1. 서론

록볼트는 숏크리트와 함께 터널의 주 지보재로서, 주변 지반이 가지고 있는 지지능력을 최대한 활용하고 터널의 안정성을 확보하기 위해 사용되는 중요 지보재이다. 하지만 현재까지 숏크리트와 비교할 때 록볼트 관련 연구는 비교적 활발히 이루어지지 못한 것이 사실이다. 최근에 들어서야 NMT(Norwegian Method of Tun-nelling)와 같은 싱글쉘(single-shell) 터널공법에 대한 관심이 증대되면서 영구 지보재로서 사용될 고내력․고내구성의 록볼트에 대한 필요성이 대두되게 되었다.

록볼트 파괴의 주된 원인으로는 록볼트에 발생하는 녹이나 부식을 들 수 있다 (Hoek 등, 1995). 이로 인해 Hoek(2002)은 부식성 지하수 조건에서 록볼트를 영구 지보재로 적용하기 위해서는 볼트와 암반 사이의 공간을 시멘트 또는 레진 그라우트로 완전 충전해야 한다고 제시하였다. 이와 같이 볼트의 부식을 방지하기 위해서는 완전 충전이 매우 중요한 사항임을 알 수 있다. 실제로 볼트가 암반과 직접 접촉하게 되는 Swellex bolt가 부식성 환경에서 심하게 부식되어 요구되는 성능을 기대할 수 없었던 경우도 조사된 바 있다 (Atlas Copco, 2005). 또한 록볼트를 부식시키는 주된 인자인 염화물과 황산염 이온의 농도가 높은 부식성 환경 사례들이 전세계적으로 다수 보고되고 있다 (Atlas Copco, 2005).

록볼트를 영구 지보재로 적용하기 위하여 NMT에서는 부식을 방지하기 위한 폴리에틸렌 튜브와 완전 충전을 원활히 수행하기 위한 주입기구 등으로 구성된 CT-bolt가 적용되고 있다 (Barton, 1998). 또한 일본과 기타 유럽국가에서는 FRP 및 GRP 소재의 볼트가 적용 또는 검토되고 있는 실정이다 (ジェオフロンテ硏究會, 2001). 하지만 이러한 고성능 록볼트는 여전히 고가라는 한계를 가지고 있다. 따라서 록볼트 정착재의 완전 충전을 도모하고 록볼트 정착재의 장기 내구성을 예측하여, 유해 환경에서 코팅, 도금 등의 적절한 내구성 확보 대책을 실시하는 것이 경제적이라고 할 수 있겠다.

국내에서도 인천국제공항 콘크리트 구조물의 염해를 평가하기 위하여 시추조사를 실시한 결과, 지하구조물 위치의 토양과 지하수에 포함된 황산염의 농도가 각각 810ppm과 2,700,000ppm을 상회하는 것으로 보고된 바 있다 (박영식 외, 1998). 이와 같이 록볼트의 성능을 저하할 수 있는 환경, 특히 바다 부근 또는 해저 터널에서 이러한 염해로 인한 부식 영향을 평가하는 것이 필수적이라고 할 수 있겠다. 하지만 아직까지 전세계적으로 부식과 염해 등에 대한 록볼트의 장기 내구성을 평가하기 위한 시도가 이루어지지 못했다.

콘크리트 또는 모르타르의 내구성을 저하하는 요인으로는 앞서 언급한 바와 같이 대표적으로 염화물과 황산염을 들 수 있다. 콘크리트 중의 철근은 pH가 12이상인 높은 알칼리 환경에 있으므로 철근 표면에는 산화물 등으로부터 부동태 피막이 형성되어 안정한 상태(부동태)에 있다. 그러나 콘크리트 혼합시에 염화물 이온을 함유하는 재료를 사용한 경우 또는 외부로부터 염화물 이온이 침투한 경우에서, 콘크리트 내부에 어느 이상의 염화물 이온이 포함되게 되면 철근 표면의 부동태 피막이 파괴되어 강재의 산화가 시작된다 (건설품질시험원, 2002). 부식이 진행되면 철근은 부피 팽창을 일으키게 되고, 이때 발생된 팽창압으로 인해 주위에 미세 균열들이 발생한다. 결국, 부착강도 및 강성이 감소되어 구조물의 내구성이 감소된다 (양은익 등, 2004). 반면, 콘크리트에 황산염 반응이 발생하면 구성물보다 더 큰 체적을 가진 고체 생성물인 에트린자이트(ettringite)가 생성되어 콘크리트의 마모, 팽창균열 및 조직의 붕괴를 야기하게 된다. 이러한 황산염을 함유한 지하수나 토양에 콘크리트가 접하여 황산염에 노출되면 황산염에 의하여 콘크리트 표면이 연화되어 표층의 시멘트 부분이 용해되는 열화가 계속 진행된다. 열화의 진전에 따라 골재가 박리되고 콘크리트 체적 및 강도가 감소하여 궁극적으로 콘크리트의 성능 저하가 가속된다 (박영식 등, 1998). 이상으로부터 염화물은 볼트 강봉 자체의 부식을, 그리고 황산염은 록볼트 충전재를 열화시키는 주된 요인임을 알 수 있다.

