2.1 열화환경 조건별 도로시설물 선정

본 논문에서는 열화환경 조건별로 강원 고성, 서울, 경기 고양, 부산에 위치한 교량 총 4개소, 강원권 방호울타리 4개소, 부산권 방호울타리 3개소 및 옹벽 1개소를 대상 시설물로 선정하였으며, 각 개소에서 깊이별 침투염화물량을 조사ㆍ분석하였다. Table 1에 대상시설물의 공용연수, 지난 10년간 평균 동결융해 싸이클수 및 강설일수, 해안으로부터의 거리를 정리하였다.

(1) 제설제에 의한 직접적인 염해환경에 노출되는 방호울타리 및 옹벽에 대하여, 강원권(Fac-1; 제설제 및 동해환경)과 부산권(Fac-2; 일반환경)으로 구분하여 시설물을 선정하였으며, 공용연수(약 5, 10, 15, 25년 이상)별로 1개소씩 선정함으로써 제설제 노출기간에 따른 영향을 분석하였다. 또한 노면으로부터의 높이에 따른 영향을 함께 분석하기 위하여 상/중/하단부로 구분하여 각 높이별 2개소씩 코어를 채취하여 깊이별 염화물 침투량을 비교하였다.

(2) 제설제에 의한 간접적인 염해환경에 노출되는 교량 부재에 대하여 제설제 침투 경로에 따른 영향을 분석하기 위하여 북부권 및 부산권 교량을 선정하였다. Bridge-1~3은 북부권에 위치하며, Bridge-1(서울)의 동결융해 싸이클수 및 강설일수(≈제설제 살포일수)가 가장 많다. Bridge-2와 3의 경우, 동일 부재에서 누수가 발생하여 열화가 진전된 구역과 건전한 구역을 구분하여 코어를 채취함으로써 누수에 의한 영향을 함께 검토하였다. Bridge-1은 Bridge-2와 공용연수는 유사하지만 전문가에 의한 외관조사 결과, 망상균열, 백태를 포함한 열화가 상당히 진행된 상태였다.

(3) 해안거리 및 교각 높이별 비래염분에 의한 영향을 분석하기 위하여 부산권 해상교량인 Bridge-4에 대하여 코어를 채취하였다. Bridge-4는 북부권에 비해 제설제 및 동결융해에의 노출 빈도가 매우 낮다. 해안가에 바로 인접한 P15 교각의 경우 비래염분에 직접적으로 노출되어 있으며, 해안에서 내륙방향으로 약 150 m에 위치한 P18 교각은 인근 아파트 단지, 조경수 등에 의하여 비래염분에 의한 영향이 상당히 적다. 해안과 내륙 교각에 대하여 교각 높이별 염화물 침투량을 조사하여 비래염분 환경에 의한 염화물 침투량을 비교하였다.

2.1.1 Fac-1 (북부권) 측정 위치

Fac-1-1~4는 강원에 위치한 공용연수 5, 10, 15, 27년의 방호울타리이며, 각 방호울타리에 대하여 3개 높이(H, M, L)로 구분하여 깊이별 침투염화물량을 측정하였다(Fig. 1).

Fac-1-1의 경우 10년 평균 동결융해 반복일수가 65.3일/년, Fac-1-4의 경우 78.1일/년으로 Fac-1-2와 3의 39.7일/년에 비해 높으며, 10년간 연 평균 강설일수의 경우 Fac-1-1이 12.7일/년으로 2~4 방호울타리(4일/년)에 비해 높다. 즉, Fac-1-1이 가장 극심한 열화환경에 노출되어 있으며, Fac-1-2와 Fac-1-3은 유사한 열화환경에 노출되어 있으나 노출기간에 차이가 있다.

