1.서론

원지반과 숏크리트, 록볼트를 주지보재로 사용하여 지반의 이완을 억제함으로써 원지반의 지보능력을 최대한 활용하는 NATM (New Austrian Tunnelling Method)개념이 80년대 초 지하철 3, 4호선 시공 시 국내에 처음 도입된 이후, 현재 숏크리트와 록볼트를 이용한 터널 설계 및 시공이 널리 적용되고 있다.

숏크리트는 터널 굴착 후 빠른 시간 내에 지반에 밀착되도록 시공이 가능하고 조기 강도를 얻을 수 있으며, 굴착 단면의 형상에 크게 영향을 받지 않고 용이하게 시공이 가능하므로, 터널 시공시 가장 일반적이며 중요한 지보부재로 활용되고 있다.

최근 터널구조물 시공을 위하여 노르웨이, 일본 등지에서는 고품질의 숏크리트와 락볼트를 터널의 최종 지보재로 설계하는 싱글쉘 공법을 활발히 적용 또는 검토하고 있으며, 국내에서는 이와 관련하여 주로 고강도 숏크리트 개발 및 동결융해 등과 같은 내구성 평가관련 연구가 주로 수행되고 있다.

그러나, 숏크리트는 터널구조물 공용중 지하수 환경에 지속적으로 접촉하게 되며, 지하수에는 지역적 특성에 따라 상이하나 시멘트의 열화를 유발하는 유해성분을 함유하고 있다. 이러한 유해성분은 터널구조물 장기 공용시 숏크리트의 강도, 부착, 휨인성 등과 같은 숏크리트의 지보능력과 관계된 역학적 특성 저하 등과 같은 성능저하를 유발하게 되며, 이는 터널구조물의 안전성 저하를 유발할 뿐만 아니라 이로 인한 인명 및 경제적 피해를 야기할 수 있으나, 국내의 경우 이러한 숏크리트 및 록볼트의 열화 또는 부식 등과 같은 성능저하에 대한 검토가 수행되지 않고 있는 실정이다.

따라서 본 연구에서는 지하수내 숏크리트의 열화 촉진인자를 조사 분석하였으며, 각 영향인자의 화학적 침식조건에 대하여 재령별로 숏크리트의 일축압축강도, 암석과 숏크리트의 부착력 등과 같은 실내시험과 XRD, SEM 및 EDS 분석 등과 같은 기기분석을 통하여 숏크리트의 내구성 및 열화특성을 분석하였다.

2. 숏크리트 라이닝의 파괴모드

Malmgren (2005) 등은 지반굴착 후 지보의 주요 설계개념은 원지반의 지보능력을 최대한 발휘 할 수 있도록 하는 것이며, 그림 1과 같이 암반과 숏크리트의 상호거동 메커니즘에서 암반과 숏크리트의 부착력은 매우 주요한 영향인자라고 언급하였다. 일반적으로 두 매질 (숏크리트 및 암석)의 계면에서 강도로 정의되는 부착력은 Karlsson (1980)이 238개소에서 수행한 현장시험 결과 숏크리트와 암석의 부착면의 강도, 숏크리트 및 암석의 인장강도 등에 따라 숏크리트, 암석 또는 숏크리트와 암석의 계면 등에서 파괴가 발생한다고 제안하였다 (그림 2 참조). 또한 암석의 거칠기 등과 같은 표면상태, 암석의 광물 성분 및 숏크리트 작업자의 숙련도 등이 숏크리트 부착력에 영향을 미치는 주요 영향인자라고 제안하였다.

숏크리트 라이닝의 해석과 관련해서 Barrett & Mc-Creath (1995)는 falling block test를 통하여 괴상 암반 (blocky rock mass)의 경우 부착, 전단 및 휨파괴 등이 가장 빈번한 파괴모드라고 제안하였으며 (그림 3 참조), 이에 대한 결정론적 접근방법 (deterministic app-roach)을 제시하였다. 또한 숏크리트의 파괴는 암반에 대한 부착성의 손실과 휨파괴에 의해 일반적으로 이루어지며, 특히 숏크리트의 지보능력을 극대화하기 위하여 부착성이 매우 중요하다고 제안하였다. 부착성이 손실된 후에는 휨강도와 휨인성이 최대강도 이후의 영역에서 매우 중요한 역할을 한다고 지적하였다.

