한중콘크리트의 시공기술2

寒中콘크리트 施工(Ⅱ)

Ⅴ. 保溫養生

4. 단열보온양생

(1) 콘크리트표면을 단열재 또는 단열재를 병용한 거푸집 등으로 양생할 경우, 타설된 콘크리트가 차가와져서 0℃로 되기까지 얻어지는 적산온도는 시멘트의 수화열에 의한 콘크리트의 온도상승을 고려하여 구한다. 이 경우, 콘크리트의 타설시 온도와 기상조건에 따라 수화열이 일정하지 않으므로 될 수 있는 한 믿을만한 자료에 의하여 추정한다.

① 단열보온양생에서는 콘크리트부재를 단열재로 피복하고, 방열량을 적게하므로써 콘크리트가 동결하기 까지의 시간을 연장시켜, 그 사이에 초기동해에 대한 내력이 생기도록 하는 것이다. 단열재라면 일반적으로 열전도율이 작은 재료를 말한다. 寒中공사에서는 비교적 작은 면부재, 예를 들면 두께 12cm의 벽인 경우, 합판형 거푸집에 열전도율이 작은 재료를 붙여 단열양생의 목적을 달성하면 이 합판형 거푸집을 단열재라 볼 수 있다.

예를 들면, 평균기온을 -5℃로 가정하고, 기온의 일교차를 6℃로 가정하는 경우, 두께 12cm벽의 양면에 합판형거푸집을 사용하는 경우 부재의 시간정수 τ= 8h로 가정하고, 그 합판에 발포수지판(두께20mm)을 붙이는 경우의 시간정수 τ= 20h로 가정한다.

여기서,
 

여기서,

K₁ : 열손실계수(Kcal/m²h℃)

S : 단열재 또는 거푸집의 면적(m²)

C : 콘크리트의 단위용적중량(kg/cm²)

ρ : 콘크리트의 단위용적중량(kg/cm²)

V : 콘크리트의 체적(m²)

τ: 시간정수(h)

단위시멘트량이 350kg/cm²이고, 보통포틀랜드 시멘트를 사용하며, 콘크리트타설시 온도가 10℃인 경우 콘크리트온도를 구해보면 <그림13>과 같이 된다.
이 경우, 콘크리트가 0℃로 냉각되기 까지에 얻어지는 적산온도M은, τ=8인 경우에는 약 8.8。DㆍD이며, 단열보온양생계획을 세우지 않았지만 τ=20인 경우 M=49.5。DㆍD가 되어 단열보온양생계획을 세울 수 있다. <그림13>에서 참고로 τ=50인 경우도 나타나 있다.

寒中공사에 사용되는 보온을 위한 재료는 대부분 가격이 저렴한 재료이지만, 보온을 위한 재료로서 사용 후에 다른 목적으로 전용될 수 있는 재료로 하는 것이 많다. 그래서 사용되는 재료의 종류가 한정되어 Sheet, 합판, 파형철판 등이 일반적으로 많이 사용되고 있다.

또, 단열재는 열전도율이 작으며 일반적으로 비중이 작고 강도가 약하다. 그래서 단독으로 사용하면 전용할 수 없는 경우가 많다. 그래서 합판형 거푸집과 단열재를 붙여 단열형 거푸집으로 사용하는 예가 많다. 합판형 거푸집만으로도 약간의 단열결과는 있지만 단독으로는 단열재라 부르지 않는다.

寒中공사에 사용하는 보온을 위한 재료나 단열재의 열전도율 혹은 열손실계수의 측정은 용이하지 않다. 그래서 개략의 값을 알기 위해 RILEM의 한중콘크리트 시공지첨서에서 채택하고 있는 값이 <표25>에 제시되어 있고, 일본의 洪 鬼頭氏의 실험치가 <표26(1)>에, 그리고 이 兩者 및 다른 문헌에 의한 값을 포함한 長烏의 제안치가 <그림14> 및 <표26(2)>에 제시되어 있으므로 이 값을 참조하여 가정하면 좋다.

