건조수축, 건조수축 방지 - 체적변화, 균형응력, 시공줄눈, 신축줄눈

안녕하세요.

오늘은 콘크리트의 체적에 변화에 영향을 주는 건조수축에 대해서 알아보도록 하겠습니다.

 

콘크리트는 시간이 경과에 따라 건조수축(Shrinkage)과 크리프(creep) 등의 체적 변화(volume change)가 발생한다. 건조수축이나 크리프 외에 체적 변화를 일으키는 또 다른 이유는 온도팽창(thermal expansion)이 있으며 이 3가지 주요 원인에 의한 체적 변화는 응력과 균열 및 처짐을 일으켜 철근콘크리트 구조물의 사용성에 영향을 준다.

응력의 크기에는 관련이 없이 체적 변화로 변형을 일으키는 건조수축(drying shrinkage)은 시멘트겔 속의 수분이 증발하여 발생하며, 응력의 크기에 좌우되는 변형을 일으키는 크리프(creep)는 지속해서 하중이 작용할 때 변형률이 점진적으로 증가하는 것을 말한다. 종종 건조수축과 크리프는 같은 요인에 의해서 동시에 일어나고 시간이 지남에 따라 변형이 증가한다.

 

1) 건조수축(Drying Shrinkage)

 거푸집과 철근 사이를 빈틈없이 배치할 수 있는 작업성이 좋은 콘크리트 믹스를 만들기 위해서는 이론적으로 수화작용을 위해서 필요한 물보다 거의 2배 이상의 물을 혼합하여야 한다. 콘크리트를 양생하고 건조하기 시작하면 시멘트와 화학작용을 일으키지 않았던 초과분의 수분은 콘크리트의 내부로부터 표면으로 이동하기 시작한다. 이 수분이 증발하면서 콘크리트의 체적은 축소하게 되며, 콘크리트에서 수분의 손실은 표면으로부터의 거리에 비례하게 된다.

 표면에서는 물이 이동해야 하는 거리가 짧으므로 건조가 급속하게 일어나지만, 내부에서는 수분이 이동해야 하는 거리가 있기 때문에 건조는 서서히 일어나게 된다. 이렇게 수분의 손실 때문에 체적이 감소해서 일어나는 수축변형을 건조수축 변형(shrinkage strain) 또는 건조수축(drying shrinkage 또는 shrinkage)이라 한다.

 최대 건조수록 변형들의 크기에 영향을 미치는 가장 중요한 요소는 단위 수량과 상대습도이다. 같은 상대습도 상태에서 단위 수량과 건조수축 변형률 사이에는 거의 선형의 관계가 성립되고 있다. 단위 수량의 영향은 또한 시멘트풀과 골재의 비로도 설명할 수 있는데 콘크리트의 전체 체적 중에서 시멘트풀이 차지하는 체적이 크면 클수록 건조수축이 많이 일어나게 되고. 이에 비해서 골재는 건조수축에 대해서는 저항하는 요소일 것이다.

 건조수축이 일어나는 비와 건조수축의 전체 양(부재의 모양과 크기의 함수)은 체적에 대한 표면적이 늘어날수록 증가한다. 단면에 비해서 상대적으로 넓은 표면적을 가질 때 수분의 증발이 더 빠르게 일어난다. 보강하지 않은 콘크리트 부재가 상대습도 70%에 노출되어 있을 때 건조수축 변형률은 (400~700) x 10^6에 이르지만, 만약에 보강되어 있으면 보강철근이 저항하여 건조수축 변형률은 (200~300) x 10^6까지 감소한다. 특히 부재의 두께가 두꺼울 때 건조수축은 수년간에 걸쳐서 일어나지만 발생하는 전체 건조수축의 대략 90% 정도는 처음 1년 동안에 일어나게 된다.

 건조수축은 또한 골재의 입도(grading), 최대치수(maximum size), 모양(shape)과 조직(texture) 등에도. 영향을 받지만, 골재의 성질 중에서 가장 큰 영향을 미치는 것은 골재의 탄성계수이다. 골재의 탄성계수가 탄성 변형률에 직접적으로 영향을 미치므로 당연히 장기변형인 건조수축의 양에도 상관관계가 성립할 것이다(물론 뒤에서 다루는 크리프에도 같은 영향을 미칠 것이다.).

 부재에서 표면에 가까운 콘크리트가 내부의 콘크리트보다 건조가 빠르게 일어나서 초기에 건조수축 변형률은 내부보다 표면 부근에서 크게 된다. 이렇게 외부와 내부의 건조수축 변형률이 다르므로 내부적으로 자기 균형을 이루기 위해서 내부에는 압축력이 표면에는 인장력이 콘크리트에 발생하게 된다.

 외부와 내부의 건조수축 변형률의 차이를 내부적인 균형 응력(self balancing stresses)의 발생으로 적합성을 만족하는 경우 외에 만약에 부재가 건조수축이 일어나는 방향으로 구속되어 있으면 전체적인 건조수축은 응력을 발생시키게 된다. 예를 들어서 보가 건조수축에 대해서 구속되어 있지 않으면 길이가 기둥 사이의 거리가 줄어들게 될 것이다. 보가 기동에 구속되어 있으므로 길이가 짧아지는 것에 저항하기 위해서 보와 기둥의 절점에는 인장력이 발생할 것이다. 보통 이 응력이 콘크리트의 인장강도를 초과하기 때문에 균열이 발생하게 된다. 초기에 이 균열은 보의 가장 약한 부분에서 나타나서 보의 길이에 따라 전체적으로 나타나게 될 것이다.

 건조수축에 의한 인장균열은 구속된 모든 구조 요소(벽, 슬래브 등)에 나타날 수 있다. 균열이 발생하면 미관상 보기 나쁘고, 전단강도를 저하하면서 보강철근을 환경에 노출하며 우수 등이 침투할 수 있으므로 적절히 조절하여야 한다.

 

건조수축에 의한 균열을 최소화하기 위해서 설계자는

1. 물의 함량을 최소화한다.
2. 다공질이 아닌 치밀한 골재를 사용한다(석영이나 석회석 등).
3. 콘크리트의 양생을 잘한다.
4. 주어진 시간에 치는 콘크리트의 면적과 길이를 제한한다(작은 단면으로 나누어서 콘크리트를 치면 건조균열이 부분적으로 나타나서, 전체 건조균열을 감소시킬 수 있다.).
5. 균열의 위치를 조종하기 위하여 시공줄눈(construction joint, 전단력이 작은 보의 중앙 부근을 선택)이나 다월(dowel) 바를 이용한 신축줄눈(expansion joint)을 사용한다. 구속된 슬래브에서 팽창 이음재 양면에 압축용 패드가 달린 정방형으로 다월을 배치하여 건조수축을 조절하기도 한다.
6. 균열의 폭을 제한하기 위해서 보강철근을 배치한다, 건조수축철근(shrinkage steel)이라 불리는 촘촘하게 분포된 격자형 철근이나 용접철망을 배치하면, 균열의 폭이 좁아져서 눈으로 거의 인식할 수 없는 미세한 균열로 유도할 수 있다.