균열 발생원인
균열의 문제는 사용재료에서 시작하여 구조계획, 구조설계, 콘크리트의 제조, 시공, 건물의 내구성, 미관, 보수‧보강 등 실로 많은 사항에 연관되어 있다. 따라서 전체에 걸쳐 논의하는 것은 그 범위가 넓고 다양하여 쉬운 일이 아니지만, 가장 기본적인 것들에 대해서만 알아보기로 한다.
콘크리트는 균열을 항상 갖고 있으며 그 균열의 진전에 의해 파괴가 일어난다라고 하는 대전제하에서 우리는 균열을 대하지 않으면 안 된다. 이러한 균열의 발생원인은 수없이 많지만 크게 구조적인 균열(Structural crack)과 비구조적인 균열(Nonstructural crack)로 나눌 수 있으며, 구조적인 기능을 발휘하지 못하는 단계로 진행하거나 도달한 균열을 구조적인 균열이라 하고 설계오류, 설계하중을 초과한 외부하중의 작용, 시공불량, 물리적인 손상, 폭발, 충격, 철근의 부식으로 인한 심한 성능저하 등에 의하여 야기되는 수가 많다. 상술한 원인들을 제외한 다른 원인에 의하여 야기되는 균열을 비구조적인 균열이라 할 수 있으며 비구조적이라고 무시하고 그대로 방치한다면 시간의 경과에 의해 철근의 부식이 점차로 진행하면서 구조물이 불안전한 단계에까지 이를 수 있다는 것을 유념하여야 한다. 즉 다시 말하면 구조물에서 발생된 비구조적인 균열이 조사 당시에는 안전한 상태라 할지라도 그대로 방치한다면 구조적인 재난을 초래할 수도 있다는 것을 의미한다.
그러면, 우리나라의 콘크리트 구조물에서는 왜 특별히 균열이 크게 발생되고 있는가에 대해서 실제적으로 그 원인을 살펴보기로 하자. 여러 복합적인 것이 원인이겠지만 대별하면,
(1) 공사관계자 전원(즉, 설계자, 시공자, 감리자, 감독자 및 건축주 등)이 구조물의 강도(Strength)에만 관심을 갖고, 사용성(Serviceability) 및 내구성(Durability) 등에는 전혀 관심을 갖고 있지 않았다.
(2) 콘크리트 재료적 특성에 대한 무지에서 비롯되었다.
(3) 시공의 저급성을 들 수 있다. “균열억제의 가장 좋은 방법은 최상의 시공능력에서 비롯된다(The best crack control is the best construction work)”라는 기본을 무시해서는 안 된다는 것이다.
콘크리트 구조물에 발생하는 균열의 종류를 분류하면 다음과 같이 기술할 수 있겠다.
(1) 굳지 않은 콘크리트 균열
① 소성수축 균열
② 침하균열
(2) 굳은 콘크리트의 균열
① 건조수축에 의한 균열
② 열응력에 의한 균열
③ 화학적 반응에 의한 균열
④ 기상작용에 의한 균열
⑤ 철근의 부식에 의한 균열
※ 염해 : 콘크리트 중에 염화물이 존재하여 강재가 부식하므로써 콘크리트 구조물에 손상을 끼치는 현상을 말한다. 해사의 염화물이온(Cl―)이 일정량 이상 존재하면 철근에 녹이 발생하고 철근은 2.5배까지 체적팽창하면서 콘크리트에 균열을 발생시켜 내구성을 저하시킨다.
※ 염화물규정
잔 골 재 : 염화물이온(Cl―)량: 골재 절건중량의 0.02%이하
: 염화나트륨(Nacl)으로 환산하면 0.04%에 해당
콘크리트 : 염화물이온(Nacl―)량 0.02%이하
⑥ 시공불량에 의한 균열
⑦ 시공시 초과하중에 의한 균열
⑧ 설계 잘못에 의한 균열
⑨ 외부작용하중에 의한 균열
콘크리트 구조물에 발생하는 균열의 원인을 분류하면 다음과 같이 기술할 수 있겠다.
(1) 거푸집‧동바리의 변형 및 조기철거
콘크리트의 응결이 시작된 후 거푸집이 변형하거나 변동이 생기면 균열이 발생하게 되는데 가끔 부재의 내부에 발생하여 표면에서 볼 수 없는 경우도 있다. 콘크리트내부에 물집을 형성하여 겨울에 동해의 원인이 되기도 하고 철근을 부식시키기도 한다.
(2) 진동 또는 충격
보행자, 차량, 말뚝박기, 발파, 다짐, 시공장비의 부주의한 사용 등에 의해 야기된다.
