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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 시공이 간편하고 효율적인 공기 단축과 경제적인 공사비에 착안하여 히트파이프라는 새로운 열전달 매체를 매스콘크리트 속에 삽입하여 콘크리트 내부에서 발생하는 수화열을 외부로 빠르게 발산시켜 수화열로 인한 온도균열을 방지하는 새로운 냉각 방법을 제시하고자 한다6-8). 또한 종래의 대표적 수화열저감공법인 파이프쿨링과 간접비교를 통해 매스콘크리트 수화열저감공법의 기초 설계 자료로 활용하고자 한다.
- . 또한 종래의 대표적 수화열저감공법인 파이프쿨링과 간접비교를 통해 매스콘크리트 수화열저감공법의 기초 설계 자료로 활용하고자 한다.
- 본 연구에서 실제 현장 계측 조건이 상이하여 직접적인 비교는 할 수 없지만, 각 현장에 적용된 공법의 효과를 간접적으로 비교하여 히트파이프를 이용한 수화열제 어공법의 우수성을 검증해 보고자 한다. 간접비교를 위해 각 공법이 적용된 대상 구조물에서 가장 중심부 온도가 높을 것으로 예측되는 최 중앙부를 비교 대상으로 하였으며, 그 결과를 다음 Table 7에 정리하였다.
- 본 연구에서는 히트파이프를 이용하여 매스콘크리트의 중심부에서 발생되는 대량의 수화열을 간편하게 제어할 수 있는 공법을 제시하고 현장에 직접 적용함으로써 수화열에 대한 영향을 최소화하고자 하였다. 또한 종래의 대표적 공법인 저발열 시멘트 사용과 파이프쿨링을 병행한 경우와 간접 비교를 통해 우수성을 검증해 본 결과를 요약하면 다음과 같다.
- 이 결과를 참조하여 히트파이프를 이용하여 현장에 적용한 결과와 비교, 검토하고자 한다. 비록 두 현장의 시공방법이나 타설 환경이 달라 직접적인 상호 비교는 할수 없으나, 각각의 수화열 저감 효과를 간접 비교하고 히트파이프 사용의 우수성을 확인하고자 한다.
- 히트파이프의 수화열 저감 효과와 비교하기 위해 종래의 대표적 수화열제어공법으로 많이 사용되고 있는 저발열 시멘트와 파이프쿨링을 동시에 적용한 경우에 대해 온도 변화를 관찰하여 수화열에 대한 저감 효과를 온도 균열지수와 균열발생 확률을 중심으로 검토해 보고자 한다. 대상 현장은 부산 지역에서 시공 중에 있는 현장에서 수화열 저감 공법으로 저발열 시멘트와 파이프쿨링공법을 병행하여 시공 중인 교각 기초 콘크리트를 대상으로 온도계측을 실시하였다.
제안 방법
- 그리고 Fig. 6에 나타낸 바와같이 각 구역의 열전대 설치는 수직 방향으로 콘크리트 하부 (ch 1, ch 4, ch 7, ch 10, ch 13), 중심부 (ch 2, ch 5, ch 8, ch 11, ch 14) 및 표면부 (ch 3, ch 6, ch 9, ch 12, ch 15) 등으로 나누어 콘크리트 각 위치별로 수화열을 계측하였다. Figs.
- 교각 3단의 온도계측은 2단과 동일한 위치에서 같은 열전대 번호로 계측을 실시하였다. 외기온도 변화는 Fig.
- 그리고 각 구역에는 상세 ‘A’와 같이 수직 방향으로 콘크리트 표면부 (열전대 3번), 상하 중심부 (열전대 2번), 파이프쿨링 주변부 (열전대 1번) 등으로 나누어 각각의 온도 변화를 계측하였다.
- 는 내부온도가 최고일 때의 내부와 표면과의 온도차(℃)를 나타낸다. 그리고 식 (1)에 의해 산정된 온도균열지수를 통해 온도균열발생 확률의 대략적인 관계를 알기 위해 콘크리트표준시방서8)에 제시된 Fig. 12를 통해 온도균열발생 확률을 검토해 보았다.
