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콘크리트 배합설계
콘크리트의 배합이란 콘크리트를 구성하기 위한 각 재료의 비율 즉 시멘트, 골재, 물 등의 사용량(혼합비율)을 말하며 배합설계(design of mix proportion)란 필요로 하는 강도, 내구성, 슬럼프, 단위중량, 수밀성 및 작업성이 적합한 콘크리트를 가장 경제적으로 얻을 수 있도록 각 재료의 비율을 정하는 것을 말한다.
콘크리트와 같이 그 적용대상에 필요한 강도, 내구성을 갖추며, 균일한 것을 요구하는 재료이면서 건설현장에서 직접 콘크리트 부재로서 제조되는 생산과정을 가진 재료는 다른 공업생산분야에서는 거의 볼 수 없다. 또한 경량골재를 이용한 콘크리트, 깬자갈을 이용한 콘크리트, AE 콘크리트 등은 사용재료에 따라 배합설계 방법도 각각 달라진다. 이와 같은 특수한 사정을 충분히 인식하고 콘크리트의 배합설계, 제조, 시공의 각 과정에서 합리적 또 가장 경제적인 방법이 채택되도록 충분히 배려하지 않으면 안된다.
콘크리트의 배합설계의 순서의 개략은 대략 다음과 같다. 우선 목표로 하는 품질항목 및 목표값을 설정하고 계획배합의 조건과 재료를 선정하고 자료 또는 시험에 의해 내구성, 수밀성등의 요구성능을 고려하여 물시멘트비를 정하고 단위수량, 잔골재율과 슬럼프의 관계 등에 의해 단위수량, 단위시멘트량, 단위잔골재량, 단위굵은골재량, 혼화재료량 등을 순차적으로 산적한다. 이렇게 해서 구한 배합을 사용해서 시험비비기를 실시하고 그 결과를 참고로 하여 각 재료의 단위량을 보정하여 최종적인 배합을 결정한다.
이제부터 배합설계의 일반적인 순서에 따른 그 세부사항을 알아보겠다.
1) 설계기준강도의 산정
21℃의 물 속에서 양생(養生)한 콘크리트의 재령(材齡) 28일에서의 압축강도로 표시하며, 구조물에 따라 다르나 1cm3당 150~300kg의 것이 많다. 포장(
2) 배합강도의 산정
배합강도 F(㎏f/㎠)는 설계기준강도 Fc(㎏f/㎠) 및 콘크리트 강도의 표준편차 б(㎏f/㎠)를 고려하여 할증한 강도이다.
a. 콘크리트 품질이 고급인 경우의 배합강도
ㄱ. 배합강도를 결정하는 조건
콘크리트의 배합강도 F는 아래의 식을 만족하도록 결정한다.
F ≥ Fc + T + 1.64б(㎏f/㎠)
F ≥ 0.8(Fc + T) + 3б(㎏f/㎠)
위 식에서 б의 계수를 1.64로 한 이유는 이 식으로 정해지게 되는 배합강도를 채용하는 경우에는 콘크리트강도의 불량률이 5% 이하로 된다는 것이다. 두 번째 식에서는 설계기준강도 혹은 지정강도의 80% 미만의 강도를 갖는 콘크리트가 전체의 1/1741, 즉 0.135% 이하가 되도록 정한다는 의미를 내포하고 있다.
지정강도란, 레디믹스트 콘크리트의 설계기준강도에 있어서 콘크리트를 타설한 후로부터 재령 28일 까지의 기간중의 예상평균기온에 의한 콘크리트 강도의 보정치를 더한 것으로 (Fc +T)가 된다.
