2.1 콘크리트 탄산화에 따른 철근부식 메커니즘

콘크리트 탄산화란 콘크리트의 특유의 성질인 강알칼리성이 이산화탄소(CO₂)의 유입으로 pH가 감소하는 상태를 의미한다. 탄산화는 콘크리트 내 알칼리성 Ca(OH)₂가 이산화탄소(CO₂)와 반응하여 CaCO₃로 변화하는 현상으로 수산화이온(OH^-) 소모로 인해 결과적으로 콘크리트 내 pH가 감소하게 된다(Saeki, 1991; Lee et al., 2003).

이러한 탄산화는 콘크리트 표면에서 점차 내부로 진행되며 중성화 상태의 콘크리트가 매립된 철근 근처까지 도달하면 강재 표면의 부동태 피막이 파괴되어 철근이 부식되기 시작한다(Chang, 2017).

2.2 실험 변수 설정

콘크리트 탄산화에 의한 철근 부식은 장시간에 걸쳐 발생하기 때문에 실험실 수준에서 이를 확인하는 것은 매우 어려운 실정이다. 그러나 콘크리트 탄산화에 의해 철근 부식이 촉진되는 것은 다양한 기존 연구를 통해 검증되어 있는 상태이다(Fuhaid and Niaz, 2022). 따라서 본 연구에서는 철근부식에 앞서 균열에 따른 콘크리트 탄산화 거동을 분석하고자 하였다.

본 연구에서는 탄산화 촉진 실험을 통하여 균열 폭 및 깊이에 따른 위치별 탄산화 깊이 및 탄산화 속도의 변화를 살펴보고자 하였다. 콘크리트에 균열이 발생할 경우 기체 상태의 이산화탄소(CO₂)가 균열을 통해 부재 내부의 콘크리트 탄산화에 직접적으로 작용할 것으로 판단하였다. 또한, 균열의 폭과 균열의 깊이가 내부 콘크리트의 이산화탄소(CO₂) 노출 정도에 영향을 미칠 것으로 가정하여 이를 연구의 주요 변수로 설정하였다.

2.3 시험체 계획 및 제작

본 연구에서는 전력구 구조물을 대상으로 콘크리트 탄산화 거동을 확인하기 위하여 실제 전력구에서 사용되는 콘크리트 배합비(Table 1)를 토대로 Fig. 1과 같이 폭 100 mm, 높이 100 mm, 길이 600 mm 크기의 직육면체 시험체를 제작하였다.

Table 1

Mix Proportions of Concrete

Fig. 1

Specimen Detail

시험체에 다양한 폭과 깊이를 가지는 균열을 모사하기 위하여 아크릴 필름 및 강판을 거푸집에 선매립하였으며, 거푸집 탈형시 같이 제거함으로써 다양한 폭과 깊이를 가지는 균열을 모사하였다. 시험체의 균열폭은 현행 허용균열폭 0.3 mm를 기준으로하여 총 6개의 균열 폭(0.1 mm/0.2 mm/ 0.3 mm/0.5 mm/0.7 mm/1.0 mm)을 가지도록 계획하였으며, 균열 깊이는 최소 피복두께 20 mm를 기준으로하여 총 3개의 균열 깊이(20 mm/40 mm/60 mm)를 가지도록 계획하였다(Table 2 참조).

Table 2

Test Specimen Detail

제작된 시험체는 탈형 후 20 ± 5 (°C)의 온도에서 28일간 수중양생을 진행하였으며, 탄산화 촉진 시험 전에 시험체의 균열이 형성되어 있는 하부면을 제외한 모든 면을 에폭시 및 알류미늄 테이프로 코팅하였다(Fig. 1 참조).

2.4 탄산화 촉진 및 탄산화 깊이 측정

본 연구에서는 이산화탄소의 농도 5%, 온도 20 ± 5 °C 및 상대 습도 60 ± 5%의 환경을 유지하는 양생 챔버에서 시험체의 탄산화를 촉진하였으며, 시험체 탄산화 촉진 기간은 4주, 8주, 13주의 3단계로 진행하였다(Table 2 참조).

탄산화 촉진 완료된 시험체의 균열면에서의 탄산화 깊이를 측정하기 위하여, 시험체를 균열에 수직하도록 절단하였다. 균열을 포함한 절단면의 탄산화 깊이는 Korean standards association (2019) 콘크리트 탄산화 깊이 측정 방법에 따라 페놀프탈레인 1.0% 용액을 분무하여 탄산화 깊이를 측정하였다.

3.1 균열에 따른 탄산화 깊이

시험체의 탄산화 깊이 측정은 Fig. 2과 같이 실험체의 중앙부를 절단하여 측정하였으며, 페놀프탈레인 용액 분무에 따른 변색 여부를 통해 경계면까지 탄산화가 발생한 것으로 특정하였다.