Fig. 1 Coring positions on curbs

2.1.3 Bridge-1 (서울) 측정 위치

Bridge-1은 서울에 위치한 공용연수 42년의 RC 슬래브 교량으로, 교각 P1과 P4는 슬래브 일체형이다. 외관조사 결과 망상형 균열이 바닥판 하부에 전체적으로 분포하고 있었으며, 신축이음부를 통한 하부구조로의 누수 등이 발견되었다. A1과 P1사이 슬래브 하부에서 측면(가드레일 측)에서의 거리별로 3개소, A2와 P4사이 슬래브 하부(S2-1)와 P4에서 코어를 채취하였다. 코어 S1-1~3은 교대 A1 인근 슬래브 하부의 측면에서 각각 2.5m, 3.5m, 4.5m에 위치한다. S1-1~2 코어 채취 시 바닥판 내부가 습윤 상태였으며, 열화로 인하여 관통누수가 발생하고 있는 것으로 판단되었다(Fig. 2).

Fig. 2 Coring positions on Bridge-1

2.1.4 Bridge-2 (강원 고성) 측정 위치

Bridge-2는 강원도 고성군에 위치한 2경간 연속 RC 슬래브 형식으로, 준공연수 39년 교량이다. 주기적인 교량 하부에 대한 도장작업으로 외관조사를 통해 균열, 백태 등의 손상을 조사하기에는 한계가 있었다. Fig. 3에 Bridge-2에서의 코어링 위치를 도시하였다. A1과 P1사이 슬래브 하부에서 측면(가드레일 측)으로부터 0.6m, 1.6m, 2.6m 거리에 1개소씩(S1-1~3), A2와 P1사이 슬래브 하부에서 측면으로부터 0.6m 거리에 1개소(S2-1), 교각 P1에서는 동일한 높이에서 건전부 1개소(P1-H), 누수가 발생한 비건전부 1개소(P1-D), 총 6개소에서 코어를 채취하였다.

Fig. 3 Coring positions on Bridge-2

2.1.5 Bridge-3 (경기 고양) 측정 위치

Bridge-3은 경기도 고양시에 위치한 공용연수 26년의 3경간 연속 PSC 거더교이다. 외관조사 시 교각, 바닥판, 거더 등에서 균열 및 심각하지 않은 수준의 백태, 최상부 및 최외곽 받침 플레이트의 부식, 콘크리트 파손 등이 관찰되었다. 제설제비산 경로에 의한 영향을 분석하기 위하여 동일선상에서 바닥판(S1-1) 및 거더 측면(S1-2), 거더 하부(S1-3)에서 각각 코어를 1개소씩 채취하였다. Bridge-2와 마찬가지로 교대 A1에서 건전부 1개소(A1-H), A1-H에서 10m 떨어진 동일한 높이의 누수가 발생한 비건전부 1개소(A1-D)에서 코어를 채취하였다(Fig. 4).

Fig. 4 Coring positions on Bridge-3

2.1.6 Bridge-4 (부산) 측정 위치

Bridge-4는 부산에 위치한 공용연수 12년의 해상교량으로, 해안 인접 교각 P15와 해안으로부터 150m의 거리에 위치한 교각 P18에서 상/중/하단부 높이별로 코어를 확보하였다. Fig. 5에서 도시한 바와 같이, 해풍의 방향을 고려하여, P15 교각에서는 지면으로부터 높이 4.2 m (H1), 9.2 m (H2), 20.7 m (H3)에서, P18 교각에서는 높이 2.2 m (H1), 7.2 m (H2), 18.0 m (H3)에서 코어를 채취하였다.

Fig. 5 Coring positions on Bridge-4

2.2 측정방법

대상 시설물에서 Photo 1에서와 같이 코어를 채취 후 0~1.5, 1.5~15,15~30, 30~45, 45~60 ㎜ 구간으로 절단한 다음 깊이별 침투염화물량을 측정하였다. 채취된 시료로부터 「KS F 2713 콘크리트 및 콘크리트 재료의 염화물 분석 시험 방법」에 의하여 산-가용성 염분을 추출한 다음, 전위차 적정 방법에 의하여 시료에 함유된 전염화물량을 측정하였다.