ㄴ. 콘크리트 강도의 표준편차 б
레디믹스트 콘크리트의 경우 실제로 사용하는 콘크리트와 거의 동일재료를 사용하고 동시에 설계기준강도(또는 지정강도)와 슬럼프가 거의 동일한 콘크리트의 해당공장에 있어서의 표준편차를 б값으로 한다. 그리고 공사현장 비빔콘크리트의 경우 공사 초기에 그 공사현장에서의 б값을 알 수 없는 경우에는 25㎏f/㎠를 사용하고, 그 현장에서 б의 추정치가 구해진 경우에는 그 값을 사용한다.
ㄷ. 예상평균기온에 대한 보정치 T
정식으로는 그 예상평균기온으로 양생을 한 경우와 표준수중양생으로 양생한 경우의 압축강도의 차이를 기본으로 보정치를 결정해야 하지만 일반적인 경우에는 신뢰할 수 있는 자료에 의해 결정한다.
b. 콘크리트의 품질이 보통인 경우의 배합강도
ㄱ. 배합강도를 결정하는 조건
콘크리트 배합강도 F는 아래의 식을 만족하도록 결정한다.
F ≥ Fc + T + б(㎏f/㎠)
F ≥ 0.7(Fc + T) + 3б(㎏f/㎠)
설계기준강도 혹은 지정강도보다 낮아지는 비율이 1/6 이상되어서는 안 된다는 조건식이며, 이 식에서의 불량률은 약 16% 이하가 된다. 설계기준강도 혹은 지정강도의 70% 미만의 강도가 나타날 확률이 0.135%라는 의미이다.
ㄴ. 콘크리트 강도의 표준편차 б
레디믹스트 콘크리트공장에서 제조하는 경우에는 콘크리트의 품질이 고급의 경우와 같으나 공사현장 비빔 콘크리트의 경우 공사초기에 그 현장에 있어서의 б가 알 수 없는 경우에는 35㎏f/㎠를 사용하고, 그 현장에서의 б의 추정치가 구해진 경우에는 그 값을 사용한다.
ㄷ. 예상평균기온에 의한 보정치 T
현장비빔콘크리트의 경우 보정치 T는 0, 30, 45, 60㎏f/㎡중에서 각 시멘트 종류와 예상평균기온에 따라 선정한다.
3) 굵은골재 최대치수의 선정
구조물의 종류 부재의 최소치수, 철근간격 등을 고려해서 작업에 적합한 워커빌리티가 얻어지고 강도, 내구성, 수밀성 등에 지장이 없는 범위 내에서 굵은골재의 최대치수를 선정한다.
a. 무근 콘크리트 – 100mm이하
b. 철근콘크리트 – 25~40mm이하
c. 포장용 콘크리트 – 40mm이하
d. 댐 콘크리트 – 150mm이하
e. 인공경량골재 콘크리트 – 15~20mm
4) 컨시스텐시(consistency)의 선정
콘크리트의 컨시스텐시는 일반적으로 ‘주로 수량에 의해서 좌우되는 굳지 않은 시멘트 페이스트, 모르터, 콘크리트의 유동성의 정도’를 나타내는 성질을 말한다. 컨시스턴시가 큰 콘크리트는 유동성이 큰 콘크리트를 의미하며, 특히 사용되는 단위수량의 영향을 크게 받는 것이 특징이다. 컨시스턴시의 크기는 보통 슬럼프시험에 의해서 측정되는 슬럼프값으로 표시되는 것이 일반적이다. 슬럼프시험은 슬럼프 콘에 콘크리트를 채우고 콘을 들어올린 후 침하하는 높이(슬럼프값)를 측정하는 것이다. 보통의 콘크리트 공사에서 슬럼프값은 8~20cm 정도가 사용된다. 그리고 컨시스텐시는 진동기 등의 작업기계나 작업방법에 적합한 범위 내에서 가능한 작게 정한다. 컨시스텐시를 슬럼프의 표준범위로 알아보면 다음과 같다.
