백신원 권소진 * 이영수 * 김의성 * 신용석 * 한경대학교안전공학과 * 현대산업개발 (2003. 3. 22. 접수 / 2003. 8. 18. 채택 ) An Experimental Study on the Effect of Accelerator and Chemical Admixture Type for the Durability of Shotcrete Shin-Won Paik So-Jin Kwon * Young-Su Lee * Eu-Sung Kim * Yong-Suk Shin * Department of Safety Engineering, Hankyong National University * Hyundai Industrial Development Corporation (Received March 22, 2003 / Accepted August 18, 2003) Abstract : Concrete and shotcrete should withstand the conditions for which they have been designed, without deterioration, over a period of years. But concrete and shotcrete are being deteriorated according to aging by internal and external causes. Recently, many studies on the durability of concrete have been conducted. But the durability of shotcrete is rarely studied. So, in this study, chloride ion penetration test, freeze and thaw test, neutralization test were conducted to examine the durability characteristics of shotcrete with several accelerator and chemical admixture types. These results indicate that shotcrete with alkali free accelerator and with superplasticizer are durable. Therefore, the present study provides a firm base to make high performance shotcrete. Key Words : shotcrete, durability, accelerator, admixture, high performance shotcrete 1. 서론 1) 숏크리트를영구적인터널라이닝으로사용하려는시도가늘어나면서숏크리트의내구성에대한관심이크게증대되고있다. 하지만아직까지숏크리트의내구성에대한정확한실험적, 이론적규명이이루어지지않은상태여서그적용에있어문제가제기되고있다. 한편, 국외에서는숏크리트에대한염소이온투과시험이나중성화시험은크게연구된것은없으나 Litvin, Shideler, Schrader, Kaden 등은숏크리트에대한동결융해시험을통해적절한공기연행만시킨다면동결융해저항성을보인다는것을밝힌바있다. 숏크리트는다양한혼합물로구성된매우복잡한재료여서그성능과효과에영향을미치는많은변수들을가지고있다. 대표적인것으로급결제, 혼화제등의사용재료와터널장비의종류와상태, 타설 To whom correspondence should be addressed. paiksw@hnu.hankyong.ac.kr 시압축공기의양, 타설노즐의효율성, 숏크리트분사각도및거리, 타설방법, 타설후양생방법등을들수있다. 이모든변수들이숏크리트의설계년한과관계를가지며또한내구성에도지대한영향을미치게된다 1~4). 콘크리트의내구특성은여러가지방법에의해평가될수있다. 그중에서도가장널리쓰이는방법으로동결융해, 중성화, 염소이온투과시험등을들수있다. 따라서본연구에서는숏크리트의내구성능을평가하기위해서위의세가지실험을기본으로하고재령에따른압축강도를측정하였다. 숏크리트구성요소중가장필수적이라할수있는급결제에대해서는종래에이용되던실리케이트계및알루미네이트계급결제와최근들어이용이증가되고있는알칼리프리계급결제를변수로하여각각의내구특성을파악하고자하였으며, 성능개선을위해사용되는고성능유동화제, AE 제, 감수제등의혼화제특성도실험을통하여검증하고자하였다. 109
