콘크리트와 배합설계와 그 방법

1. 콘크리트배합

  Concrete의 배합이란 : Concrete를 만드는 각 재료의 비율을 말한다. 즉 시멘트, 물, 잔골재, 굵은 골재, 혼화재료를 가장 경제적으로 소요의 워커빌리티, 소요강도,내구성,내화성,수밀성 등을 얻을 수 있도록 그 혼합비율을 선정하는 것이다.  소요의 품질 및 workability를 갖는 여러 방법중 

    ① 단위수량이 최소되고, 
    ② 가장 경제적이고
    ③ 안전한 구조물이 될 수 있도록 해야하며 배합 선정시에는 다음과 같은 concrete가 되도록 정해야 한다.
       - 첫째 : 균일한 concrete를 만들기 위하여 타설할 수 있는 가장 된 반죽질기, 즉 최소 슬럼프의 concrete     
       - 둘째 : 경제적으로 이용할 수 있고 concrete를 打設하는제 支障이 없는 한 最大値數의 골재를 利用
       - 셋째 : 파괴 작용에 대하여 충분히 저항할 수 있는 강도를 가진 concrete       
       - 넷째 : 재해되는 하중에 대하여 충분히 저항할 수 있는 강도를 가진 concrete 가 되어야 하며 배합설계법에는 다음과
                   같은 방법이 있다. 

※ 좋은 Concrete          ① 경화후 강도, 내구성 및 수밀성 등의 필요한 성질을 충분히 가질 것.          ② 아직 굳지 않았을 때는 시공이 용이할 것.          ③ 경비가 가장 적게 들 것.

2. 배합설계방법

   1) 배합참고표에 의한 배합
   2) 골재공극에 의한 방법
      : 공극이 최소로 되게하는 법, 즉 최대밀도의 concrete를 만드는 것
   3) 시험적 배합방법
      : 물-시멘트비나 워커빌리티로부터 구하는 방법, 즉 소요의 워커빌리티를 주는 콘크리트 중에서 단위수량이 최소가 되도록 굵은 잔골재비를 시험적으로 구하고 소요의 강도 기타의 성질과 물-시멘트비와의 관계로부터 단위 시멘트량을 구하는 방법
      ※ 배합의 종류
      ① 용적 배합 : 시멘트, 잔골재, 굵은 골재를 각각 용적으로 계량하여 1 : 2  : 4 또는 1 : 3 : 6 과 같은 배합비로 표시.
      ② 중량 배합 : 모든 재료를 중량으로 측정
      ③ 복식 배합 : 프랑스, 벨기에에서 시행하는 방법으로 모든 경우에 잔골재 400ℓ, 굵은 골재 800ℓ를 기준으로 하고 이에 대한 시멘트300㎏, 600㎏과 같이 중량으로 지정하는 방법이다.


3. 배합 표시법

  1) 시방배합
    시방배합이란 배합을 설계하기 전에 구조물의 크기, 모양, concrete의 강도, 노출상태 등을 알고서 시방서 또는 책임기술자에 의하여 지시된 배합으로 
      ① 잔골재는 전부 NO. 4체를 통과하고
      ② 굵은 골재는 전부 NO.4체에 남으며
      ③ 골재는 전부 표면 건조 포화상태에 있으며
      ④ 혼화제는 물타지 않은 것을 cc 또는 g으로 표시한다. 

 ※ 시방배합의 표시법

굵은 골재의 최대치수	슬럼프의 범위	공기량 범 위	단위수량 (w)	단위 시멘트량  (c)	물, 시멘트비 (w / c)	절 대 잔골재율 (s / a)	단 위 잔골재율 (s)	단위 굵은골재율 (G)	단 위 AE제량
mm	cm	%	kg	kg	%	%	kg	kg	cc, g

  2) 현장배합
   현장배합이란 현장에서 사용되는 골재는 시방배합에 꼭 합치하도록 되 있는 것은 없기 때문에 시방배합에 합치하도록 현장에서 재료의 상태와 계량밥법에 따라 정한 배합을 말한다.

