배합설계

배합설계 배합설계의 원칙 배합설계의 순서

배합설계의 개요 • 요구성능을 만족하는 콘크리트를 얻기 위한 작업 • 좋은 콘크리트를 만들기 위해서는 시멘트·물·골재·혼화제·재 및 적절한 공기량 등의 적절한 배합비를 결정 • 콘크리트 요구성능 중 가장 중요한 것은 압축강도, 내구성 및 시공성을 좌우하는 컨시스턴시(슬럼프) • 소요의 강도를 얻을 수 있을 것(W/C) • 적당한 워커빌리티를 가질 것(단위시멘트량, 잔골재율) • 소정의 슬럼프(단위수량) • 내구성을 지닐 것 • 기상작용, 화학적작용, 침식작용에 충분히 저항 • 소정의 공기량(3~5%) • 각 재료의 용적의 합이 1M3 가 됨 • 경제적일 것 정의 요구성능 1/35

콘크리트의 배합 • 물시멘트비, 단위수량 • 최소의 단위수량- 타설 가능 한 가장 된 반죽질기 • 단위수량증가 • 반죽질기 증가 타설 용이 • 재료분리 현저 • 철근의 부착성능 저하 • 비경제적(소요강도 및 내구성을 얻기 위해 단위시멘트량 증가) • 가능한 최대치수의 굵은 골재 사용 • 단위수량 감소 단위시멘트량 감소  품질개선 • 절대용적배합 • 재료가 공극이 전혀 없는 상태로 가정하여 계산한 절대용적으로 배합표시 • 중량배합 • C:S:G를 중량비율로 하거나 콘크리트 1m3에 소요되는 재료를 중량으로 표시한 배합 • 가장적합 • 골재는 절건 중량 요구성능 결정요소 배합의 표시 2/35

배합순서 3/35

배합순서 • 아래 두 식을 만족하도록 적용 • F ≥ Fc + 1.73σ + T • F ≥ 0.8(Fc + T) + 3σ • F:콘크리트 배합강도 • Fc(설계기준강도) = 3 x 장기허용응력도 = 1.5 x 단기허용응력도 • T:기온에 의한 콘크리트 강도 보정치 • σ:사용하는 콘크리트 강도의 표준편차 • 보통 150, 180, 210, 240, 270 사용 배합강도 결정 4/35

배합순서 • 슬럼프 • 굳지않은 콘크리트의 반죽질기를 나타내는 지표 슬럼프의 표준값(콘크리트시방기준) 슬럼프 결정 5/35

배합순서 • 물시멘트비(w/c) • 콘크리트를 비빌 때 붓는 물의 양과 사용하는 시멘트 중량의 비율 • 물시멘트비가 작을수록 콘크리트 강도는 커지고 내구성이 좋아짐 • 물시멘트비 최대값 공사시방으로 결정 • 보통포틀랜드 시멘트의 경우 65% • 물시멘트비 최소값 • 40%가 최소값임 (수화반응시 시멘트와 결합하는 결합수 25%, 수화물 표면에 흡착하고 있는 겔수 15%) • 단위수량 • 콘크리트 1 m3에 들어가는 물의 중량 • 작업이 가능한 범위 내에서 가능한 적게 • 단위수량은 굵은골재의 최대치수, 골재의 입도와 입형, 혼화재료의 종류, 콘크리트의 공기량 등에 따라 다름 • 단위수량이 많아지면 슬럼프값이 증가하나 강도가 저하되며 건조수축이 켜져서 내구성과 수밀성 저하, 블리딩 및 타설 후 침하 물시멘트비 결정 • 보통포틀랜드 시멘트 • 물시멘트비 공식 • W/C = 61 / (f28/K + 0.34) 단위수량 결정 6/35