(3) 소성수축(Plastic shrinkage)
시멘트풀이 경화할 때 그 체적은 건조시멘트 절대체적의 1% 정도가 감소하는 것으로 알려져 있는데 콘크리트가 소성상태에 있을 때 발생하는 이러한 체적감소를 소성수축이라 하며, 이론적으로 시멘트풀에 다짐현상을 일으키므로 유익할 것처럼 보이나 실제적으로는 이 소성수축이 콘크리트 전반에 걸쳐 균일하게 분포하지 않으므로 이로 인하여 서로 다른 체적변화가 유발되어 콘크리트내에서 인장력을 발생시키는 원인이 된다. 이렇게 발생한 균열은 대부분 노출된 표면에서 나타나는데 바람이 강하거나, 상대습도가 낮거나, 대기온도 또는 콘크리트내부의 온도가 높을수록 더욱 많이 발생한다. 만약 표면증발비율이 0.5㎏/㎡/h를 넘게 되면 블리딩(Bleeding)에 의하여 아래층에서 위층으로 공급되는 수분보다 표면에서의 수분증발이 빨리 일어나므로 이에 대한 조치를 취하는 것이 바람직하다. 또한 콘크리트 배합시 단위시멘트량이 많아짐에 따라 소성수축의 양도 커지는 것으로 알려져 있다. 전형적인 소성수축 균열은 서로 平行하며 0.3~1.0m 정도 간격으로 떨어져 있고 때로는 상당한 깊이까지 발전되기도 한다. 또한 일반적으로 균열이 자유단까지 진전하지 않는데 그 이유는 자유단에서는 체적변화가 자유롭기 때문이다.
(4) 소성침하(Plastic settlement)
타설하고 마무리 작업까지 끝낸 후에도 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 클수록, 슬럼프가 커질수록, 그리고 콘크리트 덮개(일종의 피복두께)가 작아질수록 많이 발생하게 된다. 한편 진동다짐이 충분하지 않거나 너무 휘기 쉬운 거푸집을 사용하였을 경우에도 발생한다.
(5) 수화열
시멘트와 물의 화학반응에 의하여 발생하는 수화열은 콘크리트의 낮은 열전도율로 인하여 외부의 노출부위로 빠져나가는데 충분한 시간을 요하게 되며(열적으로 안정된 상태에 도달할 때까지 소요되는 시간은 15㎝두께일 때 약1.5시간, 150㎝일 때 약 7일, 1500㎝일 때 약 2년 정도 소요된다고 알려져 있다) 그 온도차가 25~30℃정도에 이르면 열응력이 발생하고 온도균열이 형성된다. 이때 발생한 인장응력은 경화후에도 잔류응력으로 남게 되어 콘크리트 구조물에 균열을 발생시킨다.
(6) 건조수축(Drying shrinkage)
건조수축은 콘크리트에서 시멘트풀 구성요소의 수분이동에 의하여 생기며, 이에 따른 콘크리트의 체적변화는 0.05%에 달한다. 건조수축에 의한 콘크리트의 체적변화는 보통 다른 구조체에 의하여 저지되기 때문에 이러한 제약에 의하여 인장응력이 발생하면서 균열을 일으키게 된다.
골재, 상대습도, 부재의 크기와 형상, 혼화제 및 시멘트의 종류 등이 건조수축에 영향을 미치는 주요 요인들이다. 골재는 가장 큰 영향을 미치는 것으로 순수 시멘트풀의 건조수축 변형을 억제시키는 역할을 한다. 억제 정도는 골재의 함유량, 압축성, 최대골재크기 등과 밀접한 관계가 있다. 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 구속 뿐만아니라 콘크리트 부재 자체내의 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 크리프(Creep)에 의해 완화되기도 하나 심한 경우에는 표면에 균열이 발생되기도 한다. 콘크리트의 건조는 표면에서부터 시작되므로 수축변형은 부재의 크기와 형상에 따라 상당한 차이가 있으며 그 영향은 표면 대 부피 비의 함수로 표현할 수 있다. 일반적으로 부재크기가 커짐에 따라 수축변형은 작게 일어나며 어느 크기 이상에서는 처음에는 크기 효과가 작게 일어나다가 나중에는 현저하게 나타나는 것으로 알려져 있다.
혼화제를 사용하는 경우 장기변형을 가져온다는 실험결과가 있기는 하나 그 영향에 대하여 구체적으로 정확한 판단을 내릴 수 없는 실정이며 특히 고강도‧유동화 콘크리트 등에서 혼화제를 사용하는 경우 장기변형에 대한 세심한 검토가 있어야 한다. 시멘트의 성질은 수축변형에 거의 영향을 미치지 않으며 순수 시멘트풀의 수축변형이 크다고 해서 그것으로 만들어진 콘크리트의 수축변형이 반드시 큰것은 아니다.
