포틀랜드 시멘트의 제조

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서진 낭
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1 콘크리트균열의발생원인과대책 I 9 월연재 10 월연재 1. 서론 2. 콘크리트의균열과내구성 3. 콘크리트의재료조건에의한균열 3.1 소성수축균열 3.2 침하균열 3.3 건조수축균열 3.4 수화열에의한균열 4. 결언 1. 서론최근건설의활성화에따라대량의토목및건축구조물이건설되어있으나부적합한재료의사용과부실시공및시공후의유지관리미비로인하여구조물이소기의내구년수를채우지못하고시공후에보수비가많이들어간다거나균열의발생등조기열화현상이많이발생하고있어이를우려하는소리가높다. 철근콘크리트구조물에발생하는균열은구조물의외관, 내력, 수밀성등여러성능저하에원인이된다는이미알려져있는사실이다. 이에대한균열대책의필요성은오래전부터문제시되어왔으나, 그발생메카니즘이매우복잡하고여러성질이다른재료가혼입되어생성된재료적특성등의이유로충분한해결책을얻지못한채오늘에이르게되었다. 최근들어서는철근콘크리트구조물의설계법, 재료사정, 시공기술, 사용환경조건의진보혹은변화에따라더욱이균열에대한관심이고조되고있고그대책이강하게요망되고있다. 특히, 연이은대형건설사고의발생으로인하여과거국가경제의고도성장정책에따라지어진구조물의유지관리및보수문제가큰이슈화되고있다. 우리주위의건축물과토목구조물등의사회간접자본은대부분이철근콘크리트구조물로축조되어있으며, 21 세기의고도선진국가로진입하는데있어서는이와같은사회자본의안정적인축적이필요불가결한것이다. 실질적으로적절한설계와시공, 재료를사용하고적절히유지관리를수행한다면콘크리트의수명은반영구적인것으로알려져있다. 그러나최근구조물의현황을살펴보면제외국에서는콘크리트구조물의조기열화현상이발생하여사회적으로문제화되고있고국내에서도대형구조물붕괴와외국과유사한문제점이발견되고있어이에대한원인과대책에대해심도있는연구와지식확보및사전대비는절실하다고하겠다. -1-

2 국내구조물의대부분을차지하고있는철근콘크리트구조물에균열발생이많다거나 조기열화하는데대한배경을콘크리트구성재료및시공적인측면에서살펴보면, 첫째 : 둘째 : 셋째 : 넷째 : 신도시건설등건설활성화에따라다량의골재가요구되고있으나천연골재의고갈또는채취규제로인하여골재의종류가다양화되거나이에따라골재품질이저하되었다시멘트제조방식이과거습식공법에서에너지절감및환경규제로인하여건식공법으로전환함에따라시멘트의품질변동이심화되었다. 콘크리트기술의분업화에따라품질관리가어려워졌고시공의능률화에따라콘크리트타설을대부분펌핑에의존함으로써콘크리트의단위수량이증가하였다콘크리트강도위주의설계로내구성에대한충분한검토가이루어지지않았고콘크리트구조물에대한유지관리가이루어지지않았다. 2. 콘크리트의균열과내구성유해한균열은부재가과도하게처지는원인이되며, 내부철근의부식발생을촉진하여철근콘크리트구조물의내력또는내구성을저하시키고, 누수현상을일으키거나혹은외관을현저하게손상시키게된다. 여기에서균열폭 ( 보통은콘크리트표면에서의폭을가리킴 ) 의대소가문제화되는경우가많으며폭이큰것일수록유해성이큰균열이라고할수있다. 철근의부식에의해지배되는내구성관점에서보면유해성판정에이용되는허용균열폭은환경조건등에따라일률적으로말할수없으나대략 0.1~0.4 mm정도이다. 여기에비하여방수의관점에서살펴보면일반적인두께의지붕슬래브콘크리트인경우에 0.03~0.06 mm로내구성의경우에비하여비교적엄격한편이다. 철근콘크리트구조물의내구성에관련된성질과콘크리트균열과의상관관계를그림으로나타내면그림 1 과같다. 균열은직접적으로나간접적으로 RC 조의내구성에커다란영향을미치는요인임을알수있다. 3. 콘크리트의재료조건에의한균열일반적으로구조물에외력이작용하게되면구조물내부에응력이발생하게되고그응력에의해변형이발생한다. 그러나응력이구조물이허용할수있는강도를초과하였을때에는균열이발생하게되며, 그균열은계속적으로진행하고폭이커짐에따라최종적으로는구조물이파괴에이르게된다. 특히, 시멘트를주성분으로하고있는모르타르나콘크리트는유리나석영등의부류에속하는완전취성재료는아니지만취성재료에가까운깨지기쉬운재료로압축에는매우강하나인장에대해서는매우 -2-