Photo 1 An example of onsite sample coring

3.1 현장 측정 결과

Table 2에 Fac- 및 Bridge-series의 코어에서 측정한 깊이별 염화물 침투량(%)을 정리하였다. 측정 데이터는 제설제에 의한 직접ㆍ간접적인 염해환경, 비래염분에 의한 염해환경의 3가지 열화환경별로 구분하여 분석하였다.

3.2 제설제에 의한 직접적인 염해환경

동절기 도로에 살포되는 제설제는 도로 상 부속시설물 및 상부구조에 비산하여 직접적으로 영향을 미친다. 이러한 제설제에 의한 염해환경에 위치한 도로시설물을 대상으로 염화물 침투량을 분석하였다.

강원권은 부산권에 비해 강설일수(제설제 살포일수)가 약 4배 이상, 동결융해 반복횟수가 약 2배 이상 높다. 현재까지 공용연수동안 노출된 총 강설일수를 기준으로 살펴보면, 부산권의 경우 최대 16일 이하였으며, 강원권의 경우 43일 이상이었다. 강원권과 부산권에 대하여 공용연수에 따른 총 침투염화물량을 상단부/중단부/하단부로 구분하여 Fig. 6에 도시하였다. 공용연수 20년 이하의 도로 부속시설물의 경우 강원권의 총 평균 침투염화물량이 부산권에 비하여 약 4배 높았으며, 공용연수 27년의 강원권 방호울타리의 경우 공용연수 16년 부산권 옹벽 대비 약 28.6배 높게 나타났다. 옹벽의 경우 Fac-1 및 Fac-2-1~3과 콘크리트 재료 특성이 다르기 때문에 염화물의 침투 특성에 차이가 있을 수 있으나, 강원권에 비하여 제설제에 의한 영향이 적음은 명백하다. 반면, 공용연수가 길수록 상단부 대비 하단부에서 침투염화물량이 높게 나타나는 경향을 보였으나, 더 많은 시설물을 대상으로 측정을 해 볼 필요가 있을 것으로 판단된다.

공용연수 약 5년 및 약 10년에 해당하는 강원권 및 부산권 방호울타리에 대하여 깊이별 평균 침투염화물량을 Fig. 7에 도시하였다. 해수에 침지된 구조물의 경우 일정한 외부 염분농도에 의해 침투염화물량이 콘크리트 표면부터 내부까지 일정한 경향으로 감소하지만, 비래염분 환경에서는 염분이 확산되지 못하고 소실되는 대류영역과 깊이 방향으로의 확산침투가 일어나는 침투영역으로 구분되어 임의 깊이에서 침투염화물량이 최고값을 나타낸다^{(Meira et al., 2007; Lee and An 2012; Min and Lee 2021)}. 제설제 살포에 의한 염분의 침투 역시 비래염분과 동일한 침투 경향을 보이며, 20~30㎜ 깊이에서 침투염화물량이 최고값을 나타내었다. 공용연수의 증가는 제설제 살포일수의 증가를 의미하며 이에 따라 침투염화물량 역시 증가한다. 특히 평균 깊이 52.5mm에서의 침투염화물량은 강원권이 부산권 대비 약 3.0~3.2배 높게 나타났다.

Fig. 8은 시설물이 노출된 총 강설일수와 52.5㎜ 깊이(일반적인 피복두께 구간)에서의 침투염화물량간의 상관성을 나타내었다. 앞으로 지속적인 연구가 수행될 필요가 있으나, 침투염화물량과 강설일수 간에 밀접한 상관성이 존재함을 확인하였다. 총 강설일수 60일 이상인 제설제에 직접적으로 노출되는 콘크리트 구조물에 대하여 침투염화물량에 관한 추가적인 분석이 수행된다면 해당 구간을 포함한 상관성 분석을 통해 직접적인 제설제 환경에서의 열화곡선 제시가 가능할 것으로 판단된다. 노출된 총 강설일수별 일정 깊이에서의 침투염화물량에 관한 열화곡선을 구축함으로써 임의의 콘크리트 부재에 대한 임의의 깊이구간(예: 피복두께)에서의 침투염화물량 예측 및 관리가 가능할 것이다.