<표25> 각종재료의 K치
 

<표26(A)> 각종재료의 열손실계수(Kcal/m²h℃)(내외자연대류. 저온측 -8℃)
 

<표26(B)> 보온을 위한 재료의 열손실계수제안치(참고)(단위:Kcal/m²h℃)
 

② 前記의 열손실계수는, 부재를 무한평판으로 생각한 경우의 값이다. 복잡한 단면의 부재에서 열손실계수를 구하려면, 偏微分方程式으로 풀이하는 것이 본래의 방법이지만, 무한평판으로 환산하여 계산하는 것이 일반적이다. RILEM의 한중콘크리트지침에 있는 무한평판으로의 환산을 <표27>에 나타내며, 이들에 의하면 계산이 용이하다.

③ 일반적으로 보온상 불리한 것은 부재단면이 얇은 경우이며, 특히 슬라브는 상면이 외기 도는 양생공간에 개방되어 있어 냉각되기 쉽다.

보나 기둥은 단열보온양생에서 초기동해내력을 얻지만 슬라부는 단열보온양싱이 용이하지 않다. 보와 기둥은 단면이 크므로 안전하지만, 슬라브는 그러하지 않다. 슬라브는 콘크리트 타설 직후에 예정된 피복을 하는 것이 곤란하므로 이런 경우는 결코 단열보온이 용이하지 않다.

벽에 합판형 거푸집을 사용하는 보온효과와 같은 정도의 보온효과를 슬라브에서 얻고자 하는 경우는,무풍의 경우 슬라브 위에 5mm 정도로 유지하는 방법은 실제상 곤란하다. 슬라브에 Sheet를 이중으로 걸쳐 놓으면 1枚는 콘크리트에 밀착해도 윗 Sheet와의 사이에 공기층을 지지할 수 있다.

<표27> 형상계수 K₁

<그림14> 積算溫度計算用圖 (자료 : 長烏弘著 寒中콘크리트)

<그림15> 冷却時間算用圖 (자료 : 長烏弘著 寒中콘크리트)

(2)콘크리트 표면을 거푸집 및 피복재료를 사용하여 양생하는 경우, 타설한 콘크리트가 차가워져 0℃가 되기까지 얻어지는 적산온도를 검토한다.

콘크리트가 계속 냉각되는 상태에서 h시간부터 h+1시간까지의 1시간에 차가워지는 온도차는 (5)식으로 나타난다. 콘크리트와 외기온과의 온도차가 1℃인 경우에는 (6)식이 되며, (6)식의 우변의 역수를 취한 γ의 식(7)은 콘크리트의 냉각을 나타내는 함수이다. γ가 크다는 것은 어떠한 정도에 차가워지기까지의 시간이 긴 것을 의미하고, 그러한 차원에서 기간정수라 부른다.

그러나 콘크리트가 계속 냉각하는 경우에는 식(5)의 콘크리트 온도는 각각 변화가 되므로 장시간의 온도변화나 외기온과 콘크리트의 온도차가 큰 경우의 계산에는 불가능하다. 그래서 일반적으로 Newton의 냉각법칙이라 불리는 식(8)에 의한다. 식(8)을 적분하여 식
 

   Ζ= 1

을 대입하면, 적산온도를 구하는 식은 (9)처럼 된다.

T_h - T_h+1 =
 

T_h = t₀+(T_c-t₀)e^{-h/τ...................................}(8)
 

여기서,

M : 콘크리트온도가 Tc에서 Th로 냉각하기까지 얻는 基算온도(。DㆍD)

T_c : 타설시의 콘크리트온도(℃)

T_h : 타설h시간후의 콘크리트온도(℃)

t₀ : 외기온(℃)

K₁ : 열손실계수(Kcal/m²h℃)

s : 단열재 또는 거푸집의 면적 (m²)

h : Tc가 Th로 차가워지는 시간(h)

C : 콘크리트의 단위용적당중량(kg/m²)

ρ: 콘크리트의 단위용적당중량(kg/m²)

V : 콘크리트의 체적(m³)

γ: 시간정수(h)

타설후 콘크리트가 냉각하여 0℃가 되는 경우에는 식(8) 및 (9)에 T_h = 0℃를 대입하면, 식 (10) 및 (11)이 된다.
 

