KR20160038336A

KR20160038336A - 숏크리트 조성물 및 그 제조방법과 이를 이용한 해저터널의 시공방법

Info

Publication number: KR20160038336A
Application number: KR1020140131008A
Authority: KR
Inventors: 김현욱
Original assignee: 주식회사 포스코건설
Priority date: 2014-09-30
Filing date: 2014-09-30
Publication date: 2016-04-07
Also published as: KR101666958B1

Abstract

본 발명은 바인더, 골재를 포함하고, 물-바인더비가 38~40이며, 바인더는 보통 포틀랜드시멘트 280~360 kg/m³; 슬래그 미분말 120~200kg/m³;를 포함하는 것을 특징으로 하는 숏크리트 조성물 및 그 제조방법과 이를 이용한 해저터널의 시공방법을 제시함으로써, 내염해성, 내부식성을 향상시켜 내구성을 극대화하며, 경제적이고, 구조적 안정성을 확보할 수 있도록 한다.

Description

숏크리트 조성물 및 그 제조방법과 이를 이용한 해저터널의 시공방법{SHOTCRETE COMPOSITION AND MANUFATURING METHOD THEREOF AND METHOD OF CONSTRUCTING UNDER WATER TUNNEL USING THE SAME THING}

본 발명은 토목 기술분야에 관한 것으로서, 상세하게는 숏크리트 조성물 및 그 제조방법과 이를 이용한 해저터널의 시공방법에 관한 것이다.

숏크리트(shotcrete)란, 포틀랜드 시멘트와 혼합재가 혼합된 것으로서 압축공기에 의해 분사되는 콘크리트를 의미한다.

이러한 숏크리트는 건축용 보강재, 철망의 골조에 사용되며, 특히 터널 공사 시에, 굴착 후 터널 벽을 굳히는 용도로 사용된다.

국내에서는 NATM 공법이 도입되면서 건식 공법에 의한 숏크리트 시공이 주로 이루어졌다.

NATM 공법은 기계굴착방법에 의해 터널을 굴착한 후, 숏크리트와 록볼트를 이용하여 굴착면이 무너지지 않도록 보해주는 작업을 반복하여 이루어진다.

그러나, 현재는 소규모 터널 및 지하철 공사 등 일부 공사를 제외하고는 습식 숏크리트의 시공이 보편적으로 적용되고 있다.

숏크리트는 굴착 직후 발생하는 원지반의 초기 변위의 제어 및 풍화 방지를 통한 굴착면의 안정을 도모하는 목적이 있으나, 최근 들어서는 해저터널 등의 구조물의 장기적 사용성 및 안전성의 개념에서 숏크리트의 역할이 주요하게 부각되고 있다.

하지만, 국내의 경우 숏크리트의 설계기준강도가 설계, 시공상의 문제점 등으로 인해 20MPa 내외의 저강도에 머무르고 있는 실정이다.

숏크리트용 보강재의 동향을 살펴보면 과거 국내의 숏크리트 시공은 와이어 메쉬(Wire mesh)를 암반에 부착시킨 방법을 사용해왔다.

하지만 이는, 리바운드율이 크고 와이어 메쉬 설치기간이 과다 소요되며 정확한 설치가 곤란하여 빠른 보강 작업이 이루어지지 못하고 공기가 지연되는 단점이 지적되어 왔다.

최근에는 위의 단점을 보완하기 위하여 시공상의 편리, 공기단축, 보강성 향상 등의 장점이 있는 섬유를 보강한 숏크리트가 널리 사용되고 있다.

대표적으로 사용되는 것이, 강섬유 보강 숏크리트(Steel Fiber Reinforcement Shotcrete)이며, 기존의 와이어 메쉬를 사용한 공법보다 시공이 간편하고, 여굴 부위의 밀실한 충전이 가능한 장점이 있다.

숏크리트에 사용되는 강섬유는 국산화가 가능하여 국내 적용이 늘어나고 있는 추세이며, 이에 따른 강섬유 보강 숏크리트 지침이 수립되고 있다.

하지만, 강섬유 보강 숏크리트는 혼합시 균질성, 숏크리트 장비 및 압송호스의 마모 손상 및 파열, 강섬유의 탈락으로 인한 안전관리상의 문제 등이 발생할 수 있으며, 특히 내수성 및 내산성이 불량하여 부식으로 인한 균열 및 박리현상 발생의 여지가 있고 별도의 마감처리가 필요하며, 가격이 고가인 점 등이 단점으로 지적되고 있다.

한편, 숏크리트용 보강재와 함께 숏크리트의 고강도, 고내구성을 위한 구성 재료 중 하나인 급결제는 시멘트의 수화반응을 촉진시켜 초기 숏크리트의 부착성능은 물론 강도 발현에도 영향을 미친다.

현재 국내에서는 Aluminate계 급결제가 주로 사용되고 있으나, 환경적인 영향과 장기적 안정성 등의 문제를 발생시키고 있다.

이러한 기존 Aluminate계 급결제의 문제를 해결하기 위해 국내에서도 Alkali-free계 및 시멘트광물계 급결제의 개발이 활발히 이루어지고 있으나, 아직은 현장중심의 실용화 연구 및 국산화 개발 수준에 이르고 있다.

국내에서 숏크리트 품질 규정은 터널표준시방서(1996), 한국도로공사 도로설계요령(2001) 및 한국도로공사의 터널지보공관련 품질기준 개정(2002), 터널설계기준(2007) 등에 규정되어 있지만, 골재, 시멘트, 급결제, 강섬유 등이 복합된 숏크리트 혼합물에 대한 국가적인 표준은 아직까지 마련되지 않은 실정이다.

