콘크리트

콘크리트(concrete)란시멘트에 모래와 자갈, 골재 따위를 적당히 섞고 물에 반죽한 혼합물. 만드는 방법이 간단하고 내구성이 커서 토목 공사나 건축의 주요 재료로 쓴다.

개요

콘크리트는 물, 시멘트, 굵은 골재, 잔 골재 및 혼화 재료를 일정비율로 배합 설계를 하여 혼합한 것으로, 굳지 않은 콘크리트와 굳은 콘크리트로 구분할 수 있다. 굳은 콘크리트는 현대에서 가장 많이 사용되는 건설 재료이며, 그 구성 재료인 시멘트와 골재의 공학적 특성과 배합비율 및 양생방법에 따라 그 성상이 매우 복잡하고 다양하다. 콘크리트는 많은 장단점을 함께 가진 재료이다. 가장 큰 장점은 내구성과 압축 강도가 크다는 것이다. 그러나 큰 압축 강도에 비해 인장 강도가 매우 작다는 단점을 갖고 있는데, 인장 강도를 보완하는 방법에 따라 철근 콘크리트, 프리스트레스트 콘크리트 또는 피에스 콘크리트 등으로 분류할 수 있다.

역사

1300년 이전까지는 시멘트의 품질 향상은 없었으며, 1300년대 초에 들어서야 포졸란에 대한 연구가 시작되었고, 18세기에 시멘트에 대한 연구가 활발해졌다. 1756년 영국의 토목기술자 존 스미턴은 보통의 석회 모르타르는 물에 대한 저항성이 떨어지는 사실을 알고 석회와 포졸란을 혼합하여 다양한 실험을 수행하였다. 그 결과 점토를 많이 함유한 석회가 모르타르로 사용하기에 최적이라는 사실을 알아냈는데 이것이 수경성 석회의 시초이다. 후 시멘트에 대한 연구는 활발하게 진행되었다. 1796년 영국의 제임스 파커는 점토를 함유한 석회암을 소성하여 재조한 수경성 시멘트로 특허를 얻었으며, 1824년 영국의 조지프 애스프딘이 포틀랜드 시멘트로 특허를 얻었다. 포틀랜드 시멘트는 포틀랜드 선에서 생산된 석회암을 사용한 데서 유래되었다. 오늘날 사용하는 보통 시멘트의 정확한 명칭은 보통 포틀랜드 시멘트이다. 이와 더불어 모르타르의 품질 향상을 위한 혼화 재료에 대한 연구도 진행되었으며 오늘날에는 다양한 목적의 혼화재가 존재한다. 19세기 초에 시멘트의 품질이 획기적으로 향상되면서 시멘트와 골재를 혼합한 콘크리트가 사용되기 시작했으며, 1850년 조지프 루이스 램보트는 4개의 원형 철근을 사용한 구조물을 제작하였다. 독일에서는 1886년 콘크리트 구조물의 설계 이론을 주장했으며, 1906년에는 평판 슬래브가 개발되었다. 또한 1910년에는 미국, 독일, 영국에 콘크리트 관련 협회가 발족하였으며, 1920년까지 건물, 교량 등 철근 콘크리트를 이용한 구조물이 많이 건설되었다. 이후 철근 콘크리트 및 PS 콘크리트의 해석, 설게 및 시공에 대한 이론과 기술은 급격한 발전을 이루었다. 1938년 소련에서 극한 강도 이론이 도입되었으며, 1956년 영국과 미국에서는 극한 강도 이론을 『설계 시방서』에 수록하였다. 새로운 혼화 재료의 발달과 인장 재료의 결합으로 콘크리트공학은 급속한 발전을 이루었으며, 140Mpa 정도의 강도를 지닌 콘크리트와 2100Mpa을 넘는 프리스트레싱 강재도 사용할 수 있게 되었다.

종류

경량 골재 콘크리트

S F 2534의 규정을 따르고, 굵은 골재의 최대치수는 15mm 또는 20mm KS F 2511에 따른 씻기 시험에 의한 손실양은 10%이하이다. 슬럼프는 일반적인 경우 50~180mm가 표준 공기량은 보통골재를 사용한 경우보다 1% 크게 한다.

