ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 고성능 숏크리트 (High Performance Shotcrete) 개발 필요성

  • 3. 숏크리트용 시멘트 규정 및 관련 문헌

  • 4. 용수부에서의 숏크리트 부착성능 평가

  • 5.모형시험

  •   5.1 개 요

  •   5.2 사용재료

  •   5.3 배합설계

  •   5.4 숏크리트 타설 및 양생

  •   5.5 시험항목 및 방법

  •   5.5.1 굳지 않은 콘크리트 시험

  •   5.5.2 압축강도시험

  •   5.5.3 용수부 부착성능시험

  • 6.모형시험 결과 및 분석

  •   6.1 압축강도 시험결과

  •   6.2 용수부 부착성능 평가

  • 7.결론

1.서론

1907년 미국의 Carl E. Akeley가 모르타르 뿜기 기술을 처음 고안한 이래 숏크리트 (Shotcrete, Sprayed concrete)는 세계 각국에서 주로 터널이나 지하구조물의 지보부재, 라이닝 부재로 이용되고 있으며, 그 밖에 비탈면의 보호재, 건축 구조물에 대한 강재의 내화 피복재 및 구조물의 보수․보강재 등으로 널리 이용되고 있다. 국내에서는 1980년대 초 처음으로 적용된 New Austrian Tunnelling Method (NATM)공법의 지보재로 건설분야에서 본격적으로 사용되기 시작하였다.

최근 NATM 터널 2차 현장타설 콘크리트 라이닝의 시공성 향상과 균열발생에 따른 유지관리비 절감을 위해 양질 암반의 배수형 터널 시공에 있어서는 현장타설 콘크리트 라이닝을 설치하지 않고 각층의 숏크리트 특성이 다른 다층의 숏크리트만으로 라이닝을 대체하려는 영구지보 개념의 터널시공 (Single-Shell Tunnel, Norwegian Method of Tunnelling 등)이 세계적으로 증가하고 있는 추세이다. 또한, 대단면의 도로터널에 고강도 숏크리트를 적용하여 강도증가에 따른 타설 두께 감소로 공기 단축과 함께 건설비용을 절감하려는 움직임이 활발히 진행되고 있다. 이러한 시점에서 고강도 (high strength), 고내구성 (high durability), 고시공성 (high pumpability)을 겸비한 고성능 숏크리트 (High Performance Shotcrete)에 대한 연구는 터널 굴착 암반의 등급 분류 방법과 함께 경제적이고 합리적인 신개념 터널공법 확립에 선결되어야 할 필수적인 요소기술로 그 중요성이 강조되고 있다.

2.고성능 숏크리트 (High Performance Shotcrete) 개발 필요성

전술한 바와 같이 국내 대표적인 터널 굴착공법으로 적용되고 있는 NATM공법은 원지반의 지지능력을 최대로 활용하면서 1차 지보재 (숏크리트, 록볼트 등)로 터널의 안정성을 유지시키는 원리를 따르고 있다. 1차 지보재에 의해 지반변위를 완전히 수렴시킨 후 2차로 시공되는 현장타설 콘크리트 라이닝은 터널의 장기적 안전율 증대, 주변지반으로부터의 누수침투와 동해방지, 조명, 환기팬 등의 갱내 설비, 갱내미관 향상, 조명능률 향상 등을 기본 역할로 하며 도입 초기에는 주로 미관 등의 비구조적인 역할로 사용되었으나, 최근 장기적인 지반이완, 배수기능 저하에 따른 잔류수압 등 불확실한 요소에 대한 안전율을 증가시킨다는 개념으로 설계 시공되고 있다.

