KDS 14 20 40에 따른 염해 및 탄산화 내구성 평가

Written by MIDAS CIM | 2023. 9. 14 오후 11:55:07

1. 서론

콘크리트 구조는 주어진 주변 환경조건에서 설계공용기간 동안에 안전성, 사용성, 내구성, 미관을 갖도록 설계, 시공, 유지관리하도록 되어 있다.

내구성 평가에는 염해, 탄산화, 동결융해, 화학적 침식, 알칼리 골재 반응 등을 주된 성능 저하 원인으로 고려한다. 그리고 시공 할 구조물이 갖게 될 성능 저하 환경을 조사하여 이에 따라 원인 별 내구성 평가 항목을 선정하여야 한다.

여러 성능 저하 원인 중 염해 및 탄산화에 대한 내구성 평가에 대해 알아보고자 한다.

2. 내구성 설계기준

콘크리트는 강알칼리성이며, 콘크리트에 묻힌 철근 표면은 얇은 부동태 피막으로 피복 되어 있기 때문에 부식으로부터 보호된다.

그러나 콘크리트 중에 일정량 이상의 염화물이 존재하면 염소이온(Cl-)의 작용에 의해 부동태 피막이 파괴되어 철근이 부식 되기 쉬운 상태가 된다.

그림 2.1 - 염분의 침투 경로 [5]

그림 2.2 - 염소이온에 의해 유발되는 철근의 부식반응 [5]

그림 2.3 - 염소이온에 의한 철근의 부식과정 [5]

시멘트가 물과 반응하면 수산화칼슘(Ca(OH)₂)이 25%정도 생성된다.

수산화칼슘은 강한 알칼리성을 띄고 철근이 부식 되는 것을 막아준다.
공기 중의 유해한 탄산가스와 접촉하면 수산화칼슘이 탄산칼슘으로 변하게 된다.
수산화칼슘이 줄어들면 철근이 녹슬게 되고 철근콘크리트의 수명을 단축하게 되는 것을 탄산화라고 한다.

콘크리트의 탄산화가 발생하는 경우에도 부동태피막이 피괴될 수 있다.

(1) 콘크리트 구조물의 목표내구수명

콘크리트 구조물의 목표내구수명은 구조물을 특별한 유지관리 없이 일상적으로 관리될 때 내구적 한계상태에 도달하기까지의 기간이다.

콘크리트 구조물의 목표 내구등급은 건축주(발주처)와 관련 규정에 따라 정할 수 있으며 아래 표의 값을 참고할 수 있다.

Eurocode2에서는 다음과 같이 구조물 등급을 나누고 있다.

Structural Class as per Eurocode

(2) 노출 범주 및 등급(KDS 14 20 40 P3)

