2.2.1 분석대상

고속도로 PSCB 거더교의 손상유형을 분석하기 위하여 고속도로 PSCB 거더교에 대해 기 수행된 정밀안전진단 보고서를 수집하여 분석하였다. 고속도로 PSCB 거더교 총 351개소 가운데 공용기간이 10년 미만이어서 정밀안전진단이 아직 수행되지 않은 교량이 44개소(약 13%), 시설물의 안전 및 유지관리에 관한 특별법 상 3종으로 분류되어 정밀안전진단에서 제외되는 교량이 36개소(약 10%), 총 80개소(약 23%)를 제외한 271개소(약 77%)의 정밀안전진단 보고서를 수집하였으며, Fig. 2와 같이 정밀안전진단이 2회차까지 수행된 교량 156개소, 3회차 이상 수행된 교량 52개소를 수집하였다.

271개 정밀안전진단 보고서를 분석한 결과, 상태등급은 B등급이 87%로 가장 높게 나타났으며, A등급과 C등급은 각각 7%, 6%로 나타났다. 또한, 최대경간장은 50~59m가 약 70%를 차지하고 80m 이상은 약 15%로 나타났으며, ILM 가설공법이 적용된 교량이 약 65%로 가장 높게 나타났다. 동결융해 일수와 제설제 사용량을 고려한 제설환경 노출등급은 Class Ⅰ ~ Class Ⅳ로 구분하여 지역을 구분하고 있으며, 이에 따른 271개소 PSCB 거더교의 분포는 Class Ⅰ ~ Class Ⅳ까지 각각 10%, 11%, 62%, 17%로 나타났다.

분석의 효율성을 고려하여 271개소의 가설공법, 제설환경 노출등급의 비율을 고려하여 최종적으로 62개소(477경간) 정밀안전진단 보고서를 선정하였으며, 정밀안전진단 보고서의 분석자료, 사진자료 및 외관조사망도를 상호 비교하는 방법으로 Table 1의 열화ㆍ손상 유형에 따라 발생 경간비율을 분석하였다.

Fig. 2 In-depth safety examination report collection

2.2.2 분석결과

Fig. 3은 PSCB 거더교 62개소(477경간)의 열화ㆍ손상 유형분석 결과를 보여준다. 분석대상 교량(62개소)은 고속도로 PSCB 거더교의 가설공법 비율을 반영하여 ILM 60%, FCM 11%, FSM 23%, MSS 6%의 비율로 선정하였고, 열화ㆍ손상 유형 분석은 PSCB 거더교 경간별로 분석을 실시하였으며, 열화ㆍ손상이 발생된 경간의 비율로 표현하였다.

손상유형은 상부플랜지 하면 교축방향균열(Table 1[1]), 격벽 개구부 균열(Table 1[25]), 복부판 교축방향균열(Table 1 [12])의 순서로 많은 비중을 차지하고 있으며, 약 70%의 경간에서 발생되는 것으로 분석되었다. 이들 손상은 대부분 시공초기 건조수축이나 시공 미흡 등에 기인하는 손상으로서 공용중 진전 가능성은 크지 않을 것으로 판단되며, 일본과 미국 열화ㆍ손상 분류에서도 상기 균열에 대하여 동일한 원인을 제시하고 있다.

상부플랜지 하면 누수, 백태, 파손ㆍ박리ㆍ박락 및 변색(Table 1[5],[6],[7],[8])은 약 5~35%의 경간에서 발생되는 것으로 나타났다. 상부플랜지를 제외한 부재의 열화ㆍ손상은 대부분 시공초기, 시공미흡 또는 시공이음부에서 조사되는 유형으로 공용중 발생되고 진전될 수 있는 열화ㆍ손상은 대부분 상부플랜지에 집중되어 있는 것으로 분석되었다.

상부플랜지는 차량하중이 직접 전달되는 주요 부재이며교면포장의 균열 및 손상 또는 교면 방수층의 손상 등으로 인해 제설염화물이 함유된 표면수의 유입ㆍ체수가 발생될 수 있는 환경적 조건을 고려하면 유지관리에 주의할 필요가 있을 것으로 판단된다.

