KR102673127B1 - K형(csa계)팽창재가 혼합된 경량콘크리트를 주입한 터널용 cft강지보재 - Google Patents
K형(csa계)팽창재가 혼합된 경량콘크리트를 주입한 터널용 cft강지보재 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 강관직경(D) 10-12cm이고, 활처럼 휘어진 형상으로서 그 휘어진 단위길이(L)는 9-12m인 강관지보재(CFT)의 강관내부에 주제인 바인더(Binder)와 이에 첨가제(A)가 배합된 경량콘크리트 몰탈을 주입하되 그 바인더(Binder)는 보통 포틀랜드 시멘트(OPC; Ordinary Portland C)와 K형(CSA계) 팽창시멘트(3CaO · 3Al2O3 · 3CaSO4 - CaO - CaSO4system)이고, 그 첨가제(A)는 발포제(FA)와 고유동화제(PC) 및 계면활성제(S)이며, 또 바인더(Binder)와 첨가제(A)를 배합함에 있어 시멘트(OPC)의 수화 경화되는 시기와, K형(CSA계) 팽창시멘트의 수화반응으로 형성되는 에트링가이트(ettringite)의 팽창-수축에 대한 팽창변곡점시기조정을 그 배합의 기본으로 하면서 그 첨가제(A)와 물/바인더(W/B)비에 의해 보완된 충전재의 배합비가 되도록 함으로써 CFT강관내부로의 그 충전재의 주입충전이 충밀하게 이루어지고, 7일 기준압축강도가 8MPa이상이 되면서 그 수축이 최소화되는 유용한 발명이다.
Description
본 발명은 K형(CSA계)팽창재가 혼합된 경량콘크리트를 주입한 터널용 CFT강지보재에 관한 것으로 이를 좀 더 구체적으로 말하면, 강관직경(D) 10-12cm이고, 활처럼 휘어진 형상으로서 그 휘어진 단위길이(L)는 9-12m인 강관지보재(CFT)의 강관내부에 주제인 바인더(Binder)와 이에 첨가제(A)가 배합된 경량콘크리트 몰탈을 주입하되 그 바인더(Binder)는 보통 포틀랜드 시멘트(OPC; Ordinary Portland C)와 K형(CSA계) 팽창시멘트(3CaO · 3Al2O3 · 3CaSO4 - CaO - CaSO4system)이고, 그 첨가제(A)는 발포제(FA)와 고유동화제(PC) 및 계면활성제(S)이며, 또 바인더(Binder)와 첨가제(A)를 배합함에 있어 시멘트(OPC)의 수화 경화되는 시기와, K형(CSA계) 팽창시멘트의 수화반응으로 형성되는 에트링가이트(ettringite)의 팽창-수축에 대한 팽창변곡점시기조정을 그 배합의 기본으로 하면서 그 첨가제(A)와 물/바인더(W/B)비에 의해 보완된 충전재의 배합비가 되도록 함으로써 CFT강관내부로의 그 충전재의 주입충전이 충밀하게 이루어지고, 7일 기준압축강도가 8MPa이상이 되면서 그 수축이 최소화되는 유용한 발명이다.
NATM 공법에서 굴착된 터널의 초기응력 변화에 대한 2차 응력(secondary stress)의 지지하기 위한 ‘강지보재’의 설치가 필요하다. ‘강지보재’는 터널굴착후의 지반이완을 방지하기 위해서다.
‘강지보재’는 통상 도1a, b에서와 같이 H형강 지보재(20)와, 격자지보재(30)로 대별된다.
H형강 강지보재(20)는 강성이 뛰어나 지보효과가 좋지만, 터널단면이 커지면 소요강재도 커져서 중량이 무거워 운반 및 설치가 어렵고, 강재 자체가 고가이고, 설치시간이 많이 소요되는 단점이 있다.
격자 지보(lattice girder)(30)는 H형강 대신 강봉을 삼각형 형태로 엮어 터널형상에 맞게 제작하며, H형강 지보재(20)보다 가벼워서 굴착 즉시 조기에 인력으로 설치할 수 있기 때문에 연약한 터널지반 공사에 많이 사용된다. 격자 지보(30)는 상부(31) 및 하부 원형 강봉(32)과 연결부재(spider)(33)로 이루어진 3차원 트러스 구조로서 용접이 그 생명이다. 격자지보(30)는 H형강에 비해 30~40% 정도 가벼워서 쉽게 운반ㆍ설치가 용이하나 H형강에 비해 지보 강성이 크게 떨어질 뿐만 아니라, 인력에 의한 용접ㆍ제작이므로 자동화 제작이 어려운 단점이 있다.
