콘크리트(concrete): 과학적원리 이글은Department of Materials Science and Engineering, University of Illinois Urbana-Champaign (UIUC) 에서운영하는 MAST(Materials Science and Technology), Teacher's Workshop 의콘크리트모듈가운데 과학적원리(Scientific Principles) 를서면허락을받아번역한것입니다. 원문은다음사이트에서볼수있습니다. MAST 홈페이지: http://matse1.mse.uiuc.edu/home.html 과학적원리 의원문: http://matse1.mse.uiuc.edu/concrete/prin.html 번역상의오류나잘못된용어를지적해주시면감사하겠습니다. 이글은 하렉스엔지니어링의승낙없이무단전재할수없습니다. 하렉스엔지니어링 harex@harex-eng.co.kr 주 (NOTE): 이글은특히당사의콘크리트블록성형기에관심이있거나해외에소개하고자하지만콘크리트에관한기본적인이해가부족한분들을위한것입니다. 여기에기술되는것은레미콘(ready-mix concrete) 과같은습식(wet) 혼합물로만들어지는콘크리트입니다. 반면, 블록성형기에는건식(dry; 혹은반건식(semi-dry) 이라고도함) 혼합물을사용합니다. 블록성형기에습식혼합물을사용할경우지나친유동성으로인해슬럼프(slump, 콘크리트가흘러내리는것) 가발생하기때문에슬럼프가없는(zero-slump) 혼합물을사용합니다. 그러나여기서기술된콘크리트의개념과시멘트의수화과정의기본원리는블록성형기로생산되는콘크리트제품에도적용될수있으며, 특히시멘트의수화과정의원리는양생과정의 중요성을이해하는데도움이될것입니다. 1. 콘크리트의구성 현대사회에서콘크리트의중요성은과소평가할수없습니다. 주위를둘러보면건물, 도로, 다리, 댐등도처에서콘크리트구조물을발견할것입니다. 일상생활에서콘크리트의영향에서벗어나는것은불가능합니다. 그렇다면콘크리트란무엇일까요? 콘크리트는필러(filler) 와바인더(binder) 로구성된혼합물입니다. 바인더(cement paste) 는필러를함께 접착하여 집성체를형성합니다. 바인더로사용되는요소는시멘트와물이며, 필러로사용되는요소는세골재( 細骨材 fine aggregate) 혹은조골재( 粗骨材 coarse aggregate) 입니다. 아래에이요소들의역할을기술합니다. [ 역주: 시멘트(cement) 와콘크리트(concrete) 는같은것이아니므로구별해야합니다. 시멘트는콘크리트를만드는데쓰이는한요소일뿐입니다. 흔히혼동하기쉬운용어들은이글의끝부분 콘크리트요약 을참조하십시오.] 가. 시멘트 (cement) 1) 시멘트는흔히알려진대로석회암( 石灰岩 limestone) 과점토( 粘土 clay) 를섭씨 1,400 내지 1,600도의고온에서태워서만들어지는화합물의혼합체입니다. 특수한목적을위한다른여러종류의시멘트도있지만이모듈에서는포틀랜드시멘트(portland cement) 와그특성에만초점을맞출것입니다. 포틀랜드시멘트의생산은석회암(limestone, CaCo 3 ) 의채석에서 1) 역주: 시멘트는넓은뜻으로물질과물질을접착하는물질을가리키며, 흔히 glue 혹은 adhesive 란말과교환적으로사용됩니다. 그러나토목및건축에서는물과혼합된후굳어지며접착성을가지는무기질의결합강화제를가리키며, 그중에서도일반적으로포틀랜드시멘트를가리킵니다. Concrete 1/11
