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문제 정의
- 그런데, 매스콘크리트와 같이 수화열 저감이 필요한 경우는 이들 입자 분포보다 굵은 입자 분포를 갖는 CC의 제조가 필요하게 되는데, 수요가 일정하게 예측되지 않는 CC를 생산하기 위하여 기존의 OPC 생산을 중지하고 OPC를 덜 분쇄하여 CC를 생산하기란 현재의 시멘트 생산 체계상으로는 매우 어려운 일이 된다. 따라서 본 연구에서는 OPC제조과정 중 분쇄공정에서 Figure 1의 ① 혹은 ⑤에서 CC를 채취한 다음, 이를 OPC에 일정 비율 혼합하는 방식으로 이를 해결 하고자 하였다.
- 따라서 본 연구에서는 이를 실용화 하기 위한 목적으로 OPC에 CC와 함께 FA를 복합 치환하여 분말도를 약 3 00± 200 ㎠/g으로 조정한 시멘트를 이용하여 Mock-up test 을 진행한 후 이를 실무 현장에 적용하도록 한다.
- 매스 콘크리트 타설방법은 돌려치기 방법이 아닌 타설부위를 순차적으로 메워가는 일체타설 방법으로 하였다. 이는 돌려치기 시공 시 먼저 타설한 콘크리트와 나중에 타설한 콘크리트간의 시간차에 의한 균열 발생 요인을 최대한 없애고자 함이었다.
- 그런데, 이렇게 혼화재만을 다량 치환하게 되면 내구성 품질에 악영향을 미쳐 구조물의 성능을 저해하는 요소로 작용할 수 있으므로 조분(粗粉)시멘트(CC)를 사용하면서 혼화재를 복합 치환함으로서 성능저하를 최소화 하며, 수화열을 줄일 수 있는 새로운 공법의 개발이 가능할 수 있을 것으로 추측된다. 이에 본 연구에서는 OPC에 CC와 함께 FA를 복합 치환하여 분말도를 약 3 000 ± 200 ㎠/g으로 조정한 시멘트를 실용화 할 목적으로 Mock-up test를 진행한 후 이를 실무 현장에 적용하도록 한다.
- 이에 본 연구팀에서는 보통포틀랜드 시멘트(OPC)의 분말도를 낮추어 시멘트 입자의 크기를 굵게 하므로써 물과 접촉할 수 있는 표면적을 작게 하여 수화반응시 급격히 발생하는 수화열을 저감하는 공법에 대하여 연구 한바 있는데, 특히, OPC에 CC와 함께 플라이애시(FA)를 복합 치환 했을 때 양호한 수화열 저감 효과를 확인할 수 있었다.
제안 방법
- 한편 Mock-up test을 위한 모의 부재는 Figure 3 및 4와 같이 800 mm × 800 mm × 800 mm의 정방형 시험체를 2개 제작하여 OPC와 CF를 각각 타설하는 것으로 하였는데, 매스 기초의 연속체를 상정하여 부재의 2면은 단열재를 부착하였다. 구조체의 양생은 이중 버블시트를 이용한 단열 보온 양생을 7일간 실시하였다.
- 또한 본 실험에 사용한 시멘트의 OPC, CC, FA의 결합재를 미리 섞은 프리믹스된 저발열형 시멘트을 레미콘사로 운반하여 KS 규준에 만족하는 콘크리트를 제조하였다.
- 매스 콘크리트 타설방법은 돌려치기 방법이 아닌 타설부위를 순차적으로 메워가는 일체타설 방법으로 하였다. 이는 돌려치기 시공 시 먼저 타설한 콘크리트와 나중에 타설한 콘크리트간의 시간차에 의한 균열 발생 요인을 최대한 없애고자 함이었다.
- 먼저, 실험요인으로 W/B는 실무 현장에서 일반적으로 쓰이고 있는 호칭강도 24 MPa 배합을 참조하여 48 %로 정하였고, 시험 구조체는 OPC를 단독으로 사용한 콘크리트 타설 부재와 OPC 70 % + CC 20 % + FA 10 %(이하 CF)를 타설한 부재의 2수준으로 실험계획하였다.
- 본 연구에서는 OPC에 CC와 FA를 치환하여 분말도를약 3 000 ± 200 ㎠/g으로 조정한 CF 시멘트로 그다지 두껍지 않은 기초 매트·매스 콘크리트로 가정 Mock-up test를 진행한 후 이를 현장에 적용하였는데, 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
- 본 현장적용은 지하 매트 기초의 수화열 저감을 목적으로 OPC에 CC와 FA를 치환(이하 CF)한 콘크리트를 적용 하는 것으로 하였는데, 실구조체 적용 및 실험계획은 Table 9와 같다.
