이 연구의 목적은 초기재령 콘크리트가 동해를 입을 경우가 예상될 때, 동해저항성을 확보하는데 필요한 최소 양생 시간의 예측법을 제안하는 것이다. 먼저, 실험을 통하여 동해시점이 지연될수록, w/c가 낮을수록, 그리고 1종 시멘트보다 3종 시멘트를 사용한 콘크리트가 동해에 의한 압축강도 감소율이 낮으며 동해는 얼음결정의 형성과 성장을 통해 발생됨을 확인하였다. 초기재령 콘크리트가 동해를 입었을 경우, 콘크리트 내에 존재하는 모세공극의 자유수가 얼음으로 상변화를 일으키면서 압축강도의 감소를 유발하므로 동해저항성은 모세공극의 포화도에 따라 결정된다. 따라서, 모세공극의 임계포화도 개념을 근거로 초기동해의 방지를 위한 최소양생시간의 예측법을 제안하였다.
이 연구의 목적은 초기재령 콘크리트가 동해를 입을 경우가 예상될 때, 동해저항성을 확보하는데 필요한 최소 양생 시간의 예측법을 제안하는 것이다. 먼저, 실험을 통하여 동해시점이 지연될수록, w/c가 낮을수록, 그리고 1종 시멘트보다 3종 시멘트를 사용한 콘크리트가 동해에 의한 압축강도 감소율이 낮으며 동해는 얼음결정의 형성과 성장을 통해 발생됨을 확인하였다. 초기재령 콘크리트가 동해를 입었을 경우, 콘크리트 내에 존재하는 모세공극의 자유수가 얼음으로 상변화를 일으키면서 압축강도의 감소를 유발하므로 동해저항성은 모세공극의 포화도에 따라 결정된다. 따라서, 모세공극의 임계포화도 개념을 근거로 초기동해의 방지를 위한 최소양생시간의 예측법을 제안하였다.
The purpose of this study is to propose a method to predict the minimum curing time of early age concrete required to prevent frost damage. Tests were performed to examine major factors, which affect the compressive strength of concrete frozen at early ages and investigate the source of frost damage...
The purpose of this study is to propose a method to predict the minimum curing time of early age concrete required to prevent frost damage. Tests were performed to examine major factors, which affect the compressive strength of concrete frozen at early ages and investigate the source of frost damage at early age concrete. The results from the tests showed that the loss rate of compressive strength decreases as the beginning time of frost damage was delayed and water-cement ratio was lower. In addition, the test results also showed that concrete made with type III cement was less susceptible to frost damage than concrete made with ordinary Portland cement and frost damage occurred through the formation of ice lenses. When early age concrete is being damaged by frozen, a phase transition into ice of free water presented at the capillary pores of the concrete gives a reason for the decrease of compressive strength. Accordingly, the frost resistance of fresh concrete can be determined based on the saturation degree of the capillary pores. The method to predict the minimum curing time was suggested using the concept of critical saturation degree of the capillary pores.
The purpose of this study is to propose a method to predict the minimum curing time of early age concrete required to prevent frost damage. Tests were performed to examine major factors, which affect the compressive strength of concrete frozen at early ages and investigate the source of frost damage at early age concrete. The results from the tests showed that the loss rate of compressive strength decreases as the beginning time of frost damage was delayed and water-cement ratio was lower. In addition, the test results also showed that concrete made with type III cement was less susceptible to frost damage than concrete made with ordinary Portland cement and frost damage occurred through the formation of ice lenses. When early age concrete is being damaged by frozen, a phase transition into ice of free water presented at the capillary pores of the concrete gives a reason for the decrease of compressive strength. Accordingly, the frost resistance of fresh concrete can be determined based on the saturation degree of the capillary pores. The method to predict the minimum curing time was suggested using the concept of critical saturation degree of the capillary pores.
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문제 정의
따라서, 본 논문에 소개되는 최소 양생 시간의 예측법은 포화도의 감소에 따른 동해저항성의 발현 이론에 기초하여, 단열온도상승 실험으로부터 구한 초기재령의 수화 도를 이용하여 최소 양생 시간을 예측하는 것이다.
따라서, 이 연구에서는 초기동해에 관한 이론적인 연구와 실험을 통해 콘크리트의 동해저항성에 가장 큰 영향을 미치는 영향인자를 찾아내고, 시멘트의 수화도를 이용한 최소 양생 기간의 예측법을 제시한 후, 예측 결과와 실험결과를 비교하고자 한다.
