철근콘크리트의 재료와 특성

철근콘크리트의 재료와 특성

Ⅰ. 재료

1. 콘크리트

콘크리트의 강도라면 통상 압축 강도를 뜻하며 이것은 콘크리트의 인장강도에 비하며 현저하게 크고 구조재료로 이용될 때에는 압축력에 주로 저항할 수 있게 설치되어 있기 때문이다. 또한 압축강도는 그 시험방법이 일반적으로 간단하게 할 수 있게 개발되었고 인장강도, 휨 강도 등 각종 강도나 탄성계수, CREEP의 변형성상과도 밀접한 관계를 맺고 있다. 그리고 이들의 개략치는 압축강도에서 추정할 수 있으므로 콘크리트의 역학적 성질의 총합지표와 같은 역할을 한다. 여기서 중요한 것은 콘크리트와 같이 미시적이거나 거시적으로도 비균일성인 재료에서는 강도가 여러 가지 요인에 따라 영향되며 시험법을 결정하지 않으면 강도는 결정할 수 없다.

공시체의 모양이나 크기를 고려하지 않는 콘크리트의 고유의 강도란 엄밀하게 존재할 수 없다. ek라서 콘크리트의 압축강도는 특별히 언급하지 않는 한 우리나라에서는 φ10 ×20㎝ 또는 φ15 ×30㎝ CYLINDER 로 구한 압축강도를 뜻하는 것이다. 가령 구조체에 타설한 콘크리트의 압축강도를 조사하고 싶을 때에는 구조체에서 조직을 흐트러지지않게 채취한 CYLINDER 공시체에 대하여 시험한 강도를 구조체의 강도라고 볼 수 밖에 없다. 이것은 면밀히 말하자면 구조체중의 콘크리트 강도는 아니지만 현실적으로는 그와 같이 해석할 수 밖에는 별 도리가 없다. 압축강도를 위시하여 각종 강도는 어떤 약속하에서 정의된 강도지표에 지나지 않는다. 콘크리트 구조체는 휨을 받으므로 <그림 1>와 같이 하중의 초기단계에서는 應一변형도 관계가 증대되며 변형도 ε0.2% 정도에 달하면 하중이 증대가 되고 그 후부터 점차로 감소되어 하강부(Falling branch)에 이르며 드디어 붕괴된다.

한편 콘크리트구조체의 일부분은 채취하여 시행한 공시체의 직접 압축에 의한 실험 결과는 <그림2>에서 알수있듯이 집적 압축응력도는 <그림1>의 휨압축응력도와 최대치에 있어서는 같지만 전자가 연성을 나타내고 있는 것을 알 수 있다.

<그림 1> 휩압축시험에 의한 콘크리트 응력변형도곡선

<그림2> 중심압축시험에 의한 콘크리트 응력변형도곡선

휨 압축 시험은 현장에서 제조하여 시행한다는 것은 여간 곤란한 것이 아니다.EK라서 Cylinder를 만들어 중심압축 시험을 하면 설계할 때 組用되는 종국하중치는 같게 얻을 수있으므로 무관하다. 그러나 Cylinder에 가하는 하중을 <그림2>의 응력일변도 곡선의 B점에 해당하는 값만 작용하고 상당한 시간이 경과하면 자연히 CREEP 으로 인한 변형도가 진행되어 C점에 이루게 되면 붕괴된다. B,C 점을 연결한 직선 D,E를 CREEP LIMITATION 이라 한다. 따라서 구주에서는 설계기준강도를 종국강도의 80%에 해당하는 값으로 하고 압축 장도 시험용 공시체도 <표1>에서 알 수 있듯이 영국에서도 15Cm CUBIC를 사용하며 FRANCE나 독일에서는 20Cm CUBIC인 것을 쓰고 있다.

그리고 중심 압착 강도 σc는 다음과 같다.

<표1> 콘크리트 압축강도계산계수
 

<그림 3>HOGNESTAD에 의한 콘트리트의 응력일변형도곡선
 

(1)배합과 강도

동일 재료를 사용하고 어떤 일정한 온도로 양생하여 정하여진 재령으로 또한 일정한 표준적인 시험 방법으로 시험한 콘트리트의 압축 강도는 콘크리트의 배합과 다짐의 정도에 따라 결정된다고 생각된다. 이와같이 여러 가지 조건을 제약한 범위내에서 콘크리트강도를 지배하는 기본적인 법칙을 통일시켜 설명하는 노력이 옛부터 행하여져 왔으며 이와같은 설명을강도이론 또는 강도원칙이라 칭하고 있으며 그 대표적인 것으로는 물, 시멘트비설, 공극설 등이 있다. 지금도 실용적으로 물,시멘트에 입각한 콘크리트강도의 배합 설계를 하고 있다.

<그림 4> W/C 비설에 의한 콘크리트 강도와 W/C비와의 관계

<그림 5> W/C 비설에 각종 배합의 콘크리트 강도 W/C 비

①물, 시멘트비설

1919년에 D.ABRAMS가 발표한 법칙에 따르면 콘크리트를 충분히 다질 때 그 강도는 물ㆍ시멘트 비에 반비례한다고 한다.

F = A/B^x

다만, F : 콘크리트의 압축강도

A,B : 시험에서 資해진 상수

x : 물ㆍ시멘트비

이다. 물ㆍ시멘트비설을 잘 설명해주는 것으로 <그림 4>, <그림 5> 가 있다. <그림 4>는 W/C비가 일정하며 W/C비 이외의 배합이 상이한 A,B 및 C종의 콘크리트라 할 지라도 동일한 강도를 얻을 수 있다는 설이다. 그러나 W/C비라도 다짐 정도가 불충분하면 W/C비의 적은 범위내에서는 점선 부분과 같은 콘크리트의 WORKABILITY가 부족하여 강도의 저하를 나타낸다. <그림 5>는 완전히 다지면 콘크리트강도는 W/C 비 만으로 결정되며 불충분한 다짐일 때 다짐방법에 따른 강도 저하를 점선으로 표시하였다.

② 공극설

W/C 비 설은 콘크리트 속에 있은 골재간의 공극을 시멘트 페이스트로 충분히 채워졌을 경우에만 적용되는 이론으로서 시멘트 페이스트량이 불충분한 경우 또는 수량이 지나치게 많아져서 콘크리트 속에 공극이 생겼을 때에는 물ㆍ시멘트 비설로는 기대할 수 있는 강도를 나타낼 수 없다. 따라서 콘크리트의 강도는 MORTAR 속의 공극에 의하여 지배된다는 것이 공극설(VOID THEORY)이다. TALBOT연구에 의하면 조골재의 공극을 충진하여 그 표면을 덮는데 충분하고 또한 그 MORTAR를 최소용적으로 하는데 필요한 수량 즉 기준 수량(BASIC WATER CONTENT)을 사용한 콘크리트의 강도와 콘크리트 속의 공극 υ및 사용시멘트절대용적 c와의 비 υ/ c 와의 관계는 <그림 6>의 실선과 같이 된다. υ/ c 대신에 시멘트 공간비 를 적용하면 同圖의 점선과 같이 된다. 한편 사용수량을 기준수량보다 더 증가시키면 콘크리트강도는 감소된다.

