발열시트 및 단열재를 사용한 거푸집 내부 콘크리트의 저온환경하 온도이력 특성에 관한 실험적 연구 Experimental Study on Properties of Temperature History Using Heating Sheet and Insulation Form at Low Temperature원문보기
본 연구에서는 저온환경에서 콘크리트 동해를 방지하기 위해 생석회의 화학반응을 활용한 발열시트 및 단열재를 사용하여 제작한 거푸집 특성을 실험을 통해 평가하였다. $-10^{\circ}C$ 정온조건에서 거푸집 실험 결과, 발열시트가 부착된 거푸집의 경우 발열시트 내부 생석회의 발열로 인해 타설 초기에 일반거푸집에 비해 $10^{\circ}C$이상 높은 온도이력을 보여주었고 단열재를 부착한 거푸집의 경우 콘크리트 수화열을 보존하여 지속적으로 높은 온도를 유지하는 특징을 나타냈다. 아이소핑크와 발열시트를 부착한 거푸집과 진공단열재를 붙인 거푸집이 압축강도나 적산온도에서 가장 높은 값을 가졌다. 압축강도 측정시 진공단열재 및 아이소핑크와 발열시트를 부착한 거푸집이 재령 3일에서 약 5 MPa로 가장 높게 측정되었다. 몽골 현지 외기온도에서도 실험을 하였는데 앞선 결과와 마찬가지로 발열시트, 단열재를 함께 붙인 거푸집이 48시간 동안 $25^{\circ}C$ 이상으로 가장 높은 온도이력를 나타내었다. 따라서 거푸집에 발열시트 및 단열재 부착을 함으로써 발열 및 단열효과로 인해 저온환경에서 콘크리트 강도발현에 도움을 주는 것을 확인할 수 있었다.
본 연구에서는 저온환경에서 콘크리트 동해를 방지하기 위해 생석회의 화학반응을 활용한 발열시트 및 단열재를 사용하여 제작한 거푸집 특성을 실험을 통해 평가하였다. $-10^{\circ}C$ 정온조건에서 거푸집 실험 결과, 발열시트가 부착된 거푸집의 경우 발열시트 내부 생석회의 발열로 인해 타설 초기에 일반거푸집에 비해 $10^{\circ}C$이상 높은 온도이력을 보여주었고 단열재를 부착한 거푸집의 경우 콘크리트 수화열을 보존하여 지속적으로 높은 온도를 유지하는 특징을 나타냈다. 아이소핑크와 발열시트를 부착한 거푸집과 진공단열재를 붙인 거푸집이 압축강도나 적산온도에서 가장 높은 값을 가졌다. 압축강도 측정시 진공단열재 및 아이소핑크와 발열시트를 부착한 거푸집이 재령 3일에서 약 5 MPa로 가장 높게 측정되었다. 몽골 현지 외기온도에서도 실험을 하였는데 앞선 결과와 마찬가지로 발열시트, 단열재를 함께 붙인 거푸집이 48시간 동안 $25^{\circ}C$ 이상으로 가장 높은 온도이력를 나타내었다. 따라서 거푸집에 발열시트 및 단열재 부착을 함으로써 발열 및 단열효과로 인해 저온환경에서 콘크리트 강도발현에 도움을 주는 것을 확인할 수 있었다.
In this study, in order to prevent the frost damage of the concrete, the characteristics of the form using heating sheet utilizing the chemical reaction of quicklime and the insulation were evaluated through experiments at low temperature. In the case of form at $-10^{\circ}C$, the form w...
In this study, in order to prevent the frost damage of the concrete, the characteristics of the form using heating sheet utilizing the chemical reaction of quicklime and the insulation were evaluated through experiments at low temperature. In the case of form at $-10^{\circ}C$, the form with attached heating sheet showed a temperature history of more than $10^{\circ}C$ higher than that of wood form at the early of concreting due to heat of the quicklime in the heating sheet. In the case of the insulated form, the concrete was kept at a high temperature by preserving the hydration heat. When the heating sheet and the isopink(extruded polystyrene) were attached together on the form, the effect was the same as that of the vacuum insulation. The compressive strength of the form with vacuum insulation and form with isopink, heating sheet as measured about 5 MPa at age 3. The experimental in Mongolia, as with the pervious results, the form with the heating sheet and the insulation showed the highest temperature history over $25^{\circ}C$ for 48 hours. Therefore, it was confirmed that the heating sheet and insulation are attached to the form, which helps the concrete strength development at low temperature by heat generation and the insulation effect.
