Study on the Properties of Field Applied Non-Curing Concrete in Winter Season

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J. Korea Inst. Build. Constr. Vol. 16, No. 5 : 413-419 / Oct, 2016

http://dx.doi.org/10.5345/JKIBC.2016.16.5.413

www.jkibc.org

동절기 무양생 콘크리트의 현장적용 성능 평가에 관한 연구

Study on the Properties of Field Applied Non-Curing Concrete in Winter Season

유 조 형

¹¹⁾

김 우 재

¹

홍 석 범

¹

김 형 철

^2*

이 한 승

²

Yoo, Jo-Hyeong

¹

Kim, Woo-Jae

¹

Hong, Seok-Beom

¹

Kim, Hyeong-Cheol

^2*

Lee, Han-Seung

²

R& D Center, POSCO Engineering & Construction, Yeonsu-Gu, Incheon, Korea

¹

Department of Architectural Engineering, Han Yang University, Sangnok-Gu, Ansan, Korea

²

Abstract

In the cold-weathering concrete construction, it is important to ensure stable strength development of concrete in a low temperature environment. In this study, Non-curing cement(NCC) using the classified high fineness cement and self-heating powder was investigated for stable strength development without curing in a low temperature environment ( less than 0 ℃). The actual size Mock-Up tests by various cement type and curing condition are performed to evaluate the strength development and hydration heat of concrete.

Keywords : high blaine cement, cold weather concrete, mock-up test

1. 서 론

1.1 연구의 목적

최근 국내 건설시장 수요 포화상태에 따라 국내 건설사들 은 해외로 진출하고 있으며 특히, 몽골, 시베리아, 러시아 동토지역 및 남극까지 진출함에 따라 극한환경에서의 건축 구조물 축조기술 개발에 필요성을 느끼고 이에 관한 관심이 증대되고 있다. 특히, 현재 국내에서도 동절기 공사는 이제 선택이 아닌 필수적으로 시공되는 것이 현실이며, 이런 동절 기 공사에서의 건축구조물 축조와 관련된 기술로는 적산온 도, 보온 양생을 한 한중 콘크리트와 같은 단순한 기술 외에 저온환경하 수화반응 유도 기술, 저온 경화형 시멘트계 재료

Received : June 13, 2016 Revision received : July 19, 2016 Accepted : July 19, 2016

* Corresponding author : Kim, Hyeong-Cheol

[Tel: 82-44-275-7387, E-mail: [email protected]]

개발 등의 효율적 기술에 관한 개발은 상당히 미비한 실정이 다. 또한 국내 한중콘크리트 (평균온도 5℃이하) 적용 콘크 리트 기술은 가열양생, 보온양생 위주의 콘크리트 경화를 위한 양생위주의 기술 이였으며, 이러한 방법으로는 동절기 콘크리트 공사에서 문제점인 가열양생에 따른 안전 및 환경 문제의 굉장히 취약 한 것이 현실이다. 특히 최근 환경적 측면에서의 문제점 들이 많이 제기 되고 있는 시점에서 기존 가열양생으로 시공하는 공법은 지양되어야 될 기술이라고 판단된다.

그러나 현재 국내 동절기 콘크리트 공사에서는 가열양생 없이 콘크리트의 안정적인 강도확보를 위해 취하고 있는 방 법으로는 콘크리트 배합을 조정하는 방법과 시멘트 수화반 응을 촉진시키기 위해 시멘트 사용량 증대 혹은 조강 포틀랜 드시멘트를 사용하는 것 등으로 극히 제한적으로 이루어져 왔다[1,2].

따라서 본 연구에서는 동절기 콘크리트 공사에서 가열 양 생 없이 콘크리트 공사를 하기 위해 시멘트의 광물조성을 변화시키는 방법으로 개발된 고분말도 발열분체을 사용한

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Study on the Properties of Field Applied Non-Curing Concrete in Winter Season

시멘트를 개발하였으며[3], 이를 검증하기 위해 실 부재 사 이즈의 Mock-Up 시험체를 제작하여 현장적용성을 평가해 보고자 한다.

2. 기존연구의 고찰

2.1 고분말도 시멘트 재료

본 연구에서는 S사 1종 보통 포틀랜드 시멘트(분말도 3,390㎠/g, OPC로 표기)와 S사에서 상용화중인 1종 조강 형 포틀랜드 시멘트(분말도 4,220㎠/g, HBC로 표기)를 사 용하였다. 또한 고분말도 시멘트 제조를 위하여 분급기를 사용하여 S사 1종 보통 포틀랜드 시멘트 제품의 입도를 조정 하여 고분말도 11,000㎠/g(NT로 표기)를 혼합 제조한 원료 를 사용하였다. 다음 표에 사용된 재료의 물리화학적 특성을 나타내었다.

