KR101533533B1 - 슬래그의 치환 배합을 이용한 숏크리트 조성물 및 이를 이용한 숏크리트 공법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 숏크리트 제조과정에서 고로슬래그미분말과 시멘트 광물계 급결제를 이용하여 숏크리트의 성능을 향상시킬 수 있는 숏크리트 조성물 및 이를 이용한 숏크리트 공법에 관한 것이다. 물, 시멘트, 잔골재 및 굵은 골재가 배합된 배합물을 이용하여 제조되는 숏크리트 조성물에 있어서, 본 발명의 일례와 관련된 슬래그의 치환 배합을 이용한 숏크리트 조성물은, 고로슬래그미분말 및 상기 배합물의 응결을 촉진하기 위하여 상기 배합물에 투입되는 급결제를 더 포함하되, 상기 시멘트 중 일부인 제 1 시멘트는 상기 고로슬래그미분말로 치환되고, 상기 제 1 시멘트는 상기 시멘트 100 중량부에 대하여 30 내지 40 중량부의 범위이며, 상기 급결제는, 알칼리금속탄산염, 칼슘페로알루미네이트 분말, 칼슘알루미네이트분말, 수산화칼슘 및 알칼리금속알루민산염이 기 설정된 범위의 비율로 조성된 시멘트 광물계 급결제를 이용함으로써 압축강도 및 휨강도를 향상시키고 리바운드를 저감시킬 수 있다.

Description

슬래그의 치환 배합을 이용한 숏크리트 조성물 및 이를 이용한 숏크리트 공법{Shotcrete Composition using Alteration of Mixture Ratio of Slag and Construction Method thereof}

본 발명은 슬래그의 치환 배합과 시멘트 광물계 급결제를 이용한 숏크리트 조성물에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 숏크리트 제조과정에서 고로슬래그미분말과 시멘트 광물계 급결제를 이용하여 숏크리트의 성능을 향상시킬 수 있는 숏크리트 조성물 및 이를 이용한 숏크리트 공법에 관한 것이다.

최근 들어, 사회기반시설의 확충의 필요성 및 국도 이용의 효율성을 도모하고, 지상환경을 보존하고 국토의 효율적인 활용을 위하여 지하철, 도로, 국철 및 고속철도 공사 등에서 터널 및 지하공간의 건설공사가 증가하고 단면이 대형화되는 추세에 있다.

이와 같이, 대형화되는 터널시공, 댐공사 또는 지하구조물 공사에서는 강재지보, 락볼트와 숏크리트를 지보재로 사용하고 암반 굴착 후 원지반의 지지능력을 최대로 활용하여 지반을 안정화시킴으로써 터널의 안정성을 유지하고 굴착면을 안정화할 수 있다.

상기와 같은 굴착면 안정화 공법의 지보재로 사용되는 숏크리트(Shotcrete)는 암반 또는 지반을 보강하여 붕괴를 방지하기 위해 숏크리트 장비를 사용하여 굴착된 원지반에 공기압 및 펌프의 압력으로 분사하여 고착시키는 콘크리트이다. 숏크리트는 지반의 이완을 방지하면서 강도를 유지하고 콘크리트 아치로서 하중을 분담시켜 응력 집중을 방지한다.

이러한 숏크리트 시공방식에는 건식공법과 습식공법의 두 가지 종류가 있으며, 습식공법은 다시 에어 압송식과 펌프 압송식으로 나눌 수 있다.

건식공법은 충분히 건조된 상태의 골재를 충분히 건배합한 후 급결제를 혼합하여 분사장치로 공급시켜 압축공기로 압송하여 노즐에서 분사하는 방식으로 이때 배합수는 노즐 내에서 골재와 혼합되어 시공면에 고속으로 반사 고착된다.

그러나, 건식공법은 재료관리, 배합비, 물공급 및 급결제 공급이 습식공법에 비하여 어려워 재료의 품질관리가 일정하지 않고 분진 및 리바운드 발생이 많아져 재료의 손실 비용이 크다는 단점이 있으며, 재료의 보관 역시 습식에 비하여 어렵다. 일반적으로 물이 투입되지 않은 상태에서 재료가 건비빔되어야 하므로 모래나 자갈이 여러 가지 이유로 표면수를 함유하고 있는 경우, 시멘트와 혼합이 완료되고 빠른 시간 내에 작업위치로 운송되어 사용하지 않으면 응고가 시작되어 숏크리트의 품질이 저하되기도 한다. 따라서 재료보관에 각별히 주의를 요하는데, 강수 및 직사광선에 노출되지 않도록 하여야 하며 반입재료는 사전검사를 통해 입도 분포 외에 골재의 표면수량을 검사토록 한다. 함유기준은 믹서의 성능에 따라 혼합시간, 혼합 후 운반 및 대기시간 등 여러 가지 요소들이 간단한 현장실험을 통해 작업이 크게 영향을 주지 않는 범위를 정하도록 한다.

