콘크리트 균열의 발생 원인과 대책 II

9월 연재

1. 서 론

2. 콘크리트의 균열과 내구성

3. 콘크리트의 재료 조건에 의한 균열

3.1 소성수축균열

3.2 침하균열

10월 연재

3.3 건조수축균열

3.4 수화열에 의한 균열

4. 결 언

3.3 건조수축 균열

3.3.1 소성수축균열

콘크리트 타설 초기에 시멘트페이스트는 습윤의 손실이 발생하며 이로 인해 수축이

유발되고 최대 콘크리트 체적의 0.05%까지 수축한다고 알려져 있다. 이 콘크리트의

수축이 어떤 구속력도 없이 발생한다면 콘크리트에는 균열이 발생되지 않는다. 그러나

콘크리트 구조물은 기초나 다른 구조부재 또는 콘크리트 내부의 보강철근 등에 인해

구속을 받는 것이 보통이다. 이와 같이 수축과 구속의 조합에 의해서 콘크리트

내부에서는 인장응력이 발생하며, 이러한 인장응력이 콘크리트의 인장강도에 도달하게

되면 콘크리트에는 균열이 발생한다. 그림 3 은 이러한 건조수축균열의 발생과정을

도식화한 것이다.

그림 3. 건조수축에 의한 균열발생과정

-1-

구속력의 또 다른 형태는 콘크리트 표면에서의 수축과 콘크리트 부재 내부에서의

수축량의 차이에 의해 발생할 수도 있다. 건조수축은 항상 대기에 노출된 표면에서 크기

때문에 콘크리트 내부에서는 콘크리트 표면의 수축을 구속한다. 이와 같은 차이로 인해

인장응력이 발생하며, 이러한 인장응력은 표면균열의 원인이 된다. 표면에 생기는 균열은

초기에 콘크리트 내부로 관입되지 않으나, 추가적인 건조를 받게되면 콘크리트 부재

내부로 깊숙히 전파하게 된다.

건조수축에 영향을 미치는 주요 인자로는 시멘트, 골재형태, 함수비 및 배합성분

등이며, 콘크리트의 수분 손실률, 부재의 크기 및 형상, 환경요인 및 건조에 노출된 시간

등에 따라서도 크게 영향을 받는다. 그 중에서 건조수축과 관련한 재료적인 요인을

기술하면 다음과 같다.

가) 시멘트의 영향

건조수축의 크기는 시멘트의 종류에 의존한다. 각종 시멘트를 사용하여 제작한

콘크리트를 통해 실험한 결과에 따르면, 중용열시멘트나 플라이애쉬를 혼합한 시멘트가

가장 적은 건조수축을 나타낸다. 그 다음으로는 조강 포틀랜드시멘트와 보통

포틀랜드시멘트가 비교적 근사한 건조수축을 보이고 있으며 실리카나 고로슬래그를

혼합한 경우는 품질, 분말도, 분쇄방법에 따라 차이가 있지만 보통 포틀랜드시멘트에

비해 건조수축이 매우 높은 것으로 알려져 있다. 균열발생시기도 시멘트별로 차이가

있어 고로슬래그를 사용한 경우는 균열발생시기도 가장 빠르고 다음이 보통

포틀랜드시멘트, 플라이애쉬시멘트 순으로 나타나고 있다. 그림 4 는 종류별로

모르타르를 제작하여 실험한 결과를 나타낸 것이다.

그림 4. 시멘트의 종류와 건조수축과의 관계

-2-

그러나 JIS 나 ASTM 에 따르면 고로슬래그시멘트라 하여도 습윤양생기간을 길게

하면 건조수축이 작아져 보통 포틀랜드시멘트와 비교하였을 때 별 차이가 없는 것으로

보고하고 있다. 따라서 건조수축이 많은 것으로 예상되는 시멘트의 경우에는 시공시

양생을 충분히 하는 것이 무엇보다 중요하다.

앞서 설명한 바와 같이 시멘트의 종류별로 건조수축의 크기가 다르지만

그원인 요소로 시멘트 조성화합물 중에서 C3A의 함유량이 크게 영향을 미친다.

