한국에서 살아가는 사람

그렇게 철근도 잘 배근되어있고 거푸집 설치를 완료했다면, 이제는 콘크리트를 부어넣을 차례이다. 콘크리트 공사에 앞서 콘크리트의 특징을 먼저 정리했고, 이후에 콘크리트를 운반하고 타설하는 과정을 적었다.

그리고 정리할 때는 콘크리트를 이루는 성분, 콘크리트에서 종류, 특징, 시험방법을 기억하면 된다.

■ 콘크리트 공사

1. 콘크리트 일반 사항

콘크리트 = 시멘트 + 물 + 골재 + 혼화재(혼화제)로 이루어진다. 그리고 각 재료들의 품질과 종류에 따라서 콘크리트의 종류, 특징, 강도 등이 정해진다.

* 시멘트 페이스트 = 물 + 시멘트

* 모르타르 = 시멘트 페이스트 + 모래

* 콘크리트 =  모르타르 + 굵은 골재 + 혼화재(제)

2. 콘크리트 재료

1) 골재

우선 첫번째로 골재의 경우에는 표면이 거칠고 둥글수록 좋다. 그렇게 해야 표면적이 커지고 시멘트와 부착강도가 높아진다. 그리고 골재의 실적률(1-공극률)이 크고 입도가 좋은 것을 사용해야 한다. 

- 골재의 최대치수 : 일반적인 경우 20, 25mm / 단면이 큰 경우 또는 무근콘크리트 40mm

- 골재의 염분 함유량 : 잔골재 절건중량 기준 염소이온 0.02% 이하, 콘크리트 함유 염화물 0.3kg/m^3 이하

* 골재에 염분이 많으면 철근이 부식한다. 그래서 아연도금으로 처리하거나, 에폭시 코팅을 하는 방법을 사용한다

* 잔골재의 경우 모래를 많이 사용하는데 모래는 해사에 있었을 수도 있기 때문

- 골재의 함수량 : 콘크리트에 사용되는 골재의 함수량은 표면건조 내부포화상태를 사용한다.

그리고 알맞은 골재인지 시험하기 위해서 불순물이 있는지 혼탁 비색법, 굵은 골재의 마모저항을 시험하는 로스엔젤레스 방법, 그리고 골재의 입도를 체가름해서 조립률을 구한다. 추가적으로 체가름에 사용되는 체는 75, 40, 20, 10, 5, 2.5, 1.2, 0.6, 0.3, 0.15 총 10개의 체를 1조로 하여 x 95% 이상 (x-1) 91%이상 통과했을 때 x 크기의 골재라고 한다.

2) 시멘트

시멘트는 석회(65%) + 점토(실리카 22% + 산화알미늄 5% + 산화제이철 3% = 30%)에 기타 성분들이 합쳐져서 만들어진다. 이건 일반 보통 포틀랜드 시멘트 기준이고 여기서 성분을 변화시키거나 첨가하여 다양한 특징을 가진 시멘트를 만든다. 그 중 일반적으로 사용되는 포틀랜드 종류를 5종으로 구분하고 다른 성분들을 더해서 만들어지는 혼합시멘트가 있다.

우선 성분을 먼저 이해하면 보틀랜드의 특징을 파악하기 쉽다. 석회는 규산3석회, 규산2석회, 알루민산3석회, 알루민산철4석회 이렇게 크게 4가지로 구분할 수 있다. 이러한 석회는 물과 만나서 수화작용을 일으키면 굳어지는데 그러면 시멘트 페이스트, 골재와 함께 굳어지면 콘크리트가 된다. 각각의 특징으로 규산 3석회는 수화작용이 빠르다. 하지만 알루민산 3석회에 비하면 느리다. 알루민산 3석회는 조기강도를 가장 빠르게 확보할 수 있는 성분으로 수축과 팽창이 가장 크다. 규산 2석회는 수화작용이 느리지만 장기강도에 영향을 크게 준다. 토끼와 거북이라고 생각하면 된다. 그리고 알루민산철4석회는 내산성이 크다는 장점이 있는 반면에 강도에는 거의 영향이 없다. 

위와 같은 성분으로 5종의 포틀랜드 시멘트를 만든다.

1) 보통포틀랜드시멘트(1종) : 가장 일반적인 시멘트

2) 중용열포틀랜드시멘트(2종) : 규산3석회와 알루민산3석회 성분을 작게하고 규산2석회를 크게하여 초기강도는 느리지만 장기강도는 크게한 시멘트로 천천히 굳어지는 만큼 균열의 발생도 적다. 그래서 대형 댐, 원자로 등에 사용된다.

3) 조강포틀랜드시멘트(3종) : 조강 = 조기강도라고 외우는데 보통 28일 강도를 단 7일만에 확보하며 긴급공사, 한중공사, 수중공사시에 사용되고 수화반응할 때 열이 많다.

4) 저열포틀랜드시멘트(4종), 내황산염포틀랜드시멘트(5종), 백색 포틀랜드시멘트가 있다.