한편, 본원출원인의 ‘강지보재’용으로 등록된 특허 제10-1899441호의 콘크리트 충전 강관(Concrete-Filled steel Tube, CFT)이 있다.
콘크리트 충전 강관(CFT)은 압축하중 하에서 강관에 의한 콘크리트의 횡방향 구속과 콘크리트에 의한 강관의 좌굴저항 효과로 인해 주로 「기둥부재의 합성구조 형식」으로서 널리 사용되고 있었으나, 휨 부재로서 CFT는 콘크리트 합성에 의한 강성 및 강도증진, 시공의 간소화, 강재의 국부좌굴문제의 개선, 강재의 진동을 포함한 사용성 문제의 개선 등에 의하여 그 장점이 인정됨으로써 터널용‘강지보재’에도 적용된 것이다.
도3은 H형강 지보재 및 격자지보와 CFT의 단면성능(강성)을 비교한 것이다.
도3에 의하면, 격자지보의 강성(단면 2차모멘트)을 기준으로, H형강 지보재의 강성은 98.8%가 더 크고, 강관지보재(CFT)의 강성은 38.8%가 더 크다.
단위중량을 보면, 격자지보의 단위중량을 기준으로 H형강 지보재의 단위중량은 39.8%가 더 무겁고, 강관지보재(CFT)의 단위중량은 28.7%나 가볍다.
강관지보재(CFT)는 그 단위중량이 가장 가벼우면서도 그 강성은 격자지보의 강성보다 38.8%가 더 크기 때문에 취급이 용이한 특성을 지니게 된다.
H형강지보는 강성은 좋으나 자체중량이 너무 무거워 취급이 곤란하여 설치가 어려웠던 문제점을 자체중량이 가벼우면서도 강성이 격자지보보다 큰 본 발명의 강관지보재(CFT)에 의해 해결이 가능하게 된 것이다.
터널강관지보재로서 CFT가 터널에 사용된 모습을 보인 사진이 도2a이다. CFT의 단면은 도2b로서 CFT강관튜브에 콘크리트가 채워진 것이다.
실제 터널강관지보재로서 사용되는 CFT강관튜브의 직경(D)은 10-12cm이고, 그 형상은 활처럼 휘어진 형상이며, 그 길이는 9-12m이다.
도3은 사용재료 및 그 배합비를 얻기 위한 실험용 「강관Mold」의 공시체 단면이다. 「강관Mold」는 그 직경(D)이 11cm, 그 휘어진 길이(L)가 600cm, h가 43cm인 CFT강관튜브에 충전재 몰탈이 주입 경화된 상태를 보인 것이다.
도3에 의하면 경화된 콘크리트가 CFT강관튜브의 양측에서 수축(Δ1, Δ2)됨을 알 수 있다. 경화된 시멘트 풀의 건조수축은 간단한 경로로 이루어지는 것이 아니라 복잡하고 다양한 경로로 이루어진다.
이에 대하여 살펴보면 다음과 같다.
경화된 시멘트 풀은 건조시키면 시멘트 겔(gel)의 주위에 있는 미세한 모세관 속의 수분이 증발하여 모세관수의 표면장력이 커지게 되어 수축한다. 반대로 습도가 커지면 모세관이 물을 흡수하여 표면장력이 작아지면 팽창한다.
경화된 시멘트 풀의 수축에는 수화에 따른 화학적 수축, 건조에 의한 수축, 탄산화에 의한 수축 등이 있다. 이 중에서도 가장 중요한 것이 물의 증발에 의한 건조수축으로서 경화체에 균열을 발생시키는 원인이 된다.
일반적으로 시멘트 경화체의 건조수축량은 시멘트의 조성, 분말도, 석고의 첨가량, 혼화재료의 유무, 물-시멘트비 및 양생조건에 따라 다르다.
이와 같이 눈에 보이지 않는 CFT강관의 경화시멘트 내에도 수축의 요인이 잠재되어있다. 그 잠재된 수축요인으로 인해 강관지보재로서 CFT의 압축강도 및 강성저하의 원인이 된다.