일반적으로 C3A의 양이 적은 중용열시멘트나 내황산염포틀랜드시멘트는 건조수축이

작아지는 경향은 바로 이에 기인한다. 따라서 미국의 ACI 224 위원회에서는 건조수축을

작게 하려면 C3A/SO3비와 알칼리 함유량을 가능한 한 작게 하도록 권장하고 있다.

또한 시멘트의 분말도도 건조수축에 영향을 미친다. Carlson 의 실험에 의하면

분말도가 높은 시멘트는 일반적으로 콘크리트 수축을 많이 발생시키는 것으로 나타났다.

그러나 분말도의 증가가 수축의 증가와 반드시 비례하는 것은 아니며, 그의

실험결과에서 보면 시멘트의 화학성분이 보다 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다.

혼화재의 영향을 살펴보면, 혼화재 중에서도 백토나 규조토 등이 함유되어 있을

경우에는 단위수량을 증가시키기 때문에 건조수축이 커지는 것이 보통이나 플라이애쉬는

입형이 구상형이기 때문에 단위수량을 감소시킬 수 있으므로 수축저감에 효과가 있으며,

타 연구결과에 따르면 플라이애쉬를 20%로 치환시킨 경우 수축률을 20%정도까지

절감시킬 수 있다고 보고된 바 있다.

나) 골재의 영향

전체 콘크리트의 65～75%를 차지하는 골재는 수축에 중요한 영향을 미친다.

콘크리트의 건조수축량은 시멘트페이스트에 비해 1/4～1/6 정도인데 그 중요한 이유가

골재에 의한 건조수축 억제 때문이다. 그 만큼 콘크리트의 건조수축 및 건조수축균열에

미치는 골재의 영향은 매우 크다.

다) 화학혼화제의 영향

혼화제는 콘크리트의 특성을 개선시키는데 이용되며, 가장 일반적으로 사용되는

혼화제로는 AE 제, 감수제, 경화촉진제, 경화지연제 등이 있다. AE 제 사용은 콘크리트

내부에 공극량을 증가시켜 건조수축을 다소 증가시킨다. 그러나 공기의 함유는 슬럼프의

감소없이 배합수량을 감소시킬 수 있으며, 건조수축은 공기량이 5%가 될 때까지는 별로

영향을 받지 않는다. 감수제와 경화지연제의 사용은 콘크리트 혼합물 중 함수비를

감소시켜 주지만 건조수축은 감소시켜 주지는 못한다.

경화촉진제는 초기 건조상태에서 건조수축을 증가시키는 결과를 가져온다. 경화촉진제

1%를 함유한 콘크리트의 7 일 건조수축은 혼화제를 사용하지 않은 콘크리트의 약 2 배

정도이다. 그러나 건조상태에서 28 일이 지난 후에, 염화칼슘 혼화제를 함유한

-3-

콘크리트의 수축은 혼화제를 사용하지 않은 콘크리트보다 약 40%정도만이 증가하는

것으로 나타났다.

라) 배합수의 영향

배합수는 건조수축에 영향을 미치는 가장 중요한 인자이며, 물의 양이 증가할수록

건조수축량은 증가한다. 또한 건조수축은 수중에 포함되어 있는 불순물의 종류, 농도 및

불순물의 혼합 조합에 따라 다르게 나타난다. 일반적으로 수중에 포함될 수 있는

불순물로는 혼탁물(점토, 후민산, 산화아연 등), 가용성 증발잔유물(Ca2+, Mg2+, K+,

SO42-, HCO3

-, Cl- 등의 조합에 의한 염류), 가용성 물질(당류, 후민산나트륨) 등이 있다.

이러한 불순물의 량이 1000ppm이하인 경우에는 그다지 건조수축에 영향이 없으나

농도가 10,000ppm정도가 되면 건조수축에 미치는 영향은 매우 크게 된다. 특히, CaCl2,

NaCl, Na2CO3 등은 수축률을 40%까지 증가시키고, 해수나 후민산계 회합물은 수축을

크게 할뿐만 아니라 콘크리트의 응결시간이나 강도, 철근의 부식 등에 영향을 주어

균열이 발생될 우려가 있다.

