경화촉진제를 사용한 프리캐스트 콘크리트의 단열온도특성 및 FEM해석에 의한 균열성능 평가에 관한 연구 Effect of Hardening Accelerators on the Adiabatic Temperature property Properties of Precast Concrete and FEM analysis for Evaluating the Crack Performance원문보기
본 연구에서는 콘크리트 레벨에서의 프리케스트 콘크리트 개발을 목적으로 하며 수화열에 의한 균열발생을 확인하기 위해 FEM해석을 실시하여 초기균열 지수를 평가하였다. 평가결과 경화촉진제 사용량이 증가할수록 조기 압축강도가 증가하는 것으로 나타났으며 응결 시간 또한 단축되는 것을 알 수 있었다. 이는 경화촉진제에 의하여 시멘트 화합물중 $C_3A$의 반응에 의해서 응결시간이 단축되는 것으로 판단된다. 또한 단열온도 상승 시험 결과 경화촉진제의 사용량이 증가 할수록 콘크리트 중심부 온도 $80^{\circ}C$이상의 온도를 나타냈으며 경화촉진제에 의해서 최고 온도 발열시간을 단축시키는 것으로 나타났다. 이는 경화촉진제가 시멘트 수화반응을 촉진시켜 수화열을 짧은 시간에 높게 나타나는 현상으로 판단된다. 또한 높은 수화열은 균열을 발생시킬 수 있음으로 FEM 해석을 통하여 균열지수 평가를 실시하였다. FEM 해석 결과 조기에 높은 수화열이 증가하여도 균열에는 영향이 없는 예측된다. 이는 초기강도가 높기 때문에 허용응력이 증가로 인하여 인장강도가 증가하기 때문이다.
본 연구에서는 콘크리트 레벨에서의 프리케스트 콘크리트 개발을 목적으로 하며 수화열에 의한 균열발생을 확인하기 위해 FEM해석을 실시하여 초기균열 지수를 평가하였다. 평가결과 경화촉진제 사용량이 증가할수록 조기 압축강도가 증가하는 것으로 나타났으며 응결 시간 또한 단축되는 것을 알 수 있었다. 이는 경화촉진제에 의하여 시멘트 화합물중 $C_3A$의 반응에 의해서 응결시간이 단축되는 것으로 판단된다. 또한 단열온도 상승 시험 결과 경화촉진제의 사용량이 증가 할수록 콘크리트 중심부 온도 $80^{\circ}C$이상의 온도를 나타냈으며 경화촉진제에 의해서 최고 온도 발열시간을 단축시키는 것으로 나타났다. 이는 경화촉진제가 시멘트 수화반응을 촉진시켜 수화열을 짧은 시간에 높게 나타나는 현상으로 판단된다. 또한 높은 수화열은 균열을 발생시킬 수 있음으로 FEM 해석을 통하여 균열지수 평가를 실시하였다. FEM 해석 결과 조기에 높은 수화열이 증가하여도 균열에는 영향이 없는 예측된다. 이는 초기강도가 높기 때문에 허용응력이 증가로 인하여 인장강도가 증가하기 때문이다.
In this study, initial crack index was evaluated by FEM analysis to find the crack propagation from hydration heat in precast concrete. As results, as the usage of hardening accelerator increased, initial compressive strength increased and setting time was shortened. Additionally, as amounts of hard...
In this study, initial crack index was evaluated by FEM analysis to find the crack propagation from hydration heat in precast concrete. As results, as the usage of hardening accelerator increased, initial compressive strength increased and setting time was shortened. Additionally, as amounts of hardening accelerators increased, the central temperature of concrete increased and the time to reach the highest temperature was shortened. It was demonstrated that the hardening accelerators accelerated the hydration reaction of cement, and caused the increase of hydration heat within the short period of time. Furthermore, the crack index for evaluating the heat level was performed by FEM. As results, there was no problem about the cracks, despite of the growth of initial high hydration heat. This is because of the increased tensile strength that is large enough to sustain the thermally induced-stress.
In this study, initial crack index was evaluated by FEM analysis to find the crack propagation from hydration heat in precast concrete. As results, as the usage of hardening accelerator increased, initial compressive strength increased and setting time was shortened. Additionally, as amounts of hardening accelerators increased, the central temperature of concrete increased and the time to reach the highest temperature was shortened. It was demonstrated that the hardening accelerators accelerated the hydration reaction of cement, and caused the increase of hydration heat within the short period of time. Furthermore, the crack index for evaluating the heat level was performed by FEM. As results, there was no problem about the cracks, despite of the growth of initial high hydration heat. This is because of the increased tensile strength that is large enough to sustain the thermally induced-stress.
