건설재료 및 실험

(1)

건설재료 및 실험

LN12: 콘크리트 (1)

한경대학교 안전공학과 2012학년도 01학기

옥승용

(2)

강의일정 (Class Schedule) (1)

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

(3)

건설재료 및 실험, 2012학년도 1학기, 옥승용, syok@hknu.ac.kr

강의일정 (Class Schedule) (2)

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

(4)

(5)

콘크리트 (Concrete)

 정의



콘크리트(concrete): 시멘트 + 물 + 잔골재 + 굵은골재 + (혼화재료)



모르타르(mortar): 시멘트 + 물 + 잔골재 + ( 혼화재료)



시멘트풀(cement paste): 시멘트 + 물 + (혼화재료)

 재료의 구성 비율(%): 용적(부피)비

결합재 골재(충전재)

(6)

체 번호

잔골재용 굵은골재용

KS의 부름명 부름치수 기준치수 KS의 부름명 부름치수 기준치수 No.100 0.15㎜ 150㎛ 10㎜체 10㎜ 9.5㎜

15㎜체 15㎜ 16㎜

No. 50 0.30㎜ 300㎛

20㎜체 20㎜ 19㎜

25㎜체 25㎜ 26.5㎜

No. 30 0.60㎜ 600㎛

30㎜체 30㎜ 31.5㎜

No. 16 1.2㎜ 1.18㎜ 40㎜체 40㎜ 37.5㎜

50㎜체 50㎜ 53㎜

No. 8 2.5㎜ 2.36㎜

65㎜체 65㎜ 63㎜

75㎜체 75㎜ 75㎜

No. 4 5㎜ 4.75㎜

100㎜체 100㎜ 106㎜

(7)

골재의 분류

 입경의 크기에 따른 분류



굵은 골재(coarse aggregate)

•

5mm 체에 거의 다 남는 입상 상태의 재료로서 암 석이 자연적으로 붕괴 마모되어 생성된 것 또는 이것이 연약하게 얽혀져서 만들어진 역암을 인공 처리한 것

•

품질 및 입도는 규격에 따라야 함 (KS F 2526)



잔 골재(fine aggregate)

•

10mm 체를 통과하고 5mm체를 거의 다 통과하며,

0.08mm 체에 거의 다 남는 입상 상태의 암석이

자연적으로 붕괴 마모되어 생성된 것 또는 파쇄

되기 쉬운 사암을 인공 처리한 것

(8)

콘크리트 (Concrete)

 결합재: 시멘트 풀 (Cement paste)

 골재 사이의 공극을 메움

 굳지 않은 콘크리트(fresh concrete)에 유동성을 부여함

 수화 후에 골재와 결합하여 강도를 발현함

 양질의 콘크리트 기준조건

− 강도

− 내구성

− 시공성

 양질의 콘크리트 제조

− 양질의 재료

− 배합설계

− 시공(혼합, 운반, 타설, 다지기, 양생)

(9)

 목적에 맞는 공학적 성질이 필요함

“제1장 총론” 중 건설재료에 요구되는 성질

경제성 (저렴, 대량생산)

작업성

(운반, 취급 및 가공이 용이)

- consistency*(유동성)

- workability(시공성) - plasticity*(성형성)

- finishability(마감성) - pumpability( 압송성) 내구성 (durability)

- 내후성(동결융해, 건습) - 내마모성 - 내식성 - 내화학약품성 - 내생물성 - 내열성/내화성

안정성 (강도)

- 정적강도(압축, 인장, 휨, 전단, 비틀림, 부착, 지압) - 동적강도(충격) - 피로강도/creep/relaxation

*consistency: 농도, 점도

plasticity: 가소성, 유연성, 적응성

(10)

콘크리트 (Concrete)의 특징

 장점

 치수에 제한 없이 임의의 형상대로 구조물을 만들 수 있다.

 재료의 확보, 운반이 용이



압축강도가 크며, 필요로 하는 임의의 강도를 자유롭게 얻을 수 있다.