본 연구에서는 록볼트의 성능을 저하시키는 두 가지 주요 요인 가운데, 염화물에 대한 록볼트의 내구성을 평가하기 위한 지표로서 콘크리트 분야에서 사용되고 있는 염화물 확산계수(chloride diffusion coefficient)의 사용을 제안하였다. 또한 염화물 확산계수를 이용하면 충전재를 통한 염화물의 침투속도를 예측하여 록볼트 부식이 발생하게 되는 시간을 추정할 수 있으므로, 록볼트에 대한 방부식 처리 여부를 결정하기 위한 과정에 염화물 확산계수를 활용할 수 있는 가능성을 평가하고자 하였다.

또한 극경암 조건이나 일부 광산조건을 제외하고 록볼트 설치후에 숏크리트가 타설됨으로 인해 재령에 따른 록볼트의 인발내력을 정확히 측정하기 어렵다. 그리고 새로운 록볼트의 적용에 따른 성능향상 정도를 정확히 파악하기 어려운 실정이다. Stillborg(1994)가 콘크리트 블록을 이용하여 다양한 록볼트의 인발내력을 측정한 바 있으나, 사용된 콘크리트 블록의 크기가 3.0m× 0.8m×0.4m로서 실험수행이 어렵고 지반에 작용하는 구속압의 효과를 고려할 수 없다는 단점을 가지고 있다. 따라서 본 연구에서는 록볼트의 내구성 평가 이외에 실험실 조건에서 구속압의 효과를 고려하여 록볼트의 다양한 인발시험이 가능한 시험 시스템을 제안하고자 하였다.

2. 록볼트 성능 평가를 위한 실험실 인발시험 시스템의 제작

2.1 수치해석을 통한 인발시험 시스템의 사양 검토

현재까지 록볼트의 성능 평가와 품질기준에 대한 기준이 모호하여 실제 터널 시공현장에서는 록볼트의 인발시험에 많은 혼동과 어려움이 있으며, 인발 시험결과도 록볼트 재시공 여부를 판정하는데만 사용될 뿐이다 (장석재, 2005). 특히 국내의 터널 설계․해석시에 입력변수로 사용되는 록볼트의 제반 특성은 국외의 문헌에 보고된 자료만을 사용하고 있어 실제 국내에 사용되고 있는 록볼트의 특성을 제대로 반영하지 못한다고 할 수 있다.

더욱이 기존 또는 새롭게 개발된 록볼트 충전재의 재령별 특성에 대한 자료가 제시되어 있지 않으며, 실제 지반의 구속압을 고려하고 있지 못하다. 또한 록볼트 설치후에 숏크리트가 타설되기 때문에 재령에 따른 록볼트 인발내력의 차이를 정확히 평가하기 어려운 실정이다. 또한 실험실에서 수행된 기존 연구결과들은 지반에 작용하는 3축압축 상태의 구속압 효과를 고려하지 못했다는 한계를 가지고 있다 (Stillborg, 1994).

따라서 본 연구에서는 실험실 조건에서 지반 구속압을 고려할 수 있으며 다양한 재령별 인발내력을 측정할 수 있는 시험 시스템을 제작하고자 하였다. 기본적으로 시험 시스템은 암석의 삼축압축시험에 사용되고 있는 Hoek Cell을 기본으로 하였다. 즉, cell내의 멤브레인(membrane)에 의해 록볼트가 포함된 암석 시험편에 유압으로 구속압을 가하게 된다. 록볼트 인발시에 cell은 변위제어(또는 하중제어)가 가능한 서보 제어 시험기에 장착되게 된다.