시멘트는 물리적인 특성상 수축을 하기 때문에 균열이 발생할 수밖에 없으므로 그 범위만큼의 수축을 팽창으로 보상하여 줌으로써 내구성있는 구조물을 만들 수 있다. 이때 사용되는 것이 바로 팽창재이다.
팽창재는 콘크리트에서 발생하는 수축균열을 방지하기 위하여 콘크리트 구체의 수밀성을 향상시키는 혼화재이다.
팽창재의 대표적인 것으로 칼슘 설포알루미늄산염(calcium sulfo-aluminate; CSA)계가 있다. 팽창재는 일반적을 팽창시멘트로 불리기도 한다.
팽창재란 시멘트 및 물과 함께 혼합하면 수화반응에 의하여 에트링가이트(ettringite) 또는 수산화칼슘을 생성하여 몰탈 또는 콘크리트를 팽창시키는 작용을 한다.
일반적으로 팽창재 사용량의 따른 팽창효과의 추이는 그림-1과 같다. 이 추이에 의하면, 평창은 7일 이내에, 그 이후에는 수축된다.
그림-1
그림-1의 추이에서와 같이 팽창재를 사용한 콘크리트는 재령7일까지 팽창이 급속히 진행되기 때문에 재령7일까지 충분한 습윤 양생이 유지되어야한다.
또한 팽창재를 사용한 콘크리트의 수밀성은 보통 콘크리트에 비해서 작아지는 경향이 있으며, 혼합량이 지나치게 많으면 팽창균열을 일으키게 되므로 주의해야한다.
그림-1의 추이에서와 같이 재령7일이 팽창과 수축의 변곡점이므로 시멘트가 수화하여 경화하는 시기와, 팽창하는 시기의 타이밍을 잘 맞추는 것이 무엇보다도 중요하다. 팽창력을 이용하는 시멘트 몰탈의 배합비는 바로 이 타이밍과 직접적인 관계가 있는 것도 이 때문이다. 팽창이 지나면 곧바로 수축이 일어나므로 구조물의 내구성에 손상을 입히게 된다. 배합비가 조금만 달라져도 그 타이밍이 정반대로 급격하게 변하게 된다. 변곡점에 대한 타이밍조정이 매우 예민하다.
본 발명은 강관직경(D) 10-12cm이고, 활처럼 휘어진 형상으로서 그 휘어진 단위길이(L)는 9-12m인 강관지보재(CFT)의 강관내부에 주제인 바인더(Binder)와 이에 첨가제(A)가 배합된 경량콘크리트 몰탈을 주입하되 그 바인더(Binder)는 보통 포틀랜드 시멘트(OPC; Ordinary Portland C)와 K형(CSA계) 팽창시멘트(3CaO · 3Al2O3 · 3CaSO4 - CaO - CaSO4system)이고, 그 첨가제(A)는 발포제(FA)와 고유동화제(PC) 및 계면활성제(S)이며, 또 바인더(Binder)와 첨가제(A)를 배합함에 있어 시멘트(OPC)의 수화 경화되는 시기와, K형(CSA계) 팽창시멘트의 수화반응으로 형성되는 에트링가이트(ettringite)의 팽창-수축에 대한 팽창변곡점시기조정을 그 배합의 기본으로 하면서 그 첨가제(A)와 물/바인더(W/B)비에 의해 보완된 충전재의 배합비가 되도록 함으로써 CFT강관내부로의 그 충전재의 주입충전이 충밀하게 이루어지고, 7일 기준압축강도가 8MPa이상이 되면서 그 수축이 최소화되게 함에 그 목적이 있다.
본 발명 K형(CSA계)팽창재가 혼합된 경량콘크리트를 주입한 터널용 CFT강지보재의 구성을 설명하면 다음과 같다.
강관직경(D) 10-12cm이고, 활처럼 휘어진 형상으로서 그 단위길이(L)는 9-12m이고, 그 터널용 강관지보재(CFT)의 강관내부에 주제인 바인더(Binder)와 이에 첨가제(A)가 배합된 경량콘크리트 충전재를 주입하되 그 바인더(Binder)는 보통 포틀랜드 시멘트(OPC)와 K형(CSA계)
팽창시멘트(3CaO · 3Al2O3 · 3CaSO4 - CaO - CaSO4system)이고, 그 첨가제(A)는 발포제(FA)와 고유동화제(PC) 및 계면활성제(S)이며, 바인더(Binder)와 첨가제(A)를 배합함에 있어 시멘트(OPC)의 수화 경화되는 시기와, K형(CSA계) 팽창시멘트의 수화반응으로 형성되는 에트링가이트(ettringite)의 팽창-수축에 대한 팽창변곡점시기조정을 그 배합의 기본으로 하면서 그 첨가제(A)와 물/바인더(W/B)비에 의해 보완된 충전재의 배합비가 되도록 함으로써 CFT강관내부로의 그 충전재의 주입충전이 충밀하게 이루어지고, 7일 기준압축강도가 8MPa이상이 되면서 그 수축이 최소화되게 함을 특징으로 하는 K형(CSA계)팽창재가 혼합된 경량콘크리트를 주입한 터널용 CFT강지보재이다.
