KR20130062813A - 고강도 숏크리트 조성물 및 이를 이용한 숏크리트 공법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 시멘트 450~500kg/㎥, 고성능분체혼화재(HPA) 20~30kg/㎥, 고성능감수제 5~8kg/㎥를 포함하고, 상기 고성능분체혼화재(HPA)는 HT 0.1~5.0중량%, 칼슘설포알루미네이트 0.1~5.0중량%, 실리카퓸 35~50중량%, 플라이애쉬 35~50중량%, 무수석고 0.1~7중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 고강도 숏크리트 조성물을 제시함으로써, 강도와 시공성이 우수한 숏크리트 공법을 제시한다.

Description

고강도 숏크리트 조성물 및 이를 이용한 숏크리트 공법{SHOCRETE COMPOSITION AND CONSTRUCTION METHOD USING THE SAME}

본 발명은 토목 분야에 관한 것으로서, 상세하게는 숏크리트 재료 및 공법에 관한 것이다.

종래의 숏크리트는 일축 압축강도가 21MPa(/28일)인 숏크리트로서 특별한 시공방법이 필요치 않았다.

그러나 최근 들어 국내의 숏크리트 시방서에도 선진유럽 및 일본과 같이 고강도 숏크리트(35MPa이상/28일)에 대한 규정이 터널관련 시방서에 속속 반영되고 있다.

국외의 경우 터널의 내구연한을 증가시키기 위하여 고강도/고내구성의 숏크리트를 일찍부터 적용하여 왔는데, 이를 실현하기 위해서 국외에서는 숏크리트에 실리카퓸을 필수적으로 사용하였다.

그러나 실리카퓸의 장점은 국내에도 널리 알려져 있으나, 국내에서 전혀 생산되지 않고 가격 또한 시멘트 대비 약, 10배 정도의 고가로 알려져 이를 대체하기 위한 다양한 대안 찾기가 시도되어 왔다(출원번호 10-2005-0079586, 10-2005-0089686).

또한 실리카퓸은 높은 분말도(200,000cm²/g이상)로 인해 취급이 용이하지 않고, 사용시 콘크리트에 과다한 점성을 부여하게 되어 고강도 숏크리트 작업시 숏크리트 장비에 부하가 걸린다는 단점과 작업 효율성(타설시간)이 기존 숏크리트보다 떨어진다는 단점이 있다.

새로운 대안으로 제시된 메타카올린의 경우에도, 오히려 소성과정에서 다량의 연료를 사용하여, 지금처럼 연료(유가) 가격이 비싼 시기에는 오히려 실리카퓸보다 시공비용이 비싸진다는 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 도출된 것으로서, 강도와 시공성이 우수한 숏크리트 조성물 및 이를 이용한 숏크리트 공법을 제시하는 것을 그 목적으로 한다.

상기 과제의 해결을 위하여, 본 발명은 시멘트 450~500kg/㎥, 고성능분체혼화재(HPA) 20~30kg/㎥, 고성능감수제 5~8kg/㎥를 포함하고, 상기 고성능분체혼화재(HPA)는 HT 0.1~5.0중량%, 칼슘설포알루미네이트 0.1~5.0중량%, 실리카퓸 35~50중량%, 플라이애쉬 35~50중량%, 무수석고 0.1~7중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 고강도 숏크리트 조성물을 제시한다.

물-바인더비(W/B)는 35~40중량%인 것이 바람직하다.

잔골재율(S/a)은 55~65중량%인 것이 바람직하다.

굵은 골재 최대치수는 13mm 이하인 것이 바람직하다.

강섬유 35~45kg/㎥를 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 고성능분체혼화재(HPA)는 감수제 0.1~1.0중량%를 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 고성능분체혼화재(HPA)는 증점제 0.01~0.1중량%를 더 포함하는 것이 바람직하다.

