아파트 외벽 누수 경로 분석하기

1. 철근 콘크리트 균열 발생의 원인

1) 보편적 원인
콘크리트는 다공질이다.
콘크리트는 수많은 공극과 모세관으로 이뤄져 있다. 콘크리트를 확대해 보면 수백만개의 작은 구멍과 미세한 균열과 모세관 등 얼마나 많은 작은 공극이 있는지 알 수 있다.

콘크리트가 균열이 되고 탈락되는 여러 가지 원인이 있지만, 가장 보편적으로 물의 침투로 인한 동결·해동 사이클, 염분으로 인한 산성화, 물과 탄산가스에 의해 중성화되는 대표적인 원인이 있다.

물이 콘크리트의 공극에 들어가고 콘크리트를 푸석푸석하게 강도를 떨어뜨리는 과정이 시작된다. 콘크리트 공극으로 운반된 물이 콘크리트를 산성화시키기 때문이다.

물이 콘크리트의 공극 사이로 침투되고 동결됐을 때 부피가 약 9% 팽창해 공극과 모세관을 확장시킨다.

이렇게 균열이 발생된 콘크리트 내부 공극은 물과 화학 약품 등의 침투 경로를 제공하게 된다. 침투 경로 깊이가 깊어지고 철근까지 닿게 되면 철근은 녹슬게 되고 녹이 슨 철근의 체적 팽창으로 또다시 콘크리트의 균열을 발생시킨다.

균열을 발생시키는 원인들의 악순환이 계속돼 콘크리트의 컨디션을 악화시킨다.
ex) 외벽 균열이 많거나, 세라믹 판넬이 노후됐을 경우 늦가을 비에 물이 콘크리트에 침투됐다가 겨울에 얼면서 콘크리트를 탈락시킨다.     

2) 외벽 콘크리트의 중성화와 철근의 부식, 균열발생        
외부에 노출된 콘크리트의 균열 깊이가 깊어지면서 균열 깊이가 철근까지 닿게 되고 균열 경로를 통해 철근에 물(H₂O)과 공기가 접촉하게 되고 수소이온 농도가 높아져 철근 부식이 가속화되고 녹슬게 된다. 철근이 녹슬게 되면 체적이 팽창하게 되고 팽창력에 의해 균열 폭이 넓어진다. 철근이 부식되면 우천에 빗물이 이동할 수 있는 통로 역할을 하며 오래된 건물에서는 먼 곳까지 누수되는 원인이 된다.

※철근(Fe)이 물(H₂O)과 공기와 접촉하면 녹(Fe(OH)₃)과 수소이온(H+)이 발생한다.       
수소이온(H+)은 철근 부식작용을 가속시킨다.     
철근의 녹이 팽창해 콘크리트가 탈락하게 되고 고층 건물에서 발생하게 돼 콘크리트 파편이 떨어져 지나가는 행인이나 혹은 주차된 차량에 떨어지게 되면 심각한 수준이다.

3) 콘크리트의 부식과 균열발생       
철근 콘크리트 건물에서 철근은 빗물이 유입돼 부식하고 콘크리트는 탄산가스(CO₂)에 노출되면서 부식이 촉진된다.   

시멘트(CaO)와  물(H₂O)이 혼합, 수화 반응으로 생성(고체화)된 철근 콘크리트의 콘크리트(Ca(OH)₂: 수산화 칼슘)는 pH12~13으로 강알칼리성을 가지고 있으나 공기 중에 많이 존재하는 산성인 이산화탄소(CO₂)와 접촉해 pH7에 근접한 탄산칼슘(CaCO₃)과 물(H₂O)로 변화하는 콘크리트 중성화(노후화) 현상이 발생한다.

       Ca(OH)₂+ CO₂ =  CaCO₃+ H₂O
 수산화칼슘 + 이산화탄소 = 탄산칼슘 + 물

콘크리트가 pH7 정도로 중성화되면 콘크리트는 푸석푸석해진다.

