철근 부식

왜 배우는가: 철근 부식은 철근콘크리트 구조물의 내구성을 떨어뜨리는 대표 열화 원인이다. 3개 회차에서 2교시와 3교시 문항으로 반복 출제되어 부식 원리와 요인을 정확히 알아야 한다. 부식 원리는 대책과 품질관리 문항을 푸는 출발점이 된다.

출제 이력: 제139회 2교시 2번, 제129회 2교시 2번, 제91회 3교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

콘크리트 속 철근이 알칼리성을 잃고 표면 피막이 깨져 전기화학적으로 녹스는 현상이다

철근 부식은 철근콘크리트 구조물의 열화 현상 가운데 구조 성능에 직접 영향을 주는 대표적인 현상이다. 철근이 녹으면 유효 단면이 줄어 인장 저항력이 떨어지고, 녹 생성물의 팽창으로 콘크리트에 균열과 박리가 생긴다. 따라서 철근 부식은 설계부터 시공과 유지관리까지 연계하여 대책을 세워야 하는 문제이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 부동태 피막: 강알칼리 환경에서 철근 표면에 형성되어 철의 부식을 막는 얇은 산화막이다.
• 탄산화: 공기 중 이산화탄소가 콘크리트 기공을 통해 침투하여 알칼리성을 낮추는 현상이다.
• 염화물 침투: 해수나 제설염 등에서 유입된 염화물 이온이 부동태 피막을 국부적으로 파괴하는 작용이다.
• 전기화학적 부식: 철이 양극에서 이온으로 녹아 나가고 음극에서 산소가 환원되며 진행되는 반응이다.
• 피복두께: 철근 표면에서 콘크리트 표면까지의 거리로, 유해물질이 철근에 닿기까지의 거리를 늘리는 방벽이다.
• 단면 감소: 철근이 녹아 유효 단면적이 줄어드는 결과로, 철근의 내력이 저하되는 원인이 된다.
• 녹 팽창: 생성된 산화철의 부피가 원래 철보다 커서 콘크리트에 균열을 일으키는 현상이다.

2. 개념 풀이

철근 부식은 철근 표면에서 일어나는 전기화학 반응이다. 콘크리트는 시멘트 수화 과정에서 생긴 수산화칼슘 때문에 pH 12.5 이상의 강알칼리성을 띤다. 이 환경에서 철근 표면에는 부동태 피막이 형성되어, 철이 이온으로 녹지 않는 부동태 상태가 유지된다. 피막은 철의 산화가 더 이상 진행되지 못하도록 막는 장벽 역할을 한다.

부식은 이 피막이 깨지는 순간부터 시작된다. 피막을 깨뜨리는 대표 원인은 탄산화와 염화물 침투이며, 두 원인은 피막을 깨뜨리는 방식이 다르다. 탄산화는 이산화탄소가 콘크리트 기공을 통해 들어와 수산화칼슘을 탄산칼슘으로 바꾸는 반응이다. 탄산화가 진행되면 콘크리트의 알칼리성이 줄어 pH 9 미만으로 떨어진다. 이 반응은 다음 식으로 나타낸다.

$Ca(OH)_2 + CO_2 \rightarrow CaCO_3 + H_2O$

염화물은 알칼리성과 무관하게 피막을 국부적으로 깨뜨린다. 염화물에 의한 부식은 특정 부위에 깊게 파고드는 국부 부식이 주가 되고, 조건에 따라 전면 부식도 함께 일어난다. 반면 탄산화는 철근 표면 전체가 고르게 녹는 전면 부식을 주로 일으킨다. 부식 형태가 원인에 따라 달라지므로, 답안에서는 두 원인을 나누어 서술해야 한다.

부식이 진행되면 철근 표면의 부위마다 전위 차이가 생겨 양극부와 음극부로 나뉜 부식 전지가 형성된다. 이때 콘크리트 속 공극수가 전해질 역할을 하여 이온과 전류가 이동한다. 따라서 공극수의 양과 염화물 농도가 높을수록 전해질 저항이 낮아져 부식 전류가 커진다.

철근 부식의 진행 절차는 다음과 같다.

• 탄산화나 염화물이 피복을 통과하여 철근 표면에 도달한다.
• 부동태 피막이 파괴되어 철 표면이 노출된다.
• 수분과 산소가 공급되면 양극에서 철이 이온으로 용출된다.
• 음극에서 산소와 물이 반응하여 수산화이온이 생기고, 용출된 철이온이 이와 결합하여 수산화철로 바뀐다.
• 수산화철이 다시 산화되어 녹이 되며, 이 녹은 원래 철보다 부피가 커서 콘크리트에 균열과 박리를 일으키고 철근 단면을 줄인다.

양극 반응과 음극 반응은 다음과 같이 나타낸다.

$Fe \rightarrow Fe^{2+} + 2e^-$

$\frac{1}{2}O_2 + H_2O + 2e^- \rightarrow 2OH^-$

물과 산소가 함께 공급될 때만 부식 반응이 진행된다 두 반응은 동시에 병행하여 진행되므로, 어느 한쪽의 진행을 억제하면 전체 부식 속도가 줄어든다. 이 원리 때문에 부식 방지 대책은 양극 또는 음극 반응 가운데 한쪽을 차단하는 방향으로 세워진다.

3. 등장 배경과 필요성

철근콘크리트 구조는 콘크리트가 압축력을, 철근이 인장력을 맡아 두 재료가 일체 작용하는 구조이다. 이 일체 작용이 성립하려면 철근이 장기간 녹슬지 않아야 하므로, 콘크리트의 알칼리성이 철근을 보호한다는 원리가 설계의 전제로 자리 잡았다.

그러나 콘크리트 구조물은 설계 사용기간 동안 노출 환경에 계속 놓인다. 해안 구조물은 염화물에, 도심 구조물은 이산화탄소에 노출되므로 알칼리성 보호 원리가 시간이 지나면서 약해진다. 이 때문에 철근 부식은 구조물의 내구성을 좌우하는 핵심 열화 현상으로 다뤄진다.