한중콘크리트의 시공 1

寒中 콘크리트의 施工技術(Ⅰ)

寒中 施工은 공사기간과 후속작업측명, 冬節期 실업 대책 측면 및 지역의 기후조건등에 의해 그 필요성은 점차 증대되고 있다. 일본, 캐나다, 북유럽, 러시아 지역에서는 寒中콘크리트를 특히 많이 시공하고 있으며 이에 관한 연구 및 시공기술이 상당히 축적되어 있다. 국내에서도 11월부터 4월까지는 전국적으로 寒中시공을 회피하였다. 그러나 앞으로는 국내시공 뿐 아니라 해외건설진출에 있어서도 어떠한 기후조건에서의 콘크리트 시공이 상당히 요구될 것을 감안하여 본란에서는 寒中콘크리트의 施工에 관한 전반적인 사항을 종합 정리하여 실제 시공에 활용할 수 있도록 2회에 걸쳐 게재한다.

한중콘크리트의 시공(Ⅰ)

Ⅰ. 寒中콘크리트의 개요

1. 정의

건설부 발간"콘크리트 표준시방서"에 의하면 "일평균기온이 4℃이하로 예상되는 경우의 콘크리트 타설"을 한중콘크리트롤 정의했고 "ACI규정"에 의하면 "일평균기온이 4.5℃ 이하로 3일이상 계속되는 경우의 콘크리트 타설"을, RILEM의 시공지침에서는 5℃ 이하에서의 콘크리트타설을 한중콘크리트로 정의하고 있다. 여기서 4℃이나 4.5℃의 온도값은 수치의 정확도에 의미가 있는 것이 아니고 계속하여 3일이상보다는 1일에 대한 규정이 더욱 안전을 고려한 것이므로 특별한 경우를 제외하고는 "일평균기온이 4℃ 이하로 예상되는 경우의 콘크리트타설"을 한중콘크리트라 정의한다.

2. 寒中콘크리트의 積算溫度

콘크리트의 강도는 양생시간과 온도의 함수이다. 고로 구조물에 사용된 콘크리트의 강도증진을 알기 위해서는 현장조건과 똑같은 조건으로 양생된 공시체를 갖고 실험을 하여 강도를 알 수 있다. 적산온도M(Maturity Factor)는 콘크리트의 압축강도를 알아내기 위하여 사용되는 방법이다.

(1) 적산온도 공식

한중콘크리트를 대상으로 하는 적산온도(Maturity Factor)로는 스웨덴의 Bergstrom이 제안한 다음 공식이 사용되고 있다.

M = ∑(C+10)△t

여기서,

M : 적산온도(℃·day 또는 ℃hr)

C :콘크리트의 온도(℃)

△t : 콘크리트온도 C에서 양생한 기간(day 또는 hr)

이 공식은 -10℃이하의 온도에서는 강도증진이 일어나지 않는다는 가정하에서 만든 것으로 양생온도별 M값을 구하여 강도증진상태를 추정할 수 있다.
일본 北海都大學 교수가 위 식을 다소 변형시켜 일본 한중콘크리트 시공지침안·동해설에 표시하고 있는 적산온도(°D·D)는 위식의 값을 ℃·day로 산출한 것이다.

(2) 적산온도-강도관계곡선

현장과 똑같은 조건으로 실험실에서 양생시킨 시편에 대하여 각 재령별로 압축강도실험을 하여 적산온도-강도곡선을 그린다.
어느 특정시간의 현장 콘크리트의 실제강도는 그 시간에 해당되는 적산온도를 구하여 적산온도곡선상에서 이에 상응하는 압축강도를 찾아내면 된다. 현장타설 콘크리트의 적산온도M은 어느 한 지점에 대하여 일정시간동안 각 시간별로 콘크리트의 온도를 측정하여 시간별 평균온도값을 내고 각 시간은 곱한 후 전 시간에 대하여 합산하면 된다. 이에 필요한 자료는

첫째, 실험실에서 타설한 콘크리트의 적산온도-강도관계자료

둘째, 현장 콘크리트의 시간별 온도기록

(3) 계산예

실험실에서 강도측정을 하여 <그림1>의 적산온도-강도곡선을 구한다. 현장타설 콘크리트의 온도를 기록 유지하고 3일이 지난후의 강도를 측정하기 위하여 다음과 같이 하였다. 우선, <표1>의 3,4,5항에 나와있는 온도기록을 이용하여 9항의 적산온도를 결정하면 <그림1>에서 현장타설콘크리트의 강도가 대략 1800psi(136kg/cm²)임을 알 수 있다.

