내후성 강재와 대기 부식 설계

내후성 강이란 무엇이며—무엇이 아닌가

의도적으로 합금화한 저합금강으로서의 내후성 강

내후성 강은 하나의 단일 강종이 아니며, 단순히 도장하지 않은 일반 구조용 강도 아니다. 내후성 강은 대기 부식이 진행되는 방식을 변화시키도록 화학 조성을 조정한 저탄소·저합금강의 한 계열이다. 전통적으로 첨가되는 원소로는 구리, 크롬, 니켈, 인, 규소 및 망가니즈 등이 있다. 몰리브데넘도 사용될 수 있으며, 텅스텐, 티타늄, 알루미늄 및 희토류 원소의 첨가에 관한 연구도 이루어졌다. 미국 연방도로청(Federal Highway Administration)의 2009년 검토에서는 Mn, Si, Cr, Ni, Cu, Mo 및 P를 역사적으로 중점이 되어 온 합금 원소로 제시한다.

내후성 강은 부식되지 않는 상태가 되는 것이 아니라 조건부 대기 부식 저항성을 발현한다. Strong evidence

전기화학적 부식전기화학적 부식 전해질 막을 통해 결합된 양극 금속 용해와 음극 반응으로 발생하는 부식.

이러한 첨가 원소는 전기화학적 부식을 멈추게 하지 않는다. 첨가 원소는 노출 중 형성되는 녹층의 조성, 구조, 부착력 및 투과성을 변화시킨다. 강재가 젖으면 양극 영역에서는 철이 전해질로 방출되고, 음극 영역에서는 산소 환원 반응이 진행된다. 그 결과 생성된 부식 생성물은 비교적 치밀하고 부착력이 높은 층을 형성하여 물과 산소가 추가로 접근하는 속도를 늦출 수 있다. 그러나 반응은 계속된다. “내후성”은 부식 거동을 설명하는 말이지, 부식에 대한 면역을 의미하지 않는다.

일반적인 규격 표기로는 고강도 저합금 구조용강에 해당하는 ASTM A242/A242M, 대기 부식 저항성이 향상된 고강도 저합금 구조용강에 해당하는 ASTM A588/A588M, 그리고 재료 규격 및 프로젝트 문서에서 지정하는 경우 Grade 50W 및 Grade HPS 50W와 같은 내후성 강종을 포함하는 교량용 강재 규격 ASTM A709/A709M이 있다. 유럽의 내후성 구조용강은 EN 10025-5에 따라 지정되며, 여기에는 S355J0WP, S355J2WP, S355J0W 및 S355J2W가 포함된다. 접미사와 강종은 중요하다. 각 제품이 모두 “내후성 강”이라고 불린다는 이유만으로 화학 성분 한계, 기계적 성질, 용접성 관련 규정 및 납품 상태가 서로 대체 가능한 것은 아니다.[1][1] Improved Corrosion-Resistant Steel for Highway Bridges. Federal Highway Administration. Federal Highway Administration research publication, 2011.

ASTM G101 조성 기반 부식 지수는 선별 또는 비교 도구이며 현장별 노출 및 세부 설계 평가를 대체할 수 없다. Limited evidence

[2][2] ASTM G101-04(2010), Standard Guide for Estimating Atmospheric Corrosion Data. ASTM International. ASTM International standard, 2010.

따라서 합금 조성은 설계 결정의 한 요소에 불과하다. ASTM G101-04(2010)은 단기간 노출 자료를 바탕으로 장기간 대기 부식 손실을 추정하고, 화학 조성으로부터 저합금강의 상대적인 대기 부식 저항성을 추정하는 방법을 제시한다. 이러한 지수는 선별을 위한 도구이지, 현장 적합성을 보증하는 인증서가 아니다. 2011년에 발표된 미국 연방도로청 연구에서는 대부분의 내후성 강이 ASTM G101 부식 지수 값 6~7 사이에 해당한다고 보고했으며, 염화물이 포함된 대기에서 저항성이 크게 향상되도록 9.5 이상에 가까운 값을 목표로 삼았다. 조성에 기반한 수치만으로는 젖은 이물질을 머금는 교량의 턱이나 염수 분무에 씻기는 외벽의 조건을 충분히 반영할 수 없다.

공장에서 도포한 코팅과 파티나 형성의 차이

내후성 강의 파티나는 제작 및 설치가 끝난 후 표면에서 형성된다. 이는 도료, 아연도금, 열분사 또는 두께가 일정하고 피복이 보증되는 공장 도포막이 아니다. 일반적으로 초기 표면은 수분이 존재할 때 비교적 빠르게 부식된다. 반복적인 노출이 이루어지면 부식 생성물의 조성과 배열이 변화하고, 녹층의 일부가 더욱 부착성이 높고 투과성이 낮은 상태가 된다. 색상은 주황색, 적갈색, 암갈색 및 거의 검은색에 가까운 색조로 변화할 수 있지만, 색상만으로 안정화가 이루어졌다고 입증할 수는 없다.

National Steel Bridge Alliance는 2010년에 발행한 입문서에서 보호성 파티나가 형성되려면 반복적인 습윤과 건조가 필요하다고 설명했다. 이 요건은 핵심적이다. 비가 내린 뒤 건조되는 조건은 지속적인 결로, 고인 물 또는 배수가 전혀 되지 않는 틈새에서 형성되는 녹층과는 다른 녹층을 촉진할 수 있다. 빗물로부터 차단된 표면은 원하는 습윤·건조 주기를 거치지 못하고 오히려 더럽고 습한 상태로 남을 수 있다. 반대로 빗물에 자주 씻긴다고 해서 침전물이 염화물이나 산성 오염 물질을 머금고 있는 경우 보호가 보장되는 것은 아니다.

파티나 형성에는 시간도 필요하며, 그 기간은 기후, 방향, 강재의 화학 조성, 표면 상태 및 오염물 부하에 따라 달라진다. 밀 스케일, 제작 잔류물, 용접 스패터 및 기름은 국부적으로 습윤과 부식에 차이를 만들 수 있다. 인접한 콘크리트, 석재 또는 도장 강재에 발생하는 녹물 얼룩은 별도의 설계상 우려 사항이다. 금속 손실이 제한적이더라도 유출수가 영구적인 시각적 손상을 일으킬 수 있기 때문이다. 공장 코팅은 연속성을 검사할 수 있고, 건조 도막 두께로 규정할 수 있으며, 정해진 결함 부위를 보수할 수 있다. 파티나는 이러한 동일한 가정에 따라 평가할 수 없다. 파티나는 불균일하게 형성되고 모든 접합부와 배수구의 영향을 받으며, 세척, 마모 또는 이후의 보수 작업으로 손상될 수 있다.

[3][3] Guidance Note 1.07: Weather Resistant Steel. Steel Construction Institute. SCI Guidance Note 1.07, 2015.

설계자는 안정된 노출 표면과 틈새를 구별해야 한다. 볼트 체결 겹침부, 좁은 스티프너 간격, 상자형 상세, 이음판, 받침부 및 하면의 오목한 부분에는 물과 이물질이 고일 수 있다. 2015년에 Steel Construction Institute가 발행한 SCI Guidance Note 1.07은 지속적으로 젖어 있거나 습한 환경, 높은 염화물 또는 염수 분무 노출, 고농도의 산업성 흄, 매설 조건을 도장하지 않은 내후성 강의 부적합 또는 제한적 적용 조건으로 제시한다. 이러한 조건에서는 표면이 부식 속도가 낮은 상태에 도달하지 못하거나, 전반적으로는 매력적인 색상을 보이더라도 심각한 국부 부식이 발생할 수 있다.

대기 부식 저항성과 부식 면역의 차이[4][4] ISO 9223:2012 Corrosivity of Atmospheres. International Organization for Standardization. International Standard, 2012.

“향상된 대기 부식 저항성”은 조건부 성능 주장이다. 이는 해당 강재가 모든 실외 노출 환경에 적합하거나 두께 감소가 무시할 수 있을 정도로 작아진다는 뜻이 아니다. ISO 9223:2012는 표준 시험편의 첫해 부식률을 사용하여 대기의 부식성을 분류하고, 온도와 습도의 영향, 이산화황 오염 및 공기 중 염분을 핵심 요인으로 식별한다. 이 분류는 대기의 특성을 설명하는 것이며, 내후성 강종을 보편적으로 안전한 재료로 바꾸어 주는 것은 아니다.[5][5] Uncoated Weathering Steel in Bridges. Federal Highway Administration. Federal Highway Administration guidance, 2003.

프로젝트 선정에서도 같은 구별이 적용된다. 2003년 미국 연방도로청 지침은 도장하지 않은 내후성 강을 선정하기 전에 습윤 지속 시간, 염화물 노출, 산업 오염 물질, 배수, 형상 및 유지관리를 현장별로 검토하도록 요구한다. 배수가 원활한 건조한 내륙 현장은 의도된 부식 거동을 뒷받침할 수 있다. 그러나 염분을 포함한 분무에 노출되는 해안 구조물, 제설용 염수가 바람에 날려 올라오는 도로 상부의 구조물, 또는 고농도의 흄이 발생하는 산업 현장은 그렇지 않을 수 있다. 파티나 형성에는 반복적인 습윤이 필요하지만, 염화물을 포함한 습윤과 지속적인 습기는 부식을 계속 활성화하고 공식 부식을 촉진할 수 있다.

인용된 AASHTO 처리에서는 일반 무도장 내후성 강 모재에 비내후성 강의 비교 대상보다 한 단계 낮은 피로 등급을 부여하여 공식을 고려한다. Strong evidence

[6][6] Steel Bridge Design Handbook: Design for Fatigue. Federal Highway Administration. Federal Highway Administration handbook, 2016.

공식 부식은 외관상의 문제에 그치지 않고 구조적으로도 중요하다. 미국 연방도로청의 피로 설계 지침은 내후성 강이 습윤 및 건조의 반복 주기를 통해 파티나를 형성한다고 설명하는 한편, AASHTO가 도장하지 않은 일반 내후성 강의 모재에 비교 가능한 일반 강보다 한 단계 낮은 피로 등급을 부여한다고 보고한다. 이는 평균적인 단면 손실이 크지 않아 보이더라도 국부 부식이 응력 집중을 만들 수 있다는 점을 반영한 것이다. 따라서 피로 검토, 용접 상세, 검사 접근성 및 부식 여유 두께는 구조 설계의 일부로 계속 유지되어야 한다.

정확한 설명은 간단하다. 도장하지 않은 내후성 강 표면은 관리되는 부식 시스템이다. 적합한 대기 노출 조건에서는 합금 화학 조성이 더욱 보호성이 높은 녹층의 형성을 촉진할 수 있지만, 그러한 가능성이 실제로 구현되는지는 배수, 환기, 접합부 형상, 오염 물질, 염화물 관리, 검사 및 유지관리에 달려 있다. 이는 내후성 강이지 부식 방지 강이 아니며, 제철소에서 영구 코팅이 이미 적용되어 공급되는 강재도 아니다.

대기 부식 환경

내후성 강은 대기 부식에 면역이 아니다. 내후성 강은 저탄소·저합금강으로, 부식 생성물이 반복적으로 씻겨 나가거나 지속적으로 젖은 상태로 유지되지 않고 생성·건조·재조직화될 수 있는 환경에 노출될 때 비교적 치밀하고 부착성이 높은 녹층이 형성되도록 제조된다. 구리, 크롬, 니켈, 인, 규소 및 기타 합금 원소의 첨가는 전기화학적 반응과 녹의 구조를 변화시키지만, 합금 조성만으로 모든 노출 조건을 보완할 수는 없다.

ISO 9223:2012는 대기 부식성을 기술하기 위한 주요 체계를 제공한다. 이 표준은 표준 시험편에서 측정한 첫해 부식률을 사용하여 환경을 분류하며, 온도·습도 체계, 이산화황 오염, 대기 중 염분이라는 세 가지 지배적 영향을 제시한다. 이러한 요인들은 강재 표면에서 상호작용한다. 따라서 동일한 명목 등급의 강재라도 내륙의 농촌 환경, 조석 하구 옆, 산업 배출 기둥 아래 또는 보호된 교량 세부에서 서로 다른 부식률, 녹 색상, 공식 깊이 및 파티나 발달 양상을 보일 수 있다.

이러한 구분은 설계 단계에서 중요하다. 깨끗한 공기, 원활한 배수 및 규칙적인 건조 조건을 갖춘 내후성 강 거더는 안정적인 보호층을 형성할 수 있다. 반면 누수되는 바닥판 이음부 아래의 동일한 명목 등급 거더는 노출된 표면이 충분히 성숙한 상태로 보이더라도 틈새에서 활발한 부식을 지속할 수 있다. 대기 환경 분류는 출발점일 뿐이며, 실제 현장과 수분 보유를 좌우할 형상을 조사하는 일을 대신할 수 없다.

습윤 시간과 반복적인 습윤·건조 주기

습윤 시간습윤 시간 대기 부식을 지탱할 수 있을 만큼 전도성이 높은 수분 막이 금속 표면을 덮고 있는 기간.

전기화학적 부식에는 전해질이 필요하다. 비, 안개, 이슬, 결로 및 침착된 염류는 강재 표면에 전해질을 제공한다. 충분한 전도성을 가진 표면 수막이 유지되는 기간은 일반적으로 습윤 시간으로 설명된다. 습윤 기간이 길수록 일반적으로 양극 금속 용해와 음극 산소 환원이 더 많이 일어나지만, 그 관계는 단순한 시간의 함수가 아니다. 노출 중에는 염분 농도, 온도, 산소 공급, 표면 오염 및 녹층의 투과성도 함께 변하기 때문이다.

보호성 파티나의 발달에는 반복적인 습윤과 건조가 필수적인 환경 조건이다. Strong evidence

건조는 단순히 부식이 멈추는 시간이 아니다. 내후성 강의 경우, 습윤과 건조가 번갈아 일어나는 기간은 초기의 느슨한 부식 생성물을 더 부착성이 높고 투과성이 낮은 파티나로 변화시키는 데 도움이 된다. 2010년에 발행된 National Steel Bridge Alliance의 입문서는 보호성 파티나가 발달하려면 반복적인 습윤과 건조가 필요하다고 설명한다. 습윤 중에는 철이 용해되고 부식 생성물이 석출되며, 건조 중에는 녹층이 수축하고 추가로 산화되어 더욱 치밀해질 수 있다. 이러한 주기가 반복되면 물과 산소가 강재에 도달하는 속도가 점진적으로 감소할 수 있다.

물이 갇히면 이 과정은 실패한다. 수평 턱, 좁은 겹침부, 막힌 배수구, 보강재 단부, 볼트 포켓 또는 밀폐된 틈새는 주변 표면이 건조된 후에도 젖은 상태로 남을 수 있다. 그 결과 발생하는 차등 통기 전지는 국부적인 공격을 일으킬 수 있으며, 염화물 침착물은 전해질의 전도성을 높인다. 또한 유출수는 철이 풍부한 물을 콘크리트, 포장면 또는 건축 표면으로 운반하여 단면 손실이 중간 정도인 경우에도 얼룩을 만들 수 있다.

따라서 연간 강우량만으로 판단하기보다는 노출 이력이 더 중요하다. 건조가 뒤따르는 짧고 빈번한 강우는 파티나 형성을 촉진할 수 있다. 장기간의 습윤 상태는 활발한 부식을 유지할 수 있다. 염분의 주기적인 침착과 증발은 특히 해로울 수 있다. 증발이 표면의 염화물을 농축시키고, 다음 습윤 기간에 농축된 전해질이 다시 활성화되기 때문이다.

2003년에 발행된 FHWA 지침은 도장하지 않은 내후성 강을 선정하기 전에 습윤 시간, 염화물 노출, 산업 오염물, 배수, 형상 및 유지관리 조건을 현장별로 평가하도록 요구한다. 이러한 요구사항은 관료적인 절차가 아니라 실질적인 필요에 따른 것이다. 건조한 내륙 기후의 교량에도 지속적으로 습한 미세환경이 존재할 수 있으며, 습한 해안 구조물에도 빠르게 건조되는 노출면과 그렇지 않은 보호된 이음부가 함께 존재할 수 있다.

온도, 습도 및 결로

상대습도는 표면 수막이 지속될 수 있는지에 영향을 준다. 공기가 이슬점에 가까워지면서 냉각되면 비가 내리지 않았더라도 강재에 물이 응결된다. 야간 냉각, 그늘진 면, 밀폐된 박스 단면 및 따뜻하고 습한 공기 아래의 차가운 금속은 흔한 원인이다. 따라서 측정 가능한 강수량이 적은 장소에서도 표면은 여러 시간 동안 습윤 상태를 경험할 수 있다.

온도는 반응 속도와 수분 증발을 모두 변화시킨다. 온도가 높아지면 전기화학적 반응이 빨라지는 경우가 많지만, 증발이 증가하여 습윤 시간이 짧아질 수도 있다. 이슬점 부근에서는 작은 온도 변화만으로도 결로가 발생하여 전해질이 존재하는 기간이 연장될 수 있다. 온도는 산소 용해도, 염의 결정화, 녹의 변환 및 표면 수막의 점도나 이동성도 변화시킨다. ISO 9223:2012는 습도를 부식률을 독립적으로 보증하는 요소로 취급하기보다는 온도·습도의 영향이라는 범주를 통해 이러한 효과를 종합한다.

용해성 오염물이 존재하면 습도의 영향은 더욱 커진다. 흡습성 염은 깨끗한 강재가 건조한 상태로 남아 있을 상대습도보다 낮은 조건에서도 공기 중 수분을 흡수할 수 있다. 따라서 염화나트륨, 염화마그네슘 또는 염화칼슘이 묻은 표면은 반복되는 습윤 기간 동안 전기화학적으로 활성인 상태를 유지할 수 있다. 특히 수평면이나 보호된 표면에 먼지와 산업 침착물이 축적되면 유사한 효과가 발생할 수 있다.

파티나의 발달은 이러한 균형에 좌우된다. 녹층을 생성하는 부식 반응을 시작하고 유지하려면 일정량의 수분이 필요하다. 과도하거나 지속적인 수분은 녹층이 건조되는 것을 방해하고 공극과 균열을 전기화학적으로 활성인 상태로 유지할 수 있다. 환기가 불량하면 증발이 느려져 상태가 더욱 악화된다. 2015년에 Steel Construction Institute가 발행한 SCI Guidance Note 1.07은 지속적으로 젖어 있거나 습한 환경을 도장하지 않은 내후성 강의 부적합 또는 제한 적용 조건으로 규정하며, 높은 염화물 또는 염수 분무 노출, 농축된 산업성 가스 및 매설 조건도 함께 제시한다.

합금 조성은 여전히 중요하다. 역사적으로 내후성 강은 부식 생성물과 그 부착성에 영향을 주기 위해 망간, 규소, 크롬, 니켈, 구리, 몰리브덴 및 인을 사용해 왔다. 2009년에 발표된 FHWA 연구에서는 텅스텐, 티타늄, 알루미늄 및 희토류 원소의 첨가도 검토했다. 그러나 어떤 합금 원소도 박스 단면 내부의 결로를 제거하거나 물 고임을 배수할 수는 없다. 환경과 세부 형상은 여전히 서로 결부되어 있다.