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구조물의 종류 |
슬 럼 프 (c m) |
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무근 콘크리트 철근 콘크리트 – 일반의 경우 단면이 큰 경우 포장용 콘크리트 댐 콘크리트 인공경량골재 – 철근 콘크리트 콘크리트 프리스트레스트 콘크리트 보 |
2.5 ~ 8 5 ~ 12 2.5~10 2.5이하 3 ~ 5 5 ~12 3 ~ 6 |
5) 공기량의 산정
콘크리트의 소요 공기량의 범위는 굵은골재 최대치수에 따라 다르고 치수가 클수록 공기량은 작게하는데 건축공사 표준시방서에는 소요 공기량의 범위를 3 ~ 6%로 하며, AE제 또는 AE감수제를 사용할 때는 특기시방이나 담당원의 지시에 따르게 되어 있다. 기타 표면 활성제를 사용할 경우의 소요 공기량은 6% 이하로 하며, 경량콘크리트에서는 표면 활성제를 사용하게 되어 있다.
6) 단위수량의 선정
단위수량이 큰 콘크리트는 건조수축, 블리딩 및 타설 후의 침하가 크고, 철근콘크리트의 품질, 특히 내구성에 좋지 않은 결과를 가져온다. 한편, 콘크리트의 운반, 타설 등의 시공을 용이하게 하기 위해서는 슬럼프가 큰, 즉 단위수량이 큰 콘크리트가 요구되기 쉽다. 건축공사 표준시방서에서는 콘크리트의 소요 슬럼프를 콘크리트의 품질에 따라 “고급”일 경우는 18cm 이하로 하고 “보통”일 경우는 21cm 이하로 하도록 되어 있다. 양질의 콘크리트를 제작하기 위해서는 소요의 워커빌리티가 얻어지는 범위내에서 단위수량을 적게 해야 하고 일반적인경우 200㎏f/㎥를 넘지 않는 것이 바람직스럽다. 좋은 품질의 모래, 자갈을 사용할 경우는 슬럼프의 최대치를 제한함으로써 결국 단위수량이 어느 값 이하로 억제되어 슬럼프와 콘크리트의 품질도 일정하게 할 수 있다. 그러나, 최근과 같이 잡석, 잡사 등이 이용될 경우에 슬럼프를 일정하게 하더라도 단위수량이 크게 되는 수가 있고, 유동화제나 고성능감수제를 사용하여 콘크리트의 슬럼프를 자유롭게 할 수 있기 때문에 슬럼프와 콘크리트의 품질에 대한 종래의 생각은 바뀌게 되었다. 따라서 콘크리트의 품질을 확보하기 위해서는 슬럼프의 제한 이외에 단위수량도 고려할 필요가 있다. 특히 건조수축이 작은 콘크리트를 만들어야 하는 경우에는 AE감수제 등을 사용하여 단위수량을 가능한 한 작게 할 필요가 있다.
7)물시멘트비 선정
물/시멘트비는 구조물이 역학적으로 안전하고, 소요의 강도, 내구성 및 수밀성을 갖도록 정하여야 한다. 먼저 배합강도를 만족시킬 수 있는 물/시멘트비를 결정하고 그 값이 내구성과 수밀성을 보장할 수 있는가를 확인하여 결정한다.
압축강도에 의해 물시멘트비를 정하는 경우 : 적당하다고 생각되는 범위 내에서 3종류 이상의 다른 시멘트물비의 콘크리트를 만들고 압축강도실험을 실시하여 28일 압축강도-시멘트물비의 관계를 구한다. 배합에 사용하는 물시멘트비는 ‘압축강도-시멘트물비’ 관계를 사용하여 배합강도에 해당되는 시멘트물비를 구하여 그 역수로 한다. 배합강도는 설계기준강도에 콘크리트 품질의 변동, 구조물의 중요도 등을 고려해서 정해진 증가계수를 곱해서 얻는다.
