한중콘크리트의 시공 2

한중콘크리트의 시공(Ⅰ)

Ⅱ. 材料 및 配合

1. 시멘트

우리나라 콘크리트 표준시방서에는 한중콘크리트의 경우 시멘트는 포틀랜트 시멘트를 사용하는 것을 표준으로 하고 있다. 포틀랜드 시멘트를 사용하면 저온양생시 초기재령의 강도발현의 지연정도가 작고 콘크리트의 동해를 줄일 수 있기 때문이다. 매시브한 콘크리트를 제외하고는 경화가 빠르고 수화열이 높은 조강포틀랜드 시멘트 및 초조강포틀랜드 시멘트 및 초조강포틀랜드 시멘트의 사용이 바람직하다.

이외에도 특수한 시멘트로서 알루미나 시멘트와 같은 超速硬 시멘트가 한중콘크리트에 사용되는 경우도 있다. 알라미나 시멘트의 수화물은 약 25℃ 이상에서 전이를 일으켜 강도를 저하시킨다. 그러므로 전이에 의한 강도의 저하를 최소한으로 억제하기 위해 물, 시멘트비를 45% 정도로 하여 저온의 콘크리트를 만들고 살수(撒水)등을 통하여 콘크리트의 온도상승을 막아야 한다.

RILEM의 한중콘크리트 시공지침에는 원칙적으로 보통 포틀랜드시멘트와 조강시멘트를 사용하도록 되어있다. 가열양생 배시브한 부재에는 단열방법(Thermos Methel)사용시 高爐 시멘트가 인정된다. 포틀랜드 포조란 시멘트는 가열양생이 의무화되어있는 경우만 인정하고 있으며 현장반입 전에 시멘트의 반응성을 실험실에서 검사하여 Slip Form 공사에는 강도시험 외에 건설공사 실제 주위온도에 따른 응결시간을 시험해야 한다. 특히 가열하지 않고 양생된 경우에는 시멘트의 수화열을 실험에 의해 조절하도록 하고 있다.

시멘트는 될 수 있는 한 냉각되지 않게 저장하고 직접 가열을 하지 않도록 한다.

시멘트가 너무 냉각되어 있으면 소정온도의 콘크리트를 만드는데 다른 재료의 온도를 높여야 되므로 시멘트는 적당한 온도의 창고에 저장해야 한다. 시멘트를 직접 가열해서 균일한 온도로 만들기는 곤란하다. 또 온도가 매우 높은 시멘트와 물을 접촉시키면 급결하여 콘크리트에 나쁜 영향을 미치므로 시멘트를 직접 가열하는 것을 금하고 있다.

2. 골재

(1) 골재의 사용

동결되어 있거나 또는 빙설이 혼입되어 있는 골재를 그대로 사용해서는 안된다.
골재가 동결되어 있는 경우 이것을 그대로 사용하면 콘크리트의 온도가 낮아져서 콘크리트가 동결할 염려가 있고 또 골재에 빙설이 혼입되어 있는 경우 이것을 그대로 사용하면 만들어지는 콘크리트의 온도가 낮아질 뿐 아니라 콘크리트의 단위수량을 일정하게 유지하기 어렵다. 그러므로 골재는 쉬트등으로 덮어 저장하는 것이 좋다.

(2) 골재가열

골재가열은 온도가 균일해야 하며 또한 과열(Over Heating)시켜서는 안된다.
한중콘크리트 시공법은 구조물의 종류와 크기등에 따라 다르나 5℃이상에서는 상온시공으로 무방하며 5℃∼0℃에서는 간단히 주의와 보호대책이 필요하고, 0℃∼-3℃에서는 물 또는 물과 골재를 가열하고 아울러 보온대책도 세워야 한다.

골재에 얼음이나 언 골재덩이가 없으면 보통은 물만 가열시키지만 기온이 0℃이하로 하강하면 골재도 가열시킨다. 물과 골재를 함께 가열할 때는 물을 60℃로 그리고 골재는 15℃정도로 가열하는 것이 좋다.

만약 粗骨材가 매우 건조하고 얼음이나 언 골재덩이가 없는 경우는 단지 물과 모래만 가열시키는데 물을 60℃로 그리고 모래는 40℃로 가열하는 것이 좋다.

(3) 골재의 온도

재료를 가열했을 때 만들어지는 콘크리트의 최종온도는 대략 다음 공식에 의하여 구한다.