이에 비해, 습식 공법은 물을 첨가하여 모든 재료를 잘 혼합한 후 분사장치에 공급하고 노즐에서 압축공기를 가하여 분사 속도를 증가시켜 시공면에 분사 고착하는 방식이다. 이 습식 공법은 재료의 혼합 시 콘크리트 배치플랜트를 사용하고 운송 시 콘크리트 믹서 트럭을 이용하기 때문에 재료의 관리나 품질유지가 상대적으로 건식공법에 비하여 매우 유리하고, 리바운드 및 분진발생이 적은 장점이 있는 반면, 시공기계가 크고 작업성이 떨어지는 단점이 있다.

이러한, 습식 숏크리트는 사용되는 재료나 배합, 각종 시공조건 및 타설방법 등에 민감하게 영향을 받기 때문에 콘크리트를 급결시켜 지반에 부착하기 위한 혼화재인 급결제(Accelerator)의 품질과 콘트리트의 제반 여건에 따라 리바운드의 양과 시공능률에 변화가 심하게 나타난다. 또한, 습식 숏크리트는 타설 장비의 특성에 따라 숏크리트의 시공품질에 많은 차이를 가지기 때문에 품질 관리상의 어려움이 많고 이로 인해 지보성능이 저하될 수 있다.

한편, 숏크리트의 압축강도에 가장 영향을 많이 미치는 인자는 골재이다. 굵은 골재의 최대 치수가 작을수록 리바운드율이 작아질 뿐만 아니라 유동성도 좋아져서 시공이 용이해지며, 노즐의 폐색을 방지할 수 있다.

상기 숏크리트의 압축강도에 영향을 미치는 인자는 현장배합용 골재의 품질관리이다. 현장 숏크리트 골재의 입도분포는 표준입도분포에서 벗어날 수 있으며, 이러한 현장 숏크리트 골재의 입도분포로 인하여 숏크리트의 슬럼프가 저하되며 유동성도 저하된다. 이는 시공성의 저하 및 공사비의 증대를 초래할 수 있다.

이렇게 현장 숏크리트 골재의 입도분포가 표준입도분포를 벗어나고 있는 것은 골재관리의 소홀에서 비롯된 것이다. 숏크리트 품질에 있어서 중요한 요소인 골재의 적정한 품질관리 없이 고품질의 숏크리트를 시공하기는 어려운 현실이며, 고가의 혼화재를 투입하여 강도보상을 시도하고 있어 숏크리트 재료의 원가상승 및 숏크리트의 장기 내구성 저하를 부추기는 원인으로 작용하고 있다.

상기 문제를 해결하기 위하여, 대한민국 등록특허 제10-0919745호에서는 골재의 입도분포 및 품질관리를 통하여 고로슬래그미분말을 사용한 숏크리트의 조기강도 미발현 문제를 해결하는 레디믹스트 숏크리트 공법을 개시하고 있다.

대한민국 등록특허 제10-0919745호에 따른 시공방법에 의하면, 굵은 골재의 최대크기는 8mm 또는 10mm로 제한하고, 골재입도를 공장에서 엄격하게 관리하며, 상기 골재와, 시멘트와, 그리고 시멘트량의 30 내지 50 중량%를 고로슬래그로 대체하며, 물과 급결제를 제외한 모든 재료가 공장에서 사전에 배합 설계된 분말형 레디믹스트 숏크리트를 제조한다. 이어서, 제조된 분말형 레디믹스트 숏크리트를 운반수단에 의하여 터널시공현장으로 운반한다. 이어서, 분말형 레디믹스트 숏크리트를 믹서기에 넣고 기 배합 설계된 물의 양과 혼화재를 투입하며, 혼합된 숏크리트를 고압으로 분사하여 시공을 수행할 수 있다.

그러나 상술한 종래의 레디믹스트 숏크리트 공법에 따르면, 현장 제조방식에 비하여 숏크리트의 제조비용이 상대적으로 크다는 난점이 있었으며, 고로슬래그를 이용함에 따라 수화반응이 지연되어 조기 강도가 저하된다는 문제점이 상존하였다. 따라서, 실제 시공에서는 대한민국 등록특허 제10-0919745호에 따른 레디믹스트 숏크리트 공법의 활용이 폭이 크지 않다는 문제점이 있었다.

