<C4DCC6AEB8AEC6AE5F32C6ED34B1B35B323030375D2E687770>

C HAPTER 배합 설계 Proportioning Concrete Mixes 콘크리트의 배합비를 결정하는 것을 배합설계(mix design)라고 일컫는데, 배합설계의 절차는 두 단계로 구분된다: (1) 콘크리트의 각 구성 재료(시멘트, 골재, 물, 혼화재료) 선택 및 (2) 워커빌 리티, 강도, 내구성을 고려하여 가능한 한 가장 경제적인 콘크리트가 되도록 이들의 분량( 비율 ) 을 결정. 배합비는 사용되는 구성 재료와 직접적인 관련이 있고, 또한 구성 재료는 콘크리트의 용도에 영향을 받는다. 콘크리트의 건조수축 및 크리프를 최소화하고, 특수한 화학적인 환경을 고 려하는 설계도 수행한다. 배합설계에 대한 이론적인 연구는 많이 진행되었지만 아직 많은 부분 경험에 의존하고 있다. 또한 콘크리트의 여러 성질이 중요하기는 하지만 대부분의 배합설계는 워 커빌리티와 주어진 재령에서의 압축강도를 얻는데 초점이 맞추어져 있다; 이렇게 하면 다른 성질 들은 만족한다고 가정한다(동결 융해 저항성이나 화학적 침식에 대한 저항성과 같은 내구성 문제 는 예외로 해야 할 것이다). 많이 쓰이는 배합설계법에 들어가기 전에 설계에서 기본적으로 고려 해야 할 사항에 대해서 좀 더 자세하게 알아볼 필요가 있다. 10.1 기본적인 고려 사항 (Basic Considerations) 경제성 콘크리트의 가격은 재료의 가격, 노동력, 그리고 장비비 등으로 구성된다. 그러나 특수한 경우를 제외하고는 노동력과 장비비는 제조하는 콘크리트의 종류와 품질에 크게 영향을 받지 않는다. 따 라서 서로 다른 배합비에 따른 상대적인 가격을 결정하는 데는 재료비가 가장 중요하다. 시멘트 의 가격이 골재의 가격보다 훨씬 비싸기 때문에 콘크리트의 가격을 줄이기 위해서는 시멘트의 양 을 줄이는 것이 가장 중요하다. 적절하게 타설할 수 있는 범위 내에서 슬럼프를 가능한 한 작게 하고, 가능한 한 골재의 최대치수를 크게 하고, 또한 굵은골재와 잔골재의 비를 최적으로 선택하 고, 필요하면 적절한 혼화재료를 이용하여 그렇게 만들 수 있다. 여기서 언급해야 할 것은 시멘 트 양을 줄이면 가격적인 측면 외에도 다른 이점이 있다는 것이다; 일반적으로 건조수축 및 수화 열이 줄어든다. 그러나 시멘트 양이 너무 적으면 콘크리트의 초기 강도가 줄어들고, 또한 균질하 10.1 기본적인 고려 사항 245

지 못한 콘크리트가 되어 더 큰 문제를 야기할 수 있다. 특정 배합설계에 대한 경제성은 현장에서의 품질관리 능력과 함께 고려되어야 한다. 제 15장 에서 설명하겠지만, 콘크리트의 평균 강도는 자체의 가변성을 고려하여 설계기준강도보다 더 커 야 한다. 타설하는 양이 적을 때는 과다설계 를 하는 쪽이 제조비용을 줄이기 위해서 품질관리 프로그램을 도입하는 것보다 더 쌀 것이다. 워커빌리티(workability) 사용가능한 장비를 이용해서 타설 및 다짐을 수행할 수 있어야 제대로 설계된 배합이라고 할 수 있다. 마감성(finishability)도 적절해야 하고 재료 분리 및 블리딩도 최소화되어야 한다. 일반적 으로 적절하게 타설할 수 있는 범위 내에서 워커빌리티가 최소로 되도록 제조해야 한다. 광물계 혼화재를 사용하지 않는 콘크리트에서 워커빌리티를 유지하기 위해서 필요한 수량은 시멘트 보다 는 골재의 특성에 의해서 결정된다. 워커빌리티를 향상시켜야 한다면 모르타르의 양을 늘리는 방 향으로 배합설계를 다시 수행하는 것이 바람직하며, 단순히 물을 더 보태거나 잔골재를 더 추가 하는 것은 바람직하지 않다. 따라서 좋은 콘크리트 배합을 확보하기 위해서는 배합설계를 수행하 는 사람과 시공사간 협조가 필수적이다. 어떤 경우에는 약간 비경제적인 배합설계가 최선의 선택 일 수가 있다. 현장에서 물을 더 추가하길 원하더라도 동의하지 않아야 한다. 그러나 필요한 워 커빌리티는 만족할 수 있도록 신중하게 계획을 세워야 한다. 강도 및 내구성 일반적으로, 콘크리트 시방기준에서는 최소 압축강도가 명시된다. 그리고 물-시멘트비와 최소 시 멘트양에 대한 기준이 명시된 경우도 있다. 이러한 요구조건들은 서로 모순되지 않아야 한다. 제 19장에서 살펴보겠지만 28일 강도가 항상 가장 중요한 것은 아니다; 다른 재령에서의 강도가 설 계를 좌우할 수가 있다. 시방기준은 동결융해저항성이나 화학적 침식과 같은 내구성 조건도 만족 하도록 요구하고 있다. 이 조건을 만족하려면 물-시멘트비 및 시멘트 사용량을 제한해야 하고 또 한 혼화재료를 추가해야 할 경우도 있을 것이다. 따라서 배합설계의 과정은 이러한 모든 조건들 이 만족되도록 해야 한다. 이 조건들을 동시에 모두 최적으로 만족시킬 수는 없기 때문에 약간의 타협(강도와 워커빌리티 사이 같이)이 필요하다. 비록 완벽한 콘크리트 배합을 만들었다 하더라도 타설, 마감, 그리고 양생이 적절하게 수행되지 않으면, 콘크리트는 제 기능을 수행할 수 없다는 것을 명심해야 한다. 10.2 배합설계 기본 (Fundamentals of Mix Design) 246 대부분의 이론적인 연구에서 볼 수 있는 배합설계에 관한 두 가지 관점은 배합수의 양과 골재의

제 10장 배합 설계 입도이다. 대부분의 경험적인 배합설계법은 이 두 가지를 기준으로 설명하고 있다. 물-시멘트비 Duff Abrams는 1918년 콘크리트의 강도에 관한 물-시멘트비 법칙을 발표하였다: 콘크리트의 강도는 단지 하나의 변수에 의해서 결정된다 물 시멘트비. 1) 그것은 다음과 같은 식으로 표현 된다. A c (10.1) 1.5( w/ c) B 여기서 =주어진 재령에서의 압축강도, =경험 상수, =주로 시멘트의 특성과 관련된 상수, 그리고 w/c=무게를 기준으로 한 물-시멘트비이다. 일반적으로 는 96.5 MPa, 그리고 는 시멘 트의 종류와 관련이 있는데 4 정도를 사용한다. 강도가 물-시멘트비에 반비례한다는 이 연구결과 는 현재의 대부분의 배합설계법의 기본이 되었다. Powers와 Brownyard 2) 는 물-시멘트비가 시멘 트 풀의 공극률을 결정한다는 사실로 그 이유를 설명했다. 제 4장에서는 겔공극비(gel/space ratio) 개념을 기준으로 이에 대해서 설명한다. 물론 식 (10.1)은 시멘트의 성숙도(수화도)를 이용 해서 정규화(normalize)해야 한다. 그리고 물-시멘트비는 공극률을 결정하기 때문에 콘크리트의 내구성에도 큰 영향을 미친다는 것을 부연한다. 자세한 내용은 제 18장에서 다룬다. 골재의 입도 골재의 입도를 적절하게 정해서 조직을 치밀하게 만드는 것이 업계의 대체적인 관심사였다. Fuller와 Thompson은 1907년에 다음과 같은 이상적인 곡선을 제안했다. d Pt D 1/2 (10.2) 여기서 =굵기가 d보다 작은 골재비, =골재의 최대치수이다. Andreassson은 다음과 같은 보다 일반적인 식을 제안하였는데, 플러곡선(Fuller's curve)은 이 식의 특수한 한 경우라 할 수 있다. d Pt D q (10.3) 1) 1896년 Feret는 콘크리트의 강도를 시멘트 공극률비로 표현한 더 일반적인 법칙 을 만들었으며, 에이브럼의 법칙 (Abram's law)은 그 한 경우에 해당한다. 2) T. C. Powers and T. L. Brownyard, "Studies of the Physical Properties of Hardened Portland Cement Paste," Bulletin 22, Research Laboratories of the Portland Cement Association(1948). 10.2 배합설계 기본 247

