[논문]도장계 종류에 따른 강교 도장의 공용수명 예측

이찬영; 장태순

doi:10.7781/kjoss.2016.28.5.325

도장계 종류에 따른 강교 도장의 공용수명 예측
Service Life Prediction for Steel Bridge Coatings with Type of Coating Systems 원문보기

韓國鋼構造學會論文集 = Journal of Korean Society of Steel Construction, v.28 no.5, 2016년, pp.325 - 335

이찬영 (한국도로공사 도로교통연구원, 환경연구실) , 장태순 (한국도로공사 도로교통연구원, 환경연구실)

초록
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국내의 강교 도장 시방에 등재되어 있는 도장계에 대한 공용수명 예측을 위하여 현장 열화도 평가 및 촉진 내후성 시험을 수행하였고, 평가 결과에 대한 회귀분석을 통하여 열화모델을 도출하였다. 현장 적용 실적이 없는 도장계에 대해서는 국외 연구 결과 및 본 연구에서 수행한 촉진 내후성 시험 결과를 참고하여 염화고무계 및 우레탄 마감 도장계의 현장 열화도 평가 결과에 열화도 항목별 조정계수를 적용하여 가상의 평가 결과를 도출한 후에 회귀분석을 실시하였다. 공용수명 예측 결과는 금속용사를 적용하면 도장계의 수명을 일반 도장계 대비 2배 이상 연장시킬 수 있다는 것을 보여주었다.

Abstract ▼ AI-Helper

To predict service life of coating systems registered in Korean specifications for steel bridge coatings, field deterioration evaluation and accelerated weatherproof test were carried out, and deterioration models were drawn through regression analysis for evaluation results. For the coating systems that have not been used in field, regression analyses were carried out for the virtual evaluation results drawn by applying coordination factor to the field evaluation results for chlorinated rubber and urethane topcoat system. Service life prediction results showed that application of thermal sprayed coating (TSC) could extend service life of coatings to more than twice of general coatings.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

강교 도장의 열화모델 수립을 위해 공용 중인 교량의 도장 상태 및 열화도 평가를 위한 현장 조사를 실시하였다. 조사대상 교량은 총165개이며, 그중에서 염화고무계 도장 적용 교량은 98개, 우레탄 마감 도장 적용 교량은 41개, 수용성 무기징크 도장 적용 교량은 21개, 기타 도장 적용 교량은 5개였다.
즉, 열화도 평점이 20~50점일 때가 적정 보수시기이며, 50점 이상이면 시급한 보수가 필요하다고 판정한다. 따라서 본 연구에서는 열화도 평점 50점에 도달했을 때를 도장의 수명이 다 된 시기로 간주하였다.
그러나 보수도장 문제를 해결하기 위해서는 신규도장의 수명을 연장시켜 보수도장 횟수를 최소화시킬 방법을 찾아내는 것이 보다 효과적일 수 있다. 본 연구에서는 향후 건설될 강교량에 적용할 고성능 도장을 발굴하여 보수도장 비용을 절감하고 강교량의 수명연장에도 기여할 수 있는 방안을 마련하고자 도장계 종류에 따른 수명예측을 실시하였다.

가설 설정

제3장의 내후성 시험 결과에서 내후성이 우수한 상도 도장을 순서대로 나타내면 ‘불소수지≧실록산＞우레탄＞세라믹 우레탄’과 같다. 가장 우수한 불소수지 상도의 내후성이 우레탄 상도 대비 약 2배라고 가정하여 조정계수는 불소수지에 대해 0.5, 실록산에 대해 0.7, 세라믹 우레탄에 대해 1.1로 각각 적용하였다.
08로 나타나 염화고무계가 약 2배빠르게 발생하는 것으로 분석되었다. 우레탄, 세라믹 우레탄, 실록산, 불소수지 마감 도장의 박리 진행 속도는 모두같다고 가정하였다.
도장계별 수명예측 결과를 반영하여 생애주기비용(LCC) 분석을 실시한 결과를 Table 9에 나타내었다. 이 결과는 일반적인 부식환경 하의 교량을 가정한 경우이며, 유지보수 시 금속용사 하도는 제거하지 않고 중도, 상도만을 재도장하는 것으로 가정한 결과이다.

