건설재료 및 실험

한경대학교 안전공학과 2012학년도 01학기

옥승용

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

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

탄성과 소성

체적 변화, 크리프, 균열

압축강도 및 기타강도

경화한 콘크리트

탄성과 소성

체적 변화, 크리프, 균열

 중량



보통 콘크리트 : 2.2～2.4 t/m

[=g/cm

]



인공경량골재를 사용한 경량콘크리트 : 1.5～2.0t/m

[=g/cm

]



철광석 등을 사용한 중량콘크리트 : 3.5～5.0t/m

[=g/cm

]

 압축강도



일반적으로 콘크리트의 강도라 함은 압축강도를 지칭함

•

다른 강도에 비해 현저하게 큼

•

설계에서 압축강도만을 사용하는 경우가 많음

•

다른 강도 및 품질 추정 가능



일반적으로 재령 28일 압축강도를 기준으로 함

• 댐 콘크리트: 재령 91일 압축강도

• 포장 콘크리트: 재령 28일 휨강도 기준

 재료품질의 영향



시멘트

• 콘크리트 압축강도



골재

•

일반적으로 골재의 강도는 시멘트 풀의 강도보다 크므로, 대부분의 경우 골재 의 강도 변화가 콘크리트의 강도에 미치는 영향은 크지 않다. 단, 천연 경량골

•

고강도 콘크리트일수록 골재의 강도가 콘크리트의 강도에 미치는 영향은 커 진다.

•

골재의 표면이 거칠수록 부착력(골재와 시멘트 풀)이 좋기 때문에 일반적으

c

f A C B

W

 

= K ⋅ + 

 f_c: 콘크리트의 압축강도 (MPa)

 C/W: 시멘트-물비

 K: 시멘트의 강도

 A, B: 상수

강도비 물-시멘트비, 슬럼프 일정 시멘트량, 슬럼프 일정 압축강도 인장강도 휨강도 압축강도 인장강도 휨강도

강 자갈 콘크리트 1.20~1.35 1.05~1.32 1.14~1.25 0.95~1.10 1.03~1.11 1.03~1.09

 재료품질의 영향



골재

•

물-시멘트비가 일정한 경우, 굵은 골재의 최대치 수가 클수록 콘크리트의 강도는 작아진다. 이러

굵은 골재의 최대치수 ↑ ∝ 단위수량(W) ↓ 물-시멘트비(W/C) 일정 ~ 시멘트량(C) ↓ 시멘트량(C) ↓ ∝ 콘크리트 강도 ↓

그림 5.8 굵은 골재의 최대치수와 압축강도의 관계

굵은 골재의

최대 치수

(mm)

단위 굵은 골재 용적

(%)

AE제를 사용하지 않은

콘크리트 AE 콘크리트

갇힌 공기

(%)

잔골재율 s/a (%)

단위 수량 W (kg)

공기량

(%)

양질의 AE제를 사용한 경우

양질의 AE 감수제를 사용한 경우

잔골재율 s/a (%)

단위 수량 W (kg)

잔골재율 s/a (%)

단위 수량 W (kg) 15

20 25 40

58 62 67 72

2.5 2.0 1.5 1.2

49 45 41 36

190 185 175 165

7.0 6.0 5.0 4.5

47 44 42 39

180 175 170 165

48 45 43 40

170 165 160 155

콘크리트의 단위 굵은 골재 용적, 잔골재율 및 단위수량의 표준값

굵은 골재의 최대치수 ↑ ∝ 단위수량(W) ↓ 단위 시멘트량(C) 일정 ~ 시멘트-물비(C/W) ↑

시멘트-물비(C/W) ↑ ∝ 콘크리트의 강도 ↑ ^cu

f A C B

W

 

=  ⋅ + 

 

K

 골재

• 시멘트량이 일정한 경우, 굵은 골재의 최대치수가 클 수록 콘크리트의 강도는 증가한다.

• 단, 400kgf/cm²의 비교적 큰 강도에 대해서는 강도가 감소하는 경향이 있다.

