콘크리트 건조수축

왜 배우는가: 콘크리트 건조수축은 균열과 프리스트레스 손실의 원인이 되어 구조물의 사용성과 내구성을 직접 좌우한다. 교량 같은 대형 구조물에서는 수축 균열이 염해·탄산화 등 열화 인자의 침투 경로가 되므로 시험에서도 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제132회 4교시 3번, 제110회 1교시 11번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

건조수축은 경화한 콘크리트 내부 수분이 대기 중으로 빠져나가면서 부피가 줄어드는 현상이다.

핵심 키워드

• 건조수축(Drying Shrinkage)
• 모세관 공극수(Capillary Water)
• 흡착수(Adsorbed Water)
• 자기수축(Autogenous Shrinkage)
• 탄산수축(Carbonation Shrinkage)
• 구속 응력(Restraint Stress)
• 팽창 시멘트(Expansive Cement)
• 단위수량(Unit Water Content)

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 콘크리트가 마르면서 줄어드는 현상이다. 시멘트 풀이 주변 습도가 높으면 수분을 흡수해 팽창하고, 습도가 낮으면 수분을 내보내 수축한다. 이 수축이 구속된 부재에서 일어나면 인장응력이 생기고, 그 응력이 콘크리트 인장강도를 넘으면 균열이 된다.

정식으로는 건조수축을 경화 콘크리트의 모세관 공극과 겔 공극에 있던 수분이 증발하면서 생기는 부피 감소로 정의한다. 콘크리트는 시간이 지나면서 계속 수축하므로 장기 거동으로 본다. 짧은 시간의 습도 변화에 따른 가역적 팽창·수축과는 구별된다.

모세관 공극수는 자유수로서 증발 초기에는 수축을 거의 일으키지 않는다. 수축은 주로 흡착수가 빠져나갈 때 커진다. 이 단계에서 겔 입자 표면의 수분층이 줄어들어 시멘트 페이스트가 수축한다.

자기수축은 시멘트 수화반응으로 내부 수분이 소모되어 생기는 수축이며, 밀봉 상태에서도 일어난다. 일반 콘크리트에서도 자기수축이 발생하며, 단위시멘트량이 많으면 자기수축이 커질 수 있다. 탄산수축은 대기 중 이산화탄소와 수산화칼슘이 반응하여 생기는 수축이다.

실무에서는 세 가지를 구분하지 않고 건조수축이라 부르는 경우가 많다. 시험에서는 구분하여 설명하는 것이 안전하다.

3. 등장 배경과 필요성

콘크리트 구조물은 시공 직후부터 외부 기후와 접촉하므로 수축이 필연적으로 발생한다. 특히 프리스트레스트 콘크리트에서는 수축이 긴장력 손실의 한 원인이 되어 설계 검토에 반영해야 한다. 또한 수축이 부재 내부와 표면에서 다르게 진행되면 부등건조수축이 생겨 표면 인장응력이 커지고 수축 균열이 발생한다.

고강도·고성능 콘크리트가 보편화되면서 단위시멘트량이 늘었고, 그 결과 자기수축의 비중이 커졌다. 기존의 건조수축 개념만으로는 설명이 부족해져 수축 종류를 나누어 이해할 필요가 생겼다.

교량에서는 수축 균열이 염화물이나 이산화탄소의 침투 경로가 된다. 그래서 건조수축을 단순한 변형 문제가 아니라 내구성 문제로 다루어야 한다. 수축 억제 대책으로는 배합 설계, 양생, 철근 배근, 신축 이음 설치가 함께 쓰인다.

4. 구성요소·원리·절차

건조수축은 시멘트 페이스트 내부의 모세관 장력과 흡착수 감소가 원인이다. 콘크리트는 골재가 구속하므로 페이스트 수축이 그대로 나타나지 않고, 구속 정도와 건조 속도에 따라 수축량이 달라진다.

건조수축은 페이스트의 수분 손실에 의한 체적 감소이며, 골재가 수축을 구속하여 콘크리트 전체 수축량을 줄인다.

골재는 페이스트의 수축을 구속한다. 굵은 골재의 수축은 작고 잔골재의 수축은 크다. 따라서 골재의 탄성계수와 흡수율이 수축량을 좌우한다. 페이스트 체적 비율이 낮을수록 콘크리트 전체 수축은 작아진다.

건조수축의 원리는 다음과 같다. 고습 상태에서는 모세관 장력과 표면장력이 페이스트를 압축하며 수축한다. 저습 상태(상대습도 약 75% 미만)에서는 나노 기공 내 흡착수의 분리압 감소가 수축을 일으킨다. 수축은 표면에서 시작하여 내부로 진행하므로 부등건조수축이 생기고 표면에 인장응력이 발생한다.

표면과 내부의 건조 속도 차이가 부등건조수축과 표면 인장응력을 만든다.

수축 응력과 구속의 관계는 다음과 같이 쓴다.

$\sigma_{s} = E_c \cdot \varepsilon_{sh} \cdot R$

여기서 \sigma_{s}는 구속응력(MPa), E_c는 콘크리트 탄성계수(MPa), \varepsilon_{sh}는 건조수축 변형률(무차원), R은 구속계수(0~1, 무차원)이다. 응력이 인장강도를 넘으면 수축균열이 생긴다.

건조수축 균열 발생 절차는 다음과 같다.

• 타설 후 수화가 진행되며 자기수축이 일부 발생한다.
• 표면의 자유수와 흡착수가 증발하여 표면이 먼저 수축한다.
• 표면과 내부의 수축 차이로 표면에 인장응력이 생긴다.
• 구속된 부재에서 인장응력이 인장강도를 넘으면 균열이 생긴다.
• 철근이 표피 가까이 배치되면 등간격의 미세균열이 분포한다.

도식은 다음 흐름을 그린다.

5. 관련 법령·기준·표준

건조수축 관련 설계에서는 적용 기준과 시방서를 확인한다. 설계에서는 건조수축 변형률을 부재 치수와 환경 습도에 따라 산정하고, 수축 철근량을 확보한다. 다음 표는 본문 근거에 있는 값만 모았다.

개정 연혁은 근거가 없으므로 기술하지 않는다. 설계 적용 시 관련 기준의 건조수축 산정식과 계수를 확인해야 한다. 실제 수치는 배합과 환경에 따라 달라지므로 시험값을 우선한다.

건조수축, 구속응력, 부등건조수축, 모세관 공극, 수축 균열

6. 유형과 비교

건조수축은 수축 원인에 따라 여러 유형으로 나뉜다. 학술적으로는 자기수축(Autogenous Shrinkage), 건조수축(Drying Shrinkage), 탄산수축(Carbonation Shrinkage)을 구분하고, 실무에서는 흔히 건조수축이라는 용어로 통칭한다. 발생 시점과 원인이 달라 비교표로 정리한다.