2019b)
|
Ratings
|
$C_{r}$ (kg/m3)
|
Descriptions
|
|
a
|
≤0.3
|
No corrosion due to chloride contents
|
|
b
|
0.3<$C_{r}$≤1.2
|
Some chloride contents in concrete but currently low potential to corrosion
|
|
c
|
1.2<$C_{r}$≤2.5
|
High potential to corrosion in the future
|
|
d
|
≥2.5
|
Corrosion due to chloride contents
|
|
e
|
-
|
-
|
2.3 국외 기준
2.3.1 미국
열화된 콘크리트 제거에 관하여 Concrete repair manual(ACI and ICRI 2013)은 콘크리트 열화부 제거 면적, 형상, 깊이로 구분하여 제시하고 있다. 콘크리트 열화부와 건전부를 명확하게 구분하는 것은 어려운 작업이므로 손상부(들뜸
또는 균열)를 기준으로 건전부 일부를 추가적으로 제거하고 부식된 철근은 완전 노출하는 것을 제안하고 있다. 구체적으로 제거 면적은 손상부 경계에서
건전부 방향으로 152 mm(6 in.) 더 추가하여 제거한다. 깊이의 경우는 19 mm(0.75 in.) 또는 보수재의 굵은골재 최대치수에 6 mm(0.25
in.) 추가한 치수 중 큰 값을 기준으로 철근 표면에서 더 제거하도록 하고 있다. 제거 형상의 경우 최대한 단순한 형상의 직사각형 또는 정사각형을
권장하고 있다.
ACI 318(2014)의 염화물 기준을 정리하면 Table 3과 같다. 재령 28~42일 경화 콘크리트 중에서 물, 골재, 시멘트 및 혼화재료에서 유입된 수용성 Cl- 최대치를 콘크리트 압축강도를 기준으로 규정하고
있다.
Table 3 Requirements for concrete by chloride ion exposure(ACI 2014)
|
Exposure class
|
Minimum $f_{ck}$ 1)
|
Maximum chloride ion content (%)
|
|
Nonprestressed concrete
|
Prestressed concrete
|
|
C0
|
17.2 MPa
(2,500 psi)
|
1.00
|
0.06
|
|
C1
|
17.2 MPa
(2,500 psi)
|
0.30
|
0.06
|
|
C2
|
34.4 MPa
(5,000 psi)
|
0.15
|
0.06
|
Note: 1)Minimum $f_{ck}$: minimum concrete compressive strength
2.3.2 영국
영국의 경우, 열화부 산정에 관한 기본원칙은 콘크리트 건전부 제거의 최소화이다(BS 2005). 기준에 따르면 열화부 제거는 구조물의 안전성을 저해하는
수준의 제거를 지양하고 필요하다면 임시지지대를 설치하도록 하고 있다. 하지만 열화된 콘크리트를 완전히 제거하기 위해 추가적으로 열화부 범위를 확장
시킬 수 있다(BS 2005). 열화된 콘크리트 제거 시, 철근 부식이 존재하게 되면 철근 표면으로부터 15 mm 또는 보수재의 굵은골재 최대치수에
5 mm를 추가한 치수 중 큰 값을 기준으로 철근 표면에서 추가적으로 제거하도록 하고 있다(BSI 2005).
2.3.3 일본
일본의 경우 열화된 콘크리트 구조물의 열화 상태 및 열화원인(예: 염해, 중성화, 동결융해 등)을 조사하여 이를 기초로 범위를 결정 한다(PWRI 2016). 열화 콘크리트 제거 시 구조물의 응력 상태를 고려하여 제거 범위를 적절하게 결정한다. 구체적으로는 균열, 들뜸 또는 허용한도 이상의 염화물(≥1.2
kg/㎥)이 포함된 콘크리트를 열화 된 콘크리트로 간주하고 이를 제거하도록 하고 있다. 일본의 경우, 제거 방법에 따라 차이는 있겠지만 열화된 콘크리트를
제거하는 동안 손상이 건전부에 발생하므로 필요 이상으로 열화 범위를 확장하여 제거하는 것을 지양하고 있다. 이는 과도한 건전부 제거를 통해서 발생하는
부재 또는 구조물의 안전성 저하를 막기 위함이다(PWRI 2016).
