콘크리트압축강도저하원인및대책 동양시멘트 ( 주 ) 고객지원팀 1. 콘크리트압축강도 콘크리트강도는압축강도, 곡강도, 인장강도, 전단강도등의강도이외에도철근과의부착강도, 피로강도등이있지만, 콘크리트의압축강도는다른강도에비해서현저하게높으며, 특히콘크리트의 28일강도는콘크리트구조물의설계기준에사용되기때문에항상정보가필요한강도이다. 일반적으로콘크리트강도라고부르는것은 압축강도 를일컫는것이다. 콘크리트는여러가지재료의혼합에의한것이기때문에압축강도는원재료에의한영향뿐만아니라, 외부의영향에의해서도크게변화된다. 일반적으로콘크리트압축강도에영향을미치는중요요인으로는크게, 1 콘크리트구성재료의물성과품질, 2 물 / 시멘트비, 공기량, 골재등의배합, 3 혼합, 다짐등의콘크리트의초기취급방법, 4 양생, 대기조건및구조물특성등의경화콘크리트의환경으로구분된다. 또한같은콘크리트에서도공시체의형상및크기, 하중속도등의시험방법및환경에의해서도크게영향을받는다. 2. 콘크리트압축강도에미치는영향인자 (1) 콘크리트구성재료의영향 일반적으로콘크리트구성물질중에서골재는콘크리트의 60~75% 정도로서가장많은 부분을차지하고있는물질로서, 압축강도에미치는영향이매우크다. 특히골재의생성기 원에따라골재의강도가차이가나며, 골재에부착되어있는점토성분혹은미립분에의 해서도압축강도는영향을크게받는다. 특히골재의형상및입도에따라동일한작업성을 얻기위한물의양이다르기때문에그영향성이크게나타난다. 콘크리트혼합시사용되는물은콘크리트에서두번째로큰구성물질로서, 콘크리트에사 용되는물의양뿐만아니라물에포함된불순물의영향도매우크다. 시멘트는콘크리트의결합재로서콘크리트압축강도와직접적영향을가지고있다. 특히 시멘트구성성분과분말도는콘크리트에서요구되는수량, 콘크리트가딱딱해지면서 (stiffening) 경화되어최종압축강도를얻는데중요한영향을미친다, 일반적으로시멘트 mortar 의압축강도가증가함에따라콘크리트의압축강도가증가하며, 특히초기의콘크리 트압축강도와큰상관성을갖는다. 그러나장기시멘트 mortar 압축강도와콘크리트압축 - 1 -
강도와의상관성은매우낮으며, 높은장기강도를갖는시멘트 mortar 가콘크리트화될때, 콘크리트압축강도가오히려감소되는경우도있다. 표 2-20 은 Holderbank 에서얻은시 험결과로부터시멘트 mortar 압축강도와콘크리트압축강도와의상관성을보여주고있다. 표 2-20. 시멘트 mortar 와콘크리트압축강도와의상관성 재령 시멘트 mortar 와콘크리트 압축강도의상관계수 8 시간 0.914 1 일 0.923 28 일 0.596 따라서시멘트 mortar 압축강도로부터콘크리트압축강도를예측하는하는것이가능하지않다. 이것은콘크리트의경화속도가시멘트 mortar의경화속도보다빠르기때문에, 콘크리트의최종압축강도가얻어지는시간이시멘트 mortar의최종압축강도를나타내는시간보다짧기때문이다. 콘크리트압축강도의변화요인은매우여러가지로구분될수있으며, 콘크리트에사용되는재료는시멘트나혼화제를제외하면거의천연으로생산되므로, 품질변동의폭이매우클가능성이있다. ᄀ골재의입도가작아지면동일 slump를유지하기위한단위수량이증가하기때문에배합보정이이루어지지않으면압축강도는감소한다. ᄂ골재의입형이납작하거나모가나면실적율도작기때문에, 세골재특히모래를많이필요로하게되고단위수량이증가하기때문에배합보정이없으면압축강도가감소한다. ᄃ골재중에점토및미분이많으면동일 slump를얻기위해서단위수량을많이필요로하게되고, 또한시멘트 paste와의접착을방해하기때문에압축강도가감소된다. ᄅ골재중에약한골재, 균열이내부적으로있는골재는압축강도가감소된다 (2) 배합비영향 시멘트 mortar 강도는얼마나치밀하게수화물이형성되느냐에크게영향을받는다. 