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문제 정의
- 따라서, 본 논문에서는 숏크리트 품질확보에 중요한 위치를 차지하고 있는 급결제를 변수로 모형시험을 실시하여 실리카흄 등의 고강도 발현을 위한 고가의 혼화재를 사용하지 않고서도 숏크리트의 품질향상과 함께 시공성과 경제성을 동시에 확보할 수 있는 고품질의 숏크리트 개발 가능성을 확인하는데 주목적을 두었으며, 실험 결과를 통해 향후 Single-shell Lining 터널등 Permanent Shotcrete Lining 적용을 위한 기초 자료로 활용하고자 한다.
- 본 연구를 수행하는 과정에 있어 많은 도움을 주신 삼성물산㈜ 건설부문 이승복 차장님, 오성무 과장님, 그리고 모형시험을 실시하는데 많은 협조를 아끼지 않으신 코리아마스터빌더스㈜ 기술연구소 최명식 선임연구원께 감사를 표하는 바이다.
가설 설정
- 2) 실시공에서 충분한 시공성이 확보 가능한 배합이어야 한다. 여기서 말하는 시공성은 숏크리트 속도, 리바운드, 펌프압송 등의 관점에서 종합적으로 평가한 것을 말하며, 이를 위해서는 배합 및 현장 상황에 적합한 타설 장비의 선택이 중요하다.
제안 방법
- Alkali-free급결제와 물유리계 급결제(Sodium Silicate) 를 주요 변수로 습식 강섬유보강 숏크리트(Steel Fiber Reinforced Shotcrete, SFRS)에 대한 모형시험을 실시하였으며, 제작된 공시체에 대해 압축강도, 휨강도, 등가휨강도 및 휨인성계수를 평가하여 그 성능을 비교 분석하였다.
- 강도 시험용 패널에 타설 하기 전 배치플랜트에서 생산된 base concrete에 대한 슬럼프 경시 변화를 알아보기 위해 KS F 2402규정에 의한 콘크리트 슬럼프 실험 (13cm)과 KS F 2421의 공기실 압력방법에 의한 공기량 측정시험(4%)을 실시하였으며, 타설 전 콘크리트의 온도 측정(18℃)을 실시하였다.
- 압축강도 시험용 공시체는 타설 1일 후 코어보링머신 (Core boring machine)을 이용하여 ф100mm의 코아 공시체를 채취 하였으며, 시간에 따른 강도발현 상태를 파악하기 위해 일자별로 3개의 공시체를 제작하여 1일, 3일, 7일, 24일 강도시험을 수행하였다. 공시체의 높이는 타설 후 면처리를 하였으나, 일정한 높이로 얻기가 힘들어 시험 전 채취된 공시체 높이를 측정하여 ASTM C42-99 규정에 의거 코아 지름에 대한 공시체의 높이(숏크리트 두께)에 따라 강도 보정을 실시하였다. 콘크리트의 압축강도 시험은 KSF 2405(콘크리트의 압축강도 시험방 법)에 의해 실시하였으며, 100tonf 용량의 UTM을 사용 하여 측정하였다.
- 배치 플랜트에서 제조되어 레미콘 트럭으로 운반된 콘크리트는 숏크리트 장비에 부착된 콘에 부어져 직경 ф65mm, 길이 25m의 콘크리트 반송관을 통해 시간당 5~6m3로 압송되었다. 급결제는 급결제 운송관(직경 ф25mm)을 통해 노즐(직경 ф40mm) 약 1.5m 후방에서 첨가되었으 며, 첨가량은 숏크리트 장비의 디지털 계기판을 통해 자동으로 조절하였다(사진 2). 토출되는 숏크리트의 배합이 안정된 상태가 된 후 노즐 선단과 패널과의 거리를 약 1.
