누수 균열 환경의 영향 ㅣ 균열발생 원인 상세 설명

출처 : 이화여자대학교 산학협력단(2021).「공동주택 지하구조물의 누수 예방 및 유지관리를 위한 전문 매뉴얼- Part 1. 누수 예방 실무」.

 

누수 균열 환경

• 공동주택 지하 구조물은 대부분 콘크리트 구조체로 건축되어지고 있으며 콘크리트 구조체로부터 누수를 유발 시키는 직접적인 원인 중 대표적인 것으로 균열을 들 수 있다.
• 구조체의 균열은 앞에서 서술한 자연 및 인위적 환경에 기인하여 누수 균열 환경이 조성된다.
• 이 글을 통해 누수 예방적 측면에서 콘크리트 구조체의 누수 균열 환경에 대한 발생 메커니즘과 누수 균열의 분류 등을 안내하고자 한다.

 

누수 균열 발생 메커니즘

건축된 이후 콘크리트 구조체에서 발생되는 균열의 메커니즘의 종류는 건조·수축 균열, 알칼리 골재반응에 의한 균열, 동결융해에 의한 균열, 염해에 의한 균열, 시공불량에 의한 균열, 설계오류에 의한 균열, 사용하중에 의한 균열 등으로 구분 할 수 있다. 이에 대한 발생 원리는 다음과 같다.

 

1) 건조·수축 균열

• 건조수축이란 굳지 않은 콘크리트의 소성수축에서 콘크리트 내부의 수분이 모세관 작용으로 표면으로 상승하여 증발하는 것과는 달리 경화된 콘크리트 또는 시공 중인 콘크리트 구조물에서 내부 수분이 공극을 통하여 표면으로 이동하여 대기 중으로 증발하면서 나타나는 체적 감소현상을 말한다.
• 이런 과정을 `Diffusion'이라고 하고 이때 수분은 증기상태로 이동된다. 이런 건조수축의 증기 Diffusion 계수는 아주 작으므로(∼10-10 m2/s) 인장응력의 크기는 Creep에 의해서 감소된다. 건조수축에 의한 콘크리트에서 발생되는 응력은 구속조건에 따라 구속된 인장응력이 발생되고 이 값이 인장강도를 넘어설 때 균열이 발생된다.
• 건조수축 균열을 억제하기 위해서는 배합시에 굵은 골재량을 증가시키고 단위수량을 감소시키거나, 대기가 건조한 경우에는 콘크리트 표면에 Sprinkler를 살수하는 방법을 취하기도 한다. 또한, 수축조인트나 배력 철근을 적절히 배치하여 제어할 수도 있고 건조수축 보상시멘트를 사용하여 제어할 수도 있다.

 

2) 화학 반응에 의한 균열

• 화학 반응에 의한 균열에는 알칼리 골재반응, 황산염에 의한 팽창 반응으로 구분 할 수 있고, 알칼리 골재반응은 시멘트의 알칼리 성분(Na,K)과 알칼리 용해성 규산을 함유한 골재와의 반응으로 체적이 팽창하여 콘크리트의 균열파손 현상이 나타난다.
• 알칼리는 시멘트 이외에도 해사, 혼화제 또는 제설제에도 함유되어 있다. 규산을 함유한 골재로는 Opal, 옥수, Tridymite, 화산성 유리, 은미정질의 석영 및 규산염, 백운석을 함유한 석회암이 있는데 가장 민감한 것은 Opal 이고 비교적 반응성이 작은 것은 화산성 유리나 규산염, 백운석을 함유한 석회암이다. 알칼리 골재반응은 습윤상태에서 다음과 같은 화학반응을 한다.
• 이 때 규산은 수산화염(NaOH)과 함께 진한 알칼리 실리카용액[Na2SiO2ㆍ(n+1)H2O]으로 변하여 골재의 강성이 약해지고 또한 체적이 증가하는 알칼리 팽창현상이 나타난다.
• 알칼리 반응은 기후조건에 따라 수 개월에서 수 년 동안 진행하면서 백화현상, 골재뽑힘 및 세척현상, 깔때기 형태의 파열이 나타나며, 미세한 격자모양의 균열이 형성되어 최악의 경우에는 콘크리트가 완전히 파괴되기도 한다.
• 황산염에 의한 팽창 반응은 황산염(SO4--)은 공장폐수, 점토질 흙, 해수, 공장 배출가스에 함유되어 있어 하수오니의 생물학적 반응에 의해서도 생성된다. 물에 용해된 SO4--이온이 콘크리트 공극을 통해서 침투하면 시멘트 수화물이 Aluminate Hydrate (3CaOㆍAl2O3ㆍ6H2O)와 반응하여 Ettringite (3CaOㆍAl2O3ㆍ3CaSO4ㆍ32H2O)로 변하고 이때 체적은 약 227% 증가하여 공극벽에 압축력을 가한다.
• 따라서 콘크리트는 인장응력이 발생하면서 균열이 형성된다. 이런 균열 부위에서 Ca(OH)2와 SO4--가 반응해서 생기는 Gypsum (CaSO4ㆍ2H2O)으로 균열폭이 더욱 증가되면서 Ettringite형성 전선이 점차적으로 콘크리트내부로 진행되고 결과적으로 콘크리트는 파괴된다.