T = [0.22(TsWs + TaWa + TcWc) + TwWw + TsWws + TaWwa] ÷[0.22Ws + Wa + Wc) + Ww + Wwa + Wws]

여기서,

T : 콘크리트의 최종온도(。F 또는 ℃)

0.22 : 시멘트 및 골재의 평균비열

Tc,Ts,Ta,Tw : 시멘트, 세골재, 조골재, 및 배합수의 온도(。F 또는 ℃)

Wc, Ws, Wa, Ww, Wws, Wwa : 시멘트, 세골재(함수량을 제외한), 세골재에 있는 표면수의 중량(1bf 또는 kgf)

만약, 골재의 온도가 0℃로 끌어올린 다음 융해하는데 필요한 열을 고려하여 윗 공식을 다음과 같이 수정해야 한다. 이 경우에 TsWws 및 TaWwa는 다음과 같이 수정된다.

Wws(0.5Ts - 143)

Wwa(0.5Ta - 143) - 미국단위

Wws(0.5Ts - 80)

Wwa(0.5Ta - 80) - S.I단위

여기서 0.5는 얼음의 비열이고 143과 80은 얼음을 융해시키는데 필요한 융해열이다.

(4) 골재가열법

① 증기가열법

이 방법은 골재저장소 바닥에 파이프를 깔아 이 속으로 증기를 통과시켜 골재를 가열시키는 방법으로 골재의 함수비에 영향을 적게 미치는 좋은 골재가열법이다. 그러나 국부적 과도가열 및 국부적 건조현상이 발생할 수 있다. 증기가열법으로 골재를 융해시키거나 가열시키는 경우는 언 골재덩어리가 생기지 않고 열이 균일하게 분포되도록 골재표면을 타포린으로 덮어주는 것이 좋다.

② 화기가열법

화기가열법은 증기가열법과 원리는 동일하지만 이 방법에서는 증기 대신 화기(불)를 관속으로 보내는 방법으로 소규모공사에 적합하다. 이 방법은 골재의 함수비에 영향을 미치지 않으나 국부적으로 과도하게 가열되거나 건조시킬 우려가 있다.

③ 증기분사법(Steam Jets)

이 방법은 가열시킨 증기를 골재에 직접 분사시키는 방법으로 골재의 함수비차를 유발하는 단점을 지니고 있다. 그러나 온도가 매우 맞은 골재를 융해시킬 때는 이 방법이 적합하다.
이 밖에도 생증기(Live Steam) 및 건조열(Dry Heat)을 이용하여 골재를 융해시키거나 가열시키는 방법도 있다.

(5) 골재가열시 유의사항

① 골재가열시 언 골재덩어리가 들어가지 않도록 한다.
왜냐하면, 콘크리트 배합시 종종 76mm이상의 언 골재덩어리가 들어가 강도를 저하시키는 경우가 있기 때문이다.

② 골재를 과열(Over heating)시켜서는 안된다.
배치(BAtch)에 넣을 때 골재의 국부온도는 100℃를 초과해서는 안되고 또한 골재평균온도도 65℃를 초과해서는 안된다.

③ 골재의 온도변화는 크지 않아야 한다.
온도변화가 크게 되면 소요수량, AC제량, 경화율, 슬럼프치를 변화시키기 때문에 골재는 균일하게 가열시켜야 한다.

3. 혼화제

일반적으로 한중콘크리트에는 AE콘크리트를 사용하도록 규정하고 있다. 혼화재를 사용하여 AE콘크리트(공기연행 콘크리트)로 만들면

첫째, 단위수량을 적게하여 콘크리트의 결빙현상을 줄이는데 효과적이고

둘째, 한중콘크리트의 시공지역은 대체로 동결융해가 반복되는데 이러한 동결융해에 대한 내구성을 증진시키며

셋째, 충분한 강도를 갖기전에 동결될 경우 동해를 작게 한다.

AE제 및 감수제 등의 혼화제를 사용할 경우 5% 정도의 공기량 확보가 대단히 중요하다. 25mm의 보통골재를 사용할 콘크리트는 4%, 인공경량골재를 사용한 콘크리트는 5%의 공기량을 확보하면 초기동해방지에 대단히 유리하다.

그러나 혼화제를 사용함으로 인해 강재의 녹, 콘크리트의 투수성등에 대한 부작용이 생기지 않는 범위에서 사용해야 한다. 한중콘크리트에 주로 사용되는 혼화제를 종류별로 분류하여 기술하면 다음과 같다.