2.4 소결
국내･외 열화된 콘크리트 보수범위에 관련된 기준을 Table 4에 정리하였다. 공통적으로는 열화된 콘크리트의 완전제거를 목적으로 하고 있다. 이를 위해 한국과 미국의 경우는 육안조사를 통해 확인 가능한 콘크리트
손상 형태인 물 얼룩, 균열, 들뜸의 경계를 기준으로 구체적인 수치로 50~152 mm 추가 제거하도록 규정하고 있는 반면에 영국과 일본은 원론적으로
열화콘크리트를 완전 제거하도록 규정하고 있다. 열화된 콘크리트 평가 방법은 다양하며 이러한 방법을 사용하더라도 콘크리트 열화부와 건전부를 명확하게
구분하기는 어렵다. 이에 한국과 미국의 경우는 추가적으로 범위를 더 제거함으로써 그리고 영국과 일본은 원론적으로 규정함으로써 열화 콘크리트의 완전제거를
지향하고 있는 것으로 사료 된다. 콘크리트 내로 침투되는 염화물이 콘크리트 열화의 주된 원인이지만 염화물 수치를 기준으로 콘크리트 제거를 규정하고
있는 국가는 일본이 유일하였다. 제거 형상의 경우는 한국과 미국만이 단순하게 제거하도록 규정하고 있었다.
Table 4 Summary of literature reviews on removing deteriorated concrete for repairs(BSI 2005;ACI and ICRI 2013;ACI 2014;PWRI 2014;KEC 2019;KISTEC 2019b)
|
|
Korea
|
U.S.
|
U.K.
|
Japan
|
|
Criteria
|
Water stain
Crack
|
Delamination
|
Carbonation
Chloride
|
Crack
Delamination
Chloride
|
|
Area
|
Water stain boundary+ 50 mm
|
Delamination end+ 152 mm
|
None
(minimizing removal area of sound concrete)
|
None
(removing deteriorated concrete)
|
|
Depth
|
Exposing reinforcements
|
Max.
(steel surface+19 mm, $G_{\max}$2) of repair materials+6 mm)
|
Max.
(steel surface+15 mm, $G_{\max}$ of repair materials+5 mm)
|
None
(removing deteriorated concrete)
|
|
Configuration
|
Square or Rectangle
|
Square or Rectangle
|
None
|
None
|
|
Chloride ion content1)
|
≤2.5 kg/m3
|
≤1.00 % by weight of cement
|
None
|
≤1.2 kg/m3
|
Note: 1)Chloride ion content in the 1st column: critical values for causing corrosion
initiation of steel reinforcements; 2)$G_{\max}$ in the 3rd column: maximum size of
aggregate
3. 교량 염화물 조사 및 육안 손상 조사
3.1 교량 열화 메커니즘
교량의 열화는 제설염수, 누수 등에 의해 주로 발생하며 상부구조물의 신축이음과 같은 연결부 또는 유간(또는 균열)등에서 주로 발생한다. 신축이음 장치의
경우, 이물질 퇴적 및 체수에 의한 부식, 차수기능저하에 따라 누수가 주로 발생한다.
신축이음장치에서 발생한 누수에 의해 바닥판과 거더에서 1차적으로 열화가 발생한다. 지속적인 누수가 발생하는 경우 교량 받침이 부식되며 받침 콘크리트에
균열 및 박락 등의 열화가 나타나게 된다. 여기서, 균열 및 박락부위를 통해 염화물 및 수분이 침투하게 되면 콘크리트 내부 철근의 부식이 발생하며
콘크리트 열화 메커니즘(Fig. 2)에 의해 콘크리트 균열, 들뜸, 탈락과 같은 열화가 추가적으로 발생한다. 특히 염화물 및 수분이 교각 코핑부의 측면과 전면을 통하여 하면으로 흐를
경우에는 순차적으로 교각 코핑부 및 교각 구체에 열화가 발생한다(Fig. 3). 교대에서도 신축이음 장치의 누수로 인해 교대 흉벽부, 교좌부, 전면부로 순차적으로 콘크리트 열화가 발생한다.
Fig. 3 Bridge deterioration mechanism: pier cap and pier body below expansion joint
3.2 교량 염화물 및 육안 손상 조사 개요
콘크리트 열화 메커니즘에 따르면 열화의 주요 원인은 제설염수 및 누수이며 교량의 열화 메커니즘에 따르면 상부구조물 연결부(예, 신축이음) 누수로부터
하부구조물 열화로 진행된다. 따라서 교량 하부구조물의 주요 부재에 대한 손상조사 및 염화물 조사를 같이 진행하였다. 3개 교량을 대상으로 각각 하부구조물의
주요 부재인 교각 코핑부, 교각 구체, 교대 전면에 대해서 진행하였다. 조사 대상 교량의 제원은 Table 5에 정리하였다.
