콘크리트 균열의 원인과 종류

Ⅱ. 콘크리트 균열의 원인과 종류

1. 콘크리트 균열발생의 원인

콘크리트 구조물에서 발생하는 균열의 원인은 무수히 많다. 그러나 실제적인 목적에서 균열은 크게 구조적인 균열(structural crack)과 비구조적인 균열 (nonstructural crack)의 두 가지로 분류할 수 있다. 구조적인 균열은 구조물이나 구조부재가 사용하중을 지지하기에 안전하지 못한, 즉, 구조적 기능을 발휘할 수 없는 단계로 진행되거나 도달한 균열을 의미한다. 이와 같은 균열은 설계오류, 설계하중을 초과한 외부하중의 작용, 시공불량, 물리적인 손상, 폭발, 충격, 철근의 부식으로 인한 심한 성능저하 등에 의하여 야기된다. 그리고 위에서 설명된 원인들을 제외한 다른 원인에 의하여 야기되는 균열을 비구조적인 균열이라 할 수 있다. 일반적으로 구조물에서 발생되는 균열의 대부분은 비구조적인 균열이다. 그러나 이를 비구조적이라고 무시하여 그대로 방치한다면 시간이 경과하여 철근의 부식이 점차로 진행되면서 구조물이 불안전한 단계에까지 이를 수 있다는 것을 유념하여야 한다. 다시 말해서 구조물에서 발생된 비구조적인 균열은 조사 당시에는 안전한 상태라 할지라도 그대로 방치한다면 구조적 재난을 초래 할 수도 있다는 것이다.

그러면 우리나라의 콘크리트 구조물에는 왜 특히 균열이 크게 발생되고 있는가? 이에 대한 대답은 여러 복합요인에 의한 것으로 볼 수 있으나 다음 몇 가지로 나누어 살펴보면,

첫째, 설계, 시공, 감독자 모두가 이때까지 구조물의 강도(strength)에만 관심을 갖고 있었으며, 사용성(serviceability), 내구성(durability)등에는 전혀 관심을 갖지 않았다는 것이다. 즉, 시공시에만 문제가 일어나지 않으면 족하였고, 내구연한에는 관심이 없어 재료개발 등에는 관심이 없었다. 또 사용 재료가 저강도 (콘크리트와 철근)일 때는 강도만 만족하면 대부분 사용성 (처짐이나 균열)에는 전혀 문제가 없었으나 최근에 상대적으로 고강도 재료를 사용함으로써 이러한 사용성의 문제가 대두되었다.

둘째, 콘크리트 재료성질에 대한 무지이다. 콘크리트의 재료적 특성에 대한 이해는 없이 규준 (시방서)에 따라 설계하고 시공함으로써 나타났다. 시방서나 규준은 최소한의 규정이며, 모든 상세한 내용은 포함될 수 없으므로 각 경우에 따라 해당 담당기술자가 판단하여 처리할 사항이 많은 데 그 판단력은 콘크리트에 대한 지식을 필요로 한다. 특히 최근에 들어와 massive한 구조물, 긴 구조물, 얇고 큰 구조물 등 다양한 구조물이 건축되고 있는데, 균열 원인들을 잘 파악하지 못하면 이러한 구조물에서는 특히 균열이 많이 발생 된다. 셋째는 시공의 저급함이다. 어느 국제 학술회의에서 "The best crack control is the best construction work"이라고 어느 발표자가 말했다. 우리나라의 시공 정도는 시공자 자체만의 문제뿐만 아니라 감리 감독 체제의 문제도 크다고 볼 수 있다. 구조적 결함을 갖는 균열의 대부분은 철근 위치의 부정확성, 철근 이음 위치 및 이음 길이의 미확보, 타설 시 가수 (加水)에 의한 콘크리트 강도의 저하 등이다. 이러한 문제는 물론 시공하는 사람들의 지식과 양심에 크게 좌우될 수 있으나, 일반적으로 실제 시공하는 사람들의 전문지식의 한계 등을 고려할 때 기술 감독자가 철저히 도면을 이해하고 감독하는 것이 최선의 길이라고 본다.

2. 균열의 종류

1) 콘크리트 경화 전

⑴ 거푸집의 변형

콘크리트의 응결이 시작된 후 거푸집이 변형하거나 변동이 생기면 구조체에 균열을 발생시킨다. 이러한 균열은 가끔 부재의 내부에 생겨 표면 검사로는 보이지 않는 경우도 있으며, 콘크리트의 내부에 물집을 형성하여 겨울에 동해의 원인이 되기도 하고 철근을 부식시키기도 한다.

⑵ 진동 또한 충격

응결상태에 있는 콘크리트가 진동이나 충격을 받으면 균열이 발생한다. 이러한 진동이나 충격은 보행자, 차량, 말뚝박기, 발파, 다짐, 시공장비의 부주의한 사용 등에 기인한다.

⑶ 소성수축 (Plastic shrinkage)

시멘트 풀이 경화할 때 (Plastic region) 그 체적은 건조 시멘트 (Dry cement)의 절대체적의 1%정도가 감소한다. 콘크리트가 소성상태에 있을 때 발생하는 이러한 체적감소를 소성수축이라고 한다. 이론적으로 소성수축은 시멘트 풀에 다짐현상을 일으키므로 유익할 것처럼 보이나 실제적으로는 이 소성수축이 콘크리트 전반에 걸쳐 균일하게 분포하지 않으므로, 이로 인하여 서로 다른 체적변화가 유발되어 콘크리트 내에서 인장력을 발생시키는 원인이 된다.

