온도변화를 고려한 3성분계 혼합시멘트의 매스콘크리트 적용 연구|RISS 상세보기

국문 초록 (Abstract)

콘크리트는 일상생활을 할 때 직접 혹은 간접적으로 관련되지 않는 것이 없을 정도로 현대 사회 발전에 큰 기여를 한 재료중의 하나라 할 수 있다. 콘크리트는 시멘트 또는 결합재와 결합수가 섞인 페이스트 재료와 그 속의 골재로 이루어진 복합재료이며, 시멘트와 물의 수화반응에 기인하여 강도를 발현하는 재료이다.
최근 구조물의 초고층화, 대형화, 장대화 경향에 따라 구조물의 단면이 큰 매스콘크리트의 적용이 활발히 진행되고 있으며, 이러한 흐름에 콘크리트 역시 고강도화, 고유동성 등의 고성능이 요구되고 있다. 특히 고강도화에 따른 콘크리트 제조시 사용되는 단위시멘트량의 증가로 인해 취성적인 특성과 초기재령의 높은 수화열이 발생하므로 콘크리트가 내포하고 있는 균열발생의 한계점이 더욱 이슈화 되고 있다.
특히, 매스콘크리트의 경우 시멘트와 배합수의 수화반응과 콘크리트의 상대적으로 낮은 열전도율로 인하여 상승된 내부 온도와 외기와 접촉하는 외부의 온도 차이에 기인한 팽창과 수축의 영향으로 인장응력에 의한 온도균열이 발생하게 된다. 온도균열로 인해 발생된 균열은 콘크리트 구조물의 건전성과 일체성을 약화시키고 내구성 감소, 미관불량, 누수 발생 등이 야기되므로 적절한 제어 방안이 필요하며, 구조물의 소요 기능을 손상시키지 않도록 관리해야 한다.
따라서 매스콘크리트의 경우 설계단계에서부터 수화열 억제 대책을 마련해야하고 콘크리트 배합 선정시 수화반응에 의해 발생되는 수화열이 최소가 될 수 있도록 재료적인 저감 방안 및 배합설계를 선택하는 것이 매우 중요하다. 또한 시공시 외기기온에 따른 콘크리트 타설온도를 적절히 관리하는 방법, 콘크리트 구조물 내부와 외부의 온도 상승량과 하강량을 예측하고 이를 최소화 할 수 있는 해석법 및 온도균열 발생을 제어할 수 있는 방안을 검토하는 것이 필요하다.
본 연구에서는 3성분계 혼합시멘트를 사용한 콘크리트를 여름철과 겨울철에 타설되는 매스구조물에 효과적으로 적용하기 위한 연구를 수행하였다. 단열온도 상승 실험에 대한 현장 Mock-up 실험과 실내실험을 수행하여 여름철과 겨울철 매스콘크리트 부재의 수화열 발현특성을 평가하였고, 측정된 여름철과 겨울철 외기온도에 따른 양생 온도이력 실험을 수행하여 현장 타설된 매스콘크리트 구조물의 강도를 예측할 수 있는 방안을 제시하였다.
최종적으로 현장 Mock-up 실험, 실내 압축강도 실험, 수화열 해석을 통해 3성분계 혼합시멘트를 사용한 매스콘크리트 배합에 대한 현장 적용성을 평가하였고, 이를 통해 계절에 따른 배합관리 기준 및 양생기간 등의 현장 가이드라인을 제시하였다.

본 연구에서 수행한 연구결과를 요약ㆍ정리하면 다음과 같다.

1. 실내실험과 매트기초의 현장 Mock-up 실험을 바탕으로 3성분계 혼합시멘트를 사용한 TBC 시리즈 매스콘크리트 배합과 OPC와 플라이애시를 사용한 기본배합은 여름철의 경우 목표 재령 28일 설계기준압축강도 24MPa를 모두 만족시키는 것으로 나타났지만, 겨울철의 경우 TBC-532 배합 및 기본배합만이 목표 재령 91일 설계기준압축강도를 만족하는 것으로 나타났다.

