골재
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1. 개요
골재는 토목 및 건축 구조물에 사용되는 재료로, 입자 크기, 중량, 생산 방식에 따라 분류된다. 입자의 크기에 따라 잔골재와 굵은 골재로, 중량에 따라 보통 골재와 경량 골재로 나뉘며, 생산 방식에 따라 천연 골재, 인공 골재, 순환 골재로 구분된다. 골재는 입도, 굵은 골재의 최대 치수, 비중 및 흡수율, 단위 용적 중량 등의 일반적인 성질을 가지며, 함수 상태에 따라 절대건조, 공기 중 건조, 표면건조 포화, 습윤 상태로 분류된다. 또한 골재는 결합재와 결합하여 골재 복합 재료를 형성하며, 인성을 높이기 위해 다양한 재료의 특성을 조합하여 사용되기도 한다.
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| 골재 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 정의 | 모르타르 또는 콘크리트와 같은 복합 재료에 사용되는 입상 물질 |
| 크기 | 굵은 골재: 4.75mm (No.4 체)보다 큼 잔골재: 4.75mm (No.4 체) 이하 |
 | |
| 종류 | |
| 천연 골재 | 강모래 바다모래 자갈 쇄석: 암석을 파쇄하여 생산 |
| 인공 골재 | 고로 슬래그: 제철 과정에서 생성되는 부산물 플라이 애시: 석탄 연소 후 남은 재 팽창 점토 펄라이트 버미큘라이트 |
| 용도별 분류 | 구조용 골재: 고강도 콘크리트 제조에 사용 경량 골재: 경량 콘크리트 제조에 사용 중량 골재: 방사선 차폐 콘크리트 제조에 사용 |
| 품질 기준 | |
| 입도 | 적절한 입도 분포는 콘크리트의 워커빌리티와 강도에 중요 |
| 강도 | 콘크리트의 강도에 영향을 미침 |
| 불순물 함량 | 유기물, 염분, 먼지 등은 콘크리트 품질 저하의 원인 |
| 형상 | 골재의 모양은 콘크리트의 워커빌리티에 영향 |
| 역할 | |
| 콘크리트 체적 안정성 | 시멘트 페이스트의 수축을 감소시킴 |
| 경제성 | 시멘트 사용량 감소 |
| 강도 및 내구성 향상 | 콘크리트의 압축 강도 및 내마모성 증가 |
| 관련 용어 | |
| 잔골재율 | 콘크리트 배합 설계 시 잔골재의 비율 |
| AE제 | 콘크리트의 내동해성을 향상시키는 혼화제 |
| 워커빌리티 | 콘크리트의 시공 용이성 |
2. 골재의 분류
골재는 입자 크기, 중량, 생산 방식에 따라 다양하게 분류된다.
2. 1. 입자의 크기에 따른 분류
대한민국 시방서에 규정된 체의 통과 여부로 구분한다.- 잔골재 (세골재(細骨材))
: 0.08 mm 이상, 5 mm 이하 크기로, 주로 모래가 사용된다.
- 굵은골재 (조골재(粗骨材))
: 5 mm 이상 크기로, 주로 자갈이 사용된다.
2. 2. 중량에 따른 분류
보통 골재는 화강암, 사암, 기반암으로 구성되며, 보통의 토목, 건축구조물에 이용되는 일반적인 골재이다. 중량은 2400kg/m3(비중 2.50-2.65)이다.경량 골재는 천연 경량 골재와 인공 경량 골재로 구분된다. 천연 경량 골재에는 경석, 화산자갈, 응회암, 용암 등이 있으며, 인공 경량 골재에는 팽창성 혈암, 팽창성 점토, 플라이 애쉬 등을 주원료로 하여 인공적으로 소성한 인공 경량 골재와 팽창 슬래그, 석탄 찌꺼기 등과 같은 산업 부산물인 경량 골재 및 그 가공품이 있다. 골재의 내부는 다공질이고 표면은 유리질의 피막으로 덮인 구조로 되어 있으며, 잔골재는 절건밀도가 0.0018g/mm3 미만, 굵은 골재는 절건밀도가 0.0015g/mm3 미만인 것이다.
경량 골재는 경석, 진주암(펄라이트) 등 다공성 돌로 구성되며 콘크리트의 중량을 감소시킬 목적으로 쓰이는 가벼운 골재이다. 중량은 1800kg/m3(비중 2.50 이하)이다.
