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[배재학]

무수축몰탈의 설계강도에 대한 소고

1. 서 론

무수축몰탈은 시멘트의 경화과정에서 발생하는 수축량이 최소가 되도록 팽창제를 일부 첨가한 몰탈로서, 충진부의 수축이 염려되는 기계기초의 앵커부 및 교량받침의 하부를 고정하는 재료로서 가장 많이 사용되고 있다. 특히 교량받침은 교량구조물에 있어서 교량의 전도 등과 같은 안전에 직결하는 가장 중요한 부품으로서, 성수대교 및 삼품백화점 붕괴사고 이후로 강화된 교량의 안전점검에서는 신축이음장치와 더불어 약방의 감초처럼 모든 사람들의 주목을 받는 가장 중요시되는 부위이기도 하다. 교량받침은 인체의 관절처럼 상부구조물의 사하중 및 활하중을 집중하중의 형태로 하부구조로 전달되는 접점에 설치되는 관계로 높은 강도가 요구되는 것으로 인식되어 600kg/cm^2이상의 고강도 무수축몰탈을 선호하는 경향이 있으며, 대부분의 현장에서는 특별시방서에 명기하여 중요한 품질관리항목으로 지정하고 있다. 그러나 이러한 지대한 관심에도 불구하고 항상 교량받침과 신축이음장치의 무수축몰탈과 무수축콘크리트의 균열문제 및 강도발현이 시비의 중심점에 있는 이유는 우리나라에서만 특별히 무수축몰탈에 요구되는 과도한 고강도에 직접적인 원인이 있다. 즉 무수축몰탈 제조사의 입장에서는 경제성의 측면에서 시멘트의 가격과 무수축몰탈에 사용되는 규격화된 모래는 가격에는 별다른 차이가 없기 때문에, 가능한 단위 시멘트량을 많이 사용하여 강도에 문제가 없도록 하는 것이 유리하다. 따라서 하절기에는 강도문제보다는 수화열에 의한 균열문제가 발생하는 경우가 많으며, 동절기에는 교량받침의 작업장소가 사람이 접근하기 어려운 위치에 존재하는 관계로 다음과 같은 공시체의 양생방법에 의한 강도의 문제점이 발생하고 있는 실정이다.

2. 교량받침 및 신축이음장치의 특이성

철근콘크리트가 성립되는 근본적인 이유는 금속과 콘크리트의 열팽창계수가 크게 상이하지 않아 재료간의 응력발생이 적기 때문이다. 그러나 금속과 콘크리트는 열전도율이 서로 상이하여 금속은 주변온도에 따라 쉽게 더워지고 쉽게 냉각되는 반면에 콘크리트의 온도는 쉽게 변화하지 않는다. 금속으로 구성된 교량받침 및 신축이음장치는 표면에 노출되는 금속면과 콘크리트에 매입되는 금속면을 동시에 갖고 있으므로 양면의 온도차에 의한 응력발생은 쉽게 표면균열을 유발하게 된다. 따라서 양면의 온도차를 줄이기 위해서는 가능한 한 수화열의 발생이 적은 재료를 사용하고, 또한 습윤상태로 양생하여 양면의 열적 불균형을 최소한으로 유지하는 방법이 가장 효과적이지만, 교량받침의 경우에는 사람의 접근이 용이하지 않는 지형적인 제약이 있으므로 습윤양생에 어려움이 있다. 그리고 시멘트 제품에 있어서 요구되는 강도와 단위시멘트량의 관계는 비례관계가 있기 때문에, 고강도의 제품을 요구하면 요구할수록 반드시 단위시멘량이 많으며, 단위시멘트량이 많으면 반드시 수화열이 높으며, 수화열이 높으면 반드시 균열발생의 가능성이 높아 짐으로, 구조물에서 필요로 하지 않은 과도한 고강도의 요구는 구조물에서 가장 바람직하지 않는 균열을 초래하는 직접적인 원인을 제공하고 있음을 유의하지 않으면 안된다. 

3. 현장의 품질관리 기준 (예)

교량받침 및 신축이음장치에 사용되는 무수축몰탈 및 무수축콘크리트 강도확인용 공시체의 제작 및 품질관리에 대하여, 국내의 많은 현장에서 다음과 같은 오류를 범하고 있는 경우도 있으므로 특히 주의를 요한다. 즉 규정된 물-시멘트비에 의한 배합으로 유동성이 확보된 무수축몰탈을 타설하는 도중에 사각형 공시체를 제작하여 두었다가, 타설이 완료된 시점에서 공시체를 이동하여 인근 콘크리트 바닥면에 공시체를 놓고, 동절기의 경우에는 외기를 차단하기 위하여 발열등 및 전기장판을 덮어두는 형식의 승인된 양생방법으로 현장에서 하루 또는 며칠간을 경과시킨 후, 회수하여 표준온도의 수조에 보관하는 양생방법을 사용하고 있는 경우도 많다.

