210 ❙ 구조물공

510

구조물공

제설환경 콘크리트 구조물의 염해내구성 평가 절차 구조물연구실-1140

(2016.12.30)

1. 총 칙

1.1 일반 사항

본 지침(안)은 고속국도 제설환경에 노출되는 철근콘크리트 구조물의 염해 내구성 확보를 위하여

설계단계에서 실시하는 염해 내구성 평가 절차에 대한 표준을 나타낸다.

【해 설】

콘크리트 구조물의 염해는 염소이온의 출처에 따라 해양환경과 제설환경으로 구분된다. 제설환경은

강설(降雪)시 제설작업을 위해 살포되는 염화물계 제설제에 콘크리트 구조물이 노출되는 경우이다. 특히,

도로에 살포되는 염화물계 제설제는 콘크리트의 동해에 더하여 화학적 침식에 의한 복합작용으로

콘크리트의 성능저하를 가속화시킨다. 뿐만 아니라 콘크리트에 침투한 염소이온은 콘크리트 내부의

강재를 부식시키고 부식과정에 수반되는 철근의 체적팽창으로 피복 콘크리트의 균열 및 박락을 발생시켜

구조물의 안전성에 영향을 미치게 된다. 그러나 제설환경에 노출된 콘크리트 구조물의 염해에 대한 관련

국내 연구 성과가 미흡하고 아직 연구단계에 있기 때문에 설계단계에서 부터 염해 내구성 확보 방안을

도출하기가 쉽지 않은 실정이다.

따라서, 본 지침(안)에서는 콘크리트의 염해 내구성 평가를 제시한 콘크리트 표준시방서 (2009) 및

해설집(2010)을 준용하고 필요한 사항은 관련 국내・외 시방기준과 외국의 가이드 등을 참고하여

고속국도 제설환경에 노출되는 철근콘크리트 구조물 또는 부재의 염해 내구성을 평가하기 위한 절차 및

방법을 제시하였다. 향후 중, 장기적으로 계속적인 연구 및 성과의 축적에 따라 본 염해내구성

평가절차의 적정성을 피드백 할 예정이며, 관련 시방기준 등의 변경 등 개정이 필요할 경우 이를

보완하기로 한다.

1.2 적용 범위

본 지침(안)은 염화물계 제설제에 직접적으로 노출되는 일체식 노출바닥판 콘크리트, 연속

철근콘크리트 포장, 난간방호벽 콘크리트 등에 대한 염해 내구성 평가에 적용한다.

【해 설】

고속국도 제설환경의 철근콘크리트 구조물 또는 부재 가운데 본 지침(안)의 적용 대상이 되는 부재는

제설제에 직접 노출되는 일체식 노출바닥판 콘크리트, 연속철근 포장콘크리트, 난간방호벽 콘크리트

등이며, 언급되지 않은 부재 등은 설계자가 노출환경 조건을 고려하여 적용할 수 있다.

설계행정

구조물공 ❙ 211

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기하구조

토 공

배수공

구조물공

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터널공

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기 타

염해 내구성 평가는 단면설계시 가정된 피복두께와 콘크리트 등급이 염화물계 제설제에 노출될 경우

목표로 하는 염해 내구수명의 만족여부를 평가하고 피복두께 및 콘크리트 배합 의 조정에 따른 염해

내구수명을 평가하는데 적용한다.

적절한 피복두께의 증가 및 치밀한 콘크리트 배합으로 목표 내구수명이 확보되지 않는 경우 또는

장기 내구성을 요하는 중요한 구조물(또는 부재)의 경우는 방청제의 사용, 표면 보호재의 적용, 에폭시

도장철근 또는 스테인레스 철근의 사용, 전기방식의 적용 등의 추가적인 조치를 취해야 한다.

본 지침(안)에 규정되어 있지 않은 사항은 ｢콘크리트 구조기준｣, ｢도로교 설계기준

(한계상태설계법)｣, ｢콘크리트 표준시방서｣, ｢도로공사 표준시방서｣및 ｢고속도로공사 전문 시방서｣ 등에

따른다. 또한, 기상조건, 공사규모, 적용 부재 등에 따라서는 규정을 더 엄격하게 해야 할 경우도 있고

완화시켜도 좋은 경우가 있기 때문에 본 지침(안)의 취지를 충분히 이해하고 각 조항의 경중을

판단하여 적절히 수정할 수 있다.

1.3 용어의 정의

본 지침(안)에서 사용하는 주요 용어의 정의는 다음과 같다.

