기술정보Ⅰ 1 초고성능콘크리트의개발및적용현황 글선우윤호 \ 토목기술팀사원 \ 전화 \ 글이타 \ 토목기술팀차장 \ 공학박사 \ 토목구조기술사 \ 전화 \ yit

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희경 종
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1 기술정보Ⅰ 1 초고성능콘크리트의개발및적용현황 글선우윤호 \ 토목기술팀사원 \ 전화 \ layncenix@ssyenc.com 글이타 \ 토목기술팀차장 \ 공학박사 \ 토목구조기술사 \ 전화 \ yita@ssyenc.com 1. 머리말콘크리트는오랜기간에걸쳐인류의생활과사회의기반을구축해온건설재료로서, 인류와사회가발전하는데있어서매우중요한역할을한재료이다. 이러한중요성으로인해, 과거부터현재에이르기까지콘크리트에대해끊임없이많은수요가창출되고있다. 점점급속화되는사회의발전은더높은효율성을갖춘구조물을필요로하고있으며, 이와같은추세에따라구조물의대형화, 초고층화및장수명화가추구되고있다. 이러한요구를만족시키기위해, 더욱우수한성능을갖춘콘크리트를개발하여적용하기위한연구가이루어지고있으며, 이와같은과정속에서새롭게각광받고있는콘크리트가바로초고성능콘크리트이다. 본고에서는초고성능콘크리트의정의와특성, 개발및적용현황등에대해소개하고자한다. 둘째로인성을증진시키는방향이다. 다양한고성능콘크리트의개발에도불구하고, 고강도화에따라취성적거동이더욱강하게나타나는경향이있었다. 이를극복하기위해, 섬유보강등의방법을통해연성과인성이모두향상되도록개선한콘크리트를고인성콘크리트 (High Ductility Concrete) 라한다. 이에따라, 최종적인연구방향은강도와인성을모두향상시키는방향으로귀결되고있으며, 그러한연구결과가바로초고성능콘크리트 (UHPC, Ultra-High Performance Concrete) 이다. 초고성능콘크리트는일반콘크리트에비해재료적특성이크게향상된콘크리트로, 압축강도 150MPa 이상, 인장강도 15MPa 이상의초고강도이면서, 다량의단섬유를적용하여높은인장강도, 연성, 인성을보유하고있고, 우수한내구성까지복합적으로갖추고있는콘크리트이다. 2. 초고성능콘크리트의정의콘크리트의연구와개발은크게다음과같이추구되어왔다. 첫째로강도를증가시키는방향이다. 이를위해굵은골재를미세석영등의작은입자를가진재료로치환하여시멘트경화체조직을밀실하게하고, 강도에큰영향을미치는물-시멘트비를최대한낮추는한편, 프레스성형을통해가압력을가하는프레스양생이나고온습윤양생등양생방법을개선하여적용하였다. 이를통해강도측면에서큰향상을보인콘크리트를초고강도콘크리트 (UHSC, Ultra-High Strength Concrete) 라한다. 강도 / 내구성향상 프레스양생 일반콘크리트 고밀도콘크리트 초고강도콘크리트 (UHSC) DSP MDF 연성 / 인성향상 섬유보강콘크리트 초고강도 + 고인성 Small Fiber 초고성능콘크리트 (UHPC) [ 그림 1] 초고성능콘크리트의개발방향 고인성콘크리트 ECC SIFCON SIMCON RPC CRC K-UHPC 20 건설기술 / 쌍용

