콘크리트의 강도 (물-시멘트 비, 재령, 양생 방법)

안녕하세요

오늘은 콘크리트의 강도 발현에 대해 영향을 주는 요소에 대해 알아보겠습니다.

 

콘크리트의 강도(Strength of Concrete)

 

 일반적으로 압축강도가 콘크리트의 품질을 대변한다. 강도는 여러 요소에 의해서 좌우되지만 가장 중요한 변수는 물-시멘트비와 양생 방법이다. 그 외에도 강도는 공기량(air entrainment), 시멘트 종류(cement type), 골재의 종류(aggregate), 혼합수(mixing water)와 혼화재(admixtures) 등에 따라 변한다. 이러한 재료적인 이유 외에도 시험 공시체의 형태나 하중을 작용시키는 조건 등에 따라서도 변한다.

 

1) 물-시멘트 비(Water/Cement Ratio)

 물-시멘트 비는 콘크리트의 강도와 내구성에 가장 큰 영향을 미치는 요인이다. 완전한 수화작용을 위해서 중량비로 약 25%의 물-시멘트 비가 소요되지만, 유동성 갖기 위해서 본 적어도 35%~40% 정도의 물-시멘트비가 필요하게 된다. 물-시멘트 비가 증가하면 묽고 건조수축이 크고 약한 시멘트겔이 만들어지고, 이러한 겔로 만들어진 콘크리트는 강도가 낮고 풍화 등의 손상에 대해서 저항성이 떨어지게 된다.

 

2) 콘크리트의 재령(材齡) (Effect of Age)

 물-시멘트 비가 증가할수록 압축강도가 감소하는 현상을 볼 수 있다. 콘크리트의 강도는 원주형 공시체를 이용하여 만든 지(재령) 28일 된 공시체의 1축 압축강도를 측정하여 fck로 표현한다. 시멘트겔의 지속적인 수화작용으로 인하여 콘크리트의 강도는 재령이 증가할수록 증가한다,

 

3) 양생 방법(Curing Method)

 품질이 좋은 콘크리트를 생산하기 위해서는 혼합한 굳지 않은 콘크리트를 배치하고 적당한 환경을 조성하여 강도가 충분히 발달하도록 하여야 한다. 양생(養生, curing)이란 용어는 시멘트의 수화작용을 촉진하는 과정을 일컬으며 해로운 작용의 영향을 받지 않도록 하면서 온도를 조절하고 콘크리트에 습기의 공급과 이동을 조절하는 것을 말한다. 양생의 목적은 콘크리트를 포화상태거나 거의 포화상태로 유지하여 굳지 않은 콘크리트에서 물로 채워졌던 미소 공간이 시멘트의 수화물(products of hydration)로 채워지도록 유도하며 이를 습윤양생(moist curing)이라 한다.

 ACI 318-08 (5.11)에서는 3종 조강 포틀랜드 시멘트를 사용하지 않은 경우에 적어도 7일간 10C 이상에서 습윤상태로 양생 하여야 한다고 하고, 3종 조강 포틀랜드 시멘트를 사용한 경우는 적어도 3일간을 습윤양생 하도록 규정하고 있다. 콘크리트의 상대습도를 80% 이상을 유지하고 적당한 온도에서 아직 수화하지 않은 시멘트가 남아있는 한 콘크리트는 시간에 따라 강도가 증진한다. 상대습도가 80% 이하로 떨어지고 온도가 결빙 온도 이하로 떨어지게 되면 수화작용과 강도의 발달은 거의 정지하게 된다. 비록 콘크리트가 건조상태에 있다가 다시 포화하면 수화작용이 다시 시작되어 강도도 발달하지만 콘크리트를 재포화(re saturated) 시키는 일은 어려우므로 원하는 품질의 콘크리트를 얻을 때까지 지속해서 습윤상태를 유지하는 것이 중요하다. 실제 현장에서 유효한 양생은 대부분 가능한 최대 수화작용이 일어나기 훨씬 전이 정지되게 된다.

