[건축시공학] 콘크리트의 성질

 

콘크리트의 성질

 

1. 경화 전 콘크리트의 성질 – 워커빌리티(Workability)와 컨시스턴시(Consistency)

콘크리트가 굳기 전, 즉 프레시 콘크리트(fresh concrete) 상태에서 가장 중요한 성질은 바로 워커빌리티이다. 워커빌리티는 콘크리트의 작업성을 의미하며, 운반, 타설, 다짐, 마감 등의 과정에서 요구되는 성능을 통합적으로 나타낸다. 워커빌리티가 좋을수록 시공성이 우수하며, 작업시간 단축과 품질 향상에 기여할 수 있다.

 

워커빌리티는 슬럼프(Slump) 시험으로 간접적으로 측정되며, 일반적으로 슬럼프 값이 클수록 워커빌리티가 높다고 본다. 그러나 슬럼프 값이 동일해도 골재의 형태, 입도, 점착성 등에 따라 실제 작업성은 달라질 수 있으므로 주의가 필요하다. 워커빌리티는 시멘트의 양, 물-시멘트비(W/C), 골재의 형태와 입도, 혼화제 사용 여부에 따라 결정되며, 시공 부위에 따라 적정 워커빌리티를 설정하는 것이 중요하다. 예를 들어, 철근이 밀집된 슬래브나 보에는 보다 유동성이 높은 콘크리트가 요구되며, 이 경우 고성능 감수제를 활용한 유동화 콘크리트가 적용되기도 한다.

 

컨시스턴시란 콘크리트의 점성 또는 유동 상태를 의미하며, 이는 물의 양과 혼화제의 영향으로 결정된다. 적절한 컨시스턴시는 콘크리트의 재료 분리나 블리딩 방지에도 기여하며, 균질한 품질 확보를 위한 중요한 요소이다.

 

2. 경화 후 콘크리트의 기본적 성질 – 압축강도, 인장강도, 휨강도

 

콘크리트가 경화된 이후의 성질 중 가장 대표적인 것은 압축강도이다. 콘크리트는 압축에는 강하나 인장에는 약하다는 특성이 있으며, 이러한 특성은 구조 설계의 근거가 된다. 압축강도는 보통 28일 기준으로 측정되며, 설계기준압축강도는 구조물의 용도에 따라 18~40MPa 이상까지 다양하게 설정된다.

 

반면 콘크리트의 인장강도는 압축강도의 약 10~15% 수준으로 매우 낮아 구조적 보강이 필요한 경우가 많다. 이로 인해 철근콘크리트가 일반적인 구조 방식으로 채택되며, 인장력을 철근이 담당하고, 압축력을 콘크리트가 담당하는 구조적 보완이 이루어진다. 인장강도는 균열 저항성과 직접적으로 관련되어 있으며, 내진 설계 시 중요한 설계 요소로 작용한다.

 

휨강도는 콘크리트 보와 같은 부재가 굽힘 하중을 받을 때 견딜 수 있는 능력을 나타내며, 구조 부재의 내하력 평가에 활용된다. 휨강도는 압축강도와 인장강도의 조합으로 해석될 수 있으며, 철근 배근 위치 및 양에 따라 실제 성능이 달라진다.

 

3. 콘크리트의 내구성 – 내수성, 내화학성, 내동해성

 

콘크리트는 다양한 환경에 노출되어 사용되므로, 단순한 강도뿐 아니라 내구성(Durability)이 매우 중요한 성능 지표가 된다. 내구성이란 콘크리트가 외부 환경의 영향에도 구조적, 물리적 특성을 일정 기간 이상 유지할 수 있는 능력을 말한다.

 

가장 기본적인 내구성 요소는 내수성이다. 콘크리트는 다공성 재료이므로, 수분이 내부로 침투할 경우 강도 저하, 철근 부식, 동결 팽창 등 다양한 문제가 발생할 수 있다. 이를 방지하기 위해 적절한 물-시멘트비(W/C 비) 유지, AE제 사용, 충분한 양생이 필수적이다. 특히 구조물의 수밀성이 중요한 지하 구조물이나 수조 등에서는 수밀 콘크리트가 사용되며, 이는 분말도 높은 시멘트와 혼화재를 병행해 제작한다.