(7) 탄화수축변형(Carbonation shrinkage)
이는 건조수축의 특수한 경우로 간주할 수 있으나 수분손실에 관한 반응메카니즘이 다르므로 별도의 중요성을 갖는다. 탄화작용은 대기중의 이산화탄소(CO2)가 수화된 시멘트 광물립자와 반응하는 것을 말하며, 특히 높은 물시멘트비에서 이산화탄소 농도가 증가할수록 탄화율은 높아지고 상대습도의 함수로 표현된다.
높은 상대습도에서는 공극이 물로 가득차 있어 이산화탄소가 시멘트풀로 잘 침투하지 못해 탄화작용이 느리며, 매우 낮은 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.
(8) 크리이프(Creep)
하중에 의한 변형에 대하여 시간에 따라 증가되는 변형도를 크리이프라 하고 극한 크리이프 변형도는 초기 변형도의 2~5배 정도이나, 1년 경과 후의 크리이프 변형도는 초기변형도의 1.0~1.5배 정도이다. 그러나 부정정 구조물과 같은 경우에는 응력의 재분배가 이루어져 반드시 그렇다고 할 수 없다.
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 시멘트풀에 대하여 일차적인 구속 역할을 한다. 보통 무게의 골재는 크리이프 변형을 일으키지 않으므로 콘크리트의 크리이프는 시멘트풀 양의 함수로 볼 수 있다. 크리이프에 영향을 미치는 골재의 물리적 성질 중 가장 중요한 것은 탄성계수이며 이것이 클수록 골재에 의한 크리이프 구속효과가 커지게 된다.
많은 시험결과, 크리이프와 응력은 타설초기에 일찍 재하한 경우를 제외하고는 선형관계를 가지는 것으로 알려져 있었으나 최근의 연구에 의하면 비선형 관계식으로 더욱 잘 표현되고 있다. 응력-강도비가 0.3~0.6정도인 압축력이 작용하는 경우 콘크리트에 미세균열이 발생하며 균열생성 정도는 콘크리트의 비균질성 정도에 좌우된다.
감수제나 응결지연제를 사용하면 대체적으로 크리이프가 증가하는 것으로 알려져 있으므로 주어진 구조물에서 크리이프가 중요한 변수가 되는 경우에는 혼화제의 영향에 대해 주의깊게 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 초기강도 발현에 영향을 미치기는 하나 그 자체가 하나의 요인이 아니고 분말도가 높을수록 콘크리트의 강도증진이 크며 결과적으로 응력-강도비가 떨어지기 때문인 것으로 생각된다.
상대습도는 환경에 의한 요인 중 가장 중요한 것으로 상대습도가 낮을수록 크리이프양이 커진다. 재하 초기에는 습도변화에 따른 크리이프율의 차이가 현저하게 나타나나 나중에는 비슷한 크리이프율을 보이고 있다. 이처럼 하중작용시의 건조는 콘크리트의 크리이프를 증가시키게 되고 부가적인 건조크리이프(Drying creep)를 발생시킨다.
부재의 크기가 증가할수록 크리이프는 감소하는데 이는 건조수축에서와 마찬가지로 부재의 내부와의 불균등 현상에 기인하며 표면 대 부피 비로 표시할 수 있다. 크리이프에서 부재의 형상은 크게 중요한 요인이 아니며 건조수축의 경우와 비교하여 볼 때 훨씬 작은 변화를 보인다.
(9) 알칼리 골재반응
반응생성물은 수분을 흡수, 팽창하여 콘크리트에 균열을 발생시키고 심한 경우에는 콘크리트를 붕괴시키기도 한다. 알칼리골재반응은 알칼리와 반응하는 골재 중 광물의 종류에 따라 반응기구가 다르며 Alkali-silica반응, Alkali-carbonate반응, Alkali-silicate반응 등으로 대별되며 주된 피해가 알칼리실리카반응에 의하여 발생하였기 때문에 알칼리골재반응이란 용어를 사용할 경우 알칼리실리카반응만을 지칭하는 경우가 많다.
(10) 온도
경화된 콘크리트의 열팽창계수는 평균 10×10-6/℃이므로 대기온도의 변화에 따라 대기에 노출된 콘크리트 구조체에는 열팽창 또는 수축에 의한 체적변화와 함께 처짐이나 변형이 생기게 된다. 이러한 외부의 열에 의한 체적변화가 다른 구조체의 제약을 받게 되면 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 고온하에서의 콘크리트는 더욱 쉽게 균열이 유발된다. 화재 등에 의한 갑작스런 가열에 대한 논의는 별도로 하기로 한다.