또한 Michael R.(2003)은 NATM 또는 조적식 터널 보강을 위하여 시공된 숏크리트는 지하수에 함유된 화학적 성분 등과 지속적인 반응에 의하여 암반 또는 블록과 밀착된 숏크리트 부분은 물론 1차 숏크리트와 2차 숏크리트의 계면 등과 같은 지하수의 흐름이 비교적 용이한 곳에서 시멘트 페이스트의 용탈현상이 발생하게 되며, 이로 인하여 터널구조물의 안정성 저하 또는 국부파괴가 발생한다고 제안하였다 (그림 4 참조).

3. 숏크리트의 화학적 침식

최근 St. Gotthard 터널, Bauen 터널과 Koblenz 터널에서 숏크리트 열화에 의한 국부적인 숏크리트의 파괴사례로부터 지하수에 장기간 노출된 숏크리트는 시멘트 수화물의 용출과 더불어 thaumasite 등과 같은 황산염 광물의 생성으로 인한 침식 등과 같은 화학적 요인에 대한 숏크리트의 장기 내구성 분석 사례 등이 발표되고 있다. 그러나 숏크리트의 열화현상과 관련된 연구는 일반적인 콘크리트의 내구성 또는 열화현상에 비하여 미흡한 실정이며, 90년 후반까지 주로 보고된 숏크리트의 내구성과 관련된 연구는 주로 숏크리트의 동결융해 저항성에 대한 연구가 주로 수행되고 있어, 환경조건과 관련된 숏크리트의 화학적 침식에 대한 연구 또한 미흡한 실정이다.

따라서, 숏크리트와 배합조건이 유사한 콘크리트의 화학적 침식에 의한 콘크리트의 성능저하 메커니즘 (그림 5 참조)을 토대로 숏크리트의 화학적 침식 조건을 선정하였다. 콘크리트의 화학적 침식은 어떤 화학반응에 의해 콘크리트에 변화를 가져오는 것을 말하며, 수화물의 분해를 유발하는 인자는 유기․무기산, 동식물유, 부식성가스, 탄산가스 및 황산의 생성을 동반한 미생물의 작용 등이 있다. 또한 팽창성 화합물을 생성하는 것으로 동식물유, 황산염, 해수 및 알칼리 농후용액이 있으며, 수화물의 용해․이탈에 의해 시멘트 페이스트를 다공질화 시키는 농후한 염화물 및 질산염 용액의 작용을 들 수 있다.

상기와 같이 콘크리트의 성능저하를 유발하는 여러 영향인자 가운데 본 연구에서는 대표적 영향인자로 해안가 및 폐광지역 등과 같은 지역적 특수성을 고려하여 산, 황산염, 해수 3가지 영향인자를 선정하였으며, 각 영향인자에 대한 가혹조건에서의 촉진열화시험을 수행하였다. 숏크리트의 화학적 침식에 의한 지보능력, 내구성 등의 평가를 기초연구로써 암석과 숏크리트의 부착력, 숏크리트의 일축압축강도에 대한 재령별 특성을 분석하였다.

4. 공시체 제작 및 실험 개요

4.1 현장 타설 숏크리트 공시체 제작

숏크리트와 암석의 부착력 실험을 위하여 ○○터널현장에서 그림 6에서 보이는 바와 같이 직사각형 철재 몰드(내부 size : 25㎝×50㎝×20㎝)에 암석시편 (암종 : 화강암, 25㎝×50㎝×10㎝)을 설치하고, 터널 내부에서 현장타설 및 공기중 양생 후 코어링 (NX size) 과정을 통하여 숏크리트 및 암석/숏크리트 결합 시편을 제작하였다. 숏크리트 설계기준 강도는 21.4 MPa (210 kgf/㎠)이며, 나프탈렌계 유동화제 2.24 kg/㎥, 알루미네이트계 급결제 시멘트량의 5%가 각각 투입되었다 (표 1 참조).

