서언
일반적으로 레미콘 등 콘크리트 재료를 생산하거나 건설 시공 등 품질을 관리하는 경우는 굳지않은 상태의 성질과 압축강도만을 중요시하는 경향이 있다. 그러나, 레미콘이 구조체에 타설되고 난 후 굳어진 콘크리트의 경우, 힘을 받아내기 위하여는 강도도 중요하지만, 철근 콘크리트 구조인 경우는 철근과 협력적으로 변형(줄어듬 등)이 발생하기 때문에 힘에 대하여 어느 정도의 변형을 일으키는지에 대한 탄성적 특성도 매우 중요하다. 따라서 이번 강좌부터 몇 회는 콘크리트의 탄성 특성에 대하여 고찰해 본다.

탄성과 소성
지구상 모든 물체는 분자로 구성되어 있다. 그런데, 평상시 콘크리트와 같은 고체 물체는 분자간 힘이 작용하여 평형상태를 유지하지만, 물체에 외력(힘)이 작용하면 이 분자 간에 거리가 변하면서 변형이 발생한다. 물론 힘을 제거하면 원위치로 돌아간다. 이때 탄성(彈性: Elasticity)이란 외력이 작용하면 순간적으로 변형이 생기고, 외력을 제거하면 순간적으로 원래의 형태로 회복되는 성질을 말한다. 그러나 재료에 작용하는 외력이 어느 한도에 달하면 외력의 증가 없이도 변형이 증대하게 되는데 이와 같은 성질을 소성(塑性: Plasticity)이라 한다.
또한, 탄성체의 경우 외력이 제거되었을 경우 원래의 형태로 완전히 돌아가면 완전 탄성체, 일부만 돌아가면 불완전 탄성체라고 하고, 응력 σ와 변형 ε이 직선 관계를 나타내며 훅의 법칙(Hook’s law)이 성립되는 재료를 훅 고체(Hookean solid) 혹은 완전 탄성체라 하고, σ-ε의 관계가 직선으로 되지 않는 것을 비 훅 고체(Non-Hookean solid)라 한다.

응력 변형 곡선
각종 건설재료의 경우 외력을 가하면 재료별로 독특한 응력 변형 곡선(σ-ε)을 나타낸다. 사례로서 <그림 1>은 연강의 경우이고, <그림 2>는 PC강봉의 경우이며, <그림 3>은 콘크리트의 경우이다.
먼저 <그림 1>의 연강의 경우에서 P점은 직선관계를 이루는 비례한도이고, E점은 탄성을 나타내는 한계점으로 탄성한도이며, U점과 L점은 항복점으로 U는 상 항복점, L점은 하 항복점이고(보통은 U의 상 항복점을 항복점이라 함), M점은 최대내력인 인장강도를 나타내며, B점은 끊어지는 파단점이 된다. 단, 그림 중 점선의 진응력이란 인장 가력 중 하중을 최초 단면적으로 나눈 실선 부분의 응력과 달리 감소하는 실제 단면적으로 하중을 나눈 진짜 응력을 말하는 것이다.
<그림 2>는 PC 강봉의 경우이지만 구리, 알루미늄 등 비 철금속의 경우도 이런 경향을 나타낸다. 즉, 하중의 증가에 비례하여 변형이 진행되다가 어는 최고점에서 파괴에 이르게 된다. 그러다 보니 명확하게 항복점이 어데인지 찾을 수 없는 경우가 되는데, 이 경우는 처음 σ-ε 관계에서 발생하는 동일한 기울기로 원점에서 0.2% 평행이동 시켜 σ-ε 관계의 곡선과 마주치는 점을 항복점으로 보는 것인데, 이점을 특히 0.2% 항복점이라 한다.
<그림 3>은 콘크리트의 경우로서 비례한도 점이 존재하지 않고 전반적으로는 포물선 경향을 나타내는데, W/C가 작아 고강도가 될수록 큰 상승곡선으로 높은 강도까지 올라가고 낮은 강도보다 최대강도 점의 변형(항복점)이 크게 나타나지만, 그 이후에는 급격히 저하하여 취성적인 경향을 나타낸다.

<그림 1> 연강의 σ-ε 곡선

<그림 2> PC 강봉의 σ-ε 곡선

<그림 3> 보통 콘크리트의 σ-ε 곡선

콘크리트의 탄성계수
<그림 3>의 전반적인 콘크리트의 σ-ε 곡선에서 대표적으로 하나 만에 대하여 상승하는 부분을 나타내면 <그림 4>와 같다. 
그런데, 여기서 σ-ε 곡선으로 <그림 1>과 같은 연강 이라면 응력(σ)을 변형(ε)으로 나눈, 소위 직선의 기울기를 생각할 수 있는데, 이 기울기인 σ/ε을 탄성계수(彈性係數:Modulus of elasticity) 혹은 영계수(Young’s modulus)라고 한다. 이 중에서도 직선의 기울기가 급하면 탄성계수가 크고, 기울기가 완만하면 탄성계수가 작다고 한다. 그런데, 문제는 연강의 경우는 초기 σ-ε이 직선 경향이지만, 콘크리트인 경우는 포물선 경향이므로 어느 부분의 기울기로 할지에 따라 <그림 4>와 같이 4종류로 분류할 수 있다. 
<그림 4>에서 θ1에서 θ4까지를 다음과 같이 구분하여 탄성계수를 지칭하고 있다.

<그림 4> 콘크리트의 탄성계수

• 초기탄성계수(Initial tangent modulus) Ei=tanθ1
• 세컨트 모듈러스(Secant modulus) Ec=tanθ2
• 접선 탄성계수(Tangent modulus) Et=tanθ3
• 코드 모듈러스(Chord modulus) Ech=tanθ4

특히 θ1의 경우는 초기 진동 등의 해석에 이용되는 것으로 동 탄성계수라고 하고, θ2의 경우는 압축강도의 1/3 또는 1/4점(KS 표준은 40%인 점)의 응력도로서 할선 탄성계수 혹은 정 탄성계수라고 한다.
이 이외에도 콘크리트의 시험체에 주파수의 변화를 일으키는 장치로부터 공명을 일으키는 콘크리트의 주파수를 찾아 동 탄성계수, 동 전단탄성계수, 체적탄성계수 및 푸아송비를 구하는 방법도 있는데, 구체적인 시험방법은 차후에 소개한다.