토목 공학은 도로, 다리, 건물 등의 건설 프로젝트를 설계하고 구축하는 데 중요한 역할을 하는 중요한 분야입니다. 이 분야의 엔지니어들은 안전하고 지속 가능한 인프라를 만들기 위해 다양한 기술과 시험 방법을 사용합니다. 오늘 우리는 그중에서도 "슬럼프 공기량 시험 방법"에 대해 알아볼 것입니다.
슬럼프 공기량 시험
- 굳지 않은 콘크리트의 압력법에 의한 공기 함유량 시험
- 콘크리트 슬럼프 시험
슬럼프 공기량 시험 목적
① 굳지 않은 콘크리트의 압력법에 의한 공기 함유량 시험
- 굳지 않는 콘크리트의 압력법에 의한 공기함유량을 시험하는 방법으로, 보일의 법칙을 응용한다. 공기량은 워커빌리티, 강도, 내구성, 수밀성, 단위중량 등에 큰 영향을 받으므로 적정한 배합설계를 위해서는 공기량의 측정이 필요하다.
② 콘크리트 슬럼프 시험
- 슬럼프의 대소에 의해서 콘크리트 연도의 정도를 알 수 있고, 또한 슬럼프를 이루는 속 도나 상태에 의해서 콘크리트의 점조성, 즉 골재 분리성의 정도를 알 수 있다. 보통 이 결과로부터 콘크리트의 운반이나 치어붓기에 대한 작업성의 양부, 다시 말에서 워커빌 리티를 추정하고 있다.
슬럼프 공기량 시험 장비
① 굳지 않은 콘크리트의 압력법에 의한 공기 함유량 시험
- 공기량 측정기
- 삽
- 골재
- 다짐막대
- 목재자
- 물
- 나무망치
- 시멘트
② 콘크리트 슬럼프 시험
- 슬럼프 콘
- 삽
- 물
- 다짐막대
- 시멘트
- 슬럼프 측정자
- 골재
슬럼프 공기량 시험 방법
① 굳지 않은 콘크리트의 압력법에 의한 공기 함유량 시험
- 시료를 용기 안에 넣고 다진다.
- 시험에 앞서 측정기를 검정한다. (용기, 초기압력, 공기량 눈금 등)
- 용기를 수평한 바닥에 놓고 시료를 용적의 1/3씩 나누어 넣고 다진다.
- 매 층마다 다짐봉으로 25회 균등히 다지고 나무망치로 용기의 옆면을 다짐봉 자국이 없어질 때까지 10~15회 두드린다.
- 상단면보다 많아진 여분의 시료는 용기상부면과 평탄하게 깎아낸다.
- 용기의 플랜지 윗면과 뚜껑의 플랜지 아래면을 완전히 닦는다.
- 공기량을 측정한다.
② 콘크리트 슬럼프 시험
(1) 시료를 슬럼프콘에 넣고 다진다.
- 시료를 슬럼프 콘 용적의 약 1/3씩 되도록 3층으로 나누어 채운 후, 각 층은 25회씩 하여 단면전체를 골고루 다진다.
(2) 슬럼프 콘을 벗긴다.
- 다져진 콘크리트 상면을 슬럼프 콘의 상면과 일치시킨 후 조심스럽게 슬럼프 콘을 수 직방향으로 벗긴다. 슬럼프 콘을 벗기는 시간은 높이 30cm에서 2~3 초로하며, 콘을 채우기 시작하여 슬럼프 콘을 들어 올리기 종료할 때까지의 시간은 3분 이내로 한다.
(3) 슬럼프를 측정한다.
- 슬럼프치는 콘크리트가 충분히 주저앉은 다음으로 하며, 측정위치는 슬럼프콘 밑면 원의 중심에서 수직으로 한다.
슬럼프 공기량 시험 이 론
① 굳지 않은 콘크리트의 압력법에 의한 공기 함유량 시험
(1) 공기량 측정기
(2) 주수법이란?
공기량 시험에서 물을 붓고 시험하는 경우를 말하며 용적은 적어도 5 이상으로 한다.
(3) 무수법이란?
공기량 시험에서 물을 붓지 않고 시험하는 경우를 말하며 용적은 적어도 7 이상으로 한다.
(4) 골재수정계수란?
