1. 서    론

최근 시공기간 단축, 현장관리비 절감, 인력확보의 문제 등으로 인해 공장에서 생산되어 현장에서 시공이 진행되는 프리캐스트 콘크리트 기술에 대한 연구 및 시공이 증대되고 있는 실정이다. 따라서 현장에서 요구되는 품질에 대한 프리캐스트 콘크리트 제품의 생산성과 경제성을 높이기 위해서는 증기양생과 같이 콘크리트 양생기간을 단축시키는 것이 가장 중요하며, 최근에는 다양한 촉진양생기술에 대한 기술 개발이 진행되고 있다.^1-3)

이중 마이크로웨이브로 콘크리트에 열을 직접 공급하거나 전열선을 이용하는 기존 방식과 달리, 최근 Koh et al.³⁾은 마이크로웨이브로 발열소재를 자극하고 이를 열원으로 거푸집을 통한 직접적인 열전달을 통해 콘크리트의 양생을 촉진하는 방법을 개발하였다. Koh et al.³⁾에 의해 개발된 방법은 증기양생방법과 동일하게 강재(鋼材)거푸집에 직접적인 열을 공급하는 방법임에도 불구하고, 증기양생 방법과 비교하여 에너지 효율을 개선하였다.

프리스트레스 콘크리트는 프리스트레싱 도입 시기를 결정하기 위하여 초기재령에서 콘크리트 압축강도를 예측하고 평가하는 것이 필요하다. 또한, 수화열에 의한 균열발생을 가능성을 평가할 때 초기재령에서 재령에 따른 콘크리트의 압축강도와 탄성계수의 발현정도를 예측하는 모델이 사용된다^4-6). ACI 209-92에는 1종 및 3종 시멘트를 사용한 콘크리트에 대하여 일반습윤양생과 고온증기양생을 실시하였을 때 재령에 따른 압축강도예측모델이 제시되어 있다.⁴⁾

본 연구에서는 Koh et al.³⁾이 개발한 마이크로웨이브 발열양생 방법을 적용한 부재 규모의 실험체를 제작하고 콘크리트의 압축강도 발현을 평가하였다. 이 방법을 통해 얻어진 압축강도와 재령에 따른 강도발현 양상 등을 국내와 국외(미국) 시방서에서 제시하고 있는 강도발현모델과 비교․분석하였다. 또한 실험을 통해 얻어진 강도 자료를 회귀분석하여 마이크로웨이브 발열양생 콘크리트의 재령에 따른 압축강도발현을 보다 정확하게 예측할 수 있는 계수를 제안하였다.

2. 실    험

2.1 실험개요

본 실험의 대상은 설계기준강도 24MPa의 제1종 보통포틀랜드시멘트를 사용한 콘크리트로 하였다(Table 1 참고). 굵은골재 최대치수는 25mm이며, 압축강도 측정을 위하여 5개의 표준공시체(100×200)를 제작하고, 7일간 수침상태, 이후 시험일인 재령 28일까지 기건상태로 양생한 후 압축강도실험을 수행하였으며, 그 결과는 Table 2와 같다.

Fig. 1은 본 실험을 위해 제작된 강재 거푸집을 나타내고 있다. 강재 거푸집의 내부폭은 300mm, 높이는 400mm이며, 길이는 1,000mm이다. 본 실험체의 두께는 일반적인 철근콘크리트 벽체, 터널의 복공을 시공하는 경우를 감안하여 300mm로 결정하였다. 좌측 표면에는 발열소재와 이를 자극하는 마이크로웨이브 발생장치가 내장되어 있는 마이크로웨이브 발열 시스템(Microwave heating system)과 발열온도를 제어하는 온도 컨트롤러(Thermal controller)가 설치되어 있다. 우측 표면은 일반 강재거푸집면을 보인다. 콘크리트 타설 후 마이크로웨이브 발열 시스템을 작동시키면 좌측거푸집 표면부 온도는 급속히 증가되어 주변 콘크리트의 수화반응이 촉진되는 반면, 우측 표면은 일반 강재거푸집면이기 때문에 수화반응의 촉진 없이 자연적인 수화반응과정을 하게 된다.

