[논문]초고층 건축에서의 고성능 콘크리트 최적배합설계 및 품질관리

김규동

doi:10.22636/mkci.2014.26.5.16

초고층 건축에서의 고성능 콘크리트 최적배합설계 및 품질관리
Optimum Mixture Design and Quality Management of High Performance Concrete for Super Tall Building Construction 원문보기

김규동 (롯데건설 잠실제2롯데월드현장)

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문제 정의

본 특집 기사에서는 높이가 500 m 이상인 잠실제2롯데월드 현장에 80MPa 고성능 콘크리트를 적용하기 위하여 수행된 현장 품질관리기준의 검토, 각종 원재료 검토, 최적 배합도출을 위한 실내배합 및 레미콘 공장 실생산성능 검토 그리고 실물크기의 Mock-up Test 등의 일련의 최적배합설계 도출 과정을 소개하고자 한다.
현장 Mock-up 테스트는 현장 상황과 동일한 조건 속에서 현장 타설 시 콘크리트의 품질 및 시공성에 문제가 발생하지 않도록 하기 위해서 실 부재와 동일한 단면의 부재를 제작하여 적절한 다짐방법 및 다짐시간, 양생방법, 거푸집 존치기간 등을 결정하고, 굳지 않은 콘크리트의 물성시험과 경화콘크리트의 표준공시체 및 코어 공시체의 재령별 압축강도 및 탄성계수 등을 측정하여 시방배합의 적정성을 평가하기 위하여 실시된다.

가설 설정

7) 내화성능 : 고강도 콘크리트의 경우 낮은 물결합재비 및 공기량 등으로 인해 화재시 폭렬에 취약하다. 국토해양부 고시 2008 - 334호 「고강도콘크리트 기둥, 보의 내화성능 관리기준」에서는 50 MPa 이상 고강도콘크리트에 대해 별도 내화대책을 수립하도록 되어 있으므로 메가기둥의 경우 이에 대한 대책이 요구된다.

제안 방법

B/P 테스트는 업체별 시방배합의 적정성을 평가하고자 굳지 않은 콘크리트의 물성시험과 역학적 특성시험을 수행함으로써 현장 콘크리트 품질기준의 만족여부를 평가하여 최종적으로 배합의 승인을 득하기 위해 과 같이 수행하였다.
검토된 원재료를 활용하여 각 배합변수별 실내실험을 실시하였다. 약 2년 여간에 걸쳐 500여 차례 실내실험을 실시하였고, 이 때 콘크리트 규격별로 최초 설정한 실험범위 내에서 양호한 굳지않은 특성 및 역학적 특성을 만족할 수 있는 최적 범위를 도출하였다.
고성능 콘크리트 현장 적용시 발생할 수 있는 문제점을 사전에 도출 및 검토하고, 효율적인 품질관리가 가능하도록 기존의 Semi Mock-up 테스트 결과를 바탕으로과 같이 1:1 Scale의 Mock-up 테스트를 실시하였고, 대상 부재 Size는 와 같다.
과 같은 배합 인자 및 배합설계 접근 방향을 설정한 후 발주 특기사항 및 관련 시방기준을 만족할 수 있도록 초고층 건축용 고성능 콘크리트의 품질관리 기준을 와 같이 수립하였다.
사용재료의 최적화를 위해 먼저 시멘트의 경우 동일 시멘트사 제품을 설정하였다. 시멘트의 경우 페이스트 플로우 및 시멘트 K 강도가 시멘트사마다 다르기 때문에 이를 복수 레미콘 공장에서 생산시 각각의 물성 변도 차이에 지대한 영향을 미치게 된다.
<표 2>와 같은 고성능 콘크리트 각 규격별 품질관리 기준을 만족하기 위한 첫 번째 단계로 콘크리트용 원재료에 대한 검토를 수행하였다.
<표 4>와 같이 80 MPa 고강도 콘크리트의 물결합재비의 경우 재령 56일 설계기준강도를 발현할 수 있도록 23.8 %로 설정하였고, 단위수량과 단위 결합재량은 강도발현 측면에서 안전 측을 고려하여 각각 155 kg/m³, 650 kg/m³으로 결정하였으며, 수화열 저감 및 압송성능 향상을 위해 플라이 애시 치환율을 20 % 결정하였고, 조기강도 발현 및 경제적 확보 측면에서 실리카 퓸 치환율을 6 %로 결정하여 최적 실내 배합비를 결정하였다.
<표 1>과 같은 배합 인자 및 배합설계 접근 방향을 설정한 후 발주 특기사항 및 관련 시방기준을 만족할 수 있도록 초고층 건축용 고성능 콘크리트의 품질관리 기준을 <표 2>와 같이 수립하였다. 이후 원재료에 대한 검토, 배합변수 도출을 위한 실내실험 및 레미콘 공장 실생산성능 테스트 및 1:1 Scale Mock-up 테스트를 실시하였다.
최초 품질관리 기준 수립, 원재료 검토, 배합변수 도출을 위한 실내실험, 배합신뢰도 확보 및 감리단 승인을 위한 레미콘공장 실생산성능 검토, 고강도 콘크리트 내화성능 확보시험 및 500 m 수평압송테스트 실시, 시공성 및 각종 역학적 특성을 검토하기 위한 1:1 Scale Mock-up 테스트 결과를 통해 500 m급 초고층 건축에 적용하기 위한 최적 배합설계가 과 같이 수립되었다.
특히 와 같이 수화열 관리를 실시하고, 거푸집 제거 후 수화균열 발생 패턴에 대해 분석한 뒤 사전 해석결과와의 비교 검토를 통하여 실제 현장 적용시 수화온도균열을 최소화할 수 있도록 수화열 재해석 및 온도철근 배근 기초 자료로 활용하였다.
한편 고강도 콘크리트 내화성능 관리규정을 만족하기 위한 폭렬억제대책으로 폭렬방지 내화섬유재를 배합설계시 혼입하는 섬유혼입 공법을 채택하였는데, 주요 구성은 과 같이 폴리프로필렌 섬유(Poly Propylene Fiber), 나일론 섬유(Nyron Fiber), 폴리머 분말(Polimer Powder)이 각각 25 : 25 : 50 % 혼합되어 수증기압 완화 성능 및 섬유혼입에 따른 유동성능 저하를 최소화하도록 하였다(제품명 : 폴리믹스 F, 특허번호: 제10-1008322호).
화학혼화제는 상대적으로 낮은 단위수량에 대해 플로우 유지성능 및 조기강도 발현 특성을 만족할 수 있도록 폴리카르본산계 고성능 감수제를 사용하였고, 실제 혼화제 사용량은 고강도 콘크리트의 경우 결합재량 대비 최소 1.0% 이상 사용됨으로써 당초 기준(표준기 : 120분 이내, 하절기 90분 이내)을 모두 만족할 수 있도록 하였다.