공극이 많은 골재는 공기량 측정 중에 골재의 흡수가 시험결과에 영향을 미치는 경우가 있기 때문에 골재수정계수로 보정한다.
- 골재수정계수 산출
공기량을 구하려고 하는 용적의 콘크리트 시료 안에 있는 잔골재 및 굵은 골재의 질 량을 다음 식에 따라 산출한다.
잔골재 및 굵은 골재의 대표적 시료를 각각 중량 Mf 및 Mc 만큼 채취한다. 시료 골재 입 자의 함수 상태를 콘크리트 시료 중의 골재 입자의 함수 상태와 똑같이 하기 위하여 잔골 재 및 굵은 골재를 별도로 물에 담근다(약 5분 정도). 약 ⅓까지 물을 채운 용기 안에 골재를 넣는다. 골재를 넣을 때는 되도록 공기가 들어가지 않도록 하고 표면에 나온 거품을 빨리 제거하여야 한다. 공기를 추출하기 위하여 용기 옆면을 나무망치로 두드리고 또 잔 골재를 넣을 때마다 약 25㎜의 깊이에 달할 때까지 다짐봉으로 약 10회 다지는 것으로 한 다. 골재 전부를 용기에 넣은 후 수면의 거품을 모두 제거하고 용기의 플랜지와 뚜껑의 플랜지를 잘 닦고 고무 패킹을 넣어 뚜껑을 용기에 얹고 잠근다. 압력계 공기량의 눈금을 읽고 이것을 골재 수정계수(G)로 한다
(5) 공기량 계산
② 콘크리트 슬럼프 시험
(1) 슬럼프란?
혼합된 콘크리트를 슬럼프 콘에 넣은 후 다짐봉으로 다진 다음 콘을 들어 올렸을 때 콘크리트가 내려앉은 높이를 cm단위로 표시한 값
(2) 반죽 질기란?
주로 물의 양의 많고 적음에 따르는 반죽이 되고 진 정도를 나타내는 굳지 않은 콘크리트의 성질을 말하며, 콘크리트의 유동성을 나타내는 것이다.
(3) 워커빌리티란?
콘크리트를 혼합한 다음 운반해서 다져 넣을 때까지 시공성의 좋고 나쁨을 나타내는 성질 즉 콘크리트의 시공성을 말하는데, 시공성의 좋고 나쁨은 작업의 용이한 정도 및 재료의 분리에 저항하는 정도로 나타난다. 워커빌리티가 좋은 콘크리트는 작업성이 좋고 분리도 거의 일어나지 않는다.
- 워커빌리티 영향요소
- 시멘트 사용량
- 더 많은 양의 시멘트를 사용할수록 작업성이 향상됩니다.
- 시멘트 양이 적으면 물질이 분리될 가능성이 높습니다.
- 시멘트 특성
- 파우더 시멘트 양이 높을수록 시멘트 페이스트의 점성이 높아져 덜 끈적입니다.
- 조기 강도 시멘트 양이 높을수록 작업성이 향상됩니다.
- 낡은 시멘트 및 비정상적인 응고를 보이는 시멘트는 작업성을 크게 약화시킵니다.
- 단위 양
- 양이 클수록 도포가 더 얇아집니다 (끈적거림이 더 높아집니다).
- 양이 많으면 물질이 분리되어 공사가 어려워집니다.
- 양이 적으면 준비된 도포로 인해 공사가 어려워집니다 (저류유동성).
- 골재의 입자 크기와 모양
- 둥근 자갈은 파괴된 자갈에 비해 걷기가 더 쉽습니다.
- 굵은 골재의 최대 크기가 큰 것이 경제적입니다.
- 잔골재
- 미립재 양이 증가하면 동일한 작업성을 얻기 위해 단위 양을 늘려야 합니다.
- 미립재 입자 크기에 따라 에어 머리카락 생성이 변합니다.
