콘크리트 재료 성질에 대한 이해 : 콘크리트의 체적변화 편

안녕하세요 오늘은 콘크리트 재료 성질 중에서 시간에 따른 체적변화에 대해서 알아보려고 합니다. 콘크리트의 체적변화를 일으키는 요인은 크게 다음과 같은 3가지 요인이 있습니다.

 

1.건조수축(Drying Shrinkage)

2.크리프(Creep)

3.온도수축(Thermal Shrinkage)

 

건축구조에서 콘크리트의 체적변화를 고려하는 이유는 사용성 때문입니다. 구조체의 체적변화는 내부의 응력을 발생시키고 균열 및 처짐이 발생할 수 있기 때문입니다. 오늘은 건조수축과 크리프에 관한 내용을 다루어 보려고 합니다!

 

[건조수축(Drying Shrinkage)]

건조수축은 콘크리트 내부의 수분이 증발하여 발생하여 체적이 변화하는 현상입니다. 실제 시공현장에서는 워커빌리티를 위해 유동성이 좋은 콘크리트 믹스를 만들기 위해 많은 양의 물을 혼합합니다. 그리고 콘크리트를 양생하는 과정에서 시멘트와의 수화작용을 일으키고 수화반응을 하고 남은 수분은 콘크리트 내부에 남아있습니다. 하지만 시간이 지나면서 해당 수분은 증발하기 위해 내부에서 외부로 이동하고 이 수분이 증발하면 콘크리트의 체적은 축소됩니다.

 

건조수축에 영향을 미치는 요소는 단위수량과 상대습도입니다. 단위수량이 높으면 건조수축 변형률은 더 크게 증가합니다. 이것은 시멘트 페이스트와 골재의 비율로 나타낼 수 있습니다. 시멘트 페이스가 차지하는 체적이 클수록 건조수축이 많이 일어나게 되고, 이에 비해서 골재는 건조수축에 대해서는 저항하는 요소가 됩니다.

 

또한, 상대습도가 증가하게 되면 콘크리트의 건조수축은 멈추고 수화작용의 환경이 조성되어 지속적인 겔이 생성되면서 오히려 체적이 증가하는 현상이 나타납니다. 그 외의 요인은 콘크리트의 보강철근의 유무, 표면적의 크기, 골재의 탄성계수 등이 있습니다.

 

또한, 건조수축은 외부와 내부가 서로 다르게 발생합니다. 그러므로 내부와 외부의 처짐의 compatibility를 만족하기 위해 내부에는 압축력이 발생하고 외부 표면에는 인장력이 작용합니다.

 

만약에 건조수축이 발생되는 부재가 구속되어 있다면 어떤 현상이 발생할까요?

 

예를 들어 보가 기둥 사이에 구속되어 있는데 다음과 같은 두 상황에 대해서 고려해봅시다.

 

한쪽은 두 기둥이 고정단이고 다른 한쪽은 하나의 기둥이 지점조건이 롤러라고 생각하면 건조수축이 발생할 때 롤러지점조건을 가지는 길이가 L’으로 줄어들 것입니다.

반면, 고정단으로 횡변위가 제한되어 있을 때 보에서는 건조수축으로 인해 체적이 줄어들려고 하지만 구속되어 있어 보에서는 인장응력이 발생하고 해당 응력은 보의 균열을 유발하고 미관, 사용성, 철근의 노출로인한 내구성저하로 이어질 수 있습니다. 이러한 현상은 주로 구속되어 있는 슬래브, 벽, 보 등에 인장균열로 나타날 수 있습니다.

이러한 균열을 방지하기 위해서 대표적으로 시공줄눈, 신축줄눈, 건조수축철근 배치, 콘크리트 타설 영역 분할 등 다양합니다. 이러한 방법은 건조수축을 제한하고 구조체의 인장균열을 억제할 수 있습니다.

 

-건조수축 변형률 계산법

건조수축 변형률을 계산하는 방법은 생각보다 많은 변수가 있습니다. 변수들을 하나씩 알아보면 다음과 같습니다.

 

상당히 변수들이 많습니다. 제 생각에는 암기하기보다는 이러한 계수들을 이용해서 건조수축 변형률을 계산한다는 정도로 알고 있으면 될 것 같습니다.