그러나 국내의 경우 아직까지 콘크리트 라이닝의 명확한 설치 기준과 목적이 확립되지 않은 상태이며 암반의 종류 및 특성과 무관하게 전 구간에 걸쳐 콘크리트 라이닝의 시공이 의무화되고 있다. 특히 라이닝 균열 및 품질관리, 현장타설 시 공기지연 등 다수의 문제점이 지적되고 있는 시점에서 연약한 지반의 토사터널이 아닌 양호한 암반의 배수형식의 터널에 까지 두꺼운 콘크리트 라이닝의 시공이 필요한가 라는 의문과 함께 라이닝에 대한 새로운 인식 변화가 요구되며 합리적인 근거를 바탕으로 굴착 암반의 특성에 부합된 기능성 라이닝의 적용이 검토되어야 할 것으로 판단된다.

국내의 양호한 경암 특성과 유사한 북유럽의 노르웨이를 살펴보면, 1995년 그 동안의 경험을 바탕으로 내부라이닝 설계지침을 정하였는데 총 800여개의 도로터널 중 약 3~4% 정도가 현장타설 콘크리트 라이닝이며, 나머지 대부분이 경량판넬과 다른 콘크리트계 제품과의 조합형태로 구성된 라이닝이다. 최근에는 측벽에만 프리캐스트 콘크리트로 하고 천단부에는 폴리에틸렌매트와 그 위에 타설되는 방화용 숏크리트로 구성된 내부라이닝이 주로 적용되고 있다. 이러한 시공은 최근 세계적인 도로터널 추세인 배수형 터널에서 양질의 암반 특성을 살린 Permanent Shotcrete Lining 개념의 경제적인

공법으로 숏크리트 등 1차 지보재의 고품질을 전제로 2차로 시공되는 콘크리트 라이닝을 프리캐스트 세그먼트로 대체하여 시공하는 NMT (Norwegian Method of Tunnelling)공법과 내부 라이닝을 완전히 생략하고 단층 또는 다층의 고성능 숏크리트 (High Performance Shotcrete)로 대체하여 최종 마감을 하는 Single- Shell Tunnel 등이 대표적인 공법이다. 그 예로 2001년 개통된 세계최장의 도로터널인 Laerdal Tunnel (24.5 km, 사진 1), 세계최장의 해저도로터널인 Oslo Fjord Tunnel (7.23 km), 그리고 철도터널인 Rom-eriksporten Tunnel (13.9 km)등이 있으며, 이러한 신공법을 적용하기 위해서는 전술한 바와 같이 고성능 숏크리트에 대한 기술개발이 필수 선결 조건이다. 표 1은 전 세계 십여 개국에서 시공된 150여개의 Permanent Shotcrete Lining Tunnel 중 대표적인 터널을 나타낸 것으로 특이한 사항으로는 28일 숏크리트 압축강도가 대부분 40 MPa 정도이다.

사진 1. 세계최장 도로터널 (Laerdal Tunnel, Norway)

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kta/2003-005-01/N0550050103/images/PIC3FD0.gif

표 1. Permanent Shotcrete Lining Tunnels (Mpa)

국  가

이  름

형  태

시공

연도

28일

압축강도

Canada

BC Rail

Railway

1988

40

Sweden

Lundby

Road

1998

40

Switzerland

Verenia

Railway

1999

40

Switzerland

Disentiser

Railway

1999

47

Norway

Laerdal

Road

2001

42

고성능 숏크리트가 요구되는 또 하나의 이유로, 최근 3차선 이상의 대단면 터널의 시공이 점차 증가하고 있기 때문이다. 대단면 터널에서는 지금보다 더 큰 편평한 단면에서 굴착되기 때문에 지반 안정성이 떨어질 확률이 높아지는데 이러한 단점을 보완하기 위해서는 조기에 지반을 안정화시킬 수 있도록 초기강도 확보와 부착력 향상에 유리한 숏크리트 개발이 요구된다. 즉, 숏크리트 두께가 두꺼워지면 그 수량이 증가하여 터널 건설비용의 증가로 이어지기 때문에 숏크리트 강도를 증가시켜 타설 두께를 줄임으로써 공사비 절감을 유도할 필요가 있다. 특히, 단층 파쇄대, 연약지대, 용수 부분 등 지반의 변형이 예상되는 부분에 대해서도 높은 탄성계수로 숏크리트의 초기 강성을 높여 지반 변위를 조기에 억제시켜 시공 사이클을 향상시키고, 치밀한 내부조직과 우수한 부착성능을 통해 리바운드 저감을 기대할 수 있는 고성능 숏크리트의 개발이 요구된다.

