한중콘크리트의 시공기술 3

寒中콘크리트 施工(Ⅱ)

Ⅵ. 거푸집

거푸집은 보온성이 좋은 것을 사용해야 한다.

보온성이 좋은 거푸집이란 목제거푸집과 같은 것으로 열전도율이 작은 것을 말하는데 거푸집에 관한 일반사항 및 제거시기, 공사예 등에 관해 자세히 알아보면 다음과 같다.

1. 거푸집 일반

寒中에 강제거푸집이 아닌 다른 거푸집을 사용하면 보호효과가 상당한다.
보호막을 사용하는 경우, 거푸집을 통하여 온기가 골고루 분포되고 국부가열도 없어진다. 적절한 단열재를 가진 거푸집을 사용하면 대부분의 경우에 부가적으로 열공급을 해주지 않아도 보호가 적절히 된다.
따라서, 거푸집을 최단보호기간의 말기까지 또는 그 이상으로 存置시키는 것이 필요하다. 그러나 시공측면 내지는 경제적측면에서 거푸집을 재사용하기 위하여 가능하면 빨리 거푸집을 제거해야할 경우가 있다. 일반적으로 콘크리트의 강도가 충분하면 거푸집 제거시 콘크리트의 가장자리나 모서리가 해를 입지 않는다.
거푸집제거에 필요한 최단보호기간 결정은 주로 현장경험에 의하는데 그것은 많은 요인, 예를 들면, 시멘트의 종류 및 사용량, 콘크리트의 배합조건, 양생시간, 구조물의 형태, 거푸집설계 및 인부의 숙련도에 달려 있다. 물론, 도표를 이용하는 방법도 있는데 이는 다음 장에서 설명한다.

거푸집을 제거한 후에는 <표4>에 나와있는 기간동안 단열브랭킷으로 덮어주든지 보호막을 설치하여 보호해 주는 것이 좋다. 만약 전선을 콘크리트속에 집어넣어 내부를 가열시키는 경우는 불투수성시트로 콘크리트를 덮어주고 규정시간 이상 가열을 계속해야 한다.

2. 거푸집 제거시 유의사항

(1) 한 면이 수압을 받는 옹벽이나 기초벽과 같은 구조물에 콘크리트가 굳지 않았는데 성급히 거푸집을 제거하면 거푸집 연결부에서 물이 새어나올 수 있으므로 주의해야 한다.

(2) 보호 마지막 단계에서는 <표3>에서 제시한 비율로 서서히 콘크리트를 냉각시켜야 한다. 이것은 외부열을 줄여 주면 쉽게 되지만 단열거푸집을 사용하는 경우도 어렵다.

3. 열충격(Thermal Shock)

경제적 측면에서는 거푸집을 거듭 사용하는 것이 좋다. 단열거푸집 제거시기는 콘크리트 표면의 균열을 줄이는 문제와 관련이 있기 때문에 중요하다. 만약, 거푸집 제거시 콘크리트 표면의 온도가 기온에 비해 높으면 따뜻한 콘크리트 내부와 차가운 콘크리트 외부사이에 급한 온도구배가 생겨 콘크리트 표면에서는 높은 인장응력이 생기고 그 결과균열이 발생할 수 있다.

두께 4.6m, 직경 24.4m의 원형 기초슬래브에 설치한 지붕씌우기를 콘크리트타설 7일이 지난 후 제거하면 열충격 때문에 균열이 발생한다 대기온도가 낮고 바람이 시원하게 불면 따뜻한 콘크리트표면은 쉽게 식는다. 그러나 콘크리트의 내부온도는 여전히 높다. 콘크리트단면을 잘라보면 급한 온도구배가 생긴 것을 알 수 있다.(<그림24>참조) 이때 중앙에서 3.7m부분에는 슬래브 주의를 따라 폭 약 0.25mm의 균열이 발생한다.

보호막을 설치하고 단열거푸집을 사용한 무근콘크리트의 경우에 보호막 및 단열거푸집을 제거하고 차가운 공기에 노출시키면 각 노출면의 중앙에 균열이 생기는데 보통은 철근콘크리트의 경우에 생기는 균열폭의 6배 정도되는 균열이 생긴다.

열에 의한 균열을 줄이기 위해 철근을 사용하는 경우도 실제적으로는 그리 크게 균열을 줄여주지 못한다. 왜냐하면 콘크리트의 열팽창계수와 철근의 열팽창계수가 거의 같기 때문이다. 그러나, 철근을 사용하는 경우는 균열을 고루 분포시켜 미소한 균열이 되게 하는데 균열은 응력이 한 지점에만 집중되지 않는다면 그리 큰 문제가 안 된다.

抱束度를 다르게 하여 벽체의 최고허용온도하강치를 알아내는 계산법도 사용되고 있다. <표33>을 보면 높이에 대한 길이비로 벽체의 抱束계수를 알 수 있다. 그리고 벽체와 대기온도사이의 최고 허용온도차가 <그림25>에 포속계수별로 나와 있다.

