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문제 정의
- -20℃이하의 극저온조건에서 타설되는 콘크리트는 초기동해 방지를 위해 적절한 급열을 포함한 보온양생이 이루어져야 하는데, 현재까지 국내에서 극저온조건의 효율 적인 보온양생 방법이 제시된 경우가 드문 실정이다. 따라서 본 연구에서는 -20℃의 극한조건에서 시공되는 콘크리트의 초기동해 방지를 위한 효율적인 보온양생방법을 제시하고자, 보온양생 재료의 조합 변화에 따른 콘크리트의 온도이력, 적산온도 및 코어강도 결과를 고찰하였다. 실험변수로서 보온양생방법 조합에 따라 기둥, 슬래브 및벽체를 모사한 목업 시험체를 제작한 후, 단열, 가열 및 양자 병용방법을 적용하여 실험을 진행하였다.
- 따라서 본 연구에서는 극한의 온도조건에서 시공되는 콘크리트의 효과적인 초기동해 방지 방법을 제시하기 위하여 일평균 기온 -20℃조건에서 기둥, 벽체 및 슬래브로 일체화된mock-up부재를 제작한 후 가열 및 단열방법이 조합된 보온양생방법을 적용하여 콘크리트의 온도 이력, 적산온도, 등가재령 및 강도증진 성상을 고찰하고자 한다.
제안 방법
- 본 연구의 실험 방법으로 부재별 온도측정은 Figure 3의 (a) 및 (b)와 같이 부재의 상부, 중앙부, 하부 및 모서리 부위에 T-type 열전대를 매립하고 Data logger를 이용하여 콘크리트 내부의 온도이력을 측정하였으 며, 콘크리트에 매립되는 열선은 콘크리트 표면에서 50mm아래, 250mm 간격으로 설치한 후 전원을 공급하여 양생기간 동안 콘크리트 온도가 10℃로 유지되도록 하였다.
- Specimen 1의 부재별 보온양생 방법은 Figure 1의 (a)와 같이 슬래브 부재의 경우 단면이 여타부재에 비해 가장 열악하여 가열 및 단열의 조합으로 4BS내에 5 W 열선을 적층하여 일체화한 패드를 적용하였고 벽체 및 기둥은 50mm 두께의 EPS 단열재를 적용하는 것으로 계획하였다. 한편, Specimen 2의 경우 Figure 1 (a)와 같이 기둥과 벽체는 Specimen 1과 동일한 방법을 적용하였으나, 슬래브의 경우 Specimen 1에 적용된 일체형 패드에 사용된 열선의 용량을 15 W로 상향시켜 적용하는 것으로 계획하였다.
- Specimen 3은 Figure 1 (b)와 같이 벽체 및 기둥의 경우 Specimen 1 및 2와 동일한 보온 양생방법을 적용하였으나, 슬래브의 경우 15 W 열선을 4BS에 적층시키는 대신 동일용량의 열선을 콘크리트 속에 매설하는 것으로 계획하였다.
- 각 보온양생 방법별 양생기간은 Table 3과 같은데, -20℃ 극한 온도조건에서 콘크리트의 초기동해 방지를 위해 Table 3에 제시된 가열+단열 조합으로 초기양생을 7일간 계획하였다.
- 이상의 결과, 본 연구범위에서 -20℃의 조건에서 시공되는 콘크리트는 초기보온양생으로 가장 열악한 조건인 슬래브의 경우 4BS+5W 열선양생이상의 조합이 적절할 것으로 판단되며, 벽체의 경우 공간가열+발열매트 조합, 그리고 기둥의 경우 50mm EPS 단열재 사용 및 공간가열+발열매트 조합이 적절할 것으로 판단된다. 단, 본 연구의 한계로서 -20℃조건에서 초기보온양생기간을 가능한 최소화하기 위해 시방서에서 제시한 타설시 콘크리트의 타설온도 및 외기온도를 20℃전후로 다소 높게 설정하였다. 다만, 향후 외기온도를 초기부터 -20℃로 직접 노출시켜 최악의 조건에서 콘크리트의 온도이력 및 초기동해 방지방법에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.
- 본 연구의 실험계획은 Table 1과 같고 배합사항은 Table 2와 같다. 먼저, W/B는 실무조건에서 일반적으로 사용하는 강도수준을 반영하여 50% 수준에 플라이애시(FA)를 20% 치환한 배합의 콘크리트를 사용하였고, 극저온 환경으로 양생실 내부의 온도를 -20℃의 일정온도 조건으로 유지하도록 하였다. mock-up부재는 Figure 1∼3 에서 보는 바와 같이 슬래브, 벽체 및 기둥이 일체화된 4개의 부재를 제작하였는데, 슬래브의 경우 1600×800×200mm, 벽체의 경우 800×600×200mm 그리고 기둥의 경우 800×600×600mm로 제작하였다.
