Calorific Value by Insulated Gang-form
남 경 용
1①)최 석
2안 성 진
3임 명 관
4*Nam, Kyung-Yong
1Choi, Suk
2Ahn, Sung-Jin
3Lim, Myung-Kwan
4*Senior Researcher, UTOP E&A, Hwasun-gun, Jeollanam-do, Hwasun, 21-5, Korea
1Research Director, UTOP E&A, Hwasun-gun, Jeollanam-do, Hwasun, 21-5, Korea
2Postdoctoral Fellow, Department of Architectural Engineering, Mockpo National University, Jeollanam-do, 58554, Korea
3Professor, Department of Architectural Engineering, Songwon University, 73, Songam-ro, Nam-gu, Gwangju, 61756, Korea
4Abstract
This paper aims to examine the insulation performance of insulated gang form by changing the energy (power) consumption and concrete calorific value to assist in concrete protection in cold weather. According to the test results, the general gang form will generate three times the energy (power) consumption for 12 hours after the concrete is poured. In contrast, insulated gang foam consumed no energy (power) for 21 hours after pouring. The final power consumption was 3.7 times higher than that of the general gang form, confirming the improved performance of insulated gang form with regard to energy (power) consumption. The calorific value examination shows that the calorific value changes significantly according to the change of outside temperature after concrete placement in the case of the general gang form. However, in the case of the insulated gang form, only a slight heat loss occurred in the part of the frame, and it showed a constant heating pattern from the concrete casting to the demolding of the mold.
Keywords : insulated gang form, cold weather concrete, thermal vision camera, calorific value
1. 서 론
서울시 등 지자체에서는 건설현장 동절기 보양작업 시 갈 탄 사용을 지양하고 있는 추세이며, 한국토지주택공사(LH) 의 경우 유독가스가 발생할 수 있는 난방재료는 사용을 일체
Received : December 30, 2019 Revision received : January 28, 2020 Accepted : January 31, 2020
* Corresponding author : Lim, Myung-Kwan
[Tel: 82-62-360-5974, E-mail: [email protected]]
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금지하고 있다[1]. 이렇듯 현장에서는 동절기 콘크리트 보양 시 사용하는 화석연료 사용을 줄이거나 다른 재료로 대체해 야하는 상황이다. 하지만 화석연료 사용을 줄이게 될 경우, 콘크리트 양생에 필요한 최소 온도기준을 유지하기 어려우 며, 결과적으로 콘크리트 초기동해 피해는 커지게 될 가능성 이 크다[2-4]. 이를 예방하기 위해 일부 대형건설사 위주로 단열갱폼 사용이 증가하고 있는 추세이다. 단열갱폼은 수직 3개 층과 수평 슬라브 전체를 덮는 보양방법과 달리 3개 층 수직보양천막 없이 수평 슬라브 천막으로만 구성되어 있 다[5]. 또한 실내 온도 유지를 위해 사용하는 화석연료를 획기적으로 줄일 수 있어 효율이 떨어지는 다른 대체연료재
A Study on the Energy Consumption Cost in the Winter and Calorific Value by Insulated Gang-form
Figure 1. Insulated gang form development flow chart
료도 충분히 실내온도를 유지할 수가 있다.
본 저자는 개발초기부터 현재까지 단열갱폼의 현장 적용 성을 증명하기 위해 다양한 연구를 진행해 왔으며, 우수한 실험결과들을 도출해 왔었다[6-11]. 하지만 단열갱폼 적용 시 실내 목표온도 유지를 위해 필요한 에너지 투입에 대한 연구가 부족한 실정이었고 콘크리트 타설 후 거푸집 표면에 발생되는 발열량 변화를 육안으로 확인하는 방법은 검토하 지 않았다.
따라서 본 연구에서는 동절기 콘크리트 보양 시 투입되는 에너지(전력) 소비량과 콘크리트 발열량 변화를 측정하여 단 열갱폼의 단열성능을 평가하고자 하였다.
2. 단열갱폼 개발 진행 현황
단열갱폼 개발 연혁은 Figure 1과 같이 Flow chart로 나타내었다.
단열갱폼 최초 개발 형태는 갱폼 외측에 Figure 2와 같이 우레탄 폼을 뿜칠형식으로 도포하는 방식으로 개발되었다.
