제9장 콘크리트 배합 소정의 성능을 가진 콘크리트를 만들기 위한 배합설계에는 구성재료의 선택이 첫 단계이며, 각종 구성 요소가 바른 비율로 되도록 배합하는 과정이 둘째 단계이다. (2) 콘크리트 배합의 의의와 목적 코스트, 워커빌리티, 강도, 내구성을 지배하는 일반적인 방식에 대하여 논 하고, 보통 콘크리트, 중량콘크리트, 매스콘크리트의 표준적인 배합에 대해 서 설명

9.1 중요성과 목적 콘크리트 혼합물의 배합은, 시방서에 따라 콘크리트를 만들 때의 시멘트, 골재, 물 및 화학 재료가 정확 한 비율로 되도록 정하는 하나의 과정(process) (2) 배합의 목적은 (a) 소정의 재령에 대한 굳지 않은 콘크리트의 워커빌리티와 굳은 콘크리트 의 강도이다. (b) 가능한 저코스트로 소정의 성능을 만족할 수 있는 배합을 결정 (3) 배합의 변수는, 시멘트풀/골재와 비, 시멘트풀의 물시멘트비, 골재의 잔/굵 은 골재비, 혼화재료 등이다.

9.2 일반적인 고려 사항 코스트 골재보다도 시멘트가 10배 이상으로 코스트가 높다. 포틀랜드 시멘트의 일 부분을 좀 더 싼 재료로 바꾸는 것이 확대되고 있다. (2) 워커빌리티 굳지 않은 콘크리트의 워커빌리티는 재료분리하지 않고 콘크리트 혼합물을 쉽게 다룰 수 있는 것, 굳지 않은 콘크리트의 많은 성질을 나타낸다. 특히, 반죽질기는 부어넣기, 다지기, 마무리를 위해서 반듯이 고려되어야 한다. (3) 강도와 내구성 배합설계를 할 때는 워커빌리티와 강도가 주 고려사항이며, 특수한 환경 조건에서는 내구성도 고려된다. (4) 이상적인 골재 입도 ASTM C 33에 따라 소요 입도 분포의 범위를 따르는 것이, 경제적으로 적당 함과 동시에 실용적인 경험에 의한 것이다.

9.2.5 원리(specific principles) 워커빌리티 (a) 입도 분포가 좋은 골재이고 골재 최대치수가 크다. (b) 골재 속에 각이 지고 표면 조직에 거친 입자가 적다. (c) 콘크리트 혼합물 내의 연행 공기량이 많다. (d) 워커빌리티의 지표로서 슬럼프를 사용한다. (2) 강도 강도는 콘크리트내의 물시멘트비와 연행 공기량에 의존하고 있다. (3) 내구성 혼화재료 사용, 물시멘트 비율 결정

9.3 수법(procedures) 배합 계산을 위한 기본적인 정보 잔골재 및 굵은골재 조립율, 굵은골재의 건조 단위 용적중량, 재료의 부피 비 중, 골재의 흡수율이나 함수율, 사용 재료에 따른 단위 수량 변화, 강도와 물 시멘트비 관계 (2) 절차 1단계 : 슬럼프 선정 2단계 : 최대 골재 치수 선정 3단계 : 배합에 대한 물과 공기량 선정 4단계 : 물시멘트비 결정 5단계 : 시멘트량 계산 6단계 : 굵은 골재량 산정 7단계 : 잔골재량 선정 8단계 : 골재 함수율에 대한 조정 9단계 : 시험 비비기 배치 조정

표 9.1 여러 가지 타입의 건조물에 관한 권장 슬럼프 구조물 타입 슬럼프(mm) 최대값 최소값 철근으로 보강된 기초벽과 푸팅 푸팅, 케이슨, 지하벽 거더와 철근으로 보강된 벽 건물 기둥 포장과 바닥 슬래브 매스 콘크리트 75 100 50 25

표 9.3 콘크리트의 물시멘트비와 압축강도 관계 28일 압축강도(MPa) 질량에 따른 물시멘트비 Non AE 콘크리트 AE 콘크리트 41.4 34.5 27.6 20.7 12.8 0.41 0.48 0.57 0.68 0.82 - 0.40 0.59 0.74

콘크리트의 내동해성을 기초로 해서 정하는 경우의 최대 물시멘트비 구조물의 노출상태 기상작용이 심한 경우 또는 동결융해가 이따금 반복되는 경우 기상작용이 심하지 않는 경우, 빙점하의 기온이 되는 일이 드문 경우 단면이 얇은 경우 단면이 일반의 경우 (1) 연속 또는 이따금 물이 포화되는 부분 0.55 0.60 0.65 (2) 보통의 노출상태로서 (1)에 속하지 않는 경우

