철근의 부식

철근의 부식

1. 구조물에서 철근이 부식되는 이유

1.1 철근과 콘크리트의 상호작용

철근콘크리트 구조물은 철근의 장점(인장 강도)과 콘크리트의 장점(압축 강도)을 결합하여 구조적 안전성을 확보합니다. 콘크리트는 알칼리성(pH 12~13)의 환경을 제공하여 철근 표면에 부동태 피막을 형성하게 하며, 이 피막은 철근을 외부의 부식 요인으로부터 보호합니다.

1.2 철근 부식의 주요 원인

1) 염화물이온 침투
해안 지역이나 제설제가 사용되는 도로 주변 구조물에서는 염화물이 콘크리트 내로 침투할 수 있습니다. 일정 농도 이상의 염화이온이 철근 주변에 도달하면 부동태 피막이 파괴되고 국부적인 부식(Pitting Corrosion)이 발생하게 됩니다.

 

2) 탄산화(Carbonation)
대기 중의 이산화탄소(CO₂)가 콘크리트 내부로 확산되면 수산화칼슘(Ca(OH)₂)과 반응하여 탄산칼슘(CaCO₃)을 형성하고, 이로 인해 콘크리트의 pH가 낮아져 철근 보호 피막이 손상됩니다.

 

3) 습윤 및 건조 반복
수분이 반복적으로 침투하고 증발하는 환경은 철근의 산소공급을 원활하게 하여 부식이 활성화될 수 있는 조건을 만듭니다.

 

4) 균열 발생
구조물에 균열이 생기면 외부 오염물질과 수분이 철근까지 빠르게 도달하게 되어 부식이 촉진됩니다.

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2. 철근 부식으로 인한 구조물의 문제점

2.1 부식이 구조물에 미치는 영향

1) 단면 감소에 따른 강도 저하
철근이 부식되면 철근의 유효단면이 줄어들게 되며, 이는 철근의 인장력을 저항하는 능력에 중대한 손실을 초래합니다.

 

2) 부식 생성물의 팽창으로 인한 콘크리트 균열
철근 부식 시 생성되는 산화철은 철보다 부피가 2~3배 크며, 이 팽창력으로 인해 콘크리트 피복이 균열되고 박락되며, 결국 철근이 외부 환경에 노출되어 부식이 더욱 가속화됩니다.

 

3) 구조물의 내진 성능 저하
철근의 단면 감소와 콘크리트 손상은 구조물의 연성 저하로 이어져, 상시하중 이외에 지진과 같은 동적 하중에 대한 저항력도 떨어지게 됩니다.

 

2.2 장기적인 유지관리 비용 증가

철근 부식으로 인한 손상은 구조물의 수명을 단축시키고, 유지관리 및 보수에 필요한 비용을 증가시키는 원인이 됩니다. 특히 교량, 터널, 지하주차장 등 접근이 어려운 구조물일수록 초기 예방이 중요합니다.

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3. 부착 및 정착성능 차원에서 철근 표면부식의 영향

3.1 철근과 콘크리트 사이의 부착작용

철근과 콘크리트는 부착(bond) 및 정착(anchor)의 메커니즘을 통해 하중을 전달합니다. 이 부착력은 주로 다음의 세 가지로 구성됩니다.

 

1) 시멘트풀과 철근표면의 점착(adhesion)에 의한 저항

2) 콘크리트와 철근표면의 마찰(friction)에 의한 저항

3) 이형철근 표면 돌기의 요철에 의한 지압(bearing)에 의한 저항

 

3.2 표면 부식이 부착 성능에 미치는 영향

1) 부식에 따른 철근의 표면마찰 증가
초기에는 부식으로 인해 철근 표면이 거칠어지면서 일시적으로 부착력이 증가할 수 있으나, 이 상태가 지속되면 부식 생성물이 철근과 콘크리트 사이에 간극을 형성하게 되어 부착력은 저하됩니다.

 

2) 철근 리브 손상
심한 부식은 철근의 리브를 손상시켜 기계적 결속력을 크게 저하시키며, 이는 철근의 정착성능 상실로 이어집니다.

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4. 철근 부식에 대한 보수공법

4.1 표면처리 및 피복보수

1) 폴리머 시멘트 모르타르 보수
부식된 부분을 제거한 후 폴리머 시멘트를 활용하여 피복층을 보수합니다. 이는 내구성과 부착성 모두를 향상시킬 수 있습니다.