단열성능은 우수하였으나 화재에 취약하고, 도포 두께가 일 정하지 않아 갱폼 외관이 조잡하게 보였다. 또한 우레탄 폼 제거곤란 등 갱폼 후처리 문제가 발생하여 개발 방향을 변경 하게 되었다.
초기 개발 모델인 우레탄 폼 도포방식 단점을 개선한 형태 로 두께 30㎜ 경질우레탄보드를 특수 단열 접착제를 사용하
Figure 2. Spray type gang form[10]
Figure 3. Polyisocyanurate board Insulated gang form[11]
여 부착하였다. Figure 3과 같이 외관이 Figure 2보다 깔끔 하고 불에도 잘 타지 않아 화재 위험성도 개선되었다. 단열 성능 또한 단열재 두께 증가 등의 추가조치 없이도 이전과 유사한 성능을 나타내었다[11].
인건비 상승과 더불어 주52시간 근무제 도입으로 인해 공기단축 경쟁력 확보 필요성이 대두되고 있다. 이를 위해 기존 단열갱폼 대비 조기 탈형이 가능한 발열 단열 갱폼을 개발 중에 있다.
발열 단열갱폼의 특징으로는 기존 단열갱폼보다 10시간 이상 조기탈형이 가능하고 갈탄 및 화석연료 사용을 제로화 시킬 수 있는 안전한 공법이다. 열선의 최적화 설계로 불필 요한 전력 소비를 줄이고 취약부의 안정적인 품질 확보를 통한 하자예방의 효과도 기대할 수 있다. 기존 열선 적용과 의 차이점은 열선은 거푸집면 전체에 적용하는 것이 아니라 모서리(코너) 부분, 먼저 타설된 부분과 접하는 갱폼 하단부 등 취약부 위주로 열선을 적용하여 지금가지 개발된 단열갱 폼 단점을 보완하고자 하였다. 또한 열선 설치간격을 조정하 여 효율성을 높이고자 한다.
목표치 조건으로 실제 현장 요구조건을 최대한 반영하였다.
본 연구의 실험계획은 Table 1과 같고 배합사항은 Table 2와 같다. 본 실험은 Figure 4와 같이 벽두께 200㎜로 4면 밀폐형으로 제작하여 밀폐된 내부의 전력 소비량을 측정해 기존 일반갱폼과 비교한 것이다. 시험장소는 S사의 주거성 능연구소 항온 항습실에서 현장 적용 예정인 관계자 입회하 에 실험을 진행하였다. 레미콘 규격은 25-21-150으로 하 였고, 타설 후 양생조건은 현장관계자 요구조건인 –3~ - 9℃ 에서 3일간 진행하였다.
Factors Number or
cases Experimental plan Ready-mixed concrete
standard(W/B) 1 25 - 21 - 150 (58.6%)
Temperature of constant temperature and humidity chamber(℃)
2
1∼2days - 9
3days - 3 ∼ - 4
Air(%) 1 4.5 ± 1.5
Member internal
temperature(℃) 1 15
Box type(size) 2
General gang form, Insulated gang form (1,800㎜ × 600㎜ × 200㎜)
Fresh concrete 4
Slump, Air, Concrete temperature,
Chloride content
Hardened concrete 1 Power input
Table 1. Test factors and levels
W/B (%)
S/a (%)
Unit weight (㎏/㎥)
W C1 C2 S1 S2 G1 AD
51.7 49.5 169 288 39 572 388 897 2.29
Table 2. Table of mix proportion
C1 : Portland cement C2 : Fly ash S1 : Sea sand S2 : Crushed sand G1 : Crushed gravel(25㎜)
AD : High-range water reducing agent
Figure 4. Energy consumption measurement method of gang form
a) Production b) Insulated gang form protection Figure 5. Production method for general and
insulated gang form
3.1.2 실험방법
본 실험은 현장 적용 전 실내 Mock up test로서 기존 일반갱폼과 단열갱폼간의 동절기 콘크리트 보양방식 차이에 의한 에너지(전력) 투입량을 비교 하는데 목적이 있다. 천막 보양의 일반갱폼과 단열갱폼의 실험실 제작사진은 Figure 5와 같고 타설 후 양생방법은 Table 3과 같다.
sort Type Curing
method
Curing room temperature
(℃)
Internal temperature
(℃)
1day
General gang form
Tent sheet+
heat curing -9 15
Insulated gang form
2day
General gang form
Insulated gang form
3day
General gang form
Tent sheet -3∼-4 No heat
Insulated gang form
Table 3. Curing method
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Figure 6. Display of power consumption(Device)
열전대 설치는 온도측정용 열전대(T-Type)를 각 부위별 로 매립하여 정해진 시간 간격으로 온도를 기록하였다. 또한 Figure 6과 같이 전력량계를 일반갱폼과 단열갱폼 내부에 각각 설치하여 두 부재 간 목표 온도 15℃를 유지하기 위한 총 전력량을 측정하였다.
