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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 TSL로 코팅된 암석 코어 시험편들을 제작하고 실험을 실시하여, 상기 2가지 TSL에 대해 재령에 따른 TSL의 지보효과를 실험적으로 파악하고자 하였다. 이때 TSL의 코팅 두께는 앞선 직접인장시험 조건과 EFNARC (2008)에서 규정하고 있는 시험들의 조건과 동일하게 3 mm로 설정하였다.
- (2013)은 초기재령에서의 TSL 특성 평가를 위하여 재령 7일에 직접인장시험, 부착강도시험 및 EFNARC (2008)의 지지 성능평가 시험을 수행하였다. 본 연구는 상기 연구의 후속 연구이므로 상기 논문에서 소개하였던 시험방법들에 대해서는 간략히 설명하고자 하며, 추가적으로 실시한 TSL 코팅시험편의 압축시험에 대해서는 자세히 소개하고자 한다. 이때 성능평가 대상도 Chang et al.
- 본 연구에서는 폴리머 함량이 상이한 두 가지 TSL 재료에 대해 직접인장시험, 인발시험, TSL 코팅시험편에 대한 압축시험 및 EFNARC (2008)에서 제안한 TSL의 지지 성능 평가 시험들을 수행하여 지보재로서 TSL의 적용 가능성을 평가하고자 하였다.
- TSL의 지보효과를 파악하기 위한 또 다른 방법으로서, 일반적인 일축압축시험에 사용되는 원통형 암석 시험편의 상․하부 가압면을 제외하고 일정한 두께의 TSL로 도포한 코팅 시험편의 압축시험(coated core compression test)을 실시할 수 있다(Archibald, 2004; Povin 등, 2004). 본래 TSL로 코팅된 시험편의 압축시험은 서로 다른 종횡비를 가지는 암주(rock pillar)에 대한 TSL의 지보 효과와 최적의 두께를 평가하기 위해 제안된 것이다. 또한 Archibald (2004)는 일반적인 일축압축조건의 암석 시험편과 비교할 때 TSL로 코팅된 시험편의 최대 및 잔류 강도가 크게 증가하는 것으로 보고하고 있으나, TSL에 의한 압축강도 증가 효과에 대한 정량적인 분석 자료와 TSL의 재료 특성 및 재령에 따른 다양한 조건의 실험결과들이 제시되지 않고 있다.
- 이에 본 연구에서는 TSL의 성능을 크게 좌우하는 폴리머 함량이 상이한 두 가지 종류의 비반응성 라이너 재료에 대하여 직접인장시험, 인발시험, TSL 코팅시험편의 압축시험 및 EFNARC (2008)에서 제안한 TSL의 지지 성능평가 시험과 같은 다양한 실험실 시험을 수행하여 재령에 따른 TSL 재료들의 역학적 특성들과 이에 따른 TSL의 지보 성능을 실험적으로 평가하고자 하였다.
제안 방법
- 7 MPa이었으며, 1 mm/min의 속도로 변위제어를 실시하여 하중을 재하하였다. 또한 TSL의 표면에 십자형(+) 변형률게이지를 부착하여 TSL과 암석의 복합 시험체에 대한 축방향 및 횡방향 변형률을 1초당 10개씩 하중 데이터와 함께 실시간으로 자료를 획득하였다.
- 시험 시에는 TSL 표면에 4×4 cm의 정사각형 면적의 격자를 설정하고 인발시험용 브래킷(bracket)과 TSL 표면을 에폭시로 접합한 후 인장력을 재하하여 최대 인장력을 부착강도로 산출하였다(Fig. 2).
- 우선 50×50×7 cm 크기의 모르타르(설계강도 40 MPa) 블록을 충분히 양생한 후, 콘크리트 블록의 상단에 배합된 TSL을 두께 3 mm로 도포하여 양생하였다.
