콘크리트 구조물에서 발생하는 균열의 원인은 무수히 많으나 실제적인 구조물의 안전성 측면에서 균열은 구조적 균열과 비구조적 균열로 분류할 수 있습니다. 이 균열에 대한 상세 원인과 종류 그리고 균열 저감대책에 대해 아래와 같이 포스팅합니다.
참고자료 : 쌍용건설 2013년 가을 기술기사 "구조물의 균열원인과 사례"를 참고하여 작성하였습니다.
1. 개 요
국가건설기준센터의 콘크리트 표준시방서를 보면 구조물에서 발생되는 균열의 허용균열폭에 대해 규정하고 있습니다. 굳이 허용균열폭을 규정하는 이유는 콘크리트 구조물에서 균열발생을 완벽하게 제어한다는 것이 매우 어려워 어느 정도의 균열을 허용하고 있다는 이야기입니다.
그렇다면, 실제 구조물의 안전성과 연결되어 있는 구조적 균열(structural crack)과 비구조적 균열(nonstructual crack)에 대해 명확히 구분하는 것이 중요하고, 그 원인과 대책에 대해서도 알아야 합니다.
구조적 균열 이란 구조물이나 구조부재가 사용하중을 지지하기에 안전하지 못한, 즉 구조적 기능을 발휘할 수 없는 단계로 진행되거나 도달한 균열을 말합니다.
- 설계오류로 인한 균열
- 설계하중을 초과한 외부하중의 작용에 의한 균열
- 단면 및 철근량의 부족에 의한 균열
- 물리적 손상, 폭발, 충격, 철근의 부식으로 인한 균열
비구조적 균열이란 구조물의 안전성 저하는 없으나 내구성, 사용성 저하를 초래할 수 있는 균열을 말합니다.
- 소성침하 균열
- 소성수축 균열
- 초기 온도수축 균열
- 장기 건조수축 균열
- 불규칙한 미세 균열
- 염화물에 의한 철근부식에 의한 균열
- 알칼리 골재 반응에 의한 균열
2. 발생 시기 및 요인에 따른 균열의 분류
(1) 재료요인에 의한 균열
□ 건조수축으로 인한 균열
기둥, 보 및 벽체 등에 의해 구속되어 있는 콘크리트가 수축을 하여 발생하는 인장력이 콘크리트의 인장강도를 초과하게 될 때 균열이 발생합니다. 이러한 건조수축 균열은 단위수량이 클수록 크게 발생하며, 시간이 흐를수록 깊이가 깊어지는데 건조수축으로 인한 균열은 콘크리트의 균열 중 가장 자주 발생하는 균열이며, 한번 발생하면 계속 진전되고 관통균열로 발전하는 경향이 있습니다.
□ 알칼리 골재반응에 의한 균열
골재의 실리카 성분과 시멘트의 알칼리 성분이 화학적인 반응을 일으켜, 콘크리트 내에 부풀어 오르는 겔을 형성하고, 이 겔이 콘크리트의 다른 부분으로부터 물을 끌어 들여 국부적인 팽창을 유발하여 인장력을 일으키게 하는 현상
□ 수화열로 인한 균열
부재가 큰 단면의 콘리리트 양생 시 콘크리트 내외부 온도차에 의해서 균열이 발생되는데, 양생 후 콘크리트가 수축하게 되는데 지반 또는 콘크리트 등으 외부 구속에 의해 균열 발생
(2) 시공요인에 의한 균열
□ 콘크리트 배합 및 시공
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
□ 철근 배근
배근 위치가 불량하거나 피복 두께가 너무 크면 구조내력의 저하가 발생하여 구조체에 균열이 발생하며, 피복 두께가 너무 작으면 철근을 따라 균열이 발생하여 철근 부식, 피복 탈락 등이 발생
□ 거푸집
거푸집이 변형되었거나, 거푸집을 조기 제거하는 경우, 거푸집에서 누수가 발생할 경우, 동바리가 침하하는 경우에 발생
□ 초기동해
초기동해를 받은 콘크리트는 동해 이후에 강도가 거의 증진되지 않으므로, 초기동해를 입지 않도록 세심한 주의 필요
(3) 구조적(내적 및 외적)요인에 의한 균열
□ 하중증가로 인한 균열
설계하중에 비해 큰 하중이 구조물에 작용하면 부재에 발생하는 응력이 증가하여 균열이 발생하게 되는데, 이로 인한 균열은 우선적으로 바닥 슬래브나 보와 같이 휨부재에 많이 발생합니다. 바닥 슬래브의 경우 보 주변 상부 슬래브와 중앙 하부 슬래브에 항복선을 따라 휨 균열이 발생하며, 보의 경우에는 중앙 하부에 휨 균열과 단부 옆면에 전단 균열(사인장 균열)이 발생
□ 부재손상에 의한 균열
용도 변경이나 인테리어 공사를 하기 위해서 보나 기둥 등 주요 구조 부재에 손상이 생길 경우, 손상된 부재에서 균열이 발생할 수 있다. 이 경우에는 구조물의 안전에 심각한 영향을 끼치므로 주의하여야 합니다.
□ 부등침하로 인한 균열
지하수위의 변동이나 인접지반의 환경변화, 이질기초 구조인 경우에는 부정정 연속구조물에 부등침하가 발생하여 기초 보와 벽 부재에 큰 구조 균열을 수반하는 경우가 있습니다. 이러한 균열은 장기적으로 진행되는 경우가 많고 심각한 결과를 초래할 수 있으므로 주의하여야 합니다.
