2.2.1. 시멘트

Series 1에서는 S사에서 개발한 고분말도 시멘트를 사용하 였다. 분급기를 사용하여 S사 1종 보통 포틀랜드 시멘트 제품 의 입도를 조정하여 고분말도 결합재를(NT로 표기) 혼합 제 조한 원료를 사용하였다. 사용된 재료의 물리화학적 특성은 Tables 3, 4에 나타내었다. 본 연구의 목표가 극한지역 현지에 서 적용 가능한 거푸집 기술을 추구하기 때문에 Series 2에서 는 몽골 현지 시멘트를 사용하였고 고분말도 결합재를(NT) 10% 치환하여 배합한 콘크리트를 거푸집 실험에 사용하였다.

2.2.2. 발열시트

본 실험에서 제작된 발열시트 모형도는 Fig. 2와 같고 실제 제작된 발열시트는 Fig. 3과 같다. 생석회를 고정시키기 위해 육각 모형의 PVC판 안에 생석회 분말을 충전시켜주었고 앞뒤 로 부직포를 붙여주었다. 생석회 순도나 양에 따라 발열량이 다 르기 때문에 기존연구(^{Choi et al., 2017})를 참고하여 본 실험에 서는 생석회 순도 85%를 사용하였다. 식 (1)과 같이 생석회와 물이 만나 화학적으로 열을 발생시키기는 원리를 이용하였기 때문에 생석회와 콘크리트 수분이 만날 수 있도록 물이 통과 될 수 있는 다공성의 부직포를 붙여주었다. 또한 발열시트의 다공 성 부직포는 투수시트의 역할을 함으로써 저온환경에서 발열 과 동시에 표면 잉여수를 제거해주어 콘크리트가 강도를 발현 하는데 있어서 더 큰 도움을 줄 것으로 사료된다(^{Lee, 2012}).

Fig. 2

Heating sheet

Fig. 3

Manufactured heating sheet

2.2.3. 단열재

Series 1의 실험에서는 10 mm 두께의 아이소핑크, 진공단열 재를 사용하였고 Series 2의 실험에서는 20 mm 두께의 경질우 레탄폼을 사용하였다. 각 단열재의 열전도율, 특성은 Table 5와 같다. 본 실험에서 압출법 단열재인 아이소핑크와 경질우레탄 폼이 일반적인 단열재로서 가장 많이 사용하기 때문에 선택하 였고 진공단열재의 경우 현존하는 단열재 중에 가장 낮은 열전 도율을 갖기 때문에 저온환경에서 매우 유리할 것으로 판단되 어 사용했지만 가격이 매우 비싸다는 단점이 있다.

2.2.4. 거푸집

Series 1실험에서는 5종류의 거푸집을 사용하였는데 Table 6과 같다. 일반적으로 유로폼에 많이 쓰이는 TEGO 합판을 이 용하여 거푸집 모형을 제작해주었다. TEGO 합판은 12 mm, 단열재(아이소핑크, 진공단열재) 10 mm, 발열시트 5 mm의 두께를 가지고 있다. 거푸집 내부 용적은 400×400×100 mm³ 로 모든 실험체가 동일한 용적을 가진다. Series 2에서는 4종류 의 거푸집을 사용하였는데 몽골 외기가 낮을 것으로 판단하여 20 mm 두께의 경질우레탄폼을 사용하였다. 발열시트와 합판 의 경우 앞의 Series 1과 마찬가지로 5 mm, 12 mm 두께를 사용 하였다. 거푸집 내부 용적은 500×500×200 mm³로 제작하였다.

