설계기준

동해·화학침식·알칼리골재반응 — 콘크리트 자체가 부서지는 열화

2026년 9월 1일

탄산화와 염해는 철근을 공격합니다. 콘크리트는 통로일 뿐입니다.

이 글의 셋은 다릅니다. 콘크리트 그 자체를 부숩니다. 무근이라도 당하고, 철근이 멀쩡해도 구조가 무너집니다.

동해 — 물이 얼면 9% 커집니다

물 → 얼음   부피 +9%

포화된 공극 속 물이 얼면 갈 곳 없는 9%가 압력이 됩니다. 미세조직이 그 수압에 찢기고, 봄에 녹고, 겨울에 다시 얼고 — 동결융해의 반복이 표면부터 부스러뜨립니다.

피해 형태
  스케일링    표면 모르타르가 비늘처럼 벗겨짐
  팝아웃      표층 골재 위가 원뿔형으로 튐
  D-균열      포장 모서리의 촘촘한 평행 균열
  심부 열화   반복 누적 시 탄성계수·강도 저하

조건이 세 가지 다 갖춰져야 합니다.

① 물 (공극이 임계 포화도 이상)
② 동결융해 반복 (한 번 어는 것보다 반복이 문제)
③ 저항성 없는 조직

①이 실무의 급소입니다. 마른 콘크리트는 얼어도 안 부서집니다. 그래서 위험 부위는 “추운 곳”이 아니라 “젖은 채로 어는 곳” 입니다.

위험 부위
  · 물끊기 없는 파라펫·난간 하단 (타고 내린 물이 고임)
  · 배수 불량 슬래브, 옥상 모서리
  · 수위 변동부 (댐·수로·교각) ← 건습+동결의 이중 반복
  · 제설염 살포 노면 ← 염해와 동해의 합작

제설염은 동해를 가속합니다. 염수는 어는점이 내려가 표층과 내부의 동결 시차를 만들고(층상 응력), 삼투압을 키웁니다. 스케일링의 최대 유발자가 염화물+동결 조합이고, 염해 위험 부위와 동해 위험 부위가 겹치는 이유입니다.

방어선 — 공기 4~6%의 원리

동해 대책의 핵심은 강도가 아니라 연행공기(entrained air) 입니다.

AE제로 만든 지름 수십~수백 μm의 독립 기포를
페이스트 전체에 균일하게 분산

  → 얼면서 밀려나는 물이 도망갈 "압력 해방구"
  → 동결수압이 기포에서 소산

효과의 열쇠는 공기량 총량이 아니라 기포 간격입니다.

기포간격계수 (spacing factor)
  물이 가장 가까운 기포까지 이동해야 하는 거리
  통상 250 μm 이하면 동해 저항성 확보

같은 공기량이라도
  큰 기포 소수  →  간격 넓음  →  효과 없음
  작은 기포 다수 →  간격 좁음  →  효과 큼

굳은 콘크리트 어디서나 물이 짧게 이동해 압력을 풀 수 있게 만드는 것입니다. 표준 공기량이 4~6% 인 이유는 이 정도면 통상 배합에서 간격계수가 확보되기 때문입니다.

공짜는 아닙니다.

공기량 1% 증가  →  압축강도 약 4~6% 감소

4~~5%면 강도 20~~25% 손실 — 배합설계에서 미리 반영합니다. 동해 환경의 콘크리트가 같은 fck에도 단위시멘트량이 많은 이유입니다. 그리고 공기량은 운반·다짐 과정에서 변하므로 타설 직전 현장 측정이 관리 항목입니다. 레미콘 발주의 받아들이기 검사에서 슬럼프와 함께 공기량을 재는 것이 이것입니다.

한중콘크리트와 초기동해는 다른 문제

굳는 중의 콘크리트가 얼면 이야기가 다릅니다.

경화 전 동결 (초기동해)
  수화가 멈추고 얼음 조직이 그대로 결함으로 남음
  → 이후 아무리 양생해도 강도·내구성 회복 불가

방어선: 압축강도 5 MPa 도달까지 보온
  (이 강도면 조직이 동결수압을 버팀)

5 MPa — 거푸집 존치기간에서 본 그 숫자가 여기서 다시 나옵니다. 측면 탈형 기준이면서 동시에 초기동해 면제 기준입니다. 연행공기는 반복 동결(장기)의 대책이고, 초기동해는 양생(온도 관리)의 문제 — 대책의 층위가 다릅니다.