4.2 실내실험 개요

4.2.1 숏크리트 일축압축강도 시험

채취한 공시체에 대하여 KS F 2405 “콘크리트의 압축강도 시험방법” 및 “콘크리트에서 절취한 코어 및 보의 강도시험방법” 규정에 의해 숏크리트 일축압축강도 시험을 실시하였다. 직경 55mm (길이 110mm)의 원주형 공시체를 실험용액에 침지하여 재령 2주, 4주, 8주, 16주까지 측정하였으며, 각 재령별 압축강도는 5개씩 측정하였다 (그림 7 참조).

4.2.2 암석/숏크리트 결합시편 부착력 시험

암석/숏크리트의 결합시편에 대한 부착력을 구하기 위하여 ASTM D2936-95 와 C 1404/C1404M-98을 근거하여 직접인장 시험을 수행하였다. 실험용액에 침지하여 재령 2주, 4주, 8주, 16주까지 측정하였으며, 각 재령별 부착강도는 3개씩 측정하였다(그림 8 참조).

4.2.3 SEM 및 EDS 분석

주사형 전자현미경 (Scanning Electron Microscope : SEM)은 가느다란 전자빔을 시료표면에 주사시켜 2차 전자를 발생하게 하여 입체감 있는 시료의 표면상을 얻게 하는 장치이며, 주사형 전자현미경에 에너지 분산형 분광기 (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy : EDS)를 설치하면 관찰하고자 하는 상이 대강 어떤 원소로 구성되어 있는지를 비교적 단시간에 알 수 있다. 본 연구에서는 각 실험용액에 침지한 코어 공시체의 침식된 부분을 채취하여 구성원소를 검출하였다.

4.2.4 XRD (X-ray diffraction)

X선을 결정에 부딪히게 하면 그 중 일부는 회절을 일으키고 그 회절각과 강도는 물질 구조상 고유한 것으로서 이 회절 X선을 이용하여 시료에 함유된 결정성 물질의 종류 (동정)와 양 (정량)에 관계되는 정보를 알 수 있다. 이와 같이 결정성 물질의 구조에 관한 정보를 얻기 위한 분석방법이 X선 회절법이며, 본 연구에서는 실험용액에 침지한 코어 공시체의 반응생성물을 동정하기 위하여 X선 회절분석을 실시하였다. 이때 측정조건은 CuK (Ni, filter) 35kV, 20mA, Scanning Speed 80/min. Full Scale 14cps, 2θ : 5～60˚로 하였다.

4.2.5 시험용 시약 및 침지조건

유해환경 조건 및 각 환경 조건별 숏크리트의 열화특성을 평가하기 위하여 다음과 같은 용액을 선정하고 2주마다 용액을 교체하였다. 본 연구에 적용된 실험용액의 농도조건 및 수준은 표 2와 같다. 수중침지조건을 기준조건으로 하여 각 재령별 일축압축강도 및 부착력의 변화 경향을 비교분석 하였다.

그림 9에서 보이는 바와 같이 아크릴 재질의 수조를 제작하여 각 용액 조건별로 시편을 침지하였으며, 수조 내부의 국부적인 농도차 방지 및 일정 항온조건 유지 등을 위하여 Impeller 및 수중 Heater를 설치하였다.

5. 시험결과 및 분석

5.1 시험결과

각 시험용액에 침지한 숏크리트, 암석/숏크리트 결합코어의 압축강도 및 부착력을 재령별 (2주, 4주, 8주, 16주, 2005년 5월 현재 기준)로 정리하면 표 3～4와 같다. 표 3 및 4에서 언급된 강도비는 수중침지 시료의 재령별 강도 및 부착력을 기준으로 산정하였다.

5.2 결과분석

침지 재령 16주에서 숏크리트 코어 공시체의 외관은 수중양생 조건과 비교하여 산용액의 경우는 표면부에서 탈색 및 변색이 진행되었으며, 이러한 경향은 pH가 낮을수록 현저한 것으로 나타났다. 해수용액에 침지한 경우는 백색의 침전물이 표면부에 발생하였으며, 황산염에 침지한 경우는 모서리 부에서 팽창균열이 발생하였다 (그림 10 참조).