ㄱ. 물시멘트비와 압축강도의 관계 – 시멘트의 28일 압축강도 K와 관련시켜 보통콘크리트의 물시멘트비와 압축강도와의 관계를 나타내는 식으로 다음 식을 많이 사용한다.
x = 61/(F/K+0.34)
여기서, x : 물시멘트비(%), F : 배합강도(kgf/㎠), K : 시멘트 강도 (kgf/㎠), 다만 370kgf/㎠이하로 한다.
ㄴ. 배합강도와 증가계수 – 콘크리트의 부재를 설계할 때 기준으로 한 압축강도를 설계기준강도라고 하며, 콘크리트의 배합을 정할 때 목표로 하는 압축강도를 배합강도라고 한다. 그리고 이들 강도는 일반적인 경우 재령 28일의 압축강도를 기준으로 한다. 배합강도에 대해서 콘크리트 표준시방서에서는 다음과 같이 규정하고 있다. 즉 “배합강도는 일반적인 경우 현장에서의 압축강도의 시험치가 설계기준강도 이하로 되는일이 1/20이상의 확률로 일어나지 않도록 정해야 한다.”
8) 단위시멘트량과 단위 굵은골재량의 산정
단위시멘트량은 단위수량과 물시멘트비에 의해 계산된다. 콘크리트 표준시방서에서는 수중콘크리트의 경우는 370kg이상, 포장 콘크리트의 경우는 280~340kg, 댐 콘크리트의 경우 내부에서 160kg정도, 외부에서 220kg이상으로 규정하고 있다.
단위시멘트량(㎏f/㎠) = 단위수량 × 100/물시멘트비
그리고 단위굵은 골재량은 윈칙적으로는 단위굵은골재의 겉보기용적의 표준치를 기본으로 하여 결정한다. 단위굵은골재의 겉보기용적이란 타설 직후의 1㎥의 콘크리트에 포함되는 굵은골재의 양을 표준계량용적(㎥/㎥)으로 나타낸 것이다. 표준계량용적은 KS F 2505의 골재의 단위중량 시험방법에 의해서 구한다.
단위굵은골재량(㎏/㎥) = 단위굵은골재 겉보기용적(㎥/㎥)
× 굵은골재 단위용적중량(㎏/㎥)
굵은골재 절대용적(ℓ/㎥) = 단위굵은골재 겉보기용적 (㎥/㎥)
× 굵은골재 실적률(%) × 1000/100
= 단위굵은골재량(㎏/㎥)/굵은골재의 비중(㎏/ℓ)
워커빌리티가 동일한 경우 굵은골재의 최대치수가 커질수록 단위굵은골재 겉보기 용적을 크게 할 수 있다.
9) 잔골재율(S/a) 또는 굵은잔골재비(G/S)
전체골재 용적속에 차지하는 잔골재 용적의 비를 잔골재율 (sand percentage)이라고 부른다. 콘크리트 재료중에서 가장 비싼 것은 시멘트이다. 따라서 콘크리트의 배합설계는 어떤 물시멘트비에 대한 시멘트풀의 최소량으로 작업에 알맞는 워커빌리티를 얻을 수 있도록 굵은잔골재비를 정하는 것이라 해도 좋다.
결국 S/a 또는 G/S 를 적당한 워커빌리티의 콘크리트를 얻을 수 있는 범위내에서 시멘트풀의 양이 최소가 되게 하는것이며, 이때 S/a는 되도록 작게 (G/S는 되도록 크게) 선정하는 것이 좋다.
그러나 S/a가 너무 작으면 (G/S가 너무 커지면) 콘크리트는 거칠게 되고 재료분리의 경향이 크게되며, 치기작업이나 표면마무리가 곤란해진다. 반대로 S/a를 너무 크게 (G/S를 너무 작게) 선정하면 치기작업과 표면마무리는 쉬워지나 시멘트풀의 양이 많아져서 비경제적이 되며 체적변화가 큰 콘크리트가 된다.
따라서 상당한 워커빌리티를 얻을수 있는 범위내에서 제일 작은 S/a (제일 큰 G/S)를 결정짓는 것이 중요하다.
