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문제 정의
- 따라서 이 연구에서는 기존의 파이프쿨링 공법보다 효율적인 방법으로 매스 콘크리트에서 발생되는 온도균열을 제어하기 위해서 온도제어시스템을 통해 적정온도의 양생수를 자동으로 공급하여 내 ․ 외부 온도차가 온도균 열제어 기준 온도를 초과하지 않도록 하는 양생자동화 시스템을 개발하였으며, mock-up 테스트를 통하여 그 성능을 검토하였다.
- 이 연구에서는 양생자동화 시스템에 의한 매스 콘크리 트의 온도균열 제어효과를 검토하기 위해서, 매스 콘크리트를 제작하여 mock-up 테스트를 실시하였고, 실험내용을 다음과 같이 정리하였다.
가설 설정
- 1) 이러한 온도차는 내 ․ 외부 구속 작용에 의하여 매스 콘크리트 부재에 인장응력이 발생하게 되고 인장응력이 콘크리트의 인장강도에 도달하게 되면 균열이 발생하게 된다.1,2)
제안 방법
- Mass-1 시험체는 양생자동화 시스템을 적용하였고, Mass-2 시험체는 비교를 위해서 양생포에 의한 일반적인 양생을 적용하였다. 온도 및 응력 계측은 타설일로부터 실시되었으며, 타설 후 초기 3일간은 15분 간격, 그 이후 에는 1시간 간격으로 측정하였다.
- 양생 완료 후에 균열발생 상황을 관찰하였으며, 균열발생상황은 균열수, 균열길이, 균열폭 등을 측정하여 비교하였다. 균열폭은 크랙스케일과 균열현미경을 이용하여 측정하였다. Fig.
- 두 시험체의 양생조건에 따른 콘크리트의 품질을 검토하기 위하여 표준양생(20±1℃ 수중양생), Mass-1 시험체와 동일한 양생조건, Mass-2 시험체와 동일한 양생조건 으로 하여 강도(압축, 인장) 특성과 염화물 이온 침투 저항성능을 검토하였다.
- 매스 콘크리트에서 발생되는 온도균열을 제어하기 위해서 개발된 양생자동화 시스템의 성능을 검토하기 위하여 mock-up 테스트를 실시하였으며 그 결과를 정리하면 다음과 같다.
- 양생자동화 시스템은 타설 후 17시간 후에 개시하였고, 타설일로부터 1주일간 실시하였다. 양생 완료 후에 균열발생 상황을 관찰하였으며, 균열발생상황은 균열수, 균열길이, 균열폭 등을 측정하여 비교하였다. 균열폭은 크랙스케일과 균열현미경을 이용하여 측정하였다.
- 온도 및 응력 계측은 타설일로부터 실시되었으며, 타설 후 초기 3일간은 15분 간격, 그 이후 에는 1시간 간격으로 측정하였다. 양생자동화 시스템은 타설 후 17시간 후에 개시하였고, 타설일로부터 1주일간 실시하였다. 양생 완료 후에 균열발생 상황을 관찰하였으며, 균열발생상황은 균열수, 균열길이, 균열폭 등을 측정하여 비교하였다.
- Mass-1 시험체는 양생자동화 시스템을 적용하였고, Mass-2 시험체는 비교를 위해서 양생포에 의한 일반적인 양생을 적용하였다. 온도 및 응력 계측은 타설일로부터 실시되었으며, 타설 후 초기 3일간은 15분 간격, 그 이후 에는 1시간 간격으로 측정하였다. 양생자동화 시스템은 타설 후 17시간 후에 개시하였고, 타설일로부터 1주일간 실시하였다.
- 그림과 같이 표면부와 중심부에 설치된 온도센서(thermocouple T-type, 측정범위: -60~100℃)는 양생자동화 시스템에 연결되어 온도변화를 모니터링 하게 되며, 내 ․ 외부 온도차가 20℃를 넘게 되면 온도차를 20℃ 이하가 될 수 있도록 자동으로 구조체 표면에 적정온도의 양생수를 공급하게 된다. 응력센서(GK-N-202, 측정범위: 20 MPa)는 시험체의 표면부와 중심부에 설치하여 온도응력의 변화를 관찰하였다. 이 연구에 적용된 응력센서는 로드셀이 내장되어 있기 때문에 콘크리트에 발생한 응력을 직접 측정할 수 있는 특징이 있다.