    ① 골재에 관하여
      ⓐ NO.4 체에 남는 잔골재 중의 과대입의 양 
      ⓑ NO.4 체를 통과하는 곩은 골재중의 과소입의 양
    ② 수량(水量)에 관하여 표면건조포화상태의 골재가 아니라면
      ⓐ 습윤상태라면 표면수에 관하여
      ⓑ 기건상태라면 흡수량 대하여 보정을 해야 한다.
    ③ 이상과 같은 골재량 및 사용수량 수정 방법
      ⓐ 골재량 수정 방법
         잔골재중 NO. 4 체에 잔류량이 a %
         굵은 골재중 NO. 4체에 통과량이 b %
         시방배합에서의 잔골재 및 굵은 골재의 중량을 각각 S, G
         그리고 계량할 현장의 잔골재 및 굵은 골재의 중량을 x, y라 하면 

            
             
              
                 
        ※ 보통 시산법(試算法)을 사용하여 2차계산에서 끝마쳐도 지장은 없다.

      ⓑ 수량(水量) 수정 방법
         시험결과 잔골재의 표면수량이 S의 c%
                   굵은골재의 표면수량이 G의 d%
         현장에서 계량하여야 할 잔골재, 굵은골재 및 물을 각각 x', y', z'라 하고
          (ⅰ) 표면 수량일 때를 생각하면
                               
          (ⅱ) 흡수량일때는 c, d가 (-)가 된다.
      ※ 골재를 용적으로 계량할 때는 그 골재의 표면건조포화상태의 단위중량으로 나누면 되고
      ※ 조립률(F.M)이 2.25인 모래에서 표면수가 40% 일 땐 표면건조포화상태의 부피의 약 15%가 팽창한다.


4. 배합설계의 순서

    배합설계 순서에 들어가기 전에 각 재료에 대한 다음성질을 알고 있어야 한다. 
      ◦ 시멘트- 비중 (우리나라의 보통 포틀랜드의 비중은 일반적으로  3.14) 
      ◦ 잔골재 - 비중, 입도, 조립율, 표면수량, 흡수량 및 단위용적중량
      ◦ 굵은 골재 - 비중, 입도, 조립율, 표면수량, 흡수량 및 단위용적중량

     이상의 성질을 알고 난후 다음과 같은 순서를 밟아야 한다.

      1) 배합설계순서
       ① 물 - 시멘트비 (w/c)의 결정
       ② 슬럼프치의 결정 (워커빌리티)
       ③ 굵은 골재의 최대치수의 결정
       ④ 절대 잔골재율(s/a) 의 결정
       ⑤ 단위수량의 결정   (⑤′제재표량의 결정, ⑤ '' 강도시험)
       ⑥ 시방배합 산출 및 조정
       ⑦ 현장배합으로의 수정
       이상 열거한 것을 각 항목별로 자세히 설명하면 다음과 같다.

    가) 물-시멘트비(w/c) 의 결정
      혼합할 concrete의 시멘트 풀 중에 있는 물과 시멘트와의 중량비를 말하며 소요압축강도, 내구성, 및 수밀성을 가지는데 필요한 w/c를 개별적으로 구하여 이 중 최소치를 취하여야 한다.   
         ⓐ 압축강도로부터 w/c를 결정하는법
          ① 적당범위내의 3종이상의 다른 시멘트-물(c/w)을 가지는 concrete에 대하여 c/w-ƒ28 곡선을 만든다. 각 c/w에 대한ƒ28 치는 3개 이상의 공시체로서의 ƒ28 평균치를 말한다.
          ② 배합설계에 쓰는 w/c는 전기한 c/w-ƒ28 선에서 목표로 하는 압축강도 ƒr 에 대응하는 c/w의 역수로서 정해진다. 이 ƒr 은 부재를 설계할 때 기준으로 한 재령 28일의 concrete의 압축강도 ƒ28에 적당한 증가계수 α를 곱한 것이다. 
             ◦ 우리나라 표준 품셈에서는  115%가 적절한 것으로 하였다.
             ◦ 변동계수는 감독을 충분히 하는 현장에서는 13%～18% (15%기준)
                <콘크리트표준시방서.한국콘크리트학회.1999. 53쪽 참조>
          현장 콘크리트의 압축강도 시험값이  설계기준강도 이하로 되는 확률은 5%이하여야 하고 또한 압축강도 시험값이 설계기준강도의 85% 이하로 되는 확률은 0.13%이하여야한다. 또한 배합강도는 다음 두식의 값중 큰 값을 적용한다.

