정암의 건축이야기[18] - 시멘트, 몰탈, 콘크리트, 레미콘, 레미탈

[정암]

시멘트, 몰탈, 콘크리트, 레미콘, 레미탈

원래는 욕실의 환기부분과 주방을 다룰려고 했는데, 욕실의 환기부분은 아무래도 시공편에서 주방은 과외편으로 다루어야 하지 않을까 싶어서 그냥 건너 뜁니다. 

이제 기본적인 설계요소에 대해서는 어느정도 설명이 되었다고 생각합니다.

순수건축에서 다루는 부분은 대부분 주요구조부분과 공간구분 및 동선계획 그리고 재료에 대한 것입니다.

그 이외의 실생활과 관련이 있고 사람이 직접 접촉하는 부분은 인테리어에서 다룹니다. 

이번 포스트는 건설재료에 대한 것으로, 

 첫번째로 가장 많이 사용되는 시멘트(Cement)에 대해서 이야기 하겠습니다. 

시멘트는 칼슘이 주원료인 재료입니다.

칼슘은 지구상에 존재하는 물질중에 많은 부분을 차지하는 물질입니다.

흙의 입자를 분석하면 흙에는 탄소, 칼슘,나트륨,규소,철 등 다양한 물질들이 혼합되어 있습니다.

칼슘은 동물의 뼈대를 형성하는 물질이기도 합니다. 식물의 섬유질을 구성하는데도 사용됩니다.

칼슘은 강한 알카리 물질로 물과 결합하려는 성능이 강합니다.

칼슘분말과 물을 섞으면 화학반응을 일으키며 단단한 덩어리로 만들어집니다. 이것을 수화반응이라고 합니다.

단단한 덩어리로 변해버린 칼슘은 이미 화학적으로 변해버려서 잘게 부순다음에 물을 부어도 다시 덩어리로 변하지는 않습니다.

하지만 강하게 가열하면 화학반응이 일어나서 다시 칼슘분말과 물로 분해될 수 있습니다.

그러면 시멘트는 어떻게 만들어졌을까요.

아주 오래전 화산활동이 일어났을때 화산의 강한 불기둥에 흙이 타면서 그 안에 있던 칼슘이 공중에 분출되며 하늘을 날아다니다가 바닥으로 떨어져 쌓인 것이 오랜기간 퇴적되어 시멘트로 만들어진 것입니다.

순수칼슘의 농도가 높아 그것을 캐내어 약간의 첨가물을 넣어 물과 섞으면 단단하게 굳는 시멘트가 되는 것입니다.

이런 시멘트는 화산근처에만 있는게 아니라 화산과 멀리 떨어진 곳에서도 발견할 수 있습니다.

최근엔 제철소에서 나온 고로시멘트라는 것이 있습니다.

고로시멘트는 철광석을 뜨겁게 달구어 철을 녹여내고 나면 그 나머지에 여러가지 물질이 발생하지만 고농도의 칼슘분말도 나옵니다.

그 고농도의 칼슘분말을 사용하는 것이 고로시멘트인데 성능은 탄광에서 캐낸 시멘트와 큰 차이가 없습니다.

이러한 시멘트는 서양에서는 꽤 오래전부터 사용이 되어 왔습니다.

수순한 시멘트는 고농도의 칼슘이고 물과 반응해서 딱딱해지기는 하지만 단점도 있습니다.

전체적인 강도는 약해지는 경향이 있습니다.

(수정결합구조, 유리처럼 깨지는 성질) 못으로 한쪽을 때리면 마치 얼음처럼 전체적으로 쫘악하고 갈라져 버리는 습성인 것입니다.

원래 강도(强度)라는 것은 표면적의 넓이와 비례합니다. 즉, 같은 비중의 어떤 사물의 표면적이 넓을 수록 강도도 강해지는 것입니다.

적당한 크기의 나무판재를 그냥 놓았을때 보다 그 나무에 홈을 넣어주어서 표면면적을 넓혀주면 더 강해지는 것입니다.

그것은 유리도 마찬가지고 시멘트도 마찬가지입니다.

그러한 표면을 따라 형성되는 강도는 소위 결이라는 것으로도 형성 됩니다.

나무가 강한 힘을 발휘하는 이유는 섬유질 구조로 되어있기 때문입니다.

