한중콘크리트

콘크리트 표준시방서에서는 하루 평균기온이 4℃ 이하가 예상되는 조건에 타설하는 콘크리트를 한중콘크리트로 분류하고 특별히 다루도록 규정하고 있습니다. 우리나라에서 일평균 기온이  4℃ 이하가 되면 최저기온이 대부분 -2.0～1.5℃ 정도가 됩니다. 콘크리트의 일반적인 동결온도는 -2.0～-0.5℃이기 때문에 이 기간에 콘크리트를 타설하면 수화반응이 지연되고 콘크리트가 동결할 우려가 있기 때문에 초기동해의 피해를 포함하여 피해를 최소화하도록 노력해야 합니다.
 
콘크리트 표준시방서에서는 초기 동해(Early frost damage)를 응결 및 경화의 초기에 받는 콘크리트의 동해라고 규정하고 있습니다.

출처 : https://concrete-mc.jp/wp-content/uploads/2018/06/cmc06081.jpg

콘크리트에서 응결과 경화는 구분해서 사용합니다. 응결(Set)은 시멘트에 물을 가하여 반죽 혼합하고 나서 일정한 시간이 지난 다음 수화 작용으로 인하여 유동성과 점성을 잃고 굳어지는 현상을 말합니다. 경화(Hardening)는 시멘트가 응결한 다음, 시간의 경과에 따라서 경도와 강도가 증진되는 현상을 말합니다. 즉 시멘트와 물을 섞으면 수화반응이 일어나면서 응결하고, 응결이 끝난 다음 경화한다고 이해하는 것입니다. 이 응결시간은 비카트 시험으로 측정합니다.

■ 시멘트/콘크리트 관련 표준 용어 모음
■ 시멘트의 응결 시간 - 비카트

초기동해는 콘크리트를 부어넣은 후부터 경화 초기 단계 사이에 동결되거나 동결융해가 반복되면서 나타나는 피해라고 할 수 있습니다. 
그런데 이것을 응결이 시작되기 전과 후로 나누어 생각해보면 피해정도가 달라질 수 있습니다. 아직 응결이 시작되기 전에는 수화반응이 일어나지 않았기 때문에 나중에 온도가 올라가면 수화반응을 하게 될테니 물이 얼어서 팽창된 부분을 다시 잘 다져주면 강도나 내구성을 회복할 수도 있습니다. 그러나 현실적으로 이미 타설해서 얼어버린 콘크리트 부재를 다시 다져주는 것은 매우 어렵기 때문에 강도저하 등 손상이 크게 나타날 수 밖에 없습니다. 

응결이 시작된 후에 동결되는 경우도 심각한 피해를 유발할 수 있습니다. 콘크리트 안에 포함된 자유수가 동결되면 부피가 팽창하게 되고, 이 팽창압력으로 조직이 이완되거나 파괴되기 때문에 콘크리트의 강도가 감소하고 내구성과 수밀성이 약해질 수 밖에 없습니다. 

그 외에도 기온이 5℃ 정도로 낮은 상태일 경우에는 콘크리트가 동결하지는 않지만 수화반응이 늦어지기 때문에 응결과 경화되는 과정이 지연될 수 밖에 없습니다. 따라서 강도발현이 늦어질 수 밖에 없기 때문에 거푸집 해체시기가 늦어질 수 밖에 없고, 하중을 받는 경우에는 구조물에 균열이나 잔류변형 등이 생길 수 밖에 없기 때문에 주의해야 합니다.

한중콘크리트와 같이 특수한 상황에 대처하기 위해서는 재료적으로 대응하는 방법과 타설방법 등 시공방법으로 대응하는 방법으로 나누어볼 수 있습니다.
 

한중콘크리트에 대한 대응 방법 - 재료

한중콘크리트는 포틀랜드 시멘트를 사용하는 것을 표준으로 합니다. 
한중콘크리트는 초기동해에 대한 피해가 적은 재료를 사용하는 것이 바람직하고 수화열이 낮은 시멘트를 사용할 경우에는 보완양생을 충분히 해야 합니다. 강도발현이 늦게 나타나는 고로슬래브나 플라이애시 같은 재료를 사용하는 것을 바람직하게 않습니다. 포틀랜드시멘트를 사용하면 저온 양생을 하였을 때 초기재령에 대한 강도 발현에 대한 지연 정도가 적기 때문에 포틀랜드 시멘트를 표준으로 하고 있습니다.

골재가 동결되어 있거나 골재에 빙설이 혼입되어 있는 경우 사용하지 않도록 규정하고 있습니다. 따라서 시트 등으로 덮어서 저장해야 하는데요. 콘크리트의 온도를 높이기 위해 재료를 가열해서 사용할 수 있습니다.

이 때 물 또는 골재를 가열해서 사용해야 하며, 시멘트는 어떤 경우에도 가열해서는 안 된다고 규정하고 있습니다. 사실 시멘트를 가열하는 것도 쉽지 않지만 온도가 높은 시멘트에 물을 섞으면 콘크리트가 급결하면서 콘크리트에 나쁜 영향을 미칠 수 있기 때문입니다.

재료를 가열하는 입장에서는 물이 열용량이 크고 가열하기 쉽기 때문에 물을 가열해서 온수를 사용하는 것이 유리한데요. 시멘트와 혼합했을 때 급결하지 않는 온도를 유지해야 합니다.
골재의 경우는 65℃ 이상으로 가열하면 시멘트가 급결할 우려가 있기 때문에 일반적으로 물과 골재를 혼합한 혼합물의 온도를 40℃ 이하로 할 것을 권장하고 있습니다.