Fig. 2

Measuring Carbonation Depth

균열면에서의 탄산화 깊이는 균열의 끝단에서부터 측정하였으며, 비균열면에서의 탄산화 깊이는 실험체 하부면에서부터 측정하고 균열의 좌측과 우측 중앙부에서 측정하여 평균값으로 도출하였다. 실험체별 균열단부 및 비균열부의 탄산화 깊이를 Table 3에 정리하여 나타내었으며, 촉진 기간에 따른 탄산화 범위 및 탄산화 진전과정을 Fig. 3에 나타내었다.

Table 3

Test Results

Fig. 3

Concrete Carbonation Depth and Shape

실험 결과 모든 실험체가 균열면을 중심으로 탄산화가 진전되며 산형태의 탄산화 거동이 발생하는 것을 확인할 수 있다. 균열 단부에서도 탄산화가 발생한 것을 확인할 수 있으나, 비균열부에 비해서는 탄산화 깊이가 얕은 것을 확인할 수 있다. 또한, 비균열부의 경우 균열면에 가까워 질수록 탄산화 깊이가 깊어지는 것을 확인할 수 있다.

탄산화 촉진 기간 증가에 따른 탄산화 거동을 살펴보면, 초기(4주)에는 탄산화 구간이 균열면에 근접하여 가파른 기울기의 산형태로 형성되지만 촉진기간이 길어질수록 균열면에 수평한 방향으로 탄산화 범위가 넓어지면서 완만한 기울기의 산형태로 변화되고 있음을 확인할 수 있다.

이러한 결과를 살펴보았을 때 균열이 발생할 경우, 기체상태의 이산화탄소가 균열을 따라 콘크리트에 직접적으로 작용하여 균열 내부의 심부 콘크리트를 탄산화시키는 것을 확인할 수 있다.

3.2 균열에 따른 탄산화 속도

콘크리트 탄산화 속도는 콘크리트 표면으로부터 탄산화 부분과 비탄산화 부분의 경계면까지의 길이와 경과한 시간의 함수로 다음 Eq. (1)과 같이 가정할 수 있다(Kim et al., 2006).

여기서, x_c는 시간 t에서의 탄산화 깊이, A는 탄산화 속도계수라 하며 콘크리트 외적인 환경조건과 콘크리트 품질과 같은 내적 조건 등에 정해지는 계수이다.

이론적으로 콘크리트 재료와 이산화탄소 노출환경이 동일할 경우 탄산화 촉진기간에 상관없이 동일한 탄산화 속도계수가 도출되어야 하기 때문에, 이를 비교할 경우 탄산화에 대한 균열의 영향을 보다 합리적으로 비교 가능할 것으로 판단된다. 이에 Fig. 4와 같이 균열 폭 및 균열 깊이에 따른 균열단부와 비균열부에서의 탄산화 속도계수를 비교하였다.

Fig. 4

Carbonation Velocity

비균열부의 탄산화 속도계수는 모든 실험체의 비균열부 탄산화 속도계수의 평균으로 산정하여 6.72로 나타났다. 균열단부의 탄산화 속도계수는 동일 균열 깊이 및 균열 폭을 가지는 실험체의 균열단부 탄산화 속도계수의 평균으로 산정하였으며, 모든 경우에서 비균열부에 비해 낮은 탄산화 속도계수 값을 가지는 것으로 나타났다.

Fig. 4(a)는 균열 깊이에 따른 균열단부의 탄산화 속도계수를 비교한 결과로 균열 깊이 증가에 따른 탄산화 속도계수의 변화는 크지 않은 것으로나타났다. 이에 반해 균열 폭의 경우 Fig. 4(b)에 나타난 바와 같이 균열 폭이 증가할수록 탄산화 속도계수가 증가하는 경향을 보이는 것으로 나타났으며, 최대 균열 폭이 1.0 mm인 실험체의 경우 균열단부의 평균 탄산화 속도계수가 5.56으로 비균열부의 83% 수준으로 매우 높게 나타났다.

상기의 실험결과를 분석하여 보았을 때 전력구의 탄산화는 균열 깊이에 비해 균열 폭에 더 큰 영향을 받는 것으로 판단된다. 이는 현행 최대 균열폭 제한을 통해 구조물의 내구성을 확보하는 방법이 타당함을 뒷받침할 수 있는 결과인 것으로 판단된다.

그러나 이산화탄소에 의한 탄산화는 균열폭이 작은 경우에도 균열단부에서 무시하지 못할 수준으로 발생하는 것으로 나타났으며, 이는 허용 기준 이하의 작은 균열이 발생하더라도 균열이 철근을 가로질러 발생할경우 균열부에서 국부적인 철근부식이 발생할 가능성이 있음을 시사한다.