[논문]경량골재 콘크리트의 일본 시공사례

최지선; 하주형; 나옥빈; 한승철

doi:10.14190/mrcr.2017.12.3.028

문제 정의

철근콘크리트 구조물의 초고층화, 장경간화에 따른 재료적 대응 방안으로 우선 콘크리트 강도를 고강도화하여 부재단면을 축소시켜 자중을 저감할 수 있고, 또는 콘크리트 단위중량을 작게 하여 구조물을 경량화하는 방안이 있다. 그 중에서도 본 고에서는 경량효과가 우수한 경량골재를 활용하여 콘크리트 단위중량을 저감하는 방법에 대해 알아보고자 한다. 가장 활발하게 적용되고 있는 일본의 일부 사례를 중심으로 서술하였다.
또한, PSC부재로서 사용하였을 경우의 처짐특성, 유효프리스트레싱, 크리프량, 건조수축량, 열특성을 실계측하여 설계치와 비교함으로써 타당성을 검증하여 향후 교량에 경량골재 콘크리트 적용을 위해 기초자료로 활용될 수 있도록 하였다.
이와 같이 일본에서는 자중저감, 기초의 부담저하, 소형장비 활용 등의 장점을 가진 경량골재를 토목, 건축 등의 건설사업에 폭넓게 적용하고 있다. 본 고에서는 일본의 인공경량골재를 활용한 경량골재 콘크리트의 적용 사례에 대해 살펴보고자 한다.

제안 방법

센다이 북부도로 노선공사시 포함된 3경간 연속 PSC라멘교의 가설부분이 연약지반으로 되어 있어 하부공 기초의 규모를 작게 하기 위해 상부공에 경량골재 콘크리트를 적용하였다. 교각 하부에서 교량거더 상부까지 콘크리트의 수직 펌프압송성을 필요하기 때문에 수평환산거리 150 m 이상으로 펌프압송성을 검토하였다. 공사개요는 [표 6]에 나타내었다.
또한, 건물중량의 경량화 및 그에 따른 지진력 저감을 목적으로 지상층 슬래브에 경량콘크리트 (단위중량 1,850 kg/m³, 압축강도 21 MPa) 를 적용하였다. 높이 300 m라는 초고층 압송을 위해 슬럼프를 230 mm로 하였고, 펌프압송(수평환산길이 184 m)을 성공적으로 수행하였다.
중저층부의 기둥에는 고축력을 지지하기 위해 초고강도인 150 MPa 콘크리트와 고강도 철골을 활용한 CFT 기둥을 적용하였다. 또한, 건물중량의 경량화 및 그에 따른 지진력 저감을 목적으로 지상층 슬래브에 경량콘크리트 (단위중량 1,850 kg/m³, 압축강도 21 MPa) 를 적용하였다. 높이 300 m라는 초고층 압송을 위해 슬럼프를 230 mm로 하였고, 펌프압송(수평환산길이 184 m)을 성공적으로 수행하였다.
슬럼프 플로우는 550±50mm로 하였고 90분간 유지 될 수 있도록 하였으며 탄성계수 21 GPa을 확보하기 위해서는 압축강도가 60MPa 정도인 배합설계가 필요하였다.
본 구조물은 오사카시에 위치한 높이 300 m의 초고층 구조물로 지하층에는 주차장, 저층부에는 백화점, 중층부에는 미술과 및 오피스, 고층부에는 호텔 및 전망대로 이루어져 있다. 중저층부의 기둥에는 고축력을 지지하기 위해 초고강도인 150 MPa 콘크리트와 고강도 철골을 활용한 CFT 기둥을 적용하였다. 또한, 건물중량의 경량화 및 그에 따른 지진력 저감을 목적으로 지상층 슬래브에 경량콘크리트 (단위중량 1,850 kg/m³, 압축강도 21 MPa) 를 적용하였다.
본 공사에 적용된 기초 매스콘크리트, 일반 콘크리트, 경량골재 콘크리트의 개요를 [표 3]에 나타내었다. 최상층까지의 경량골재 콘크리트 압송을 원활히 수행하기 위해 당초 설계 슬럼프 180 mm를 210 mm로 변경하였고, 펌프압송시의 콘크리트 폐색현상을 방지하기 위해 흡수율을 27 ~ 29 %로 프리웨팅한 경량골재를 사용하였다. 그 결과 경량골재 콘크리트를 최상층 243 m까지 펌프압송을 할 수 있었으며, 압송전에 비해 압송 후의 평균 슬럼프 값은 약 20 mm, 공기량은 1 % 정도 저하되었다.
콘크리트 타설전에 강도, 동결융해저항성, 박락저항성, 펌프압송성시험을 통한 고성능 경량콘크리트의 물성 및 시공성을 확인하였다. 동결융해저항성의 경우 동결융해시험을 통해 300 싸이클 종료후에도 상대동탄성계수가 80 % 이상인 것을 확인하였고, 외기온도 30 ℃의 높은 기온의 조건에서도 제조 후 2시간까지 유동성이 유지되는 것을 확인하였다.
슬럼프 플로우는 550±50mm로 하였고 90분간 유지 될 수 있도록 하였으며 탄성계수 21 GPa을 확보하기 위해서는 압축강도가 60MPa 정도인 배합설계가 필요하였다. 콘크리트 품질 사전검토를 통해 최종적으로 동결융해 저항성이 우수한 배합을 적용하였다.