- 굵은 골재
- 모양의 영향이 매우 큼
- 입자의 표면적, 입도분포, 굵은 골재의 최대치수
- 혼화재료
- AE제, 감수제, 플라이애쉬 등 사용→단위수량 감소, 공기연행→워커빌리티 개선
- 응결경화 시간 연장→워커블한 콘크리트를 장시간 유지
- 포졸란재료→세립이 부족한 잔골재를 사용한 콘크리트의 워커빌리티 개선
- 온도
- 온도가 높을수록 슬럼프 감소, 수송에 의한 슬럼프 감소
- 공기량
- 공기량 1%에 대해 슬럼프 2cm 증가
- 슬럼프를 일정하게 하면 단위수량 3% 감소가능
- 비빔시간과 운반
- 비빔이 불충분하면 워커빌리티가 나쁘고, 비빔시간과 운반시간이 과도하게 길어도 시멘트의 수화촉진에 의해 워커빌리티가 나빠진다.
- 워커빌리티 측정방법
- 슬럼프 시험
- 흐름시험
- 구관입시험
- 비비시험
- 리몰딩시험
- 다짐계수
- 측정시험방법의 조건
- 변형에 대한 저항, 즉 전단저항 또는 유동을 시작할 때의 힘, 유동이 시작된 후 유동속도
- 응집성 또는 재료분리에 대한 저항성
(4) 블리이딩이란?
아직 굳지 않은 모르타르나 콘크리트에 있어서 윗면에 물이 스며 나오는 현상. 블리이딩 이 많으면 콘크리트가 다공질이 되고 강도, 수밀성, 내구성, 부착력이 감소한다.
(5) 피니셔빌리티란?
굵은 골재의 최대치수, 잔골재율, 잔골재의 입도, 반죽 질기 등에 따르는 표면 마무리 쉬운 정도를 나타내는 굳지 않은 콘크리트의 성질을 말한다.
(6) 재료분리란?
콘크리트의 구성성분 중 시멘트와 골재가 서로 잘 섞이지 못하고 분리가 되는 현상으로 콘크리트를 비빈 후 시간이 많이 경과되거나 물이 많이 섞이면 이런 현상이 일어난다.
(7) 슬럼프 값
| 구분 | 세부사항 | 슬럼프 값 (cm) |
|---|---|---|
| 강화 콘크리트 | 일반적인 경우 | 8에서 16 |
| 단면이 큰 경우 | 4에서 15 | |
| 일반 콘크리트 | 일반적인 경우 | 8에서 16 |
| 단면이 큰 경우 | 4에서 13 |
슬럼프 공기량 시험 분석 및 고찰
건설재료실험의 첫 번째 실험은 콘크리트의 슬럼프 시험 및 굳지 않은 콘크리트의 압력법에 의한 공기 함유량 시험이었다. 옛날에는 콘크리트라고 하면 그냥 단순한 덩어리라고만 생각했었다. 콘크리트라는 물질이 따로 있는 줄로만 알고 있었는데 처음으로 다른 물질을 배합하여서 만든다라는 것을 군대에서 알게 되었고 이번에 건설재료수업을 들으면서 조금 더 상세하게 알게 되었다. 어렸을 때부터 길을 가면서 봤었던 레미콘 차, 또 티브이에서 레미콘 차에서 시멘트를 붓는 장면들을 보면서도 별다른 생각 없이 봤었던 것 같다. 어떻게 보면 조금만 관심이 있고, 의문을 가졌다면 기본적인 것은 알 수 있었을 것이다.
이번 실험은 재학생 때 교수님께서, 또 건설재료실험시간에 조교님께서 설명을 해주셨고 퀴즈를 보면서 어느 정도 이론적인 면에서는 알고 실험을 하여서 실험하는 데 있어서 수월했을 뿐만 아니라 이해하는데도 도움이 되었다. 그리고 무엇보다 두 시험 모두 간단한 시험이었다.
처음으로 했던 시험은 공기량시험이었다. 공기량 시험의 종류 중 우리는 공기실 압력법을 이용하였다. 이 방법에서 겉보기 공기량과 골재수정계수를 모두 구해서 그 차로 인해 공기량을 구해야 하지만 골재수정계수의 값은 조교님께서 0.2로 정해주셨기 때문에 우리는 겉보기 공기량만 구하면 되었다. 공기량 시험은 보일의 법칙을 이용한다. 보일의 법칙은 일정온도에서 기체의 압력과 그 부피는 서로 반비례한다는 법칙이다.
측정 결과 겉보기 공기량이 2.8이 나와서 공기량은 이 나왔다. 시험이 끝나고 겉보기 공기량 값이 나왔을 때 조교님께서 겉보기 공기량은 보통 4가 나오면 좋다고 말씀하신 기억이 난다. 겉보기 공기량이 적게 나왔으므로 당연히 공기량이 적게 나왔을 것이다. 여기서 공기량이 적게 나왔을 이유를 생각해 보았다.
