KR20070027777A

KR20070027777A - 메타카올린을 사용한 고성능 숏크리트 조성물

Info

Publication number: KR20070027777A
Application number: KR1020050079586A
Authority: KR
Inventors: 배규진; 장수호; 최순욱; 박해균; 이명섭; 김재권
Original assignee: 한국건설기술연구원
Priority date: 2005-08-29
Filing date: 2005-08-29
Publication date: 2007-03-12
Also published as: KR100697221B1

Abstract

본 발명은 고성능 숏크리트 조성물에 관한 것으로서, 일반 포틀랜트시멘트와 알칼리-프리 급결제를 사용하면서 미분말 메타카올린(Metakaolin)을 혼화재로서 사용하여 숏크리트의 압축강도, 휨강도등 제반 역학적 특성뿐만 아니라 숏크리트의 탈락을 방지하고 장기 내구성을 증진시킬 수 있는 고성능 숏크리트 조성물을 제공한다.

숏크리트, 메타카올린 ,실리카흄

Description

메타카올린을 사용한 고성능 숏크리트 조성물{Composition for Shotcrete Having Excellent Performance Using Metakaolin}

도 1은 해외에서 제조된 메타카올린(a)과 국내에서 생산된 메타카올린(b)의 입자형태를 대비한 사진,

도 2는 본 발명의 혼화재로서 메타카올린과 실리콘 흄을 각각 배합한 숏크리트의 배합조건별 응결시간 결과를 대비한 그래프,

도 3은 본 발명의 혼화재로서 메타카올린과 실리콘 흄을 각각 배합한 숏크리트의 배합조건별 압축강도 결과를 대비한 그래프,

도 4는 본 발명의 혼화재로서 메타카올린과 실리콘 흄을 각각 배합한 숏크리트의 배합조건별 휨강도 결과를 대비한 그래프,

도 5는 본 발명의 혼화재로서 메타카올린과 실리콘 흄을 각각 배합한 숏크리트의 배합조건별 염소이온 통과전하량(투수성) 결과를 대비한 그래프,

도 6은 본 발명의 혼화재로서 메타카올린과 실리콘 흄을 각각 배합한 숏크리트의 배합조건별 동결융해 저항성 결과를 대비한 그래프이다.

본 발명은 메타카올린을 사용한 고성능 숏크리트 조성물에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 미분말 혼화재인 고반응성 메타카올린에 의해 숏크리트의 압축강도, 휨강도등 제반 역학적 특성뿐만 아니라 숏크리트의 탈락을 방지하고 장기 내구성을 증진시킨 고성능 숏크리트 조성물에 관한 것이다.

숏크리트는 터널/지하공간의 굴착 직후 굴착단면을 안정화하기 위한 임시 지보재(Support Member)이자 터널/지하공간의 완공후에도 영구 지보재로서 사용되는등 터널/지하공간 건설에 있어 가장 중요한 지보재임에도 불구하고, 현재까지 재령 28일에서 국내 숏크리트의 압축강도 기준은 180kgf/㎠ 또는 210kgf/㎠로서 노르웨이, 스위스 등에서 적용되고 있는 300kgf/㎠이상의 강도 기준과 비교하여 상당히 낮은 수준이다. 이와 같은 국내 숏크리트의 낮은 강도 수준으로 인하여 국외와 비교할 때 터널/지하공간을 안정화하기 위하여 요구되는 숏크리트의 두께가 두꺼워지는 관계로 시공속도와 시공비가 증가되어 숏크리트 시공의 효율성,경제성이 저해되고 있다. 더욱이 국내에서는 아직까지 숏크리트의 장기 내구성에 대한 기술적인 고려가 전혀 이루어지지 않고 있다.

또한 터널/지하공간의 장기 안정성 측면에서 주지보재인 숏크리트의 고강도 및 고내구성화가 요구되고 있으며, 숏크리트 타설 후 추가적으로 2차 콘크리트 라이닝을 타설하는 현행 공법 이외에 2차 콘크리트 라이닝을 생략하고 고강도,고내구성의 고성능 숏크리트를 영구 라이닝 (Permanent Lining)으로 적용하고자 하는 싱글쉘 터널공법 (Single~Shell Tunneling Method)을 적용하기 위해서는 숏크리트의 고성능화 기술이 필수적이다.