혼화재료

혼화재료라는 것은 굳지 않은 콘크리트나 굳은 콘크리트의 물성을 개선하기 위해 콘크리트 제조 시에 시멘트, 물, 골재 이외에 추가로 집어넣는 재료를 말한다. 혼화재료는 크게 두 가지로 분류할 수가 있는데, 그 자체의 용적이 콘크리트의 배합 계산에 관계하는 것을 혼화재라 하고, 용적이 배합 계산상 무시 가능한 것을 혼화제라 한다. 이들의 혼화재료는 콘크리트에 소요의 품질을 부여 하는 것, 콘크리트를 경제적으로 만드는 것을 중요한 목적으로 하여 사용한다. 워커빌리티의 개선, 동결에 대한 저항성의 개선, 균열의 개선, 응결의 지연, 촉진 등 각각 사용 목적에 맞는 혼화재료가 시판되고 있다. 혼화재료는 종류도 많고, 명칭도 많으므로 메이커 등의 카탈로그를 참고로 해서 목적에 맞는 혼화재료를 선정해야 합니다. 또 사용에 있어서도 정해진 사용량을 지키는 것이 중요하다. 잘못하여 규정량 이상 넣으면 콘크리트의 물성을 해치고 경우에 따라서는 콘크리트가 굳지 않는 것도 있으므로 주의해야 한다.

혼 화 제

• 콘크리트의 워커빌리티, 동결융해 저항성의 개선 - AE제, 감수제
• 응결 및 경화 시간의 조정 - 지연제, 촉진제, 급결제
• 기 타 - 그라우트용 혼화제, 방수제, 방청제 등

혼 합 재

• 균열의 감소 - 팽창재
• 워커빌리티의 개선, 수밀성의 개선, 수화발열의 감소, 내구성 향상 - 플라이애쉬, 고로슬래그 미분말, 석회석 미분말 등

콘크리트의 양생

콘크리트의 양생이란 콘크리트를 믹싱하고 나서 경화하기 까지의 사이에 적당한 온도와 습기(수분)를 주어 충분히 경화력을 발휘 할 수 있도록 하거나, 콘크리트의 강도가 충분히 크게 되기까지 과도한 충격이나 하중을 주지 않도록 하거나 또는 풍우, 서리, 햇빛 등에 대해서 콘크리트의 노출 면을보호하는 것을 말한다.

보통양생

콘크리트의 강도부족, 건조수축에 의한 균열의 방지, 동결방지 등의 목적으로 특별히 온도를 올리는 것같은 것은 하지 않고 틀에 다져 넣은 후 1주간 정도 물을 뿌리기도 하고 젖은가마니, 톱밥 등으로 덮어서 콘크리트가 표면건조하지 않도록 하는 방법으로 현장에서 타설하는 콘크리트의 양생은 거의 이 방법이다. 단, 한랭지에서 한중에 공사할 경우 건조물을 시트 등으로 덮고 콘크리트를 따뜻하게 하는 경우가 있는데 이것도 넓은 의미의 보통양생이라 할 수 있다.

증기양생

콘크리트를 믹싱하고 나서 수시간 후에 증기로 콘크리트에 온도와 수분을 주어 일찍 강도를 내는 방법으로 도로용의 콘크리트 제품이나, 프리캐스트 제품 등은 이 방법으로 양생시키는 경우가 많다.

오토클레이브 양생

증기양생이 끝난 콘크리트를 오토클레이브라고 하는 특수한 양생가마에 넣고 180℃10기압 정도의 고온·고압의 증기로 행하는 방법으로 이에 의해 800~ 1,800kgf/cm2 정도의 압축강도를 갖는 콘크리트를 얻을 수 있는데 통상의 콘크리트 재료 외에 규석 등의 실리카질 분말을 혼합하는 것이 포인트이다. 이 방법으로 만들어지는 제품에는 고강도 파일 등이 있다.