이상과 같은 시험 시스템의 상세 규격을 결정하기 위하여 수치해석을 통해 경계효과를 배제할 수 있는 암석 시험편의 크기를 결정하고자 하였다. 구속압 조건하에서의 록볼트 인발시험은 3차원적인 특성이 강하므로, 범용 유한차분법 해석프로그램인 FLAC3D Ver. 2.0을 사용하였다. 해석시에 적용된 록볼트 물성 (지름 25mm)은 기존의 관련 문헌들(이토 준 등, 2003; Itasca Con-sulting Group, 1997)에 근거하여 다음의 표 1과 같이 결정하였다. 표 1에서 괄호안의 기호는 FLAC3D에서 사용되는 물성 기호이다.

암석 시험편의 물성은 연암을 가정한 경우와 경암을 가정한 경우의 두 가지 경우에 대해서 다음의 표 2와 같이 가정하였다. 이때 인발에 의한 파괴는 암석과 록볼트 정착재 사이 또는 록볼트와 록볼트 정착재 사이의 인터페이스에서 일어날 것이므로, 암석 시편은 탄성모델로 가정하였다.

또한 구속압에 따른 경계효과를 살펴보기 위하여 구속압을 1 MPa 및 5 MPa의 두가지 조건으로 선정하였다. 인발시험시의 변위속도 (pull-out velocity)는 Itasca Consulting Group(1997)에서 적용한 1.0×10-6 m/ sec로 설정하였다.

암석 시험편은 Hoek cell형태의 삼축압축셀에 장착되므로 원통형이 된다. 따라서 경계효과를 배제할 수 있는 최적 시료 지름과 시료 길이를 결정하는 것이 중요하다. 시험편 지름은 76mm, 140mm 및 200mm의 3가지 조건을 대상으로 하였다. 또한 시료 길이는 역시 600mm, 700mm 및 800mm의 3가지 조건을 선정하였다. 이때 록볼트의 정착 길이는 실험시 록볼트 지름의 약 20배가 되어야 한다는 Hyett 등(1992)의 제안에 근거하여, 수치해석에서는 500mm로 고정하였다.

이상과 같은 암석 조건 2가지, 구속압 조건 2가지, 시험편 지름 조건 3가지 및 시험편 길이 3가지의 총 36가지 경우에 대해 3차원 수치해석을 실시하였다. 해석시 록볼트는 전면접착형의 충전형 록볼트의 등가모델로 고려하였다 (그림 1).

해석결과, 록볼트의 정착길이는 모든 경우에서 500 mm로 동일하기 때문에 록볼트의 축응력도 5.092×108 N/m2로서 동일하였다 (그림 2).

록볼트의 인발특성은 Mohr-Coulomb 모델에 근거하고 있기 때문에, 항복이 발생한 이후에 항복강도가 계속 유지되는 탄소성 거동을 보인다. 또한 시험편 지름에 따라 얻어진 최대 인발력은 표 3과 같이 얻어졌다. 시험편의 길이는 최대 인발력에 영향을 미치지 않는 것으로 나타났으며, 암석의 파괴가 발생하지 않았기 때문에 시험편 조건도 영향을 미치지 않았다.

즉, 록볼트의 최대 인발하중은 구속압에 따라 달라지며, 시험편 지름이 커질수록 구속압이 작용하는 면적이 커지기 때문에 이에 비례하여 최대 인발하중도 증가하는 경향을 보였다. 시험편 지름이 커질수록 시험편 크기로 인한 경계효과는 줄어들 수 있겠으나, 구속압이 증가할수록 최대 인발하중이 커지기 때문에 그만큼 인발시험에 사용되는 시험기의 용량이 커져야 한다. 따라서 경계효과를 배제할 수 있으면서 최대 인발하중이 적게 나타나는 최적의 시험편 크기를 결정하는 것이 중요하다고 할 수 있다. 앞서 언급한 총 36가지의 해석조건에 대해 수치해석을 실시한 결과, 본 해석에서 대상으로 고려한 모든 경우에서 특별한 경계효과는 나타나지 않았다. 따라서 시험편 지름이 76mm인 경우도 타당하다고 할 수 있으나, 어느 정도 경계효과를 충분히 배제하면서 시험기의 용량을 초과하지 않는 경우인 지름 140mm 그리고 길이 700mm를 최적의 시험편 크기로 적용하였다.