Sample Chemical composition (wt.%)

Ig-Loss SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3

OPC 1.20 21.86 4.95 3.66 61.70 2.75 2.16

HBC 1.37 21.16 4.77 3.39 62.06 2.65 3.26

NT 2.76 20.79 4.84 3.45 59.90 3.67 2.66

Table 1. Chemical composition of cements

Sample

Physical properties Density

(g/cm³) Blaine

(cm²/g) Residues (44㎛)

OPC 3.15 3390 7.5

HBC 3.12 4220 3.8

NT 3.04 11000 2.7

Table 2. Physical properties of cements

Sample Median (㎛)

Distribution ratio (%)

～ 1㎛ 1 ～ 10㎛ 10 ～ 44㎛ 44㎛ 이상

OPC 10.60 9.5 43.9 45.1 1.5

HBC 8.14 11.9 49.2 37.6 1.3

NT 4.85 12.5 60.1 27.0 0.3

Table 3. Particle size distribution ratio of cements

Name Mixing Ratio (%)

HBC NT Remark

Non-Curing

Cement 80 20 Pre-Mixed

Table 4. Non-curing cement

2.2 무양생 시멘트 특성

본 연구에서는 기존 연구 고찰을 통해 얻어진 동절기 무양 생이 가능하도록 개발된 시멘트[3]를 가지고 시험을 진행하 였다. 동절기 무양생 시멘트(이하 NCC로 표기)의 특성은 2.1절에서 나타낸 기존 시멘트의 분급 및 조강형 포틀랜드 시멘트의 배합비별 성능을 평가하여 다음과 Table 4와같은 최적의 배합을 도출하였다.

3. 현장적용을 위한 Mock-Up

3.1 현장 Mock-Up 개요

국내 동절기 NCC(Non-Curing Cement)를 사용한 무양 생 콘크리트 기술의 현장적용 성능을 평가하기 다음과 같이 현장 Mock-Up 시험을 진행하였다.

▷ 대상 PJT : 인천 송도 지역 P건설사 공동주택 현장

▷ 일시 : 2016년 1월 (국내 동절기 0℃ 이하 기준)

▷ Mock-Up 시험 내용

- 부재 : 공동주택 벽체 기준 - 강도기준 : 27MPa

- Mock-Up 부재 크기 가로 : 1,800mm 높이 : 1,200mm

두께 : 300mm (Figure 1) 참조

인천 송도지역은 수도권 지역으로 1월 평균 기온이 - 5℃ 이하 이며 2016년 1월 최저기온이 -17℃로 국내에서 도 기온이 낮은 지역으로 동절기 콘크리트 공사를 수행함 에 있어서 가열양생이 필수적인 지역으로 본 연구에서 최 적의 현장 Test를 할 수 있는 조건으로 판단된다. 또한 인천 송도지역은 신도시 지역으로 꾸준한 건축공사가 진행 되고 있어 추후 개발된 기술의 현장적용이 가능한 지역이 므로 현장 Mock-Up 실시를 통해 현장적용 성능평가를 하고자 하였다.

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Figure 1. Mock-up size

3.2 시험 인자 및 수준

동절기 무양생 콘크리트의 현장 Mock-Up 시험을 위해 인천 송도지역 공동주택 현장에 적용되는 콘크리트 배합 기 준으로 다음 Table 5와 같이 배합을 기준으로 본 연구에서 개발된 NCC(Non-Curing Cement)를 프리믹스한 제품을 적용하여 시험을 진행하였다.

시험 인자 및 수준은 다음 Table 6과 같이 기존 배합 기준 으로 일반 양생, 천막보양 및 가열양생을 인자로 하였으며, 외기 온도, 천막보양내 온도, 콘크리트 중심부, 표면부 온도 를 측정하였다[4,5,6].

온도조건에 따른 강도발현 성능을 측정하기 위해 3일, 7 일 28일 강도를 측정하였으며, 보다 정확한 강도발현 성능을 확인하기 위해 3일, 28일에 코어강도를 측정하였다.

Div W/B

(%) S/a (%)

Unit Weight(kg/m³)

W OPC S/P F/A Sand Agg.

Ref.

46.3 47.7 163

294 30 28 849 931

NCC NCC Pre-mixed

350 852 934

Table 5. Mix proportion

Div Curing Method Compressive

Strength(MPa) Remark

Ref.