그렇기 때문에 실제 현장에서는 사용골재에 대한 국가 규격 KS F 2577(숏크리트용 재료의 품질기준)을 제외한 부분에서는 현장상황에 따른 임의의 품질기준 적용사례가 늘어나는 추세이다.

특히, 급결제에 대한 국내 품질기준은 장기강도에 영향을 미치지 않도록 과다한 량이 사용되지 않게 규정하고 있을 뿐, 급결제의 품질항목에 대한 국가 표준이나 관련 단체 지침 등은 없는 실정이다.

하기 표 1 내지 표 5는 국내에서 주로 적용되고 있는 숏크리트와 관련된 각 발주기관의 품질규정을 나타낸 것이다.

표 1 내지 표 5에 나타낸 것에서 확인할 수 있듯이, 국내에서 적용되는 품질규정은 국외의 고강도 숏크리트 품질규정에 비해 다소 낮은 수준임을 알 수 있다.

한편, 국외의 관련 기술동향의 경우, 1910년대 최초로 미국의 한 광산에 적용된 숏크리트는 이후 많은 발전이 이루어 왔다.

오스트리아의 Rabcewicz(1963)는 터널 지보재로서 목재지보를 숏크리트로 대체하는 Shotcrete method를 NATM(New Austrian Tunneling Method)로 명명하기에 이르렀으며, 이 후 숏크리트는 록볼트와 함께 NATM의 주 지보재로서 사용되었다.

최근, 고성능 숏크리트의 개발로 인해 현장타설 콘크리트 라이닝을 설치하지 않고, 숏크리트 라이닝을 영구 지보 및 영구 라이닝으로 설치하는 싱글쉘 터널 공법들이 제안되고 있다.

국외에서 분말형 급결제를 사용하는 건식 숏크리트는 1980년 중반까지 사용되었으며 숏크리트의 고강도화와 고내구화에 뛰어난 성능을 가지고 있는 실리카 흄은 1980년대 후반부터 사용되었다.

1990년대 초에는 건식 숏크리트에서 분말형 급결제가 액상형 급결제로 대체되었으며, 그 이후에는 습식 숏크리트와 강섬유가 일반화되었다.

1990년대 후반에는 고성능 감수제의 성능이 향상되면서 물-시멘트비를 36%에서 40%까지 낮추어 고강도, 고내구성의 숏크리트가 제조 기술이 개발되고 있다.

국외의 숏크리트 관련 품질기준 현황을 살펴보면 터널 기술에서 선진기술을 가지고 있는 유럽국가들 뿐만 아니라 미국을 비롯한 열본의 경우에도 그 나라의 현장상황과 시공현실에 맞는 품질 기준을 가지고 있다.

특히, 국내의 지반특성과 유사한 북유럽의 경우에는 최근 완공된 세계 최장 도로터널인 Laerdal 터널(24.5km, Norway. 숏크리트 설계기준강도 39.2MPa) 등과 같이 영구지보재 개념의 숏크리트를 적용한 Single-Shell Lining 터널이나 PCL(Precast Concrete Lining) 터널의 건설이 꾸준히 증가하고 있으며. 이와 같은 개념의 터널 지보 시스템 적용을 위해서 고성능 숏크리트 개발과 함께 품질기준의 개선이 활발히 이루어지고 있다.

숏크리트 및 급결제의 품질기준에 관련된 외국 규격현황은 하기 표 6에 나타낸 바와 같다.

유럽통합규격(EFNARC)에서는 숏크리트 강도를 등급화하여 표 7, 표 8에 나타낸 바와 같이 규정하고 있으며, 고품질,고성능 재료의 일반적인 사용으로 국내 강도기준에 비해 다소 높은 수준을 보여주고 있다.

특히, 급결제는 고강도 숏크리트를 목적으로 할 때에는 알칼리-프리계를 사용하는 것을 원칙으로 하고 있으며, 액상형 급결제의 혼입량은 시멘트량의 4∼10%로 규정하고 있다.

또한 혼화재로서 실리카흄의 일반적인 혼입량은 시멘트량의 3∼8%로 규정하고 있는데, 특수한 목적이나 설계자의 요구에 따라 그 이상을 혼입할 수도 있다.

표 9는 미국의 숏크리트 휨강도 등급을 나타낸 것으로서, ASTM C 1018에 의한 인성지수에 대한 주된 판단 규정은 콘크리트의 일차균열이 발생할 때까지의 탄성에너지와 강섬유를 혼입함으로써 증가된 소성에너지의 비를 산출하는 것으로 인성지수를 이용하여 일정구간까지의 잔류강도 계수를 산정하여 전체적인 SFRS(Steel Fiber Reinforced Shotcrete)의 품질을 평가한다.

이와 같이, 국내,외로 급결재 종류, 혼합재 종류 등 숏크리트의 고성능화를 위한 다양한 연구가 진행되고 있으며, 특히 고강도 숏크리트의 내구성 중 내염, 내부식성과 관련된 연구가 가장 요구되고 있는 실정이다.

표 10은 일반 및 고성능 숏크리트에 대한 염소이온 침투저항성 연구 결과를 정리한 것으로서, 슬래그, 실리카흄 등 고성능화를 위한 혼합재가 첨가된 숏크리트에 대한 연구결과이다.

