균열의 종류(2) - 수화열 균열, 매스콘크리트 온도 조절 방법, 알칼리 골재 반응, 알칼리 실리카 반응, 균열 방지

안녕하세요. 윈트입니다.

오늘은 저번에 이어서 콘크리트 균열에 대해서 알아보도록 하겠습니다.

 

 균열이 발생하는 또 다른 이유는 굳지 않은 콘크리트는 경화 시에 수화열(heat of hydration)을 발생시켜서 이 수화열 때문에 부재가 팽창하여 균열이 발생한다. 이렇게 팽창한 부재가 대기 온도로 냉각할 때 수축하며, 만약에 이 수축이 구속되어 있으면 수화열 균열(heat of hydration cracking)이 발생하게 된다. 가장 일반적인 수화열 균열은 이미 타설 되어 강성이 어느 정도 형성되고 수축이 진행된 기초 위에 벽체를 타설 시 발생할 수 있다. 벽체가 수화열을 방출하여 냉각할 때 발생하는 수축을 기초가 억제하면서 균열이 발생하게 된다(그림 1). 이러한 수화열 균열은 ① 2종 중용열 포틀랜드시멘트나 4종 저발열 포틀랜드 시멘트를 사용하여 수화열이 너무 급속하게 발생(control the heat rise) 하지 않도록 하거나, ② 서서히 냉각하도록 냉각 속도를 조절하여 균열의 발생을 억제하거나, ③ 한 번에 치는 단면의 길이(또는 lift 제한)를 제한하거나, ④ 보통보다 많은 건조수축 철근을 배치하여 조절할 수도 있다.

[그림 1] 수화열heat of hydration에 의한 균열

 넓이가 넓은 평판구조에서는 두께 0.8m 이상, 하단이 구속된 벽체에서는 두께 0.5m 이상으로 규정하고 있는 매스콘크리트(mass concrete)는 특히 수화열이 문제가 될 수 있다. 매스콘크리트에서 온도조절을 위한 4가지 효과적인 방법은 ① 시멘트 종류 및 양의 조절 [2종, 4종 고로(Slag), 플라이 애시 시멘트 또는 팽창시멘트 사용], ② 사용하는 재료를 사전에 냉각(냉각수, 얼음, 찬바람, 살수, 진공냉각 등에 의한 골재나 시멘트 냉각)하는 선행냉각 방법 (pre-cooling), ③ 파이프 쿨링(pipe-cooling)과 같은 방법으로 콘크리트를 친 후에 온도상승을 억제하는 사후 냉각 방법(post-cooling), ④ 사용 콘크리트의 재료 특성이나 시공 순서나 단계에 따른 과도한 온도 차이가 발생하지 않도록 하는 시공관리에 의한 방법 등이 있다.

[그림 2] 그 밖의 균열 형태

 그림 2 (a)에서와 같이 새로 타설 된 콘크리트가 블리딩(bleeding)을 일으키고 표면이 건조되면서 소성수축(plastic shrinkage) 및 슬럼핑(slumping)때문에 철근을 따라 침하균열(settlement cracks - early volume change)이 발생할 수 있다.

 그림 2(b)에는 그물형 균열(map cracking)이라고 불리는 불규칙한 균열 형상을 보여주고 있다. 배합설계를 적절하게 하고, 타설 후 처음 한 시간 정도에 표면이 너무 빨리 건조하는 것을 방지함으로써 이런 형태의 균열을 방지할 수 있다. 그물형 균열은 또한 알칼리골재반응(alkali aggregate reaction)에 의해서도 발생할 수 있다. 알칼리골재반응은 시멘트 중의 알칼리 금속(Na와 K)과 골재 중의 실리카(SiO₃)가 따듯하고 습한 환경에서 장기간에 걸쳐 반응하여 골재 주위에 알칼리 실리카 반응(alkali silica reaction, ASR)으로 그때의 팽창으로 강도를 잃거나 과도한 팽창 또는 균열로 와해시킨다. 알칼리골재반응을 억제하기 위해서는

1. 시멘트에 Na₂O로 표현되는 알칼리양을 0.6% 이하(low-alkali)로 줄이거나(저 알칼리 형 포틀랜드 시멘트 사용),
2. 콘크리트 1 m³당의 알칼리 총량을 Na₂O 당량으로 3.0kg 이하(독일, 영국 기준)로 하거나,
3. 반응에 무해라고 판정된 골재를 사용하거나,
4. 고로시멘트, 또는 플라이 애시 시멘트로 반응억제 효과가 확인된 것을 사용하거나,
5. 구조체를 최대로 건조하게 유지하거나(내부 상대습도가 80% 이하이면 반응이 정지한다),
6. 해수 또는 바닷바람의 영향을 받는 지역은 염분의 침투를 방지하기 위해서 방수성의 마감을 한다(해수에 용해된 알칼리가 ASR 반응을 촉진).

 그림 2(c)와 같이 보강철근이 부식(corrosion)을 일으켜 녹(rust)이 발생하면 본래 체적의 2~3배의 체적팽창이 일어나서 철근 위치에 쪼갬 균열(splitting crack)을 일으켜 종래에는 피복이 떨어져 나가게 된다. 이러한 균열은 부착 균열과 유사하게 발생하며 종종 부착 균열을 동반한다.

 앞에서 언급한 경우 외에도 균열은 또한 부동침하(differential settlement)와 건조수축(shrinkage), 그리고 온도 차이(temperature differential) 등과 같은 변형에 의해서도 발생할 수 있다. 두께가 얇은 바닥 슬래브가 단면과 강성이 큰 구조물에 양단이 연결되어 건조수축이 구속된다면 건조수축균열(shrinkage catching)이 발생하여 하중에 의해서 발생한 균열의 폭을 증가시킬 수 있다. 콘크리트의 특성 때문에 건조수축이 일어나는 것을 피할 수 없으므로 적당하게 보강철근을 배치하여 균일 폭을 줄이거나 그림 5.10과 같이 줄눈(joint)을 배치하여 균열이 일어나는 장소를 유도할 수 있다.

구조기준 3.3.2(6)(ACI 9.2.3)에서는 부등침하, 크리프, 건조수축, 팽창콘크리트의 팽창량 및 온도변화는 사용구조물의 실제 상황을 고려하여 계산하여야 한다고 규정하고 있다.

[그림 3]  바닥을 치는 슬래브 콘크리트에서 기본적인 줄눈(joint) 방법