<그림 6> 공극시멘트비 또는 시멘트공간비와 기준수량 콘크리트 강도와의 관계

③Gel Space 비설

물ㆍ시멘트 비설은 실용적인 관점에서는 우수한 설명이지만 그러나 여러 가지 제약조건이 있다. 물ㆍ시멘트비가 일정하더라도 시멘트의 수화반응의 정도에 따라 콘크리트 강도가 결정되는데 수화반응은 온도, 습도에 따라 시멘트의 화학 및 물리적 성질을 바꾸게 한다. 이와 같은 조건이외에도 콘크리트의 공기량, Bleeding 에 의한 수량의 변화도 콘크리트 강도에 직접 영향을 주게 된다. 여기서 수화물이 점유하게 되는 공간을 고체 수화 생성물이 어떤 비율로 차지하는지의 정도에 따라 강도가 표현된다는 것이 T.C Power에 의하여 제안되었다. Powers는 Gel-Space비와 강도와의 관계를 표시하였고 이것을 Gel-Space Ratio Theory라 한다. Powers의 시험에 의한 콘크리트의 압축강도 F는

F = 2380χ³(kgf/㎤)

(2) 시멘트 품질과 강도

골재강도가 크기 때문에 콘크리트의 파괴가 시멘트 페이스트의 강도에 의하여 좌우되는 경우에는 콘크리트의 강도는 시멘트 페이스트의 강도에 의하여 결정된다. 또한 시멘트 페이스트의 강도에 의하여 결정된다. 또한 시멘트 페이스트 품질의 영향이 크며 Abrams의 물ㆍ시멘트비설에 근거를 두고 일반적으로 다음과 같은 표현을 한다. 콘크리트의 압축강도 F 는
 

다만 x : 배합중의 물ㆍ시멘트비

A, B : 시험에 의하여 결정되는 상수

또는 F = a + b

다만, a,b : 물ㆍ시멘트비

여기서 물ㆍ시멘트비 x의 산정식으로서
 

다만 kn : 시멘트규격시험강도

이며 식(3)을 도표화한 것이 <그림 7>이다.

<그림 7> W/C비와 콘크리트강도와의 관계

(3) 골재품질과 강도

골재품질이 콘크리트 강도에 미치는 영향은

① 골재자체의 강도와 시멘트 페이스트 강도의 상관관계에서 원인이 되는 경우

② 골재표면 상태에 따라 시멘트 페이스트의 계면접착강도에 원인이 되는 경우

③ 골재량 및 입경의 크기에 영향을 주는 원인

① 골재강도의 영향

골재강도의 영향은 MORTAR 또는 CEMENT PASTE강도가 증대하는데 따라 현저하게 영향을 한다. <그림 8> 은 여러 가지 골재비중에 조정한 인공경량골재와 장, 자갈 및 쇄석을 조골재료 사용한 콘크리트를 제조하여 MORTAR 의 압축강도를 200, 300, 400, 550 및 750kgf/㎠으로 하였을 때 콘크리트 강도를 시험하고 mortar강도에 대한 콘크리트 강도의 강도비 골재비중과의 관계를 조사한 결과이다.

<그림8> 인공경량조골재의 비중이 콘크리트 중량 및 강도에 미치는 영향 

이 도표에서 수평으로 된 부분이 골재강도에 의한 콘크리트 강도에 영향을 받지 않는 범위이다. mortar 강도가 늦을수록 골재 강도가 적으면서 비중이 적은 골재의 경우에도 같은 콘크리트 강도를 얻을 수 있다.

강, 자갈, 콘크리트 보다 쇄석 콘트리트가 강도가 커진다는 것은 골재와 MORTAR 계면의 성상에 의한 차이의 골재 비중은 MORTAR 강도 300, 400, 500 및 600kgf/㎠에 대하여 1.3, 1.4,1.5 및 1.6일 때이다 구조용 경량조골재로서 JISA 5002에서는 골재의 강도 LEVEL를 W/C= 40% SLUMP 8㎝의 콘크리트로 시험하고 있다. 그리고 ASTMC-330 에서도 같은 조건으로 시험을 하고 있다. 이와 같은 콘크리트 속에 있는 재료로서의 골재강도와 콘크리트강도의 관계를 많은 연구자에 의하여 제안되고 있으나 모두 개념적인 성격만을 나타내고 있고 골재 강도가 MORTAR 강도보다 낮은 경우만을 상정하고 있다.

BACHE의 식을 인용하면
 

다만 Fc : 콘크리트의 압축강도

Fm : MORTAR의 압축강도

Fa : 골재의 압축강도

n : 모체 MORTAR와 골재의 탄성계수비

소판, 谷川는 골재강도가 모체 MORTAR 강도보다 강하거나 약해도 콘크리트 강도는 MORTAR보다 떨어지기 때문에 골재에 의한 보강효과는 없다고 주장하였다. 그리고 골재 강도가 MORTAR강도보다 낮을 경우에는 골재의 붕괴를 일으킬 때 콘크리트가 붕괴하기 때문에 골재강도가 커질수록 MORTAR강도에 가까워지는 한편 골재강도가 MORTAR부분에 응력집중 정도가 현저하게 된다. 따라서 골재강도가 커지면 도리어 콘크리트 강도가 적어진다고 생각된다. 결국 고강도 콘크리트를 얻을 목적으로 MORTAR강도보다 강도가 큰 골재를 사용하여도 그다지 좋은 효과를 얻을 수 없고 인공경량 골재콘크리트에서는 약 400kgf/㎠정도의 골재 강도보다 큰 강도의 콘크리트를 얻기 위하여 W/C비를 적게 하거나 MORTAR 비를 적게 하거나 MORTAR 강도를 크게 하여도 의미가 없다는 것을 논하고 있다. 그러나 휨 강도의 경우에는 그렇다 하여도 압축강도에서는 골재에 의한 보강효과가 있다는 유력설도 있어서 보강효과를 주는 조건을 한정하는 것이 과제이다.

② 골재-MORTAR 계면의 영향

골재의 표면 상태가 콘크리트 압축강도에 미치는 영향에 대해서는 옛부터 많은 연구가 되었으며 유리 구슬등의 MODEL 골재를 사용하여 만든 콘크리트에 대하여 그 특성을 강조하는 연구가 행하여져 있다. 이들 연구결과에 의하면 서로 모순된 결론도 볼 수 있으나 전체적으로 골재표면 상태는 압축균열을 발생시키는 응력에는 민감하게 영향하지만 특히 압축강도에 대해서는 그다지 현자하게 영향을 주지 않는 것이 많다.

골재 표면 상태의 영향을 명확히 나타내는 것으로는 천연 골재를 사용한 콘크리트와 쇄석 콘크리트 강도의 차가 전형적인 예이다. 그리고 쇄석콘크리트의 강도특성을 조사한 결과를 총괄하여 도시한 것이 <그림 9>이다.

<그림 9> 쇄석 사용에 의한 콘크리트 강도 증대

이것은 모두 PLAIN COUCRETE의 경우로서 AE콘크리트(공기량 3.5%)의 경우, 재령 7일에 11.3%, 재령 28일에 12.5% 감소된다. 이와같은 결과를 실험적으로 나타낸 것이 <표2>이다. 이와 같이 동일물ㆍ시멘트비를 비교하면 쇄석콘트리트는 강ㆍ자갈 콘트리트보다 압축강도가 커진다. 이것은 골재의 표면이 거칠어져서 MORTAR와의 부착강도가 증대되기 때문이라고 설명한다.

