KR20100129104A - 숏크리트의 성능향상을 위한 고성능 혼화재 조성물 및 이를 포함하는 숏크리트 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 터널·지하공간의 주 지보재(primary support)로 사용되는 숏크리트(shotcrete)의 강도, 내구성 등의 성능향상을 위하여 사용되는 고성능 혼화재 조성물에 관한 것으로서, 구체적으로는 숏크리트의 성능향상을 위해 종래에 사용되던 광물질 혼화재인 실리카흄 및 메타카올린을 대체하면서도, 숏크리트가 우수한 역학적 특성을 발현하도록 하고 내구성도 현저하게 증진시킬 수 있는 분체로 이루어진 숏크리트용 고성능 혼화재 조성물에 관한 것이다.
본 발명에서는 터널·지하공간의 주 지보재(primary support)인 숏크리트의 강도 및 내구성 증진을 위한 고성능 혼화재 조성물로서, 메타카올린 5~20중량%, 칼슘설포알루미네이트(3CaO·3Al2O3·CaSO4;CSA) 5~20중량%, 무수석고 20~45중량% 및 플라이애쉬 30~50중량%를 포함하는 것을 특징으로 하며, 감수제 0.05~1.0중량% 또는 증점제 0.01~0.1중량%를 각각 추가로 포함할 수 있는 숏크리트용 고성능 혼화재 조성물 및 이를 포함하는 숏크리트가 제공된다.

Description

숏크리트의 성능향상을 위한 고성능 혼화재 조성물 및 이를 포함하는 숏크리트{High Performance Composite Material for Shotcrete}
본 발명은 터널·지하공간의 주 지보재(primary support)로 사용되는 숏크리트(shotcrete)의 강도, 내구성 등의 성능향상을 위하여 사용되는 고성능 혼화재 조성물 및 이를 포함하는 숏크리트에 관한 것으로서, 구체적으로는 숏크리트의 성능향상을 위해 종래에 사용되던 광물질 혼화재의 재료인 실리카흄을 대체하거나 또는 메타카올린의 사용량을 줄이면서도, 숏크리트가 우수한 역학적 특성을 발현하도록 하고 내구성도 현저하게 증진시킬 수 있는 분체로 이루어진 숏크리트용 고성능 혼화재 조성물 및 이를 포함하는 숏크리트에 관한 것이다.
터널시공, 댐공사 또는 지하구조물 공사 등에 있어서, 암반 또는 지반을 보강하여 붕괴를 방지하기 위한 주 지보재로서 숏크리트가 널리 사용되고 있다. 특히, 선진유럽 및 일본 등의 해외에서는 싱글쉘(Single-Shell) 터널공법 및 터널의 내구연한을 증가시키기 위하여 고강도/고내구성의 숏크리트를 사용하고 있다. 이러한 고강도/고내구성 숏크리트를 실현하기 위해서, 숏크리트의 제조에 광물질 혼 화재를 사용하는데, 종래에는 광물질 혼화재의 재료로서 실리카흄이 이용되어 왔다.
그러나 실리카흄으로 이루어진 광물질 혼화재는 고가이고 현재까지 국내에서는 이를 전량 수입에 의존해야 하는 상황이다. 이러한 이유에서 국내에서는 실리카흄으로 이루어진 광물질 혼화재를 숏크리트에 적용한 실적이 없다. 특히, 실리카흄으로 이루어진 광물질 혼화재를 사용하게 되면 장기강도 및 내구성 증진에는 효과가 있으나, 콘크리트의 점성이 증가되므로 슬럼프(유동성) 확보를 위해서는 다량의 고성능 감수제의 사용(기존 대비 1.5배)이 필요하게 되고, 그에 따라 조기강도 증진 효과는 미미하게 되는 단점이 있다.
한편, 최근에는 실리카흄과 같은 포졸란 재료이며 실리카흄에 비해 가격이 저렴한 메타카올린으로 이루어진 혼화재를 숏크리트에 사용하려는 시도가 이루어지고 있다. 그러나 메타카올린 역시 국제 유가(油價) 및 환율변동 등의 영향으로 단가변동이 심하며, 실리카흄과 마찬가지로 메타카올린을 콘크리트에 사용하는 경우, 소정의 슬럼프를 확보하기 위해서는 고성능 감수제의 사용량이 증가되어야 하므로, 그에 따라 조기강도 증진효과가 미미하게 되는 문제가 발생한다.
