콘크리트란 시멘트와 골재를 물과 혼합하여 시간의 경과에 따라 물의 수화 반응에 의해 굳어지는 성질을 가진 인조석의 일종입니다. 건설업을 다니면서 여러 상사분들께 여쭤봤을 때 콘크리트가 제일 다루기 어려운 재료라고 하더라고요. 그래서 관련된 정보들을 꼭 글에 담고 싶었어요. 이번 글에서는 모든 건물을 짓는데 필수 재료인 콘크리트의 구성 및 특성과 관리, 시공 과정 그리고 종류 7가지에 대해 알아보고자 합니다. 또한 시공 과정에서 거칠 수 있는 어려움과 느낀점도 함께 얘기해보려 해요.
1. 구성
시멘트풀은 시멘트와 풀을 혼합한 것을 말합니다. 골재는 잔골재와 굵은 골재를 모두 포함합니다. 모르타르란 시멘트풀과 잔골재만을 혼합한 것입니다. 여기에서 콘크리트는 더 나아가 시멘트풀과 골재, 그리고 혼화재까지를 혼합한 인조석의 일종입니다. 보통 콘크리트의 용적 구성은 약 70%가 골재이고 나머지는 시멘트 풀입니다. 콘크리트의 배합은 시멘트, 잔골재, 굵은골재를 보통 콘크리트는 1:3:6, 철근콘크리트는 1:2:4, 그다지 중요하지 않은 것은 1:4:8의 비로 합니다.
(1) 시멘트
시멘트는 석회암과 점토, 광석찌꺼기 등을 혼합하여 구운 다음 가루로 만든 일종의 결합제입니다. 포틀랜드 시멘트, 혼합 시멘트, 특수 시멘트로 분류되는데 우리나라에서 생산되는 시멘트의 90%는 보통 포틀랜드 시멘트입니다. 일반적으로 포틀랜드 시멘트는 수경성이고 강도가 크며, 비중은 대체로 3.05~3.15이고 무게는 1500kg/m3 정도입니다. 포틀랜드 시멘트는 보통 포틀랜드 시멘트, 조강 포틀랜드 시멘트, 중용열 포틀랜드 시멘트 백색 포틀랜드 시멘트로 나뉩니다. 보통 포틀랜드 시멘트의 주성분은 실리카, 알루미나, 석회입니다. 건축구조물이나 콘크리트 제품 등 여러 방면에 이용되고 있고 시멘트 세계 총생산량의 90% 이상을 점유하고 있습니다. 조강 포틀랜드 시멘트는 보통 포틀랜드 시멘트 원료와 거의 같으나 급경성을 갖게한 고급 시멘트로서 단기에 높은 강도를 내고 수밀성이 좋습니다. 저온에서도 강도 발현이 우수해 겨울철, 수중, 해중 공사 등에 적합하지만 수화열의 축적으로 콘크리트에 균열이 가기 쉬운 것이 단점입니다.
혼합시멘트에는 고로슬래그 시멘트, 특수 시멘트, 실리카 시멘트 등이 있습니다. 고로 슬래그 시멘트는 보통 포틀랜드 시멘트에 비하여 분말도가 높고 응결 및 강도발현이 약간 느리지만, 화학적 저항성이 크고 발열량이 적어 해수나 기름의 작용을 받는 구조물이나 공장 폐수, 오수의 배수로 구축 등에 쓰입니다. 튻수 시멘트는 회갈색 또는 회흑색을 나타내고 비중은 보통 포틀랜드 시멘트보다 가벼우며 석고를 가하지 않습니다. 조강성이 대단하며 화학적 정항성이 크고 내화성도 우수하여 내화용 콘크리트에 적합합니다.
시멘트는 분말도와 수화도가 높으면 강도가 증가합니다. 양생온도 30도까지는 온도가 높을수록 강도가 커지며 재령이 경과함에 따라 강도가 증가합니다. 시멘트는 수화, 응결, 경화, 수축의 단계를 거치고,시멘트와 모래의 비는 1:3으로 합니다. 미장용 마감바르기 및 쌓기 줄눈에는 시멘트와 모르타르의 비를 1:3으로 하며, 콘크리트블록을 만들 경우에는 시멘트와 골재의 비는 1:5나 1:7로 합니다.