3.3.2 균열발생현상

건조수축균열은 두꺼운 부재와 얇은 부재간 건조속도의 차이에 따른 인장력 발생으로

발생하는 균열의 경우는 그림 5 와 같은 양상을 보인다. 그러나 벽체의 경우는 상.하단에

압축력과 건조수축이 조합적으로 작용하여 그림 6 과 비슷한 형상이 된다. 그 외의

균열현상으로는 구조물 전체가 수축을 받아 인장력이 작용됨으로써 발생되는

균열패턴으로 건물 벽체의 경우 밑층이 윗층의 수축을 구속하므로 윗부분과 밑부분에

변위차이가 발생하여 그림-7 과 같은 형상의 균열이 외벽에 발생된다.

그림-5. 주위의 구속이 강한 경우의 균열

-4-

그림 6. 벽인 경우의 균열

그림 7. 구조물 전체가 수축을 받아 발생되는 벽체균열

3.3.3 제어대책

건조수축은 콘크리트의 표면이 공기에 노출, 건조됨으로써 발생하기 때문에 그

발생량을 줄이기 위해서는 앞에서 기술한 건조수축의 발생원인을 가능한 한 제어하는

것이 필요하다. 또한 적정한 위치에 적당한 양의 철근을 배근하고, control joint 를

사용하여 균열의 발생을 최소화함으로서 그 목적을 달성할 수 있다.

일반적으로 건조수축으로 인해 발생하는 균열을 제어하는 방법으로는 콘크리트

자체의 건조수축을 최소화하는 방법과 발생한 균열을 다수로 분산시켜 무해화시키는

방법, 발생 예상 균열을 인위적으로 한 군데로 집중시키는 방법이 있으며 그 각각의

범주에 속하는 방법에 대해 서술하면 다음과 같다.

-5-

가) 배합방법 개선

콘크리트에서의 건조수축 발생기구는 전술한 것과 같이 시멘트페이스트의 건조수축을

골재로 구속한 결과 구해지는 것이기 때문에 시멘트페이스트의 건조수축을 구속하는

골재량이 많을수록 구속이 커져서 건조수축이 작아진다. 따라서 실적률이 큰 골재를

사용하면 콘크리트속의 골재량이 증가하므로 건조수축을 줄일 수 있다. 또한 골재의

최대 크기를 가능한 한 크게 하고, 강도는 높은 것으로, 흡수율은 낮으며 입도분포가

양호한 골재를 사용하는 것이 바람직하다. 골재에 이분이나 점토성분이 함유되어 있는

경우에는 철저히 세척하여야 하며 특히, 잔골재에는 흙분이 많이 함유되지 않도록

주의하여야 한다. 건조수축의 근본은 콘크리트중의 수분증발이라는 점을 감안할 때

가능한 한 물 사용량을 줄이는 것이 바람직하므로 과도한 슬럼프는 줄이고 물-

시멘트비도 최소범위로 하는 것이 좋다. 잔골재량의 증가는 단위배합수량의 증가와

직결되므로 그 사용량도 가급적 줄여야 하며, 과도한 공기량은 건조수축량을

증가시키므로 피하여야 한다. 혼화제는 단위수량을 줄일 수 있다는 잇점이 있으나

종류에 따라서는 그 성분자체가 갖고 있는 특성으로 인해 건조수축을 증가시킬 수

있으므로 구조물의 형상이나 크기를 고려하여 충분히 검토한 후에 선정하여야 한다.

나) 철근 보강

적당한 양의 철근으로 배근하면 균열의 양을 감소시키고 큰 균열대신 미세한 균열을

고르게 분포시킬 수 있어 안전성과 사용성을 동시에 확보할 수 있다. 철근으로 배근할

경우 수축변형이 철근을 따라 부착응력으로 전달되기 때문에 예상되는 큰 균열이

미세균열로 유도될 수 있다. 단면이 비교적 얇은 콘크리트 부재에서의 건조수축은

철근보강이 매우 효과적이지만 낮은 건조수축이 발생하는 댐과 같은 구조물에서는

필요치 않다. 일반적으로 설계시방서에 규정되어 있는 바닥, 슬래브, 벽체에 대한 최소

배근량 및 배근 간격은 반드시 준수하여야 한다.