그 외에 한중콘크리트는 공기연행제나 공기연형 감수제, 고성능 공기연행 감수제 등 공기연행 콘크리트를 사용하는 것을 원칙으로 합니다. 공기연행제(AE제)를 개발한 목적이 동결융해에 대한 저항성을 높이기 위한 것이기도 하거니와, AE제를 첨가해서 미세한 기포를 발생시켜면 단위수량을 줄일 수 있어서 물이 동결하면서 발생하는 위험성을 줄일 수 있습니다.
 
■ 콘크리트의 혼화제(Chemical admixture) - AE제(공기연행제)

한중콘크리트에 대한 대응 방법 - 배합

한중콘크리트를 배합할 때 물-결합재비는 60% 이하가 되도록 규정하고 있습니다. 
 
■ 한중콘크리트와 적산온도
 

한중콘크리트에 대한 대응 방법 - 타설

타설할 때의 콘크리트 온도는 구조물의 단면치수, 기상조건 등을 고려해서 (5∼20)℃ 범위에서 타설하도록 규정하고 있습니다. 특히 기상조건이 가혹한 경우나 부재 두께가 얇을 경우에는 콘크리트의 최저온도를 10℃ 정도로 확보하도록 규정하고 있습니다.

동결된 지반 위에 콘크리트를 타설하면 온도가 급격하게 떨어지는 문제가 있고, 나중에 동결한 지반이 녹았을 때 콘크리트가 침하될 수 있기 때문에 지반이 동결되어 있을 경우에는 적당한 방법으로 녹인 후 콘크리트를 타설해야 합니다. 
타설이 끝난 콘크리트는 양생을 시작할 때까지 콘크리트 표면의 온도가 급랭할 수 있기 때문에, 타설 즉시 시트나 기타 적당한 재료로 표면을 덮고, 특히 바람을 막아야 합니다.

한중콘크리트에 대한 대응 방법 - 양생

초기 양생은 피복양생, 단열보온양생, 가열보온양생으로 구분할 수 있습니다.
피복양생(Surface-covered curing)은 시트 등을 이용하여 콘크리트의 표면 온도가 저하되지 않도록 하는 간단한 양생입니다. 단열보온양생(Insulatiing curing)은 단열성이 높은 재료로 콘크리트 주위를 감싸 시멘트 수화열을 이용하여 소정강도가 얻어질 때까지 보온하는 것이며, 가열보온양생(Heat curing)은 기온이 낮거나 또는 단면이 얇아 보온만으로는 동결온도 이상의 온도를 유지할 수 없을 때 가열하는 방식으로 온도를 유지하는 것입니다. 

 

 

 

초기양생 기간 동안 비교적 최저기온이 높은 경우에는(일반적으로 -3℃보다 높은 경우) 시트 등의 간단한 피복양생(Surface-covered curing)만을 실시하고, 초기양생 기간의 기온이 평균적인 기온보다 낮게 계속되는 경우에는 단열보온양생 및 가열보온양생을 계획하게 됩니다.
 
한중콘크리트는 다음 표 3.4-1의 소요 압축강도가 얻어질 때까지 콘크리트의 온도를 5℃ 이상으로 유지하도록 규정하고 있습니다. 또한 소요 압축강도에 도달한 후 2일간은 구조물의 어느 부분이라도 0℃ 이상이 되도록 유지하여야 합니다.
 
표 3.4-1 한중콘크리트의 양생 종료 때의 소요 압축강도의 표준(MPa)

구조물의 노출  /   단면	얇음	보통	두꺼움
(1) 계속해서 또는 자주 물로 포화되는 부분	15	12	10
(2) 보통의 노출상태에 있고 (1)에 속하지 않는 부분	5	5	5

 
일반적으로 2.9MPa이 초기동해를 받지 않는 한계강도로 알려져 있습니다. 여기에 안전율을 고려하여 압축강도가 4MPa 이상이 되면 여러 번 동결되더라도 동해를 받는 경우가 비교적 적다고 합니다. 따라서 콘크리트 표준시방서에서는 안전율을 더 고려해서 5MPa를 한계로 설정한 것입니다. 그러나 물에 젖어 있는 콘크리트가 심한 기상작용을 받는 경우에는 더 큰 강도가 얻어질 때까지 양생을 계속하도록 규정하고 있습니다.
 
표 3.4-1에서 정한 소요의 압축강도를 표준을 달성하기 위해 양생 일수를 정할 필요가 있는데요, 콘크리트 표준시방서에서는 시멘트의 종류, 배합, 양생 온도 등에 따라 달라지기 때문에 시험을 해서 정하도록 규정하고 있습니다. 다만 5℃나 10℃에서 양생할 경우 대체적인 표준을 정해서 다음 표과 같이 제시하고 있습니다.
 
표 3.4-2 소요의 압축강도를 얻는 양생일수의 표준(보통의 단면)

구조물의 노출상태 / 시멘트의 종류		보통 포틀랜드 시멘트	조강 포틀랜드 시멘트 + 촉진제	혼합 시멘트 B종
(1) 계속해서 또는 자주 물로 포화되는 부분	5℃	9일	5일	12일
	10℃	7일	4일	9일
(2) 보통의 노출상태에 있고 (1)에 속하지 않는 부분	5℃	4일	3일	5일
	10℃	3일	2일	4일

 
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