콘크리트의 크리프란?

크리프는 응력이 일정하게 작용하여 크기의 변화가 없더라도 변형률이 시간 경과에 다라 증가하는 현상입니다. 콘크리트에서 크리프가 발생하는 이유는, 굳어 가는 시멘트 풀에 응력이 작용할 때 시간 경과에 따라 변형이 진행되기 때문입니다. 즉, 콘크리트는 시멘트 풀이 굳으면서 강도가 발현되는데, 완전히 굳기 전에 압축응력이 작용하면 응력이 자용하여 발생된 변형률이 일정하게 유지되지 않고 시간이 경과함에 따라 시멘트 풀이 더 눌리게 되어 변형률이 증가하는 것입니다. 콘크리트에 가하는 하중이 장시간에 걸쳐서 증가하도록 하여 얻은 콘크리트의 압축응력-변형률 곡선에 비하여 동일한 응력에서 변형률이 더 큰 모양을 보이는데 이것 또한 크리프의 영향입니다.

 

 

콘크리트의 크리프는 수축과 함께 시간이 경과함에 따라 증가합니다. 시간이 경과하면서 하중이 작용하여 탄성변형이 발생한 후, 크리프와 수축에 의하여 변형률이 증가하는 모양을 나타냅니다. 여기서 실제 탄성변형은 시간이 경과함에 따라 감소하는데, 이것은 콘크리트의 탄성계수가 시간이 지남에 따라 증가하기 때문입니다. 그러나 콘크리트의 변형률은 탄성변형과 함께 크리프와 건조수축에 의한 변형도 함께 발생하여, 실제 탄성변형을 측정하거나 계산하기는 매우 어렵습니다. 그러나 크리프와 수축에 의한 변형이 아직 발생하지 않은 시간에서의 탄성변형은 쉽게 얻을 수 있습니다. 따라서 탄성변형의 값이 변하지 않는다고 가정하고 계산하는 경우, 이를 겉보기 탄성변형이라고 합니다.

 

콘크리트의 크리프에 영향을 주는 요소는 매우 다양합니다.

 

재료의 구성, 즉 시멘트 분말도와 양, 골재 크기와 입도와 무기물 함유량, 혼화재료, 물의 양과 물시벤트 비, 양생 온도와 습도, 대기의 상대습도, 하중 재하 재령, 응력의 크기, 하중 재하 시간, 부재의 표면-체적 비율, 슬럼프 값 등의 영향을 받습니다.

 

 

크리프 변형률은 탄성 변형률에 대한 비율인 크리프 계수로 나타냅니다. 압축응력이 높지 않는 상태에서는 크리프 변형률이 탄성 변형률에 일정한 비율로 발생하여 동일한 값의 크리프 계수 값을 갖게 되는데, 이를 선형 크리프라고 합니다. 시간이 무한대일 때의 선형 크리프 계수는 일반적으로 1.5~3.5의 범위라고 합니다. 크리프 변형은 초기 재령에서 크게 발생하여, 조건에 다라 다르기는 하지만 일반적인 경우 1년이 경과하면 시간이 무한대일 때의 80%, 5년이 경과하면 시간이 무한대일 때의 약 90%가 발생합니다. 압축응력이 높은 상태에서 응력이 증가할수록 더 큰 비율로 크리프 변형률이 증가하여 선형 크리프 계수 값보다 큰 값을 갖게 되는데, 이를 비선형 크리프라고 합니다.

 

 

크리프 변형은 하중에 제거되면 복원이 되는데, 하중이 제거될 때의 콘크리트 재령이 높을수록 회복되는 변형률이 작아집니다. 다음은 크리프 변형이 진행되다가 시간에 하중이 제거된 후의 거동을 타나냅니다. 하중이 제거되면 하중에 의해 발생되었던 탄성변형이 복원되므로, 이를 탄성 복원이라고 합니다.

 

이때 복원된 탄성 변형률은 하중이 작용하였을 대 발생한 탄성 변형률, 즉 겉보기 탄성 변형률보다 작은데, 이는 재령이 증가함에 다른 탄성계수의 증가로 인한 것입니다. 탄성 복원 후에도 변형률이 좀 더 복원되는데, 이를 크리프 복원이라고 합니다. 크리프 복원도 역시 콘크리트 재령이 높을수록 크기가 작아집니다. 콘크리트에 작용하고 있던 하중이 제거되어 어떻게 변형이 복원되더라도 원래대로 돌아오지는 않고 남은 변형이 존재하는데, 이를 잔류 변형이라고 합니다.

 

이와 같은 콘크리트의 크리프는 구조물의 부재강도에는 크게 영향을 미치지 않아서, 설계에서 이를 고려하지 않는 것이 일반적입니다. 그러나 콘크리트 구조물에 장기적은 지속하중이 작용하면, 크리프 변형에 의하여 처짐이 증가하여 구조물의 사용성능에 문제를 유발할 수 있으며, 하중이 제거되더라도 잔류 처짐이 남아 있게 됩니다. 또 프리스트레스트 콘크리트의 경우에는 크리프에 의하여 긴장력이 감소하게 되어 프리스트레싱 효과를 감소시키게 됩니다. 따라서 콘크리트 구조물에서는 크리프가 과도하게 발생하지 않도록 하는 것이 바람직합니다.