폴리머 기반 박층 라이너의 초기재령 특성 평가를 위한 실험적 연구 An Experimental Study on the Evaluation of Early-Age Mechanical Properties of Polymer-Based Thin Spray-on Liners원문보기
폴리머 계열의 박층 라이너는 양호한 암반 조건에서 숏크리트와 철망을 대체할 수 있는 새로운 지보재로 고려되고 있으며, 1990년대부터 광산의 안정성 확보를 위해 사용되고 있다. 하지만 TSL의 지보 성능을 평가하기 위한 TSL의 특성에 대한 실험적 연구가 부족한 실정이다. 본 연구에서는 구성 성분이 다른 두 가지 TSL 재료에 대해 재령 7일에 인장강도와 부착강도를 측정하였고, EFNARC(2008)에서 제시하고 있는 지지력 평가 시험도 함께 실시하였다. 시험결과, 폴리머 함량이 높아질수록 재료의 인장강도는 높아지나 상대적으로 부착강도는 작아지는 것으로 나타났다. 특히, 폴리머 함량은 상대적으로 작지만 시멘트계 성분이 포함된 TSL 재료의 경우에는 경화가 빠르기 때문에 부착파괴에 대한 저항성이 높게 나타났다. 이상과 같이 폴리머 함량에 따라 TSL의 성능이 상이하게 나타남을 확인할 수 있었다.
폴리머 계열의 박층 라이너는 양호한 암반 조건에서 숏크리트와 철망을 대체할 수 있는 새로운 지보재로 고려되고 있으며, 1990년대부터 광산의 안정성 확보를 위해 사용되고 있다. 하지만 TSL의 지보 성능을 평가하기 위한 TSL의 특성에 대한 실험적 연구가 부족한 실정이다. 본 연구에서는 구성 성분이 다른 두 가지 TSL 재료에 대해 재령 7일에 인장강도와 부착강도를 측정하였고, EFNARC(2008)에서 제시하고 있는 지지력 평가 시험도 함께 실시하였다. 시험결과, 폴리머 함량이 높아질수록 재료의 인장강도는 높아지나 상대적으로 부착강도는 작아지는 것으로 나타났다. 특히, 폴리머 함량은 상대적으로 작지만 시멘트계 성분이 포함된 TSL 재료의 경우에는 경화가 빠르기 때문에 부착파괴에 대한 저항성이 높게 나타났다. 이상과 같이 폴리머 함량에 따라 TSL의 성능이 상이하게 나타남을 확인할 수 있었다.
Thin Spray-on Liners(TSLs) based on polymer materials have been considered as an alternative to shotcrete and wire mesh in relatively fair rock conditions, and used in mines since 1990s. Nevertheless, Few experimental studies on their mechanical properties necessary for the evaluation of their beari...
Thin Spray-on Liners(TSLs) based on polymer materials have been considered as an alternative to shotcrete and wire mesh in relatively fair rock conditions, and used in mines since 1990s. Nevertheless, Few experimental studies on their mechanical properties necessary for the evaluation of their bearing capacities as a support member have been carried out. In this study, tensile and bond strengths of two kinds of TSLs with different material compositions were measured at the age of 7 days. In addition, two kinds of bending tests proposed by EFNARC (2008) to simulate representative failure mechanisms of TSLs were carried out on the same materials and curing age as in tension and pull-out tests. From the tests, tensile strength of a TSL is shown to increase as its content of polymer is higher. In contrast, its bond strength seems to be in inverse proportion to its polymer content. Especially, the TSL material in which a cementitious component is included with relatively smaller polymer content shows a faster hardening characteristic which results in higher resistance to de-bonding between a TSL and a substrate. As a result, it is shown that the performance of TSLs might be dependent upon its corresponding polymer content.