 
         s : 표준편차( kg / cm2 ), 다만 공사초기에 그 값을 추정하기가 불가능 하거나 소규모 공사에서는 0.15 fck로 적용한다

           ③ 압축시험은 KSF2405에 따라야 한다.
             부득이 시험을 하지 못하였을 경우에는 다음식을 이용한다.
             보통포틀랜드시멘트 사용시
             f 28 = -210 + 215 c/w 

             여기서도 w/c는 ƒ28에 ƒr(배합강도)를 대입하여 풀어서 얻어야 한다. 
             배합강도(ƒr) = 설계기준강도 ×α( 증가계수 : 보통 1.15)

          ⓑ 내구성으로부터 물 - 시멘트비 (w/c)를 결정하는 경우
          ⓒ 수밀성으로부터 물 - 시멘트비를 결정하는 경우
             (무근 55%이하, 얇은 단면 45%, 매시브 53%)  (146쪽)
                 ※ 시멘트의 최소사용수량 및 최대사용수량의 제한 
                     소요강도 외에 ①내구성, ②수밀성, ③특히 철근의 녹방지, ④부착력 확보를 위해 제한하고 있다. 

    ◎ 단위시멘트량 = 단위수량 ÷ w/c   (58쪽)
      ◦ 단위시멘트량의 예 (1㎥당)
         철근콘크리트에서는 300㎏이상, 콘크리트 포장에선 260～320㎏
         댐 concrete 내부 160㎏이상, 댐외부 230㎏을 표준  (1996. 포장34,댐32)
      ◦ 최대단위수량은 
         포장에서는 150㎏/㎥, 댐 concrete에서는 120㎏/㎥ 보통 120㎏/㎥를 표준

    나) 슬럼프치의 결정 (워커빌리티)
       - 워커빌리티는 직접 측정할 수 없으므로 슬럼프시험을 하여 판단한다. 
         (동일한 슬럼프에서도 워커비릴티가 같지 않으므로)재료의 분리나 breeding에 주의한다.
       - 구조물의 종류, 형상, 치수 및 시공 및 다짐에 따라 다르다.
       - 진동기를 쓸 경우 슬럼프값은 일반적으로 5～12㎝, 단면이 큰 경우 2.5～10㎝, 무근 2.5～8㎝

 ◦ 슬럼프의 최대치 

구 조 물 의 종 류	슬럼프 최대치(㎝)
매시브한 concrete (큰 교각, 큰 기초 따위)	5
어느정도 매시브 (교각, 두터운 벽, 기초 아아치)	8
두터운 슬래브	5

       ⓐ 무근 concrete
       ⓑ 철근 concrete
       ⓒ concrete포장은 2.5㎝이하로 한다.
       ⓓ 댐 concrete은 3～5㎝

    다) 굵은 골재의 최대 치수의 결정
      굵은 골재 최대 치수가 클수록 일반으로 워어커빌리티가 크게 되고 시멘트의 사용량도 적어지고 또한 수량도 적어져서 경제적인 콘크리트가 된다. 

      ⓐ 무근 concrete
       ․ 100㎜이하를 표준으로하고 부재최소치수의  1/4이하
       ․ 매시브한 콘크리트 (큰 교각, 큰 기초 따위)  80～100
       ․ 어느정도 매시브한 콘크리트 (교각, 두터운 벽, 큰 아치)  50～80
       ․ 두터운 슬래브                                         40～50
      ⓑ 철근 콘크리트의 굵은 골재의 최대치수
       ․ 슬래브, 기둥, 보, 벽 (일반적인 것)              25 ㎜
       ․ 확대기초 (단면이 큰 경우)                         40 ㎜
       ․ 지하벽 케이슨                                          50 ㎜
      ⓒ 콘크리트 포장
        굵은 골재의 최대치수는 50㎜이하로서 concrete 슬래브의 최소 두께의 1/4을 넘어서는 안된다. 
      ⓓ Dam 콘크리트
        일반적으로 150㎜이상를 표준으로 한다.
      ⓔ 골재의 입도
        골재의 입도는 workablilty에 영향을 미치므로 표준입도에 맞게 하면 좋다. 

