콘크리트 구조물의 균열
구조물의 특성, 설계 시 미고려, 시공 시 부주의 등 여러 원인에 의해 콘크리트 구조물에 균열이 발생할 수 있습니다. 이러한 균열은 구조물의 안전성에 영향을 끼치는 문제이기에 균열의 원인과 저감대책에 대해 아래 내용 참고하시기 바랍니다.
콘크리트 균열의 분류 및 형태
콘크리트 균열의 분류는 안전성 측면에서 구조적 균열과 비구조적 균열로 분류할 수 있으며, 균열의 발생 시기 및 요인에 따라 여러가지 균열의 종류로 분류할 수 있습니다.
균열의 발생시기 및 요인에 의한 분류
1. 재료의 요인에 의한 균열
① 건조수축에 의한 균열
- 콘크리트는 시멘트, 물, 골재와 각종 혼화재를 혼합한 재료이기에 수분의 건조에 따라 수축하는 성질을 가짐
- 기둥, 보 및 벽체 등에 의해 구속되어 있는 콘크리트가 수축하여 발생하는 인장력이 콘크리트의 인장강도를 초과하게 될 때 균열이 발생
- 건조수축 균열은 단위수량이 클수록 크게 발생하며, 시간이 흐를수록 깊어지고, 한 번 발생하면 계속 진전되고 관통균열로 발전하는 경향이 크다.
② 알칼리 골재 반응에 따른 균열
- 알칼리 골재 반응은 알칼리 실리카 반응이라고도 하며, 안산암, 유무암 등의 알칼리 반응성 골재의 실리카 성분과 시멘트의 알칼리성분이 화학적인 반응을 일으켜, 콘크리트 내에 부풀어 오르는 겔을 형성하고, 이 겔이 콘크리트의 다른 부분으로부터 물을 끌어 들여 국부적인 팽창을 유발하여 인장력을 일으키게 하는 현상이다.
③ 수화열로 인한 균열
- 부재가 큰 단면의 콘크리트는 경화 중 발생하는 시멘트 수화열로 인하여 내부 콘크리트의 온도가 상승함.
- 이때, 내외부 온도차에 의해 균열 발생
- 초기 양생 후 온도 하강기에 들어서게 되면 콘크리트가 수축하게 되는데 지반 또는 외부 구속에 의하여 균열 발생하며 이때 균열은 관통균열로 발전할 확률이 높으므로 주의하여야 함
2. 시공요인에 의한 균열
① 콘크리트 배합 및 시공
- 콘크리트 타설 시에 발생할 수 있는 균열의 원인은 혼화재료의 불균일한 분산, 장시간 비비기, 펌프 압송 시 배합 변경, 부적당한 부어넣기 순서, 급속한 부어넣기, 불충분한 다지기, 콘크리트의 침하·블리딩(Bleeding), 콜드 조인트(Cold Joint) 및 이어치기 불량 등이 있다.
② 철근배근
- 피복두께가 너무 작으면 철근을 따라 균열이 발생하여 철근 부식, 피복 탈락 등이 발생한다.
- 최소 피복두께 최신기준 및 정의, 허용오차, 목적 등 (국토부 기준)
③ 거푸집
- 거푸집으로 인한 균열은 거푸집이 변형되었거나, 거푸집을 조기 제거하는 경우, 거푸집에서 누수가 발생할 경우 및 동바리가 침하는 경우에 발생할 수 있음.
④ 초기동해
초기동해를 받은 콘크리트는 동해 이후에 강도가 거의 증진되지 않으므로, 초기동해를 입지 않도록 세심한 주의를 기울여야 함.
3. 구조(내적 및 외적)요인에 의한 균열
① 하중증가로 인한 균열
- 설계하중에 비해 큰 하중이 구조물에 작용하면 부재에 발생하는 응력이 증가하여 균열이 발생함.