그림 10.1 잔골재 및 굵은골재의 입도 한계를 표시한 입도 분포 곡선(ASTM C 33). 혼합 입도 곡선(ASTM 기준의 중간영역에 해당하는 잔골재 40%, 굵은골재 60% 혼합)과 그에 해당하는 Fuller-Thompson의 이상적인 입도 분포 곡선도 같이 그렸다. 여기서 q는 0과 1사이의 값이다. D보다 작은 범위에서 모든 골재의 크기가 동시에 존재한다면 공극은 q의 함수가 되어 q가 줄 면 같이 준다. 콘크리트에서는 q의 값으로 1/3과 1/2 사이의 값이 사용되고 있지만 Fuller와 Thompson은 현실적으로 최소 1/2 정도를 제안했다. 그 이유는 공극을 최소화하는 것은 시멘트 의 사용량이 줄어 경제적이긴 하지만, 워커빌리티가 나빠지기 때문이다. 또한 입자가 매우 가늘면 조직이 치밀하게 형성되지 않는다; 평균 입자 크기가 줄어들면 충전 밀도(packing density)도 줄 어든다. 콘크리트의 성능을 향상시키기 위해서 ASTM C 33(그리고 CSA A2.31)은 잔골재의 2~10%는 150 mm (No. 100), 그리고 10~30%는 300 mm (No. 50) 체를 각각 통과해야 한다 고 규정하고 있다. 그림 10.1에서 보듯이 ASTM C 33에서 사용된 입도 분포는 플러곡선을 근 사적으로 나타낼 수 있을 뿐이다. Shilstone 3) 은 혼합 골재 입도를 이용해서 콘크리트의 워커빌리티, 경제성, 강도를 최적화할 수 있는 경험적인 방법을 개발했다. 그림 10.2처럼 혼합 골재를 세 구간으로 분류했다; 크기가 9.5 mm 이상인 경우(채움재로 Q로 표시), 2.36 mm(no. 8)체와 9.5 mm사이(중간 입자로 배합 의 유동성에 도움이 된다. I로 표시), 2.36 mm보다 작은 입자(워커빌리티에 도움이 되며 W로 표 3) J. M. Shilstone, Sr., Concrete Mixture Optimization, Concrete International, Vol. 12, No. 6, pp. 33-39 (June 1990) 248

제 10장 배합 설계 시). Shilstone의 연구에 따르면 실험적으로 최적인 혼합 골재 입도는 워커빌리티 계수(work- 그림 10.2 혼합 골재 입도 곡선. 워커빌리티(W), 중간 입자(I), 훌륭한 채움재(Q)의 역할에 도움이 되는 골재의 크기를 함께 표시했다. (Adapted from J. M. Shilstone, Sr.) 그림 10.3 최적의 콘크리트 배합을 위한 골재의 입도 분포를 거칠기 계수를 기준으로 표시한 그림 (Adapted from J. M. Shilstone, Sr.) 10.2 배합설계 기본 249

ability factor, 2.36 mm(no. 8) 체를 통과하는 골재의 비율 = W/(Q+I+W))와 거칠기 계수 (coarseness factor, 9.5 mm 체에 남는 골재와 2.36 mm(no. 8)체에 남는 골재의 무게비 = Q/(Q+I))의 관계로 표현할 수 있다. 그림 10.3에서 회색 띠로 표시된 부분에 속하는 배합을 이 용하면 고주파 진동 다짐이 용이한 점착성이 있는 콘크리트를 만들 수 있고, 주어진 시멘트양을 기준으로 할 때 필요 수량이 일반적으로 가장 작다. 그림 10.3을 만들 때 사용된 콘크리트는 시 멘트 함량이 335 kg/m 3 이다. 시멘트 입자도 워커빌리티의 향상에 도움이 되므로, 시멘트 함량이 변하면 그에 따라 혼합 골재의 W값을 조정해서 W계수에 반영되도록 해야 한다(잔골재와 시멘트 의 비중차를 고려하여). 그림 10.1에 보인 잔골재 및 굵은골재에 대한 입도 범위도 그림 10.2 및 10.3의 혼합 입도 곡선과 마찬가지로 이론보다는 경험에 기반을 둔 것이다. 사실 아무 골재 입도 분포를 사용하더 라도 만족할만한 콘크리트를 만들 수는 있겠지만, 그림 10.1의 입도 범위를 벗어나면(혹은 이 범 위 내에 있는 입도 분포일지라도) 비경제적일 수도 있고 또한 재료분리, 다짐, 마감 등을 잘 처리 하는 것이 어려울 것이다. Shilstone가 개발한 방법은 비교적 최근의 연구여서 콘크리트 업계에 서 표준화된 것은 아니다. 10.3 ACI 배합 설계 (ACI Method of Mix Design) 배합 설계를 수행하는 방법에는 여러 가지가 있다. 그들을 직접 비교하기는 어렵지만 대략 비슷 한 배합비를 주며, 이를 이용하면 모두 적당한 콘크리트 배합이 가능하다. 북미지역에서 가장 많 이 사용되는 배합은 ACI Standard Practice 211.1의 내용인데, 여기서 자세히 설명한다. 그러나 모든 배합설계법은 초기의 근사적인 배합비만 알려줄 뿐이라는 점을 명심해야 한다. 따라서 실험 실이나 현장에서 시험 배합을 수행하고 이를 통해서 요구되는 콘크리트를 만들 수 있도록 필요에 따라서 배합비를 조정해야 한다. 주어진 재료에 따라서는 상당한 편차가 있을 것이다. 따라서 구 입해서 사용하는 각 재료에 대한 경험자료가 축적되면 이를 반영하기 위해서 ACI법에서 사용되 는 여러 표의 내용을 수정하는 것이 필요하다. 앞에서 언급했듯이 작업지시서에는 최소 시멘트양, 물-시멘트비, 슬럼프, 공기량, 골재의 최대 치수, 강도, 혼화재료의 사용을 비롯한 필요한 여러 조건이 명시되어 있을 것이다. 그러나 요구사 항에 무관하게 배합중량은 다음에 설명된 단계를 따라서 가장 잘 구할 수 있다[대부분의 경우 부 피보다 무게를 기준으로 계산하는 것이 더 낫다(제 11장)]. 이렇게 하면 사용할 재료의 특성을 적절하게 고려해서 필요한 배합을 만들 수 있다. 요약하면 배합설계는 (1) 설계 변수의 결정 - 골재의 특성, 골재의 최대 치수, 슬럼프, 물-시멘트비, 혼화재료; (2) 배합중량의 결정; 그리고 (3) 이렇게 계산한 배합설계를 기준으로 시험 배합을 실시해서 배합중량을 조정하는 순서로 구성된다. 250

제 10장 배합 설계 배합설계 순서 1. 필요한 정보. 배합설계를 실시하기 전에 사용할 재료의 성질 및 타설할 구조물에 대해서 알아 야 한다. 재료의 성질은 잔골재 및 굵은골재에 대한 체가름 분석, 굵은골재의 단위 중량, 겉보기 비중, 골재의 흡수율 등이다. 구조물에 대한 정보는 구조 부재의 유형과 크기, 철근 사이의 최소 간격, 콘크리트 강도, 콘크리트의 노출 환경 등이다. 2. 슬럼프 결정. 일반적으로 슬럼프는 콘크리트를 취급하고 타설하는 방법을 고려하여 작업의 성 격에 따라 정해진다. 그러나 슬럼프가 주어져 있지 않으면 진동 다짐을 사용할 경우에 적용하는 표 10.1에서 적절한 값을 선택할 수 있다. 일반적으로는 적절하게 타설할 수 있는 범위 내에서 가장 작은 슬럼프를 선택해야 한다. 그러나 이것은 최소 슬럼프를 표 10.1에서 무조건 선택해야 한다는 뜻은 아니다. "적절한 타설"이라는 것은 현장 상황을 고려한다는 뜻이고, 이는 때에 따라 서는 추천치의 최대값에 가까운 슬럼프를 선택해야 해야 할 때도 있다. 슬럼프를 작게 선택해서 설계를 하고, 감수제를 이용해서 값을 높이는 방법이 점점 보편화되고 있다. 표 10.1 작업에 따른 슬럼프 추천값 작업의 종류 최대 c 슬럼프(mm) 최소 철근콘크리트 기초벽 및 기초판 75 25 무근콘크리트 기초판, 케이슨, 그리고 하부구조 벽체 75 25 보 및 철근콘크리트 벽체 100 25 건물 기동 100 25 포장 및 슬래브 75 25 매스 콘크리트 50 25 a ACI 211.1에서 인용 b 화학적 혼화재를 사용하는 경우 슬럼프를 증가시킬 수 있다; 단, 물-시멘트비 혹은 물- 결합재비는 같거나 더 작아야 하고, 재료분리 가능성이나 과도한 블리딩이 없어야 한다. c 진동다짐 외의 방법으로 다짐을 할 경우엔 25 mm 더 증가시킬 수 있다. 3. 골재의 최대 치수. 일반적으로 선택 가능한 최대 치수 중에서 가장 큰 값을 선택해야 한다. 그 러면 필요한 시멘트양을 최소화할 수 있다. 골재의 최소 치수(7.1절 참조)에 관한 조건은 다음과 같다: a. 철근콘크리트(혹은 PS콘크리트)에서 최대 치수는 거푸집 사이 최소 간격의 1/5을 넘어서는 안 된다. 또한 철근, 강연선, 다발 철근, 철근과 거푸집 간의 최소 순간격의 3/4을 넘어서도 안 된다. 4) b. 슬래브에서는 최대 치수가 깊이의 1/3을 넘지 않아야 한다. 10.3 ACI 배합설계 251

