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콘크리트 및 철근콘크리트

숙지황 2022.09.14. 06:23

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콘크리트 및 鐵筋 콘크리트

Ⅰ. 配合設計

1.기본 사항

콘크리트의 배합(Mix Proportion)이란 콘크리트를 만들기 위한 각 재료의 비율 또는 사용량을 말하며, 배합설계란 소요의 강도, 내구성, 수밀성 및 작업에 적합한 워커빌리티를 가진 범위 내에서 단위수량이 될 수 있는 대로 적게 되도록 각 재료의 비율을 정하는 것을 말한다.

콘크리트 배합은 중량배합으로 함을 원칙으로 하며, 배합에는 示方配合과 現場配合이 있다.

시방배합이란 시방서(Specification) 또는 감독관에 의하여 지시된 배합을 말하며, 시방배합시에 사용되는 골재는 표면건조포화상태라야 하며, 잔 골재는 10mm 체를 전부 통과하고 No.4체를 거의 다 통과하며 No.200 체에 거의 다 남는 골재 또는 No.4체를 다 통과하고 No.200체에 다 남는 골재, 굵은 골재는 No.4체에 거의 다 남는 골재 또는 No.4체로 쳐서 남는 골재를 사용하도록 규정하고 있다.

그러나 현장의 골재를 No.4체로 쳐서 구분하여 사용하기가 매우 어려우므로 실제 현장 골재의 표면수, 흡수량 및 입도상태를 고려하여 시방배합을 현장상태에 적합하게 보적한 배합을 현장배합이라 한다. 중량배합은 콘크리트 1㎥ 를 만드는데 필요한 골재의 양을 단위량 kg/㎥으로 나타내는 배합이며, 용적배합이란 콘크리트 1㎥를 만드는데 필요한 각 재료의 양을 절대용적l/㎥으로 나타내는 배합을 말한다.

배합의 표시방법은 콘크리트를 표준시방서에서 다음 <표1>과 같이 나타내고 있다.

굵은 골재의 최대치수 (mm)	슬럼프 의 범위 (cm)	공기량의 범위 (%)	물-시멘트비 (%)	잔 골재율 (%)	단 위 량 ( kg/㎥)
					물	시멘트	잔골재	굵은 골재		혼화 재료
								mm-mm	mm-mm	혼화재	혼화재

2.배합설계의 순서

콘크리트의 배합설계에는 계산에 의한 방법, 배합표에 의한 방법 및 시험혼합에 의한 방법이 있으나, 일반적으로 시험배합에 의한 방법이 가장 실용적이고 합리적인 방법이며, 실례에 의한 방법 또는 시험을 하지 않고 배합 참고표를 사용하여 결정하는 방법도 있으나 소규모공사 또는 중요하지 않는 공사에 한하여 사용하는 것이 좋다.

시험배합에 따르는 일반적인 콘크리트의 배합을 정하는 순서는 다음과 같다.

(1) 시멘트 및 골재의 비중, 골재의 입도, 흡수량 및 단위용적중량, 마모율 등 사용 골재의 품질시험을 실시한다.

(2) 굵은 골재의 최대치수와 굳지 않은 콘크리트의 슬럼프 및 공기량을 결정한다.

(3) 구조물의 종류와 용도를 고려하여 물-시멘트비를 결정한다.

(4) 단위수량이나 단위시멘트량 및 혼화제량을 결정한다.

(5) 잔 골재율을 콘크리트의 워커빌리티를 얻는 범위에서 최소가 되도록 결정한다.

(6) 잔 골재량 및 굵은 골재량을 결정한다.

3.배합설계인자의 결정

(1)굵은 골재의 최대치수

콘크리트를 경제적으로 제조한다는 점에서 될 수 있는 대로 큰 굵은 골재를 사용하는 것이 일반적으로유리하다.
그러나 철근콘크리트 부재는 철근이 몹시 복잡하게 조립되어 들어 있고, 부재의 치수가 그다지 크지 않은 경우가 많으며, 또 부재의 모양이 복잡한 경우도 있으므로 콘크리트가 구석구석까지 잘 채워지게 하기 위해서는 너무 큰 굵은 골재를 사용하는 것은 적당하지 않다.
그래서 굵은 골재의 최대치수는 50mm이하로서, 부재의 최소치수의 1/5 또는 철근의 최소 수령 순간격의 3/4을 넘어서는 안되며, 일반적인 경우는 25mm 단면이 큰 경우는 40mm를 표준으로 한다고 규정하고 있다.

한편 무근콘크리트의 경우 일반적으로 단면이 크고 철근량도 적으므로 부재단면의 크기로 보아서는 지장이 없겠으나, 최대치수가 100mm 이상되는 굵은 골재를 사용하면 보통의 경우 완전히 비벼지지 않고 재료가 분리하기 쉬우며 표면 마무리가 곤란해지는 등의문제가 있어서 종래의 경험에 의하여 최대치수를 정하고 있다.

(2) 슬럼프의 범위

콘크리트 작업에 알맞은 슬럼프를 얻을 수 있는 반죽질기는 구조물의 크기 및 모양 콘크리트의 취급과 다지기의 방법 등에 따라 다르다. 슬럼프가 큰 콘크리트를 사용하면 콘크리트의 작업은 쉽지만. 블리딩이 많아지고 굵은 골재가 모르터로부터 분리하는 경향이 심해진다. 그러므로 작업에 알맞은 범위 내에서 될 수 있는대로 작은 슬럼프의 콘크리트가 바람직하다.

일반적인 콘크리트의 슬럼프값의 표준을 <표2>와 같이 정하고 있다.

그런데 콘크리트의 운반시간이 길 경우 또는 기온이 높을 경우에는 특히 슬럼프가 크게 저하되므로 운반중의 슬럼프의 저하를 고려한 슬럼프값에 대하여 배합을 정해야 한다. 한편 진동기를 사용하지 않는 경우에는 <표2>의 슬럼프 값보다 얼마간 큰 슬럼프값을 써야 하며 된반죽콘크리트의 경우에는 슬럼프시험 대신에 진동기를 사용한 반죽질기 시험방법을 채택하는 것이 효과적이다.

<표2> 타설위치에 따른 슬럼프의 표준

구조물의 종류		다 지 기	슬럼프 (cm)
무근콘크리트	단면이 큰 콘크리트(큰교각, 큰 기초) 단면이 약간 큰 콘크리트(교각,두꺼운 벽,기초) 두꺼운 판 수밀콘크리트 일반적인 경우	전동기사용 〃〃〃〃	5이하 8이하 5이하 8이하 2.5~8
철근콘크리트	단면이 큰 경우 일반적인 경우	〃〃	2.5~10 5~12
포장콘크리트	일반적인 경우	〃	2.5
댐콘크리트	일반적인 경우	〃	3~5

(3)물-시멘트比

콘크리트의 물-시멘트비는 소요의 강도와 내구성을 고려하여 정해야 하며, 수밀을 요하는 구조물에서는 콘크리트의 수밀성에 대해서도 고려해야 한다.

(가)콘크리트의 압축강도를 기준으로 해서 물-시멘트비를 정할 경우 압축강도와 물-시멘트비와의 관계는 시험에 의하여 정하는 것을 원칙으로 한다. 이때의 供試體는 재령 28일을 기준으로 한다. 단 구조물이 소규모이거나 높은 강도를 필요로 하지 않는 공사 등에서는 시험을 하지 않을 경우 혼화제를 쓰지 않고 보통 포틀랜드시멘트로 만드는 콘크리트에 있어서 시멘트 물비와 압축강도와의 관계를 다음 식을 사용해도 좋다.

σ28 = -210 + 215ㆍC/W

이 식은 품질의 관리가 만족스럽지 못한 곳에서의 시험결과까지를 포함하여 거의 최저선을 나타낸 것이며, 조강포틀랜드시멘트로 만드는 콘크리트에 대해서는 이 식을 사용할 경우에 한하여 재령 28일은 재령 7일의 압축강도로 생각해도 좋다.

(나)콘크리트의 내구성을 고려하여 물-시멘트비를 정하며, 포틀랜드시멘트를 사용할 경우 물-시멘트비는 다음 <표3>의 값 이하라야 한다.

