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문제 정의
- 일반적으로 높은 압력의 물을 강제 침투시켜 Darcy의 법칙에 의해 투수계수를 측정하는 방법이 있으나 조직이 치밀한 콘크리트의 경우에는 침투되는 수량이 극히 적으며 시험에 장시간이 소요된다는 단점이 있다. 따라서 본 연구에서는 염소이온의 침투를 전압차에 의하여 촉진하는 시험법을 채택하였고 염소이온의 침투 저항성을 측정함으로써 각 배합의 투수성을 알아내는데 그 목적이 있다.
- 또한 봅슬레이 경기는 썰매의 충돌이 빈번히 발생하고, 표면에 얼음을 얼리기 위해 지속적으로 극한 환경에 노출되기 때문에 강도와 동결융해 및 표면박리에 대한 내구성이 우수한 재료를 개발 하여 사용하였다.
- 본 연구에서는 2018 평창 봅슬레이 트랙 시공을 위한 첨단시공기술 개발을 위해 실물크기형 Mock-up Test를 진행하였다. 고성능 고내구성 숏크리트 재료를 이용한 첨단 시공기술을 통해 시공된 봅슬레이 트랙의 역학적 특성 및 내구성 시험을 통해 현장적용성을 평가하였다.
- 본 연구에서는 실제 봅슬레이 트랙의 변환곡선 구간을 모사 하여 5m 길이로 축소 한 실제 크기의 Mock-up Test를 통해 봅슬레이 트랙의 시공방법 개발 및 내구특성을 평가 하였다.
제안 방법
- 7 ℃, 상대습도 45 ～ 55%에서 6 ～ 8시간동안 유지시켰으며, 이것을 1사이클로하는 동결융해 사이클을 진행시켰다. 5사이클마다 새로운 염화칼슘 용액으로 교체를 하였으며, ASTM에서 제시한 규정에 따라 표면박리 저항성에 대한 분석을 실시하고, 표면박리 저항성의 정량적 해석을 위하여 시편에서 박리되는 양을 측정하여 비교분석하였다.
- 본 연구에서는 2018 평창 봅슬레이 트랙 시공을 위한 첨단시공기술 개발을 위해 실물크기형 Mock-up Test를 진행하였다. 고성능 고내구성 숏크리트 재료를 이용한 첨단 시공기술을 통해 시공된 봅슬레이 트랙의 역학적 특성 및 내구성 시험을 통해 현장적용성을 평가하였다.
- 실험 항목으로는 콘크리트의 기초물성을 평가하기 위하여 공기량 슬럼프 시험을 실시하고, 압축 및 휨강도 시험을 통해 재료의 강도특성을 평가한다. 내구특성 시험으로는 염소이온 침투 저항성, 동결융해 저항성, 표면박리 저항성 시험을 실시하였다.
- 다중곡면 구조물인 봅슬레이 트랙의 형태를 구성하기 위해 지그바 기술을 이용하여 냉동파이프와 철근을 배근하는 방식으로 봅슬레이 트랙의 전체적인 골조를 구성하였으며, 다중곡면 구조물에 일반적인 거푸집 또는 라이닝을 적용시킬 수 없기 때문에 내부 존치 및 매립형 철망거푸집 기술을 적용하여 숏크리트를 통해 시공하였다.[2]
- 따라서 본 실험에서는 200 × 250 × 100 mm의 직사각형 공시체를 제작하여 28일 기건양생 후 실험을 실시하였다.
- 때문에 지그바 설치는 매우 중요하며, 최종적으로 ±5 mm의 오차를 유지하기 위하여 레벨측량을 실시했다.
- 뿐만 아니라, 굳은 후에는 고강도와 충분한 공기량 확보로 동결융해저항성 확보, 수밀성을 가지고 있어 투수저항성 확보가 가능한 높은 내구성질을 가져야한다. 또한 염소이온투과저항성과 같은 내구성질을 평가하여 이들의 상관성을 분석하였다. 이 실험의 종합적인 결론을 다음과 같이 나타내었다.
- 본 시공에 초빙된 국내외 전문가가 숏크리트 타설에 앞서 기초 및 배근작업이 완료된 봅슬레이 트랙의 철근 배치형태 및 간격을 검측했다. 철근 배근은 전면부 경사 배근 간격 100 mm, 후면부 직각배근 간격 100 mm으로 배근하여 냉동파이프, 철망거푸집을 포함한 부재두께가 160 mm 이내에 모두 들어와 만족하였다.
- 이 동결융해저항성 실험은 콘크리트가 충분히 포화되어 있지 않고 동결융해에 대한 충분한 저항성을 가진 골재가 사용되어 있을 경우, 심각한 동결융해에 의한 손상이 일어나지 않는다는 가정이 내포되어 있다. 본 연구에 사용된 동결융해 시험기는 동결융해 과정을 자동으로 제어할 수 있으며, 이는 공시체의 온도, 냉각공기의 온도 및 융해수의 온도를 제어하면서 수행되었다. 동탄성계수 측정방법에는 크게 고유진동수에 의한 방법과 초음파속도법에 의한 방법이 있다.
