Best Practice

교량과 같은 대형토목구조물은 공용기간이 증가함에 따라 하중조건의 변동, 환경조건적응, 시간종속적인 변화 등으로 그 성능과 기능이 감소하기 때문에 구조물의 사용 목적과 기능을 보전하고 안전성을 높이기 위하여 지속적인 유지관리가 진행되고 있다^[1]. 강교량의 경우 유지관리 측면에서 내구성 확보를 위하여 도장을 통해서 부식에 대한 구조물의 내구성능을 확보하고 있으나, 도장의 경우 대기 부식 환경하의 도막열화로 인하여 그 수명이 제한되므로 공용기간 동안 지속적이며 반복적인 재도장이 진행된다. 교량의 재도장은 기존 도막의 제거 등으로 인한 재도장 비용의 지속적인 투자뿐 아니라 재도장으로 인한 환경오염의 발생, 재도장 설비를 위한 작업대 설치와 이로 인한 교통체증의 유발 그리고 재도장이 어려운 교량의 지리적 한계와 같은 다양한 사회적 문제가 발생하게 되므로 효율적인 구조물 유지관리와 사회적 요구 및 인식 변화에 대응하기 위해서는 장수명 도장기술의 개발이나 도장이 필요 없는 고내구성 고내식성재료를 이용한 강구조물 건설 기술이 필요하다.

내후성 강재는 강교량 등에 적용되고 있는 대표적 고내구성 고내식성 강재로 일반 탄소강에 구리(Cu), 크롬(Cr), 니켈(Ni) 등의 원소를 미량 첨가하여 치밀한 녹 층을 형성하며, 대기부식환경에서 내부식성이 뛰어난 저합금강이다. 일반적으로 현재 적용되고 있는 내후성강의 부식속도는 대기부식환경 초기(1~2년)에서는 비교적 크게 나타나지만, 치밀한 녹 층이 형성되게 되는 5~10년에는 약 0.01 mm/year 이하로 부식속도가 감소하게 되고, 이러한 부식속도의 감소로 내후성강 강재는 무도장으로 사용가능하며, 건설초기 도장비용과 재도장 비용 없이 적용할 수 있다^[2]. 해외의 경우에는 철도용 교량 및 강구조물에 적용한 사례가 많으며, 미국에서는 1964년 이후 10,844개소의 무도장 내후성 교량이 건설되었다^[3]. 또한, 일본에서는 700개소 이상(2014년 기준)의 내후성강 교량이 건설되어 있으며 2010년 이후 신설 강교량의 20~25%가 내후성강으로 적용하고 있다^[4]. 하지만 국내의 경우에는 제조사의 노력에도 불구하고 설계자의 관심 및 연구자료 부족과 도장부재와 비교한 미관성 결여 등의 이유로 교량에서의 적용 실적이 많지 않은 실정이다^[5].

도장의 기능 상실 이후의 탄소강 및 무도장 내후성강을 적용한 구조부재의 부식저항성능과 손상정도를 파악하는 것이 중요하며, 정밀안전진단 등의 점검시 육안조사에 의한 정성적인 방법에 의한 조사결과에 근거하여 유지보수가 실시되어지고 있다. 따라서 본 연구에서는 제한적인 부식 환경에서 무도장 탄소강 및 내후성강재를 이용하여 강종에 따른 부식손상량 추정법을 개발하고자 하였으며, 도장을 통하여 부식에 대한 강구조물의 내구성능을 확보하는 탄소강은 도막열화로 인하여 그 수명이 제한되므로 무도장 상태일 경우의 부식저항성능을 검토할 필요가 있다. 또한 내후성강재를 구조부재로 적용하기 위해서는 내후성강재의 목적에 맞게 충분한 부식저항성능을 확인되어야 하며, 실제 교량에 적용하였을 때에도 부재형상 등에 의한 국부적인 부식손상이 발생하지 않아야 할 것이다. 따라서 본 연구에서는 일반적으로 구조물에 적용할 수 있는 탄소강과 내후성강재의 내부식성과 부식생성물에 따른 부식손상량을 평가하기 위한 기초적인 연구로 염수분무촉진실험을 통하여 탄소강과 내후성강재 표면에 형성된 녹 층의 미세구조 평가 및 녹 결정성분 등을 분석하고, 발생 녹 상태에 따른 부식생성물의 두께 측정을 통하여 구조용 강재에서 발생할 수 있는 부식 손실량을 추정하고 강재의 종류에 따라 비교하였다.