표 10에 나타낸 바와 같이, 기존 숏크리트에 대한 내염 관련 기술 수준을 분석 한 결과, 재령 28일 기준 통과전하량이 4,200~14,000쿨롱으로 내염 특성의 편차가 큰 것으로 분석되었으며, 염소이온 침투저항성 시험 특성상 10,000클롱 이상의 결과는 신뢰도가 떨어지는 것으로 판단된다.

한편, 국내 최초 해저 터널인 인천터널은 약 1.2km의 해저통과구간이 포함된 총 연장 5.43km의 초장대터널로 NATM 공법에 의한 편도 3차로 대단면 해저통과 도로터널이다.

이는, 강섬유로 보강된 두께 5~25cm의 숏크리트로 계획되어져 있으며, 인천터널 해저구간의 경우 숏크리트의 내염 성능 향상을 위해 실리카흄 5%가 혼입된 것으로 계획되어져 있다.

표 11은 인천터널 숏크리트의 성분 배합비를 나타낸 것이다.

인천터널에 사용된 숏크리트와 같이, 국내의 경우 숏크리트의 성능 향상을 위하여 대부분 실리카흄을 사용하고 있다.

그런데, 이러한 실리카흄은 비용이 고가로 숏크리트 공사비가 증가하는 문제점이 도출되고 있어 실리카흄을 대체 할 수 있는 재료 및 배합기술이 필요한 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 도출된 것으로서, 내염해성, 내부식성을 향상시켜 내구성을 극대화하며, 경제적이고, 구조적 안정성을 확보할 수 있는 숏크리트 조성물 및 그 제조방법과 이를 이용한 해저터널의 시공방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기 과제의 해결을 위하여, 본 발명은 바인더, 골재를 포함하고, 물-바인더비가 38~40이며, 상기 바인더는 보통 포틀랜드시멘트 280~360 kg/m³;

슬래그 미분말 120~200kg/m³;를 포함하는 것이 바람직하다.

상기 골재는 잔골재 900~1000kg/m³; 굵은골재 660~680kg/m³;를 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 골재의 잔골재율은 58~60%인 것이 바람직하다.

상기 바인더는 전체 중량대비, AE감수제 0.6~0.8중량%;를 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 바인더는 상기 바인더 100 중량부를 기준으로, 슬러리형 급결제 10~30중량부를 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 슬러리형 급결제는 칼슘 알루미네이트 계열로 형성된 것이 바람직하다.

본 발명은 상기 숏크리트 조성물의 제조방법으로서, 상기 바인더 및 골재를 건비빔한 후, 배합수를 혼입하여 배합하는 단계; 상기 배합한 혼합물에 슬러리형 급결제를 혼합하여 배합하는 단계; 상기 배합한 혼합물을 타설 및 양생하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 숏크리트 조성물의 제조방법을 함께 제시한다.

상기 슬러리형 급결제는 지연제를 함유한 용액에 급결제를 혼합하여 상기 슬러리형 급결제를 형성하며, 상기 지연제는 alkali silicate fluoride 계열로 형성된 것이 바람직하다.

본 발명은 상기 숏크리트 조성물을 이용한 해저터널의 시공방법으로서, 해저지반을 굴착하여 굴착홈을 형성하는 굴착단계; 상기 굴착홈에 상기 숏크리트 조성물로 형성된 숏크리트를 타설하는 단계; 상기 굴착홈으로부터 지반의 내부로 락볼트를 설치하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 해저터널의 시공방법을 함께 제시한다.

본 발명은 내염해성, 내부식성을 향상시켜 내구성을 극대화하며, 경제적이고, 구조적 안정성을 확보할 수 있는 숏크리트 조성물 및 그 제조방법과 이를 이용한 해저터널의 시공방법을 제시한다.

도 1 이하는 본 발명의 효과를 검증하기 위한 실험예를 도시한 것으로서,
도 1은 시험체 제작과정의 이미지.
도 2는 응결경화 시험시 사용된 디지털 관입저항기의 이미지.
도 3은 응결시간 측정 모습의 이미지.
도 4는 일축압축강도시험 공시체의 이미지.
도 5는 일축압축강도시험 측정기의 이미지.
도 6은 염화물 침투저항성 시험 후 침투깊이 측정과정을 도시한 모식도.
도 7은 염화물 침투저항성 측정기의 이미지.
도 8은 분말형 급결제의 XRD 패턴을 나타낸 그래프.
도 9는 슬러리형 급결제의 XRD 패턴을 나타낸 그래프.
도 10은 슬러리형 급결제 지연을 위해 사용된 지연제의 XRD 패턴을 나타낸 그래프.
도 11은 철의 Pourbaix diagram을 나타낸 그래프.
도 12는 염화물 침투저항성 시험결과를 나타낸 그래프.
도 13은 슬래그 혼입율별 28일 일축압축강도 결과를 나타낸 그래프.
도 14는 1종 보통포틀랜드 시멘트와 고로슬래그 및 슬러리형 급결제를 혼입한 숏크리트의 응결경화 특성, 초결 및 종결시간 변화를 나타낸 그래프.
도 15는 3종 포틀랜드시멘트와 고로슬래그 및 슬러리형 급결제를 혼입한 숏크리트의 응결경화 특성, 초결 및 종결시간 변화를 나타낸 그래프.
도 16은 1종 보통포틀랜드 시멘트와 고로슬래그 및 분말형 급결제를 hs입한 숏크리트의 응결경화 특성을 나타낸 그래프.
도 17은 3종 포틀랜드 시멘트와 고로슬래그 및 분말형 급결제를 혼입한 숏크리트의 응결경화 특성을 나타낸 그래프.
도 18은 포틀랜드 시멘트 80%와 고로슬래그 20% 및 분말형 급결제를 혼입한 숏크리트의 응결경화 특성을 나타낸 그래프.
도 19는 1종 보통포틀랜드 시멘트와 고로슬래그 및 액상형 급결제를 혼입한 숏크리트의 응결경화 특성을 나타낸 그래프.
도 20은 3종 포틀랜드 시멘트와 고로슬래그 및 액상형 급결제를 혼입한 숏크리트의 응결경화 특성을 나타낸 그래프.
도 21은 포틀랜드 시멘트 80%와 고로슬래그 20% 및 액상형 급결제를 혼입한 숏크리트의 응결경화 특성을 나타낸 그래프.
도 22는 본 발명의 숏크리트의 장기 압축강도를 측정한 결과를 나타낸 그래프.
도 23은 본 발명의 숏크리트의 통과 전하량을 측정한 결과를 나타낸 그래프.
도 24는 본 발명의 숏크리트의 급결제 형태별 압축강도를 측정한 결과를 나타낸 그래프.
도 25는 본 발명의 숏크리트의 급결제 형태별 통과 전하량을 측정한 결과를 나타낸 그래프.
도 26은 시편별 통과 전하량을 측정한 결과를 나타낸 그래프.

