1. 서 론

터널 공사에서 숏크리트를 타설할 때 철근이나 와이어 매쉬를 사용할 경우 설치곤란, 부착력 감소 등 여러 가지 문제점이 발생하여 새로운 보강재 개발이 요구되고 있다. 최근에는 터널 숏크리트 타설시 콘크리트의 균열저감 및 보강방법으로 섬유보강 숏크리트의 적용이 증가되고 있으며, 일반적으로 강섬유를 사용하고 있다. 강섬유보강 숏크리트는 혼합시의 뭉침 현상, 타설 시의 노즐 및 압송호스 막힘 현상과 강섬유의 반발률이 많이 발생되어 휨인성 및 품질 저하 문제가 발생하고 있다(Jeon, 2011). 이러한 강섬유 숏크리트 기준의 문제점을 조사 분석하여 강섬유 자체의 형태 및 형상비를 개선하고 부착력과 시공성이 우수한 고성능 강섬유를 개발하는 것은 매우 중요하며 필수적이라고 판단된다.

선행연구로 Kim et al. (2010)은 새로운 형태의 강섬유를 제작하고 강섬유의 인발실험을 통해 새로운 형태의 강섬유를 개발하였다. 또한 Kim et al. (2011)은 새롭게 개발한 강섬유가 숏크리트 강도특성에 미치는 영향을 알아보기 위하여 기존 숏크리트 시방 규정(Korea expressway Corporation, 2003)에 따라 배합을 실시하고, 강섬유보강 숏크리트의 인성을 확보하기 위한 최소 혼입량 기준인 1 m³당 30 kg (Lee et al., 2006)를 토대로 압축강도 및 휨인성 실험을 실시하였다. 그 결과 후크형 강섬유보강 숏크리트보다 형상을 개선한 강섬유를 사용하여 숏크리트를 타설하였을 때 압축강도와 휨인성이 증가하는 것으로 나타났으나, 현장 적용성을 판단하기 위한 연구는 미비한 실정이다.

따라서, 본 연구에서는 기존 후크형 강섬유에서 형상을 개선한 새로운 강섬유를 개발하였으며, 개발한 강섬유를 혼입한 숏크리트의 현장 적용성과 형상을 개선한 강섬유의 부착력을 평가하기 위하여 이론적 검토 및 리바운드율 실험을 실시하였다.

(a) Hook-type	(b) New-type
Fig. 1. Pull-out test for each type of steel fiber

2. 형상을 개선한 강섬유의 이론적 검토

2.1기존 Hook형 강섬유 및 형상을 개선한 강섬유

선행연구로 Kim et al. (2010)은 Fig. 1(a)와 같이 기존의 후크형 강섬유와 후크의 각과 강섬유 body의 길이를 변형시킨 새로운 형상의 강섬유를 인발실험을 통하여 비교 분석하였다. 분석결과 Fig. 1(b)와 같이 후크를 이루는 각이 75°와 강섬유 body의 길이가 12 mm일 때 인발력이 가장 큰 것으로 나타났다.

선행된 인발실험을 통해 최적의 강섬유 형상비를 도출하였으며, 이를 검증하기 위해 콘크리트에 형상을 개선한 강섬유를 배합하여 리바운드 실험을 실시하였다. 실험을 실시한 숏크리트는 Fig. 2(a)의 기존 강섬유를 보강한 숏크리트, Fig. 2(b)의 형상을 개선한 강섬유 보강 숏크리트 시료를 선정하였다.

2.2 강섬유 인발 메커니즘

강섬유보강 복합체의 성질에 영향을 미치는 중요한 인자는 섬유의 혼입율, 섬유의 형상 및 섬유의 분포 등으로 나누어 진다. 기존 강섬유와 형상을 개선한 새로운 강섬유의 인발에 따른 부착 메커니즘을 나타내었다.