표 10.2 슬럼프 및 골재의 공칭 최대 치수에 따른 배합수 및 공기량의 근사값 a,b 배합수(kg/m 3 ), 골재의 최대 치수별, 그리고 콘크리트 단위 부피당 슬럼프(mm) 9.5mm 12.5mm 19mm 25mm 37.5mm 50mm c 75 mm c 비연행 콘크리트(Non-Air-Entrained Concrete) 30-50 210 200 185 180 160 155 130 80-100 225 215 200 195 175 170 145 150-180 240 230 210 205 185 180 160 비연행 콘크리트에 포함된 공기량에 대한 근사치, % 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0.3 공기연행 콘크리트(Air-Entrained Concrete) 30-50 180 175 165 160 145 140 120 80-100 200 190 180 175 160 155 135 150-180 215 205 190 185 170 165 155 노출정도에 따른 평균 총 공기량의 추천값, % 약한 노출 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 d 보통 노출 6.0 5.5 5.0 4.5 4.5 4.0 3.5 d 심한 노출 e 7.5 7.0 6.0 6.0 5.5 5.0 4.5 d a ACI211.1에서 인용 b 이 배합수량은 시험배합에서 시멘트 계수들을 얻는데 사용한다. 입도가 규정 범위 내에 들고 비교적 모양이 좋고, 모난 모양의 굵은골재에 대 한 최대치에 해당한다. c 골재의 최대 치수가 37.5 mm 이상인 경우에는 37.5 mm 이상의 입자를 습식선별(wet screening)한 후에 슬럼프를 측정하였다. d 콘크리트에 입자가 큰 골재가 포함된 경우에 해당하며, 공기량을 측정하기 전에 37.5 mm 체를 이용해서 습식선별하며, 37.5 mm 보다 작은 부분에 예상되는 공기 비율은 37.5 mm 열에 있는 값을 사용한다. 그러나 초기 배합 계산에서는 공기량을 전체에 대한 비율로 포함시켜야 한다. e 이것은 모르타르에서는 9%의 공기량이 필요하다는 기준에 의한 값이다. 만일 모르타르 부피가 현재 방법에서 결정된 것과 현저하게 다르다면, 실제 모르타르 부피의 9%를 필요 공기량으로 하는 것이 바람직할 것이다. 경험으로 보아서 타설 시에 공극이나 곰보(honeycomb)가 생기지 않으면 이 조건들을 완화시킬 수 있다. 또한 같은 물-시멘트비에서는 골재의 최대 치수가 작을수록 압축강도가 더 커진다. 따라 서 골재의 최대 치수를 줄여서 설계하는 경향을 볼 수 있는데, 이는 고강도콘크리트에서 보다 확 연하다(제 19장 참조). 많은 경우 사용할 수 있는 가장 큰 치수는 19 혹은 25 mm이다. 같은 현 장에서 구조물의 부위에 따라서 골재의 최대 치수를 달리 정하는 것은 좋은 생각이 아니라는 것 을 알아야 한다. 왜냐하면 혼돈을 일으켜서 실수를 할 확률이 높아지기 때문이다. 4. 배합수 및 공기량 산정. 제 9장에서 살펴보았듯이 콘크리트의 워커빌리티는 주로 시멘트 풀과 연관이 있다; 연행 공기량, 골재의 입도, 골재의 최대 치수, 골재의 모양. 선택한 슬럼프에 해당하 는 소요 배합수량을 표 10.2에서 구할 수 있다. 이 표는 공기연행 콘크리트(air-entrained con- 4) ACI 211.1과 ACI 318에서는 철근과 거푸집 사이의 간격을 기준으로 한 간격 제한이 없다. 이 경우 골재가 철근과 거푸집 표면 사이에 끼여서 공극 및 곰보가 생길 수 있다. 252

제 10장 배합 설계 표 10.3 물-시멘트비 혹은 물-결합재비와 콘크리트의 압축강도 사이의 관계 a 물-시멘트비, 무게 기준 28일 압축강도 b 비연행 콘크리트 공기연행 콘크리트 45 MPa 0.37-40 MPa 0.42-35 MPa 0.47 0.39 30 MPa 0.54 0.45 25 MPa 0.61 0.52 20 MPa 0.69 0.60 15 MPa 0.79 0.70 a ACI 211.1에서 인용 b 표 10.2에 보인 공기량 이하에 해당하는 콘크리트에 대한 평균 강도 추정값이다. ASTM C 31에 의거해서 습윤양생한 150 300 mm 콘크리트 실린더를 사용하여 강도를 측정하였다. crete)나 비연행 콘크리트로 나누어 적용할 수 있으며, 여러 해 동안의 경험을 토대로 만들어진 것이다. 그렇지만 표 10.2에 의존하지 말고 실제 사용할 재료를 기준으로 한 경험을 바탕으로 이 값을 다시 정하는 것이 바람직하다. 감수제를 사용하는 경우엔 줄어드는 수량만큼 배합수의 양을 줄여야 한다. 표 10.2는 비연행 콘크리트에 포함되어 있을 갇힌 공기(entrapped air)의 양에 대 한 근사적인 값도 표시되어 있으며, 골재의 최대 치수 및 세 단계의 서로 다른 노출 환경에 따라 (필요하면) 공기 연행 수준을 제시하고 있다. 현장에서는 슬럼프를 높여달라고 요구가 자주 있으 므로(시멘트 풀의 양을 늘리는 대신에 단순히 물을 더 사용해서 물-시멘트비가 높아져서 강도가 저하되는 일이 종종 있다), 공기량과 배합수량을 가장 불리한 조합으로 엮어서 강도에 어떤 영향 을 미치는지 시험배합을 통해서 알아둘 필요가 있다. 즉, 최대 허용 공기량과 최대 허용 슬럼프 를 사용하는 것이다. 그러면 강도를 과대 평가하는 일을 막을 수 있다. 5. 물-시멘트비 혹은 물-결합재비. 적절한 물-시멘트비(w/c) 및 물-결합재(w/cm)는 강도 및 내구 성을 고려하여 결정한다. a. 강도. 사용 재료를 기준으로 한 강도와 물-시멘트비 사이의 관계 자료가 없으면, 표 10.3을 이용해서 28일 압축강도를 안전측으로 추정할 수 있는데, 1종 시멘트만 사용하는 경우와 포졸란을 같이 사용하는 경우 모두 적용할 수 있다 5). 물론 작업이 28일 강도를 기준으로 하지 않는 경우(예를 들어 거푸집을 제거하는 날짜를 기준으로 하는 경우)도 있고, 일반적 으로 자주 사용되는 것이 아닌 시멘트(2, 3, 4 혹은 5종 시멘트), 고로슬래그, 과량의 포졸 5) 비록 ACI 21.11에서는 고로슬래그에 대해서는 언급하고 있지만, 여기서 설명하고 있는 절차는 모든 광물계 혼화재에 동일하게 적용할 수 있다. 10.3 ACI 배합설계 253

표 10.4 심한 노출 상태의 콘크리트에 대한 최대 허용 물-시멘트비 혹은 물-결합재비 a,b 구조물의 종류 구조물이 항상 혹은 자주 젖고, 동결융해에 노출된 경우 c 구조물이 해수나 황산염에 노출된 경우 단면이 얇거나(경계석, 창문턱, 받침, 장식) 피복두께가 25 mm 0.45 0.40 d 미만인 경우 다른 모든 단면 0.50 0.45 d a ACI 211.1에서 인용. b ACI Committee 201, Durability of Concrete in Service 인용. 시멘트외의 시멘트계 혼화재료는 ASTM C618 및 C989를 만족해야 한다. c 공기연행 콘크리트이어야 한다. d 내황산염 시멘트(ASTM C150의 2종 혹은 5종)를 사용할 경우엔 허용 물-시멘트비 혹은 물-결합재비를 0.05 증가시킨다. 란이 사용되는 설계도 있을 것이다. 이때는 표 10.3을 이용할 수 없다. 따라서 이 경우나 설계가 휨강도 조건에 의해서 지배될 경우에는 설계자가 별도로 자료를 마련해야 한다. 현 장에서 실제 사용되는 재료를 이용해서 적절한 강도, 시간, 물-결합재비 사이의 관계를 파 악하는 것이 제일 바람직하다. 그렇게 하면 혼화재료가 미치는 영향도 알아낼 수 있다. b. 내구성. 만일 동결융해, 해수, 황산염 등에 노출되는 심한 노출의 경우엔 표 10.4의 좀 더 엄격한 물-시멘트비가 적용된다. 그러나 시방서마다 약간 다르게 규정되어 있다. 예를 들어 CSA Standard A23.1에는 심한 노출 상황에서 최대 허용 물-시멘트비, 콘크리트 강도, 공 기량을 선택하는 방법을 좀 더 구체적으로 설명하고 있다. 이것이 표 10.5와 표 10.6이다. 표 10.7은 ACI 기준인데, 콘크리트가 노출된 흙 및 지하수에 포함된 황산염의 농도에 따 른 요구치인데, 사용 시멘트의 종류도 고려하고 있다(제 18장 참조). 6. 시멘트 혹은 결합재의 양 산정. 수량과 물-시멘트비(4 및 5단계)가 결정되면, 단위 부피당 콘크 리트에 대한 시멘트양 혹은 시멘트와 광물계 혼화재를 합한 양은 필요 수량을 물-시멘트비로 나 누어서 구할 수 있다. 그러나 많은 시방서들이 최소 시멘트양을 규정하고 있다. 그것은 마감, 수 직면의 품질, 워커빌리티 등에서 만족할 만한 결과를 얻기 위한 것이다; 또한 현장에서 수량을 늘림으로써 강도가 낮아지게 되는 것을 막아준다. 시멘트의 일부를 광물계 혼화재로 치환할 때는 무게를 기준으로 하거나 부피를 기준으로 할 수 있다. 일반적으로 무게를 기준으로 한 방법이 사용된다. 포틀랜드시멘트 및 혼화재료는 각각 비중이 다르기 때문에 무게 및 부피비는 서로 다를 것이다. 다음 식을 이용하면 부피비 F w 와 무게비 F v 사이의 관계를 구할 수 있다. 254

