1. 서 론
일평균 기온이 4 ℃ 이하가 되는 동절기에는 저온 조건을 고려하여 한중콘크리트의 시공이 요구되어왔다. 반면 그러한 노력에도 불구하고, 동절기 콘크리트의 품질저하 사례는 꾸준히 보고되어왔다. 콘크리트 타설시 낮은 기온, 적설 등 콘크리트의 품질이 저하할 수 있는 다양한 환경조건에 노출되는 콘크리트는 철저한 품질관리가 필요할 것이다. 즉, 동절기 조건에서 공사를 진행하기 위해서는 사전에 기온 및 기후를 대처하기 위한 계획을 세워야 하며, 초기 동해 방지 및 강도 지연 발현에 관한 시공 및 양생 계획을 수립해야할 것이다.
동절기 콘크리트의 품질관리를 위한 연구 및 기술개발을 지속되어 왔다. 종래의 연구테마는 콘크리트의 품질 및 내구성 확보 방법과 양생방법 개발로 크게 두 가지로 구분할 수 있을 것이다. 콘크리트의 품질 및 내구성 확보를 위한 연구는 다양한 측면으로 수행되어왔다. 내한 촉진제 등을 사용하여 동절기 콘크리트의 조강 성능을 확보하는 방법 및 빙점강하제 등을 사용하여 결빙을 지연시키는 방법 등에 관한 연구도 수행되어왔다(Kim et al., 2003; Won et al., 2006; Park et al., 2016; Liu et al., 2022). 또한, 초기동해피해를 방지하기 위한 목적으로 조강시멘트를 사용하거나 고분말도 시멘트를 사용하는 연구도 지속되어 왔다(Yoo et al., 2016; Song et al., 2018). 콘크리트 양생에 관한 연구도 다양한 측면으로 수행되어 왔으며 열선양생, 탄소시트를 포함한 다양한 소재연구가 수행되어 왔다(Han, 2016; Kim and Ban, 2019). 기존 연구들은 일반강도 콘크리트를 대상으로한 연구가 높은 비중을 차지하고 있다.
일반적으로 초고성능 콘크리트(Ultra-high-performance concrete, UHPC)는 초기재령에서 증기양생을 실시하며, 높은 내구성 및 압축강도로 인하여 동절기 품질저하가 크게 발생하지 않는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 이러한 가열양생 및 동해피해를 방지하기 위한 화학혼화제 등을 첨가하지 않는 UHPC에 관하여 저온환경에서 재령에 따라 품질저하를 분석하고자 한다. 또한, 동해피해를 입은 콘크리트의 회복기간을 부여하여, 성능변화를 비교하였다.
2. 양생조건 및 변수
2.1 배합 조건
본 연구에서는 100 MPa급 UHPC를 기본 배합으로 설정하였다. Table 1과 같이 굵은골재를 사용하지 않는 UHPC 배합을 사용하였으며, 강섬유 1%를 혼입하였다. 바인더는 시멘트, 실리카퓸 고로슬래그 및 필러 재료로 구성하고 있다. UHPC 주요 재료의 화학적, 물리적 조성정보는 Table 2와 같다.
Table 1
Mix Proportions of UHPC
| W/B | Unit wieght (kg/m3) | |||
|---|---|---|---|---|
| Water | Binder | Fine aggregate | Steel fiber | |
| 0.23 | 210 | 1180 | 847 | 78 |
Table 2
Material Characteristics for UHPC
본 연구의 UHPC는 시멘트 입자가 형성하는 공극을 채우고, 강도를 향상시키기 위한 목적으로 30 μm 미만의 필러를 사용하였다. 또한, 평균 입도 0.5 mm의 미세한 크기의 잔골재를 사용하였으며, 길이 13 mm, 직경 0.2 mm 및 인장강도 2,000 MPa의 강섬유를 혼입하였다.
