철근 부식도 조사

왜 배우는가: 철근 부식은 콘크리트 구조물 열화의 주된 원인이라 보수·보강 시기와 방법을 정하려면 부식 상태를 먼저 알아야 한다. 진단 방법과 판정 흐름을 묻는 문제가 자주 나오므로 측정 원리와 판정 기준을 함께 익혀야 한다.

출제 이력: 제120회 1교시 13번, 제109회 1교시 12번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

철근 부식도 조사는 콘크리트 속 철근의 부식 유무와 진행 정도를 파괴하지 않고 측정해 판정하는 조사이다.

핵심 키워드

• 철근 부식도: 철근이 녹으며 단면이 줄어드는 정도를 나타내는 평가 대상이다.
• 부동태피막: 강알칼리 환경에서 철근 표면에 생기는 얇은 산화피막이다.
• 염화물이온: 부동태피막을 국부적으로 깨뜨려 공식을 일으키는 유해 이온이다.
• 중성화: 공기 중 이산화탄소가 콘크리트의 알칼리성을 낮추는 현상이다.
• 자연전위법: 철근과 기준전극 사이의 전위차로 부식 가능성을 판단하는 방법이다.
• 분극저항법: 분극 저항을 측정해 부식 속도를 구하는 방법이다.
• 콘크리트 비저항법: 콘크리트의 전기저항으로 부식이 진행되기 쉬운 환경을 평가하는 방법이다.

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 콘크리트는 철근을 녹으로부터 지키는 울타리 역할을 한다. 콘크리트 속은 pH가 약 12.5인 강알칼리 환경이고, 이 환경에서 철근 표면에는 부동태피막이 생겨 철근이 녹지 않는 부동태화 상태가 유지된다. 이 피막이 깨지거나 알칼리성이 떨어지면 철근은 활성 상태가 되어 녹이 슬기 시작한다.

정식으로 철근 부식도 조사는 구조물에 매입된 철근의 부식 유무와 진행 정도를 비파괴 시험으로 판정하는 조사이다. 부식은 전기화학 반응으로 진행되며, 철이 이온으로 녹아 나가는 양극 반응과 산소가 환원되는 음극 반응이 짝을 이룬다. 따라서 두 반응 가운데 어느 한쪽이라도 억제하면 부식이 멈추거나 늦어진다. 이 원리가 조사 방법과 대책의 출발점이다.

부식을 일으키는 원인은 크게 두 가지다. 첫째는 알칼리성 저하로, 탄산화(중성화)나 알칼리 성분의 용출이 여기에 해당한다. 둘째는 염화물이온 침투로, 해안 환경이나 제설염에 노출된 구조물에서 특히 문제가 된다. 염화물이온은 할로겐이온과 황산이온 등 다른 음이온보다 작용이 강하고, 콘크리트에 섞여 들어갈 기회도 많아 가장 유해한 이온으로 꼽힌다. 염화물이온은 피막의 약한 부분에 흡착해 국부 파괴를 일으키므로 전면 부식보다 점식(pitting) 형태로 깊게 진행하는 것이 특징이다.

조사 방법은 크게 세 갈래로 나뉜다. 자연전위법은 철근과 기준전극(황산동 전극 또는 은-염화은 전극) 사이의 전위를 측정하여 전위 분포를 그린다. 전위가 음(-)의 방향으로 클수록 부식 가능성이 높다. 분극저항법은 철근에 작은 전압을 걸어 분극 저항을 구하고, 이로부터 부식 속도를 추정한다. 콘크리트 비저항법은 피복 콘크리트의 전기저항을 측정하여 함수량, 기공, 온도, 염화물 함량에 따른 부식 환경을 본다. 세 방법은 서로 보완하므로 한 방법만으로 판정하지 않고 결과를 함께 검토한다.

조사 절차는 먼저 환경 조건과 부위를 나누어 대표 개소를 고르고, 자연전위 측정으로 부식 가능 영역을 넓게 찾는다. 그다음 의심 구역에서 분극저항 또는 비저항을 측정해 부식 속도와 환경을 확인한다. 조사 부위는 바다쪽과 뭍쪽, 실외와 실내처럼 환경 차이가 드러나도록 골라야 한다.

3. 등장 배경과 필요성

철근콘크리트는 콘크리트의 압축 강도와 철근의 인장 강도를 결합한 구조 방식이다. 철근은 콘크리트 속에서 녹이 슬지 않는다고 여겨져 오랫동안 피복 아래의 상태가 방치되는 경우가 많았다. 그러나 해안 구조물과 제설염을 쓰는 도로 교량에서 조기 열화가 잇따르면서 철근 부식이 주요 열화 원인으로 드러났다. 부식된 철근은 녹의 체적이 팽창하여 피복 콘크리트에 균열과 박리를 만들고, 단면이 줄어들어 구조 성능을 떨어뜨린다.

피복 균열이 생긴 뒤에는 부식이 훨씬 빠르게 진행되므로 조기에 상태를 파악하는 것이 중요하다. 육안으로는 피복 아래의 부식을 확인하기 어려우므로 비파괴 조사가 필요해졌다. 조사 결과는 보수 공법의 선택, 보수 시기의 판단, 잔존 수명 산정에 직접 쓰인다. 따라서 진단은 육안 점검에서 출발하되, 전기화학 측정과 실험실 분석으로 판정을 뒷받침해야 한다.

