A Study on Constructability Estimation of Multi-component High Fluidity Concrete based on Mock-up Test

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모의실험체에 의한 다성분계 고유동 콘크리트의 시공성능 평가에 관한 연구

A Study on Constructability Estimation of

Multi-component High Fluidity Concrete based on Mock-up Test

권 기 주¹⁾ 노 재 명^* Kwon, Ki-Joo Noh, Jea-Myoung

Nuclear Power Laboratory, KEPCO Research Institute, Yuseong-Gu, Daejeon, 305-760, Korea

Abstract

As structures become larger, taller, and more diverse, a high degree of technology and expertise are required in the construction industry. However, it has been becoming difficult to construct under severe conditions and to fulfill the high performance needs of structures due to a lack of skilled construction engineers. To compensate for these weak points, high-performance concrete and performance specifications have been developed. The application of reliable high-fluidity concrete, which is one of these efforts, is expected to be effective in terms of overcoming severe conditions, reducing the number of workers required, and shortening the construction period. In order to apply high fluidity concrete in the field, practical mock-up tests were carried out to estimate whether self-compaction concrete could satisfy constructability needs. From the results, it was verified that the multi-component high fluidity concrete has excellent flowability in practical structures. In addition, it was shown that the temperature distribution in the concrete due to hydration heat is satisfactory. As a result, it is judged that multi-component high fluidity concrete can be utilized as an effective building material for various structures, including structures related to the electric power industry.

Keywords : multi-component high fluidity concrete, flowability, hydration heat, mock-up tests

1. 서 론

모든 산업분야의 기술 발달과 더불어 건설산업도 대형 화, 초고층화, 다양화되면서 우수한 기술과 Know-how가 요구되고 있고, 또한 건설기술자 및 작업원의 부족, 특수한 환경조건에서의 건설공사 증가 및 구조물의 고성능화 등의 요구에 적절히 대응할 수 있는 기술력을 개발하고 실용화 하기 위하여 콘크리트 분야에서는 고성능 콘크리트에 대한 성능규정 및 기술개발에 많은 노력을 기울여 왔다. 국내

Received : June 30, 2010 Revision received : July 19, 2010 Accepted : July 26, 2010

* Corresponding author:

[Tel: 82-42-865-5583, E-mail: [email protected]]

원자력발전소(이하 원전)에 사용된 콘크리트의 경우에는 건설초기 외국 기술 도입시기에는 콘크리트에 관한 국내의 연구는 거의 없었으며 영광원전이 건설되면서 V종 시멘트 를 활용한 콘크리트를 도입하였다. 2005년 신고리원전 1, 2 호기 건설에는 콘크리트 내구성 연구의 결과물로 I종 시멘 트를 기본으로 총 분체중 플라이 애쉬가 20% 치환된 콘크 리트를 사용하였으며 지금까지 원전 건설에 이용되고 있 다. 한편 원전 건설은 막대한 자금이 동원되는 대규모 사 업이기 때문에 공기 단축이 사업 수익률을 좌우할 수 있는 주요 요인이다. 공기단축을 위한 한가지 방안으로 신뢰성 이 높은 자기 충전형 고성능 콘크리트를 실용화하여 적용 하게 되면 여러 가지 건설공사의 제약조건을 극복할 수 있 으며, 작업인원의 절감 및 공기단축의 효과를 얻을 수 있 을 것으로 기대된다. 따라서 실제 원전 건설현장의 대용량 배치플랜트에서 생산할 경우에도 다성분계 고유동 콘크리 트가 성능과 시공성을 만족시킬 수 있는지를 평가하기 위

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A Study on Constructability Estimation of Multi-component High Fluidity Concrete based on Mock-up Test

하여 현장 모의시험을 실시하였다. 모의실험체는 원전 콘 크리트 구조물 중 철근배근 및 매설물의 복잡한 설치로 인 하여 콘크리트가 밀실하게 타설되기 어려운 부분과 유사하 게 제작하였으며 사용된 다성분계 고유동 콘크리트의 유동 성 및 재료분리 저항성 등을 검토하기 위하여 모의시험체 의 각 부위별로 코어를 절취하여 강도와 비중을 측정하고 그 관계를 비교하였다.