- 실 터널에 숏크리트팅 한 후 채취된 코아의 강도는 원지반과의 부착문제, 시공상태, 장비문제, 기온이나 습도등 타설 당일의 환경적인 영향으로 본 시험과 같이 몰드 에서 채취된 숏크리트 강도와 비교했을 때 강도의 저감이 예상되며, 강도의 저감은 동시에 탄성계수의 저감으로 이어지게 된다. 따라서, 본 연구에서는 20%의 강도저감을 고려하여 시험에서 구한 탄성계수의 80%를 적용한 보정 탄성계수를 구하여 비교 검토 하였다. 그림 4에 나타난 바와 같이 Alkali-free급결제를 사용한 공시체의 보정 탄성계수는 전 재령에 걸쳐 현재 설계에 적용중인 탄성계 수치를 만족하는 것으로 나타나 초기의 높은 탄성계수로 인한 강성의 증가로 지반의 이완과 처짐을 조기에 억제할 수 있을 것으로 사료된다.
- 콘크리트의 압축강도 시험은 KSF 2405(콘크리트의 압축강도 시험방 법)에 의해 실시하였으며, 100tonf 용량의 UTM을 사용 하여 측정하였다. 또한, 설계에 적용될 탄성계수의 적정성 검토를 위해 사진7과 같이 콘크리트용 스트레인 게이지를 부착하여 탄성계수를 측정하였다.
- 휨강도 측정을 위해 강재 몰드(15×15×53cm)를 사용 하여 숏크리팅 한 후 15×15×45cm로 커팅하여 KS F 2408 (콘크리트의 휨강도 시험방법)규정에 의거 3등분점 재하법을 이용하여 1일, 3일, 28일 강도 측정을 수행하였다. 또한, 휨인성 시험(사진 8)은 시험 여건 상 휨강도 시편과 동일한 치수를 이용하여 재령28일의 등가휨강도(등 가휨강도)를 측정하였다. 처짐 측정을 위해 LVDT (Linear Voltage Displacement Transducer)를 보의 중앙부에 설치하였으며 재하점의 처짐이 전체 스팬의 1/150(=3.
- 국내 터널표준시방서(1999)에서는 숏크리트의 압축강도 및 휨강도는 1회 시험 당 3개의 시료를 채취하여 2개 이상은 설계강도 이상이어야 하며, 1개 이상이 설계강도의 85%보다 작아서는 안되며, 3개의 평균강도는 설계강도 이상이 되어야 한다고 규정하고 있다. 본 논문에서는 고강도 숏크리트 개발이라는 차원에서 특정 설계기준강 도를 설정하지 않았지만, 터널 표준시방서에 규정된 숏크리트 강도 규정(재령1일 강도 100kgf/cm 2 이상, 재령 28일 강도 180kgf/cm 2 이상)과 한국도로공사에서 규정한 강섬유보강 숏크리트의 28일 휨강도 45kgf/cm 2 (등가휨강도 30.6kgf/cm 2 (휨인성계수 68%)를 근거로 결과치에 대한 비교 분석을 실시하였다. 본 모형 시험간 실시한 압축강도, 휨강도, 결과를 표 2와 그림 1~2에 나타내었다.
- 시험시편 채취를 위해 강제 패널(100×100×10cm)과빔 몰드(15×15×53cm)를 설치하여 타설 하였다. 타설후 인력에 의한 패널 이동이 힘들어 트럭 크레인을 사용 하여 타설이 완료된 패널을 이동하였으며, 이동 후 타설 면의 정리와 함께 직사광선이나 바람에 의한 수분 증발을 억제하기 위하여 양생포를 덮어 습윤 양생을 실시하였다.
- 압축강도 시험용 공시체는 타설 1일 후 코어보링머신 (Core boring machine)을 이용하여 ф100mm의 코아 공시체를 채취 하였으며, 시간에 따른 강도발현 상태를 파악하기 위해 일자별로 3개의 공시체를 제작하여 1일, 3일, 7일, 24일 강도시험을 수행하였다. 공시체의 높이는 타설 후 면처리를 하였으나, 일정한 높이로 얻기가 힘들어 시험 전 채취된 공시체 높이를 측정하여 ASTM C42-99 규정에 의거 코아 지름에 대한 공시체의 높이(숏크리트 두께)에 따라 강도 보정을 실시하였다.
