본 연구에서는 프리믹스 시멘트 타입의 3성분계 저발열 시멘트와 산업부산물인 석탄용융슬래그(CGS)를 콘크리트용 골재로 조합하여 재료배합적 측면에서 매스 콘크리트의 수화열 저감 방법을 제안하고자 한다. 이를 위하여 먼저, 3성분계의 저발열 결합재 재료조합, 혼합방법 및 혼합시간에 따른 콘크리트의 특성을 비교 분석하여 유동성 및 강도의 편차를 최소화할 수 있는 최적 혼합방법을 도출하고자 한다. 이를 토대로 제안한 3성분계 저발열 프리믹스 시멘트 조합과 CGS 골재 치환율 변화에 따른 콘크리트의 제반 물성, 내구성 및 발열량 등의 성능을 평가하고 최적의 프리믹스 시멘트 재료 조합 및 CGS 치환율을 도출하여, 매스콘크리트의 수화열 저감 성능 평가를 위한 Mock-up 실험 및 수화열 해석을 실시하고자 한다.
본 연구의 결과로서 먼저 시멘트의 혼합형태에 따른 특성으로 프리믹스 방식으로 혼합한 3성분계 시멘트는 혼합시간 60초 이상에서 강도 편차가 거의 없으며 유동성 및 재료분리 저항성이 우수한 것으로 나타났다. 또한, 프리믹스 시멘트 조합 및 CGS 치환율 변화에 따라 콘크리트의 유동성은 증가하였으며, 공기량은 감소하는 경향으로 AE제 첨가량이 증가하는 것으로 나타났다. 압축강도는 1성분계 시멘트에서 초기 압축강도가 우수 경향으로 나타났으나, 2종이상의 광물질 혼화재 조합이 증가할수록 장기강도 발현에 우수하였다. 하지만, CGS 치환율이 증가할수록 압축강도가 약 1~5% 정도의 소폭 감소하는 것으로 나타났다.

내구성 측면에서는 2성분계 및 3성분계 프리믹스 시멘트 및 CGS 치환율이 증가할수록 탄산화 저항성이 감소하는 경향으로 나타났는데, 이는 CGS 치환에 따른 영향보다는 프리믹스 시멘트 조합에 따른 영향이 더 지배적인 것으로 판단된다. 또한, 동결융해 저항성은 3성분계 프리믹스 시멘트(TBC)에서 CGS 치환율 50%의 경우 상대 동탄성계수가 60% 미만으로 나타났는데, 이는 콘크리트 내부 공기량이 3%이하로 저하하여 나타난 것으로 분석된다. 건조수축 길이 변화는 프리믹스 시멘트 조합에 따라 큰 차이는 없었고, 재령 180일까지 건조수축은 0.001% 이하의 변동 폭으로 CGS 치환에 따른 길이 변화율은 크지 않은 것으로 나타났다.

단열온도상승 특성은 1성분계 시멘트에서 높은 발열량으로 나타났으며, 2성분계 및 3성분계 프리믹스 시멘트는 CGS 치환율이 증가할수록 수화열이 감소하는 경향으로 나타났다. 특히, 3성분계 프리믹스 시멘트인 TBC와 CGS 치환율 50%에서 콘크리트 최고온도 34.9℃로 OPC 최고온도 대비 18.8℃의 수화열 저감 효과를 확인하였다.

모의 부재 수화열 특성은 상부 OPC 및 하부 TBC+CGS 50% 배합에서 중앙부 최고온도 27.1℃로 표면부와 중앙부의 온도차이는 3.4℃로 나타났으며, 최고온도 도달시간은 약 43시간 후로 OPC의 경우보다 13시간 지연되는 것으로 나타났다. 즉, 상부 OPC, 하부 TBC+CGS 50% 배합을 사용 시 상・하부 발열량 차이 약 27% 이상의 수화열 저감 성능을 확인하였다. 또한, 수화열을 해석한 결과 하부배합 TBC+CGS 50%의 경우는 표면부와 최고온도가 약 1.3℃ 정도 더 낮아지는 것으로 나타났으며, 이에 따라 하부배합 TBC+CGS 50%는 하부배합 TBC보다 약 5% 정도의 수화열 저감 성능을 갖는 것으로 판단된다.
이상을 종합하면, 본 연구 범위에서 매스콘크리트의 수화열 저감을 위해 3성분계 프리믹스 시멘트를 사용한 경우 압축강도의 편차가 거의 발생하지 않고, 유동성 및 재료분리 저항성이 우수하게 나타났다. 또한, 매트 기초용 매스콘크리트 수화열 제어공법으로 상하부 분할 타설 적용조건에서 타설층 상부배합은 OPC, 하부 배합은 TBC+CGS 50% 조합으로 적용 시 상・하부 콘크리트의 타설시간 차에 의한 콘크리트 발열량 차를 최소화하고, CGS를 콘크리트용 잔골재로 활용하여 매스 콘크리트의 하부 콘크리트의 수화열을 추가로 저감시키므로 매스 콘크리트의 수화열에 의한 온도균열 제어효과가 클 것으로 판단된다.

