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토양 중에 매설된 금속체에 발생하는 부식을 토양부식이라 한다. 토양부식으로 인해 문제가 되는 것으로는 수평방향으로 부설된 각종 저장소 및 배관류, 수직방향으로 항타한 건축 기초 파일 등을 들 수 있다. 이들은 인간사회에 필요불가결한 강재유류탱크, 가스관, 수도배관 그리고 각종 건축구조물의 기초구조물일 뿐만 아니라 부식으로 인한 재해의 위험마저 내포하고 있어 그 대책은 아주 중요하다.
또한 대기 중에 설치된 구조부와 달리 일단 매설된 저장조 및 배관 등은 부식상태를 쉽게 관찰할 수 없어 유류 및 가스나 수도수의 누유 및 누설로 인해 비로소 부식이 감지되는 경우도 적지 않다. 이러한 매설장치나 구조물에 대한 부식대책을 수립하기 위해서는 토양부식의 특성을 충분히 이해하여 둘 필요가 있다. 여기서는 특히 철강의 토양부식에 대해 집중적으로 설명한다. 토양부식은 모두 습식으로 볼 수 있는데, 미크로부식(micro corrosion), 마크로부식(macro corrosion) 및 미주전류부식으로 대별된다.
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토양과 접해 있는 금속체 표면에는 표면상태, 화학조성 등의 사소한 차이로 인해 미시적인 아노드부와 캐소드부로 구성되는 미크로 부식전지(미시적인 국부전지)가 형성되어 있다. 이것에 의한 부식을 미크로부식이라 하는데 부식의 진행에 따라 아노드와 캐소드부의 위치가 이동하면서 비교적 느린 속도로 전면에 균일한 부식이 발생한다.
마크로부식(macro corrosion)
미크로부식에 대해 상대적으로 자연전위가 낮은 부분(아노드부)과 높은 부분(캐소드부)이 거시적인 전지(마크로부식전지)를 형성해 아노드부의 부식이 촉진되는 것을 마크로부식이라 하며 다음과 같은 특징이 있다.
첫째는 미크로부식의 경우와 달리 아노드부와 캐소드부가 거시적인 면적을 보유, 각각 명확하게 분리되어 있으며 그 위치는 변하지 않는다.
둘째는 캐소드부의 면적과 아노드부의 면적비가 부식의 중요한 인자로서 부식속도에의 영향이 크다.
미주전류부식을 제외한 미크로부식 및 마크로부식의 경우, 토양부식이 진행되고 있는 강재 전위는 아노드 전위와 캐소드 전위 사이의 값을 나타낸다. 일반적으로 이 전위를 자연전위라 하는데, 토양중에서 자연전위는 대부분의 경우 포화황산동전극 기준으로 -0.4~0.7V의 범위에 있다.
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미주전류란 전철이나 기타 전기설비로부터 대지로 누출되는 전류를 말하며, 주로 직류전류가 부식에 관여한다. 즉, 미주전류는 언젠가는 전원으로 되돌아오는데 이 경로에 금속구조물이 존재할 경우 그 구조물에 유입되어 다시 토양으로 유출되는 부분에서 심한 부식이 발생한다.
토양부식을 촉진하는 인자와 그 작용
토양부식에 영향을 미치는 인자로는 토양조성 함수비, 통기성, PH, 용해성분, 박테리아의 활동도 및 토양 저항율 등이 있다. 이들 각각의 인자는 다른 인자와 서로 상관하고 있는 경우가 많다. 예를 들면 토양조성 함수비가 높아지면 저항율은 떨어지고, 통기성이 불량한 경우 특정 종류의 박테리아 활동이 활발해진다.
토양은 육지의 가장 표층부를 차지하며, 암석의 풍화물을 주체로 여기에 다소의 유기물이 혼합된 물질이다. 모암의 종류, 풍화작용을 좌우하는 기상조건, 퇴적물의 생성과정 등 장소에 따라, 그리고 층에 따라 그 성질이 달라진다. 또 토양입자의 직경에 따라 자갈, 모래, 실트 및 점토로 대별된다.
다음은 토양의 입자크기에 의한 토양분류이다.
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토양은 흙입자(고체), 물(액체), 공기(기체)로 구성되며, 3가지 요소가 차지하는 비율에 따라 토양의 성질이 변하며 토양식별방법은 아래와 같다.