(2) 골재
골재는 자연적인 모래, 자갈이나 인공적인 갠자갈, 부순돌, 경량골재 등 시멘트와 섞어 쓰는 혼합용 입자 형태의 재료를 말합니다. 풍화나 침식 등의 작용에 저항하는 구조로 되어 있고, 콘크리트에서 골재가 차지하는 비율은 60~80%이며 결합체의 변화에 따른 변형을 방지합니다. 골재는 크기와 비중에 따라 분류할 수 있습니다. 크기에 따라 분류할 때에는 잔골재와 굵은 골재가 있습니다. 잔골재는 5mm체에 중량비로 85% 이상 통과하는 것으로 보통 모래가 포함되며, 굵은 골재는 5mm 체에 중량비로 85% 이상 남는 것으로 자갈이 해당됩니다. 골재 비중에 따른 분류에는 보통 골재, 경량 골재, 중량 골재가 있습니다. 보통 골재는 절건 비중이 2.5~2.7 정도의 것으로 강모래, 강자갈, 부순모래, 부순자갈 등이 포함됩니다. 경량골재는 절건비중이 2.5 이하인 것으로 천연화산재, 경석, 인공질석, 펄라이트 등이 있으며 중량골재는 절건비중이 2.7 이상으로 중정석이나 철광석 등에서 얻은 골재를 뜻합니다.
(3) 물
물은 시멘트와 수화작용을 하므로 수질의 강도와 내구력에 영향을 줍니다. 기름, 산, 알칼리, 염류, 유기물 등 유해한 불순물이 없는 음료 가능한 정도의 물을 사용하며 상수도 적합합니다.
(4) 혼화재료
혼화재료는 성질을 개선하거나 공사비를 절약할 목적으로 사용합니다. 대표적인 혼화재료는 AE제입니다. AE제는 워커빌리티를 개선하고 동결융해에 대한 저항성을 증가하도록 합니다. 급결제는 겨울철이나 물속 공사, 뿜어붙이기 등에 필요한 조기 강도의 발생을 촉진하기 위하여 첨가하는 것입니다. 지연제는 레미콘의 원거리 이동 시나 응결 지연이 필요할 때, 또는 슬럼프 저하를 적게 하거나 연속해서 타설작업을 할 때 수화 작용을 지연 시켜 응결 시간을 늘리도록 합니다. 감수제는 소정의 컨시스턴시를 얻기 위해 필요한 단위중량을 감소시켜 워커빌리티를 증대시킵니다.
2. 장, 단점
콘크리트의 장점은 압축강도가 크다는 점입니다. 내화성, 내수성, 내구성이 풍부하며 철과 접착이 잘 되고 부식 방지력도 큽니다. 형태를 만들기 쉽고 비교적 가격이 저렴하다는 장점이 있습니다. 특히 구조물의 시공과 유지 관리가 용이하여 공사 현장에서 가장 많이 볼 수 있는 건축재료입니다.
반면 단점은 인장강도가 약하다는 것인데, 인장강도는 압축강도의 10분의 1정도 입니다. 자중이 커서 응용범위가 제한적이며 수축에 의해 발생한 균열은 구조적, 미관상으로 저해하게 만들기도 합니다. 재시공을 하는 등의 변경이나 보수가 곤란하기에 설계부터 모든 건설 과정에서 신중을 기울여야 합니다.
이러한 장, 단점을 보완하기 위해 철근콘크리트를 이용하기도 합니다. 철근과 콘크리트는 열팽창 계수가 일치하며 콘크리트 속의 철근은 공기와 물이 차단되어 부식을 방지합니다. 또한 부착력이 좋은 편이라 이형 철근을 사용하면 부착력이 더욱 더 증대하고내진성과 내화성을 높입니다. 단점인 인장력을 보완하여 철근을 일체로 결합시켜 형성한 구조체가 철근콘크리트인 것입니다.
