콘크리트의 균열을 가져오는 원인은 여러가지가 있다. 균열의 원인을 구조적인 관점과 발생시점으로 분류해보면 다음과 같다.
1. 구조적인 관점에서 본 균열의 분류
균열 발생원인이 구조적인 결함에 의한 것인가의 여부에 따라 크게 구조적인 균열과 비구조적인 균열로 분류할 수 있다.
1) 구조적인 균열은 설계 오류, 설계하중을 초과한 외부하중의 작용, 시공 불량, 물리적인 손상, 폭발, 충격, 철근의 부식으로 인한 심한 성능저하 등에 의하여 야기된다. 또한, 이러한 균열은 향후 구조물이나 구조부재가 사용하중을 지지하기에 안전하지 못한, 즉 구조적 기능을 발휘할 수 없는 단계까지 진행되기도 한다.
2) 일반적으로 구조물에서 발생되는 균열의 대부분은 비구조적인 균열이다. 그러나 비구조적이라고 가볍게 보고 보수를 하지 않고 방치한다면 시간이 경과하여 철근의 부식이 진행되면서 구조물이 불안전한 단계에까지 이를 수 있다는 것을 유념하여야 한다.
발생된 균열이 구조적인 균열로 판단되면, 추가적인 보강이 필요하게 되며, 구조적인 균열이 아닐 경우에는, 보수작업만으로도 균열을 제어할 수 있다.
2, 발생시점을 기준으로 한 균열의 분류
1) 경화 전 원인
① 거푸집의 변형
콘크리트의 응결이 시작된 후 거푸집이 변형하거나 변동이 생기면 구조체에 균열이 발생된다. 이러한 균열은 가끔 부재의 내부에 생겨 표면 검사로는 보이지 않는 경우도 있으며, 콘크리트의 내부에 물집을 형성하여 겨울에 동해의 원인이 되기도 하고 철근을 부식시키기도 한다.
② 진동 또는 충격
응결 상태에 있는 콘크리트에 진동이나 충격이 가해지면 균열이 발생하게 되며, 이러한 진동이나 충격은 보행자, 차량, 말뚝박기, 발파, 다짐, 시공장비의 부주의한 사용 등에 기인한다.
③ 소성수축(plastic shrinkage)
시멘트 풀이 경화할 때 그 체적은 건조 시멘트의 절대체적의 1% 정도가 감소한다. 콘크리트가 소성상태에 있을 때 발생하는 이러한 체적 감소를 소성수축이라고 한다. 이론적으로 소성수축은 시멘트 풀에 다짐현상을 일으키므로 유익할 것처럼 보이나 실제적으로는 이 소성수축이 콘크리트 전반에 걸쳐 균일하게 분포하지 않으므로 이로 인하여 서로 다른 체적 변화가 유발되어 콘크리트 내에서 인장력을 발생시키는 원인이 된다.
콘크리트 표면으로부터 증발에 의한 수분의 손실이나 거푸집 연결 틈 사이로의 수분의 손실은 소성수축을 더욱 심하게 하고 표면 균열을 일으키기도 한다. 콘크리트에서 소성수축에 의한 균열은 대부분 노출된 표면에서 일어나는데 바람이 강하거나, 상대습도가 낮거나, 대기온도 또는 콘크리트 내부의 온도가 높을수록 더욱 많이 발생한다. 따라서 표면 증발 비율이 0.5kg/m2/h를 넘게 되면 블리이딩에 의하여 아래층에서 위층으로 공급되는 수분보다 표면에서의 수분 증발이 빨리 일어나므로 이에 대한 조처를 취하는 것이 바람직하다. 또한 콘크리트 배합시 단위 시멘트 양이 커짐에 따라 소성수축에 의한 양도 커짐을 알 수 있다.
④ 소성침하(plastic settlement)
타설하고 마무리 작업까지 끝낸 후 콘크리트는 비중이 큰 시멘트나 골재는 침강하고, 물은 상부로 치환되면서 압밀되는 경향을 보인다. 이러한 소성상태의 콘크리트는 철근이나 거푸집 등에 의하여 국부적으로 구속을 받게 되는데, 이로 인하여 그 주변에는 공극이나 균열이 발생하게 된다. 이와 같은 균열은 철근의 직경이 커질수록, 슬럼프가 커질수록, 그리고 콘크리트 덮개가 작아질수록 많이 발생하게 된다. 한편 진동이 충분하지 않거나 너무 휘기 쉬운 거푸집을 사용하였을 경우에도 발생한다.
⑤ 수화열
시멘트와 물이 화학반응을 일으키면 그 반응열인 수화열이 발생하게 되는데 콘크리트는 낮은 열전도율로 인하여 경화시 발생하는 이러한 내부의 수화열이 외부의 노출부위로 빠져나가는데 충분한 시간을 요하게 된다. 특히 시공 전에 수화열이 반드시 검토되어야 하는 구조물은 댐, 교량의 하부구조, 도로포장, 옹벽, 원자력 발전소 구조물 등의 매스콘크리트 구조물과 지중에 설치되는 콘크리트와 같이 열을 발산하기 어려운 구조체이다.
