KR100449040B1 - high-strength shotcrete composite using alkali-free accelerator - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고강도 숏크리트 조성물에 관한 것으로서, 높은 초기 강도와 부착 성능을 가지며 장기 강도의 저감률이 적은 고강도 숏크리트 조성물에 관한 것이다.The present invention relates to a high-strength shotcrete composition, to a high-strength shotcrete composition having a high initial strength and adhesion performance, and a low reduction of long-term strength.

숏크리트 공사에서는 초기 강도 확보와 리바운드량의 저감이 요구되므로, 이러한 요구를 충족시키기 위하여 급결제의 사용은 필수적이다. 종래 일반적으로 사용되어 왔던 물유리계 범용 급결제의 경우 초기 강도의 발현은 좋으나 장기 강도의 저감이라는 치명적인 약점이 있었다. 또한 강알칼리 성으로 작업자나 환경에 유해한 영향을 끼치는 문제가 있었다.In shotcrete construction, it is necessary to secure initial strength and to reduce the amount of rebounds, and therefore, the use of a fastener is essential to satisfy these requirements. In the case of the water glass-based universal fastener that has been generally used in the past, the initial strength is good, but there is a fatal weakness of the long-term strength reduction. In addition, there was a problem that has a harmful effect on workers and the environment due to the strong alkaline properties.

이에 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 숏크리트의 배합에 사용되는 급결제를 종래의 물유리계 범용 급결제 대신에 alkali-free 액상형 급결제를 사용함으로써 초기 강도를 확보하고 장기 강도 저감률을 감소시킬 수 있다.In order to solve the above problems, the present invention uses an alkali-free liquid type fastener in place of the conventional water glass-based universal fastener, which is used for the mixing of shotcrete, thereby securing initial strength and reducing the long-term strength reduction rate. Can be.

또한 본 발명은 일반적인 숏크리트 공사에서 사용되던 보통 포틀랜드 시멘트 대신에 조강 포틀랜드 시멘트를 사용함으로써, 용수부위, 단층파쇄대, 연약지반 등과 같이 조기에 원지반과의 부착성능을 요하는 공사에 효과적으로 대처할 수 있다.In addition, the present invention by using crude steel portland cement instead of the ordinary portland cement used in the general shotcrete construction, it can effectively cope with the work that requires the adhesion performance with the ground early, such as water parts, fault fracture zone, soft ground.

Description

알칼리프리(alkali-free) 급결제를 사용한 고강도 숏크리트 조성물 {high-strength shotcrete composite using alkali-free accelerator}High-strength shotcrete composite using alkali-free accelerator}

본 발명은 alkali-free 급결제를 사용한 고강도 숏크리트 조성물에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 초기강도 확보와 리바운드 저감을 위해 사용되는 급결제로서 alkali-free 액상형 급결제를 사용함으로써 장기강도의 저감율이 적고 환경친화적인 고강도 숏크리트 조성물에 관한 것이다.The present invention relates to a high-strength shotcrete composition using an alkali-free fastener, and more specifically, by using an alkali-free liquid quickener as a fastener used for securing initial strength and reducing rebound, the reduction rate of long-term strength is small and the environment is low. It relates to a friendly high strength shotcrete composition.

도로, 철도 등을 건설함에 있어, 터널의 시공이 증가하고 있으며, 사회간접자본의 투자 확대에 따른 터널의 건설 수요도 향후 지속적으로 증가할 것으로 예상된다. 특히, 최근에는 터널 단면의 대형화 및 장대 터널에 대한 요구가 늘어나고 있으며, 또한 보다 안전하고 경제적인 터널 건설을 위한 관심과 이를 실용화하기 위한 다양한 검토가 이루어지고 있다.In the construction of roads and railways, the construction of tunnels is increasing, and the demand for tunnel construction is expected to continue to increase in the future as investment in social overhead capital expands. In particular, in recent years, there is an increasing demand for the enlargement of tunnel cross-sections and long tunnels, and various considerations are being made for the safer and more economical construction of tunnels.