This study is to propose a method to reduce the heat of hydration of mass concrete in a way of adjusment of material and mixture proportions by combining ternary blended low-heat cement with pre-mix method and coal gasification slag (CGS), an industrial by-product. Thus, first, the properties of concrete according to the material combinations of ternary low-heat binders, mixing method, and mixing time were comparatively studied to offer the optimum mixing method that minimized deviations in fluidity and strength. Based on the results, various physical properties, the durability, and heat generation of concrete were evaluated according to the proposed ternary low-heat pre-mix cement compositions and changes in CGS aggregate replacement ratio. This can help to offer the optimum pre-mix cement material composition and CGS replacement ratio. Then, mock-up experiments and heat of hydration analysis were conducted to evaluate the reduction in hydration heat in the mass concrete.
The results indicate that according to the cement compositions, the ternary blended cement applying pre-mix method shows little deviation in strength at a mixing time of more than 60 seconds, and exhibits excellent fluidity and resistance to material segregation. Furthermore, the fluidity of concrete increases due to changes in the pre-mix cement composition and CGS replacement ratio, and the decrease in the amount of air increases the added amount of air-entraining agent. Regarding the compressive strength, cement exhibits excellent initial compressive strength, but long-term strength development is more prominent as the number of combinations involving binary or ternary blended mineral admixture compositions increases. However, the compressive strength slightly decreases by approximately 1–5% as the CGS replacement ratio increases.

In terms of durability, binary blended cement (BBC) and ternary blended cement (TBC) tend to show a decrease in carbonation resistance as the CGS replacement ratio increases. The pre-mix cement composition is inferred to be a more dominant factor in this phenomenon than the CGS replacement ratio. Furthermore, freeze-thaw resistance results show that the relative dynamic modulus of elasticity is below 60% in TBC at a CGS replacement ratio of 50%. The decrease in the internal air content in concrete to below 3% is inferred to be the cause of this phenomenon. The change in length due to dry shrinkage does not vary significantly with the pre-mix cement composition, and the variation in dry shrinkage is less than 0.001% until 180 days. This indicates that the rate of change of length according to CGS replacement is insignificant.

The adiabatic temperature rise property shows high heat generation in mono-component cement, and the heat of hydration decreases in BBC and TBC as the CGS replacement ratio increases. In particular, the heat of hydration is reduced by 18.8 ℃ from the OPC maximum temperature to 34.9℃ in TBC at a CGS replacement ratio of 50%.

Regarding the mock-up heat of hydration property, the highest temperature of 27.1°C is observed in the center of the upper OPC and lower TBC+CGS 50% combination, with a temperature difference of 3.4 °C between the surface and center. The time required to reach the maximum temperature is approximately 43 hours, which is 13 hours later than that required to reach the OPC. In other words, by using the upper OPC and lower TBC+CGS 50% combination, the difference between upper and lower heat generation is reduced by more than 27% in terms of the heat of hydration. Furthermore, from the analysis of the heat of hydration, the lower TBC+CGS 50% combination results in the surface and highest temperature being lowered by approximately 1.3℃. The lower TBC+CGS 50% combination leads to approximately 5% more reduction in the heat of hydration compared to the lower TBC combination.
In summary, by combining TBC and CGS aggregates to reduce the heat of hydration in mass concrete, there is insignificant deviation in the compressive strength, and excellent fluidity and resistance to material segregation. In addition, the control method for the heat of hydration based on mass concrete can be used under the upper and lower split placement conditions. As a way to reduce excessive hydration heat of the mass concrete adopting placement layers in this study, the combination of OPC in the upper placement layer and TBC+CGS 50% in lower placement layer can minimize the heat generation difference between placement layers due to the difference in the placement time of the upper placement layer and lower placement layer.