본 논문에서는 초기동해를 입은 콘크리트의 압축강도 감소에 영향을 미치는 인자인 동해시점, w/c 및 시멘트의 종류에 관한 실험을 수행한 후, 이를 이용하여 수화도에 근거한 최소양생시간 예측법을 제시하였다. 본 연구에서 도출된 결론은 다음과 같다.
본 연구에서는 양생온도를 2(rc로 일정하게 유지하고, 동해시점, w/c, 시멘트의 종류가 초기재령에 동해를 입은 콘크리트의 압축강도에 미치는 영향을 구명하고자 실험을 수행하였다. 실험은 실험 1, 실험 2 및 실험 3으로 나누었다.
수화도는 재령의 함수이므로 모세공극의 포화도가 임계포화도에 도달했을 때, 그 때의 재령이 바로 초기 동해 방지를 위한 최소 양생 시간이 되는 것이다. 본 장에서는 위의 내용을 기본으로 새로운 최소 양생 시간 예측법을 제안하고자 한다.
또한, 소성상태의 수화도 는 w/c, 시멘트의 종류, 타설온도와 단위시멘트량 등 여러 조건에 따라 달라지므로, 일반적인 수식으로 나타내는 것은 어려우며, 보다 정확한 해석을 위해 단열온도상승 실험을 통해 수화도 곡선을 구해야 한다이" 따라서, 본 연구에서는 소성상태의 수화도를 정확하게 모사하기 위해 단열온도상승 곡선을 이용하여 수화도 곡선을 구하였다. 즉, 각기 다른 배합의 시멘트 수화도를 각각의 단열온도상승 실험을 통하여 구하는 것이다. 수화도는 단열온도상승 곡선에서 시간에 따른 수화발열량의 함수로 다음과 같이 나타낼 수 있다.
제안 방법
흐}지만, 기존의 강도식 및 숙성도 개념의 수화도는 모두 장기재령의 강도를 표현할 목적으로 제안되었으므로, 본 연구에서 다루는 소성상태의 수화 도를 정확하게 모사하지 못한다. 또한, 소성상태의 수화도 는 w/c, 시멘트의 종류, 타설온도와 단위시멘트량 등 여러 조건에 따라 달라지므로, 일반적인 수식으로 나타내는 것은 어려우며, 보다 정확한 해석을 위해 단열온도상승 실험을 통해 수화도 곡선을 구해야 한다이" 따라서, 본 연구에서는 소성상태의 수화도를 정확하게 모사하기 위해 단열온도상승 곡선을 이용하여 수화도 곡선을 구하였다. 즉, 각기 다른 배합의 시멘트 수화도를 각각의 단열온도상승 실험을 통하여 구하는 것이다.
8)로부터 콘크리트의 동해저항성이 발휘되기 위한 최소 양생 시간은 Table 6과 같음을 알 수 있다. 3장의 실험에서 사용된 콘크리트의 수화도 곡선을 구해야 하므로, 3장에서와 같은 배합으로 단열온도상승 실험을 수행하였다. 각 배합별 단열온도상승 실험의 결과와 수화도 곡선은 Figs.
있다. 계산의 편의를 위해 시멘트 경화체의 구성을 시멘트 겔, 미수화 시멘트, 및 공극으로 단순화하여 단위시멘트량(lg)을 기준으로 모세공극의 포화도를 계산하기로 한다景).
우리나라에서는 겨울철 최저온도가 -10℃이하로 내려가는 경우가 드물기 때문에 동해온도는 -10℃로 하였고, 동해기간은 한밤중에 심한 기상상태가 최대로 지속되어도 10시간 이하이므로 실험 1에서 6시간, 실험 2와 실험 3에서 12시간으로 하여 실험을 실시하였다. 동해시점에 따른 공시체의 이름은 타설 직후, 타설 후 6시간, 12시간, 1일, 그리고 3일에 각각 A, B, C, D, E로 하였고, 실험 1과 실험 2에서 w/c 는 55%로 그리고 실험 3에서는 Table 1에 따른 실험을 실시하였다.
따라서, 실험 3에서 동해온도는 -10℃, 동해기간은 12 시간으로 일정하게 하고, 실험변수를 동해시점, w/c, 그리고 시멘트의 종류로 하여 실험을 실시하였다. 시멘트의 종류에 있어서는 최근 동절기 공사에서 3종 시멘트의 사용이 증가하고 있으므로 1종 시멘트와 3종 시멘트에 대한 실험을 수행하였다.
5에 나타나 있다. 또한 물과 콘크리트가 동결될 때의 온도이력을 얻기 위해 2개의 일회용 몰드에 물만 채워서 열전대를 설치하였다.