배합순서 • 단위시멘트량 • 콘크리트 1 m3에 들어가는 시멘트의 중량 • 원칙적으로 단위수량과 물시멘트비로부터 결정 • 단위시멘트량(kg/m³) = 단위수량(kg/m³) / 물시멘트비(%) × 100 • 단위시멘트량이 많아지면 강도와 수밀성이 커져 내구성이 증대되나 수화열이 증가되므로 큰 부재에서는 시멘트량을 줄이는 것이 좋음 • 잔골재율(S/a) • 콘크리트속의 골재의 절대용적에서 잔골재의 절대용적이 차지하는 비율 • 잔골재율(%)=잔골재의 절대용적/골재의 절대용적 × 100 • 잔골재율 증가 • 점성이 증가하여 슬럼프값이 적어짐 • 필요한 워커빌리티를 얻기 위해 단위수량 증가,강도감소 • 그럴 경우 단위시멘트량도 증가하게 되어 비경제적인 배합 • 따라서 잔골재율은 필요한 콘크리트의 품질을 얻을 수 있는 범위 내에서 최소가 되도록 결정 단위시멘트량 결정 잔골재율 결정 7/35

배합순서 • 공기량 • 굳지않은 콘크리트 속에 포함된 공기용적의 콘크리트 용적에 대한 백분율 • 일반적으로 4%이상 6%이내를 많이 적용함 • 굵은골재 최대치수 • 굵은 골재의 최대치수가 클수록 소요품질의 콘크리트를 얻기 위한 단위수량 및 시멘트량이 일반적으로 감소되어 경제적 • 굵은 골재가 너무 크면 콘크리트 비비기와 다지기가 곤란, 재료분리가 되기 쉬우며, 철근과 철근사이 및 철근과 거푸집의 사이를 자유로이 통과하기 어려움 • 굵은골재의 최대치수는 부재 최소치수의 1/5, 철근피복 및 철근의 최소 순간격의 3/4을 초과해서는 안됨 공기량 결정 굵은골재 최대치수 결정 8/35

배합설계 예제 • F ≥ Fc + 1.73σ + T 240+43+20=303kgf/cm2 • F ≥ 0.8(Fc + T) + 3σ 0.8(240+15)+75=279kgf/cm2 ∴ F = 303kgf/cm2 • W/C = 61/((F/K)+0.34)=61/((303/370)+0.34) = 53% • 단위수량 (W) = 193 * 0.88(AE사용시 12%절감) = 170kg/m3 절대용적 = 170ℓ/m3 • 단위시멘트량(C) = 170kg/m3*(100/53) = 321kg/m3 절대용적 = 321/3.15=102ℓ/m3 • 단위굵은골재량(G) = (0.58+0.003)*1,650kg/m3 = 962kg/m3 절대용적 = 962/2.60 = 370ℓ/m3 • 단위공기량 = 1000*(4/100)=40 • 단위잔골재량(S) : 1000=(Vw+Vc+Vg+Vs+Va), Vs=318ℓ/m3 S = 절건비중*Vs=2.52*318=801kg/m3 • 잔골재율(S/A)=(Vs/(Vs+Vg))*100=46.2% • AE감수제 사용량 = (0.3/100)*C=0.96kg/m3 계획배합표 • 설계기준강도 : 240kgf/cm2 • 소요슬럼프 : 18cm • 공기량 : 4% • 28일동안 평균기온 : 17도 • 강도표준편차 σ : 25kgf/cm2 • 보통포틀랜드시멘트 • 강도 370kgf/cm2, 비중 3.15 • AE감수제:단위시멘트량 0.3% • 굵은골재단위용적중량 • 1,650kg/m3 • 잔골재 및 굵은골재최대치수 • 5mm, 20mm • 절건비중 : 2.52, 2.60 9/35

배합설계 예제 • 보정 후 굵은골재량 = 370*2.60*(1+(0.85/100))=970kg/m3 • 보정 후 잔골재량 = 318*2.52*(1+(1.18/100))=810.5kg/m3 • 보정 후 수량 = 170+ 370*2.60 *((1.42-0.85)/100)+ 318*2.52 *((2.21-1.18)/100) = 187.7kg/m3 현장배합표 (골재함수상태에 따른 보정) 10/35

