[논문]저발열 콘크리트 배합에 따른 매스콘크리트 온도 제어

박찬규; 장정기; 정재홍; 이승훈; 김성수

저발열 콘크리트 배합에 따른 매스콘크리트 온도 제어
Temperature Control of Mass Concrete with low heat concrete mixtures 원문보기

박찬규 (삼성물산(주) 건설부문 기술연구소) , 장정기 (삼성물산(주) 건설부문 토목사업본부) , 정재홍 (삼성물산(주) 건설부문 기술연구소) , 이승훈 (삼성물산(주) 건설부문 기술연구소) , 김성수 (아세아시멘트(주) 기술본부)

본 연구에서는 댐 보조 여수로 낙차공의 매스콘크리트 시공을 위하여 저발열 콘크리트 배합과 1m${\times}$1m${\times}$1m box 시험을 통하여 수화열에 의한 온도 상승 정도 및 압축강도 발현 특성을 비교 분석 하였다. 이를 위하여 콘크리트 배합은 총 4개의 배합을 실시하였다. 각 배합에 사용된 콘크리트는 제 1종 시멘트 콘크리트, 플라이애쉬 시멘트 콘크리트 그리고 삼성분계 시멘트 콘크리트 2종류이다. 각 box의 지정위치에서 수화열이 계측되었고, 온도 측정 결과를 바탕으로 두께 2.0m인 댐보조 여수로 낙차공에 대한 수화열 해석을 실시하였다. 본 논문에서는 이러한 일련의 실험 결과와 분석결과를 제시하였다.

In this study, temperature increase and strength development of concretes with different types of cement were investigated to construct dam drop spillway. For this purpose, boxes of 1${\times}$1${\times}$1m size with 4 different concrete mixtures were made. The types of concrete were Type I cement concrete, fly ash cement concrete and two type concrete with ternary cement, respectively. The temperature at each point were monitored in these boxes. Based on the Box test, hydration analysis of slab of 2.0m thickness was carried out. This paper presents these experimental and analytical results.

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문제 정의

이에 본 연구에서는 저발열 배합을 이용한 매스콘크리트의 수화열 해석을 통하여 수화열을 저감하고 균열 제어를 하고자 한다. 수화열 해석의 신뢰성을 위하여 현장에서 4가지 배합에 대해 Box 모형부재를 제작 실험하고, 그 결과를 이용하여 본 구조물의 수화열 해석을 수행하도록 하였다.

제안 방법

Mix C의 경우 Q∞, γ값은 Mix A의 값과 유사하였고, 이로써 고로슬래그 20% 및 플라이애쉬 10% 치환에 따른 수화열 저감은 기대하기 어려운 것으로 보인다. Mix D의 경우 최고온도가 제일 낮았고, 해석값도 최저값을 나타내어 3성분계 저발열 배합으로써 본 구조물에 적용하기로 하였다.
모형부재 타설 시 ϕ100×200mm 공시체를 제작하여 20℃에서 수중양생을 실시하였다. 그리고 재령 2일, 3일, 4일, 5일, 7일, 28일에 압축강도를 측정하였고, 재령 28일에는 코아를 뚫어 강도를 측정하였다.
이에 본 연구에서는 저발열 배합을 이용한 매스콘크리트의 수화열 해석을 통하여 수화열을 저감하고 균열 제어를 하고자 한다. 수화열 해석의 신뢰성을 위하여 현장에서 4가지 배합에 대해 Box 모형부재를 제작 실험하고, 그 결과를 이용하여 본 구조물의 수화열 해석을 수행하도록 하였다.
그림 3의 모형부재를 1/4 모델링을 하였고, 관련 재료의 열특성 데이터는 표 2와 같다. 열적 경계조건(열전달 계수)은 상부면은 양생포 3장으로 2.0kcal/㎡hr℃으로 하였고, 옆면과 하부면의 값은 스티로폼 10cm로써 0.6~0.9로 변화하게 하였다. 콘크리트의 비열은 0.
우선 Mix A와 Mix B를 해석하여 열특성데이터 및 다양한 조건들을 명확히 한 후에 Mix C와 Mix D의 열특성데이터(Q∞, γ)를 찾아내는 방식으로 수화열 해석을 실시하였다.
저발열 배합은 Mix D를 이용하였고, 재료의 열특성데이터는 표 2를, 압축강도는 표 3의 결과를 활용하였다. 외기온은 청주지역의 5개년 10월달 월평균기온인 15℃를 반영하였다.
특히, Mix D의 3성분계 배합에 대한 Q∞, γ값은 콘크리트 표준시방서의 “고로슬래그1급 시멘트”에 대한 등가시멘트량을 trial and error 방법으로 구하였고, 그 등가 고로슬래그 시멘트량은 215kg/㎥로 정하였다.
현장 낙차공 매스콘크 리트 적용을 위한 저발열 배합에 대한 검토를 위하여 표 1과 같이 4개의 배합에 대하여 Box 모형부재 실험을 하였다. Mix A는 1종시멘트를 사용한 배합이고, Mix B는 플라이애쉬를 20% 치환한 배합이며, Mix C는 3성분계로 시멘트:슬래그:플라이애쉬=7:2:1 이며, Mix D는 3성분계로 시멘트:슬래그:플라이애쉬=4:4:2 이다.