이산화황, 염화물 및 대기 중 염분

이산화황이 중요한 이유는 표면 수분에 용해되어 아황산 및 산화 후 황산 계열 물질을 형성하기 때문이다. 이러한 산성 수막은 전도성을 높이고 녹층의 안정화를 방해할 수 있다. 과거에는 산업 연소원이 심각한 이산화황 환경을 만들었지만, 배출량은 지역과 배출원에 따라 크게 다르다. 정유공장, 제련소, 발전소 또는 교통량이 많은 밀집 통로 인근의 강재 표면은 가까운 농촌 관측소에서 측정된 것과는 다른 오염물 부하를 받을 수 있다.

염화물은 더욱 지속적이고 국부적으로 심각한 경우가 많다. 해수 비말, 부서지는 파도, 바람에 날리는 해양 에어로졸, 제설염 및 오염된 유출수는 염화물 이온을 강재에 침착시킨다. 염화물은 녹의 공극과 결함을 침투하여 국부적인 양극 용해를 촉진하며, 흡습성 잔류물이 수분을 다시 흡수하기 때문에 건조에 의한 보호 효과를 저하시킨다. 바람의 방향, 높이, 해안선으로부터의 거리, 비말 노출 및 빗물에 의한 세척은 모두 침착량에 영향을 준다. “해안”이라는 표현만으로는 노출 조건을 충분히 설명할 수 없다. 염분을 모으는 보호된 세부가 바다에서 더 멀리 떨어진 완전 노출 표면보다 더 공격적인 환경이 될 수 있기 때문이다.

ISO 9223:2012는 대기 중 염분을 주요 부식성 요인으로 취급하며, 현장 평가에서는 침착과 잔류를 모두 고려해야 한다. FHWA가 2011년에 발표한 내식성 강 개선 연구에서는 대부분의 내후성 강이 ASTM G101 부식 지수 값 6~7 사이에 있었으며, 염화물이 포함된 대기에서 실질적으로 향상된 내식성을 얻기 위해 약 9.5 이상인 값을 목표로 했다. ASTM G101-04(2010)는 단기간 노출 데이터로부터 장기간 대기 부식 손실을 추정하고 화학 조성으로부터 저합금강의 상대적인 대기 부식 저항성을 추정하는 방법을 제공하지만, 조성 지수를 면역성으로 바꾸어 주는 것은 아니다.

오염물과 염류는 구조적 결과에도 영향을 준다. 공식은 응력 집중을 일으키며, FHWA 피로 지침에 따르면 AASHTO는 도장하지 않은 일반 내후성 강 모재에 대해 비교 가능한 일반 강재보다 한 단계 낮은 피로 등급을 부여한다. 이는 공식 때문인 것으로 설명된다. 따라서 대기 부식 설계에서는 ISO 9223 노출 조건, ASTM G101 조성 기반 추정치, 배수 및 검사 접근성을 피로 세부와 연계해야 한다. 명목상 동일한 강재라도 하나의 동일한 대기에 노출되는 것은 아니다. 실제 부식 환경은 구조물의 각 제곱미터에서 기후, 침착물, 습윤 이력 및 형상이 결합된 결과이다.

내후성강 녹층의 형성 과정

내후성강은 부식 방지 표면을 갖춘 상태로 공급되는 것이 아니다. 대기 내식성은 노출 후에 형성되며, 그 결과는 강재의 화학 조성, 주변 대기, 그리고 물이 표면에 도달하고 빠져나가는 방식에 따라 달라진다. ASTM A588과 ASTM A709에 따라 규정된 내후성강 등급은 의도적으로 특정 원소를 첨가한 저탄소·저합금강으로, 이러한 첨가 원소는 부식 생성물의 형성 양상을 변화시킨다. 전통적인 조성에서는 Mn, Si, Cr, Ni, Cu, Mo 및 P를 중요하게 다루며, Federal Highway Administration의 연구에서는 W, Ti, Al 및 희토류 원소의 첨가도 검토해 왔다.

이러한 원소들이 대기 부식을 구성하는 양극 및 음극 반응을 중단시키는 것은 아니다. 대신 적절한 노출 조건에서 어떤 산화물과 산화수산화물이 형성되는지, 녹층이 얼마나 치밀하게 발달하는지, 그리고 녹층이 모재에 얼마나 강하게 부착된 상태로 남는지에 영향을 준다. 따라서 녹층은 계속 변화하는 부식 생성물이지, 도포된 코팅도 아니며 영구적인 보호를 보장하는 것도 아니다.

초기 부식과 녹층의 변환

새로 제작된 표면에는 일반적으로 밀 스케일, 작업장 오염물, 열 절단으로 발생한 산화물 또는 취급 및 가설 과정에서 남은 잔류물이 존재한다. 노출된 강재 표면에 수분이 연속적 또는 부분적으로 연속된 전해질을 형성하면, 국부적인 양극 영역에서 철 이온이 방출된다.

$$\mathrm{Fe}\to {\mathrm{Fe}}^{2+}+2{\mathrm{e}}^{-}$$

음극 반응에서는 산소와 물이 소비되면서 수산화 이온이 생성된다. 초기 생성물에는 결정 구조가 불완전한 철 산화수산화물과 수화 산화물이 포함된다. 표면 색상은 밝은 주황색 또는 황갈색에서 더 어두운 적갈색으로 변할 수 있으며, 일부 노출 조건에서는 거의 검은색을 띠는 영역도 나타날 수 있다. 색상은 보호 성능을 판단하는 신뢰할 만한 지표가 아니다. 어두운 표면 아래에서도 침전물 밑에서 활성 점식이 진행될 수 있고, 더 밝은 녹층에도 비교적 잘 부착된 영역이 포함될 수 있다.

노출이 계속되면 초기 녹은 반복적으로 용해되고, 재침전되며, 탈수되고, 재배열된다. 일반적인 부식 생성물로는 레피도크로사이트(lepidocrocite, 흔히 γ-FeOOH로 표기), 괴타이트(goethite, α-FeOOH) 및 자철석(magnetite, Fe₃O₄)이 있다. 이들의 비율과 물리적 배열은 습윤 지속 시간, 산소의 접근성, 오염물, 온도 및 강재의 합금 원소 함량에 따라 달라진다. 내후성강에 첨가된 원소는 일반 구조용 탄소강에서 형성되는 것보다 더 미세하고 치밀한 부식층의 형성을 촉진할 수 있지만, 모든 장소에서 동일한 광물 구조를 만들어 내도록 할 수는 없다.

파티나 안정화파티나 안정화 녹층과 환경이 정해진 기간 동안 비교적 일정하고 일반적으로 더 낮은 부식률을 나타내는 상태를 말하며, 부식이 끝났다는 의미는 아님.

이 차이는 강재 표면에서 중요하다. 느슨하거나 균열이 있거나 부착성이 낮은 층은 물과 산소가 신선한 금속에 반복적으로 도달하도록 한다. 더 치밀한 층은 물질 이동을 제한하고 쉽게 접근할 수 있는 금속의 면적을 줄이므로 부식 속도가 감소할 수 있다. 이는 반응 조건의 변화이지, 표면이 불투과성 장벽으로 변환되는 것을 의미하지 않는다. 인접한 넓은 면이 성숙한 상태로 보이더라도 균열, 충격 손상, 절단면, 틈새 및 축적된 잔해 아래의 영역에서는 부식이 계속될 수 있다.

ASTM G101-04(2010)은 단기간의 노출 자료로부터 장기간의 대기 부식 손실을 추정하고, 화학 조성으로부터 저합금강의 상대적인 대기 내식성을 추정하는 방법을 제시함으로써 이러한 시간 의존적 거동을 반영한다. 그러나 이 표준을 사용하더라도 노출 조건에 따른 판단이 필요하다. 화학 조성은 경향을 나타낼 수 있지만, 누수되는 접합부, 염화물 침전물 또는 항상 젖어 있는 하면을 그 자체만으로 설명할 수는 없다.

반복적인 습윤 및 건조 노출

녹층은 습윤과 건조의 반복을 통해 발달한다. 비, 응결, 비산수 또는 침착된 수분은 습윤 기간 동안 전해질을 형성한다. 이온의 이동과 산소 환원은 부식을 촉진하며, 용해성 철 화합물은 젖은 층을 따라 이동할 수 있다. 건조 과정에서는 증발로 인해 잔류 염의 농도가 높아지고 산소의 접근성도 변한다. 일부 생성물은 공극과 결함 내부에 침전되고, 다른 생성물은 씻겨 나간다. 이러한 반복적인 용해와 침전은 노출 조건이 적절할 때 처음에는 느슨했던 녹 침전물을 보다 구조화된 층으로 변화시키는 데 기여한다.

“반복적”이라는 표현이 중요하다. 표면이 계속 젖어 있는 경우에는 부식층을 치밀하게 만드는 데 도움이 되는 동일한 건조 단계가 발생하지 않는다. SteelConstruction Institute Guidance Note 1.07은 지속적으로 젖어 있거나 습한 조건, 높은 염화물 또는 염수 분무 노출, 농축된 산업성 가스 및 매립 조건을 도장하지 않은 내후성강에 부적합하거나 적용이 제한되는 조건으로 제시한다. National Steel Bridge Alliance 역시 보호성 녹층의 형성에는 반복적인 습윤과 건조가 필요하다고 밝히고 있다.

건조되었다고 해서 부식이 영구적으로 중단되는 것은 아니다. 표면이 건조해 보인 후에도 공극, 접합부 및 거친 부분에는 얇은 수분막이 남을 수 있다. 염화물은 수분을 끌어당겨 습윤 시간을 연장할 수 있으며, 이로 인해 깨끗한 표면에서보다 낮은 상대습도에서도 부식이 재개될 수 있다. 이산화황과 기타 산업 오염물은 표면 수분을 산성화하거나 부식 반응을 변화시키는 침전물을 생성할 수 있다. ISO 9223:2012는 표준 시험편의 첫해 부식 속도를 사용하여 대기 부식성을 분류하며, 온도와 습도의 영향, 이산화황 오염 및 공기 중 염분을 주요 환경 요인으로 규정한다. 이러한 변수는 동일한 강재 등급으로 제작된 두 구조물에서도 녹층의 외관이 서로 다르게 형성되는 이유를 설명하는 데 도움이 된다.

기후뿐 아니라 형상도 습윤-건조 주기를 좌우한다. 수평 돌출부, 이음판, 스티프너 사이의 틈, 볼트 접합부 및 부분적으로 밀폐된 공동은 물과 퇴적물을 머금기 쉽다. 비바람을 차단받는 면은 천천히 건조될 수 있는 반면, 바람에 노출된 면은 짧은 강우와 빠른 증발을 겪을 수 있다. 한 강재 표면에서 흘러내린 물은 철이 풍부한 물을 다른 표면으로 운반하여 얼룩을 만들 수 있지만, 반드시 그에 상응하는 보호 효과를 형성하는 것은 아니다. 콘크리트, 아연도금 부품 또는 오염된 표면에서 유출된 물 역시 국부 부식을 변화시키는 물질을 유입할 수 있다.

따라서 FHWA 지침은 도장하지 않은 내후성강을 선정하기 전에 습윤 시간, 염화물 노출, 산업 오염물, 배수, 형상 및 유지관리 상태를 평가하도록 요구한다. 배수가 양호한 교량 거더에서 형성된 녹층이 누수되는 교량 바닥판 이음부 아래나 잔해로 가득 찬 접합부 내부에서도 동일한 방식으로 형성된다고 가정해서는 안 된다.

녹층의 안정화와 정상 상태 부식

“안정화”는 부식이 끝났다는 뜻이 아니다. 이는 일정한 기간 동안 녹층과 환경이 비교적 일정하고 일반적으로 더 낮은 부식 속도를 나타내는 상태를 말한다. 평균 금속 손실이 정상 상태의 추세에 가까워지는 동안에도 녹층은 계속 두꺼워지고, 균열이 발생하며, 치밀해지고, 광물 형태가 변화할 수 있다. 안정화에 걸리는 시간은 보편적으로 정해진 하나의 값이 아니다. 이는 합금의 화학 조성, 표면 처리, 방향, 강우량, 습도, 오염, 염분, 온도, 배수 및 습윤과 건조의 반복 빈도에 따라 달라진다.

대기 부식에 관한 연구에서는 안정화 시간과 정상 상태 부식 속도를 구별하는 것을 특히 중요하게 다룬다. 단기간의 노출에서는 녹층이 재배열되기 전의 공격적인 초기 단계가 포착될 수 있다. 또한 비정상적으로 습한 계절이나 일시적인 오염물 사건과 시기가 겹칠 수도 있다. 따라서 장기 예측 모델은 과도기적 부식과 이후의 부식 속도를 구분해야 하며, 예측이 어떤 노출 조건에 근거하는지도 명시해야 한다. ASTM G101-04(2010)은 추정 방법을 제공하지만, 손실을 과소평가했을 때의 결과가 심각한 경우에는 현장 검사가 여전히 필요하다.

합금의 조성은 달성 가능한 성능의 한계를 결정하는 요소 중 일부이다. FHWA의 2011년 개량형 내식성강 연구에 따르면 대부분의 내후성강은 ASTM G101 부식 지수 값이 6~7 사이였으며, 이 연구는 염화물 함유 대기에서 내식성이 크게 향상된 강재를 위해 9.5에 가깝거나 그 이상의 값을 목표로 삼았다. 이 결과가 현장 조건과 무관한 사용 수명을 확립하는 것은 아니다. 다만 조성 기반 지수와 염화물 특화 시험이 중요한 이유를 보여 준다.

성숙해 보이는 녹층이 구조 설계상의 의무를 없애 주는 것도 아니다. 점식은 국부적인 단면 손실과 응력 집중을 일으킨다. FHWA 피로 설계 지침에 따르면 AASHTO는 일반 비내후성강과 비교할 수 있는 내후성강의 무도장 모재에 대해 점식이 발생한다는 이유로 한 단계 낮은 피로 등급을 부여한다. 따라서 검사에서는 물이 고이는 곳, 틈새, 가장자리, 체결재 주변 및 녹 스케일이나 잔해가 강재를 가리는 영역을 중점적으로 확인해야 한다. 습윤 상태가 계속되거나, 염화물이 축적되거나, 배수가 제대로 이루어지지 않으면 예상했던 낮은 정상 상태 부식 속도가 형성되지 않을 수 있다. 녹층의 보호 효과는 적합한 화학 조성, 노출 조건 및 상세 설계가 함께 작용한 결과로서만 성립하며, 자동적이고 영구적인 코팅으로 간주해서는 안 된다.

합금 화학 조성과 부식 메커니즘

내후성강은 저탄소·저합금강으로, 대기 중 노출 후 형성되는 녹층에 따라 대기 환경에서의 성능이 좌우된다. 이 녹층은 공장에서 도포한 코팅이 아니며, 모재를 부식에 면역이 되게 하지도 않는다. 적절한 조건에서는 부식 생성물이 일반 탄소강에서 형성되는 느슨한 녹보다 상대적으로 치밀하고 부착성이 높으며 투과성이 낮아진다. 그 결과는 장기 부식률의 감소이지, 부식이 전혀 발생하지 않는다는 의미는 아니다.

합금 화학 조성은 이 녹층의 조성, 구조 및 부착성에 영향을 미치지만, 화학 조성은 노출 조건과 분리해서 고려할 수 없다. ISO 9223:2012는 표준 시험편의 첫해 부식률을 사용하여 대기 부식성을 분류하며, 온도·습도 조건, 이산화황 오염 및 공기 중 염분을 주요 영향 요인으로 규정한다. 농촌 대기에서 안정화되는 강재라도 해양 비말대, 잔해 아래 또는 계속 젖어 있는 접합부 내부에서는 단면이 계속 감소할 수 있다.

전통적 합금 원소: Mn, Si, Cr, Ni, Cu, Mo 및 P

전통적인 내후성강 설계에서는 하나의 원소에 의존하기보다 여러 합금 원소를 소량씩 조합한다. FHWA 연구에서는 전통적으로 중점적으로 사용된 원소로 망가니즈(Mn), 규소(Si), 크로뮴(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu), 몰리브데넘(Mo) 및 인(P)을 제시한다. 이들 원소의 효과는 강재의 청정도, 편석, 상 형성 및 부식 생성물의 화학 조성을 통해 서로 중첩되어 나타난다.

망가니즈는 일반적으로 강도와 가공성을 높이기 위한 첨가 원소로 존재하며, 황을 황화망가니즈 개재물의 형태로 결합한다. 이러한 개재물은 특히 형상과 분포가 불리할 경우 국부적인 전기화학적 활성과 공식에 영향을 미칠 수 있다. 규소는 주로 탈산제로 작용하고 강도에도 기여하며, 실리카를 포함하는 성분과 부식 생성물의 치밀성에도 영향을 줄 수 있다. 그러나 어느 한 원소도 단독으로는 교량 거더가 안정적인 녹청을 형성할지 여부를 예측할 수 없다.

크로뮴은 더욱 치밀하고 용해도가 낮은 부식 생성물과 관련되며, 강재와 녹의 계면에서 보호성 산화물 또는 옥시수산화물 상이 농축되는 것을 촉진할 수 있다. 그 효과는 농도와 노출 조건에 따라 달라진다. 니켈은 많은 내후성강 조성에서 특히 중요하다. 다른 일부 합금 원소를 과도하게 첨가할 때 발생할 수 있는 용접성 저하나 취성 증가 문제를 동일한 정도로 일으키지 않으면서 대기 부식 저항성을 향상시킬 수 있기 때문이다. 염화물이 존재하는 조건에서 니켈 함유 강재는 국부 공격의 심각도를 낮추고 녹층의 조성을 변화시키는 능력과 관련하여 연구되어 왔다.

구리는 내후성강의 대표적인 첨가 원소이다. 부식이 진행됨에 따라 금속과 녹의 경계 부근에 농축되는 경향이 있으며, 더욱 부착성이 높고 투과성이 낮은 층의 형성을 촉진할 수 있다. 구리는 산화의 초기 단계를 방지하지 않는다. 수분이 존재하면 철의 양극 용해가 여전히 시작된다. 구리의 기여는 부식 생성물이 축적되고 반복적인 습윤 및 건조로 인해 그 구조가 변할 때 중요해진다.

몰리브데넘은 철 옥시수산화물과 공식 내부의 화학 조성에 영향을 주어 염화물과 관련된 공격을 포함한 국부 부식에 대한 저항성을 향상시킬 수 있다. 그러나 염류 퇴적물이 계속 젖어 있는 경우 공식 발생을 막는다는 보장은 없다. 인은 대기 부식 저항성을 높이고 치밀한 녹층의 형성을 돕기 때문에 역사적으로 일부 내후성강에 사용되어 왔다. 그러나 인 함량이 높으면 인성, 용접성 또는 파괴 성능이 저하될 수 있으므로 허용량은 강재 규격과 설계 요구사항에 의해 제한된다.

따라서 그 메커니즘은 순차적으로 진행된다. 습윤 상태에서는 전해질막이 철의 용해와 음극 산소 환원을 가능하게 한다. 건조 과정에서는 용해된 이온이 농축되고, 부식 생성물이 변태하며, 녹은 전도성과 투과성이 낮아질 수 있다. 합금 원소는 이러한 반응의 속도와 생성물을 변화시킨다. 반복적인 습윤·건조 주기는 필수적이다. National Steel Bridge Alliance는 보호성 녹청의 발달에 습윤과 건조가 필요하다고 설명하며, 강재가 계속 습한 상태에 있으면 안정화에 필요한 건조 단계를 녹이 경험하지 못하기 때문에 활발한 부식이 지속될 수 있다고 밝힌다.

