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콘크리트는 보강 출근을 결합합, 매우 강한 건축물이다. 콘크리트의 품질은 구조물의 어느 면보다 더 건축물의 완성도에 가장 큰 영향을 끼친다. 콘크리트는 자체적으로 몇 가지의 훌륭한 보강 출근의 보호책을 가진다. 첫째, 철근막대와 주위 환경과의 물리적 울타리를 제공한다. 둘째, 콘크리트는 자연적으로 금속 표면에 수동적인 얇은 막을 형성하는 성질이 있다. 콘크리트 기공 속의 습기는 본래 고도의 PH(11에서13)를 함유하고 있기 때문에 최초의 부식을 막는 화학적 작용을 한다.

물론, 철근 콘크리트가 전혀 문제점이 없는 것을 아니다 ? 부식이 그 중 가장 큰 문제점이다. 플로리다 한 주에서만 해도, 해안선에서 1,200마일 내에 있고, 물가에 위치한 다리는 대략 3.000개 있으며, 한 해에 다리부식으로 수명이 줄어들어 사용하는 보수공사 비용이 30$에서 5억$로 추정된다. 해안가 주변과 완전한 섬들의 토양은 철근 콘크리트와 철근 구조물의 노출도가 심하기 때문에 가장 극악한 조건이므로 광범위한 보호책이 요구된다. 이런 환경에서, 출근에 부식이 생기는 최초의 징조가 나타나는 평균 시간은, 대략 12년 후이다. 20년이 지나면 해상에 있는 다리의 물에 잠긴 부분은, 눈에 보일 정도로 부식에 의한 손상으로 보수를 해야 할 상황이 된다. 부식으로 가장 큰 손상을 입는 다리 구조물의 부분은 물이 철썩거리며 와 닿는 부분으로 조수간만의 차이로 젖었다 말랐다를 반복해야 하는 이유 때문이다.


부식이 진행되기 전에, 산소, 염화물, 또는 황산이온, 그리고 습기가 존재해야 한다. 요소 중에 어느 한 가지라도 없으면 부식은 발생하지 않는다. 자연스레 발생하는 현상처럼, 이 조건들은 환경 속에서 아주 빈번하게 만들어 진다. 해수면이나 황산염이 많은 땅, 산성화된 토양에 설치한 기둥은 부식으로 쉽게 전도된다.

염화이온이 콘크리트면에 도달하면, 음극과 양극의 전자가 흐르기 시작해 ‘부식세포(corrosion cell)’ 를 만들어 낸다.

자기(磁氣)기라고도 불리는, 이 흐름은 직류작용을 하고 콘크리트속의 금속에까지 흐른다. 부식이 발행하는 또 다른 방식은, 물 속에 있는 수용성 용액 속의 PH레벨 이 대기중의 이산화탄소와 시멘트 풀과 반응하여 줄어들 때 발생한다. ‘탄산염화 작용’으로 종종 발생하는 화학작용 이다.

언제든지 부식이 시작되기 전에는, 문제의 징조를 발견할 수 있다. 첫 번째 징조는 부식 작용이 발생하는 콘크리트 내부에 힘을 가해, 균열이 발생한다. 결국 균열이 하나 둘 모여, 쪼개짐 현상이 일어나고, 자연스레 철근이 노출되어 빠른 속도로 부식이 생겨나게 된다. 그렇다 해도, 대 재앙을 방지하기 위해 설계되어진 안전 요인들이 있고, 아직 정상적인 부분들이 있기 때문에 구조물이 그 즉시 위험상태에  빠지는 것은 아니다.

콘크리트 표면이 갈색으로 변색되는 것은 먹구름이 짙어지는 다음 징조이다. 그 변색은 콘크리트 속의 철근이 심하게 약화되어, 부식의 진행이 눈으로 식별이 가능해진 것이다. 갈색 유동체는 대개 균열로 생긴 콘크리트 통로를 통해 이동한다. 점검하지 않아 발생한 부식 현상으로 나타나는 결과는 :

    * 철근의 직경이 줄어든다.(자동적으로 철근의 속성이 약해진다)

    * 콘크리트에 생긴 쪼개짐과 균열이 부식을 더욱 확산시킨다.

    * 철근과 콘크리트의 접착 강도가 줄어든다.


관례처럼, 기술자는 철근을 사용한 콘크리트 구조물에는 철근 위에 콘크리트 덮개를 출분하게 하도록 설계한다. 여기에는 철근을 보호하는 두 가지 점이 있다. 첫째, 부식을 발생시키는 환경적 요인을 철근과 서로 멀리 떨어뜨리게 한다. 둘째, 콘크리트를 타설 했을 때 표면과 철근이 가까워져 정렬된 것이 흐트러질 가능성이 줄어 든다.

대개의 평범한 환경에서는, 적절한 구조물 설계와 올바른 준비를 거쳐, 콘크리트를 설치했다면, 구조물의 내구성은 충분히 튼튼하고 안전하다. 그러나 공격성이 강한 환경 조건에서는 방어책을 좀 더 갖추어야 한다.