(다)콘크리트의 수밀성을 고려하여 물-시멘트비를 정하려는 경우 다지기 및 양생을 충분히 한 콘크리트에서도 물-시멘트비가 45~60% 이상이 되면 콘크리트의 수밀성은 매우 감소된다. 그리고 일반적으로 물-시멘트비가 큰 콘크리트는 재료분리의 경향이 커서 쳐넣은 콘크리트에 결점이 생기기 쉽다. 그래서 종래의 경험과 실험의 결과로부터 물-시멘트비가 55% 이하인 경우를 표준으로 정하고 있다.

<표3> 콘크리트의 내구성을 구려하여 물-시멘트비를 정하려는 경우 AE콘크리트의 최대 물-시멘트비(%)

기상조건	기상작용이 심한 경우 또는 동결 융해가 종종 반복되는 경우			기상작용이 심하지 않은 경우, 징점 이하의 기온으로 되는 일이 드문 경우
단면 구조물의 노출상태	얇은 경우*	보통의 경 우	두꺼운** 경 우	얇은 경우	보통의 경 우	두꺼운 경 우
계속해서 또는 종종 물로 포화되는 부분	55	60	60	55	65	65
보통 노출상태에 있으면 위의 항에 해당 되지 않는 경우	60	65	65	60	70	70

* 단면의 두께가 약 20cm 이하인 구조물의 부분

** 매시브한 구조물의 표면부분

(4)단위수량

콘크리트의 단위수량은 작업이 가능한 범위 내에서 될 수 있는 대로 적게 되도록 시험에 의해서 정하도록 규정하고 있다.
그 이유로서는 콘크리트의 반죽질기는 작업의 적합한 범위 내에서 될 수 있는 대로 작은 슬럼프의 것이 좋기 때문이다.
그리고 소요의 슬럼프를 얻는데 필요한 단위수량은 굵은 재료의 최대치수, 골재의 입도와 입형, 혼화재료의 종류, 콘크리트의 공기량 등에 따라서 다르므로 사용되는 재료에 관해서 시험하여 정하도록 하였다.

한편 AE제, 감수제 등을 적당히 사용하면 단위수량을 상당히 감소시킬 수 있다. 단위수량을 감소시키는 정도는 공기량, 혼화재료의 종류, 콘크리트의 배합 등에 의하여 다르나 일반적으로 양호한 AE제의 경우 7~14%, 양호한 감수제의 경우 10~23% 정도이다. 부순돌을 사용할 경우의 단위수량은 입형에 따라 다르지만 자갈을 사용했을 경우에 비하여 10%정도 증가한다.

콘크리트의 단위수량의 대력작인 표준을 <표4>에 나타내었다.

<표4> 콘크리트의 단위 굵은 골재용적, 잔 골재율 및 단위수량의 대략값

굵은 골재의 최대치수

(mm)

단위 굵은 골재용적

(%)

AE제를 사용하지 않은 콘크리트

AE 콘크리트

갇힌공기

(%)

잔골재율

S/a(%)

단위수량

W (kg)

공기량

(%)

양질의
AE제를
사용할
경우

양질의
감수제를
알맞게
사용할
경우

잔골재율

(%)

단위수량

(kg)

잔골재율

(%)

단위수량

(kg)

2.5

2.0

1.5

1.2

1.0

0.5

190

185

175

165

155

140

7.0

6.0

5.0

4.5

4.0

3.5

170

165

155

145

135

120

160

155

145

135

125

110

(5) 단위시멘트량

단위시멘트량은 단위수량과 물-시멘트비로부터 정한다. 다시 말해서 골재의 품질과 입도가 적당하면 어느정도까지 단위시멘트량을 적게 하여 수밀하고 내구적인 콘크리트를 만들 수 잇으나. 골재알을 충분히 부착시킬만한 시멘트풀이 부족할 만큼 단위시멘트량을 적게 하면 강도는 물론 수밀성과 내구성이 큰 콘크리트를 만들 수 없다.

단위시멘트량은 소요의 강도, 내구성, 수밀성 등을 가지는 콘크리쭻 얻도록 시험에 의하여 정해야 한다. 그래서 시험결과로부터 정한 물-시멘트비와 단위 수량으로부터 단위시멘트량을 정하도록 규정하고 있다.

한편 철근콘크리트에 사용되는 콘크리트에서는 소요의 강도의 콘크리트를 얻기 위하여 상당한 량의 시멘트를 소요로 할 뿐 아니라 철근이 녹스는 것을 방지하고 또 콘크리트와 철근과의 부착이 충분히 되도록 하기 위해서는 적당한 물-시멘트비의 시멘트풀로 철근을 완전히 둘러싸야 하며 콘크리트가 충분히 수밀해야 하는데 이러기위해서도 상당한 량이 시멘트를 사용해야 한다. 일반적으로 단위시멘트량을 300kg 이상으로 하면 위의목적을 충분히 달성할 수 있다. 포장콘크리트의 단위시멘트량은 280~340kg을 표준으로 하고 있으며, 탬콘크리트의 경우에는 내부 콘크리트의 단위시멘트량은 일반적으로 그 최소량이 160kg정도이나, 외부콘크리트의 단위 시멘트량은 단위수량과 소요의 물-시멘트비로부터 정하도록 규정하고 있다.

(6) 잔골재율

잔골재율은 콘크리트속의 골재 전체용적에 대한 잔골재 전체용적의 중량백분율이다. 즉,

S/a = (잔 골재의 절대용적/전체 골재의 절대용적 ) ×100 (%)이다.

잔 골재율은 소요의 워커빌리티를 얻을 수 잇는 범위 내에서 단위수량이 최소가 되도록 시험에 의하여 정하도록 되어 있다. 일반적으로 잔 골재율을 작게 하면 소요의 워커빌리티의 콘크리트를 얻기 위하여 소요한 단위수량이 감소되고, 따라서 단위시멘트량이 적어져서 경제적으로 된다. 그러나 잔 골재율을어느 정도 보다 작게 하면 콘크리트는 거칠어지고 재료의 분리가 일어나는 경향이 커지고 워커블한 콘크리트를 얻기 어렵다.

공사중에 잔 골재의 입도가 변화하는 경우에는 소요의 워커빌러티의 콘크리트를 얻도록 잔 골재율도 변경해야 한다. 예를 들면 잔 골재의 입도율이 콘크리트의 배합을 정할 때 사용한 입도율에 대하여 0.20이상 변화할 경우에는 슬럼퍼가 변동하기 때문에 콘둁크리트의 배합을 바꾸어야 하며, AE콘크리트를 사용할 경우에는 입도변화를 허용치를 앞의 값보다 작게 규정한다.

한편 콘크리트의 잔 골재와 굵은 골재의 비율을 정하는 데는 잔 골재율 이외에도 굵은 골재의 단위중량을 따르는 방법도 <표4>는 단위 굵은 골재용적, 잔골재율, 단위수량의 대략의 표준을 나타낸 것이다. 이 배합표에서 잔골재의 조립율, 슬럼프값, 공기량 및 부순돌이나 바순모래를 사용할 경우 <표5>를 참고로 하여 잔 골재율이나 단위수량을 보정해야 한다.

<표5> 배합의 보정표

구분	S/a (%)의 보정	W(kg)의 보정
모래의 조립율이 0.1만큼 클(작을)때마다	0.5만큼 크게(작게)한다.	보정하지 않는다.
슬럼프 값이 1cm만큼 클(작을)때마다	보정하지 않는다.	1.2 % 만큼 크게(작게)한다.
공기량이 1%만큼 클(작을)때마다	0.5~1만큼 작게(크게)한다.	3%만큼 작게(크게)한다.
부순돌을 사용할 경우	3~5만큼 크게 한다.	9~15만큼 크게 한다.
바손모래를 사용할 경우	2~3만큼 작게 한다.	6~9만큼 크게 한다.

(7) 공기량

적당량의 AE공기를 가지고 있는 콘크리트는 기상작용에 대한 내구성이 극히 우수하므로 심한 기상작용을 받는 경우에는 AE콘크리트를 사용하는 것이 좋다.
심한 기상작용을 받는 경우, 적당한 AE공기량은 콘크리트 용적의 3~6% 정도의 값이 일반적인 표준이다. 콘크리트의 공기량은 운반, 진동다지기 등에 의하여 1/4 ~1/6 정도 감소되는데 주의해야 한다.
따라서 콘크리트를 비빈 후의 공기량은 <표4>의 값을 참과로 하면 좋다. AE공기는 콘크리트의 워커빌리티를 크게 개선하므로 AE공기에 의하여 소요의 워커빌리티를 얻는데 필요한 단위수량을 크게 감소시킬 수 있다.

