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문제 정의
- 목업체에서의 주된 균열발생 원인은 갑작스러운 거푸집 제거시 표면의 수분증발로 인한 건조수축균열과 이에 따른 온도차이로 인한 온도균열로 구분되는데, 목업체에서 거푸집 제거시기와 균열의 발생관계를 실험하여 본 결과는 다음과 같이 나타났다.
- 본 고에서는 콘크리트 조기강도를 촉진시킨 프리캐스트 구조물을 생산하기 위해서 적용되고 있는 기존의 경험 적인 고온의 증기양생공법을 실험을 통해 정량적으로 평가하여 PC 콘크리트 제작과정에서의 양생시간과 제작기간을 줄여 제작원가를 절감할 수 있는 자료로써 제시하고자 한다.
- 이때 증기양생온도주기는 다수의 실험을 통하여 선정된 2-2-5-2를 적용하였다. 조기강도 발현율은 Table 4와 같았으며, 최적 증기양생온도주기의 결정과정에서 발생할수 있는 문제점을 찾아내어 이에 대한 대안도 제시하고자 하였다.
- 증기양생온도주기의 결정을 위한 실험은 고온의 증기로 양생되는 목업 콘크리트와 원주형 공시체를 대상으로 하였으며, 콘크리트 타설시 부터 경화과정을 거쳐 양생을 마칠 때 까지 발생할 수 있는 수화열, 강도 발현율, 표면 결함, 건조수축 및 온도균열 등을 평가하고자 하였다.
제안 방법
- Fig. 2는 계획 증기양생온도주기로서 단지 고온에서의 요구강도 발현시기에만 기준을 두고 정하였으며, 이때 최고 증기온도는 50~70℃ 범위내로 설정한 후 실험을 통하여 실제로 필요한 양생온도시간 및 최고온도를 구한 후 적용하기로 하였다.
- 고온의 양생온도와 콘크리트 중의 시멘트 양에 의해서 크게 영향을 받는 실험체의 수화열과 강도발현이력을 수 화열 전용 측정기인 ConReg System을 이용하여 실시간으로 측정 하였다. 콘크리트 내부에 미리 설치 된 t-type 의 써머커플로 콘크리트 온도이력을 파악할 수 있었으며 내부와 표면의 온도가 외기온도와 평형상태에 이를 때까지 측정 하였다.
- 두께가 상이한 4종류의 콘크리트 목업체와 표준 압축 강도 시험용 공시체를 이용하여 증기양생과정에서의 콘 크리트 수화열 및 양생온도 발현이력과 양생 시 재령의 증가에 따른 압축강도 발현율, 증기양생 종료 시와 거푸집 제거 시의 압축강도, 콘크리트 온도 강하속도, 거푸집 제거 후의 균열발생 여부 등을 비교․ 분석하였다. 그 결과, 콘크리트 배합설계 시 시멘트의 양과 슬럼프 값의 크기, 콘크리트 타설시 온도, 부재의 크기, 대기온도와 자연환경조건이 콘크리트의 최고상승온도와 유지시간의 결정에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다.
- 또한 Table 2와 같은 실험을 위하여 직경 10㎝ × 높이 20㎝ 원주형 공시체를 80여개 제작하여 증기 양생실에서 양생을 하되 양생시간동안 실시간으로 압축강도측정을 실시하며, 결과 값을 이용하여 다음과 같은 항목을 수립하고자 하였다.
- 0m이고 두께만 서로 다른 4개의 콘크리트 부재로 제작하였다. 이때 거푸집 내면에는 두께 50㎜의 단열재를 설치하여 철재거푸집을 통하여 콘크리트 내부에 영향을 주는 열전달을 차단하였으며, 양생 중에 콘크 리트 내부에서 발생되는 수화열 및 최대온도발현이력을 구하는 것과, 증기양생의 영향을 직접 받는 상단 표면부의 콘크리트 온도발현이력을 측정하여 비교․ 분석 하고자 하였다. Fig.