본 발명은 위와 같은 종래 기술의 한계를 극복하기 위하여 개발된 것으로서, 위에서 설명한 실리카흄 및 메타카올린을 주재료로 하는 종래의 광물질 혼화재의 단점을 개선하는 것을 궁극적인 목적으로 한다.
즉, 본 발명은 실리카흄 및 메타카올린보다 가격이 저렴한 재료를 숏크리트 혼화재의 원료로서 사용함으로써 경제성을 향상시키며, 숏크리트의 조기강도를 높일 수 있고, 시공 시에는 숏크리트의 리바운드를 감소시킬 수 있는 숏크리트용 고성능 혼화재를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 숏크리트 생산 시 단위수량을 줄일 수 있도록 함으로써 숏크리트의 장기강도와 내구성의 향상을 도모할 수 있는 숏크리트용 고성능 혼화재를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에서는, 위와 같은 목적을 달성하기 위하여, 실리카흄 및 메타카올린과 같은 포졸란 재료이지만 산업폐기물이기 때문에 가격이 저렴한 플라이애쉬를 메타카올린과 함께 숏크리트의 혼화재로 사용하며, 조기강도 향상을 위하여 칼슘설포알루미네이트 및 무수석고를 사용하고, 리바운드 감소를 위하여 증점제를 사용하며, 강도증진 및 장기 내구성 향상을 위해 감수제를 사용하여 콘크리트 생산 시 단위수량을 줄일 수 있는 숏크리트용 고성능 혼화재 조성물이 제공된다.
구체적으로 본 발명에서는 터널·지하공간의 주 지보재(primary support)인 숏크리트의 강도 및 내구성 증진을 위한 고성능 혼화재 조성물로서, 혼화재 조성물 전체에 대해 메타카올린 5~20중량%, 칼슘설포알루미네이트(3CaO·3Al2O3·CaSO4;CSA) 5~20중량%, 무수석고 20~45중량% 및 플라이애쉬 30~50중량%를 균일한 혼합상태로 포함하는 것을 특징으로 하며, 감수제 0.05~1.0중량% 또는 증점제 0.01~0.1중량%를 각각 추가로 포함할 수 있는 숏크리트용 고성능 혼화재 조성물이 제공된다.
본 발명에 따른 혼화재 조성물을 숏크리트에 사용하게 되면, 첫째, 콘크리트 생산시 소정의 슬럼프를 확보하는데 단위수량을 줄일 수 있어 강도 및 내구성을 향상시킬 수 있게 된다.
둘째, 숏크리트의 장기강도 및 내구성 향상 외에도 기존 광물질 혼화재가 가지지 못했던 숏크리트의 조기강도 증진효과가 매우 우수하게 된다.
셋째, 기존 광물질 혼화재인 메타카올린 및 실리카흄은 고가이어서 국내 적용이 어려웠지만, 산업폐기물이고 가격이 저렴한 플라이애쉬를 사용함으로써, 고가의 메타카올린의 사용량을 줄이고 실리카흄을 사용하지 않게 되므로, 숏크리트용 혼화재의 제조 가격을 낮출 수 있으며, 그에 따라 경제성이 확보됨으로 상용화가 용이하게 된다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 더욱 구체적으로 설명한다. 본 발명은 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 하나의 실시예로서 설명되는 것이며 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지 않는다.
본 발명에 따른 숏크리트용 고성능 혼화재 조성물은, 숏크리트의 성능 향상을 위해 숏크리트에 혼합되는 미분말 분체로서, 혼화재 조성물의 전체 중량에 대해 메타카올린 5~20중량%, 칼슘설포알루미네이트 5~20중량%, 무수석고 20~45중량% 및 플라이애쉬 30~50중량%를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 숏크리트용 고성능 혼화재 조성물에는 필요에 따라서 혼화재 조성물의 전체 중량에 대해 감수제 0.05~1.0중량% 또는 증점제 0.01~0.1중량%가 각각 더 추가될 수 있다. 상기 감수제 및 증점제는 어느 하나만 포함될 수도 있지만 2가지 모두 포함될 수도 있다.