2. 실험 개요

2.1 사용 재료 및 배합

본 연구에서는 결합재로 시멘트 이외에 플라이 애쉬, 고 로슬래그 및 석회석 미분말을 사용하였으며[1] 이들의 비 중과 분말도는 Table 1과 같다. 또한 잔골재는 강모래를 사용하였고, 굵은골재는 최대치수 20mm의 쇄석을 사용하 였으며, 이들의 물리적 성질과 입도분포는 Figure 1에 도 시되어 있다. 실험에 사용한 혼화제의 특성은 Table 2와 같다. 모의실험체 제작용 콘크리트는 수화열 발생을 억제 할 수 있는 1종 시멘트, 플라이 애쉬, 고로슬래그 미분말, 석회석 미분말의 다성분계 고유동 배합으로 폴리카본산계 고성능감수제를 사용하였고, 슬럼프 플로우를 600mm 이 상, 공기량은 4∼6%를 기본으로 하였으며, 단위 수량 및 잔골재율 조정을 통해 Table 3과 같은 배합을 선정하였다.

Binders Specific gravity Fineness (㎠/g)

Cement 3.14 3,320

Fly ash 2.38 5,167

Slag powder 2.92 4,800

Lomestone powder 2.71 5,370

Table 1. Specific gravity and fineness of binders

Figure 1. Grading curve of aggregate

Agent Superplasticizer Viscosity agent

Specific gravity 1.07 -

pH. 5.25 -

Colour Dark-brown White

Solid content (%) 25.5 -

Viscosity (cps) - 7,900

Humidity (%) - 8.0

Table 2. Properties of chemical agents

W/B(%) S/a (%) Water

(㎏/㎥)

Binder (㎏/㎥) SP

(%) VA Cement Fly ash Slagpowder Limestone (%)

powder

37 53 185 200 100 150 50 5.65 0.25

Table 3. Mixing proportion

SP : Superplasticizer VA : Viscosity agent

2.2 실험 계획

모의실험체 1은 원전 콘크리트 구조물 중 철근배근 및 매설물이 복잡하여 콘크리트가 밀실하게 충전되기 어려운 부분을 모사하고 다성분계 고유동 콘크리트의 유동성, 재 료분리 저항성, 충전성 등의 현장 적용성을 파악하기 위하 여 제작하였다. 콘크리트 타설 후 재령 28일과 91일에 시 험체의 상부, 중앙부, 하부에서 코어를 절취하여 압축강도 와 비중을 측정하여 콘크리트의 균질성을 평가하고자 하였 다. 한편 콘크리트의 수화열에 의한 균열발생 가능성을 검 토하기 위하여 시험체에 온도 측정 센서를 3개의 단면에 각각 11개, 14개, 11개, 총 36개를 설치하여 타설후 일정기 간동안의 수화열을 측정하고자 하였다. 모의실험체 1의 크 기는 가로 240cm, 세로 120cm, 높이 180cm로 제작되었으 며, 모의실험체의 철근배근도와 철근 조립 후의 모습을 Figure 2와 Figure 3에 각각 나타내었다.

Figure 2. Drawing of mock-up specimen 1

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Figure 3. Rebar of mock-up specimen 1

모의실험체 2는 고유동 콘크리트의 역충전성과 장애물 통과성능 등을 평가하기 위하여 즉, 타설부를 통해 유입된 콘크리트가 중앙부에 설치된 철근 장애물을 통과하여 충전 되는 지를 확인하기 위하여 제작하였고, 실제 시공시 역충 전성을 확인하기 위해 거푸집의 한쪽 면을 아크릴 판으로 구성하여 콘크리트의 타설 후 콘크리트의 흐름을 확인할 수 있도록 하였다. 또한 타설부와 충전부의 코어를 채취하 여 압축강도와 비중의 관계를 통하여 충전성과 재료분리 저항성 등을 규명하고자 하였다[2].

Figure 4. Drawing of mock-up specimen 2

Figure 5. Rebar of mock-up specimen 2

3.1 굳지않은 콘크리트의 특성

모의시험체 타설에 앞서 다성분계 고유동 콘크리트의 특성을 시험하였다. 시험항목은 공기량, 슬럼프 플로우, L 형 슬럼프 시험 및 U box 높이차 시험을 실시하였다. 본 시험은 레미콘 배치에서 생산된 콘크리트가 현장에 도착한 후 타설 직전에 수행되었으며, 시험결과는 Table 4와 같다.

