KR20110139509A

KR20110139509A - 섬유가 혼입된 숏크리트 조성물

Info

Publication number: KR20110139509A
Application number: KR1020100059637A
Authority: KR
Inventors: 전중규; 김경철
Original assignee: 코오롱건설주식회사
Priority date: 2010-06-23
Filing date: 2010-06-23
Publication date: 2011-12-29
Also published as: KR101187662B1

Abstract

본 발명은 섬유가 혼입된 숏크리트 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세히 설명하면 숏크리트를 배합함에 있어 2중 구조를 가진 섬유를 적정 배합비로 배합하여 휨강도, 휨인성이 우수한 것은 물론 분산성이 우수하여 낮은 슬럼프에서도 분사가 가능하며, 분사 시 리바운드율이 저하되어 섬유 분포의 균일성으로 인해 내구성이 우수한 터널 등 구조물의 조성이 가능한 숏크리트 조성물에 관한 것이다.

Description

섬유가 혼입된 숏크리트 조성물{A Shortcrete Composition With Fiber}

일반적으로 터널 공사 시 터널 굴착면의 숏크리트층에 부직포를 먼저 고정시키고 부직포에 방수막을 열 접합시킨 다음 그 위에 콘크리트 라이닝을 타설하는 DOUBLE CELL 공법(NATM 공법)이 사용된다.

한편, 저장탱크, 저장고 등 단면성형성의 문제로 상기에서 언급한 DOUBLE CELL 공법(NATM 공법)을 사용하지 못하는 경우에 적용되는 공법으로 콘크리트 라이닝을 시공하지 않는 SINGLE CELL 공법도 제시되고 있다.

상기 DOUBLE CELL 공법 및 SINGLE CELL 공법에 있어서 터널의 굴착면에는 숏크리트를 분사하여 형성되는 숏크리트층을 구비하여야 하는데, 종래에는 상기 숏크리트층을 구성하는 숏크리트에 강섬유를 혼입하여 숏크리트층의 강도, 균열 등을 보강하였다.

그러나, 숏크리트에 강섬유를 혼입하여 사용하는 경우 수분이 다량 존재하는 터널 등의 공사현장에 사용 시 강섬유가 쉽게 부식되고, 고가이고, 비중이 높아 도포 된 숏크리트층에서의 분산성이 떨어지고, 숏크리트층의 하중을 증가시키는 문제점이 있었다.

특히 터널 시공 시에 숏크리트층을 시공하기 위해 숏크리트에 강섬유를 혼입하여 분사하는 경우에 강섬유가 숏크리트에서 분산성이 좋지 않아 노즐에 있어 막힘현상이 발생하여 분사자체가 용이하지 않으며, 이러한 막힘현상을 방지하기 위해 숏크리트의 슬럼프를 120mm 이상으로 배합하여 분사함에 따라 강섬유의 비중 때문에 리바운드가 커져 숏크리트층 외부로 강섬유가 노출되는 문제와 숏크리트의 강도에도 문제가 있었다.

상기와 같은 종래 문제점을 해결하기 위해서, 최근에는 미국등록특허 5,749,961호 및 대한민국 공개특허 2003-47669호 등에서와 같이 보강재료로서 강섬유 등의 강재 보강재료 대신에 합성섬유를 사용하는 방안이 활발하게 연구되고 있다.

구체적으로, 합성섬유는 강섬유에 비해 비중이 작고, 내식성이 우수하면서도 시멘트 경화체의 균열저항을 보강시켜 주는 효과도 얻을 수 있다.

그러나, 합성섬유는 시멘트 경화체의 휨인성 등의 기본적인 구조성능을 향상시키지는 못하고 숏크리트를 포함한 시멘트 경화체의 균열발생을 방지하는 효과만을 발현하는 것으로 알려져 있다.

이러한 문제에 기해 합성섬유가 숏크리트의 기본적인 구조성능을 향상시키고자 하는 경우에는 합성섬유의 사용량을 증가해야 하나, 사용량이 증가하면 숏크리트 내 분산이 어려워져 숏크리트의 압축강도, 휨인성 등의 물성이 저하되고 숏크리트를 구성하는 시멘트 페이스트와 부착성도 저하된다.

본 발명은, 숏크리트 경화체에서 휨인성 등 구조성능을 향상시킴은 물론, 분산성, 부착성 및 시공성이 우수한 섬유가 혼입된 숏크리트 조성물을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 수단으로 본 발명은,

섬유를 포함하는 숏크리트 조성물에 있어서, 숏크리트 단위체적에 대하여, 시멘트를 포함하는 결합재 300 내지 600㎏/㎥ 과; 물 180 내지 240㎏/㎥과; 잔골재 800 내지 1200㎏/㎥과; 굵은 골재 400 내지 700㎏/㎥를 포함하여 조성되되

상기 섬유는, 중앙부에 복수의 섬유가닥으로 구성되는 직선부와, 상기 직선부를 복수의 섬유가닥이 감싸는 외주연부와, 상기 직선부와 상기 외주연부의 양단에 각각의 섬유가닥이 풀어진 형상의 부착부가 구성된 2중 구조를 가진 섬유로 구성됨을 특징으로 하는 섬유를 포함하는 숏크리트 조성물을 제공한다.

