2.1.1 개요

콘크리트의 수축 특성에 대한 지식은 콘크리트에 발생하는 균열제어를 위한 구조설계의 필수 시작점이다. 이러한 지식은 설계자가 철근으로 보강된 콘크리트의 수축 거동을 추정할 수 있게 하고 이 거동을 수용하기 위해 설계에서 적절한 조처를 할 수 있게 한다.

본 절에서는 콘크리트의 건조수축에 영향을 미치는 요인을 검토하고 건조수축으로 발생하는 균열에 대한 실용적이며 효과적인 제어를 가능하게 하는 내용을 소개한다.

콘크리트의 구속은 내부와 외부 구속으로 분류할 수 있다. 내부 구속은 콘크리트 내부에서 발생하는 구속으로, 어떤 콘크리트 부재라도 내부 구속을 받지 않는 상황은 존재하지 않는다. 따라서 콘크리트는 항상 건조수축에 영향을 받는다. 건조수축으로 내부 구속으로 인장응력이 발생하게 된다. 이 인장응력이 콘크리트의 인장강도를 초과하게 되면 건조수축균열이 발생하게 된다. 따라서 건조수축에 의한 균열 발생 가능성은 콘크리트 부재에 항상 존재한다고 볼 수 있다.

건조수축균열은 철근･철골이나 접합 부재 등에 따라 구속되는 경우 인장응력이 발생하고 그 인장응력이 콘크리트의 인장강도를 초과하게 되면 균열이 발생한다. 또한 구속의 조건에 따라 균열의 발생패턴도 다르게 된다. 건조수축은 콘크리트 부재에서 관찰되는 전체 변형의 일부이다.

2.1.2 건조수축균열의 발생 메커니즘

건조수축 균열을 이해하기 위해 우선 건조수축과 콘크리트가 수축하는 이유를 이해해야 한다. 건조수축은 콘크리트의 수분 손실과 관련이 있으며 내･외부 요인에 영향을 받는다. 또한 건조수축 변형이 시간에 의존하는 것이며 그 시간 의존성이 내적 및 외적인 요인에 영향을 받으므로 건조수축에 영향을 미치는 요인을 정리할 필요가 있다. 외부적인 요인으로는 주변 조건(온도, 상대습도, 바람 등)^{(Blakey 1963),} 콘크리트 부재의 크기 및 형태를 들 수 있으며 내부적 요인으로는 시멘트^{(Welch 1978),} 골재(^{L’Hermite 1960}; ^{Roper 1973; Welch 1978; Hobbs and Parrott 1982),} 혼화재^{(Popovics 1992),} 물시멘트비^{(Soroka 1979)} 등을 들 수 있다.

1) 건조수축의 매커니즘

콘크리트의 건조수축의 발생은 매우 복잡하여 아직도 명확하게 밝혀지지 않았다. 시멘트의 경화체는 고체부분과 많은 미세한 공극으로 구성되어 있으며 고체와 공극의 물은 환경에 따라 화학적 결합 또는 분리를 일으킬 수 있다. 건조에 의해 수분이 증발할 때 이러한 화학적 변화가 수축을 발생하는 것으로 생각하고 있으며 그 상호작용에 대해 4가지(모세관장력이론, 분리압력이론, 표면장력이론, 층간물이동이론)의 자연과학기반 이론이 제안되고 있다. 그 중 “표면장력이론”이 건조수축의 원리를 알기 쉽게 설명해 준다. 건조수축은 콘크리트를 구성하는 시멘트 페이스트가 건조에 의해 수축되는 것에 기인한다.

시멘트 페이스트는 Fig. 2에 나타나듯이 토버모라이트(tobermorite)라고 불리는 판상 또는 잎층상의 결정형태로 되어 있으며 토버모라이트 층상간에는 잉여수의 세공(가는구멍)으로 되어 있다.

Fig. 2 Schematic diagram of hardened cement paste(JCA 1962)

Fig. 3 Schematic diagram of increasing capillary tension(JCA 1962)

건조가 진행되면 세공을 채우고 있던 잉여수가 증발하고 잉여수가 세공 중의 가는 부분으로 후퇴함에 따라 표면장력이 커지면서 그 힘이 토버모라이트를 끌어당겨 수축이 발생한다(Fig. 3). 콘크리트 속의 골재는 시멘트 페이스트의 건조수축을 구속하고 콘크리트의 수축을 줄이는 작용을 하고 있다. 이 때문에 모르타르의 건조수축은 시멘트 페이스트보다 훨씬 작고 콘크리트의 건조수축은 더 작은 것이 그 이유이다.