다음에서는 본 발명에 따른 숏크리트용 고성능 혼화재 조성물의 조성성분 각각에 대해 상세히 설명한다.
(칼슘설포알루미네이트와 무수석고)
본 발명에서는 칼슘설포알루미네이트 5~20중량% 및 무수석고 20~45중량%를 이용하는데, 상기 칼슘설포알루미네이트와 무수석고는 분말도가 4,000~6,000cm2/g인 것을 이용하는 것이 바람직하다. 칼슘설포알루미네이트와 무수석고는, 숏크리트의 수화작용 초기에 에트링자이트를 생성시킴으로써, 숏크리트의 응결·경화를 촉진하게 되고, 그에 따라 숏크리트가 조강성을 발휘할 수 있게 하여 숏크리트의 조기강도 증진에 유효한 영향을 주게 된다.
칼슘설포알루미네이트를 5중량% 미만으로 함유하게 되면 숏크리트의 응결 및 조기강도 발현효과가 떨어지며, 반대로 20중량%를 초과하게 되면 숏크리트의 조직을 치밀하게 하여 강도와 내구성을 향상시키기 위해 사용되는 주 재료인 플라이애쉬와 메타카올린 사용량이 줄어들게 되어 숏크리트의 강도 및 내구성에 악영향을 미치게 되므로, 칼슘설포알루미네이트는 5~20중량%로 사용한다. 무수석고 역시 칼슘설포알루미네이트와 마찬가지로 응결과 경화를 촉진하기 위해 사용되는 재료로서, 20중량% 미만으로 함유하게 되면 숏크리트의 응결 및 조기강도 발현효과가 떨어지며, 반대로 45중량%를 초과하게 되면 숏크리트의 조직을 치밀하게 하여 강도와 내구성을 향상시키기 위해 사용되는 주 재료인 플라이애쉬와 메타카올린 사용량이 줄어들게 되어 숏크리트의 강도 및 내구성에 악영향을 미치게 되므로, 석고는 20~45중량%로 사용한다.
특히, 위와 같이 칼슘설포알루미네이트와 무수석고가 혼합됨으로써, 초기에 에트링자이트(3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O) 수화물이 생성되어 응결 및 경화를 촉진하게 되고, 그에 따라 숏크리트가 조강성을 발휘하게 된다.
(메타카올린과 플라이애쉬)
본 발명에서는 숏크리트의 장기 강도 및 장기 내구성 향상을 위하여 포졸란 재료인 메타카올린 5~20중량%와 플라이애쉬 30~50중량%를 사용하였다. 특히, 플라이애쉬는 산업폐기물이므로 가격이 저렴하기 때문에 혼화재의 경제성을 향상시키게 되며, 산업폐기물을 재활용하게 되는 것이므로, 환경친화적인 혼화재를 제조할 수 있게 된다.
(증점제)
본 발명에서는 증점제가 0.01~0.1중량%로 더 첨가될 수 있는데, 증점제를 첨가하게 되면 숏크리트에 점성을 부여하여 시공시 급결제 사용량 및 리바운드를 저감시킬 수 있게 된다. 증점제로는 메틸셀룰로오스(Methyl Cellulose), 웰란검(Welan gum), 세피올라이트(Sepiolite)를 사용할 수 있다. 증점제의 과다 첨가는 강도에 악영향을 줄 수 있으므로, 그 상한은 0.1중량%로 한다. 반대로 증점제가 0.01중량% 미만으로 함유되면 급결제 사용량 및 리바운드의 저감 효과가 미미하므로, 0.01중량% 이상 함유한다.
(감수제)
본 발명에서는 감수제가 0.05~1.0중량%로 더 첨가될 수 있는데, 감수제를 위와 같은 함량으로 첨가하게 되면 숏크리트 생산시 단위수량을 감소시켜 콘크리트 생산시 적은 물 사용량으로도 적정한 슬럼프를 확보할 수 있으므로, 시공 후 우수 한 역학적 특성의 발현(강도증진)과 장기 내구성 향상의 효과를 발휘하게 된다. 감수제로는 멜라민계 감수제, 리그닌계 감수제, 나프탈렌산계 감수제, 폴리카르본산계 감수제 등의 다양한 감수제가 사용될 수 있다.