제 10장 배합 설계 표 10.5 구조물의 종류 및 노출 정도에 따른 최소 설계기준강도 및 최대 허용 물-결합재비 a 노출 정도 b C-1 C-2 C-3 C-4 최소 28일 노출 조건 설계기준강도, MPa 동결융해에 대한 노출과는 무관하게 염화물에 노 출되고, 구조적으로 보강된 콘크리트. 예로 교량 의 바닥판, 주차건물 바닥판, 램프, 조간대(tidal zone) 내에 있는 해양구조물의 일부 동결융해 및 염화물에 노출되고, 구조적으로 보강 되지 않은 콘크리트(예로 무근콘크리트). 예: 포 장, 보도, 경계석, 홈통. 동결융해에는 노출되어 있지 않지만, 연속적으로 염화물에 잠겨 있는 콘크리트. 예: 해양구조물의 수중 부분 동결융해에 노출되어 있지 않고 염화물에 노출된 구조적으로 보강되지 않은 콘크리트. 예: 실내 주 차장 바닥 콘크리트. 최대 물-결합재비 공기량 분류 35 0.40 c 32 0.45 1 30 0.50 2 25 0.55 2 F-1 습윤상태로 동결융해에 노출되지만 염화물에는 노출되지 않는 콘크리트. 예: 외벽 및 외측 기둥. 30 0.50 1 F-2 비습윤상태로 동결융해에 노출된 콘크리트. 예: 외벽 및 외측 기둥. 25 0.55 2 N 동결융해나 염화물에 노출되지 않는 콘크리트. 예: 내부 슬래브, 내벽, 내부 기둥. 구조 설계에 의거 구조 설계에 의거 a CSA Standard A23.1, Concrete Materials and Methods of Concrete Construction에서 인용 b C등급은 염화물 노출과 관련이 있다. F등급은 동결융해 노출에만 관련이 있다. N등급은 염화물 혹은 동결융해에 노출되지 않은 경우이다. c 분류1은 동결융해에 노출된 콘크리트에 적용하고 분류2는 동결융해에 노출되지 않은 콘크리트에 적용한다(표 10.6 참조). 표 10.6 표 10.5에 분류된 여러 노출 수준에 따른 총 공기량 a 공기량 분류 굵은골재의 공칭 최대 치수에 따른 콘크리트의 공기량, % 10 mm 14~20 mm 28~40 mm 1 6~9 5~8 4~7 2 5~8 4~7 3~6 a CSA Standard A23.1에서 인용. 표 10.5의 주해 참조. F w 1 G c 1 1 1 G p Fv 1 Fv Gp 1 1 1 Gc Fw (10.4) (10.5) 10.3 ACI 배합설계 255

표 10.7 황산염에 노출된 콘크리트에 대한 기준 a 최대 보통 중량 및 흙 속의 수용 물-결합재비, 경량 골재 황산염 노출 물 속의 황산염(SO 4 ), 황산염(SO 4 ), 중량 시멘트 종류 중량 기준, 콘크리트의 최소 정도 ppm 퍼센트 보통 중량 설계 기준 강도, 골재 콘크리트 b MPa b 무시할 정도 0.00 SO 4 <0.10 0 SO 4 <150 - - - 보통 0.10 SO 4 <0.20 150 SO 4 <1500 2종, IP e (MS f ), IS g (MS), P h (MS), 1종(PM i )(MS), 1종(SM j )(MS) 0.50 28 심한 노출 0.20 SO 4 2.00 1500 SO 4 10,000 5종 0.45 31 극심한 노출 SO 4 >2 SO 4 >10,000 5종+포졸란 d 0.45 31 a ACI 318에서 인용. b 투수성을 줄이거나 철근의 부식 및 동결융해에 대한 저항성을 높이기 위해서는 물-결합재비를 낮게 하거나 강도를 높이는 것이 필요하다. c 해수 d 5종 시멘트를 사용한 콘크리트에 혼합했을 경우 황산염에 대한 저항성이 높아진다는 시험결과가 있는 포졸란 e IP: portland pozzolan cement. 포졸란 재료의 함량이 혼합시멘트의 질량에서 15~40% 차지. f MS: moderate sulfate resistant cement. 중간정도 내황산염 시멘트. g IS: portland blast furnace slag cement. 고로슬래그가 질량기준 25~70%. h P: portland pozzolan cement. 포졸란 재료의 함량이 혼합시멘트의 질량에서 15~40% 차지. i PM: pozzolan modifed portland cement. 포졸란 재료의 함량이 15% 이하. j SM: slag modified portland cement. 고로슬래그 함량이 질량 기준으로 25% 이하. 여기서 F w와 F v는 전체 결합재 중에서 광물계 혼화재의 비를 각각 부피 혹은 무게로 표시한 값 이다. G c는 시멘트의 비중(3.5 정도), G p는 광물계 혼화재의 비중이다. 결합재의 양을 계산할 때, 먼저 총 결합재의 무게를 100% 시멘트, C T를 기준으로 계산한 후, 각각의 결합재의 양을 소요 무게비 혹은 부피비를 기준으로 계산하는 것이 가장 쉽다. 무게를 기 준을 할 때, 포졸란의 무게는 P = F w C T이고 시멘트의 무게는 C =(1-F w )C T이다. 부피를 기준 으로 하면, P = F v (G p /G c )C T, C =(1-F v )C T이다. 대부분의 일반적인 광물계 혼화재는 포트랜드 시멘트보다 비중이 작기 때문에, 무게를 기준으로 치환하면 치환되는 시멘트보다 부피가 더 크다. 7. 굵은골재량 산정. 경험적으로 봐서 표 10.8을 기준으로 최대 치수 및 입도에 따라서 골재의 부피(건조기준) 6) 를 결정하면 적절한 배합을 얻을 수 있다. 워커빌리티가 같다면 굵은골재의 부피 는 골재의 최대 치수와 잔골재의 조립률에만 관계가 된다. 콘크리트 단위부피당 필요한 굵은골재 의 OD중량은 표 10.8에서 읽은 값에다가 골재의 건조 상태에서의 단위중량(kg/m 3 )을 곱해주기 만 하면 된다. OD에서 SSD중량으로 변환하기 위해서는 식 (7.2)처럼 (1 + A/100)을 곱한다(7.1 절). 6) 대기 건조(air-dry)가 아닌 노건조(oven-dry) 상태 256

제 10장 배합 설계 표 10.8 콘크리트 단위 부피당 굵은골재의 부피 a 골재의 최대 잔골재의 조립률별 콘크리트 단위 부피당 굵은골재의 건조 체적 b 치수(mm) 2.40 2.60 2.80 3.00 9.5 0.50 0.48 0.46 0.44 12.5 0.59 0.57 0.55 0.53 19 0.66 0.64 0.62 0.60 25 0.71 0.69 0.67 0.65 37.5 0.76 0.74 0.72 0.70 50 0.78 0.76 0.74 0.72 75 0.82 0.80 0.78 0.76 150 0.87 0.85 0.83 0.81 a ACI 211.1에서 인용. b 부피는 ASTM C29의 설명대로 건조 상태의 골재를 기준으로 한다. 콘크리트 포장에서 요구되는 것과 같이 워커빌리티가 낮은 콘크리트에서는 이 값을 10%정도 증가시킬 수 있다. 반대로 과밀 배근된 곳에 타설할 경 우나 펌프 압송으로 타설할 경우에는 10%까지 줄일 수 있다. 표 10.9 굳지 않은 콘크리트에 대한 대략적인 중량 골재의 최대 치수(mm) 비연행 콘크리트(kg/m 3 ) 공기연행 콘크리트(kg/m 3 ) 9.5 2285 2200 12.5 2315 2230 19 2355 2280 25 2375 2285 37.5 2420 2320 50 2445 2345 75 2490 2400 a ACI 211.1에서 인용. b 시멘트양 330 kg/m 3, 슬럼프 75~100 mm, 골재의 겉보기 비중 2.7을 기준으로 식 (10.6) 및 (10.7)을 이용해 서 계산한 값 8. 잔골재량 산정. 지금까지 잔골재를 제외한 모든 재료의 무게를 결정했다. 잔골재량은 다음 두 가지 방법을 이용해서 구할 수 있다. a. 질량 ( 중량 )법. 이 방법은 굳지 않은 콘크리트의 무게(m 3 당)를 알아야 한다. 사용하는 재료를 기준으로 한 이전의 자료를 이용해서 산정하든지, 표 10.9를 이용해서 초기값을 추 정할 수 있다. 굳지 않은 콘크리트의 정확한 무게는 다음과 같이 구할 수 있다. G a Um 10 Ga(100 A) Cm 1 Wm( Ga 1) kg/m Gc 3 (10.6) 10.3 ACI 배합설계 257