(11) 철근의 부식
화학작용에 의한 부식과 전류의 작용에 의한 부식으로 크게 나누어 진다. 외부의 산성성분이 철근과 작용하여 산화물을 만들 때 그 체적은 원래보다 2~3배 정도 증가하기 때문에 콘크리트의 피복이 균열되며 균열된 콘크리트 사이로 철근은 외부와 더욱 쉽게 접촉을 하여 부식작용이 점차 가속화된다. 한편, 수분을 포함한 콘크리트는 전도체가 되어 누전 등에 의하여 전류가 통해졌을 때에 전기화학작용을 일으켜 부식하게 된다. 이러한 작용에는 황산, 염산, 탄산 등이 특히 유해하기 때문에 콘크리트 배합시 해수는 사용하지 않는 것이 바람직하다.
(12) 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 균열된 표면이 부분적으로 떨어져 나가게 되며 이러한 현상이 수차 반복되면 콘크리트 표면이 분열하게 된다. 동해에 의한 피해 형태로는 표면의 피상박리(Spalling), 원추상의 박리(Pop out), 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 낮시간의 일사에 의하여 콘크리트의 표면온도가 상승하여 동결과 융해가 반복되게 된다. 기상조건이나 구조물의 입지조건으로부터 물과의 접촉을 피할 수 없는 경우에는 이러한 물을 콘크리트 내부에 가능한 한 침투하지 못하게 하는 방책이 필요하다. 수분침투의 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 공간의 특성, 즉 시멘트 경화체의 공극특성이 동해를 지배하게 된다.
(13) 사용하중(Service load)
구조적으로 올바르게 설계, 시공된 구조물이라 할지라도 사용하중이 재하함에 따라 균열이 발생하게 된다. 이는 콘크리트 구조물에서는 필수적으로 발생되는 것으로서 균열이 발생한다는 그 자체에는 아무런 문제가 없으나 발생된 균열의 위치, 크기, 진전여부 등에 따라 주의깊게 살펴보고 균열을 고려한 구조해석을 실시하여 그 안전성 및 사용성, 혹은 보수여부를 결정하여야 한다. 일반적으로 구조물에서 작용하는 여러가지의 하중상태에 따라 발생되는 균열의 형태는 각각 특징이 있어 다르며 특히 충격하중, 피로하중 등에 대한 고려가 매우 중요하다.
(14) 설계 및 상세 오류
부재특성과 전체 구조체의 구조거동에 대한 완전한 이해가 되어 있지 않은 상황에서의 설계와 상세에서는 응력집중이나 구조 일체성의 결여 등과 같은 바람직하지 않은 현상으로 구조체에 균열을 가져오게 하는 일들이 있다. 특히 특수구조체나 특수하중이 작용하는 경우에는 이에 맞는 설계와 상세의 중요성이 한층 더 강조된다. 이러한 점들이 충분히 고려되지 않은 구조체에서는 균열이 심각한 문제로 부각될 것이다.
(15) 시공불량
시공불량 중 가장 흔한 것이 작업성을 좋게 하기 위하여 물을 타는 것으로, 첨가된 물은 콘크리트의 강도를 저하시키고 재료분리를 조장하여 최종적으로 건조수축을 증가시킨다. 강도저하를 줄이기 위하여 시멘트함량을 늘릴 경우 수화열이 높아져 온도응력에 의한 균열을 증가시키는 결과를 초래한다. 또한 충분하지 못한 양생은 시공과정에서 균열을 발생시키는 또 하나의 중요한 원인이 된다. 양생기간이 짧으면 콘크리트강도가 낮을 때 수축을 증가시키며, 충분한 수분을 공급하지 못하면 수화작용이 원활하지 못하여 강도저하와 내구성저하를 초래하게 된다. 이외의 주요 시공상의 문제점들은 거푸집 및 동바리의 설치불량, 부적당한 다짐, 응력이 집중되는 곳에서의 시공조인트 설치 등이며 이러한 시공불량은 재료분리와 콘크리트의 균열을 발생시키는 주요 원인이다. 모든 균열의 가장 큰 원인은 이 시공불량이라 해도 과언이 아니다.
