[건축시공기술사 133회 용어 8번] 콘크리트 자기수축(Autogeneous Shrinkage)

 

 

 

기출문제 스터디

콘크리트의 자기수축이란?

• 콘크리트의 자기수축(autogenous shrinkage)은 콘크리트가 경화되는 과정에서 외부의 수분 공급이나 손실 없이 내부의 수화 반응으로 인해 스스로 체적이 줄어드는 현상을 말합니다. 이는 주로 시멘트의 수화 반응에 의해 발생하며, 특히 물-시멘트 비율(W/C ratio)이 낮은 고강도 콘크리트에서 두드러지게 나타납니다. 자기수축은 콘크리트의 초기 강도 발현과 장기적인 내구성에 중요한 영향을 미치므로, 설계와 시공에서 반드시 고려해야 할 요소입니다.

콘크리트의 자기수축 발생 메커니즘

• 화학적 수축 (Chemical Shrinkage) : 시멘트가 물과 반응하여 수화물을 생성하는 과정에서, 생성된 수화물의 부피는 초기 시멘트와 물의 부피보다 작습니다. 이로 인해 콘크리트 내부에 미세한 공극이 형성되고, 전체 체적이 감소합니다. 외부에서 물이 공급되지 않는 조건에서는 이러한 체적 감소가 자기수축으로 이어집니다.
• 모세관 응력 (Capillary Stress) : 수화 반응으로 물이 소모되면서 콘크리트 내부의 미세한 모세관 내 수분이 줄어듭니다. 이로 인해 모세관 벽에 음압(negative pressure)이 발생하고, 이 응력이 콘크리트를 수축시키는 주요 원인이 됩니다. W/C 비율이 낮을수록 모세관이 더 미세해져 응력이 증가하므로 자기수축이 커집니다.
• 내부 상대습도 감소 : 수화 반응이 진행되면서 콘크리트 내부의 상대습도가 낮아집니다. 이는 모세관 내 수분의 손실을 가속화하며 추가적인 수축을 유발합니다. 내부 습도가 감소할수록 수축량이 증가하는 경향을 보입니다.
• 자기건조 (Self-Desiccation) : 낮은 W/C 비율의 콘크리트에서는 수화에 필요한 물이 부족해 내부가 스스로 건조되는 현상이 발생합니다. 이로 인해 수분이 불균일하게 분포하며 수축이 심화됩니다. 특히 고강도 콘크리트에서 이 현상이 잘 나타납니다.

콘크리트의 자기수축이 구조체에 미치는 영향

• 균열 발생 : 자기수축으로 인해 콘크리트 내부에 인장 응력이 발생합니다. 이 응력이 콘크리트의 인장 강도를 초과하게 되면 미세 균열이 생깁니다. 특히 양생 초기 단계에서 콘크리트의 강도가 충분히 발달하지 않았을 때 균열 위험이 높아집니다.
• 내구성 저하 : 균열은 구조체의 내구성을 저하시킵니다. 균열을 통해 물, 염분, 기타 유해 물질이 침투하여 철근 부식을 촉진하거나 동결융해 손상을 가속화할 수 있습니다. 이는 구조물의 수명을 단축시키는 주요 원인이 됩니다.
• 변형 및 처짐 : 자기수축으로 인한 체적 변화는 구조물의 설계 치수에 영향을 줄 수 있습니다. 장기적으로는 처짐(deflection)이나 뒤틀림(warping)을 유발하여 구조적 안정성을 저하시킬 수 있습니다.
• 프리스트레스 손실 : 프리스트레스트 콘크리트(PSC) 구조물에서는 자기수축으로 인해 프리스트레스 강재에 가해진 인장력이 감소할 수 있습니다. 이는 구조물의 성능 저하로 이어질 수 있으므로 주의가 필요합니다.

자기수축의 부정적인 영향을 최소화하기 위한 시공 관리 방안

 

적절한 양생 (Curing)

• 습윤 양생 (Wet Curing) : 타설 후 초기 물을 뿌려서 내부 수분을 유지합니다. 이는 자기건조를 방지하고 수축을 줄이는 데 효과적입니다.
• 밀폐 양생 (Sealed Curing) : 방수막이나 양생제를 사용하여 표면의 수분 증발을 차단하고 내부 습도를 유지합니다.

