KR100530426B1 - 히트파이프를 이용한 매스콘크리트의 수화열 제어시스템 및수화열 제어방법과 그 시공방법 - Google Patents

히트파이프를 이용한 매스콘크리트의 수화열 제어시스템 및수화열 제어방법과 그 시공방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 매스콘크리트 내부에서 발생하는 수화열을 외부로 방출하기 위한 매스콘크리의 수화열 제어시스템 및 수화열 제어방법과 그 시공방법에 관한 것이다.
이러한 본 발명의 매스콘크리의 수화열 제어시스템은, 구조체를 형성하는 매스콘크리트의 내부에 충진된 작동유체의 열전달을 통해 매스콘크리트 내의 수화열을 외부로 방출하도록 매설된 히트파이프를 포함하여 구성하되,
상기 매스콘크리트의 표면으로부터 히트파이프의 일부가 대기와 접하도록 돌출된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 수화열 제어시스템을 이용한 매스콘크리트의 수화열 제어방법은, 작동유체가 충진된 히트파이프 중 매스콘크리트 내에 매설된 증발부에서의 작동유체 흡열과정과 함께 대기와 접하는 응축부에서의 작동유체 방열과정을 통해 매스콘크리트 내의 수화열을 외부로 방출하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 매스콘크리트의 수화열 제어를 위한 시공방법은, 거푸집 설치 및 상기 거푸집 내 철근을 배근하는 단계와; 상기 배근된 철근에 히트파이프를 부착시키는 단계와; 상기 히트파이프에 의해 제어되는 매스콘크리트 내의 수화열을 측정할 수 있게 온도센서를 설치하는 단계와; 상기 거푸집 내에 매스콘크리트를 타설하는 단계와; 상기 온도센서와 연결된 데이터로거를 통해 타설된 매스콘크리트 내의 수화열 온도를 실시간으로 측정하는 단계와; 상기 측정된 수화열 온도의 데이터를 데이터 처리장치에 저장하거나 모니터에 출력하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
따라서 본 발명에 의하면, 작동유체가 충진된 히트파이프 중 매스콘크리트 내에 매설된 증발부에서의 작동유체 흡열과정과 함께 대기와 접하는 응축부에서의 작동유체 방열과정을 통해 매스콘크리트 내의 수화열을 외부로 방출하여 매스콘크리트의 온도균열을 방지할 수 있는 등의 탁월한 효과가 있다.

Description

히트파이프를 이용한 매스콘크리트의 수화열 제어시스템 및 수화열 제어방법과 그 시공방법{Hydration Heat Control System of Mass Concrete Using Heat Pipe and Hydration Heat Control Method form Construction Method Thereof}
본 발명은 매스콘크리트 내부에서 발생하는 수화열을 외부로 방출하기 위한 매스콘크리의 수화열 제어시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 구조체를 형성하는 매스콘크리트의 내부에 충진된 작동유체의 열전달을 통해 매스콘크리트 내의 수화열을 외부로 방출하도록 매설된 히트파이프를 포함하여 구성하되, 상기 매스콘크리트의 표면으로부터 히트파이프의 일부가 대기와 접하도록 돌출되게 구성함으로써, 상기 작동유체가 충진된 히트파이프 중 매스콘크리트 내에 매설된 증발부에서의 작동유체 흡열과정과 함께 대기와 접하는 응축부에서의 작동유체 방열과정을 통해 매스콘크리트 내의 수화열을 외부로 방출할 수 있도록 한 히트파이프를 이용한 매스콘크리트의 수화열 제어시스템 및 수화열 제어방법과 그 시공방법에 관한 것이다.
일반적으로, 콘크리트는 시멘트, 자갈, 모래 및 물을 일정 비율로 혼합하여 제조하며, 이 중 시멘트와 물이 혼합되게 되면 수화반응(CaO + H20 → Ca(OH)2)을 하게 되는데, 이 때 반응열인 수화열(Heat of Hydration)이 발생하게 된다.
특히, 콘크리트는 열전도율이 낮기 때문에 경화되면서 발생하는 수화열이 외부의 노출부위로 발산되는데 많은 시간이 필요하게 된다.
따라서, 두께가 얇고 공기중에 접한 면이 많은 구조물은 내부에서 발생되는 열을 쉽게 발산시키기 때문에 수화열에 의한 균열이 그리 큰 문제가 되지 않지만, 댐, 교량의 하부구조, 도로포장, 옹벽, 원자력 발전소 구조물과 같이 부재의 두께가 약 0.8m ∼ 1.0m 이상인 매스콘크리트(Mass Concrete) 구조물에서는 수화열에의한 온도균열(Thermal Crack)이 발생될 가능성이 높으며, 최근에 많이 건설되는 LNG 저장탱크의 지하연속벽, 본체 구조물 및 건축물의 고층화 추세에 따른 하부의 매트부분에서도 수화열에 의한 온도균열이 문제시되고 있다.