Thin Spray-on Liners(TSLs) based on polymer materials have been considered as an alternative to shotcrete and wire mesh in relatively fair rock conditions, and used in mines since 1990s. Nevertheless, Few experimental studies on their mechanical properties necessary for the evaluation of their bearing capacities as a support member have been carried out. In this study, tensile and bond strengths of two kinds of TSLs with different material compositions were measured at the age of 7 days. In addition, two kinds of bending tests proposed by EFNARC (2008) to simulate representative failure mechanisms of TSLs were carried out on the same materials and curing age as in tension and pull-out tests. From the tests, tensile strength of a TSL is shown to increase as its content of polymer is higher. In contrast, its bond strength seems to be in inverse proportion to its polymer content. Especially, the TSL material in which a cementitious component is included with relatively smaller polymer content shows a faster hardening characteristic which results in higher resistance to de-bonding between a TSL and a substrate. As a result, it is shown that the performance of TSLs might be dependent upon its corresponding polymer content.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 새로운 암반 지보재로서 고려 되고 있는 TSL의 개념과 특징을 정리하고, 해외에서 개발된 두 가지 TSL 재료에 대해 실험실 시험을 실시하여 TSL 재료의 성분 차이에 따라 초기재령에서 발현되는 TSL의 역학적 특성을 비교하고자 하였다.
따라서 본 연구에서는 혼합방식과 성분이 상이한 해외의 두 가지 TSL 재료들에 대해, EFNARC(2008)에서 제시하고 있는 TSL 지지력 평가 시험방법과 직접인장 시험에 의해 초기재령에서의 TSL 특성을 평가하고자 하였다. 이와 더불어 TSL의 가장 뛰어난 장점 중의 하나인 부착강도를 평가하고자 EFNARC(1996)에서 제시하고 있는 인발시험을 함께 실시하였다.
본 연구에서는 TSL의 피복 두께를 3 mm로 조절하기 위하여 21×3.3×3 cm 크기의 아크릴 형틀을 사용하여 한번에 3개의 시험체를 제작하고자 하였다.
본 연구에서는 폴리머 재료에 기반한 TSL의 개념과 특징 그리고 그에 따른 지보 메커니즘을 살펴보았고 기존 숏크리트와 비교할 때 빠른 응결특성과 높은 부착성능 등으로 인해 숏크리트를 대체할 수 있는 새로운 지보재로서의 가능성을 조사하고 정리하였다. 아직까지 관련 자료가 부족한 TSL 재료의 특성, 특히 지보재로서 활용하는데 있어 중요한 초기재령의 특성에 대한 기초적인 실험 연구를 실시하였다.
본 연구에서는 폴리머 재료에 기반한 TSL의 개념과 특징 그리고 그에 따른 지보 메커니즘을 살펴보았고 기존 숏크리트와 비교할 때 빠른 응결특성과 높은 부착성능 등으로 인해 숏크리트를 대체할 수 있는 새로운 지보재로서의 가능성을 조사하고 정리하였다. 아직까지 관련 자료가 부족한 TSL 재료의 특성, 특히 지보재로서 활용하는데 있어 중요한 초기재령의 특성에 대한 기초적인 실험 연구를 실시하였다. 구성재료와 혼합 방식이 상이한 해외의 두 가지 TSL 재료에 대해 재령 7일에서 역학적 특성을 평가하였다.
제안 방법
50×50×7 cm 크기의 모르타르(설계강도 40 MPa) 블록을 충분히 양생한 후, 모르타르 블록의 상단에 앞선 시험방법들과 마찬가지로 배합된 TSL을 두께 3 mm로 도포하여 양생하였다.
아직까지 관련 자료가 부족한 TSL 재료의 특성, 특히 지보재로서 활용하는데 있어 중요한 초기재령의 특성에 대한 기초적인 실험 연구를 실시하였다. 구성재료와 혼합 방식이 상이한 해외의 두 가지 TSL 재료에 대해 재령 7일에서 역학적 특성을 평가하였다.
시험 시에는 TSL 표면에 4×4 cm 의 정사각형 면적의 격자를 설정하고 인발시험용 브래킷(bracket)과 TSL 표면을 에폭시로 접합한 후 인장력을 재하하여 최대 인장력을 부착강도로 산출하였다(Fig. 8).