이러한 구분은 피로에도 영향을 미친다. 평균적인 부식 손실이 크지 않더라도 공식은 응력 집중원이 된다. FHWA 피로 지침에 따르면 AASHTO는 공식 때문에 무도장 내후성강 모재에 대해, 이에 상응하는 일반 강재보다 한 단계 낮은 피로 범주를 부여한다. 합금 화학 조성은 부식 손상을 줄일 수 있지만, 피로 상세부의 검토, 공식 검사 및 용접부·연결부·플랜지 가장자리에서의 수분 제어가 필요하다는 점은 변하지 않는다.

W, Ti, Al 및 희토류 첨가에 관한 최신 연구

연구에서는 녹층의 핵생성, 이온 이동 및 공식 발생을 변화시키는 방법으로 텅스텐(W), 티타늄(Ti), 알루미늄(Al) 및 희토류 원소의 첨가를 검토해 왔다. 이러한 연구가 전통적인 내후성강 화학 조성을 보편적으로 대체할 수 있는 방법을 확립한 것은 아니다. 각 첨가 원소는 부식뿐 아니라 개재물, 석출, 용접 거동, 인성 및 제조 공정에도 영향을 줄 수 있다.

텅스텐은 특히 염화물에 노출되는 조건에서 더 치밀하고 화학적으로 안정적인 녹층 형성에 기여할 가능성이 있는 원소로 연구되어 왔다. 티타늄은 결정립을 미세화하고 안정적인 탄화물, 질화물 또는 탄질화물 입자를 형성할 수 있다. 이러한 미세화는 부식의 균일성에 영향을 줄 수 있지만, 제어가 불충분한 개재물은 국부적인 전기화학 셀을 형성할 수 있다. 알루미늄은 탈산 생성물과 산화물의 화학 조성을 변화시킬 수 있다. 희토류 원소는 개재물의 형상과 분포를 변화시키고 강재의 청정도를 향상시키거나 부식 생성물의 부착과 형태를 바꿀 수 있다. 그 효과는 정확한 원소의 종류, 농도 및 제조 공정에 크게 좌우된다.

내식성 향상 강재에 관한 FHWA 프로그램은 실무적인 차이를 명확하게 제시한다. 전통적인 내후성강은 Mn, Si, Cr, Ni, Cu, Mo 및 P를 중심으로 개발된 반면, 이후의 연구에서는 염화물이 포함된 대기에서의 성능 향상을 위해 W, Ti, Al 및 희토류 원소의 첨가를 조사했다. FHWA는 2011년에 대부분의 내후성강이 ASTM G101 부식 지수 값 6~7을 나타낸 반면, 연구 대상 조성은 9.5에 가깝거나 그 이상인 값을 목표로 했다고 보고했다. 이 목표값은 염화물 저항성을 크게 향상시키기 위한 연구 기준을 의미할 뿐이며, 9.5를 초과하는 무도장 부재가 모든 해안 지역이나 제설염 사용 지역에 적합하다는 것을 입증하는 일반적인 임계값은 아니다.

이 구분이 중요한 이유는 전통적인 내후성강의 화학 조성과 내식성 향상 강재 연구가 서로 다른 노출 한계를 다루기 때문이다. FHWA의 부지 선정 지침은 습윤 지속 시간, 염화물 노출, 산업 오염물질, 배수, 형상 및 유지관리를 평가하도록 요구한다. 2015년에 발행된 SCI Guidance Note 1.07은 계속 젖어 있거나 습한 환경, 높은 염화물 또는 염수 분무 노출, 농축된 산업성 흄 및 매설 조건을 무도장 내후성강에 부적합하거나 사용이 제한되는 환경으로 규정한다. 물과 도로 염분을 무기한 가두는 상세부를 어떤 합금 첨가도 보완할 수는 없다.

ASTM G101에 따른 조성 기반 부식 지수

ASTM G101-04(2010)은 두 가지 서로 다른 용도로 사용되는 추정 체계를 제공한다. 하나는 단기간 노출 자료로부터 장기간 대기 부식 손실을 추정하는 것이고, 다른 하나는 화학 조성으로부터 저합금강의 상대적인 대기 부식 저항성을 추정하는 것이다. 조성 기반 부식 지수는 지정된 합금 원소 함량을 경험적 지표로 변환하며, 강재 간 비교를 목적으로 한다. 이 지수는 교량 부재의 사용 수명을 직접 계산하는 방법이 아니다.

이 지수는 화학 조성을 측정 가능한 예상치와 연결한다는 점에서 유용하다. 일반적으로 값이 높을수록 해당 관계가 개발된 범위와 조건 내에서 대기 부식 저항성이 높다는 것을 의미한다. FHWA가 제시한 값, 즉 기존 내후성강 대부분에서 약 6~7, 연구 대상 염화물 저항성 조성에서 9.5에 가깝거나 그 이상인 값은 이 지수가 합금 개발을 어떻게 뒷받침할 수 있는지를 보여준다. 그러나 9.5를 초과하는 모든 강재가 염분이 가득한 틈새에서 안정적인 녹청을 형성한다는 뜻도 아니며, 9.5 미만인 모든 강재가 건조한 내륙 대기에서 파괴된다는 뜻도 아니다.

ASTM G101에는 입력 자료에 따른 한계도 있다. 화학 조성만으로는 유출 경로, 틈새 형상, 퇴적물, 건조 시간, 이산화황 농도, 비말 노출 또는 유지관리 상태를 설명할 수 없다. 누수되는 신축이음 때문에 젖은 상태로 남아 있는 플랜지 하부를 나타낼 수도 없다. ISO 9223:2012는 대기 부식성의 체계를 제공하고, FHWA 지침은 부지와 상세 설계에 관한 검토 항목을 제공한다. 어느 표준도 화학 조성이 노출 평가를 대신하도록 허용하지 않는다.

교량 건설에 사용되는 강재에서는 재료 규격도 여전히 중요하다. ASTM A709/A709M은 내후성강 등급을 포함하여 교량용 구조용 강재를 규정하며, 설계 검토에서는 단면 손실, 연결부, 용접부, 파괴 인성 및 피로를 다루어야 한다. ASTM G101에서 도출할 수 있는 결론은 제한적이지만 유용하다. 합금 화학 조성은 녹층이 안정화될 가능성을 높이거나 낮출 수 있으며, 후보 조성 간 비교를 뒷받침할 수 있다. 그러나 녹청은 적절한 습윤과 건조를 통해 형성되어야 하고, 지속적인 오염으로부터 보호되어야 하며, 검사를 통해 확인되어야 한다.

ASTM G101과 조성에 기반한 예측의 한계

ASTM G101-04(2010)은 서로 관련되어 있지만 구별되는 두 가지 과제를 다룬다. 이 표준은 단기 노출 데이터를 바탕으로 장기 대기 부식 손실을 추정하는 방법과, 화학 조성으로부터 저합금강의 상대적인 대기 부식 저항성을 추정하는 방법을 제공한다. 어느 방법도 강재의 지정 등급을 보증된 사용 수명 값으로 바꾸어 주지는 않는다.

이러한 구별은 ASTM A588과 ASTM A709가 적용되는 내후성강 등급과 같은 강재에서 중요하다. 내후성강의 내식성은 비교적 치밀하고 기재에 잘 부착된 녹층의 형성과 유지에 좌우된다. 합금이 부식에 면역이 되는 것은 아니며, 녹청이 모든 노출 조건에서 보호 기능을 유지하는 영구적인 피막인 것도 아니다. ASTM G101은 공학적 평가를 뒷받침할 수 있지만, 현장 특성화, 상세 검토, 노출 시험 또는 검사 계획을 대신할 수는 없다.

단기 노출로부터 장기 손실 추정

단기간의 노출 시험은 더 긴 기간의 부식 기록을 추정하기 위한 출발점을 제공할 수 있다. 그러나 그 추정의 신뢰성은 해당 노출이 실제 환경과 모델링 대상인 부식 단계의 특성을 얼마나 잘 반영하는지에 달려 있다. 초기 부식은 표면이 반복적으로 젖고 마르며, 녹이 발생하고 느슨한 부식 생성물이 떨어져 나가는 동안 상대적으로 빠르게 진행될 수 있다. 이후에는 보다 안정된 녹층이 형성되면서 부식 속도가 감소할 수 있다. 이러한 전이는 즉시 일어나지 않으며 모든 현장에서 동일하지도 않다.

따라서 ASTM G101은 장기 손실을 단순히 개월 수를 수십 년으로 환산하는 고정된 변환값이 아니라, 노출 데이터와 부식 거동에 기반한 추정 문제로 다룬다. 개방된 환경에 노출된 시험 패널에서 얻은 단기 질량 손실 측정값은 누수되는 이음부 아래에서 계속 습윤 상태로 남아 있는 교량 이음판에 대해서는 거의 의미가 없을 수 있다. 공기 흐름이 양호한 시험대에서 얻은 결과 역시 조류 배설물, 도로의 먼지와 자갈 또는 축적된 염분으로 덮인 거더 플랜지에서의 결과와 다를 수 있다.

노출 기간에 중요한 계절 조건이 포함되지 않으면 불확실성은 더욱 커진다. 겨울철 제설염, 여름철 결로, 해양 에어로졸 및 산업 배출물은 짧은 시험 기간에는 포착되지 않는 부식 사건을 일으킬 수 있다. 반대로 오염 물질이 정상 운전 조건을 대표하지 않는 경우, 오염이 심했던 시공 기간은 장기 평균을 과장할 수 있다.

ISO 9223:2012는 대기 부식성에 관한 보다 광범위한 체계를 제공한다. 이 표준은 표준 시험편의 첫해 부식률을 사용하여 부식성을 분류하고, 온도와 습도의 영향, 이산화황 오염 및 공기 중 염분을 주요 요인으로 제시한다. 그 분류 등급은 대기의 특성을 설명하는 것이지, 특정 내후성강 부재의 정확한 손실량을 나타내는 것은 아니다. 현장 등급은 재료 선정에 참고가 될 수 있지만, 국부적인 틈, 돌출부 및 배수 경로는 명목상의 분류가 시사하는 것보다 더 가혹한 미세 환경을 만들 수 있다.

따라서 장기 예측에는 가능한 경우 노출 기록, 비교 가능한 부식 데이터 및 실제 부재 형상을 함께 사용해야 한다. 특히 특이한 산업 환경, 해안 환경 또는 제설염 환경에서는 시험편 시험을 통해 신뢰도를 높일 수 있다. 그렇다 하더라도 측정된 단면 손실은 설계 문제의 일부에 불과하다. 평균 두께 손실이 커지기 전에 공식, 층상 결함의 노출, 볼트 구멍의 확대 및 피로에 민감한 노치가 지배적인 문제가 될 수 있다.

화학 조성에 따른 상대적 부식 저항성

ASTM G101의 조성법은 규정된 합금 원소를 사용하여 부식 지수를 계산한다. 이 지수는 비교를 위한 값이다. 대기 노출 조건에서 한 저합금강이 다른 저합금강에 비해 어떻게 거동할 수 있는지를 나타내는 데 도움이 되지만, 현장 특성을 반영한 모델과 같은 정밀도로 프로젝트의 연간 밀리미터 단위 부식률을 예측하는 것은 아니다.

전통적인 내후성강의 화학 조성에서는 망가니즈, 규소, 크로뮴, 니켈, 구리, 몰리브데넘 및 인이 중요한 역할을 한다. 이러한 원소들은 녹층, 전기화학적 반응 및 부식 생성물이 덜 다공성이고 기재에 더 잘 부착되는 경향에 영향을 준다. Federal Highway Administration의 2009년 내식성강 연구에서는 텅스텐, 타이타늄, 알루미늄 및 희토류 원소의 첨가도 검토했다. 이 연구는 중요한 점을 보여 준다. 즉, 조성을 조정하여 내식성을 향상시킬 수 있지만, 지수는 그 결과로 나타나는 부식 메커니즘을 간접적으로 나타내는 값일 뿐이다.

Federal Highway Administration은 2011년에 대부분의 내후성강이 ASTM G101 부식 지수 6~7 사이의 값을 보였으며, 염화물이 포함된 대기에서 내식성을 크게 향상시키기 위해 연구 대상 강재가 약 9.5 이상의 값을 목표로 했다고 보고했다. 이러한 수치는 후보 조성을 비교하는 데 유용하다. 그러나 지수 9.5가 염분이 살포되는 도로 옆에서 도장하지 않은 강재의 성능이 허용 가능함을 보증하는 것은 아니며, 지수 6인 강재가 모든 내륙 현장에서 반드시 파괴된다는 뜻도 아니다.

더 높은 지수는 보다 유리한 합금 원소 균형을 나타낼 수 있지만, 조성만으로는 표면 오염, 용접부, 밀 스케일 상태, 유출수 또는 습윤 지속 시간을 설명할 수 없다. 또한 합금 원소와 대기 사이의 모든 상호작용을 반영하지도 못한다. 동일한 등급 제한을 충족하는 두 용강이라도 미세한 조성 차이, 제조 이력, 표면 처리 및 노출 방향에 따라 녹층의 발달 양상이 다를 수 있다.

이 지수는 등급 지정과도 구분해야 한다. ASTM A588은 화학적 및 기계적 요구사항이 규정된 내후성강 제품을 지정하지만, 모든 환경에서 적용되는 단일한 부식 손실 곡선을 보장하지는 않는다. ASTM A709에는 교량용 강재 등급과 관련 요구사항이 포함되어 있지만, 요구사항을 충족하는 등급을 선택했다고 해서 노출 조건과 상세를 평가할 필요가 없어지는 것은 아니다. 재료 규격의 적합성은 지정된 강재에 필요한 조건이지, 부식 설계를 대신하는 수단이 아니다.

노출 조건이 여전히 결과를 좌우하는 이유

내후성강은 보호성 녹청이 형성되기 위해 반복적인 습윤과 건조가 필요하다. 표면이 지속적으로 습윤 상태에 있으면 부식 생성물이 안정화되지 않고 다공성이며 활성이 높은 상태로 남을 수 있다. SCI Guidance Note 1.07은 지속적으로 젖어 있거나 습한 환경, 높은 염화물 또는 염수 분무 노출, 농축된 산업성 흄 및 매설 조건을 도장하지 않은 내후성강의 부적합하거나 제한적인 적용 환경으로 제시한다. 이러한 조건에서는 유리한 조성 지수가 시사하는 이점이 상쇄될 수 있다.

염화물은 침착물에 농축되고 보호성 녹층을 파괴할 수 있기 때문에 특히 유해하다. 해양 비말, 차량에 의해 운반되는 제설염, 누수되는 교량 바닥판 이음부 및 오염된 유출수는 일반적인 대기가 온화해 보이는 곳에서도 심각한 국부 노출을 일으킬 수 있다. 이산화황과 기타 산업 오염 물질은 전해질의 산성도를 높이거나 녹의 화학적 조성을 변화시킬 수 있다. 차폐된 표면은 빗물에 의한 세척을 덜 받고 더 느리게 건조되기 때문에 노출된 표면보다 빠르게 부식될 수 있다.

녹청이 안정화될 수 있는지는 배수와 형상에 따라 결정되는 경우가 많다. 이음판의 물 고임, 보강재 단부, 연결부의 오목한 공간, 밀봉되지 않은 겹침부 및 수평 돌출부는 반복적 또는 지속적인 습윤을 유발한다. 잔해는 수분과 염화물을 보유한다. 바닥판 아래 또는 상자형 단면 내부의 환기가 불량한 경우에도 같은 효과가 발생한다. 상세 설계는 물이 민감한 연결부를 가로질러 흐른 뒤 아래에 고이도록 하기보다는 강재에서 물이 멀어지도록 유도해야 한다.

설계상의 영향은 평균적인 대기 부식 손실을 넘어선다. 공식은 응력 집중을 일으키며, FHWA의 피로 지침에 따르면 AASHTO는 일반적인 비내후성강과 비교할 때 도장하지 않은 내후성강 모재에 대해 피로 등급을 한 단계 낮게 부여한다. 이는 공식 때문이다. 따라서 계산된 일반 부식 손실이 크지 않더라도 구조물에는 피로에 대한 별도의 검토가 필요할 수 있다.

ASTM G101은 그 결과를 보증이 아니라 증거로 해석할 때 유용하다. 신뢰할 수 있는 판단을 위해서는 조성 지수를 ISO 9223의 대기 정보, 염화물 및 오염 물질 평가, 습윤 지속 시간, 배수 검토, 형상, 유지관리 접근성 및 검사 규정과 함께 종합적으로 고려해야 한다. 이러한 조건이 반복적인 건조와 안정적인 녹층 형성을 뒷받침할 수 없다면, 계산된 강재 지수와 관계없이 도장, 방호 설비 또는 다른 부식 제어 조치가 필요할 수 있다.

설계 의사결정에서의 ISO 9223 부식성 등급

ISO 9223:2012는 대기 부식성을 표현하기 위한 공통 언어를 제공하지만, 무도장 내후성 강재에 대한 승인 인증서는 아니다. 이 표준은 표준 시험편의 첫해 부식률을 사용하여 대기를 분류하고, 그 결과를 환경 매개변수, 특히 온도와 상대습도, 이산화황 오염 및 공기 중 염분과 연계한다. 이러한 입력값은 기준 금속에 대한 대기의 공격성을 나타낸다. 그러나 그것만으로는 구조물의 모든 합금, 접합부, 틈새, 용접부 또는 배수 상세의 상태를 예측할 수 없다.

표준 시험편의 첫해 부식률

첫해 부식률 상한(μm/year)

일반 탄소강 표준 시험편에 대해 ISO 9223:2012는 다음과 같은 첫해 부식률 범위를 지정한다.

이 수치는 분류 한계값이지, 사용 수명 동안 구조용 강재에서 발생하는 두께 감소량을 보증하는 값이 아니다. 또한 첫해는 특수한 기간이다. 무도장 강재는 일반적으로 노출 초기에 더 빠르게 부식되며, 녹층이 형성되면서 산소, 물 및 오염물질이 금속 표면에 도달하는 양상이 변한다. 내후성 강재는 상대적으로 치밀하고 부착성이 높은 부식층이 형성되도록 설계되므로, 이후의 부식률은 일반 탄소강 기준 시험편의 부식률과 상당히 다를 수 있다.

이러한 차이가 ISO 등급을 무의미하게 만드는 것은 아니다. ISO 등급은 환경의 출발점을 설정한다. 예를 들어 C3 대기가 내후성 강재에 자동으로 부적합하다는 뜻은 아니지만, C2 내륙 대기와는 다른 평가가 필요하다는 것을 의미한다. 마찬가지로 CX 분류는 염화물 침적, 해양 에어로졸, 지속적인 수분 또는 강한 산업 오염으로 인해 부식층이 안정화되지 못할 수 있는 조건을 나타낸다.

ISO 9223은 환경 측정값과 추정값을 표준 시험편의 거동과 함께 사용한다. 실제로 현장에는 온도·습도 조건 및 오염 데이터에 근거한 초기 등급이 부여된 후, 현지 노출 특성을 고려하여 실제 심각도가 더 높거나 낮게 지정될 수 있다. 차폐된 표면, 하부 상세 및 도로 인근 위치는 노출된 시험 랙보다 더 손상을 유발하는 미세환경에 놓일 수 있다. 염화물이 다량 포함된 비말대는 광범위한 지역 분류가 중간 수준으로 보이는 경우에도 여전히 높은 공격성을 유지할 수 있다.