또한, 대한민국 등록특허 제10-1336165호에서는 숏크리트의 강도와 내구성 등의 성능을 향상시키기 위하여 종래 사용되던 실리카흄 및 메타카올린을 대체하여 고로슬래그미분말과 석고를 주재료로 하는 혼화재를 미리 혼합하는 혼화재 조성물을 이용한 공법을 개시하고 있었다.

그러나 상기 대한민국 등록특허 제10-1336165호의 발명은 혼화재의 추가 투입에 따른 비용 상승과 제조 복잡성의 문제점이 존재하였으며, 경제성이 떨어진다는 난점이 있었다.

이에 따라, 일반 숏크리트 대비 강도 및 내구성 측면에서 동등 이상의 성능을 보유하면서도 경제적으로 우수한 숏크리트 공법의 개발이 요구되고 있는 실정이다.

대한민국 등록특허 제10-0919745호 대한민국 등록특허 제10-1336165호

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 숏크리트 제조과정에서 고로슬래그미분말과 시멘트 광물계 급결제를 이용하여 숏크리트의 성능을 향상시킬 수 있는 숏크리트 조성물 및 이를 이용한 숏크리트 공법을 사용자에게 제공하는 데 그 목적이 있다.

구체적으로, 본 발명은 시멘트 광물계 급결제가 급결제 조성물 전체에 대해 알칼리금속탄산염 0.1 내지 10 중량%, 칼슘페로알루미네이트 분말 5 내지 20 중량%와 칼슘알루미네이트분말 50 내지 80 중량%, 수산화칼슘 5 내지 20 중량%와 알칼리금속알루민산염 5 내지 20 중량%를 포함하도록 개선하여 이용함으로써 슬래그 숏크리트의 조기 강도 미발현 문제를 해소할 수 있고 리바운드를 저감시킬 수 있는 숏크리트 조성물을 사용자에게 제공하는 데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 숏크리트 배합비 중 전체 시멘트량의 일부를 슬래그로 치환하여 일반 숏크리트 대비 저렴한 비용으로 장기 강도 증진이 가능하고 내구성(내해수성)을 향상시킬 수 있는 숏크리트 조성물을 사용자에게 제공하는 데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 최적화된 잔골재와 굵은 골재, 물 등의 배합 비율로 이루어진 숏크리트 조성물을 사용자에게 제공하는 데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 시공현장에서 사용하는 골재를 그대로 사용함으로써 용이하고 간편한 시공이 가능한 숏크리트 조성물을 사용자에게 제공하는 데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 콘크리트의 유동량에 따라 투입되는 시멘트 광물계 급결제의 양을 적절하게 조절하도록 구성함으로써 급결제의 과다한 공급을 방지할 수 있고 숏크리트의 성능과 효과를 최적의 상태로 유지시킬 수 있는 숏크리트 조성물을 사용자에게 제공하는 데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 숏크리트 분사장치를 이용하여 타설함으로써 추가적으로 리바운드율을 저감시키고 경제성을 제고할 수 있는 숏크리트 조성물을 사용자에게 제공하는 데 그 목적이 있다.

한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

물, 시멘트, 잔골재 및 굵은 골재가 배합된 배합물을 이용하여 제조되는 숏크리트 조성물에 있어서, 상술한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 일례와 관련된 슬래그의 치환 배합을 이용한 숏크리트 조성물은, 고로슬래그미분말; 및 상기 배합물의 응결을 촉진하기 위하여 상기 배합물에 투입되는 급결제;를 더 포함하되, 상기 시멘트 중 일부인 제 1 시멘트는 상기 고로슬래그미분말로 치환되고, 상기 제 1 시멘트는 상기 시멘트 100 중량부에 대하여 30 내지 40 중량부의 범위이며, 상기 급결제는, 알칼리금속탄산염, 칼슘페로알루미네이트 분말, 칼슘알루미네이트분말, 수산화칼슘 및 알칼리금속알루민산염이 기 설정된 범위의 비율로 조성된 시멘트 광물계 급결제를 이용한다.

또한, 상기 잔골재 및 상기 굵은 골재는, 상기 숏크리트 조성물이 타설되는 시공현장에서 이용되는 것을 배합할 수 있다.

또한, 상기 굵은 골재의 최대 크기는 10㎜ 내지 13㎜ 사이의 값이다.