더욱이, 콘크리트의 온도차가 25℃ ∼ 30℃ 정도에 도달하면 열응력에 의한 온도균열이 발생하며, 수화열에 의해 발생한 인장응력은 경화후에도 잔류응력으로 남기 때문에, 주변의 콘크리트에 구속조건으로 작용하게 되어 구조물의 균열, 안전성, 내구성 및 방수성에 영향을 미치게 된다.
그리하여 콘크리트의 경화과정에서 수화열을 조절하여 균열발생을 최소화하기 위한 방안으로 사전냉각방식과 사후냉각방식이 강구되었는데, 이 때 상기 사전냉각방식은 콘크리트 타설온도가 타설 후의 콘크리트 온도변화에 영향을 미친다는 것을 감안하여 콘크리트 타설온도 자체를 저하시킴으로써 구조물에서의 온도균열을 저감시키는 방법이며, 콘크리트 재료 온도로부터 배합온도 및 타설 콘크리트 온도까지의 온도 저감 관리를 총칭한다.
이러한 사전냉각방식을 크게 분류하면 냉수, 냉풍, 얼음, 액체질소 등의 냉각 매체를 사용하여 콘크리트 재료를 개별적으로 냉각시키는 방법과, 콘크리트의 타설시 또는 타설 후 경화 전 상태에서 콘크리트를 직접 냉각하는 방법이 있다.
한편, 상기 사후냉각방식은 파이프 쿨링(Pipe Cooling)이 대표적으로, 콘크리트 타설 전에 구조물 내에 파이프를 배치하고 타설 직후부터 파이프에 냉각수를 순환시켜 콘크리트의 수화열을 저감시키는 공법이다.
그러나, 상기한 파이프 쿨링의 경우 계속적인 냉각수의 공급이 필요하고, 특히 쿨링이 끝난 후 파이프 안을 콘크리트로 다시 채워주어야만 하는 등의 어려움이 있다.
또한, 콘크리트 시공시 한 번에 2m 이상을 쌓아 올릴 수 없으며, 2m 시공 후 다시 쌓아 올릴 때 경화된 콘크리트와 타설되는 콘크리트의 접합을 위하여 경화된 콘크리트의 표면을 처리해야 하는 문제점이 있었다.
상기와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위하여 2001년 5월 29일자로 선등록된 매스콘크리트의 수화열 제어장치(실용신안 등록번호 제0233675호)가 제안된 바 있는데, 이에 대한 세부구성으로 구조용 철근 사이에 설치됨과 동시에 메스콘크리트에 매설되며 하부가 막힌 강관과, 상기 강관 내부에 삽입되고 내부에 진공상태의 열매체가 충진된 히트파이프와, 상기 히트파이프의 상부에 형성되어 대기중에 노출되는 방열판과, 상기 강관과 히트파이프 사이에 채워지는 열전도액체가 구비되어 있다.
그러나, 종래 매스콘크리트의 수화열 제어장치는 일반적인 히트파이프의 특성상 실제로 적용하기 곤란한 문제점이 있는데, 상기한 문제점은 다음과 같다.
먼저, 종래 매스콘크리트의 수화열 제어장치에 적용된 히트파이프의 경우 그 길이가 길게 되면 증발부와 응축부의 기체와 액체가 서로 출동하는 현상이 발생하게 되어 열전달의 성능이 현저하게 저하되게 된다. 즉, 부재의 두께가 약 0.8∼1.0m 이상인 매스콘크리트에 히트파이프를 설치하여 효과적으로 수화열을 제어하기 위해서는 가급적 히트파이프가 매스콘크리트에 깊이(바람직하게는 부재의 두께와 동일하게) 매설되어야 하며, 대기중에 노출되는 응축부의 면적은 매설되는 증발부 면적의 절반 이상을 유지하는 것이 바람직하다.
따라서, 매스콘크리트의 두께가 약 1m일 경우 히트파이프의 길이는 약 1.5m 이상 유지되는 것이 바람직하나, 상기한 히트파이프의 경우 상기와 같이 긴 길이에 있어서는 증발부와 응축부의 기체와 액체의 충돌로 인한 열전달 성능이 현저하게 저하되게 되는 커다란 문제점이 있었다.
또한, 종래 매스콘크리트의 수화열 제어장치의 경우, 강관과 히트파이프 사이에 열전도액체가 채워지는 것으로 구성되어 상기 히트파이프가 항상 매스콘크리트의 상부면에 설치되는 것만을 상정하고 있지만, 상기 매스콘크리트의 구조적 특성상 히트파이프가 매스콘크리트의 상부면은 물론 측면에 설치되는 경우도 있는데, 상기와 같이 히트파이프가 매스콘크리트의 측면에 설치될 경우 상기 히트파이프는 윅(Wick) 구조를 필요로 하며, 써모사이폰(Thermosyphon)의 경우 중력의 영향을 받지 않게 되어 전술한 종래 매스콘크리트의 수화열 제어장치에 적용하기 어려운 문제점도 있었다.
