콘크리트의 혼화제(Chemical admixture) - AE제(공기연행제)

우리는 보통 밥을 먹어서 생활하는데 필요한 에너지를 얻습니다. 그러나 더 건강해지기 위해 비타민을 먹거나 근육을 키우기 위해 단백질 보충제를 먹기도 합니다. 콘크리트도 마찬가지 입니다. 시멘트, 물, 골재만을 배합해서 콘크리트나 모르타르로 만들어 쓸 수 있지만 특별한 성능을 개선해주는 약품을 첨가해서 사용할 수도 있습니다. 여기서는 혼화 재료 중 혼화제에 대해 살펴보겠습니다.

 

■ 콘크리트의 구성

■ 콘크리트의 배합(설계)

 

혼화 재료(Admixture) 

콘크리트 등에 특별한 성질을 주기 위해 반죽 혼합 또는 반죽 혼합 중에 가해지는 시멘트, 물, 골재, 섬유질재 이외의 재료를 총칭해서 혼화 재료(Admixture)라고 합니다. 말 그대로 시멘트, 물, 골재, 섬유질재 이외에 첨가하는 모든 재료를 말합니다. 이 혼화 재료는 보통 혼화제와 혼화재 두 가지로 구분합니다.

 

혼화제(Chemical admixture)는 혼화 재료 중 사용량이 비교적 적어서 그 자체의 부피가 콘크리트 등의 비비기 용적에 계산되지 않는 재료를 말합니다. 대부분 사용량이 시멘트량의 1% 이하인 경우에 해당됩니다.

 

혼화재(Mineral admixture)는 혼화 재료 중 사용량이 비교적 많아서 그 자체의 부피가 콘크리트 등의 비비기 용적에 포함되어 계산되는 재료를 말합니다. 시멘트를 대체할 수 있는 능력이 있는 재료로서 시멘트를 일정 부분 대신하는 재료를 말합니다.

여기서는 소량으로 첨가하는 혼화제에 대해 살펴보겠습니다.

AE제/공기연행제

혼화제의 대표적인 것이 AE제(Air entraining agent/admixture)입니다. 우리말로 공기연행제라고도 합니다. 연행한다는 말은 보통 강제로 데리고 간다는 말입니다. 경찰이 범죄자를 연행한다고 할 때 많이 쓰는 말이죠. 

 

다시 말해서 AE제는 공기(Air)를 강제로 콘크리트 속에 집어 넣는(연행하는) 약품입니다. 콘크리트 속에 많은 미소한 기포를 일정하게 분포시키기 위해 사용하는 혼화제(KS F 2560 참조)라고 정의됩니다. 그럼 왜 공기를 일부러 집어넣는 것일까요?

우선 AE제를 넣지 않을 때 보통 콘크리트에 어느 정도의 공기량이 있는지 알아야 합니다. 콘크리트표준시방서 해설에는 대략값을 제시하고 있는데,  굵은 골재 최대치수에 따라 달라집니다. 

 

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

 

위 표에서 볼 수 있는 것처럼 굵은 골재 최대치수가 25mm이면 1.5%, 20mm이면 2.0%의 공기가 콘크리트 속에 대략 생겨납니다. 굵은 골재 최대치수가 작아서 작은 입자가 많아지면 그 만큼 공기량은 늘어나는 경향이 있습니다. 미세한 입자 때문에 공기량이 늘어나는 것이죠? 이렇게 자연스럽게 발생하는 공기를 갇힌공기(Entrapped air)이라고 합니다.

 

그런데 이 공기만으로는 내구성에 문제가 있기 때문에 일부러 공기를 더 만들어 주는 것입니다. 이 문제를 처음 알게 된 것은 오래 전 1930년대입니다. 당시 미국에서는 추운 겨울을 지나고 나면 콘크리트에 약간씩 문제가 생기는 것을 발견했습니다. 