2. 단열온도 상승 실험을 통해 매스콘크리트 배합의 수화열 발생 특성을 평가한 결과 3성분계 혼합시멘트를 사용한 TBC 시리즈 배합이 기본배합에 비해 반응속도와 최대로 도달하는 단열온도 상승값이 낮게 측정되어 매스구조물의 수화열 관리에 유리한 것으로 나타났다. TBC 시리즈 배합에서는 OPC 함유량이 적을수록 반응속도와 최대 단열온도 상승값이 낮게 측정되었다.

3. 열전대를 매립하여 4종류의 콘크리트 배합으로 제작된 매트기초 현장 Mock-up 실험체의 총 7개소 수화발열 특성을 평가한 결과 기본배합에 비해 TBC 시리즈 배합으로 제작된 Mock-up 실험체의 타설 후 측정된 최고온도가 낮은 것을 확인하였고 최고온도에 도달하는 시간을 느리게 제어할 수 있었다. 따라서 TBC 시리즈 배합은 외기온도와 부재의 내부의 온도차가 높은 여름철 매스콘크리트 구조물 적용에 효과적인 것으로 판단된다. 또한 겨울철의 경우 여름철에 비해 외기온도와 부재 내부와의 온도 차이에 의한 온도균열 발생은 높지 않으나 낮은 외기온도로 콘크리트 동해로 인한 강도발현 저하 방지 대책이 마련되어야 할 것으로 판단된다.

4. 여름철과 겨울철 Mock-up 실험시 측정한 외기온도 이력을 바탕으로 양생한 4종류 배합에 따른 실내실험 압축 공시체 강도를 평가한 결과 실제 현장에서 양생한 공시체와 Mock-up 코어 공시체의 강도와 약 10% 미만 수준의 오차가 발생되어 실내실험은 충분히 유사하게 현장 양생 강도를 모사할 수 있는 것으로 나타났으며, 여름철과 겨울철 압축강도 발현을 예측할 수 있는 추세곡선식을 제시하였다.

5. 4종류의 매스콘크리트 배합에 대하여 Mock-up 실험을 통한 매트기초 수화열 해석을 수행한 결과 현장 Mock-up 실험체로부터 측정된 온도와 해석결과는 여름철의 경우 약 1.8∼6.1℃, 겨울철에는 0.2∼2.8℃ 범위의 정확성으로 예측할 수 있었다. 1/4 크기 모델링 매트기초의 수화열 해석을 통해 응력시간이력을 평가한 결과 수화열 발생으로 전형적인 내부구속에 의한 온도균열 양상을 보일 것으로 예측되었고, 콘크리트 타설 후 약 3∼5일 사이에 발생될 가능성이 높은 것으로 나타났다. 그러나 4배합 모두 여름철과 겨울철 온도균열지수가 0.7 이상 1.2 미만의 범위로 수화열로 인한 유해 균열발생을 억제할 수 있는 배합으로 나타났다.

이상의 연구 결과를 종합하여 4종류 콘크리트 배합의 매스콘크리트 구조물 적용방안 검토 결과는 다음과 같다. 여름철의 경우 강도조건을 확보할 수 있고 수화열 발생을 최소화 할 수 있는 TBC-352 배합이 가장 유리하며, 겨울철의 경우 수화열 저감과 함께 강도를 충분히 확보할 수 있는 TBC-532 배합이 가장 유효한 배합으로 나타났다. 또한, 여름철과 겨울철에 가장 유효한 배합을 바탕으로 인부 및 자재의 적재가능 시간 등의 현장 작업성을 평가한 결과 여름철은 최소 24시간, 겨울철은 최소 48시간 양생 후 가능한 것으로 나타났으나 현장 여건을 충분히 고려하여 적용하는 것이 필요할 것으로 판단된다.

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콘크리트는 일상생활을 할 때 직접 혹은 간접적으로 관련되지 않는 것이 없을 정도로 현대 사회 발전에 큰 기여를 한 재료중의 하나라 할 수 있다. 콘크리트는 시멘트 또는 결합재와 결합수...