액상 알카리프리계 급결제를 더 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명은 상기 고강도 숏크리트 조성물의 타설에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 숏크리트 공법을 함께 제시한다.

상기 고강도 숏크리트 조성물의 1회 타설 두께는 10~16cm인 것이 바람직하다.

본 발명은 강도와 시공성이 우수한 숏크리트 조성물 및 이를 이용한 숏크리트 공법을 제시한다.

도 1 이하는 본 발명의 실시예에 관한 것으로서,
도 1은 무기 나노 음이온성 합성점토의 강도 증진 메커니즘의 구성도.
도 2는 무기 나노 음이온성 합성점토의 염화물 포집 메커니즘의 구성도.
도 3은 숏크리트 성능평가를 위한 시험용 몰드 시험타설 과정의 사진.
도 4a는 비교예 1의 조기강도 추정을 위한 핀 관입시험 과정의 사진.
도 4b는 비교예 2의 조기강도 추정을 위한 핀 관입시험 과정의 사진.
도 4c는 본 발명의 실시예의 조기강도 추정을 위한 핀 관입시험 과정의 사진.
도 5는 재령 3시간 추정 압축강도의 비교 그래프.
도 6은 재령 1일 추정 압축강도의 비교 그래프.
도 7a는 숏크리트의 평균 압축강도의 비교 그래프.
도 7b는 콘크리트의 평균 압축강도의 비교 그래프.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 관하여 상세히 설명한다.

본 발명에 의한 고강도 숏크리트 조성물은 기본적으로, 시멘트 450~500kg/㎥, 고성능분체혼화재(HPA) 20~30kg/㎥, 폴리카르복실산 고성능감수제 5~8kg/㎥를 포함하여 구성된다.

이는 강섬유 35~45kg/㎥를 더 포함하는 것이 바람직하고, 물-바인더비(W/B)는 35~40중량%이며, 잔골재율(S/a)은 55~65중량%이고, 굵은 골재 최대치수는 13mm 이하인 것을 적용하는 것이 바람직하다.

여기서 고성능분체혼화재(HPA)는 HT 0.1~5.0중량%, 칼슘설포알루미네이트 0.1~5.0중량%, 실리카퓸 35~50중량%, 플라이애쉬 35~50중량%, 무수석고 0.1~7중량%를 포함하여 구성된다.

HT(무기나노 음이온성 합성점토)와 칼슘설퍼알루미네이트는 수화초기에 응결경화를 촉진하고, 실리카퓸, 플라이애쉬는 장기 강도와 장기 내구성을 향상시키는 역할을 한다.

고성능분체혼화재(HPA)는 필요에 따라, 감수제 0.1~1.0중량%, 증점제 0.01~0.1중량%을 각각 추가로 포함할 수 있다.

HT는 2가 금속과 3가 금속의 이질동성 치환반응을 통해 합성이 되는 무기 나노 입자이며 다음과 같은 화학식으로 나타낸다.

[화학식 1]

(M2+1-XN3+X(OH)2)(An-)x/n·yH2O

여기서 M은 2가 금속양이온을 나타내고, N은 3가 금속양이온, A는 n전하를 띠는 음이온계 화학종과 물분자를 나타내며, x는 0초과 1미만의 수이고, y는 0을 초과하는 양수이다.

이러한 HT가 숏크리트에 사용될 경우 금속 수산화물로 형성된 층상 나노 무기 입자가 시멘트 수화물과 결합하여 응결촉진과 초기 강도를 증진 시키며(도 1), 실리카퓸보다 입자 사이즈가 작은 HT는 숏크리트의 미세 공극을 밀실하게 충전시키므로 수밀성 및 장기 강도가 증진한다.

더불어, HT의 강력한 음이온 포집 능력으로 인해 숏크리트 내의 염소 이온, 황산 이온 등 숏크리트의 열화 요인들을 포집할 수 있어 장기적으로 내구성이 증진한다(도 2).