 수중침지 조건 시편에 대한 XRD 회절 패턴은 시멘트의 주요 수화생성물로써 결정성 물질인 portlandite와 더불어 골재에서 기인된 quartz 및 feldspar 등의 결정성 피크가 검출되었다 (그림 11(a) 참조). 산침식 조건 시편에 대한 XRD 회절 패턴을 살펴보면 시멘트의 주요 수화생성물인 portlandite의 피크가 거의 소멸되었으며(그림 11(b) 참조), 해수 및 황산염조건에 침지한 시편에서는 portlandite의 피크는 소실된 반면, ettringite, thaumasite 및 thaumasite로 추정되는 피크가 검출되었으며, 황산염 조건에서는 검출되지 않았으나 해수조건에서는 brucite의 피크가 확인되었다 (그림 11(c)～(d) 참조).

SEM 및 EDS 분석결과 수중침지 조건의 숏크리트 시편에서는 육각판상의 portlandite와 더불어 치밀한 C-S-H 및 C-A-H 수화물이 생성된 것으로 나타났으나, 산용액에 침지한 시편에서는 portlandite가 확인되지 않았으며, 수화생성물이 분해되어 다공질화 되어 있는 것으로 나타났다. 산, 해수 및 황산염 조건에 침지한 숏크리트 시편에서는 portlandite는 확인되지 않았다(그림 12 참조).

본 연구에서는 화학적 침식에 따른 숏크리트의 압축강도 및 부착력 특성을 분석하기 위하여 각 실험용액에 침지한 숏크리트 시편에 대해 재령별로 압축강도 시험 및 직접인장 시험을 수행하였으며, 화학적 침식에 의한 압축강도 및 부착력 비교는 동일 재령의 수중침지 조건의 숏크리트 시편에 대한 압축강도 및 부착력 시험결과를 기준으로 각 실험용액에 침지된 시편의 강도비로 분석하였다 (표 4 및 그림 13～14 참조).

산용액에 노출된 숏크리트는 그림 15에서 보이는 바와 같이 표면에서부터 수화생성물의 분해가 진행되어 압축강도가 감소된 것으로 추정된다. 한편, pH 가 낮을수록 압축강도 및 부착력의 감소가 증가하는 특성을 나타내었으며, 침지재령 16주에서 수중침지조건대비 압축강도는 최대 약 72%, 부착력은 최대 약 52% 수준으로 저하된 것으로 나타났다.

해수조건에 침지한 숏크리트의 압축강도는 침지재령 8주까지 수중침지조건 대비 약 97～103% 강도비를 보이며, 따라서 해수 영향에 의한 압축강도 감소효과는 없는 것으로 판단된다. 침지재령 16주에서는 해수 (1배) 및 해수 (2배) 조건에서는 수중침지조건 대비 각각 약 89% 및 약 95%의 압축강도를 나타냈다.

해수의 농도가 높은 경우 강도감소는 다소 작은 값을 나타났으며, 이는 해수 중에 포함되어 있는 염소이온의 침투가 시멘트의 수화를 촉진한 것으로 판단되며, 침지재령이 증가할 수록 해수 중에 포함되어 있는 다양한 이온들과의 반응으로 숏크리트의 압축강도가 다소 증가하였으나 장기 재령으로 갈수록 수화 촉진의 효과는 둔화될 것으로 판단된다.

부착력의 경우 침지재령 16주 정도의 범위에서는 해수조건이 부착력의 증가 또는 감소에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 판단되며, 따라서 장기적인 추가실험을 통하여 해수환경이 숏크리트에 미치는 영향을 분석해야 한다.