 내구성, 내화성, 내수성, 내진성이 좋다

 철근을 피복하여 녹을 방지

 시공이 비교적 용이하며, 유지비가 거의 들지 않으며 경제적이다.

 단점

 자중이 크다. 단 중력댐, 침목 같은 곳에 이용할 땐 장점

 압축강도에 비하여 인장강도, 휨강도가 작다

 건조, 수축 등에 의하여 균열이 발생하기 쉽다.

 개조 및 파괴가 곤란하고 재사용이 어렵다

 경화하는데 시간이 걸리기 때문에 시공일수가 길다.

(11)

굳지 않은 콘크리트

(12)

굳지 않은 콘크리트(Fresh Concrete)

 정의



믹싱(mixing) 후부터 응결에 따라 일정 강도를 나타내기까지

 성질



시공시 및 그 전후에 재료분리가 적을 것



거푸집에 부어 넣은 후 블리딩(bleeding)이 많이 생기지 않을 것



거푸집 구석구석까지 또는 철근 사이에 충분히 잘 채워질 수 있도록 묽은 반죽

질기로서 운반, 다지기 및 마무리가 용이할 것

(13)

용어 (Terminology)

 반죽질기(consistency) ~ 유동성

 물의 양에 따른 반죽의 되고 진 정도를 나타내는 굳지 않은 콘크리트의 성질

 워커빌리티(workability) ~ 시공성, 시공연도

 반죽 질기 여하에 따르는 작업의 난이도 및 재료분리에 저항하는 정도를 나타내는 굳지 않 은 콘크리트의 성질

 묽기 정도 및 재료분리에의 저항 정도 등을 복합적으로 나타내는 시공의 난이(難易) 정도

 성형성(plasticity) ~ 적응성(adaptability)

 거푸집에 쉽게 다져 넣을 수 있고, 거푸집을 제거하면 천천히 형상이 변하기는 하지만 허 물어지거나 재료가 분리하는 일이 없는 굳지 않은 콘크리트의 성질.

 마감성(finishability) ~ 마무리성

 굵은 골재의 최대치수, 잔골재율, 잔골재의 입도, 반죽질기 등에 따르는 마무리 하기 쉬운 정도를 나타내는 굳지 않은 콘크리트의 성질

 압송성(pumpability)

 대량의 콘크리트를 타설할 때 펌프에서 콘크리트가 잘 밀려나가는 지의 정도 (재료분리/

파이프배관 막힘)

Press

(14)

워커빌리티 (Workability)

 영향인자(Influencing Factors)



시멘트



단위수량



잔 골재



굵은 골재



혼화재료



배합



온도

(15)

워커빌리티 (Workability)

 영향인자(Influencing Factors)



시멘트

• 단위 시멘트량이 클수록 워커빌리티가 좋아진다.

−

시멘트량이 적을수록 재료분리 경향이 생긴다.

• 분말도 또는 비표면적(比表面積)(cm²/g, m²/kg)가 클수록 워커빌리티가 좋아진다.

−

비표면적 280m

²

/kg (=2,800cm

²

/g) 이하의 시멘트: 워커빌리티가 나빠지고 블리딩도 커진다.

• 비중이 작을수록(흡수량이 커짐) 워커빌리티가 좋아진다.

물-결합재비(W/C) or 시멘트-물비(C/W)~목표강도 단위수량(W)~굵은 골재 최대치수, 슬럼프, 공기량 단위 시멘트량 = 단위수량/물-결합재비

단위 시멘트량(C) ↑ ∝ 단위수량(W) ↑

(16)

워커빌리티 (Workability)

 영향인자(Influencing Factors)



시멘트

• 단위 시멘트량이 클수록 워커빌리티가 좋아진다.

−

시멘트량이 적을수록 재료분리 경향이 생긴다.

• 분말도 또는 비표면적(比表面積)(cm²/g, m²/kg)이 클수록 워커빌리티가 좋아진다.

−

비표면적 280m

²

/kg (=2,800cm

²

/g) 이하의 시멘트: 워커빌리티가 나빠지고 블리딩도 커진다.

