콘크리트 배합설계와 강도 시험방법

콘크리트는 시멘트와 자갈, 모래, 그리고 물을 섞어 만든 것으로 건축 구조에 가장 핵심적인 재료입니다. 콘크리트의 주재료인 시멘트가 물과 반응하여 굳어지는 수화반응을 이용한 재료로써 압축강도가 크고 내구성이 좋아 오늘날 대부분의 건축물에서 콘크리트가 사용되고 있음을 확인할 수 있습니다. 이렇게 건설 현장에서 절대적으로 중요한 재료로 사용되는 콘크리트의 배합설계 방법과 강도 검사 방법에 대해 알아보겠습니다.

 

 

콘크리트 배합설계

콘크리트 배합설계는 강도와 내구성을 확보하고, 경제적으로 배합하여 경제성을 추구하며 시공성과 균질성, 수밀성을 확보하는 데 목적을 둡니다.

 

표준 배합설계 순서는 다음과 같이 총 9개로 구분할 수 있습니다: 1. 설계 기준강도 결정 2. 배합 강도 결정 3. 시멘트 강도 결정 4. 물/시멘트비(W/C비) 결정 5. 슬럼프값 결정 6. 굵은 골재 최대 치수 결정 7. 잔골재 율 결정 8. 단위 수량 결정 9. 배합

 

1. 표준 배합설계 시 가장 먼저 이루어져야 하는 것은 설계기준강도를 결정하는 것입니다. 콘크리트의 28일 압축 강도를 원칙으로 하여, 설계기준강도는 15~30MPa로 합니다. 이때 28일 압축강도는 3일과 7일 압축강도에서 추정이 가능하며, 매스콘크리트와 같이 장기 강도가 높은 저 발열 시멘트를 사용하는 경우 91일 압축강도로 사용해도 됩니다.

 

2. 설계기준강도를 설정한 후에는 배합 강도를 결정해야 합니다. 구조체 콘크리트의 강도 관리 재령은 91일 이내로 하며, 공사 시방서를 따라야 합니다. 다만, 공사 시방서에 정해진 바가 없을 경우 28일로 합니다. 공시체의 양생 방법 역시 공사시방서를 따르는데, 공사시방서에 정해진 기준이 없는 경우에는 강도 관리 재령이 28일인 경우 표준 양생이나 현장 수중 양생으로 하고, 강도 관리 재령이 28일을 넘는 경우 현장 봉함 양생으로 합니다. 콘크리트의 압축강도 표준편차는 실제 사용한 콘크리트를 30회 이상 시험하여 나온 결과로부터 결정하는 것이 원칙입니다. 하지만 압축강도의 시험 횟수가 15회 이상이고 29회 이하인 경우, 표준편차에 별도 보정계수를 곱하여 사용할 수 있습니다.

 

3. 시멘트 강도란 시멘트 시험(KSL 5105)을 통하여 결정한 시멘트의 28일 압축강도를 의미합니다. 이때 시멘트 강도의 최대치는 조강 포틀랜드 시멘트 > 보통 시멘트 > 고로 > 실리카 순으로 큽니다.

 

4. 물/시멘트비 강도와 내구성, 수밀성과 균열 저항성 등을 고려하여 정해야 합니다. 물/시멘트비 커지면 강도가 저하되며 내구성과 수밀성, 균열 저항이 떨어지므로, 시멘트의 종류에 따라 그 최댓값이 다르긴 하지만 일반적으로 60%에서 65% 이하로 결정합니다.

 

5. 슬럼프의 표준값은 일반적인 경우 철근 콘크리트는 80~180, 무근 콘크리트는 50~180이며, 단면이 큰 경우 철근 콘크리트는 60~150, 무근 콘크리트는 50~150입니다. 다만, 이 슬럼프값은 구조물의 종류에 따른 슬럼프의 범위를 나타낸 것이라 실제 각종 공사에서 슬럼프값을 정하려고 할 때는 구조물의 종류, 부재 형상 및 치수, 배근 상태에 따라 알맞은 값으로 정하되 충분히 다질 수 있고 충전이 좋은 범위 내에서 되도록 작은 값으로 정해야 합니다. 또한 콘크리트를 운반할 시간이 길거나 기온이 높은 경우에는 슬럼프의 강도가 크게 저하하므로 운반 중의 슬럼프값 저하를 고려하여 배합을 정해야 합니다.

 

6~8. 굵은 골재 최대 치수와 잔골재 율, 단위 수량을 결정할 때는 다음과 같은 성질을 고려합니다. 1) 같은 물/시멘트비와 동일한 슬럼프값일 경우 골재 입경과 시멘트의 사용량은 반비례의 관계가 있으며, 모래 사용량과 자갈 사용량 역시 서로 반비례한다. 2) 같은 슬럼프값일 경우 물/시멘트비가 적을수록 시멘트의 사용량이 많아진다. 3) 감수제를 사용해 물/시멘트비를 줄이면 시멘트량을 절약할 수 있다. 4) 물/시멘트비가 60% 이하인 경우 동일 슬럼프에서는 물/시멘트비와 관계없이 자갈 사용량이 같다. 6) 슬럼프값이 15 cm 이상에서 물/시멘트비가 같을 경우, 슬럼프가 커질수록 모래 사용량도 많아진다. 7) 잔골재 율(잔골재 체적/전체 골재 체적*100)이 커지면 단위 수량과 단위 시멘트량이 증가한다. 8) 잔골재 율은 사용하는 단위 시멘트량, 콘크리트 공기량, 잔골재 입도, 혼화 재료 종류 등에 따라 다르므로 시험에 의해 정해야 한다.

 

9. 1번에서 8번의 순서로 모든 것을 정한 후 그 기준에 맞게 콘크리트를 배합하여 사용한다.

 

 

 

시험법

콘크리트의 강도 추정을 위한 비파괴 시험법은 주로 6가지 중 하나를 사용합니다. 첫 번째로는 슈미트해머 법(Schmidt hammer)이라고 불리는 반발 법입니다. 이 방법은 콘크리트 표면을 타격하여 얼마나 반발하는지 그 정도를 통해 강도를 추정하는 것입니다. 시험장치가 편리하고 간단하다는 장점으로 인해 많아 사용됩니다. 두 번째로는 물체 간 고유 진동 주기를 이용해 동적 측정치로 강도를 측정하는 공진 법이 있습니다. 세 번째로는 음파의 속도에 의해 강도를 측정하는 음속법입니다. 음속법 역시 반발 법만큼 자주 사용됩니다. 네 번째는 복합 법입니다. 복합 법은 반발 법과 음속법을 병행해서 강도를 추정하는데, 가장 정확한 비파괴 시험법이라는 장점이 있습니다. 다섯 번째로는 인발 법이 있습니다. 인발 법이란 콘크리트에 묻힌 볼트나 강판 중에서 강도를 측정하는 방법입니다. 마지막으로는 시험하고자 하는 콘크리트 부분을 코어 드릴을 이용해 채취하여 시험하는 코어 채취법이 있습니다. 이 여섯 가지가 가장 주로 사용되는 시험법이며, 이 외에도 철근 탐사법, 방사선 투과 법, 관입 법, 탄성파 법 등 여러 방법이 있습니다. 여러 시험법 중 현장 여건에 맞춰 시험 방법을 정하고 콘크리트의 강도를 추정합니다.