본 실험에서는 콘크리트 타설 후 일정기간 양생된 시험체를 대상으로 Fig. 2와 같이 직경 100mm의 코어드릴링을 수행하여 강도측정을 위한 코어를 채취하였다. 이와 같이 획득한 5개의 코어에서 발열시스템이 부착된 표면으로부터 “발열표면 코어(Core from heated surface)”, 반대 표면으로부터 “비발열 표면 코어(Core from unheated surface)”를 분리하였다. 이때 채취된 코어의 길이는 콘크리트의 경화상태에 따라 다르다(Fig. 3 참조). 채취된 코어의 길이는 Table 3에 제시하였다.

총 5회 시험체를 제작하여 0.25, 3, 7, 15, 28일 양생강도를 평가하고자 KS F 2422에서 규정하고 있는 절차에 의하여 압축강도를 측정하였다. Fig. 4는 콘크리트 타설 이후 양생 중인 시험체를 나타낸다. 발열시스템이 설치되어 있는 표면을 제외한 양측면과 일반 강재거푸집표면에는 강재거푸집에 의한 열손실을 최소화하기 위하여 두께 10mm의 단열재(스티로폼)을 시공하였으므로 관통코어의 길이는 Fig. 3에 표시된 바와 같이 290mm이다.

콘크리트 타설 후 최고온도 70°C로 설정된 마이크로웨이브 발열시스템을 가동시키고 0.25일(6시간) 동안 발열양생을 지속하였다. 지속시간과 최고온도를 변수로 다양한 발열이력이 고려될 수 있다. 그러나 공학적인 차원에서 콘크리트 타설 초기에 DEF (Delayed Ettringite Formation)에 의한 문제가 발생하지 않아야 하며, 증기양생보다 공기를 단축하여 실질적인 경제성을 확보할 수 있는 발열이력이 의미가 있다. 본 연구에서는 다양한 발열이력이 강도발현에 미치는 영향에 대한 많은 선행실험연구를 통해 현장에서 실용적으로 적용 가능한 발열이력을 결정하였다.³⁾ 발열이 끝난 후 거푸집을 해체하고 5개의 코어 채취 후 0.25일의 압축강도를 측정하였다. 3일의 경우에는 0.25일 동안 마이크로웨이브 작동 후 나머지 2.5일 동안은 시험체 전체를 양생포로 감싸고 살수하여 일반 습윤 양생한 후 거푸집을 제거하고 코어 채취 후 강도를 측정하였다. 7, 15 및 28일 모두 동일한 절차를 반복하였다.

양생 중 온도분포특성을 분석하기 위하여 콘크리트와 접하는 거푸집 표면(발열․비발열)과 콘크리트 내부중앙에 Fig. 5와 같이 열센서를 설치하였다. 양생기간동안 시험체 각 표면과 중앙부의 온도는 10분 간격으로 측정, 저장하였다.

채취된 코어는 절단 후 압축강도 시험 전에 버니어캘리퍼스로 길이를 0.01mm까지 측정하였다(Fig. 6 참고). 또한 KS F 2405에 규정된 언본드캐퍼를 이용하여 압축강도 시험을 수행하였다(Fig. 7 참고).