콘크리트 표면으로부터 증발에 의한 수분의 손실이나 거푸집 연결 틈사이로의 수분의 손실은 소성수축에 의한 균열은 대부분 노출된 표면에서 일어나는데 바람이 강하거나, 상대습도가 낮거나, 대기온도 또는 콘크리트 내부의 온도가 높을수록 더욱 많이 발생한다. 만약 표면 증발비율(Rate of evaporation)이 0.5kg/m2/h를 넘게 되면 블리딩에 의하여 아래층에서 위층으로 공급되는 수분보다 표면에서의 수분 증발이 빨리 일어나므로 이에 대한 조처를 취하는 것이 바람직하다. 또한 그림 1.에서 보는 바와 같이 콘크리트 배합시 단위 시멘트 양이 커짐에 따라 소성수축에 의한 양도 커짐을 알 수 있다. 전형적인 소성 수축 균열은 서로 평행하며, 0.3∼1.0m정도 간격으로 떨어져 있고 상당한 깊이까지 들어가기도 한다. 또한 일반적으로 균열이 자유단까지 진전하지 않는데 그 이유는 자유단에서는 체적변화가 자유롭기 때문이다.

한편, PCA (Portland Cement Association)에서 제안된 표면 증발 비율을 구하는 도표가 그림 2.에 나타나 있으며, 그림으로부터 최종적으로 구하게 되는 증발 비율이 1.0kg/m2/h(0.2lb/ft2/h)보다 클 경우에는 소성수축에 의한 영향을 신중히 고려하여야 한다.

⑷ 소성침하(Plastic settlement)

타설하고 마무리 작업까지 끝낸 후 콘크리트는 계속해서 압밀되는 경향을 보인다. 이러한 소성상태의 콘크리트는 철근이나 거푸집 등에 의하여 국부적으로 제재를 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.

⑸ 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 시공전에 수화열이 반드시 검토되어야 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 15㎝두께의 콘크리트 벽이 열적으로 안정된 상태에 도달될 때까지 약 1.5시간이 소요되는데 반해, 150㎝두께의 벽은 약 7일정도가, 1500㎝두께의 벽은 약 2년이 소요된다. 또한 수화열에 의하여 콘크리트의 온도가 상승하여 온도차의 최대값이 25∼30℃ 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.

2) 경화 후 원인

⑴ 사용하중(service load)

구조적으로 올바르게 설계, 시공된 구조물이라 할지라도 사용하중이 재하함에 따라 균열이 발생하게 된다. 이는 콘크리트 구조물에서는 피수적으로 발생되는 것으로서, 균열이 발생한다는 그 자체에는 아무런 문제가 없으나 발생된 균열의 위치, 크기, 진전여부 등에 따라 주의 깊게 살펴보고 균열을 고려한 구조해석을 실시하여 그 안전성 및 사용성, 혹은 보수여부를 결정하여야 한다. 일반적으로 구조물에서 작용하는 여러 가지의 하중상태에 따라 발생되는 균열의 형태가 각기 다른데 특히 충격하중, 피로하중 등에 대한 고려가 매우 중요하다.

⑵ 탄화수축변형(carbonation shrinkage)

이는 건조수축의 특수한 경우로 간주할 수 있으므로 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 가득 차있어 이산화탄소가 시멘트 풀로 잘 침투하지 못해 탄화 작용이 느리며, 매우 늦은 상대습도에서는 수막 (water film)이 없어 탄화반응율을 감소시키기 때문에 탄화 작용은 느리게 된다. 탄화율은 콘크리트의 수분함량, 주위의 상대습도, 부재의 크기 등에 영향을 받으며 근사적으로 시간의 제곱근에 비례한다.

⑶ 크리이프(creep)

크리이프(creep)는 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 환경 하에서는 크리이프 형상을 보이기도 하나 콘크리트는 비균질적인 재료 특성을 가질 뿐만 아니라 현장에서 직접 타설되는 경우가 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 현상을 보이는 시멘트 풀에 대하여 일차적인 구속 역할을 한다. 보통 무게의 골재는 크리이프 변형을 일으키지 않으므로 콘크리트의 크리이프는 그림 9.과 같이 시멘트 풀 양의 함수로 볼 수 있다. 크리이프에 영향을 미치는 골재의 물리적 성질 중 가장 중요한 것은 탄성계수이며 이것은 클수록 골재에 의한 크리이프 구속 효과가 커지게 된다.

많은 실험결과, 크리이프와 응력은 타설초기에 일찍 재하한 경우를 제외하고는 선형관계를 가지는 것으로 알려져 있었으나 최근의 연구에 의하면 비선형 관계식으로 더욱 잘 표현됨을 보이고 있다. 응력-강도 비가 0.3∼0.6정도인 압축력이 작용하는 경우 콘크리트에 미세균열이 발생하며 균열생성 정도는 콘크리트의 비균질성 정도에 좌우된다.

감수제나 응결지연제를 사용하면 대체적으로 크리이프가 증가하는 것으로 알려져 있으며, 따라서 주어진 구조물에서 크리이프가 중요한 변수가 되는 경우에는 혼화제의 영향에 대해 깊게 조사해 볼 필요가 있다. 한편, 콘크리트의 초기 및 장기강도의 발현율과 그 크기 등은 시멘트의 종류에 따라 다르므로 크리이프의 변화는 강도의 변화에 의한다고 볼 수 있고, 시멘트의 분말도가 높을수록 콘크리트의 강도 증진이 크며 결과적으로 응력-강도 비가 떨어지기 때문인 것으로 생각된다.