• 내구성(durability) 콘크리트가 시간경과에 따른 내구적 성능 저하로부터 설계 조건하에서 요구되는 성

능의 수준을 지속시킬 수 있는 성질

• 내구성 감소계수(durability reduction factor) 내구성 평가 시에 콘크리트 및 콘크리트 구조물이 보유

하고 있는 내구성능에 대한 불확실성을 고려하기 위하여 내구성능 특성값에 곱해 주는 계수

• 내구성능 예측값(prediction value of durability) 콘크리트 및 콘크리트 구조물의 내구성능에 대한 예측값

• 내구성능 특성값(characteristic value of durability) 콘크리트 및 콘크리트 구조물이 보유해야 하는 내

구성능의 요구 특성값

• 내구성 평가(durability evaluation) 구조물이 목표 내구수명기간 동안 내구성능을 확보하는가를 판단하

기 위하여 수행하는 평가

• 목표 내구수명(intended service life) 해당 콘크리트 구조물의 중요도, 규모, 종류, 사용기간, 유지관리

수준 및 경제성 등을 고려하여 설정된 구조물이 내구성능을 유지해야 하는 기간을 의미하며, 구조물 또

는 부재가 이 수명에 도달할 때 파괴되는 것을 의미하는 기간은 아님

• 설계 내구수명(designed service life) 콘크리트 구조물이 한계 열화상태에 이르기까지의 기간

• 설계 내구성치(design durability value) 내구성능 특성치에 내구성 감소계수를 곱한 값

• 소요 내구성치(required durability value) 내구성능 예측치에 환경 불확실성을 고려한 환경계수를 곱한 값

• 안전율(safety factor) 구조물의 안전성을 보장하는 계수로서, 내구성 감소계수에 대한 환경계수의 비로

나타냄

212 ❙ 구조물공

• 열화(deterioration) 구조물의 재료적 성질 또는 물리, 화학, 기후적 혹은 환경적인 요인에 의하여 주로

시공 이후에 장기적으로 발생하는 내구성능 저하현상

• 한계 열화상태(limit deterioration state) 구조물이 여러 열화요인에 의해서 열화가 발생하는 기준점에

도달한 상태

• 환경계수(environmental factor) 내구성 평가시에 콘크리트 및 콘크리트 구조물의 내구성에 영향을 미치

는 외부 환경하중의 불확실성을 고려하기 위하여 내구성능의 예측값에 곱해주는 안전계수

1.4 관련 기준

본 지침(안)에 적용되는 주요 기준 및 시방서는 아래와 같다.

Ÿ 콘크리트 구조기준(2012)

Ÿ 도로교 설계기준(한계상태설계법)(2015)

Ÿ 콘크리트 표준시방서(2009) 및 해설집(2010)

Ÿ 콘크리트 표준시방서 내구성편(2004)

Ÿ 도로공사 표준시방서(2013)

Ÿ 고속도로공사 전문시방서(2012)

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기 타

2. 염해에 의한 철근부식 개시시기와 목표 내구수명

2.1 염해에 의한 철근콘크리트의 열화단계

염해에 의한 철근콘크리트 구조물 또는 부재의 열화단계는 잠재기, 진전기, 촉진기, 한계기 등

4단계로 구분한다.

【해 설】

철근콘크리트 구조물 또는 부재의 상태평가 및 유지보수 등에 주로 적용되는 염해의 열화단계별 정의

및 주요 인자는 그림 1 및 표 1과 같이 잠재기, 진전기, 촉진기, 한계기의 4단계로 구분된다.

시간

철근의 부식개시

부재의 열화 철근의 부식

잠재기 진전기 촉진기 한계기

부식균열의 발생

그림 1 염해에 의한 철근콘크리트의 열화단계 구분

열화단계 정 의 주요 인자

잠재기

철근의 부식발생 이전까지의 기간, 즉 염소이온의

침투에 의해 철근위치에서 염소이온이 부식임계량

에 도달하기까지의 기간

염소이온의 확산속도,

철근부식임계량,

초기 및 표면 염소량

진전기

철근부식 발생 이후 콘크리트 표면에 부식균열이

발생하기까지의 기간

부식속도,

균열 임계 부식도

촉진기

부식속도가 증가하지만 구조적 성능 감소가 크게

나타나지 않는 기간

균열 이후의 부식속도,

부식도에 따른 부재 내력의

한계기 감소정도

부식속도가 급격히 증가하고 구조적 성능 감소가

현격히 발생하는 기간

표 1 염해에 의한 열화단계별 정의와 주요 인자

214 ❙ 구조물공

2.2 목표 내구수명

콘크리트 구조물의 목표 내구수명은 구조물이 특별한 유지관리 없이 일상적인 유지 관리 하에서

내구적 한계상태에 도달하기까지의 기간으로 정한다.

【해 설】

목표 내구수명(intended service life)은 콘크리트 구조체 또는 부재에 대규모 보수를 필요로 하지

않고 중대한 성능저하가 생기지 않는 예정 기간을 기준으로 정해야 한다. 또한 구조물의 중요도, 규모,

종류, 사용기간, 유지관리 수준 및 경제성 등을 고려하여 설정된 구조물이 내구성능을 유지해야 하는

기간을 의미하지만 구조물 또는 부재가 이 기간에 도달할 때 파괴되는 것을 의미하는 기간은 아니다.

합리적으로 목표 내구수명을 설정하기 위해서는 총 수명주기의 개념에서 접근하는 것이 필요하다.