그리고, 상기와 같이 히트파이프를 이용하여 매스콘크리트 내의 수화열을 제거하는데 있어, 상기 수화열 제어에 필요한 충분한 길이를 확보함과 아울러 상기한 길이에서도 기체와 액체의 충돌을 방지할 수 있는 등의 히트파이프를 사용하고자 할 경우, 상기 히트파이프의 직경이 커질 수밖에 없으며, 상기와 같이 히트 파이프의 직경이 커질 경우, 상기 히트파이프 내의 빈 공간을 콘크리트로 다시 채워야하는 등의 번거로운 문제점도 있었다.
상기와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위하여 안출된 본 발명은, 구조체를 형성하는 매스콘크리트의 내부에 충진된 작동유체의 열전달을 통해 매스콘크리트 내의 수화열을 외부로 방출하도록 매설된 히트파이프를 포함하여 구성하되, 상기 매스콘크리트의 표면으로부터 히트파이프의 일부가 대기와 접하도록 돌출되게 구성함으로써, 상기 작동유체가 충진된 히트파이프 중 매스콘크리트 내에 매설된 증발부에서의 작동유체 흡열과정과 함께 대기와 접하는 응축부에서의 작동유체 방열과정을 통해 매스콘크리트 내의 수화열을 외부로 방출하여 매스콘크리트의 온도균열을 방지할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다
또한, 상기와 같이 매스콘크리트의 수화열 제거에 진동 세관형 히트파이프를 이용함으로써, 파이프 쿨링에 필요한 엄청난 양의 물 공급과 함께, 상기 파이프 쿨링의 특성상 쿨링 후 파이프 내부에 콘크리트를 채워줘야 했던 종래의 방식에 비해 보다 간편하게 매스콘크리트 내의 수화열을 외부로 방출시킬 수 있도록 하는데 또 다른 목적이 있다.
그리고, 본 발명의 수화열 제어시스템을 매스콘크리트의 측면 또는 상면 등 어느 부분에라도 용이하게 적용할 수 있기 때문에, 콘크리트 시공시 한 번에 2m 이상 쌓아올릴 수 없었던 종래의 방식에 비해 한 번에 콘크리트의 높이를 높게 시공할 수 있으며, 결과적으로 콘크리트 시공을 위한 공사기간을 단축시킴으로 인해 시공비 역시 절감할 수 있도록 하는데 또 다른 목적이 있다.
또한, 상기와 같이 매스콘크리트 내의 수화열을 제거하는데 히트파이프를 사용함에 있어 길이의 장단으로 인한 열전달 성능이 문제되지 않는 진동 세관형 히트파이프를 사용하여 매스콘크리트의 수화열을 제거하기 때문에, 상기 매스콘크리트의 두께에 영향을 받지 않고 산업현장에 폭 넓게 이용될 수 있도록 하는데 또 다른 목적이 있다.
이와 더불어, 본 발명의 수화열 제어시스템에 히트파이프를 적용함에 있어 상기와 같이 열전달 성능에 문제되지 않는 진동 세관형 히트파이프를 사용하기 때문에, 상기 매스콘크리트 경화 후 대기중에 노출된 히트파이프를 제거하지 않고 시공되는 콘크리트 상에 그대로 매설하거나 혹은 현장에서 간편하게 절단하더라도 콘크리트의 강도에 거의 영향을 미치지 않게 되는 등 상기 매스콘크리트의 경화 후 히트파이프에 대한 후처리가 매우 용이할 수 있도록 하는데 또 다른 목적이 있다.
본 발명의 수화열 제어시스템은, 구조체를 형성하는 매스콘크리트의 내부에 충진된 작동유체의 열전달을 통해 매스콘크리트 내의 수화열을 외부로 방출하도록 매설된 히트파이프를 포함하여 구성하되,
상기 매스콘크리트의 표면으로부터 히트파이프의 일부가 대기와 접하도록 돌출된 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 히트파이프는 진동 세관형 튜브로 이루어진 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 진동 세관형 튜브는 직관과 곡관이 연속적으로 이루어지는 파형 형태나, 직각형태 또는 삼각형태의 폐루프 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 진동 세관형 튜브는 직관과 곡관이 연속적으로 이루어지는 파형 형태나, 직각형태 또는 삼각형태의 비루프 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 히트파이프 중 대기에 접하도록 돌출된 응축부와 매스콘크리트에 매설된 증발부의 길이 비가 0.1∼0.5 : 1 인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 히트파이프의 직경은 3∼10mm 인 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 수화열 제어시스템을 이용한 매스콘크리트의 수화열 제어방법은, 작동유체가 충진된 히트파이프 중 매스콘크리트 내에 매설된 증발부에서의 작동유체 흡열과정과 함께 대기와 접하는 응축부에서의 작동유체 방열과정을 통해 매스콘크리트 내의 수화열을 외부로 방출하는 것을 특징으로 한다.