3.2 거푸집 발열량 측정실험
3.2.1 실험계획
열화상 카메라를 통해 단열갱폼의 발열량 변화를 시간대 별로 측정하여 단열성능을 육안으로 확인하고자 하였으며 이에 대한 실험계획은 Table 4와 같다.
시험체는 벽두께 200㎜ 정사각형으로 각각 제작하였다.
이전 실험과 달리 4면 밀폐형으로 제작하지 않은 이유는 가 열양생으로 인한 보양조건이 배제된 벽체를 제작하여 콘크 리트 자체 수화열 변화를 검토하기 위해 독립된 벽체로 제작 하여 실험을 진행하였다.
Factors Number
or cases Experimental plan
Ready mix concrete(W/B) 1 25-24-150(46.3%)
Air(%) 1 4.5±1.5
Box type(size) 2
General gang form, Insulated gang form (1,200㎜×1,200㎜×200㎜)
Fresh concrete 3 Slump, Air,
Concrete temperature,
Hardened concrete 3
Concrete Temperature, compressive strength
Calorific values Table 4. Test factors and levels
a) Front b) Side
Figure 7. Member for measuring calorific value
3.2.2 실험방법
발열량 측정을 위한 시험체는 Figure 7과 같이 1,200㎜
×1,200㎜×200㎜(가로×세로×두께)의 벽체로 각각 제 작하였다.
양생조건은 2월 말 동절기로서 최저기온 –5℃, 최고기온 6℃의 외기에서 진행하였다. 발열량 측정은 FLIR사의 E40 제품을 사용하였다. 콘크리트 타설 직후부터 6, 12, 18, 24, 48, 72시간(거푸집 탈형 직후)까지 시간대별 표면 발열량 변화를 측정하여 단열갱폼의 단열성능을 확인하였다.
온도이력 측정을 위한 열전대 설치는 벽체 중앙부 높이에 설치하여 거푸집 이외의 다른 외부요인을 최소화 시키고자 하였다. 또한 태양빛을 받는 각도 및 일사량 차이를 줄이기 위해 동일한 각도 및 높이에 시험체를 배치하였다. 발열량 측정을 위한 열화상카메라 촬영위치는 시험체에서 6,000㎜
떨어진 곳에서 촬영높이 1,500㎜ 의 조건에서 진행하였다.
열화상 카메라 촬영 시 수평 각파이프를 피한 부재 중앙부를 포인트로 정하여 촬영하였다.
4. 실험결과 및 분석
4.1 굳지 않은 콘크리트의 특성
에너지(전력) 사용량 및 발열량 실험 각 부재에 타설한 굳지 않은 콘크리트 슬럼프 및 공기량은 Table 5와 같다.
Sort W/B
(%)
Slump
(㎜) Air(%)
Concrete Temperature
(℃) Power measurement
experiment 58.6 160 5.2 25
Calorific values
experiment 56.3 163 5.6 7.6
Table 5. Concrete mix proportion
을 나타낸 것이고, Figure 8 은 타설 후 시간대별 전력 소비 량을 그래프로 나타낸 것이다.
Sort Early(1days) Review(2days) Sum(3days) General gang form 10.63kwh 40.06kwh 50.69kwh Insulated gang form 0.14kwh 13.43kwh 13.57kwh
Table 6. Comparison of power consumption
일반갱폼, 단열갱폼 모두 Figure 5에서 보여준 바와 같은 전력량계를 설치하여 외기온도 –9℃조건에서 정온 유지에 필요한(15℃) 전력소비량을 관찰하였다. 타설 초기(1일차) 전력소비량은 일반갱폼이 약 11kwh 인데 반해 단열갱폼의 경우 전력소비량이 거의 제로에 가깝게 나타났다. 이는 콘크 리트 수화열 보존여부와 내부공간 가열 체적 및 재료의 열손 실량에서 큰 차이를 나타내어 타설 후 초기에 급열양생이 필요한 것으로 나타났다. 시간대별 전력 소비량에서도 일반 갱폼은 타설 후 초기 12시간동안 전력 소비가 3회나 발생하 는 반면 단열갱폼의 경우 타설 후 21시간 이후에나 전력 소비가 발생하는 것으로 나타났다. 콘크리트 타설 후 24시간 이 양생에서 중요한 시간임을 감안할 때 단열갱폼은 일반갱 폼보다 아주 우수한 공법임을 알 수가 있다.
