콘크리트 배합설계

콘크리트 배합설계

서론

 

 콘크리트의 배합설계는 소요의 강도, 내구성, 수밀성을 가진 콘크리트를 경제적으로 얻기 위해 시멘트, 물 골재, 혼화재료를 적정한 배율로 배합하는 것을 말하며, 배함의 종류(콘크리트 시험 비비기)에는 시방배합과 현장배합이 있으며 시방배합은 시방서 또는 책임기술자에 의한 배합이고, 현장배합은 시방배합의 콘크리트가 될 수 있도록 현장에 따른 골재의 입도 및 함수상태에 따라 정해지는 배합을 말한다. 따라서 좋은 콘크리트를 만들기 위해서는 시멘트, 골재, 물, 혼화재료 중의 적절한 배합비의 결정 즉 배합설계가 무엇보다 중요하다. 콘크리트의 배합에는 중얄배합과 용적배합방법이 있으며, 중량배합이 더 정확한 방법이다.

 

배합의 요구 성능(배합설계목적)

 

  1) 소요강도 확보

  2) 내구성 확보

  3) 균일한 시공연도

  4) 단위수량 감소

  5) 경제적 배합(경제성 추구)

  6) 균질성, 수밀성 확보
 

배합의 종류

 

 1. 시방배합

  1) 시방서 또는 책임기술자가 지시한 배합

  2) 골재 입도
     ① 5mm체를 다 통과하고 0.08mm체에 남는 골재 : 잔골재

     ② 5mm체에 다 남는 골재 : 굵은 골재

     ③ 골재의 함수상태 : 표면건조 내부 포화상태

     ④ 단위량 표시 : 1㎥당

 

 

 

 2. 현장배합
  1) 현장골재의 표면수량, 흡수량, 입도상태를 고려하여 시방배합의 결과에 가깝게 현장에서 배합한다.
  2) 골재 입도
     ① 5mm체를 거의 다 통과하며, 0.08mm체에 거의 다 남는 골재 : 잔골재
     ② 5mm체에 거의 다 남는 골재 : 굵은 골재

     ③ 골재의 함수상태

     ④ 5mm체를 통과하는 굵은 골재의 양 및 혼화제의 양 고려

     ⑤ 단위량 표시 : 믹서 용량에 의해 1배치량으로 변경

 

배합설계순서

 

 배합설계순서에는 조합표에의한 콘크리트 배합설계순서와 표준배합설계순서가 있다. 여기에서는 표준배합설계순서를 알아보도록 한다.

     ① 설계기준강도(소요강도)결정
     ② 배합강도의 결정

     ③ 시멘트 강도 결정

     ④ 물시멘트 결정

     ⑤ 슬럼프 값 결정

     ⑥ 굵은골재 최대치수 결정

     ⑦ 잔골재율의 결정

     ⑧ 단위수량의 결정

     ⑨ 시방배합의 산출 및 조정

     ⑩ 현장배합의 결정

 1. 설계기준강도(소요강도)의 결정

     ① 구조계산의 기준이 되는 설계기준강도는 콘크리트의 28일 압축강도이다.

     ② 설계기준강도(fck)

       ㆍfck ≥ 3×장기허용응력도

       ㆍfck ≥ 3×장기허용응력도

     ③ 일반적으로 설계기준강도(fck)는 18, 21, 24, 27, 30Mpa 등으로 나타내며, 고강도 콘크리트는 40Mpa 이상의 콘크리트를 말한다.

 

 

 

 2. 배합강도(F)의 결정

     배합강도는 표준양생한 공시체의 재령 28일에서 압축강도로 표시하는 것으로 하고, 구조체 콘크리트의 강도관리 재령에 따라서

     다음의 1)또는 2)에 따른다.
       1) 구조체 콘크리트의 강도관리 재령이 28일인 경우 배합강도는 아래의 수식에 의해 선정된 값 중 큰 갋을 택한다.

           F ≥ fck+T+1.73σ (N/㎟)

           F ≥ 0.85(fck+T)+3σ (N/㎟)

       2) 구조체 콘크리트의 강도관리 재령이 28일을 넘고 91일 이내의 n일인 경우 배합강도는 아래의 수식에 의해 산정 된 값 중

           큰 값을 택한다.