(16) 시공하중
시공과정에서 부재가 받는 하중이 설계하중보다 클 경우에는 균열이 발생한다. 이러한 일들은 주로 현장콘크리트의 초기 과정이나 프리캐스트(PC) 부재의 운반, 조립과정에서 생기기 쉬우며 영구 균열로 남는 경우도 허다하다. 증기양생되는 콘크리트의 열충격에 의한 균열, 두꺼운 PC 부재의 급격한 냉각에 의한 표면균열, 냉한기 현장 콘크리트 공사에서 난방기구 사용에 의한 열응력, 부재의 하역 및 저장, 시공기계의 운용중에 생기는 시공하중 등을 들 수 있으며 이에 대해서는 설계 및 상세에서 충분한 고려가 있어야 한다.
콘크리트에 발생하는 균열의 원인은 수없이 많으나 상기와 같이 간략하게 기본적인 것만 서술하였다. 실제로 어떤 구조물에 균열이 발생될 경우 임의의 한가지 원인에 의하여 발생되는 경우는 극히 드물고 일반적으로 몇가지의 원인이 복합적으로 작용한 형태로 나타나게 된다. 따라서 이러한 원인들을 고려한 해석의 수행이 거의 불가능하기 때문에 구조물에 가장 큰 피해를 주는 균열의 원인을 파악하고 이를 위주로 하여 구조물 해석을 실시하는 것이 효과적이고 일반적인 방법이며 이때 책임기술자의 적절한 판단이 필수 불가결한 요인이 된다.
균열을 평가하는 방법은 다음과 같이 기술할 수 있겠다.
(1) 육안검사
(2) 비파괴 검사
(3) Core 검사
(4) 설계도면 및 시공자료 검토
[표 1]의 콘크리트 구조물에 발생하는 균열 원인을 간단히 정리하면 다음과 같이 기술할 수 있겠다.
(1) 재료상의 원인
① 단위시멘트량, 단위수량이 너무 큰 경우
② 알카리 함유량이 큰 시멘트 사용
③ 분말도가 너무 큰 시멘트 사용
④ 반응성 물질이 있는 골재 사용
⑤ 염화물 함유량이 기준 이상인 골재 사용
⑥ 산․염유를 포함한 혼합수 사용
⑦ Slump치가 너무 큰 경우
(2) 설계상 원인
① 설계 상세도 미비
② 응력 집중 부위 간과
③ 배력철근, 가외철근 부족
④ 줄눈이음(Contraction Joint) 결여
⑤ 철근 피복두께 부족
(3) 시공상의 원인
① 다짐불량
② 양생불량
③ 시간을 지체하여 재료분리발생
④ Workability증가를 위해 물의 추가공급
⑤ 응력이 크게 발생되는 위치에 시공이음(Construction Joint) 설치
⑥ 충분한 강도발현 이전에 과하중 재하
(4) 환경상 원인
① 바람이 세게 불거나, 대단히 건조한 경우
② 해수와 접하거나 해수로부터 가까이 위치 또는 해풍의 영향권내에 있을때
③ 습윤과 건조가 수시로 반복되는 경우
④ 혹서기, 혹한기
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시기 |
초기 타설직후부터 응결 및 경화까지 |
중기 다음날부터 4주까지 |
장기 재령 4주이후 |
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재료 및 배합 |
1. 이상응결의 시멘트사용 2. 泥粉이 많은 골재의 사용 3. 단위수량이 많은 연련 콘크리트의 사용(분리, 침하, 균열) 4. 시멘트 종류에 의한 수축의 상위 |
1. 건조수축(단위수량, 단위시멘트량과의 관계) |
1. 건조수축(단위수량, 단위시멘트량과의 관계) 2. 강도부족(배합, 관리불량, 불순물의 함유량) 3. 철근의 발청(중성화, 염화물함유 및 전해작용) 4. 팽창골재 사용(Pop-out, 알칼리골재반응) |
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시공 |
1. 현저하게 급속한 콘크리트의 타설 2. 거푸집의 배부름 3. 동바리의 침하 4. 초기양생불량 5. 초기의 재하, 진동, 충격 6. 급속한 건조(일조, 바람, 습도의 부족) |
1. 양생불량(조기건조, 습윤불량) 2. 거푸집의 조기탈형 3. 가스, 콘크리트의 수화열에 의한 온도응력 4. 동바리의 조기제거 및 교체 5. 재하, 진동(공사중의 재료의 적재, 공사용기계의 진동) |
1. Cold Joint 2. 배근, 배관의 피복부족(위치의 불량) 3. 강도부족(관리불량, 양생불량) 4. 콘크리트단면, 철근 피복두께 부족(타설두께, 거푸집정도, 배근정도불량) 5. 슬래브의 상단근의 침하(위치고정불량, 保持불량) 6. 메스콘크리트 수화열에 의한 온도응력 |
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구조 |
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1. 부동침하(지반침하, Pile내력부족, Pile부동침하, 기초불량) 2. 단면, 철근량부족(구조설계) 3. 과밀배근(구조설계) 4. 극단적인 철근량변화(구조설계) 5. 우각부의 응력집중 6. 단면의 대소경계부 7. 형상이 복잡한 건물 8. Expansion Joint 위치‧간격의 부적정 |
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건물의 사용조건 (환경) |
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1. Over Load 2. 구체의 온도응력(큰 온도차,냉난방과 외기) 3. 공조에 의한 강제건조 4. 철근의 녹과 팽창(해안지구, 부식성 가스) 5. 옥상 Slab의 신축(Parapet, Slab의 주변) 6. 화학작용 7. 진동 8. 동해 |