2 3. 초고성능콘크리트연구동향초고성능콘크리트를실제구조물에적용하기위해서는초고성능콘크리트에대한연구를통해재료의특성을명확히파악하고, 이를적용할수있는설계기준및지침을제시하며, 실험적적용을통한경험및실적의확보가필요하다. 다음에는초고성능콘크리트의특성과, 세계각국에서개발된초고성능콘크리트의종류및특징에대해서소개하였다. 다음은기존콘크리트와의비교를통해초고성능콘크리트의특성에대해소개하고, 개발현황에대해서기술하였다 초고성능콘크리트의특성 1) 역학적특성초고성능콘크리트와일반콘크리트의가장큰차이점은우선적으로강도의차이를들수있다. < 표 2> 에콘크리트의종류에따른강도를비교한결과가제시되어있다 개요 < 표 1> 은 WBCSD와 ACI에서예측한국내외콘크리트시장의전망을나타내고있다. 표 1 국내외콘크리트시장전망 ( 단위 : 억원 ) 구분 콘크리트 1) 500, , , ,000 고성능콘크리트 2) 2,400 12, , ,000 점유율 (%) ) World Business Council for Sustainable Development, ) ACI, Prediction of Concrete Industry, 2007 < 표 1> 에서제시된바와같이, 고성능콘크리트의수요와점유율은 전세계적으로급속히증가할것으로전망되고있으며, 이에따라 초고성능콘크리트의수요역시꾸준히증가할것으로예측할수 있다. 세계각국에서는이러한추세를빠르게파악하여, 더욱우수한성능의콘크리트를개발하고이를실제설계및시공에적용하기위한연구가전세계적으로진행되어왔다. 프랑스와일본, 독일등에서는초고성능콘크리트의특성을반영한설계지침을마련하고, 이를토대로초고성능콘크리트를적용한구조물의설계및시공에적용하여, 건설재료로서의경제성, 적용성, 타당성을검증하는연구를꾸준히진행해왔다. 국내에서의초고성능콘크리트에대한연구성과및기술력도세계적으로충분한경쟁력을갖추고있다. 한국건설기술연구원에서는세계각국의초고성능콘크리트에견주어부족함이없는성능을갖춘 K-UHPC의개발에성공하였고, 이를현장에적용하기위해구조설계지침을제정하였으며, 이를바탕으로도로사장교의설계및시공에세계최초로적용하는데성공하였다. 이와같은현장에서의적용성과는국내초고성능콘크리트의기술력에대한실적으로서건설시장에서의경쟁력을높여줄것으로기대된다. 표 2 콘크리트의강도비교구분압축강도 (MPa) 휨인장강도 (MPa) 일반콘크리트 21~28 1~3 섬유보강콘크리트 30~50 5~15 고강도콘크리트 40~130 5~15 초고성능콘크리트 150~230 15~60 초고성능콘크리트는압축강도가 150~230MPa, 휨인장강도 15~60MPa로일반콘크리트에비해약 8배, 고강도콘크리트에비해약 4배로강도가크게향상된콘크리트이다. 또한초고성능콘크리트는고연성과고인성을갖춘재료이다. 초고성능콘크리트는전체체적대비약 1.5~2.0% 정도의섬유가혼입된다. 초기균열발생이후섬유가가교작용을하면서미세균열이분산되고변형률경화현상이발생하는등연성거동을통해취성파괴를방지하는효과가나타난다. 2) 내구적특성초고성능콘크리트의밀실한시멘트경화체는열화인자의침투성및확산성을크게떨어뜨리게되어기존의콘크리트에비해염해저항성, 탄산화, 동결융해및수밀성등내구성측면에서우수하다. 이러한특성은구조물의열화현상을지연시켜수명을크게증가시킬것으로기대된다. 3) 체적변화특성초고성능콘크리트의낮은물-시멘트비와다양한종류의분체다량사용, 재령초기의고온습윤양생은수화반응을활성화시켜자기수축이크게발생하며, 이러한현상은타설초기에급격하게나타난다. 따라서팽창제와수축저감제의사용을통해수축량의제어가필요하다 상반기호 21