시작됩니다. 거대한파쇄기로폭파된석회석을작은조각으로부수고, 파쇄된석회석은점토(clay) 또는혈암( 頁岩 shale), 모래, 철광석(iron ore) 과함께혼합되어균질한분말로분쇄됩니다. 포틀랜드시멘트의제조 원료:1. 석회석 2. 점토/ 혈암 채석과정 파쇄과정 파쇄된석회석 + 점토/ 혈암이함께혼합되고분쇄됨 혼합물이가마(kiln) 에서가열됨 클링커 석고가첨가되고혼합물이분말로분쇄됨 포틀랜드시멘트 그림1: 포틀랜드시멘트제조과정이혼합물은약간기울어진(3~5 도) 긴회전철제실린더로된가마(kiln) 속에서가열됩니다. 가마는지름이 6m 까지, 길이가180m 까지될수있으며, 원료혼합물은실린더의높은쪽끝으로들어가서기울기와계속적인회전에의해천천히이동합니다. 가마의낮은쪽끝에서는연료를때어원료들이반응하는데필요한열을공급합니다. 가마의길이에따라혼합물이가마를통과하는데약2 시간까지걸릴수있습니다. Concrete 2/11
원료 물 점토분해 석회석분해 초기화합물생성규산이석회생성 규산삼석회형성 탈수존 소성존 가열 가스온도 클링커링존 냉각존 클링커 그림 2: 회전식가마의개요도 혼합물이실린더아래로이동하면서네가지변형단계를거칩니다. 먼저분말에함유되어있던수분은증발로인해소실됩니다. 다음에는물과이산화탄소(carbon dioxide) 의소실로인해분해가일어나는데이것을소성( 燒成 calcination) 이라합니다. 세번째단계는클링커링(clinkering) 이라하는데, 이단계에서는규산석회(calcium silicate) 가형성됩니다. 마지막단계는냉각단계입니다. 가마에의해생성되는구슬크기의조각들은클링커(clinker) 라고하는데, 클링커는실제로아래에논의될네가지의화합물의혼합체입니다. 클링커를냉각하고, 분쇄하여소량의석고(gypsum) 응결( 凝結 setting) 을조절함 를혼합한것이일반적인용도로쓰이는포틀랜드시멘트입니다. 나. 물 (water) 물은중요한요소로서, 시멘트와혼합되면골재를서로결합시키는반죽(paste) 을형성합니다. 물은수화( 水化 hydration) 라고부르는과정을통해콘크리트를굳어지게합니다. 수화란시멘트의주요화합물들이물분자와화학적인결합을이루어수화물( 水化物 hydrates 혹은 hydration products) 이되는화학적인반응입니다. 수화과정의세부사항은다음절에서논의됩니다. 물은콘크리트를약화시키거나수화과정을방해할수있는부차적인반응이일어나는것을방지하기위해불순물이없어야합니다. 물의역할은중요합니다. 왜냐하면, 시멘트에대한물의비율(water to cement ratio 수세비) 은 완벽한 콘크리트를생산하는데가장중요한요인이기때문입니다. 물이너무많으면콘크리트의강도가감소되는반면, 물이너무적으면유동성( 流動性 workability) 이없습니다. 콘크리트가다른여러가지형태예컨대 (, 벽, 돔등) 를이루기위해서는유동성이있어야합니다. 콘크리트는강하며(strong) 동시에유동성있어야하기때문에, 수세비를주의깊게맞추는것이필요합니다. Concrete 3/11
다. 골재 (aggregate) 골재는화학적작용을일으키지않는고형체로, 시멘트에의해서로지탱됩니다. 골재는모래와같은작은입자에서부터크고거친돌처럼여러가지형상(shape) 및크기(size) 를가집니다. 시멘트는콘크리트의요소들가운데가장비싼요소이기때문에사용되는시멘트양을최소화하는것이바람직합니다. 골재의선택은부분적으로원하는콘크리트의특징에의해결정됩니다. 예컨대, 콘크리트의밀도는골재의밀도에의해결정되는데, 연하고잔구멍이많은골재로된콘크리트는마모에대한저항이낮은반면, 단단한골재로된콘크리트는마모에높은저항을갖습니다. 골재는깨끗하고단단하며강해야합니다. 골재는보통시멘트반죽과의결합반응에방해가될수있는먼지, 침니( 沈泥 silt), 진흙, 유기물질혹은다른불순물들을제거하기위해세척된다음, 여러가지다른크기의구멍을가진일련의스크린을통과시켜여러가지크기로분리됩니다. 