- 설계기준강도가 42MPa, 굵은 골재 최대치수가 20㎜, 슬럼프가 180㎜인 콘크리트를 몰드에 타설하였다. 이때내부진동기를 이용하여 다짐을 하였으며, 밀실한 콘크리트가 되도록 하였다.
- 콘크리트 조기강도의 확인과 철재거푸집의 제거시기를 정하기 위하여 실험체를 만들고 증기양생을 시작한 후 재령 2, 4, 6, 8, 10, 11, 12시간에 이르게 되면 증기양생실로부터 원주형 공시체를 3개씩 꺼내어 Photo 2와 같이 콘크리트의 경화정도 확인 및 압축강도 측정을 하였다. 이때 증기양생온도주기는 다수의 실험을 통하여 선정된 2-2-5-2를 적용하였다.
- 콘크리트 공시체의 컨시스턴시와 초기 경화상태를 살펴보기 위하여 슬럼프 플로우 값이 600±100㎜와 슬럼프 값 180㎜인 콘크리트를 사용하여 실험을 수행하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
- 고온의 양생온도와 콘크리트 중의 시멘트 양에 의해서 크게 영향을 받는 실험체의 수화열과 강도발현이력을 수 화열 전용 측정기인 ConReg System을 이용하여 실시간으로 측정 하였다. 콘크리트 내부에 미리 설치 된 t-type 의 써머커플로 콘크리트 온도이력을 파악할 수 있었으며 내부와 표면의 온도가 외기온도와 평형상태에 이를 때까지 측정 하였다.
- 콘크리트 조기강도의 확인과 철재거푸집의 제거시기를 정하기 위하여 실험체를 만들고 증기양생을 시작한 후 재령 2, 4, 6, 8, 10, 11, 12시간에 이르게 되면 증기양생실로부터 원주형 공시체를 3개씩 꺼내어 Photo 2와 같이 콘크리트의 경화정도 확인 및 압축강도 측정을 하였다. 이때 증기양생온도주기는 다수의 실험을 통하여 선정된 2-2-5-2를 적용하였다.
- 콘크리트 타설 온도가 30℃이고, 서중기간동안 증기양생을 이용하여 강도를 촉진시켜 거푸집을 조기제거하기 위한 소요 압축강도의 확보와 품질향상, 그리고 균열의 제어 및 저감을 위하여 최적 증기양생온도주기는 다음 Fig. 8, Table 7과 같이 제안되었다.
- 표준 공시체와 목업체는 동시에 제작되었으며, 양생과정에서 재령별 파괴실험 값을 비교하기 위해 증기양생과 표준양생을 각각 실시하였다. 다음 Fig.
대상 데이터
- 목업체의 크기는 Table 1, Photo 1과 같이 가로와 세로가 각각 1.0m이고 두께만 서로 다른 4개의 콘크리트 부재로 제작하였다. 이때 거푸집 내면에는 두께 50㎜의 단열재를 설치하여 철재거푸집을 통하여 콘크리트 내부에 영향을 주는 열전달을 차단하였으며, 양생 중에 콘크 리트 내부에서 발생되는 수화열 및 최대온도발현이력을 구하는 것과, 증기양생의 영향을 직접 받는 상단 표면부의 콘크리트 온도발현이력을 측정하여 비교․ 분석 하고자 하였다.
성능/효과
- 1) 고온의 증기양생을 종료하고 나서 약 6시간이 지난 후에 거푸집의 제거를 실시한 경우에는 균열의 발생이 두께가 두꺼운 80㎝와 100㎝ 목업체에서만 관측 되었다. 이때 거푸집 제거 전 콘크리트의 내부온도는 최고온도인 85℃와 88℃를 유지하고 있었으며, 거푸집 면에 단열재를 설치하지 않은 표면부에는 69℃, 스티로폼을 설치한 표면부는 85℃의 높은 온도분포를 나타내고 있는 것으로 확인되었다.