여기에다,
바인더(Binder; B)의 혼합에 있어 보통 포틀랜드 시멘트(OPC)의 98.0~99.5중량(wt.)%와, K형(CSA계)
팽창시멘트(3CaO · 3Al2O3 · 3CaSO4 - CaO - CaSO4system)의 0.5~2중량(wt.)%가 혼합되고, 이때 발포제(FA)의 배합비(FA/B)는 바인더(Binder; B)의 0.1중량(wt.)%이고, 고유동화제(PC)의 배합비(PC/B)는 바인더(Binder; B)의 0.8중량(wt.)%이며, 계면활성제(S)의 농도 %는 [S/(물+S)]가 0.05중량(wt.)%이고, W/B는 38~42중량(wt.)%로 배합됨을 특징으로 하는 K형(CSA계)팽창재가 혼합된 경량콘크리트를 주입한 터널용 CFT강지보재이다.
본 발명 터널용 강관지보재(CFT)의 충전재에 사용된 사용재료는 다음과 같다.
1) 보통 포틀랜드 시멘트(OPC; Ordinary Portland Cement)
| 밀도 (g/cm3) |
분말도 (cm2/g) |
응결 | 안정도 (%) |
압축강도 (MPa) | |||
| 초결 (분) |
종결 (분) |
3 일 | 7 일 | 28 일 | |||
| 3.15 | 3 400 | 230 | 390 | 0.1 | 23 | 30 | 41 |
| 성분 | CaO | SiO2 | Al2O3 | MgO | Fe2O3 | SO3 | 강열 감량 | Free CaO | Insol 불용잔불 |
| 함량 (%) | 61.3 | 21.1 | 5.2 | 4.0 | 2.8 | 2.4 | 2.0 | 0.6 | 0.2 |
2) CSA 팽창시멘트와 K형(CSA계)팽창시멘트
가) CSA 팽창시멘트
CSA 클링커는 [표 3] 과 같은 화학조성을 갖는 명반석과 석회석을 1 : 6의 몰비로 혼합한 후 1,100℃의 전기로에서 1시간 소성하여 제조하였다. 클링커는 XRD 분석결과와 같이 calcium sulfoaluminate(3CaO·3Al2O3·CaSO4)와 calcium langbeinite(2CaSO4·K2SO4)로 구성되었다. 이때 hauyne 클링커는 다음과 같은 소성 반응에 의해서 합성되는 것으로 알려져 있다.
K2SO4·Al2(SO4)3·4Al(OH)3 + 6CaCO3 → 3CaO·3Al2O3·CaSO4 + 2CaSO4·K2SO4 + 6CO2 + 6H2O
| Raw materials |
SiO2 | Fe2O3 | Al2O3 | CaO | MgO | Na2O | K2O | SO3 |
| CSA clinker | 3.01 | 0.12 | 26.45 | 34.71 | 0.92 | 0.91 | 8.15 | 27.69 |
나) K형(CSA계)팽창시멘트
본 발명은 보통 포틀랜드 시멘트(OPC)에 K형(CSA계)팽창시멘트(3CaO·3Al2O3·3CaSO4-CaO-CaSO4system)를 혼합한 페이스트를 터널용 강관지보재(CFT)에 주입함으로써 수화반응으로 에트링가이트(ettringite; 3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O)가 생성되어 강도증진과 팽창성을 보일 뿐 아니라, 특히 터널용 강관지보재(CFT)의 휨강성이 확보되는 큰 장점이 있다. 터널용 강관지보재(CFT)는 압축강도만 받는 기둥부재와는 달리 휨모멘트에 대한 저항부재이므로 휨강성이 무엇보다 중요하기 때문에 그렇다.