3 3-3. 초고성능콘크리트의종류및특징 < 표 3> 에는초고성능콘크리트의종류및특징이제시되어있으며, 각각에대해서아래에소개하였다. 표 3 초고성능콘크리트의종류및특징 구분특징적용실적 RPC ECC CRC SIFCON SIMCON SUQCEM 압축강도 170~810MPa 인장강도 30~140MPa 반응성분체 ( 고강도 ) 금속섬유 ( 고인성 ) 압축강도 70MPa 강섬유혼합 ( 고인성 ) 균열에대한자기치유현상 압축강도 130~400MPa 마이크로실리카 ( 고강도 ) 금속섬유 ( 고인성 ) 압축강도 210MPa 강섬유 / 섬유매트 + 슬러리 ( 고인성 ) 압축강도 180MPa 특수강섬유혼입 ( 고강도, 고인성 ) 보강재최소화목적 1) 반응성분체콘크리트 (RPC) Sherbrooke 교선유보도교 보수보강재료강재피복재료 해양구조물군사시설 보수보강재료포장용재료 교량활주로 반응성분체콘크리트 (RPC, Reactive Powder Concrete) 는고강도와더불어고연성과고유동성까지확보한콘크리트로, 1994년프랑스의 Bouygues사에서개발되어, 1997년캐나다의세계최초의 UHPC 보도교인 Sherbrooke 보도교에적용되었으며, 이후선유보도교에사용되면서국내에가장먼저소개된초고성능콘크리트이다. RPC는콘크리트의기본구성재료중하나인굵은골재를 0.5mm 이하의크기를가진미세석영으로치환하여시멘트경화조직을최밀충전구조화하고, 0.2이하의낮은물-시멘트비를사용하여강도와열화인자침투에대한저항성을크게향상시켰을뿐만아니라, 낮은물-시멘트비로인해발생하는유동성의저하를방지하기위해고성능감수제의혼입을통해유동성을향상시켜충분한시공성을확보하였고, 고강도화에따라발생하는문제점인취성적거동에대한방안으로강섬유를혼입하여고인성까지확보한콘크리트이다. 표 4 RPC 의역학적특성 구분압축강도 (MPa) 휨인장강도 (MPa) 탄성계수 (MPa) RPC ~230 30~60 60,000 RPC ~810 45~140 75,000 RPC는 RPC200과 RPC800의두종류로나뉘며, 이들의역학적특성은 < 표 4> 에제시되어있다. RPC200은일반양생으로제조하였을경우 200mm 이상의슬럼프에서 170~230MPa의압축강도가발현되며, 90 의온도에서고온양생으로제조하였을경우 3일강도측정시 240MPa에준하는압축강도가발현되고, 휨인장강도가 30MPa에서최대 60MPa까지발현된다. RPC800은 250~400 의고온고압증기양생과가압력 50MPa의프레스성형으로특수제조한콘크리트로, 압축강도 650~810MPa, 인장강도 45~141MPa에이르는높은강도적특성을보인다. 2) 고연성섬유보강복합체 (ECC) 고연성섬유보강복합체 (ECC, Engineered Cementitious Composite) 는휘어지는콘크리트 (Bendable Concrete) 라고도불리며, 섬유보강콘크리트와유사하게유기섬유와강섬유를혼합하여사용한다. 압축강도는약 70MPa로다른초고성능콘크리트에비해비교적낮지만, 섬유의가교작용을통해미세한다중균열이발생하면서일반콘크리트에비해 100~1000배높은인장변형률거동을발휘하는고인성의재료이며, 일정균열폭이하에서는자기치유현상이나타난다. 이러한특성은높은내구성과긴수명을요구하는구조물에적합하며, 보수보강재료나강재의피복재료로서사용된다. [ 그림 2] 고연성섬유보강복합체 (ECC) 3) CRC CRC(Compact Reinforced Composite) 는마이크로실리카와강섬유를혼입하여, 압축강도가 130MPa에서최대 400MPa에이르는고강도특성과고인성을모두갖춘콘크리트로서, 해양구조물과군사시설에주로사용되고있다. 22 건설기술 / 쌍용

4) SIFCON & SIMCON SIFCON(Slurry Infiltrated Fiber Concrete) 은강섬유를형틀내에비치하고, 스테인리스강제조의부산물인슬러리를침투및주입하여콘크리트를보강시킨복합콘크리트이다. 강섬유대신섬유매트를이용한것으로 SIMCON(Slurry Infiltrated Mat Concrete) 이있다.

