매스콘크리트

왜 배우는가: 매스콘크리트는 댐·기초·대형 슬래브처럼 부재 치수가 커서 수화열에 의한 온도균열이 실무에서 가장 빈번하게 문제되는 콘크리트다. 온도차 관리와 균열 제어 원리는 기술사 시험에서 용어, 논술, 원인·대책 문항으로 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제138회 4교시 2번, 제101회 3교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

매스콘크리트는 부재 치수가 커서 시멘트 수화열에 의한 온도 상승과 강하를 고려해 설계·시공해야 하는 콘크리트다.

• 매스콘크리트(Mass Concrete)
• 수화열(Heat of Hydration)
• 내외부 온도차
• 온도균열(Thermal Crack)
• 구속응력(Restraint Stress)
• 프리쿨링(Pre-cooling)·파이프쿨링(Pipe-cooling)
• 저발열 시멘트
• 단위시멘트량

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 콘크리트 덩어리가 너무 커서 속에서 생긴 열이 빠져나가지 못하는 콘크리트다. 시멘트는 물과 만나 굳으면서 열을 낸다. 이 열을 수화열이라 한다. 부재가 작으면 열이 금방 식지만, 부재가 크면 속은 뜨겁고 겉은 식어서 온도 차가 생긴다.

정식 정의는 다음과 같다. 매스콘크리트는 부재 또는 구조물의 치수가 커서 시멘트의 수화열에 의한 온도 상승 및 강하를 고려하여 설계·시공해야 하는 콘크리트다. 일반적으로 넓이가 넓은 슬래브에서는 단면 치수 80cm 이상이고 내외부 온도차가 25℃ 이상이 되는 콘크리트를 말한다. 하단이 구속된 벽체는 두께 기준을 따로 적용한다.

핵심 원리는 두 가지다. 첫째, 내부 온도가 높을 때는 내부 팽창이 외부에 의해 구속되어 압축이 생긴다. 둘째, 온도가 내려갈 때는 수축이 기존 콘크리트나 지반에 의해 구속되어 인장이 생긴다. 인장응력이 콘크리트 인장강도를 넘으면 균열이 발생한다.

내외부 온도차 25℃ 이상이 매스콘크리트의 판정 기준이다. 온도차가 이 값을 넘으면 수화열 제어 대책을 반드시 세워야 한다.

3. 등장 배경과 필요성

최근 콘크리트 구조물이 대형화되고 고강도·고내구성 콘크리트가 많이 쓰이면서 단위시멘트량이 늘었다. 단위시멘트량이 많을수록 수화열이 커진다. 그 결과 온도균열 위험이 함께 커졌다.

온도균열은 폭이 크고 구조물을 관통하는 경우가 많다. 시공 초기에 발생하기 때문에 구조체의 내력과 수밀성을 떨어뜨리고, 장기적으로는 내구성 저하를 불러온다. 그래서 설계·시공·관리 단계 모두에서 온도 해석과 대책 검토가 필요하다.

단위시멘트량 10kg/㎥ 증감에 따라 내부 온도는 약 1℃ 비율로 변한다. 이 관계 때문에 배합 단계에서 시멘트량을 줄이는 것이 가장 기본적인 대책이 된다.

온도균열은 수화열 자체보다 내외부 온도차와 구속 조건이 결합할 때 발생한다.

4. 구성요소·원리·절차

매스콘크리트의 온도균열 제어는 수화열의 발생과 내외부 온도차, 그리고 구속도라는 세 요소를 나눠 보는 데서 출발한다. 발열량을 줄이고, 타설 온도를 낮추고, 냉각 속도를 늦추는 세 가지 방향으로 구성요소가 나뉜다.

표의 구성은 재료에서 시공, 설계로 이어지는 순서다. 재료 단계에서 발열 자체를 줄이는 것이 가장 효과가 크고, 나머지는 발열된 열을 천천히 빼는 역할이다.

원리는 다음과 같다. 타설 후 시멘트 수화가 진행되면 내부 온도가 올라가 중심부는 팽창하고 표면부는 상대적으로 차갑게 남는다. 이 온도차가 내부 구속응력을 만든다. 온도가 내려갈 때는 기초나 먼저 타설된 콘크리트가 수축을 막아 외부 구속응력이 생긴다. 두 응력이 겹치면 인장강도를 넘어 균열이 발생한다.

온도균열은 내외부 온도차가 인장강도를 넘는 순간 발생한다

구속응력의 크기는 구조체의 탄성계수와 H/L 비가 클수록, 온도 하강 속도가 빠를수록 커진다. 따라서 부재 높이를 줄이거나 구획을 나누고, 온도 하강을 완만하게 하는 것이 설계·시공의 공통 목표다.

관리 절차는 다음 순서로 진행한다.

• 배합 단계에서 단위시멘트량과 저발열 시멘트 종류를 정한다.
• 타설 전 콘크리트 온도를 확인하고 25℃ 이상이면 냉각 조치를 한다.
• 온도해석으로 중심부와 표면부의 최대 온도차를 예측한다.
• 타설 중 구획 크기와 이어치기 시기를 지켜 한 번에 타설하는 양을 조절한다.
• 타설 후 온도 이력을 계측하고, 온도차 관리 기준을 벗어나면 보온 강화나 냉각을 추가한다.
• 표면 온도와 외기 온도 차가 작아진 뒤 보온재를 해제한다.

단열온도상승은 단위시멘트량 10㎏/㎥ 증감에 대략 1℃ 차이를 준다. 이 비율은 발열 저감의 크기를 가늠하는 기준으로 쓴다.

도식 구성도는 다음과 같다.

5. 관련 법령·기준·표준

매스콘크리트의 기준은 설계기준과 시방서에 나뉘어 있다.

표의 값은 교육·학술 자료에 실린 대표 값이다. 설계 단계에서는 해당 시방서와 설계도서의 조건을 우선한다.

관련 기준의 쟁점은 다음과 같다.

• 치수 기준(80cm, 1m)은 자료마다 표현이 다르다. 시험에서는 기준을 '대략 80cm 이상 또는 온도차 25℃ 이상'으로 함께 제시한다.
• 온도해석과 온도차 관리는 국내 시방서에 명시된 방법을 따르고, 외국 기준의 세부 값은 개념 차이만 이해한다.
• 저발열 시멘트 사용 여부는 양생기간을 함께 정한다.

구속도와 온도차 관리는 이 절 전반의 공통 핵심어다. 기준 표의 값은 답안에서 값과 조건을 함께 써야 감점이 없다.

6. 유형과 비교

매스콘크리트 균열은 발생 원인과 구속 조건에 따라 내부구속 균열과 외부구속 균열로 나뉜다. 두 균열은 발생 시기, 폭, 방향이 달라 구분해 판정해야 한다.

내부구속 균열은 상승기 온도차가 원인이므로 초기 재령에 표면 미세균열 형태로 나타난다. 외부구속 균열은 하강기에 수축이 구속되어 생기므로 관통 균열로 진행하기 쉽다.

균열 유형은 발생 시점과 방향으로 구분한다. 시공 단계에서 두 유형을 나누어 판정해야 원인에 맞는 대책을 세울 수 있다.