위에서 열거한 구성성분이 균일한 혼합 상태가 되도록 진동밀 또는 볼밀에 상기 원료들을 투입하여 분쇄한 후 무중력 믹서, 패들 믹서, 리본 믹서, 드럼 믹서와 같은 분체혼합용 믹서를 사용하여 혼합하는 방법으로 본 발명에 따른 혼화재 조성물을 제조하게 된다.
아래에서는 본 발명에 따른 고성능 혼화재 조성물의 실시예와 비교예에 대하여 설명한다.
(실시예 1)
본 발명에 따른 고성능 혼화재 조성물의 물성을 확인하기 위하여 아래의 표 1 및 표 2와 같은 조성비로 혼화재 조성물을 제조하였다.
이와 같이 제조된 혼화재 조성물을, 시멘트 중량 대 혼화재 조성물 중량의 비가 90 대 10이 되도록(즉, 시멘트와 혼화재 조성물의 총 중량 100일 때, 시멘트의 중량은 90이고, 혼화재 조성물의 중량은 10) 베이스 모르타르에 첨가하여 시험시편을 제조한 후 압축강도 특성을 평가하였다. 베이스 모르타르는 급결제를 첨가한 것과 첨가하지 아니한 것의 2가지 종류를 사용하였는데, 급결제를 첨가하지 아니한 것은 KS L ISO 670 "시멘트의 강도 시험 방법"에 따라 베이스 모르타르로 제 조되었고, 급결제가 첨가된 베이스 모르타르는 KS F 2782 "숏크리트용 급결제" 내용에 따라 제조되었다.
아래의 표 1은 급결제를 첨가하지 않은 베이스 모르타르의 시험시편에 대한 시험결과이고, 표 2는 국내에서 시판된 알칼리프리계 급결제를 시멘트의 중량을 100이라고 했을 때 8중량부로 첨가한 시험시편에 대한 시험결과이다. 시험시편에 사용된 구체적인 사용재료는 아래와 같다.
<사용재료>
칼슘설포알루미네이트(CSA): 분말도 4,000~6,000cm2/g, 중국산 시판품을 이용.
무수석고: Ⅱ형 무수석고, 국내산 시판품을 이용.
메타카올린: 분말도 100,000~120,000cm2/g, 중국산 시판품을 이용.
플라이애쉬: 분말도 3,000~4,000cm2/g, 충남 태안산 시판품을 이용.
<시험방법>
모르타르 압축강도 시험:
- 급결제 무첨가: KS L ISO 679 "시멘트의 강도 시험 방법" 규정에 따름.
- 급결제 첨가: KS F 2782 "숏크리트용 급결제" 규정에 따름.
혼화재 조성물 첨가량 : 시멘트 중량 대 혼화재 조성물의 중량비 = 90:10
Figure 112009038391119-PAT00001
Figure 112009038391119-PAT00002
* 표 1 및 표 2에서 CSA는 칼슘설포알루미네이트(CSA)를 의미한다.
실시예 1에 대한 실험결과에 의하면, 급결제의 첨가 유무와 관계없이, 압축강도는 실시 No. 1a-7 및 실시 No. 1b-7의 조건에서 가장 우수하게 나타났으나, 메타카올린의 함유량이 많을수록 가격이 비싸지게 되어 경제성에서 불리하다. 따라서 압축강도가 실시 No. 1a-7 및 No. 1b-7에 비해서는 다소 작지만 경제성을 고려할 때 실시 No. 1a-3 및 No. 1b-3의 조건 (CSA 15중량%, 무수석고 35중량%, 메타카올린 10중량%, 플라이애쉬 40중량%)이 최적 배합조건이 될 수 있다.