           F ≥ fck+Tn+1.73σ (N/㎟)

           F ≥ 0.85(fck+Tn)+3σ (N/㎟)

           여기에서,

           F : 콘크리트의 배합강도 (N/㎟)

           fck : 콘크리트의 설계기준강도 (N/㎟)

           T : 구조체 콘크리트의 강도관리 재령을 28일로 한 경우, 콘크리트의 타설일로부터 28일간의 예상 평균기온에 의한

               콘크리트강도의 보정 값 (N/㎟)

           Tn : 구조체 콘크리트의 강도관리 재령을 28일을 넘고 91일 이내의 n일로 한 경우, 콘크리트의 타설일로부터 n일간의

                 예상 평균기온에 의한  콘크리트강도의 보정 값 (N/㎟)

           σ : 사용하는 콘크리트 강도의 표준편차 (N/㎟)

 

 3. 시멘트강도(K)의 결정

     ① 시멘트 강도는 28일 압축강도(K28)을 기준으로 하고 시간 여유가 없는 경우는 3일 강도(K3), 7일 강도(K7)에서 추정할 수 있다.

     ② 시멘트 종류에 따른 강도(K)의 최대치

        400(조강포틀랜드 시멘트), 370(보통, 고로A종, 플라이애쉬A종, 실리카A종), 350(고로B종, 종용열), 320(플라이애시B종, 실리카B종)

 

 4. 물시멘트비(W/C) 결정

     ① W/C비 : 부어넣기 직후의 모르타르나 콘크리트 속에 포함된 시멘트 풀 속의 시멘트에 대한 물의 중량백분율

     ② 물시멘트비는 소요의 강도, 내구성, 수밀성, 균열저항성 등을 고려하여 정하며,

         압축강도와 물시멘트비와의 관계는 시험에 의해 정하는 것이 원칙이다. 

     ③ 내구성을 위한 단위수량 최대치는 185kg/㎥이하, 단위시멘트량의 최소치는 270kg/㎥이상 이며, 단위수량과 물시멘트비로 정한다.

      W/C비가 클 때의 문제점

     ㆍ강도저하(내부공극증가)

     ㆍ부착력저하

     ㆍ재료분리증가

     ㆍ블리딩, 레이텀스 증가

     ㆍ내구성, 내마모성, 수밀성저하

     ㆍ건조수축, 균일발생증가

     ㆍ크리프현상 증가

     ㆍ동결융해 저항성저하

     ㆍ이상응결(응결지연)

     ㆍ시공연도 저하

     ③ 물시멘트비 산정방법(보통 포오틀랜드 시멘트)

        W/C(%) = 51/(f_28/K + 0.31)

        f_28 : 콘크리트의 재령 28일 압축강도

        K : 시멘트 강도

시멘트 종류에 따라		콘크리트 종류에 따라
보통시멘트 고로특급 포졸란A종 플라이애쉬A종	고로슬래그1급 포즐란B종 플라이애쉬B종	43%	서머콘콘크리트
		45%	포스트텐션그라우트용
		50%	고강도, 수중
		55%	동결융해, 수밀
65%	60%	60%	한중, 경량, 차폐용

 

  5. Slump값 결정

     시멘트비(W/C)결정

     ① slump test로 하여, 시공연도의 양부를 측정한다.

     ② 시험기구 : 수밀성평한, 슬럼프테스트콘, 다짐막대, 측정계기

     ③ 시험목적 : 굳지 않은 콘크리트의 묽기정도를 측정하는 방법으로 Workability를 판단하는 하나의 기준이 된다.

     ④ 시험순서

         가. 수밀성평판(평평한 판)을 설치한다.

         나. 슬럼프테스트콘을 수밀성평판 중앙에 위치시켜 움직이지 않도록 한다.

         다. 콘체적(용적)의 1/3만큼 콘크리트시료를 채운다.

         라. 다짐막대로 25회 균일하게 다진다.

         마. 다, 라번을 2회 반복한 후 위면을 다른다.

         바. 슬럼프콘을 가만히 들어 올린다.

         사. 측정계기를 이용하여 시료의 높이를 콘의 높이 30cm에서 뺀 값이 슬럼프 값이다.

 

 

 

 

     ⑤ 표준 슬럼프값(단위:mm)

종류	철근콘크리트	무근콘크리트
일반적인 경우	80-150	50-150
단면이 큰 경우	60-120	50-100

 (주1) 운반시간이 긴 경우는 슬럼프저하를 고려하여 배합을 정한다.

        1. 슬럼프의 증가량은 10cm이하를 원칙적으로 하며 5-8cm를 표준으로 한다.

        2. 유동화 콘크리트의 슬럼프는 작업에 적절한 범위로서 원칙적으로 21cm이하로 한다.

        3. 펌프를 이용하여 concrete 타설시 슬럼프 값은 15cm이상으로 한다.