- 본 연구에서는 -20℃조건에서 시공되는 콘크리트의 보온양생 방법별 온도이력, 적산온도발현 및 코어압축강도 측정을 통해 초기동해 방지효과를 고찰하였는데, 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
- 따라서 본 연구에서는 -20℃의 극한조건에서 시공되는 콘크리트의 초기동해 방지를 위한 효율적인 보온양생방법을 제시하고자, 보온양생 재료의 조합 변화에 따른 콘크리트의 온도이력, 적산온도 및 코어강도 결과를 고찰하였다. 실험변수로서 보온양생방법 조합에 따라 기둥, 슬래브 및벽체를 모사한 목업 시험체를 제작한 후, 단열, 가열 및 양자 병용방법을 적용하여 실험을 진행하였다. 연구결과에 따르면, 슬래브 부재의 경우 온도이력 및 적산온도 측정결과 4BS+열선조합, 벽체의 경우 가열양생+발열매트 그리고 기둥의 경우 EPS 단열재조합에서 3일 이내에 초기동해 방지에 요구되는 적산온도인 45°D·D를 상회하며 0℃이하로 콘크리트 온도가 저하하지 않는 것으로 나타나 본 연구범위에서 최적의 조합으로 판단된다.
- 즉, -20℃의 극한외기에 저항하기 위하여 단열보온양생과 가열보온양생을 조합하고자 하는 데, 슬래브 부재의 보온양생은 4중 버블시트(4BS)와 열선(5W, 15W)을 조합하여 사용하였고 벽체 및 기둥의 수직재는 스티로폼 단열재를 기본으로 하고 발열매트를 적용하는 것으로 하였다. 실험사항으로는 부재의 각 부위별 온도이력 및 코어공시체 압축강도를 측정하는 것으로 계획하였다.
- 본 연구에서 실험한 보온양생공법 조합은 Table 3에 제시된 바와 같다. 즉, -20℃의 극한외기에 저항하기 위하여 단열보온양생과 가열보온양생을 조합하고자 하는 데, 슬래브 부재의 보온양생은 4중 버블시트(4BS)와 열선(5W, 15W)을 조합하여 사용하였고 벽체 및 기둥의 수직재는 스티로폼 단열재를 기본으로 하고 발열매트를 적용하는 것으로 하였다. 실험사항으로는 부재의 각 부위별 온도이력 및 코어공시체 압축강도를 측정하는 것으로 계획하였다.
대상 데이터
- mock-up부재는 Figure 1∼3 에서 보는 바와 같이 슬래브, 벽체 및 기둥이 일체화된 4개의 부재를 제작하였는데, 슬래브의 경우 1600×800×200mm, 벽체의 경우 800×600×200mm 그리고 기둥의 경우 800×600×600mm로 제작하였다.
- 기둥 및 벽의 단열재로 사용되는 단열재는 50mm 두께의 EPS 단열재를 사용하였고, 발열매트는 거푸집 크기에 적합하도록 주문 제작하였는데, 그 제원 및 물리적 성질은 Table 6 및 7과 같다.
- 단열보온 양생재료인 4BS는 Figure 2에서보는 바와 같이 버블시트를 4중으로 적층한 후 내부에 열선을 매립한 적층형 일체 패드형태를 사용하는 것으로 하였는데, 이때 열선은 시중에 판매되는 콘크리트 매립용 열선을 사용하였고, 물리적 성질은 Table 4 및 5와 같다.
- 본 연구에서 사용한 재료로서 먼저 콘크리트는 상용 레미콘을 사용하였다.
성능/효과
- 1) 온도이력 특성으로 슬래브 부재의 경우 타설후 72 시간을 전후로 0℃이하로 저하되는 것으로 나타났고, Specimen 4 시험체의 경우가 가장 양호한 온도이력 특성을 갖는 것을 확인하였다. 아울러 벽체의 경우 하부에서 EPS 단열재 사용시 30시간 전후 에서 0℃이하로 저하되며, 공간가열+발열매트를 적용한 경우에서 가장 양호한 온도이력 특성을 나타내었고, 기둥의 경우 여타부재보다 두꺼운 특성으로 인해 하부를 제외한 모든 부위에서 98시간전 후에 0℃이하로 저하됨을 확인할 수 있었다.