백신원, 권소진, 이영수, 김의성, 신용석 2. 실험변수 숏크리트의내구성능에영향을미치는다양한인자의효과를평가하기위하여크게두가지로분류하여실험을진행하였다. 먼저급결제내구성능평가를위해알칼리계열의실리케이트계, 알루미네이트계급결제와알칼리프리급결제를 7%( 시멘트중량대비 ) 첨가하여실험을진행하였다. 급결제와더불어숏크리트에필수적으로첨가되는혼화제의성능을분석하기위하여감수제, AE 제및유동화제를첨가한숏크리트에대해서도내구성능실험을실시하였다. 본연구에서사용한각각의변수와특징은아래 Table 1 과같으며, 이때의배합은 Table 2 와같다. Table 1. Exper i mental var i able defi ni ti on Series Contents Notes AS AA AAF CWR CAE CS Silicate accelerator Aluminate accelerator Alkali-free accelerator Water-reducing admixture Air-entrainment Superplastisizer No admixture Alkali-free accelerator Table 2. Mi xi ng pr operti es (kgf/m 3 ) Variable w/c C W Aggregate Accelerator & G S Superplasticizer AS Silicate : 38.5 AA Aluminate : 38.5 AAF Alkali-free : 38.5 0.40 550 220 785 774 CWR Water-reducing : 6.05 CAE Air-entrainment : 6.05 CS Superplasticizer : 6.05 3. 실험방법 3.1. 실험개요본연구에서는현장에서숏크리트장비를이용하여숏크리트를패널에타설후 24 시간뒤에시편을채취하여수중양생을실시하였다. 압축강도, 중성화, 염소이온투과시험에사용되는원형시편은패널타설후 Φ10cm 의코어채취기를통해채취하였고, 휨강도시험및동결융해저항성시험에사용되는직사각형시편은패널타설후전면커팅에의해제작하였다. 특별히, 최근사용되는숏크리트에서는강섬유나 합성섬유등보강섬유의혼입이거의필수적이나본연구에서는숏크리트에사용되는급결제및혼화제의종류가내구성에미치는영향을분석하고자하였기에섬유에의한효과를배제하기위하여배합에서제외하였다. 3.2. 압축강도각영향인자의압축강도의특성을파악하기위해숏크리트현장타설후패널에서 Φ10 20cm 원형코어를채취하여수중향생을실시하였다. 초기및중장기재령에대하여압축강도특성을파악하기위하여재령 7 일, 28 일, 56 일의압축강도를측정하였으며, 각변수별로 3 개의시편에대하여측정하였다. 3.3. 염소이온투과시험염소이온투과시험은 ASTM C1202-91 electrical indication of concrete's ability to resist chloride ion penetration 5) 와 AASHTO T259 의방법에의거하여수행하였다. 28 일수중양생한직경 10cm 의콘크리트시편을길이가 5cm 가되도록절단한다음실험을수행하기전까지상대습도 95% 이상유지시킨다. 실험시시편은 applied voltage cell 에고정시키고회로구성을한다. 이회로에서전원은 60±0.1V 의직류를안정적으로공급할수있어야한다. 실험을수행하는동안전해질용액이세지않게하기위하여사용되는 sealant 는고무제품이고무게는 20~40g 정도의것으로 cell 과시편사이를고정시킨다. 전류를측정하는방법으로는기지의저항체를연결하여전압을측정함으로써얻을수있는데이때에사용되는저항으로는콘크리트시편에적용되는전압에영향이적도록하기위하여가능한작은저항을사용하는데본실험에서는 0.1Ω 을사용하였다. 콘크리트시편의노출된부분은불투수성의재료로덮개를하는데이는실험이진행되는동안콘크리트표면이건조되어염소이온의투과에영향을미치는것을방지하기위함이다. A.V. Cell 의 (-) 전극에 3.0% 의 NaCl 용액을채우고 (+) 전극쪽에는 0.3N 의 NaOH 용액을채운다. 3% NaCl 용액은물 900ml 에 NaCl 30g 을용해시킨후물을가하여 1000ml 의용액을만들고 0.3N NaOH 는물 1L 에 NaOH 12g 을용해시켜제조한다. 실험시용액의초기온도는 20~25 를유지하도록한다. 또한시험중용액의온도는 90 이하가되도록한다. 110 Journal of the KIIS, Vol. 18, No. 3, 2003