In this study, in order to prevent the frost damage of the concrete, the characteristics of the form using heating sheet utilizing the chemical reaction of quicklime and the insulation were evaluated through experiments at low temperature. In the case of form at $-10^{\circ}C$, the form with attached heating sheet showed a temperature history of more than $10^{\circ}C$ higher than that of wood form at the early of concreting due to heat of the quicklime in the heating sheet. In the case of the insulated form, the concrete was kept at a high temperature by preserving the hydration heat. When the heating sheet and the isopink(extruded polystyrene) were attached together on the form, the effect was the same as that of the vacuum insulation. The compressive strength of the form with vacuum insulation and form with isopink, heating sheet as measured about 5 MPa at age 3. The experimental in Mongolia, as with the pervious results, the form with the heating sheet and the insulation showed the highest temperature history over $25^{\circ}C$ for 48 hours. Therefore, it was confirmed that the heating sheet and insulation are attached to the form, which helps the concrete strength development at low temperature by heat generation and the insulation effect.
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문제 정의
본 연구에서는 저온환경에서 콘크리트 동해 방지를 위한 단열재 및 발열시트를 부착한 거푸집의 온도이력 특성을 실험을 통해 확인하였다. -10°C의 정온조건에서의 거푸집별 특성을 알아본 뒤, 몽골 현지 외기온도 조건에서 거푸집별 온도이력 특성을 알아보았다.
제안 방법
본 연구에서는 저온환경에서 콘크리트 동해 방지를 위한 단열재 및 발열시트를 부착한 거푸집의 온도이력 특성을 실험을 통해 확인하였다. -10°C의 정온조건에서의 거푸집별 특성을 알아본 뒤, 몽골 현지 외기온도 조건에서 거푸집별 온도이력 특성을 알아보았다. 결과를 요약하면 다음과 같다.
전체적인 실험 개요는 Table 1과 같다. Series 1에서는 -10°C의 정온조건에서 거푸집 실험을 진행하여 각 거푸집별 온도이력 특성, 압축강도 등을 알아보았다. 저온환경을 모사하기 위해 배합 전 2°C 온도에서 24시간 이상 재료보관을 실시하였다.
거푸집별로 탈형 후 코어 채취를 통하여 재령 3일, 7일 압축강도를 측정하였다. Fig.
따라서 본 연구에서는 기존에 사용하고 있는 방법과 진행된 연구와 다른, 재료의 화학적 특성을 이용한 새로운 방법인 생석회를 활용한 발열시트를 직접 개발하였고 극한지역에서 콘크리트 시공을 위해 Fig. 1과 같이 거푸집에 적용해 주었다.
1과 같이 거푸집에 적용해 주었다. 또한 극한지역과 같이 매우 낮은 외기온도에서 발열시트의 발열효과를 극대화시켜주기 위해 단열재를 거푸집에 함께 사용하여 실험을 진행하였고 이를 실험실 수준에서 실험 후(series 1) 몽골 현지에서 직접 거푸집 모형을 제작하여 발열시트 및 단열재의 효과를 실험적으로 검토하여 보았다(series 2).
온도이력을 이용하여 각 거푸집별 적산온도를 구해보았다. 본 연구에서 적용된 온도와 시간의 함수는 일반적으로 사용되고 있는 Nurse-Saul(식(2))의 적산온도를 적용하였다.
거푸집 내부에 설치하는 단열재의 두께는 10 mm로 종류에 상관없이 동일하다. 콘크리트 배합은 Table 2와 같으며 콘크리트 타설 전 단열재 및 발열시트를 거푸집 내부에 부착해 주었고 T-type의 열전대를 거푸집별로 2군데에(중심부, 외부면) 설치하고 데이터로거를 통해 온도를 기록하였다. 콘크리트 배합 및 타설은 -10°C의 챔버 안에서 직접 실시하였으며 타설이 끝난 후 7일간 -10°C에서 양생을 하였다.
대상 데이터
Series 1 실험에서는 5종류의 거푸집을 사용하였는데 Table 6과 같다. 일반적으로 유로폼에 많이 쓰이는 TEGO 합판을 이용하여 거푸집 모형을 제작해주었다.
Series 1에서는 S사에서 개발한 고분말도 시멘트를 사용하였다. 분급기를 사용하여 S사 1종 보통 포틀랜드 시멘트 제품의 입도를 조정하여 고분말도 결합재를(NT로 표기) 혼합 제조한 원료를 사용하였다.
Series 1의 실험에서는 10 mm 두께의 아이소핑크, 진공단열재를 사용하였고 Series 2의 실험에서는 20 mm 두께의 경질우레탄폼을 사용하였다. 각 단열재의 열전도율, 특성은 Table 5와 같다.