 

또한 콘크리트는 화학적 공격에도 노출될 수 있다. 대표적인 경우로는 해안 구조물의 염해, 하수처리시설에서의 황산 공격, 공장 구조물에서의 산 또는 알칼리 부식 등이 있다. 이를 대비하여 고로슬래그 시멘트나 플라이애시, 실리카흄 등의 혼화재가 혼입되며, 내화학성이 향상된 콘크리트 배합이 필요하다.

 

내동해성(Frost Resistance)은 추운 지역에서 반복되는 동결-융해 사이클에 견디는 능력을 말한다. 물이 얼면서 팽창하는 성질로 인해 콘크리트 내부에 균열이 발생하고, 이는 내구성 저하로 이어진다. AE제(Air-Entraining Agent)를 사용하여 균일하고 미세한 공기층을 형성함으로써 동결 팽창을 완화할 수 있다.

 

4. 콘크리트의 시간에 따른 성질 변화 – 수화반응, 크리프, 건조수축

 

콘크리트는 시간이 지남에 따라 계속해서 변화하는 재료이다. 그 변화는 구조물의 안정성이나 장기 내구성에 직접적인 영향을 미친다. 그 중 가장 기본적인 변화는 시멘트의 수화반응(Hydration Reaction)에 따른 강도 발현이다. 수화반응은 시멘트와 물이 반응하여 수화물질(C-S-H 등)을 생성하며, 이로 인해 콘크리트가 경화하고 점차 강도를 얻게 된다. 이 반응은 보통 28일을 기준으로 설계되지만, 실제로는 수년간 계속 진행되며, 초기와 장기의 강도 발현 속도는 서로 다르다.

 

크리프(Creep)는 장시간 하중을 받을 경우 콘크리트가 천천히 변형되는 성질을 말한다. 이는 특히 교량이나 고층 구조물에서 문제로 작용할 수 있으며, 과도한 처짐이나 구조 변형의 원인이 된다. 크리프는 수분 상태, 온도, 하중 크기 및 지속 시간 등에 따라 영향을 받으며, 적절한 설계와 품질 관리로 이를 최소화할 수 있다.

 

또 다른 시간적 변화는 건조수축(Drying Shrinkage)이다. 콘크리트가 양생 후 수분을 잃으면서 체적이 줄어드는 현상으로, 균열을 유발할 수 있다. 건조수축은 시멘트의 종류, W/C 비, 골재의 형태와 혼화재의 사용 여부에 따라 달라지며, 줄눈 계획, 철근 배근, 수분 조절 등으로 이를 제어할 수 있다.

 

5. 콘크리트의 기타 특성 – 중량, 열전도율, 내화성 등

 

콘크리트는 구조적 성능 외에도 다양한 물리적 특성을 지니며, 이는 용도나 시공 환경에 따라 고려되어야 한다. 예를 들어, 콘크리트의 중량(Specific Gravity)은 일반 콘크리트 기준으로 약 2,400kg/㎥ 정도이며, 이는 구조물 자중에 큰 영향을 준다. 고층건축에서는 자중 저감을 위해 경량골재 콘크리트가 사용되기도 한다.

 

열전도율은 콘크리트가 열을 얼마나 잘 전달하는지를 나타내며, 일반 콘크리트는 약 1.4~1.7 W/m·K 수준이다. 단열 성능이 요구되는 경우에는 경량 콘크리트나 단열재와 병행한 시공이 필요하다.

 

반면, 콘크리트는 우수한 내화성을 지니고 있어 고온에서도 강도 손실이 적으며, 1,000℃ 이상의 온도에서도 구조적 안정성을 어느 정도 유지할 수 있다. 이러한 특성 덕분에 화재 시에도 비교적 안전한 구조 재료로 간주된다.

 

또한, 콘크리트는 음향 차단성, 방사선 차폐성 등의 특수 성질도 지녀 병원, 극장, 원자력 시설 등 특수 목적 구조물에 활용된다. 이처럼 콘크리트는 단순한 구조 재료를 넘어 다양한 성능을 종합적으로 발현하는 복합 재료라 할 수 있다.