현대 건축의 핵심재료 : 콘크리트 1편 (구성요소 및 제조과정)

콘크리트는 현대 건축 분야에서 가장 중요하고 널리 사용되는 재료입니다. 이 강력하고 다용도인 재료는 건물, 도로, 교량 등 다양한 구조물을 지탱하고 보호하는 데에 필수적입니다. 콘크리트는 압축 강인성이 뛰어나며, 대부분의 구조물에서 안정성과 견고함을 제공합니다. 이러한 특성으로 인해 고층 건물, 교량 및 탱크와 같은 대형 구조물을 지탱할 수 있습니다. 또한 콘크리트는 내구성이 높아 오랜 시간 동안 유지될 수 있습니다. 옳바른 유지 보수와 관리가 이루어진다면 콘크리트 구조물은 여러 세대에 걸쳐 사용될 수 있습니다.

다양한 응용 분야에서 콘크리트가 사용됩니다. 주거용 건축에서는 주택, 아파트 및 상업용 건축 등 다양한 주거 공간 뿐만 아니라 상점, 사무실, 호텔 등 다양한 상업 시설과 학교, 병원 및 공원과 같은 공공 시설의 건축을 만드는 데에도 활용됩니다. 도로 포장재, 교량, 터널 등 교통 인프라 구축에도 필수적입니다. 콘크리트는 현대 건축의 핵심 재료로서 안정성, 내구성 및 디자인 유연성을 제공합니다. 그것은 우수한 성능과 홀더 역할 때문에 전 세계적으로 널리 사용되며 지속 가능하고 안전한 건축을 위해 계속해서 발전하고 개선되고 있습니다. 이렇게 널리 활용되고있는 콘크리트에 대해 자세히 살펴보도록 하겠습니다.

 

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건축디자인의 요소 : 재료[기본 편]

 

[ 목차 ]
01. 재료의 구성요소
02. 재료의 제조과정
03. 재료의 물성
04. 콘크리트의 종류
05. 재료의 장ㆍ단점
06. 재료의 활용
07. 재료를 활용한 디자인 방법 및 사례

 

01. 콘크리트의 구성요소

콘크리트는 여러 구성 요소들의 정확한 비율과 혼합 과정을 거쳐 만들어지며, 다양한 건축 및 건설 프로젝트에서 사용됩니다. 콘크리트는 뛰어난 압축 강도와 내구성을 가지며, 다양한 형태로 주형성이 가능하여 건물의 디자인과 기능을 다양하게 충족시킬 수 있는 중요한 건축 재료 중 하나입니다. 구성요소들에는 어떤것들이 있는지 알아보겠습니다.

 

 

1. 시멘트

콘크리트의 주요 구성 요소 중 하나로, 콘크리트를 형성하는 데 필수적인 재료입니다. 시멘트는 주로 클링커 (clinker) 및 첨가물 (Additives)로 구성되며, 클링커와 첨가물을 함께 분쇄하여 시멘트 가루로 만듭니다. 이 가루는 물과 혼합하여 시멘트 페이스트를 형성하고, 이 페이스트는 콘크리트 혼합물에 추가됩니다. 시멘트 페이스트는 물과 반응하여 경화 및 응고 과정을 거쳐 콘크리트를 형성합니다.보통 포틀랜드 시멘트가 사용됩니다. 시멘트를 구성하는 클링커와 첨가물에대해 좀 더 알아볼까요?

 

** 클링커 (Clinker) **

클링커는 시멘트의 주요 성분 중 하나로, Portland 시멘트 (일반적으로 주로 사용되는 시멘트 유형 중 하나)의 핵심입니다.  클링커는 화학 반응을 통해 콘크리트에서 강도와 내구성을 제공하는 주된 성분인 수산화 칼슘실리케이트화합물, 칼슘알루미네이트화합물, 칼슘철알루미네이트화합물 등을 형성합니다.

클링커의 생산은 석회석, 실리카, 알루미늄, 철 등의 원료를 고온에서 소성하는 과정을 포함합니다.클링커는 고온에서 석회석, 실리카, 알루미늄, 철 등의 원료를 소성하여 형성됩니다. 

트라이칼슘실리케이트 (Tricalcium Silicate, C3S)
가장 중요한 클링커 성분 중 하나로, 초기 경화와 강도 개발에 기여합니다.

디칼슘실리케이트 (Dicalcium Silicate, C2S)
클링커의 두 번째 주요 성분으로, 강도 개발에 기여하지만 C3S에 비해 느리게 반응합니다.