3. 寒中콘크리트의 영향요인

한중시공시 양생온도가 낮아져서 콘크리트의 온도가 동결온도 이하로 떨어지게 되면, 콘크리트 내부의 游難水가 동결되어 주변압력구속이 없을 경우 약 9%의 체적이 팽창한다.

콘크리트가 동결되면 골재와 시멘트풀의 조직이 빙결로 파괴되어 미세한 균열이 발생하고 여기에 동결융해가 반복되면 체적팽창으로 인해 파괴에 이르게 된다.

일반적으로 콘크리트의 초기 동해에 영향을 주는 요인으로 다음의 여러 가지 조건에 따라서 피해정도가 크고 회복력도 작아진다.

• 타설후 콘크리트가 동결하기까지 경과시간이 짧을수록
   
• 콘크리트의 동결시간이 길수록
   
• 콘크리트의 동결온도가 낮을수록
   
• 콘크리트 동결시 강도가 작을수록, 특히 인장강도가 작을수록
   
• 콘크리트의 동결융해가 반복될수록
   
• 물시멘트비가 클수록
   
• 적절한 공기연행제를 사용하지 않을수록

이러한 영향요인 중에서도 기상조건에 따른 온도요인이 가장 중요한 것으로 콘크리트의 초기동해시 콘크리트가 받는 온도변화는 지역에 따라 다양하며 이러한 온도변화에 대한 영향을 해명하는 것은 한중콘크리트의 초기동해를 방지하는데 가장 선결되어야 할 사항이다.

초기동해의 온도요인으로서 동결최저온도, 동결속도, 동결지속시간 별로 AE제를 사용하여 행한 일본북해도대학 洪悅郞 교수팀의 실험결과를 보면 어느정도 이상의 적산온도로 초기양생을 행하므로서 혹한기 시공에서 초기동해를 방지할 수 있음을 나타내고 있다.

일본 北海都大學 洪悅郞 교수팀의 연구보고에 따르면 초기동해방지를 위해 AE제를 사용하고 40°D·D이상의 초기양생조건(10℃에서 2일간)을 확보하는 것이 중요하다.

<표1> 현장콘크리트의 적산온도 및 강도 계산법
 

[註]  1. 실험실 양생온도 =22.8℃=73。F

2. 0-12시간까지는 강도증진이 없는 것으로 가정

4. 초기동해에 대한 耐力

한중 콘크리트의 초기동해는 영향요인에서 기술했듯이 유리수의 동해로 인한 결정압으로 콘크리트의 내부에 미세한 균열이 발생하고 체적이 팽창하여 탄성계수가 저하하며 동해융해가 반복됨에 따라 외적인 변화가 커진다.

이 경우에 콘크리트의 인장강도가 크면 미세한 균열의 발생을 방지할 수 있게 된다. 일본북해도대학 洪悅浪 교수는 동탄성계수가 처음의 60%로 저하도리 때까지의 동결융해의 반복횟수에 따라 다음의 실험식을 제안하였다.

N = T

여기서,

N : 동탄성계수가 처음의 60%로 되는 동결융해회수

T : 콘크리트의 인장강도(kg/cm²)

그리고 若材齡 저강도에서는 인장강도와 압축강도의 비율을 1:8로 보고 -10℃ 이하, 5회의 동결융해의 반복에 견디기 위해서는 압축강도가 40kg/cm²이 소요된다고 한다.

5. 콘크리트의 强度發現의 지연

시멘트와 물이 접촉하여 복잡한 화학반응에 따라 서서히 수화물이 생성되어 콘크리트의 강도발현이 증진된다. 화학반응속도는 일반적으로 온도의 영향을 받게 되고 시멘트와 수화반응도 예외없이 양생온도가 낮으면 콘크리트등의 강도발현이 지연된다.

콘크리트의 강도에 있어서 재령 28일까지 20℃ 수중양생한 경우를 100%로 하여 일정 온도에서 양생한 경우 강도비율은 <표2>와 같다.

이 표는 앞에서 기술한 적산온도(Maturing Factor)방식에 있어서 환산한 온도에서 적용가능하다.

또한 이표에서 0℃ 및 -5℃ 양생의 경우는 타설후의 콘크리트가 동해를 받지 않도록 양생된 경우의 적산온도로부터 환산된 온도이다.

