고강도 콘크리트의 수화열 특성 및 발열 저감대책에 관한 연구

A Study on Properties of Hydration Heat of High-Strength Concrete and Reduction Strategy for Heat Production

지도교수 : 건축공학과 ○○○ 교수

20×25 타원	20×25 타원	20×25 타원	20×25 타원
구 영 찬	윤 승 호	이 진 욱	진 현 호
Gu, Yeong-Chan	Yoon, Seung-Ho	Lee, Jin-Uk	Jin, Hyun-Ho

요  약

최근 국내에서는 대형 및 초고층화 건축물에 대한 관심과 수요가 증가하고 있는 추세와 함께 콘크리트의 성능이 중요시 되고 있다. 이를 뒷받침하는 기술로 매스콘크리트 및 고강도 콘크리트 시공기술의 확보는 대단히 중요하다.

본 연구에서는 매스콘크리트 및 고강도 콘크리트의 수화열을 제어하기 위하여 혼화재의 종류와 혼입량의 변화, 배합수를 Ice-flake로 대체함으로써 고강도 콘크리트의 수화열을 저감하고자 한다. 또한 혼화재를 첨가한 고강도 콘크리트의 기초적 물성 및 구조체를 타설하여 간이 단열온도 상승실험을 통한 콘크리트의 온도특성을 보았으며, 슬럼프 로스현상 등 품질 특성에 대하여 분석한 결과 다음과 같은 부분을 검토하고 자 한다.

키워드 : 고강도콘크리트, 매스콘크리트, 수화열, 온도균열

1. 서  론

최근 국내에서는 대형 및 초고층화 건축물에 대한 관심과 수요가 증가하고 있는 추세이며 이로 인하여 콘크리트의 성능이 중요시 되고 있다. 이를 뒷받침하는 기술로 매스콘크리트 및 고강도 콘크리트 시공기술의 확보는 대단히 중요하다. 고강도 콘크리트의 경우 다량의 분체량에 따른 시멘트의 수화반응 활성으로 콘크리트 내부에 높은 온도의 수화열이 발생하고 외부와 온도차로 인한 열응력의 증가 및 그로 인한 균열, 슬럼프로스 현상 등의 문제점들이 많이 발생하고 있어 대책이 필요한 실정이다.(이장호, 1996)

매스콘크리트의 수화열 저감을 위한 방안으로는 혼화재를 사용하는 방법이 있으나 수화열 저감의 한계가 있으며, 분리타설 방법과 cooling에 의한 방법의 경우 분리 타설로 인한 구조체의 일체화가 문제시 되고 있으며, cooling에 의한 방법은 제한적인 요건들을 가지고 있고 추가 시설비를 필요로 한다.(박재선, 2004)

따라서 본 연구에서는 매스콘크리트 및 고강도 콘크리트의 수화열을 제어하기 위하여 혼화재의 종류 및 혼입량의 변화를 주어 시멘트량 감소에 따른 수화열 저감 효과를 실험하였으며, 배합수를 Ice-flake로 대체함으로써 초기의 콘크리트 온도를 저감시켜 고강도 콘크리트의 수화열을 저감하고자 한다. 또한 혼화재를 첨가한 고강도 콘크리트의 기초적 물성 및 Mock-up시험용 구조체를 타설하여 간이 단열온도 상승실험을 통한 콘크리트의 온도특성을 보았으며, 슬럼프 로스현상 등 품질 특성에 대하여 분석함을 목적으로 한다.

2. 실험계획 및 방법

2.1 실험계획

본 연구에서는 매스콘크리트 및 고강도 콘크리트의 온도이력 및 저감대책을 검토하기 위한 연구 방안으로 콘크리트 구성 재료의 일부 또는 전부를 냉각하여 콘크리트의 반죽온도를 저감시키는 방법 중에서 배합수를 Ice-flake로 치환하는 방법과 혼화재를 사용함으로써 시멘트량 감소로 인한 수화열 저감방법을 채택하여 온도 이력을 알아보고자 한다. 또한 콘크리트의 구성재료 중 혼화재와 배합수를 달리 하였을 경우 유동성 및 압축강도를 검토하였다.