3.1.1. 콘크리트 온도이력

Fig. 4는 -10°C의 정온조건에서의 거푸집별 중심부, 외부 온도이력을 나타낸다. 중심부와 외부면의 온도 차이가 있을 거라 생각했지만 온도이력 측정 결과 매우 근소하였다. TE의 온도이력을 보면 타설 후 5시간 만에 5°C 이하로 내려갔으며 24 시간이 지난 후에는 챔버 양생 온도인 -10°C에 가장 먼저 도달했다. 타설 후 12시간 이전에는 발열시트를 사용한 TE+HS, TE+HS+ISO의 온도가 높은 경향을 보였다. 두 거푸집 모두 최고온도 약 25°C까지 상승하는 모습을 보여주는데 이는 발 열시트 내부의 생석회가 콘크리트 수분과 만나 발열반응을 일으켰기 때문이다. 하지만 발열시트를 사용한 거푸집 중 하 나인 TE+HS의 경우 두 번째로 높은 온도이력을 보이다가 시 간이 지날수록 급속히 하강하여 TE의 온도이력 그래프를 따 라가는 모습을 보였다. 약 12시간 이후에는 TE 온도이력 그래 프와 완전히 겹치게 되는데 발열시트 내부에 있는 모든 생석 회가 반응을 완료하였기 때문에 이와 같은 온도이력의 모습 이 나온 것으로 판단된다. TE+HS+ISO의 경우에는 발열시트 의 발열효과와 단열재에 의한 열 보존이 함께 이루어져 타설 이후부터 약 12시간 이상 가장 높은 온도이력을 보였다. 단열 재에 의한 효과로 5°C에 도달하는 시간이 단열재가 없는 TE+HS와 비교했을 때 약 10시간이나 지연되는 효과가 있었 다. 12시간 이후에는 TE+VA의 온도이력이 가장 높았는데 이 는 진공단열재의 열전도율이 아이소핑크보다 매우 낮기 때문 에 외기의 영향을 덜 받게 되어 콘크리트 내부 수화열을 거푸 집 중에 가장 오래 보존하였기 때문이다. TE+VA는 타설 후 12시간부터 4일까지 가장 높은 온도를 유지하였다. -10°C 도 달 시간은 TE+HS+ISO와 TE+VA가 약 4일로 비슷한 시간대 에 도달하였음을 확인할 수 있었다.

Fig. 4

Series1 temperature history of concrete

전체적으로 종합해보면 발열시트를 사용한 경우 거푸집 내 부에서 콘크리트에 열을 가해주기 때문에 초기 온도이력에서 10°C 이상 상승하는 것을 알 수 있으며, 단열재를 사용했을 경 우 단열재의 열전도율이 낮을수록 초기 콘크리트 수화열이나 발열시트의 발열에 의해 상승한 그래프가 느리게 하강하는 특성을 갖는 것을 확인할 수 있었다.

3.1.2. 콘크리트 압축강도

거푸집별로 탈형 후 코어 채취를 통하여 재령 3일, 7일 압축 강도를 측정하였다. Fig. 5는 각 거푸집별 공시체의 재령일별 압축강도를 나타낸 것이다. 먼저 재령 3일의 압축강도를 보면 TE나 TE+HS의 경우 코어 채취가 불가능하였는데, 코어채취 기 가동 시 콘크리트가 부서지고 Fig. 6에서 보이는 것과 같이 재료분리로 인하여 코어 채취를 통한 압축강도 측정이 불가 능했다. 이는 -10°C의 가혹한 외기 온도로 인하여 콘크리트 수화반응이 정지되어 콘크리트 강도가 제대로 발현되지 못하 였기 때문이라고 판단된다. 재령 3일에서는 TE+VA와 TE+HS+ ISO가 초기 높은 온도이력으로 인해 코어 압축강도가 약 5 MPa로 다른 거푸집에 비해 높은 강도를 보였으며, 이는 표준 시방서 거푸집 해체 가능 강도인 5 MPa에 도달한 것으로 확 인되었다. 단열재를 단독 사용한 TE+ISO의 경우에는 재령 3 일에서 2.8 MPa의 압축강도가 측정되었다. 다음으로 재령 7 일의 압축강도를 보면 TE의 경우 여전히 압축강도 측정이 불 가능했다. 하지만 재령 3일에서 측정이 불가능했던 TE+HS는 재령 7일에서 2.2 MPa의 강도가 발현된 것을 확인할 수 있었 다. 이는 TE+HS가 초기 발열시트의 발열에 의해 콘크리트의 동결 시점이 늦어졌기 때문에 TE에 비하여 어느 정도의 동해 저항성을 가지게 되어 재령 7일에서 소량의 강도가 발현된 것 으로 보인다. 재령 3일에서와 마찬가지로 재령 7일에서도 TE+VA와 TE+HS+ISO의 압축강도가 약 10 MPa로 높게 측 정되었는데, 온도이력 그래프에서 보았듯이 타설 직후부터 높은 온도를 계속적으로 유지하였기 때문이라고 판단된다.