3 취약하고여러재료를혼입하여생성한복합재료이기때문에균열의발생원인도매우복잡하다. 콘크리트구조물에서발생되는균열의발생원인을크게분류하면재료에의한요인, 시공에의한요인, 사용. 환경에따른요인, 외력. 하중에의한요인으로나눌수가있다. 그림 1. 콘크리트내구성저하에미치는균열의영향 콘크리트의품질은콘크리트가놓여지는환경과외부로부터의작용등이원인이되는외적요인과콘크리트자체의물성변화가원인이되는내적요인에의해점차적으로열화해간다. 실제의콘크리트는개개로독립된요인에의하여그기능이저하하는경우는극히드물며외적요인과내적요인이서로상승적으로작용하거나여러개의요인이동시에복합적으로작용하여균열발생등열화가진행하게된다. 그일례를살펴보면콘크리트를구성하는주요재료중의하나인시멘트는물과반응하므로써다량의열을발산하게되고이열이콘크리트내부에내재하고있는상태에서는팽창을하게된다. 그러나응결, 경화과정에서서서히콘크리트에있는열은외부로발산하게되고그로인해콘크리트는수축과동시에인장응력이작용하게되므로콘크리트에는균열이발생하게된다. 여기까지의과정은균열이발생될수있는내적요인이라할수있으나외부의온도나습도변화로인해이러한수축이급속도로이루어지거나반복적으로작용할경우에는균열발생은가속화된다. 그이외에도내부철근의부식, 중성화, 염해의경우는환경적인외적요소로콘크리트의열화현상이나균열을유발하기도하고내적요소에의해이미균열이존재하는경우에는외적요소와상호작용하여구조물을최종적으로는붕괴에이르게한다. -3-

4 표 1. 콘크리트의내구성에미치는환경조건 표 2. 콘크리트의재료조건에의한균열의원인과특징 -4-

5 표 1 은콘크리트의내구성에영향을미치는외적요인중환경조건에대하여정리한것이며, 표 2 는재료요인들에의해발생된균열의특징들에대해간단히요약한것이다. 3.1 소성수축균열 소성수축균열발생기구소성수축은굳지않은콘크리트나모르타르에있어서증발이나누수에따른수량감소로인한수축과시멘트의수화반응이후체적감소로인한수축에의해발생한다. 타설된콘크리트에포함된수분은대체적으로시멘트의수화반응과블리딩이나불완전한거푸집작업으로누수가발생하게되면감소하게되는데, 이때낮은습도에서바람이불거나고온상태에서는수분이급격히증발하여블리딩속도를상회할정도의건조를받게되면콘크리트는매우큰수축을하게된다. 소성상태에서의콘크리트는거의강도를갖지못하기때문에소성수축에의하여인장응력이작용하게되면균열이발생하게되는데이를소성수축균열 (plastic shrinkage cracking) 이라한다. 소성수축균열은포장, 슬래브, 벽체등과같이표면적이넓은구조물이나사질토지반위에설치된기초등에서발생할가능성이크다. 실질적으로소성수축균열과증발량과는밀접한관계가있는데 ACI 305R에따르면증발량이시간당 1kg/m 2 을초과하는경우에는소성수축균열이발생할가능성이매우높다고보고하고있다. 또한, 콘크리트표면에는요철이있기때문에비표면적이넓어동일한면적의자유수면상의수분증발량과비교하면약 5~10 배정도큰것으로알려져있다. 온도와풍속이높을수록, 상대습도가낮을수록증발은빠르게일어나며이에따라소성수축균열이발생할가능성은매우높게된다. 일반적으로증발량을추정하는방법으로는에너지보존법칙및공기역학법칙을응용한경험공식과증발접시를이용한관측에의한방법등이사용되고있다 균열발생현상소성수축균열은콘크리트를타설한지 2~4 시간사이에물광택이표면에서사라진직후에발생한다. 유동성을잃어버리고충분한강도를갖지않은상태에서발생되므로소성수축균열은불규칙한배열로발생되며, 철근이나골재입자를따라대부분이슬래브길이방향에직각으로산재한다. 일반적으로콘크리트타설초기에발생되는균열로는침하균열도있으나이균열과의구분은콘크리트의침강이종료된전후로판별하며대략블리딩의존재유무로균열의종류를구분한다. -5-