황산염 침식 — 조직을 부풀려 해체한다

토양·지하수·하수의 황산염(SO₄²⁻)이 시멘트 수화물과 반응해 팽창성 광물(에트린가이트·석고) 을 만듭니다. 조직 내부에서 부피가 커지니 스스로 균열·연화·붕괴합니다.

위험 환경
  · 황산염 토양·지하수에 접한 기초, 지하 외벽
  · 하수 시설 (황화수소 → 황산 생성, 침식 가장 극심)
  · 해수 (황산염 포함 — 다만 염화물 공존으로 완화)

방어선
  · 내황산염 시멘트: C₃A(알루민산삼칼슘) 함량을 낮춘 시멘트
    ← 반응 상대 자체를 줄이는 전략
  · 혼화재 치환 (슬래그·플라이애시) — 조직 치밀화 + C₃A 희석
  · W/C 저감, 표면 방수

설계 흐름에서 중요한 것은 지반조사 단계에서 황산염 농도를 확인하는 것입니다. 기초 콘크리트의 시멘트 종류는 구조계산이 아니라 토질 시험성적서가 정합니다. 독립기초·말뚝기초가 접하는 지반의 화학 환경이 배합 조건이 됩니다.

알칼리골재반응 — 골재가 팽창하는 병

시멘트의 알칼리(Na⁺·K⁺)와 골재 속 반응성 실리카가 만나 흡수 팽창하는 겔을 만듭니다. 골재 알갱이 하나하나가 부풀며 콘크리트 전체를 안에서부터 터뜨립니다.

증상
  거북등(map) 균열 — 방향성 없는 그물 균열
  겔 삼출, 팝아웃, 부재의 이상 팽창·휨

조건 (셋 다 필요)
  ① 반응성 골재
  ② 충분한 알칼리 (시멘트·외부 유입)
  ③ 수분 (상대습도 대략 80% 이상)

무서운 점은 잠복기입니다. 수년~수십 년 뒤에 나타나고, 시작되면 멈출 방법이 마땅치 않습니다. 그래서 대책은 전적으로 예방입니다.

① 골재 반응성 시험 (화학법·모르타르바법) → 반응성 골재 회피
② 저알칼리 시멘트, 총 알칼리량 제한
③ 혼화재 치환 — 슬래그·플라이애시가 알칼리를 희석·소비
   (가장 실용적인 보험)

이미 발병한 구조물은 수분 차단(③을 끊기)으로 진행을 늦추는 것이 현실적 상한입니다. 균열 주입은 새 균열로 되돌아오기 일쑤라, 원인(팽창)이 살아 있는 한 결과(균열)만 고칠 수 없다는 열화 보수의 일반 원칙이 가장 극명한 사례입니다.

세 열화의 공통 구조

	동해	황산염	AAR
파괴 주체	얼음 팽창 (9%)	반응 광물 팽창	겔 팽창
필수 조건	물+반복 동결	황산염+물	반응성 골재+알칼리+물
핵심 방어	연행공기 4~6%	시멘트 선택(C₃A↓)	골재 시험+혼화재
공통 완화	물 차단 · W/C 저감 · 혼화재

셋 다 팽창이 무기이고, 셋 다 물이 방아쇠입니다. 그래서 내구성 설계의 제1원칙이 재료 이전에 배수·물끊기·방수라는 상세 설계입니다. 물이 머물지 않는 구조물은 세 열화 모두에서 절반은 이기고 시작합니다.

실무에서 자주 틀리는 지점

동해 대책을 강도로 대신하는 경우

고강도라도 연행공기 없이 포화 상태로 얼면 당합니다. 반대로 공기량이 확보되면 보통 강도로도 견딥니다. 동해 저항성의 지표는 fck가 아니라 공기량·간격계수입니다.

공기량을 배합표로만 관리하는 경우

공기량은 운반 시간, 다짐, 온도에 따라 현장에서 1~2% 움직입니다. 타설 시점 측정 없이 배합표만 믿으면 설계 공기량과 실제가 다릅니다.