이상과 같이 본 연구에서 적용된 두 가지의 TSL 재료 별로 6개씩의 시험체를 제작하여, LBS시험과 GSL시험에 각각 3개씩 사용하였다. 시험시에는 TSL이 하부에 위치하도록 하여 EFNARC에서 제시한 시험 지그(jig)에 고정시킨 후, 파괴 시까지 중간 모르타르 블록에 압축 하중을 16 mm/min의 변위속도로 재하 하였다. GSL 시험 시에는 시험 지그의 하단 블록과 좌우측 모르타르 블록 사이에 틈이 없도록 시험체를 설치한 반면, LBS 시험 시에는 블록 사이의 0.
이상과 같이 본 연구에 사용된 해외의 TSL 재료의 구성과 개략적인 특징을 정리하면 다음의 Table 6과 같다. 시험체 제작을 위한 TSL 재료의 배합은 각 제작사별로 제시하고 있는 일반적인 배합 비율을 준용하여 실시하였다.
이상과 같이 상온에서 제작·보관된 TSL 시험체의 응결이 완료된 후, 형틀에서 3개의 시험체를 절단 및 분리하였다(Fig. 11).
따라서 본 연구에서는 혼합방식과 성분이 상이한 해외의 두 가지 TSL 재료들에 대해, EFNARC(2008)에서 제시하고 있는 TSL 지지력 평가 시험방법과 직접인장 시험에 의해 초기재령에서의 TSL 특성을 평가하고자 하였다. 이와 더불어 TSL의 가장 뛰어난 장점 중의 하나인 부착강도를 평가하고자 EFNARC(1996)에서 제시하고 있는 인발시험을 함께 실시하였다. 이상과 같이 본 연구에 사용된 해외의 TSL 재료의 구성과 개략적인 특징을 정리하면 다음의 Table 6과 같다.
대상 데이터
4). 따라서 본 연구에서는 두께가 3 mm인 ASTM D638의 Type 1 시험체를 제작할 수 있도록 탈부착이 가능한 아크릴 형틀을 활용하여 시험체를 제작하여 시험에 사용하였다(Fig. 5 및 Fig. 6).
이상과 같이 본 연구에서 적용된 두 가지의 TSL 재료 별로 6개씩의 시험체를 제작하여, LBS시험과 GSL시험에 각각 3개씩 사용하였다. 시험시에는 TSL이 하부에 위치하도록 하여 EFNARC에서 제시한 시험 지그(jig)에 고정시킨 후, 파괴 시까지 중간 모르타르 블록에 압축 하중을 16 mm/min의 변위속도로 재하 하였다.
이론/모형
TSL의 중요한 특성인 부착강도를 측정하기 위해서 EFNARC(1996)에서 숏크리트에 대해 제시하고 있는 인발시험 방법을 적용하였다(Fig. 7). 인발시험 시의 하중 재하속도는 EFNARC(1996)에서 제시하고 있는 1~3 MPa/min의 범위로 실시하였다.
EFNARC(2008)에서는 TSL의 인장강도를 측정하기 위해서 ASTM D638 또는 DIN 53504 Type S2에서 규정하고 있는 시험방법을 따르도록 규정하고 있다. 본 연구에서는 ASTM D63의 시험방법을 준용하였으며, 이때 앞선 EFNARC(2008)의 지지력 평가 시험방법과 동일하게 TSL의 두께를 3 mm로 적용하였다. ASTM D638에서는 두께가 7 mm 이하인 경우에는 Type 1 시험체를 사용할 것을 규정하고 있으며, Tannant 외 (1999)도 TSL의 인장강도 측정을 위해서 ASTM D638의 Type 1 시험체를 사용할 것을 추천하였다(Fig.
7). 인발시험 시의 하중 재하속도는 EFNARC(1996)에서 제시하고 있는 1~3 MPa/min의 범위로 실시하였다.
