1. 연구배경

콘크리트는 현대에 주택, 도로, 다리, 초고층 빌딩, 댐 등 모든 건설, 토목 구조물에서 가장 많이 사용되는 건설재료이다. 일반적으로 시멘트와 물, 굵은 골재, 잔골재 및 혼화 재료를 적절하게 배합하여 굳힌 혼합물로 시멘트가 물과 반응하여 굳어지는 수화반응을 통해 골재와 골재를 한 덩어리로 만든 것이다. 수화반응은 시멘트를 구성하는 크링커 화합물이 물과 반응하여 수화물을 생성하는 것이다. 반응 과정에서 열로 인해 콘크리트 내부 온도가 상승하는데 이를 수화열이라 한다. 수화열로 인해 콘크리트 내외부 온도차가 발생하면 인장응력이 야기되어 콘크리트 강도에 악영향을 미치는 온도균열이 발생할 수 있다.

타설된 콘크리트는 수화반응으로 응결된 후 경화 작용이 진행되어 강도가 발현되며 반응이 계속되어 충분한 강도를 가지도록 보호하는 것을 콘크리트 양생이라 한다. 양생 동안 일광, 비바람, 충격, 하중으로부터 콘크리트가 보호받는 동시에 경화에 필요한 온도, 습도조건을 유지하여야 한다⁽¹⁾. 특히 동절기에는 낮은 외기온도로 인하여 수화열에 의한 콘크리트 내외부의 큰 온도차에 의한 콘크리트 품질저하 또는 경화 초기 단계에서 수분 동결로 초기 동해를 발생시킬 수 있다⁽²⁾. 양생 동안 콘크리트 내부 수분 동결을 방지하기 위해 콘크리트 표준시방서에는 일 평균기온이 4℃ 이하가 예상되는 조건일 때 콘크리트가 동결할 염려가 있으므로 한중 콘크리트로 시공하고, 소요 압축강도가 얻어질 때까지 콘크리트 온도를 5℃ 이상으로 유지하게 되어있다⁽³⁾. 한중 콘크리트 시공 시 가장 중요한 사항은 초기 동해를 방지하고, 초기 압축강도 이상이 될 때까지 일정 온도를 유지하는 것이다.

2. 서 론

콘크리트 양생 동안 온도 및 압축강도를 확보하는 방안으로 구조물에 보온덮개, 양생 보호막 설치방법⁽⁴⁾ 또는 발열 양생법으로 공간 가열법, 표면 가열법⁽⁵⁾, 열선 매립⁽⁶⁾, 증기양생⁽⁷⁾, 마이크로웨이브 발열 거푸집 활용 방법⁽⁸⁾ 등 다양한 기술들이 제안되어 이용되고 있다. 공간 가열법은 건설현장에서 가장 많이 사용하는 방법으로 열풍기, 전기·적외선 히터, 갈탄과 같은 가열 매체를 이용하여 가열하는 방법이다. 갈탄의 경우, 저비용으로 가장 많이 활용되지만, 열효율이 낮고 수직 열에 의한 콘크리트 품질결함이 발생할 수 있다. 이 방법은 가열 간 발생하는 일산화탄소에 의해 작업자의 안전을 위협하는 문제가 있다⁽⁹⁾. 표면 가열법은 발열용 시트, 온상선 등을 통해 발생한 열을 이용하는 방법이다. 이 방법은 소규모 공사에 적합하고, 이동에 따른 장비 파손 가능성이 있으며, 단열재를 적용해야 한다. 열선매립법은 전기배선을 콘크리트 내부에 메워 가열하는 방법으로 효율이 우수하나 고비용, 콘크리트 내부 이물질 투입, 열관리의 어려움과 전기위험성 등이 있어 사용하는 경우가 많지 않다. 증기양생방법은 고온의 증기를 이용하는 양생 기법으로 프리캐스트 콘크리트 제작에 사용된다. 이 방법은 방사 열손실을 막기 위해서 구조물 전체에 대하여 양생포 보양이 요구되며 화석연료를 사용하므로 환경오염 및 고유가에 따른 고비용 문제가 있다. 마이크로웨이브 발열 거푸집은 위에 언급되었던 방법에 대한 문제를 해결하기 위해 제안된 기법이다. 이 방법은 발열체를 부착한 별도의 거푸집과 마이크로파 발생장치가 필요하므로 고중량·고비용 거푸집 사용이 요구된다.