취성모체와 기존의 후크형 강섬유에 대하여 인발실험에 따른 응력-변형률곡선은 일반적으로 Fig. 3과 같으며, 취성모체와 강섬유에 대하여 인발하중 적용에 따른 파괴 현상은 Fig. 4와 같다(Cunha, 2007). 인발하중의

Fig. 3. Steel fiber behaviour during pull-out

증가(AB) 후 인발하중이 최대값에 도달(BC)하고 강섬유가 취성모체에서 인발됨에 따라 인발하중이 감소하기 시작한다(CD). hook형 강섬유의 꺽인 부분이 반대로 변형됨에 따라 인발하중이 다시 증가하고(DE) 그 후 인발하중이 감소하는 경향(EF)이 나타난다(Cunha, 2007). 형상을 개선한 강섬유의 경우, 취성모체와 강섬유에 대하여 인발하중 적용에 따른 파괴 현상은 Fig. 5와 같으며, 선행연구에서 기존 후크형 강섬유보다 신개념 강섬유가 인발 하중의 최대값이 더 증가하는 경향(Kim et al., 2010)이 나타났으므로 신개념 강섬유에 대하여 인발 실험 시 응력-변형률곡선은 Fig. 3과 같이 유추할 수 있다.

(a) Hook-type	(b) New-type
Fig. 2. Steel fiber types used in the test

2.3 강섬유 계수-혼입률에 상관관계

본 연구는 선행연구를 통해 새로운 강섬유를 개발하였으며, 개발한 강섬유의 현장 적용성을 평가하기 위하여 이론적 검토와 역학적 특성을 평가하였다.

구조부재에 강섬유가 미치는 보강효과는 압축강도, 할렬인장강도, 휨강도, 휨인성 계수 등올 평가할 수 있으며, 강섬유 형상비에 따른 강섬유 계수 및 강섬유 혼입률이 주요한 평가 요소가 될 수 있다(Lee, 2003).

강섬유보강 숏크리트에서 강섬유의 혼입으로 인한 인장강도와 연성의 개선은 균열이 발생하기 전에는 숏크리트내의 섬유 혼입율에 영향을 받고, 균열이 발생한 후 균열이 진전되고 확장될 때는 섬유의 저항에 좌우된다(Narayanan, R. et al., 1987). 강섬유보강 숏크리트의 강도에 영향을 주는 강섬유 계수(fiber factor, F)는 강섬유 혼입율(volume fraction ratio, ), 섬유의 형상비(aspect ratio, ), 섬유와 숏크리트의 부착계수(steel fiber sticking coefficient, ) 등 3가지의 영향을 복합변수로 합성시켜 다음과 같이 나타낸다(Narayanan, R. et al., 1988).

(a) AB-Partly debonded	(b) BC-Fully debonded			(c) CD-Pullout
(d) DE-Pullout		(e) EF-Pullout
Fig. 4. Failure mechanism of hook-type steel fiber
(a) AB-Partly debonded	(b) BC-Fully debonded		(c) CD-Pullout
(d) DE-Pullout		(e) EF-Pullout
Fig. 5. Failure mechanism of new-type steel fiber

	(1)
	(2)

여기서,  :SFRC (Steel Fiber Reinforced Concrete) tensile strength (, MPa, Lee, 2012)

 :compressive strength of concrete

 :steel fiber mixing ratio

 :shear stress between the steel fiber and concrete matrix (MPa)

 :steel fiber sticking coefficient (straight 0.5, crimp-type 0.75, Hook-type 1.0, Lee 2012)

Kützing (2000)은 개별 섬유 인발(pull-out)실험에서 전단 강도의 평균값을 Table 1과 같이 제시하였다. 평균전단응력은 후크형 섬유가 직선이 될 때까지의 마찰 전단 저항인 최대 인발응력을 말한다.