트라이칼슘알루미네이트 (Tricalcium Aluminate, C3A)
초기 경화를 촉진하며, 콘크리트의 조성물을 개선합니다.

테트라칼슘알루미네이트 페로설페이트 (Tetracalcium Aluminoferrite, C4AF)
클링커의 작은 부분이며, 미량의 철을 포함하고 있습니다.

 

** 석고 (Gypsum) **

석고(칼슘 황산염)는 클링커를 분쇄하고 시멘트로 가공할 때 첨가됩니다. 석고는 시멘트의 빠른 경화를 방지하고 초기 경화 시간을 조절하는 데 사용됩니다. 이렇게 함으로써 콘크리트 혼합물이 다루기 쉽고 관리 가능한 상태로 유지됩니다. 

 

 

 

** 첨가물 (Additives) **

시멘트는 종종 클링커 외에도 다양한 첨가물을 포함합니다. 이러한 첨가물은 시멘트의 특성을 개선하거나 조절하는 데 사용됩니다. 이러한 첨가물은 프로젝트의 특정 요구 사항에 따라 주의 깊게 선택되며 조합됩니다. 이러한 첨가물은 작업성을 개선하고 내구성을 향상시키는 등 다양한 이점을 제공하며 다양한 응용 분야에 맞게 콘크리트를 맞춤형으로 제작할 수 있도록 합니다.주로 다음과 같은 첨가물이 사용됩니다.

 1. 물 감소제 (Water Reducers)
물 감소제는 시멘트 믹스에 첨가되어 물의 양을 줄이는 역할을 합니다. 이렇게 하면 콘크리트의 흐름성과 가공성이 향상되고 강도와 내구성이 향상됩니다. 물 감소제는 물의 양을 줄이면서도 콘크리트의 작업성을 유지하는 데 도움을 줍니다.
2. 시간 지연제 (Set Retarders)
시간 지연제는 콘크리트의 초기 경화 시간을 늦춥니다. 이는 대량의 시멘트 믹스 또는 더 높은 온도에서 작업할 때 유용하며 콘크리트가 너무 빨리 경화하는 것을 방지합니다.

3. 시간 가속제 (Set Accelerators)
시간 가속제는 콘크리트의 초기 경화 시간을 단축시킵니다. 이러한 첨가제는 주로 추위 조건에서 또는 빠른 건설이 필요한 경우에 사용됩니다.

4. 공기 혼입제 (Air Entraining Agents)
공기 혼입제는 콘크리트에 작은 기포를 생성하여 콘크리트의 내동결 및 해동을 향상시킵니다. 이는 콘크리트가 추위에 노출될 때 균일한 구조를 유지하고 더 나은 내구성을 제공합니다.

5. 슈퍼플라스티서 (Superplasticizers)
슈퍼플라스티서는 고려한 양의 물을 추가하지 않고도 콘크리트의 흐름성을 크게 향상시키는 강력한 물 감소제입니다. 이러한 첨가제는 특히 고강도 콘크리트 및 자기 성형 콘크리트에서 사용됩니다.

6. 플라이 애쉬 (Fly Ash)
플라이 애쉬는 석탄 연소의 부산물로서 콘크리트에 첨가됩니다. 이 첨가물은 콘크리트의 작업성과 내구성을 향상시키며 환경에 미치는 영향을 줄입니다.

7. 실리카 퓨즈 (Silica Fume)
실리카 퓨즈는 극미세한 파우더로, 콘크리트의 강도와 내구성을 향상시키고 침투성을 낮추며 화학적 공격에 대한 내성을 향상시킵니다.

8. 섬유 (Fibers)
각종 섬유 종류(강철, 합성, 자연 섬유 등)가 콘크리트에 첨가될 수 있습니다. 섬유를 첨가하면 콘크리트의 인장 강도가 향상되고 균열이 줄어들며 내구성이 향상됩니다. 섬유 강화 콘크리트는 포장재 및 예조 제품과 같은 응용 분야에서 흔히 사용됩니다. 

시멘트의 주요 역할은 물과 반응하여 칼슘 실리케이트 하이드레이트(C-S-H)와 칼슘 하이드록사이드(CH) 같은 화합물을 생성하고 콘크리트 혼합물의 입자를 결합시키는 것입니다. 이러한 화합물들이 콘크리트의 강도와 내구성을 형성하는 데 기여합니다. 시멘트는 콘크리트 제작에서 필수적이며 적절한 종류의 시멘트를 선택하는 것이 콘크리트의 최종 품질에 큰 영향을 미칩니다.