굵은 골재의

최대 치수

(mm)

단위 굵은 골재 용적

(%)

AE제를 사용하지 않은

콘크리트 AE 콘크리트

갇힌 공기

(%)

잔골재율 s/a (%)

단위 수량 W (kg)

공기량

(%)

양질의 AE제를 사용한 경우

양질의 AE 감수제를 사용한 경우

잔골재율 s/a (%)

단위 수량 W (kg)

잔골재율 s/a (%)

단위 수량 W (kg) 15

20 25 40

58 62 67 72

2.5 2.0 1.5 1.2

49 45 41 36

190 185 175 165

7.0 6.0 5.0 4.5

47 44 42 39

180 175 170 165

48 45 43 40

170 165 160 155

콘크리트의 단위 굵은 골재 용적, 잔골재율 및 단위수량의 표준값

 재료품질의 영향



혼합수

• 혼합수의 양은 콘크리트에 미치는 영향이 매우 크다.

• 수질은 콘크리트의 강도, 시공 시 응결시간, 철근의 부식 등 영향이 크다.

 물은 왜 필요한가?

 시멘트는 경화하는 수화반응을 일으키기 위해 물이 필요하다. 수화반응에 필요 한 물은 시멘트량의 25% 정도

 물의 양이 적다면 빡빡한 반죽이 되어 작업이 어렵기 때문에 통상 25% 이외의 추가적인 물이 소요된다: 작업성의 측면에서 잉여수 필요

 물이 많은 콘크리트는 나쁜가?



작업성은 좋아지나 강도와 내구성은 나빠진다.



내부의 시멘트 입자 감소

• 콘크리트를 타설한 직후 물이 표면으로 올라오는 것을 블리딩(bleeding)이라 한다. 잉여 물이 표면 으로 올라오는 것인데, 이것은 콘크리트의 구성요소가 자갈, 모래, 시멘트입자, 물인데 이 중에서 물 이 제일 가볍기 때문이다. 잘 섞이지 못한 경우 가벼운 것이 위로 뜨기 마련이다. 그런데 물이 위로 뜨면서 혼자 올라오지 않고 시멘트 입자를 끌고 위로 올라오게 되는데, 이것이 블리딩된 물의 아래 쪽에 가라앉게 되며 레이턴스(laitance)라 한다. 콘크리트 속에서 자갈과 모래를 붙여주는 본드 역할

을 해야 할 시멘트가 위로 올라오니 품질이 나빠지는 것은 당연하다.



이음부 접착능력 저하

• 콘크리트는 여러가지 이유로 이어치기를 해야 하는데, 만약 이음부의 레이턴스를 털어내지 않고 그 위에 또 콘크리트를 타설하면 이음부 레이턴스로 인해 접합부 강도가 떨어진다. 당연히 전체적인 콘크리트 성능의 저하가 발생한다.



건조수축의 증가: 균열 발생

• 콘크리트 내부에 있던 잉여수로 인해 전체적인 콘크리트 체적은 실 체적보다 조금 부풀어 있다. 체 적에 물 부분이 상당히 포함되어 있다는 뜻이다. 콘크리트 경화가 끝나고 이 나머지 물 부분이 마르

거나 해서 없어지면 콘크리트는 본래의 부피로 돌아가려 한다. 그런데 양 끝이 구속되어 있는 상태

 배합의 영향



물-시멘트비 이론(W/C=물결합재비)

Burj Khallifa: very low W/C ratio

; The concrete mix for the piles with 25% fly ash, 7% silica fume, and a water-to-cement ratio of 0.32. 압축강도=150MPa

c W C/

f A

= B

 배합의 영향



시멘트-물비 이론

• 직선관계로 근사

• 실용적이며 적용이 편리

•

배합설계에 사용

c

f A B C

= + W

 배합의 영향



공기량

•

W/C 비가 일정한 경우 공기량이 1%커짐에 따 라 압축강도는 4～6%감소

− 공기량 1% 증가: 압축강도 4~6%, 휨강도 2~3%, 탄성계수 7~8×10²MPa 감소, 철근과의 부착강도 감소 (제3장 혼화재료 중 AE제 발췌)

•

AE 콘크리트의 경우 단위수량을 줄일 수 있으

가 비슷

c

f A B C

= + W Press

 시공방법의 영향



혼합(비빔)방법

•

비빔시간이 길수록 시멘트와 물과의 접촉이 좋으므로, 일반적으로 강도는 증 가한다.