(17)

“제2장 시멘트” 중 시멘트의 일반적 성질

 분말도 (fineness)

 시멘트 입자의 크기 정도를 분말도 또는 비표면적으로 나타내며 시멘트의 입자가 미세할

수록 분말도가 크다.

 시멘트의 성분이 일정할 경우, 분말이 미세할수록 다음과 같은 성질이 있다.

•

물과 혼합시 접촉 표면적이 커서 수화작용이 빠르다.

•

초기강도가 크게 되며 강도증진율이 높다.

•

블리딩(bleeding)이 적고 워커블(workable)한 콘크리트가 얻어진다.

•

색이 밝게 되며 비중도 가벼워진다.

•

풍화하기 쉽고 건조수축이 커져서 균열이 발생하기 쉽다.

 시험방법 : 공기투과장치에 의한 시험 방법

•

블레인(blaine)의 공기 투과 장치에 의하여 공기가 시료를 통과하는 시간을 계산하여 포틀랜드 시멘 트 1g이 가지고 있는 전체 입자의 총 표면적(cm

²

/g) 을 구한다. (KS L 5106)

시멘트의 종류 분말도 범위(cm

²

/g) 평균 규정값 보통포틀랜드시멘트 2,990~3,620 3,290 2,800 이상 중용열포틀랜드시멘트 3,070~3,290 3,160 2,800 이상 조강포틀랜드시멘트 4,080~4,580 4,330 3,300 이상 표 2.11 포틀랜드시멘트의

분말도(cm

²

/g)

(18)

워커빌리티 (Workability)

 영향인자(Influencing Factors)



시멘트

• 단위 시멘트량이 클수록 워커빌리티가 좋아진다.

−

시멘트량이 적을수록 재료분리 경향이 생긴다.

• 분말도 또는 비표면적(比表面積)(cm²/g, m²/kg)이 클수록 워커빌리티가 좋아진다.

−

비표면적 280m

²

/kg (=2,800cm

²

/g) 이하의 시멘트: 워커빌리티가 나빠지고 블리딩도 커진다.

• 비중이 작을수록(흡수량이 커짐) 워커빌리티가 좋아진다.

(19)

“제4장 골재 및 물” 중 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)

(20)

“제4장 골재 및 물” 중 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)

굵은 골재의 비중

잔 골재의 비중

(21)

워커빌리티 (Workability)

 영향인자(Influencing Factors)



시멘트

• 단위 시멘트량이 클수록 워커빌리티가 좋아진다.

−

시멘트량이 적을수록 재료분리 경향이 생긴다.

• 분말도 또는 비표면적(比表面積)(cm²/g, m²/kg)가 클수록 워커빌리티가 좋아진다.

−

비표면적 280m

²

/kg (=2,800cm

²

/g) 이하의 시멘트: 워커빌리티가 나빠지고 블리딩도 커진다.

물-결합재비(W/C)~목표강도

단위수량(W)~굵은 골재 최대치수, 슬럼프, 공기량 단위 시멘트량 = 단위수량/물-결합재비

단위 시멘트량(C) ↑ ∝ 단위수량(W) ↑

과다사용

소요의 강도와 적절한 워커빌리티를 확보한 범위 내에서는 가능한 단위수량과 단위시멘트량(결합재의 양)을 작게 사용하는 것이 균열 발생의 측면에서는 이롭다.

(22)

워커빌리티 (Workability)

 영향인자(Influencing Factors)



단위수량

• 단위수량이 클수록 콘크리트는 묽어져서 반죽질기가 크게 되나, 재료분리가 발생한다.

• 단위수량이 적을수록 콘크리트는 된 반죽이 되어 유동성이 떨어진다.



잔 골재

• 잔 골재의 입도가 큰 영향.

• 입형이 둥근 골재에 비해 입형이 모난 것이나 편평한 잔 골재는 워커빌리티가 나쁘다.



굵은 골재

• 입형이 둥근 골재가 워커빌리티가 좋다.