양생온도가 낮은 경우의 강도는 동일재령에서 20℃로 양생한 경우의 강도보다 작지만 그 후의 양생에 따라 온도와 일수가 경과되면 강도는 회복된다. 따라서 소위 경화불량으로 간주하여 혼화재료를 과량 투입하거나 배합을 수정하는 경우와는 달리 단순히 수화반응의 지연으로 경화지연으로서 경화불량과는 구별하여 생각해야 한다.

6. 콘크리트 配合 및 打設時 溫度基準

일평균기온이 대략 4℃ 이하로 하강하는 경우는 <표3>의 1항에 규정된 온도이상으로 콘크리트를 타설하고 또한 <표4>에 규정된 기간이상으로 콘크리트를 보호해야 한다. 이 보호기간의 결정은 시멘트의 종류 및 사용량 그리고 경화촉진제의 사용여부등에 달려있다.

적절한 타설온도는 구조물의 종류 및 크기, 기온, 양생방법등에 따라 다르나 규모가 큰 기초공사이나 댐등을 제외하고는 4℃이하의 온도에서는 경화가 매우 느릴 뿐 아니라 갑자기 기온이 하강할 때 콘크리트가 동결할 염려가 있다. 따라서 콘크리트 타설온도는 안전을 고려하여 최저 온도를 10℃로 하는 것을 원칙으로 한다. 콘크리트 타설온도를 너무 높지 않게 해야 한다.<표3>은 특히 보통 콘크리트에 적용하면 좋다. 경량 골재 콘크리트는 보통콘크리트에 비해 열손실에 대한 저항이 크다. 그러므로 경량골재를 사용하면 <표3>의 타설온도를 더 낮출 수 있다.

<표2> 콘크리트의 양생온도에 따른 강도비율
 

<표3> 콘크리트 온도기준
 

7. 寒中콘크리트의 最短保護 其間 基準

(1) 보호의 필요성

일평균기온이 4℃ 이하로 하강하면 콘크리트가 경화될 때 까지의 시간이 길어지고 경화된 후의 강도증진도 느리며 또한 동결의 위험도 있으므로 한중콘크리트 시공준비를 해야한다.

응결경화의 초기에 콘크리트가 동결되면 시멘트의 화학반응이 진행되지 않을 뿐만 아니라 그 후 적당한 온도로 양생하여도 강도, 내구성, 그리고 수밀성등에 나쁜 영향을 미친다. 따라서 응결경화의 초기에는 콘크리트 타설 후 적어도 24시간동안 거푸집이 없는 콘크리트 표면이 동결되지 않도록 적절한 방법으로 보호를 해 주어야 한다. 이렇게 콘크리트 표면을 보호해 주면 초기동해를 방지할 수 있다. 또한 AE제를 사용하여 잘 양생하고 건조시키면 추운 날씨에도 동해를 입지 않는다.

콘크리트의 동결온도는 혼화제의 종류 및 사용량에 따라 다르나 대략 -5℃∼-2℃ 정도이다. 콘크리트 타설 후 처음 24시간동안 보호를 해주는 것은 동해에 대한 보호를 의미하므로 24시간 보호가 반드시 시방서에 규정된 강도를 보장한다는 의미는 아니다.

(2) 最短保護其間

<표3>의 1항에 규정되어 있는 온도를 콘크리트를 보호하기 위해 필요한 최단기간은 <표4>와 같다. 이 경우는 AE제를 사용한 콘크리트이며 양생을 충분히 하여 동결이 없는 경우에만 이용 가능하다.

<표4>에서 각항에 해당되는 경우를 설명하면 다음과 같다.

① 荷重無, 露出無: 기초 및 하부구조에 사용되는 콘크리트가 해당된다. 이 경우 콘크리트는 지하에 깊이 있거나 뒷채움되어 있기 때문에 초기하중을 받지 않고 일반적으로 동결되지 아니하며 콘크리트는 자연양생이 된다.

② 河重無, 露出: 중력식 교각이나 댐(Dam)에 사용되는 콘크리트가 해당된다. 이 경우 콘크리트는 동결에 노출되고 조기하중은 받지 않는다. 콘크리트 내부는 자체적으로 양생이 되지만 외부는 기후조건이 좋은 경우에만 양생이 된다. 내부온도 상승이 대단히 큰 중력식 콘크리트 구조물에 강도를 증진시킬 목적으로 경화촉진제를 사용해서는 안된다.