- 2) 고온의 증기양생을 종료하고 난 후 곧바로 거푸집을 제거 한 경우에도 균열의 발생은 두께가 두꺼운 80㎝, 100㎝ 목업체에서만 관측 되었다. 콘크리트의 내부는 수화열 발생으로 인하여 최대 90℃와 93℃까지 상승 되었으며, 갑작스런 거푸집의 제거로 인하여 표면의 온도가 급냉하면서 즉각적인 균열의 발생을 시각적으로 확인할 수가 있었으며, 이는 약 2~3시간동안 지속되어 목업 구조물 벽체 전면부에 수직방향과 수평방향으로 Photo 6과 같이 발생되었다.
- 3) 거푸집의 갑작스런 제거는 표면건조수축균열과 내·외부 온도차에 의한 온도균열이 발생되는 것으로 나타나 급격한 표면온도의 저감을 방지할 수 있는 대책과 2차양생의 수립이 필요한 것으로 판단되었다.
-
4) 증기양생기간 중에는 콘크리트 수화열 및 양생온도를 실시간으로 모니터링하여 과다 증기양생온도로 인한 양생균열의 발생을 방지하고 거푸집의 제거와 2차 양생시간을 정량적으로 정해야 하는 것으로 나타났다.
- 거푸집 제거 시 요구되는 압축강도를 얻기 위해서는 온도유지시간인 5시간동안 등온양생온도조건 55±1℃를 준수한다면 충분한 것으로 나타났다.
- 두께가 상이한 4종류의 콘크리트 목업체와 표준 압축 강도 시험용 공시체를 이용하여 증기양생과정에서의 콘 크리트 수화열 및 양생온도 발현이력과 양생 시 재령의 증가에 따른 압축강도 발현율, 증기양생 종료 시와 거푸집 제거 시의 압축강도, 콘크리트 온도 강하속도, 거푸집 제거 후의 균열발생 여부 등을 비교․ 분석하였다. 그 결과, 콘크리트 배합설계 시 시멘트의 양과 슬럼프 값의 크기, 콘크리트 타설시 온도, 부재의 크기, 대기온도와 자연환경조건이 콘크리트의 최고상승온도와 유지시간의 결정에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다.
- 목업체 전체를 비교․ 분석하면 거푸집이 없는 상단의 표면온도는 부재의 크기에 영향이 없이 내부온도보다 10~15℃ 낮게 측정되었다. 단열되지 않은 거푸집면의 온도도 내부온도보다 12~17℃가 낮고, 50㎜ 스티로폼에 의한 단열재를 사용한 거푸집면의 온도는 내부온도보다 3℃ 범위 이내에서 낮게 나타났다. 실험에 의하면, 콘크리트의 상단 표면과 거푸집면의 온도는 증기온도가 지배하게 되고 콘크리트 내부에서는 부재 두께의 크기와 수화열에 의하여 강도발현조건을 갖는 것으로 분석이 되었다.
- 대기온도의 영향과 콘크리트의 타설온도, 콘크리트 컨 시스턴시(슬럼프 기준), 콘크리트 부재크기, 증기양생 시 최고유지온도를 필요이상으로 높게 정하는 경우에는 양생온도균열의 발생(Photo 4 참조), 콘크리트 내부온도의 상승으로 인한 온도균열발생, 거푸집제거 시 표면 건조수축균열의 발생, 내부온도의 강하속도가 늦어져 2차 양생기간의 연장, 장기강도의 저감등을 고려한 후 최적의 증기양생온도주기를 시간과 온도의 함수관계를 가지고 정해야 하는 것으로 판단되었다.
