KR20090036952A

KR20090036952A - 터널 라이닝용 콘크리트 조성물

Info

Publication number: KR20090036952A
Application number: KR20070102264A
Authority: KR
Inventors: 전중규; 안형준; 유진오; 유정훈
Original assignee: 한국건설기술연구원; 코오롱건설주식회사; 한국지질자원연구원
Priority date: 2007-10-10
Filing date: 2007-10-10
Publication date: 2009-04-15

Abstract

본 발명은 시멘트, 물, 골재, 및 섬유보강재를 포함하는 터널 라이닝용 콘크리트 조성물에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 a) 콘크리트 단위체적에 대하여, 시멘트를 포함하는 결합재 250 내지 500 kg/m³, b) 콘크리트 단위체적에 대하여, 물 150 내지 180 kg/m³, c) 콘크리트 단위체적에 대하여, 잔골재 600 내지 1000 kg/m³, d) 콘크리트 단위체적에 대하여, 굵은 골재 800 내지 1200 kg/m³, 및 e) 콘크리트 단위체적에 대하여, 섬유 보강재 0.1 내지 2.0 kg/m³를 포함하는 터널 라이닝용 콘크리트 조성물을 제공한다.

본 발명의 터널 라이닝용 콘크리트 조성물은 유동성과 내구성이 향상되고, 수화열을 저감시킴과 동시에 인장강도, 휨강도 및 인성을 대폭 개선시켜 우수한 건설용 복합재료로서 활용할 수 있다.

터널 라이닝용 콘크리트, 섬유 보강재, 고로슬래그 미분말, 플라이애쉬

Description

터널 라이닝용 콘크리트 조성물 {CONCRETE COMPOSITION FOR TUNNEL LINING}

본 발명은 시멘트, 물, 골재, 및 섬유 보강재를 포함하는 터널 라이닝용 콘크리트 조성물에 관한 것이다.

터널 구조물은 대량물류의 신속한 수송 및 전 국토의 효율적인 이용을 통한 지역간의 균형 있는 발전 등 교통수단으로서의 역할을 담당하게 되므로, 전 국토의 약 70%가 산악지대인 우리나라의 실정에서는 국가경제력의 급성장과 생활수준 향상으로 인한 각종 사회 간접자본의 확충에 따라 터널시설의 건설은 더욱 가속화될 것으로 예상된다.

현재 국내에서 수행되는 NATM 터널공법의 설계시 대부분 1차 지보를 영구 구조물로 간주하고 있으며, 따라서 터널은 어떠한 형태로든 1차 지보재에 의해 안정되고 내부 라이닝 콘크리트는 터널의 구조적 기능보다는 부수적 기능 유지를 목적으로 하기 때문에 배수형 터널에서는 자중만 견딜 수 있는 구조로 설계된다.

그러나, 최근 터널 라이닝 콘크리트에서 발생하는 균열에 대한 문제가 제기되면서 터널의 안정성을 유지하는 최종 지보 수단인 구조재료로 고려되고 있으며, 터널 라이닝 콘크리트에서 발생되는 균열은 콘크리트 시공법, 콘크리트 자체 품질 및 양생과정에서 발생된다. 따라서, 터널 라이닝 콘크리트에서의 균열을 방지하고 좀더 우수한 물성 개발에 대한 연구가 필요하다.

본 발명은 터널 라이닝 콘크리트의 유동성 향상, 수화열 저감 및 내구성능 증진시키고, 품질향상, 균열저감 및 변형을 방지하기 위한 터널 라이닝용 콘크리트 조성물을 제공하고자 한다.

본 발명은 a) 콘크리트 단위체적에 대하여, 시멘트를 포함하는 결합재 250 내지 500 kg/m³, b) 콘크리트 단위체적에 대하여, 물 150 내지 180 kg/m³, c) 콘크리트 단위체적에 대하여, 잔골재 600 내지 1000 kg/m³, d) 콘크리트 단위체적에 대하여, 굵은 골재 800 내지 1200 kg/m³, 및 e) 콘크리트 단위체적에 대하여, 섬유 보강재 0.1 내지 2.0 kg/m³를 포함하는 터널 라이닝용 콘크리트 조성물을 제공한다.

이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

콘크리트는 가장 많이 사용되는 건설재료 중의 하나로서, 시멘트와 골재를 물과 혼합하여 수화반응을 거쳐 경화하게 되는데, 이때 콘크리트는 건조수축균열과 수화열에 의한 온도균열이 발생된다. 이와 같이 콘크리트에 발생하는 미세한 균열은 콘크리트에 미치는 영향이 상당히 크게 되는데 콘크리트의 수밀성을 감소시키고, 유해물질의 침투에 의한 열화현상이 가속화된다.

이와 같은 영향으로 콘크리트 구조물의 내구수명은 물론, 최종적으로는 구조 적 성능저하가 가속화되는 현상이 나타나고 있다.

특히, 터널 시공법 중 최근에 많이 이용되는 방법으로서, 터널에서 굴착작업과 공동구와 라이닝 콘크리트 구조물을 효율적으로 병행 시공하는 공법에서는 발파시 발생하는 발파진동이 타설되는 라이닝 콘크리트에 균열을 발생시키거나 강도를 저하시킬 수 있으므로, 이를 예방하기 위한 것이 상당히 중요하다.

이에 따라, 본 발명은 기존의 일반 콘크리트 조성물을 이용하여 터널 라이닝 시공시 발생되는 라이닝 콘크리트에서 균열이나 강도저하의 문제점을 개선하고 효율적인 터널 라이닝 콘크리트 타설을 위하여, 폴리아미드 섬유 등의 섬유 보강재를 포함하는 터널 라이닝용 콘크리트 조성물을 제공하는 것이다.

본 발명의 터널 라이닝용 콘크리트 조성물은 시멘트를 포함하는 결합재(binder)를 콘크리트 단위체적에 대하여 250 내지 500 kg/m³, 바람직하게는 280 내지 470 kg/m³를 포함한다. 상기 결합재는 콘크리트 설계기준강도 측면에서 250 kg/m³ 이상 포함되는 것이 바람직하고, 수화열 저감, 경제성 측면에서 500 kg/m³ 이하로 포함되는 것이 바람직하다.