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문제 정의
이러한 문제점을 해결 하고자 본 연구에서는 선행연구를 통하여 증기양생을 실시하지 않고 상온양생으로 6시간에 “주택공사 시방서”에 규정하는 몰드 탈형 강도인 10MPa 이상을 발현하는 프리캐스트 콘크리트 개발을 목적으로 한 시멘트모르타르 연구를 실시하여 그 가능성을 확인하였고[10] 강도발현 메커니즘에 관한 미세화학적 연구 또한 실시하였다.[11,12,13] 따라서 본 연구에서는 기존연구를 바탕으로 콘크리트 레벨에서의 프리캐스트 콘크리트 개발을 목적으로 하며 수화열에 의한 균열발생을 확인하기 위해 FEM해석을 실시하여 초기균열 지수를 평가하는데 목적이 있다.
제안 방법
또한 단열온도 상승시험을 통하여 촉진제의 사용량에 따른 수화열 측정을 하였으며 단열온도 상승 시험결과와 압축강도 측정 결과 값을 이용하여 FEM 해석을 실시하여 균열지수 예측하였다. 경화된 콘크리트 실험에서는 압축강도 측정을 재령 6시간, 12시간, 1일, 3일, 7일, 28일 측정 하였다.
균열지수 해석을 실시한 다음 콘크리트표준시방서에 명시된 온도균열제어수준에 따른 온도균열지수와 비교 평가하였다. Table 6은 콘크리트 표준시방서에 명시된 온도균열 제어수준에 따른 온도균열지수를 나타낸 것이다.
실험 항목은 굳지않은 콘크리트에서는 슬럼프 플로우 실험과 공기량 실험을 실시하였으며 촉진제의 혼입량에 따라 관입저항 시험을 통해 응결시간을 측정 하였다. 또한 단열온도 상승시험을 통하여 촉진제의 사용량에 따른 수화열 측정을 하였으며 단열온도 상승 시험결과와 압축강도 측정 결과 값을 이용하여 FEM 해석을 실시하여 균열지수 예측하였다. 경화된 콘크리트 실험에서는 압축강도 측정을 재령 6시간, 12시간, 1일, 3일, 7일, 28일 측정 하였다.
본 연구는 증기양생 없이 상온양생(20±2℃)에서 재령 6시간이내 프리캐스트 콘크리트 거푸집 탈형강도인 10MPa 이상의 강도를 발현하는 프리캐스트 콘크리트개발을 위한 실험으로서, 경화촉진제 사용량에 따라 강도 발현 특성 및 수화열 평가를 통하여 초기균열에 대한 FEM 해석을 실시하였다. 콘크리트 배합은 Table 1과 같으며 경화촉진제 사용량에 따른 콘크리트 특성을 평가하기 위하여 사전 연구[13]를 통하여 W/C는 30%로 설정하였다.
0%의 4가지 수준으로 설정 하였다. 실험 항목은 굳지않은 콘크리트에서는 슬럼프 플로우 실험과 공기량 실험을 실시하였으며 촉진제의 혼입량에 따라 관입저항 시험을 통해 응결시간을 측정 하였다. 또한 단열온도 상승시험을 통하여 촉진제의 사용량에 따른 수화열 측정을 하였으며 단열온도 상승 시험결과와 압축강도 측정 결과 값을 이용하여 FEM 해석을 실시하여 균열지수 예측하였다.
대상 데이터
형성된 gel상은 Ca2+와 다시 결합하여 C-S-H의 생성과 성장을 유도한다[14]. 따라서 본 연구에서는 Ca2+가 C-S-H의 생성에 많은 영향을 미치는 점을 이용하여 주성분이 Ca2+인 칼슘계의 경화촉진제를 사용하였다. 경화촉진제의 주성분인 Ca2+는 이온 포화도를 빨리 과포화에 도달하게 만들어주는 역할을 하며 Ca(OH)2의 형성을 촉진 시킨다.
S 함유량이 높은 국내A사의 조강시멘트를 사용하였으며 광물조성은 Table 2와 같다. 또한 잔골재와 굵은 골재는 KS F 2526 과 KS F 2547에 준하는 골재를 사용하였으며 물리적 특성은 Table 3과 같다. 혼화제는 고성능 AE감수제를 사용하였다.
본 실험에서 사용된 시멘트는 C3S 함유량이 높은 국내A사의 조강시멘트를 사용하였으며 광물조성은 Table 2와 같다. 또한 잔골재와 굵은 골재는 KS F 2526 과 KS F 2547에 준하는 골재를 사용하였으며 물리적 특성은 Table 3과 같다.
데이터처리
Table 10은 FEM해석에서 적용한 모델링 개요를 나타낸다. FEM 해석은 MIDAS 프로그램을 이용하였으며 단열온도 상승 시험 및 압축강도 시험 결과를 바탕으로 2m×2m×1m의 메스콘크리트 부재로 설정하여 해석을 실시하였다. 또한 해석 부제의 중심부와 표층부의 온도이력과 응력분포 해석위치는 Table 10에 나타내었으며 해석 시간은 7일로 하였다.
단열온도 상승실험 결과는 다음 식(1)에 의거하여 오리진 프로그램을 이용하여 발열함수계수(K, α)를 산출하였다. 또한 프리캐스트 콘크리트의 균열지수 FEM 해석은 MIDAS 해석 프로그램을 이용하여 온도이력해석과 열응력 해석을 실시하여 최종 균열지수 해석을 실시하였다.