• 콘크리트를 비빈 후 물을 가하지 않고 일정시간 방치한 후, 다시 균일하게 되 도록 비비면 강도는 증대하나, 과도한 비비기로 인하여 워커빌리티가 나빠지

므로 다짐이 곤란하게 되어 오히려 콘크리트의 강도가 저하되는 경우도 있다.

 시공방법의 영향



콘크리트 치기

• 준비 : 거푸집 설치 및 박리제* 도포

• 운반

• 치기

− 한 구획 내에서는 연속 쳐야 한다

− 나누어 칠 경우 아래층의 콘크리트가 굳기 전에 윗 층의 콘크리트를 쳐서, 콜드 조인트가 생기지 않도록 한다.

*박리제: 콘크리트 타설 후 거푸집이 콘크리트 면에서 쉽게 박리될 수 있도록 거푸집 표면에 칠함.

콘크리트 표면 오염 및 콘크리트와 마감재와의 접착성 저하

Pouring a concrete floor for a commercial

building, slab-on-ground Concrete pumping

 시공방법의 영향



다지기 (page 114 그림 5.13)

• 타설 후 콘크리트 속의 빈틈을 적게 해서 밀도(강도)를 크게 하기 위해 다짐

• 특히, 된 콘크리트에 다지기의 영향이 크다.

• 과도한 진동시간은 재료분리 및 강도 저하를 유발함

• 봉 다지기

• 진동 다지기

 시공방법의 영향



양생(curing)

• 콘크리트에 일정한 기간 동안 충분한 습도, 적당한 온도를 유지시켜주며 유해 한 응력을 가하지 않는 것

•

습윤양생(wet curing): 노출면을 양생용 매트, 가마니 등을 적셔서 덮거나 살

•

증기양생(steam curing): 거푸집을 빨리 철거하거나 단기간에 소요강도를 얻

− 주로 공장에서 관, 말뚝, 블록 등의 콘크리트 제품 양생에 사용

− 프리캐스트(precast; 미리 성형된) 부재제작에 사용

A concrete slab ponded while curing

Vapor-cured member

 시공방법의 영향



양생(curing)

• 콘크리트에 일정한 기간 동안 충분한 습도, 적당한 온도를 유지시켜주며 유해 한 응력을 가하지 않는 것

•

습윤양생(wet curing): 노출면을 양생용 매트, 가마니 등을 적셔서 덮거나 살

− 습윤양생 후 공기 중에 건조시키면 강도 20%~40% 증가 (일시적)

 인장강도(tensile strength)



압축강도의 약 1/8~1/13 정도

2

t

f P πdl

=

 일반적으로 철근콘크리트의 부재 설계 시에는 인장강도는 무시

 보의 사인장응력, 슬래브 및 수조의 설계 시에는 중요

 할렬인장강도≈직접인장강도(순인장강도)

 예제. P=140kN, d=15cm, l=30cm 일 때, f_t?

 Ans. f_t =1.98MPa

 휨 강도(flexural strength)



압축강도의 약 1/5~1/8 정도



인장강도의 1.6~2.0배 정도

b 2

f Pl

= bh

2

3

b 2 f Pl

= bh

b

M My

f = Z = I ^:

: :

fb

M Z I

= y 여기서,휨강도

최대휨모멘트 보의 단면계수

 예제. P_max=44kN, 15×15×45cm, 콘크리트의 파괴단면과 지점간의 거리를 측정한 결과, 180mm일 때, f_b?

 Ans. f_b=5.87MPa

 전단강도(shear strength)



압축강도의 약 1/6~1/4 정도



인장강도의 1.5~2.3배 정도

P τ = A

l 2P

P P

A

 예제. P_max=44kN, 15×15×45cm 콘크리트의 τ?

 Ans. f_b=1.96MPa

 부착강도(bond strength)



철근과 콘크리트는 항상 일체화되어서 하중에 저항하여야 함



철근과 콘크리트 사이의 부착의 정도를 의미함

• 철근과 시멘트 풀의 순 부착력

• 철근과 콘크리트 사이의 마찰력 및 철근 표면의 요철에 의한 저항력



일반적으로 압축강도가 증가함에 따라 부착강도는 증가 (그림 5.22 p.122)



이형철근의 부착강도가 원형철근의 약 2배 정도



수평철근의 부착강도는 연직철근의 1/2~1/4 정도

• 콘크리트 속의 공극, 수막이 철근 밑면에 생김으로써 부착을 약하게 하기 때문

0

P τ dl

= π

( )

( )

( )

( )

0 : MPa

: mm

: N

: mm

l P d τ

여기서,부착강도 묻힌길이 최대하중 철근의 지름

 예제. P_max=44kN, 지름 15cm, 길이 45cm 콘크리트의 τ₀?