대상 데이터

골재로써 잔골재는 세척사 100 % 사용을 원칙으로 하였고, 입도 및 입형관리를 지속적으로 실시하여 조립율(F.M.)이 2.7 ~ 2.9의 범위 내에 있고 표준 입도곡선 내 관리되고 있는 잔골재만을 사용하였다. 특히 굵은 골재의 경우 역학적으로 안정적인 탄성계수를 확보하기 위하여 상대적으로 우수성이 입증되고 입형판적 실적율이 상대적으로 우수하여 마찰계수 저감을 통한 압송부하 저감이 가능한 20 mm 석회암 골재를 굵은 골재로써 활용하였다.
9의 범위 내에 있고 표준 입도곡선 내 관리되고 있는 잔골재만을 사용하였다. 특히 굵은 골재의 경우 역학적으로 안정적인 탄성계수를 확보하기 위하여 상대적으로 우수성이 입증되고 입형판적 실적율이 상대적으로 우수하여 마찰계수 저감을 통한 압송부하 저감이 가능한 20 mm 석회암 골재를 굵은 골재로써 활용하였다. 각 원재료에 대한 형상은 <사진 5>와 같다.

성능/효과

(2) 사용재료는 콘크리트의 품질 요구조건을 고려하여 양질의 원재료를 사용해야 하며, 도심지 복수 레미콘의 운영효율화를 고려한 재료의 선정, 그루핑을 통해 콘크리트의 균일한 품질을 확보할 수 있도록 해야 한다.
3) 고유동성 : 초고층 건축용 골조의 경우 내부에 과밀한 철근배근 및 부재 사이즈가 크고, 층고가 높기 때문에 재료분리 저항성을 확보하면서 고유동성을 확보해야 한다.
Mock-up 테스트 결과 각종 시공성에 대한 검증 및 콘크리트 물성에 대한 확인이 가능하였다. 특히 <그림 2>와 같이 수화열 관리를 실시하고, 거푸집 제거 후 수화균열 발생 패턴에 대해 분석한 뒤 사전 해석결과와의 비교 검토를 통하여 실제 현장 적용시 수화온도균열을 최소화할 수 있도록 수화열 재해석 및 온도철근 배근 기초 자료로 활용하였다.
<사진 8>과 같은 코어링 강도의 경우 재령 28일 및 56일에서 메가기둥 및 코어 월의 코어강도 측정 결과, 재령 28일 강도는 설계 강도를 100 % 발현하였고, 특히 재령 56일에서는 설계 강도 대비 평균 10 % 정도 코어강도가 높게 나타나 우수한 역학적 특성을 확인하였다.
검토된 원재료를 활용하여 각 배합변수별 실내실험을 실시하였다. 약 2년 여간에 걸쳐 500여 차례 실내실험을 실시하였고, 이 때 콘크리트 규격별로 최초 설정한 실험범위 내에서 양호한 굳지않은 특성 및 역학적 특성을 만족할 수 있는 최적 범위를 도출하였다.