본 발명에 있어 시멘트를 포함하는 결합재(binder)는 숏크리트 단위체적에 대하여 시멘트를 포함하는 결합재 300 내지 600㎏/㎥ 를 포함한다. 상기 결합재는 강도발현 측면에서 300㎏/㎥이상을 포함되는 것이 바람직하고, 경제성.유동성 측면에서 600㎏/㎥이하로 포함되는 것이 바람직하다.

더욱 바람직하게는 상기 시멘트를 포함하는 결합재는 시멘트로 KS L 5201 규격의 포틀랜드시멘트 1,2,4종 중 하나 이상의 혼합물과 결합재로는 고로슬래그 미분말, 플라이애시 및 실리카퓸 외 광물질 혼화재 1종 이상을 추가하여 구성할 수 있다.

상기에서 언급한 고로슬래그 미분말은 그 자체로는 수경성이 없지만 시멘트 속의 알칼리성을 자극하여 천천히 수화하는 특징이 있으며, 숏크리트의 워커빌리티 및 장기 강도가 증진되며, 조직이 치밀하여 수밀성 및 화학적 저항성을 향상시킨다.

플라이애시는 화력발전소 등에서 분탄을 연소시킬 때 불연 부분이 용융상태로 부유하는 것을 냉각 고화시켜 채취한 미분탄재를 사용할 수 있다. 상기 플라이애시는 KS L 5405 규격에 준하는 밀도가 1.95g/㎤ 이상이고, 비표면적이 30,000g/㎤ 이상인 것을 사용할 수 있다. 또한 플라이애시는 표면이 매끈한 구형입자이기 때문에 볼 베어링 작용을 하여 숏크리트 워커빌리티, 즉 유동성을 좋게 하고, 숏크리트 속에서 물에 녹아 있는 수산화칼슘과 상온에서 천천히 화합하여 불용성 화합물을 생성시킴으로써 수화열 저감, 장기강도 및 수밀성을 증대시킬 수 있다.

본 발명의 조성물 중 물은 숏크리트 단위체적에 대하여 180 내지 240㎏/㎥을 포함하며, 물의 함량은 강도 및 유동성 측면에서 최적 범위로 선택적으로 조절할 수 있는 것이다.

본 발명에 있어 잔골재는 숏크리트 단위체적에 대하여 800 내지 1200㎏/㎥을 포함하며, 상기 잔골재는 유동성 및 재료분리저감 측면에서 상기 함량 범위로 한정하는 것이 타당하다. 또한 굵은 골재는 숏크리트 단위체적에 대하여, 400 내지 700㎏/㎥를 포함하는 것이 유동성 및 재료분리저감 측면에서 바람직 할 것이다.

특히 본 발명에 있어 상기 섬유는 숏크리트 단위체적에 대하여 0.5를 초과하고 1.0%이하를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 섬유의 함량이 숏크리트 단위체적에 대하여 0.5%이하이면 이하에서 설명할 터널설계기준 및 한국도로공사 표준시방서의 등가휨강도비의 기준을 만족하지 못하며 이와 더불어 균열제어 측면에서도 불리하게 되는 것이다. 또한 상기 섬유가 1.0%를 초과하면 숏크리트 분사 시 뭉침 등이 발생하여 분산성이 저하되며, 강도면에서도 분리하게 되는 것이다.

한편 상기 2중 구조를 가진 섬유는 공기교락에 의해 루프가 형성됨을 특징으로 한다.

또한, 다른 실시 예로서 상기 2중 구조를 가진 섬유 중 상기 외주연부는 직조된 형상으로 구성될 수 있다.

또한 본 발명의 숏크리트 조성물은 슬럼프를 80 내지 120mm로 하는 것이 바람직한 바, 더욱 바람직하게는 숏크리트의 슬럼프를 80mm로 하는 것이 바람직하다. 이는 상기 종래기술에서도 설명한 바와 같이 종래의 강섬유를 혼입하여 숏크리트를 배합하는 경우 뭉침, 노즐막힘 등의 문제에 기해 120mm이상으로 슬럼프를 맞추는데 이렇게 슬럼프를 높이면 숏크리트의 강도가 낮아질 뿐만 아니라 점성이 약해져 리바운드율이 높아지는 문제가 발생하여 결국 구조물의 내구성이 저하되는 것이다.