10)시험비빔과 배합설계방법
소요의 성능을 가질 수 있다고 생각되는 콘크리트의 각 재료의 단위량이 구해지면 이에 따른 시험비빔을 실시하여 소요의 성능이 얻어지는지를 확인하고 필요한 수정을 행하여 계획배합을 결정한다. 시험비빔을 행하기 위해서는 위에서 구한 각 재료의 단위량을 실제로 이용하는 골재의 비중이나 흡수율, 함수율에 따라 1배치량을 정한다. 콘크리트의 배합설계는 실험실에서 충분한 시험을 한 후에 결정한다. 한편 현장에서는 실제로 사용하는 골재의 입도나 함수량 등이 시험한 것과 다소 다르므로 이것을 조정하여 현장의 실정에 맞도록 배합설계를 현장배합으로 고쳐야 한다. 배합설계의 방법은 현장의 규모, 시험할 수 있는 시간, 인원 등에 따라 다르며 기성배합표에 의한 방법, 계산에 의한 방법, 시험비비기에 의한 시적배합설계법 등 3가지 방법이 있다.
a. 간이배합 설계법(기성배합표에 의한 방법)
소공사나 중요하지 않는 공사에서 시간이나 인원이 충분치 못할때는 사용재료의 대략의 성질을 알아서 기성배합표에 의해 배합설계를 할 수 있다.
b. 계산에 의한 방법
경험, 실례, 배합참고표 등을 바탕으로 단위수량, 물/시멘트비, 공기량 및 잔골재율(혹은 굵은잔골재비)을 정해서 이들을 기대하는 조건에 맞도록 수정표를 이용해서 계산에 의해 수정을 가해 배합설계를 한다. 이 방법은 앞의 방법보다 다소 수고가 들지만 그만큼 알맞는 배합설계가 된다.
ㄱ. 재료에 대한 가정
재료의 성질에 대한 시험결과가 있으면 이를 이용하고, 없을 때는 다음과 같이 가정한다.
포틀랜트 시멘트의 비중은 3.15이고 플라이애쉬를 쓸 때의 비중은 2.50이다. 골재의 비중은 2.63～ 2.65, 물 1m^3 의 무게는 1000kg으로 한다.
ㄴ. 물/시멘트비(w/c)를 선정한다.
ㄷ. 굵은골재의 최대치수와 슬럼프를 정한다.
ㄹ. 정해진 굵은골재의 최대치수에 대한 잔골재율(S/a)(혹은 굵은잔골재비(G/S)), 단위수량(W) 및 AE콘크리트의 경우 공기량 등을 구한다.
ㅁ. ㄴ.에서 구해진 w/c와 ㄹ.에서 구한 단위수량(W)로부터 단위시멘트량(kg)을 계산한다.
ㅂ. 단위골재량을 계산한다. 단위골재량의 계산에는 절대용적법을 사용한다. 절대용적법은 콘크리트 중에 빈틈이 없이 콘크리트 1을 만드는 데 필요한 각 재료, 물, 시멘트, 모래, 자갈의 절대용적의 합계와 갇힌 공기(entrapped air)량을 합하면 전부가 1이 된다는 것으로 각 배합의 기본이 된다.
c. 시적 배합설계법
이 방법은 우선 소요의 워커빌리티를 주는 단위수량을 시적으로 구하고 다음에 가장 알맞는 잔골재율(S/a), (또는 G/S)를 구하여 이에 따라 적당한 단위수량을 결정하면 된다.
ㄱ. 재료시험
시멘트의 비중, 골재의 비중, 흡수량, 표면수량, 입도, 조립률. 단위용적중량시험을 한다. 부득이 시험을 하지 못할때는 적당한 값으로 가정한다.
ㄴ. 시험배합의 설계
주어진 자료에 대하여 과거의 경험 또는 계산에 의한 방법 등에 의하여 우선 시험배합을 설계한다.