<그림25>를 보면 외부포속이 없는 벽체에 있어서 (구속계수=0) 거푸집 제거시 콘크리트와 대기의 최고허용온도차는 얇은 단면에 비해 두꺼운 단면에서 더욱 작다. 그러므로 얇은 벽체보다 두꺼운 벽체에서 더 늦게 거푸집을 제거해야 한다. 더구나, 0.3m벽체와 1.5m벽체사이의 최대허용온도차는 똑같다.

거푸집을 제거한 후 나타나는 콘크리트 표면의 온도하강은 처음에는 빨리 일어나지만 후에는 천천히 일어난다. 두께 1.2m 벽체의 시간별 온도하강치가 <그림26>에 나와 있다.

예를들면, 거푸집제거시 콘크리트벽체와 대기와의 초기온도차를 V라 하면, 거푸집제거후 1시간이 지나면 콘크리트표면의 온도는 약 0.5V로 떨어지나 2시간이 지나면 약 0.4V로 온도가 하강한다. 이 계산에서는 거푸집 제거시 콘크리트 전체의 온도는 동일한 것으로 가정했지만 사실은 콘크리트의 안쪽과 바깥쪽은 어느 정도 온도차이가 있다. 그래서 종종 거푸집을 제거하기도 전에 응력이 콘크리트 구체내에서 발생하는 경우가 있지만 이런 초기온도에서 발생하는 응력은 탄성계수가 작기 때문에 그리 문제가 되지 않는다. 그러나 구조물이 불투수성이어야 하는 경우는 열충격에 의한 균열을 허용해서는 안 된다.

콘크리트의 온도를 서서히 낮추기 위해서는 지붕씌우기(Housing)을 해주거나 또는 외부에서 열공급을 해주거나 또는 목제 거푸집을 사용하는 것이 좋다. 콘크리트표면의 온도를 측정하기 위해서는 熱電雙(Thermocouples)을 이용하는 것이 좋고"Form Release Card"를 이용하면 열차단시간, 지붕제거시기, 그리고 거푸집제거시기를 결정할 수 있어 열충격에 의한 균열을 충분히 막을 수 있다.

<그림 24> 기초슬래브의 온도구배

<그림25> 안전한 거푸집 제거온도

<그림26> 두께 1.2m 콘크리트벽체의 시간별 온도분포

<표33> L/H별 抱束係數
 

4. 열충격을 피하기 위한 안전한 거푸집제거시기

(1) 기온 -18℃ 및 콘크리트 벽체두께 1.2m인 경우

기온이 -18℃일 때 콘크리트를 10℃로 7일간 양생시키기 위해 단열거푸집을 사용한 두께 1.2m인 콘크리트 벽체의 온도변화상태가 <그림27>에 제시되어 있다.

윗 그림을 이용하기 위해서는 우선 <그림25>에서 각 형태구속계수별로 콘크리트와 대기와의 최고허용온도차를 구한 다음 <그림27>의 콘크리트 온도곡선상에 교점을 구하고 그 교점 아랫값을 읽으면 이 값이 안전한 거푸집제거 시기이다. 이 기간은 모든 균열을 피하기 위한 안전한 거푸집제거시기로 단위는 日이다. 예를 들면 구속계수 0,0.5, 0.7 1.0에서 각각 필요한 최단의 거푸집 存置期間은 13, 14, 15, 16일이다.

<그림27> 콘크리트 벽체(두께 1.2m)의 안전한 거푸집 제거시기(기온 -18℃)

(2) 기온 -18℃ 및 콘크리트 벽체두께 0.3m인 경우

기온 -18℃일 때 콘크리트를 10℃로 7일간 양생시키기 위해 단열거푸집을 사용한 두께 0.3m인 콘크리트 벽체의 온도변화가 <그림28>에 제시되어 있다.

이 그림 이용법은 앞의 방법과 동일하다. 그러나, 대기온도가 -18℃보다 상승하면 거푸집제거시기를 앞당길 수 있다.

<그림28> 콘크리트 벽체(두께 0.3m)의 안전한 거푸집 제거시기(기온-18℃)

(3) 기온 -9℃ 및 콘크리드 벽체두께 0.3m인 경우

기온이 -9℃일 때 콘크리트를 10℃로 7일간 양생시키기 위해 단열거푸집을 사용한 두께 0.3m인 콘크리트 벽체의 온도변화상태가 <그림29>에 표시되어 있다.

이 그림에서 구속계수를 0.7로 취하면 거푸집제거시기는 8일이다. 그러나 <그림28>에서 구속계수를 0.7로 취하면 거푸집제거시기는 11일이다. 그러므로 기온이 -18℃에서 -9℃로 상승되는 경우는 거푸집제거시기를 11일에서 8일로 줄일 수 있다. 따라서 제거시기에 영향을 미치는 요소는 다음과 같다.

첫째, 형태구속계수

둘째, 구조물의 두께

셋째, 시멘트의 종류 및 사용량

넷째, 기온 및 풍속

<그림29> 콘크리트 벽체(두께 0.3m)의 안전한 거푸집 제거시기(기온 -9℃)

(4) 여러 요소가 복합적으로 변하는 경우

형태구속계수, 단면두께, 기온(풍속0∼24Km/hr)에 따른 거푸집제거시기를 <그림30>을 통해 알 수 있다.