- 설치된 히트파이프의 응축부는 콘크리트 타설 작업의 편리성을 위해 측면부 쪽으로 유도하여 노출시키는 방법을 채택하였다. 그리고 콘크리트 외부에 노출되어 열을 방출하는 히트파이프의 응축부 길이는 수차례의 모의부재 실험을 통해 콘크리트의 타설 위치별로 수화발열의 특성에 따라 달리 제작하여 설치하였다. 수화열이 가장 많이 발생할 것으로 예상되는 중앙부는 증발부의 0.
- 대상 교각 기초 콘크리트에서 발생하는 수화열 온도 계측은 앞에서 설명한 바와 같이 직사각형 평면의 1/4부분을 A구역에서 E구역까지 총 5개 구역으로 나누어온도 계측을 하였다. 히트파이프 설치 유무에 따른 온도 변화는 Figs.
- . 따라서 본 연구에서는 온도 해석만을 실시하여 식 (1)과 같이 간이적인 방법으로 온도균열지수를 산정하여 평가하였다.
- 해당 구조물의 타설 콘크리트는 저발열 시멘트를 사용 하고 콘크리트타설 후 파이프쿨링을 실시하여 시공하였다. 따라서 수화열에 의한 균열발생 우려가 그리 크지 않다고 판단하여 온도해석만을 실시하였고, 식 (1)과 같은 간이적인 방법으로 온도균열지수를 구한 후 Fig. 12를 통해 균열발생 확률을 추정하여 안정성을 평가해 보았다. 그 결과 온도균열지수는 전체적으로 균열발생을 제한할 수 있는 수준의 1.
- 7℃로 나타나 수화발열에 영향을 미친 것으로 예측되었다. 또한 3단의 양생기간 중에 외기온도가 이틀간 영하로 떨어져 표면부 온도를 저하시켰다. 그 결과 내·외부 온도 차가 2단보다 커졌다.
- 본 연구에서는 히트파이프를 이용하여 매스콘크리트의 중심부에서 발생되는 대량의 수화열을 간편하게 제어할 수 있는 공법을 제시하고 현장에 직접 적용함으로써 수화열에 대한 영향을 최소화하고자 하였다. 또한 종래의 대표적 공법인 저발열 시멘트 사용과 파이프쿨링을 병행한 경우와 간접 비교를 통해 우수성을 검증해 본 결과를 요약하면 다음과 같다.
- 본 연구에서는 교각의 형상이 타원형이고 상·하, 좌·우가 대칭이므로 온도계측을 실시하기 위해 전 교각단면의 1/4 부분에 대해서 중심부를포함하여 냉각수 유입부, 유출부 등으로 다시 8개 구역 (A구역 ~ H구역)으로 나누어 온도계측용 열전대를 설치하 였다.
- 3배로 제작하여 설치하였다. 사용된 히트파이프는 작업의 편리성을 위해 비루프형을 사용하였고, 그 세부 설치도는 Fig. 4와 같다.
- 설치된 히트파이프의 응축부는 콘크리트 타설 작업의 편리성을 위해 측면부 쪽으로 유도하여 노출시키는 방법을 채택하였다. 그리고 콘크리트 외부에 노출되어 열을 방출하는 히트파이프의 응축부 길이는 수차례의 모의부재 실험을 통해 콘크리트의 타설 위치별로 수화발열의 특성에 따라 달리 제작하여 설치하였다.
- 수화열 계측을 위한 열전대 설치는 Fig. 5와 같이 직사각형인 교각 기초가 상·하, 좌·우가 대칭이므로 전교각단면의 1/4 부분에 대해서만 중심부를 포함하여 측면부 등 5개 구역 (A구역~E구역)으로 나누어 수화열 계측용 열전대를 설치하였다.