실험은 실험 1, 실험 2 및 실험 3으로 나누었다. 먼저 콘크리트 내부의 위치에 따른 성능 저하 정도를 확인하고 동해기간과 동해시점의 결정을 위하여 실험 1과 실험 2를 실시하였다. 우리나라에서는 겨울철 최저온도가 -10℃이하로 내려가는 경우가 드물기 때문에 동해온도는 -10℃로 하였고, 동해기간은 한밤중에 심한 기상상태가 최대로 지속되어도 10시간 이하이므로 실험 1에서 6시간, 실험 2와 실험 3에서 12시간으로 하여 실험을 실시하였다.
시멘트의 종류에 있어서는 최근 동절기 공사에서 3종 시멘트의 사용이 증가하고 있으므로 1종 시멘트와 3종 시멘트에 대한 실험을 수행하였다. 상세한 실험계획은 Table 4 에 나타나 있다.
수행하였다. 실험은 실험 1, 실험 2 및 실험 3으로 나누었다. 먼저 콘크리트 내부의 위치에 따른 성능 저하 정도를 확인하고 동해기간과 동해시점의 결정을 위하여 실험 1과 실험 2를 실시하였다.
상세한 실험계획은 Table 4 에 나타나 있다. 압축강도의 측정은 재령 1, 3, 7, 14, 28 및 60일에 실시하였고, 실험 결과는 Fig. 8에 나타내었다. Table 5는 재령 28일에 각 공시체별로 동해를 입지 않은 공 시체의 압축강도에 대한 동해를 입은 공시체의 압축강도 비를 나타낸 것이다.
먼저 콘크리트 내부의 위치에 따른 성능 저하 정도를 확인하고 동해기간과 동해시점의 결정을 위하여 실험 1과 실험 2를 실시하였다. 우리나라에서는 겨울철 최저온도가 -10℃이하로 내려가는 경우가 드물기 때문에 동해온도는 -10℃로 하였고, 동해기간은 한밤중에 심한 기상상태가 최대로 지속되어도 10시간 이하이므로 실험 1에서 6시간, 실험 2와 실험 3에서 12시간으로 하여 실험을 실시하였다. 동해시점에 따른 공시체의 이름은 타설 직후, 타설 후 6시간, 12시간, 1일, 그리고 3일에 각각 A, B, C, D, E로 하였고, 실험 1과 실험 2에서 w/c 는 55%로 그리고 실험 3에서는 Table 1에 따른 실험을 실시하였다.
실험 2의 결과가 실험 1과 거의 유사했으므로 이에 대한 비교/검토는 생략하고 다음과 같은 추가적인 실험을 실시하였다. 즉, 공시체를 타설 직후부터 약 20시간 동안은 -20℃에 두고, 그 후 상온에서 16시간 동안 양생하면서, 총 36시간 동안 온도 이력을 측정하였다. 온도이력 측정 결과는 Fig.
2와 같다. 타설 후에 동해를 입는 공시체를 제외한 모든 공시체를 온도 20±0.5℃, 상대습도 60%의 항온항습실에 2일 동안 밀봉 양생한 후에 탈형 했으며 압축강도실험 전까지 수중양생 하였다.
동해시점에 따른 공시체의 구분은 Table 3에 나타나있다. 실험 1의 결과에서 공시체 중앙부에서의 깊이별 온도차가 발생하지 않았으므로, 실험 2에서는 실험 1에서보다 콘크리트의 표면에 가깝게 8개의 열전대를 설치하였다(Fig. 2). 실험 2의 결과가 실험 1과 거의 유사했으므로 이에 대한 비교/검토는 생략하고 다음과 같은 추가적인 실험을 실시하였다.
실험에 사용된 냉동기기는 Fig. 1에서와 같이 -24~0℃ 범위내의 설정온도를 일정하게 유지시킬 수 있는 용량 500/의 전기 냉동고이다. 이 실험에서 사용한 콘크리트의 배합설계는 Table 1과 같다.
성능/효과
1) 동해 시점이 빠를수록, w/c가 높을수록 초기 동해에 의한 압축강도의 감소율이 높아지며, 3종 시멘트보다 1종 시멘트를 사용한 콘크리트가 동해에 의한 압축강도 감소율이 더 높은 것으로 나타났다.
2) 동해시점, w/c 및 시멘트의 종류에 관계없이 타설 직후에 동해를 입은 콘크리트는 영구적으로 강도를 회복하지 못하였다.
3) 동해를 입은 시간의 직전과 직후에 압축강도를 측정한 결과, 동해를 입는 동안에는 수화반응이 완전히 멈추어 강도의 증가가 나타나지 않았다. 그 후 다시 상온에서 양생한 결과, 압축강도는 회복하는 경향을 보였다.