Table 5 Summary of bridge specifications
|
Bridge
|
GS
|
MJ
|
WJ
|
|
Open (year)
|
2000
|
2000
|
1995
|
|
Total length (m)
|
40
|
150
|
640
|
|
Width (m)
|
15.6
|
15.6
|
13.7
|
|
Superstructure type
|
STB2)
|
PSCI3)
|
STB
|
|
Pier type
|
N/A4)
|
Rahmen
|
Rahmen
|
|
Abutment type
|
Inverted T-type
|
Inverted T-type
|
Inverted T-type
|
|
Investigation element1)
|
Abutment
|
Pier cap
|
Pier body
|
Note: 1)Investigation element: element where chloride ion tests were conducted; 2)STB:
steel box girder; 3)PSCI: prestressed concrete I-girder; 4)N/A: single span bridge
3.3 열화종별에 따른 보수범위 산정
단면복구공사를 위해 보수범위 산정 시 고려할 수 있는 콘크리트 열화는 육안검사에서 확인이 가능한 들뜸, 물얼룩, 균열이다. 본 절에서는 육안검사 동안
확인이 가능한 열화 조합과 염화물 실험 결과를 바탕으로 열화제거 범위 산정 기준을 제안하도록 하겠다.
본 연구에서는 들뜸을 기준으로 콘크리트 열화부와 건전부를 구분하였다. 콘크리트 탈락이 없는 경우 들뜸은 균열과 함께 콘크리트 열화의 최종 단계 중
하나이기 때문이다(Fig. 2). 염화물 실험은 KS F 2713(KATS 2017)를 따라 실시하였으며 염화물 실험 결과에서 사용된 실험체명 A-B-C의 A는 교량명, B는 교량에서 코어링 위치, C는 코어링 순서이다. 예를 들어,
WJ-2-3은 WJ교량의 2번 위치에서 코어링한 3번째 시편을 의미한다. 국내 기준에 따르면 철근은 염화물 함유량 2.5 kg/㎥ 이상부터 부식이
발생한다(KEC 2019; KISTEC 2019b). 하지만 본 연구에서는 부식 가능성이 존재하는 염화물 임계치인 1.2 kg/㎥을 기준(KEC 2019)으로 설정하여 염화물 함유량과 콘크리트 열화의 상관관계를 분석하였다.
3.3.1 열화종별 조합 ①: 들뜸
물얼룩이나 균열없이 들뜸만 존재하는 WJ 교량의 교각 구체에서 염화물 실험을 실시하였다. 들뜸이 시작하는 지점을 기준으로 열화부(들뜸 부분)와 건전부(들뜸이
없는 부분)로 구분하여 Fig. 4(a)와 같이 코어링 후 열화물 함유량 실험을 실시하였다. 표면의 염화물 함유량은 임계치 기준으로 2배 이상이며 표면으로부터 깊이가 증가할수록 염화물 함유량
수치는 감소하였다(Fig. 4(b)). 들뜸이 존재하는 WJ-2-1의 경우 다른 시편과 달리 철근부 염화물 함유량은 3.68 kg/㎥로 임계치의 3배 이상의 수치이다. 이는 철근 부식이
진행되고 있음을 의미하고 추가적인 철근의 부식을 막기 위해서는 단면복구 공사 시 철근까지 콘크리트 제거가 필요해 보인다.
본 사례와 같이 콘크리트 표면에 물얼룩이 없는 경우, 현재의 기준으로는 보수범위를 산정할 수 없으며 열화 콘크리트 미제거로 인해 지속적인 열화가 진행될
것으로 판단된다. 따라서 물얼룩이 없이 들뜸만 존재하는 경우, 들뜸부 철근 위치의 콘크리트 염화물 함유량이 임계치를 초과하였으나 표면에 물얼룩이 없으므로
제거되지 않을 가능성이 있다. 따라서 물얼룩 이외의 다른 손상(들뜸)을 기준으로 콘크리트 보수범위를 산정하는 것이 적절해 보인다.
KS F 2596(KATS 2019)를 따라 콘크리트 내구성 평가 지표 중 하나인 탄산화 깊이의 경우 코어링 위치와 상관없이 표면에서 20~30 mm 확인되어 콘크리트 보수범위 산정
시 탄산화 깊이를 사용하는 것은 부적절해 보인다(Fig. 5).
