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문제 정의
- 대용량 전력에너지저장시설로서 복공식 압축공기 지하저장시설의 기밀시스템을 구성하는 콘크리트 라이닝 및 현장 타설 과정에서 발생하는 시공이음부의 투기특성을 콘크리트 블록 시료를 이용한 모형실험을 통해 파악하고 향후 실증 및 상용화 시설 건설에 참고자료로 삼고자 하였다.
- 본 고에서는 압축공기 지하저장공동 시공현장에서의 기밀특성 평가를 목적으로 시추공을 이용한 기밀특성 평가장치를 사용하여 콘크리트 블록 시료를 이용한 투기 및 투수실험을 실시하고 콘크리트 라이닝 블록 및 시공이음부의 고유투과계수값을 산출하였다. 또한, 시공이음부의 기밀성능 향상을 위해서 접합면에 콘크리트 보수용 접착제를 도포함으로써 투과계수의 저감효과를 파악하고 초기포화도에 따른 투과계수 차이를 비교하였다.
제안 방법
- 콘크리트 블록은 목재 거푸집 제작 후 24시간 간격으로 순차적으로 콘크리트를 타설함으로써 시공이음부가 발생하도록 하였다. 각 블록당 총 4회(표 2의 타설순서 ①～④)에 걸쳐 콘크리트를 타설하고 4개의 시공이음부(표 2의 시험구간 (2)～(5))가 포함되도록 제작하였다. 투수시험을 위한 블록 시료제작 시에는 수조 내부에 거푸집을 구축하고 타설 후 수조 안에 물을 채워 콘크리트 블록을 포화시켰다.
- 건조상태의 투과계수와 습윤상태의 투과계수를 비교함으로써 콘크리트 블록의 초기포화도에 따른 기밀성능을 비교해 보았다(그림 10). 건조상태 투과계수는 대기중에서 양생한 콘크리트 블록을 이용한 시험결과이고 습윤상태는 거푸집 제거후 수조 안에서 1주일간 포화시킨 블록시료 시험결과에 해당한다.
- 시공이음부를 포함한 시험구간에서는 일반적으로 투과성이 크기 때문에 순간충격 주입시험 과정에서의 압력변동곡선을 이용하여 투과계수를 추정하기가 곤란하다. 따라서, 이러한 시험구간에서는 정류량 주입시험 혹은 정압 주입시험을 실시하여 투과계수를 추정하였다.
- 본 고에서는 압축공기 지하저장공동 시공현장에서의 기밀특성 평가를 목적으로 시추공을 이용한 기밀특성 평가장치를 사용하여 콘크리트 블록 시료를 이용한 투기 및 투수실험을 실시하고 콘크리트 라이닝 블록 및 시공이음부의 고유투과계수값을 산출하였다. 또한, 시공이음부의 기밀성능 향상을 위해서 접합면에 콘크리트 보수용 접착제를 도포함으로써 투과계수의 저감효과를 파악하고 초기포화도에 따른 투과계수 차이를 비교하였다. 이러한 시험결과는 압축공기 지하저장공동의 기밀성능 확보를 위한 현장시공과정에서의 품질관리를 위한 귀중한 참고자료가 될 것으로 기대된다.
- 본 장치는 기존의 굴착공동 주변 손상영역의 투수특성 측정을 위한 장비(김형목 외, 2008)를 기밀시험목적으로 업그레이드한 것으로 크게 시추공에 삽입되는 패커(packer) 부분과 팩커 및 시험구간의 압력 및 유량을 조절하는 부분으로 구성된다(그림 4 및 그림 5). 패커부분은 일반적으로 사용되는 NX 시추공 사이즈에 맞게 설계되었으며 그림에서 검게 표시된 부분이 고무재질 패커로, 패커와 패커사이의 빈 공간이 기밀특성을 측정하는 시험구간이 된다.
- 순간충격 주입시험 및 정압 주입시험에서는 팩커 팽창압을 초과하지 않는 수준에서 주입압을 결정하였으며 정류량 주입시험에서는 팩커 팽창압 및 유량계(flowmeter)의 용량을 고려하여 주입량을 결정하였다. 본 시험에서 주입압은 1～10 bar(0.
- 시공이음부의 면처리는 1차 콘크리트 타설(표 2의 타설순서 ①) 72시간 경과 후 타설(표 2의 타설순서 ④) 직전에 접합면에 접착제를 표면에 바르고 콘크리트를 타설하여 접착 효능을 향상시켰다(그림 3(e)). 시공이음부 접합면 면처리용 접착제로는 영국 Nitobond사의 에폭시 계열(EP) 및 아크릴계열(HAR) 접착제를 사용하였다.