따라서 표준의 부식률은 대기 환경의 기준값으로 이해해야 한다. 이는 침적량 측정, 유사 구조물의 검사 또는 제안된 형상의 검토를 대신할 수 없다.

부식성 분류를 입력값으로 활용하기

이 등급은 선별 단계에서 유용하다. 무도장 내후성 강재 개념을 추가로 평가할 가치가 있는지, 처음부터 보호 도장 시스템을 고려해야 하는지, 그리고 설계팀에 현장별 노출 데이터가 필요한지를 판단하는 데 도움이 된다. 등급은 분류의 출처와 근거, 즉 측정된 부식률, 기후 계산, 오염 데이터, 해안으로부터의 거리 또는 공학적 판단과 함께 기록해야 한다.

등급만으로 무도장 내후성 강재의 사용 가능 여부를 결정할 수는 없다. 미국 연방도로관리청(Federal Highway Administration)의 지침은 무도장 내후성 강재를 선정하기 전에 습윤 지속 시간, 염화물 노출, 산업 오염물질, 배수, 형상 및 유지관리를 평가하도록 요구한다. 이 목록이 중요한 이유는 녹청이 습윤 및 건조 주기의 반복에 좌우되기 때문이다. National Steel Bridge Alliance는 보호성 녹청이 형성되려면 반복적인 습윤과 건조가 필요하다고 명시한다. 누수되는 이음부 아래에서 표면이 계속 젖어 있으면, 명목상 중간 수준의 대기에서도 부식이 지속될 수 있다.

설계 검토에서는 ISO 등급이 가리고 있는 사항을 확인해야 한다. 부재가 해수 비말, 제빙염 또는 바람에 날리는 염화물에 노출되는가? 플랜지와 거셋 플레이트에서 물이 배수될 수 있는가, 아니면 이음부, 스티프너 또는 받침 뒤에 물이 고이는가? 좁은 틈새, 수평 턱, 박리 녹이 쌓이는 공간 또는 잔해를 удерж하는 상세가 있는가? 산업용 이산화황, 산성 응축수 또는 서로 다른 금속의 접촉으로 국부 전지가 형성될 수 있는가? 피팅이 피로 성능에 영향을 미치기 전에 이를 발견할 수 있도록 검사 접근성이 충분한가?

합금 화학 조성 역시 이 결정에 포함되어야 한다. 내후성 강재는 Mn, Si, Cr, Ni, Cu, Mo 및 P를 포함한 의도적인 합금 원소 첨가에 의존하며, W, Ti, Al 및 희토류 원소의 첨가도 연구되어 왔다. ASTM G101-04(2010)은 단기 노출 데이터로부터 장기 대기 부식 손실을 추정하고, 화학 조성으로부터 저합금강의 상대적인 대기 부식 저항성을 추정하는 방법을 제공한다. 조성 기반 지수는 비교를 뒷받침할 수 있지만, 여전히 현장별 보증값이 아니라 추정값이다. FHWA 연구에 따르면 대부분의 내후성 강재는 ASTM G101 지수값이 6~7 사이였으며, 염화물이 포함된 대기에서 현저히 향상된 내식성을 얻기 위한 연구 목표값은 약 9.5 이상이었다.

그러나 선택된 제품 표준이 재료 요구사항을 계속해서 지배해야 한다. 교량 공사의 경우 Steel Bridge Design Handbook은 ASTM A709 교량용 강재에 대한 재료 및 설계 고려사항 가운데 내후성 강재 관련 규정을 제시한다. 화학 조성, 기계적 성질, 용접성 및 제작 관리는 ISO 부식성 등급으로부터 추론할 수 없다.

피로는 별도로 다루어야 한다. 평균적인 두께 감소가 작아 보이더라도 피팅은 유효 피로 저항성을 감소시킨다. FHWA 피로 지침에 따르면 AASHTO는 피팅 때문에 일반 무도장 내후성 강재 모재에 유사한 비내후성 강재보다 한 단계 낮은 피로 등급을 부여한다. 따라서 부식성 분류는 단순히 부식 여유를 계산하는 데 그치지 않고 피로 검토에도 반영되어야 한다.

두께 여유와 노출 등급의 해석

ISO 등급은 두께 여유를 정하는 데 참고할 수 있지만, 그 여유는 실제 노출 조건, 설계 수명, 부식 모델 및 노출면의 수와 일치해야 한다. 첫해의 명목 부식률에 사용 연수를 곱하는 방식은 대체로 지나치게 단순하다. 녹이 형성되면서 부식률이 변하고, 차폐된 표면은 자유롭게 노출된 표면과 다르게 거동하며, 균일한 손실이 중요해지기 전에 국부 피팅이 성능을 지배할 수 있기 때문이다.

SCI Guidance Note 1.07은 내후성 강재의 두께 여유를 노출 등급 및 강재 표면의 조건과 연계한다. 이 설계 접근법에서는 부재가 외부에 노출되는지, 차폐되는지 또는 녹청 형성을 방해하는 조건에 놓이는지를 확인한 다음, 의도된 사용 기간에 해당하는 여유를 적용해야 한다. 노출 등급은 장식적인 명칭이 아니다. 노출 등급은 가정된 부식 요구량을 변화시키며, 그에 따라 내력 검토에 사용할 수 있는 잔존 두께도 달라진다.

두께 여유는 상세 설계와도 양립해야 한다. 염분이 포함된 물을 수년간 가두는 플랜지는 두께를 1 mm 추가한다고 해서 보완되지 않는다. 또한 매설 강재, 지속적으로 젖어 있는 강재 또는 염수 분무 표면을 배수가 잘되는 노출 표면과 동등하게 취급할 수도 없다. SCI Guidance Note 1.07은 지속적으로 젖어 있거나 습한 환경, 높은 염화물 또는 염수 분무 노출, 농축된 산업 배기가스 및 매설 조건을 무도장 내후성 강재에 부적합하거나 제한적으로만 적용할 수 있는 조건으로 식별한다. 이러한 위치에서는 더 큰 부식 여유를 적용하기보다 도장 시스템, 개선된 배수, 밀폐 상세 또는 다른 재료 전략이 필요할 수 있다.

설계자는 구조 내력을 유지하기 위해 사용하는 여유와 제작 공차, 가설 중 손상 또는 향후 검사 불확실성에 대비해 필요한 금속 두께를 구분해야 한다. 판재는 두께가 감소한 상태를 기준으로 검토해야 하며, 접합부는 박리 녹, 단면 손실 및 물이 고이는 공간을 점검해야 한다. 배수 구멍은 잔해와 부식 생성물이 쌓인 후에도 기능을 유지해야 한다.

실무적인 순서는 명확하다. ISO 9223 등급을 설정하고, 환경 매개변수를 확인하며, 현지 노출을 변화시키는 요인을 식별하고, 내후성 강재의 강종을 선정 및 검증한 다음, 적용되는 설계 지침의 노출 의존적 두께 규정을 적용하고, 배수, 피로, 검사 및 유지관리를 검토해야 한다. ISO 9223은 의사결정을 시작하게 하지만, 그것으로 의사결정이 끝나는 것은 아니다.

부지 선정: 무도장 내후성강이 위험해지는 장소

무도장 내후성강은 구조물이 옥외에 있다는 이유만으로 적합한 것은 아니다. 내후성강의 대기 부식 저항성은 특정한 노출 양상에 좌우된다. 즉, 표면이 젖었다가 마르는 과정이 반복되는 동안 합금 표면에 비교적 치밀하고 밀착성 높은 녹층이 형성되어야 한다. 이 녹층은 이후의 부식을 줄일 수 있지만, 자동으로 형성되는 영구적인 피막은 아니다. 강재가 계속 젖어 있거나, 염화물을 공급받거나, 오염된 물이 고이거나, 산업 배출가스가 집중되는 부지는 보호성 녹층의 안정화를 방해할 수 있다.

따라서 무도장 시스템을 선정하기 전에 환경 선별조사를 실시해야 한다. 미국 연방고속도로청(Federal Highway Administration, FHWA)은 무도장 내후성강을 선택하기 전에 습윤 시간, 염화물 노출, 산업 오염물질, 배수, 형상 및 유지관리 조건을 평가하도록 설계자에게 요구한다. 이러한 검토는 녹물 얼룩, 단면 손실 또는 균열이 나타난 뒤가 아니라 예비 설계 단계에서 이루어져야 한다.

ISO 9223:2012는 이러한 선별조사를 위한 유용한 체계를 제공한다. 이 표준은 표준 시험편의 첫해 부식률을 사용하여 대기 부식성을 분류하며, 온도와 습도의 영향, 이산화황 오염 및 공기 중 염분을 주요 영향 요인으로 다룬다. 그러나 이 분류만으로 내후성강의 적용이 승인되는 것은 아니다. 분류 결과는 합금의 화학 조성, 노출 형상 및 해당 부지에서 부식이 초래할 결과와 함께 해석해야 하는 환경적 근거를 제공한다.

해양성, 염수 분무 및 염화물 함유 대기

해양 노출은 가장 명확한 위험 조건 중 하나이다. 바닷물 비말, 파쇄되는 파도, 바람에 날리는 염분 및 제설제가 강재 표면에 염화물 이온을 침착시킨다. 염화물은 녹층의 전도성과 화학적 활성을 높이고 수분을 보유하며, 침착물 아래에서 국부적인 부식을 촉진한다. 비교적 균일하고 밀착성 높은 보호성 녹층이 형성되는 대신, 표면에 공식과 부착력이 약한 부식 생성물이 생길 수 있다. 녹층이 어둡고 충분히 성숙한 것처럼 보여도 그 아래에서는 부식이 계속될 수 있다.

염분 노출은 해안선에만 국한되지 않는다. 교량의 바닥판과 램프에는 염화나트륨 또는 염화칼슘이 반복적으로 살포될 수 있으며, 그 비말이 거더, 받침, 가로 프레임 및 하부 플랜지로 이동할 수 있다. 바람은 염분을 내륙으로 운반할 수 있다. 해안 산업 부지는 공기 중 염분과 황 화합물, 지속적인 고습 환경이 결합된 조건을 보일 수 있다. 중요한 질문은 바다에서 얼마나 떨어져 있는가만이 아니다. 강재에 도달하는 염화물의 양, 침착 빈도, 그리고 빗물이 이를 씻어낼 수 있는지를 함께 검토해야 한다.

FHWA의 제한사항은 해양 및 염화물 함유 환경을 직접적으로 다룬다. 염화물 오염이 심하거나, 염분을 함유한 수분이 충분한 세척과 건조 없이 표면을 반복적으로 젖게 하는 곳에서는 무도장 내후성강을 선택해서는 안 된다. Steel Construction Institute의 SCI Guidance Note 1.07은 높은 염화물 또는 염수 분무 노출을 무도장 내후성강에 부적합하거나 제한이 필요한 조건으로 제시한다. 비말대는 특히 문제가 된다. 강재가 물에 잠겼다가, 비말에 노출되었다가, 산소에 노출되는 과정을 반복하면 일반적인 대기 중 보호성 녹층 형성에 필요한 안정적인 습윤·건조 순서를 확보할 수 없다.

강종의 화학 조성은 중요하지만, 화학 조성만으로 유해한 노출 환경을 제거할 수는 없다. 2011년에 발표된 FHWA 연구에 따르면 대부분의 내후성강은 ASTM G101 부식 지수 값이 6에서 7 사이였으며, 염화물 함유 대기에서 저항성이 크게 향상되려면 연구 목표값이 약 9.5 이상이었다. ASTM G101-04(2010)은 단기 노출 자료를 바탕으로 장기 대기 부식 손실을 추정하고, 화학 조성으로 저합금강의 상대적인 대기 부식 저항성을 추정하는 방법을 제공한다. 이러한 지수는 비교를 뒷받침하는 자료이지, 특정 부지를 면제하는 근거는 아니다.

피로 설계 측면에서도 염화물 노출을 심각하게 다루어야 할 이유가 있다. 공식은 국부적인 응력 집중을 일으키며, 부식 손실은 짧은 거리에서도 크게 달라질 수 있다. FHWA 피로 설계 지침에 따르면 AASHTO는 공식 때문에 일반 무도장 내후성강 모재에 유사한 일반 구조용 강재보다 한 단계 낮은 피로 등급을 부여한다. 따라서 염분에 노출되는 교량은 재료 손실뿐 아니라 공식이 피로 저항성에 미치는 영향까지 평가해야 한다. 취약한 표면의 도장, 배수 개선 또는 다른 방식의 부식 방지 시스템 선정이 필요할 수 있다.

지속적으로 습한 장소, 매설부 및 환기가 불량한 장소

보호성 녹층이 형성되려면 습윤과 건조가 번갈아 일어나야 한다. National Steel Bridge Alliance(NSBA)는 보호성 녹층의 형성에 반복적인 습윤과 건조가 필요하다고 설명한다. 지속적인 습윤 상태는 이 과정을 방해한다. 강재 표면에 고인 물은 일부 영역에서 산소의 이동을 제한하는 한편 다른 영역에서는 전기화학적 부식을 촉진한다. 침착물은 통기 차이에 따른 부식 전지를 형성할 수 있으며, 그 결과 생성되는 부식 생성물은 부드럽고 다공성이며 부착력이 약한 상태로 남을 수 있다.

지역 기후가 온화하더라도 설계 세부가 이러한 조건을 만들 수 있다. 수평 턱, 상자형 단면, 보강재 사이의 틈, 이음판, 서로 등을 맞댄 앵글 및 막힌 배수구는 빗물이나 오염된 퇴적물을 가둘 수 있다. 좁은 틈은 노출된 가장자리에서는 마르더라도 안쪽 깊은 부분은 젖은 상태로 남을 수 있다. 이러한 불균일한 노출은 대기 중 설계에서 가정하는 대체로 균일한 표면 변화보다 국부 부식을 촉진한다.

FHWA 지침은 배수와 형상에 대한 부지별 검토를 요구한다. 물이 구조물에서 신속하게 빠져나가야 하며, 세부 형상은 잔해가 습윤 포켓을 형성하지 않도록 해야 한다. 환기도 똑같이 중요하다. 밀폐되거나 가려진 공간은 노출된 표면이 마른 뒤에도 습한 상태로 남을 수 있으며, 특히 공기 흐름이 약하고 결로가 발생하는 곳에서 그러하다. SCI Guidance Note 1.07은 지속적으로 젖어 있거나 습한 환경과 환기 불량을 무도장 내후성강에 제한이 필요하거나 부적합한 조건으로 제시한다.

매설 강재는 일반적인 대기 노출 적용으로 보아서는 안 되는 별도의 경고 조건이다. 토양은 지속적인 수분, 용해된 염류, 그리고 일부 지역에서는 산성 또는 미생물 활동이 활발한 환경을 제공한다. 또한 토양과 접촉하면 대기 중 내후성에 필요한 개방된 습윤·건조 순서가 차단된다. 계면이 계속 젖어 있는 경우, 콘크리트, 포장, 성토 또는 쌓인 퇴적물에 일부 매립된 강재에도 같은 문제가 적용된다. 지하부 단면, 옹벽 세부, 매설 가새 및 기초부 강재에는 대기 중 보호성 녹층에 의존하는 대신 토양 또는 침수 노출에 맞게 설계된 보호 전략이 필요하다.

재료가 바뀌는 접합부에서도 물이 갇힐 수 있다. 실란트, 멤브레인, 내화 피복, 서로 양립하지 않는 금속 및 부적절하게 설치된 덮개는 습한 상태가 지속되는 틈을 만들 수 있다. 한 부재에서 흘러내린 물이 다른 부재로 배출되면 좁은 선을 따라 염화물과 부식 생성물이 집중될 수 있다. 누수되는 신축이음부나 바닥판 배수구 아래의 비말대는 특히 주의해야 한다. 이 부위의 강재는 오염된 물에 반복적으로 젖으면서도 충분히 건조되지 않을 수 있기 때문이다.

산업 배출가스 및 오염물질의 집중

산업 대기는 눈에 보이는 염수 분무가 없어도 부식성이 강할 수 있다. 연소 및 공정 설비에서 배출되는 이산화황은 표면 수분에 용해되어 산성 화합물을 형성하며, 산화가 진행되면 아황산 및 황산을 비롯한 물질이 생성된다. 황화수소, 염화물, 질소산화물, 산성 에어로졸 및 공정 분진과 같은 다른 오염물질도 녹층의 화학적 성질을 변화시킬 수 있다. 침착된 분진은 습한 공기에서 수분을 흡수하여 강우가 끝난 뒤에도 습윤 시간을 연장할 수 있다.

ISO 9223:2012는 대기 부식성 분류에서 이산화황 오염을 특정 요인으로 명시한다. 오염물질의 농도와 침착 양상이 중요하다. 굴뚝, 제련소, 화학 공장, 비료 시설, 폐기물 처리 시설 또는 고도로 산업화된 항만 인근의 부지는 지역 관측소가 제시하는 수준보다 훨씬 많은 오염물질을 받을 수 있다. 국지적인 배출 기류, 가려진 오목부 및 바람이 불어오는 방향의 반대쪽 표면은 하나의 구조물 안에서도 심각한 미세환경을 형성할 수 있다.

따라서 FHWA의 제한사항에는 집중된 산업 오염물질이 주의 또는 배제가 필요한 조건으로 포함된다. SCI Guidance Note 1.07 역시 집중된 산업 배출가스를 무도장 내후성강에 부적합하거나 제한이 필요한 조건으로 제시한다. 문제는 합금에 구리, 크롬, 니켈, 인 또는 기타 의도적으로 첨가된 원소가 포함되어 있는지 여부가 아니다. 내후성강은 합금 원소를 첨가하여 부식 거동을 조절한 저탄소강이다. FHWA는 전통적으로 Mn, Si, Cr, Ni, Cu, Mo 및 P에 주목해 왔으며, 이후 연구에서는 W, Ti, Al 및 희토류 원소의 첨가도 검토했다. 합금 설계는 적합한 노출 조건에서 내식성을 향상시키지만, 산성 물질이 가득하고 지속적으로 젖어 있는 표면을 보호된 표면으로 바꾸지는 못한다.

타당한 부지 결정은 대기 자료와 현장 조사를 결합해야 한다. 조사 대상에는 염화물 침착, 오염물질 발생원, 우세풍, 결로, 배수 경로, 비말 영역, 밀폐 공간, 토양 접촉 및 점검 접근성이 포함된다. ASTM G101 계산과 ISO 9223 분류는 평가에 활용할 수 있으며, 불확실한 부지에서는 노출 시험편 또는 현장 부식 모니터링이 정당화될 수 있다. 구조물이 건조될 수 없거나, 점검할 수 없거나, 집중된 염화물 또는 산업 배출가스를 받을 예정이라면 세부 설계가 확정되기 전에 무도장 내후성강을 배제하거나 적용을 제한해야 한다.