- 이상과 같이 EFNARC (2008)에서 제시하고 있는 지지 성능평가 시험을 위한 시험체 제작을 위하여, 한번에 3개의 시험체를 제작하고 TSL의 피복 두께를 3 mm로 조절할 수 있도록 21×3.3×3 cm 크기의 아크릴 형틀을 제작 및 사용하였다.
대상 데이터
- TSL 코팅 시료를 제작하기 위하여 직경 54 mm의 암석 코어를 길이 100 mm로 절단 및 연마한 후, TSL의 피복 두께를 3 mm로 제작하기 위한 몰드(내경 60 mm)를 제작․사용하였다. 이때 몰드의 하단에는 암석 코어 축의 중심을 몰드 축과 일치시킬 수 있도록 내경 54 mm의 홈을 가공하였으며, TSL의 원활한 탈형을 위하여 몰드 내면에 구리스를 얇게 사전에 도포하였다.
- 본 연구에서 사용된 암석은 포천화강암으로서 평균 일축압축강도는 135.7 MPa이었으며, 1 mm/min의 속도로 변위제어를 실시하여 하중을 재하하였다. 또한 TSL의 표면에 십자형(+) 변형률게이지를 부착하여 TSL과 암석의 복합 시험체에 대한 축방향 및 횡방향 변형률을 1초당 10개씩 하중 데이터와 함께 실시간으로 자료를 획득하였다.
- 본 연구에서는 ASTM D638의 시험방법을 준용하였으며, 이때 앞선 EFNARC (2008)의 지지 성능평가 시험방법과 동일하게 TSL의 두께를 3 mm로 적용하였다. 본 연구에서는 두께가 3 mm인 ASTM D638의 Type 1 시험체를 제작할 수 있도록 탈부착이 가능한 아크릴 형틀을 활용하여 시험체를 제작하여 시험에 사용하였다(Chang 등, 2013).
- 본 연구는 상기 연구의 후속 연구이므로 상기 논문에서 소개하였던 시험방법들에 대해서는 간략히 설명하고자 하며, 추가적으로 실시한 TSL 코팅시험편의 압축시험에 대해서는 자세히 소개하고자 한다. 이때 성능평가 대상도 Chang et al. (2013)의 연구에서 검토하였던 두 가지 TSL 재료를 대상으로 하였으며 각 재료의 주요 특성은 다음의 Table 1과 같다.
이론/모형
- TSL의 중요한 특성 중의 하나인 부착강도를 측정하기 위해서 EFNARC (1996)에서 숏크리트에 대해 제시하고 있는 인발시험 방법을 적용하였다. 우선 50×50×7 cm 크기의 모르타르(설계강도 40 MPa) 블록을 충분히 양생한 후, 콘크리트 블록의 상단에 배합된 TSL을 두께 3 mm로 도포하여 양생하였다.
- 1). 본 연구에서는 ASTM D638의 시험방법을 준용하였으며, 이때 앞선 EFNARC (2008)의 지지 성능평가 시험방법과 동일하게 TSL의 두께를 3 mm로 적용하였다. 본 연구에서는 두께가 3 mm인 ASTM D638의 Type 1 시험체를 제작할 수 있도록 탈부착이 가능한 아크릴 형틀을 활용하여 시험체를 제작하여 시험에 사용하였다(Chang 등, 2013).
성능/효과
- 13 및 Table 4와 같다. GSL 시험 결과로부터 재료 M의 평균 최대하중이 재료 T보다 크게 측정된 것을 확인할 수 있는데, 이는 순수하게 TSL의 전단응력에 의해서만 파괴가 발생하는 GSL 시험의 특성으로 인해 인장강도의 영향을 크게 받은 것으로 예상할 수 있다. 따라서 폴리머 성분을 재료 T에 비해 상대적으로 많이 함유하여 인장강도가 크게 나타난 재료 M의 평균 최대하중이 재령 28일에는 약 21% 이상 크게 나타났다.
- TSL과 암반 사이에서 부착 파괴를 모사하는 LBS 시험 결과, 재령 7일 시에는 3.2절에서 부착강도가 작은 것으로 나타난 재료 M이 약 38% 정도 평균최대하중이 작게 평가되었다. 그러나 재령 14일에는 시험결과의 편차를 고려하면 두 재료의 평균 최대하중이 유사한 것으로 나타났다.