첫 번째로는 AE제를 사용하지 않아서이다. AE제란 거품을 일으키는 성질이 뛰어난 계면활성제로서, 콘크리트 중에 작은 기포를 고르게 발생시켜 내동결융해성, 내식성 등 내구성을 개선한다. 굳은 콘크리트의 열전도율을 저하시키며, 수밀성을 향상하는 등 2차적인 효과도 있다. 이렇게 AE제를 사용하면 공기량 역시 증가하게 되는데 우리는 실험에 AE제를 사용하지 않아 공기량이 적게 나왔을 것이다.
AE제와 같은 혼화제를 첨가하지 않은 콘크리트에도 갇힌 공기량이라 하여 1% 전후의 공기가 포함되어 있다. 첫 번째 이유와 다르게 시험과정에서의 오차에 의해 공기량이 적게 나왔을 수도 있다. 먼저 콘크리트의 배합이다. 배합을 할 때 우리가 직접 골재, 시멘트, 물의 양을 재고 비비기 작업을 하였다. 아무래도 모두 사람이 하는 작업인지라 정확성이 떨어질 수밖에 없다는 것이다. 무게측정 시 정확하지 못할 수 있고, 콘크리트를 비빌 때 역시 비비는 중 옆으로 튀기는 양도 있었다. 이런 부분에서의 오차는 시험을 할 때 좀 더 신중하고 신경 쓰면 줄일 수 있는 오차이다. 그다음 공기량측정기의 오차이다. 실험 전 이론 수업을 할 때 조교님께서 측정기가 오래되었다는 말씀을 하셨다.
이것은 기계적인 오류로 측정기가 오래되어 제 구실을 하지 못했을 수 있다. 겉보기 공기량을 측정하는 데 있어서 공기가 조금 빠져나가 공기량이 적게 나왔을 수 도 있다는 것이다. 그리고 시험 전 이론을 공부할 때 공기량 시험을 할 때 시험 전에 측정기들을 검정한다는 것을 보았다. KSF-2421에 보면 용기의 교정, 초기 압력의 결정, 공기량 눈금의 검정의 내용이 있다. 우리는 시험을 할 때 이런 부분의 검정은 생략하고 넘어갔다. 또한 실험당시의 온도나 습도 등 환경적인 요인도 미세하지만 시험 값의 결과에 영향을 미쳤을 수 있다고 생각한다.
두 번째로 한 시험은 슬럼프시험이었다. 슬럼프시험은 아직 굳지 않은 콘크리트의 반죽 질기(consistency)를 시험하는 방법으로 슬럼프 값이 작을수록 된 반죽, 크면 그만큼 진 반죽이라는 뜻이다. 실험 시 측정한 슬럼프값은 첫 번째 0.8cm 와 두 번째 0.7cm였다. 거의 무너지는 슬럼프값을 찾아볼 수가 없는데 이런 경우 워커비리티는 아주 좋지 않다고 판단된다. 실제로 실험 후 AE제를 아주 극소량 첨가하였더니 눈으로만 봐도 상당히 부드러워 보였으며 본인이 직접 공사현장에서 근무를 한다면 한 삽이라도 더 푸고 싶은 마음이 생길 정도로 잘 반죽 됐다고 볼 수 있겠다. 피니셔빌리티 또한 육안으로 판단하며 본인은 마무리가 조금은 거친 느낌을 받았다. 그렇다면 슬럼프 값에 영향을 줄 수 있는 요인을 살펴보자.
| 영향 요인 | 영향 결과 |
|---|---|
| 시멘트 종류 | 고로슬래그 시멘트와 실리카 시멘트를 사용하면 증가합니다. |
| 시멘트 미세도 | 미세도가 커질수록 증가합니다. |
| 시멘트의 홍릉 정도 | 낡은 시멘트를 사용하면 감소합니다. |
| 시멘트 양 | 사용량이 높을수록 점도가 높아져 증가합니다. |
| 골재 | 입자 크기 분포가 균일하고 입자 모양이 둥글 때 증가합니다. |
| 온도 | 온도가 너무 높으면 감소합니다. |
| 물 | 너무 많이 또는 너무 적게 사용하면 안 됩니다. 단위 양이 1.2% 증가하면 슬럼프가 1cm 감소합니다. |
| 혼합 재료 | 에어 머리카락 물질, 플라이 애쉬 등을 사용하면 증가합니다. |
이 인자들을 토대로 슬럼프 값이 왜 슬럼프 기준에 미치지 못했는지 분석을 해보도록 하자.