상대습도는 환경에 의한 요인 중 가장 중요한 것으로 상대습도가 낮을수록 크리프의 양이 커진다. 재하 초기에는 습도 변화에 따른 크리이프 율의 차이가 현저하게 나타나나 나중에는 비슷한 크리이프 율을 보인다. 이처럼 하중작용시의 건조는 콘크리트의 크리프를 증가시키게 되고 부가적인 건조 크리프 (drying creep)를 발생시킨다.

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.

⑷ 알칼리-골재 반응

알칼리 골재 반응이란 콘크리트 중에 존재하는 나트륨, 칼륨과 같은 알칼리 이온과 자갈, 모래 등의 골재가 수분의 공존하에 장기적으로 서서히 새로운 물질을 생성하는 반응을 말하며 반응 생성물은 수분을 흡수 팽창하여 콘크리트에 균열을 발생시키고 심한 경우에는 콘크리트를붕괴 시키기도 한다. 알칼리-골재 반응은 알칼리와 반응하는 골재중 광물의 종류에 따라 반응기구가 다르며, alkali-silica 반응, alkali-carbonate 반응, alkali-silicate 반응으로 대변된다. 이중 alkali-silica 반응에 의한 피해가 대부분을 차지하고 있으며 알카리-골재반응이란 용어를 사용할 때는 alkali-silica 반응만을 칭할 때가 많다.

① Alkali- silica 반응

콘크리트중에 존재하는 알칼리 이온 및 수산기 이온이 골재 중에 포함되어 있는 비결정질 실리카 혹은 열역학적으로 준 안정인 실리카와 결합하여 생기는 화학반응으로, 이 화학 반응에 의해 생성된 알칼리-실리카와 결합하여 생기는 화학으로, 이 화학반응에 의해 생성된 알칼리-실리카겔이 콘크리트에 팽창성 균열을 일으키고 콘크리트이 강도 저하를 가져온다. 이러한 팽창에 영향을 미치는 주요한 인자로는 골재의 입경 혼입율, 시멘트의 알칼리 양, 습도, 온도 및 물- 시멘트 비 등이다.

② Alkali-carbonate 반응

이 반응은 시멘트 내의 알칼리와 limestone 골재와의 반응이며, 이 반응 과정에서 Mg (OH)2 또는 콜로이드 물질을 생성함으로써, 혹은 암석중에 존재하는 점토광물의 흡수에 의해서 발생된다.

③ Alkali-silicate 반응

예를 들어 캐나다 Nova Scotia 지방의 Greywackes, Argillites, Phyllite 등과 같은 어떤 특정한 골재를 사용하였을 때 일어나는 반응으로, 이 골재를 장기간 알칼리 용액중에 담가두면 암석중에 존재하는 점토광물의 기저 격자면 간격이 10Å에서 12.6Å으로 늘어나는데, 이로부터 암석중에서 층상구조를 갖는 점토광물이 알칼리와 수분의 공존하에 팽창하는 현상을 말한다.

⑸ 온도

경화된 콘크리트의 열팽창계수는 평균 ℃ 이므로 대기온도의 변화에 따라 대기에 노출된 콘크리트 구조체에는 열 팽창 또는 수축에 의한 체적변화와 함께 처짐이나 변형이 생기게 된다. 이러한 외부의 열에 의한 체적변화가 건조수축의 경우와 같이 다른 구조체의 제약을 받게되면 내부응력이 발생하게 되어 균열을 일으킨다. 고온으로 올라갈수록 콘크리트의 강도는 낮아지며 연성은 증가하고 탄성계수가 감소한다. 또한 균열에 대한 저항능력인 파괴에너지가 온도가 올라감에 따라 현저히 감소하는 경향을 보이기 때문에 고온 하에서의 콘크리트는 더욱 쉽게 균열이 유발된다.

한편 고온의 열이 집중적으로 임의의 특정부위에 가해질 경우 그 부위의 콘크리트의 폭발적인 파쇄(Spalling)가 일어날 수 있다. 이러한 현상은 슬래브와 같은 얇은 부재와 벽체와 같은 두꺼운 부재에 대하여 실험적으로도 증명되었다. 파쇄가 일어나는 이론적인 이유는 다음과 같은 두가지로 설명될 수 있다.

① 갑작스러운 가열로 인하여 열을 받은 부분은 팽창하나 아직 가열되지 않은 그 주위의 콘크리트는 그 팽창을 구속함으로써 표면에 나란한 방향으로 큰 압축력이 유발되고 이로 인하여 압축파쇄가 일어난다.

② 가열에 의하여 콘크리트는 공극 내의 수분이 증기로 변화하여 고압력을 발생시킴으로써 콘크리트 내부의 미세구조에 인장력을 일으킨다. 그러나 표면과 나란한 방향으로는 이를 상쇄할 압축력이 작용하지 않으므로 파쇄가 일어난다.

