콘크리트의 배합(설계)

콘크리트의 배합이란 콘크리트에 필요한 성질이 확보될 수 있도록, 시멘트, 물, 혼화 재료, 잔골재, 굵은 골재의 배합량 즉 배합 비율을 결정하는 것입니다. 콘크리트 표준시방서에서는 소요의 강도, 내구성, 수밀성, 균열저항성, 철근 또는 강재를 보호하는 성능을 갖을 뿐 아니라, 작업에 적합한 워커빌리티를 갖도록 배합을 정하도록 규정하고 있습니다. 

 

본문의 내용은 유튜브 동영상으로도 시청할 수 있습니다.

■ 유튜브 동영상으로 콘크리트의 배합 시청하기

 

■ 콘크리트의 구성

■ 레미콘의 규격

 

표준시방서에서는 시방배합과 현장배합을 구분하고 있습니다. 시방배합(Specified mix)은 소정 품질의 콘크리트가 얻어지는 배합(조건)으로 1㎥ 콘크리트의 반죽에 대한 재료 사용량으로 나타낸 것입니다. 

 

현장 배합(mix proportion at job site, mix proportion in field)은 시방배합(계획 조합)의 콘크리트가 얻어지도록 현장에서 재료의 상태 및 계량방법에 따라 정한 배합을 말합니다.

 

배합설계의 순서

우선 배합설계의 순서를 살펴보면 다음과 같습니다. 혼화 재료를 고려하지 않는다면 대략 단위수량, 시멘트량, 골재의 량을 결정하는 순서로 진행하게 됩니다. 

 

 

콘크리트의 강도 및 내구성에 가장 큰 영향을 미치는 요인은 물-결합재비입니다. 이 비율을 가지고 단위수량과 결합재량을 결정하게 됩니다. 단위수량과 결합재량이 결정된다면 나머지 골재량도 구할 수 있습니다. 콘크리트의 단위용적 즉 1000L를 배합한다고 하면, 1000L에서 물, 결합재 및 공기의 용적을 뺀 부분이 골재의 용적이 됩니다. 이 골재의 용적에 잔골재율을 곱하면 잔골재의 용적을 구할 수 있습니다. 

 

배합설계의 과정을 순서대로 살펴보겠습니다.

 

1. 배합강도(fcr)의 결정

 

▶ 배합강도의 결정방법을 유튜브로 시청하기

 

우선 배합강도는 (20±2)℃에서 표준양생(수중 혹은 상대습도 100% 상태)한 공시체의 압축강도로 나타낸 값을 기준으로 합니다.

콘크리트 표준시방서에서는 구조계산으로 정한 설계기준압축강도(fck)와 내구성 설계를 반영한 내구성 기준 압축강도(fcd) 중에서 큰 값으로 결정된 품질기준강도(fcq)보다 배합강도를 크게 정하도록 규정하고 있습니다.

 

▶ 내구성기준압축강도(내구성 확보를 위한 요구조건)

 

아무래도 현장에서 콘크리트를 시공하다 보면 재료의 품질변동이나 배합 시의 계량 오차, 현장 작업에서의 품질 저하 등의 우려가 있기 때문에 배합강도를 크게 정하는 것입니다.

 

레디믹스트 콘크리트의 경우에도 배합강도를 호칭강도(fcn)보다 크게 정하도록 규정하고 있습니다. 레미콘의 호칭강도에 관련된 내용은 다음 블로그를 참고하시기 바랍니다.

 

▶레미콘의 규격/ 호칭강도

 

fcn = fcq + Tn

여기서, Tn은 기온보정강도를 의미합니다. 

 

배합강도는 품질기준강도(fcq)를 기준으로 다음 식을 기준으로 정하도록 규정하고 있습니다.