• 굵은 골재의 최대치수가 클수록 단위수량이 감소하고 단위 시멘트량이 감소하지만, 시 공 면에서 비비기가 어려워짐

(23)

워커빌리티 (Workability)

 영향인자(Influencing Factors)



단위수량

• 단위수량이 클수록 콘크리트는 묽어져서 반죽질기가 크게 되나, 재료분리가 발생한다.

• 단위수량이 적을수록 콘크리트는 된 반죽이 되어 유동성이 떨어진다.



잔 골재



굵은 골재

• 굵은 골재의 최대치수가 클수록 단위수량이 감소하고 단위 시멘트량이 감소하지만, 시 공 면에서 비비기가 어려워짐

(24)

“제4장 골재 및 물” 중 골재의 일반적 성질

 골재의 입형(粒形, 알의 모양)



모난 것 보다는 둥근 편이 유동성 측면에서 유리 (단위수량 小)

•

둥근 모양의 골재

− 마찰이 작다 → 워커빌리티가 좋다.

− 공극을 감소시키고 다짐이 좋으므로 밀도가 커진다.

− 시멘트 풀이 감소되므로 경제적이다.

•

모가 난 골재

− 공극률이 크다

− 골재알 사이의 마찰 증가 → 워커빌리티가 나쁘다.

− 모르타르(시멘트+물+모래)의 양이 증가

•

표면이 거친 골재

− 워커빌러티가 나빠진다

− 부착력은 커진다

24

(25)

“제4장 골재 및 물” 중 골재의 일반적 성질

 골재의 입도(粒度, grading)



골재의 입도란 골재의 작고 큰 입자가 혼합된 정도를 말한다.



입도가 알맞은 골재를 사용하면,

•

공극을 최소화시키며, 단위 중량이 커진다.

•

워커빌리티 증대 및 소요 품질의 콘크리트를 얻기 위한 단위수량 및 시멘트량 감소

•

재료분리형상 감소

•

건조수축이 적어지며, 내구성 및 수밀성 증대

(26)

워커빌리티 (Workability)

 영향인자(Influencing Factors)



단위수량

• 단위수량이 클수록 콘크리트는 묽어져서 반죽질기가 크게 되나, 재료분리가 발생한다.

• 단위수량이 적을수록 콘크리트는 된 반죽이 되어 유동성이 떨어진다.



잔 골재



굵은 골재

• 굵은 골재의 최대치수는 시공조건과 관련하여 콘크리트의 워커빌리티에 영향을 미침

(27)

“제4장 골재 및 물” 중 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/cm

²

(40MPa) 정도로 비교적 클 경우 최대치수를 크게 할 수록 오히려 시멘트 량 증대

•

적당한 최대치수는 구조물의 종류, 철근의 간격 등을 고려하여 정한다.

(28)

워커빌리티 (Workability)

 영향인자(Influencing Factors)



혼화재료

• 포졸란, 플라이애쉬 , AE제, 감수제 등을 사용함으로써 콘크리트의 워커빌리티를 크게 개선

• 응결·경화 시간의 연장은 콘크리트를 워커블한 상태로 장시간 유지할 수 있도록 한다.



배합

• 재료의 구성비(물-결합재비, 잔골재율, 잔-굵은 골재비) 등에 따라 워커빌리티는 크게 영향을 받는다.

• 부배합이 빈배합보다 워커빌리티가 좋다.

−

부(富)배합: 시멘트량이 많다. 빈(貧)배합: 시멘트량이 적다.



온도

• 온도가 높을수록 슬럼프가 감소

(29)

“제3장 혼화재료” 중 혼화재료의 사용목적

 콘크리트의 諸성질을 개선 및 향상



콘크리트의 워커빌리티(workability) 개선



강도 및 내구성 증진



응결 및 경화시간 조절



발열량 저감



수밀성의 증진 및 철근의 부식방지



시멘트의 사용량 절약



기타 특수 성능 개선을 부여

(30)

“제3장 혼화재료” 중 혼화재

 포졸란 (pozzolan)



특징

•

워커빌리티가 좋아진다.

•

블리딩 및 재료분리가 감소한다.

•

강도의 증진이 늦으나, 장기강도가 크다.