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구분 |
예상되는 원인 |
특 징 |
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A. 재 료 적 성 질 |
1. Cement의 이상응결 |
폭이 크고 짧은 균열이 비교적 빨리 불규칙하게 발생 |
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2. Concrete의 침하 및 Bleeding |
타설후 1~2시간 에서, 철근의 상부와 벽과 상판의 경계 등에서 단속적으로 발생 | |
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3. Cement의 수화열 |
단면이 Concrete에서, 1~2주간 지난후부터 직선상의 균열이 대략 등간격으로 규칙적으로 발생. 표면만의 것과 부재를 관통하는 것이 있슴. | |
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4. Cement의 이상팽창 |
방사형의 망상모양의 균열 | |
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5. 골재에 함유되어 있는 泥分 |
Concrete 표면의 건조에 따라 불규칙하게 망상의 균열발생 | |
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6. 반응성 골재‧풍화암 사용 |
Concrete내부부터 거북등 모양으로 발생, 다습한 곳에 많음. | |
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7. Concrete의 경화‧건조수축 |
2~3개월부터 발생하고 다음의 순으로 성장함 개구부나 기둥, 보로 둘러싸인 우각부에 경사균열이 상판, 보 등에서 세장한 균열이 등간격으로 수직하게 발생함. | |
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B. 시 공 |
1. 혼화제의 불균일한 분산 |
팽창성인 것과 수축성인 것이 있어 부분적으로 발생 |
|
2. 장시간의 비빔 |
전면에 망상 또는 길이가 짧은 불규칙한 균열발생 | |
|
3. Pump압송시 C, W양 증가 |
A2, A7의 균열이 발생하기 쉬움. | |
|
4. 타설순서의 실수 |
B7과 B8의 원인이 됨. | |
|
5. 급속한 타설속도 |
B9과 A2의 균열이 발생하기 쉬움. | |
|
6. 불충분한 다짐 |
표면에 곰보가 생기기 쉽고 각종 균열의 기점이 되기 쉬움. | |
|
7. 배근의 이동, 철근의 피복두께 감소 |
Slab에서는 주변에 따라 원상으로 발생. 배근, 배관의 표면에 균열 | |
|
8. 이음처리의 부적합 |
이음부분에서 균열이 생김 | |
|
9. 거푸집의 변형 |
거푸집이 움직인 방향으로 평행하게 부분적으로 발생 | |
|
10. 누수 (거푸집이나 지반으로부터) |
| |
|
11. 동바리의 침하 |
상판과 보의 단부 상단 및 중앙부 하단 등에 발생 | |
|
12. 거푸집의 조기철거 |
Concrete 강도부족에 의한 균열, A7의 영향도 크게 됨. | |
|
13. 경화전의 진동과 재하 |
D의 외력에 의한 균열과 동일 | |
|
14. 초기양생중 급격한 건조 |
타설직후, 표면의 각부분에 짧은 균열이 불규칙하게 발생 | |
|
15. 초기 동해 |
가느다란 균열. 탈형하면 콘크리트면이 하얗게 됨. | |
|
C. 외 적 요 인 |
1. 환경온도‧습도의 변화 |
A7의 균열과 유사, 발생한 균열은 습도변화에 따라 변동 |
|
2. 부재 양면의 온‧습도차 |
저온측 또는 저습측의 표면에 휨방향과 직각으로 발생 | |
|
3. 동결 융해의 반복 |
표면이 부풀어 올라 부슬부슬 떨어지게 됨 | |
|
4. 동상 |
D의 외력에 의한 균열과 같은 상태 | |
|
5. 내부 철근의 녹 |
철근을 따라 큰 균열발생. 피복Concrete 박락‧녹이 유출됨. | |
|
6. 화재‧표면가열 |
표면전체에 가느다란 거북등 모양의 균열발생 | |
|
7. 산‧염류의 화학작용 |
표면이 침식되고, 팽창성물질이 형성되어 전면에 균열발생 | |
|
D. 하 중 |
1. 설계하중 이내의 하중 |
주로 휨하중에 의해 보나 Slab의 인장측에 수직 균열발생 |
|
2. 설계하중을 초과하는 하중 |
D1 D3와 같은 형태의 균열발생 | |
|
3. 지진에 의한 횡하중 |
전단하중에 의해서 기둥, 보, 벽 등에 45o 방향으로 균열발생 | |
|
4. 단면‧철근량부족 |
D1, D2와 같은 형태. 상판과 채양 등에서 처진 방향으로 평행한 균열이 발생 | |
|
5. 구조물의 부동침하 |
45o 방향의 큰 균열 발생 |
|
분류 번호 |
균 열 원 인 |
발생시기 |
형태 |
규칙성 |
콘크리트의 변형요인 |
균열에 관계되는 범위 |
콘크리트 타설시의 기상조건 |
배합 | |||||||||||||
|
수시간 1일 |
수일 |
수 십 일 이 상 |
망 상 |
표 층 |
관 통 |
있 슴 |
없 슴 |
수 축 |
팽 창 |
침하 굴곡 전단 등 |
재 료 |
부 재 |
구 조 체 |
서 중 |
한 중 |
건 조 |
부 배 합 |
빈 배 합 | |||
|
A |
1 |
C의 이상응결 |
