< PreviousMagazine of the Korea Concrete Institute 28Transportation Research Record:Journal of the Transportation Research Board, No. 2141, Transportation Research Board of the National Academies, Washington, D.C., 2010, pp. 61~ 67.28. Chang, T.-P., J.-Y. Shih, K.-M. Yang, and T.-C. Hsiao, “Material Properties of Portland Cement Paste with Nano-Montmorillonite,” Journal of Material Science, Vol. 42, No. 17, 2007, pp. 7478 ~ 7487. 29. Kuo, W.-Y., J.-S. Huang, and C.-H. Lin, “Effects of Organo-Modified Montmorillonite on Strengths and Permeability of Cement Mortars,” Cement and Concrete Research, Vol. 36, No. 5, 2006, pp. 886 ~ 895. 30. Morsy, M. S., H. A. Aglan, and M. M. Abd El Razek, “Nanostructured Zonolite-Cementitious Surface Compounds for Thermal Insulation,” Construction and Building Materials, Vol. 23, No. 1, 2009, pp. 515 ~ 521. 31. He, X., and X. 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FRP 보강근의 기술 동향2.1 FRP 보강근 개요FRP는모재인수지를섬유로강화한플라스틱계복합재료로뛰어난기계적특성과내식성,성형성등으로다양한산업분야에서활용되고있는재료이다.특히,탄소섬유를강화재료로사용하는탄소섬유강화복합재료(CarbonFiberReinforcedPlastic,CFRP)는1970년대우주선,항공기등에적용되기시작하여,탄소섬유의가격하락및안정화와CFRP관련기술의발달로최근건설산업으로의적용이확대되고있다.하지만,타산업대비경제성이중요한건설산업에서는FRP의뛰어난성능에도불구하고높은비용으로인하여여전히적용이제한적인것이사실이다.FRP보강근관련기술은FRP의비부식성에주목하여,교량등해양환경에노출된철근콘크리트구조물의염해에의한철근부식방지대책중하나로1950년대처음으로대두되었으나(<그림1>참조),경제성문제로실제적용이되지는못했다.이후,철근부식을방지하기위하여적용한에폭시코팅이완벽한부식방지대책이되지못하자,1970년대FRP보강근이철근부식방지를위한대책으로다시주목받기시작하였다.Magazine of the Korea Concrete Institute 30FRP보강근은<그림2>와같이철근을대신하여콘크리트의취약한인장력을보강하기위하여적용하며,섬유의비부식성으로염해로인한철근콘크리트구조물의부식을근본적으로차단할수있으며,이에따라구조물의수명을획기적으로향상할수있을뿐만아니라,피복두께를줄일수있는만큼철근콘크리트부재의단면축소및경량화에기여할수있다.2.2 FRP 보강근의 특성 FRP보강근은사용목적에따라,원형,이형,그리드등다양한형태로제작되고있으며,대표적인섬유소재로는Alkali-resistantglass(AR-glass),Carbon,Basalt,Aramid,Polypropylene,Polyvinyl-alcohol(PVA)등이있다.<그림3>은다양한섬유에의한FRP그리드보강근을나타낸다.