2.2 록볼트 실험실 인발시험 시스템의 구성

앞서 수치해석으로부터 선정한 크기의 암석 시험편에 천공을 실시한다. 이때 암반 내에 존재하는 절리의 영향을 고려할 경우에는 인공절리를 조성할 수 있다. 또한 인공절리는 지하수 등에 의한 록볼트의 부식을 평가하는데도 활용될 수 있다. 그 다음 록볼트 충전재를 주입하고 철근, FRP, GRP 등으로 제작된 록볼트를 삽입한다 (그림 3).

이상과 같이 제작된 시험편에 대해 정착재의 재령별로 인발시험을 실시한다. 이때 실제 지반에 작용하는 구속압을 유압에 의한 정수압으로 가하게 된다. 록볼트의 인터페이스 특성을 구하기 위해서는 3가지 이상의 구속압 조건에 대한 인발시험을 실시하면 된다. 특히 지반 구속압을 시험편에 효과적으로 가하기 위하여 시험편을 원통형으로 제작하고, 시험편이 장착될 삼축압축셀의 멤브레인내에 채워진 기름이 시험편의 원주 방향으로 정수압을 가하게 된다 (그림 4 및 그림 5).

록볼트의 인발은 일반적인 인장 시험기에서 수행할 수 있으나, 인장 시험기의 최대 하중용량을 사전에 검토해야 한다. 록볼트 두부는 유압식 또는 기계식 인장 그립(grip)에 의해 고정하고 인발하는 것을 기본으로 하였다.

구속압을 고려하지 않을 경우에는 그림 6과 같이 다목적 인장시험기를 이용한 록볼트 인발시스템과 록볼트 시편고정용 지그에 제작한 록볼트 시험편을 장착하게 된다. 본 연구에서는 재령에 따른 인발내력을 평가하기 위한 기초 연구로서 구속압을 고려하지 않았으며, 실험에 사용한 다목적 인장압축시험기의 최대용량은 50톤이고 유압 엑츄에이터의 유격거리는 50mm였다. 록볼트 시험편에서 돌출된 록볼트는 유압 그립(grip)을 이용하여 인발시험을 실시하였다. 특히 ASTM(2004)에서 규정하고 있는 록볼트의 인발응력 환산법을 사용하여 다음의 식 (1)에서 식 (3)과 같이 재령에 따른 록볼트의 인발응력을 계산하였다.

 (1)

 (2)

 (3)

여기서 는 볼트에 작용하는 응력, P는 볼트에 작용하는 하중, A는 볼트 단면적, Ub는 볼트의 탄성변형, L은 앵커와 두부 사이에 노출된 볼트 길이, E는 볼트 강재의 탄성계수, Ut는 볼트 두부의 전체 변위, 그리고 Uc는 볼트 두부의 보정된 변위이다.

이상과 같이 미국 ASTM에서는 볼트 지름과 길이를 고려하여 인발응력을 평가의 척도로 규정하고 있다. 하지만 국내에서는 설계 인발내력의 80%를 합격기준으로 하거나, 록볼트의 정착길이를 고려하지 않고 발주기관에 따라 상이하게 10톤과 12톤 (볼트 지름 25mm, SD35)을 합격기준으로 하는 등 구체적인 기준과 해석방법 등이 미흡한 실정이다 (장석재, 2005). 따라서 ASTM의 인발응력과 같이 록볼트의 설치조건에 따라 보다 정량적인 척도와 판정기준이 제시되어야 할 것으로 사료된다.

3. 염화물 확산계수의 측정방법

본 연구에서는 염화물 확산계수를 이용하여 록볼트 주변에 충전되어 있는 충전재의 두께에 따른 록볼트 부식시기를 추정하였다. 대표적인 염소이온 확산실험으로는 침지법(immersion method)과 전기촉진법(electric acceleration method)을 들 수 있다. 침지법에서는 상대적으로 장기간의 실험시간이 필요한데 그 이유는 시편을 NaCl용액에 35일 동안 침지시켜야 하기 때문이다. 반면 전기촉진법에서는 염화물의 확산을 전기적으로 촉진시키게 된다. 따라서 본 연구에서는 염화물 확산계수를 수 시간 내에 측정할 수 있는 전기촉진법을 적용하였다. 본 연구에서는 전기촉진법 중의 하나인 Rapid Chloride Permeability Test (RCPT)을 AASHTO T277-89에 의거하여 수행하였다 (AASHTO, 1989).

