[논문]고로슬래그미분말을 사용한 탄소저감형 초고강도 Green PHC 파일 제조 기술 및 이를 활용한 현장 적용

이희건; 공민호; 정연수

고로슬래그미분말을 사용한 탄소저감형 초고강도 Green PHC 파일 제조 기술 및 이를 활용한 현장 적용
Field Application and Manufacturing Technology of Low Carbon Ultra High Strength Green PHC Pile using High Volume Ground Granulated Blast Furnace Slag 원문보기

이희건 ((주)삼표산업 연구소) , 공민호 (현대엔지니어링) , 정연수 (현대건설(주) 연구개발본부)

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문제 정의

따라서 본 기술은 증기양생 방법에 의해 생산되는 PHC 파일에 대표적인 순환자원인 고로슬래그미분말을 다량으로 사용하는 기술로써 와 같이 고로슬래그미분말 40 % 및 3종 조강 시멘트를 대체한 개량된 1종 시멘트를 사용하여 기존 초고강도 PHC 파일과 동등한 수준의 압축강도를 발현하는 것을 특징으로 한다.
본 기사에서는 고로슬래그미분말을 사용한 탄소저감형 초고강도 Green PHC 파일 제조 기술과 이를 활용하여 현장에 적용한 사례를 소개하고자 한다.
5 MPa에 맞춰진 일반 PHC 파일과 압축강도 110 MPa의 초고강도 PHC 파일로 생산되고 있다. 이 중 본 기술은 증기 양생 방식으로 제조되는 PHC 파일 중 110 MPa 이상의 초고강도 PHC 파일 제조방법에 관한 기술로 고로슬래그미분말을 다량 사용할 뿐 아니라 시멘트와 고강도 결합재의 사용량을 최소화한 기술이다.

제안 방법

아파트 신축공사에서 기초 구조용으로 시공된 직경 500 mm Green PHC 파일에 대한 침하량 측정 및 허용 지지력을 산정하기 위해 말뚝 동재하 시험을 실시하였다<;사진 4>. 말뚝 동재하 시험은 말뚝의 지지력은 물론이고 선단과 마찰지지력 분포와 크기 파악 및 건전도를 확인하고 항타 및 경타 장비의 적합성을 판단할 수 있는 시험법이다.
<표 1>은 본 기술과 유사한 기술 조사 결과를 정리한 것으로 유사기술을 통하여 신청기술의 수준을 비교 및 분석하였다. 본 신청기술과 유사한 초고강도 PHC 파일은 삼표피앤씨(주)에서 최초로 개발된 기술로써 현재 국내에서 생산 가능한 업체 수가 적고 아직 보급화 되지 않은 기술이다.
이러한 특성으로 고로슬래그미분말을 사용하게 되면 작업성 및 성형성이 크게 저하되어 제품 불량률이 높아지고 초기강도가 낮아져 초고강도 PHC 파일의 압축강도 성능기준을 만족하기 어렵게 된다. 이와 같은 기술적 한계를 해결하기 위해 폴리카르본산계 분산제를 기본으로 하는 Green PHC 파일 전용 혼화제 제조 기술을 개발하여 작업성 저하 및 성형 불량에 대한 문제를 해결하고, 3종 조강 시멘트 및 고강도 결합재의 재료적 특성을 분석하여 다량의 고로슬래그미분말 사용하는 배합과 공정 조건을 최적화하였다.
작업성 저하를 해결하기 위해 폴리카르본산계 분산제를 개량한 기술을 적용하였다. 이로 인해 점성이 저하되고 성형성이 향상되었으며 파일 내관에서 골재 돌출 없이 내부 조직이 치밀해졌고 매끄러운 표면 형상을 보였다<사진 2>.