Fig. 4 Field investigation results of the WJ bridge
Fig. 5 Results of carbonation tests
3.3.2 열화종별 조합 ②: 들뜸+물얼룩
들뜸과 물얼룩이 존재하는 WJ 교량의 교각 구체에서 Fig. 6(a)와 같이 코어링 후 염화물 함유량 실험을 실시하였다. 물얼룩이 존재하는 WJ-3-1의 표면 염화물 함유량은 6.72 kg/㎥로 임계치를 5.6배 초과하였으나
물얼룩이 없는 부위(WJ-3-2에서 WJ-3-5까지) 표면의 염화물 함유량 수치는 0.86~3.39 kg/㎥으로 상대적으로 낮았다(Fig. 6(b)). 상대적으로 높은 이유는 제설염수에 의해서 물얼룩이 생성되었기 때문으로 추정된다. 표면의 염화물 함유량은 임계치를 초과하였으나 표면으로부터 깊이가
증가할수록 염화물 함유량 수치는 감소하였고 특히 건전부의 경우는 임계치보다 낮은 수치(≤0.59 kg/㎥)를 보여주었다. 반면 들뜸이 존재하는 WJ-3-1의
경우 철근부 염화물 함유량은 2.57 kg/㎥로 임계치의 2배 이상을 보여주었다. 따라서 물얼룩보다는 들뜸을 기준으로 콘크리트 보수범위를 산정하는
것은 적절해 보인다. 다만 국내에는 들뜸을 기준으로 제거하는 구체적인 규정은 없으므로 국외 규정(Table 4)을 참고하여 들뜸 경계에서 150 mm 추가 제거하는 것으로 결정하였고 국내 규정(물얼룩 경계+50 mm)과의 비교를 통해 그 적절성을 검토하도록
하겠다.
물얼룩 기준 50 mm 추가 제거하는 것과 들뜸 기준 150 mm 추가 제거하는 것을 비교하게 되면 물얼룩이 들뜸 기준보다 189 mm 더 제거하게
되어 단위길이 1,000 mm 당 18.9 % 초과 제거한다(Fig. 6(a)). 이후 분석되는 다른 사례에서도 유사한 경향을 보여주고 있다. 단면복구공사는 서로 다른 재료 사이의 부착성능에 의해 품질 성능이 결정되므로 건전한
모재를 최소한으로 제거하는 것이 품질 성능 측면에서는 유리하다. 따라서 물얼룩보다는 들뜸을 기준으로 보수범위를 산정하여 건전부 제거를 최소화하는 것이
적절해 보인다. 그리고 탄산화 깊이의 경우 코어링 위치와 상관없이 표면에서 20~30 mm 확인되어 탄산화 깊이를 사용하여 콘크리트 보수범위를 산정하는
것은 불가능해 보인다(Fig. 7).
WJ-1의 경우도 들뜸과 물얼룩이 존재하는 사례이다. 물얼룩이 존재하는 WJ-1-1에서 WJ-1-3까지 표면 염화물 함유량은 7.07~9.19 kg/㎥로
임계치를 5.9배 이상 초과하였으나 물얼룩이 존재하지 않는 건전부(WJ-1-4) 표면의 염화물 함유량 수치는 3.44 kg/㎥으로 상대적으로 낮았다(Fig. 8(b)). 물얼룩 표면의 염화물 함유량이 상대적으로 높은 이유는 제설염수에 의해서 물얼룩이 생성되었기 때문으로 추정된다. 열화부 철근 위치의 염화물 함유량은
모두 임계치를 초과하였으나 건전부 철근 위치의 염화물 함유량은 1.05 kg/㎥로 임계치보다 낮았다.
물얼룩 경계+50 mm, 들뜸 경계+150 mm 추가 제거되는 형상을 서로 비교하였다(Fig. 8(a)). 이 경우, 물얼룩이 들뜸보다 294 mm 추가 제거하게 되어 건전부를 과도하게(단위길이 1,000 mm 당 29.4 % 추가 제거) 제거하므로
물얼룩 보다는 들뜸을 기준으로 보수범위를 산정하는 것이 건전부 제거를 최소화하는 방향이다(Fig. 8(a)).
Fig. 6 Field investigation results of the WJ bridge
Fig. 7 Results of carbonation tests
Fig. 8 Field investigation results of the WJ bridge
3.3.3 열화종별 조합 ③: 들뜸+물얼룩+균열
육안검사에서 확인 가능한 들뜸, 물얼룩, 균열이 존재하는 MJ 교량의 교각 코핑부에서 Fig. 9와 같이 코어링 후 염화물 실험을 실시하였다. 여기서는 코핑부 4곳에서 들뜸 경계부(𐌢)와 들뜸부(●)에서 염화물 시편을 체취하여 서로 비교 하였다.
들뜸이 발생한 철근부 염화물 함유량은 코핑부 상단의 4번 위치 값(1.07 kg/㎥)을 제외하고 임계치를 4.0~6.2배 초과하였다(Fig. 10). 들뜸 경계부 철근 위치에서의 염화물 함유량은 임계치를 초과하였지만 들뜸부와 비교 하였을 경우 현저히 낮은 수치(≤30 %)를 보여주었다. 따라서
들뜸 경계부를 기준으로 보수범위를 산정하는 것은 적절해 보인다.