Fig. 5

Core compressive strength

Fig. 6

Core drilling sampling TE and TE+ISO at age 3

3.1.3. 콘크리트 적산온도

온도이력을 이용하여 각 거푸집별 적산온도를 구해보았다. 본 연구에서 적용된 온도와 시간의 함수는 일반적으로 사용 되고 있는 Nurse-Saul(식(2))의 적산온도를 적용하였다.

적산온도의 결과 값은 Table 7과 같다. 일반적으로 동일 배 합, 동일 적산온도의 콘크리트는 비슷한 강도를 갖게 된다. 이 이론을 토대로 발열시트 및 단열재를 사용한 콘크리트의 강 도 발현을 정량적으로 평가하려고 했으나 재령 3일, 재령 7일 에서 TE+HS 와 TE+ISO의 적산온도가 같음에도 불구하고 강 도 측정의 결과는 완전히 달랐음을 확인할 수 있었다. 기존 연 구처럼(^{Oh et al., 1996}) 한 배합에 있어 성숙도 강도 관계는 양 생 조건에 관계없이 항상 일정하게 나타나는 것은 아님을 본 실험을 통하여 알 수 있었다. 본 실험에서는 발열시트 영향 때 문이라고 판단되는데 발열시트 특성상 내부 생석회의 양이 한정되어있어 지속적으로 열을 보존하거나 발열할 수 없기 때문에 적산온도와 강도 관계가 일정하지 않은 것으로 판단 된다.

3.2.1. 콘크리트 온도이력

Fig. 7은 몽골 현지에서 실험하는 모습이다. 몽골 레미콘사 의 실험실 상황이 열악하기 때문에 실험에 필요한 모든 재료 를 국내에서 직접 가져갔으며 코어 채취를 통해 압축강도 측 정을 하려고 했지만 현지 사정상 본 실험에 대한 코어 채취는 불가능하였다.

Fig. 7

Experiment in Mongolia

Fig. 8은 시간에 따른 콘크리트 내부의 온도를 나타낸 그래 프이다. 측정 시기는 10월의 몽골 날씨였으며 총 72시간의 온 도이력을 측정하였다. 먼저 일반 거푸집과 단열 거푸집을 비 교했을 때, 단열재의 효과로 인해 외기온도의 영향을 상대적 으로 덜 받는 것을 확인할 수 있다. 이는 온도이력 그래프 상의 최저온도. 최고온도를 보고 판단할 수 있는데 Fig. 8(a) 그래프 의 24∼48시간 구간을 살펴보면 하루 동안 최고온도 약 25°C, 최저온도 7°C로 약 18°C의 차이를 나타냈지만 경질우레탄폼 을 사용한 거푸집의 경우 Fig. 8(b)에서 최고온도 26°C, 최저 온도 15°C로 약 11°C 차이가 났다. 단열재로 인하여 최고온도 와 최저온도의 차이가 감소한 것으로 판단된다. 또한 Fig. 8(b) 에서 18시간 부근에서 외기의 온도가 낮았음에도 단열재로 인해 거푸집 내부에 있는 콘크리트 열이 적게 빠져나감으로 써 타설 후 24시간 동안 콘크리트 내부 온도가 계속 상승하는 모습을 확인할 수 있다. 발열 거푸집의 온도이력과(Fig. 8(c)) 비교하면 발열시트의 발열효과로 인해 타설 후 초기 온도이 력 그래프에서 Fig. 8(a)에 비하여 약 10°C 정도 높게 나왔다. 하지만 24시간이 지난 후에는 Fig. 8(a)의 온도이력을 따라가 는 모습을 보여주었다. 단열재와 발열시트를 함께 쓴 거푸집 의 온도이력 그래프 Fig. 8(d)의 경우, 48시간 동안 25°C 이상 의 높은 온도이력을 유지하는 모습을 보여주었으며 최고온도 약 38°C 까지 상승하는 모습을 보여주었다. 거푸집 내부의 발 열시트와 콘크리트 수화열에 의한 발열이 단열재에 의해 잘 보존되었기 때문에 다른 거푸집 그래프와 다른 형상을 보여 준 것으로 판단된다.

Fig. 8

Series 2 temperature history of concrete