제안 방법

UV-응축 방식 촉진 열화는 KS M 5982에 따라 60°C에서 8시간 동안 UVB-313 램프를 사용하여 자외선을 조사하고 40°C에서 4시간 동안 응축시키는 과정을 반복하였다.
38로 나타나 약 10%의 차이가 남을 알 수 있었다. 금속용사를 하도로 사용한 도장계에 대한 열화모델은 모두 염화고무계에 대한 현장조사 결과를 기반으로 하였으므로, 체킹(checking) 및 백아화(chalking)에 대한 조정계수는 우레탄 마감 도장의 현장조사 결과를 기반으로 할 때보다 약 10%씩 하향 조정하여 우레탄, 세라믹 우레탄, 실록산, 불소수지 마감에 대해 각각 0.9, 1.0, 0.63, 0.45를 적용하였다. Table 7에 조정계수 적용의 예를 나타내었다.
내후성 평가를 위해 색차, 황변도 및 광택보유율을 측정하였다. 색차 및 황변도의 측정은 HunterLab 사의 MiniScan^®EZ Plus 장비를 사용하였다.
녹, 박리, 체킹(checking), 백아화(chalking) 등 4개 평가항목이 있으며, 그 중 녹, 박리는 현장에서 사진 촬영 후 한국도로공사에서 개발한 도막진단시스템을 이용하여 녹, 박리 부위를 화상처리하여 열화면적률을 산출하고 Table 4에 나타낸 식에 따라 녹, 박리의 평점을 산정하였다. 이렇게 산정된 개별 부위에 대한 평점과 부재의 크기 및 열화부의 개수를 시스템에 입력하면 교량 전체에 대한 평점이 산정된다.
도장계 간의 내후성 비교를 위해 촉진내후성시험을 실시하였다. 시험은 UV-응축 방식 및 제논아크 방식의 2가지 시험을 실시하였다.
본 연구에서는 현장에서 조사된 열화도 평가 결과를 기반으로 하여 촉진내후성시험 결과 및 국외 연구결과를 반영한 열화도 항목별 조정계수를 적용하는 방식으로 도장계별 수명예측을 실시하였다. 도장 수명 예측 결과 기존에 일반적으로 사용하던 무기징크(IOZ) 하도를 금속용사(TSC)로 대체할 경우 도장계의 수명이 최대 2배 이상 증가하며, 상도를 불소수지와 같은 고내후성 재료로 대체할 경우 도장 수명이 염화고무계 대비 10년, 우레탄계 대비 3~4년 증가할 것으로 예측되었다.
블랙패널 온도는 63°C, 챔버(chamber)의 온도 및 상대습도는 각각 42°C 및 50%로 하였으며, 광원의 복사 조도는 340nm의 파장대에서 0.35W/m2로 조절하였다.
도장계 간의 내후성 비교를 위해 촉진내후성시험을 실시하였다. 시험은 UV-응축 방식 및 제논아크 방식의 2가지 시험을 실시하였다.
제논아크 방식 촉진 열화는 Atlas사의 Ci4000 장비를 사용하여 ASTM G 155-1에 따라 102분간 빛을 조사하고 18분간 빛을 조사하는 동시에 물을 분무하는 과정을 반복하였다. 블랙패널 온도는 63°C, 챔버(chamber)의 온도 및 상대습도는 각각 42°C 및 50%로 하였으며, 광원의 복사 조도는 340nm의 파장대에서 0.
이렇게 산정된 개별 부위에 대한 평점과 부재의 크기 및 열화부의 개수를 시스템에 입력하면 교량 전체에 대한 평점이 산정된다. 체킹(checking) 및 백아화(chalking)는 가장 심하게 발생한 부위의 상태를 평가하여 평점을 부여하였다.
평가항목 중 녹 및 박리에 대한 조정계수는 상도 도장의 종류에 관계없이 각각 0.2 및 0.5를 적용하였다. 녹 평점에 대한 조정계수로 0.