최종 전력소비량은 일반갱폼이 단열갱폼보다 약 3.7배 높 게 나타났다.
4.3 거푸집 발열량 측정실험
4.3.1 콘크리트 온도이력 특성
발열량 측정을 위한 갱폼 종류별 콘크리트 온도이력은 Figure 9와 같다.
거푸집을 탈형하기 전까지 두 부재 모두 꾸준한 온도변화 를 보여주고 있다. 단열갱폼의 경우 3일 동안 평균온도 1℃
이하에서 천막 등 어떠한 보양을 하지 않았음에도 불구하고
a) General gang form
b) Insulated gang form
Figure 8. Energy consumption comparison result
Figure 9. Concrete temperature
탈형 전까지 5℃ 이상 유지하였다. 또한 30∼52시간까지 콘크리트 온도가 10℃ 이상을 나타내었으며, 36시간에 최고 온도를 나타내어 우수한 단열효과를 보여주고 있다. 이에
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반해 일반갱폼의 경우 초기 양생이 중요한 24시간 이전에 최저온도가 0℃ 에 근접할 정도로 단열에 취약하였고 최고 온도도 10℃ 를 넘지 못하였다. 일반갱폼과 단열갱폼 온도 차이는 탈형 직전 72시간까지도 5℃ 정도 차이를 유지하여 단열갱폼 적용 필요성을 충분히 확인할 수가 있었다.
4.3.2 콘크리트 압축강도 특성
Table 7은 재령 3, 7일 압축강도를 나타낸 것이다. 일반 갱폼의 경우 재령 3일 평균 외기온 1℃에서 급열양생을 실시 하지 않아 재령 3일에 압축강도가 4.06MPa 로 나타났다.
이는 거푸집 존치기간 결정 및 초기동해를 면하는 기준값인 5MPa 에 미달하는 값을 나타내고 있다. 하지만 단열갱폼의 경우 일반갱폼과 동일한 보양조건임에도 우수한 단열성능으 로 인해 재령 3일 압축강도가 6.33MPa로 나타나 기준값을 상회하는 것으로 나타났다. 천막양생과 급열양생으로 인한 보양 없이 일반갱폼과 단열갱폼 비교 조건만으로 열화상카 메라를 사용하여 육안으로 단열성능 차이를 명확히 구분할 수 있었다. 압축강도 또한 단열성능이 초기압축강도 발현에 크게 차이를 나타낼 수 있음을 본 실험을 통해 알 수 있었다.
Sort
General gang form Insulated gang form Core
compressive strength(MPa)
Average compressive strength(MPa)
Core compressive strength(MPa)
Average compressive strength(MPa)
3days
4.05
4.06
6.20
6.33
4.23 6.55
3.91 6.23
7days
10.59
10.73
12.34
12.26
10.92 11.79
10.68 12.66
Table 7. Compressive strength test results of concrete
4.3.3 재령경과에 따른 발열량 특성
Figure 10은 시간 경과에 따른 발열량 변화를 측정하여 일반갱폼 대비 단열갱폼의 단열성능을 평가하기 위해 나타 낸 것이다.
두 부재 모두 타설 직후 낮은 기온으로 인해 갱폼 표면이 영하를 나타내고 있으며, 표면 발열량 또한 크지 않은 것으 로 나타났다. 먼저 일반갱폼에서는 타설 후 6시간 이후부터 12시간까지 갱폼 표면에서 발열량이 크게 발생하여 영하의 기온에서 표면 열손실이 크게 발생하는 것으로 나타났다.
a) 6 hours after concrete placing
b) 12 hours after concrete placing
c) 18 hours after concrete placing
d) 24 hours after concrete placing
e) 48 hours after concrete placing
f) 72 hours after concrete placing Figure 10. Heat generation test result on concrete
surface over time
a) General gang form b) Insulated gang form Figure 11. Concrete surface after demolding
18시간 이후에는 표면 열손실로 인해 발열량이 둔화되기 시작하여 24시간 이후부터는 주변 콘크리트 바닥구조물과 유사한 경향을 보이게 되었다. 하지만 단열갱폼의 경우 수평 바 일부에서 미비한 열손실이 발생하였을 뿐, 타설 직후부터 거푸집 탈형까지 열손실이 최소화 되는 일정한 발열패턴을 보여주고 있었다.