Fick’s second law에 근거한 염화물 농도계산을 위한 일반식은 다음과 같다.

 (4)

여기서 Co 는 염화물의 초기농도이고 x는 시료내에서 염화물 통과 깊이, t는 침투시간, D는 염화물 확산계수이고 erf는 error function (integrated Gauss fun-ction)이다.

그림 7과 그림 8은 RCPT의 상세도와 실험장비를 이용하여 RCPT를 수행하고 있는 모습을 보여주고 있다. 그림 9와 같이 RCPT를 위한 시멘트 모르타르계 충전재 시편의 직경 및 지름은 각각 100mm와 50mm이다. RCPT장비는 음극과 양극에 각각 연결된 챔버를 3%의 NaCl용액과 0.3M의 NaOH용액으로 채운다. 그리고 30볼트의 전기를 각 챔버에 있는 시료 표면에 8시간동안 가한다. 이것은 염화물 이온이 시멘트 그라우트 시편속을 침투하는 것을 가속화 시키는 역할을 한다. 8시간 동안의 촉진실험을 마친 시편은 염화물 이온의 침투 깊이를 추정하기 위하여 정확하게 둘로 쪼갠다. Color-metric method은 염화물 이온의 침투깊이를 추정하기 위하여 사용되는데, 이것은 AgNO3 용액을 둘로 쪼개어진 시편표면에 골고루 분사한 후 그 깊이를 측정하는 방식이다. 그림 10은 염화물 침투 깊이를 측정하는 모습을 보여주고 있다.

측정된 염화물 침투깊이를 이용하여 확산계수는 다음과 같은 방정식으로 계산된다.

 (5)

 (6)

여기서 xd 는 염화물 침투깊이이고 R은 가스 상수이고 T는 절대온도이며 L은 시편길이이고 z는 이온 전화이며 F는 Faraday상수이고 U는 전압이다. 표 4는 위의 방정식들에서 RCPT에서 사용되는 입력값들을 보여주고 있다.

4. 시험결과 및 분석

4.1 시멘트 모르타르계 충전재를 사용한 록볼트의 재령별 인발내력

본 연구에서 사용된 록볼트 충전용 시멘트 모르타르는 국내에서 시판되고 있는 A사 제품으로서 중량비로 보통포틀랜드시멘트 60%, 모래 40% 그리고 기타 혼화재료 10%로 구성되어 있다. 그리고 시험시에 적용한 물/시멘트비 조건은 판매사에서 추천하는 42%를 준수하였다. 그림 11은 재령 1일, 4일, 7일 및 28일에서 완전충전된 시멘트 모르타르계 충전재를 사용한 록볼트의 인발내력과 변위 특성을 보여준다. 재령 1일에서 최대 인발내력은 200 MPa을 상회하는 것으로 나타났다. 이때 파괴는 볼트와 충전재 사이에서 발생하는 것으로 관찰되었다. 재령 4일과 7일에서 최대 인발내력의 차이는 크지 않았다. 하지만 재령 7일에서 관찰된 록볼트의 잔류강도는 재령 4일의 경우보다 약간 더 크게 나타났다. 재령 28일의 최대 인발강도는 600 MPa 이상으로 측정되었다. 하지만 이전 재령과는 달리 재령 28일에서의 파괴는 충전재와 암석 시험편 사이의 계면에서 주로 발생하는 것으로 관찰되었다. 이러한 이유는 충전재의 인발저항이 암석과 충전재 사이에 존재하는 계면 저항보다 더욱 컸기 때문인 것으로 보인다. 따라서 이러한 파괴 특성을 고려한다면 조기 재령 이후에는 지반 구속압의 영향이 클 수 있기 때문에, 록볼트의 인발내력을 보다 정확하게 평가하기 위해서는 구속압을 고려할 필요가 있을 것이다. 또한 재령에 따른 인발내력의 변화는 sigmoid 함수로 근사가 가능한 것으로 나타났다 (그림 12).

