고강도 콘크리트 및 그 적용

1. 고강도 콘크리트의 정의와 활용

콘크리트가 인간 생활과 밀접한 관계를 가진 이후 콘크리트의 품질 개선을 위한 인간의 노력은 계속되어 왔으며 현대사회의 도시 집중화에 따른 구조물의 고층화(초고층화, 심층지하구조물등), 대형화(장지간 구조물, LNG탱크 등) 및 특수화(해양구조물, 원자력발전소 등) 등에 의한 기술적, 경제적 요구로 인해 건축 및 토목구조물 설계자에게 대한 보다 높은 강도와 강한 재료에 대한 필요가 계속적으로 증가하고 가고 있는 상황이다.

시대적 흐름에 따라 고강도 콘크리트의 정의는 계속적으로 변화하고 있으며 1950년대에는 압축강도 35MPa, 1960년대에는 40MPa 이상이 고강도 콘크리트로 간주되어 상업적으로 사용되었으나 1970년대 초에는 압축강도 60MPa의 콘크리트가 생산되기 시작하였으며 1980년대에는 압축강도 100MPa의 콘크리트가 등장하여 조립식 건물과 프리캐스트 콘크리트용으로 사용하게 되었다. 2000년대에 들어서는 압축강도 150MPa의 레미콘 상용화가 가능하게 되었으며 1990년대 중반에 등장한 RPC(Reactive Powder Concrete)는 압축강도가 200~800MPa로 콘크리트의 경계를 콘크리트와 강재의 복합재료의 영역으로까지 넓히게 되었다.

고강도 콘크리트는 보통 콘크리트보다 높은 강도의 콘크리트로 그 의미는 시대와 지역에 따라 많은 차이가 있어 1950년대에는 350kgf/cm2(5,000psi) 이상, 그리고 1960년대부터는 420kgf/cm2(6,000psi) 이상의 콘크리트를 고강도 콘크리트로 분류하였다.

미국 콘크리트학회 고강도 콘크리트 분과위원회(Committee 363)는 1984년의 보고서에서 보통 중량 콘크리트(normal weight concrete)의 압축강도는 420kgf/cm2, 그리고 경량 콘크리트는 280kgf/cm2을 고강도 콘크리트로 분류하였다. 최근에는 보통중량 콘크리트로서 420kgf/cm2 이상을 고강도 콘크리트로, 그리고 1,050kgf/cm2 이상을 초고강도 콘크리트(ultra-high strength concrete)로 정의하고 있다.

유럽에서는 FIP/CEB에서 1990년에 High Strebgth Concrete of the Art Report를 발간하여 유럽 지역을 중심으로 지침서를 발간하였으며 각국별 고강도 콘크리트 관련 진행 내용은 다음과 같다.

노르웨이는 유럽 지역에서 가장 고강도 콘크리트를 많이 활용하고 있다. 북해에 콘크리트 해양 플랫폼을 세우면서 내구성이 우수한 고강도 콘크리트의 사용이 1970년대 이후 활발하게 되었다. 1970년대 초에는 28일 재령 압축강도 400~450kgf/cm2의 콘크리트가 주로 사용되었으며 1980년대에는 압축강도 450~600kgf/cm2의 콘크리트가 사용되었다.

5종 시멘트와 펌프압송성 향상을 위해 실리카 흄이 사용되고 있으며 고속도로와 교량이 내마모성이 큰 압축강도 600~700kgf/cm2의 고강도 콘크리트가 많이 사용되고 있다.

영국은 고강도 콘크리트 관련 지침이 아직 없으며 1976년 시멘트협회와 시멘트∙혼화제협회가 공동으로 콘크리트의 유동성 확보에 중점을 둔 유동화 콘크리트 보고서를 작성하여 이를 프리캐스트 콘크리트 분야에 이용하고 있다.

독일의 경우도 초기에는 콘크리트의 유동성 증진을 목적으로 개발이 진행되어 1974년에 서독 철근 콘크리트협회에서 유동화 콘크리트의 제조와 시공에 관한 지침이 작성되었다.

