Urea 흡열특성을 활용한 매스콘크리트의 온도균열저감에 관한 기초적 연구

Abstract

최근 건설 구조물의 고층화, 대규모화 추세에 따라 매스콘크리트로 설계되는 사례가 증가되고 있다. 대형 구조물의 콘크리트 타설시 경화과정에서 발생되는 수화열은 온도응력 및 온도균열을 발생시켜 내구성 저하에 지대한 영향을 미친다. 균열을 방지 하기위해서는 시멘트 수화열에 의한 온도응력 및 온도균열에 대한 충분한 검토가 실시되어야하며 시공계획 대책을 수립하여야 한다. 매스콘크리트의 온도균열을 방지하기 위한 대책으로는 무수히 많은 방법들이 존재한다. 온도균열을 방지하기 위해 연구된 방법들은 그 효과가 입증되었으나 분명한 한계점을 가지고 있다. 최근 온도균열을 저감하는 방법으로 친환경재료인 우레아를 혼입한 콘크리트의 연구가 국내외에서 진행되고 있다. 우레아는 물과 반응 시 흡열 반응하여 주위의 온도를 낮추는 특성을 가진다. 이러한 흡열특성을 가진 우레아는 콘크리트 내 혼입 시, 온도를 낮추고 나아가 매스콘크리트의 수화열을 저감시킨다. 하지만 우레아를 혼입한 콘크리트의 물리화학적 시험이 다양하게 이루어지는 반면에, 우레아 콘크리트의 해석 모델링을 위한 수치데이터화에 대한 연구는 아직 부족한 실정이다. 이러한 수치데이터화는 설계 및 시공상에서 우레아 매스콘크리트에 대한 열 해석 및 온도균열해석의 기반이 되며 장기적으로 우레아 콘크리트에서 발생한 정보에 대해 예측 및 객체화에 필요로 한다. 본 연구에서는 우레아 혼입 매스콘크리트의 FEM 온도균열해석을 위한 콘크리트 실험 및 MIDAS 프로그램 해석을 실시하였다. 콘크리트 실험에서 단열온도상승시험 및 압축강도시험을 통해 우레아 혼입 콘크리트의 수화발열계수 및 강도발현계수를 도출하였으며 도출된 계수를 MIDAS 해석 프로그램에 적용, 평판 기초 매스콘크리트의 온도균열지수를 분석하였다. 이에 따른 본 연구 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

1) 우레아 혼입 콘크리트의 단열온도상승시험 결과, 보통 콘크리트 대비 초기재령에서 최대 16.9℃ 온도저감을 보였으나 최종단열온도상승량은 41.5±1.5℃로 동일한 값을 갖는 것을 확인하였다. 이는 초기에 발열지연효과를 나타내어 매스콘크리트 온도저감에 기여할 수 있을것으로 판단된다.

2) 우레아 혼입 콘크리트의 압축강도시험을 실시한 결과, 초기 재령 3일차에서 강도가 저하된 것을 확인하였으나 재령 28일에서 강도가 회복, 보통 콘크리트와 동일한 수준의 압축강도를 나타내었다. 따라서 우레아 혼입이 콘크리트의 강도발현에는 이상이 없는 것으로 판단된다.

3) FEM 해석을 위해 단열온도상승시험과 압축강도시험의 결과를 통한 발열함수계수 및 강도발현계수를 FEM 프로그램에 적용한 결과, 우레아 혼입 콘크리트의 온도응력은 인장응력이 가장 높은 상부에서 최고응력 0.23MPa로 16% 저감 효과를 보였으며 중앙부, 하부의 온도응력 또한 저감됨을 확인하였다.

4) 우레아 혼입 콘크리트의 FEM 온도균열해석을 실시한 결과 초기 상부에서 온도균열지수는 1.42에서 1.62로 상승하였으며 그 효과는 12%의 온도균열 발생확률을 저감시킨 것으로 판단된다. 중앙부와 하부의 경우 보통 콘크리트 대비 온도균열지수가 높아지나 그 효과는 미비한 것으로 확인되었다.; In recent years, mass concrete design cases are increasing in accordance with the trend of high - rise and large - scale construction. Mass concrete is vulnerable to thermal cracking due to high hydration heat formed by large cross-sectional size. As a method of reducing such thermal cracks, concrete research involving urea has been carried out. Urea causes endothermic reaction with water and is a material that can reduce temperature and reduce cracking when concrete is mixed. In this study, to evaluate the FEM thermal cracking of concrete containing urea, heat insulation temperature rise test and compressive strength test were conducted to derive the heat coefficient and strength coefficient. The derived coefficients were applied to FEM analysis to evaluate the thermal cracking performance of urea mixed concrete. As a result of this study, the following conclusions were obtained. 1) As a result of the increase of the adiabatic temperature of the urea mixed concrete, the maximum temperature of concrete was decreased by 16.9 ℃ at the initial age, but the final adiabatic temperature rise was 41.5 ± 1.5 ℃. It is thought that this can contribute to the reduction of mass concrete temperature by showing the delay effect of heat generation at the beginning.

2) Compressive strength test of urea mixed concrete showed that the strength decreased at the third day of the first age, but the strength recovered at 28 days of age and showed the same level of compressive strength as that of normal concrete. Therefore, it is considered that urea incorporation does not cause any abnormality in the strength of concrete.

3) For the FEM analysis, the exothermic temperature coefficient and the compressive strength test results were applied to the FEM program. As a result, the temperature stress of the urea mixed concrete was 0.23 MPa maximum at the uppermost tensile stress 16% reduction effect, and the temperature stress at the center and the bottom was also reduced.

4) As a result of FEM thermal crack analysis of urea mixed concrete, the thermal crack index increased from 1.42 to 1.62 at the initial upper part. It is considered that the effect decreased the probability of thermal cracking of 12%. In the case of the central part and the lower part, the thermal crack index is higher than that of normal concrete, but the effect is insufficient.