2.1 도장 시험편 제작

본 연구에서는 가로 70mm, 세로 150mm, 두께 3mm의 SS275 강재를 사용하였으며, 신설 도장의 표면처리 방법인 블라스트 표면처리(SSPC SP-10)와 현장 보수도장시 널리 사용되고 있는 수공구(SSPC SP-2) 및 동력공구(SP-3)로 각각 표면처리를 하였다.

국가건설기준 표준시방서 도장(KCS 14 31 40)⁽⁵⁾의 일반 중방식의 신설 도장계 물길(제1층)은 무기징크리치 페인트, 보수도장 시 일률적으로 하도는 에폭시계 방청도료를 적용하고 있다. 이에 본 실험에서도 신설 도장 시편에는 블라스트 표면처리 후 무기징크리치 페인트, 재도장 시편에는 수공구 또는 동력공구 표면처리 후 에폭시계 방청도료를 도포하였다. 그리고 Table 1에 나타낸 것과 같이 표준시방서에 따라 일반중방식 도장계인 우레탄계, 세라믹우레탄계, 실록산계 및 불소수지계 마감의 중도와 상도를 도포하여, 도장계 4종류의 도장 시편을 제작하였다.

일반중방식 도장계의 종류, 하도 도료의 종류, 표면처리방법에 따라 도장 시편은 총 12종류로 분류할 수 있다. 여기서 UZ-B 도장시편의 U는 상도의 종류(우레탄), Z는 하도의 종류(징크리치 페인트), B는 표면처리공법(블라스트)을 나타낸다.

재도장시 표면처리에는 와이어브러쉬의 수공구, 디스크그라인더의 동력공구 및 블라스트처리가 이용되고 있다. 수공구에 의한 표면처리는 표면 녹을 완전히 제거하는 것은 어려우며, 표면에 얇은 녹층이 발생한 경우나 열화된 도막을 제거하는 경우에 사용된다. 그리고 동력공구에 의한 표면처리는 표면 녹 제거에는 효과적이지만, 부식피트 내부의 녹 제거가 어렵고 복잡한 형상에는 적용하기 어렵다.

본 실험에서는 Fig. 1과 같이 신설 도장 시편은 블라스트 표면처리 후 각각의 도장계에 따라 도료를 도포하였다. 재도장시편은 먼저 강판을 ASTM D 6899으로 부식촉진실험을 실시하여 일정 기간 강판 표면을 부식시킨 후, 브러쉬의 수공구(SP-2) 및 디스크그라인더의 동력공구(SP-3)로 표면처리한 후 일반 중방식의 재도장계 도료를 도포하여 제작하였다. 여기서 UE-P 도장시편의 U는 상도의 종류(우레탄), E는 하도의 종류(에폭시계 방청도료), P는 동력공구를 나타낸다.

Fig. 1. Process of simulated surface treatment and coating degradation

Fig. 2. Dimension of tested specimen and coating defects (mm)

Fig. 3. Environmental condition of accelerated corrosion test depending on ISO 20340

일반적으로 도막은 UV에 의한 광산화 반응에 의하여 표면의 균열 발생 및 광택이 감소하게 되며, 시간경과에 따라 도막하 부식이 발생함에 따라 부풂에 의한 도막손상이 발생하게 된다. 본 실험에서는 Fig. 2와 같이 직경 0.5, 1, 3, 5mm의 원형 결함을 도막의 건조두께 및 표면요철을 고려하여 강재표면까지 도달하도록 기계가공을 실시하여 인위적인 도막결함을 도입하여 초기 도막열화를 모사하였다.

2.2 부식촉진실험 환경조건

2019년 개정된 ISO 12944 Part 9에서 실제 부식환경과 유사한 결과를 도출하기 위하여 기존 염수분무 시험방법(SST, Salt Spray Test)에서 반복순환(CCT, Cyclic Corrosion Test) 시험 방법인 ISO 20340을 제안하고 있다. ISO 20340은 높은 내구성이 요구되는 부식성 등급 C5의 경우에는 시험기간을 10 cycle (1680 hr), 매우 높은 내구성의 경우에는 16 cycle (2688 hr)으로 규정하고 있다. 이에 본 실험에서는 Fig. 3에 나타낸 것과 같이 ISO 20340 실험방법을 적용하였으며, 3일간의 자외선 노출/결로, 3일간의 염수분무, 1일간의 저온노출로 7일간이 1 cycle로 구성하였다. 또한 신설도장계의 경우 20 cycle, 재도장계의 경우 10 cycle을 목표로 진행하였다.