공장제품 또는 재료의 선정 및 시공에 있어서 공장 제품과 동등 이상의 품질이 보증되는 경우 화학작용에 대한 내구성을 기초로 하여 정할 때 환경구분 일반적인 현장 시공의 경우 공장제품 또는 재료의 선정 및 시공에 있어서 공장 제품과 동등 이상의 품질이 보증되는 경우 해상대기중 비말대 해중 0.45 0.50

9.4 계산 예 현장시방 선택된 재료 특성 구조타입 폭로환경 골재 최대치수 슬럼프 28일 설계기준 압축강도 철근 콘크리트 기초(푸팅) 완만함(지중, 동결 또는 황산염에 폭로되지 않은 것) 3.81 cm 76-102 mm 24.1 Mpa 선택된 재료 특성 구분 시멘트 론스터 Type I 잔골재, 펠른 No.2 굵은골재, 페어오크, 자갈 비중 단위 용적 질량 D-RC의 단위 용적 질량 조립율 표면 수량(%) 3.15 - 2.60 2590 2.8 +2.5 2.70 1600 +0.5

단계 1에서 단계 7까지 : 배합 계산(SSD 기본) 단계 1 : 슬럼프 76 - 102 mm 단계 2 : 최대 골재 치수 : 3.81 cm 단계 3 : 단위수량(Non-AE 콘크리트): 136.08 kg, 갇힌 공기의 근사량 1% 표 9.2 참조 단계 4 : 평균 배합 강도 = 24.1+1.34Ⅹ2.07=26.9 MPa - 부록 참조(표준편차 20.7 MPa로 가정) - 물시멘트비=0.58(표 9.3 참조) 단계 5 : 시멘트량 = 136.08/0.58 = 234.5 kg 단계 6 : D-RC 상태의 자갈 용적비=0.71(표 9.5) 자갈의 D-RC 단위 용적=0.71Ⅹ0.765=0.543m3 자갈의 질량=0.543Ⅹ1600=869kg 단계 7 : 중량법 사용 : 콘크리트의 단위 용적 질량 = 2415kg/m3 (표 9.6) 모래의 질량 = 1846-136-235- 870=605kg 물 시멘트 자갈

시험비비기 제1batch에 대한 배합 (kg) 절대 용적비를 사용 물로 바꿀 수 있는 용적 = 136/1000 = 0.136 m3 시멘트로 바꿀 수 있는 용적 = 235/3140 = 0.075 m3 자갈로 바꿀 수 있는 용적 = 870/2690 = 0.323 m3 공기로 바꿀 수 있는 용적 = 0.008 m3(1% 표 9.2) -------------------- 합계 : 0.542 m3 모래로 바꿀 수 있는 용적 : 0.765-0.542=0.223 m3 모래 질량 = 0.223Ⅹ2590=578 kg 단계 8 : 시험 비비기 Batch에 대한 함수량 조정 재료 SSD (kg) 함수량 수정 시험비비기 제1batch에 대한 배합 (kg) 시멘트 모래 자갈 물 합계 234.5 578 869 136.1 1817.6 578Ⅹ0.025=14.45 869Ⅹ0.005=4.345 136.1-14.45-4.345 592.5 873.3 117.3

단계 9 : 제1시험 비비기와 성질 조성 제1batch로(1/100) 측정된 굳지 않은 콘크리트의 성질 슬럼프 : 12.1cm 워커빌리티 : 재료 분리하거나 블리딩하는 약간의 경향을 나타낸다. 단위용적질량 : 2371 kg/m3 공기량 : 1% 제2batch를(1/100) 한다. 자갈을 0.1134kg 줄이고, 모래를 0.1134kg 증가한다. 시멘트 = 2.34 kg 모래 = 5.92 kg 자갈 = 8.73 kg 물 = 1.18 kg ----------------- 18.17 kg 제2batch의 성질 슬럼프=12.1cm, 워커빌리티=OK, 단위용적질량=2371kg/m3, 공기량 1%, 28일 압축강도 29.3 MPa

시방서 배합 재료 현장배합 (kg/m3) 함수량 수정 (kg) 시방서 배합 시멘트 모래 자갈 물 합계 306.7 755 1136 178 2375.7 11.34Ⅹ0.025=0.28 11.34Ⅹ0.005=0.05 178-0.28+0.05 766.3 1125 177.7

배합설계의 순서 사용재료를 시험한다(시멘트의 비중, 잔골재 및 굵은골재 비중, 흡수율, 체가름) (2) 콘크리트의 배합강도를 얻기 위해 콘크리트 품질의 불균일을 고려하여 증가계수를 구한다. (3) 물시멘트비를 결정한다. (4) 굵은골재의 최대치수, 슬럼프, 공기량을 선정한다. (5) 단위수량 W, 굵은골재율 S/a를 선정하여, 단위시멘트량 C, 단위잔골재량 S, 단위굵은골재량 G, 단위AE제량을 구한다. (6) 배합계산에 의해 구한 각 단위량에 기초하여 시험 비비기를 한다.그 결과 조건이 만족할 때까지 반복하여 시방배합을 결정한다. (7) 시방배합을 현장의 골재상태에 따라 입도, 표면수량 등을 수정하여 현장 배합으로 한다.