그 다음으로, 상기한 매스콘크리트의 수화열 제어를 위한 시공방법은, 거푸집 설치 및 상기 거푸집 내 철근을 배근하는 단계와; 상기 배근된 철근에 히트파이프를 부착시키는 단계와; 상기 히트파이프에 의해 제어되는 매스콘크리트 내의 수화열을 측정할 수 있게 온도센서를 설치하는 단계와; 상기 거푸집 내에 매스콘크리트를 타설하는 단계와; 상기 온도센서와 연결된 데이터로거를 통해 타설된 매스콘크리트 내의 수화열 온도를 실시간으로 측정하는 단계와; 상기 측정된 수화열 온도의 데이터를 데이터 처리장치에 저장하거나 모니터에 출력하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 저장된 데이터를 통해 매스콘크리트 내의 수화열 온도를 분석하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 히트파이프를 이용한 매스콘크리트의 수화열 제어시스템 및 수화열 제어방법과 그 시공방법에 대하여 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명의 히트파이프를 이용한 매스콘크리트의 수화열 제어시스템에 대하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 매스콘크리트의 수화열 제어시스템을 개략적으로 나타낸 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 매스콘크리트 내에 히트파이프가 매설된 상태를 나타낸 사시도이며, 도 3은 본 발명에 따른 히트파이프의 작동 개념도를 나타낸 것이다.
또한, 도 4는 본 발명에 따른 히트파이프의 정면도 및 세부 단면도를 나타낸 것이고, 도 5는 본 발명에 따른 히트파이프의 또 다른 실시예를 나타낸 것이다.
본 발명에 따른 매스콘크리트의 수화열 제어시스템(1)은, 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 구조체를 형성하는 매스콘크리트(10)의 내부에 충진된 작동유체의 열전달을 통해 매스콘크리트(10) 내의 수화열을 외부로 방출하도록 매설된 히트파이프(20)를 포함하여 구성하되, 상기 매스콘크리트(10)의 표면으로부터 히트파이프(20)의 일부가 대기와 접하도록 돌출되도록 구성되어 있다.
여기서, 상기 히트파이프(20)는, 윅(Wick)에 의한 증발부(22)로의 작동유체 환원 없이 유체의 유동 진동에 의하여 열을 수송하는 열전달 기구인 진동 세관형 튜브로 이루어져 있는데, 이 때 상기 진동 세관형 튜브의 경우 세관을 진공 상태로 만든 후 임의의 비율로 작동유체를 충전시킨 단순 구조로 이루어져 있다.
이와 같은 구조로 이루어진 히트파이프(20)의 기본적인 작동은 도 3에 도시한 바와 같이, 충진된 작동유체 및 증기포의 불규칙적인 루프 내 순환 또는 축방향 진동에 의한 것이며, 가열부에 주어진 열량만큼의 핵비등을 일으킴과 아울러, 상기 핵비등에 의해 발생된 기포는 유체와 합쳐지면서 기액 슬러그류(Slug Flow)의 형태로 이루어지게 되는데, 이 때 상기 슬러그류는 압력파를 발생시킴과 동시에 축방향 진동을 동반하는 유동상태로 순환하면서 증기의 기포가 대류 열전달과 잠열 수송을 하게 되며, 이러한 작동을 위하여 진동 세관형 튜브의 내경은 충분히 작아야 한다.
이상에 대한 상기 히트파이프(20)의 경우, 중공의 튜브 내에 작동유체를 충진시킨 후 진공 밀폐시킴과 아울러, 작동유체의 증발과 응축에 의하여 별도의 외부동력없이 열을 전달하는 요소로서, 통상적으로 사용되는 히트파이프(미도시)의 경우 증발부(22)에서 응축부(24)로의 기체 이동은 압력차에 의해 발생하게 되고, 상기 응축부(24)에서 증발부(22)로의 이동은 튜브 내에 형성된 다공성 윅을 이용하게 된다.
또한, 상기 히트파이프의 특수한 형태로서, 써모사이폰(Thermosyphon)을 이용할 수 있는데, 상기한 써모사이폰의 경우 별도의 윅 구조를 가지지 않으면서 중력에 의하여 액체가 증발부(22)로 이동하는 형태의 구조로서 반드시 수직 형태로 설치되어야 한다.
이에 본 발명에 적용된 히트파이프(20) 즉, 진동 세관형 히트파이프(20)의 경우 전술한 통상의 히트파이프 내지 써모사이폰과는 달리 세관의 작은 내경으로 인한 표면장력과 축방향 진동에 의한 순환운동을 이용함으로써 그 길이에 있어 거의 제한이 없다.
그리고, 도 2에 도시한 바와 같이 매스콘크리트(10)에 매설되되 상기 매스콘크리트(10)의 표면으로부터 파이프의 일부가 대기와 접하도록 돌출되는 히트파이프(20)의 경우, 상기 히트파이프(20) 중 대기에 접하도록 돌출된 응축부(24)와 매스콘크리트(10)에 매설된 증발부(22)의 길이 비가 0.1∼0.5 : 1 로 이루어지게 되는데, 이 때 상기 히트파이프(20) 중 증발부(22)에 대한 응축부(24)의 길이가 0.5를 초과하게 되면, 콘크리크 타설 후 작업의 방해 및 철근의 간섭으로 인해 작업이 어려워지게 되고, 이와는 반대로 상기 히트파이프(20) 중 증발부(22)에 대한 응축부(24)의 길이가 0.1 이하로 짧아지게 되면, 히트파이프(20)의 표면적 및 체적이 줄어듬으로 인한 냉매의 열전도율 즉, 열전달 성능이 저하되게 된다.