- 산정된 총 전하량으로 염소이온 침투 저항성에 대하여 비교·분석한다.
- 숏팅 전 공기량을 10 ∼ 15 % 혼입하여 펌핑성을 개선하나 숏팅 후의 공기량을 3 ∼ 6 %이하로 유지하여 강도와 내구성을 확보하고, 단위시멘트량을 460 kg/m3으로 결정하였으며 실리카퓸을 시멘트 중량대비 8.7 %로 치환하여 장기강도 및 투수저항성 등의 내구성을 향상시켰다.
- 따라서 본 실험에서는 200 × 250 × 100 mm의 직사각형 공시체를 제작하여 28일 기건양생 후 실험을 실시하였다. 시험편은 콘크리트 연마기를 이용하여 표면을 평평하게 하였으며, 시험편 표면 가장자리에 높이 6 mm 정도의 고무로 벽을 만들어 4 %의 염화칼슘 용액을 공시체 표면에 유지를 시켰다.
- 실험 항목으로는 콘크리트의 기초물성을 평가하기 위하여 공기량 슬럼프 시험을 실시하고, 압축 및 휨강도 시험을 통해 재료의 강도특성을 평가한다. 내구특성 시험으로는 염소이온 침투 저항성, 동결융해 저항성, 표면박리 저항성 시험을 실시하였다.
- 압축강도 및 내구성 시험을 실시하기 위하여 500 × 500 mm의 패널을 제작하여 코어링을 통해 압축강도 몰드를 제작하였으며, 휨강도 및 동결융해 시험을 실시하기 위해 460 × 460 mm 의 패널을 제작하고 컷팅하여 실시했다.
- 또한 팽창재를 결합바인더 중량대비 7 %로 치환하여 초기수축에 의한 균열을 억제할 수 있었다. 잔골재율은 리바운드량 저감을 고려하고자 75 %로 설정하여 경제성을 확보하였다. Table.
- 압축강도 시험의 경우 재령 7일, 28일에 휨 강도시험의 경우 재령 28일에 실시하였다. 최대하중 100톤의 만능시험기(UTM)을 이용하여 측정을 하였다[7,8].
- 지그바에는 가장 먼저 90 mm 간격으로 냉동파이프가 설치되며, 지그바를 기준으로 전면부에는 격자 형태로, 배면에는 십자 형태로 10 mm 철근을 각각 100 mm 간격으로 배근했다. 특히 배면 철근은 횡방향 철근을 먼저 배근한 뒤, 종방향 철근을 배근하여 향후 철망거푸집 설치가 용이하도록 하였다.
- 철망거푸집은 숏크리트 타설시 리바운드량을 줄여주고, 내부를 밀실하게 충전시키는 역할을 한다. 하부 철근에 마디(리브)를 결속선으로 연결하여 일체화 시키는 방식으로 시공하였다.
이론/모형
- 굳지 않은 콘크리트의 공기량 시험은 KS F 2421(굳지 않은 콘크리트의 압력법에 의한 공기 함유량 시험방법)의 규정에 의거하여 수행하였다[6].
- 굳지 않은 콘크리트의 반죽질기를 판단하기 위하여 슬럼프 시험은 KS F 2402(콘크리트의 슬럼프 시험방법)의 규정에 의거하여 수행하였다[5].
- 동결융해저항성 실험은 KS F 2456 A Type에 따라 공기중 급속 동결 수중 급속융해의 방법으로 실시하였으며 이때 공시체 중심에서의 온도를 동결시 –18 ℃, 융해시 4 ℃로 상승시키는 것을 1 사이클 4시간으로 하여 반복 수행하였다.
- 염소이온 침투 저항성 시험은 KS F 2711 (전기 전도도에 의한 콘크리트의 염소이온 침투 저항성 시험방법)에 의거하여 수행하였다.
- 염소이온 투과 저항성 시험은 KS F 2711에 의거 재령 28일에 시험 되었다. 시험 결과 611 Coulombs 으로 나타나 판정기준에 따라 염소이온 투과저항성 시험 결과 ‘매우 낮음’을 만족하는 것으로 나타났다.
- 초음파속도법에 의한 측정방법은 손쉽게 측정할 수 있는 반면 초음파가 통과하는 면의 폭이 15.2 ～ 20.3 cm이상이 되어야하기 때문에 7.5 × 10 × 40 cm의 각주형 시험체를 사용한 본 연구에서는 초음파속도법으로 측정하여도 무방하나, 본 연구에서는 고유진동수에 의한 측정법을 이용하여 동탄성계수를 측정하였다[9].
