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문제 정의
- 그러므로 본 연구에서는 국내 W건설사 아파트 신축공사현장에서 매스 매트 콘크리트의 상·하부를 구분하여 타설하는 실무조건을 고려하여, 해석 프로그램으로 콘크리트 배합요인별 최적치를 도출하고, 실구조체에 이를 적용한 다음 해석치와 실측치간을 비교하므로서, 혼화재를 활용한 효율적인 매스 매트콘크리트의 수화 열균열 저감방안을 제안하고자 한다.
- 본 연구에서는 매스 매트 콘크리트에 있어, 상 ·하부를 구분하여 타설하는 실무조건을 고려하여, 상부 및 하부배합의 혼화재 종류와 치환율을 동일 및 달리하는 배합 조건 변화로부터 최적치를 도출한 다음, 실구조체에 적용하여 해석치와 실측치간을 비교하므로서, 혼화재를 활용한 매스콘크리트의 효율적인 수화열균열 저감방안을 제안하고자 하였다.
- 본 연구에서는 매스 매트 콘크리트의 상 · 하부를 구분하여 타설하는 실무조건을 고려하여, 해석 프로그램으로 기존 OPC 100% 배합과 상부 및 하부배합의 혼화재 종류 및 치환율을 동일 및 달리하는 배합 조건 변화로부터 최적치를 도출한 다음, 실구조체에 적용하여 해석치와 실측치간을 비교하므로서, 혼화재를 활용한 매스 매트콘크리트의 효율적인 수화열균열 저감방안을 제안하고자 하였는데, 그 내용을 요약하면 다음과 같다.
제안 방법
- 따라서, 하부에는 다량의 혼화재 사용으로 응결 지연을 유도하고, 상부에는 소량의 혼화재 사용으로 하부에 비해 응결 촉진성을 나타낸 배합이 효과적인 것으로 나타났다. 따라서, 현장에서 관리하고자 하는 온도균열지수를 1.2~1.5 이상으로 설정할 경우 본 시안 4의 배합을 현장 기초매스 매트콘크리트의 타설방법으로 제안하였다.
- 또한, 열전도율 및 열팽창계수 등의 열특성 데이터는 콘크리트 표준시방서를 참고하여 적용하였고, 압축강도 및 발열함수는 실험에 의한 값과 콘크리트 표준시방서에 근거하여 적용하였으며, 상 · 하부 타설시간 간격은 3시간으로 설정하였다.
- 본 실무현장 적용방법으로 구조체의 현장타설 방법은 두께 1 300mm의 매스부재를 FA 20% 및 BS 30%를 치환사용한 배합을 하부에, FA 15%를 상부에 적용하는 것으로 하였다. 또한, 매스콘크리트의 온도이력을 측정하기 위한 열전대 매설위치 및 모습은 Fig.
- 본 현장의 기초 매스 매트콘크리트 공법의 적용기간은 2015년 3월~2015년 4월로써 봄철에 해당되어 콘크리트 표면의 건조 및 내 · 외부 온도차이를 줄이기 위해 상부측에 이중버블시트의 단열 보온양생을 적용하는 것으로 계획하였다.
- 수화열해석 변수로 상 · 하부 배합의 경우는 단위결합재량에 대한 질량비로 FA를 각각 15% 치환사용한 배합, FA 및 BS를 각각 20 및 30% 치환사용한 배합 및 상부배합의 경우는 FA를 15% 치환 사용하고, 하부배합의 경우는 FA 및 BS를 각각 20 및 30% 치환한 배합의 총 4개의 시안을 해석하는 것으로 계획하였다.
- 콘크리트의 규격은 25-24-150의 레미콘을 사용하였으며, 선행해석에서 도출된 효과 적인 배합을 101동 기초 매트에 타설하여 해석치와 비교하는 것으로 계획하였다. 실험사항으로 굳지 않은 콘크리트에서는 슬럼프, 공기량 및 콘크리트 온도를 측정하는 것으로 하였고, 경화 콘크리트에서는 재령 별 압축강도 및 수화열 온도이력을 측정하는 것으로 하였다.