시험중 30 분마다 0.1Ω 의저항에걸리는전압을 data logger 로측정하여기록한다. 이때전압은 0.1mV 까지측정가능해야하고 ±0.1% 의정도를가진장치이어야한다. 측정한전압값은다음 (1) 식에의하여전류치로환산한다. I = V R = V 0.1 여기서, I = 전류 (Amperes, A) V = 전압 (Volts, V) R = 저항 (Ohms, Ω) 염소이온투과실험은매시편마다 6 시간이소요되고 30 분간격으로전압값을측정한다. 측정된전압을전류를환산하여다음 (2) 식을이용하여회로를통과한총전하량을산정한다. (1) Q = 900 (I 0+ 2I 30 +2I 60 + +2I 330 +I 360 ) (2) 여기서, Q = 회로를통과한전하량 (Coulombs) I n = 실험시작후 n 분이경과하였을때의전류 (Amperes) 3.4. 동결융해시험동결융해시험은 KS F 2456 급속동결융해에대한콘크리트의저항시험방법의규정에의해수행하였으며, 시편은현장타설숏크리트블록으로부터채취한 8 10 40cm 의각주형공시체를 14 일간기건양생한후동결융해시험을 300 사이클까지수행하였다. 구체적인시험은두가지과정으로수행할수있는데시험방법 A 는수중급속동결융해시험, 시험방법 B 는공기중에서급속동결하여수중에서융해하는방법이다. 두방법모두특별히규정된시험절차에의해콘크리트의동결융해저항성에대한콘크리트특성의변동성을결정하는데그의도가있으나, 직접적으로특정한콘크리트구조의사용연한에대한정성적인예측을의도하는것은아니다. 일반적으로수중급속동결융해시험법이공기중급속동결융해시험법보다더큰성능저하를유발하는것으로알려져있다. 본실험의경우수중급속동결융해시험법에따라수행하였다. 이동결융해실험규준은콘크리트가충분히포화되어있지않고 ( 즉임계포화도보다낮은포화도로동결융해손 상을받지않을정도 ), 동결융해에대한충분한저항성을가진골재가사용되어있을경우, 심각한동결융해에의한손상이일어나지않는다는가정이내포되어있다. 3.5. 중성화시험촉진중성화는촉진중성화시험기를사용하여수행하며 CO 2 농도 10%, 온도 40, 상대습도 60% 로시험조건을설정하였다. 시편은염수침지시편과같은것을사용하며, 역시이산화탄소의침투가일방향이되도록옆면은에폭시로코팅한후 1 주간촉진중성화하고, 1 주간기중방치하는방법을택하였다. 콘크리트의중성화를진단하는방법으로는여러가지가제시되어있으나페놀프탈레인용액분무법을사용하는것이일반적이다. 이방법은콘크리트의절단면에페놀프탈레인 - 알코올용액을분무기등으로분사하여자적색으로변하지않는부분을중성화한것으로보고깊이를재는것으로이방법을사용할경우에는수산화칼슘이나탄산칼슘등생성물의일부가유실되거나가수분해되는것을피하기위해할렬면을이용하는것이좋다. 4. 실험결과 3.1. 압축강도 Fig. 1 에서보는바와같이급결제의성능비교를위한실험에서는알칼리프리급결제가초기 7 일강도에서다른두가지알칼리계급결제보다강도면에서약 25% 정도높은성능을보였다. 또한 28 일과 56 일의중장기강도에서는알칼리계열의급결제인알루미네이트, 실리케이트급결제를사용한경우 7 일강도와거의비슷한강도를나타내고있어 7 일이후에는거의강도발현이없는것으로판단된다. 하지만알칼리프리계열급결제의경우에는 56 일강도에서도 28 일에비해약 30% 정도의강도증진효과를보이고있어내구성측면에서알칼리프리급결제를사용하는것이훨씬유리함을보여준다고할수있다. 숏크리트에포함되는다양한혼화제의특성을비교하기위한실험에서압축강도결과를살펴보면혼화제에따라성능에차이가있음을알수있다. Fig. 2 에서보는바와같이압축강도측면에서보면공기연행제와고유동화제가감수제보다유리함을알수있다. 또한 56 일강도를보면고유동화제가 산업안전학회지, 제 18 권제 3 호, 2003 년 111
백신원, 권소진, 이영수, 김의성, 신용석 Table 4. The results of freeze and thaw test Initial Value 300 Cycles Specimens (Hz) (Hz) Relative Dynamic Modulus (%) AS 1632 1557 91.0 AA 1732 1662 92.1 AAF 1820 1790 96.7 CWR 1846 1754 90.3 CAE 1698 1666 96.3 CS 1695 1559 84.6 Fi g. 1. Compressive strength for different accelerators Fi g. 2. Compressive strength for different chemical admixtures 조금더높은강도를보이고있으며이러한추세로유추해보건데내구성측면에서는고유동화제가더유리할것으로판단된다. 