4.2 시멘트 모르타르계 충전재의 염화물 확산계수 측정결과

본 연구에서는 당초에 시멘트 모르타르계 충전재 이외에 발포성 레진계 충전재에 대해서도 염화물 확산계수를 측정하고자 하였다. RCPT시험을 위한 발포성 레진계 충전재의 시편은 원래 유리캡슐 속에 개별적으로 포함되어 있는 MDI(Methylene diphenyl discocyanate)와 PPG(Polyether polyol) 원액을 입수하여 유리캡슐 내부와 동일한 비율로 혼합하여 회전시키면서 발포시켜 제작하였다.

그러나 레진계 충전재는 그림 13과 같이 매우 다공질인 관계로 염화물 확산계수 측정이 불가능하였다. 즉, 레진계 충전재에서는 염화물과 같은 부식 요인이 확산이 아닌 투과 형태로 전달되므로, 록볼트 설치지점 주변에 부식 요인이 있는 경우에는 록볼트 설치후 짧은 시간내에 록볼트가 부식될 가능성이 있는 것으로 판단되었다.

모르타르 정착재의 경우에는 평균 확산계수가 15.4× 10-12 m2/sec로 측정되었다 (그림 14). 이는 일반 콘크리트에 대해 측정된 확산계수 (양은익 등, 2004)와 비교할 때 약 6~7배 정도 큰 값이다 (그림 15). 즉, 이상의 결과로부터 일반 콘크리트 재료에서보다 시멘트 모르타르 충전재에서 염화물에 의한 철근 부식이 더 크게 나타날 수 있을 것으로 밝혀졌다.

RCPT시험에서 측정된 염화물 확산계수를 앞선 식 (4)에 대입하면 시간 경과에 따른 재료 내부의 염화물 농도를 추정할 수 있게 된다. 예를 들어, 천공경과 볼트 지름을 각각 38mm와 25mm로 가정하면, 즉, 충전 두께가 6.5mm일 때, 록볼트 내부의 염화물 농도는 단지 1년후에 지하수에 포함된 염화물 농도의 83.48%까지 도달한다 (그림 16). 또한 4년이 경과된 후에는 주변 염화물 농도의 90%이상까지 증가하게 된다.

그림 16에서 살펴볼 수 있는 바와 같이 충전재 두께를 증가시키는 것이 록볼트의 부식을 방지할 수 있는 대안이 될 수도 있다. 하지만 Stillborg(1994)는 충전형 록볼트 가운데 단지 35~50%만이 완전 충전되는 것으로 보고하였다. 이와 같이 록볼트가 완전 충전되지 못하는 경우에는 볼트가 염화물에 직접 노출될 수 있으므로, 유해성 환경에서는 아연 도금이나 에폭시 코팅과 같은 사전 대책을 수행하여야 할 것이다. 하지만 Hoek(2002)이 언급한 바와 같이 록볼트 시공시 볼트를 천공홀의 중심에 정확히 위치시켜 공벽과 접촉하지 않도록 하여 완전 충전을 실시하는 것이 부식을 지연시킬 수 있는 가장 기본적인 방법이라고 할 수 있겠다. 완전 충전이 이루어지는 상태에서 도금이나 코팅 처리는 부식 속도 예측을 통해 필요에 따라 부가적으로 실시하여 경제적인 시공을 도모하는 것이 바람직할 것이다. 따라서 록볼트의 완전 충전을 위한 관련 재료와 기구의 개선 및 개발이 필요할 것으로 사료된다.

강재에 부식이 발생하지 않는 염화물 이온의 허용 농도는 700ppm으로 설정하고 있다 (건설품질시험원, 2002). 이를 고려하여 지하수 또는 지반내의 염화물 이온 농도를 800ppm으로 가정하면, 충전재 두께가 6.5mm인 록볼트는 시공후 1.8년 후에 부식이 시작되는 것으로 예측되었다 (그림 17). 반면 충전재 두께를 10mm와 15mm로 증가시킨 경우의 부식 시작시기는 각각 4.0년과 9.4년으로 예측되었다. 이와 같이 염화물 이온 농도가 매우 높은 경우에는 충전재 두께를 증가시켜도 장기적으로 볼트의 부식이 발생하게 되므로 도금이나 코팅과 같은 사전 대책이 필요할 것이다. 따라서 유해성 환경으로 예상되는 시공조건에서 록볼트를 영구 지보재로 적용하거나 록볼트의 장기적인 내구성이 확보되어야 하는 경우에는, 사전에 염화물 이온 농도를 측정하고 염화물에 의한 볼트 부식 시기를 파악하여 경제적인 방부식 대책을 적용하는 것이 타당할 것이다. 더욱이 앞서 논의한 바와 같이 국내에서 사용되고 있는 현행 레진계 충전재에서는 염화물 이온이 짧은 시간 내에 투과되므로 염화물 농도가 높은 경우의 레진계 충전재는 장기 내구성 측면에서 적용의 한계가 있을 것으로 평가할 수 있겠다.