- 온도이력해석 모델은 기초 부재를 대상으로 가정하여 Table 3과 같이 대칭성을 고려한 1/4 해석 모델을 사용 하였고, 부재의 중심부와 표면 및 모서리 절점에서 온도이력을 평가하였다. 또한, 열전도율 및 열팽창계수 등의 열특성 데이터는 콘크리트 표준시방서를 참고하여 적용하였고, 압축강도 및 발열함수는 실험에 의한 값과 콘크리트 표준시방서에 근거하여 적용하였으며, 상 · 하부 타설시간 간격은 3시간으로 설정하였다.
- 855의 수화열 해석프로 그램을 이용하여 매트콘크리트 기초를 대상으로 해석을 실시하였다. 즉, 전처리 과정으로 기초재료 및 외기환경 특성 등의 계수를 입력하였고, 후처리 과정으로 허용인장강도의 산출을 위해 콘크리트의 강도/강성 발현에 등가재령을 반영하여 지점 표면부와 중심 부에 대한 결과치를 산출하였다.
- 본 기초 매스 매트콘크리트의 수화열 해석계획은 Table 2와 같다. 즉, 콘크리트의 규격은 25-24-150의 레디믹스트 콘크리트(이하 레미콘)을 사용하는 것으로 매스 매트콘크리트의 배합은 보통 포틀랜드 시멘트(이하 OPC)를 100% 치환하는 것을 기준으로 하였다. 수화열해석 변수로 상 · 하부 배합의 경우는 단위결합재량에 대한 질량비로 FA를 각각 15% 치환사용한 배합, FA 및 BS를 각각 20 및 30% 치환사용한 배합 및 상부배합의 경우는 FA를 15% 치환 사용하고, 하부배합의 경우는 FA 및 BS를 각각 20 및 30% 치환한 배합의 총 4개의 시안을 해석하는 것으로 계획하였다.
- 본 현장적용을 위한 계획은 Table 5와 같다. 콘크리트의 규격은 25-24-150의 레미콘을 사용하였으며, 선행해석에서 도출된 효과 적인 배합을 101동 기초 매트에 타설하여 해석치와 비교하는 것으로 계획하였다. 실험사항으로 굳지 않은 콘크리트에서는 슬럼프, 공기량 및 콘크리트 온도를 측정하는 것으로 하였고, 경화 콘크리트에서는 재령 별 압축강도 및 수화열 온도이력을 측정하는 것으로 하였다.
대상 데이터
- 본 수화열 해석은 Midas Gen, 2016, V.855의 수화열 해석프로 그램을 이용하여 매트콘크리트 기초를 대상으로 해석을 실시하였다. 즉, 전처리 과정으로 기초재료 및 외기환경 특성 등의 계수를 입력하였고, 후처리 과정으로 허용인장강도의 산출을 위해 콘크리트의 강도/강성 발현에 등가재령을 반영하여 지점 표면부와 중심 부에 대한 결과치를 산출하였다.
- 본 연구의 대상건축물은 충북 청주시에 위치한 ○○아파트 신축공사 현장으로, 공사개요는 Table 1과 같고, 현장에 대한 조감도는 Fig. 1과 같다.
- 본 현장에 적용된 기초매스 매트콘크리트는 101동으로, Table 6은 굳지 않은 콘크리트의 품질시험 결과를 나타낸 것이다.
성능/효과
- 1. 현장적용 전 사전검토를 위해 Midas Gen을 이용하여 수화열 해석을 실시한 결과 혼화재 치환율이 증가할수록 콘크리트의 수화열 온도는 낮고, 균열지수는 커져 균열발생 확률은 낮아졌다.
