KR20080058155A - 산업부산물의 경제적 재활용과 시공품질 향상을 위한분말형 레디믹스트 숏크리트 및 이를 이용한 터널 숏크리트지보재의 시공방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 숏크리트 골재의 최대치수를 각각 8mm, 10mm 이하로 하고, 고로 슬래그량을 시멘트량의 30~50중량%로 대체하며, 물과 급결제를 제외한 모든 재료가 공장에서 사전에 혼합되어 분말형으로 포장됨을 특징으로 하는 산업부산물의 경제적 재활용과 시공품질 향상을 위한 분말형 레디믹스트 숏크리트이다. 분말형 레디믹스트 숏크리트는 물과 급결제를 제외한 모든 재료가 공장에서 사전에 혼합되어 현장으로 운송되므로 현장제조에 대한 부담 감소 및 품질 개선 효과를 얻을 수 있다.

레디믹스트 숏크리트, 분말형, 고로슬래그

Description

산업부산물의 경제적 재활용과 시공품질 향상을 위한 분말형 레디믹스트 숏크리트 및 이를 이용한 터널 숏크리트 지보재의 시공방법{Ready-mixed shotcrete powder used industrial recycling by-product and method constructing the tunnel supporter}

본 발명은 산업부산물인 고로슬래그 미분말을 숏크리트 배합의 시멘트의 일정량으로 치환하여, 숏크리트의 건조수축을 최소화하고 균열예방 및 장기내구성을 향상시킬 수 있는 경제적인 고로슬래그 숏크리트에 관한 것이다.

본 발명의 고로슬래그 숏크리트는 터널이나 큰 공동구조물(空洞構造物)의 라이닝, 터널, 댐 및 교량의 보수보강공사 등에 사용된다.

숏크리트는 굴착 직후 발생하는 원지반의 초기 변위의 제어 및 풍화의 방지를 통한 굴착면의 안정도모를 목적으로 최근 들어서는 구조물의 장기적인 사용성 및 안전성의 개념에서 그 역할이 더욱 중요하게 부각되고 있다.

국외에서는 2차 라이닝의 대체나 숏크리트의 장기적인 거동 및 내구성의 관 점에서 39.2~58.8MPa에 이르는 고강도 숏크리트가 일반적으로 시공되고 있으나, 국내의 경우 숏크리트의 설계기준강도가 설계, 시공상의 문제점 등으로 인해 20.58MPa 내외의 저강도에 머무르고 있다. 현재 업계 및 학계에서는 국내 숏크리트의 강도, 재료 및 장기내구성 등을 포함한 숏크리트 품질저하에 대한 개선책이 시급함을 인식하고 있다.

숏크리트 시공방법은 거푸집의 설치가 곤란한 곳에 고압으로 뿜어 붙이는 공법이므로 뿜어 붙이는 면과 부착되지 않고 골재가 튀어나오는 리바운드(Rebound)량이 많다. 고압으로 분사시키므로 시멘트로 인한 분진 발생도 많다. 골재의 리바운량과 시멘트의 분진으로 인하여 재료손실이 많다는 것이 숏크리트 시공방법의 문제점이기도 하다.

숏크리트는 터널의 지보재로서 많이 사용된다. 지보재로서 사용되므로 압축강도가 커야한다.

가. 숏크리트의 압축강도에 가장 영향을 미치는 인자는 골재이다.

굵은 골재의 크기가 커질수록 리바운드율이 커지게 된다. 골재의 리바운드율 만큼 숏크리트의 압축강도는 저하된다. 숏크리트의 압축강도는 일반 콘크리트의 압축강도와는 달리 골재의 리바운드율을 고려하지 않으면 안 된다.

실제 굵은 골재의 최대치수가 작을수록 리바운드율이 작아질 뿐 아니라 유동 성도 좋아져서 시공이 용이해지고, 노즐의 폐색을 방지할 수 있다.

나. 숏크리트의 압축강도에 영향을 미치는 인자는 현장배합용 골재의 품질관리이다.

이에 대하여 설명하면 다음과 같다.

⒜ 현장 숏크리트 골재의 입도분포현황

현장 숏크리트 골재의 입도분포현황을 알아보기 위해 숏크리트 시공현장 15개소의 굵은 골재입도분포를 조사했다. 그 결과는 그림1과 같다.

그림1

그림1에 의하면 모든 현장에서 표준입도분포를 크게 벗어나고 있음을 알 수 있다.