그러나 본 발명에서는 2중 구조를 가진 섬유를 혼입하여 숏크리트를 배합하므로 분사장치의 노즐에서 2중 구조를 가진 섬유의 탄성에 기해 노즐에서 막힘이 발생하지 않으며, 분산성이 좋아 슬럼프를 일반적인 숏크리트의 슬럼프인 80mm로 맞추어도 노즐에서의 막힘현상이 발생하지 않으며, 점성 및 2중 구조를 가진 섬유의 재질 등에 기해 리바운드율이 낮아지므로 이러한 숏크리트 조성물을 사용한 터널 등 구조체의 내구성이 향상되는 것이다.

이에 더하여 상기 2중 구조를 가진 섬유에 있어서 직선부와 외주연부를 구성하는 섬유가닥을 폴리아미드로 구성하여 친수성에 기해 시멘트와의 부착력을 증진시킬 수 있으며, 다른 실시 예로 직선부를 다수의 섬유가닥으로 구성하되 폴리아라미드, 고강력 폴리에틸렌, 탄소섬유 등 고강력 원사를 사용함으로서 숏크리트 내에서 플렉시블 하게 될 수 있도록 하여 분산성을 향상시킬 수 있게 되는 것이다.

특히 상기 2중 구조를 가진 섬유는 그 외주연에에 에스테르계 윤활제, 비이온성 계면활성제 및 대전방지제를 포함하는 코팅층이 도포됨이 타당한 바, 이러한 코팅층을 통해 숏크리트 내 분산성이 크게 향상될 수 있다. 즉 코팅층의 친수기와 친유기에 기해 섬유 간의 정전기적 반발력이 발생하여 섬유간 뭉침이 방지되고 이로 인해 분산성이 향상되는 것이다.

이러한 분산성의 개선효과를 고려하여 상기 코팅층은 섬유의 전체중량 대비 0.5 내지 3중량%가 바람직하다. 더욱 바람직하게는 상기 코팅층은 다가알코올 에스테르 윤활제 40 내지 50중량%, 비이온계 계면활성제 30 내지 40중량% 및 대전방지제 10 내지 30중량%로 구성되는 것을 사용할 수 있다.

한편 상기 섬유는 5mm의 게이지 길이로 측정한 강도가 7.5g/d이상, 바람직하게는 9.5g/d 이상이고, 5mm의 게이지 길이로 측정한 신도가 50% 내지 120%, 바람직하게는 70 내지 110%가 될 수 있다. 섬유의 강도 및 신도가 상기 범위를 벗어나는 경우 숏크리트의 균열저항 등의 면에서 불리하게 될 것이다.

또한 상기 섬유는 상대점도(RV)가 2.9이상, 바람직하게는 3.2이상이 될 수 있으며, 섬유보강재의 상대점도(RV)가 상기 범위보다 낮으면 섬유자체의 강도 및 내마모 특성이 저하될 수 있다.

또한 본 발명에서 섬유는 섬도가 1 내지 10데니어, 바람직하게는 1.5 내지 5 데니어인 것을 사용할 수 있다. 상기 섬도가 1 데니어 미만인 경우에는 섬유 표면적이 증가해서 숏크리트와의 접촉면적이 증가하는 장점은 있으나, 섬유 자체의 강도가 저하되고 숏크리트내 섬유의 분산성이 저하될 수 있다. 반면에 섬도가 10데니어를 초과하는 경우에는 숏크리트 단위면적당 섬유개수가 감소하여 상대적으로 취약부가 형성될 위험이 발생될 수 있다.

한편 상기 섬유의 직경은 0.02mm ~ 10mm까지 가능하나, 더욱 바람직하게는 0.2mm ~ 0.6mm로 한정함이 타당하다. 0.2mm 미만의 경우에는 모노 필라멘트와 큰 차이를 나타내지 못하였으며, 공기교락에 있어서도 다수의 필라멘트를 사용할 수 없기 때문에 제조하기가 힘들며 인장강도가 낮아 숏크리트에서 구조적 성능을 발현시키기 어렵다. 반대로 직경이 0.6mm를 초과하는 경우에는 공기교락 가공이 어려울 뿐더러 시멘트 페이스트 내에서 이중층이 생기게 되므로 구조적으로 불리하게 되는 것이다.

또한, 상기 섬유는 그 길이를 10 내지 200mm로 한정하는 것이 바람직한 바, 10mm미만의 경우는 상기 섬유가 숏크리트 내에서 강도발현 및 균열제어에 효과를 발현하는 것이 미미하고, 상기 섬유 자체가 숏크리트 내에서 모두 풀려버릴 수 있어 2중 구조의 섬유가 유지되지 않아 문제가 발생할 수 있으며, 또한, 상기 섬유가 200mm를 초과하는 경우 상기 섬유 간에 뭉침이 발생하여 분산성이 저하될 수 있고, 노즐막힘 현상이 발생할 수 있기 때문이다.

본 발명인 섬유를 포함하는 숏크리트 조성물은 섬유 등 적정의 조성비를 제시하여 압축강도, 인장강도, 휨강도 및 휨인성이 우수한 구조체를 제공하는 효과가 있다.