본 연구에서는 Table 1에서 제시된 일반 압축강도인 ≤50 MPa이므로 마찰전단강도(frictional shear stress,)는 2.0 MPa로 적용하였다. 본 연구에서 개발한 형상을 개선한 강섬유 보강 숏크리트의 압축강도(강섬유 혼입량 30 kg/m³)는 Table 2와 같이 나타냈으며, 형상을 개선한 강섬유의 부착계수()를 구하면 다음과 같다.

Table 1. Dependency of the average shear stress on the matrix quality for conventional concrete (Summary from literature; after Kützing, 2000)
Matrix compressive strength class		(MPa)				Frictional shear stress (MPa)
Normal strength		≤50				2.0 – 3.0
Medium strength		≥50; ≤70				3.5 – 4.5
High strength		＞70				5.0 – 6.0
Table 2. Compressive strength (7 days) of new-type steel fiber (Kim, 2011)
Items	Case1		Case2	Case3	Case4		Case5	Case6	Average
Compressive strength (7 days) (MPa)	16.55		17.30	19.59	23.70		23.66	24.66	20.90

,

(3)

다음 Fig. 6은 형상을 개선한 강섬유의 이론적 특성을 파악하기 위하여 강섬유 혼입율에 따른 강섬유 계수를 나타낸 그래프이다.

Fig. 6. Relationship between fiber factor (F) and fiber mixing ratio (Vf)

강섬유 혼입율이 증가함에 따라 강섬유 계수가 증가하는 것으로 나타났으며, 기존의 후크형 강섬유와 형상을 개선한 강섬유를 비교 분석한 결과 기존의 후크형의 경우 강섬유 부착계수가 1.0인 반면에 형상을 개선한 강섬유의 부착계수는 1.33으로 약 25% 증가하는 것으로 나타났다. 이는 형상을 개선한 강섬유로 보강할 경우 강섬유보강 숏크리트의 강도증진효과가 나타나는 것으로 판단된다.

3. 실내 리바운드율 실험을 통한 현장 적용성

3.1 실내 숏크리트 리바운드율 실험시스템

본 연구는 형상을 개선한 강섬유보강 숏크리트가 강섬유의 혼입율 변화에 따른 부착성능을 확인하기 위해 실내 리바운드율 실험시스템을 개발하였다. Fig. 7은 국내 현장에서 사용되고 있는 타설장비의 노즐직경을 조사한 그래프이며, 직경 50 mm의 노즐을 많이 적용하고 있다. Fig. 8은 새로 개발된 숏크리트 공기 압송방식에 따른 실내 리바운드 실험시스템으로 시멘트, 물, 잔골재, 굵은골재, 유동화제를 믹싱한 콘크리트가 압축공기에 의해 가속되어 분사되는 과정을 나타내었다.

실내 리바운드 실험시스템의 장비사양은 Table 3과 같다.

Fig. 7. Distribution of shotcrete nozzle size in Korea (An, 2009)
(a) Side view		(b) Plan
Fig. 8. Laboratory scaled shotcrete rebound test system
Table 3. Specification of the test system
Items	Existing shotcrete equipment system (Kim, 2002)		Lab. scaled shotcrete Rebound test system
Nozzle direction (o)	90		90
Nozzle diameter (mm)	40~60		50
Hopper capacity (cm3)	300,000		18,000
Compressor, the injection pressure (kg/m2)	20,000~50,000		10,000

3.2 실험방법

리바운드율 시험은 숏크리트 타설장비를 이용하여 숏크리트 타설전 전재료의 중량 파악 및 숏크리트 타설부위에 쉬이트 등으로 깔아서 반발된 숏크리트량을 측정할 수 있도록 준비하여 일정량 숏크리트를 타설한 후 반발되어 떨어진 숏크리트량을 측정하여 숏크리트 전체의 무게와 반발된 무게의 비로 리바운드율(rebound ratio)을 구하며 식 (4)와 같다. 리바운드된 숏크리트는 씻기 시험을 통하여 리바운드된 강섬유량을 측정하고, 이를 시험체별 리바운드량을 측정하여 비교 분석을 실시한다.