(a) Slump flow test

(b) L type flow test

(c) U box test

Figure 6. Tests for fresh concrete quality

Test item Air content

(%) Slump flow

(mm) L type flow

(mm) U box

(mm)

Results 4.5 650 770 8

Table 4. Fresh concrete qualities

3.2 모의실험체 시공성 평가

선정된 배합의 시공성을 평가하기 위한 모의실험체 1의 타설은 Figure 7과 같은 순서로 수행하였다.

시공시 현장 조건과 유사한 조건을 만들기 위하여 배치 플랜트에서 생산된 고유동 콘크리트를 레미콘 트럭에서 30 분 동안 교반시킨 후 타설하였다. 타설시에는 진동기 사용 및 인력에 의한 다짐을 전혀 하지 않았으며, 레미콘 트럭 에서 직접 거푸집 내로 콘크리트를 타설하였으며, 거푸집 탈형 후 외관을 검사한 결과, Figure 8에 나타난 바와 같이 선정된 다성분계 고유동 콘크리트는 복잡하게 배근된 철근 장애물을 통과하여 양호한 충전성을 나타내었다.

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(a) Placing start (b) Filling in bottom

(c) Filling in top (d) Surface finishing Figure 7. Placing sequence on mock-up specimen 1

Figure 8. Mock-up specimen 1 after stripping form

모의실험체 2의 경우는 타설구를 통해 유입된 콘크리트 는 바닥면에 설치된 3개의 장애물을 통과하여 반대 방향으 로 흘러가면서 투입구 쪽의 타설 높이보다는 조금 낮은 높 이를 유지하면서 점차 상승하였다. 투입구 쪽의 콘크리트 가 부재 상한선까지 충전되었을 때 반대편 수직 벽면의 콘 크리트도 거의 상한선까지 차올라 왔다. 이때 투입구와 반 대편 쪽에서 채취한 시료를 세척하여 분석한 결과 재료분 리가 일어나지 않았음을 확인할 수 있었다.

Figure 9에 보이는 바와 같이 투입구를 통하여 타설된 콘크리트는 중앙에 설치된 장애물을 통과하여 충전부로 역 충전되어 올라갔다. 거푸집 제거후 시험체 2의 모습을 Figure 10에 나타내었다. 콘크리트 타설시 투입부와 충전 부는 (b), (c)와 같다. 콘크리트 투입부와 충전부의 콘크리 트 높이 차이는 약 10cm 정도로 나타나 비교적 좋은 시공 성능을 나타내었다[3].

(a) Placing start (b) Concrete flowing

(c) Concrete flowing(cont.) (d) Concrete filling upward Figure 9. Placing sequence on mock-up specimen 2

(a) Entrance (b) Exit

Figure 10. Mock-up specimen 2 after stripping form

4. 콘크리트의 성능

4.1 코어의 강도 및 비중

모의실험체 1의 경우 재령 28일과 91일 상부, 중앙부, 하 부 각각 3개씩의 코어를 절취하여, KS F 2412와 KS F 2422에 따라 코어 시편의 강도와 비중을 측정하였다. 시험 체 타설후 재령 28일, 91일에 코어를 절취하였으며, 시험체 1의 경우 상, 중, 하부에서, 시험체 2의 경우 투입부와 충전 부에서 코어시편을 절취하였다. 코어 채취 후 모의실험체 의 모습은 Figure 11과 같다.

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(a) 28days (b) 91days Figure 11. Mock-up specimens after coring

모의실험체로부터 절취된 코어 시편과 절취부위에 따른 강도와 비중은 Table 5와 같다. 코어 강도와 비중 및 절취 위치에 따라 구분하여 도시하면 시험체 1과 시험체 2의 강 도 및 비중은 Figure 12 및 Figure 13과 같다.

모의실험체 1의 상, 중, 하부 코어시편의 경우 비중은 큰 차이를 보이지 않았으나, 상부 시편과 하부 시편의 압축강 도가 재령 28일에서는 약 2MPa 정도, 재령 91일에서는 5MPa 정도의 차이를 보이고 있다. 비중의 차이가 없는 것 으로 미루어 각 부위별 구성 재료의 차이는 없으나, 분체 의 수화 조건의 차이로 인한 강도차이로 판단된다.

