콘크리트용 골재의 품질 일반

골재는 콘크리트의 구성 성분 중 65-80%(용적비로 대략 70% 정도)를 차지할 정도로 가장 많이 들어가는 재료입니다. 잔골재(모래)나 굵은 골재(자갈)는 주변에서 흔하게 구할 수 있는 재료이지만, 품질이 좋지 않은 재료를 사용한다면 콘크리트 품질에 나쁜 영향을 미칠 수 있습니다. 그럼 골재에 필요한 성질은 무엇일까요?

골재

골재의 품질은 골재 고유의 암질 및 생산과정에 따라 다양한 요인이 영향을 미치게 됩니다.

골재의 품질에 영향을 미치는 요인들

골재는 콘크리트 용적의 상당부분을 차지하고 있고 보강재 역할을 하기 때문에 시멘트 페이스트의 강도보다 더 커야 합니다. 그런데 잔골재의 굵은 골재의 강도는 직접적으로 확인하기가 매우 어렵습니다. 따라서 시멘트 모르타르나 콘크리트로 만들어서 강도 시험한 결과로 판단해야 합니다. 

골재의 강도는 암석 고유의 성질인 암질에 영향을 받게 됩니다. 일반적으로 절대건조밀도가 2.5g/㎤ 이상, 흡수율이 3.0% 이하인 골재는 부적합하기 때문에 사용해서는 안 됩니다.

골재의 품질은 생산과정에서도 영향을 받을 수 있습니다. 골재는 시멘트 페이스트와 부착이 잘 되서 강도를 발현하기 좋은 형상이 좋고, 콘크리트로 배합했을 때 시공하기에 수월한 워커빌리티를 얻을 수 있는 형상이어야 합니다. 그래서 입자 표면이 거친 편이 부착이 유리하기 때문에 거친 요철이 있는 것이 유리합니다. 모양은 평평하거나 길죽해서 세장한 것보다는 구형에 가까운 것이 콘크리트를 배합했을 때 작업성(워커빌리티)을 발휘하기가 수월합니다. 

입자는 크고 작은 입자가 골고루 혼합된 것이 좋습니다. 크고 작은 입자가 골고루 섞인 것이 콘크리트를 혼합했을 때 콘크리트의 균질성과 경제성을 확보할 수 있습니다. 

콘크리트 시방서에서는 유해량 이상의 염분을 포함하지 말아야 하고, 진흙이나 유기 불순물 등의 유해물을 허용량 이상 함유하지 않도록 규정하고 있습니다.  점토나 유기불순물은 콘크리트의 응결경화에 영향을 미치거나 균열을 유발하고, 입자가 작기 때문에 단위 수량이 커질 수 밖에 없어 강도가 저하될 수도 있습니다. 

 

골재의 강도 및 내구성 확인

표준시방서에서는 잔골재나 굵은골재 모두 원석의 강도는 단단하고, 강한 것을 사용하도록 규정하고 있습니다. 

골재 강도가 낮을 것을 쓰면 콘크리트의 강도가 낮아질 수밖에 없기 때문에 당연히 강도가 높을 것을 써야하겠죠? 문제는 골재의 강도를 측정하기 쉽지 않다는 것입니다. 모래나 자갈의 모양을 생각해보면 직접 강도 실험을 하기가 쉽지 않다는 것은 당연해 보입니다. 그럼 골재 원석의 강도가 단단하고 강한 것이라는 것은 어떻게 확인할 수 있을까요?

표준시방서에서는 이것을 확인하기 위해 골재의 품질기준으로 물리적 품질을 정하고 있습니다. 골재는 절대건조밀도가 2.5g/㎤ 이상, 흡수율이 3.0% 이하인 골재를 사용해야 합니다. 이 물질적 기준으로 골재의 강도를 간접적으로 확인할 수 있습니다. 

사람이 나이가 들면 뼈에 골다공증이 심해지듯이, 암석도 풍화가 진행되면서 나이가 들면 점점 내부에 공극(구멍)이 많아집니다. 내부에 공극이 많아지면 당연히 강도가 약해지겠죠? 또 공극이 많아지면 상대적으로 물을 더 많이 흡수하게 될 것입니다. 그리고 무게도 가벼워지겠죠? 따라서 골재의 밀도와 흡수율을 측정해서 밀도가 떨어지거나 흡수율이 기준값보다 높은 골재는 사용하지 않도록 규정하는 것입니다.

 

골재 입자의 크기

골재를 사용할 때는 강도뿐 아니라 입자의 크기도 따져봐야 합니다. 굵은 입자만 많거나 가는 입자만 많으면 문제가 생깁니다. 그래서 표준시방서에서는 크고 작은 입자가 알맞게 혼합되어 있는 것을 사용하도록 규정하고 있고 잔골재나 굵은 골재별로 표준적인 입도분포의 범위를 정하고 있습니다. 

잔골재의 체가름 시험

골재의 입도분포는 여러 종류의 체를 사용해서 각 체에 골재가 얼마나 남고 얼마나 통과하는지 따져서 파악할 수 있습니다. 이것을 하나의 수치로 표시한 것이 조립률(FM: Fineness Modulus)입니다. 조립률에 대한 것은 다시 자세히 설명하도록 하겠습니다.

유해물 함유량

골재에 불순물이 섞이면 콘크리트 품질이 떨어지게 됩니다. 잔골재와 굵은 골재에 각각 유해물 함유량 한도가 정해져 있는데요, 그 내용은 다음과 같습니다.