(a) Shotcrete test system

(b) Sprayed shotcrete

(C) Measuring of steel fiber contents

Fig. 9. Laboratory scaled shotcrete rebound test procedure

Table 4. Specification of shotcrete mix ratio (Korea Expressway Corporation, 2003)

Coarse aggregate maximum dimensions (mm)

Slump (mm)

Air flow (%)

W/C (%)

S/A (%)

Unit amount of material

Water (W) (kg)

Cement (C) (kg)

Sand (S) (kg)

Coarse aggregate (G) (kg)

10

100

1.5

44

60

3.38

7.68

15.39

10.54

Table 5. Test case

Items

Steel fiber mixing ratio (%)

Hook-type

0.25 (70 g)

0.5 (140 g)

0.75 (210 g)

1.0 (280 g)

New-type

리바운드율	리바운드 재료의 전중량	100(%)	(4)
	숏크리트용 재료의 전중량

개발된 실내 리바운드 실험시스템을 이용하여 리바운드 성능을 평가하기 위해 후크형 강섬유보강 숏크리트, 형상을 개선한 강섬유보강 숏크리트에 대한 리바운드 실험을 실시하였다. Fig. 9와 같이 가로(1,000 mm), 세로(1,000 mm), 높이(1,000 mm)의 아크릴 벽체를 설치하였으며 실내 리바운드 실험시스템을 실시하여 각 시험체별 16,000 cm³씩 숏팅 후 리바운드량과 벽에 분사된 강섬유양을 측정하였다.

형상을 개선한 강섬유의 부착특성을 고찰하기 위하여 Table 4과 같이 기존 숏크리트 시방 규정(Korea expressway Corporation, 2009)에 정해진 강섬유 40 kgf/m³(약 0.5%) 혼입 조건을 바탕으로 Table 5와 같이 시험체의 종류는 기존의 후크형 강섬유보강 숏크리트, 형상을 개선한 강섬유보강 숏크리트로 선정하였으며, 강섬유의 혼입율은(0.25%, 0.5%, 0.75%, 1.0%로 선정하였다.

4. 실험결과

4.1 숏크리트 분사에 따른 리바운드량 측정 결과

다음 Fig. 10은 각 3회 씩 숏크리트 분사 후 리바운드율(rebound ratio)에 대한 평균값을 측정한 그래프로 강섬유 혼입율(0.25%, 0.5%, 0.75%, 1.0%)에 따른 리바운드율(rebound ratio)을 나타낸 것이다.

Fig. 10. Hook-type steel fiber vs New-type steel fiber

숏크리트 분사에 따른 리바운드율(rebound ratio)에 대하여 비교한 결과, 초기 강섬유 혼입 시 기존 후크형 강섬유 숏크리트와 형상을 개선한 강섬유 숏크리트의 리바운드율(rebound ratio)에 대한 차이값이 비교적 미미하였으나 강섬유의 혼입율이 증가할수록 리바운드율의 차이값이 증가하는 경향이 나타났으며, 기존 후크형 숏크리트에 비하여 강섬유보강 숏크리트의 리바운드율(rebound ratio)이 7∼8% 내외로 감소하는 경향이 나타났다. 이는 형상을 개선한 강섬유의 부착강도가 증가함으로 인해 숏크리트의 마찰력이 증가하고, 벽과의 부착 직후 반발력에 대한 저항력이 증가함에 따라 리바운드량이 감소한 것으로 판단되어진다. 또한, 형상을 개선한 강섬유의 무게중심이 기존 강섬유보다 중앙에 위치함에 따라 숏크리트 분사 시 숏크리트의 원심력이 감소함으로 인해 벗어나는 숏크리트의 양이 감소한 것으로 판단되어진다.

4.2 숏크리트 분사에 따른 강섬유 혼입량 측정 결과

다음 Fig. 11은 각 3회 씩 숏크리트 분사 후 벽체에 부착된 강섬유 혼입률의 평균값을 측정한 그래프로 강섬유 혼입율(0.25%, 0.5%, 0.75%, 1.0%)에 따른 숏크리트 분사 후 벽체에 부착된 강섬유 혼입률을 나타낸 것이다.