본 발명의 터널 라이닝용 콘크리트 조성물에서 시멘트는 보통포틀랜드 시멘트를 사용하는 것이 바람직하지만, 그 이외에도 시중에서 구입할 수 있는 다양한 종류의 시멘트를 모두 사용할 수 있다.

또한, 본 발명의 결합재는 상기 시멘트와 함께 고로슬래그 미분말 및 플라이애쉬 등의 광물질 혼화재 1종 이상을 추가로 포함할 수 있다.

본 발명에서 고로슬래그 미분말은 용광로에서 배출되는 슬래그를 급랭하여 입상화한 것을 미분쇄한 것을 사용할 수 있다. 상기 고로슬래그 미분말은 KS F 2563규격에 준하는 밀도가 2.8 g/cm³이상이고, 비표면적이 4,000내지 10,000 cm²/g, 바람직하게는 4,000 내지 8,000 cm²/g인 것을 사용할 수 있다.

고로슬래그 미분말은 그 자체로는 수경성이 없지만 시멘트 속의 알칼리성을 자극하여 천천히 수화하는 특징이 있으며, 콘크리트의 워커빌리티(유동성) 및 장기강도가 증진되며, 조직이 치밀하여 수밀성 및 화학적 저항성을 향상시킨다.

플라이애쉬로는 화력발전소 등에서 분탄을 연소시킬때 불연 부분이 용융상태로 부유한 것을 냉각 고화시켜 채취한 미분탄재를 사용할 수 있다. 상기 플라이애쉬는 KS L 5405 규격에 준하는 밀도가 1.95 g/cm³이상이고, 비표면적이 3,000 cm²/g이상인 것을 사용할 수 있다. 또한, 플라이애쉬는 표면이 매끈한 구형 입자이기 때문에 볼 베어링 작용을 하여 콘크리트의 워커빌리티, 즉 유동성을 좋게 하고, 콘크리트 속에서 물에 녹아 있는 수산화칼슘과 상온에서 천천히 화합하여 불용성 화합물을 생성시킴으로써 수화열 저감, 장기강도 및 수밀성을 증대시킬 수 있다.

여기서, 고로슬래그 미분말과 플라이애쉬의 함량비는 중량 기준으로 1:1 내지 5:1, 바람직하게는 1:1 내지 3:1로 사용할 수 있다.

특히, 본 발명의 결합재는 시멘트 25 내지 100중량%, 고로슬래그 미분말 0 내지 50 중량%, 및 플라이애쉬 0 내지 25중량%를 포함할 수 있으며, 바람직하게는 시멘트 50 내지 90 중량%, 고로슬래그 미분말 5 내지 30 중량%, 및 플라이애쉬 5 내지 15 중량%를 포함하는 것으로 사용할 수 있다.

본 발명의 터널 라이닝용 콘크리트 조성물은 물을 콘크리트 단위체적에 대하여 150 내지 180 kg/m³, 바람직하게는 160 내지 170 kg/m³를 포함하며, 물의 함량은 콘크리트의 강도 및 유동성 측면에서 최적 범위로 조절할 수 있다.

본 발명에서 골재는 일반적으로 콘크리트용으로 알려진 것을 사용할 수 있으며, 잔골재와 굵은 골재로 이루어질 수 있다. 잔골재로는 KS F 2526 규격에 준하는 입경 0.15 내지 2.5 mm, 절대건조밀도 2.5 g/cm³이상, 흡수율 3% 이하, 안정성 10% 이하인 것을 사용할 수 있다. 또한, 굵은 골재로는 KS F 2526 규격에 준하는 입경 2.5 내지 40 mm, 절대건조밀도 2.5 g/cm³이상, 흡수율 3% 이하, 안정성 10% 이하, 마모율 40% 이하인 것을 사용할 수 있다.

본 발명의 터널 라이닝용 콘크리트 조성물은 콘크리트 단위체적에 대하여, 잔골재를 600 내지 1000 kg/m³, 바람직하게는 700 내지 900 kg/m³를 포함하며, 상기 잔골재는 유동성 및 재료분리 저감 측면에서 상기 함량 범위로 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에서 굵은 골재는 콘크리트 단위체적에 대하여 800 내지 1,200 kg/m³, 바람직하게는 850 내지 1,100 kg/m³로 포함하는 것이 유동성 및 재료분리 저감 측면에서 바람직하다.

본 발명은 또한, 상기 고로슬래그 미분말과 플라이애쉬를 혼입하여 유동성과 내구성 향상 및 수화열을 저감시킴과 동시에, 단섬유상의 보강용 폴리아미드 섬유 등의 섬유 보강재를 시멘트 매트릭스에 균등하게 분산시켜 인장강도, 휨강도 및 휨인성을 대폭 개선시킬 수 있다.

본 발명에서 섬유 보강재는 폴리에틸렌 섬유, 폴리아미드 섬유, 폴리아크릴 섬유, 폴리에스테르 섬유, 폴리프로필렌 섬유, 폴리비닐알코올 섬유, 셀롤로오스 섬유 등으로 이루어진 군 중에서 선택된 1종 이상이 될 수 있으며, 바람직하게는 폴리아미드 섬유를 사용할 수 있다. 예컨대, 폴리아미드 섬유로는 단섬유로서 표준(Standard)형과 크림프(Crimp)형을 사용할 수 있다.

특히, 폴리아미드 섬유로는 가장 대량으로 생산되고 있는 것은 나일론 66과 나일론 6을 들 수 있다. 나일론 66은 아비진산과 헥사메칠렌지아민산과의 사이에서 만들어져 이 두 종류 원소의 탄소수가 6가이기 때문에 나일론 66이라고 불리고 있다. 나일론 6은 탄소수 6개의 카프로라크탐을 단독으로 가열하여 중합시켜 만든다. 나일론 6에 비하여 나일론 66은 내열성 및 강도면에서 우수한 점이 있다. 폴리아미드는 비교적 우수한 불황성 물질이며, 강염기를 포함한 다양한 유기, 무기 물질에 대한 내성이 우수한 것으로 알려져 있다.

또한, 폴리아미드 섬유는 분자 내에 N이나 O에 부분적인 (-) 전하를 갖고 있으므로 부분적인 (+) 전하를 갖고 있는 물 분자의 H와 상호 정전기적인 작용을 하며, 섬유표면에 에스테르계 윤할제 및 계면활성제를 포함하는 코팅액을 코팅하여 시멘트 페이스트와의 결합력 강화, 우수한 분산력 및 마감성 등의 많은 장점을 지니고 있다.

