콘크리트 배합

왜 배우는가: 콘크리트 배합은 강도·내구성·시공성·경제성을 한꺼번에 결정하는 기초 작업이라 실무에서 품질 사고의 출발점이 된다. 시험에서는 배합 결정 항목과 시방배합·현장배합의 차이를 구분하는 문제로 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제98회 1교시 9번, 제91회 1교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

콘크리트 배합은 작업성·강도·내구성을 만족하도록 시멘트·물·골재·혼화재료의 비율과 단위량을 정하는 일이다.

• 배합설계
• 시방배합
• 현장배합
• 물-시멘트비
• 단위수량
• 잔골재율
• 배합강도
• 워커빌리티

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 콘크리트 한 덩어리를 만들 때 재료를 얼마씩 넣을지 정하는 일이다. 같은 재료라도 비율이 달라지면 강도와 굳기 전 성질이 달라진다.

정식으로는 배합을 콘크리트를 구성하는 각 재료의 비율, 즉 사용량을 정하는 것으로 정의한다. 배합설계는 필요한 강도·내구성·수밀성·작업성을 갖춘 콘크리트를 가장 경제적으로 얻도록 각 재료 비율을 정하는 것이다.

단위량은 콘크리트 1m³를 만들 때 쓰는 재료의 양이다. 단위수량과 단위시멘트량이 대표적이다. 배합은 이 단위량으로 표현한다.

시방배합은 골재를 표면건조포화상태(SSD)로 보고 정한 배합이다. 설계 단계에서 결정하는 기준 배합이다.

현장배합은 시방배합을 현장 골재의 실제 상태에 맞게 고친 배합이다. 현장 골재의 표면수와 5mm체 기준 입도 차이를 반영하여 잔골재·굵은골재량과 단위수량을 다시 계산한다.

잔골재율은 전체 골재량에 대한 잔골재량의 용적비다. 워커빌리티를 얻는 범위에서 최소가 되도록 정한다.

3. 등장 배경과 필요성

콘크리트는 시멘트·물·골재·혼화재를 혼합해 성형하고 경화시킨 재료다. 강도는 수치로 나타낼 수 있지만 균질성·밀실성·정확성은 수치로 표현하기 어렵다. 그래서 배합으로 이 성질들을 미리 정해 둔다.

철근콘크리트에 요구되는 성질은 소요강도, 균일성, 밀실성, 내구성, 시공용이성, 정확성, 경제성이다. 이 가운데 시공용이성은 주로 슬럼프로 표시한다. 경제성은 시멘트 사용량, 골재 품질, 운반거리, 시공 설비와 직접 관계가 있다.

레디믹스트 콘크리트와 콘크리트 펌프 공법이 보급되면서 콘크리트 제조와 시공이 분리되었다. 이 때문에 배합 원리를 이해하지 못한 채 사용하는 경우가 늘었다. 배합의 좋고 나쁨은 강도와 내구성, 미관, 경제성에 큰 영향을 주므로 설계와 시공 모두 배합 원리를 알아야 한다.

배합을 정할 때는 먼저 설계기준강도에 배합강도 여유를 더한다. 여기서 배합강도는 콘크리트의 품질 편차와 타설 후 기온을 고려해 정한다.

4. 구성요소·원리·절차

콘크리트 배합은 시멘트, 물, 잔골재, 굵은 골재, 혼화재료의 사용량 비율을 정하는 일이다. 답안에서는 구성요소와 배합 원리, 그리고 시방배합 결정 절차를 구분해 쓴다. 구성요소는 다음 표와 같다.

표에서 보듯 배합은 재료 종류가 아니라 재료 사이의 비율을 정하는 작업이다. 물-시멘트비는 강도와 내구성을 함께 지배하므로 가장 중요한 결정값이다. 단위수량은 워커빌리티를 얻는 범위에서 최소로 정한다. 그래야 건조수축과 블리딩이 줄어든다.

배합의 원리는 세 가지 조건의 균형이다. 첫째, 배합강도는 설계기준강도에 온도보정치와 표준편차 보정을 더해 정한다. 둘째, 물-시멘트비는 강도식과 내구성 조건 중 더 엄격한 값을 택한다. 셋째, 잔골재율은 워커빌리티가 확보되는 범위에서 최소가 되도록 한다. 잔골재율을 낮추면 단위수량과 단위시멘트량이 줄어 경제성이 좋아진다. 단, 너무 낮으면 워커빌리티가 나빠지므로 한계가 있다.