3.2. 염소이온투과시험 Table 3 은염소이온투과시험의결과로서전반적으로일반적인콘크리트결과보다는상당히큰값을보임을알수있다. 이는숏크리트의제작특성상피할수없는특성때문인것으로생각된다. 전체적으로각변수당 3 개의시편을제작하여실험을수행하였다. 급결제종류에서는알카리프리계급결제가가장낮은투수율을보였고, 혼화제종류에서는거의비슷한투수율결과를보였다. 3.3. 동결융해시험기존의연구결과를보면동결융해저항성증진을위해서는콘크리트내의공기량을증가시키는방법이가장보편적인것으로보고되고있다. 본실험에서사용된숏크리트배합의경우단위시멘트량이 550kg 으로상당히많아서강도특성면에서도상당한수준을확보하고있어숏크리트의동결융해저항성의경우일반콘크리트에비해전체적으로상당히높은성능을보여주고있다. 모든시편이 300 회까지상대동탄성계수가 60% 이하로떨어지지않았으며 300 회에서측정한상대동탄성계수가 85~95% 를상회하고있는것으로나타났다. 3.4. 중성화시험실험결과에나타난중성화에대한급결제의영향은 Fig. 3 에서보듯이알루미네이트계급결제를제외하고는거의비슷한결과를보여주고있다. 알칼리프리계열의급결제의경우중성화깊이가 6mm 정도로양호한결과를보여주고있다. Fig. 4 에서보는바와같이혼화제의사용에따른영향을살펴보면감수제를사용한숏크리트에서중성화깊이가약 11mm 정도로높게나타났으며공기연행제와고유동화제의경우는그보다약간작은 9mm, 8mm 정도로나타났다. Table 3. Chloride ion penetration test results Series Charge passed (Coulombs) AS 12,283 AA 19,061 AAF 6,491 CWR 14,255 CAE 13,926 CS 11,872 Remarks Fig. 3. Carbonation depth for different accelerators 112 Journal of the KIIS, Vol. 18, No. 3, 2003
Fi g. 4. Carbonation depth for different chemical admixtures 4. 결론 본연구에서는숏크리트의내구특성을알아보기위해급결제와혼화제의종류에따라숏크리팅을하여압축강도, 염소이온투과시험, 동결융해시험, 중성화촉진시험등을광범위하게수행하였다. 따라서, 이러한연구결과를통해다음과같은결론을얻을수있었으며, 이러한결과들은고내구성의고성능숏크리트를만드는데있어기초자료로제공될수있을것으로사료된다. 1) 현재습식숏크리트에사용되는급결제중알칼리실리케이트계, 알칼리알루미네이트계, 알칼리프리계의세가지종류에대하여내구성실험을수행한결과알칼리프리계열의급결제를사용하는것이압축강도, 휨강도, 할렬인장강도등의강도측면에서초기및장기모두유리한것으로나타났고, 내동해성, 투수저항성, 중성화등의내구성측면에 서도기존의알칼리계열급결제에비해우수한것으로나타났다. 2) 습식숏크리트는노즐을통해콘크리트가분사되므로유동성이매우중요한요소라할수있다. 이러한숏크리트의유동성을확보하기위해사용되는혼화제로는고성능감수제, 공기연행제, 고유동화제등을들수있는데본연구의실험을통해분석한결과강도및내구성측면에서고유동화제가가장효과적인것으로나타났다. 참고문헌 1) ( 주 ) 대우건설기술연구소, SHOTCRETE 성능개선연구, 1992. 2) 현대건설기술연구소, 강성유보강숏크리트의적용성에관한실험적연구, 1995. 3) SK 건설연구소, 고품질숏크리트개발연구, 1999. 4) ACI Committee 506, Guide to Shotcrete, ACI Manual of Concrete Practice Part5, 1995. 5) Annual Book of ASTM Standard, C1202, Electrical Indication of Concrete's Ability to Resist Chloride Ion Penetration, 1990. 6) C. Andrade, M. Castellote, C. Alonso, C. Gonzalez, Relation between colourimetric chloride penetration depth and charge passed in migration tests of the type of standard ASTM C1202-91, Cement and Concrete Research, 1999. 산업안전학회지, 제 18 권제 3 호, 2003 년 113