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J. Korean Soc. Hazard Mitig. > Volume 17(6); 2017 > Article
상전이물질을 사용한 매스콘크리트의 수화열 특성

Abstract

One of the effective techniques to mitigate thermal stress in the mass concrete is to use the phase change material(PCM). In recent years, many researchers have conducted studies on the PCM concrete composite. The main objective of this study was the influence of PCM on hydration heat of mass concrete with ternary blended cement. To verity the accuracy and computation efficiency of simulation analysis, compared to measurement data from actual structure. The simulation analysis results indicate that the temperatures determined by the analysis are in good agreement with the measured values from actual structure. The simulation analysis of finite element procedure is feasible as an auxiliary method of temperature management. It was observe that the incorporation of PCM in mass concrete leads to a decrease of the maximum temperature and reduction of thermal crack. Therefore, the incorporation of PCM with ternary blended cement is effective in controling the hydration heat of mass concrete.

요지

상전이물질(PCM)의 활용은 매스콘크리트의 수화열을 줄일 수 있는 효과적인 방법 중의 하나이며 최근 상전이물질을 이용한 콘크리트 복합체에 대해 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 PCM 혼입 및 저발열 결합재의 사용에 따른 매스콘크리트의 열적특성을 평가하였으며, 실제 구조물에 대한 수화열해석 및 현장시공 적용을 통한 검증을 실시하였다. 실험 결과 수화열 해석에 의한 값이 실제구조물의 수화발열 및 온도 상승이력에서 유사한 경향을 나타내므로 수화열 온도이력을 검토하기 위해 수화열 해석 프로그램의 활용이 효율적인 방법이라 판단된다. 또한 저발열 결합재와 PCM 혼입이 매스콘크리트의 수화열 저감 및 온도균열 감소에 효과적인 것으로 판단된다.

