KR100704869B1

KR100704869B1 - 메타카올린과 실리카흄이 혼합배합된 고성능 숏크리트조성물

Info

Publication number: KR100704869B1
Application number: KR20050089686A
Authority: KR
Inventors: 박해균; 이명섭; 김재권; 배규진; 장수호
Original assignee: 삼성물산 주식회사
Priority date: 2005-09-27
Filing date: 2005-09-27
Publication date: 2007-04-09
Also published as: KR20070035159A

Abstract

본 발명은 터널/지하공간의 굴착직후 굴착단면을 안정화하기 위한 임시 지보재(support member)이자 터널/지하공간의 완공후에도 영구 지보재로서 사용되는 숏크리트 조성물에 관한 것으로, 미분말 혼화재인 고반응성 메타카올린(Metakaolin)과 실리카흄(Silica Fume)의 혼합배합에 의해 압축강도, 휨강도의 등 역학적 특성은 물론 장기 내구성을 증대시키고 아울러 경제성을 고려한 고성능 숏크리트 조성물에 관한 것이다.

본 발명의 고성능 숏크리트 조성물은 숏크리트 1m³당, 최대치수가 10～15mm인 500～700kgf 중량의 굵은 골재; 1,000～1,200kgf 중량의 잔골재; 300～450kgf 중량의 시멘트; 40～60 중량%의 물-시멘트비를 가지는 물; 상기 시멘트 중량의 4～10%의 급결제; 및, 상기 시멘트 중량의 4～8%의 혼화재;를 포함하며, 상기 혼화재는 메타카올린과 실리카흄이 혼합배합되는데 특징이 있다.

메타카올린, 실리카흄, 숏크리트, 고성능, 고강도, 내구성

Description

메타카올린과 실리카흄이 혼합배합된 고성능 숏크리트 조성물{Highly efficient shot-crete composition mixed Metakaolin and Silica Fume}

도 1은 본 발명의 실시예에 사용되는 잔골재의 입도분포를 도시한 그래프이다.

도 2는 본 발명의 실시예와 비교예의 응결시간을 비교한 그래프이다.

도 3은 본 발명의 실시예와 비교예의 압축강도를 비교한 그래프이다.

도 4는 본 발명의 실시예와 비교예의 휨강도를 비교한 그래프이다.

도 5는 본 발명의 실시예와 비교예의 염소이온 투과성을 비교한 그래프이다.

도 6은 본 발명의 실시예와 비교예의 동결융해 저항성을 비교한 그래프이다.

본 발명은 터널/지하공간의 굴착직후 굴착단면을 안정화하기 위한 임시 지보재(support member)이자 터널/지하공간의 완공후에도 영구 지보재로서 사용되는 숏크리트 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 미분말 혼화재인 고반응성 메타카 올린(Metakaolin)과 실리카흄(Silica Fume)의 혼합 배합에 의해 압축강도, 휨강도 등 역학적 특성은 물론 장기 내구성을 증대시키고 아울러 경제성을 고려한 고성능 숏크리트 조성물에 관한 것이다.

터널/지하공간 건설에서 숏크리트는 가장 중요한 지보재임에도 불구하고, 현재까지 재령 28일에서 국내 숏크리트의 압축강도 기준은 180kgf/cm² 또는 210kgf/cm²로서 노르웨이, 스위스 등에서 적용되고 있는 300kgf/cm²이상의 강도 기준과 비교하여 상당히 낮은 수준이다. 이와 같은 국내 숏크리트의 낮은 강도 수준으로 인하여 터널/지하공간을 안정화하기 위한 숏크리트는 그 두께가 두꺼워질 수밖에 없게 되며, 이는 시공속도와 시공비의 증대로 이어져 숏크리트 시공의 효율성·경제성을 저해하는 요인이 되었다.