터널 시공방법에는 여러가지가 있으나 가장 일반적으로 널리 사용되고 있는 방법은 NATM(New Austrian Tunnelling Method) 공법이다. NATM 공법은 암반 굴착 직후 원지반의 지지능력을 최대한으로 활용하면서, 숏크리트(shotcrete)와 록볼트(Rock-bolt)를 주지보재로 터널의 안정성을 유지시키는 방법이다.There are many tunnel construction methods, but the most commonly used method is NATM (New Austrian Tunnelling Method). NATM method is a method of maintaining the stability of the tunnel with shotcrete and rock-bolt, while utilizing the support capacity of the ground immediately after the excavation of rock.

특히 숏크리트는 일반 콘크리트와는 달리 숏크리트 기계를 사용하여 굴착된 원지반에 높은 공기압으로 뿜어 붙여지는 콘크리트로서, 지반의 이완을 방지하여 원지반의 강도를 유지하고, 콘크리트 아치로서 작용하여 하중을 분담하는 기능을 수행할 수 있어야 하며, 조기 강도의 확보, 굴착면과의 부착성 증대 및 반발률(Rebound)과 분진의 발생을 최소화할 수 있는 능력이 요구된다.In particular, shotcrete is a concrete that is sprayed with high air pressure on the excavated ground using a shotcrete machine, unlike ordinary concrete. It prevents the loosening of the ground, maintains the strength of the ground, and acts as a concrete arch to share the load. It needs to be able to perform, and requires the ability to secure early strength, increase adhesion to the excavation surface and minimize the rebound and dust generation.

그러나 현재의 숏크리트 기술은 NATM 공법이 국내에 들어올 당시의 초기의 기술력을 아직 답습하고 있는 상태로서, 리바운드량과 막장 근방에서의 분진농도가 기준치를 초과하고 있으며, 노즐맨의 경험이나 기량 등에 따라 시공성, 품질 등의 변동이 심하여 비용 절감 및 시공 능률 향상을 위한 개선이 요구되고 있다. 또한 숏크리트의 품질은 사용되는 혼화재료나 배합, 시공조건 및 시공성 등의 영향에 대해서는 아직 명확하지 않은 상태에서 이루어지고 있어 이에 대한 검토가 필요한 실정이다.However, the current shotcrete technology is still following the initial technology at the time when the NATM method enters Korea, and the rebound amount and the dust concentration near the membrane exceed the standard values, and the constructability depends on the experience and skill of the nozzleman. Due to the high fluctuations in quality and quality, improvements are needed to reduce costs and improve construction efficiency. In addition, the quality of the shotcrete is not yet clear about the effects of the miscible materials used, the blending, the construction conditions, and the workability, so it is necessary to examine them.

특히 최근에는 Single-Shell Lining 터널(현장타설 라이닝을 대신해서 숏크리트로 최종 마감)이나 P.C.L(조립식 라이닝)터널에 대한 관심이 증대되고 있는 시점에서 우수한 부착성능과 내구성능으로 숏크리트의 품질을 향상시키고, 리바운드량 저감과 함께 숏크리트의 두께를 감소시킴으로써 터널의 건설비용을 절감할 수 있는 고품질의 고강도 숏크리트의 개발이 절실히 요구되고 있다.In particular, when the interest in single-shell lining tunnels (final finish with shotcrete instead of site-casting lining) or PCL (prefabricated lining) tunnels is increasing, the quality of shotcrete is improved with excellent adhesion and durability. There is an urgent need for the development of high-quality high-strength shotcrete that can reduce the construction cost of tunnels by reducing the thickness of shotcrete as well as reducing the rebound amount.

숏크리트 공사에서는 무엇보다도 초기 강도 확보와 리바운드량의 저감이 요구되며, 이러한 요구를 충족시키기 위하여 급결제의 사용은 필수 불가결하다. 하지만 기존의 범용 급결제를 사용할 경우 조기 급결에 따른 장기 강도의 감소로 설계에서 요구하는 기준강도를 만족하지 못하는 경우가 발생하고 있으며, 이에 따른 리바운드량의 증가 및 분진의 발생에 따른 주변 환경문제는 아직까지 해결되지 않은 문제점으로 남아있다.Above all, shotcrete construction is required to secure initial strength and to reduce the amount of rebound, and in order to meet these requirements, the use of a fastener is indispensable. However, when the conventional universal fastener is used, there is a case that the standard strength required by the design is not satisfied due to the decrease of long-term strength due to early fastening, and accordingly, the environmental problem due to the increase of the rebound amount and the generation of dust The problem remains unresolved.

