KR100709670B1 - 수화열을 고려한 터널 라이닝 콘크리트 시공방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 터널 라이닝 콘크리트 부위에 온도 게이지를 설치하여 온도를 측정한 결과 물과 시멘트가 반응하여 발생하는 수화열에 의해 부재의 온도가 어느 정도 상승하는 것을 확인하고 이에 공시체의 양생방법을 구조물의 양생조건과 동일하게 함으로써 보다 정확하게 라이닝 콘크리트의 압축강도를 평가할 수 있게 되어 적절하면서도 조기에 라이닝 콘크리트 거푸집을 탈형할 수 있게 된 터널 라이닝 콘크리트 시공방법에 관한 것이다.

본 발명의 수화열을 고려한 터널 라이닝 콘크리트 시공방법은 (a)라이닝 콘크리트에 두께 방향으로 온도 게이지를 설치하는 단계; (b)현장타설 콘크리트 공시체를 상기 온도 게이지로부터 측정된 온도 이력으로 양생하면서 시간대 별로 압축강도를 측정하는 단계; 및, (c)공시체의 압축강도가 터널 라이닝 콘크리트의 압축강도 시방 기준에 해당하는 시간으로 라이닝 콘크리트를 양생하는 단계;를 포함하여 이루어지는데 특징이 있다.

터널, 라이닝 콘크리트, 적산온도, 압축강도, 거푸집 탈형시기, 수화열

Description

수화열을 고려한 터널 라이닝 콘크리트 시공방법{Tunnel lining concrete construction method}

도 1은 라이닝 콘크리트의 수화열에 의한 온도 이력을 측정한 그래프이다.

도 2는 가열기를 이용하여 공시체에 수화열에 의한 양생온도를 적용하는 것을 보여주는 사진이다.

도 3은 터널 내에서의 공시체를 양생하는 것을 보여주는 사진이다.

도 4는 가열기의 양생온도에 따른 20시간 경과시의 압축강도를 나타낸 그래프이다.

도 5는 양생온도에 따른 양생시간을 적산온도로 환산한 다음 콘크리트 압축강도와의 관계를 나타낸 그래프이다.

본 발명은 수화열을 고려한 터널 라이닝 콘크리트 시공방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 터널 라이닝 콘크리트 부위에 온도 게이지를 설치하여 온도를 측 정한 결과 물과 시멘트가 반응하여 발생하는 수화열에 의해 부재의 온도가 어느 정도 상승하는 것을 확인하고 이에 공시체의 양생방법을 구조물의 양생조건과 동일하게 함으로써 보다 정확하게 라이닝 콘크리트의 압축강도를 평가할 수 있게 되어 적절하면서도 조기에 라이닝 콘크리트 거푸집을 탈형할 수 있게 된 터널 라이닝 콘크리트 시공방법에 관한 것이다.

2000년에 개정된 고속도로공사 전문시방서 콘크리트 라이닝 부분에 따르면 거푸집 제거는 콘크리트의 압축강도가 3MPa 이상 발현된 이후에 실시하도록 되어 있었으나, 2004년에 개정된 시방서는 콘크리트 압축강도가 5MPa 이상 발현된 이후에 거푸집을 제거할 수 있도록 규정을 강화하고 있다. 이렇듯 터널 라이닝 콘크리트의 거푸집 해체를 위한 압축강도 시방 기준이 상향 조정됨에 따라 거푸집 존치기간의 연장(즉, 양생시간의 증가)하거나 콘크리트 배합비를 조정하여 조기 강도가 큰 콘크리트를 적용하는 것이 필요하게 되었다. 그러나, 전자의 방법은 라이닝 콘크리트 사이클 타임의 지연으로 인한 공기지연 문제를 수반하고, 후자의 방법은 콘크리트 생산단가를 높여 시공비가 증가하는 문제를 수반한다.