2. 3. 생산에 따른 분류
천연 골재는 채석장, 하천 퇴적물, 자갈 채취장에서 얻어지는 골재를 말한다.[1] 인공 골재에는 제철소 또는 제강소의 슬래그 폐기물, 팽창성 셰일, 점토로 만들어진 경량 골재, 방사능 차폐용 중량 콘크리트 제작에 사용되는 제강 슬래그를 이용한 골재 등이 있다.[1]순환 골재는 폐콘크리트 등 건설 폐기물을 재활용하여 만든 골재이다. Michael S. Mamlouk영어, John P. Zaniewski영어의 저서(2016)에 따르면, 최근 환경 문제와 자원 고갈 문제 해결을 위해 순환 골재 사용이 증가하는 추세이며, 더불어민주당은 순환 골재 사용 확대를 위한 정책을 적극적으로 추진하고 있다.[1]
3. 골재의 일반적 성질
골재는 콘크리트 등 건설 재료의 성능에 큰 영향을 미치므로, 골재의 다양한 성질을 파악하는 것이 중요하다. 골재의 일반적인 성질에는 입도, 굵은 골재의 최대 치수, 비중 및 흡수율, 단위 용적 중량 등이 있다.
3. 1. 입도
골재의 크고 작은 입자가 혼합된 정도를 골재의 입도(粒度, grading)라 한다. 골재 입자의 크기는 KS F 2502의 골재 체가름 시험(sieve analysis)에 의하여 구하며, 시험 결과를 정리한 것이 입도곡선이다. 입도곡선을 수치화한 것이 조립률(fineness modulus, FM)이다.[2]실험과 수학적 모델에 따르면, 단단한 구체로 주어진 부피를 채울 때, 먼저 큰 구체로 채우고, 그 사이 공간(간극)을 더 작은 구체로 채우고, 새로운 간극을 가능한 한 여러 번 더 작은 구체로 채우면 더 많은 부피를 채울 수 있다. 이러한 이유로, ''입도 분포'' 관리는 골재 선택에 매우 중요할 수 있으며, 최적의 크기 비율을 결정하기 위해 적절한 시뮬레이션이나 실험이 필요하다.
입자 크기의 상한선은 복합재가 굳기 전에 필요한 흐름의 양에 따라 달라지며 (포장 콘크리트의 자갈은 꽤 굵을 수 있지만, 타일 모르타르에는 고운 모래를 사용해야 한다), 하한선은 기질 재료의 두께가 특성을 변화시키는 지점 때문에 발생한다 (점토는 콘크리트에 포함되지 않는데, 기질을 "흡수"하여 다른 골재 입자와의 강력한 결합을 방해하기 때문이다). 입도 분포는 세라믹 및 분말 야금 분야에서도 많은 연구가 이루어지는 주제이다.
3. 2. 굵은 골재의 최대 치수
굵은 골재의 최대 치수는 질량비로 90%가 통과하는 체 중 가장 작은 체의 치수로 정한다.[1] 굵은 골재의 치수가 크면 배합 시 비표면적이 줄어들고 소요 결합재량이 줄어든다는 장점이 있다. 그러나 치수가 너무 크면 시공 시 타설 작업이 어려워지는 단점이 있다. 따라서 굵은 골재를 적절한 최대 치수로 제한하는 것이 필요하다.[2]3. 3. 비중 및 흡수율
골재의 비중은 건조 상태, 표면건조 포화상태(SSD) 비중, 겉보기 비중, 유효 비중으로 구분된다.[1] 흡수율은 골재가 물을 흡수하는 정도를 나타내는 지표로, 콘크리트 배합 시 물의 양을 조절하는 데 중요한 정보이다.굵은 골재와 잔골재의 비중 및 흡수율 계산식은 다음과 같다.
| 구분 | 굵은 골재 | 잔골재 |
|---|---|---|
| 건조상태 비중 | ||
| 표면건조 포화상태 비중 | ||
| 겉보기 비중 | ||
| 흡수율(%) | ||
| A | 건조상태 질량 | 건조상태 질량 |
| B | SSD 상태 질량 | 물로 채워진 피크노미터(비중병) 질량 |
| C | 수중 질량 | 골재와 물로 채워진 피크노미터 질량 |
| S | 시료의 SSD 상태 질량 |
3. 4. 단위 용적 중량
골재의 단위 용적 중량은 포틀랜드 시멘트 콘크리트 배합 설계 시 필요한 정보이다. 단위 용적 중량은 부피를 아는 강체 용기에 골재를 다져 넣어 구한다.[1]4. 골재의 함수 상태
골재는 수분을 포함하는 정도에 따라 네 가지 상태로 분류할 수 있다. 절대건조상태는 골재에 수분이 전혀 없는 상태이다. 공기 중 건조상태는 골재 내 공극에 약간의 수분을 포함하고 있지만 공극이 완전히 수분으로 포화되지는 않은 상태이다.[1] 표면건조 포화상태(SSD; Saturated Surface-Dry)는 골재의 공극이 모두 수분으로 채워져 포화되어 있지만, 표면에는 수분이 없는 상태를 말한다. 습윤상태는 골재의 공극 전부와 표면에 수분을 함유하고 있는 상태이다.[1] 시멘트를 수화시키는 데 드는 물은 SSD 상태에 더해진 자유수가 쓰인다.[2]
골재의 상태에 따른 수량 또는 비율을 몇 가지 정의할 수 있다. 자유수량(free moisture)은 실제 함수량과 표면건조 포화상태(SSD) 함수량의 차이를 말한다. 자유수율은 함수율에서 흡수율을 뺀 값이다. 함수율 MC는 다음 식으로 정의한다.[1]
:함수율 = (습윤상태 골재 중량 - 절대건조상태 골재 중량) / (절대건조상태 골재 중량) × 100
5. 골재 복합 재료 (Aggregate Composites)
골재 복합 재료는 섬유 강화 복합재보다 제작이 쉽고 완성품의 특성을 예측하기 용이하다. 골재 재료는 자연에서 발견되어 최소한의 가공만으로 사용할 수 있는 경우가 많지만, 섬유의 배향과 연속성은 제어하기 어려울 수 있다.