- 콘크리트의 압축강도 특성을 검토하기 위해서 KS F 24038)에 준하여 Φ 100×200 mm의 원주공시체를 제작하였고, KS F 24059)에 준하여 압축강도 실험을 실시하였다. 인장강도 특성을 검토하기 위해서, KS F 242310)에 준하여 쪼갬인장강도 테스트를 실시하였고, 강도 Test는 재령 2일, 7일, 28일에 실시하였다. 염화물 이온 침투 저항성능은 ASTM C 120211)에 준하여 실시하였고, 그 결과를 Fig.
- 콘크리트의 쪼갬인장강도는 측정값에 근거한 근사식으로 구하였고, 온도응력은 응력센서에 의한 측정값을 이용하였다. 온도균열지수는 콘크리트 구조물의 중요도, 기능, 환경조건 등에 대응할 수 있도록 선정해야 하며, 일반적인 콘크리트 구조물의 표준적인 온도균열지수의 값은 다음과 같다.
- 해석을 통해서 온도와 응력이 최고인 곳과 주응력 방향을 선정하여 센서설치 위치를 정하였으며, 설치 위치를 Fig. 4에 나타내었다. 그림과 같이 표면부와 중심부에 설치된 온도센서(thermocouple T-type, 측정범위: -60~100℃)는 양생자동화 시스템에 연결되어 온도변화를 모니터링 하게 되며, 내 ․ 외부 온도차가 20℃를 넘게 되면 온도차를 20℃ 이하가 될 수 있도록 자동으로 구조체 표면에 적정온도의 양생수를 공급하게 된다.
대상 데이터
- 시멘트로는 슬래그 시멘트 2종을 사용하였고 잔골재와 굵은 골재는 강모래와 쇄석을 사용하였다(Table 1). 콘크리트 배합은 물시멘트비 38.
- 시험체는 무근의 매스 콘크리트(폭: 3000 mm, 높이: 2000 mm, 길이: 5000 mm)로 하였으며 이 연구에서 개발한 양생자동화 시스템을 적용한 시험체(Mass-1)와 적용 하지 않은 시험체(Mass-2) 각각 1개씩 총 2개의 시험체를 제작하였다.
이론/모형
- 인장강도 특성을 검토하기 위해서, KS F 242310)에 준하여 쪼갬인장강도 테스트를 실시하였고, 강도 Test는 재령 2일, 7일, 28일에 실시하였다. 염화물 이온 침투 저항성능은 ASTM C 120211)에 준하여 실시하였고, 그 결과를 Fig. 10~12에 나타내었다. 강도특성 (Fig.
- 콘크리트의 압축강도 특성을 검토하기 위해서 KS F 24038)에 준하여 Φ 100×200 mm의 원주공시체를 제작하였고, KS F 24059)에 준하여 압축강도 실험을 실시하였다.
성능/효과
- 1) 양생자동화 시스템을 적용한 Mass-1 시험체는 내 ․ 외부 온도차가 20℃ 이하로 균열제어 기준온도를 만족하였고, 양생자동화 시스템을 적용하지 않은 Mass-2 시험체는 내 ․ 외부 온도차가 최대 29℃로 기준을 만족하지 않는 것으로 나타났다.
- 2) Mass-1 시험체의 균열지수 최소값은 1.47로 균열발생을 방지하여야 할 경우에 해당하는 1.5에 근접하는 것으로 나타났으며, Mass-2 시험체의 균열지수는 최소값이 0.67로 균열이 발생할 확률이 높은 것으로 나타났다.
- 3) 양생조건에 따른 콘크리트의 품질을 검토한 결과 콘크리트의 강도특성은 양생자동화시스템을 적용한 콘크리트가 표준양생을 적용한 콘크리트보다 높게 나타났으며, 양생포에 의한 일반양생을 적용한 시험체의 강도가 가장 낮게 나타났다. 염분침투 특성은 양생자동화 시스템을 적용한 콘크리트의 전하량이 표준양생을 적용한 콘크리트보다 작게 나타났으며, 양생포에 의한 일반양생을 적용한 콘크리트의 염화물침투성이 가장 높게 나타났다.
- 4) 양생자동화 시스템을 사용하여 양생할 경우 내 ․ 외부 온도차를 적절히 제어하여 온도균열을 제어하는데 효과적인 것으로 나타났으며, 콘크리트의 강도 및 내구성 측면에서도 우수한 것으로 확인되었다. 따라서 향후 대형구조물 또는 주요 구조물의 매스 콘크리트 온도균열 제어에 유용하게 활용될 것으로 판단된다.
- Mass-1 시험체의 균열지수 최소값은 1.47로 균열발생을 방지하여야 할 경우에 해당하는 1.5에 근접하는 것으로 나타났으며, Mass-2 시험체의 균열지수는 최소값이 0.67로 균열이 발생할 확률이 높은 것으로 나타났다.