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토양부식은 수분의 존재 하에서만 진행되며, 완전히 건조된 토양 중에서는 발생하지 않는다. 그러므로 통상 함수량인 증가하면 부식도 증가한다. 그러나 토양이 수중에 포함되어 있으면 산소의 확산이 제한되므로 그 부식성은 감소하며 토양 중에 포함된 물에는 다음과 같은 종류가 있다.
먼저 자유지하수(free ground water)는 지하수면 하에 항상 존재하며, 자유수 면을 갖는 물이다. 그리고 중력수(gravitational water)는 토양에 정착하지 못하고 중력의 지배하에 토양 입자의 극간을 통해 이동하는 물이다. 모관수(capillary water)는 토양의 주위나 극간에 표면장력으로 인해 유지되고 있는 물이다. 흡착수(hygroscopic water)는 토양 입자의 표면에 흡착해 있는 물이다.
마크로부식의 부식인자
천연의 토양은 완전한 건조 상태를 나타내는 경우는 없으며, 최소한 2~3%(함수비)의 수분을 포함하고 있는데, 함수비가 커질수록 부식성은 증가한다. 또한 토양 저항율은 함수비가 어느 정도까지는 증가하지만(여기까지는 부식량도 비슷한 경향이 있다) 그 이후는 거의 일정한 값을 나타내며, 토양부식성의 기준으로서 다수의 연구자들이 토양 저항율을 이용하고 있는데, 토양의 부식성과 저항율의 관계는 아래와 같다.
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산소는 토양 중의 금속부식에 있어 중요한 인자로, 흙입자의 틈을 통해 공급된다. 틈을 차지하는 것은 물과 공기이며, 산소는 물에 녹은 상태(용존산소)에서 부식작용을 한다.
통기성은 주로 토양의 조성과 함수비에 지배되는데, 함수비가 지나치게 높으면 공기의 공급이 불충분해진다. 점토분이 많은 치밀한 토양이나 습윤 토양에서는 통기성이 나빠 산소함유량이 작다. 산소함유량이 작으면 금속이 초기 부식속도는 작지만, 이러한 조건에서는 보호피막을 형성하기 어렵기 때문에 장기적으로는 금속표면에 공식을 발생하기 쉽다.
또한 표층부에 가까운 토양 중의 공기는 지상의 대기에 비해 탄산가스량은 많지만(10~100배), 산소량은 거의 일정해 5m이상 깊이의 토양 중에도 상당량의 산소가 포함되어 있을 것으로 예상된다.
pH와 산소
일반적으로 pH4 이하의 강산성 토양에서는 부식이 심한 것으로 알려져 있지만, 실제로 pH만으로 부식성을 결정할 수는 없다. pH가 낮은 토양은 마크로 부식을 촉진하기 쉬운 것으로 추정된다. 보통의 토양은 pH 5.0~8.0의 범위에 있다.
금속성의 부식은 토양 중에 생식하는 박테리아에 의해 현저하게 촉진되는 경우가 있따. 수중에서의 철의 기본적인 부식반응은 2Fe + O2 + 2H2O → 2Fe(OH)2인데, 산소가 공급되는 환경에서는 철의 산화에너지를 이용해 생식하고 있는 철박테리아(호기성 박테리아)가 Fe(OH)2를 산화해 Fe(OH)3를 변화시켜 녹혹이나 슬라임을 생성함으로서 산소 농담전지를 형성하는 원인이 된다.
마크로부식전지의 부식인자
마크로부식전지란 아노드부와 캐소드부의 확실할 구별이 가능하며, 그 위치가 고정되어 있는 부식전지로, 이종금속이 접촉해 구성하는 전지나 통기차전지 등이 여기에 해당된다.
토양은 원래 대부분이 불균질 상태로, 매설 저유조나 배관과 같이 토양을 굴삭해 매설할 경우 토양과 저유조나 배관의 접촉 부분에 따라 비저항과 산소농도가 달라 마크로부식전지를 형성하기 쉽다. 또한 마크로부식전지의 아노드로부터 전류가 유출할 경우 토양이 불균일하면 전류의 유출이 불균일해져 전류밀도가 높은 부분에서 공식이 발생한다. 그리고 이러한 부분에서는 안정된 부식생성물의 생성이 불가능해 부식전류는 점점 공식부에 집중하므로 공식의 깊이는 더욱 깊어진다.
토양환경에서의 마크로부식 원인으로는 1)농담전지의 작용 2) 이종금속의 접촉 3) 건물 기초와의 접촉 등이 있으며, 이들의 영향은 다음과 같다.