이러한 방법을 선택하는 이유로서는 교량받침의 경우에는 다음과 같이 작업적인 여건이 어렵기 때문이다. 일반적인 구조물에 있어서 콘크리트의 타설은 레미콘으로 운반되고 타설장소가 높은 위치와 같이 접근이 어려운 경우에도 콘크리트 펌퍼카를 사용하여 콘크리트를 타설하게 됨으로, 콘크리트 공시체의 제작 및 운반에 어려움이 없으며 즉시 시험실로 운반되어 표준상태에서의 양생이 용이하다. 그러나 교량받침의 경우에 있어서는, 무수축몰탈의 타설은 모든 작업이 사람의 접근이 어려운 교각의 상부에서 이루어지고 있으며 현장에서 제작된 굳지않는 공시체를 사다리를 이용하여 오르내리는 과정에서 흔들림없이 안전하게 시험실로 운반하는데 어려움이 따른다. 따라서 공시체가 굳지않는 상태에서의 운반으로 인한 손상의 가능성보다는, 운반에 따른 공시체의 안전성이 확보될 때까지 하루 또는 며칠간을 현장에서 초기양생을 실시하는 것이 보다 안전측하다고 판단하는 경우도 있다. 그러나 동절기를 제외한 경우에는 강도저하의 문제가 발생할 가능성이 상대적으로 적지만, 열전도율이 큰 금속으로 구성되어 있으며 타설량이 적어 수화열을 전혀 기대할 수 없는 큐빅 공시체의 경우에는 초기양생에 따른 냉해 피해의 가능성이 있으므로 동절기에는 절대로 강도측정용 공시체를 현장에서 보관하는 방법을 적용해서는 안된다. 

이러한 현장양생의 방법은 우리나라 콘크리트 표준시방서 제8장에서 기술된, "양생을 끝낼 시기, 거푸집 및 동바리를 해체할 시기에 대하여는 현장 콘크리트와 가급적 동일한 상태에서 양생된 공시체의 강도시험에 의하거나 콘크리트의 온도기록에 의한 적산온도로부터 추정한 강도에 의해 정한다”라는 것처럼 실제 구조물의 설계기준강도를 평가하기 위한 공시체가 아니라, 거푸집의 제거시기 등을 결정하기 위한 참고용 공시체의 용도이다. 

또한 무수축몰탈은 현장에서 규정된 물-시멘트비 이외에는 타설에 따른 배합오류가 없도록 공장에서 제조된 규격화된 제품이기 때문에, 동일한 롯드에서 생산된 제품이라는 사실이 확인된 경우에는 타설위치마다 공시체를 제작하는 번거로움보다는 롯드별 품질관리와 더불어 물-시멘트비를 철저히 관리하는 것이 보다 중요하다.   

3. 표준양생에 의한 기준강도

신형묵 교수님이 저술한“제 10판 철근 콘크리트(2008년1월5일 개정)”에서는 콘크리트의 양생의 중요성 및 28일 강도를 기준으로 하는 이유에 대하여 다음과 같이 기술하고 있다. 즉, 설계기준강도란 표준상태(28일간 20℃±3℃로 습윤양생)에서 양생된 공시체의 압축강도를 콘크리트의 설계를 위한 기준강도로 정하고 있는 이유를 설명하고 있으며, 단지 구조물에서 거푸집의 제거시기 등을 정하기 위하여 실시하는 압축강도 시험용 공시체는 현장의 콘크리트와 같은 상태로 양생하는 것으로 다음과 같이 설명하고 있다. 

『공시체는 원주형을 사용하는 나라도 있고 정육면체를 사용하는 나라도 있지만 강도만은 어느 나라든지 재령 28일의 압축강도를 기준으로 하고 있다. 다시 말해서 설계기준강도나 배합강도는 모든 일반적인 경우 28일 강도를 기준으로 한다. 콘크리트는 재령의 경과와 더불어 강도가 증진된다. 초기에는 비교적 빠른 속도로 강도가 증진되며, 차차로 느린 속도로 계속하여 강도는 증진된다. 이러한 관계를 그림 2-2에서 보았으며, 그림 2-13에도 나타나 있다. 이들 그림에서 알 수 있는 바와 같이 초기재령에서는 매우 빠른 속도로 강도를 발현하며 점차로 강도의 증진이 둔화한다. 그러므로 콘크리트 구조물에 있어서는 어느 시점에서의 콘크리트 강도를 기준으로 하여 설계해야 할 것인가 하는 것이 문제로 된다. 일반적으로 보통의 콘크리트 구조물에서는 재령 28일의 압축강도를 설계를 위한 기준강도로 하고 있다. 즉 28일간 20℃±3℃로 습윤 양생한 원주형 공시체의 압축강도를 그 콘크리트의 설계를 위한 기준강도로 하고 있는 것이다. 그 이유는 다음과 같다. 실제의 구조물에서는 공시체의 양생조건과 같은 양생방법을 기대할 수 없는 것이 보통이고, 따라서 표준 양생한 공시체 강도를 현저하게 웃도는 강도를 실제 구조물의 콘크리트에서는 기대할 수 없기 때문이다. 다시 말해서, 실제의 구조물에 있어서는 표준 양생한 공시체의 재령 28일의 압축강도에 비하여 그 콘크리트의 강도를 크게 증가시킬 수 있을 정도의 양생을 기대할 수 없는 경우가 많기 때문이다. 따라서 구조물이 실제로 사용되는 것이 수개월 후일지라도 재령 28일의 압축강도를 기준으로 하는 것이 안전하다. 이와 같은 관점에서 보통의 구조물에 대하여는 표준 양생한 공시체의 재령 28일의 압축강도를 기준으로 하는 것이다.』또한 초기양생의 중요성으로서는, 『콘크리트의 강도는 재령과 더불어 증진된다. 특히 콘크리트는 쳐 넣은 후 며칠 또는 몇 주일 동안은 매우 빠르게 강도를 발현한다. 보통의 구조물의 설계는 일반적으로 재령 28일의 압축강도를 기준으로 하는 바, 콘크리트는 쳐 넣은 후 1주일 동안에 28일 강도의 70% 정도를 나타내며, 2주일 후에는 85~90%의 강도를 나타낸다. 콘크리트의 최종적인 강도는 초기재령에서의 양생조건, 즉 습도 및 온도의 조건에 크게 좌우된다. 콘크리트를 너무 일찍 건조시키면 30% 이상의 강도손실을 가져오는 수가 있다. 초기의 며칠 동안 콘크리트의 온도를 4℃ 이하로 방치할 경우도 이와 비슷한 강도저하를 가져온다. 그 이후 아무리 오랫동안 계속해서 습기를 유지해 주더라도 저하된 강도는 회복되지 않는다.』라고 초기양생의 중요성을 설명하고 있다.