상기 섬유 보강재는 열전도성이 없으므로 자체적인 내화 성능을 가지며, 화재 등에 의해 콘크리트가 섬유 보강재의 융해점 이상으로 온도 상승시 융해되어 콘크리트 내부에 공극을 형성시킬 수 있어, 바람직하게는 120 내지 400 ℃, 좀더 바람직하게는 220 내지 300 ℃의 융해점을 갖는 섬유 보강재를 사용할 수 있다. 상기와 같은 공극을 통해 열과 가스가 이동하여 화재에 의한 콘크리트재의 폭열 현상을 방지할 수 있다.

본 발명의 섬유 보강재의 길이는 1 내지 100 mm, 바람직하게는 6 내지 40 mm이며, 상기 섬유 보강재 단면의 직경 또는 굵기는 10 내지 70 ㎛, 바람직하게는 20 내지 40 ㎛이다. 상기 섬유 보강재의 길이 및 직경 또는 두께는 목적하는 콘크리트의 품질, 내구 성능과 인장강도, 휨강도 및 휨인성 등에 따라 최적 범위로 조절할 수 있다.

상기 섬유 보강재는 콘크리트 단위체적에 대하여 0.1 내지 2.0 kg/m³, 바람직하게는 0.5 내지 1.0 kg/m³로 포함할 수 있다. 상기 섬유 보강재의 함량이 콘크리트 단위체적에 대하여 0.1 kg/m³ 미만이면, 균열저감 측면에서 우수한 효과상 차이를 얻기 어렵다. 그리고, 상기 섬유 보강재의 함량이 콘크리트 단위체적에 대하여 2.0 kg/m³를 초과하면, 섬유 보강재가 균일하게 분산되지 않아 오히려 콘크리트 내부의 공극을 증가시키며, 이는 균열 억제 성능과 강도 성능 및 내화 성능이 감소하는 결과를 초래할 수 있다.

본 발명의 터널 라이닝용 콘크리트 조성물에는 KS F 2560규격에 준하는 콘크리트용 화학 혼화제로 알려진 AE제, 감수제, AE감수제 및 고성능감수제로 이루어진 1종 이상의 혼화제를 추가로 물과 혼합하여 사용할 수 있다.

AE제(혹은 계면활성제)는 일반적으로 2개 이상의 상 혹은 다른 물질의 경계면에 흡착하여 계면의 성질을 현저하게 변화시키는 물질을 말하여, 기본적인 분자구조는 2개의 동일구조, 즉 물에 잘 녹지 않은 소수기와 물에 잘 녹는 친수기로 구성되어 있으며, 수용액 중의 친수기 이온의 전기적 성질에 따라 음이온계, 양이온계, 비이온계로 분류된다. 음이온계 AE제는 시판되고 있는 AE제의 대부분을 이루고 있으며, 화학적 주성분은 수지산염, 황산에스테르, 설퍼네이트계가 있고, 양이온계 AE제는 친수기가 양이온을 띤 것으로서 AE제로는 사용되고 있지 않다. 또한, 비이온계 AE제는 수용중에서 이온으로 해리하지 않은나 분자 자체가 계면활성 작용을 하는 것으로서 에테르계, 에스테르계가 사용되고 있다.

감수제 및 AE감수제는 콘크리트 중의 시멘트 입자를 분산시켜 단위수량을 감소시키거나, 콘크리트 중에 미세기포를 연행시키면서 작업성을 향상시키는 한편 분산효과에 의해 단위수량을 감소시킬 수 있는 혼화제이다. 감수제 및 AE감수제는 콘크리트의 응결, 초기경화의 속도에 따라 각각 표준형, 지연형, 촉진형으로 분류되며, 그 화학적 조성에 따라 리그닌설폰산염계, 알킬아릴선폰산계, 폴리옥시 에친렌 알킬아릴에테르계, 옥시칼본산계, 멜라민술폰산계 및 풀리칼본사계 등을 사용할 수 있다.

고성능감수제는 일반적인 감수제의 기능을 더욱 향상시켜 시멘트입자를 효과 적으로 분산시켜 응결지연, 지나친 공기연행, 강도저하 등의 악영향 없이 높은 첨가율로 사용하여 단위수량을 대폭 감소시킬 수 있는 혼화제를 말한다. 고성능감수제는 1960년 초부터 일본, 독일에서 콘크리트에 처음 사용되어 유럽, 미국 등으로 보급되기 시작하였으며, 주로 나프탈렌계, 멜라닌계 및 폴리카르본산계가 사용될 수 있다.

본 발명은 또한, 슬럼프는 8 내지 23 cm, 바람직하게는 12 내지 21 cm이다. 상기 콘크리트의 압축강도는 최대 40 Mpa, 바람직하게는 21 내지 30 MPa 인 터널 라이닝 콘크리트를 제공한다.

본 발명은 터널 라이닝 콘크리트의 유동성 향상, 수화열 저감 및 내구 성능 증진, 건조수축 및 수화열에 의한 균열저감 및 구조성능 저하를 감소시켜, 좀더 효율적으로 우수한 성능의 터널 라이닝 콘크리트 시공이 가능하다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

[ 실시예 ]

본 발명의 일례에 따른 터널 라이닝 콘크리트 조성물에 사용된 각 성분들은 하기와 같다:

(1) 시멘트, 고로슬래그 미분말, 플라이애쉬

본 발명에서 사용된 "보통포틀랜드 시멘트(Ordinary Portland Cement, OPC)", "고로슬래그 미분말(Ground Granulated Blast Furnace Slag, GGBFS)" 및 "플라이애쉬(Fly Ash, FA)"의 화학성분 및 물리적 성질은 하기의 표 1에 나타낸 바와 같다.

