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문제 정의
- 고로슬래그와 무수석고를 OPC와 함께 숏크리트에 사용할 경우, 숏크리트의 1일 강도와 28일 강도의 개선이 기대되므로 이에 대한 연구가 충분한 실용성과 현장 적용성을 갖고 있다고 판단된다. 따라서 이 논문에서는 고로슬래그와 무수석고가 숏크리트의 강도에 미치는 영향을 평가하는 데에 중점을 두었다. 고로슬래그와 무수석고의 혼합 비율과 OPC 치환율을 변수로 두고 1일, 28일 압축강도와 휨강도를 측정하였고 조기 응결특성, 리바운드 특성, 점성 등을 측정하여 숏크리트의 시공성을 평가하였다.
- 이 연구는 고로슬래그와 무수석고를 고강도 숏크리트에 적용하기 위하여 고로슬래그와 무수석고의 사용이 숏크리트의 강도에 미치는 영향을 평가하였다. 고로슬래그와 무수석고의 혼합 비율과 OPC 치환율을 변수로 두고, 물시멘트비 40%, 잔골재율 60%, 급결제양 5%(시멘트 중량대비)로 설계된 숏크리트 배합의 응결시험, 압축강도, 휨강도, 리바운드 등을 측정하였다.
- 이 연구에서 사용한 고성능감수제는 액상형태의 폴리카본산계로서 시멘트 분산작용과 미세 공기의 연행을 통하여 단위수량 저감을 목적으로 사용되었다. 고성능감수제의 물리적 특성은 Table 3과 같다.
제안 방법
- 3.3절에서 기술한 바와 같이 예비 모르타르 실험의 결과, 시멘트 중량의 10%, 20%를 혼화재 치환율로 하고, 고로슬래그와 무수석고의 비율은 Table 6과 같이 5가지 혼합비율을 적용하였다.
- 습윤양생장치(RH 90% 이상)에서 1일 양생 후에 23±2℃의 수중 양생조에서 양생하였다. 각각 재령일(1일, 7일, 28일)에 해당하는 시험체는 3개씩 제작하여 압축강도의 평균값을 측정하였다.
- 따라서 이 논문에서는 고로슬래그와 무수석고가 숏크리트의 강도에 미치는 영향을 평가하는 데에 중점을 두었다. 고로슬래그와 무수석고의 혼합 비율과 OPC 치환율을 변수로 두고 1일, 28일 압축강도와 휨강도를 측정하였고 조기 응결특성, 리바운드 특성, 점성 등을 측정하여 숏크리트의 시공성을 평가하였다.
- 이 연구는 고로슬래그와 무수석고를 고강도 숏크리트에 적용하기 위하여 고로슬래그와 무수석고의 사용이 숏크리트의 강도에 미치는 영향을 평가하였다. 고로슬래그와 무수석고의 혼합 비율과 OPC 치환율을 변수로 두고, 물시멘트비 40%, 잔골재율 60%, 급결제양 5%(시멘트 중량대비)로 설계된 숏크리트 배합의 응결시험, 압축강도, 휨강도, 리바운드 등을 측정하였다.
- 사전시험을 통하여 고로슬래그 80% 이상일 때에는 1일 강도가 미달하였고, 무수석고 80% 이상은 종결시간 기준을 만족하지 못하여 고로슬래그와 무수석고의 혼합비율을 1:1 중량비로 고정하였고, 혼화재의 OPC 치환율을 변수로 고려하였다. 따라서 OPC 치환율을 Table 4와 같이 0%, 5%, 7%, 10%, 12%, 15%, 20%로 두어 압축강도 시험을 하였다. 20%를 초과하는 경우, 사전 시험에서 1일 강도가 급격히 저하하여 변수에서 제외하였다.