가설공법 및 환경조건에 따른 열화ㆍ손상 유형 분포는 Fig. 4 및 Fig. 5와 같다. 가설공법은 ILM 공법, 환경조건은 Class Ⅲ이 대체로 높은 비중을 차지하는 것으로 나타났는데, 이는 모집단에서 비중이 큰 것에 기인하는 바가 큰 것으로 판단된다.

세부지침의 콘크리트 바닥판 상태평가 기준을 참조하여 b, c, d 등급으로 손상 정도를 구분한 Fig. 6을 살펴보면, c 등급의 열화ㆍ손상은 상부플랜지 하면의 누수 및 백태와 격벽 개구부 균열에서 나타남을 알 수 있다. 격벽 개구부 균열에서 c 등급이 나타난 이유는 상태평가 기준에 따른 정량적 분석 결과로써, 손상의 진전 보다는 유지보수의 시급성이 낮아 보수가 수행되지 않아 발생된 것으로 판단된다. 그러나 상부플랜지 하면의 누수 및 백태는 상부플랜지의 관통균열 발생을 의미하며 초기 교축방향 균열부로 제설염이 함유된 표면수가 유입되어 발생된 것으로 방치 시 지속적으로 열화ㆍ손상의 진전 가능성이 높으므로 중점관리가 요구되는 손상인 것으로 판단된다.

PSCB 거더교의 가설공법과 환경조건이 상부플랜지에 발생된 열화ㆍ손상에 미치는 영향을 분석하기 위하여 상부플랜지 하면 교축방향균열(Table 1[1]) 및 상부플랜지 하면 백태(Table 1[6])에 대하여 가설공법과 환경조건(제설환경 노출등급)에 대하여 분석하고 그 결과는 Fig. 7과 같다.

상부플랜지 하면의 교축방향 균열(Table 1[1])은 Fig. 7과 같이 가설공법과 환경조건의 영향은 크지 않으나, 초기 균열로써 환경조건 보다는 시공단계의 품질관리 영향이 클 것으로 판단된다. 가설공법별 분석결과 ILM 공법이 가장 많은 모집단을 갖고 있음에도 FSM 공법에서 가장 큰 비중을 차지하고 있는 것은 FSM 공법의 현장타설로 콘크리트 품질관리 등의 문제로 인한 것으로 판단된다.

상부플랜지 하면의 백태(Table 1[6])는 가설공법별 분석결과 MSS 공법이 상대적으로 작은 비중을 보이는 것으로 나타났으며, 이는 MSS 공법을 적용한 교량에서 작은 비중을 차지하는 것은 모집단이 4개소로 매우 작기 때문인 것으로 판단된다. 또한, 환경조건별 분석결과 분석대상 모집단의 구성 비율과 유사하며, 제설환경 노출등급과 상부플랜지 하면 백태의 상호 연관성이 높은 것으로 분석되었다.

PSCB 거더교 열화ㆍ손상 유형 분류에서도 설명된 것과 같이 상부플랜지 하면의 교축방향 균열은 일반적으로 건조수축 등의 원인으로 시공단계에서 발생되는 초기 균열로 볼 수 있으며, 백태는 공용중 균열을 통한 우수 및 제설염화물의 유입으로 발생된 것으로 볼 수 있을 것이다. 그러나 분석 결과에서도 알수 있듯이, 가설공법과 환경조건에 따른 상부플랜지 하면의 교축방향 균열과 백태의 연관성이 낮은 것으로 나타났다.

Fig. 3 PSCB girder deterioration types by elements

Fig. 4 PSCB girder deterioration types by construction method

Fig. 5 PSCB girder deterioration types by exposure class

Fig. 6 PSCB girder deterioration types by bridge condition grade

Fig. 7 Statistics of longitudinal cracks and efflorescence at top flange of PSCB girder