- TSL로 코팅한 암석 시험편에 대한 일축압축시험 결과, 재령 28일에 두께 3 mm의 TSL 코팅에 의한 최대강도 증가율은 암석의 일축압축강도 대비 33～50%로서 TSL로 인한 최대강도의 증가 효과가 뚜렷이 관찰되었다. 특히, 시멘트계 성분이 상대적으로 많이 포함된 TSL 재료의 압축강도 증진효과가 크게 나타났는데, 이는 암석에 대한 부착력과 강성이 초기재령부터 상대적으로 크게 발현되어 하중 재하에 따른 암석의 변형에 대해 높은 수준의 구속력을 가했기 때문으로 판단된다.
- 6 및 Table 3에 정리하였다. Table 3으로부터 재료 M의 평균 인장강도가 재료 T보다 크게 측정된 것을 확인할 수 있으며, 특히, 재령 7일에는 두 재료의 인장강도 차이가 약 10%였으나, 재령 14일 이후에는 약 50%로 차이가 더욱 증가하였다. 이는 인장강도 발현에 큰 영향을 미치는 폴리머 성분이 재료 T에 비해 재료 M에 상대적으로 높은 비율로 포함되어 있기 때문인 것으로 판단된다.
- GSL 시험 결과로부터 재료 M의 평균 최대하중이 재료 T보다 크게 측정된 것을 확인할 수 있는데, 이는 순수하게 TSL의 전단응력에 의해서만 파괴가 발생하는 GSL 시험의 특성으로 인해 인장강도의 영향을 크게 받은 것으로 예상할 수 있다. 따라서 폴리머 성분을 재료 T에 비해 상대적으로 많이 함유하여 인장강도가 크게 나타난 재료 M의 평균 최대하중이 재령 28일에는 약 21% 이상 크게 나타났다.
- 9). 또한 TSL 코팅 시험편의 최대강도는 재령이 경과될수록 더욱 증가하는 경향을 나타내었다. 재령 7일에는 최대강도의 증가율이 9～17%이었으나, 충분한 경화가 진행된 후인 재령 28일의 최대강도 증가율은 암석의 일축압축강도 대비 평균 33～50%에 달하였다.
- 순수 전단파괴 조건인 GSL시험에서는 인장강도가 큰 TSL재료의 최대하중이 모든 재령에서 크게 나타났으며, 부착파괴 조건인 LBS시험에서는 폴리머의 감수가 충분히 이루어지지 않은 재령 7일에서 폴리머의 함량이 낮은 TSL재료의 최대하중이 상대적으로 컸으나 재령 14일부터는 폴리머의 감수에 따른 강도 증진효과로 인해 폴리머의 함량이 높은 TSL재료의 최대하중이 크게 나타났다.
- 시험결과, 폴리머 함량이 높은 TSL의 평균 인장강도가 폴리머 함량이 상대적으로 낮은 TSL보다 크게 나타났으며, 재령이 경과될수록 인장강도 차이가 더욱 증가하였다. 하지만, 두 재료 모두 EFNARC (2008)에서 규정하고 있는 재령 7일의 최소 인장강도인 2 MPa을 상회하였다.
- 시험편 제작에 사용된 암석인 포천화강암의 평균일축압축강도(135.7 MPa)와 비교할 때, 두께 3 mm의 TSL 코팅으로 인해 TSL과 화강암의 복합시험편에 대한 최대강도의 증가 효과가 확실하게 관찰되었다(Fig. 9). 또한 TSL 코팅 시험편의 최대강도는 재령이 경과될수록 더욱 증가하는 경향을 나타내었다.