숏크리트 분사 시 벽체에 남아있는 강섬유량에 대하여 비교한 결과, 기존 후크형 감섬유 숏크리트에 비하여 형상을 개선한 강섬유보강 숏크리트가 5∼6% 내외로 증가하는 경향이 나타났다. 이는 형상을 개선한 강섬유의 부착강도가 증가함으로 인해 숏크리트의 마찰력이 증가하고, 벽과의 부착 직후 반발력에 대한 저항력이 증가함에 따라 리바운드량이 감소한 것으로 판단되어진다. 또한, 형상을 개선한 강섬유의 무게중심이 기존 강섬유보다 중앙에 위치함에 따라 숏크리트 분사 시 숏크리트의 원심력이 감소함으로 인해 벗어나는 숏크리트의 양이 감소한 것으로 판단되어진다. 이 결과, 형상을 개선한 강섬유를 혼입시킨 숏크리트가 후크형 강섬유를 혼입시킨 숏크리트에 비해 비교적 효율적일 것이라 판단된다.

5. 결 론

본 연구는 기존 후크형 강섬유에서 형상을 개선한 새로운 강섬유를 개발하였으며, 개발한 강섬유를 혼입한 숏크리트의 현장 적용성을 평가하기 위하여 이론적 검토 및 물리적 특성을 통해 현장 적용성에 관한 기초적 연구를 실시하였다. 본 연구의 결론은 다음과 같다.

Fig. 11. Hook-type steel fiber vs New-type steel fiber

1.이론적 검토를 통하여 형상을 개선한 새로운 강섬유보강 숏크리트의 강섬유계수를 도출하였으며, 이를 강섬유 혼입율에 따른 강섬유계수에 대하여 분석한 결과, 강섬유의 혼입율이 증가할수록 기존 강섬유 숏크리트보다 신개념 강섬유 숏크리트의 강섬유 계수가 증가하는 경향이 나타났다.

2.기존 후크형 강섬유 숏크리트와 형상을 개선한 강섬유 숏크리트 모두 강섬유의 혼입율이 0%∼0.5%로 증가할 때 리바운드량의 감소율이 크게 감소하는 경향이 나타났으며, 강섬유의 혼입율이 0.5%∼1.0%로 증가할 때 리바운드율의 감소율이 미미하게 변화하는 경향이 나타났다. 이는 강섬유를 0.5%로 혼입시켰을 때 가장 효율적일 것으로 판단된다.

3.기존 후크형 강섬유 숏크리트보다 형상을 개선한 강섬유 숏크리트의 리바운드율이 7∼8% 내외로 감소하는 경향이 나타났으며, 숏크리트 분사 직후 벽체에 남아있는 강섬유량은 5∼6% 증가하는 경향이 나타났다. 이는 형상을 개선한 강섬유의 부착강도가 증가하고, 숏크리트 분사 직후 벽과의 반발력에 대한 저항력이 증가함에 따라 리바운드량이 감소한 것으로 판단되어진다. 또한, 형상을 개선한 강섬유의 무게중심이 기존 강섬유보다 중앙에 위치함에 따라 숏크리트 분사 시 숏크리트의 원심력이 감소함으로 인해 벗어나는 숏크리트의 양이 감소한 것으로 판단되어진다.

본 연구에서는 새로운 형상을 가진 강섬유의 부착계수를 이론적으로 규명하였으며, 기존의 후크형 강섬유를 숏크리트에 혼입하였을 때 보다 형상을 개선한 강섬유를 숏크리트에 혼입하였을 때 리바운드량이 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 본 결과는 기초 연구로써, 추후 보다 종합적인 실내실험 및 현장적용으로 그 효과를 검증할 필요가 있을 것으로 판단된다.