이하, 첨부표 및 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 관하여 상세히 설명한다.

본 발명에서 제시하는 숏크리트 조성물은 바인더, 골재를 포함하고, 물-바인더비가 38~40이며, 바인더는 보통 포틀랜드시멘트 280~360 kg/m³; 슬래그 미분말 120~200kg/m³;를 포함하여 구성된다.

즉, 종래의 숏크리트 조성물은 보통 포틀랜드시멘트가 단독으로 사용되거나, 실리카흄이 혼입된 혼합물로 사용되는 반면, 본 발명의 숏크리트 조성물은 슬래그 미분말이 혼입되어 사용된다는 점이 특징이다.

위와 같이 슬래그 미분말이 혼입된 숏크리트 조성물의 경우, 장기 휨강도 및 압축강도가 향상됨과 아울러, 염소이온 침투저항성을 높여 내염해성 및 내부식성이 향상된다는 장점이 있다.

또한, 종래의 숏크리트 조성물에 혼입된 슬래그 미분말은 입자가 큰 반면, 본 발명에서 혼입된 슬래그 미분말은 비교적 작은 입자를 사용하므로 위의 장점을 보다 극대화할 수 있다.

이와 같이 본 발명의 숏크리트 조성물은 터널의 시공에 효과적으로 사용될 수 있으며, 특히 해저터널의 시공에 사용되어 시공성을 확보함과 동시에 구조적 안정성을 향상시킬 수 있다.

더불어, 본 발명에서 제시하는 숏크리트 조성물의 바인더는 바인더 100 중량부를 기준으로, 슬러리형 급결제 10~30중량부가 더 포함하여 구성된다는 점이 특징이다.

즉, 종래에 주로 사용하는 액상형 또는 분말형 급결제가 아닌, 슬러리형 급결제를 혼입한 것이다.

슬러리형 급결제는, 분말형 급결제의 분진 발생 등의 문제점을 방지하고, 분말형과 액상형의 장점을 혼합한 것이다.

이와 같이 슬러리형 급결제가 혼입된 숏크리트 조성물을 이용하여 해저터널을 시공할 경우, 내구성 및 압축강도를 포함한 장기강도, 내염해성을 보다 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.

이러한 슬러리형 급결제는 칼슘 알루미네이트 계열로 형성된 것이 보다 바람직하다.

이는, 숏크리트의 내부로 침투해 들어오는 자유 염소이온의 상당량을 고정화시킬 수 있어, 숏크리트 재료의 내염해성을 보다 향상시킨다.

한편, 본 발명의 조성물에 사용되는 골재는 잔골재 900~1000kg/m³; 굵은골재 660~680kg/m³;를 더 포함하며, 잔골재율은 58~60%인 것이 바람직하다.

또한, 바인더는 전체 중량대비, AE감수제 0.6~0.8중량%;를 더 포함하는 것이 바람직하다.

위와 같은 성분 배합비로 형성된 본 발명의 숏크리트 조성물은 제조단가를 낮추어 경제적으로 보다 바람직한 반면, 초기 성능을 확보할 수 있다는 장점이 있다.

본 발명의 숏크리트 조성물의 제조방법은 다음과 같이 이루어진다.

바인더 및 골재를 건비빔한 후, 배합수를 혼입하여 배합하는 단계가 이루어진다.

배합한 혼합물에 슬러리형 급결제를 혼합하여 배합하는 단계가 이루어진다.

여기서, 슬러리형 급결제는 지연제를 함유한 용액에 급결제를 혼합하여 슬러리형 급결제를 형성하며, 지연제는 alkali silicate fluoride 계열로 형성된 것이 바람직하다.

다음으로, 배합한 혼합물을 타설 및 양생하는 단계가 이루어진다.

본 발명의 숏크리트 조성물을 이용한 해저터널의 시공방법은 다음과 같이 이루어진다.

해저지반을 굴착하여 굴착홈을 형성하는 굴착단계가 이루어진다.

굴착홈에 숏크리트 조성물로 형성된 숏크리트를 타설하는 단계가 이루어진다.