표1: 골재의종류 클래스사용골재의예용도 초경량 (ultralightweight) 질석 ( 蛭石 vermiculite) ceramic spheres 진주암 ( 眞珠岩 perlite) 톱으로자르거나못질할수있는경량콘크리트 ; 단열적특성 (insulating properties) 경량 (lightweight) cinders 구조물용경량콘크리트 ; 경석 ( 輕石 pumice) 단열적특성 (insulating properties) 광재 ( 鑛滓 scoria) expanded slag granulatedwater quenched slag expanded clay 혈암 ( 頁岩 shale) or 점판암 ( 粘板岩 slate) sinteredflyash crushed brick 보통 (normal weight) 중량 (heavyweight) crushed limestone riverorsand river or bank gravel crushed recycled concrete unprocessed air-cooled blast furnace slag ilmenite 중정석 ( 重晶石 barite) 갈철광 ( 褐鐵鑛 limonite) 자철광 (magnetite) steel or iron shot steel or iron pellets 보통의콘크리트프로젝트 ; 일반건설용 핵방사능차단용고강도콘크리트 Concrete 4/11
골재의선택은콘크리트의사용목적에따라결정됩니다. 보통모래, 자갈(gravel) 및파쇄석(crushed stone) 이골재로사용됩니다. 골재는잘채워지고, 필요한시멘트양을최소화하도록입도비율을잘맞추어야합니다. 2. 콘크리트의특성 콘크리트는건설재료로서인기가있는많은특성을가지고있습니다. 이러한특성을최적화하려면올바른성분비, 타설및양생이필요합니다. 양질의콘크리트는그인기에더하여많은이점을가지고있습니다. 첫째, 구성요소들을쉽게취득할수있을경우에매우경제적입니다. 콘크리트는수명이길고유지필요성이낮다는점이경제적이점을더합니다. 콘크리트는다른건축재료만큼쉽게썩거나부식하거나쇠퇴하지않습니다. 콘크리트는어떤원하는형태로도조형될수있습니다. 콘크리트는불가연성재료로서내화성이며고온에도견딜수있습니다. 콘크리트는바람, 물, 설치류, 곤충등에견딜수있습니다. 콘크리트는수많은이점에도불구하고몇가지단점도있습니다. 콘크리트는 ( 다른건축재료와비교하여) 장력(tensile strength) 이비교적낮고, 연성(ductility) 이낮으며, 무게대비강도가낮고, 깨지기쉽습니다. 이러한한계에관계없이콘크리트는많은분야에서선택되는재료입니다. 가. 포틀랜드(Portland) 시멘트의수화(hydration) 콘크리트는시멘트, 물및골재를섞어서유동성반죽(workable paste) 으로만든것입니다. 콘크리트는거푸집으로주형되거나원하는대로타설되고굳어지며경화되도록둡니다. 콘크리트는흔히생각하는 것과는달리, 경화되기위해건조시킬필요가없습니다. 콘크리트( 특히콘크리트내의시멘트) 가수화하고(hydrate) 양생하는(cure) 데는수분(moisture) 이 필요합니다. 콘크리트가건조되면실제로강도가더이상증대되지않습니다. 물이너무적은콘크리트는 건조하기는하지만충분한반응이일어나지않으며, 이러한콘크리트의특성은습식(wet) 콘크리트의 특성보다열등할것입니다. 물과콘크리트내의시멘트와의반응은콘크리트의특성에매우중요하며, 이러한반응은수년간계속될수도있습니다. 이러한아주중요한반응들이이절에서논의될것입니다. 포틀랜드시멘트는다섯가지의주요화합물과중요성이적은기타몇가지화합물로이루어져있습니다. 전형적인포틀랜드시멘트의구성은표2 와같습니다. [ 역주: CaO 석회, SiO 2 실리카, Al 2O 3 알루미나, Fe 2O 3 산화철 )] Concrete 5/11