물끊기·배수 상세를 시공 편의로 생략하는 경우

파라펫 하단 물끊기 홈 하나가 그 부위의 동해·염해 수명을 좌우합니다. 도면의 작은 상세가 내구성 항목이라는 인식이 필요합니다.

하수 시설을 일반 지하 구조물로 배합하는 경우

하수의 생물학적 황산 침식은 일반 황산염 환경보다 훨씬 가혹합니다. 내황산염 시멘트에 더해 표면 라이닝까지 검토 대상입니다.

골재 산지 변경을 가볍게 승인하는 경우

시공 중 골재 산지가 바뀌면 반응성 시험을 다시 해야 합니다. AAR은 수십 년 뒤에 나타나므로 당장 아무 문제가 없어 보입니다.

초기동해와 동결융해 열화를 혼동하는 경우

전자는 양생(5 MPa까지 보온) 문제, 후자는 배합(연행공기) 문제입니다. 겨울 타설에서 공기량만 챙기고 보온을 소홀히 하면 초기동해를, 보온만 챙기고 공기량을 빼면 장기 동해를 당합니다.

자주 묻는 질문

동결융해 저항성은 어떻게 시험하나요?

동결융해 반복 시험(수중 급속 동결융해 등)으로 상대동탄성계수의 저하를 추적합니다. 300사이클에서 상대동탄성계수가 일정 값(예: 80~90%) 이상이면 합격으로 봅니다. 표면 스케일링 량을 재는 시험도 병용됩니다.

AE 콘크리트는 어디에나 쓰는 게 좋지 않나요?

동결융해 환경이라면 표준입니다. 다만 강도 손실과 표면 마감성(미장면 기포) 문제가 있고, 고강도·고유동 배합에서는 공기량 관리가 까다로워집니다. 환경 조건에 맞춰 쓰는 것이 원칙입니다.

경량골재 콘크리트는 동해에 약한가요?

골재 자체의 흡수율이 높아 포화 상태 관리가 더 중요합니다. 사전 흡수(프리웨팅) 관리와 연행공기로 대응하며, 잘 관리되면 오히려 기포 많은 골재가 압력 해방구 역할을 하기도 합니다. 관리 폭이 좁다는 것이 요점입니다.

해수는 황산염이 있는데 왜 침식이 덜한가요?

염화물이 공존하면 팽창성 에트린가이트 대신 용해성이 큰 화합물이 생겨 팽창 파괴가 완화되기 때문입니다. 해양 환경의 지배 열화는 황산염이 아니라 염해입니다.

DEF(지연 에트린가이트 생성)는 뭔가요?

양생 온도가 지나치게 높았던 콘크리트(대략 70°C 초과)에서 수년 뒤 에트린가이트가 재생성되며 팽창하는 현상입니다. 매스콘크리트·증기양생 제품의 온도 관리 상한이 여기서 나옵니다. 외부 황산염 없이 내부에서 일어나는 황산염 침식인 셈입니다.

정리

이 셋은 철근이 아니라 콘크리트 본체를 부숩니다. 무근도 당합니다.
동해의 원흉은 물의 9% 팽창이고, 위험 부위는 추운 곳이 아니라 젖은 채 어는 곳입니다. 제설염이 가속합니다.
방어선은 강도가 아니라 연행공기 4~6% — 총량이 아니라 기포 간격이 본질입니다. 공기 1%당 강도 4~6% 손실은 배합에서 선반영합니다.
초기동해는 별개 문제입니다. 5 MPa까지의 보온 양생이 방어선입니다.
황산염은 시멘트 선택(C₃A 저감)으로, AAR은 골재 시험과 혼화재로 예방합니다. AAR은 발병하면 못 멈춥니다.
셋의 공통 방아쇠는 물입니다. 배수·물끊기·방수 상세가 내구성 설계의 제1원칙입니다.

철근을 공격하는 열화는 탄산화와 염해에, 공기량·슬럼프 검사는 콘크리트 물량 산출과 레미콘 발주와 압축강도 시험에, 5 MPa 기준은 거푸집 존치기간과 동바리에 정리해 두었습니다.