⑹ 철근의 부식

철근의 부식은 화학작용에 의한 부식과 전류의 작용에 의한 부식으로 크게 나누어진다. 화학작용으로 의한 부식은 순환하는 공기나 물의 작용으로 철근을 보호하는 피복 콘크리트의 알칼리 성분이 중화될 때에 일어난다. 외부의 산성 성분이 철근과 작용하여 산화물을 만들 때 그 체적은 원래보다 약 2~3배 정도 증가하기 때문에 콘크리트의 피복이 균열되며 균열된 콘크리트 사이로 철근은 외부와 더 쉬운 접촉을 하여 부식작용이 점차 가속하게 된다. 한편, 수분을 포함한 콘크리트는 전도체가 되어 누전등에 의한 전류가 통하였을 때에 전기 화학 작용을 일으켜 부식하게 된다. 이러한 작용에는 황산, 염산, 탄산 등이 특히 유해하기 때문에 콘크리트 배합시 해수는 사용하지 않는 것이 바람직하다.

⑺ 동결융해

콘크리트는 다공질이므로 습기나 수분을 흡수한다. 결빙점 이하의 온도에서는 흡수된 수분이 얼면서 팽창하기 때문에 정수압이 생기면서 콘크리트의 표면에 균열을 발생시킨다. 온도가 상승하여 얼었던 부분이 녹으면 표면이 부분적으로 떨어져 나가게 되며 이러한 현상이 수차 반복되면 콘크리트 표면의 피상박리(saplling), 원추상의 박리 (popout), 작은 구멍 형성(pitting), 부분적 박리 (scaling), 푸석푸석해지는 현상 (degradation), 부분적 불연속상태에서의 파괴(cracking) 등이 있다. 동해에 의한 콘크리트의 열화는 기상작용의 영향에 좌우된다. 동해의 직접적인 유발원인의 하나인 수분은 겨울철의 강우 및 강설에 의하여 보급되며, 이 수분이 콘크리트 내부로 침투하였을 때 동결이 일어나고 또 낮 시간의 일사에 의하여 콘크리트의 표면온도가 상승하여 동결과 융해가 반복하게 된다. 기상조건이나 구조물의 입지조건으로부터 물과의 접촉이 피할 수 없는 이러한 물을 콘크리트 내부에 가능한한 침투하지 못하게 하는 방책이 필요하다. 수분 침투의 정도는 콘크리트 자체의 수밀성에 의하여 정해지며 또한 이것에는 사용재료, 배합조건, 양생 등의 많은 요인이 작용한다. 양질의 골재를 사용한 보통의 콘크리트에서 동해의 원인이 되는 수분이 존재하는 공간과 이 압력을 완화하는 공기가 존재할 수 있는 공간은 주로 시멘트의 경화체 부분에 있으며, 이러한 공간특성, 즉, 시멘트 경화체의 공극특성이 동해를 지배하게 된다.

⑻ 건조 수축

건조 수축은 콘크리트에서 시멘트 풀 구성요소의 수분 이동에 의하여 생기며, 이에 따른 콘크리트의 체적변화는 약 0.05%에 달한다. 건조수축에 의한 콘크리트의 체적변화는 보통 다른 구조체에 의하여 저지되기 때문에 이러한 제약에 의하여 인장응력이 발생하면서 콘크리트가 균열을 일으키게 된다.

한편 두꺼운 슬래브에서는 표면부분에서 빨리 수분이 손실되므로 수축변형도는 그 평균값에 큰 관계가 없으며, 내부에 비하여 공기의 접촉면이 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 expansion joint와 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 건조수축변형을 억제시키는 역할을 한다. 억제정도는 골재의 함유량, 압축성 (이는 콘크리트 강도에 결정적인 영향을 미침), 최대 골재크기 등과 밀접한 관련을 가진다.

콘크리트의 건조수축은 외기와의 상대적인 수분이동에 근거하고 있으므로 콘크리트 주위의 상대습도는 수축변형에 큰 영향을 미친다. 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. 수분 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 장기변형에 대한 세심한 검토가 있어야 한다. 시멘트의 성질은 수축변형에 거의 영향을 미치지 않으며 순수 시멘트 풀의 수축변형이 크다고 해서 그것으로 만들어진 콘크리트의 수축변형이 반드시 큰 것은 아니다.

3) 설계 및 시공 불량

⑴ 설계 및 상세 오류

부재 특성과 전체 구조체의 구조 거동에 대한 완전한 이해가 되어 있지 않은 설계와 상세에서는 응력집중이나 구조 일체성의 결여 등의 바람직하지 않은 현상으로 구조체에 균열을 가져오게 하는 일들이 있다. 특히 특수 구조체나 특수 하중이 작용하는 경우에는 이에 맞는 설계와 상세의 중요성이 한층 더 강조된다. 이러한 점들이 충분히 고려되지 않은 구조체에서는 균열이 심각한 문제로 부각될 것이다.

⑵ 시공 불량

시공 불량 중 가장 흔한 것이 작업성을 좋게 하기 위하여 콘크리트에 물을 붓는 일이다. 최근 콘크리트 펌프의 사용이 보편화되면서 레디 믹시드 콘크리트에도 물을 더하는 경우가 있으나, 첨가된 물은 콘크리트의 강도를 저하시키고 재료 분리를 조장하며 최종적으로 건조수축을 증가시킨다. 강도저하를 줄이기 위하여 시멘트 함량을 늘릴 경우에는 수화열이 높아져 온도응력에 의한 균열을 증가시키는 결과를 초래한다. 또한 충분치 못한 양생은 시공과정에서 균열을 발생시키는 또 하나의 중요한 원인이 된다. 양생기간이 짧으면 콘크리트 강도가 낮을 때 수축을 증가시키며, 충분한 습도를 공급하지 못하면 건조에 의하여 수화작용이 원활하지 못하여 강도 저하와 내구성 부족을 초래하게 된다. 이외의 주요 시공상의 문제점들은 거푸집 지주 설치의 불량, 부적당한 다짐, 응력이 집중되는 곳에서 시공 조인트의 설치 등이며, 이러한 시공 불량은 재료 분리와 콘크리트의 균열을 발생시킨다. 모든 균열의 가장 큰 원인은 이 시공 불량이다.

