콘크리트 체적 변화 - 크리프(1) / 크리프 변형량, 크리프와 콘크리트 강도의 영향

안녕하세요.

오늘은 콘크리트의 체적 변화에 영향을 주는 크리프에 대해 알아보도록 하겠습니다.

 

콘크리트의 체적 변화 – 크리프(Creep)

 

 일반적으로 건조수축에 영향을 미치는 요인이 크리프(creep 또는 viscoelastic phenomena)에도 영향을 미친다. 실험에 의하면 철근콘크리트 부재의 축 방향 변형이나 휨 변형이 시간이 지남에 따라 증가하였다. 전체 변형은 두 부분으로 나눌 수 있는데 :

1. 하중이 작용하자마자 일어나는 초기 탄성 변형(initial instantaneous deformation)과 이 초기 변형에 이어서 수년간에 걸쳐서 일어나는 크리프(creep)라고 하는 시간 의존 변형(time-dependent deformation)이 일어난다.

 이런 시간 의존 변형이 일어나는 현상은 압축응력을 전달하는 겔 입자 사이의 흡착된 수분층(absorbed water layer)이 얇아지는 경향 때문에 일어나게 된다. 이런 두께의 변화는 처음에는 빠르게 일어나지만, 시간이 지남에 따라 둔화하며 새로운 위치에서 겔 입자 간의 결합이 형성되게 된다.

 크리프 변형은 초기에 매우 빠르게 일어나지만, 시간이 지남에 따라 증가 속도가 점점 감소한다. 대략 전체 크리프 변형률의 3/4이 처음 하중이 작용한 1년 동안에 일어나고 있다. 만약에 하중을 제거하면 즉시 탄성 회복(instantaneous elastic recovery)이 먼저 일어나고 이어서 얼마간의 크리프 회복(creep recovery)이 일어나지만, 회복할 수 없는 연구 변형(잔류 변형률)이 변형된 위치의 겔 입자들의 결합 때문에 남게 된다.

상대습도(relative humidity)가 낮은 환경에 보관된 시험체는 건조로 인해서 추가적인 크리프가 일어나며 이를 구분하기 위해서 건조 크리프(drying creep)라고 하고, 주위 환경과 습기의 이동이 없는 상태에서의 크리프를 기본 크리프(basic creep 또는 true creep)라 한다. 일반적으로 이 두 크리프를 통합하여 크리프라고 한다.

 크리프는 다른 관점에서도 생각할 수 있는데 만약에 응력을 받는 콘크리트 공시체에 일정한 변형률이 작용한다면 시간에 따라 크리프는 응력이 감소하는 현상으로 나타날 것이다. 이렇게 변형률을 일정하게 유지할 때 응력이 감소하는 현상을 응력이완(stress relaxation) 또는 이완(relaxation)이라 한다.

크리프 변형량은

1. 콘크리트의 강도에 대한 지속 응력의 비,
2. 하중이 작용하는 시점 콘크리트의 강도와 재령,
3. 하중이 작용하는 지속 기간에 좌우된다.

 크리프 변형량은 또한 굵은 골재의 종류, 양, 최대치수, 시멘트의 종류, 시멘트풀의 양, 보강철근의 양 등과 같은 콘크리트의 구성성분과 표면 체적비(부재의 치수), 사전 양생 조건, 주위의 온도 및 습도 등과 같은 노출 조건에 따라 좌우된다. 보통 응력의 범위에서 크리프는 지속 응력의 크기에 비례한다. 1958년 Troxell 등은 물-시멘트비가 0.69이고 압축강도가 21 MPa인 콘크리트를 이용하여 수행한 실험에서 지속력의 크기와 크리프 사이에 직접적인 비가 성립하는 것을 보여주었다. 예를 들어서 90일간 양생을 하고 10년간 지속하여 하중을 작용한 실험에서 지속력의 크기를 4.1 MPa, 6.2 MPa, 8.2 MPa로 증가시켰을 때 각각 680x10^-6, 1,000x10^-6, 1,450x10^-6의 크리프 변형률을 보여주었다. 응력의 크기가 4.1 MPa에서 8.2 MPa로 2배 증가하면 크리프 변형률도 대략 2배 정도 증가하는 것을 보여주고 있다. 작용하는 지속 응력의 크기가 응력•변형률 곡선의 탄성 범위 안에만 있으면 크리프 변형률의 증가도 같은 비율을 유지하게 된다.

 

 콘크리트의 강도가 많이 발달한 재령 3개월에 하중이 작용하기 시작한 시험체는 재령 28일에 하중이 작용하기 시작한 시험체에 비해서 작은 크리프 변형률을 보여주고 있다. 지속 응력의 크기가 비례한계의 응력 범위를 초과하게 되면 응력의 크기가 증가하는 것에 따라 크리프가 증가하는 비도 증가하며, 크리프에 의해서 시간 파괴(time failure 또는 크리프 파괴)가 일어나는 응력/강도 비(stress/strength ratio)가 존재하게 된다. 이 응력/강도 비는 정적 압축강도의 대략 0.8~0.9의 범위에 존재하며, 이 범위의 응력이 작용하게 되면 크리프는 주어진 콘크리트의 극한 변형률에 이를 때까지 발달하여 최종적으로 시험체는 파괴되게 된다.

크리프 회복(creep recovery)도 역시 작용한 응력의 크기에 비례한다. 재령이 작은 콘크리트에서는 크리프에 의한 체적이나 길이의 변화는 회복하기 어렵지만 재령이 많거나 건조한 콘크리트에 서는 대부분 회복할 수 있다.