일반적으로 콘크리트에서 열이 빠져나가는 시간은 구조물의 최소 치수의 제곱에 비례한다고 알려져 있다. 가령 15cm 두께의 콘크리트 벽이 열적으로 안정된 상태에 도달될 때까지 약 1.5시간이 소요되는데 반해, 150cm 두께의 벽은 약 7일 정도가, 1500cm 두께의 벽은 약 2년이 소요된다. 또한 수화열에 의하여 콘크리트의 온도가 상승하여 온도차의 최대값이 25 30oC 정도에 이르면 열응력이 발생하고 온도 균열이 형성된다. 이러한 균열은 시멘트의 종류에 따라 각기 다른 영향을 나타내며 또한 소성수축의 중요한 원인이 되기도 한다. 또한 수화열에 의하여 발생하는 인장응력은 경화 후에도 잔류응력으로 남게 되어 콘크리트 구조물에 균열을 발생시켜 구조물의 안전성, 내구성 및 방수성 등에 영향을 미친다.
⑥ 거푸집과 지주의 조기제거
콘크리트가 충분한 강도를 얻기 전에 거푸집이나 지주를 제거하면 구조체에 균열이 생기는 경우가 있다.
2) 경화 후 원인
① 건조수축
건조수축은 콘크리트에서 시멘트 풀 구성요소의 수분 이동에 의하여 생기며, 이에 따른 콘크리트의 체적 변화는 약 0.05%에 달한다. 건조수축에 의한 콘크리트의 체적변화는 보통 다른 구조체에 의하여 구속되기 때문에 이러한 구속에 의하여 인장응력이 발생되면서 콘크리트가 균열을 일으키게 된다.
한편 두꺼운 슬래브에서는 표면부분에서 빨리 수분이 손실되므로 수축변형도는 그 평균값에 큰 관계가 없으며, 내부에 비하여 외부가 상대적으로 많이 수축하게 되어 표면에 인장 변형도를 유발하게 된다. 이때 건조수축에 의하여서만 균열이 발생되면 미세균열이 골고루 퍼지는 현상을 보이나, 힘에 의해 일단 균열이 생기면 균열이 신축조인트(expansion joint)와 비슷한 역할을 하게 되어 건조수축에 의한 균열폭은 더욱 넓어질 수 있다.
콘크리트의 건조수축에 영향을 미치는 인자들은 골재, 상대습도, 부재의 크기와 형상, 혼화제 및 시멘트의 종류 등이다. 골재는 콘크리트의 수축변형에 가장 큰 영향을 미치는 것으로서 순수 시멘트 풀의 건조수축 변형을 억제시키는 역할을 한다. 억제정도는 골재의 함유량, 압축성(이는 콘크리트 강도에 결정적인 영향을 미침), 최대골재 크기 등과 밀접한 관련을 가진다.
콘크리트의 건조수축은 외기와의 상대적인 수분이동에 근거하고 있으므로 콘크리트 주위의 상대습도는 수축변형에 큰 영향을 미치는데, 건조하거나 포화되지 않은 공기중에 놓인 콘크리트는 수축현상을 보이나 상대습도 100%인 물이나 공기 속에서는 팽창함을 알 수 있다.
수축변형을 일으키는 원인이 되는 구속력은 골재와 철근의 보강 등에 의한 내부의 구속뿐만 아니라 콘크리트 부재 자체 내의 불균등 수축에 의해서도 발생한다. 수분의 손실은 표면에서 일어나므로 내부와의 수축변형에 불균형이 생기며 표면에는 인장력이, 중심부에는 압축력이 유발된다. 이러한 불균등 수축에 의해 유발되는 응력은 점차적으로 생기므로 크리이프에 의해 완화되기도 하나 심한 경우에는 표면에 균열이 발생된다. 콘크리트의 건조는 표면에서부터 시작되므로 수축변형은 부재의 크기와 형상에 따라 상당한 차이가 있으며 그 영향은 표면 대 부피 비의 함수로 표시할 수 있다. 많은 연구자들에 의하면 부재 크기가 커짐에 따라 수축변형은 작게 일어나며 어느 크기 이상에서는 처음에는 크기 효과가 작게 일어나다가 나중에는 현저하게 나타나는 것을 볼 수 있다.
혼화제를 사용하는 경우 장기변형의 증가를 가져온다는 실험결과가 있기는 하나 그 영향에 대하여 구체적으로 정확한 판단을 내릴 수 없는 실정이며, 특히 고강도, 유동화 콘크리트 등에서 혼화제를 사용할 경우 장기 변형에 대한 세심한 검토가 있어야 한다. 시멘트의 성질은 수축변형에 거의 영향을 미치지 않으며 순수 시멘트풀의 수축변형이 크다고 해서 그 것으로 만들어진 콘크리트의 수축변형이 반드시 큰 것은 아니다.