③ 부분하중, 노출: 이 경우의 콘크리트는 자연양생 시킨 후 콘크리트가 완전히 강도를 갖기전에 부분적으로 하중을 받고 대기에 노출되는 경우인데 건물구조의 콘크리트 등이 해당된다.

④ 전하중, 노출: 이 경우의 콘크리트는 자연양생시킨후, 콘크리트가 완전한 강도를 갖기전에 구조물 전체가 하중을 받고 대기에 노출되는 경우인데 <표4>의 4항에 나와있는 보호기간을 유지해주어야 하고 특히 안전강도를 확보하기 위해서는 보호기간을 얼마간 더 추가해 주어야 한다.

<표4> 荷重콘크리트의 최단보호기간
 

(3) 최소초기양생기간

초기양생은 반드시 보온양생을 하는 것으로 대부분(일본, 미국) 규정되어 있으며 타설된 콘크리트의 어느 부분에 대해서도 콘크리트의 온도가 0℃ 이하가 되지 않도록 해야 한다. 일본의 경우 초기양생은 구조체 콘크리트의 강도추정을 위한 압축강도 시험방법(JASS5T-603)에 따라 구한 압축강도 이상이 될 때까지 계속하도록 되어있다. 초기양생완료 후 계속하여 양생을 할 필요가 없는 경우에는 콘크리트가 급격히 냉각되지 않도록 하여 특히 콘크리트의 노출면은 그 후 2일 이상 적절한 재료를 덮어 보호한다. 콘크리트 구조물의 시공계획상 콘크리트의 강도가 설계강도의 일정비율에 이르는데 소요되는 기간을 파악하는 것은 대단히 중요한 사항이다. 양생온도를 10℃와 21℃로 했을 때 설계강도의 일정비율에 소요되는 재령을 <표5>에 나타내며 콘크리트의 강도50kg/cm²를 얻기 위한 최소초기양생기간은 <표6>과 같다.

<표5> 설계강도의 일정비율에 소요되는 재령(단위 : 일)
 

<표6> 콘크리트 50kg/cm²을 얻기 위한 최소 초기 양생기간

8. 寒中콘크리트의 目標

(1) 寒中콘크리트의 구비조건

앞에서 기술한 한중콘크리트의 일반 및 특수사항을 종합하여 ACI에서 규정하고 있는 한중 콘크리트의 구비조건은

• 초기동해의 방지
   
• 거푸집 제거촉진을 위한 조기강도의 획득
   
• 온도 및 습도가 적당한 양생조건 유지관리
   
• 급격한 용도에 맞는 경제적인 시공 및 보호로 요약할 수 있으며 각각에 대해 설명하면 다음과 같다.

① 초기동해의 방지

콘크리트의 수화가 시작되면 콘크리트의 포화도는 감소하기 시작한다. 이때 동해를 일으키는 포화도보다 낮은 포화도에 이르는데 소요되는 시간은 콘크리트가 3.5MPa(35kg/cm²)의 압축강도에 도달하는데 소요되는 시간과 일치한다. 10℃의 온도에서 배합이 잘된 콘크리트는 타설후 2일이 경과하면 이 강도에 도달할 수 있다.

② 거푸집 제거 촉진을 위한 조기 강도의 획득

콘크리트로 하여금 구조물기능에 적합한 강도를 갖도록 하여 신속히 거푸집을 재사용할 수 있게 하고 시공중이나 시공후 발생하는 하중에 대하여 충분히 안전하도록 해야 한다.

③ 온도 및 습도가 적당한 양생조건을 유지관리하여 과도한 열을 발생하지 않고 보통의 강도증진을 갖도록 해야 한다.

④ 급격한 온도변화의 방지

특히 온도응력을 견디지 못할 정도로 콘크리트의 강도가 충분치 못한 경우에는 급격한 온도변화가 아주 해롭다. 콘크리트 표면이나 내부재에 연결된 외부재에 급격한 냉각을 주게 되면 균열을 발생시켜 강도와 내구성을 해친다.

그리고 마지막 보호단계에서는 콘크리트 단면마다 온도하강이 서서히 일어나야 하는데 이는 콘크리트의 열공급을 서서히 줄여주든지 또는 단열재의 두께를 조절하면 된다.

