2016 년도한국철도학회춘계학술대회논문집 KSR2016S058 고속철도자갈궤도용내구성능개선충전모르타르개발 Development of Duralbe-Performance Improvement Infilling for Ballasted Track of High-Speed Railway 유우현 *, 이일화 **, 장승엽 **, 정연식 * Woo Hyun Yoo *, Il Hwa Lee **, Seung Yup Jang **, Youn Shik Jung * Abstract In this study, we accomplished the development of infilling mortar which was replaced gravel layer with concrete slab on the high-speed railway. Existing commercialized charging mortar product improvement of the durability properties are required. In order to improve the durability characteristics, The lower the W/M ratio was applied to shrinkage reducing material and freeze-thaw improvement material. Finally I was able to develop an improved durability infilling. Keywords : Filling material, Prepacked Concrete, Shrinkage characteristics, Freezing-thawing resistance 초록이연구는고속철도자갈층을콘크리트슬래브로개량하는공법에적용하는충전모르타르개발을목표로추진하였다. 기존상용화된충전모르타르제품은내구특성개선이요구된다. 내구특성을개선하기위한방법으로 W/M 비를낮춤과동시에수축저감재및동결융해개선재를적용함으로써, 최종적으로내구성능개선충전모르타르를개발할수있었다. 주요어 : 충전재료, 프리팩트콘크리트, 수축특성, 동결융해저항성 1. 서론 최근고속철도자갈궤도구간에서고속으로운행하는열차에의해나타나고있는빈번한궤도틀림과이에따른승차감저하, 안전위협, 유지보수증가등이지속적으로증가하는추세이다. 궤도선형을양호한상태로유지하기위해궤도유지보수작업과비용이크게증가하고빈번한유지보수작업으로열차운행지연과이로인한사회적손실이발생하고있다. 이연구는고속철도자갈궤도구간유지보수비용절감목적의궤도개량기술중에서기존자갈궤도를콘크리트슬래브로전환하는공법의하나로프리팩트콘크리트공법개발영역에속한다. 프리팩트콘크리트는도상자갈층에충전재료를주입하여자갈입자사이의공극을메워콘크리트를만드는방식이다. 여기에사용하는충전재료는국내에상품화되어있으며 1), 이의품질개선연구도진행중에있다 2,3). 기존충전모르타르의수축특성은 Fig. 1과같다. 충전모르타르자체의수축량은크게 ( 약 1200 μ) 발생하나, 프리팩트콘크리트의수축량은 400μ이하로작아수축에문제가없는것으로판단하고있다. 그러나국철및지하철자갈궤도현장에적용한결과, 시공및환경조건에따라간혹균열이발생하여개선의필요성이대두되었다. 또한, 고속철도의포장궤도의경우지하철과는다르게자연환경에노출되기때문에동결융해저항에대한내구적인특성을갖추어야한다. 교신저자 : 쌍용양회공업 기술연구소 (cyss@ssrc.ssy.co.kr) * 쌍용양회공업 기술연구소 ** 한국철도기술연구원고속철도연구본부
Fig. 2는수축저감형충전재료의프리팩트콘크리트의동결융해저항특성결과이다. 시험결과, 90 Cycle 전에상대동탄성계수가 60% 이하로동결융해저항특성이없는것으로나타났다. 이연구는고속철도자갈층을콘크리트슬래브로개량하는공법에적용하는충전모르타르개발을목표로추진하였다. 기존상용화된충전모르타르제품은내구특성개선이요구된다. 내구특성을개선하기위한방법으로 W/M 비를낮춤과동시에수축저감재및동결융해개선재를적용함으로써, 최종적으로내구성능개선충전모르타르를개발할수있었다. 400 200 Mortar Prepacked Concrete 수축변형률 ( 10-6 ) 0-200 -400-600 -800-1000 수중 건조 -1200 0 7 14 21 28 35 재령 ( 일 ) Fig. 1 Shrinkage characteristics of mortar and prepacked concrete Fig. 2 Freezing-thawing resistance of the results of prepacked concrete 2. 실험내용 2.1 목표품질성능및시험방법충전모르타르및이를이용한프리팩트콘크리트의목표품질성능및시험방법은 Table 1에나타내었다. 프리팩트콘크리트공시체제작및압축강도측정은 KS F 2431에준용하여실험을수행하였고, 프리팩트콘크리트압축강도공시체양생은 20 에서 1일간습윤양생후 27일간수중양생을실시하였다. Table 1. Target quality performance and test method 평가 Level 평가항목 목표품질성능 시험방법 유동성 8±2초 JSCE-F 541 Mortar 강도 2hr 5MPa 28일 40MPa KS F 2405 수축변형률 기건5주 Min. -600μ KS F 2595 2hr 5MPa 강도 KS F 2431 28일 30MPa Prepacked Concrete 수축변형률기건5주 Min. -400μ KS F 2595 동결융해저항성 300 cycle 60% 이상 KS F 2437 2.2 사용재료이연구에서사용된자갈의물리특성평가결과를 Table 2에나타냈다. 굵은골재의밀도및흡수율시험은 KS F 2503, 굵은골재의단위용적및실적율시험은 KS F 2505에의하여수행하였다.