(1) AE제 및 감수제

① AE제 및 AE감수제

일반적으로 AE제를 혼입하면 콘크리트의 압축강도는 약간 저하된다. AE제와 AE감수제는 콘크리트의 포화조건에서 내동해성이 있는 불연속의 球狀空隙을 형성시켜 緩衡的 역할을 하며 재료의 분리를 적게하고 균일성을 증진시켜 투수율을 감소시킨다. 우리나라에서는 KS F4050(AE제) 및 KSF4051(감수제)의 기준에 맞는 것을 사용하도록 규정하고 있다.

AE제의 사용에 따른 감도저하 상태의 일례를 보면 <표8>과 같다. <표9>는 각종 계열의 AE제에 대해 공기연행에 따른 내동해성을 분석하기 위한 동결융해실험결과이다. 이 결과에 따르면 AE제를 사용하지 않은 콘크리트는 동탄성계수가 급격히 저하되지만 사용한 경우는 레진계 및 알킬 벤졸계, AE제의 경우 동탄성계수가 급격히 저하되지 않는다.

<표9> 각종 AE제별 공기량상태 및 동결융해실험결과
 

② 감수제

감수제는 콘크리트의 수량을 10∼15% 감소시키는 것과 동결작용에서 구조물의 결함가능성을 감소시키므로써 물,시멘트비의 저하에 따른 강도가 증대된다. 그러나 응결시간을 지연시키는 것은 촉진제나 지연제를 혼합하여 사용하도록 하고 있다.

고성능감수제의 경우는 단위수량을 감소시키는데 대한 저항성에 있어서는 아직 본격적으로 취급되지 않고 있어 일반적으로 동결수의 동결에 따른 압력이완 공극을 적게하는 것이 염려되고 있다.

<표8> AE제 혼입율에 따른 콘크리트의 압축강도 및 동탄성계수
 

(2) 防凍劑

방동제로서는 소련의 경우 상당한 실적이 있다고 한다.

RILEM에 제시하고 있는 방동제로서

• 亞硝酸 소다
   
• 炭酸카리
   
• 식염 또는 아초산소다와 혼합한 염화칼슘
   
• 칼베미드와 혼합된 아초산칼슘

등이 있으며 시멘트중량의 10%이상 첨가하여 배합수의 빙점을 저하시킴으로서 포틀랜드 시멘트가 0% 이하에서 수화하여 콘크리트는 -15℃ 또는 -25℃이하에서도 강도가 발현된다고 한다. 단 시멘트의 응결시간이 짧게 되어 소성(Plasticity)이나 경화후의 성질을 변화시키기 때문에 미리 콘크리트의 성질에 관한 다음의 시험을 하도록 요구한다.

• 콘크리트 구조물의 표면에 도장 기타의 마무리계획시, 외관상 미를 요구할 경우의 Efflorescence시험
   
• 소성인(Plastic)콘크리트의 반죽질기(Workablity)나 경화속도 및 계획수립시 지시된 성질에 대한 영향 조절시험

(3) 경화촉진제

조기강도를 증진시키기 위하여 경화촉진제, 조강시멘트(3종), 그리고 특수시멘트를 사용할 수 있다. 이러한 강도증진용 혼화제를 사용하면 보호기간을 단축시킬 수 있고 조속히 거푸집을 재사용할 수 있으며 버팀대의 조기철거가 가능하다.

조기강도를 증진시키기 위하여 이러한 혼화제를 사용하면 결과적으로 수화열이 증가하게 되는데 이는 대부분의 경우 그리 크게 문제가 되지 않는다.

시멘트 성부중 3중 칼슘규산염(Tricalcium Silicate)이나 3중칼슘 알루민산염(Tricalcium Aluminate)과 같은 성분을 한중콘크리트에 적절한 시기에 적정량 투입하면 수화열을 발생시키기 때문이다. 그러나, 동종의 시멘트일지라도 시간과 강도관계에 따라 상당한 차이가 있으므로 구조물에 사용될 시멘트를 갖고 여러 가지 실험을 하는 것이 좋다.

경화촉진제의 종류와 사용에 따른 주의 사항에 대해서 기술하면 다음과 같다.

① 염화칼슘(Calcuim Chloride)

염화칼슘이 경화촉진제로서는 인기도 있고 널리 사용되고 있다. ACI Committee 212 및 Reference 3의 "콘크리트 혼화제 사용에 관한 지침서"를 보면 혐화칼슘의 사용법과 효과에 대하여 상세히 설명되어 있다. 특히 포틀랜드 슬래그 시멘트에 염화칼슘을 사용하는 법이 상세히 소개되어 있다.

염화칼슘을 사용할 때는 몇가지 점에 주의를 해야 하는데 아래와 같은 경우에 염화칼슘을 사용해서는 안 된다.

