2.1 시험편 제작

도장의 방청성 및 내후성능을 좌우하는 가장 중요한 인자 가 표면처리이며, 도막의 조기 파손의 60~80%는 부적절한 표 면처리에 기인한다고 알려져 있으며 본 연구에서는 가로 70 mm, 세로 150 mm, 두께 3 mm의 SS275 강재를 사용하였으 며, SSPC SP-10기준 블라스트 표면처리 후 도장을 실시하였 다. 2000년대 건설된 강교량은 주로 내후성 중방식 도장계를 적용하였으며, 상도의 종류가 다양화되고 건조도막두께 및 하도의 종류에 따라 분류가 된다. 본 연구에서 신설용 도장계 의 상도는 우레탄계, 세라믹계, 폴리실록산계 및 불소수지계 를 대상으로 하였으며, 하도는 무기징크를 도포하였다. Table. 1에 각각의 도장계별 도장사양 및 건조도막 두께 측정 결과를 정리하여 나타내었으며, 설계도막두께와 시험체의 건조도막 두께는 유사하게 나타났다.

Table 1

Coating system of specimens

도막의 내구성 실험에서는 노화현상을 유도 및 촉진시키기 위하여 초기결함을 도입하고 있으며, 본 연구에서도 Fig. 1과 같이 직경 0.5, 1, 3, 5 mm의 원형 결함을 소지면까지 도달하 도록 기계가공을 하였다.

Fig. 1

Dimension of tested specimen and coating defects (mm)

2.2 실내 부식실험 조건

실내 부식촉진실험에는 혹독한 부식환경 하에서 도장계의 내후성능 평가에 널리 사용되고 있는 ISO 20340을 사용하였 다. 혹독한 대기부식환경을 모사한 부식촉진실험법은 Fig. 2 에 나타낸 것과 같이 3일간의 자외선노출/결로, 3일간의 염수 분무, 1일간의 저온노출의 7일간이 1사이클로 구성되어 있다. 자외선 노출/결로는 ISO 11507의 조건에 따라 (60±3) ℃, 방 사조도 0.71 W/m²에서 4시간 자외선노출과 (50±3) ℃에서 4시간 결로의 반복으로 총 72시간 실시하였다. 그리고 염수분 무는 ISO 9227의 조건에 따라 5% 염분의 (35±2) ℃ 염수를 총 72시간 분무 후 저온노출은 (-20±2)℃에서 24시간 노출시키 게 된다.

Fig. 2

Environmental condition of accelerated corrosion test

실험 개시 후 초기, 5, 10, 15, 20 사이클 후 시험편 표면변화 에 대한 육안관찰과 노화면적을 측정하였다.

2.3 육안 조사결과

도장의 노화도는 육안관찰(녹, 박리, 균열, 변퇴색)과 전기 화학반응(교류임피던스)을 이용한 평가가 이루어지고 있다. 동일한 시험체에 대한 부식실험기간의 증가에 따른 도막의 육안관찰과 노화면적을 측정을 통하여, 도장계별 특성에 따 른 도장의 열화거동을 평가하였다.

노화 실험 전후 외관검사를 통한 도장계별 내구성 비교 및 평가를 위하여 Fig. 3 같이 시간경과에 따른 도막 외관을 비교 하였다. 상도 및 하도의 종류와 특성에 관계없이 초기결함을 도입한 부위에서만 도막열화가 진행되었으며, 초기결함을 도 입하지 않은 건전부에서는 발청, 부풀음 등의 열화현상은 관 찰되지 않았다. 동일한 부식환경에서 무기징크 하도인 경우 (UZ-B, CZ-B, PZ-B, FZ-B)에는 상도의 종류에 무관하게 유 사한 거동을 나타내었다.

Fig. 3

Coating defect area depending on coating type

2.4 노화면적 측정결과

강교량에 적용된 도막의 사용수명을 예측하기 위해서는 도 막의 노화도 곡선의 산출이 선행되어야 한다. 도막의 노화는 녹, 부풀음, 박리, 균열, 백아화 등의 단독 또는 복합적으로 발 생되며, 국내외의 강교량의 점검을 통한 노화도 곡선에 대한 연구결과는 2차곡선 또는 지수곡선을 사용하여 제시되고 있 다(^{Fujiwara and Miyake, 2001;}.^{Lee, 2015}).