국외의 경우 숏크리트의 고성능화를 위하여 미분말 혼화재인 실리카 흄(Silica Fume)을 필수적으로 사용하고 있다. 그러나 실리카 흄의 생산에 전력이 많이 소요되는 관계로 전력 비용이 비싼 국내에서는 생산이 전혀 이루어지지 않고 있으며 가격 자체도 시멘트 단가의 최대 10배 이상까지 이르고 있다. 더욱이 실리카 흄을 다량으로 사용할 경우 일반적으로 동일한 반죽농도를 얻기 위해 단위수량이 증가하여 초기 균열 발생 등의 문제점을 발생하기도 하며, 실리카 흄을 혼입한 경우 블리딩(Bleeding)이 작기 때문에 보유수량이 많게 되어 결과적으로 건조수축이 크고 역시 가격이 고가인 고성능 감수제의 사용량이 비례적으로 증가하게 되는 문제점을 가지고 있었다.

본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로서, 숏크리트의 압축 강도와 휨강도등 제반 역학적 특성을 향상시키고 장기 내구성을 증진시킨 고품질의 고강도 숏크리트 조성물을 제공함을 그 목적으로 한다.

또한 본 발명은 산업부산물인 실리카 흄 대신 메타카올린을 고강도 발현을 위해 사용함으로써 숏크리트의 단가를 현저히 저감시킬 뿐만 아니라 숏크리트의 탈락을 방지함과 동시에 고강도의 숏크리트 조성물을 제공함을 그 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은

숏크리트 1㎥당,

최대치수가 10~15mm인 500~700kgf 중량의 굵은 골재;

1,000~1,200kgf 중량의 잔골재;

300~450kgf 중량의 시멘트;

40~60중량%의 물~시멘트비를 갖는 물;

상기 시멘트 중량의 4~10중량%인 액상형 급결제; 및

상기 시멘트 중량의 3~10중량%의 메타카올린 혼화재;

를 포함하여 이루어지는 고성능 숏크리트 조성물이 제공된다.

이하, 본 발명에 대하여 상세하게 설명한다.

본 발명의 숏크리트 조성물은 굵은 골재, 잔골재, 시멘트, 물, 혼화재 및 급결제로 구성된다.

상기 굵은 골재는 최대치수가 10~15mm로서 숏크리트 1㎥당 500~700kgf 중량을 사용하며 설계에 따라 변경가능하다. 굵은 골재의 최대치수가 너무 크면 숏크리트 시공시에 리바운드량이 많고 호스를 폐쇄시킬 우려가 있으므로 상기 범위 내에 있는 굵은 골재를 선택함이 바람직하다.

상기 잔골재는 숏크리트 1㎥당 1,000~1,200kgf 중량을 사용하며, 상기 배합량은 설계에 따라 변경할 수 있다.

상기 시멘트로는 일반적으로 포틀랜드 시멘트를 사용하며, 경우에 따라서 시공 후 조기에 강도를 발생시킬 필요가 있거나 시공 후 양생 기간을 충분히 취할 수 없는 경우에는 조강 포틀랜드 시멘트, 초속경 시멘트 등을 사용할 수도 있다. 시멘트량은 숏크리트 1㎥당 300~450kgf 중량을 사용하는 것이 적당하나 설계에 따라 변경하여 사용할 수 있다.

본 발명의 숏크리트 조성물은 40~60중량%의 물~시멘트비를 갖는 물을 사용하는 것이 적절하며 상기 범위 내에서 설계에 따라 가감하여 사용할 수 있다.

상기 급결제는 터널공사와 같이 상향으로 5 내지 15cm 이상의 두께로 숏크리트를 시공하는 경우 사용되는 구성요소로서 본 발명에서는 종래 일반적으로 사용되어오던 알칼리프리(Alkali-Free) 액상형 급결제를 사용하는 것이 좋다. 상기 알칼리프리 액상형 급결제의 첨가량은 통상 사용하는 함량인 시멘트 중량의 4~10중량% 범위 내에서 시험에 의해 결정하는 것이 좋다.

상기 혼화재는 고강도 발현을 위하여 기존에 사용되고 있는 산업부산물인 실리카 흄 혼화재 대신 압축강도와 휨강도 등 제반 역학적 특성 확보와 함께 장기 내구성을 증진시키면서 숏크리트의 탈락도 방지할 수 있는 메타카올린을 사용한다.