따라서 콘크리트 라이닝에 대한 인식 변화와 함께 1차 지보재인 숏크리트의 고성능화 (고강도, 고내구성, 고시공성)는 Single-Shell, NMT 등 Permanent Shot-crete Lining Tunnel이라는 신 개념의 터널 건설과 최근 그 수요가 증가하고 있는 대단면 터널 시공에 선결되어야 할 필수적인 요소기술로 그 중요성이 강조되고 있다.

3.숏크리트용 시멘트 규정 및 관련 문헌

숏크리트의 품질은 콘크리트를 구성하는 시멘트, 골재, 급결제 (accelerator)등 재료의 품질과 배합설계, 시공장비, 양생, 암반특성 등 여러 가지 요인에 의해 달라진다. 현재 국내외에 사용되고 있는 숏크리트용 시멘트는 보통 포틀랜드 시멘트가 대부분이지만 최근에는 리바운드 감소나 강도 확보를 목적으로 숏크리트 전용 시멘트를 개발하여 사용하거나, 시공 환경과 암반 특성에 적합한 특수시멘트의 사용이 증가하고 있는 실정이다. 또한, 급결제를 사용하지 않을 경우에는 알루니마 시멘트나 초조강시멘트 (1일에 1종 시멘트 7일 강도 발현) 등을 사용하는 경우도 있으나, 초기 응결경화 속도가 빠르고 수화열도 커서 사용 전 세심한 관심이 요구되고 있다.

숏크리트용 시멘트와 관련된 국내외 규정을 살펴보면, 먼저 국내 터널시방서 (건교부, 1999) 및 터널설계기준 (건교부, 1999)에서는 숏크리트용 시멘트는 KS L 5201 (시멘트) 기준에 적합한 1종 보통 포틀랜드 시멘트의 사용을 원칙으로 하고 있다. 콘크리트 표준시방서 (건교부, 1999)에서는 1종 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하는 것을 원칙으로 하지만 조기에 강도를 발현시킬 필요가 있는 경우, 또는 시공후의 양생기간을 충분히 취할 수 없는 경우에는 조강 포틀랜드 시멘트 (3일에 1종 시멘트 7일 강도 발현)나 초속경 포틀랜드 시멘트 (3시간에 1종 시멘트 7일 강도 발현)등을 사용하는 경우가 있으며, 숏크리트가 염분의 영향 등을 받는 특수조건에 노출되는 경우에는 내구성이 높은 고로시멘트B 등을 사용할 수 있다고 규정하고 있다. ACI (ACI, 1995)에서는 ASTM C 150에 근거한 Type 1 포틀랜드 시멘트의 사용을 원칙으로 하고 있으며 다른 종류의 시멘트 사용도 허용하고 있다. EFNARC (EFNARC, 1996) 에서도 대부분 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하지만, 관련 기준을 만족할 경우에는 성분이 조정된 시멘트 (modified cement)나 다른 종류의 결합재를 사용할 수 있다고 규정하고 있다.

