건물 수명이 50년인 이유

일반적인 콘크리트 구조의 건물 수명은 50년으로 알고 있습니다. 그렇다면, 왜 건물 수명이 그렇게 정해진 것일까요?

콘크리트 탄산화와 피복두께

콘크리트는 시멘트, 골재, 물로 이루어진 재료입니다. 시멘트가 물과 반응하면 수산화칼슘(Ca(OH)₂)이 생성됩니다. 수산화칼슘은 강한 알칼리성을 띠고 철근이 부식되는 것을 막아줍니다.
콘크리트가 공기 중의 이산화탄소(CO₂)와 접촉하면 수산화칼슘이 탄산칼슘(CaCO₃)으로 변하게 됩니다. 이 탄산화는 수산화칼슘이 없어지면서 알칼리성이 상실되는 것이라 중성화라고도 합니다.
탄산화는 철근의 입장에서는 매우 나쁜 것이지만 콘크리의 입장에서는 좋은 변화입니다. 탄산칼슘은 강도가 높은 물질이기 때문입니다. 따라서 탄산화가 진행되면 콘크리트는 더욱 치밀하고 단단해집니다.
그러나 수산화칼슘이 줄어들게 되면 철근이 녹슬게 됩니다. 탄산화가 깊어져 철근에 도달하게 되면 철근이 녹슬게 됩니다. 철근이 녹슬면 부피가 팽창하고 팽창 압력이 점점 커져서 표면에 있는 콘크리트가 떨어져 나가게 됩니다.
탄산화가 진행된 콘크리트 구조물은 철근이 녹슬어서 철근 단면이 줄어들고, 철근을 감싸고 있는 콘크리트가 탈락하면 구조적인 성능을 발휘할 수 없게 됩니다. 적절히 보강하지 않는 이상은 건물 수명이 다한 것으로 볼 수 있습니다.

피복두께

다행히 탄산화는 그렇게 빨리 진행되지는 않습니다. 그래서 콘크리트 속에 있는 철근의 표면에서 외측까지의 두께(피복두께)를 알면 건축물의 수명을 예측할 수 있습니다. 탄산화 깊이는 시간의 제곱근에 비례하는 것으로 알려져 있습니다.
탄산화 속도 식을 보면 시간의 제곱근 앞에 계수 A가 있습니다. 탄산화속도계수인 A 값은 대기 중의 탄산가스 농도 및 상대습도, 온도 등 여러 조건에 따라 달라집니다.
실외에서는 대기 중의 탄산가스 농도가 높고 온도도 높기 때문에 실내보다 탄산화 속도가 빠릅니다. 일반적으로 실내의 A 값은 3∼10이지만 실외는 3∼8가 됩니다.

피복두께의 중요성

피복두께는 콘크리트의 탄산화를 막아 철근의 부식을 방지하는 데 중요한 역할을 합니다. 일반적으로 기둥이나 보의 피복두께는 40mm 정도입니다. 이 정도 피복두께일 때 콘크리트의 탄산화 속도는 약 64년 정도입니다. 아래는 탄산화속도계수인 A값 5일때 탄산화 깊이 40mm에 도달하는데 걸리는 시간을 계산한 예제입니다.

• t = (x/A)²
• t = (40/5)² = (8)² = 64(년)

따라서 건물의 수명은 약 50~60년 정도로 잡고, 기둥이나 보의 최소 피복두께를 40mm로 정하고 있습니다.