종류	천연 잔골재
점토 덩어리	1.0
0.08mm 체 통과량 콘크리트의 표면이 마모작용을 받는 경우 기타의 경우	3.0 5.0
석탄, 갈탄 등으로 밀도 2.0 g/㎤의 액체에 뜨는 것 콘크리트의 외관이 중요한 경우 기타의 경우	0.5 1.0
염화물(NaCl 환산량)	0.04

 

종류	천연 굵은 골재
점토 덩어리	0.25(점토 덩어리와 연한 석편의 합이 5%를 넘으면 안된다.)
연한 석편	5.0
0.08mm 체 통과량	1.0
석탄, 갈탄 등으로 밀도 2.0 g/㎤의 액체에 뜨는 것 콘크리트의 외관이 중요한 경우 기타의 경우	0.5 1.0

 

점토나 0.08mm 체에 통과하는 미세한 입자가 많이 섞이면 유동성을 높이기 위해 물을 더 많이 넣을 수 밖에 없고 강도를 일정하게 유지하려면 시멘트도 일정한 비율만큼 더 배합해야만 합니다. 

모래는 바다에서 채취하는 경우도 많기 때문에 충분히 세척하지 않으면 염분이 섞이게 됩니다. 여기에 포함된 염화물은 철근을 녹슬게 만들기 때문에 바닷모래(해사)는 충분히 세척해야 하고 염화물의 양이 0.04% 이하인 것을 확인하고 사용해야만 합니다.

 

저품질 골재 - 골재의 토분

광주 화정동아이파크 붕괴사고에 대한 조사결과를 보면  다양한 원인이 지적되고 있습니다. 그 중에 골재와 관련된 부분으로 저품질 골재에 대한 내용도 지적되고 있습니다.

저품질 골재라고 하면 보통 마사나 개답사를 말합니다. 마사는 풍화된 화강암 모래, 개답사는 논이나 밭에서 채취하는 모래를 지칭합니다. 마사가 개답사는 골재 주변에 미세한 입자가 많이 붙어있어서 문제가 됩니다. 이렇게 골재 주변에 붙어있는 미세한 흙이나 이물질 등을 보통 토분이라고도 합니다. 

이 토분은 보통 흡수율이 높은, 미세한 점토나 실트로 되어 있습니다. 이렇게 미세한 입자가 많이 있으면 수분을 순식간에 빨아들이기 때문에 콘크리트의 유동성이 떨어집니다. 쉽게 말해서 콘크리트가 뻑뻑하기 때문에 시공하기 어려워집니다. 그래서 시공 편의를 위해 물을 많이 사용하게 되고 콘크리트 강도가 떨어지게 됩니다.

그래서 2022년 12월부터는 단위수량 검사를 의무화하고 있습니다. 

 

사실 지금 현실로는 양질의 골재를 채취하기 어렵기 때문에 이런 문제가 발생할 수 밖에 없습니다. 품질이 우수한 강자갈, 강모래 등과 같은 하천골재는 이미 고갈되었기 때문에 더 이상 채취할 수가 없습니다. 대체 자원으로 꼽혔던 산림(이하 석산) 골재는 산림보호 정책, 님비(Nimby) 현상 등으로 인해 실질적인 확대하기가  어려운 상황입니다. 바닷모래 또한 어민들이 반발하고 수산자원를 보호하기 위해 채취량를 감축하는 정책이 시행되고 있습니다.

다음 그림을 보시면 2020년에 선별 파쇄로 52.2%, 산림골재가 35.7% 순으로 생산되고 있는 것을 알 수 있습니다.

 

 

골재 관련 용어

굵은 골재

5mm 체에 거의 다 남은 입상 상태의 재료로서, 암석이 자연적으로 붕괴 마모되어 생성된 것, 또는 이것이 연악하게 얽혀져서만들어진 역암을 인공처리한 것

잔골재

10mm 체를 통과하고 5mm 체를 거의 다 통과하며, 0.08mm 체에 거의 다 남은 입상 상태의 암석이 자연적으로 붕괴 마모되어 생성된 것, 또는 파쇄되기 쉬운 사암을 인공처리한 것

잔골재율

콘크리트 내의 전 골재량에 대한 잔골재량의 절대 용적비를 백분율로 나타낸 것

골재의 절대 건조 밀도(절건 밀도)

골재 내부의 공극에 포함되어 있는 물이 전부 제거된 상태인 골재 입자의 겉보기 밀도로서, 골재의 절대 건조 상태 질량을 골재의 절대 용적으로 나눈 값

골재의 조립률

75, 40, 20, 20, 10, 5, 2.5, 1.2, 0.6, 0.3, 및 0.15mm 체 등 10 개의 체를 1조로 하여 체가름 시험하였을 때, 각 체에 남은 누계량의 전체 시료에 대한 질량 백분율의 합을 100으로 나눈 값

골재의 표면 건조 포화 상태 밀도(표건 밀도)

골재의 표면은 건조하고 골재 내부의 공극이 완전히 물로 있는 상태에서 골재 입자의 밀도

골재의 표면수

골재 표면에 묻어 있는 수분으로 골재에 합유된 전체의 수분에서 골재 입자 내부의 수분을 뺀 것

굵은 골재의 최대 치수

질량으로 90% 이상을 통과시키는데 체 중에서 최소 치수의 체눈을 체의 호칭 치수로 나타낸 굵은 골재의 치수

석분

부순 골재를 만드는 경우에 발생하는 입자지름 2.5mm 이하인 것