1. 서   론

숏크리트는 굴착 직후 발생하는 원지반의 초기 변위를 제어하고 풍화 방지를 통해 굴착면의 안정을 도모하기 위한 구조물로 최근 들어 구조물의 안정성 및 안전성 개념에서 그 역할이 매우 중요하게 부각되고 있다. 터널 분야에서는 NATM(New Austrian Tunnelling Method: 이하 NATM) 공법이 획기적인 공법으로 인정받게 되면서, 대부분의 터널에서 NATM 개념을 기본으로 시공되고 있다(이양규 등, 2004). 재래식 터널공법과 비교하여 NATM 공법의 가장 큰 특징은 지보재로서 steel rib, rock bolt 및 숏크리트를 사용함으로써 지반의 이완을 억제하여 원지반의 지보능력을 최대한 활용한다는 점이다. 1980년대 중반 이후 지하철 건설로 인한 지하공간의 활용과 도로, 철도 등의 건설로 인해 대단면 터널공사가 활발하게 이루어졌고, 이러한 NATM 공법의 도입 및 활용과 연계되어 숏크리트 관련 기술도 상당한 발전을 이루었다(이양규 등, 2004). 그러나 아직까지 국내 숏크리트 관련 기술은 국가적인 제도의 미비와 재료 단가의 부담 및 시공현장에서의 의식 부족 등으로 선진국에 비해 상당히 낮은 수준이다. 숏크리트는 다양한 혼합물로 구성된 매우 복잡한 재료로서 성능과 효과에 영향을 미치는 변수들이 많이 있다. 대표적인 것으로 급결제, 혼화재, 보강재 등의 사용재료와 골재품질, 타설장비, 분사각도 및 거리, 타설방법, 양생방법 등을 들 수 있다(Luiz, 1998). 이와 같은 변수들이 숏크리트가 사용된 구조물의 설계연한과 상관성을 가지며, 내구성에도 상당한 영향을 미치게 된다. 특히 국내･외적으로 숏크리트의 고강도화 및 고내구화를 목적으로 적용되고 있는 일반적인 방법은 고품질 혼화재와 고성능 급결제를 사용하는 것이다. 고품질 혼화재로는 숏크리트의 품질을 향상시키고 고강도화와 장기 강도 저하를 방지하는 실리카흄, 플라이애쉬 및 고로슬래그 미분말 등이 적용되고 있고(Belie et al., 2005), 고성능 급결제로는 기존 알칼리성 급결제의 장기 강도 저하와 인체 유해성 등의 문제를 해결할 수 있는 알칼리프리계 급결제가 사용되고 있다(Belie et al., 2005; Paglia et al., 2001). 그러나 국내의 경우 범용적으로 사용되고 있는 고품질 혼화재 및 급결제에 대한 품질 기준의 방향성 및 관련 연구 논문 및 보고서 등이 충분하지 못해 실제 현장에서 많은 어려움이 토로되고 있는 실정이다. 

국내 숏크리트에서 골재 최대치수는 8 mm, 10 mm 등으로 각각 규정하고 있는 유럽 및 미국 등 외국과 비교해 다소 높게 설정되어 있어 숏크리트 탈락률이 높은 단점이 지적되고 있다(마상준, 2006). 특히 숏크리트를 구성하는 재료 가운데 골재는 전체 체적의 70～80%를 차지하기 때문에 숏크리트의 작업성, 강도, 탈락률, 그리고 내구성에 큰 영향을 미치며 경제적으로도 매우 중요한 문제로 인식되고 있으나, 골재 최대치수 및 품질에 따른 숏크리트의 역학적 특성에 관한 검토는 아직까지 충분하게 진행되어 있지 않다.

본 연구에서는 숏크리트 구성 재료 중 혼화재, 급결제, 그리고 골재의 최대치수에 따른 역학적 특성 및 안정성 등을 평가하고자 굳지 않은 콘크리트 및 굳은 콘크리트의 기초적인 물성을 조사하였다. 

