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철콘 강의록 2 - 재료의 성질

건설시스템공학과 손병직- 1 -

2. 재료의 성질

2.1 콘크리트의 재료

시멘트(7~10%) + 물(10~20%) + 골재(잔골재+굵은골재, 60~80%) + 공기(2~8%) + 혼화재료

⇒ 재료를 혼합(배합설계) ⇒ 거푸집에 타설(형성) ⇒ 수화(Hydration, 경화) ⇒ 좋은 양생

1. 시멘트(Cement)

시멘트 특성 : 물과 만나면 수화작용(hydration)

시간이 지나면 응결(setting) → 경화(hardening)

수화시 열 발생, 수화열

① 포틀랜드 시멘트(Ordinary Portland Cement) (KS L 5201 품질규정)

- 보통 포틀랜드 시멘트 - 중용열 포틀랜드 시멘트

- 조강 포틀랜드 시멘트 - 저열 포틀랜드 시멘트

- 내황산염 포틀랜드 시멘트

② 혼합 시멘트

③ 특수 시멘트

2. 물(Water)

- 수화작용

- 골재를 적셔서 시멘트 풀과 분리 방지

- 콘크리트 mix시 적당한 윤활 역할

- 유해물을 포함하지 않은 청정한 물 사용

3. 공기(Air)

- 커다란 공기 구멍 → 경화 후 강도 저하

- 잘 분배된 아주 작은 공기 기포 (AE제-Air Entraining agents) → 작업성, 내구성 등 증가시킴

4. 골재(Aggregate)

- 모르터/콘크리트 = 시멘트풀 + 골재(모래, 자갈,..)

- 철근 콘크리트 속에 골재의 부피 ⇒ 70~75%

- 골재는 공극이 없도록 굵은 골재와 잔골재가 골고루 분포 (치밀한 분포 유도)

→ 강도, 내구성, 경제성 증가

※ 자연상태 또는 가공후의 골재의 경우

골

재

잔 골재 (Fine Aggregate)

10mm체를 전부통과

5mm체를 85%이상 통과 (중량기준)

0.08mm체에 거의 남는 골재

굵은 골재 (Coarse Aggregate) 5mm체에 85%이상 남는 골재(중량기준)



※ 시방배합을 정할 경우

골

재

잔 골재 (Fine Aggregate)5mm체를 다 통과

0.08mm체에 다 남는 골재

굵은 골재 (Coarse Aggregate) 5mm체에 다 남는 골재

※ 굵은 골재의 최대치수 : 중량으로 90%이상 통과한 체중 최소 공칭치수

시방서 규정 비 고

거푸집 양측면 사이의 최소거리의 1/5

부재의 최소치수의 1/5 이하

슬래브 두께의 1/3이하

철근의 최소수평 순간격의 3/4 이하

일반적으로 25mm

단면이 큰 경우 : 40mm

5. 혼화재료(Admixture)

혼화제(混和劑) - 사용량이 비교적 적어서 그 자체의 부피를 배합설계에서 무시할 수 있는 혼화재료

- 시멘트 량의 1%미만

혼화재(混和材) - 사용량이 비교적 많아서 그 자체의 부피를 배합설계에 고려해야 하는 혼화재료

- 시멘트 량의 5%정도

화학

혼화제

AE제콘크리트 속에 많은 미세한 독립된 기포를 균일하게 분포시켜서 워커빌리티를 향

상시켜 소요의 슬럼프와 강도를 얻는데 필요한 단위수량을 감소시키기 위해 사용

감수제시멘트 입자에 대한 습윤⋅분산작용에 의해 콘크리트의 워커빌리티를 개선하고,

동결 융해작용에 대한 저항성을 향상시키기 위하여 사용

AE감수제 AE제와 감수제의 양쪽 효과(워커빌리티)를 얻기 위하여 사용

유동화제

고성능 감수제라고도 하며, 단위수량의 감소나 워커빌리티의 목적으로 사용된다.