이러한 현장 숏크리트 골재의 입도분포에서는 숏크리트의 슬럼프가 저하되어 유동성도 저하된다. 유동성의 저하는 시공성의 저하를 가져오고 또 공사비가 증대되는 문제점이 있다. 이로 인해 리바운드량이 증가하게 될 뿐만 아니라 숏크리트의 압축강도도 저하된다. 그 결과 숏크리트 품질이 심각하게 저하되는 문제점이 있다.

⒝ 숏크리트 골재의 관리현황

숏크리트 품질은 골재의 관리에 의하여 좌우된다고 할 수 있다.

위에서 본 바와 같이 현장 숏크리트 골재의 입도분포가 표준입도분포를 크게 벗어나고 있는 것 역시 골재관리의 소홀에서 비롯된 것이다.

예컨대 국내 숏크리트 시공 현장에서 사용되는 골재에는 토립분과 석분토 등의 미립분이 보통 15∼30% 이상 섞여 있다. 이는 골재관리소홀의 문제이다. 골재의 세척에 의하여 미립분을 쉽게 제거할 수 있기 때문이다.

또한 국내 숏크리트 시공 현장에서 사용되는 골재에는 편장석 비율이 기준의 20% 이상으로 혼합되어있다. 편장석 비율이 큰 것은 우리나라의 지질특성상 층리구조 분포가 많기 때문이기는 하나 골재전문 업체의 관리에 의하여 편장석 비율을 낮추는 것이 가능하다.

숏크리트 품질에 있어서 중요한 요소인 골재의 적정한 품질관리 없이 고품질 의 숏크리트를 시공하기는 어려운 현실이며, 고가의 혼화재를 투입하여 강도보상을 시도하고 있어 숏크리트 재료의 원가상승 및 숏크리트의 장기내구성 저하를 부추기는 요인으로 작용하고 있다.

위에서 살펴본 바와 같이 숏크리트 품질저하의 주원인은 고압분사로 인한 시멘트의 분진 및 리바운드의 문제와, 그리고 골재 품질관리의 문제이다.

시멘트 분진은 시멘트재료의 손실을, 골재의 리바운드는 골재재료의 손실을 가져온다. 양 재료의 손실로 인하여 숏크리트 압축강도의 저하를 가져오는 것은 말할 것도 없다.

현재 우리나라의 품질규정은 숏크리트 골재의 최대치수를 13mm로 규정하고 있다. 숏크리트 골재의 최대치수 13mm는 그 크기가 커서 리바운드율이 높아 고강도 숏크리트 시공이 어렵다고 이 기술 분야의 전문가들은 지적하고 있다. 이에 대한 기술적 검토가 요구된다.

터널 시공현장의 숏크리트 제조 및 품질관리에 있어 골재의 입도와 표면의 습윤 상태 등이 달라 각 현장별로 품질 변동이 심하게 나타나고 있는 점을 감안할 때, 숏크리트의 교반장치 성능이나 품질관리 및 운영면에서 현장제조 보다 우수한 공장제조 방법을 적용할 경우 고품질의 숏크리트 재료를 생산할 수 있을 것으로 판단된다.

규격화된 재료를 사전에 공장에서 생산 및 배합하여 포장용으로 판매 가능한 분말형 레디믹스트 숏크리트의 개발을 통해, 현장 배치 플랜트에서의 계량 및 배합 과정을 간략화 하고 고품질 숏크리트 시공으로 터널 안정성을 확보할 수 있으며, 기존 레미탈 생산체계를 활용한 경제성 있는 숏크리트 생산 및 시공 체계 개발할 수 있다.

본 발명은 소위 공장제조방식의 “분말형 레디믹스트(Ready-mixed) 숏크리트”를 제조하고자한 것이다.

“분말형 레디믹스트(Ready-mixed) 숏크리트”란 기존에 현장에서 배합되던 숏크리트의 문제점들을 효과적으로 개선하기위해, 숏크리트 재료의 배합 및 제조를 건조 모르타르 제조 전문 업체에서 사전에 미리 실시하여, 골재의 철저한 토립분 관리, 확실한 입도관리, 전문배합 장치를 이용한 엄격한 품질관리 및 재료의 규격화 등을 거쳐 시공 품질을 극대화 시킬 수 있게 제조되는 숏크리트를 의미한다.