- 10~12에 나타내었다. 강도특성 (Fig. 10, 11)은 양생자동화 시스템을 적용한 콘크리트가 고온양생과 습윤양생에 의한 활발한 수화반응에 의해서 표준양생을 적용한 콘크리트보다 36% 정도 높게 나왔으며, 양생포에 의한 일반양생을 적용한 시험체의 경우 강도가 가장 낮게 나타났다. 염해저항성능 시험 결과를 Fig.
- 양생자동화 시스템을 적용한 콘크리트의 전하량은 1543 coulomb으로 표준양생을 적용한 콘크리트보다 작게 나타났으며, ASTM C 1202 기준(Table 4)과 비교했을 때 염화물침투성이 낮은 것으로 나타났다. 그러나 양생포에 의한 일반양생을 적용한 콘크리트의 전하량은 4276 coulombs으로 염화물침투성이 높은 것으로 나타났다.
- 7에 시험체의 내 ․ 외부 온도차를 나타내었다. 내 ․ 외부 온도차는 Fig. 6에서 T1과 T2의 실측값으로부터 구해졌으며, Mass-1 시험체는 내 ․ 외부 온도차가 20℃ 이하로 균열제어 기준온도를 만족하였고, Mass-2 시험체는 내 ․ 외부 온도차가 최대 29℃로 기준을 만족하지 않는 것으로 나타났다.
- 11)에 근거한 근사식으로 구하였다. 두 시험체 모두 표면부에 인장응력이 발생하고 중심부에는 압축응력이 유발되는 내부구속에 의한 응력거동이 지배적으로 나타났다. Mass-1 시험체의 경우, 시험체 표면부의 인장응력이 인장강도에 도달하지 않았 으며, Mass-2 시험체는 표면부 인장응력이 인장강도에 도달하여, 균열이 발생할 가능성이 높은 것으로 나타났다.
- 염소이온 투과실험은 매 시편마다 6시간 동안 30분 간격으로 전류값을 측정하고, 식 (3)을 이용하여 총 전하량을 산정하였다. 양생자동화 시스템을 적용한 콘크리트의 전하량은 1543 coulomb으로 표준양생을 적용한 콘크리트보다 작게 나타났으며, ASTM C 1202 기준(Table 4)과 비교했을 때 염화물침투성이 낮은 것으로 나타났다. 그러나 양생포에 의한 일반양생을 적용한 콘크리트의 전하량은 4276 coulombs으로 염화물침투성이 높은 것으로 나타났다.
- 3) 양생조건에 따른 콘크리트의 품질을 검토한 결과 콘크리트의 강도특성은 양생자동화시스템을 적용한 콘크리트가 표준양생을 적용한 콘크리트보다 높게 나타났으며, 양생포에 의한 일반양생을 적용한 시험체의 강도가 가장 낮게 나타났다. 염분침투 특성은 양생자동화 시스템을 적용한 콘크리트의 전하량이 표준양생을 적용한 콘크리트보다 작게 나타났으며, 양생포에 의한 일반양생을 적용한 콘크리트의 염화물침투성이 가장 높게 나타났다.
- 이 시스템은 자동양생을 통해 효과적으로 온도균열을 제어하는 것 이외에도 다음과 같은 특징이 있다. 첫째, 이 시스템은 사용되는 양생수의 지속적인 재순환이 가능한 환경 친화적 구조로 만들어져 있어서 경제적이며(Fig. 1 참조), 둘째, 매스 콘크리트의 분할 타설을 줄여서 공기 단축 효과가 있으며, 자동화로 인한 인력절감 및 품질향 상효과가 있다. 마지막으로 콘크리트 표면부를 지속적으로 습윤 상태로 만들어주므로 열풍기 등을 이용한 급열 양생의 결점이었던 건조수축 균열도 제어가 가능하다.
- 6에 나타내었다. 콘크리트 타설온도는 25.4℃이고, 양생자동화 시스템을 적용한 Mass-1 시험체는 콘크리트 타설 후 38시간이 지난 후에 최대 온도(61.3℃)에 도달하였고, 양생자동화 시스템을 적용하지 않은 Mass-2 시험체는 콘크리트 타설후 35시간이 지난 후에 최대 온도(58.5℃)에 도달하였다. 최대온도 도달 후에 Mass-1 시험체는 75시간 후에 내부 온도가 40℃로 저하하였다.
후속연구
- 따라서 향후 대형구조물 또는 주요 구조물의 매스 콘크리트 온도균열 제어에 유용하게 활용될 것으로 판단된다.
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