보통의 감수제에 비하여 감수성능이 우수하여 매우 작은 물-시멘트비로 높은 슬

럼프를 유지시켜준다. 또한 미리 비빈 콘크리트에 첨가하여 교반하므로써 유동성

을 증대시키는데도 매우 효과적

촉진제

시멘트의 수화를 촉진시켜서 응결시간의 단축이나 초기강도의 발현성의 개선을

위하여 사용되는 혼화제이다. 염화칼슘 등의 염화물이 가장 성능이 좋으나, 철근

등 강재를 부식시킬 우려가 있으므로 주의를 요한다.

지연제, 급결제, 방수제, 기포제, 방청제 등 화학혼화제의 종류는 다양

광물질

혼화재

플라이애쉬

화력발전소에서 미분탄을 연소시킬 때 발생되는 재의 미립자를 집진기로 포집한

것을 말한다. 양질의 플라이 애쉬는 장기에 걸쳐 강도가 증진되고, 수밀성, 내구

성이 향상되어 화학저항성이 좋고, 단위수량의 검사, 워커빌리티의 개선등의 효과

실리카흄

금속실리콘, 페로실리콘 합금등을 제조할 때 발생하는 폐 가스 중에 포함되어 있

는 S iO 2를 집진기로 모아서 얻어지는 초 미립자의 산업 부산물을 말한다. 매우

미세하고 높은 결합성이 있어서, 조기 재령에서의 강도증진에 크게 효과가 있다.

특수

혼화재폴리머

콘크리트의 결점인 인장강도, 휨강도 등을 개선할 목적으로 혼합수의 일부 또는

전부를 폴리머로 대체하는 것이다. 이렇게 만든 인장강도 및 휨강도가 매우 증대

되고, 건조수축이 개선되며, 접착성, 충격과 마모에 대한 저항성 등이 개선되어

그 용도가 다양하다.



※ KS(Korea Industrial Standards, 한국산업규격) 개요



2.2 콘크리트의 강도

1. 압축강도

강 도 종 류 영 향 요 인

압축강도 물-시멘트비

휨인장강도골재와 모르터사이의 부착강도에 영향을 많이 받기 때문에

상대적으로 물-시멘트비에 영향은 덜 받음

※ 물-시멘트비

- 강도에 영향을 미치는 가장 중요한 인자

- 수화작용을 위한 물의 양 : 시멘트 중량의 25%

- 유동성을 위한 물-시멘트비 : 35 ~ 40%

- Workability를 위해 일반적으로 위의 값 이상 사용

- 물-시멘트비가 증가 : 시멘트풀의 강도저하 (건조 후 공극 발생)

※ 압축강도실험 : f 28 (설계기준강도),

(그림1-2, 1-3), 예제 1.1

분 류 내 용 규 정

재료채취 굵은 골재의 최대치수 25mm이하KS F 2401

(굳지 않은 콘크리트의 시료채취방법)

공 시 체높이가 지름의 2배인 원주형 공시체

× cm 또는 × cmKS F 2403

(콘크리트 강도시험용 공시체 제작방법)

양생조건 표준양생 (28일간 °± 로 습윤양생) KS F 2405

(압축강도 시험방법)재하속도 ～ kgfcm ～ MPa

0.5 0.6

압축강도

0.428day물-시멘트비 5year s

압축강도

6months

강도

휨인장강도



▶ 콘크리트 강도

재령 28일강도비 주된 작용

1주일 70% 수화작용

2주일 85~90% 응결, 경화

손

실

양 생 상 태 강도손실

너무 일찍 건조 30%

4〫이하로 방치 30%

굳지 않은 채 동해 50%

※ 초기재령에서의 양생조건(습도, 온도)에 좌우됨

※ 7일간 습윤유지

▶ 28일 강도에 대한 상대강도

▶ 양생이 콘크리트 강도에 미치는 영향

- 습윤양생(moist curing)