3. 특성
대표적인 특성은 바로 굳지않는 성질을 가지고 있다는 것입니다. 이러한 성질은 종 4가지로 나뉩니다. 먼저 컨시스턴시(consistency 반죽질기)는 수량에 의해 변화하는 유동성의 정도, 혼합물의 묽기 정도, 시공 연도에 영향을 주는 성질입니다. 워커빌리티(workability 시공연도)는 반죽질기에 의한 작업의 난이도 정도 및 재료분리에 저항하는 정도를 의미합니다. 플라스티시티(plasticity 성형성)는 재료분리가 일어나지 않으며, 거푸집 형상에 순응하여 거푸집 형태로 채워지는 정도입니다. 마지막으로 피니셔빌리티(finishability 마감성)는 골재의 최대치수에 따르는 표면정리의 정도를 뜻합니다.
4. 관리
콘크리트는 성질이 변화함에 따라 시공연도가 달라져 영향을 미칩니다. 이렇게 변화하게 만드는 관계를 먼저 살펴봄에 따라 영향을 미치지 않도록 해야합니다. 먼저 단위수량이 많으면 재료분리, 블리딩이 증가합니다. 단위시멘트량이 많은 부배합은 빈배합보다 시공연도를 향상하게 만들고 시멘트의 분말도 역시 커질수록 시공연도가 향상합니다. 둥근 골재를 사용하면 입도가 좋아져 시공연도가 향상하고 이외에도 적당한 공기량, 짧은 비빔시간, 낮은 온도가 시공연도가 길어지는데 영향을 미칩니다. 이러한 관계들에 대한 지속적인 관리를 통해 시공연도가 향상되지 않도록 각별히 주의해야 합니다.
또한 관리하는 과정에서 하나의 문제점으로 꼽히는 재료 분리에 대해서도 대책을 마련해야합니다. 먼저 단위수량 및 W/C를 작게 해야하고 골재의 입도와 입형이 부적당할 경우 양호한 재료배합을 만들어야합니다. 골재의 비중차이가 있을 때에는 혼화제를 사용하고 시멘트 페이스트와 물이 분리될 때는 수밀성이 높은 거푸집을 사용하고 충분한 다짐을 통해 분리를 방지합니다.
5. 시공 과정
(1) 비빔
시공 시 처음에는 작업에 필요한 재료들을 계량합니다. 이후 재료를 가지고 비비기 과정을 진행하는데, 비빔 시 재료를 투입할 때 이론적으로는 물, 시멘트, 모래, 자갈 순서가 좋다고 적혀있으나 이보다는 모래, 시멘트, 물, 자갈의 순서로 투입하는 것이 보통의 과정입니다. 기계비빔이 원칙이며 비빔시간은 최소 1분 이상이어야 합니다. 제 경험 상 정확한 배합비를 유지하는 것이 가장 중요했어요. 혼합이 제대로 이루어지지 않으면 강도가 떨어지고 시공 후에도 문제가 발생할 수 있기 때문에 철저한 관리가 필요하다고 생각합니다.
(2) 운반
혼합된 콘크리트를 현장으로 이동시키는 과정입니다. 장거리 운반은 레미콘을 사용하고 현장 내에서 소운반할 시에는 버킷이나 손수레류를 사용합니다. 레미콘 드럼의 회전은 2~6회/분이며 일반적으로 70~100회 정도에 운반합니다. 저는 운반하면서 장애물로 인해 시간이 오래 걸린 적이 있는데, 콘크리트가 바로 굳어버리더라고요. 신속하고 주의깊게 운반해야 할 필요성을 느꼈고, 운반하기 전에는 장애물이 있는지 없는지 미리 확인하는 습관이 생겼답니다.
(3) 부어넣기(치기)
현장에 도착한 후 적절한 위치에 부어넣는 단계입니다. 철근이나 매설물의 이동이나 재료분리를 일으키지 않도록 유의해야합니다. 계획된 구획에서는 연속하여 부어넣어 콜드 조인트를 만들지 말고, 한 곳에서만 부어넣기를 하면서 다른 부분으로 흘려보내는 횡방향 이동 역시 삼가는 것이 좋습니다. 운반할 때에는 운반거리가 먼 곳에서부터 부어 넣어야 하며 낮은 곳에서 높은 곳의 순서로 넣어야합니다. 부어넣기 높이는 1.5~2m 정도로 될 수 있는 한 낮은 곳에서 진행하는 것이 좋습니다. 기둥은 다지며 넣고, 보는 바닥에서 윗면까지 동시에 부어넣습니다. 한 구획 내에서는 콘크리트 표면이 수평이 되도록 부어넣고, 부어넣기 중 블리딩이 생기면 이물을 제거하고 부어넣습니다. 마지막으로 될 수 있는 한 혼합된 후 시간이 얼마 지나지 않았을 때 부어넣도록 합니다. 저는 거푸집이 제대로 설치되지 않았거나 콘크리트가 일정하게 부어지지 않았을 때 구조물의 품질이 떨어지는 것을 느꼈어요. 일정하게 양을 보며 넣도록 주의해야 합니다.