 

3) 탄산화에 의한 균열(Carbonation Shrinkage Crack)

• 콘크리트 내부의 공극은 Ca(OH)2로 포화되어 있어 콘크리트를 강알칼리성(PH ≥ 12.6)으로 유리시킨다. 그러나 대기중의 CO2가 공극을 통하여 콘크리트 속으로 침투하면 공극내의 Ca(OH)2와 결합하여 다음과 같은 화학반응을 한다.

• 화학반응 후 생성되는 H2O가 콘크리트 표면에서 증발하면 콘크리트의 수축현상으로 인장응력이 발생되며 이것이 인장강도를 초과하면 표면균열이 생긴다. 이런 Carbonation Shrinkage Crack에 대한 대책으로 콘크리트속의 공극량을 줄이는 방법이 있으며 이를 위해서는 w/c비를 낮추어야 한다.

 

4) 동해 및 제설제 사용에 따른 균열

• 동해에 의한 균열은 물이 응결하면 체적이 이전보다 약 1/11정도 팽창하는데 만일 이런 변형이 구속되어 있다면 약 250N/㎜2의 압축응력이 발생한다. 콘크리트 속에는 자유공극수(모세관 공극수) 또는 수화하지 않은 물이 남아서 동결할 수가 있는데 일반적인 경우(경화된 콘크리트)에는 자유공극수가 동결하면서 동해현상(파열)을 일으킨다. 경화중인 콘크리트에서는 수화하지 않은 혼합수의 동결 이외에도 강도 발현속도가 아주 낮아지므로 이점을 유의해야 한다.
• 그러나 자연상태 에서는 콘크리트의 동해는 여러 요인에 의해 그리 심각하지 않다. 즉 콘크리트 품질이 양호하거나 w/c비가 0.5∼ 0.6 이하에서는 별로 동해를 받지 않는다. 동해에 의한 콘크리트의 손상은 미세한 모르타르 층에서 공극수가 동결하면 공극 벽이 압축력을 가하고 이에 따라 동결부 주위에 응력상태가 형성되어 이들 응력이 골재와 시멘트 경화체 경계면의 부착강도와 시멘트 경화체의 인장강도를 넘어서면 모르타르 층이 본체로부터 떨어지면서 파손되기 시작한다.
• 이런 현상은 골재표면에 발생되어있는 미세균열에 의해서 더욱 용이하게 진행된다. 제설제 사용에 따른 균열은 대체로 겨울철 눈이 오거나 도로가 얼면 NaCl, CaCl2, MgCl2 등의 제설제가 노면에 살포되는데 NaCl 은 온도가 -10℃ 까지, 그리고 CaCl2, MgCl2 는 약 -20℃까지에서 사용된다. 이들 염은 콘크리트에는 별로 해가 되지 않으나 환경문제, 차체부식 및 교량에서는 철근부식의 위험성이 있다. 또한 이들 염은 물의 빙점을 강하시킴으로써 눈이나 얼음을 녹이고, 여기에 필요한 용해열은 거의 절대적으로 콘크리트에서 충당한다.
• 이때 콘크리트 표면의 온도는 1 분에 7∼14 도씩 강하하는 급격한 냉각현상(열충격)이 나타나면서 인장응력이 발생하고 경우에 따라서는 이것이 인장강도를 넘어 서기도 한다. 제설제는 Diffusion에 의해서 콘크리트 안으로 침투하여 농도경사를 형성하며 이에 의해 각 깊이에 따라서 빙점이 다르다. 따라서 콘크리트 온도와 제설제의 빙점이 교차하는 점이 생기고 빙점보다 낮은 콘크리트 부위는 빙결하게 된다(표면층, 어느 정도 깊이의 층). 계속적인 냉각으로 이들 사이의 층 역시 빙결한다.
• 이때 인접 빙결 층의 공극으로 빙압을 방출할 수 없기 때문에, 즉 부피팽창의 여유 공간이 없기 때문에 표면층의 콘크리트가 파열된다. 이런 손상의 양상은 w/c 비가 높은 콘크리트의 동해와 비슷하다. 융빙ㆍ제설제는 콘크리트 공극수의 증기압을 감소시키므로 낮은 습도에서 콘크리트 공극은 수분으로 포화된다. 반대로 건조 시에는 콘크리트로부터 수분증발량이 적어서 빙결할 수량이 많게 되며 동해를 입을 가능성이 커진다.