2. 사용 재료 및 실험 방법   

2.1 사용 재료

2.1.1 시멘트

본 실험에 사용한 시멘트는 국내산 H사에서 제조된 KS L 5201 규정에 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였고, 시멘트의 물리･화학적 성질 및 광물 조성은 Table 1, 2에 각각 나타내었다.

2.1.2 혼화재 

시멘트 대체 혼화재로 실리카흄과 고로 급냉 슬래그를 사용하였으며, 각각 결합재로서 포졸란(pozzolan), 잠재 수경 반응(latent hydraulic reaction)에 의해 콘크리트, 숏크리트의 역학적 특성과 내구성을 개선하는 것으로 알려져 있다.

실리카흄은 노르웨이 E사의 제품을 사용했으며, 고로 급냉 슬래그는 선철 제조 공정 중 부산물로 발생된 것으로 KS F 2563 ｢콘크리트용 고로슬래그 미분말｣의 3종을 사용하여 실험하였으며, 실험에 사용된 각각 혼화재의 물리･화학적 특성과 화학 조성은 Table 3, 4에 각각 나타내었다.

2.1.3 급결제

실험에 사용된 급결제는 알칼리 알루미네이트(sodium aluminate)계와 2종의 알칼리 프리(alkali free)계 급결제를 사용하였다. 알루미네이트계 액상 급결제는 수산화나트륨(sodium hydroxide; 50% solution in water), 수산화알루미늄(aluminum hydroxide; Al2O3 함량 50～57%)을 사용하여 NaAlO2의 함량이 40±5 wt.%이며 [Na2O]/[Al2O3] 몰비는 1.30～1.60 수준이었다. 알칼리프리 액상급결제는 황산알루미늄(aluminum sulfate hydrate; 98%), 디에탄올아민(diethanol amine)을 주성분으로 하는 것(AF1)과 황산알루미늄, 공업용 비정질 수산화알루미늄을 주성분(AF2)으로 한 것을 사용하였다. 이들 알칼리프리 액상 급결제의 경우 주요 성분 이외에 첨가제를 포함한다. Table 5는 본 실험에 사용된 급결제의 주요성분을 비교한 것이다.

2.1.4 골재

잔골재는 최대치수가 2.5 mm인 양질의 하천사를 사용하였으며 물리적 특성은 Table 6에 나타내었다. 굵은골재는 동일 석산의 부순 골재를 사용하였으며, 굵은골재 최대치수에 따른 콘크리트의 물성을 조사하기 위해서 본 실험에서는 최대치수가 8, 10, 13 mm 크기인 것을 사용하였다. 굵은골재 최대치수 10, 13 mm의 입도는 KS F 2577 ｢숏크리트용 재료｣에서 규정하고 있는 입도, 최대치수 8 mm의 경우에는 유럽통합규격(EFNARC, 1996)에서 추천하고 하고 있는 입도에 따라 합성입도를 제어하였고, 물리적 특성은 Table 7에 나타내었다.

2.2 실험 개요 및 방법

2.2.1 실험 개요

숏크리트 구성 재료의 성능 평가를 위한 실험은 콘크리트 실험과 페이스트 및 모르타르 실험을 병용해 실시하였다.

콘크리트 시험은 굳지 않은 콘크리트의 슬럼프와 공기량, 경화 콘크리트의 압축강도 및 동탄성계수 평가를 통해 굵은골재의 최대치수, 혼화재의 종류와 치환량에 따른 성능을 검토하였다(Table 8). 페이스트 및 모르타르 시험은 급결제의 종류에 따른 특성을 파악하기 위해서 평가하였으며, 평가 항목은 급결제의 응결 시간, 압축 강도, 그리고 X선 회절분석을 통한 수화 특성을 조사하였다(Table 9).

