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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 캡슐형 슬러리 PCM 혼입 매스콘크리트의 온도균열 저감성능 평가를 목적으로 시차열분석기(이하, TG/DTA), 미소수화열량계(이하, Calorimeter), 간이단열온도상승실험, 압축강도시험을 진행하였다. 실험 결과를 토대로, 캡슐형 슬러리 PCM이 혼입된 콘크리트의 발열함수계수를 FEM 역해석을 통해 도출하고, 이를 실구조물 규모 매스콘크리트에 적용하여 온도균열 FEM 해석을 실시하였다.
- 본 연구에서는 PCM 소재, 시멘트 적용 단계에서 온도균열 저감 재료로써의 가능성을 확인하고, 콘크리트 적용 간이단열온도상승실험을 통한 열 성능평가 및 압축강도시험을 통해 FEM 해석에 필요한 데이터를 도출하고자 한다.
- 본 연구의 목적은 실험 및 FEM 해석을 통해 캡슐형 슬러리 PCM이 혼입된 매스콘크리트의 수화열 및 온도균열 평가하는 것이다. 자재, 시멘트 혼입, 콘크리트 혼입 단계에서의 수화열 평가 실험을 진행하였으며, FEM 해석을 위해 압축강도시험을 실시하였다.
- PCM이 혼입된 콘크리트는 수화온도는 저감시키나, 강도 측면에서는 저하되는 것으로 나타났다. 온도균열지수는 온도응력과 콘크리트 인장강도에 기인하므로 수화열해석을 통해 PCM의 온도균열 저감 성능을 확인하고자 한다. 간이단열온도상승실험 결과를 이용하여 FEM프로그램을 통해 Plain 및 슬러리 PCM 혼입 콘크리트의 발열함수계수를 도출하였으며, 도출한 발열함수계수와 압축강도시험 결과를 토대로 간이단열온도상승실험 각 수준의 온도균열지수를 비교분석하였다.
- 캡슐형 슬러리 PCM의 콘크리트 적용 단계 온도대 선정 및 슬러리 내 액상의 배합수에 대한 치환율 산정을 위한 실험이다. 슬럼프 테스트에 의하여 캡슐화 슬러리 PCM 내 액상의 자유수 치환율을 산정하였으며, 17L의 스티로폼 박스 내부에 콘크리트를 타설하고, 중심부에 열전대 설치 후 데이터 로거를 이용하여 콘크리트 수화온도를 측정하였다.
제안 방법
- 6℃로 측정됨에 따라 28, 31℃ PCM을 1차적으로 선정하였다. 28℃ PCM의 경우 원재료의 수입으로 국내에서 생산되는 31℃ PCM에 비해 생산성 및 경제성이 떨어지므로, 간이단열온도실험에 31℃ 캡슐형 슬러리 PCM을 선정하였다. 선정된 온도대의 캡슐형 슬러리 PCM과 슬러리 내 액상의 치환율을 적용하여 콘크리트 간이단열온도상승실험을 진행하였다.
- 압축강도 시험은 KS F 2405에 의거하여 200ton 만능재료시험기(이하, 200ton UTM)를 이용하여 120KN/m의 속도로 진행하였다. 3, 7, 28일 재령에서 압축강도를 측정하였으며, 수준별 3개 공시체의 압축강도 측정 후, 세 값의 평균값을 압축강도로 산출하였다. Figure 6은 시험체의 양생에 사용한 항온·항습기 및 압축강도 시험에 쓰인 200ton UTM기를 나타낸다.
- PCM의 시멘트페이스트 단계에서의 흡열 특성을 확인하기 위한 실험으로 분말형 PCM과 시멘트를 Pre-mixing한 후 Calorimeter를 이용하여 72시간 동안 열량 측정을 실시하였다.
- PCM의 흡열·발열량에 대한 소재 단계에서의 열 특성평가로 동일 원재료의 PCM은 형태별 열용량이 동일하므로 31℃ 분말 PCM을 사용하여 진행하였다.
- Plain과 슬럼프가 유사한 70%를 캡슐형 슬러리 PCM 내 자유수 치환율로 선정하였으며, 수화온도가 18∼50.6℃로 측정됨에 따라 28, 31℃ PCM을 1차적으로 선정하였다.
