건설재료 및 실험

한경대학교 안전공학과 2012학년도 02학기

옥승용

강의일정 (Class Schedule) (1)

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Week Topic Remarks

01 강의 소개

02 총론 • 제1장

03 시멘트 (1) • 제2장

04 시멘트 (2) • 제2장

05 혼화재료 • 제3장

06 골재 및 물 (1) • 제4장

07 골재 및 물 (2) • 제4장

08 중간고사

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Week Topic Remarks

09 재료실험

• 중간고사 문제풀이

• 비중시험, 체가름시험, 슬럼프시험, 압축강도 시험

10 콘크리트 배합설계 (1) • 제5장

11 콘크리트 배합설계 (2) • 제5장

12 콘크리트 (1) • 제5장

13 콘크리트 (2) • 제5장

14 콘크리트 (3) • 제5장

15 기말고사 • 실험결과보고서

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 굵은 골재의 최대 치수(maximum size of coarse aggregate)

 중량으로 90% 이상 통과시키는 체 중에서 최소치수의 체 눈을 공칭치수 로 나타낸 굵은 골재의 치수를 말한다.

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골재의 일반적 성질

 굵은 골재의 최대 치수(maximum size of coarse aggregate)

 중량으로 90% 이상 통과시키는 체 중에서 최소치수의 체 눈을 공칭치수 로 나타낸 굵은 골재의 치수를 말한다.

 골재의 최대치수가 클수록,

• 소요의 품질을 얻기 위한 단위 수량 및 시멘트 량이 감소하여 경제적이다.

• 시공 면에서 비비기가 어려우며 재료분리가 쉽고 접착력이 약해, 약간의 충격 에도 금이 가기 쉽다.

• 압축강도가 400 kgf/cm² (40MPa) 정도로 비교적 클 경우 최대치수를 크게 할 수록 오히려 시멘트 량 증대

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 굵은 골재의 최대 치수(maximum size of coarse aggregate)

 중량으로 90% 이상 통과시키는 체 중에서 최소치수의 체 눈을 공칭치수 로 나타낸 굵은 골재의 치수를 말한다.

 골재의 최대치수가 클수록,

• 소요의 품질을 얻기 위한 단위 수량 및 시멘트 량이 감소하여 경제적이다.

• 시공 면에서 비비기가 어려우며 재료분리가 쉽고 접착력이 약해, 약간의 충격 에도 금이 가기 쉽다.

• 압축강도가 400 kgf/cm² (40MPa) 정도로 비교적 클 경우 최대치수를 크게 할 수록 오히려 시멘트 량 증대

• 적당한 최대치수는 구조물의 종류, 철근의 간격 등을 고려하여 정한다.

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골재의 일반적 성질

 골재의 최대치수에 대한 규정

 콘크리트 표준시방서 2.4.6

• 굵은 골재의 최대치수는 부재의 최소치수의 1/5, 피복 두께 및 철근의 최소수 평, 수직 순 간격의 3/4을 초과해서는 안된다.

 콘크리트 구조설계 기준 2.2.1

• ④ 굵은 골재의 공칭 최대 치수는 다음 값을 초과하지 않아야 한다.

− (가) 거푸집 양 측면 사이의 최소 거리의 1/5

− (나) 슬래브 두께의 1/3

− (다) 개별 철근, 다발철근, 프리스트레싱 긴장재 또는 덕트 사이 최소 간격의 3/4

− (라) 과다철근 부재의 경우 주 철근의 최소 간격보다 5 mm 만큼 작은 값과 철근의 최 소 간격보다 5 mm 작은 것 중 작은 값

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구조물의 종류 최대치수(mm) 일반적인 경우 20 또는 25 단면이 큰 경우 40

무근 콘크리트 40 (부재 최소치수의 1/4를 초과해서는 안됨)

표. 굵은 골재의 최대치수

 단위용적중량(unit weight)

 건조상태의 골재에 대하여 단위 부피 1m³당 무게(중량)

 골재의 밀도, 입형, 입도, 함수량, 계량용기의 형상 및 크기, 용기에의 다 지기 방법에 영향을 받음

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골재의 종류 상태 단위용적중량(kg/m³)

가볍게 다짐 충분히 잘 다짐 잔골재 건조 상태 1450~1600 1520~1850

건조 상태 1360~1520 − 굵은골재 5~20mm 건조, 습한 상태 1450~1550 1570~1680

10~20mm 건조, 습한 상태 1450~1510 1480~1600 혼합골재

(최대치수 40mm)

건조 상태 − 1760~2000 습한 상태 1600~1850 − 골재 단위용적중량 표준

골재의 일반적 성질

 단위용적중량(unit weight)

 건조상태의 골재에 대하여 단위 부피 1m³당 무게(중량)

 골재의 밀도, 입형, 입도, 함수량, 계량용기의 형상 및 크기, 용기에의 다 지기 방법에 영향을 받음

 잔골재의 경우 함수량에 따라 크게 변화하여 표면수가 있으면 부풀음이 생겨 부피가 최대 15～30% 커진다.

