130MPa급 초고강도콘크리트 현장 적용

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

To identify the applicability of ultra high strength concrete to construction sites, first, indoor concrete specimen were made by varying concrete proportioning to achieve the compressive strength of more than 130MPa.
Then a selected concrete of optimal mixing ratio in the lab was produced at a concrete mixing plant to be transported to a construction site and then delivered to the points of structural members by high pressurized concrete pumps.
At these points samples were collected to test characteristics of consistency(flow or slump), strength and hydration heat.
The best concrete mixing ratio of the 130MPa compressive strength could be achieved by using the mixing formula of silica fume 10%, fly ash 10%, water-binder-ratio 16.7%, unit water weight 155kg/㎥ and water-reducing agent 2.5%.
As the test was conducted, it was recognized that a very delicate change of a concrete ingredient could cause a big difference in the strength and slump. Thus care should be taken to achieve a desired result from the moment of mixing through applying and then through curing.
As water-binder-ratio increased, the amount of highly-efficient water reducing agent decreased with the same amount of unit water weight. In contrast, as water-binder-ratio decreased, the amount of highly-efficient water reducing agent increased. Presumably this was due to the fact that the mixing ratio of a highly-efficient water reducing agent and a water-binder-ratio affected most the increment and decrement of compressive strength, air-amount and slump-flow.
Temporal change of concrete slump flow and air amount were measured for 120 minutes at the concrete mixing plant and also construction site. At both places slump flow reduced by 5cm and air amount increased by 0.3%, which satisfied quality control target value of 65±5cm and 2%, respectively. According to these results, it is recommended that the time period of 120 minutes taken from a concrete mixing plant to a construction site would be enough to finish concrete placing to maintain the desirable quality of 130MPa super concrete.
Relative to the use of silica-fume and non-contractual gypsum with cement, the combination of silica-fume and fly-ash with cement showed better result of reducing hydration heat. In particular, concrete is placed while cold, it is required to protect concrete members, since the temperature difference between the inside of a member and the outside of massive member is large.
Two kinds of concrete specimen were made to examine the behavior of temperature(hydration heat) in the concrete members by using the concrete proportioning of 80% cement, 10% silica fume and 10% fly ash. The lab scale (500x500x500mm) member showed the temperature of 82℃ when 32 hours elapsed from the concrete placing. The massive in-situ member showed 94℃ 36 hours later from the concrete placing. For both cases, the temperature difference between inside and outside of the members was 5℃. Members having larger cross-sectional area caused higher hydration heat. Since the member surface was covered with adiabatic material, the temperature difference was relatively small.
The target compressive strength, 130MPa, was achieved when the control sample cores were cured in the standard water for 91 days. And samples were collected from mocking members such as adiabatic massive members and column members. The former reached the target strength of 130MPa within 28days, while the latter within 91days.
The compressive strength of control cores cured under standard and adiabatic conditions was found to be the nearest to the core strength of mocking members.
To examine the reproducibility of the ultra high strength concrete quality, the sample cores were prepared by using the same proportioning recipe and curing condition for the in-situ mocking members. Compressive strength for these cores was measured to be the mean of 123.4MPa with the standard deviation of 3.96MPa showing similarity to the case of mocking members(127MPa).
As such, this study showed the applicability of the ultra high strength concrete of 130MPa-class to ultra high-rise buildings. For better concrete, it is recommended to improve the quality of cement and highly-effective water reducing agents.

국문 초록 (Abstract)

건설기술의 발전에 따라 더 크고 높은 건축물을 건설하고자 하는 인류의 욕망은 더 커지고, 이를 실현하기 위한 건설재료 중의 하나인 콘크리트 강도증진에 대한 연구가 지속적으로 진행되어 왔다.
콘크리트 강도가 높아지면 건물의 내구성이 커지고 건축물의 초고층화, 대형화, 다양화가 가능하고 콘크리트 단면의 축소로 구조물 자중이 경감되어 보와 슬래브 두께를 얇게 함으로서 층고를 증감하거나 같은 높이에서 많은 층수를 축조할 수 있고 넓은 유효공간이 확보되며, 기초 저면 지정에 사용된 자재 및 철근과 콘크리트 양을 절감하는 효과를 기할 수 있다.