상기 메타카올린은 인공 포졸란으로 거동하는 비정질 재료로서 이러한 메타카올린을 숏크리트에 사용한 경우의 강도 및 시공성은 다음과 같은 특징을 가진다.

우선, 실리카(SiO₂)와 알루미나(Al₂O₃) 함량이 많으며 이들 두 성분이 모두 비정질이면서 큰 비 표면적을 갖고 있으므로 시멘트 수화작용의 결과로서 생산되는 수산화칼슘과 결합하여 칼슘 실리케이트 수화물(Calcium Silicate Hydrate), 칼슘 알루미네이트 수화물(Calcium Aluminate Hydrate), 및 칼슘 알루미노-실리케이트 수화물(Calcium Alumino-Silicate Hydrate)와 같은 더 많은 수화생성물을 형성하는 메카니즘을 갖으며 수산화칼슘과의 반응은 유해한 알칼리 작용을 감소시키고 풍화에 대한 더 양호한 잠재성을 가지고 있음은 물론 시멘트 페이스트 배합에 혼입될 때 뚜렷한 수밀성을 가지고, 이러한 수밀성은 강도를 증진시키고 투수성을 감소시킨다.

이 같은 메타카올린으로는 해외에서 제조된 제품 및 국내에서 제조된 제품을 모두 사용가능하나, 국내에 메타카올린의 원자재인 카올린 자원이 국내에 풍부하기 때문에 단가가 저렴하여 시멘트 단가와 큰 차이가 없으며, 더욱이 기존에 사용되던 실리카 흄이 산업부산물인데 반하여 메타카올린은 양호한 관리통제하여 생산되므로 물리ㆍ화학적 특성에 있어 그 변화가 매우 작다는 이점을 갖는다는 측면에서 볼 때 국내산 메타카올린을 사용하는 것이 보다 바람직하다.

한편, 국내에서 생산되는 메타카올린은 해외에서 제조된 제품에 비하여 비표면적이 다소 작으며, Fe₂O₃의 성분이 높아 연황색을 띄고 있으며 강열감량도 다소 높다(도 1 참조).

참고로, 국내산 메타카올린의 물리ㆍ화학적 특성을 하기표 1에 정리하였다.

이 같은 메타카올린 혼화제의 첨가량은 통상의 실리카 흄 혼화재와 마찬가지로 상기 시멘트 중량의 3~10중량% 범위 내에서 시험에 의해 결정하는 것이 바람직하며, 제조된 숏크리트의 투수성을 감안해볼 때 시멘트 중량의 4~8중량% 범위 내에서 사용하는 것이 보다 바람직하다.

한편, 본 발명의 고강도 숏크리트 조성물은 고성능 감수제를 추가하여 구성될 수 있다. 상기 고성능 감수제는 분산성이 탁월하며 기포성은 거의 없는 표면 활성제로서 고강도화제 또는 유동화제로 사용된다. 상기 고성능 감수제를 숏크리트에 첨가하게 되면 강도의 저하 없이 숏크리트 공사의 시공성을 대폭 개선할 수 있다. 그 함량은 숏크리트 1㎥ 당 4~10kgf 중량을 사용하며, 상기 배합량은 설계에 의해 변경될 수 있다.

물 리 적 특 성
분말도	비중	입도[44㎛ Pass(%)]	부착수분(%)
10000(㎠/g)	2.53	90	0
화 학 적 특 성
화 학 성 분(%)	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	TiO₂
	52	40	3	0.4
	K₂O	Na₂O	CaO	MgO
	0.6	0.4	1.2	0.5

본 발명에 의한 메타카올린을 사용한 조성물은 상대적으로 입자가 크므로 통상의 포틀랜드 시멘트 콘크리트보다 소량의 고성능 감수제를 사용하는 이점이 있다. 즉, 동일한 물-시멘트 비(W/C)에서 실리카 흄 콘크리트보다 메타카올린 콘크리트는 최소 20%, 최대 50%까지 고성능 감수제의 함량을 저감 시킬 수 있으며 기존의 실리카흄을 사용한 조성물보다 덜 끈적거리기 때문에 양호한 작업성 및 마무리성도 함께 나타내게 된다.

본 발명에 의한 조성물에 따르면, 메타카올린을 사용하여 고강도/고내구성인 고성능 숏크리트 조성이 가능하므로 숏크리트 라이닝을 영구 지보재로 사용하는 싱글쉘 터널공법에도 적용가능하다.