굴착홈으로부터 지반의 내부로 락볼트를 설치하는 단계가 이루어진다.

이하, 본 발명의 효과를 알아보기 위한 실험예에 관하여 설명한다.

먼저, 본 발명의 숏크리트의 내염해성을 검증하기에 앞서, 이와 대비되는 종래의 숏크리트의 내염해 특성 확인을 위하여, 숏크리트 KS 기준에서 제시하고 있는 일반적인 숏크리트 배합기준을 근거로 공시체를 제작하여 모르타르시험을 수행하였다.

표 12는 시험 항목을 나타낸 것이다.

숏크리트 시험체 제작에 사용된 시멘트는 2종류로 1종 보통포틀랜드시멘트(H사 시멘트)와 3종 포틀랜드시멘트(D사 시멘트)를 사용하였다.

바인더(Binder)의 구성은 시멘트와 슬래그로 하였으며, 혼합비(Cement:Slag)를 다양하게 적용하면서 시험을 수행하였다.

숏크리트에 적용된 급결제는 총 3가지로 기존의 분말형 급결재와 액상형 급결재 및 지연제를 혼입하여 사용하는 국내산 슬러리형 급결재를 사용하여 물성을 비교 분석하였다.

잔골재는 ISO 676에 준하는 표준사(EN196-1, 제조사 SNL, 프랑스)를 사용하였으며, 배합수는 증류수를 사용하였다.

시험에 적용된 모르타르 기본 배합기준은 표 13에 나타낸 바와 같다.

숏크리트 배합은 기계식 믹서 (Kitchen Aid Co., Ltd., U.S.A., 5KPM50)를 사용하였다.

1분간 믹서의 저속(speed level 3)으로 바인더와 잔골재를 건비빔한 후, 배합수를 혼입하고 1분30초간 배합한 후 10초의 휴지기를 두었다.

그 후, 믹서의 고속(speed level 7)으로 30초간 배합한 후 급결제를 넣고 다시 10초간 배합하였다.

굳지 않은 숏크리트 반죽은 압축강도와 염화물 확산성을 평가하기 위해 시험체를 제작하였다.

압축강도 측정을 위해 KS F 24035 규정에 따라 시험체(50mm × 50mm × 50mm)의 큐브 시험체를 제작하였으며, 염화물확산성 시험을 위해 ASTM 1202 규준에 따라 시험체(100mm × 50mm)를 제작하였다.

도 1은 시험체 제작 과정을 나타낸 이미지이다.

먼저, 기초물성 시험을 실시하였다.

숏크리트 시험체의 성능평가에 앞서 시험체 제작에 사용된 재료 중에서 1종 보통포틀랜드시멘트 (Ordinary Portland Cement, OPC), 3종 포틀랜드시멘트, 슬래그, 응결지연제, 슬러리형 급결재, 분말형 급결재의 기초적 물성 파악이 요구된다.

따라서 숏크리트 시험체 제작에 사용된 재료 각각의 기초적인 물성을 파악하기 위하여 화학적 성분분석을 위한 XRF(X-ray fluorescence spectrometer, Shimadzu, Japan, XRF-1700)와 X-ray diffractometer (Rigaku Co., Ltd. Japan, Ultima IV)분석을 진행하였다.

숏크리트의 응결경화 시간은 ASTM C 403(Standard Test Method for Time of Setting of Concrete Mixture by Penetration Resistance)에 의거하여 측정하였다. 그림 14.2.2의 디지털 관입저항기(Heung Jin Co., Ltd. Korea, HJ-3169)를 사용하였으며, 그림 14.2.3과 같이 초결(initial set)과 종결(final set)을 각각 측정하였다.

다음으로, 응결경화 시험을 실시하였다.

숏크리트의 응결경화 시간은 ASTM C 403(Standard Test Method for Time of Setting of Concrete Mixture by Penetration Resistance)에 의거하여 측정하였다.

도 2에 도시된 디지털 관입저항기(Heung Jin Co., Ltd. Korea, HJ-3169)를 사용하였으며, 도 3과 같이 초결(initial set)과 종결(final set)을 각각 측정하였다.

다음으로, 일축 압축강도 시험을 실시하였다.

숏크리트 시험체의 1일 압축강도는 KS F 2405에 따라 도 4와 같이 50mm× 50mm×50mm 큐브몰드 시험체를 제작하여 측정하였으며, 시험체의 강도의 측정은 도 5의 만능재료시험기 (UTM, Shimadzu, Japan, UH-F100A)를 사용하였다.

시험에 적용된 재하속도는 3mm/min로 유지하였다.

다음으로, 염화물 침투 저항성 시험을 실시하였다.

숏크리트의 염화물 침투저항성 측정은 KS F 2711과 시험방법이 동일하며 가장 널리 쓰이는 ASTM C 1202(Standard Test Method for Electrical Indication of Concrete’s Ability to Resist Chloride Ion Penetration)에 의해 실시하였다.

또한, 본 실험 방법이 가지는 약점을 보완하기 위하여,도 6에 나타낸 방법과 같이, 시험이 끝난 공시체에 질산은 용액을 뿌려, 실제 염소이온이 침투한 침투깊이를 측정하여, 시험체의 염화물 침투저항성을 정량적으로 평가하였다.

도 7은 PERMATM(Giatec Scientific Inc., perma) 염화물 침투저항성을 측정하는 장비이다.

위와 같이 실험한 결과는 다음과 같다.