보통 포틀랜드 시멘트(OPC)에 혼합된 K형(CSA계)팽창시멘트(3CaO·3Al2O3·3CaSO4-CaO-CaSO4system)의 수화반응으로 형성된 에트링가이트(ettringite)에 의한 팽창력에 의해 구속력이 발생되어 터널용 강관지보재(CFT)의 강관내부의 충진 효과 및 압축강도가 향상된다.
또한, K형(CSA계)팽창시멘트의 조기 반응에 의한 점성이 향상되어 알루미늄 분말(Al powder)의 반응으로 형성된 수소가스(H2)가 구속되어 터널용 강관지보재(CFT)내에 주입되는 충전재의 비중이 낮아짐으로써 시멘트 사용량이 감소되는 경제적인 이점이 있다.
3) 고유동화제(PC)
고유동화제로는 고분자 계면활성제의 일종인 PC(ploycarboxylate)계를 사용하였으며 개략적인 분자식을 그림-2와 같다.
그림-2. 고유동화제 PC 분자식
4) 발포제(FA; Foaming Agent)
본 발명의 발포제(FA; Foaming Agent)는 삼전화학(주)에서 제조되는 200 mesh의 순도가 99.0%인 금속 알루미늄 파우더(Al powder)를 사용하였다.
5) 계면활성제(Surfactant; S)
계면활성제(Surfactant; S)는 통상 콘크리트용 계명활성제를 사용하였다.
본 발명에 사용된 농도%는 S/(S + W) = 0.05%이다(표 4 참조). W는 용매로서 물이다.
2. K형(CSA계) 팽창시멘트의 수화반응
설명의 편의상 K형(CSA계) 팽창시멘트를 이하 「K형-CSA」라 한다.
그림-3.
그림-3.에 의하면, 최초에 유리석회(CaO)의 수화에 의해 수산화칼슘[Ca(OH)2]결정이 생성되고 이러한 결정성상이 팽창에 기여한다.
그러나 수산화칼슘[Ca(OH)2]은 Hauyne(CaO · 3Al2O3 · CaSO4) 과 반응하여 저황산염과 알루미산석회 수화물과의 고용체[CaO · 3Al2O3 · CaSO4~2(3CaO · 3Al2O3 · Ca(OH)2 · 12H2O)]를 형성하며 감소한다. 이어서 유리석고(CaO)와 반응하여 에트링가이트(Ettringite; 3CaO · Al2O3 · 3CaSO4 · 32H2O)라는 침상결정을 생성하고 이것이 팽창의 주체가 된다. 이러한 침상의 에트링가이트(Ettringite)에 의해 발생하는 팽창력은 콘크리트의 물성개선에 가장 유효하게 작용하며 이를 콘크리트의 내구성에 손상을 미치지 않도록 적용시키기 위해서는 시멘트가 수화하여 경화하는 시기와 팽창하는 시기의 타이밍을 잘 맞추는 것이 무엇보다도 중요하다. 이에 따라 본 발명은 시멘트의 수화·경화시기와, K형(CSA계) 팽창시멘트의 수화반응으로 형성되는 에트링가이트(ettringite)의 팽창시기에 대한 타이밍조정을 기본으로 하고, 이에 첨가제를 첨가해가면서 7일 강도가 8MPa이상이 되도록 실험을 통해 얻은 배합비이다. 7일 강도가 8MPa이상에서 터널용 강지보재 CFT의 주입된 충전재의 수축이 최소화됨을 알 수 있었다.
본 발명은 강관직경(D) 10-12cm이고, 활처럼 휘어진 형상으로서 그 휘어진 단위길이(L)는 9-12m인 강관지보재(CFT)의 강관내부에 주제인 바인더(Binder)와 이에 첨가제(A)가 배합된 경량콘크리트 몰탈을 주입하되 그 바인더(Binder)는 보통 포틀랜드 시멘트(OPC; Ordinary Portland C)와 K형(CSA계) 팽창시멘트(3CaO · 3Al2O3 · 3CaSO4 - CaO - CaSO4system)이고, 그 첨가제(A)는 발포제(FA)와 고유동화제(PC) 및 계면활성제(S)이며, 또 바인더(Binder)와 첨가제(A)를 배합함에 있어 시멘트(OPC)의 수화 경화되는 시기와, K형(CSA계) 팽창시멘트의 수화반응으로 형성되는 에트링가이트(ettringite)의 팽창-수축에 대한 팽창변곡점시기조정을 그 배합의 기본으로 하면서 그 첨가제(A)와 물/바인더(W/B)비에 의해 보완된 충전재의 배합비가 되도록 함으로써 CFT강관내부로의 그 충전재의 주입충전이 충밀하게 이루어지고, 7일 기준압축강도가 8MPa이상이 되면서 그 수축이 최소화되는 효과가 있다.