대상 데이터

그 중에서도 본 고에서는 경량효과가 우수한 경량골재를 활용하여 콘크리트 단위중량을 저감하는 방법에 대해 알아보고자 한다. 가장 활발하게 적용되고 있는 일본의 일부 사례를 중심으로 서술하였다.
도쿄도 본청은 지상 243 m의 초고층 건축물로 직경 6.4 m의 거대한 기둥과 높이 4 m의 거대 보로 이루어졌으며, 2층부터의 데크플레이트 슬래브에는 경량골재콘크리트가 적용되었다. 설계, 재료, 시공, 환경 등에 대한 이슈를 폭넓게 검토하고 콘크리트 품질확보 및 성공적인 시공을 위해 1988년 5월에 이 건축공사에 관한 콘크리트기술위원회가 조직되었다.
본 교량의 콘크리트에는 기존의 경량골재와 비교하여 흡수율을 대폭 저감시키기 위해 내부의 기포를 독립적으로 만든 고성능 경량골재를 사용하였으며, 콘크리트의 펌프압송성의 확보 및 골재의 분리를 억제하기 위해 특수 증점제를 사용했다.
본 구조물은 오사카시에 위치한 높이 300 m의 초고층 구조물로 지하층에는 주차장, 저층부에는 백화점, 중층부에는 미술과 및 오피스, 고층부에는 호텔 및 전망대로 이루어져 있다.
부재의 경량화에 의한 비용절감을 목적으로 도호쿠 신칸센 누마쿠나이 교량 (11경간 연속 프리캐스트 박스거더교)의상부공에 설계압축강도 40 MPa의 경량골재 콘크리트가 적용되었다. 본 교량 공사 개요 및 경량골재 콘크리트의 요구성능을 [표 4, 5]에 나타내었다.
센다이 북부도로 노선공사시 포함된 3경간 연속 PSC라멘교의 가설부분이 연약지반으로 되어 있어 하부공 기초의 규모를 작게 하기 위해 상부공에 경량골재 콘크리트를 적용하였다. 교각 하부에서 교량거더 상부까지 콘크리트의 수직 펌프압송성을 필요하기 때문에 수평환산거리 150 m 이상으로 펌프압송성을 검토하였다.

성능/효과

경량골재 콘크리트의 적용과 함께 외부 긴장방식을 통해 부재두께를 축소시킬 수 있었고, 프리캐스트 상부공의 중량을 약 22 % 절감시킬 수 있었다. 경량콘크리트 적용에 따라 콘크리트 재료 단가는 증가했으나, 기초구조에 대한 부담 저감 및 시공 장비의 소형화로 약 10 %의 전체 공사비 절감이 가능했다.
경량골재 콘크리트의 적용과 함께 외부 긴장방식을 통해 부재두께를 축소시킬 수 있었고, 프리캐스트 상부공의 중량을 약 22 % 절감시킬 수 있었다. 경량콘크리트 적용에 따라 콘크리트 재료 단가는 증가했으나, 기초구조에 대한 부담 저감 및 시공 장비의 소형화로 약 10 %의 전체 공사비 절감이 가능했다.
최상층까지의 경량골재 콘크리트 압송을 원활히 수행하기 위해 당초 설계 슬럼프 180 mm를 210 mm로 변경하였고, 펌프압송시의 콘크리트 폐색현상을 방지하기 위해 흡수율을 27 ~ 29 %로 프리웨팅한 경량골재를 사용하였다. 그 결과 경량골재 콘크리트를 최상층 243 m까지 펌프압송을 할 수 있었으며, 압송전에 비해 압송 후의 평균 슬럼프 값은 약 20 mm, 공기량은 1 % 정도 저하되었다. 압송 전후의 압축강도는 동일하였으나, 단위중량은 압송 후 다소 증가하였다.
, 슬럼프 120 ~ 180mm의 기준을 제시하고 있다. 그러나 본 시공에서 사용된 경량골재 콘크리트는 단위시멘트량이 많고, 물 - 시멘트비가 작아 기존의 인공경량골재 콘크리트에 비해 관내압력손실이 컸으나, 펌프카로 수평환산거리 150 m 이상의 펌프압송을 원활하게 할 수 있었다.
콘크리트 타설전에 강도, 동결융해저항성, 박락저항성, 펌프압송성시험을 통한 고성능 경량콘크리트의 물성 및 시공성을 확인하였다. 동결융해저항성의 경우 동결융해시험을 통해 300 싸이클 종료후에도 상대동탄성계수가 80 % 이상인 것을 확인하였고, 외기온도 30 ℃의 높은 기온의 조건에서도 제조 후 2시간까지 유동성이 유지되는 것을 확인하였다.
경량콘크리트의 적용으로 얻을 수 있는 효과는 기둥의 슬림화 및 기초의 최적화이다. 지상층의 슬래브에 경량콘크리트를 적용하여 일반콘크리트를 적용하였을 경우 7,000 톤 정도의 저층부 기둥의 축력을 6,000 톤으로 저감시킬 수 있었고, 저층부 CFT기둥의 충진콘크리트에 150 MPa 콘크리트를 적용하여 내력을 크게 향상시키고 단면크기를 저감하여 기초말뚝의 본 수를 줄일 수 있었다.