- 증기양생(온도증가) : 높은 조기강도, 경화촉진

- 고온고압양생(Autoclave 양생) : 고강도 이상 발현, 내구성 증진



2. 인장강도

- 원주형 공시체의 할렬시험(split cylinder test) : KS F 2423

-

- 압축강도의 1/9~1/13

3. 휨인장강도(파괴계수)

- 단순보의 중앙점 하중법(KS F 2407), 단순보의 3등분점 하중법(KS F 2408) : 그림1-7

- 휨인장강도는 휨시험에서 공시체가 파괴될 때 공시체의 하단에 작용한 인장응력을 말하며, 파괴계수

(modulus of rupture)라고도 한다.

- 압축강도의 1/5~1/7

-

- 시험을 하지 않는 경우 : (MPa) 또는 () → 콘크리트구조 설계

기준

4. 이외의 강도

- 전단강도 : 표준화된 시험방법 없음

- 지압강도(bearing strength) : 교각/교대의 받침부, 부재의 정착부

: 압축강도보다 일반적으로 큼

- 피로강도 : 100만 회수에 견딜 수 있는 최대응력

압축피로강도(정적 강도의 50~55%)

인장피로강도(정적 강도의 30~60% (55%))

▶ 압축강도와 기타 강도비

강 도 비

콘크리트

인장강도압축강도 휨인장강도압축강도 직접전단강도압축강도보통 콘크리트 1/9 ~ 1/13 1/5 ~ 1/ 7 1/4 ~ 1/ 7

경량 골재 콘크리트 1/9 ~ 1/15 1/6 ~ 1/10 1/6 ~ 1/10



2.3 콘크리트의 특성

1. 응력-변형률 곡선

재료 : 재령28일 콘크리트의 압축강도 실험

선형구간 : 압축강도의 40~50% (허용응력범위 0.4 f ck )

최대응력 : 변형률 0.002~0.003

파괴응력 : 변형률 0.003~0.004

2. 탄성계수 (일반적으로 시컨트 계수 사용)

1) 초기접선탄성계수(Initial Tangent Modulus of Elasticity)

2) 접선탄성계수(Tangent Modulus of Elasticity)

3) 할선탄성계수 또는 시컨트계수(Secant Modulus of Elasticity)

A 는 압축강도의 30~50%에 해당점

■ 콘크리트의 탄성계수

- MPa

- MPa ( : 보통 콘크리트)

where, : 콘크리트의 단위중량 ()

: 재령 28일에서 콘크리트의 평균 압축강도

: 콘크리트의 설계기준 강도

▶ 콘크리트 탄성계수 E c의 값

f ck (MPa) 21 24 27 30 35 40

(MPa) 29 32 35 38 43 48

E c (MPa) 26,000 27,000 28,000 29,000 30,000 31,000

압축응력

변형률



▶ 콘크리트 전단탄성계수 :

▶ 콘크리트의 포아송비( ) : 0.18 ( 이하의 응력에서 0.15~0.20범위)

: 도로교 설계기준 :

로 가정,

3. 크리프(creep)

- 응력은 늘지 않는데 변형이 계속 진행되는 현상

- 크리프는 건조수축과 같이 발생한다.

- 하중이 지속적으로 작용할 때, 시간이 흐름에 따라 변형이

증가하는 현상

- 구조물에 오랜 시간동안 지속적으로 작용하는 하중 : 지속

하중(장기하중)

지속하중(장기하중) 작용 크리프 현상 발생 설계시 고려사항 (해결방법)

․고정하중

․건조수축

․온도변화

․시간에 따라 변형 증가

․시간에 따라 처짐 증가

․부정정구조물의 역계 변화

․압축철근 배근

․압축철근이 없으면 초기 처짐의

2.5~3.0 배 처짐 발생

※ 일반적으로 강도 계산 시 크리프 고려할 필요 없으나,

처짐 계산 시 또는 기둥/보의 압축철근 응력 검토 시 크리프 영향 고려.