국내의 경우 자연사(강사)의 부족으로 인해 해사의 사용이 지속적으로 늘어나고 있는데, 상술한 HT는 강섬유가 혼입된 숏크리트에서 염화물에 의한 강섬유의 부식 억제에도 도움이 될 것으로 판단된다.

일반적으로 실리카퓸을 콘크리트에 사용시 방청성능이 개선된다고 알려져 있는데, 본 발명에 적용된 HT의 경우 실리카퓸 보다 뛰어난 방청성능를 보임을 알 수 있다(표 1은 공인시험기관-한국화학융합시험연구원의 실험결과이다).

고성능감수제(고유동화제)는 콘크리트 생산 시 단위수량을 감소시키고 콘크리트의 유동성을 향상시키기 위하여 사용하였다.

고성능감수제에는 폴리카르본산계, 나프탈렌산계, 멜라민계, 리그닌계 등의 다양한 고성능감수제가 사용될 수 있다.

후술하는 실시예에서는 가사시간 확보에 탁월한 기능을 가진 폴리카르본산계 고성능감수제(Roadcon SR3000)를 사용하였다.

현재 국내에서 사용되는 급결제는 액상의 알루미네이트계, 알카리프리계 및 시멘트광물계 분말 등이 있다.

일반적으로 국내 숏크리트에 많이 사용되는 일반 알루미네이트계 급결제의 경우는 초기 응집속도가 느려, 높은 슬럼프의 콘크리트를 사용하는 본 발명에 의한 공법에는 적합하지 않으나, 액상 알카리프리계 급결제(Roadcon LF5000)를 사용하는 경우, 초기 응결 및 응집특성이 빠르고, 장기강도 발현 안정성이 뛰어나므로, 본 발명에 의한 공법에서는 이를 적용한다.

본 발명에 의한 숏크리트 조성물은 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 종래의 공법의 경우와 달리, 높은 슬럼프(15~22cm)를 가지면서도, 수화초기에 우수한 응결경화 성능을 나타낸다.

높은 슬럼프의 숏크리트를 적용하는 경우, 숏크리트 장비 노즐 끝에서 투입되는 급결제와 타 조성물이 잘 섞이므로 기본적으로 우수한 시공성을 얻을 수 있다.

종래에는 높은 슬럼프의 숏크리트의 경우, 초기 순간 응결과 응집이 더디다는 문제가 있어 종래에는 사용하지 않았다.

그러나 본 발명에 의한 조성물은 상술한 바와 같이, HT(무기나노 음이온성 합성점토), 칼슘설퍼알루미네이트, 액상 알카리프리계 급결제 등의 적용에 의해, 수화초기에 우수한 응결경화 성능을 발휘하므로, 높은 슬럼프 재료를 사용하면서도 종래와 같은 문제를 해소하도록 한다.

둘째, 높은 슬럼프의 숏크리트를 적용하여 숏크리트 장비에 설치된 콘크리트 펌프의 실적율을 향상시켜, 맥동현상을 완화한다.

숏크리트에서의 맥동현상이란, 숏크리트 장비에 설치된 콘크리트 압송펌프의 두 개의 실린더가 교차할 때 콘크리트 토출량이 일시적으로 끊어지거나 줄어드는 현상을 말한다.

이러한 맥동현상이 발생하면, 슬럼프 및 펌퍼빌리티가 낮은 콘크리트의 경우 실적율까지 낮아지게 되어 토출되는 콘크리트의 양이 현저히 떨어지게 되고 이로 인해 작업시간이 길어지게 되는 문제점이 있다.

셋째, 높은 슬럼프의 숏크리트를 적용하므로, 물-바인더비가 낮은 고강도 숏크리트의 고점성 문제를 해소할 수 있다.

일반적인 숏크리트 보다 훨씬 가혹 조건인 고강도 숏크리트 배합의 경우, 기본적으로 일반 숏크리트 보다 낮은 물-바인더비(W/B)와 높은 분체량이 필수적이다.