모의실험체 2의 타입부와 충전부 코어시편의 경우 압축 강도는 유사하게 나왔으나, 비중은 충전부의 시편이 타입 부 시편에 비해 재령 28일에서는 약 0.03 정도, 91일에는 약 0.05 정도 큰 값을 보이고 있다. 이는 분체가 주를 이루 는 페이스트의 비중이 골재의 비중보다 적다는 특성을 고 려하면 충전부에 골재의 함량이 높다고 예상할 수도 있고, 한편 타입부와 충전부의 비중 차이가 시간이 지남에 따라 커지는 것은 타입부와 충전부의 수두차로 인하여 타설시 콘크리트의 수분함량이 충전부가 낮아서 모르타르의 물- 분체비가 약간의 차이를 보였을 것으로 예상되며, 시간이 지남에 따라 충전부의 분체들의 수화로 수화생성물이 생성 되므로 타입부보다 콘크리트 미세 조직이 보다 치밀해질 수도 있다. 하지만 강도의 차이가 거의 없는 것으로 미루 어 보면 실제 시공시 문제가 되지 않을 것으로 판단된다.

Part Specific gravity Compressive

strength(MPa)

28days 91days 28days 91days

Top

1 2.19 2.20 37.84 39.91

2 2.16 2.20 40.69 41.92

3 2.15 2.19 40.61 43.21

avg 2.17 2.20 39.71 41.68

Middle

1 2.17 2.18 40.37 48.98

2 2.16 2.18 41.38 44.27

3 2.16 2.19 41.05 49.22

avg 2.16 2.18 40.93 47.49

Bottom

1 2.17 2.18 43.51 41.33

2 2.19 2.20 42.04 50.20

3 2.20 2.23 40.73 51.11

avg 2.19 2.20 42.09 47.55

Entrance

1 2.11 2.13 40.73 47.72

2 2.12 2.17 39.44 50.54

3 2.16 2.18 39.24 47.54

avg 2.13 2.16 38.80 48.60

Exit

1 2.17 2.19 42.32 47.56

2 2.15 2.24 43.11 47.88

3 2.17 2.21 36.15 49.38

avg 2.16 2.21 40.53 48.27

Figure 12. Compressive strength of cores in terms of specific gravity (specimen 1)

모의실험체 1과 2로부터 채취된 코어의 압축강도와 비 중관계 그래프 분석을 통해 개발된 다성분계 고유동 콘크 리트의 재료분리 저항성 및 시공성은 우수한 것으로 판단 된다. 한편, 부위와 상관없이 전체적인 시편의 압축강도와 비중이 증가한 것은 수화의 진행으로 인해 콘크리트 미세 조직이 치밀해 지면서 나타나는 결과로 생각된다.

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Location Age

Mock-up specimen 1 Mock-up specimen 2

Top Middle Bottom Entrance Exit

28days

91days

Table 6. Cores from mock-up specimens

Figure 13. Compressive strength of cores in terms of specific gravity (specimen 2)

기존 원전에 사용되는 콘크리트의 재령 91일 기준 압축 강도(5500psi, 37.92MPa)보다 선정된 다성분계 고유동 콘 크리트를 사용한 모의실험체 코어의 모든 시편의 재령 91 일 압축강도가 크게 나타났다. 채취된 코어는 코어 채취시 교란되어 실제의 콘크리트 강도보다 작게 측정될 수 있다 는 점(실제 강도의 85% 정도)을 감안하면 압축강도 면에 서 개발된 다성분계 고유동 콘크리트가 유리하다고 판단된 다.

4.2 수화열 특성

개발된 다성분계 고유동 콘크리트의 수화발열에 따른 실구조물에서의 온도상승을 알아보고자 모의실험체 1에 온도 센서를 설치하여 각 부위의 온도상승을 계측하였다.

조립된 철근에 온도 센서를 부착한 위치는 Figure 14와 같다. 온도센서가 철근에 직접 닿으면 철근의 열전도로 인 해 정확한 콘크리트의 온도를 나타내지 않을 수 있으므로

철근과 닿지 않도록 센서 부분과 철근과 최소 3cm 정도의 간격을 두었다.

