콘크리트의 구성 재료에 대해 알아보자

콘크리트는 골재를 시멘트 풀로 붙여서 경화시킨 것으로 골재, 시멘트, 물을 기본 재료로 하며 경우에 따라서는 혼화재료를 사용하기도 합니다. 콘크리트 구성 재료의 종류와 품질 조건에 대한 내용은 아래와 같습니다.

 

 

1. 골재

골재는 작은 돌로써, 강에서 취득한 모래나 자갈, 석산에서 쇄석으로 취득한 부순 모래나 부순 자갈을 사용합니다. 이 중에서 모래와 같이 작은 크기의 골재를 잔골재라고 하고, 자갈과 같이 상대적으로 큰 크기의 골재를 굵은 골재라고 합니다. 콘크리트 표준시방서는 5mm체를 통과하고 0.08mm체에 남은 골재를 잔골재, 5mm체에 남는 골재를 굵은 골재로 정의하고 있습니다.

 

 

골재는 강하고 단단해야 하며, 시멘트 풀과의 부착이 잘 되는 것일수록 좋습니다. 콘크리트에서 골재가 차지하는 부피는 경화한 콘크리트 체적의 70~75% 정도이며, 골재가 치밀하게 잘 채워질수록 콘크리트의 강도와 내구성이 좋아집니다. 골재가 치밀하게 채워진다는 것은 다양한 크기의 골재가 골고루 섞여서 빈틈이 최소로 되는 경우를 말하는 것으로서, 정량적으로는 공재의 입도를 나타냅니다. 콘크리트의 품질에 영향을 미치는 요인 중의 하나는 골재의 최대치수로서, 골재의 최대치수가 클수록 작업성과 유동성을 얻기 위한 단위수량은 적어지고 시멘트의 양도 절약이 됩니다. 그러나 골재가 클수록 체적에 대한 표면적의 비율이 작아지므로, 시멘트 풀과의 부착성능이 낮아집니다. 다라서 콘크리트의 강도를 높이기 위해서는 작은 치수의 골재를 사용하는 것이 유리합니다. 프리스트레스 콘크리트에서는 상대적으로 높은 강도의 콘크리트가 필요하며, 긴장재나 쉬스, 또는 철근 사이에 콘크리트가 충분히 채워져야 하므로, 굵은 골재의 최대치수로 25mm를 표준으로 하는 것이 일반적입니다.

 

2. 시멘트와 물

시멘트는 석회, 실리카, 산화알루미늄, 산화철 등을 함유한 원료를 혼합하여 소결한 클링커에 석고를 가하여 분말로 만든 것으로서 물과 화학적으로 반응하는 수화작용으로 응결하고 경화하여, 골재들을 단단하게 결합시키는 점착성과 응집성을 가진 재료입니다. 이러한 수경성 시멘트는 포틀랜드 시멘트 혼합시멘트, 특수시멘트로 구분됩니다.

 

 

19세기 영국에서 처음 개발된 포틀랜드 시멘트는 경화한 시멘트의 색깔이 당시 건축재료로 사용하던 포틀랜드산 천연석과 유사했기 때문에 붙여진 이름이라고 합니다. 보통 포틀랜드 시멘트(1종), 중용열 포틀랜드 시멘트(2종), 조강 포틀랜드 시멘트(3종), 저열 포틀랜드 시멘트(4종), 내황산염 포틀랜드 시멘트(5종)의 다섯 가지 종류가 있습니다. 보통 포틀랜드 시멘트를 사용한 콘크리트는 타설 후 14일 정도가 지나면 자중이나 고정하중을 지지할 수 있는 강도에 도달하여, 일반적인 용도에 가장 많이 사용됩니다. 중용열 포틀랜드 시멘트는 수화열과 수축이 적고 투수 저항성과 화학 저항성이 커서, 매스 콘크리트나 도로 포장용 콘크리트에 많이 사용됩니다. 조강 포틀랜드 시멘트는 1일 강도와 3일 강도가 보통 콘크리트의 3일 강도와 28일 강도와 각각 유사할 정도로 초기강도가 높은 시멘트로서 긴급공사나 공기단축용으로 많이 사용되며, 프리스트레싱을 일찍 할 필요가 있는 경우에 유용하게 사용될 수 있습니다. 그러나 조강 포틀랜드 시멘트는 과도한 수화열이 발생하여 콘크리트의 수축균열을 유발할 수 있으므로, 시멘트의 양이 과도하게 많은 부배합이 되지 않도록 주의해야 합니다. 저열 포틀랜드 시멘트는 벨라이트 시멘트라고도 부르며 수화열이 상당히 낮은 시멘트로서 내구성와 유동성이 우수하고 장기강도가 높습니다. 그러나 보통 포틀랜드 시멘트에 비하여 초기강도고 낮은 단점이 있습니다. 내황산염 포틀랜드 시멘트는 황산염에 대한 저항성능이 우수한 시멘트로서 콘크리트가 황산염이 포함된 지하수나 지반에 접하는 경우 시멘트 화합물에서 C3A가 황산염과 반응하여 콘크리트가 팽창하고 궁극적으로 파괴되는데, 이를 방지하기 위한 용도로 사용됩니다.

