[논문]3성분계 시멘트를 활용한 실 대형 지하구조물의 매스 콘크리트 수화 발열 특성 및 균열 저항성 평가

최연왕; 오성록; 이재남

doi:10.14190/jrcr.2019.7.1.82

3성분계 시멘트를 활용한 실 대형 지하구조물의 매스 콘크리트 수화 발열 특성 및 균열 저항성 평가
Evaluation of Hydration Heat Properties of Mass Concrete and Crack Resistance Performance in Practical Large Underground Structures Using Ternary Blended Cement 원문보기

Journal of the Korean Recycled Construction Resources Institute = 한국건설순환자원학회 논문집, v.7 no.1, 2019년, pp.82 - 91

최연왕 (세명대학교 토목공학과) , 오성록 (세명대학교 건설공학부) , 이재남 (세명대학교 건설공학부)

초록
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본 연구에서는 실 대형 지하구조물의 매스 콘크리트의 수화 발열 특성 및 균열 저항성을 평가하기 위하여 실 구조물 내부의 온도이력 및 열 특성을 고려한 해석을 실시하였다. 해석 결과는 실측값과 비교를 통하여 해석의 신뢰성을 검증하였으며, 균열에 대한 저항성을 평가하였다. 실 구조물의 온도 측정 결과, 슬래브의 단열 온도 상승 계수 K 및 ${\alpha}$은 $35.1^{\circ}C$와 0.72이었으며, 벽체는 $29.3^{\circ}C$와 0.67로 분석되었다. 분석된 단열온도상승계수 및 현장조건을 적용한 수화열 해석 결과 실측값과 상관계수(r)는 각각 0.95 및 0.98로 나타났다. 슬래브 및 벽체의 균열 저항성을 평가한 결과 슬래브 및 벽체의 최소 균열지수는 각각 1.22 및 1.20으로 나타나 현장 관리기준을 만족하는 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, in order to evaluate Hydration Heat Characteristics of mass concrete using ternary blended cement for large underground structures, the analysis considering the temperature history and the thermal characteristics inside the actual structure was performed. The results of the analysis are compared with the measured values to verify the reliability of the analysis and to evaluate the crack resistance performance. As a result of the measured the actual structure temperature, The adiabatic temperature rise coefficients K and ${\alpha}$ of the slab were $35.1^{\circ}C$ and 0.72, respectively, and the wall was analyzed as $29.3^{\circ}C$ and 0.67. The analytical results and the correlation coefficients(r) were 0.95 and 0.98, respectively. As a result of evaluating the crack resistance of slab and wall, the minimum crack index of slab and wall was 1.22 and 1.20, respectively. These results were found to satisfy the site management standards.

주제어

표/그림 (35)

그림 Fig. 1. Slab location and field foreground
그림 Fig. 2. Slab drawing and casting section
그림 Fig. 3. Wall location and field foreground
그림 Fig. 4. Wall drawing and casting section
그림 Fig. 5. Micro-hydration and cumulative micro-hydration heat of mixed binder
표 Table 1. mass concrete mix according to applied member
표 Table 2. Chemical composition of mixed binder
표 Table 3. Cumulative micro-hydration heat of mixed binder
표 Table 4. Physical properties of aggregate
표 Table 5. Physical properties of chemical admixtures
그림 Fig. 6. Losition of slab and temperature measurement area
그림 Fig. 7. Losition of wall and temperature measurement area
그림 Fig. 8. Temperature gauge installation foreground
표 Table 6. Hydration heat analysis condition
표 Table 7. Thermal and mechanical properties
그림 Fig. 9. Slab modeling
그림 Fig. 10. wall modeling
그림 Fig. 11. Temperature history of slab
그림 Fig. 12. Temperature history of wall
표 Table 8. Evaluation result of basic quality
표 Table 9. Measurement result of hydration heat
그림 Fig. 13. Temperature distribution of construction phase of slab
그림 Fig. 14. Analysis result and actual measurement result
표 Table 10. Results of temperature history analysis of slab
표 Table 11. Crack index of slab
그림 Fig. 15. Analysis point of the slab
그림 Fig. 16. Result of hydration heat analysis of slab
그림 Fig. 17. Crack stability of slab
표 Table 12. Results of temperature history analysis of wall
표 Table 13. Crack index of wall
그림 Fig. 18. Temperature distribution of construction phase of wall
그림 Fig. 19. Analysis result and actual measurement result
그림 Fig. 20. Analysis point of the wall
그림 Fig. 21. Result of hydration heat analysis of wall
그림 Fig. 22. Crack stability of wall