1. 서론

농업생산기반시설중의 하나인 농업용 저수지는 전국에 17,310개소이며 총저수량 규모 30만톤 이상인 1종 저수지는 1,224개소이다. 저수지의 준공연도별 현황의 경우 30년 미만은 4.1%, 30년∼50년 미만은 23.8%, 50년 이상은 72.1%로 전체적으로 30년 이상 경과된 저수지가 많은 실정이다. 따라서 시설의 노후화 및 최근 발생하는 이상기온에 대한 재해대응 능력이 취약한 것으로 판단된다. 이에 따라 재해예방과 강화된 설계기준 적용, 노후시설의 기능보전을 위해 정부에서는 기후변화 대응 재해대비 농업생산기반정비 중장기 계획을 수립하여 수리시설 개보수 사업을 추진하고 있다. 저수지 개보수사업에 대한 중장기 투자 목표로 1단계(’13년∼’18년) 6,700억 원, 2단계(’19년∼’23년) 4,100억 원, 3단계(’24년∼’30년) 8,800억 원으로 매년 800∼1,100억 원의 사업비를 계획하여 추진하고 있으며 추가로 대형수리시설 치수능력 증대사업을 진행하고 있다(Ministry of Agriculture, Food and Rural Affairs, 2016). 저수지나 방조제 등 농업생산기반시설의 지속적인 개보수사업뿐만 아니라 댐, 발전소, 초고층 빌딩 등과 같은 콘크리트 구조물의 대형화 추세가 가속됨에 따라 매스콘크리트의 사용이 증가하고 있다.
매스콘크리트는 시멘트와 물에 의해 발생되는 수화열이 축적되어 내부온도가 상승하게 된다. 콘크리트의 표면과 내부의 온도차 및 수축변형 구속 등에 의해 인장응력이 생기고 콘크리트의 인장강도 이상으로 작용할 경우 균열을 발생시킨다. 매스콘크리트에서의 균열은 구조적 결함과 내구성 저하의 원인으로 작용할 수 있다. 이러한 온도균열로 인한 콘크리트의 문제를 예방하기 위해 콘크리트의 허용최대온도차와 최고온도 제한 등의 수화온도 관리가 요구된다 (Gajda and Vangeem, 2002). 이에 따라 수화열 제어에 대한 연구가 진행되고 있으며 배합수나 사용 골재, 시멘트 등의 사용재료를 냉각시키는 프리쿨링, 파이프에 냉각수를 통과시키는 파이프쿨링, 분할타설 등의 시공적 방법과 저열시멘트, 저발열 결합재 혼입, 지연제 혼입 등으로 콘크리트 자체의 발열량을 저감시키는 재료적인 방법 등이 있다. 그러나 시공적 방법은 부대설비에 대한 고비용의 공사비 소요와 부재의 규모에 따른 제한 및 시공 과정이 복잡하다는 단점이 있으며 재료적인 방법은 비용대비 성능 미흡, 공기지연, 초기강도 발현 지연 등의 문제점을 가지고 있다(Gajda and Vangeem, 2002; Park et al., 2008; Yum et al., 2006; Seo et al., 2014).
매스콘크리트의 수화열 제어 방안으로 플라이애쉬와 고로슬래그 등의 결합재를 시멘트 대체재로 사용하고 있으며 일반적으로 플라이애쉬는 시멘트의 15∼25% 및 고로슬래그는 시멘트의 65∼80%를 대체하여 사용된다(Gajda and Vangeem, 2002).
상전이물질(Phase Change Material, PCM)은 높은 잠열용량을 갖고 있으며 고체에서 액체 또는 액체에서 기체 혹은 그 반대로 상이 변하면서 열을 흡수, 방출하는 잠열 또는 열조절 기능을 하는 물질을 말한다(Hawlader et al., 2003; Zalba et al., 2003). PCM은 물질에 따라 상전이 온도와 용해열이 다르므로 사용 목적에 따라 활용한다면 다양한 분야에 유효하며 에너지를 효율적이고 합리적으로 이용할 수 있다. 최근 PCM을 활용한 콘크리트의 수화열제어에 대한 연구가 진행되고 있으며 기존 연구에 따르면 콘크리트에 PCM을 혼입한 결과 열전도율 및 열확산을 감소시키며 잠열성능을 향상시키는 것으로 나타났으나 압축 및 휨 강도가 감소하는 경향을 나타내었다(Hunger et al., 2009; Meshgin and Xi, 2012; Jayalath et al., 2016). PCM 혼입에 따라 콘크리트의 강도 저감과 장기 안정성의 불확실함이 있지만 실리카흄과 플라이애쉬 등과 같은 포졸란 재료의 사용을 통해 PCM을 혼입한 콘크리트의 안정성이 향상되는 것으로 나타났다(Ling and Poon, 2013; Hawes et al., 1990; Hawes et al., 1992). Jang et al. (2016)의 연구에서는 바륨 및 스트론튬계 PCM을 사용한 시멘트 모르타르의 수화특성을 평가하였으며, 실험결과 스트론튬계 PCM에서 수화열저감 효과가 높게 나타났다. PCM을 혼입한 콘크리트의 수화열제어에 대한 연구는 압축강도시험, 단열온도상승실험 등 실험적 연구만 진행되었으며 수화열에 대한 해석적 연구 및 현장시공에 따른 평가에 관한 연구는 미흡한 실정이다.
따라서 본 연구에서는 스트론튬계 PCM 및 저발열 결합재를 사용한 콘크리트의 단열온도상승실험을 진행하고, 실험 결과를 토대로 농업생산기반시설물중의 하나인 저수지의 콘크리트 구조물에 대해 수화열해석 및 현장시공 적용을 통한 검증으로 PCM을 활용한 매스콘크리트의 수화열 저감방안을 평가하고자 한다.

2. 실험

2.1 실험계획

본 연구에서는 단열온도상승실험을 통한 수화열 성능평가 및 압축강도실험을 통해 수화열해석에 필요한 데이터를 도출하고자 한다. 실험에 사용된 시멘트와 플라이애쉬 및 고로슬래그의 화학적 조성은 Table 1과 같다. 분말도 3,300 cm3/g의 1종 보통포틀랜드 시멘트를 사용하였으며, 밀도 2.61 g/cm3의 잔골재 및 밀도 2.65 g/cm3의 굵은골재를 사용하였다. PCM 종류별 수화열 특성에 대한 기존연구(Jang et al., 2016)에서 수화열저감 효과가 높게 나타난 스트론튬(Sr(OH)2⋅8H20)계 PCM을 본 연구에 사용하였으며 상전이온도는 88.0°C, 잠열량은 343 J/g이다(Kim and Lee, 2009). Table 2는 콘크리트의 배합을 나타낸 것으로 물/결합재비는 43%이며 PCM 혼입률은 결합재 중량비 3%로 하였다.
Table 1
Chemical Properties of Cement, FA and GGBFS
Properties Composition (&%)
C FA GGBFS
Silicon dioxide (SiO2) 20.90 50.72 33.20
Aluminium oxide (Al2O3) 5.39 20.73 15.52
Calcium oxide (CaO) 64.70 3.61 41.52
Iron oxide (Fe2O3) 2.38 - 0.34
Magnesium oxide (MgO) 1.51 1.08 9.74
Titanium dioxide (TiO2) 1.33 - -
Sodium oxide (Na2O) 0.27 - -
Potassium oxide(K2O) 0.22 - -
Sulfur trioxide (SO3) 1.65 0.54 3.98
Loss on ignition (LOI) 5.80 4.90