 

fcq ≤ 35 MPa 인 경우

 ① fcr = fcn + 1.34s

 ② fcr = (fcn - 3.5) + 2.33s

 

fcq > 35 MPa 인 경우

 ③ fcr = fcn + 1.34s

 ④ fcr = 0.9fcn + 2.33s

 

여기서 s는 압축강도의 표준편차(MPa)를 의미합니다. 콘크리트를 배합하다보면 어떤 때는 강도가 높게 나왔다가 어떤 때는 낫게 나오기도 합니다. 품질관리를 잘 하는 곳이라면 비교적 편차가 심하지 않을 것입니다. 위에 있는 식을 그 편차가 어느 정도인지 반영해서 통계적으로 배합강도를 안정적으로 확보하기 위해 정한 식입니다.

 

①과 ③식은 표준편차(s)에 1.34배를 곱한 값만큼 더해서 배합강도를 높인 것인데, 이것은 확률이론을 도입해서 3회 연속한 시험값의 평균이 호칭강도(fcn) 이하로 내려갈 확률이 1/100값이 되도록 한 것입니다. 바꾸어 말하면 콘크리트 배합을 100번했을 때 1번 정도 호칭강도(fcn) 이하로 내려갈 것이라는 뜻입니다. 

②번도 마찬가지 확률개념을 도입한 것입니다. 호칭강도보다 3.5 이하로 내려갈 확률이 1/100값이 되도록 한 것입니다. 

④번도 호칭강도의 1/10이하로 내려갈 확률이 1/100값이 되도록 한 것이죠. 

 

여기서 표준편차를 구하려면 시험을 많이 해야만 합니다. 100회 이상 시험한 후 표준편차를 구하도록 권장합니다. 여건이 여의치 않으면 30회 이상 연속된 강도시험 결과가 얻어졌을 때 그 값을 표준편차로 사용할 수 있습니다. 

 

만약 시험 횟수가 29회 이하이면 다음 값을 사용하도록 표준시방서에서 정하고 있습니다.

시험 횟수가 29회 이하일 때 표분편차의 보정계수(콘크리트 표준시방서 표 2.2-2)

시험횟수	표준편차의 보정계수
15 20 25	1.16 1.08 1.03

 

콘크리트 압축강도의 표준편차를 모르거나 압축강도의 시험 횟수가 14회 이하인 경우 콘크리트 배합강도는 다음 표를 사용해야 합니다.

 

압축강도의 시험 횟수가 14회 이하이거나 기록이 없는 경우의 배합강도(콘크리트 표준시방서 표 2.2-3)

호칭강도(MPa)	배합강도(MPa)
21 미만 21 이상 35 이하 35 초과	호칭강도(fcn) + 7 호칭강도(fcn) + 8.5 1.1 × 호칭강도(fcn) + 5

 

 

2. 물-결합재비의 결정

콘크리트의 압축강도를 기준으로 물-결합재비를 정하는 경우 압축강도와 물-결합재비와의 관계는 시험을 해서 정하는 것을 원칙으로 하고 있습니다. 

 

참고로 미국(ACI)의 기준은 다음과 같습니다. 굵은 골재의 최대 치수가 40mm인 경우의 압축강도의 범위에 따른 결합재/물비(B/W)와 압축강도(f28)와의 관계식은 다음과 같습니다.

(1) AE제를 사용하지 않은 콘크리트

 1) f28 = 16∼23MPa인 경우

  f28 = -13.9 + 23.0(B/W)

 

 2) f28 = 23∼33MPa인 경우

  f28 = -7.6 + 19.0(B/W)

 

 3) f28 = 33∼39MPa인 경우

  f28 = 2.2 + 14.4(B/W)

 

(2) 공기량이 4%인 공기연행콘크리트

 1) f28 = 14.0∼25.0MPa인 경우

  f28 = -7.4 + 16.2(B/W)

 

 2) f28 = 25.1∼32.0MPa인 경우

  f28 = -1.8 + 13.4(B/W)

 

3. 단위수량의 결정

단위수량은 최대 185 kg/㎥ 이내의 작업이 가능한 범위 내에서 될 수 있는 대로 적게 사용하며, 그 사용량은 시험을 통해 정하도록 규정하고 있습니다. 