거푸집 내부 용적은 400×400×100 mm3로 모든 실험체가 동일한 용적을 가진다. Series 2에서는 4종류의 거푸집을 사용하였는데 몽골 외기가 낮을 것으로 판단하여 20 mm 두께의 경질우레탄폼을 사용하였다. 발열시트와 합판의 경우 앞의 Series 1과 마찬가지로 5 mm, 12 mm 두께를 사용하였다.
일반적으로 유로폼에 많이 쓰이는 TEGO 합판을 이용하여 거푸집 모형을 제작해주었다. TEGO 합판은 12 mm, 단열재(아이소핑크, 진공단열재) 10 mm, 발열시트 5 mm의 두께를 가지고 있다. 거푸집 내부 용적은 400×400×100 mm3로 모든 실험체가 동일한 용적을 가진다.
사용된 재료의 물리화학적 특성은 Tables 3, 4에 나타내었다. 본 연구의 목표가 극한지역 현지에서 적용 가능한 거푸집 기술을 추구하기 때문에 Series 2에서는 몽골 현지 시멘트를 사용하였고 고분말도 결합재를(NT) 10% 치환하여 배합한 콘크리트를 거푸집 실험에 사용하였다.
Series 1에서는 S사에서 개발한 고분말도 시멘트를 사용하였다. 분급기를 사용하여 S사 1종 보통 포틀랜드 시멘트 제품의 입도를 조정하여 고분말도 결합재를(NT로 표기) 혼합 제조한 원료를 사용하였다. 사용된 재료의 물리화학적 특성은 Tables 3, 4에 나타내었다.
이론/모형
온도이력을 이용하여 각 거푸집별 적산온도를 구해보았다. 본 연구에서 적용된 온도와 시간의 함수는 일반적으로 사용되고 있는 Nurse-Saul(식(2))의 적산온도를 적용하였다.
성능/효과
1) -10°C의 정온조건에서 실험 결과 발열시트를 사용한 거푸집의 경우 발열시트 내부 생석회의 발열효과로 인해 초기온도이력이 10°C 이상 높은 것을 확인할 수 있었지만 발열시트 단독 사용은 온도 유지에 있어서 한계가 있었다. 또한아이소핑크와 발열시트를 함께 활용한 거푸집의 경우 진공단열재를 붙인 거푸집과 같은 효과를 나타냈다.
2) 압축강도 측정 결과 일반 거푸집의 경우, 재령 7일간 강도발현을 하지 못했으며 진공단열재 및 발열시트와 아이소핑크를 활용한 거푸집이 가장 높은 압축강도가 나왔다. 재령 3일에 약 5 MPa가 측정되었고 이는 표준시방서 거푸집해체 최소 소요 강도인 5 MPa에 만족하였음을 알 수 있었다.
4) 몽골 외기온도 조건에서의 온도이력 측정 결과, 일반 거푸집에 비해 발열시트의 경우 약 10°C 이상 초기온도를 상승시켜주었고 단열재는 온도이력 그래프에서 최저온도와최고온도 차이를 7°C 이상 줄여주고 외기온도 영향을 덜받게 해주었음을 확인할 수 있었다.
5) 발열시트는 단독으로 사용하는 것도 일반 거푸집 대비 효과가 있지만, 단열재와 함께 사용하였을 경우 더욱더 큰 효과를 나타내는 것을 온도이력 그래프나 압축강도 측정을통하여 확인할 수 있었다.
약 12시간 이후에는 TE 온도이력 그래프와 완전히 겹치게 되는데 발열시트 내부에 있는 모든 생석회가 반응을 완료하였기 때문에 이와 같은 온도이력의 모습이 나온 것으로 판단된다. TE+HS+ISO의 경우에는 발열시트의 발열효과와 단열재에 의한 열 보존이 함께 이루어져 타설이후부터 약 12시간 이상 가장 높은 온도이력을 보였다. 단열재에 의한 효과로 5°C에 도달하는 시간이 단열재가 없는TE+HS와 비교했을 때 약 10시간이나 지연되는 효과가 있었다.
TE+HS+ISO의 경우에는 발열시트의 발열효과와 단열재에 의한 열 보존이 함께 이루어져 타설이후부터 약 12시간 이상 가장 높은 온도이력을 보였다. 단열재에 의한 효과로 5°C에 도달하는 시간이 단열재가 없는TE+HS와 비교했을 때 약 10시간이나 지연되는 효과가 있었다. 12시간 이후에는 TE+VA의 온도이력이 가장 높았는데 이는 진공단열재의 열전도율이 아이소핑크보다 매우 낮기 때문에 외기의 영향을 덜 받게 되어 콘크리트 내부 수화열을 거푸집 중에 가장 오래 보존하였기 때문이다.