※ C: Cement, FA: Fly ash, GGBFS: Ground granulated blast-furnace slag

Table 2
Mixture Proportions of Concrete
Type W/B (&%) Unit weight(kg/m3)
Water Cement GGBFS Fly ash Sand Coarse PCM
OPC 43 165 381 0 0 856 940
PCM-Sr 165 152 152 76 856 940 11.4

2.2 실험방법

PCM 혼입에 따른 콘크리트의 수화발열 특성을 평가하기 위해 Fig. 1과 같이 단열온도상승실험을 하였다. Fig. 2는 단열온도실험체의 형상 및 크기를 나타낸 것으로 약 39L 용량의 단열용기에 콘크리트 시료를 채운 후, 열전대를 매립해 실험체의 중앙부 온도를 측정하였다. 또한 완전 단열상태를 유지하기 위해 시료의 중앙부 온도와 외기온도가 동일하도록 설정하였다.
Fig. 1
Test Set-up for Adiabatic Temperature Rise Test
KOSHAM_17_06_001_fig_1.gif
Fig. 2
Size of Specimen for Adiabatic Temperature Rise Test
KOSHAM_17_06_001_fig_2.gif

2.3 실험결과

Table 3은 압축강도시험 결과를 나타낸 것으로 저발열 결합재와 PCM 혼입에 따라 압축강도와 탄성계수가 각각 5.7% 및 16.6%의 감소를 보여주며 기존연구에 나타난바와 같이 압축강도가 다소 저하 하는 경향을 나타내었다.
Table 3
Test Result of Mechanical Properties
Type fcu(MPa) Ec(GPa)
OPC 43.7(&±6.5) 34.9(&±6.0)
PCM-Sr 41.2(&±1.3) 29.1(&±6.5)

※ fcu: Compressive strength of concrete

Ec: Modulus of elasticity of concrete

Fig. 3은 PCM 혼입에 따른 콘크리트의 단열온도상승 이력을 나타낸 것으로 온도변화는 약 7일동안 측정되었다. 단열온도상승실험결과 OPC 실험체는 타설 후 66시간 후 최대온도인 74.4°C에 도달하였으며 PCM-Sr 실험체는 OPC에 비해 최고온도 발현시간이 지연되어 타설 후 92시간 후 최대온도인 55.5°C에 도달하였으며 실험결과는 Table 4와 같다. 저발열 결합재와 PCM을 혼입한 PCM-Sr 실험체가 OPC 실험체 보다 발열량이 약 33.2% 감소하는 것으로 나타났다. 단열온도상승속도 비교 결과 OPC 실험체의 상승속도는 88.8°C/day이고 PCM-Sr 실험체는 31.3°C/day의 상승속도를 나타내며 저발열 결합재와 PCM 혼입에 따라 수화속도가 64.4% 감소하는 것으로 나타났다.
Fig. 3
Test Result of Adiabatic Temperature
KOSHAM_17_06_001_fig_3.gif
Table 4
Test Result of Adiabatic Temperature Rise Test
Type Initial Temperature (°C) Maximum Temperature (°C) Temperature rising (°C) Time at Maximum Temperature
OPC 21.4 74.4 53.0 66 hour
PCM-Sr 20.1 55.5 35.4 92 hour