본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로서, 숏크리트의 초기 강도를 향상시키고 장기 강도의 저감을 방지하여 고품질의 고강도 숏크리트를 조성물을 제공함을 그 목적으로 한다.The present invention has been made to solve the above problems, and aims to provide a high-quality high-strength shotcrete composition by improving the initial strength of the shotcrete and preventing the reduction of long-term strength.

또한 숏크리트 시공 작업자의 안전을 확보할 수 있고 환경친화적인 숏크리트 조성물을 제공함을 목적으로 한다.In addition, it is an object to provide a shotcrete composition that can ensure the safety of the shotcrete construction workers and environmentally friendly.

도1은 본 발명의 실시예와 비교예의 압축강도를 비교하는 그래프.1 is a graph comparing the compressive strength of the embodiment of the present invention and the comparative example.

도2는 본 발명의 실시예와 비교예의 휨강도를 비교하는 그래프.2 is a graph comparing the bending strength of the embodiment of the present invention and the comparative example.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 기존에 사용되고 있는 범용 급결제 대신 초기 강도 확보와 함께 장기 강도 발현에 손상을 주지 않으면서도 작업자에게 피해를 주지 않고, 환경에도 영향을 끼치지 않는 alkali-free 급결제와 대부분의 숏크리트 공사에서 사용되는 보통 포틀랜드 시멘트 대신에 조강 시멘트를 사용한다.In order to achieve the above object, the present invention is an alkali-free grade that does not affect the environment and does not affect the environment without damaging the expression of long-term strength with initial strength instead of the general-purpose fastener used in the past Crude steel cement is used instead of ordinary Portland cement used in settlement and most shotcrete construction.

상기 alkali-free 급결제는 액상형으로서 이러한 alkali-free 액상형 급결제를 숏크리트에 사용한 경우의 강도 및 시공성은 다음과 같은 특징을 가진다.The alkali-free fastener is a liquid type, and the strength and workability when the alkali-free liquid fastener is used for shotcrete have the following characteristics.

먼저 분말이 아니라 액상이므로 리바운드량과 분진 발생이 감소되며, 급결제의 배합이 정확히 조절될 뿐 아니라 취급이 용이하다.First, because it is a liquid rather than a powder, rebound amount and dust generation are reduced, and the formulation of the fastener is precisely controlled and easy to handle.

또한 약산성이므로 환경 및 alkali 화상에 의한 인체에 악영향이 적고, 알칼리골재반응의 유발을 억제하며, 범용 급결제의 가장 큰 단점인 장기 강도의 저감률이 적다.In addition, since it is weakly acidic, it has little adverse effect on the human body due to environmental and alkali burns, suppresses the occurrence of alkaline aggregate reactions, and reduces the long-term strength reduction rate, which is the biggest disadvantage of the general purpose fastener.

한편, 숏크리트 공사에서는 대부분 보통 포틀랜드 시멘트가 사용되었으나, 용출부 부분이나 단층파쇄대, 연약지대 등 조기에 암반과의 부착성능을 요하는 특수 부분에 대해서는 조강 포틀랜드 시멘트의 사용이 요구된다.On the other hand, in most shotcrete constructions, Portland cement is usually used, but crude steel portland cement is required for special parts requiring early attachment to rock such as elution, fault fracture zone, and soft zone.