대상 데이터

과거에 국외에서 수행했던 금속용사에 대한 연구사례를 보면 일반적인 도장보다 금속용사가 훨씬 성능이 우수한 것으로 나타났다. 따라서 본 연구에서는 시험대상 도장계를 금속용사를 하도로 사용한 도장계 위주로 선정하였다. 실험에 사용된 도장 시편은 Table 2에 나타낸 바와 같이 도로교 표준시방서에 반영되어 있는 일반 도장계, 그리고 그 일반 도장계에서 하도를 무기질 아연말 도장 대신 아연알루미늄용사로 대체한 도장계로 구성하였다.
본 연구에서 열화모델을 도출하고자 하는 도장계는 총9종의 도장계로서 무기징크 하도를 사용한 일반 도장계 5종 및 금속용사 하도를 사용한 도장계 4종이다. 일반도장계 중 염화고무계 및 우레탄 마감 도장은 기 적용 실적이 많이 있어 현장 조사 결과로부터 열화모델을 도출할 수 있었으나, 기타 7종의 도장계는 적용실적이 거의 전무하여 기존의 연구결과 및 본 연구에서 수행한 실내실험 결과를 참고하여 가상의 열화모델을 도출하였다.
본 연구에서는 ‘도로교 표준시방서’, ‘고속도로공사 전문시방서’등에서 제시하고 있는 강교 도장계의 열화 모델을 도출하여 도장계별 수명을 예측하였다.
금속용사 공법은 금속원료를 가열 및 미립화하여 기체의 압력에 의해 분사시켜 표면처리된 피도체(substrate) 위에 박층의 형태로 입히는 공법이다. 사용되는 금속원료는 분말 또는 선재(wire)의 형태이다. 용사건(thermal spray gun)은 연소성 가스 또는 전기아크를 이용하여 필요한 열을 만들어낸다.
따라서 본 연구에서는 시험대상 도장계를 금속용사를 하도로 사용한 도장계 위주로 선정하였다. 실험에 사용된 도장 시편은 Table 2에 나타낸 바와 같이 도로교 표준시방서에 반영되어 있는 일반 도장계, 그리고 그 일반 도장계에서 하도를 무기질 아연말 도장 대신 아연알루미늄용사로 대체한 도장계로 구성하였다.
Table 7에 조정계수 적용의 예를 나타내었다. 여기서 교량 A는 염화고무계가 적용된 실제 교량이고, A1~A4는 금속용사(TSC)를 하도로 사용한 가상의 교량이다.
강교 도장의 열화모델 수립을 위해 공용 중인 교량의 도장 상태 및 열화도 평가를 위한 현장 조사를 실시하였다. 조사대상 교량은 총165개이며, 그중에서 염화고무계 도장 적용 교량은 98개, 우레탄 마감 도장 적용 교량은 41개, 수용성 무기징크 도장 적용 교량은 21개, 기타 도장 적용 교량은 5개였다. Fig.

데이터처리

현장 적용실적이 없는 도장계는 현장에서 열화도를 평가하는 것이 불가능하기 때문에 염화고무계 및 우레탄 마감 도장계의 열화도 평가 결과에 열화도 항목별 조정계수를 적용하여 가상의 평가 결과를 도출한 후에 회귀분석을 실시하였다.

이론/모형

강교 도장의 열화도 평가는 현재 한국도로공사에서 사용 중인 열화도 평가 기준^[12](Table 4)을 사용하였다.
광택도 측정은 Sheen Instrument 사의 Tri-Gloss Master 장비를 사용하였으며, KS L 2405에 따라 60° 거울면 광택도를 측정하고 KS D 8303에 따라 광택보유율을 산정하였다.
내후성 평가를 위한 색차, 황변도 및 광택보유율의 측정은 UV-응축 방식의 촉진내후성시험과 동일하게 실시하였다.
Table 3에 제논아크 방식 촉진내후성시험 6,462시간 경과 후의 백아화(chalking) 발생 정도에 대한 평가 결과를 나타내었다. 등급의 표기 방법은 KS M ISO 4628-6에 따라 1~5의 5개 등급으로 나타내었다. 백아화(chalking) 정도가 가장 심한 것은 등급 4로 나타난 세라믹 우레탄 마감이었고, 우레탄 마감은 등급 2~3, 실록산계, 불소수지계는 등급 1로서 거의 백아화(chalking) 현상이 없었다.
색차는 ASTM D 2244에서 규정하는 ‘CIE 1976 L*a*b* Uniform Color Space and Color-Difference Equation’에 따라 계산하였으며, 황변도는 KS M 5000-3211에 따라 계산하였다.