성능/효과

Green PHC 파일은 기존 110 MPa 초고강도 PHC 파일 제조원가 보다 약 26 %의 제조원가 절감이 가능하며, 일반 PHC 파일 지지력은 1,200 kN인데 비해 1,600 kN으로 33 %의 지지력 향상되므로 이에 따른 파일 공사비를 약 20 % 감소시킬 수 있다.
4 % 증가하였고, 기존 초고강도 PHC 파일과 비교하여도 동등한 수준으로 나타났다. 고로슬래그미분말을 최고 40 %를 사용하면서도 압축강도 110 MPa의 초고강도 성능이 발현되었다<;그림 3>.
국가 LCI D/B 및 지식경제부 시멘트 업종 MRV 자료를 기반으로 하여 기존 초고강도 PHC 파일과 본 기술의 CO2 배출량을 분석·평가한 결과, 삼표피앤씨(주) 제천공장에서 초고강도 PHC 파일 제조 시 CO2 배출량에 비해 본 기술 적용 시 콘크리트 제조 및 운송의 전 과정의 CO2 배출량이 m3당 77.23 kg 저감하는 것으로 분석되었다.
04 kN/pile로 해석되어 시험된 말뚝은 각각 설계지지력을 만족하는 것으로 최종 확인되었다. 또한, 시험된 말뚝의 압축응력 및 건전도지수(BTA) 등 말뚝의 제반 결과도 모두 허용범위 이내로 분석되어 양호한 것으로 나타났다.
이는 삼표피앤씨(주)의 2015년 판매목표량 26만3,900톤(105,560 m³)을 기준으로 8,152톤의 CO₂ 배출저감이 가능한 수치이다. 또한, 일반 PHC 파일에 비해 본 기술은 허용지지력이 높아 약 33 %의 파일 본수 저감이 예상되며 이에 따른 CO₂ 배출량도 추가로 저감 가능할 것으로 예상된다.
재하시험 도중 어떠한 변곡점도 발생하지 않았으므로 최대 재하하중을 항복하중으로 간주하여도 무방할 것으로 판단된다. 말뚝의 허용 지지력은 1,961.33 kN/pile로 현대엔지니어링 설계하중 1,600 kN/pile을 충분히 만족하는 것으로 나타났다.
말뚝 동재하 시험은 말뚝의 지지력은 물론이고 선단과 마찰지지력 분포와 크기 파악 및 건전도를 확인하고 항타 및 경타 장비의 적합성을 판단할 수 있는 시험법이다. 본 현장 초기 동재하 시험결과 허용지지력은 1385.00 ~ 1644.20 kN/pile이었으며, 재항타 동재하 시험을 실시한 결과 2297.64 ~ 2432.04 kN/pile로 해석되어 시험된 말뚝은 각각 설계지지력을 만족하는 것으로 최종 확인되었다. 또한, 시험된 말뚝의 압축응력 및 건전도지수(BTA) 등 말뚝의 제반 결과도 모두 허용범위 이내로 분석되어 양호한 것으로 나타났다.
정재하 시험은 타설된 말뚝 머리에 정하중을 단계별로 증가 또는 감소시키고, 하중 지속시간에 따른 침하량을 측정하여 말뚝의 극한 및 항복 지지력을 설계하중과 비교 검토하여, 추후 설치되는 구조물의 기초로서 안정성 확보를 위한 품질을 확인 및 검증하는 시험법이다<사진 5>. 시험결과, 최대 재하하중인 3,922.66 kN/pile에서 9.340 mm와 11.435 mm의 침하량을 나타냈으며, 최종 하중을 제거한 상태에서 측정된 잔류침하량은 2.875 ~ 5.590 mm로 나타났다. 재하시험 도중 어떠한 변곡점도 발생하지 않았으므로 최대 재하하중을 항복하중으로 간주하여도 무방할 것으로 판단된다.
작업성 저하를 해결하기 위해 폴리카르본산계 분산제를 개량한 기술을 적용하였다. 이로 인해 점성이 저하되고 성형성이 향상되었으며 파일 내관에서 골재 돌출 없이 내부 조직이 치밀해졌고 매끄러운 표면 형상을 보였다<;사진 2>.
일반 PHC 파일과 비교하여 재령 7일 압축강도가 30.4 % 증가하였고, 기존 초고강도 PHC 파일과 비교하여도 동등한 수준으로 나타났다. 고로슬래그미분말을 최고 40 %를 사용하면서도 압축강도 110 MPa의 초고강도 성능이 발현되었다<그림 3>.

후속연구

본 기술은 3종 조강 시멘트가 주재료로 사용되고 있는 초고강도 PHC 파일 시장에서 시멘트 대체 재료로 산업부산물인 고로슬래그미분말을 40 % 이상 사용하는 PHC 파일 제조 기술로써 기존 업체의 고로슬래그미분말 사용에 대한 소극적인 자세를 개선하여 혼화재료의 사용이 확대될 것으로 기대되며, 이에 따른 시멘트 사용량 감소 및 전체 건설산업의 탄소배출량 저감에 기여할 것으로 판단된다.
또한 내진설계법 도입 등 안정성에 대한 인식이 변화되기 시작하면서 파일의 역할은 점점 중요해지고 있다. 이러한 인식을 반영하는 듯 2009년 약 400만 톤에서 2014년 550만 톤으로 생산량 증가를 보이며 급격히 성장하고 있는 PHC 파일 산업에도 지속가능한 발전, 환경 친화적 기술 확보, 산업부산물의 자원화 등 미래지향적 꾸준한 연구와 도전이 활성화되기를 기대해 본다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

PHC 파일의 생산 방식은?

일반적으로 고강도를 요구하는 PHC 파일은 콘크리트 배합 시 많은 양의 시멘트와 낮은 물-시멘트비로 <사진 1>과 같이 원심성형 및 양생과정을 거쳐 제조하게 된다. PHC 파일은 업체별 온도이력이 다양하지만 일반적으로 시멘트와 특수 규사 미분말을 결합재로 하는 오토클레이브양생 방식과 시멘트와 고강도용 결합재를 사용하는 증기양생 방식으로 생산되고 있으며, 강도기준에 따라서는 「KS F 4306 프리텐션방식 원심력 고강도 콘크리트 말뚝」의 기준인 압축강도 78.5 MPa에 맞춰진 일반 PHC 파일과 압축강도 110 MPa의 초고강도 PHC 파일로 생산되고 있다.

최근에 PHC 파일의 사용이 필요하게 된 이유는?

국내 파일 산업은 1970년대 초반까지 RC(Ready-mixed Concrete) 말뚝을 주로 사용하였고 1970년대 후반부터 1990년대까지는 PC(Precasted-Concrete) 말뚝이 주를 이루었다. 최근에는 콘크리트 구조물의 설계가 고층화 및 대형화됨에 따라 깊은 관입량과 지지력 보강에 유리한 말뚝기초공법인 PHC 파일(Pretensioned Spun High Strength Concrete Pile)의 사용이 필요하게 되었다.

증기양생 방법에 의해 생산되는 PHC 파일의 장점은?

따라서 본 기술은 증기양생 방법에 의해 생산되는 PHC 파일에 대표적인 순환자원인 고로슬래그미분말을 다량으로 사용하는 기술로써 <그림 2>와 같이 고로슬래그미분말 40 % 및 3종 조강 시멘트를 대체한 개량된 1종 시멘트를 사용하여 기존 초고강도 PHC 파일과 동등한 수준의 압축강도를 발현하는 것을 특징으로 한다. 이에 따라 일반 PHC 파일 대비 높은 지지력으로 시공파일 본수가 저감되는 경제적 효과 뿐 아니라 제조 및 시공 시 CO2 배출량이 저감되는 친환경 기술이다.

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