2.1 사용재료

1) 시멘트

본 실험에서 사용된 시멘트는 국내 S사의 보통포틀랜드 시멘트를 사용하였으며, 그 물리적․화학적 특성은 표 １과 같다

표 1. 시멘트의 물리ㆍ화학적 성질

비중 (g/㎤)	분말도 (㎠/g)	응결시간		auto clave (%)	압축강도 (N/㎟)
		초결 (분)	종결 (시간)		3일	7일	28일
3.15	3,400	150	3:20	0.23	33.5	45.5	58.2
강열감량 (%)		MgO (%)			SO3 (%)
2.27		3.41			2.41

2) 고로슬래그

본 연구에 사용한 고로슬래그 미분말은 3종 슬래그 미분말을 사용하였으며, 그 물리․화학적 성질은 표 ２와 같다.

표 2. 고로슬래그의 물리․화학적 성질

구분		단위	KS규격(3종)	시험결과
밀도		g/㎤	2.80이상	2.90
비표면적		㎠/g	4000~6000	4,306
활성도 지수	재령7일	%	55이상	70
	재령28일		75이상	103
	재령91일		95이상	117
플로값 비		%	95이상	102
Mgo		%	10.0이하	5.61
SO3		%	4.0이하	1.00
강열감량		%	3.0이하	0.43
염화물 이온		%	0.02이하	0.007

3) 플라이애시

본 연구에 사용된 플라이애시는 충남 당진산 플라이애시를 사용하였으며, 물리․화학적 성질은 표 4와 같다. 입자의 형상은 고로슬래그에 비해 구형에 가까웠으며 SEM촬영 결과를 그림 2에 나타내었다.

표 . 플라이애시의 물리ㆍ화학적 성질

비중 (g/㎤)	분말도 Blane (㎠/g)	단위수량비 (%)	압축강도 (%, 28일)	이산화 규소 (%)	습분 (%)	감열 감량 (%)
2.20	3650	95	96	51.0	0.1	3.7

4) Ice-flake

본 연구에서는 수화열 저감을 위하여 일반 수도수와 얼음을 분쇄한 Ice-flake를 사용하였으며, Ice-flake는 냉동얼음을 분쇄하여 5mm이하의 얼음조각을 사용하였다.

그림 1. Ice-flake 및 콘크리트 비빔

2.2 실험조건

본 실험에서는 매스콘크리트 및 고강도 콘크리트의 수화열 저감방안 마련을 위하여 실시되었으며, 혼화재의 혼입 및 첨가량의 변화와 일반적으로 사용되고 이는 혼합수로인 물을 대신하여  Ice-flake를 사용함으로써 콘크리트의 수화열 변화 및 콘크리트의 내구성에 미치는 영향을 검토하고자 하였다.

표 . 실험인자 및 수준

실 험 인 자	실험요소
분체 종류	보통포틀랜드시멘트 고로슬래그, 플라이애시
배합수 종류	일반 상온수, Ice-flake
고로슬래그 치환율(%)	0, 10, 30, 50
플라이애시 치환율(%)	0, 10, 20, 30

표 . 콘크리트 배합표

규격	W/B (%)	S/a (%)	단위용적중량(kg/㎥)
			W	C	FA	BS	S	G
OPC	30	45	165	550	0	0	734	901
FA10	30	45	165	495	55	0	725	890
FA20		45	165	440	110	0	716	879
FA30		45	165	385	165	0	707	868
BS10	30	45	0	495	0	55	732	898
BS30		45	0	385	0	165	728	893
BS50		45	0	275	0	275	723	887
BS10 Ice	30	45	165	498	0	55	732	898
FA30 Ice		45	165	440	110	0	716	879
FA 10 Ice │ │ └ 혼합수 대신 Ice-flake 사용 │ └ 혼화재료의 혼입율 └ 혼화재료의 종류

2.3 실험방법

간이단열 온도상승 실험을 위한 거푸집의 내부크기는 800×800×800mm 크기로 제작하였다. 거푸집은 열의 손실을 방지하기 위하여 내부에서부터 복사열 차단 단열재(6mm)를 부착한 후 일반단열재(100mm)를 부착 하였고, 가장 외측에는 합판을 이용하여 시험체의 보호 및 변형을 방지하였다.

온도의 측정은 데이터로거(MV2000)를 이용하여 측정하였으며, 측정위치는 그림 ２에 나타낸 바와 같이 중심부와 가장자리를 측정하였다.