즉, 모든 구조물마다 일률적으로 목표 내구수명을 정하기보다는 설계시의 목표 내구수명을 짧게

설정해서 초기 비용을 낮추되 주기적인 유지 보수를 통해 구조물의 내구 수명을 점차 연장해 나가는

방안과 초기 비용이 증가하더라도 유지보수 비용을 줄일 수 있도록 목표 내구수명을 길게 정하는 방안

중 총 수명주기 비용의 측면에서 어느 쪽이 유리한지를 판단해서 합리적으로 목표 내구수명을 정하는

것이 바람직하다. 다만, 구조물을 구성하는 부재단위에서의 목표 내구수명은 아직까지 통일된 기준이

없어 이에 대한 정의도 필요할 것으로 판단된다.

목표 내구수명에 관한 국내외 규정을 살펴보면, “콘크리트 표준시방서 내구성편(안)” (2004)에서는 표

2와 같이 구조물 등급에 따라 구조물의 목표 내구수명을 제시하였다. 참고로, 일본 토목학회의 “콘크리트

구조물의 내구설계 지침(안)”(1995)에서는 2등급 구조물을 50년으로 제시하고 있다.

구조물 내구등급 구조물의 내용 목표 내구수명(년)

1등급 특별히 높은 내구성이 요구되는 구조물 100년

2등급 높은 내구성이 요구되는 구조물 65년

3등급 비교적 낮은 내구성이 요구되는 구조물 30년

표 2 콘크리트 구조물의 목표 내구수명에 따른 내구등급

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2.3 염해에 의한 내구수명과 철근부식 개시시기

염해에 의한 철근콘크리트 구조물의 내구수명은 콘크리트 중 철근위치에서 침투한 염소이온이

임계농도에 도달하여 철근부식이 시작되는 상태를 한계상태로 하며, 이 시점 까지의 기간을

내구수명으로 정의한다.

【해 설】

염해에 관한 콘크리트 구조물의 내구수명 모델로 가장 일반적인 것은 그림 2와 같은 2단계

모형(Tuutti, 1982)으로, 이 모형에 따르면 내구수명 기간은 잠재기와 진전기의 두 단계로

구분된다(Clifton and Knab, 1989). 잠재기는 염소이온의 침투에 의해 철근부식이 시작(depassivation,

탈부동태)되기 이전까지의 기간으로 염소이온의 확산 속도가 지배적인 인자가 된다. 진전기는 철근의

부식이 시작된 이후부터 콘크리트의 균열, 박리 등으로 실질적인 구조물의 내하력 감소가

발생하기까지의 기간을 의미한다. 이 기간에는 부식 속도에 영향을 미치는 수분, 산소의 공급량 등이

중요한 지배 인자가 된다.

콘크리트 염해에 의한 내구수명 예측은 잠재기와 진전기를 모두 고려해야 하지만, 진전기는 부식개시

후 2~6년 정도로 짧은 것으로 알려져 있고 염해 내구성 평가의 경우 잠재기, 즉 철근의 부식개시

시기까지의 기간을 내구수명으로 정의하는 것이 일반적이므로 본 지침(안)에서도 이를 채택하였다.

그림 2 철근부식에 대한 내구수명 모델(Tuutti, 1982)

216 ❙ 구조물공

3. 제설환경 철근콘크리트 구조물의 염해 내구성 평가 절차

3.1 일반 사항

제설환경에 놓이는 철근콘크리트 구조물의 경우 염해를 지배적인 열화요인으로 가정하고

설계단계에서 염해에 따른 철근콘크리트 구조체 또는 부재의 염해 내구성을 평가하고 필요시

적절한 조치를 취해야 한다.

【해 설】

콘크리트 구조물의 내구성에 영향을 주는 주요 열화인자는 탄산화, 염해, 동해, 화학적 침식, 알칼리

골재 반응 등이 있다. 그러나 실제 환경조건에서는 여러 열화 인자가 동시에 작용하는 경우가 많고,

이러한 경우 각각의 열화요인에 의한 영향에 비하여 복합작용에 의한 콘크리트 구조물의 내구성능

저하가 더 빠르게 진행되기 때문에 이를 고려하여야 한다. 다만, 현재까지의 국내・외 시방기준 및

관련 연구 성과를 종합해 볼 때 복합적인 열화를 고려한 평가방법이 부재하므로 각각의 열화인자가

독립적으로 작용한다는 가정 하에 내구성을 평가하는 것이 일반적이다.

따라서, 제설환경에 노출되는 철근콘크리트 구조물은 동해 및 염해를 동시에 받는 복합열화

환경임에도 불구하고 본 지침(안)에서는 동해에 대한 콘크리트의 내구성 확보를 위한 최소의

요구조건을 만족하는 조건에서 지배적인 열화인자를 염해로 가정하여 내구성을 평가하였다. 따라서

필요한 경우 동해저항성 확보를 위해 적절한 추가 조치를 취할 수 있다.

3.2 염해 내구성 평가 절차

본 지침(안)은 제설환경에 노출되는 콘크리트 구조물로서 특수한 방법 및 재료를 사용한 콘크리트

구조물을 제외한 일반적인 콘크리트 구조물에 대하여 단면 설계시 가정된 피복두께와 콘크리트

등급에 따른 염소이온농도의 예측을 토대로 염해내구 수명을 평가할 경우에 적용한다.

