2.1 콘크리트 가열양생 조건

콘크리트양생을 위한 조건은 콘크리트의 강도확보를 위하여 그림 1의 가열 시나리오를 적용하였으며, 총 5단계로 구성되어 있다. 이 시나리오는 현재 국내에서 프리케스트 제품 생산에 사용되고 있는 일반적인 증기양생과 유사하다⁽¹¹⁾. 또한, 포틀랜드 시멘트 협회(PCA)⁽¹²⁾의 권고에 따라 온도상승 및 하강 구간에서는 급격한 온도변화로 야기되는 콘크리트 강도저하를 방지하기 위하여 온도변화량을 단계 2, 4와 같이 설정하였다^(13-15). 가열 시나리오에서 단계 1～5의 내용은 다음과 같다. 단계 1(사전양생 구간): 거푸집 온도를 3시간 동안 20℃로 유지한다. 단계 2(온도상승 구간): 거푸집 온도를 20℃/h만큼 증가시킨다. 단계 3(등온양생 구간): 거푸집 최대온도를 5시간 동안 70℃로 유지한다. 단계 4(온도하강 구간): 거푸집 온도를 15℃/h로 낮춘다. 단계 5(온도유지 구간): 거푸집 온도를 20℃로 유지한다.

유도가열로 거푸집 외부 표면에 발생한 열은 거푸집 내부 표면까지 열전도에 의해 열이 전달된다. 전도에 의한 열전달 크기는 거리에 반비례하므로 열원과 멀어질수록 온도가 낮아진다. 거푸집 내부표면까지 전도된 열은 공기와 대류에 의한 열손실이 발생하는데, 내․외부 온도차가 클수록 크게 작용하므로 유도가열 온도가 높아질수록 표면 온도차가 더 크게 나타난다. 거푸집 내부표면의 온도분포는 열원과의 거리와 세기에 따라 형성되며 이는 유도코일의 구조와 전류에 의하여 영향을 받는다. 콘크리트 가열양생에서 거푸집 내부표면의 불균일한 온도분포는 콘크리트 강도 저하를 발생시킬 수 있으므로 균일한 온도분포를 유지하는 것이 매우 중요하다. 본 논문에서는 거푸집 내부표면 온도가 가장 높은 등온양생 구간에서 거푸집 내부표면의 온도분포를 기반으로 코일 구조를 설계하였다.

콘크리트 강도 실험을 위하여 콘크리트 압축 강도 시험(KS F 2405)에 KS F 2403의 규격을 가진 지름 150mm, 높이 300mm의 원통형 공시체가 사용된다. 그림 2는 두께4mm, 내경150mm, 높이 310mm의 콘크리트를 거푸집 사진과 평면도를 보여준다.

2.2 등온양생 구간 온도분포 시뮬레이션

유도코일에서 발생한 자기장은 거푸집 표면에 와전류를 유도하고, 와전류에 의하여 열이 발생하여 거푸집 표면이 가열된다. 코일의 턴 수가 증가할수록 와전류 경로 또한 증가하게 되어 거푸집의 온도분포를 고르게 형성할 수 있다. 하지만, 거푸집 크기에 비례하는 코일 길이와 이에 따른 유도가열 동작주파수 설정을 위한 추가 설비가 필요하게 되며, 많은 코일 턴 수는 거푸집 간의 연결 및 체결 부분에 간섭을 발생시키는 것을 고려해야 한다.

그림 1의 가열 시나리오 상에 거푸집 온도는 3시간동안의 상온온도를 유지한 이후 약 2시간 30분 동안 시간당 20℃로 상승되도록 설계되었다. 즉, 긴 시간동안 점차적으로 상승하는 시나리오에 대하여 적은 수의 코일 턴수에도 충분한 온도상승 및 균일한 온도 분포가 가능하다. 본 논문에서는 2턴의 유도코일을 이용하여 코일과 거푸집의 거리, 코일 턴 간 거리에 따른 시뮬레이션을 온도상승 시간 동안 진행하였다. 열해석 시뮬레이션은 Altair사의 FLUX 2D를 이용하였다.

그림 3은 거푸집을 열해석한 시뮬레이션 결과를 보여준다. 시뮬레이션 해석 시간은 상온 유지시간 이후부터 최대 온도상승 구간까지 시간인 2시간 30분으로 하였으며, 유도가열 코일의 동작주파수는 42kHz, 코일 턴 수는 2회, 코일 직경은 8mm에 대하여 진행하였으며, 전류는 코일 구조에 따라서 2시간 30분에 거푸집 내부표면의 최대온도가 70℃ 대역을 가질 수 있도록 설정하였다. 또한, 코일의 배치 및 배열에 따른 거푸집 내부표면의 온도분포 변화를 분석하기 위하여 거푸집과 코일의 거리(d1)를 20mm∼140mm, 코일 턴 간 거리(d2)를 20mm∼260mm까지 각 20mm 단위에 대해서 해석하였다. 또한 등온양생 구간에서 고른 온도분포를 위하여 거푸집 수직단면의 온도를 평균화하여 비교하였다.