 

콘크리트표준시방서 해설에는 시험을 할 수 없을 경우에 적용할 수 있는 대략값을 제시하고 있습니다.

 

굵은 골재의 최대치수 (mm)	단위 굵은 골재 용적 (%)	AE제를 사용하지 않은 콘크리트
		갇힌공기 (%)	잔골재율(S/a) (%)	단위수량 W (kg/㎥)
13 20 25 40	58 62 67 72	2.5 2.0 1.5 1.2	53 49 45 40	202 197 187 177

 

굵은 골재의 최대치수 (mm)	공기연행 콘크리트
	공기량 (%)	양질의 AE제를 사용한 경우		양질의 AE감수제를 사용한 경우
		잔골재율(S/a) (%)	단위수량 W (kg/㎥)	잔골재율(S/a) (%)	단위수량 W (kg/㎥)
13 20 25 40	7.0 6.0 5.0 4.5	47 44 42 39	180 175 170 165	48 45 43 40	170 165 160 155

 

그런데 위 표의 값은 보통의 입도를 가진 천연 잔골재(조립률 2.8 정도)와 부순 굵은 골재를 사용한 물-결합재비 55% 정도 슬럼프 80mm 정도의 콘크리트에 대한 것입니다.

 

■ 골재의 조립률(입도)

■ 슬럼프 시험

 

따라서 조건이 달라진다면 표에 있는 값을 보정해서 사용해야 합니다. 보정하는 방법은 다음과 같습니다.

 

구분	S/a의 보정(%)	단위수량(W)의 보정
잔골재의 조립률이 0.1만큼 클(작을) 때마다	0.5만큼 크게(작게) 한다.	보정하지 않는다.
슬럼프값이 10mm 만큼 클(작을) 때마다	보정하지 않는다.	1.2%만큼 크게(작게) 한다.
공기량이 1% 만큼 클(작을) 때마다	0.5∼1.0만큼 작게(크게) 한다.	3%만큼 작게(크게) 한다.
물-결합재비가 0.005 클(작을) 때마다	1만큼 크게(작게) 한다.	보정하지 않는다.
S/a가 1% 클(작을) 때마다	보정하지 않는다.	1.5kg만큼 크게(작게) 한다.
천연 굵은 골재를 사용할 경우	3∼5만큼 작게 한다.	9∼15kg만큼 작게 한다.
부순 잔골재를 사용할 경우	2∼3만큼 크게 한다.	6∼9kg만큼 크게 한다.

 

콘크리트와 관련된 내용들입니다.

■ 콘크리트의 구성

 

■ 내구성기준압축강도(내구성 확보를 위한 요구조건)

■ 콘크리트 배합설계 연습

 

■ 콘크리트의 시공 성능 - 워커빌리티(Workability)

■ 콘크리트의 시공 성능 - 반죽질기(Consistency)

■ 콘크리트의 재료 분리 - 블리딩(Bleeding)과 격자균열, 레이턴스(Laitance)

 

■ 레미콘의 규격

■ 습윤양생기간의 표준

 

■ 레미콘 품질 시험(받아들이기 검사)

■ 콘크리트의 공기량 측정

■ 슬럼프 시험

 

■ 콘크리트는 어떻게 파괴될까(콘크리트의 균열)?

■ 콘크리트의 고강도화와 탄성계수

■ 콘크리트의 내구성 - 탄산화

■ 슈미트 해머 비파괴 시험(콘크리트 반발경도 시험)

 

■ 노출콘크리트의 시공

■ 노출콘크리트의 종류

 

■ [분류 전체보기] - 건축재료 목차

■ [분류 전체보기] - 건축시공 목차