콘크리트의 수화열과 포아송비에 대하여

콘크리트의 수화열과 포아송비

 

콘크리트는 경화되는 과정에서 시멘트의 수화반응으로 열이 발생되는데, 이 열을 수화열이라고 합니다. 시멘트의 발열량은 시멘트의 종류와 양에 따라 다르지만, 보통 시멘트를 사용하는 경우에는 수화열에 의하여 콘크리트의 온도가 50도에서 90도까지 올라 갈 수 있다고 합니다. 최고 온도로 올라 갈 때까지의 시간은 타설 후 10시간에서 30시간 사이이고, 그 이후에는 온도가 내려갑니다.

 

 

온도가 내려가면 콘크리트는 열팽창 계수만큼의 비율로 체적과 길이가 줄어드는데, 이때 접하고 있는 다른 단면요소나 인접부재에 의한 구속 작용이 있으면 구속에 의한 인장응력이 발생하게 됩니다. 한편, 온도가 내려가는 시기는 콘크리트가 서서히 굳어져 가면서 강도가 발현되기 시작하는 시기로서, 콘크리트는 낮은 수준의 인장강도를 갖게 됩니다. 시간이 경과하면 콘크리트의 인장강도와 구속 작용에 의한 인장응력이 모두 증가하지만, 인장응력이 인장강도를 초과하면 균열이 발생하게 됩니다. 따라서 온도가 올라갈 때에는 콘크리트가 완전히 굳지 않은 상태이므로 온도에 따른 문제가 발생하지 않지만, 온도가 내려가는 시기에는 수화열과 구속 작용에 의하여 균열이 종종 발생하게 되는 것입니다. 이러한 균열을 수화열에 의한 균열이라고 합니다. 이 균열의 발생을 억제하기 위해서는 시공 전에 콘크리트의 배합을 검토하여 수화열을 감소시키거나 거푸집의 종류와 해체 시기 등을 고려하여 급격한 온도의 변화를 피하는 것이 좋습니다.

 

콘크리트 댐, 원자력 발전서의 기초, 사장교나 현수교와 같은 케이블 교량의 주탑을 지지하는 기초 등과 같이 대규모의 체적을 갖는 콘크리트 구조물을 매스콘크리트라고 하는데, 매우 많은 양의 시멘트가 사용되는 매스콘크리트에서는 수화열에 의한 균열이 발생하기 쉽습니다. 매스콘크리트 시공에서 균열을 제어하기 위해서는 수화열을 낮추기 위한 콘크리트의 배합과 함께, 여러 부분으로 나누어 콘크리트를 타설하는 분리타설 방법을 고려할 수 있습니다. 또 얼음을 사용한 배합으로 콘크리트의 온도를 미리 낮은 상태로 만드는 사전냉각방식이나 파이프를 콘크리트에 미리 배치한 후 콘크리트 양생 중에 냉각수를 흐르게 하여 열을 낮추는 사후냉각방식의 파이프 냉각방식도 고려할 수 있습니다.

 

 

대부분의 물체와 마찬가지로 콘크리트도 한쪽 방향으로 응력이 작용할 때 응력작용방향의 직각방향으로 변형이 발생합니다. 즉 한쪽 방향으로 압축응력이 작용하면 그 직각방향으로 인장변형이 발생하고, 그 반대로 한쪽 방향으로 인장응력이 발생하면, 그 직각방향으로 압축변형이 발생하는 것입니다. 이 때 응력작용방향의 변형률에 대한 직각방향의 변형률의 비를 포아송 비라고 합니다.

 

일반적으로 콘크리트의 포아송 비는 콘크리트 재료의 구성, 재령, 콘크리트의 습윤 상태 등을 영향을 받는데, 사용하중 수준의 응력 상태에서는 대략 0.15~0.25 정도의 값을 가지고 있습니다. 압축강도가 증가하면 포아송비도 다소 증가하지만, 작용응력의 수준에 따라서 다른 값을 보이기도 합니다. 또 일반적으로 평균압축강도의 50% 이상의 응력이 작용하면 미세균열의 영향으로 횡방향 변형률이 크게 증가하므로, 균질재료로 거동한다고 볼 수 없습니다. 도로교설계기준에서는 실험에 의해 포아송비를 결정하지 않는 경우, 비균열 콘크리트에 대한 포아송 비를 1/6, 균열 콘크리트에 대한 포아송비를 0으로 취할 수 있도록 하고 있습니다.