 

콘크리트는 공극이 있기 때문에 물을 쉽게 흡수합니다. 그런데 콘크리트 속에 흡수된 물은 온도가 영하로 내려갔을 때 얼게 되고 부피가 팽창하는 것이 문제가 됩니다. 물이 얼게 되면 보통 9% 정도 체적이 팽창하게 됩니다. 이 팽창압력이 반복적으로 작용하게 되면 표면에 있는 입자가 떨어져나가게 됩니다. 결국 우리나라처럼 기온이 영하로 내려가는 겨울철에는 이런 문제가 매년 반복될 수 밖에 없습니다. 

자유수의 동결과 팽창 압력

 

이처럼 겨울철에 콘크리트 내부에 있는 자유수가 동결하는 문제를 해결하기 위해 AE제를 개발하게 된 것입니다. AE는 미세한 공기를 만들어 냅니다. 이 부분이 중요합니다. AE제를 첨가하면 20-200㎛ 정도의 구형공기가 평균 0.25㎜ 간격으로 독립적으로 균등하게 분포하게 되는데 이 미세한 공극이 팽창압력을 완화해 줍니다. 위 그림에서 볼 수 있는 것처럼 물이 팽창할 때 빈 공극이 인접해 있다면 물이 빈 공극으로 이동하면서 팽창압력이 줄어들게 됩니다.

 

공기량은 어느 정도가 적당할까?

AE제를 첨가하는 것은 동결융해저항성을 높이기 위한 것입니다. 그렇다고 공기량을 무작정 많이 만들면 좋을까요? 콘크리트 내부에 공극이 많아진다면 결국 강도가 약해질 수 밖에 없겠죠? 통상 물-결합재비가 일정할 경우 공기량이 1% 증가하면 압축강도는 4∼6% 정도 감소한다고 알려져 있습니다. 따라서 적정한 수준을 판단해야 합니다.

 

 

위 그래프는 공기량과 내구성의 관계를 나타내는 그래프입니다. 공기량이 2%까지는 내구성이 매우 작지만 2%를 넘어서면 내구성이 급격하게 좋아져서 4.5% 정도에서 가장 좋아지는 것을 볼 수 있습니다. 그렇지만 공기량이 6% 이상 너무 많아지게 되면 내구성도 조금씩 떨어지는 것을 알 수 있습니다.

 

그래서 콘크리트 표준시방서에서 공기량은 보통콘크리트의 경우 4.5%, 경량 콘크리트의 경우 5.5%, 포장콘크리트 4.5%, 고강도콘크리트는 3.5% 이하로 하도록 규정하고 있고, 허용오차도 ±1.5%로 규정하고 있습니다. 고강도로 갈수록 동결융해 저항성이 커지기 때문에 강도수준에 따라 적절히 공기량을 조정하여 지정할 수 있습니다. 

 

그러니까 우리가 사용하는 보통콘크리트는 대부분 AE제를 첨가해서 공기량이 4.5%가 되도록 제조한다고 이해하면 됩니다.

 

■ 레미콘 품질 시험(받아들이기 검사)

■ 콘크리트의 공기량 측정

 

 

볼베이링작용

AE제를 첨가하면 덩달아 좋아지는 부분도 있습니다. AE제 때문에 발생한 미세한 공기가 볼베어링 작용을 하기 때문에 워커빌리티가 개선됩니다. 즉 이 미세한 공기는 수압때문에 구형이 유지 되는데, 골재 등에 달라붙으면 쿠션 역할을 해서  마찰작용도 줄여주는 등 작업하기가 훨씬 수월해집니다. 

 

이렇게 워커빌리티가 좋아지면 물을 적게 써도 작업하는데 문제가 없기 때문에 단위수량을 줄일 수 있습니다. 단위수량을 줄이면 블리딩 현상이 감소하는 등 콘크리트 품질에는 좋은 영향을 미치게 됩니다.

 

■ 블리딩현상

 

혼화 재료에 대한 내용들입니다.

■ 콘크리트의 혼화제 - 감수제

■ 콘크리트 혼화재 - 고로 슬래그, 플라이 애시, 실리카 퓸

 

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