<표1>은FRP보강근의주요장점및단점을나타낸다.FRP보강근은사용하는섬유에따라차이가존재하기는하나,철근과비교하여높은인장강도와부식미발생,낮은열전도성및전기전도성등의장점이있다.특히,철근대비밀도가1/5 ~ 1/4정도에불과하여경량으로취급이쉬우며,인력시공과운반에유리한장점이있다.또한,유리섬유,아라미드섬유등섬유에따라서는자외선,방사선노출,습윤환경등에취약하기는하나,FRP보강재는전반적으로화학적안정성이뛰어난재료이다.반면에,철근과달리항복점이존재하지않아취성파괴위험이존재하는등의단점을가지고있다.한편,모재인수지는화재에취약한재료로고온으로수지가연화되면서섬유와의부착성능저하로FRP강도저하가발생할수있으나,FRP보강근의내화성능은명확히규명된것이아직없다.2.3 FRP 보강근 구성재료 FRP보강근은섬유종류에따라직경5~30μm의섬특집 4 | SPECIAL ARTICLES그림 1. FRP 보강근 개발 및 적용 현황그림 2. FRP 보강근에 의한 콘크리트 구조 적용그림 3. 다양한 섬유에 의한 FRP 그리드 보강근 예시표 1. FRP 보강근의 장점 및 단점장점단점▶ 높은 인장강도(섬유종류, 하중작용 방향 및 종류 등에 따라 다양)▶ 뛰어난 부식 저항성 ▶ 비자기성▶ 높은 파단 저항성(섬유 타입에 따라 다양)▶ 경량(강재 밀도의 1/5 ~1/4)▶ 낮은 열 및 전기 전도성(유리섬유, 아라미드 섬유)▶ 최성 파괴 전에 항복점이 없음▶ 낮은 전단강도(섬유종류, 하중작용 방향 및 종류 등에 따라 다양)▶ 낮은 탄성강도(섬유 타입에 따라 다양)▶ 자외선 및 방사선 노출에 의하여 섬유 및 수지가 손상되기 쉬움▶ 낮은 내구성(유리섬유 : 습윤환경, 유리섬유 및 아라미드 섬유 : 알칼리 환경)▶ 높은 열팽창 계수▶ 매트릭스 타입, 콘크리트 피복두께 등에 따른 화재 취약성 존재 제31권 2호 2019. 0331유필라멘트와함침용수지로구성되며,이형철근,원형철근,그리드등FRP보강근형태에따라제조방식이달라진다.섬유소재로는콘크리트의알칼리환경에적용가능한알칼리저항유리섬유,탄소섬유가대표적이다.알칼리저항유리섬유는무기질비금속재료로,다른섬유와비교하여경제적이며탄소섬유와비교하여콘크리트인장보강재로의적용이쉽지만,자외선이나열등주변환경의영향으로열화되기쉬운특성이있다.탄소섬유는제조방식에따라PAN계와Pitch계로구분되며,화학적안정성및내구성이뛰어나나,초기비용이많아건설분야적용가용성이낮은편이다.수지는섬유필라멘트사이의부착및콘크리트와의부착을위한코팅제역할을하는것으로에폭시(EP),스타리엔부타티엔(SB)등이대표적이다.FRP보강근으로인장보강된콘크리트시편의경우,강도는구성섬유및수지의조합에영향을받으며,강성은섬유에영향을받는것으로알려져있으며,대표적인섬유및수지에의한FRP보강근으로인장보강된콘크리트시편의주요특성은<표2>및<그림4>와같다.3. 국내외 FRP 보강근 적용 현황최근FRP보강근은국외를중심으로콘크리트와함께기존구조물의내진보강등보수·보강과신규구조물의건설에있어서다양한형태로적용이확대되고있다.1990년대부터미국,캐나다등에서는GFRPbar등을교량주근으로사용하고,최근독일에서는탄소섬유활용기술을개발하여글로벌건설시장선점을위한국가차원의프로젝트진행중이며,주요적용범위로는건축물내·외장패널,모듈러건축물,교량,자유로운형태의구조물,셀구조물등이있다.3.1 구조물 적용 3.1.1 교량유럽,캐나다,미국등지에서는교량부식에따른열화문제등을해결하기위하여1990년대부터GFRP보강근등FRP보강근을교량슬래브등의주근으로사용하기시작하고,관련설계기준등을마련하였다.유럽에서는1986년독일에서최초로FRP보강재가적용된교량을건설한이후EuropeanBRITE/EURAM,EUROCRETE등연구프로젝트를통하여체계적으로FRP보강근을개발하고구조물에적용하기위하여노력하고있다.<그림5>는독일에건설된길이97m의보도교로다양한종류의AR-glassFRP보강근을적용하여부재단면의슬림화를구현하였다.