범주	등급	조건	예
일반	E0	물리적, 화학적 작용에 의한 콘크리트 손상의 우려가 없는 경우 철근이나 내부 금속의 부식 위험이 없는 경우	∙ 공기 중 습도가 매우 낮은 건물 내부의 콘크리트
EC (탄산화)	EC1	건조하거나 수분으로부터 보호되는 또는 영구적으로 습윤한 콘크리트	∙ 공기 중 습도가 낮은 건물 내부의 콘크리트 ∙ 물에 계속 침지 되어 있는 콘크리트
	EC2	습윤하고 드물게 건조되는 콘크리트로 탄산화의 위험이 보통인 경우	∙ 장기간 물과 접하는 콘크리트 표면 ∙ 외기에 노출되는 기초
	EC3	보통 정도의 습도에 노출되는 콘크리트로 탄산화 위험이 비교적 높은 경우	∙ 공기 중 습도가 보통 이상으로 높은 건물 내부의 콘크리트¹⁾ ∙ 비를 맞지 않는 외부 콘크리트
	EC4	건습이 반복되는 콘크리트로 매우 높은 탄산화 위험에 노출되는 경우	∙ EC2 등급에 해당하지 않고, 물과 접하는 콘크리트 (예를 들어 비를 맞는 콘크리트 외벽, 난간 등²⁾)
ES (해양환경, 제빙화학제 등 염화물)	ES1	보통 정도의 습도에서 대기 중의 염화물에 노출되지만 해수 또는 염화물을 함유한 물에 직접 접하지 않는 콘크리트	∙ 해안가 또는 해안 근처에 있는 구조물³⁾ ∙ 도로 주변에 위치하여 공기중의 제빙화학제에 노출되는 콘크리트
	ES2	습윤하고 드물게 건조되며 염화물에 노출되는 콘크리트	∙ 수영장 ∙ 염화물을 함유한 공업용수에 노출되는 콘크리트
	ES3	항상 해수에 침지되는 콘크리트	∙ 해상 교각의 해수 중에 침지되는 부분
	ES4	건습이 반복되면서 해수 또는 염화물에 노출되는 콘크리트	∙ 해양 환경의 물보라 지역(비말대) 및 간만대에 위치한 콘크리트 ∙ 염화물을 함유한 물보라에 직접 노출되는 교량 부위⁴⁾ ∙ 도로 포장 ∙ 주차장⁵⁾
EF (동결융해)	EF1	간혹 수분과 접촉하나 염화물에 노출되지 않고 동결융해의 반복작용에 노출되는 콘크리트	∙ 비와 동결에 노출되는 수직 콘크리트 표면
	EF2	간혹 수분과 접촉하고 염화물에 노출되며 동결융해의 반복작용에 노출되는 콘크리트	∙ 공기 중 제빙화학제와 동결에 노출되는 도로구조물의 수직 콘크리트 표면
	EF3	지속적으로 수분과 접촉하나 염화물에 노출되지 않고 동결융해의 반복작용에 노출되는 콘크리트	∙ 비와 동결에 노출되는 수평 콘크리트 표면
	EF4	지속적으로 수분과 접촉하고 염화물에 노출되며 동결융해의 반복작용에 노출되는 콘크리트	∙ 제빙화학제에 노출되는 도로와 교량 바닥판 ∙ 제빙화학제가 포함된 물과 동결에 노출되는 콘크리트 표면 ∙ 동결에 노출되는 물보라 지역(비말대) 및 간만대에 위치한 해양 콘크리트
EA (황산염)	EA1	보통 수준의 황산염이온에 노출되는 콘크리트(표 4.1-2)	∙ 토양과 지하수에 노출되는 콘크리트 ∙ 해수에 노출되는 콘크리트
	EA2	유해한 수준의 황산염이온에 노출되는 콘크리트(표 4.1-2)	∙ 토양과 지하수에 노출되는 콘크리트
	EA3	매우 유해한 수준의 황산염이온에 노출되는 콘크리트(표 4.1-2)	∙ 토양과 지하수에 노출되는 콘크리트 ∙ 하수, 오·폐수에 노출되는 콘크리트

주 1) 중공 구조물의 내부는 노출등급 EC3로 간주할 수 있다. 다만, 외부로부터 물이 침투하거나 노출되어 영향을 받을 수 있는 표면은 EC4로 간주하여야 한다.

2) 비를 맞는 외부 콘크리트라 하더라도 규정에 따라 방수 처리된 표면은 노출등급 EC3로 간주할 수 있다.

3) 비래염분의 영향을 받는 콘크리트로 해양환경의 경우 해안가로부터 거리에 따른 비래염분량은 지역마다 큰 차이가 있으므로 측정결과 등을 바탕으로 한계영향 거리를 정해야 한다. 또한 공기 중의 제빙화학제에 영향을 받는 거리도 지역에 따라 편차가 크게 나타나므로 기존 구조물의 염화물 측정결과 등으로부터 한계 영향 거리를 정하는 것이 바람직하다.

4) 차도로부터수평방향 10m, 수직방향 5m 이내에 있는 모든 콘크리트 노출면은 제빙화학제에 직접 노출되는 것으로 간주해야 한다. 또한 도로로부터 배출되는 물에 노출되기 쉬운 신축이음(expansion joints) 아래에 있는 교각 상부도 제빙화학제에 직접 노출되는 것으로 간주해야 한다.

5) 염화물이 포함된 물에 노출되는 주차장의 바닥, 벽체, 기둥 등에 적용한다.