※ 크리프 계수 및 건조수축 변형률의 계산식 : CEB-FIP model Code(1990) 참조.

- 탄성(즉시)변형률(instantaneous strain) : 하중 재하 직후 발생하는 변형률

- 크리프 : 하중 재하 기간에 따라 변형률 증가 (응력은 일정)

- 크리프 변형률(creep strain) : 크리프로 인한 변형률

- 원주형 공시체 강도 의 1/2이하의 응력 하에서 → ∝ (탄성변형률, 가해진 응력)



- 같은 응력 하에서 고강도 콘크리트가 저강도 콘크리트보다 작은 크리프 변형률 발생

- 일반적으로 = (1.5~3) ×

▶ 크리프 변형률의 크기

- 28일 후 : 총 크리프 변형률의 1/2

- 3~4개월 후 : 최종 값의 3/4 이상

- 2~5년후 : 최종 값

▶ 크리프 계수

-

탄성 변형률크리프 변형률

- 옥내 구조물 : 3.0(건조하기 때문)

- 옥외 구조물 : 2.0

- 수중 구조물 : 1.0이하

▶ 크리프 변형률을 변화시키는 요인

증가 요인 감소 요인

물-시멘트비가 클수록 상대습도 높을수록

단위 시멘트량이 많을수록 콘크리트의 강도, 재령이 클수록

온도가 높을수록 체적이 클수록

응력이 클수록 고온 증기 양생하면

많은 철근량이 효과적으로 배근되면

※ 단위량 : 콘크리트 을 만드는데 소요되는 재료의 양()을 단위량이라 한다.

※ 실제 구조계에서는 건조수축과 크리프 변형은 동시에 발생

※ PS강재의 릴락세이션

- PS강재를 긴장한 채 일정한 길이로 유지해 두면, 시간의 경과와 더불어 인장응력이 감소한다.



4. 건조수축 (Dry Shrinkage)

- 콘크리트에 함유된 수분이 증발되면서 콘크리트의 부피가 줄어드는 현상

→ 인장부에 균열 발생

- 콘크리트를 배합할 때, 수화작용에 필요한 수량보다 많은 물을 사용한다. (workability 향상)

- 따라서, 수화하고 남은 물은 자유수로서 콘크리트 속에 머물러 있다가 콘크리트가 대기중에 방치될

때 증발한다.

▶ 특성

- 단위 수량, 단위 시멘트량 : 많으면 건조 수축량 증가

- 건조수축 진행 속도 : 초기에는 빠르고, 시간이 경과함에 따라 감소한다.

- 일반적인 최종 수축량 : 0.0002~0.0007

▶ 콘크리트의 건조수축 변형률

- 라멘 구조 : 0.00015

- 아치 (철근량 0.5%이상) : 0.00015

(철근량 01~0.5%) : 0.00020

※ 이 값은 실제의 건조수축보다 작은 값을 나타냄(∵ 크리프와 철근이 건조수축영향을 감소시킴)

▶ 수축 응력(Shrinkage Stress)

ⅰ) 부재의 변형이 구속되지 않은 경우

- 건조수축에 의한 응력이 비교적 작다.

- 수축이음 등

여기서

,

여기서 평형조건 : →

→

여기서

(탄성계수비),

(철근비)

무근콘크리트

무근콘크리트

철근콘크리트

철근콘크리트구속된경우 → 큰 응력 발생



∴ 철근의 압축응력

,

여기서 , : 콘크리트/철근 인장/압축 응력

, : 콘크리트/철근 탄성계수

: 콘크리트/철근 단면적

ⅱ) 부재의 변형이 구속된 경우

- 비교적 큰 응력이 발생

- 부재의 양단이 고정되어 신축(변형)이 구속되었기 때문에

- 그러나 부재에는 건조수축이 생겨 가 발생하게 되는데, 변형이 구속되어 있어 그에 해당하는 응

력을 부재가 받는다.