 

 

** 시멘트의 종류 **

 

시멘트는 다양한 종류와 특성을 갖습니다. 일반적으로 사용되는 시멘트의 주요 종류가 나열됩니다.

1. 포틀랜드 시멘트 (Portland Cement)

가장 널리 사용되는 시멘트 유형 중 하나로, 주로 클링커와 석회석을 기반으로 합니다. 포틀랜드 시멘트는 종류에 따라 다른 특성을 가지며, 주로 Type I, Type II, Type III, Type IV, Type V 등으로 분류됩니다.

2. 슬래그 시멘트 (Slag Cement)

슬래그 시멘트는 철과 강철 제조 과정에서 생성되는 슬래그를 가공하여 만들어지며, 환경 친화적이고 지속 가능한 시멘트입니다. 콘크리트 내구성을 향상시키는 데 사용됩니다.

3. 플라이 애시 시멘트 (Fly Ash Cement)

플라이 애시 시멘트는 석탄 연소 과정에서 생성되는 플라이 애시를 사용하여 만들어지며, 콘크리트의 플라이 애시 시멘트 내구성을 향상시키고 화학 반응을 조절하는 데 사용됩니다.

4. 포틀랜드 포졸란 시멘트 (Portland Pozzolan Cement, PPC)

 

 

2. 모래

콘크리트의 시멘트와 골재를 결합하는 역할을 합니다. 모래는 시멘트와 함께 물과 혼합되어 시멘트 페이스트를 형성합니다. 모래는 콘크리트의 미립체로서 중요한 역할을 합니다. 

 

**모래의 역할 **

 

1. 입자 크기와 분포

모래는 일반적으로 시멘트와 물로 결합하여 콘크리트 혼합물을 형성하는 미립체입니다. 모래의 입자 크기와 분포는 콘크리트의 특성에 영향을 미칩니다. 일반적으로 세 가지 종류의 모래 입자 크기가 사용됩니다. 골재, 중간 모래 및 고용량 모래입니다. 이러한 다양한 입자 크기를 혼합함으로써 콘크리트의 적당한 작업성과 강도를 확보할 수 있습니다.

2. 강도 및 내구성 향상

모래는 시멘트와 함께 혼합되어 강도와 내구성을 향상시키는 역할을 합니다. 모래 입자는 시멘트와 물의 화학적 반응을 촉진하고 다른 혼합물을 더 단단하게 결합시키는 역할을 합니다.

3. 작업성 향상

모래는 콘크리트 혼합물을 다루기 쉽게 만들어주는 역할을 합니다. 콘크리트 혼합물이 너무 걸리거나 묽지 않도록 모래의 적절한 사용은 콘크리트 작업성을 향상시킵니다. 콘크리트를 형성하고 주형 폼에 부어 넣을 때 모래가 적절한 작업성을 제공합니다.

4. 수화 및 수화 확장 통제

모래는 콘크리트가 수화 및 수화 확장에 대한 민감도를 조절하는 데 도움을 줍니다. 콘크리트의 강도와 내구성을 보존하고 시멘트의 입자 간 거리를 적절하게 조절하는 데 모래의 입자 크기와 분포가 중요합니다.

모래는 콘크리트 제작에서 중요한 구성 요소 중 하나이며, 콘크리트 혼합물의 특성을 조절하는 데 사용됩니다. 모래의 품질과 적절한 사용은 콘크리트 제작에서 품질을 보장하는 데 중요합니다.

 

 

3. 골재(또는 자갈)

골재는 콘크리트의 강도를 제공하는 주요 구성 요소입니다. 작은 돌 파편이나 자갈은 콘크리트 내부에 분산되어, 구조물의 내구성과 강도를 향상시킵니다.

 

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**골재의 역할 **

 

1. 입자 크기와 분포

골재는 다양한 크기와 형태의 입자로 구성됩니다. 일반적으로 골재는 큰 골재, 중간 골재, 그리고 고용량 모래와 함께 사용됩니다. 각 크기의 골재는 콘크리트 혼합물의 다른 특성에 영향을 미칩니다. 큰 골재는 강도를 향상시키고 내구성을 향상시키는 데 도움을 주며, 중간 골재와 모래는 작업성을 향상시킵니다.

