3.2.1. 목업시험 콘크리트 온도관리 결과

콘크리트의 수화열 및 외부 양생온도가 라이닝 콘크리트 에 미치는 영향을 분석하기 위하여 라이닝 콘크리트의 시공 과정과 동일한 조건인 터널 내부에서 시험을 실시하였다. 목 업시험체 구조물의 제작과 양생과정에서 온도이력과 초기재 령 강도발현율에 대한 함수관계를 구명하고자 하였으며, 이 를 위하여 목업시험체와 원주형공시체를 제작하여 동일한 양생조건을 적용하였다.

이때, 표준양생은 몰드제작 후 20±3℃의 수중양생온도조 건이며 온도제어양생은 몰드제작 후 28±2℃의 히팅양생온 도조건을 실시한 후 2차양생도 터널내에서 하였다.

목업시험체의 거푸집 재료는 라이닝 폼과 동일한 두께 (t=8mm) 의 철재로 제작하였으며, 크기는 (w)1.2m × (h)1.2m × (t)0.4m 이고, 강도측정용 원주형공시체는 (∅)10cm × (h)20cm이었 다. 실험은 시험체 양생과정에서의 재령별 압축강도시험과 초음파속도측정을 실시하였으며 상호 비교하여 품질성능을 확인 하였다.

히팅용 열풍기를 사용하여 온도제어효과를 미리 파악한 후 최적의 양생온도 범위를 수립하고자 하였으며, 콘크리트 내부에는 다음 Fig. 3과 같이 철재표면 및 중앙심부, 단열표 면으로 나누어 표면으로부터 5cm되는 지점과 콘크리트 중심 부에 온도측정센서를 매입하였다. 실시간으로 콘크리트 내부 와 표면에 영향을 주는 히팅양생온도와 수화열 발생과정을 측정하여 단면 내 각 부분에서 발생되는 온도이력과 온도분 포를 분석하고, 이를 이용하여 최적의 온도제어양생방법 및 적용시기를 정하고자 하였다. 다음 Table 2와 Photo 3은 목 업시험에서의 주요과정을 나타낸 것이다.

Fig. 3.

Embeded thermocouple into mock-up concrete

Photo 3.

Production of mock-up concrete and testing

다음 Fig. 4와 Table 3은 목업시험과정에서의 온도발현이력 을 나타낸 것이다. 1종 시멘트인 보통포틀랜드 시멘트 (OPC) 를 100% 사용한 배합에 대한 히팅양생조건 (28±2℃)을 적 용한 결과, 양생온도와 수화열의 영향으로 콘크리트의 최고 내부온도가 최대 45.1℃ (재령16.5hr), 철재 거푸집면 최고 표면온도가 40.8℃ (재령13.0hr)로 측정 되었다. Photo 4

Fig. 4.

Histories of curing temperature for mock-up concrete

Photo 4.

Concrete testing of cylinder specimen by age

OPC (90%)와 FA (10%)를 사용한 배합에 대한 히팅양생 조건 (28±2℃)을 적용한 결과, 양생온도와 수화열의 영향으 로 콘크리트의 최고 내부온도가 최대 38.8℃ (재령19.0hr), 철재 거푸집면 최고 표면온도가 34.0℃ (재령13.2hr)로 측정 되었다.

3.2.2. 시험체의 압축강도와 초음파속도 측정 결과

목업시험체와 원주형공시체를 제작한 후에 재령별로, 양생 조건별로 비파괴시험과 파괴시험을 실시하였다. 비파괴 시험 법으로는 초음파속도 측정기를 이용하여 공시체의 속도계수 를 측정하는 것으로서, 콘크리트의 건전도와 내부 경화정도 를 예측할 수 있게 된다. 일반적으로 표준양생 된 콘크리트 (24MPa)의 재령 28일 초음파속도 측정값은 4.2~4.3mm/μs 로 알려져 있다 (^{Jang, 2011}).

시험 순서는 양생방법에 따른 재령별 초음파속도 측정을 마치고 나서 파괴시험기인 압축강도기를 이용하여 파괴시 강도를 측정하였다.

시험은 재령 2시간이 경과한 후부터 시작하여 4, 6, 8, 12, 14, 16, 20, 24, 48, 72, 168, 672hr까지 실시하는 것을 기준 으로 정하였으며, 히팅양생과 표준양생과정에서의 각각의 배 합에 대하여 시험을 하였다.