들뜸은 타음을 통해 확인이 가능하므로 점검자의 높은 숙력도를 요구한다. 따라서 들뜸만을 기준으로 보수범위를 산정하게 되면 점검결과에 대한 신뢰도는
낮아질 수 있다. 따라서 균열과 같은 명확한 기준이 필요하다. 그러나 균열만을 기준으로 열화부를 제거하게 되면 균열이 없는 코핑부 상단(4번 위치)은
들뜸이 존재하지만 철근부 염화물이 임계치를 초과했음에도 불구하고 제거되지 못하는 경우가 생긴다. 그리고 물얼룩은 코핑부 하면 및 전면에 불규칙적으로
형성되어 물얼룩을 기준으로 열화부를 제거하게 되면 건전부를 포함하여 상당히 넓은 면적을 제거한다. 따라서 보수범위를 산정하는 기준으로 육안검사 동안
확인이 가능하고 명확한 기준을 제시할 수 있는 균열과 들뜸이 물얼룩보다 더 적절해 보인다.
들뜸, 물얼룩, 균열이 존재하는 GS 교량의 교대 전면부 첫 번째 위치에서 Fig. 11(a)와 같이 코어링 후 염화물 함량 실험을 실시하였다. 물얼룩이 존재하는 GS-1-1와 GS-1-2의 표면 염화물 함유량은 평균 12.34 kg/㎥로
임계치를 10.3배 초과하였다. 반면에 물얼룩이 없는 건전부 GS-1-3와 GS-1-4의 표면의 염화물 함유량 수치는 평균 1.50 kg/㎥으로 임계치를
초과하였으나 GS-1-1와 GS-1-2의 14.5 % 수준으로 현저히 낮았다(Fig. 11(b)). 따라서 물얼룩의 형성 원인은 제설염수에 의한 것으로 추정할 수 있다.
균열이 형성된 위치에서 체취한 GS-1-1 시편의 철근부 염화물 함유량은 표면과 유사한 수준인 10.59 kg/㎥(표면의 염화물 수치: 12.68
kg/㎥)으로 균열을 통해 지속적으로 염화물이 침투된 것으로 보인다(Fig. 11(b)). 들뜸이 시작되는 경계부(GS-1-2) 철근 위치의 염화물 함유량은 임계치를 2.54배 초과하였다. 반면 건전부 GS-1-3번 GS-1-4번 철근
위치의 염화물은 각각 1.35 kg/㎥, 0.31 kg/㎥으로 측정되었다. 특히, GS-1-3번의 철근부 염화물 수치는 임계치를 초과하였지만 들뜸은
발생하지 않았다.
물얼룩 경계+50 mm, 들뜸 경계+150 mm, 균열+150 mm 추가 제거되는 형상을 서로 비교하였다(Fig. 11(a)). 여기서, 균열은 들뜸과 동일하게 균열에서 150 mm 추가 제거하는 것으로 하였다. 얼룩의 경우는 GS-1-4 위치(건전부)를 포함하여 들뜸보다
225 mm 추가 제거하게 되면서 제거 범위가 단위길이 1,000 mm 당 22.5 %로 증가하였다. 균열의 경우는 들뜸보다 25 mm 더 제거하면서
단위길이 당 2.5 %로 증가하였다. 하지만 제거 기준을 들뜸으로 할 경우 염화물 함유량이 임계치를 초과한 GS-1-3 부위(1.35 kg/㎥)가
제외된다. 철근의 추가 부식을 막기 위해서는 GS-1-3 부위를 포함하여 제거하는 기준(여기서는 균열)이 더 적절해 보인다. 열화된 콘크리트 제거의
목적은 건전부의 최소제거와 열화부의 완전제거이다. 따라서 건전부 제거를 최소화하기 위해서는 물얼룩보다는 균열과 들뜸을 기준으로 산정하는 것이 유리하며
완전한 열화부 제거를 위해서는 균열과 들뜸을 기준으로 산정된 보수범위 중 큰 값을 선택하는 것이 열화된 콘크리트 제거 목적에 부합할 것으로 판단된다.
들뜸, 물얼룩, 균열이 존재하는 GS 교량의 교대 전면부 두 번째 위치에서 Fig. 12(a)와 같이 코어링 후 염화물 함유량 실험을 실시하였다. 물얼룩이 존재하는 GS-2-1 위치에서 GS- 1-4 위치까지 표면의 평균 염화물 함유량은 8.41
kg/㎥으로 임계치의 7배 수준인 반면에 GS-2-5 위치의 염화물 함유량은 1.08 kg/㎥으로 임계치 이하로 측정되었다. 다른 사례와 유사하게
제설염수에 의해서 형성된 물얼룩으로 추정할 수 있다. GS-2-1 위치 철근부 염화물 함유량만 임계치를 초과하였지만 GS-2-2와 GS-2-3은 들뜸이
존재함에도 불구하고 철근부 염화물 함량은 평균 0.41 kg/㎥으로 임계치의 34 % 수준이다. GS-2-2와 GS-2-3 위치에 존재하는 들뜸은
GS-2-2와 GS-2-3 위치의 철근 부식에 의해서 발현된 들뜸이기보다는 다른 곳에서 균열이 발생하여 GS-2-2와 GS-2-3 위치까지 진행이
된 것으로 보는 것이 합리적이다.
