콘크리트의 건조수축과 최소 철근비

콘크리트는 경화하는 과정에서 수축(건조수축)하고 온도가 변하면 팽창과 수축을 반복하게 됩니다. 그런데 콘크리트는 탄성이 부족해서 신축팽창을 흡수하지 못하고 균열이 발생하게 됩니다. 콘크리트 구조물에 균열이 생기면 균열 사이로 수분이 침투해서 철근이 쉽게 부식될 뿐 아니라 미관상 좋게 않습니다. 그래서 구조설계기준에서는 콘크리트 구조물에 최소한도로 배치해야 하는 철근량을 규정하고 있습니다.

 

콘크리트의 건조수축

콘크리트는 일정한 온도하에서 경화하거나 건조하는 동안에 줄어드는 현상(Shortening; 수축)이 발생합니다. 수축의 유형은 다양합니다만 가장 중요한 것이 건조수축(Drying shrinkage)입니다. 건조수축은 흡착(Absorb)된 수분층이 콘크리트 겔 입자의 표면으로부터 상실되기 때문에 발생합니다.

 

건조수축은 시멘트 페이스트에서 가장 크게 일어납니다. 모래를 섞은 모르타르는 덜 수축하고 콘크리트는  가장 적게 수축합니다. 콘크리트 속에는 모래와 자갈이 70%를 차지하는데, 이 모래나 자갈이 건조수축을 줄이는 효과가 있습니다. 

 

 

건조수축은 콘크리트로부터 습기가 발산하면서 일어나기 때문에 외부가 내부보다 더 빨리 수축합니다. 이에 따라 외부에는 인장응력이 발생하고 내부에는 압축응력이 발생합니다. 일반적으로 부재 크기가 크면 표면적에 대한 부피의 비율이 증가하고 수축을 억제하는 젖은 콘크리트가 더 많기 때문에 작은 부재에 비해 수축이 덜 발생하는 경향이 있습니다. 

 

구조설계기준에서는 콘크리트의 기본 건조수축 변형률을 다음과 같이 제시하고 있다.

 

 

예를 들어 설계기준강도 24Mpa인 일반 콘크리트의 기본 건조수축 변형률을 계산해보기 위해 εs(fcu)를 먼저 계산해 보면 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

 

 

βRH는 우리나라 평균상대습도를 적용해서 다음과 같이 계산할 수 있습니다. 기상청에 따르면 우리나라 연평균 상대습도는 70.8%를 나타낸다고 합니다.

 

 

따라서 εsho는 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

 

 

결과값이 음수인데 이것은 건조수축 때문에 수축(Shortening)된다는 것을 의미합니다. 만일 부재 크기가 10m라면 약 4.5㎜ 정도 수축된다는 것을 의미합니다. 실제 건조수축 변형률은 부재의 유효두께와 건조기간에 따라 달라지겠지만 여기서는 기본 건조수축 변형률만을 산정해보았습니다.

 
만일 10m 부재가 강하게 구속되어 있어서 수축하지 못하면 내부에 균열이 발생하고, 균열이 한 곳에서 발생한다면 4.5㎜가 될 것입니다. 이 정도 균열은 매우 크기 때문에 미관상 좋지 않을 뿐만 아니라 내구성에 심각한 영향을 끼치게 됩니다.

 

만일 이 균열을 잘게 분산시킬 수만 있다면 거의 문제가 되지 않을 것입니다. 예를 들어 균열을 30개 정도로 분산시킨다면 균열의 크기는 4.5㎜/30 = 0.15㎜로 거의 눈에 띄지 않을 뿐 아니라 구조물에 해를 미치지도 않을 것입니다. 이처럼 균열을 잘게 분산시켜서 눈에 보이지 않게 하기 위해서는 철근을 충분히 배근해야 합니다. 따라서 <구조설계기준>에서는 최소한의 철근량을 규정하고 있습니다.

 

이것과는 달리 콘크리트에 줄눈을 넣어서 해결할 수도 있습니다. 10m에 약 4.5㎜ 정도가 수축된다면, 균열이 발생될 수 있는 부분에 콘크리트를 절단하여 줄눈(조절줄눈; Control joint)을 만들고, 줄눈부분을 탄성이 있는 실링재로 채워서 해결할 수도 있습니다. 이렇게 하면 콘크리트에 발생하는 균열이 줄눈에 집중되기 때문에 다른 곳에 균열이 발생하는 것을 방지할 수 있습니다.

 

온도변화에 따른 신축팽창

대부분의 재료는 온도가 올라가면 팽창하고 온도가 내려가면 수축하는데 콘크리트 역시 온도 변화에 따라 수축과 팽창을 반복하게 됩니다. 만일 콘크리트가 자유롭게 움직일 수 있다면 온도에 의한 콘크리트 변형시 응력은 발생하지 않을 것입니다. 그러나 대부분의 콘크리트 부재는 서로 다른 부분과 연결되어 구속되어 있기 때문에 슬래브나 벽체와 같이 면적이 넓은 부재는 균열이 발생할 수 있습니다.

우리나라는 계절에 따른 온도변화가 크기 때문에 온도수축 변형률에 의해 발생하는 인장응력이 콘크리트의 인장강도보다 큰 경우가 빈번하여 균열이 발생할 가능성이 높다. 온도수축 변형률은 콘크리트의 열팽창계수에 온도 차이를 곱하여 계산할 수 있습니다. 콘크리트의 열팽창계수는 10^-5(0.00001) 정도라서 만일 100m 건물에 온도가 20℃ 상승했다면 온도수축 변형량은 100 × 1000mm × 20 × 10^-5 = 20mm가 됩니다. 건축물이 T자나 L자형으로 만나거나 구속되어 있다면 콘크리트의 팽창과 수축 때문에 균열이 발생할 수 있습니다. 온도에 따른 변형량은 건조수축 변형과 함께 균열을 일으킬 수 있기 때문에 구조설계기준에서는 콘크리트 단면적 대비 배치해야 할 최소한의 철근량(최소철근비)을 규정하고 있습니다.

 

구조설계기준에서는 수축·온도철근으로 배치하는 이형철근의 최소철근비를 0.0014로 규정하고 있습니다. 여기서 수축·온도철근비는 콘크리트 전체 단면적에 대한 수축·온도철근 단면적의 비로 계산하며, 수축·온도철근의 간격은 슬래브 두께의 5배 이하, 또는 450㎜이하로 하도록 규정하고 있습니다.

이처럼 철근은 인장력을 부담하는 구조적인 역할 이외에도 콘크리트가 가지고 있는 결함을 보완하기 위하여 다양한 방법으로 사용됩니다.

 

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