재령 2시간이 경과되었을 때, 각각의 원주형공시체에서 몰 드를 제거한 결과, 히팅양생 공시체의 경우 OPC 배합에서는 3mm의 침하가 발생하였으나 성형성은 우수하였다. 그러나 OPC+FA 배합에서는 7mm의 침하가 발생되어 성형성이 불 량하였다. 표준양생조건의 공시체도 각각 5mm와 15mm의 침하량을 나타내었으며 플라이애시가 혼입된 콘크리트의 성 형성이 OPC 보다 경화가 지연되는 것을 확인할 수 있었다.

재령 4시간이 지난 후에는, 히팅양생 공시체의 경우 OPC 배합과 OPC+FA 배합 모두 침하가 발생되지 않았으나 성형 성은 OPC가 더 우수하였다. 그러나 OPC+FA배합은 표면이 액상화 상태로 연약하나 성형성은 있는 것으로 나타났다. 표 준양생조건의 공시체도 히팅양생 조건의 공시체와 동일하게 나타났는데, 배합에 사용된 플라이애시는 분말도가 크고 볼 베어링 효과에 의한 재료성질과 강도발현 지연성이 있어 초 기재령에서 조기강도를 요구하는 경우 외부에서 열원을 공 급하여 강도를 촉진시키는 방법을 적용해야 되는 것으로 나 타났다.

초기재령 콘크리트가 증기 또는 히팅 등의 추가적인 열원 공급으로 인하여 조기강도를 확보하기 위해서는 초기 성형 성을 먼저 지녀야 하는 것으로 나타났다 (^{Kim and Kim, 2010}). 콘크리트에는 수화반응에 필요한 양의 물 이외에 작업성, 유 동성 등에 필요한 물의 양이 더 들어가게 되는데, 이때 물의 양이 너무 많게 되면 콘크리트 내부의 물 또는 공극이 주변 의 콘크리트 보다 먼저 팽창하여 팽창압을 만들게 되고, 이 로 인하여 콘크리트 내부에는 미세한 균열을 발생할 수가 있 어 결국은 압축강도가 낮아지게 되는 원인이 되기도 하는 것 으로 나타났다 (^{Kim and Kim, 2010}). 따라서 콘크리트의 조 기강도 발현에는 컨시스턴시가 큰 영향을 미치게 되는 것으 로 분석이 되었으며, 이때 적용한 슬럼프는 170mm가 최적 인 것으로 실험결과로 알 수가 있었다.

다음 Table 4와 Fig. 5는 목업시험 과정에서의 압축강도를 나타낸 것이다. 시험결과, 히팅양생조건 (28±2℃)에서 재령 12hr에 각각 6.06MPa와 6.19MPa로 측정되었다. 이때 표준 양생조건 (20±3℃)에서는 각각 1.87MPa, 1.11MPa로 나타 나 히팅양생방법을 이용하여 28±2℃의 온도를 12hr 이상 유 지하게 되면 두 배합 모두 초기재령 콘크리트 압축강도가 크 게 향상되므로 터널 라이닝 콘크리트시공에 적용할 양생온 도 범위를 정할 수가 있었다.

Fig. 5.

Comparison of compressive strength

또한, 콘크리트 타설온도가 23℃ 이상이 되는 경우에는 히 팅양생방법을 실험에 의하여 변경할 수 있으며, 20~23℃ 인 경우에는 콘크리트 타설 마무리 후 약 4시간 정도 히팅양생 을 하더라도 콘크리트 표면부의 수화반응을 원활하게 하는 것으로 나타났다. 즉, 콘크리트 타설온도는 초기재령 콘크리 트 강도발현을 위한 수화반응에 미치는 영향이 크게 작용한 다는 것을 나타내고 있는 것이다.

다음 Fig. 6은 목업시험 과정에서의 재령별 초음파속도측 정 값을 나타낸 것이다. 초기재령에서의 초음파속도 측정에 서도 압축강도와 동일하게 히팅양생온도 조건의 공시체가 높은 값을 갖는 것으로 나타나 압축강도 결과와 일치하는 것 을 알 수 있다.

Fig. 6.

