스크랩 고강도 콘크리트의 정의 및 적용 현황

[yita]

1. 고강도 콘크리트의 정의

1.1 강도상의 정의

고강도 콘크리트를 사용하기 전 고강도 콘크리트의 정의가 국내에서 우선 명료하게 정의 되어야 하는데 이는 현재 국내의 여건차이 뿐만 아니라 국내에서 사용되고 있는 분야(건축, 토목), 사용되는 대상(일반 콘크리트, P.S. 콘크리트), 규준(KS, 콘크리트 시방서, 건축공사 표준시방서) 그리고 기술자나 제품생산업자에 따라 달라질 수 있기 때문이다. 현재 고강도 콘크리트를 건축물에 가장 많이 쓰고 있는 미국에도 1950년대에는 350kg/㎠ 이상인면 고강도로 간주되었으며, 아직도 미국내 일부분에서는 이 350kg/㎠ 이상이 물리적이나 심리적 한계로 여겨지고 있다. 이에 미국 콘크리트학회 고강도 콘크리트 분과위원회(Committee 363)는 1984년 보고서(2)를 통해 그의 제조에 관한 주의사항과 함께 보통중량 콘크리트(Normal Weight Concrete)는 420kg/㎠, 그리고 경량 콘크리트(Light Weight Concrete)는 280kg/㎠ 이상을 고강도로 간주하고 있으며, 보통중량콘크리트로서 1,050kg/㎠ 이상을 최근에는 초고강도 콘크리트(Ultra High Strength Concrete)라고 구분하고 있다. 이웃 일본에서는 건축에서는 270 이상 그리고 360 이하를 그리고 토목에서는 600~800kg/㎠ 정도를 고강도로 정의하고 있으며, 건축물에서는 이상 사용시 심의위원회를 통과하여 사용하도록 규정하고 있다. 국내에서는 건축공사 표준시방서에 보통중량 콘크리트는 270kg/㎠에서 360kg/㎠의 콘크리트를, 그리고 경량콘크리트는 240kg/㎠ 이상을 고강도 콘크리트로 간주하고 있으나 이는 KS에서 프리캐스트 콘크리트에 대하여 400~500kg/㎠의 강도를 요구하고 있거나, 1988년에 도입된 건설부 제정 극한강도 구조 설계규준이 대개 400~500kg/㎠의 강도의 콘크리트를 대상으로 한 구조 설계규준인 점으로 보아 국내에서도 고강도 콘크리트에 대한 정의가 달라져야 하며, 특히 건축분야에서의 상한 규준인 360kg/㎠ 이하의 조항은 시급히 개정되어야 할 것으로 보인다. 따라서 국내에서도 대강 400kg/㎠ 이상의 콘크리트를 고강도로 보아도 무방할 것 같으며, 여기에서도 400kg/㎠ 이상을 대상으로 한다.

1.2 제조방법상의 정의

콘크리트를 고강도화하기 위하여는 프리캐스트나 프리스트레스트 부재를 제조하기 위한 방법과 같이 낮은 물-시멘트비의 콘크리트를 원심성형시킨 다음 증기양생(65~75℃)을 한 후에 고온고압양생(Auto Clave 양생)시키는 양생방법 등을 사용하여 특수하게 하는 경우가 있고, 고분자 폴리머나 슬래그 등을 섞어 콘크리트내 공극(porosity)을 매우는 미세분말 침투법(Impregnated Method)도 있는데 제조원리와 방법은 아래 표 2-1에 정리되어 있다. 그러나 미국 콘크리트 학회 고강도 콘크리트 분과 위원회는 재래식 재료에 배합비를 달리하여 고성능 감수제를 첨가하는 방법으로 한정하고 있다. 이는 그의 제조가 경제성이 있어야 될 뿐만 아니라 시공상 등의 어려움 때문으로 생각되며 여기에서도 이러한 제조 지침정의를 따른다.

제 목 : 표 2-1 고강도 콘크리트의 제조원리와 방법

콘크리트는 시멘트, 물 및 골재와 각종의 혼화재료로 만들어지는데, 콘크리트의 고강도화의 방법은 대별하면 다음의 3가지로 나눌 수 있다.(도 2-1 참조)

(1) 시멘트 페이스트의 강도개선

(2) 골재의 강도개선

(3) 골재과 결합재의 부착강도의 개선

제 목 : 도 2-1 콘크리트의 고강도화의 방법

1.2.1 고성능 감수제의 이용

고성능 감수제를 응용한 유동화콘크리트는 1971년경 독일에서 된비빔콘크리트의 시공성을 개선할 목적으로 개발된 것으로 콘크리트의 고강도화를 위한 가장 단순하고 확실한 방법이다. 고성능감수제의 화학적조성은 (1) 멜라민술폰산염계, (2) 나프탈렌술폰산염계, (3) 변형리그닌술폰산염계, (4) 기타의 것으로 분류할 수 있으나, 일반적으로 (1)과 (2)에 속하는 제품이 거의 대부분을 차지한다.