황산염용액에 침지한 숏크리트의 압축강도는 침지재령 8주까지는 침지재령이 증가할수록 수중침지 조건 숏크리트의 압축강도를 상회하였으며, 거의 모든 침지재령에서 황산염의 농도가 높을수록 숏크리트 코어 공시체의 압축강도가 큰 것으로 나타났다. 반면, 16주에서는 압축강도의 경향이 반전되어 5%의 황산염 용액에서는 수중침지조건대비 약 80%의 압축강도를 나타내었으며, 강도감소의 경향은 황산염용액의 농도가 작을수록 감소하였다.

또한 부착력의 경우 황산염용액 침지재령 4주까지 강도비가 증가하나 이후 감소하는 경향을 보이며, 침지재령 16주 5%의 황산염 용액 침지조건의 경우 수중침지조건대비 약 58% 수준의 부착력을 나타내었다.

이는 침지 초기재령에서 황산염인 SO42-이온이 시멘트 수화생성물과 반응하여 팽창성의 물질인 ettringite 등이 생성되어 수화조직을 치밀하게 하기 때문인 것으로 판단된다. 그러나 장기재령으로 갈수록 이러한 팽창성 물질은 표면으로부터 팽창성 균열이 발생과 더불어 gyp-sum 의 생성으로 인한 연화현상으로 지속적으로 압축강도 및 부착력은 감소할 것으로 추정된다.

6. 결  론

터널구조물의 주요 지보재인 숏크리트의 지하수 환경조건별 열화특성을 평가하기 위하여 숏크리트을 각 시험용액에 침지 후 단기간의 화학적 침식에 의한 영향을 정리하면 다음과 같다.

1. 수중양생 및 유수조건의 숏크리트 시편의 압축강도 발현 특성은 유사한 것으로 나타났으며, pH가 감소할수록 압축강도의 증가율은 감소하는 것으로 나타났다. 수중양생 및 유수조건의 숏크리트 시편 압축강도가 시간의 경과에 따라 증가하는 현상은 숏크리트 타설 후 지속적인 수분 공급이 이루어지지 않다가 수중양생을 실시하므로써 숏크리트의 수화가 진행된 것으로 판단되며, 염산 (HCl)용액에 노출된 숏크리트는 표면에서부터 수화생성물의 분해가 진행되어 압축강도가 감소된 것으로 판단된다.

2. 인공해수에 침지한 숏크리트의 압축강도는 초기침지재령에서는 수중침지조건의 숏크리트 압축강도를 상회하였으며, 이는 해수 중에 포함되어 있는 다양한 이온들과의 반응에 의한 것으로 판단되며, 장기 재령으로 갈수록 수화 촉진의 효과는 둔화되어 압축강도가 감소될 것으로 판단된다. 부착력의 경우 침지재령 16주 정도의 범위에서는 해수조건이 부착력의 증가 또는 감소에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 판단되며, 따라서 장기적인 추가실험을 통하여 해수환경이 숏크리트에 미치는 영향을 분석하고자 한다.

3. 황산염용액에 침지한 숏크리트의 압축강도 및 부착력은 침지 초기재령에서 황산염인 SO42-이온이 시멘트 수화생성물과 반응하여 팽창성의 물질을 생성하게 되고, 이로 인하여 수화조직이 치밀해져 수중양생 숏크리트의 압축강도를 상회하는 것으로 나타났으며, 장기재령으로 갈수록 이러한 팽창성 물질은 표면으로부터 팽창성 균열이 발생의 발생과 더불어 gypsum의 생성 등으로 인한 연화현상으로 점차 압축강도 및 부착력이 감소하는 경향을 나타내었다.

4. 현재 숏크리트의 화학적 침식영향에 따른 장기 내구성 평가를 위한 실내시험은 시편 침지한지 16주가 경과되었으나, 본 연구에서 도출된 결과는 단기거동으로서 장기거동과는 다를 수 있어 이에 대한 연구가 필요하다. 따라서 향후 1～2년 간 지속적인 실험을 추가로 수행할 계획이며, 향후 추가 시험결과들은 지속적으로 논문을 통해 보고될 것이다. 또한 이러한 실험결과를 토대로 터널구조물 시공 현장의 지하수 환경 특성에 따른 장기안정성 검토 및 대책수립관련 연구를 수행할 계획이다.