- 또한, 휨인성 시험(사진 8)은 시험 여건 상 휨강도 시편과 동일한 치수를 이용하여 재령28일의 등가휨강도(등 가휨강도)를 측정하였다. 처짐 측정을 위해 LVDT (Linear Voltage Displacement Transducer)를 보의 중앙부에 설치하였으며 재하점의 처짐이 전체 스팬의 1/150(=3.0mm)로 될 때까지의 하중-처짐 곡선 아래 면 적(Tb)을 이용하여 휨인성계수를 산정하였다.
- 시험시편 채취를 위해 강제 패널(100×100×10cm)과빔 몰드(15×15×53cm)를 설치하여 타설 하였다. 타설후 인력에 의한 패널 이동이 힘들어 트럭 크레인을 사용 하여 타설이 완료된 패널을 이동하였으며, 이동 후 타설 면의 정리와 함께 직사광선이나 바람에 의한 수분 증발을 억제하기 위하여 양생포를 덮어 습윤 양생을 실시하였다. 타설 다음 날, 강제 패널을 거꾸로 눕혀 사진 4에서 보는 바와 같이 강도시험을 위한 코아를 채취하였다.
- 5m 후방에서 첨가되었으 며, 첨가량은 숏크리트 장비의 디지털 계기판을 통해 자동으로 조절하였다(사진 2). 토출되는 숏크리트의 배합이 안정된 상태가 된 후 노즐 선단과 패널과의 거리를 약 1.5m 정도 이격하여 노즐맨에 의한 핸드스프레이를 실시하였다(사진 3).
- 현장의 배치 플랜트를 이용하여 물(고성능감수제 희석), 골재, 시멘트, 강섬유를 자동 계량하여 혼합 하였으며, 고강도 숏크리트 배합의 경우 낮은 물-시멘트비로 골재의 표면수 변동에 따른 단위수량의 영향이 크기 때문에 현장 배합을 위해 사용 골재에 대해서는 표면수 보정을 실시하였다. 배합이 완료된 콘크리트는 레미콘 트럭을 이용하여 숏크리트 타설 장소까지 운반하였다.
- 휨강도 측정을 위해 강재 몰드(15×15×53cm)를 사용 하여 숏크리팅 한 후 15×15×45cm로 커팅하여 KS F 2408 (콘크리트의 휨강도 시험방법)규정에 의거 3등분점 재하법을 이용하여 1일, 3일, 28일 강도 측정을 수행하였다. 또한, 휨인성 시험(사진 8)은 시험 여건 상 휨강도 시편과 동일한 치수를 이용하여 재령28일의 등가휨강도(등 가휨강도)를 측정하였다.
대상 데이터
- 15였다. 골재는 경북 경산지 역에서 생산되는 13mm 조골재(비중 2.63)와 세골재(비 중2.59)를 사용하였고, 강섬유는 섬유 길이에 대한 직경의 비인 형상계수 60(ф0.5x 30mm)의 Hook & bundle type (비중 7.85)의 제품을 사용하였다. 급결제는 국내 시판중인 M사의 Alkali-free 급결제(비중 1.
- 85)의 제품을 사용하였다. 급결제는 국내 시판중인 M사의 Alkali-free 급결제(비중 1.40)와 현재 국내에서 가장 많이 사용되고 있는 물유리계 급결제 (Sodium Silicate)를 사용하였다. 또한, 타설시 작업환경 확보와 슬럼프 조절을 목적으로 폴리카르복실계 고성능 감수제(Superplasticizer)를 사용하였다.
- 40)와 현재 국내에서 가장 많이 사용되고 있는 물유리계 급결제 (Sodium Silicate)를 사용하였다. 또한, 타설시 작업환경 확보와 슬럼프 조절을 목적으로 폴리카르복실계 고성능 감수제(Superplasticizer)를 사용하였다.
- 3m3/min 용량의 에어 컴프레셔를 사용하였다. 배치 플랜트에서 제조되어 레미콘 트럭으로 운반된 콘크리트는 숏크리트 장비에 부착된 콘에 부어져 직경 ф65mm, 길이 25m의 콘크리트 반송관을 통해 시간당 5~6m3로 압송되었다. 급결제는 급결제 운송관(직경 ф25mm)을 통해 노즐(직경 ф40mm) 약 1.