- 5 MPa)가 측정되었다. 따라서 모르타르 실험 결과 초기 및 장기강도가 모두 우수한 10%와 가장 높은 28일 강도를 나타낸 20% 치환율을 변수로 선정하여 콘크리트 배합실험에 적용하기로 결정하였다.
- 리바운드 성능을 평가하기 위하여 2 m3의 숏크리트를 터널 천장부와 벽면에 타설할 때 바닥에 떨어지는 재료를 수거하여 중량을 측정하였다. 측정된 중량을 타설된 숏크리트의 총 중량에 대한 백분율, 즉 리바운드율로 환산하여 리바운드 성능을 정량화하였다.
- 리바운드율은 숏크리트 반죽의 점성 차이에 크게 영향을 받는 것으로 알려져 있으므로20) plain과 I-3 배합의 점성을 측정하였다. 이 배합에는 급결제를 첨가하지 않음으로써 터널 현장의 대기시간동안 급결제 영향 없이 시멘트풀의 점성이 변하는 것을 모사하여 측정하였다.
- 모든 시험체는 1일 온도 23±2 C, 상대습도 50~55%의 실내에서 양생하였고, 1일 이후부터는 온도 23±2℃ 조건으로 수중양생을 실시하였다.
- 실험에 사용된 기기는 회전점도계(brookfield/DV-E viscometer)이다. 물결합재비는 동일하게 40%로 두었고, 2 rpm의 일정한 속도로 회전하는 조건에서 점성을 측정하였다.
- 리바운드 시험은 터널현장에서 수행하였다. 배치플랜트에서 고로슬래그와 무수석고를 미리 혼입하였고 타설 방식은 숏크리트 머신을 이용한 습식방식이였다. 콘크리트 표준시방서에 따라 노즐을 타원형으로 회전하며 타설 하였고, Fig.
- 숏크리트 실험에 앞서 혼화재(고로슬래그와 무수석고)의 OPC 치환율 범위를 결정하고자 모르타르 예비실험을 수행하였다. 사전시험을 통하여 고로슬래그 80% 이상일 때에는 1일 강도가 미달하였고, 무수석고 80% 이상은 종결시간 기준을 만족하지 못하여 고로슬래그와 무수석고의 혼합비율을 1:1 중량비로 고정하였고, 혼화재의 OPC 치환율을 변수로 고려하였다. 따라서 OPC 치환율을 Table 4와 같이 0%, 5%, 7%, 10%, 12%, 15%, 20%로 두어 압축강도 시험을 하였다.
- 숏크리트 실험에 앞서 혼화재(고로슬래그와 무수석고)의 OPC 치환율 범위를 결정하고자 모르타르 예비실험을 수행하였다. 사전시험을 통하여 고로슬래그 80% 이상일 때에는 1일 강도가 미달하였고, 무수석고 80% 이상은 종결시간 기준을 만족하지 못하여 고로슬래그와 무수석고의 혼합비율을 1:1 중량비로 고정하였고, 혼화재의 OPC 치환율을 변수로 고려하였다.
- 20%를 초과하는 경우, 사전 시험에서 1일 강도가 급격히 저하하여 변수에서 제외하였다. 숏크리트에 적용할 고로슬래그와 무수석고의 최종 혼합비율은 4절에서 기술하는 콘크리트 실험에서 결정하고자 한다.
- 숏크리트의 응결시간 시험은 한국콘크리트학회의 KCI SC10215)에 따라 모르타르 샘플을 준비하고 급결제 5%첨가하여 응결시간 시험을 실시하였다.
- plain과 I-3 배합의 점성을 측정하였다. 이 배합에는 급결제를 첨가하지 않음으로써 터널 현장의 대기시간동안 급결제 영향 없이 시멘트풀의 점성이 변하는 것을 모사하여 측정하였다. 실험에 사용된 기기는 회전점도계(brookfield/DV-E viscometer)이다.