2) 균열발생 메커니즘

건조수축이 생겨도 구속이 없으면 건조수축균열은 발생하지 않는다. 구속의 조건을 크게 나누면 내부와 외부 구속으로 분류할 수 있다.

① 내부 구속에 의한 건조수축균열

콘크리트 내부 공극수들이 표면으로 이동하여 표면에서 증발되기 때문에 내부 건조수축도 표면만큼 빨리 진행된다. 따라서 표면의 건조수축과 내부의 건조수축량이 다르므로 내부가 표면부의 건조수축을 구속하게 되므로 비교적 초기단계에서 표면부에 건조수축 균열이 발생한다. 또한 부재두께가 클수록 균열 폭, 깊이도 작고 진행도 늦다.

이외에도 콘크리트 내부에 있는 건조수축하지 않는 철근이나 철골에 의해 내부 구속이 발생하는 것에 의해 건조수축균열이 발생하는 경우도 있다.

② 외부 구속에 의한 건조수축 균열

외부 구속의 전형적인 예는 보, 기둥의 4변을 구속한 건축물의 벽이다. 벽의 두께는 15~20 cm 정도이지만 기둥과 보의 단면은 60~100 cm에 가깝다. 따라서 Fig. 4에 나타나듯 벽과 주위 기둥과 보의 건조수축변형이 콘크리트 재령에 따라 다르며 단면이 작은 벽이 빨리 건조수축한다. 이런 건조수축변형의 차가 인장응력을 발생시키며 이때 발생하는 구속 인장응력이 콘크리트의 인장강도를 초과하는 경우 균열이 발생한다. 건축물 바닥슬래브도 이 같은 이유로 균열이 발생한다.

Fig. 4 Effect of member thickness on drying shrinkage (L’Hermite and Mamillan 1968)

2.1.3 건조수축에 영향을 주는 요인

콘크리트의 건조수축변형의 크기는 시멘트의 특성･양, 골재의 특성･양, 콘크리트의 단위수량 및 부재의 크기(두께) 등 내부요인과 환경조건(특히 습도)과 건조기간 등의 외적요인에 따라 복잡한 영향을 받는다.

1) 단위수량

콘크리트의 건조수축에 가장 큰 영향을 주는 인자중 하나는 단위수량이다. 단위수량이 클수록 건조에 의해 흩어지는 콘크리트 안의 자유수가 많아져 건조수축은 커진다. Fig. 5에서 단위수량과 콘크리트의 건조수축률의 관계가 표시되어 있으며 이는 단위수량이 건조수축을 크게 지배하는 것을 나타낸다.

Fig. 5 Relationship between unit water content, unit cement content, and drying shrinkage of concrete(Higuch et al. 1970)

2) 시멘트의 특성 및 양

Fig. 6은 시멘트의 종류에 의한 건조수축률의 차이를 동일배합 모르타르에 대해 시험한 결과이다. 건조수축률은 시멘트 종류에 따라 다르며 중용열 시멘트는 건조수축률이 작고 고로슬래그 시멘트는 크다. 보통시멘트는 그것들의 중간이다. 건조수축률의 크기가 시멘트의 종류에 따라 다른 것은 주로 각각의 시멘트를 구성하고 있는 화합물의 비율이 다르기 때문이다. 시멘트 화학성분으로 C3A의 함유량이 많을수록 커진다. 또한 시멘트에 함유된 석고의 양도 관여하는 것으로 알려져 석고의 양이 많으면 건조수축이 감소한다. 이외에 시멘트의 분말도가 작을수록 크다. Fig. 5와 같이 단위수량이 같을 경우일 시멘트량이 건조수축에 미치는 영향은 적다.

Fig. 6 Difference in drying shrinkage according to cement type(JCA 1962)

3) 골재의 특성 및 양

Fig. 7은 암종이 다른 골재를 사용했을 경우의 콘크리트 건조수축률을 비교한 실험결과이다. 앞서 언급한 것과 같이 건조수축은 시멘트 페이스트의 수축이 주를 이루지만 콘크리트 전체로 볼 때 골재의 종류나 성질이 콘크리트의 건조수축에 영향을 미쳐 골재의 압축특성과 건조로 인한 골재 수축의 영향을 받는 것으로 보고 있다. 즉 골재의 강성계수가 클수록 콘크리트의 건조수축은 작게 되며 골재의 건조수축이 클수록 콘크리트의 건조수축이 크게 된다.