구조 상세 설계: 배수, 이물질 및 환기

물 고임과 이물질 축적 방지

내후성 강재라고 해서 잘못된 형상을 보완할 수 있는 것은 아니다. 적합한 합금은 표면이 반복적으로 젖었다가 마르는 환경에서만 비교적 치밀하고 밀착된 녹층을 형성할 수 있다. 계속 습한 상태로 남아 있거나 토사를 머금거나 집중 유출수를 받는 접합부는, 내식성이 더 낮은 강재로 만든 외부 노출 표면보다 빠르게 부식될 수 있다. National Steel Bridge Alliance의 입문서(2010)는 보호성 녹층 발달의 조건으로 습윤 및 건조 주기의 반복을 제시한다. 실무적으로 이는 명확한 의미를 갖는다. 즉, 공칭 재료 선정만큼이나 상세 설계가 부식을 강하게 제어할 수 있다.

SteelConstruction.info와 SCI Guidance Note 1.07은 도장되지 않은 내후성 강재의 성능이 불만족스러워지는 주요 원인으로 물과 이물질의 축적을 꼽는다. 수평 선반은 특히 문제가 된다. 플랜지 돌출부, 보강재, 브래킷, 받침 선반 또는 건축적 되돌림부는 낙엽, 모래와 자갈, 새 둥지 재료를 받아 빗물이 강재에 닿은 채 머물게 할 수 있다. 이물질은 또한 습윤 시간을 늘리고, 눈에 보이는 표면이 마른 뒤에도 도로 비산수나 해양 에어로졸에서 유래한 염화물을 머금을 수 있다. 좁은 선반이라고 해서 단지 폭이 좁다는 이유만으로 안전해지는 것은 아니다. 모세관력으로 인해 선반의 하면과 인접 용접부가 계속 습한 상태로 남을 수 있다.

따라서 상세부는 물을 저장하기보다 흘려보내도록 설계해야 한다. 경사진 상부 표면, 둥글거나 점진적으로 가늘어지는 전이부, 개방된 끝단을 가진 채널 및 접근 가능한 면은 물의 잔류를 줄인다. 구조적으로 선반이 필요한 경우에는 폭, 경사 및 가장자리 처리가 침전물이 남지 않도록 해야 하며, 하면은 검사할 수 있어야 한다. 보강재는 작은 폐쇄 포켓에서 끝나서는 안 된다. 판재 사이의 교차부에는 물이 빠져나가고 검사자가 관련 용접부와 모재를 확인할 수 있을 만큼 충분한 여유 공간이 있어야 한다.

틈새에는 특히 주의를 기울여야 한다. 겹침 판, 간헐 용접부, 볼트 겹침 이음, 뒷댐재 및 밀봉되지 않은 절곡 가장자리는 좁은 산소 농도 차 전지를 형성할 수 있다. 물은 개구부를 통해 유입되지만 접합부 내부에서는 증발이 제한된다. 그 결과 국부 부식이 일반적인 표면 부식보다 심해질 수 있으며, 틈새 입구에 공식이 발생할 수 있다. 공칭상 내식성이 높은 조성이라도 이러한 전기화학적 문제를 제거하지는 못한다.

동일한 원칙은 시공 오차에도 적용된다. 도면상으로는 배수가 이루어지는 상세부라도 판재 변형, 용접 수축, 침하 또는 배출구 막힘이 발생하면 물을 가둘 수 있다. 배수공은 이상화된 도면의 최저점에 단순히 표시할 것이 아니라, 예상되는 제작 및 설치 오차가 발생하더라도 기능을 유지하도록 배치해야 한다. 작은 구멍은 녹 스케일이나 토사로 막힐 수 있으므로, 그 크기와 접근성은 유입될 가능성이 있는 이물질을 고려하여 정해야 한다. 설계 기록에는 막힘으로 인해 장시간 습윤 상태가 발생할 수 있는 위치를 명시해야 하며, 구조물이 완성되기 전에 검사 접근성을 확보해야 한다.

피로 설계는 이러한 상세 설계와 분리할 수 없다. FHWA 피로 설계 지침(2016)은 공식 때문에 AASHTO가 일반 비내후성 강재의 동등한 재료와 비교하여 무도장 내후성 강재 모재에 한 단계 낮은 피로 등급을 부여한다고 보고한다. 틈새나 이물질 포켓은 국부 공식을 심화시키고, 평활 판재 계산에서 가정한 것보다 더 날카로운 응력 집중부를 만들 수 있다. 따라서 용접 토우, 코핑 모서리, 볼트 구멍 및 배수구 주변부에는 적절한 피로 상세 등급과 함께 부식 검사 계획이 필요하다.

배수 및 환기 확보

배수 경로는 연속적이고 눈에 보이며 우발적인 막힘으로부터 보호되어야 한다. 상자형 거더, 난간, 신축이음부 오목부 또는 보강 패널 내부로 유입된 물에는 배출구까지 이어지는 명확한 경로가 있어야 한다. 다른 강재 표면으로 물을 배출하는 배수구는 문제를 단지 다른 곳으로 옮길 뿐이다. 배출구의 위치는 하부 플랜지, 받침, 이음부, 보행 동선 및 녹 얼룩에 취약한 콘크리트 표면이 젖지 않도록 정해야 한다. 배출수가 구조 표면을 가로질러야 하는 경우에는 물줄기가 이음선을 따라 퍼지거나 틈새로 유입되지 않도록 형상을 구성해야 한다.

폐쇄된 포켓은 반복적으로 문제를 일으키는 지점이다. 밀폐된 공동은 빗물의 유입을 막을 수 있지만, 제작 과정에서 남은 수분, 결로 또는 감지하기 어려운 소량의 누수를 여전히 포함할 수 있다. 물의 유입을 차단하지도 못하고 건조를 위한 환기도 이루어지지 않는 공동은 특히 위험하다. SteelConstruction.info와 SCI Guidance Note 1.07은 대기 부식에 강우량뿐 아니라 건조 시간도 영향을 미치기 때문에 배수와 환기를 강조한다. 환기구는 공기 이동과 검사가 가능하도록 배치하되, 빗물과 염수 분무를 직접 받아들이지 않도록 해야 한다. 또한 둥지, 곤충 및 축적된 이물질에 대비하여 적절한 크기와 보호 조치를 갖추어야 한다.

환기는 배수를 대신할 수 없다. 공기 순환만으로는 겹침 판 뒤에 고인 물을 제거할 수 없으며, 개구부를 통해 습한 공기나 염화물을 포함한 비산수가 유입될 수도 있다. 의도한 작동 원리는 명확해야 한다. 물은 중력에 의해 빠져나가야 하고, 환기는 결로를 줄이며 건조를 돕는 역할을 해야 한다. 상자형 단면에서는 공기 교환과 배수를 촉진하기 위해 상부 및 하부 개구부가 필요할 수 있지만, 그 배치는 바람에 날린 빗물과 한쪽 개구부가 막힐 가능성을 고려해야 한다.

노출 평가에서는 “내후성 강재”라는 명칭이 아니라 현장 조건을 따라야 한다. ISO 9223:2012는 표준 시험편의 첫해 부식률을 사용하여 대기 부식성을 분류하며, 온도와 습도 조건, 이산화황 오염 및 공기 중 염분을 주요 요인으로 식별한다. FHWA 지침(2003)은 무도장 내후성 강재를 선정하기 전에 습윤 시간, 염화물, 산업 오염물질, 배수, 형상 및 유지관리를 평가하도록 요구한다. SCI Guidance Note 1.07(2015)은 지속적으로 젖어 있거나 습한 위치, 높은 염화물 또는 염수 분무 노출, 집중된 산업성 가스 및 매립 조건을 부적합하거나 사용이 제한되는 적용 사례로 제시한다.

이는 국부 환경을 변화시키는 상세부에서 중요하다. 교량 바닥판은 한쪽 면을 비에 노출시키는 동시에, 누수되는 이음부로 인해 다른 면을 계속 젖은 상태로 만들 수 있다. 해안 난간은 바다 쪽 면에서 염수 분무를 받고 상부 레일 아래에 염분 침전물을 머금을 수 있다. 산업 구조물은 공정 배출구에서 농축된 이산화황이나 기타 가스에 노출될 수 있다. 각각의 경우 동일한 강종이라도 구조물의 위치에 따라 다르게 거동할 수 있다. 배수, 차폐 및 환기는 부식이 나타난 뒤가 아니라 환경 노출 지도를 바탕으로 검토해야 한다.

검사에는 지상에서 잘 보이지 않는 위치도 포함해야 한다. 즉, 선반의 하면, 거셋 플레이트 뒤, 상자형 단면 내부, 배수공 주변, 겹침 이음부 및 축적된 침전물 아래가 대상이다. 배출구 막힘과 지속적인 습윤 상태를 단면 손실이 심각해지기 전에 시정할 수 있도록 검사 주기를 정해야 한다. 기록에는 얼룩, 표면적인 스케일, 활성 공식 및 두께 손실을 구분하여 기재해야 한다. 갈색 외관만으로 녹층이 안정화되었다고 입증할 수는 없다.

이종 금속 접촉 및 오염 경로 방지

내후성 강재가 인접한 모든 재료와 전기화학적으로 양립한다고 가정해서는 안 된다. 전해질이 존재하는 상태에서 더 귀한 금속과 접촉하면 내후성 강재에 갈바닉 부식이 발생할 수 있으며, 특히 음극 재료의 노출 면적이 크고 강재의 접촉 구역이 작은 경우 위험이 커진다. 스테인리스강 부착물, 구리를 함유한 부품, 청동 부속품 및 일부 알루미늄 조합은 접촉, 절연, 물의 잔류 및 배수에 대한 구체적인 평가가 필요하다. 문제는 건조한 상태의 접촉 자체가 아니다. 금속 사이를 연결하는 전도성 습윤막이나 갇힌 용액이 문제이다.

가능한 경우 상세부는 이종 금속 쌍의 형성을 방지하거나, 재료를 전기적으로 분리하고 한 금속에서 흘러내린 물이 다른 금속으로 향하지 않도록 해야 한다. 체결재, 와셔, 심, 받침 부품, 난간 부속품 및 배수 하드웨어는 사소한 부속품으로 취급하지 말고 접합부의 일부로서 모두 검토해야 한다. 절연 재료 자체가 물을 머금거나 틈새를 만들 수 있으므로, 분리 조치를 적용한 뒤에도 상세부를 검사하고 배수할 수 있어야 한다.

유출수는 또한 오염 경로를 만든다. 무도장 내후성 강재 표면에서 흘러내리는 녹 함유수는 콘크리트, 석재, 미장면, 포장재 및 도장 강재에 흔적을 남길 수 있다. 구조적 부식률이 허용 가능한 수준이라도 얼룩은 용인되지 않을 수 있다. 코핑, 난간 및 노출된 판재 가장자리에서 떨어지는 물은 의도적인 경사, 물끊기 및 제어된 배출 지점을 통해 눈에 잘 띄는 마감면에서 멀어지도록 유도해야 한다. 물끊기가 물을 하부 플랜지로 보내기만 한다면 그곳에 부식을 집중시킬 뿐이다. 물이 젖는 표면에서 최종 배출구까지 흐르는 전체 경로를 고려해야 한다.

콘크리트 접합부는 균열, 이음부 및 다공성 표면이 오염된 물을 강재에 밀착된 상태로 머금게 할 수 있으므로 주의가 필요하다. 매립되거나 되메움된 가장자리는 SCI Guidance Note 1.07의 제한 사항에 부합하게 무도장 내후성 강재에 특히 부적합하다. 상세부는 강재가 건조를 가능하게 하는 조건에 노출되도록 하거나, 은폐된 환경에 적합한 보호 방식을 제공해야 한다.

마지막으로 도면에는 접근 및 향후 검사가 필요한 부식 취약 구역을 명시해야 한다. 이음부를 가리거나 배수구를 막거나 유출수를 접합부로 유도하는 형상은 유지관리 의존성을 높인다. 내후성 강재는 여전히 조건부로 적용되는 대기 부식 설계 선택지이며, 그 성능은 합금, 노출 환경 및 상세 설계가 함께 작용할 때 확립된다. (1,047단어)

교량 설계, 공식 부식 및 피로

내후성강도 교량 내구성 설계의 예외가 될 수는 없습니다. 교량에 ASTM A709/A709M Grade 50W 또는 다른 내후성강 지정이 적용되더라도, 물, 염화물, 잔해 또는 산업성 침착물이 강재에 남아 있으면 손상을 유발하는 부식이 발생할 수 있습니다. 대기 부식 저항성은 적절한 노출 조건에서 부식 속도를 낮추고 부식 형태를 변화시키지만, 부식에 대한 완전한 면역성을 제공하지 않으며, 피로 상세를 설계하고 검사 접근성을 확보하거나 배수를 관리할 필요성을 없애 주지도 않습니다.

구조 및 피로 측면에서의 공식 부식 우려

FHWA의 피로 지침은 습윤 기간과 건조 기간이 반복되면서 보호성 녹 피막이 형성될 것으로 설명합니다. 초기 산화로 녹층이 형성되고, 반복적인 노출을 거치면서 이 녹층이 비교적 치밀하고 부착성이 높은 표면 피막으로 변하여 추가적인 부식을 늦출 수 있습니다. 이 과정은 건조에 좌우됩니다. 표면이 계속 젖어 있거나 염수 비말을 받거나 오염된 유출수를 모으는 경우, 개방되어 배수가 원활한 판과 동일한 노출 순서를 겪지 않습니다.

이러한 구분이 중요한 이유는 내후성강의 부식이 항상 균일한 두께 감소로 나타나는 것은 아니기 때문입니다. 공식 부식은 평균 부식 손실이 시사하는 것보다 표면 형상이 더 급격하게 변하는 국부적인 함몰부를 만들 수 있습니다. 평균 두께 감소는 크지 않아 보이더라도 잔존 강재의 작은 영역에서는 훨씬 큰 침투 깊이가 나타날 수 있습니다. 피로에 민감한 위치에서 공식은 노치처럼 작용하여 국부 응력을 증가시키고 응력 구배를 변화시키며 피로균열의 발생 지점을 제공할 수 있습니다.

공식 부식공식 부식 주변의 일반 부식보다 더 깊게 침투하여 공동 또는 함몰부를 형성하는 국부 부식.

공식에서 시작된 균열은 매끄럽고 명목상 원두께를 유지하는 모재에서는 균열을 발생시키지 않았을 응력 범위에서도 성장할 수 있습니다. 플랜지 가장자리, 구멍, 용접 토우, 간헐 접촉면, 다이어프램 연결부, 이음부 영역 및 기타 기하학적 응력 집중이 이미 존재하는 상세부에서는 위험이 더 커집니다. 또한 공식 부식은 불규칙한 공동의 가장 깊은 부분을 단일 측정값으로 놓칠 수 있기 때문에 초음파 두께 측정을 복잡하게 만듭니다. 따라서 측정에서는 평균 손실만 계산할 것이 아니라 부식의 분포와 최대 침투 깊이를 확인해야 합니다.

FHWA 매뉴얼의 경고는 명확합니다. 공식 부식은 내후성강의 피로 평가 및 설계에 영향을 줍니다. 따라서 보호성 녹 피막을 보장된 두께나 성능을 갖는 영구 코팅으로 설명해서는 안 됩니다. 보호성 녹 피막은 합금, 노출 이력, 표면 형상 및 습윤 시간에 따라 품질이 달라지는 환경적 생성물입니다. 염화물 침착물은 특히 중요합니다. 흡습성을 유지하여 표면의 수분을 오래 지속시키고 안정적인 녹층 형성에 필요한 조건을 방해할 수 있기 때문입니다.

합금 화학 조성은 결과에 영향을 미치지만, 화학 조성만으로 부적절한 상세 설계를 보완할 수는 없습니다. 2009년에 발표된 FHWA 연구는 내후성강에서 망간, 규소, 크롬, 니켈, 구리, 몰리브덴 및 인을 전통적으로 사용해 온 방식을 설명하는 한편, 텅스텐, 티타늄, 알루미늄 및 희토류 원소의 첨가도 검토했습니다. 2011년의 개선된 내식강 연구에서는 대부분의 내후성강이 ASTM G101 부식 지수 값 6~7을 나타냈으며, 염화물이 포함된 대기에서 내식성을 크게 향상시키기 위해 9.5 이상에 가까운 값을 목표로 삼았습니다. 이러한 수치는 비교를 위한 지표일 뿐이며, 교량의 노출 환경을 무시해도 된다는 의미는 아닙니다.

ASTM G101-04(2010)은 단기간 노출 자료로부터 장기간 대기 부식 손실을 추정하고, 화학 조성에 기반하여 저합금강의 상대적인 대기 부식 저항성을 추정하는 방법을 제공합니다. ISO 9223:2012는 표준 시험편의 1년 차 부식률을 사용하여 대기 부식성을 분류하고, 온도와 습도의 영향, 이산화황 오염 및 대기 중 염분을 주요 요인으로 식별합니다. 어느 표준도 현장과 무관한 보호성 녹 피막 가정을 구조 설계의 근거로 바꾸어 주지는 않습니다.

AASHTO 피로 범주 적용

교량 상세에 지정되는 피로 범주는 반복 응력 사이클에 대한 저항성을 나타내지만, 그 범주는 공칭 강재 등급만으로 결정되지 않습니다. 용접 형상, 연결 형식, 구멍, 부착물, 표면 상태, 잔류응력 및 부식 노출이 모두 피로 성능에 영향을 미칩니다. 내후성강에서는 국부 부식이 피로 설계 가정을 설정할 때의 표면 상태를 변화시킬 수 있다는 점이 특별한 우려 사항입니다.

FHWA의 Steel Bridge Design Handbook: Design for Fatigue는 인용된 AASHTO 적용 방식에 따라, 도장되지 않은 내후성강의 평활한 모재가 공식 부식 때문에 이에 상응하는 일반 강재보다 한 단계 낮은 피로 범주를 적용받는다고 설명합니다. 이는 해당 재료 상태에 대한 설계상의 저감이며, 모든 내후성강 연결부가 하나의 보편적인 범주를 갖는다는 의미는 아닙니다. 적용 가능한 AASHTO LRFD 피로 범주는 실제 상세와 그 상세를 지배하는 응력 범위에 따라 여전히 결정됩니다.

이러한 구분은 서로 반대되는 두 가지 오류를 방지합니다. 녹층이 충분히 성숙해 보인다는 이유만으로 일반적인 무도장 강재의 피로 성능을 적용해서는 안 됩니다. 반대로 AASHTO 상세 분류를 확인하지 않은 채 모든 용접 또는 볼트 연결 상세를 임의의 값만큼 저감해서도 안 됩니다. ASTM A709/A709M Grade 50W의 판이 일반적인 모재로 사용되는 경우와 동일한 규격으로 제작된 용접 부착물은 서로 다르게 취급됩니다. 용접 상세는 자체적인 피로 거동과 응력 집중을 갖기 때문입니다.

피로 설계에서는 교통하중, 풍하중, 열 effects, 2차 변형 및 구속으로 발생하는 응력 범위를 고려해야 합니다. 공칭 응력 범위는 정확하게 계산되었더라도 공식, 용접 토우, 코프, 구멍 또는 부식 홈에서의 국부 응력 범위는 훨씬 클 수 있습니다. 부식으로 두께가 감소한 경우에는 동일한 힘이 더 높은 공칭 응력을 유발합니다. 이러한 효과는 서로 결합될 수 있습니다. 단면 손실은 공칭 응력을 증가시키고, 공식 부식은 국부 응력 집중 계수를 증가시킵니다.

