건설 재로로써 콘크리트의 중요성에 대한 쉬운 이해

콘크리트는 일반주택을 비롯하여 교량, 터널, 공항, 도로, 철도, 지하철, 항만 등 다양한 사회기반시설물과 많은 토목ㆍ 건축 구조물에 이용되고 있는 중요한 건설 재료이다. 건설 재료의 쌍두마차로는 콘크리트와 강재를 들 수 있는데, 이 두 재료의 서로 다른 성질을 조화롭게 이용하여 일체화시킨 것이 철근콘크리트이다. 시멘트는 1820년대에 영국에서 발명되었으며, 철근콘크리트는 1860년대에 프랑스에서 생산되었다. 그 이후 급속하게 보급되기 시작하여 오늘날에 이르기까지 도시 및 산업 발전에 크게 공헌하고 있다.

건설 재료로써 콘크리트는 왜 이렇게 중요하게 취급되는 것일까? 콘크리트의 재료인 시멘트, 자갈, 모래, 물은 어디에서라도 쉽게 구할 수 있으며, 경제성 측면에서도 유리한 특징이 있다. 뿐만 아니라 내구성 측면에서도 온도 및 습도의 변화, 동결융해, 침투수 및 화학작용 등 여러 가지 면에서 우수한 재료라고 할 수 있다. 콘크리트에 대해 이러한 평가가 가능하게 된 것은 여러 연구자 및 기술자들에 의해 수많은 실험적 연구의 반복과 그 성과를 토대로 하고 있다는 것을 결코 잊어서는 안 된다.

사회의 발전과 함께 토목ㆍ건축구조물은 더욱 대형화ㆍ복잡화되면서 고도의 기술적 난문제에 대답하기 위한 노력이 반복되었다. 예를 들어, 세계 최장 현수교인 아카시대교나 원자력 발전시설, 대심도 지하구조물 등 복잡하고 중요도가 높은 구조물의 경우에는 더욱 다양한 콘크리트의 재료적 특성이 요구된다.

본 서에서는 콘크리트에 대한 소박한 질문으로부터 최첨단의 기술적인 문제에 이르기까지, 콘크리트에 대한 종합적인 이해를 도모하기 위하여 해설은 가능한 한 평이하게 하고 식은 최소한으로 제한하였으며, 하나의 질문에 대해 Q&A의 형식으로 정리하였다. 내용적으로는 시멘트를 시작으로 콘크리트의 재료적 특성, 성능 확인 방법, 설계 및 시공에 대한 이해, 프리스트레스트 콘크리트의 기초부터 활용에 이르기까지 다양한 내용을 포함하고 있으므로 콘크리트 및 강재에 관심 있는 건설기술자들의 청량제로써 일하는 짬짬이 마음 편하게 읽을 수 있기를 바란다.

<저자>
우에다 신지(植田紳治)
1958년 도호쿠대학교 공학부 토목공학과 졸업
국립 키사라즈 공업고등전문학교 명예교수
코교쿠샤 공과단기대학교 강사

야지마 테츠지(矢島哲司)
1965년 시바우라 공업대학교 토목공학과 졸업
시바우라 공업대학교 교수 공학박사

호사카 세이지(保坂誠治)
1958년 도호쿠대학교 공학부 토목공학과 졸업
오리엔탈건설(주)ㆍ일본PC건설업협회 사무국장

<역자>
박시현
국토안전관리원 안전진단본부 터널실장(現)
한국시설안전공단 특수교관리센터장
경남과학기술대학교 겸임교수(토목공학)
국토교통부ㆍ교육부 R&D사업 연구책임자
한국건설기술연구원 지반연구부 선임연구원
일본 교토대학교 공학연구과 공학박사(토목공학)