극도로 공격적인 환경이란 무엇일까? 구조물 주변의 흙이나 물에 염화 이온이 백만 당 2,000차수이거나 황산이온이 백만 당 1,500을 초과한 환경이라면, 극도로 공격적이다고 분류할 수 있다. 이 공격적인 환경의 특성은, 해안가의 가장 흔한 환경이기도 하다. 공격적인 토양이라 지칭할 수 있는 다른 적도는 낮은 저항성(고高전도율)과 낮은 PH(Log {1/수소이온 농도} )을 함유하고 있을 때다. 존재하는 이런 매개변수 들이 결합한 환경에서는 철근 콘크리트 구조물이 희생물이 된다.

부식방지 방법과 기술에 대한 연구분야에는 염화이온과 산소의 진입을 막는 콘크리트 배합에 대한 연구도 포함 되어있다. 그 결과, 부식을 촉진시키는 해로운 작용제들의 침투를 막는 첨가제 추가로 콘크리트의 농도가 점점 짙어졌다. 일반적인 콘크리트에 사용되는 입자 크기는, 3인치 정도 큰 굵은 골재에 마이크로 크기의 일반적인 고운 시멘트 가루이다. 이 배합은 염화 이온과 산소가 드나들 수 잇는 통로가 되는 틈을 남긴다. 규격화된 입자의 크기가 점점 더 다양하게 생산 유통됨에 따라, 연구가들도 부식 방지 방법을 발견해 냈다.

연구가들이 자기장이 발생 시키는 폐기물(포즐란)을 사용 가능하게 하는 방법을 찾는 동안, 콘크리트 기술자들은 공격적인 환경에서 콘크리트의 내구성을 향상 시키는 방법을 모색 했다. 콘크리트 산업에서 중요한 발견이 일어났다. 기존의 콘크리트에 사용되는 시멘트 입자보다 훨씬 작은 크기인, 석탄으로 태운 파워 플랜트(특히 플라이 애쉬-fly ash)라는 것을 발견했다. 이것은콘크리트 매트릭스의 여백을 채울 뿐만 아니라, 입자가 단단한 콘크리트에서 결정체를 형성한다. 그리고 이 플라이 애쉬(fly ash) 가 골재와 시멘트간의 알칼리-규토의 작용 등을 파괴시키는 등, 콘크리트에서 일어나는 여러 작용들도 막아준다는 것을 알아냈다.

연구가들은 플라이 애쉬(fly ash) 를 콘크리트에 얼마나 섞어야, 가장 효과가 클지를 연구하기 시작했다. 플라이 애쉬는 시멘트보다 가격이 싸므로, 콘크리트 생산자들은 최대한 많은 양의 플링 애쉬로 시멘트를 대체할 수 있기를 바랬다. ‘많을 수록 좋다’는 옛 말처럼 콘크리트 구조물에서 플라이 애쉬의 사용량을 명시할 때, 가장 큰 관심이 쏠려졌다.

일반적으로 사용되는 F 타입의 플라이 애쉬는 콘크리트 강도가 더디게 강화되지만, 플라이 애쉬를 사용하지 않은 콘크리트와 비교하면, 91번째 날의 강도가 최고 강도이다. C타입의 플라이 애쉬는 콘크리트초기 강도에 영향을 주진 않지만, 몇 가지 조건 하에선 반대효과가 있다. C타입의 플라이 애쉬는 F타입의 플라이 애쉬를 사용하는 것보다 유용할 때, 그리고 물질의 성질을 잘 알고 있는 원료 기술자 에게 사용을 평가 받았을 때에만 사용해야 한다.

부어넣기 이후의 초기 3일 동안의 콘크리트 압축 강도는 몇몇 건설 기획들과 프리텐션 콘크리트 건설에 도리어 비판적이다. F타입의 플라이 애쉬는 부어넣기 이후 28일 까지는 콘크리트의 최소 강도에도 미치지 못하므로, 이 점이 별 문젯거리가 되지 않을 경우에, 시멘트를 대체해 사용한다. 플라이 애쉬를 넣어 강화한 콘크리트는, 강도 보다는 내구성을 더 고려할 경우나, 강도가 건설의 다음 단계로 이행되는데 방해가 되지 않을 때에 선택 적용하는 것이 가장 이상적이다.

프리캐스트 다리 부재는 엔지니어의 주문으로 사용한다. 말뚝고 몇 개의 기둥, 피어(pier-짧은 기둥) 같이 대부분으 다리 하부구조 부재는 상부구조물 보다 이전에 만들어진 프리캐스트를 사용한다. 작업동안 더딘 강도에 대한 손해 없이 플라이 애쉬의 적절한 양을 첨가하여 미리 만들었기 때문에 작업에 지장을 주지 않는다.