한편, 시멘트를 주변수로 실시한 숏크리트 연구결과를 살펴보면, Lochnig는 터널의 건식 숏크리트를 대상으로 특수시멘트 (Chronolith S) 사용에 따른 강도 특성에 대해서 보고 (Lochnig, 1995)하였다. 시멘트 성분에 대해서는 명확하게 소개되지 않았지만, 이 시멘트를 사용한 숏크리트의 초기강도는 오스트리아 (Austria)지침의 초기강도 기준인 J2 (두꺼운 두께로 타설되고 하중을 지지하여야 하는 경우)를 충분히 만족하는 것으로 나타났다. 하지만, 사용 시에는 건조 처리된 골재를 사용하는 것이 원칙이며, 습윤 상태의 잔골재를 사용할 경우 표면수가 많을수록, 그리고 잔골재와 시멘트의 혼합에서 물이 첨가되기까지의 시간이 길수록 강도 저하가 크게 된다고 보고하고 있다. Lukas (1995)등은 시멘트의 석고 함유량을 조정한 몇 가지 종류의 특수시멘트를 사용한 실험을 실시하였다. 결과에 의하면, 골재가 건조 상태이면 숏크리트의 초기경화가 빨라지지만, 습윤 상태에 있는 골재와 시멘트를 혼합하고 난 다음 물이 첨가되기까지의 시간이 길수록 급결성은 떨어진다고 보고하고 있어 골재의 건습상태와 시멘트의 경화특성과 상관 관계가 있음을 언급하였다.

또한, 지반조건이 화학적 침식성을 가지는 경우나 염해의 위험이 있는 지역에서는 내화학성에 우수한 고로시멘트를 사용한 경우도 있다. 松下 (1992)는 安房터널 숏크리트 시공에 고로시멘트 B종을 사용한 결과, 온천수에 대한 내구성이 뛰어나고 고온 양생에 대한 악영향도 없는 것으로 보고하였다. 森下 (2001)등은 일본도로공단에서 건설중인 島田터널에 조강시멘트와 alkali-free급결제를 사용한 숏크리트에 대한 적용성과 시공성을 확인한 결과, 통상 배합을 사용한 숏크리트에 비해 각 재령별 강도증진과 뛰어난 시공성을 확인했다고 보고하였다. 中島 (2000)등은 시멘트 종류가 숏크리트의 급결성 및 펌프 압송성에 미치는 영향에 대해 보통 포틀랜드 시멘트, 조강 포틀랜드 시멘트, 고로시멘트 B종을 사용하여 동일한 급결제 조건에서 실험을 실시하였다. 그 결과, 조강 포틀랜드 시멘트를 사용한 숏크리트가 가장 급결성이 우수하였으며, 고로시멘트 B를 사용한 경우에는 낮은 점도로 펌프압송에 유리한 것으로 나타났다.

4.용수부에서의 숏크리트 부착성능 평가

실제 터널 굴착 시에는 지하수의 유출로 많은 용수 (湧水)가 굴착면을 통해 배출되는데 이에 대한 적절한 배수 및 방수 조치를 취하지 못할 경우에는 지보재로 타설되는 숏크리트 품질확보에 상당한 어려움이 발생하게 된다. 다시 말해, 암반 굴착 시 발생되는 용수부분에 타설할 경우 콘크리트의 물-시멘트비를 증가 시켜 강도저하와 함께 굴착면과의 부착성능이 저하되어 굴착된 지반변위의 수렴을 지연시키는 원인이 되고, 아울러 다량의 리바운드로 터널 전체 시공 공정에까지 영향을 미치게 된다. 또한, 수화작용이 완료된 숏크리트가 용출수에 의해 침식될 경우에는 숏크리트의 품질 저하와 함께 터널 배수관을 막아 터널 방수 및 배수 시스템에까지 영향을 미치기도 한다. 공사비 절감을 위해 대부분 1차 숏크리트만 시공하는 노르웨이등 북유럽 국가의 경우도 용수 (누수)로 인한 하자 사례가 자주 발견되는 것으로 보고 되어, 고내구성의 고성능 숏크리트의 개발이 세계적으로 요구되고 있는 실정이다.