- 이 연구에서는 시멘트 혼화재로 고로슬래그와 무수석고의 숏크리트 적용성을 평가하기 위해 슬럼프는 120±25 mm, 공기량은 4±1%인 Table 7의 숏크리트 배합설계를 결정하였다.
- 시험체는 믹서에서 혼합한 콘크리트 반죽을 계량하여 급결제와 함께 비닐봉지에 넣고 10초간 골고루 혼합한 후, 원주형(φ100×200 mm)몰드에 넣어 제작하였다. 재령별(1일, 7일, 28일)로 3개의 시험체를 제작하여 압축강도를 측정하였다. 시험체 제작 과정은 Fig.
- 재령에 따른 숏크리트의 조직구조 차이를 관찰하기 위하여 에탄올에 침적한 1일과 28일의 경화체를 장방출 주사전자현미경II(SEM)로 촬영하였다. Fig.
- 의 숏크리트를 터널 천장부와 벽면에 타설할 때 바닥에 떨어지는 재료를 수거하여 중량을 측정하였다. 측정된 중량을 타설된 숏크리트의 총 중량에 대한 백분율, 즉 리바운드율로 환산하여 리바운드 성능을 정량화하였다.
- 배치플랜트에서 고로슬래그와 무수석고를 미리 혼입하였고 타설 방식은 숏크리트 머신을 이용한 습식방식이였다. 콘크리트 표준시방서에 따라 노즐을 타원형으로 회전하며 타설 하였고, Fig. 7에 나타낸 바와 같이 타설면의 수직으로1 m 이격하여 뿜어붙이기를 시행하였다. Table 6의 다양한 배합에 대하여 실험을 수행하고자 했으나, 현장 여건상 응결시간, 압축강도 및 휨강도가 가장 우수한 I-3 배합과 plain 배합의 리바운드를 시험하여 그 결과를 Table 11에 나타내었다.
- 숏크리트용 급결제 품질규격(KCI SC 102)에 준하여 시험체를 제작하였다. 현장 숏크리트 시공을 고려하여 비닐봉지에 담긴 모르타르에 OPC 중량대비 5%의 급결제를 투입하여 10초간 잘 흔들어 골고루 혼합한 후, 다짐봉으로 다짐작업을 하여 시험체를 제작하였다. 습윤양생장치(RH 90% 이상)에서 1일 양생 후에 23±2℃의 수중 양생조에서 양생하였다.
- 휨, 압축강도를 평가하기 위하여 콘크리트 믹서에 골재(잔골재, 굵은골재), 시멘트, 혼화재를 순서대로 넣고 건식 혼합 후 물과 고성능 감수제를 넣고 약 3분간 혼합하였다. 시험체는 믹서에서 혼합한 콘크리트 반죽을 계량하여 급결제와 함께 비닐봉지에 넣고 10초간 골고루 혼합한 후, 원주형(φ100×200 mm)몰드에 넣어 제작하였다.
- 휨강도를 평가하기 위하여 150×150×550 mm 시험체를 재령별(1일, 28일)로 3개씩 제작하였고 그 제조 과정은 압축강도 시험체와 동일하다.
대상 데이터
- 비표면적(blaine)은 4,000~6,000 cm2/g이며 무수석고는 II형-무수석고로 인산제조시 발생되는 인산 부생석고(화학석고)로 약 700℃에서 제조된다. T사의 제품이며, 비표면적은 5,500 cm2/g으로 외관은 회백색이다. 고로슬래그와 무수석고의 화학성분은 Table 2와 같다.
- 시멘트는 국내 A사에서 시판되는 1종 보통포틀랜드시멘트를 사용하였고, 그 물리적 특성은 Table 1과 같다. 굵은골재의 최대치수는 10 mm이며, 잔골재는 강모래를 사용하였다.
- 리바운드 시험은 터널현장에서 수행하였다. 배치플랜트에서 고로슬래그와 무수석고를 미리 혼입하였고 타설 방식은 숏크리트 머신을 이용한 습식방식이였다.