그러나 콘크리트의 강도는 공기량이 증가되면 작아진다. 또 콘크리트의 품질의 균등성은 공기량이 증가할수록 나빠지는 경향이 있다. 그러므로 기상작용이 심하지 않은 곳에 AE콘크리트를 사용하는 경우에는 소요의 워커빌리티를 얻는 범위 내에서 될 수 있는 대로 적은 공기량으로 하는 것이 적당하다.

(8)혼화재료

포졸란, 플라이애쉬 등과 같은 사용량이 비교적 많은 혼화재와 AC제, 감수제 등과 같이 사용량이 비교적 적은 혼화제는 다같이 경제적인 콘크리트를 만들거나 콘크리트의 성질을 개선하기 위하여 사용한다.
일반적인 감수제의 사용량은 시멘트 중량의 0.25~0.5% 정도이며, 단위 AC제량은 소요의 공기량을 얻을 수 있도록 시험에 규정하고 있다. 소요의 공기량을 얻는데 필요한 단위 AE제량은 시멘트의 분말도, 단위수량, 포졸란의 종류 및 사용량, 골재의 입도 및 입형, 비비기 시간, 슬럼프, 콘크리트의 온도 등에 의하여 달라지므로 시험에 의하여 정해야 한다.

같은 재료를 사용하고 같은 배합으로 콘크리트 작업을 진행하는 경우에는 골재의 입도 기타 조건이 변화하면 AE콘크리트의 공기량이 상당히 변화하는 경우가 있다. 그러므로 콘크리트의 시공에서 공기량의 시험결과에 따라서 소요의 공기량을 얻도록 단위 AE제량을 가감해야 한다. 특히 사용하는 포졸란의 종류에 따라서 소요의 공기량의 콘크리트를 만들기 위하여 필요로하는 AE제의 단위량의 몹시 많아지든가 공기량의 불균일하게 되는 경우가 있으므로 주의해야 한다.

4.배합강도의 증가계수

콘크리트 배합설계시 콘크리트 구조물의 안전을 확보하기 위하여 현장에서의 콘크리트 품질의 변화 및 구조물의 중요성을 생각하여 설계기준강도에 증가계수를 곱한 것을 배합강도(Required Strength)라고 한다.

σ= αㆍσck

증가계수는 현장에서 예상되는 콘크리트의 강도의 변동계수 (Coefficient of variation) 및 구조물의 중요도에 따라 정한다. <표6>은 현장에 있어서 콘크리트 압축강도에 대한 변동계수의 대략 값을 나타낸다.

콘크리트 표준시방서에서는 증가계수를 정하는 조건으로서 다음과 같은 규정이 있다.

(가)시험치가 설계기준강도 σck의 80% 이하로 되는 일이 Pa 이상의 확률로 일어나서는 안된다.

(나)시험치가 설계기준강도 이하로 되는 일이 Pb 이상의 확률로 일어나서는 안된다.
여기서 Pa 및 Pb는 일반적인 경우에는 각각 1/20 및 1/4로 하고, 특별히 중요한 구조물에 대해서는 이 확률을 더 작게 해야 한다.

그런데 포장콘크리트 시방서에는 설계기준강도를 휨강도, 즉 설계기준휨강도 σbk로 정하고 있으며, 이 때 휨강도의 평균치가 0.8 σbk 이하로 되는 일이 1/30이상의 확률로 일어나지 않는 것 또 σbk 이하로 되는 일이 1/5이상의 확률로 일어나지 않을 것의 이 두 가지 조건을 만족시키도록 정하고 있다.
그래서 증가계수는 현장에 있어서 예상되는 콘크리트의 압축강도의 변동계수에 따라 시험치가 위의 조건을 만족하도록 정하며, <그림1>의 곡선으로부터 구한 값 이상으로 한다.

<표6> 압축강도에 대한 변동계수의 대략값


관리과정	변동계수(%)	시 공 상 태
우 수 양 호 보 통 불 량	7~10 10~15 15~20 20 이상	우수한 배치플랜트에서 잘 관리된 경우 일반적인 현장으로 시방서에 의거하여 관리가 잘 된 경우 보통의 감독상태의 현장 부주의한 시공

5.배합설계예

기상작용을 받는 철근콘크리트 구조물에 사용할 콘크리트를 배합설계하고자 한다. 콘크리트의 설계기준 강도 σck = 260 kg/㎠로 하고자 하며 현장에서 예상되는 압축강도의 변동계수는 15% 이다.
사용되는 기본재료의 특성은 다음과 같다. 즉 시멘트는 보통 포틀랜드시멘트로서 비중이 3.16이고, 잔 골재의 조립률은 2.70으로서 표면건조포화상태의 비중은 2.60이며, 굵은 골재의 최대치수는 25mm로서 표면건조포화상태의 비중은 2.65이다. AE콘크리트를 만들기 위하여 AE제는 시멘트 중량의 0.03%를 사용한다.

(1)배합계산

슬럼프값을 <표2>를 참고로하여 10cm로 정하였으며 공기량은 <표4>에 의하면 5.0% 정도이다. <그림1>에서 변동계수 15%에 대한 증가계수 α= 1.12 이고, 따라서 배합강도

σr = αㆍσck = 1.12 ×260 = 291 kg/㎠이 된다.

3종류의 시멘트-물비에 의한 압축강도 시험결과가 <그림2>이다. 이 그림에서 배합강도 291kg/㎤에 해당되는 시멘-물비 C/W = 2.1이 구해지므로 물-시멘트비 W/C = 47.6% 가 된다.
콘크리트의 내구성을 고려한 물-시멘트비는 <표3>에서 기상작용이 심한 경우 얇은 단면일지라도 최소 물-시멘트비가 55%이므로 여기서 물-시멘트비 W/C = 47.6%로 정한다.
이번에는 잔 골재율과 단위수량을 <표4,5<를 참고로 하여 제조건에 맞도록 다음과 같이 보정한다.

<표> 배합설계의 보정

조 건

보 정 계 수

잔골재율(%)

단위수량(kg)

표4의 값
모래의 조립율 2.70

물-시멘트비 0.476

슬럼프값 10cm

공기량의 4.5%

37 -	2.80 - 2.70	×0.5 = 36.5
	0.1

36.5 -	0.55 - 0.476	×1 = 35.0
	0.05

155 ×1 + {(10-8) ×0.012} = 159

35.0 + (5.0 -4.5) ×0.75 = 35.4

159 ×{1+(5.0-4.5) ×0.03} = 161

36.5

35.0

35.4

155

159

161

<표> 시방배합설계결과

굵은 골재의 최대

치수

(mm)

슬럼프의 범위

(cm)

공기량의 범위

(%)

물-

시멘트비

(%)

잔

골재율

(%)

단위 량(kg/㎥)

AE제

(g/㎥)

물

시멘트

잔골재

굵은골재

4.5

47.6

35.4

161

338

632

1176

101.4

단위수량

W=161kg/㎥, 잔골율 S/a = 35.4%가 구해으므로 각 재료의 단위량을 계산한다.

단위시멘트량 : C = 161/0.476 = 338kg

골재의 절대용적 : a = 1,000 - [ 338/3.16 + 161 + 45 ] = 687l

단위 잔 골재량 : S = 687 ×0.354 ×2.60 = 632kg

단위 굵은 골재량 : G = 687 ×0.646 ×2.65 = 1.176kg

단위 AE제량 : AE = C ×0.03% = 338 ×0.003 = 101.4g/㎥

상기의 계산과정으로부터 얻어진 시방배합설계의 결과는 아래 표와 같다.

이제 상기의 시방배합의 각 재료량을 현장의 골재의 상태에 따라 다음과 같은 수정을 하여 현장배합으로 만든다. 현장의 골재상태가 체분석 결과 모래 속에 No.4체에 남는 것이 7%, 자갈 속에 No.4체를 통과하는 것이 10% 이며, 모래의 표면수 3.2%, 자갈의 표면수가 0.8%이다.

먼저 골재의 입도에 의한 수정을 하면 다음과 같다.