본 발명은 숏크리트 제조 및 품질관리에 있어 현장제조방식을 탈피하여 골재 및 입도분포와, 그리고 재료의 규격화 및 품질 등을 공장제조 방식에 의하여 철저히 관리하고, 이를 통하여 숏크리트의 배합설계를 하되 품질을 극대화시킨 “분말형 레디믹스트숏크리트”를 제조하고자함에 그 목적이 있고,

산업부산물인 고로슬래그 미분말을 숏크리트 배합의 시멘트의 일정량으로 치환하여 산업부산물을 활용함으로써 경제적인 시공이 되게 하고 이로 인하여 숏크리트의 건조수축을 최소화하고 균열예방 및 장기내구성을 향상시킬 수 있는 고로슬래그 숏크리트를 제조하고자함에 다른 목적이 있으며,

숏크리트의 굵은 골재의 최대치수를 8mm 또는 10mm로 선정함으로써 고압분사에 의한 골재의 리바운드율을 최소화시키고자함에 또 다른 목적이 있고,

공장제조방식에 의하여 엄격하게 관리되고 확실하게 배합 설계된 분말형 레디믹스트 숏크리트를 시공현장에 이송하여 시공현장에서는 이미 배합 설계된 물과 혼화제의 양만을 혼합하기만 하면 되므로 시공이 간편하고 공기가 단축될 뿐 아니라 경제적이고 고품질의 숏크리트를 얻고자함에 다른 목적이 있다.

숏크리트의 압축강도는 굵은 골재의 크기와, 혼화제의 종류와, 그리고 리바운드율에 의하여 크게 영향을 받는다.

숏크리트의 압축강도와 이들과의 관계를 알아보기 위하여 숏크리트 재료의 성능시험을 실시하였다. 그 결과는 그림2와 같다.

1) 숏크리트의 압축강도와 굵은 골재의 크기 및 혼화재 종류와의 관계

그림2a

그림2a에서 알 수 있는 바와 같이 골재 크기별 압축강도차이는 나타나지 않으며, 8mm 또는 10mm에서 숏크리트의 압축강도차이는 미미하다. 숏크리트의 압축강도차이는 혼화제(급결제)의 영향을 더 받고 있음을 알 수 있다.

굵은 골재의 최대치수를 종래의 13mm에서 8mm 또는 10mm로 대체하여도 숏크리트의 압축강도의 차이가 미미하다면 골재의 리바운드율을 감안하여 본 발명에서는 종래의 13mm대신 숏크리트의 굵은 골재의 최대치수를 8mm 또는 10mm로 선정하기로 한다.

2) 숏크리트의 압축강도와 굵은 골재의 크기와의 관계

그림2b

3) 숏크리트의 압축강도와 혼화재 종류와의 관계

그림2c

※ 고로 슬래그 30%이란 숏크리트 배합설계 시 사용되는 시멘트량의 30%를 고로 슬래그로 대체한 것을 의미함.

그림2b와 그림2c에서 알 수 있는 바와 같이 ① 골재최대치수변화에 따른 압축강도영향은 거의 없었고, ② 8mm 골재 사용 시 작업성 및 유동성이 개선되었으며, ③ 실리카 흄 5%치환 시 압축강도 가장 우수하였고, ④ 고로 슬래그 30% 치환배합이 실리카 흄5% 배합보다 유동성이 개선되었음을 알 수 있었다.

그림2b와 그림2c의 시험결과에 의하여 본 발명에서는 숏크리트 배합설계 시 사용되는 시멘트량의 30%를 고로 슬래그로 대체하기로 한다.

고로 슬래그의 치환량을 50%까지 증가시켜도 압축강도는 그림2c와 별반 차이가 없었으나 50%이상이 되면서부터 압축강도가 일반배합보다 하향됨을 알 수 있었다.

그림2c에서와 같이 고로슬래그 미분말을 숏크리트의 배합재료인 시멘트대신 일정량 치환한 압축강도는 일반배합보다 더 좋아짐을 알 수 있다. 그뿐만 아니라 숏크리트의 건조수축을 최소화하고 균열예방 및 장기내구성을 향상시키는 재료이다. 여기에다 고로 슬래그는 산업부산물이기 때문에 시멘트보다 저렴하다.

지하수에 노출되는 터널 내에 사용되는 숏크리트 재료에 고로슬래그 미분말을 사용하면 염화물 침투 저항성 및 내화학성 등이 우수해진다.

일반적으로 고로슬래그 미분말을 사용하게 되면 중성화 속도가 시멘트만을 사용한 숏크리트보다 빠른 것으로 알려져 있지만 실제는 그렇지 않다. 고로슬래그 미분말이 시멘트와 반응, 치밀한 수화물을 형성하기 때문에 중성화 저항성이 증가하는 것으로 나타난다. 표 1은 고로슬래그의 혼입하여 옥외 폭로 중성화 실험 결과를 나타낸 것이다.

