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문제 정의
- 본 고에서는 당 현장의 주요 친환경 설계에 반영된 고성능 숏크리트 재료인 시멘트광물계 급결제를 사용함에 있어 그동안의 품질성능, 시공성, 환경영향성, 경제성에 대하여 중점을 두어 소개하고자 한다.
제안 방법
- 본 현장에서 반발율 성능을 평가하기 위하여 바닥에 수거용 시트를 깔고 숏크리트를 천단 및 벽체에 타설한 후 바닥에 떨어지는 재료를 수거하여 다음의 식에 의해 반발율을 측정하였으며 그 결과를 표 4에 나타내었다.
- 응결특성은 급결제의 사용량, 숏크리트의 차수 및 부착 성능에 주요인자로 작용하며, KS F 2436을 기준으로 KCI-SC-102 부속서 “관입저항에 따른 모르터의 응결시간 측정방법”에 따라 시멘트 : 세골재의 비를 1:3으로 하여 모르터를 만들어 그림 6의 프록터 관입시험기로 실내 시험을 실시하여 초결 및 종결을 각각 측정하였다.
- 비상시를 대비한 방재설비로서 화재 시 화재구간을 자동 인지하여 소화할 수 있는 물 분무 설비가 전 구간에 계획되었으며, 57개의 피난연락갱이 설계기준보다 짧게 200m 이내로 설치가 되어 신속한 대피가 가능토록 배려하였다. 이 밖에도 졸음방지로 주행안전성을 향상시키기 위해 100m 구간 4개 구간에 특수경관 조명을 계획하였다.
이론/모형
- 휨강도는 “콘크리트 휨강도 시험방법(KS F 2408)”에 의해 1일, 28일 재령에서 각각 3개의 공시체를 측정하여 평균값을 구하였고 코어강도는 타설 후 28일이 경과된 부위에서 코어채취기로 Φ100 mm의 코어를 3개씩 채취하고 KS F 2405 「콘크리트 압축강도 시험방법」 에 의하여 시험하여 평균치로 표시하였다.
성능/효과
- * 알루미네이트계 액상급결제 적용 시 리바운드율은 도로공사제시 평균data 인 13.9%를 적용하였으며, 사용량은 8%임.
- 1) 모르타르 응결시간 시험결과 시멘트광물계는 4%만 사용하여도 KCI-SC -102 규격(초결 5분이내, 종결 15분이내)에 적합하여 급결 성능이 매우 뛰어난 것으로 평가되었고 이로 인한 효과로 단층파쇄대, 용수 부위, 깊은 여굴에 대한 무더기 붕락이 거의 없이 타설 작업이 가능하였으며, 특히 초기강도 발현이 매우 우수하여 터널 안정성 확보는 물론 작업능률 및 시공성이 탁월하였다.
- 2) 압축강도 시험결과(28일 코어기준)에서 시멘트광물계는 36.8N/mm2로 고강도를 발현하는 등 현장시험 결과 모든 항목에서 품질기준치를 훨씬 상회하는 안정된 물성을 나타내었으며, 고강도를 발휘하여 터널 내구성이 향상되는 것으로 나타났다.
- 3) 시멘트광물계 급결제를 사용한 숏크리트의 반발율(리바운드)은 평균 9.45%로 반발율이 13.9%인 알루미네이트계 급결제에 비해 부착성능이 우수하였으며 급결제 사용량 및 리바운드 저감을 포함한 재료비 절감과 이로 인한 폐콘크리트 처리 비용까지 총 19%의 비용 절감 효과로 경제성이 매우 우수한 것으로 나타났다.
- 4) 기존의 알루미네이트계 급결제는 피부 부식, 호흡기 손상 등의 독성이 강하고 강알칼리성의 침출수로 인한 환경오염이 문제가 되고 있으나 시멘트광물계 급결제는 저 자극성이고 시공시의 분진이 매우 적으며 분말 이어서 즉시 경화되기 때문에 침출이 거의 없으므로 환경오염이 극히 적은 것으로 나타났다.
- 5) 물리성능, 시공/경제성 및 환경성 등 전반적인 측면에서 시멘트광물계 급결제의 품질성능이 우수한 것으로 나타났으며, 국내 최장대 도로터널인 인제터널(10.96km)의 안정적이고 성공적인 완공에 일조한다고 할 수 있겠다.