- 하중증가로 인한 균열은 바닥 슬래브나 보와 같이 휨 부재에 많이 발생함
- 바닥 슬래브의 경우 보 주변 상부 슬래브와 중앙 하부 슬래브에 항복선을 따라 휨 균열 발생
- 보의 경우 중앙하부에 휨 균열과 단부 옆면에 전단 균열(사인장 균열) 발생
② 부재손상에 의한 균열
- 공사를 하기 위해 보나 기둥 등 주요 구조 부재에 손상이 생길 경우, 손상된 부재에서 균열이 발생할 수 있음
③ 부등침하로 인한 균열
- 지하수위의 변동이나 인접지반의 환경변화, 이질기초 구조인 경우에는 부정정 연속구조물에 부등침하가 발생하여 기초 보와 벽 부재에 큰 구조 균열을 수반하는 경우가 있음
- 이러한 균열은 장기적으로 진행되며 심각한 결과를 초래할 수 있음
- 인접 지반에서 지반의 침하 및 수평 이동에 대한 대책을 마련하지 않고 터파기 공사를 할 경우 구조물 기초지반의 부등침하가 생겨, 기초 바닥, 슬래브 및 벽체 등에 균열이 발생
④ 구조체의 내력 부족으로 인한 균열
- 작용하중에 비해 구조체의 내력이 부족하여 발생하는 균열은 휨 균열, 전단 균열 및 비틀림 균열 등이 있으며, 각종 작용력에 다라 생성된 주 인장응력의 직각 방향으로 발생함.
- 또한 장스팬 슬래브나 보의 경우 과도한 처짐으로 인한 균열도 발생할 우려가 있음
⑤ 설계하중 적용 잘못으로 인한 균열
- 실제 사용 시의 하중과 설계 시에 예측한 하중에 차이는 발생할 수 있으며, 이러한 요인들에 의하여 안전계수가 적용됨.
- 그러나 그 차이가 심할 경우 부재에 과도한 균열이 발생하여 사용성과 안전성을 해침
- 특히 시공 시에 재하되는 건설하중을 고려하여 설계를 하여야 함
⑥ 구조계획 잘못으로 인한 균열
- 일반적으로 구조물의 길이가 50~60m를 넘는 경우는 일정간격으로 신축이음(Expansion Joint)을 두어서 설계하여야 한다.
- 신축이음을 두지 않으면 콘크리트의 건조수축 등으로 인하여 균열이 발생한다.
⑦ 개구부 모서리의 균열
- 슬래브나 벽체의 개구부 모서리 부위에서는 응력 집중 현상이 발생하며 이에 대한 보강이 없을 경우 개구부 모서리에서 균열이 발생함
4. 환경요인에 의한 균열(노후화에 의한 균열)
① 콘크리트 중성화로 인한 균열
- 콘크리트는 연속한 모세관 공극을 가진 다공질 재료이므로 영구적으로 정상적인 상태를 유지하기 힘들다.
- 이러한 콘크리트가 외기(이산화탄소)나 온도, 외부 화학물 등에 의해 초기의 정상적인 상태를 상실하게 되면 이로 인해 균열이 발생할 수 있음
② 염분의 부착 및 침입으로 인한 균열
- 콘크리트 속에 염화물이 침투할 경우 콘크리트 속의 철근이 염화물 이온의 작용으로 녹이 발생하게 됨
- 콘크리트 속에 일정량 이상의 염화물 이온이 존재하면 철근 표면의 부동태 피막은 파괴되어 부식하게 됨
③ 외기온도 변동에 의한 균열.
- 온도 및 습도 변동에 기인하는 균열은 대개가 수축에 의한 인장응력이 콘크리트 허용인장응력을 초과하여 발생하는 수축균열이며, 여러 요인들이 복잡하게 조합되어 균열이 발생하는 것이 대부분이다.
④ 동결융해의 반복으로 인한 균열
- 사용 중의 구조물이 반복적인 동결융해 작용을 받으면 균열이 발생할 수 있음
- 골재나 시멘트 사이에 있는 잔여수가 동결융해 과정에서 팽창과 수축을 반복적으로 일으켜 인접 시멘트 풀에 균열을 일으키거나 골재에 손상을 일으켜 균열이나 박락 등의 피해를 발생시킴
콘크리트 균열 요인별 저감대책
콘크리트 구조물 시공 시 발생하는 균열 중 가장 큰 비중을 차지하는 것이 시공적 요인에 의한 균열이며, 재료, 구조 및 환경적 요인에 의한 균열도 현장에서는 자주 접하는 균열입니다.