Fig. 7 Difference in drying shrinkage depending on aggregate rock type(Kondo and Saka 1957)

2.1.4 건조수축 균열해석의 현황

건조수축 균열이 구조물의 어느 위치에 언제 어떤 형태로 발생하는지를 정확히 예측하기는 매우 어렵다. 먼저 계산으로 이를 정확히 구하려면 정확한 건조수축 예측식이 필요하다. 그 다음으로는 건조수축이 생겼을 때 내･외부 구속 응력을 정확하게 계산해야 한다. 전술한 것처럼 건조수축은 콘크리트를 구성하는 재료와 배합의 인자 및 외적환경조건과 시간의 인자의 영향을 받는다. 이러한 인자를 함수로 한 건조수축의 예측식을 확립하기에는 아직 이르지 못한 실정이다.

콘크리트의 건조수축을 예측하기 위해서는 실험식은 다수 제안되어 있다. 이들 제안식은 앞 절에서 언급한 여러 가지 영향인자를 고려하고 있지만, 식에 따라 도입하는 요인이 다르다. 즉 현재까지 개발된 건조수축 균열 예측 모델들은 실험실 수준에서의 연구 결과를 바탕으로 하고 있어, 실제 구조물에 적용하기에는 한계가 있다. 건조수축 균열의 발생 메커니즘과 영향 요인이 복잡하고 다양하므로, 이를 모두 고려한 범용적인 예측 모델을 개발하기는 쉽지 않다.

2.1.5 건조수축균열의 제어 방법

현재까지 많은 건조수축 균열의 제어방법이 사용되어 왔다. 대부분은 앞서 설명한 건조수축 균열 메커니즘에 기초한 것으로 경험적으로 효과가 있다고 여겨져 온 것들이다.

2.2.1 소성침하와 소성수축

철근 콘크리트 구조물에서 균열의 최대 40 %는 콘크리트가 고체 상태에 들어가기 전(소성 상태)에 형성되며, 소성 균열의 약 80 %는 소성수축과 관련이 있는 것으로 알려져 있다^{(Kwak et al. 2010; Moelich et al. 2021)}. 일반적으로 콘크리트는 타설 후부터 굳기 전까지의 기간에 주로 소성침하(plastic settlement)와 소성수축(plastic shrinkage)이라는 두 가지 부피 변화가 발생하는데, 그 기간동안 콘크리트가 구속되게 되면 균열로 이어질 수 있다.

소성침하란 굳지 않은 콘크리트 혼합물의 고체 입자들의 중력 침하로 인한 수직 부피가 감소하는 현상이다^{(Kwak et al. 2010)}. 콘크리트 내 고체 입자들은 물보다 밀도가 높아 수직으로 가라앉으려 하고, 물을 표면으로 밀어내는데 이를 블리딩이라고 하며, 블리딩수는 일반적으로 증발을 통해 사라지게 되어 경화되는 콘크리트는 수직방향 길이가 줄어드는 현상을 소성침하라고 부른다. 반면 소성수축은 콘크리트가 경화되기 전 단계에서 나타나는 현상이다. 콘크리트 내부의 모세관 공극에 존재하는 수분이 외부로 증발하면서, 공극 내에 음압이 형성된다. 이 음압으로 인해 콘크리트 전체가 수축하게 되며, 이를 소성수축이라 한다. 소성수축은 콘크리트의 부피가 전체적으로 감소하는 3차원적 변화를 수반하며 ^{Wittmann (1976)}에 의해 모세관 압력 메커니즘이 처음으로 확인되었다. 이 음의 모세관 압력은 콘크리트 페이스트 내의 입자들을 서로 더 가깝게 끌어당겨 소성수축을 초래한다.

2.2.2 소성균열 메커니즘

콘크리트의 소성균열은 콘크리트가 사용된 이래로 문제였으며 이 주제에 관한 연구가 60년 이상 수행되어 왔다^{(Lerch 1957; Ravina and Shalon 1968; Boshoff and Combrinck 2013)}. 소성균열은 유해한 물질이 콘크리트 내부로 침투하여 다양한 형태의 콘크리트 열화를 가속화할 수 있는 통로를 제공하기 때문에, 소성균열이 발생하면 콘크리트 구조물의 성능, 사용성, 내구성 및 미적 품질이 저하되게 된다^{(Naaman et al. 2005)}. 따라서 콘크리트 구조물의 수명주기를 고려하면 소성균열을 제어하는 것은 적은 비용으로 구조물의 수명을 효과적으로 연장시킬 수 있는 방법이라 할 수 있다^{(Naaman et al. 2005)}. 다양한 연구내용들을 바탕으로 미국콘크리트학회에서는 소성균열관련 보고서(ACI 224.1R, ACI 305R)와 기준(ACI 305.1M)을 제시하였다.