또한, 상기 잔골재는, 상기 시멘트 100 중량부에 대하여 170 내지 216 중량부의 범위를 갖는다.

또한, 상기 굵은 골재는, 상기 시멘트 100 중량부에 대하여 115 내지 187 중량부의 범위를 갖는다.

또한, 상기 물은, 상기 시멘트 100 중량부에 대하여 32 내지 48 중량부의 범위를 갖는다.

또한, 상기 시멘트 광물계 급결제는, 상기 급결제 전체에 대하여 상기 알칼리금속탄산염 0.1 내지 10 중량%, 상기 칼슘페로알루미네이트 분말 5 내지 20 중량%, 상기 칼슘알루미네이트분말 50 내지 80 중량%, 상기 수산화칼슘 5 내지 20 중량% 및 상기 알칼리금속알루민산염 5 내지 20 중량%로 조성될 수 있다.

또한, 상기 급결제는 급결제 공급장치에 의하여 상기 배합물에 투입되고, 상기 급결제 공급장치는, 상기 배합물의 유동량을 측정하기 위한 센서; 및 상기 센서에 의하여 측정된 배합물의 유동량에 연동하여 상기 투입되는 급결제의 양을 조절하는 제어부;를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 센서에 의하여 측정된 배합물의 유동량이 증가하는 경우, 상기 제어부는 상기 증가된 유동량에 대응하여 상기 투입되는 급결제의 양을 증가시키고, 상기 센서에 의하여 측정된 배합물의 유동량이 감소하는 경우, 상기 제어부는 상기 감소된 유동량에 대응하여 상기 투입되는 급결제의 양을 감소시키며, 상기 센서에 의하여 측정된 배합물의 유동량이 없는 경우, 상기 제어부는 상기 급결제의 투입을 중단시킬 수 있다.

또한, 상기 시멘트 광물계 급결제는, 상기 시멘트 100 중량부에 대하여 5 내지 12 중량부의 범위를 가질 수 있다.

또한, 상기 배합물에는 상기 시멘트 100 중량부에 대하여 0.5 내지 3 중량부의 고성능감수제의 혼합제가 포함될 수 있다.

또한, 상기 고성능감수제는, 나프탈렌설폰산염, 멜리민설폰산염의 포르말린 축합물 및 폴리카르본산계 고분자 화합물 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.

또한, 상기 시멘트는 418 내지 542 ㎏/㎥의 범위일 수 있다.

또한, 강섬유;를 더 포함하고, 상기 강섬유는 상기 시멘트 100 중량부에 대하여 5 내지 10 중량부의 범위를 가질 수 있다.

또한, 상기 알칼리금속탄산염은, 탄산나트륨, 탄산칼륨 및 중탄산나트륨 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

또한, 상기 알칼리금속알루민산염은, 알루민산리튬, 알루민산나트륨 및 알루민산칼륨 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

한편, 물, 시멘트 잔골재 및 굵은 골재가 배합된 배합물이 타설을 위하여 유동되는 유동관; 상기 배합물의 응결을 촉진하기 위한 급결제가 수용된 탱크; 및 상기 유동관에 상기 탱크로부터 배출된 상기 급결제를 공급하는 급결제 공급장치;를 포함하는 숏크리트 분사장치를 이용하여 숏크리트 조성물을 타설하는 숏크리트 공법에 있어서, 상술한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 일례와 관련된 슬래그의 치환 배합을 이용한 숏크리트 공법은, 상기 물, 상기 시멘트, 상기 잔골재 및 상기 굵은 골재를 배합하여 상기 배합물을 제조하는 제 1 단계; 상기 급결제 공급장치가 상기 유동관에 상기 급결제를 공급하여 상기 배합물에 상기 급결제를 투입하는 제 2 단계; 상기 급결제가 투입된 배합물을 이용하여 상기 숏크리트 조성물을 제조하는 제 3 단계; 및 상기 제조된 숏크리트 조성물을 시공현장에 타설하는 제 4 단계;를 포함하되, 상기 제 1 단계에서 배합되는 상기 시멘트 중 일부인 제 1 시멘트는 고로슬래그미분말로 치환되고, 상기 제 1 시멘트는 상기 시멘트 100 중량부에 대하여 30 내지 40 중량부의 범위이며, 상기 제 2 단계에서 투입되는 상기 급결제는, 알칼리금속탄산염, 칼슘페로알루미네이트 분말, 칼슘알루미네이트분말, 수산화칼슘 및 알칼리금속알루민산염이 기 설정된 범위의 비율로 조성된 시멘트 광물계 급결제를 이용한다.