여기서 U m =굳지 않은 콘크리트의 무게, kg/m 3 ; G a =잔골재 및 굵은골재를 혼합한 골재의 겉보기 비중(SSD) 7) 에 대한 가중 평균(weighted average); G c =시멘트의 비중(3.15정도); =공기량, %; W m =배합수의 양, kg/m 3 ; 그리고 C m =시멘트양, kg/m 3 이다. 만일 굳지 않은 콘크리트의 무게에 대한 초기 추정치가 별로 좋지 않을 때는, 다른 방 법을 사용해서 G a 를 구한다. 잔골재의 무게는 굳지 않은 콘크리트의 전체 무게에서 여타 사용 재료의 무게를 빼서 구한다. b. 부피 법. 이것이 더 정확한 방법이라 할 수 있는데, 각 재료가 차지하는 부피를 알아야 한 다. 다시 말하면, 결합재, 배합수, 공기, 그리고 굵은골재의 부피를 전체 부피에서 뺀다; 남 는 것은 잔골재의 부피이다. 잔골재의 무게는 여기에다가 잔골재의 밀도를 곱해서 구한다. 여기서 설명한 골재량을 계산할 때는 골재의 SSD 상태의 무게를 기준으로 하는 것이 가장 좋 지만 OD 상태의 무게를 기준으로 계산할 수도 있다. 이 경우엔 굵은골재의 흡수율을 측정하고 OD 상태의 겉보기 비중을 이용해서 OD 상태의 무게로 변환한다. 9. 골재의 함수량에 대한 보정. 시멘트 풀에 포함된 실제 수분량은 골재의 함수량에 영향을 받는 다. 골재가 대기 건조 되었다면 수분을 어느 정도 흡수할 것이기 때문에 물-시멘트비가 낮아지고 워커빌리티가 감소한다. 반면에 골재가 많이 젖어 있는 상태이면 표면의 수분이 시멘트 풀로 이 동하면서 물-시멘트비 및 워커빌리티가 증가하고 강도는 감소한다. 따라서 이러한 영향을 고려하 여 배합 중량을 보정해야 한다. 보정을 하더라도 SSD를 기준으로 한 실제 배합비는 변함이 없 다. 10. 시험 배치. 이제 각 재료에 대한 배합비를 산정했기 때문에 이 값을 이용해서 시험 배치(trail batch)를 만드는데, 배합수는 필요한 슬럼프를 얻는데 요구되는 양만큼(허용 물-시멘트비를 넘어 도) 사용한다. 이 배치는 실험실 혹은 현장에서 만들 수 있다. 이렇게 만든 배치로 슬럼프, 단위 중량, 생산량, 공기량 등을 측정하고 재료분리 가능성 및 마감 특성을 파악한다. 그러고 나서 배 치 중량과 단위 중량을 이용해서 각 재료의 단위 부피당 무게를 계산한다. 시험 배치에 사용된 각 재료의 무게에다 단위 부피당 시험 배치의 수를 곱하면 된다(시험 배치에서 콘크리트의 부피 는 시험 배치의 총무게를 단위 중량으로 나누어서 구한다). 8) 마지막으로 28일(혹은 다른 날짜) 압축강도(혹은 휨강도)를 구한다. 초기 추정치로 만족되지 않는 배합 요구 조건에 대해서는 다음 7) 골재가 SSD외의 상태이면 적절한 BSG가 사용되어야 한다. 8) 콘크리트 단위 부피당(m 3 ) 각 재료의 중량은 시험 배치 전체의 중량에서 각 재료가 차지하는 중량비에다 콘크리트의 밀도(kg/m 3 )를 곱해서도 구할 수 있다. 258

제 10장 배합 설계 과 같이 보정한다: a. 슬럼프를 조정해야 한다면, 배합수를 6kg/m 3 증가 혹은 감소시키면 슬럼프는 25 mm 정도 증가 혹은 감소한다는 경험치를 기준으로 배합수의 양을 결정할 수 있다. 만일 물의 양을 줄여야 원하는 슬럼프를 얻는다면 설계 물-시멘트비를 유지할 수 있도록 시멘트의 양을 줄 이는 것이 가능하다(시멘트양에 관한 제한 조건이 있다면 그것을 만족하는 범위에서). 만일 원하는 슬럼프를 얻기 위해서 배합수의 양을 늘려야 한다면, 물-시멘트비도 증가하게 된다. 이 경우엔 설계 물-시멘트비를 유지할 수 있도록 시멘트를 추가해야 한다. 그렇지 않으면 전 배합설계를 다시 수행해야 한다. b. 연행 공기의 양을 원하는 만큼 얻지 못했을 경우엔 공기연행제의 양을 다시 산정해야 한다. 그러고 나서 공기 연행이 1% 감소하거나 증가하면 그에 따라서 배합수는 3kg/m 3 를 증가 시키거나 감소시켜야 한다. 이것은 연행 공기가 워커빌리티에 미치는 영향을 고려한 것이 다. c. 중량법을 사용하였고, 굳지 않은 콘크리트의 무게에 대한 추정치가 옳지 않다면, 시험 배치 의 단위 중량으로부터 다시 추정하는데, 공기량 변화도 고려한다. d. 모든 변경은 yield도 변화시킨다. 따라서 새 배치 중량을 계산해야 하는데, 앞에서 설명한 단계5 이후를 따라한다. 배합 설계 예 다음 예제를 통해서 배합 설계의 과정을 살펴본다. 지상 구조물의 외측 기둥을 타설하기 위한 콘 크리트가 필요하며, 비에 젖기도 하고 상당한 수준의 동결융해도 예상되는 위치에 있다. 콘크리트 의 28일 평균 압축강도는 30 MPa 9) 이어야 한다. 그리고 타설 조건을 고려하여 슬럼프는 75~100 mm 정도이어야 한다. 기둥은 정사각형 기둥으로 한 변의 길이가 635 mm이며, 골재 크기를 고 려한 최소 순간격이 50 mm이다. 사용 재료는 다음과 같다: 시멘트: 1종 시멘트, 비중=3.15 잔골재: 겉보기 비중(SSD)=2.63; 흡수율=1.3%; 표면수=SSD 상태를 기준으로 4.2%; 조립률 =2.70 굵은골재: 최대 치수=9 mm; 겉보기 비중(SSD)=2.68; 흡수율=1.0%, 표면수=SSD 상태를 기 준으로 0.5%; 건조 단위 중량=1600 kg/m 3 굵은골재 및 잔골재의 체가름 결과는 ASTM C33에서 제시한 범위를 만족한다. 이상에서 주어 9) 이 값은 배합강도로 설계기준강도와는 차이가 있다. (제 15장 참조). 10.3 ACI 배합설계 259

진 조건을 기준으로 앞에서 설명한 순서에 따라서 배합 설계를 수행한다. 단계 1: 사용 재료에 대한 정보. 주어져 있다. 단계 2: 슬럼프 결정. 슬럼프도 주어져 있으며, 표 10.1을 만족한다. 단계 3: 골재의 최대 치수. 골재의 최대 치수 19 mm는 거푸집 사이 최소 단면의 1/5, 최소 순간격의 3/4 조건을 만족한다. 단계 4: 배합수 및 공기량 산정. 콘크리트가 동결융해에 노출되므로 공기가 연행되어야 한다. 표 10.2에서 심한 노출에 해당하는 공기량은 6.0%이다; 배합수량은 180 kg/m 3 이다. 단계 5: 물-시멘트비. 표 10.3를 이용해서 28일 압축강도 30 MPa에 대해서 요구되는 물-시멘 트비를 (안전측으로) 예측하면 0.45이다. 이 값은 표 10.4(혹은 표 10.5)에 주어진 내 구성 기준을 만족한다. 단계 6: 시멘트양 산정. 단계 4와 5에 따른 요구 시멘트양은 180/0.45=400 kg/m 3 이다. 10) 단계 7: 굵은골재량 산정. 표 10.8에서 잔골재의 조립률 2.70에 대한 값을 보간 해서 읽으면 콘크리트 단위 부피당 굵은골재의 건조 체적은 0.63이다. 그러므로 굵은골재의 부피 는 0.63 m 3 /m 3 이다. 굵은골재의 OD중량은 0.63 1600=1008 kg이고, SSD중량은 1008 1.01=1018 kg이다. 단계 8: 잔골재량 산정. 잔골재량은 질량(중량)법 혹은 절대 부피법을 이용해서 구한다. a. 질량(중량)법. 표 10.9에서 콘크리트의 무게의 추정치는 2280 kg/m 3 이다. 일반적 으로 첫 번째 추정에서는 식 (10.6)을 이용한 더 정확한 계산이 필요하지 않지만 여기서는 그 식을 이용해서 계산한다: U (10)(2.66)(100 6) 400(1 2.66 / 3.15) 180(2.66 1) m 2264 kg/m 3 이미 결정된 무게는 배합수=180 kg, 시멘트=400 kg, 굵은골재(SSD)=1018 kg. 따 라서 잔골재(SSD)의 무게는 2264 180 400 1018 = 666 kg. b. 부피법. 물, 시멘트, 그리고 굵은골재의 무게와 비중을 알고, 공기량을 알기 때문에 단위 부피당(m 3 ) 각 재료가 차지하는 부피를 계산할 수 있다. 10) 만일 문제에서 15%(중량 기준)의 시멘트를 플라이애시로 치환한다면 결합재의 총 중량은 변하지 않는다. 플라이애시 의 무게는 0.15 400=60 kg/m 3, 시멘트의 무게는 0.85 400=340 kg/m 3 이다. 만일 부피를 기준으로 15%를 치환한 다면, 플라이애시의 무게는 0.15(G p /G c )(C T )이다. 플라이애시의 G p =2.30이면, 0.15(2.30/3.15)400=44 kg/m 3 가 된 다. 15% 중량을 기준으로 한 치환과 마찬가지로 시멘트양은 340 kg/m 3 이다. (플라이애시를 부피를 기준으로 치환하 면 콘크리트 내의 시멘트 풀의 부피는 같지만 치환된 플라이애시가 차지하는 중량비 및 총 결합재의 무게는 줄어든다. 260