근래에는 고강도 콘크리트의 응용이 활발하게 진행되어 건축물과 원자력 발전소 등에 압축강도 500kgf/cm2 이상의 콘크리트가 시공되고 있으며 고강도 콘크리트의 90% 이상이 유동화 콘크리트로 제조되고 있다.

프랑스는 1985년 라데빵스 아치에 압축강도 600kgf/cm2, Ile De Re와 sylans Viaduct 교량에 600~700kgf/cm2의 콘크리트를 시공하였으며 1996년도의 4차 High Performance Concrete Workshop에서는 고인성 콘크리트(Reactive Powder Concrete)를 개발 결과를 발표하였다.

캐나다에서는 1997년에 압축강도 3,000kgf/cm2의 초고강도 콘크리트를 셔브룩(sherbooke) 교량에 실제 적용하였으며 1998년에는 8,000kgf/cm2 고인성 콘크리트의 개발을 발표하였다. 일본은 과거 지진을 고려하여 건축물 높이를 15~18층 이하로 제한하다가 근래 내진기술의 향상 및 고강도 콘크리트의 개발로 인해 고층 건축물의 시공이 활발해져 RC 초고층 주택이 전체 주택 형식의 약 70%를 차지하는 등의 고강도 콘크리트의 사용이 확대되고 있으며 최근 동경지역의 재개발에 초고층 건축물에 압축강도 1,000kgf/cm2 이상의 초고강도 콘크리트가 다수 적용될 예정이다.

국내의 경우는 고강도 콘크리트의 적용을 위한 많은 변화가 시도되었으며 그 중에는 1988년에 극한강도 구조설계법에서 구조용 콘크리트의 정의를 보통 콘크리트의 경우는 압축강도 150kgf/cm2 이상, 420kgf/cm2 이하로 제한하여 압축강도가 420kgf/cm2을 넘는 콘크리트를 사용하는 경우는 일부 제약이 따랐으나 1994년 개정판에서 상한선을 삭제하고 구조용 콘크리트의 압축강도를 180kgf/cm2로 채택함으로써 고강도 콘크리트의 이용이 활발하게 되었다.

건축공사 표준시방서에서는 1986년도판에는 고강도 콘크리트의 정의를 압축강도 270~360kgf/cm2이하로 하고 있으나 1994년도판에는 압축강도 300kgf/cm2 이상으로 개정하였으며 시공을 위한 구체적인 지침도 보완되었다.
그리고 1999년에 개정된 콘크리트 표준시방서에 서는 압축강도 400kgf/cm2 이상을 고강도 콘크리트로 정의하고 있다.

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4. 고강도 콘크리트의 제조, 시공 및 품질관리

4.1 물결합재비(Water/Binder Ratio) 및 배합설계(Mix Design)

초고강도 콘크리트의 제조를 위하여는 물결합재비를 낮게 하여야 하며 이를 위해서는 고성능감수제의 사용이 필수적이다. 설계기준 압축강도 400~500kgf/cm2의 고강도 콘크리트 제조를 위하여는 30~35%의 물결합재비가 많이 사용되며 1,000kgf/cm2 이상의 강도를 안정적으로 확보하기 위해서는 물결합재비를 20% 이하로 유지하여야 한다.
배합설계는 반드시 사전 시험배합을 통해 확인되어야 하며 현장실기실험을 통하여 현장 재료의 여건 및 설비를 고려한 최종배합이 결정되어야 한다.

4.2 배합(Mixing)

고강도 콘크리트는 배치 플랜트 및 믹서 등의 성능을 고려하여 배합되어야 하며 배합과정은 표준시방서에서 권장하고 있는 방법에 따라 실시되어야한다. 믹서의 성능을 파악하기 위하여 일정 기간 동안 배합된 표본을 추출하여 균질성 시험을 실시하여야 한다.
고강도 콘크리트는 일반 콘크리트와 비교하여 시멘트량이 많고 단위수량이 적어 배합이 어렵고 고성능감수제의 성능발휘를 위하여 배합시간의 증가가 요구된다. 재료의 투입은 일반 콘크리트와 유사하나 레미콘 생산성능을 고려하고 고성능감수제의 성능을 높이도록 재료의 투입 순서와 시기 등에 대하여 검토가 필요하다.

