콘크리트 체적 변화 - 크리프(2) / 건조 크리프, 콘크리트 온도의 영향, 크리프 변형률 감소

 

2023.06.13 - [기타/철근 콘크리트 공학] - 크리프에 관하여-1

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

 

안녕하세요.

저번에 이어서 콘크리트 체적 변화에 영향을 주는 크리프에 관해서 알아보도록 하겠습니다.

 

ASIM CS12의 실험조건에 따라 수행한 크리프 실험 결과를 보여주고 있다. 원주형 공시체에는 압축강도의 대략 40% 정도의 하중을 지속해서 작용시켰으며, 건조수축을 제외한 순수크리프만을 측정하기 위해서 같은 공시체에서 하중을 가하지 않고 건조수축을 측정하여 이 값을 빼서 크리프를 계산하였다. 하중이 작용하는 동안 증발 방지(sealed)라고 표기한 공시체를 제외하고 공기 중에서 건조할 수 있도록 방치하였다. 재령 28일부터 하중을 가하기 시작한 시험체는 공시체를 공기 중에서 건조하도록 한 시험체가 증발을 방지한 공시체에 비해서 큰 크리프를 보여주고 있다. 또한 하중을 처음 작용하는 시기가 늦어지면 늦어질수록 (즉, 재령이 많으면 많을수록) 크리프 감소하고, 콘크리트의 강도가 감소할수록 크리프가 증가하고 있다.

 크리프가 시멘트풀(cement paste)에서 일어나고 골재는 크리프를 억제하는 역할을 하므로 건조수축의 상황과 비슷하게 시멘트풀의 체적비에 따라 크리프는 크게 좌우된다. 골재의 함량 g (콘크리트 전체 체적에 대한 골 재의 비)가 커질수록 크리프 변형률의 값이 감소하는 것을 보여주고 있다.

 크리프는 또한 건조수축과 같이 골재의 입도(grading), 최대 치수(maximum size)와 모양(shape) 등에 영향을 받지만 역시 가장 큰 영향을 미치는 것은 골재의 탄성계수이다. 탄성계수가 클수록 수화한 시멘트풀이 크리프가 발생하는 것에 대해서 큰 구속력을 줄 것이다. 골재의 다공성(porosity of aggregate)도 크리프에 영향을 미치는 것이 보고 되고 있지만 높은 다공성 골재가 일반적으로 낮은 탄성계수를 가지므로 다공성을 크리프에 대한 독자적인 요소로 보기는 어려운 점이 있다. 하지만 골재의 다공성과 더 나아가서 흡수력이 콘크리트 안에서의 습기의 이동에 대한 직접적인 역할을 할 것이며, 이런 습기의 이동이 건조 크리프(drying creep)가 발생하는 환경을 조성하게 될 것이다. 이런 현상으로 건조한 환경에 배치한 경량골재를 사용한 콘크리트에서 초기에 큰 크리프 변형이 나타나는 상황을 설명할 수 있을 것이다.

 

 보통 중량 골재와 경량골재를 사용하여 골재의 중량이 변하는 것이 크리프에 미치는 영향은 경량골재를 사용해서 낮은 탄성계수로 크리프가 증가하는 현상을 제외하고는 기본적으로 차이가 없다고 볼 수 있다. 경량골재 콘크리트의 크리프 비율은 시간이 지남에 따라 보통 중량 콘크리트에 비해서 서서히 감소한다. 일반적으로 품질이 좋은 구조용 경량골재 콘크리트의 크리프는 보통 중량 콘크리트의 크리프 변형률과 거의 같다고 말할 수 있다(골재의 함량이 서로 비슷한 경우). 또한 경량골재 콘크리트의 탄성 변형이 보통 중량 골재 콘크리트보다 크기 때문에 탄성 변형에 대한 크리프 변형률의 비는 감소하게 된다.

 외적으로 크리프에 영향을 미치는 가장 중요한 요인 중의 하나는 콘크리트를 둘러싸고 있는 대기의 상대습도(relative humidity, RH)이다. 전체적으로 볼 때 상대습도가 낮을수록 크리프 변형률은 높아진다. 다른 상대습도에 노출하면서 하중을 작용시키면 하중이 작용하는 초기 단계에 상당한 건조수축이 일어나면서 그 비율도 상당히 차이가 나지만, 시간이 흐를수록 비율은 거의 비슷해진다. 하중이 작용하는 동안 건조가 일어나게 되면 추가적인 건조 크리프(drying creep)가 일어나서 크리프 변형률을 증가시킨다. 만약에 하중을 작용시키기 전에 시험체의 습도가 주변의 습도와 차이가 없이 균형을 이루고 있다면 상대습도의 영향은 아주 작거나 거의 없을 것이다. 따라서 크리프에 영향을 미치는 요인은 상대습도가 아니라 건조과정에 의한 건조 크리프일 것이다.