2.2 온도변화

거푸집 발열면 “Heated surface”, 콘크리트 시험체 내부 중앙 “Center”, 거푸집 비발열면 “Unheated surface”에서 측정한 각각의 온도의 변화는 Fig. 8과 같다. Fig. 8(a)에서 볼 수 있듯이 타설 직후 6시간까지는 발열시스템을 가동하였기 때문에 비발열부에 비하여 발열부의 온도가 상당히 큰 것을 볼 수 있다. 그러나 이와 같은 발열의 영향은 시스템 작동이 정지된 6시간 이후부터 급격히 감소하여 타설 8시간 이후부터는 Center, Unheated surface의 온도와 유사한 수준을 보였다. 증기양생과 같이 마이크로웨이브 발열 시스템에 의해 열에너지가 공급된 Heated surface에서는 마이크로웨이브 발열 시스템에 의해 제어된 온도(A)와 시멘트 수화에 의한 온도(B)가 합해져서 75°C(A+B) 정도의 높은 열이 발생되어 이 기간 동안에는 시멘트의 수화가 촉진될 것으로 예상할 수 있다. 그러나 수화과정에서 70°C를 초과하는 온도발생은 DEF (Delayed Ettringite Formation)에 의한 성능저하가 발생할 수 있는 우려가 있으므로 바인더 종류에 따라 최고온도 설정에 주의가 필요하다. Fig. 8(b)~(c)에서는 Heated surface의 온도감소가 다른 부위에 비하여 오히려 큰 것을 확인할 수 있는데, 이는 Fig. 4에 표시되어 있는 것처럼 Heated surface에 스티로폼이 시공되어 있지 않아 열전달률이 큰 강재면에 직접 닿아 있기 때문이다. Fig. 8(b)의 온도변화를 보면, 초기타설온도와 후기의 수렴온도가 20°C로 다른 시험체 보다 약 10°C 높은 것을 확인할 수 있다. 3일 양생 시험체의 시험이 진행되는 기간의 외기온도가 다른 시험체의 시험기간의 외기온도에 비하여 약 10°C 높았던 것이 원인이다. 이와 같이 약 10°C의 높은 외기온도는 콘크리트의 양생강도를 증진시키는데 기여하므로 이후의 강도평가와 강도발현 모델의 제안에서 이를 고려할 필요가 있다.

2.3 표준코어강도와 현장 콘크리트강도 보정

본 절에서는 시험체로부터 채취된 다양한 길이의 코어강도를 표준코어강도(Standard core strength, 이하 SCS), 와 현장 콘크리트 강도(In-situ strength, 이하 IS), 로 보정하였다.

코어 길이는 부재의 강도상태에 따라 다르게 채취하였다. 본 논문에서는 Bartlett and MacGregor⁸⁾에 의해 제시된 식 (1)과 같은 코어 보정식에 따라 실측된 다양한 길이의 코어강도를 SCS로 보정하였다.

 (1)

이 식에서 는 코어의 직경에 대한 길이의 비가 2인 SCS(MPa)를 의미하며, , , 는 보정계수로서 길이/직경비, 직경과 철근 포함 여부를 고려하는 계수이다. 본 실험에서는 코어 직경 100mm로 모두 동일하며, 철근이 포함되지 않았기 때문에 와 은 1을 사용하였다. 한편, 는 코어의 함수 상태에 따라 식 (2)와 식 (3)으로 계산토록 하고 있으며, 본 실험에서 코어 채취시 코어링 직후 곧바로 실험을 하였기 때문에 포화상태의 식 (3)을 사용하였다. 또한 식에서 은 채취된 코어의 길이(mm)를, 는 코어의 직경(mm)을 의미하며, 는 실측된 코어의 강도(MPa)를 의미한다.

 for air dried  (2)

 for soaked   (3)

Bartlett and MacGregor⁸⁾은 식 (4)를 이용하여 SCS를 IS로 보정할 수 있다고 제시하였다.

 (4)

상기 식에서 는 IS (MPa)를 의미하며, , 는 각각 코어의 습윤상태와 드릴링에 의한 손상을 고려하는 보정계수이다. 는 코어가 포화상태의 경우 1.09, 건조상태인 경우 0.96을 사용한다. 또한 는 코어비트드릴을 이용할 경우 1.06을 사용한다. 본 연구에서는 는 1.09, 는 1.06을 사용하였다.

채취된 코어의 측정 길이(), 코어 압축강도(), SCS, IS를 Table 3에 정리하였다. 5개 코어의 평균, 표준편차, 변동계수를 분석하였다.

측정된 코어 압축강도의 평균치, 표준편차 및 변동계수를 살펴보면, 전반적으로 변동계수가 10% 이내로 정밀한 실험이 수행되었음을 알 수 있다. 다만 0.25일 Heated surface 코어의 경우에는 변동계수가 20% 정도로, 코어간 강도의 차이가 다소 발생함을 확인할 수 있었다. 이는 국부적으로 초기 수화의 불균일로 인한 것으로 생각되지만, 3일 이후 재령에서는 Heated surface 코어의 변동계수는 Unheated surface와 비교하여 유사하거나 더 낮은 경향을 보이고 있다.