숏크리트 품질제고 효과 외에 고로슬래그는 사회·환경적으로도 큰 의미를 갖는다. 시멘트 1톤을 제조할 때 석회석이 1.4톤 소비되기 때문에 시멘트의 일정량을 대체해 고로슬래그를 사용하면 석회석 자원 절약과 시멘트 제조에 필요한 경유 사용을 줄일 수 있다.

국내에서도 선진국의 추세에 맞춰 지난 95년 고로슬래그 미분말을 사용한 콘크리트의 설계시공지침이 마련되었고 97년에는 고로슬래그 미분말에 대한 KS 규격이 제정되었다. 2003년 4월에는 레디믹스트 콘크리트의 산업규격을 제정, 콘크리트 혼화재료로 공식화했다.

표 2는 시멘트 치환율에 따른 단가 절감 비교를 나타낸 것이다. 시멘트와 고로슬래그 단가를 시멘트 64.7원/kg, 고로슬래그 54원/kg으로 계산하였을 때, 일반시멘트만을 사용하는 배합보다 고로슬래그를 치환함으로서 얻어지는 경제적 이득은 고로슬래그 치환율이 10%증가할 때마다 513.6원/m³ 의 경제적 이득이 발생한다.

현재 산업 부산물인 고로슬래그를 사용한 고강도 콘크리트 개발 및 연구는 활발히 진행되고 있으나, 숏크리트에 고로슬래그를 첨가하여 고품질화 및 장기내구성 확보를 위한 연구는 없다.

본 발명의 구체적인 구성은 다음과 같다.

숏크리트 굵은 골재 최대크기를 8mm 또는 10mm로 한 골재와 골재입도를 공장에서 엄격하게 관리하고, 관리된 골재와, 시멘트와, 그리고 시멘트량의 30~50%를 고로슬래그로 대체하며, 물과 급결제를 제외한 모든 재료가 공장에서 사전에 배합 설계되어 분말형으로 포장됨을 특징으로 하는 산업부산물의 경제적 재활용과 시공품질 향상을 위한 분말형 레디믹스트 숏크리트이다.

고로 슬래그를 배합 설계된 시멘트량의 30중량%이하로 대체하게 되면 산업부산물의 재활용에 대한 경제적인 효과가 작아지고 압축강도도 저하하게 된다.

고로 슬래그를 배합 설계된 시멘트량의 50중량%이상으로 대체하게 되면 산업부산물의 재활용에 대한 경제적인 효과는 크나 압축강도저하의 문제가 있다.

굵은 골재 최대크기를 8mm 또는 10mm는 종래의 13mm에 비하여 리바운드율이 작아질 뿐 아니라 유동성 및 시공성이 좋아지고 노즐의 폐색이 방지된다.

분말형 레디믹스트 숏크리트를 이용한 터널지보재의 시공방법은 다음과 같다.

⒜ 숏크리트 굵은 골재 최대크기를 8mm 또는 10mm로 한 골재와 골재입도를 공장에서 엄격하게 관리하고, 관리된 골재와, 시멘트와, 그리고 시멘트량의 30~50%를 고로슬래그로 대체하며, 물과 급결제를 제외한 모든 재료가 공장에서 사전에 배합 설계된 분말형 레디믹스트 숏크리트를 시공현장으로 운반하는 단계;

⒝ 분말형 레디믹스트 숏크리트를 믹서기에 넣고 배합 설계된 양만큼 물과 급결제를 투입하는 단계;

⒞ 혼합된 숏크리트를 고압으로 분사하는 단계로 이루어짐을 특징으로 하는 분말형 레디믹스트 숏크리트를 이용한 터널 지보재의 시공방법이다.

기존 현장 배합 숏크리트는 각 재료별로 사일로와 배치 플랜트가 필수적으로 구축되었어야 한다. 분말형 레디믹스트 숏크리트는 물과 급결제를 제외한 모든 재료가 공장에서 사전에 혼합되어 현장으로 운송되기 때문에 현장제조에 대한 부담 감소 및 품질 개선 효과를 얻을 수 있다.

기존 현장배합 시스템의 장비들의 활용으로 인한 추가비용 절감 및 숏크리트 재료의 수급이 용이해짐으로 숏크리트 타설에 필요한 재료 준비 시간이 줄어들게 된다. 또한 연속공정이 가능해짐에 따라 공기 단축에 의한 공사비 절감 효과를 얻을 수 있다.

기존 현장배합 숏크리트는 골재, 시멘트, 혼화재 등의 재료 보관 장소를 확보하여야 하고 저장된 재료의 품질 관리 비용이 발생되나, 분말형 레디믹스트 숏크리트는 재료 보관 장소가 현저히 적어지며 현장에서의 품질 관리 비용이 추가적으로 발생하지 않는다.