숏크리트 장비의 콘크리트 배관(3inch)은 일반 콘크리트 펌프카의 콘크리트 압송 배관(5inch)보다 작으므로, 물-바인더비(W/B)가 낮은 고강도 일반 숏크리트의 배합 조건을 일반 숏크리트와 동일한 방법으로 적용하는 경우에는, 높은 점성으로 인해 작업 자체가 거의 불가능하다는 문제가 있다.

이에 비해, 본 발명에 의한 숏크리트 조성물의 경우, 상술한 바와 같이 15~22cm의 높은 슬럼프를 가지므로, 고강도 숏크리트의 배합을 충분히 적용할 수 있다.

넷째, 숏크리트의 고강도화에 따라, 타설 두께의 감소 및 터널 굴삭량 감소 등의 결과를 기대할 수 있으므로, 종래의 숏크리트에 비해 경제성 및 품질 경쟁력이 우수하다.

다섯째, 리바운드율이 낮아 두꺼운 붙이기가 가능하므로, 우수한 시공성, 경제성을 도모할 수 있다.

연약지반이나 붕락구간의 숏크리트의 경우 높은 강도가 요구되므로 10cm 이상의 두꺼운 붙이기가 실시되어야 하는데, 종래의 숏크리트 조성물은 리바운드율이 높아(12.1% 내외) 1회 타설 두께를 두껍게 할 수 없어 수차례에 걸친 숏크리트 작업이 필요하여 시공성, 경제성이 좋지 못하다는 문제가 있었다.

이에 비해, 본 발명에 의한 숏크리트 조성물은 리바운드율이 낮아(7.4% 내외) 1회 타설 두께를 10~16cm 정도로 할 수 있으므로, 연약지반이나 붕락구간이라 할지라도 1회 또는 종래에 비해 적은 횟수에 의한 숏크리트 작업에 의해 고강도의 고결체를 얻을 수 있다는 장점이 있는 것이다.

이하, 본 발명에 의한 숏크리트 조성물의 물성을 확인하기 위한 시험결과에 관하여 설명한다.

표 2와 같은 조성비로 상기 고성능분체혼화재(HPA) 조성물을 제조하였고, 베이스 모르타르는 KS L ISO 679 “시멘트의 강도 시험 방법”에 따라, 급결제가 첨가된 모르타르는 KS F 2782 “숏크리트용 급결제의 강도 시험 방법”에 따라 압축강도 특성을 평가하였다.

표 2는 급결제를 첨가하지 않은 베이스 모르타르의 시험결과이고, 표 3은 알카리프리계 급결제(Roadcon LF5000)를 시멘트 대비 8중량% 첨가하여 시험한 결과이다.

시험결과, 압축강도 및 경제성의 종합 측면에서 실시예 1-6의 조건(무기질나노입자 2중량%, 실리카퓸 45중량%, 플라이애쉬 45중량%, CSA 3%, 무수석고5%)을 최적 배합조건으로 선택하였다.

이하, 상술한 배합조건의 고성능분체혼화재(HPA) 조성물을 혼입한 숏크리트 조성물(본 발명의 실시예)와, 일반 숏크리트 조성물(비교예 1), 실리카퓸만이 혼입된 숏크리트 조성물(비교예 2)의 성능 비교에 관한 시험결과에 대하여 설명한다.

위 실시예, 비교예의 배합조건은 다음의 표 4와 같다.

위 실시예, 비교예에 의한 조성물을 시험용 몰드에 타설하고, 재령 3시간과 재령 1일 강도를 공기압식 핀 관입시험(Iwaki 등, 2001)에 의해 추정하였으며, 재령 3일 이후의 일축 압축강도 시험은 공인시험기관(한국화학융합시험연구원)에서 수행하였다(도 3) .