일 반적으로시멘트가완전하게수화반응을하기위한물의양은시멘트의약 25% 정도이며, 시멘트수화물의 gel 공극에약 15% 정도포함되어있다. 따라서콘크리트에공급되는물 의양이시멘트의 40% 이하이면, 충분한수화반응이일어나지않는다. 특히물이작은콘 크리트는다짐을충분히할수없으며, 물의공급부족에의해서콘크리트내부의압축강도 는매우감소하게된다. 그러나콘크리트는작업성을유지하기위해서, 시멘트의수화에요 구되는물의양보다많이공급되기때문에시멘트수화에는문제가없지만, 수화에필요한 이상의물의양은증발되어콘크리트내의공극으로남기때문에, W/C 의값이증가할수록 콘크리트강도는감소된다. - 2 -
콘크리트배합시일정한 W/C로배합했더라도, 골재에붙어있는표면수에따라서콘크리트내의 W/C 의값이변하기때문에콘크리트의압축강도를감소시킨다, 또한 W/C 가일정한콘크리트배합에서도콘크리트의공기량이 1% 변화하는경우에강도는 3~6% 정도의차이를가져온다. 그림 2-6 는콘크리트에서 W/C를일정하게배합했더라도, 골재의수분상태에따른따른압축강도의감소를보여주고있다. 일반적으로 W/C 에따른 28일콘크리트압축강도의관계는다음과같이나타난다. Bolomey 방정식 : Ψcon = a Ψcem (C/W - 0.5) + b 여기서 Ψcon, Ψcem: 콘크리트의예측및시멘트의시험압축강도 a, b : 시험방법, 골재의질, 시멘트함량, 시멘트특성에따른상수 그림 2-6. 골재의수분상태에따른압축강도변화 (3) 콘크리트의취급 1 다짐콘크리트의유동성은콘크리트다짐성과밀접한관계를갖고있다. 또한다짐성은콘크리트압축강도에커다란영향을준다. 충분한콘크리트다짐이이루어져있을때는설계한콘크리트강도를충분히얻을수있지만, 다짐이불충분하면콘크리트압축강도는저하된다. 그림 2-7 는다짐의정도에따른콘크리트압축강도의비를보여주고있다 - 3 -
그림 2-7. 다짐정도에따른콘크리트압축강도비 2 양생및온도타설이후의조건은콘크리트물성의발현에커다란영향을미친다. 특히양생은콘크리트의품질과매우밀접한관계를갖고있다. 초기의양생과정에서건조속도는강도에커다란영향을주는것으로서, 초기의건조속도가크면초기재령에서의콘크리트강도는높게나타나지만, 이후의강도증진은거의일어나지않는다. 시멘트는수화과정에서물이필요하기때문에, 물의증발을방지해야하며, 심지어는추가적인물의공급이이루어져야한다. 그림 2-6은타설이후수중양생된콘크리트와대기중에서양생된콘크리트의압축강도차이를보여주고있다. 그림에서알수있는것처럼충분한물의공급이이루어지지않으면콘크리트의압축강도는 50% 이상감소하고있다. 그림 2-6. 수중양생과대기양생된콘크리트의압축강도차이 온도가증가할수록대부분의화학반응과마찬가지로콘크리트의응결및경화가가속된다. - 4 -