- 실험사항으로 굳지 않은 콘크리트에서는 슬럼프, 공기량 및 단위용적질량을 측정하였고, 경화 콘크리트에서는 각 구조체 별 수화열온도를 측정 하였으며, 압축강도를 표준양생공시체, 구조체 관리용 공시체 및 코어로 나누어 계획된 재령에서 측정하였다.
- 이때 각 구조체의 목표 슬럼프는 150±25 mm로 하였고, 목표 공기량은 4.5±1.5 %를 만족하도록 배합설계 하였다.
- 이를 바탕으로 그다지 매트 두께가 두껍지 않은 매스 콘크리트의 실무현장에 적용하기 위하여 아래 3장과 같이 Mock -up test를 실시하였다.
- 이에 본 연구에서는 기존 연구를 기초로 ⑤라인의 CC를 이용하여 OPC에 CC와 FA를 혼합한 분체의 분말도가 약 3 000 ±200 ㎠/g의 상태를 확보하였다.
- 콘크리트의 수화온도 측정은 각각의 구조체 내부에 Figure 5 및 6과 같이 매설한 후 데이터 로거에 의해 5일간의 온도 변화를 1시간 간격으로 측정하였다.
- 한편 타설은 3차례에 걸쳐 진행하였는데, 온도 측정을 위한 열전대는 타설 부위별 중심부, 면 및 모서리의 상, 중, 하부 3부분에 매설하여 7일간 1시간 간격으로 측정 하였고, 타설을 실시한 계절은 겨울철이므로 표면부와의 온도차를 최대한 줄이기 위하여 양생은 보온 효과가 우수한 이중버블시트 단열 보온양생을 실시하였다.
대상 데이터
- 본 공법을 적용한 대상 현장은 청주시 상당구 내덕2동에 위치한 교육시설로 공사개요는 Table 8과 같고, 조감도는 Figure 17과 같다.
- 본 실험에 사용된 시멘트는 A 사의 OPC를 사용하였고, CC는 A 사의 OPC 분쇄 공정 중 Figure 1의 ⑤라인에서 채취한 CC를 이용하였다.
- 본 연구의 사용재료로써, 시멘트는 국내산 A사의 OPC를 사용하였고, CC는 A사의 OPC 분쇄 공정 중 Cyclone Separator에서 분쇄밀로 역송(Figure 1 참조)되는 ⑤라인 시멘트를 포집하여 사용하였으며, 시멘트의 물리적 성질은 Table 3과 같다.
- 본 연구의 실험방법으로 콘크리트의 혼합은 강제식 2축 믹서를 사용하였다. 굳지않은 콘크리트의 실험으로 슬럼프는 KS F 2402 규정에 의거 실시하였고, 공기량 및 단위용적질량은 KS F 2421 및 2409의 규정에 따라 실시하였다.
- 한편 Mock-up test을 위한 모의 부재는 Figure 3 및 4와 같이 800 mm × 800 mm × 800 mm의 정방형 시험체를 2개 제작하여 OPC와 CF를 각각 타설하는 것으로 하였는데, 매스 기초의 연속체를 상정하여 부재의 2면은 단열재를 부착하였다.
- 한편 골재로써 잔골재는 국내산 B사의 부순 잔골재와 천연잔골재를 6 : 4로 혼합한 혼합 잔골재를 사용하였고, 굵은 골재는 부순 굵은 골재를 사용하였으며, SP제는 국내 E사의 폴리칼본산계, AE제는 국내 E사의 음이온계를 사용하였는데, 각각의 물리적 성질은 Table 5 및 6과 같다.
- 혼화재로 FA는 국내산 K사의 제품을 사용하였고, 물리·화학적 성질은 Table 4와 같다.
이론/모형
- 굳지않은 콘크리트의 실험으로 슬럼프는 KS F 2402 규정에 의거 실시하였고, 공기량 및 단위용적질량은 KS F 2421 및 2409의 규정에 따라 실시하였다. 경화 콘크리트의 실험으로 압축강도는 KS F 2403 규정에 의거 표준양생 공시체 및 구조체 관리용 공시체를 제작하였고, 아울러 코어 공시체를 Mock-up 시험체에서 채취하여 계획된 재령에서 KS F 2405규정에 의거 압축강도를 측정하였다.
- 본 연구의 실험방법으로 콘크리트의 혼합은 강제식 2축 믹서를 사용하였다. 굳지않은 콘크리트의 실험으로 슬럼프는 KS F 2402 규정에 의거 실시하였고, 공기량 및 단위용적질량은 KS F 2421 및 2409의 규정에 따라 실시하였다. 경화 콘크리트의 실험으로 압축강도는 KS F 2403 규정에 의거 표준양생 공시체 및 구조체 관리용 공시체를 제작하였고, 아울러 코어 공시체를 Mock-up 시험체에서 채취하여 계획된 재령에서 KS F 2405규정에 의거 압축강도를 측정하였다.