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4.3 시험결과
시험과정에서 얻어진 압력 변동 곡선을 이용하여 전술한 투과계수 추정방식에 따라 히스토리매칭 해석을 실시하고 각 시험구간의 투과계수를 추정하였다. 표 4에 각 시험과정의 대표적인 추정결과를 요약하였다.
- 콘크리트 블록 및 시공이음부의 기밀성능 차이를 살펴볼 목적으로 각 시험구간에서 추정된 투과계수를 비교해 보았다(그림 8). 그림에서 j는 시공이음부(joint)를 m은 콘크리트 블록(matrix)을 나타낸다.
- 콘크리트 블록은 목재 거푸집 제작 후 24시간 간격으로 순차적으로 콘크리트를 타설함으로써 시공이음부가 발생하도록 하였다. 각 블록당 총 4회(표 2의 타설순서 ①～④)에 걸쳐 콘크리트를 타설하고 4개의 시공이음부(표 2의 시험구간 (2)～(5))가 포함되도록 제작하였다.
- 콘크리트 블록은 직육면체 모양(가로 × 세로 × 길이: 500 × 500 × 2800 mm)으로 기밀시험을 위한 시추공(직경 76 mm, NX 코어에 해당)을 길이방향으로 배치하여 그림 2와 같이 제작하였다.
- 콘크리트 시공이음부의 면처리에 따른 기밀성능 변화를 살펴볼 목적으로 시공이음부 접합면에 콘크리트 보수용 접착제를 도포한 경우와 그렇지 않은 경우의 투과계수를 비교해 보았다(그림 9). 접착제로는 Nitobond社의 에폭시 계열 접착제(EP)와 아크릴 계열 접착제(HAR)의 두 종류를 사용하였다.
- 콘크리트 인장강도는 일축압축강도의 # 수준이므로 설계강도 35 MPa을 고려하여 본 시험에서는 팩커 팽창압으로 20 bar(약 2 MPa)를 설정하였다.
- ) 가스를 이용하였으며 투수시험은 일반 수돗물을 이용하여 실시하였다. 팩커 팽창후 시험구간의 압력이 충분히 안정되면 표 2의 (1)～(6)까지의 시험구간에서 먼저 순간충격 주입시험을 실시하였다. 시공이음부를 포함한 시험구간에서는 일반적으로 투과성이 크기 때문에 순간충격 주입시험 과정에서의 압력변동곡선을 이용하여 투과계수를 추정하기가 곤란하다.
대상 데이터
- 투수시험을 위한 블록 시료제작 시에는 수조 내부에 거푸집을 구축하고 타설 후 수조 안에 물을 채워 콘크리트 블록을 포화시켰다. 수조 길이방향의 면은 강도 확보를 위해 철판을 사용하였고 좌우 측면은 관찰 목적으로 투명한 아크릴판을 사용하였다. 기밀시험용 시추공은 콘크리트 타설 전에 PVC 파이프를 사전에 길이방향으로 설치해 두고 타설 후 빼어냄으로써 시추공과 같은 원형 빈 공간을 형성하였다(그림 3(d)).
- 시공이음부의 면처리는 1차 콘크리트 타설(표 2의 타설순서 ①) 72시간 경과 후 타설(표 2의 타설순서 ④) 직전에 접합면에 접착제를 표면에 바르고 콘크리트를 타설하여 접착 효능을 향상시켰다(그림 3(e)). 시공이음부 접합면 면처리용 접착제로는 영국 Nitobond사의 에폭시 계열(EP) 및 아크릴계열(HAR) 접착제를 사용하였다.
- 콘크리트 시공이음부의 면처리에 따른 기밀성능 변화를 살펴볼 목적으로 시공이음부 접합면에 콘크리트 보수용 접착제를 도포한 경우와 그렇지 않은 경우의 투과계수를 비교해 보았다(그림 9). 접착제로는 Nitobond社의 에폭시 계열 접착제(EP)와 아크릴 계열 접착제(HAR)의 두 종류를 사용하였다. 그림에서 j72a는 아크릴 계열 접착제를 j72e는 에폭시 계열 접착제를 나타낸다.
- 투기계수 측정을 위해서는 질소(N2) 가스를 이용하였으며 투수시험은 일반 수돗물을 이용하여 실시하였다. 팩커 팽창후 시험구간의 압력이 충분히 안정되면 표 2의 (1)～(6)까지의 시험구간에서 먼저 순간충격 주입시험을 실시하였다.