2.2 실험 목적 및 변수
실험 변수는 Table 2와 같이 양생 온도 및 재령으로 설정하였다. 동절기 환경을 모사한 각 양생 온도 조건에서의 압축강도를 평가하며, 압축강도가 회복되는 것을 평가하기 위한 목적으로 변수를 설정하였다. 양생 온도는 크게 3가지로 구분하여 기준점이 되는 20 ℃ 양생 시험체와 동절기 혹한 환경은 0 ℃와 -15 ℃로 설정하였다. 0 ℃는 수분이 동결되는 온도이기에 변수로 설정하였으며, 동절기 극한 온도 조건을 고려하여 양생 온도를 -15 ℃로 설정하였다.
시험체의 최대 재령은 3개월로 설정하였다. 비교대상이 되는 변수 시험체는 양생 종료까지 온도를 유지하였으며, 그 외의 시험체는 저온 환경에서 양생하는 도중에 시험체를 상온 챔버로 옮겨서 잔여기간 동안 양생하였다. 즉, 저온에서 양생하고 있는 시험체가 상온 조건으로 변화할 때 압축강도가 어느 정도 회복되는 지를 분석하고자 하였다. Fig. 1과 같이 저온 양생실을 조성하여 0, -15 ℃ 시험체를 양생하였으며, 양생온도 조건에 따라 3개의 시험체를 제작하였고, 변수 구분은 Table 3과 같다.
Table 3
Compressive Strength Results
모든 시험체는 동일한 초기 양생 조건을 갖도록 설정하였으며 20 ℃에서 기건 양생을 1일간 실시한 후 탈형하였다. 본 연구에서 사용하는 배합의 재령 1일 압축강도가 19.6 MPa로 측정되었기 때문에, 재령 1일에 탈형하기 위한 압축강도가 충분히 발현된 것으로 판단된다.
영하의 온도는 저온 챔버환경에서 시험체를 양생하였으며, 설정된 양생 온도 조건으로 설정된 2개의 저온챔버에서 각각 양생하였다. 저온에서 양생한 모든 시험체는 내부 수분의 동결로 인한 압축강도 측정의 오류를 최소화하려는 목적으로, 강도 측정 1일 전에 해동될 수 있도록 하였다.
3. 실험 결과 및 분석
3.1 압축강도 측정 결과
본 연구의 압축강도 측정 결과는 Table 3과 같다. 상온(20 ℃)에서 양생한 시험체의 재령 28일 압축강도는 106.6 MPa로 측정되었으며, 0, -15 ℃에서 양생한 시험체는 각각 69.8, 63.5 MPa로 측정되었다. 저온 환경에서 재령 28일간 양생한 시험체의 압축강도는 상온 대비 65.5, 59.6% 수준으로 발생한 것이 확인된다. 이러한 현상은 보편적으로 알려져 있듯이, 콘크리트 내부에서 수화반응에 필요한 수분이 동결됨에 따라 충분한 수화가 발생하지 않은 것을 원인으로 볼 수 있다(Kwon, 2001; Yoon et al., 2023). 초기 양생 종료 이후 측정한 압축강도가 19.5 MPa인 점을 고려할 때, 상온 양생 시험체에서는 재령 1일 동안 약 55 MPa의 압축강도 향상을 확인할 수 있다. 즉, 초기 재령에서는 수화반응이 활발하게 발생한 것을 확인할 수 있으며, 초기 재령에서는 철저한 콘크리트 양생, 보온 대책이 필요한 것을 간접적으로 확인할 수 있다.