4. 교량받침에서 요구되는 무수축몰탈의 강도

일반적인 콘크리트의 압축강도는 약 240kg/cm^2으로서 여기서 안전율 3을 고려하면 허용압축응력은 약 80kg/cm^2가 된다. 그리고 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/cm^2으로 설계하고 있으며, 여기에 안전율 3을 고려하여 교량받침과 직접 접촉되는 무수축몰탈의 강도를 600kg/cm^2으로 설정하면 상부구조에서 작용하는 수직하중으로 인하여 교량받침이 교각 콘크리트로 파고드는 지압응력에 견딜 수 있다는 개념이 성립하기 때문에 무수축몰탈의 압축응력을 600kg/cm^2으로 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 국내에서 널리 사용되고 있는 고무받침의 경우에는 최대 설계지압응력은 150kg/cm^2에 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 주된요인은 물시멘트비 및 단위 시멘트량에 따라 결정되며, 단위시멘트량이 많으면 많을수록 수화열 및 건조수축이 크게 발생하는 단점이 있으므로, 설계강도 400kg/cm^2의 무수축몰탈을 사용할 것을 적극적으로 추천되는 경우가 많다. 일본 도로교 지승편람(2004년4월)에 의하면 다음과 같이 무수축몰탈의 강도는 450kg/cm^2정도로서 하부구조 콘크리트의 기준강도보다는 커야한다고 규정하고 있다.

『무수축몰탈은 상하부구조에서 발생하는 하중을 확실하게 전달하기 위한 충분한 강도를 가져야 하며, 또한 받침의 공극부에 확실하게 충진되어야 한다. 무수축몰탈의 소요품질은 설계도서의 기준에 따라야 하지만 하부구조 콘크리트의 기준강도보다 적어서는 안된다. 일반적으로 사용되는 무수축몰탈의 품질기준을 표-4.4.1에 나타낸다.』

표-4.4.1 무수축몰탈의 품질기준 (참고치)

항목	규격치	JIS규격	일본토목학회규격
콘시스탄시	시멘트계 : 8±2초 (교반완료 3분 이내)	-	JSCE-F541-1999 (충진몰탈의 유동성 시험방법)
블리딩	교반 2시간후:2% 이하	JIS A 1123 (콘크리트의 블리딩 시험방법)	JSCE-F542-1999 (충진몰탈의 블리딩율 및 팽창성 시험방법)
응결	시작 : 1시간 이상 종결 : 10시간 이내	JIS R 5201 (시멘트의 물리시험방법)	-
팽창수축	재령 7일에 수축 없음	JIS A 1129 (몰탈 및 콘크리트의 길이변화시험)	JSCE-F542-1999 (충진몰탈의 블리딩율 및 팽창성 시험방법)
압축강도	재령 03일 : 25N/mm2 재령 28일 : 45N/mm2	JIS A 1108 (콘크리트의 압축강도시험방법)	JSCE-G541-1999 (충진몰탈의 압축강도 시험방법)
부착강도	재령 28일 : 3N/mm2	-	JSCE-G503-1999 (인발시험에 의한 철근콘크리트의 부착강도 시험방법)

그리고, 도로공사에서 발행한 "고속도로 공사용 건설재료 품질 및 시험기준(제7차 개정 2005.7),한국도로공사 도로교통기술원"에 의하면 무수축 콘크리트의 압축강도를 400kg/cm^2 으로 추천하고 있다