먼저, 본 실험에 사용된 재료의 화학적 성분비를 알아내기 위하여 XRF (X-ray fluorescence) 성분분석을 실시하였으며, 해당 데이터는 표 14에 나타낸 바와 같다.

급결제용으로 쓰인 재료의 화학성분을 살펴보면, 슬러리형 급결재 및 분말형 급결재의 주 성분은 칼슘 알루미네이트 계열인 것을 알 수 있다.

슬러리형 급결재의 경우 분말로 직접 사용하지 않고, 지연제를 함유한 용액에 첨가하여 슬러리로 만든 다음 활용하였는데, 슬러리형 급결재의 지연에 사용된 지연제의 화학성분은 alkali silicate fluoride계열의 화학성분을 가진 것으로 나타났다.

다음으로, 본 실험에 사용된 재료의 상구조를 알아내기 위해 XRD (X-ray difftaction) 분석을 실시하였다.

도 8 내지 도 10에 도시된 그래프는 해당 결과를 나타낸 것이다.

도 8의 그래프에 나타낸 분말형 급결제의 화학성분은 calcite, maynenite (C12A7), quartz (impurity), portlandite, C4AH19, 및 기타 calcium aluminate phase가 존재하는 것으로 나타났다.

중요 성분비를 볼 때, 급결반응은 C12A7의 수화반응에 의해 나타나는 것으로 사료된다.

도 9는 슬러리형 급결제의 XRD 패턴을 그래프로 도시한 것으로서, XRD 패턴에 따르면 슬러리형 급결제는 maynenite (C12A7), anhydrite, potassium sulfate등을 함유하고 있는 것으로 나타났다.

또한, 전체적인 XRD 패턴이 완만하게 솟아 있는 영역이 길어, 대부분의 재료가 비결정질의 형태로 존재하는 것으로 보인다.

슬러리형 급결제 또한 분말형 급결제와 마찬가지로, C12A7의 급속한 수화반응에 의해 급결효과를 얻는 것으로 사료된다.

도 10에 나타낸 그래프는 슬러리형 급결제의 제조시 필요한 응결 지연제의 XRD 패턴을 나타낸 것이다.

도 10의 그래프에 따르면, sodium silicon fluoride, 여러 형태의 sodium silicates, potassium silicate를 함유하고 있는 것으로 보이나, AgF3의 존재유무는 확실하게 검증할 수 없었다.

본 실험 사용된 액상형 급결제는 액상이라 분석을 진행할 수 없었으며, 보통 및 조강시멘트의 경우 상 조성이 일반적인 경우에 크게 다르지 않아 분석데이터를 생략하였다.

숏크리트의 내염해성을 확인할 수 있는 염화물 침투 저항성 시험 결과는 다음과 같다.

본 발명에서 제시하는 숏크리트의 경우, 종래의 실리카흄 대신 슬래그를 혼입한 숏크리트를 제시하고 있으므로, 슬래그 미분말을 혼입하였을 경우의 내염 특성 변화를 확인하기 위하여 재령 28일 공시체를 이용하여 염화물 침투저항성 시험을 수행하였다.

슬래그의 혼입율은 압축강도 발현을 고려하여 40%로 적용하였다.

도 12에 나타낸 그래프에서 확인할 수 있듯이 염화물 확산계수가 기존 숏크리트는 9,208 coulomb, 슬래그를 혼입한 숏크리트는 3,966 coulomb의 값을 나타내고 있다.

결론적으로, 슬래그 미분말을 혼입한 숏크리트의 경우 기존 숏크리트 대비 염화물 확산계수가 약 56% 이상 감소되어 당해연도 질적성과목표인 기존 숏크리트 대비 염화물 확산계수 10%를 만족하는 것을 확인할 수 있다.

슬래그 혼입율에 따른 재량 28일 일축압축강도 결과는 표 15 및 도 13에 도시된 그래프에 나타낸 바와 같다.

슬래그 혼입율이 80% 이상이 될 경우, 재령 28일 일축압축강도가 현격히 저하됨을 확인할 수 있으며, 슬래그 혼입율 70% 까지는 당해연도 질적성과인 21Mpa을 충분히 만족함을 확인할 수 있었다.

따라서, 본 발명에서 제시하는 숏크리트의 경우 실리카흄을 대체하면서 고강도가 발현될 수 있는 슬래그 미분말의 혼입이 바람직하다는 것을 확인할 수 있다.

다음으로, 슬래그의 초기강도 저하문제를 해결하기 위하여 기존 급결제 성능 및 슬러리형 급결제 성능을 평가하였다.

분말형 및 액상형 급결제를 이용하는 경우 표 16에 나타낸 바와 같이, 슬래그 미분말 혼입율이 증가함에 따라 초기강도가 저하되는 현상을 보이고 있으며, 분말형 급결제가 액상형 급결제보다 초기강도가 증진되는 현상을 보이고 있다.

분말형의 경우, 초기강도 기준으로 슬래그 미분말을 20% 이상 혼입하기 어려운 것으로 판단되며, 액상형은 슬래그 미분말 혼입이 불가능한 것으로 판단된다.

분말형의 강도 발현과 액상형의 사용 편리성을 결합한 슬러히여 급결제를 이용하는 경우, 표 17에 나타낸 바와 같이, 슬래그 미분말 혼입율이 증가함에 따라 초기강도가 저하되는 현상을 보이고 있으나, 기존 분말형 및 액상형 급결제에 비해 슬러히여 급결제를 사용할 경우, 더 큰 값을 보이고 있다.