배합설계의 예 설계조건 : 설계강도 21 MPa, 철근콘크리트 옹벽, 현장에서의 시공상태나 관리정도 양호, 기후 온난, 수밀성은 특별히 필요하지 않음 사용하는 재료의 시험값은 다음과 같다. 시멘트의 비중 = 3.17 잔골재의 비중 = 2.57 잔골재의 조립률 = 2.85 굵은골재의 비중 = 2.61 굵은골재의 최대치수 = 25mm (2) 배합강도를 구한다. fcr = 증가계수Ⅹ fck = 1.18Ⅹ21 = 24.8 MPa (3) 물시멘트비 결정 압축강도, 내동해성, 화학작용에 대한 내구성, 수밀성을 기초로 최소값 결정, 물시멘트비 W/C=45% 결정

부재 최소치수의 1/5 및 철근의 최소 수평순간격의 ¾ 을 초과해서는 안 된다. (4) 설계조건을 기초로 굵은골재 최대치수, 슬럼프, 공기량을 아래 표로 선정 : 굵은골재의 최대치수 25mm, 슬럼프 100mm, 공기량 5% 굵은골재의 최대치수와 슬럼프 및 공기량 구조물의 종류 굵은골재의 최대치수(mm) 슬럼프(mm) 공기량(%) 무근 콘크리트 단면이 큰 경우 40 부재 최소치수의 ¼을 초과해서는 안 된다. 30-80 4-7 철근 콘크리트 일반적인 경우 20 또는 25 부재 최소치수의 1/5 및 철근의 최소 수평순간격의 ¾ 을 초과해서는 안 된다. 50-120 30-100 포장 콘크리트 40 이하 25 4 댐 콘크리트 150 정도 이하 20-50 4-6

(5) 단위수량 W, 잔골재율 S/a을 구하고, 필요시 보정을 한다. 굵은골재 25mm -> 잔골재율 S/a = 42%, 단위수량 W=170kg 콘크리트의 잔 골재율 및 단위수량의 개략값 굵은골재의 최대치수(mm) 굵은골재의 용적단위(%) AE 콘크리트 공기량(%) AE제를 사용하는 경우 AE 감수제를 사용하는 경우 잔골재율 S/a (%) 단위수량 W (kg) 15 20 25 40 58 62 67 72 7.0 6.0 5.0 4.5 47 44 42 39 180 175 170 165 48 45 43 160 155 물시멘트비=55%, 슬럼프=80mm, 모래의 조립율=2.8에 대한 결과

사용재료 또는 콘크리트 품질이 다른 경우 보정계산 구분 S/a의 보정(%) W의 보정 모래 조립률이 0.1 만큼 클(작을) 때마다 0.5만큼 크게(작게)한다 보정하지 않는다 슬럼프가 1cm 만큼 클(작을) 때마다 1.2% 만큼 크게(작게) 한다 공기량이 1% 만큼 클(작을) 때마다 0.5-1만큼 작게(크게) 한다 3% 만큼 작게(크게) 한다 물시멘트비가 0.05 클(작을) 때마다 1만큼 크게(작게) 한다 S/a 가 1% 클(작을) 때마다 - 1.5kg 만큼 크게(작게) 한다 강자갈을 사용하는 경우 3-5만큼 작게 한다 9-15kg 만큼 작게 한다

보정계산을 통해, 단위수량 W=174kg, 진골재율 S/a=40.3% 조건 보정계산 S/a(%) W(kg) 모래 조립률이 2.85 이므로 42+(2.85-2.80)/0.1Ⅹ0.5=42.3 42.3 보정하지 않는다. 물시멘트비 W/C가 45% 이므로 42.3+(0.45-0.55)/0.05Ⅹ1=40.3 40.3 슬럼프가 100 mm 이므로 170Ⅹ(1+(10-8)Ⅹ0.012)=174.0 보정없음 174.0 보정계산을 통해, 단위수량 W=174kg, 진골재율 S/a=40.3% 단위시멘트량 C = 174/0.45 = 387 kg, 시멘트의 절대용적 c=387/3.17 = 122 L, 공기량 a=1,000Ⅹ=0.05=50 L (b) 전골재의 절대용적 a=1,000-(50+174+122) = 654 L 잔골재의 절대용적 s=654Ⅹ0.403 = 264 L (c) 단위잔골재량 S=264Ⅹ2.57=678kg 굵은골재의 절대용적 g=654-264=390 L (d) 단위굵은골재량 G=390Ⅹ2.61=1,018kg

