콘크리트와 철근은 변하지 않는 재료가 아닙니다. 콘크리트는 초기에는 강한 알칼리성을 띄지만 점점 탄산화 됩니다. 콘크리트가 철근이 있는 곳까지 탄산화되면 철근에 녹이 슬게 되고 구조체로서 기능할 수 없기 때문에, 우리가 기대하는 수명동안 철근이 녹슬지 않도록 충분히 깊게 배치할 필요가 있습니다.
탄산화
시멘트가 물과 반응하면 수산화칼슘(Ca(OH)₂)이 25% 정도 생성됩니다. 수산화칼슘은 강한 알칼리성을 띠고 철근이 부식되는 것을 막아줍니다. 그런데 콘크리트가 공기중의 이산화탄소(CO₂) 등과 접촉하면 수산화칼슘이 탄산칼슘으로 변하게 됩니다. 이 탄산화는 수산화칼슘이 없어지면서 알칼리성이 상실되는 것이라 중성화라고도 합니다.
이 탄산화는 철근의 입장에서는 매우 나쁜 것이지만 콘크리의 입장에서는 좋은 변화입니다. 탄산칼슘은 강도가 높은 물질입니다. 따라서 탄산화가 진행되면 콘크리트는 더욱 치밀하고 단단해집니다. 하지만 수산화칼슘이 줄어들게 되면 철근이 녹슬게 됩니다.
철근은 표면에서 내부로 서서히 탄산화가 진행된다.
이 탄산화 과정은 표면에서 내부로 서서히 진행됩니다. 탄산화가 깊어져 철근에 도달하게 되면 철근이 녹슬게 됩니다. 철근이 녹슬면 부피가 팽창하고 팽창 압력이 점점 커져서 표면에 있는 콘크리트가 떨어져 나가게 됩니다.
탄산화가 진행된 콘크리트 구조물
철근이 녹슬어서 철근 단면이 줄어들고, 철근을 감싸고 있는 콘크리트가 탈락하면 구조적인 성능을 발휘할 수 없게 됩니다. 적절히 보강하지 않는 이상은 건물 수명이 다한 것으로 볼 수 있습니다.
피복두께(Cover)
다행히 탄산화는 그렇게 빨리 진행되지는 않습니다. 그래서 콘크리트 속에 있는 철근의 표면에서 외측까지의 두께(피복두께)를 알면 건축물의 수명을 예측할 수 있습니다. 탄산화 깊이는 시간의 제곱근에 비례하는 것으로 알려져 있습니다.
탄산화 속도는 실외보다 실내가 빠르다.
탄산화 속도 식을 보면 시간의 제곱근 앞에 계수 A가 있습니다. 탄산화속도계수인 A 값은 대기중의 탄산가스 농도 및 상대습도, 온도 등 여러 조건에 따라 달라집니다. 그래서 탄산화 실태를 조사한 그래프를 보면 범위 값이 위아래로 크게 나타납니다. 대체적으로 실외보다는 실내가 빠른 편입니다. 사람들이 호흡하면서 내뿜는 이산화탄소가 더 많아서 실내의 탄산화가 더 빠른 것으로 추정할 수 있습니다. 실내는 A 값이 3∼10정도이지만 실내는 3∼8 정도가 됩니다.
피복두께
가장 바깥쪽에 있는 철근의 외면에서 콘크리트 외면까지의 두께를 피복두께(Cover)라고 합니다. 피복두께는 주근에서 재는 것이 아니라 가장 바깥쪽에 있는 띠철근(Tie-bar)이나 스터럽(Stirrup)에서 재야합니다.
피복두께는 가장 바깥쪽에 있는 철근을 기준으로 계산한다.
기둥이나 보의 피복두께를 보통 40mm 정도로 하는데 이 정도 피복두께일 때 콘크리트의 탄산화 속도가 얼마나 되는지 계산해 보겠습니다. 탄산화 속도 식에서 t를 계산하는 것이기 때문에 식의 양쪽을 제곱해서 t 값을 풀면 다음과 같이 됩니다.
t = (x/A)²
탄산화속도계수인 A값을 대략 5정도로 계산해 봅시다.
t = (40/5)² = (8)² = 64(년)
실내 환경에 따라 달라지겠지만 콘크리트의 탄산화가 40mm 정도 내부로 침투하는데 50~60년 정도는 걸린다는 것을 알 수 있습니다. 그래서 우리는 건물의 수명을 대략 50~60년 정도로 잡고 보나 기둥 같은 주요 부재의 최소 피복두께를 40mm로 정하고 있습니다.
KDS 14 20 50 콘크리트구조 철근상세 설계기준
콘크리트 구조설계기준에서 제시하고 있는 피복두께 기준은 다음과 같습니다.
4.3.1 프리스트레스하지 않는 부재의 현장치기콘크리트
① 수중에서 치는 콘크리트 100mm
② 흙에 접하여 콘크리트를 친 후 영구히 흙에 묻혀 있는 콘크리트 75mm
③ 흙에 접하거나 옥외의 공기에 직접 노출되는 콘크리트
가. D19 이상의 철근 50mm
나. D16 이하의 철근, 지름 16mm 이하의 철선 40mm
④ 옥외의 공기나 흙에 직접 접하지 않는 콘크리트
가. 슬래브, 벽체, 장선
(가) D35 초과하는 철근 40mm
(나) D35 이하인 철근 20mm
나. 보, 기둥 40mm
콘크리트의 설계기준압축강도 가 40MPa 이상인 경우 규정된 값에서 10mm 저감시킬 수 있다.
다. 쉘, 절판부재 20mm
4.3.2 프리스트레스하는 부재의 현장치기콘크리트
① 흙에 접하여 콘크리트를 친 후 영구히 흙에 묻혀 있는 콘크리트 75mm
② 흙에 접하거나 옥외의 공기에 직접 노출되는 콘크리트
가. 벽체, 슬래브, 장선구조 30mm
나. 기타 부재 40mm
③ 옥외의 공기나 흙에 직접 접하지 않는 콘크리트
가. 슬래브, 벽체, 장선 20mm
나. 보, 기둥
(가) 주철근 40mm
(나) 띠철근, 스터럽, 나선철근 30mm
다. 쉘, 절판부재
(가) D19 이상의 철근
(나) D16 이하의 철근, 지름 16mm 이하의 철선 10mm
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