6 소성수축균열은발생기구자체가기상조건에크게영향을받기때문에명확하게균열크기를규명하기어려우나, 일반적인경우로폭은헤어크랙부터 3mm 정도, 길이는 10~100cm, 깊이는 2~5cm 정도가많다. 소성수축균열은일단발생하게되면균열을없애는것이거의불가능하며, 발생된균열은수분이나염화물을함유한입자의침투로콘크리트의열화및철근이부식하게되어내구성의손상을가속화할수있다 제어대책 소성수축균열을방지하기위한방법및대책을소개하면다음과같다. 가 ) 기후조건에대한사전대비실질적으로시멘트의수화반응에따른수축은기능상불가피하나, 소성건조수축균열의가장큰원인이수분증발에따른수축에기인하기때문에건조조건을억제하면어느정도는대비가가능하다. 특히, 건조조건은기상에의해크게영향을받기때문에전적으로방지하기는곤란하지만급속건조만이라도방지한다면균열발생을크게줄일수있다. 소성수축균열을예방하기위해서는수분증발에큰영향을주는기온, 상대습도, 풍속을일기예보를통해사전에정기적으로기록하는것이좋다. 이요소들과수분증발과의상호관계를살펴보면다음과같다. 기온 : 온도가 10 에서 38 로상승하게되면증발속도는약 7 배증가한다 상대습도 : 상대습도가 90% 에서 10% 로떨어지면증발속도는약 8 배증가한다 풍속 : 풍속이 0 에서 11.2m/sec 로증가하게되면증발속도는약 9 배정도증가한다따라서기상데이터와예상되는콘크리트의온도를토대로예상증발량과콘크리트의최대온도제한치를산정하고, 만약예상증발량이소성수축균열을유발시킬수있는임계증발량을초과한다면적절한방호조치를취한다. 그외의방법으로는직접증발접시를사용하여증발량을산정한다. 나 ) 타설전후대책증발량이시간당 0.5kg/m 2 이상으로소성수축균열이발생할가능성이있는조건에서콘크리트를타설할경우에는다음과같은조치를취하는것이바람직하다. 사전에높은풍속이나직사광선을보호하기위해차양막이나바람막이를준비한다. 타설후부터양생을개시하기까지의시간을가능한한단축시키도록한다. 특히표면마무리가끝나면곧바로양생을실시하여수분증발을피하도록한다. -6-

7 양생방법으로는습윤양생과피막양생이있는데, 습윤양생은콘크리트의초기건조수축을최대한줄이고강도를발현시킬수있는최선의방법이지만표면적이넓은포장이나슬래브를시공하는경우는현장에서적용하기어려우므로이경우에는피막양생제를살포하는피막양생법이가장실용적인방법이다. 피막양생제는표면마무리이후콘크리트표면에물광택이사라진직후바로살포하며양생제가날아가는것을방지하기위해스프레이노즐은가능한한콘크리트표면가까이에설치한다. 또한, 주의할사항으로콘크리트이어치기할부분에는피막양생제를살포하여서는않된다. 서중콘크리트공사시에는콘크리트타설직전에연무노즐을사용하여거푸집이나철근을사전냉각시켜야한다. 가열된거푸집이나철근은콘크리트의온도를상승시킬수있으며높은콘크리트온도는증발속도를가속화시킨다. 다 ) 배합조건 시멘트는가능한한필요로하는적정사용량이상으로하지않도록한다. 시멘트의사용량이증가하게되면동일한물-시멘트비에대해배합수의사용량이증가하게되므로증발량이증가하게되어균열이발생하기쉽다.. 배합수량을줄이는대신작업성확보를위해감수제나분산제를사용하는것이바람직하다. 골재는워커빌리티확보를위해단위수량을많이필요로하는모가난골재나미분말이과대하게포함되어있는모래등은가급적피한다. 라 ) 소성수축균열발생후의대책일단균열이발생하면콘크리트가소성상태에있을때 ( 표면을흙손으로깎아서다소수분이나오는상태 ) 흙손으로균열주위를두드리는탬핑방법을사용하면소성수축균열을제거할수있다. 균열제거후에는표면을마무리하고즉시양생포를덮어다시소성수축균열이재발생되지않도록한다. 3.2 침하균열 침하균열의발생기구콘크리트는마무리작업이끝난뒤에도계속해서압밀되면서침하하게된다. 이때콘크리트의침하가철근이나매설물등장애물에의해저해를받게되면콘크리트의표면부로전단또는인장응력이발생하여장애물이위치된상면콘크리트표면을따라비교적넓은폭의균열이발생하게된다. 이러한균열을침하균열혹은침강균열이라한다. 침하균열은다음의경우에발생할가능성이높아진다. -7-