본 논문에서는 위에서 제시된 기존 발열 양생법들의 단점을 보완하고자 유도가열(IH: Induction Heating)을 이용한 콘크리트 발열 양생 방법⁽¹⁰⁾에서 거푸집의 균일한 온도분포를 위한 방법을 제안하였다. 이 유도가열 양생 방법은 유도 대상만을 가열하므로 주변 요소에 의한 열 손실을 최소화할 수 있고 가열 시간을 단축할 수 있으며 가열장치와 거푸집이 비접촉식으로 안전성이 높다. 또한, 유도가열 코일에 가해지는 전력을 조절하여 온도를 제어할 수 있으므로 사용자가 원하는 가열시나리오를 채택하여 가열할 수 있는 장점이 있다. 하지만, 이 유도가열 기반 발열 양생 방법은 거푸집의 온도분포를 균일하게 유지하는 것이 매우 중요하다. 본 논문에서는 유도가열 기반 발열 양생시 거푸집 온도분포를 균일하게 유지하기 위하여 유도코일 턴 수를 1 ∼ 3턴으로 변화하면서 그에 따른 등간격으로 코일을 구성하였다. 턴 수에 따른 온도분포 분석을 FEM(Finite Element Method) 기반 시뮬레이션으로 진행하였으며, 그 중 가장 좋은 결과인 3턴의 경우에 대하여 유도가열 실험을 진행하였다. 마지막으로 시뮬레이션 결과와 가열실험 결과를 비교하여 시뮬레이션 결과의 타당성을 입증하였다.

3. 본 론

3.1 유도가열 시스템 및 동작 이론

Fig. 1. Typical Induction Heat Configuration

유도가열 기술은 19세기 말부터 산업과 기술의 발전에 따라 계속해서 발전해왔다. 일반적인 유도가열 시스템의 구성은 그림 1과 같이 상용 교류전원을 입력받아 정류기를 통하여 직류로 변환한 뒤 인버터를 통하여 원하는 주파수의 교류전력으로 변환시킨다. 인버터 출력단과 연결된 매칭 트랜스포머는 유도가열에 높은 자속을 발생시키게 하는 역할을 한다. 그림 2는 트랜스포머 출력과 연결된 유도가열코일과 피가열체의 일반적인 구조를 보여준다. 유도코일에 고주파전류가 흐르면 암페어 법칙에 의해 자속이 발생한다. 시간에 따라 변하는 자속은 피가열체 표면에 와전류(eddy current)를 유도하여 그 전류에 의해 피가열체에 식(1)과 같은 줄(Jule)열이 발생하게 된다. 또한, 유도가열에서 유도 코일에 흐르는 전류의 세기는 피가열체에 가해지는 열에너지이므로 피가열체에 전달되는 온도를 제어하기 위하여 코일에 흐르는 전류의 세기 조절 장치가 필요하다⁽¹¹⁾.

(1)

$P_{e}= I_{eddy}^{2}R_{w}[W]$

$I_{eddy}[A]$: 와전류, $R_{w}[ohm]$: 피가열체 저항

콘크리트 가열 양생에 일반적으로 사용되는 증기양생의 경우, 열소스에 의해 가열된 물이 수증기로 변환되고 이 수증기가 거푸집 대기 온도를 높이게 한다. 높아진 대기 중 공기가 거푸집 표면 온도를 가열하는 것으로 여러번의 열변환을 거쳐야 하는 방식이다. 반면 유도가열 방식은 전기소스로 인한 자기장발생으로 거푸집 표면에 와전류를 만들어 열을 발생시킨다. 즉, 적은 에너지 변환으로부터 효율적인 도체 거푸집 가열이 가능하다.

Fig. 2. Induction heating principle

3.2 콘크리트양생 유도가열 실험 환경

콘크리트 품질은 압축강도에 따라 평가된다. 규모가 큰 토목 건축물에는 최소한의 압축강도 이상이 필요하며, 초고층 빌딩에 사용되는 콘크리트는 80MPa 이상의 고강도를 필요로 한다⁽¹²⁾. 본 논문에서는 유도가열 시스템을 이용한 콘크리트 발열양생기법을 평가하기 위하여 유도가열 피가열체를 압축 강도 시험용 공시체 거푸집으로 선정하였다.

Fig. 3. Induction heaters and blood heaters

콘크리트 압축 강도 시험 방법은 KS F 2405로 규정되어 있으며 해당 시험을 위한 공시체에 대한 규격은 KS F 2403에 규정되어 있다. 이 규격을 참고하면 콘크리트 압축 강도 시험용 공시체는 지름 150mm, 높이 300mm의 원통형 콘크리트 구조물을 가진다. 해당 치수의 공시체를 만들기 위한 거푸집과 이를 가열하기 위한 시스템은 그림 3과 같다. 거푸집 밑판 재질은 플라스틱, 그 외는 철(Steel)로 구성되어 있다. 지름 150mm 콘크리트 공시체 거푸집은 외경 158mm, 내경 150mm, 높이 315mm의 원통형 관 구조를 가진다. 이 구조체를 가열하기 위해 최대출력 7kW, 동작 주파수 40kHz 성능을 가진 시스템을 실험에 사용하였다.