캐나다에서는CFRP및GFRP이형근,GFRP그리드등다양한형태의FRP보강근을교량데크에적용하였다.미국에서는GFRP보강근을교량데크,병원MRI실,터널등다양한구조물에적용하기시작하였다.한편,최그림 4. 섬유 및 수지에 의한 콘크리트 시편의 역학적 특성 비교그림 5. Albstadt 보도교 전경표 2. 주요 섬유 및 수지에 의한 콘크리트 시편 특성구분AR-glass/SBAR-glass/EPCarbon/SBCarbon/EP인장강도O++++++콘크리트 부착O+++O++콘크리트 타설 시 고유안전성 -++-++제품 적용성O+++O+++보강재 적용성++++++++++가격경쟁력+++O++O* +++ : 최적, ++ : 매우 좋음, + : 좋음, O : 보통, - : 부적합Magazine of the Korea Concrete Institute 32근에는철근부식으로인한교량유지보수에막대한예산이소요됨에따라교량의철근부식방지를위한대책중하나로FRP보강근에의한철근대체를추진하고있으며,2016년현재FDOT,MaineDOT,MDOT등27개주67개교량에철근을대체하여FRP보강근을적용하였다<그림6>.주로슬래브주근으로는GFRP보강근을,파일주근으로는CFRP케이블을적용하고있다. 3.1.2 내외장 패널스웨덴(SPTechnicalResearchInstitute)에서는<그림7>과같이FRP보강근을샌드위치패널에적용하여벽패널두께를획기적으로절감하는연구(SmartElementforSustainableBuildingEnvelopesProject)를수행하였다.독일에서는CFRP그리드를활용한부재단면축소및경량화된단면1.5 m×4.1 m,두께50 mm의대형커튼월패널을제작하고<그림8>과같이건축물에적용하였다. 3.1.3 보수·보강일본에서는1990년대중반내진보강등을위해FRP보강근기술을활발하게적용하였으며,현재CFRP를포함하여,기존강재와콘크리트를대신하는경량·고강도및장수명혁신적구조재료와이의저비용,대량생산을위한연구인‘Constructionofnext-generationinfrastructureusinginnovativematerialsProject’를수행중이다.<그림9>는CFRP케이블및이를활용하여건축물을내진보강한것이다.독일에서는FRP보강근중탄소섬유를중심으로관련글로벌건설시장선점을위한대규모국가연구개발프로젝트인‘CarbonConcreteCompositeproject’를수행중이다.기존철근콘크리트구조의한계를극복하기위한새로운탄소콘크리트구조시스템개발및이를활용한철근대체재료및관련시장활성화와글로벌기술리더도약도모를목표로,섬유,콘크리트등원재료기술,제품생산기술,구조물적용기술등ValueChain에따른체계적이고종합적인연구를실시하고있다.<그림10>그림 6. FRP 보강근 적용 미국 교량 예시그림 8. CFRP 그리드 적용 커튼월 그림 7. FRP 보강근 적용 샌드위치 패널 예시그림 9. CFRP 케이블 및 내진보강 적용 모습그림 10. CFRP 그리드에 의한 구조물 보수 예시 특집 4 | SPECIAL ARTICLES제31권 2호 2019. 0333은CFRP그리드를지붕,사일로등의보수에적용한사례를나타낸다.4. 맺음말FRP는뛰어난성능에도불구하고경제성등의이유로건설산업의적용은제한적인것이사실이다.하지만,최근섬유,FRP기술의발달에따른가격하락으로향후FRP보강근의건설산업활용도는높아질것으로사료된다.한편,FRP보강근의구성재료인수지는화재에취약하며,FRP보강근자체는취성파괴의특성이있어향후건설산업으로의적용확대를위해서는FRP보강근의내화성능,취성파괴방지등의기술개발이필요할것으로사료된다.또한,FRP보강근은구조재료로구조물의안전과직결되는만큼FRP보강근을적용하기위해서는건설산업의전과정을고려한종합적인기술개발과충분한성능평가및기준제시가필요할것이다.