⑶ 시공하중

시공과정에서 부재가 받는 하중이 설계 하중보다 클 경우에는 이에 의한 균열이 발생한다. 이러한 일들은 현장 콘크리트의 초기 과정이나 프리캐스트 부재의 운반 조립 과정에서 생기기 쉬우며 영구적인 균열로 남는 경우도 있다. 보의 패널과 같은 프리캐스트 부재에서는 운반 조립 작업에서 임의대로 편리하게 들어올리는 점을 택하는 경우 부재의 자중에 의한 휨 모멘트로 심각한 손상을 받을 수 있기 때문에 주의 깊게 이를 고려하여야 한다. 기중기 등으로 부재를 들어올릴 때에도 갑자기 정지하면 그 충격 효과가 부재 자중보다 몇 배 더 큰 경우가 있기 때문에 이러한 일들을 기중기 운전자에게 주지시켜야 한다. 프리캐스트 부재와 같은 큰 부재를 운반할 때에 예기치 않은 돌출부나 고속도로의 우각부에 서 운반차량의 가속도와 부재 자중에 의한 추가 하중이 더해지므로 주의하여야 한다.

한편 프리텐션 보에서는 긴장 완화시에 균열을 유발시키는 경우가 있다. 긴장용 철근이 많이 사용되는 경우에는 부재에 편심하중이 생기지 않도록 시방된 순서에 따라 인장력을 풀어야 하며, 한쪽 단부는 인장력이 완전히 풀렸는데 다른 쪽 단부는 그대로 인장되고 있을 때에는 인장되는 단부에 균열이 생길 수 있으므로 이러한 점에도 주의를 기울여야 한다. 이외에도 고려되어야 할 시공 하중의 문제점들은 증기양생되는 콘크리트의 열 충격에 의한 균열, 두꺼운 프리캐스트 부재의 급격한 냉각에 의한 표면균열, 냉한기 현장 콘크리트 공사에서 난방기구 사용에 의한 열 응력, 부재의 하역 및 저장, 시공 기계의 운용 중에 생기는 시공하중 등을 들 수 있으며 이에 대하여 설계 및 상세에서 충분한 고려가 있어야 한다.

4)시공 중 발생할 수 있는 균열

⑴ 시멘트의 이상 팽창

콘크리트 타설 후 수십일 이후에 방사형의 망상균열이 통상 불규칙하게 발생한다.

⑵ 콘크리트의 침하 및 블리딩

콘크리트 타설 후 1~2시간 이후에 철근 상부나 바닥, 벽 등의 경계면에 단속적으로 규칙성 있는 균열이 종종 발생한다.

⑶ 반응성 골재나 풍화암의 사용

콘크리트 타설 후 수십일 이상 경과하여 콘크리트 내부에서부터 조금씩 폭열상으로 규칙성 없는 거북등 모양의 균열이 발생하며, 다습한 곳에 많다. 기둥, 보 등에서는 재축방향에 거의 평행으로 나타나며, 벽 등에서는 방향에 관계없이 마구 갈라지는 형으로 나타난다.

⑷ 장시간 비빔

콘크리트 타설 후 조기에 혹은 수십일 이후에 그물모양의 균열이나 길이가 짧은 망상 도는 관통의 균열이 규칙적 또는 불규칙적으로 발생.

⑸ 급속 타설

부어 넣은 후 1~2시간 경화 후에 철근 상부나 벽과 슬래브 경계면에 규칙적 또는 불규칙하게 단속적으로 발생한다.

⑹ 불충분한 진동다짐

콘크리트 내의 공동, 콜드 조인트, 곰보 벌집이 생기기 쉽고, 공극에 의해서 수십일 이후 표면에는 불규칙 한 균열이 발생하며, 또 각종 균열의 기점이 되고, 콘크리트가 열화하기 쉽다.

⑺ 장시간 운반

전면에 그물모양의 균열이나 길이가 짧은 불규칙한 균열이 발생한다.

⑻ 거푸집에서의 누수

시멘트 페이스트가 유출되어 골재가 노출된 부분이 각종 균열의 기점이 되기 쉽다.

⑼ 지보공의 침하

다져넣은 후 수시간, 수일 내로 바닥이나 보의 단부 상부 및 중앙부 단 등에 표층, 관통의 균열이 발생한 다.

⑽ 경화 전 진동, 재하

다져넣은 후 수시간, 수일 내로 보나 슬래브의 인장측에 수직 균열, 기둥, 보, 벽 등에 45° 경사균열이 불규칙하게 발생한다.

⑾ 초기 양생 중 급격한 건조

타설 후 초기에 각 부분의 표면에 망상의 짧은 균열이 불규칙하게 발생한다.

