매스콘크리트의 특성, 온도 관리, 균열 제어 대책

매스콘크리트 정의

매스 콘크리트는 토목의 댐 공사는 물론이고 교량의 기초 및 교각 등에 주로 사용하였으나, 최근 들어서는 건축공사에 있어서 구조물의 대형화에 따른 매트(Mat) 기초 등에 많이 적용되고 있습니다. 일본건축학회의 「JASS 5」에서는 부재 단면의 최소 치수가 80㎝ 이상이고, 수화열에 의한 콘크리트의 내부 최고 온도와 외기온도와의 차가 25℃ 이상이 될 것으로 예상되는 콘크리트를 「매스 콘크리트」라고 정의하고 있으며, 국내의 경우 단면 최소 치수가 80∼100㎝ 이상이거나 하단이 구속되어 있는 벽으로 두께 50㎝ 이상의 콘크리트를 「매스 콘크리트」로 분류하고 있습니다. 콘크리트는 경화 과정에서 발생하는 시멘트의 수화열에 의해서 온도가 상승하며, 특히 단면이 큰 구조물에서는 이 온도 상승 때문에 균열이 발생하여 구조물의 수밀성이나 내구성을 훼손하는 경우가 많이 있습니다. 따라서, 수화열에 의한 「온도균열」의 발생을 억제하기 위한 재료, 배합, 제조, 타설 및 양생 방법 등에 대한 종합적인 대책을 강구할 필요가 있습니다.

매스콘크리트의 특성, 균열

콘크리트 부재에서는 수화열에 의해 상승한 온도가 표면으로 열이 방출되면서 부재의 안팎에는 온도 차가 생깁니다. 이러한 온도 변화에 따라 여러 가지 온도 응력이 발생하며 이때 발생하는 균열을 온도 균열이라 합니다 (1) 초기 균열

매스 콘크리트에서는 콘크리트가 고온이 되기 때문에 바람이나 일사 광선의 영향을 받는 경우에 수분이 급격하게 증발하므로 소성수축 균열이 방생됩니다. 또한, 매스 콘크리트는 일반적으로 두꺼운 부재이므로 타설 후 시간 경과에 따라 콘크리트가 침강하고 부재 표면에 철근을 따라 침강 균열이 발생하기 쉽습니다.

(2) 내부 구속 온도 균열

내부 구속 정도는 콘크리트 구조물의 내외부 온도 차이의 정도에 의해 결정되며, 내부 구속 균열은 콘크리트의 내부와 표면과의 온도 차이에 의해 발생합니다. 수화열 영향으로 콘크리트의 내부는 온도가 높아지고, 표면은 외부온도에 의해 낮아지므로 균열의 발생 원인이 됩니다. 온도가 낮은 표면은 팽창량은 적게 발생하고 온도가 높은 내부 팽창량은 크기 때문에 내부의 콘크리트가 구속하여 표면 부에 인장응력이 발생하고 더불어 균열이 발생하는 것입니다(풍선 내부에 공기를 지나치게 불어넣으면 표면 고무가 파괴되는 것과 유사함). 표면과 내부의 온도 차는 재령 1∼5일에서 콘크리트 내부 온도가 최대에 도달했을 때 최대가 되는 경우가 많으며, 균열은 콘크리트의 온도가 최대가 되는 재령 1∼5일 또는 거푸집의 탈형 직후에 발생하기 쉽습니다. 균열은 표면에 분산해서 발생하며, 균열폭은 0.1∼0.3mm 정도로 불규칙성을 띠고 있습니다. 그러나 내부 구속에 의해 표면에 발생한 균열이 건조수축이나 외부 구속에 의해 커다란 관통 균열로 진전하기도 하기 때문에 주의가 필요합니다.

(3) 외부 구속 온도 균열

외부 구속이 탁월한 경우는 탄성계수가 큰 암반 위에 콘크리트를 타설 하는 경우나 기타 설 콘크리트 위에 콘크리트를 타설 하는 경우가 이에 해당합니다. 타설 된 콘크리트는 온도가 최고치에 도달한 후에 최종적으로 외기온도와 같을 때까지 온도가 내려갑니다. 이 온도 강하게 의해 콘크리트 체적은 수축하지만 하층의 콘크리트 또는 암반에 구속되어 외부 구속 균열이 발생하게 되는 것입니다.