AI 본문요약
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문제 정의

규모 측면의 경우 실험실수준의 열적 해석, 대상 측면의 경우 지상 및 지하의 구분이 모호하기 때문에 더욱 활용이 어려운 실정이다. 따라서 본 연구에서는 실 대형 지하구조물에 적용하기 위한 매스 콘크리트 개발 및 적용기술 확보의 일환으로 3성분계 시멘트를 활용한 매스 콘크리트를 제조하여 수화 발열 특성을 평가하였으며, 현장 실험결과를 기반으로 온도 해석을 실시하여 실 대형 지하구조물의 균열 안정성을 평가하고자 하였다.

제안 방법

본 연구에서는 실제 대형 지하구조물의 현장 매스 콘크리트의 수화 발열 특성 및 균열 안정성을 평가하기 위하여 실 구조물 내부의 온도이력 및 열 특성을 고려한 해석을 실시하였으며 실측값과 비교를 통하여 해석의 신뢰성 검증 및 균열안정성을 평가한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
13~17은 수화열 해석 결과를 나타낸 것이다. 수화열 해석은 레미콘 타설 후 60일로 설정하여 해석 단계 에서 초기 수화발열에 의한 구조물의 최대온도상승이 예상되는 재령 7일까지는 0.5일 간격으로 해석하였으며, 이후에는 재령 14일, 28일, 35일, 45일, 55일 및 60일로 설정하여 해석하였다. 수화열 해석 결과물을 통하여 온도상승 이력, 발생응력 및 균열지수를 산출하였으며, 결과의 검토는 실제 구조물의 온도이력 측정지점과 동일한 지점(N, node)에서의 해석 결과와 비교하였다.
현장 매스 콘크리트의 기초물성은 현장 도착 후 시료를 채취하여 현장 품질을 평가하였다. 슬럼프는 KS F 2402의 규정에 준하여 측정하였으며, 공기량은 KS F 2421의 규정에 준하여 측정하였다.
현장 매스 콘크리트의 수화열 및 온도이력을 측정하기 위하여 콘크리트 타설 전 온도측정 게이지를 설치하였으며, 온도측정 위치는 대상 구조물의 중심부(P1) 및 외기와 접촉하는 면(P2)의 중앙부 총 2개소에 대하여 온도를 측정하였다. 또한 온도측정을 위한 장비는 Tokyo sokki사의 TDS 530을 사용하였으며, 레미콘 타설 완료 후 0.
현장 매스 콘크리트의 열특성, 역학특성 및 현장 환경을 고려한 수화열 해석결과 및 실 구조물의 온도이력을 분석하여 균열 저항성을 평가하였다. Table 6은 바닥슬래브 및 벽체의 수화열 해석조건을 정리한 것이며, Table 7은 열 및 역학 특성값을 정리한 것이 다.