굳지 않은 콘크리트 워커빌리티 및 반죽질기 재료의 분리 진동효과 응결 블리딩 및 초기용적변화 온도상승

굳지않은 콘크리트의 성질 • 조건 • 운반, 부어넣기, 다짐 및 표면마감의 각 단계에서 작업을 용이하게 할 수 있을 것. • 시공시 그 전후에 재료분리가 적을 것 • 거푸집 타설 후 균열, 블리딩 등 유해한 현상이 발생하지 않을 것 • 주요용어 11/35

굳지않은 콘크리트 성질 • 운반, 타설, 다짐 및 표면마감의 각 시공단계에 있어서 작업을 용이하게 행할 수 있을 것 • 시공시, 시공전후에 있어서 재료분리가 적을 것 • 거푸집에 타설 후 균열 등이 발생하지 않을 것 워커빌리티 시공연도(Workability) 반죽질기(Consistency) 운반에서 타설까지 작업성 및 재료분리 없이 시공가능한 연도를 갖는 것 Workability Consistency 일반적으로 단위수량에 의해 콘크리트의 유동성 정도를 표시한 것 재료분리에 대한 저항성 성형성(Plasticity) 충진성 마감성(Finishability) 거푸집에 쉽게 다져 넣을 수 있고 거푸집을 제거해도 재료가 허물어지거나 분리되지 않는 성질 균등질 마무리 하기 쉬운 정도 Plasticity 점성 Finishability 유동성 마감작업량이 적을 것 12/35

시공연도의 측정방법 • 슬럼프 시험 • 태핑(tapping) –다짐봉으로 콘크리트 측면을 살며시 두드려 무너지는 형상을 관찰 • 무너지지 않고 떡과 같이 변하는 것이 좋다. • 진동식 컨시스턴시 시험(포장용 콘크리트) 측정방법 13/35

슬럼프 시험(Slump Test) 14/35

반죽질기에 영향을 주는 요인 • 단위수량이 크면 • 슬럼프치 상승, 반죽질기 상승 • 단위수량 1.2% 증가  슬럼프 1㎝ • 재료분리가 생기기 쉽고 워커빌리티가 저하 • 단위시멘트량이 증가하면 • Plasticity가 증가 • 부배합의 경우가 빈배합의 경우보다 시공연도가 좋다. • 분말도가 높을 수록 • 점성의 증가  반죽질기 감소 • 풍화가 진행될수록 • 워커빌리티를 현저하게 약화 단위 수량 단위시멘트량 시멘트의 성질 15/35

반죽질기에 영향을 주는 요인 • 깬자갈이나 깬모래 • 워커빌리티 저하  잔골재율 높게, 단위수량 크게 • 적당한 입도 혼합될수록 좋다. • 공기량 1% 증가 • 슬럼프 2㎝ 증가 • 잔골재율 0.5%-1.0% 정도 줄임. 따라서, 동일 슬럼프의 콘크리트 제조에 단위수량 3% 정도 감소 • 감수제, 고성능 감수제 사용 • 단위수량 10-20% 감소(동일 슬럼프치에서) • 포졸란, 플라이애쉬 사용 : 시공연도 증가 • 플라이애쉬 • 구상의 분말  워커빌러티 개선 • 불충분 혹은 과도시 • 시공연도 불량 골재의 입도 및 입형 공기량 혼화재 비빔시간 16/35

반죽질기에 영향을 주는 요인 온도 • 온도가 높을수록 반죽질기 저하 • 온도 10℃ 상승  슬럼프 2㎝ 정도 감소 17/35

콘크리트의 재료분리 • 균질하게 비벼진 콘크리트는 어느 부분의 콘크리트를 채취해도 그 구성요인인 시멘트, 물, 잔·굵은 골재의 구성비율은 동일 • 이 균질성이 소실되는 현상을 재료분리 • 본질적으로 비중의 차이에 의해 발생 • 운반 및 타설중에 생기는 굵은 골재의 분리 • 타설 후 콘크리트 입자의 침하에 따라 물이 상승하는 블리딩 현상 재료분리 18/35

