철근콘크리트가 유효한 구조체로 성립할 수 있는 이유는 다음 세 가지 주요 요소 때문이다.
1.2.1 일체성
콘크리트와 철근 간의 부착력이 강하여 일체 거동이 가능하다. 이형철근을 사용함으로써 접착성이 강화된다.
콘크리트와 철근 상호 간의 부착강도가 커서 이질의 재료임에도 불구하고 일체 거동을 할 수 있다. 특히 현재 사용되는 철근은 異形(deformed; 요철, 凹凸)으로 만들어져 단면의 형상이 부착성을 향상시킬 수 있도록 리브(rib) 및 마디(node)가 설치되어 있다.
출처: https://www.kisco.co.kr/
1.2.2 내수성 및 내구성
- 철근의 부동태 피막(不動態皮膜, Passive Film)
한자를 직역하면 "움직이지 않는 상태(부동태; 화학적으로 반응(부식)하지 않는 안정한 상태)의 겉껍질 막"이다. 강알칼리성(pH 12~13) 콘크리트 환경에서 철근 표면에 형성되는 얇은 산화막($Fe_2 O_3$)이다. 이 피막은 철근이 산소 및 물과 반응하여 녹(부식)이 슬지 않도록 보호하는 역할을 하며, 콘크리트의 중성화나 염해로 인해 파괴되면 부식이 시작된다.
철근은 콘크리트의 알칼리성 환경 속에서 부식이 억제되며, 이는 수화반응을 통해 생성된 수산화칼슘($Ca (OH)_2$)이 보호막(부동태 피막) 역할을 한다.
피복에 의해 콘크리트 속에 묻혀 있는 철근은 구조수명 동안 부식하지 않는다. 이것은 알칼리성의 콘크리트에 의해 철근의 부식이 방지되기 때문이다. 콘크리트를 구성하는 성분 중 하나는 물이다. 물 속에 철근이 있다면 부식이 쉽게 발생하지만 물(H2O)과 시멘트(CaO, 산화칼슘·산화석회)가 화학반응(즉, 수화반응)을 일으켜 강알칼리성(pH 12–14)인 수산화칼슘 Ca(OH)2를 생성하여 철근을 부식으로부터 보호한다.
- ▪ 시멘트 수화반응
CaO + H2O → Ca(OH)2
산화칼슘(칼슘 옥사이드) + 물 → 수산화칼슘(칼슘 하이드록사이드)
그러나 균열 발생 등으로 인해 이산화탄소(CO2)가 침투하면 탄산칼슘 CaCO3이 생성되고 콘크리트를 중성화(pH 8.5–10)시키며 철근은 녹슬게 된다.
- ▪ 콘크리트 중성화
Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O
수산화칼슘(칼슘 하이드록사이드) + 이산화탄소(카본 디옥사이드) → 탄산칼슘(칼슘 카보네이트) + 물
[참조] 백화/백태(白苔) 현상(Efflorescence)
• 콘크리트나 시멘트 모르타르 등으로 만들어진 수산화칼슘이 표면에 하얗게 얼룩지거나 분말 형태의 물질이 침출되어 엉겨 붙는 현상이다.
• 표면으로 이동한 탄산칼슘(CaCO3)과 물(H2O)이 물이 증발하면서, 수산화칼슘이 얼룩과 결정으로 남는 현상이다.
[참조 2-1] 시멘트의 구성
- 산화칼슘(생석회; CaO) = 63%
- 이산화규소(실리카; SiO2) = 23%
- 알루미나(산화 알루미늄; Al2O3) = 6%
- 기타 = 8%
[참조 2-2] CaO (산화칼슘, Calcium Oxide)
산소와 칼슘의 화합물로 생석회(生石灰)라고 하며, 영문으로는 Quick Lime이라 한다. 석회석(탄산칼슘, CaCO3; limestone)을 높은 온도(약 900℃ 이상)로 가열하면 이산화탄소(CO2)를 잃으며 생성된다.