다) 팽창시멘트의 사용

팽창시멘트는 초기 경화시 콘크리트를 팽창시킴으로써 수축이 보상되어 균열을 억제할

수 있으므로 콘크리트의 수축균열을 최소화하거나 제거하는데 현재 많이 사용되고 있다.

사용량에 따라 다르지만 경화 초기에는 0.16%까지 길이가 팽창되고 그 후 재령이

지나감에 따라 부재가 건조되는 과정에서 수축되어 결국 전체적으로 변위가 상쇄되기

때문에 균열발생이 방지된다. 팽창재의 사용에 따른 균열저감효과는 상당히 효과적이며

시공사례도 상당히 있으나, 지나친 팽창은 철근을 과도하게 늘어나게 하여 건조과정에서

균열이 발생되고 양생정도에 따른 팽창량의 차이, 거푸집 탈형시기에 따른 강도의 큰

변화 등 문제점이 있으므로 팽창재를 사용할 때에는 사용하는 시멘트와의 상관 특성을

-6-

미리 파악하고 초기 습윤양생을 충분히 하여야 한다. 특히, 이상응결성이 있는

시멘트와는 혼용하여 사용하여서는 않된다.

라) 유발줄눈 설치 및 시공성 향상

차후 시공방법에 의한 균열에서 자세히 설명하겠으나 본 주제와 관련하여 간단히

서술하면, 적당한 간격으로 유발줄눈을 설치하면 부재두께 변화에 의한 응력의 집중으로

균열을 의도된 위치에 발생되도록 하여 보수하는 데 매우 경제적이다. 줄눈을 설치하는

위치에 대해서는 특별한 법칙이 없고 공사 내용에 따라 검토되어야 하겠지만,

외벽콘크리트의 경우는 기둥간 3～4 마다 줄눈을 설치하고 기둥의 양단에도 설치하는

것이 좋다. 횡근의 간격은 종근의 1/2 로 하고 줄눈의 위치에서는 1 개 걸러 한 개씩

절단시켜 배근하는 것이 바람직하다.

시공시에는 콘크리트 다져넣기, 특히 끝마무리에 주의하여야 한다. 일반적으로 수량이

적은 콘크리트의 품질을 향상시킬 수 있는 방법으로는 다짐작업이라 할 수 있으며

다짐을 충분히 한 경우에는 수축저감효과는 물론이고 초기강도 및 장기강도의 증진을

꾀할 수 있다. 또한 끝마무리 후 소정의 재령까지 콘크리트 면에서 수분증발이 발생되지

않도록 양생에 주의를 기울려야 한다.

3.4 수화열에 의한 균열

3.4.1 수화열에 의한 균열발생기구

콘크리트에서 시멘트와 물이 혼합되면 시멘트의 여러 성분들이 화학반응을 일으켜

새로운 물질이 생성하게 되면서 콘크리트가 응결됨과 동시에 경화하는데, 이러한

시멘트와 물과의 화학반응을 수화작용(hydration)이라고 한다. 수화반응이 진행되는

동안에 시멘트페이스트는 열을 발산하여 콘크리트 내부 온도는 상승하게 되고 구조물의

규모 및 경계조건에 따라 부위별로 극심한 온도차를 보인다. 이러한 온도 차이는 체적

변화의 차를 유발시키며, 체적변화에 기인한 인장응력이 콘크리트의 인장응력을 초과할

때 균열이 발생하게 된다.

일반적으로 시멘트의 수화열에 의한 콘크리트 온도상승은 콘크리트의 열특성에 의해

결정된다. 콘크리트의 열특성은 콘크리트를 구성하는 재료의 열적 성질에 의존하기

때문에 콘크리트용적의 대략 70%를 차지하는 골재의 영향이 가장 크다고 하겠다. 한편

콘크리트의 비열(㎉/㎏.℃)과 콘크리트의 단위용적중량(㎏/㎥)과의 곱은 거의 일정하므로

일정량의 수화열에 의한 매스콘크리트의 단열온도상승은 골재의 종류에 관계없이

동일하게 되는 것을 알 수 있다. 실제로 수화열에 의해 온도가 상승한 콘크리트는

주변에 열을 전달하므로 이 열의 이동이 용이한, 즉 열전도율이 큰 콘크리트는

콘크리트내의 온도 상승량이 작다. 그러나 골재의 모암 종류에 의한 열전도율 차이는

-7-

거의 20%의 범위에 수렴되므로 골재의 선택에 따른 열전도율의 크고 작고를 언급하는

것은 그다지 의미가 있다고는 할 수 없다.

