콘크리트 수화열 측정(온도균열지수, 콘크리트 균열, 세멘트 그라우팅, 현장타설말뚝, 매스콘크리트)

 

콘크리트 수화열 측정

 

2015. 5

영신컨설턴트 (02) 529 8803

 

콘크리트 타설 후 시멘트와 물의 수화열을 실시간으로 계측 관리하여 온도균열 방지와 온도발현이력에 따른 최적의 양생방법을 도출하고 콘크리트의 강도발현 과정 및 재료, 시공, 안전, 품질관리 전 과정에서 정량화된 데이터로 시공방법을 제안할 수 있고 공기 단축과 공사원가를 절감할 수 있다.

 

콘크리트 수화열에 의한 균열

 

콘크리트 내부(고온)와 외부(저온) 온도 차이로 균열발생

 

 

 

수화열 온도상승에 영향을 주는 요소 형상, 시멘트성분 분말도 함량, 골재함량, 굵은 골재의 열팽창, 물시멘트비, 시공기술   내부(interior)와 외부(surface)의 수화열 측정

 

 

 

콘크리트 외부는 저온으로 수축하고 내부는 고온으로 팽창하여 외부에 인장 균열 발생

 

 

 

온도차에 의한 인장력

 

σt = Kr x E x α x ΔT / (1+φ)

 

σt : 인장력 , Kr : 구속계수, E : 탄성계수, α : 온도팽창계수, ΔT: 온도변화, φ : creep 계수

 

 

 

수화열 적용 콘크리트 구조물  - 댐  - 핵발전소  - 큰 기둥  - 두꺼운 교량, 교각, 기초

 

 

콘크리트 내부(core)와 외부(surface) 온도측정 예

 

시멘트 그라우팅 직경과 시멘트 함량에 따른 온도 시간

 

그라우팅 직경에 따른 온도 시간 곡선.

 

시멘트 함량에 따른 온도 시간 곡선

 

 

현장콘크리트 타설말뚝의 수화열과 주변지반의 온도

 

 

매스콘크리트의 온도균열

 

매스콘크리트는 부재의 단면이 커서 시멘트의 수화열로 인해 온도균열이 생길 가능성이 크고 부재의 두께가 80cm 이상이거나 하단이 구속된 경우에는 50cm 이상의 벽체 등에 타설 하는 콘크리트로 온도균열을 제어하는 것이 중요하다. 시멘트 수화열에 의한 매스 콘크리트의 온도 균열 발생 원리는 크게 내부구속과 외부구속으로 구분할 수 있다.

 

 

매스콘크리트 정의와 범위

 

국가기준	정의 및 범위
콘크리트 표준 시방서	매스콘크리트 구조물의 치수는 구조형식, 사용재료, 시공조건에 따라 다르지만 대략 슬라브는 80-100cm이상이고 하단이 구속된 벽체의 경우 두께 50cm 이상
건축공사 표준시방서	구조물의 크기가 100cm 이상인 콘크리트 구조
일본토목학회 콘크리트표준시방서	부재 또는 구조물의 치수가 커서 수화열에 의한 온도상승을 고려해서 시공해야 하는 콘크리트로 대략 슬라브는 80-100cm이상이고 하단이 구속된 벽체는 50cm 이상
일본건축공사 표준시방서	부재의 최소치수가 50cm이상이고 수화열에 의한 내 외의 온도차가 25C온도 이상이 될 것으로 예상되는 콘크리트
ACI 위원회 207 & 301	열의 발생 및 이에 따른 체적변화 때문에 균열대책이 필요한 커다란 크기의 콘크리트로서 최소치수 76cm 이상의 콘크리트

 

 

콘크리트에 포함된 시멘트는 물과 수화반응을 하여 수화열을 발생시킨다.

CaO + H2O → Ca(OH)2 + 수화열(120cal/g)

 

콘크리트의 경화 과정에서 발생하는 콘크리트내부에  수화열은 온도상승과 이에 따른 체적변화를 일으킨다. 이 때 체적변화가 구속될 때 온도응력이 발생한다. 이 온도응력은 내부구속응력 (internal restricted stress) 외부구속응력 (external restricted stress) 으로 나뉘게 된다.

 

내부구속콘크리트 표면에서 수화열이 외부로 방출되고, 콘크리트 내부에서는 수화열이 방출되지 못 하여 온도차이가 난다. 온도 차이는 콘크리트 내/외부의 팽창 정도를 다르게 하여 콘크리트에 온도 균열을 발생시킨다.

 

 

내부구속응력 (internal restricted stress)은 콘크리트 단면 내 온도차에 의해서 발생하며 내부가 팽창하게 되면 표면이 수축하게 되어 균열을 발생된다.

 

 

 

표준적인 온도균열지수(crack index)의 값

 

내부구속이 큰 경우 (연질지반, 기초, 슬래브)

연질 지반위에 타설된 평판구조 등 온도균열지수= 15/ ΔTi

ΔTi : 내부온도 최고일 때 내 외부 온도차(℃)

 

외부구속이 큰 경우 (암반, 벽체)

암반이나 매시브 한 콘크리트 위에 타설된 평판구조 등

온도균열지수= 10/R ΔTo

ΔTo : 부재평균 최고온도와 외기온도와의 균형시의 온도차(℃)

R : 외부구속계수

R 값= 연암 ; 0.5, 이미 경화된 콘크리트 ; 0.6, 중간암 : 0.65, 경암 ;0.8

 

 

 

1) 균열 발생 방지 : 1.5 이상

2) 균열 발생 제한 : 1.2~1.5

3) 유해한 균열 발생 제한 : 0.7 ~ 1.2

 

 

온도균열 방지 대책

 

설계적 측면

온도철근을 설치하여 콘크리트의 인장력을 보강한다.외부구속을 받는 벽체의 균열발생을 방지하기 위해 균열유발 줄눈을 설치한다.매스콘크리트의 타설 구획, 크기, 이음위치 및 형태결정은 온도균열을 고려한다.

 

콘크리트 생산 (재료 및 배합)측면

재료의 선정단계에서 부터 수화열을 줄일 수 있는 대책을 세워야한다.시멘트는 수화열이 적은 중용열 포틀랜드시시멘트, 고로 슬래그 시멘트, 플라이애시 시멘트 등을 사용한다.

 

골재는 굵은 골재의 최대치수를 크게 하거나 잔골재율을 감소시켜 굵은 골재량을 증가 시킨다. 온도팽창이 적은 석회석과 같은 골재를 선장하며 골재를 미리 냉각시키기도 한다. 콘크리트 배합 시 얼음 등을 혼합한 차가운 물을 사용한다.플라이애시, 고로슬래그, 실리카흄등 포졸란계 혼화재를 시멘트 대체제로 사용하여 단위 시멘트량을 줄임으로써 수화열을 감소시킨다.

 

콘트리트 시공측면콘트리트를 한번에 타설하지 않고 적정 크기로 나누어서 타설한다. 이때 이음이 생긴 부위는 구조적으로 취약하므로 사전에 그 위치를 검토한다. 수화열에 의한 온도균열을 방지하기 위해 콘크리트의 표면온도가 천천히 감소하도록 양생방법 및 양생기간을 검토한다. Pipe Cooling실시

 

 

 

 온도센서

 

 

콘크리트 내부(core)와 외부(surface) 온도측정 예