[도1a] 통상적인 터널용 H형 강지보재의 사시도
[도1b] 통상적인 터널용 격자지보재의 사시도
[도2a] 터널용 강지보재 CFT가 설치된 상태를 보인 현장사진
[도2b] 터널용 강지보재 CFT의 단면도
[도2c] 터널 강지보재의 강성비교표
[도3] CFT「강관Mold」단면도
[도1b] 통상적인 터널용 격자지보재의 사시도
[도2a] 터널용 강지보재 CFT가 설치된 상태를 보인 현장사진
[도2b] 터널용 강지보재 CFT의 단면도
[도2c] 터널 강지보재의 강성비교표
[도3] CFT「강관Mold」단면도
본 발명 터널용 강관지보재(CFT)의 충전재의 배합비를 정함에 있어 보통 포틀랜드 시멘트(OPC)의 수화 경화되는 시기와, K형(CSA계) 팽창시멘트의 수화반응으로 형성되는 에트링가이트(ettringite)의 팽창-수축에 대한 팽창변곡점시기조정을 그 배합의 기본으로 한 구체적인 실험에 대하여 설명하면 다음과 같다.
1) 충전재몰탈 공시체에 의한 실험
가) 「5cm cubic mold」에 의한 공시체 실험
터널용 강지보재 CFT 주입재의 목표 물성을 만족할 수 있는 최적 배합조건 선정을 위해 「K형-CSA」, 발포제(FA), 고유동화제(PC) 및 물(W)량을 변화시켜 「5cm cubic mold」에서 실시하였다 (그림 4-1. Cubic Mold 공시체 사진 참조).
그 결과([표 4] 참조) 「K형-CSA」함량은 3~5% 수준에서 유동성 및 경화특성이 양호하게 나타났으며, 발포제로 사용한 Al Powder 첨가량은 Binder의 0.03~0.05% 수준에서 발포성능이 적합하며, 물(W)량 저감을 위해 사용된 고유동화제(PC) 첨가량은 Binder의 0.3% 수준에서 물(W)량 저감 효과가 나타났다. 이에 상기 Mortar 실험결과에서 도출된 주입재의 배합조건에서 「Concrete Cylinder Mold」에 주입, 성형하여 물성을 측정하였다.
그림 4-1. 「5cm cubic mold」에 의한 경량 몰탈 공시체 압축강도 측정용 시편
| No. | Mixing Ratio (wt.%) | W/B (wt.%) |
Bulk Density (cm2/g) |
Compressive Strength (MPa) |
||||
| Binder | Additive | |||||||
| OPC | CSA (K형) |
FA (FA/B) |
PC (PC/B) |
|||||
| 7ds | 28ds | |||||||
| A | 100.0 | - | 0.05 | 0.3 | 40.0 | 1.45 | 9.9 | 14.3 |
| B | 97.0 | 3.0 | 0.05 | 0.3 | 40.0 | 1.27 | 8.2 | 13.3 |
| C | 97.0 | 3.0 | 0.05 | 0.3 | 38.0 | 1.30 | 7.5 | 12.9 |
| D | 95.0 | 5.0 | 0.05 | 0.3 | 40.0 | 1.26 | 8.6 | 13.8 |
| E | 95.0 | 5.0 | 0.05 | 0.3 | 38.0 | 1.23 | 8.9 | 14.2 |
| F | 95.0 | 5.0 | 0.05 | 0.3 | 36.0 | 1.28 | 8.2 | 12.7 |
나) 「Concrete Cylinder Mold」에 의한 공시체 실험
터널용 강지보재 CFT는 강관형상이므로 상기 「5cm cubic mold」대신 원형실린더 몰트를 사용하였다. 상기 「5cm cubic mold」에 의한 공시체의 실험결과에서 도출된 주입재의 배합조건에서 「Concrete Cylinder Mold」에 주입, 성형하여 측정한 물리적 특성의 결과를 [표 5] 에 나타낸 것이다(그림 4-2. 참조).