소성균열의 주요 원인은 콘크리트가 양생 중 충분한 구속을 받는 조건에서 인장강도가 낮은 초기 재령의 콘크리트에 균열이 발생할 수 있는데, 소성침하균열은 침하과정에서 그리고 소성수축균열은 수분손실에 의해 콘크리트에서 음의 모세관 압력이 발생하여 내부 압축 변형이 발생하는 과정에서 균열이 발생할 수 있다. 소성침하균열로 이어질 수 있는 대표적인 구속조건은 철근이며, 소성침하균열은 콘크리트 표면에서 항상 보이는 것은 아니므로 이러한 균열이 처음에는 표면에서 보이지 않더라도 콘크리트 요소에 존재할 수 있고, 이러한 균열은 양생을 통해 모든 증발을 방지하더라도 존재할 수 있다^{(Combrinck et al. 2018)}. 한편 소성수축균열로 이어질 수 있는 구속조건들은 보강 철근, 단면적 깊이의 변화, 콘크리트의 하부가 콘크리트의 상부보다 덜 수축함으로 생기는 변형 구배 및 거푸집의 마찰 등이다^{(Boshoff and Combrinck 2013)}. 특히 소성수축균열은 노출면이 큰 슬래브와 같은 구조물에서 증발률이 높은 환경에서 발생하기 쉽다^{(Combrinck et al. 2018)}. 3D 프린팅 콘크리트의 경우 높은 표면적 비율과 더불어 거푸집의 도움이 없으며, 블리딩수가 극히 낮고, 골재 비율이 낮고, 미분의 함량이 높아서 소성수축균열에 취약하다^{(Moelich et al. 2020)}.

소성균열의 주요형태로는 소성침하균열은 콘크리트 표면 아래에 다수의 인장 표면 균열과 전단 유도 균열의 형태로 나타나며, 소성수축균열은 콘크리트 전체 깊이에서 갑자기 형성되는 단일 균열 형태로 나타난다^{(Combrinck et al. 2018)}. 소성수축균열은 길이가 수 센티미터에서 수 미터에 이르고 균열 폭은 0.1에서 3 mm에 이르는 명확한 패턴 없이 발생하며 때때로 메쉬 형상 또는 평행 손상 형태로 발생된다^{(Ravina and Shalon 1968; Olivier et al. 2018)}. 일반적으로 소성침하균열이 먼저 발생하고 소성수축균열이 뒤에 발생한다^{(Boshoff and Combrinck 2013)}. ^{Combrinck et al. (2018)}의 연구에 의하면 두 종류의 균열이 같이 발생될 경우 두 균열 유형 간의 부정적인 시너지 효과로 인해 일반적으로 예상되기 훨씬 전에 상당한 균열 확대가 발생할 수 있다. 특정조건에서 소성침하균열은 소성수축균열에 의해 증폭될 수 있으며, 소성침하균열이 심할수록 소성수축균열이 심해지며 더 일찍 발생하게 된다. 또한 철근 상부에 초기 소성침하균열이 형성되면 모세관 압력이 상승하여 수축이 시작되는 즉시 철근 상부의 균열이 확대되기 시작하게 된다.

^{Mora-Ruacho et al. (2009)} 연구진은 관련 연구를 통해 다음과 같이 콘크리트의 소성균열 거동을 설명하였다. 첫째 단계에서는, 블리딩수의 증발이 있을 때, (1) 수축은 없으나 약간의 팽창이 일어날 수 있고, (2) 증발 속도가 보통의 물의 증발 속도와 같으며, (3) 약간의 음의 모세관압력이 발생하며, (4) 침하가 선형적으로 증가한다. 두 번째 단계에서는 상부 층에서 모세관 menisci 이 형성되며, (1) 수축변형률이 점진적으로 증가하고, (2) 증발 속도가 감소하고, (3) 음의 모세관 압력이 거의 선형적으로 증가하게 되고, (4) 침하율이 감소하게 된다. 최종단계에서는 하부 층에서 모세관 menisci이 형성되며, (1) 수축 균열 폭의 점진적으로 증가하며, (2) 증발 속도가 현저하게 감소하며, (3) 음의 모세관 압력이 최고점에 도달한 후 떨어지고, 그리고 (4) 추가 침하가 멈추게 된다. 두 번째 단계와 세 번째 단계 사이의 임계점은 모세관 menisci 파괴 반경에 도달할 때이며, 이때 음의 모세관 압력이 정점에 도달하여 국부 인장 강도보다 높은 응력을 유도하여 변형 집중화 및 균열 진전을 유발한다. 이것은 균열 생성에 해당하는 세 번째 단계가 발생한 후 변위 곡선에서 급격한 변화로 나타난다.