【해 설】

일반적인 철근콘크리트 부재 또는 구조체로서 제설환경에서 염해 내구성을 확보하기 위하여

피복두께의 증가, 설계기준 압축강도의 상향, 수밀성 증대를 위한 광물질 혼화재의 적용 등과 같이

콘크리트 배합 자체로 염해 내구성을 확보하고자 할 경우에 대한 내구성 평가에 적용하며 이에 대한

표준적인 절차는 그림 3과 같다.

그러나, 교면 방수층을 갖는 아스팔트콘크리트 포장하부의 교량 바닥판, 폴리머 개질 콘크리트

보호층을 갖는 교량 바닥판 등과 같이 특수 콘크리트로 바닥판 콘크리트가 보호되거나 콘크리트의

표면보호, 방청제의 사용, 에폭시 도장철근 및 스테인리스 철근의 사용, 전기방식의 적용 등과 같이

특수한 재료 및 방법을 적용하는 경우에는 본 지침(안)의 염해내구성 평가를 적용할 수 없다.

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그림 3 제설환경 철근콘크리트 구조물의 염해내구성 평가절차

3.3 염해 내구성 평가 방법

(1) 염해 내구성 평가는 침투한 염소이온에 의해서 설계 내구수명기간 동안 설계단면의 피복두께(철

근위치)에서의 염소이온농도를 예측하고 이를 임계 염소이온농도와 비교함으로써 철근부식 개시

여부를 평가한다.

(2) 제설환경에 놓인 철근콘크리트 부재의 염해 내구성은 식(1)에 의해 평가한다.

   ≦   lim (1)

여기서,  : 염해에 대한 환경계수,   : 철근위치에서 염소이온농도 예측 값

 : 염해에 대한 내구성 감소계수,  lim : 임계 염소이온농도,

218 ❙ 구조물공

【해 설】

(1)에 대하여 제설환경하의 철근콘크리트 구조물의 경우 콘크리트의 내구성능은 주요 성능저하

인자를 염해로 간주하고 염소이온의 확산계수에 대해 특성값과 예측값을 비교함으로써 내구수명을

평가한다. 즉, 고려된 피복두께에 대하여 염소이온의 침투에 의해 철근위치에서 임계 염소이온농도에

도달하는 시점까지의 기간, 즉 철근부식 개시시기 까지의 시간을 내구수명으로 간주한다.

(2)에 대하여 철근부식에 대한 평가는 염소이온농도의 예측값(  )에 환경계수를 곱한 값이

철근부식 임계 염소이온농도( lim)에 내구성 감소계수( )를 곱한 값 보다 작은 조건을 만족하는

콘크리트의 피복두께 이상으로 설계 피복두께를 설정한다.

환경계수는 시공될 콘크리트 구조물의 열화 환경조건에 대한 안전율로서 적용하며, 내구성 감소계수는

내구성능 특성값 및 내구성능 예측값의 정밀도에 대한 안전율( )로서 적용된다. 염해 내구성 평가에

사용되는 환경계수와 내구성 감소계수는 표 3과 같다.

콘크리트 구조물 콘크리트

     

1.11 0.86 1.3 1.11 0.86 1.3

표 3 염해에 의한 환경계수, 내구성 감소계수와 안전율의 설정

(2010년 콘크리트 표준시방서 해설)

한편, 철근의 부식개시(depassivation)는 이론적으로 염소이온의 농도가 임계농도 (critical

concentration 또는 threshold concentration)에 도달할 때 발생한다. 콘크리트 표준시방서

해설집(2010)에 따르면, 임계염소이온 농도인 1.2kg/㎥는 단위시멘트량이 300kg/㎥의 경우

염소이온농도 0.4%(시멘트 중량비)에 해당하는 폭로실험 데이터의 하한값을 의미하며, 일반적인

폭로실험의 결과에 의하면 1.2~2.4kg/㎥로 범위이고 기존의 여러 연구에 의해 부식임계값 수준은

시멘트 중량에 대한 전염화물로 나타내는 것이 타당하다고 기술하였다.

본 지침(안)에서도 이를 참조하여 철근부식을 일으키는 임계 염소이온농도( lim)는 전

염소이온농도(산가용성 염소 이온량)로서 콘크리트의 단위결합재량에 대하여 식(2)와 같이 계산한다.

 lim      (2)

여기서,    : 단위결합재량(kg/㎥)

다만, 철근부식과 이에 따른 구조물의 안전성은 부재의 종류에 따라 미치는 영향이 상이하므로

철근의 부식개시 후 진전기 등을 고려해야 한다는 연구 및 보고도 있으므로 추후 이와 관련된 시방기준

등의 개정시 이를 반영하기로 한다.

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3.4 염소이온농도의 예측

3.4.1 염소이온의 침투 예측식

콘크리트 중의 염소이온농도의 예측은 Fick의 제 2법칙을 지배방정식으로 하는 해석 해를

적용하거나 엄밀해석을 위해 유한차분법 또는 유한요소법을 이용하여 구할 수 있다.