3. 수화열해석

3.1 해석개요 및 해석 대상 구조물

본 연구에서는 DIANA 10.1을 사용하여 구조물의 수화열 해석을 실시하고, 실 구조물의 계측결과에 비교하여 평가하였다. DIANA 프로그램은 시간에 따른 콘크리트의 단열온도상승, 타설온도, 표면 열전달, 외기온 특성 등이 고려되어 콘크리트의 온도상승 및 강하속도를 예측할 수 있다. 또한 실제 현장에서 콘크리트 타설 시 수화열온도를 측정하여 그 결과와 해석결과를 비교 검토함으로써 매스콘크리트 구조물에 대한 수화열해석을 검증하고자 한다.
해석 대상 구조물은 충남 예산군 일원에 위치한 ○○저수지 물넘이 확장사업의 신설물넘이 교각부분(P5)이며 공사개요는 Table 5와 같고 현장에 대한 조감도 및 3D 형상을 Fig. 4에 나타내었다.
Table 5
Field Condition
Period 2013&∼2018
Location Daeheung-myeon, Yesan-gun, Chungcheongnam-do, Korea
Structure Spillway 15.0 m (W) &× 6.7 m (H) &× 11 EA
Fig. 4
Picture of Spillway
KOSHAM_17_06_001_fig_4.gif
Fig. 5는 교각부분에 대한 형상 및 도면을 보여주고 있으며 매스콘크리트의 수화열 및 온도균열 관리를 위해 중앙, 상부, 하부, 외기의 온도를 계측하였으며 사용된 계측기 및 온도 센서 설치 과정을 Fig. 6에 나타내었다. 온도 센서의 경우 상부 및 하부는 각각 표면에서 50 mm 이격된 위치에 설치하였으며, 중앙은 정 중앙부에 설치하였다. 교각부분은 3 m 간격으로 총 8번에 걸쳐 분할타설 하였으며 1, 2, 3, 4단 타설시 수화열을 측정하였다.
Fig. 5
Plan of Spillway
KOSHAM_17_06_001_fig_5.gif
Fig. 6
Installed of Thermal Sensors
KOSHAM_17_06_001_fig_6.gif

3.2 해석조건

해석에 사용된 열특성 데이터는 Table 6과 같고 실제 ○○저수지 물넘이 확장사업의 신설물넘이 교각부분에 사용된 콘크리트의 배합이 PCM-Sr을 바탕으로 계획되었기 때문에 PCM-Sr의 실험결과로 수화열 해석을 실시하였다. 실제 타설조건과 동일하게 해석하기 위해 8번의 분할해석을 계획하였고 실제 시공현장에서 측정된 외기온도와 시공현장 인근에 있는 기상청 부여관측소의 데이터를 비교하였을 때 Fig. 7에 나타난 바와 같이 변화추이가 유사하여 수화열해석시 외기온도를 기상청 데이터로 설정하였다. 또한 실제 시공일자를 고려하여 4단 타설 이후에는 교각 분할타설 시 평균 시간차인 23일을 타설 간격으로 설정하였으며 타설 직후에는 철제거푸집 대류계수를 7일 동안 유지하였다. 총 수화열 해석기간은 184일이며 해당 조건을 Table 7에 나타내었다.
Table 6
Thermal Property of Concrete
Type Data
OPC PCM-Sr
Heat Conduction (W/m°C) 2.7
Specific Heat (J/kg°C) 1,150
Density (kg/m3) 2,300
Convection Coefficient (W/m3°C) Outdoor 13
Form 14
Compressive strength at 28 days (MPa) 43.7 41.2
Modulus of elasticity (GPa) 34.9 29.1
Poisson&’s Ratio 0.20
Coefficient of Expansion 1×10-5
Adiabatic Temperature rise (°C) Result of Adiabatic Temperature Rise Test
Fig. 7
Monitored Data of Air Temperature
KOSHAM_17_06_001_fig_7.gif
Table 7
Pouring Processes of Spillway for Analysis
Step fcu (MPa) Initial Temperature(°C) Curing condition (days) Period (day) Size of Structure (m×m×m)
Form Outside
1 41.2 19.5 7 16 0 27.6×7.5×3.0
2 14 21 25.6×7.5×3.0
3 12.4 44
4 4.1 69
5 0.6 92 25.6×2.5×2.7
6 0.1 115 25.6×2.5×2.8
7 -5.5 138 25.6×2.5×1.5
8 -9.9 161 28.2×2.5×2.4
수화열 해석 후 해당 모델에 대한 각 단계별 온도이력, 온도분포 및 균열지수를 알아보고자 하였으며 온도이력 해석 시 단계별 절점의 위치는 Fig. 8과 같다.
Fig. 8
Target Point of Analysis
KOSHAM_17_06_001_fig_8.gif
Fig. 9는 구조물에 대한 경계 조건을 나타낸 것으로 지반경계조건에 대해 1/2 모델링을 위해 모델의 경계면 전체를 Y축으로 고정하였으며 기초 매스콘크리트는 전체 면을 고정하여 매스콘크리트로서 작용하도록 설정하였고 Fig. 9(a)와 같다. 외기 온도 및 대류경계조건은 Fig. 9(b)와 같이 설정하였으며 각 단계별 분할 타설면의 대류계수를 시간별로 정의 하여 외기조건에 따른 분할 타설면의 경계조건에 대해 정의하였다. 위의 절점에 대한 수화열 해석결과와 실제 구조물에서 측정된 데이터를 비교하여 매스콘크리트 구조물에 대한 해석적 검증을 하고자 한다.
Fig. 9
Boundary Condition
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3.3 해석결과