또한, 상기 제 1 단계에서 배합되는 상기 잔골재 및 상기 굵은 골재는, 상기 숏크리트 조성물이 타설되는 상기 시공현장에서 이용되는 것을 배합할 수 있다.

또한, 상기 시멘트 광물계 급결제는, 상기 급결제 전체에 대하여 상기 알칼리금속탄산염 0.1 내지 10 중량%, 상기 칼슘페로알루미네이트 분말 5 내지 20중량%, 상기 칼슘알루미네이트분말 50 내지 80 중량%, 상기 수산화칼슘 5 내지 20 중량% 및 상기 알칼리금속알루민산염 5 내지 20 중량%로 조성될 수 있다.

또한, 상기 급결제 공급장치는, 상기 유동관에 설치된 센서; 및 제어부;를 더 포함하며, 상기 제 2 단계는, 상기 센서가 상기 배합물의 유동량을 측정하는 제 2-1 단계; 상기 제어부가 상기 측정된 배합물의 유동량에 연동하여 상기 배합물에 투입될 상기 급결제의 양을 산출하는 제 2-2 단계; 및 상기 제어부가 상기 산출된 양에 따라 상기 급결제를 상기 유동관에 공급되도록 제어하는 제 2-3 단계;를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 급결제 공급장치는, 상기 급결제가 배출되는 상기 탱크의 배출구와 상기 급결제가 상기 유동관에 공급되도록 설치된 급결제 공급관을 연결하도록 설치된 로터리 피더; 및 압축공기펌프;를 더 포함하고, 상기 제 2-3 단계는, 상기 산출된 양의 급결제를 상기 탱크에서 배출하여 상기 로터리 피더에 이송하는 단계; 상기 압축공기펌프를 이용하여 상기 로터리 피더에 압축공기를 공급하는 단계; 및 상기 압축공기의 공급으로 상기 로터리 피더에 이송된 급결제를 상기 유동관으로 공급하여 상기 급결제를 상기 배합물에 투입하는 단계;를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 급결제 공급장치는, 상기 제어부로부터 제어신호를 수신하는 조정기; 및 회전속도가 변동 가능한 모터;를 더 포함하되, 상기 제어신호는 상기 제어부에 의하여 산출된 상기 배합물에 투입될 상기 급결제의 양에 기초하여 발생되고, 상기 조정기는 상기 제어신호에 따라 상기 모터의 회전속도를 변동시키고, 상기 모터의 회전속도에 대응하여 상기 로터리 피더로 이송되는 상기 급결제의 양이 조절될 수 있다.

또한, 상기 숏크리트 분산장치는, 상기 유동하는 배합물의 분산을 위하여 상기 유동관에 압축공기를 공급하는 압축공기펌프;를 더 포함하고, 상기 제 2 단계에서 상기 급결제가 상기 유동관에 공급되는 위치는, 상기 압축공기가 공급되는 지점과 상기 숏크리트 조성물이 타설을 위하여 외부로 분사되는 노즐 사이이다.

본 발명은 숏크리트 제조과정에서 고로슬래그미분말과 시멘트 광물계 급결제를 이용하여 숏크리트의 성능을 향상시킬 수 있는 숏크리트 조성물 및 이를 이용한 숏크리트 공법을 사용자에게 제공할 수 있다.

구체적으로, 본 발명은 시멘트 광물계 급결제가 급결제 조성물 전체에 대해 알칼리금속탄산염 0.1 내지 10 중량%, 칼슘페로알루미네이트 분말 5 내지 20 중량%와 칼슘알루미네이트분말 50 내지 80 중량%, 수산화칼슘 5 내지 20 중량%와 알칼리금속 알루민산염 5 내지 20 중량%를 포함하도록 개선하여 이용함으로써 슬래그 숏크리트의 조기 강도 미발현 문제를 해소할 수 있고 리바운드를 저감시킬 수 있는 숏크리트 조성물을 사용자에게 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은 숏크리트 배합비 중 전체 시멘트량의 일부를 슬래그로 치환하여 일반 숏크리트 대비 저렴한 비용으로 장기 강도 증진이 가능하고 내구성(내해수성)을 향상시킬 수 있는 숏크리트 조성물을 사용자에게 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은 최적화된 잔골재와 굵은 골재, 물 등의 배합 비율로 이루어진 숏크리트 조성물을 사용자에게 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은 시공현장에서 사용하는 골재를 그대로 사용함으로써 용이하고 간편한 시공이 가능한 숏크리트 조성물을 사용자에게 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은 콘크리트의 유동량에 따라 투입되는 시멘트 광물계 급결제의 양을 적절하게 조절하도록 구성함으로써 급결제의 과다한 공급을 방지할 수 있고 숏크리트의 성능과 효과를 최적의 상태로 유지시킬 수 있는 숏크리트 조성물을 사용자에게 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은 숏크리트 분사장치를 이용하여 타설함으로써 추가적으로 리바운드율을 저감시키고 경제성을 제고할 수 있는 숏크리트 조성물을 사용자에게 제공할 수 있다.