<표2> 콘크리트 W/C 비와 압축강도와의 관계식
 

쇄석을 사용한 콘크리트 에서는 동일 Slump로 조정하기 위해선 W/C 비에 거의 무관계하고 단위수량을 19~20 kgf/㎠(증가율로 약 10%) 증가시킬 필요가 있기 때문에 동일 W/C비에서는 시멘트량이 10% 증대된다. 여기서 단계 시멘트량과 압축강도와의 관계를 같은 실험결과에 대하여 나타낸 것이 <그림 10>이며 저강도일수록 그 차가 접근되며 SLUMP 5㎝인 비빔인 경우에도 이와 같은 관계가 역전된다.

<그림 10> 단위 시멘트량과 압축강도와의 관계

즉, 된 비빔 MORTAR강도가 증대할수록 쇄석을 사용하였을 때 강도상의 우위를 알 수 있다. <표 3>은 암석 종류별로 된 쇄석으로 제조된 콘크리트에 관한 압축강도 비를 표시한 것이다. 골재와 MORTAR와의 계면에 있어서 부착강도를 증대시키 위해서는 CEMENT CLINKER와 같은 반응성인 골재를 사용할 것이 생각된다. <그림 11>은 시멘트량 500kgf/㎠, W/C = 29%, 조골재는 5~20㎜의 CLINKER로, 세골재는 강모래로 하였고 S/A = 30%로 하였을 경우의 압축강도를 나타낸 것으로서 CLINKER에 사전에 흡수시켰을 때 PASTE와의 부착반응이 나빠지기 때문에 강도저하가 현저해지는 것을 알 수 있다. 특히 재령 1일 강도가 높은 것에 주목된다.
세골재와 PASTE의 계면 부착을 향상시켜서 콘크리트 강도의 증대를 꾀하는 착상이 최근 실용화되었다.

<표3> 쇄석암종별 재령 28일 콘크리트 압축강도비(자갈콘크리트 = 1.00)
 

<그림 11> CLINKER의 흡수시간과 콘크리트 강도

<그림 12> S.E.C 몰탈의 원리도

이와 같은 공법은 SEC 공법이라 칭하는 것이다. 이와 같은 것은 <그림 12>와 같이 미리 표면수량을 조정한 모래와 시멘트를 먼저 지지면 모래 표면에 시멘트 입자가 부착되어 껍질이 만들어져서 W/C비가 적은 강한 皮殼 상호간이 직접 접촉되어 골재 상호가 서로 강고히 연결되고 Mortar 강도가 높아진다. 이어서 첨가하는 물과 조골재와 결합되어 변동이 적은 고강도 콘크리트가 소량의 시멘트로서 얻어진다는 보고가 있다. 이와 같은 공법은 계면 부착을 교묘히 하여 성공한 예이다. 골재 표면 부착이 양호하면 콘크리트 강도가 증대되는 반면에 표면 부착이 좋아도 골재 강도가 낮을 때에는 콘크리트 전체의 강도 저하가 커진다는 것을 나타내는 것을 알 수 있고 저품질 쇄석에 대하여 시행한 시험 결과를 <표4> 및 <그림 13>에 나타냈다.

<표4> 저품질 쇄석 원석의 물리적성질
 

<그림 13> 저품질쇄석 콘크리트의 W/C비와 재령 28일 압축강도와의 관계

<표4>에서와 같은 쇄석은 규격에 적합치 않은 품질로서 <그림 12>에서도 알 수 있듯이 흑점으로 된 표준석 쇄석 콘크리트에 비하여 강도저하를 알 수 있으며 특히 고강도 LEVEL에서 강도의 저하가 현저함을 나타내고 있다.

③ 골재량 및 입경크기의 영향

콘크리트의 골재량 및 크기를 변경하면 동일 물ㆍ시멘트비에 대해서도 상이한 콘크리트 강도를 얻게 된다. 이 원인은 골재 총표면적이 증감함에 따라 골재와 PASTE 또는 MORTAR와의 탄성계수가 상이하는데 다른 골재 주변의 응력집중도의 차이, 그리고 탄성계수가 상이하는데 따른 수축변형도의 구속도의 차이, 골재흡수의 가정의 차이가 증폭되는 것에 의한 차이 등의 영향이 복합된 것이다. 또한 골재입자의 크기의 영향을 논할 때 공시체의 크기와 최대 입경의 비율이 극단적으로 변동하면 정확히 결론을 얻을 수 없다.

종래의 시험에 의하면 350kgf/㎠이상의 콘크리트에 대해서는 <그림 14>에 표시된 바와 같이 (골재/시멘트)비가 강도에 영향을 미치게 된다고 한다. 즉 일정한 W/C비에서는 빈배합인 경우의 강도가 높아진다. 이 원인은 골재의 흡수 때문에 유효수가 감소되고 전 코크리트 용적에 대한 공극이 적어진다고 설명하고 있다. 조골재의 최대 입경에 대해서는 <그림 15>의 경향이 널리 인정되고 있다. 즉 굵은 골재를 사용하면 골재 전 표면적이 감소되어 PASTE와 골재와의 계면에 있어서의 응력이 증대되면 CEMENT PASTE 의 수축을 구속하므로 생기는 내부 응력이 국부적으로 커지기 때문이라고 생각한다. 일반적으로 조골재를 많이 사용하면 동일 WORKABILITY를 얻는데 소요되는 단위 수량을 줄일 수 있으므로 SLUMP 및 단위시멘트량이 일정한 조건이라면 <그림 14> 의 경항과 복합되어 <그림 16>과 같은 관계를 얻을 수 있는 것이 보통이다. 川上은 조골재의 량과 입경이 콘크리트 강도에 주는 영향을 실험적으로 구하였다.

<그림 14> 콘크리트 강도에 대한 골재/시멘트비의 영향

<그림 15> 조골재의 최대 입경의 압축강도

<그림 16> W/C비에서의 추정강도와 실강도

<그림 17> 조골재의 경, 량을 변수로 하는 강도단면

<그림 18> 조골재입경과 콘크리트 압축강도

<그림 17>은 단일입경의 조골재에 관한 강도곡면을 제안한 것이다. 즉 MORTAR속에 조골재를 가하므로 강도를 저하시키고 그 저하 정도는 조골재의 입경의 대수에 비례하고 조골재가 점유하는 용적비에 비례한다고 하고 있다.
이와 같이 단일 입경에서 얻은 결과를 혼합하여 일반적으로 강골재와 같은 연속입경의 경우에도 응용할 수 있다. 이와 같은 강도곡선의 형상은 골재의 종류가 바꾸어지면 변화하지만 통속적으로 강골재에 대한 시험결과로서 <그림 18>과 같은 것을 나타낼 수 있다.

2. 강재

(1) 제조

철은 비중이 7.87로서 속칭 철 또는 철강이라는 것이며 탄소, 규소, Mn, 인, 유황등의 비금속 원소와 Ni, Cr 등 소량의 금속원소를 포함하고 있다. 이중에서도 강의 성질을 크게 좌우하는 것은 탄소로서 그 함유량이 0~0.008% 정도인 것을 철 0.008~1.7%를 강, 1.7~4.2%인 것을 주철이라 한다. 철광석에서 강재가 만들어 질 때까지의 공정은 제선, 제강, 압연의 단계를 걸치게 된다.