1957년 Lerch는 “소성수축균열은 콘크리트 표면에서 광택이 사라진 직후에 발생하며 이러한 형태의 균열이 시작되면 매우 빠르게 진행되는 것을 관찰할 수 있다.”라고 설명하였으며, 광택이라고 표현한 이유는 콘크리트 표면에 블리딩수의 증발이 끝난 뒤 콘크리트의 광택이 사라지게 되기 때문이다^{(Ghourchian et al. 2017)}. 이러한 광택이 사라지는 조건은 증발 속도가 블리딩 속도를 초과한 후 일정 시간이 지나면 표면에 축적된 블리딩수의 양과 환경 조건에 따라 발생하며(Fig. 8 참조), 균열은 이후 곧 발생하게 된다^{(Ghourchian et al. 2017)}. 이렇듯 소성수축균열은 블리딩과 밀접적인 관계가 있어 블리딩과 관련된 시험방법들^{(ASTM C232/C232M, AS 1012.6)}이 제시되었다. Fig. 9에서와 같이 소성수축균열은 일반적으로 초결 이후에 발생하며 종결시점 부근에 안정화된다^{(Boshoff and Combrinck 2013)}.

Fig. 8 Relationship between mixing water mass loss rate at concrete surface and plastic shrinkage crack progression(Ghourchian et al. 2017)

Fig. 9 Alkali-silica reactivity (ASR) crack formation and propagation process(Wang and Noguchi 2020)

2.2.3 소성수축에 영향을 주는 요인

2.3.1 알칼리-실리카 반응

반응성 골재를 포함하는 콘크리트 구조물은 충분한 수분 존재 하에 알칼리-실리카 반응(ASR, Alkali-Silica Reaction)에 의한 열화에 취약한 것으로 알려져 있다^{(Leemann et al. 2020)}. ASR은 반응성 골재에서 용출된 실리카가 포틀랜드 시멘트에서 용해된 알칼리 이온 및 수산화이온과 반응하는 화학 반응이다^{(Mehta and Monteiro 2014)}. 이 반응의 반응생성물은 팽창성 ASR 젤(gel)이며, ASR 젤은 수분을 흡수하고, 점점 팽창하여 경화된 콘크리트 내부에서 팽창압을 유발하게 된다. 결과적으로, 이러한 팽창압은 콘크리트 내부에 광범위한 미세균열을 야기한다(^{Lindgård et al. 2012}). 이 반응에서 반응성 실리카는 주로 골재에서 비롯되므로, 알칼리-골재 반응이라고도 불린다.

ASR에 의한 열화는 ^{Stanton (1940)}의 연구에 의해 1940년 캘리포니아의 콘크리트 구조물 파손에서 처음 보고되었다. 그 이후, ASR은 습한 환경에 위치한 콘크리트 구조물(댐, 교량 교각, 방파제 등)에서 가장 많이 발생하는 열화현상으로 보고되어져 왔다^{(Mehta and Monteiro 2014)}. ASR은 구조물 일부분에 피해를 발생시키는 것이 아닌 전체적으로 손상을 야기시키며, 콘크리트 내부에서부터 시작하여, 표면에 균열 및 손상이 발견되었을 때는 이미 매우 오랜 시간동안 열화가 진전된 후이다. 따라서, ASR에 의한 손상은 근본적인 복구가 어렵다.

2.3.2 ASR 균열 메커니즘

ASR은 콘크리트의 염기성 세공용액과 골재 내부의 비정질 혹은 결정성이 낮은 실리카가 반응하는 화학반응이다^{(Saha et al. 2018)}. ASR의 화학 반응은 매우 복잡하고, 아직 완벽하게 연구되지는 않았지만, 이 반응은 크게 세 가지 단계로 설명될 수 있다^{(Wang and Noguchi 2020)}.

첫 번째 단계는 골재 내부 비정질 혹은 결정성이 떨어지는 실리카의 용해이다. 콘크리트 세공용액의 수산화이온(OH-)은 실록산(Si-O) 결합을 공격한다. 그 반응으로 생겨난 규산(silicic acid)은 추가로 수산화이온과 반응하게 된다. 그리고, 음전하를 띄는 반응생성물인 실라놀 그룹은 칼슘 양이온 혹은 알칼리 금속 이온(리튬 제외)과 결합하여 전하 균형을 맞추게 된다.

