콘크리트의 수축과 수축에 따른 문제점

이번 시간에는 콘크리트의 수축과  수축을 발생시키는 요인, 수축으로 인하여 콘크리트 구조물에 발생할 수 있는 여러가지 문제점들에 대해서 알아보는 시간을 가져보도록 하겠습니다.

 

 

1. 콘크리트 수축 개요

콘크리트는 경화 과정에서 다양한 원인으로 인해 부피가 줄어드는 현상을 보이며, 이를 "콘크리트 수축"이라 합니다. 수축은 콘크리트 구조물의 균열과 긴장력 손실 등의 원인이 되므로, 이를 최소화하는 것이 매우 중요합니다. 콘크리트의 수축은 크게 자기수축, 건조수축, 탄산수축으로 나뉘며, 각각의 원인과 영향이 다릅니다.

 

2. 콘크리트의 수축 요인

2.1 자기수축 (Autogenous Shrinkage)

자기수축은 콘크리트가 수화 반응을 일으키는 과정에서 내부적으로 수분이 소비되면서 즉, 시멘트 풀이 수축하면서 발생하는 수축을 의미합니다. 주로 고강도 콘크리트나 저슬럼프 콘크리트에서 두드러지게 나타나며, 외부와의 수분 이동 없이 내부 수분이 감소하면서 발생합니다. 자기수축은 일반적으로 미세 균열의 원인이 될 수 있습니다.

 

2.2 건조수축 (Drying Shrinkage)

건조수축은 콘크리트 내부의 수분이 증발하여 외부로 빠져나갈 때 발생하는 수축입니다. 이는 시간이 지남에 따라 점진적으로 진행되며, 주로 대기와 접촉하는 표면에서 강하게 나타납니다. 건조수축은 구조물의 균열을 유발하는 주요 원인 중 하나로, 특히 장기간에 걸쳐 영향을 미칩니다.

 

2.3 탄산수축 (Carbonation Shrinkage)

탄산수축은 대기 중의 이산화탄소(CO2)가 콘크리트 내부로 침투하여 수산화칼슘과 반응하면서 탄산칼슘을 형성하는 과정에서 발생하는 수축입니다. 이 과정은 콘크리트 표면에서 시작되어 점차 내부로 진행되며, 장기적으로 콘크리트의 중성화를 초래할 수 있습니다.

 

이 세가지 요인중 일반적으로 건조수축의 영향이 가장 크지만, 시멘트 양이 많이 사용된 고강도콘크리트는 자기수축이 무시하지 못할 정도로 발생할수 있습니다.

 

3. 건조수축에 영향을 주는 요인

3.1 단위수량

단위수량(물-시멘트 비율)이 많을수록 콘크리트 내부에 남아 있는 수분이 많아지므로, 이후 건조수축이 크게 발생할 수 있습니다. 따라서 유동성을 확보하는 범위내에서 단위수량을 최소화하는 것이 건조수축을 줄이는 데 중요한 요소가 됩니다.

 

3.2 단위시멘트량

시멘트량이 많아지면 수화 반응으로 인해 더 많은 수축이 발생합니다. 또한, 시멘트의 수화열로 인해 미세균열이 발생할 가능성도 증가합니다. 따라서 강도를 확보하는 범위내에서 가능하면 단위시멘트량을 적게 하여 부배합(rich mix)을 피해야 하고, 적절한 단위시멘트량을 유지하는 것이 중요합니다.

 

3.3 골재의 종류 및 최대 치수

골재의 종류와 최대 치수는 콘크리트의 수축 특성에 영향을 미칩니다. 일반적으로 골재의 크기가 클수록, 그리고 강성이 높은 천연골재를 사용할수록 건조수축이 줄어듭니다.

 

3.4 시멘트의 종류 및 품질

시멘트의 종류에 따라 수화 반응의 속도와 양상이 다르므로, 이에 따라 건조수축이 달라질 수 있습니다. 낮은 수축 성능을 가진 시멘트를 사용하면 건조수축을 줄일 수 있습니다.