8 잔골재량이적고단위수량이큰경우, 슬럼프가클수록발생될확률이높다. 골재의입자가크게되면침강속도가증가하게되며단위수량이많을수록묽은콘크리트가되므로콘크리트의침하는증가된다. 예를들면물-시멘트비가 40% 에서 60% 로증가하면침하속도는 2 배로증가된다. 시멘트의입도가크고응결시간이늦어질수록커진다. 사용된철근의직경이클수록콘크리트의침하에장애되는부분이커지므로가능성은높게된다. 콘크리트타설시한번에많은량을타설할경우에는증가된다. 거푸집이마찰저항이적다거나수분을많이흡수하는재질인경우혹은시공불량으로거푸집틈사이로물이빠져나가는경우에는수량감소에따른수축으로침하가촉진된다 다짐이충분하지못할경우에도침하는증가한다. 일반적으로 1 회타설높이가약 30~100cm 일때최종침하량은일반콘크리트의경우타설높이에대해약 0.6%~1.0%, 유동성이좋을콘크리트의경우에는 2% 정도이라고보고된바있으나, 이영역에서는콘크리트의변형능력도커지게되므로반드시침하균열이발생한다고하기는어렵다 균열발생현상침하균열은콘크리트의침하로인하여일반적으로철근을따라균열이발생하며철근배근하단에는그림 2 와같이공동 ( 공극 ) 이발생하기도한다. 침하균열은콘크리트를타설한후 1~3 시간이경과하였을때발생한다. 부재의두께가다르거나콘크리트의타설높이에차이가있으면그차이가클수록침하량이커지고경계면에서침하균열이발생한다. 일반적으로콘크리트구조물에서침하에장애가되는요소로는철근이고철근은규칙적으로배근되기때문에침하균열은대개규칙적으로발생한다 제어대책침하균열을제어할수있는방법을기술하면다음과같다. 작업이허용되는범위에서단위수량및슬럼프크기는가능한한작게하고다짐작업은골고루잘다진다. 블리딩이적은배합이되도록한다. 가능한한경화속도가빠르거나점착력이우수한시멘트나혼화제를선정한다. 타설속도를낮추고 1 회타설높이를낮게한다 -8-

9 그림 2. 침하균열 철근의피복두께는충분히하고배근된철근이헝크러지지않도록철근배근시에는충분히결속시킨다 표면부는잘다짐하고보의밑부분은충분히콘크리트가압밀될수있도록시간적여유를주는등시공방법에주의를기울인다. 균열이발생하였는지는수시로검사하여조기에발견하도록하고균열이발생하였을때에는각재등으로두드리거나 ( 재타법 ) 흙손으로눌러균열을제거한다. 재타법을행하는시기는대기온도에따라다르나일반적으로하계의경우는타설후 60~90 분이내, 타계절의경우는 90~180 분이내에행하는것이좋다. -9-

관리 번호 김포공항콘크리트포장보수공사 공사시방서 ( 토목 )

관리 번호 김포공항콘크리트포장보수공사 공사시방서 ( 토목 ) 2017. 3. 등록번호개정번호 등록번호개정번호 등록번호개정번호 등록번호개정번호 등록번호개정번호 등록번호개정번호 등록번호개정번호 등록번호개정번호 등록번호개정번호 등록번호개정번호 등록번호개정번호 등록번호개정번호 등록번호개정번호 등록번호개정번호 등록번호개정번호 등록번호개정번호 등록번호개정번호 등록번호개정번호