[스크랩] 무수축몰탈의 균열원인

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무수축몰탈의 균열원인

1. 시멘트의 역사

인류는 수천 년 전부터 시멘트를 사용하여 왔다.

피라미드에 사용된 시멘트는 석회와 석고를 혼합한 것이고,

로마시대에는 석회와 화산재를 혼합한 것이다.

이들 시멘트들은 기경성(氣硬性) 시멘트로서 18세기경까지 사용되었다.

수경성(水硬性) 시멘트가 나온 것은

1756~1759년 영국의 에디스톤 등대를 건설할 때 기사(技士) J.스미턴이

점토질(粘土質)을 가지는 석회석을 구워서 얻은 시멘트가

수경성을 가진다는 것을 발견한 데서 비롯되며, 시멘트 연구의 기초를 이루었다.

그 후 1796년 영국의 J.파커는 같은 방법으로 로만 시멘트를 만들었으며,

 1818년에는 프랑스 J.비카가 석회석과 점토를 혼합 소성하여 천연 시멘트를 만들었다.

오늘날 우리가 가장 많이 사용하는 시멘트는

1824년에는 영국의 벽돌공 애스프딘이 석회석과 점토를 섞어서 고운 가루로 분쇄하고

 대형 회전 가마에서 1500도에 가까운 높은 온도로 구운 후에

약간의 석고를 넣고 다시 가루 형태로 분쇄한 것으로,

겉모양 ․빛깔 등이 포틀랜드섬의 천연석과 비슷하다고 하여 포틀랜드 시멘트라 명명하였다.

그 후 포틀랜드 시멘트에 대한 많은 연구가 이루어져 우수한 성질이 인정되고

세계 여러 나라로 급속히 보급되어 오늘날 시멘트의 주종을 이루었다.

한편 다양한 특성의 시멘트와 특수용도에 쓰이는 시멘트도 개발되고 있다.

2. 시멘트의 제조

포틀랜드 시멘트는 주성분으로

석회(CaO), 규산(SiO2),알루미나(Al2O3), 산화철(Fe2O3)을 함유하는 원료를

적당한 비율로 충분히 혼합하여 그 일부가 용융하여,

소성(燒成)된 클링커(clinker)에 적당량의 석고를 가하여 분말로 한 것이다.

그리고 포틀랜드 시멘트 크링카는

규산삼석회( alite, C3S ), 규산이석회( belite, C2S ), 페라이트상(C4AF), 알루미네이트상(C3A)의

 4종류의 화합물로 부터 이루어지고 있으며,

그밖에 MgO, 유리석회(free lime), 황산알칼리 등의 화합물이 소량씩 포함되어 있으며,

크링커는 냉각된 후, 석고와 함께 분쇄되어 포틀랜드 시멘트로 된다.

3. 시멘트의 수화작용

포틀랜드 시멘트를 물로 반죽하면 얼마 후 유동성을 잃고 굳어지는데

이 과정을 응결(setting)이라 하며, 그 후 강도를 가지게 되는 과정을 경화라고 한다.

시멘트의 구성화합물 중 규산삼석회는 수화(水和)가 빠르며 강도 발현도 좋아 조기강도에 기여한다.

규산이석회는 수화속도가 늦고 장기에 걸쳐 강도를 증진시킨다.

알루민산삼석회는 다른 구성화합물보다 수화속도가 빨라 물과 급격히 반응하여 굳는다.

이때 석고가 있으면 석고와의 반응으로 응결시간이 조절된다.

 철화합물(4CaO.AlO.FeO)은 알루민산삼석회보다 수화속도가 늦으며,

석고 존재시는 알루민산삼석회와 비슷한 반응을 한다.

시멘트의 구성화합물은 수화시 수화열을 발생한다.

수화열은 알루민산삼석회가 가장 크며 규산삼석회가 그 다음이다.

따라서 조기강도를 요하는 조강(早强) 시멘트에는 규산삼석회의 양이 많은 것이 요구되며,

댐과 같은 대형 구조물에 쓰이는 시멘트에는 알루민산삼석회나 규산삼석회의 양이 제한된다.