3.2 양생 온도별 결과 비교
Fig. 2에서는 각 양생 온도별 압축강도 발현을 나타내고 있다. 저온 환경에서 양생한 콘크리트는 낮은 수준의 압축강도가 발현되는 것을 확인할 수 있다. 다만, 0, -15 ℃에서도 콘크리트 압축강도는 지속해서 향상되는 경향을 확인할 수 있다. 영하 온도에서도 압축강도가 지속해서 증가하는 경향은 기존 연구들에서도 확인할 수 있다(Pushpalal et al., 2022; Zhang et al., 2023). 즉 영하의 조건에서도 콘크리트 압축강도는 일부 발현되는 것을 확인하였다. 한편, 본 연구에서는 콘크리트의 양생기간 동안 영하의 온도를 유지하였지만, 실제 동절기에는 일교차에 따라 영하 기온이 상시 유지되지 않을 것이다. 따라서, 실제 본 연구의 UHPC를 동절기에 사용하는 경우 본 연구의 실험 결과보다 더 높은 값의 압축강도를 기대할 수 있을 것이다.
3.3 영하 기온에서 강도 회복 평가
Fig. 3은 0 ℃에서 양생한 시험체의 압축강도를 나타낸다. 84일간 양생한 시험체를 기준으로 비교할 때, 28일간 상온에서 강도 회복 기간을 갖는 시험체와 56일간의 기간을 갖는 경우가 최종 시점에서는 유사한 것으로 확인된다. 압축강도의 차이는 3.4, 5.2%로 나타나며 모두 목표 압축강도 100 MPa이상이 발현된 것을 확인할 수 있다.
이러한 경향은 Fig. 4의 -15 ℃에서 양생한 시험체 결과에서도 확인할 수 있다. 재령 84일에서 유사한 수준의 압축강도 발현이 발생하는 것을 확인할 수 있다. 압축강도의 차이는 2.4, 6.8%로 확인된다. 다만, -15 ℃에서 양생한 시험체는 목표 압축강도 100 MPa에 도달하지 못한 것을 확인하였다. -15 ℃에서 28일간 양생 후 56일 동안의 압축강도 회복 기간을 갖는 시험체는 102.2 MPa로 확인되었으나, 그 외의 경우에서는 모두 100 MPa이하의 압축강도를 갖는다. 따라서, -15 ℃에서 콘크리트가 장기간 노출되는 경우에는 적절한 품질 확보 방안이 필요할 것이다.
상온(20 ℃)에서 28일간 양생한 시험체의 압축강도를 기준으로 비교한 결과, Table 4와 같이 0 ℃에서 양생한 시험체가 28일의 압축강도 회복 기간을 갖는 경우 상온에서 양생한 시험체 대비 약 97.1%의 압축강도가 발현된다. 또한 -15 ℃에서 양생한 시험체의 경우 약 90.5% 수준의 압축강도가 발현되는 것으로 확인된다. 따라서, 동절기 저온 환경에서 양생한 시험체는 약 28일의 압축강도 회복 기간을 갖는 경우 91~97% 수준의 압축강도를 기대할 수 있을 것이다.
3.4 코어 압축강도 결과
본 연구에서는 공시체의 압축강도뿐만 아니라, 동절기 환경에서 실제 부재의 압축강도 평가하고자 하였다. 1 m × 1 m로 제작한 시험체를 20, 0, -15 ℃의 온도에서 양생하였으며 재령 28일에 코어 강도를 측정하였다. Table 5 및 Fig. 5는 코어 강도와 공시체 강도의 비교를 나타내고 있다.
Table 5
Comparison of Core and Cylindrical Specimens
| Curing temperature (°C) | Core specimen (MPa) | Cylindrical specimen (MPa) | Differences (MPa) |
|---|---|---|---|
| 20 | 104.7 | 106.6 | 1.9 |
| 0 | 66.6 | 69.8 | 3.2 |
| -15 | 47.2 | 63.5 | 16.3 |
상온 양생 조건에서는 코어 강도와 공시체 강도가 거의 유사한 것을 확인할 수 있다. 0 ℃에서 양생한 시험체는 압축강도 3.2 MPa의 근소한 차이를 나타내었다. 다만, -15 ℃에서 양생한 시험체는 16.3 MPa의 차이를 나타내며 다소 큰 차이를 보인다. 낮은 양생 온도 조건의 -15 ℃에서는 외부의 한기가 콘크리트 내부로 침투하여 시편이 전체적으로 동해피해를 입은 것으로 판단된다. 콘크리트 내부에서 수분의 동결로 인한 내부압력이 상대적으로 작은 크기의 공시체에서는 최외측까지의 길이가 짧으므로 응력해소가 되었으나, 1 m × 1 m로 제작한 시험체에서는 최외측까지의 길이가 상대적으로 길기 때문에 응력해소가 되지 못하였으며, 발생한 응력이 시험체 내부에서 미세구조의 취약성을 야기한 것으로 판단된다. 이러한 현상으로 인하여 -15 ℃에서 양생한 시험체는 약 25.7%의 압축강도 감소를 발생시켰다.