계절별 콘크리트 공사

여름철 콘크리트 공사

여름철같이 기온이 높을 때에는 콘크리트 온도가 높아져 시멘트와 물의 반응이 급격히 진행되고, 표면에서의 수분의 증발도 많아져서 콘크리트는 물을 많이 가지고 싶어한다. 하지만 물이 많으면 콘크리트에 있어서 모든 면에 좋지 않다. 또한 시공할 때 콘크리트가 유동성을 빨리 잃기 때문에 충분히 구조물의 구석까지 흘러들어 가기 어렵다.

• 콘크리트의 온도를 되도록 낮게 할 필요가 있다. 그러기 위해서는 콘크리트 중의 70~80%를 차지하는 골재를 직사광선으로부터 피하고 물을 뿌려서 식히도록 한다. 배합수는 되도록 저온도의 것을 사용하고 또한 시멘트도 되도록 저온의 것을 사용하는 등의 배려가 필요하다. 골재의 온도를 10℃변화시키면 콘크리트의 온도는 약 6.5℃, 시멘트의 온도를 10℃변화시키면 콘크리트의 온도는 약 1℃, 물의 온도를 10℃변화시키면 콘크리트의 온도는 약 2.5℃변화한다.

• 시공시에는 콘크리트를 타설하기에 앞서 지반, 기초 등 콘크리트로부터 물을 흡수할 위험이 있는부분을 충분히 적시고 되도록 빨리 넣는다. 콘크리트의 온도가 높아지지 않도록 타설시간을 선택하거나 여러 방법을 생각한다.

• 시공후에는 콘크리트의 표면으로부터 수분이 되도록 증발하지 않도록 하고 직사광선을 피하고, 바람막이를 설치해서 콘크리트를 보호한다. 또 물을 뿌려 충분히 습윤양생을 한다. 콘크리트에 물이 너무 많으면 강도부족이 되기도 하고, 충분한 양생을 행하지 않으면 균열이 발생하기도 하므로 주의해야 한다.

겨울철 콘크리트 공사

시멘트는 온도가 낮으면 강도발현이 늦어져 당연히 콘크리트 경화속도도 늦어진다. 그러나 경화가 늦어진다고 결코 강도가 약한 콘크리트가 되는 것은 아니다. 같은 콘크리트를 만들어 양생온도를 여러 가지로 바꾸어 강도발현 시험을 한 결과 4주 정도까지는 온도가 높은 콘크리트의 강도가 높다. 그러나 3개월 이상 되면 온도가 낮은 경우일지라도 강도 발현에는 그다지 문제가 없다. 이렇게 장기적 강도는 초기의 콘크리트 온도가 낮은 쪽이 오히려 높게 나오는 경향이 있는데 겨울과 같이 기온이 낮을 때는 콘크리트가 경화되기 까지의 시간이 길어지고 경화되고 나서의 강도증진도 약하므로 초기에 콘크리트가 얼 염려가 있다. 보통 콘크리트는 -0.5~-2℃이하가 되면 언다. 콘크리트가 초기에 얼면 경화력을 잃어 강도도 나오지 않으므로 겨울철 공사에서는 콘크리트가 얼지 않도록 해야 한다. 일반적으로 1일 평균기온 4℃이하가 되는 시간에 타설하는 콘크리트를 한중 콘크리트라 한다. 콘크리트의 시공에서는 사용하는 물, 모래, 자갈 등의 온도를 높게해서 믹싱하기도 하고 물/시멘트 비를 적게해서 콘크리트의 강도가 될 수 있는한 빨리 발현되도록 하기도 하며, 또 타설한 콘크리트에 전기라든지 그 외의 방법으로 가열, 보온하기도 하여 콘크리트를 얼지 않도록 연구를 하고 있다. 단, 시멘트를 가열해서는 안된다.