2.4 보정식에 대한 평가

본 절에서는 본 연구에서 사용한 Bartlett and MacGregor⁸⁾의 강도보정식의 적정성을 평가하였다. 2.1절에서 설명한 바와 같이 총 5회 시험체를 타설할 때 직경 100mm의 압축강도 시험용 표준공시체 5개를 제작하여, 습윤 양생하였다. 이 표준공시체의 압축강도를 측정하였으며, 그 결과는 Table 4와 같다. 본 표준공시체의 압축강도 시험결과(Table 4의 Cylinder strength)와 Unheated surface 코어의 IS 결과(Table 3)가 상당히 유사하다면 Bartlett and MacGregor⁸⁾의 강도보정식이 상당한 정확성을 가지고 있다는 판정이 가능하다.

Fig. 9는 표준공시체의 압축강도 시험결과(Cylinder strength)와 Unheated surface 코어의 IS 결과를 비교하고 있다. 그림과 같이 상관관계 분석 결과, 상관계수가 0.97에 달하는 것을 확인할 수 있다. 이와 같은 결과로부터 본 연구의 적정성을 확인할 수 있는데, 이는 본 연구에서 사용한 보정식이 코어 강도로부터 실제 IS를 예측하는데 매우 유용하다는 것을 증명한다.

3. 강도발현 평가

3.1 SCS의 비교

Fig. 10은 상대적인 비교를 위하여 Heated surface와 Unheated surface 코어의 SCS를 비교하였다. 이때 0.25일 Unheated surface의 콘크리트는 강도발현이 전혀 되지 않아 코어채취가 불가능하였다. 반면, 0.25일 Heated surface SCS 평균치는 이미 10MPa에 달하는 것을 확인할 수 있다. 7일 코어까지의 결과는 Heated surface 코어의 강도가 큰 반면, 15일과 28일의 압축강도는 오히려 Unheated surface에서 채취한 코어의 강도가 더 크게 나타나는 크로스오버(Cross-over)^9-10) 효과가 나타난 것을 확인할 수 있다. 이와 같은 결과로부터 발열거푸집을 적절하게 활용한다면 초기에는 다소의 강도 변동성과 장기강도의 저하가 발생하지만 콘크리트 타설 후 극초기에 해당하는 6시간 이내에 상당한 강도가 발현되기 때문에 다양한 강도의 콘크리트에 적용할 때 거푸집의 재사용 주기 단축, 프리스트레싱 도입시기 단축 등의 효과를 기대할 수 있다.

3.2 재령에 따른 압축강도발현 모델 고찰

재령에 따른 콘크리트 압축강도 발현모델은 매스콘크리트에서 수화열에 의한 영향을 분석할 때, PSC 부재의 프리스레싱 도입시기를 결정할 때 주로 사용된다. 국내 콘크리트표준시방서⁵⁾에서는 재령에 따른 압축강도 모델(이하 KCI 모델이라 함)을 식 (5)와 같이 제시하고 있다.

 (5)

여기서, 는 재령 일의 콘크리트 압축강도(MPa)를, 는 재령 28일 설계기준압축강도(MPa)를, 는 시멘트의 종류에 따라 다르며, Table 5와 같다. 는 재령(일)이다. 본 강도발현 모델 식은 분수함수로서, 보통시멘트 일 때 보다 조강시멘트를 사용할 때, 값은 작고, 값은 큰 것을 알 수 있다. 한편, 는 91일 강도 보정계수로서, 보통시멘트 일 때 보다 조강시멘트를 사용할 때 감소한다.

KCI 강도발현모델에서 제 1종 보통포틀랜드 시멘트에 해당하는 계수 , , , 를 적용하여 재령에 따른 압축강도를 계산하고 이를 IS와 비교하였다(Fig. 11 참고).

한편, ACI 209R-92에서는 KCI와 달리 시멘트의 종류 뿐 아니라 양생방법에 따라 강도를 예측할 수 있는 모델을 제시하고 있다. 모델식은 식 (6)과 같이 KCI 모델과 유사한 형태를 갖는다.