콘크리트의 pH는 상당히 중요하다. 콘크리트의 3대 주성분인 시멘트, 모래, 골재가 결합되면 pH11~12 정도가 되면서 단단한 구조체가 만들어지는 것인데, 콘크리트가 중성화되면 시멘트, 모래, 골재를 결합하는 힘이 떨어져 콘크리트의 강도가 저하된다.

콘크리트의 pH는 곧 콘크리트의 수명이다.

이렇게 중성화 반응으로 대기 오염도가 높은 지역의 철근 콘크리트는 부식 속도가 빠르며 콘크리트 표면에 균열이 발생할 경우 탄산가스와 물이 내부까지 깊숙이 침투해 전체적으로 구조체가 부식되고 도장이 된 수성페인트가 벗겨지는 등 여러 가지 원인이 발생한다.

부식 정도가 심한 콘크리트는 기온변화에 따른 열팽창 계수가 높아져 같은 환경에 있는 건물에서도 균열의 발생량이 많으며 균열 폭이 크게 나타나고 수분을 많이 흡수한다. 
그래서 건물이 노후될수록 균열이 증가하는 것이다.

콘크리트 pH의 중요성
 pH는 콘크리트의 화학적인 요소이다. 콘크리트의 구성 요소는 시멘트, 자갈, 모래 및 물이다. 포틀랜드 시멘트는 콘크리트의 ‘결합’성분이며 pH가 11에 가까워 매우 알칼리성이다.

pH 수치에 따라 산성, 중성, 알칼리성으로 구분되는데 중성의 pH는 7이고 pH7을 초과할 경우 알칼리성, pH7 미만을 산성이라고 한다.

시멘트가 다른 성분들을 응집하기 위해서는 pH11 또는 그 근처에서 유지하는 것이 중요하다. 소금(pH 약 6 ~ 7) 또는 산성비와 같은 다른 산성 물질이 콘크리트의 공극과 모세관에 침투해 주변 물질을 공격해 pH를 낮추게 된다. pH가 낮아짐에 따라 콘크리트의 응집력이 낮아지게 되고 단단했던 콘크리트는 시간이 지날수록 푸석푸석해진다. 콘크리트가 오랜 시간 동안 산성 환경에 노출되면 남는 것은 모래와 자갈이다.

또한, 동결된 이후 해빙되거나, 소금의 영향으로도 콘크리트의 pH를 낮추는 공정을 거치게 된다. 이 공정을 ‘탄산화’라고 한다. 탄산염은 콘크리트의 시멘트와 공기 중 이산화탄소 사이의 반응으로 발생한다. 탄산염이 되면 다소 느리지만 점차적으로 콘크리트의 pH를 낮춘다. 탄화는 50㎜(2인치) 진행하는데 약 6년이 걸린다.

그래서 열화 칼슘에 대한 콘크리트 손상이나, 동결 해빙으로 인한 콘크리트 손상이 발생하는 것이다.

콘크리트의 pH가 낮아져 철판 보강을 해야 할 정도의 수준에 도달하면 철근을 감싸고 있는 얇은 보호층을 공격해 철근의 부식이 시작된다.철근은 부식 시 최대 6배까지 팽창되며, 부피 팽창으로 발생하는 압력으로 인해 주변 콘크리트가 균열돼 부서지면서 콘크리트의 구조적 강도가 저하된다.

콘크리트의 분해 수준을 나타내는 좋은 지표는 pH 테스트다.

콘크리트의 pH가 9에서 11 사이라면, 콘크리트는 양호하다.(콘크리트의 상태가 양호하게 보임) pH가 7~9이면 콘크리트가 파괴되기 시작한다. 이 수준에서는 표면 손상이 발생할 수 있다. 항상 그런 것은 아니다. pH는 약 6이며, 눈에 보이는 손상은 확실하다. pH 수치가 6 이하면, 콘크리트가 심하게 열화된 것이고 보수 보강이 필요하다. pH 수치가 약 4인 경우 콘크리트를 교체해야 한다.                    <계속>

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