후속연구

일본에서 인공경량골재는 토목/건축에서 많은 적용실적 및 활용가능성을 가지고 있으나, 국내에서는 인공경량골재의 품질 변동성, 콘크리트 품질관리의 어려움, 경제성, 펌프압송성 등의 시공상의 문제점 등으로 적용이 이루어지지 않고 있다. 그러나 일본의 사례처럼 사전에 철저한 시험을 통해 물성 및 시공성을 검토하여 시공상에 문제가 없도록 한다면 경량골재 콘크리트의 확대 적용할 수 있을 것으로 사료된다. 특히,펌프압송성 등의 시공성 확보를 위해서는 인공경량골재의 프리웨팅과 골재의 안정된 품질관리가 필수적이며 경량골재 콘크리트에 대한 더욱 많은 시험과 평가가 이루어져야 토목/건축구조물에 폭넓게 적용이 가능할 것이다.
그러나 일본의 사례처럼 사전에 철저한 시험을 통해 물성 및 시공성을 검토하여 시공상에 문제가 없도록 한다면 경량골재 콘크리트의 확대 적용할 수 있을 것으로 사료된다. 특히,펌프압송성 등의 시공성 확보를 위해서는 인공경량골재의 프리웨팅과 골재의 안정된 품질관리가 필수적이며 경량골재 콘크리트에 대한 더욱 많은 시험과 평가가 이루어져야 토목/건축구조물에 폭넓게 적용이 가능할 것이다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	아베노하루카스 건물에 경량콘크리트의 적용으로 얻을 수 있는 효과는 무엇이었나?	경량콘크리트의 적용으로 얻을 수 있는 효과는 기둥의 슬림화 및 기초의 최적화이다. 지상층의 슬래브에 경량콘크리트를 적용하여 일반콘크리트를 적용하였을 경우 7,000 톤 정도의 저층부 기둥의 축력을 6,000 톤으로 저감시킬 수 있었고, 저층부 CFT기둥의 충진콘크리트에 150 MPa 콘크리트를 적용하여 내력을 크게 향상시키고 단면크기를 저감하여 기초말뚝의 본 수를 줄일 수 있었다.
	철근콘크리트 구조물의 초고층화, 장경간화에 따른 재료적 대응은 무엇이 있는가?	철근콘크리트 구조물의 초고층화, 장경간화에 따른 재료적 대응 방안으로 우선 콘크리트 강도를 고강도화하여 부재단면을 축소시켜 자중을 저감할 수 있고, 또는 콘크리트 단위중량을 작게 하여 구조물을 경량화하는 방안이 있다. 그 중에서도 본 고에서는 경량효과가 우수한 경량골재를 활용하여 콘크리트 단위중량을 저감하는 방법에 대해 알아보고자 한다.
	일본의 경량골재 콘크리트 역사 시작은 어떠한가?	일본의 경량골재 콘크리트 역사를 살펴보면 1947년 도쿄대학 하마다 박사가 천연경량골재를 활용한 경량콘크리트에 대해 연구한 것을 시작으로 1955년 JIS A 5002에 구조용 경량골재에 관한 규정이 신설되었다. 1960년대에는 인공경량골재 기술이 미국에서 도입되어 1964년에 인공경량골제가 제조되었고, 1966년에 인공경량골재협회(ALA)가 설립되었다.

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