3.3.1 수화해석 결과 및 실제 구조물 계측결과 비교

Fig. 10에 실제 구조물에서 측정된 타설 구간별 시간 경과에 따른 중앙부, 상부, 하부 및 외기온의 온도이력을 측정한 결과 및 수화열 해석결과를 나타내었다.
Fig. 10
Analysis and Measured Temperatures at the Thermal Sensor Positions
KOSHAM_17_06_001_fig_10.gif
1단 타설에서 실제 구조물의 중앙부 센서를 통해 측정된 중심부 최고온도는 타설 후 68시간에 63.6°C로 나타났고, 상부의 최고온도는 타설 후 59시간에 44.9°C로 나타났다. 수화열 해석결과는 중심부 최고온도는 타설 후 57시간 후 62.9°C로 나타났고, 상부의 최고온도는 타설 후 38시간 후 48.3°C로 나타났다. 수화열 해석결과가 실제 측정된 값 대비 중앙부 최고 온도는 약 1% 낮았으며 최고온도 발현시간은 11시간 일찍 나타났다. 해석결과에 비해 실제 구조물에서 타설 초기 발열량이 낮게 나타났으나 유사한 상승곡선을 보여주고 있으며 최고온도 후 다소 완만한 온도 하강 속도를 나타내었다. 2단 타설에서 실제 구조물의 중심부 최고온도는 타설 후 75시간에 64.6°C로 나타났고, 상부의 최고온도는 타설 후 82시간 후에 46.6°C로 나타났다. 수화열 해석결과는 중심부 최고온도는 타설 후 57시간 후 60.8°C로 나타났고, 상부의 최고온도는 타설 후 56시간 후 45.8°C로 나타났다. 해석결과와 실제 측정된 값과의 차이가 최고온도는 약 6% 낮았으며 최고온도 발현시간은 19시간 일찍 나타났다. 1단계 타설과 같이 실제 구조물에서 타설 초기 낮은 발열량이 나타났으며 최고온도 후 해석결과보다 완만한 온도 하강 속도를 보여주고 있다. 3단 및 4단 타설에서는 1단 및 2단타설보다 평균 외기온도가 약 40% 감소함에 따라 실제 구조물 측정 값 및 수화열해석 결과에서 전반적으로 수화열이 저감된 결과를 보여주고 있다. 3단 및 4단 타설에서 수화열 해석결과와 실제 측정된 값 대비 최고 온도는 약 0.5~8%의 오차를 보여주고 최고온도 발현시간은 일찍 나타났으나 유사한 온도상승곡선을 보여주고 있다.
타설 구간별 시간 경과에 따른 수화열 해석결과에 의한 온도이력을 실제 구조물에서 측정된 값과 비교한 결과 일부 오차가 있으며 이는 수화열 해석시 사용되는 단열온도 상승량, 외기온 계수 및 타설온도 등에 의한 해석의 오차가 발생한 것으로 판단된다. 수화열 해석결과와 실제 구조물의 측정된 값이 다소 차이는 있지만 수화발열 및 온도 상승이력에서 전반적으로 유사한 경향을 나타내므로 PCM 및 저발열 결합재를 혼입한 매스콘크리트의 수화열 온도이력을 검토하기 위해 수화열 해석 프로그램의 활용이 효율적인 방법이라 판단된다.