- 배합이 완료된 콘크리트는 레미콘 트럭을 이용하여 숏크리트 타설 장소까지 운반하였다. 본 시험에 사용된 재료의 배합을 표1에 나타냈으며, 급결제 사용량은 Alkali-free의 경우 시멘트량의 7.0%, Sodium Silicate는 시멘트량의 10%를 각각 사용하였다.
- 시멘트는 KS L 5201에 적합한 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였으며, 비중은 3.15였다. 골재는 경북 경산지 역에서 생산되는 13mm 조골재(비중 2.
- 타설후 인력에 의한 패널 이동이 힘들어 트럭 크레인을 사용 하여 타설이 완료된 패널을 이동하였으며, 이동 후 타설 면의 정리와 함께 직사광선이나 바람에 의한 수분 증발을 억제하기 위하여 양생포를 덮어 습윤 양생을 실시하였다. 타설 다음 날, 강제 패널을 거꾸로 눕혀 사진 4에서 보는 바와 같이 강도시험을 위한 코아를 채취하였다.
이론/모형
- 공시체의 높이는 타설 후 면처리를 하였으나, 일정한 높이로 얻기가 힘들어 시험 전 채취된 공시체 높이를 측정하여 ASTM C42-99 규정에 의거 코아 지름에 대한 공시체의 높이(숏크리트 두께)에 따라 강도 보정을 실시하였다. 콘크리트의 압축강도 시험은 KSF 2405(콘크리트의 압축강도 시험방 법)에 의해 실시하였으며, 100tonf 용량의 UTM을 사용 하여 측정하였다. 또한, 설계에 적용될 탄성계수의 적정성 검토를 위해 사진7과 같이 콘크리트용 스트레인 게이지를 부착하여 탄성계수를 측정하였다.
성능/효과
- 1) Alkali-free 급결제를 사용한 습식 강섬유보강 숏크리트는 물유리계 액상급결제를 사용한 숏크리트보다 압축강도는62%, 휨강도는10%, 등가휨강도는 30%의 향상을 보였다. 또한, 현재 설계에 적용되는 탄성계수를 상회하는 수치를 확보함으로써 향후 보다 합리적인 터널설계를 유도할 수 있을 것으로 사료 된다.
- 1) 기존의 범용 급결제를 사용할 경우, 장기강도의 향상이 기대되지 않기 때문에 급결제를 첨가하지 않은 Base Concrete의 강도 발현에 손상을 주지 않는 급결제의 선정이 중요하며, 유럽기준에 나타나는 것처럼 환경 친화적인 급결제의 사용이 요구된다.
- 2) Alkali-free급결제의 사용으로 작업자 보호는 물론 실리카 흄 등 고강도 발현을 위한 고가의 혼화재를 사용하지 않고서도 고품질의 고강도 숏크리트를 확보할 수 있을 것으로 사료되며, 현재 국내에서 사용 중인 숏크리트 장비의 대부분이 습식장비인 것을 고려했을 때 액상급결제의 적용은 시공성 및 장비면에 서도 경쟁력이 있을 것으로 판단된다.
- 3) 기존의 숏크리트 공사비보다 상승되지 말아야 한다. 이것은 고품질 숏크리트 제조를 위해 사용되는 주요 재료의 단가는 기존 재료의 단가보다 다소 비싸다 할지라도 숏크리트의 고강도화에 따른 타설두께 감소, 타설시간 감소, 부착력 향상으로 버력처리비용 절감 등 터널 전체공사비의 증가로 이어져서는 안된다는 의미이다.
- 또한, 대단면 터널공사의 경우 숏크리트 두께가 두꺼워지면 그 수량이 증가하여 터널 건설비용의 증가로 이어지기 때문에 숏크리트 강도를 증가 시켜 타설 두께를 줄임으로써 공사비 절감을 유도할 필요가 있다. 따라서, 고강도 숏크리트를 사용할 경우 숏크리트 타설 두께를 저감 시키고 이에 따른 굴삭 단면적과 숏크리트 타설 시간의 감소와 함께 향상된 시공Cycle을 통해 터널 건설 경비절감을 유도할 수 있는 경제적인 시공이 가능할 것으로 판단된다. 또한, 단층 파쇄대, 연약지대, 용수가 많은 부분 등 큰 변형의 발생이 예상되는 지반에 대해서도 고강도 숏크리트의 높은 탄성 계수로 숏크리트의 강성을 높여 초기의 처짐을 억제하고, 고강도 숏크리트의 치밀한 내부조직과 향상된 부착성능을 통해 리바운드의 저감을 기대할 수 있을 것으로 판단된다.