【해 설】

염해 내구성 평가의 주요 설계변수는 콘크리트의 표면 염소이온농도, 염소이온 확산계수, 임계

염소이온농도 등이다. 국내·외에 적용되는 염해 내구성 평가모델은 염소이온 침투 현상을 Fick의 제

2법칙인 식(3)을 지배방정식으로 가정하고 지배방정식에 대하여 경계 조건인 표면 염소이온 농도가

상수이고 염소이온 확산계수가 일정한 상수 조건에서의 해석 해이다. 특히, 해양환경 콘크리트

구조물을 대상으로 하는 경우 일본 및 한국의 콘크리트 표준 시방서에서 채택하고 있는 설계 평가식은

식(5)와 같다.







  

 

(3)

      





   

  

 



 (4)

   

     

 





     

 



 (5)

여 기

서,

  : 피복두께  및 시간 t 에서 염소이온농도의 설계값(kg/m3)



: 초기 염소이온농도(kg/㎥),   : 표면 염소이온농도(kg/㎥)

 : 오차함수,     



 





   



  : 염소이온 확산계수(m2/s),      

  : 콘크리트 염소이온 확산계수의 특성치(m2/s)

 : 콘크리트의 재료계수(일반적으로 1.0이 사용되며, 구조물 최상부에는 1.3)

 : 균열이 없는 경우 1.0, 허용 균열폭 이내의 균열이 있는 경우 1.5

참고로 대표적인 염소이온 침투 예측모델은 표 4와 같고 콘크리트 표층부의 대류 (convection)현상에

의한 염소이온농도의 변동을 감안하여 피복두께( ) 대신    를 사용하는 경우도 있다. 이 외에도

220 ❙ 구조물공

확산계수의 시간의존 특성을 고려하기 위하여 식(4)의 확산계수  대신   를 고려한 수정 해석해

등이 보고되고 있다.

따라서, 설계변수 등의 시간의존 특성을 모두 고려하기 위해서는 적절한 수치 해 또는 엄밀 해석을

위한 유한차분법 또는 유한요소법을 적용하는 것이 일반적이며, 해양 및 제설 환경의 장기

현장데이터를 기반으로 제시된 미국 콘크리트학회(ACI Committee 365)의 염소이온 침투예측 모델의

접근방법을 참조하여 예측방법을 제시하였다. 이 모델은 표면 염화물량의 시간의존성을 선형증가로

가정하고 최대 표면염화물량에 도달 후 일정한 값을 갖는 것으로 제시되어 있으며, 확산계수의

시간의존성을 경과시간에 따라 감소 후 일정값을 갖는 것으로 가정하고 있다.

JSCE/KCI Mode; Duracrete Model Life 365 Model

지배방정식 



  



 

: Fick's second law

예 측 식

(   )

 





   



⋅ ⋅









  





   



⋅  ⋅









 수치 해석

표면 염화물량

(시간의존성)

미 고려

(상수 조건)

미 고려

(상수 조건)

고려 가능

(선형증가 후 일정)

확산 계수

(시간의존성)

미 고려

(상수 조건)

고 려

(시간증가에 따라 지속 감소)

고려 가능

(감소 후 일정)

표 4 염화물 농도 프로파일 예측 모델 특성 비교

설계행정

구조물공 ❙ 221

교통 및

기하구조

토 공

배수공

구조물공

포장공

터널공

부대공

기 타

3.4.2 표면 염소이온농도

제설환경에 놓인 고속도로 콘크리트 구조물 또는 부재의 표면 염소이온 농도는 강설량 등을

고려하여 설정한다.

【해 설】

콘크리트 구조물의 염해 내구성 평가에 적용되는 설계변수 중 하나인 표면 염소이온 농도는 살포된

제설제의 양과 농도, 기간 및 횟수 등에 따라 상이할 것으로 판단되지만 이에 대한 국내의 조사 및

연구결과가 많지 않은 실정이다. 한편, 한국도로공사의 노출환경 등급지침(2010)의 자료분석 결과

고속국도의 제설제 사용량은 강설일수에 비하여 강설량이 상관성이 더 높은 것으로 나타나

설계단계에서는 강설량을 토대로 노출등급을 분류하고 시간에 따른 증가하는 현상을 고려하였다.

제설환경의 노출등급은 FHWA의 연구결과 (SHRP-360, 1993)와 도로교통연구원(콘크리트노출바닥판의

적용 및 유지관리 연구, 2004) 에서 제안된 4단계 분류를 참고하였으며, 표면 염소이온농도는 Life365

매뉴얼 (2014)에 보고된 제설환경하 도심지 교량에서의 최대 염소이온농도 및 축적계수를 표 5와 같이

제안하였다. 한편, 신뢰성 있는 현장조사 결과가 있는 경우에는 이를 사용할 수 있으며, 추후 예측결과의

신뢰성 향상을 위해 기상특성과 제설제의 사용량 및 빈도, 결합재 종류 및 혼입량 등 표면

염소이온농도에 영향을 미치는 제반 요인들에 대한 검토가 필요하다.