- 간이단열온도상승실험 온도결과 그래프의 최고 수화온도 및 도달시간과 유사한 그래프를 도출하기 위해 발열함수계수(K, a)를 변화시키며 역해석을 실시하였다. Table 12는 수준별 발열함수계수의 역해석 결과와 수화열 해석 결과를 나타낸다.
- 캡슐형 슬러리 PCM은 슬러리 내 액상으로 인해 초기 워커빌리티에 영향을 미치는 수량의 증가를 가져온다. 따라서 콘크리트 간이단열온도상승실험은 두 절차에 의하여 진행되었으며, 온도대 설정 실험을 통해 콘크리트 간이단열온도상승실험에 적용할 캡슐형 슬러리 PCM의 온도대와 슬러리 PCM 내 액상의 배합수에 대한 치환율을 선정하였다. 온도대 설정 실험을 통해 선정된 PCM의 온도대와 치환율을 적용하여 콘크리트 간이단열온도상승실험 및 압축강도시험을 실시하였다.
- Table 8은 온도대 설정 실험의 배합을 나타내며, Table 9는 콘크리트 간이단열온도상승실험 및 압축강도시험의 배합을 나타낸다. 배합은 콘크리트의 온도상승량을 크게 하기 위해 단위시멘트량이 높은 고강도 배합을 적용하였다.
- 28℃ PCM의 경우 원재료의 수입으로 국내에서 생산되는 31℃ PCM에 비해 생산성 및 경제성이 떨어지므로, 간이단열온도실험에 31℃ 캡슐형 슬러리 PCM을 선정하였다. 선정된 온도대의 캡슐형 슬러리 PCM과 슬러리 내 액상의 치환율을 적용하여 콘크리트 간이단열온도상승실험을 진행하였다.
- 캡슐형 슬러리 PCM의 콘크리트 적용 단계 온도대 선정 및 슬러리 내 액상의 배합수에 대한 치환율 산정을 위한 실험이다. 슬럼프 테스트에 의하여 캡슐화 슬러리 PCM 내 액상의 자유수 치환율을 산정하였으며, 17L의 스티로폼 박스 내부에 콘크리트를 타설하고, 중심부에 열전대 설치 후 데이터 로거를 이용하여 콘크리트 수화온도를 측정하였다.
- 자재, 시멘트 혼입, 콘크리트 혼입 단계에서의 수화열 평가 실험을 진행하였으며, FEM 해석을 위해 압축강도시험을 실시하였다. 실험 결과를 토대로 캡슐형 슬러리 PCM이 혼입된 콘크리트의 발열함수계수를 FEM 역해석에 의해 도출하였으며, 도출된 발열함수계수를 실구조물 규모 매스콘크리트 FEM 해석에 적용하였다.
- 따라서 본 연구에서는 캡슐형 슬러리 PCM 혼입 매스콘크리트의 온도균열 저감성능 평가를 목적으로 시차열분석기(이하, TG/DTA), 미소수화열량계(이하, Calorimeter), 간이단열온도상승실험, 압축강도시험을 진행하였다. 실험 결과를 토대로, 캡슐형 슬러리 PCM이 혼입된 콘크리트의 발열함수계수를 FEM 역해석을 통해 도출하고, 이를 실구조물 규모 매스콘크리트에 적용하여 온도균열 FEM 해석을 실시하였다.
- 역해석한 발열함수계수 분석결과를 토대로 Plain과 PCM6%에 대해 실구조물 크기의 매스콘크리트 수화열 해석에 적용하였다. 구조물은 실무에서 자주 접하는 평판 콘크리트 기초구조물을 선정하였으며, 모델링 개요는 Table 13, 재료 데이터는 Table 14와 같다.
- 따라서 콘크리트 간이단열온도상승실험은 두 절차에 의하여 진행되었으며, 온도대 설정 실험을 통해 콘크리트 간이단열온도상승실험에 적용할 캡슐형 슬러리 PCM의 온도대와 슬러리 PCM 내 액상의 배합수에 대한 치환율을 선정하였다. 온도대 설정 실험을 통해 선정된 PCM의 온도대와 치환율을 적용하여 콘크리트 간이단열온도상승실험 및 압축강도시험을 실시하였다. Table 8은 온도대 설정 실험의 배합을 나타내며, Table 9는 콘크리트 간이단열온도상승실험 및 압축강도시험의 배합을 나타낸다.