더욱이 국내에서는 아직까지 숏크리트의 장기 내구성에 대한 기술적인 고려가 전혀 이루어지지 않고 있다. 또한 터널/지하공간의 장기 안정성 측면에서 주지보재인 숏크리트의 고강도 및 고내구성화가 요구되고 있으며, 숏크리트 타설 후 추가적으로 2차 콘크리트 라이닝을 타설하는 현행 공법이외에 2차 콘크리트 라이닝을 생략하고 고강도·고내구성의 고성능 숏크리트를 영구 라이닝 (permanent lining)으로 적용하고자 하는 싱글쉘 터널공법 (single-shell tunnelling method)을 적용하기 위해서는 숏크리트의 고성능화 기술이 필수적이다.

국외의 경우 숏크리트의 고성능화를 위하여 미분말 혼화재인 실리카흄 (silica fume)을 필수적으로 사용하고 있다. 그러나 실리카흄의 생산에 전력이 많이 소요되는 관계로 전력 비용이 비싼 국내에서는 생산이 전혀 이루어지지 않고 있으며 가격 자체도 시멘트 단가의 최대 10배 이상까지 이르고 있다. 더욱이 실리카흄을 다량으로 사용할 경우 일반적으로 동일한 반죽질기를 얻기 위해 단위수량이 증가하여 초기 균열 발생 등의 문제점을 발생하기도 하며, 실리카흄을 혼입한 경우 블리딩(bleeding)이 작기 때문에 보유수량이 많게 되어 결과적으로 건조수축이 크고 역시 가격이 고가인 고성능 감수제의 사용량이 비례적으로 증가하게 되는 단점을 가지고 있다.

반면 메타카올린은 양질의 카올린을 열적으로 활성화하여 제조되는 혼화재로서, 국내에 메타카올린의 원자재인 카올린 자원이 풍부하기 때문에 단가가 저렴하여 시멘트 단가와 큰 차이가 없다. 더욱이 산업 부산물인 실리카흄과 달리 메타카올린은 양호한 관리 통제(650-800℃)에 의해 생산되기 때문에 물리적, 화학적 특성에 있어서 그 변화가 매우 적어 안정적인 재료이다. 그러나 현재까지 실리카흄을 대체하기 위한 메타카올린은 콘크리트 분야에 일부 적용되는데 머물고 있으며 숏크리트에의 적용 실적은 전무한 실정이다.

본 발명은 메타카올린과 실리카흄의 혼합배합을 통해 메타카올린과 실리카흄이 가지고 있는 각각의 장점을 살리며, 숏크리트의 용도와 숏크리트에 요구되는 특성에 따라 메타카올린과 실리카흄의 사용량을 가변적으로 사용할 수 있도록 하여 숏크리트의 성능과 경제성을 향상시킨 고성능 숏크리트 조성물에 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적달성을 위해 본 발명은 숏크리트 1m³당, 최대치수가 10～15mm인 500～700kgf 중량의 굵은 골재; 1,000～1,200kgf 중량의 잔골재; 300～450kgf 중량의 시멘트; 40～60 중량%의 물-시멘트비를 가지는 물; 상기 시멘트 중량의 4～10%의 급결제; 및, 상기 시멘트 중량의 4～8%의 혼화재;를 포함하며, 상기 혼화재는 메타카올린과 실리카흄이 혼합배합된 것임을 특징으로 하는 고성능 숏크리트 조성물을 제공한다.

본 발명은 실리카흄보다 저렴한 메타카올린으로 실리카흄의 사용량 일부를 대체하는데 기술적 특징이 있다. 이러한 기술적 특징은 실리카흄만을 사용하는 숏크리트보다 생산단가를 절감시키며, 실리카흄보다 입경이 큰 메타카올린에 의해 숏크리트 미세구조의 강성을 증진시키고 메타카올린 입자 사이의 미세공극을 실리카흄이 채워져서 결과적으로 그 조성물인 숏크리트의 제반 역학적 특성과 내구성을 향상시킨다. 또한, 메타카올린과 실리카흄의 혼합 사용량을 터널/지하공간에 요구되는 강도/내구성 기준에 따라 선택적으로 바꿀 수 있어 본 발명의 적용성을 높일 수 있게 한다.