② 탄화 수축 변형(carbonation shrinkage)
이는 건조수축의 특수한 경우로 간주할 수 있으나 수분 손실에 관한 반응 메카니즘이 상이하므로 별도의 중요성을 가진다. 탄화작용은 대기중에 이산화탄소(CO2)가 수화된 시멘트 광물입자와 반응하는 것을 말하며, 특히 높은 물-시멘트 비에서 이산화탄소 농도가 증가할수록 탄화율은 높아지고 상대습도의 함수로 표현된다.
> 높은 상대습도에서는 공극이 물로 가득차 있어 이산화탄소가 시멘트 풀로 잘 침투하지 못해 탄화작용이 느리며, 매우 늦은 상대습도에서는 수막(water film)이 없어 탄화반응율을 감소시키기 때문에 탄화작용은 느리게 된다. 탄화율은 콘크리트의 수분함량, 주위의 상대습도, 부재의 크기 등에 영향을 받으며 근사적으로 시간의 제곱근에 비례한다.
③ 크리이프
크리이프는 하중에 의한 변형에 대하여 시간에 따라 증가되는 변형도로 극한 크리이프 변형도는 초기 변형도(instantaneous strain)의 2 5배 정도이나, 1년 경과후의 크리이프 변형도는 초기 변형도의 1.0 1.5배 정도이다. 그러나 부정정 구조물과 같은 경우에는 응력의 재분배가 이루어져 반드시 위와 같이 말할 수는 없다. 철, 암석, 플라스틱 등과 같은 구조 재료도 어떤 특정한 하중 상태나 환경하에서는 크리이프 현상을 보이기도 하나 콘크리트는 비균질적인 재료 특성을 가질 뿐만 아니라 현장에서 직접 타설되는 경우도 많으므로 그 성질에 많은 변화가 뒤따를 소지가 다분히 있게 된다.
콘크리트의 크리이프에 영향을 미치는 인자들은 골재, 작용응력 및 콘크리트의 강도, 혼화제 및 시멘트의 종류, 상대습도, 부재의 크기 및 온도 등이다. 골재는 실제의 크리이프 현상으로 보이는 시멘트 풀에 대하여 일차적인 구속 역할을 한다. 보통 무게의 골재는 크리이프 변형을 일으키지 않으므로 콘크리트의 크리이프는 시멘트 풀 양의 함수로 볼 수 있다. 크리이프에 영향을 미치는 골재의 물리적 성질 중 가장 중요한 것은 탄성계수이며 이 것이 클수록 골재에 의한 크리이프 구속효과가 커지게 된다.
일반적으로 감수제나 응결지연제를 사용하면 대체적으로 크리이프가 증가하는 것으로 알려져 있으며, 따라서 주어진 구조물에서 크리이프가 중요한 변수가 되는 경우에는 혼화제의 영향에 대해 주의 깊게 조사해 볼 필요가 있다. 한편, 콘크리트의 초기 및 장기 강도의 발현율과 그 크기 등은 시멘트의 종류에 따라 다르므로 크리이프의 변화는 강도의 변화에 의한다고 볼 수 있고, 시멘트의 분말도가 초기강도 발현에 영향을 미치기는 하나 그 자체가 하나의 요인은 아니고 분말도가 높을수록 콘크리트의 강도 증진이 크며 결과적으로 응력-강도 비가 떨어지기 때문인 것으로 생각된다.
부재의 크기가 증가할수록 크리이프는 감소하는데 이는 건조수축에서와 마찬가지로 부재의 내부와의 불균등 현상에 기인하며 표면 대 부피의 비로 표시할 수 있다. 크리이프에서 부재의 형상은 크게 중요한 요인이 아니며 건조수축의 경우와 비교하여 볼 때 훨씬 작은 변화를 보인다.
④ 알칼리-골재 반응
알칼리-골재 반응이란 콘크리트 중에 존재하는 나트륨, 칼륨과 같은 알칼리 이온과 자갈, 모래 등의 골재가 수분의 공존하에 장기적으로 서서히 해로운 물질을 생성하는 반응을 말하며 반응 생성물은 수분을 흡수, 팽창하여 콘크리트에 균열을 발생시키고, 심한 경우에는 콘크리트를 붕괴시키기도 한다. 알칼리-골재 반응은 알칼리와 반응하는 골재중 광물의 종류에 따라 반응기구가 다르며, alkali-silica 반응, alkali-carbonate 반응, alkali-silicate 반응으로 대별된다. 이중 alkali-silica 반응에 의한 피해가 대부분을 차지하고 있으며 알칼리-골재 반응이란 용어를 사용할 때는 alkali-silica 반응만을 칭할 때가 많다. |
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