Comparison of ultrasonic pulse velocity

3.3.1. 라이닝 콘크리트의 양생방법

라이닝 콘크리트 타설 후 일정한 시간이 경과하면 시멘트 와 물의 수화반응으로 인하여 콘크리트 내부에 수화열이 발 생하게 된다. 이때 라이닝 콘크리트에서는 내부에 발생되는 온도와 표면에 발생되는 온도차로 인하여 응력의 변화가 발 생하게 되어 온도균열이 발생할 수 있는 가능성이 커지는 단 계에 이르게 된다 (^{Ministry of Land, 2009}).

연구에 의하면, 온도차 (∆t)가 20℃ 이내로 관리가 된다면 균열발생 가능성이 작아지게 되므로 (^{A. M. Neville, 1996}), 내부온도의 변화에 따라서 표면온도의 저감을 방지할 수 있 는 최적의 양생방법을 선정하는 것이 유리하다.

또한 일교차가 심한 계절과 한중의 경우 대기온도가 콘크 리트의 표면에 미치는 영향이 더욱 크게 되고, 내부와 표면 의 온도차가 더 커지는 것을 알 수가 있다. 따라서 이러한 계절의 콘크리트는 양생방법의 선정과 적용시기의 결정이 매우 중요한 것으로 대두되고 있다. 그러나 본 시험에서는 이미 목업시험을 통하여 구한 온도관리 데이터베이스와 결 과를 가지고 최적의 양생방법 선정과 적용시기를 정할 수가 있었으므로 온도관리에 대한 효과를 증대시킬 수가 있을 것 으로 나타났다.

3.3.2. 수화열 및 양생온도 계측기간과 측정 결과

라이닝 콘크리트 구조물은 1회 타설량이 약 150m³이며, 시간당 평균 약 30m³의 콘크리트가 타설되었다. 두께 (t)가 40cm인 구체를 하단벽체 부터 연속 층 타설 하였으며, 아치 부 최종 마무리 까지는 약 5시간이 소요되었다.

라이닝 콘크리트 구조물에 대한 수화열 계측 기간은, 일 평균온도 및 일교차가 콘크리트에 미치는 영향, 일교차가 콘 크리트 타설온도 및 양생온도에 미치는 영향, 콘크리트 수화 열 및 내부⋅표면온도 분포도, 응력의 변화에 주는 영향을 고려하여야 하며 일반적으로 콘크리트의 온도가 대기온도까 지 다다를 때까지로 정의하여야 한다. 또한, 최근에는 우리 나라의 기후가 이상 고온화 현상을 나타내고 있어 현장에서 시공되는 콘크리트의 신뢰도를 얻기 위해서는 계절별로 측 정된 데이터를 비교⋅분석한 후 최적의 콘크리트 온도관리 계획을 수립해야 하는 것으로 판단되었다.

라이닝 콘크리트의 타설이 종료 된 후 마무리 작업이 끝나 면 시트를 이용하여 거푸집을 감싸고 나서 열풍기로 온도제 어양생인 히팅양생을 실시하였다. 또한, 시간이 경과함에 따 라 발생되는 라이닝 콘크리트 자체의 수화열을 대기 중으로 발산하는 것을 막아 표면과 내부와의 온도차를 줄일 수 있었 다. 따라서 히팅양생으로 콘크리트 표면의 조기강도를 높일 수 있었으며, 거푸집 제거 후에 2차양생을 실시하여 표면건 조수축균열의 발생을 제어 할 수 있었다. 히팅양생의 주요내 용은 Table 6과 같다.

Table 6.

Heated curing (Cured by heating machine)

Start time	After finishing of concrete placement, until the age of 14hr
Purpose	Smooth the hydration of concrete at an early age. Prevent the phenomenon of reducing the surface temperature of the concrete. Reduce the temperature difference between the surface (∆t) with the interior of the concrete. Reduce the occurrence of temperature cracking.
Used Equipment	Heaters and hot air circulation device
Construction method	After covered with sheet on the concrete structure, uniformly heating in the inside of the covered structure.

Table 7과 Fig. 8은 라이닝 콘크리트 타설 후의 단면별 온 도이력을 나타낸 것이다. 그래프에서 보듯이 수화열의 발생 과정은 S형상 함수곡선 형태로서 유도기, 가속기, 감속기를 잘 나타내고 있다. 오전에 타설된 콘크리트의 온도는 16~18℃ 범위에 있었으며, 콘크리트 타설시 터널내부의 온도분포 범 위는 10±1℃이었다.