(3) 노출등급에 따른 최소 설계기준압축강도(KDS 14 20 40 P5)

항목	노출등급
	-	EC				ES				EF				EA
	E0	EC1	EC2	EC3	EC4	ES1	ES2	ES3	ES4	EF1	EF2	EF3	EF4	EA1	EA2	EA3
최소 설계기준 압축강도 fck (MPa)	21	21	24	27	30	30	30	35	35	24	27	30	30	27	30	30

콘크리트 배합은 노출등급에 따라 KSD 14 20 10에서 규정하는 물-결합재비, 결합재 종류, 연행공기량, 염화물 량 등에 대한 요구조건을 만족하여야 한다.

(4) 내구성 확보를 위한 요구조건(KCS 14 20 10 P22)

항목		노출범주 및 등급
		일반	EC (탄산화)				ES (해양환경, 제설염 등 염화물)				EF (동결융해)				EA (황산염)
		E0	EC1	EC2	EC3	EC4	ES1	ES2	ES3	ES4	EF1	EF2	EF3	EF4	EA1	EA2	EA3
내구성 기준압축강도 fcd (MPa)		21	21	24	27	30	30	30	35	35	24	27	30	30	27	30	30
최대 물-결합재비¹⁾		-	0.60	0.55	0.50	0.45	0.45	0.45	0.40	0.40	0.55	0.50	0.45	0.45	0.50	0.45	0.45
최소 단위 결합재량 (kg/m³)		-	-	-	-	-	KCS 14 20 44 (2.2)				-	-	-	-	-	-	-
최소 공기량(%)		-	-	-	-	-	-				(표 2.2-6)				-	-	-
수용성 염소이온량 (결합재 중량비 %)²⁾	무근 콘크리트	-	-				-				-				-
	철근 콘크리트	1.00	0.30				0.15				0.30				0.30
	프리스트레스트 콘크리트	0.06	0.06				0.06				0.06				0.06
추가 요구조건		-	KDS 14 20 50 (4.3)의 피복두께 규정을 만족할 것.								결합재 종류 및 결합재 중 혼화재 사용비율 제한 (표 2.2-7)				결합재 종류 및 염화칼슘 혼화제 사용 제한 (표 1.9-4)

주 1) 경량골재 콘크리트에는 적용하지 않음. 실적, 연구성과 등에 의하여 확증이 있을 때는 5％ 더한 값으로 할 수 있음.

2) KS F 2715 적용, 재령 28일∼42일 사이

시멘트 콘크리트 설계기준 배합비는 건설기술정보시스템의 자료를 참고할 수 있다: 링크 (클릭)

3. 염해에 관한 내구성 평가

염해에 관한 내구성 평가는 KDS 14 20 00:2021 콘크리트구조 설계기준 해설<강도설계법> 부록 콘크리트의 내구성 평가를 참고하였다.

콘크리트의 내구성 평가는 콘크리트 구조물의 내구성 평가와 배합콘크리트의 내구성 평가를 통과하여야 한다.

내구성으로 정해지는 최소 단위 결합재량(kg/m³) KCS 14 20 44 P4

주 1) KCS 14 20 10(1.9.2)에 규정된 노출등급 참조

(1) 콘크리트 구조물의 목표 내구수명 및 노출 등급

콘크리트 구조물의 목표내구수명과 노출등급은 다음과 같이 가정하였다.

① 특별히 높은 내구성이 요구되는 구조물로 목표 내구수명 100년

② 남해안, 물보라지역 ES4

(2) 해당 구조물의 염해 환경 설정

부록 해설 표 4.3-1 콘크리트 표면의 염소이온 농도(Cs, kg/m³)

해안환경	간만대	비말대	해안선으로부터의 거리(km)¹⁾
해안환경	간만대	비말대	해안선 근처	0.1	0.25	0.5	1.0
동해안	-	13.0	9.0	6.5	2.5	1.5	1.0
서/남해안	20.0	5.0	2.5	2.0	1.5	-	-

주 1) 수평방향의 거리가 아닌 연직높이의 영향을 고려할 때는 해발 1m의 차이가 해안선으로부터 거리 25m의 차이와 같다고 간주한다.

(3) 노출등급에 따른 콘크리트 재료 성질

설계강도 (MPa)	물-결합재비 W/B	결합재량 (kg/m³)	단위수량 (kg/m³)	%SG	%FA	%SF	피복 (mm)	표면염소이온농도 Cs (kg/m³)	초기염화물농도 Ci (kg/m³)
35	0.390	426	166	40	20	0	75	5.0	0.0

콘크리트 재료는 노출등급에 따른 압축강도, 최대 물-결합재비, 최소 단위 결합재량 등을 만족하여야 한다.