성능/효과

과거에 국외에서 수행했던 금속용사에 대한 연구사례를 보면 일반적인 도장보다 금속용사가 훨씬 성능이 우수한 것으로 나타났다. 따라서 본 연구에서는 시험대상 도장계를 금속용사를 하도로 사용한 도장계 위주로 선정하였다.
본 연구에서는 현장에서 조사된 열화도 평가 결과를 기반으로 하여 촉진내후성시험 결과 및 국외 연구결과를 반영한 열화도 항목별 조정계수를 적용하는 방식으로 도장계별 수명예측을 실시하였다. 도장 수명 예측 결과 기존에 일반적으로 사용하던 무기징크(IOZ) 하도를 금속용사(TSC)로 대체할 경우 도장계의 수명이 최대 2배 이상 증가하며, 상도를 불소수지와 같은 고내후성 재료로 대체할 경우 도장 수명이 염화고무계 대비 10년, 우레탄계 대비 3~4년 증가할 것으로 예측되었다. 이 결과는 일반적인 부식환경을 가정한 결과이며, 주변 대기의 부식도에 따라 내구수명은 달라질 수 있음을 감안해야 한다.
14에 나타내었다. 무기징크(IOZ)를 하도로 사용한 일반적인 도장계의 수명은 20~30년으로 나타났으며, 금속용사(TSC)를 하도로 사용한 도장계의 수명은 39~42년으로 나타나 금속용사를 하도로 사용할 경우 도장계의 수명은 최대 2배 이상 연장될 수 있음을 예측할 수 있었다. 상도 도장의 종류에 따라 비교하면 불소수지 도장을 사용할 경우 염화고무계 대비 약 10년, 우레탄 마감 대비 3~4년 정도의 도장 수명 연장이 가능할 것으로 예측되었다.
분석 결과 금속용사(TSC) 하도를 전체 거더에 적용하는 것은 무기징크(IOZ) 하도를 적용하는 것보다 대체로 유리하지 않은 것으로 나타났고, Table 9의 10, 11번 도장계와 같이 부분적으로만 금속용사(TSC)를 적용하는 것이 가장 유리한 것으로 나타났다. 여기서 10번 도장계는 부식 취약부(전체 면적의 10% 가정)에만 금속용사 하도를 적용하고, 자외선 취약부(전체 면적의 10% 가정)에만 불소수지 상도를 적용한 경우이며, 11번 도장계는 부식 취약부(전체 면적의 10% 가정)에만 금속용사 하도를 적용하고, 자외선 취약부(전체 면적의 10% 가정)에만 실록산 상도를 적용한 경우이다.
무기징크(IOZ)를 하도로 사용한 일반적인 도장계의 수명은 20~30년으로 나타났으며, 금속용사(TSC)를 하도로 사용한 도장계의 수명은 39~42년으로 나타나 금속용사를 하도로 사용할 경우 도장계의 수명은 최대 2배 이상 연장될 수 있음을 예측할 수 있었다. 상도 도장의 종류에 따라 비교하면 불소수지 도장을 사용할 경우 염화고무계 대비 약 10년, 우레탄 마감 대비 3~4년 정도의 도장 수명 연장이 가능할 것으로 예측되었다.
열화도 평점 50점에 도달했을 때를 도장의 수명이 다 된 시기로 간주하면 염화고무계 도장의 수명은 평균 20.8년으로 나타났고, 우레탄 마감 도장은 아직 열화도가 높은 교량이 거의 없으나 회귀분석을 통한 예측 결과는 평균 26.6년으로 나타났다.
5를 적용한 것은 염화고무계 및 우레탄 마감 도장계에 대한 현장평가 결과 중 박리의 평점만을 비교 분석한 결과에 근거하였다. 염화고무계 및 우레탄 마감 도장계에 대한 현장평가 결과 중 박리의 평점만을 선형 회귀분석했을 때의 기울기 값은 염화고무계 0.15, 우레탄 마감 0.08로 나타나 염화고무계가 약 2배빠르게 발생하는 것으로 분석되었다. 우레탄, 세라믹 우레탄, 실록산, 불소수지 마감 도장의 박리 진행 속도는 모두같다고 가정하였다.
염화고무계와 우레탄 마감 도장의 현장 열화도 평점 중 체킹(checking) 및 백아화(chalking)만을 도시하여 선형 회귀분석해 본 결과, 염화고무계에 대한 기울기가 0.42로 나타난 반면 우레탄 마감은 0.38로 나타나 약 10%의 차이가 남을 알 수 있었다. 금속용사를 하도로 사용한 도장계에 대한 열화모델은 모두 염화고무계에 대한 현장조사 결과를 기반으로 하였으므로, 체킹(checking) 및 백아화(chalking)에 대한 조정계수는 우레탄 마감 도장의 현장조사 결과를 기반으로 할 때보다 약 10%씩 하향 조정하여 우레탄, 세라믹 우레탄, 실록산, 불소수지 마감에 대해 각각 0.
이상과 같은 실험 결과를 종합적으로 고려했을 때, 불소수지계 및 실록산계가 내후성이 가장 우수한 것으로 판단되며, 이는 불소수지 및 실록산계 수지의 주쇄(main chain)를 이루고 있는 분자간의 결합에너지가 크기 때문이라고 생각된다. 불소수지는 일반적인 유기고분자에서 볼 수 있는 탄소-수소 결합(C-H) 대신 탄소-불소(C-F) 결합을 가지고 있어 주쇄(main chain)의 탄소간 결합 에너지가 커지기 때문에 높은 에너지의 자외선에도 잘견딜 수 있다.
본 연구에서 열화모델을 도출하고자 하는 도장계는 총9종의 도장계로서 무기징크 하도를 사용한 일반 도장계 5종 및 금속용사 하도를 사용한 도장계 4종이다. 일반도장계 중 염화고무계 및 우레탄 마감 도장은 기 적용 실적이 많이 있어 현장 조사 결과로부터 열화모델을 도출할 수 있었으나, 기타 7종의 도장계는 적용실적이 거의 전무하여 기존의 연구결과 및 본 연구에서 수행한 실내실험 결과를 참고하여 가상의 열화모델을 도출하였다.
제논아크 방식 시험에서 색차, 황변도, 광택보유율의 측정 결과는 UV-응축 방식 시험에서의 결과와 매우 유사한 경향을 나타냈으며, 다만 전반적으로 변화 속도가 UV-응축 방식 시험에서 나타난 속도보다는 느리게 나타났다. 이는 두가지 시험에서 사용하는 광원의 특성이 다르기 때문에 나타나는 차이라고 판단된다.
5년간의 패널시험 및 극심한 부식환경에 놓인 3개의 각기 다른 교량에서 수행한 5년간의 패널시험 결과에 근거한 것이다^[7]. 준나금속 블라스트 세정(SSPC-SP10/NACE 2) 등급의 표면처리 후 85/15 Zn/Al 도장을 실시하면 극심한 해양환경 하에서 30년간 5~15% 정도 열화될 것으로 추정하였다.
여기서 10번 도장계는 부식 취약부(전체 면적의 10% 가정)에만 금속용사 하도를 적용하고, 자외선 취약부(전체 면적의 10% 가정)에만 불소수지 상도를 적용한 경우이며, 11번 도장계는 부식 취약부(전체 면적의 10% 가정)에만 금속용사 하도를 적용하고, 자외선 취약부(전체 면적의 10% 가정)에만 실록산 상도를 적용한 경우이다. 초기비용이 가장 저렴한 염화고무계는 LCC 측면에서는 가장 불리한 것으로 나타났다.