○ |
|
|
|
○ |
|
|
○ |
○ |
|
|
○ |
|
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|
|
○ |
|
|
|
2 |
K의 침하,Bleedg |
○ |
|
|
|
○ |
|
○ |
|
|
|
○ |
|
○ |
|
|
|
|
|
○ | |
|
3 |
C의 수화열 |
|
○ |
|
|
○ |
○ |
○ |
|
○ |
|
|
○ |
○ |
|
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|
○ |
| |
|
4 |
C의 이상팽창 |
|
|
○ |
○ |
○ |
|
|
○ |
|
○ |
|
○ |
|
|
|
|
|
|
| |
|
5 |
골재의 泥分 |
|
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○ |
○ |
○ |
|
|
○ |
○ |
|
|
○ |
|
|
|
|
|
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| |
|
6 |
반응성 골재 |
|
|
○ |
○ |
○ |
|
|
○ |
|
○ |
○ |
○ |
|
|
|
|
|
|
| |
|
7 |
K의 건조수축 |
|
|
○ |
○ |
○ |
○ |
○ |
|
○ |
|
|
○ |
○ |
○ |
|
|
|
○ |
| |
|
B |
1 |
A의 불균일 분산 |
|
|
○ |
○ |
|
|
|
○ |
○ |
○ |
|
○ |
○ |
|
|
|
|
|
|
|
2 |
긴 비빔시간 |
○ |
|
○ |
○ |
○ |
○ |
○ |
|
○ |
|
|
|
○ |
○ |
○ |
|
|
|
| |
|
3 |
Pumpg시 배합변경 |
○ |
|
○ |
○ |
○ |
○ |
○ |
|
○ |
|
|
|
○ |
○ |
|
|
|
|
○ | |
|
4 |
부적당한 타설순서 |
○ |
|
○ |
|
|
○ |
○ |
○ |
|
|
○ |
|
○ |
|
|
|
|
|
| |
|
5 |
급속한 타설 |
○ |
|
|
|
○ |
|
○ |
○ |
|
|
○ |
|
○ |
|
|
○ |
|
|
| |
|
6 |
불충분한 다짐 |
|
|
○ |
|
○ |
|
|
○ |
|
|
○ |
|
○ |
○ |
|
|
|
|
| |
|
7 |
배근교란, 피복부족 |
|
|
○ |
|
○ |
|
○ |
|
|
|
○ |
|
○ |
|
|
|
|
|
| |
|
8 |
부적당한 이음부 |
○ |
|
○ |
|
|
○ |
○ |
○ |
|
|
○ |
|
○ |
|
○ |
|
|
|
| |
|
9 |
F의 배부름 |
○ |
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|
|
○ |
|
|
○ |
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○ |
|
○ |
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| |
|
10 |
F의 누수 |
○ |
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|
○ |
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○ |
|
○ |
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|
○ |
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| |
|
11 |
S 침하 |
○ |
○ |
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|
○ |
○ |
○ |
|
|
|
○ |
|
○ |
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|
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| |
|
12 |
F 조기철거 |
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○ |
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|
○ |
|
○ |
|
○ |
|
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|
○ |
○ |
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| |
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13 |
경화전 진동,재하 |
○ |
○ |
|
|
○ |
|
|
○ |
|
|
○ |
|
○ |
|
|
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|
| |
|
14 |
초기양생시 급건조 |
○ |
|
|
○ |
○ |
|
|
○ |
○ |
|
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|
○ |
○ |
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|
○ |
|
| |
|
15 |
초기 동해 |
|
○ |
○ |
○ |
○ |
|
|
○ |
|
|