① 제선

철광석에 고열을 가하여 용해환원하여 탄소와 다른 불순물을 제거시키고 철분을 집성하는 공정을 제선이라 한다. 제철을 경제적으로 대량 제조하는 방법으로 고열(용광로) 제철법이 있는데 열원 및 환원제로서의 Cock와 불순물을 제거하기 위한 용제로서 석회암을 철광석과 같이 爐內에 투입하고 열풍을 불어서 Cock를 연소시키면 이때 생기는 일산화탄소는 爐內에서 가열용해되어 하강하는 투입물과 작용하여 환원한다. 그리고 爐의 저부에는 순도가 높은 제철이 고이게 된다. 그러나 이들의 대부분은 석회와 화합하여 광제로서 비중이 가볍기 때문에 용철이 된 제철은 일정시간마다 수시로 출구를 통하여 유출시킨다.

② 제강

제철은 탄소가 많이 함유되어 있을 뿐 아니라 불순물이 대단히 많으므로 압연이나 鍛造등의 가공이 힘든다. 따라서 탄소량을 감소시키고 불순을 제거하는 제강공정을 거쳐야 한다. 爐에서 나온 용강을 주형에 부어 넣어서 주상의 덩어리로 만든다.
이것을 鋼塊(Steel Ingot)라 하며 압연 작업에 적합한 형상으로 바꾼다. 이것을 鍛造로 한다. 이것을 장시간 1200℃의 고온으로 가열하여 윗부분의 불량부분을 잘라내고 망치치기로 조직을 조밀하게 한다. 이와 같은 과정을 鍛鍊이라 한다.

③ 압연

鍛造한 것을 상호 반대방향으로 회전하는 대, 중, 소의 Roller사이를 1000~1200℃로 가열된 강을 통과시켜서 소정의 형상 치수로 만드는 과정을 압연이라 하며 이와 같이 만들어진 강을 압연강(Rolled Steel)라 한다.

(2) 가공

① 열처리

강을 가열하여 다시 냉각시키면 내부결정의 변화에 의하여 원강과 다른 성상을 나타낸다. 이와 같은 현상을 일으키게 할 열처리라 한다.

② 설담금(Annealing)

열도 높이에 따라 가공강의 조직은 거칠어지며 강도, 降伏點, 신도가 낮아진다. 이것을 양질로 변화시키려면 일단 變態點(726℃)이상으로 熱하여 적당한 조직이 되게 徐冷하는 경우를 Annealing라 하며 공기냉을 Normalizing라 한다. 가령 저온가공(Clod Working)을 받은 강의 내부의 변화를 제거하기 위하여 설담금을 하는 경우가 있는데 이것은 앞서 말한 경우와는 다르며 變態點에는 관계없이 600~650℃정도로 가열하면 좋다. 가령 제철선은 이 조작에 의한다.

③ 담금질(Quenching)

고온도로 열한 후 급냉하여 경화시킨 것을 담금질 (Hardening 또는 Quenching)이라 한다. 일반적으로 온도에 의한 조직의 변화는 일정한 시간이 필요하다. 따라서 급냉에 의한 고온에 있어서의 안정한 조직을 그래도 상온상태로 옮겨 놓고자 한다.
그러나 담금질하는 온도가 맞지 않거나 탄소량이 많을 때는 담금질 후의 취성이 증대되어 도리어 경화하지 않는 경향이 있다.

④ 되담금(Tempering)

급한 鋼은 저탄소강 이외는 脆硬으로 되어 그 내부에 변형이 일어난다. 이것을 조절하기 위하여 變態溫度(726℃)이하로 재열하여 서냉하는 것을 되담금이라 한다.

(3) 물리적 성질

일반적으로 저탄소강은 가공용재로, 고산소강은 공구용으로 쓰인다. 합금으로서 첨가시키는 Maganess는 脫炭劑뿐 아니라 유황을 제거시키는 데 필요한 원소이며 규소로는 0.08%이하로 함유될 때는 원강에서 잔류한 것이지만 0.1이상일 때에는 脫炭劑로서 사용되었을 뿐 아니라 기포를 적게하여 재질을 치밀하게 한다. 한편 인은 元鑛에서 잔류되어 문제가 되지않지만 다량 있으면 충격저항력이 저하되므로 규정에서는 0.05~0.06%이하로 제한하고 있고 고급품은 0.03%이하로 하고 있다. 유황은 고온도하에서 강을 취약하게 하므로 인과 같이 제한하여야 한다.

① 강도

강도는 상온이상에서는 도리어 증가하며 200~300℃에서 최대가 된다. 그 이상온도가 상승하면 강도는 감소되며 500℃내외에서 엿모양으로 되고 상온정도의 1/2이 되고 1000℃에서는 0이다.

② 신장

상온이하에서는 약간 감소하는 경향이 있으며 200~300℃사이에서 현저하게 감소하게 감소되고 이 이상의 온도부터는 급격이 증대된다. 가령 온도 200~250℃에서는 강은 청색으로 연소하고 가장 약한 취성을 나타낸다. 이와 같은 현상을 靑熱脆性(Blue Shortness)라 한다. 다시 온도가 상승되어 900℃ 전후에 도달하면 다시 신장이 감소되어 취성을 나타낸다. 그리고 강에 來離物이 많을수록 취성이 현저하다. 이 현상 赤熱脆性(Red Shortness)라 한다. 보통 강은 열도에 따라 그 조직을 변화시키는데 온도 726℃내외에서 제 1의 變態點이 나타난다. 따라서 이 한계 이하에서 가공하면 조직이 섬세하여지지만 내부에 현저한 변형이 일어나서 혁&#25956;性을 감소시킨다. 이를 저온가공 (Clod Working)이라 하는데 구조물에서는 피하여야 한다. 일반구조재에서는 900~1200℃의 고온가공(Hot Working)으로 단련가공한 것을 열간가공이라 한다. 강을 작열하여 냉각시키면 그 내부경정이 변화하여 원강과 다른 성상을 나타낸다. 이와 같은 조작을 열처리라 한다.

③ 저ㆍ고온 특성

일반적으로 강재의 인장강도나 降伏點은 상온보다 온도가 저하하는데 따라 상승한다. 여기에 대하여 破斷까지에 일어나는 신장 δ와 조임 φ와 같은 변형은 고온 저하와 더불어 감소된다. <그림 19>는 軟鋼의 정적 인장 특성이 온도와 더불어 변화하는 상태를 나타내고 있다. 저온시에는 降伏點의 상승이 현저하게 降伏비 σ_Y / σ_B는 커지고 균등하게 늘어나는
경향이 감소되는 것이 특징적이다. <그림 20>는 상용철근 (SD 35, D16)을 사용한 LNG Tank등에서 문제가 된 극저온하에서 시험한 결과이다. 탄성계수는 온도저하와 더불어 약간 증대하고 -70℃에서 약 4%, -160℃에서 약 8.6% 증대한다. 降伏點 σ_Y 및 인장강도 σ_B 는 고온저하와 더불어 증대된다.