제 10장 배합 설계 물: 180/1000 시멘트: 400/(1000 3.15) 굵은골재(SSD) 11) : 1018/(1000 2.68) 공기: 0.06 합 = = = = = 0.180 m 3 0.127 m 3 0.380 m 3 0.060 m 3 0.747 m 3 따라서 잔골재의 부피는 1 0.747 = 0.253 m 3 이다. 잔골재의 SSD중량은 0.253 2.63 1000 = 665 kg. 이 값은 질량법에 의거해서 계산한 결과와 궁극적으로 같다. 단계 9: 골재의 함수량에 대한 보정. 현장에서의 골재는 SSD 상태도 아니고 OD 상태도 아니 므로 골재에 포함된 함수량을 고려하여 골재의 무게를 보정해야 한다. (매우 건조한 골재는 비빔 중에 수분을 흡수하므로 이것도 감안해야 함에 유의한다.) 표면수만 고려 한다; 흡수 수분은 배합수의 일부가 아니다. 주어진 골재의 함수량을 기준으로 골재의 무게를 보정하면 다음과 같다(7.1절 참조). 굵은골재(습윤 상태) 잔골재(습윤 상태) =1018(1.005) =665(1.042) =1023 kg/m 3 =693 kg/m 3 굵은골재에서 0.5%, 잔골재에서 4.2%의 표면수가 존재한다. 배합수(별도로 추가하 는)의 양은 180 1018(0.005) 665(0.042) = 147 kg/m 3 따라서 단위 부피당 추정 배합 중량은: 물(추가량) 시멘트 굵은골재(습윤) 잔골재(습윤) 합 = 147 kg = 400 kg = 1023 kg = 693 kg = 2263 kg 단계 10: 시험 배치. 계산한 배합비를 이용해서 시험 배치를 만든다. (단위 중량도 포함하여) 콘크리트의 여러 성질을 목표한 바와 비교하고, 배합 설계를 수정한다. 이 과정을 설 명하기 위해서 다음과 같은 배합 설계 결과를 가정한다: 설계한 대로 작은 시험 배치(0.015 m 3 )를 만들었다. 목표 슬럼프는 100 mm이고 목 표 공기량은 6%이다. 시험 배치를 만들면서 원하는 슬럼프를 얻기 위해서는 물이 좀 더 필요했다. 콘크리트의 최종적인 특성은 슬럼프=75 mm, 공기량=5%, 단위 중 량=2286 kg/m 3 이다. 시험 배합에 사용된 각 재료의 무게는 골재의 SSD 상태를 기 준으로 다음과 같다: 11) 골재의 겉보기 비중이 OD를 기준으로 주어진다면 굵은골재의 부피를 계산하는 데는 OD중량이 사용되어야 한며, 잔 골재의 중량도 OD를 기준으로 결정된다. 10.3 ACI 배합설계 261

시멘트: 굵은골재(SSD): 잔골재(SSD): 물(습윤 상태의 골재 표면수를 포함하여): 총 배치 중량: 6.00 kg 15.27 kg 9.98 kg 2.84 kg 34.09 kg 시공사의 요구에 의해서 공기연행제 0.23 L/m 3 를 첨가하였다. 배치 중량과 단위 중량을 이용해서 단위 부피(m 3 )당 실제 사용량을 구할 수 있다.: Batch factor 3 2286 kg/m 34.09 kg/batch 67.06 batches/m 3 시멘트: 굵은골재(SSD): 잔골재(SSD): 물: 6.00 67.06=402 kg 15.27 67.06=1024 kg 9.98 67.06=669 kg 2.84 67.06=190 kg 물을 추가하였고 공기량이 줄었기 때문에 각 재료의 실제 중량은 처음과 달라졌다는 점에 유 의한다. 원하는 슬럼프, 공기량, 그리고 물-시멘트비를 얻기 위해서 이제 배합 설계를 수정해야 한다. 100 mm의 슬럼프에 해당하는 수량은 190 kg/m 3 +6 kg/m 3 [슬럼프를 75 mm에서 증가시키 기 위해서] 3kg/m 3 [실제 공기량 5%를 목표 공기량 6%로 증가시켰을 때의 슬럼프 증가분을 고려하여] = 193 kg/m 3. 이제 배치 중량을 단계 5에서부터 다시 계산한다. 단계 5: w/c=0.45는 동일 단계 6: 시멘트양=193/0.45=429 kg 단계 7: 굵은골재량(SSD)=1018 kg은 동일 단계 8: 잔골재량(SSD): 여기서는 부피 법을 사용한다. 물: 193/1000 시멘트: 429/(1000 3.15) 굵은골재(SSD): 1018/(1000 2.68) 공기: 0.06 합: = = = = = 0.193 m 3 0.136 m 3 0.380 m 3 0.060 m 3 0.769 m 3 잔골재의 절대 용적 =1 0.769 = 0.231 m 3. 잔골재의 SSD중량 = 0.231 2.63 1000 = 608 kg. 262

제 10장 배합 설계 공기연행제. 제 8장에서 설명한대로 연행공기량은 온도, 슬럼프, 골재의 입도 등 콘크리트의 여러 성질과 관련이 있다. 가장 영향을 많이 미치는 두 가지는 공기연행제의 양(쉽게 예상할 수 있듯이)과 시멘트의 양(시멘트의 양을 증가시키면 연행공기의 양이 줄어드는 경향이 있다). 사용 공기연행제의 양은 초기의 사용량에다가 (1)목표 공기량과 실제 공기량의 비, 그리고 (2) 새 시멘 트양과 초기 시멘트양의 비를 곱해서 구한다: 공기연행제의 양 = 6 429 0.23 4 400 = 0.37 L/m3 이제 시험 배치를 다시 만들어서 콘크리트의 성질을 점검해야 한다. 슬럼프, 공기량, 단위 중 량 외에 점착성, 마감성, 강도도 점검해야 한다. 10.4 한국 콘크리트표준시방서 배합설계 배합설계법은 사용 재료의 특성, 요구 조건 등이 바뀜에 따라 계속 변화하고 있다. 이 절에서는 콘크리트 표준시방서(2003)에 의해서 배합설계를 수행하는 방법에 대하여 기술한다. 배합설계 순서 1. 배합강도 구조물에 사용된 콘크리트의 압축강도가 설계기준강도보다 작아지지 않도록 현장 콘 크리트의 품질변동을 고려하여 콘크리트의 배합강도(f cr )를 설계기준강도(f ck )보다 충분히 크게 정 해야 한다. 콘크리트 표준시방서에서는 콘크리트의 배합강도는 3개 시험값의 평균이 설계기준강 도 이하로 내려갈 확률이 1% 이하이어야 하며 또한 각 시험값은 설계기준강도보다 3.5 MPa 작 게 될 확률이 1% 이하이어야 한다. 위의 두 조건을 충족하기 위해서 콘크리트 배합강도는 다음 두 식에 의한 값 중 큰 값으로 정한다. 참고적으로 현재 개정 중인 2008년도 콘크리트표준시방 서에서는 아래의 조건은 현장 배치 플랜트를 이용하는 경우로 한정하고 있고 레디믹스트 콘크리 트를 사용하는 경우에는 1회의 시험결과는 구입자가 지정한 호칭강도 값의 85 % 이상이어야 하 며 또한 3회의 시험결과의 평균치는 구입자가 지정한 호칭강도의 값 이상이어야 한다. f f 1.34s(MPa) (10.7) cr ck f ( f 3.5) 2.33s(MPa) (10.8) cr ck 여기서 s는 압축강도의 표준편차(MPa)이다. 콘크리트 압축강도의 표준편차는 실제 사용한 콘크 리트의 30회 이상의 시험 실적으로부터 결정하는 것을 원칙으로 한다. 그러나 압축강도의 시험횟 수가 29회 이하이고 15회 이상인 경우는 그것으로 계산한 표준편차에 표 10.10의 보정계수를 곱 10.4 한국 콘크리트표준시방서 배합설계 263