섬유질 부분은 밀도의 차이로 인해 하나의 표면으로 작용하는 것입니다.

시멘트나 유리는 이러한 결을 만들지 못하는 구조이기 때문에 쉽게 잘 깨질 수 있습니다. 

시멘트와 비슷한 물질로 석고라는 것이 있습니다. 

석고도 칼슘이 주원료인데 주로 흰색의 분말로 되어있습니다. 

석고는 물과 섞으면 급하게 굳어버리는 성향이 있습니다. 

이점이 시멘트와 다릅니다. 

시멘트는 물과 섞으면 1시간 정도 있어야 굳어버립니다. 

시멘트나 석고 모두 칼슘이 물과 결합하면서 열을 내는 수화반응을 통해서 수산화 칼슘으로 변하며 딱딱해집니다. 

<시멘트 광산>

<시멘트>

<석고로 만든 미술품> 

몰탈(Mortar)은 시멘트, 모래, 물을 1:1:1 또는 기타 비율로 비벼놓은 것을 말합니다.

시멘트만 가지고 양생(수화반응, 물과 반응시켜 응고)을 했을때 강도가 약하다고 했습니다.

그런데 모래를 섞으면 매우 단단한 상태로 바뀌게 됩니다.

그 이유는 두가지 면에서 볼 수 있습니다.

첫째로 굳은 시멘트에 표면적을 넓게 만들어주어서 자체 강도를 높여주는 것이고,

둘째로 시멘트가 목적이 아니라 모래를 응집시켜주는 효과가 있기 때문입니다.

시멘트와는 반대로 모래는 규소(실리콘-실리콘에 대한 이야기는 추후 다른 편에서)가 주요성분이며 모래자체의 강도도 꽤 높습니다. 이런 모래를 시멘트가 마치 풀처럼 서로 응겨붙도록 만드는 것입니다. 모래는 스스로 붙는 성질이 없기 때문에 시멘트로 붙여주는 것이죠.

시멘트의 강도와 모래의 강도가 잘 어우러져 단단한 건축재가 되는 것입니다.

몰탈(또는 모르타르)은 조적에서 벽돌이나 블럭 쌓을때 접착제로도 사용되고 벽이나 바닥의 마감 미장용으로도 사용되고, 여러가지 구조물을 만들때도 사용되기도 합니다.

불과 20여년전만 하더라도 건설현장에서는 시멘트와 모래를 섞은다음 물과 비벼서 사용을 했습니다.

하지만 요즘엔 레미탈이란 제품이 나와서 쉽게 물만 섞어서 사용할 수 있는 제품도 있습니다.

몰탈은 여러종류가 있어서 보통 미장용 몰탈을 사용하지만 건설현장에서는 무수축몰탈, 수지몰탈, 방수몰탈 등도 사용합니다.

무수축 몰탈을 건조수축으로 인한 크랙을 방지하기 위한 제품이고, 수지몰탈은 몰탈에 수지(플라스틱)를 첨가한 제품이며, 방수몰탈은 몰탈에 방수성분을 첨가한 것입니다.

<레미탈>

<특수 시멘트> 

콘크리트(Concrete)는 그 역사가 로마시대로 거슬러 올라갈 정도로 오래된 건축재이며, 현대의 콘크리트가 일반화된 것은 20세기에 들어서 입니다.

콘크리트란 컨스트럭션 크리에이쳐의 줌말로 건설용으로 개발된 창조물 이라고 보시면 될 것입니다.

몰탈만으로는 대형구조물이나 높은 건축물을 만들 수가 없었습니다.

이것을 과거 누군가가 열심히 연구해서 개발한 것이 콘크리트입니다.

콘크리트는 몰탈에 자갈을 섞은 것을 말합니다.

몰탈이 시멘트에 모래를 섞어 강도를 높였다고 했습니다.

그런데 그 몰탈만 가지고는 거대한 구조물로 만들고 커다란 응력을 받치기에는 한계가 있었습니다.

그래서 예전에는 거대한 석재를 연결하는 용도나 작은 벽을 만드는 정도로만 사용했습니다.

그런데 산업혁명을 통한 근대화에 이르러서 거대한 건물들이 필요로 하게 되면서 나온 아이디어는 몰탈에 자갈을 섞는 것이었습니다.

몰탈의 표면적을 넓혀주면서 자갈의 응집력을 보태 더욱 더 큰 구조물을 만들 수 있게 된 것입니다.