그림 2. 간이단열 온도상승 실험 거푸집(좌), 측정위치(우)

3. 실험결과 및 고찰

3.1 혼화재 혼입량에 따른 콘크리트 특성

3.1.1 혼화재 종류 및 혼입량에 따른 유동특성

고로슬래그 및 플라이애시 치환율에 따른 굳지 않은 콘크리트의 유동성에 미치는 영향을 평가하기 위하여 콘크리트의 슬럼프 플로우 실험을 하였다. 고로슬래그 및 플라이애시를 혼합한 콘크리트의 목표 슬럼프 플로우를 달성하기 위하여 고성능 AE감수제 사용량을 0.1∼1.1% 첨가하였으며, 물-분체비는 30%로 동일하게 고정하였다. 실험결과 그림 ３과 같이 고로슬래그와 플라이애시를 혼합한 콘크리트의 경우 OPC에 비하여 혼입량이 증가할수록 고성능 AE감수제의 사용량 또한 감소하였으며, 동일한 혼화제의 양을 사용하였을 경우 고로슬래그와 플라이애시를 혼입하지 않은 OPC의 슬럼프 플로우값보다 높게 나타나 고로슬래그와 플라이애시를 혼입할 경우 유동성이 증가하는 것을 볼 수 있었다.

3.1.2 혼화재 종류 및 혼입량에 따른 압축강도

고로슬래그와 플라이애시 혼입량에 따른 압축강도는 그림 ４～５에 나타낸 바와 같이 고로슬래그와 플라이애시 혼입량이 증가할수록 초기강도는 낮아지는 경향을 보였으며, 간이 단열온도 상승실험에서 가장 높은 온도를 보였던 고로슬래그 치환율 10%에서는 재령이 증가하여도 OPC보다 낮은 강도발현을 보였다. 플라이애시보다 고로슬래그에서 좀 더 높은 강도 발현을 볼 수 있었으며, BS10%를 제외한 고로슬래그와 플라이애시 모두 재령이 증가할수록 OPC보다 높은 강도를 나타내었다. 이는 고로슬래그와 플라이애시의 잠재수경성에 의한 장기강도 증진 효과에 따른 것으로 판단된다.

그림 3. 혼화재 치환율에 따른 고성능 AE감수제 사용량

그림 4. 고로슬래그 치환율에 따른 콘크리트 압축강도

그림 5. 플라이애시 치환율에 따른 콘크리트 압축강도

3.1.3 혼화재의 종류 및 혼입량에 따른 수화발열 특성

1)고로슬래그 치환율에 따른 수화발열 특성

고로슬래그 치환율에 따른 수화발열 특성을 본 결과 그림 ６에 나타낸 바와 같이 고로슬래그 치환율 10%에서 OPC보다 높은 온도상승을 보였다. 그러나 고로슬래그 30%이상부터는 치환율이 증가할수록 최고온도는 낮아지는 것을 볼 수 있었다. 또한, 그림７에서 보는바와 같이 OPC에서 가장 빠른 온도 상승을 보여 최고온도 도달시간 또한 가장 빨리 도달 하였다. 고로슬래그 치환율이 증가할수록 최고온도 도달시간이 확연하게 늦어지는 것을 볼 수 있었다. 고로슬래그를 혼입한 경우 수화열 저감 및 지연효과도 동시에 볼 수 있었으며, OPC와 BS50%와의 최고온도 도달시간은 8시간 이상 차이가 나는 것을 볼 수 있었다.

그림 6 고로슬래그 치환율에 따른 콘크리트 수화발열특성

그림 7. 고로슬래그 치환율에 따른 최고온도 도달시간

2)플라이애시 치환율에 따른 수화발열 특성

플라이애시 혼입량에 따른 간이단열온도상승을 측정한 결과 OPC보다는 낮은 온도 상승을 보였으며, 치환율 20%에서 가장 높은 온도상승을 보였다. 그림 ８～９에　나타난　바와 같이 플라이애시 치환율이 증가할수록　OPC와　비교하여　최고온도 도달시간이　점점　길어지는　것으로 나타났으며, 플라이애시의　혼입율이　증가할수록　수화열이　저감하는　것을　확인할　수　있었다．플라이애시　치환율　30%와　OPC의 최고온도 도달시간은 4시간　정도　차이가　나는　것을　볼　수　있었다．

수화열　저감효과는　플라이애시와　고로슬래그　모두 비슷한 양상을 보였으나，최고온도　도달시간　및　지연효과는　고로슬래그가　더　우수한　것으로　나타났다．

그림 8. 플라이애시 치환율에 따른 콘크리트 수화발열특성

그림 9. 플라이애시 치환율에 따른 최고온도 도달시간

3.2 배합수 종류에 따른 콘크리트 특성

3.2.1 배합수에 따른 유동특성

배합수에 따른 유동특성으로는 배합수를 Ice-flake로 대체하였을 경우 일반 상온수보다 유동성이 크게 증가하는 것을 확인할 수 있었으며, 슬럼프 플로우값을 500±50㎜를 기준으로 하였을 때 고성능 AE감수제 사용량으로 유동성을 확인한 결과 그림 10에서 보는 바와 같이 혼합시　상온수를 Ice-flake로 대체하였을 경우 감수제 사용량이 감소하는 것을 볼 수 있으며, 고로슬래그　및　플라이애시에　Ice-flake를　적용하여도　동일한　결과를　얻을　수　있었다.　또한　고로슬래그보다　플라이애시의　감수제　사용량이　가장　낮게　나왔으나　이는　구형의　플라이애시의　입자의　영향에　의한　것으로　판단된다．