 

혼합 시멘트는 포틀랜드 시멘트의 혼합 물질을 섞은 시멘트를 말합니다. 혼합 물질로는 고로슬래그, 포졸란, 플라이 애쉬 등을 사용하며, 이들을 혼합한 각각을 고로슬래그 시멘트, 포졸란 시멘트, 플라이 애쉬 시멘트라고 부릅니다. 혼합시멘트의 특성은 이 혼합 물질들을 혼화재로 첨가하는 경우와 동일합니다.

시멘트는 콘크리트의 강도를 결정하는 중요한 역할을 합니다. 일반적으로 시멘트 풀의 강도는 골재의 강도보다 낮기 때문에 콘크리트의 강도를 높이기 위해서는 시멘트 풀의 강도를 높여야 합니다. 시멘트 풀의 강도를 높이기 위해서는 시멘트의 양을 증가시키거나 물의 양을 감소시켜야 합니다. 그러나 단위 시멘트량이 증가하면 수화열이 증가하고 수축과 크리프 또한 증가하여 바람직하지는 않습니다. 따라서 목표로 하는 압축강도를 얻는 범위에서 단위 시멘트량을 최소로 하는 것이 바람직합니다. 단위 시멘트량은 목표로 하는 압축강도, 시멘트의 성질, 골재의 입도, 혼화재료의 유무와 종류, 슬럼프 등에 따라 달라지는 것이지만, 설계기준압축강도가 40MPa인 콘크리트의 단위 시멘트량은 보통 포틀랜드 시멘트를 기준으로 할 때 보통 370~430kg/m3의 범위입니다.

 

 

콘크리트에 사용하는 물은 사람이 마실 수 있을 정도로 깨끗한 것으로서, 콘크리트에 해로운 양 이상의 기름, 산, 염류, 유기물 등이 포함되지 않아야 합니다. 시멘트가 완전히 수화하는 데 필요한 물의 양은 시멘트 중량의 25%정도입니다. 그러나 물이 시멘트 입자에 도달하기 위해서는 시멘트 풀 속의 물이 유동성을 가져야 하기 때문에 10~15% 정도의 물이 더 요구됩니다. 따라서 시멘트의 수화작용에 필요한 최소한의 물-시멘트비는 일반적으로 35~40%입니다. 실제의 콘크리트 배합에서는 소요의 유동성을 얻기 위하여 더 큰 물-시멘트비가 사용되는데, 물-시멘트비가 증가하면 강도가 낮아지게 됩니다. 따라서 콘크리트가 높은 강도를 발현할 수 있으려면 물의 양을 줄여서 시멘트 풀의 강도를 높여야 합니다. 그러나 물의 양을 줄이면 유동성이 좋지 않게 되어 콘크리트의 타설 작업이 어려워집니다. 이러한 경우에는 물의 양을 증가시키지 않고 유동성이 좋아지도록 혼화재료를 사용합니다. 무기물의 혼화재를 사용하는 경우에는 시멘트와 혼화재를 합하여 결합재라고 하는데, 물-시멘트비 대신 물-결합재비를 사용합니다. 즉, 물-결합재비는 시멘트의 양과 혼화재의 양을 합한 결합재의 양과 물의 양을 비율로 나타낸 것입니다.