Fig. 8.

Temperature histories of testing construction lining concrete

라이닝 콘크리트 타설 후 거푸집 표면은 터널내의 대기온 도 영향으로 인하여 온도가 저하하게 되므로, 곧바로 시트 등을 이용하여 라이닝 거푸집 전체를 덮어서 차가운 온도의 유입을 막았다. 온도 모니터링 결과, 콘크리트 타설 종료 후 에 곧바로 히팅양생을 하게 되면 거푸집면과 콘크리트 내부 의 수화반응이 활발해지면서 온도가 서서히 상승하는 것으 로 나타났다.

14시간동안의 열풍기 히팅양생을 시행한 결과, 시트내의 온도와 터널 내부온도와의 차이는 15~20℃로서, 양생온도 상승효과가 크게 있는 것으로 나타났다. 콘크리트 온도는 천 단부의 중앙심부에서 가장 높은 온도발현이력을 가졌으며, 하단부는 시트를 제거하기 전까지는 상승현상을 보이다가 시트를 제거하자마자 급격하게 저하되었다. 이때 어깨부 라 이닝을 감싸고 있던 하단부의 온도도 저하되는 것으로 확인 되어 콘크리트 표면부의 양생온도 조절은 양생방법 및 양생 조건에 따라 좌우되는 것으로 구명되었다. 한편, 천단부의 콘크리트는 수화반응이 활발하였으며, 내부에서 발생된 수화 열은 철재거푸집을 통해 외부로 발산이 되더라도 거푸집을 제거하기 전 까지 우수한 보온양생형태가 지속되는 것으로 확인이 되었다.

보통 포틀랜드 시멘트 (OPC) 90%와 플라이애쉬 (FA) 10% 를 혼입한 배합조건에 히팅양생온도 28±2℃를 적용한 결과, 양생온도와 자체 수화열의 영향으로 콘크리트 내부 최고온 도가 A-span에서는 최대 44.0℃ (재령 32.5hr), 거푸집면 콘 크리트 표면최고온도는 39.9℃ (재령 27.7hr)로 측정 되었으 며, B-span에서는 최대 45.0℃ (재령 30.3hr), 거푸집면 콘크 리트 표면 최고온도는 43.3℃ (재령 29.6hr)로 측정 되었다.

한편, A-span의 거푸집은 재령 48hr이 지난 후에 제거하였 으며, B-span의 거푸집은 재령 18hr 후에 제거하였다.

3.3.3. 라이닝 콘크리트의 압축강도 측정 결과

라이닝 콘크리트 부재를 제작한 후에 목업시험과 동일한 재령별로, 양생조건별로 원주형공시체에 대한 초음파속도측 정시험과 압축강도시험을 실시하였다.

재령 2시간이 경과되었을 때, 각각의 공시체 몰드를 제거한 결 과, 히팅양생 공시체 중 A-span용에서는 3mm의 침하가 발생하 였으나 성형성은 우수하였다. 또한 B-span용에서도 성형성이 양 호하였다. 재령 4시간이 경과되었을 때 히팅양생 공시체는 성형 성이 우수하였으나 터널양생조건의 공시체는 이때까지도 액상화 상태를 유지하고 성형성이 일부 불량한 상태로 되어있었다.

재령별 시험결과, 히팅양생조건 (28±2℃)에서는 콘크리트 타설 후 재령 14hr 후에 각각 5.02MPa와 4.95MPa의 압축 강도가 발현되었다. 이때 터널양생조건 (10±1℃)에서는 각 각 1.04MPa, 1.22MPa로 나타나 온도제어양생인 히팅양생방 법을 이용하여 초기재령에서 28±2℃의 양생온도를 유지하 게 되면 두 번의 시험결과에서 나타나듯이 콘크리트 압축강 도가 크게 향상되는 것으로 나타났다. 다음 Table 8, 그래프 Fig. 9와 Fig. 10은 A-span과 B-span의 시험시공 과정에서 의 재령별 시험결과를 나타낸 것이다.

Fig. 9.

Comparison of compressive strength

Fig. 10.

Comparison of ultrasonic pulse velocity

한편, 초음파속도측정에서도 초기재령에서의 압축강도와 동일하게 히팅양생온도 조건의 공시체가 높은 값을 갖는 것 으로 나타나 압축강도시험 결과와 일치하는 것을 알 수 있다.