⑿ 초기 동해

탈형하면 콘크리트면이 뿌옇게 스케일링되며 수일, 수십일 이상에서 미세균열이 불규칙하게 발생한다.

⒀ 환경온도,습도의 변화

건조수축 등으로 인해 발생한 균열과 비슷하며, 점차적으로 성장, 개구부나 기둥, 보로 둘러싸인 구석에 망상, 관통균열이 수십일 이상에서 통상 규칙성 있게 발생하는 경우가 많다.

⒁ 부재 양면의 온도 습도차

수십일 후에 저온측 또는 저습측의 표면에 구부러진 방향과 직각으로 규칙성 있게 균열이 발생하고, 반복 작용의 경우 시간이 경과하면 관통의 균열이 발생한다.

⒂ 내부 철근의 녹

피복콘크리트의 박리, 녹이 유출되며, 철근을 따라 큰 균열이 발생한다.

⒃ 동상

구조, 외력에 의해 발생한 균열과 같은 형태로 불규칙하게 발생한다.

Ⅱ. 콘크리트 균열의 방지 대책

1. 균열 저감 및 내구성을 위한 배합의 대책방안

침하 균열이나 초기 건조균열의 발생원인이 모두 단위수량이 크고, 블리딩이 큰 경우이므로 배합 시 시공이 가능한 범위 내에서 단위수량과 슬럼프가 적은 콘크리트로 할 것과 염화물의 혼입량을 줄이는 제한이 필요하다. 침하균열을 중이기 위한 시공상 대책은 타설 속도를 조절하고, 1회 타설 높이를 작게 하거나 적절한 진동다짐으로 마무리한다. 만약 타설 직후 조기에 침하균열이 발견되면 각재 등으로 콘크리트 표면을 두드려 재 마무리하면 없앨 수 있다.

플리스틱 균열을 제어하기 위해서는 단위수량이 적고, 적정한 AE제를 혼입한 배합이 요구되는데, 단위 수량만을 감소시켜 균열을 방지하는 것은 무리지만, 단위수량을 적게 한다는 것은 건조 수축률의 감소뿐만 아니라 블리딩, 침하균열 감소 및 내구성까지 향상시키는 결과를 가져온다. 그리고 이 균열에 대한 시공상 대책으로는 콘크리트를 직사일광이나 바람에 노출시키지 않도록 하여 급격한 건조를 방지하고, 살수 등의 조기양생을 실시하면 충분히 제어할 수 있다. 특히 고온 하에서 콘크리트를 타설 할 때에는 콘크리트 표면을 마무리한 후 1~2시간 경과하여 표면이 건조될 즈음에 바로 물을 뿌려 습윤을 유지시켜 주는 효과적인 방법이 있다. (이 때 주의할 것은 콘크리트에 진동, 충격을 주어 철근의 부착강도에 영향을 주면 안 된다.)

2. 운반 및 다짐의 대책방안

1) 운반

최근 도심지공사에서 운반시간을 단축한다는 것은 현실적으로 무리한 계획이므로 건설현장마다 타설 시간을 조정하거나, 고온 시에는 지연제를 활용하는 등의 대책이 필요하며, 레미콘 배출지점에서 슬럼프가 저하할 때 물을 첨가하지 않고서도 슬럼프를 회복시켜 작업성을 높이는 유동화제가 있다.

참고로 레미콘 트럭이 주행 중에 고장으로 콘크리트가 응결, 경화할 우려가 있을 때에는 지연제나 응급조치로 설탕을 사용할 수 있다. 이 때 콘크리트 10yd에 설탕 15lb 정도 넣으면 콘크리트는 응결하지 않는다.

2) 콘크리트 다지기

콘크리트는 아무리 좋은 것이라도 점성저항이 있으므로 단지 부어 넣기만으로는 철근주위나 거푸집의 구석구석까지 충전하기 곤란하므로 진동기를 사용하여 밀실하게 다져서 콘크리트 내부의 공극을 줄이고, 철근 또는 매설물과 견고하게 정착시키는 등 콘크리트의 밀실성을 확보하여 구조체의 소요강도 및 내구성을 발휘하게 한다.

3. 양생의 대책방안

양생은 당연한 것인데 실제 건설현장에서의 양생현황을 살펴보면 동절기 및 하절기 공사에서 양생의 기본인 직사 일광, 바람막이 차단멱을 설치하는 예는 거의 찾아 볼 수 없고, 간혹 콘크리트면을 통기성이 없는 P.E 필름으로 보양하는 것을 보게 되는데 소규모 공사에서는 이것마저도 생략하고 높은 외기에 노출시키고 있는 실정이다. 일반적으로 폴리에틸렌 필름에 의존하는 양생방법은 시공상 간편하고 저렴한 방법이긴 하나 그 효과는 크게 기대할 수 없으며 특히 고온 하에서 통기성이 없는 P.E 필름덮개는 오히려 콘크리트 온도를 상승시킬 우려가 크므로, 콘크리트 표면에는 습윤상태로 유지해 줘야 한다. 현장여건 상 습윤양생이 어려울 경우에는 curing compound 등의 막양생제에 의해 콘크리트면을 도포하는 방법이 있다.