노출

등급

분류

표면염소이온농도*

강설량

(축적 계수 ㎜)** 대상 지역[광역시, 도(시, 군)]

(kg/㎥/year)

최대값

(kg/㎥)

Class Ⅰ 0.5

20

< 150

부산, 대구, 울산, 전남(광양, 여수, 남해, 고흥, 완도)

경북(영덕, 청송, 포항, 영천, 경산, 청도, 칠곡, 고령, 경주)

경남(창녕, 밀양, 의령, 양산, 함안, 진주, 창원, 김해, 하동, 사천, 고성, 거제,

통영, 진해, 마산)

Class Ⅱ 1.0

150~

300

인천, 경기(김포, 부천, 시흥, 강화),

경북(영주, 울진, 예천, 안동, 영양, 의성, 구미, 군위, 성주)

경남(합천, 산청), 전남(순천, 보성, 장흥, 강진, 해남, 진도)

Class Ⅲ 1.5

300~

600

서울, 대전, 경기(김포, 부천, 시흥 제외 전역),

강원(철원, 화천, 양구, 인제, 춘천, 횡성, 원주, 영월, 동해),

충남 및 충북 전역, 경북(봉화, 문경, 상주, 김천), 경남(거창, 함양)

전북(군산, 익산, 완주, 전주, 진안, 무주, 남원),

전남(함평, 무안, 목포, 영암, 나주, 화순, 곡성, 구례, 신안)

Class Ⅳ 2.0 > 600

광주, 전남(영광, 장성, 담양), 전북(김제, 부안, 정읍, 임실, 장수, 고창, 순창),

강원(고성, 속초, 양양, 강릉, 평창, 홍천, 정선, 삼척, 태백)

* 표면염소이온농도는 시간에 따라 선형 증가하는 것으로 고려하였으며, 최대값은 콘크리트 중량 대비 0.85%인

20kg/㎥로 제시하였으며, 최대값 도달 후 일정한 것으로 가정

** 강설량은 기상청 자료(1981~2010년의 연신적설량 평균값)을 토대로 분류

*** Class Ⅰ~Ⅲ에 해당하더라도 해발고도 450m이상일 경우 등급을 조정하며, 2개 지역에 걸치는 경우는 가혹한

조건으로 등급을 조정(예 : Class Ⅰ⇒ Ⅱ)

표 5 고속국도 제설환경의 노출등급에 따른 표면 염소이온농도 제안값(kg/㎥)

222 ❙ 구조물공

3.4.3 콘크리트의 염소이온 확산계수

(1) 염소이온 확산계수의 시간의존성은 콘크리트의 물-결합재비와 사용되는 광물질 혼화재의 종류

및 혼입율에 의존한다.

(2) 염소이온 확산계수의 온도의존성을 고려하는 경우는 지역별 연평균온도를 고려한다.

【해 설】

(1)에 대하여 콘크리트의 염소이온 확산계수는 수밀성, 즉, 공극의 크기와 구조에 의존하며 이러한

특성은 시간의 경과에 따른 시멘트 수화 등에 의해 감소하며, 염소이온의 침투는 온도, 습도, 농도 등

다양한 인자에 영향을 받는 것으로 알려져 있다.

본 지침(안)에서는 콘크리트 염소이온의 확산계수 변동성을 식(6)과 같이 시간에 의존하는 것으로

가정하였다. 콘크리트의 염소이온 확산계수의 시간의존성은 기준재령 확산계수(    )와 재령계수(m)로

표현되며, 콘크리트의 물-결합재비를 기준으로 광물질 혼화재의 종류와 혼입율에 의존하고 고로슬래그

미분말, 플라이애쉬 등과 같은 광물질 혼화재료에 따라 확산계수의 감소속도는 상이하므로 식(7)~(9)에

의해 산정한다.

        ⋅

   

(6)

여기서,     : 콘크리트의 염소이온 확산계수 특성값(㎡/s)

    : 기준재령 확산계수(㎡/s)

   : 기준재령(일반적으로 28일 ≒ 0.0767년)

 : 확산계수의 재령계수(재령에 대한 영향을 나타내는 상수)

①기준재령 확산계수(    )는 보통포틀랜드 시멘트 또는 보통포틀랜드 시멘트와 플라이 애쉬,

고로슬래그 미분말을 혼합한 경우는 식(7)과 같고 보통포틀랜드 시멘트와 실리카 흄을 혼합한

경우는 식(8)과 같이 계산한다.

      ×        (7)

     exp ⋅   ×        (8)

여기서,  : 물-결합재비,

  : 총 결합재 중량에 대한 실리카 흄 중량비( ≤   ≤  )

설계행정

구조물공 ❙ 223

교통 및

기하구조

토 공

배수공

구조물공

포장공

터널공

부대공

기 타

②확산계수의 재령계수(m)는 플라이애쉬(FA)와 고로슬래그 미분말(SG)의 양에 따라 식(9)로부터

산정한다. 단, 콘크리트의 염소이온 확산계수는 25년까지 감소하고 그 이후는 일정한 값을 갖는

것으로 가정한다.