2.2.2 실험 방법

2.2.2.1 콘크리트 시편 제작

Table 10은 본 연구에서 적용된 콘크리트 배합 조건을 나타낸 것으로 조건 Table 10의 ①～③은 굵은골재 최대치수 변화에 의한 콘크리트 물성 변화를 조사하기 위한 배합 조건이다. 또한 조건 ①, ④～⑨는 Plain 대비 혼화재의 종류 및 치환량에 따른 콘크리트 특성을 조사하기 위함이다.

콘크리트 시편 제작은 100 ℓ, 250 rpm의 속도로 회전하는 강제식 믹서에 모든 고상 재료를 투입한 후 20～30초간 건비빔 한 후 사용수에 고유동화제를 투입한 후 1분 30초 동안 혼합하여 콘크리트를 제조하였다. 슬럼프 시험은 KS F 2402, 공기량 시험은 KS F 2449 , 압축강도는 KS F 2405, 그리고 동탄성계수는 KS F 2437에 준해 실시하였다.

2.2.2.2 페이스트 및 모르타르 시편 제작

급결제의 종류에 따른 응결시간을 비교하기 위하여 길모어 침에 의한 시멘트 응결 시간 시험 방법인 KS L 5103에 따라 시멘트 페이스트의 응결시간을 측정하였다(물-시멘트비 0.29). 모르타르의 강도발현 특성을 비교하기 위하여 KS L 5105에 준하여 몰탈 시편(50×50×50 mm)을 제작하였다(물-시멘트비 0.485). 급결제는 2속으로 1분간 교반하는 과정 중 30초가 경과한 다음 투입하였으며, 투입 후 30초가 경과한 다음 신속하게 시편을 제작하였다. 제작된 시편은 12시간이 경과한 다음 탈형하였으며, 이후 압축 강도 측정은 강도 측정 시간 30분전까지 20±2℃로 유지되는 수조에서 양생하였다. 급결제는 제조사의 권장량을 적용했으며, 각각 시멘트 질량을 기준으로 하여 알루미네이트계는 5%, 알칼리프리계는 7%를 적용하였다.  

3. 결과 및 고찰

3.1 골재 최대치수에 의한 영향성

아직 굳지 않은 콘크리트의 물리적 성상은 다음 Fig. 1에서 알 수 있듯이 굵은골재의 크기가 커질수록 슬럼프가 증가하는 경향을 보이고 있고 콘크리트의 콘시스턴스(반죽질기) 측면에서는 동일 단위 수량 및 단위 시멘트 량의 경우 골재의 크기가 작을수록 불리해짐을 알 수 있었다. 이와 같은 현상은 굵은골재 주위의 모르타르 량의 차이에 따른 영향으로 굵은골재 최대치수가 커질수록 비표면적이 상대적으로 적어 잉여 모르타르에 의해 유동성이 증가되어 발생된 현상으로 판단되며, 기존 연구 결과와 잘 일치하였다(김덕현 등, 2004). 반면 연행공기는 굵은골재의 크기가 커질수록 감소하는 경향성을 나타내고 있음을 알 수 있었다. 연행공기 감소는 슬럼프 증가와 관련성이 있으며, 슬럼프 수치가 높은 경우(보통 15 cm 이상) 공기량이 크게 감소된다는 기존 연구 결과와 동일하였다(김기형 등, 1986). 

결과적으로 골재 크기가 커질수록 공기연행제의 함량이 증가되어야 하고, 반대로 골재 최대 크기가 작아질수록 유동화제(감수제)의 첨가량이 높아져야 할 것으로 판단된다.

경화 콘크리트의 압축 강도 및 동탄성계수에 대한 결과는 Fig. 2, 3에 각각 나타내었다. Fig. 2에서 굵은골재의 크기와 압축 강도의 상관관계에 대한 결과, 굵은골재의 크기가 작아질수록 압축강도가 다소 상승되는 경향성을 나타내었다. 이것은 굵은골재의 크기가 감소할수록 콘크리트의 밀실한 충전이 가능하고 비표면적 증가에 따른 시멘트 페이스트와 골재, 그리고 골간 간의 상호 결합력이 증가된 원인과 함께 단위 용적 당 골재가 차지하고 있는 부피가 높기 때문인 것으로 사료된다.