또한, 상기 히트파이프(20)의 경우 그 직경이 3∼10mm 로 이루어져 있는데, 이 때 상기 히트파이프(20)의 직경을 3mm 이하로 하게 되면, 파이프 관내로 충진되는 냉매의 양이 보통 3mm 이상의 파이프에 충진되는 냉매량에 비해 감소하기 때문에 상기 히트파이프(20)의 열전달 성능이 크게 저하되게 되고, 이와는 반대로 상기 히트파이프(20)의 직경이 10mm 이상일 경우, 매스콘크리트(10)에 의한 구조물에 배근되는 철근과 같은 역할을 하여 일정 크기의 구조물에 대하여 과다 철근을 사용하는 것과 같은 상태가 된다.
그리고, 본 발명의 수화열 제어시스템(1)에 적용된 히트파이프(20)의 경우 전술한 바와 같이, 열전달 기구인 진동 세관형 튜브로 이루어져 있는데, 이 때 상기 진동 세관형 튜브의 경우, 도 4에 도시한 바와 같이, 직관(26)과 곡관(28)이 연속적으로 이루어지는 파형의 폐루프 형태로 형성되어 있으나, 경우에 따라 직각형태(미도시) 또는 삼각형태(미도시)의 폐루프로 구성할 수도 있다.
또한, 상기한 진동 세관형 튜브의 또 다른 실시예로서, 도 5의 (a), (b), (c)에 도시한 바와 같이, 직관과 곡관이 연속적으로 이루어지는 파형 형태나, 직각형태 또는 삼각형태의 비루프 형태(20a,20b,20c)로 형성할 수도 있다.
그 다음으로, 본 발명의 수화열 제어시스템을 이용한 매스콘크리트의 수화열 제어방법에 대하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 수화열 제어시스템(1)을 이용한 매스콘크리트(10)의 수화열 제어방법은, 작동유체가 충진된 히트파이프(20) 중 매스콘크리트(10) 내에 매설된 증발부(22)에서의 작동유체 흡열과정과 함께 대기와 접하는 응축부(24)에서의 작동유체 방열과정을 통해 매스콘크리트(10) 내의 수화열을 외부로 방출함으로써, 상기 매스콘크리트(10) 내의 수화열을 제거하게 된다.
이와 같은 매스콘크리트(10) 내의 수화열을 제거하기 위한 제어방법으로, 도 1에 도시된 매스콘크리트(10)의 수화열 제어시스템(1)을 이용하게 되는데, 이러한 매스콘크리트(10)의 수화열 제어시스템(1)으로는, 히트파이프(20)가 설치되지 않은 매스콘크리트 시험체(100A), 및 상기 히트파이프(20)가 설치된 매스콘크리트 시험체(100B,100C,100D)와; 상기 시험체(100A,100B,100C,100D) 내에 매설된 온도센서(미도시)와; 상기 온도센서와 연결되어 수화열 온도를 실시간으로 측정하는 데이터로거(30)와; 상기 데이터로거(30)를 통해 실시간으로 측정된 데이터를 저장하거나 출력하는 데이터 처리장치(50)로 이루어져 있으며, 특히 상기한 매스콘크리트(10)의 수화열 제어시스템(1)에 있어 상기 데이터로거(30)는 요코가와(Yokogawa)사의 DR-230이 사용되고, 상기 데이터 처리장치(50)는 컴퓨터로서 상기 데이터로거(30)의 단자와 연결되어 RS-232C 통신을 통해 데이터를 전송 받게 되며, 상기 온도센서는 T-type의 열전대를 사용하여 다점의 온도를 계측하게 된다. 그리고, 상기 히트파이프(20) 내에 충진되는 냉매는 R-22(클로로디플루오르메탄)을 사용한다.
또한, 상기 히트파이프(20)가 설치된 매스콘크리트 시험체(100B,100C,100D)의 경우, 히트파이프(20)의 설치 간격과 증발부/응축부(22,24)의 표면적 변화에 따라 3개의 매스콘크리트 시험체(100B,100C,100D)로 각각 구분되며, 이 때 상기한 매스콘크리트 시험체(100A,100B,100C,100D) 중 히트파이프(20)가 설치되지 않은 매스콘크리트 시험체(100A)는 A 시험체(100A), 상기 히트파이프(20)가 20cm 간격으로 설치되고 증발부(22)와 응축부(24)의 표면적이 0.25m2와 0.15m2인 매스콘크리트 시험체(100B)는 B 시험체(100B), 상기 히트파이프(20)가 10cm 간격으로 설치되고 증발부(22)와 응축부(24)의 표면적이 0.45m2와 0.25m2인 매스콘크리트 시험체(100C)는 C 시험체(100C), 상기 히트파이프(20)가 5cm 간격으로 설치되고 증발부(22)와 응축부(24)의 표면적이 0.85m2와 0.47m2인 매스콘크리트 시험체(100D)는 D 시험체(100D)로 명명하며, 상기한 A, B, C, D 시험체(100A,100B,100C,100D)의 제원을 살펴보면 다음과 같다.