또한, 본 발명인 섬유를 포함하는 숏크리트 조성물은 2중 구조를 가진 섬유의 구조 및 재질에 기해 뭉침이 발생하지 않아 분산성이 우수하고, 슬럼프를 낮게 가져가도 노즐막힘이 없으며, 리바운드율이 낮아져 시공성, 경제성이 우수한 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 구성인 2중 구조를 가진 섬유의 일 실시 예를 나타내는 개략도이고,
도 2는 도 1에 도시된 2중 구조를 가진 섬유에 있어 공기교락을 시키는 개략도를 나타내는 사시도이고,
도 3은 본 발명의 일 구성인 2중 구조를 가진 섬유의 다른 실시 예를 나타내는 분해사시도이고,
도 4는 본 발명의 섬유가 혼입된 숏크리트 조성물이 분사되는 형상을 나타내는 개략도이고,
도 5는 본 발명의 실시 예 및 비교 예의 압축강도 실험치를 나타내는 그래프이고,
도 6은 본 발명의 실시 예 및 비교 예의 인장강도 실험치를 나타내는 그래프이고,
도 7은 본 발명의 실시 예 및 비교 예의 휨강도 실험치를 나타내는 그래프이고,
도 8은 본 발명의 실시 예 및 비교 예의 등가휨강도비 실험치를 나타내는 그래프이고,
도 9는 본 발명의 실시 예의 섬유 혼입률에 따른 휨강도 실험치를 나타내는 그래프이고,
도 10은 본 발명의 실시 예의 섬유 혼입률에 따른 등가휨강도비 실험치를 나타내는 그래프이다.

이하, 본 발명의 구성 및 작용을 첨부된 도면에 의거하여 좀 더 구체적으로 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

일반적으로 섬유를 포함하는 숏크리트의 파괴는 섬유와 콘크리트 사이의 부착된 면의 파괴로써 발생하므로 이런 부착성을 증진하기 위하여 본 발명에서는 섬유표면의 화학적처리(Coating)로서 코팅층을 부가하고 역학적인 방법(Surface indenting, notching)으로서 2중 구조를 가진 섬유를 제시하여 섬유와 콘크리트 계면의 부착력을 증진시킴과 동시에 숏크리트 내에서 분산성을 향상시켰다.

본 발명의 숏크리트 조성물의 일 구성으로 2중 구조를 가진 섬유가 제시되는 바, 이러한 2중 구조를 가진 섬유는 중앙부에 복수의 섬유가닥으로 구성되는 직선부와, 상기 직선부를 감싸면서 구성되는 외주연부와, 상기 직선부와 외주연부의 양단에서 각각의 섬유가닥이 풀어진 형상으로 구성되는 부착부를 형성하는 것을 특징으로 한다.

즉 도 1에서 보는 바와 같이 숏크리트 조성물에 의한 구조체(20)에 있어 상기 구조체(20)는 물과 시멘트가 혼합된 시멘트 페이스트(21)와 2중 구조를 가진 섬유(100)가 배합되어 형성된다.

본 발명에 있어 2가지 실시 예의 2중 구조를 가진 섬유(100, 100a)가 제시되는 바, 상기 2중 구조를 가진 섬유(100, 100a)는 중앙부에 복수의 섬유가닥(S)으로 구성되는 직선부(110, 110a)와 상기 직선부(110, 110a)를 복수의 섬유가닥(S)이 감싸도록 구성되는 외주연부(120, 120a)와 상기 직선부(110, 110a)와 외주연부(120, 120a)의 양단에서 각각의 섬유가닥(S)이 풀어진 형상으로 구성되는 부착부(130, 130a)로 구성됨을 특징으로 한다.

상기 2중 구조를 가진 섬유(100, 100a)는 상기 직선부(110, 110a)와 상기 외주연부(120, 120a)에 의해 2중 구조를 형성하게 되는 것으로 이하에서는 “섬유(100, 100a)”라 칭한다.

우선 첫 번째 실시 예로서 섬유(100)는 도 1에서 보는 바와 같이 복수의 섬유가닥으로 구성된 직선부(110)와 이를 감싸는 외주연부(120) 및 그 양단의 부착부(130)로 구성되되, 상기 직선부(110)와 상기 외주연부(120)는 도 2에서 보는 바와 같이 복수의 섬유가닥(S)에 의해 형성되는 직선부(110)와 외주연부(120)를 공기교락 시킴에 의해 각각의 섬유가닥(S)을 교락시키도록 하는 것이다. 즉 이렇게 제조된 섬유(100)는 그 표면에 다수의 루프(R)를 형성하게 되고 이러한 루프(R)가 시멘트 페이스트(21)와의 부착성능을 향상시키게 되는 것이다.

여기서 “공기교락”이라함은 도 2에서 보는 바와 같이 공기교락장치 내에 복수의 섬유가닥(S)으로 구성된 직선부(110) 및 외주연부(120)로 구성된 모체를 공급하여 고압의 공기를 분사함에 의해 섬유가닥(S) 간을 교락시키는 것을 말한다.