콘크리트 균열

침하 균열

• 콘크리트는 크기와 비중이 다른 재료의 혼합물이기 때문에 형틀에 타설 직후부터 분리현상이 일어나 콘크리트 전체로서는 침하현상이 생긴다.
• 이때 철근이나 큰 골재 등과 같은 침하를 방해하는 물질이 있으면 콘크리트의 표면에 전단력이 작용하여 균열이 발생한다.
• 이런 종류의 균열은 표면부에 가까운 비교적 얕은 것으로 타설 후 수시간 사이에 철근 위나 연속적으로 타설한 벽, 기둥, 대들보, 슬라브의 이음새 등에 발생한다.
• 이러한 균열은 균열 발생 후 적당한 시기에 Tapping, 흙손질 등을 행하여 대개 없앨 수가 있다.

초기 건조수축 균열

• 콘크리트를 타설한 후 그 표면으로부터 물의 증발량이 Bleeding 양보다 많게 되면 콘크리트 표면이 건조되어 표면에 인장응력이 작용하는데 이 인장응력이 콘크리트의 인장보다 크면 균열이 발생합니다. 이러한 균열을 초기 건조수축 균열(Plastic 건조균열)이라고 한다.
• 또한 이러한 종류의 균열은 한 여름 통풍이 잘 되는 곳에서 콘크리트를 타설하는 경우에 매우 발생하기 쉬우므로 여름철이나 바람이 강하게 불 때는 흙손마무리 후 충분한 양생을 하는 등에 의해 균열을 적게 하도록 신경을 써야 한다.

건조 수축에 의한 균열

• 통상 콘크리트는 형틀에 타설할 때 시공하기 쉬움을 고려하여 시멘트의 수화에 필요한 물량 이상을 사용하고 있기 때문에 시간 경과에 따라 콘크리트 중의 물이 증발하여 콘크리트 체적이 감소한다. 이 현상을 건조수축이라고 부르며 수축량은 통상 5.0~8.0Ｘ10-4 (1m에 대해 0.5 ~ 0.8mm) 정도라고 할 수 있다.
• 이러한 수축을 일으켜도 콘크리트가 한결 같이 오므라든다면 균열이 생기지 않겠지만 통상 구조물에서는 지하 부분이나 기둥, 대들보, 등에 비해 벽이나 바닥 콘크리트는 단면적이 작고 표면적이 크므로 건조속도가 빠르기 때문에 벽이나 바닥에 균열이 쉽게 생긴다. 이 균열을 막기 위해서는 건조수축량을 적게 하면 되므로 콘크리트 중의 물과 시멘트 량을 가능한한 적게 하거나 팽창재를 사용하는 것이 효과적이라고 할 수 있다.

온도변화에 따른 균열

• 콘크리트는 온도변화에 의해서도 신장·수축하여 온도가 1℃오름에 따라 10Ｘ10-6 늘고, 온도가 1내림에 따라 줄어든다. 이것을 년간을 통하여 생각할 때 하기 온도를 30℃, 동기 온도를 0℃로 가정하면 10Ｘ10-6Ｘ30 = 3Ｘ10-4로 되어 1m에 대해 0.3mm 신장·수축하는 것이 되며 이 신장·수축 반복과 전항에서 기술한 건조수축 현상을 조합하여 균열이 생기는 경우가 있다.

콘크리트 백화현상

콘크리트 표면, 콘크리트 블록 표면에 흰 것이 나오는 일이 있는데, 이것을 백화라고 한다. 이 백화 성분을 조사하여 보면 황산나트륨 또는 탄산칼슘이 대부분이며 시멘트 중 이들 성분이 콘크리트(몰탈) 중의 수분과 함께 콘크리트 표면으로 이동하여 수분이 대기중으로 증발한 후 단독 또는 혼합물 상태로 표면에 남아서 하얀 꽃 백화가 생긴다고 말할 수 있다. 이 현상은 시멘트의 수화반응이 늦어지는 동기공사에 많이 발생한다. 또한 하절기와 같이 물이 잘 증발하는 시기에 발생하기 어려운 것은 모세관 공극 내부로부터 수분이 증발하고 상기 성분이 내부에 고착하고 표면부에 발생하지 않기 때문이다. 다시말하면 백화를 해결하는 근본적인 방법은 없으나 충분히 다지고 탈형 시간을 가능한 늦추거나 충분히 경화될 때까지 물과 접하지 않도록 하는 등으로 어느 정도 막을 수 있다.