일반적으로 시멘트페이스트의 열팽창계수는 10~20×10-6/℃ 정도로, 표-3 에 나타난

골재들의 열팽창계수 5~12×10-6/℃보다는 크다. 콘크리트의 열팽창계수는 둘 사이의

값이며 측정 최소치와 최대치의 평균은 6~12×10-6/℃정도이다. 일반적으로

단위골재량을 늘리는 것은 콘크리트의 열팽창계수의 저감에 효과가 있다. 골재의 종류에

따라 콘크리트의 열팽창계수는 최대 2 배정도 차이를 보이므로 매스콘크리트에 사용할

골재를 복수의 암종에서 선택한다고 하면 다른 품질이 거의 동일한 것으로 열팽창계수가

작은 것을 선정하는 것이 바람직하다. 골재의 열팽창계수는 표 3 에 나타난 것과 같이

골재에 포함되어 있는 실리카 양이 많을수록 크게 되는 경향이 있으므로 골재를 선택할

때는 실리카 함유량을 이용하면 효과적이다.

한편, 콘크리트의 열팽창계수가 작다는 것은 온도응력에 대해서는 좋지만, 골재와

시멘트페이스트와의 열팽창계수가 매우 다르다면 두 재료간의 온도변화에 따른 체적의

팽창률 차로 인해 틈이 생겨 골재와 시멘트페이스트사이에 부착력이 저하된다. 이것은

콘크리트의 강도특성, 내구성 등의 면에서 나쁜 요인으로서 작용하므로 매스콘크리트가

고온하의 상태에 놓이게 되는 경우는 사전에 충분한 검토가 필요하다.

표-3. 암석과 콘크리트의 열팽창계수

열팽창계수(×10-6/℃)

암석 콘크리트 암석분류 실리카비율

(wt.%) 범위 평균 범위 평균

각암

규암

석영

사암

대리석

실리카성 석회석

화강암

조립 현무암

현무암

석회석

결정질 골재

경량골재

94

94

94

84

negligible

45

66

50

51

negligible

5-9.5

-

7.38-12.96

7.02-13.14

-

4.32-12.06

2.16-16.02

3.60-9.72

1.80-11.88

4.50-8.46

3.96-9.72

1.80-11.70

-

-

11.88

10.26

-

9.36

8.28

8.28

6.84

6.84

6.48

5.58

-

-

11.34-12.24

11.70-14.58

9.00-13.14

9.18-13.32

4.32-7.38

8.10-10.98

8.10-10.26

-

7.92-10.44

4.32-10.26

9.00-13.68

5.04-10.98

13.14

12.06

-

11.34

10.62

10.62

9.54

9.54

9.36

8.64

-

7.92

-8-

3.4.2 온도균열의 특징

매스콘크리트에 발생하는 균열은 폭이 크고 부재를 관통하는 경우가 많아 구조물의

내력이나 내구성, 미관을 해치는 경우가 많기 때문에 시공 전에 구조물 내부의 온도상승

및 하강량을 미리 예측하고 온도상승량과 하강량을 최소화할 수 있는 대책이 사전에

필요하다.

그림 8. 매스콘크리트의 균열 분류

매스콘크리트의 시공시에 발생하는 온도균열은 그 발생과정 및 생성과정이 명확히

규명되어 있지는 않지만 그 간의 조사 경험에 따르면 다른 균열과 달리 약간의 특징이

있다. 그 특징으로 온도균열의 방향이나 위치 및 폭에는 규칙성이 있고, 균열발생이

콘크리트 타설 후 대략 2～4 주일이내에 발생하는 것이 특징이라 할 수 있다.

