매입형 히트파이프를 이용한 매스콘크리트의 수화열 분산효과와 시공성 향상에 관한 연구

Abstract

기존의 수화열 제어공법들이 가지고 있는 많은 문제점들을 보완하기 위해 개발된 노출형 히트파이프를 이용한 수화열 제어공법은 아주 우수한 수화열제어성능에도 불구하고, 가공, 운반, 조립과 콘크리트의 타설 및 경화후 절단면의 표면 재처리 등에서 문제점들이 노출되었다. 따라서 본 연구에서는 이러한 문제점들을 개선ㆍ보완할 수 있는 매입형 히트파이프를 이용한 수화열 제어공법을 개발하여, 구조물 내부에서 발생되는 수화열을 외부로 분산시켜 내ㆍ외부 온도차를 저감시키고, 시공성 및 경제성을 향상시키기 위한 일련의 연구를 통해 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다. 1. 노출형 히트파이프에 의한 수화열 발산효과와 매입형 히트파이프를 이용한 수화열 분산효과를 비교해 본 결과, 온도균열의 원인이 되는 내ㆍ외부 온도차의 경우, 히트파이프를 설치하지 않은 OPC에서는 20.3℃인 반면에, 노출형과 매입형에서는 각각 12.1℃ 및 11.2℃로 나타났다. 특히 온도균열지수는 OPC의 경우, 0.73으로 유해한 균열의 발생 가능성이 높은 것으로 나타났지만, 노출형 및 매입형에서는 각각 1.24, 1.34로 균열발생을 제한하는데 우수한 효과를 보였다. 이는 두 공법의 수화열 저감효과가 거의 비슷한 수준으로 아주 뛰어남을 증명하는 결과이다. 따라서 본 연구에서 제안한 매입형 히트파이프를 이용한 수화열 제어공법의 타당성을 확인할 수 있었다. 2. 히트파이프의 재질을 동관에서 강관으로 변경시킴에 따른 수화열 제어성능을 평가해 본 결과, 구조물의 내ㆍ외부 온도차의 경우, 히트파이프를 설치하지 않은 OPC에서는 22.8℃인 반면에, 매입형 동관 히트파이프와 매입형 강관 히트파이프에서는 각각 6.2℃ 및 5.2℃로 저감시켰다. 또한 온도균열지수는 OPC의 경우, 0.66으로 유해한 균열의 발생 가능성이 매우 높은 것으로 나타났으나, 동관 및 강관에서는 각각 2.41, 2.88로 균열발생을 방지하는 거의 비슷한 수준의 아주 뛰어난 수화열 제어효과를 보였다. 즉 동관에서 강관으로 재질을 변경시켜도 거의 비슷한 수준의 수화열 제어효과를 기대할 수 있음을 알 수 있었다. 따라서 히트파이프를 동관에 비해 상대적으로 저가인 강관을 사용함으로서 재료원가를 낮출 수 있었다. 3. 노출형 히트파이프를 이용한 수화열제어공법에서는 히트파이프를 가공 시 10턴(turn) 이상의 규격으로 제작하여야 했으나, 본 연구에서는 이를 1.0m(B) × 1.0m(H) 및 0.2m(B) × 1.0m(H)로 규격화하여 수화열 제어성능을 평가해 본 결과, 내ㆍ외부 온도차가 히트파이프를 설치하지 않은 OPC는 22.8℃이었으나, 1.0m(B) × 1.0m(H) 규격에서는 5.2℃, 0.2m(B) × 1.0m(H) 규격에서는 9.1℃까지 저감시킬 수 있었다. 따라서 히트파이프의 규격화를 통하여 가공, 운반, 조립에서의 효율성을 크게 증대시킬 수 있음과 동시에 시공성을 크게 향상시킬 수 있었다. 특히 강관 U형 히트파이프를 이용할 경우, 협소한 공간에서의 작업 및 배근간격이 매우 좁은 구조물에서의 작업이 용이하여 시공의 효율성을 증대시킬 수 있었다. 4. 외기온도가 수화열 제어에 지대한 영향을 미치므로 이를 확인하기 위하여 계절별로 실험을 실시하여 검증해본 결과, 계절에 관계없이 매입형 히트파이프를 이용한 수화열제어공법은 매우 우수한 수화열 제어효과를 보였다. 그러나 외기온도가 매우 낮은 동절기에 본 공법을 적용할 경우에는 별도의 구조물 보온 및 양생관리가 동시에 병행되어야 보다 나은 수화열 제어효과를 기대할 수 있을 것으로 확인되었다. 5. 최근 들어 매스콘크리트 시공현장에서는 간단한 시공방편으로 3성분계 시멘트(OPC+고로슬래그+플라이애시, TBC)나 저발열시멘트(LHC)를 주로 사용하여 배합설계하고 있다. 그래서 본 연구에서 이들과의 수화열 제어성능을 평가해 본 결과, 온도균열의 원인이 되는 내ㆍ외부 온도차가 OPC에서는 22.8℃이었고, TBC에서는 34.6℃이었으며, LHC에서는 21.2℃로 나타났으나, 매입형 히트파이프를 이용한 수화열제어공법에서는 9.1℃로 상대적으로 매우 우수한 수화열 제어효과를 보였다. 특히 강도발현에 지대한 영향을 미치는 최고온도 도달시간은 LHC가 63시간으로 아주 느린 강도발현을 보였으나, 본 연구에서 제안하고 있는 매입형 히트파이프를 이용한 수화열제어공법은 22시간으로 크게 단축시킬 수 있었다. 6. 부산 근교의 I건설현장에서 시공되고 있는 교각기초를 대상으로 하여, 범용 열전달해석 프로그램을 이용하여 수화열 온도해석을 수행하였고, 직접 매입형 히트파이프를 교각기초에 설치하여 수화열을 측정해 보았다. 온도해석결과와 현장적용결과를 비교해 본 결과, 중심부 최고온도와 최고온도 도달시간은 거의 유사하게 나타났지만, 최고온도 도달시간 이후의 온도이력은 해석결과가 현장적용결과에 비해 다소 낮게 나타났다. 따라서 앞으로 사전예측의 정확도를 확보하기 위해서는 히트파이프를 실제와 거의 유사하게 모사할 수 있는 기법의 개발과 다양한 실험을 통해 축적된 데이터들을 체계적으로 정리하여 해석에 활용한다면, 보다 정확한 사전검토가 가능할 것으로 판단된다.