2.3.1 제설환경 노출등급 영향

한국도로공사 제설환경 콘크리트 구조물의 염해 내구성 평가 절차(2016)에서는 강설량, 제설제 사용량 등을 고려하여 제설환경 노출등급을 Table 3과 같이 제시하고 있다. 분석 대상인 62개소의 지역별 분포를 고려하여 상부플랜지의 열화ㆍ손상 중 교축방향 균열, 누수, 백태, 파손 및 변색 등의 발생 경간비율을 분석한 결과는 Fig. 8과 같다. 열화ㆍ손상의 정도는 세부지침의 철근 콘크리트 바닥판 상태평가 기준을 참조하여 구분하였다. 대부분의 PSCB 거더교에서 상부플랜지 하면의 교축방향 균열이 관찰되었으며 문헌조사 결과에 따르면 상부플랜지 하면의 교축방향 균열은 구속된 상태에서의 건조수축, 온도차이 등으로 인한 것으로 보고되고 있다. 분석 결과에서도 대부분 b등급 균열이고 제설환경 노출등급과 상관없이 발생된 점을 고려하면 상부플랜지 하면의 교축방향 균열에 대하여 제설환경 노출등급의 영향은 미미한 것으로 판단된다.

누수와 백태 및 콘크리트 변색에 대한 분석 결과를 살펴보면, b등급의 열화ㆍ손상과 제설환경 노출등급은 상관관계가 명확하게 나타나지 않았지만, Fig. 8과 같이 c등급의 누수, 백태 및 변색은 제설환경 노출등급 Class Ⅲ ~ Class Ⅳ에서 주로 발생되는 것으로 나타났다.

상부슬래브 하면의 누수, 백태 및 변색은 표면수가 교면포장 손상부로 유입되어 균열부 또는 장기간 체수로 인한 직접 콘크리트 내부로의 침투를 의미한다. 따라서 제설환경 노출등급은 누수, 백태의 진전에 영향을 미치는 인자이고 방치 시 지속적으로 열화ㆍ손상 진전 가능성이 있으며, 제설환경 노출등급에 따라 진전속도가 상이할 것으로 판단된다.

Fig. 8 Distribution of deterioration and damage type according to the snow removal environment exposure class and degree of damage

2.3.2 교면포장 형식 영향

상부플랜지의 주요 열화·손상은 공용중에 발생하며, 교면포장의 손상부로 유입·체수된 우수(염수)의 직접 접촉이 주요 원인이다. 따라서 PSCB 거더교의 교면포장 형식이 상부플랜지 열화·손상에 미치는 영향을 분석하였다.

분석대상 62개소는 아스팔트계 교면포장(이하, ACP)이 28개소(45%), 콘크리트계 교면포장(이하, CCP)이 34개소(55%)이며, 62개소 477경간에 대한 상부플랜지 교축방향 균열, 누수, 백태 등의 손상에 대한 포장형식별 분석 결과는 Fig. 9와 같다.

Fig. 9에서 알 수 있듯이, 교축방향 균열 및 파손과 교면포장의 상관관계는 분명하게 나타나지 않았다. 그러나 상부플랜지 누수의 경우, ACP에서 b등급은 약 22%, c등급은 약 6%의 경간에서 발생되었으며, CCP에서 b등급은 약 6%, c등급은 약 1%의 경간에서 발생된 것으로 분석되었다.

상부플랜지 백태의 경우에는 b등급 백태는 ACP에서 약 36%, CCP에서 약 20%의 경간에서 발생되었으며, c등급 백태는 ACP에서 약 5%, CCP에서 약 1%의 경간에서 발생되는 것으로 나타났다. 이와 같은 결과로부터 누수, 백태 및 변색 등과 같은 열화는 ACP에서 많이 발생되는 것을 알 수 있다.

Fig. 9 Analysis result of deterioration and damage on top flange by bridge pavement type

2.3.3 교면포장 개량과 제설환경 노출등급 상관관계

현재 국내 고속도로를 관리하고 있는 한국도로공사에서는 기존 ACP에서 CCP로 교체하는 것을 교면포장개량(이하, 교면개량)이라고 정의하고 있다. 본 연구에서는 2002~2019까지 고속도로 교량의 교면개량 현황자료를 바탕으로 PSCB 거더교의 교면개량 실적과 제설환경 노출등급의 관계를 분석하였다.