매스콘크리트의 균열은 그림-8 과 같이 경화 전에 생긴 것과 경화 후에 생긴 것으로

-9-

대별할 수 있으며 경화 전에 발생한 균열은 보통 플라스틱균열이라 하여 경화가

시작되는 매우 초기에 발생하는 균열이다.

또한 경화 후에 발생하는 균열은 건조수축에 의한 균열과 수화열에 의한 균열로 나눌

수 있다. 건조수축에 의한 균열과 수화열에 의한 균열은 균열형태 및 발생기구가 매우

유사하여 구분이 곤란하지만 일반적으로 건조수축에 의한 균열은 장기에 걸쳐서 일어나

주로 1 개월이 경과한 시점에서 일어나는 반면 온도균열은 단기간 이내에 발생하기

때문에 발생시기를 통해 균열의 종류를 개략적으로 판별할 수 있다.

온도균열은 발생원인에 따라 두 가지로 구분되는데, 그 중 하나는 구조체의 표면과

중심부와의 온도차로 인해 팽창이 구속을 받아 발생하는 균열이고, 다른 하나는

온도상승이 최대에 도달한 후 온도가 하강함에 따라 콘크리트가 수축을 하면서 이

수축이 방해를 받아 발생되는 균열이다. 전자의 경우는 콘크리트 타설 후 초기 1

~2 일이 경과하는 시점에서 주로 발생하며 관통균열보다는 표면균열로 발생되므로

직접적인 구조적 문제보다는 내구성에 영향을 미친다. 발생시기 또한 온도상승이 최대에

도달한 후 온도강하로 변환되는 시점과 대체로 일치한다. 그러나 후자의 경우는 균열이

대부분 구속면에 대해 직각방향으로 발생하며 수축을 방해하는 구속물의 종류와 형상,

크기에 따라 다르지만 대체적으로 관통균열으로 진행되는 경우가 많고 그 발생시기도

콘크리트 타설 후 1 주일에서 보름이 경과한 시점에서 발생하게 된다.

매스콘크리트에서 발생하는 균열이 내부구속에 의한 것인지 외부구속에 의한 것인지에

대해서는 구조물과 구속체의 강성비, 구조물의 가로/세로 길이의 비 및 길이/높이의 비에

의해 영향을 받기 때문에 일률적으로 결단을 내리기는 어렵다. 다만 외부구속이 탁월한

경우에는 평균 온도강하량과 구속도의 크기에 크게 영향을 받고, 내부구속이 탁월한

경우는 온도분포형상에 크게 의존하기 때문에 타설블럭의 형상, 구속상태를 고려하여

온도응력해석을 실시하므로써 발생 응력이 무엇에 의해 좌우되는지 검토할 필요가 있다.

가) 내부구속응력이 탁월한 경우

내부구속이 탁월한 경우는 주로 구속체의 탄성계수가 새로 타설한 콘크리트에 비해

현저히 높지 않거나 구조물의 높이에 대한 길이의 비(L/H)가 비교적 작은 경우, 혹은

구속체와의 경계에서 미끄럼이 발생될 가능성이 있는 경우 등 외부구속이 비교적 약한

경우에 나타난다. 이 경우는 콘크리트의 체적변화가 균일하지 못할 때 발생되는

현상으로 콘크리트 구조물의 내부에는 압축응력이 발생하고 외부에는 인장응력이

작용한다. 따라서 이 경우에는 대부분이 표면균열로 발생하는 것이 보통이다.

내부구속이 강한 경우에는 온도응력의 양상이 거의 일정하고 또한 온도분포형상에

크게 의존하기 때문에 단위시멘트량이나 타설온도, 타설높이 등 콘크리트 타설계획에

의해 정해지는 값만 알게되면 온도분포로부터 온도응력을 쉽게 파악할 수 있다.

-10-

나) 외부구속응력이 탁월한 경우

콘크리트 내부의 온도차에 의해 발생되는 응력보다 타설블럭의 크기와 외부구속도의

영향이 더 클 경우에는 구조물 내부의 응력이 초기에는 단면전체에 걸쳐 압축응력으로

나타나다 재령이 경과함에 따라 단면전체가 인장응력으로 바뀌게 된다. 따라서

균열발생은 주로 구속면에 대해 직각방향으로 발생하며 구조물을 관통하는 경우가 많다.