3.1 도장열화의 육안조사

강교량의 도막손상 상태평가는 일반적으로 육안조사, 표준사진조사, 전위측정, 전기저항, 비파괴조사를 이용한 평가가 이루어지고 있다. 동일한 도막결함에 대하여 육안조사 및 노화면적 측정을 통하여 부식환경에 대한 노출 기간의 증가에 따른 신설 및 재도장계의 열화거동을 평가하였다. 무기징크 하도인 경우에는 도막 손상부의 국부부식 방지효과와 도막하 부식을 방지하여 도막의 내구성을 향상시키고 있으나, 에폭시계 방청도료의 경우에는 염분에 의해 오염된 부분에 적용

Fig. 4. Time dependent coating defect area depending on coating type

할 때 도막탈락 현상을 일으키기 쉬워, 해안지역에서는 표면에 잔존하는 염분의 영향으로 조기노화된 사례가 보고되고 있다(Jeong et al., 2019; FHWA 1997)^(4,8).

열화 실험 전후 외관검사를 통한 도장계별 내구성 비교 및 평가를 위하여 Fig. 4와 같이 시간경과에 따른 도막 외관을 비교하였다. 부식환경에 노출된 기간의 증가에 따라 최초 도막결함 가공부의 소지면에서 부식이 발생하여 결함의 경계부에 도막하 수분층이 형성되며 부식생성물에 의한 계면박리에 의하여 부풂 현상이 발생되었다.

신설도장계의 경우에는 5 cycle까지 하도의 무기징크의 영향으로 계면박리에 의한 부풂 현상이 발생하지 않았으나, 10 cycle 이후 급격하게 증가하는 것으로 나타났다. 그리고 재도장계의 경우에는 2 cycle까지 상도 및 하도의 종류에 관계없이 초기결함을 도입한 부위에서만 부식이 발생하였으며, 초기결함을 도입하지 않은 건전부에서는 발청, 부풀음 등의 도막 열화현상은 관찰되지 않았다. 하지만 3 cycle 이후에는 도막결함의 크기가 클수록 도막의 부풂 면적이 급격하게 증가하였으며, 5 cycle 이후에는 주변의 도막결함간의 결합에 따라 실험을 종료하였다. 또한 수공구 표면처리보다 동력공구 표면처리 시험편의 열화면적 증가율이 급격하게 증가하는 것으로 평가되었다.

3.2 도장계별 부식면적 측정

도막의 노화는 녹, 부풂, 박리, 균열, 백아화 등의 단독 또는 복합적으로 발생되며, 국내외의 강교량 도장의 노화곡선은 2차곡선 또는 지수곡선으로 나타낼 수 있다(Fujiwara and Miyake, 2001; Lee et al., 2015)^(9-10). 본 연구에서는 전자현미경과 3D 형상측정을 통하여 시간경과에 따른 각 도장계의 부식면적을 측정하였다. 동일 도막결함에 대한 부식면적은 측정된 결과의 평균값을 이용하였으며, 각각의 도막결함에서 측정된 열화면적과 촉진실험 기간과의 관계를 Fig. 5에 나타내었다.

신설 도장계의 초기결함 직경 5 mm의 경우에는 10 cycle 이후 열화면적은 선형적으로 증가하였으며, 실험 종료시(20 cycle) 부식면적은 약 8~11배 증가하였다. 하지만 초기결함 직경 3 mm의 불소수지계 상도의 경우에는 열화면적이 약 27배로 크게 증가하였으며, 우레탄계, 실록산계, 세라믹우레탄계는 약 15~19배 증가하였다. 상대적으로 초기 결함크기가 작은 경우의 소지면에는 아노드(anode)가 고정되어 하도에 도포된 무기징크리치를 빠르게 소모하여 열화면적 증가율이 증가한 것으로 추정된다. 블라스트 표면처리된 신설 도장계별 내구수명은 불소수지계, 실록산계, 우레탄계, 세라믹우레탄계 순으로 평가되었다.