4 4) SIFCON & SIMCON SIFCON(Slurry Infiltrated Fiber Concrete) 은강섬유를형틀내에비치하고, 스테인리스강제조의부산물인슬러리를침투및주입하여콘크리트를보강시킨복합콘크리트이다. 강섬유대신섬유매트를이용한것으로 SIMCON(Slurry Infiltrated Mat Concrete) 이있다. 다량의섬유에의한구속효과와가교작용으로인해, 210MPa에이르는높은압축강도와고인성을동시에갖추고있으며, 내진, 내폭, 보수보강용재료, 포장용재료및프리캐스트구조물에적용되고있다. 5) SUQCEM 일본에서개발된초고강도섬유보강콘크리트 (SUQCEM, Super High-Quality Cementitious Material) 는콘크리트의강도향상을위한특수강섬유를혼입하여보강한콘크리트로, 설계기준강도 180MPa, 휨인장강도 8.8MPa의강도를갖는콘크리트이다. 특히특수강섬유는압축강도를향상시킬뿐만아니라높은인장강도와고인성으로보강재의사용을최소화하거나배제하는것을목적으로하고있다 고성능콘크리트적용현황 1) EX-Girder 특수교량을제외하고, 일반적으로 50~70m 교량에서는높은공사비에도불구하고 PSC 박스나강박스가거더로주로사용되어왔다. 이는 PSC I형식의거더를 50m 이상의장경간교량에적용할수있는기술이충분하지않았기때문이었다. 그러나최근고성능콘크리트를적용한개량형거더의개발을통해장경간화에성공하면서, 기존박스형거더의대체거더로서활용되고있다. 한국도로공사에서는건설예산절감을위한 20대과제를선정하였으며, 이중 PC빔의개선안으로서 EX-Girder(Expressway Girder) 를개발하였다. < 표 2> 에제시된것과같이일반적인 PSC 거더에적용된콘크리트의설계압축강도는 30~45MPa이나, EX-Girder는설계압축강도 40~60MPa의고성능콘크리트를적용하고최적화설계를수행하였다. 4. 국내초고성능콘크리트개발현황 4-1. 개요국내에서는한국건설기술연구원을주축으로개발된 K-UHPC가있다. 2007년부터 2012년까지진행된 Super Bridge 200을통해, 설계압축강도 200MPa, 설계인장강도 13MPa의고강도를가지며, 연성거동및파괴에너지흡수능력이탁월한 K-UHPC의개발에성공하였다. 이후 2020년까지진행되는 Super Structure 2020을통해저비용, 장수명하이브리드사장교기술의개발을위한연구가진행하고있다. K-UHPC를적용한부재는상부구조의자중감소및장경간화를통해장대화교량의목표를달성하는한편, 공사비절감의효과를가져올것으로기대되고있다. 또한 K-UHPC가가지는높은내구성은교량의장수명화도가능하게할것으로기대되고있다. 최근 K-UHPC의재료역학적거동에대한연구, 현장에적용하기위한설계지침제정및설계기준개정을목적으로연구가활발히이루어지고있으며, 이를적용한교량의설계및시공도단계적으로진행되고있다. 다음에서는초고성능콘크리트의적용현황에대해알아보고자하며, 이와더불어활발한적용이이루어지고있는고성능콘크리트의적용현황도소개하고자한다. [ 그림 3] EX-Girder 표 5 EX-Girder 표준 강도 설계압축강도 60MPa 경간 (m) 형고 (m) 중량 (t) < 표 5> 는 EX-Girder의표준으로, 최대 60m에이르는경간장을확 보하였을뿐만아니라, 저형고화를통해형하공간을충분히확보 하였고, 중량의최소화및재료수량최소화에따라경제성도향상 되었다. 이후고속도로및지방도로에위치한각종교량의설계및시공과 정에서활발히적용되고있으며, 당사는밀양-울산고속국도 2공구 2016 상반기호 23

구간에위치한총연장 1,111m의단장천1교에압축강도 40MPa, 경간장 45~50m의 EX-Girder를적용및시공중에있다.

2015년비봉 ~ 매송도시고속도로구간에위치한양노3교에설계기준압축강도 80MPa, 경간장 60m, 형고 2.5m의 HiPC거더를최초로거치및시공하면서, 현장에서의적용이활발하게진행될것으로기대되고있다. 1) 선유보도교국내에서최초로적용된초고성능콘크리트교량은 2002년에준공된선유보도교이다. π형단면의포스트텐션보도교로, 거더총높이 1.

[ 그림 5] 선유보도교 [ 그림 4] HiPC-Girder 표 6 HiPC-Girder 표준 강도 설계압축강도 80MPa 경간 (m) 50 55 60 65 70 형고 (m) 1.6~1.8 1.8~2.0 2.1~2.3 2.5 2.5 중량 (t) 95 110 129 147 159 4-3.