일반적으로 시멘트 등의 미립자는 그 표면에너지를 감소시키려고 하기 때문에 응집화경향이 강하다. 즉 시멘트페이스트는 시멘트입자가 단독으로 분산된 상태가 아니라 상호의 2차 응집입자로 되어있어 유동상이 작은 상태로 된다. 이때, 고성능감수제가 첨가되면 시멘트입자 표면에 흡착되면서 표면에 전하를 주게 되고 입자끼리 상호반발력이 생긴다. 그러므로 응집한 입자가 분산되고 상호반발력에 의해 유동성이 증가된다.

최근에는 다량으로 사용해도 응집지연작용, 공기량의 과잉연행을 거의 나타내지 않는 감수제가 속속 개발되고 있다. 응집지연작용의 감수용은 대개 20~30%까지 가능한데, 물·시멘트비 25∼30%의 범위에서도 충분한 워커빌리티를 얻을 수 있다. 양질의 골재를 사용한다면 1,000kgf/㎠정도의 충분한 콘크리트를 만들 수 있다.

1.2.2 MDF 시멘트

1981년 영국에서 개발된 MDF시멘트는 시멘트입자가 대단히 미세한 분말구조를 가지며 큰 기공(대개 15 μm)을 추출한 시멘트제품이다. 또 소량의 물과도 시멘트 이용이하도록 폴리머를 가미하고 15 μm를 초과하는 기공이 시멘트경화체의 2%이내가 되도록 한 제품이다. MDF시멘트는 낮은 W/C 비로서 저기공휨(화체), 미수화클링커의 효과, 주입재의 충전·보강효과 등으로 초고강도시멘트를 만들 수 있다.

이미 ICI 사에서는 압축강도 1,500~2,500kgf/㎠, 휨강도 400∼1,500kgf/㎠, 인장강도 300∼1,000kgf/㎠의 초고강도화를 실현하였으며, 앞으로 그 용도가 주목되고 있다.

1.2.3 실리카퓸(silica fume)

페로실리콘이나 실리콘메탈의 제조공장에서 발생하는 폐가스를 집근하여 얻어지는 실리카퓸은 주로 복구를 중심으로 실용화되고 있다. 이것은 페로실리콘 등의 제조에는 많은 전력이 필요한데, 스웨덴, 핀란드 등의 북유럽 지역에는 싼값의 수력 발전에 의한 전기를 이용할 수 있기 때문이다.

실리카퓸은 비결성질로서 입경이 50 Å~0.5 μm정도의 구형의 초미립자로 비표면적이 시멘트의 70~80배에 달하는 20만㎠/g이다. SiO₂함유량이 90%정도의 고순도실리카질의 미분말이므로 시멘트 입자 둘레에 있는 공극을 메워주어 치밀한 구조를 이루게 한다. 즉 실리카퓸은 초미립자로서 포졸란활성이 높고, 이것의 수회광물은 페이스트중의 미세한 공극중에도 생성되고 수화과정중의 Ca (OH)₂와 급격히 반응하여 표면에 실리카가 풍부한 겔상으로 되어 초고강도를 얻게 된다.

보통 실리카퓸의 혼합률 15∼30%정도와 고성능감수제를 병용하면 보통콘크리트 압축강도의 3∼5배에 달하는 1,000~2.5000kgf/㎠까지의 초고강도를 얻을 수 있다.

1.2.4 활성골재의 이용

클링커골재와 같은 활성골재를 사용한다면 시멘트메트릭스와 골재의 부착강도를 높여서 높은 강도의 콘크리트를 얻을 수 있게 된다. 이러한 이유는 보통콘크리트의 경우 파괴시에 골재와 시멘트매트릭스의 경계면을 따라서 진전하기 때문이다. 보통 포를랜드시멘트 클링커는 초고강도콘크리트용 강도로서의 우수한 성질을 가지고 있다는 것이 이미 각종시험을 통하여 확인되었다. 클링커는 반응성 강도로 수화의 진행에 따라서 공재강도도 커질 뿐만 아니라, 공재표면에서도 결합재와 반응하여 부착력을 증가시켜 견고한 조직을 구성하게 된다.

제 목 : 표 2-2 클링거콘크리트의 압축강도

표 2-2는 시멘트량 500kg/㎥, 물·시멘트비 30%, 굵은골재로 클링커를 사용하고, 잔공재로 하천모래를 사용한 것인데 압축강도가 1,000kg/㎤에 달하는 콘크리트를 얻은 예이다.