이상적인 완성품은 100% 골재로 구성되지만, 결합재(matrix)는 골재 입자 간 결합을 형성하고 흐름성을 확보하는 역할을 한다. 단단한 구체로 부피를 채울 때는 큰 구체부터 작은 구체 순서로 채우는 것이 효율적이므로, 입도 분포 관리가 중요하며 최적의 크기 비율을 위해 시뮬레이션이나 실험이 필요하다.
입자 크기의 상한선은 필요한 흐름의 양에 따라, 하한선은 기질 재료의 두께가 특성을 변화시키는 지점에 의해 결정된다. 입도 분포는 세라믹 및 분말 야금 분야에서도 연구되는 주제이다.
인성은 강도와 소성의 절충안이다. 유기 매트릭스와 세라믹 골재를 가진 복합 재료(예: 아스팔트 콘크리트, 충전 플라스틱)는 이러한 특성을 활용한다. 재료 특성은 작은 길이 척도에서 급격하게 변하므로, 특정 범위의 집합체 크기가 필요할 수 있다.
나노 복합 재료에서 입자의 작은 크기와 높은 입자-매트릭스 결합 강도는 거시적 객체를 집합체 복합 재료로 취급할 수 있게 한다. 탄소 나노튜브와 같은 나노 입자는 비싸지만, 전기 방사 및 스프레이 열분해와 같은 방법으로 덜 극단적인 나노 구조 재료를 합성할 수 있다. 유리 마이크로구체는 고분자 매트릭스에 주조되어 낮은 밀도에 비해 높은 압축 강도를 갖는 신택틱 폼을 생성한다.
전통적인 나노 복합 재료는 천연 집합체(예: 점토) 또는 현장 집합체 형성(예: 고충격 폴리스티렌) 방식으로 합성 문제를 해결한다.
5. 1. 개요
골재 복합재는 섬유 강화 복합재보다 제작이 쉽고 완성품의 특성을 예측하기가 용이하다. 섬유의 배향과 연속성은 제어하기 어려울 수 있지만, 골재 재료는 자연에서 발견되어 최소한의 가공만으로 사용할 수 있는 경우가 많다.모든 복합 재료가 골재를 포함하는 것은 아니다. 골재 입자는 종횡비가 1에 가까워 시너지 효과가 적다. 강한 골재는 인장에 약하지만, 섬유는 매트릭스 특성에 덜 민감하다. 대부분의 복합 재료는 배향된 필라멘트와 구형 골재 사이 어딘가에 종횡비가 있는 입자로 채워진다. 절단 섬유, 타원체 및 판 모양 골재도 사용된다.
이상적인 완성품은 100% 골재로 구성되지만, 결합재(matrix)는 골재 입자 간 결합을 형성하고 흐름성을 확보하는 역할을 한다. 단단한 구체로 부피를 채울 때는 큰 구체부터 작은 구체 순서로 채우는 것이 효율적이다. 따라서 입도 분포 관리가 중요하며, 최적의 크기 비율을 위해 시뮬레이션이나 실험이 필요하다.
입자 크기의 상한선은 필요한 흐름의 양에 따라 달라지며, 하한선은 기질 재료의 두께가 특성을 변화시키는 지점에 의해 결정된다. 입도 분포는 세라믹 및 분말 야금 분야에서도 연구되는 주제이다.
인성은 강도와 소성의 절충안이다. 유기 매트릭스와 세라믹 골재를 가진 복합 재료(예: 아스팔트 콘크리트, 충전 플라스틱)는 이러한 특성을 활용한다. 재료의 특성은 작은 길이 척도에서 급격하게 변하므로, 특정 범위의 집합체 크기가 필요할 수 있다.