그리고 Figure 11에서처럼 갱폼 탈형 직후에도 일반갱 폼보다 더 높은 발열량을 유지하고 있는 것으로 나타났다.
본 연구는 단열갱폼 적용 시 기존 갱폼 대비 소요되는 에너 지(전력) 소비량을 비교하고, 열화상 카메라를 이용하여 단 열갱폼의 발열량 변화를 측정한 결과로서, 그 결과를 종합하 면 다음과 같다.
1) 시간대별 전력소비량에서 일반갱폼은 타설 후 초기 12 시간 동안 전력 소비가 3회가 발생하는 반면 단열갱폼 의 경우 타설 후 21시간 이후에나 전력 소비가 발생하 는 것으로 나타났다.
2) 발열량 측정 단열갱폼 온도이력특성은 3일 동안 평균 온도 1℃이하에서 천막 등 어떠한 보양을 하지 않았음 에도 불구하고 탈형 전까지 5℃ 이상 유지하였다. 하지 만 일반갱폼은 초기양생이 중요한 24시간 이전에 최저 온도가 0℃에 근접할 정도로 단열에 취약하였고 최고 온도도 10℃를 넘지 못하였다.
3) 발열량 측정 일반갱폼 압축강도는 재령 3일 평균 외기 온 1℃ 에서 급열양생을 실시하지 않아 재령 3일 압축 강도가 4.06MPa 로 나타났다. 이는 거푸집 존치기간 (측벽) 결정 및 초기동해를 면하는 기준값인 5MPa 에 미치지 못하였다. 단열갱폼의 경우 재령 3일 압축강도 가 6.33MPa 로 나타나 기준값을 상회하는 것으로 나 타났다.
4) 일반갱폼에서는 타설 후 6시간 이후부터 12시간 전까 지 갱폼 표면에서 발열량이 크게 발생하여 영하의 기온 에서 콘크리트 표면 열손실이 크게 발생하는 것으로 나타났다. 하지만 단열갱폼은 타설 직후부터 갱폼 탈형 까지 열손실을 최소화하여 일정한 발열패턴을 보여주 고 있었다.
현재까지 단열갱폼과 관련하여 다양한 실험을 진행하였 다. 이러한 연구결과들로 인해 대형건설사 위주로 단열갱폼 적용 현장이 증가하고 있는 추세이며 그에 따른 현장니즈도 늘어가고 있다. 이러한 요구를 반영하기 위해 향후 100%
성능을 검토하고자 하였다. 실험결과에 따르면, 일반갱폼은 콘크리트 타설 이후 12시간동안 에너지(전력) 소비가 3회 발생하게 된다. 반면 단열갱폼은 콘크리트 타설 후 21시간 동안 에너지(전력) 소비가 발생되지 않았다. 최종 전력 소비 량은 일반갱폼이 단열갱폼보다 3.7배 높게 나타나 에너지 (전력) 소비에서 단열갱폼의 우수한 성능을 확인할 수 있었 다. 발열량 검토결과는 일반갱폼에서 콘크리트 타설 후 외기 온도변화에 따라 발열량이 크게 변하는 것을 알 수 있었다.
하지만 단열갱폼의 경우 프레임 일부에서 미비한 열손실이 발생했을 뿐 콘크리트 타설 직후부터 거푸집 탈형까지 일정 한 발열패턴을 보여주고 있었다.
키워드 : 단열갱폼, 한중콘크리트, 열화상카메라, 발열량
Funding
This research was supported by Basic Science Research Program through the National Research Foundation of Korea(NRF) funded by the Ministry of Education(2018R1D1A1B07049390).
![Figure 2. Spray type gang form[10]](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dokinfo/5121297.577899/2.888.87.422.115.424/figure-spray-type-gang-form.webp)