습윤양생의 방법에는 크게 2가지로 구분할 수 있다.

 첫 번째는 콘크리트의 표면에 물을 공급하여 콘크리트가 지속해서 물에 접하도록 하는 방법이며, 이는 여러 가지 방법이 있으며, 지속해서 살수(spraying 또는 fogging)하거나, 담수 양생(flooding 또는 ponding), 콘크리트를 모래, 흙 또는 톱밥, 짚으로 덮고 물을 뿌리는 방법 등이다.

 두 번째는 추가적인 물을 공급하지 않고도 콘크리트의 표면처리를 해서 수분을 잃지 않도록 하는 방법(water-barrier method)이다. 콘크리트 표면에 플라스틱 시트(plastic sheet)나 폴리에틸렌 시트(polyethylene sheets) 또는 방수지(reinforced paper) 등을 덮어주는 방법이 있으며, 또 다른 방법으로는 막 양생제(liquid membrane-forming curing compound)를 이용하여 표면을 도포하여 막을 형성해서 양생 하는 방법이 있다.

 묽은 콘크리트의 초기 온도를 높이면 수화작용이 가속되어 높은 초기강도를 얻을 수 있는데 이렇게 초기에 높은 강도를 얻기 위해서 고온이나 고습, 고압의 증기로 촉진 양생하는 방법이 있다. 이 방법으로는 대기압에서 하는 증기양생(steam curing at atmospheric pressure)과 압력용기를 이용한 고압증기양생(high-pressure steam curing; autoclaving)이 있다.

 증기양생은 65°C 이하의 증기(live steam)를 이용해서 보통 현장 치기 부재(cast-in-place structure)나 공장에서 생산하는 프리캐스트 부재를 둘러싸서 양생 하는 방법이다. 증기양생은 초기강도를 발달시켜서 조기에 탈형하여 생산성을 높이거나 기온이 낮은 겨울에 경화를 촉진해 공사 기간을 단축하기 위해서 사용될 수 있다. 그러나 초기에 급속하게 수화작용을 유도하여 높은 초기강도를 얻은 콘크리트는 갑작스러운 수화작용으로. 인해 수화물의 구조가 불안정하여 상온에서 양생 한 콘크리트에 비해 장기강도는 떨어지고 있다. Gaynor 등에 의하면 초기 24시간의 온도가 38°C인 콘크리트의 28일 강도는 전 기간에 걸쳐서 23°C로 양생 한 콘크리트에 비해서 강도가 9%~12% 정도 감소하였다고 보고하고 있다. 이렇게 장기강도에 미치는 영향을 최소화하기 위해서는 증기양생의 양생 사이클(steam-curing cycle)에서 증기를 처음 가하는 시간을 지연시켜야 하고, 온도상승을 서서히 해야 하며 최대온도가 65°C 이상 되지 않도록 하여야 한다. 최대온도가 70°C~80°C에 이르면 28일 강도가 약 5% 정도 감소하게 된다.

 고압증기양생(high-pressure steam in autoclaves)은 압력용기(autoclaves)를 이용해서 약 160°C~190°C에 증기압 0.5 MPa ~ 1.2 MPa로 24시간 양생 하면 상온에서 양생 한 콘크리트의 28일 강도를 얻을 수 있는 양생 방법이다. 고압 고온을 유지해야 하므로 압력용기의 크기에는 한계가 있어서 규산 석회 벽돌(sand- lime brick)이나 경량 기포콘크리트 등과 같은 작은 구조물의 생산에 사용된다. 고압증기양생을 하게 되면 특히 상온에서는 일어나지 않는 골재와 시멘트 성 재료의 화학작용을 일으켜서 황산염이나 동결융해 등에 높은 내구성을 가지며 건조수축과 크리프도 감소시킨다.