현장시공 및 품질측면에서는 낮은 물결합재비(water binder ratio) 배합으로 건조수축 발생 저감 효과와 콘크리트 표면의 블리딩 최소화 효과를 얻을 수 있으며, 고성능감수제 사용에 의한 유동성 증진으로 자체 충전성이 확보되어 현장시공이 용이해지며, 콘크리트의 조기 강도 발현으로 거푸집 탈형 기간을 단축시킬 수 있는 장점이 있다.
특히 근래에 들어 콘크리트와 관련한 건축기술의 비약적인 발전에 따라 초고층 건축물에서는 설계기준강도 80MPa급 이상의 초고강도콘크리트의 적용이 전 세계적으로 확대되고 있다.
그러나 최근 국내에서도 100층 이상의 초고층 건축물들이 발주 또는 발주 예정되어 있으나, 현장적용성이 고려된 130MPa급 이상의 초고강도콘크리트를 개발하여 현장에서 실제 적용 가능성 여부를 실험, 평가한 연구실적은 미흡하여 이에 대한 연구가 시급한 실정이다.
본 연구에서는 초고강도콘크리트의 현장적용 가능성을 확인하기 위하여 여러 가지 방법의 실내기초 실험으로 연구되어진 최적의 배합비를 찾아서 축소모의부재 예비실험을 실시하였다. 그 후 실물크기와 유사한 모의부재에 130MPa급 초고강도콘크리트를 레미콘 공장에서 생산하여 현장 펌프압송 타설을 통해 콘크리트의 유동특성, 강도특성, 수화열에 관한 실험 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
1. 최적배합비 결정
(1) 130MPa급 초고강도콘크리트 제조 시 공사비와 시공성을 고려할 때 실리카퓸 및 플라이애시 각각 10%, 물결합재비 16.7%, 단위수량 155kg/㎥, 고성능감수제 2.5% 배합이 최적의 배합으로 나타났다.
본 연구 결과 초고강도콘크리트 배합 시 적용배합의 미세한 오차에도 압축강도, 유동성 및 콘크리트 품질에 큰 영향을 미치므로 제조 배합에서 현장시공 및 재령에 이르기까지 전 단계에 대한 세심한 주의가 필요하다.
(2) 동일한 단위수량에서 물결합재비가 증가하면 고성능감수제의 사용은 감소하였고, 물결합재비가 감소하면 고성능감수제의 사용이 증가 하였다. 이는 고성능감수제와 물결합재비의 배합비율이 콘크리트 압축강도, 공기량 및 슬럼프플로우 증감에 가장 큰 영향을 미친 것으로 사료된다.
2. 경시변화 측정
슬럼프플로우 및 공기량에 대한 경시변화 측정은 레미콘 공장과 현장에서 각각 120분 동안 측정하였는데 공장과 현장 모두 슬럼프플로우는 5cm 감소하여 관리목표 65±5cm를 만족하였으며, 공기량은 0.3% 증가하여 적용 목표치 2%이내로서 모두 목표값을 만족하였다.
따라서 130MPa급 초고강도콘크리트를 레미콘 공장을 출발하여 현장타설 완료 시 까지 120분 동안 현장시공이 가능하다고 판단된다.
3. 수화열 평가
(1) 초고강도콘크리트의 3성분계 배합에서 실리카퓸과 플라이애시의 적용이 실리카퓸과 무수석고 치환에 비해 수화열 저감 효과가 있는 것으로 나타났으며, 특히 한랭기 타설 시 모의부재 중심부와 표면의 수화열 차이가 크게 발생하는바 현장적용 시 보온대책이 필요한 것으로 사료된다.