따라서 본 논문에서는 아직까지 국내의 연구 및 시공실적이 전무한 조강시멘트 (high-early strength cement)와 환경 친화적인 제품으로 최근 주목을 받고 있는 akali-free급결제와의 조합을 통해 숏크리트의 강도 발현 특성과 용수부에서의 부착성능에 대해 고찰하고 나아가 Single-shell tunnel 등 영구 터널 지보 시스템 구축을 위한 선결 기술인 고성능 숏크리트 개발을 위한 기초자료 (박해균, 2002)로 활용하고자 한다.

5.모형시험

5.1 개  요

1종 보통 포틀랜드 시멘트 (이하, OPC)와 3종 조강 포틀랜드 시멘트 (이하, HPC)와 alkali-free 액상형 급결제와의 조합을 주요 변수로 습식 강섬유보강 숏크리트 (Steel Fiber Reinforced Shotcrete, SFRS)에 대한 모형시험을 실시하였다. 제작된 공시체를 통한 압축강도 시험과 암반에 지하수가 유출되는 것을 가정한 용수부 부착성능 시험을 실시하여 그 성능을 고찰하였다.

5.2 사용재료

OPC 및 HPC는 모두 국내산을 사용하였으며, KS L 5201의 1종과 3종 포틀랜드 시멘트 규격을 만족하는 제품을 사용하였다. 골재는 온양 (인성골재)의 13mm 조골재 (비중2.65)와 아산만의 세골재 (비중2.55)를 사용하였다. 강섬유는 섬유 길이에 대한 직경의 비인 형상계수 60 (ø0.5x30mm)의 Hook & bundle type (비중7.85)의 제품을 사용하였다. 급결제 (accelerator)는 국내 M사의 alkali-free 액상형 급결제 (비중1.40)를 사용하였으며, 타설시 작업성 확보와 슬럼프 조절을 목적으로 폴리카르복실계 고성능감수제를 사용하였다. HPC의 일반적인 화학성분 및 물리특성을 표 2와 표 3에 나타내었다.

표 2. 사용 시멘트의 화학성분

구분

화학성분 (%)

SiO2

Al2O3

Fe2O3

CaO

MgO

Na2O

K2O

SO3

Ig-loss

HPC

19.7

5.9

3.0

63.1

3.0

0.1

0.75

4.2

1.1

OPC

20.7

5.9

3.2

62.1

3.2

0.09

0.84

1.6

1.2

표 3. 사용 시멘트의 물리적 특성

구분

Blain

(cm2/g)

압축강도 (kgf/cm2)

3일

7일

28일

HPC

4520

240

350

450

OPC

3430

200

280

360

5.3 배합설계

현장의 배치 플랜트를 이용하여 물, 골재, 시멘트, 강섬유를 자동 계량하여 혼합하였으며, 현장 배합을 위해 사용 골재에 대해서는 표면수 보정을 실시하였다. 배합이 완료된 콘크리트는 레미콘 트럭을 이용하여 숏크리트 타설 장소까지 운반하였다. 본 시험에 사용된 재료의 배합을 표 4에 나타내었다.

표 4. 숏크리트 배합설계 (HPC: 조강시멘트, OPC: 보통시멘트)

Cement

Gmax

(mm)

Slump

(cm)

W/C

(%)

S/a

(%)

Air

(%)

Unit Weight (kgf/m3)

accelerator

(%)

superpla

-sticizer

( %)