- 특히, 초기재령에서의 압축강도 변화를 살펴볼 때 모두 1일 압축강도100kgf/cm 2 을 확보하였 으나, Alkali-free 급결제 숏크리트의 경우에는 재령1일과 3일 사이에 물유리계 숏크리트의 2배가 넘는 42%의 강도 증진을 보여 초기강도 및 조기강성 확보에 유리하게 작용할 것으로 판단된다. 또한, 재령28일 압축강도가 시방 규정의 2.3배인 418kgf/cm 2 을 보여 실 터널구간에 타설 했을 때 예상되는 강도 저감을 고려하더라도 외국에서 규정하는 고강도 숏크리트의 품질기준에 근접할 수 있을 것으로 판단된다.
- 표 2를 통해 알 수 있듯이 Alkali-free 액상급결제를 사용한 숏크리트는 현재 국내 터널공사에 가장 많이 사용 되고 있는 물유리계 액상급결제를 사용한 숏크리트보다 압축강도(28일 기준:62%향상), 휨강도(10%향상), 등가휨 강도(30%향상) 등 전 시험에 걸쳐 전체적으로 우수한 강도 발현을 보였다. 특히, 초기재령에서의 압축강도 변화를 살펴볼 때 모두 1일 압축강도100kgf/cm 2 을 확보하였 으나, Alkali-free 급결제 숏크리트의 경우에는 재령1일과 3일 사이에 물유리계 숏크리트의 2배가 넘는 42%의 강도 증진을 보여 초기강도 및 조기강성 확보에 유리하게 작용할 것으로 판단된다. 또한, 재령28일 압축강도가 시방 규정의 2.
- 표 2를 통해 알 수 있듯이 Alkali-free 액상급결제를 사용한 숏크리트는 현재 국내 터널공사에 가장 많이 사용 되고 있는 물유리계 액상급결제를 사용한 숏크리트보다 압축강도(28일 기준:62%향상), 휨강도(10%향상), 등가휨 강도(30%향상) 등 전 시험에 걸쳐 전체적으로 우수한 강도 발현을 보였다. 특히, 초기재령에서의 압축강도 변화를 살펴볼 때 모두 1일 압축강도100kgf/cm 2 을 확보하였 으나, Alkali-free 급결제 숏크리트의 경우에는 재령1일과 3일 사이에 물유리계 숏크리트의 2배가 넘는 42%의 강도 증진을 보여 초기강도 및 조기강성 확보에 유리하게 작용할 것으로 판단된다.
- 6kgf/cm2 (등가휨강도)을 만족하는 것으로 나타났다. 표 3 및 그림 3에서 보는 바와 같이 휨인성 시험에서는 급결제 종류에 관계없이 3개 시편 모두 인성계수율 68%를 초과하였고, 그 중 1개의 시편이 계수율 85% 를 확보하였으나, 전반적인 성능 및 품질향상에 있어서는 Alkali-free 급결제를 사용한 시편이 우수한 것으로 나타났다. 특히, 초기균열발생 이후의 강도회복 능력이 뛰어나 Alkali-free 급결제 시편 3번의 경우는 초기 균열발생 하중보다 더 큰 하중에서 최대하중이 얻음으로써 점진적인 연성파괴와 에너지 흡수능력을 확보할 수 있을 것으로 판단된다.
후속연구
- 따라서, 본 연구에서는 20%의 강도저감을 고려하여 시험에서 구한 탄성계수의 80%를 적용한 보정 탄성계수를 구하여 비교 검토 하였다. 그림 4에 나타난 바와 같이 Alkali-free급결제를 사용한 공시체의 보정 탄성계수는 전 재령에 걸쳐 현재 설계에 적용중인 탄성계 수치를 만족하는 것으로 나타나 초기의 높은 탄성계수로 인한 강성의 증가로 지반의 이완과 처짐을 조기에 억제할 수 있을 것으로 사료된다.