한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 일 실시례를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명에 따라 숏크리트 조성물을 시공현장에 타설하는 숏크리트 공법의 일 실시례를 나타내는 순서도이다.
도 2는 본 발명과 관련하여 슬래그가 치환된 숏크리트 조성물의 시험결과를 나타낸다.
도 3a 및 도 3b는 잔골재율의 변화에 따른 슬럼프 및 압축강도의 시험결과를 나타낸다.
도 4a 및 도 4b는 물-시멘트비의 변화에 따른 슬럼프 및 압축강도의 시험결과를 나타낸다.
도 5a 및 도 5b는 시멘트량에 따른 슬럼프 및 압축강도의 시험결과를 나타낸다.
도 6a 및 도 6b는 시멘트량 및 잔골재율의 변화에 따른 슬럼프 및 압축강도의 시험결과를 나타낸다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명에 적용될 수 있는 숏크리트 분사장치와 급결제 공급장치의 일례를 나타내는 구성도이다.
도 8은 실제 현장에서 숏크리트 골재의 입도분포를 나타낸다.
도 9는 본 발명에 적용될 수 있는 시멘트 광물계 급결제의 조성비율에 관한 시험결과를 나타낸다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시례에 대해서 설명한다. 또한, 이하에 설명하는 일 실시례는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 내용을 부당하게 한정하지 않으며, 본 실시 형태에서 설명되는 구성 전체가 본 발명의 해결 수단으로서 필수적이라고는 할 수 없다.

종래 개발된 레디믹스트 숏크리트 공법은 공장 출하품을 이용하는 방식으로서 골재의 철저한 관리로 양질의 숏크리트 조성물을 공급하는 것이 가능하나, 비용의 부담과 강도 문제로 인하여 실제 시공현장에서는 널리 활용되지 못하고 있는 실정이다.

또한, 종래 개발된 혼화재를 이용하는 숏크리트 공법은 혼화재의 추가 투입에 따른 비용 상승과 효율성이 저하되는 문제가 있었다.

본 발명은 저렴한 비용으로 시공이 가능하면서도 강도 및 리바운드 문제도 개선시킬 수 있어 효과적으로 구조물을 시공할 수 있는 숏크리트 조성물 및 숏크리트 공법을 제안하고자 한다.

<본 발명의 숏크리트 조성물 및 숏크리트 공법>

이하에서는, 상술한 숏크리트 분사장치를 이용하여 타설되는 본 발명이 제안하고자 하는 숏크리트 조성물에 대하여 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.

도 1은 본 발명에 따라 숏크리트 조성물을 시공현장에 타설하는 숏크리트 공법의 일 실시례를 나타내는 순서도이다.

도 1을 참조하면, 물, 시멘트, 잔골재(eg.모래), 굵은 골재(eg.자갈) 등을 배합하여 콘크리트를 제조한다(S100). 상기 배합된 콘크리트는 시공현장에 타설되기 위하여 숏크리트 분사장치(200)의 초기 콘크리트 공급관(211), 분산 콘크리트 공급관(212), 혼합 콘크리트 공급관(213)으로 구성되는 유동관을 따라 이송된다.

본 발명의 숏크리트 조성물은 종래 숏크리트 공법에서 사용되어 온 배합비와는 다른 비율을 사용한다.

슬래그의 치환에 따른 성능을 시험한 결과가 도 2에 도시되어 있다. 도 2는 본 발명과 관련하여 슬래그가 치환된 숏크리트 조성물의 시험결과를 나타낸다. 도 2에 도시된 것과 같이, 슬래그의 치환 비율을 0부터 50 중량부까지 조절하면서 슬럼프와 압축강도를 평가하는 시험을 수행하였다. 여기서, 시멘트 480 ㎏/㎥을 100 중량부로 설정하였다.