물얼룩 경계+50 mm, 들뜸 경계+150 mm, 균열+150 mm 추가 제거되는 형상을 서로 비교하였다(Fig. 12(a)). 이번 사례는 균열 끝단이 GS-2-3(들뜸 경계 위치)와 GS-2-4(건전부)에 형성되어 건전부를 포함하여 보수범위가 결정되었고 균열 기준이
들뜸 기준보다 더 넓게 보수범위를 결정하였다. 물얼룩은 들뜸보다 210 mm 추가 제거하게 되어 단위 길이(1,000 mm) 당 21.0 % 제거범위가
증가하였고 균열의 경우는 들뜸보다 93 mm 더 제거하게 되어 단위 길이당 9.3 % 증가하였다. 비록 들뜸을 기준으로 보수범위를 결정하는 경우 건전부를
일부 포함하여 제거하게 되지만 물얼룩과 비교하였을 경우에는 건전부 제거가 상대적으로 최소화된다(Fig. 12(a)). 이번 사례는 철근부 염화물 함유량이 임계치를 초과하지 않았지만 들뜸이 존재하는 사례로 염화물 함유량으로 콘크리트 열화를 설명할 수 없는 예외적인
것으로 볼 수 있다. 하지만 들뜸은 분명한 콘크리트 열화 중에 하나이며 염화물 실험보다는 매우 간단하게 육안검사로 확인이 가능하다. 따라서 들뜸은
보수범위 산정기준으로서 균열과 함께 여전히 의미 있는 기준 중에 하나라고 판단된다.
들뜸, 물얼룩, 균열이 존재하는 GS 교량의 교대 전면부 세 번째 위치에서 Fig. 13(a)와 같이 코어링 후 염화물 함유량 실험을 실시하였다. 물얼룩이 존재하는 GS-3-1 위치의 표면 염화물 함유량은 12.44 kg/㎥으로 임계치의 10.4배를
초과하는 수치이며 물얼룩이 없는 GS-3-2 위치에서 GS-3-4 위치까지 표면의 평균 염화물 함유량은 3.50 kg/㎥으로 GS-3-1의 28 %
수준이다(Fig. 13(b)). 여기서도 다른 사례와 유사하게 물얼룩의 형성 원인이 제설염수에 의한 것으로 추정할 수 있다. 열화부 위치의 GS-3-1과 GS-3-2 사이에
균열이 다수 존재하며 GS-3-1과 GS-3-2 철근부 염화물 함유량은 평균 10.64 kg/㎥으로 임계치의 8.87배로 상당히 높은 수치를 보여주고
있다. 반면 건전부(GS-3-3과 GS-3-4) 철근 위치의 염화물 함유량은 평균 0.14 kg/㎥으로 임계치의 11 % 수준이다. 건전부에 비해
들뜸부 철근의 함유량이 임계치를 초과하는 것으로 보아 콘크리트 열화부 제거 시 들뜸부는 철근부 하면까지 제거가 필요해 보인다.
물얼룩 경계+50 mm, 들뜸 경계+150 mm, 균열+150 mm 추가 제거되는 형상을 서로 비교하였다(Fig. 13(a)). 들뜸을 기준으로 제거하면 건전부(GS-3-3)를 제거하게 되고 균열을 기준으로 제거하면 건전부(GS-3-3)는 미포함하여 제거하게 되어 균열을
기준으로 한 경우가 건전부 제거를 최소화할 수 있다. 하지만 GS-1 사례에 비추어 들뜸은 없지만 염화물 함유량은 임계치를 초과하는 경우가 발생한다.
열화부를 제거하지 못할 가능성을 배제하기 위해서는 더 넓게 보수범위를 산정하는 것이 바람직해 보인다. 그리고 물얼룩은 불규칙적으로 형성되므로 물얼룩을
기준으로 열화부를 제거하게 되면 들뜸 기준보다 207 mm 더 제거하여 제거 범위가 단위 길이 1,000 mm 당 20.7 % 증가한다. Fig. 13(a)와 같이 건전부를 포함하여 상당히 넓은 면적을 제거하게 된다. 따라서 물얼룩을 기준으로 제거하기보다는 들뜸 경계+150 mm, 균열+150 mm 추가
제거되는 형상 중 큰 값을 선택하여 제거하는 것이 적절해 보인다.