- 2. 다양한 배합검토 중 상부는 OPC : FA = 85 : 15 배합, 하부는 OPC : FA : BS = 50 : 20 : 30 배합의 경우가 균열지수 1.8을 나타내어, 가장 우수한 것으로 밝혀져 이를 현장 매스 매트콘크리트의 배합으로 결정하였다.
- 3. 실제 현장의 저발열 배합을 적용한 결과 슬럼프 및 공기량은 목표범위를 만족하였고, 압축강도는 호칭강도를 상회하였다.
- 4. 봄철 실제 현장의 매스 매트콘크리트 온도특성은 중심부의 최고 온도 약 59℃, 표층부 온도 약 49℃로 나타나, 약 10℃의 온도차가 나타났다.
- 5. 실제현장의 외기온을 적용하여 매스 매트콘크리트의 수화열을 해석한 결과 매스 매트콘크리트의 균열지수는 약 1.4로 균열을 방지할 수 있는 값이었다.
- 6. 측정치와 해석치의 상호비교 특성으로 온도이력의 경우 측정치와 해석치가 유사한 경향성을 나타내었으나, 해석시 사용되는 타설온도, 외기온 및 단열온도 상승량에 의해 약 2~7℃ 범위의 온도차가 발생하였지만, 매스 매트콘크리트의 온도균열 제어에는 효과적인 방법으로 사료된다.
- 따라서 수화열해석 프로그램밍을 실시한 온도이력 및 온도균열 지수는 실제현장에서의 측정치와 다소 차이가 있었으나, 그 차이는 크지 않아, 결과적으로 매스콘크리트의 수화열 온도이력을 검토하기 위하여는 수화열 해석프로그래밍의 활용이 바람직하며, 매스콘크리트의 온도균열제어에 효과적일 것으로 사료된다.
- 즉, 상·하부에 다량의 혼화재를 사용하는 저발열 배합이 부재 내부의 온도 및 응력저하에 따른 균열저감을 예상하였으나, 다량의 혼화재 사용은 상부와 하부의 타설시간에 따른 응력차이로, 상부측에 소량의 혼화재를 사용한 배합보다 작은 균열지수를 나타내었다. 따라서, 하부에는 다량의 혼화재 사용으로 응결 지연을 유도하고, 상부에는 소량의 혼화재 사용으로 하부에 비해 응결 촉진성을 나타낸 배합이 효과적인 것으로 나타났다. 따라서, 현장에서 관리하고자 하는 온도균열지수를 1.
- 이를 적용한 실제 현장의 시험결과 슬럼프, 공기량 및 압축강도는 모두 목표범위를 만족하였다. 또한, 봄철 실제 현장의 매스 매트콘크리트의 온도특성으로 최적배합의 경우는 중심부의 최고 온도 약 59℃, 표층부 온도 약 49℃로 나타나, 약 10℃의 온도차가 나타났으며, 수화열 해석결과 약 1.4의 균열지수를 나타내었다. 따라서, 실무를 고려한 매스 매트콘크리트의 경우 상 · 하부 타설 콘크리트간의 저발열 배합정도를 달리 고려하는 수화발열량차 공법적용은 침하균열 방지 및 수화열 균열제어에 효과적인 방법이 될 것으로 사료된다.
- 5는 저발열 배합의 상·하부 구분 및 재령 별 측정회수에 따른 압축강도를 나타낸 것이다. 먼저, 하부배합의 경우는 혼화재를 다량치환 사용함에 따라 재령 28일에서 평균 28.4MPa의 강도 발현을 나타내었고, 상부배합의 경우는 재령 28일에서 평균 29.0 MPa를 나타내어, 모두 호칭강도를 만족하는 것으로 나타났다.
- 먼저, 현장적용 저발열 배합의 경우는 타설시간 60~70시간에 약 55℃의 최고온도를 나타내었고, 균열지수의 경우는 1.4를 나타내었다. 이는 저발열 배합사용에 의한 최대 단열온도 상승계수가 낮고, 해석부재의 내·외부 온도차가 적어짐에 따라 온도균열지수가 높게 나타난 것으로 판단된다.