- 앞장과 같은 기존의 연구에서 얻어진 결과를 토대로 실무적용에 앞서 Mock-up test를 실시하였는데, Mock-up test의 실험계획은 Table 1과 같고, 배합사항은 Table 2와 같다.
성능/효과
- 1) Mock-up test에서 배합 설계한 CF 콘크리트의 혼화제 사용량은 굵은 입자에 의한 점성 저하 및 FA의 AE제 흡착작용에 기인하여 OPC에 비하여 SP제 및 AE제의 사용량이 다소 증가되었다.
- 2) CF의 온도 이력은 CC의 굵은 입자 및 FA의 시멘트량 저감에 기인하여 OPC에 비하여 약 6～10 ℃정도 낮은 값을 나타내었다.
- 3) 압축강도는 CF가 OPC에 비하여 낮은 강도 값을 나타냈으나, 재령 28일에서는 강도의 폭이 좁혀지는 것으로 나타났다. 또한 표준양생 공시체와 구조체 관리용 및 코어 공시체의 압축강도 관계는 표준양생 공시체가 가장 크고, 구조체 관리용과 코어 공시체는 유사한 경향 이었다.
- 4) CF 콘크리트를 크게 두껍지 않은 매트 기초 매스 콘크리트에 현장 적용한 결과 슬럼프, 공기량 및 염화물량은 모두 목표치를 만족하였고, 온도 이력 결과는 각 타설에 따른 중심부의 최고온도가 1차타설 약 34 ℃, 2차 타설 약 42 ℃, 3차 타설 약 39 ℃로 양호한 결과를 나타내었는데, 타설 콘크리트 전면에서 수화열에 의한 균열은 전혀 발견되지 않았다.
- 5) 압축강도에서는 구조체 관리용 공시체가 표준양생 보다 낮은 강도 값을 나타내고 있었으나 재령 28일에서는 강도 차가 크기 않은 것을 알 수 있었다.
- 각 압축강도 간의 관계는 표준양생 공시체의 압축강도가 구조체 관리용보다 크고, 표준 양생용 공시체의 압축강도는 코어 공시체 보다 크게 나타남을 알 수 있었는데, 이는 구조체 관리용 공시체의 경우 낮은 외기온의 영향으로 사료되고, 코어 공시체의 경우는 코어 채취 시의 진동 등으로 인하여 낮게 나타난 결과로 분석된다.
- 등온선의 간격은, Plain 콘크리트 부재가 CF 콘크리트 부재보다 좁은 것을 알 수 있었다. 또한 CF에서는 최고 온도 및 높은 영역의 온도가 OPC에 비하여 낮고, 넓게 분포 하는 것으로 나타나 CF를 사용할 경우에는 수화열에 의한 균열 발생 확률을 줄일 수 있는 것으로 분석되었다.
- 등온선의 간격은, Plain 콘크리트 부재가 CF 콘크리트 부재보다 좁은 것을 알 수 있었다. 또한 CF에서는 최고 온도 및 높은 영역의 온도가 OPC에 비하여 낮고, 넓게 분포 하는 것으로 나타나 CF를 사용할 경우에는 수화열에 의한 균열 발생 확률을 줄일 수 있는 것으로 분석되었다.
- 전체적으로 CF가 Plain 보다 낮은 온도 이력을 나타냈다. 또한 각각의 부위에서 Plain과 CF와의 온도차를 보면, 연속체로 상정하여 온도 이력을 측정한 ①위치(Figure 4 참조)의 중앙부에서는 약 8 ℃정도의 차이를 보였고, ②위치의 중앙부에서는 약 10 ℃, ③위치의 중앙부에서는 약 6 ℃정도의 차이를 보여 비교적 큰 온도 저감 효과를 확인 할 수 있었다. 이는 Plain에 비하여 입자가 굵은 CC로 인하여 초기의 수화 반응 속도가 상대적으로 느리게 되어 수화열이 저감된 것 및 FA를 치환함에 따라 OPC의 절대량이 감소하여 수화열이 저감된 복합작용에서 기인한 것으로 사료된다.
- 3) 압축강도는 CF가 OPC에 비하여 낮은 강도 값을 나타냈으나, 재령 28일에서는 강도의 폭이 좁혀지는 것으로 나타났다. 또한 표준양생 공시체와 구조체 관리용 및 코어 공시체의 압축강도 관계는 표준양생 공시체가 가장 크고, 구조체 관리용과 코어 공시체는 유사한 경향 이었다.