초기강도 기준으로 슬래그 미분말을 60% 이상 혼입하여도 강도기준을 만족하는 것으로 나타났다.

따라서, 본 발명에서 제시하는 숏크리트에 슬러리형 급결제가 혼입되는 것이 바람직하다는 것을 확인할 수 있다.

지연제를 혼입하여 사용하는 슬러리형 급결제를 1종 보틀랜드 시멘트 및 슬래그와 혼입하여 사용한 숏크리트 배합의 응결 및 경화특성을 측정한 결과는 도 14에 나타낸 그래프와 같다.

도 14의 그래프에 표시된 데이터의 추세선은 ASTM C 403의 규준에 따라 지수함수(exponential)로 데이터를 회귀분석한 것이며, 데이터의 fitting에 사용된 함수를 이용하여 각각 초결 및 종결에 해당되는 침투 저항성값인 3.5MPa와 27.6MPa에 해당되는 초결 및 종결시간을 구하였다.

ASTM 규준에 따른 각 숏크리트의 초결 및 종결시간은 도 14에 나타낸 그래프에 나타낸 바와 같으며, 슬러리형 급결제를 사용한 경우 슬래그가 1종 보통포틀랜드 시멘트와 혼입되면서 응결 및 경화가 빨라지는 것을 확인할 수 있다.

지연제를 혼입하여 사용하는 국내산 슬러리형 급결제를 3종 포틀랜드 시멘트 및 슬래그와 혼입하여 사용한 숏크리트 배합의 응결 및 경화특성을 측정한 결과는 도 15에 나타낸 그래프와 같다

마찬가지로, 도 16의 그래프에 표시된 데이터의 추세선은 ASTM C403의 규준에 따라 지수함수로 나타내었으며, 이 관계식을 이용하여 숏크리트의 초결 및 종결시간을 구한 값은 도 15의 그래프에 나타내었다.

슬러리형 급결제를 사용한 경우, 슬래그가 3종 포틀랜드 시멘트와 혼입되면서 응결 및 경화시간이 촉진됨을 알 수 있다.

슬래그의 혼입에 따른 응결 및 경화의 촉진은 슬래그 내부에 혼입된 석고(황산칼슘)의 존재로 기인된 것으로 보인다.

슬래그의 투입량이 증가하게 되면, 슬래그에 존재하는 석고 성분이 촉진제로 사용된 슬러리 샷 제품의 C12A7 상과 반응하여 에트링가이트 생성을 촉진시킬 수 있다.

다음으로, 국내 분말형 급결제를 1종 보틀랜드 시멘트 및 슬래그와 혼입하여 사용한 숏크리트 배합의 응결 및 경화특성은 도 15의 그래프에 나타낸 바와 같다.

분말형 급결제의 경우, 대체적으로 슬래그의 함유량이 증가할수록 응결 및 경화속도가 슬러리형 급결제를 사용한 것보다 다소간 빠른 것으로 나타났다.

도 17은 국내 분말형 급결제를 3종 포틀랜드 시멘트 및 슬래그와 혼입하여 사용한 숏크리트 배합의 응결 및 경화특성을 나타낸 그래프이다.

3종 포틀랜드 시멘트와 함께 배합한 숏크리트의 경우, 슬래그의 함유량이 증가할수록 응결 및 경화속도가 느려지는 것을 알 수 있다.

도 18의 그래프에 나타낸 데이터는 1종 보통, 3종 포틀랜드시멘트 80% 및 고로슬래그 20%와 분말형 급결제를 섞어 만든 숏크리트의 응결 경화 곡선이다.

도 18의 그래프에서 확인할 수 있듯이, 데이터는 지수함수로 fitting 하는 것보다 선형의 직선으로 나타내는 것이 상관계수 R값이 훨씬 더 높음을 알 수 있다.

도 19는 국내 액상형 급결제를 1종 보통포틀랜드 시멘트 및 슬래그와 혼입하여 사용한 숏크리트 배합의 응결 및 경화특성을 나타낸 그래프이다.

액상형 급결제의 경우, 슬래그의 함유량이 증가할수록 응결 및 경화속도가 느려지는 것을 알 수 있다.

액상형 급결제의 경우에는 응결 및 경화속도가 슬러리형 급결제 및 분말형 급결제를 사용한 것보다 훨씬 느리게 진행되는 것으로 드러났다.

도 20은 국내 액상형 급결제를 3종 포틀랜드 시멘트 및 슬래그와 혼입하여 사용한 숏크리트 배합의 응결경화특성을 나타낸 그래프이며, 도 20에 나타낸 3종 포틀랜드 시멘트의 경우에도 슬래그 함유량이 증가하면 응결시간이 매우 지연됨을 알 수 있다.

도 21은 1종 및 3종 포틀랜드 시멘트 80% 및 고로슬래그 20%와 국내 액상형 급결제를 섞어 만든 숏크리트의 응결경화 곡선이다.

도 21의 그래프에서 나타낸 바와 같이 데이터는 지수함수로 fitting 하는 것보다 자연로그의 함수로 나타내는 것이 상관계수 R값이 훨씬 더 높음을 알 수 있다.

이러한 경향은 슬래그 함유량과는 관계없이 국내 액상형 급결제를 사용한 모든 배합에서 동일하게 나타났다.

또한, 이러한 결과는 초기의 반응이 매우 빠른 숏크리트와 같은 배합에는 응결 경화 과정이 급결제의 영향을 강하게 받을 수 밖에 없기 때문에, 숏크리트 배합의 응결경화 곡선은 어떠한 급결제가 사용되었는가에 따라 차이가 뚜렷하게 발생할 수 밖에 없음을 의미한다.