시방배합 결정 절차는 다음과 같다.

• 사용 재료의 품질을 시험한다. 시멘트 비중, 골재 비중, 입도, 흡수량, 단위용적중량, 마모율을 확인한다.
• 굵은 골재 최대치수와 슬럼프, 공기량을 정한다.
• 구조물 종류와 용도를 고려해 물-시멘트비를 정한다.
• 단위수량, 단위시멘트량, 혼화재량을 정한다.
• 잔골재율을 워커빌리티 범위에서 최소로 정한다.
• 잔골재량과 굵은 골재량을 계산해 시방배합표를 완성한다.

계산 순서의 핵심은 절대용적법이다. 콘크리트 1㎥ 안에서 각 재료의 절대용적의 합이 1㎥가 되도록 잔골재량과 굵은 골재량을 구한다. 식은 다음과 같다.

$V_c+V_w+V_a+V_s+V_g+V_{air}=1\,\mathrm{m^3}$

여기서 V_c는 시멘트의 절대용적(㎥), V_w는 물의 절대용적(㎥), V_a는 공기량(㎥), V_s는 잔골재 절대용적(㎥), V_g는 굵은 골재 절대용적(㎥)이다. 절대용적은 중량을 해당 재료의 비중으로 나눈 값이다. 예를 들어 V_c = C/(\rho_c \times 1000) 이다. 여기서 C는 단위시멘트량(kg/㎥), \rho_c는 시멘트 비중이다.

이 식에서 잔골재율 s/a는 다음과 같이 정의한다.

$\frac{s}{a}=\frac{V_s}{V_s+V_g}\times 100\%$

잔골재율이 정해지면 잔골재 절대용적과 굵은 골재 절대용적이 연립으로 결정된다. 계산 결과는 시방배합표에 단위량(kg/㎥)으로 적는다.

5. 관련 법령·기준·표준

콘크리트 배합의 기준은 설계기준과 시공 기준으로 나뉜다. 국내 설계 기준은 콘크리트 설계기준(KDS)과 표준시방서(KCS) 체계를 따른다. 배합 시험과 검사는 KS 규격에 따른다. 현장 품질관리에는 콘크리트 표준시방서의 배합 규정을 적용한다. 아래 표는 배합에서 자주 쓰는 기준값을 모은 것이다.

표의 값은 각 기준이 정한 대표 조건이다. 적용 전에 해당 공사의 시방서와 설계도서를 우선한다. 배합강도 산정식과 온도보정치는 표준시방서의 표에서 선택한다.

현장배합은 시방배합을 현장 골재 상태에 맞춰 수정하는 것이다. 시방배합의 골재는 표면건조포화상태(SSD)를 기준으로 한다. 현장 골재에는 함수량이 있으므로 골재 상태를 반영해 배합수와 골재량을 보정한다. 보정식의 기본 형태는 다음과 같다.

$W' = W - S_m\,(w_s - a_s) - G_m\,(w_g - a_g)$

여기서 W'는 보정 후 단위수량(kg/㎥), W는 시방배합 단위수량, S_m과 G_m은 건조 잔골재량과 굵은 골재량(kg/㎥), w_s, w_g는 현장 함수율, a_s, a_g는 흡수율이다. 함수율이 흡수율보다 크면 물을 빼고, 작으면 물을 더한다.

개정 연혁으로는 2021-01-01부터 전기설비 기준이 KEC로 바뀐 것처럼, 콘크리트 기준도 KDS·KCS 체계로 정리되어 있다. 개정 세부 내용은 현행 기준에서 확인된 범위만 적용한다.

6. 유형과 비교

콘크리트 배합은 기준이 되는 배합(시방배합)과 현장 상태에 맞춘 배합(현장배합)으로 나눌 수 있다. 배합의 방법 자체도 계량 방식에 따라 구분하므로 두 가지 기준을 함께 정리해야 한다. 시험에서는 두 기준의 차이와 적용 시점을 묻는 경우가 많다.

시방배합과 현장배합의 차이를 표로 정리하면 다음과 같다.

시방배합은 설계기준강도와 내구성 조건을 만족하는 기준 배합이고, 현장배합은 그 기준 배합을 현장 재료에 맞게 환산한 배합이다. 두 배합은 단위시멘트량과 물-결합재비를 바꾸지 않고, 골재와 물의 계량값만 조정한다.