- 콘크리트 휨 강도 시험은 460 × 460 mm 의 패널에서 컷팅을 통해 제작된 100 × 100 × 460 mm의 각주형 공시체를 KS F 2408(콘크리트의 휨강도 시험 방법) 규정에 의거, 3등분점 재하법으로 측정하였다.
- 콘크리트의 성능평가를 위한 기본적인 자료로서 중요한 의미를 가지는 압축강도 시험은 500 × 500 mm의 패널에서 코어링을 통해 제작된 ø100 × 200 mm의 원주형 공시체를 KS F 2405(콘크리트의 압축강도 시험 방법)규정에 따라 측정하였다.
- 표면박리저항성 실험은 ASTM C 672에 규정하고 있는 제빙염(CaCl2)에 노출된 콘크리트 표면의 동결융해에 의한 표면박리저항성 실험방법에 따라 실시하였다. 이 실험방법은 동절기에 도로의 제설재로 제빙염을 사용하고 있다는 점에서 콘크리트의 동결융해 저항성을 잘 나타낸다는 장점을 지니고 있다.
성능/효과
- 1. 시공성 평가 결과 본 연구를 통해 제안된 숏크리트 재료는 막힘없이 직경이 작은 호스를 이송할 수 있는 우수한 펌프성능과 저리바운드 타설이 가능하다. 또한 충전성이 뛰어나 철근주변에 공극이 최소화 되어 우수한 시공성능을 보였다.
- 2. 압축강도 및 휨 강도 시험 결과 목표로 했던 재령 28일 압축강도 40.0 MPa을 상회하는 47.9 MPa로 나타났으며, 휨 강도 역시 목표인 재령 28일 5.0 MPa을 상회하는 값인 7.6 MPa로 나타나 매우 우수한 강도특성을 보였다. 또한 재령 56일 이후 강도 변동은 크지 않은 것으로 나타났다.
- 3. 동결융해저항성 시험의 상대동탄성계수는 300사이클이 지난 후에도 95%로 매우 우수한 결과가나타났으며 표면박리 저항성 실험의 경우 50사이클이 지난 후에도 단위면적당 누적 표면박리량은 160 g/m2라는 낮은 값으로 나타나 “Good” 등급에 만족하는 것으로 확인되었다.
- 숏팅 전 슬럼프는 100 mm로 측정되어 목표 슬럼프를 만족하였다. 공기량은 숏팅전 공기실 압력방법의 최대 측정치인 10 % 이상을 나타냈으며, 숏팅 후 4 %로 측정되어 목표를 만족하였다.
- 동결과 융해에 반복적으로 노출 되는 봅슬레이 트랙의 특성 상 동결융해 저항성 확보는 반드시 필요한 실험으로, 시험 결과 Fig. 13과 같이 상대동탄성계수가 300사이클이 지난 후에도 목표로 했던 85%를 상회하는 95%라는 높은 값으로 나타나 동결융해에 대한 저항성이 매우 우수한 것으로 확인되었다.
- 시공성 평가 결과 본 연구를 통해 제안된 숏크리트 재료는 막힘없이 직경이 작은 호스를 이송할 수 있는 우수한 펌프성능과 저리바운드 타설이 가능하다. 또한 충전성이 뛰어나 철근주변에 공극이 최소화 되어 우수한 시공성능을 보였다.
- 7 %로 치환하여 장기강도 및 투수저항성 등의 내구성을 향상시켰다. 또한 팽창재를 결합바인더 중량대비 7 %로 치환하여 초기수축에 의한 균열을 억제할 수 있었다. 잔골재율은 리바운드량 저감을 고려하고자 75 %로 설정하여 경제성을 확보하였다.
- 또한 염소이온 침투저항성 시험은 1000 Coulombs 이하 “매우 낮음” 등급을 만족하였다. 봅슬레이트랙이라는 사용목적의 특성상 가장 중요한 동결융해, 표면박리저항성 시험 및 수밀성에서 매우 우수한 결과가 나타나 봅슬레이트랙으로써 효과적인 재료라 판단된다.
- 시험 결과 611 Coulombs 으로 나타나 판정기준에 따라 염소이온 투과저항성 시험 결과 ‘매우 낮음’을 만족하는 것으로 나타났다.
- 압축강도는 재령 7일, 28일 휨강도는 재령 28일 실시하였다. 재령7일 37.0 MPa과 28일 47.9 MPa로 측정되어 목표 설계기준 강도인 40 MPa을 만족하는 것으로 나타났다. 재령 28일의 휨 강도는 7.
후속연구
- 본 연구의 목적인 봅슬레이 트랙 시공용 숏크리트는 사계절 내내 물과 얼음에 노출되어 있기 때문에 더욱 중요하게 확인·검증되어야 한다.
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