각 단열재의 열전도율, 특성은 Table 5와 같다. 본 실험에서 압출법 단열재인 아이소핑크와 경질우레탄폼이 일반적인 단열재로서 가장 많이 사용하기 때문에 선택하였고 진공단열재의 경우 현존하는 단열재 중에 가장 낮은 열전도율을 갖기 때문에 저온환경에서 매우 유리할 것으로 판단되어 사용했지만 가격이 매우 비싸다는 단점이 있다.
일반적으로 동일 배합, 동일 적산온도의 콘크리트는 비슷한 강도를 갖게 된다. 이 이론을 토대로 발열시트 및 단열재를 사용한 콘크리트의 강도 발현을 정량적으로 평가하려고 했으나 재령 3일, 재령 7일에서 TE+HS 와 TE+ISO의 적산온도가 같음에도 불구하고 강도 측정의 결과는 완전히 달랐음을 확인할 수 있었다. 기존 연구처럼(Oh et al.
전체적으로 종합해보면 발열시트를 사용한 경우 거푸집 내부에서 콘크리트에 열을 가해주기 때문에 초기 온도이력에서 10°C 이상 상승하는 것을 알 수 있으며, 단열재를 사용했을 경우 단열재의 열전도율이 낮을수록 초기 콘크리트 수화열이나 발열시트의 발열에 의해 상승한 그래프가 느리게 하강하는 특성을 갖는 것을 확인할 수 있었다.
후속연구
이상의 결과를 종합하면 발열시트와 단열재를 거푸집에 활용함으로써 저온환경에서의 콘크리트 동해 방지에 도움을 줄 것으로 사료된다. 하지만 앞선 실험 결과에서 발열시트가 추가됨으로써 적산온도의 경향성이 일반 콘크리트 적산온도와 다른 점으로 보아 발열시트를 부착하였을 때 보다 더 정량적이고 정확하게 강도를 예상하기 위해서는 발열시트 내부 생석회의 순도나 양에 따른 연구가 추가적으로 필요할 것으로 사료된다.
이상의 결과를 종합하면 발열시트와 단열재를 거푸집에 활용함으로써 저온환경에서의 콘크리트 동해 방지에 도움을 줄 것으로 사료된다. 하지만 앞선 실험 결과에서 발열시트가 추가됨으로써 적산온도의 경향성이 일반 콘크리트 적산온도와 다른 점으로 보아 발열시트를 부착하였을 때 보다 더 정량적이고 정확하게 강도를 예상하기 위해서는 발열시트 내부 생석회의 순도나 양에 따른 연구가 추가적으로 필요할 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
급열가열장치의 문제점은?
이와 관련하여 우리나라에서는 낮은 외기에 대한 콘크리트 보호의 해결책으로써 겨울 콘크리트 공사현장에서 콘크리트를 보호하기 위해 급열가열장치(갈탄난로, 열풍기)를 이용한 양생을 주로 활용하고 있다. 하지만 급열가열장치는 다른 기타 방법보다 저렴한 편에 속하지만 화재의 위험성이 있고 급열가열장치로써 많이 사용되고 있는 갈탄난로의 경우 가스에 의한 질식사 사례가 있다. 또한 가장 큰 문제로써 급열가열장치 위치, 방향에 따라 콘크리트 품질이 불균일하다는 것이다.
건설사들이 중동 시장에서 벗어나 전략적으로 움직이는 것이 필요한 이유는?
국내 건설사들이 건설경기 불확실성과 부동산 경기 위축에 따라 수익성이 감소하여 해외 건설시장으로 사업을 확장하고 있다. 우리나라 해외 건설수주는 주로 중동지역에 편중되어 있었는데, 1980년대까지만 해도 중동 건설시장은 해외 건설 수주의 90%를 차지하였지만 국제 유가 폭락, 중동의 지정학적 리스크 증가 등으로 인해 40% 이하로 떨어지며 하락세가 계속되고 있다. 마찬가지로 수주가 감소됨에 따라 우리나라 해외 수주금액도 크게 감소하였다.
한대기후나 극지방 주변나라에서의 건축물 공사는 어떻게 해야하는가?
, 2014). 한대기후나 극지방 주변 나라에서의 건축물 공사는 낮은 외기온도로 인하여 콘크리트 관리가 매우 중요한데 낮은 외기는 콘크리트 강도 발현에 있어서 양생, 경화되는데 시간이 길어지고 수분이 얼게 될 위험이 있는 매우 혹독한 조건이기 때문에 일반적인 공사보다 더 많은 시간을 확보해야 한다. 하지만 설상가상으로 이러한 기후 특성을 가진 지역들의 공사 가능 기간은 오히려 연간 6개월 이하로 짧다.
참고문헌 (9)
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