타설시의 콘크리트온도를 10℃로 하고, 0℃로 차거워지기까지의 시간을 식(10)에서 <그림15>를 만들고 또 0℃로 차거워지기까지의 적산온도식 (11)에서 <그림14>를 만들었다.

[例5] 타설시 콘크리트의 온도 10℃, 외기온 -2℃의 경우, 콘크리트가 0℃로 차가워지기까지의 시간과 그때까지 얻어지는 적산온도 M을 구하라. 콘크리트의 단면은 60cm 각 기둥에서 12mm 두께의 합판형 거푸집을 사용하여 주변은 무풍상태가 유지되는 것으로 한다.

[解] 합판형거푸집의 열손실계수는 <표23>에서 K=4.5Kcal/m²h℃로 가정한다.
정방향기둥을 무한평면으로 환산한 두께는 <표27>에서 형상계수D는 S/4=60/4=15cm가 되며, K는 4.5Kcal/m²h℃그대로이다. 콘크리트가 0℃로 냉각되기까지의 시간은 <그림15>에서는 h/d는 약 2.4h/cm가 되며 d는 15cm를 곱하여 36시간을 얻는다. 콘크리트가 0℃로 차거워지기까지 얻는 적산온도는 <그림14>에서 M/d가 1.35 。DㆍD/cm가 되며, d=15cm를 곱하여 M=20.3。DㆍD를 얻는다.
콘크리트가 0℃로 차가워지기까지의 시간을 계산으로 구하려면, 식(7)에 있어서 보통 콘크리트의 경우 열용량 Cρ는 보통 600Kcal/m²h℃로 해도 좋으므로 τ=600×0.15÷4.5=20h를 얻는다.

식(10)에서

e^-h/γ=-(-2)÷[10-(-2)]=0.167

e^-x=0.167를 구하고,x=1.79를 얻는다.

h/τ=1.79에서 h=1.79×20=35.8h가 된다.

h=35.8을 식(11)에 대입하면 M=20.3。DㆍD가 얻어진다.

(3)거푸집제거 및 시공하중에 견딜정도의 충분한 강도를 얻기 위해서는 어느정도 보호기간을 연장시켜야 한다. 이 보호기간은 일반적으로 10℃이상으로 7일간이상 콘크리트를 보호하도록 되어 있다.

다음 <표28>을 보면 표준 유리솜형 단열재 두께를 1로 볼 때 이와 동등한 단열효과를 갖는 단열재의 환산 두께를 알 수 있다.

일반적으로 한중콘크리트 타설 후 단열콘크리트의 온도변화를 알고저 사용되는 방법은 일정한 온도를 갖는 고체를 낮은 온도의 액체에 담구어 고체의 온도를 측정하는 방법으로 이미 도표화되어 있다. (Carslaw와 Jaeger:1959년)<그림16∼19>는 단열재의 두께를 결정하는 방법을 보여주고 있는데 콘크리트 벽체두께, 대기온도, 풍속(0∼24km/hr)을 알면 그에 맞는 단열재의 두께를 결정할 수 있다. 일반적으로 단열재는 鋼製거푸집(Steel Form)의 외부에 부착하는 것을 원칙으로 하고 강제거푸집자체의 단열효과는 고려치 않는다. 두께 19mm의 합판 거푸집을 사용하는 경우는 <표28>을 참조하면 6mm로 줄일 수 있다.