 

5) 염해에 의한 균열

• 염해란 콘크리트내의 염화물, 또는 염분침해로 콘크리트를 침식시키고, 철근(강재)을 부식시켜 구조물에 손상을 일으키는 현상이다.
• 철근의 부식은 화학작용 및 전류작용에 의한 부식으로 크게 나눌 수 있다. 일반적으로 철은 자연 상태의 철에 전기에너지와 열에너지를 가하여 불안정한 상태에 존재하지만, 물·공기 등과 반응하여 안정된 상태로 되돌아오려는 성질을 나타낸다. 철근콘크리트에서는 철근을 보호하고 있는 피복 콘크리트의 강알칼리(pH 12.5∼13) 성분이 중성화되면서 화학작용을 일으킨다.
• 외부의 산성 물질이 철근과 작용하면서 체적팽창(약 2.6배)으로 균열이 발생하며, 이를 통해 계속적인 수분과 탄산가스(CO2)의 침투로 부식작용이 가속화된다. 또한, 수분을 포함한 콘크리트는 전도체에 가깝기 때문에, 누전 등에 의하여 전류가 흐르면 전기적 화학작용으로 부식을 일으키게 된다.
• 철근부식에 의한 균열의 발생형태는 대부분 철근방향과 평행하게 일어나고, 구석 부위의 콘크리트가 파손되는 형태를 나타내는데, 이에 대한 대책은 다음과 같다.

① 염분의 제거 : 바닷모래를 사용할 경우, 염화물 함량을 0.014%이하(NaCl로 절건중량), 콘크리트내 Cl-이온을 0.3㎏/㎥이하, 배합수의 염소이온을 200ppm이하(국내 150ppm이하)로 관리한다.
② 염분의 고정화 : 염분과 결합하여 용해도가 매우 낮은 안정한 화합물 생성으로 염분을 제거한다.(예 : 염화물＋알미네이트 ⇒ Friedel염 생성 : 난용성)
③ 철근의 표면처리 : 부식에 강한 금속 또는 합성수지 도포 (아연도금)
④ 콘크리트의 밀실화 : 국부전지의 음극반응(½O2＋H2O→2(OH)- 억제, 물/시멘트비 감소, 재료선정·배합·운반·타설·다짐·양생관리 철저, AE제·AE감수제·고성능 AE감수제 사용, 블리딩·이상응결·Cold Joint 방지
⑤ 철근의 피복두께 증대 : 외부로부터 산소, 물, 탄산가스의 유입을 차단하여 중성화의 영향을 감소
⑥ 방청제 사용 : 금속의 부식속도 저감 (화학장치, 수조, 보일러, 급수기관 등)
⑦ 전기방청법 : 외부전류로 국부전지의 음극전위를 양극의 평균전류까지 분극(전류차단 ⇒부식방지)
⑧ 콘크리트 표면처리 : 표면으로 침입하는 산소, 탄산가스, 수분, 염분 등을 방지할 목적으로 수지계 도장, 타일붙임