현재국내·외적으로건설산업의생산성향상을통한혁신이요구되고있으며,FRP보강근은기존철근대비성능과기능이혁신적으로향상된새로운건설재료로건설산업의큰변화를가져올수있을것이다.담당 편집위원 : 박병선(한국건설생활환경시험연구원) pbs0927@kcl.re.kr 1. Corradi, M., Righetti, L., and Borri, A., “Bond Strength of Composite CFRP Reinforcing Bars in Timber””, Materials, Vol. 8(7), 2015. 2. Blessing Chabvuta, “Carbon Fiber Reinforcement in Concrete,” Bachelor Thesis, Charles Darwin University, 2016. 3. 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IASS, 58(1), 2017.참고문헌김경민 선임연구원은 일본 동경대학교에서 프리스트레스 접합부 내진성능 관련 연구로 박사학위를 취득하였으며, 2014년부터 (재)한국건설생활환경시험연구원에 재직하고 있다. 주로 구조물 내진성능, 콘크리트 재료 관련 연구를 수행하고 있다.kymkim@kcl.re.kr정상화 본부장은 서울대학교 토목공학과에서 콘크리트의 탄산화 측정장치 개발 및 적용에 관한 연구로 2003년 박사학위를 취득하였으며, 2006년 이후 한국건설생활환경시험연구원영남본부 본부장으로 재직 중이다. 주로 콘크리트의 내구성 및 부산물 활용기술과 관련된 연구를 수행하였으며, 최근에는 탄소 소재, 나노 소재 등을 활용한 첨단건설재료 관련 연구를 수행하고 있다.jsh2593@kcl.re.krMagazine of the Korea Concrete Institute 34기술기사 1 | TECHNOLOGY ARTICLES김종 Jong Kim(주)선엔지니어링종합건축사사무소이사전충근 Chung-Keun Jeon (주)선엔지니어링종합건축사사무소연구소장최일경 Il-Kyeung Choi(주)선엔지니어링종합건축사사무소부회장김태청 Tae-Cheong Kim(주)선엔지니어링종합건축사사무소차장수화발열량 및 수화발열시간차를 활용한 매스 콘크리트의 균열제어공법Hydration Crack Reduction Technology of Mass Concrete by Controlling the Peak of Hydration Heat and Placement Time011. 머리말산업의발전과더불어건축구조물도초고층화,초대형화로발전해가고있다.이러한건축물의기초는일반구조물보다더높은안전성과내구성을요구함으로써매트매스콘크리트로설계,시공된다.매스콘크리트는대규모건축물의작용하중을안전하게지탱해주기위하여사용되고있으나,높은수화열에의한구조체의균열등으로내구성이저하될위험성이높아각국가및기관에서<표1>과같이범위를정하고,특별한품질관리를요구하고있다.실무현장에서는매스콘크리트의품질을확보하고,수화열균열을저감하기위하여다양한수화열제어방법들이개발되어사용되고있는데,대표적인방법으로는콘크리트의온도저감,온도응력완화및저항력을증대시키는방법이있다.먼저콘크리트온도를줄이는방법으로단위시멘트량저감,프리쿨링,수평분할타설,파이프쿨링등있고,온도응력완화방법으로는외부구속도저감,신·구콘크리트간의온도차저감,부재내온도차저감,초지연제사용에의한응결시간조정방법및응력완화방법등이있다.또한온도응력에대한저항력증대방법으로는프리스트레스도입,온도철근배치에의한균열폭저감,인장저항력증대등이있다.그러나,이러한방법을적용시해결해야만하는사안도발생하는데,파이프쿨링에의한콘크리트온도저감방법의경우,공사비상승및냉각설비배치가필요하고,온도응력완화방법의경우,고도의기술력이요구되거나양생기간증가에따른공사기간이늘어난다.