* 백색 시멘트는 산화철 성분을 적게해서 백색으로 만들며 내구성과 마모성이 좋고 강도도 일반적으로 높다.

이러한 일반적 시멘트에 시공성을 좋게하거나 해수저항성 등 사용을 용이하게 하고 성능을 좋게 하기 위해 다른 성분을 추가하여 혼합시멘트를 만든다. 혼합시멘트는 기존 시멘트에 혼화재를 섞어 만드는 것으로 이후에 다시 나오니까 생략했다.

더불어 단순히 성분 말고도, 시멘트는 분말도 크기에 영향을 받는데 분말도가 크다는 것은 분말의 입자가 얼마나 작은지를 나타낸다. 즉 분말도가 크다는 것은 분말이 작다는 것이다. 그래서 분말도가 크다는 것은 입자가 작다는 것이고 그러면 표면적이 커져 물과 접촉하는 면적이 늘어나면서 수화작용이 빠르게 일어난다. 그래서 발열량도 많고 초기강도가 크지만 균열 발생이 크고 장기강도는 저하된다.

그렇다면, 사용하기 적합한 시멘트인지 알아내는 시험방법에는 어떤 것이 있을까? 우선 위에서 설명한 분말도를 알기 위해서는 블레인 공기투과장치를 사용하거나 표준체를 이용해서 입자의 크기를 알아낸다(조강 포틀랜드 시멘트의 경우 3300 cm^2/g). 그 외에도 루샤델리 비중병을 이용하여 비중(밀도)시험을 하고, 시멘트의 응결을 알기 위해 침을 투입하는 길모아 장치, 비이카 장치가 있다. 그리고 시멘트의 수화작용으로 팽창하는 정도를 알기 위한 오토클레이브 팽창도 시험방법이 있다.

3) 물

물도 중요하다. 시멘트와 수화작용을 일으키고 거의 절반 이상을 차지할 만큼 물의 품질도 적합한지 확인해야 한다. 콘크리트에 사용되는 물을 콘크리트의 비빔수라고도 말하며 기름, 산, 염류, 불순물 등 유해물량을 함유하면 안된다. 구체적으로는 색도는 5도 이하, 탁도는 0.3 이하 등 여러가지 기준이 있다. 이해하기 쉽게 상수도물, 즉 먹을 수 있는 물이나 공업 용수, 지하수 등이 사용된다.

4) 혼화재와 혼화제

그리고 마지막으로 시멘트, 물, 골재에 더해지는 혼화재와 혼화제. 이 재료는 콘크리트의 품질을 향상시켜주고 다양한 성능을 향상시켜준다. 혼화'재' 란 시멘트량의 5% 이상으로 시멘트 대체 재료로 이용되고 혼합시멘트를 만들어내는 재료이다. 반면, 혼화제는 시멘트량의 1% 이하로 소량을 사용하기 때문에 배합계산에서 무시하는 재료이다. 그럼 많이 사용되는 재료를 나열하면 다음과 같다.

먼저, 혼화재부터 살펴보면 위의 혼합시멘트를 만드는 플라이애쉬, 규조토, 폴리머, 고로슬래그, 팽창재, 착색재 등이 있다.

혼화재

1. 플라이애쉬 : 화력발전소에서 석탄회를 집진기로 포집한 것으로 미세하고 매끈한 구형이다. 그래서 골재간 마찰력을 감소시키고 시공연도를 증진하는 효과가 있다. 시공연도를 증진시키며 재료분리 감소, 수화열 감소, 해수 저항성 증가 등

2. 고로슬래그 : 클링커와 고로슬래그와 석고를 혼합한 것으로 해수, 하수, 지하수에 대한 저항성이 크다.

3. 실리카(포졸란) : 포졸란도 플라이애쉬와 같은 효과를 낸다고 생각하면 된다.

4. 착색재 : 콘크리트에 색을 가하는 것으로 내알칼리성 물질인데 빨강(산화제이철), 녹색(산화크롬). 노랑(크롬산바륨), 갈색(이산화망간) 등이 있다.

혼화제

1. AE제 : 콘크리트에 넣는 것이 원칙인만큼 중요한 재료. 공기연행제로 일반적으로 콘크리트는 1~2%의 미세공기를 연행하고 있는데 여기에 공기량을 더해 4~6%정도로 늘려 시공연도를 좋게하고 다른 효과를 만든다. 동결융해 저항성 증대, 단위수량 감소, 재료분리 감소 등의 효과가 있다. 그리고 이러한 AE제는 온도가 높을수록 공기가 빨리 빠져나오기 때문에 감소하는 특성이 있다. 다만 이러한 AE제를 사용할 때는 고강도 콘크리트의 경우 강도감소가 일어나기 때문에 사용하지 않는 것이 원칙이다. (1% 추가시 압축강도 3~5% 감소)

2. 유동화제 : 발열량을 감소시키고 건조수축 감소 등 콘크리트의 유동성을 증진하여 시공성 증진하는 것으로 압축강도도 일반 콘크리트와 비슷하다.