(4) 콜드조인트 (Cold Joint)

매스 콘크리트의 시공에서는 일반적으로 대량의 콘크리트를 장시간에 걸쳐 타설 합니다. 이 때문에 제조된 콘크리트의 온도가 높으면 수화열에 의한 온도 상승도 더 빨라져 응결이 빠르게 진행하여 콜드조인트 등의 문제가 발생하기 쉽습니다. 따라서, 매스 콘크리트에서는 사용하는 콘크리트의 온도를 가능한 한 낮게 하며, 플라이 애시, 고성능 감수제 및 지연형 감수제의 사용으로 경화 속도를 지연시킬 필요성이 있습니다.

매스 콘크리트의 강도 특징

○ 부재 크기가 큰 매스 콘크리트에서는 전술한 바와 같이 수화열이 내부에 축적되어 콘크리트가 고온이 되기 때문에 일반 콘크리트와는 다른 강도 발현을 나타냅니다. 매스 콘크리트는 표준 수중양생을 한 콘크리트(20℃의 양생을 한 공시체)와는 전혀 다른 경향을 나타내며 콘크리트 타설 후 수일간은 표준 수중양생의 경우보다 약 2배의 급속한 강도를 발현하고 그 후의 강도의 증가는 완만히 이루어집니다. 그 이유는 높은 온도에서는 시멘트 수화반응이 촉진되기 때문입니다.

○ 부재 두께가 큰 매스 콘크리트의 강도 발현은 시공 시기에 따른 경향

1) 여름의 고온기에 타설 한 매스 콘크리트는 특히 큰 온도 상승을 나타내고 콘크리트 타설 후 초기에 현저히 빠른 강도 발현을 나타냅니다. 그러나 그 후의 강도 증가는 완만하여 장기 강도는 다른 시기에 시공한 매스 콘크리트보다 작게 됩니다.

2) 겨울 저온기에 타설 한 매스 콘크리트는 완만히 온도 상승을 하기 때문에 콘크리트 타설 후 완만한 강도 발현을 합니다.

그러나 다른 시기에 시공한 경우와 비교하여 온도 상승량이 적고, 현저한 고온 상태는 되지 않으므로 강도의 증가가 장기간 진행하고, 장기 강도도 크게 됩니다.

3) 상온이 (봄·가을)에 타설 한 매스 콘크리트는 여름과 겨울에 타설 한 매스 콘크리트의 중간 위치에서 강도 발현을 합니다.

매스콘크리트 균열 제어

각시기에 타설 한 매스 콘크리트의 초기강도와 장기 강도의 관계가 역전하는 시기는 시멘트의 종류, 시공 조건 등에 따라 틀리지만 7일∼28일 전후입니다. 매스 콘크리트의 온도 균열 발생을 억제하는 방법으로는 다음과 같이 크게 2가지로 구분할 수 있습니다.

● 콘크리트의 응력을 낮추는 방법

● 다른 응력을 가해 온도응력을 상쇄시키는 방법

시공 조건, 환경조건 등을 고려하여 선정되어야 하며, 일반적으로 「발생 응력을 낮추는 방법」이 많이 사용됩니다.

1) 타설 후의 콘크리트 부재의 내부 온도를 가능한 한 낮게 합니다.

2) 내부 온도가 최고온도에 도달한 후의 온도 하강을 가능한 한 완만하게 합니다.

3) 내부와 표면의 온도 차를 가능한 한 작게 하기 위해 콘크리트 부재의 표면을 급랭하지 않습니다.

4) 외부로부터의 구속이 가능한 한 작게 하기 위하여 타설 구획의 크기, 타설 순서, 타설 시간 간격을 정합니다. 이를 위하여 매스 콘크리트의 온도상승, 강도 발현 등을 예측함과 동시에 재료 및 배합설계 측면, 시공 측면 및 설계 측면에서 관리계획을 세우는 것이 바람직합니다.

● 재료 및 배합설계 측면에서의 대책

매스 콘크리트의 수화 발열량을 감소시키는 방향으로 고려되어야 하며, 이는 저 발열성 재료의 사용, 혼화제의 사용, 단위 시멘트양 감소, 재료의 냉각 및 온도 관리가 필요합니다.

