콘크리트를 열화시키는 4가지 원인

Jimmy Ofisia

콘크리트의 열화 원인은 '중성화', '염해', '알칼리 실리카 반응', '동해' 등이 있습니다. 각각의 열화의 메커니즘과 그 사례(현상)를 정리했습니다.

1. '중성화'의 메커니즘

중성화는 알칼리성이 저하되어 중성에 가까워지는 현상을 말합니다. 경화된 콘크리트는 시멘트의 수화반응으로 생기는 수산화칼슘을 다량으로 포함하는 강알칼리성입니다. 그 pH는 12~13 정도이지만, pH10 이하가 되면 내부의 철근이 부식하는 것으로 알려져 있습니다.

그 요인은 탄산화 산성비, 산성 토양 · 물과의 접촉, 화재의 열, 화학물질의 영향 등을 들 수 있는데, 대표적인 원인은 공기 중의 이산화탄소와 수산화칼슘이 반응하는 탄산화입니다.

1-1. '중성화'에 의한 콘크리트 구조물의 열화 사례

중성화는 철근콘크리트 구조물 내부의 철근을 덮는 부동태 피막을 파괴하여 철근의 부식을 유발합니다. 철근이 부식되어 녹이 발생하면 부피 팽창을 일어나 시멘트의 균열을 일으킵니다. 내부의 철근에 따른 균열이나 표면의 박리가 심해지면 철근 노출까지 확인할 수 있습니다.

2. '염해'의 메커니즘

염해는 콘크리트에 침투한 염화물 이온에 의해 발생하는 철근콘크리트의 열화 중 하나입니다. 표면에 묻은 염분이 염화물 이온으로 점차 내부로 침투하여 철근 위치에 도달하고, 염화물 이온의 양이 일정 이상을 초과하면 철근의 부동태 피막을 파괴하고 철근을 부식시킵니다.

2-1. '염해'에 의한 콘크리트 구조물의 열화 사례

염해에 의한 열화 현상은 중성화와 마찬가지로 철근에 따른 균열이나 박리로 철근이 노출되는 등을 현상을 일으킵니다. 또한 보수를 실시하여도 노화와 함께 다시 악화될 가능성이 높은 것으로 알려져 있습니다.

3. '알칼리 실리카 반응'의 메커니즘

알칼리 실리카 반응은 콘크리트 중 골재가 특정 성분(실리카 광물)을 가지고 있는 경우에, 포함된 알칼리성 수용액과 특정 성분이 반응하여 골재가 비정상적으로 팽창하여 균열 등을 일으키는 현상입니다. 알카리 골재 반응이라고도 합니다.

우선 콘크리트 중의 나트륨이나 칼륨 등의 알칼리 금속 이온과 골재의 실리카 광물이 반응하여 알칼리 실리카 겔을 생성합니다. 또한 콘크리트에 빗물이나 지하수 등의 물이 공급되면 알칼리 실리카 젤과 물이 반응하여 알칼리 실리카 겔이 팽창합니다. 이 팽창으로 균열을 발생합니다.

3-1. '알칼리 실리카 반응'에 의한 콘크리트 구조물의 열화 사례

알칼리 실리카 반응에 의한 균열은 무근 콘크리트 및 철근량이 적은 구조물은 거북 등껍질 모양이나 지도 모양으로 불리는 무작위로 뻗어 가는 균열이 특징입니다. 또한 RC교각과 PC구조처럼 구속력이 강한 구조물은 구속력이 약한 방향으로 균열이 발생하기 때문에 주로 철근에 따른 균열을 많이 볼 수 있습니다. 구조물의 배근 상태 및 부위, 환경 상황의 차이 등에 따라 복잡한 균열 패턴을 보이는 것이 특징입니다.

4. '동해'의 메커니즘

동해는 한랭지에서 콘크리트 중의 수분이 동결하여 팽창함으로써 발생하는데, 오랜 기간 외부 온도 차이와 일사의 영향을 받아 냉동과 해동을 반복함으로써 서서히 열화하는 현상을 말합니다 . 내부에 침입한 물은 동결할 때 약 9%의 부피 팽창을 합니다. 내부의 물이 동결할 때는 먼저 큰 공간의 물이 동결된 후 작은 공간의 물이 동결합니다. 작은 공간에 물이 동결하는 과정에서 큰 공간 중에 생긴 얼음 결정에 의해 팽창이 구속됩니다. 이 팽창을 완화하는 공간이 존재하지 않는 경우, 벽면에 큰 수압이 생겨 이것이 콘크리트의 인장 강도의 한계에 도달했을 때 균열이 발생합니다. 이 반복에 의한 열화가 동해로 간주합니다.

4-1. '동해'에 의한 콘크리트 구조물의 열화 사례

동해에 의한 표면의 균열은 콘크리트 자체의 팽창에 기인하기 때문에, 중성화 및 염해로 인한 균열과 메커니즘이 다릅니다. 흡수율이 높은 건축 석재를 골재로 사용한 콘크리트는 콘크리트 자체가 팽창하여 표면을 날려버리는 팝아웃 현상이 특징적입니다.

또한, 동해가 발생하기 쉬운 부위로는 돌출부와 물이 흐르는 경로, 일사가 닿는 남면에 많이 발생하는 경향이 있습니다. 동해 정도가 커지면 균열의 진행에 따라 박리와 탈락이 발생하여, 거기에 더해 철제부식이 일어나 사용 성능과 안전 성능에 영향을 미칩니다.