기존 라이닝 콘크리트의 거푸집 해체는 주로 콘크리트 압축강도 공시체를 터널 내에서 양생을 하고 일정한 시간 간격을 두고 압축강도를 측정한 후, 측정된 압축강도가 소정의 기준을 만족하면 이루어진다. 이때 필요한 라이닝 콘크리트 사이클 타임은 약 28.5시간이고, 콘크리트 양생시간은 약 17시간이다. 다만, 이러한 사이클 타임은 압축강도 기준이 3MPa일 때의 경우로, 압축강도 기준이 5MPa로 증가하면 그만큼 콘크리트 양생시간이 증가하기 때문에 사이클 타임도 증가하게 될 것이다. 통상적으로 터널은 수백미터 이상이고 라이닝 콘크리트의 1회 타설길이는 10m 정도이므로, 1회 타설에 대한 사이클 타임이 길어진다면 라이닝 콘크리트 공사기간이 크게 길어질 거라는 것은 쉽게 예측할 수 있다.

한편, 하기 표 1은 기존의 라이닝 콘크리트 시공 사이클 타임을 검토하고, 조정한 것을 나타내고 있다.

[표 1] 라이닝 콘크리트 사이클 타임 검토

구분		기존 (인근 현장)	개선 (현장적용 계획)
거푸집 준비	해체	2.0 시간	1.5 시간
	청소 및 이동	1.5 시간	1.0 시간
	세팅	1.5 시간	1.5 시간
	측량 및 준비	1.5 시간	1.0 시간
콘크리트 타설		5.0 시간	5.0 시간
콘크리트 양생		17.0 시간	20.0 시간
계		28.5 시간	30.0 시간
거푸집 탈형 압축강도		3MPa	5MPa

표 1에서와 같이 라이닝 콘크리트의 거푸집 탈형을 위한 압축강도를 5MPa로 맞추기 위해서는 다른 항목의 시간을 줄이더라도 콘크리트 양생기간은 약 3시간이 늘어난 20시간이 필요하게 된다. 종래에는 주어진 양생기간 내에 거푸집을 탈형하기 위해 콘크리트 배합비 등을 조정함으로 조기 압축강도가 증진되도록 한 방법을 채택하여 해결해 왔다. 그러나, 이와 같은 방법은 추가적인 혼화재의 사용을 요구하거나 설계강도 대비 낮은 물/시멘트비 또는 상대적으로 높은 단위시멘트량의 적 용을 요구하였는 바, 공사비가 증대되는 문제를 수반하였다.

이에, 본 발명자들은 터널 라이닝 콘크리트에서도 수화열에 의해 온도가 어느 정도 상승하는 것을 확인하고 공시체를 터널 내에서의 대기 양생이 아닌 라이닝 콘크리트의 양생조건과 동일하게 양생함으로써 보다 정확하게 라이닝 콘크리트의 압축강도를 평가할 수 있게 되어 적절하면서도 조기에 라이닝 콘크리트 거푸집을 탈형할 수 있게 된 터널 라이닝 콘크리트 시공방법을 개발하게 되었다.

본 발명은 상기한 종래의 문제를 개선하고자 안출된 것으로서, 터널 라이닝 콘크리트가 수화열에 의해 온도가 어느 정도 상승하는 것을 확인하고 공시체의 양생방법을 구조물의 양생조건과 동일하게 함으로써 보다 정확하게 라이닝 콘크리트의 압축강도를 평가할 수 있게 되어 적절하면서도 조기에 라이닝 콘크리트 거푸집을 탈형할 수 있게 되고 그 결과 라이닝 콘크리트의 사이클 타임의 감축을 통한 공사비 절감을 기대할 수 있게 한 터널 라이닝 콘크리트 시공방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적달성을 위해 본 발명은 (a)라이닝 콘크리트에 두께 방향으로 온도 게이지를 설치하는 단계; (b)현장타설 콘크리트 공시체를 상기 온도 게이지로부터 측정된 온도 이력으로 양생하면서 시간대 별로 압축강도를 측정하는 단계; (c)공시체의 압축강도가 터널 라이닝 콘크리트의 압축강도 시방 기준에 해당하는 시간으로 라이닝 콘크리트를 양생하는 단계; 및, (d)공시체의 압축강도가 터널 라이닝 콘크리트의 압축강도 시방 기준에 해당하는 시간까지 측정된 온도의 평균온도를 계산한 후에 다음 스팬(span) 라이닝 콘크리트를 상기 평균온도로 동일한 시간을 양생하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 수화열을 고려한 터널 라이닝 콘크리트 시공방법을 제공한다.