A 시험체
1. 콘크리트 시험체의 크기 : 길이×폭×높이(120cm×120cm×120cm)
2. 히트파이프 미설치
B 시험체
1. 콘크리트 시험체의 크기 : 길이×폭×높이(120cm×120cm×120cm)
2. 히트파이프의 피치 간격 : 20cm
3. 거푸집으로부터 30, 30, 30, 30cm 간격으로 히트파이프 3열 배치
4. 증발부에 대한 응축부의 길이 비 - 1 : 0.5
5. 히트파이프 제원 : 1) 외경 4mm, 내경 2.8mm
2) 증발부 표면적 : 0.25m2
3) 응축부 표면적 : 0.15m2
4) Semi-soft type, Roof형 마감
C 시험체
1. 콘크리트 시험체의 크기 : 길이×폭×높이(120cm×120cm×120cm)
2. 히트파이프의 피치 간격 : 10cm
3. 거푸집으로부터 30, 30, 30, 30cm 간격으로 히트파이프 3열 배치
4. 증발부에 대한 응축부의 길이 비 - 1 : 0.5
5. 히트파이프 제원 : 1) 외경 4mm, 내경 2.8mm
2) 증발부 표면적 : 0.45m2
3) 응축부 표면적 : 0.25m2
4) Semi-soft type, Roof형 마감
D 시험체
1. 콘크리트 시험체의 크기 : 길이×폭×높이(120cm×120cm×120cm)
2. 히트파이프의 피치 간격 : 5cm
3. 거푸집으로부터 30, 30, 30, 30cm 간격으로 히트파이프 3열 배치
4. 증발부에 대한 응축부의 길이 비 - 1 : 0.5
5. 히트파이프 제원 : 1) 외경 4mm, 내경 2.8mm
2) 증발부 표면적 : 0.85m2
3) 응축부 표면적 : 0.47m2
4) Semi-soft type, Roof형 마감
이와 같은 제원의 A, B, C, D 시험체(100A,100B,100C,100D)는 아래에 기술되는 시공방법에 의해 시공됨과 아울러, 각 시험체(100A,100B,100C,100D)의 시공과정에서 발생되는 시험체(100A,100B,100C,100D) 내의 수화열을 측정하여 그 온도의 변화를 분석하게 되는데, 이러한 각 시험체(100A,100B,100C,100D)의 시공방법을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 6은 본 발명에 따른 매스콘크리트 내의 수화열 제어를 위한 매스콘크리트 시험체의 시공 및 수화열의 제어과정을 나타낸 공정도이고, 도 7은 본 발명에 따른 각 매스콘크리트 시험체의 시간에 따른 수화열 온도변화상태를 나타낸 그래프이다.
상기와 같이 수화열 제어를 위한 매스콘크리트 시험체 즉, B, C, D 시험체(100B,100C,100D)의 시공방법은, 도 6에 도시한 바와 같이, 거푸집(미도시) 설치 및 상기 거푸집 내 철근(미도시)을 배근하는 단계(S110)와; 상기 배근된 철근에 히트파이프(20)를 부착시키는 단계(S120)와; 상기 히트파이프(20)에 의해 제어되는 매스콘크리트(10) 내의 수화열을 측정할 수 있게 온도센서(미도시)를 설치하는 단계(S130)와; 상기 거푸집 내에 매스콘크리트(10)를 타설하는 단계(S140)와; 상기 온도센서와 연결된 데이터로거(30)를 통해 타설된 매스콘크리트(10) 내의 수화열 온도를 실시간으로 측정하는 단계(S150)와; 상기 측정된 수화열 온도의 데이터를 데이터 처리장치(50)에 저장하거나 모니터에 출력하는 단계(S160); 및 상기 저장된 데이터를 통해 매스콘크리트(10) 내의 수화열 온도를 분석하는 단계(S170);를 포함하여 이루어지며, 상기한 단계들을 통해 수화열 제어를 위한 매스콘크리트 시험체(100B,100C,100D)가 시공되면서 매설된 히트파이프(20) 즉, 증발부(22)에서의 작동유체 흡열과정과 응축부(24)에서의 작동유체 방열과정을 통해 매스콘크리트(10) 내의 수화열을 외부로 방출함으로써 매스콘크리트(10) 내의 수화열이 제거되게 된다.
여기서, A 시험체(100A) 시공방법의 경우, 거푸집 내 배근된 철근에 히트파이프(20)를 부착시키는 단계를 제외한 나머지 단계는 전술한 B, C, D 시험체(100B,100C,100D)의 시공방법 및 수화열의 제어과정과 동일한 과정으로 이루어지게 된다.
이와 같이 매스콘크리트(10) 내의 수화열을 제어하기 위한 각 매스콘크리트 시험체 즉, 각 A, B, C, D 시험체(100A,100B,100C,100D)의 시간에 따른 수화열 온도변화상태를 도 7에 그래프로 나타내었다.