- 그리고 콘크리트 외부에 노출되어 열을 방출하는 히트파이프의 응축부 길이는 수차례의 모의부재 실험을 통해 콘크리트의 타설 위치별로 수화발열의 특성에 따라 달리 제작하여 설치하였다. 수화열이 가장 많이 발생할 것으로 예상되는 중앙부는 증발부의 0.5배로 설치하였고, 측면부는 중심부보다 상대적으로 열 발산이 빠를 것으로 예측되어 히트파이프 응축부 길이를 증발부의 0.3배로 제작하여 설치하였다. 사용된 히트파이프는 작업의 편리성을 위해 비루프형을 사용하였고, 그 세부 설치도는 Fig.
- 이 결과를 참조하여 히트파이프를 이용하여 현장에 적용한 결과와 비교, 검토하고자 한다. 비록 두 현장의 시공방법이나 타설 환경이 달라 직접적인 상호 비교는 할수 없으나, 각각의 수화열 저감 효과를 간접 비교하고 히트파이프 사용의 우수성을 확인하고자 한다.
- 그리고 1단은 일반콘크리트 타설 방법으로 설계되어 있고, 2단과 3단은 저발열 시멘트를 사용한 콘크리트 타설 전에 쿨링 파이프를 배치하고, 타설 직후부터 파이프에 냉각수를 주입하여 콘크리트 수화열을 저감시키는 파이프쿨링을 실시하도록 설계되어 있다. 이에 온도계측은 2단과 3단에서 실시하여 분석하였다. 본 연구에서는 교각의 형상이 타원형이고 상·하, 좌·우가 대칭이므로 온도계측을 실시하기 위해 전 교각단면의 1/4 부분에 대해서 중심부를포함하여 냉각수 유입부, 유출부 등으로 다시 8개 구역 (A구역 ~ H구역)으로 나누어 온도계측용 열전대를 설치하 였다.
- 대상 교각 기초 콘크리트의 크기는 B = 7,800 mm, L = 13,000 mm, H = 2,200 mm에 이르는 전형적인 매스콘크리트로 설계되어 있다. 이에 현장에서 2개소의 교각 기초 콘크리트를 대상으로 선정하여 한 개소는 히트파이 프를 설치하지 않았고, 다른 한 개소는 히트파이프를 설치한 후 콘크리트를 타설하고 일정기간 온도계측을 실시하여 수화열 저감 효과를 상호 비교 하였다.
- 해당 구조물의 타설 콘크리트는 저발열 시멘트를 사용 하고 콘크리트타설 후 파이프쿨링을 실시하여 시공하였다. 따라서 수화열에 의한 균열발생 우려가 그리 크지 않다고 판단하여 온도해석만을 실시하였고, 식 (1)과 같은 간이적인 방법으로 온도균열지수를 구한 후 Fig.
대상 데이터
- 본 연구에서 실제 현장 계측 조건이 상이하여 직접적인 비교는 할 수 없지만, 각 현장에 적용된 공법의 효과를 간접적으로 비교하여 히트파이프를 이용한 수화열제 어공법의 우수성을 검증해 보고자 한다. 간접비교를 위해 각 공법이 적용된 대상 구조물에서 가장 중심부 온도가 높을 것으로 예측되는 최 중앙부를 비교 대상으로 하였으며, 그 결과를 다음 Table 7에 정리하였다.
- 2와 같이 부산근교에서 현재 건설중에 있는 D공사 현장의 교각 기초를 대상으로 실험을 수행하였다. 대상 교각 기초 콘크리트의 크기는 B = 7,800 mm, L = 13,000 mm, H = 2,200 mm에 이르는 전형적인 매스콘크리트로 설계되어 있다. 이에 현장에서 2개소의 교각 기초 콘크리트를 대상으로 선정하여 한 개소는 히트파이 프를 설치하지 않았고, 다른 한 개소는 히트파이프를 설치한 후 콘크리트를 타설하고 일정기간 온도계측을 실시하여 수화열 저감 효과를 상호 비교 하였다.
- 대상 교각은 Fig. 2와 같이 부산근교에서 현재 건설중에 있는 D공사 현장의 교각 기초를 대상으로 실험을 수행하였다. 대상 교각 기초 콘크리트의 크기는 B = 7,800 mm, L = 13,000 mm, H = 2,200 mm에 이르는 전형적인 매스콘크리트로 설계되어 있다.