이하, 본 발명을 실시예에 따라 상세히 설명한다.

[실시예1] 숏크리트 배합

본 발명에서의 배합설계는 표 1과 같다. 배합에서 슬럼프 10±2㎝, 공기량 4±1%, 물시멘트비 45%, 잔골재율 68%로 고정하였고 급결제양은 현장에서의 사용량과 기존 문헌을 참고로 결정하였다. 실리카흄 및 메타카올린의 치환율은 각각 시멘트량의 4, 8%, 두 가지의 혼화재를 모두 혼입한 배합의 경우 각각 혼입량을 2, 4%로 하였다(즉, MK+SF = 시멘트 중량의 4% 및 8%).

배합

굵은 골재 최대 치수 (㎜)

슬럼프 범위 (㎝)

공기량 범위 (%)

W/C (%)

잔골 재율 (%)

단위재료량(㎏/㎥)

물

시멘트 (C)

실리카흄 (SF)

메타 카올린 (MK)

잔골재

굵은 골재

유동 화제 (g/㎥)

급결제

P

13

10±2

4±1

49

68

205.8

420

-

1124

545

3360

21

SF4

403.2

16.8 (=4%×C)

-

4200

SF8

386.4

33.6 (=8%×C)

-

SM4

403.2

8.4 (=2%×C)

SM8

386.4

16.8 (=4%×C)

1. 사용재료

(1)시멘트

숏크리트용 시멘트는 보통 포틀랜드 시멘트가 주로 사용되며 시공후 조기에 강도를 발생시킬 필요가 있거나 시공 후 양생기간을 충분히 취할 수 없는 경우에는 조강 포틀랜드 시멘트, 초속경 시멘트 등을 쓰는 경우도 있다. 본 실시예에서는 시중에서 판매되는 KS L 5201에 적합한 H사의 1종 보통 포틀랜드 시멘트 사용하였으며 물리적 특성은 표 2와 같다.

	분말도 (cm²/g)	비 중	안정도 (%)	압축강도 (MPa)
	분말도 (cm²/g)	비 중	안정도 (%)	3 days	7 days	28 days
1종시멘트	3,488	3.15	0.08	22±2	30±2	38±3
KS L 5201	2,800	-	0.8↓	13↑	20↑	29↑

(2)골재

굵은 골재는 최대치수 13mm인 쇄석을 사용하였고 잔골재는 비중 2.6, 흡수율 0.67이었다. 잔골재의 입도는 도 1과 같이 KS 입도표준 범위를 벗어나지 않았으며 조립률은 KS F 2526의 잔골재의 조립률 2.3~3.1 범위안에 들어오는 2.86의 강사를 사용하였다.

(3)급결제

급결제는 알칼리프리계 급결제와 같은 액상형 급결제 또는 시멘트 광물계 급결제와 같은 분말형 급결제를 사용할 수 있다. 본 실시예에서는 국내에서 개발된 C₁₂A₇계 광물계 급결제를 사용하였으며 기본 물성은 하기 표 3과 같다. 시멘트 광물계 급결제는 다량 사용할수록 강도발현이 빨라지고 강도 저하가 없으며, 작업성이 우수하여 W/C감소 효과가 있으며, 경화가 빠르므로 용수부위에 강한 이점이 있다.

주 성 분	형 태	진비중	부피비중	pH
칼슘알루미네이트	연회색 분말	2.76	0.93	11.7

(4)혼화재

본 발명에서는 광물질 혼화재인 실리카흄과 메타카올린을 사용하였다.

실리카흄은 ASTM C 1240-95에 나타난 SiO₂의 함량이 85%이상을 만족하고 있었으며 평균입경 0.2㎛, 분말도는 약 240,000cm₂/g이었다. 실리카흄의 화학조성은 하기 표 4와 같다.