옛날 고대 이집트의 경우 피라미드를 건설하고 고대로마에서 신전을 건축하기 위해서는 수십톤에 달하는 돌을 잘라서 운반하고 세워야 했습니다.

그런 무지막지한 인력동원을 줄이게 된것이 바로 콘크리트입니다.

<노출콘크리트 건축물> 

콘크리트는 마치 용암과 같은 흐르는 바위덩어리인 것입니다.

물처럼 떠다가 형틀에 부어 형태를 만들고 굳히면 마치 거대한 돌과 같은 모양을 만드는 것입니다.

이는 마치 밀가루 풀을 빵틀에 부어넣은 다음 열을 가해 굳혀서 붕어빵 모양을 만드는 것과 같습니다.

흐르는 물과 같다고 해서 가벼운 것도 아니고 다루기 쉬운것도 아니지만 일단 굳으면 매우 단단한 바위가 되는 것입니다.

이런 콘크리트의 장점은 쉬운 제조와 쉬운 운반 쉬운 성형등을 들 수 있습니다.

물론 단점도 있습니다.

콘크리트는 제대로 굳기까지 시간이 필요하고 무게가 많이 나가므로 위험하기도 합니다.

칼슘으로 인한 알카리 반응도 높아 흔히 말하는 새집증후군의 요소중에 하나이기도 합니다.

콘크리트도 예전엔 현장에서 모래와 시멘트, 자갈을 섞은다음 물을 넣어 비벼서 사용했지만 요즘엔 레미콘이란 것을 이용합니다.

레미콘 공장에서 비율에 맞게 비빈다음에 레미콘 트럭으로 배송하여 현장에 타설하는 것입니다. 

<레미콘 트럭들, 6㎥,7㎥,8㎥,9㎥ 용량들이 있으며, 

㎥(체적, 세제곱미터를 루베라고 읽는다. 제곱미터 ㎡는 헤베라고 읽는다.> 

콘크리의 강도는 시멘트, 모래, 자갈의 배합비율과 첨가되는 혼화제에 의해 좌우됩니다. 

레미콘에는 규격이란 것이 있는데, 보통 25-24-150 등으로 표시됩니다.

여기서 25는 굵은골재(자갈 또는 쇄석)의 공칭 지름을 말합니다.

예전엔 강바닥의 자갈을 채취해서 사용을 했는데, 무지막지한 건설개발로 강바닥의 자갈이 고갈되어 지금은 채석장에서 캔 석재를 부셔서 사용합니다.

공칭지름이 25mm인 이유는 철근배근의 간격이 최소 25mm 이기 때문입니다.

만일 자갈의 지름이 25mm가 넘어가면 철근때문에 타설이 어려울 것이고, 25mm보다 작으면 원하는 강도가 안나올 수 있기 때문입니다.

물론 모든 자갈이 다 25mm는 아니고 보통 15~25mm의 자갈을 이용합니다.

24는 콘크리트의 강도 24Mpa를 뜻합니다.

1 제곱 센티미터당 240키로그램의 무게를 견들 수 있다는 뜻입니다.

콘크리트의 강도는 여러가지가 있는데 보통 18,21,24,30 이렇게 사용합니다.

이 강도는 시멘트와 골재(모래와 자갈)의 배합비율에 따라 달라집니다.

고강도 콘크리트 중에 100Mpa짜리도 있습니다.

이경우 콘크리트 안에 섬유보충재라는 것을 넣어서 만드는 것입니다.

마지막에 150이라는 것은 슬럼프치라고 해서 30cm 높이의 틀에 콘크리트를 넣고 틀을 뽑았을때 뭉개지는 정도를 나타내는 것입니다.

너무 많이 뭉개지면 묽은 것이고 너무 안뭉개지면 된것인데, 구조물에서는 되도록 뭉개지는 것이 좋지만 너무 뭉개지면 물을 너무 많이 넣은 것이 되어서 나중에 양생후에 콘크리에 공극이 많이 생길 수 있습니다.

너무 안뭉개지면 구조물은 단단해질 수 있지만 콘크리트 타설이 힘들고 바이브레이터로 아무리 지져대도 잘 투입이 안될 수도 있습니다.

그래서 거대한 구멍이 발생할 수 있습니다. 