- 본 연구의 목적은 실험 및 FEM 해석을 통해 캡슐형 슬러리 PCM이 혼입된 매스콘크리트의 수화열 및 온도균열 평가하는 것이다. 자재, 시멘트 혼입, 콘크리트 혼입 단계에서의 수화열 평가 실험을 진행하였으며, FEM 해석을 위해 압축강도시험을 실시하였다. 실험 결과를 토대로 캡슐형 슬러리 PCM이 혼입된 콘크리트의 발열함수계수를 FEM 역해석에 의해 도출하였으며, 도출된 발열함수계수를 실구조물 규모 매스콘크리트 FEM 해석에 적용하였다.
- 시험체로 사용될 단열 박스는 두께 10mm합판 틀에 두께 50mm 단열재를 배치하고, 용광로 보수와 같은 내열용으로 사용되는 글라스 테이프를 이용하여 이음부의 열손실을 최소화하여 내경 300×300×300mm 정사각형으로 제작하였다. 제작된 간이단열박스 내부에 콘크리트 타설 후 실험체 중심부와 바깥 중심부에 열전대를 설치하였으며, 데이터 로거를 이용하여 30초 간격으로 온도를 측정하였다. 열전대의 중심부와 바깥 중심부 설치는 간이단열처리에 대해 단열효과가 발휘되는지 확인하기 위함이다.
- Table 10은 모델링 개요를 나타내며, 입력데이터는 Table 11과 같다. 콘크리트 물성은 28일 강도 기준으로 KCI-2007에서 선정하였으며, 대류계수는 수화온도의 하강 속도에 영향을 미치므로 Plain 실험체의 100시간 수화온도에 맞추어 도출하였다. 각 수준의 7, 28일 압축강도를 이용하여 강도발현곡선을 구현함으로써 압축강도 발현계수를 도출하였으며, 그 외 특성은 KCI-2007을 통해 선정된 콘크리트의 물성에 따른다.
- 항온·항습기를 이용하여 온도 20±3℃, 습도 60%의 환경 하에 양생을 진행하였다.
대상 데이터
- KS F 2403에 의거하여 ∅100×200mm 표준 몰드에 수준별 9개의 공시체를 제작하였다.
- Table 2는 본 실험에서 사용한 1종 보통 포틀랜드 시멘트의 특성을 나타낸다. Table 3은 골재의 특성을 나타내며, 잔골재는 표준사, 굵은 골재는 KS F 2502에 의거한 골재의 체가름 시험을 통해 최대치수 25mm 이하를 사용하였다. 혼화제는 폴리카본산 에테르계 고성능감수제를 사용하였다.
- 역해석한 발열함수계수 분석결과를 토대로 Plain과 PCM6%에 대해 실구조물 크기의 매스콘크리트 수화열 해석에 적용하였다. 구조물은 실무에서 자주 접하는 평판 콘크리트 기초구조물을 선정하였으며, 모델링 개요는 Table 13, 재료 데이터는 Table 14와 같다. Table 15는 매스콘크리트의 수화열 FEM 해석 결과를 나타낸 것이다.
- 시험체로 사용될 단열 박스는 두께 10mm합판 틀에 두께 50mm 단열재를 배치하고, 용광로 보수와 같은 내열용으로 사용되는 글라스 테이프를 이용하여 이음부의 열손실을 최소화하여 내경 300×300×300mm 정사각형으로 제작하였다.
- Table 3은 골재의 특성을 나타내며, 잔골재는 표준사, 굵은 골재는 KS F 2502에 의거한 골재의 체가름 시험을 통해 최대치수 25mm 이하를 사용하였다. 혼화제는 폴리카본산 에테르계 고성능감수제를 사용하였다. Table 4는 캡슐형 슬러리 PCM의 구성성분을 나타내고, Table 5은 캡슐형 슬러리 PCM 내 분체의 특성을 나타낸다.