이와 같이, 기존 숏크리트와 본 발명에서 제시하는 숏크리트의 내염해 및 강도 특성 확인 결과, 본 발명의 숏크리트 조성물이 비교적 내염해성 및 일축압축강도 모두 우수한 것을 확인할 수 있다.

다음으로, 본 발명에서 제시하는 숏크리트 조성물의 성능을 검증하기 위한 실험을 실시하였다.

먼저, 표 18은 숏크리트 콘크리트 배합기준을 나타낸 것이다.

B25,B40이 본 발명에서 제시하는 숏크리트 조성물의 구성성분 배합비에 따른 것이다.

숏크리트 시험을 통한 장기 압축강도 특성 평가 결과, 슬래그가 혼입된 숏크리트의 경우, 보통포틀랜드 시멘트를 단독 또는 실리카흄이 혼입된 숏크리트와 장기강도에서는 유사하거나 우수한 것으로 평가되었다(도 22).

즉, 본 발명의 숏크리트에 슬래그 미분말이 혼입됨에 따라 장기강도가 우수해진다는 것을 확인할 수 있다.

다음으로, 본 발명의 숏크리트의 내염해성을 평가하는 실험을 하였다.

도 23은 실험결과를 나타낸 그래프이며, 실리카흄 및 슬래그가 40% 혼입된 숏크리트의 경우, 통과 전하량이 보통포틀랜드 시멘트 단독 혼입된 숏크리트보다 현격히 감소되며, 슬래그가 40% 혼입된 경우가 가장 작게 나타났다.

즉, 본 발명에서 제시하는 슬래그 미분말이 혼입된 숏크리트의 경우, 내염화성이 우수하다는 것을 확인할 수 있다.

다음으로, 숏크리트 모르타르 시험을 통하녀 장기 압축강도 및 내염특성을 평가하였다.

도 24 및 도 25는 실험결과를 나타낸 그래프이다.

슬러리샷 및 분말형은 Plain 시험체와 28일 압축강도가 유사하거나 우수하나 액상형(알카리프리계)는 매우 낮은 것으로 평가되었다.

슬러리샷 및 분말형은 Plain 시험체와 비교하여 통과 전하량이 많이 감소되나 액상형(알칼리프리계)는 많이 감소되지 않는 것으로 평가되었다.

즉, 슬러리샷 및 분말형의 경우, 슬래그 혼입에 따른 장기강도 및 내염해성이 우수하다는 것을 확인할 수 있다.

도 26은 숏크리트 시험을 통한 시편별 내염 특성을 확인한 시험결과를 나타낸 것이다.

직경 100mm, 길이 200mm 공시체에서 3개의 50mm 두께의 시험체를 추출하여 내염 특성 확인하였다.

슬래그를 혼입한 경우, 시편별 편차가 적으나, 실리카흄의 경우 시편별 편차가 크게 발생되는 것으로 평가되었다.

즉, 슬래그에 비해 적게 혼입되는 실리카흄 숏크리트의 경우, 품질의 균질성에 문제가 발생할 우려가 있다.

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

바인더, 골재를 포함하고,
물-바인더비가 38~40이며,
상기 바인더는
보통 포틀랜드시멘트 280~360 kg/m³;
슬래그 미분말 120~200kg/m³;를
포함하는 것을 특징으로 하는 숏크리트 조성물.
제 1항에 있어서,
상기 골재는
잔골재 900~1000kg/m³;
굵은골재 660~680kg/m³;를
더 포함하는 것을 특징으로 하는 숏크리트 조성물.
제 2항에 있어서,
상기 골재의 잔골재율은
58~60%인 것을 특징으로 하는 숏크리트 조성물.
제 1항에 있어서,
상기 바인더는
전체 중량대비, AE감수제 0.6~0.8중량%;를
더 포함하는 것을 특징으로 하는 숏크리트 조성물.
제 1항에 있어서,
상기 바인더는
상기 바인더 100 중량부를 기준으로, 슬러리형 급결제 10~30중량부;를
더 포함하는 것을 특징으로 하는 숏크리트 조성물.
제 5항에 있어서,
상기 슬러리형 급결제는
칼슘 알루미네이트 계열로 형성된 것을 특징으로 하는 숏크리트 조성물.
제 1항 내지 제 6항의 숏크리트 조성물의 제조방법으로서,
상기 바인더 및 골재를 건비빔한 후, 배합수를 혼입하여 배합하는 단계;
상기 배합한 혼합물에 슬러리형 급결제를 혼합하여 배합하는 단계;
상기 배합한 혼합물을 타설 및 양생하는 단계;를
포함하는 것을 특징으로 하는 숏크리트 조성물의 제조방법.
제 7항에 있어서,
상기 슬러리형 급결제는
지연제를 함유한 용액에 급결제를 혼합하여 상기 슬러리형 급결제를 형성하며,
상기 지연제는
alkali silicate fluoride 계열로 형성된 것을 특징으로 하는 숏크리트 조성물의 제조방법.
제 1항 내지 제 6항의 숏크리트 조성물을 이용한 해저터널의 시공방법으로서,
해저지반을 굴착하여 굴착홈을 형성하는 굴착단계;
상기 굴착홈에 상기 숏크리트 조성물로 형성된 숏크리트를 타설하는 단계;를
포함하는 것을 특징으로 하는 해저터널의 시공방법.