[타설전 콘크리트 품질검사]

<생콘크리트 품질시험 검사 - 보통 레미콘 회사의 품질팀에서 출장시험 합니다.>

<콘크리트 슬럼프 테스트 과정>

<콘크리트 공기량 테스트 과정>

<콘크리트 염화물량 테스트 과정>

보통 빌딩건설에서는 25-24-150 제품을 많이 사용하고, 저층주택에서는 25-21-150을 많이 사용하며, 버림이나 누름등 비구조체에는 25-18-180을 많이 사용합니다.

콘크리트의 강도는 구조계산을 통해서 결정짓는 부분이므로 설계도서에 반드시 표기되어 있어야 하며, 임의대로 바꾸어서는 안되는 부분이기도 합니다.

이런 콘크리트를 활용한 제품들도 많습니다.

콘크리트(시멘트+모래+자갈+물)를 이용해서 관을 만들면 콘크리트관, 콘크리트를 이용해 벽돌을 만들면 콘크리트 벽돌(Brick-일반적인 벽돌), 콘크리트로 블럭을 만들면 콘크리트 블럭이라고 합니다.

그 외에도 콘크리는 다양한 제품들이 있습니다만 너무 많은 양이므로 여기서 그만...(집짓는데, PC공법이나 프리텐션 콘크리트같은 것은 설명할 필요가 없을 듯 해서요. ㅎ~)

콘크리트를 시공할때는 주의할 점이 있습니다.

과거 콘크리트에 물타서 부실공사를 했다는 언론보도가 있었습니다.

주로 80년대에 그런 보도가 많았는데,,

레미콘의 규격이 확정되고 그에 따른 레미콘 공급을 하다보니 현장에서 콘크리트공이 레미콘 때문에 공사가 매우 힘들어지기도 했습니다.

그 이유는 기존에 직접 만들어서 사용하던 것보다 된 콘크리트가 배송되기 때문이었는데, 이때 물을 넣으면 좀 더 묽어져서 일하기가 편했기 대문에 물을 넣었습니다.

콘크리트는 수화반응을 하기 위해서는 물이 필수이고 물이 많을 수록 양생이 잘되기는 합니다만 단점이 물을 넣으면서 시멘트와 골재가 분리되는 현상이 발생되었습니다.

무슨 말이냐면 나중에 형틀을 뜯어보면 굵은 자갈 따로, 모래따로, 시멘트따로 굳어서 마치 무지개떡처럼 되는 현상이 발생하는 것입니다.

레미콘에 물을 넣더라도 잘 비벼서 제대로 섞이게 하면 되는데 그냥 물만 넣고 바로 퍼부우니 가벼운 시멘트는 물따라 흘러가고 무거운 자갈은 제자리에 멈춰있다보니 생긴 현상입니다.

이런 현장은 특히 비가내릴때 콘크리트를 타설하면 나타납니다.

빗물이 콘크리트에서 시멘트를 씻겨 내려보내면서 한쪽은 시멘트만 모여 양생되고 한쪽은 자갈만 쌓여양생되는 현상으로 구조적으로 매우 안좋은 상태가 되는 것입니다. 

<콘크리트의 재료분리 현상> 

재료분리현상이 일어나는 이유는

첫째, 빗물이나 또는 물넣기를 하여 시멘트가 씻겨나가는 이유,

둘째, 콘크리트 타설시 진동기 다짐을 제대로 하지 않거나 너무 많이 해서,

셋째, 기둥부위등 철근이 집중적으로 모여있는 부분에  펌프카 슈트(자바라)를 깊이 넣지 못하고 높은곳에서 쏟아부어서 철근에 의해 시멘트풀과 골재(자갈)이 걸러져서 입니다.

콘크리트는 보통 배합한 후 1시간 이후부터 굳기 시작합니다.

물론 시멘트의 성질이 물과 닿으면 바로 반응을 하기는 하는데 시멘트의 화학반응은 그냥 반응하는게 아니라 연쇄반응이라고 해서 일정온도가 되어야 화학반응을 시작하며, 그 화학반응으로 발생된 열에 의해서 옆의 분자도 화학반응을 일으키게 됩니다.

그래서 처음 배합을 했을때는 반응이 느려지다가 한시간쯤 지나면 그때부터 격렬하게 반응하기 시작합니다.