Heating Curing Sealed Curing Strength

curing temperature Tent Curing

Core Strength Non Curing

NCC Tent Curing Sealed Curing Strength Non Curing Core Strength

Table 6. Test factors

(b) Temperature Sensor (c) Concrete Placing Figure 2. Mock-Up test

가열양생은 현장시공 조건과 동일하게 하기 위해서 24시 간동안 열풍기를 통해 가열을 실시하였으며, 천막양생은 타 설직후 거푸집을 감싸는 형식으로 열풍기 없이 양생하는 방 법으로 실시하였고, 마지막으로 외기노출 조건으로 세 가지 의 양생방법을 통해 Mock-Up Test를 진행하였다. 기준배 합으로 위 세 가지 양생방법으로 시험을 진행하였으며, NCC 를 사용한 콘크리트는 가열양생을 하지 않고 천막양생 및 외기노출 조건 두 가지로 시험으로 총 5개의 시험체를 제작 하여 시험을 진행하였다.

4. 시험 결과 및 고찰

4.1 온도 측정 결과

각 양생조건에 따른 온도 측정결과를 Figure 3에 나타내 었다. 가열양생은 타설 직후부터 약 24시간동안 열풍기를 통해 가열양생을 실시하였으며, 천막양생 및 가열양생 모두 3일간 양생조건을 유지하였다.

온도 측정결과 초기 타설 시점에서의 온도는 약 5℃에서 타설을 시작하였으며, 최고온도는 약 11℃이며, 최저온도는 -8℃까지 측정되었다.

4.1.1 외기노출 기준배합 조건 온도 측정결과

Figure 4는 외기노출 기준배합에서의 콘크리트 내외부 온도 및 양생온도를 측정한 결과이다. 기준배합의 외기노출 조건하에서의 콘크리트 중심부 온도는 최대 14℃까지 상승 하였으며, 약 3일 이후 콘크리트 중심부 온도가 외기와 비슷

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하게 떨어지는 것을 알 수 있었다.

4.1.2 천막양생 기준배합 조건 온도 측정결과

Figure 5는 천막양생 기준배합에서의 콘크리트 내외부 온도 및 양생온도를 측정한 결과이다. 기준배합의 천막양생 조건하에서의 콘크리트 중심부 온도는 최대 22℃까지 상승 하였다. 천막양생만 하여도 콘크리트의 온도를 유지하는데 크게 도움이 되는 것을 알 수 있었다.

4.1.3 가열양생 기준배합 조건 온도 측정결과

Figure 6은 가열양생 기준배합에서의 콘크리트 내외부 온도 및 양생온도를 측정한 결과이다. 기준배합의 가열양생 조건하에서의 콘크리트 중심부 온도는 최대 43℃ 까지 상승 하였으며, 표면온도도 최대 36.5℃까지 상승하였다. 초기 24시간만 양생하여도 충분히 콘크리트 수화작용이 촉진되 는 것을 알 수 있었다.

Figure 3. Curing temperature result

Figure 4. Ref. temperature result (non curing)

Figure 5. Ref. temperature result (tent curing)

Figure 6. Ref. temperature result (heating curing)

4.1.4 외기노출 NCC 온도 측정결과

Figure 7은 외기노출 NCC의 콘크리트 내외부 온도 및 양생온도를 측정한 결과이다. NCC의 외기노출 조건하에서 의 콘크리트 중심부 온도는 최대 24℃ 까지 상승하였으며, 이는 기준배합대비 최대 10℃이상 콘크리트 온도가 상승한 것으로 나타났다. NCC의 경우 콘크리트 자체의 발열반응에 의해 콘크리트 내부 온도가 같은 조건의 기준배합 대비 크게 상승하는 것으로 나타났다.

4.1.5 천막양생 NCC 온도 측정결과

Figure 8은 천막양생 NCC의 콘크리트 내외부 온도 및 양생온도를 측정한 결과이다. NCC의 천막양생 조건하에서 의 콘크리트 중심부 온도는 최대 28℃ 까지 상승하였으며, 이는 기준배합대비 최대 6℃이상 콘크리트 온도가 상승한 것으로 나타났다. NCC의 경우 천막양생의 경우 외기노출 조건보다 콘크리트 표면의 온도가 콘크리트 내부의 온도와

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다 콘크리트 표면에서의 온도상승이 뚜렷하게 상승하는 것 으로 나타났다. 이는 최소한의 양생(외기차단)만으로도 NCC의 초기표면동해 및 콘크리트의 안정적인 강도발현이 가능할 것으로 판단된다.