외부구속이 탁월한 경우는 콘크리트 포장, 지반 기초부 콘크리트 및 옹벽구조물과

같이 구속도가 높은 구속체 위에 타설한 콘크리트에 해당되며, 구조물의 크기나 하부의

암반상태에 따라 온도응력의 발생양상이 크게 달라지므로 온도균열의 발생시기나 위치

등에 대한 추정이 매우 어렵다. 이 경우에는 평균온도 강하량과 구속도의 크기에 따라

크게 영향을 받으므로 프리쿨링이나 파이프쿨링 등 주로 내부구속응력을 줄일 수 있는

시공대책만으로는 온도균열을 제어하기 어렵고 최대온도에 도달한 이후의 단위시간당

온도강하량을 줄일 수 있는 방법이나 연속타설시 양 블럭사이에 커다란 온도차가 생기지

않도록 타설간격을 짧게 하는 등 구속도를 줄이는 시공대책이 필요하다.

표 4. 온도균열의 발생위치 및 시기

영향도 균열발생위치 발생시기

내부구속이 탁월한 경우 표면에 분산 발생 1~3 일

내.외부구속이 공존하는 경우 표면 또는 중앙 8~15 일

외부구속이 탁월한 경우 중앙부 15 일 이후

3.4.3 온도 및 온도응력에 영향을 미치는 요인 및 그 대책

온도상승에 영향을 미치는 요인으로는 시멘트의 종류, 단위시멘트량, 콘크리트

타설온도 등을 생각할 수 있으며, 외부로의 열 방출에 대해서는 콘크리트의 두께 및

외부와의 경계조건이 중요한 요인으로 작용한다. 외부구속에 영향을 미치는 요인으로는

구속체와 피구속체(구조체)간의 탄성계수차와 피구속체의 크기가 큰 영향을 미친다.

가) 시멘트 종류의 영향

시멘트의 수화열은 시멘트 구성성분에 의해 결정되며 시멘트를 구성하는 각각의

주요성분에 대해 수화열을 구하여 시멘트의 최종 수화열(HT)을 다음과 같이 예측할 수

있다.

여기서 ( )는 시멘트에 대한 성분의 중량비를 나타낸다.

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즉, 화학 성분비가 다른 각종 시멘트는 서로 다른 수화발열량 및 반응속도를 나타내며,

동일한 배합비라 하더라도 콘크리트의 단열온도상승은 시멘트 종류에 따라 차이가 나게

된다.

나) 단위시멘트량의 영향

콘크리트 온도상승의 원인이 되는 시멘트 수화반응 열량은 콘크리트 배합에 사용된

단위시멘트량에 직접적인 영향을 받는다. 그 예로써 단위시멘트의 사용량을 10kg/m3

줄이면 중앙부 온도상승량은 대략 0.7~1.1℃정도 감소할 수 있고 내.외부의 온도차는

0.3~0.4℃정도 감소시킬 수 있다. 일본 콘크리트공학 협회에서는 수화열에 관한 기존의

실험자료를 토대로 분석하여 표 3.9 와 같이 시멘트별로 단열온도상승곡선의 식을

제안하였다.

다) 타설온도의 영향

시멘트의 수화반응은 주변온도에 크게 영향을 받으며 주변온도가 높을수록

수화반응속도는 빨라진다. 따라서 콘크리트의 타설온도가 높으면 초기의 콘크리트

상승온도는 커지게 된다. 일반적으로 보통 포틀랜드시멘트를 이용한 콘크리트에 대해

타설온도를 변화시켜 가며 측정한 단열온도상승시험결과에 따르면 최대상승온도(K)는

타설온도가 높아지면 오히려 감소하지만 반응속도(α)는 온도에 비례하여 증가하는

양상을 보여주었다. 이와 같은 현상은 타설온도가 높아질수록 초기의 수화반응이

활성화되어 온도상승은 빠르게 되지만 최대상승온도의 경우는 시멘트 입자주위의 결정이

초기에 두꺼워져 시멘트 입자의 완전한 수화반응을 저해하기 때문인 것으로 설명된다.