(실시예 2)
앞서 살펴본 실시예 1에서 도출된 최적 조건인 실시 No. 1a-3 및 No. 1b-3의 조건 CSA 15중량%, 무수석고 35중량%, 메타카올린 10중량%, 플라이애쉬 40중량%에 아래의 표 3과 같이 증점제와 감수제를 첨가하여 혼화재 조성물을 제조하고 특성을 평가하였다. 표 3은 급결제를 첨가하지 않은 베이스 콘크리트의 시험결과이고 표 4는 국내에서 시판된 알칼리프리계 급결제를 시멘트의 중량을 100이라고 했을 때 8중량부로 첨가한 베이스 콘크리트의 시험결과이다.
압축강도 시험방법은 KS F 2405 "콘크리트의 압축강도 시험방법"에 따라 시험하였으며 이 때 사용된 콘크리트 배합비는 아래의 표 5와 같다.
<사용재료>
감수제: 폴리카르복실산계 감수제 (시판품을 이용)
증점제: 세피올라이트 (시판품을 이용)
<시험방법>
압축강도 시험
- 급결제 무첨가: KS F 2405 "콘크리트의 압축강도 시험방법" 규정에 따름.
- 급결제 첨가: 표 5의 배합비로 제조된 생 콘크리트에 적정량(시멘트 대비 8중량%)의 급결제를 첨가한 후 KS L 5109에 적합한 믹서를 사용하여 10~15초간 혼합한 후 진동대와 다짐봉을 사용하여 표면이 평활하게 될 때까지 다져서 공시체를 제조한다. 제조된 공시체는 KS F 2405 "콘크리트의 압축강도 시험방법" 규정에 따라 재령별로 압축강도를 측정한다.
슬럼프: KS F 2402 "콘크리트의 슬럼프 시험방법" 규정에 따름.
공기량: KS F 2409 "굳지 않은 콘크리트의 단위용적 질량 및 공기량 시험방법(질량방법)" 규정에 따름.
Figure 112009038391119-PAT00003
Figure 112009038391119-PAT00004
Figure 112009038391119-PAT00005
*고성능감수제: 폴리카르복실산계 감수제
실시예 2에 대한 시험 결과에 따르면, 감수제는 0.25중량%이상 첨가하였을 경우 슬럼프 과다해지는 결과를 초래하였고, 증점제는 0.1중량% 사용시 슬럼프 저감 및 강도가 하락하는 결과를 나타내었다. 따라서 실시 No. 2a-1, 2b-1, 2a-2 및 2b-2의 배합조건이 적합한 것을 알 수 있었고, 이들 중 경제성을 고려하면 실시 No. 2a-1 및 2b-1(감수제 0.05중량%, 증점제 0.05중량%)의 경우가 최적 배합조건이 될 수 있다.
(비교예)
앞서 살펴본 실시 No. 2a-1(표 3 참조) 및 No. 2b-1(표 4 참조)의 혼화재를 혼합한 콘크리트와, 혼화재를 첨가하지 않은 베이스 콘크리트(Plain)와, 기존 메타카올린을 혼합한 콘크리트의 특성을 비교·평가한 결과를 표 6과 표 7에 나타내었다. 표 6은 급결제를 첨가하지 않은 베이스 콘크리트의 시험결과이고 표 7은 국내에서 시판되는 알칼리프리계 급결제를 시멘트의 중량을 100이라고 했을 때 8중량부로 첨가한 베이스 콘크리트의 시험결과이다. 시험방법은 실시예 2와 같고 콘크리트 배합비는 표 8에 나타내었다.
Figure 112009038391119-PAT00006
Figure 112009038391119-PAT00007
Figure 112009038391119-PAT00008
위의 표 6 내지 표 8에서 비교 No. 란의 "2a-1"은 본 발명에 따른 혼화재 조성물로서 앞서 살펴본 실시 No. 2a-1에 따른 혼화재 조성물을 첨가한 콘크리트를 의미하며, 'Plain"은 혼화재를 혼합하지 아니한 콘크리트를 의미하고, "MK"는 메타카올린을 주성분으로 하는 종래의 광물질 혼화재를 혼합한 콘크리트를 의미한다. 표 8에서 "단위재료량" 란에 기재된 "혼화재"는 앞서 살펴본 실시 No. 2a-1에 따른 혼화재 조성물을 의미하며, "MK"는 메타카올린을 의미한다.