성분		OPC	GGBFS	FA
SiO₂	(%)	20.2	31.7	57.6
Al₂O₃	(%)	5.8	14.5	25.5
Fe₂O₃	(%)	3.0	0.7	6.1
CaO	(%)	63.3	41.7	3.4
MgO	(%)	3.4	5.4	0.9
SO₃	(%)	2.1	2.1	-
강열감량	(%)	1.2	2.6	4.3
비중		3.15	2.90	2.20
분말도(cm²/g)		3,120	4,450	3,590

(2) 골재

굵은골재는 최대치수 25mm인 부순자갈을 사용하였으며, 잔골재는 바다모래를 세척하여 사용하였다. 골재의 물리적 성질은 하기 표 2에 나타낸 바와 같다.

상기에서 잔골재는 입경(粒徑)이 0.15 내지 2.5 mm이며, 밀도가 2.5 g/cm³이상으로 이루어진 것이 사용될 수 있고, 굵은 골재는 입경(粒徑)이 2.5 내지 40 mm이며, 밀도 2.5 g/cm³이상으로 이루어진 KS F 2526 "콘크리트용 골재"에 준하는 것이 사용될 수 있다.

종류	Specific gravity	Absorption (%)	Percentage of solids (%)	F.M.	Unit weight (kg/m³)
잔골재	2.60	0.94	56.8	2.80	1,475
굵은 골재	2.68	0.78	65.4	6.97	1,552

(3) 섬유 보강재

섬유 보강재로 하기 표 3과 같은 물성의 섬유 길이 20 mm인 폴리아미드 섬유를 사용하였으며, 표준 사용량은 0.6 kg/m³이었다.

항 목	지 름	길 이	비 중	인장력	탄성계수	인 성	녹는점	색 상
물 성	23㎛	20mm	1.16	896MPa	5.17GPa	103MPa	225℃	백 색

실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 2

하기 표 4에 나타낸 바와 같은 조성으로 터널 라이닝용 콘크리트 조성물을 배합하였다.

터널 라이닝 콘크리트의 각종 균열로 인하여 발생되는 수밀성 및 유지관리 비용 증가 현상에 대하여 폴리아미드 섬유보강 콘크리트를 적용시켜 균열저감, 내구성 및 구조적 성능 향상을 목표로 하여, 실시예 1 내지 4에서 폴리아미드 섬유 적절량인 0.6 kg/m³ 혼합한 콘크리트 조성물을 제조하였다.

이때, 콘크리트의 설계기준강도(f_ck)는 현재 시공되고 있는 터널 라이닝 콘크리트에 주로 사용되고 있는 강도인 24 MPa, 27 MPa 두 종류를 선정하였다.

또한, 콘크리트의 유동성, 품질 및 내구성능을 향상시키기 위하여, 실시예 2 및 4에서는 시멘트 78%, 고로슬래그 미분말 15% 및 플라이애쉬 7%를 혼합한 3 성분계 결합재(Binder)를 사용하였다.

하기 표 4에서 공기량 및 슬럼프는 배합설계시 목표로 하는 값이다. 실시예 1~4 및 비교예 1~2에서 목표 슬럼프 플로우는 50±5.0cm, 목표 공기량 4.5±1.5%로 설정하고, 이를 달성할 수 있도록 고성능감수제 및 AE제 혼입량 등을 조절하였다.

구분	f_ck (MPa)	W/B (%)	S/a (%)	AD1 (B×%)	AD2 (B×%)	Unit Weight(kg/m³)
						W	Binder			S	G	NF
						W	C	BFS	FA	S	G	NF
실시예1	24	49.1	46.5	0.005	1.0	162	330	0	0	832	1000	0.6
실시예2	24	41.4	46.5	0.005	1.0	162	305	27	59	820	947	0.6
실시예3	27	45.3	45.5	0.007	0.9	163	360	0	0	819	985	0.6
실시예4	27	38.5	45.5	0.007	0.9	163	330	30	63	789	949	0.6
비교예1	24	49.1	46.5	0.007	0.9	162	330	0	0	832	1000	0
비교예2	27	45.3	45.5	0.007	0.9	163	360	0	0	819	985	0

W/B: 물-결합재비 S/a: 잔골재율

W: 물 C: 시멘트 BFS: 고로슬래그 미분말 FA: 플라이애쉬

S: 잔골재, G: 굵은 골재

NF: 폴리아미드 섬유, AD1: AE제 AD2: 고성능감수제

[ 실험예 ]

실험방법

(1) 굳지 않은 콘크리트의 특성

도 1에 나타낸 바와 같이, 콘크리트의 공기량은 KS F 2421 「굳지 않은 콘크리트의 압력법에 의한 공기 함유량 시험방법」에 준하여 실시하였으며, 슬럼프 플로우는 KS F 2402 「콘크리트의 슬럼프 시험방법」에 의한 준하여 콘크리트의 슬럼프 시험방법에 정한 방법으로 슬럼프 콘을 연직으로 들어올린 후 콘크리트가 퍼진 지름이 최대로 큰 방향과 그의 직각방향에서 0.5cm 단위까지 측정하여 이의 평균값을 슬럼프플로우값으로 하였다.

(2) 압축강도 실험

콘크리트의 압축강도 실험은 Φ10×20cm의 원주형 공시체를 사용하였으며, 공시체를 제작한 즉시 20℃ 및 60% 항온항습실에 양생을 실시하여 조기강도 15h, 18h, 24h의 압축강도를 측정하였으며, 그 이후에는 20±2℃의 수중에서 표준양생을 실시하여 재령 3일, 7일, 28일에서 KS F 2505「콘크리트의 압축강도 시험방법」에 준하여 실시하였다.

(3) 인장강도 실험

콘크리트의 인장강도 실험은 Φ10×20cm의 원주형 공시체를 제조하여 20±2℃의 수중에서 표준양생을 실시한 후 재령 28일에서 KS F 2423「콘크리트의 인장강도 시험방법」에 준하여 실시하였다.

(4) 휨강도 실험

콘크리트의 휨강도 실험은 150×150×550 mm의 공시체를 제작한 후 20±2℃의 수중에서 표준양생을 실시하여 재령 28일에서 KS F 2408「콘크리트의 휨강도 시험방법」에 준하여 단순보 3등분점 하중재하법에 따라 실시하였다.