ㄷ. 시적배치량 및 각 재료의 양
시적 배치량은 믹서의 용량에 따라 결정되는데 소형 믹서에서 시멘트량은 굵은골재의 최대치수가 40mm이하일때는 5kg, 40 ～ 75mm이하일때는 10kg정도를 취한다. 또 시적배치의 각 재료의 양은 시방배합설계에서 결정된 배합량을 기준으로해서 계량한다.
ㄹ. 단위수량의 시적 결정
시적배치의 콘크리트에 대해 우선 슬럼프시험을 한다. 슬럼프의 값이 소정의 값과 다를 경우에는 수정하고, 새로운 시적배치를 만들어 슬럼프를 측정한다. 이 방법을 되풀이해서 소요의 슬럼프를 얻을수 있는 단위수량을 구한다.
이렇게 해서 단위수량이 구해지면 이 콘크리트의 공기량 및 단위수량을 측정하고, 또 잔골재율(S/a) (또는 G/S)이 적당한가, 워커빌리티가 적당한가를 검토한다.
ㅁ. 소요의 w/c , 슬럼프 및 공기량의 콘크리트의 시적배합 결정
ㅂ. 위 에서 측정한 공기량이 소정의 값이 아닌 경우 AE제의 사용량을 가감하여 소정의 공기량이 되도록하고, 잔골재율(S/a)도 공기량의 정도에 따라 수정하여 수정된 S/a(또는 G/S)에 대하여 또 단위수량을 수정한다.
이렇게해서 정해진 단위수량과 소정의 물시멘트비(w/c)에서 단위시멘트량을 계산하고 잔골재와 굵은 골재량을 두가지 계산방법 중 택일하여 계산한다.
이상에서 정해진 배합의 콘크리트에 대하여 여러차례 시험배치와 재료를 계량하여 비벼서 슬럼프, 공기량, 단위중량을 측정하고 또 워커빌리티가 적당한가를 검토한다.
ㅅ. 최적의 잔골재율(S/a)(또는 굵은 잔골재비(G/S))의 결정
위 에서 설계된 배합은 소요의 w/c, 슬럼프, 및 공기량을 갖는 것이나 경제적인 배합은 소요의 슬럼프에 대하여 단위수량이 최소가 되는 S/a(또는 최대의 G/S)를 구하는 것이다. 따라서 최적의 S/a(또는 G/S)를 구하기 위해서는 위에서 설계된 배합에서 단위수량, 단위시멘트량, 및 단위골재량의 절대용적은 그대로두고 S/a만 감소시켜(또는 G/S만 증가시켜) 시적배합을 만들어, 소요의 슬럼프와 워커빌리티에 대한 단위수량이 제일 적은 S/a(또는 G/S)가 될 때까지 몇번이고 배합을 반복시켜 구한다.
최근 레디믹스트 콘크리트나 콘크리트 펌프공법이 보급됨에 따라 콘크리트 공사가 분업화되어 일반적으로는 콘크리트 제조업자 외에는 배합설계를 충분히 이해하지 못한 채 사용하고 있는 것이 현실이다. 그러나 이상에서 봤듯이 배합의 좋고 나쁨은 구조물의 강도, 내구성, 미관 및 경제성 등에 큰 영향을 미치므로 콘크리트의 설계 시공에 관계하는 모든 사람은 배합설계를 충분히 이해해야 할 필요가 있다. 또한 최근 개발한 100층 이상 초고층 건축물 건설에 사용되는 초고강도 콘크리트 제작기술은 시멘트와 일반 혼화 재료의 배합만으로 고강도를 확보할 수 있어 경제성과 작업용이성이 뛰어나고 기존 생산설비에서 생산이 가능하게 했다. 이렇듯 콘크리트의 배합설계가 얼마나 중요한지는 충분히 입증되고 있다.