Fig. 9 Visual inspection results of the MJ bridge (dot and cross markers are coring locations for the chloride tests)
Fig. 10 Chloride test results of the MJ bridge (location number is indicated in Fig. 9)
Fig. 11 Field investigation results of the GS bridge
Fig. 12 Field investigation results of the GS bridge
Fig. 13 Field investigation results of the GS bridge
3.3.4 소결
3개 교량에 대하여 실시한 염화물 실험 결과와 육안검사에서 확인 가능한 열화 손상 3종(물얼룩, 들뜸, 균열)과의 상관관계를 분석하였다. 물얼룩 표면에서의
염화물 함량은 물얼룩이 없는 것에 비해 높은 수치를 보여주었으며 이것은 제설염수에 의해 형성된 것으로 콘크리트 내 철근부식의 원인으로 추정된다.
열화부(들뜸, 균열) 철근 위치의 염화물 함유량은 임계치(1.2 kg/㎥)를 초과하였으며 염화물에 의한 철근 부식으로부터 균열 및 들뜸이 발생한 것으로
보인다. 따라서 콘크리트 열화부 제거 시 열화부(들뜸, 균열)는 철근부 하면까지 제거가 되어야 할 것으로 판단된다. 그리고 철근부 하면까지 열화부를
제거하는 것은 두 가지 측면에서 필요하다: (1) 열화부 완전제거를 통한 철근의 추가적인 부식 차단, (2) 철근을 둘러싼 부착면을 형성하여 보수재의
부착성 향상. 염화물을 함유한 콘크리트가 철근을 둘러싸고 있을 경우, 단면 복구 공사 이후에도 추가적인 철근의 부식이 발생할 수 있다. 이를 차단하기
위해서 철근 하부까지 충분히 염화물을 함유한 콘크리트 제거가 필요하다. 일반적으로 열화부 제거 작업은 철근이 절반 정도 노출될 때까지 하는 경향이
있으나, 이는 격자로 형성된 철근망이 보수재와 모재를 쉽게 분리되는 막으로 기능할 수 있다. 이를 방지하기 위해서 보수재가 철근을 둘러싸도록 열화부를
충분히 제거하면 보수재의 부착성능을 높일 수 있다.
물얼룩 경계+50 mm, 들뜸 경계+150 mm, 균열+150 mm 기준으로 제거되는 형상을 서로 비교하였다. 물얼룩 기준으로 보수범위를 산정하였을
경우 들뜸과 균열에 비해 19~30 % 추가 제거하는 경향을 보였다. 반면 들뜸과 균열을 기준으로 보수범위를 산정하였을 경우 얼룩에 비해 건전부 제거가
최소화되었다. 따라서 열화부 완전 제거 및 건전부 제거 최소화를 위해서는 들뜸 경계+150 mm, 균열+150 mm 제거 형상 중 큰 값을 선택하여
제거하는 것이 열화된 콘크리트 제거 목적에 부합한다.
4. 열화된 콘크리트 보수범위 제안
염화물 실험 결과와 열화 손상 3종(물얼룩, 들뜸, 균열)과의 상관관계를 분석하여 다음과 같은 보수범위를 제안하고자 한다(Fig. 14). “들뜸 경계+150 mm, 균열+150 mm 중 큰 값을 선택하여 열화된 콘크리트 보수범위로 정한다.”
Fig. 14 Proposal of removal area of deteriorated concrete for repairs: Max. (delamination initiation+150 mm, crack end+150 mm)
5. 결 론
열화된 콘크리트 보수범위 산정기준 제안을 위해 본 연구는 진행되었다. 이를 위해 교량 3개소에 대하여 실시한 염화물 실험 결과와 콘크리트 열화 손상
3종(물얼룩, 들뜸, 균열)과의 상관관계를 분석하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
1) 국･내외 콘크리트 보수범위기준을 조사하였다. 공통된 보수범위 산정의 목적은 열화 콘크리트 완전제거이며 이를 위해 국가별로 다양한 항목을 기준으로
정량적 또는 정성적으로 규정하고 있다.
2) 교량 열화 메커니즘에 기반하여 교각 코핑부, 교각 구체, 교대 전면에 염화물 함유량 실험을 실시하였다. 물얼룩 표면의 염화물 함유량은 물얼룩이
없는 것에 비해 현저히 높은 수치를 보여주었으며 이것은 제설염수에 의해 형성된 것으로 콘크리트 내 철근부식의 원인으로 추정된다.
3) 물얼룩을 제외한 콘크리트 열화 손상이 존재하는 콘크리트의 철근부 염화물 함유량은 임계치(1.2 kg/㎥)를 초과하였으며 추가적인 철근 부식을
방지하기 위해서 철근부 하면까지 콘크리트 제거가 필요하다.