단열치(Insulation Value)는 열이 가장 잘 흐를 수 있는 하나의 방향만 고려한 것으로 나머지 두 방향에서는 열손실이 없는 것으로 가정한 것이다. 사실 먼 방향에서의 열손실은 가까운 표면의 열손실에 비하여 무시할 수 있다. 실제도 최대 열손실은 벽체의 모서리에서 생긴다. 그러므로 가장자리 및 모서리에서의 단열재 두께는 벽면에서의 두께가 3배 정도가 되어야 한다. 그리고 저열시멘트에서는 보통포틀랜드 시멘트에서 사용하는 단열재 두께보다 30%정도가 더 필요하다. 모서리 보호를 위해 필요한 단열재를 브럭위에 설치하여 결과적으로 표면에 수직인 방향으로의 열흐름을 차단시킬 수 있다.

예를 들면, 3×0.6m 단면을 갖는 3×1.2×0.6m 부재의 경우, 두 개의 3×1.2m 표면은 0.6m 두께의 벽체에서 요구되는 단열재의 두께로 보호해 주고 다른 4면은 0.6m 입방에 모서리에서 요구되는 단열재 두께로 보호를 해 준다. 0.6m 입방체의 모서리에 요구되는 단열재를 3×1.2m 표면에 사용해서는 안된다. 왜냐하면 거푸집제거시 콘크리트에서 발생할 수 있는 고온 때문에 균열의 위험이 있기 때문이다.

<표28> 단열환산치
 

(자료 : Ghosh amd Mustard,Camadiam Journal,1983)

<그림16> 콘크리트표면을 10℃로 7일이상 유지하기 위한 단위시멘트량 178kg인 콘크리트의 단열조건 (자료 : Ghosh amd Mustard,Camadiam Journal,1983)

<그림17> 시멘트표면을 10℃로 7일이상 유지하기 위한 단위시멘트량 237kg인 콘크리트의 단열조건 (자료 : Ghosh amd Mustard,Camadiam Journal,1983)

<그림18> 콘크리트표면을 10℃로 7일이상 유지하기 위한 단위시멘트량 297kg인 콘크리트의 단열조건 (자료 : Ghosh amd Mustard,Camadiam Journal,1983)

<그림19> 콘크리트표면을 10℃로 7일이상 유지하기 위한 단위시멘트량 356kg인 콘크리트의 단열조건 (자료 : Ghosh amd Mustard,Camadiam Journal,1983)

(4) 시멘트 경화시에 발생하는 대부분의 수화열은 타설후 처음 3일 동안에 발생하므로 콘크리트내부에 이 수화열이 충분히 보존되면 외부에서의 열공급은 필요없다. 이 수화열은 거푸집이 없는 콘크리트표면 위에는 斷熱布(Insulating Blanket)를 깔아 주거나 또는 다른 보호수단으로 열을 보존시키고 거푸집이 있는 경우는 단열거푸집(Insulating Form)을 사용하여 열을 보존시킬 수 있다.

단열재의 종류 및 특성에 대하여 알아보면 다음과 같다.

① 발포성 폴리스틸렌 쉬트(Polystyrene Foam Sheet)
이 재료는 알맞게 잘라서 거푸집의 間柱사이에 끼우거나 또는 아교칠을 하여 거푸집에 붙인다.

② 발포성 우레탄(Urethane Foam)
이 단열재는 거푸집외부에 우레탄을 계속적으로 뿌려 단열층을 만드는 것으로 방수성을 증진시키고 자외선 침투를 막기 위하여 내후성이 좋은 에나멜을 우레탄에 섞어서 뿌릴 수도 있다 그러나 이 우레탄이 불과 접촉하면 고약한 냄새를 내므로 주의를 기울여서 사용해야 한다.

③ 발포성 비닐 브링캣(Foamed Vinyl Blankets)
이것은 유연성이 있는 거품형태의 비닐 브링캣으로서 열공급을 증대시키기 위하여 브랭캣안에 전선을 삽입할 수도 있고 사용하기 좋게 표준폭의 롤(Roll) 단위로 제작이 가능하다.

④ 鋼製維(Mineral Wool) 혹은 셀루로우스 섬유 (Cellulose Fibers)
일반적으로 광섬유나 셀루로우스 섬유는 롤(Roll)단위나 매트(Mat) 단위로 대형 폴리에틸렌 용기(Polysthylene Liner)속에 들어있는데 종종 미끄럼 방지를 위해 용기표면을 거칠게 하는 경우가 있다.