- 물시멘트비 40%는 OPC와 혼화재를 사용하는 기존의 숏크리트 현장 배합을 토대로 결정하였고, 잔골재율 60%, 굵은골재 최대치수 10 mm는 고속도로공사 전문시방서14)에 근거하여 적용하였다. 모든 배합에 사용된 급결제양은 제조사의 권장 사용량인 결합재 중량의 5%로 하였고, 고성능 감수제는 기존의 숏크리트 현장에서 사용하는 수준인 결합재 중량의 1%, 강섬유량은 40 kg/m3(체적비는 약 0.5%)로 선정하였다. 이러한 기본 배합을 바탕으로 Table 6의 5가지 혼합비율을 적용하여 최종 11개의 배합을 시험에 적용하였다.
- 이 연구에서는 시멘트 혼화재로 고로슬래그와 무수석고의 숏크리트 적용성을 평가하기 위해 슬럼프는 120±25 mm, 공기량은 4±1%인 Table 7의 숏크리트 배합설계를 결정하였다. 물시멘트비 40%는 OPC와 혼화재를 사용하는 기존의 숏크리트 현장 배합을 토대로 결정하였고, 잔골재율 60%, 굵은골재 최대치수 10 mm는 고속도로공사 전문시방서14)에 근거하여 적용하였다. 모든 배합에 사용된 급결제양은 제조사의 권장 사용량인 결합재 중량의 5%로 하였고, 고성능 감수제는 기존의 숏크리트 현장에서 사용하는 수준인 결합재 중량의 1%, 강섬유량은 40 kg/m3(체적비는 약 0.
- 급결제는 숏크리트 작업시 필요한 재료로 콘크리트에 첨가하면 수초 내에 응결된다. 사용된 급결제는 국내 U사에 시판중인 칼슘알루미네이트계(C12A7)로서 소량의 급결 보조제가 첨가되어 있는 것으로 외관은 백색에 가까운 회색이다. 시멘트계와 유사한 형태이므로 친환경적이며, 급결력이 매우 우수한 것으로 알려져 있다.
- 숏크리트의 휨강도는 KS F 2408에 준하여 3등분점 재하시험으로 측정하였다. 사용된 기기는 50톤 용량의 유압식 만능시험기이다.
- 시멘트는 국내 A사에서 시판되는 1종 보통포틀랜드시멘트를 사용하였고, 그 물리적 특성은 Table 1과 같다. 굵은골재의 최대치수는 10 mm이며, 잔골재는 강모래를 사용하였다.
- 이 배합에는 급결제를 첨가하지 않음으로써 터널 현장의 대기시간동안 급결제 영향 없이 시멘트풀의 점성이 변하는 것을 모사하여 측정하였다. 실험에 사용된 기기는 회전점도계(brookfield/DV-E viscometer)이다. 물결합재비는 동일하게 40%로 두었고, 2 rpm의 일정한 속도로 회전하는 조건에서 점성을 측정하였다.
이론/모형
- 숏크리트용 급결제 품질규격(KCI SC 102)에 준하여 시험체를 제작하였다. 현장 숏크리트 시공을 고려하여 비닐봉지에 담긴 모르타르에 OPC 중량대비 5%의 급결제를 투입하여 10초간 잘 흔들어 골고루 혼합한 후, 다짐봉으로 다짐작업을 하여 시험체를 제작하였다.
- 숏크리트의 압축강도는 KS F 2405에 따라 200톤 용량의 만능시험기를 사용하여 측정하였다.
- 숏크리트의 휨강도는 KS F 2408에 준하여 3등분점 재하시험으로 측정하였다. 사용된 기기는 50톤 용량의 유압식 만능시험기이다.