(5) 건조수축 실험

콘크리트 건조수축은 KS F 2424 「모르타르 및 콘크리트의 길이변화 시험방법」에 준하여 콤퍼레이터방법으로 측정하였다. 건조수축에 의한 길이변화 측정용 공시체는 100×100×400 mm의 몰드를 이용하여 표선용 젖빛 유리를 공시체의 측면의 중심선 상의 양끝으로부터 젖빛 유리 표선까지의 거리가 25 mm 이상이 되도록 부착한다. 그리고 재령 7일까지는 수중양생을 실시한 다음, 도 6a에 나타낸 바와 같이, 기건상태(온도 20±2℃, 습도 65±10%)에 노출시켜 정해진 재령에서 길이변화를 측정하였다.

(6) 촉진 중성화 실험

중성화 실험은 φ10×20 cm의 원주형 공시체를 제작하였으며, 재령 28일간 수중양생을 실시한 후 공시체를 반으로 절단하여 φl0×10 cm의 공시체로 중성화 시험체를 준비하였다. 블리딩 및 재료분리 등에 의한 오차를 방지하기 위하여 절단면으로부터 중성화가 일어날 수 있도록 원주면은 폴리우레탄 도료를 도포하였다. 촉진중성 실험은 CO₂ 농도 5%, 상대습도 60%, 온도 20℃의 조건에서 수행하였으며, 재령 56일의 시점에서 실험을 종료하였다. 중성화 깊이의 측정은 촉진중성화가 완료된 후 공시체를 할렬하여 중성화 깊이를 측정하였다.

(7) 동결융해 실험

동결융해 실험은 100×100×400mm의 각주형 공시체를 제작하여 재령 14일 동안 수중양생한 후, ASTM C 666의 A법에서 제안한 수중동결 수중융해의 방법으로 실시하였다. 측정 사이클은 공시체의 중심온도를 -18℃에서 4℃로 동결 및 융해한 것을 1사이클로 하여 300사이클까지 실시하였다. 매 30사이클마다 공시체를 꺼낸 후 콘크리트의 진동주파수 및 중량변화를 측정하였다. 또한, 상대동탄성계수는 ASTM C 666에서 제안하고 있는 다음 계산식 1에 의하여 각각 계산하였다:

[계산식 1]

식 중,

P_c는 사이클 후의 상대동탄성계수(%)이고,

n_c는 사이클 후의 진동주파수이며,

n은 동결융해 실험 실시 전의 진동주파수이다.

실험결과

(1) 굳지 않은 콘크리트의 성질

상기 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 2에 따라 제조된 콘크리트에 대한 "굳지 않은 콘크리트의 특성"을 측정하여 하기 표 5에 나타내었다. 하기 표 5에 나타낸 바와 같이, 굳지 않은 콘크리트의 유동성은 모두 배합설계로 결정하였으므로 목표 슬럼프 플로우 50±5.0 cm 및 공기량 4.5±1.5%를 만족하는 것으로 나타났다.

굳지 않은 콘크리트의 슬럼프 플로우는 비교예 1 및 2의 보통포틀랜드 시멘트만을 사용했을 때보다, 실시예 2 및 4에서 고로슬래그 미분말 및 플라이애쉬를 혼입한 콘크리트가 더 크게 나타났다.

구분	Slump flow (cm)	Air (%)
실시예1	49	4.2
실시예2	50	4.4
실시예3	48	4.3
실시예4	53	4.4
비교예1	46	4.5
비교예2	46	4.5

(2) 압축강도

상기 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 2에 따라 제조된 콘크리트에 대한 압축강도를 측정하여 하기 표 6에 나타내었다. 설계기준강도 각각 24 MPa 및 27 MPa이며, 비교예 1 및 2에서 보통포틀랜드 시멘트(OPC), 실시예 1 및 3에서 보통포틀랜드 시멘트에 폴리아미드 섬유를 추가로 0.6 kg/m³ 혼입(ONF) 및 실시예 2 및 4에서 상기 보통포틀랜드 시멘트에 고로슬래그 미분말 및 플라이애쉬를 혼입한3성분계 시멘트에 폴리아미드 섬유를 추가로 0.6 kg/m³ 혼입(OSFNF)한 3종류 콘크리트의 재령별 압축강도 측정하고, 측정 결과를 하기의 도 2a 및 도 2b에 나타내었다.

도 2a는 설계기준강도(f_ck) 24 MPa이며, 각각 비교예 1의 OPC, 실시예 1의 ONF 및 실시예 2의 OSFNF 3 종류 콘크리트의 압축강도를 나타내고, 도 2b는 설계기준강도(f_ck) 27 MPa이며, 각각 비교예 2의 OPC, 실시예 3의 ONF 및 실시예 4의 OSFNF 3 종류 콘크리트의 압축강도를 나타내었다.

도 2a 및 2b의 측정결과에 따르면, 설계기준강도에 상관없이 재령 28일 압축강도는 "OPC〈 ONF〈 OSFNF" 순으로 크게 나타났으며, 실시예 2의 OSFNF 콘크리트의 압축강도는 비교예 1의 OPC 콘크리트보다 약 8% 큰 값을 나타내었고, 실시예 4의 OSFNF 콘크리트의 압축강도는 비교예 2의 OPC 콘크리트보다 18% 큰 값을 나타내었다.

상기 실시예 2 및 실시예 4의 OSFNF 콘크리트는 혼화재료인 고로슬래그 미분말의 잠재수경성, 플라이애쉬의 포졸란반응 및 폴리아미드 섬유가 보강되었기 때문에 보통포틀랜드 시멘트만 사용한 콘크리트보다 압축강도가 크게 나타났다.

(3) 인장강도

도 3a에 나타낸 바와 같이, 상기 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 2에 따라 제조된 콘크리트의 인장강도를 측정하고, 그 결과를 도 3b및 도 3c에 나타내었다.

도 3b는 설계기준강도(f_ck) 24 MPa이며, 각각 비교예 1의 OPC, 실시예 1의 ONF 및 실시예 2의 OSFNF 3 종류 콘크리트의 재령 28일에서 인장강도를 나타낸 것이다. 도 3b에 나타낸 바와 같이, 실시예 2에서 3 성분계 시멘트에 폴리아미드 섬유를 보강함으로써 콘크리트의 인장강도는 비교예 1의 보통포틀랜드 시멘트만 사용한 콘크리트보다 약 19% 큰 값을 얻었다.

