골재 실적률·공극률

왜 배우는가: 골재의 실적률과 공극률은 콘크리트 배합설계에서 골재가 차지하는 절대용적과 시멘트 페이스트가 채워야 할 빈틈의 양을 정하는 기본 지표이다. 현장에서는 골재의 입도와 입형이 적절한지 판단하는 자료로 쓰이고, 시험에서는 정의를 묻는 1교시 문제와 계산 방법을 묻는 문제로 나온다.

출제 이력: 제118회 1교시 7번, 제103회 1교시 2번, 제102회 1교시 10번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

실적률과 공극률은 골재의 단위용적 중 골재 고체 부분과 빈틈이 차지하는 백분율이며, 두 값의 합은 100%이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 실적률: 단위용적 중 골재 입자가 실제로 차지하는 절대용적의 백분율이다.
• 공극률: 단위용적 중 골재 입자 사이의 빈틈이 차지하는 백분율이다.
• 단위용적: 골재 입자와 입자 사이의 빈틈을 모두 포함한 용기의 전체 부피이다.
• 단위용적질량: 일정한 용기에 골재를 규정된 방법으로 채웠을 때 용기 부피당 질량이다.
• 절건밀도: 골재를 절대건조상태로 만든 뒤 구한 골재 입자의 밀도이다.
• 표건밀도: 표면건조포화상태의 골재를 기준으로 구한 골재 입자의 밀도이다.
• 골재 입도: 크고 작은 골재 입자가 혼합된 정도를 나타낸 것이다.

실적률과 공극률은 같은 현상을 두 방향에서 나타낸 지표이다. 실적률이 크면 골재 입자 사이의 빈틈이 작다는 뜻이므로, 공극률이 작다는 것과 같은 의미이다. 따라서 하나를 구하면 다른 하나는 100에서 뺀 값으로 바로 얻는다.

이 두 지표는 골재의 입도와 입형이 입자 배열에 미치는 영향을 수치로 보여 준다. 입도가 고르고 입형이 적절한 골재일수록 실적률이 커지므로, 두 지표는 골재의 양부를 판단하는 기초 자료로 쓰인다. 밀도와 단위용적질량은 골재 종류와 상태에 따라 달라지므로, 계산 문항에서는 어떤 밀도를 기준으로 했는지를 함께 밝혀 쓴다.

답안을 쓸 때는 정의 한 줄 뒤에 두 값의 합 관계를 바로 이어 쓰면 두 값의 관계를 빠뜨리지 않는다.

2. 개념 풀이

정식 정의는 다음과 같다. 골재를 일정한 용기에 규정된 방법으로 채웠을 때, 단위용적에서 골재 입자 자체가 차지하는 절대용적의 백분율을 실적률이라 한다. 골재 입자 사이의 빈틈은 제외하므로, 빈틈까지 포함된 단위용적질량과는 구별해야 한다.

실적률은 단위용적질량을 골재 밀도로 나눈 값에 100을 곱한 백분율이다.

식으로 쓰면 다음과 같다.

$G = W ÷ ρ × 100$

여기서 G는 실적률(%), W는 단위용적질량(kg/㎥), ρ는 골재의 밀도(kg/㎥)이다. 단위용적질량과 밀도는 같은 단위로 맞춰야 하며, 결과는 백분율로 나타낸다.

원리는 단위가 같은 두 값의 비에 있다. 단위용적질량은 빈틈을 포함한 전체 부피에 대한 질량이고, 골재 밀도는 입자만의 부피에 대한 질량이다. 두 값을 나누면 전체 부피 가운데 입자가 차지하는 부피 비율이 되므로, 그 비율에 100을 곱하면 실적률이 된다.

시험에서 단위용적질량은 질량을 알고 있는 용기에 골재를 규정된 방법으로 채운 뒤, 골재의 질량을 용기의 부피로 나누어 구한다. 용기의 부피는 용기에 물을 채워 무게를 재는 검정 절차로 정확히 정해 두어야 한다. 이 두 단계가 빠지면 계산된 실적률의 정확도가 떨어진다.

골재의 밀도는 골재의 상태에 따라 기준이 달라진다. 절대건조상태는 골재에 수분이 전혀 없는 상태이고, 표면건조포화상태(SSD)는 골재 내부의 공극이 물로 채워져 있으나 표면에는 물기가 없는 상태이다. 두 상태에서 구한 밀도는 흡수한 물만큼 차이가 나므로, 계산에서는 절건밀도 또는 표건밀도 중 어느 것을 썼는지 밝혀야 한다. 일반적으로 골재의 비중은 표건비중을 기준으로 하므로, 표건밀도를 쓰는 것이 보통의 방법이다.

공극률은 단위용적 중 골재 입자 사이의 빈틈이 차지하는 백분율이다. 실적률은 입자가 차지하는 몫이고 공극률은 빈틈이 차지하는 몫이므로, 두 값을 합하면 전체인 100%가 된다. 식으로 쓰면 공극률 = 100 − 실적률이다. 실적률 + 공극률 = 100%

실적률이 크다는 것은 골재 입자가 단위용적 안에서 빈틈없이 배열되어 공극이 작다는 뜻이다. 입도가 고르게 분포하면 작은 입자가 큰 입자 사이의 빈틈을 채우므로 실적률이 커지고 공극률은 작아진다. 입도가 좋은 골재를 쓴 콘크리트는 공극이 작아 강도가 증가하지만, 입도가 나쁜 골재를 쓰면 워커빌리티가 나빠지고 재료분리가 늘어나 강도가 저하한다.

입형도 같은 방향으로 작용한다. 각진 골재는 서로 맞물려 결합력이 우수하지만 표면적이 커서 더 많은 시멘트 페이스트가 필요하다. 둥근 골재는 표면적이 작아 페이스트가 상대적으로 적게 들지만 결합력은 각진 골재보다 낮다. 따라서 실적률만으로 골재를 평가하지 않고 입도와 입형을 함께 본다.

3. 등장 배경과 필요성

콘크리트는 골재가 전체 부피의 대부분을 차지하므로, 골재 사이의 빈틈을 얼마나 시멘트 페이스트로 채워야 하는지가 배합의 출발점이 된다. 골재의 공극이 크면 채워야 할 페이스트가 많아져 콘크리트가 비경제적이 되고, 공극이 작으면 필요한 페이스트량이 줄어든다. 이 관계를 수치로 다루기 위해 골재의 실적률과 공극률을 시험으로 구하게 되었다.