도 2에 나타난 시멘트, 슬래그 및 급결제 이외의 나머지 배합재료 중 물(W), 잔골재(S), 굵은 골재(G)는, 도 3a의 실시 No. 1B-3과 같이 시멘트 100 중량부에 대하여 물 40 중량부, 잔골재 206.3 중량부, 굵은 골재 137.5 중량부를 배합하였고, 혼합제는 고성능감수제로서 시멘트 100 중량부에 대하여 1 중량부를 첨가하여 시험을 실시하였다.

도 2에 나타난 것과 같이, 슬래그가 30 중량부 내지 40 중량부의 범위를 가질 때, 슬럼프는 17㎝ 내지 24㎝의 범위를 가지고, 압축강도가 1일 압축강도 기준인 10MPa과 28일 압축강도 기준인 21MPa 이상이 나와 숏크리트 품질기준을 만족함을 알 수 있다. 상기 숏크리트의 압축강도는 강섬유가 첨가되지 않았을 경우의 시험값이다. 강섬유가 첨가되지 않았을 경우의 강도는 압축강도를 기준으로 한다.

슬래그가 30 중량부 및 40 중량부일 때 휨강도는 아래의 표 1과 같이 나타나며, 아래의 표 1은 강섬유가 첨가되었을 경우의 시험값이다. 강섬유가 포함된 숏크리트의 강도기준은 휨강도를 기준으로 한다.

표 1에서 볼 수 있듯이, 1일 휨강도 기준인 2MPa과 28일 휨강도 기준인 4.5MPa 이상이 나오며, 슬래그가 30 중량부 및 40 중량부로 설정하였을 때 휨강도에 대한 기준도 만족되는 것을 알 수 있다. 상기 숏크리트 조성물은 강섬유(steel fiber)가 시멘트 100 중량부에 대해 5 내지 10 중량부 추가로 조성되는 것을 특징으로 할 수 있다. 또한, 상기 강섬유는 길이 30㎜를 표준으로 하며 직경 0.5 내지 0.7 ㎜인 것을 특징으로 할 수 있다.

실시 No	재령별 휨강도(MPa)
	1일	7일	28일
1A-4	2.4	5.1	7.2
1A-5	2.4	5.5	7.1

따라서, 본 발명의 숏크리트 조성물은 시멘트의 총 중량 중 30 중량부 내지 40 중량부를 고로슬래그미분말로 치환 배합하여 제조된다.

시멘트의 일부를 산업부산물인 고로슬래그미분말로 치환함으로써 일반 숏크리트에 비하여 저렴한 비용으로 제조가 가능하며 친환경 소재의 사용으로 탄소의 발생을 크게 저감시킬 수 있다.

구체적으로, 시멘트 1톤 생산 시 약 0.8톤의 CO₂ 가스를 발생시키는 것으로 조사되어있다. 나아가, 시멘트의 경우 pH가 약 13에 달할 정도로 강한 알칼리이기 때문에 2차 제품으로 제조하였을 경우에도 강 알칼리를 띠게 되고, 토목공사에 주로 사용되는 콘크리트 2차 제품의 특성상 토양에 바람직하지 않은 영향을 줄 수 있다.

본 발명은 이러한 시멘트의 악영향을 방지할 수 있으면서도 시공비용을 크게 절감할 수 있어 경쟁력 있는 숏크리트의 시공을 가능하게 할 수 있다.

또한, 본 발명의 숏크리트 조성물의 제조에 사용되는 골재는 숏크리트 조성물이 타설되는 시공현장에서 이용되는 것을 그대로 사용하여 배합할 수 있다.

종래 개발된 레디믹스트 숏크리트 공법에 의하면, 숏크리트의 성능 확보를 위하여 공장에서 엄격하게 관리되는 골재를 사용해야 하였기 때문에 가격상승의 원인이 되었으며 골재의 최대크기를 8㎜ 또는 10㎜로 제한하므로 활용의 폭이 비교적 좁다는 불편이 있었다.

이에 반하여, 본 발명의 경우에는 숏크리트의 성능 확보를 위하여 시멘트 광물성 급결제를 이용하므로 골재에 대한 제약이 종래 레디믹스트 숏크리트 공법에 비하여 크지 않으며, 일반적으로 시공현장에서 적용되는 10 내지 13 ㎜의 골재를 사용할 수 있어 시공이 용이하고 시공비용을 크게 절약할 수 있는 이점이 있다.