- 히트파이프의 수화열 저감 효과와 비교하기 위해 종래의 대표적 수화열제어공법으로 많이 사용되고 있는 저발열 시멘트와 파이프쿨링을 동시에 적용한 경우에 대해 온도 변화를 관찰하여 수화열에 대한 저감 효과를 온도 균열지수와 균열발생 확률을 중심으로 검토해 보고자 한다. 대상 현장은 부산 지역에서 시공 중에 있는 현장에서 수화열 저감 공법으로 저발열 시멘트와 파이프쿨링공법을 병행하여 시공 중인 교각 기초 콘크리트를 대상으로 온도계측을 실시하였다.
- 또한 히트파이프 내에 주입하여 열을 수송하는 작동유체는 적용 온도 범위가 매우 넓으며, 효과적인 히트파이프 성능을 얻기 위해서는 사용 온도 범위 내에서 작동유체가 열·물리적으로 안정 상태에 있고, 무독성 및 관 재료와의 상용성을 만족하는 작동유체를 선택해야 한다. 따라서 본 연구에서는 위와 같은 조건을 만족하는 R-22를 선정하여 실험하였다.
- 본 연구에 사용된 히트파이프는 진동세관형 히트파이프 (oscillating capillary tube heat pipe, 이하 OCHP)를 사용하였다. 이 OCHP는 현재 각종 산업에 활발히 이용되고 있으며, 일반적인 제원은 Table 2와 같다.
- 수화열 측정은 대상 현장의 교각 기초콘크리트를 대상으로 하였다. 교각의 크기는 전체 높이가 4,000 mm로 Fig.
- 실험에 사용된 현장 타설 콘크리트는 근교 레미콘 회사의 일반적인 출하 제품으로 현장에서 가장 많이 사용되는 강도규격으로 하였다. 사용 콘크리트의 물리적 특성은 Table 1과 같다.
성능/효과
- 1) 히트파이프를 사용한 경우 일반 타설 콘크리트에 비해중앙부 (A구역)의 최고온도를 20℃ 이상 감소시켜 온도균열을 유발하는 내·외부 온도차를 10℃ 내외로 저감시키는 효과를 보였다,
- 2) 이로 인해 일반 타설 콘크리트 최 중앙부의 온도균열지수 (균열발생 확률)를 산정해 본 결과 0.45 (96%)로 나타났고, 히트파이프를 사용한 경우 1.36 (11%)으로 나타나 수화열로 인한 온도균열발생 억제에 현저한 개선 효과를 보였다.
- 3) 기존의 대표적인 수화열제어공법 (저발열 시멘트+ 파이프쿨링)과 온도균열지수 (균열발생 확률)를 통해 간접 비교해 본 결과 수화열에 대한 제어 효과가 충분히 발휘되고 있음을 알 수 있었다.
- 4) 온도 특성 외에 시공성의 경우 저발열 시멘트의 사용은 배합이 변경될 경우 별도의 품질시험 및 장기적인 내구성에 대한 검증 등의 품질관리가 곤란하고, 파이프쿨링은 콘크리트타설 전 파이프 설치, 유입수 저장 시설, 수온 조절 장치 등의 별도 시설이 필요하며, 그로 인해 공기지연의 어려움이 있는 반면 히트파이프의 경우는 삽입 형태의 간편한 시공과 타설 후 품질관리가 간단한 장점이 있었다.
- 각 구역별로 측정된 온도 변화를 살펴보면 중심부 A 구역을 비롯하여 전 구역에서 최고온도 도달시간이 다소 늦어졌고, 중심부 최고온도도 낮아졌다. 또한 콘크리트 표면부의 온도도 전체적으로 낮았다.
- 12를 통해 균열발생 확률을 추정하여 안정성을 평가해 보았다. 그 결과 온도균열지수는 전체적으로 균열발생을 제한할 수 있는 수준의 1.2 이상으로 나타났고, 균열발생확률은 E구역에서 23%로 가장 높게 나타났다. 또한 다른 구역은 거의 수화열에 의한 온도균열이 거의 발생하지 않는 것으로 나타났다.
