콘크리트 배합

왜 배우는가: 콘크리트 배합은 구조물의 강도·내구성·시공성을 한꺼번에 좌우하는 기초이며, 배합설계 순서와 시방배합·현장배합의 구분은 품질관리 문제에서 반복해서 묻는다. 현장 골재 상태를 반영하지 않은 배합은 실제 강도와 워커빌리티를 떨어뜨리므로 실무 판단의 근거가 된다.

출제 이력: 제121회 1교시 6번, 제117회 1교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

콘크리트 배합설계는 요구 강도·내구성·워커빌리티를 만족하도록 시멘트, 물, 잔골재, 굵은 골재, 혼화재료의 비율과 사용량을 정하는 과정이다.

핵심 키워드

• 배합설계
• 시방배합
• 현장배합
• 물-시멘트비(W/C)
• 단위수량
• 잔골재율
• 슬럼프
• 공기량
• 표면건조포화상태(SSD)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 콘크리트에 들어가는 재료를 얼마씩 넣을지 정하는 일이다. 같은 시멘트와 골재를 써도 물을 많이 넣으면 묽어져 작업은 쉬워지지만 강도와 내구성이 떨어진다. 그래서 작업성과 강도 사이의 균형점을 시험으로 찾는다.

정식 정의는 다음과 같다. 배합설계는 작업에 알맞은 워커빌리티를 얻는 범위 안에서 단위수량과 잔골재율을 가능한 작게 하고, 경화 후 소요 강도·내구성·수밀성을 확보하도록 각 재료의 비율 또는 사용량을 계획하고 정하는 것을 말한다.

핵심 용어를 풀이한다.

• 배합설계: 재료의 종류와 비율을 조건에 맞게 계획하는 작업이다. 노무비와 재료비가 함께 고려된다.
• 시방배합: 골재를 표면건조포화상태로 보고 정한 배합이다. 설계 기준에 해당하는 배합으로, 시험배합의 경험으로 얻는다.
• 현장배합: 시방배합을 현장 골재의 함수 상태와 입도에 맞게 수정한 배합이다. 실제 타설에 쓰는 배합이다.
• 물-시멘트비(W/C): 시멘트 질량 대비 물 질량의 비다. 구조물의 종류와 용도를 고려해 정하며, 강도와 내구성을 가장 크게 좌우하는 인자다.
• 단위수량: 콘크리트 1㎥를 만드는 데 필요한 물의 양이다. 워커빌리티를 얻는 범위에서 작게 한다.
• 잔골재율(s/a): 전체 골재량 중 잔골재가 차지하는 용적 비율이다. 워커빌리티를 얻는 범위에서 최소가 되도록 정한다.

3. 등장 배경과 필요성

초기에는 1:2:4 같은 명목배합(Nominal mix)을 현장에서 그대로 썼다. 명목배합은 소규모 공사에는 편리하지만 골재의 품질 차이와 요구 강도를 반영하지 못한다. 대형 구조물과 고강도 콘크리트가 늘면서 시험으로 배합을 정하는 설계배합(Design mix)이 필요해졌다.

설계배합은 현장 재료로 시험체를 만들어 압축강도를 확인하므로 재료 낭비를 줄이고 경제성을 높인다. 또 같은 설계기준강도라도 골재의 비중·흡수율·입도가 달라지면 배합이 달라져야 한다. 그래서 재료 품질시험을 먼저 하고 배합을 정하는 순서가 자리 잡았다.

배합을 시방배합과 현장배합으로 나누는 이유도 같다. 시방배합은 이상적인 골재 상태에서 설계 기준을 정하고, 현장배합은 실제 골재의 함수량과 입도를 반영해 타설 재료량을 맞춘다. 두 단계를 거치지 않으면 설계 강도와 실제 강도가 어긋나 품질 문제가 생긴다.

물-시멘트비 기준은 구조물 종류와 용도에 따라 정한다

4. 구성요소·원리·절차

콘크리트 배합은 시멘트, 물, 잔골재, 굵은 골재, 혼화재료의 비율 또는 사용량을 정하는 일이다. 배합 구성요소는 각각 강도, 워커빌리티, 내구성에 다른 방식으로 기여한다. 구성요소의 역할을 먼저 이해해야 배합 조건을 바꿀 때 어떤 성질이 변하는지 설명할 수 있다.

표의 각 행은 한 재료의 역할이다. 단위수량과 물-시멘트비는 강도와 내구성을 함께 좌우하므로 가장 먼저 정한다.

원리는 다음과 같다. 물-시멘트비가 작을수록 경화체의 공극이 줄어 압축강도가 커진다. 그러나 물이 너무 적으면 워커빌리티가 떨어져 타설이 어렵다. 따라서 작업에 필요한 워커빌리티를 확보하는 범위에서 단위수량을 최소로 두고, 강도 요구에 맞춰 물-시멘트비를 정한다. 잔골재율은 골재 공극을 채우는 모래의 비율이며, 워커빌리티를 얻는 범위에서 최소가 되도록 정한다.

배합설계의 절차는 다음과 같다.

• 사용재료 품질시험: 시멘트 비중, 골재 비중·입도·흡수율·단위용적중량·마모율을 측정한다.
• 굵은 골재 최대치수, 슬럼프, 공기량 결정: 구조물 조건과 철근 간격에 맞춘다.
• 배합강도 결정: 설계기준강도에 할증을 더해 정한다.
• 물-시멘트비 결정: 구조물 종류와 용도, 내구성 조건을 고려한다.
• 단위수량, 단위시멘트량, 혼화재량 결정.
• 잔골재율 결정: 워커빌리티를 얻는 범위에서 최소로 한다.
• 잔골재량·굵은 골재량 계산: 절대용적법으로 단위 용적을 채운다.
• 시험배치 실시: 계산된 배합으로 비벼 슬럼프와 공기량을 측정한다.
• 배합 수정: 시험 결과에 따라 수량, 잔골재율 등을 조정해 제2 시험배치를 한다.
• 시방배합 확정 후 현장배합으로 전환한다.

절대용적법의 식은 다음과 같다.

$V_{c}+V_{w}+V_{a}+V_{s}+V_{g}+V_{ad}+V_{air}=1000\,\mathrm{L}$

여기서 V_c는 시멘트 절대용적(L), V_w는 물 절대용적(L), V_a는 공기량에 해당하는 용적(L), V_s는 잔골재 절대용적(L), V_g는 굵은 골재 절대용적(L), V_{ad}는 혼화재료 절대용적(L)이다. 단위 용적 1㎥는 1000L에 해당한다. 각 재료의 절대용적은 단위질량을 밀도로 나눈 값이다.

배합설계는 단위수량 최소화와 물-시멘트비 결정을 중심으로 한다

5. 관련 법령·기준·표준

콘크리트 배합설계의 기준은 설계기준과 표준시방서에 따른다. 건설 현장에서는 국가건설기준 코드 체계의 콘크리트 설계기준과 표준시방서를 적용한다. 배합 수치는 기준에 따른 값을 쓰며, 현장 여건에 따라 시험으로 수정한다.

표의 값은 콘크리트 배합설계에서 널리 쓰는 기준이다. 굵은 골재 최대치수와 슬럼프는 구조 조건에 따라 달라진다. 현장배합에서는 골재의 함수량과 5mm체 잔류율을 반영해 시방배합을 수정한다.