SiO₂	Al₂O₃	K₂O+Na₂O	CaO+MgO
Min.90	Max.2	Max.2	Max.5

또한 메타카올린은 국내에서 생산되는 제품으로 메타카올린의 물리·화학적 특성은 하기 표 5에 나타나 있다.

물 리 적 특 성
분말도	비중	입도[44㎛ Pass(%)]	부착수분(%)
10000(㎠/g)	2.53	90	0
화 학 적 특 성
화 학 성 분 (%)	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	TiO₂
	52	40	3	0.4
	K₂O	Na₂O	CaO	MgO
	0.6	0.4	1.2	0.5

[실험예 1] 응결시간

1. 실험방법

응결시간 시험은 KS F 2436 <관입 저항침에 의한 콘크리트의 응결시간 시험방법>에 의해 실시하였다. 표 1에 나타낸 5개 배합에 대한 응결시간을 측정하였다.

2.실험결과

혼화재 배합조건에 따른 숏크리트의 배합별 응결시간 시험결과는 도 2와 같다. 도 2의 배합별 응결시간을 살펴보면 혼화재료의 종류 및 혼입유무에 상관없이 유사한 응결시간을 보였고 혼화재료의 혼입조건에 따른 응결시간의 지연효과는 나타나지 않았다. 이는 포틀랜드 시멘트 및 배합수와의 반응초기부터 침상형의 에트린자이트 생성 및 발달로 그물구조를 형성하고 시멘트의 수화반응을 촉진시키는 급결제의 급결특성이 숏크리트의 응결시간을 좌우하기 때문이다.

[실험예 2] 압축강도

1.실험방법

압축강도 시험은 KS F 2405 <콘크리트 압축강도 시험방법>에 의하여 실시하였다. Φ100×200mm의 공시체를 제작하여 재령 1일, 3일, 7일, 28일에 대하여 3개씩 2회 반복하였다. 만능재료시험기에서 가압시 공시체가 시험기 가압판의 중앙에 위치하도록 한 후 일정한 속도로 공시체가 파괴될 때까지 가압하였고 각 공시체마다 공시체가 받는 최대하중을 단면적으로 나누어 그 평균값을 압축강도로 하였다. 공시체는 23±2℃, 상대습도 50%의 양생실에서 1일 양생후 23±2℃의 항온 조건에서 수중양생을 실시하였다.

2. 실험결과

혼화재 배합조건에 따른 숏크리트의 배합별 압축강도 시험결과는 응결시간 시험결과는 도 3과 같다.

압축강도 시험결과를 살펴보면, 혼화재를 혼입한 배합의 압축강도는 급결제만을 혼입한 배합(P)에 비해 초기 재령에서는 큰 차이를 보이지 않았지만 재령이 늘어갈수록 강도발현이 우수하고 압축강도가 더 높은 것으로 나타났다. 이는 시멘트 수화반응시 생성되는 수산화칼슘과 반응하여 부가적인 CSH겔을 형성하여 포졸란 반응을 일으키는 실리카흄 및 메타카올린의 반응 특성 때문이다.

메타카올린과 실리카흄을 혼합배합한 경우 재령 28일 압축강도는, 혼화재를 혼입하지 않은 배합(P)에 비해 최대 50% 이상의 강도 증진 효과를 보였으며 실리카흄만을 혼입한 배합(SF4 및 SF8)과 비교하여 최대 30% 이상의 강도 증가를 나타내었다.

이는 실리카흄과 메타카올린을 혼합배합한 경우 (SM4 및 SM8), 실리카흄보다 입경이 큰 메타카올린에 의해 숏크리트 미세구조의 강성을 증진시키고 메타카올린 입자 사이의 미세공극을 실리카흄이 채워져서 결과적으로 그 조성물인 숏크리트의 압축강도가 증가한 것으로 판단된다.