Fig. 6 Amount of penetrated chloride ions with ages in Gangwon and Busan area

Fig. 7 Chloride profiles with ages in Gangwon and Busan area

Fig. 8 Chloride penetration at 52.5 mm depending on the days of snowfall

3.3 제설제에 의한 간접적인 염해환경

도로교량에서 살포한 제설제는 통행 차량 및 바람 등에 의해 비산되고, 시공 조인트부, 손상 방수층 등에서 발생한 누수 부위로의 우수 및 제설제의 체수, 동결융해의 반복작용 등으로 도로 인근에 위치한 콘크리트 부재를 열화시킨다^{(Korea Expressway Corporation Research Institute, 2014)}. 이처럼 비산된 제설제 및 누수로 인한 제설제 염수는 간접적으로 콘크리트

부재에 영향을 미친다. 국도상 교량에 대하여 제설제가 간접적으로 미치는 영향을 살펴보고자 Bridge-1~3 교량에 대하여 (1) 교량 측면에서 하부로의 비산 경로에 따른 영향, (2) 바닥판 등 손상에 따른 상부 및 하부구조에의 영향, (3) 누수 여부에 따른 영향을 분석하였다.

우선, 제설제 살포시 비산되는 염분이 교량 바닥판 하부까지 미치는 영향을 살펴보고자 최외측으로부터의 거리에 따른 침투염화물량을 Fig. 9에 나타내었다. Fig. 9(a)와 (b)에서 보듯이 유사한 공용연수임에도 Bridge-2는 콘크리트 내부로의 침투염화물량이 0.03% 수준으로 깊이별 평형을 이루고 표면염화물량의 침투가 수렴하는 경향을 보이는 반면, Bridge-1은 침투염화물량이 Bridge-2에 비해 많고 지속적으로 침투가 되고 있는 경향을 보여준다. 2.1절에서 설명하였듯이 Bridge-1은 망상균열, 관통누수, 신축이음부를 통한 누수 등 열화가 상당히 진행되어 염화물이 바닥판을 관통하여 침투하기 시작한 것으로 판단되었으며, Bridge-2는 도장 보수 전 침투된 염화물량이 콘크리트 내부에서 평형을 이룬 것으로 판단된다. Bridge-3의 경우, Fig. 9(c)에서 보듯이 교량 상부 측면에서 바닥판 하부로의 경로(S1-1 → S1-2 → S1-3)에 따라 침투염화물량이 약 76.5%로 감소하는 경향을 보여주었다. 즉, 누수 등 특이 열화가 없는 상태에서는

부재 측면 및 하부를 따라 표면 및 침투염화물량에 약 1.3배 차이가 발생했으며, 슬래브 하부에서는 제설제 비산 경로에 따른 영향이 거의 없었다. 다만 상부 슬래브에 관통 누수 등 심각한 수준의 열화가 발생하였을 경우에는 제설제 염수의 침투에 의하여 슬래브 하부로의 침투염화물량이 증가하였다.

바닥판 등 손상에 따른 상부 및 하부구조에의 영향을 살펴보기 위하여, 외관 상 누수가 발생하지 않고 제설제 비산에 의한 영향만 받는 구역(B1-S2-1과 인근에 위치한 P4-1, B2-S2-1과 인근에 위치한 P1)을 선정하여 Fig. 10에 도시하였다. 두 교량 모두 바닥판 하부에 비하여 교각으로의 침투염화물량이 많음을 확인하였다. 특히 손상 및 열화가 상당히 진행된 Bridge-1의 경우 하부구조에서의 침투염화물량이 바닥판 하부 대비 68% 증가하였으며, 열화진전수준에 따라 하부구조에 미치는 제설제의 영향이 달라짐을 확인하였다.