 

6) 시공불량에 의한 균열

• 최근에는 레미콘 품질에 대한 사회적 관심 및 기술자들의 마인드 향상으로 거의 발생하지 않으나, 콘크리트를 타설하는 현장의 시공과정에서 발생하는 불량요인의 하나로 운반도중에 콘크리트의 슬럼프 로스가 발생하여 현장에서 물을 타는 경우(加水)가 많았다.
• 물론, 엄격한 관리를 하더라도 레미콘의 청소 또는 펌핑성 등의 이유로 가끔 물을 타는 경우도 있다. 이로 인하여 강도저하, 재료분리, 건조수축 등의 결과를 초래할 수 있기 때문에, 엄격한 품질관리가 요구된다.
• 또한, 서중 콘크리트의 경우에 현장에서 신속한 양생작업을 실시하지 않거나 한중 콘크리트에서 불충분한 보온양생으로 인하여 균열이 발생하는 경우가 있다. 특히, 콘크리트를 타설하고 응결이 시작된 후에 거푸집의 변형이 발생하여 구조체에 균열을 발생시키는 경우도 있으며, 응결이 진행되고 있는 과정에서 진동이나 충격을 가하게 되어 균열로 진전되는 경우도 많다.
• 유동화 콘크리트에 대한 이해와 기술보급으로 대부분의 현장에서 유동화제를 첨가하는 방법을 택하고 있다. 유동화제를 첨가할 경우에는 첨가량에 대한 실험 자료를 근거로 해야 하며 가능한 한 0.1%를 초과하지 않도록 해야 한다. 따라서 유동화제를 후첨가하는 방법으로 콘크리트의 품질관리를 하는 방안이 바람직하다.
• 외기온(온도, 습도 및 풍속)을 고려하여 양생에 대한 철저한 대비를 하는 것이 요구된다. 일사나 외기에 대한 보호뿐만 아니라 원활한 수화작용을 위해서도 사전에 철저한 양생계획을 세우고, 정확한 시공절차와 품질관리를 준수하는 것이 필요하다.

 

7) 철근부식에 의한 균열

• 철근의 부식은 중성화된 콘크리트에서 나타나는 부식과 염화물 침투에 의해서 나타나는 부식의 두 종류가 있다.
• 철근이 부식하면 체적이 팽창되어 피복층 콘크리트에 압축력을 가해 콘크리트에 인장응력을 발생시키며 인장강도 이상이 되면 철근방향으로 균열이 발생하고 피복층 콘크리트가 깔때기 모양으로 파열한다. 억제 방법으로는 부식조건을 예방하거나, 즉 CO2 침투방지, 염화물에 보호하거나 부식 필수조건인 대기 중의 산소가 침투하지 못하게 하고 전해질 역할을 하는 수분이 없도록 즉, 콘크리트를 건조 상태로 유지시킨다. 일반적인 콘크리트의 시공에 있어서 부식에 의한 균열 등을 막을 수 있는 방법은 흡수성이 낮은 콘크리트를 사용할 것과 콘크리트의 덮개를 늘리는 방법 등이 있다.

 

8) 설계오류에 의한 균열

• 설계오류에 의한 대표적인 균열은 일축 인장력에 의한 관통균열, 휨모멘트에 의한 휨 균열 및 전단력에 의한 전단균열이 있다.
• 또한, 균열을 유발할 수 있는 설계상세의 오류로는 벽체에서 창문의 코너 부분에서의 잘못, 철근의 상세오류, 수축조인트의 결여, 기초의 설계오류 등이 있다.
• 부재의 각이 진 코너 부분에서는 응력의 집중현상이 존재하므로 균열발생 가능성이 아주 높다. 구조물의 기초를 제대로 설계하지 않을 경우 부동침하의 원인이 되고 이것은 균열발생의 원인을 제공한다.

