경량골재 콘크리트

왜 배우는가: 경량골재 콘크리트는 구조물의 자중을 줄여 기초·부재 단면과 지진력을 낮추는 재료라서 초고층 건축과 단열 설계에서 자주 쓰인다. 단위용적중량, 경량골재의 종류, 배합과 시공 차이가 1교시 용어 문제와 4교시 논술 문제로 반복해서 출제되므로 정의와 기준값을 함께 익혀야 한다.

출제 이력: 제126회 4교시 5번, 제93회 1교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

경량골재 콘크리트는 다공질 경량골재를 써서 단위용적중량을 보통 콘크리트보다 낮춘 콘크리트다. 답안 첫 줄에는 여기에 단위용적중량 기준을 덧붙인다. 경량 콘크리트 전반의 단위용적중량은 2.0t/㎥ 이하로 본다.

핵심 키워드

• 경량골재: 골재 입자가 다공질이라 밀도가 낮은 골재. 천연과 인공으로 나뉜다.
• 단위용적중량: 콘크리트 1㎥의 무게. 경량 콘크리트의 성능을 대표하는 값이다.
• 절건밀도: 골재를 110℃ 안팎에서 항량이 될 때까지 건조한 상태의 밀도.
• 기건상태: 공기 중에 두어 수분이 평형에 이른 상태. 설계용 중량은 이 상태로 본다.
• 다공질: 내부에 기공이 많아 흡수율이 높은 구조.
• 인공 경량골재: 점토·혈암 등을 소성하여 만든 골재. 팽창성 혈암, 팽창성 점토, 플라이애시 등을 원료로 쓴다.
• 천연 경량골재: 경석, 화산자갈, 응회암 등 자연에서 얻는 가벼운 골재.

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 보통 콘크리트는 강자갈이나 쇄석처럼 무거운 골재를 써서 무겁다. 이 골재를 속이 빈 가벼운 골재로 바꾸면 같은 부피의 콘크리트가 가벼워진다. 이것이 경량골재 콘크리트다.

정식으로는 경량골재를 사용하여 기건 단위용적중량을 낮춘 구조용 또는 비구조용 콘크리트를 말한다. 경량골재 콘크리트는 골재 자체가 가벼워 무게를 줄인다. 같은 경량 콘크리트라도 경량기포콘크리트는 시멘트 페이스트에 기포를 만들어 무게를 줄인다. 두 방식은 원리가 다르므로 구별해서 답안에 쓴다.

경량골재는 내부가 다공질이고 표면이 유리질 피막으로 덮인 구조다. 이 구조 때문에 밀도가 낮지만 흡수율은 높다. 표면은 유리질이어서 시멘트 페이스트와의 부착은 보통 골재와 다르게 나타난다. 골재 밀도는 절건밀도로 표시하며, 잔골재와 굵은 골재를 따로 기준으로 정한다.

단위용적중량은 굳지 않은 상태와 굳은 뒤 상태가 다르다. 경화 후 기건 상태 값이 설계에 쓰인다. 굳지 않은 경량골재 콘크리트와 기건상태 콘크리트는 약 0.1t/㎥ 차이가 나는데, 이는 수분 증발에 따른 감소다. 따라서 배합 단계에서는 굳지 않은 상태 값을, 설계 검토에서는 기건 상태 값을 쓴다.

경량 콘크리트는 제조 방식에 따라 세 가지로 나뉜다. 첫째는 경량골재 콘크리트로, 인공이나 천연 경량골재를 굵은 골재와 잔골재 전부 또는 일부에 쓴다. 둘째는 경량기포콘크리트로, 기포를 넣어 기공을 만든다. 셋째는 무세골재 콘크리트로, 잔골재를 쓰지 않고 굵은 경량골재로만 구성한다. 답안에서는 경량골재 콘크리트를 주제로 두고, 나머지 두 가지는 유형 비교로 짧게 언급한다.

경량골재 콘크리트의 강도는 골재 강도에 제약을 받는다. 골재가 다공질이므로 같은 단위시멘트량이라도 압축강도가 보통 콘크리트보다 낮게 나오는 경우가 많다. 그래서 구조용으로 쓸 때는 골재 종류와 배합을 함께 검토한다. 단열성은 골재의 기공 구조 덕분에 좋아진다. 이 두 성질이 경량골재 콘크리트를 구조용과 단열용으로 나누어 쓰는 근거다.

3. 등장 배경과 필요성

고층 건축물과 장대 교량이 늘면서 구조물 자중이 설계의 주요 변수가 되었다. 자중이 크면 기둥과 보의 단면이 커지고, 기초 규모와 지진에 의한 관성력도 함께 커진다. 경량골재 콘크리트는 이 문제를 재료 쪽에서 줄이는 방법이다. 같은 강도를 얻으면서 부재 무게를 낮추면 구조 전체의 경제성이 좋아진다.

