매스콘크리트의 균열 발생 원인 및 균열 제어 방법

>매스콘크리트란?

매스콘크리트는 부재 혹은 구조물의 치수가 커서 시멘트의 수화열에 의한 열응력을 고려해야 하는 콘크리트를 말한다.

일반적인 매스콘크리트(massconrete)의 정의는 부재단면적이 80cm 이상의 넓은 슬래브나 기둥형상, 하단이 구속된 경우에는 두께 50cm 이상의 벽체 형식 구조물을 뜻한다.

하지만 콘크리트 구조물의 규모와 별도로 서중에 타설하는 콘크리트 역시 기온을 고려하여 매스콘크리트와 같은 수화열 대책이나 균열대책을 세우고 타설 및 양생해야 한다.

 

>각 종 포틀랜드 시멘트의 수화열

 

>온도 균열 발생 메커니즘

매스콘크리트의 온도균열은 크게 두가지로 나눌 수 있다.

• 구조체 내부의 온도분포 차이에 의해 발생하는 균열
• 온도 상승으로 팽창되었던 콘크리트가 온도 강하로 수축할 때 내부·외부 구속에 의해 수축이 방해되면서 발생하는 인장응력이 인장강도를 넘어서면서 발생하는 균열

 

1. 내부구속이 탁월한 경우

내부구속이 탁월한 경우는 주로 암반 또는 구속체의 탄성계수가 새롭게 타설한 콘크리트의 탄성계수에 비해 현저히 낮은 경우나, 길이와 높이비(L/H)가 작은 경우, 또는 구속체와의 경계에서 미끄럼이나 결속력 부족으로 외부구속이 비교적 약한 경우에 나타난다.

• 열응력의 양상이 거의 일정
• 온도분포 형상에 크게 의존하기 때문에 단위 시멘트량이나 타설온도, 타설높이 등 콘크리트 타설계획에 의해 주로 정해지는 값만 알면 온도분포로부터 열응력 유추 가능
• 균열은 콘크리트의 온도가 최대가 되는 재령 1~5일 또는 거푸집 탈형 직후에 생기기 쉽다.
• 균열폭은 0.1~0.3mm 정도이며, 규칙성이 없고, 단면을 관통하지 않는다.
• 내부구속에 의해 표면에 발생한 균열이 건조수축이나 외부구속에 의한 응력으로 인해 큰 관통 균열로 진전하기도 한다.

 

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2. 외부 구속이 탁월한 경우

외부구속이 탁월한 경우는 암반 위에 콘크리트를 타설하는 경우나 기타설한 콘크리트 구조물의 간섭을 받는 경우가 이에 해당되는데, 구조물의 크기나 하부의 암반 상태에 따라 열응력의 발생 양상이 크게 달라지기 때문에 온도 균열의 발생시기나 위치 등에 대한 추정이 매우 곤란하다.

• 온도상승으로 구조물 내부가 팽창하며 초기에는 내부응력이 단면전체에 걸쳐 압축응력으로 나타나고, 시간이 경과함에 따라 냉각되어 단면전체가 인장응력으로 바뀌게 된다.
• 온도 상승으로 콘크리트가 팽창할때 표면은 상대적으로 낮은 팽창률을 보이기 때문에 표면에는 인장응력이 발생하고 미세한 표면 균열이 발생할 수 있다.
• 온도하강으로 단면대부분에 인장응력이 발생할때 균열은 주로 구속면에 대하여 직각방향으로 발생한다.
• 균열폭은 0.2~0.5mm 혹은 그 이상이 되고, 구조물을 관통하는 경우가 많으며, 구조물의 안전성에도 크게 영향을 미치게 된다. 
• 외부구속으로 발생하는 관통균열을 제어하는 대책이 중요하다.

 

>수화열 및 온도분포에 영향을 미치는 요인

매스콘크리트의 수화열 및 온도분포가 열응력을 야기하기는 하지만 수화열과 열응력에 영향을 미치는 요인은 다소 상이하다. 따라서 수화열과 열응력에 영향을 미치는 요소들을 각각 파악하고 검토할 필요가 있다.

1. 수화열에 영향을 미치는 요소

1) 단위시멘트량

• 단위시멘트량은 콘크리트의 온도 상승량에 가장 큰 영향을 미치고, 열응력 및 온도균열지수에도 직접적으로 영향을 미치기 때문에 콘크리트의 소요 품질을 확보할 수 있는 범위 내에서 적극적인 검토가 필요하다.
• 단위시멘트량을 10kg/m3 줄이면 중앙부의 온도 상승량을 약 1℃정도 줄일 수 있고, 내 외부의 온도차는 0.3~0.4℃ 정도 조절이 가능하다. 
• 단위 시멘트량을 줄이는 것은 균열제어 측면에서 볼 때 매우 효과적이다.