<그림 19> 연강의 저온에 있어서의 기계적인 성질

<그림 20> 저온화에 있어서의 철근강도

<그림 21> 저온하에서의 철근의 신장률

<그림 22> 강재의 고온 특성

<그림 23> 탄소강 및 고장력강을 각온도에서 1시간 가열한 후의 상온에서 인장성질

증대의 비율은 σ_Y 인 쪽이 현저하며 -160℃에서는 σ_Y / σ_B ≒ 1 이 된다. <그림 21>은 SD 35, D 16인 철근의 파단후의 균등신장 δo, 국부신축 Δδ및 전체신장 δ와 고온과의 관계를 나타낸다. δo는 120℃에서 불과하게 저하되며 -160℃에서 상온의 약 3/4이 된다.
전체적으로 δ는 -100℃까지는 변화가 없고 -160℃에서는 δ= 20%로 저하한다. 결과적으로는 -160℃정도의 저온에서는 취성적으로 파괴하는 것을 알 수 있고 연성은 불안정 상태이다. 강재의 인장 특성은 고온시에서도 영향을 받는다. <그림 22>는 軟鋼(SS41)과 60K 고장력강 (SM58)인 고온인장 특성을 나타낸다. 고온 강도는 250~300℃에서 가장 큰 값을 나타내고 300~450℃까지는 완만하게 변화하며 그 이상에서는 급격히 저하한다. <그림 23>은 각 온도에서 1시간 가열한 후에 상온에서의 인장특성을 나타낸 것이다. 600℃까지는 인장강도, 降伏點 모두 변화하지 않지만 700℃를 초과하면 특히 고인력강의 경우 인장강도, 降伏點이 급격히 저하된다. 고장력강에서는 설담금, 담금질, 되담금을 하였을 때 가열온도가 되담금 온도를 넘기면 인장강도, 降伏點이 급격히 저하된다. 그리고 냉간가공강에서는 고온 인장 특성의 저하가 현저하다.

④ 강재의 부식

전해질 매체 중에서의 강재의 부식은 전기화학적 반응에 의한 것으로 강재의 표면 또는 여기에 접하는 매체 중에 불균질한 부분이 있으면 거기에 국부적으로 전위차가 일어나서 전류가 흐르고 강의 부식이 일어난다. 즉 일종의 국부적인 전지가 형성되며 이것을 부식 전지라 한다. 이와 같은 전기 화학적 강재의 부식의 기구는 <그림 24>와 같다. A,B의 2점간에 전위차가 생기면, A(양극 : ANODE) 점에서 철원자가 결정격자에서 이탈하여 Fe²⁺ion으로 되어 매체 중에 나온다. 이 때문에 Fe원자 1개당 2개의 전자 e^-는 B (음극 : CATHODE) 점으로 옮겨진다. 이와 같은 결과 매체 중의 A 점에서 B로 전류가 흐르게 된다. 이때의 전기화학반응은 다음과 같다.

양극반응 Fe →fe²⁺ + 2^e-

음극반응 ½O₂ + H₂O + Ze^- →2OH^- Fe(OH)₂

<그림 24> 강재의 부식 반응 기구

이와 같은 반응에 의하여 양극부분에서 강이 부식한다. 또한 강의 부식에는 수분과 탄소가 불가결하다는 것을 알 수 있다. 국부적인 전위차를 일으키는 원인에는 철근쪽의 불균일성과 매체 쪽의 불균일성이 있다. 철근쪽의 원인은 MILLSCALE등의 피막의 국부적인 분락, 기계적인 凹凸, 잔류변형도의 불균일 분포, 불순물의 부착 등이며 매체쪽의 원인은 溶存 탄소 농도차, 용액 중의 ION 농도차, PH 의 차, 온도차 등이다. 콘크리트 속에서는 콘크리트의 고 ALKALI 성 때문에 강재의 표면에 Fe₂O₃인 不動態 피막이 형성되어 상기의 전기 화학 반응을 일으키지 않게 한다. 그러나 탄산화에 의한 PH치가 11.5이하로 되어 고 ALKALI성을 함유하여도염분 함유량이 많으면 강재는 녹이 슬게 된다. 그 원인은 염소 ION에 의하여 不動態 피막에서 이루어지는 CATHODE로 둘러 싸인 징소면적에 ANODE가 형성되어 그 사이에서 큰 전위차를 일으키므로 부식은 일부분에 집중되어 孔蝕 이라 칭하는 부식 형태를 취한다.

(4) 강의 기계적 성질

① 純鐵

엄밀히 100% 순철은 있을 수 없다. 제조법, 정련법에 따라 탄소 기타 원소의 함유물이 다르며 그 가운데에서도 전해철의 순도가 가장 높고 다음이 CARBONYLEIRON, ARMCO, IRON, 연철 의 순서로 순도가 떨어진다. 순도에 가장 가까운 순철은 융용상태에서 냉각하면 1528℃에서 응고하며 더욱 온도를 상온까지 저하시킬 뿐 아니라 A₂의 3개의 변태점이 나타난다. A₄는 1401℃, A₃은 906℃에서 고소변태점 (Allotropic Transformation)이라 하며 결정구조의 변화는 없다. A₂는 768℃에서 자기 변태점(Magnetic Transformation)라 하고 이 변태점의 온도이상일 때 상자성체, 이 온도이하에서는 강자성체라 한다. 순철은 상온에서 전염성이 풍부하여 가공성이 좋은 동시에 단접성, 용접성도 좋다. <표5>는 순철의 기계적 성질을 나타낸 것이다.

<표5> 순철의 기계적 성질
 

② 鑄鐵

주철의 탄소량은 1.7~1.69% 정도이며 보통 주철, 고급주, 특수주철 및 가단주철도 분류된다. 보통 주철은 선철을 원료로 하였고 불순물의 양 , 강도 및 경도 등에 관하여 엄밀하게 정하여지지 않았다. 용도로는 수도용 주철관, 교량난간, 전주 등에 사용된다. 고급주철은 주철중의 흑연을 미세한 강목상 조직으로서 인장강도 25~35㎏/㎟, 탄성계수 12000~14000kgf/㎟ 이다. 특수주철은 원소 Ni,Cr,Mo, Ti, V, Al, Cu를 단독 또는 수종 첨가하여 强性, 내마모성, 내식성, 또는 내열성 등을 개선한 것이다. 인장강도는 30~35kgf/㎟, 압축강도 105~130kgf/㎟이다. 가단주철은 백주철주물은 700~1000℃의 고온에서 70~100시간 설담금하여 Fe₃C 를 분해 소실시켜서 연성을 증가시킨 것이다.

③ 기타 종류

주철은 취약하여, 진동, 충격 등에 대하여 파괴하기 쉽고 구조재로서는 적합치 않다.

그러나 주철은 훨씬 강인하며 거의 강의 성질을 잃지 않고 가단철로 제조하기 어려운 형상을 가지고 있다. 그리고 고탄소강은 순철에 산소 하나만 가하여 제조하였기 때문에 2원강이라 칭하며 주로 공구강에 사용된다. 합금강은 탄소강에 특수한 용도에 쓰이기 위하여 그 목적에 합당되는 여러 가지 금속을 부가시켜 만든 고급강이며 부착강이 1개일 때를 2원강, 2개일 때는 3원강이라 한다. 합금강은 고강도를 목적으로 하는 구조재와 방청 기타 특수한 목적을 가진 특수용으로 구분된다.

(5) 철근의 특성

철근 콘크리트 용 강재는 降伏點이 24~50kgf/㎟인 범위의 연강(Mild Steel)이며 30kgf/㎟ 이상인 것을 고강도 철근(High Tension Steel Bar)이라 한다.

강도를 증대시키기 위하여 magnanese 또는 Silicon등의 원소를 미량 첨가하여 열간 압연(Hot Working)한 성분조정강을 만들게 되는데 강도가 증가하는 대신에 연성이 감소된다. 보통 연강을 냉간비틈, 인장하여 저온가공하면 결정이 가공방향으로 배열되어 織維狀 조직을 형성한다. 가공도에 따라 인장강도, 降伏點 및 경도도 증가하지만 신장이나 necking 은 감소한다. 이와 같이 가공하여 降伏點을 높인 강을 냉간가공강(Cold Working)이라 한다. 탄소강에 Chrome, Nickel 또는 동등의 다른 금속과 합금하면 탄소강에 비하여 부식 저항이 4배나 증가한다. 이들 강재에 관한 응력일 변형도의 곡선이 <그림 25>와 같이 철근의 품질에 따라 大小상이한다.그림에서도 알 수 있듯이 비교적 저강도인 압연강의 경우에는 명료하게 降伏點과 降伏點의 디딤장의 길이도 짧아지고 파괴시의 신장도 적어진다.