파괴 관련 고려사항도 동일한 평가에 포함되어야 합니다. 작은 피로균열은 일정 기간 안정적으로 남아 있을 수 있지만, 잔존 유효 단면이 감소하거나 취성 파괴 취약 영역의 균열 정지 능력이 제한되면 급격히 성장할 수 있습니다. 낮은 온도, 인장 잔류응력 및 불리한 균열 방향은 여유도를 더욱 감소시킬 수 있습니다. 따라서 내후성강은 교량의 파괴 제어 요구사항, 인성 규정, 피로 범주 및 검사 계획을 함께 고려하여 선정하고 상세 설계해야 합니다.

부식, 응력 범위 및 검사의 상호작용

현장 결정은 강재를 지정하기 전에 시작됩니다. 2003년 FHWA 지침은 도장하지 않은 내후성강을 선정하기 전에 습윤 시간, 염화물 노출, 산업 오염물질, 배수, 형상 및 유지관리 조건을 평가하도록 요구합니다. 제설염이 사용되는 도로 위의 교량, 대기 중 염분에 노출되는 해안 구조물 및 빠르게 건조되는 농촌 교량은 동일한 부식 환경에 놓이지 않습니다. ISO 9223:2012는 분류 체계를 제공하지만, 프로젝트별 노출 자료와 현장에 맞는 상세 설계는 여전히 필요합니다.

물 고임부는 피로 상세이자 부식 상세입니다. 수평 턱, 보강재 단부, 좁은 틈, 밀봉이 불량한 이음부 접촉면, 잔해 포켓 및 막힌 배수구는 인접 표면이 건조된 후에도 강재를 오랫동안 젖은 상태로 유지할 수 있습니다. 한 부재에서 흘러내린 유출수가 다른 부재에 염화물을 집중시킬 수도 있습니다. SteelConstruction.info와 SCI Guidance Note 1.07은 지속적으로 젖어 있거나 습한 환경, 높은 염화물 또는 염수 비말 노출, 집중된 산업성 가스 및 매설 조건을 도장하지 않은 내후성강의 부적합하거나 제한적인 적용 조건으로 제시합니다. 이종 금속의 접촉과 불량한 환기는 추가적인 국부 부식 전지를 만들 수 있습니다.

응력 이력은 예상되는 부식 양상과 연계해야 합니다. 저사이클·고응력 상세는 소수의 심각한 사건에 의해 지배될 수 있는 반면, 수백만 회의 트럭 하중 사이클을 받는 교량 거더는 피로 저항의 작은 변화에도 민감합니다. 연결부에서 공식 부식이 예상된다면, 손실이 균일하다고 가정한 공칭 부식 여유에만 의존해서는 안 됩니다. 배수 개선, 틈 밀봉, 교체 가능한 구성요소, 특정 구역에 대한 보호 코팅 또는 다른 강재 및 유지관리 전략이 더 적절할 수 있습니다.

이후 검사에서는 설계 가정이 여전히 유효한지를 확인합니다. 검사자는 진행 중인 녹 발생, 박리된 녹 껍질, 공식 깊이, 수분 잔류, 염화물 침착물, 팩 러스트, 단면 손실, 균열과 유사한 지시 및 용접부와 부착물의 변화를 기록해야 합니다. 시각적인 색상만으로는 근거가 불충분합니다. 어둡거나 층상인 표면은 보호성 녹 피막이 형성되고 있음을 나타낼 수 있지만, 최대 공식 깊이나 피로 안전성을 입증하지는 못합니다.

검사 주기와 방법은 결과의 중대성, 상세 범주, 교통하중, 노출의 심각성 및 접근 난이도를 반영해야 합니다. 피로에 민감한 위치에서는 정밀 육안검사와 함께 초음파 두께 매핑, 공식 깊이 게이지, 자분탐상검사, 침투탐상검사 또는 기타 균열 검출 방법이 필요할 수 있습니다. 검사 결과는 구조 모델에 반영되어야 합니다. 측정된 단면 손실은 응력 범위를 변화시킬 수 있고, 발견된 균열은 파괴 및 하중평가 결과를 변화시킬 수 있습니다.

따라서 대기 부식 설계는 피로 설계의 일부입니다. 적절한 습윤 및 건조 조건에서는 보호성 녹 피막이 지속적인 부식을 줄일 수 있지만, 교량은 여전히 국부 응력 집중부, 반복되는 교통하중 사이클 및 검사 의무를 가진 하중 지지 시스템입니다. 건전한 내후성강 설계는 합금과 AASHTO 피로 적용 방식을 지정하고, 물과 오염물질을 제어하며, 공식 부식을 예상하고, 검사 결과를 보수 또는 보강으로 연결할 수 있는 실질적인 경로를 확보합니다.

ASTM A709 교량용 강재 실무에서의 내후성 강재

ASTM A709 재료 및 설계 고려사항

ASTM A709/A709M은 교량용 강재 재료 표준이지, 무도장 내후성 구조물을 포괄적으로 지정하는 표준은 아니다. 해당 표준의 등급에는 ASTM A709 Grade 36, Grade 50, Grade 50W, HPS 50W 및 HPS 70W 등이 있으며, 그 밖의 등급은 적용되는 판본에 규정되어 있다. “W” 표기는 내후성 강재 요구사항을 나타내지만, 그 자체만으로 모든 현장에서 교량을 무도장 상태로 유지할 수 있음을 의미하지는 않는다. 등급 선정, 추가 요구사항, 용접성, 인성, 파괴 제어, 제작 및 구조 저항은 여전히 해당 프로젝트의 설계에서 검토되어야 한다.

Steel Bridge Design Handbook은 ASTM A709 교량용 강재에 대한 보다 폭넓은 재료 및 설계 체계 안에서 대기 부식 저항성과 내후성 강재 요구사항을 다룬다. 이러한 배치는 중요하다. 교량 엔지니어는 먼저 내후성 등급을 선정한 다음 부식을 별도의 도장 결정사항으로 취급하지 않는다. 해당 지정 등급은 요구되는 강도 및 인성에 부합해야 하며, 대기 부식 관련 규정이 의도한 대로 기능할 수 있는지는 노출 평가를 통해 결정된다. 도장 시스템을 지정하지 않는 경우에도 접합부 설계, 피로 저항성, 용접 상세 및 검사 접근성은 여전히 구조적 검토사항이다.

내후성 강재는 반복적인 습윤과 건조 조건에서 비교적 치밀하고 밀착성 있는 녹층을 형성하도록 설계된 저탄소 합금강이다. 이 녹층은 불투과성 코팅이 아니며, 대기 부식 저항성은 부식에 대한 면역을 의미하지 않는다. 수분이 강재에 도달하면 초기 산화가 발생한다. 표면이 습윤 기간 사이에 건조되면 파티나가 이후의 두께 손실을 늦출 수 있지만, 그 결과는 합금 조성, 오염물 부하, 염화물 침착, 온도, 습도 및 부재 형상에 좌우된다.

따라서 화학 조성은 일반적으로 가정한 조성식이 아니라 적용되는 ASTM A709/A709M 등급 및 프로젝트 시방서의 요구사항에 따라 다루어야 한다. FHWA 연구는 역사적으로 망가니즈, 규소, 크로뮴, 니켈, 구리, 몰리브데넘 및 인에 중점을 두었으며, 이후의 부식 연구에서는 텅스텐, 티타늄, 알루미늄 및 희토류 첨가물도 조사하였다. ASTM G101-04(2010)은 단기 노출 데이터로부터 장기 대기 부식 손실을 추정하고, 화학 조성으로부터 저합금강의 상대적 대기 부식 저항성을 추정하는 방법을 제공한다. 이러한 방법은 비교 및 예측에 활용된다. 그러나 실제 교량 환경을 검토해야 할 필요성을 없애지는 않는다.

FHWA의 내식성 향상 강재 프로그램은 대부분의 내후성 강재가 ASTM G101 부식 지수 값 6~7을 나타냈으며, 염화물을 포함하는 대기에서 실질적으로 향상된 저항성을 확보하기 위해 연구 목표를 약 9.5 이상으로 설정했다고 보고하였다. 이 결과는 모든 내후성 등급을 사용 중 성능 측면에서 동등하게 취급해서는 안 된다는 점을 보여준다. 조성은 성능에 영향을 미치지만, 지속적으로 젖어 있는 플랜지, 염분을 가두는 접합부 또는 오염된 배수 경로를 유리한 지수 값만으로 보완할 수는 없다.

교량 시방서에서의 대기 부식 저항성

무도장 ASTM A709 내후성 강재를 허용하기 전에 대기 노출 환경을 분류해야 한다. ISO 9223:2012는 표준 시험편의 첫해 부식률을 기준으로 부식성을 분류하며, 온도와 습도의 영향, 이산화황 오염 및 공기 중 염분을 주요 요인으로 식별한다. 이 분류는 환경을 평가하기 위한 체계이지, 특정 교량 부재의 사용 수명을 보장하는 것은 아니다. 특히 제설염 살포 도로, 해안선, 산업 시설 및 염분을 포함한 비산수를 발생시키는 교통 차로 인근에서는 광범위한 현장 설명이 시사하는 것보다 국부적인 노출 환경이 더 가혹할 수 있다.

FHWA 지침은 무도장 내후성 강재를 선정하기 전에 습윤 시간, 염화물 노출, 산업 오염물, 배수, 형상 및 유지관리 조건을 현장별로 평가하도록 요구한다. 이러한 요인들은 서로 상호작용한다. 개방형 바닥판 아래의 거더는 빠르게 건조될 수 있지만, 누수가 발생하는 이음부 아래의 이음판은 장시간 습윤 상태로 남을 수 있다. 전반적으로 온화한 농촌 대기에 놓인 교량이라도 배수구가 이물질로 막히거나, 물이 스티프너 끝단에 집중되는 곳에서는 손상을 유발하는 부식이 발생할 수 있다.

SCI Guidance Note 1.07은 지속적으로 젖어 있거나 습한 환경, 높은 염화물 또는 염수 분무 노출, 농축된 산업성 가스 및 매설 조건을 무도장 내후성 강재에 부적합하거나 제한적으로 적용해야 하는 조건으로 규정한다. 염분은 특히 문제가 되는데, 염화물 침착물이 전해질 수분을 유지하고 파티나의 안정화를 방해할 수 있기 때문이다. 이산화황 및 기타 산업 오염물도 부식률을 증가시킬 수 있다. 노출 환경을 제어할 수 없는 경우에는 보호 도장 시스템, 내식성 상세, 대체 재료 또는 이러한 조치의 조합이 필요할 수 있으며, 내후성 등급만으로는 충분한 시방서가 될 수 없다.

National Steel Bridge Alliance의 입문서는 보호성 파티나가 형성되려면 반복적인 습윤과 건조가 필요하다고 설명한다. 이는 노출된 복부 표면에는 보기 좋은 갈색 산화물이 나타나는 반면, 차폐된 턱부, 이음부 접촉면 또는 하부 플랜지에서는 부식이 계속될 수 있는 이유를 설명한다. 대기 부식 데이터에 관한 검토 문헌은 안정화에 필요한 시간, 정상 상태 부식률, 노출 조건 및 장기 예측의 불확실성을 서로 별개의 문제로 제시한다. 여러 계절이 지난 후 녹층이 균일하게 보인다고 해서 부식이 중단되었다는 증거는 아니며, 시각적 색상만으로 설계 부식 여유량을 정할 수도 없다.

피로 설계에는 재료와 관련된 또 다른 우려사항이 있다. FHWA 피로 지침은 내후성 강재가 습윤 및 건조의 교대 주기를 통해 파티나를 형성한다고 설명하는 한편, 피팅 부식 때문에 AASHTO가 일반 무도장 내후성 강재 모재에 대해 이에 상응하는 비내후성 강재보다 한 단계 낮은 피로 범주를 부여한다고 보고한다. 이러한 저감은 국부적인 표면 손상과 응력 집중을 반영한다. 따라서 부식 재료의 선정은 응력 범위 계산, 상세 분류 및 검사 계획과 분리하여 다룰 수 없다.

재료 선정과 구조 상세의 연계

내후성 강재 교량은 서로 양립하는 재료 선정과 물을 흘려보내는 형상을 통해 성능을 발휘한다. 상세 설계에서는 물과 이물질이 축적되지 않도록 하고, 폐쇄 공간 또는 부분적으로 폐쇄된 공간에서 배수가 이루어지도록 하며, 부재가 건조되고 검사자가 주요 표면을 확인할 수 있도록 해야 한다. 틈새, 좁은 턱부, 밀봉되지 않은 겹침부 및 환기가 불량한 포켓은 파티나 형성에 필요한 환경 조건을 저해할 수 있다. 또한 녹빛 배수가 콘크리트, 받침, 신축이음 또는 인접 부지에 영향을 줄 수 있는 경우에는 유출수에 의한 착색도 제어해야 한다.

배수공은 항상 접근 가능해야 하며, 다른 강재 표면을 적시지 않는 방식으로 배출되어야 한다. 바닥판 이음부에는 특히 주의를 기울여야 한다. 누수로 인해 거더 단부와 가로 프레임 접합부에 염화물이 집중될 수 있기 때문이다. 단부 격벽, 스티프너 상세 및 이음부 영역은 고인 물, 염분 축적 및 세척 접근성을 기준으로 검토해야 한다. 서로 양립하지 않는 금속은 갈바닉 효과를 일으킬 수 있으며, 매설되거나 일부 매립된 강재 표면은 대기에 자유롭게 노출된 표면과 다른 수분 환경에 놓인다.

동일한 검토에서 향후 유지관리도 살펴보아야 한다. 세척, 검사 또는 보수가 불가능한 상세는 관리 가능한 노출 환경을 지속적인 부식 부위로 바꿀 수 있다. 검사 주기는 파티나가 영구적이라는 고정된 가정에 의존하기보다 염화물 사용량, 산업 오염, 배수 성능 및 관찰된 단면 손실을 반영해야 한다.

따라서 Steel Bridge Design Handbook의 폭넓은 체계는 명확한 설계 입장을 제시한다. ASTM A709/A709M 등급 지정, 재료 요구사항, 노출 환경 분류, 부식 예측, 피로 검토 및 구조 상세를 서로 연계하여 조정해야 한다. 무도장 내후성 강재는 조건부 시스템이다. 합금, 대기, 배수 및 검사 규정이 파티나 형성을 뒷받침하는 경우 도장에 대한 의존도를 낮출 수 있지만, 환경 평가나 건전한 교량 설계를 대신할 수는 없다.

도장, 무도장 및 하이브리드 부식 방지 전략

내후성 강재를 사용한다고 해서 부식 설계가 필요 없어지는 것은 아니다. 내후성 강재는 보호가 제공되는 방식을 바꾼다. 즉, 설계자는 제조된 도장에 주로 의존하는 대신, 반복적인 습윤과 건조 과정에서 형성되는 합금 의존적 녹층에 의존할 수 있다. 그러나 이러한 선택에는 조건이 따른다. 환경이 안정적인 파티나를 형성할 수 없는 경우에는 도장 시스템, 국부 부식 방지, 형상 변경 또는 이러한 조치의 조합이 필요할 수 있다.

세 가지 전략은 서로 바꾸어 사용할 수 있는 명칭이 아니다. 무도장 설계는 강재의 화학 조성, 노출 환경 평가 및 배수에 더 큰 요구 조건을 부과한다. 도장 설계는 표면 처리, 도장 사양, 모서리 처리, 보수 및 검사에 더 큰 요구 조건을 부과한다. 하이브리드 설계는 이러한 요구 조건을 분산하여, 적합한 표면은 무도장으로 두고 물, 염류 또는 오염 물질로 인해 허용할 수 없는 부식 위험이 발생하는 구역을 보호한다.

무도장 내후성 강재를 고려하는 경우

무도장 내후성 강재는 사용 환경과 제안된 상세를 함께 평가한 후에만 합리적인 선택이 될 수 있다. 강재는 비교적 치밀하고 부착성이 높은 녹층이 형성될 수 있도록 충분한 반복 습윤 및 건조 기간을 포함하는 대기 노출을 받아야 한다. National Steel Bridge Alliance의 입문서(2010)는 보호성 파티나가 형성되기 위한 조건으로 반복적인 습윤과 건조를 제시한다. 지속적인 습윤 상태는 이와 동일한 노출 순서를 제공하지 않는다.

재료 지정도 중요하다. 대기 부식 저항성은 단순히 “내후성 강재”라는 명칭이 아니라 합금의 화학 조성에 좌우된다. 전통적인 내후성 강재 조성에서는 망가니즈, 규소, 크로뮴, 니켈, 구리, 몰리브데넘 및 인을 주요 성분으로 고려한다. Federal Highway Administration의 연구에서는 텅스텐, 타이타늄, 알루미늄 및 희토류 원소의 첨가도 검토했다. ASTM G101-04(2010)은 화학 조성으로부터 상대적인 대기 부식 저항성을 추정하고, 단기간 노출 기록으로부터 장기간의 손실을 추정하는 방법을 제공한다. 그러나 이는 평가 방법일 뿐, 특정 구조물이 허용 가능한 파티나를 형성한다는 보장은 아니다.

ISO 9223:2012는 유용한 환경 평가 체계를 제공한다. 이 표준의 대기 부식성 등급은 표준 시험편의 첫해 부식률을 사용하며, 온도와 습도의 영향, 이산화황 오염 및 대기 중 염분을 고려한다. 따라서 일반적인 기후만으로 현장을 분류하면 중요한 국부적 차이가 가려질 수 있다. 하나의 프로젝트 안에서도 차폐된 하면, 도로 비산수 구역, 해양을 향한 입면 및 산업 오염물질의 이동 경로는 서로 다른 부식 조건에 노출될 수 있다.

FHWA 지침(2003)은 무도장 내후성 강재를 선정하기 전에 습윤 시간, 염화물 노출, 산업 오염 물질, 배수, 형상 및 유지관리 등을 구체적으로 검토하도록 요구한다. 이러한 요인은 상세부 수준에서 검토해야 한다. 이음판 뒤, 보강재 내부, 쌓인 잔해 아래 또는 배수가 불량한 플랜지에 갇힌 물은 인접한 표면이 건조된 후에도 강재를 장시간 젖은 상태로 유지할 수 있다. 그 결과 발생하는 부식은 일반적인 대기 노출 모델에서 가정하는 비교적 균일한 표면 산화로 진행되지 않고 특정 부위에 집중될 수 있다.

형상이 결과를 좌우할 수 있다. 경사진 표면, 개방된 단부, 접근 가능한 턱 및 적절한 크기의 배수 경로는 물이 구조물에서 빠져나가는 데 도움이 된다. 좁은 틈, 수평 포켓, 누수 경로가 있는 밀폐 공간 및 모래나 낙엽이 쌓이는 위치는 파티나의 안정화에 불리하게 작용한다. 갈바닉 효과가 국부적인 부식 거동을 바꿀 수 있으므로, 서로 다른 금속이 접촉하는 부위도 주의해야 한다.

무도장 선정에는 구조적 영향도 포함되어야 한다. 피팅은 비교적 균일한 두께 감소보다 더 큰 응력 집중을 유발할 수 있다. FHWA의 피로 관련 지침에 따르면, AASHTO는 피팅 때문에 일반 무도장 내후성 강재의 모재에 대해 이에 상응하는 비내후성 강재보다 한 단계 낮은 피로 범주를 지정한다. 따라서 피로에 민감한 상세를 일반 부식률이 감소할 것이라는 가정만으로 정당화할 수는 없다. 용접 연결부, 부착물, 볼트 구멍 및 반복 응력을 받는 영역에는 별도의 피로 및 검사 평가가 필요하다.