- 즉, 가 콘크리트를 수축시키려 하기 때문에 콘크리트는 이에 저항하여 인장응력을 받는다.

→ ; 이 값은 변형이 구속된 응력보다 크다.

- 이 응력이 콘크리트의 인장강도를 초과하면 콘크리트에 수축균열이 발생한다.

- 한편 철근은 콘크리트의 인장응력과 평형을 이루는 압축응력을 받는다.

→

5. 온도변화

- 온도수축과 건조수축이 동시에 발생하면 심한 균열 유발

- 특히 부정정 구조물의 경우 온도변형은 응력의 재분배 유발

※ 정정 구조물의 경우 온도변화는 일반적으로 무시

- 시방서 : 보통의 경우 : ± 20°C (온도차)

부재치수가 70cm이상인 경우 : ±15°C (온도차)

열팽창계수 × (철근 또는 콘크리트)

6. 고강도 콘크리트(High-strength Concrete)

1) 정의 : 40MPa(400)이상의 압축강도를 가지는 콘크리트

2) 사용강도 범위 : 40~80MPa(400~800)의 범위의 고강도 콘크리트가 사용

※ 120MPa(1200)의 고강도 콘크리트(미국)

3) 구성요소 : 품질이 엄선된 시멘트 +골재 +혼화재료(고성능 감수제(유동화제), 실리카퓸, 플라이애쉬)

4) 기본요건 : 매우 작은 물-시멘트비 : 25%이하

∴ 고성능 감수제, 플라이애쉬, 실리카흄의 첨가필요

5) 특징 : ① 작은 물-시멘트비로 워커빌러티가 좋은 콘크리트 양생 가능.

② 경화한 후 매우 높은 강도

③ 압축강도뿐만 아니라 다른 성질(기타 강도 및 건조수축과 크리프 감소)도 개선

6) 장점 : ① 부재의 단면 축소가능

② 구조물의 자중이 감소하기 때문에 긴 지간의 구조물이나 고층건물에 사용가능

③ 탄성계수의 값은 증가, 건조수축과 크리프는 감소

④ 초기 처짐과 장기 처짐의 감소.

⑤ 프리스트레스 콘크리트교에서 프리스트레스 손실의 감소

⑥ 마모에 대한 저항성, 철근부식에 대한 방호, 내 약품성의 향상

☞ 교량상판의 덧씌우기, 댐의 여수로, 화학공장의 바닥 슬래브, 해양구조물 등에 적용가능



7. 설계기준강도와 배합강도

정의설계기준강도 부재설계시 기준이 되는 압축강도

배합강도 콘크리트 배합을 정할 때 목표로 하는 압축강도

▶ 설계기준강도 와 배합강도 와의 관계

- 콘크리트는 현장타설이므로 배합강도 필요

- 배합강도는 설계기준강도보다 일반적으로 큼. (∵ 기준치이하 발생확률 고려)

※ 설계기준에 제시된 배합강도

(2007년 개정된 콘크리트 구조설계기준)

1) 30회 이상의 시험기록이 있는 경우

- 다음 두 식으로 계산한 값 중 큰 값을 배합강도로 사용

① ≦ MPa MPa MPa

연속 3회 실험의 평균값이 이하로 될 확률을 1%로 되게 하려는 조건

개개의 실험값이 를 3.5MPa이상 밑도는 확률을 1%로 되게 하려는 조건

② MPa

MPa

MPa 개개의 실험값이 이하로 될 1%로 되게 하려는 조건

(는 표준편차)

2) 시험횟수가 30회 미만이거나 시험기록이 없는 경우

① 15회 이상 29회 미만의 시험기록이 있는 경우

- 45일 이상 실시된 연속시험 기록으로부터 구한 표준편차와 아래 표와 같은 보정계수를 곱하여

구한 표준편차로부터 배합강도를 계산

- 표준편차 보정

시험횟수 보정계수

15 1.16

20 1.08

25 1.03

30 이상 1.00

② 시험횟수가 14회 이하이거나 시험기록이 없는 경우

- 아래 표로부터 배합강도 결정

설계기준강도 f ck 배합강도 f cr (MPa)