- 이상의 결과로부터, 본 연구의 시험대상인 두 가지 TSL재료 모두 EFNARC (2008)에서 규정하고 있는 최소 성능기준들을 만족하는 것으로 나타났다. 하지만 초기재령에서는 시멘트 성분의 함량이 높은 TSL재료가 지보력 발현에 상대적으로 유리하며, 재령이 경과될수록 폴리머 내부의 수분이 감소하면서 장기재령의 지보력 발현에는 폴리머 함량이 높은 TSL재료가 효과적일 수 있는 것으로 나타났다.
- 이상의 결과로부터, 재령 7일의 초기재령에서는 시멘트 성분의 함량이 높은 TSL재료가 지보력 발현에 유리하지만, 재령이 경과될수록 폴리머 내부의 수분이 감소하면서 장기재령의 지보력 발현에는 폴리머 함량이 높은 TSL재료가 효과적일 수 있는 것으로 판단된다. 향후에는 TSL의 핵심 구성재료의 함량에 따른 이상의 특성들을 고려하여 터널 지보재로서 적합한 최적의 TSL 개발이 이루어져야 할 것이다.
- 인장파괴 시의 신장률 (elongation)은 재료 T가 재료 M에 비해 약 2배 이상 크게 나타났는데, 재료 T는 항복 이후에도 100% 이상의 변형이 일어날 때까지 어느정도의 인장 저항력을 발휘할 수 있는 것으로 나타났다. 이와 같이 두 가지 TSL재료에 대해 측정된 신장률 역시 EFNARC (2008)에서 제시하고 있는 파괴 시의 신장률 기준인 10% 이상을 충분히 상회하는 것으로 나타났다.
- 하지만 두 재료 모두 EFNARC (2008)에서 재령 7일의 최소 인장강도로 제시하고 있는 2 MPa보다 큰 값을 갖는 것으로 나타났다. 인장파괴 시의 신장률 (elongation)은 재료 T가 재료 M에 비해 약 2배 이상 크게 나타났는데, 재료 T는 항복 이후에도 100% 이상의 변형이 일어날 때까지 어느정도의 인장 저항력을 발휘할 수 있는 것으로 나타났다. 이와 같이 두 가지 TSL재료에 대해 측정된 신장률 역시 EFNARC (2008)에서 제시하고 있는 파괴 시의 신장률 기준인 10% 이상을 충분히 상회하는 것으로 나타났다.
- 0 MPa을 모두 상회하여 조기재령부터 높은 부착강도를 발현함을 확인하였다. 재령 14일과 재령 28일에도 재료 T의 평균 부착강도가 재료 M보다 약 13～26% 크게 나타났다(Fig. 7).
- 그러나 재령 14일에는 시험결과의 편차를 고려하면 두 재료의 평균 최대하중이 유사한 것으로 나타났다. 재령 28일에는 재료 T의 평균 최대하중이 재령 14일 결과와 유사하게 나타난 반면, 재료 M은 평균 최대하중이 재령 14일에 비해 약 23% 증가하여 재료 T보다 재료 M의 최대하중이 크게 산출되었다. 특히, 파괴 시까지 발생한 변위를 살펴보면 재료 M에서 상대적으로 더 큰 변위가 발생된 후에 파괴가 발생함을 확인할 수 있다.
- 7과 같다. 재료 T의 평균 부착강도가 재료 M보다 크게 측정된 것을 확인할 수 있으며, 특히 재령 7일에서 재료 T의 평균 부착강도는 1.25 MPa로서 구조적인 역할을 하는 재령 28일 숏크리트의 콘크리트면에 대해 EFNARC (1996)에서 제시하고 있는 부착강도 기준이자 역시 EFNARC (2008)에서 제시하고 있는 재령 28일 TSL의 부착강도 기준인 1.0 MPa을 모두 상회하여 조기재령부터 높은 부착강도를 발현함을 확인하였다. 재령 14일과 재령 28일에도 재료 T의 평균 부착강도가 재료 M보다 약 13～26% 크게 나타났다(Fig.
- 10b). 즉, 시멘트성 경화체 성분이 포함된 재료 T는 암석에 대해 상대적으로 높은 부착력과 구속력을 작용하여, TSL과 암석 복합체의 최대강도와 강성을 크게 향상시켰음을 알 수 있다(Fig. 11). 특히, Fig.