Figure 7. NCC temperature result (non curing)

Figure 8. NCC temperature result (tent curing)

4.2 양생조건에 따른 압축강도 측정결과

각 양생조건에 따른 기준배합과 NCC의 압축강도를 3일, 7일 28일 강도를 측정하였다. 또한 보다 정확한 강도발현성 능을 평가하기 위해 3일, 28일에 코어를 채취해서 압축강도 를 평가하였다[7,8].

4.2.1 현장봉합양생 조건 압축강도 측정결과

다음 Figure 9와 같이 각 양생조건별 압축강도를 측정하 기 위해 1회용 몰드를 사용하여 현장봉합양생을 실시하여, 각 양생조건별 압축강도를 측정하였다. Figure10는 각 양생

압축강도 측정결과 기준배합에서 가열양생을 한 배합이 초기강도가 가장 높게 발현하는 것으로 나타났다. 또한 NCC 의 경우 외기노출 조건에서도 3일강도가 12MPa을 상위하 는 것으로 나타나 기준배합의 외기노출 조건보다 최대 2배 정도 강도가 더 발현하는 것으로 나타났다. 또한 NCC를 사 용한 배합인 경우 외기노출인 경우에도 기준배합의 가열양 생을 한 배합과 거의 비슷한 강도발현 효과를 내는 것을 알 수 있었다.

Figure 9. Sealed curing (in site)

Figure 10. Compressive strength (sealed curing)

4.2.2 코어채취에 의한 압축강도 측정결과

보다 정밀한 강도발현 성능을 평가하기 다음 Figure 11과 같이 3일, 28일에 코어를 채취해서 압축강도를 측정하였다.

코어강도 측정결과 3일강도 기준으로 NCC를 사용한 콘 크리트에서 10MPa 이상의 강도발현 성능을 나타내는 것을 알 수 있었다. 현장봉합양생을 한 경우보다 코어강도가 약

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20% 이상 강도가 더 발현하는 것으로 나타났으며, 현장에 적용시 양생 없이도 충분히 강도발현이 가능하며, 공기단축 에 효과도 있는 것으로 판단된다.

Figure 11. Core sampling

Figure 12. Compressive strength (core sampling)

Figure 13. Comparison of compressive strength

5. 결 론

본 연구에서는 동절기 콘크리트 공사에서 가열 양생 없이 콘크리트 공사를 하기 위해 시멘트의 광물조성을 변화시키 는 방법으로 개발된 고분말도 발열분체을 사용한 시멘트 (NCC : Non Curing Cement)를 사용한 콘크리트의 성능 을 평가하기 위해 실 부재 사이즈의 Mock-Up 시험체를 제작하여 현장적용성을 평가한 결과 다음과 같은 결론을 얻 었다.

1) 일반현장에서 사용되는 27MPa의 기준배합을 기준으 로 NCC를 사용한 콘크리트와의 양생조건에 따른 콘크 리트의 온도이력을 측정한 결과, 콘크리트 내부의 온 도차이가 크게 10℃이상 차이가 나는 것으로 나타났으 며, 이는 NCC의 자기발열 분체에 의한 저온에서의 온 도발열이 이루어 지고 있는 것으로 판단되며, 동절기 초기 콘크리트의 발열이 외기노출된 구조물에서도 충 분히 콘크리트 자체 발열로 강도발현이 가능할 것으로 판단된다. 또한 NCC를 사용한 콘크리트에서의 콘크리 트 표면 온도도 같이 상승하는 것으로 나타나 최소한의 보양으로도 콘크리트 자체발열 온도로 콘크리트 표면 동해현상을 방지할 수 있을 것으로 판단된다.

2) 압축강도 측정결과 NCC를 사용한 콘크리트에서의 압 축강도는 기준배합 대비 3일강도 기준으로 최대 5MPa 이상 더 강도발현이 가능한 것으로 나타났으며, 이는 동절기에서 최소한의 양생(천막양생)만으로도 초기동 해 및 안정적인 강도발현이 가능할 것으로 판단된다.

우수한 초기강도 발현을 통한 동절기 공사 공기단축 효과도 있을 것으로 판단된다.

요 약

동절기 콘크리트 공사에서는 무엇보다도 저온환경에서의 콘크리트의 안정적인 품질 확보가 중요하다. 따라서 본 연 구에서는 고분말도 발열분체를 적용하여 동절기(0℃이하) 에서도 양생 없이 강도발현이 가능한 콘크리트를 개발하였 으며, 이를 현장에 적용하기 위해 실 부재 사이즈의 Mock-Up 부재를 제작하여 개발기술의 현장적용 성능평가 를 실시하였다.

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Acknowledgement

This Study is part of the output of research funding for Advanced-City Development project 2014 of the Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs (14CTAP-C078650-01)

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