외관검사를 통한 도막의 내구성 평가의 항목은 일반적으로 KS M ISO 4628의 기준에 따라 녹, 박리, 균열, 변퇴색의 4가 지 항목을 통하여 도막의 열화를 분석하게 된다. 본 연구에서 는 전자현미경을 통하여 시간경과에 따른 각 시험체의 노화 면적을 측정하였다. 식 (1)을 이용하여 도장계별 초기노화 면 적 크기별에 대한 노화면적과 부식사이클과의 상관관계를 Fig. 4와 Table 2에 나타내었다. 초기결함 크기가 클수록 노 화면적의 증가속도는 빠르게 나타났다. 여기서, DA는 도막의 노화면적(mm2), A와B는 상수, t는 부식촉진사이클 이다.

Fig. 4

Coating defect area depending on coating defect size of coating type

Table 2

Coating system of specimens

동일 도장계에서 초기결함 면적 크기에 따라 노화속도는 다르게 나타났으며, 초기결함 면적 크기가 클수록 시간경과 에 따른 노화속도는 점점 증가하였다. 또한 상대적으로 초기 결함 크기가 작은 0.5 mm와 1.0 mm의 경우, 상도의 종류에 무 관하게 유사한 거동을 나타내었다. 하지만 초기결함 크기가 3.0 mm와 5.0 mm인 경우, 상도의 종류에 따라 노화진전 속도 는 다르게 나타났다. 상기와 같은 결과는 상도의 도장계 특성 과 건조도막 두께의 영향으로 판단된다.

3.1 도장계별 노화곡선 산출

열도장계별 노화시험 결과 초기결함의 크기 및 녹 발생면 적(양극 영역)에 따라 부식속도가 다르게 나타났으며, 일정시 간 이후 결함의 크기 및 녹 발생면적이 급격하게 증가하였다. 본 연구 에서는 결함 크기별 부식속도를 고려하여 노화예측 곡선을 산출하였다. 노화예측 곡선의 산출방법은 ① 초기 결 함 크기별로 분류하여 열화 면적의 증가에 따른 과정을 구성 하고, ② 직경 0.5mm, 1mm, 3mm, 5mm의 초기 결함으로부터 측정된 모든 열화 면적이 그 이상의 결함 크기 면적에 도달하 게 되면 0.5mm 결함의 초기 면적으로부터 점차 증가하는 과 정으로 재구성할 수 있다. 즉 모든 결함의 열화 면적을 직경 0.5mm 하나의 결함에서 시간에 따라 증가하는 과정으로 조 합하는 것이며, 부식촉진 사이클과 노화면적과의 관계를 Fig. 5에 나타내었다. 또한 식(1)을 이용하여 각 도장계별 시간경 과에 따른 노화곡선을 산출하였다. 각 도장계별 부식촉진 사 이클과 노화면적과의 상관계수는 0.95 이상으로 높게 나타났 으며, 약 20 사이클이 이후 노화면적이 급격하게 증가하는 것 으로 나타났다.

Fig. 5

Relationship and service life(acceleration cycle) and coating defect area

3.2 촉진배율 산정

혹독한 부식 환경을 모사한 실내 실험의 결과를 실제 대기 환경에 직접적으로 적용하기 매우 어렵다. 따라서 본 연구에 서는 실제교량 가설지역에서의 부식속도와 부식성 등급과 실 내 부식실험을 통하여 산출된 무도장 강재의 부식속도를 이 용하여 촉진 배율을 산출하였다. 촉진 배율이란 실내 부식실 험 조건이 대기의 부식 환경에 비하여 부식속도의 비를 나타 내고 있으며, 실내 부식실험의 실험기간을 실제교량 가설지 역에서의 노출기간으로 환산가능하다. 또한 실내부식 실험에 서도 총 9개의 시험체에 대하여 촉진사이클에 따른 평균부식 두께를 산출하였다. 평균부식두께는 중량감소법으로 측정하 였으며, 실내실험을 통하여 산출된 부식속도와 대기부식성 등급의 부식속도를 Fig. 6에 나타내었다. 촉진배율은 식 (2) 과 같이 각각의 회귀곡선의 기울기의 비로 산출하였다.