굵은 골재의 분리의 영향요소 • 단위수량이 크고 슬럼프가 클 경우 분리 용이 • 물시멘트 비 ↑  점성 ↓  분리 ↑ • 비중이 클수록 분리 현저 • 편평하고 세장한 골재가 분리 용이 • AE제나 양질의 포졸란은 콘크리트의 점성 증가  분리 감소 • 운반이나 다짐시 심한 진동을 가했을 때 분리 증가 • 압송관이 막혀 파손 발생 • 곰보(Honey comb) 발생 단위수량 골재의 종류 혼화제 및 시공 골재분리 영향 19/35

콘크리트의 재료분리 곰보발생 20/35

콘크리트의 재료분리 곰보발생 21/35

콘크리트의 재료분리-블리딩 • 시멘트 페이스트와 물의 분리 • 굳지 않은 콘크리트나 모르터에 있어서 비중이 가벼운 물과 미세한 물질이 떠오르는 현상 • 철근에 의한 콘크리트 침하(settlement) 구속  철근 배근을 따라 직상부에 격자형 균열 발생 (침하균열) • 골재에 의해 물의 상승이 억제 됨으로써 그 하부에 물이 침체하여 부착강도 및 수밀성 저하 • 콘크리트 침하 현상으로 부터 수평 철근의 상단에 균열이 생기는 일이 발생하는데 이때 콘크리트가 경화하기 전 재 다짐을 함으로써 예방 가능 • 블리딩에 의해 시멘트 중의 유리석회, 석고의 일부가 물에 녹아서 수면 위로 부유하고 수분이 증발한 후 콘크리트 표면에 남는 고형분 • 시공이음시에는 레이턴스를 제거 블리딩(Bleeding) 레이턴스(Laitance) 22/35

콘크리트의 재료분리-블리딩 • 단위수량 • 물시멘트비가 클 경우 • 단위잔골재량 • 최대치수가 클수록 감소, 골재의 치수가 적을 때 증대 • AE제 및 감수제를 사용시 블리딩량, 침하량 감소 • 치어붓기 높이가 높을수록 침하량이 커짐 • 높이가 높을수록 • 철근 하부의 공극 형성  부착력 저하 • 물시멘트비 변화에 따른 물성변화 • 레이턴스로 신, 구 콘크리트 접촉물량 • 균열발생(Bleeding Channel)으로 구조적 결함 형성 및 내구성 약화 블리딩 원인 블리딩 결과 23/35

콘크리트의 재료분리-블리딩 24/35

블리딩에 영향을 주는 요인 • 블리딩의 감소 • 분말도가 높은 시멘트 반응 증가 • 응결시간이 빠를수록 재료 • 블리딩의 증가 • 쇄석 사용  단위수량 증가 • 블리딩의 증가 • 타설속도가 빠를수록  • 1회의 타설높이를 낮게 • 두드림, 진동이 과할 경우 시공 25/35

워커빌러티 영향 요인 • 분말도가 높은 시멘트 일수록 점성이 클수록 컨시스턴시도 적어진다. • 분말도가 작은 시멘트는 시멘트 페이스트의 점성이 낮아져 컨시스턴시가 크게 되고 재료분리가 발생하여 워커빌러티가 나빠짐 • 시멘트의 풍화정도와 이상응결에 의해서도 영향을 받음 • 단위시멘트량이 많을수록 플라스티시티가 증가하므로 일반적으로 부배합의 경우 빈배합보다 워커빌러티가 좋다. • 단위수량이 많을수록 컨시스턴시는 증가 • 지나치게 많으면 재료분리가 발생하고 워커빌러티 오히려 저하 • 골재중에 세립분이 많으면 점성이 높아져 컨시스턴시가 적어지고 • 자갈이 편평하고 긴 모양일수록 골재분리가 생기기 쉽고 워커빌러티가 저하 • 부순자갈/모래를 사용할 경우 강자갈에 비해 잔골재율 및 단위수량을 증가시킴 시멘트 종류 단위시멘트량 사용수량 골재의 입도 및 형상 26/35