W

C

S

G

Steel

Fiber

HPC 

13

12

43

64

2.5

181

420

1102

618

40

7.0

1.0

OPC

13

65

207

480

1026

579

5.4 숏크리트 타설 및 양생

숏크리트 타설을 위해 더블 피스톤 펌프 압송방식 (Meyco Suprema)의 숏크리트 장비와 23.5 m3/min 용량의 에어 컴프레셔를 사용하였다. 배치플랜트에서 제조된 콘크리트는 숏크리트 장비의 호퍼 (hopper)에 부어져 콘크리트 반송관을 통해 시간당 5~6m3로 압송되었다. Alkali-free액상급결제는 급결제 운송관 (ø25 mm)을 통해 노즐 (ø40mm)로부터 약 1.5m 후방에서 첨가되었으며, 첨가량은 Meyco 장비의 디지털 계기판을 통해 자동으로 조절하였다. 토출되는 숏크리트의 배합이 안정된 상태가 된 후 노즐 선단과 패널과의 거리를 약 1.5 m 정도 이격하여 노즐맨에 의한 핸드스프레이를 실시하였다. 압축강도 시험시편 채취를 위해 강제 패널 (100x100cm)을 사용하였으며, 타설 완료 후, 면 정리와 함께 양생포를 덮어 습윤양생을 실시하였다. 타설 다음 날, 압축강도 시험을 위한 코아 시편을 채취하였으며, 채취된 코아에 대해서는 수중양생을 실시하였다.

5.5 시험항목 및 방법

5.5.1 굳지 않은 콘크리트 시험

강도 시험용 패널에 타설 하기 전 배치플랜트에서 생산된 base concrete에 대한 슬럼프 경시 변화를 알아보기 위해 KS F 2402규정에 의한 콘크리트 슬럼프 실험 (12~13cm)과 KS F 2421의 공기실 압력방법에 의한 공기량 측정시험 (2.5%)을 실시하였으며, 타설 전 콘크리트의 온도측정 (17~19℃)을 실시하였다.

5.5.2 압축강도시험

압축강도 시험용 공시체는 타설 1일 후 코어보링머신 (core boring machine)을 이용하여 ø100mm의 코아 공시체를 채취하였으며, 30시간, 3일, 7일, 14일, 28일 각 3개의 공시체를 제작하여 KS F 2405 (콘크리트의 압축강도 시험방법)에 의거 강도시험을 수행하였다. 시험 전 채취된 공시체 높이를 측정하여 KS F 2422 (콘크리트에서 절취한 코어 및 보의 강도시험 방법)에 의거 강도 보정을 실시하였다.

5.5.3 용수부 부착성능시험

용수부 부착성능 평가를 위해 아래 사진에서 보는 바와 같이 강제 판넬 (100x100cm)을 제작하였다. 판넬 전면 상단부에 ø20mm정도의 유공 송수호스를 설치하여 분당 약 20l 속도로 분사하였으며, 숏크리트 타설부에 직접 배출되는 용출수를 묘사하기 위해 판넬 중심부에 ø10 mm의 구멍을 만들어 같은 속도로 물을 배출시켰다. 숏크리트 타설은 판넬 전면에서 약 1m정도 떨어진 곳에서 실시했으며, 숏크리트 타설시간을 2~3분으로 고정하여 일정 속도로 OPC와 HPC를 사용한 숏크리트의 부착성능을 평가하였다.

사진 2. 용수부 부착성능시험

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kta/2003-005-01/N0550050103/images/PIC4157.gif

6.모형시험 결과 및 분석

6.1 압축강도 시험결과

본 모형시험을 통해 얻은 압축강도 결과를 그림 1에 나타내었다. 여기서, OPC P (Plain)는 급결제를 사용하지 않은 OPC숏크리트를, HPC 7%는 급결제 7%를 사용한 HPC숏크리트를 의미한다. 재령1일에 OPC숏크리트 및 HPC숏크리트 모두 100kgf/cm2이상의 강도를 확보하였으며, HPC숏크리트의 경우에는 150kgf/cm2의 강도를 발현하였다. HPC숏크리트는 재령7일까지 OPC숏크리트보다 평균 25%의 높은 초기강도를 확보하였는데, 이는 HPC의 높은 분말도와 조강성을 나타내는 C3S광물 함유량 차이, 그리고 기존 급결제와 달리 alkali-free 급결제는 수화반응을 통해 급결성을 발현하기 때문인 것으로 사료된다.