이렇게 섬유(100)를 구성하는 경우에 상기 직선부(110) 및 상기 외주연부(120)는 동일한 재질로 구성될 수 있음은 물론이나, 더욱 바람직하게는 상기 직선부(110)는 강도 및 유연성을 증가시키기 위해 폴리아라미드, 고강력 폴리에틸렌, 탄소섬유 등 고강력섬유가닥(S)을 사용하는 것이 타당하고, 외주연부(120)는 숏크리트와 접촉을 위해 친수성의 폴리비닐알코올, 폴리아미드 등을 사용하는 것이 타당하다. 즉 외주연부(120)는 친수성의 섬유가닥(S)으로 제조함에 의해 수소결합에 의해 숏크리트와의 부착력을 증진시킬 수 있게 되는 것이다.

한편 본 발명에서는 다른 실시 예로서 섬유(100a)가 제시되는 바, 복수의 섬유가닥(S)으로 구성되는 직선부(100a)와, 상기 직선부(100a)를 감싸면서 직조된 형상의 외주연부(120a)를 제시한다. 상기 외주연부(120a)는 복수의 섬유가닥(S)이 다방향에서 직조에 의해 형성됨에 의해 상기 직선부(110a)에 의해 직선성을 유지한 상태에서 다방향에서의 인장강도가 보강되도록 하기 위함이다.

따라서 상기 외주연부(120a)는 복수의 섬유가닥(S)이 도 3에서 보는 바와 같이 섬유가닥(S)을 섬유(100a)의 원주방향(X축 방향)과 축방향(Y축 방향), 상기 원주방향과 축방향 사이에 대각선 방향으로 4방향에서 각각의 섬유가닥을 직조하여 제조하는 것이다. 이렇게 다방향에서 섬유가닥을 직조함에 의해 외주연부(120a)를 형성하여 섬유(100a)는 축방향에서만이 아니라 원주방향 및 대각선 방향에서도 강도가 보강됨에 의해 다방향에서 외력에 의한 저항성능을 향상시킬 수 있게 되는 것이다. 또한, 상기 외주연부(120a)가 복수의 섬유가닥(S)이 다방향에서 직조에 의해 형성됨으로서 외주연부(120a) 표면에 굴곡이 형성되어 시멘트 페이스트(21)와의 부착력이 향상되어 결국 구조체(20)의 강도가 보강되는 것이다.

여기서 직선부(100, 100a)는 복수의 섬유가닥(S)에 의해 형성되는 것으로 외주연부(120, 120a)의 내부에 안치되면서 섬유(100, 100a)의 형상(직선성)을 잡아주는 기능을 하는 것으로 이러한 직선부(110, 110a)에 기해 섬유(100, 100a)간에 뭉침에 의한 분산성 저하를 방지할 수 있게 되어 숏크리트를 분사함에 있어 분사노즐이 막힘이 방지될 수 있는 것이며, 숏크리트의 슬럼프를 높게 할 필요가 없는 것이다. 또한, 직선부(110, 110a)에 기해 시멘트 페이스트(21)에서 직선성을 유지하도록 함으로써 구조체(20)에 인장강도가 보강되는 것이다.

특히 본 발명에 있어서, 상기 섬유(100, 100a)는 상기 직선부(110, 110a)와 외주연부(120, 120a)의 양단에서 각각의 섬유가닥(S)이 풀어진 형상으로 구성되는 부착부(130, 130a)가 형성되도록 제조한다.

상기 부착부(130, 130a)는 상기 직선부(110, 110a)와 외주연부(120, 120a)를 구성하는 섬유가닥(S)이 풀어진 형상으로 구성되도록 하여 시멘트 페이스트(21)와의 부착력을 증진시킬 수 있는 것이다. 상기 부착부(130, 130a)는 다양하게 형성되도록 제조될 수 있는 바, 상기 직선부(110, 110a)와 상기 외주연부(120, 120a)만이 구성된 상태에서 시멘트 페이스트(21)를 구성하는 시멘트 입자에 기해 직선부(110, 110a) 및 외주연부(120, 120a) 양단에서 각각을 구성하는 섬유가닥(S)간의 부착이 헐거워지면서 직경이 확장되는 형상으로 배합과정에서 구성될 수 있고, 배합 전에 상기 직선부(110, 110a)와 상기 외주연부(120, 120a)만이 구성된 모체상태에서 느린 속도로 진동을 주면서 절단을 하여 섬유(100, 100a)의 양단에서 섬유가닥(S)들 상호간의 부착이 헐거워지도록 하여 직경이 확장되는 형상으로 구성될 수 있다. 즉 이렇게 부착부(130, 130a)를 구성함에 의해 섬유가닥(S)간의 부착이 헐거워짐에 따라 발생하는 간극 사이로 시멘트가 충진 되어 섬유(100, 100a)와 시멘트 페이스트(21) 간의 결합력이 증대되는 것이다.