또한, 도 3c는 설계기준강도(f_ck) 27 MPa이며, 각각 비교예 1의 OPC, 실시예 1의 ONF 및 실시예 2의 OSFNF 3 종류 콘크리트의 재령 28일에서 인장강도를 나타낸 것이다. 도 3c에 나타낸 바와 같이, 실시예 4에서 3 성분계 시멘트에 폴리아미드 섬유를 보강함으로써 콘크리트의 인장강도는 비교예 2의 보통포틀랜드 시멘트만 사용한 콘크리트보다 약 20% 큰 값을 얻었다.

이상과 같이, 실시예 2 및 4에서와 같이 3성분계 시멘트에 추가로 폴리아미드 섬유 혼입한 콘크리트가 인장강도가 큰 이유는 폴리아미드 섬유의 표면 특성인 친수성으로 인해 폴리아미드 섬유가 수분을 흡수하여 강한 수소결합을 유도함으로써 콘크리트와 섬유간의 부착력 증가로 이어져 섬유의 가교작용을 충실히 하였기 때문이다.

(4) 휨강도

상기 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 2에 따라 제조된 콘크리트에 대한 휨강도를 측정하고, 그 결과를 도 4a 및 도 4b 에 나타내었다.

도 4a는 설계기준강도(f_ck) 24 MPa이며, 비교예 1의 OPC, 실시예 1의 ONF 및 실시예 2의 OSFNF의 콘크리트에 대한 휨강도를 측정한 결과를 나타낸 것이고, 도 4b는 설계기준강도(f_ck) 27MPa이며, 비교예 2의 OPC, 실시예 3의 ONF 및 실시예 4의 OSFNF 콘크리트에 대한 휨강도를 측정한 결과를 나타낸 것이다.

도 4a 및 도 4b에 나타낸 바와 같이, 실시예 2 및 4에서와 같이 3 성분계 시멘트에 폴리아미드 섬유를 추가하여 보강함으로써 콘크리트의 휨강도는 비교예 1 및 2의 보통포틀랜드 시멘트만 사용한 콘크리트보다 약 3% 내지 5% 정도 더 큰 값을 나타내었다.

이렇게 휨성능에 있어서 폴리아미드 섬유 보강재를 포함하는 콘크리트가 보통 콘크리트와 큰 차이가 없는 이유는 폴리아미드 섬유는 구조보강용보다는 균열제어 목적으로 보강되는 섬유이므로 혼입율이 많지 않기 때문이다. 한편, 섬유의 길이가 길게 되면 휨하중을 받을 시 섬유의 뽐힘 길이가 길어져 연성적인 파괴거동에 영향을 미칠 것으로 판단된다.

(5) 건조수축

상기 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 2에 따라 제조된 콘크리트의 건조수축에 의한 길이변화를 도 5a 및 도 5b에 나타낸 바와 같이 측정하고, 그 결과를 도 5c및 도 5d에 나타내었다.

도 5c은 설계기준강도(f_ck) 24 MPa이며, 비교예 1의 OPC, 실시예 1의 ONF, 실시예 2의 OSFNF 3종류 콘크리트의 건조시 발생되는 길이변화를 측정한 결과를 나타낸 것이다. 도 5c에 나타낸 바와 같이, 실시예 1의 3 성분계 시멘트에 폴리아미드 섬유를 보강한 콘크리트의 건조수축은 비교예 1의 보통포틀랜드 시멘트만을 사용한 콘크리트의 건조수축보다 측정 재령이 커질수록 건조수축 폭은 점점 증가하였으며, 재령 56일의 경우 약 23% 정도 감소한 결과를 나타내었다.

도 5d는 설계기준강도(f_ck) 27 MPa이며, 비교예 2의 OPC, 실시예 3의 ONF 및 실시예 4의 OSFNF 콘크리트 건조시 발생되는 길이변화를 측정한 결과를 나타낸 것이다. 도 6d에서 재령 56일의 경우 실시예 4의 OSFNF의 콘크리트 건조수축은 비교예 2의 OPC의 콘크리트보다 약 11% 정도 감소하는 결과를 얻었다.

이와 같이 3 성분계 시멘트를 사용한 폴리아미드 섬유 보강 콘크리트의 건조수축 저감 효과가 상당히 크므로 향후 터널 라이닝 콘크리트에 적용시 소성 및 건조수축으로 발생되는 균열에 대한 저항성이 크게 증가할 수 있을 것이다.

(6) 중성화

상기 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 2에 따라 제조된 콘크리트의 재령 56일에서 중성화 깊이 측정장면을 도 6a에 나타내었으며, 그 결과를 하기의 도 6b 및 도 6c에 나타내었다.

일반적으로 시멘트는 물과 반응하여 수화생성물인 다량의 Ca(OH)₂를 생성하며, 경화한 콘크리트의 세공을 통하여 침투한 CO₂가 시멘트 수화물 특히, Ca(OH)₂와 반응하여 안정한 불용성의 CaCO₃로 변환되며, 이를 탄산화라 한다. 탄산화는 콘크리트중의 세공을 채워 일부 강도가 상승하는 경향이 있으나 이로 인하여 콘크리트중의 pH의 감소와 철근부식의 문제가 발생되기 때문에 콘크리트 분야에서는 특히 이를 중성화로 설명하고 있다.

중성화에 가장 큰 영향을 미치는 요인은 콘크리트중의 Ca(OH)₂의 양으로서 시멘트 종류에 따라 수화특성이 다르기 때문에 경화 후 중성화도 약간 차이가 나는 것으로 알려져 있다. 보통포틀랜드 시멘트의 경우, 단위시멘트량의 약 30% 정도가 Ca(OH)₂로 생성되며, 고로슬래그 미분말 및 플라이애쉬 등 광물질 혼화재를 사용하는 경우에는 Ca(OH)₂와 광물질 혼화재중의 비정질 실리카에 의한 잠재수경성 및 포졸란반응에 의해 Ca(OH)₂량이 감소하고, C-S-H량이 증가하여 미세조직을 치밀하게 하는 반면 중성화 속도는 빨라지는 것으로 보고되고 있다.