(2) 동일한 배합비로 실리카퓸 10%, 플라이애시 10%를 치환하여 축소모의부재(500x500x500mm)와 단열매스부재(1,000x1,000x1,000mm) 수화열을 비교 검토한 결과 축소모의부재에서는 콘크리트 타설 32시간 경과 후 최고온도 82℃를 나타냈고, 단열매스부재실험에서는 36시간 이후 94℃를 나타냈으며 각각 콘크리트의 최고, 최저 온도차는 약 5℃를 나타내었다. 이는 부재단면이 클수록 높은 수화열이 발생되었지만 거푸집 외부가 단열처리 되었기 때문에 단열두께, 재질의 선정이 콘크리트 표면온도와 중심부 수화열 온도차의 증감에는 크게 영향을 미치지 못한 것으로 사료된다.
4. 압축강도 130MPa급 적용
(1) 관리용 공시체의 목표 압축강도 130MPa는 표준수중 양생 시 91일에 달성되었고, 모의부재에서 채취한 코어의 경우 단열 매스부재는 28일, 기둥부재는 91일에 만족하였다
표준양생 및 단열양생의 관리용 공시체 압축강도는 모의부재의 코어의 압축강도와 가장 근접하게 나타났다.
(2) 초고강도콘크리트 품질의 재현을 위하여 현장모의부재 실험 배합비와 동일 조건하에 콘크리트 압축강도를 측정한 결과 평균 123.4MPa, 표준편차는 3.96로 나타나 당초 현장 적용을 위한 모의부재 실험결과 압축강도(127MPa)와 유사하게 나타났으므로 이는 균일한 초고강도콘크리트가 제조되었기 때문으로 판단된다.
이상과 같은 연구를 통해 최적의 배합으로 균일한 130MPa급 초고강도콘크리트를 대량생산하여 초고층건축물 현장적용 가능성을 확인하였다.
특히 본 연구를 통하여 향후 보다 더 높은 초고강도콘크리트 개발을 위해서는 국내산 시멘트 및 고성능감수제의 품질 향상이 시급하며 더 높은 콘크리트 강도 개발과 더불어 구조 및 내화성능에 관한 연구가 병행된다면 초고강도콘크리트 실용화에 큰 진전이 있을 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서 론 = 1
• 1.1 연구배경 및 목적 = 1
• 1.2 연구범위 및 논문 구성 = 3
• 1.3 연구내용 및 방법 = 6
• 1.4 선행연구 동향 = 6
• Ⅱ. 이론적 고찰 및 적용사례 = 14
• 2.1 초고강도콘크리트의 의의 = 14
• 2.1.1 압축강도상의 정의 = 14
• 2.1.2 일반적 특성 = 16
• 2.1.3 요구 성능 = 16
• 2.1.4 제조방법 = 19
• 2.2 초고강도콘크리트의 역학적 특성 = 19
• 2.2.1 압축강도에 영향을 미치는 재료배합조건 = 19
• (1) 사용재료 = 20
• ① 시멘트 = 20
• ② 골재 = 21
• ③ 혼화재 = 23
• ④ 혼화제 = 28
• (2) 배합 = 31
• ① 물시멘트비 = 31
• ② 단위수량 = 31
• ③ 단위시멘트량 = 33
• ④ 잔골재율 = 33
• ⑤ 공기량 = 34
• 2.2.2 압축강도에 영향을 미치는 재령 및 양생조건 = 34
• (1) 재령 = 34
• (2) 양생방법 = 34
• (3) 온도이력 = 35
• 2.2.3 압축강도에 영향을 미치는 시험조건 = 36
• (1) 공시체의 치수 및 형상 = 36
• (2) 공시체의 건습 = 37
• (3) 공시체의 단면처리 방법 = 37
• (4) 재하속도 = 38
• 2.3 인장강도 = 38
• 2.3.1 인장강도에 영향을 미치는 요인 = 38
• 2.3.2 압축강도와의 관계 = 39
• 2.4 휨강도 = 39
• 2.4.1 휨강도에 영향을 미치는 요인 = 39
• 2.4.2 압축강도와의 관계 = 40
• 2.5 탄성계수 = 40