그림 10. 배합수를 Ice-flake로 대체 시 감수제 사용량

슬럼프플로우 500±50mm

3.2.2 배합수에 따른 슬럼프로스 특성

상온수와 Ice-flake를 배합수로 사용하였을 때 슬럼프로스 특성을 확인하기 위해 2대의 믹서를 이용하여 동일한　조건하에서　각각의 시료를 같은 속도로 천천히 믹싱하며, 매30분 간격으로 슬럼프 플로우값을 측정하였다. Ice-flake를 배합수로 사용하였을 경우 비빔시간 3분에 얼음이 거의 다 녹는 모습을 확인할 수 있었으며, Ice-flake 사용 시 슬럼프 플로우값은 25%～15% 정도 높게 나타났다. 상온수와 Ice-flake　모두 시간이 경과함에 따라 슬럼프 플로우 감소를 나타내었으며, 콘크리트의 온도에 따라 플로우값의 변화가 현저하게 나타났다.

또한　혼합수의　차이에　따른　콘크리트　온도변화는　일반수도수를　사용하였을　 경우　초기　콘크리트　배합온도가　27.7℃인데　반해　Ice-flake를　사용하였을　 경우　10.9℃로　16.8８℃의　차이를　보였으며　120분이　경과한　후에도　4℃이상의　차이를　나타내었다．

그림 11. Ice-flake 사용 시 경과시간에 따른 슬럼프 플로우값 변화

그림 12 Ice-flake 사용 시 경과시간에 따른 콘크리트 온도변화

3.2.3 배합수에 따른 응결특성

상온수와 Ice-flake를 배합수로 사용하였을 때 응결시간의 차이를 비교해본 결과 그림 9에 나타낸 바와 같이 초기에 Ice-flake를 사용한 콘크리트의 응결이 좀 더 늦은 경향을 보였으나 시간이 경과함에 따라 동등한 응력값을 나타내었다.

그림 13 Ice-flake 사용 시 경과시간에 따른 응력값

3.2.4 배합수에 따른 강도특성

그림 12는 배합수에 따른 콘크리트 압축강도의 변화를 나타낸 것으로 배합수를 Ice-flake로 대체 하였을 때 압축강도의 차이는 전체적으로 상온수보다 조금 낮은 경향을 보이나 재령이 증가할수록 그 차이는 점차 작아지는 것으로 나타났다.

혼화재 종류에 따른 압축강도를 보았을 때 OPC와 고로슬래그에서는 비슷한 강도 발현을 보였고 플라이애시 20%를 사용한 콘크리트 압축강도에서 가장 큰 차이를 보였다. 그러나 강도발현이 상승하고 있는 추세를 보이고 있어 장기재령으로 갈수록 동등한 강도를 나타낼 것으로 판단된다.

표 . 배합수 종류에 따른 콘크리트의 압축 강도  (단위：MPa)

배합수 재령 혼화재	상온수				Ice-flake
	3일	7일	28일	56일	3일	7일	28일	56일
OPC	45	50.8	60.4	65.8	41.1	48.1	57.3	63.8
BS10%	39.8	46.1	55.8	61.8	39.4	47.9	55.6	59
FA20%	41.9	47.8	65.3	72.9	37.8	44.9	59	65.7

그림 . 배합수를 Ice-flake 대체 시 콘크리트 압축강도

3.2.5 배합수에 따른 수화발열 특성

배합수에 따른 수화발열특성을 보기위해 혼화재별 간이단열온도 상승실험을 통해 가장 높게 나온 BS10%와 FA20%를 선택하여 실험을 실시하였다. 상온수와 Ice-flake를 각각 배합수로 사용하였을 때 간이 단열온도 상승실험 결과 배합초기 얼음에 의해 떨어진 콘크리트 온도가 최대상승온도에 똑같은 영향을 주어 확연한 온도 차이를 나타내었으며, OPC에서는 타설 후 18시간 만에 최고온도에 도달하였고, 다음으로 OPC-ICE, BS-ICE, FA-ICE 순으로 나타났다.