4.3 운반(Transportation)

고강도 콘크리트는 재료의 작업성 손실을 방지하기 위하여 신속히 운반되어야 하며 특히 하절기 등의 콘크리트 온도가 상대적으로 높은 경우에는 콘크리트의 작업성 확보를 위한 대책이 사전 수립되어야 한다. 최근에는 이러한 용도로 시간 경과에 따른 슬럼프 로스를 방지하는 폴리카본산계 고성능감수제가 개발되어 널리 사용되고 있다.

4.4 타설(Placing)

고강도 콘크리트의 타설에는 타설량 및 타설높이 등을 고려하여 버킷 혹은 펌프가 주로 사용된다. 펌프카 사용시에는 펌프관의 굽힘이 최소화되도록 하며 연속적 작업이 이루어질 수 있도록 하고 고층부분에 압송할 경우에는 펌프 압력의 계산에 주의하여야 한다. 초고층 압송시에는 2단으로 나누어 압송하기도 하나 최근에는 초고층용 펌프카 장비가 개발되어 사용되고 있다.

4.5 다짐(Compaction)

고강도 콘크리트는 점성이 커서 유동성을 높인 경우에도 골재분리가 적으나 철근 등이 과밀배근인 경우에는 세심한 주의가 필요하다. 1개소에 지나치게 긴 진동을 주지 않고 내부 진동기의 삽입간격을 좁게 하며 진동시간을 짧게 하는 것이 좋다.

4.6 양생(Curing)

고강도 콘크리트는 단위시멘트량이 높아 수화열이 많이 발생하므로 하절기에는 충분한 수분공급을 위하여 피막양생 이외에 추가로 물을 공급하는 습윤양생(Ponding, Spray, Wet Burlap 등)이 고려되어야 하며 동절기에는 수화열 응력에 의한 온도균열 예방을 위한 보온양생이 준비되어야 한다.

4.7 거푸집(Mold)

거푸집은 콘크리트 타설시의 각종 하중 및 측압에 안전하게 설계되어야 하며 유해한 누수가 없고 콘크리트에 손상을 주지 않고 제거가 용이하여야 한다.
고강도 콘크리트는 유동성이 크므로 일반 콘크리트에 비해 거푸집에 미치는 측압이 증가한다.
초기의 습윤양생 기간이 길수록 콘크리트의 고강도가 확보되므로 거푸집의 존치기간이 길수록 고강도 콘크리트의 강도확보에 유리하나 실제공사에서는 경제성이 고려되어야 하므로 거푸집 제거 후의 충분한 수분공급과 온도 유지를 위한 보완조치가 필요하다.
ACI363에서는 거푸집 제거를 콘크리트의 강도가 약 80kgf/cm2 정도 확보되 이후에 실시하도록 권장하고 있다.

4.8 품질관리(Quality Control)

고강도 콘크리트는 재령 28일 이후에도 압축강도가 계속 증가하고 고층구조물에서 하단부분은 1년이상의 기간까지도 완전한 하중이 작용하지 않으므로 압축강도 시험 기간이 연장되는 경우가 많다. 고강도 콘크리트의 압축강도는 시험방법에 따라 크게 좌우된다.
공시체의 제조 및 시험시편의 준비에 세밀한 관심을 가져야 하며 압축강도 시험시의 공시체는 양면이 완전히 편심이 발생하지 않아야 한다. 시험 기기의 강성은 압축강도 발현에 큰 영향을 미치는 점을 고려하여 압축강도기를 사용하여야 하며 시험기기는 정기적으로 점검하여 교정하여야 한다.

건설특강-2노재호.pdf

롯데건설 기술연구원