3. 응결, 경화 촉진제 : 급결제, 급경제로 염화칼슘, 염화마그네슘 등 조기강도를 증진하지만 장기강도 감소, 건조수축 증가

4. 기포제, 발포제 : AE제에 사용되는 재료로 발포제는 알루미늄, 아연분말을 이용하며 부착력을 높이는 효과가 있음

5. 실리카흄 : 실리콘 합금 부산물로 고강도 콘크리트를 만들 때 이용되는 초미립자이다. 그런데 중성화가 빠르고 단위 수량이 증가하며 건조수축이 커지기 때문에 고성능 감수제와 사용해야한다.

그외 방청제, 응결지연제 등이 있다.

3. 콘크리트 만들기

콘크리트를 만들 재료가 준비되고 품질검사를 마쳤다면 이제 콘크리트를 만든다. 콘크리트를 만드는 방법을 '배합 설계'라고 한다. 배합 설계 최적화를 통해 소요 강도를 확보하고 경제성, 시공성 등을 얻는다. 가장 많이 사용되는 배합으로는 중량배합이 있다. 재료를 중량으로 표시하기 때문에 수시 변화에도 유동적으로 대처가 가능하기 때문이다.

위 순서에 따라 설계기준강도를 정하는데 28일 압축강도가 원칙이며 일반적으로 15MPa~30MPa로 구한다. 다만 매스콘크리트, 수중콘크리트 등은 91일을 기준으로 한다. 그후 배합강도를 구하고, 시멘트 강도, 물시멘트(물결합재)비를 구하고 슬럼프, 굵은 골재의 최대치수, 잔골재율, 단위수량, 시방배합, 현장배합 순으로 진행된다.

그리고 이때 배합하는 장치를 배처플랜트라고 한다.

일반적으로 콘크리트는 물결합재비를 60% 이하로 하며, 단위수량은 185kg/m^3을 초과하지 않도록 한다. 그리고 슬럼프는 80~180mm로 한다. 콘크리트의 강도에는 물결합재비가 큰 영향을 미치기 때문에 가능하다면 최소화하고, 단위수량과 단위시멘트량을 최소화하여(=골재량 증가) 균열을 방지한다. 단 굵은 골재의 크기와 형태를 잘 선별하여야한다. 왜냐하면 잔골재의 경우 단위수량과 시멘트량이 증가하기 때문이다. 굵은 골재와 잔골재의 비중차이는 적게하되 서로 크기 차이가 크게 나도록하여 꽉차게 만드는 것이 중요하다. 외에도 슬럼프 값을 최소화하여 시멘트를 절약하는 등의 기준이 있다.

그렇게 콘크리트를 설계하고 기준을 만족했다면 이제 시험을 진행한다. 당연히 압축강도 시험이 제일 중요하다. 이를 위해서 Core 공시체를 만들어 시험한다. 1일 1회이상 그리고 1회 시험에는 3개의 공시체를 사용하여 평균이 설계기준강도의 85% 이상이고 각각이 75%이상이면 적합하다고 판정한다. 그만큼 설계기준강도를 보수적으로 설계한다고 생각하면 된다.

시험 종류에는 비파괴시험을 주로 사용하는데

1. 슈미트해머법(반발, 타격법) : 시험장치가 간단하며 그냥 타격해서 반발 정도로 강도 추정하는 것이다.

2. 공진법 : 물체간의 고유진동 주기를 이용하여 강도를 측정한다.

3. 음속법 : 음파의 속도에 의해서 강도를 측정하며 많이 사용한다.

4. 복합법 : 반발법과 음속법을 병행해서 강도를 추정하며 두개를 복합적으로 사용하기 대문에 가장 정확하다

그외에도 인발법, 철근탐사법 등이 있다.

콘크리트의 특징
1) 시공연도(Workability) : 반죽질기, 재료분리에 저항하는 정도로 시공의 난이도, 잘 섞이며 잘 굳는 것
- 단위수량이 많으면 재료분리가 일어날 우려가 커진다
- 단위시멘트량은 부배합이 빈배합보다 낫다
- 시멘트의 성질은 분말도가 클수록 향상된다
- 공기량 적당히 그리고 온도가 높으면 시공연도가 감소함(너무 빨리 응결하기 때문에)

시공연도를 시험하는 방법으로는 Slump, Flow, Vee-Bee, Remolding, 관입시험 등이 있다.

2) 반죽질기(Consistency) : 단위수량에 의해 변화하는 콘크리트 유동성의 정도, 변형능력
3) Plasticity : 거푸집에 잘 채워질 수 있는지 난이도
4) Finishability : 골재의 최대치수에 따른 표면정리의 난이도
5) Pumpability : 펌프시공 시 잘 밀려나가는지 난이도

콘크리트 공사는 양이 많으니까 나누어서 정리