대상 데이터

바닥슬래브는 총 3구간 분할타설을 실시하였으며, 현장 콘크리트 물량은 1,740m³인 매스 콘크리트 기초 구조물이다. 바닥슬래브의 분할 타설 제원은 가로 24m, 세로 14m 및 높이 3m이다.
벽체의 콘크리트 물량은 240m³이며, 분할 타설 제원은 길이 25m, 두께 3m 및 높이가 2.0m이다. Fig.
사용된 결합재는 1종보통포틀랜드시멘트(OPC) 30%, 고로슬래그 미분말(SP) 40% 및 플라이애시(FA) 30%가 혼합된 3성분계 시멘트를 사용하였다. 결합재 비율의 선정근거는 선행실험(Lee 2017)을 통하여 수화 발열의 수준이 최소화되는 수준에 대하여 목표 성능을 만족하는 비율을 선정하였다.
사용된 잔골재는 쇄사(WS) 및 세척사(CS)를 5:5로 혼합한 혼합사를 사용하였으며, 굵은골재(G)는 화강암질 쇄석을 사용하였다. 혼합사 및 쇄석에 대한 기초물성은 Table 4에 정리하였다.
사용된 화학혼화제(AD)는 콘크리트의 유동성 확보를 위하여 국내 S사의 폴리카본산계 고성능 감수제(이하 SP제로 약함)를 사용하였다. Table 5는 화학혼화제의 물리적 성질을 정리한 것이다.
실 대형 지하구조물에 적용하기 위한 대상의 제원은 전체 크기가 약 가로 194m 및 세로 164m이며, 부재의 각 두께는 최소 3m 수준이다. 또한 지하 약 20m에 위치하며, 큰 범위로 바닥슬래브 및 벽체로 구분할 수 있다.

데이터처리

수화열 해석 결과물을 통하여 온도상승 이력, 발생응력 및 균열지수를 산출하였으며, 결과의 검토는 실제 구조물의 온도이력 측정지점과 동일한 지점(N, node)에서의 해석 결과와 비교하였다. 또한 실측값 및 해석값을 비교 및 분석하여 구조물에 대한 균열안정성을 검토하였다. 수화열 해석 결과 중심부(N:6147)의 온도이력은 해석값 및 실측값이 동일한 경향을 나타내었으며, 중심부 최고온도 및 도달시간은 동일한 수준으로 나타났다.
5일 간격으로 해석하였으며, 이후에는 재령 14일, 28일, 35일, 45일, 55일 및 60일로 설정하여 해석하였다. 수화열 해석 결과물을 통하여 온도상승 이력, 발생응력 및 균열지수를 산출하였으며, 결과의 검토는 실제 구조물의 온도이력 측정지점과 동일한 지점(N, node)에서의 해석 결과와 비교하였다. 또한 실측값 및 해석값을 비교 및 분석하여 구조물에 대한 균열안정성을 검토하였다.

이론/모형

현장 매스 콘크리트의 기초물성은 현장 도착 후 시료를 채취하여 현장 품질을 평가하였다. 슬럼프는 KS F 2402의 규정에 준하여 측정하였으며, 공기량은 KS F 2421의 규정에 준하여 측정하였다. 염화물량은 KS F 2587의 규정에 준하여 평가하였다.
슬럼프는 KS F 2402의 규정에 준하여 측정하였으며, 공기량은 KS F 2421의 규정에 준하여 측정하였다. 염화물량은 KS F 2587의 규정에 준하여 평가하였다.

성능/효과

1) 3성분계 시멘트를 활용한 매스 콘크리트 배합의 단열온도 상승 계수 K 및 α는 슬래브 35.1℃ 및 0.72로 나타났으며, 벽체 29.3℃ 및 0.67로 분석되었다. 분석된 단열온도상승계수 및 현장조건을 적용한 수화열 해석 결과 실측값과 상관계수(r)는 각각 0.
2) 해석결과 및 실측결과를 기반으로 슬래브 및 벽체의 온도응력 및 균열 안정성을 검토한 결과 슬래브 및 벽체의 최소 균열지수는 각각 1.22 및 1.20으로 나타나 온도응력에 대한 균열 발생확률 20% 수준으로 균열 발생을 제한할 경우에 해당되는 것으로 나타났으며, 유해한 균열 발생에 대하여 온도균열 제어가 가능할 것으로 판단된다.
67로 분석되었다. 분석된 단열온도상승계수 및 현장조건을 적용한 수화열 해석 결과 실측값과 상관계수(r)는 각각 0.95 및 0.98로 해석을 통한 균열안정성 검토의 신뢰도가 높은 수준인 것으로 판단된다.
이러한 결과를 통하여 실 대형 지하구조물에 적용하기 위한 매스 콘크리트의 품질을 제어하는 데 3성분계 시멘트를 활용하여 매시브한 부재의 수화열을 효과적으로 제어가 가능할 것으로 판단 되며, 이를 통한 현장 부재의 균열에 대한 안정성 확보에 효과가 있는 것으로 판단된다.
이러한 결과를 통하여 해석한 모든 지점의 최대 온도응력은 허용인장응력보다 낮게 나타났으며, 최소 균열지수의 경우 관리기준인 1.2 이상 확보하는 것으로 해석되어 온도 균열에 대한 안정성을 확보할 수 있는 것으로 판단된다. 특히 상면부 또는 표면부의 경우 최소 균열지수가 1.
Table 8은 매스 구조물용 현장 콘크리트의 기초물성 평가결과를 나타낸 것이다. 평가결과 바닥슬래브 및 벽체에 적용되는 현장 콘크리트는 목표 슬럼프 180±25mm, 목표 공기량 4.5±1.5% 범위를 만족하는 것으로 나타났으며, 염화물량은 기준치 이내로 나타났다.