1) 농담전지의 작용
농담전지에는 염 농담전지와 산소 농담전지가 있으며 토양 중에서 문제가 되는 것은 산소 농담전지, 즉 통기차전지의 작용이다. 토양 중에 매설되는 강재에는 각종 저장조, 배관류, 강재 파일 등이 있으며, 이들이 상이한 토질에 걸쳐 설치된 경우 통기차전지를 구성해 산소부족부에서 부식을 일으키므로 주의해야 한다.
토양이 비교적 균일해도 깊이가 깊어짐에 따라 공기(산소)의 공급이 적어지므로 지표에 가까운 부분과의 사이에 산소농도의 차가 발생한다. 따라서 수직으로 설치한 저유조나 강관의 경우 깊은 부분에 국부 부식이 집중하는 경우가 있다. 사질토양과 같이 통기가 양호한 토양과 점토질 토양과 같이 통기성이 불량한 토양을 가로질러 저장소나 배관이 매설되면 통기성이 나쁜 토양과 접해있는 강재 표면에서 부식이 발생한다.
또한 지중에 매성된 강구조물이 위쪽 반은 건조해 통기성이 좋은 반면, 하반부 반은 지하수 등으로 인해 상대적으로 습한 상태이기 때문에 강관 하반부에 국부부식이 집중하게 된다. 만약 지중에 매설된 저장조나 강구조물의 지표부가 도로나 주차장, 현관 등 콘크리트로 포장되어 있을 경우 이 부분은 공기의 공급이 방해를 받아 통기차에 의한 부식구조를 형성하면서 국부부식을 발생하게 된다.
2) 이종금속의 접촉
강관보다 전위가 높은 금속이 연결되어 있으면 전지작용에 의해 저장조나 강관이 단독으로 존재할 경우보다 부식이 아래와 같이 촉진된다.
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3) 건물 기초와의 접촉작용
강구조물이 건물로 인입되는 곳에서 건물의 기초 철근과 직접 또는 간접적인 접촉을 할 경우 콘크리트중의 철근은 전위가 높고, 이에 비해 강구조물은 전위가 낮으므로 강구조물의 부식이 촉진된다.
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또한 건물의 기초 철근은 그 표면적이 저장조 및 매설배관에 비해 넓기 때문에 저장조 및 배관의 부식은 심하게 일어난다.
4) 미주전류의 작용
미주전류란 의도된 회로 이외의 경로를 흐르는 전류로, 이 전류가 파이프라인 등의 매설배관에 유입되면 배관으로부터 다시 지중으로 전류가 유출하는 부분에서 심한 부식(아노드 반응)이 발생한다.
각종 금속재료의 토양부식
토양 중에 있어서 각종 금속재료에 관한 부식자료의 대부분은 NBS(National Bureau of Standards : 미국표준국 / 현재 National Institute of Standards and Technology : NIST)에서 실시한 시험결과에 의존하고 있다.
이 시험은 시험재료를 매설해 실시한 것으로, 이종금속이나 기타 구조물과의 접촉이 없는 시험재료를 매설해 실시한 것으로, 이종금속이나 기타 구조물과의 접촉이 없는 경우의 금속 자체에 대한 부식특성을 나타내고 있다.
또한 통기차 부식의 영향도 포함되어 있는데, 이것에 의한 침식도 장거리 매설 배관에서는 확률적으로 좀 더 깊어질 수 있다. NBS의 자료에 의하면 일정 토양에서의 부식도는 철강의 종류에 따른 차이는 거의 없으며 통기 차에 의한 국부 부식은 1.158 ~ 0.3 mm/y로, 평균 0.145mm/y정도의 침식도를 나타낸다.
토양부식의 경감
매설된 강재의 부식은 토양, 전해질 성분, 물의 존재하에서 강재 표면의 아노드 반응과 캐소드 반응이 대응해 일어나는 것이므로 방식의 기본은 이러한 반응이 일어나지 않도록 하는 것이다.
그 방법에는 다음의 4가지가 있다.
(1) 내식성 재료를 사용한다.(스테인레스 강 및 FRP)
(2) 아노드부와 캐소드부를 차단한다.(절연 : 건물기초와 매설배관을 전기적으로 절연한다.)
(3) 강재표면을 전해액으로부터 차단한다(도장)
(4) 아노드 반응의 진행을 전기화학적으로 저지한다.(전기방식)
[글 I 김광근 한국해양대학교 산학연구 교수]
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