4) 초기동해에 의해 압축강도가 감소하는 이유는 콘크리트 내에 얼음결정의 성장으로 인한 공극이 형성되었기 때문이며, 이 얼음결정이 더 성장하기 위해서는 콘크리트 내에 존재하는 자유수의 양이 충분히 남아있어야 한다. 따라서, 동해를 입기 전 자유수 양이 콘크리트의 동해저항성을 결정한다고 판단된다.
멈추어 강도의 증가가 나타나지 않았다. 그 후 다시 상온에서 양생한 결과, 압축강도는 회복하는 경향을 보였다. 한편, 압축강도의 회복률은 초기 양생 시간이 길어질수록 증가하였다.
동해시점을 달리하여 수행한 실험 1과 실험 2의 결과로부터, 시간에 따른 콘크리트 내의 위치별 성능저하 정도는 거의 유사하다는 것과, 동해기간은 동해저항성에 큰 영향을 미치지 않으며, 보통강도의 콘크리트는 타설 후 12시간이 지나면 동해저항성을 어느 정도 발현한다는 사실을 알 수 있었다.
5에서 알 수 있는 바와 같이 콘크리트 표면 가까이 에서도 위치에 따른 온도차는 발생하지 않았다. 따라서, 0)100x200 mm 원주공시체가 동해를 입으면 공 시체 내부 거의 모든 위치에서 성능저하의 정도가 유사함을 알 수 있다. 공시체의 온도이력곡선에서 확인할 수 있는 바와 같이 (TC부근까지 온도가 하강하다가 잠시 멈추는 구간이 발생하는데 이 현상은 물의 상변화와 관계가 있다.
따라서, 본 연구에서도 임계포화도를 97%로 하고 최소 양생 시간을 예측하였다. 식 (9)를 이용하여 포화도가 임계포화도(97%)에 도달할 때, 1종 시멘트 콘크리트 (비중 3.
타설 직후에 동해를 입었을 경우, 모든 공시 체는 50~70%의 영구적인 강도 손실을 입었다. 타설 후 内간 양생을 한 공시체의 경우, 1-60% 공시체가 약 50%, 1-50% 공시체는 약 38%의 강도 손실을 보였다. 타설 후 12시간 양생을 한 공시체의 경우, 1-50%와 1-60% 공시 체를 제외하곤 강도 손실이 발생하지 않았다.
후속연구
5) 이, 연구에서는 콘크리트 내에 존재하는 자유수의 양을 수화도와 w/c의 함수인 모세공극의 포화 도로나 타내었고, 수화도는 각 배합에 대한 단열온도상승 실험으로부터 직접 구했기 때문에 제안된 예측법은 다양한 배합조건에 적용될 수 있을 것이다. 이 논문에서 제시한 예측법은 검증자료의 부족으로 아직은 실무에 적용하기 이른 단계이나, 이 분야에 대한 지속적인 연구를 통해 신뢰성을 높인다면 실제 동절기 공사에서 거푸집 탈형시기를 예측할 수 있는 등 시공 시 상당한 경제성을 확보할 수 있을 것으로 판단된다.
이 논문에서 제시한 예측법은 검증자료의 부족으로 아직은 실무에 적용하기 이른 단계이나, 이 분야에 대한 지속적인 연구를 통해 신뢰성을 높인다면 실제 동절기 공사에서 거푸집 탈형시기를 예측할 수 있는 등 시공 시 상당한 경제성을 확보할 수 있을 것으로 판단된다.
3으로부터 알 수 있는 바와 같이, 공시체 내부 중앙에서 깊이에 따른 온도 차는 거의 없고, 동해시점을 달리해도 깊이별 온도 차는 발생하지 않는다. 한편, 온도하강속도와 같은 동결조건을 달리하면 온도차이가 있을 것이므로 이에 대해서는 추가적인 실험이 필요하다고 사료된다. Fig.
등이 있다. 흐}지만, 기존의 강도식 및 숙성도 개념의 수화도는 모두 장기재령의 강도를 표현할 목적으로 제안되었으므로, 본 연구에서 다루는 소성상태의 수화 도를 정확하게 모사하지 못한다. 또한, 소성상태의 수화도 는 w/c, 시멘트의 종류, 타설온도와 단위시멘트량 등 여러 조건에 따라 달라지므로, 일반적인 수식으로 나타내는 것은 어려우며, 보다 정확한 해석을 위해 단열온도상승 실험을 통해 수화도 곡선을 구해야 한다이" 따라서, 본 연구에서는 소성상태의 수화도를 정확하게 모사하기 위해 단열온도상승 곡선을 이용하여 수화도 곡선을 구하였다.
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