위와 같은 비교예의 시험결과에 따르면, 본 발명에 따른 혼화재 조성물로서 실시 No. 2a-1에 따른 혼화재 조성물을 적용한 콘크리트가 베이스 콘크리트(Plain) 및 메타카올린 사용 콘크리트(MK)에 비해서 조기강도(재령 1일)가 매우 우수하게 나타났다. 이러한 결과는 급결제 첨가 유무에 관계없었다. 메타카올린을 주재료로 한 종래의 광물질 혼화재를 사용한 콘크리트는, 급결제를 첨가하지 않은 경우 장기강도(재령 28일)가 본 발명에 따른 실시 No.2a-1 혼화재 조성물 사용 콘크리트에 비해 다소 높았으나 급결제를 첨가한 경우는 유사한 결과를 나타내었다.
(실시예 3)
위의 실시예 2의 실시 No. 2a-1의 혼화재 조성물(표 3 참조)을 혼입한 숏크리트와 기존의 고반응성 메타카올린을 혼입한 숏크리트의 성능을 실제 숏크리트 타설을 통해 비교·검토하였다.
본 실시예에서 적용된 숏크리트의 배합조건은 다음의 표 9와 같다.
Figure 112009038391119-PAT00009
도 1은 실제 터널 현장에서 숏크리트를 타설한 상태를 보여주는 사진인데, 도 1과 숏크리트를 터널 현장에서 타설한 후, 직경이 100 mm인 코어를 타설 몰드로부터 회수·성형하여 재령 1일, 7일 및 28일에 대해 실험하였다. 성능 비교를 위해 숏크리트 타설 직전에 레미콘으로부터 베이스 콘크리트 공시체를 사전에 제작하였다. 압축강도 시험은 KS F 2405의 "콘크리트 압축강도 시험방법"에 의하여 실시하였다.
한편, 숏크리트의 3시간 압축강도를 채취된 코어에 대한 압축시험으로부터 구하는 것은 현실적으로 불가능하므로, 일본에서 제시한 공기압식 pin 관입시험(Iwaki 등의 연구보고서 참조, 2001)에 의해 재령 3시간 및 재령 1일 압축강도를 추정하였다. 도 2는 숏크리트 강도 추정을 위한 핀 관입시험의 광경을 보여주는 사진이다.
본 발명에 따른 실시예 2의 실시 No. 2a-1의 혼화재 조성물을 혼입한 숏크리트와, 메타카올린을 혼입한 숏크리트 모두 재령 3시간 추정 압축강도가 1 MPa를 상회하였다. 특히, 메타카올린을 혼입한 숏크리트와 본 발명에 따른 실시예 2의 실시 No. 2a-1의 혼화재 조성물을 혼입한 숏크리트의 재령 3시간 추정 압축강도는 각각 1.65 MPa(오차범위 0.24 MPa)및 1.42 MPa(오차범위 0.20 MPa)로 나타나 거의 동등한 성능을 발현하였으며, 시험오차를 고려하더라도 재령 3시간 압축강도 1 MPa 이상을 무난히 달성한 것으로 나타났다.
무엇보다도 본 발명에 따른 실시예 2의 실시 No. 2a-1의 혼화재 조성물에 함유된 플라이애쉬로 인한 조기강도 저하 영향은 나타나지 않은 것으로 확인되었다. 재령 3시간과 같은 조기재령에서 숏크리트의 압축강도 발현은 미분말 혼화재보다는 급결제의 성능에 크게 좌우되기 때문인 것으로 판단된다.
본 발명에 따른 실시예 2의 실시 No. 2a-1의 혼화재 조성물을 혼입한 숏크리트에 대해 실험실 압축시험을 통해 측정한 재령 1일 평균 압축강도는 22.99 MPa로서 메타카올린을 혼입한 숏크리트의 20.09 MPa보다 크게 나타났다. 이는 조기강도를 향상시키기 위해 첨가된 칼슘설포알루미네이트 및 무수석고의 효과가 발현되었기 때문인 것으로 판단된다.