- 이는 재령에 따라 감수가 되면서 강도가 느리게 증진되는 폴리머의 특성에 의해, 폴리머의 함량이 큰 재료 M이 장기재령에서는 부착파괴에 대한 저항성이 상대적으로 커지기 때문인 것으로 사료된다. 특히 재료 M의 경우에는 시험체 제작 후에 시간이 경과됨에 따라 재료 내부에 포함되었던 수분이 빠져나가면서, 재령 7일과 14일 사이에 LBS시험에 의한 최대하중의 증가율이 약 189%로 나타나 이 재령 기간에 내하력이 가장 급격하게 상승하는 것을 알 수 있었다.
- 11). 특히, Fig. 11으로부터 동일한 응력수준에서 일반적인 암석 시험체와 비교할 때 TSL의 구속력에 의해 TSL과 암석 복합체의 변형률이 매우 낮은 수준으로 제한됨을 확인할 수 있다. 이상과 같이 TSL에 의한 최대강도와 강성의 향상 효과를 확인할 수 있었으며, 향후 암주와 같은 암반 굴착면에 TSL을 타설 및 피복하게 되면 얇은 두께로도 암반의 강도 증진효과를 기대할 수 있을 것으로 판단되었다.
- 재령 28일에는 재료 T의 평균 최대하중이 재령 14일 결과와 유사하게 나타난 반면, 재료 M은 평균 최대하중이 재령 14일에 비해 약 23% 증가하여 재료 T보다 재료 M의 최대하중이 크게 산출되었다. 특히, 파괴 시까지 발생한 변위를 살펴보면 재료 M에서 상대적으로 더 큰 변위가 발생된 후에 파괴가 발생함을 확인할 수 있다. 이는 재령에 따라 감수가 되면서 강도가 느리게 증진되는 폴리머의 특성에 의해, 폴리머의 함량이 큰 재료 M이 장기재령에서는 부착파괴에 대한 저항성이 상대적으로 커지기 때문인 것으로 사료된다.
- 이는 인장강도 발현에 큰 영향을 미치는 폴리머 성분이 재료 T에 비해 재료 M에 상대적으로 높은 비율로 포함되어 있기 때문인 것으로 판단된다. 하지만 두 재료 모두 EFNARC (2008)에서 재령 7일의 최소 인장강도로 제시하고 있는 2 MPa보다 큰 값을 갖는 것으로 나타났다. 인장파괴 시의 신장률 (elongation)은 재료 T가 재료 M에 비해 약 2배 이상 크게 나타났는데, 재료 T는 항복 이후에도 100% 이상의 변형이 일어날 때까지 어느정도의 인장 저항력을 발휘할 수 있는 것으로 나타났다.
- 이상의 결과로부터, 본 연구의 시험대상인 두 가지 TSL재료 모두 EFNARC (2008)에서 규정하고 있는 최소 성능기준들을 만족하는 것으로 나타났다. 하지만 초기재령에서는 시멘트 성분의 함량이 높은 TSL재료가 지보력 발현에 상대적으로 유리하며, 재령이 경과될수록 폴리머 내부의 수분이 감소하면서 장기재령의 지보력 발현에는 폴리머 함량이 높은 TSL재료가 효과적일 수 있는 것으로 나타났다. 향후에는 TSL 핵심 구성재료들의 구성비에 따른 이상의 특성들을 고려하여 터널 지보재로서 적합한 최적의 TSL 개발이 이루어져야 할 것이다.
후속연구
- 단, 본 연구에서 수행한 시험조건에서는 최대강도 도달 후에 TSL 코팅 시험체가 급격히 파괴되어 잔류강도 등의 파괴 후 거동을 관찰할 수 없었다. Archibald (2004)가 언급한 TSL 코팅 시험편의 잔류강도 증진효과와 파괴 후 거동을 관찰하기 위해서는 압축강도가 상대적으로 낮은 암석에 대해 보다 정밀한 변위제어 시험을 실시하거나 TSL의 두께를 증가시켜야 할 것으로 판단된다.