굵은골재의 크기와 동탄성계수와의 관계는 Fig. 3에서와 같은 초기 재령(3일)에서는 골재 크기에 따른 영향성이 관찰되지 않았으나, 재령이 경과됨에 따라 골재의 최대 크기가 감소할수록 동탄성계수가 증가되는 경향성을 나타내었다. 이것은 압축 강도 결과 및 증가 원인과 유사하며, 동탄성계수의 증가는 콘크리트 내구 구조의 밀실화 및 견실화에 따른 결과로 사료된다. 따라서 골재의 최대 입자 크기가 사용 가능한 적정 수준 범위에서 작아질수록 역학적 측면에서는 보다 유리한 것으로 판단할 수 있다. 

결과적으로 굵은골재 최대치수가 작아질수록 초기 굳지 않은 콘크리트에서 유동성 측면에서는 페이스트에 의한 점성 증가에 의해 영향으로 양호하지 못했으나, 반대로 연행 공기량은 점성 증가에 의한 영향으로 증가되었다. 또한 경화 콘크리트에서 골재 최대치수가 작아질수록 강도 증진 효과와 동탄성계수가 증가함으로서 역학적/내구적인 측면에서 유리하게 작용할 것으로 사료된다. 이에 시멘트 치환 혼화재 성능 평가 시험 시 콘크리트 배합에 사용된 골재는 Table 10에 나타낸 바와 같이 최대치수를 8 mm인 굵은골재를 사용하였다.

3.2 혼화재의 종류 및 치환량에 따른 영향성

Fig. 4, 5는 혼화재의 종류 및 치환량에 따른 굳지 않은 콘크리트의 슬럼프 및 공기량의 결과로 고로슬래그 미분말을 치환 사용한 경우 치환량 증가에 따라 초기 수화 반응 지연 및 슬래그의 유리질 표면에 의한 윤활 작용으로 슬럼프 수치는 plain 콘크리트(8-Plain; Table 10 참조)와 비교해 증가하는 경향성을 나타내었다(沼田, 1986). 그러나 실리카흄을 치환 적용한 경우 실리카흄의 높은 비표면적 및 흡수성에 의한 콘크리트의 점성 증가로 유동성은 크게 상실되는 경향성을 나타내었다(Malhotra et al., 1983). 이와 같은 유동성 손실에 의해 동일한 작업성을 얻기 위하여서는 일반적인 plain 콘크리트에서 요구되어지는 것보다 초기 슬럼프가 대략 5 cm 정도 증가되어야만 하는 것으로 보고되고 있다(Jahren, 1983).

plain 콘크리트와 비교해 혼화재를 사용한 굳지 않은 콘크리트의 공기량은 종류 및 치환량에 상관없이 낮아졌다. 혼화재의 치환량이 공기량에 미치는 영향성은 적었지만, 종류에 따라 다소 차이점이 인지되었다. 고로슬래그 미분말 치환에 따른 공기량 감소는 3.1에서 설명된 바와 같이 유동성 개선에 따른 콘크리트의 가소성 증가에 따라 공기 연행 성능이 감소된 것으로 판단된다. 특히 실리카흄 치환 시 공기량 감소 현상은 더욱 분명했으며, 이것은 실리카흄의 높은 비표면적과 발생 과정에서 포함된 미연소 탄소 함유, 그리고 낮은 슬럼프 수치에 기인된 것으로 사료된다(Luiz, 1998; Markus et al., 2001).