나아가 본 발명은 시멘트, 물, 골재, 혼화재 및 급결제로 구성되는 일반적인 숏크리트 조성물에서 상기한 바와 같이 고강도 발현을 위한 혼화재를 일반적으로 사용되고 있는 실리카 흄 대신 메타카올린을 사용함으로써 실리카 흄의 가장 큰 단점인 건조수축이 크고 가격이 고가인 고성능 감수제의 사용량이 비례적으로 증가하게 되는 단점을 극복하고 숏크리트의 시공성 증대에 기여하게 된다.

또한, 숏크리트는 조기 강도 발현을 위하여 급결제의 사용이 필수적이며 콘크리트와 달리 스프레이 형식으로 작업 되므로 터널 벽면에 타설될 경우 상당한 탈락(Rrebound)이 발생하기도 하는데, 본 발명에서와 같이 메타카올린 혼화재를 적용함으로써 숏크리트의 탈락을 방지하는 이점도 함께 갖는다.

이하, 본 발명의 실시예에 대하여 예시적으로 상세히 설명하며, 본 발명을 이에 한정하려는 것은 아니다.

<실시예>

1) 원료

본 실시예에서는 시멘트로는 시중에서 판매되는 KS L 5201에 적합한 H사의 1종 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였으며, 굵은 골재로는 최대치수 13mm인 쇄석을 사용하였고 잔골재는 비중 2.6, 흡수율 0.67, 조립율 2.86의 강사를 사용하였다.

본 발명에서 사용되는 잔골재의 입도는 KS입도표준 범위를 벗어나지 않았다.

또한, 급결제로는 국내 시판중인 알칼리 프리계 액상형 급결제를 사용하였고, 광물질 혼화재로서 메타카올린은 국내에서 생산되는 제품을 사용하였다. 비교예에서 사용한 실리카 흄은 ASTM C 1240~95에 나타난 SiO₂의 함량이 85%이상을 만족하고 있었으며 평균입경 0.2㎛, 분말도는 약 240,000㎠/g이었다.

2) 배합설계

표 2는 본 발명의 고강도 숏크리트 조성물의 효과를 시험하기 위하여 사용된 배합표이다. 배합시 슬럼프 10±2㎝, 공기량 4±1%, 물시멘트비 45%, 잔골재율 68%로 고정하였고 급결제양은 현장 적용량 및 문헌 기재량을 참고로 결정하였다. 이때 실리카흄(SF) 및 메타카올린(MK)은 시멘트 중량대비 각각 4%와 8%로 각각 치환하였다.

3) 실험

상기한 바와 같이 설계배합된 8가지 공시체에 대하여 응결시간, 압축강도, 휨강도, 염소이온 투과시험, 및 동결융해 시험을 각각 수행하여 그 성능을 비교 분석하였다.

이때, 응결시간은 KS F 2436 「관입 저항침에 의한 콘크리트의 응결시간 시험방법」에 의해 측정하였다.

또한, 압축강도는 KS F 2405 「콘크리트 압축강도 시험방법」에 의하여 실시하였다. 즉, Φ100×200mm의 공시체를 제작하여 재령 1일, 3일, 7일, 28일에 대하여 3개씩 2회 반복하였다. 만능재료시험기에서 가압시 공시체가 시험기 가압판의 중앙에 위치하도록 한 후 일정한 속도로 공시체가 파괴될 때까지 가압하였고 각 공시체마다 공시체가 받는 최대하중을 단면적으로 나누어 그 평균값을 압축강도로 하였다. 공시체는 23±2℃, 상대습도 50%의 양생실에서 1일 양생 후 23±2℃의 항온 조건에서 수중양생을 실시하였다.

배합	굵은 골재 최대 치수 (㎜)	슬럼프 범위 (㎝)	공기량 범위 (%)	W/C (%)	잔골 재율 (%)	단위재료량(㎏/㎥)
						물	시멘 트 (C)	실리 카흄 (SF)	메타 카올 린 (MK)	잔골 재	굵은 골재	유동 화제 (g/㎥)	급결제 (C×7%)
P	13	10±2	4±1	49	68	205.8	420	-	-	1124	545	3360	21
SF4							403.2	16.8 (SF=4%×C)	-			4200
SF8							386.4	33.6 (SF=8%×C)	-
MK4							403.2	-	16.8 (MK=4%×C)
MK8							386.4	-	33.6 (MK=8%×C)

혼화재료별 휨 성능을 평가하기 위하여 KS F 2408 「콘크리트의 휨강도 시험방법」에 의하여 휨 성능 시험을 실시하였다. 150×150×550㎜의 각주형 몰드에 직접 타설하여 재령 1일, 3일, 7일, 28일에 대하여 2개씩의 공시체를 제작하였으며 초기양생 후 온도 23±2℃의 항온조건으로 수중 양생하여 실험을 실시하였다.