본 발명은 시멘트, 물, 골재 및 급결제로 구성되는 일반적인 숏크리트 조성물에서 상기한 바와 같이 급결제를 일반적으로 사용되고 있는 물유리계 범용 급결제 대신 alkali-free 액상형 급결제를 사용함으로써 물유리계 범용 급결제의 가장 큰 단점인 장기 강도의 저감이라는 문제점을 극복하고, 상기 시멘트로는 숏크리트 공사에서 일반적으로 사용되는 보통 포틀랜드 시멘트 대신에 조강 시멘트를 사용함으로써 높은 초기 강도와 부착력을 요하는 용수부분, 암반파쇄대, 연약지반 등 특수환경에서의 숏크리트 시공성 증대에 기여하게 된다.The present invention provides a water glass-based universal fastener by using an alkali-free liquid type fastener instead of a water glass-based universal fastener which is generally used as the above-mentioned fastener in a general shotcrete composition composed of cement, water, aggregate and a fastener. Overcoming the problem of the reduction of long-term strength, which is the biggest disadvantage, the use of crude steel cement in place of ordinary portland cement commonly used in shotcrete construction, water parts, rock crushing zones, and soft materials requiring high initial strength and adhesion. It will contribute to increasing shotcreability in special environments such as soil.

본 발명의 숏크리트 조성물은 굵은 골재, 잔골재, 시멘트, 물 및 급결제로 구성된다.The shotcrete composition of the present invention is composed of coarse aggregate, fine aggregate, cement, water and a fastener.

상기 굵은 골재는 최대치수가 10 내지 15mm 로서 숏크리트 1m3당 550 ~ 620 kgf 중량을 사용하며 설계에 따라 변경 가능하다. 굵은 골재의 최대치수가 너무 크면 숏크리트 시공시에 리바운드량이 많고 호스를 폐쇄시킬 우려가 있으므로 상기 범위내에 있는 굵은 골재를 선택함이 바람직하다.The coarse aggregate has a maximum dimension of 10 to 15 mm and uses a weight of 550 to 620 kgf per 1 m 3 of shotcrete and can be changed according to design. If the maximum size of the coarse aggregate is too large, it is preferable to select a coarse aggregate within the above range because there is a large amount of rebound during shotcrete construction and the hose may be closed.

상기 잔골재는 숏크리트 1m3당 1,000 ~ 1,200 kgf 중량을 사용하며, 상기 배합량은 설계에 따라 변경할 수 있다.The fine aggregate uses a weight of 1,000 ~ 1,200 kgf per 1m 3 shotcrete, the compounding amount can be changed according to design.

상기 시멘트로는 일반적으로 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하나 상기한 바와 같이 용수 부분, 암반 파쇄대, 연약지반 등에 숏크리트를 시공할 경우에는 조강 포틀랜드 시멘트를 사용하는 것이 바람직하다.Generally, cement is generally used as portland cement. However, when the shotcrete is applied to a water part, a rock crushing zone, a soft ground, etc., it is preferable to use crude steel portland cement.

시멘트량은 숏크리트 1m3당 300 내지 450 kgf 중량을 사용하는 것이 적당하나 설계에 따라 변경하여 사용할 수 있다.The amount of cement is suitable to use a weight of 300 to 450 kgf per 1 m 3 of shotcrete, but can be changed according to design.

본 발명의 숏크리트 조성물은 40 내지 60 중량%의 물-시멘트비를 가지는 물을 사용하는 것이 적절하며 상기 범위내에서 설계에 따라 가감하여 사용할 수 있다.The shotcrete composition of the present invention is suitable to use water having a water-cement ratio of 40 to 60% by weight, and can be used depending on the design within the above range.

상기 급결제는 터널공사와 같이 상향으로 5 내지 15cm 이상의 두께로 숏크리트를 시공하는 경우 필수적으로 사용되는 구성요소로서 상기한 바와 같이 본 발명에서는 종래 일반적으로 사용되어 오던 물유리계 범용 급결제 대신에 alkali-free 액상형 급결제를 사용한다.The fastener is an essential component used when constructing shotcrete with a thickness of 5 to 15 cm or more upward, such as tunnel construction, as described above. Use free liquid quickeners.

상기 alkali-free 액상형 급결제의 첨가량은 통상의 물유리계 범용 급결제와 마찬가지로 상기 시멘트 중량의 5 내지 8 중량% 범위내에서 시험에 의해 결정하는 것이 바람직하다.The addition amount of the alkali-free liquid quickener is preferably determined by a test within the range of 5 to 8 wt% of the weight of the cement, similar to a general water glass-based universal fastener.