한편 냉간가공강인 경우에는 뚜렷하게 降伏點을 볼 수 없다. 이와 같은 때에는 <그림 26(b)>에서와 같이 잔류변형도가 0.2%일 때의 응력도를 降伏點으로 정한다. 그리고 구조해석에 사용할 때의 곡선은 보통 CEB-FIP국제설계지침에서 적용하고 있으며 <그림 25>의 곡선을 이용하고 있다.

<그림 25> 철근의 응력도 - 변형도 곡선

<그림 26> 철근의 설계용 σ- ε선도(CEB-FIP 지침에 의한) 

<그림 27> σ- ε곡선 표시법

<그림 27>에서 알 수 있듯이 n의 값이 클수록 꺽어져서 휘어지는 점이 예리하다.

따라서 n의 값이 0.5~20인 범위에서는 냉간가공강의 경우이며, n=50일 때의 압연강재의 경우에 해당한다.
 

① 종류

현재 보통 널리 보급되고 있는 철근의 종류로는 원형단면을 가진 것과 부착력을 증가시키는 목적으로 <그림 28>과 같이 철근 표면에 Hnob 상의 돌기를 붙인 이형단면을 가진 것이 있다. 가령 직경 16㎜의 원형 철근일 때에는 16φ라는 기호로서 표시하고 이형철근은 원형 철근과 동종량의 직경과 단면적으로 표시한다.

<그림 28> 이형강철의 형상

이와 같이 표시된 직경 또는 단면적을 각각 공칭직경, 공칭단면적이라 한다. 이형철근의 D16은 원형철근 16㎜의 중량이 1.58㎏/m 이므로 이것과 가까운 것이 중량 1.56㎏/m, 공칭직경 15.9㎜인 것을 D16이라 정한다. 이형철근은 3/B"에서 1½" 까지 ⅛" 간극으로 10종류로 정하고 직경 5/8" = 15.9㎜≒16㎜를 D16이라하고 이것과 가장 가까운 원형철근의 중량 1.56㎏/m에 맞추어 제조하였다.

② 재질

일반적으로 사용하고 있는 구조용 강재는 <표6>과 같다. 한편 미국의 ASTM(American Society for Testing Materials) 규격을 보면 <그림 7>의 (a), (b) 및 (c)이다. 한편 <표8>은 독일의 규격이며 표중에서의 a류는 강의 성분에 Manganese(=Mn), Nickel (= Ni), 탄소등이 많이 포함된 고강도 특수강이고 b류에 속하는 것으로는 귀가 붙은 철근의 Pitch 직경의 8배 정도되는 Tor Stahl와 Pitch가 직경의 12배 정도가 되는 Isteg Stahl이 있다. 이것들은 降伏點도 높이고 동시에 부착력도 커진다.

<표6> 철근콘크리트용봉강 기계적 성질
 

<표7(a)> 구조용강의 성질(KSI)
 

<표7(b)> 보강철근의 성질(KSI)
 

<표7(c)> 구조용강의 허용응력도(KSI)
 

<표8> 독일의 철근규격
 

<그림 29> 독일의 이형철근의 종류

<그림 30> 삼점재하시의 보통 및 강도 d/ρRC 보의 (d/ρ)와 (M/bd²)의 관계

<표9> 고강도 철근의 降伏點의 상승률 비교표
 

따라서 강재도 절약이 된다. 한 예로 <그림 30> 및 <표 9>와 같이 보통철근 (降伏點 3000kgf/㎠)을 상온에서 10% 伸廷加工하여 降伏點을 4200~4300kgf/㎠으로 높인 인장강화 철근을 사용하여 만든 철근콘크리트보의 휨 시험을 하였다. 시험은 인장강화 철근과 보통철근을 등량사용한 보를 三點 재하하였을 때의 Bending Moment와 곡률과의 관계를 나타내면 1c와 1s, 3c, 3s, 5c, 5s를 비교한 도표에서도 알 수 있듯이 고강도 철강을 사용함으로써 보의 휨 강도는 降伏點의 상승률에 가까운 값까지 상승하였다. 그리고 강재의 降伏點을 약 1.4배 높임으로써 강재를 약 1/1.4정도 절약할 수 있다.
 

Ⅱ. 재료적 특성

1. 동결융해

동결된 상태의 콘크리트는 온도가 낮을수록, 강도, 탄성계수 등은 커진다. 이것은 Cement Gel 속에 들어 있는 Gel 水의 동결에 의하여 Cement Gel 공극이 적어지기 때문이다. 자유수가 존재하는 Gel Pore의 최소치수가 15Å정도라면 -70~80℃까지는 Gel 상당부분이 동결하므로 그 온도 이하로 떨어짐에 따른 강도의 증가율은 감소된다. 그런데 동결과정에서 모세관수의 동결팽창에 의한 Cement Gel의 내부 파손이 일어나는 동시에 급격한 온도강하로 인하여 표면에 미세한 신축균열이 발생하며 내부에는 급격한 모세관 수의 동결에 의한 Cement Paste의 파괴가 일어난다. 이와 같은 붕괴로 인하여 Mortar 부분이 분상으로 박리되어 떨어져 조골재가 노출된다. 부분의 단부보장판의 이음부분에 평행하게 일어나는 선상균열(d-line Crack)와 교량의 상판등과 같은 不透性 기반상에 시공된 콘크리트에 있어서 일어나는 표층의 층상박리(Scaling)현상이 있다.

한편 골재도 Paste와 같이 공극 중의 물의 빙결에 의한 빙압의 작용으로 팽창하고 수압이 과대해지면 파괴된다는 Powers의 수압설이 있다. 수압이 골재크기에 영향을 주는 요잉은 골재의 함수상태, 투수성, 냉각속도, 골재의 크기 등이며 동일한 수압이라면 약한 골재일수록 파괴되기 쉽다. 입경이 작은 골재에서는 골재의 내부에서 물이 외부로 배출되는 유동거리가 짧기 때문에 높은 수압이 일어나지 않는다. 이 때문에 골재의 크기가 어느 한도이하일 때에는 동결융해에 의한 파괴가 일어나지 않는다. 이것을 한계치수(Critical Size)라 한다. 골재의 한계치수는 골재의 흡수율이 적을수록, 투수계수가 클수록, 암질이 강할수록 크지만 일반적으로는 數 ㎝ ~ 數 10㎝에 달한다. 그리고 한계치수가 비교적 큰 골재는 동결할 때 남은 물을 추출하는 것은 용이하므로 골재자체의 내구성은 크지만 콘크리트 속에서는 주위의 Cement Paste의 모세관 공극 및 기포의 飽水度를 높이는 작용을 하므로 Cement Paste의 내구성을 저하시키는 결과가 된다. 따라서 흡수율이 크고 투수성이 큰 암질의 골재는 동결융해작용을 받는 콘크리트에는 적합하지 않다. 골재가 다공질인 경우에는 콘크리트 표면에 Popout을 일으키는 원인이 되며 표층직하골재가 동결하여 팽창하면 팽창에 의한 저항이 적은 표면에 향하여 골재가 파괴하며 그 압력으로 골재와 콘크리트 표면과의 사이에 있는 Mortar가 밀려서 원추상으로 박리된다.