데이터처리
- 온도균열지수는 온도응력과 콘크리트 인장강도에 기인하므로 수화열해석을 통해 PCM의 온도균열 저감 성능을 확인하고자 한다. 간이단열온도상승실험 결과를 이용하여 FEM프로그램을 통해 Plain 및 슬러리 PCM 혼입 콘크리트의 발열함수계수를 도출하였으며, 도출한 발열함수계수와 압축강도시험 결과를 토대로 간이단열온도상승실험 각 수준의 온도균열지수를 비교분석하였다.
이론/모형
- PCM의 흡열·발열량에 대한 소재 단계에서의 열 특성평가로 동일 원재료의 PCM은 형태별 열용량이 동일하므로 31℃ 분말 PCM을 사용하여 진행하였다. TG/DTA를 이용하여 실험을 진행하였다. Figure 3은 TG/DTA 온도 설정 그래프이며, 1℃/min의 승온 속도로 60℃까지 올리고, 30분의 Hold time 후 Fan을 이용하여 15℃까지 서서히 냉각시키도록 설정하였다.
- 콘크리트 물성은 28일 강도 기준으로 KCI-2007에서 선정하였으며, 대류계수는 수화온도의 하강 속도에 영향을 미치므로 Plain 실험체의 100시간 수화온도에 맞추어 도출하였다. 각 수준의 7, 28일 압축강도를 이용하여 강도발현곡선을 구현함으로써 압축강도 발현계수를 도출하였으며, 그 외 특성은 KCI-2007을 통해 선정된 콘크리트의 물성에 따른다. Figure 11은 발열함수계수의 FEM 역해석 절차를 나타낸다.
- 항온·항습기를 이용하여 온도 20±3℃, 습도 60%의 환경 하에 양생을 진행하였다. 압축강도 시험은 KS F 2405에 의거하여 200ton 만능재료시험기(이하, 200ton UTM)를 이용하여 120KN/m의 속도로 진행하였다. 3, 7, 28일 재령에서 압축강도를 측정하였으며, 수준별 3개 공시체의 압축강도 측정 후, 세 값의 평균값을 압축강도로 산출하였다.
성능/효과
- 최고 수화온도 도달 시간에서는 Plain은 22시간 12분, 슬러리 PCM3% 혼입 시 24시간 17분, 6%는 26시간 39분, 9%는 27시간 51분으로 측정되었다. Figure 9(a), (b)와 같이 슬러리 PCM3%, 6%, 9%에서 각각 2시간 5분, 4시간 27분, 5시간 38분 지연되는 것을 확인할 수 있었으며, PCM 1% 혼입마다 각각 22분, 44분, 38분 지연되는 것으로 나타났다. 지연율에 있어서 PCM6%에서 가장 성능효율이 높게 나타났다.
- 1) TG/DTA를 이용한 PCM의 소재 단계 열 성능평가 결과, 발열피크는 31℃보다 낮은 구간에서 나타났으며, 발열온도범위가 22.60∼19.44℃로 나타나 과냉각이 발생하지 않은 것을 확인할 수 있었다.
- 2) PCM의 시멘트 적용 단계 열량 측정평가 결과, PCM 6%가 혼입된 경우, PCM분말 1g당 34.61J만큼의 열량을 흡열하는 것으로 나타났다. 이를 통해 PCM은 시멘트 혼입 시에도 흡열 성능이 충분히 발휘됨을 확인하였다.
- 3) PCM의 콘크리트 혼입 단계에서의 간이단열온도상승실험 결과, PCM 혼입율이 증가함에 따라 최고 수화온도 도달시간은 지연되었으나, 최고 수화온도에서는 PCM6%와 비교하여 PCM9%에서는 추가적인 온도저감 성능은 미미하게 나타났다. 압축강도시험에서는 PCM 혼입율이 증가함에 따라 압축강도가 저하되는 것으로 나타났다.
- 4) 콘크리트 간이단열온도상승실험의 FEM 역해석을 통해 발열함수계수를 도출한 결과, PCM 혼입율이 증가함에 따라 반응속도계수는 낮게 도출되었으나, 최고온도계수는 PCM6%에서 변곡점이 발생되어 추가 혼입 시 최고온도계수가 오히려 증가하는 것으로 나타났다.