다음으로 누수 여부에 따라 제설제가 간접적으로 미치는 영향을 살펴보았다. 콘크리트 동결융해는 콘크리트 중 모세관에 존재하는 물의 동결에 의한 체적팽창(약 9%)이 반복적으로 작용하여 콘크리트의 수화조직에 미세균열을 발생시키는 것으로, 누수가 발생할 경우 동절기 동결융해에 의하여 염화물 침투가 가속화될 수 있다. 동해 및 제설제 환경에 노출된 Bridge-2와 Bridge-3의 교각 및 교대에서 건전한(healthy) 위치와 누수(leakage)가 발생한 위치를 구분하여 깊이별 침투염화물량을 비교하였으며, 그 결과를 Fig. 11에 나타내었다. Bridge-2의 경우 누수영역의 침투염화물량이 약 35% 증가하였으며, Bridge-3의 경우 공용연수가 26년임에도 불구하고 0.045% (1.2 ㎏/㎥) 이상의 염화물이 침투하였다.

제설제 환경에서 누수가 발생하였을 경우 내구성능에 미치는 영향을 살펴보고자, 철근부 염화물량이 내구성능평가 철근부 전염화물 침투량 c/d등급 구분 기준 1.2㎏/㎥과 d/e등급 구분 기준 2.5㎏/㎥에 도달하기까지 소요기간을 비교하였다. Bridge-3의 A1-H와 A1-D 데이터를 바탕으로 콘크리트 중 염화물이온 확산 관계식인 식 (1)을 사용하여 측정시점($t_{ref}$)에서의 염화물이온 유효확산계수($D_{d}$)를 구하였다. 식 (1)은 물에 포화된 콘크리트 내 염화물 이온 확산환경조건을 가정한 식으로 비산되는 염화물 환경에 최적화되어 있지는 않으나 염화물이온 확산계수를 검토하기 위하여 사용하였다^{(Min and Lee, 2021)}. 여기서 $C_{d}$는 깊이 $x$㎝에서 시간 $t$년 경과 후 염화물이온 농도값(㎏/㎥), $C_{i}$는 초기 염화물이온 농도값(㎏/㎥), $C_{o}$는 표면염화물이온 농도값(㎏/㎥), $erf$는 오차함수, $D_{d}$는 염화물이온 유효확산계수(㎠/year)이다.

여기에서, $C_{0}$는 염화물이온 유효확산계수 뿐만 아니라 침투염분량 예측 시에도 큰 영향을 미치는 값이므로 신중하게 결정하여야 한다. 그러나 대기 중에 노출된 염해환경에서 비산된 염분에 의한 $C_{0}$의 정확한 측정은 대류구간 존재로 인하여 매우 어렵다. 본 논문에서는, 대류구간의 존재가 명확하게 나타나는 B3-A1-D의 표면염분량으로 내부 침투염분량의 최대값(1.5~15 ㎜ 구간 0.195%)을 사용하는 경우와 선형회귀분석을 통해 도출된 0.250%를 사용하는 경우로 구분하여 $D_{d}$를 계산하였으며, A1-H의 경우에는 0~01.5 mm 구간의 실측값을 사용하였다^{(Oh et al., 2016; Min and Lee, 2021)}.