성능/효과
- 싱글쉘 공법의 이점은 굴착크기의 감소, 전체 라이닝 두께의 감소, 2차 라이닝 생략, 매립쓰레기와 절차의 감소로 인한 공사기간 단축 등 여러 가지 장점이 있다.1) 싱글쉘 공법을 적용하기 위해서 고강도의 숏크리트가 필요한데, 유럽통합규격 (EFNARC)은 28일 압축강도 30 MPa 이상, 일본은 28일 압축강도 36 MPa이상 기준을 정하고 있다. 1990년대 이후 보통포틀랜드시멘트(OPC)를 대체하여 숏크리트의 성능을 향상시키는 혼화재로서 실리카퓸 15% 이내(권장 사용량 5~10%), 플라이 애쉬와 고로슬래그는 각각 30% 이내를 사용하고 있는 실정이다.
- 1) 응결시험 결과, 고로슬래그와 무수석고는 급결제와 반응하여 응결시간을 단축시키는데 효과적이었다. OPC 10% 치환율의 경우, 초결과 종결의 조건을 모두 만족하였다.
- 10%, 20% 치환 조건에서 초결은 한국콘크리트학회(KCI SC 102)의 기준인 5분 이내를 모두 만족하였다. 10% 치환율 조건은 고로슬래그와 무수석고의 혼합비율에 상관없이 종결기준 15분을 만족하지만, 20% 치환율 조건은 II-4, II-5를 제외한 모든 배합이 종결기준을 만족하지 못하는 결과가 나타났다. Table 8의 결과를 분석해보면 10% 치환율 조건에서 고로슬래그의 비율이 높아질수록 응결시간이 짧아지며, 종결시간이 40~50% 단축되는 결과가 나타났다.
- 2) OPC 10% 치환율 배합은 영구지보재로서 목표강도를 모두 만족하였다. 특히 고로슬래그와 무수석고의 OPC의 치환율이 각각 5%로 동일한 양이 혼입된 I3의 1일, 7일, 28일 압축강도가 가장 우수한 것으로 나타났다.
- 3) 휨강도는 모든 배합에서 설계기준 휨강도인 4.5 MPa보다 높게 나타났다. 또한 고로슬래그와 무수석고의 혼합비율이 휨강도에 거의 영향을 미치지 않았는데, 이는 강섬유의 혼입으로 인하여 혼화재의 영향은 상대적으로 감소되었기 때문인 것으로 판단된다.
- 4) 고로슬래그와 무수석고가 1:1이고, OPC 치환율이10%인 I-3배합의 리바운드율은 OPC만을 결합재로 사용한 plain 배합에 비하여 23% 감소되는 우수한 결과를 나타내었다. 이는 고로슬래그와 무수석고가 콘크리트 반죽의 점성을 증가시킴으로 인해 숏크리트 타설시 타설면의 점착력이 증가되어 암반 부착력이 향상된 것으로 판단된다.
- 또한 메타카올린을 숏크리트 배합설계에 적용하여 실리카퓸과 유사하게 장기강도를 증진한 연구사례가 있다.5)메타카올린은 실리카퓸과 같이 포졸란 반응을 하지만, 슬럼프 확보를 위해 고성능 감수제의 사용이 증가하며, 초기강도 증진이 미약한 단점이 있다.6) 또한, 메타카올린의 가격은 실리카퓸의 70~80% 정도로 형성되어 있어 경제성이 크게 떨어진다.
- 7) 산업부산물인 고로슬래그의 활용으로 경제성 및 장기내구성이 향상되지만, 슬래그의 수화 반응 지연으로 인해 초기강도의 발현이 미흡한 단점이 있다.
- I-시리즈의 배합에서 28일 압축강도는 고로슬래그의 비율이 높은 I-5 배합이 plain에 비하여 31.9% 향상된 강도가 나타났다. 칼슘알루미네이트계 급결제를 사용하면, 장기강도가 낮아지는 것이 일반적인데,8,19) 고로슬래그의 잠재수경성 반응으로 경화체의 미세구조가 치밀해져 장기 강도가 증가한 것으로 판단된다.