성능/효과
EFNARC(2008)에서 규정하고 있는 GSL시험 결과, 재료 T보다 재료 M의 평균 최대하중이 약 7% 크게 나왔으나 전체적으로 파괴 시까지 발생한 변위 등에 있어서 큰 차이를 보이지 않았다(Table 9 및 Fig. 16). GSL 시험에서 재료 M의 최대하중이 다소 크게 나온 이유는 GSL시험은 부착 파괴가 발생하지 않고 전단파괴가 발생하는 조건으로서 앞선 4.
인장강도의 평균은 재료 M이 재료 T보다 약 11% 크게 나타났다. 두 재료 모두 EFNARC(2008)에서 규정하고 있는 재령 7일 인장강도인 2 MPa을 상회하여 규정을 만족하는 것으로 나타났다. 재료 M의 평균 인장강도가 다소 크게 나타난 이유는 재료 T보다 폴리머의 함량이 보다 커서 직접인장 조건에서의 탄성 특성이 더욱 크게 나타났기 때문인 것으로 보인다.
즉, 본 연구에서 측정된 재료 T에 대한 일부 시험결과는 재료 T의 부착강도라기보다는 에폭시와 TSL 표면 사이의 부착강도인 것으로 파악된다. 따라서 부착강도가 1 MPa를 상회하는 조건에서 장기재령의 부착강도 측정을 위해서는 접착력이 더욱 높은 접착제를 적용할 필요가 있는 것을 확인할 수 있었다.
28로 산출되었다. 반면 재료 M에 대해서는 LLCGSL과 LLCLBS의 평균값이 각각 121.5 N/cm 및 55.23 N/cm로서(Table 9) 평균 안전율 SF는 2.32로 나타났다. 즉, 두 재료 모두 두께 3 cm에 대해서 1 이상의 안전율을 확보하는 것으로 나타났으나, 재료 M의 경우에는 GSL 시험에 비해 LBS에서 얻어진 최대하중이 상대적으로 낮아서 안전율이 비교적 크게 나타났다.
반면, LBS시험에서는 재료 T의 평균 최대하중이 재료 M보다 약 61% 크게 나타나 상대적으로 월등한 지지력을 발현하였고, 최대하중의 차이로 인해 파괴 시까지 발생한 평균 변위 역시 재료 M보다 약 2.5 mm 크게 나타났다(Table 9 및 Fig. 16). 이 역시 4.
77 MPa보다 약 62%크게 나타나 상대적으로 뛰어난 부착강도를 발현하였다. 시험결과의 편차를 고려하더라도 재료 T의 부착강도가 재료 M보다 큰 것을 확인할 수 있었다(Fig. 14). 특히, EFNARC(1996)에서 구조적 역할을 하는 재령 28일 숏크리트의 암반면 부착강도를 0.
16). 이 역시 4.2절의 부착강도 측정결과에서 살펴본 바와 같이, 재료 T의 상대적으로 빠른 경화 특성으로 인한 높은 부착강도 발현으로 인해 부착파괴가 발생하는 LBS시험 조건에서는 재료 M보다 재료 T가 높은 지지력을 발현하는 것으로 나타났다.
이상과 같은 TSL 재료들의 인장강도와 부착강도 특성으로 인해, 부착파괴를 모사하는 LBS시험에서 폴리머의 함량이 약 30%인 TSL 재료의 최대 하중은 폴리머의 함량이 30% 미만인 TSL 재료과 비교할 때 약 38% 작게 나타났다. 반면, 순수 전단응력에 의한 파괴 조건을 모사하는 GSL시험에서는 폴리머의 함량이 약 30%인 TSL 재료의 최대 하중이 다소 크게 나타났으나 상대적인 차이는 7%에 불과하여 그 차이가 크지 않았다.
재료 M의 첫 번째 시험체(M-T1)에서 다소 낮은 인장강도가 얻어졌으나, 이는 시험체를 형틀에서 분리하는 과정에서 생긴 미세한 균열의 영향으로 파악되었다. 이상의 M-T1을 제외하면 파괴 시의 연신율(elongation)은 100~120% 이상으로서, 숏크리트와 같은 일반적인 취성재료와 비교할 때 뛰어난 연신율을 나타내었다.