시방배합의 단위 잔 골재량을 S , 시방배합의 단위 굵은골재량을 G, 모래속에 No.4체를 통과하는 양을 b% 라고 할 때, 콘크리트 1㎥속의 모래와 자갈의 중량 Zs, ZG는 다음 식으로 구할 수 있다.

Z_S =	100ㆍS - b(S+G)
	100 - (a+b)

Z_G =	100ㆍG - a(S+G)
	100 - (a+b)

또는,

Z_G = S + G + Z_S

따라서 현장상태와 모래와 자갈중량은 각각 다음과 같다.

Z_S =	100 × 632 -10(632+1.176)	= 544kg/㎥
	100 - (7 + 10)

Z_G = 632 + 1176 - 544 = 1126kg/㎥

이제 골재의 표면수에 대한 보정이 필요하다. 현장의 모래와 자갈이 표면에 자유수를 가지고 있으므로 잔 골재의 자유수는

544 ×	3.2	= 17.4kg/㎥
	100

이고, 굵은 골재의 자유수는

1264 ×	0.8	= 10.1kg/㎥
	100

이다.

이상의 골재의 입도 및 표면수에 대한 보정을 하여 현장배합으로 고치면 다음과 같다.

물 : W = 161 - (17.4 + 10.1) = 133.5 kg/㎥

시멘트 : C = 시방배합과 동일 = 338kg/㎥

잔 골재 : S = 554 + 17.4 = 561.4 kg/㎥

굵은 골재 : G = 1264 + 10.1 = 1274.1 kg/㎥

AE 제 : AE = 시방배합과 동일 = 101.4 g/㎥

Ⅱ.콘크리트의 性質

지금까지 콘크리트의 구성재료와 배합설계에 관하여 논하였다. 이러한 배합설계를 거쳐 콘크리트를 만들게 되면 구조물 설계를 위하여 파악하여야 할 특성들이 있다.

콘크리트 제반 특성을 배합 직후의 굳지 않은 상태의 콘크리트 성질과 굳은 후의 콘크리트 성질로 구분하여 기술하고자 한다.

1.굳지 않은 콘크리트의 성질

콘크리트를 혼합한 직후로부터 시간이 경과함에 따라 유동성을 상실하며 응결과정을 거쳐 어느 정도의 강도를 나타낼때까지의 콘크리트를 굳지 않은 콘크리트라 한다. 굳지 않은 콘크리트에 요구되는 성질은 거푸집 구석구석까지 또는 철근 사이에 충분히 잘 채워질 수 있도록 묽은 반죽으로써 운반, 다지기 및 마무리하기가 쉬우며 재료의 분리가 적고 많은 블리딩이 생기지 않는 조건을 가져야 한다. 굳지 않은 콘크리트의 성질을 나타내는데 사용되는 용어들로는 반죽질기, 워커빌리티, 성형성(Plasticity),마감성(Finish-ability), 유동성(Mobility), 점성(Viscosity), 다짐성(Compacitibility) 등이 있다.

반죽질기(Consistency)는 주로 수량의 다소에 따르는 반죽이 되고, 진 정도를 나타내는 굳지 않은 콘크리트의 성질을 말한다.
워커빌리티(Workability)는 반죽질기 여하에 따르는 작업의 난이의 정도 및 재료 분리에 저항하는 정도를 나타내는 굳지 않은 콘크리트의 성질을 말한다.
성형성(Plasticity)은 거푸집에 쉽게 다져 넣을 수 있고, 거푸집을 제거하면 천천히 형상이 변하기는 하지만 허물어지거나 재료가 분리하거나 하는 일이 없는 굳지 않은 콘크리트의 성질을 말한다.
마감성(Finishability)은 굵은 골재의 최대치수, 잔골재율, 잔 골재의 입도, 반죽질기 등에 따르는 마루리하기 쉬운 정도를 나타내는 굳지 않은 콘크리트의 성질을 말한다.

(1)워커빌리티에 영향을 미치는 인자

콘크리트의 워커빌리티에 영향을 미치는 요인은 상당히 많으나, 그 중에서 주된 요인이라고 생각되는 것은 시멘트의 성질과 량, 골재의 입도와 모양, 혼화재료의 종류와 량, 물-시멘트비, 공기량 배합비율, 콘크리트의 온도 등을 들수 있다.

① 시멘트

단위시멘트량, 시멘트의 종류, 분말도 등에 따라 워커빌리티가 달라진다. 단위시멘트량이 큰 콘크리트일수록 성형성이 좋고, 비표면적 2800㎤/g이하의 시멘트를 사용하면 워커빌리티가 나빠지고 블리딩도 커진다. 시멘트량이 많고 적음에 따라 워커빌리티에 크게 영향을 미치며, 일반적으로 시멘트량이 많을수록 콘크리트는 워커블하게 되며 시멘트량이 적으면 재료 분리의 경향이 생긴다.

② 수량

단위수량이 클소록 콘크리트는 묽게 된다. 다시 말해서 반죽질기가 크게 되나, 단위수량이 너무 많아지면 재료가 분리를 일으키며 콘크리트의 시공이 어렵게 된다. 반대로 단위수량이 너무 적으면 콘크리트는 된 반죽이 되면 또한 유동성이 적게 되어 역시 시공이 곤란하다.

③ 잔 골재

잔 골재의 입도는 콘크리트의 워커빌리티에 큰 영향을 미친다. 특히 0.3mm이하의 미립은 성형성에 매우 큰 영향을 미친다. 입도분포는 연속입도가 바람직하며, AE제의 공기연행성은 잔 골재의 입경의 크기에 따라 달라진다.

④ 굵은 골재

굵은 골재는 모양의 영향이 매우 크며, 일반적으로 모가 난 골재를 사용하면 콘크리트의 워커빌리티는 나빠진다. 모양 이외에 입자의 표면적이나 입도 분포도 워커빌리티에 큰 영향을 미친다.

⑤ 혼화재료

AE제, 감수제, 플라이애쉬 등을 사용함으로써 단위 수량의 감소, 공기의 연행 등에 따라 콘크리트의 워커빌리티는 크게 개선된다. 한편 응결경화 시간의 연장은 콘크리트를 워커블한 상태로 장시간 유지할 수 있도록 한다. 또 포졸란 재료는 조립이 부족한 잔 골재를 사용한 콘크리트의 워커빌리티 개선에 유효하다.

⑥ 배합

콘크리트를 구성하는 재료의 사용량이나 물-시멘트비, 잔 골재율, 잔-굵은 골재비 등 재료의 구성 비율은 콘크리트의 워커빌리티에 큰 영향을 미친다.

⑦ 온도

온도가 높을수록 슬럼프가 감소되고, 또수송에 의한 슬럼프의 감소도 현저하다.

(2) 워커빌리티의 측정 방법

① 슬럼프시험(Slump Test)

콘크리트의 반죽질기를 간단히 측정할 수 있는 방법으로 오래전부터 미국, 영국, 일본 등 세계 각국에서 널리 이용되고 있다.
슬럼프시험은 콘크리트가 자중에 의하여 영향을 일으키려는 힘과 영향에 저항하는 힘이 평형이 되었을 때를 말하며, 콘크리트가 무너지거나 일정하게 침하하지 않는 경우에는 슬럼프시험의 적용은 의미가 없다.

또한 굵은 골재의 최대치수가 40mm를 넘는 경우에는 체로 쳐서 이를 제거한 다음에 시험을 실시해야 한다. 그리고 슬럼프시험에 의하여 콘크리트의 반죽질기를 측정한 후 콘크리트를 가볍게 두르려서 (Tapping)변형의 상태를 관찰함으로써 성형성을 측정할 수 있다.

이 시험은 KS F 2402 포틀랜드 시멘트 콘크리티의 슬럼프시험 방식에 의하여 슬럼프모울드는 밑거름 20cm, 윗면의 지름 10cm, 높이가 30cm의 원추형이고, 다짐봉(Temping bar)은 지름 16mm, 길이 50cm 인 강봉을 사용한다. 모울드 속에 콘크리트를 용적으로 3회로 나누어 넣고 다짐봉으로 각각 25회씩 균일하게 다진 다음 모울드를 살며시 수직으로 들어올린다. 이때 30cm높이의 콘크리트가 가라앉은 값을 슬럼프값(Slump Value)라 한다.

② 흐름시험(Flow Test)

콘크리트에 상하운동을 주어 콘크리트가 흘러 퍼지는 정도에 따라 변형저항을 측정한다.