온도응력에대한저항력증대방법은콘크리트내의철근량증가및비용상승이요구되기도한다.본기사에서는광물질혼화재가프리믹싱되어있는혼합시멘트를이용하여매스콘크리트의온도균열을저감시켜품질표 1. 각 국가, 기관별 매스 콘크리트의 정의 및 범위국가기관정의 및 범위한국한국콘크리트학회KCS 14 20 42:2016매스 콘크리트 구조물의 부재 치수는 넓이가 넓은 평판구조의 경우 두께 0.8 m 이상, 하단이 구속된 벽체의 경우 두께 0.5 m 이상일본일본토목학회 콘크리트 기준표준지침서시멘트 수화열에 의한 온도의 상승을 고려하여 시공해야 하는 콘크리트로서 대략 슬래브는0.8 ~ 1 m 이상이고, 하단이 구속되어 있는 벽체는 0.5 m 이상일본건축학회 콘크리트 기준표준지침서부재단면의 최소치수가 0.8 m 이상이고, 수화열에 의한 콘크리트의 내외부 온도차가 25 ℃ 이상이 될 것으로 예상되는 콘크리트미국ACI 207 위원회열의 발생 및 이에 따른 체적변화 때문에 균열대책이 필요한 매시브한 크기의 콘크리트ACI 301 위원회최소치수 2.5ft(762 mm) 이상의 콘크리트제31권 2호 2019. 0335과내구성을향상하고,추가공사비를최소할수있는수화발열량차와수화발열시간차조정공법을소개하고자한다.이기술은2011년1월7일에국토교통부건설신기술618호로지정받았으며,2022년1월6일까지보호기간안에있다.2. 매스 콘크리트의 균열 발생원인일반적으로매스콘크리트의균열발생원인은<그림1>,<그림2>와같이내부구속응력및외부구속응력에의한온도균열메커니즘으로구분되며,추가로<그림3>과같이타설시간차에의한온도균열도존재한다.먼저,내부구속응력에의한균열은<그림1>과같이콘크리트내부는시멘트수화열에의해온도가높고주변콘크리트에의해단열이되는조건이다.그러나표면은외기온과바람등에의해온도가낮아지므로,중심부와표면부간의온도차가발생하게된다.이때외기에접한표면부에인장응력이작용하여균열이발생하게된다.외부구속응력에의한균열은<그림2>와같이선시공된바닥콘크리트위에수직이음철근으로연결되어시공되는두꺼운콘크리트옹벽등에서발생하게된다.매스콘크리트가최고온도에도달한후재령경과에따라온도가하강할때콘크리트상부는구속이없으므로균열없이수축이되나,콘크리트하부는선시공된콘크리트와수직이음철근의구속으로수축과정에서균열이발생한다.마지막으로콘크리트타설초기중심부와표면부간의온도차에의하여발생하는온도균열이다.현장에따라차이는있지만,일반적으로매스콘크리트의침하균열을방지하고자하부콘크리트를대략65 %정도타설하고,약4 ~ 10시간후에상부콘크리트를타설한다.이때하부콘크리트와상부콘크리트간의타설시간차이가발생하는데,그온도차가<그림3>과같이내부구속응력에의한온도차보다더크므로,균열의폭이더크게발생한다.위에언급한세가지균열의특징을요약하면<표2>와같다.그림 2. 외부 구속응력의 발생기구그림 1. 내부 구속응력의 발생기구그림 3. 타설시간 차에 의한 초기온도균열의 발생기구인장인장인장수축구속인장발열시냉각시팽창Magazine of the Korea Concrete Institute 36기술기사 1 | TECHNOLOGY ARTICLES3. 기술의 개요먼저<그림4>에서일반공법의경우하부콘크리트를절반높이까지타설한후에상부콘크리트를타설하게되는데,이때상하부콘크리트간의타설시간차가발생하여타설초기중심부와표면간의온도차가커져온도균열이발생하고,전체적으로수화열이높아진다.<그림4>의저발열배합공법은저발열콘크리트로상하부를타설함으로써전체적인수화열은낮추지만,상하부타설시간차와중심부온도가최고일때,표면부간의온도차는감소시키지못하는문제점이있다.<그림4>의초지연제공법은초지연제를일정량혼합하여하부콘크리트에타설하고,상부에는보통콘크리트를일체로타설하여상하부간응결시간차를활용하여수화열을조정하는공법이지만,제조비,투입비등의공사비가추가되는문제점과과다투입시콘크리트가굳지않는위험성이있다.