- 즉, TSL의 부착 특성이 일부 반영되었긴 하지만, 부착강도가 1 MPa을 상회하는 재령 14일과 재령 28일에는 실험에 사용된 에폭시의 부착력이 크게 반영된 것으로 고려할 수 있다. 따라서 본 연구에서 측정한 재령 14일과 재령 28일의 TSL의 부착강도는 다소 과소평가된 것으로 사료되며, 향후에는 높은 부착강도를 발현하는 TSL의 성능 평가를 위해 에폭시 접착방식이 아니라 하부의 모르타르면까지 철판을 사전에 삽입한 후 이를 시험체와 함께 인발시키는 시험방법 등의 적용이 필요할 것으로 사료된다.
- 0 MPa 이상으로 측정되었다. 또한 부착강도가 2 MPa 이상인 고부착 재료에 대해서는 에폭시의 부착파괴가 먼저 발생할 수 있으므로, 에폭시를 사용하는 일반적인 인발시험이 아닌 높은 부착강도를 측정할 수 있는 특수 인발시험의 수행이 필요할 것으로 나타났다.
- 향후에는 TSL 핵심 구성재료들의 구성비에 따른 이상의 특성들을 고려하여 터널 지보재로서 적합한 최적의 TSL 개발이 이루어져야 할 것이다. 또한 폴리머 함량이 높으며 분말 단일성분으로 구성된 TSL은 타설면의 수분 조건에 따라 경화 특성이 좌우되고 상대적으로 분진 발생이 크게 발생할 수 있기 때문에, 구성 재료에 따른 TSL의 시공성도 함께 고려해야 할 것이다.
- 11으로부터 동일한 응력수준에서 일반적인 암석 시험체와 비교할 때 TSL의 구속력에 의해 TSL과 암석 복합체의 변형률이 매우 낮은 수준으로 제한됨을 확인할 수 있다. 이상과 같이 TSL에 의한 최대강도와 강성의 향상 효과를 확인할 수 있었으며, 향후 암주와 같은 암반 굴착면에 TSL을 타설 및 피복하게 되면 얇은 두께로도 암반의 강도 증진효과를 기대할 수 있을 것으로 판단되었다. 단, 본 연구에서 수행한 시험조건에서는 최대강도 도달 후에 TSL 코팅 시험체가 급격히 파괴되어 잔류강도 등의 파괴 후 거동을 관찰할 수 없었다.
- 하지만 초기재령에서는 시멘트 성분의 함량이 높은 TSL재료가 지보력 발현에 상대적으로 유리하며, 재령이 경과될수록 폴리머 내부의 수분이 감소하면서 장기재령의 지보력 발현에는 폴리머 함량이 높은 TSL재료가 효과적일 수 있는 것으로 나타났다. 향후에는 TSL 핵심 구성재료들의 구성비에 따른 이상의 특성들을 고려하여 터널 지보재로서 적합한 최적의 TSL 개발이 이루어져야 할 것이다. 또한 폴리머 함량이 높으며 분말 단일성분으로 구성된 TSL은 타설면의 수분 조건에 따라 경화 특성이 좌우되고 상대적으로 분진 발생이 크게 발생할 수 있기 때문에, 구성 재료에 따른 TSL의 시공성도 함께 고려해야 할 것이다.
- 이상의 결과로부터, 재령 7일의 초기재령에서는 시멘트 성분의 함량이 높은 TSL재료가 지보력 발현에 유리하지만, 재령이 경과될수록 폴리머 내부의 수분이 감소하면서 장기재령의 지보력 발현에는 폴리머 함량이 높은 TSL재료가 효과적일 수 있는 것으로 판단된다. 향후에는 TSL의 핵심 구성재료의 함량에 따른 이상의 특성들을 고려하여 터널 지보재로서 적합한 최적의 TSL 개발이 이루어져야 할 것이다.
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