- 5) 역해석에 의해 도출된 발열함수계수를 실구조물 규모 매스콘크리트 FEM 해석에 적용한 결과, 캡슐형 슬러리 PCM 6% 혼입된 수준이 온도균열지수가 높게 도출됨으로써 콘크리트 내부 온도 상승 시 흡열 성능, 하강시의 발열 성능에 의해 온도응력의 발생이 저감되는 것을 확인하였다.
- PCM 소재 단계 실험을 통해 31℃ PCM이 과냉각 현상 없이 흡열, 발열 특성이 정상적으로 나타나는 것을 확인하였다. PCM의 시멘트 혼입 단계에서는 PCM 1g당 34.
- PCM 소재 단계 실험을 통해 31℃ PCM이 과냉각 현상 없이 흡열, 발열 특성이 정상적으로 나타나는 것을 확인하였다. PCM의 시멘트 혼입 단계에서는 PCM 1g당 34.61J만큼의 수화열을 흡열하는 것으로 나타났으며, 콘크리트 혼입 단계에서는PCM 혼입율이 증가함에 따라 최고수화온도 도달시간은 지연되고, PCM 6% 혼입 시 수화열 저감성능이 가장 높게 나타났다. 실험결과를 토대로 역해석을 실시한 결과, PCM 혼입율이 증가함에 따라 반응속도계수는 낮게 도출되었으나, 최고온도계수는 6%에서 최소로 나타나고, 초과할 경우 오히려 증가하는 것으로 해석되었다.
- 84J/g으로 측정되었다. PCM이 해당 온도에서뿐만 아니라 7.56℃ 낮은 온도에서부터 흡열반응이 시작하는 것을 확인할 수 있으며, 발열반응은 해당 PCM의 온도대보다 8.40℃ 낮은 온도대에서 시작되는 것을 확인할 수 있었다. 이를 통해 본 연구에서 선정한 C사의 31℃ PCM은 과냉각의 문제가 발생하지 않고, 흡열·발열 성능이 발휘되는 것을 확인하였다.
- PCM이 혼입된 콘크리트는 수화온도는 저감시키나, 강도 측면에서는 저하되는 것으로 나타났다. 온도균열지수는 온도응력과 콘크리트 인장강도에 기인하므로 수화열해석을 통해 PCM의 온도균열 저감 성능을 확인하고자 한다.
- Table 15는 매스콘크리트의 수화열 FEM 해석 결과를 나타낸 것이다. 그 결과, 실험에 의한 결과와 동일하게 PCM이 혼입됨에 따라 최고 수화온도가 저감되는 것으로 나타났다. 6% 혼입 시 최고 수화온도는 4.
- 61MPa로 Plain과 비교하여 각각 31, 24, 24%의 강도 저하가 발생했다. 또한 슬러리 PCM6% 혼입율에서는 8.1, 26.7, 32.78 MPa로 각각 45, 40, 40%, PCM9% 혼입율에서는 7, 21.1, 25.24 MPa로 각각 52, 55, 55% 강도 저하가 발생했다. PCM 혼입율이 증가함에 따라 강도가 저하되는 것으로 나타났으며, 이는 PCM 혼입율이 증가함에 따른 계면 파괴에 기인한 것으로 사료된다.
- 44℃로 나타나 과냉각이 발생하지 않은 것을 확인할 수 있었다. 또한, PCM이 소재단계에서 온도변화에 따라 흡열 및 발열 특성이 발휘되는 것을 확인하였다.
- Figure 12는 역해석에 의한 발열함수계수의 양상을 나타낸다. 반응속도계수는 최고 수화온도 도달시간이 지연됨에 따라 낮게 도출되었으나, 최고온도계수는 PCM6%에서 변곡점이 발생하여 9%에서는 오히려 6%에 비해 증가하는 것으로 나타났다. Figure 13은 역해석에 의해 도출한 실험체의 수화열 해석 그래프를 나타낸다.