비교예 1의 경우, 재령 3시간에서 충분히 경화되지 못하므로 공기압식 핀 관입시험으로 강도 추정이 불가능하였고(도 4a), 재령 8.5시간이 되어서야 비로소 1MPa 이상의 압축강도를 발현하였으며, 재령 1일 압축강도는 9.24MPa로 나타났다.

비교예 2의 경우, 재령 3시간 평균 압축강도가 1MPa 이상으로 추정되었고, 재령 1일 압축강도는 12.09MPa로 나타났다.

본 발명의 실시예의 경우, 재령 3시간 평균 압축강도가 1MPa 이상으로 추정되었고, 재령 1일 압축강도는 16.47MPa로 나타났다.

즉, 본 발명의 실시예의 경우, 비교예들에 비해 우수한 압축강도를 나타냄을 확인할 수 있었다(도 5,6).

위 실시예, 비교예에 의한 숏크리트와 베이스콘크리트의 재령 28일 압축강도를 측정한 결과는 도 7a,7b와 같다.

모든 재령에서 본 발명의 실시예의 압축강도가 우수함을 확인할 수 있으며, 특히 재령 7일의 평균 압축강도가 이미 43.5MPa로서 재령 28일 목표 강도인 35MPa를 상회하였는데, 이는 베이스콘크리트 압축강도의 99%에 해당하는 값이다.

이상과 같이, 본 발명에 의한 숏크리트 조성물은 높은 슬럼프(16~22cm)를 적용하면서도, 재령 28일에 50MPa이상의 압축강도를 얻도록 하므로, 현장 숏크리트 타설시 우려되는 열악한 품질관리 환경하에서도, 충분히 고품질의 고강도 숏크리트 공법의 수행이 가능함을 보여준다.

이상은 본 발명에 의해 구현될 수 있는 바람직한 실시예의 일부에 관하여 설명한 것에 불과하므로, 주지된 바와 같이 본 발명의 범위는 위의 실시예에 한정되어 해석되어서는 안 될 것이며, 위에서 설명된 본 발명의 기술적 사상과 그 근본을 함께 하는 기술적 사상은 모두 본 발명의 범위에 포함된다고 할 것이다.

Claims (10)

1. 시멘트 450~500kg/㎥, 고성능분체혼화재(HPA) 20~30kg/㎥, 고성능감수제 5~8kg/㎥를 포함하고,
   상기 고성능분체혼화재(HPA)는
   HT 0.1~5.0중량%,
   칼슘설포알루미네이트 0.1~5.0중량%,
   실리카퓸 35~50중량%,
   플라이애쉬 35~50중량%,
   무수석고 0.1~7중량%를
   포함하는 것을 특징으로 하는 고강도 숏크리트 조성물.
2. 제1항에 있어서,
   물-바인더비(W/B)는 35~40중량%인 것을 특징으로 하는 고강도 숏크리트 조성물.
3. 제1항에 있어서,
   잔골재율(S/a)은 55~65중량%인 것을 특징으로 하는 고강도 숏크리트 조성물.
4. 제1항에 있어서,
   굵은 골재 최대치수는 13mm 이하인 것을 특징으로 하는 고강도 숏크리트 조성물.
5. 제1항에 있어서,
   강섬유 35~45kg/㎥를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고강도 숏크리트 조성물.
6. 제1항에 있어서,
   상기 고성능분체혼화재(HPA)는 감수제 0.1~1.0중량%를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고강도 숏크리트 조성물.
7. 제1항에 있어서,
   상기 고성능분체혼화재(HPA)는 증점제 0.01~0.1중량%를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고강도 숏크리트 조성물.
8. 제1항에 있어서,
   액상 알카리프리계 급결제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고강도 숏크리트 조성물.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 고강도 숏크리트 조성물의 타설에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 숏크리트 공법.
10. 제9항에 있어서,
    상기 고강도 숏크리트 조성물의 1회 타설 두께는 10~16cm인 것을 특징으로 하는 숏크리트 공법.

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