- 2) 재령경과에 따른 적산온도 및 등가재령은 슬래브의 경우 모든 조합에서 초기동해 방지에 요구되는 적산온도를 확보할 수 있어 단열+표면가열 조합의 초기동해 방지효과를 확인할 수 있었고, 벽체의 경우는 공간가열+발열매트 조합, 기둥의 경우는 EPS 단열재 및 공간가열+발열매트 조합에서 소요적산 온도인 45°D·D를 1∼3일 사이에 확보할 수 있음을 확인 할 수 있었다.
- 3) 코어공시체 압축강도 측정 결과, 모든 시험체에서 설계기준강도의 40∼50%수준의 강도발현을 보였는데, 이는 추가적인 보온양생이 실시되지 않아 적산온도 및 등가재령의 발현이 부족하여 나타난 결과로 판단된다.
- Specimen 1 및 Specimen 2의 경우 벽체에 50mm두께의 EPS 단열재를 공히 사용하였는데, 타설후 초기에 다소 발열을 보이나 이후 온도가 급속히 저하하여 벽체 하부는 24시간만에 0℃이하로 온도가 저하하고 이후 144시간에서 외기온과 유사한 온도거동을 보이는 것으로 나타나 초기동해 발생의 우려가 제기되었으며, 중앙부 및 상부의 경우 60 시간을 전후로 0℃이하로 저하함을 확인하였다. 특히 벽체 상부의 경우 슬래브부재와 인접해있고 하부의 수화열이 상부로 상승하는 이점 때문에 0℃이하로 저하되는 시기가 하부에 비해 30시간정도 늦게 나타났다.
- Specimen 1, 2 및 3공히 50mm EPS 단열재를 사용함에 따라 유사한 온도이력을 나타내어 72∼98시간 부근에서 0℃이하로 저하하는 것으로 나타났다.
- Specimen 2의 경우 슬래브는 3일에서 45°D·D를 만족하고 있고, 온도이력의 결과도 0℃이상을 상회하여 초기동해를 면할 수 있을 것으로 판단되나, 재령 7일에서도 45°D·D를 하회하여 벽체의 경우는 초기동해를 입을 수 있을 것으로 사료된다.
- Specimen 4의 경우는 공간가열 및 4BS 포설에 의한 단열로 슬래브는 1∼3일전후로 45°D·D를 확보할 수 있으며, 벽체는 공간 가열 및 발열매트의 급열로 인해 1∼3일 사이에서 45°D·D를 확보함을 확인할 수 있었다.
- 따라서 본 연구 범위에서 슬래브의 경우 공간가열 및 4BS 조합, 벽체 및 기둥의 경우 공간가열 및 발열매트 조합이 가장 우수한 온도이력 특성을 발휘함을 알 수 있었다.
- 이는 양생막과 히터의 급열에 의한 외기온도 차단 및 4BS의 단열효과가 복합되어 콘크리트의 수화발열을 충분히 유도하였기 때문으로 판단된다. 따라서 본 연구조건에서 온도이력을 중심으로 판단해보면 가장 효과적인 슬래브 부재의 보온양생 방법은 Speci-men 4에 적용된 보온양생방법으로 사료된다.
- 또한, 기둥의 경우 공간가열 및 발열매트의 급열로 인해 벽체와 동일하게 1∼3일 사이에 소요 적산온도를 확보함을 알 수 있었다.
- 먼저, Specimen 1 시험체의 경우 4BS+5 W 용량의 열선 적층형 일체 패드를 사용함에 따라 보온 효과에 기인하여 타설 후 다소 온도가 상승하다 24시간 이후부터 급속히 저하하여 72시간을 전후로 모든 단면에서 0℃이하로 저하되었고, 120시간 부근에서 -10℃의 온도를 유지하고 있음을 알 수 있었다.
- Specimen 1, 2 및 3공히 50mm EPS 단열재를 사용함에 따라 유사한 온도이력을 나타내어 72∼98시간 부근에서 0℃이하로 저하하는 것으로 나타났다. 반면에 발열매트를 적용한 Specimen 4의 경우 기둥의 열용량 효과와 발열매트의 급열효과에 기인하여 타설후 72시간까지 온도가 저하하다 그 이후부터는 10℃의 온도로 유지됨을 확인 할 수 있었다. 단, 기둥 하부의 경우 72시간을 전후로 0℃이하로 저하하는 것으로 나타났다.