한 값을 표준편차로 사용할 수 있다. 표 10.10 시험횟수가 29회 이하일 때 표준편차의 보정계수 a 시험횟수 b 15 20 25 30 이상 a 콘크리트 표준시방서(2003) b 명시되지 않은 시험횟수에 대해서는 직선 보간 한다. 표준편차의 보정계수 1.16 1.08 1.03 1.00 콘크리트 압축강도의 표준편차를 알지 못할 때, 또는 압축강도의 시험횟수가 14회 이하인 경우, 콘크리트의 배합강도는 표 10.11에 의하여 정한다. 표 10.11 압축강도의 시험횟수가 14회 이하인 경우의 배합강도 a 설계기준강도 (MPa) 배합강도 (MPa) 21 미만 21 이상 35 이하 35 초과 + 7 + 8.5 + 10 a 콘크리트 표준시방서(2003) 2. 물-시멘트비 물-시멘트비는 소요의 강도, 내구성 및 수밀성 등을 고려하여 정한다. 콘크리트의 압축강도를 기준으로 물-시멘트비를 정하는 경우 그 값은 다음과 같이 정한다. 1 압축강도와 물-시멘트비와의 관계는 시험에 의하여 정하는 것을 원칙으로 한다. 이 때 공시 체는 재령 28일을 표준으로 한다. 2 배합에 사용할 물-시멘트비는 기준 재령의 시멘트-물비와 압축강도와의 관계식에서 배합강 도에 해당하는 시멘트-물비 값의 역수로 한다. 콘크리트의 내구성을 기준으로 물-시멘트를 정하는 경우 다음의 사항을 고려하여 정한다. 1 콘크리트의 내동해성을 기준으로 하여 물-시멘트비를 정할 경우 그 값은 표 10.12의 값을 초과하지 않아야 한다. 2 콘크리트의 황산염에 대한 내구성을 기준으로 하여 물-시멘트비를 정할 경우 그 값은 표 10.13의 값을 초과하지 않아야 한다. 3 제빙화학제가 사용되는 콘크리트의 물-시멘트비는 45 % 이하로 한다. 4 해양구조물에 쓰이는 콘크리트의 물-시멘트비를 정할 경우 그 값은 표 10.14의 값을 초과 하지 않아야 한다. 5 콘크리트의 탄산화 저항성을 고려해야 하는 경우 물-시멘트비는 55 % 이하로 한다. 264

제 10장 배합 설계 표 10.12 내동해성을 기준으로 하여 물-시멘트비를 정하는 경우의 AE콘크리트의 최대 물-시멘트비(%) a 구조물의 노출상태 기상작용이 심한 경우 또는 동결융해가 기상조건 종종 반복되는 경우 단면 기상작용이 심하지 않은 경우, 빙점 이하의 기온으로 되는 일이 드문 경우 얇은 경우 c 보통의 경우 d 얇은 경우 c 보통의 경우 d 1 계속해서 또는 종종 물로 포화되는 부분 b 45 50 50 55 2 보통의 노출상태에 있으며 1에 해당하지 않는 경우 50 55 55 60 a 콘크리트 표준시방서(2003) b 수로, 수조, 교대, 교각, 옹벽, 터널의 라이닝 등으로서 수면에 가까워 물로 포화되는 부분 및 이들 구조물 외에 보, 슬래브 등으로서 수면으 로부터 떨어져 있기는 하나 융설, 유수, 물보라 등 때문에 물로 포화되는 부분 c 단면 두께가 0.2 m 이하인 구조물 d 단면이 두꺼운 경우에도 보통의 경우와 같다. 표 10.13 황산염을 포함한 용액에 노출된 콘크리트의 최대 물-시멘트비 a 황산염 노출정도 토양내의 수용성 황산염(SO 4 ) 질량(%) 물 속의 황산염(ppm) 시멘트 종류 물-시멘트비 (물-결합재비) (%) 무시할 수 있음 0.00~0.10 0~150 - - 보 통 b 0.10~0.20 150~1,500 보통포틀랜드시멘트+포졸) c 플라이애쉬시멘트 중용열포틀랜드시멘트 고로슬래그시멘트 50 심 함 0.20~2.00 1,500~10,000 내황산염포틀랜드시멘트 45 매우 심함 2.00 초과 10,000 초과 내황산염포틀랜드시멘트 +포졸란 d 45 a 콘크리트 표준시방서(2003) b 바닷물은 노출 정도를 보통으로 함. c 여기서 포졸란이란 플라이 애쉬, 고로슬래그 미분말 등의 혼화재를 말한다. d 황산염에 대한 저항성을 개선시킬 수 있다는 입증된 자료가 있거나 실험에 의해 그 효과가 증명된 포졸란을 말한다. 표 10.14 해양구조물의 내구성으로 정하여진 AE콘크리트의 최대 물-시멘트비(%) a,d 시공조건 환경구분 (a) 해 중 (b) 해상 대기중 b (c) 물보라 지역 c 일반 현장시공의 경우 50 45 45 공장제품 또는, 재료의 선정 및 시공에서 공장제품과 동등 이상의 품질이 보증될 때 a 콘크리트 표준시방서(2003) b 해상 대기중이란 물보라의 위쪽에서 항상 조풍을 받으며 파도의 물보라를 가끔 받는 열악한 환경을 말한다. c 물보라 지역은 평균 만조면에서 파고의 범위에, 간만대 지역은 평균 간조면에서 평균만조면 사이의 범위로서, 조석의 간만, 파랑의 물보라에 의한 건습의 반복작용을 받는 내구성 면에서 가장 열악한 환경이기 때문에 콘크리트 속의 강재 부식, 동해, 화학적 침식 등의 손상을 받을 가 능성이 크다. d 실적, 연구성과 등에 의하여 확증이 있는 경우 최대 물-시멘트비를 이 값에 5 % 더한 값으로 할 수 있다. 콘크리트의 수밀성을 기준으로 물- 시멘트비를 정할 경우, 그 값은 50 % 이하로 한다. 50 50 45 10.4 한국 콘크리트표준시방서 배합설계 265

3. 단위수량 단위수량은 작업이 가능한 범위 내에서 될 수 있는 대로 적게 되도록 시험을 통해 정한다. 또한 단위수량은 굵은골재의 최대치수, 골재의 입도와 입형, 혼화재료의 종류, 콘크리트 의 공기량 등에 따라 다르므로 실제의 시공에 사용되는 재료를 사용하여 시험을 실시한 다음 정 한다. 콘크리트 표준시방서에서는 표 10.15의 단위수량과 잔골재율의 대략값을 제시하고 있으며 주) 이 표의 값은 골재로서 보통 입도의 모래(조립률 2.8 정도) 및 자갈을 사용한 물-시멘트비 55%정도, 슬럼프 약 80 mm의 콘크리트에 대한 것이며 사용재료 또는 콘크리트의 품질이 이 조 건과 다를 경우에는 표 10.16과 같이 보정한다. 표 10.15 콘크리트의 단위 굵은골재용적, 잔골재율, 단위수량의 대략값 a 굵은골재의 최대치수 (mm) 단위 굵은 골재용적 (%) AE제를 사용하지 않은 콘크리트 갇힌공기 (%) 잔골재율 S/a (%) 단위수량 W (kg) 공기량 (%) AE콘크리트 양질의 AE제를 사용한 경우 잔골재율 S/a (%) 단위수량 W (kg) 양질의 AE감수제를 사용한 경우 잔골재율 S/a (%) 단위수량 W (kg) 15 58 2.5 49 190 7.0 47 180 48 170 20 62 2.0 45 185 6.0 44 175 45 165 25 67 1.5 41 175 5.0 42 170 43 160 40 72 1,2 36 165 4.5 39 165 40 155 a 콘크리트 표준시방서(2003) 표 10.16 배합 보정방법 a,b 구 분 S/a의 보정(%) W의 보정 (kg) 모래의 조립률이 0.1 만큼 클(작을) 때마다 0.5 만큼 크게(작게)한다. 보정하지 않는다. 슬럼프값이 1cm 만큼 클(작을) 때마다 보정하지 않는다. 1.2%만큼 크게(작게)한다. 공기량이 1% 만큼 클 (작을) 때마다 0.5~1.0만큼 작게(크게)한다. 3%만큼 작게(크게)한다. 물-시멘트비가 0.05 클 (작을) 때마다 1만큼 크게(작게)한다. 보정하지 않는다. S/a가 1% 클(작을) 때마다 보정하지 않는다. 1.5kg만큼 크게(작게)한다. 부순돌을 사용할 경우 3~5만큼 크게한다. 9~15만큼 크게한다. 부순모래를 사용할 경우 2~3만큼 크게한다. 6~9만큼 크게한다. a 콘크리트 표준시방서(2003) b 단위 굵은골재용적에 의하는 경우에는 모래의 조립률이 0.1만큼 클(작을) 때마다 단위 굵은골재용적을 1%만큼 작게(크게) 한다. 4. 단위시멘트량 단위시멘트량은 원칙적으로 단위수량과 물-시멘트비로부터 정하며 소요의 강도, 내구성, 수밀성, 균열저항성, 강재를 보호하는 성능 등을 갖는 콘크리트가 얻어지도록 시험에 의 하여 정한다. 단위시멘트량의 하한값 혹은 상한값이 규정되어 있는 경우에는 이들의 조건을 충족 하여야 한다. 266