이 시험에 의하면 일정한 배합의 콘크리트의 경우 단위수량과 측정값과의 사이에는 직선관계가 된다. 또 골재의 분리를 눈으로 고나찰할 수 있다.
이 시험은 흐름시험판(Flow Table)위에 밑지름 10인치(25.4cm), 윗지름 6¾인치, 높이 5인치인 모울드를 놓고 콘크리트를 2층으로투입하여 각각 25회씩 다진 다음 수직으로 들어올리고 흐름시험판을 15초동안에 15회 속도로 낙하시켜 콘크리트가 흘러퍼진 지름을 측정하여 평균값(D)을 원래의 지름에 대한 백분율을 흐름값(Flow Value)이라 한다.

F =

D -25.4

×100

25.4

③ Vee-Bee 실험

1940년 Bahrner 에 의하여 제안된 것으로서 Powers의 Romolding Test와 유사한 방법이다.

진동대 위에 원통용기를 고정해 놓고 그 속에 슬럼프시험과 같은 조각으로 슬럼프시험을 실시한 후 투명한 플라스틱 원판을 콘크리트면 위에 놓고 진동을 주어 원판의 전면에 콘크리트가 완전히 접할 때까지의 시간을 초(sec)로 측정하여 이것을 VB값(Vee-Bee degree) 또는 침하도라 한다. 이 시험방법은 슬럼프시험으로 구별하기 어려운 비교적 된반죽 콘크리트의 반죽질기를 측정할 수 있는 특징이 있다.

④ 다짐계수(Compacting Factor Test)

영국 BS 1881 에 규정된 방법으로 장치와 조작은 연직으로 놓여 있는 세 걔의 용기 A,B 및 C에 차례로 콘크리트를 낙하시켜 용기 C에 채워진 콘크리트의 중량(w)을 측정하고, 한편 동일한 용기에 콘크리트를 충분히 채워 다진후 중량(w)을 측정하여 w/W 의 비를 구하여 워커빌리티의 측도로 하고자 하는 방법으로서, 슬럼프가 매우 작고 진동다짐을 실시하는 콘크리트에 유효한 시험방법이다.

(3) 재료의 분리

매우 묽은 반죽의 콘크리트를 어느 높이에서 낙하시킬 경우에 재료의 분리는 일어나기 쉽다. 분리된 상태로 경화된 콘크리트는 공간이 생기며 강도나 수밀성을 감소시키고, 철근을 녹슬게 하는 원인이 된다. 혼합시간이 부족하거나 지나치게 오래걸릴 경우 일반적으로 재료분리의 경향이 생기기 쉬우며, 재료분리의 원인을 열거해보면 다음과 같다.

① 굵은 골재의 최대치수가 지나치게 큰 경우

② 입자가 거칠은 잔 골재를 사용한 경우

③ 단위골재량이 너무 많은 경우

④ 단위수량이 너무 많은 경우

⑤ 배합이 적절하지 않은 콘크리트에 재료분리가 많이 발생한다.

이상의 원인으로 인하여 콘크리트의 결함부분이 되기 쉽다. 재료분리를 줄이기 위해서는 AE제, 감수제, 포졸란 등을 사용하면 보수효과가 있으며 적당한 워커빌리티를 유지하고 성형성을 증가시켜 주는데 유효하다.

2.굳은 콘크리트의 성질

(1)압축강도

일반적으로 콘크리트의 강도라면 보통 압축강도를 말한다.
이것은 압축강도가 다른 휨, 인장, 전단강도등과 비교해 현저하게 크노 철근콘크리트 부재의 설계시 압축강도만을 활용하는 경우가 많으며 또한 압축강도로서 다른 강도의 대략값을 쉽게 추정할 수 있기 때문이다.
콘크리트의 강도는 일반적으로 표준양생을 한 재령 28일의 압축강도를 기준으로 한다. 단, 댐콘크리트에서는 재령 28일의 휨강도를 기준으로 한다. 콘크리트의 강도에 영향을 미치는 주요영향인자를 분석하면 아래와 같다.

① 재료의 영향

(가)시멘트

콘크리트의 강도는 시멘트의 품질에 따라 크게 달라진다.

시멘트강도 K와 콘크리트의 압축강도 사이에는 다음과 같은 계수가 성립되는 것으로 알려져 있다.

σ= K (AX + B)

여기서, X : 시멘트-물비, A,B : 상수 K : 시멘트의 강도

(나) 골재

골재의 강도는 시멘트풀의 강도보다 큰 것이 보통이므로 일반적으로 골재강도의 변화는 콘크리트 강도에 거의 영향을 미치지 않는다. 그러나 천연경량골재나 약한 석편을 많이 포함한 경우에는 콘크리트의 강도가 저하한다.
콘크리트의 강도가 고강도가 될수록 골재의 영향이 매우 커진다.
골재의 표면이 거칠수록 골재와 시멘트풀과의 부착이 좋기 때문에 일반적으로 부순돌을 사용한 콘크리트의 강도는 강자갈을 사용한 콘크리트보다 크다.
또한 물-시멘트비가 일정하더라도 굵은 골재와 최대치수가 클수록 콘크리트와 강도는 작아지며, 이러한 경향은 <그림3>에서와 같이 부배합일수록 커진다.

(다) 혼합수

콘크리트의 재료 중에서 혼합수에는 관심이 적은 편이나 수질은 콘크리트의 강도, 시공시의 응결시간 및 경화 한 후의 콘크리트의 제성질 등에 영향을 미치는 재료이다.

② 배합의 영향

콘크리트 강도에 영향을 미치는 요인중에서 가장 큰 영향을 미치는 것은 물-시멘트비이다.

D.A Abrams는 깨끗하고 강경한 골재를 사용한 콘크리트가 워커블하고 플라스틱하다면 콘크리트의 강도는 시멘트풀의 물-시멘트비에 의하여 결정된다고 하였으며, 이때 강도는 다음 식으로 나타낸다.

σ=	A
	B^X

여기서,

σ= 콘크리트의 압축강도 x = 물-시멘트비

A,B = 시멘트 품질 등에 의하여 정해지는 상수이다.

한편, Lyse는 시멘트-물비와의 관계를 이용하여 다음과 같은 식을 제안하였다.

σ= A + B(	C	)
	W

여기서, A,B = 실험상수이다. 상기의 식은 시멘트-물비가 증가할수록 강도가 비례적으로 증가한다는 사실을 보여주고 있다.

이 식은 실용상 편리하므로 보통 콘크리트의 배합설계 등에 유효하게 이용된다.

③ 공기량

물-시멘트비가 일정한 콘크리트에서 공기량이 1% 증가하는데 따라 압축강도는 대략 4~6% 감소한다. 그러나 AE콘크리트의 경우, 소요되는 워커빌리트를 얻기 위해 단위수량이 적게 되기 때문에 단위시멘트량과 슬럼프를 일정하게 할 경우 AE제를 사용하지 않는 콘크리트와 압축강도가 거의 비슷하다.

④ 혼합과 타설방법

혼합시간이 길수록 시멘트와 물과의 접촉이 좋게 되기 때문에 일반적으로 강도는 증대한다. 이러한 경향은 빈배합일수록, 굵은 골재의 최대치수가 작을수록, 된반죽일수록 효과가 크다. 충분한 혼합을 하는데 필요한 시간은 믹서의 형식, 용량에 따라 다르므로 시험에 의하여 정해야 한다.

한편 콘크리트를 혼합한 후 방치한 것을 물을 가하지 않고 다시 충분히 일하게 되도록 다시 비비면 일반적으로 강도는 증가한다. 그러나 워커빌리티 보다 나쁘게 되고 다짐이 곤란하게 되므로 오히려 강도가 저하하는 경우도 있다. 콘크리트가 굳기 시작한 후에 다시 비비는 작업을 되비비기라 한다.

콘크리트나 모르터가 엉기기 시작하지 않았으나 비빈 후 상당한 시간이 자났거나 또는 재료가 분리하는 경우에 다시 비비는 작업을 거듭비비기라 한다.
진동기(Vibrator)를 사용하여 다짐을 할 경우 된반죽의 콘크리트는 강도가 크게 되지만 묽은 반죽은 그 효과가 적다. 이것은 진동에 의하여 콘크리트 속의 기포가 적어지며, 치밀한 콘크리트가 되기 때문이다. 묽은 반죽의 경우에는 진동시간이 너무 길어지면 재료가 분리하며 오히려 강도는 저하한다. 또한 응결도중 적당한 시기에 재진동을 하게 되면 강도가 오히려 증대하는 경우도 있다.