표-1 포틀랜트 시멘트에 대한 한국산업규격 (KSL 2101)<!--StartFragment-->

Type	제 품 명	특 성	용 도
1종	보통시멘트	일반적인 시멘트로서의 특성을 나타냄	일반토목, 건축공사
2종	중용열시멘트	물과 반응시 수화열이 낮고, 수화기간이 길다. 초기강도는 보통시멘트보다 낮지만 장기강도는 동등이상이며, 휨강도가 큼. 보통시멘트보다 건조수축이 적어 초기균열을 방지함.	Mass Concrete공사 도로포장, 활주로공사
3종	조강시멘트	수화속도가 빨라 단기간내에 고강도 발현됨. 저온에서도 강도발현이 양호하고 수밀성이 뛰어남.	긴급공사 겨울철, 한냉지공사 콘크리트 2차제품
4종	저발열시멘트	수화발열이 낮아 온도 균열제어가 용이함. 장기강도 및 내구성이 우수함. 고유동, 고강도 콘크리트 제조가 용이함.	대형구조물 지하저장조 지하Box 구조물
5종	내황산염시멘트	시멘트 성분중 산에 약한 성분을 최소화하여 황산염에 대한 저항성이 우수함. 화학적으로 매우 안정되고 강도발현도 우수함.	공장폐수시설공사 원자로 공사 항만 및 하천공사

4. 팽창재란 ?

팽창재는 콘크리트에서 발생하는 수축균열을 방지하기 위하여

콘크리트 구체의 수밀성을 향상시키는 혼화재를 말한다.

시멘트는 물리적인 특성상 수축을 하기 때문에 균열이 발생할 수 밖에 없으므로

그 범위만큼의 수축을 팽창으로 보상하여 내구성있는 구조물을 만들 수 있다.

4.1 팽창재의 사용역사

▷ 일본의 경우 30년 전부터 콘크리트 구조물의 수명연장과 안정성을 위해 사용하여 왔음

▷ 중국의 경우도 20년 전부터 사용하고 있음

▷ 미국 및 유럽에서는 혼화재 타입이 아닌 팽창시멘트의 형태로 유통되고 있음

▷ 우리나라의 경우, 토목 및 건축분야에서는 도입 초기단계이며 교량받침, 기계기초의 고정용, 콘크리트 구조물의 보수용으로 사용되고 있음.

4.2 팽창재의 종류

▷ 팽창재를 함유한 팽창시멘트를 K, S, M형의 3가지로 분류하고 있음

▷ K형 팽창재는 Calcium Sulfur Aluminate(3CaO.3Al2O3.CaSO4)와 석고(CaSO4) 및 산화칼슘(CaO)으로 구성되며 물과 반응하면 Ettringite를 생성시켜 팽창한다.

▷ S형 팽창재는 Tri-Calcium Aluminate(3CaO.Al2O3)와 석고의 혼합물로서 K형과 마찬가지로 물과 반응하면 Ettrigite를 생성하는 것이지만, C3A는 시멘트 구성 광물의 하나이기 때문에 C3A의 함유량이 많은 클링커를 제조하여 석고를 다량 혼합하여 제조한다.

▷ M형 팽창재는 알루미나 시멘트(CaO.Al2O3 또는 11Cao.7Al2O3)와 석고(CaSO4)의 혼합물로서 물과 반응하면 Ettringite를 생성시켜 팽창한다.

4.3 K형(CSA계) 팽창재의 수화반응

최초에 유리석회의 수화에 의해 수산화칼슘 결정이 생성되고 이러한 결정성상이 팽창에 기여한다.

그러나 수산화칼슘은 Hyauyne과 반응하여 저황산염과 알루미산석회 수화물과의 고용체를 형성하며 감소한다. 이어서 유리석고와 반응하여 에트링자이트라는 침상결정을 생성하고 이것이 팽창의 주체가 된다. 이러한 침상의 에트링자이트에 의해 발생하는 팽창력은 콘크리트의 물성개선에 가장 유효하게 작용하며 이를 콘크리트의 내구성에 손상을 미치지 않도록 적용시키기 위해서는 시멘트가 수화하여 경화하는 시기와 팽창하는 시기의 타이밍을 잘 맞추는 것이 무엇보다도 중요하다.

4.3 팽창재 사용량의 따른 팽창효과

5. 무수축몰탈의 시공

과거에는 교량받침을 하부구조와 연결용으로 사용되는 몰탈은 보통몰탈,

또는 드라이펙 등이 사용되었으나,

건조수축에 의한 미세균열 및 충진의 불확실성 등이 문제로 되어왔다.

 따라서 최근에는 시멘트의 재료적인 특성인 수축을 보상할 목적으로 팽창성의 혼화재를 첨가하고,

단위수량을 적게하면서도 유동성을 극단적으로 향상시킨 무수축몰탈의 사용이 일반화되어 있다.

따라서 무수축몰탈이란 절대적으로 수축이 발생하지 않는다는 의미의 몰탈이 아니라

시멘트의 필연적인 특성인 수축량을 줄여준다는 의미의 무수축몰탈이라고 할 수 있으며,

시멘트 모래 및 혼화제가 공장에서 미리 배합되어 있어

시공시의 배합오차를 최소화할 수 있기 때문에 널리 사용되고 있다.