1. 콘크리트의 재료
• 시멘트는 언제부터 사용하기 시작했는가?
• 포틀랜드 시멘트는 어떻게 만드는가?
• 시멘트의 제조 공정은 어떠한가?
• 시멘트는 왜 굳어지는가?
• 시멘트는 연간 어느 정도 생산되는가?
• 시멘트 종류에는 어떤 것들이 있는가?
• 시멘트는 왜 시간이 경과하면 품질이 저하되는가?
• 포틀랜드 시멘트가 널리 사용되는 이유는 무엇인가?
• 혼화 재료인 혼화재와 혼화제는 어떻게 다른가?
• 혼화 재료는 어떠한 과정에서 개발된 것인가?
• 혼화 재료인 AE제를 사용하면 어떠한 효과가 나타나는가?
• 시멘트 입자를 분산시키는 감수제의 효과는 무엇인가?
• 플라이애쉬를 섞으면 어떤 효과가 나타나는가?
• 고로 슬래그 미분말과 포졸란은 어떻게 서로 다른가?
• 세골재와 조골재로 구분되는 골재에는 어떤 종류가 있는가?
• 콘크리트용 골재는 무한히 채취되는 것인가?
• 좋은 골재, 나쁜 골재는 어떻게 결정되는가?
• 콘크리트를 재이용한 재생골재란 어떤 것인가?
• 골재의 입도 판정에 이용하는 FM이란 무엇인가?
• 골재 내의 수분 상태를 어떻게 구분하고 있는가?
• 콘크리트 반죽 시의 물은 어떠한 물이라도 가능한가?

2. 다양한 콘크리트
• 콘크리트, 모르터, 시멘트 페이스트의 차이는 무엇인가?
• 좋은 콘크리트란 어떤 콘크리트를 말하는가?
• 막 생성된 콘크리트의 성질은 어떠한가?
• 건설 재료로써 콘크리트의 장단점은 무엇인가?
• 철근콘크리트는 왜 이렇게 널리 보급되었는가?
• 콘크리트도 팽창하거나 수축하기도 하는가?
• 콘크리트의 양생은 왜 중요한가?
• 콘크리트 내부의 철근은 왜 부식이 발생하는가?
• 콘크리트 속에 혼입된 공기는 어떤 역할을 하는가?
• 동결융해작용은 콘크리트를 열화시킨다고 하는데, 어떤 현상을 말하는가?
• 바다모래를 잔골재로 사용하기 위해서는 어떠한 주의가 필요한가?
• 물이 통과하기 어려운 수밀 콘크리트는 어떻게 만드는가?
• 서중 콘크리트는 어떠한 것에 주의를 기울여야 하는가?
• 생 콘크리트와 레디믹스트 콘크리트는 어떻게 서로 다른가?
• 현장이 아닌 공장에서 만드는 콘크리트 제품에는 어떠한 것들이 있는가?
• 하천이나 바다와 같이 수중에서도 콘크리트 타설이 가능한가?
• 댐용 콘크리트에 냉수ㆍ얼음을 사용하는 이유는 무엇인가?
• 고성능 콘크리트란 어떤 콘크리트인가?
• 투수 콘크리트, 녹화 콘크리트 등은 어떠한 콘크리트인가?
• 콘크리트 관련의 규격 및 기준에는 어떠한 것들이 있는가?

3. 강재ㆍ콘크리트의 중요한 성질
• 콘크리트 강도를 조사하는 방법에는 어떠한 것들이 있는가?
• 강한 콘크리트를 만들기 위해서는 어떻게 해야 하는가?
• 콘크리트의 인장 시험은 어떻게 하는 것인가?
• 조기재령 콘크리트의 경우에도 강도 추정이 가능한가?
• 콘크리트는 탄성체인가 아니면 소성체인가?
• 물－시멘트 비 등 콘크리트 강도에 관한 중요한 법칙은 무엇인가?
• 철근 이외에도 콘크리트를 보강하는 재료는 없는가?
• 왜 이형 철근을 사용하게 된 것인가?
• 철근콘크리트에서 ‘Young 계수비’란 무엇인가?
• 보나 기둥에서 ‘휨파괴’와 ‘전단파괴’는 어떤 파괴인가?
• 콘크리트를 파괴시키지 않고서 강도 추정이 가능한가?
• 슈미트해머 이외의 비파괴 시험 방법에는 어떤 것이 있는가?
• 콘크리트의 강도는 왜 28일 강도를 기준으로 하는가?