 일반적으로 잔 골재 1,450～1,850 kg/m³ , 굵은 골재 1,450～2,000 kg/m³

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 단위용적중량(unit weight)

 건조상태의 골재에 대하여 단위 부피 1m³당 무게(중량)

 골재의 밀도, 입형, 입도, 함수량, 계량용기의 형상 및 크기, 용기에의 다 지기 방법에 영향을 받음

 잔골재의 경우 함수량에 따라 크게 변화하여 표면수가 있으면 부풀음이 생겨 부피가 최대 15～30% 커진다.

 일반적으로 잔 골재 1,450～1,850 kg/m³ , 굵은 골재 1,450～2,000 kg/m³

 단위(용적)질량(unit mass)

• 건조상태의 골재에 대하여 단위 부피 1m³당 질량

• 중량(kg중)=질량(kg)×중력가속도(1g=9.81m/s²)

• 일반적으로 중량을 질량단위로 사용함

• 예) 몸무게 = 45kg → 무게=45kg×9.81m/s²=441.45kg·m/s²= 441.45N

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비중 vs 밀도

 밀도(density): 질량/부피 (kg/m³, kg/cm³, kg/l) (vs 단위용적중량/단위용적질량)

 비중(specific gravity): 재료의 단위용적중량/물(4°C)의 단위용적중량

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Q. 어느 입자의 비중이 더 큰가?

 물리적 성질

 중량

• 비중 (specific gravity): 재료의 중량/동일체적의 4°C 물의 중량

• 단위질량: 단위 부피당 중량 ~ 단위용적중량 (kg/m³, kg/cm³, kg/l)

• 함수율: 재료 중 함유되어 있는 물 중량/건조시 재료 중량 (완전건조 함수율=0)

 열

• 열팽창계수 (선팽창계수/체적팽창계수)

− 선팽창계수 (도로교설계기준)

 강교에서 강재의 선팽창계수는 1.2×10^-5으로 한다.

 콘크리트교에서 철근 및 콘크리트의 선팽창계수는 1.0×10^-5으로 한다.

 강재와 콘크리트의 합성거더교에서 강재 및 콘크리트의 선팽창계수는 1.2×10^-5 으로 한다.

• 비열, 열전도율, 연화점, 인화점 13

골재의 일반적 성질

 비중(比重; specific gravity)

 표면건조포화상태의 비중

 잔 골재: 2.50~2.65, 굵은 골재: 2.55~2.70

 비중*(밀도*)의 종류

 진비중(진밀도) ~ 골재의 단위용적중량*/물의 단위용적중량

• 공극을 포함하지 않은 원석만의 비중(밀도): 함수량이나 공극률과 무관

• 골재를 미분쇄하여 계량

 겉보기비중(밀도)

• 절건비중: 절대건조상태의 비중

− 절대건조상태의 골재 중량을 공극을 포함한 겉보기 부피로 나눈 것

• 표건비중: 표면건조상태의 비중

− 표면건조포화상태의 골재 중량을 공극을 포함한 겉보기 부피로 나눈 것

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 잔 골재의 비중(밀도)

 표건상태의 밀도 = B/(A+B-C)

 A: (물+flask) 중량

 B: 시료의 표면건조 포화상태의 중량(보통 500g을 사용)

 C: (물+flask+시료) 중량

 굵은 골재의 비중(밀도)

 표건상태의 밀도 = B/(B-C)

 B: 시료의 기건 중량

 C: 시료의 수중 중량

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골재의 일반적 성질

 비중의 용도

 골재의 경도 및 강도의 추정

• 비중이 클수록 치밀하고, 흡수량이 적고, 동결에 대한 손실도 적어 내구성이 크다.

 내구성 검토

• 풍화한 골재를 사용하면

− 내부균열로 인한 비중의 저하와 흡수율의 증대 초래

− 콘크리트의 강도 및 탄성계수 저하

− 건조수축 증대, 탄산화 및 동결융해에 대한 내구성 저하

 콘크리트의 배합설계, 실적률*, 공극률* 산정

 골재의 비중 및 흡수량 시험

• KS F 2503(굵은 골재), KS F 2504(잔 골재) 16

 비중의 용도

 골재의 경도 및 강도의 추정

• 비중이 클수록 치밀하고, 흡수량이 적고, 동결에 대한 손실도 적어 내구성이 크다.