5 구간에위치한총연장 1,111m의단장천1교에압축강도 40MPa, 경간장 45~50m의 EX-Girder를적용및시공중에있다. 2) HiPC-Girder HiPC-Girder(Holed incrementally Prestressed Concrete) 는국내최초로 80MPa의고성능콘크리트를적용한거더로서, 거더복부에다수의중공을도입하여강선을분산장착하여강선의배치를최적화하였다. 이를통해최대 70m에달하는경간장을확보하였을뿐만아니라, 동일경간의거더형식중가장낮은형고와최경량화에성공하였다. 2015년비봉 ~ 매송도시고속도로구간에위치한양노3교에설계기준압축강도 80MPa, 경간장 60m, 형고 2.5m의 HiPC거더를최초로거치및시공하면서, 현장에서의적용이활발하게진행될것으로기대되고있다. 1) 선유보도교국내에서최초로적용된초고성능콘크리트교량은 2002년에준공된선유보도교이다. π형단면의포스트텐션보도교로, 거더총높이 1.3m, 슬래브두께 30mm의무근콘크리트로적용되었다. 당시도로교설계기준에의하면, 국내콘크리트의연구현황을고려하여보도교의슬래브표준두께가 140mm 이상으로규정되어있었으나, 자재, 설계및시공기술을갖추고있던프랑스와의협력을통해이러한한계를극복하였다. [ 그림 5] 선유보도교 [ 그림 4] HiPC-Girder 표 6 HiPC-Girder 표준 강도 설계압축강도 80MPa 경간 (m) 형고 (m) 1.6~ ~ ~ 중량 (t) 초고성능콘크리트적용교량현황 < 표 7> 은국내에서개발된초고성능콘크리트인 K-UHPC를적용한 교량의현황이며, 이에대해서다음에소개하고자한다. 2) 한국건설기술연구원보도사장교이후국내에서도한국건설기술연구원을중심으로초고성능콘크리트의연구및개발이진행되어, 압축강도 180MPa, 인장강도 13MPa 의강도와고인성, 고내구성을갖춘초고성능콘크리트 (K-UHPC) 를개발하였다. K-UHPC를적용한최초의사장교로서, 2009년한국건설기술연구원내에보도사장교를테스트베드성격으로건설하였다. 교량은 1 주식주탑에 3면의팬형식케이블을배치한형식으로, 건물과연결되는구간단부의보강형에압축강도 180MPa의 K-UHPC를적용하여설계및시공하였다. 표 7 초고성능콘크리트적용교량현황 구분 연장 (m) 거더형고 (m) 슬래브두께 (mm) 선유보도교 KICT 보도사장교 안동도로교 레고랜드진입교량 (2@100) 비고 국내최초 UHPC 보도교국내최초 UHPC 사장교국내최초 UHPC 도로교세계최초 UHPC 도로사장교 [ 그림 6] 한국건설기술연구원보도사장교 24 건설기술 / 쌍용

이교량은세계에서최초로초고성능콘크리트를적용하여건설되는도로사장교로서, 도로사장교에대한 K-UHPC의적용성과시공성을입증하는측면에서그의의와상징성이크다고볼수있다. 보강형높이 1.85m, 바닥판두께 150mm, 자중 256kN/m로축소한단면으로설계및시공이진행되고있다. 5. 맺음말본고에서는초고성능콘크리트의정의와특성, 개발현황에대하여간략히소개하였다.