Table 2 Physical characteristics of gravel 평가항목단위결과시험방법밀도 g/cm 3 2.65 KS F 2503 흡수율 % 0.5 단위용적 kn /m 3 14.3 KS F 2505 실적율 % 55.4 2.3 시험인자및수준기존상용화한충전모르타르의 W/M비는 24% 를표준으로하고있다. 이연구에서는수축변형률저감을목적으로충전재료의조성물을변경하면서 W/M비를 19% 까지낮추었으며, 조성된모르타르를가지고유동성, 압축강도및수축특성을평가하였다. Fig. 3은충전모르타르와프리팩트콘크리트의동결융해저항성을평가한결과이다. 모르타르시험체의동결융해저항성은 300Cycle에서도 100% 이상으로동결융해에대한저항성을가지고있는것으로나타났지만, 콘크리트화되었을경우동결융해저항성을가지고있지않는것으로나타났다. Fig. 4는동결융해로파괴된프리팩트콘크리트의시편을나타내고있다. 그림에서와같이자갈의탈락현상이발생하였고, 고속선충전재료의동결융해저항성은모르타르와자갈의계면부착에의한파괴가지배적으로작용한다고판단된다. 동결융해의주원인인계면부착파괴를해결하기위하여자갈의함수조건, 최대치수조건, 충전재료의부착성능등을검토하였다. Fig. 3 Freezing-thawing resistance of the results of mortar and prepacked concrete (a) Freezing-thawing test pieces (b) Gravel and Mortar interface observation Fig. 4 Freezing-thawing destruction test piece of prepacked concrete
3. 실험결과및분석 3.1 충전모르타르의수축특성기존상용화한충전모르타르의 W/M비는 24% 를표준으로하고있다. 이연구에서는수축변형률저감을목적으로충전재료의조성물을변경하면서 W/M비를 19% 까지낮추었으며, 이의결과는 Fig. 5에나타내었다. W/M비를낮춤에따른단위수량감소로수축변형률이감소하였으나, W/M비 19% 수준에서도수축변형률이 1000μ수준으로큰변형률을나타내고있어, 수축저감재의적용이필요하게되었다. 무기계팽창성물질을이용하여, W/M비 19% 조건에첨가하여유동성, 압축강도및수축변형률을측정한결과는 Fig. 6, 7 및 8에나타내었다. 수축저감재첨가배합은유동성및압축강도의목표물성을만족하면서도, 수축변형률이기존제품 (W/M=24%) 에비해 19% 수준으로대폭감소함을확인하였다. 수축변형률 ( 10-6) 0-500 -1000-1500 -2000 양생조건 : 2hr후기건양생 -2500 0 7 14 21 28 35 재령 ( 일 ) W/M=24% W/M=22% W/M=20% W/M=19% Fig. 5 Shrinkage characteristics associated with the reduction of W / M ratio 수축변형률 (10-6 ) 0-500 -1000-1500 -2000-2500 0 7 14 21 28 35 재령 ( 일 ) W/M=19% + 수축저감재 W/M=19% W/M=24% Fig. 6 Shrinkage characteristics of shrinkage reducing material additives blended 12.0 0 분 20 분 60.0 2hr 10.0 50.0 28 일 유하시간 (Sec) 8.0 6.0 4.0 압축강도 (MPa) 40.0 30.0 20.0 2.0 10.0 0.0 W/M=24% W/M=19% W/M=19% + 수축저감재 0.0 W/M=24% W/M=19% W/M=19% + 수축저감재 Fig. 7 Flow characteristics of shrinkage reducing material additives blended Fig. 8 Strength characteristics of shrinkage reducing material additives blended