              (9)

여기서,  (%) : 총 결합재 중량에 대한 플라이애쉬 함유율(%),  (%)≤50

 (%) : 총 결합재 중량에 대한 고로슬래그 함유율(%),  (%)≤70

한편, 제설환경 콘크리트에 사용되는 플라이애쉬, 고로슬래그 미분말, 실리카 흄 및 기타 포졸란

재료의 혼입량은 표 6의 값을 넘지 않도록 한다.

혼화재료

결합재 전 질량에 대한

백분율(%)

KS L 5405에 따르는 플라이애쉬 또는 기타 포졸란 25

KS F 2563에 따르는 고로슬래그 미분말 50

실리카 흄 10

플라이애쉬 또는 기타 포졸란, 고로슬래그 미분말 및

실리카 흄의 합

50*

플라이애쉬 또는 기타 포졸란과 실리카 흄의 합 35*

*플라이애쉬 또는 기타 포졸란의 합은 25% 이하, 실리카 흄은 10% 이하이어야 한다.

표 6 제설환경 콘크리트에 사용되는 최대 혼화재 비율(콘크리트 구조기준, 2012)

(2)에 대하여 콘크리트의 온도가 증가 할수록 염소이온의 이동이 가속화되므로 이에 대한 특성을

고려하고자 할 경우는 표 7과 같이 지역별 연평균온도를 이용한다. 이때 확산계수의 온도의존성

  는 미국 콘크리트학회 365위원회 제안식을 참고하여 식(10)과 같이 고려한다.

    exp





 

  



 

 

 



 (10)

여기서,  : 활성화에너지(35 ),  : 기체상수[8.314   ⋅ ]

  : 연 평균 절대온도[K, 273+연평균기온(℃)]

  : 293K[기준온도(20℃)에서의 절대온도]

224 ❙ 구조물공

지역 평균기온(℃) 지역 평균기온(℃) 지역 평균기온(℃) 지역 평균기온(℃)

속초 12.2 추풍령 11.7 진주 13.1 장흥 13

철원 10.2 안동 11.9 강화 11.1 해남 13.4

동두천 11.2 포항 14.2 양평 11.5 고흥 13.6

대관령 6.6 군산 12.8 이천 11.6 봉화 9.9

춘천 11.1 대구 14.1 인제 10.1 영주 11.3

백령도 11.1 전주 13.3 홍천 10.3 문경 11.8

강릉 13.1 울산 14.1 태백 8.7 영덕 12.8

동해 12.6 창원 14.9 제천 10.2 의성 11.2

서울 12.5 광주 13.8 보은 10.9 구미 12.5

인천 12.1 부산 14.7 천안 11.8 영천 12.4

원주 11.3 통영 14.7 보령 12.4 거창 11.7

울릉도 12.4 목포 13.9 부여 12.2 합천 13

수원 12.0 여수 14.3 금산 11.6 밀양 13.3

영월 10.8 흑산도 13.3 부안 12.6 산청 12.8

충주 11.2 완도 14.1 임실 11.2 거제 14.2

서산 11.9 제주 15.8 정읍 13.1 남해 14.1

울진 12.6 고산 15.6 남원 12.3

청주 12.5 성산 15.4 장수 10.5

대전 13.0 서귀포 16.6 순천 12.6

표 7 지역별 연평균기온(기상청, 1981~2010년 평균값)

설계행정

구조물공 ❙ 225

교통 및

기하구조

토 공

배수공

구조물공

포장공

터널공

부대공

기 타

제설환경하 철근콘크리트의 염해 내구성 평가 예

■ 평가대상 철근 콘크리트 부재의 조건

【평가 조건】연평균 강설량이 35cm인 지역의 철근콘크리트 부재로 직접 제설제에 직접

노출되는 일반적인 부재(균열을 허용하지 않는 경우로 온도의존성 미고려)

Step 1 : 목표 내구수명 설정

￭ 부재의 목표 내구수명 100년

Step 2 : 노출환경 등급 설정

￭ 연평균 강설량이 35cm인 ◯◯지역은 염화물 노출등급 Class Ⅲ 에 해당

- Class Ⅲ의 표면염화물량 축적계수는 1.5kg/㎥/year

- 최대표면염화물량은 20kg/㎥이고 환경계수( γP)는 1.11이므로 설계 표면염화물량의 최대값은

22.2kg/㎥로서 제설제 노출개시후 최대값 도달시기는 14.8년

Step 3 : 설계기준 압축강도 및 단위시멘트량 선정

￭ 설계기준 압축강도는 35MPa로 결정 (물-결합재비 : 40%, Gmax 25㎜, 목표 공기량 6%)

- 결합재 : 보통포틀랜드시멘트(OPC) 단독 사용

- 단위수량 165kg/㎥, 단위시멘트량 : 415 kg/㎥로 가정

Step 4 : 피복두께 가정

￭ 순피복두께 65mm

Step 5 : 콘크리트의 염소이온 설계확산계수 산정

￭ 콘크리트의 염소이온 설계 확산계수(  ) :      