 

9) 시공 시 초과하중에 의한 균열

• 콘크리트 구조물의 시공 중에 유발되는 하중은 실제 사용 시에 작용하는 사용하중보다도 더 클 수가 있다. 이러한 큰 하중이 작용할 경우 시공 중에는 구조물이 완전하지 못하므로 손상을 받는다.
• 특히, 프리캐스트 부재를 운반하여 설치하는 과정에서 손상을 받을 우려가 큰데 프리캐스트의 운반 시 부재의 어느 위치에 운반 고리를 설치할 것인가, 또한 운반 중 도로사정으로 인하여 부재에 충격이나 비틀림은 받지 않을 것인가 등에 대한 특별한 고려가 필요하다.
• 운반하여 설치할 경우 들어 올리는 과정에서 갑자기 멈춘다든지 하는 경우에도 충격을 받아 손상을 받을 수 있다. 프리텐션 방식의 프리스트레스트 부재에서 스트랜드를 끊어 응력을 방출할 때에 한쪽만 먼저 방출하고 다른 한쪽은 아직도 응력을 받고 있을 때 응력을 받고 있는 스트랜드가 있는 쪽에서는 균열이 유발될 수 있다.
• 양생과정에서 증기양생을 실시할 경우 온도상승률이나 온도 강하율이 허용 규정치를 초과할 경우 열로 인한 충격으로 균열을 초래할 수 있다. 외부의 빠른 온도강하는 부재의 표면에 균열을 유발하고 이것이 건조수축 등과 겹치게 되면 손상이 커질 수 있다.
• 현장타설 콘크리트인 경우에도 시공 중에 재료의 과적이나 건설장비의 가동으로 부재에 손상을 줄 수 있다. 따라서 설계자는 시공 시에 구조물에 걸리는 건설하중을 고려하여야 하며 건설하중의 제한사항도 명기하여야 한다.

 

10) 사용하중에 의한 균열

• 콘크리트를 타설하는 과정에서 부재가 받는 하중이 설계하중보다 클 경우에는 균열이 발생하게 된다. 이러한 현상은 현장에서 콘크리트의 타설 초기에 유발하중으로 인하여 부재에 발생하거나 프리캐스트 부재의 운반·설치과정에서 부주의로 인하여 영구적인 균열로 남는 경우도 있다. 또한, 프리텐션 부재의 긴장 완화 시에 응력방출로 균열이 발생되는 경우도 있다.
• 이외에도 증기양생으로 제작되는 콘크리트의 온도구배를 잘못 선정하여 발생하는 열 충격에 의한 균열, 두꺼운 프리캐스트 부재의 급격한 냉각에 의한 표면균열, 한중 콘크리트 공사에서 난방기구의 사용에 의한 열응력 균열 등이 시공하중에 따른 균열로 분류할 수 있다.

 

11) 열응력에 의한 균열

• 콘크리트 구조물에 발생하는 온도변화는 시멘트의 수화작용으로 인한 경우와 대기의 온도변화에 의한 경우의 두 가지로 대별할 수 있다. 이러한 단면내의 온도변화는 부등의 체적변화를 일으키게 되며, 이로 인해 인장변형이 유발되고, 이 인장변형률이 콘크리트의 인장변형 능력을 초과하게 되면 콘크리트는 균열을 일으키게 된다.
• 시멘트의 수화작용으로 인한 온도차이의 영향은 주로 교각, 기초, 댐 및 기둥 등의 매스콘크리트에서 일어나는데 반해, 대기의 온도차이로 인한 구조물의 온도영향은 어느 형태의 구조물에서도 일어날 수 있다.
• 구조물이 커질수록 온도변화의 가능성이 크다. 대기온도 변화에는 연교차, 일교차 및 뇌우가 있는데 이중 뇌우에 의한 균열은 여름철에 콘크리트 표면이 태양열에 의해 온도가 상승되어 있을 때 상대적으로 낮은 온도의 빗물에 의해 냉각되면서 표면에만 국한되는 균열을 발생시킨다.
• 연교차에 의해서는 부재 전단면에 균등한 온도차이로 인해 단면관통 균열이 발생된다. 열에 의해 발생하는 균열을 줄이기 위해서는 내부 온도증가를 줄이고, 냉각의 시점을 지연시키며 냉각속도를 제어하고 콘크리트의 인장변형 능력을 증가시키는 것이 바람직하다. 연교차인 경우는 변형을 흡수 또는 자유롭게 하기 위해서 신축이음을 설치한다.