혼합 설계 최적화

• 수축 저감제 (Shrinkage Reducing Admixture) : 수축 저감제를 첨가하면 모세관 내 표면 장력이 줄어 자기수축을 감소시킵니다. 고강도 콘크리트에서 유용합니다.
• 광물질 혼화재 (Mineral Admixtures) : 플라이애시(fly ash), 슬래그(slag), 실리카 흄(silica fume) 등을 사용하면 수화 반응 속도를 늦추고 초기 수축을 완화하며, 장기 강도 발달에 기여합니다.
• W/C 비율 조정 : 지나치게 낮은 W/C 비율은 자기수축을 증가시키므로, 작업성과 강도를 고려해 적정 비율(예: 0.4 이상)을 유지합니다.

타설 및 시공 관리

• 진동 다짐 (Vibration Compaction) : 타설 후 충분한 진동 다짐을 통해 공극을 줄이고 콘크리트의 균일성을 확보합니다. 이는 내부 응력 분포를 균일하게 하여 수축 균열을 예방합니다.
• 온도 관리 : 수화열로 인한 온도 상승을 억제하기 위해 타설 시기를 조정하거나 파이프 쿨링을 이용합니다. 대형 구조물에서 온도 균열 방지에 중요합니다.
• 타설 속도 조절 : 대형 구조물에서는 한 번에 타설 하지 않고 단계적으로 진행하여 열 축적과 수축 응력을 줄입니다.

결론

 

콘크리트의 자기수축은 시멘트 수화 반응에 의한 체적 감소 현상으로, 특히 낮은 W/C 비율의 고강도 콘크리트에서 두드러집니다. 이는 균열, 내구성 저하, 변형 등의 문제를 유발할 수 있으므로, 적절한 양생, 혼합 설계 최적화, 철근 배치, 시공 관리 방법을 통해 제어해야 합니다. 자기수축을 이해하고 관리하는 것은 구조물의 장기적인 안정성과 성능을 확보하는 데 필수적입니다.

 

 

 

 

답안 예시

 

1. 정의

• 콘크리트의 자기수축(autogenous shrinkage)은 콘크리트가 경화되는 과정에서 외부의 수분 공급이나 손실 없이 내부의 수화 반응으로 인해 스스로 체적이 줄어드는 현상
• 주로 시멘트의 수화 반응에 의해 발생하며, 물-시멘트 비율(W/C ratio)이 낮은 고강도 콘크리트에서 발생하기 쉬움

2. 발생 메커니즘

• 화학적 수축 (Chemical Shrinkage) : 수화반응으로 인해 물이 소모되어 체적 감소
• 모세관 응력 (Capillary Stress) : 수화 반응으로 물이 소모되면서 콘크리트 내부 모세관 내 수분이 감소하여 음압 발생
• 내부 상대습도 감소 : 내부 습도가 감소할수록 수축량 증가
• 자기건조 (Self-Desiccation) : 수화에 필요한 물이 부족해 내부가 스스로 건조되며 수분이 불균일하게 분포하여 수축이 심화

3. 콘크리트의 자기수축이 구조체에 주는 영향

• 균열 발생 : 자기수축으로 인해 콘크리트 내부에 인장 응력이 발생하여 미세 균열 발생
• 내구성 저하 : 균열을 통해 물, 염분, 기타 유해 물질이 침투하여 철근 부식을 촉진하거나 동결융해 손상을 가속화
• 변형 및 처짐 : 자기수축으로 인한 체적 변화는 장기적으로 처짐(deflection)이나 뒤틀림(warping)을 유발
• 프리스트레스 손실 : 프리스트레스 강재에 가해진 인장력이 감소하여 구조성능 저하

4. 시공 시 유의사항

• 진동 다짐 (Vibration Compaction) : 공극을 줄이고 콘크리트의 균일성을 확보하여 내부 응력 분포를 균일하게 한다.
• 온도 관리 : 수화열 관리를 위해 타설 시기를 조정하거나 파이프 쿨링을 한다.
• 타설 속도 조절 : 대형 구조체인 경우 단계적 타설을 통해 수화열 관리와 수축응력을 감소시킨다.