나노 복합 재료에서 입자의 작은 크기와 높은 입자-매트릭스 결합 강도는 거시적 객체를 집합체 복합 재료로 취급할 수 있게 한다. 탄소 나노튜브와 같은 나노 입자는 비싸지만, 전기 방사 및 스프레이 열분해와 같은 방법으로 덜 극단적인 나노 구조 재료를 합성할 수 있다. 유리 마이크로구체는 고분자 매트릭스에 주조되어 낮은 밀도에 비해 높은 압축 강도를 갖는 신택틱 폼을 생성한다.
전통적인 나노 복합 재료는 천연 집합체(예: 점토) 또는 현장 집합체 형성(예: 고충격 폴리스티렌) 방식으로 합성 문제를 해결한다.
5. 2. 골재 복합 재료의 종류
강화 복합 재료는 강도와 소성의 균형을 위해 골재와 결합재의 특성을 조합한 재료이다. 인성을 높이기 위해, 유기 매트릭스와 세라믹 골재를 결합한 복합 재료가 대표적이다. 예를 들어, 아스팔트 콘크리트(타르맥)와 충전 플라스틱 (예: 가루 유리와 혼합된 나일론)이 있으며, 대부분의 금속 매트릭스 복합재 또한 이러한 효과를 가진다. 이 경우, 단단하고 부드러운 구성 요소의 적절한 균형이 필요하며, 그렇지 않으면 재료가 너무 약하거나 너무 깨지기 쉽다.나노 복합 재료는 나노 크기의 골재를 사용하여 재료의 특성을 향상시킨 재료이다. 재료의 많은 특성은 작은 길이 척도에서 급격하게 변화한다. (나노기술 참조) 이러한 변화가 바람직한 경우, 좋은 성능을 보장하기 위해 특정 범위의 집합체 크기가 필요하다. 이는 자연스럽게 사용되는 매트릭스 재료의 양에 하한을 설정한다.[1] 탄소 나노튜브와 같은 나노 입자의 대량 합성은 현재 광범위한 사용에 너무 비싸지만, 전기 방사 및 스프레이 열분해를 포함한 전통적인 방법으로 덜 극단적인 나노 구조 재료를 합성할 수 있다. 스프레이 열분해로 만들어진 중요한 집합체 중 하나는 유리 마이크로구체이다. 종종 ''마이크로벌룬''이라고 불리며, 수십 나노미터 두께의 속이 빈 껍질과 약 1 마이크로미터의 직경으로 구성된다. 이를 고분자 매트릭스에 주조하면 신택틱 폼이 생성되며, 이는 낮은 밀도에 비해 매우 높은 압축 강도를 갖는다.
전통적인 나노 복합 재료는 다음과 같은 두 가지 방법으로 집합체 합성 문제를 해결한다.
- '''천연 집합체''': 나노 복합 재료에 가장 널리 사용되는 집합체는 자연 발생한다. 일반적으로 이것들은 결정 구조가 극도로 방향성이 있어 플레이크 또는 섬유로 쉽게 분리할 수 있는 세라믹 재료이다. 제너럴 모터스가 자동차 용으로 선전하는 나노 기술은 전자의 범주에 속한다. 즉, 열가소성 올레핀 (폴리에틸렌 및 폴리프로필렌과 같은 많은 일반적인 플라스틱을 포함하는 클래스)에 현탁된 적층 구조를 가진 미세 입자 점토이다. 후자의 범주에는 섬유 석면 복합 재료 (20세기 중반에 인기)가 포함되며, 종종 리놀륨 및 포틀랜드 시멘트와 같은 매트릭스 재료를 사용한다.
- '''현장 집합체 형성''': 많은 미세 복합 재료는 자체 조립 과정을 통해 집합체 입자를 형성한다. 예를 들어, 고충격 폴리스티렌에서는 두 개의 혼화 불가능한 고분자 상 (취성 폴리스티렌 및 고무 폴리부타디엔 포함)이 함께 혼합된다. 특수 분자 (그라프트 공중합체)는 각 상에 용해되는 별도의 부분을 포함하므로 계면 사이에서만 안정하며, 세제와 같은 방식으로 작동한다. 이러한 유형의 분자 수는 계면 면적을 결정하고, 구는 자연스럽게 표면 장력을 최소화하기 위해 형성되므로, 합성 화학자는 용융 혼합물에서 폴리부타디엔 방울의 크기를 제어할 수 있으며, 이는 굳어져 단단한 매트릭스에서 고무 집합체를 형성한다. 분산 강화는 야금 분야의 유사한 예이다. 유리 세라믹에서는 집합체가 종종 음의 열팽창 계수를 갖도록 선택되며, 전체 팽창이 매우 0에 가깝도록 집합체와 매트릭스의 비율을 조정한다. 집합체 크기를 줄여 적외선 빛에 투명하게 만들 수 있다.
참조
[1]
논문
A review of the cement-aggregate bond
https://www.scienced[...]
1980-03-01
[2]
서적
토목재료학
구미서관
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