평균온도가 낮을수록 거푸집 내부표면에서의 온도변화가 크며, 이는 온도분포가 좋지 않다는 것을 의미한다. 그에 반해, 평균온도가 70℃에 근접할수록 온도변화량이 작은 것이므로 온도가 고르게 분포된 것이다. 유사한 평균온도를 가지는 코일 구조를 비교할 때, 전류도 고려하여 상대적으로 에너지를 적게 이용하고 균일한 온도를 갖는 구조를 최적 코일로 선정하였다.

그림 4는 코일 전류와 거푸집 내부표면의 평균 온도를 축으로 다양한 유도코일 구조 설계 조건에 따른 시뮬레이션 결과를 보여준다. 표 1은 그림 4의 결과를 수치화하여 표현한 것이다. 거푸집과 코일 거리 20mm∼140mm의 경우 코일 턴 간 거리 20mm에서 가장 낮은 평균온도를, 코일 턴 간 거리 160mm에서 가장 높은 평균온도를 가진다. 코일 전류는 코일 턴 간 거리 20mm에서 가장 작은 값을 가지고 턴 간 거리가 증가할수록 세기가 강해진다. 거푸집과 코일 거리 140mm의 경우 코일 턴 간 거리 20mm에서 가장 낮은 평균온도를, 코일 턴 간 거리 120mm에서 가장 높은 평균온도를 가진다. 또한, 코일 전류는 턴 간 거리 20mm에서 가장 작으며 거리가 증가할수록 전류 세기가 강해진다.

코일과 거푸집 거리 20mm∼120mm에서 코일 턴 간 거리 160mm를 기점으로 평균온도가 감소하였으며 코일 전류는 증가하거나 유사한 수치에 머물렀다. 코일과 거푸집 거리 140mm의 경우 코일 턴 간 거리 120mm에서 같은 경향이 보였다.

콘크리트 양생용 유도가열 코일 구조 설계는 거푸집 내부표면에 균일한 온도분포를 얻기 위하여 거푸집과 코일 거리에 따라 가장 높은 평균온도를 갖는 코일들을 표 2에 비교하였다. 유도가열 코일에 흐르는 전류는 필요한 온도를 만들기 위한 입력으로 볼 수 있으며, 거푸집 표면 평균온도는 전류를 사용하여 얻은 출력으로 볼 수 있다. 따라서 전류와 평균온도의 비가 높을수록 적은 입력으로 높은 출력을 만들 수 있는 최적 코일을 확인할 수 있는 파라미터로 고려한다. 표 2에 의하여 거푸집과 코일 거리가 20mm, 코일 턴 간 거리가 160mm인 경우 평균온도와 코일 전류비 2.56로 가장 높으며 해당 모델의 온도분포는 그림 5(a)와 같다. 해당 코일의 최저온도는 거푸집 높이 0mm에서 62.89℃, 최고온도는 거푸집 높이 244mm에서 70.62℃로 해석되었다. 그림 5(b)는 최적 코일과 상반되는 코일 구조로 동일한 거푸집과 코일 거리에서 코일 턴 간 거리가 260mm 인 결과를 보여준다. 해당 코일은 턴 간 거리가 증가했을 때 평균온도가 감소한 구조 중 최저 평균온도를 가지며, 코일의 최저온도는 거푸집 높이 154mm에서 60.88℃, 최고온도는 거푸집 높이 296mm에서 70.37℃로 해석되었다.

2.3 유도가열 온도분포 측정 실험

그림 6은 실험용 거푸집을 가열하기 위하여 실험에 사용된 유도가열 시스템을 보여주고 있다. 이 시스템은 상용전원(3상 220V)을 입력받아 SCR 정류기를 통하여 직류로 변환하고, 인버터에서 설정된 주파수의 교류성분으로 변환시킨다. 교류성분의 인버터 출력과 연결된 매칭 트랜스포머는 유도코일에서 강한 자속을 발생시키기 위하여 22:1의 변압비로 설계되었다. 매칭 트랜스포머와 연결된 유도코일은 실험용 거푸집을 둘러싸는 구조이며, 코일의 높은 전류가 자속을 발생하도록 하는 장치이다. 코일에서 발생된 자속은 거푸집 표면에 와전류를 유도하여 거푸집이 가열되도록 한다.