 (6)

여기서, 는 재령(일)이며, , 는 시멘트 종류와 양생방법에 따른 계수로서, Table 6과 같이 적용한다. 또한 은 28일 강도를 의미한다.

ACI 209R-92 강도발현모델에서 1종 보통포틀랜드시멘트와 증기양생(Steam cured)에 해당하는 계수 , , 27.05MPa (Table 2 참고)를 적용하여 재령에 따른 압축강도를 계산하고 이를 IS와 비교하였다(Fig. 11 참고).

Unheated surface 강도의 ACI 209R-92모델과의 상관계수는 0.92, KCI 모델과의 상관계수는 다소 작은 0.82로 나타났다. 발열부의 경우 각각 0.68과 0.58로 상당한 차이가 있음을 알 수 있다. 주목할 만한 결과는 ACI 209R-92 모델이 KCI 모델 보다는 유사한 결과를 나타내며, 발열부 강도의 경우에는 어떠한 모델도 유사하게 강도를 예측할 수 없다는 것을 확인할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 양생방법을 고려할 수 있는 ACI 209R-92 모델에서 계수의 범위를 실험결과를 토대로 수정 제안함으로서, 마이크로웨이브 발열거푸집으로 양생된 콘크리트에 적합한 강도발현모델을 제안하고자 한다.

4. ACI 209R 강도발현 모델 계수 범위

Table 7은 실험으로부터 획득한 Heated surface IS 최소치와 최대치를 회귀 분석하여 획득한 계수 의 상한치와 하한치를 나타내고 있다. 물론 이 계수는 보통포틀랜드 시멘트와 마이크로웨이브 발열거푸집으로 촉진양생된 콘크리트에 사용할 수 있는 계수 값이다. 회귀분석에서 3일 양생된 코어의 강도가 10°C 높은 외기온도로 인하여 다른 강도에 비하여 높게 측정되었음을 감안하여 상한치가 실험결과에 근사하도록 하였으며, 하한치의 경우는 측정치에 비하여 작게 예측할 수 있도록 보수적으로 제안하였다.

Table 6에 제시된 계수들과 비교해보면, 값 하한치는 1.5로, 조강시멘트, 습윤양생에 해당하는 2.3 보다 작고. 보통시멘트, 증기양생에 해당하는 1.0 보다 크다. 값 상한치는 보통시멘트에 증기 양생일 때의 계수 값과 같다. 한편 값은 조강시멘트, 증기양생에 해당하는 계수 값과 같다. 이와 같은 결과는 1종 보통포틀랜드시멘트를 사용하였지만 마이크로웨이브 발열거푸집을 사용하게 되면 조강시멘트와 증기양생을 적용한 경우에 준한 조기강도발현을 기대할 수 있다는 것을 의미한다.

Fig. 12는 Table 7에 제시된 계수들을 적용했을 때, 상한 및 하한의 강도발현곡선을 나타내고 있다. 극초기에 해당하는 6시간 양생코어의 강도를 제외하면, 대부분의 IS가 제안된 계수를 사용한 곡선의 범위 내에 있음을 확인할 수 있다.

5. 결    론

본 연구에서는 최근에 개발된 마이크로웨이브를 적용한 발열촉진양생기술을 적용한 콘크리트의 재령에 따른 강도발현특성을 예측하기 위하여 실험적 연구를 수행하였다. 실험 결과를 토대로 ACI 209R-92에서 제시하고 있는 재령에 따른 강도발현 모델식에서 시멘트 종류와 양생방법에 따라 결정되는 계수를 마이크로웨이브 발열거푸집을 이용한 양생방법에 적합하도록 회귀분석을 통하여 상한과 하한치를 제시하였다. 제시된 계수와 모델식은 강도 24MPa의 1종 보통포틀랜드시멘트 사용 콘크리트에 마이크로웨이브 발열거푸집을 적용하여 양생할 때 강도발현을 예측하고 평가하는데 유용하게 사용될 수 있을 것으로 판단된다. 하지만, 코어의 수가 매우 제한적이어서 실제적인 사용을 위해서는 향후 보다 많은 실험데이터와 실측데이터를 통한 검증과 보완이 수반되어야 할 것으로 판단된다.