2. 강도 및 내구성 향상

골재는 콘크리트의 강도와 내구성을 향상시키는 주요 역할을 합니다. 골재 입자는 시멘트와 물과 함께 혼합되어 콘크리트 혼합물을 더 단단하게 만들고 강도를 제공합니다. 또한 골재는 콘크리트의 경화 과정에서 물과 화학 반응을 수행하여 콘크리트 혼합물을 더 강력하게 만듭니다.

3. 내수성 및 내한성 향상

골재는 콘크리트의 내수성과 내한성을 향상시키는 데 도움을 줍니다. 골재는 물이 표면을 통해 투과하지 않도록 방지하며, 콘크리트 구조물이 내부로 물이 스며들지 않도록 합니다.

4. 볼륨 안정성

골재는 콘크리트 혼합물 내에서 입자 간 간격을 채우는 역할을 합니다. 이는 콘크리트의 볼륨 안정성을 제공하고 크랙 형성을 방지하는 데 중요합니다.

5. 경제성

골재는 콘크리트 혼합물을 더 경제적으로 만들어줍니다. 골재는 주로 자연에서 채취되며 상대적으로 저렴하기 때문에 대량의 콘크리트를 제작하는 데 비용 효율적입니다.

골재의 종류, 크기 및 분포는 콘크리트 제작 과정에서 고려되며, 원하는 콘크리트 혼합물의 특성에 따라 조절됩니다. 콘크리트 혼합물의 골재는 구조물의 용도, 환경 조건 및 강도 요구 사항 등을 고려하여 정확하게 선택되고 배합됩니다.

4. 물

물은 콘크리트를 형성하는 과정에서 필요한 액체입니다. 물은 시멘트와 모래, 골재가 혼합하여 시멘트 페이스트를 생성하고 그것이 경화되어 콘크리트를 형성하고 강도를 획득하는 데 필수적인 역할을 합니다. 

 

**물 의 역할 **

 

1. 반응과 경화 (Reaction and Hardening)

물은 시멘트 입자와 화학적 반응을 하여 칼슘 실리케이트 하이드레이트(C-S-H)와 칼슘 하이드록사이드(CH)와 같은 화합물을 생성합니다. 이러한 화합물들이 콘크리트 혼합물 내에서 강도를 향상시키고 경화를 유도합니다. 물은 시멘트 입자 사이의 결합을 형성하고 콘크리트를 단단하게 만드는 데 중요합니다.

2. 플라스틱 상태 제어 (Plastic State Control)

물은 시멘트와 혼합될 때 콘크리트를 플라스틱 상태로 유지하는 데 도움을 줍니다. 이것은 혼합물이 다형성을 가지며 주형 폼에 부을 수 있도록 하는 것을 의미합니다. 물은 혼합물이 흐르고 주형을 따라 흘러가도록 만듭니다.

3. 작업성 향상 (Workability Enhancement)

물은 콘크리트 작업성을 향상시키는 역할을 합니다. 적절한 물의 양을 사용하면 콘크리트 혼합물이 다루기 쉽고 주형 폼에 부어 넣기 쉬워집니다.

4. 수화 및 팽창 조절 (Control of Hydration and Expansion)

물의 양은 콘크리트의 수화 과정과 수화 확장을 조절하는 데 중요합니다. 적절한 물의 양을 사용하면 콘크리트의 크랙 형성을 방지하고 내구성을 향상시킬 수 있습니다.

5. 품질 관리 (Quality Management)

물의 품질 역시 중요합니다. 물은 콘크리트 혼합물의 품질에 직접적인 영향을 미칠 수 있으며, 특히 철분, 염소, 미네랄 함유물 등의 불순물이 포함되어 있으면 콘크리트의 내구성을 저해할 수 있습니다. 따라서 사용되는 물은 깨끗하고 적절한 품질이어야 합니다.

콘크리트 제작에서 적절한 물의 양과 품질은 콘크리트 제품의 최종 품질과 성능에 큰 영향을 미칩니다. 따라서 물의 사용과 관리는 콘크리트 혼합물의 특성 및 목적에 따라 주의 깊게 고려되어야 합니다.

 

5. 첨가제(추가 재료)

필요에 따라 콘크리트에 추가 재료가 사용됩니다. 첨가재는 콘크리트의 특성을 개선하고 원하는 특정한 성능을 제공합니다. 예를 들어, 물리적 또는 화학적 특성을 개선하거나, 콘크리트의 노화 및 인장 강도를 향상시키는데 사용됩니다.

 

1. 플라스틱라이저 (Plasticizers)

플라스틱라이저는 콘크리트 혼합물의 흐름성을 향상시키고 원활한 배치 및 성형을 돕습니다. 이를 통해 물을 더 적게 사용하여 강도와 내구성을 개선할 수 있습니다.