Along with the high growth of the economy, the expansion of SOC has been inevitable and demand for it has also increased. As the concrete structure plays an important role in SOC facilities and it gets larger and larger, it is necessary for more and more structures to be constructed with mass concrete. Hydration heat, which occurs in the process of hardening when pouring concrete for large-sized structures generates thermal stress and causes cracks which greatly reduce durability. Cracking due to hydration heat in mass concrete is one of the issues that require a solution to improve any concrete structures stability and durability. Recently, theoretical studies have been steadily conducted regarding the analysis of hydration heat and the prediction of thermal stress in mass concrete, which have been coupled with the development of material and construction technology. However, there are various specific problems discussed below in applying a hydration heat control method that differ from previous studies in the field of material and construction technology. First, the knowledge and understanding about mass concrete are not sufficient. Mass concrete is defined as "to be more than 0.8m in a flat structure with a wide area and more than 0.5m in a wall with its bottom fixed" in the Standard Specification of Concrete (Korea Concrete Institute, 2003). However, on many construction sites, regulatory specifications have been ignored in the area of general material due to the lack of construction experience and understanding of its importance. In addition, the adoption of the hydration heat control method in mass concrete has been avoided even on large-sized construction sites due to the belief that it will negatively affect the duration and cost of construction prohibitively. Second, the hydration heat control method using low-heat concrete has been applied to only a few special structures and it costs a lot in production because only a small quantity is consumed. Further, its slow development of strength delays the removal of forms which extends the period of construction and is accompanied with important difficulties in quality control such as the modification of mixing design if changing aggregate or production materials. Third, the pipe-cooling method, a typical application in mass concrete has various problems such as low economic efficiency, complicated construction methods, and environmental pollution. Crucially, it is difficult to apply this method as it requires the duration and cost of construction to increase much more substantially than general concrete due to complicated installation, and subsidiary facilities for cooling pipes. Fourth, although most of existing hydration heat control methods show a certain degree of hydration heat control, generally, there are many problems as mentioned above. Therefore, our laboratory previously developed a hydration heat control method using an exposed heat pipe, which solves most of these problems and simultaneously displays excellent hydration heat control. Unfortunately, even this method had some problems such as the processing, transport, and assembly of heat pipes, and the surface treatment of a cut plane after pouring, and hardening concrete. Therefore, in this study, a hydration heat control method using an embedded pipe has been developed with the expectation that this method solves those problems in hydration heat control using an exposed heat pipe. In the previous exposed type, part of the pipe was embedded and the other part was exposed to emit hydration heat occurring in mass concrete quickly to the outside, and also to lower hydration heat. However, in the hydration heat control method using an embedded heat pipe in this study, the pipe is embedded completely and distributes hydration heat occurring inside to a whole structure evenly so that it reduces any difference between internal and external temperatures. It was possible to solve problems in the existing hydration heat control method using an exposed heat pipe, such as the interference in concrete pouring, surface re-treatment after the completion of curing, etc. with this method of using an embedded heat pipe in this study. Further, economic efficiency was improved by replacing a copper pipe with a steel one for the heat pipe, and the heat pipe was processed for standardization (1.0m×1.0m, 0.2m×1.0m) to improve efficiency in operations such as processing, transport and assembly and construction time significantly. Furthermore, seasonal influence was verified which is sensitive to hydration heat control and its superiority was verified in comparison to the concrete of low-heat cement (3 components and class IV low-heat). As a way to apply this method efficiently in the field based on such a result from research, possibility for an advance prediction was confirmed at the stage of installation by comparing and examining results from the temperature analysis of hydration heat by using a universal heat analysis program, and from actual application under the same conditions in the field. Finally, it was confirmed in this study that the hydration heat control method using an embedded heat pipe is significantly more superior and cost effective than the existing method of an exposed one.