메타카올린을 혼입한 숏크리트와 본 발명에 따른 실시예 2의 실시 No. 2a-1의 혼화재 조성물을 혼입한 숏크리트의 재령 28일 평균 압축강도는 각각 44.54 MPa과 45.73 MPa로서 조기재령과 마찬가지로 거의 동등한 성능을 나타내었다. 이는 베이스 콘크리트의 압축강도와 비교할 때 77.8∼87.5% 수준이었다. 도 3은 재령별 숏크리트 및 베이스 콘크리트의 압축강도 변화를 보여주는 그래프도이다. 닫힌 사각형 레전드(legend)로 표시된 그래프는 메타카올린을 혼입한 숏크리트(급결제 사용)에 대한 것이고, 열린 원형 레전드로 표시된 그래프는 본 발명에 따른 혼화재 조성물을 혼입한 숏크리트(급결제 사용)에 대한 것이다. 닫힌 정삼각형 레전드로 표시된 그래프는 메타카올린을 혼입한 베이스 콘크리트(급결제 미사용)에 대한 것이고, 열린 역삼각형 레전드로 표시된 그래프는 본 발명에 따른 혼화재 조성물을 혼입한 베이스 콘크리트(급결제 미사용)에 대한 것이다. 그래프에서도 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 혼화재 조성물을 사용할 경우, 경제적으로 장기재령에서 숏크리트의 고강도를 확보할 수 있다는 것이 실험을 통해 확인되었다.
이상의 실시예로부터, 본 발명의 분체 혼화재 조성물을, 메타카올린 또는 실리카흄의 대체 재료로 활용할 수 있는 적용성이 검증되었다. 특히, 본 발명에 포함된 플라이애쉬로 인한 숏크리트 조기강도 저하 영향은 없는 것으로 파악할 수 있었다. 이는 조기재령에서 본 발명에 포함된 칼슘설포알루미네이트 및 무수석고가 숏크리트의 높은 조기강도 발현에 기여하였기 때문이다. 그 이후의 재령부터는 재료 내부의 공극 등을 채우는 마이크로 필러 효과를 가지고 있고 포졸란(pozzolan) 반응을 하는 메타카올린과 플라이애쉬에 의해 숏크리트의 재질이 치밀하게 되어 높은 강도를 발현하였던 것으로 판단된다.
위에서 알 수 있듯이, 본 발명에서는 고강도/고내구성 숏크리트의 적용을 위하여 고강도 분체 혼화재 조성물이 제안되었는데, 아래와 같이 기존 광물질 혼화재인 메타카올린의 단점을 개선하게 되는 효과가 발휘된다.
첫째, 콘크리트 생산 시 소정의 슬럼프를 확보하는데 단위수량을 줄일 수 있어 강도 및 내구성을 향상시킬 수 있게 된다.
둘째, 숏크리트의 장기강도 및 내구성 향상 외에도 기존 광물질 혼화재가 가지지 못했던 숏크리트의 조기강도 증진효과가 매우 우수하게 되었다.
셋째, 기존 광물질 혼화재인 메타카올린 및 실리카흄은 고가이어서 국내 적용이 어려웠지만 산업폐기물인 플라이애쉬의 적용으로 제조 가격이 저렴해지고 그에 따라 경제성이 확보됨으로 상용화가 용이하게 된다.
도 1은 실제 터널 현장에서 숏크리트를 타설한 상태를 보여주는 사진이다.
도 2는 숏크리트 강도 추정을 위한 핀 관입시험의 광경을 보여주는 사진이다.
도 3은 재령별 숏크리트 및 베이스 콘크리트의 압축강도 변화를 보여주는 그래프도이다.

Claims (3)

  1. 숏크리트에 혼입되는 혼화재 조성물로서, 혼화재 조성물 전체 중량에 대해,
    메타카올린 5~20%, 칼슘설포알루미네이트 5~20중량%, 무수석고 20~45중량% 및 플라이애쉬 30~50중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 숏크리트용 혼화재 조성물.
  2. 청구항 1에 있어서,
    혼화재 조성물 전체 중량에 대해 감수제 0.05~1.0중량% 및 증점제 0.01~0.1중량%를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 숏크리트용 혼화재 조성물.
  3. 물, 골재 및 시멘트를 포함하는 숏크리트로서, 청구항 1 또는 청구항 2의 숏크리트용 혼화재 조성물을 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 숏크리트.
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