이 때, 도 7에 도시된 그래프에서 각 A, B, C, D 시험체(100A,100B,100C,100D)의 수화열 온도변화에서 알 수 있듯이, 상기 히트파이프(20)가 설치되지 않은 A 시험체(100A)인 No.1의 경우, 콘크리트 타설 후 28시간만에 경화에 따른 최고온도 68.4℃까지 상승하였고, 상기 히트파이프(20)가 20cm 간격으로 설치되고 증발부(22)와 응축부(24)의 표면적이 0.25m2와 0.15m2인 B 시험체(100B)인 No.2의 경우, 콘크리트 타설 후 20시간만에 경화에 따른 최고온도 62.7℃까지 상승하였으며, 상기 히트파이프(20)가 10cm 간격으로 설치되고 증발부(22)와 응축부(24)의 표면적이 0.45m2와 0.25m2인 C 시험체(100C)인 No.3의 경우, 콘크리트 타설 후 18시간만에 경화에 따른 최고온도 60.1℃까지 상승하였고, 마지막으로 상기 히트파이프(20)가 5cm 간격으로 설치되고 증발부(22)와 응축부(24)의 표면적이 0.85m2와 0.47m2인 D 시험체(100D)인 No.4의 경우, 콘크리트 타설 후 17시간만에 경화에 따른 최고온도 55.4℃까지 상승하였음을 알 수 있다.
따라서, 각 A, B, C, D 시험체(100A,100B,100C,100D) 내의 수화열 온도변화에 대한 결과값을 살펴볼 때, 상기 히트파이프(20)가 설치되지 않은 A 시험체(100A)에 비해 상기 히트파이프(20)가 설치된 B, C, D 시험체(100B,100C,100D)의 최고온도 도달시간 및 최고온도가 크게 저하됨을 알 수 있으며, 특히 상기 히트파이프(20)가 설치된 시험체들(100B,100C,100D) 중 상기 히트파이프(20)의 설치 간격이 좁고 상기 증발부/응축부(22,24)의 표면적이 클수록 최고온도 도달시간 및 최고온도가 더욱 더 저하되는 것을 알 수 있는데, 이 때 상기 히트파이프(20)가 설치되지 않은 A 시험체(100A)와, 상기 히트파이프(20)가 5cm 간격으로 설치되고 증발부(22)와 응축부(24)의 표면적이 0.85m2와 0.47m2인 D 시험체(100D)를 비교해 볼 때 최고온도 도달시간은 약 11시간 정도 단축되고, 최고온도도 약 13℃가 저하되는 등 상기 히트파이프(20)의 증발/응축작용을 통해 매스콘크리트(10) 내의 수화열을 외부로 방출함으로써, 상기 매스콘크리트(10)의 경화시간 단축과 함께, 수화열 저하에 따른 매스콘크리트(10)의 온도균열을 방지할 수 있는 특징적 효과를 얻을 수가 있다.
이상에서와 같이 상술한 실시예는 본 발명의 가장 바람직한 예에 대하여 설명한 것이지만 상기 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형이 가능하다는 것은 당업자에게 있어서 명백한 것이다.
이상에서와 같이 본 발명은, 구조체를 형성하는 매스콘크리트의 내부에 충진된 작동유체의 열전달을 통해 매스콘크리트 내의 수화열을 외부로 방출하도록 매설된 히트파이프를 포함하여 구성하되, 상기 매스콘크리트의 표면으로부터 히트파이프의 일부가 대기와 접하도록 돌출되게 구성함으로써, 상기 작동유체가 충진된 히트파이프 중 매스콘크리트 내에 매설된 증발부에서의 작동유체 흡열과정과 함께 대기와 접하는 응축부에서의 작동유체 방열과정을 통해 매스콘크리트 내의 수화열을 외부로 방출하여 매스콘크리트의 온도균열을 방지할 수 있는 등의 탁월한 효과가 있다.
또한, 상기와 같이 매스콘크리트의 수화열 제거에 진동 세관형 히트파이프를 이용함으로써, 파이프 쿨링에 필요한 엄청난 양의 물 공급과 함께, 상기 파이프 쿨링의 특성상 쿨링 후 파이프 내부에 콘크리트를 채워줘야 했던 종래의 방식에 비해 보다 간편하게 매스콘크리트 내의 수화열을 외부로 방출시킬 수 있게 되는 등의 효과도 있다.
그리고, 본 발명의 수화열 제어시스템을 매스콘크리트의 측면 또는 상면 등 어느 부분에라도 용이하게 적용할 수 있기 때문에, 콘크리트 시공시 한 번에 2m 이상 쌓아올릴 수 없었던 종래의 방식에 비해 한 번에 콘크리트의 높이를 더 높게 시공할 수 있으며, 결과적으로 콘크리트 시공을 위한 공사기간을 단축시킴으로 인해 시공비 역시 절감할 수 있는 등의 효과도 있다.
또한, 상기와 같이 매스콘크리트 내의 수화열을 제거하는데 히트파이프를 사용함에 있어 길이의 장단으로 인한 열전달 성능이 문제되지 않는 진동 세관형 히트파이프를 사용하여 매스콘크리트의 수화열을 제거하기 때문에, 상기 매스콘크리트의 두께에 영향을 받지 않고 산업현장에 폭 넓게 이용될 수 있는 등의 효과도 있다.