(4) 다짐
다짐은 부어넣은 것을 다지면서 내부의 공기 방울을 제거해 밀도를 높이는 과정입니다. 슬럼프 15cm 이하의 된비빔 콘크리트에 사용하는 것이 원칙입니다.수직으로 사용하고 철근 및 거푸집에는 닿지 않도록 사용합니다. 중복되지 않게 60cm 이하의 간격으로 실시하며, 사용시간은 시멘트풀이 올라올 정도인 30~40초 이하로 시공합니다. 구멍이 생기지 않도록 천천히 빼야하며 굳기 시작한 콘크리트에는 사용할 수 없습니다. 이 과정에서 가장 주의해야할 점은 너무 세게 다지면 거푸집이 손상되거나 흐를 수 있다는 것입니다. 저 역시 처음에는 강도를 몰라 다지다가 거푸집이 손상된 적이 있어요. 균형을 맞추는 것이 가장 중요함을 깨달았습니다.
(5) 시공 이음
시공이음은 될 수 있는 대로 전단력이 작은 곳에 위치해야 합니다. 부재의 압축력이 작용하는 방향과 직각으로 배치하고 부득이 전단력이 큰 위치에 시공이음을 할 경우에는 강제로 적절히 보강해야 합니다. 시공이음을 철근으로 보강하는 경우에는 접착길이는 철근지름의 20배 이상이 되어야 합니다. 시공이음부는 쇠솔이나 쪼아내기, 고압분사로 레이턴스를 제거하거나 청소해야 하고, 습윤상태로 시멘트풀 등을 도포하여 이어치기 합니다.
또한, 시공이음을 하는 과정에서는 다양한 줄눈이 발생할 수 있습니다.
- 콜드 조인트 : 시공과정 중 휴식기간 등으로 응결하기 시작한 콘크리트에 새로운 것을 이어칠 때 일체화가 저해되어 생기는 줄눈으로 계획되지 않은 불량 줄눈으로 분류합니다. 콜드조인트로 인해 강도 저하, 누수, 균열, 부착력 저하 등이 발생합니다.
- 시공줄눈 : 타설 능력, 작업 상황을 고려하여 미리 계획한 줄눈입니다. 콘크리트를 한번에 계속하여 부어나가지 못할 곳에 위치하고 있습니다.
- 신축줄눈 : 구조물의 온도변화에 의한 수축팽창, 부동침하 등으로 발생할 수 있는 곳을 예상하여 응력을 해제하거나 변형 흡수를 목적으로 설치합니다.
- 조절줄눈 : 바닥, 벽 등의 수축에 의한 표면균열이 생기는 것을 줄눈에서 발생하도록 유도하는 줄눈입니다.
시공이음에서 가장 중요한 것은 적절한 위치와 방식으로 이음이 설계되지 않으면 균열이나 약한 지점이 발생할 수 있다는 것입니다. 이음부를 처리할 때 최대한 정확한 타이밍과 방법으로 작업하도록 여러 번 경험해봐야 합니다.
(6) 양생
양생이란 콘크리트 타설 후 일정기간 동안 온도, 하중, 충격, 오손, 파손 등 유해한 영향을 받지않도록 보호 관리하여 응결 및 경화가 진행되도록 하는 것을 말합니다. 양생을 진행하기 위해서는 보통 5일 이상의 습윤 양생을 통해 충분한 수분공급이 필요합니다. 5도 이상의 적절한 온도를 유지하고 급격한 건조를 방지해야합니다. 또한 성형된 콘크리트에 하중 및 충격이 금지되도록 해야합니다. 저는 양생의 과정을 직접 거치면서 기온과 습도와 같은 환경 조건을 계속해서 신경쓰는 것이 어렵기 때문에, 물을 주기적으로 뿌려주거나 덮개로 덮어 양생을 하는 등의 방법을 통해 주의해야 한다고 느꼈습니다.