혼화재의 종류 및 치환량이 경화 콘크리트 특성에 미치는 영향성을 평가하고자 압축 강도와 동탄성계수 평가를 실시하였다. 압축 강도 측정 및 동탄성계수 측정 결과, 실리카흄의 혼입량 증가에 따라 측정값이 plain 콘크리트 대비 크게 증가되는 경향성을 나타내었다(Fig. 6). 이것은 실리카흄의 미세한 입자(보통 시멘트 입자 크기의 수백분의 일)의 미세 충전 효과(micro filler effect)와 높은 비표면적에 의한 우수한 중･장기 반응성과 관련이 있다. 고로슬래그 미분말 치환 시(Fig. 7) 초기 재령에서는 치환량이 적을수록 유리했다. 그러나 재령 28일에서는 고로슬래그 미분말의 잠재 수경 반응에 의해 치환량은 크게 중요하지 않았으며, 실리카흄의 강도 개선 효과보다는 적지만 plain 콘크리트보다는 다소 증진되는 경향성을 나타내었다.

Fig. 8, 9는 실리카흄, 고로슬래그 미분말을 치환한 콘크리트 시편의 재령별 동탄성계수 특성을 나타낸 것이다. 이들 혼화재는 보통 내구성 등 구조의 밀실화에 크게 도움이 되는 것으로 알려져 있으나, 혼화재의 치환율 변화에 따른 동탄성계수에는 압축 강도 결과에 비해 그 영향성은 크지 않았으며 실리카흄 적용 시 다소 유리한 것을 알 수 있었다. 동탄성계수 특성은 혼화재의 성능보다는 Fig. 3에 나타낸 바와 같이 굵은골재의 최대치수가 콘크리트의 내구성에 미치는 영향성이 보다 지배적인 것으로 판단된다. 하지만 동일 슬럼프를 기준으로 할 때 고로슬래그 미분말의 경우 단위 수량이 일정 수준 감소될 수 있는 여지가 있기 때문에 압축 강도 및 동탄성계수와 같은 역학적 특성 및 내구 특성은 다소 개선될 수 있을 것으로 사료된다.

결론적으로 실리카흄을 사용할 경우와 비교해 고로슬래그 미분말을 숏크리트 및 콘크리트 배합에 적용할 경우 초기 강도 등의 문제는 개선의 여지가 있지만, 단위 수량 감소 또는 슬럼프 개선에 의한 28일 이후 장기 강도 증진 및 내구성 개선, 우수한 경제성(실리카흄 가격의 약 5% 수준) 등을 기대할 수 있을 것으로 판단된다.

3.3 급결제의 종류에 따른 영향성

본 연구에서 사용된 3종의 숏크리트용 액상 급결제의 대한 응결 시간 시험 결과를 Table 11에 나타내었다. 길모아침을 사용한 응결시간 측정 결과, AF2가 기존의 알루미네이트계 액상 급결제보다 초결 및 종결이 다소 빠른 경향성을 보였다. AF2 첨가로 인한 빠른 응결 특성은 급결제 중에 존재하는 알루미늄 성분과 풍부한 황산염이 3CaO･Al2O3(C3A)와 반응하여 다량의 에트링자이트 침상 결정을 반응 초기에 생성했기 때문으로 판단된다(Paglia, 2001). AF1의 응결시간 지연 원인은 급결 원으로 사용된 혼합물들이 용매에 완전 용해되지 않은 채 현탁 상태로 존재하기 때문에 특히 C3A와 용액 이온 반응 속도(through solution reaction)가 상대적으로 느리고, 높은 점도로 인하여 급결제와 시멘트와의 혼합 능력이 감소되었기 때문에 것으로 사료된다. Fig. 10에서 알루미네이트계 급결제를 적용한 시편의 최종 강도는 급결제를 사용하지 않은 plain 또는 알칼리프리계 급결제를 적용한 시편에 비해 약 20～30% 낮은 최종 압축 강도발현 특성을 나타냈다. 알칼리 알루미네이트계 급결제를 첨가할 경우 압축 강도 저하 현상은 높은 알칼리 함량으로 인해 골재에 함유되어 있는 반응성 실리카와 알칼리-골재 반응으로 시멘트 계의 열화 또는 반응 초기 석고(CaSO4･2H2O)와의 반응으로 시멘트 그레인(grain) 주위에 에트링자이트 생성을 막고 C3A와 급결(flash set) 반응함으로써 시멘트 수화물의 충전성 문제, 그리고 반응 초기 과량의 수산화칼슘 생성으로 강도 발현에 주로 기여하는 C3S 또는 C2S의 수화 반응 생성물인 C-S-H 겔의 성장에 악영향을 초래했기 때문으로 사료된다. 그러나 알칼리프리 급결제의 경우 반응 초기 자체 황산염의 지속적인 공급과 반응 1～2분 단계에서 가소(plasticity) 상태를 유지하기 때문에 충분한 작업 시간 제공으로 밀실한 충전, 그리고 정상적인 C-S-H 겔의 성장으로 plain과 유사한 7, 28일 압축 강도 결과를 나타낸 것으로 판단된다.