삭제

이하, 첨부한 도면 및 바람직한 실시예에 따라 본 발명을 상세히 설명한다.

터널 라이닝 콘크리트의 두께는 현장마다 약간의 차이는 있지만, 대체적으로 철근콘크리트 구간의 경우 설계 400mm, 시공시에는 120% 할증으로 480mm, 그리고 무근콘크리트 구간의 경우 설계 350mm, 시공시에는 420mm로 시공된다.

라이닝 콘크리트는 두께가 두꺼운 매스콘크리트(통상 500mm 이상)에 해당하지 않으므로 양생시 발생되는 수화열은 대기중으로 방출되어 양생에 영향을 미치지 않을 것으로 예상되어 왔으며, 이에 따라 150~300mm의 공시체(크기가 작아 수화열이 발생하더라도 곧 바로 방출되기 마련임)를 터널 내의 대기 중에서 양생한 후 압축강도를 평가하고 이를 라이닝 콘크리트의 거푸집 탈형시기를 결정하는 근거로서 활용하여 왔다.

그러나, 실제 실험한 결과 라이닝 콘크리트 자체의 온도는 터널 내의 대기 온도보다 상승하는 것으로 확인되었다. 이는 라이닝 콘크리트의 수화열이 터널 굴착면에 갇히어 방출되지 못하는데서 기인한 것으로 파악된다. 결국 이로부터 실제 라이닝 콘크리트의 압축강도는 공시체를 대기 양생하여 평가한 압축강도보다 조기에 기준에 도달할 것이라는 것을 예측할 수 있다.

이에, 공시체를 수화열에 의한 상승 온도 이력을 반영하여 조기 양생한 후 압축강도를 평가하면 보다 정확한 라이닝 콘크리트의 압축강도를 근거로 적절한 라이닝 콘크리트 거푸집의 탈형시기(종래보다 앞당겨짐)를 알 수 있게 되며, 본 발명은 이러한 점을 기술적 특징으로 하여 터널 라이닝 콘크리트 시공에 적용하여 완성하고 있는 것이다.

[실시예]

본 발명에서 터널 라이닝 콘크리트에 적용하기 위한 기본 배합비는 표 2와 같다. 배합 B,C는 콘크리트의 단위수량을 줄여 건조수축에 의한 균열 발생을 저감시키기 위하여 고성능 감수제(폴리카르본산계)를 사용한 것이다.

[표 2] 터널 라이닝 콘크리트의 배합

배합구분	W/C (%)	S/a (%)	Unit Weight(㎏/㎥)							슬럼프 (㎝)	공기량 (%)
			W	C	S1	S2	G	일반 감수제	고성능 감수제
A	53	43	180	340	224	512	1,025	1.02	-	14.5	4.6
B	53	44	171	323	234	536	1,029	-	2.26	17	3.7
C	53	44	161	304	239	548	1,053	-	2.43	14	4.0

다만, 콘크리트 배합 A, B, C에 대한 경제성 분석을 한다면, 기본 배합 A 대비 B는 단위시멘트량이 5% 절감되었지만 고성능 감수제의 사용으로 1,251원이 증가되는 반면, A 대비 C는 단위시멘트량의 감소와 고성능 감수제의 사용이 상충되어 164원이 증가되는데 머물기 때문에, A, C의 배합이 바람직할 것이다.

[시험 결과]

1. 라이닝 콘크리트의 수화열에 의한 온도

도 1은 배합 C를 적용한 라이닝 콘크리트의 수화열에 의한 온도를 측정한 결과를 나타낸 것이다. 도 1에서와 같이 터널 내의 온도는 대체적으로 20~25℃를 나타낸 반면, 라이닝 콘크리트 자체의 온도는 수화열에 의하여 27~45℃를 나타내고 있다. 이로부터 라이닝 콘크리트 자체의 양생온도는 공시체(일반적으로 150~300mm)를 터널 내에서 양생하는 온도와는 다르다는 것을 알 수 있다.