3.3.2 상전이물질을 혼입한 콘크리트의 수화발열 평가

Fig. 11은 PCM 및 저발열 결합재를 혼입한 PCM-Sr 실험체와 1종 보통포틀랜드 시멘트를 사용한 OPC 실험체의 수화열해석에 따른 타설 구간별 매스콘크리트의 온도이력 및 분포를 나타낸 것이다. 2단 타설에서 PCM-Sr 실험체는 중심부 최고온도가 타설 후 57시간 후 60.8°C로 나타났고 OPC 실험체는 타설 후 42시간 후 78.2°C로 나타나 최대온도를 17°C도 저감시켰으며 최고온도 발현시간은 15시간 지연시켰다. PCM 및 저발열 결합재의 매스콘크리트에 혼입함에 따라 수화발열온도 저감 및 수화속도 지연에 효과적인 것으로 나타났다.
Fig. 11
Results of Concrete Temperatures – PCM-Sr and OPC
KOSHAM_17_06_001_fig_11.gif
4단 타설에서는 PCM-Sr 실험체의 중심부 최고온도와 발현시간이 54.9°C와 69시간으로 나타나 72.6°C와 57시간을 나타낸 OPC 실험체 보다 17.6°C의 최고온도 저감효과와 12시간의 최고온도 발현시간 지연을 나타났다.
6단 및 8단 타설에서는 PCM-Sr 실험체의 중심부 최고온도와 발현시간이 각각 57시간, 51.6°C와 57시간, 47.4°C로 나타났고 OPC 실험체는 42시간, 71.5°C와 33시간, 68.7°C나타났다. PCM-Sr 실험체가 OPC 실험체보다 약 20°C의 최고온도 저감을 나타냈고 15~24시간의 최고온도 발현시간 지연을 나타냈다. PCM-Sr 실험체와 OPC실험체에서 6단 및 8단 타설시의 최고온도가 2단 및 4단 타설시 보다 낮게 나타났고 최고온도 이후 온도하강이 다소 급한 경향을 보여주고 있다. 이러한 경향은 실험체의 사이즈가 2단 및 4단은 25.6 m×7.5 m ×3.0 m이고 6단 및 8단을 각각 25.6 m×2.5 m×2.8 m 및 28.2 m ×2.5 m×2.4 m으로 매스콘크리트의 체적변화에 따른 영향과 콘크리트 타설 및 양생시의 외기온도가 전반적으로 낮아짐에 따른 것으로 판단된다.
매스콘크리트는 내외부 온도차에 의해 콘크리트 표면부에 인장응력이 발생하여 균열이 발생할 가능성이 높이 때문에 내외부 온도차를 작게 제어하는 것이 중요하며 BS기준에서는 온도균열 제어를 위한 내외부 온도차를 20°C이하로 규정하고 있다(BSI, 1985). 각 타설 단계별(1~8) PCM-Sr 실험체와 OPC 실험체의 최고온도 발현시 내외부 온도차를 비교하여 Table 8에 나타내었다. PCM-Sr 실험체는 내외부 온도차가 9.94~19.97°C로 20°C 이하의 온도차를 나타내고 있으며 13.85~23.37°C의 온도차를 보여주는 OPC 실험체 보다 온도차를 13~28% 감소시킴에 따라 PCM 및 저발열 결합재의 혼입이 매스콘크리트의 수화열제어에 효과적인 것으로 판단된다.
Table 8
Maximum Temperature Differential
Step PCM-Sr OPC
1 14.80 19.77
2 15.02 19.86
3 18.90 22.91
4 18.07 23.37
5 19.14 22.55
6 19.97 24.25
7 9.94 13.85
8 18.46 21.20

