콘크리트 부식 (철근의 부식)
콘크리트 부식이란 콘크리트 자체의 물리적 특징이 퇴화되는 것을 말하는 것이 아니고 일반적으로 콘크리트라는 환경 하에 있는 철근의 부식을 의미한다. 실제 콘크리트 구조물들이 파손되는 대부분의 원인이 철근의 부식이라는 것은 주지의 사실이다.
일반적으로 정상적인 조건하에서는 콘크리트(시맨트 몰탈)내 철근의 부식은 일어나지 않는다. 시맨트 몰탈내에서는 가수분해가 일어나며, 사용된 시멘트의 약 30%가 Ca(OH)2로 변하여 오염되지 않은 시멘트에 의해 완전히 둘러 쌓인 강 (steel)은 pH 12이상의 강한 알칼리성 분위기에 존재하게 된다. 이 경우 E-pH 선도(Pourbaix diagram)에서 알 수 있듯이 강의 표면에는 철의 3가 산화물 (Fe203) 피막이 매우 얇게 형성되는데, 비록 얇은 피막이라 하더라도 철 표면의 전극전위를 크게 바꾸어 양극이 되는 것을 저지하여 부식을 막는다.
그러나 외부 오염으로 인하여 염화이온(chloride ions)이 존재하게 되거나 시멘트 기공 내에 Ca(OH)2와 공기중의 CO2가 반응하여 콘크리트내의 알칼리도를 떨어뜨리게 되면(중성화 또는 탄산화) 위와 같은 부동태 (Passivity)피막이 파괴되면서 철이 부식될 수 있게 된다. 한편 콘크리트 부식반응에 참여할 수 있는 반응들은 대체적으로 다음과 같다.
1. 콘크리트 부식에 영향을 미치는 인자
1) 콘크리트의 노화
콘크리트 구조물의 열화요인에는
a. 동결융해,
b. 탄산화,
c. 건조수축,
d. 건습반복, 온도변화, 일조 등의 기상작용,
e. 콘크리트에 대한 물리적 화학적 특성,
f. 염분,
g. 하중의 작용,
h. 알칼리 골재반응 및 황산염에 의한 팽창 등이 있다.
그러나 콘크리트 철근의 부식을 유발하는 주요 인자로는 바로 염분 및 콘크리트와 탄산화 등을 들 수 있다.
2) 탄산화(carbonation)
콘크리트 기공내의 Ca(OH2)과 공기중의 CO2가 다음 반응식과 같이 반응하여 탄산칼슘을 생성하게 되는데 이는 콘크리트의 알칼리도를 감소시키는 기구가 된다.
중성화의 판정은 폐놀프탈레인 1%의 알코올 용액을 콘크리트면에 뿌리면 알칼리성의 부분은 붉은 보라색을 나타내기 때문에 색깔이 변하지 않은 부분을 중성화한 것으로 판정하며, 이 때의 pH는 8.5 ～ 9.5 정도이다.
3) 염해
pH가 중성화 범위로 낮아지지 않더라도 강재 부근와 콘크리트에 염소 이온량(Cl-)이 어떤값 이상으로 존재하면 염소이온이 강재 표면의 부동태 피막을 파괴하여 철근의 부식반응을 진행시킬 수 있다. 생성되는 부식 생성물인 녹은 원래 강재 체적의 약 2.5배까지 팽창하여 그 압력에 의하여 콘크리트의 배근 방향과 같은 방향으로 균열이 발생하며. 콘크리트 층이 들뜨기 시작한다.
이와 같은 상태가 되면 철근이 부식하기 용이한 조건 즉, 산소나 수분이 다량으로 공급되어 부식현상은 더욱 가속화되며 콘크리트 자체의 열화를 가져온다.
4) 황산염의 피해
콘크리트의 철근을 부식시키는 주요 음이온으로 Cl-외에 S04-2을 들 수 있다. 실제 부식이 일어난 시편에서 부식이 일어나지 않은 시편보다 농도가 훨씬 높게 검출되는 것이 빈번하다. 이렇게 황산염의 존재는 황산염 자체에 의한 부식은 물론이고, 더불어 황산염 환원균의 작용에 의한 일종의 미생물 부식이 일어날 가능성을 높여주고 있다.
5) 알칼리 골재 반응
알칼리-골재반응이란 콘크리트 내에 존재하는 Na+ 및 K+ 이온과 골재중의 실리카 성분이 수분이 존재할 경우 오랜 시간에 걸쳐 반응을 통하여 새로운 생성물을 만드는 것을 말한다. 그런데 알칼리-골재 반응의 생성물은 수분을 흡수하여 팽창하므로 콘크리트에 균열을 발생시키며 심할 경우에는 구조물을 붕괴시키기도 한다. 이러한 알칼리-골재 반응을 억제하기 위해서는 경험을 통하여 반응성 골재를 판별하여 제외시키는 것이 가장 확실한 예방책이 되고 있다.
6) 동해(凍解)
콘크리트 중의 수분이 동결과 융해를 반복하게 될 때 9% 이상의 체적 팽창감소가 반복되며, 그 팽창압력에 의해 균열이 발생하거나 표면부 박리가 일어나는 경우를 말한다. 억제 대책으로는
a. 동결융해 반복의 온도조건을 피한다.
b. 콘크리트내 함수율 증가를 억제한다.
c. 콘크리트 자체의 내동해성을 향상시킨다.
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