⑤ 볏짚(Straw)
볏짚은 브랭킷이나 가마니만큼 보온효과는 크지 않지만 일반적으로 많이 쓰인다. 이 재료의 단점은 부피가 크고, 인화성이 강하며, 습기가 차는 점이다. 이 볏짚의 보호수단으로서는 타포린이나 폴리에틸렌 필름 또는 방수지(Waterproof Paper)를 사용하는데 이렇게 하면 바람을 잘 막을 수 있고 볏짚이 이동하지 않고 제자리에 있게 된다.

값이 비싼 브랭캣이나 솜型 단열재를 효과적으로 사용하기 위해서는 방습커바 (Moistureproof Cover)로서 보호하는 것이 효과적이고 이로 인하여 단열에 지장을 주는 바람, 비, 눈으로부터 브랭킷이나 단열재가 보호된다.
방습커바의 입자조직이 치밀하면 물에 젖지 않기 때문에 매우 좋다. 또한 단열효과를 높이기 위해서는 단열재를 콘크리트표면 및 거푸집 표면에 가능한 가깝게 설치하는 것이 효과적이다.

(5) 열저항계수 R값

콘크리트 양생시 허용할 수 있는 최저대기온도는 열저항계수R 및 벽체두께를 알면 다음표 및 그림을 통하여 쉽게 구할 수 있다.
(ACI규정), 이 ACI자료에 의하면 열저항계수가 클수록 허용최저대기온도는 낮다. 그리고 무저항 계수값이 같은 경우에는 벽체두께가 클수록 허용최저대기온도가 낮다. (<표29∼32> 및 <그림20∼23>참조)

<표29> 지상콘크리트 벽체 및 슬래브에 요구되는 단열조건
(콘크리트 타설온도 10℃ (50。F), 최단보호일수 7일)
 

[註] ※ < < -51℃(-60。F)

<표30> 지상콘크리트 벽체 및 슬래브에 요구되는 단열조건
(콘크리트 타설온도 10℃ (50。F), 최단보호일수 3일)
 

[註] ※ < < -51℃(-60。F)

<표31> 地面콘크리트 슬래브 및 수로라이닝에 요구되는 단열조건
(콘크리트 타설온도 10℃ (50。F), 地溫2℃(35。F), 최단보호일수 7일)
 

[註] ※ > 10℃(50。F) + < < -51℃(-60。F)

<표32> 地面콘크리트 슬래브 및 수로라이닝에 요구되는 단열조건
(콘크리트 타설온도 10℃ (50。F), 地溫2℃(35。F), 최단보호일수 3일)
 

[註] ※ > 10℃(50。F) + < < -51℃(-60。F)

<그림20> 지상콘크리트 벽체 및 슬래브에 요구되는 단열재의 열저항계수 RP단위:
℃/W/kg/m²(。F/Btu/hrㆍft²)(콘크리트 타설온도 10℃ (50。F), 최단 7일간보호)

<그림21> 지상콘크리트 벽체 및 슬래브에 요구되는 단열재의 열저항계수 RP단위: ℃/W/kg/m²(。F/Btu/hrㆍft²)(콘크리트 타설온도 10℃ (50。F), 최단 3일간보호)

<그림22> 지상콘크리트 슬래브 및 水路라이닝에 요구되는 단열재의 열저항계수 RP단위: ℃/W/kg/m²(。F/Btu/hrㆍft²)(콘크리트 타설온도 10℃ (50。F), 地溫2℃(35。F), 최단 7일간보호)

<그림23>지상콘크리트 슬래브 및 水路라이닝에 요구되는 단열재의 열저항계수 RP단위:
℃/W/kg/m²(。F/Btu/hrㆍft²)(콘크리트 타설온도 10℃ (50。F), 地溫2℃(35。F), 최단 3일간보호)