우레탄계 재도장의 경우에는 수공구 표면처리에 의하여 초기결함 크기보다 도막열화 면적이 약 5.9~6.9배 크게 증가하

Fig. 5. Comparison of coating degradation by surface treatment method

였으나, 동력공구 표면처리에 의하여 약 3.7~4.1배 증가하는 것으로 나타났다. 하지만 실록산계, 세라믹우레탄계, 불소수지계의 경우에는 수공구 표면처리와 유사하거나 동력공구 표면처리의 경우가 도장열화 면적증가율이 크게 평가되었다. 이와 같은 결과는 표면처리 이후 표면에 잔존하는 녹 및 이물질 등의 영향을 크게 받는 것으로 판단된다. 또한 상대적으로 초기결함 크기가 작은 0.5 mm와 1.0 mm의 경우, 상도의 종류에 무관하게 유사한 거동을 나타내었다. 하지만 초기결함 크기가 3.0 mm와 5.0 mm인 경우, 상도의 종류에 따라 열화진전 속도는 다르게 나타났다. 우레탄계 재도장을 제외하고 5 cycle 이후 수공구 표면처리보다 동력공구 표면처리 시험편의 열화면적이 급격하게 증가하는 것으로 평가되었다.

또한 동일 상도 도장계의 재도장 시험편의 열화면적은 신설도장보다 약 3~5배 크게 증가하였으며, 동일한 부식면적 도달까지의 촉진실험 기간을 비교하면, 재도장 시험편의 내구수명은 신설도장의 약 30% 수준으로 평가되었다.

3.3 도장계별 열화도 곡선

강교량에 적용된 도막의 내구수명을 예측하기 위해서는 도막의 열화도 곡선의 산출이 선행되어야 한다. 단기간에 도장계의 내구성에 대한 검토와 열화도 곡선 산출을 위하여 각각 측정된 결과를 모든 결함의 열화 면적을 직경 하나의 결함에서 증가하는 과정으로 조합하였다(Jeong et al., 2019)⁽⁴⁾.

본 연구에서는 초기결함 크기별로 분류하여 열화 면적의 증가에 따르는 과정을 구성하여, 결함 크기별 부식속도를 고려하여 모든 열화 면적이 그 이상의 초기결함 크기 면적에 도달하게 된다. 일련의 과정을 통하여 0.5 mm 결함의 초기 면적으로부터 점차 증가하는 과정으로 재구성하였으며, 식(1)을 이용하여 신설 및 재도장계별 열화도 곡선을 Fig. 6에 나타내었다. 여기서, DA는 도막의 노화면적(mm²), A와 B는 상수, t는 부식촉진사이클 이다. 신설도장계의 경우의 상관계수는 0.94 이상, 재도장계는 0.84 ~ 0.91로 매우 높게 나타났다.

Fig. 6. Combination of measured coating defect area for each coating type

극심한 부식환경에서 신설 도장계의 경우에의 열화면적은 약 20 cycle까지는 증가율이 미비하며, 20 cycle 이후 서서히 증가율이 커지며 30 cycle 이후에 열화가 가속화되는 것으로 평가되었다. 하지만 재도장계의 경우에는 3 cycle까지 열화면적 증가율이 미미하였지만, 3 cycle 이후 증가율이 급격하게 증가하는 것으로 평가되었다. 동일 도장계에서 표면처리 방법에 따른 열화곡선은 상이하였으며, 블라스트 처리 후 무기징크리치 하도를 적용하는 신설 도장계의 내구성이 가장 우수한 것으로 나타났다. 또한 동일한 하도를 적용하였으며 표면처리방법에 따라 우레탄 상도의 경우에는 수공구 보다 동력공구 처리한 시험편의 내구성이 우수하였으며, 세라믹 우레탄계는 유사하게 나타났다. 하지만 실록산계 및 불소수지계 상도의 경우에는 동력공구 보다 수공구 표면처리의 내구성이 높은 것으로 평가되었다.

도장계의 내구수명은 도막의 발청, 박리 등의 손상이 발생되기까지의 발생수명과 손상 발생 이후 지속적으로 손상면적이 증가하는 진전수명으로 구분할 수 있으며, 본 연구에서의 도장 내구수명은 초기결함을 도막의 손상으로 가정하여 도막의 열화가 진전되는 수명으로 정의하였다.