먼저 혼화재료를 생각해 보면 이번 시험에서는 혼화재료를 사용하지 않았다. 위의 공기량 시험에서도 혼화재료를 사용하면 공기량이 증대된다. 마찬가지로 슬럼프의 값도 증대되는데 혼화재료를 사용하지 않았기 때문에 슬럼프 값이 적게 나왔을 것이다.
두 번째로 온도를 생각해 보면 온도가 너무 높으면 슬럼프 값은 감소된다고 알려져 있다. 실험 당시 실습실의 온도는 19.3℃로 그다지 높지 않은 온도였다. 또한 여름도 끝나고 가을에 접어든 시점에서의 온도는 슬럼프 값에 크게 영향을 주었다고 생각하지 않는다.
세 번째로 골재이다. 골재는 입도분포가 고르고 입형이 둥글면 슬럼프 값을 증대시키는데 그때 당시 사용하였던 골재를 생각해 보면 그렇게 입형이 둥글고 고르지는 않았던 것으로 기억된다. 시험을 하기 전에 골재를 입형이 더 둥글고 고른 것 을 사용하였더라면 슬럼프의 값이 좀 더 크게 나오지 않았을까 하는 생각을 해본다. 하지만 그때 당시 골재를 선별하여 실험을 할 여건이 되지 않았다.
마지막으로 시멘트나 물을 생각해 보자. 수량은 클수록 반죽 질기가 크게 되지만 단위 수량이 너무 많이 지면 콘크리트는 묽은 반죽이 되어 재료분리를 일으켜, 콘크리트의 시공이 어렵게 되며, 반대로 단위 수량이 너무 적으면 콘크리트는 된 반죽이 되고, 유동성이 작게 되어 또한 시공이 곤란하게 된다. 시멘트양 나 물의 양은 조교님께서 정해주셨던 값이다. 조교님의 오랜 경험을 바탕으로 한 센스 있는 시멘트량과 물의 양을 정해주셨고, 여기서 오차는 없다고 믿어 의심치 않는다.
주위 환경 이라던지, 사람이 직접 하는 시험이기 때문에 오차가 발생할 수 있다는 것은 위의 공기량 시험에서와 같다고 생각한다. 두 시험 모두 시험 값이 정확하게 나오지 않고 약간의 오차가 발생하였다.
오차가 발생하기는 했지만 어쨌든 이번 시험의 목표는 정확한 값을 도출해 내기보다는 실험을 직접 경험해 본다는 것에 더 큰 비중을 두었기 때문에 성공적인 시험이었다고 생각할 수 있겠다. 이렇게 하여 처음으로 한 건설재료실험을 마쳤고 보고서도 마무리 지었다. 공기함유량 시험 및 슬럼프 시험 두 가지를 하였지만 간단한 시험이었기 때문에 부담 없이 할 수 있었던 것 같다.
전공에 관련된 부분을 이론적으로만 배웠지 직접 해보거나 실습할 기회가 없었다. 그래서 너무 책상에 앉아서만 하는 식의 공부가 진행되었었는데 건설재료실험을 하면서 이론적인 부분뿐만 아니라 직접 실습을 하면서 경험을 해 보는 공부를 하고 있는 것 같다. 전에는 느끼지 못했던 것이 이론적으로만 배우고서 이해를 하는 것과 직접 해보는 것의 차이다. 굳이 해보지 않아도 알고 있으니깐이라는 생각이 있었는데 확실히 알고 있어도 직접 눈으로 보고 해 보는 것이랑은 다르다는 것을 알게 되었다.
이론만으로만 배우는 부분에 있어서의 지식습득의 한계에 있어서 실습이라는 것은 좋다고 생각한다. 이렇게 실습해 보고 실험값을 구하고 직접 결과를 내면서 경험한 것은 나중에 현장에서도 많은 도움이 될 것이라고 생각이 된다.
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