후속연구

또한 바닥슬래브 및 벽체의 내부 및 외부 최대온도차가 동등한 수준으로 나타난 것은 벽체 양생 시 평균 외기온도가 11℃ 로 낮아 온도하강 속도가 빨라진 결과로 판단된다. 따라서 외부환 경조건에 의한 온도충격 가중치에 대한 균열안정성 분석이 필요한 것으로 판단된다.
3일로 나타났다. 이러한 결과는 구조물 타설 시기의 외기평균온도가 12.8℃로 낮아 구조물 표면온도의 급격한 저하가 발생된 것으로 판단되며, 내부 및 외부온도차가 20℃ 이상 크게 나타나 수화열 해석을 통한 균열안정성 검토가 필요할 것으로 판단된다. 벽체의 경우 중심부 최대온도 상승량은 43.
2 이상 확보하는 것으로 해석되어 온도 균열에 대한 안정성을 확보할 수 있는 것으로 판단된다. 특히 상면부 또는 표면부의 경우 최소 균열지수가 1.20으로 균열안정성은 확보하였으나 현장 양생 조건 및 외기환경에 따라 균열지수가 낮아질 수 있으므로 추후 콘크리트 양생 시 살수(콘크리트와의 온도차 10℃ 이하 담수) 또는 양생포를 사용하여 최소 20일 이상 콘크리트 상면부의 수분이 마르지 않도록 관리하여야 할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	지하구조물 내부에 발생된 수화열의 문제는 무엇인가?	2004). 내부에 발생된 수화열은 단면이 클수록 외부로의 열전달이 어렵기 때문에 구조물 내부에 의한 구속으로 인하여 표면뿐만 아니라 중심부에 이르는 유해한 균열을 유발시킬 수 있다(Mehta et al. 2004; Dhir 1986; Nan et al.
	대형 지하구조물의 특징은 무엇인가?	대형 지하구조물은 콘크리트 댐 구조물, 원자력 발전소의 대규모 기초 구조물 및 해양 항만의 구조물 등 부재단면이 일반적인 구조물과 비교하여 매우 크며, 시공 시 짧은 기간에 막대한 양의 콘크리트를 타설하므로 수화열의 문제가 필연적으로 발생된다 (Hwang et al. 1991; Espenson 1996; Mehta et al.
	대형 구조물 중 지하에 매설되는 구조물은 지상의 경우와 비교하여 다른점은 무엇인가?	대형 구조물 중에서도 특히 지하에 매설되는 구조물의 경우에는 대부분이 부정정 외부구속 상태에 놓이게 된다. 따라서 지상의 경우와 비교하여 온도 및 습도변화에 따른 영향을 상대적으로 더욱 크게 받게 되며, 체적변화가 크게 발생된다. 이러한 경우 온도 응력이 구조물의 길이방향으로 크게 작용하게 되어 구조물에 타설 되는 콘크리트의 전ㆍ후 품질에 영향을 미치게 되어 유해한 균열을 발생시키게 된다.

참고문헌 (14)

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상세보기
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상세보기
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상세보기
Choi, Y.W., Kim, Y.J., Shin, H.C., Moon, H.Y. (2006). An experimental research on the fluidity and mechanical properties of highstrength lightweight self-compacting concrete, Cement and Concrete Research, 36(9), 1595-1602.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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