또한, 상기 부착부(130, 130a)를 구성함에 있어서 상기 섬유의 직선부(110, 110a)와 외주연부(120, 120a)를 구성하는 섬유가닥(S) 간에는 비부착으로 제조함이 타당한 바, 이는 각각의 섬유가닥(S) 간을 비부착으로 구성하여 상기 부착부(130, 130a)가 용이하게 형성되도록 하기 위함이다. 이렇게 섬유가닥(S) 간을 비부착으로 구성하더라도 각각의 섬유가닥(S) 간에 마찰력이 작용하여 어느 정도의 부착력은 발생하는 바, 섬유(100, 100a)의 형상을 유지하는 것은 문제가 없다.

또한, 상기와 같이 제조된 상기 섬유(100a)에는 도 3에서 보는 바와 같이 상기 외주연부(120a)에 다가알코올 에스테르 윤활제, 비이온계 계면활성제 및 대전방지제를 포함하는 코팅층(140a)을 더 도포할 수 있는 바, 이렇게 외주연부(120a) 표면에 코팅층(140a)이 도포됨으로써 상기 섬유(100a)는 시멘트 페이스트(21) 내에서 분산성이 크게 향상된다. 즉 상기 섬유(100a)는 상기 외주연부(120a)에 에스테르계 윤활제, 비이온성 계면활성제 및 대전방지제를 포함하는 코팅층(140a)이 도포되어 이러한 코팅층(140a)을 통해 시멘트 페이스트(21) 내 분산성이 크게 향상될 수 있다. 또한, 숏크리트의 분사 시 노즐에 섬유 간의 엉킴이 발생하지 않아 구조체(20)의 시공이 용이하게 되는 것이다.

한편 본 발명에서는 물과 시멘트가 혼합된 시멘트 페이스트(21)와 2중 구조를 가진 섬유(100)를 혼입하여 숏크리트를 배합하는 과정에서 숏크리트의 슬럼프를 80 내지 120mm로 하는 것이 바람직한 바, 더욱 바람직하게는 숏크리트의 슬럼프를 80mm로 하는 것이 바람직하다. 이는 상기 종래기술에서도 설명한 바와 같이 종래의 강섬유를 혼입하여 숏크리트를 배합하는 경우 뭉침, 노즐막힘 등의 문제에 기해 120mm이상으로 슬럼프를 맞추는데 이렇게 슬럼프를 높이면 숏크리트의 강도가 낮아질 뿐만 아니라 점성이 약해져 리반운드율이 높아지는 문제가 발생하여 결국 터널 등 구조체의 내구성이 저하되는 것이다. 그러나 본 발명에서는 2중 구조를 가진 섬유(100)를 혼입하여 숏크리트를 배합하므로 도 4에서는 보는 바와 같이 분사장치(1)의 노즐(2)에서 2중 구조를 가진 섬유(100)의 탄성에 기해 노즐(2)에서 막힘이 발생하지 않으며, 분산성이 좋아 슬럼프를 일반적인 숏크리트의 슬럼프인 80mm로 맞추어도 노즐(2)에서의 막힘현상이 발생하지 않으며, 점성 및 2중 구조를 가진 섬유(100)의 재질 등에 기해 리바운드율이 낮아지므로 결국 터널 등 구조체의 내구성이 향상되는 것이다. 도 4에서 보는 바와 같이 노즐(2)에서 분사되는 2중 구조를 가진 섬유(100)는 플렉시블하게 굴곡(A부분)을 형성하여 노즐(2)에서의 상호간의 뭉침 등에 기해 막힘이 발생하지 않으며, 노즐(2)로부터 분사된 후에는 이하에서 설명할 상기 직선부(110)에 기해 2중 구조를 가진 섬유(100)가 직선성을 유지하게 되어 숏크리트의 강도 및 균열면에서 기여를 하게 되는 것이다. 즉 2중 구조를 가진 섬유(100)에 있어서 직선부(110)를 다수의 섬유가닥(S)으로 구성하되 폴리아라미드, 고강력 폴리에틸렌, 탄소섬유 등 고강력 원사를 사용함으로서 숏크리트 내에서 플렉시블 하게 될 수 있는 것이다.

또한, 상기 섬유(100, 100a)는 그 길이를 10 내지 200mm로 한정하는 것이 바람직한 바, 10mm미만의 경우는 상기 섬유(100, 100a)가 숏크리트 내에서 강도발현 및 균열제어에 효과를 발현하는 것이 미미하고, 상기 섬유(100, 100a) 자체가 숏크리트 내에서 모두 풀려버릴 수 있어 2중 구조의 섬유가 유지되지 않아 문제가 발생할 수 있으며, 또한, 상기 섬유(100, 100a)가 200mm를 초과하는 경우 상기 섬유(100, 100a) 간에 뭉침이 발생하여 분산성이 저하될 수 있고, 노즐막힘 현상이 발생할 수 있기 때문이다.