6 3) 안동도로교 2012년에는국내최초로초고성능콘크리트를적용한도로교가안동에건설되었다. 상부구조전체에 K-UHPC를적용하여보강형높이 0.6m, 바닥판두께 100mm로단면을축소하여경량화에성공하였음에도불구하고충분한구조적성능을확보하였다. [ 그림 7] 안동도로교초고성능콘크리트의타설및양생과정의어려움으로인해, 보강형은한국건설기술연구원에서제작후현장으로운반하여설치하였으나, 설치과정에서발생하는이음부는 UHPC의배합에적합한이동식특수믹서를현장에배치하여타설하였다. 4) 레고랜드진입교량 K-UHPC를적용한도로사장교로강원도의레고랜드진입교량이 2017년준공을목표로시공중이다. 이교량은세계에서최초로초고성능콘크리트를적용하여건설되는도로사장교로서, 도로사장교에대한 K-UHPC의적용성과시공성을입증하는측면에서그의의와상징성이크다고볼수있다. 보강형높이 1.85m, 바닥판두께 150mm, 자중 256kN/m로축소한단면으로설계및시공이진행되고있다. 5. 맺음말본고에서는초고성능콘크리트의정의와특성, 개발현황에대하여간략히소개하였다. 그동안초고성능콘크리트는제한적인연구성과와적용실적등으로인해, 중장기적인미래의먹거리로서가능성을갖춘건설재료로만바라보는시선이있었다. 그러나이제는그러한시선에서벗어나야할필요가있다. 초고성능콘크리트는더이상중장기적인미래의건설재료가아니라, 현재의건설시장에서기술경쟁력에우위를가져다줄수있는, 현재진행형의건설재료로서의가치도가지고있음을받아들여야할것이다. 따라서, 초고성능콘크리트를설계및시공에적용할수있는기술력과실적을갖추기위한노력이필요할것이다. 그러한의미에서본고가초고성능콘크리트에대해많은관심과참여로이어질수있는계기가되기를바란다. 참고문헌 ❶ 초고성능콘크리트의적용현황및전망, 대한토목학회지제61권제2호, 2013 ❷ 초고성능콘크리트개발현황, 대한토목학회지제61권제2호, 2013 ❸ UHPC 활용교량의설계와시공, 대한토목학회지제61권제2호, 2013 ❹ 북부중공 PSC I형 (HIPC) 거더교량의설계, 대한토목학회지제61권 8호, 2013 ❺ 초고강도고인성반응성분체콘크리트 (RPC) 의이용과전망, 한국시설안전공단 ❻ 초고성능콘크리트의재료적특성및개선방향, 한국콘크리트학회지, Vol.28 No.1, 2016 ❼ 초고성능콘크리트교량건설현황, 한국콘크리트학회지, Vol.28 No.1, 2016 ❽ 섬유강화복합재료의도로구조물적용에관한조사연구, 한국도로공사도로교통기술원, 2003 ❾ 도로교설계기준 ( 한계상태설계법 ) 을적용한레고랜드진입교량의계획과설계, 대림건설, 2015 ❿ 도로교설계기준, 국토해양부, 2010 ⓫ 중소규모교량공법의특성, 쌍용건설, 2015 [ 그림 8] 레고랜드진입교량주경간교 교량형식은경간장 100m의 1주탑 2경간도로사장교이며, 사장교의설계는 2015년부터시행된도로교설계기준-한계상태설계법의설계기준에부합하도록설계되었다. 상부보강형은압축강도 180MPa의초고성능콘크리트를적용하여, 2016 상반기호 25

타설 고강도 콘크리트가 가능하게 되어 상황은 많 이 바뀌었다. 또, 실리카 퓸과 같은 반응성 미분말 이 사용 가능하게 되어, 일반화와 고강도화가 진행 되게 되었다. 이에 따라 1995년에는 일본 토목학회 에서 실리카 퓸을 이용한 콘크리트의 설계, 시공지 침(안) 이 발

타설 고강도 콘크리트가 가능하게 되어 상황은 많 이 바뀌었다. 또, 실리카 퓸과 같은 반응성 미분말 이 사용 가능하게 되어, 일반화와 고강도화가 진행 되게 되었다. 이에 따라 1995년에는 일본 토목학회 에서 실리카 퓸을 이용한 콘크리트의 설계, 시공지 침(안) 이 발 기 술 정 보 우 승 민 기술연구소 토목연구담당 선임연구원 (laputa@lottenc.com) 1. 머 리 말 포틀랜트 시멘트가 출현한 이래, 현재에 이르기까지 콘크리트의 고강도화에 대한 연구, 발전은 멈추지 않고 계속되어, 최근에는 100N/mm 2 을 넘는 콘크리트도 현장시공이 가능하게 되었 다. 본문에서는 먼저, 일본의 고강도 콘크리트의 개발의 역사를