2. 골재물질 (Aggregates Admixtures)

골재물질은 콘크리트 혼합물 내에서 골재 입자 사이의 결합을 향상시키며, 강도와 내구성을 향상시킵니다. 이러한 첨가제는 일반적으로 미립제와 형태 안정제로 사용됩니다.

3. 기밀화물질 (Sealing Admixtures)

기밀화물질은 콘크리트 구조물의 표면을 보호하고 물과 습기의 침투를 방지합니다. 이로써 콘크리트의 수명을 연장하고 부식을 방지합니다.

4. 빠른경화물질 (Accelerators)

빠른경화물질은 콘크리트 혼합물의 초기 경화 속도를 높여주어 공사 일정을 가속화하고 추운 환경에서의 경화를 돕습니다.

5. 느린경화물질 (Retarders)

느린경화물질은 콘크리트 혼합물의 경화 속도를 늦추는 역할을 합니다. 이는 콘크리트 배치 후의 가공 및 다른 작업을 용이하게 만듭니다.

6. 색소 (Pigments)

색소 첨가제는 콘크리트에 색상을 부여하여 시각적 디자인에 활용됩니다. 이는 경관 디자인 및 미적 측면에서 중요한 역할을 합니다.

 

7. 물리적 특성 개선물질 (Physical Property Enhancers)

이러한 첨가제는 콘크리트의 특정 물리적 특성을 개선하는 데 사용됩니다. 예를 들어, 엘라스톞 (Elastomers)은 콘크리트의 탄성을 향상시키는 역할을 합니다.

8. 내화물질 (Fireproofing Admixtures)

내화물질은 콘크리트를 화재로부터 보호하기 위해 사용됩니다. 이러한 첨가제는 콘크리트의 화재 내성을 향상시킵니다.

첨가제는 콘크리트 혼합물의 특정 요구 사항과 프로젝트 목표에 따라 선택됩니다. 그리고 이러한 첨가제는 콘크리트 제작 과정에서 정확한 비율로 혼합되어 원하는 성능을 달성하도록 설계됩니다. 첨가제는 콘크리트의 특성을 향상시키고, 내구성을 개선하며, 환경적 영향을 줄이는 데 도움이 됩니다.

 

 

 

02. 콘크리트의 제조과정

1. 원료 준비 (Material Preparation)

콘크리트를 제조하기 위해 필요한 원료들을 준비합니다.

- 시멘트: 주로 포틀랜드 시멘트가 사용되며, 석회암과 규소 등의 원료를 가열하여 생산됩니다.

- 물: 적절한 양의 물이 필요하며, 시멘트와 반응하여 경화과정을 진행시킵니다.

- 골재: 자갈이나 모래와 같은 골재가 사용되고 크기에 따라 구분됩니다.

 

2. 혼합 (Mixing)

원료들을 정확한 비율로 섞어 콘크리트 혼합물을 만듭니다.

- 시멘트와 물을 특정 비율로 혼합하여 초기적인 수화 반응이 시작됩니다.

- 그 후 골재를 첨가하고 균일하게 섞어줍니다.

 

3. 배치 (Placement)

적절한 위치에 콘크리트를 배치합니다.

- 몰드나 폼워크 내부에 배치할 경우 특수 몰드를 사용하여 원하는 모양과 크기로 배치합니다.

- 건설현장에서는 보통 프레임 내부로 배치하고 다양한 방법으로 평탄화 및 조직화 작업을 수행합니다.

 

4. 경화 (Curing)

배치된 콘크리트가 경화되면 단단해집니다.

- 수화 반응이 진행되면서 시간이 지날수록 결정체가 생성되어 강도가 점차적으로 상승합니다.

- 일반적으로 초기 경화 후 약 28일 정도 지나야 최대 강도에 도달하게 됩니다.

 

5. 철근 보강(선택사항) (Reinforcement)

필요에 따라 철근이나 강철 바를 추가하여 철근 콘크리트 구조물을 형성할 수 있습니다.

- 철근은 인장 강인성을 향상시켜 구조물의 견고함과 내구성을 높입니다.

 

 

1편에서는 콘크리트의 구성요소 및 제조과정에 대해 알아보았는데요. 다음에 찾아올 2편에서는 물성과 종류에 대해 조금더 알아보도록 하겠습니다. 그럼 다음포스팅으로 찾아뵐께요~!!

 

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