한편, 본 발명의 고강도 숏크리트 조성물은 강섬유 또는 폴리프로필렌 섬유를 보강하거나 고성능 감수제를 추가하여 구성될 수 있다.On the other hand, the high-strength shotcrete composition of the present invention may be configured by reinforcing steel fibers or polypropylene fibers or by adding a high performance water reducing agent.

상기 강섬유는 인장강도, 휨균열에 대한 저항성 및 내충격성 등을 향상시킬 목적으로 콘크리트중에 균일하게 분산시켜 사용하는 것으로서, 숏크리트에 적용시 인장강도, 휨강도 및 피로강도가 개선되기 때문에 숏크리트의 두께를 감소시킬 수 있다.The steel fibers are used to be uniformly dispersed in concrete for the purpose of improving tensile strength, resistance to bending cracking and impact resistance, etc., and when applied to shotcrete, tensile strength, bending strength and fatigue strength are improved, thereby reducing the thickness of shotcrete. Can be.

상기 폴리프로필렌섬유도 상기 강섬유와 마찬가지로 인장강도, 휨균열에 대한 저항성 등 내구성을 향상시킬 목적으로 사용하는 것으로서 숏크리트에 적용시 리바운드량을 감소시킬 수 있고, 내부식성도 탁월한 장점이 있다.Like the steel fiber, the polypropylene fiber is used for the purpose of improving durability, such as tensile strength, resistance to bending cracks, and can reduce the amount of rebound when applied to shotcrete and has excellent corrosion resistance.

상기 고성능 감수제는 분산성이 탁월하며 기포성은 거의 없는 표면 활성제로서 고강도화제 또는 유동화제로 사용된다. 상기 고성능 감수제를 숏크리트에 첨가하게 되면 강도의 저하없이 숏크리트 공사의 시공성을 대폭 개선할 수 있다.The high performance sensitizer is a surface active agent with excellent dispersibility and little foaming property and is used as a high strength or fluidizing agent. When the high performance water reducing agent is added to the shotcrete, it is possible to greatly improve the workability of the shotcrete construction without deteriorating the strength.

[실시예]EXAMPLE

표1은 본 발명의 고강도 숏크리트 조성물의 효과를 시험하기 위하여 사용된 콘크리트 배합표이다.Table 1 is a concrete mix table used to test the effect of the high strength shotcrete composition of the present invention.

본 시험에서는 표1과 같은 배합에 의한 실시예와 상기 표1의 배합에서 시멘트를 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하고, 급결제를 물유리계 범용 급결제를 사용한비교예에 의하여 제작된 공시체에 대하여 압축강도 시험, 휨강도 시험 및 휨인성 시험을 행하여 그 성능을 비교 분석하였다.In this test, the compressive strength test was carried out on specimens prepared by the examples of the formulations shown in Table 1 and in the formulations of Table 1, using cement as the portland cement, and the comparative examples using the water-based universal fasteners. , The flexural strength test and the flexural toughness test were performed to compare and analyze the performance.

상기 시험에 대한 결과를 표2와 도1, 2에 표시하였다.The results for the test are shown in Table 2 and FIGS. 1 and 2.

상기 표2 및 도1, 2로부터 알 수 있는 바와 같이 alkali-free 액상형 급결제와 조강 포틀랜드 시멘트를 사용한 본 발명의 실시예는 실리카 흄 등 고강도 발현을 위한 고가의 혼화재를 첨가하지 않고서도 물유리계 범용 급결제와 보통 포틀랜드 시멘트를 사용한 비교예보다 압축강도, 휨강도 및 휨인성 시험에서 최고 62%의 성능 향상을 보였다.As can be seen from Table 2 and Figures 1 and 2, an embodiment of the present invention using an alkali-free liquid type fastener and a crude portland cement is a water glass-based general purpose material without adding an expensive admixture for high-strength expression such as silica fume. The compressive strength, flexural strength, and flexural toughness tests showed up to 62% improvement in performance compared to the comparative examples using fasteners and ordinary portland cement.

또한 비교예에 비하여 높은 초기 강도를 발현할 뿐 아니라 급결제를 첨가하지 않은 콘크리트와 거의 동등한 장기 강도를 나타낸다.In addition, it exhibits not only high initial strength as compared with the comparative example but also shows long-term strength that is almost equivalent to that of concrete without the addition of a fastener.