두 번째 단계에서는, 반응생성물인 실라놀 그룹이 지속적으로 수산화이온에 의해서 반응하게 되고, 최종적으로 실리카 이온을 발생시킨다. 그리고 열역학적 평형에 의해서, 실리카 이온은 여러 종류의 실리카 이온으로 환원된다.

마지막 단계에서는, 콘크리트 세공용액에서 실리카 이온이 칼슘 이온과 알칼리 금속이온에 의해서 다중 축합 반응이 일어나게 되고, C-S-H, C-R-S-H, R-S-H(R은 리튬을 제외한 알칼리 이온) 등을 형성하게 된다. 결론적으로, ASR이 일어나기 위한 필요조건은 반응성 골재, 충분한 알칼리, 수분, 그리고 칼슘이며, 이 네 가지 요인이 동시에 작용되어야 ASR이 발생할 수 있다. 만약, 하나의 조건이라도 없어진다면, ASR 피해는 경감되거나 제거될 수 있다.

2.3.3 ASR 시험 방법

1930년대에 ASR이 발견된 이래로, 알칼리-실리카 반응성을 평가하기 위한 다양한 시험 방법들이 개발되어져 왔다^{(Wang and Noguchi 2020)}. 골재의 반응성을 평가하기 위한 시험방법으로서 ASTM C289와 ASTM C295(편광현미경 분석)가 제안되었다. ASTM C295 시험은 골재 내에 잠재적으로 해로운 반응성 실리카 광물을 구분하기 위해 사용된다. ASTM C289 시험은 80 °C 1N NaOH 용액에 골재 샘플을 24시간 침지하여, 용해된 실리카 이온의 양을 측정함으로써 골재의 반응성을 판단하기 위해 사용된다. 위 두 방법은 빠르게 시험할 수 있지만, 본 시험 결과만을 가지고는 골재의 반응성을 해석하기에 신뢰성이 떨어진다. 따라서, 골재를 파악하는 방법으로써 단독으로 사용해서는 안되고, 시멘트와 골재 간의 반응성을 평가하기 위한 ASTM C227, ASTM C441, ASTM C1260(모르타르 바 가속 시험)과 ASTM C1293(콘크리트 빔 시험) 등의 시험과 함께 사용되어야 한다.

모르타르 바를 이용하는 ASTM C227, ASTM C441, ASTM C1260 시험법들은 샘플의 크기는 시험 간에 비슷하나 보관 조건과 적용하는 재료들이 다르다. ASTM C441은 골재의 반응성을 시험할 수 없고, 골재 재료로 Pyrex 유리를 분쇄하여 사용한다. 그리고 광물성 혼화재를 페이스트로 사용해 결합재의 효과를 평가하기 위해 본 시험방법을 사용한다. 또한, ASTM C227과 ASTM C1260은 고 염기도와 높은 온도에서 시험하기 때문에 종종 잘못된 결과를 도출할 수 있다^{(Yun 2008)}. 기존 시험방법들은 골재의 정확한 ASR 반응성을 파악하는데 제한이 있다. 그러므로, 골재의 반응성을 알아내는 종합적인 시험 개발에 관한 추가적인 연구가 요구된다.

2.3.4 ASR 균열에 영향을 주는 요인

2.4.1 수화열에 의한 균열

콘크리트 타설 후 재령일 수가 얼마 되지 않은 콘크리트의 경우, 열 균열 제어는 콘크리트 구조물의 사용수명 확보와 성능 확보를 위해 매우 중요하다^{(Larson 2003)}. 콘크리트 타설 초기에 온도 변화로 인한 균열제어는 콘크리트구조물의 내구성에 매우 큰 영향을 미치게 된다.

Fig. 10에서 보여주는 것과 같이 콘크리트 재령 초기, 시멘트 수화 반응 시에 발생하는 수화열로 인해 콘크리트의 부피가 팽창하게 되며, 만약 콘크리트 구조물이 자유롭게 변형되지 못하도록 구속되어 있다면 콘크리트에 압축응력이 유발되게 된다. 그 후 시멘트 수화가 계속 진행됨에 따라서 콘크리트 구조물은 수축하게 되고 콘크리트 구조물이 구속되어 있다면 콘크리트에 인장응력이 유발되게 된다. 이러한 인장응력이 허용범위를 넘게 된다면 결국 콘크리트에 균열이 유발되게 되고 영구적인 변형으로 남게 된다. 또는 외부의 환경변화로 발생한 콘크리트에 온도 변화로 인한 균열이 발생하게 된다. 콘크리트 부재의 크기가 충분히 큰 경우에는, 콘크리트 타설 후 24시간 이내에 발생하는 수화열의 발생 속도가 콘크리트 표면에서 일어나는 열손실 속도보다 빠른 경우 콘크리트 온도가 상승하게 된다. 그 후 2~3일이 경과하게 되면, 콘크리트의 열 발생 속도가 열손실 속도보다 낮아지게 되어 결국 콘크리트의 온도는 낮아지게 된다. 이러한 콘크리트의 온도변화는 부재의 팽창열 수축을 유발하게 된다. 이러한 부피변화가 외부 또는 내부의 구속조건과 함께 작용하게 되는 경우 콘크리트에 균열이 발생하게 된다. 만약 콘크리트가 기존에 미리 경화된 콘크리트에 타설된 경우에는 콘크리트가 수축하려고 할 때 기존 경화콘크리트가 외부구속 요건으로 작용하게 되어 균열이 발생하게 된다. 한편, 타설된 콘크리트 표면온도가 내부콘크리트 온도와 비교하여 빨리 식게 될 경우 내부 높은 온도의 콘크리트가 내부구속 요건으로 작용하게 되어 콘크리트에 균열이 발생하게 된다.