또한, 숏크리트에서 투수성의 증가는 균열의 확장에 의해 강도를 저하시키는 작용뿐만 아니라 동결,융해 등의 내구성능을 악화시키게 되므로 투수성은 강도뿐만 아니라 내구성에 있어서도 중요한 의미를 가진다. 이에 혼화재 배합종류에 따른 숏크리트의 간접적인 투수성을 알아보기 위해 아래 표 3와 같이 염소이온의 투과량을 측정하는 ASTM C 1202 (Electrical Indication of Concrete's Ability to Resist Chloride Ion Penetration)의 방법에 따라 실험을 수행하였다.

쿨롱(C)	염소 이온 투과도	조건
〉4000 400～2000 2000～1000 1000～100 〈100	높음 적절 낮음 매우 낮음 수치무시	높은 W/C(물시멘트비) 0.4～0.5 (물시멘트비) W/C(물시멘트비)〈0.4 라텍스 개질 콘크리트 중합체 콘크리트

최종적으로, 숏크리트는 동절기 기온의 변화와 함께 동결,융해의 반복작용을 받을 수 있으며, 동결,융해의 반복작용은 숏크리트 중의 자유수가 동결되어 체적이 팽창되므로 숏크리트 내부에 큰 팽창압력으로 인한 인장응력이 발생되어 숏크리트를 파괴시키게 되므로, 본 실시예에서는 혼화재 배합종류에 따른 숏크리트의 동결,융해저항성을 측정하기 위해서 100×100×400㎜의 각주형 공시체를 제작하여 23℃의 양생수조에서 14일간 양생한 후 KS F 2456「급속 동결 융해에 대한 콘크리트의 저항 시험 방법 중 B방법-공기 중에서 급속 동결하여 수중에서 융해시키는 시험과정」에 따라 동결,융해 시험을 수행하였다.

기준 공시체를 제작하여 공시체 중심에서의 온도를 4℃에서 ~ 18℃로 떨어뜨리는 동결작용과 다시 4℃로 올리는 융해작용을 반복하였다. 매 30 사이클에서 상대 동탄성계수를 측정하였으며 시험결과는 공시체 2개를 제작하여 평균값을 사용하였다.

4) 실험결과

상기 시험에 대한 결과를 도 2 ~ 도 6에 나타내었다. 도 2 내지 도 6으로부터 알 수 있는 바와 같이, 메타카올린 혼화재를 사용한 본 발명은 실리카 흄이라는 고가의 혼화재를 사용한 비교예보다 압축강도, 휨강도등 제반 역학적 특성 면에서 동등 내지는 개선된 성능 향상을 보였다.

구체적으로는, 혼화재 배합조건에 따른 숏크리트의 배합별 응결시간 시험결과를 나타낸 도 2를 보면, 혼화재료의 종류 및 혼입 유무에 상관없이 응결시간은 유사하였으며, 혼화재료의 혼입조건에 따른 응결시간의 지연효과는 나타나지 않았다.

이는 포틀랜드 시멘트 및 배합수와의 반응 초기부터 침상형의 에트린자이트 생성 및 발달로 그물구조를 형성하고 시멘트의 수화반응을 촉진시키는 급결제의 급결 특성이 숏크리트의 응결시간을 좌우하기 때문인 것으로 판단된다.

또한, 혼화재 배합조건에 따른 숏크리트의 배합별 압축강도 시험결과를 도시한 도 3을 보면, 혼화재를 혼입한 배합의 압축강도는 급결제만을 혼입한 배합(P)에 비해 초기 재령에서는 큰 차이를 보이지 않았지만 재령이 늘어갈수록 강도발현이 우수하고 압축강도가 더 높은 것으로 나타났다.

이는 시멘트 수화반응시 생성되는 수산화칼슘과 반응하여 부가적인 CSH겔을 형성하여 포졸란 반응을 일으키는 실리카 흄 및 메타카올린의 반응 특성 때문인 것으로 판단된다.