표2: 포틀랜드시멘트의구성및화학적구성과무게비율 시멘트화합물 (Cement Compound ) 무게비율 (Weight 화학식 (Chemical Formula) Percentage) Tricalcium silicate ( 규산삼석회) 50 % Ca 3 SiO 5 또는 3CaO SiO2 Dicalcium silicate ( 규산이석회) 25 % Ca 2SiO 4 또는 2CaO SiO2 Tricalcium aluminate ( 알루민산삼석회) 10 % Ca 3Al 2O 6 또는 3CaO Al2O 3 Tetracalcium aluminoferrite ( 철화합물) 10 % Ca 4Al 2Fe 10 또는 4CaO Al2O 3 Fe2O 3 Gypsum ( 석고) 5% CaSO 4 2H2O 시멘트에물을가하면각화합물은수화의과정을거쳐최종의콘크리트제품을생성합니다. Calcium silicates 만이강도(strength) 에기여합니다. Tricalcium silicate 는초기( 첫 7 일) 강도에영향을줍니다. Dicalcium silicate 는느리게반응하는데, 후기강도에만영향을미칩니다. Tricalcium 의수화공식은다음과같습니다. Tricalcium silicate + Water Calcium silicate hydrate + Calcium hydroxide + heat 2Ca 3 SiO 5 +7H 2 O 3 CaO2SiO 2 4H2O +3Ca(OH) 2 + 173.6kJ 물이가해지면 tricalcium silicate 는급속히반응하여칼슘이온(calcium ions), 수산화물이온(hydroxide ions) 및다량의열을생성합니다. ph 는알칼리수산화물(alkaline hydroxide(oh - )) 이온의해발로인해급속히 12 이상으로상승합니다. 이초기가수분해( 加水 解 hydrolysis) 는방출되는열이감소하기시작하는이후에는급속히둔화됩니다. 수화는시스템이포화될때까지서서히계속되면서칼슘이온과수산화이온을생성합니다. 일단이것이일어나면수산화칼슘은결정화( 結晶化 crystallize) 합니다. 동시에 calcium silicate hydrate가형성되기시작합니다. 용액으로부터이온들이응결하여 tricalcium silicate의칼슘이온과 hydroxide이온에대한반응을가속화시키고, 그리하여열의방출이크게증가합니다. Calcium hydroxide와calcium silicate hydrate crystals의형성은더많은calcium silicate hydrate가형성될수있는 씨(seed) 를제공합니다. calcium silicate hydrate crystals은점점두꺼워져서물분자들이 unhydrated tricalcium silicate 에도달하는것을더어렵게만듭니다. 이제반응의속도는물분자가 calcium silicate hydrate coating 을뚫고확산되는속도에의해서컨트롤됩니다. 이코팅은시간이경과함에따라두꺼워져서 calcium silicate hydrate 의생성이점점더느려지게합니다. Concrete 6/11
그림 3: 수화단계에따른 calcium silicate의공극예시도 위의그림들은 calcium silicate hydrate 가형성됨에따라구멍들(pores) 이형성되는것을보여줍니다. 그림 (a) 에서는수화가아직일어나지않았으며, 구멍( 입자들사이의빈공간) 들은물로채워져있습니다. 그림 (b) 는수화의시작을나타냅니다. 그림 (c) 에서는수화가계속되고있는것을보여줍니다. 아직빈공간이있기는하지만이공간들도물과칼슘수산화물(calcium hydroxide) 로채워져있습니다. 그림 (d) 는거의굳어진시멘트반죽을보여줍니다. 대부분의공간이 calcium silicate hydrate 로채워져있습니다. 경화된수산화물(hardened hydrate) 에의해채워지지않은것은주로칼슘수산화물의용액입니다. 