또 콘크리트 구조물은 설계 단계에서 피복두께와 배합을 정해 부식을 예방하지만, 시공 불량이나 균열이 있으면 그 효과가 떨어진다. 설계 기준을 지켰다고 해서 부식이 없다고 단정할 수 없으므로, 준공 후에도 주기적으로 부식도를 재는 유지관리 체계가 필요하다. 이 때문에 철근 부식도 조사는 기존 구조물의 열화 진단에서 특히 중요하다.

4. 구성요소·원리·절차

철근 부식도 조사는 콘크리트를 깨지 않고 철근의 부식 가능성을 확인하는 비파괴 조사다. 주로 자연전위법으로 전위 분포를 보고, 분극저항법·교류임피던스법·콘크리트 비저항법과 탄산화·염화물 시험을 보조로 쓴다. 조사 결과는 한 가지 값으로 단정하지 않고 여러 방법의 결과를 합쳐 판정한다.

자연전위는 콘크리트 속 철근이 가진 전기화학적 전위다. 철근이 부식하면 표면에서 전자의 흐름이 생기고 전위가 음(-)의 방향으로 이동한다. 기준 전극과 철근 사이의 전위차를 재면 어느 구간이 부식 활동성이 큰지 짐작할 수 있다. 측정점을 격자로 나눠 전위를 재고 등전위선을 그리면 부식이 몰린 영역이 한눈에 드러난다.

측정 전위차는 철근 전위에서 기준 전극 전위를 뺀 값으로 본다. 기준 전극이 같을 때 측정값이 음의 방향으로 클수록 부식 활동성이 크다고 판단한다. 이때 기준 전극의 종류가 다르면 같은 철근이라도 측정값의 기준선이 달라지므로, 보고서에는 전극 종류와 환경 조건을 함께 적는다.

이중 전극법은 콘크리트 표면에 일정한 간격으로 두 개의 기준 전극을 놓고 그 사이의 전위차를 잰다. 두 전극 아래 철근이 같은 상태라면 전위차가 거의 없다. 한쪽만 부식되어 있으면 전위차가 나타나므로, 전극을 이동하며 부식 구간의 경계를 연속으로 확인할 수 있다. 이에 비해 단일 전극법은 철근 단부처럼 외부에 노출된 부위에 기준 전극 하나를 놓고 전위를 재는 방식이다.

조사 절차는 다음 순서로 진행한다.

• 조사 계획을 세운다. 해안이나 실외 같은 환경 조건과 슬래브·벽체·기둥·교각 같은 부재 종류를 나눠 조사 부위를 고른다. 환경이 다르면 열화 정도가 다르게 나타나므로 부위를 섞지 않는다.
• 육안조사로 균열, 녹물, 박리, 노출 철근을 기록한다. 노출 철근의 확인은 육안조사를 원칙으로 하며, 고층 부위처럼 육안이 어려우면 망원경이나 고배율 카메라를 쓴다.
• 피복두께를 측정하고 탄산화 깊이를 페놀프탈레인 용액으로 확인한다. 피복이 얇으면 같은 환경에서도 철근이 먼저 부식하므로 자연전위 결과를 해석할 때 함께 본다.
• 격자 방식으로 측정점을 정하고 기준 전극으로 자연전위를 잰다. 측정 때 콘크리트 표면의 습도와 온도를 함께 기록한다.
• 전위 분포와 보조 시험 결과를 합쳐 부식 판정을 한다. 전위가 판정 유보 구간에 드는 곳은 염화물 함량 분석이나 비저항 측정으로 추가 확인한다.

5. 관련 법령·기준·표준

철근 부식도 조사의 판정 기준은 법령 조문보다 표준 시험법에 있다. 자연전위법은 ASTM C876 이 널리 쓰인다. 기준 전극이 포화황산동 전극(CSE)일 때 다음과 같이 구간을 나눈다.

이 구간은 전위만으로 부식 속도를 말하지 않는다는 점이 중요하다. 판정 유보 구간은 반드시 보조 시험으로 확인해야 한다. 기준 전극을 황산동 전극으로 쓰든 AgCl 전극으로 쓰든 구간의 숫자가 그대로 옮겨지지 않으므로, 전극을 바꾸면 환산 기준을 따로 적는다.

콘크리트 자체의 알칼리성도 판정의 출발점이다. 건전한 콘크리트 공극수는 pH가 12.5 가량으로 강알칼리이고, 이 환경에서 철근 표면에는 부동태 피막이 생겨 부식이 억제된다. 알칼리가 떨어지거나 염화물 이온이 들어오면 피막이 국부적으로 깨져 부식이 시작된다. 그래서 탄산화 깊이와 염화물 함량 시험이 보조 시험으로 함께 쓰인다.

염화물 이온은 부식을 가장 강하게 일으키는 이온이다. 철근 표면의 염화물 농도가 임계치에 이르면 피막이 깨져 공식(pitting) 부식이 생긴다. 해빙염이나 해안 대기에 노출된 교량에서 이 현상이 많이 나타난다. 염화물 함량은 콘크리트 코어 시료를 채취해 분석하므로 비파괴 조사만으로는 확인이 어렵다는 한계가 있다.

국내 공동주택 하자 조사에서도 철근노출 확인은 기준이 정해져 있다. 「공동주택 하자의 조사, 보수비용 산정 및 하자판정기준」 제47조는 콘크리트 부재에 노출된 철근의 확인을 육안조사로 원칙하고, 고층 부위처럼 육안이 어려운 곳은 망원경이나 고배율 카메라를 쓰도록 정한다. 이 기준은 하자 조사의 범위를 정하는 것이므로, 부식도 판정 기준과 혼동하지 않도록 목적을 구분해 쓴다.