시멘트의 건조수축/ 콘크리트의 건조수축

콘크리트는 골재(자갈과 모래)를 접착제(시멘트와 물)로 결합한 형태입니다. 그런데 이 접착제 역할을 하는 시멘트와 물은 수화반응하고 굳는 과정에서 수축합니다. 수축하면 균열이 생기고 구조물에 손상을 입힐 수 있습니다. 건조수축은 어떻게 일어나는지 건조수축을 크게 만드는 요인은 어떤 것들이 있는지 살펴보겠습니다.

 

▶ 시멘트/콘크리트 관련 표준 용어 모음

▶ 시멘트의 수화반응(Hydration)

 

표면장력(Surface tension)

콘크리트의 건조수축은 왜 생기는지, 어떻게 수축하는지를 설명하는 원리는 몇 가지가 있습니다. 그 중에서 가장 널리 받아들여지고 있는 것이 공극에 있는 물이 증발하는 과정에서 표면장력때문에 수축된다는 설명입니다.

 

 

물은 다른 액체보다 표면장력(Surface tension)이 비교적 크다고 합니다. 액체 내부의 분자는 주위의 다른 분자를 당기는 응집력이 있기 때문에 서로 떨어지지 않고, 예를 들어 풀 잎에 맺힌 이슬이 구형이 되면서 표면적이 가장 작은 모양을 취하게 됩니다. 

 

사진 출처 : Pixabay

 

다음 사진은 시멘트와 물이 수화반응한 후의 조직을 개념적으로 나타낸 것입니다. 까만 점들이 수화반응에 의해 생성되는 규산칼슘수화물에 해당합니다. C로 표시한 큰 공극은 모세관 공극입니다. 이 공극은 수화반응에 필요한 물보다 더 많이 집어넣은 물때문에 응집된 형태로 물이 모여서 생성된 것입니다.  그 외에도 규산칼슘수화물(까만 점)들 사이에도  빈 공간이 있는데 이것이 갤 공극입니다. 

 

시멘트에 물을 섞으면 수화반응을 하면서 굳어지는데, 이 물이 건조하면서 증발하게 되고 이때 콘크리트 내부 입자가 서로 당기는 힘을 받으면서 수축하게 되는 것입니다. 세수를 하고 나서 가만히 있으면 물이 마르면서 피부가 당기는 느낌을 느낀 적이 있으시죠? 그런 방식으로 증발하는 물이 수화물의 내부 조직을 당기면서 수축하는 식입니다. 

 

콘크리트 내부에는 모세관 공극과 갤 공극이 있다고 했습니다. 모세관 공극이 크기 때문에 먼저 모세관 공극에 있는 물이 증발하, 나중에 갤 공극에 있는 물이 증발하는데 이 물이 증발하면서 수축이 됩니다. 시멘트가 수화반응하는데 필요한 이론적인 수량은 시멘트 중량의 40%정도입니다. 이것보다는 물을 더 많이 넣을 수 밖에 없지만 이렇게 과잉으로 들어간 물은  모세관 공극을 형성하게 되고, 이 공극들은 콘크리트의 강도도 약하게 만들고 건조수축도 크게 일으키기 때문에 가능한 물은 적게 쓰는 것이 좋습니다.

 

건조수축의 크기 

콘크리트를 만들 때 가장 많은 부피를 차지하는 골재(잔골재와 굵은골재)는 이 건조수축을 줄여줍니다. 건조수축은 골재를 전혀 넣지 않은 시멘트 페이스트에서 가장 크게 일어납니다. 모래를 섞은 모르타르는 덜 수축하고 콘크리트가 수축이 가장 적게 발생합니다. 

 

아래 그래프에서 관심있게 볼 것은 1:3 모르타르의 변형이 14일까지 계속 증가하는 것입니다. 따라서 1:3모르타르로 미장 바름을 할 때에는 초벌바름을 하고나서 2주 정도 기다린 다음 정벌바름을 하는 것이 좋습니다. 건조수축이 모두 진행된 후에 정벌바름을 해야 균열을 줄일 수 있습니다. 

 

구조설계기준에서는 여러 가지 조건에 따라 건조수축 변형량을 예측할 수 있는 식을 제시하고 있는데, 조금 복잡하지만 일반적인 조건을 기준으로 계산하면 -0.00045 정도가 됩니다. 10m 구조물이면 4.5mm 정도 수축된다는 의미입니다. 손쉽게 외우려면 5×10-⁴ 정도로 기억하시기 바랍니다.

 

▶ 콘크리트 건조수축량 계산

 

잔골재의 종류와 건축수축

건조수축에 영향을 미치는 요인은 다양합니다. 앞에서 말씀드린 것처럼 물의 양(물-시멘트비)이 가장 큰 영향을 미치고, 이 외에도 골재량, 온도, 습도, 혼화재료 등이 영향을 미칩니다 

 

여기서는 원광대의 실험결과를 인용하겠습니다. 

박도경, 양극영, 잔골재 특성에 따른 콘크리트 건조수축 모델리에 관한 연구, 한국건축시공학회 논문집 제6권 1호(2006년 3월)

 

다음 그래프는 육지모래를 대상으로 잔골재율에 따라서 건조수축변형율이 어떻게 달라지는지 보여주고 있습니다. 잔골재율이 높아질수록 건조수축이 커지는 것을 알 수 있습니다. 

잔골재율이 증가하면 그만큼 굵은골재의 함량이 줄어들게 됩니다. 이렇게 입자가 작은 잔골재량이 증가할 때 달라지는 것은 골재의 표면적이 증가한다는 것입니다. 입자의 크기가 작아지면 표면적은 증가하게 됩니다. 따라서 골재의 표면을 모두 감싸려면 그만큼 시멘트의 양이 많아지게 되고 물의 양도 많아지기 때문에 건조수축이 증가할 수밖에 없습니다. 

 

다음 그래프는 물시멘트비가 50%일 때, 강모래를 사용한 것과 바닷모래를 사용한 경우의 건조수축변형율을 비교한 것입니다. 막대그래프가 강모래이고 꺾은선그래프가 바닷모래입니다. 잔골재이 같을 경우 바닷모래를 사용할 경우가 건조수축이 커지는 것을 알 수 있습니다. 

 

논문에서는 바닷모래의 경우 강모래보다 모래 입자가 가늘기 때문에 시공성이 떨어지고 바닷모래에는 조개껍질 등도 포함되어 있어서 이로 인한 복합작용으로 바닷모래의 수축율이 증가하는 것으로 설명하고 있습니다. 

 

시멘트에 대해 정리한 내용입니다.

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