4) 얼룩 경계+50 mm, 들뜸 경계+150 mm, 균열+150 mm 기준으로 제거되는 형상을 서로 비교하였을 경우 물얼룩 기준의 열화부 형상은
건전부를 과도하게 포함하였으며 들뜸 또는 균열은 물얼룩에 비해 최소화하였다.
5) 본 연구에서 제안한 보수범위 기준은 다음과 같다. “들뜸 경계+150 mm, 균열+150 mm 중 큰 값을 선택하여 열화된 콘크리트 열화 보수범위로
정한다.”
감사의 글
이 연구는 충남대학교 학술연구비에 의해 지원되었음.
References
ACI and ICRI (2013) Concrete Repair Manual. 4th Edition, Farmington Hills, Michigan,
US; American Concrete Institute (ACI), International Concrete Repair Institute (ICRI).
ACI Committee 318 (2014) Building Code Requirements for Reinforced Concrete (ACI 318-14)
and Commentary (ACI 318 R-14). Farmington Hills, MI; American Concrete Institute (ACI),
518.
BSI (2005) BS EN 1504 - Products and Systems for the Protection and Repair of Concrete
Structures. Definitions, Requirements, Quality Control and Evaluation of Conformity,
London, UK; British Standards Institute (BSI).
Jeong, Y. S., Min, G. H., Lee, I. K., Youn, I. R., and Kim, W. S. (2021) Comparative
Study of Bridge Maintenance: United States, United Kingdom, Japan, and Korea. Journal
of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection 25(5), 114-126. (In
Korean)
Jeong, Y., Kim, W., Lee, I., and Lee, J. (2018) Bridge Inspection Practices and Bridge
Management Programs in China, Japan, Korea, and US. Journal of Structural Integrity
and Maintenance 3(2), 126-135.
KATS (2016) Standard Test Method for the Bond Strength of Concrete Repair and Overlay
Materials by Pull-Off Method (KS F 2762). Seoul, Korea: Korea Agency for Technology
and Standards (KATS), Korea Standard Association (KSA). (In Korean)
KATS (2017) Standard Test Method for Analysis of Chloride in Concrete and Concrete
Raw Materials (KS F 2713). Seoul, Korea: Korea Agency for Technology and Standards
(KATS), Korea Standard Association (KSA). (In Korean)
KATS (2019) Method for Measuring Carbonation Depth of Concrete (KS F 2596). Seoul,
Korea: Korea Agency for Technology and Standards (KATS), Korea Standard Association
(KSA). (In Korean)
KEC (2014) Guidelines for Concrete Repairs and Quality Control. Gimcheon, Korea: Korea
Expressway Corporation (KEC). (In Korean)
KEC (2019) Expressway Bridge Maintenance Guide. Gimcheon, Korea: Korea Expressway
Corporation (KEC). (In Korean)
KEC (2021) Expressway Construction Specification, EXCS 44 99 30, Partial Repairs/Complete
Repairs. Gimcheon, Korea: Korea Expressway Corporation (KEC). (In Korean)
KECRI (2016) Development of Maintenance Index for the Bridge Service Life to 100 Years.
Hwaseong, Korea: Korea Expressway Corporation Research Institute (KECRI). (In Korean)
KECRI (2021) Performance Improvement of Concrete Repairs and Crack Repairs. Hwaseong,
Korea: Korea Expressway Corporation Research Institute (KECRI). (In Korean)
KISTEC (2019a) Guidelines for Repairs and Strengthening (Bridge and Tunnel). Jinju,
Korea:Korea Infrastructure Safety and Technology Corporation (KISTEC). (In Korean)
KISTEC (2019b) Guideline and Commentary of Safety Inspection and In-Depth Safety Inspection
for Structures-Bridge. Jinju, Korea: Korea Infrastructure Safety and Technology Corporation
(KISTEC). (In Korean)
Kwon, S. J. (2021) Probabilistic Repair Estimation in Reinforced Concrete Structure
considering Multiple Environmental Conditions. Journal of the Korea Concrete Institute
33(1), 57-64. (In Korean)
Min, G. H., Lee, I. K., Jeong, Y. S., and Kim, W. S. (2021) Proposals for Enhancing
Performance of Repair of Deteriorated Concrete Structures. Journal of the Korea Concrete
Institute 33(6), 579-587. (In Korean)
PWRI (2014) Manual for Repair And Rehabilitation of Concrete Structure. Tsukuba, Japan;
Public Works Research Institute (PWRI). (In Japanese)
Seo, J. S., Lee, B. C., and Jung, S. H. (2017) Evaluation of Properties of Reinforced
Concrete Exposed to Marine Environment and Corrosion Characteristics of Rebar. Journal
of the Korea Concrete Institute 29(6), 597-605. (In Korean)