이러한 열 균열은 다음의 인자들에 의해서 영향을 받을 수 있다: ① 콘크리트 구성요소들의 온도, ② 대기온도, ③ 콘크리트 부재의 크기, ④ 양생방법, ⑤ 거푸집 제거 시점, ⑥ 거푸집 종류, ⑦ 혼화재, 그리고 ⑧ 시멘트 사용량 및 종류 등이 있다. 이러한 초기 열 균열을 최소화하기 위해서는 설계자와 시공기술자들 모두 주의하여 설계하고 시공하여야 한다.

설계 시에는 시공줄눈, 온도철근 배치, 부재 단면 크기 조절, 시멘트 종류와 사용량 조절 그리고 골재 종류들을 상세히 고려하여야 하고, 시공 시에는 콘크리트 타설 시간 조정, 콘크리트 구성요소의 온도제어, 거푸집 제거 시점, 양생 및 단열 등에 주의를 기울여야 한다. 매스콘크리트 타설 후 콘크리트의 온도변화를 줄이기 위해서 ^{Kiemczak and Knoppik- Wróbel (2011)}은 콘크리트 배합설계를 조정하거나, 타설하는 콘크리트의 양을 줄이거나, 단열조건을 유지하는 방법 등을 사용하고 있다. 저발열 콘크리트를 개발하기 위해서는, 저발열 시멘트를 사용하고 시멘트 사용량을 줄여야 한다. 그리고 온도변화에 따른 부피 변화가 작은 골재를 콘크리트에 사용하게 된다.

그리고, 콘크리트 배합 전에 구성요소들의 온도를 낮게 하는 프리쿨링 방법을 사용하여 콘크리트의 초기 수화열을 떨어뜨려야 한다. 콘크리트 혼합수의 온도를 5 °C로 떨어뜨리거나, 혼합수에 얼음을 함께 섞어서 배합하기도 한다. 또한 콘크리트 타설 전에 cooling pipe를 미리 배치하여 콘크리트의 수화시에 cooling pipe에 차가운 물을 순환시키는 방법도 많이 사용되고 있다. 매스 콘크리트의 표면에 천 또는 담요 등으로 덮어주어 단열조건을 적용하는 경우, 콘크리트 표면이 빠르게 식게 되는 것을 방지하고 콘크리트 내부와 외부의 온도 차이를 낮게 유지할 수 있다.

Fig. 10 Concrete early age temperature change and stress change

2.5.1 철근 부식 반응

일반적인 콘크리트 구조물은 콘크리트의 인장력을 보강하기 위해 내부 철근과 긴장재를 사용한 철근 콘크리트 혹은 프리스트레스트 콘크리트(prestressed concrete)를 이용해 건설된다. 일반적으로, 콘크리트 내부에 매립된 철근은 안정한 상태를 유지하지만, 해안 근처에서 지속적인 바다 염분의 침입을 받거나, 콘크리트 표면에 균열이 발생하여 외부로부터 공기나 수분이 침투되면, 철근이 부식될 가능성이 있다. 철근 부식은 철근 자체의 강도뿐만 아니라 철근과 콘크리트 사이의 부착 성능을 저하시킬 수 있다. 철근 부식으로 인한 콘크리트 균열의 직접적인 원인은 철근 부식으로 생성된 녹의 팽창압이다. Fig. 11과 같이 부식으로 산화된 철은 순수한 철보다 두 세배의 체적 팽창이 되고, 특히, 산화정도에 따라 최대 6배까지 팽창할 수 있다. 이러한 팽창압이 콘크리트 내부 균열과 표면 박리를 발생시킨다.