2. 양생방법에 따른 콘크리트의 압축강도

양생방법에 따른 콘크리트의 압축강도 특성을 파악하기 위하여, 수화열에 의 한 양생온도를 그대로 적용했을 때의 강도와 터널 내에서 양생시켰을 때의 강도를 비교하였다. 수화열에 의한 양생 온도를 적용시킨 방법은 도 2에 나타낸 바와 같이 가열기에 공시체를 밀봉하여 설치한 다음, 도 1에서 측정된 3지점의 온도를 각 시간대 별로 평균한 값을 가열로에 계속적으로 입력하였다. 터널 내에서 양생하는 방법은 도 3에 나타낸 바와 같이 터널 내에 공시체를 놓고 일정 시간이 경과한 다음 압축강도 시험을 실시하였다. 시험 결과는 하기 표 3과 같다.

[표 3]양생방법에 따른 콘크리트의 압축강도

배합구분	압축강도(MPa)
	25℃기중양생		표준양생
	20시간	24시간	7일	28일
A	5.83	7.81	18.7	25.8
B	6.63	8.97	23.6	31.3
C	5.50	9.63	23.4	28.0

위 표에서와 같이 압축강도 측정 결과, 수화열에 의한 온도 이력을 반영한 양생을 실시한 경우 20시간 및 24시간에 압축강도가 5.6MPa 및 7.2MPa가 각각 발현되었다. 그러나, 도 1에 나타낸 바와 같이 터널 내(평균 온도 23℃)에서 양생한 공시체의 압축강도는 각각 3.6MPa 및 4.5MPa가 발현된 것으로 나타났다. 또한, 비슷한 시기에 배합 A를 적용한 콘크리트를 터널 내(평균 온도 19.5℃)에서 양생한 결과 20시간 경과 시 3.2MPa, 24시간 경과시 3.9MPa의 압축강도가 발현되는 것으로 나타났다.

결국, 기존의 터널 내에서 공시체를 관리하던 통상적인 방법을 적용하면 2000년 거푸집 해체 기준 강도 3MPa는 20시간만에 만족할 것이지만 최근 기준 강도 5MPa를 만족하기 위해서는 24시간 이상의 양생기간이 필요하게 될 것이며, 이에 이러한 양생시간으로 터널 라이닝 콘크리트의 효율적인 거푸집 탈형시기를 결정하는 것은 합리적이지 못하다고 할 것이다. 이에, 본 발명에서는 터널 라이닝 콘크리트의 효율적인 거푸집 탈형시기를 결정하는데 라이닝 콘크리트에서 발생하는 수화열을 고려할 것을 제안하고 있는 것이다.

라이닝 콘크리트에서 발생하는 수화열을 고려하는 방법으로는 다음 두 가지로 구분할 수 있다.

가. 공시체를 라이닝 콘크리트의 온도 이력을 반영하여 양생하는 방법

먼저 터널 라이닝 콘크리트에 두께 방향으로 온도 게이지를 설치하고, 현장타설 콘크리트 공시체를 상기 온도 게이지로부터 측정된 온도 이력으로 양생하면서 시간대 별로 압축강도를 측정한다. 공시체의 압축강도가 터널 라이닝 콘크리트의 압축강도 시방 기준(현 기준을 따를 때는 5MPa)에 도달하면 그 해당시간으로 라이닝 콘크리트를 양생한다.

상기와 같은 방법을 전체 구간에 적용해도 무방하나, 상기와 같은 방법으로 1회의 라이닝 콘크리트 시공을 완료한 후에는 다음 스팬(span)의 라이닝 콘크리트는 1회 라이닝 콘크리트 시공에서 이용한 공시체의 압축강도가 터널 라이닝 콘크리트의 압축강도 시방 기준에 해당하는 시간까지 측정된 온도의 평균온도로 동일한 시간을 양생하는 것도 가능할 것이다. 공시체를 평균온도로 동일한 시간으로 양생 하는 방법은 2회 이후부터는 온도 게이지의 설치를 생략할 수 있게 될 뿐 아니라 가열기의 온도조작의 번거로움을 피할 수 있어 간편하다는 점에서 유리하다.