- 본 연구에서는 매스 매트 콘크리트에 있어, 상 ·하부를 구분하여 타설하는 실무조건을 고려하여, 상부 및 하부배합의 혼화재 종류와 치환율을 동일 및 달리하는 배합 조건 변화로부터 최적치를 도출한 다음, 실구조체에 적용하여 해석치와 실측치간을 비교하므로서, 혼화재를 활용한 매스콘크리트의 효율적인 수화열균열 저감방안을 제안하고자 하였다. 연구결과 먼저, 현장적용전 사전검토를 위해 Midas gen을 이용하여 수화열 해석을 실시한 결과 상부는 OPC : FA = 85 : 15 배합, 하부는 OPC : FA : BS = 50 : 20 : 30 배합을 본 대상 구조물 매스 매트콘크리트의 최적배합으로 결정하였다. 이를 적용한 실제 현장의 시험결과 슬럼프, 공기량 및 압축강도는 모두 목표범위를 만족하였다.
- 연구결과 먼저, 현장적용전 사전검토를 위해 Midas gen을 이용하여 수화열 해석을 실시한 결과 상부는 OPC : FA = 85 : 15 배합, 하부는 OPC : FA : BS = 50 : 20 : 30 배합을 본 대상 구조물 매스 매트콘크리트의 최적배합으로 결정하였다. 이를 적용한 실제 현장의 시험결과 슬럼프, 공기량 및 압축강도는 모두 목표범위를 만족하였다. 또한, 봄철 실제 현장의 매스 매트콘크리트의 온도특성으로 최적배합의 경우는 중심부의 최고 온도 약 59℃, 표층부 온도 약 49℃로 나타나, 약 10℃의 온도차가 나타났으며, 수화열 해석결과 약 1.
- 이상을 종합하여 볼 때, 실무를 고려한 매스 매트콘크리트의 경우 상·하부 타설 콘크리트간의 저발열 배합정도를 달리 고려하는 수화발열량차 공법적용은 침하균열방지 및 수화열 균열제어에 효과적인 방법이 될 것으로 사료된다.
- 전반적으로 상·하부 혼화재를 치환사용한 저발열 배합의 경우 슬럼프 및 공기량은 모두 목표 범위를 만족하는 것으로 나타났다.
- 즉, 상·하부에 다량의 혼화재를 사용하는 저발열 배합이 부재 내부의 온도 및 응력저하에 따른 균열저감을 예상하였으나, 다량의 혼화재 사용은 상부와 하부의 타설시간에 따른 응력차이로, 상부측에 소량의 혼화재를 사용한 배합보다 작은 균열지수를 나타내었다.
- 시안 4의 경우는 타설시간 96시간에 약 45℃의 부재 최고온도가 예상되며, 표면부 온도는 약 40℃로 예상되어, 중앙부와의 온도 차이가 약 5℃로 예측되었는데, 이때의 모서리부는 약 19℃로 약 26℃의 온도차가 예상되었다. 해석에 의한 균열지수는 시안 1에 비해 0.9정도 높은 값으로 균열을 방지하는 범위인 1.8의 균열지수를 나타내었다.
- 시안 3의 경우는 상·하부에 FA 20%, BS 30%를 치환 사용한 배합으로써, 타설 시간 110시간에 약 42℃의 부재 최고온도가 예상 되었으며, 표면부 온도는 38℃로, 중앙부와의 온도차이는 약 4℃, 모서리부는 20℃로 약 22℃의 온도차가 예상되었다. 해석에 의한 균열지수는 혼화재 다량치환 저발열 배합을 사용했음에도 불구하고, 초기 상부와 하부의 응력차이와 응결지연에 의해 시안 2보다 0.2정도 낮은 유해한 균열이 발생할 수 있는 0.9의 균열지수를 나타내었다.
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