4. 시공이음 대책방안

철근콘크리트조, 철골철근콘크리트조에서이어 붓기는 가능한 피하는 것이 좋다. 그 중에서도 특히 보 부재나 슬래브의 접촉면에서는 이어 치기를 하지 않거나, 휨모멘트가 큰 곳에서도 인장측 콘크리트에 건조수축과 인장 등으로 인하여 균열발생이 쉬우므로 가급적 피하는 것이 바람직하다. 그러나 이어 치기가 부득이한 경우 구조물의 취약부가 최소화되도록 하기 위해서는 전단력이나 모멘트가 작은 위치로 하고, 차부재에 의하여 지지될 수 있는 부위여야 한다. 특히 콘크리트 보나 슬래브는 자중이나 적재하중 혹은 지진 등에 의하면 전단력이 작용하므로 이어 붓는 위치는 전단력이 적은 부재의 위치로 하는 것을 원칙으로 한다.

5. 콜드 조인트 대책방안

콜드 조인트는 주로 시공적인 요인에 의하여 발생하는데, 특히 서중콘크리트를 타설하는 과정에서 압송기계의 고장, 타설 시간의 간격을 조정하지 못한 원인 등으로 콘크리트 응결이 빨라 발생하고, 경화 중에 거푸집 두들기나 진동기의 영향으로도 생기며, 발생부위는 구조물 전체 부재에 광범위하게 발생한다.

시공상의 콜드 조인트의 영향을 최소화하기 위해 전회 타설한 콘크리트 윗면에 생콘크리트를 부어 넣을 때에는 먼저 타설한 콘크리트와 그것과 접하고 있는 블리딩, 레이턴스층을 말끔히 제거하고, 먼저 친 콘크리트가 어느 정도 응결되었는지를 파악한 후 진동기를 20cm이상 조심스럽게 삽입하여 위아래로 밀실하게 다지고, 접착부에 계면이 형성되지 안도록 한다. 만약 전회 콘크리트가 이미 응결 상태일 때에는 진동기를 삽입해서는 안 된다.

6. 피복두께 결정의 대책방안

피복두께를 결정할 때 그 두께를 증가시티는 것은 철근의 부식적인 측면에서 유의하지만, 피복두께의 증가는 균열폭의 증가를 유발하는 단점이 있으며, 단면의 축소로 구조체의 내력감소를 초래한다. 반대로 피복두께의 부족은 여러 가지 부식인자가 침투하기 쉬워 그 기능을 상실하기 쉬우므로 충분히 고려하지 않으면 안 된다. 이와 같이 철근의 피복두께가 콘크리트의 제 기능을 발휘하기 위해서는 다음과 같은 조건을 만족 시킬 필요가 있다.

첫째, 시공상의 오차를 고려하여 부족함이 없도록 확보해야 한다. 이로써 균열 및 염화물 등 철근부식에 유해한 이온의 침투를 억제해야 한다.

둘째, 피복두께를 임의로 축소 또는 관대하게 하여 유해한 결함을 야기시켜서는 안 된다. 그러기 위해서는 피복두께 유지를 위한 바 서포트 및 스페이서가 콘크리트 타설시 이동하지 않도록 철근에 견고하게 고정하고, 간격재의 재질, 배치간격 등 미진한 부분은 교체 혹은 재시공하여 그 두께를 유지해야 한다.

셋째, 내구적인 측면에서 콘크리트의 물-시멘트비를 낮게하는 등 콘크리트 품질관리가 철저하게 이루어지도록 한다.

넷째, 최근에는 콘크리트 배합시 부식억제제 및 방수제를 사용하는 일례도 많아졌다.

7. 거푸집공사의 대책방안

거푸집 공법은 건물의 구조, 마감, 공사기간 및 안전성, 경제성 등을 고려하고, 재료는 건물의 규모, 모양, 구조형식 등을 감안하여 선정해야 한다. 시공 중에 무리한 기간단축은 피해야 하며, 거푸집의 전용계획은 거푸집공사의 시공기간, 존치기간 등의 공정적 요인과 재료적 내용연한, 소모율 등을 검토하여 원활한 전용이 되도록 하되, 재활용을 최대화하기 위하여 존치기간을 무시하는 일이 있어서는 안 된다.

8. 수화열에 의한 균열 저감의 대책방안

-콘크리트의 온도상상은 시멘트의 수화열량 및 반응속도의 영향을 받으므로 발열량이 낮은 중용열 시멘트, 고로 시멘트, 플라이애시 시멘트, 저발열 벨라이트 시멘트 등을 사용하여 콘크리트 온도상승을 억제한다.

-혼화재료는 AE감수제, 지연제, 유동화제 등을 사용하면 수화발열 속도의 제어에 효과적이다.

-콘크리트 온도상승의 원인이 되는 시멘트 수화반응 열량은 콘크리트 배합시 단위시멘트량에 직접적인 영향을 받는다. 따라서 콘크리트 배합시 단위시멘트량이 300kg/m3 정도이면 수화열에 의한 온도는 35°c정도 되고, 10kg/m3 의 단위시멘트량은 중앙부의 온도 상승량을 대략 0.7~1.1°c 정도로 조절할 수 있으며, 내,외부 온도차는0.3~0.4°c정도로 조절이 가능하므로 단위시멘트량을 소요의 강도가 얻어지는 범위 내에서 가급적 적게 사용하면 유리하다.