다만 골재에서 Mortar에 가해지는 압력은 기계적인 힘으로서 파괴에 대한 골재 자체의 저항이 없는 경우이다. 골재의 밀도가 2.2보다 큰 경우에는 Popout가 일어나는 우려가 적어진다. 따라서 콘크리트의 모세관수의 동결로 생기는 물의 체적은 약 9%가 증대하고 압력은 감할 때에만 1000기압 이상이 되어 <그림 31>와 같이 콘크리트 조직이 현저하게 凍害를 입는다. 그러나 모세관 공극 중의 수량이 공극용적의 91.7% 이하이면 수압은 일어나지 않는다. 이것을 한계 飽水道度(Critical Saturation)라 한다.

그리고 모세관이 최고 0.25㎜크기의 공극으로 받쳐져있다면 얼음이 그곳으로 팽창할 수 있으므로 이로 인한 파손도 모면되기 때문에 일종의 안전변역할을 하게 된다. 이때 형성된 기포는 콘크리트 체적의 5% 이상이면 강도가 현저하게 저하되므로 보통 2~4%정도로 기포를 형성시키는 것이 좋다.

<그림 31> Pop Out 현상도

2. 내화성

Cement Paste를 가열하면 온도 상승과 더불어탈수하여 80~750℃ 범위에서 수축한다. 이에 대하여 골재는 가열하면 팽창하므로 200~300℃ 이상의 고온도로 가열된 콘크리트는 Cement Paste강도가 저하하는 동시에 골재와 Cement Paste 의 계면에서 내부파괴가 일어나서 강도가 저하된다. 고온도로 가열한 콘크리트를 온도까지 냉각할 후의 강도(잔존강도)는 가열온도가 높을수록 낮아진다. 가열에 의한 탄성게수의 감소는 한층 감하여 500℃에서는 가열 전의 10% 정도가 된다. 500℃ 이하의 온도로 가열된 콘크리트가 공기중에 장시간 경과하면 강도는 <그림 32>에서와 같이 약 1개월간 徐夕히 저하한 후에 연차로 회복되어 약 1년 후에는 거의 수열전의 강도에 가까워진다. 가열된 Cement Paste는 Cement Gel의 탈수로 인한 모세관 공극이 확대되어 공극률, 공극 치수 등이 모두 커진다. 이와 같이 된 새로운 공극조직은 Cement Paste의 투기성을 현저하게 증대시키고 Cement Paste 내부의 탄산화를 촉진한다. 수열 후의 강도의 자연회복은 Cement Paste의 再水和 이 외에 탄소화와도 관련이 깊다. 500℃이상의 고온으로 가열된 경우에는 균열이 발생하며 강도의 자연회복은 일어나지 않는다. 경화된 Cement Paste는 주로 수산화칼슘 및 수산화 알카리(NaOH, KOH) 에 의하여 PH가 12~13인 강염기성을 띄우게 된다.

수산화 칼슘은 물의 존재 중에서 탄소까스에 접촉되면 다음과 같은 반응에 의하여 탄산칼슘과 물로 된다.

Ca(OH)₂ + Co₂ = Ca Co₃ + H₂O

<그림 32> 가열된 콘크리트의 강도의 자연회복

<그림 33> 상이한 온도로 가열된 콘크리트의 압축 강도

<그림 34> 고온 가열 후의 콘크리트의 압축 강도

탄산화된 콘크리트는 수축되어 표면에 미세한 균열을 일으켜서 이 수축균열은 공기와 물의 통로가 된다. 이와 같이 하여 이루어진 중성화가 철근표면까지 도달하면 콘크리트의 철근에 대한 방청작용이 소실되어 콘크리트 부재의 수명을 현저하게 축소시키는 결과가 된다. 특히 석영에서는 573℃에서 그 상태를 변화하고 급격히 0.85% 팽창한다. 이 현상은 콘크리트를 파괴시키므로 내수 콘크리트를 파괴시키므로 내수 콘크리트에서는 석영골재를 사용해서는 안된다. 콘크리트는 비교적 수중에서 장시간 정상적인 성질을 지속하며 유해한 연기도 발생하지 않는다. 온도 상승이 콘크리트 강도에 미치는 영향은 250℃이하에서는 적지만 <그림 33>에서와 같이 불규칙하다. 그러나 약 300℃이상 일 때는 <그림 34>에서도 알 수 있듯이 확실히 강도가 감소한다. 그러나 고온도가 단시간 (가량 1시간 정도)이면 얼마만큼 강도 회복이 일어난다. 저온도에 있어서의 콘크리트 강도는 실온에 있어서의 강도보다 크다.

가령 -60 ~ - 157℃ 및 -80~-196℃에서 습윤 상태의 콘크리트 강도는 실온에 있어서의 강도보다 2배에서 3배까지 크다. 그러나 건조상태의 콘크리트의 경우 저온시일 때에는 20%정도밖에 더 커지지 않는 때가 더 크다. 이와 같은 차이가 생기는 책임은 다분 압축 시험시의 공시체 콘크리트의 수분량에 있다. 재령 14일을 초과하는 MASS 양생(밀봉용기 내에서의 단열양생) 콘크리트의 강도는 21~96℃의 범위 내에서 온도의 영향을 받지 않은 것 같다. 그리고 콘크리트 표면의 빛깔, 그을임 상태를 관찰하므로서 콘크리트의 火害온도와 열화정도를 대략 추정할 수 있다. 표면이 화재로 인하여 그을려 있으면 콘크리트의 화재온도는 그다지 높지 않고 PINK COLOR를 띄우면 고온을 받고 강도가 현저하게 저하되어 있다고 생각된다. <그림 35>는 콘크리트 빛깔, 火害 온도 및 잔류 강도 등의 상호관계를 표시하였다. 그리고 콘크리트는 대략 1600℃의 온도에서 용해된다.

<그림 35> 가열 후 콘크리트의 강도와 빛깔

<그림 36> 화재 후 콘크리트 모서리의 박리가 시작된다.

<그림 37> 고온시 콘크리트의 강도와 탄성 

ALUMINA CEMENT와 분쇄된 내화벽돌로 만든 골재를 사용한 CONCRETE는 약 1300℃까지의 온도에 안정하며 1600℃까지는 특별한 고래 가열 용융 ALUMINA 또는 카보란담을 사용하면 된다. 1800℃까지의 고온도에 대해서는 특별한 백색의 CALCIUM ALUMINATE CEMENT 와 용해 ALUMINA 골재로 된 CONCRETE로 저항시킨다. 이때 CEMENT는 약 72%의 ALUMINA와 26%의 석회와 1%인 철이나 SILICA로 되어 있고, C₃ A₅에 가까운 조성을 갖게 된다. 온도가 균등하게 상승하는 경우 콘크리트는 500℃까지 견딜 수 있으나 Cement Paste와 골재와의 온도팽창이 상이하므로 여기서 조직의 붕괴가 시작된다. 외부에서 급격히 고온으로 가열되었을 경우 <그림 36>과 같이 대략 우각부에서 마감 MORTAR이 떨어지기 시작한다. 콘크리트가 경고하고 취성이 두드러질수록 탄성계수의 값이 높고 온도차로 인한 손해는 크게 받는다. 화재의 위험이 있는 건축물은 저강도 콘크리트일수록 열의 전도가 나쁘기 때문에 높은 온도차에 잘 견딘다. 온도가 높아지면 <그림 37>에서 알 수 있듯이 탄성계수가 내려가기 때문에 화재발생시에 변형이 커진다. 특히 화염의 범위를 제한하기 위하여서는 창고와 같은 건물은 방화간을 설치한 방화벽을 설치하여 구획하며 약 3㎝ 폭의 신축이음부분을 최고 30m 간격 이내로 설치하면 좋다. 그리고 <그림 38>과 같이 굴뚝작용을 하는 통풍구를 지붕 정상부에 둔 DOME형 천장을 만들어 창고의 화재를 국부화하는 수도 있다.