 Ans. f_b=0.21MPa

 지압강도(bearing strength)

 부재의 일부분만이 국부적인 하중을 받는 경 우의 콘크리트의 압축강도

• 교각의 지지부, PSC의 긴장재 정착부 등

 압축강도의 약 1/6~1/4 정도, 인장강도의 1.5~2.3배 정도

' c '

f P

= A

( )

( )

'

' 2

: MPa

:

fc

A mm

여기서,지압강도 지압면적

P

A'

 피로강도(fatigue strength)



반복하중을 받거나 일정한 하중을 지속적으로 받게 되면 피로 때문에 정 적 파괴하중보다 작은 하중으로 파괴된다.

•

피로파괴

•

크리프 파괴(creep failure):



피로 강도는 응력의 상한치와 하한치의 범위와 반복횟수에 의하여 결정

• 2백만회 피로강도 ≈ 정적 파괴강도의 50~60%

• 콘크리트 내부의 미세 균열



크리프 한계는 정적 파괴강도의 70~80%

Stress (MPa)

Number of cycles S-N Curve

압축강도 및 기타강도

경화한 콘크리트

탄성과 소성

체적 변화, 크리프, 균열

 콘크리트

 응력과 변형률의 관계가 곡선 형태

 잔류변형이 존재

 엄밀하게 후크의 법칙이 성립하지 않는 비선형 재료

• Hooke’s Law: σ=E·ε

• E: 탄성계수

 허용응력설계법에서는 탄성체로 가정

고강도

 종류

 초기탄성계수(initial modulus of elasticity)

 할선탄성계수(secant modulus of elasticity)

• 가장 일반적

 접선탄성계수(tangent modulus of elasticity)

 특성

 압축강도 및 밀도가 클수록 크다 (그림 5.27 참조 p.127)

 콘크리트 구조설계기준

 콘크리트 압축강도가 30MPa 이하이고, 단위질량 W의 값이 1,450~2,500kg/m³인 콘크리트

• 단, 보통 골재를 사용하였을 때, 콘크리트의 중량이 W=2,300kg/m³ 이라 하면

 콘크리트 압축강도가 30MPa 초과, 단위질량 W의 값이 1,450~2,500kg/m³인 콘크리트

• 단, 보통 골재를 사용하였을 때, 콘크리트의 중량이 W=2,300kg/m³ 이라 하면

 인공경량골재를 사용한 콘크리트 중량 W=1,600kg/m³인 콘크리트

( )

0.043 1.5

c ck

E = W × f MPa ( )

( )

( )

3

: MPa

: /

: mm

c

ck

E

W kg m

f

여기서,콘크리트의 탄성계수 콘크리트의 중량

재령 28일 콘크리트의 압축강도

( )

4, 700

c ck

E = f MPa

( )

0.030 1.5 7, 700

c ck

E = W × f + MPa

( )

3, 300 7, 700

c ck

E = f + MPa

( )

2, 700

c ck

E = f MPa

표 5.8 p.127 참조

 포와송비(Poisson’s ratio)

 축 방향 변형률 / 축직각 방향 변형률

 전단계수

 전단탄성계수를 구하기는 쉽지 않다.

 강재: 0.3, 콘크리트: 0.17~0.2

 동탄성계수(dynamic modulus of elasticity)

 정탄성계수의 1.04~1.37배 정도

( )

2 1 G E

= ν

+

T N

ν ε

= ε ( )

( )

:

:

:

T N

strain strain ν

ε ε

여기서,포와송비

축직각방향 변형률 축방향 변형률

0.83 104

d c

E = × ⋅ f

압축강도 및 기타강도

경화한 콘크리트

탄성과 소성

체적 변화, 크리프, 균열

 건조 수축(shrinkage)

 콘크리트는 습윤상태에서 팽창하고 건조상태에서 수축한다.

 수중 양생: 10~20×10^-5 정도 팽창

 포화된 콘크리트 공시체를 완전 건조시키면 60~90×10^-5 정도 수축

 건조 수축에 의한 전체 변형량은 “변형률×부재길이” 이다.