오늘날, 공격적인 환경에 설치할 다리 말뚝과 캡, 그리고 갑판에 사용되는 F타입 플라이 애쉬의 시멘트의 최소 교체량은 20%이다. (표1 참조)

다른 배합법은, 금속 산업체에서 개발한 것으로 탁월한 부식 방지력을 내세우고 있다. 수송부에서 실시한 테스트에 의하면, 이 폐기물은 부식 억제 콘크리트를 만들 때 사용된다. 용광로에서 생성되는 부산물로, GGBFS 또는 간단히 광재(슬래그 Slag) 라 불리는 것은 , 부식 방지 물질로 플라이 애쉬 대신 사용된다. 플라이 애쉬와 달리 일관성이 있는 광재가 부식 억지 물질로 제공되자, 부식 억지제로 더 많은 각광을 받았다.

플라이 애쉬로 인한 더딘 강도 문제가 광재에겐 없었기 때문에. 시멘트 교체물로써 더 많이 사용되었다. 슬래그는 시멘트의 50 에서 70%를 교체하면 가장 높은 효과를 볼 수 있다.

마이크로 규토(micro-sillica) 는 가장 역동적인 포즐란 이며, 여타의 방법들보다 단위 무게 당 가장 이점이 많다. 이 화학적인 배합은 비율에 상관이 없어 시멘트와 흡사하다. 높은 비율로 섞인 규토, 마이크로 규토는 다른 포즐란들 보다 효과가 뛰어나며 낮은 첨가 비율로도 상당한 부식 억제력을 발휘할 수 있다. 마이크로 규토를 8%정도의 적은 양을 시멘트 대체물로 사용하면, 부식억제 효과가 최대이다. 마이크로 규토의 성질은 플라이 애쉬, 광재와 상당히 다르다. 마이크로 규토으 입자는 시멘트 입자 보다 100배 작아, 콘크리트 매트릭스에 완전히 들어가 메울수 있다. 입자 크기만 다른 것이 아니다. 마이크로 규토는 풀(paste) 매트릭스 같은 독특한 결정체 구조이다. 플라이 애쉬와 결합되면, 마이크로 규토으 부식 억제 시스템이 최대로 발휘하며, 특히 설계된 콘크리트 덮개가 제 능력을 발휘 할 수 없을 때 긴요하다. 어떤 주이든, 다리 하부 구조에 플라이 애쉬와 마이크로 규토를 첨가하도록 명시 되어 있지만, 이것만으로는 부식에 대한 문제에서 벗어 날 수 없다.

배합 방법으로 콘크리트의 품질이 향상되고, 제조사의 품질 관리력도 향상됨에 따라 콘크리트의 신뢰성과 강도도 증가했다. 강도가 설계 단계에서부터 요구됨에 따라, 신뢰성은 가끔 물질적인 특성인 견고함을 가리키기도 한다. 보다 나은 골재 시멘트를 상용하거나 첨가요소로 인해 품질이 향상될 때에는 콘크리트의 특성중 몇 가지가 변하기도 한다. 투과성이 그 중 한가지 이다. 고품질 콘크리트는 즉각 투과성이 줄어들고 콘크리트를 악화시키는 요인들의 작용을 막아준다.

콘크리트 작업상의 단순한 변화가 품질을 향상시킨다. 작업에서 마무리까지 물을 적게 사용하고, 타설 수 압밀을 성실히 하고, 조인트를 적절히 설치하고, 보강 철근을 적절한 설치하는 일등은 작은 일이다. 보다 정교한 향상을 위한다면, 너무 높거나 낮은 온도로 부터는 보호하고, 증발을 막고, 콘크리트 내부와 바깥 표면사이의 심한 기온차를 방지하면 된다. 구조물이 완성되기 전에 이런 작업들이 채택된다면, 설계상에서 기대했던 결과를 얻을 수 있다.

구조물 재료를 고르고, 다리 구조를 설계할 때, 좀더 멀리 보고 생각한다. 설계 상에서 공격적인 환경에서 중요한 요소들의 노출을 줄일 수 잇다. 높인 다리갑판, 항상 말뚝을 물 속에 잠기게 설계한 교각에서는 부식의 문제점이 비교적 적다. 해수나 해수의 물방울에 노출되는 주차장과 베란다에, 투과성이 적게 명시된 물질을 사용하면, 부식을 막을 수 있고, 구조물이 설계한 수명보다 더 오래 갈 수 있다.


참 고 표 . 1

 

F타입 플라이 애시을 사용한
전형적인 배합설계

성      분

수      량

11타입 시멘트

512    1bs

256    1bs

F타입 플라이애시 20%

128    1bs

1인치 굵기의 보통의
굵은 골재

1,785 1bs

잔    골재

1,085 1bs

공기 함유량

4%

물 - 억제
배      합

제조사의
추천대로

 * 체적 산출은 지역 물질의 명확한
평균 중력에 의해서 의거했다.

 

참고표 . 2

 

보수 보강 방안 : R . S 공법 참조