- 먼저, 전체적으로 수화 온도는 중앙, 면, 모서리 순으로 높게 나타났고, 각 매설 위치에 따라서는 중심부, 하부, 상부의 순으로 높게 나타났다.
- 본 연구에서는 목표 슬럼프 및 공기량을 만족하도록 배합 설계 한 것으로 모두 목표치를 만족하였다.
- 2 ℃의 온도 저감 효과를 확인 할 수 있었다. 이는 같은 양의 FA를 치환할 때 CC를 복합하여 치환해 줌으로써 FA를 더 치환한 효과를 발휘한다는 것을 알 수 있었다.
- 이상을 종합할 때 OPC에 CC와 FA를 치환하여 분말도를 약 3 000 ± 200 ㎠/g으로 조정한 CF 시멘트를 매스콘크리트 시공에 활용할 경우 수화열에 의한 균열 제어에 매우 효과적임을 알 수 있었다.
- 이상의 결과를 종합하여 볼 때, CF를 이용하여 현장에 적용함에 있어서는 특별한 문제점은 없을 것으로 사료되어 실구조체 현장 적용을 실시하도록 하였다.
- 이에 CC와 FA를 복합하여 온도 저감 효과를 향상시키고, FA의 양을 최소화하기 위한 연구를 실시한 결과, CC 10 % + FA 10 %를 사용한 경우는 온도 상승량이 9.6 ℃를 나타낸 반면, CC 20 % + FA 10 %를 사용한 경우는 8.4 ℃를 나타내 약 1.2 ℃의 온도 저감 효과를 확인 할 수 있었다. 이는 같은 양의 FA를 치환할 때 CC를 복합하여 치환해 줌으로써 FA를 더 치환한 효과를 발휘한다는 것을 알 수 있었다.
- 전체적으로 구조체 관리용 공시체가 표준양생 공시체 보다 낮은 강도 값을 나타내고 있으나 재령 28일에서는 강도 차가 줄어드는 것을 알 수 있었다. 이는 구조체 관리용 공 시체의 경우 낮은 외기온의 영향과 CC 치환에 따른 낮은 분말도 및 FA의 치환에 따른 시멘트 절대량의 감소에 기인하여 수화반응이 느리게 나타난 것으로 사료되고, 재령이 경과할수록 미수화 된 시멘트 입자의 계속적인 수화반응과 FA의 포졸란 반응에 의하여 재령 28일에는 압축강도가 표준양생에 근접하게 발현되는 것으로 나타났다.
- 특히, 단열양생기간 중 온도차가 적은 것은 콘크리트 수화시 발생하는 열이 상부로 이동하게 되고 이동된 열은 이중 버블시트에 의하여 대기로의 방출이 차단되어 나타난 결과로 사료된다. 종합적으로 기초 매트 콘크리트 상부에서는 수화열에 의한 균열 여부를 관찰한 결과 전혀 균열이 발견되지 않았음을 확인할 수 있었다.
- 즉, CC를 OPC에 단독으로 치환한 경우 피크온도는 CC치환율이 30 %까지 증가하면 OPC에 비하여 2.3 ℃ 저하하는 것으로 나타났고, FA를 OPC에 단독으로 치환한 경우의 피크온도는 FA 치환율이 30 %까지 증가하면 OPC에 비해 5.1 ℃낮아졌다. 이 결과 CC의 경우는 더 큰 온도 저감 효과를 위한 방안의 모색이 필요하였고, FA의 경우는 다량치환에 따른 초기강도저하, 중성화 등의 문제가 여전히 해결해야 만하는 과제로 남아 있다.
후속연구
- 그러나, 우리나라의 경우 이와 같은 저발열형 시멘트를 이용하는 방법은 거의 채택되지 않고, 값싼 플라이애시나 고로슬래그미분말 등의 혼화재만을 치환하여 수화열을 줄이고 있는 실정이다. 그런데, 이렇게 혼화재만을 다량 치환하게 되면 내구성 품질에 악영향을 미쳐 구조물의 성능을 저해하는 요소로 작용할 수 있으므로 조분(粗粉)시멘트(CC)를 사용하면서 혼화재를 복합 치환함으로서 성능저하를 최소화 하며, 수화열을 줄일 수 있는 새로운 공법의 개발이 가능할 수 있을 것으로 추측된다. 이에 본 연구에서는 OPC에 CC와 함께 FA를 복합 치환하여 분말도를 약 3 000 ± 200 ㎠/g으로 조정한 시멘트를 실용화 할 목적으로 Mock-up test를 진행한 후 이를 실무 현장에 적용하도록 한다.
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