도 6b는 설계기준강도(f_ck) 24 MPa이며, 비교예 1의 OPC, 실시예 1의 ONF, 실시예 2의 OSFNF 3종류 콘크리트의 촉진 중성화 깊이를 측정한 결과를 나타낸 것이다. 도 6b에 나타낸 바와 같이, 측정 재령 28일까지의 중성화 깊이는 3종류 모두 유사한 경향을 나타내었으나, 특히 실시예2의 OSFNF 콘크리트의 중성화 깊이는 현저히 감소되었다. 이는 상기 실시예2의 OSFNF 콘크리트의 경우, 장기 재령으로 갈수록 콘크리트 조직이 치밀하게 되어 시멘트 경화체와 CO₂와의 반응속도가 느려지므로 중성화 속도가 감소되었음을 알 수 있다.

도 6c는 설계기준강도(f_ck) 27MPa이며, 비교예 2의 OPC, 실시예 3의 ONF 및 실시예 4의 OSFNF 콘크리트의 촉진 중성화 실험 결과를 측정하여 나타낸 것이다. 도 6c에서 비교예 2의 OPC와 실시예 4의 OSFNF 콘크리트의 중성화 깊이가 측정 초기 재령에서부터 약 40% 정도 차이를 나타내었는데, 이는 촉진 중성화 실험시 비교예 2의 OPC와 실시예 4의 OSFNF 콘크리트의 압축강도 차이는 약 18%로 실시예 4의 OSFNF 콘크리트가 크게 나타났으므로 시멘트 경화체의 밀실도 차이로 기인된 것이다.

(7) 동결융해 저항성

상기 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 2에 따라 제조된 콘크리트에 대한 동결융해저항성 관련 도 7a에 나타낸 바와 같은 장치를 이용하여 동결융해 실험을 실시하고, 그 결과를 도 7b 내지 도 7c에 나타내었다.

콘크리트는 동결융해 작용을 지속적으로 반복하여 받으면 세공 속의 수분의 동결 융해로 인하여 미세균열이 발생하거나 표면 박리 등이 일어나 열화를 촉진시킨다. 콘크리트의 동결융해에 의한 저항성을 평가하기 위한 실험방법으로서는 급속 동결융해 저항성실험(ASTM C 666), 임계 팽창량 실험(ASTM C 671), 표면박리 저항성 실험(ASTM C 672) 등과 같이 여러 가지 실험방법이 규정되어 있다. 본 연구에서는 촉진실험으로서 수중동결 및 수중 융해된 콘크리트의 사이클에 따른 동탄성계수를 측정하고 이로부터 상대 동탄성계수를 계산하여 내구성 저하 정도를 측정하는 것으로 하였다.

도 7b는 설계기준강도(f_ck) 24 MPa인 실시예 1의 ONF, 실시예 2의 OSFNF, 및 비교예 1의 OPC 콘크리트의 동결융해 시험 전과 동결융해 210 사이클 후 시험편의 형상을 나타낸 것이며, 도 7e는 설계기준강도(f_ck) 27 MPa인 실시예 3(ONF), 실시예 4(OSFNF), 및 비교예 2(OPC)의 콘크리트의 동결융해 시험 전과 동결융해 210 사이클 후 시험편의 형상을 나타낸 것이다.

또한, 도 7d는 설계기준강도(f_ck) 24 MPa이며, 비교예 1의 OPC, 실시예 1의 ONF, 실시예 2의 OSFNF 3종류 콘크리트의 동결융해 30 사이클마다 동탄성계수를 측정하여 상대동탄성계수비로 나타낸 것이다. 도 7d에 나타낸 바와 같이, 실시예 1(ONF) 및 실시예 2(OSFNF) 콘크리트의 동결융해 저항성은 비교예 1(OPC) 콘크리트보다 우수한 결과를 얻었다. 이는 콘크리트 내에서 폴리아미드 섬유가 동결과 융해 반복과정에서 발생되는 수축 및 팽창에 대한 저항성을 높여줌으로써, 본 발명에 따른 콘크리트의 동결융해 저항성을 현저히 향상됨을 알 수 있다.

도 7e는 설계기준강도(f_ck) 27 MPa이며, 비교예 2의 OPC, 실시예 3의 ONF 및 실시예 4의 OSFNF 콘크리트의 동결융해 30 사이클마다 동탄성계수를 측정하여 상대동탄성계수비로 나타낸 것이다. 도 7e에 나타낸 바와 같이, 비교예 2(OPC), 실시예 3(OSF) 및 실시예 4(OSFNF) 3 종류 콘크리트의 동결융해에 대한 저항성은 모두 유사한 경향을 나타내었다.

일반적으로 혼합시멘트계 콘크리트의 동결융해 저항성이 보통콘크리트보다 크게 나타난다고 한다. 그 이유는 광물질 혼화재의 영향으로 인하여 콘크리트의 공극이 감소하여 동해로 인한 내부수압을 상대적으로 크게 받기 때문이다.

본 실험에 사용된 모든 콘크리트는 목표공기량 4.5±1.5%를 기준으로 하였으며, 또한 광물질 혼화재를 사용함으로써 보통콘크리트보다 미세한 기포의 비율이 증가할 것으로 생각되며, 한계기포간격계수도 보통콘크리트보다 증가될 것으로 생각된다. 이로 인하여 전반적으로 광물질 혼화재를 혼입한 콘크리트의 내동해성은 보통콘크리트보다 우수한 것으로 나타났다.

따라서, 동결융해 저항성을 향상시키기 위해서는 적절한 공기연행제의 사용함과 동시에 광물질 혼화재를 혼입하여 콘크리트가 동결융해시 내부에서 발생되는 큰 팽창압력을 완화시켜 저항성을 증대시키는 방법이 효과적임을 알 수 있다.

본 발명은 터널 라이닝용 콘크리트 조성물에 섬유보강재를 혼합함으로써, 터널 라이닝 콘크리트의 유동성 향상, 수화열 저감 및 내구성능 증진, 건조수축 및 수화열에 의한 균열저감 및 구조성능 저하를 감소시켜, 좀더 효율적으로 우수한 성능의 터널 라이닝 콘크리트 시공이 가능토록 하여 작업효율성을 크게 향상시켜 적 용할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일례에 따른 "굳지 않은 콘크리트의 공기량" 및 "슬럼프 플로우" 측정 사진.

도 2a는 본 발명의 일례에 따라 비교예 1(OPC), 실시예 1(ONF) 및 실시예 2(OSFNF)의 3종류 콘크리트(f_ck=24MPa)에 대한 압축강도 측정 결과를 나타낸 그래프.