- 거푸집 제거 시 요구되는 압축강도를 얻기 위해서는 온도유지시간인 5시간동안 등온양생온도조건 55±1℃를 준수한다면 충분한 것으로 나타났다. 또한 증기의 공급이 끝나고 난 후 강하온도기간 중에도 급격한 거푸집의 제거나 온도저하가 아니라면 재령 18시간 까지는 강도 상승 속도를 유지하였으나 그 이후로는 아주 완만한 상승속도를 갖는 것으로 분석되었다.
- 목업체 전체를 비교․ 분석하면 거푸집이 없는 상단의 표면온도는 부재의 크기에 영향이 없이 내부온도보다 10~15℃ 낮게 측정되었다. 단열되지 않은 거푸집면의 온도도 내부온도보다 12~17℃가 낮고, 50㎜ 스티로폼에 의한 단열재를 사용한 거푸집면의 온도는 내부온도보다 3℃ 범위 이내에서 낮게 나타났다.
- 9는 목업체의 크기에 따른 내부온도발현이력으로서 콘크리트 수화열과 증기양생온도주기와의 영향관계를 나타내었다. 분석결과, 콘크리트 내부의 온도발현은 외부 증기양생온도의 영향을 적게 받는 것으로 판단되었다. 즉, 콘크리트의 내부는 시멘트의 수화반응에 의해서 생성된 수화열만이 있으며, 발생된 내부의 수화열이 거푸집 외부에서 발생되는 고온의 열로 인하여 외부로의 발산을 하지 못하는 것으로 판단되었다.
- 5처럼 증기양생 된 원주형 공시체의 최고 온도발 현이력은 재령 8시간에 62℃까지 상승되었으며, 이때 대기 중에서 양생된 공시체의 최고온도는 36℃로 나타났다. 수화반응으로 인하여 발생되는 수화열 또는 증기양생과 수화열이 합하여 발생된 열과의 온도 차이는 약 26℃로서 증기양생이 원주형 공시체의 강도발현을 촉진시키기 위하여 매우 큰 열량을 공급한 것으로 분석되었다.
- 특히, 증기양생온도 1 사이클을 11시간 이내에 두기 위한 컨시스턴시 실험을 Table 6, Photo 3과 같이 실시하였다. 실험결과, 슬럼프 플로우는 슬럼프보다 자립성 확보와 성형성을 유지하는데 3시간 정도 더 소요되었으며 동일재령에서의 조기강도는 0.2MPa 적게 발현되었다.
- 단열되지 않은 거푸집면의 온도도 내부온도보다 12~17℃가 낮고, 50㎜ 스티로폼에 의한 단열재를 사용한 거푸집면의 온도는 내부온도보다 3℃ 범위 이내에서 낮게 나타났다. 실험에 의하면, 콘크리트의 상단 표면과 거푸집면의 온도는 증기온도가 지배하게 되고 콘크리트 내부에서는 부재 두께의 크기와 수화열에 의하여 강도발현조건을 갖는 것으로 분석이 되었다. 즉, 콘크리트 부재에 철재 거푸집이 설치되는 측면과 저면은 단지 증기양생시에 고온의 열전달 방법에 의한 강 도발현을 촉진시키게 되는 것이며, 거푸집이 없는 상단표면에는 지속적인 수분과 고온의 공급으로 인하여 강제적으로 강도발현을 시키게 되는 것이다.
- 콘크리트 공시체에 증기양생을 가하는 경우 초기재령인 10시간이내에 증기온도의 영향을 가장 크게 받으며, 압축강도 발현율도이 시기에 매우 크게 일어나는 것으로 나타났다. 온도상승시간이 지나고 나서 약 2시간이 지난 재령 6~7시간부터 설계기준강도의 45%이상 발현되는 것으로 실험결과로 나타났으며 이때 상승되는 압축강도의 크기가 그 이후의 강도발현을 촉진시키는 것으로 분석되었다.