(1) 저 발열성 재료의 사용

1) 저 발열성 시멘트의 사용

- 시멘트 자체의 수화열이 서서히 발생하도록 시멘트 성분을 조정

- 중용 열 포틀랜드 시멘트에 플라이 애시를 혼합한 시멘트

- 보통 포틀랜드 시멘트에 고로 슬래그를 큰 비율로 혼합한 시멘트

- 중용 열 시멘트나 1종 시멘트에 플라이 애시와 고로슬래그를 혼입 한 시멘트

2) 혼화 재료의 사용

매스 콘크리트의 경우 결합재로써 시멘트의 일부를 치환하여 사용하는 플라이 애시와 같은 혼화 재료의 사용 여부 및 그 첨가량은 수화열의 발생에 상당한 영향을 미치게 됩니다. 레미콘공장에서 사이로 설비만 있으면 쉽게 구입하여 사용이 가능한 플라이 애시는 화력발전소에서 발생하는 석탄회로 정제 공정을 거쳐 레미콘 공장에 공급되고 있으며, 플라이 애시를 치환한 콘크리트는 일반 콘크리트와 비교하여 내염해성, 수밀성, 장기 강도 등에서 우수하며, 특히 물-시멘트비가 낮아지면 모든 성능이 더욱 향상되는 효과가 있습니다. 치환율에 따라 시멘트의 수화 발열량이 급격히 저하하는 양상을 보입니다.

플라이 애시를 치환함에 따라 최대 상승온도가 낮아지고 초기온도상승의 기울기가 완만해져 플라이 애시의 사용이 수화열에 의한 균열 제어에 매우 유용합니다. 저 발열성 시멘트 및 플라이 애시와 같은 혼화 재료를 치환한 경우에는 시멘트만을 사용할 때보다 강도 발현이 늦어지므로 4주 강도 보다 8주 또는 13주(91일)가 적절합니다. 그러나, 시멘트 사용량에 따라 타설 된 콘크리트의 온도가 상승하여 4주 만에 설계강도에 달하는 경우도 있습니다.

3) 단위 시멘트량의 감소

콘크리트의 내부 온도 상승을 적게 하는 중요한 사항 중의 하나는 단위 시멘트량을 감소시키는 것입니다.

- 양질의 혼화제를 사용

- 양질의 골재 사용 및 시공성을 만족하는 범위 내에서 조골 제의 크기를 가능한 한 크게 함 - 동일한 시공성을 확보할 수 있는 범위 내에서 가능한 한 슬럼프를 작게 함

- 강도 판정 재령을 연장(4주 → 8주. 13주) 등이 있으며 설계 및 시공상의 장애가 되지 않는 범위 내에서 선택하여 실시합 니다.

4) 재료의 저온 관리

매스 콘크리트의 온도상승을 억제하는 방법의 하나로 가능한 한 저온의 재료를 사용하는 것입니다.

- 냉각수 및 얼음의 사용

- 골재의 냉각

- 직사광선을 피함

- 액화 질소의 사용

● 시공 측면에서의 대책

1) 온도변화를 적게 합니다.

- 보온[시트 (Sheet), 가열 양생 실시, 금속제 거푸집은 가능한 한 피합니다.

2) 타설에 따른 온도상승 억제

- 타설 내부의 Pipe-Cooling 실시, 재료의 Pre-Cooling 실시, 타설 높이 및 타설 양을 조절합니다.

3) 외부로부터의 구속을 적게 한다.

- 타설 구획의 길이를 제한 (타설 구획 규모가 크면 수화열에 의한 초기 균열 발생이 큼)

4) Pre-Cooling

- 물에 작은 막대 모양(Chip)이나 박판(Flake) 모양의 얼음을 섞는 방법

- -196℃의 액화 질소 (LN 2)를 이용하는 방법

- 모래를 냉각 : 일명 Sand Pre-Cooling이라고 하며 일본에서 개발

- 레미콘에 직접 분사하여 냉각하는 방법

- Pre-Cooling의 효과: 콜드조인트(Cold Joint) 방지, 부재 내외부 온도 차를 줄임, 온도 응력을 작게 하여 온도 균열을 억제, 장기 강도의 증진을 도모 5) 초기균열 방지를 위한 양생 방법

매스 콘크리트에서는 콘크리트가 고온이 되므로 표면에서 수분 증발이 촉진되어 초기 균열이 발생하기 쉽고, 콜드조인트 등의 문제도 발생하기 쉽습니다. 또한, 부재 내·외부 온도 차에 의한 온도 균열도 발생하기 쉽습니다. 따라서 수분 증발이 가속되지 않도록 또한 부재 표면 부가 급랭하여 내외의 온도 차가 커지지 않도록 다음의 양생 방법에서 적합한 것을 선택하여 실시합니다.

- 타설 전에 천막 등으로 덮어 바람, 비, 직사광선을 피합니다.

- 충분한 수분을 함유한 양생 MAT 등을 덮습니다.

- 거푸집 등을 가능한 한 장기간 존치 (온도상승 후 온도하강이 진행할 때까지)

- 살수양생을 합니다. (냉수는 사용 불가)

- 콘크리트 상부 면에 보온재를 덮거나 피막 양생제를 도포합니다.