그림 4-2. 「Concrete Cylinder Mold」에 의한 경량 콘크리트 압축강도 측정용 시편
| No. | Mixing Ratio (wt.%) | W/B (wt.%) [물/B] |
Bulk Density (cm2/g) |
Compressive Strength (MPa) |
||||
| Binder | Additive | |||||||
| OPC | CSA (K형) |
FA (FA/B) |
PC (PC/B) |
|||||
| 7ds | 28ds | |||||||
| A | 100.0 | - | 0.05 | 0.3 | 40.0 | 1.35 | 6.5 | 13.7 |
| B | 97.0 | 3.0 | 0.05 | 0.3 | 40.0 | 1.17 | 6.3 | 11.4 |
| C | 97.0 | 3.0 | 0.05 | 0.3 | 38.0 | 1.20 | 6.2 | 11.0 |
| D | 95.0 | 5.0 | 0.05 | 0.3 | 40.0 | 1.16 | 6.8 | 11.6 |
| E | 95.0 | 5.0 | 0.05 | 0.3 | 38.0 | 1.17 | 7.0 | 12.3 |
| F | 95.0 | 5.0 | 0.05 | 0.3 | 36.0 | 1.19 | 7.1 | 10.2 |
OPC (보통 포틀랜드 시멘트)에 발포제(FA)와 고유동화제(PC)를 첨가한 경우는 약 10~30분 정도 발포 후 다시 기포가 소멸되면서 침하하는 현상이 관찰되었는데, 이는 Slurry의 초기 경화특성이 지연되어 일어나는 결과로 해석된다.
이에 반해, [표 5]에 의하면, OPC (보통 포틀랜드 시멘트)에 「K형-CSA」를 3~5% 첨가한 경우는 초기에 침상 결정의 에트링가이트(ettringite)수화물이 생성되어 Slurry의 결합력을 증진시킴과 동시에 조강성을 나타내어 양호한 형상을 유지하고 있다.
물(W)량의 영향은 물(W)량이 적어질수록 압축강도 발현 특성이 양호한 경향이지만, 오히려 W/B가 낮은 36.0% 에서는 Slurry의 유동성 저하에 의한 불균질한 공극의 증가로 악 영향을 미친다. 적정 W/B는 40% 수준이다.
발포제(FA) 0.05% 사용에 의해 Slurry가 약 50% 정도 발포하여 경화 후 공시체의 Bulk Density는 목표로 하는 1.1~1.2 수준을 만족하고 있으며, 압축강도 발현 특성은 28일에 10MPa 이상을 나타내고 있다. 그러나 표 5의 어느 경우나 7일 강도가 8MPa 에 못 미치고 있다. 7일 강도가 8MPa 에 못 미치게 되면 터널용 강지보재 CFT 충전재의 수축이 커지게 되기 때문이다.
다) CFT「강관Mold」에 의한 공시체 실험
CFT「강관Mold」는 도3에 도시되어있다.
Concrete Cylinder Mold에 의한 경량 몰탈 공시체의 [표 5]의 측정결과를 이용·도3과 같은 CFT「강관Mold」에 의한 공시체를 사용하였다. 이때 강관공시체의 규모는 강관직경(D) = 11cm, 활처럼 휘어진 길이(L) = 600cm, h = 43cm이다.
[표 6]은, CFT「강관Mold」에 의한 경량 몰탈 공시체의 배합비 및 측정결과이다.
[표 6]에 의하면, OPC(보통 포틀랜드 시멘트)함량 98.0~99.5% 에 대하여 「K형-CSA」를 0.5~2.0% 첨가한 경우에는, 초기에 침상 결정의 에트링가이트(ettringite)수화물이 생성되어 Slurry의 결합력을 증진시킴과 동시에 조강성을 나타내어 양호한 형상을 유지하고 있다.
발포제(FA)로 사용한 Al Powder 첨가량은 Binder의 0.1% 수준에서 발포성능이 적합하며, 물(W)량 저감을 위해 사용된 고유동화제(PC) 첨가량은 Binder의 0.8% 수준에서 물(W)량 저감 효과가 나타났다.
