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콘크리트의 강도를 나타내는 지표 중에는 건설현장에서 흔히 사용하는 설계기준강도와 호칭강도, 배합강도의 기준이 되는 압축 강도만 존재하는 것이 아닙니다. 자르려고 하는 힘에 대응하는 전단 강도를 비롯해 재료를 굽히는 힘에 대해 저항하는 최대 강도인 휨 강도, 그리고 잡아당기는 힘에 견딜 수 있는 최대한의 응력을 의미하는 인장 강도 등 여러 가지 강도가 존재합니다. 이들은 대부분 압축 강도 크기와 비교하면 작은 수준에 불과하지만 콘크리트의 품질과 내구성에 영향을 미칠 수 있으며, 구조물 설계 시 중요하게 고려되는 성질이라 하겠습니다.

앞서 재료과학에서 강도를 나타내는 단위인 ‘MPa(메가파스칼)’에 대해 간단히 설명해드린 적이 있습니다. 특히, 콘크리트(혹은 레미콘)에서의 MPa는 표준양생 조건에서 28일간 양생한 후 발현되는 ‘압축 강도(Compressive Strength)’를 의미하며, 1MPa는 1㎠당 10kg의 하중을 견딜 수 있는 강도라고 했는데요. 그럼, 콘크리트의 성질 중 강도를 나타내는 지표에는 설계기준강도와 호칭강도, 배합강도 등의 기준이 되는 압축 강도만 존재하는 것일까요? 결론부터 말하자면 그렇지 않습니다. 콘크리트는 여러 가지 다양한 강도를 가지고 있으며, 그 크기를 단순 비교하면 ‘압축 강도> 전단 강도> 휨 강도> 인장 강도’ 순으로 나열할 수 있습니다.

먼저 압축 강도는 단위 면적 당 압력을 견딜 수 있는 힘이자 콘크리트의 가장 중요한 역학적 성질입니다. 이러한 이유로 콘크리트의 구조 설계부터 주문, 배합 등의 전 과정에서 가장 흔하게 사용되는 일반적인 개념의 강도이며, 다른 강도와 비교해 단위 값이 가장 크다는 점이 핵심입니다. 다시 말해 압축 강도는 콘크리트가 압축 하중을 견디는 능력을 측정한 값으로, 우리가 흔히 사용하는 일반 콘크리트의 경우 20~40MPa 정도의 압축 강도를 가지고 있는 것이 보통입니다. 만약 압축 강도가 50~100MPa 사이라면 이는 고강도 콘크리트로 분류되는데요. 주로 초고층 빌딩이나 고층 아파트 건설 공사에 많이 사용됩니다. 이렇게 압축 강도를 대폭 높이기 위해서는 감수제나 혼화재를 첨가하는 것이 일반적인데요. 최근에는 나노 물질이나 충전재, 강섬유 등을 첨가해 공극률을 2% 이내로 대폭 낮추고, 압축 강도는 획기적으로 높인 초고성능 콘크리트(120~300MPa)까지 등장한 상황입니다. 또한, 압축 강도의 크기만 정확히 알고 있으면 나머지 강도들에 대한 역학적인 특성이나 수치 등은 대략적으로 유추할 수 있기 때문에 압축 강도는 콘크리트의 강도를 이야기할 때 언제나 가장 중요한 기준이 됩니다.

다음으로 압축 강도의 1/4에서 1/6 크기로 나타나는 전단 강도(Shear Strength)는 콘크리트가 가진 전단력 즉, 자르려고 하는 힘에 대응하는 최대 강도를 의미합니다. 예를 들어 우리가 가위로 종이를 자르려고 할 때 가위의 힘이 종이의 전단 강도를 초과하면 종이가 잘리는 것처럼, 콘크리트 역시 외부로부터 전단력을 받았을 때 얼마나 강하게 저항할 수 있는지를 측정하는 것이죠. 보통 압축 강도가 크면 클수록 전단 강도도 함께 크게 나타나는데, 이는 시험에 의해 정확한 측정 결과를 얻어내기가 거의 불가능하다는 특징이 있기 때문에 압축 강도 시험을 통해 전단 강도의 크기를 함께 추정하게 됩니다.

반면 휨 강도(flexural strength)는 말 그대로 재료를 굽히는 힘에 대해 저항하는 최대 강도입니다. 콘크리트의 중심부에서 직각 방향으로 하중이 작용할 때 저항하는 정도를 측정합니다.  압축 강도의 1/5에서 1/18 정도 크기로 추정하며, 인장 강도와 비교하면 1.6~2배 더 크게 나타납니다. 휨 강도에 대한 시험은 굵은 골재의 최대 치수에 따라 방법을 달리 하고 있는데요. 콘크리트 내부의 균질성을 유지하기 위해 골재 최대 치수가 50mm 이하인 경우, 그 3배인 가로, 세로 150mm의 단면에 길이는 530mm인 정방형 무근 콘크리트를 공시체(일정한 규격으로 만들어 재질 시험에 쓰이는 콘크리트 조각)로 사용해 강도 시험을 진행합니다. 휨 강도는 특히 교량이나 도로에 사용하는 포장용 콘크리트의 품질 판정에 중요한 지표가 되고 있습니다.

마지막으로, 인장 강도(Tensile Strength)는 콘크리트의 기계적 강도를 나타내는 지표로, 잡아당기는 힘에 견딜 수 있는 최대한의 응력(저항력)을 의미합니다. 압축 강도와 비교해 가장 작은 1/10에서 1/13 정도의 크기를 가지고 있으며, 압축 강도가 크면 클수록 인장 강도 역시 크게 나타납니다. 또한, 인장 강도는 콘크리트를 건조시킬 경우 습윤한 상태의 콘크리트보다 저하되는 현상을 보이게 되는데요. 이러한 특성은 비교적 흡수량이 큰 인공경량골재 콘크리트 등에서 더 크게 나타납니다.

이렇게 콘크리트의 강도를 나타내는 여러 가지 지표들을 기반으로, 철근과 콘크리트의 조합으로 이루어진 건설 구조물 공사의 경우 압축력이 크게 작용하는 부분에는 콘크리트가 힘을 받도록 설계하고, 인장력을 비롯한 다른 응력이 더 크게 작용하는 부분에는 철근이 힘을 받도록 설계하고 있는데요. 여기에 더해 최근에는 설계기준 압축 강도에서 다양한 기후와 환경적 영향, 건설 현장의 조건 등을 고려해 기온보정강도(+3~6MPa)를 추가로 반영한 콘크리트를 사용해야 한다는 한층 강화된 기준까지 적용하고 있습니다. 이처럼 우리 주변의 모든 콘크리트 구조물이 오래도록 안전하고 성능을 유지할 수 있도록 하기 위해 콘크리트의 다양한 강도에 대한 정확한 이해와 철저한 품질관리는 반드시 필요한 과정입니다.