- 특히, 최근에는 2차 지보재인 현장타설 콘크리트 라이닝의 균열 발생에 따른 유지관리 비용 증가와 함께 국내의 지반 특성과 비슷한 노르웨이 등 북유럽의 배수형 터널의 경우 콘크리트 라이닝을 구조체보다는 마감재 형태로 많이 사용하여 숏크리트를 영구 지보개념으로 설계, 시공하는 사례가 점차 증가되고 있는 실정이다. 따라서, 콘크리트 라이닝에 대한 인식 변화와 함께 1차 지보재인 숏크리트의 고품질 및 고성능화는 기존의 콘크리트 라이닝을 대신해서 숏크리트로 최종 마감처리를 하는 Single-Shell Lining 터널, P.C.L터널 등 영구지보를 위한 숏크리트(Permanent Shotcrete Lining)라는 새로운 개념의 터널 지보시스템 구축을 위해 선행되어야 할 필수 요소기술로 향후 터널 설계와 시공에 있어 중요한 위치를 차지할 것으로 판단된다. 이러한 시대적 요구에 따라 우수한 성능으로 기존 숏크리트가 가지는 품질을 개선하고 리바운드 저감과 함께 터널의 건설 및 유지관리비용 절감등 생애주기비용(Life Cycle Cost)에 효과적인 고품질의 고강도 숏크리트의 개발이 절실히 요구되고 있다.
- 따라서, 고강도 숏크리트를 사용할 경우 숏크리트 타설 두께를 저감 시키고 이에 따른 굴삭 단면적과 숏크리트 타설 시간의 감소와 함께 향상된 시공Cycle을 통해 터널 건설 경비절감을 유도할 수 있는 경제적인 시공이 가능할 것으로 판단된다. 또한, 단층 파쇄대, 연약지대, 용수가 많은 부분 등 큰 변형의 발생이 예상되는 지반에 대해서도 고강도 숏크리트의 높은 탄성 계수로 숏크리트의 강성을 높여 초기의 처짐을 억제하고, 고강도 숏크리트의 치밀한 내부조직과 향상된 부착성능을 통해 리바운드의 저감을 기대할 수 있을 것으로 판단된다.
- 1) Alkali-free 급결제를 사용한 습식 강섬유보강 숏크리트는 물유리계 액상급결제를 사용한 숏크리트보다 압축강도는62%, 휨강도는10%, 등가휨강도는 30%의 향상을 보였다. 또한, 현재 설계에 적용되는 탄성계수를 상회하는 수치를 확보함으로써 향후 보다 합리적인 터널설계를 유도할 수 있을 것으로 사료 된다.
- 한편, 숏크리트를 고강도화 할 경우 설계두께의 저감이 기대되며, 설계두께를 얇게 하기 위해 균일한 변위가 발생하는 지반에 대해서는 축강성(탄성계수E x 단면적A)을 일정하게 한다는 가정이 성립될 수 있다. 숏크리트의 고강도화에 의해 탄성계수가 커지면 단면적을 줄일 수 있으며, 콘크리트의 탄성계수가 압축강도의 평방근에 비례해서 증가한다는 실험식을 적용한다면 숏크리트의 두께는 압축강도의 평방근에 비례해서 감소되므로 향후 단면 감소에 따른 경제적인 터널 설계로의 접근도 가능할 것으로 판단된다.
- 고품질 숏크리트는 Single-Shell Lining 터널 등 Permanent Shotcrete Lining구축을 위해 선행되어야할 필수 요소기술중의 하나로 최근 그 관심이 증대되고 있다. 이러한 시점에서 당사에서는 강도(Strength)와 내구성(Durability)이 향상된 고품질의 고성능 숏크리트의 개발을 위해 금년부터 한국건설기술연구원(KICT)과 공동연구를 진행할 예정이며, 본 연구의 성과에 대해서는 학회지를 통해 지속적으로 소개할 예정이다.
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