• 2.5.1 탄성계수에 영향을 미치는 요인 = 40
• 2.5.2 응력변형율 곡선 = 41
• 2.5.3 압축강도와의 관계 = 42
• 2.6 초고강도콘크리트 적용사례 = 44
• 2.6.1 국내 적용 현황 = 44
• 2.6.2 국외 적용 현황 = 47
• Ⅲ. 기초적 배합실험 및 재료선정 = 51
• 3.1 개요 = 51
• 3.1.1 실험계획 = 51
• 3.1.2 사용재료 = 53
• 3.2 배합 = 55
• 3.2.1 배합계획 = 55
• 3.2.2 배합방법 = 58
• 3.3 실험방법 = 58
• 3.3.1 굳지 않은 콘크리트 성질 = 58
• 3.3.2 압축강도 = 59
• 3.3.3 경시변화 = 59
• 3.4 실험결과 및 고찰 = 60
• 3.4.1 굳지 않은 콘크리트 성질 = 60
• 3.4.2 압축강도 = 65
• 3.4.3 경시변화 = 69
• 3.5 소결 = 70
• Ⅳ. 최적배합 결정을 위한 실험 = 72
• 4.1 개요 = 72
• 4.1.1 실험계획 = 73
• 4.1.2 사용재료 = 74
• 4.2 배합 = 76
• 4.2.1 배합계획 = 76
• 4.2.2 배합방법 = 76
• 4.3 실험방법 = 78
• 4.3.1 굳지 않은 콘크리트 = 78
• 4.3.2 압축강도 = 78
• 4.4 실험결과 및 고찰 = 79
• 4.4.1 굳지 않은 콘크리트 = 79
• 4.4.2 압축강도 = 82
• 4.5 소결 = 87
• Ⅴ. 축소모의부재 실험 = 89
• 5.1 개요 = 89
• 5.1.1 실험계획 = 89
• 5.1.2 사용재료 = 90
• 5.1.3 배합 계획 = 91
• 5.2 축소모의부재 제작 = 93
• 5.3 실험 방법 = 93
• 5.3.1 압축강도 = 93
• 5.3.2 수화열 = 94
• 5.4 실험결과 및 고찰 = 95
• 5.4.1 압축강도 = 95
• 5.4.2 수화열 = 97
• 5.5 소결 = 101
• Ⅵ. 현장적용을 위한 모의부재 실험 = 102
• 6.1 개요 = 102
• 6.1.1 실험 계획 = 103
• 6.1.2 사용 재료 = 104
• 6.2 콘크리트 제조 = 105
• 6.3 시험체 제작 = 105
• 6.4 실험방법 = 106
• 6.4.1 유동성 및 경시변화 = 106
• (1) 공장(배치 플랜트)생산 후 = 106
• (2) 현장 도착 후 = 106
• 6.4.2 침하량 = 107
• 6.4.3 수화열 = 107
• 6.4.4 초고강도콘크리트 압축강도 = 109
• (1) 관리용 공시체 = 109
• (2) 코어의 공시체 = 109
• (3) 표준편차 = 110
• 6.4.5 골재분포 = 111
• 6.4.6 동결융해 = 111
• 6.4.7 정탄성계수 = 112
• 6.5 실험결과 및 고찰 = 113
• 6.5.1 유동특성 및 경시변화 = 113
• (1) 공장(배치플랜트)생산 후 = 113
• (2) 현장 도착 후 = 114
• 6.5.2 침하량 = 114
• 6.5.3 수화열 = 115
• 6.5.4 압축강도 = 118
• (1) 관리용 공시체 = 118
• (2) 코어의 공시체 = 120
• (3) 표준편차 = 122
• (4) 관리용 공시체와 코어 공시체의 압축강도비교 = 124
• (5) 적산온도와 압축강도 = 127
• 6.5.5 골재분포 = 127
• 6.5.6 동결융해 = 128
• 6.5.7 정탄성계수 = 129
• (1) 응력변형율 = 129
• (2) 정탄성계수 = 131
• 6.6 소결 = 132
• Ⅶ. 결론 = 134
• 참고문헌 = 137
• Abstract = 142
• 부록 = 146