 

3.5 다짐 정도

콘크리트 다짐이 충분하지 않으면 내부에 잔존하는 기포로 인해 수분 증발이 촉진되어 건조수축이 증가할 수 있습니다. 따라서 적절한 다짐이 필요합니다.

 

3.6 양생 조건

양생이 충분하지 않을 경우, 급격한 수분 손실이 발생하여 건조수축이 커집니다. 특히 초기 양생이 중요한데, 습윤 양생을 적절히 수행하면 건조수축을 최소화할 수 있습니다.

 

3.7 부재 단면 치수

단면 치수가 작을수록 건조가 빠르게 진행되어 수축이 커질 가능성이 있습니다. 따라서 부재의 크기와 형태에 따라 수축을 예측하고 보완하는 설계가 필요합니다.

 

4. 콘크리트 수축 저감 방법

4.1 단위수량 저감

콘크리트의 수축을 감소시키려면 유동성을 확보하는 범위 내에서 단위수량을 줄이면 건조수축이 감소합니다. 또한 수축 저감을 위해 고성능 감수제를 활용하여 물-시멘트 비를 낮추는 방법이 효과적입니다.

 

4.2 단위시멘트량 저감

시멘트량을 줄이기 위해 혼화재(플라이 애시, 고로슬래그 등)를 사용하면 건조수축을 줄일 수 있습니다.

 

4.3 골재 최적 배합

최대 치수가 크고 강성이 높은 골재를 사용하여 콘크리트의 수축을 저감할 수 있습니다.

 

4.4 적절한 양생

충분한 습윤 양생을 수행하여 초기 수분 손실을 방지함으로써 건조수축을 줄일 수 있습니다.

 

4.5 수축 저감제 사용

수축 저감 혼화제를 사용하면 미세균열의 발생을 최소화할 수 있습니다.

 

5. 콘크리트 수축으로 인한 구조적 문제

5.1 균열 발생

5.1.1 부등건조수축균열

콘크리트 표면과 내부의 건조 속도 차이로 인해 발생하는 균열입니다. 외부는 빠르게 건조되는 반면, 내부는 상대적으로 천천히 건조되므로 표면에는 내부구속에 의해 인장응력이 발생하고 이로 인하여 표면에 균열이 발생할 수 있습니다. 이러한 균열은 특히 넓은 슬래브에서 많이 발생하며, 초기 양생이 부족할 경우 더욱 심화됩니다.

부등건조수축균열

 

5.1.2 외부구속에 의한 수직균열

옹벽과 같이  길이가 긴 구조물에서 기초와 벽체의 콘크리트 타설 차이로 인하여 발생하는 균열입니다. 콘크리트를 먼저 친 기초 콘크리트는 먼저 경화되어 수축이 진행되지만, 이후 기초상부에 타설되는 벽체 콘크리트는 기초 콘크리트의 구속에 의해 수축하지 못하여 인장응력이 발생하고, 이 인장응력이 콘크리트의 인장강도를 초과할 경우 수직균열의 형태로 균열이 발생할 수 있습니다.

 

5.1.3 시공이음부 균열

콘크리트 타설이 여러 단계로 진행되는 경우, 기존 콘크리트와 신설 콘크리트의 수축 차이로 인해 이음부에서 균열이 발생할 수 있습니다. 이러한 균열을 방지하기 위해서는 충분한 양생과 적절한 시공 이음 계획이 필요합니다.

 

5.2 프리스트레스트 콘크리트의 긴장력 손실

프리스트레스트 콘크리트의 경우, 콘크리트 수축으로 인해 프리스트레싱 힘이 감소하여 구조적 성능이 저하될 수 있습니다.

 

6. 결 론

콘크리트 수축은 다양한 요인에 의해 발생하며, 이를 최소화하기 위해 적절한 배합 설계 및 시공 방법을 적용해야 합니다. 특히 건조수축을 줄이는 것이 가장 중요한 요소이며, 이를 위해 단위수량 및 단위시멘트량을 줄이고, 적절한 양생을 수행하는 것이 필수적입니다. 오늘 이 시간에는 콘크리트의 수축과 수축으로 인해 발생할 수 있는 여러가지 문제점에 대해 알아보았습니다.

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