콘크리트는 성형시 가압하여 경화시키면 일반적으로 강도는 크게 된다. 이것은 가압에 의하여 기포나 잉여수분이 배출됨으로써 강도가 증대한다. 특히 묽은 반죽 콘크리트의 경우에 효과가 크다.

⑤ 양생방법

콘크리트에 충분한 습도와 적당한 온도를 주어 유해한 응력을 가하지 않는 것을 양생(Curing)이라 한다.

양생방법에는 여러 가지가 있으나 보통은 습윤상태로 유지하여 콘크리트 중의 수분이 급격히 증발하지 않도록 한 것을 습윤양생(Wet Curting)이라 한다. 습윤상태로 하는 방법은 수중, 습사, 분무, 살수, 피막등이 있다. 시멘트의 수화반응을 촉진하기 위하여 고온양생에는 증기 온수 특히 한중콜크리트에 대해서는 전기, 전열양생등이 있다.

습윤양생 후 공기중에서 건조시키면 강도가 20~40%까지 증가한다. 이 강도증가는 일반적이며 그대로 건조상태에 두면 증가하지 않는다. 건조상태의 공시체를 다시 습윤상태에 두면 강도가 어느정도 다시 증가한다. 한편 양생온도가 강도에 미치는 영향은 시멘트의 품질, 배합 등에 의하여 달라지나 일반적으로는 양생온도가 4~40℃의 범위에 있어서는 온도가 높을수록 재령 28일까지의 강도는 커진다. 그러나 너무 지나치게 온도가 높으면 오히려 강도발현에 나쁜 영향을 미친다.

한편 양생온도가 -0.5~2.0℃ 이하로 되면 콘크리트 속의 수분이 동결하므로 특히 초기 재령에서 심한 동해를 받는다.

고온고압증기양생은 일반적으로 온도 170~185℃, 7~20kg/㎠의 압력의 증기속에서 6~12 시간 양생하면 재량1일에 보통양생 28일 강도에 필적하는 강도를 얻을 수 있다. 그래서 프리캐스트제품의 제조에 널리 응용된다.

콘크리트의 강도는 경과시간(재령)에 따라 강도가 증가하고 증가비율은 초기재령에서 더욱 현저하다. 강도의 증진과 재령과의 관계는 시멘트의 종류, 골재의 양생, 양생상태에 따라 현저하게 다르다.

⑥ 시험방법

동일한 콘크리트일지라도 공시체(Specimen)의 모양, 크기 및 재하방법 등에 의하여 강도가 상당히 다르다. 그래서 각국에서는 압축강도시험에 사용되는 표준공시체의 모양, 크기 및 재하속도를 각각 규정하고 있다.

(가) 공시체의 모양과 크기

공시체의 모양은 콘크리트의 강도에 매우 큰 영향을 미친다. 특히 공시체의 높이와 지름 또는 한 변의 길이와의 비의 영향은 매우 크다. 일반적으로 이 비가 작을수록 강도가 크게 된다. 이 비가 클소록 강도는 감소하며, 이 h / d 가 1.5이상 되면 강도의 변화는 작아진다. 우리나라 공업규격 KS F 2405 에 의하면 콘크리트의 압축강도 시험은 공시체의 높이가 지름의 2배인 원주형공시체를 사용하는 것을 표준으로 한다.

그런데 콘크리트 구조물에서 채취한 코어(Core)높이의 지름에 대한 비가 2배가 되는 시험편을 얻기가 어려운 경우 또는 원주형공시체가 아닌 각주공시체(Prism Specimen)나 입방체공시체(Cube Specimen)를 사용하여 압축강도시험을 실시할 경우 이들 강도시험값을 표준공시체의 강도로 환산하여야 한다.

일반적으로 입방체형공시체의 강도는 실린더공시체의 강도보다 크게 측정되며, 같은 형태의 공시체라 하더라도 크기가 작을수록 강도는 크게 측정된다. 따라서 표준공시체와 다른 크기나 다른 형태의 시편을 사용할 때는 적절한 보정을 해야 한다.

우리나라를 비롯하여 미국, 일본 등에서는 원주형공시체를 사용하고 있지만, 영국에서는 한 변이 15cm인 입방체공시체를 사용하고 있으며, 서독은 한 변이 20cm 인 입방체 공시체를 사용하고 있다.
20cm 입방체 공시체는 15cm 입방체 공시체 강도의 95% 정도의 강도를 나타낸다. 20cm 입방체 공시체는 원주형 공시체의 압축강도의 1.2배 정도의 강도를 나타내며, 15cm 입방체 공시체는 원주형 공시체 강도의 1.28배 정도의 강도를 보인다.
즉 φ= 15 ×30cm의 원주형 공시체의 강도는 20cm 입방체 공시체 강도의 83% 정도이고, 15cm 입방체 공시체 강도의 78% 정도이다.
예컨대 15cm 입방체 공시체로 시험한 압축강도가 300kg/㎠3인 콘크리트는 20cm 입방체 공시체의 강도로는 300 ×0.95 = 285kg/㎠정도로 볼 수 있고 φ= 15 ×30 원주형 공시체의 강도로는 300 ×0.78 = 234kg/㎠ 정도로 볼 수 있다.

(나) 공시체표면의 모양

공시체의 증가면은 평면으로서 공시체의 폭에 직각이라야 한다.
이것은 가압면이 평면이 아니면 공시체에 편심하중 또는 집중하중에 작용하여 실제의 강도보다 작은 응력에서 파괴하기 때문이다. H.F.Gonnerman 의 연구에 의하면 공시체의 가압면이 0.05in (약 1.3mm)정도 오목할 때 최대 5%의 강도가 감소되며, 0.05in 볼록할 때 최대 30% 의 강도가 감소된다고 한다.
그래서 공시체 표면이 凹凸한 경우, 캡핑(Capping)으로 공시체 표면을 평면이 되도록 하여 압축강도실험을 실시한다. 캡핑의 재표나 두께도 강도에 영향을 미치며, 캡핑의 두께는 가능한 엷은 것이 좋으나 2~3mm 정도가 적당하며 6mm를 넘으면 강도의 저하가 커진다고 한다.

캡핑재료로서는 시멘트풀, 황과 플라이애쉬와 같은 미분말재료외의 혼합물 등이 있다.

(다) 시헙시의 재하속도

압축강도시험시 재하속도(Loading Speed)는 콘크리트의 속도에 크게 영향을 미치며, 일반적으로 재하속도가 빠를수록 속다가 크게 나타나며, 이 경향은 100kg/㎠/sec를 넘으면 급격히 증대한다. 그래서 압축강도시의 재하속도를 2~3kg/㎠/sec로 규정하고 있으며, 인장이나 휨강도시험시의 재하속도는 각각 달리 규정하고 있다.

(2)응력일변형도곡선과 탄성계수

<그림4>는 원주형 공시체를 이용하여 재령28일의 콘크리트의 압축강도시험을 했을 때의 응력일변형도곡선을 보인 것이다.
강도가 낮을수록 곡선은 평평하고 강도가 높은 것일수록 곡선의 정부는 족해지고 있다. 저강도 콘크리트는 취성이 적으므로 고강도 큰크리트보다 더 큰 변형률에서 파괴되고 있다.
그러나 어느 곡선이든지 처음 부분은 거의 직선이며, 최대응력의 반 정도 되는 곳에서부터 서서히 곡선으로 변하고 있다.
최대응력 근처에서의 변형률은 모든 콘크리트가 다같이 0.002정도를 나타내고 있으며, 파괴시의 변형률은 0.003∼0.008의 범위로 변하지만, 실질적인 최대 변형률은 0.003∼0.004의 범위이다. 여기서 특기할 것은 고강도 큰크리트일수록 취성화 된다는 사실이다.

상기의 그림으로부터 알 수 있는 바와 같이 콘크리트의 응력과 변형률의 관계는 엄밀하게는 비선형이지만 응력이 낮은 범위에서는 직선으로 볼 수 있다.
그러하니 응력의 범위는 콘크리트 압축강도의 40∼50% 정도이며, 허용응력의 범위이다. 즉 허용응력의 범위에서는 콘크리트를 탄성재료로도 볼 수 있다.