 크리프는 또한 시험체의 크기가 커질수록 감소하는 경향을 보여주고 있다. 이러한 현상은 건조수축의 영향과 표면은 건조한 상태에서 크리프가 일어나서 내부(mass curing)에 비해서 큰 크리프가 일어나기 때문일 것이다. 시간이 지나서 내부까지 건조해지더라도 이때는 상당한 수준의 수화가 일어나서 강도가 높아지기 때문에 작은 크리프가 일어나게 된다. 증발이 방지된(Sealed) 시험체에서는 크기의 영향이 거의 나타나지 않고 있다.

 콘크리트의 내부로부터 대기로 수분이 이동할 때 거리가 떨면 멀수록 어려우므로 수분을 잃어버리는 비는 수분이 이동해야 하는 거리에 좌우된다. 일정한 상대습도에서 시험체의 크기와 모양이 크리프 변형률의 양을 결정한다. 시험체의 크기와 모양은 간단하게 유효 두께(effective thickness) 또는 이론적 두께(theoretical thickness)라는 한 함수로 표현될 수 있다. 이론적 두께는 단면적을 공기와 접하는 단면의 주변 길이의 1/2로 나눈 값이다.

 

 콘크리트 온도는 크리프에 두 가지 상반된 영향을 미친다. 만약에 시험체에 하중이 작용하기 전에 양생 과정에서 보통 온도보다 높은 온도에 노출되면 보통 온도에서 양생 한 콘크리트보다 강도가 발달하여 크리프 변형률은 감소하게 될 것이다. 이에 반대로 하중이 작용하는 동안에 높은 온도에 노출되면 크리프 변형률은 증가하게 된다.

 저온일 때 동결상태에서 초기에 매우 높은 크리프의 증가율을 보이지만 곧 멈추어버리며, -10°C ~ -30°C의 크리프는 20°C에서 나타나는 크리프의 약 1/2이 나타난다고 보고하고 있다. 크리프는 매우 오랜 기간에 걸쳐서 일어난다. 비록 크리프의 증가율은 시간이 지남에 따라 감소하지만 30년에 걸쳐서 일어나고 있다. 이렇게 크리프의 증가율은 시간이 지날수록 감소하여 일반적으로 무한의 시간이 지난 뒤에 유한한 크리프 변형률 값을 갖는다고 가정한다.

하중을 작용시키기 전의 양생 방법에 따라 크리프 변형률의 크기에 커다란 영향을 미친다. 고온 고압 멸균기를 이용한 고압증기양생을 실시하였을 때 크리프가 아주 작게 나타나는 특징을 보여주고 있다. 또한 대기 중에서 증기양생을 실시한 경우가 7일간 습윤양생을 한 경우보다 상당히 크리프가 감소하였다.

 크리프 변형률은 순간 탄성 변형률의 2배~3배 정도가 되어, 시간이 지남에 따라 처짐을 증가시키거나, 단면에서 응력의 재분배(redistribution)를 유도한다. 또한 일정한 하중을 지지하는 철근콘크리트 기둥에서 장기적인 크리프에 의한 변형 때문에 철근의 초기응력이 2~3배로 증가할 수도 있다.

시간이 지남에 따라 콘크리트에 크리프 변형이 발생하게 되면 콘크리트에 완전하게 부착한 상태로 콘크리트 속에 묻혀있는 철근이 부담하는 하중은 콘크리트가 부담하는 하중이 감소하는 만큼 점진적으로 증가하게 된다. 이런 현상은 또한 축 방향 하중이 작용하는 기둥의 실험에서 탄성설계가 철근의 응력을 과소평가하는 것을 보여주었다. 따라서 축 방향 하중이 작용하는 기둥의 설계는 주어진 재료에 대한 허용응력으로 설계하기보다는 단면의 강도를 기준으로 설계하게 되었다. 또한 보의 압축영역에 보강철근을 배치해서 휨 능력 (bending capacity)를 증진하고자 할 때는 어떤 경험적인 방법을 적용하여 크리프에 의해서 철근에 추가적인 응력이 발생하는 것을 고려할 수 있도록 하여야 할 것이다.

종종 크리프 처짐이 이롭지 않지만, 국부적으로 아주 큰 압축응력을 받는 부재에서는 이로운 때도 있다. 하중이 작용하여 응력이 발생하면 초기 급속한 크리프가 최대응력을 감소시키고 상대적으로 낮은 응력을 받은 단면의 응력을 증가시킨다. 따라서 지속하여 응력집중을 받게 되면 파괴될 수도 있는 단면의 국부적인 응력집중을 경감시키는 효과를 준다.

크리프 변형률을 감소시키기 위해서는 아래와 같은 방법을 취할 수 있다.

1. 콘크리트의 강도를 충분히 발달시킨 뒤에 하중을 작용하기 시작한다.
2. 강도가 고강도인 콘크리트를 사용한다.
3. 골재의 체적비에 대한 시멘트풀(cement paste)의 체적비를 최소가 되도록 한다.
4. 압력과 동시에 증기양생을 한다.
5. 보강철근을 배치한다.
6. 석회석 골재를 사용한다.