- 4(a), (b)에 나타내었다. 결과에 따르면 모든 배합이 숏크리트가 영구지보재로 설계되기 위한 압축강도 기준, 즉 1일에 10 MPa과 28일에 35 MPa이상의 기준은 만족하는 것으로 나타났다.
- 시멘트 광물계 급결제 리바운드율의 평균은 13~15%이며, plain 배합의 리바운드 결과는 매우 양호한 편에 속한다. 고로슬래그와 무수석고가 첨가된 1-3배합의 리바운드율은 8.5%로서 plain배합(11.1%)에 비하여 23% 감소된 것으로 나타나 크게 개선된 결과를 보여주고 있다.
- 따라서 1일, 7일, 28일 압축강도의 결과를 종합하여 볼 때에 모든 재령에서 높은 강도 특성을 나타낸 I-3이 고강도 숏크리트로서 가장 적합한 배합이라 판단하였다. I3배합은 고로슬래그와 무수석고의 OPC의 치환율이 각각 5%로 동일한 양이 혼입된 경우이다.
- 또한 와따나베 등16)의 연구 결과에 따르면, 무수석고의 양이 6%이상일 경우, 응결 지연효과를 나타내는 것으로 보고되고 있어 위의 결과와 유사한 경향을 나타낸다. 따라서 무수석고의 양이 6%이하이면서 초결과 종결이 빠르게 나타난 I-3, I-4, I-5이 숏크리트에 적합한 배합인 것으로 판단된다.
- 반면 OPC 20% 치환율은 종결이 지연되었는데, 이는 무수석고가 과량 혼입되어 무수석고에 존재하는 황산염이 응결에 기여하지 못하는 미반응 상태로 남아 있기 때문인 것으로 사료된다. 따라서 응결시간으로 판단할 경우, 빠른 초결 및 종결 시간을 나타내면서 무수석고의 양이 과다하지 않은 I-3, I-4, I-5가 숏크리트의 배합으로서 적합한 것으로 나타났다.
- 치환율 10%에서 1일 및 28일 강도가 각각 plain에 비하여 약 33%, 34% 높은 값을 나타냈다. 또한 치환율 20%에서 가장 높은 28일 강도(평균 52.5 MPa)가 측정되었다. 따라서 모르타르 실험 결과 초기 및 장기강도가 모두 우수한 10%와 가장 높은 28일 강도를 나타낸 20% 치환율을 변수로 선정하여 콘크리트 배합실험에 적용하기로 결정하였다.
- 7% 향상된 것으로 측정되었다. 무수석고에 포함된 황산염이 C3A와 반응하여 에트린자이트가 모세관 공극 안에서 다량생성이 촉진되어 초기강도가 향상되었다고 판단된다. 또한 II형-무수석고는 이수석고, 반수석고, III-형 석고 등의 다른 형태의 석고보다 초기반응속도가 빠르며, C3S 수화반응이 촉진시키기 때문에 초기강도 증가에 기여한 것으로 판단된다.
- 1에 나타내었다. 치환율 10%에서 1일 및 28일 강도가 각각 plain에 비하여 약 33%, 34% 높은 값을 나타냈다. 또한 치환율 20%에서 가장 높은 28일 강도(평균 52.
- 2) OPC 10% 치환율 배합은 영구지보재로서 목표강도를 모두 만족하였다. 특히 고로슬래그와 무수석고의 OPC의 치환율이 각각 5%로 동일한 양이 혼입된 I3의 1일, 7일, 28일 압축강도가 가장 우수한 것으로 나타났다. 이는 무수석고의 혼입으로 생성된 에트린자이트가 1일 강도를 증진시키고, 고로슬래그의 잠재수경성 물질이 28일 강도를 증진시키는 효과가 함께 나타났기 때문인 것으로 사료된다.
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