1. 시공적 요인에 의한 균열 저감대책
| 시공공정 | 균열발생요인 | 균열저감대책 |
|---|---|---|
| 운반 | · 운반시간 지연 | · 재료 배합 후 타설까지 90분 이내 |
| 타설 | · 급속한 타설속도 · 부적절한 타설순서 · 콜드조인트 | · 펌프카 1대당 20~30㎥/hr, 높이방향으로 30분당 1~1.5m/sec 속도로 타설 · 1회에 300㎥ 이하가 되도록 분할타설, 전회 타설공구와 충분한 지연일수 · 이어치기 시간 준수, 이어치기면 청소 |
| 다짐 | · 부적절한 다짐 | · 1회 10~15초 이하, 1층 40cm 이하 |
| 양생 | · 급속한 건조 · 양생 불량 | · 초기양생(안개노즐, 폴리에틸렌필름) · 5일간 습윤양생, 막양생 |
| 철근 | · 배관 피복두께 부족 · 철근 피복두께 부족 · 슬래브 상부철근 피복두께 부족 | · 단면의 중앙으로 매입관 설치 · 시방서에 규정된 덮개 준수 · 슬래브 타설두께 일정 |
| 거푸집 | · 거푸집 부풀음 · 동바리 침하 · 거푸집 · 동바리 조기 제거 | · 측압검토, 특수합판 및 강재 거푸집 · 지반 다짐, 버림 콘크리트 · 시방서에 규정된 제거시기 준수 |
| 시공하중 | · 양생중 재하·진동 · 충격 | · 최소 3일간 재하 · 보행 · 충격 금지 |
2. 구조물 특성에 따른 균열 요인 및 저감대책
| 구조물특성 | 균열 발생요인 | 균열 저감대책 |
|---|---|---|
| 길이가 긴 구조물 | · 외부구속에 의한 건조수축 · 온도변화 | · 배력철근 배근간격 조정, 콘크리트 타설 간격 축소, 종방향 분할타설, 대기 노출 시간 연장, 초기양생 철저, 균열유발 줄눈 설치, 수축줄눈 절단시기 준수 · 초기양생 철저, 외기변화에 의한 보호 |
| 넓이가 넓은 구조물 | · 외부구속에 의한 건조수축 · 소성수축 | · 모서리 보강철근 · 타설온도 저하, 초기양생 철저 |
| 규모가 큰 구조물 | · 외부구속에 의한 수화열 · 내부구속에 의한 수화열 | · 온도철근 배근방법의 개선, 벽체에 균열 유발줄눈 설치, 배합설계 개선, 1회 타설길이 및 순서 조절 · 배합설계 개선, 타설온도 저하, 최고 온도 도달 후 온도 강하 제어 |
| 개구부를 갖는 구조물 | · 개구부 모서리의 응력집중 | · 개구부 모서리 보강철근, 개구부 모서리 헌치 설치 |
| 매입물을 갖는 구조물 | · 매입물의 피복 두께 부족 | · 단면의 중앙으로 매입관 설치, 추가 보강 철근 |
철근콘크리트 구조물에 발생하는 균열은 여러가지 요인에 의한 불확실성을 띠고 있어, 완전히 균열을 제어하기는 매우 어려우며, 부득이하게 어느 정도는 허용하고 있습니다.
이러한 균열발생을 가볍게 여기기 쉬우나, 종종 구조물의 안정성에 영향을 끼치는 문제로 발전하는 경우도 있습니다.
이에 사전예방이 가장 중요한데 구조적 균열의 경우는 주변의 여건을 고려한 구조물 계획, 적정한 외부하중의 산정 등을 통하여 허용균열폭 이하의 사용성을 만족시킬 수 있도록 설계 및 시공되어야 하며,
비구조적 균열의 경우는 시공 전후 점검을 통해 균열을 저감시키고 균열발생 시 적합한 보수공법으로 신속히 보수하여야 합니다.
(참고자료)
- 쌍용건설(주) 구조물의 균열 원인과 사례
- 철근콘크리트 휨부재의 균열 제어에 관한 연구, 콘크리트공학연구소, 전남대학교, 2011
- 콘크리트 구조물의 균열관리, 한국고속철도건설공단, 2001
- 콘크리트 구조물의 균열평가기법 및 보수·보강 전문시방서의 개발, 쌍용건설(주) 기술연구소, 1997
위 내용 참고하시어 콘크리트 구조물의 발생시기 및 요인에 따른 균열의 종류와 원인에 대해 파악하시고 시공적 요인과 구조물 특성에 따른 균열저감대책 확인하시기 바랍니다. 기타 관련 자료는 아래 링크 또는 카테고리 활용하시기 바랍니다.