- 그러나 특이하게 D구역과 E구역에서 미소하지만 히트파이프를 설치한 경우가 오히려 온도균열지수가 낮아 균열발생확률이 높은 것으로 나타났다. 그 이유는 뚜렷하게 알 수는 없으나 최고온도 도달 시간과 중심부 최고온도 계측 결과를 분석하여 추측해보면, A, C구역같이 외기와 접하지 않는 경우는 히트파이프의 성능이 효과적으로 발휘되어 최고온도 도달시간과 중심부 최고온도를 저감시키는 결과를 보이고 있다. 그러나 B, D, E구역은 콘크리트에 비해 상대적으로 열전달률이 좋은 강재거푸집과 외부환경이 근접하고 있어 히트파이프의 영향을 적게 받아 나타난 결과로 추측된다.
- 이러한 온도 변화 영향으로 인하여 온도균열지수가 2단에 비해 다소 낮게 나타났고, 균열발생 확률은 더 높게 추정되는 결과를 보였다. 그러나 교각 기초 3단에 대한 전체적인 온도균열지수는 최소 1.0이상으로 나타나 유해한 균열을 제한할 수 있는 수준으로 평가되었다. 2단에 비해서 수화열 저감 효과가 약간 떨어지고는 있으나, 계절상 동절기에 시공되어 저온으로 인한 양생에 어려움이 있는 점을 감안한다면 그 효과는 뛰어나다고 할 수 있다.
- 7 미만으로 유해한 균열이 발생할 가능성이 높은 것으로 나타났다. 그러나 히트 파이프를 설치하여 수화열제어공법으로 시공한 기초콘크 리트의 중심부 A구역과 C구역의 온도균열지수는 콘크리 트표준시방서에서 제시하고 있는 균열을 제한할 수 있는 정도의 수준인 1.2 이상~1.5 미만으로 나타나 수화열 저감 효과가 탁월함을 알 수 있었다. 나머지 측면부에 위치한 B, D, E구역도 온도균열지수가 유해한 균열발생을 제한할 수 있는 0.
- 53으로 산정되 었고, 균열발생확률은 평균 12%로 나타났다. 그리고 히트파이프를 이용한 수화열제어공법은 온도균열지수가 1.36이고, 균열발생 확률이 11%로 나타나 타 공법과 마찬가지로 수화열에 대해 우수한 제어 효과를 발휘하고있음을 간접적으로 알 수 있었다.
- 기초 2단의 결과와 비교해 보면 최고온도 도달시간은 평균 17시간 정도 길어졌으며, 중심부 최고온도도 평균 10.8℃ 낮게 나타났다. 이는 2단의 양생기간 중 평균외기 온도가 9℃였으나, 3단의 경우는 그보다 5℃ 낮은 3.
- 5 미만으로 나타나 수화열 저감 효과가 탁월함을 알 수 있었다. 나머지 측면부에 위치한 B, D, E구역도 온도균열지수가 유해한 균열발생을 제한할 수 있는 0.7 이상으로 나타나 수화열에 의한 온도균열발생이 그리 크지 않음을 알 수 있었다. 따라서 히트파이프를 사용하여 수화열을 제어할 경우 콘크리트 구조물 내부에서 발생된 수화열을 효과적으로 제어할 수있음을 알 수 있었다.
- 7 이상으로 나타나 수화열에 의한 온도균열발생이 그리 크지 않음을 알 수 있었다. 따라서 히트파이프를 사용하여 수화열을 제어할 경우 콘크리트 구조물 내부에서 발생된 수화열을 효과적으로 제어할 수있음을 알 수 있었다. 그러나 특이하게 D구역과 E구역에서 미소하지만 히트파이프를 설치한 경우가 오히려 온도균열지수가 낮아 균열발생확률이 높은 것으로 나타났다.