도 2b는 본 발명의 일례에 따라 비교예 2(OPC), 실시예 3(ONF) 및 실시예 4(OSFNF)의 3종류 콘크리트(f_ck=27MPa)에 대한 압축강도 측정 결과를 나타낸 그래프.

도 3a는 본 발명의 일례에 따른 콘크리트의 인장강도 측정 사진.

도 3b는 본 발명의 일례에 따라 비교예 1(OPC), 실시예 1(ONF) 및 실시예 2(OSFNF)의 3종류 콘크리트(f_ck=24MPa)에 대한 인장강도 측정 결과를 나타낸 그래프 [재령 28일].

도 3c는 본 발명의 일례에 따라 비교예 2(OPC), 실시예 3(ONF) 및 실시예 4(OSFNF)의 3종류 콘크리트(f_ck=27MPa)에 대한 인장강도 측정 결과를 나타낸 그래프 [재령 28일].

도 4a는 본 발명의 일례에 따라 비교예 1(OPC), 실시예 1(ONF) 및 실시예 2(OSFNF)의 3종류 콘크리트(f_ck=24MPa)에 대한 휨강도 측정 결과를 나타낸 그래프.

도 4b는 본 발명의 일례에 따라 비교예 2(OPC), 실시예 3(ONF) 및 실시예 4(OSFNF)의 3종류 콘크리트(f_ck=27MPa)에 대한 휨강도 측정 결과를 나타낸 그래프.

도 5a는 본 발명의 일례에 따른 건조수축 시험체 및 실험장치 관련 사진.

도 5b는 본 발명의 일례에 따른 건조수축 관련 콘크리트 길이변화 측정 사진 [재령 56일]

도 5c는 본 발명의 일례에 따라 비교예 1(OPC), 실시예 1(ONF) 및 실시예 2(OSFNF)의 3종류 콘크리트(f_ck=24MPa)에 대한 건조수축 측정 결과를 나타낸 그래프 [재령 56일].

도 5d는 본 발명의 일례에 따라 비교예 2(OPC), 실시예 3(ONF) 및 실시예 4(OSFNF)의 3종류 콘크리트(f_ck=27MPa)에 대한 건조수축 측정 결과를 나타낸 그래프 [재령 56일].

도 6a는 본 발명의 일례에 따른 콘크리트 중성화 깊이 측정 사진 [재령 56일]

도 6b는 본 발명의 일례에 따라 비교예 1(OPC), 실시예 1(ONF) 및 실시예 2(OSFNF)의 3종류 콘크리트(f_ck=24MPa)에 대한 중성화 측정 결과를 나타낸 그래프[재령 56일].

도 6c는 본 발명의 일례에 따라 비교예 2(OPC), 실시예 3(ONF) 및 실시예 4(OSFNF)의 3종류 콘크리트(f_ck=27MPa)에 대한 중성화 측정 결과를 나타낸 그래프 [재령 56일].

도 7a는 본 발명의 일례에 따른 동탄성계수 측정장치 및 동결융해시험기 관련 사진.

도 7b는 본 발명의 일례에 따라 비교예 1(OPC), 실시예 1(ONF) 및 실시예 2(OSFNF)의 3종류 콘크리트(f_ck=24MPa)에 대한 동결융해 시험 전과 동결융해 210사이클 후 시험편의 형상 사진.

도 7c는 본 발명의 일례에 따라 비교예 2(OPC), 실시예 3(ONF) 및 실시예 4(OSFNF)의 3종류 콘크리트(f_ck=27MPa)에 대한 동결융해 시험 전과 동결융해 210사이클 후 시험편의 형상 사진.

도 7d는 본 발명의 일례에 따라 비교예 1(OPC), 실시예 1(ONF) 및 실시예 2(OSFNF)의 3종류 콘크리트(f_ck=24MPa)에 대한 동탄성계수 측정 결과를 나타낸 그래프.

도 7e는 본 발명의 일례에 따라 비교예 2(OPC), 실시예 3(ONF) 및 실시예 4(OSFNF)의 3종류 콘크리트(f_ck=27MPa)에 대한 동탄성계수 측정 결과를 나타낸 그래프.

Claims

a) 콘크리트 단위체적에 대하여, 시멘트를 포함하는 결합재 250 내지 500 kg/m³;

b) 콘크리트 단위체적에 대하여, 물 150 내지 180 kg/m³;

c) 콘크리트 단위체적에 대하여, 잔골재 600 내지 1000 kg/m³;

d) 콘크리트 단위체적에 대하여, 굵은 골재 800 내지 1200 kg/m³; 및

e) 콘크리트 단위체적에 대하여, 섬유보강재 0.1 내지 2.0 kg/m³

를 포함하는 터널 라이닝용 콘크리트 조성물.
제1항에 있어서, 상기 섬유보강재는 폴리에틸렌 섬유, 폴리아미드 섬유, 폴리아크릴 섬유, 폴리에스테르 섬유, 폴리프로필렌 섬유, 폴리비닐알코올 섬유, 및 셀룰로오스 섬유로 이루어진 군 중에서 선택된 1 종 이상인 터널 라이닝용 콘크리트 조성물.
제1항에 있어서, 상기 섬유 보강재의 길이가 1 내지 100 mm인 터널 라이닝용 콘크리트 조성물.
제1항에 있어서, 상기 섬유 보강재 단면의 직경 또는 굵기가 10 내지 70 ㎛인 터널 라이닝용 콘크리트 조성물.
제1항에 있어서, 상기 섬유 보강재가 120 내지 400 ℃의 융해점을 갖는 것인 터널 라이닝용 콘크리트 조성물.
제1항에 있어서, 상기 결합재는 고로슬래그 미분말 및 플라이애쉬로 이루어진 군 중에서 선택된 1종 이상을 추가로 포함하는 것인 터널 라이닝용 콘크리트 조성물.
제6항에 있어서, 상기 고로슬래그 미분말과 플라이 애쉬의 함량비가 중량 기준으로 1:1 내지 1:5인 터널 라이닝용 콘크리트 조성물.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 조성물을 이용하여 제조되고, 슬럼프 8 내지 23 cm이고, 압축강도 40 Mpa 이하인 터널 라이닝 콘크리트.