시설물의 안전 및 유지관리 실시 세부지침의 강재 내구성능 평가의 발청(표면부식, 녹)의 평가기준에 따른 등급에 기준하여 초기결함 크기 0.5 mm을 평가기준인 a 등급의 상한인 0.05%로 가정하여 교량 관리주체에서 교량 재도장을 고려하는 발청 면적 5%까지의 실험기간을 산출하였다. 부식촉진실험을 통한 신설 도장계의 내구수명은 24 ~ 28 cycle, 보수도장계는 7 ~ 11 cycle로 평가되었으며, 보수도장계의 내구수명은 신설 도장계의 30 ~ 40% 수준으로 평가되었다.

4.1 대기부식환경을 고려한 촉진배율

촉진실험 결과를 실제 대기환경에 노출된 공용중인 교량에 직접적으로 적용은 매우 어려우며, 강재 및 도장의 내구성 평가를 위하여 촉진배율을 적용하고 있다. 국외에서는 비래염분량과 해안선으로부터의 거리를 이용하여 부식촉진실험결과의 촉진배율을 산출하고 있으며, 국내에서는 대기부식성 등급을 이용하여 촉진배율 산출에 적용하고 있다(Jeong et al., 2019)⁽⁴⁾. 국내 고속도로상의 교량에 대한 부식성 등급은 평가된 사례가 있으나, 해양환경에 노출된 교량에 대한 부식성 등급 평가에 관한 연구는 매우 부족하다(Cheong and Lee, 2002)⁽¹¹⁾.

Fig. 7. Evaluation of coating degradation curve depending coating type and corrosion category C4

본 연구에서는 ISO 19224의 대기부식성 등급과 무도장 강재의 부식촉진실험 결과로부터 측정된 각각의 부식속도 비를 이용하여 촉진배율을 산출하였으며, 각 부식성 등급에 대한 촉진배율 산출결과를 Table 2에 나타내었다.

4.2 신설 도장계 및 재도장계의 내구수명 예측

공용 중인 강교량의 효율적인 유지관리를 위한 경제성평가 모델을 구축하기 위해서는 가설된 위치의 부식환경 평가가 필수적이며, 도장계별 내구수명에 대한 정량적인 평가가 선행되어야 한다. 부식성 범주 CX(극심함, 염도가 높은 해양지역), C5(매우높음, 염도가 높은 해안지역), C4(산업지대 및 염분농도가 중간인 해안지역), C3(도시와 산업지역), C2(산간지역)에 가설된 강교량에 적용된 신설 도장계 및 재도장계의 내구수명에 대한 평가가 요구되고 있다.

국내외적으로 도막열화 평가방식에는 다양한 규정이 적용되고 있으나 각 규정별로 도장의 내구수명에 대한 명확한 정의가 없다. 본 연구에서는 각각의 도장계별 열화면적과 촉진배율을 고려하여 도장계의 내구수명과 열화면적과의 관계를 Fig. 7에 나타내었다. 도장계의 내구수명과 열화면적과의 회귀분석 결과 신설도장계의 경우의 상관계수는 0.92 ~ 0.95, 재도장계는 0.80 ~ 0.90으로 매우 높게 나타났다. 부식성 등급에 대하여 강재 내구성능 평가기준에 따른 등급별 도장계별 내구수명을 산출하였다.

각각의 부식성 등급에 대하여 강재 내구성능 평가기준에 따른 등급별 및 도장계별 사용수명을 산출하여 Table. 3에 나타내었다. 국내 해안지역에 가설된 강교량의 대기부식성 등급은 C4로 보고되고 있으며, 신설 도장계의 내구수명은 약 18 ~ 21년, 재도장계는 약 5.3 ~ 8.0년으로 평가되었다. 그리고 도시와 산업지역의 C3 등급에서의 신설 도장계의 내구수명은 약 30 ~ 34년, 재도장계는 약 9.0 ~ 15.0년으로 평가되었다. 상기와 같이 열악한 부식환경 및 일반환경에서 적절한 표면처리가 실시되지 않고, 상도만을 고내후성 도장으로 도포하는 것에 따른 도장의 내구수명 증가는 미미한 것으로 평가되었다. 또한 발청 평가 기준에 따라 a 등급에서 c 등급으로 변화할수록 내구수명이 급격히 감소하고 있으며, 내구수명은 이전등급의 약 80 ~ 90%의 수준으로 평가되었다.