구조물의 종류 건조수축 계수

라멘 0.00015

아치 철근량 0.5% 이상 0.00015 철근량 0.1~0.5% 0.00020 콘크리트 표준시방서: 건조수축 계수(변형률)

 정의

 콘크리트에 일정한 하중을 지속적으로 재하할 때, 응력의 변화가 없는데도 변형 이 시간에 따라 증가하는 현상

 크리프 계수 = 크리프 변형률 / 탄성 변형률

 실내=3.0

 실외(보통 콘크리트:2.0, 경량 콘크리트:1.5)

 크리프에 의한 전체 변형량은 “변형률×부재길이” 이다.

 콘크리트 구조물에 발생한 균열은 구조물의 내력, 내구성, 방수성 및 미관 에 악영향을 끼치기 때문에 균열은 콘크리트 구조물을 건설할 때 가장 중 요한 문제이다.

 분류

 굳지 않은 콘크리트의 균열

• 응결, 경화 과정 중에 발생하는 균열로서 초기 균열이라고 한다.

• 이를 방지하기 위해서는 수분의 증발을 방지하고 콘크리트 표면에 급격한 온도변화가 일어나지 않도록 해야 한다.

 경화된 콘크리트의 균열

• 경화 후에 발생하는 균열

• 수축균열

• 온도균열

• 하중에 의한 휨 균열

 침하수축균열



콘크리트 타설 후 1~3시간에 주로 발생

 콘크리트 표면 가까이에 있는 철근, 매설물 또는 입자가 큰 골재 등이 콘크리트 의 침하를 국부적으로 방해하기 때문에 발생하며, 다시 표면 마무리하여 방지

 초기 건조균열



급속한 수분 증발에 의하여 콘크리트 표면에 생기는 가늘고 얇은 균열



수분 증발과 콘크리트 표면의 지나친 온도변화를 방지해야 함: 양생

 거푸집 변형에 의한 균열

 거푸집의 변형에 의하여 외력이 작용함으로써 균열 발생

 진동 및 재하에 따른 균열

 콘크리트 타설 후 말뚝을 박거나 장비의 진동에 의하여 균열 발생

 수축균열



건조 수축량이 철근 등에 의하여 구속된 콘크리트에 인장응력을 발생시키고 이

 단위수량 감소, 충분한 양생, 줄눈 설치 등을 통하여 균열 방지 또는 분산

 온도균열

 콘크리트 구조물에 작용하는 온도 차에 의한 인장응력이 균열 유발

 다른 균열과는 달리, 상당히 큰 균열이 발생하며 재령이 적은 시기에 발생함

 단위 시멘트량 감소, 1회 타설 높이 감소, 수화열이 낮은 시멘트 사용, pre-cooling (사전 온도 저감) & pipe-cooling (콘크리트 내부온도 저감)

 하중에 의한 휨 균열

 긴장재 등에 의한 휨 작용에 의하여 발생

 균열 폭 해석 검토

k a

w ≤ w

( )

,max ,max ,max

:

:

:

:

:

k a s

sm s cm s

w w l

l strain

l st

ε ε

여기서,지속하중이 작용할 때 계산된 균열폭

내구성, 사용성 및 미관 등에 따른 허용 균열폭 철근과 콘크리트 사이의 미끄럼 발생 길이

내의 평균 철근 변형률

내의 평균 콘크리트 변형률( )

( )

_cs :

rain strain

ε 수축에 의한 콘크리트 변형률

( )

,max

k s sm cm cs

w =l ε −ε −ε

강재의 종류 강재의 부식에 대한 환경조건

건조 환경 습윤 환경 부식성 환경 고부식성 환경

철근 0.4mm와 0.006 c_c 중 큰 값

0.3mm와 0.005 c_c 중 큰 값

0.3mm와 0.004 c_c 중 큰 값

0.3mm와 0.0035 c_c 중 큰 값 프리스트레싱

긴장재

0.2mm와 0.005 c_c 중 큰 값

0.2mm와 0.004 c_c 중 큰 값

철근 콘크리트 구조물의 허용 균열폭(mm)

* C_c는 최외단 주철근의 표면과 콘크리트 표면사이의 콘크리트 최소 피복두께(mm)