Fig. 11은 페이스트 경화체의 X-ray 회절분석결과이다. 알루미네이트계와 알칼리프리계 급결제를 사용한 시편 간 가장 큰 차이점은 8시간 및 1일 시편의 분석 결과 중 수산화칼슘에 해당하는 약 18°, 34° 피크(2θ deg.)에 있다. 알칼리프리계 적용 시편의 경우 1일 경과 후에도 수산화칼슘 판상 결정 피크가 크게 발달해 있지 않다. 그러나 에트링자이트 피크(약 9°)는 매우 발달되어 있는 형태를 나타내고 있다. 이와 비교해 알루미네이트계 급결제를 사용한 1일 시편에서는 수산화칼슘의 피크가 상대적으로 크게 성장해 있고 에트링자이트도 일부 존재하고 있었다.

그러나 7일 경과된 알칼리프리계 적용 시편에서는 수산화칼슘 피크가 뚜렷하게 관찰된다. 특히 수산화칼슘의 피크 중 약 18° 피크는 AF1과 AF2가 오히려 크게 나타나고 있다. 이에 주로 강도에 기여하는 C-S-H겔은 교착하여 생성되는 (001)면의 Ca(OH)2 결정 성장이 상이한 것으로부터 C-S-H겔 성장에도 영향을 초래함으로서 중기 이후 강도 증진에 영향을 미치는 것으로 판단된다(Su et al., 1991).

4. 결   론

골재, 혼화재, 그리고 급결제와 같은 숏크리트 구성 재료가 콘크리트 성능에 미치는 영향성을 평가한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다. 

1. 굳지 않은 콘크리트에서 골재 최대치수에 따른 시험 결과 굵은골재 치수가 작아질수록 초기 유동성 측면에서는 불리하게 작용했으나, 반대로 연행 공기량은 증가되었다.

2. 경화 콘크리트에서 골재 최대치수가 작아질수록 강도 증진 효과와 동탄성계수가 증가함으로서 역학적/내구 성능이 개선되는 것을 확인할 수 있었다. 

3. 고로슬래그 미분말을 치환한 콘크리트의 경우 plain에 비해 유동성은 치환량이 증가함에 따라 크게 개선되는 반면, 실리카흄을 치환한 콘크리트의 경우 치환량 증가에 따라 유동성이 크게 상실되는 경향성을 나타내었다.

4. 실리카흄을 치환 적용한 콘크리트의 경우 plain과 비교해 압축 강도 및 동탄성계수가 개선되었으며, 고로슬래그 미분말을 치환 적용한 콘크리트의 경우 재령 28일에서 압축 강도는 다소 증진되었다.

5. 모르타르의 압축강도 및 수화 생성물 관찰 결과 초기 수화 반응 및 압축 강도는 알루미네이트계 급결제를 적용한 시편이 다소 우수했으나, 양생기간이 경과됨에 따라 강도저하가 나타나는 것으로 나타났다. 이와 비교하여 알칼리프리계 급결제는 재령 3일 이후 우수한 강도 발현 특성을 나타내었다.