도 4는 매회 라이닝 콘크리트의 온도를 따라가면서 20시간 동안 공시체를 양생하는 방법과 20시간 양생에 5MPa의 압축강도를 발현하는 평균 양생온도인 31℃를 처음부터 일정하게 가하는 방법을 적용한 것을 비교한 그래프로, 이로부터 평균온도로 동일한 시간을 양생하는 경우에도 근사적으로 5MPa 정도의 압축강도를 얻을 수 있다는 것을 확인할 수 있다. 이는 동일한 양생 기간에 구조물의 온도를 추종하여 양생하는 방법과 평균온도를 적용한 양생 방법 모두 거의 비슷한 압축강도가 발현됨을 의미한다.

나. 적산온도식을 구한 후 역으로 양생조건을 구하는 방법

먼저 라이닝 콘크리트 시공 전에 다양한 온도에서 현장타설 콘크리트 공시체를 양생하여 양생온도에 따른 양생시간을 구하고 이렇게 구한 상기 양생온도에 따른 양생시간을 환산하여 적산온도를 구한다. 이어 압축강도와 적산온도와의 관계를 선형 식으로 구하고, 압축강도가 터널 라이닝 콘크리트의 압축강도 시방 기준에 해당하는 적산온도를 역으로 구한 후 이 적산온도에 해당하는 양생온도 및 양생시간을 결정하고 이에 따라 라이닝 콘크리트를 양생한다.

도 5는 터널 내 양생온도와 수화열을 고려한 양생온도를 적산온도로 환산한 다음 콘크리트 압축강도와의 관계를 나타낸 것이다. 적산온도는 다음과 같은 식에 의해 정의된다.

(여기서 M은 적산온도(maturity, D(일)), T는 t 시간 중의 온도(℃), t는 시간(일)을 나타낸다.)

도 5에서와 같이 적산온도와 강도와의 관계는 선형적인 관계(강도=a M+b, a와 b는 실험상수)를 가진다. 이러한 관계에서 유도된 식을 바탕으로 20℃ 표준양생을 한 경우에 강도 5MPa가 발현되는 시간을 계산하면 양생시간이 26.7시간으로 나타나며, 양생시간 20시간만에 거푸집을 탈형할 수 있는 공시체의 양생온도는 약 31℃인 것으로 나타났다. 양생온도는 전체적인 시공 사이클에 부담을 주지 않는 선에서 양생기간을 결정한 후 결정하도록 한다.

이상과 같은 본 발명에 따르면, 터널 라이닝 콘크리트 시공에 있어서 타설 후 약 20시간 경과 후에 거푸집을 탈형할 수 있고, 또한 콘크리트 배합설계적인 측면에서 낮은 물-시멘트비 또는 높은 단위시멘트량 등을 사용하지 않고도 효율적이고 경제적으로 터널 라이닝 콘크리트를 시공할 수 있을 것으로 기대된다.

Claims (3)

1. 삭제
2. (a)라이닝 콘크리트에 두께 방향으로 온도 게이지를 설치하는 단계;

   (b)현장타설 콘크리트 공시체를 상기 온도 게이지로부터 측정된 온도 이력으로 양생하면서 시간대 별로 압축강도를 측정하는 단계;

   (c)공시체의 압축강도가 터널 라이닝 콘크리트의 압축강도 시방 기준에 해당하는 시간으로 라이닝 콘크리트를 양생하는 단계; 및,

   (d)공시체의 압축강도가 터널 라이닝 콘크리트의 압축강도 시방 기준에 해당하는 시간까지 측정된 온도의 평균온도를 계산한 후에 다음 스팬(span) 라이닝 콘크리트를 상기 평균온도로 상기 (c)단계에서의 시간과 동일한 시간으로 양생하는 단계;

   를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 수화열을 고려한 터널 라이닝 콘크리트 시공방법.
3. 삭제

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