•

발열량이 적으므로, 단면이 큰 콘크리트에 적합하다.

•

해수에 대한 화학적 저항성이 크다.

•

인장강도와 신장률이 크다.

•

입자, 모양 및 표면상태가 좋지 않거나 조립이 많은 것 등은 단위수량(水量)을 증가시키며, 건조수축이 크다.

Note. *포졸란반응: 실리카 시멘트의 가용성 SiO

₂

등이 수화 시 생기는 수산화칼슘 (Ca(OH)

₂

)과 결합하여 불용성규산칼슘 수화물을 생성하는 반응

*불용성: 다른 물질에 녹지 않는 성질

(31)

“제3장 혼화재료” 중 혼화재

 플라이애시 (fly ash)



특징:

•

콘크리트의 워커빌리티 개선 및 사용수(水)량 감소

•

장기재령 강도가 상당히 증가함

•

시멘트 수화열에 의한 콘크리트 온도 감소: 단면이 큰 콘크리트 구조물에 내부온도 상승에 의한 균열 발생 등 억제

•

콘크리트의 수밀성 개선

•

양질의 플라이애시를 적절히 사용함으로써 건조, 습윤에 따른 체적 변화와 동결융해에 대한 저항성 향상

•

**알칼리 실리카 반응*의 억제 효과**

•

콘크리트 양생기간은 다소 길어짐

플라이애시 사용량(%)

(32)

“제3장 혼화재료” 중 혼화제

 AE제 (air-entraining admixtures)



효과

•

콘크리트의 워커빌리티 개선( 공기량 1% 증가에 슬럼 프* 약 2.5cm 증가).

•

기포가 시멘트 및 골재의 미립자를 떠오르게 하거나 물의 이동을 도움으로써 단위수량을 감소시켜 블리딩 등의 재료분리를 감소시킴

•

콘크리트 공극 중의 물의 동결에 의한 팽창응력을 기 포가 흡수함으로써 동결융해에 대한 내구성 개선

•

공기량이 지나치게 많아지면 작업성은 좋아지나 강도 가 저하된다.

− 물-시멘트가 일정한 경우

− 공기량 1% 증가: 압축강도 4~6%, 휨강도 2~3%, 탄성계수 7~8×10²MPa 감소, 철근과의 부착강도 감소

*슬럼프(slump): 굳지 않은 콘크리트의 반죽질기(점성 정도)로서 워커빌리티 판단의 근거

(33)

“제3장 혼화재료” 중 혼화제

 감수제 (water-reducing admixtures), AE감수제



효과

•

워커빌리티에 필요한 단위수량 10~16% 감소

•

동일 워커빌리티 및 강도의 콘크리트를 얻기 위하여 요 구되는 단위시멘트량 감소

•

수밀성 향상 및 내약품성, 동결융해 저항성 증대

•

응결시간 조절 (표준형, 지연형, 촉진형)

•

건조수축 감소

* 감수제: 4~6% 감수효과

AE제: 6~8% 감수효과

AE감수제: 10~16% 감수효과

(34)

워커빌리티 (Workability)

 영향인자(Influencing Factors)



혼화재료

• 포졸란, 플라이애쉬, AE제, 감수제 등을 사용함으로써 콘크리트의 워커빌리티를 크게 개선

• 응결·경화 시간의 연장은 콘크리트를 워커블한 상태로 장시간 유지할 수 있도록 한다.



배합

−

부(富)배합: 시멘트량이 많다. 빈(貧)배합: 시멘트량이 적다.



온도

• 온도가 높을수록 슬럼프가 감소

(35)

워커빌리티 (Workability)

 영향인자(Influencing Factors)



혼화재료

• 포졸란, 플라이애쉬, AE제, 감수제 등을 사용함으로써 콘크리트의 워커빌리티를 크게 개선

• 응결·경화 시간의 연장은 콘크리트를 워커블한 상태로 장시간 유지할 수 있도록 한다.



배합

−

부(富)배합: 시멘트량이 많다. 빈(貧)배합: 시멘트량이 적다.



온도

• 온도가 높을수록 슬럼프가 감소