일반적으로 콘크리트의 탄성계수는 응력의 함수이므로 정수로 나타낼 수 없다. 따라서 콘크리트의 탄성계수는 다음과 같은 세 가지의 정의가 제안되고 있다. <그림5>와 같은 콘크리트의 응력일변형곡선에 있어서 원점에서 이 곡선에 그은 접선이 이루는 각을 θ1이라고 할 때 다음 식으로 정의되는 Ec를 초기탄젠트계수(Initial tangent modulus)라고 한다. 즉 초기 탄젠트계수는 응력일변형도곡선의 처음 부분의 기울기이다.

E_c= (	dσ	)_e=0 = tanθ₁
	dε

응력일변형도곡선상의 임의점 A에서 이 곡선에 그은 접선이 이루는 각을 θ2라고 할 때, 다음 식으로 정의되는 Ec는 탄젠트계수(Tangent modulus)라고 한다. 이것은 응력일변형곡선의 임의점에서의 기울기이다.

<그림5>에서 응력σA가 압축강도의 절반 정도의 응력일 때, 현 OA의 기울기를 세컨트계수(Secant modulus of elasticity)라고 한다. 즉,

E_c= (	d_A	) = tanθ₃
	d_A

이 세컨트계수가 철큰 콘크리트에서는 콘크리트의 탄성계수로 쓰인다. 따라서 별도의 언급이 없을 때에는 콘크리트의 탄성계수는 세컨트계수를 말한다.

세컨트계순는 응력의 크기에 따라 달라지므로 응력의 크기를 지정하지 않으면 이 계수를 정할 수 없다. 보통은 압축강도의 30∼50% 정도의 응력을 사용하여 세컨트 계수를 구하고 있다. 콘크리트의 탄성계수는 여러 가지 요인에 의하여 변화하지만, 특히 콘크리트의 강도와 단위중량의 영향을 가장 크게 받는다.

우리나라 시방서에서는 콘크리트의 탄성계수 Ec를 다음 식과 같이 주고 있다. 이 값은 압축강도의 30∼50%의 범위에서의 세컨트계수이다.

Ec=W1.5 × 4,270 √σck ㎏/㎠

여기서 W는 콘크리트의 단위중량으로서 그 단위 t/㎡이고 σCK는 콘크리트의 설계기준강도이며 그 단위는 ㎏/㎠이다. 상기 식은 1.45∼2.5t/㎡의 단위중량을 가지는 모든 콘크리트에 적용된다.

보통의 골재를 사용하여 만든 콘크리트의 단위중량을 2.3t/㎡ 정도이므로, 보통 콘크리트의 탄성계수는 다음과 같이 된다.

Ec = 15.000 σck ㎏/㎠

(3) 인장강도

콘크리트의 인장강도(Tensile Strength)는 압축강도와 비교해서 매우 작아 약 압축강도의 1/10∼1/13 정도이다. 콘크리트의 압축강도 σc 와 인장강도 σt 와의 비 σc/σt 인 취도계수(Coefficient of brittleness)의 값은 압축강도가 클수록 크다. 또 인장강도는 콘크리트를 건조시키면 습윤한 콘크리트보다 저하된다. 이러한 경향은 흡수량이 큰 인공경량골재 콘크리트에 있어서 더욱 현저하다.

일반적으로 철근 콘크리트 부재의 설계시 인장강도는 무시하나, 보의 사인장응력, 슬라브 및 수조의 설계시 등에서는 콘크리트의 인장강도는 중요하며 직접 영향을 미친다.

콘크리트의 인장강도 시험방법은 KS F2423의 割裂시험(Splitting tensile test)이 일반적으로 사용된다. 이 방법은 원주형 공시체를 <그림6>에서 같이 옆으로 놓고 상하방향에서 가압하여 공시체를 할열시켜 그 때의 파괴하중 P로부터 다음 식을 사용하여 인장강도를 구한다.

σ₁ =

πdl

여기서, σt = 인장강도(㎏/㎠)

d = 공시체의 지름(cm)

P = 시험기에 나타난 최대하중(kg)

I = 공시체의 길이(cm)

할열에 의한 인장강도는 순인장강도와 거의 비슷한 값을 나타낸다.

(4) 휨강도

콘크리트의 휨강도(Flexural strength, modulus of rupture)는 압축강도의 1/5∼1/8정도로서 장방형 보를 <그림7>에서 중앙집중재하(Enter point loading) 또는 3등분점재하(Third point loading)에 의하여 다음 식으로 구한다.

σb =

여기서,

σb = 휨강도(㎏/㎠)

M = 최대휨모멘트(㎏ㆍ㎝)

이때 직사각형 단면의 보의 단면계수는

Z =

bh2

이다.

Z = 보의 단면계수(㎠)

콘크리트의 휨강도는 인장강도의 1.6∼2.0배 정도로서, 파괴하중의 근방의 응력상태는 소성성질을 나타내므로 응력이 직선분포로 나타나지 않는다.

콘크리트의 휨강도는 도로, 공항 등의 콘크리트 포장의 설계기준강도, 이들 콘크리트의 품질결정 및 관리 등에 사용된다.

휨강도를 위의 2가지 시험방법으로 실시했을 때 3등 분점재하에 의한 휨강도는 집중재하에 의해 시험한 휨강도보다 약간 작은 (0.75∼0.80) 값을 나타낸다.
그 이유는 콘크리트는 엄밀히 말해서 균일재료가 아니며, 3등분점재하의 경우에는 재하점 사이의 지간에 최대휨모멘트가 생기고 이 부분 중에서 가장 약한 단면에서 파괴하는데 반하여, 집중재하방법의 경우에 최대휨모멘트가 재하점에 생기므로 파괴단면이 정해져 있기 때문에 3등분점재하쪽의 휨강도가 작다.

(5) 전단강도

콘크리트, 석재, 주철과 같은 취성재료는 인장강도가 매우 작기 때문에 탄성체의 경우와 같이 비틀림시험에 의하여 실제 전단응력을 구하기 어렵다. 그래서 콘크리트의 전단응력은 <그림8>에서와 같은 직접전단시험에 의하여 구한다. 최대하중 P를 측정하여 전단응력이 횡방향에 일정하게 분포한다고 가정하고 다음 식으로 구한다.

r =

이와 같이 구한 직접전단강도(Shear Strength)는 압출강도의 1/4∼1/6, 인장강도의 2.3배∼2.5배 정도이다.

일반적으로 높이 또는 폭이 클수록 또 지간 l이 커질수록 직접전단강도는 작아진다. 실제 전단강도는 3폭시험을 실시하여 Mohr의 응력원을 그려 파괴포락선이 세로선과 교차하는 점의 세로좌표에서 구할 수 있다.

(6) 부착강도

철근콘크리트 구조가 성립하기 위해서는 철근과 콘크리트가 항상 일체가 되어 하중에 저항하지 않으면 안된다. 그러기 위해서 양자 사이에는 부착(Bond)이 필요하며 부착의 정도로 부착강도(Bond Strength)라 한다. 부착강도는 철근과 시멘트풀과의 순부착력, 철근과 콘크리트 사이의 마찰력 및 철근 표면의 凹凸에 의한 기계적 저항력등에 의한다.

부착강도는 철근의 종류 및 지름 콘크리트 속의 철근의 위치 및 방향, 묻힌 길이, 콘크리트의 덮개 및 콘크리트의 품질 등에 따라 달라진다.

또한 수평철근의 부착강도는 연직철근의 1/2∼1/4정도이며, 수평철근의 아래쪽의 콘크리트 두께가 클수록 부착강도는 저하한다. 그 이유는 콘크리트 속의 고체입자의 침하, 블리등에 등에 의하여 철근 밑에 공극, 수막이 생겨 부착을 약하게 만들기 때문이다.

(7) 피로강도

콘크리트도 다른 재료와 마찬가지로 반복하중을 받거나, 일정한 하중을 지속적으로 받게 되면 피로 때문에 정적 파괴하중보다 작은 하중으로 파괴된다.
이것을 피로파괴(Fatigue fracture)라 한다. 피로에 의한 파괴강도는 주로 작용하는 응력의 상한치와 하한치의 범위와 반복회수에 의하여 변화한다. 보통 무한대의 반복회수에 견딜 수 있는 응력의 최대를 내구한계(Endurance limit) 또는 피로한계(Fatigue limit)라 한다. 또 소정의 반복회수에 견디는 응력의 한도를 피로강도(Fatigue strength)라 하며, 반복회수와 함께 나타낸다.