CaCO3 → CaO + CO2
탄산칼슘(칼슘 카보네이트) → 산화칼슘(칼슘 옥사이드) + 이산화탄소(카본 디옥사이드)
[참조 2-3] 알칼리골재반응 (Alkali–Aggregate Reaction)
콘크리트를 구성하는 골재(모래와 자갈)가 물과 시멘트 중의 알칼리물질과 반응하여 골재가 비정상적으로 팽창하는 현상이다. 이것이 진행되면 골재의 팽창에 의해 콘크리트의 귀갑상(龜甲狀; 거북의 등 모양) 균열이 많이 생겨 재료의 내구성과 건조물의 미관을 현저하게 손상시키므로 콘크리트의 “암” 등으로 불린다. (출처: https://www.scienceall.com/)
시멘트 중의 알칼리 성분 + 골재(모래와 자갈) 중의 실리카 성분 → 실리카젤 + 수분흡수 → 팽창 → 균열 발생
1.2.3 팽창계수
철근과 콘크리트의 열팽창계수가 유사하여 온도 변화에 따른 변형 차이가 작다.
콘크리트와 철근은 열팽창계수(coefficient of thermal expansion)이 거의 같다. 콘크리트의 열팽창계수는 약 1.0 ~ 1.3 × 10-5 m/m℃이고, 철근의 열팽창계수는 약 1.2 × 10-5 m/m℃이다. 서로 비슷한 열팽창계수를 가지고 있어 온도에 의한 수축 및 팽창량이 비슷하여 콘크리트와 철근의 부착성을 향상시켜 준다.
[참조 3-1] 열팽창계수(coefficient of thermal expansion)
▪ 열팽창계수(coefficient of thermal expansion) 또는 선팽창계수(coefficient of linear expansion)
열팽창계수는 약 1.25 × 10-5 m/m℃인 길이 20m인 콘크리트 벽체가 40℃ 온도차의 영향을 받을 때 발생될 수 있는 균열은 10 mm 이다.
출처: https://www.liacoseducationalmedia.com/
[예제] 1.2
- (1) 콘크리트의 단위중량: \(23 \, \text{kN/m}^3\)
- (2) 철근의 단위중량: \(78 \, \text{kN/m}^3\)
- (3) 철근콘크리트의 단위중량:
- 1) 건축, 철근비 2.0%: \(24 \, \text{kN/m}^3\)
- 2) 토목, 철근비 2.5%: \(24.5 \, \text{kN/m}^3\)
[예제] 구조원리
철근콘크리트의 구조원리로 가장 부적당한 것은?
(1) 철근과 콘크리트는 부착력이 양호하다.
(2) 철근과 콘크리트의 열팽창계수가 거의 같다.
(3) 철근은 인장력을 부담하고, 콘크리트는 압축력을 부담한다.
(4) 강재는 가능하면 많이 사용하고 콘크리트는 될 수 있으면 적게 사용하는 것이 유리하다.
[풀이]
(4) 철근과 같은 강재류는 구조계산에 의한 적정량을 사용하도록 규정하고 있다.
[답] 4
[예제] 구조원리(2020년 토목기사 3회)
철근콘크리트구조에 관한 설명 중 가장 부적당한 것은?
(1) 철근과 콘크리트의 선팽창계수는 거의 같다.
(2) 철근과 콘크리트의 응력전달은 철근 표면의 부착력에 의한다.
(3) 철근과 콘크리트의 탄성계수는 거의 같다.
(4) 철근은 콘크리트 속에서 녹이 슬지 않는다.
[풀이]
철근의 탄성계수는 콘크리트 탄성계수의 6 ~ 10배 정도이다.
\[ n = \frac{E_s}{E_c} = \frac{200,000}{8,500 \sqrt[3]{f_{ck} + \Delta f}} \]
예를 들어,
설계기준강도 \( f_{ck} = 30 \) MPa인 경우,
28일 평균강도 \( f_{cu} = f_{ck} + \Delta f = 30 + 4 = 34 \)이므로, 이 경우에 \( n \)은 다음과 같다.
\[ n = \frac{200,000}{8,500 \sqrt[3]{30 + 4}} = 7.26 \]
[답] 3
[예제] 구조원리(2018년 토목기사)
철근콘크리트가 성립하는 이유에 대한 설명으로 잘못된 것은?
(1) 철근과 콘크리트와의 부착력이 크다.
(2) 콘크리트 속에 묻힌 철근은 녹슬지 않고 내구성을 갖는다.
(3) 철근과 콘크리트의 무게가 거의 같고 내구성이 같다.
(4) 철근과 콘크리트는 열에 대한 팽창계수가 거의 같다.
[풀이]
동일한 체적(\(1 \, \text{m}^3\))에 대해 철근이 콘크리트보다 \(\frac{78}{23} = 3.4\)배 무겁다.
[답] 3