<그림 38> Le Gavre 線花用 창고 지붕

특히 화재에 강한 콘크리트를 제조하기 위하여 벽돌의 파편, 좀 더 유효하게 만드려면 내화 벽돌의 파편을 골재로 하는 1000℃이상 온도에 견딜 수 있는 콘크리트를 만들면 된다.

3. 중성화

경화된 Cement Paste는 주로 수산화 칼슘 및 수산화 알카리에 의하여 PH가 12~13인 강염기성을 띄우게 된다. 수산화 칼슘은 물의 존재하에서 탄산가스에 접촉되면 탄산칼슘과 물이 된다. 이때 Ca(oH)₂가 소비되면 Cement Paste는 중성화 된다. 탄산화된 콘크리트는 수축되어 표면에 미세한 균열이 발생되고 이 수축 균열은 공기와 물의 통로가 된다. 중성화가 철근 표면까지 달하면 CONCRETE의 철근에 대한 방청작용이 없어져서 부재의 수명을 짧게 하는 결과가 된다. 콘크리트의 중성화는 표면에서 내부로 향하여 진행하지만 조골재면에 달하면 골재에 의하여 진행이 방해되며 그 후에는 골재의 하면의 틈 또는 BLEEDING에 의한 SAND에서 STREAK, 균열등에 따라 불균일하게 진행된다. 공기 중에서 일정시간 경과하였을 때의 평균 중성화 깊이는 시멘트의 종류, 골재의 성질, 콘크리트 W/C비ㆍ혼화재료, 균열의 유무, 노출조건 등에 의하여 영향된다. 평균중성화깊이와 경과년수와 관계는 일반적으로

χ= α(t-to)ⁿ

다만 x : 평균 중성화 깊이 (㎝)

t : 탄산화 시간 (년)

α : 콘크리트의 성질과 노출조건에 의하여 결정되는 정수

로 표시된다.

4. 해수 저항성

해양, 해안콘크리트 구조물은

① 해수의 화학적 작용

② 파도, 조류 및 부유물에 의한 이론적, 기계적 손식

③ 건습의 반복에 의한 이론적 작용과 염분의 결정화 및 축적

④ 한랭지에서 동결융해의 반복에 의한 물리, 화학적 영향

등에 의한 損傷을 받는다. 콘크리트는 해수에 접하고 있어도 내부에 해수가 침투하지 않으면 화학적으로는 크게 해를 받지 않으며 항상 해수에 잠겨져 있는 부분은 ②~④의 피해도 적다. 해수의 성분은 장소나 시간에 따라 상이하지만 주요한 Ion과 염의 개략의 양은,

경화시멘트 페이스트속의 C₃A 또는 C₄AF의 수화물은 해수중의 MgSo₄의 작용에 의한 Ettringite계의 화합물

3Cao(Al, Fe)₂O₃ㆍ3Ca(SO₄, (OH)₂)ㆍ31H₂O 으로 변화하고 Fe의 함유량이 적은 (F-Poor) 화합물이 큰 팽창을 일으킨다. Ettringite의 생성은 다음과 같이 발생된다.

Mg²⁺ + SO₄^2- + Ca²⁺ + 2OH^- = Mg(OH)₂ ↓+ Ca^2- + SO₄^2-

및

3CaOㆍAl₂O₃ㆍCaSO₄ㆍ12H₂O + 2Ca^2- + 2SO₄^2- + 20H₂O = ETTRINGITE

3CaOㆍAl₂O₃ㆍ6H₂O + 3Ca^2- + 3SO₄^2- + 25H₂O = ETTRINGITE

Ettringte 계 화합물의 생성에 의한 팽창과 Ca(OH)₂ 및 CaSo₄의 용출은 시멘트 페이스트의 조직을 늦게 한다.

이 변화는 콘트리트 내부에의 해수의 침투를 용이하게 하며 침식작용을 助長하지만 MgSO₄ 와 Ca(OH)₂ 의 반응에 의하여 일어난다.
Mg(OH)₂는 용해도가 적으므로 콘크리트의 표면에 보호피막을 형성하여 침식을 迎制하는 작용을 한다. 해수중의 CO₂농도는 극히 적기 때문에 일반적으로 해중에 있는 콘크리트는 탄산화하지 않는다. 또한 해면상에 있는 콘크리트도 육상 구조물에 비교하여 특히 중성화 속도가 커진다고 할 수 없다. 그러나 해면상에 있어도 해수에 의한 습윤과 건조가 반복되는 부분에서는 공기중에서 탄산가스와 산소가, 해수에서 염분이 각각 공급되므로 철근은 부식되기 쉽다. 철근의 부식에 대한 염분의 작용에는 상반하는 다음 두 가지가 있다.

① 시멘트 페이스트의 전도도를 크게 하여 부식을 촉진한다.

② 용해산소를 감소시켜 부식을 迎한다.

이 때문에 부식속도를 최대로 하기 위한 농도 즉 均大 부식농도가 있으며 Na Cl에서는 3~4%이다. 해수 중의 염분 가운데에서 철근에 대해 가장 유해한 성분은 Cl^-이며, 이것은 콘크리트의 침투 속도가 크다. 따라서 해수의 작용을 받는 콘크리트에서는 허용 균열 폭을 0.1㎜ 이하로 하는 것이 안전하다.
콘크리트의 해수에 대한 저항성은 시멘트의 종류, 콘크리트의 배합, 시공의 양부에 의하여 정한다. 해수에 대한 시멘트의 화학적인 저항성을 크게 하기 위해서는 C₃A를 적게하여 Ettringite 계 화합물 생성을 누른다. Fly ash 또는 고로 slag을 사용하여 Cement Plate 속의 수산화칼슘을 불용성인 규산칼슘으로 바꾸어 안정화시킨다. 분말도를 거칠게 하는 것이 유효하다. 최근에는 석고가 다량 함유한 고황산염 Slag Cement 가 내해수 Cement로서 주목된다. W/C 비가 적은 콘크리트를 入念에 두고 충분히 양생하여 수밀성을 크게 콘크리트를 만드는 것이 내해수성이라는 점에서 대단히 중요하다.
이런 뜻에서 감수제, AE제의 사용을 推奬 하고 싶다. 또한 해수에 접촉시키기 전에 공기중에 노출시켜 표면에 탄산칼슘의 피막을 생기게 하면해수의 화학적 작용에 대한 저항성을 증대시킨다. 한냉지의 경우에는 해상구조물보다 해양구조물에 대한 동결융해의 침식작용이 심하므로 AE콘크리트의 공기량을 일반적인 경우보다 많이 하는 것이 적당하다. 이런 경우 공기량을 증대시키면 콘크리트의 강도는 공기량 1%에 대하여 5~7%의 비율로 저하하지만 강도저하는 W/C 비를 적게하므로서 보충할 수 있으므로 내구성이라는 점에서 공기량을 1~2% 많이 만들면 된다.