Fig. 11 Corrosion products and volume expansion rate due to rebar corrosion(Mehta and Monteiro 2014)

2.5.2 철근 부식 메커니즘

철근 부식 반응은 기본적으로 전기화학적인 반응의 일종이다. 산화반응(anode)에서는 철(Fe)이 산화되어 철 양이온(Fe2+)으로 변환되고, 전자를 생성한다. 환원반응(cathode)에서는 생성된 전자가 물과 산소와 반응하여 수산화이온(OH-)을 생성한다. 결과적으로, 철 양이온과 수산화이온이 반응하여 녹(rust, FeO(H2O)x)을 형성하게 되고, 이러한 화학적 반응은 체적 증가를 수반한다. 하지만, 중요한 포인트는 산화반응과 환원반응은 항상 짝으로 발생하기 때문에, 둘 중 하나의 반응이 억제되면, 다른 하나의 반응이 더 이상 일어날 수 없다는 것이다. 따라서 만약 환원반응에 필요한 물과 산소가 더 이상 공급되지 않으면, 철이 이온화되는 산화반응도 일어나지 않고, 부식도 발생하지 않는다. 특히, 콘크리트 내부에 매립된 철근은 표면에 얇은 부동태 피막(passive film)이 형성될 뿐만 아니라 두꺼운 콘크리트 피복으로 인해 외부 공기로부터 차단되어 부식으로부터 보호될 수 있다. 또한, 이 부동태 산화 피막은 pH 11.5 이상의 고 알칼리 환경이 유지된다면, 화학적으로 안정한 상태를 유지한다고 알려져 있다. 콘크리트 내부 세공 용액에는 다량의 수산화칼슘이 존재하고 있어, 보통 pH 12 이상을 유지하는 덕분에, 부동태 피막이 안정적으로 존재한다. 하지만, 내부 알칼리를 담당하는 수산화칼슘이 탄산화되거나 용출되어 모두 소모되어 사라질 경우, 콘크리트의 pH가 11.5 미만으로 줄어들어, 부식이 진행될 가능성이 있다.

또한, 주목할 만한 것은, 염소 이온이 존재하는 환경에서는, pH가 11.5 이상 유지되어도 이 부동태 피막이 파괴될 수 있다는 것이다. 수산화이온 농도 대비 염소 이온 농도가 일정 비율 이상 높아지면, 이 산화철 피막이 액체나 기체 등이 투과될 수 있는 침투성이 되거나 불안정한 상태가 되기 때문이다. 콘크리트 1 m³ 당 Cl- 이온의 양이 0.6~0.9 kg이 되면 이러한 부식이 개시될 수 있다. 일반적으로 콘크리트 내부에 염분이 침입되는 경로는 골재에 염분이 섞여 있거나, 제설제 용액 혹은 바닷물이 콘크리트 내부로 침투될 때이다.

2.5.3 부식 억제 방안

철근의 부식을 억제하기 위해서는 물, 산소, 그리고 염소 이온을 억제하는 것이 가장 중요하고, 따라서, 콘크리트 모체를 밀실하게 만들어 외부로부터 유해 이온의 침입을 막는 것이 중요하다. ACI Building Code 318에 따르면, 제설제나 해수에 노출된 보통중량 콘크리트는 최대 물-시멘트 비율이 0.4를 넘지 않도록 명시하였고, 콘크리트 구성재료(골재, 시멘트, 혼화재 등)에서 용출될 수 있는 콘크리트 내부 최대 허용 염분량을 염분 노출 환경에서 사용되는 콘크리트에서 각각 0.06 %(시멘트 중량 대비), 0.3 %(철근 콘크리트 중량 대비)로 명시하였다. 만약 콘크리트가 건조 상태로 유지되거나, 외부 습기로부터 보호되는 환경이라면, 시멘트 재료 중량 대비 1 % 포함할 수 있도록 규정하였다. 또한, ACI Building Code 318에 따르면, 철근 부식 방지를 위한 최소 콘크리트 커버 두께를 50 mm(벽과 슬래브)와 63 mm(그 외)로 권고하였다. 뿐만 아니라, 철근을 코팅하여 철근 부식을 억제하는 기술도 연구되고 있다. 우선, 철보다 산화되기 쉬운, 즉 이온화되기 쉬운 아연(Zn)을 철근에 코팅하여 부식 조건에서 철 대신 아연이 부식되게 하는 양극 피막(anodic coating) 연구가 이루어지고 있고, 실제로 1976년 미연방도로청(Federal Highway Administration)에서 교량의 상판에 적용한 사례가 있다.