양생을 하는 방법은 양생 과정에서 이용하는 도구에 따라 다양하게 분류됩니다.
- 습윤 양생 : 모르타르나 콘크리트 등을 수중 보양 또는 살수 보양하는 것입니다. 습윤 양생의 보호기간은 15도 이상일 때 5일, 10도 이상이면 7일, 그리고 5도 이상이면 9일입니다.
- 피막 양생 : 표면에 피막을 형성시켜 수분증발을 방지하여 양생합니다.
- 증기 양생 : 고온의 수중기로 양생하는 것입니다. 한중콘크리트에도 유리하며 거푸집 조기 탈형과 조기 강도를 증진합니다.
- 고압증기 양생 : autoclave에서 양생하는 것으로 24시간에 28일의 강도를 발휘합니다.
- 전기 양생 : 저압 교류를 통하여 전기 저항열을 이용하는 양생입니다.
- 고주파 양생 : 고주파의 전자장으로 가열하여 양생합니다.
- 적외선 양생 : 적외선 램프를 콘크리트의 표면에 투사하는 양생입니다.
- 이 외에도 단열 보온 양생 및 파이프 냉각 양생 등이 있습니다.
7. 종류 7가지
(1) 한중콘크리트
하루 평균 기온이 4도 이하로 동결 위험이 있는 기간에 시공합니다. 초기 동해가 발생하는 콘크리트는 초기강도 저하, 내구성 및 수밀성 저하가 생기므로 초기보온 양생을 실시해야 합니다. W/C비가 60% 이하를 유지할 수 있도록 하고 AE제와 AE감수제 등의 표면활성제를 사용합니다.
(2) 서중콘크리트
하루 평균 기온이 25도 또는 최고 기온이 30도를 초과하는 때에 타설합니다. 슬럼프 저하, 수분의 급격한 증발, 건조수축균열 및 콜드조인트 발생이 특징입니다. 재료의 온도를 낮추고 AE제, AE감수제, 지연제 등을 사용합니다.
(3) 경량콘크리트
천연, 인공경량골재를 일부 혹은 전부에 사용하고 단위용적중량이 1.4~2.0t/세제곱미터의 범위에 속합니다. 콘크리트의 단점인 자중을 낮춰 개선하고 동시에 단열 등의 성능도 얻습니다.
(4) 매스콘크리트
부재단면의 최소치수가 80cm 이상입니다. 수화열에 의해 내부의 최고온도와 외기온도의 차이가 25도 이상으로 예상됩니다.
(5) 수밀콘크리트
자체 밀도가 높고 내구적, 방수적이어서 수조, 풀장, 지하벽 등 수밀성을 특별히 요하는 부위에 사용합니다. 경화 시 및 경화 후에 균열을 주의하고 곰보나 콜드조인트 등이 생기지 않도록 하며 이어붓기는 될 수 있는 한 지양하도록 합니다.
(6) 진공콘크리트
타설 직후 진공매트를 사용하여 수분과 공기를 제거하고 대기의 압력으로 다짐으로써 초기 강도를 크게한 것입니다. 조기강도 및 내구성과 내마모성이 커지고 건조 수축이 적기 때문에 기성재에 주로 사용합니다.
(7) 식생콘크리트
콘크리트 자체나 구조물에 부착생물, 암초성 생물, 생태적 약자, 식물 및 미생물 등이 서식할 수 있는 공간을 제공하는 것입니다. 연속 공극을 확보하고 중화 처리 등을 하여 식물이 성장할 수 있는 환경을 제공해줍니다.
콘크리트 시공 과정을 직접 거치면서 신경 써야 될 것이 많은 재료라고 느꼈습니다. 관련하여 공부를 하지 않고서는 완벽하게 시공하는 것이 어렵다고 생각했어요. 특히 시공 과정에서의 6단계가 모두 상호적으로 연관되어 있어 한 단계에서 잘못되면 다음 단계에도 영향을 미치더라고요. 그래서 저는 더 세심한 관리와 주의가 필요하다고 느꼈습니다. 저 역시 앞으로 더 많이 있을 실무를 통해 배워나가야겠다고 생각했어요.