    라) 절대 잔골재율 (s/a) 및 단위수량(w) 결정
      ◦절대 잔골재율이란 골재중 NO.4체를 통과한 부분을 잔골재로 보고 NO.4체에 걸린 부분을 굵은 골재로 보아서 산출한 잔골재량과 골재전량과의 절대 용적비를 백분율로 나타낸 것을 말한다.
      ◦ 잔골재율이란 (S / (S+G)) 잘골재량과 골재전량과의 중량비
      ⓐ 절대 잔골재율은 소요의 워커빌리티를 얻을 수 있는 범위내에서 단위수량이 최소가 되도록 시험에 의해서 정해야 한다.
      ⓑ 어떤 워어커빌리티에 대하여 시멘트 풀의 사용량(또는 단위수량)을 최소로 되게 하는 절대 잔골재율이 있는데 주어진 물-시멘트비 및 워어커빌리티에 가장 적합한 s/a를 구하는 방법은 시험배치에 대한 시험적 방법이 가장 좋다  

    마) 시방배합의 산출 및 조정
       이상 말한 표를 사용하여 콘크리트 1㎥을 만드는데 필요한 재료의 양을 산출하여 보자.

       ⓐ 재료량을 산출하는데는 절대용적법을 사용한다.
          ※ 절대 용적법 : concrete중에 빈틈이 없이 concrete 1㎥를 만든데 필요한 각 재료 즉, 시멘트, 물, 자갈과 공기량을
                                 더하면 1㎥가 된다는 것이다.
       ⓑ 계산법
        ① 콘크리트 1㎥ 만드는 데 필요한 물, 시멘트, 모래, 자갈의 중량을 W, C, S, G, 이들의 절대용적을 Wv, Cv, Sv, Gv,
            비중을 Ws, Cs, Ss, Gs 라고 할 때
        ② Cs, Ss, Gs 는 시험에 의하여 정하는 것이고, Ws = 1 이므로 
        ③ W = Wv 이어서 시험을 할 필요가 없다.
            (ⅰ) C의 계산 C = W × (C / W)
                  ∴ Cv = (C / Cs)로서 Cv를 알 수 있다.
            (ⅱ) 그리고 갇힌 공기량이 있을시엔
                   Wv + Cv  + Sv + Gv + A = 1
                   Sv + Gv = 1 - (Wv + Cv  + A ) 로 된다. 

               ∴ Sv  = (Sv +Gv ) × Sv / (Sv + Gv)
                   Gv  = (Sv + Gv ) - Sv
               ∴ G = Gv × Gs
                   S = Sv × Ss    로서 W, C, S, G를 간단히 구할 수 있다. 
     바) 시적 배합 조정법
      ⓐ 과거 경험이나 표를 참고하여 적당하다고 생각되는 s/a보다 약간 큰 s/a를 선정한다.
         s/a를 고정해 두고 소요슬럼프를 얻을 때까지 시멘트 페이스트량을 가감한다. 
         이때 슬럼프 1㎝를 크게(작게)하려면 사용수양을 1.2% 크게(작게)하면 된다. 소요 슬럼프을 얻었을 때는 사용수량을 산출함은 물론 워커빌리티 대해서도 검토요.
      ⓑ ⓐ보다 s/a를 조금 적게 취하여 ⓐ의 계산을 반복한다.
      ⓒ 이와 같이 s/a를 조금씩 적게 선정해 가면서 소요워커빌리티를 얻는 데 필요한 단위수량도 감소되고 concrete 1㎥당 재료비도 적게 든다. 그러나 s/a를 너무 적게 하면 콘크리트가 거칠어 지고 재료의 분리가 일어난다.
      ⓓ 이상과 같은 시험배치를 되풀이하여 적당한 워커빌리티가 되는 범위내에서 가장 경제적인 배합을 선정한다. 

      ※ 시험배치를 만들 경우 보통재료를 쓴 콘크리트에서는 다음 관계가 성립한다. 
      ◦ w/c를 일정히 해두고 s/a를 1% 증가시켜서 같은 슬럼프의 concrete를 얻으려면 단위수량을 1.5㎏정도 크게 하면 된다
      ◦ 슬럼프를 일정(수량일정)히 해두고 w/c를 변화시킬 때는 시멘트량 증가에 대하여 골재(주로 잔골재)의 중량을 0.84㎏씩 감소시킨다. 
                0.84 = 3.14 - 2.65 = 시멘트 비중 - 골재의 비중
       ⓔ w/c가 다른 수종의 concrete를 만들어서 시험결과 소요강도(경우에 따라서는 내구성이나 수밀성)를 얻을 수 있는 최적의 물-시멘트비를 결정한다.