최소 피복 두께는 KSD 14 20 50 4.3을 만족하여야 한다.

초기염화물농도는 안전측으로 콘크리트 구조설계기준에서 규정한 굳지 않는 콘크리트의 총 염소이온량의 최대값인 0.3gk/m₃을 사용할 수 있다.

여기서 %SG는 최대 70%, %FA는 최대 50%, %SF는 최대 15

(4) 염소이온의 확산계수에 대한 평가

(5) 염소이온의 확산계수 예측식

1) 물-결합재비에 따른 확산계수 예측 값

여기서 a,b는 실험을 통해 결정하는 것이 바람직하다.

다만, 신뢰할 만한 데이터를 확보하지 못하였을 경우에 물-결합재비에 따른 확산계수의 변화를 고려한 확산계수 예측식은 다음의 값을 참조할 수 있다.

① 포틀랜드 시멘트 또는 포틀랜드 시멘트와 플라이애쉬, 고로슬래그 미분말을 혼합한 경우

② 포틀랜드 시멘트와 실리카퓸을 혼합한 경우

본 기술서에서는 (해설 부록 4.5와 4.6)식을 적용하였다.

2) 콘크리트의 염소이온 확산계수 예측값

① t < t_c=30년에 대하여

② t ≥ t_c=30년에 대하여

여기서,

(6) 콘크리트 구조물의 내구성 평가

1) 해당구조물의 염해 환경 설정

Cs = 5.0 표면 염화물 농도(kg/m³)

2) 철근부식 임계염화물이온 농도 설정

C_lim = 0.004 C_bind

(7) 염소이온 침투에 의한 콘크리트 구조물의 내구성 평가

(8) 염해에 대한 콘크리트 구조물의 내구성 평가를 위한 염소이온 농도

검토부재의 내구수명은 선형 보간하였다.

선형 보간하는 방법은 아래 링크를 참고하세요.

엑셀에서 선형보간

FORECAST, MATCH, OFFSET함수

오차함수 erf(x)는 엑셀에서 지원하는 함수이다.

https://millonario.tistory.com/entry/Definition-of-error-functionSMath

year	C_lim (kg/m³)	Ф_k C_lim (kg/m³)	목표내구수명 100년에서 γ_p C_d(kg/m³)	검토부재의 내구수명 year	Фk C_lim (kg/m³)
0	1.704	1.46544	1.278307841	121.9	0
500	1.704	1.46544		121.9	1.46544

해당조건에서 염해에 관한 내구수명은 121.9년으로 목표내구수명 100년을 만족한다.

참고로 SMath Studio를 이용해서 염해 내구성 평가를 한 결과이다.

자세한 내용은 아래 링크를 참고하세요.

Math를 이용한 염해 내구성 평가

4. 탄산화에 관한 내구성 평가

탄산화에 의한 콘크리트 구조물의 사용 가능 여부에 대한 판단은 매우 어려우나, 일반적으로 해설 표 4.3-2에 나타낸 바와 같이 철근 부식이 개시 되는 시기에 나타나는 노후도 4이하의 상태로 구조물을 유지하도록 하는 것이 바람직하다.

노후도	노후화 상태
1	미관에 영향을 주는 단계
2	방치 가능한 정도의 경미한 단계
3	국부적인 보수가 필요한 단계
4	일부 부재의 일상적인 안전성에 영향을 주어 방치할 수 없는 노후화가 발생되어 약간의 보수 교체가 필요한 단계
5	많은 부재가 부분적인 보수 교체가 필요한 단계
6	구조상 위험한 상태로 사용을 금지해야 할 단계

부록 해설 표 4.3-2 콘크리트 구조물의 노후도

(1) 콘크리트 재료 성질

설계강도 (MPa)	물-결합재비 W/B	결합재량 (kg/m³)	단위수량 (kg/m³)	%SG	%FA	%SF	피복 (mm)	목표내구수명 (년)
35	0.390	426	166	40	20	0	75	100

콘크리트 재료성질은 염해에 관한 내구성 평가에 적용한 값과 동일하다.