 내구성 검토

• 풍화한 골재를 사용하면

− 내부균열로 인한 비중의 저하와 흡수율의 증대 초래

− 콘크리트의 강도 및 탄성계수 저하

− 건조수축 증대, 탄산화 및 동결융해에 대한 내구성 저하

 콘크리트의 배합설계, 실적률*, 공극률* 산정

 골재의 비중 및 흡수량 시험

• KS F 2503(굵은 골재), KS F 2504(잔 골재) 17

굵은 골재의 비중 잔 골재의 비중

실적률 vs 공극률

 실적률(percentage of solids):



골재의 단위용적중량/(절건)비중(밀도)×100 (%)

 입도, 입형의 좋고 나쁨을 알 수 있는 지표

 동일한 입도의 경우, 일반적으로 각형일수록 실적률이 낮다. (공극 大)

 실적률이 클수록 콘크리트의 밀도, 수밀성, 내구성, 마모저항 등 증대

 실적률이 클수록(공극 小) 건조수축, 수화열을 줄일 수 있어 경제적으로 소요의 강도를 얻을 수 있다.

 공극률/간극률(percentage of voids):



100-실적률

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 예제

 절건비중 = 2.6(g/cm³)이고, 단위용적질량(단위부피당 질량) = 1.75kg/l



Ans.

• 절건비중 = 2.6×1g/cm³ = 2.6×10³ kg/m³

• 단위용적질량 = 1.75kg/l =1750 kg/m³

∴ 실적률 = 1750/(2.6×10³)×100 = 67.3%

공극률 = 100-67.3 = 36.7%

 예제

 밀도= 2.65(g/cm³)이고, 단위용적질량 = 1.65(t/m³)



Ans.

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1l =1000cc 1cc=1cm³

골재의 일반적 성질

 골재의 함수상태

 절대건조상태(absolute dry condition) 또는 로건조상태(oven dry condition)

• 110°C 온도에서 24시간 이상 무게가 일정하게 될 때까지 골재를 건조시킨 상 태 (절건상태)

 공기 중 건조상태(room dry condition)

• 실내에 방치하여 자연건조시킨 상태로서, 골재 내부의 공극 일부에 수분이 있 고 표면에는 수분이 없는 상태 (기건상태)

 표면건조포화상태(saturated surface dry condition)

• 골재입자의 표면에 물은 없으나 내부의 공극에는 물이 꽉 차서 포화되어 있는 상태 (표건상태; S.S.D. 상태)

 습윤상태(wet condition)

• 골재의 내부에 물이 채워져 있고, 표면에도 물이 부착되어 있는 상태

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 함수량(water content)

 함수량: 골재입자에 포함된 전 수량. (=흡수량+표면수량)

 흡수량(absorption)

• 절대건조상태에서 표면건조포화상태가 될 때까지 흡수되는 수량

• 골재 속의 공극에 채워지는 물의 양

 표면수량(surface moisture)

• 골재의 표면에 붙어 있는 수량

21 ^{절건상태 기건상태 표건상태 습윤상태}

골재의 일반적 성질

 함수량, (유효)흡수량 및 표면수량

 흡수율(%)

• 절건상태에서 표건상태까지 흡수되는 수량

• 내부 공극의 양으로서 골재의 품질을 나타낸다.

 유효흡수율(%)

• 기건상태에서 표건상태까지 흡수되는 수량

 함수율(%)

• 절건상태에서 습윤상태까지 흡수되는 수량

 표면수율(%)

• 표건상태에서 습윤상태까지 흡수되는 수량

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( )% = − ×100

절건상태중량

중량 절건상태 중량

흡수율 표건상태

( )% = − ×100

기건상태중량

중량 기건상태 중량

유효흡수율 표건상태

( )% = − ×100

절건상태중량

중량 절건상태 중량

함수율 습윤상태

( )% = − ×100

표건상태중량

중량 표건상태 중량

표면수율 습윤상태

 예) 어떤 골재를 실험한 결과, 습윤상태의 중량이 100g이고, 골 재를 건조시켜 표면건조 포화상태에서 95g, 기건상태에서 93g, 절대건조상태에서 92g이었다면, 이 골재의 흡수율, 유효흡수 율, 전 함수율, 표면수율은 각각 얼마인가?

 흡수율(%) = (표건-절건)/절건×100 = (95-92)/92×100 = 3.26%

 유효흡수율(%) = (표건-기건)/기건×100 = (95-93)/93×100 = 2.15%

 전함수율(%) = (습윤-절건)/절건×100 = (100-92)/92×100 = 8.69%

 표면수율(%) = (습윤-표건)/표건×100 = (100-95)/95×100 = 5.26%

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 예제

 용기의 용적 = 10.22(l)이고, 용기 중의 시료의 절건상태 질량이 16.55(kg) 이었다. 이 때, 골재의 흡수율이 2.03%, 절건비중이 2.63일 경우, 이 골재 의 실적률은?