이하에서는 본 발명의 섬유가 혼입된 조성물을 사용하여 실시 예 및 실험 예를 설명한다.

실시 예 및 실험 예

실시 예 및 실험 예에 사용되는 배합비 및 섬유는 하기 표 1 및 표 2에 나타난 바와 같다.

Types	W/C (%)	S/a (%)	Unit weight(㎏/㎥)				Fiber (%)
			W	C	S	G
Plain	44.9	65.4	211	470	1054	566	-
PAO.5	42.9	65.0	211	492	1036	566	0.5
PAO.6							0.6
PAO.7	42.9	64.3	218	508	1004	566	0.7
PAO.8							0.8
SO.5	44.9	65.4	211	470	1054	566	0.5
PPO.5	42.9	65.0	211	492	1036	566	1.0

상기 표 1에서 Plain은 섬유가 혼입되지 않은 비교예를 나타내는 것이고, PA0.5 내지 PA0.8은 섬유의 혼입량(0.6 내지 0.8%)에 따른 본 발명의 실시 예를 나타내는 것이고, S0.5는 강섬유가 단위 체적 당 0.5%가 혼입된 비교 예를 나타내는 것이고, PP 0.5는 타섬유가 단위 체적 당 0.5%가 혼입된 비교 예를 나타내는 것이다. 여기서 본 발명의 실시 예의 섬유라함은 표 2에서 도시된 폴리아미드섬유를 사용한 것이고, 타섬유라함은 폴리프로필렌섬유를 사용한 것이며, 강섬유도 표 2의 물성을 갖는 것을 사용하여 본 실험을 하였다.

우선 도 5는 상기 비교 예 및 실시 예에 의해 압축강도 실험결과를 나타내는 것으로 본 실험에서는 비교 예 및 실험 예 모두 터널 설계기준에 제시한 재령 28일, 21MPa를 모두 만족하는 결과를 얻었다. 따라서 설계기준에서 제시하는 압축강도면에서는 문제될 것이 없다.

다음으로 도 6은 비교 예 및 실시 예의 인장강도를 나타낸 것으로 Plain 및 PP0.5보다 PA0.6, SF0.5가 인장강도가 큰 것을 알 수 있는 바, 섬유를 포함하지 않은 비교 예 및 타 섬유를 포함하는 비교 예보다 본 발명의 섬유를 포함하는 실시예 및 강섬유를 포함하는 비교 예가 인장강도면에서 유리함을 알 수 있다. 이는 본 발명의 2중 구조를 가진 섬유가 강섬유와 거의 동일하게 섬유와 콘크리트 간의 가교작용을 충실히 하여 인장강도면에서 기여가 큰 것을 알 수 있다.

도 7 및 도 8은 비교 예 및 실시 예의 휨강도 및 등가휨강도비를 나타낸 것으로, 그 설계기준은 터널 설계기준에서 재령 28일 숏크리트의 휨강도는 4.5MPa 이상, 그리고 휨인성을 나타내는 등가휨강도비는 3.0MPa 이상이어야 한다라는 규정과 한국도로공사 전문시방서의 등가휨강도비는 68% 이상의 기준을 기초로 한다.

이러한 기준에 의거 도 7 및 도 8에서 보는 바와 같이 본 발명의 실시 예 및 강섬유를 포함하는 비교 예의 경우 상기 기준을 모두 만족하고 있으나, 섬유를 포함하지 않은 비교 예 및 타 섬유를 포함하는 비교 예의 경우 상기 설계기준 및 시방서 규정에 미달하는 결과를 얻었다. 즉 본 발명의 조성물은 2중 구조를 가진 섬유를 포함함으로서 분산성 및 부착력이 강화되어 강섬유를 포함하는 숏크리트와 거의 동일하게 휨강도 및 휨인성을 나타낼 수 있는 것을 알 수 있다.

한편 도 9 및 도 10은 본 발명의 실시 예로서 2중 구조를 가진 섬유의 혼입률에 따른 휨강도 및 등가휨강도비를 나타낸 것이다. 도 9에 의하면 2중 구조를 가진 섬유의 혼입률이 증가함에 따라 숏크리트의 휨강도의 증가량은 미미한 것을 알 수 있고, 도 10에서 보는 바와 같이 2중 구조를 가진 섬유가 단위 체적(1㎥)당 0.6% 이상 혼입된 실시 예에서는 모두 터널설계기준의 휨강도 3.0MPa와 한국도로공사 표준시방서의 등가휨강도비 68%를 만족하는 것을 알 수 있어 적정의 2중 구조를 가진 섬유의 혼입량은 경제성 면에서 단위 체적(1㎥)당 0.6%임을 알 수 있다.

