콘크리트 비구조균열

왜 배우는가: 비구조적 균열은 구조 안전과 직접 관계가 없어 보여도 내구성, 방수성, 외관을 떨어뜨려 유지관리와 클레임의 대상이 된다. 발생 원인이 재료, 배합, 시공, 환경에 흩어져 있어 1교시 용어와 2~4교시 원인·영향·대책 논술로 함께 출제된다.

출제 이력: 제108회 3교시 1번, 제91회 2교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

비구조적 균열은 설계하중과 무관하게 재료의 체적변화와 온도변화, 시공 요인으로 생기는 균열이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 비구조적 균열(nonstructural crack)
• 건조수축(drying shrinkage)
• 온도균열(thermal crack)
• 소성수축균열(plastic shrinkage crack)
• 소성침하균열(plastic settlement crack)
• 수화열(heat of hydration)
• 구속응력(restraint stress)
• 매스콘크리트(mass concrete)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 콘크리트가 굳거나 식으면서 줄고 늘어 스스로 갈라지는 균열이다. 하중을 받지 않아도 생기므로 구조물의 내력과는 직접 관계가 적다. 그러나 균열 틈으로 물과 염분과 탄산가스가 들어와 철근 부식과 내구성 저하를 부른다.

정식 정의는 다음과 같다. 비구조적 균열은 구조물이나 부재가 사용하중을 지지하지 못해 생기는 구조적 균열을 제외한 균열이다. 재료의 체적변화가 주변 부재나 지반에 의해 구속되어 인장응력이 콘크리트의 인장강도를 넘을 때 발생한다.

균열의 메커니즘은 미세 수준에서 설명하는 것이 정확하다. 하중이 증가하면 모르타르와 골재의 부착계면에 미세균열이 생겨 서서히 진전된다. 하중이 작용하기 전에도 건조수축에 따른 체적변화로 부착균열이 생길 수 있다. 콘크리트는 복합재료이고 비선형 성질을 가지므로 이 부착균열이 쉽게 발생하며, 시멘트 페이스트가 균열과 응력-변형률 곡선을 결정하는 주요 요인이 된다.

온도 변화에 따른 신축은 수치로 확인할 수 있다. 콘크리트의 온도 변화에 따른 길이 변화율은 10×10⁻⁶/℃이다. 온도가 30℃ 변하면 길이 변화율은 3 \times 10^{-4}이 되어 1m 당 0.3mm의 신축이 생긴다. 이 신축이 건조수축과 겹치면 균열이 생긴다.

비구조적 균열의 판단은 발생 시기, 형상, 위치로 한다. 굳기 전에 생기면 소성 상태의 수축과 침하가 원인이고, 굳은 후에 생기면 건조수축, 온도, 외부 환경이 원인인 경우가 많다. 형상이 거미줄 모양이면 표면의 수축을, 일정한 간격의 선형이면 구속과 체적변화를 의심한다.

3. 등장 배경과 필요성

구조물이 대형화되면서 단면이 큰 기초, 벽체, 슬래브가 늘었다. 이런 부재는 부피에 비해 표면적이 작아 내부 온도가 오래 유지되고, 표면은 빨리 건조된다. 이 차이가 온도균열과 건조균열을 동시에 키운다.

고강도와 고성능 콘크리트는 시멘트량이 많아 수화열이 크다. 수화열이 방열되지 않으면 내부와 표면의 온도차가 커져 인장응력이 생긴다. 이 때문에 매스콘크리트 시공에서 온도균열 제어가 별도의 과제가 되었다.

균열은 보수와 보강 비용을 증가시키고 시공사와 발주자 사이의 클레임 문제로 이어진다. 균열 원인을 정확히 분석하지 않으면 보수 시기와 방법을 결정하기 어렵다. 따라서 발생 메커니즘을 이해하고 원인별 방지대책을 세우는 것이 필요하다.

따라서 비구조적 균열은 구조 설계, 재료 선정, 배합, 양생, 시공관리를 함께 봐야 하는 주제다. 원인별 제어 방법은 3절과 4절에서 이어서 다룬다.

4. 구성요소·원리·절차

비구조적 균열은 구조물의 외력이 아니라 구속과 체적변화에서 생긴다. 체적변화가 구속되어 인장응력이 인장강도를 넘으면 균열이 생긴다. 균열 유형은 발생 시기와 원인으로 나눈다.

건조수축과 온도 변화는 같은 원리로 해석한다. 변형률은 열팽창계수와 온도차의 곱으로 구한다.

$\varepsilon = \alpha \Delta T$

\varepsilon: 변형률(무차원), \alpha: 열팽창계수(1/℃), \Delta T: 온도 변화량(℃). 콘크리트의 \alpha는 10×10^-6/℃로 본다. 연간 온도차가 30℃이면 \varepsilon = 10 \times 10^{-6} \times 30 = 3 \times 10^{-4}이다. 길이 1m당 신축량은 1000\,\text{mm} \times 3 \times 10^{-4} = 0.3\,\text{mm}로, 결과가 부재 치수에 비해 충분히 작은 구속 변형이므로 상식 범위다. 이 변형이 구속되면 균열 발생 응력이 된다.

• 균열 위치, 형상, 폭, 발생 시기를 조사한다.
• 원인을 재료·시공·환경·구조외력 조건으로 분류한다.
• 구속 조건과 체적변화량에서 인장응력을 추정한다.
• 원인별 예방 대책(배합, 양생, 줄눈, 온도 관리)을 정한다.
• 보수 여부와 시기를 균열 폭과 진행성으로 판단한다.

균열은 체적변화가 구속되어 인장응력이 인장강도를 넘을 때 생긴다

5. 관련 법령·기준·표준

비구조 균열 자체를 직접 규정하는 조항은 설계기준과 유지관리 지침에 나뉘어 있다. 설계 단계의 사용성·내구성 규정은 KDS 14 20 00(콘크리트 구조 설계기준)에서 다룬다. 기준 조항 번호는 확인하지 못해 기준 이름만 쓴다. 유지관리 단계의 보수 판단은 콘크리트 구조물 균열관리 및 보수지침(한국도로공사)에서 균열 폭 구간별로 보수 방안을 나눈다.

설계기준의 균열 제어 규정은 부재 두께, 철근 간격, 피복두께와 함께 적용한다. 열팽창계수 값은 골재 종류와 배합에 따라 달라지므로 실측값이 있으면 그 값을 우선한다. 해외 기준은 이름과 개념 차이만 참고하고 수치를 직접 옮기지 않는다.

KDS 14 20 00 적용이 기본 출발점이다.

6. 유형과 비교

비구조적 균열은 발생 시점과 원인에 따라 소성 상태에서 생기는 균열과 경화 후 생기는 균열로 나뉜다. 두 기준을 함께 놓으면 원인별 대책을 한눈에 정리할 수 있다. 시험에서는 원인을 나열한 뒤 각 원인이 어느 시기에 작용하는지 묻는 경우가 많다.