성능/효과
1) 경화촉진제의 사용량이 증가 할수록 유동성은 증가하는 것으로 나타났으며 이는 경화촉진제의 성분 중 유동성을 증가시키는 Polycarboxyalte성분이 포함되어 있음으로 유동성이 증가하는 것으로 판단된다. 또한 공기량은 일반 고강도 콘크리트와 유사한 범위를 나타내었다.
2) 응결실험 결과, 경화촉진제의 사용량이 증가 할수록 증결시간은 단축되는 것으로 판단되며 기존 프리캐스트 콘크리트의 콘크리트는 타설 시간이 60분 이내 이루어짐으로 증기양생이 없는 프리캐스트 콘크리트 개발시 경화촉진제의 사용량은 시멘트량 대비 2%이하로 사용해야 할 것으로 판단된다.
3) 압축강도 측정결과 경화촉진제의 사용량이 증가할수록 조기압축강도는 증가하였으며 장기 압축강도에서는 감소하는 것으로 나타났다. 수화반응 속도가 증가할수록 수화생성물의 확산이 불충분하며 시멘트 입자 주변에 불투수층 생성과 미세 구조내부의 수화 gel 분포의 불균일에 의해 나타나는 현상으로 판단된다.
4) 미소수화열량계를 통한 시멘트의 수화속도와 총 수화열 측정 결과 약 1시간 이후부터 촉진제가 C3S의 수화 속도를 앞당겨 초기에 강도를 발현시키는데 효과적인 것을 확인 할 수 있었다.
5) 단열온도 상승시험결과 경화촉진제 사용량이 증가할수록 초기 수화발열량이 높은 것을 알 수 있었다. 또한 경화촉진제가 시멘트 수화반응을 단시간에 촉진시키기 때문에 최고온도 발현 재령이 다른 것으로 나타났다.
6) FEM 해석을 통하여 균열지수 평가를 한 결과 조기에 수화열이 증가해도 균열에는 영향이 없는 것으로 예측된다. 이는 초기에 압축강도 발현속도가 증가하여 허용응력이 온도응력보다 높기 때문인 것으로 판단된다.
후속연구
따라서 경화촉진제의 사용량이 증가할수록 반응속도가 증가하고 강도발현 발현 속도 또한 증가하는 것으로 판단된다. 또한 경화촉진제의 사용량에 따라 높은 수화열을 나타남으로서 건조 수축이나 자기수축에 의한 균열이 발생 할 것으로 사료되며 추후 연구에서는 수축실험이 병행되어야 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
프리캐스트 콘크리트 공법이란?
프리캐스트 콘크리트(PC) 공법은 공장에서 제작된 콘크리트 부재를 건축 및 토목현장으로 운반하여 조립하는 것으로, 공정관리가 용이하고 시공성이 우수하여 아파트 지하 공간, 경기장 등을 중심으로 건설현장에서 널리 적용되고 있다. 현재, PC 공법에 관한 연구는 주로 구조체 접합부의 구조성능 향상, 프리스트레스 도입, Half PC화 등 구조측면 및 시공측면에 관한 연구가 주를 이루고 있다.
상온양생으로 PC거푸집의 조기탈형이 가능한 콘크리트 기술개발이 요구 되는 이유는?
또한, 프리캐스트 콘크리트 제작에서는 대부분 콘크리트의 조기강도 발현을 위하여 증기양생 방법을 사용하고 있으며, 1일 12시간 정도의 증기양생을 반드시 실시하고 있다. 그러나 현재 국제유가 급등으로 인한 증기양생 비용의 상승과 함께 양생비용이 증가함으로써 프리캐스트 생산업체들은 경제적 어려움을 겪는 실정이다. 따라서 이를 해결하기 위하여 증기양생을 실시하지 않고 상온양생으로 PC거푸집의 조기탈형이 가능한 콘크리트 기술개발 요구가 절실히 요청되고 있다[7].
프리캐스트 콘크리트 공법의 장점은?
프리캐스트 콘크리트(PC) 공법은 공장에서 제작된 콘크리트 부재를 건축 및 토목현장으로 운반하여 조립하는 것으로, 공정관리가 용이하고 시공성이 우수하여 아파트 지하 공간, 경기장 등을 중심으로 건설현장에서 널리 적용되고 있다. 현재, PC 공법에 관한 연구는 주로 구조체 접합부의 구조성능 향상, 프리스트레스 도입, Half PC화 등 구조측면 및 시공측면에 관한 연구가 주를 이루고 있다.
참고문헌 (14)
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Min TB, Jo IS, Lee HS. Experimental Study on the Early Strength Development Mechanism of Cement paste using Hardening Accelerator and High-Early-Strength Cement. Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection. 2014January;18(1):84-92
Min TB, Jo IS, Lee HS, Park WJ, Choi HK. Experimental study on the development of compressive strength of early concrete age using calcium-based hardening accelerator and high early strength cement. Construction and Building Materials. 2014April;64:208-14
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