주변 대기가 깨끗해 보이더라도 합금이 적합하지 않을 수 있다. 2011년에 발표된 FHWA 연구는 대부분의 내후성 강재가 ASTM G101 부식 지수 값 6~7의 범위에 있었으며, 염화물이 포함된 대기에서 현저히 향상된 저항성을 얻기 위해서는 약 9.5 이상에 가까운 값을 목표로 했다고 보고했다. 이 결과는 명확한 설계 원칙을 뒷받침한다. 일반적인 내후성 강재의 화학 조성을 염분으로 오염된 노출 환경에 대한 보편적인 해법으로 취급해서는 안 된다.

환경 제약으로 추가 보호가 유리한 경우

환경이 신뢰할 수 있는 파티나 형성을 방해하거나 국부 부식의 결과가 심각한 경우에는 도장을 선택하는 것이 더 타당해진다. SCI Guidance Note 1.07(2015)은 지속적으로 젖어 있거나 습한 조건, 높은 염화물 또는 염수 분무 노출, 농축된 산업성 흄 및 매설 조건을 무도장 내후성 강재에 부적합하거나 제한적으로만 적용할 수 있는 환경으로 제시한다. 이러한 제약은 개방된 해양 환경에만 해당하지 않는다. 도로 제설염, 차량에서 발생하는 비산수, 누수하는 설비, 밀폐 공간의 결로 및 오염된 유출수도 유사한 문제를 일으킬 수 있다.

추가 보호는 부재 전체에 적용할 수도 있고 특정 구역에만 적용할 수도 있다. 염화물 침착, 이산화황 또는 지속적인 결로가 노출 표면 대부분에 영향을 미치는 경우에는 전체 도장이 적절할 수 있다. 비산수 구역, 교량 상판 배수 경로, 거더 단부, 연결부의 오목한 부분, 은폐면 및 신축이음부 주변에는 국부 도장을 적용할 수 있다. 도장된 강재와 무도장 강재의 경계는 물이 보호되지 않은 모서리로 유도되거나 도장 종단부에 갇히지 않도록 상세 설계해야 한다.

하이브리드 전략은 내후성 강재 부재와 도장된 연결 부품, 밀폐된 접합부 또는 내식성 패스너를 조합할 수도 있다. 이때 갈바닉 적합성과 적용되는 재료 표준을 고려해야 한다. 도장된 판이 볼트 접합부, 틈 또는 손상된 모서리 주변의 모든 위험을 제거한다고 가정해서는 안 된다. 보호 시스템은 여전히 검사와 보수가 가능해야 한다.

상세를 변경하는 것이 도장을 추가하는 것만큼 큰 효과를 제공할 수 있다. 배수를 개선하고, 잔해가 쌓이는 곳을 제거하고, 환기되는 밀폐 공간으로 변경하고, 서로 다른 금속을 분리하거나, 염분을 포함한 유출수가 직접 흐르지 않도록 하면 무도장 강재가 더 예측 가능하게 성능을 발휘할 수 있는 조건을 회복할 수 있다. 반대로, 시각적으로 노출된 표면이라도 오염 물질이 집중되는 위치에 있다면 도장이 필요할 수 있다. 외관은 노출 환경 등급이 아니다.

도장 선정은 검사 주기, 예상되는 손상 및 보수 방법과 연계해야 한다. 표면 처리, 용접 비드 형상, 날카로운 모서리, 볼트, 현장 이음부 및 도장 두께는 모두 사용 성능에 영향을 미친다. 도장 손상 부위에 안전하게 접근할 수 없는 경우에는 무도장 해법이나 다른 방식으로 상세화한 해법이 유지관리 부담을 더 쉽게 관리할 수 있다. 따라서 올바른 비교 대상은 “파티나 대 도장”이 아니라, 계획된 사용 기간 전체에 걸친 완전한 부식 제어 시스템이다.

유지관리 가정 및 검사 가능성

모든 전략에는 유지관리 가정이 따른다. 무도장 내후성 강재는 검사자가 녹층이 균일하게 형성되고 있는지 확인하고, 물의 체류를 식별하며, 국부 부식이 가속되기 전에 잔해를 제거할 수 있다는 것을 전제로 한다. 또한 유출수로 인한 얼룩, 녹 스케일 및 면밀한 검사를 위한 접근성이 설계상 허용 가능한 결과라는 가정도 포함한다.

도장 시스템은 균열, 기포, 박리, 기계적 손상 및 모서리나 결함 부위의 부식에 대해 계획된 검사를 실시한다는 것을 전제로 한다. 보수에는 적합한 재료, 적절한 기상 조건 및 세척과 재도장을 위한 접근성이 필요하다. 이러한 작업이 수행되기 어려울 것으로 예상된다면, 명목상의 도장 수명을 설계의 유일한 근거로 사용해서는 안 된다.

부재를 밀폐하거나 차량, 물 또는 설비 위에 설치하기 전에 검사 접근성을 확보해야 한다. 배수구는 계속 보이고 막힘이 없는 상태로 유지되어야 한다. 은폐면, 받침부 구역, 이음부 내부 및 보강재 단부에는 전용 접근구나 검사 절차가 필요할 수 있다. 모니터링에서는 단면 손실뿐 아니라 그 원인도 기록해야 한다. 원인에는 고인 물, 염분 축적, 도장 결함, 잔해, 누수 또는 부적절한 노출 환경 가정이 포함될 수 있다.

유지관리 계획은 피로 설계에도 영향을 미친다. 응력 집중부의 피팅과 부식은 넓은 면적에 발생한 경미한 녹보다 더 면밀한 검사가 필요할 수 있다. 조기 발견에 의존하는 설계라면 누가 검사하는지, 어떤 상태가 보수를 개시하게 하는지, 보수를 어떻게 수행할 것인지를 규정해야 한다. 이러한 조항이 없다면 “무도장”은 유지관리가 필요 없는 범주가 아니다. 이는 보호 업무를 배수, 노출 환경 제어 및 검사로 이전하는 설계이다.

시험, 노출 데이터 및 장기 부식 예측

실험실 및 대기 노출 시험

내후성 강은 녹이 발생하는지를 묻는 방식으로 평가하지 않는다. 일반 탄소강도 녹이 발생한다. 중요한 질문은 해당 합금이 현장에서 실제로 발생하는 습윤, 건조, 오염 및 세척의 순서와 조건 아래에서 충분히 부착되고 상대적으로 투과성이 낮은 녹층을 형성하는지 여부이다. 실험실 시험은 그러한 경향을 측정할 수 있지만, 어떤 단일 가속 시험도 모든 대기 노출 조건을 재현하지는 못한다.

첫 번째 변수는 조성이다. ASTM A242, ASTM A588 및 ASTM A709/A709M에 따라 지정되는 교량용 강재에는 부식 생성물과 그 부착성을 변화시키는 첨가 원소가 의도적으로 포함된다. 전통적인 합금 설계는 망가니즈, 규소, 크로뮴, 니켈, 구리, 몰리브데넘 및 인에 중점을 두었다. 2009년에 발표된 Federal Highway Administration 연구에서는 텅스텐, 타이타늄, 알루미늄 및 희토류 원소의 첨가도 검토했다. 목표는 단순히 합금 함량을 높이는 것이 아니라, 용접성, 인성, 강도 또는 피로 성능을 저해하지 않으면서 전기화학 반응과 녹층 구조를 변화시키는 데 있다.

ASTM G101-04(2010)은 서로 관련된 두 가지 방법을 제시한다. 이 표준은 단기 노출 결과로부터 장기 대기 부식 손실을 추정할 수 있도록 하며, 화학 조성으로부터 저합금강의 상대적인 대기 부식 저항성을 추정할 수 있도록 한다. 조성에 기반한 부식 지수는 용강 또는 강종을 비교하는 데 유용하지만, 특정 현장 사용을 승인하는 인증서는 아니다. FHWA 연구에 따르면 대부분의 내후성 강은 ASTM G101 지수 값이 6에서 7 사이였으며, 이후의 합금 개발 프로그램에서는 염화물이 포함된 대기에서 저항성을 크게 향상시키기 위해 9.5에 가깝거나 이를 초과하는 값을 목표로 삼았다. 이러한 수치는 지수를 나타내는 것이지, 보장된 사용 수명을 밀리미터 단위로 나타내는 것은 아니다.

ASM Handbook의 Corrosion of Weathering Steels 장은 노출 시험을 야금학과 사용 조건을 연결하는 수단으로 다룬다. 이 장에서는 합금 원소의 첨가, 조성에 기반한 지수, 녹층 형성 및 부식 시험을 다루는 동시에 틈새, 잔해의 포획 및 지속적인 습윤과 같은 설계 문제도 강조한다. 실험실 시험편은 특정 화학 조성이 치밀한 녹층을 형성하는 경향이 있는지를 보여줄 수 있다. 그러나 교량 이음부가 동일한 방식으로 거동할 만큼 충분히 건조한 상태를 유지할 수 있는지 여부까지 결정할 수는 없다.

대기 노출 시험은 누락된 환경적 차원을 제공한다. 시험편을 대표적인 현장에 설치하고, 정해진 간격으로 무게를 측정하고 세척한 뒤 다시 무게를 측정하며, 녹의 외관, 유출수 및 국부적인 공격을 관찰한다. ISO 9223:2012는 표준 시험편의 첫해 부식률을 사용하여 대기의 부식성을 분류한다. 이 체계는 온도와 습도, 이산화황 오염 및 공기 중 염분의 복합적인 영향을 고려한다. 이러한 분류는 노출 조건을 설명하는 데 유용하지만, 계획된 구조물에 대한 검사를 대신하지는 못한다. 비바람을 피하는 보 플랜지, 빗물에 씻기는 웨브 및 염분을 포획하는 이음부는 하나의 교량 안에서도 서로 다른 부식성 조건에 놓일 수 있다.

염수 분무 시험 또는 순환 부식 시험은 특히 염화물 오염이 설계 조건에 포함되는 경우 재료를 신속하게 순위화할 수 있다. 그러나 시험 중 전해질을 지속적으로 공급하거나 건조 과정을 생략한다면 자연 노출 시험을 대체하기에는 부적절하다. 내후성 강은 특유의 파티나를 형성하기 위해 반복적인 습윤과 건조가 필요하다. 계속 젖은 상태로 유지된 시험편은 배수가 자유로운 대기 노출 위치에서는 발생하지 않을 공격을 받을 수 있으며, 지나치게 강하게 건조된 시험편은 해안 또는 산업 지역의 미기후를 제대로 나타내지 못할 수 있다. 따라서 부식 결과와 함께 시험 기간, 용액의 화학 조성, 온도, 습윤 주기 및 시험편의 방향을 보고해야 한다.

단기 데이터와 장기 거동의 차이

초기의 질량 손실은 이후의 성능을 과대평가하거나 과소평가하는 경우가 많다. 초기 노출 동안에는 노출된 강재가 양극 부위에서 빠르게 반응하며, 녹층이 다공성이거나 균열이 있거나 부착성이 낮을 수 있다. 적절한 주기가 반복되면 부식 생성물이 더욱 치밀하고 보호성이 높은 상태로 변하여 이후의 부식률을 낮출 수 있다. 그러나 이러한 감소가 자동으로 발생하는 것은 아니다. 염화물은 공극 내부에 잔류할 수 있고, 이산화황은 표면 수분을 산성화할 수 있으며, 반복적인 마모 또는 유출수는 형성 중인 녹을 제거할 수 있다.

이 글에서 인용한 대기 부식 검토 자료는 안정화 시간과 이후의 정상 상태 부식률을 서로 다른 양으로 설명한다. 시험편은 수년 후 부식률이 감소하는 양상을 보일 수 있지만, 그러한 상태에 도달하는 데 필요한 시간은 기후, 오염물 부하, 방향, 차폐 조건 및 합금 조성에 따라 달라진다. 안정화 전에 종료된 단기 노출 시험으로는 장기 부식률을 확립할 수 없다. 반대로 염화물 습윤을 강제로 발생시키는 단기 시험은 빗물에 씻기는 내륙 표면에 적합하지 않은 손실률을 만들어낼 수 있다.

ASTM G101은 단기 노출 정보를 사용하여 장기 손실을 추정함으로써 이 문제를 다루지만, 그 추정에는 시간에 따라 부식률이 변화하는 방식에 관한 가정이 포함된다. 이러한 외삽은 노출 이력이 의도한 사용 환경과 유사하고 여러 노출 기간에서 동일한 추세가 확인될 때 더 타당하다. 현장 조건이 변화하는 경우에는 그 타당성이 약해진다. 비교적 청정한 노출이 수년간 지속된 후 제설용 염이 유입될 수 있다. 도로의 배수 방식이 새롭게 변경될 수도 있다. 산업 배출량이 감소하거나 인근 배출원이 가동을 시작할 수도 있다. 그러한 변화 이전에 보정된 모델을 아무런 수정 없이 계속 적용할 수는 없다.

따라서 FHWA 지침은 습윤 지속 시간, 염화물 노출, 산업 오염물, 배수, 형상 및 유지관리에 대한 현장별 검토를 요구한다. SCI Guidance Note 1.07은 지속적으로 젖어 있거나 습한 위치, 높은 염화물 또는 염수 분무 노출, 농축된 산업성 연무 및 매설 조건을 도장하지 않은 내후성 강에 부적합하거나 제한적으로만 허용되는 적용 조건으로 규정한다. SteelConstruction.info 역시 배수와 환기, 그리고 물이나 잔해의 축적 방지를 강조한다. 이는 부차적인 상세 설계상의 선호 사항이 아니다. 이러한 요소가 부식 예측에 사용된 노출 조건이 강재 표면에서도 계속 유효한지를 결정한다.

부식 손실은 눈에 보이는 변색과도 구분해야 한다. 어둡고 균일한 파티나가 국부적인 피트를 가릴 수 있는 반면, 주황색 유출수는 실제 단면 손실에 상응하지 않는데도 심각해 보일 수 있다. 측정에는 질량 손실 또는 두께 측정값, 피트 깊이, 틈새 부식, 그리고 모서리·연결부·접촉면의 상태가 포함되어야 한다. 피로에 민감한 부재에서는 평균 두께 손실이 작아 보이더라도 국부적인 피팅이 중요하다. FHWA 피로 지침은 이러한 설계상의 결과를 기록하고 있다. AASHTO는 피팅을 이유로, 도장하지 않은 일반 내후성 강의 모재에 동등한 일반 강재보다 한 단계 낮은 피로 등급을 부여한다. 따라서 평균 손실만 예측하는 부식 모델은 반복 하중을 받는 상세부에 적용하기에는 불완전하다.

녹층 안정화와 예측 모델

유용한 예측은 파티나 형성을 제작 단계에서 영구 코팅을 적용하는 것처럼 보지 않고 시간에 따른 반응으로 다룬다. 습윤과 건조가 번갈아 일어나는 주기는 산화 생성물이 변환되고 치밀화되도록 하며, 배수와 환기는 전해질과의 접촉 시간을 제한한다. 그 결과 녹층은 추가 공격의 속도를 낮출 수 있다. 그러나 녹층의 성능은 녹층을 형성하게 한 동일한 환경적 균형이 유지되는지 여부에 따라 달라진다.

예측 모델은 일반적으로 부식 손실을 노출 시간의 함수로 표현하며, 초기에는 손실이 급격하고 부분적인 안정화 이후에는 낮은 부식률이 나타나는 형태를 사용하는 경우가 많다. 계수는 비교 가능한 현장 데이터에서 도출되어야 한다. 농촌 지역 패널을 이용해 개발된 모델을 염화물이 가득한 해안 교량에 직접 적용해서는 안 되며, 첫해 ISO 9223 부식성 등급을 전체 사용 기간 동안 일정한 상수로 취급해서도 안 된다. ISO 9223은 표준 시험편을 통해 초기 대기 오염 부하를 설명할 뿐, 모든 차폐된 틈새나 향후 유지관리 변경을 예측하지는 못한다.

따라서 장기 예측은 하나의 매력적인 단일 수치가 아니라 범위로 제시해야 한다. 예측에는 가정한 습윤 및 건조 패턴, 오염물 및 염화물 수준, 세척 또는 물 씻김, 유출 경로, 검사 간격, 그리고 재도장이나 보수가 이루어질 시점을 명시해야 한다. 현장 시험편, 기준 패널 및 예정된 두께 조사를 통해 가정한 안정화가 실제로 일어나고 있는지를 검증할 수 있다. 부식이 계속 진행되거나, 피트가 깊어지거나, 습한 침전물이 지속된다면 설계 대응은 배수 개선, 세척, 국부 도장 또는 부식 방호 방식의 변경이 될 수 있다.

핵심적인 공학적 구분은 간단하다. 내후성 강은 적절한 조건에서 대기 부식을 줄일 수 있지만, 향후 부식 손실은 조건부이며 재검토가 가능하다. 화학 조성은 파티나 형성 능력을 부여한다. 노출 이력, 상세 설계 및 유지관리가 그 능력이 실제로 발휘되는지를 결정한다.

점검, 유지관리 및 고장 형태

풍화강은 유지관리가 필요 없는 재료가 아니다. 대기 부식 저항성은 녹층이 비교적 치밀하고 부착된 상태로 유지되는지에 달려 있으며, 이를 위해서는 적절한 합금 화학 조성과 반복적인 습윤 및 건조가 필요하다. 물이 갇히거나 염화물 침전물이 축적되거나 산업 오염으로 부식 환경이 변하면, 녹청은 다공성·균열·부착 불량 상태가 될 수 있다. 그러면 눈에 보이는 표면 아래에서 부식이 계속된다.

따라서 점검은 설계의 일부이다. 목적은 모든 표면이 갈색인지 확인하는 것이 아니라, 강재 선정과 상세 설계 당시 가정했던 노출 조건이 여전히 존재하는지를 판단하는 데 있다.

비정상 부식 및 수분 잔류의 식별

안정적인 녹청은 일반적으로 습윤과 건조가 번갈아 일어나는 기간을 거치며 형성된다. 2010년에 발행된 NSBA 프라이머는 보호성 녹청의 형성에 반복적인 습윤과 건조가 필요하다고 설명한다. 계속 젖어 있는 표면은 노출되고 배수가 자유로운 표면과 동일한 환경 순환을 겪지 않는다. 이러한 표면에는 비교적 균일하고 부착된 녹청 대신, 느슨한 주황색 녹, 어둡고 습한 얼룩, 박리되는 층, 부식 돌기 또는 국부적인 공식이 나타날 수 있다.

수분 잔류는 부재의 평균적인 외관보다 더 중요한 경우가 많다. 점검자는 이음부 아래의 녹물 자국, 겹침부를 따라 이어지는 지속적인 습윤 띠, 수평 플레이트 위의 고인 물, 진흙으로 채워진 볼트 포켓, 연결 플레이트 뒤의 습윤 부위를 확인해야 한다. 좁은 누수 하나만으로도 국부적으로 심각한 상태가 발생할 수 있으며, 부재의 나머지 부분은 양호해 보일 수 있다. 건조한 기간이 지난 후 새로 발생한 녹, 특히 균열·배수구 또는 체결부 주변의 녹은 무해한 색상 변화가 아니라 활성 부식을 나타낸다.