수화는물이있는한계속될것이고, 시멘트반죽에는아직도미수화된(unhydrated) 화합물들이들어있습니다. Dicalcium silicate 도역시수화를통해콘크리트의강도에영향을줍니다. Dicalcium silicate는 tricalcium silicate 와비슷하게, 그러나훨씬더느리게, 물과반응합니다. 발산되는열은 tricalcium silicate의수화에서발생하는열보다적습니다. 왜냐하면, dicalcium silicate 는반응성이훨씬낮기(much less reactive) 때문입니다. Dicalcium silicate의수화에서생성되는것들은 tricalcium silicate의수화에서생성되는것들과같습니다. Dicalcium silicate + Water Calcium silicate hydrate + Calcium hydroxide + heat 2Ca 2 SiO 4 +5H 2 O ---> 3 CaO 2SiO2 4H2O +Ca(OH) 2 + 58.6kJ 포틀랜드시멘트의다른주요성분인 tricalcium aluminate와 tetracalcium aluminoferrite 역시물과반응합니다. 수화의화학적작용은석고(gypsum) 와의반응과도관련되어있기때문에더복잡합니다. 이반응들은강도에크게영향을주지않습니다. 위에서시멘트의각회합물의수화를독립적으로기술하였으나이는전적으로정확한기술이라고는할수없습니다. 한화합물의수화속도는여러가지다른화합물로부터영향을받기때문입니다. 일반적으로초기수일동안의수화속도를빠르기순서로나열하면다음과같습니다. tricalcium aluminate > tricalcium silicate > tetracalcium aluminoferrite > dicalcium silicate. 시멘트의수화에서는열이발산됩니다. 수화과정에서화학적인결합이이루어지고파괴되기때문입니다. 발생된열은시간에따라아래와같이나타납니다. Concrete 7/11
열방출율 분시간일 그림 4: 포틀랜드시멘트의수화중열방출율 단계I 에서는시멘트화합물들의가수분해가급속히일어나고온도도몇도상승합니다. 단계II는휴면기( 休眠期 dormancy period) 라고하는데, 이단계에서는열의발산이현저하게줄어듭니다. 휴면기는한시간에서세시간정도지속됩니다. 이기간에는콘크리트가가소상태( 可塑狀態 plastic state) 에있어서큰어려움이없이운반하거나포설할수있습니다. 초기응결( 凝結 setting) 2) 이시작되는것은이단계의말기입니다. 단계 III과 IV 에서콘크리트가굳기시작하고, 주로 tricalcium silicate의수화때문에열의발산이증가합니다. 단계 V는 36 시간후에도달하는데, 수화물(hydrate products) 이느리게형성되며, 이것은물과미수화된 silicates 가존재하는한계속됩니다. 나. 콘크리트의강도 (strength) 콘크리트의강도는수화반응에의에매우크게영향을받습니다. 물, 특히사용된물의양은매우중요한역할을합니다. 콘크리트를만들기위해물을적게사용할때콘크리트의강도는증대됩니다. 수화반응그자체는특정한양의물을소비합니다. 실제로는콘크리트에필요한물의양보다더많은양의물을넣습니다. 이가외의물은콘크리트에충분한유동성을주기위한것입니다. 수화반응에서소비되지않은물은미세한구조의공극( 空隙 pore space) 에남게되는데, 이공극들은강도를내게하는calcium silicate hydrate bonds 의부족때문에콘크리트를약하게만듭니다. 콘크리트를아무리잘다진다하더라도약간의공극들은남게됩니다. 2) 역주: 포틀랜드시멘트를물로반죽하면얼마후유동성을잃고굳어지는데이과정을응결( 凝結 setting) 이라하며, 그후강도를가지게되는과정을경화( 硬化 hardening) 라한다. Concrete 8/11