⑤ 구조물의 용도에 맞는 경제적인 시공 및 보호

콘크리트 구조물은 장기간 사용하도록 설계된다. 그러나 다음과 같은 경우에는 그 강도가 저하되어 구조물이 손상을 입게되므로 사전에 적절한 시공법을 채택하여 보호해 주어야 한다.

• 콘크리트 구조물의 모서리가 동해를 받을 때
   
• 과열(Over Heating)로 인한 균열이 발생할 때
   
• 보호대책이 적절하지 못할 때
   
• 양생이 적절하지 못할 때
   
• 염화칼슘이 한계치 이상 사용될 때
   
• 감독소홀로 인한 불성실한 시공시

(2) 寒中콘크리트의 시공방침

상술한 한중콘크리트의 목표를 달성하기 위하여 <그림2>와 같은 시공흐름도에 따라 관련성을 고려한 계획을 세워 시공한다.

이러한 흐름에 따라 한중콘크리트를 계획 시공하는데는 특히 양생방법선정, 공사기한에 따른 배합선택 적절한 재료의 선택 및 시공관리에 특히 중점을 두어야 한다. 배합계획은 시공전적에 기상예보에 근거하여 계획변경에 대비하고 계획한 보온재료나 가열설비등으로 보온양생하여 시공한다. 콘크리트 타설 후 양생온도를 파악하기 위해서 온도, 바람 등 기상자료를 관측하고 주기적으로 강도실험을 통해 강도 발생상태를 확인하여 그 결과에 따라 초기양생 중지 및 계속, 거푸집 제거시기등을 결정한다. 이러한 한중콘크리트의 시공자료는 최소한 2년정도 보존하여 타공사에 참고할 수 있도록 한다.

(3) 寒中콘크리트 施工方法의 分類 및 변경 選擇

한중콘크리트의 시공방법에 대해 RILEM의 한중콘크리트 시공지침에서 분류하여 나타내고 있는 것을 요약해보면

① 배합설계의 변경: 단위시멘트량의 증대나 활성이 높은 시멘트 즉, 조강시멘트나 초조강시멘트의 사용 등의 배합변경은 강도 발현의 촉진이나 Moss Concrete의 경우에는 수화열발현의 급속와에 유용하다. 특히 빙점 이상의 온도조건의 경우에는 일반적으로 배합의 변경만으로 해결할 수 있는 것이 보통이다.

② 단열방법(Thermos Methel): 단열성의 재료를 상요하여 열손실을 작게하는 방법으로 시멘트의 수화열을 이용할 수 있다. 이 방법은 부재의 두께 또는 표면적비 관계하는 것이 많고 주로 서서히 단기간의 동결이 예상될 때 이용되는 방법이다. 건축의 경우에는 단면이 얇기 때문에 수화열을 이용할 경우 단열형거푸집이나 단열피복재를 사용해야만 목적을 달성할 수 있다. 눈(雪)이 적은 북유럽 등에서는 일반적인 방법으로 알려져 있다.

③ 가열방법: 콘크리트를 타설한 구조물의 주위 또는 표면 등을 인위적으로 가열하여 콘크리트를 빙점 이상의 온도로 유지하고 강도발현을 촉진시키는 방법이다.

④ RILEM에서는 인정하고 있지않으나 소련에 있어서는 대량이 염화물을 넣는 방법이 있는데 무근의 매스 콘크리트에는 가능한 방법이라고 한다.

이러한 시공방법은 구조물의 크기 정도(표면적비), 가열비용, 가설비용, 시멘트 종류에 따른 경비, 노동경비 등에 따라 선택되고 일반적인 방법은 아니며 한중콘크리트 시공시 콘크리트의 확보 및 양생에 관하여 ACI에서는 <표7>과 같이 대기온도별로 제시하고 있다.

<표7>에서 보는 바와같이 아주 기온이 낮은 경우에는 가열을 해주어야 하는데 대기온도가 매우 낮고, 바람이 세며, 콘크리트 단면이 작은 경우는 완전한 지붕씌우기(Housing)를 해줘야 한다.

지붕씌우기는 상당한 비용이 들지만, 한 번 제작하면 재사용이 가능하므로 비용자체는 그리 큰 문제가 되지 않는다. 최근에는 지붕씌우기 재료로서 폴리에틸렌을 많이 사용하는데 이 재료는 가볍고, 바람을 잘 막아주며, 햇볕을 들어오게 하여 인부들의 시간당 콘크리트 생산량을 배로 증가시킬 수 있다.

<표7> 콘크리트 보호 및 양생법