배수 경로에는 세심한 주의가 필요하다. 작은 개구부도 낙엽, 실트, 조류 둥지 재료, 얼음, 용접 스패터 또는 부식 생성물로 막힐 수 있다. 막히고 나면 간헐적인 노출을 전제로 설계된 상세가 영구적인 수분 저장소로 변할 수 있다. 데크 이음부의 누수가 거더 위로 흐르거나, 난간이 염분을 함유한 유출수를 플랜지 위로 유도하거나, 실란트 이음부가 벌어져 플레이트 뒤로 물이 들어가는 경우에도 동일한 고장이 발생한다.

주변 대기 역시 변할 수 있다. ISO 9223:2012는 표준 시험편의 1년 차 부식률을 사용하여 대기 부식성을 분류하며, 온도와 습도, 이산화황 오염 및 대기 중 염분을 주요 요인으로 규정한다. 구조물이 건설될 당시에는 적합했던 부지가 도로 제설제 사용량 증가, 항만 확장, 산업 공정의 변화 또는 교통량 증가에 따른 오염물 침착 증가로 인해 더욱 공격적인 환경이 될 수 있다. ASTM G101-04(2010)은 단기 노출 자료를 이용하여 장기 대기 부식 손실을 추정하고, 화학 조성으로 저합금강의 상대적인 대기 부식 저항성을 추정하는 방법을 제시한다. 그러나 조성 추정치를 구조물의 모든 상세에 대한 보증으로 바꾸어 주는 것은 아니다.

공식은 평균 두께 감소로 인해 훨씬 작은 국부 단면이 가려질 수 있기 때문에 특히 우려되는 현상이다. FHWA 피로 지침에 따르면 AASHTO는 공식 발생을 이유로 무도장 풍화강 모재에 유사한 일반 구조용 강재보다 한 단계 낮은 피로 범주를 부여한다. 전반적인 부식이 경미해 보이더라도 반복 응력을 받는 부재에서는 이러한 감소가 중요하다. 용접 토우, 구멍, 스티프너 단부 또는 연결선 부근의 깊은 공식은 단순히 사진으로 남길 것이 아니라 측정하고 평가해야 한다.

은폐되고 부식되기 쉬운 상세의 점검

점검 계획은 물, 잔해 및 오염물질이 구조물 내부에서 이동하는 경로를 따라 수립해야 한다. 이음부, 이음 연결부, 받침부 주변, 플랜지 변환부, 스티프너 단부, 웨브 관통부 및 볼트 연결부는 배수를 방해하거나 틈새를 만들기 때문에 우선적으로 점검해야 한다. 이음 플레이트와 연결 앵글 아래, 거셋 플레이트 뒤, 볼트 머리와 너트 주변, 그리고 밀폐되었거나 부분적으로 밀폐된 부재의 단부를 확인해야 한다. 은폐된 표면은 노출된 면만 보고 판단할 수 없다.

스티프너는 잔해를 모으고 건조를 방해하는 좁은 수로를 형성할 수 있다. 스티프너 단부에서는 갇힌 물, 불완전한 용접, 용접 틈새 및 녹 팽창에 의한 잭킹을 확인해야 한다. 간헐 용접부와 용접되지 않은 접촉선은 모세관 작용으로 전해질을 머금고 있을 수 있다. 수평 턱부에는 퇴적물과 식물 생장을 확인해야 하며, 이들은 모두 습윤 시간을 늘린다. 접근이 제한된 경우에는 거울, 보어스코프, 초음파 두께 측정 또는 신중하게 선정한 국부 세척이 필요할 수 있다. 부식 메커니즘을 기록하기 전에 세척하여 증거를 제거해서는 안 된다.

서로 다른 금속이 관련된 연결부에는 주의가 필요하다. 전도성 있는 습윤 피막 아래에서 풍화강 부품이 스테인리스강, 아연도금강, 알루미늄 또는 다른 금속과 접촉하면 갈바닉 효과로 인해 부식이 집중될 수 있다. 체결재는 지정된 강재 및 노출 환경과 호환되어야 하며, 모든 도장 또는 절연 시스템은 접촉 계면에서 유효한 상태를 유지해야 한다. 풍화강 녹청이 존재한다고 해서 호환되지 않는 금속 조합이 보호되는 것은 아니다.

매립부, 침수부 또는 지속적으로 습한 위치는 일반적인 대기 노출 표면이 아니라 별도의 노출 조건으로 취급해야 한다. 토양 접촉, 누수하는 설비, 박스형 단면 내부의 결로 및 비말대는 녹청 형성에 필요한 건조 주기를 방해할 수 있다. 2015년에 발행된 SCI Guidance Note 1.07은 지속적으로 젖어 있거나 습한 환경, 높은 염화물 또는 염수 분무 노출, 농축된 산업성 가스 및 매립 조건을 무도장 내후성강의 부적합하거나 제한적인 적용 조건으로 규정한다.

점검에서는 현재 조건을 최초 설계의 근거와 비교해야 한다. 기록에는 부식 형태, 공식 깊이, 영향 면적, 배수 상태, 오염물질 또는 염화물의 발생원, 균열이나 변형의 변화 여부를 명시해야 한다. 피로에 민감한 상세가 있는 경우에는 균일한 육안 조사를 실시하는 것만으로는 충분하지 않다.

최초 설계의 일부로서의 유지관리 조건

유지관리 접근성과 세척 설비는 부식이 나타난 후에 추가할 것이 아니라 제작 전에 지정해야 한다. 설계자는 점검하고 청소할 수 있는 배수 구멍, 물이 고이는 평평한 포켓을 만들지 않는 경사, 잔해가 걸쳐 쌓이지 않을 만큼 충분히 넓은 간격, 밀폐 공간에서 수분이 결로될 수 있는 경우의 환기 설비를 제공해야 한다. 상세 도면에는 물이 이음부에서 어떻게 빠져나가며 어디로 배출되는지를 표시해야 한다. 유출수가 또 다른 부식 취약 표면으로 향한다면, 명목상의 개구부는 배수 대책이 아니다.

선정된 강종과 노출 등급도 서로 연계된 상태로 유지되어야 한다. FHWA 지침은 무도장 풍화강을 선정하기 전에 습윤 시간, 염화물 노출, 산업 오염물질, 배수, 형상 및 유지관리 조건을 부지별로 평가하도록 요구한다. 전통적인 풍화강의 화학 조성은 망간, 규소, 크롬, 니켈, 구리, 몰리브덴 및 인을 중심으로 한다. 2011년에 발표된 FHWA 연구에 따르면 대부분의 풍화강은 ASTM G101 부식 지수 값이 6에서 7 사이였으며, 개선된 내식강 연구에서는 염화물 함유 대기에서 현저히 향상된 성능을 위해 약 9.5 이상을 목표로 했다. 이 결과는 선별 평가와 재료 선정에 도움이 되지만, 불량한 배수를 정당화하지는 않는다.

유지관리 계획에는 누가 배수구를 청소하고, 잔해를 제거하며, 누수를 조사하고, 공식 측정값을 기록하고, 손상된 상세를 보수할 것인지를 명시해야 한다. 또한 기술 검토를 실시할 기준도 정해야 한다. 예를 들면 지속적인 습윤, 새로운 염화물 노출, 느슨해지거나 박리되는 녹, 예상하지 못한 단면 손실, 피로에 민감한 상세의 부식, 대기 노출에서 매립 또는 비말 노출로의 조건 변화 등이 있다. 보수에는 배수 기능 복원, 갈바닉 결합의 절연, 손상 강재의 교체, 누수 밀봉 또는 국부 부위 도장이 포함될 수 있다. 수분 발생 원인을 제거하지 않은 채 눈에 보이는 녹슨 표면에 도장만 하면 대개 고장을 멈추는 것이 아니라 감추게 된다.

최초 설계의 가정은 사용 중에 더 이상 성립하지 않을 수 있다. 녹청은 영구적인 도장이 아니라 조건에 따라 형성되는 부식 생성물이다. 점검과 유지관리는 강재, 형상 및 피로 설계가 전제로 삼았던 범위 안에서 환경 조건을 유지하게 한다.

대기 부식 설계를 위한 실무 워크플로

무도장 내후성 강은 강종명이나 예상 녹색만으로 선정해서는 안 되며, 현장 조건, 재료 및 상세 설계에 관한 일련의 판단을 거쳐 선정해야 한다. 이 합금은 적절하게 습윤과 건조가 반복되는 환경에서 비교적 치밀하고 부착성이 높은 녹층을 형성하도록 설계된다. 이 녹층은 이후의 부식을 줄일 수 있지만, 자동으로 형성되는 영구적인 도막은 아니다. 지속적인 습윤, 염분 침착, 산업 오염, 불량한 배수 또는 외부에 가려진 틈새는 불균일한 표면 피막 아래에서 부식을 계속 진행시킬 수 있다.

이 워크플로는 강종을 선정하기 전에 시작하여 검사 계획 수립 단계까지 이어져야 한다. ISO 9223:2012는 대기 부식성 평가 체계를 제공하며, FHWA 지침은 단순한 분류만으로는 답할 수 없는 현장별 검토 사항을 추가로 제시한다.

대기를 분류하고 오염물질을 파악한다

먼저 지역 기후 자료에만 의존하지 말고 강재 표면에서 나타나는 온도와 습도 양상을 파악한다. 계절별 온도, 상대습도, 강우, 결로, 안개, 동결·융해 주기 및 표면이 육안상 또는 미세한 수준에서 젖은 상태로 유지되는 기간을 기록한다. ISO 9223:2012는 온도·습도의 영향, 이산화황 오염 및 대기 중 염분을 주요 대기 요인으로 간주하고, 표준 시험편에서 측정한 첫해 부식률을 사용하여 부식성을 분류한다. 이렇게 도출된 범주는 비교에 유용하지만, 구조물의 모든 차폐된 플랜지, 접합부 또는 배수 경로의 상태를 설명하지는 못한다.

습윤 시간은 기후와 부식을 연결하는 실질적인 지표이다. 비가 내린 뒤 한 시간 이내에 건조되는 부재와, 이음판 아래에서 며칠 동안 물을 머금는 부재는 서로 다른 노출 환경에 놓인다. 직접 강우, 비산수, 결로, 안개, 누수되는 접합부, 눈이 쌓이는 장소 및 세척수 등 예상되는 습윤 메커니즘을 조사한다. 그런 다음 바람, 태양열, 외피 또는 인접 표면이 건조를 촉진하는지 아니면 방해하는지를 파악한다.

염분은 현장이 단순히 “해안 인근”이라는 진술만으로 평가할 수 없다. 해안선으로부터의 거리, 우세 풍향, 파도 또는 쇄파의 영향, 염분을 포함한 비말, 제설염 사용 및 오염된 유출수의 가능성을 확인한다. 평균 대기 중 농도가 높지 않은 경우에도 염화물은 수평 턱과 틈새에 축적될 수 있다. 제설염이 사용되는 도로 위의 교량은 상부 표면보다 하부 플랜지에서 더 심각한 염화물 문제에 직면할 수 있다.

이산화황 및 기타 오염물질도 발생원 중심으로 평가해야 한다. 교통량이 많은 구역, 연소 설비, 화학 공정, 금속 처리, 비료 저장 시설 및 밀폐된 산업 배출원을 지도에 표시한다. 이산화황은 전해질의 산도를 높이고 녹층의 발달 양상을 변화시킬 수 있다. 먼지는 수분과 오염물질을 머금으며, 그을음과 공정 부산물 침착물은 국부적으로 부식성이 큰 전지를 형성할 수 있다. 배출이 지속적인지, 계절적인지 또는 간헐적인지를 확인해야 한다. 차폐된 상세부에서는 짧더라도 반복되는 오염물질의 유입이 중요할 수 있기 때문이다.

따라서 ISO 범주는 측정 또는 추정된 염화물 침착량, 이산화황 농도, 습윤 시간 및 현지 오염물질 발생원과 함께 기록해야 한다. ASTM G101-04(2010)은 단기간 노출 자료를 사용하여 장기간의 대기 부식 손실을 추정할 수 있으며, 저합금강의 화학 조성으로부터 상대적인 내식성을 추정할 수도 있다. 그러나 이는 계산 방법일 뿐, 노출 증거를 대신하거나 선정된 부재가 보호성 파티나를 형성한다는 보장은 아니다.

재료, 형상 및 노출 조건의 조합을 검토한다

다음으로 정확한 재료 지정, 제품 형태 및 적용 표준을 검토한다. “내후성 강”은 계열을 나타내는 표현일 뿐 완전한 사양이 아니다. 교량 공사에는 ASTM A709/A709M 강종이 적용될 수 있으며, 다른 구조물에는 국가 제품 표준으로 정해진 지정이 사용될 수 있다. 화학적 한계, 기계적 성질, 두께 범위, 용접 요건 및 납품 상태가 해당 표준의 적용 판과 일치해야 한다. 익숙한 강종 표시가 모든 표준에서 동일한 대기 성능을 의미한다고 가정하지 말고, 밀 시험성적서와 용강 화학 조성을 확인한다.

합금 설계는 중요하다. 전통적인 내후성 강의 화학 조성은 망가니즈, 규소, 크로뮴, 니켈, 구리, 몰리브데넘 및 인을 중심으로 검토되어 왔다. 2009년에 발표된 FHWA 연구는 텅스텐, 티타늄, 알루미늄 및 희토류 원소의 첨가도 조사했다. ASTM G101 지수 값은 선별 비교에 활용할 수 있다. FHWA는 2011년에 대부분의 내후성 강이 6에서 7 사이의 값을 보였다고 보고했으며, 해당 연구는 염화물이 포함된 대기에서 내식성을 크게 향상시키기 위해 9.5에 가깝거나 그보다 높은 값을 목표로 했다. 이러한 수치가 보편적인 합격 기준을 정의하는 것은 아니다. 다만 조성, 오염물질 노출 및 염화물 조건을 함께 고려해야 하는 이유를 보여준다.

그 다음에는 형상을 물 관리 시스템으로 평가한다. 모든 표면에는 신뢰할 수 있는 건조 경로가 있어야 한다. 물이 고이는 포켓, 밀봉되지 않은 겹침부, 위쪽을 향한 턱, 좁은 틈새, 막힌 배수공 및 낙엽·진흙·조류 잔해를 가두는 상세를 제거한다. 확실한 배수를 확보하고 밀폐 공간에는 충분한 환기를 제공한다. 물은 유입될 수 있지만 증발할 수 없는 접합부는 밀봉하거나 다른 방법으로 보호한다. 보강재, 이음판, 받침부, 박스 단면, 거셋 플레이트, 연결 앵글 및 콘크리트와 접하는 경계부에 특히 주의를 기울인다.

시각적으로 매력적인 파티나가 형성되었다고 해서 가려진 표면까지 보호되고 있다는 뜻은 아니다. 녹물 얼룩은 안정된 구역에서 흘러나온 유출수를 나타낼 수도 있지만, 물이 고이는 접합부에서 단면 손실이 발생하고 있음을 의미할 수도 있다. 마찬가지로 주황색, 갈색 및 검은색의 서로 다른 색조는 신뢰할 수 있는 성능 단계라기보다 노출 이력, 오염, 수분 보유 또는 안정화 미완료 상태를 반영할 수 있다.

지속적으로 젖거나 습한 환경, 매설 접촉, 지속적인 염수 비말, 농축된 산업 배기가스 또는 통제되지 않는 제설염 비산에 노출되는 적용은 배제하거나 변경한다. SCI Guidance Note 1.07은 이러한 조건을 무도장 내후성 강에 부적합하거나 제한적으로만 허용되는 조건으로 제시한다. 노출 조건을 변경할 수 없다면 도장 시스템, 배수 설계 변경, 부식 여유 두께 또는 다른 재료 전략이 필요할 수 있다.

이 단계에서 인접 재료도 확인한다. 구리, 황동, 스테인리스강, 아연도금 부품 및 알루미늄은 전해질에 의해 서로 다른 금속이 연결될 때 갈바닉 영향을 일으킬 수 있다. 위험도는 면적비, 전기적 연결, 오염물질 농도 및 배수 상태에 따라 달라진다. 필요한 경우 양립할 수 없는 금속을 전기적으로 격리하고, 더 귀한 금속에서 흘러내린 물이 내후성 강에 닿지 않도록 하며, 서로 적합한 체결재와 와셔를 지정한다.

마지막으로 부식을 단순한 외관상의 문제로 취급하지 말고 구조적 영향을 평가한다. 공식은 유효 단면을 감소시키고 국부 응력 집중을 유발한다. FHWA 피로 지침에 따르면, AASHTO는 일반 무도장 내후성 강 모재에 대해 공식 때문에 이에 상응하는 일반 강보다 한 단계 낮은 피로 등급을 부여한다. 따라서 피로에 취약한 교량, 크레인 부재, 진동을 받는 지지부 및 얇은 부재에는 공식에 대한 명시적인 가정, 접합부 분류, 부식 여유 및 검사 접근성을 반영해야 한다.

검사 및 유지관리 가정을 문서화한다

설계 기록에는 무도장 사용을 위해 계속 충족되어야 하는 조건을 명시해야 한다. 여기에는 예상 부식성 등급, 염화물 및 이산화황 조건, 습윤 시간 가정, 배수 성능, 환기, 파티나 안정화 기간 및 노출이 배제되는 구역이 포함된다. 또한 지속적으로 젖는 접합부나 도로 비산수에 노출되는 구역처럼 안정화될 것으로 예상하지 않는 표면도 식별해야 한다.

시공 후 최초 검사 시점과 이후 검사 주기는 구조적 결과, 노출 조건 및 불확실성에 따라 정한다. 초기 검사에서는 전체적인 색상만 볼 것이 아니라 물 고임, 예상하지 못한 염분 침착, 유출수 얼룩, 시공 손상, 용접부, 틈새 및 불균일한 부식을 확인해야 한다. 대표 위치와 의심 위치에서 공식 깊이와 단면 손실을 측정하고, 변화량을 비교할 수 있도록 사진과 고정 기준점을 보존한다.

유지관리 지침에는 잔해 제거, 막힌 배수구 복구, 누수되는 접합부 보수 및 오염물질 침착물 제거 방법을 명시해야 한다. 무분별한 세척을 지시해서는 안 된다. 배수와 건조가 통제되지 않으면 고인 물이 염화물을 새로운 틈새로 이동시킬 수 있기 때문이다. 보수용 도장은 실제 환경과 표면 상태에 맞게 선정하고, 도장 경계와 표면 처리 요건을 문서화해야 한다.

기록에는 또한 조치 발동 기준을 정의해야 한다. 예를 들면 지속적인 습윤, 반복되는 염분 오염, 설계상 허용치를 초과하는 측정 가능한 공식, 부식 공식에서 발생한 균열, 막힌 배수 또는 부식된 상세부 인근의 피로 손상 등이 있다. 이러한 상태에 이르면 배수 개선, 국부 세척, 도장, 두께 측정, 하중 평가 또는 교체가 필요할 수 있다.

어떠한 단일 지수, 강종 지정, 부식성 범주 또는 파티나 색상도 이러한 평가를 대신할 수 없다. 대기 부식 저항성은 조건부 성능이다. 화학 조성, 노출 환경, 형상, 구조적 요구 성능 및 향후 검사가 서로 뒷받침될 때에만 설계가 적합하다고 판단할 수 있다.

참고 문헌

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