요즘 나오는 레미콘은 물의 온도를 조절하고 반응지연제 등을 첨가하여 2시간에서 2시간30분이 지나야 격렬하게 반응합니다.

배합 후 1시간후 부터 굳기 시작한 콘크리트는 24시간이 되면 두부처럼 응결되어 있고 사람이 올라가도 쉽게 무너지지 않게 됩니다.

그러나 이 상태에서 심하게 충격을 주면 콘크리트에 커다란 크랙이 발생할 수 있습니다.

보통 3일정도가 지나면 형틀을 해체해도 콘크리트에 손상이 가지 않으며 7일이 지났을때는 요구하는 강도의 66%정도 발현이 됩니다.

28일이 되었을때 기준강도의 100% 이상이 발현되지만 양생은 그 이후로도 계속 진행이 됩니다.

콘크리트의 자체 강도가 완벽하게 100% 발현되는 시기는 45년 정도를 본다고 합니다.

우리가 품질관리를 할때 콘크리트의 강도는 28일 강도를 기점으로 잡습니다.

24MPa의 강도로 주문된 콘크리트는 28일에 24MPa 이상의 강도가 나와야 하는 것입니다.

하지만 24MPa가 나오지 않았다고 해서 그 콘크리트를 제거하고 새로 타설하거나 그럴 필요는 없습니다.

1년동안은 계속해서 양생이 되며 그 콘크리트가 가질 수 있는 최대강도 (예를 들면 6~70MPa)의 95% 이상이 발현되기 때문입니다.

그리고 45년간은 남은 5%가 양생이 되는 것입니다.

콘크리트 건물은 오래되면 오래될 수록 더욱 더 강해지는 것입니다.

그러나 콘크리트의 강도검사시 불합격이 되었을 경우에는 일단 공사를 중지한 후 실제 타설위치에서 코어추출을 통한 강도확인을 하여 기준강도 미만일 경우 1주일 정도 더 양생을 하여 기준강도 이상이 되었을 때 다음 공사를 시작하여야 합니다.

이는 강도가 부족하여 타공정 진행시 구조체에 균열이나 강도저하 등의 악영향을 미칠 수 있기 때문입니다. (흔히 콘크리트에 멍이 든다 라고 표현)

우리가 레미콘을 주문할때 규격은 기준강도라고 해서 28일이 되었을때 발현되는 강도를 말하는 것이며, 콘크리트의 최대강도는 실제 그 콘크리트를 최소 20년은 지나서 강도를 재봐야 알 수 있습니다.

콘크리트 강도의 측정은 타설현장에서 몰드를 만들어서 20℃ 물속에서 7일, 28일 동안 양생을 하여 측정한 겂을 이용하기때문에 실제 건물의 콘크리트 강도와 약간의 차이가 있을 수 있습니다.

그래서 구조안전진단을 할때는 슈미트해머라는 측정공구를 이용하여 벽을 때려서 그 반발력으로 강도를 측정합니다.

< 슈미트해머 콘크리트 강도측정>

콘크리트가 양생을 계속하기 위해서는 물이 계속 필요하게 됩니다.

콘크리트 속에 남아있는 순수칼슘과 물이 계속 결합해야 하기 때문입니다.

그래서 약간 축축한 상태로 보존되는 콘크리트는 더욱 더 빨리 강해질 수 있습니다.

다만 물의 PH농도와 불순물에 따라 오히려 다시 콘크리트에서 칼슘이 분해되는 경향도 있습니다.

이를 중성화라고 합니다.

칼슘으로 이루어진 석회는 산성의 물과 결합해서 흐르며 새로운 것을 만들기도 하는데 그것이 바로 대리석과 종유석입니다.

어떤 건물의 외부를 보면 마치 고드름처럼 이상한 물질이 매달리기도 하고, 일부 백화현상이라고 해서 건물 외부에 하얀 소금같이 보이는 것이 흐른 자국이 보이게 되는데, 전형적으로 산성비나 산성물에 의해서 만들어진 일종의 종유석 같은 것으로 이는 콘크리트의 내구성을 약화시켰다는 증거인 것입니다.

<시멘트(콘크리트)의 백화현상>

<산성비로 인한 콘크리트 종유석 고드름 현상>

시멘트와 콘크리트에 대한 과학적이고 공학적인 지식은 무지무지 방대하므로 그냥 이정도에서 마치도록 하겠습니다.