그림 . 배합수를 Ice-flake 대체 시 콘크리트 온도

OPC와 FA-ICE와의 최고온도 도달시간은 24시간 정도의 큰 차이를 볼 수 있었으며, Ice-flake대체시 수화열 저감 및 지연효과를 동시에 볼수 있었다. 또한 그림 14에 나타낸 바와 같이 OPC가 배합수에 따른 콘크리트 온도 차이가 가장 크게 나타났으며 Ice-flake로 대체 시 FA-ICE에서 가장 낮은 온도를 나타내었다.

그림 . 혼화재별 배합수 종류에 따른 콘크리트 온도

4. 결  론

매스콘크리트 및 고강도 콘크리트의 경우 부재의 크기와 다량의 분체량에 의한 콘크리트의 수화열 및 외부와의 온도차로 인한 열응력 발생으로 콘크리트 균열이 문제시되고 있다. 이를 제어하는 방법으로 혼화재의 종류와 혼입량의 변화, 배합수를 Ice-flake로 대체함으로써 수화열을 저감하고자 한다.

(1) 고로슬래그 치환율에 따른 콘크리트 온도 특성으로 고로슬래그 30% 이상 치환 시 수화열 저감효과를 볼 수 있었으며, 플라이애시 치환 시에는 모두 OPC보다 낮은 온도를 보여 고로슬래그보다 온도저감 효과가 큰 것으로 나타났다.

(2) 외기온이 높은 하절기의 배합수에 따른 유동특성으로 배합수를 Ice-flake로 대체하였을 때 일반 상온수보다 유동성이 현저히 증가하는 것으로 나타났으며, 슬럼프로스 특성을 실험한 결과 Ice-flake에 의해 떨어진 콘크리트 온도가 상승하여 상온수와 같은 온도에 도달하는 시간은 2시간 이상 소요되며, 상온수와 온도가 같아지는 시간만큼 슬럼프로스 저감 효과를 볼 수 있었다.

(3) 모든 콘크리트의 배합조건에서 콘크리트 온도특성으로 배합수를 Ice-flake로 대체 하였을 때 배합초기 얼음에 의해 떨어진 콘크리트 온도가 최대상승온도에 영향을 주어 최대 17∼20℃ 정도의 온도저하 효과를 나타내었다.

이상의 연구 결과를 종합하여 볼 때 콘크리트의 수화열 저감 방안으로 혼화재로는 고로슬래그와 플라이애시를 사용하고 배합수로 Ice-flake를 사용함으로써 콘크리트의 유동성개선 및 슬럼프로스 저감효과를 볼 수 있으며, 콘크리트 최고 온도를 크게 떨어트려주고 그로 인한 열응력 감소로 온도균열지수 또한 크게 상승하였다.

그러므로 매스콘크리트 및 고강도 콘크리트의 수화열에 의한 균열저감 및 품질향상에 크게 기여할 것으로 판단된다.

Abstract

Recently in South Korea, as the number of demands for large and high-rise buildings is increasing, the performance of concrete is stressed. For this, acquisition of construction technique for mass concrete and high-strength concrete is very important. This study used different types of mineral admixture and contents or substitution with Ice-flake to lower the hydration heat of high-strength concrete. In addition, the study also revealed basic properties of high-strength concrete added with mineral admixture, temperature characteristics of concrete through simple adiabatic temperature-rise test and will further consider following parts regarding data acquired from analysis of quality properties, such as slump loss phenomenon.

keyword : high-strength concrete, mass concrete, heat of hydration, temperature crack

참고문헌

1. 김성수 외2인, 매스콘크리트의 열경사 조절에 의한 수화열과 온도균열의 방지, 구조물진단학회지, 제12권, 제6호, pp.164-172, 2008

2. 박재선, 매스콘크리트의 수화열에 의한 온도균열 제어 연구, 조선대학교 산업대학원 석사 학위논문, 2004

3. 이장호 외1인, 매스콘크리트 구조체의 주변환경을 고려한 온도이력 해석, 한국콘크리트학회지, 제8권, 제4호, pp.191-200, 1996

4. 한국콘크리트학회, 콘크리트표준시방서해설, 기문당, 2009

5. 한천구 외4인, 고로슬래그 미분말을 다량 치환한 콘크리트의 초기품질에 미치는 온도의존성, 한국건설순환자원학회지, 제4권, 제1호, pp.74~80, 2009