○ |
|
○ |
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|
○ |
|
|
| |
|
C |
1 |
환경 온습도 변화 |
|
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○ |
|
○ |
○ |
○ |
|
○ |
○ |
○ |
○ |
○ |
○ |
|
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|
2 |
부재양면 온습도차 |
|
|
○ |
|
○ |
|
○ |
|
○ |
○ |
○ |
|
○ |
○ |
|
|
|
|
| |
|
3 |
동결융해 반복 |
|
|
○ |
○ |
○ |
|
|
○ |
○ |
○ |
|
○ |
○ |
|
|
|
|
|
○ | |
|
4 |
동상 |
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○ |
|
○ |
|
|
○ |
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|
○ |
|
○ |
○ |
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|
|
|
| |
|
5 |
내부R 녹 |
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○ |
|
○ |
|
○ |
|
|
○ |
|
|
○ |
|
|
|
|
|
○ | |
|
6 |
화재, 표면가열 |
|
|
○ |
○ |
○ |
|
|
○ |
○ |
○ |
|
○ |
○ |
|
|
|
|
|
| |
|
7 |
산염류의 화학작용 |
|
|
○ |
○ |
○ |
|
|
○ |
|
○ |
|
○ |
|
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|
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|
|
○ | |
|
D |
1 |
설계하중이내 하중 |
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|
○ |
|
○ |
|
○ |
|
|
|
○ |
|
○ |
|
|
|
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|
|
|
2 |
설계하중 초과하중 |
|
|
○ |
|
○ |
○ |
○ |
|
|
|
○ |
|
○ |
|
|
|
|
|
| |
|
3 |
단면,철근량 부족 |
|
○ |
○ |
|
○ |
○ |
○ |
|
|
|
○ |
|
○ |
|
|
|
|
|
| |
|
4 |
건축물의 부동침하 |
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|
○ |
|
|
○ |
○ |
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|
|
○ |
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|
|
|
|
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| |
|
C : Cement, K : Concrete, A : Admixture, F : Form, S : Support, R : Reinforcing bar | |||||||||||||||||||||
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1. 콘크리트 건물에는 왜 균열이 발생하는가 ? |
콘크리트 건물에는 콘크리트라는 재료 때문에 기인하는 내적요인과 하중이나 외부환경 등으로 기인하는 외적인 요인으로 인장력이 작용한다.
재료적 성질로 균열의 원인은
① 건조수축에 의한 균열
콘크리트는 건조하면 수축하고 Slump 18㎝정도의 콘크리트 수축율은 6~8×10-⁴정도이다. 따라서 건물이 자유롭게 수축할 수 있다고 한다면 10M에 대해 6~8㎜정도는 짧게 되나 균열은 발생되지 않는다. 그러나 콘크리트 내부의 철근이나 부재마다 건조상태의 차이 등을 콘크리트가 자유롭게 수축되는 것을 방해하는 구속력이 작용하며 신장능력은 3~4×10---4 정도이다.
이상의 식으로 건조수축율×구속계수 > 신장능력 일 때 균열이 발생된다.
(구속계수는 건물의 규모․ 형상․ 부재의 단면․기타부위에 따라 다르다.)
②수화열 응력에 의한 균열
콘크리트는 경화될 때 열을 낸다. 이를 수화열이라 하며 이에 따라 콘크리트 내부의 온도는 일반적으로 10~20℃, 단면이 넓은 것은 30~40℃ 이상도 상승된다. 고온이 되는 콘크리트 내부의 팽창으로 저온의 표면부가 인장되어 균열이 발생되고 또한 팽창되어 응고된 콘크리트가 냉각될 때 외부로부터 수축이 구속되어 역시 균열이 발생된다. 이러한 수화열에 의한 균열은 부재 단면 치수가 80㎝이상인 Mass 콘크리트에서 발생되며 단위 Cement량을 적게하는 것이 가장 중요하지만 210㎏/㎠ 이상 강도를 요구하는 부재에서는 균열이 부득이한 상황이다.
③ 외부 온도 응력에 의한 균열
지붕 슬래브 및 보가 열을 받으면 팽창되므로 건물 윗면을 외부측으로 밀어내려는 힘이 작용한다. 이 힘이 강하면 최상층의 벽이 견딜 수 없게 되어 균열이 발생된다. 이러한 균열을 그림 1.과 같이 힘의 방향에서