3절에서 기술한 인발시험에 의해 측정된 TSL 재료별 부착강도는 Table 8과 같다. 재료 T의 평균 부착강도는 1.25 MPa로서 재료 M의 0.77 MPa보다 약 62%크게 나타나 상대적으로 뛰어난 부착강도를 발현하였다. 시험결과의 편차를 고려하더라도 재료 T의 부착강도가 재료 M보다 큰 것을 확인할 수 있었다(Fig.
13). 즉, TSL의 재료적인 특성 상 취성재료와는 달리 항복 이후에도 상당한 변형이 발생할 때까지 인장 저항력을 발휘할 수 있을 것으로 판단되었다.
32로 나타났다. 즉, 두 재료 모두 두께 3 cm에 대해서 1 이상의 안전율을 확보하는 것으로 나타났으나, 재료 M의 경우에는 GSL 시험에 비해 LBS에서 얻어진 최대하중이 상대적으로 낮아서 안전율이 비교적 크게 나타났다. 또한 EFNARC (2008)에서 제시하고 있는 상기 수식들에 따르면 안전율 측면에서는 GSL시험에서 얻어지는 최대하중이 LBS시험 결과보다 클 경우에 비교적 유리한 것을 알 수 있다.
15). 즉, 본 연구에서 측정된 재료 T에 대한 일부 시험결과는 재료 T의 부착강도라기보다는 에폭시와 TSL 표면 사이의 부착강도인 것으로 파악된다. 따라서 부착강도가 1 MPa를 상회하는 조건에서 장기재령의 부착강도 측정을 위해서는 접착력이 더욱 높은 접착제를 적용할 필요가 있는 것을 확인할 수 있었다.
이상과 같은 결과는 2성분으로 구성되는 재료 T의 분말에는 시멘트계 성분이 포함되어 있으며 액상에는 경화를 촉진하는 성분이 포함되어 있어 경화가 빨리 이루어졌기 때문으로 추정된다. 즉, 앞선 인장시험 결과에 따르면 재료 M과 비교할 때 상대적으로 낮은 폴리머 함량으로 인해 재료 T의 인장강도는 다소 낮게 측정된 반면, 시멘트 성분과 경화 촉진제의 포함으로 인해 부착강도는 재료 T가 더욱 우수하게 나타난 것으로 판단된다. 향후 지보재 역할을 위한 TSL 재료 개발 시에는 재료 성분에 따른 이상과 같은 인장강도 및 부착강도발현 특성의 차이를 고려할 필요가 있을 것으로 사료된다.
폴리머의 함량이 약 30% 수준인 TSL 재료는 폴리머의 고유 특성으로 인해 인장강도가 높았던 반면, 시멘트계 성분과 경화 촉진 성분이 상대적으로 높아서 폴리머의 함량이 30% 미만인 TSL 재료보다 초기재령의 부착강도가 낮게 나타났다. 특히, 폴리머의 함량이 30%미만인 TSL 재료의 재령 7일 부착강도는 평균 1.
하지만 인발시험 후에 부착면을 관찰한 결과, 재료 M은 모르타르와의 부착면에서 분리된 반면 재료 T의 일부 시험편에서는 모르타르 부착면이 분리되지 않고 TSL 표면과 브래킷 사이에 접합되었던 에폭시가 분리된 것으로 나타났다(Fig. 15). 즉, 본 연구에서 측정된 재료 T에 대한 일부 시험결과는 재료 T의 부착강도라기보다는 에폭시와 TSL 표면 사이의 부착강도인 것으로 파악된다.
후속연구
또한 EFNARC (2008)에서 제시하고 있는 상기 수식들에 따르면 안전율 측면에서는 GSL시험에서 얻어지는 최대하중이 LBS시험 결과보다 클 경우에 비교적 유리한 것을 알 수 있다. TSL의 신뢰적인 지보 설계를 위해서는 다양한 재료의 특성과 적용 두께에 따른 TSL의 지보력 및 안전율 평가를 위한 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.