4. 콘크리트 구조물의 설계와 시공
• 허용응력설계법과 한계상태설계법은 어떻게 다른가?
• 오랫동안 사용해온 허용응력설계법을 왜 한계상태설계법으로 바꾸었는가?
• 구조물의 한계상태에는 어떤 것들이 있는가?
• 휨을 받고 있는 철근콘크리트 부재는 어떤 가정조건으로 설계하는가?
• 한계상태설계법에서 안전성 검토는 어떻게 하는가?
• 콘크리트 구조물은 몇 년 정도 사용이 가능한가?
• 과적차량에 의해 콘크리트 슬래브가 부서질 수 있는가?
• 콘크리트 이음부가 취약한 이유는 무엇인가?
• 콘크리트 구조물의 보수ㆍ보강은 어떻게 하는가?
• 콘크리트 댐의 합리적 시공법에는 어떠한 것이 있는가?
• 도로포장에서 콘크리트 포장이 주류가 되지 못하는 이유는 무엇인가?

5. 프리스트레스트 콘크리트의 기본
• 프리스트레스트 콘크리트(PC) 기술은 어떻게 발전하고 보급되었는가?
• PC와 RC 중에서 어느 쪽이 콘크리트와의 궁합이 좋은가?
• 프리텐션 방식과 포스트텐션 방식의 차이점은 무엇인가?
• 단면계산에서 RC와 PC의 차이점은 무엇인가?
• 토목 분야와 건축 분야에서 요구하는 콘크리트는 서로 다른가?
• 케이블을 외부에 설치하는 방식이 있다는데, 어떠한 특징이 있는가?
• 압축과 인장의 두 종류의 프리스트레스를 부여하는 바이프리스트레스 공법이란 무엇인가?
• 콘크리트에 프리스트레스를 가하는 방법에는 어떤 것들이 있는가?
• PC 정착구 중에서 후레씨네 콘이란 어떤 것을 말하는가?
• PC 강재의 요구 특성과 그 종류는 무엇인가?
• PC 구조물의 핵심인 PC 강재가 녹스는 경우도 있는가?
• 프리스트레스 도입 후에 곧바로 실시하는 그라우팅이란 무엇인가?
• 도입 프리스트레스가 시간과 함께 감소하는 것은 왜 발생하는가?
• 프리스트레스를 정확하게 도입하기 위해서 고려하는 항목은 무엇인가?

6. 프리스트레스트 콘크리트의 이용
• PC 기술은 주로 어떠한 구조물에 사용되었는가?
• 건축에서는 왜 PC 기술이 토목 분야처럼 크게 적용되지 못하는가?
• PC 기술에 의한 현수바닥판교란 어떤 구조인가?
• 콘크리트 아치교가 다시 새롭게 변경된 이유는 무엇인가?
• PC교의 계획에서 기술적인 주요 포인트는 무엇인가?
• 프리캐스트 세그먼트 공법의 역사는 어떠한가?
• 콘크리트 교량의 보강 필요성과 그 대책공은 무엇인가?
• PC 거더를 대충 보관하면 부러져버린다는 게 정말인가?
• PC 거더의 캠버를 조정하는 방법은 무엇인가?
• PC 거더는 어떻게 하여 횡좌굴을 일으키는가?
• 강교의 주류라 할 수 있는 프리캐스트 슬래브의 장점은 무엇인가?
• 프리캐스트 부재끼리 접합하는 기술은 무엇인가?
• 건축구조물의 기둥－보 접합에 사용되는 PC 압착공법이란?
• 상수도 배수지 등의 수조에는 왜 PC 구조가 적용되고 있는가?
• 해양구조물에는 PC 기술이 어떻게 사용되고 있는가?
• 공항포장에도 사용되고 있는 PC 포장이란 어떤 것인가?
• PC 기술을 기반으로 한 그라운드 앵커는 무엇인가?

이 책은 일본에서 출판된 토목공학의 개론서인 『재미있는 읽을거리』 시리즈 중 하나로, 기반시설물과 관련된 기술자들이 반드시 이해해야 하는 강재 및 콘크리트의 재료적 특성 등에 대해 국내의 정황에 맞추어 일부 각색하였다. 토목․건설 쪽의 종사자 외에 대학교 및 대학원생들의 콘크리트 관련 과목의 부교재로서 최적의 참고도서일 것이다.