탄산화에 대한 허용 성능저하 한도는 탄산화 침투깊이가 철근의 깊이까지 도달한 상태를 탄산화에 대한 허용 성능저하 한계상태로 정하도록 한다.

(2) 콘크리트 구조물의 탄산화 내구성 평가

y_lim = 철근부식이 발생할 수 있는 탄산화 한계 깊이

y_lim = c - c_k

c = 75mm 설계피복두께(mm)

c_k = 25mm 한계 탄산화 깊이 여유값으로서, 자연환경에서는 10mm, 심한 염해환경에서는 25mm

탄산화 깊이의 예측값(mm)

설계 탄산화 속도계수(mm/sqrt(y))

(3) 배합단계에서 콘크리트 내구성 평가

1) 탄산화 속도계수의 평가

α_p = a+b(W/B)

W/B = 유효 W/B=W/(C_p+kA_d)

C_p = (kg/m³) 단위체적당 시멘트의 질량

A_{d SG} = (kg/m³) 단위체적당 SG의 질량

A_{d FA} = (kg/m³) 단위체적당 FA의 질량

k = 재료상수; 플라이 애쉬는 k=0이고, 고로슬래그 미분말의 경우 k=0.7

year	y_lim (mm)	Ф_k y_lim (mm)	목표내구수명 100년에서 γ_p y_d(kg/m³)	검토부재의 내구수명 year
0	50.0	46.0	39.1	138.3
500	50.0	46.0	39.1	138.3

해당조건에서 탄산화에 관한 내구수명은 138.3년으로 목표내구수명 100년을 만족한다.

참고로 SMath Studio를 이용해서 탄산화 내구성 평가를 한 결과이다.

자세한 내용은 아래 링크를 참고하세요.

https://han.gl/jKEMu

5. 결론

엑셀을 이용한 염해 및 탄산화에 대한 내구성 검토에 알아보았다.

(1) 염해에 관한 내구성 평가

염해에 대한 내구수명은 다음과 같은 관계가 있다.

1) 물-결합재비에 반비례한다.

2) 결합재량에 비례한다.

3) 고로슬래그, 플래이애쉬, 실리카 퓸이 혼합에 비례한다.

4) 피복두께에 비례한다.

염소이온의 확산계수는 다음과 같은 관계가 있다.

1)물-결합재비에 비례한다.

Relationship Between D₂₈ and W/CM

2) 실리카-퓸이 혼합비에 반비례한다.

Effect of Sillica Fume

3) 고로슬래그와 플라이애쉬가 배합되면 시간경과에 따른 확산계수는 낮아진다.

Effect of Fly Ash and Slag

결합재량이 일정할 경우 결합재의 배합량에 따라 염해에 대한 내구수명이 달라진다.

(2) 탄산화에 관한 내구성 평가

탄산화에 대한 내구수명은 다음과 같은 관계가 있다.

1) 물-결합재비에 반비례한다.

2) 단위시멘트량에 비례한다.

3) 피복두께에 비례한다.

콘크리트구조 설계기준 해설에서는 다음과 같이 설명하고 있다.

보통 포틀랜드 시멘트를 사용한 콘크리트로서 일반적인 자연환경에서 물-결합재비가 50퍼센트 이하이고 피복두께가 30mm이상인 경우에는 일반적으로 탄산화에 대한 내구성평가는 수행하지 않아도 좋다.

(3) 콘크리트 구조물의 목표내구수명

콘크리트 구조물의 목표내구수명을 만족하려면 해당 환경조건에서 재료성능을 만족하고, 최소피복을 만족하여야 한다.

설계기준에 제시한 콘크리트 강도와 피복을 만족하였더라도 결합재의 혼합비율에 따라 염해, 탄산화에 대한 요구 피복이 달라지므로 시공전 콘크리트 배합을 검토해볼 필요가 있다.

참고문헌

[1] KDS 14 20 40 콘크리트구조 내구성 설계기준

[2] KDS 14 20 00:2021 콘크리트구조 설계기준 해설<강도설계법> 한국콘크리트학회

[3] KCS 14 20 10 일반 콘크리트

[4] KCS 14 20 44 해양 콘크리트

[5] 공학석사논문:해상 장대교량의 신뢰도 기반 내구성 설계_울산대학교 대학원 건설공학부 임얼

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