인접 지반에서 지반의 침하 및 수평이동에 대한 대책을 마련하지 않고 터파기 공사를 할 경우 구조물 기초지반의 부등침하가 생겨, 기초 바닥, 슬래브 및 벽체 등에 균열 발생
□ 구조체 내력 부족으로 인한 균열
작용하중에 비해 구조체의 내력이 부족하여 발생하는 균열은 휨 균열, 전단 균열 및 비틀림 균열 등이 있으며, 각종 작용력에 따라 생성된 주 인장응력의 직각 방향으로 발생한다. 또한 장스팬 슬래브나 보의 경우 과도한 처짐으로 인한 균열도 발생할 우려가 있습니다.
□ 설계하중 적용 잘못으로 인한 균열
□ 구조계획 잘못으로 인한 균열 : 신축이음 미시공 및 간격 오류
□ 개구부의 모서리 균열
슬래브나 벽체의 개구부 모서리 부위에서는 응력 집중현상이 발생하며 이에 대한 보강이 없을 경우 개구부 모서리에 균열이 발생합니다. 가장 많이 발생하는 균열 중의 하나입니다.
(4) 환경요인에 의한 균열(노후화에 의한 균열)
□ 콘크리트 중성화로 인한 균열
콘크리트가 외기(CO 2)나 온도, 외부 화학물 등에 의해 초기의 정상상태를 상실하게 되면 이로 인해 균열 발생
□ 염분의 부착 및 침입으로 인한 균열
콘크리트가 외기(CO 2)나 온도, 외부 콘크리트 속에 염화물이 침투할 경우 콘크리트 자체가 노후화하거나 균열이 발생하는 것이 아니라 콘크리트 속의 철근이 염화물 이온(Cl -)의 작용으로 녹이 발생하게 됩니다. 즉 콘크리트 속에 일정량 이상의 염화물 이온이 존재하면 철근 표면의 부동태 피막은 파괴되어 부식 진행
□ 외기온동 변동에 의한 균열
일반적인 환경조건(온도 및 습도 변동)에 기인하는 균열은 대개가 수축에 의한 인장응력이 콘크리트의 허용인장응력을 초과하여 발생하는 수축균열
□ 외기온동 변동에 의한 균열
사용 중의 구조물이 반복적인 동결융해 작용을 받으면 균열이 발생할 수 있으며, 이러한 노후화(Deterioration) 과정은 골재나 시멘트풀 사이에 있는 잔여수가 동결융해과정에서 팽창 수축을 반복적으로 일으켜 인접 시멘트풀에 균열을 일으키거나 골재에 손상을 일으켜 균열이나 박락 등의 피해를 발생시킨다.
3. 균열 저감대책
시공적 요인에 대한 균열 저감대책
| 시공공정 | 균열발생 요인 | 균열저감 대책 |
| 운반 | · 운반시간 지연 | · 재료 배합 후 타설 시까지 90분 이내 |
| 타설 | · 급속한 타설속도 · 부적절한 타설순서 · 콜드조인트 |
· 펌프카 1대당 20~30㎥/hr, 높이방향 으로 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 |
구조물 특성에 따른 균열 저감대책
| 구조물 특성 | 균열발생 요인 | 균열저감 대책 |
| 길이가 긴 구조물 | · 외부구속에 의한 건조수축 · 온도변화 |
· 배력철근 배근간격 조정, 콘크리트 타설 간격 축소, 종방향 분할타설, 대기 노출시간 연장, 초기양생 철저, 균열유발 줄눈설치, 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 |
· 개구부 모서리 보강철근, 개구부 모서리헌치 설치· 온도철근 배근방법의 개선, 벽체에 균열유발줄눈 설치, 배합설계 개선, 1회 타설 길이 및 순서 조절 · 배합설계 개선, 타설온도 저하, 최고온도 도달 후 온도강하 제어 |
| 개구부를 갖는 구조물 | · 개구부 모서리의 응력집중 | · 개구부 모서리 보강철근, 개구부 모서리헌치 설치 |
| 매입물을 갖는 구조물 | · 매입물의 피복 두께 부족 | · 단면의 중앙으로 매입관 설치, 추가 보강 철근 |
콘크리트 구조물 시공 시 발생하는 균열 중 재료적 요인 및 시공 시 부주의로 인하여 발생하는 균열은 현장에서 품질관리 활동만 제대로 한다면 상당히 균열을 줄일 수 있습니다. 그러나, 위에서 분류한 균열 중에 설계 시 고려가 안 된 경우도 있지만, 고려가 되었어도 다른 요인과 결부되어 균열이 발생할 수 있는 가능성이 높습니다.
구조물 특성에 따라 발생하는 균열의 원인 중 대부분 건조수축, 온도수축, 소성수축, 수화열에 의한 수축 등 콘크리트의 근본적 특성인 수축현상이 공통된 원인으로 작용합니다. 그러므로 균열발생의 근본적인 원인인 수축현상을 억제하거나 감소시켜주는 것이 바로 공통적인 균열 저감대책이 될 것입니다.
철근콘크리트는 여러가지 재료의 복합작용에 의한 합성작용으로 구성되어 있기 때문에 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 있기에다. 이에 사전예방이 가장 중요한데 구조적 균열의 경우는 주변의 여건을 고려한 구조물 계획, 적정한 외부하중의 산정 에 이를 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 보수하도록 해야 합니다.
참고자료 : 쌍용건설 기술자료 "구조물의 균열원인과 사례"
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