1면

240cm

180cm

120cm 2면 3면

x y z

Section 1 Section 2 Section 3

CL

1-1 1-2 1-3

1-4

1-5 1-6 1-7

1-8

1-9 1-10 1-11

(a) section 1

CL

2-1 2-2 2-3

2-4

2-5 2-6

2-10

2-11

2-12 2-13 2-14

2-7 2-8

2-9

(b) section 2

CL

3-1 3-2 3-3

3-4

3-5 3-6 3-7

3-8

3-9 3-10 3-11

(c) section 3 Figure 14. Temperature sensor location in mock-up specimen 1

온도 계측은 콘크리트의 수화열 발생이 미미해지는 재 령 7일까지 측정하였으며, 계측된 온도중 중요부위의 측정 값을 각 단면별로 Figure 15 ∼ Figure 17과 같다.

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Figure 15. Temperature in section 1

별 온도차는 Figure 18과 같다.

실제 원전 격납건물의 외벽두께를 고려해 보면 y방향의 온도차가 원전 건설시 수화열에 의한 온도균열을 발생시키 는 인자가 된다. 따라서 y방향의 최대 온도차가 11℃ 정도 로 이는 실구조물에서 온도균열에 의해 콘크리트 내구성에 는 영향을 미치지 않을 것으로 판단된다.

Figure 18. Temperature variation into each direction

5. 결 론

모의실험체에 의한 다성분계 고유동 콘크리트의 시공성 능 평가에 관한 연구를 수행하여 얻은 결과를 정리하면 다 음과 같다.

1) 선정된 다성분계 콘크리트는 복잡하게 배근된 모의실 험체의 철근 장애물 등을 다짐없이 통과하여 양호한 충전성능을 나타내었다.

2) 콘크리트 투입부와 충전부의 콘크리트 높이 차이는 약 10cm 정도로 나타나 비교적 좋은 시공성능을 나 타내었다.

3) 모의실험체 1의 상부, 중앙부, 하부에서 채취한 코어 와 모의실험체 2의 투입부 및 충전부에서 채취한 코 어의 강도 및 비중을 비교한 결과, 비중과 압축강도 에 유의할 만한 큰 차이를 보이지 않았으며, 압축강 도의 크키 또한 목표치인 5500psi(37.92MPa)를 상회 하는 것으로 나타났다.

4) 수화열로 인한 실제 온도 측정시험 결과, 중앙부와 외 측부와의 최대 온도차는 11℃ 정도로 나타나, 실구조 물에서 온도균열에 의해 콘크리트 내구성에는 영향 을 미치지 않을 것으로 판단된다.

(8)

요 약

건설산업이 대형화, 초고층화, 다양화되면서 우수한 기 술과 Know-how가 요구되고 있고, 또한 건설기술자의 부 족, 특수환경 하에서의 건설공사의 증가 및 구조물의 고성 능화 등의 요구에 따라 콘크리트 분야 기술력을 개발하고 실용화하는 것이 필요하다. 이를 위하여 고성능 콘크리트 에 대한 성능규정 및 기술개발에 많은 노력을 기울여 왔으 며 한 가지 방안으로 신뢰성이 높은 고유동 콘크리트를 적 용하면 시공의 제약조건을 극복할 수 있으며, 작업인원의 절감 및 공기단축의 효과를 얻을 수 있을 것으로 기대된다.

고유동 콘크리트를 현장에 적용하기 위해서 실제 건설현장 에서 대용량의 배치플랜트에서 생산할 경우에도 시공성을 만족시킬 수 있는지를 평가하기 위하여 현장 모의시험을 실시하였다. 시험결과로부터 다성분계 고유동 콘크리트는 실제 구조물에서도 양호한 충전성능을 가진 것을 확인할 수 있었고, 수화열로 인한 콘크리트 내부온도 상승도 양호 한 범위 값을 나타내었다. 향후 시공조건에 따라 전련산업 관련 구조물 등에 유용하게 활용될 수 있을 것이다.

키워드 : 다성분계 고유동 콘크리트, 충전성, 수화열, 현장 모의시험

References

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3. Ouchi M, Nakajima Y. A guide for manufacturing and construction of self-compacting concrete - learning from real troubles. CMOS Engineering Corporation;

2001