그림 1. 압축강도시험 결과

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kta/2003-005-01/N0550050103/images/PIC4252.gif

강도발현은 급결제 사용의 유무와 시멘트 종류에 따라 예상한 대로 OPC Plain → OPC 7% → HPC Plain → HPC 7% 순으로 나타났으며, 재령 7일 이후부터는 HPC숏크리트의 강도증가 비율이 점차 떨어져 28일에는 OPC숏크리트의 85%정도의 강도를 보였다. 하지만, 재령28일에 317kgf/cm2의 고강도를 확보하였는데, 이는 높은 초기강도 발현과 함께 alkali-free 급결제의 사용으로 급격한 장기강도의 저감이라는 범용 급결제의 약점을 보완할 수 있었던 것으로 사료된다. 한편, ACI Spe-cification for Shotcrete (Quality assurance) (1995)에서 언급한 코어링 작업이나 커팅 과정에서의 강도손실 15% (실린더 강도 대비)를 고려할 경우, 실제 숏크리트 강도는 일본도로공단에서 규정하는 고강도 숏크리트 기준(일본터널기술협회, 1996)인 360kgf/cm2을 확보할 수 있을 것으로 판단된다. 참고로, 국내 터널시방서/설계기준 (1999)에서는 숏크리트 재령1일 압축강도를 100kgf/cm2이상, 재령28일 강도는 180kg/cm2이상으로 규정하고 있으나 아직 고강도 숏크리트에 대한 관련 규정은 전혀 포함되어 있지 않은 상태이며, 초기강도 확인을 위해 선진외국에서는 구조물에 손상을 주는 코아 강도 검토보다는 pin penetration test 등 비파괴 장비에 의한 강도 검토가 점차 증가하고 있는 추세로 국내에도 이러한 기술검토가 필요할 것으로 사료된다.

6.2 용수부 부착성능 평가

용수가 숏크리트 부착성상에 미치는 영향을 파악하기 위해 부착성능시험을 통해 분석하였다. 사진 3은 OPC숏크리트를 사용한 부착시험 결과로 왼쪽 사진은 비용수부, 오른쪽 사진은 용수부에서 실시한 결과를 나타낸다. 사진에서 보는 바와 같이, 비용수부의 경우에는 타설된 면을 중심으로 일정한 두께 (본 실험에서 얻은 부착두께 수치는 비교 분석을 위한 상대치이기 때문에 1회 타설시 얻을 수 있는 부착두께로 보기는 힘들 것으로 판단됨)를 얻을 수 있었으며, 중앙부분에 볼록한 형태의 부착면을 얻을 수 있었다. 한편, 용수부에서는 유수에 따른 부착성능 저하로 비용수부에 비해 약 15%정도 손실된 부착두께를 얻었으며, 타설면도 전체적으로 편평한 양상을 보였다. 하지만, HPC숏크리트의 경우에는 비록 용수부에서도 OPC를 사용한 경우보다 20% 이상의 높은 부착두께를 확보함으로써, 단층 파쇄대나 심한 누수부분 등 연약한 암반상태에서 조기강도 및 부착강도 확보에 유리할 것으로 사료된다. HPC숏크리트에 대한 부착성능 시험이 야간에 실시된 관계로 본 논문에 사진자료를 추가하지 못한 점이 다소 아쉽지만 용수부에서의 OPC숏크리트와 비교했을 때 상당히 우수한 부착성능을 확인할 수 있었다.

사진 3. 부착성능시험 결과 (OPC)

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kta/2003-005-01/N0550050103/images/PIC438C.gif

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(a) 비용수부

(b) 용수부

7.결론

본 논문에서는 조강시멘트 (HPC)와 최근 주목을 받고 있는 환경 친화적인 akali-free 액상급결제를 사용하여 고성능 숏크리트의 개발 가능성을 확인하였으며, 다음과 같은 결론은 얻을 수 있었다.