-콘크리트 타설 온도를 낮게 하여 콘크리트 최고 온도와 외기온의 차이를 줄이는 프리쿨링공법을 채용하여 온도응력을 저감시킨다. 그러기 위해서 배합수에 얼음을 사용하여 수온을 하강시키는 방법, 골재에 살수나 강제 환풍을 이용하는 방법, 액화질소를 주입하는 등 냉각 매체를 사용하여 재료를 냉각시키는 방법이 있으며, 아직 굳지 않은 콘크리트에 액화질소를 분사하여 콘크리트 온도를 낮추는 방법도 있다. 또한 야간 또는 이른 아침에 콘크리트를 제조, 타설하는 것도 한 방법이다.

-콘크리트를 몇 개의 구획으로 분할하여 타설하고, 1회의 타설 높이를 0.7~2.0m로 낮게 하여 온도 상승량을 저감시켜 균열을 방지하는 방법이 있다.

-매스콘크리트 양생은 온도상승을 줄이고, 부재 내, 외부의 온도차를 가급적 적게 하는 것이 중요하므로, 파이프 쿨링에 의해 타설 시의 콘크리트온도를 인위적으로 낮춰 수화열을 저감시킨다. 타설한 후에는 급격한 온도변화나 건조작용을 받지 않도록 표면을 시트로 싸고, 살수 양생이나 담수 양생 등을 실시하는 것이 바람직하며, 콘크리트가 직사일광에 노출되거나 야간에 급냉되는 것을 방지해야 한다. 거푸집은 열전도율이 작은 목재 거푸집이 좋다.

9. 진동 및 충격의 대책방안

콘크리트를 부어 넣고, 곧바로 그 위를 보행하거나, 여러 가지 중량물을 한곳에 집중재하하고 후속작업을 진행하는 경우 혹은 작업 중 중량물을 거침없이 집어 던지고, 하부층의 거푸집을 일부 해체하여 부족분의 재료로 충당하는 경우도 종종 보게 되는데, 이와 같은 경우 구조체에는 콘크리트 균열이 바로 발생하는 것은 아니지만, 유해한 균열의 원인이 되며, 발생한 균열은 대부분 영구적으로 남는 경우가 많아. 특히 외기온이 낮아 콘크리트 경화가 늦어지는 동절기 공사에서는 더 심각해진다.

따라서 콘크리트를 부어넣고 최소한 3일 이상 보양한 후 후속작업을 진행하더라도 재료를 올리고 내릴 때에는 구조체에 진동,충격을 주어서는 안 되며, 중량물은 하중을 분산시켜 재하하고, 재하지점에는 미리 보강지주를 늘여서 변형에 대비하는 대책을 강구해야 한다.

10. 시공시 하중초과에 의한 균열 저감의 대책방안

콘크리트 시공중에는 구조물이 완전하지 못하므로 자재의 과적이나 건설장비의 가동은 초과하중의 주요 원인이 되므로 매우 위험하다. 특히 아파트의 주차장 슬래브에서 시공장비의 이동은 침하 및 유해한 균열이 발생하기 쉽고, 심한 경우에는 붕괴를 초래할 수도 있으므로 중량차량의 진입이나 재료 야적장으로 활용하는 것은 가급적 피하는 것이 좋으며, 현장 여건상 부득이한 경우에는 지하층에 가설지주를 추가로 설치하여 건설중기나 건설자재의 과하중에 대비하고, 중량차 통행로에는 별도로 가설발판을 설치하는 등의 대책이 필요하다.

Ⅲ. 결론

지금까지 콘크리트균열의 원인과 대체방안에 대해서 시공상의 원인과 대책에대해 주로 알아보았다. 우리는 콘크리트 구조물의 균열 후에 일어날 수 있는 엄청난 피해를 충분히 상상할 수 있다. 하지만 서두에 언급했듯이 콘크리트 구조물에서 발생하는 균열의 원인은 무수히 많다. 그리고 우리 기술자들은 이를 최소화해야할 의무를 가지고 있다. 문제는 시공자면 시공자 혹은 설계자면 설계자 개개인이 아닌 공사의 처음부터 끝까지 참여하는 모든이들이 관심을 가지고 원인와 대책을 강구해야 한다는 것이다. 물론 시공상의 제어도 중요하지만, 근본적인 설계상의 제어가 없이는 결코 콘크리트의 균열을 제어할 수 없다는 생각을 한다. 지반의 부등침하나 재료자체에 대한 제어 그리고 사계절이 뚜렷한 우리나라같은 환경조건에대한 제어, 더 나아가 지진과 같은 예상치 못한 외력조건까지 제어할수 있는 등 많은 조건들을 복합적으로 고려하여 설계자와 시공자가 서로 유기적으로 결합하여 공사가 이루어져야 보다 건실한 구조물이 시공 될 것이라는데에 누구도 이의가 없을것이다. 다시 반복해 말하지만 콘크리트 균열의 원인을 무수히 많다. 그 무수히 많은 원인들을 모두 제어한다는 것은 불가능하다. 하지만 건축을 하는 이 모든 사람들이 서로 관심을 가지고 많은 조건들에 대한 복합적인 연구, 설계, 시공이 이루어져야 보다 안전하고 건실한 구조물을 만들 수 있을 것이다.

참고문헌

한국건설교통기술평가원(http://www.kicttep.re.kr/)

구글 및 네이버 다음 블로그 검색 (http://cafe.naver.com/kjh791215)

金鎭根., “콘크리트 균열의 원인”, 한국콘크리트학회 학회지 제6권4호, 1994.8, pp.6～16

허명재, 철큰콘크리트 , 남양문화 ,p 23~65

www.shop-dwg.co.kr