  : 콘크리트 설계 염소이온 확산계수(㎡/s),      

 : 콘크리트의 재료계수(일반 1.0, 최상부 1.3)

Dk : 콘크리트 염소이온 확산계수의 특성치(㎡/s)

 : 균열이 없는 경우 1.0, 허용 균열폭 이내의 균열이 있는 경우 1.5

￭   : 콘크리트의 확산계수 특성값 계산

- 기준 확산계수 및 시간의존계수 산정

226 ❙ 구조물공

      ×          ×     ×    ×  

                    

- 콘크리트 재료계수( )는 1.0, 균열을 허용하지 않으므로  은 1.0

- 콘크리트의 확산계수 특성치(   , 25년까지 감소하는 것으로 가정)

t < 25년 까지

         ⋅

   

  ×  

 

×  

          ×  ×  

 

×    ×  

 

×  

t ≧ 25년 이후 :

         ⋅

   

  × 

 

×     ×  

          ×  ×  

 

×    ×  

Step 6 : 콘크리트의 임계염화물량 설정

￭ 임계염화물량( lim)은 결합재 중량 대비 0.004, 내구성 감소계수 : 0.86이므로

- 설계 임계염화물량 =  ×  ×  ≒ 

Step 7 : 염해 내구성 평가

￭ 이상의 염해 내구성 평가를 위한 변수를 정리하면 다음과 같다.

항 목 값

목표 내구수명(철근부식 개시시기) 100년

환경 계수( γP)×표면 염소이온농도(  ) 1.11×20 = 22.2kg/㎥

내구성 감소계수( φK)×임계염소이온농도( lim) 0.86×1.66 = 1.428

초기 염소이온농도( 

 ) 0.0 kg/㎥

설계 염소이온

확산계수( Dd )

25년 이전  ×  

 

×  

25년 이후     ×  

시간의존계수(m), OPC 100% 0.2

검토 피복두께(mm) 65, 85 및 105mm

[ 대상 부재의 염해 내구성 평가 변수 ]

￭ 위의 염해 내구성 평가조건에서 표면염화물량이 선형으로 변하므로 유한차분법 또는

유한요소해석법 등을 사용하여 염소이온농도를 예측하여야 하며, 설계업무에 사용하는 Life 365

프로그램을 이용할 수 있다. 유한차분법에 의한 철근부식 개시시를 예측한 결과는 다음과 같다.

설계행정

구조물공 ❙ 227

교통 및

기하구조

토 공

배수공

구조물공

포장공

터널공

부대공

기 타

[확산계수와 표면염소이온농도의 시간의존성] [피복두께별 철근위치의 염소이온농도]

￭ 위 예측결과에서 피복두께를 105mm까지 증가시켜도 철근부식 개시시기 100년에 미달하므로

콘크리트 배합을 변경한다.

Step 8 : 콘크리트 배합의 변경

￭   : 콘크리트의 확산계수 특성값 계산

- 보통포틀랜드 시멘트에 대해 고로슬래그 미분말(SG)을 50% 치환한 경우

      ×          ×     ×    ×  

                    

- 콘크리트의 확산계수 특성치(   , 25년까지 감소하는 것으로 가정)

t < 25년 까지

         ⋅ 

      ×  

 

×  

          ×  ×  

 

×    ×  

 

×  

t ≧ 25년 이후 :

          ×  ×  

 

×    ×  

￭ 임계염화물량

- 결합재 중량 대비 0.004, 내구성 감소계수 : 0.86이므로

- 임계염화물량( lim) 은  ×  ≒ 

Step 9 : 염해 내구성 평가 및 피복두께 결정

￭ 콘크리트 배합변경에 따른 염해 내구성 평가 변수는 다음과 같다.

228 ❙ 구조물공

항 목 값

목표 내구수명(철근부식 개시시기) 100년

환경 계수( γP)×표면 염소이온농도(  ) 1.11×20 = 22.2kg/㎥

내구성 감소계수( φK)×임계염소이온농도( lim) 0.86×1.66 = 1.428

초기 염소이온농도( 

 ) 0.0 kg/㎥

설계 염소이온

확산계수( Dd )

25년 이전  ×  

 

×  

25년 이후     ×  

시간의존계수(m), SG 50% 치환 0.489

검토 피복두께(mm) 105mm

[ 대상 부재의 염해 내구성 평가 변수 ]

￭ 위의 평가변수를 토대로 철근부식 개시시를 예측한 결과는 다음과 같고 검토대상인 105mm 피복

에서 고로슬래그 미분말 50%를 혼입한 콘크리트 배합조건은 100년 경과시점에서 철근위치의 염소

이온농도를 예측한 결과 설계상의 임계염화물량인 1.428kg/㎥ 보다 작으므로 순피복두께는 105mm

로 결정한다.

[확산계수와 표면염소이온농도의 시간의존성]

[피복두께별 철근위치의 염소이온농도]