제 10장 배합 설계 5. 굵은골재의 최대치수 굵은골재의 최대치수는 부재 최소치수의 1/5, 철근피복 및 철근의 최소 순간격의 3/4을 초과해서는 안 된다. 굵은골재의 최대치수는 표 10.17의 값을 표준으로 한다. 표 10.17 굵은골재의 최대치수 a 구조물의 종류 굵은골재의 최대치수(mm) 일반적인 경우 20 또는 25 단면이 큰 경우 40 무근콘크리트 40 부재 최소치수의 1/4을 초과해서는 안 됨 a 콘크리트 표준시방서(2003) 6. 슬럼프 콘크리트의 슬럼프는 운반, 타설, 다지기 등의 작업에 알맞은 범위 내에서 될 수 있는 대로 작은 값으로 정한다. 콘크리트를 타설할 때의 슬럼프 값은 표 10.18을 표준으로 한다. 콘크 리트의 슬럼프 시험은 KS F 2402에 따르며 된 반죽의 콘크리트에 대해서는 슬럼프 시험 대신 에 KS F 2427, KS F 2428과 KS F 2452의 규정에 따라 시험할 수 있다. 표 10.18 슬럼프의 표준값(mm) a 종 류 철근콘크리트 무근콘크리트 a 콘크리트 표준시방서(2003) 슬럼프 값 일반적인 경우 80~150 단면이 큰 경우 60~120 일반적인 경우 50~150 단면이 큰 경우 50~100 7. 잔골재율 잔골재율은 소요의 워커빌리티를 얻을 수 있는 범위 내에서 단위수량이 최소가 되 도록 시험에 의해 정한다. 잔골재율은 사용하는 잔골재의 입도, 콘크리트의 공기량, 단위시멘트량, 혼화재료의 종류 등에 따라 다르므로 시험에 의해 정한다. 공사 중에 잔골재의 입도가 변하여 조 립률이 ±0.20 이상 차이가 있을 경우에는 워커빌리티가 변화하므로 배합을 수정할 필요가 있다. 이 때 잔골재율에 대해서도 그 적합 여부를 시험에 의해 확인해 놓을 필요가 있다. 콘크리트 펌 프시공의 경우에는 콘크리트 펌프의 성능, 배관, 압송거리 등에 따라 적절한 잔골재율을 결정한 다. 유동화콘크리트의 경우, 유동화 후 콘크리트의 워커빌리티를 고려하여 잔골재율을 결정할 필 요가 있다. 고성능AE감수제를 사용한 콘크리트의 경우로서 물-시멘트비 및 슬럼프가 같으면, 일 반적인 AE감수제를 사용한 콘크리트와 비교하여 잔골재율을 1~2 % 정도 크게 하는 것이 좋다. 8. AE콘크리트의 공기량 AE제, AE감수제 또는 고성능AE감수제를 사용한 콘크리트의 공기량은 굵은골재 최대치수와 내동해성을 고려하여 표 10.19와 같이 정하며, 운반 후 공기량은 이 값에서 ±1.5 % 이내이어야 한다. AE콘크리트의 공기량은 같은 단위 AE제량을 사용하는 경우라도 여러 10.4 한국 콘크리트표준시방서 배합설계 267

조건에 따라 상당히 변화하므로 AE콘크리트 시공에서는 반드시 KS F 2409 또는 KS F 2421 에 따라 공기량 시험을 하여야 한다. 표 10.19 AE콘크리트 공기량의 표준값 a 굵은골재의 최대치수(mm) 10 15 20 25 40 심한 노출 b 7.5 7.0 6.0 6.0 5.5 공기량(%) 보통 노출 c 6.0 5.5 5.0 4.5 4.5 a 콘크리트 표준시방서(2003) b 동절기에 수분과 지속적인 접촉이 이루어져 결빙이 되거나, 또는 제빙화학제가 사용되는 경우 c 동절기에 가끔 수분과 접촉하여 결빙되지만, 제빙화학제를 사용되지 않는 경우 9. 혼화재료의 단위량 AE제, AE감수제 및 고성능AE감수제 등의 단위량은 소요의 슬럼프 및 공기량을 얻을 수 있도록 시험에 의해 정한다. 이외의 혼화재료의 단위량은 시험결과나 기존의 경험 등을 바탕으로 효과를 얻을 수 있도록 정한다. 제빙화학제에 노출된 콘크리트에 있어서 플 라이 애쉬, 고로슬래그 미분말 또는 실리카 퓸을 시멘트 재료의 일부로 치환하여 사용하는 경우 이들 혼화재의 사용량은 표 10.20의 값을 초과하지 않도록 한다. 표 10.20 제빙화학제에 노출된 콘크리트에서의 최대 혼화재 비율 a 혼화재의 종류 시멘트와 혼화재 전체에 대한 혼화재의 질량백분율(%) 플라이 애쉬 25 고로슬래그 미분말 50 실리카 퓸 10 플라이 애쉬, 고로슬래그 미분말 및 실리카 퓸의 합계 50b 플라이 애쉬와 실리카 퓸의 합계 35b a 콘크리트 표준시방서(2003) b 플라이 애쉬와 실리카 퓸은 시멘트와 이들 혼화재를 합한 질량에 대해 각각 25 % 및 10 %를 넘지 않아야 한다. 10. 배합의 표시법 배합의 표시법은 일반적으로 표 10.21에 따른다. 시방배합에서 잔골재는 5 mm 체를 전부 통과하는 것을 말하고, 굵은골재는 5 mm 체에 전부 남는 것을 말하며, 잔골재 및 굵은골재는 각각 표면건조포화상태로서 나타낸다. 268

제 10장 배합 설계 표 10.21 배합의 표시법 a 굵은골 재의최 대치수 (mm) 슬럼프 범위 (mm) 공기량 범위 (%) 물-시멘 트 비 1) W/C (%) 잔골재율 S/a (%) 물 W 단위량 (kg/m 3 ) 시멘트 잔골재 굵은골재 G C S mm~ mm mm~ mm 혼화재 b 혼화재료 혼화제 c a 콘크리트 표준시방서(2003) b 포졸란반응성 및 잠재수경성을 갖는 혼화재를 사용할 경우 물-시멘트비는 물-결합재비가 된다. c 같은 종류의 재료를 여러 가지 사용할 경우에는 각각의 난을 나누어 표시한다. 이 때 사용량에 대하여는 ml/m 3 또는 g/m 3 로 표시하 며, 희석시키거나 녹이거나 하지 않은 것으로 나타낸다. 앞에서 계산한 단위재료량에 근거하여 시험비비기를 하여 목표로 하는 슬럼프, 공기량 등의 굳지 않은 콘크리트의 특성과 차이가 발생하면 배합을 조정하여 슬럼프, 공기량, 적당한 워커빌리티가 얻어질 때 까지 시험비비기를 수행한다. 시험비비기를 통하여 굳지 않은 콘크리트의 특성이 만족할 수준이면 배합강도를 만족할 수 있 는 물-시멘트비를 구하여야 한다. 이를 구하기 위해서는 배합강도가 발현될 수 있다고 생각되는 물-시멘트비 범위 내에서 3 종류 이상의 다른 물-시멘트비를 사용한 콘크리트에 대하여 공시체를 제작하여 압축강도 시험을 한다. 여기로부터 시멘트-물비와 재령 28일 강도의 관계식을 구하여 최종 물-시멘트비를 구하여 최종 시방배합표를 도출한다. 시방배합을 현장배합으로 고칠 경우에는 골재의 함수상태, 잔골재 중에서 5 mm 체에 남는 굵 은골재량, 굵은골재 중에서 5 mm 체를 통과하는 잔골재량 및 혼화제를 희석시킨 희석수량 등을 고려한다. 한국 콘크리트표준시방서 배합설계 방법은 콘크리트표준시방서 2003년도 개정판(116~121쪽)에 상세하게 설명되어 있다. 배합설계에 관한 예제는 콘크리트표준시방서 해설편에 잘 설명되어 있 으므로 이를 참조한다. 10.4 한국 콘크리트표준시방서 배합설계 269

참고문헌 Concrete Materials and Methods of Concrete Construction, CSA Standard A23.1-94. Canadian Standards Association, Rexdale, Ontario (1994). Day, K. W., Concrete Mix Design, Quality Control and Specification. E & FN Spon, London, (1995). de Larrard, F., Concrete Mixture Proportioning: A Scientific Approach. E & FN Spon, London, (1999). Kosmatka, S. H., B. Kerkhoft, and W. C. Panarese, Design and Control of Concrete Mixtures, 14th ed., Portland Cement Association, Skokie, IL (2002). Kosmatka, S. H., W. C. Panarese, K. D. Gissang, and N. F. Mac Leod, Design and Control of Concrete Mixtures, 6th Canadian ed., Canadian Portland Cement Association, Ottawa, Ontario (1995). Powers, T. C., The Properties of Fresh Concrete. John Wiley & Sons, Inc., New York (1968). Proportioning Concrete Mixes, SP-46. American Concrete Institute, Detroit, MI (1974). Shilstone, J. M., Sr., "Concrete Mixture Optimization," Concrete International, Vol. 12, No. 6, pp. 3339 (June 1990). Standard Practice for Selecting Proportions for Normal, Heavyweight, and Mass Concrete, ACI 211.1. American Concrete Institute, Farmington Hills, MI (1991). 270