그림 7 에서는 거푸집 내부표면 온도를 수집하기 위하여 50mm 단위로 설치된 7개의 온도 센서를 보여주고 있다. 센서로부터 읽어온 온도 데이터는 데이터로거를 통하여 2시간 30분 동안 저장된다. 거푸집의 표면온도는 설정된 양생온도 시나리오 기반으로 온도컨트롤러를 이용하여 제어하였다.

유도가열 실험은 등온양생 구간에서 거푸집 내부표면의 온도분포를 측정하기 위하여 그림 1의 가열 시나리오의 온도상승 구간을 적용하였다. 가열시간은 2시간 30분이며, 온도 컨트롤러를 통하여 거푸집 내부표면 온도가 20℃에서 70℃로 상승하도록 제어하였다. 실험은 실내 항온 챔버에서 진행되었으며 챔버 내부 공기의 온도는 상온(20℃)을 유지하였다. 실험은 유도코일과 거푸집 간격인 d1: 20mm, 유도코일 간격인 d2: 160mm(이하 A 코일)와 d1: 20mm, d2: 260mm(이하 B 코일)의 2가지 코일에 대하여 진행하였다. 두 코일 모두 직경 8mm의 리츠와이어를 적용하였다. A 코일은 시뮬레이션 결과에서 최적의 온도분포를 얻은 것이며, B 코일은 A 코일의 온도분포를 비교하기 위하여 유사한 전류에서 낮은 온도분포를 나타낸 것이다. 온도제어용 센서는 시뮬레이션 결과로부터 온도가 가장 높은 지점에 설치되었다.

그림 8의 그래프는 A, B 코일을 이용하여 거푸집 표면의 온도분포를 측정한 결과이다. 각 그래프에서 푸른 점선은 코일 위치를, 검은 점선은 최고온도와 최소온도를 나타내며 붉은 실선은 거푸집 표면에서의 온도분포 나타낸다. 그림 8(a)에 표현된 A 코일의 온도분포는 거푸집 양쪽 끝부분인 0mm와 300mm에서 각각 62.1℃와 64.8℃로 측정되었으며, 코일과 근접한 200mm와 250mm에서 각각 69.1℃, 69.8℃로, 50mm와 100mm에서 각각 66.8℃, 68.5℃로 측정되었다. 거푸집 중심인 150mm에서는 온도는 66.8℃로 측정되었다. 최대최소온도차는 7.7℃이며, 최대온도는 250mm, 최소온도는 0mm에서 나타났다. A 코일의 시뮬레이션 해석결과인 그림 5(a) 결과와 비교하면 거푸집 윗부분 끝지점인 300mm에서 약 4℃의 더 낮은 온도가 확인하였다. 이는 항온 챔버 내에 설치된 환풍기 장치로 인하여 거푸집 상부에서 대류에 의한 열전달이 활발하게 발생된 것으로 판단된다. 그 외의 부분에서는 시뮬레이션과 실험의 오차는 1℃미만으로 확인되었다.

그림 8(b)는 B 코일의 온도분포를 나타내며 코일과 근접한 250mm, 300mm 지점에서 온도가 66.4℃, 70.0℃로 측정되었으며, 0mm, 50mm 지점에서 온도가 각각 65.1℃, 64.5℃로 측정되었다. 또한, 두 코일 사이 지점인 100mm, 150mm, 200mm에서 온도가 61.5℃, 60.5℃, 62.6℃로 측정되었다. 최대최소온도차는 9.5℃이며, 최대온도는 코일과 근접한 300mm 지점에서, 최소온도는 거푸집 중심인 150mm 지점에서 확인되었다. B 코일의 시뮬레이션 해석결과인 그림 5(b) 결과와 비교하면 0mm와 50mm 지점에서 약 3℃의 더 낮은 온도를 갖는 것을 확인하였다. 그 외의 부분에서는 시뮬레이션과 실험의 오차는 1.3℃미만으로 확인되었다. 그림 9는 유도가열 실험 동안 A, B 코일에 흐르는 전류를 측정한 그래프이다. 전류는 10분 단위로 측정하였으며, 두 코일의 전류가 시간에 따라 유사한 값을 가지는 것을 확인하였다.

가열실험결과 코일과 근접한 거푸집 내부표면 온도는 높으며, 코일과 멀어질수록 온도가 감소하여 거푸집 중심 이후 다시 증가하는 경향을 확인하였다. 거푸집 중심을 기준으로 위쪽에 위치한 코일과 근접한 거푸집 표면의 온도가 아래쪽 코일과 근접한 표면의 온도보다 더 높게 분포되었다.