(가) P.S콘크리트에 염화칼슘을 사용해서는 안된다. 왜냐하면 부식을 증가시켜 응력을 감소시키기 때문이다.

(나) 지붕상판용 거푸집이나 매설 부분의 거푸집으로 아연강을 사용하는 경우 아연강의 아연부식은 염화물과 관련이 있으므로 이런 부분에 염화칼슘을 사용해서는 안된다.

(다) 콘크리트에 염화칼슘을 증가시키면 콘크리트속에 매설한 금속의 아연부식은 증가되는데 다음과 같은 실례가 있다.

첫째, 콘크리트속에 넣은 알루미늄판이나 철판이 외부로 연결될 때 알루미늄의 아연부식은 염화칼슘농도에 비례했다.

둘째, 철근콘크리트 슬래브속에 철근과 송전용 알루미늄도관을 함께 매설하였을 경우에는 염화칼슘이 아연부식을 증가시켰다.

(라) 황산에 저항해야 되는 콘크리트에 염화칼슘을 사용해서는 안된다.

(마) 기후조건에 따라 콘크리트의 염화칼슘이 변하게 되면 염화칼슘의 농도집중현상을 일으켜 농도가 큰 부분에서는 부식이 심각하다.

이런 현상은 철근을 많이 쓰는 구조물에서는 상당히 위험하다.

② 기타 경화촉진제

ASTM C494의 "콘크리트에 사용되는 화학혼화제, E형태"에 나와 있는 몇몇 감수제는 10℃이하에서는 단위수량을 줄여준다. 대부분의 E형태 감수제는 염화칼슘을 소량 지니고 있는데 그 량은 대략 시멘트의 0.2% 정도이다.

이 정도의 염화칼슘은 콘크리트의 초기강도에 상당한 효과가 있다. 그러나, 실험을 통해 보면 ASTM C494에 나와 있는 몇몇 감수제는 10℃에서 배합하여 10℃의 기온에 노출시키면 24시간동안 강도증진을 가져온다. 그와 같은 강도는 2%의 염화캄슘을 사용하여 얻을 수 있는 콘크리트의 강도에 가깝다. 이것은 3종 시멘트를 사용하여 얻을 수 있는 강도보다 크다. 자료를 통해보면 감수제는 양생후반에 실질적인 강도증진을 가져온다.

(4) 혼화제에 관한 실험

특수혼화제가 현장콘크리트의 성질에 미치는 효과를 알기 위해서는 가능하면 실험을 하는 것이 좋다. 많은 혼화제 제조업자들은 혼화제를 사용하면 경화가 촉진되고 강도가 증진된다고 주장하지만 대부분의 혼화제는 염화칼슘을 함유하고 있기 때문에 사용자는 혼화제에 염화칼슘이 함유되어 있는지 여부를 확인하고 콘크리트에 사용할 혼화제량을 시멘트에 대한 중량비로 결정해 놓아야 한다.

4. 寒中콘크리트의 配合計劃

한중콘크리트의 배합계획은 소정의 재령에 따른 소요성능, 초기동해방지에 필요한 압축강도, 초기양생계획 및 기관 등 제반조건을 검토하여 수립해야 한다. 일본의 JASS 5에는 한중 콘크리트의 배합에 대한 제반사항으로서 아래의 조건이 요망되고 있다.

(가) 물, 시멘트비는 60% 이하로 할 것

(나) 단위수량은 가능한 적게 할 것

(다) AE제 또는 AE감수제를 사용할 것

(라) 단위 시멘트량의 증대 혹은 過小를 피할 것

(표면활성제 사용시 270kg/cm²이상 450kg/cm²이하)

일본의 JASS 5를 참고로 하여 배합계획시 배합강도 및 물,시멘트비를 산정하는 방법에 대해서 아래에 기술한다.

(1) 배합강도에 따른 물, 시멘트비 선정

(가) 기온에 따른 콘크리트 강도의 보정값(T)를 이용하는 방법

① 배합강도선정

ㆍ콘크리트 품질이 고급인 경우

Fc+1.64σ(kg/cm²)

0.8(Fc+T)+3σ(kg/cm²)

ㆍ콘크리트 품질이 보통인 경우

Fc+T+σ(kg/cm²)

0.7(Fc+T)+3σ(kg/cm²⁾

여기서,

F : 콘크리트의 배합강도(kg/cm²)

Fc : 콘크리트의 설계기준강도(kg/cm²)

Fc+T : 콘크리트 기온보정강도(kg/cm²)