1. HPC 숏크리트는 재령1일에 150kgf/cm2의 높은 초기강도를 발현하였으며, 재령 7일까지 보통 포틀랜드 시멘트 (OPC)를 사용한 숏크리트보다 평균 25%의 높은 초기강도를 확보하였다. 28일 강도에 있어서도 급격한 장기강도의 저감이라는 범용 급결제의 약점을 alkali-free 급결제 사용으로 보완함으로써 317 kgf/cm2의 고강도를 확보하였다.

2. 용수부 부착성능시험에서도 OPC를 사용한 경우보다 15~20%의 높은 부착두께를 얻어, 향후 용수부분, 단층 파쇄대, 연약지반 및 편평대단면 터널에서 향상된 초기강도로 지반이완을 조기에 억제하고, 1회 타설시 높은 타설두께를 확보함으로써 시공성 및 안정성 확보에 효과적일 것으로 판단된다.

3. 경제성 면에서 HPC의 단가가 OPC보다 약간 비싸지만 (Bulk 단위: OPC 66,165원, HPC 75,120원), 사용되는 단위 시멘트량을 줄일 수 있고 (본 실험에서는 HPC사용량을 m3당 OPC보다 60 kg 적게 사용), 급결제량도 단위 시멘트량을 기준으로 동시에 줄일 수 있으며 또한, 향상된 부착력을 통한 리바운드 저감과 이에 따른 버력처리 비용 등의 절감이 가능하기 때문에 OPC를 사용하는 기존의 숏크리트 공사비와 비교했을 때 충분한 경쟁력을 확보할 수 있을 것으로 판단된다.

4. 향후, 시멘트와 급결제 조합에 따른 초기강도 발현특성 (급결제 첨가 후 수화물 생성속도에 영향을 미치는 시멘트 광물조직의 영향)과 수화반응이 초기강도에 미치는 영향, 초기강도 (타설 후 1~2분에서 1일 전까지 강도)산정방법, 내구성 및 Pumpability, 분진대책 등에 대한 추가 검토가 필요할 것으로 판단된다.

Acknowledgements

본 연구는 당사에서 추진중인 기술개발과제 (신개념 터널 라이닝 공법 개발)의 기초연구결과의 일부로서 본 모형시험을 수행하는데 많은 협조를 주신 최명식님께 감사를 드립니다.

References

1
1.  건설교통부 (1999), 터널표준시방서, (사)대한터널협회.
2
2. 건설교통부 (1999), 터널설계기준, (사)대한터널협회.
3
3. 건설교통부 (1996), 콘크리트표준시방서.
4
4. ACI (1995), Reported by ACI Committee 506 Sp-ecification for Shotcrete.
5
5. EFNARC (1996), European Specification for Sprayed Concrete Guidelines for Specifiers and Sontractors.
6
6. Loschnig, P. (1995), Environmentally Compatible Spray Cement, Shotcretre for Underground Support  pp.276-280.
7
7. Lukas, W., Kusterle, W., and Pichler, W. (1995), Innovations in Shotcrete Technology, Shotcretre for Underground Support 7, pp.155-164.
8
8. 松下敏郞 (1992), “高熱帶と高水壓低速度帶を克服した安房トンネル”, トンネルと 地下, Vol.23, No.3
9
9. 森下 (2001), “新しい吹付けコンクリ-ト急結劑の適用と評價”,トンネルと 地下, Vol.32, No.4.
10
10. 中島ほか(2000), “セメントの種類が吹付けコンクリ-トの品質に及ぼす影響”, コンクリ-ト工學年次論文報告書, Vol.22, No.2, pp.1-6.
11
11. (社)日本トンネル技術協會(1996), トンネルの吹付けコンクリ-ト.
12
12. 박해균, 이명섭, 김재권, 정명근 (2002), “고품질 숏크리트 개발을 위한 새로운 급결제 적용”, 한국터널공학회 논문집, Vol.4, No.1, pp.45-55.
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