3.2 충전모르타르의동결융해저항특성 3.2.1 자갈의함수및최대치수조건별동결융해저항특성동결융해시험체크기는보통 100 100 400mm로제작하고, 자갈의입자 size는시험체최소치수의 1/4을초과해서는안된다. 하지만현재까지제작하였던시험체의자갈입자 size는 60mm 로서시험체최소치수의 1/4을초과하였다. 따라서, 동결융해저항특성이 scale effect의영향으로인한저하인지를판단하기위하여자갈입자 size의영향을평가하였다. Fig. 9는자갈입자 size 별동결융해저항특성결과를나타내었다. 시험결과, 자갈입자 size가 25mm 감소하였을경우, 60mm보다동결융해저항성이낮게나오는것으로나타났다. 동결융해저하원인으로 scale effect 의영향은없는것으로나타났다. 자갈의함수조건에따른동결융해저항특성결과는 Fig. 10과같다. 자갈의함수조건은절대건조와표면건조포화상태로실험을진행하였다. 동결융해저항성은절대건조자갈의경우가표면건조포화자갈보다높게나타났다. Fig. 9 Freezing-thawing resistance of the results of gravel size conditions Fig. 10 Freezing-thawing resistance of the results of gravel moisture conditions 3.2.2 부착성능개선재종류및양생조건별동결융해저항특성동결융해저하원인으로판단되는자갈과충전재료와의부착파괴를해결하기위하여부착성능을개선할수있는부착성능개선재활용을통해동결융해저항성개선효과를평가하였다. Fig. 11은부착성능개선재별동결융해저항특성을나타내었다. 평가결과, 부착성능개선재를첨가하였을경우무첨가대비하여동결융해저항성은증가하였지만목표수준에는도달하지못하는것으로나타났다. 또한, 부착성능개선재 C type의사용할경우동결융해저항개선효과가큰것으로나타났다. 부착성능개선재를사용하여양생조건에따른동결융해저항특성을평가하였고, Fig. 12는양생조건에따른동결융해저항특성을나타내었다. 기건양생의경우 300Cycle 에상대동탄성계수 100% 로목표품질을만족하는것으로나타났다. 부착성능개선제를사용할경우부차성능개선제가자갈과모르타르와의부착을개선시킬수있는필름을형성하기위해서는기건양생이필요한것으로나타났다.
Fig. 11 Freezing-thawing resistance of the results of adhesion performance improvement type Fig. 12 Freezing-thawing resistance of the results of curing conditions 4. 결론고속철도자갈층을콘크리트슬래브로개량하는데적용하는충전모르타르제품개발을목표로연구를수행하였으며, 본실험의범위내에서다음과같은결론을도출하였다. (1) 단위수량저감과수축저감재의적용으로기존제품대비수축변형률을대폭저감시킨충전모르타르를개발하였다. (2) 동결융해의주원인인계면부착파괴를해결하기위하여자갈의함수조건, 최대치수조건, 충전재료의부착성능등을검토하였다. 검토결과부착성능개선제를사용하여기건양생할경우 300Cycle에상대동탄성계수 100% 로목표품질을만족하는것으로나타났다. 본연구는국토교통부철도기술연구사업 고속철도자갈궤도급속경화궤도기술개발 (15RTRP-B065581-03) 과제의연구비지원에의해수행되었습니다. 참고문헌 [1] 정연식외 3인 (2007), " 철도도상용프리팩트콘크리트의적용에관한연구," 콘크리트학회 2007년가을학술대회논문집, pp. 613-616. [2] 이웅종외 4인 (2014), " 고속철도자갈궤도용수축저감형충전모르타르개발 ", 한국콘크리트학회 2014년도춘계학술대회논문집 [3] 유우현외 4인 (2014), 철도도상자갈의함수상태가 Prepacked Concrete 압축강도에미치는영향, 한국철도학회춘계학술대회논문집