단열과 방음이 필요한 벽체나 지붕 슬래브에서도 쓰인다. 골재의 기공이 공기층 역할을 하므로 열전도율이 낮아진다. 이 때문에 건축물의 열 성능 요구가 강해진 뒤 사용이 늘었다. 경량 콘크리트는 자중 감소와 단열이라는 두 목적을 함께 충족한다는 점이 등장 배경의 핵심이다.

배합 설계에서는 자중을 수치로 추정해야 한다. 일본건축학회의 경량골재 콘크리트 배합설계·시공지침은 계획 배합의 기건 단위용적중량을 다음 식으로 추정하도록 한다.

$W_d = G_o + S_o + S_o' + 1.25\,C_o + 120\ (\mathrm{kg/m^3})$

여기서 G_o는 굵은골재량(kg/㎥), S_o는 경량골재량 절건 기준(kg/㎥), S_o'는 보통 잔골재량 절건 기준(kg/㎥), C_o는 시멘트량(kg/㎥)이다. 계산한 W_d가 요구 기건 단위용적중량 이하가 되도록 배합을 정한다. 이 식은 설계 단계에서 중량 목표를 맞추는 도구이며, 골재 종류와 배합비에 따라 값이 달라진다.

단위용적중량이 중요한 이유는 골재 배합비가 가장 큰 영향을 주기 때문이다. 같은 골재를 쓰더라도 잔골재를 보통 골재로 바꾸면 중량이 올라간다. 따라서 설계 중량을 맞추려면 골재의 종류와 비율을 함께 관리해야 한다. 이 관리가 현장 배합과 품질 관리의 출발점이다.

정리하면, 경량골재 콘크리트는 구조 안전을 지키면서 자중과 열 부하를 함께 줄이려는 필요에서 발전했다. 이후 단위용적중량 기준, 골재 품질 기준, 배합 추정식이 정리되면서 설계와 시공의 기준을 갖추게 되었다.

4. 구성요소·원리·절차

경량골재 콘크리트는 경량골재, 시멘트, 물, 혼화재료로 이루어진다. 굵은골재만 경량골재로 바꾸거나 잔골재까지 대체한다. 어느 방식이든 골재 자체의 밀도가 낮아 콘크리트 전체의 단위중량이 줄어든다.

경량골재는 내부가 다공질이고 표면이 유리질 피막으로 덮인 구조다. 이 기공이 공기를 품어 밀도를 낮춘다. 흡수율이 커서 비빔 중 물을 빨아들이므로 물-시멘트비 관리가 어렵다.

원리는 세 가지로 정리한다. 첫째, 기공이 많은 골재가 단위중량을 낮춘다. 둘째, 흡수로 유효 물-시멘트비가 변하므로 골재를 미리 적셔 두는 프리웨팅이 필요하다. 셋째, 탄성계수는 보통 콘크리트보다 낮고 강도는 골재 강도와 페이스트 강도의 균형에 좌우된다.

단위용적중량은 골재 밀도와 배합으로 정해지며 식으로 사전 검토한다

계획배합 단계에서 기건단위용적중량은 일본건축학회 배합·시공지침의 추정식으로 먼저 검토한다.

$W_d = G_o + S_o + S_o' + 1.25\,C_o + 120$

W_d는 기건단위용적중량(kg/㎥), G_o는 굵은골재량(kg/㎥), S_o는 경량골재량 절건(kg/㎥), S_o'는 보통잔골재량 절건(kg/㎥), C_o는 시멘트량(kg/㎥), 120은 보정 상수(kg/㎥)다. 결과가 소요 기건단위용적중량 이하가 되도록 배합을 조정한다.

가상의 계산 예로 G_o=600, S_o=350, S_o'=250, C_o=350kg/㎥를 대입한다. W_d=600+350+250+1.25×350+120=1,757.5kg/㎥이고 이는 약 1.76t/㎥다. 2.0t/㎥ 이하이므로 적합하며, 경량골재 콘크리트의 일반 범위 안이다.

시공 절차는 다음과 같다.

• 목표 기건단위용적중량과 설계기준강도를 정한다.
• 경량골재의 절건밀도와 흡수율을 시험한다.
• 시험배합으로 강도와 슬럼프를 확인한다.
• 추정식으로 단위중량을 검토하고 기준을 벗어나면 배합을 고친다.
• 골재를 미리 적셔(프리웨팅) 흡수 손실을 막는다.
• 비빔 후 운반과 펌프 압송 중 슬럼프 손실을 관리한다.
• 과다 진동을 피하며 타설하고 습윤양생을 확보한다.

5. 관련 법령·기준·표준

국내 기준은 설계와 시공으로 나뉜다. 설계는 KDS 14 20 계열 콘크리트구조 설계기준을, 시공은 KCS 14 20 계열 콘크리트 표준시방서를 따른다. 설계기준은 KDS 체계로 정비되어 있으므로 옛 명칭의 기준은 현행 이름으로 바꿔 쓴다. 경량골재 자체의 품질은 KS 골재 규격을 따른다.