후속연구

이 결과는 일반적인 부식환경을 가정한 결과이며, 주변 대기의 부식도에 따라 내구수명은 달라질 수 있음을 감안해야 한다. 이와 같은 연구결과를 근거로 향후 고내구성 도장계가 보다 널리 사용될 것이 기대되며, 전반적인 강교 도장의 수명이 연장될 것을 기대해 본다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	금속용사 공법은 무엇인가?	지금까지 사용되어온 도장계보다 방식성능이 우수하여 공용수명이 길다고 알려져 있는 고성능 도장계로는 금속용사(thermal sprayed coating, TSC)가 대표적이다. 금속용사 공법은 금속원료를 가열 및 미립화하여 기체의 압력에 의해 분사시켜 표면처리된 피도체(substrate) 위에 박층의 형태로 입히는 공법이다. 사용되는 금속원료는 분말 또는 선재(wire)의 형태이다.
	금속용사 공법에서 용사건의 역할은 무엇인가?	사용되는 금속원료는 분말 또는 선재(wire)의 형태이다. 용사건(thermal spray gun)은 연소성 가스 또는 전기아크를 이용하여 필요한 열을 만들어낸다. 금속원료가 가열되면 점성이 있는 상태 또는 용융 상태로 변하고 미립화되어 압축공기에 의해 피도체 방향으로 분사된다.
	금속용사 공법의 금속원료는 어떤 형태인가?	금속용사 공법은 금속원료를 가열 및 미립화하여 기체의 압력에 의해 분사시켜 표면처리된 피도체(substrate) 위에 박층의 형태로 입히는 공법이다. 사용되는 금속원료는 분말 또는 선재(wire)의 형태이다. 용사건(thermal spray gun)은 연소성 가스 또는 전기아크를 이용하여 필요한 열을 만들어낸다.

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원문보기 상세보기
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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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