향후에는 TSL의 합리적인 지보력의 산정과 지보설계를 위하여 다양한 TSL 재료 및 재령 조건에 대한 추가적인 실험 연구가 필요하며, 일반 터널 구조물에도 적용될 수 있는 지보재로서의 TSL 개발이 요구된다. 특히, 두 가지 재료에 대한 실험적 연구라는 한계는 있지만, 본 연구에서 살펴본 바와 같이 TSL 재료를 구성하는 폴리머의 함량과 시멘트계 성분의 함량 비율에 따라서 TSL의 발현 성능이 상이하게 나타나므로 TSL에 요구되는 지보 메커니즘을 고려하여 굴착 암반의 안정성을 확보하는데 유리한 최적의 TSL 재료 개발이 이루어져야 할 것이다.
즉, 앞선 인장시험 결과에 따르면 재료 M과 비교할 때 상대적으로 낮은 폴리머 함량으로 인해 재료 T의 인장강도는 다소 낮게 측정된 반면, 시멘트 성분과 경화 촉진제의 포함으로 인해 부착강도는 재료 T가 더욱 우수하게 나타난 것으로 판단된다. 향후 지보재 역할을 위한 TSL 재료 개발 시에는 재료 성분에 따른 이상과 같은 인장강도 및 부착강도발현 특성의 차이를 고려할 필요가 있을 것으로 사료된다.
향후에는 TSL의 합리적인 지보력의 산정과 지보설계를 위하여 다양한 TSL 재료 및 재령 조건에 대한 추가적인 실험 연구가 필요하며, 일반 터널 구조물에도 적용될 수 있는 지보재로서의 TSL 개발이 요구된다. 특히, 두 가지 재료에 대한 실험적 연구라는 한계는 있지만, 본 연구에서 살펴본 바와 같이 TSL 재료를 구성하는 폴리머의 함량과 시멘트계 성분의 함량 비율에 따라서 TSL의 발현 성능이 상이하게 나타나므로 TSL에 요구되는 지보 메커니즘을 고려하여 굴착 암반의 안정성을 확보하는데 유리한 최적의 TSL 재료 개발이 이루어져야 할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
박층 뿜칠 라이너는 무엇으로 구성되어 있는가?
박층 뿜칠 라이너(Thin Spray-on Liner, 이하 TSL)는 암반면에 뿜어 붙여지는 폴리머(polymer) 계열의 재료로 구성되며 비교적 양호한 암반 조건에서 숏크리트와 철망을 대체할 수 있는 새로운 지보재로서 고려되고 있다(Roberts, 2001). 현재 광산에서 적용되고 있는 TSL 의 일반적인 타설 두께는 3~5 mm이며 최대 10 mm미만으로서 숏크리트와 비교할 때 두께가 매우 얇은 것이 특징이다(EFNARC, 2008).
TSL은 어떤 장점을 가지고 있는가?
TSL은 신속한 타설이 가능하고 높은 조기 안정성으로 인해 숏크리트와 철망을 대체하면서 낙반을 방지할 수 있으며, 방수성능과 주입성능이 우수하여 지하수 유입을 방지하고 암반을 보강할 수 있는 효과를 가지고 있다. 특히, 탄성 특성과 부착력이 매우 우수하며 시간에 따른 장기 열화가 거의 없다는 장점을 가지고 있다 (Lau 외, 2008, Tannant, 2001).
TSL은 어떤 특징을 가지고 있는가?
TSL은 신속한 타설이 가능하고 높은 조기 안정성으로 인해 숏크리트와 철망을 대체하면서 낙반을 방지할 수 있으며, 방수성능과 주입성능이 우수하여 지하수 유입을 방지하고 암반을 보강할 수 있는 효과를 가지고 있다. 특히, 탄성 특성과 부착력이 매우 우수하며 시간에 따른 장기 열화가 거의 없다는 장점을 가지고 있다 (Lau 외, 2008, Tannant, 2001).
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