콘크리트

콘크리트

고대 아시리아인과 바빌로니아인 사이에 가장 널리 사용된 결합제는 점토였다.

이집트인은 석회와 석고를 결합제로 사용해 현대의 콘크리트와 유사한 재료를 개발했다. 1800년대초까지 석회석·백악(白堊)·굴껍질에서 얻을 수 있는 석회(산화칼슘)는 시멘트를 구성하는 기본재료로 사용되어왔다. 1824년 영국의 발명가 J. 아스프딘은 석회석과 점토의 혼합물을 소성(燒成)·제분(製粉)해 포틀랜드 시멘트를 발명했다. 포틀랜드 시멘트는 아직까지 콘크리트의 주요재료이다. 골재는 보통 미세한 정도(0.025~6.5㎜)나 굵은 정도(6.5~38㎜)로 나타낸다.

콘크리트 내에 토양 유기물이 혼입되면 화학반응을 일으켜 강도에 심각한 영향을 미치기 때문에 골재는 깨끗이 세척해서 식물성 물질이 혼입되지 않도록 해야 한다.

보통 콘크리트의 특성은 물과 시멘트의 비율에 따라 변한다. 그밖의 모든 조건이 같을 때는 수분 함량이 많을수록 콘크리트의 강도가 높아진다. 물과 혼합된 시멘트에 의해 골재 주위의 공간이 잘 메워지고, 콘크리트가 충분한 유동성을 가져 잘 부어지고 퍼지도록 하려면 혼합할 때 충분한 수분 함량을 갖도록 해야 한다.

특별히 강한 강도의 시멘트를 요할 때는 쇄석의 함량을 줄인다. 시멘트의 강도는 어떤 조건(예를 들면 만든 지 얼마나 되었나, 강도는 얼마인가 등)이 주어진 시료를 분쇄하는 데 사용된 힘(lb/in², ㎏/㎠)으로 표현되며, 환경요인(특히 습도와 온도)의 영향을 받는다. 콘크리트가 너무 빨리 건조되면 불균질한 인장응력을 받게 되어 불완전하게 굳은 부분에서 파괴가 일어나게 된다. 콘크리트가 굳을 때 생기는 수축을 줄이기 위해 가끔씩 물을 뿌려주어 어느 정도의 습도를 유지하는 양생(養生)을 행한다.

온도가 낮아도 강도에 좋지 않은 영향을 주는데, 이 경우에는 염화칼슘 같은 첨가제를 시멘트와 섞어준다. 이것은 낮은 온도를 상쇄할 정도의 충분한 열을 발생시켜 응결작용을 가속화한다.

철근을 사용한 콘크리트를 철근 콘크리트라고 하는데, 이것은 파리의 한 정원사 J. 모니에르가 발명했다고 여겨진다. 그는 철그물로 보강한 콘크리트로 화분과 둥근 통을 제작해 1867년에 특허를 얻었다. 막대·봉·그물의 형태를 가지는 철근은 재료의 인장강도를 증가시킨다.

보통 콘크리트는 풍화작용·지진·진동 등에 잘 견디기 어렵기 때문에 많은 구조물에 사용하기는 어렵다. 철근 콘크리트의 경우 철근의 인장강도와 콘크리트의 압축강도는 매우 긴 경간의 구조물이 모든 종류의 큰 응력을 견딜 수 있게 해준다. 콘크리트의 유동성은 가장 큰 응력이 작용하는 곳이나 그 근방에 철근이 위치할 수 있게 해준다. 내부에 강재(특수 고강도강)를 넣고 인장력을 준 콘크리트를 프리스트레스트 콘크리트(prestressed concrete)라고 한다.

프리스트레스트 콘크리트의 제작법은 2가지가 있는데 하나는 장력을 콘크리트가 굳기 전에 가하는 것이고, 다른 하나는 굳은 후에 가하는 것이다(프리텐셔닝, 포스트텐셔닝). 전자의 방법은 강선·케이블·피아노선 등을 빈 거푸집에 놓은 후 당겨 고정시킨 다음, 콘크리트를 거푸집에 부어 굳힌 후 고정시킨 강재를 푼다.

그러면 강재는 원래의 길이로 돌아가려고 하면서 콘크리트를 압축한다. 후자의 방법은 콘크리트 내에 마련된 도관을 통해 강재가 지나가게 한다. 콘크리트가 굳으면 강재는 바깥의 고정장치에 의해 고정된다. 정확히 조정된 세기의 인장력을 강재에 가함으로써 콘크리트에 가해지는 압축력의 세기는 정확히 제어될 수 있다. 프리스트레스트 콘크리트에서 생기는 압축력은 보통 콘크리트의 파괴 원인이 되는 인장력을 중화시킨다.

프리스트레스트 콘크리트는 철근 콘크리트와는 달리 무거운 보강재가 필요없으므로 다리나 거대한 지붕 등과 같은 구조물을 더욱 가볍고 우아하게 건설할 수 있다. 프리스트레스트 콘크리트는 매우 큰 응력과 거의 모든 건물에 사용할 수 있다는 장점 외에 내화성을 가지고 있다. 이 성질은 내화 벽돌과 같은 내화골재를 사용하면 더욱 증대된다.