전원으로는 3상 220V를 사용하며 컨버터는 SCR (Silicon-controlled rectifier) 정류회로를 채택했다. 인버터는 풀 브리지 형태를 사용했으며 C/T Box에 공진 캐패시터 및 전류 증폭을 위해 변압비가 12:1인 변압기가 설치되어 있다. C/T Box와 워킹 코일이 연결되어 있으며 피가열체는 자기장에 의해 비접촉식으로 가열된다. 온도 센서가 피가열체의 온도를 읽어 컨트롤러를 통하여 피드백 신호를 컨버터로 보냄으로써 SCR 위상각 제어를 통하여 출력을 조절한다. 콘크리트 공시체가 영향을 받는 부분은 거푸집 내부이며 해당 부분에 그림 4와 같이 온도 센서를 설치하여 온도분포를 측정하였다. 온도제어는 높이 중간지점에 설치된 4번 센서값으로부터 제어를 한다. 또한, 유도가열 시스템을 이용한 발열양생기법은 동절기 콘크리트 양생 성능 향상이 목표이다. 동절기 외기 온도에 해당하는 0℃를 조성하기 위하여 항온·항습 장치를 사용하여 실험실 환경을 조성하였다.

Fig. 4. Temperature sensor

3.3 거푸집 가열 시뮬레이션 및 실험

그림 5는 콘크리트 발열 양생에 적용되는 가열 시나리오 그래프이다⁽¹⁰⁾. 가열 시나리오는 상온(20℃) 유지, 온도 상승, 최고온도 유지, 온도 하강, 상온(20℃) 유지 총 5단계로 이루어지며 최고온도는 50~80℃로 결정되고 5~7시간을 유지한다. 이 가열시나리오 기반으로 최고온도 70℃를 기준으로 거푸집 내부 온도분포를 FEM 시뮬레이션과 실험을 통하여 확인하였다.

Table 1. Heated Object figure

항목	길이(mm)
내경(w)	150
두께(t)	4
내부 높이(h)	300
전체 높이(h_t)	315
밑면 두께(t_b)	8

Fig. 5. Heating Scenario

3.3.1 FEM 시뮬레이션

FEM기반 시뮬레이션 프로그램으로 Altair사의 FLUX 2D를 사용했으며 그림 3의 거푸집 구조를 모델링 하였다. 유도가열 코일 모델링은 가열 실험에 사용되는 것과 동일한 구조로 구리 도체에 외경 5mm, 내경 4mm의 원형관 형태이며, 거푸집과의 간격은 35mm이다. 코일 턴 수는 1, 2, 3턴의 경우에서 각각 최고온도 유지 상태에서 거푸집 표면의 온도분포를 시뮬레이션 하였다.

그림 6(a)은 유도가열코일 1턴인 경우 최고온도 유지단계에서의 거푸집 내부 온도분포에 대한 시뮬레이션 결과이다. 코일의 위치는 거푸집 높이의 중간 지점으로 설정하여 온도분포가 대칭을 형성하도록 하였다. 1턴 코일의 거푸집 내부 표면의 온도분포는 코일이 위치한 중간지점에서 온도는 75℃로 가장 높으나 코일과의 거리가 멀어질수록 온도가 떨어져 거푸집의 상ㆍ하단 지점에서는 20℃의 온도분포를 확인하였다. 그림 6(b)은 코일이 2턴인 경우에 대한 온도분포 시뮬레이션 결과이다. 코일의 위치는 100mm와 200mm 지점에 위치하고 코일 간격은 100mm 간격으로 유지하였다. 거푸집 내부표면 온도 분포는 코일이 위치한 높이에서 약 70℃ 이며, 코일에서 멀어질수록 온도가 떨어져 상ㆍ하단 지점에서 26∼30℃가 되는 것을 확인하였다. 그림 6(c)는 3턴의 유도가열코일이 75mm 간격으로 각각 75mm, 150mm, 225mm 지점에 위치한 상태의 거푸집 표면 온도분포 결과이다. 시뮬레이션 결과 코일이 위치영역인 75mm ∼225mm 사이에서 약 65℃∼77℃ 온도가 분포되었고, 상ㆍ하단 지점에서는 최소 50℃보다 높은 온도분포를 확인하였다.