Fig. 6

Comparison of corrosion rate depending on acceleration corrosion test and corrosion category

한국도로공사 보고서(^{Cheong, 2002}) 에 따르면 강교 주변 의 대기부식성을 평가하기 위하여 고속도로상의 총 31개 교 량에 대하여 부식속도를 측정하였으며, Fig. 7과 Table 3에 부 식환경, 부식성 등급 및 실내촉진실험과의 촉진배율을 정리 하여 나타내었다. 해양환경에 노출된 교량의 경우, 대기환경 의 분류기준에 따른 부식성 등급은 C4(산업지대 및 염분농도 가 중간인 해안지대)로 나타났다. 도시, 전원지역, 산간지역, 산업지대에서의 부식성 등급은 C3 또는 C2로 평가 되었다. 하지만 동일한 부식성 등급에서의 부식속도는 상이하였으며, 부식속도는 해양환경, 산업지대, 도시, 산간지역, 전원지역 순 으로 감소하였다.

Fig. 7

Measurement location of corrosion rate (^{Cheong, 2002})

Table 3

Summary of corrosion category and acceleration factor depending on corrosion environment(^{Cheong, 2002})

3.3 도막 사용수명 예측

일본 도료공업회(^{Japan Paint Manufacturers Association, 2013})의 중방식 도료 가이드북에 따르면 극심한 부식환경에 도막의 소모가 발생하기까지의 기간은 없는 것으로 제안하고 있다. 하지만 일본 교량건설협회(^{Japan Bridge Association Inc., 2006})의 교량기술자를 위한 도장 가이드북에서는 극심 한 부식환경에서는 도막의 소모가 발생하는 기간을 각 도장 계별로 10~20년으로 제안하고 있다. 도막열화 조사방식에 대 한 규정은 ASTM D610, ISO 4628-3, JSS IV03등 다양한 방법 이 적용되고 있다. 도막 수명에 대해서 명확한 정의 등이 없으 며 구조물 관리자와 도장(도료) 관계자에 따라 도막 수명의 판 단 기준이 다르다. 일반적으로 강구조물의 1%가 부식되면 강 도는 5~10% 감소되며, 5%이상의 녹이 발생된 경우에는 안전성 에 문제가 발생할 수 있다고 알려져 왔다(^{Membrane Structures Association of Japan, 2012}).

본 연구에서는 ASTM D 610의 일반적인 부식이 발생하는 것을 기준으로 하여 초기결함이 도입된 상태를 발생면적 0.03%(9등급)로 가정하여, 도막의 노화면적이 3.0%일 때를 사용수명으로 정의하였다. 각각의 도장계별 노화면적과 촉진 배율을 고려한 도막의 사용수명과 부식 발생면적과의 관계를 Fig. 8에 나타내었으며, 사용수명 예측 결과를 Table 4에 정리 하여 나타내었다.

Fig. 8

Coating service life of coating type depending corrosion category

Table 4

Summary of coating service life depending on corrosion environment

일반적으로 불소수지는 탄소원자와 불소원자 간에 결합에 너지가 유기화합물 중에서 가장 크며, 자외선(UV), 대기오염, 산성비 등의 문제에 대하여 20년 이상의 내구성을 나타낸다 고 알려져 있다. 하지만 실험결과 불소수지 상도의 경우가 상 대적으로 빠르게 열화가 진행되었으며, 자외선의 높은 에너 지를 가지며 안료에 흡수하게 된다. 따라서 원자간 결합 에너 지의 약한 부분이 분리되고, 열에너지로 변환되어 화학 변화 를 촉진한 것으로 판단된다. 세라믹수지는 내후성, 방청성, 내 구성 등의 여러 기능면에서 장점을 가지며, 다른 도료에 비하 여 연성능력이 떨어져 외부에 의한 충격에 약한 단점을 가지 고 있지만 실내부식환경에서 가장 긴 내구수명을 나타내었 다. 그리고 하도 및 중도가 동일하며, 상도만 다른 종류의 도 장계를 적용한 경우의 사용수명은 불소수지, 폴리실록산수 지, 우레탄수지, 세라믹수지 순으로 증가하였다. 하지만 본 연 구에서 평가된 도장계의 사용수명은 초기결함이 도입한 후 도장계의 수명을 평가함에 따라 실제 열화환경에서 나타날 수 있는 도장계의 사용수명과는 차이가 발생할 수 있으므로 본 연구에서 평가된 도장계의 사용수명 분석을 통하여 환경 에 따른 상대적인 도장계의 사용수명 수준 등을 판단하는 자 료로 활용하는 것이 합리적일 수 있을 것이다.