PSCB 거더교 교면개량 실적을 분석한 결과, 전체 1,185개소의 교면개량 실적 중 PSCB 거더교의 교면개량은 총 55개소로 전체의 약 5%이며, PSCB 거더교 351개소의 약 16%가 교면개량이 실시된 것으로 나타났다. PSCB 거더교의 교면개량 실적을 바탕으로 개량 차수별 평균 공용년수를 Fig. 10에 나타냈다. 교면개량 실적이 있는 PSCB 거더교 55개소는 평균 16.5년의 공용이후 1차 교면개량이 이루어졌으며, 1차 교면개량 이후 2차 교면개량이 시행된 교량은 7개소로 1차 개량된 교량의 약 13%이며, 2차 교면개량 까지의 공용년수는 평균 3.6년인 것으로 분석되었다.

이와 같이 교면개량 이후, 교면포장의 충분한 공용수명을 확보하지 못하는 것으로 나타났다. 일반 거더 교량에서도 교면개량 이후 교면포장의 공용수명이 확보되지 못하는 것으로 보고되고 있으며^{(KEC, 2020)}, PSCB 거더교의 경우에도 교면개량시 교통차단의 어려움으로 인한 품질확보 문제와 PSCB 상부플랜지 열화부 제거 미흡 등 복합적인 원인에 기인한 것으로 판단된다.

Fig. 11에는 준공년도별 PSCB 거더교의 교면개량 현황과 교면개량 교량의 제설환경 노출등급을 나타냈다. Fig. 11과 같이 교면개량된 PSCB 거더교는 제설환경 노출등급 Class Ⅲ ~ Class Ⅳ에 위치하고 있으며, 이는 제설환경 노출등급이 높은 염해환경에서 ACP의 균열 등으로 유입된 염화물이 PSCB 거더교 상부플랜지의 열화를 유발하고 교면포장과 PSCB 거더교 상부플랜지 계면에 체수되어 열화가 진전되어 다시 교면포장의 손상으로 이어져 교면개량까지 이어진 것으로 판단된다.

Fig. 10 Number of PSCB girder and average service life based on the number of bridge pavement improvement

Fig. 11 Statistics of bridge pavement improvement by year of completion of bridge and statistics of snow removal environment exposure class

2.4.1 상부플랜지 열화 원인

공용중 PSCB 거더교의 정밀안전진단 보고서 분석 및 현장조사 결과를 고려하면 대부분의 손상은 시공초기 건조수축이나 시공미흡 등에 기인하는 손상으로 공용중 진전 가능성은 크지 않은 것으로 판단된다. 그러나 실제 공용중 발생되는 열화ㆍ손상은 상부플랜지에 집중되어 있는 것으로 분석되었으며, 이는 PSCB 거더교 상부플랜지가 일반적인 교량의 바닥판 역할을 하기 때문에 윤하중을 직접 지지하면서 동절기 제설염 포설 환경에 노출되는 등 상대적으로 열악한 환경에 놓여 있기 때문이라고 판단된다.

Fig. 12는 상부플랜지 열화ㆍ손상유형의 발생 현황이며, 균열과 누수, 백태 및 박리/박락 등 열화ㆍ손상의 단독 또는 병행 발생 여부의 분석결과를 보여준다.

Fig. 12와 같이 상부플랜지 하면에 발생된 균열은 대부분 누수나 백태 등을 동반하지 않고 단독으로 발생되었고 관통형 균열이 아님을 알 수 있는데, 이는 정밀안전진단 보고서에 제시된 균열깊이조사 결과에서 균열이 철근 피복깊이까지만 진행된 것으로 나타난 결과와도 부합한다. 또한, 상부플랜지 하면의 박리/박락과 누수 및 백태가 동반 발생된 개소도 매우 드문 것으로 나타났으며 이는 교면포장의 방수층이 양호한 상태를 유지하면 제설염화물을 함유한 교면수가 상부플랜지 하면으로 침투되면서 백태를 유발하고 박리/박락으로 진전되는 매커니즘도 발생 가능성은 높지 않은 것으로 판단된다.