[실험예 3] 휨강도

1.실험방법

혼화재료에 따른 휨성능을 평가하기 위하여 KS F 2408 <콘크리트의 휨강도 시험방법>에 의하여 실시하였다. 150×150×550㎜의 각주형 몰드에 직접 타설하여 재령 1일, 3일, 7일, 28일에 대하여 2개씩의 공시체를 제작하였으며 초기양생 후 온도 23±2℃의 항온조건으로 수중 양생하여 실험을 실시하였다.

2.실험결과

메타카올린과 실리카흄을 혼합배합한 경우 재령 28일 휨강도는, 혼화재를 혼입하지 않은 배합(P)에 비해 최대 40% 이상의 강도 증진 효과를 보였으며 실리카흄만을 혼입한 배합(SF4 및 SF8)과 비교하여 최대 25% 이상의 강도 증가를 나타내었다(도 4).

[실험예 4] 염소이온 투과시험

1.실험방법

숏크리트에서 투수성은 강도뿐만 아니라 내구성에서도 중요한 의미를 갖는다. 투수성의 증가는 균열의 확장에 의해 강도를 저하시키는 작용뿐만 아니라 동결융해 등의 내구성능을 악화시킨다. 숏크리트의 간접적인 투수성을 알아보기 위한 시험은 공기를 이용한 투수시험, 물을 이용한 투수시험, 특정가스를 이용한 투수시험 등이 있다. 본 실시예에서는 혼화재 배합종류에 따른 숏크리트의 간접적인 투수성을 알아보기 위해 염소이온의 투과량을 측정하는 ASTM C 1202 (Electrical Indication of Concrete's Ability to Resist Chloride Ion Penetration)의 방법에 따라 실시하였다.

Coulombs	Chloride ion permeability	Typical of
>4000 400~2000 2000~1000 1000~100 <100	High Moderate Low Very low Negligible	High W/c-ratio 0.4~0.5 W/C-ratio W/C-ratio <0.4 Latex modif. concrete Polymer concrete

2.실험결과

혼화재를 혼입하지 않은 배합의 숏크리트의 투수성은 앞의 의 기준에 따르면 “높은 투수성”으로 나타났으나, 혼화재를 혼입한 배합의 투수성은 “보통 투성”이하로서 투수성이 향상된 것을 알 수 있다(도 5).

특히 실리카흄의 평균입경은 0.1μm로서 시멘트 입자(10μm)보다 100배 정도 작기 때문에 이러한 미세 혼화재가 시멘트 입자 사이의 공극을 충전하는 마이크로 필터(micro-filter) 효과로 인해, 혼화재 사용량이 동일할 경우 실리카흄 단독 혼입배합(SF4 및 SF8)의 경우 낮은 투수성을 나타내었다.

메타카올린의 평균 입경은 시멘트 입자(10μm)보다는 더 작으나 실리카흄(0.1μm)보다는 큰 약 1-2μm인 관계로, 동일한 사용량을 적용한 실리카흄 혼입 숏크리트의 투수성과 비교할 때 메타카올린 단일 혼입 숏크리트의 투수성이 다소 큰 결과를 보일 것이나, 본 발명에서는 메타카올린과 실리카흄을 혼합배합(SM4 및 SM8)하여 실리카흄의 마이크로 필터 효과를 유도함으로 상당한 투수성 저하 효과를 유도할 수 있을 것이다. 실험결과에서도 메타카올린과 실리카흄의 혼합배합 숏크리트는 실리카흄 단독 배합 숏크리트와 비교할 때 거의 동일한 수준의 투수성을 얻을 수 있었다.

따라서 메타카올린과 실리카흄 혼합배합 숏크리트는 이와 같이 고가의 실리카흄 혼입 숏크리트와 거의 동일한 투수관련 내구성을 보이며 앞서 설명한 바와 같이 역학적 특성(압축강도, 휨강도 등)은 오히려 더욱 향상되는 긍정적인 효과를 얻을 수 있는 것으로 기대된다.