그러나, 고강도 무수축몰탈은 콘크리트 강도의 증진을 위해서 단위시멘트량이 많이 사용되며,

단위시멘트량의 증가는 필연적으로 큰 수화열의 발생을 유발하게 된다.

 이러한 높은 수화열은 열팽창계수가 서로 다른 콘크리트와 금속면이 접하는 교량받침의 경우에는

콘크리트면이 노출되는 부분에 미세균열 발생하는 경우가 많다.

 이러한 미세균열은 타설시 외기온도, 무수축몰탈의 강도, 양생조건, 교량받침의 크기 등

 여러 가지 변수가 있을 수 있다.

즉, 교량받침의 경우에는 무수축몰탈의 타설시 수화열에 의해 철판이 팽창하게 되며,

 콘크리트의 건조수축시 콘크리트와 철판의 열팽창계수의 차이로 인하여

하부 플레이트와 무수축몰탈은 마찰력에 의하여 응력이 발생하여

 미세한 균열을 초래하는 경우가 있다는 점이 약간 특이한 점으로 들 수 있다.

6. 교량받침에서 요구되는 무수축몰탈의 강도

일반적인 콘크리트의 압축강도는 약 240kg/cm2으로서

여기서 안전율 3을 고려하면 허용압축응력은 약 80kg/cm2가 되며,

교량받침의 설계에 있어서 금속으로 구성되는 교량받침을

콘크리트의 허용지압응력으로 교량받침의 단면적을 설계하게 되면

과다한 평면적을 갖는 교량받침이 제작되게 되어 비경제적이 된다.

그러므로 강재인 교량받침의 제작기준은 콘크리트의 지압응력을 약 200kg/cm2으로 설계하고 있으며, 여기에 안전율 3을 고려하여 교량받침과 직접 접촉되는

 무수축몰탈의 강도를 600kg/cm2으로 설정하면 상부구조에서 작용하는 수직하중으로 인하여

교량받침이 교각 콘크리트로 파고드는 지압응력에 견딜 수 있다는 개념이 성립하기 때문에

 무수축몰탈의 압축응력을 600kg/cm2으로 설정된 이론적인 배경이라 할 수 있다.

이와 같이 교량받침에 적용되는 무수축몰탈의 강도를

일반적인 콘크리트 강도에 비하여 상당히 높게 책정하게 된 근본적인 이유는

 과거에 널리 사용되어 왔던 금속형 핀롤라받침 때문이라고 할 수 있다.

 즉 금속형 핀롤라받침은 지압면적이 적으며,

받침의 높이가 높은 관계로 수평력에 의한 모멘트로 지압응력이 과다한 경우에는

콘크리트의 지압응력을 초과하여 무수축몰탈이 파손되는 현상이 발생했기 때문이다.

그러나 고무받침의 최대 설계지압응력은 150kg/cm2에 불과하며,

또한 받침의 높이가 낮은 관계로 모멘트에 의한 지압응력이 크지 않으므로

 교량받침이 콘크리트의 지압응력을 초과하여

 교각부를 파고드는 현상이 발생하는 경우는 있을 수 없다.

반면에 시멘트 재료에 익숙하지 않은 설계자의 입장에서는

무수축몰탈의 압축강도가 큰 재료일수록 양질의 무수축몰탈이라는 판단하에

고강도 무수축몰탈을 특별시방서에 규정하고 있는 실정이다.

그러나 무수축몰탈에 있어서 강도를 결정하는 요인은 단위시멘트량에 따라 결정되며,

 단위시멘트량이 많으면 많을수록 수화열 및 건조수축이 크게 발생하는 단점이 있으므로,

 설계강도 400kg/cm2의 무수축몰탈을 사용할 것을 적극적으로 추천한다.

7. 무수축몰탈 타설시의 주의사항

(1) 무수축몰탈의 혼합

 

※ 무수축몰탈은 혼합후 20분 이내에 주입해야 하는 것을 원칙으로 한다.

그러므로 주입위치에서 가능한 가까운 위치에서 혼합해야 하며,

혼합량도 주입량을 충분히 고려하여 결정해야 한다.

(2) 무수축몰탈의 타설

 

※ 무수축몰탈의 주입은 기존의 콘크리트 표면이 반드시 습윤상태를 유지한 후에 주입한다.

※ 바께쯔, 호파 등에 충분한 주입량을 넣고

    반드시 한쪽편에서 주입하여 반대측으로 넘쳐나오도록 연속적으로 주입하여야 한다.

※ 주입 작업 중에는 바이브레타 등으로 진동을 주던지, 받침을 두드려서는 안된다. 

(3) 무수축몰탈의 양생

 

※ 표면정리가 끝난 후에는

    적어도 3일간은 습윤상태를 유지하여야 한다 (표면균열의 원인)