낮은물: 시멘트비높은물: 시멘트비 혼합물의물에부유하는시멘트입자 완전히수화된시멘트 적은공극 = 고강도많은공극 = 저강도 그림 5: 물: 시멘트비와공극간의관계예시도빈공간(empty space, porosity) 은시멘트에대한물의비에의해결정됩니다. 아래그래프는물: 시멘트비와강도의관계를나타냅니다. 다진콘크리트 강도 (psi) 덜다진콘크리트 물: 시멘트비 그림 6: 물: 시멘트비의함수로서의콘크리트강도 수세비가낮으면강도는높으나유동성이낮아집니다. 수세비가높으면강도는낮으나유동성이높아집니다. Concrete 9/11
골재의물리적인특성은형상(shape), 결(texture) 및크기(size) 입니다. 이특성들은콘크리트의유동성에영향을주기때문에강도에간접적으로영향을미칩니다. 만일골재가콘크리트를유동적이지못하게하면제조자는더많은물을추가할것이고, 따라서수세비가높아져콘크리트의강도가저하될것입니다. 시간(time) 은콘크리트의강도를결정하는중요한요인입니다. 콘크리트는시간이경과함에따라굳어집니다. 왜? 수화반응은 tricalcium silicate hydrate 가형성됨에따라점점더느려집니다. 콘크리트의강도를결정하는접착(bonds) 이모두형성되기위해서는많은시간이 ( 몇년까지도!) 걸립니다. 콘크리트의상대적인강도를결정하기위해흔히 28 일검사법을사용합니다. 콘크리트의강도는또한혼화제(admixture) 의첨가에영향을받을수있습니다. 혼화제란콘크리트의핵심요소나강화재(reinforcements) 가아니면서혼합시에첨가되는물질을가리킵니다. 어떤혼화제는사용되는물의양을적게요구하면서도콘크리트의유동성을더해줍니다. 강도에영향을미치는혼화제의한예는고효율감수제( 減水劑 superplaticizer) 인데, 이것은물을과도하게추가하지않고도콘크리트를유동적이게해줍니다. 혼화제의선택과사용은콘크리트사용자의요구를바탕으로결정됩니다. 유형 공기연행제 (air entraining agents) 고효율감수제 (superplaticizers) 지연제 (retarders) 촉진제 (accelerators) 광물성혼화제 (mineral admixtures) 표3: 몇가지혼화제와기능 기능내구성, 유동성개선; 블리딩(bleeding-표면에물이스며나오는현상) 감소; 얼기/ 녹기문제감소 ( 예, 특수세제 detergents) 유동성콘크리트에필요한물의양을줄여서강도증가 ( 예, 특수폴리머) 응결(setting) 시간지연; 장기적강도증가; 높은온도나기후의부정적영향상쇄 ( 예, 슈거 sugar) 응결(setting) 시간촉진; 초기강도증가; 낮은온도나기후의부정적영향상쇄 ( 예, 칼슘클로라이드 calcium chloride) 유동성, 가소성, 강도개선 ( 예, 플라이애시) 특정작업에콘크리트를사용함에있어내구성은매우중요한관심사입니다. 콘크리트가적절히혼합되고양생에주의를기울일때콘크리트는구조물이생명을다할때까지그임무를다할것입니다. 좋은콘크리트는적당한환경하에서그생명이무한하다고할수있습니다. 물은콘크리트의수화와경화에중요하기는하지만구조물이일단세워지고나면내구성을감소시키는역할을합니다. 이것은물이해로운화학물질을콘크리트의내부로운반하여여러가지형태의기능저하를초래할수있기때문입니다. 이러한기능저하는궁극적으로콘크리트구조물의유지보수비용을증가시킵니다. Concrete 10/11
3. 콘크리트요약 (* 중복되는부분생략) 모든콘크리트구조물은시멘트와물에골재를첨가한혼합물로만들어집니다. 시멘트와콘크리트는같은것이아니기때문에구별하는것이중요합니다. 몇가지혼동하기쉬운개념을정리하면다음과같습니다. 시멘트 + 물 = 시멘트반죽(paste) ( 시멘트 + 물) + 골재 = 시멘트반죽 + 골재 = 콘크리트 시멘트반죽 + 모래 = 몰탈(mortar) 몰탈 + 자갈(gravel) = 콘크리트 Concrete 11/11