T : 콘크리트 타설후 28일까지 기간의 예상평균기온에 따른 콘크리트 강도의

보정값(kg/cm²) <표10>

σ : 콘크리트 강도의 표준편차(kg/cm²)

- 고급품질인 경우

레미콘 : 공장의 추정치

현장배합시 : 추정치 혹은 25kg/cm²

- 보통품질의 경우

레미콘 : 공장의 추정치

현장배합시 : 추정치 혹은 35kg/cm²

<표10> 콘크리트 강도의 기온에 따른 보정값 T의 표준차
 

② 물, 시멘트비

물,시멘트비는 배합강도 F를 만족하도록 산정하되 최대치인 60%를 넘지 않도록 한다.

우리나라 건설부의 콘크리트표준시방서에는 Abrams의 제안식(σ₂₈ = -210 + 215C/W)을 일률적으로 사용하고 있어, 시멘트의 종류별 강도에 따른 물시멘트비의 산정식이 정해져야 할 것이다.

(나) 적산온도에 의한 방법

이 방법은 적산온도(Maturity Factor)가 210°D·D 이상의 경우에 사용하며 조강포틀랜드 시멘트 또는 초조강포늘랜드 시멘트를 사용한다. 신뢰할 수 있는 자료에 근거하여 배합강도에 따른 물시멘트비를 정할 경우는 감독 승인하에 적산온도가 210°D·D 미만의 경우도 적용할 수 있다.

① 배합강도 선정
재령 28일을 기준으로 한 배합강도 F는 (가)에서와 같이 하되 기온에 따른 콘크리트의 강도보정값(T)은 0으로 한다. 28일 이외에 재령을 기준으로 할 경우는 결도로 감독 승인하에 정하며 적산온도M은 다음 식으로 구한다.
 

Z =1

여기서,

z : 재령(일)

Z : 필요한 강도를 얻기 위한 기간(일)

Θz : 재령 Z일에 있어서 콘크리트의 일평균양생온도(℃)

(보통양생시는 예상일평균량생온도로, 보통양생을 하지 않은 경우는 예상 일평균기온으로 함)

② 물시멘트비 결정

배합강도 F를 얻기위한 물시멘트비 x_L은 다음식으로 구한다.

x_L = αχ₂₀(%)

여기서,

x_{L :} 적산온도 M(。D·D)일 때 배합강도 F를 얻기위한 물시멘트비(%)

χ₂₀ : 콘크리트의 양생온도가 20±2℃일 때 28일에서 배합한 강도 F를 얻기위한 물시멘트비(%)

α : 적산온도에 따른 물시멘트비의 보정값(<표11>)

<표11> 적산온도에 따른 물시멘트비 보정계수 α의 산정식
 

5. 배합시 온도기준 및 배합

배합시 콘크리트의 온도는 <표1>에 규정된 최저온도보다 6℃이상 높지 않은 것이 좋으며 11℃이상은 반드시 피해야 한다. 규정된 온도를 골재를 균일하게 가열시키는 일은 어려운 일이므로 더운 둘과 차가운 물을 적당히 배합하여 최저온도보다 6℃이상 높지 않은 콘크리트를 만들어야 한다.

물은 규정온도로 一買性이 있어야 하며 충분한 량으로 온도변화가 심하지 않아야 한다. 뜨거운 물과 시멘트를 갑자기 배합하면 급결하여 시멘트가 구의 형태로 뭉쳐지는 수가 있으므로 물의 온도는 60℃이상으로 배합하는 경우는 골재의 투입순서를 조절할 필요가 있다. 즉, 처음에 뜨거운 물과 조골재를 먼저 투입하고 그 다음에 시멘트를 넣는다. 시멘트와 골재를 투입할 때는 물의 공급을 중단하거나 천천히 주입하는 것이 좋다.
만약 시멘트와 골재를 분리시켜 배합하는 경우에는 배합이 쉽지 않다.
이 경우는 골재투입전에 가열시킨 물의 약 3/4을 드럼에 먼저 넣은 다음 골재를 넣고 시멘트를 넣는다. 나머지 1/4의 물은 마지막으로 적절한 속도로 드럼의 배출구를 통하여 투입한다. 만약 콘크리트의 최종온도가 <표1>의 최저허용온도보다 6℃이상 높지 않으면 끓는 물도 사용가능하다. 가열시킨 물과 AE제가 처음 접할 때는 그 효율이 떨어질 수 있으므로 차가운 골재와 접촉시켜 먼저 물의 온도를 낮춘 후 AE재를 투입해야 한다.