그림 2-9 및그림 2-10 은온도의영향을보여주고있다. 20 이상의대기기온에서는온도가증가함에따라초기의콘크리트압축강도는증가하지만약 3일이후부터장기재령까지압축강도는현저하게감소하고있는것을알수있으며, 20 이하의대기에서는보다낮은온도에서는 28일까지의압축강도는 20 보다작게나타나지만, 이후강도발현증진이크게나타나, 강도가높은것을알수있다. 이와같이온도가증가함에따라초기의콘크리트로압축강도는높지만, 7일이후의재령부터는강도증진이지연되고있는것을알수있다. 이와같은콘크리트압축강도발현은시멘트수화반응속도와밀접한관계를갖고있으며, 재령 7~14 일에서는무엇보다급격한강도증가를보인다. 이후에도충분한수분의공급이있으면재령 6개월이후 1년까지도강도증진이일어난다. 그림 2-9. 온도에따른압축강도발현 (Ⅰ) 그림 2-10. 온도에따른압축강도발현 (Ⅱ) (4) 시험방법콘크리트의시험방법및숙련도에따라압축강도의결과가다르게나타난다. 특히시편크기, mould 작업, 양생, 측정등에서결과의오차를줄수있다. 특히콘크리트강도가충분하더라도불량한 mould로성형한공시체의강도는감소한다. 시편불량에의한콘크리트압축강도에주는영향은다음과같다. 1 직경이틀린것은단면적이달라지기때문에강도의차이가난다. 직경이 10cm 인경 우 ±1 mm 변화하면강도는 ±2% 의차이를나타낸다. 2 단면에요철이있는경우에, 특히凸면이있는경우에는강도저하가크게나타난다. 3 공시체의아랫면과축이수직이아닌경우에는강도측정시편심하중을받기때문에 강도가낮게나타난다. - 5 -
4 강도를측정하는면에이물질과같은것이국부적으로있으면강도는낮게나타난다. 5 Mould 조립시 bolt 가느슨하거나, 청소가불량하면누수 ( 漏水 ) 의원인이되며, 강도는 낮게나타난다. 이와같이콘크리트압축강도에미치는영향은매우다양하게나타나고있다. 표 2-21. 에는콘크리트압축강도의편차의요인을정리하여보여주고있다. 표 2-21. 콘크리트압축강도의편차요인 구분 W/C 변동 요인 재료의변동 표면수적용 작업조건고려임의조정 공기량의변동 - 골재입도, 골재부착점토및이물질량 재료의변동 설비의변동 -AE제농도 -계량의정확도 시멘트강도변동 골재의입도변동 골재의표면수변동 약한골재및불순물 계량정확도의변동 혼합정도의변동 공시체변동 ( 성형불량등 ) 시험의변동 초기및장기양생의차이 시험및공시체의환경및상태 (5) 계량오차 시멘트와물의계량오차가발생하면시멘트계량오차 ±1% 에대해서 ±3~5kg/cm 2, 물의계량오차 ±1% 에대해서 ±3~4 kg/cm 2 정도의압축강도변화가생긴다. (6) 세 조골재의표면수설정오차혼합한콘크리트의물 / 시멘트비와 slump 가일정하게되도록세 조골재의표면수보정을하고있으나, 시간차이및골재의야적상황차이등에의하여표면수율과설정치사이에차이가생길수가있다. 따라서혼합한콘크리트의수량이변화하기때문에압축강도의변화가일어난다. 표 2-22 에서는콘크리트압축강도에영향을주는요인과대책을정리하였다 - 6 -
표 2-22. 콘크리트압축강도의변화요인과대책 요인압축강도에미치는영향대책 물 / 시멘트비변동 공기량변화 시멘트강도변화 W/C 1% 변화 약 2~3% 변화 1% 공기량변화 약 3~6% 변화 10 kg/cm 2 변화 약 8~9 kg/cm 2 변화 골재표면수안정화 물, 시멘트계량정확도유지 모래계량의안정화 모래입도, 점토량의안정화 AE 제농도관리 AE 제계량정확도유지 안정된시멘트품질공급 모래입도변화 골재혼입미분 ( 토분, 석분 ) 골재표면수변화 골재중약한골재변화 계량오차변화 ( 물, 시멘트 ) Mixer 내잔류콘크리트 공시체성형불량 조립율 0.2 변화 약 10~20 kg/cm 2 부착강도저하로변화큼 변화 1% 변화 약 10~40 kg/cm 2 특히고강도콘크리트에영향이매우큼 1% 오차 약 1.5~3% 변화 변화가큼 변화가큼 변화 수입검사철저 적정한배합보정실시 