 

2) 시멘트 종류 및 분말도

• 콘크리트의 발열 특성은 시멘트의 수화열량 및 반응속도의 영향을 받는다.
• 시멘트의 수화열은 시멘트 구성 성분에 의해 결정되는데, 화학 성분비가 서로 다른 각종 시멘트는 서로 다른 수화 발열량 및 반응속도를 나타낸다.
• 동일한 배합의 콘크리트라도 시멘트 종류에 따라 단열온도상승은 차이가 나타난다.
• 시멘트의 수화반응 속도는 시멘트의 분말도가 클수록 증가한다. 분말도가 클수록 배합수와 접촉하는 면적이 증가하므로 수화반응 속도가 증가하는 것이다.
• 분말도의 영향은 초기 수화반응에 많은 영향을 미치는데, 동종의 시멘트라도 분말도의 대소 여부에 따라 수화반응 속도가 크게 다르다.

 

3) 혼화재, 혼화제

• 플라이 애쉬, 고로 슬래그, 실리카퓸과 같이 분말도가 큰 콘크리트 결합재의 사용은 단위 시멘트량을 감소시켜 수화열을 저감하며, 시공성 개선, 콘크리트의 장기강도 및 내구성, 내화학성 증진에도 효과가 있다.
• AE제, AE감수제, 고성능 감수제와 같은 혼화제는 워커빌리티를 높여 시공성을 개선할 뿐만 아니라 단위 수량을 감소시켜 수화반응 속도를 조절로 수화열을 줄이는 역할을 한다.

 

4) 타설온도 조절 (프리쿨링, 파이프쿨링)

• 타설 온도 조절로 단위 시멘트량의 조절 만큼 수화열 감소 효과를 기대할 수 없지만, 수화반응 속도는 타설 온도에 비례하는 경향을 보인다. 타설 온도가 낮아질수록 수화반응속도계수가 작아져 수화반응이 지연되고 결과적으로 온도균열을 제어하는 효과를 보인다.

 

■프리쿨링

• 재료를 냉각 시켜 타설 시 콘크리트 온도를 낮추는 방법이다.
• 물 온도를 10~15℃ 낮추면, 콘크리트 온도가 2~3℃ 낮아진다.
• 물 중량의 10~40%를 얼음으로 첨가하면, 콘크리트 온도가 3~7℃ 낮아진다.
• 굵은 골재를 2℃ 냉각시키면, 콘크리트 온도가 1℃ 낮아진다.

 

■파이프 쿨링

• 콘크리트 타설 전에 25mm 파이프를 수평으로 배치하고 냉각수(내외부 온도차 20℃ 이내)를 순환시킨다.
• 냉각 파이프는 타설 전에 누수검사를 하고, 2~3주간 소요 온도를 유지한다.
• 파이프 쿨링이 완료되면 구멍을 그라우팅으로 충진하고 마무리 한다.

 

2. 열응력에 영향을 미치는 요인

열응력은 우선 하부 구속도의 여향을 크게 받으며, 신축줄눈과 균열유발줄눈 설치 유무 및 간격, 양생 및 거푸집 존치 기간등에 영향을 받는다.

1) 하부 구속도

• 콘크리트 열응력은 하부 구속체의 탄성계수 영향을 크게 받기 때문에 시공 전후 검토가 필요하다.
• 하부의 암반이 연암인 경우에는 내부구속 상태가 되어 초기에 표면균열 발생 가능성이 높아진다.
• 하부의 암반이 경암이거나 기타설한 콘크리트가 있을 경우 완전한 외부구속 상태가 되어 온도균열의 발생위치가 표면에서 중앙부로 바뀌고, 발생시기도 재령 2주 이후가 된다.
• 이런 균열 발생 모드는 구조물의 형상(L/H)과 구속체의 탄성계수의 영향을 받지만, 구속체 탄성계수는 이미 시공조건에 정해진 값이므로 L/H 비의 값을 줄이는 방햐으로 대첵을 수립해야 한다.

 

2) 신축줄눈과 균열유발줄눈

• 신축줄눈은 수화열에 의한 열 신축외에 온도변화, 건조수축, 침하 등에 의해 구조물에 나쁜 영향을 미치는 것을 피하기 위해 구조물을 두개 이상으로 독립시키기 위해 설치한다.
• 일반적으로 신축줄눈은 15m 정도 간격으로 설치하지만 수화열에 의한 온도균열이 문제가 되는 구조물에서는 그 간격을 짧게 하는 것이 바람직하다.
• 균열유발줄눈은 단면의 일부를 결손시키거나 응력을 집중시켜 특정한 단면에 발생시키기 위해 설치하는 줄눈이다. 균열을 유발시키고자 하는 위치에서 단면 결손량은 전체 두께의 30~50% 정도로 할 필요가 있으며, 균열유발 줄눈의 설치 간격은 대략 1회 타설높이의 1~2배 정도가 좋다.

 

3) 양생 및 거푸집 존치 기간

• 콘크리트 내부와 외부의 온도차를 작게 할 수 있는 열전도율이 낮은 목재 거푸집을 사용하는 것이 바람직하다.
• 겨울철에는 단열 거푸집을 사용할 수 있다.
• 거푸집 탈형을 콘크리트 온도와 외기온도 차가 클 때 하게 되면 균열 발생 위험이 높아지므로, 거푸집의 존치 기간에 대해서도 충분한 검토가 필요하다.
• 일반적으로 벽체 구조물에서는 1~3일 이내, 슬래브 구조물에서는 1~5일 정도로 하며, 조건에 따라 다르다.