상부플랜지 내부는 대부분 양호한 상태로서 일부 국부적으로 발생된 개소는 시공당시 만들어진 개구부 마감 미흡에 기인하는 경우, 다수의 소규모 교면포장 보수 이력이 있거나 포장층의 손상이 심한 교량에서 면상으로 발생한 사례가 조사되었으며, 이 경우는 대부분 손상정도도 심하지 않고 비진행성인 경우로 나타났다. 한편, 캔틸레버는 측면이나 단부측에서 백태, 표면 열화 및 박락 등이 집중적으로 발생하는 경우와 내측에서 갓길측 교면포장의 손상이 심한 경우에 백태 및 누수흔적이 발생하는 경우로 나타나며, 대부분 손상 정도가 심하고 진행성으로 나타났다.

Table 4에는 PSCB 거더교 상부플랜지의 열화ㆍ손상 현황과 주요 인자를 정리하였다. Table 4에 정리된 바와 같이, 상부플랜지의 열화 원인은 교면포장의 균열 또는 손상부로 유입되는 우수 또는 염수의 장기간의 체수로 인한 것으로, 상부플랜지 콘크리트의 열화가 발생되고 이후 철근의 부식 등으로 이어진다.

주요 열화의 유입 경로는 Fig. 13(a)와 같이 교면포장의 손상으로 인한 우수(염수)의 유입과 장기간의 체수로 인한 열화 발생과 Fig. 13(b)와 같이 갓길부 방호벽과 상부플랜지 계면으로 유입되어 상부플랜지 캔틸레버 단부의 콘크리트 내부로 침투하여 철근의 부식ㆍ팽창으로 콘크리트에 균열과 박락이 진전되는 열화 발생 매커니즘으로 크게 구분할 수 있다.

Fig. 12 PSCB girder deterioration and damage type of the bottom top flange

Fig. 13 Deterioration mechanism of PSCB girder top flange

2.4.2 상부플랜지 하면 교축방향 균열 원인

PSCB 거더교에서 가장 많이 발생된 손상은 상부플랜지 하면 교축방향 균열이며, 전체 PSCB 거더교의 약 70%에서 발생되었다. 상부플랜지 하면 교축방향 균열의 현황과 원인 및 특성을 Table 5에 정리하였다.

PSCB 거더교의 상부플랜지 하면에 발생한 교축방향 균열은 중앙부를 중심으로 약 300~500mm 간격으로 발생되어 있으며, 균열폭은 약 cw 0.1~0.2mm 정도이다. 기 수행된 정밀안전진단 보고서를 토대로 균열의 발생 현황이나 상태 등을 종합적으로 분석해보면, 균열은 다수의 균열이 일정 간격을 두고 불연속적으로 발생하고, 누수나 백태 등의 열화손상을 동반하지 않으며, 균열깊이는 최대 철근 피복깊이까지 발생되었고, 균열 폭 및 길이 변화는 크지 않아 진전 가능성이 크지 않은 점 등으로부터 외부하중에 의한 구조적 균열 보다 수화열, 건조수축 등으로 인한 균열로 판단된다.

문헌조사 결과에서도 상부플랜지 하면 교축방향 균열은 시공초기 건조수축이나 시공 미흡 등에 기인하는 균열로, 공용 중 진전 가능성은 매우 낮은 것으로 보고되고 있다. 그러나 시공초기 건조수축 등의 원인으로 인하여 발생한 균열은 상부플랜지 상ㆍ하면에 동시에 발생될 가능성이 크고, 이는 교면포장 손상으로 인한 염해환경 노출 시 내구성 저하의 원인이 되기 때문에 시공초기 발생되는 상부플랜지 균열 제어를 위한 방안이 필요할 것으로 판단된다.

한편 국내 도로교설계기준 한계상태설계법에서는 건조수축 또는 온도 등의 간접하중에 의한 균열의 제어를 위하여 최소 철근량 조건과 적합한 하중조합과 균열 단면을 기준으로 계산한 철근 응력에 대한 최대 철근지름이 제시되어 있으나 실제 PSCB 거더 상부플랜지의 균열 발생 현황을 고려하면 구속된 상태에서의 간접하중에 의한 균열 제어가 다소 미흡하다고 판단되며, 실제 PSCB 거더교 설계시 상부플랜지의 균열에 대한 검토는 수행되고 있지 않은 것으로 조사되었다.