4. 결 론
본 연구는 동절기 저온 환경에서 양생된 100 MPa급 UHPC의 압축강도 발현 특성에 관한 실험적 분석을 수행하였다. 저온 및 상온 환경에서 양생한 콘크리트의 압축강도를 중심으로 연구하였으며, 그 결과를 아래와 같이 정리할 수 있다.
저온 환경은 수분이 동결되는 0 ℃ 조건과 극저온 조건인 -15 ℃로 설정하였으며, 최대 재령 84일까지의 압축강도를 측정하였다. 상온에서 양생한 시험체 대비 재령 28일 기준으로 각각 65.5, 59.6%의 압축강도가 측정되었으며, 장기 재령에서는 85.9, 74.8%의 압축강도가 기록되었다. 일반적으로 알려진 바와 같이, 저온 환경에서 압축강도가 저하되는 것을 확인하였다.
저온 환경에서 양생한 시험체를 상온 조건으로 옮겨서 압축강도가 회복되는 경향을 분석하였다. 저온 환경에서 28일간 양생 후 상온에서 56일간 양생한 시험체와 저온 환경에서 56일간 양생 후 상온에서 28일간 양생한 시험체로 구분하였다. 실험 결과 상온에서 압축강도의 회복 기간을 가졌음에도 불구하고 유의미한 압축강도 향상을 확인할 수 없었다. 0 ℃에서 양생한 시험체는 압축강도가 각각 3.7, 5.7 MPa의 차이를 보이며, -15 ℃에서는 6.5, 2.3 MPa의 차이를 나타내었다. 따라서, 초기 재령에서 동해를 입은 콘크리트는 특별한 조치가 없는 한, 상온에서 회복 기간을 갖더라도 압축강도가 큰 폭으로 회복되는 것을 기대할 수 없었다.
0 ℃ 온도 조건에서 양생한 시험체는 장기 재령에서 목표 압축강도인 100 MPa에 도달하는 것을 확인하였다. -15 ℃에서 양생한 시험체는 56일의 회복 기간을 갖는 경우 목표 압축강도를 만족하는 102.2 MPa를 확인하였다. 다만, 그 외의 경우에는 기준값에 미달되는 결과를 얻을 수 있었다.
공시체 실험 결과와 1 m × 1 m의 크기로 제작한 시험체의 코어 강도를 추가로 비교하였다. 상온 조건 및 0 ℃에서 양생한 시험체는 28일 재령에서 유사한 수준의 압축강도를 나타내었다. 다만, -15 ℃ 양생 조건의 코어 강도가 공시체 대비 25.7% 감소한 것을 확인하였다.
본 연구에서는 동절기 저온 환경에서 UHPC의 압축강도 발현을 분석하였다. 저온에서 동해를 입은 콘크리트는 상온에서 회복 기간을 갖더라도 성능이 크게회복되는 것을 기대할 수 없었다. 다만 장기 재령 동안 압축강도는 꾸준히 증가하여 목표 성능 수준에 도달하는 것을 확인하였다. 본 연구 결과는 향후 미세구조분석, 일교차 온도 조건 및 실 부재 규모의 시험체 크기에 따른 성능 분석 등 추가적인 연구를 수행한다면, UHPC를 동절기 환경에서 활용하기 위한 시공계획 수립에 기여할 수 있을 것이다.
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