이와 더불어, 본 발명의 수화열 제어시스템에 히트파이프를 적용함에 있어 상기와 같이 열전달 성능에 문제되지 않는 진동 세관형 히트파이프를 사용하기 때문에, 상기 매스콘크리트 경화 후 대기중에 노출된 히트파이프를 제거하지 않고 시공되는 콘크리트 상에 그대로 매설하거나 혹은 현장에서 간편하게 절단하더라도 콘크리트의 강도에 거의 영향을 미치지 않게 되는 등 상기 매스콘크리트의 경화 후 히트파이프에 대한 후처리가 매우 용이한 효과도 있다.
도 1은 본 발명에 따른 매스콘크리트의 수화열 제어시스템의 개략적 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 매스콘크리트 내에 히트파이프가 매설된 상태를 나타낸 사시도.
도 3은 본 발명에 따른 히트파이프의 작동 개념도.
도 4는 본 발명에 따른 히트파이프의 정면도 및 세부 단면도.
도 5는 본 발명에 따른 히트파이프의 또 다른 실시예도.
도 6은 본 발명에 따른 매스콘크리트 내의 수화열 제어를 위한 매스콘크리트 시험체의 시공 및 수화열의 제어과정을 나타낸 공정도.
도 7은 본 발명에 따른 각 매스콘크리트 시험체의 시간에 따른 수화열 온도변화상태를 나타낸 그래프.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
1. 수화열 제어시스템 10. 매스콘크리트
20. 히트파이프 22. 증발부
23. 단열부 24. 응축부 30. 데이터로거 50. 데이터 처리장치
삭제
100A, 100B, 100C, 100D. 매스콘크리트 시험체
S110. 거푸집 설치 및 철근 배근단계
S120. 히트파이프 부착단계
S130. 온도센서 설치단계
S140. 매스콘크리트 타설단계
S150. 매스콘크리트 내의 수화열 측정단계
S160. 데이터 저장 및 출력단계
S170. 수화열 온도 분석단계A. 액체 진동B. 증기 진동 및 미세 증기의 발생C. 핵비등에 의한 진동

Claims (9)

  1. 구조체를 형성하는 매스콘크리트의 내부에 충진된 작동유체의 열전달을 통해 매스콘크리트 내의 수화열을 외부로 방출하도록 매설된 히트파이프를 포함하여 구성하되,
    상기 매스콘크리트의 표면으로부터 히트파이프의 일부가 대기와 접하도록 돌출된 것을 특징으로 하는 히트파이프를 이용한 매스콘크리트의 수화열 제어시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 히트파이프는 진동 세관형 튜브로 이루어진 것을 특징으로 하는 히트파이프를 이용한 매스콘크리트의 수화열 제어시스템.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 진동 세관형 튜브는 직관과 곡관이 연속적으로 이루어지는 파형 형태나, 직각형태 또는 삼각형태의 폐루프 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 히트파이프를 이용한 매스콘크리트의 수화열 제어시스템.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 진동 세관형 튜브는 직관과 곡관이 연속적으로 이루어지는 파형 형태나, 직각형태 또는 삼각형태의 비루프 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 히트파이프를 이용한 매스콘크리트의 수화열 제어시스템.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 히트파이프 중 대기에 접하도록 돌출된 응축부와 매스콘크리트에 매설된 증발부의 길이 비가 0.1∼0.5 : 1 인 것을 특징으로 하는 히트파이프를 이용한 매스콘크리트의 수화열 제어시스템.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 히트파이프의 직경은 3∼10mm 인 것을 특징으로 하는 히트파이프를 이용한 매스콘크리트의 수화열 제어시스템.
  7. 작동유체가 충진된 히트파이프 중 매스콘크리트 내에 매설된 증발부에서의 작동유체 흡열과정과 함께 대기와 접하는 응축부에서의 작동유체 방열과정을 통해 매스콘크리트 내의 수화열을 외부로 방출하는 것을 특징으로 하는 히트파이프를 이용한 매스콘크리트의 수화열 제어방법.
  8. 거푸집 설치 및 상기 거푸집 내 철근을 배근하는 단계와;
    상기 배근된 철근에 히트파이프를 부착시키는 단계와;
    상기 히트파이프에 의해 제어되는 매스콘크리트 내의 수화열을 측정할 수 있게 온도센서를 설치하는 단계와;
    상기 거푸집 내에 매스콘크리트를 타설하는 단계와;
    상기 온도센서와 연결된 데이터로거를 통해 타설된 매스콘크리트 내의 수화열 온도를 실시간으로 측정하는 단계와;
    상기 측정된 수화열 온도의 데이터를 데이터 처리장치에 저장하거나 모니터에 출력하는 단계;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 수화열 제어시스템의 시공방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 저장된 데이터를 통해 매스콘크리트 내의 수화열 온도를 분석하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수화열 제어시스템의 시공방법.
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