철근콘크리트의 내구성(KDS 14 20 40) : 오래가는 구조물을 만들기 위한 설계기준

안녕하세요 오늘은 철근콘크리트의 내구성에 대해서 글을 작성해 보겠습니다. 철근콘크리트의 내구성 설계는 구조물의 수명에 중요한 역할을 합니다. 내구성이 저하되면 철근부식 및 피복 박리가 일어나며 이중에서도 철근의 부식은 구조적으로 상당히 위험할 수 있습니다. 만약 내구성 설계가 적절히 이루어지지 않은 구조물은 산성비, 해풍, 해수, 제빙화학제, 공기중의 대기오염에 의해서 구조체의 내구성 저하가 빠르게 일어날 것입니다. 그러므로 오늘은 이러한 내구성설계를 적절하게 하는 방법에 대해서 글을 작성해 보겠습니다.

 

콘크리트는 재료적 성질로 높은 알칼리성을 띠고 있습니다. 이것은 시멘트의 수화작용으로 많은 양의 수산화칼슘을 생산하기 때문입니다. 즉, 콘크리트의 알칼리성은 매립되어 있는 철근을 부식으로부터 보호하는 역할을 하게 됩니다.

 

하지만 콘크리트의 알칼리성이 계속 유지되는 것은 아닙니다. 콘크리트는 탄산화 반응으로 알칼리성이 낮아지는데 이것은 시멘트풀과 이산화탄소사이의 화학반응에 의해서 발생합니다. 일반적으로 탄산화는 천천히 일어나는데 35MPa 강도의 콘크리트가 10mm의 탄산화 깊이가 나타나는데 20년정도 걸린다고 합니다. 그러므로 적절한 피복두께를 확보한 부재는 철근 매입 깊이까지 탄산화가 발생하지 않는다고 생각할 수 있습니다. 물론 균열이 발생하지 않았다는 가정하에 이야기입니다.

 

탄산화가 발생하지 않더라도 콘크리트 자체에 염화물이 있을 수 있습니다. 사용되는 재료 자체에 염화물이 있고 수돗물에도 염화물이 있기 때문에 이러한 염화물은 콘크리트 내부에 남아 있어 철근부식에 영향을 미칩니다. 하지만 그것보다 더 영향이 큰 것은 외부로 침투되는 염화물일 것입니다. 해수, 해풍, 오염된 빗물, 제빙 화학제 등에 의해 상당히 높은 염화물에 노출됩니다.

 

염화물이 콘크리트에 침투는 물-시멘트비와 피복두께에 의해서 좌우됩니다. 물-시멘트비를 낮추면서 강도를 높여 수밀한 콘크리트로 만들면 염화물의 침투를 억제할 수 있습니다. 또한, 콘크리트의 피복두께를 크게하여 외부 염화물의 침투로부터 철근을 보호할 수 있습니다. 그래서 우리나라의 건축구조기준에서는 콘크리트의 강도와 피복두께로 내구성을 확보하도록 규정하고 있습니다.

 

먼저 노출 범주 및 등급을 결정해야합니다. 콘크리트 부재에 예측되는 노출정도를 고려하여 아래의 표를 근거로 노출등급을 결정합니다. 이러한 노출등급을 결정하면 노출등급에 따른 최소설계기준압축강도를 규정에 맞게 사용해야 합니다!

 

위의 표를 통해 예측되는 노출등급을 결정하고 그 내용을 바탕으로 설계강도를 결정합니다!

 

보통 일반적으로 설계를 수행할 때 27~30MPa의 강도를 사용하면 일반적인 구조물은 기준을 만족합니다.

 

또한, 콘크리트의 피복두께도 위에서 언급한 것 처럼 내구성에서 중요한 역할을 합니다. 기준에서 제시하는 피복두께는 아래와 같습니다.

프리스트레스하지 않는 부재의 현장치기 콘크리트
수중에서 치는 콘크리트			100mm
흙에 접하여 콘크리트를 친 후 영구히 흙에 묻혀 있는 콘크리트			75mm
흙에 접하거나 옥외의 공기에 직접 노출되는 콘크리트	D19이상 철근		50mm
	D16이하 철근		40mm
옥외의 공기나 흙에 직접 접하지 않는 콘크리트	슬래브, 벽체, 장선	D35초과 철근	40mm
		D35이하 철근	20mm
	보, 기둥	설계기준압축강도가 40MPa 이상이면 규정된 값에서 10mm 저감 가능	40mm
	쉘, 절판부재		20mm

 

위의 피복규정에 더불어서 특수환경에 노출된 콘크리트에 대해서 추가적인 규정이 있습니다. 특수환경에 노출된 콘크리트는 위의 조건들을 만족하는 동시에 일반적인 환경보다 피복두께를 증가시키는 것이 합리적인 설계이므로 노출등급을 고려한 피복두께를 규정하고 있습니다.

노출범주가 EC에서는 다음 값 이상의 피복두께를 확보해야합니다.

현장치기 콘크리트
벽체, 슬래브		50mm
외의 모든 부재	노출등급 EC1, EC2	60mm
	노출등급 EC3	70mm
	노출등급 EC4	80mm

 

이 밖에 동결융해와 알칼리-실리카 반응 등의 내구성을 저하시키는 요인들이 있습니다. 

 

또한, 내구성을 향상시킬 수 있는 방안으로는 다음과 같은 것들이 있습니다.

-고품질 재료 사용: 고품질의 시멘트, 골재, 철근을 사용하고, 부식을 방지하는 코팅이나 도금 철근을 사용할 수 있습니다.

-적절한 배합 설계: 물-시멘트 비율을 낮추고, 혼화제를 사용하여 콘크리트의 내구성을 높입니다.

-충분한 양생: 초기 양생을 철저히 하여 콘크리트의 강도와 내구성을 확보합니다.

-균열 제어: 설계 단계에서 균열을 최소화할 수 있는 조인트를 설계하고, 철근 배치를 최적화합니다.

-표면 보호: 콘크리트 표면에 방수 처리를 하여 수분과 화학 물질의 침투를 방지합니다.

-정기적인 유지보수: 정기적으로 구조물을 점검하고, 필요한 경우 보수 작업을 실시하여 내구성을 유지합니다.

 

오늘은 철근 콘크리트의 내구성에 대해서 알아 보았습니다. 노출등급, 피복두께를 통해 내구성을 확보하는 규정과 내구성을 저하시키는 요인들에 대해서 글을 작성해 보았는데 내구성을 관리하는 것은 구조물의 수명과 안전성을 보장하는 데 매우 중요합니다. 적절한 설계, 시공, 유지보수를 통해 철근콘크리트 구조물의 내구성을 극대화할 수 있으므로 해당 내용들을 잘 알고 있으면 좋겠습니다. 오늘도 글을 읽어주셔서 감사합니다.😊