또한, 메타카올린과 실리카 흄을 사용한 경우의 재령 28일 압축강도는, 혼화재를 혼입하지 않은 배합(P)에 비해 최대 50% 이상의 강도 증진 효과를 보였으며, 특히 메타카올린을 사용한 경우의 숏크리트 압축강도는 실리카 흄을 혼입한 숏크리트의 압축강도와 비슷하거나 최대 2~3 MPa 정도 크게 나타났다.

이는 실리카 흄보다 입경이 큰 메타카올린이 미세구조의 강성을 증진시켜 그 조성물인 숏크리트의 압축강도가 증가한 것으로 판단된다. 결과적으로, 국내 생산이 가능하며 단가가 실리카 흄과 비교하여 상당히 저렴함에도 불구하고 메타카올린은 실리카 흄과 동등 이상의 성능을 보이는 것을 확인할 수 있었다.

또한, 혼화재 배합조건에 따른 숏크리트의 배합별 휨강도 시험결과로서 도 4를 보면, 메타카올린과 실리카 흄을 사용한 경우의 재령 28일 휨강도는, 혼화재를 혼입하지 않은 배합(P)에 비해 최대 40% 이상의 강도 증진 효과를 보였다. 특히 실리카 흄을 혼입한 배합(SF4 및 SF8)과 비교하여 메타카올린을 혼입한 배합(MK4 및 MK8)의 휨강도는 최대 1MPa의 강도 증가를 나타낸 것을 확인할 수 있었다.

혼화재 배합조건에 따른 숏크리트의 배합별 염소이온 투과시험결과로서 도 5를 보면, 혼화재를 혼입하지 않은 배합의 숏크리트의 투수성은 “높은 투수성”으로 나타났으나, 혼화재를 혼입한 배합의 투수성은 “낮은 투수성” 또는 “매우 낮은 투수성”으로 나타나는 것으로부터 불투수성이 향상된 것을 알 수 있다.

특히 실리카 흄의 평균입경은 0.1μm로서 시멘트 입자(10μm)보다 100배 정도 작기 때문에 이러한 미세 혼화재가 시멘트 입자 사이의 공극을 충전하는 마이크로 필터(micro~filter) 효과로 인해, 혼화재 사용량이 동일할 경우 실리카 흄을 혼입배합한 경우 (SF4 및 SF8)가 가장 낮은 투수성을 나타낸 것을 확인할 수 있었다.

이에 반해, 메타카올린의 평균 입경은 시멘트 입자(10μm)보다는 더 작으나 실리카 흄(0.1μm)보다는 큰 약 1~2μm인 관계로, 동일한 사용량을 적용한 실리카 흄 혼입 숏크리트의 투수성과 비교할 때 메타카올린 단일 혼입 숏크리트의 투수성이 다소 큰 결과를 보였다. 그러나 메타카올린에 의한 숏크리트의 투수성은 실리카 흄을 혼입한 숏크리트와 비교할 때 큰 차이를 보이지 않으며, “낮은 투수성” 이하로 나타나 터널 및 지하공간에서 지하수 유출을 방지하기에 충분하다.

따라서 메타카올린을 혼입한 숏크리트는 이와 같이 고가의 실리카 흄 혼입 숏크리트와 거의 동일한 투수관련 내구성을 보이며 앞서 설명한 바와 같이 역학적 특성(압축강도, 휨강도 등)은 오히려 더욱 향상되는 긍정적인 효과를 얻을 수 있는 것으로 나타났다.

마지막으로, 혼화재 배합조건에 따른 숏크리트의 배합별 동결융해 저항성 시험결과로서 도 6을 보면, 동결융해 저항성은 앞선 염소이온 통과전하량의 결과와 마찬가지로 혼화재의 사용여부에 따라 큰 차이를 보였으며, 혼화재의 사용량이 클수록 (시멘트 중량의 8%), 동결융해 저항성이 큰 것으로 나타났다.

또한, 메타카올린과 실리카 흄의 사용에 따른 동결융해 저항성은 300회에서 측정한 상대동탄성계수가 거의 90% 이상으로 나타나 매우 우수한 동결융해 저항성을 보였다. 더욱이 혼화재를 혼입하지 않은 경우에도 300회에서 측정한 상대동탄성계수가 85% 이상의 우수한 동결융해 저항성을 보였다.