이에<그림4>의발열량및발열시간조정공법은매스콘크리트의타설층을하부층과상부층으로구분하여하부층에는플라이애시와고로슬래그미분말이프리믹싱된혼합시멘트를사용하여응결시간을지연시키는동시에전체적인수화열을저감시키고,상부콘크리트는하부콘크리트보다상대적으로발열량이많고,응결시간이빠른콘크리트를타설함으로써상하부콘크리트가동시에수화발열할수있도록조정하여궁극적으로는중심부와상부표면간의온도차이를저감하여온도차에의한인장응력을감소시켜매스콘크리트의균열을제어하는방법이다.4. 모의구조체 적용실험 결과 실험실조건에서하부층과상부층의타설시간의차이를4시간으로설정한상하부콘크리트배합을변수로10개의모의구조체를만들어온도이력을실측하고,수화열해석표 2. 매스 콘크리트의 수화열에 의한 균열의 특징 비교구 분내부 구속응력에의한 균열외부 구속응력에의한 균열상하부 콘크리트타설시간 차에 의한 균열균열 발생시기재령 1~3일 또는 5일이내의 거푸집 탈형 시기재령 1주 또는 2주 후의거푸집 탈형 후재령 1일 이내균열폭0.1~ 0.3 mm0.2~ 0.5 mm0.1~ 0.5 mm 이상균열의방향성불규칙형세로로 직선형불규칙형균열의관통 여부관통하지 않음관통균열관통하지 않음(내부 구속응력에 의한 균열복합작용 시 균열폭이 커짐)그림 4. 수화발열량 및 수화발열시간차 공법의 개념도그림 5. 일반공법과 신공법 모의부재 실험결과그림 6. 수화열 해석 결과제31권 2호 2019. 0337프로그램인NastranFX를사용하여더욱정확한수화열을예측하고자하였다.대표적으로일반공법과신공법에대한실험결과와수화열해석결과는<그림5>,<그림6>과같다.실험결과일반공법에비하여수화발열량및수화발열시간차공법이약8 ℃정도수화열이낮았고,상하부콘크리트간의온도차이가거의없이수화발열하는것을확인할수있었다.5. 시공방법본기술을현장에적용할경우콘크리트타설높이,콘크리트온도,외기온등의현장여건을검토하여시공사와협의후상하부콘크리트배합을결정하고,현장여건에맞게상하부콘크리트높이를정하여콘크리트물량을산출한다.시공은<그림7>과같이지연형저발열혼합시멘트콘크리트를제조하여하부층에타설하고,상부층에는조강또는일반콘크리트를제조하여타설한다.타설작업이마무리되면,콘크리트를양생하고,온도이력을측정하여분석한다.6. 현장적용 사례SK하이닉스M16PROJECT신축공사는기초매스콘크리트의균열제어방안중경제적이면서품질을확보할수있도록수화발열량및수화발열량차공법을적용하였으며,재령경과에따른콘크리트의수화열온도이력측정및온도응력에대한균열발생여부를검토하였다.6.1 공사개요대상구조물의공사개요는<표3>과같고,위치도와조감도는<그림8>과같다.6.2 콘크리트 타설 계획 및 온도이력 측정 방법본현장의콘크리트타설현황은<표4>와같고,<표5>그림 7. 수화발열량차 및 수화발열시간차 조정공법 시공 순서그림 8. SK 하이닉스 M16 위치도 및 조감도표 3. 공사개요공사명SK 하이닉스 M16 PROJECT 신축공사위치경기도 이천 부발읍 경충대로 2091 일대공사 기간2018. 12. 01∼ 2020. 12. 31.연면적약 51만 5,130 m2구조철근콘크리트조, 철골조규모FAB Size : 336 m(W)×163 m(L)×101.6 m(H)(12개 층)표 4. 콘크리트 타설 현황구분내용타설 일자2018. 12. 24.타설 부위기초 매트(Mat) 콘크리트타설 배합 규격25-42-180타설량2,900 m3측정 일자2018. 12. 24.∼2018. 12. 31.표 5. 콘크리트의 배합 사항구분W/B(%)S/a(%)질량 배합(kg/m3)WCSGAD상부33.143.51654987159284.23하부32.141.61675206579444.42※ 상부 : OPC 100 %, 하부 : 혼합 시멘트 100 %(혼합 시멘트는 현장여건에 따라 시멘트, 고로슬래그 미분말 및 플라이 애시 등 혼합 비율을 조정하여 사용함)Next >