 

 

최종적으로 위의 식을 통해 건조수축 변형률을 산정해야 합니다.

 

구하는 방법은 아래의 그림으로 나타냈으니 참고해주세요!

 

만약 β_RH가 음수이면 건조수축 변형률도 음수이며 건조수축에 의해서 콘크리트가 수축되는 것을 의미합니다. 99%이상의 상대습도를 갖는 대기중에서는  β_RH 가 양수가 되어 콘크리트는 팽창합니다.

 

식이 생각보다 귀찮게 계산해야 할 내용이 많지만 사실 계산기만 있으면 쉽게 끝나는 식들이긴 합니다! 겁먹지 마세요! 😂

 

[크리프(Creep)]

콘크리트에서 크리프는 생각보다 중요합니다. 건축기사나 건축구조기술사 시험문제에서도 종종 보였던 것 같습니다. 콘크리트 부재의 변형은 초기탄성변형과 수년간의 시간에 걸친 크리프 변형이 있습니다. 이러한 변형은 콘크리트의 겔입자가 압축을 전달하는 과정에서 수분층이 얇아져서 변형이 발생합니다. 이러한 변형은 초반에는 빠르게 일어나지만 서서히 줄어듭니다. 아래의 그림을 확인하면 재령에 따른 콘크리트의 변형률을 확인할 수 있습니다.

 

크리프 변형은 1년동안 거의 80%가 진행되고 하중을 제거하면 탄성회복이 즉시 일어나고 천천히 크리프회복이 일어나지만 영구변형은 회복이 불가능합니다.

상대습도가 낮은 환경에서 건조로 인해 추가적인 크리프가 발생하고 이때 건조크리프라고 하며, 주위환경과 습기의 이동이 없을 때 기본크리프라고 합니다.

또한, 크리프에서 중요한 개념이 이완작용입니다. 응력을 받는 콘크리트 공시체가 일정한 변형률이 작용한다면 응력이 감소하는데 이것을 응력이완이라고 합니다.

 

크리프변형량은 콘크리트강도에 대한 지속응력의 비, 하중이 작용하는 시점의 콘크리트의 강도와 재령, 하중이 작용하는 지속시간에 좌우됩니다. 여기서 하중의 크기가 강도보다 작은데 지속응력이 작용하면 파괴되는 응력의 범위가 있습니다. 이때 크리프에 의해서 파괴되는 시간파괴라고 부르며 압축강도에 0.8~0.9 정도의 응력이 작용할 때 크리프는 주어진 콘크리트의 극한변형률까지 발달하여 파괴가 발생합니다.

 

-크리프 변형률 계산

크리프의 변형률은 다음과 같이 표현할 수 있습니다.

 

여기서 Ct는 크리프계수로 하중이 작용하기 시작한 재령, 작용기간, 배합비율, 부재의 두께, 상대습도 등에 영향을 받는 계수입니다. 정의는 다음과 같습니다.

여기서, εi는 탄성변형률입니다. 그러므로 총변형률은 다음과 같습니다.

 

 

이것을 바탕으로 유효할선탄성계수는 다음과 같이 표현할 수 있습니다.

 

 

우리나라의 구조기준에서 CEB-FIP MC90의 내용을 도입하여 크리프 변형을 계산하는 방법은 다음과 같이 제시하고 있습니다. 우선 t‘시간에서 fc(t)에 의한 콘크리트의 순간 변형과 크리프 변형을 고려한 전체변형률은 다음과 같이 표현됩니다.

 

 

 

너무 복잡하죠...

실험식이기 때문에 변수가 많고 외기의 온도가 20℃가 아닌 경우에 대한 보정식, 작용응력에 따른 보정식, 온도가 5℃~80℃로 변화할 때 보정식이 있습니다. 위의 그림은 변수들이 연결되는 과정의 흐름을 나타낸 것입니다.

 

 

오늘은 콘크리트 재료 성질 중에서 시간에 따른 체적변화에 대해서 알아보았습니다. 그중에서 건조수축과 크리프에 대해서 중점적으로 알아보았고 이러한 내용은 콘크리트의 재료의 성질로 중요한 내용이니 다들 꼭 한번씩 공부해보세요~!

오늘도 글을 읽어 주셔서 감사합니다😊