일반적으로 수행되어지는 내후성강재의 장기에 걸친 부식량의 예측방법으로는 건설예정지 또는 유사한 대기환경조건에서 10년의 옥외노출 시험을 수행하고, 시험결과에 근거한 부식량의 관계식으로부터 장기간에 미치는 부식량을 예측하는 기법이 적용되고 있다. 하지만 부식량의 관계식을 도출하기 위하여 장기간의 옥외노출 시험이 필요하며 비경제적이다. 본 연구에서는 Fig. 11과 같이 부식생성물의 두께와 평균부식깊이와의 상관관계를 이용하여 부식량 추정식을 Eqs. (1)과 (2)로 나타내었다. 부식량 추정식은 1200시간(150 cycles)까지의 단기간의 실험결과로 산출하였으며, 향후 발생되는 평균부식깊이를 예측하였다. Eqs. (1), (2)에서 d_mean는 예측평균부식깊이, r은 부식생성물의 두께이다.

Fig. 11. 
Prediction curve of mean corrosion depth using thickness of corrosion product

Fig. 11과 같이 단기간의 실험결과에 근거하여 도출된 추정식으로부터 향후 발생 가능한 2400시간(300 cycles)의 부식량과 실험결과의 2400시간(300 cycles)부식량을 비교하여 나타내었다. 비교 결과, 선형함수식의 경우는 무도장 탄소강과 내후성강이 실제와 유사하게 나타났다. 반면에 지수함수식의 경우는 무도장 탄소강과 내후성강 모두 실제보다 과소평가 되었다. 또한 초기(30 cycles)를 제외하고 선형함수식으로 추정된 경우가 지수함수식보다 상대적으로 추정 오차율이 적었다. 이 결과는 단기간의 실험결과로부터 도출된 추정식이므로 장기간의 부식량을 추정하기 위해서는 장기간의 실험결과와 비교하여 검증할 필요가 있다. 향후 장기간 부식량을 추정하여 비교한다면 선형함수식은 부식거동의 한계상태일 수 있으며, 지수함수식은 실제 부식량과 유사하게 나타날 수도 있다.

Fig. 12에는 Eqs. (1)과 (2)를 이용하여 각각의 실험결과와 추정값을 비교하여 나타내었다. 비교 결과, 선형함수식은 부식초기단계(30 cycles)에서 추정치보다 실제 부식량이 크게 나타났으며 20% 오차범위를 벗어났다. 하지만 부식진행단계(50 cycles)이후에 추정치는 약 20% 오차범위 이내로 나타났으며 제안된 부식생성물 두께를 이용하여 탄소강 및 내후성강의 부식량 추정이 가능하였다.

Fig. 12. 
Comparison between prediction of mean corrosion depth and actual mean corrosion depth

구조용 강재의 부식저항성능을 정량적으로 평가하고, 부식생성물을 이용한 부식량 추정식을 제안하기 위해서 강재의 외관상태평가, SEM-EDX 및 XRD분석, 염수분무촉진실험 등을 실시하였다. 강재의 부식된 표면의 색상변화를 관찰한 결과, 초기(30 cycles) 진행된 경우에는 오렌지색에서 담갈색으로 변화하는 과정임을 확인할 수 있으며, 촉진 사이클이 증가함에 따라 짙은 갈색으로 변화하고 있음을 확인할 수 있었다. 부식생성물의 안정화 평가를 위해서 장기간의 옥외노출실험을 통한 부식생성물의 조성성분 분석결과와 XRD의 결과를 비교한 결과, 부식생성물의 안정화 초기단계로 나타났다. 또한 SEM-EDX분석을 실시하여 부식생성물의 단면 형상을 분석하였으며, 무도장 탄소강은 치밀한 녹 층을 형성하지 못하고 다량의 공극이 생성되었으며, 내후성강은 치밀한 녹 층이 형성되어 상대적으로 적은 공극이 발생하였다. 무도장 탄소강과 내후성강의 부식생성물의 두께는 촉진 사이클이 증가할수록 선형적으로 증가하였으며, 각각 사이클의 평균값을 비교한 결과, 내후성강이 탄소강보다 약 1.13배 더 높게 측정되었다. 부식생성물의 두께와 평균부식깊이의 상관관계를 이용하여 단기간의 실험결과로부터 부식량 추정식을 산출하였으며, 향후 발생되는 평균부식깊이를 예측하였다. 부식량 추정식 비교 결과, 선형함수식으로 추정된 경우가 지수함수식보다 상대적으로 추정 오차율이 다소 적었다. 선형함수식의 경우는 무도장 탄소강과 내후성강이 실제와 유사하게 나타났다. 반면에 지수함수식의 경우는 무도장 탄소강과 내후성강 모두 실제보다 과소평가 되었다.

본 연구결과는 단기간의 실험결과에 근거하여 도출된 추정식으로써 장기간의 실험결과와 비교를 통한 검증이 필요하다. 하지만 장기간의 부식량을 추정하여 실제 부식량과 비교한다면 선형함수식의 추정식은 부식거동의 한계상태일 수 있으며, 지수함수식은 실제와 유사하게 나타날 수 있을 것으로 판단된다.