따라서 실제의 시공에 있어서도 타설온도는 변화하므로 이에 대한 자료의 축적과 검토가

요구된다.

따라서 온도상승량을 줄이는 일환으로 단위시멘트량 조절만큼은 큰 효과를 기대하기

어려우나 타설온도를 낮추게 되면 단열온도상승식중에서 수화반응속도계수 α 가 점차

작아져 수화반응이 지연되므로 결과적으로는 온도균열이 발생할 시기가 점차 늦어지게

되어 온도균열을 제어할 수 있게 된다.

라) 혼화재료의 영향

콘크리트의 시공성 향상을 위해 사용되는 유동화제나 지연제는 수화반응을 일시적으로

억제하거나 지연시키므로 혼화제를 넣지 않은 보통 콘크리트와는 다른 양상의 단열상승

특성을 보이고 있다. 혼화제를 사용하는 경우에는 수화반응의 지연효과를 포함하는

새로운 단열상승곡선이 채택되며 일반적으로 사용되는 식에 지연시간(t0)을 포함하게

된다.

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여기서, t0와 β는 실험변수이다.

한편, 플라이애쉬, 고로슬래그, 실리카흄과 같이 일정 시멘트의 대체 결합재로

사용되는 혼화재는 단위시멘트 감소에 따른 수화열 저감효과 뿐만 아니라 시공성 개선,

콘크리트의 강도 및 내구성 증진에도 효과가 있다. 단열온도상승곡선에 사용되는 경우에

대해 예를 든다면, 혼화재를 사용한 경우에는 최대상승온도와 반응속도에도 영향을 주며

혼화재의 혼입률이 증가할수록 이 두 값이 저하되는 경향을 나타낸다.

따라서 재료적인 측면에서 수화열을 억제하기 위해서는 플라이애쉬나 고로슬래그를

시멘트에 대체 혼입하여 사용하는 것이 바람직하다. 최근 들어 국내에도 대형

매스콘크리트구조물의 축조가 활성화됨에 따라 현재는 앞서 두 개의 혼화재와 시멘트를

혼합한 3 성분계 혼합형시멘트가 사용되거나, 초기강도는 작으나 장기강도측면에서는

보통시멘트와 동등한 발현을 하는 것으로 알려져 있는 C2S의 양을 증가시킨

벨라이트시멘트가 사용 추세에 있다.

마) 분말도의 영향

시멘트의 수화반응은 시멘트 입자와 배합수와의 접촉에 의해 이루어지는 것으로

배합수와 접촉하는 시멘트의 표면적이 증가할수록 수화반응속도는 증가된다. 즉,

시멘트의 분말도가 클수록 배합수와 접촉하는 면적이 증가하므로 시멘트의 분말도에

비례하여 수화반응속도가 증가하게 된다. 특히, 분말도의 효과는 초기 수화반응속도에

많은 영향을 미치는 것으로 보고되고 있다. ACI 207 위원회의 보고에 따르면, 동종의

시멘트에서도 분말도의 대소에 의해 수화발열속도가 크게 다른 것으로 지적하고 있다.

4. 결 언

이상으로 철근콘크리트 구조물의 균열을 발생시키는 요인들에 대하여 그 발생

메카니즘과 대책에 대하여 살펴보았다.

철근콘크리트구조물은 여러 환경조건에 대응하여 끊임없이 변화하며 재료 및 시공의

양부 또는 유지관리의 양부에 따라 그 내구성은 천차만별로 달라질 수 있다. 따라서

콘크리트 구조물에 발생할 가능성이 있는 균열에 대해 사전지식을 갖고 주위

환경조건이나 사용 목적에 적합하도록 콘크리트를 제작하는 것이 구조물의 수명을

연장시키는 데 무엇보다 중요하다. 또한, 구조물에 결함이 발생하였을 때에는 그 결함의

발생원인 및 그 결함에 의한 구조물의 성능저하 등에 대해 예측하고 긴급 조치하는 것이

구조물의 내구성 향상 및 사용성에 기여하게 된다. //

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