선정된 표면염분량에 대하여 피복두께 40 ㎜ 가정 시 철근부 염화물량이 1.2 kg/㎥ 및 2.5 kg/㎥ 에 도달하는 기간을 계산하여 Table 3에 정리하였다. Fig. 11(b)에서 보듯이 깊이 40 ㎜에서 이미 d 등급에 도달하였으며, Table 3의 결과에서도 d 등급 도달 후 6~8년 경과한 것으로 계산되어 예측이 타당한 수준인 것으로 판단된다. 한편, 누수부위의 경우 철근부 침투염분량이 e등급에 도달하기까지 24~35년 소요되며, 누수가 발생하지 않은 부재의 경우에는 제설제 환경에서도 향후 100년간 철근부식이 개시되지 않아 염해에 안전한 것으로 나타났다. 이러한 결과는 제설제 환경 하에서 누수 등이 발생한 경우, 동일한 부재에서도 위치에 따라 침투염분량이 매우 큰 차이가 날 수 있음을 의미하며, 실제 점검 시에도 이를 고려하여 점검 위치를 선정하여야 신뢰성 있는 내구성능 평가 및 예측을 통한 보수 계획 수립이 가능할 것이다.

Fig. 9 Chloride profiles depending on the distance from source

Fig. 10 Chloride profiles on the deck and the pier

Fig. 11 Comparison of chloride profiles on healthy and leakage zones

3.4 비래염분에 의한 염해환경

부산에 위치한 해상교량 Bridge-4의 해안 인접 교각 P15와 해안으로부터 150m의 거리에 위치한 교각 P18에서 측정한 깊이별 침투염화물량을 Fig. 12에 나타내었다. P15-H1과 H2의 경우 비래염분에 의한 직접적인 영향에 의하여 표면염화물량 및 30㎜ 깊이까지의 침투염화물량이 다른 위치 대비 약 2~3배 높게 나타났다. 고속도로 상 교량에서 비래염분에 의한 염화물 침투 특성과 제설제 살포에 의한 염분침투특성은 유사하게 발생한다고 보고된 바 있으며^{(Korea Expressway Corporation Research Institute, 2014)}, Fig. 12의 P15-H1과 H2가 Fig. 7(제설제 환경)과 유사한 경향을 보여주었으며, 이로부터 국도 상 교량에서도 고속도로 상 교량과 동일한 경향이 발생함을 확인하였다.

Fig. 13은 교각 높이에 따른 깊이별 침투염분량을 보여준다. 내륙에 위치한 P18의 경우 교각 높이 및 침투깊이에 상관없이 침투염분량이 0.02% 이하로 미미하였으며 염해를 받지 않는 환경으로 판단되었다. 반면, 해안 인접 교각인 P15의 경우, 교각 높이에 따라 비래염분의 영향이 감소하였으며 9.2 m 높이까지는 비래염분에 의한 침투염분량의 증가가 뚜렷하게 나타났고, 높이 20.7 m에서는 내륙에 위치한 P18과 유사한 침투량을 보여주었다. 즉, 부산 해안에 바로 인접한 콘크리트의 경우 비래염분의 영향권은 약 15~20 m 높이 이내이며, 그 이상의 높이에서는 내륙지역과 큰 차이가 없음을 알 수 있었다.

^{Oh et al.(2016)}은 결정론적 방법과 확률론적 방법을 통해 해안가 거리별 RC 구조물 높이에 따른 내구수명을 평가하였으며. 비래염분에 의한 영향권을 해안가 250 m 이내 높이 40 m(확률론적) 혹은 60 m(결정론적)까지로 제시하였다. 그러나 이러한 결과를 도출하기 위하여 국외 문헌에 기반한 깊이별 침투염화물량을 사용하였으며, 따라서 국내 환경조건과는 다소 맞지 않는다고 판단된다. 국내 해역별 비래염분 환경에 맞는 표면 및 침투염화물량 데이터가 국내에서 주로 사용되는 재료(배합) 특성에 따라 구축된다면, 침투염화물량에 따른 내구수명을 고려한 높이별 설계 및 유지보수가 가능하며, 이는 시공 및 유지보수 비용과도 밀접한 관련이 있으므로 생애주기 관점에서의 비용 절감까지 가능할 것으로 기대된다.

Fig. 12 Chloride profiles at P15 and P18 on Bridge-4

Fig. 13 Comparison of chloride penetration on P15 and P18 depending on the height from ground