이론/모형
- 본 시험에서는 history matching 기법(Horne, 1995)을 이용하여 순간충격 주입시험(pulse injection test), 정류량 주입시험(constant rate injection test), 정압 주입시험(constant pressure injection test)을 통한 투과계수를 추정하였으며 이들 시험과정에서의 이론적인 압력 및 유량 반응 곡선은 표 1과 같다.
- 패커부분은 일반적으로 사용되는 NX 시추공 사이즈에 맞게 설계되었으며 그림에서 검게 표시된 부분이 고무재질 패커로, 패커와 패커사이의 빈 공간이 기밀특성을 측정하는 시험구간이 된다. 본 장치는 순간충격시험(pulse test), 정압시험(constant pressure test), 정류량시험(constant flow-rate test)을 실시하고 시험과정에서의 압력-유량 변동양상을 계측하여 투과계수를 추정할 수 있다.
성능/효과
- 또한, 접합면에 아크릴계 접착제를 타설함으로써 시공이음부의 투과계수를 콘크리트 블록 수준까지 감소시켜 기밀성능을 향상 시킬 수 있음을 확인하였다.
- 시공이음부의 투과계수는 콘크리트 블록보다 약 101～104 배 정도까지 투과성이 큰 것으로 파악되어, 현장 타설과정에서 시공이음부의 품질관리가 저장시설의 기밀성능 확보 차원에서 매우 중요함을 확인하였다.
- 이는 전술한 상대투과 계수 개념으로 설명이 가능한 결과로 공극수와의 저항에 따른 공기의 투과능 감소효과를 나타낸다. 전술한 고유투과계수와 포화도 함수의 관계식 식 (6)을 이용하여 투과계수 추정치로부터 건조상태와 습윤상태 블록시료의 각각의 포화도를 역산하면 35%와 85% 정도의 포화도를 보였다(건조상태의 투과계수는 근접한 2개의 측정 평균값 2.48E-17 m2을 사용하였다).
- 콘크리트 블록의 투기계수와 투수계수를 비교한 결과(그림 11), 투수계수 추정값이 투기계수에 비해 102～105 배 정도 작은 값을 보여 전술한 미세한 공극구조에서의 Klinkenberg 효과를 확인할 수 있었다. 식 (2)와 식 (3)을 이용하여 투수계수 추정값으로부터 환산한 투기계수값은 1.
후속연구
- 일반적으로 에폭시 계열 접착제는 접착력이 우수하고 14일 경과 후 접착강도 역시 150 kg 정도로 20 kg의 아크릴 계열보다 높은 것으로 알려져 있으나 초기 점성도가 낮아 도포시 블록모형의 수직 단면을 따라 흘러내림이 발생하는 것이 블록 제작과정에서 관측되었다. 따라서, 시공이음부 접합면 면처리 방안으로 접착제 도포를 시행하기 위해서는 접착제 점성 및 시간경과에 따른 경화 특성뿐만 아니라 접합면 거침정도, 수분 상태 및 수직 단면 시공성 등에 대한 추가적인 조사가 실시되어야 할 것으로 사료된다.
- 따라서, 압축공기 저장공동의 현장기밀특성 평가시 저투과성의 콘크리트 라이닝 블록에서는 수압시험이 아닌 가스주입시험을 실시하여 수압시험으로부터 환산된 투기계수가 아닌 시험결과로 부터 직접 추정한 투과계수값을 이용하고 고투수성의 시공이음부에서는 수압시험을 통한 투과계수값을 산출하여 저장공동의 기밀특성을 평가할 수 있을 것으로 판단된다.
- 05 MPa을 사용) 하여 투기시험으로부터 구한 추정치보다 다소 과소평가 된 결과를 얻을 수 있었다. 이는 상기식이 퇴적암 시료를 이용한 실험결과로부터 얻어진 것으로 콘크리트 라이닝 재료에의 적용을 위해서는 추가적인 시험을 통한 수정식의 제안이 요구된다.
- 또한, 시공이음부의 기밀성능 향상을 위해서 접합면에 콘크리트 보수용 접착제를 도포함으로써 투과계수의 저감효과를 파악하고 초기포화도에 따른 투과계수 차이를 비교하였다. 이러한 시험결과는 압축공기 지하저장공동의 기밀성능 확보를 위한 현장시공과정에서의 품질관리를 위한 귀중한 참고자료가 될 것으로 기대된다.
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