일정량의 용량으로 운반되어짐으로 정확한 물량 산출이 가능하며 기존 배치 플랜트에서 발생되던 건설 재료의 손실을 현저히 줄일 수 있다.

분말형 레디믹스트 숏크리트는 원활한 시공성의 확보 및 재료 수급의 부감을 줄여 이에 따른 시공비 절감을 유도할 수 있으며, 고품질 숏크리트 개발을 통한 장 기내구성의 증가로 인해 유지보수비용의 절감을 얻을 수 있다.

또한, 각종 혼화재의 개발로 이어질 수 있으며 터널 굴착암반의 여건에 따른 기능성 숏크리트의 개발을 가능해지며, 암반 상태 및 시공 상황에 따른 대응이 용이해진다.

기존 현장배합 숏크리트와 비교하여 분말형 레디믹스트 숏크리트의 강도 발현 특성이 더 우수함으로 터널 1차 지보재의 안정성을 더욱 향상시킬 수 있다.

굵은 골재의 최대치수를 기존의 13mm에서 8mm 또는 10mm로 대체함으로써 리바운드율을 감소시켜 재료손실 절감 및 숏크리트 타설장비의 작업성 향상으로 숏크리트 재료단가를 절감할 수 있고, 고로슬래그 미분말을 혼입함에 따라 장기 내구성 및 내 화학성 증대 효과를 얻을 수 있다.

본 발명은 공장형 배합의 최적 골재관리, 각기 다른 입도 및 비중을 갖는 재료들의 최적혼합 등을 꾀할 수 있으며, 현장에서 재료 계량, 재료 야적 및 재료 품질관리 등이 필요 없이 공장에서 생산되어 포장된 재료를 믹싱만 해서 사용하면 되므로 숏크리트 시공 품질을 월등하게 향상시킬 수 있다.

또한, 분말형 레디믹스트(Ready-mixed) 숏크리트는 NATM 개념에 의한 터널 굴착시 노출되는 암반의 특성에 따라 공장 주문형 다기능 레디믹스트 숏크리트를 시공할 수 있는 기술이다. 터널 시공과정 중 발생되는 암 특성에 따른 숏크리트 설계 강도 변화, 막장 출수량에 따른 설계 변화, 공사비 및 공사기간의 변경으로 인 하 숏크리트 설계 변화 등의 상황에서 현장에서 직접 대처하기 보다는 공장 주문형 다기능 숏크리트를 통해 유동적이며 효율적인 숏크리트 시공이 가능하게 되며, 공장형 배합을 통해 다품종 소량생산 및 최적의 생산시스템 확립을 통해 경제적인 제품생산 및 개발이 가능하다.

현재 국내에서는 분말형 보수용 모르타르가 시공되고 있는 실정이나 숏크리트에 적용된 사례는 전무한 상황이다. 분말형 보수용 모르타르의 탁월한 성능을 참고하여 볼 때 분말형 레디믹스트 숏크리트 적용 시 신속히 재료를 확보할 수 있으며, 기존 시공 시스템보다 매우 간소화 되며, 재료 품질에 따른 품질 불균형을 획기적으로 해결할 수 있다.

Claims (2)

1. 숏크리트 굵은 골재 최대크기를 8mm 또는 10mm로 한 골재와 골재입도를 공장에서 엄격하게 관리하고, 관리된 골재와, 시멘트와, 그리고 시멘트량의 30~50%를 고로슬래그로 대체하며, 물과 급결제를 제외한 모든 재료가 공장에서 사전에 배합 설계되어 분말형으로 포장됨을 특징으로 하는 산업부산물의 경제적 재활용과 시공품질 향상을 위한 분말형 레디믹스트 숏크리트
2. ⒜ 숏크리트 굵은 골재 최대크기를 8mm 또는 10mm로 한 골재와 골재입도를 공장에서 엄격하게 관리하고, 관리된 골재와, 시멘트와, 그리고 시멘트량의 30~50%를 고로슬래그로 대체하며, 물과 급결제를 제외한 모든 재료가 공장에서 사전에 배합 설계된 분말형 레디믹스트 숏크리트를 시공현장으로 운반하는 단계;

   ⒝ 분말형 레디믹스트 숏크리트를 믹서기에 넣고 배합 설계된 양만큼 물과 급결제를 투입하는 단계;

   ⒞ 혼합된 숏크리트를 고압으로 분사하는 단계로 이루어짐을 특징으로 하는 분말형 레디믹스트 숏크리트를 이용한 터널 숏크리트 지보재의 시공방법