콘크리트의 피로시험 결과의 한 예를 나타낸 것이 <그림15>이다.

콘크리트의 200만회 피로강도는 정적 피로강도의 50∼60% 정도라 한다. 피로에 의한 강도저하의 원인중에서 중요한 것은 콘크리트 속의 미세한 균열(Microcrack)의 발생이라고 한다. 이 미세한 균열은 콘크리트의 응역이 0.5σc 정도일 때 발생하기 시작하여 반복하중에 의하여 발달하여 파괴한다고 한다.

(8)체적변화(Volume Change)

경화한 콘크리트 체적은 수분의 변화, 온도의 변화에 따라 변화한다. 이 체적변화는 콘크리트 구조물에 여러 가지 악영향을 미친다. 예를 들면 구속된 콘크리트에 수축이 생기면 인장강도가 부족하게 되고 균열이 발생한다.

① 수분의 변화에 따른 체적변화
콘크리트를 수중에서 양생하면 시멘트겔의 팽윤에 의하여 100∼200×10-6 정도의 팽창을 나타낸다. 이 팽창현상을 매우 완만하게 일어나므로 일반적으로 팽창에 의한 압축응력에 의하여 구조물이 위험하게 되는 경우는 거의 없다.

물로 포화된 콘크리트 공시체를 완전히 건조시키면 600∼900×10-ε정도 수축한다. 콘크리트 표준시방서에서 不靜定構造設計 계산에 사용되는 건조수축계수는 <표7>의 값을 표준으로 한다.

<표7> 설계계산에 사용되는 콘크리트의 건조수축계수


구 조 물 의 종 류		건조수축계수
리 아 맨		0.00015
아아치*	철근량 0.5% 이상 철근량 0.1∼.05%	0.00015 0.00020

*여기서 아아치라 함은 아아치의 축방향 철근단면적이 아아치폭 1m에 대하여 8cm2 이상이고, 아아치 단면의 0.1% 이상인 것으로 한다.

콘크리트 건조수축(Drying Shringkage)에 영향을 미치는 요인 단위수량, 시멘트량과 품질, 골재량과 품질, 공기량, 양생방법 및 부재의 모양과 크기등을 들수 있다.

콘크리트 수축의 정도는 단면의 크기에 따르 다르므로 <표8>의 값을 많이 사용한다.

<표8> 콘크리트의 건조수축계수(×10-5)

적 용 범 위	부재 단면의 최소지수(cm)
적 용 범 위	20	20∼75	75∼
수중구조물	0	0	0
아주 습한 공기중, 수면상의 구조물	12.5	10	7.5
일반옥의 구조물	25.0	20	15
건조한 공기중, 건조한 실내 구조물	37.5	30	22.5

그런데 건조상태에 있어서 영향이 크게 미치는 것은 단위수량이며, 단위시멘트량과 물-시멘트비의 영향은 비교적 적다.

시멘트의 화학성분 중에서는 C3A의 함유량이 크면 수축이 크다. 골재의 경우에는 탄성계수, 압축강도가 수축에 영향을 미치며 일반적으로 軟砂岩, 粘板岩은 수축이 크고, 석영질, 장석류는 수축이 작다.

한편 인공경량골재 콘크리트의 건조수축은 일반적으로 보통 콘크리트와 거의 같거나 약간 작다고 한다.

② 온도변화에 따른 체적변화

시멘트풀의 열팽창계수는 1℃에 대하여 15∼18×10-6/℃ 정도이다. 경량콘크리트는 보통콘크리트의 70∼80 정도이지만, 설계계산시는 편의상 보통골재 콘크리트와 같은 10×10-6/℃를 사용한다.

(9) 크리프(Creep)

콘크리트에 일정한 하중을 지속적으로 재하하면 응력의 변화가 없이도 변형은 시간에 따라 증가한다. 이와 같이 시간에 따라 증가하는 변형을 크리프라 한다.

크리프의 발생기구에 관해서 시멘트풀의 점탄성적성질과 시멘트풀과 골재 사이의 소성 성질의 복합 작용에 기인한다고 하지만 구체적으로는 연속재하에 의한 겔수의 완만한 압출이 주된 원인으로서 시멘트풀의 점성유동, 미세공극의 폐색, 결정의 이동 및 미세균열의 발생 등의 영향이 추가되어 일어난다고 한다.

크리프는 건조수축과 기구적으로 비슷한 것으로서 구별하여 취급하기 어렵다.

크리프에 영향을 미치는 요인은 시멘트의 성질, 골재의 광물적 성질 및 온도 , 배합 중에서 물-시멘트비와 골재량, 재하시의 재령, 재하기간 중의 온도와 습도, 재하응력의 크기와 하중의 종류 및 공시체의 크기 등을 들 수있다. 재하시의 재령이 짧을수록 재하재령이 길수록 크리프는 크며 크리프의 증가비율은 재하기간에 따라 점차 감소한다. 일반적으로 지속시간 3개월에 50%, 1년에 거의 90%가 된다고 한다.

크리프는 외부습도가 높을수록 작고 온도가 높을수록 일반적으로 크다.

Davis-Granville 의 측정 : 지속응력이 콘크리트 강도의 1/3정도 이내에 있으면 크리프 변형률은 탄성변형률에 비례한다고 보며, 콘크리트의 크리프계수는 보통의 대기중에 있는 부정정구조예로서 조기에 재하되지 않을 때 일반적으로 실내의 경우 3.0, 실외의 경우는 2.0을 표준으로 한다.

인공경량골재 콘크리트 크리프 변형률은 일반적으로 보통 콘크리트 보다 크고 탄성변형률도 크기 때문에 크리프 계수는 작다.

Ⅲ. 운반, 타설 및 양생

혼합된 콘크리트의 운반은 신중히 이루어져야 하며 재료의 분리가 일어나지 않도록 각별한 주의를 기울여야 한다. 특히 콘크리트 속의 조골재가 시멘트풀로부터 분리되려는 경향이 없도록 해야 한다.

운반된 콘크리트를 타설할 때에는 타설 전에 거푸집 내면을 깨끗이 청소해야 하며 철근에 묻어 있는 불순물을 제거해야 한다. 또한 이미 타설된 콘크리트 표면을 깨끗이 처리하여 새로운 콘크리트를 타설하여야 한다. 타설과 함께 중요시해야 할 상황은 콘크리트를 거푸집 속에 잘 다져 넣는 일이다. 콘크리트의 강도는 콘크리트가 얼마나 잘 충진되어 있는가의 여부에 따라 결정될 수 있으므로 콘크리트의 다짐 작업은 중요한 항목이 된다.

콘크리트의 소요강도를 내기 위하여 마지막으로 주의를 기울여야 할 사항이 바로 콘크리트의 양생작업이다. 콘크리트의 양생은 글자 그대로 타설된 콘크리트를 강도가 충분히 발휘되도록 처리하는 과정이다. 콘크리트의 양생에서 무엇보다도 가장 중요한 사항은 온도와 습도의 유지이다. 특히 초기 양생에서는 이 적절한 온도와 습도의 유지가 아주 중요한 역할을 한다. 초기 양생이 제대로 이루어지지 않을 경우 콘크리트의 장기강도는 크게 손상을 입을 수 있다. 온도와 습도를 적절히 유지하고자 하는 이유는 시멘트 수화를 촉진시키고자 함이다. 시멘트의 수화가 얼마나 잘 이루어졌는가 하는 것이 바로 콘크리트의 강도와 직결되기 때문이다. 보통의 표준 양생은 온도 20℃ 전후와 100%의 습도를 유지시키는 방법이다. 그러나 시간적으로 빠른 시간내에 양생시키고자 하는 경우에는 고온 양생이나 증기 양생 또는 고압양생 등의 방법이 사용될 수 있다.

이러한 고온양생 방법이 사용되는 경우에는 온도를 너무 빠르게 올리거나 너무 빠르게 내리지 않도록 각별한 주의를 기울여야 한다.

콘크리트 및 철근콘크리트

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