상기 실험결과를 정리하면 다음과 같다.

첫째, 메타카올린이 미세구조의 강성을 향상시키는 효과로 인하여, 메타카올린을 혼입한 숏크리트의 역학적 특성(압축강도 및 휨강도)은 실리카 흄을 혼입한 숏크리트와 비교할 때 거의 동등 또는 동등 이상의 성능 향상을 나타내었다.

둘째, 혼화재료의 종류 및 혼입유무에 상관없이 유사한 응결시간을 보였고 혼화재료의 혼입조건에 따른 응결시간의 지연효과는 나타나지 않았다. 따라서 메타카올린을 혼입한 숏크리트의 시공성과 조기 강도 발현에는 전혀 문제가 없는 것으로 나타났다.

셋째, 메타카올린을 혼입한 숏크리트의 내구성능은 실리카 흄을 사용한 숏크리트의 내구성능과 큰 차이를 보이지 않았다. 두 혼화재를 사용한 경우 모두 숏크리트의 투수성이 “낮은 투수성” 또는 “매우 낮은 투수성”으로 나타났다. 또한 역시 모두 90% 이상의 뛰어난 동결융해저항성을 보였다. 하지만 투수성 측면에서, 숏크리트의 투수성이 낮을수록 숏크리트의 내구성능은 향상되지만 숏크리트의 투수성이 지나치게 낮아질수록 그만큼 숏크리트가 지지해야 하는 지하수압(Ground Water Pressure)이 커지므로 숏크리트의 강도를 더욱 높이던지 숏크리트의 타설 두께를 증가시켜야 하는 문제가 있을 수 있다. 이러한 문제는 설계자/사용자가 원하는 숏크리트의 내구성능 기준에 따라 메타카올린의 치환율 (시멘트 치환율)을 조절하여 해결할 수 있다.

따라서, 일반 포틀랜트 시멘트와 알칼리-프리 급결제를 사용하면서 미분말 메타카올린을 혼화재로 사용하는 숏크리트 조성물에 있어서, 메타카올린의 함량은 통상의 실리카 흄 혼화재와 마찬가지로 시멘트 중량의 3~10중량% 범위 내에서 사용하는 것이 바람직하며, 제조된 숏크리트의 투수성을 감안해볼 때 시멘트 중량의 4~8중량% 범위 내에서 사용하는 것이 보다 바람직한 것이다.

본 발명에 의한 메타카올린을 사용한 조성물은 상대적으로 입자가 크므로 통상의 포틀랜드 시멘트 콘크리트보다 소량의 고성능 감수제를 사용하는 이점이 있다. 즉, 동일한 물-시멘트 비에서 실리카 흄 콘크리트보다 메타카올린 콘크리트는 최소 20%, 최대 50%까지 고성능 감수제의 함량을 저감시킬 수 있으며 기존의 실리카흄을 사용한 조성물보다 덜 끈적거리기 때문에 양호한 작업성 및 마무리성도 함께 나타내게 된다.

또한, 숏크리트는 조기 강도 발현을 위하여 급결제의 사용이 필수적이며 콘크리트와 달리 스프레이 형식으로 작업되므로 터널 벽면에 타설될 경우 상당한 탈 락(Rebound)이 발생하기도 하는데, 본 발명에서와 같이 메타카올린 혼화재를 적용함으로써 숏크리트의 탈락을 방지하는 이점도 함께 갖는다.

Claims

숏크리트 1㎥당,

최대치수가 10~15mm인 500~700kgf 중량의 굵은 골재;

1,000~1,200kgf 중량의 잔골재;

300~450kgf 중량의 시멘트;

40~60중량%의 물~시멘트비를 갖는 물;

상기 시멘트 중량의 4~10중량%인 액상형 급결제; 및

상기 시멘트 중량의 3~10중량%의 메타카올린 혼화재;

를 포함하여 이루어지는 메타카올린을 사용한 고성능 숏크리트 조성물.
제1항에 있어서, 상기 메타카올린은 상기 시멘트 중량의 4~8중량%를 사용하는 것을 특징으로 하는 고강도 메타카올린을 사용한 고성능 숏크리트 조성물.
제1항 또는 제 2항에 있어서, 숏크리트 1㎥당 4~10 kgf 중량의 고성능 감수제가 더 추가되는 것을 특징으로 하는 메타카올린을 사용한 고성능 숏크리트 조성물.