 

2) 방청도료 및 표면 피막제 도포
철근 노출 시 방청제를 적용하여 부식을 억제하고, 콘크리트 표면에 발수제를 도포하여 수분 침투를 방지합니다.

 

4.2 전기화학적 보수공법

1) 갈바닉 보호법(Galvanic Protection)
희생양극을 활용하여 철근이 아닌 양극에서 부식이 일어나도록 유도합니다.

 

2) 외부 전류 방식(Cathodic Protection)
외부에서 전류를 인가하여 철근을 음극 상태로 유지시킴으로써 부식을 억제합니다.

 

4.3 보강 공법

1) FRP(섬유보강플라스틱) 보강
철근 손상이 심할 경우 구조적 보강을 위해 FRP를 외부에 적용하여 하중저항 능력을 보완합니다.

 

2) 단면 증대 공법
철근 손상이 넓은 범위에 걸쳐 있는 경우, 구조 단면 자체를 증대시켜 구조 안전성을 확보합니다.

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 5. 현행 설계기준에서 철근 부식에 대한 규정

5.1 철근 부식 상태에 따른 처리 기준

국내 콘크리트 구조설계기준(KDS 14 20 00, 2021) 및 관련 표준에서는 철근의 부식 상태에 따른 처리 방법을 명확히 규정하고 있습니다. 이 중 대표적인 내용은 다음과 같습니다.

 

1) KDS 14 20 00 [콘크리트구조 설계기준]에 따른 규정
철근의 부식과 관련하여, 「설계기준 해설」 및 「시공기준(KCS 14 20 00)」에서는 아래와 같이 규정하고 있습니다.

“철근이 부식된 경우라도 녹이나 가공 부스러기를 제외한 치수가 KS D 3504에서 요구하는 돌기 높이를 포함하는 철근의 최소 치수 및 중량에 미달하지 않는 한, 특별히 녹을 제거할 필요는 없다.”

 

이는 곧 철근이 일정 수준의 표면 녹만 있는 경우에는 그 자체로 구조적 성능을 저하시키지 않으므로, 철저한 제거가 필수는 아니라는 점을 강조합니다. 단, 실제 시공 시에는 피복 콘크리트와 철근 사이의 부착력을 고려하여 적절한 제거 및 방청처리가 권장됩니다.

 

2) KS D 3504 [철근의 기계적 성질 및 치수 규정]
철근의 외경, 리브 높이 및 피치 등을 규정한 이 기준에 따라, 설계 시 요구되는 철근의 최소단면과 성능을 확보할 수 있는지 여부를 판단합니다.

 

5.2 철근 부식이 부착성능에 미치는 긍정적 영향

설계기준이나 관련 연구 문헌에서는 철근 부식이 항상 부정적인 영향만을 미치는 것은 아니라고 명시하고 있습니다. 

“철근 체적의 1% 이내가 부식된 경우, 콘크리트와의 부착강도는 오히려 증가한다.”

 

이는 부식으로 인해 철근 표면이 거칠어지면서 콘크리트와 철근의 마찰이 일시적으로 향상되기 때문입니다. 하지만 이와 같은 효과는 단기적이며, 부식이 진행되면 곧바로 부착력 저하, 균열 유발, 피복 박리 등의 문제가 발생하게 됩니다. 따라서 실무에서는 이점을 고려하되, 과도한 부식을 방지하는 설계 및 시공이 요구됩니다.

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6. 결 론

철근콘크리트 구조물에서 철근 부식은 구조물의 성능과 수명에 중요한 영향을 미치는 요소입니다. 부식이 발생하는 주요 원인을 이해하고, 구조적 문제점 및 성능 저하 메커니즘을 파악한 후, 적절한 보수공법을 적용하는 것이 무엇보다 중요합니다. 또한, 현행 설계기준에서 요구하는 규정을 숙지하고, 철근 부식에 따른 부착성능 변화와 그 영향까지도 면밀히 검토하여 구조물의 안전성과 내구성을 확보해야 합니다.

특히 “경미한 부식은 부착강도에 긍정적 영향을 줄 수 있다”는 연구 결과나 “KS D 3504 기준에서 규정하는 녹 제거가 불필요하다”는 설계기준 규정을 통해, 철근 부식에 대해 지나치게 보수적인 접근보다 객관적이고 합리적인 기준 적용이 요구되는 시점입니다. 이번 시간에는 철근의 부식에 대한 내용을 살펴 보았습니다.

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