     ⑥ 레미콘슬럼프값, 공기량 및 재료계량, 오차

슬럼프값(mm)	허용오차(mm)	재료의 종류	허용오차
25	±10	물, 시멘트	1% 이하
50-65	±15	혼화재	2% 이하
80이상	±25	골재, 혼화재	3% 이하
공기량(%)	±1.5%이하	고로 슬래그 : 1%이하

 

6. 굵은 골재 최대치수(Gmax) 결정

     ①굵은 골재의 입도가 좋을 경우 치수가 큰 것을 사용하면, 좋은 품질의 콘크리트를 만들 수 있다. 그러나 골재가 크면, 콘크리트 비비기, 다지기가

     곤란하고 골재가 분리되기 쉬우므로 굵은 골재의 최대치수는 구조물의 종류와 부재의 최소치수, 철근의 최소 순간격 등을 고려하여 결정하여야 한다.

     ② 다음표의 범위에서 부재최소치수의 1/5, 피복두께 및 철근의 최소수평, 수직 순간격의 3/4을 초과해서는 안 된다.

구조물의 종류	굵은 골재의 최대치수(mm)
일반적인 경우	25 또는 20
단면이 큰 경우	40
무근 콘크리트	40 부재 최소치수의 1/4을 초과해서는 안 됨

 

7. 잔골재율(s/a)의 결정

      ① 콘크리트의 품질이 얻어 질 수 있는 범위 내에서 가능한 한 적게 한다.

      ② 잔골재율은 잔골재량과 골재 전량과의 절대용적률이다.

          잔골재율(s/a)=모래용적(잔골재)/자갈용적(굵은골재)+모래용적(잔골재)×100

          잔골재 : 5mm체에 다 통과하는 것

          굵은 골재 : 5mm체에 다 남는 것

      ③ 절대골재율은 소요의 워커빌리티를 얻을 수 있는 범위 내에서 가능한한 작게 하며, 골재입도, 공기량, 시멘트량, 혼화제에 따라 변화한다.

      ④ (s/a)가 커지면 간극이 많아지므로 단위수량과 단위시멘트량이 증가한다.

      ⑤ 고성능AE 감수제를 사용한 콘크리트는 W/C비와 슬럼프가 동일한 경우 일반 AE감수제를 사용한 것 보다 1-2% 잔골재율을 크게 하는 것이 좋다.

 

8. 단위수량의 결정

      ① 콘크리트 1㎥중에 포함 되어 있는 물의 양을 말한다.

      ② 설계기준강도와 시공연도 내에서 최소화한다.

 

9. 시방배합의 결정

      ① 계량의 1회 계량 분의 0.5%정밀도 유지

      ② 투입 시 동일한 조합콘크리트는 소량mixing하고, 믹서면내에 시멘트풀을 발라둔다.

      ③ 비빔시간은 일반적으로 3분으로 하고, 10분 이상 부터는 강도의 변화가 없다.

      ④ slump의 조정 : 18cm이하에서 약 1.2%, 18cm이상에서 약 1.5%

      ⑤ 골재분리와 유동성 조정

      ⑥ 공기량조정

 

10. 현장배합의 결정

      ① 콘크리트를 만드는데 계량이 부정확하고 비비기가 불충분하면 필요한 성능의 콘크리트를 생산할 수 없다.

          현장에서 계량하여 콘크리트를 생산하는 방법을 표준배합에 댛나 현장배합이라고 한다.

          현장배합은 배치배합이라고도 하며 시멘트 1포대 당 또는 배치(batch)1회단 비벼내기에 필요한 각 재료의 양을 중량 또는

          현장계량용적으로 표시하는 것을 말한다.

          시방배합을 현장배합으로 고칠 경우에는 골재의 함수상태, 잔골재 중 5mm체에 남는 굵은 골재 량, 굵은 골재 중에서 5mm체를 통과하는

          잔골재량 및 혼화제를 희석시킨 희석수량 등을 고려한다.

      ② 배합의 표시법

절대용적배합	콘크리트1㎥에 소요되는 재료의 양을 절대용적(l)으로 표시
중량배합	콘크리트1㎥에 소요되는 재료의 양을 중량(g)으로 표시
표준계량용적배합	콘크리트1㎥에 소요되는 재료의 양을 표준계량용적(㎥)으로 표시한 배합으로, 시멘트는 1,500kg을 1㎥로 한다.
현장계량용적배합	콘크리트1㎥에 소요되는 재료의 양을 시멘트는 포대수로, 골재는 현장계량에 의한 용적1(㎥)으로 표시

 

결론 

 

콘크리트공사에서 위에서 언급된 표준배합설계순서는 콘크리트의 강도를 결정하는 중요한 요소이며, 콘크리트 구조체의 배합설계는 시방배합을 통하여 조정합으로서 현장배합에 적용하여,
1) 소요강도확보 2) 내구성확보 3) 균일한시공연도 4) 단위수량감소 5) 경제성추구 6) 균질성, 수밀성확보의 목적을 달성 할 수 있다.