따라서 본 발명의 alkali-free 액상형 급결제와 조강 포틀랜드 시멘트를 사용한 고강도 숏크리트는 향상된 성능으로 장기 강도를 확보하고, 치밀한 내부조직으로 지하용수의 누출 지연과 함께 지하수 오염과 작업자의 안전사고를 예방하는 친환경적인 숏크리트 조성물을 제공한다.Therefore, high-strength shotcrete using alkali-free liquid quickener of the present invention and crude steel portland cement ensures long-term strength with improved performance and is environmentally friendly to prevent groundwater contamination and worker safety accidents with delayed leakage of underground water with a dense internal structure. Provide a shotcrete composition.

본 발명의 alkali-free 급결제를 사용한 숏크리트 조성물은 alkali-free 액상형 급결제와 조강 포틀랜드 시멘트와의 효과적인 배합으로 조기 부착력 향상과 함께 장기 강도 확보, 그리고 치밀한 내부 조직으로 지하수 오염과 작업자의 안전을 확보할 수 있는 환경친화적인 숏크리트의 시공이 가능하다.The shotcrete composition using alkali-free fastener of the present invention is effective combination of alkali-free liquid quickener and crude portland cement to improve early adhesion and secure long-term strength, and to secure groundwater contamination and worker safety with dense internal structure. It is possible to construct environmentally friendly shotcrete.

또한 리바운드량의 감소에 따른 버럭처리 비용의 절감과 향상된 성능을 통한 하자 보수비의 절감 등이 예상되어 생애주기비용(Total life-cycle cost)면에서도 기존 숏크리트에 비해 뛰어난 경쟁력과 품질을 확보할 수 있다.In addition, it is expected to reduce the processing cost due to the reduction of the rebound amount and to reduce the defect repair cost through improved performance, thus securing superior competitiveness and quality in comparison to the existing shotcrete in terms of total life-cycle cost. .

그리고 숏크리트의 고강도화를 통해 설계기준강도를 크게 함으로써 타설 두께 및 터널 굴삭량을 감소시켜 터널 건설 경비를 절감할 수 있다.In addition, it is possible to reduce the cost of tunnel construction by reducing the thickness and the amount of tunnel excavation by increasing the design reference strength through the high strength of shotcrete.

Claims (4)

숏크리트 1m3당,Shotcrete per 1m 3, 최대치수가 10 내지 15mm인 550 ~ 700kgf 중량의 굵은 골재;Coarse aggregate of 550 to 700 kgf weight having a maximum dimension of 10 to 15 mm; 1,000 ~ 1,200kgf 중량의 잔골재;Fine aggregates weighing 1,000 to 1,200 kgf; 300 ~ 450kgf 중량의 조강 포틀랜드 시멘트;Crude steel Portland cement with a weight of 300-450 kgf; 40 ~ 60 중량%의 물-시멘트비를 가지는 물; 및Water having a water-cement ratio of 40 to 60 weight percent; And 상기 시멘트 중량의 5 ~ 8%의 급결제;5-8% of the weight of the cement fastener; 를 포함하며, 상기 급결제는 알칼리프리(alkali-free) 액상형 급결제를 사용하는 것을 특징으로 하는 고강도 숏크리트 조성물.It includes, wherein the fastener is a high strength shotcrete composition, characterized in that using an alkali-free (alkali-free) liquid fastener. 제1항에서, 상기 고강도 숏크리트 조성물에는 고성능 감수제가 더 추가되는 것을 특징으로 하는 고강도 숏크리트 조성물.The high-strength shotcrete composition of claim 1, wherein the high-strength shotcrete composition is further added with a high performance water reducing agent. 제1항 또는 제2항에서, 상기 고강도 숏크리트 조성물에는 강섬유 또는 폴리프로필렌 섬유 중 어느 하나가 더 추가되는 것을 특징으로 하는 고강도 숏크리트 조성물.The high strength shotcrete composition of claim 1 or 2, wherein any one of steel fibers and polypropylene fibers is further added to the high strength shotcrete composition. 삭제delete
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