- 또한 계측된 온도를 이용하여 온도균열지수와 균열발생 확률을 비교해 보면 저발열 시멘트와 파이프쿨링공법과 병행한 경우는 온도균열지수가 평균 1.53으로 산정되 었고, 균열발생확률은 평균 12%로 나타났다. 그리고 히트파이프를 이용한 수화열제어공법은 온도균열지수가 1.
- 가장 온도가 높을 것으로 예상되는 A구역과 C구역의중심부 최고온도 변화는 히트파이프를 설치한 경우가 일반 타설 콘크리트에 비해 20℃ 정도 저감 효과를 보였다. 또한 최고온도 도달시간도 24시간 이내로 줄어들어 공기단축의 효과가 예측되었다.
- 먼저 최고온도 도달시간을 살펴보면 저발열 시멘트와 파이프쿨링공법을 병행한 경우 2~ 3일 정도로 나타났고, 이와 비교하여 히트파이프를 이용한 수화열제어공법을 사용한 경우는 최고온도 도달시간을 1일 (24시간) 이내로 단축시키는 결과를 나타내었다. 이는 거푸집 해체 시기 등 공기를 대폭 단축시킬 수 있고, 공기단축으로 인해 공사비를 저감시킬 수 있을 것으로 판단된다.
- 그 결과 내·외부 온도 차가 2단보다 커졌다. 이러한 온도 변화 영향으로 인하여 온도균열지수가 2단에 비해 다소 낮게 나타났고, 균열발생 확률은 더 높게 추정되는 결과를 보였다. 그러나 교각 기초 3단에 대한 전체적인 온도균열지수는 최소 1.
- 전체적인 온도 변화를 살펴보면 최고온도 도달시간은 40~54시간으로 2일 정도 소요되는 것으로 나타났으며, 중심부 최고온도는 가장 중심부에 위치한 A구역에서 43.5로 가장 높게 측정되었다.
- 종합적으로 정리해보면 저발열 시멘트 사용과 파이프 쿨링을 병행한 경우 그리고 히트파이프를 이용한 수화열 제어공법 모두 온도균열지수가 1.2 이상으로 나타나 콘크리트표준시방서에서 규정하고 있는 균열발생을 제한할수 있는 수준임을 알 수 있었다.
- 또한 다른 구역은 거의 수화열에 의한 온도균열이 거의 발생하지 않는 것으로 나타났다. 특히 수화열이 가장 많이 발생할 것으로 예상되었던 A구역의 온도균열지수는 1.88, 균열발생 확률은 0%로 나타나 수화열 제어가 효과적으로 이루어지고 있음을 알 수 있었다. 그 이유는 저발열 시멘트의 지연된 수화반응으로 콘크리트 내부온도가 크게 상승하지 않았고, 이와 병행하여 쿨링파이프의 냉각수가 내부 온도를 저감시켜 발생한 것으로 판단된다.
- 히트파이프를 미설치한 기초콘크리트의 중심부 A구역과 C구역에서 온도균열지수가 0.7 미만으로 유해한 균열이 발생할 가능성이 높은 것으로 나타났다. 그러나 히트 파이프를 설치하여 수화열제어공법으로 시공한 기초콘크 리트의 중심부 A구역과 C구역의 온도균열지수는 콘크리 트표준시방서에서 제시하고 있는 균열을 제한할 수 있는 정도의 수준인 1.
후속연구
- 5) 위의 결론들을 종합적으로 평가해 볼 때, 본 연구에서 제시한 히트파이프를 이용한 수화열제어공법를 적용할 경우 매입 형태의 간단한 설치로 시공성이 뛰어나고 저발열형 시멘트를 사용할 경우의 복잡한 배합설계나 파이프쿨링공법과 같은 부대시설 설치및 관리에 따른 과다한 비용 등을 획기적으로 개선할 수 있을것으로 기대된다.
- 그러나 저발열 시멘트 사용 공법의 복잡한 공정이나 파이프쿨링공법의 부대시설 설치, 유지관리에 따른 공사비 상승과 비교해 본다면 히트파이프를 이용한 수화열 제어공법이 새로운 콘크리트 냉각 방법으로 제시될 수있을 것으로 판단된다.
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