1.2.5 오토클레이브 양생

오토클레이브양생은 포화수증기압에서 온도를 높이는 과정, 최고온도 유지과정, 온도강하 과정의 3단계로 나뉘고, 최고온도(동시에 압력발생)와 그 유지시간이 콘크리트의 강도발현에 큰 영향을 끼치게 된다. 오토클레이브양생의 최적조건은 시멘트의 종류에 따라 다르지만, 대개 180℃(10.0 kgf/㎠)~200℃(15.9kgf/㎠) 정도의 온도와 압력으로 최고강도를 얻을 수 있다. 고온고압의 포화증기중에서는 물의 작용이 활발해지면서 시멘트수화반응, 결합반응이 현저히 촉진되는데, 상온의 증기양생에서는 얻을 수 없는 tobormorite반응이 형성되고 이것은 시멘트경화체를 고강도화하여 동시에 단열성이 높은 재료로 만든다. 이렇게 하면 1,000∼1,200kgf/㎠ 정도의 압축강도를 얻을 수 있다.(도 2-2)

제 목 : 도 2-2 오토클레이브한 콘크리트의 압축강도

도 2-3은 기준 슬럼프 값을 일정(10±1cm)하게 하였을 때 단위 시멘트량에 따른 고성능 감수제의 사용량을 6단계로 변화시켜 물-시멘트비와의 관계를 나타낸 것이다. 이 그림은 고성능 감수제의 사용량에 따라 물-시멘트비가 거의 직선으로 감소하는 현상을 나타낸 것이다. 여기서 낮은 물-시멘트비는 도 2-4에서 보는 바와 같이 압축강도가 비례하기 때문에 고성능 감수제는 고강도나 유동성 중진을 위해서 필수 불가결함을 알 수 있다.

제 목 : 도 2-3 고성능 감수제의 사용량과 물-시멘트비와의 관계(4)

제 목 : 도 2-4 혼합제 종류에 따른 물-시멘트비와 압축가아도와의 관계(3)

2. 이점과 용도

고강도 콘크리트는 보통중량 콘크리트로서 단위면적당 재료적인 효과가 높을 뿐만 아니라 부재 단면의 축소화를 통해 넓은 공간을 얻을 수 있으며, 자중을 감소시킬 수 있는 부차적인 효과를 얻을 수 있다. 또한 고강도 콘크리트는 고유동화제(Super Plasticizer)를 사용함으로써 시공성(유동성)을 향상시킬 수 있으며 이러한 이점을 구체적으로 다음과 같이 나타낼 수 있다.

(1) 시공능률의 향상

(2) 공기의 단축

(3) 작업량의 감소

(4) 진동의 감소

여러 가지 방법을 이용하여 고강도콘크리트를 제조할 수 있는데, 현재까지 가장 많이 채용되는 방법은 오토클레이브양생과 고성능감수제의 사용이다. 800kgf/㎠ 이상의 초고강도용 제품은 PC파일, PC트러스가 주류이고 현장시공에서는 각종 건축물, 교량구조물, PC구조물 등에 많이 사용된다. 또한 최근에는 금속재료의 대체용으로도 검토되고 있으며, 방사성폐기물로의 컨테이너, 진동감쇄특성과 강성을 이용한 공작기계의 베드, 분체전송관 등의 라이닝재료로도 눈을 돌리고 있다.

프리스트레스트콘크리트 파일은 설계기준강도 80kgf/㎠ 정도의 초고강도화를 실현한 대표적인 제품인데, 보통포틀랜드시멘트, 실리카질이 많은 견고한 골재, 고성능감수제를 사용하여 시멘트량 430~550kg/㎥, 물·시멘트비 30~35%정도, 슬럼프 8∼15cm의 콘크리트를 원심력다짐한후 70∼80℃ 전후에서 10시간 정도 증기양생하고, 또다시 오토클레이브양생(180℃~200℃에서 8~15시간)하여 만든다. 최근에는 고성능감수제와 팽창제를 사용한 콘크리트를 강관의 내측에 라이닝하고 오토클레이브 양생하여 800kgf/㎠ 이상의 초고강도콘크리트 강관을 합성한 예도 있다.

콘크리트 널판은 주로 가압증기양생으로 제조하고, 맨홀용 블록은 고분자재료를 결합재로 한 폴리머콘크리트가 많이 사용되며, 통신케이블용 매설관, 지하매설구조물에도 레진콘크리트가 많이 쓰이는데, 이것들은 강도뿐만 아니라 전기절연성, 내구성, 내수성 등에서도 우수하기 때문이다.

이 외에도 건축물에 적용하여 설계강도가 600kg/㎠ 이상의 30~70층까지의 고층건축물에 적용한 경우가 많이 있고(도 2-5 참조), 최근에는 비중 1.8정도, 압축강도 800kgf/㎠이상의 초고강도 경량콘크리트 구조물도 선보이고 있다. 또 PC게르버교, PC트러스교에도 설계기준강도 800kgf/㎠ 이상의 적용 예들이 많이 나오고 있는데, 아직까지는 거의 공장제품들이 대부분이다.

제 목 : 도 2-5 건축물 고강도 적용 예

 

[출처] 고강도콘크리트의 정의|작성자 퐈