입도가다른종류혼합시입도관리철저 수입검사철저 살수를통한미분제거 골재세척설비를통한미분제거 표면수안정을위한치장관리및배수관리 골재저장사이로설치 적정한표면수율파악및배합보정 골재관리철저 계량기정기점검및일상관리 계량값의확인 Mixer blade 조정및교환 믹서차량잔류수변화가큼 잔류수제거 초기양생차이 변화가매우큼 ( 특히 7 일강도 ) 장기양생온도 1 변화 2~5 kg/cm 2 변화 시험시공시체의상태 변화가큼 시료채취방법및시료취급주위 형틀및평면도유지 Capping 방법주위 공시체계절별관리철저 여름철냉각기사용에의한물의사용 골재살수및그늘막설치 콘크리트온도 30 이하관리 평탄한면에수분증발이급격히되지않도록조치를취함. 온도변화에노출주의 3. 연간콘크리트압축강도변화 콘크리트강도는물 / 시멘트비로써결정이되나동일한물 / 시멘트비에서의콘크리트압 축강도발현은콘크리트에서의시멘트수화반응속도에크게영향을받기때문에, 대기의 - 7 -
기온에따라변화된다. 일반적으로온도가높아지면수화반응속도가빨라지고, 온도가낮으면늦어지게된다. 따라서온도가높고, 수화반응속가빠르면강도도높아지게된다. 그러나온도가높거나수화반응이빠르면, 초기의강도는높지만, 7일이후의장기재령이되면시멘트와물의빠른수화반응에의해서수화생성물결정의크기가크고, 불균일하게되기때문에강도발현증진이매우감소하게된다. 따라서양생온도가높을수록압축강도발현의증진폭이감소하는것이다. 일반적으로, 온도가높아지면동일한반죽질기를얻는데필요한단위수량이증가하는것으로알려져있다. 또레미콘의경우, 배쳐플랜트에서현장까지운반시간이동일하더라도온도가높을경우슬럼프손실이더크므로타설시동일한반죽질기를얻기위해서는플랜트출발시에반죽질기가큰콘크리트를제조하여야한다. 이경우, 단위수량이증가하여 W/C가증가하면서강도의저하가나타날수있으므로, W/C가동일하도록단위시멘트량도증가시켜야하는데이것은시멘트원단위증가에의한원가상승요인이된다. 하절기콘크리트는콘크리트의온도상승량이높아지면, 응결이나경화가빨라지고, 이것이원인의하나가되어레미콘운반시의슬럼프저하라는문제가발생하게된다. 시멘트의응결시간이온도의영향으로어떻게변하는지를검토한결과, 시멘트페이스트의온도를표준상태 (20 ) 부터하절기상태 ( 약35 ) 로하면, 표준연도에대한물-시멘트비가약간상승하는것으로나타났다. 이온도상승에의해초결및종결시간이약간씩빨라지는것으로나타났다. 온도와단위수량의관계에대해서는여러가지의실험결과가있는데, 미국개척국의콘크리트매뉴얼에의하면, 온도 10 변화에대해혼합시의단위수량은약 7kg변화한다고한다 동일배합으로 1 년간시험한경우아래그림과같은강도분포가이루어짐을알수있다 통상겨울철콘크리트의온도는 8~10 정도이며, 봄철은 15 ~25 로콘크리 트온도가상승하는경우단위수량 6~7Kg, 단위시멘트량 10~13Kg(w/c 55% 기 준 ) 의춘추기배합보정이필요하다. 또한콘크리트온도가 30 를넘는경우서중 - 8 -
콘크리트대책 ( 콘크리트온도감소를위한조치 ), 포졸란결합재사용과함께단위수량 +6Kg 및결합재량의상향조정이필요하다. 또한감수율이높은혼화제사용또는혼화제사용량증대를통하여 W/C를 2% 이상낮추어콘크리트의배합을보정하여야한다. 특히여름철콘크리트의온도가 30 를넘는경우 7일에서 28일강도의증진이매우불량할뿐아니라, 단위시멘트량을증가시켜도강도증진효과가적게나타나콘크리트의강도관리가어려워진다. 따라서위와같은대책수립후의강도그래프를보면아래그림과같다. - 9 -