| File name | Mixing Ratio (wt.%) | W/B (wt.%) [물/B] |
surfactant (wt.%) (계면활성제) (용질/용액) |
Compressive Strength (MPa) |
|||
| Binder(B) | Additive | ||||||
| OPC | CSA (K형) |
FA (FA/B) |
PC (PC/B) |
7ds | |||
| OPC-100 | 98.0 | 2.0 | 0.1 | 0.8 | 38 | 0.05 | 8.1 |
| OPC-101 | 98.0 | 2.0 | 0.1 | 0.8 | 40 | 0.05 | 8.5 |
| OPC-102 | 98.0 | 2.0 | 0.1 | 0.8 | 42 | 0.05 | 8.9 |
| OPC-103 | 99.5 | 0.5 | 0.1 | 0.8 | 38 | 0.05 | 8.0 |
| OPC-104 | 99.5 | 0.5 | 0.1 | 0.8 | 40 | 0.05 | 8.3 |
| OPC-105 | 99.5 | 0.5 | 0.1 | 0.8 | 42 | 0.05 | 8.5 |
[표 6]에 의하면, 어느 경우나 7일 강도가 8MPa이상이다. 만족할만한 수준이다.
물(W)량의 영향은 물(W)량이 적어질수록 압축강도 발현 특성이 양호한 경향이지만, 오히려 W/B가 낮은 38.0% 에서는 Slurry의 유동성 저하에 의한 불균질한 공극의 증가로 악 영향을 미친다. 「K형-CSA」를 사용한 콘크리트는 재령 7일까지 팽창이 급속히 진행되기 때문에 습윤 양생을 위해 적정 W/B는 42% 수준이 바람직하다.
「K형-CSA」를 사용한 콘크리트는 그 혼입량이 많으면, 팽창균열을 일으키게 되므로 「K형-CSA」혼입량은 Binder의 0.5~2.0% 수준이 바람직하다.
이와 같이 터널용 CFT강지보재에 주입되는 충전재의 혼합비가, 시멘트(OPC)의 수화 경화되는 시기와, K형(CSA계) 팽창시멘트의 수화반응으로 형성되는 에트링가이트(ettringite)의 팽창-수축에 대한 팽창변곡점시기조정을 그 배합의 기본으로 한 것이기 때문에 CFT강관내부로의 그 충전재의 주입충전이 충밀하게 이루어지고, 7일 기준압축강도가 8MPa이상이 되면서 그 수축이 최소화되는 특징을 지니게 되는 유용한 발명이다.
삭제
Claims (2)
- 삭제
- 강관직경(D) 10-12cm이고, 활처럼 휘어진 형상으로서 그 단위길이(L)는 9-12m이고, 그 터널용 강관지보재(CFT)의 강관내부에 주제인 바인더(Binder)와 이에 첨가제(A)가 배합된 경량콘크리트 충전재를 주입하되 그 바인더(Binder)는 보통 포틀랜드 시멘트(OPC)와 K형(CSA계)
팽창시멘트(3CaO · 3Al2O3 · 3CaSO4 - CaO - CaSO4system)이고, 그 첨가제(A)는 발포제(FA)와 고유동화제(PC) 및 계면활성제(S)이며, 바인더(Binder)와 첨가제(A)를 배합함에 있어 시멘트(OPC)의 수화 경화되는 시기와, K형(CSA계) 팽창시멘트의 수화반응으로 형성되는 에트링가이트(ettringite)의 팽창-수축에 대한 팽창변곡점시기조정을 그 배합의 기본으로 하면서 그 첨가제(A)와 물/바인더(W/B)비에 의해 보완된 충전재의 배합비가 되도록 하여 CFT강관내부로의 그 충전재의 주입충전이 충밀하게 이루어지고, 7일 기준압축강도가 8MPa이상이 되면서 그 수축이 최소화되게 한 K형(CSA계)팽창재가 혼합된 경량콘크리트를 주입한 터널용 CFT강지보재에 있어서
바인더(Binder; B)의 혼합에 있어 보통 포틀랜드 시멘트(OPC)의 98.0~99.5중량(wt.)%와, K형(CSA계)팽창시멘트(3CaO · 3Al2O3 · 3CaSO4 - CaO - CaSO4system)의 0.5~2중량(wt.)%가 혼합되고, 이때 발포제(FA)의 배합비(FA/B)는 바인더(Binder; B)의 0.1중량(wt.)%이고, 고유동화제(PC)의 배합비(PC/B)는 바인더(Binder; B)의 0.8중량(wt.)%이며, 계면활성제(S)의 농도 %는 [S/(물+S)]가 0.05중량(wt.)%이고, W/B는 38~42중량(wt.)%로 배합됨을 특징으로 하는 K형(CSA계)팽창재가 혼합된 경량콘크리트를 주입한 터널용 CFT강지보재
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