- 급결제 종류별 사용량에 따른 응결특성을 보면 표 1과같이 알루미네이트계, 알카리프리계 급결제는 응결시간이 과다하게 지연되는 것으로 측정되어 KCI-SC-102 기준치인 초결 5분 이내, 종결 15분 이내의 규정에 만족하지 못하고, 시멘트광물계 급결제는 적은 사용량으로도 초결과 종결을 만족하는 것으로 측정되어 응결특성이 우수한 것으로 판단된다.
- 본 현장에서 경제성을 평가하기 위하여 2011년 9월 말까지의 시공기준으로 숏크리트에 관련된 비용을 실제 데이터에 근거하여 계산한 결과 표 5와 같이 시멘트광물계 급결제는 리바운드 손실 감소 및 이에 따른 숏크리트 반발재인 폐콘크리트 처리 비용 등 알루미네이트계에 비해 약 19%의 비용 절감 효과로 경제성이 매우 우수한 것으로 나타났다.
- 본 현장의 시멘트광물계 급결제 반발율은 9.45%로써 13.9%(도로공사 22개 현장측정 평균치)의 리바운드가 발생하고 있는 알루미네이트계 급결제에 비해 큰 차이를 보이고 있어 이는 시멘트광물계 급결제의 숏크리트의 부착 성능 및 우수한 응결특성으로 리바운드 저감 효과가 있는 것으로 나타났다.
- 상기 결과로 보면 알루미네이트 급결제는 품질기준을 충족시키기 어려운 것이 일반적이지만 시멘트광물계 급결제는 모든 항목에서 품질기준치를 훨씬 상회하는 안정된 물성을 나타내는 것을 알 수 있고, 1일 강도는 3.1N/mm2으로 초기강도 발현이 매우 빠르고, 28일 휨강도는 기준치의 1.7배, 코어강도는 기준치의 1.8배 이상 높은 것으로 나타나 탁월한 고강도를 나타내고 있다.
- 시멘트광물계 급결제는 가장 급결력이 뛰어난 C12A7계(칼슘알루미네이트)를 주재료로 하며 시멘트와 결합 시 결정질보다는 비정질의 상태일 때 더 급결력이 우수하다.
- 시멘트광물계 급결제의 가장 큰 특징은 급결력이 우수하여 단층파쇄대 등 연약지반, 깊은 여굴 시공, 차수효과가 탁월하며 또한 초기강도가 높아 무더기 붕락 억제로 터널 안정성에 매우 유리하며, 급결제 변동량에 따른 강도변화가 적고 장기강도 손실이 극히 적다는 점이다. 또한 종래의 약품계통이 아닌 시멘트계 이므로 강재부식 및 인체 유해성이 적고, 급결제 사용량 및 리바운드량이 적어 폐콘크리트량 저감 등 비용 절감은 물론 환경오염을 최소화할 수 있다.
- 시멘트광물계와 알루미네이트계 급결제의 미세구조는 그림 2와 같다. 시멘트광물계는 재령 1시간에 이미 침상의 에트린자이트가 거미줄처럼 생성되어 시멘트 입자들을 결합하고 있는 것을 알 수 있으며, 재령 1일에는 시멘트 입자가 수화되면서 생성된 C-S-H겔이 성장하여 에트린자이트와 엉켜 치밀화 되고 있음을 알 수 있다.
- 인위적으로 파이프 라인에 구멍을 뚫어 유속이 빠른 용수에 지수성능 및 차수효과를 시험한 결과 그림 8과 같이 급결력이 우수해 빠른 지수 및 탁월한 차수효과 및 일회 몰아붙이기 타설 두께가 40~80cm 정도로 깊어 시공성 측면에서도 매우 우수한 것으로 나타났다.
후속연구
- 서울~양양고속국도가 준공되면 서울과 양양간 운행 소요시간은 종전의 3시간 30분에서 1시간 30분으로 단축되며 동해고속국도, 당진~영덕간 고속국도와 연계되어 앞으로 동서, 남북축 간 균형적인 지역발전을 이루는데 크게 기여할 것이다.
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