Fig. 6. Temperature distribution simulation

FEM기반의 열해석 시뮬레이션 결과 1턴 코일을 사용하는 경우 최고온도지점과 최저온도지점간의 온도차가 약 50℃ 정도로 크고, 최고온도지점에서의 온도 균일영역이 좁은 것을 확인하였다. 그와 반면 3턴 유도가열 코일을 사용하는 경우 최고온도지점과 최저온도지점간의 온도차가 약 25℃로 축소되었고, 최고온도지점에서의 온도균일도가 증가되는 것을 확인하였다.

3.3.2 거푸집 가열 실험

FEM 열해석 시뮬레이션 결과 거푸집 표면 전 영역에서 가장 낮은 온도편차를 갖는 조건인 턴 수 3, 턴 간격 75mm 인 유도가열코일에 대해서 거푸집 가열 실험

을 수행하였다. 가열 실험은 최고온도 유지 상태에서 그림 4와 같이 설치된 7개의 온도센서를 통하여 각각의 온도 값을 측정 및 기록하였다. 온도 편차확인을 위한 실험에서 실제 콘크리트양생용 거푸집 가열시 최고온도에 도달하여 온도 평형상태에서 거푸집표면 높이에 대한 온도분포 확인이 중요하다. 온도제어에서 목표온도 최초 도달 이후 발생되는 온도 증감 현상을 최소화 하기 위하여 최초 목표온도 도달 후 약 30분부터 1600초 동안 센서 데이터 수집을 수행하였다.

Fig. 7. Internal temperature distribution of formwork

그림 7은 거푸집 내부표면에 설치된 각 센서에서 받는 온도 값을 시간 1600초 동안 표출한 그래프이다. 측정 시간동안 센서의 온도값들이 대부분 일정한 값을 유지하였으며, 1000초 근처에서 특정 센서 온도 값의 변화는 온도제어를 위한 일시적인 변화로 판단 된다. 센서 별 온도분포는 가장 가장자리에 위치한 1번과 7번 센서가 각각 51∼ 62℃ 와 55∼ 60℃ 로 가장 낮은 온도였으며, 나머지 센서들은 모두 65∼ 75℃를 유지하였다. 다른 센서들에 비해 1번 센서 온도가 낮은 이유는 실험실 온도 유지를 위한 항온ㆍ항습 장치가 실험 공간 천장에 위치하여 거푸집 상단 부분에 대류 손실에 의한 것으로 판단된다.

3.3.3 시뮬레이션과 가열 실험 비교분석

3.3.1절에서 FEM 시뮬레이션을 이용한 거푸집 내부 온도분포와 3.3.2절에서 콘크리트양생용 유도가열 실험을 통한 거푸집 내부에 부착된 온도 센서 값들을 측정하였다. 그림 8은 유도가열 실험을 통해 측정한 데이터를 평균화한 온도분포 그래프이다. 그림 6(c)와 그림 8을 비교하면 두 온도분포 그래프가 유사한 것을 알 수 있다. 그림 6(c)에서 75mm ∼ 225mm 영역에서의 온도분포는 65°C 이상, 양 끝부분에서는 약 50°C를 확인하였다. 그림 8의 Sensor 2에서 Sensor 6까지의 온도분포도 65°C 이상 이며, Sensor 1이 부착된 가장 윗부분은 55°C, Sensor 7이 부착된 가장 아랫부분은 57°C 이다. 즉, FEM기반 온도해석 시뮬레이션 결과와 유도가열 실험 결과가 매우 유사함을 확인하였다.

Fig. 8. Temperature distribution of heating experiment values

4. 결 론

본 논문에서는 효율적인 콘크리트 발열양생을 위하여 유도가열코일을 이용하여 균일한 거푸집 내부 온도분포에 대한 연구를 수행하였다. 높이 300mm인 압축 강도 시험용 공시체 거푸집을 대상으로 FEM 기반 열해석 시뮬레이션을 이용하여 거푸집 가열 표면의 온도차가 최소가 되는 유도코일의 조건을 도출하였다. 비교 분석 결과 코일이 3턴이고, 턴 간격이 75mm인 조건에서 표면온도 최댓값과 최솟값의 차가 25.2 °C로 가장 작았으며, 온도분포도 전체적으로 가장 균일한 것으로 확인하였다. 또한, 시뮬레이션과 동일한 조건으로 실제 가열 실험을 수행하여 매우 유사한 결과를 확인하였다. 본 과제의 결과는 향후 다양한 콘크리트양생용 거푸집에 적용될 유도가열 코일 조건을 도출하기 위한 기준 온도분포 수치로 유용하게 사용될 것으로 기대된다.