대상 데이터

그림 3은 모형부재 형상이다. 모형부재에는 총 17개의 온도센서를 설치하여 콘크리트의 수화열을 계측 하였다. A 위치에 모형 부재별로 센서 0, 4, 8, 12를, B 위치에 센서 1, 5, 9, 13을, C 위치에 센서 2, 6, 10, 14를, D 위치에 센서 3, 7, 11, 15를 설치하였다.
본 논문 대상 낙차공 구조물은 30m×40m 크기에 2m 두께의 매스 콘크리트로 구성되어 있고 현장에서 시공시에는 10m×10m로 잘라서 지그재그로 시공할 계획이다.
해석을 위한 Mix A와 Mix B에 대한 Q∞, γ는 콘크리트 표준시방서에 제시된 열특성데이터를 이용하였고, 콘크리트의 강도는 표 3의 압축강도 측정결과를 회기분석하여 압축강도 발현계수 a, b값을 구하여 사용하였다.

데이터처리

이는 여름철의 강한 태양복사열에 의해 부재의 표면부가 데워진 것으로 보이며, 이는 장기적으로 중심부 온도에도 영향을 미친 것으로 생각된다. Feedback 수화열 해석 시에는 이를 고려하여 태양복사열의 영향을 적게 받은 바닥부의 온도계측 결과를 기준으로 수화열 해석 결과와 비교하였다.
3kcal/m hr℃ 값을 사용 하였다. 해석 프로그램은 MIDAS/GEN을 활용하였다.

성능/효과

1) Box 실험을 통하여 3성분계 저발열 배합을 이용하는 경우 1종 시멘트 배합 보다 실측값에서 약 14℃ 저감되는 것으로 확인되었고, 수화열 해석상으로도 11℃ 정도의 저감효과를 나타내었다.
2) 실구조물 해석을 통하여 3성분계 저발열 배합이 플라이애쉬 20% 치환 배합보다 최고온도가 7.7℃정도 저감되었고, 균열지수 또한 0.2 정도 높아진 것으로 확인되었다.
그림 5에 Box 모형부재의 수화열 측정결과가 나타나 있다. 4개의 측정결과 모두 24시간 내의 초기재령에서 표면부의 온도가 중심부의 온도보다 3~6℃ 정도 높게 나타났다. 이는 여름철의 강한 태양복사열에 의해 부재의 표면부가 데워진 것으로 보이며, 이는 장기적으로 중심부 온도에도 영향을 미친 것으로 생각된다.
2로 나타나 균열 발생을 제한할 수 있는 것으로 나타났다. 동일한 조건에서 플라이애쉬 20% 치환배합인 Mix B 해석결과, 최고온도는 3.1일에 53.8℃, 균열지수는 40일에 0.98로 나타났다.

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