<그림30> 도포를 통한 안전한 거푸집 제거시기 결정법 (CSA 양생)

5. 거푸집제거이론을 이동식 거푸집에 적용한 예

앞에서 취급한 거푸집제거시기 결정법을 높이 549m의 CANADA탑 설계에 적용했다. 이 공사에서는 다음과 같은 점이 문제가 되었다.

첫째, 굳지 않은 콘크리트를 동결로부터 보호하는 문제

둘째, 적절한 강도증진을 보장하는 문제

셋째, 열충격에 의한 균열을 피하는 문제

이동식 거푸집의 아랫부분에 대하여 보호를 해주지 않으면 두께 0.5m의 콘크리트 벽체는 온도가 급강하하여 적절한 온도를 갖기 전에 대기온도와 같게 된다. <그림31참조>

만약 25mm의 폴리스틸렌 단열제로 약 3일간 보호를 하면 충분한 열이 보존되어 적절한 강도를 유지할 수 있다. 이 사항은 1일에 3.7m씩 타설하는 이동식 거푸집을 이용하는 경우 거푸집 아랫부분(11m 까지)에 대하여 보호를 해야 한다는 사실을 의미한다. 그러나 11m 아래의 따뜻한 콘크리트를 갑자기 한기에 노출시키면 균열을 초래할 수 있다. (<그림 32>참조)

충분한 강도증진을 확신하기 위해서는 단열재의 두께에 차등을 두어야 한다. 즉, 11m 바로 아랫부분 6.1m까지는 두께가 25mm의 폴리스틸렌 단열재를 다음 2.7m까지는 12mm의 폴리스틸렌 단열재를, 그리고 마지막 2.4m부분은 두께 6mm합판을 사용해야 한다.

이와 같은 보호법을 사용한 경우의 계산상의 온도와 실제온도가 <그림33>에 나와 있다. 실제값과 계산상의 값이 상이한 것은 다음과 같은 용인에 의한다.

첫째, 강풍에 의한 열손실

둘째, 온도측정의 부정확

셋째, 부정확한 열계수 가정

넷째, 재료 및 타설과정등의 변화

위에서와 같이 크게 4가지 요인을 들 수 있다. 열거푸집은 콘크리트 타설면의 온도가 10℃이하로 하강하는 가을과 겨울에 사용하는데 만약 타설온도가 10℃이면 수화열이 타설면의 온도를 상승시키게 된다. 그리고 콘크리트의 온도가 10℃이하로 하강하는 것을 방지하기 위하여 타설전 철근인나 바닥면을 가열시키는 경우도 있다.

<그림31> 이동식 거푸집의 아랫부분에 대하여 보호를 해주지 않은 경우의 CN탑의 온도변화

<그림32> 이동식 거푸집 아랫부분에 대하여 25mm의 폴리스틸렌 단열재를 사용한 경우의 CN탑의 온도변화

<그림33> 차등보호한 CN탑에서의 온도변화

6. 斷熱콘크리트에 있어서 문제점

콘크리트 타설온도는 10℃(50。F)에서 32℃(90。F)까지 가능하다. 이러한 타설온도의 차이는 타설후 콘크리트의 최고온도에 큰 영향을 미친다. 즉, 콘크리트의 내부온도가 높을수록 온도차에 의한 균열의 위험은 증가한다. 콘크리트 단면별로 그에 맞는 표준단열재를 사용하면 경제적이고 이상적이지만 작업상 힘이 든다. 특히, 얇은 벽체의 콘크리트의 온도를 10℃(50。F)이상으로 7일간 양생시키기 위하여 필요한 단열재를 만약 두꺼운 벽체에 사용하는 경우 콘크리트의 내부온도가 상승한다. 이 온도상승으로 인하여 거푸집제거시 온도차에 의한 균열의 위험은 더욱 증가한다. 따라서 지나친 단열재량 콘크리트 보호에 좋지 않다. <그림34>을 보면 기온이 -18℃(0。F)일 때 벽체두께별로 단열재 사용량에 의한 콘크리트의 온도상승 값을 알 수 있다.(그림34>참조)

예를 들면, <그림6>에 의하여 기온이 -18℃이고 벽체두께가 1.5m일 때 두께 19mm의 솜型 단열재를 사용한다고 가정하면 이로 인한 최고온도상승값은 약 5℃가 된다. 만약 여기에 두께 32mm의 단열재를 추가시키면 (합계 51mm) 이로 인한 부가적 온도상승은 13℃가 된다. (<그림34> A점을 참조). 결국 콘크리트 타설시보다 18℃의 온도상승이 이루어진다. 이런 경우 거푸집을 제거하게 되면 균열의 위험은 더욱 커지게 된다.

단열거푸집을 지붕씌우기 보호법(Housing)과 병행하는 경우는 콘크리트의 외부 및 내부온도를 측정하여 필요이상으로 온도상승이 일어나지 않도록 해야 한다. 이상적인 콘크리트의 양생온도는 13℃이다.