- 61J만큼의 수화열을 흡열하는 것으로 나타났으며, 콘크리트 혼입 단계에서는PCM 혼입율이 증가함에 따라 최고수화온도 도달시간은 지연되고, PCM 6% 혼입 시 수화열 저감성능이 가장 높게 나타났다. 실험결과를 토대로 역해석을 실시한 결과, PCM 혼입율이 증가함에 따라 반응속도계수는 낮게 도출되었으나, 최고온도계수는 6%에서 최소로 나타나고, 초과할 경우 오히려 증가하는 것으로 해석되었다. 역해석을 통해 도출한 발열함수계수를 실구조물 규모 매스콘크리트의 수화열 해석에 적용한 결과, PCM 1% 혼입 당 온도균열지수가 0.
- Figure 13은 역해석에 의해 도출한 실험체의 수화열 해석 그래프를 나타낸다. 실험결과와 같이 PCM9%에서 온도 하강 시 역전이 일어나는 것을 확인하였다. 온도균열지수는 20으로 동일하게 해석되었으며, Lab 규모의 실험으로 온도균열이 발생하지 않은 것으로 판단된다.
- 실험결과를 토대로 역해석을 실시한 결과, PCM 혼입율이 증가함에 따라 반응속도계수는 낮게 도출되었으나, 최고온도계수는 6%에서 최소로 나타나고, 초과할 경우 오히려 증가하는 것으로 해석되었다. 역해석을 통해 도출한 발열함수계수를 실구조물 규모 매스콘크리트의 수화열 해석에 적용한 결과, PCM 1% 혼입 당 온도균열지수가 0.05 증가하는 것으로 나타났다.
- 19J/g의 열량저감이 나타났다. 이는 시멘트 적용 시 시멘트에 의한 발열량을 PCM의 흡열 성능에 의해 일부 상쇄된 결과로 시멘트 적용 시 온도저감효과가 발휘되는 것을 확인하였다.
- 61J만큼의 열량을 흡열하는 것으로 나타났다. 이를 통해 PCM은 시멘트 혼입 시에도 흡열 성능이 충분히 발휘됨을 확인하였다.
- 이를 통해 본 연구에서 선정한 C사의 31℃ PCM은 과냉각의 문제가 발생하지 않고, 흡열·발열 성능이 발휘되는 것을 확인하였다.
- Figure 9(a), (b)와 같이 슬러리 PCM3%, 6%, 9%에서 각각 2시간 5분, 4시간 27분, 5시간 38분 지연되는 것을 확인할 수 있었으며, PCM 1% 혼입마다 각각 22분, 44분, 38분 지연되는 것으로 나타났다. 지연율에 있어서 PCM6%에서 가장 성능효율이 높게 나타났다. 또한 PCM9% 혼입 시 온도 하강 시에도 다른 수준에 비해 콘크리트 내부 온도가 서서히 하강되어 역전이 일어났다.
- 또한 PCM9% 혼입 시 온도 하강 시에도 다른 수준에 비해 콘크리트 내부 온도가 서서히 하강되어 역전이 일어났다. 최고 수화온도 및 최고 수화온도 도달시간을 고려할 경우 PCM 혼입율 6%가 적합함을 확인할 수 있었다.
- Figure 9는 캡슐형 슬러리 PCM의 혼입율에 따른 콘크리트 간이단열온도상승시험에 의한 열 특성평가 결과 그래프를 나타낸다. 최고 수화온도의 경우, Plain은 63.7℃, PCM3%는 60℃, PCM6%는 55.1℃, PCM9%는 55.2℃로 나타나 슬러리 PCM의 혼입율이 증가함에 따라 최고 수화온도는 저감되는 것을 확인할 수 있었다. PCM3%에서는 PCM 혼입율 1%당 1.
후속연구
- 따라서 PCM 혼입 매스콘크리트의 온도균열저감 평가에서는 경제성 및 입자 크기 면에서 유리하고, 콘크리트와 같은 수화물에 적용이 용이한 유기계 캡슐형 슬러리 PCM을 선정할 필요가 있다. 또한, 특정 온도에서 흡열 및 발열 특성이 나타나는 PCM 특성 상 실험계획 수립 시 온도대 설정 실험을 통한 PCM의 온도대 선정이 필요하다고 판단된다.
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