다만, 투수성이 낮을수록 숏크리트의 내구성능은 향상되지만, 숏크리트의 투수성이 지나치게 낮아진다면 그만큼 숏크리트가 지지해야 하는 지하수압(ground water pressure)이 커지므로 숏크리트의 강도를 더욱 높이던지 숏크리트의 타설 두께를 증가시켜야 하는 문제가 있다. 이에, 터널/지하공간에 요구되는 숏크리트의 내구성능(예: 투수성)에 따라 메타카올린과 실리카흄의 혼합배합율을 변경시키면서 내구성능 기준을 맞추도록 하는 것이 바람직하겠다.

[실험예 5] 동결융해 시험

1.실험방법

숏크리트는 동절기 기온의 변화와 함께 동결융해의 반복작용을 받을 수 있다. 동결융해의 반복작용은 숏크리트 중의 자유수가 동결되어 체적이 팽창되므로 숏크리트 내부에 큰 팽창압력으로 인한 인장응력이 발생되어 숏크리트를 파괴시킨다.

본 실시예에서는 혼화재 배합종류에 따른 숏크리트의 동결융해저항성을 측정하기 위해서 100×100×400㎜의 각주형 공시체를 제작하여 23℃의 양생수조에서 14일간 양생한 후 KS F 2456 <급속 동결 융해에 대한 콘크리트의 저항 시험 방법 중 B방법-공기중에서 급속 동결하여 수중에서 융해시키는 시험과정>에 따라 동결융해 시험을 수행하였다. 기준 공시체를 제작하여 공시체 중심에서의 온도를 4℃에서 -18℃로 떨어뜨리는 동결작용과 다시 4℃로 올리는 융해작용을 반복하였다. 매 30사이클에서 상대동탄성계수를 측정하였으며 시험결과는 공시체 2개를 제작하여 평균값을 사용하였다.

2.실험결과

동결융해 저항성은 앞선 염소이온 통과전하량의 결과와 마찬가지로 혼화재의 사용여부에 따라 큰 차이를 보였으며, 혼화재의 사용량이 클수록(시멘트 중량의 8%), 동결융해 저항성이 큰 것으로 나타났다(도 6).

혼화재 사용량이 동일할 경우 메타카올린과 실리카흄을 혼합배합한 숏크리트의 동결융해 저항성이 가장 컸다.

이상과 같은 본 발명에 따르면, 현행 숏크리트와 비교할 때 현저한 숏크리트의 역학적 특성 및 내구성능의 증진을 통한 터널/지하공간의 단기·장기 안정성 향상, 숏크리트 타설 두께 저감으로 인한 시공성 향상, 숏크리트 라이닝을 영구 지보재로 사용하는 싱글쉘 터널공법에의 적용 등의 다양한 효과를 기대할 수 있다.

더욱이 본 발명은 숏크리트의 성능 향상뿐만 아니라 생산단가가 고가인 기존 실리카흄 단일배합 숏크리트와 비교하여 메타카올린과 실리카흄의 혼합배합을 통해 생산단가를 현저히 줄일 수 있을 것이다.

Claims

숏크리트 1m³당,

최대치수가 10～15mm인 500～700kgf 중량의 굵은 골재;

1,000～1,200kgf 중량의 잔골재;

300～450kgf 중량의 시멘트;

40～60 중량%의 물-시멘트비를 가지는 물;

상기 시멘트 중량의 4～10%의 급결제; 및,

상기 시멘트 중량의 4～8%의 혼화재;

를 포함하며, 상기 혼화재는 메타카올린과 실리카흄이 혼합배합된 것임을 특징으로 하는 고성능 숏크리트 조성물.
제1항에서,

상기 급결제는 시멘트 광물계 급결제임을 특징으로 하는 고성능 숏크리트 조성물.