결론적으로 본 발명의 실시 예 및 강섬유를 포함하는 비교 예가 섬유를 포함하지 않은 비교 예 및 타 섬유를 포함하는 비교 예보다 인장강도, 휨강도 및 휨인성 면에서 유리한 것을 알 수 있으며 특히 본 발명의 2중 구조를 가진 섬유가 강섬유와 거의 동등한 수준으로 숏크리트에 있어 인장강도, 휨강도 및 휨인성 증진에 기여하고 있음을 알 수 있다. 즉 본 발명은 2중 구조를 가진 섬유가 숏크리트에 포함됨에 의해 강섬유가 포함된 비교 예보다 분산성, 리바운드율 저하, 부식방지 등이 장점이 있음에도 불구하고 인장강도, 휨강도 및 휨인성 면에서도 강섬유를 포함하는 종래의 숏크리트와 동일한 수준의 효과를 얻을 수 있어 내구성, 시공성, 경제성 등에서 본 발명이 종래 기술에 비해 월등한 효과를 가진 것으로 판단된다.

또한, 본 발명의 실시 예에 있어 2중 구조를 가진 섬유가 단위 체적 당 0.6% 이상 혼입된 실시 예에서는 모두 터널설계기준의 휨강도 3.0MPa와 한국도로공사 표준시방서의 등가휨강도비 68%를 만족하는 것을 알 수 있어 적정의 2중 구조를 가진 섬유의 혼입량은 경제성 면에서 단위 체적 당 0.6%임을 알 수 있다.

2 : 노즐
20 : 구조체 21 : 시멘트 페이스트
100 : 섬유 110 : 직선부
120 : 외주연부 130 : 부착부

Claims

섬유를 포함하는 숏크리트 조성물에 있어서,
숏크리트 단위체적에 대하여, 시멘트를 포함하는 결합재 300 내지 600㎏/㎥ 과; 물 180 내지 250㎏/㎥과; 잔골재 800 내지 1200㎏/㎥과; 굵은 골재 400 내지 700㎏/㎥를 포함하여 조성되되,
상기 섬유는, 중앙부에 복수의 섬유가닥으로 구성되는 직선부와, 상기 직선부를 복수의 섬유가닥이 감싸는 외주연부와, 상기 직선부와 상기 외주연부의 양단에 각각의 섬유가닥이 풀어진 형상의 부착부가 구성된 2중 구조를 가진 섬유로 구성됨을 특징으로 하는 섬유를 포함하는 숏크리트 조성물.
제 1항에 있어서,
2중 구조를 가진 섬유는 공기교락에 의해 루프가 형성됨을 특징으로 하는 섬유를 포함하는 숏크리트 조성물.
제 1항에 있어서,
2중 구조를 가진 섬유에 있어 상기 외주연부는 직조된 형상으로 구성됨을 특징으로 하는 섬유를 포함하는 숏크리트 조성물.
제 1항에 있어서
상기 2중 구조를 가진 섬유는 폴리아미드로 구성됨을 특징으로 하는 섬유를 포함하는 숏크리트 조성물.
제 4항에 있어서,
상기 2중 구조를 가진 섬유는 직선부를 구성하는 섬유가닥을 폴리아라미드, 고강력 폴리에틸렌, 탄소섬유 중 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 섬유를 포함하는 숏크리트 조성물.
제 1항에 있어서,
상기 2중 구조를 가진 섬유는 숏크리트 단위체적에 대하여 0.5를 초과하고 1.0% 이하로 혼입됨을 특징으로 하는 섬유를 포함하는 숏크리트 조성물.
제 6항에 있어서,
상기 2중 구조를 가진 섬유는 숏크리트 단위체적에 대하여 0.6%로 혼입됨을 특징으로 하는 섬유를 포함하는 숏크리트 조성물.
제 1항에 있어서,
슬럼프가 80 내지 120mm로 배합됨을 특징으로 하는 섬유를 포함하는 숏크리트 조성물.
제 1항에 있어서,
상기 2중 구조를 가진 섬유는 그 직경이 0.2mm 내지 0.6mm인 것을 특징으로 하는 섬유를 포함하는 숏크리트 조성물.
제 1항에 있어서,
상기 외주연부 표면에는 다가알코올 에스테르 윤활제, 비이온계 계면활성제 및 대전방지제를 포함하는 코팅층이 도포됨을 특징으로 하는 섬유를 포함하는 숏크리트 조성물.
제 10항에 있어서,
상기 코팅층의 코팅량은 섬유 전체중량 대비 0.5 내지 3 중량%인 것을 특징으로 하는 섬유를 포함하는 숏크리트 조성물.
제 10항에 있어서,
상기 코팅층은 다가알코올 에스테르 윤활제 40 내지 50중량%, 비이온계 계면활성제 30 내지 40중량%, 및 대전방지제 10 내지 30중량%로 구성되는 것을 특징으로 하는 섬유를 포함하는 숏크리트 조성물.
상기 제 1항 내지 제 12항 중 어느 한 항의 섬유를 포함하는 숏크리트 조성물에 의해 제조되는 숏크리트 구조체.