후속연구

1) 고강도/수축제어 : 초고층 건축에서 고강도 콘크리트는 기둥축소 및 건조수축 균열을 최소화할 수 있어야 하며, 특히 초기 수화반응시에 발생하는 자기수축에 대한 제어에 대해 검토되어야 한다.
5) 수화열 제어 : 초고층 건축용 골조의 경우 코어 월의 최대 치수는 2.0 m, 메가기둥의 최대 치수는 3.5 m로써 매스 콘크리트 부재로 충분한 양생을 실시해야 하는 부재임에도 불구하고 조기공정 Cycle로 인해 거푸집을 조기에 탈형해야 하는 상황으로 내외부 온도차이에 따른 수화온도균열에 대한 대책 수립이 필요하다.
(4) 현재 초고층 건축용 고성능 콘크리트에 대한 국내전문시방서 및 특기시방서는 실제 현장의 요구조건이나 공정 Cycle이 반영된 실질적인 가이드라인으로서 역할이 부족한 상황이다. 따라서 본 사례와 같은 초고층 건축용 콘크리트 배합설계 및 품질관리 기술은 이러한 시방 및 관련 기준 보완의 기초자료로 유용하게 활용될 것으로 판단된다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

초고층 공사시 고성능 콘크리트에 요구되는 성능은 무엇인가?

실제 초고층 공사시 요구되는 콘크리트의 요구조건은 <그림 1>과 같이 부재별, 높이별, 층수별로 고성능 콘크리트가 구분되어 적용되고 있기 때문에 조기강도, 고유동성 및 고압송성, 수축특성 제어, 수화열 제어 및 내화특성 제어 등의 다양한 요구조건을 만족한 고성능 콘크리트가 현장에 적용되어야 한다. 현재까지 국내에서는 고성능 콘크리트가 80층, 300 m급 초고층 프로젝트에 적용된 실적을 가지고 있으며, 이를 500 m 이상의 초고층 프로젝트에 적용하기 위해서는 보다 많은 항목에 대하여 충분한 검토가 수행되어야 할 것이다.

현장 Mock-up 테스트을 실시하는 목적은 무엇인가?

현장 Mock-up 테스트는 현장 상황과 동일한 조건 속에서 현장 타설 시 콘크리트의 품질 및 시공성에 문제가 발생하지 않도록 하기 위해서 실 부재와 동일한 단면의 부재를 제작하여 적절한 다짐방법 및 다짐시간, 양생방법, 거푸집 존치기간 등을 결정하고, 굳지 않은 콘크리트의 물성시험과 경화콘크리트의 표준공시체 및 코어 공시체의 재령별 압축강도 및 탄성계수 등을 측정하여 시방배합의 적정성을 평가하기 위하여 실시된다.

500 m급 초고층 프로젝트에 적용하기 위한 고성능 콘크리트의 요구 성능 중에 고강도/수축제어, 고탄성, 고유동성의 내용은 무엇인가?

1) 고강도/수축제어 :초고층 건축에서 고강도 콘크리트는 기둥축소 및 건조수축 균열을 최소화할 수 있어야 하며, 특히 초기 수화반응시에 발생하는 자기수축에 대한 제어에 대해 검토되어야 한다. 2) 고탄성 :코어 월이나 메가기둥과 같은 수직부재의 경우 풍하중과 같은 횡하중에 대한 저항성능을 확보할 수 있는 높은 탄성계수가 요구된다. 3) 고유동성 :초고층 건축용 골조의 경우 내부에 과밀한 철근배근 및 부재 사이즈가 크고, 층고가 높기 때문에 재료분리 저항성을 확보하면서 고유동성을 확보해야 한다.

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