- 이는 초기보온 양생기간 동안은 보온에 의한 소요 적산온도 발현이 가능하여 강도가 어느 정도 발현되나, 보온양생 종료 후에는 시험체가 -20℃조건으로 노출됨에 따라 극저온에 의해 더 이상 강도발현이 이루어지지 않아 나타난 결과로 판단된다. 보온양생에 의한 급열이 양호하게 이루어진 Specimen 4 시험체에서 여타의 경우보다 다소 높은 코어 압축강도를 발휘하는 것으로 나타났다. 또한, Figure 9는 재령 28일 동안의 적산 온도 및 등가재령과 코어 압축강도를 비교한 것으로 적산온도는 28일간 150°D·D 수준으로 발현되어 20℃, 28일 양생시 얻어지는 840°D·D에서 표준양생 공시체가 29.
- 1) 온도이력 특성으로 슬래브 부재의 경우 타설후 72 시간을 전후로 0℃이하로 저하되는 것으로 나타났고, Specimen 4 시험체의 경우가 가장 양호한 온도이력 특성을 갖는 것을 확인하였다. 아울러 벽체의 경우 하부에서 EPS 단열재 사용시 30시간 전후 에서 0℃이하로 저하되며, 공간가열+발열매트를 적용한 경우에서 가장 양호한 온도이력 특성을 나타내었고, 기둥의 경우 여타부재보다 두꺼운 특성으로 인해 하부를 제외한 모든 부위에서 98시간전 후에 0℃이하로 저하됨을 확인할 수 있었다.
- 실험변수로서 보온양생방법 조합에 따라 기둥, 슬래브 및벽체를 모사한 목업 시험체를 제작한 후, 단열, 가열 및 양자 병용방법을 적용하여 실험을 진행하였다. 연구결과에 따르면, 슬래브 부재의 경우 온도이력 및 적산온도 측정결과 4BS+열선조합, 벽체의 경우 가열양생+발열매트 그리고 기둥의 경우 EPS 단열재조합에서 3일 이내에 초기동해 방지에 요구되는 적산온도인 45°D·D를 상회하며 0℃이하로 콘크리트 온도가 저하하지 않는 것으로 나타나 본 연구범위에서 최적의 조합으로 판단된다.
- 이상의 결과, 본 연구범위에서 -20℃의 조건에서 시공되는 콘크리트는 초기보온양생으로 가장 열악한 조건인 슬래브의 경우 4BS+5W 열선양생이상의 조합이 적절할 것으로 판단되며, 벽체의 경우 공간가열+발열매트 조합, 그리고 기둥의 경우 50mm EPS 단열재 사용 및 공간가열+발열매트 조합이 적절할 것으로 판단된다. 단, 본 연구의 한계로서 -20℃조건에서 초기보온양생기간을 가능한 최소화하기 위해 시방서에서 제시한 타설시 콘크리트의 타설온도 및 외기온도를 20℃전후로 다소 높게 설정하였다.
- 이상의 결과를 종합하면, 본 연구범위에서 -20℃ 외기온 조건에서의 초기동해방지는 슬래브의 경우 4BS+열선조합, 벽체는 공간가열+발열매트, 기둥의 경우는 EPS 단열재조합이 적절할 것으로 판단된다.
- 이에 따라 보다 높은 발열 성상을 보여 Specimen 1과 비교하여 24시간 이후 콘크리트의 온도하강 속도가 다소 완만하게 진행되는 것으로 나타났고, 이후 0℃이하 도달시간도 Specimen 1에 비하여 3∼4시간 정도 지연되며 최저 온도의 경우도 -5℃정도로 유지됨을 알 수 있었다.
- 반면에 가장 열악한 부재인 벽체는 이후 재령이 경과하여도 적산온도의 증진이 없어 강도발현이 미미할 것으로 판단된다. 한편, 재령경과에 따른 등가재령의 발현경향은 전반적으로 적산온도 발현과 유사한 경향을 보임을 확인할 수 있었다.
후속연구
- 기존의 Han et al.[4] 등의 연구결과에서는, -10℃의 온도에서 열선의 사용만으로도 슬래브 시험체가 0℃이상을 유지할 수 있다고 보고하고 있으나, 본 연구의 -20℃조건에서는 열선의 사용만으로는 슬래브 시험체의 온도를 0℃이상으로 유지시킬 수 없는 것으로 나타나 보다 열저항 성능이 개선된 보온양생방법의 도입이 필요할 것으로 판단된다.
- 단, 본 연구의 한계로서 -20℃조건에서 초기보온양생기간을 가능한 최소화하기 위해 시방서에서 제시한 타설시 콘크리트의 타설온도 및 외기온도를 20℃전후로 다소 높게 설정하였다. 다만, 향후 외기온도를 초기부터 -20℃로 직접 노출시켜 최악의 조건에서 콘크리트의 온도이력 및 초기동해 방지방법에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.
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