- 재령 72시간이 경과하고 나면 증기양생과 표준양생 된두 공시체 간의 강도 값은 서로 비슷해지나 그 이후 장기재령으로 갈수록 표준양생 된 공시체의 압축강도 값이 비교적 크게 발현되는 것으로 나타났다.
- 분석결과, 콘크리트 내부의 온도발현은 외부 증기양생온도의 영향을 적게 받는 것으로 판단되었다. 즉, 콘크리트의 내부는 시멘트의 수화반응에 의해서 생성된 수화열만이 있으며, 발생된 내부의 수화열이 거푸집 외부에서 발생되는 고온의 열로 인하여 외부로의 발산을 하지 못하는 것으로 판단되었다.
- 증기양생 시기 산정 시 시멘트의 종류, 골재의 크기, 혼화재료와 증기양생온도 등이 결정인자로 작용하였으며, 두께에 따라서 1~4단계 양생 과정 후 일정시간 동안의 2 Fig. 9 Inner temperature histories of mock-up specimens 차 양생을 포함한 후양생시간을 정량적으로 정해야 되는 것으로 평가 되었다.
- 코어를 채취하여 균열의 유해여부를 살펴본 결과 코어공시체가 서로 분리 되지 않고 부착되어 있는 것으로 나타났으며, 그 이후에 균열들은 더 이상 진행되지 않았고, 콘크리트 내부와 표면의 온도가 외기온도와 평형을 이루게 되면 이미 발생되었던 균열들은 유관으로 확인할 수없을 정도로 되어 이 균열의 발생은 콘크리트 내· 외부 온도차와 거푸집 제거시 급작스런 표면의 건조수축으로 인한 일시적인 균열의 발생으로 평가 되었다.
- 콘크리트 공시체에 증기양생을 가하는 경우 초기재령인 10시간이내에 증기온도의 영향을 가장 크게 받으며, 압축강도 발현율도이 시기에 매우 크게 일어나는 것으로 나타났다. 온도상승시간이 지나고 나서 약 2시간이 지난 재령 6~7시간부터 설계기준강도의 45%이상 발현되는 것으로 실험결과로 나타났으며 이때 상승되는 압축강도의 크기가 그 이후의 강도발현을 촉진시키는 것으로 분석되었다.
- 콘크리트의 내부는 수화열 발생으로 인하여 최대 90℃와 93℃까지 상승 되었으며, 갑작스런 거푸집의 제거로 인하여 표면의 온도가 급냉하면서 즉각적인 균열의 발생을 시각적으로 확인할 수가 있었으며, 이는 약 2~3시간동안 지속되어 목업 구조물 벽체 전면부에 수직방향과 수평방향으로 Photo 6과 같이 발생되었다. 콘크리트 내부와 표면부의 온도차에 의한 열 충격으로 발생되는 것으로서 매스콘크리트 구조물의 증기양생 시에는 거푸집의 제거시기의 결정과 거푸집 제거 후에는 즉시 2차적인 보온양생이 계획되어야 하는 것으로 판단되었다.
- 한편 상단표면과 거푸집 면에서는 증기양생을 종료하게 되면 상승되어있던 콘크리트 온도가 곧바로 급격한 강하속도를 보이게 되고, 수화열로 인하여 내부온도발현이 컷던 콘크리트의 내부도 스스로 외부로 열 발산이 되어 대기온도와 평형 상태를 이룰 때 까지는 최대 48시간이 소요되는 것으로 나타났다.
- 한편 증기양생한 공시체들의 강도 발현율을 비교 실험 하기 위하여 공시체 중 일부를 수중양생을 실시한 후 파괴 시험을 실시한 결과, 증기양생 후 수중양생 시킨 공시체의경우 강도발현이 증기양생 후 대기 중에서 자연 양생한 것보다는 1% 적게, 표준양생과는 거의 같게 나타나 증기양생 된 콘크리트에 수분의 추가적인 공급으로 인한 강도의 발현효과는 기대할 수 없는 것으로 판단되었다.
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