3.3.3 온도균열지수 및 균열발생 확률 평가

매스콘크리트의 온도균열 가능성은 콘크리트표준시방서(KCI, 2016)에서 제시하고 있는 온도균열지수에 의해 평가하였다. 기준에서 제시하고 있는 온도균열지수는 Eq. (1)과 같다.
(1)
Icr=fsp(t)fx(t)
여기서 ft(t)는 재령 t일에서 수화열에 의해 생긴 부재 내부의 온도응력 최대값으로서 수화해석으로 산출하였으며 fsp(t)는 재령 t일에서 콘크리트의 쪼갬인장강도이다.
온도균열지수는 구조물의 중요도, 기능, 환경조건 등에 대응할 수 있도록 선정하여야 하며, 철근이 배치된 일반적인 구조물의 온도균열지수는 아래와 같다.
  • (1) 균열발생을 방지하여야 할 경우: 1.5 이상

  • (2) 균열발생을 제한할 경우: 1.2 이상 1.5 미만

  • (3) 유해한 균열발생을 제한할 경우: 0.7 이상 1.2 미만

Fig. 12는 표층부에 발생하는 시간경과에 따른 온도균열지수를 타설구간에 따라 나타낸 것으로 각 Fig. 12(a)는 PCM-Sr 실험체, Fig. 12(b)는 OPC 실험체의 타설구간에 따른 온도균열지수이다.
Fig. 12
Crack Ratio of PCM-sr and OPC
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OPC 실험체와 PCM-Sr 실험체 모두 2단 타설에서 다른 타설구간 대비 균열지수가 가장 낮게 나타났으며 OPC 실험체는 타설 후 22시간 후 균열지수가 0.46으로 나타나 온도균열 제어수준을 벗어나는 것으로 균열발생 위험성이 큰 것으로 나타났으며 PCM-Sr 실험체는 타설 후 4시간후 균열지수가 0.91로 나타나 유해한 균열발생을 억제할 수 있을 것으로 판단된다. OPC 실험체는 7단 타설구간을 제외한 타설구간에서는 타설 후 22~27시간에 최저균열지수가 0.46~0.68로 콘크리트의 강도가 발현되지 않은 초기에 균열발생 위험성이 큰 것으로 판단된다. PCM-Sr 실험체는 타설 후 43~48시간에 최저균열지수가 0.91~1.37로 균열발생을 억제시킬 수 있으며 OPC 실험체보다 약 2배 높은 균열지수 값을 보였다. 최저균열지수 발현시간 지연에 따라 콘크리트 강도가 발현되어 초기온도균열의 발생을 저감해주며 온도균열제어에 효과적인 것으로 판단된다.

4. 결론

본 연구에서는 스트론튬계 PCM 및 저발열 결합재를 사용한 매스콘크리트 구조물에 대한 수화열해석 및 현장시공 적용을 검증으로 수화열저감 방안을 평가하기 위하여 실시되었으며 실험을 통해 얻은 결론은 다음과 같다.
  • (1) 단열온도 상승 실험결과 저발열 결합재 및 PCM 혼입에 따라 온도상승량 저감 및 최고온도 발현 시간이 지연되는 것으로 나타나 매스콘크리트의 수화열 저감에 효과적인 것으로 판단되며 기존연구에 결과와 같이 콘크리트 압축강도가 다소 저하하는 경향을 나타내었다.

  • (2) 수화열해석 결과와 실제 구조물의 계측결과를 비교 검토한 결과 일부 타설구간에서 실제 구조물이 수화열해석보다 타설 초기 발열량이 낮게 나타나고 다소 오차는 있으나 수화발열 및 온도상승이력에서 전반적으로 유사한 경향을 나타내므로 PCM 및 저발열 결합재를 혼입한 매스콘크리트의 수화열 온도이력을 검토하기 위해 수화열 해석 프로그램의 활용이 효율적인 방법이라 판단된다.

  • (3) 저발열 결합재 및 PCM을 혼입한 매스콘크리트에 대한 수화열해석 결과 제 1종 보통포틀랜드 시멘트를 사용한 경우에 비해 최고온도 저감과 최고온도 발현 시간 지연을 나타냈으며 내외부 온도차를 13~28% 감소시켰다. 또한 온도균열 가능성에 대한 평가항목인 온도균열지수 값을 2배 이상 높게 나타내어 저발열 결합재 및 PCM의 혼입이 매스콘크리트의 수화열 제어에 효과적인 것으로 판단된다.

감사의 글

본 논문은 2014년 교육부와 한국연구재단의 지역혁신창의인력양성사업의 지원을 받아 수행된 연구임(과제번호: NRF-2014H1C1A1066970).

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