콘크리트의 구성

안녕하세요 

오늘은 콘크리트의 구성에 대해 알아보도록 하겠습니다.

 

콘크리트(Concrete)

 콘크리트는 기본적으로 골재(aggregate)와 시멘트풀(paste)로 구성되어 있다. 골재는 보통 모래(잔골재, fine aggregate)와 자갈 또는 부순 돌(굵은 골재, coarse aggregate)로 구성되고, 시멘트풀은 시멘트질 재료(cementing material)와 물과 공기를 포함하고 있다. 접착제 역할을 하는 시멘트풀은 시멘트와 물과의 화학작용으로 단단해져서 골재를 서로 결합하여 돌과 같은 성질의 콘크리트를 생산하게 된다.

 

 

 그림 2.2에서 보는 바와 같이 시멘트풀은 콘크리트의 전체 체적에서 보통 25~40% 정도를 차지하고 그중에서 시멘트질 재료는 7~15%, 물은 14~21%를 차지하고 있으며, 공기량은 AE제 (air-entrained agent)를 넣은 콘크리트에서는 4~ 8% 정도를 차지하고 있다. 그림 2.2에서 보는 바와 같이 골재가 60~75%의 체적을 차지하므로 품질 좋은 콘크리트를 생산하기 위해서는 질 좋은 골재를 선택하는 것이 매우 중요하다. 종종 굳기 전 묽은 콘크리트나 굳은 콘크리트의 성질을 개량하기 위해서 AE제 등의 혼화 재료(admixtures)를 섞기도 한다. 여러 재료를 서로 섞기 시작하면 시멘트와 물이 혼합하면서 반응하여 시멘트겔(cementing gel)을 생성하고 이 시멘트겔이 잔골재와 굵은 골재를 결합하여 돌과 같은 성질을 갖게 된다. 시멘트와 물의 화학반응은 상당한 열을 방출하는 발열반응으로 수화반응(hydration)이라고 부른다.

 

 시멘트겔이 거의 생성되지 않은 초기 수화반응에서는 콘크리트는 유동성 상태로 쉽게 흐르는 성질을 갖고 있어서, 원하는 모양의 거푸집에 있는 철근 사이로 배치하여 공극을 없애고 다져서 표면을 평평하게 마무리할 수 있다. 수화반응이 진행되어 많은 양의 겔이 생성되게 되면 콘크리트는 점진적으로 굳으면서 작업성(workability)을 잃고 강도를 갖게 된다.

 겔이 형성되는 비율은 반응이 일어나는 온도에 영향을 받는다. 높은 온도에서는 반응이 빠르게 일어나서 10분이나 15분이면 콘크리트가 강도를 갖기 시작하고, 낮은 온도에서는 10시간에서 12시간이 지나야 강도를 갖기 시작한다. 최종적으로 생산된 굳은 콘크리트는 크기가 서로 다른 골재를 시멘트와 잔골재의 모르타르(mortar)가 둘러싼 모습을 보여준다. 공학자는 공극, 홈 또는 균열과 같은 결함이 없는 이상적인 균질의 콘크리트를 생산하고 싶을 것이다. 만약에 콘크리트가 이러한 결함이 없다면 콘크리트가 균질의 강도를 가질 뿐만 아니라 물도 침투하지도 못하고 표면도 고와서 보기 좋을 것이다. 그러나 현실적으로 아무리 생산할 때 심혈을 기울인다고 해도 미세한 결함이 없는 콘크리트의 생산은 불가능하다고 볼 수 있다. 공극 은 콘크리트의 재료를 섞는 과정에서 유입되기도 하고 거푸집에 배치하는 과정에서 골재의 분리(segregation)로 발생하기도 한다. 또한 작업성(workability)을 위해서 시멘트와 수화반응을 하기 위해서 필요한 양(시멘트 무게에 대해 최소 약 25%의 물이 필요)보다 대략 2배 정도의 물을 섞기 때문에 묽은 콘크리트를 배치하고 다지기 위해서 진동을 가하면 미세한 물의 통로(channels)가 발생하여 상부의 표면으로 물이 올라오는데 이를 블리딩(bleeding)이라 한다.

 표면에 구멍(pit)이나 벌집 같은 구멍(honeycomb, 골재 사이에 모르타르가 잘 채워지지 않은 모양)으로 나타나는 결함은 모르타르가 충분하지 않을 때나 콘크리트가 잘 다져지지 않을 때 나타난다. X선이나 현미경에 의한 조사에 의하면 미세한 균열이 겔과 골재 사이의 접착력을 잃을 때 나타났다. 접착력의 손상은 기본적으로 건조(dying)와 탄화 수축(carbonation shrinkage)이 원인이 되어 나타난다. 이러한 여러 종류의 내부 결함이 콘크리트의 압축강도와 인장강도가 서로 큰 차이가 나는 현상을 얼마간 설명하고 있다.

 이러한 피할 수 없는 작은 결함 이외에도 구속된 콘크리트는 시간이 지나면서 주위의 온도가 변함에 따라 건조수축(shrinkage)과 온도에 의한 균열이 발생한다. 비록 이러한 균열을 완전히 피할 수는 없지만, 설계 상세에서 주의를 기울이고 온도나 건조수축 철근을 배치하면 균열의 위치와 크기를 조종하여 구조물의 기능이나 모양이 손상되지 않도록 할 수 있다.