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구조물의 규모나 외부 온도에 따라 콘크리트 양생 시 최고 내부온도가 달라지기 때문에 정확한 수치로 특정할 순 없지만, 일반적으로는 구조물 밖의 온도(외기온도)와 25도 이하로 차이가 나도록 관리해야 합니다.

예전에 콘크리트도 빵처럼 반죽상태였다가 열을 받으면 단단해지며 굳는다고 말씀드린 적이 있었는데요. 콘크리트의 주재료 중 하나인 ‘시멘트’가 물과 완전히 반응하면 125cal/g의 수화열이 발생하고, 이를 통해 콘크리트가 굳어지는 양생이 이뤄집니다. 문제는 콘크리트 구조물이 커질수록 콘크리트 내에 포함된 시멘트 양도 많아지고, 이 때문에 수화열에 과도하게 커질 수 있다는 점인데요. 중심부와 표면의 온도차로 인한 온도균열이 일어날 수 있는 원인이 됩니다. 때문에 이런 대형 구조물들을 ‘매스콘크리트’로 규정하고, 저발열형 시멘트 사용, 고성능 감수제 사용 등을 통한 단위 시멘트량의 저감, 또는 파이프 쿨링, 프리 쿨링 등의 콘크리트 냉각 공법을 활용해 관리하고 있습니다.

전 세계적으로 건축 및 건설 현장의 규모는 점점 더 대형화되고 있는 추세입니다. 이와 같은 현상의 주요 원인으로는 각국 정부 차원의 적극적인 투자와 SOC 사업의 확대 등이 꼽히는데요. 이처럼 대규모 공사 현장에서 쓰이는 콘크리트는 구조물의 특성상 더욱 각별한 주의가 필요합니다. 그 이유가 뭘까요? 대규모 구조물 공사를 진행하는 현장일수록 콘크리트 부재의 단면이나 벽체의 두께가 당연히 크고 두꺼울 수밖에 없습니다. 이는 곧 다량의 시멘트 사용이 불가피하다는 의미이고 시멘트 사용량이 많아질수록 수화열은 높아지게 되므로, 이와 같은 특성을 고려한 설계와 시공이 필요합니다.

이처럼 부재 또는 구조물의 큰 수치로 인해 시멘트 수화열에 의한 온도 상승 및 강하를 고려하여 설계·시공해야 하는 콘크리트를 ‘매스 콘크리트(Mass Concrete)’라고 합니다. 일반적으로 매스 콘크리트를 적용하는 표준범위 역시 어느 정도 정해져 있는데요. 부재의 넓이가 넓은 평판구조의 경우에는 두께가 80cm 이상, 하단이 구속된 벽체의 경우에는 두께가 50cm 이상인 구조물은 반드시 매스 콘크리트를 적용하는 대상이 됩니다. 또한, 수화열에 의한 콘크리트 내부의 최고 온도와 외부 온도 차이가 25℃ 이상으로 예상되는 경우 또는 프리스트레스 콘크리트 구조물과 같이 부배합 콘크리트를 사용하는 경우에는 얇은 부재라고 하더라도 구속 조건에 따라 매스 콘크리트 규정을 적용해야 합니다.

그럼, 매스 콘크리트에서 가장 중요한 고려 사항인 수화열은 무엇일까요? 콘크리트는 경화되는 과정에서 수화반응(시멘트에 물을 부으면 다량의 열을 방출하며 응결되는 과정에서 수산화칼륨이 생성되는 현상)이라는 화학작용을 일으키며 열이 발생하는데, 이를 수화열이라고 합니다. 이 수화반응으로 인해 시멘트는 응결과 경화 과정에서 열을 받으며 콘크리트의 체적에 변화를 가져오게 됩니다. 그렇기 때문에 수화열을 제대로 관리하지 않으면 콘크리트 내부 온도가 상승해 구조물에 균열이 발생하고, 강도를 떨어뜨려 결국은 구조물의 안정성에도 영향을 미치게 됩니다. 보통은 단위 시멘트량이 10kg/㎥ 증가함에 따라 약 0.7~1.1℃ 정도의 비율로 높아진다고 합니다. 단위 시멘트량을 적게 할수록 콘크리트 내부 온도의 증가를 막을 수 있는 것이죠. 이를 위해 시공성을 고려한 범위 내에서 굵은 골재를 최대한 많이 사용하고, 슬럼프(아직 굳지 않은 콘크리트의 반죽 질기) 값을 최소화하는 방식을 활용합니다. 단위 시멘트량을 저감하는 또 다른 방법으로 고성능 AE 감수제 등을 사용해 단위수량을 감소시키는 방식을 선택하기도 합니다.

매스 콘크리트의 온도 상승을 억제하는 가장 기본적인 방법은 중용열 포틀랜드 시멘트, 플라이애쉬 시멘트, 고로슬래그 시멘트와 같이 상대적으로 수화열이 적은 저발열 시멘트를 사용하는 것입니다. 이럴 경우 강도의 발현이 다소 지연될 수 있으므로 동절기 타설 시에는 각별히 주의해야 합니다. 또한 콘크리트의 온도가 높아져 25℃ 이상이 됐을 시에는 파이프 쿨링(Pipe Cooling)이나 프리 쿨링(Pre Cooling)과 같은 냉각 공법을 통해 온도 상승을 억제시키는 과정이 필요한데요. 파이프 쿨링은 콘크리트 타설 전 미리 묻어둔 파이프 내부에 냉수 또는 공기를 강제적으로 주입하여 콘크리트를 냉각하는 방식이고, 반면 프리 쿨링은 얼음이나 액체질소 등을 이용해 콘크리트의 원재료(물과 골재)를 냉각하는 방식입니다.

이 밖에도 부재 내부와 표면부의 온도차 저감을 위해 비닐 또는 보양포 등으로 보온 양생하는 방법을 사용하거나, 벽 부재가 두꺼운 경우 단열 거푸집을 사용해 온도 균열을 제어하는 방식으로 매스 콘크리트 시공을 관리하고 있습니다. 타설 시기 역시 중요한 검토 대상 중 하나인데요. 매스 콘크리트는 늦은 봄처럼 온도가 그다지 높지 않은 시기에 타설하는 것이 가장 적합하다고 알려져 있습니다. 마지막으로, 대량의 매스 콘크리트를 장시간에 걸쳐 타설할 때 콘크리트 온도는 가능한 한 낮게 유지하는 것이 바람직하지만 온도의 상한은 각 구조물마다 요구되는 각각의 성능이나 부재 형태, 치수, 타설 속도, 시공할 당시의 기상 조건 등을 총체적으로 고려하여 결정해야 합니다.

한편, 업계를 선도하는 생산기술로 세계 최고 품질의 시멘트 공급을 위해 노력하고 있는 삼표시멘트는 매스 콘크리트의 수화열 저감 및 온도 상승을 억제할 수 있는 특수 시멘트를 비롯해 중용열 포틀랜드 시멘트, 친환경 건설 기초소재로 각광받고 있는 플라이애쉬 시멘트와 고로슬래그 시멘트 등의 저발열형 시멘트들을 두루 생산하고 있습니다.