5. 결론

본 연구에서는 시멘트 모르타르계 충전재를 적용한 록볼트의 부식을 예측하고 장기 내구성을 평가하기 위하여 염화물 확산계수 개념을 도입하였다. 또한 실험실 조건에서 록볼트의 인발내력을 보다 쉽게 측정하기 위한 록볼트 인발시험 시스템을 새롭게 제안하였다. 이상의 연구를 통해 얻어진 주요 결과를 정리하면 다음과 같다.

1.실험실 조건에서 지반 구속압을 고려할 수 있으며 재령에 따른 인발내력을 쉽게 측정할 수 있는 시험 시스템을 3차원 수치해석에 의한 검토 결과에 근거하여 제작하였다. 이와 같이 제작된 실험실 인발시험 시스템에 의해 시멘트 모르타르계 충전재를 적용한 록볼트의 인발내력을 평가한 결과, 재령에 따른 인발내력의 변화는 sigmoid 함수로 근사시킬 수 있었다. 또한 조기재령에서 록볼트의 파괴는 볼트와 충전재 사이에서 발생하였으나, 재령 28일에서의 파괴는 충전재와 암석 사이의 계면에서 주로 발생하였다. 따라서 조기 재령 이후의 록볼트 파괴는 지반의 구속력에 큰 영향을 받을 수 있으므로, 록볼트의 인발내력을 보다 정확하게 평가하기 위해서는 구속압의 고려가 필요할 것이다.

2.현행 레진계 충전재에서는 염화물과 같은 부식 요인이 확산이 아닌 투과 형태로 전달되므로, 염화물 농도가 높은 환경에서는 록볼트 설치후 단기간 내에 록볼트가 부식될 가능성이 있는 것으로 판단된다. 따라서 염화물 농도가 높은 경우에 레진계 충전재는 장기 내구성 측면에서 적용의 한계가 있을 것으로 평가할 수 있다.

3.본 연구에서 사용한 시멘트 모르타르 정착재의 염화물 확산계수는 일반 콘크리트와 비교하여 약 6~7배 큰 것으로 나타났다. 따라서 일반 콘크리트 재료에서보다 록볼트에서 염화물에 의한 철근 부식의 영향이 더 크게 나타날 수 있을 것으로 밝혀졌다. 특히 천공경과 볼트 지름이 각각 38mm와 25mm일 경우, 록볼트 내부의 염화물 농도는 단지 1년 경과후에 지하수에 포함된 염화물 농도의 83.48%까지 도달하는 것으로 예측되었다.

4.록볼트 충전재 두께의 증가는 록볼트의 부식을 방지하거나 지연시킬 수 있는 대안이 될 수 있는 것으로 나타났다. 하지만 이는 록볼트가 완전 충전된 경우에 해당되는 결과이므로 록볼트를 완전 충전시켜서 부식을 지연시키는 것이 가장 기본적인 내구성 확보 방안이라고 할 수 있다. 이와 같이 록볼트가 완전 충전되는 조건에서 염화물 확산계수에 의한 부식 속도 예측을 통해 필요에 따라 부가적으로 부식 방지 대책을 실시하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.

5.강재에 부식이 발생하지 않는 최대 허용농도 이상으로 염화물 이온 농도가 높은 경우에서는, 충전재 두께를 증가시켜도 장기적으로 볼트의 부식이 발생하게 되므로 도금이나 코팅 등의 사전 대책이 필요할 것이다. 이상의 연구결과로부터 염화물 확산계수를 록볼트의 부식시간을 예측하는데 적용할 수 있으며, 록볼트의 내구성을 평가하기 위한 중요한 척도로 활용할 수 있는 것으로 밝혀졌다.