21 미만

21 ~ 35

35 초과



8. 28일 기준강도 설정이유

1) 안전 측의 값 : 표준양생(20°±3℃, 습윤양생)인 공시체의 재령28일 압축강도

- 콘크리트는 재령 경과에 따라 강도가 증가하나 28일이 지나면 약 85-90% 강도를 보장

- 28일 이후 강도증가하나 증가량이 적고 실제로 강도의 큰 증가를 예견 불가

2) 보통의 콘크리트 구조물과 다른 구조물은 구조물의 사용시기, 작용하중의 종류, 부재치수 등을 고려

하여 다른 재령강도를 설계기준강도로 채택.

예) 댐 콘크리트 : 재령 91일 강도를 설계기준강도로 채택

공장제품콘크리트 : 재령 14일 강도를 설계기준강도로 채택

3) 28일 강도 추정법

- 3일 또는 7일의 조기재령의 강도로부터 28일 강도를 추정하는 방법

- 촉진 양생강도로부터 28일 강도를 추정하는 방법

- 물-시멘트 비에 의해 콘크리트 품질을 관리하는 방법



2.4 철근

1. 철근의 종류 (KS D 3504에 규정)

- 원형 철근(Round bar, SR) : 표면에 리브와 마디가 없는 원형단면을 가진 철근

- 이형 철근(Deformed bar, SD) : 원형철근 표면에 리브(rib:종방향)와 마디(원주방향)가 있는 철근

- 표1-5(철근의 종류), 표1-6(이형철근의 제원), 표1-7(원형철근의 제원)

리브폭리브리브

전길이의 1/4

마디높이측정위치마디마디

종류 기호항복강도 또는 0.2%내력 인장강도

MPa, N/mm 2 MPa, N/mm 2

원형철근SR 240

SR 300

240 이상

300 이상

380 이상

440 이상

이형철근

SD 300

SD 350

SD 400

SD 500

SD 600

SD 700

300 이상

350 이상

400 이상

500 이상

600 이상

690 이상

440 이상

490 이상

560 이상

620 이상

710 이상

800 이상



호칭 공칭지름( mm ) 공칭단면적( cm 2 ) 공칭둘레( cm ) 단위중량( kgf/m )

D 6

D 10

D 13

D 16

D 19

D 22

D 25

D 29

D 32

D 35

D 38

D 41

D 51

6.35

9.53

12.7

15.9

19.1

22.2

25.4

28.6

31.8

34.9

38.1

41.3

50.8

0.3167

0.7133

1.267

1.986

2.865

3.871

5.067

6.424

7.942

9.566

11.40

13.40

20.27

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

8.0

9.0

10.0

11.0

12.0

13.0

16.0

0.249

0.560

0.995

1.56

2.25

3.04

3.98

5.04

6.23

7.51

8.95

10.5

15.9

※ 공칭 치수는 동일한 길이, 동일한 중량의 원형철근 지름, 단면적, 둘레로 환산한 값

강(Steel)의 비중 = 7.85

항복강도가 240~300 MPa 이형철근 주로 사용 (근래에 4000 kgf/cm 2 이상 주로 사용)

2. 철근의 분류

- 주철근

- 정철근

- 부철근

- 배력철근

- 축방향 철근

- 전단 보강근

- 사인장 철근

- 비틀림 철근

- 스터럽(stirrup)

- 굽힘 철근

- 띠철근

- 나선 철근

- 조립용 철근

- 가외 철근



3. 응력-변형률 곡선

- 인장실험

▶ 탄성계수 : kgfcm × kgfcm × MPa

▶ 철근의 피로강도

파괴가 발생하지 않고 200만회이상 반복하중 작용할 수 있는 응력

→ 피로 발생하는 부위 : 철근 용접이나 구부리기 금지

탄성계수

Real Scale

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