Ans.

• 절건비중 = 2.63(g/ml) = 2.63kg/l

• 단위용적질량 = 16.55kg/10.22l =1.619 kg/l ∴ 실적률 = 1.619/2.63×100 = 61.56%

실적률 vs 공극률

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1l =1000cc 1cc=1cm³

 예제

 용기의 용적 = 10.02(l)이고, 용기 중의 시료의 절건상태 질량이 16.55(kg) 이었다. 이 때, 골재의 흡수율이 2.03%, 표건비중이 2.63일 경우, 이 골재 의 실적률은?

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골재중의 유해물 및 알칼리 골재 반응

 골재 중의 유해물

 먼지, 점토덩어리, 침니(미사, silt), 운모질의 미세입자, 부식토 등의 유기 물 및 화학염류로서 콘크리트의 강도, 내구성, 안전성 등을 해치는 물질

 점토(clay), 침니(silt), 운도(mica)

• 골재의 표면에 밀착되어 시멘트풀과의 부착을 해쳐 강도 저하 유발

• 덩어리로 되어 있으면 건습 또는 동결융해 등에 의하여 덩어리가 파괴되거나 콘크리트 표면에 손상을 가함

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 골재 중의 유해물

 석탄(coal), 갈탄(lignite)

• 가볍고 강도가 낮으므로, 이 양이 많으면 콘크리트의 강도가 낮아진다.

• 석탄, 갈탄 중의 황 성분은 물, 공기와 반응하여 황산을 생성하여 철근 부식

 연한 석편

• 많을 수록 콘크리트의 강도 저하

• 온도, 습도 변화와 동결 융해작용에 의하여 큰 체적변화를 일으키므로, 균열, 박리, 붕괴 등의 손상 유발

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골재중의 유해물 및 알칼리 골재 반응

 골재 중의 유해물

 먼지, 점토덩어리, 침니(미사, silt), 운모질의 미세입자, 부식토 등의 유기 물 및 화학염류로서 콘크리트의 강도, 내구성, 안전성 등을 해치는 물질

 유기불순물

• 부식토, 이탄 등의 속에 후민산이 석회와 반응하여 석회후민산 비누 생성

− 시멘트 수화반응 저해

− 심한 경우에는 경화가 발생하지 않음

 염분

• 바다모래(해사) 등과 같은 염화물을 함유하고 있는 모래는 철근부식을 유발 하여 콘크리트의 장기 내구성에 나쁜 영향을 준다.

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 표 2.2 잔 골재의 유해물 함유량의 한도(중량백분율)

 1) 잔 골재는 망체 1.2mm에 걸리는 것을 시료로 한다.

 2) 부순 모래 및 고로슬래그 잔 골재의 경우, 0.08mm체를 통과하는 재료가 점토나 조개 껍질이 아닌 돌 가루인 경우에는 그 최대치를 각각 5%와 7%로 하여도 좋다.

 3) 고로슬래그 잔 골재에는 적용하지 않는다.

 4) 잔 골재의 절대건조중량에 대한 백분율이며, 염화나트륨으로 환산하면 약 0.04%에 상당한다.

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종 류 최 대 치

점토 덩어리 1.0¹⁾

0.08mm체 통과량

콘크리트의 표면이 마모작용을 받는 경우 기타의 경우

3.0²⁾ 5.0²⁾

석탄, 갈탄 등으로 비중 2.0의 액체에 뜨는 것 콘크리트의 외관이 중요한 경우

기타의 경우

0.5³⁾ 1.0³⁾

염화물 (염화물이온량) 0.02⁴⁾

유해물 함유량의 한도 규정: 콘크리트 표준시방서

 표 2.5 굵은 골재의 유해물 함유량의 한도(중량백분율)

 1) 점토덩어리와 연한 석편의 합이 5%를 넘으면 안 된다.

 2) 교통이 심한 슬래브 또는 표면의 경도(硬度)가 특히 요구되는 경우에 적용한다.

 3) 부순 돌의 경우, 0.08mm체를 통과하는 재료가 돌 가루인 경우에는 최대치를 1.5%로 해도 좋다. 다만, 고로슬래그 굵은 골재의 경우에는 최대치를 5.0%로 해도 좋다.

 4) 고로슬래그 굵은 골재에는 적용하지 않는다.

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종 류 최 대 치

점토덩어리 0.25¹⁾

연한 석편 5.0²⁾

0.08mm체 통과량 1.0³⁾

석탄, 갈탄 등으로 비중 2.0의 액체에 뜨는 것 콘크리트의 외관이 중요한 경우

기타의 경우

0.5⁴⁾ 1.0⁴⁾