워커빌러티 영향 요인 • AE제 또는 AE감수제를 사용함으로써 미세한 공기에 의한 볼베어링 작용으로 워커빌러티 향상 • 공기량 1% 증가⇒슬럼프값 2cm 증가 • 또는 슬럼프 일정할 경우 단위수량 3% 저감 • 특히 감수제는 컨시스턴시를 증대시킬수 있으며 약 8~15%정도 단위수량을 감소시킬 수 있다. • 플라이애시 또는 실리카 흄 등은 콘크리트 내부에서 볼베어링작용을 하기도 함 • 비빔시간이 너무 길면 시멘트 수화작용을 촉진하여 워커빌러티가 저하 • 너무 짧으면 콘크리트가 균질하지 못해 워커빌러티가 저하 • 동일 배합조건에서 비빔온도가 높을수록 컨시스턴시 저하 공기량 혼화재료 비빔시간 온도 27/35

진동효과 • 크고 불균일한 공기포가 추출 • 공극의 감소 • 단위용적중량, 강도, 내구성, 수밀성 등이 증대 • 고체입자의 맞물림이 떨어짐 • 액상화하여 유동성이 증가 • 충진상태가 밀실하게 되어 경화 후 각종 성질이 향상 • 재료분리 발생 • AE콘크리트는 공기량 감소 • 삽입간격은 60-75㎝ (유효반경 30-50㎝) • 한 개소의 진동시간은 15-20초 진동효과 진동시간의 과다 진동기의 사용 28/35

초기 용적 변화 • 수분과 이분의 증발에 따른 수축  블리딩 • 타설 후 2.5시간까지 • 수화반응에 의한 초기 건조수축 • 타설 후 2.5시간에서 8-9시간 까지의 급격한 수축 • 초기수축은 시멘트의 경화수축과 수분발산에 의한 수축으로 구분 • 시멘트 페이스트의 수축에 의해 발생  콘크리트는 골재의 영향으로 수축이 줄어듬 • 시멘트 입자에 의해 도입된 물의 체적보다 시멘트 입자의 팽창량이나 석출물의 체적증가분이 작기 때문 • 온도가 높을수록 초기수축이 크다. 초기용적변화 29/35

초기용적변화 • 20℃의 경우 약 2.5시간 정도까지 계속 • 어느 정도 응결하여 침강을 방해할 때까지 초기용적변화시간 • 침하량이 증가하는 경우 • 단위수량이 많을 때 30/35

블리딩과 용적변화 단위수량과 침하 31/35

콜드조인트 • 콜드조인트 • 콘크리트 타설 중 이어치기 허용시간간격이 지난 후 이어치기를 하여 약간 굳은 상태(응결이 진행된 상태)로 된 이후에 연이어 콘크리트가 타설되어 서로 일체화되지 않아 발생하는 시공불량 조인트 • 누수의 원인이 되고, 강도상 취약한 부분 • 대책 • 초결시간(관입저항침 저하치 3.5MPa이하)보다 상당히 빠른 시기에 콘크리트 타설 • 콘크리트 이어치기 허용시간간격 • 25℃ 초과: 2.0시간 • 25℃ 이하: 2.5시간 이내 • 이어치기 허용시간간격이란 콘크리트 비비기 시작부터 하층 콘크리트 타설을 완료한 후 정치시간을 포함하여 상층 콘크리트가 타설되기까지의 시간 • 충분한 공정계획과 응결지연제의 사용을 사전 검토 정의 방지대책 32/35

온도상승 • 수화반응은 발열을 수반하는 반응 • 온도 상승  온도균열 야기 • 온도강하시의 수축이 구속되는 인장응력 • 단면 내의 온도차에 의한 인장응력이 주원인 • 매스콘크리트의 경우 고려 • 부재의 단면치수 및 형상 • 시멘트의 종류 • 혼화재료 • 단위시멘트량 • 기온, 타설시의 콘크리트 온도 부재의 온도상승 온도상승의 영향요소 33/35

온도상승 부재의 온도상승 • 형상 치수의 영향 • 보통시멘트 • 단위시멘트량 320㎏/㎥ • 타설온도 20℃ 34/35

온도상승 부재의 온도상승 • 타설온도의 영향 • 보통시멘트 • 단위시멘트량 300㎏/㎥ • 벽체두께 1.2 35/35

배합설계

배합설계

Presentation Transcript

4. 콘크리트의 배합설계