(6) 구한 배합에서 시험 비비기를 하고, 슬럼프 및 공기량을 측정하여 목표값 의 슬럼프 100mm, 공기량 5%와 비교한다. 5% 이므로 슬럼프를 보정한다. 시험 블렌딩용 배합표 굵은골재의 최대치수 (mm) 슬럼프 범위 공기량의 범위 (%) 물시멘트비 W/C 잔골재율 S/a 단위량(kg/m3) 물 W 시멘트 C 잔골재 S 굵은골재 G 혼화제 F 25 10 5 45 40.3 174 387 678 1,018

슬럼프 1cm에 대해서 1.2% 증감이기에, 3cm 인 경우 W=1.2%Ⅹ3=3.6% 단위수량 W = 174(1+0.036)=180kg 따라서, W=180, W/C=45%, S/a=40.3 이므로 단위시멘트량 C=180/0.45=400kg 시멘트의 절대용적 c=400/3.17=126L 공기량 a=1000Ⅹ0.05=50L 전골재의 절대용적 a=1000-(50+180+126)=644L 잔골재의 절대용적 s=644Ⅹ0.403=259.5L 단위잔골재량 S=259.5Ⅹ2.57=667kg 굵은골재의 절대용적 g=644-259.5=384.5L 단위굵은골재량 G=384.5Ⅹ2.61=1,004kg -> 시험비비기 재 실시 후 슬럼프와 공기량을 목표값과 비교 일치될 때까지 반복 -> 잔골재율 S/a을 조금씩 변화하여 워커빌리티를 만족하는 최소 한의 단위수량 결정 표시배합표 굵은골재의 최대치수 (mm) 슬럼프 범위 공기량의 범위 (%) 물시멘트비 W/C 잔골재율 S/a 단위량(kg/m3) 물 W 시멘트 C 잔골재 S 굵은골재 G 혼화제 F 25 10 5 45 40.3 180 400 667 1,004 AE제

(7) 현장배합 현장에서의 골재상태 입도에 의한 조정 - 5mm 이상의 것 0.07x + 0.95y = 1,004 골재의 종류 5mm체를 통과하는 중량(%) 5mm체에 남는 중량(%) 표면수율(%) 잔골재 93 7 3.5 굵은골재 5 95 1.0 입도에 의한 조정 - 5mm 이상의 것 0.07x + 0.95y = 1,004 - 5mm 이하의 것 0.93x + 0.05y = 667 x=663kg y=1,008kg (b) 표면수율에 의한 조정 - 잔골재의 표면수량 = 663Ⅹ0.035=23kg - 굵은골재의 표면수량=1,008Ⅹ0.01=10kg (c) 현장배합의 계산 W=180-33=147kg S=663+23=686kg G=1,008+10=1,018kg

현장 배합표 굵은골재의 최대치수 (mm) 슬럼프 범위 공기량의 범위 (%) 물시멘트비 W/C 잔골재율 S/a 단위량(kg/m3) 물 W 시멘트 C 잔골재 S 굵은골재 G 혼화제 F 25 10 5 45 40.3 147 400 686 1,018 AE제

9.5 설계기준강도에서 평균 배합 압축강도를 결정하는 방법 (1) fcr = fc + 1.34S 여기서 S 는 표준편차 (2) 표준편차를 구할 수 없는 경우 설계 기준 압축강도 fc(MPa) 소요 평균 배합 압축강도 fcr(MPa) 20.7 이하 20.7 – 34.5 34.5 이상 fc+6.9 fc+8.3 fc+9.7 (3) 배합강도란 부재 설계시에 기준으로 한 설계기준강도에 증가계수를 곱하 여 구한 것으로, 이것은 압축강도의 시험값이 설계기준강도 이하로 되는 확률이 5% 이하라야 하고 또한 압축강도의 시험값이 설계기준강도의 85% 이하가 되는 확률이 0.13% 이하라야 한다.

Report #5 문제 1. 배합강도란? 설계강도에 증가계수를 곱하여 구하는데, 증가계수를 곱하는 이유를 설명하시오. 문제 2. 시방배합과 현장배합에는 어떤 골재가 사용되는가 설명 하시오.