또한, 현장에서 숏크리트용 굵은 골재의 최대 크기가 10㎜인 것을 일반적으로 사용하고 있으며, 3개의 현장(입도시험 10회)으로부터 여러 번에 걸친 골재의 입도분포를 조사한 결과 도 8과 같이 표준 입도분포 범위 내에 있는 것으로 나타났다.

현장에서 사용하는 굵은 골재의 입도분포가 항상 표준범위에 있다고는 할 수 없으나, 현장에서 주기적으로 골재의 입도분포를 확인하고 있으며, 그 결과 모두 표준범위에 있으므로 현장에서 반입되는 굵은 골재가 항상 표준범위를 벗어난다고는 볼 수 없을 것이다.

한편, 슬래그가 30 중량부 내지 40 중량부의 범위일 때, 골재와 물의 배합 비율을 결정하기 위한 시험을 도 3a 및 도 3b, 도 4a 및 도 4b, 도 5a 및 도 5b, 도6a 및 도 6b를 참조하여 살펴본다. 도 3 내지 도 6에서 나타난 배합재료 외에 공통적으로 혼합제를 시멘트 100 중량부에 대하여 1 중량부만큼 첨가하여 시험을 실시하였다.

물론, 배합 비율에 대한 시험은 조건이나 기타 인자 등에 따라 다소 변경될 수 있다.

굵은 골재의 최대 크기는 일반적인 10㎜를 사용하였고, 물의 양이 적어도 유동성을 확보하고 강도를 충분히 증진시키기 위해 고성능감수제가 혼합제로 사용될 수 있다. 상기 고성능감수제는 액상, 분말상의 어느 것도 사용이 가능하다. 감수제의 종류로는 나프탈렌설폰산염, 멜리민설폰산염의 포르말린 축합물, 폴리카르본산계 고분자 화합물 등을 들 수 있으며, 이중 1종 또는 2종 이상의 사용이 가능하다.

고성능감수제의 사용량은 시멘트 100 중량부에 대하여 0.1 내지 5 중량부가 적당하며, 0.5 내지 3 중량부일 때가 더욱 바람직하다. 0.1 중량부 이하에서는 효과가 거의 없고, 5 중량부를 초과하면 강도발현성을 나쁘게 할 수 있다.

각 시험에서는 슬럼프와 1일, 7일, 28일의 압축강도를 측정하였다.

도 3a 및 도 3b는 잔골재율의 변화에 따른 슬럼프 및 압축강도의 시험결과를 나타낸다. 도 3a 및 도 3b에서는 시멘트 480 ㎏/㎥을 100 중량부로 설정하였다.

도 3a에서는 슬래그가 30 중량부일 때 잔골재율을 변경하면서 시험을 수행하였고, 도 3b에서는 슬래그가 40 중량부일 때 잔골재율을 변경하면서 시험을 수행하였다.

도 3a 및 도 3b를 참조하면, 잔골재율이 52.6% 내지 60.0% 범위인 경우 슬럼프와 압축강도 기준을 만족함을 알 수 있다. 시험의 용이성을 위하여 급결제를 첨가하지 않았기 때문에 압축강도가 약간 낮게 나온 점을 감안하여 잔골재율의 범위를 정할 수 있다.

도 4a 및 도 4b는 물-시멘트비의 변화에 따른 슬럼프 및 압축강도의 시험결과를 나타낸다. 도 4a 및 도 4b에서는 시멘트 480 ㎏/㎥을 100 중량부로 설정하였다.

도 4a에서는 슬래그가 30 중량부일 때 물의 비율을 변경하면서 시험을 수행하였고, 도 4b에서는 슬래그가 40 중량부일 때 물의 비율을 변경하면서 시험을 수행하였다.

도 4a 및 도 4b를 참조하면, 물-시멘트비가 39.0% 내지 42.1% 범위인 경우 슬럼프와 압축강도 기준을 만족함을 알 수 있다.

도 5a 및 도 5b는 시멘트량에 따른 슬럼프 및 압축강도의 시험결과를 나타낸다. 도 5a에서는 시멘트 444 ㎏/㎥을 100 중량부로 설정하였으며, 도 5b에서는 시멘트 518 ㎏/㎥을 100 중량부로 설정하였다.

도 5a 및 도 5b를 참조하면, 물-시멘트비가 39.0% 내지 42.1% 범위인 경우 슬럼프와 압축강도 기준을 만족함을 알 수 있다.

도 6a 및 도 6b는 시멘트량 및 잔골재율의 변화에 따른 슬럼프 및 압축강도의 시험결과를 나타낸다. 도 6a에서는 시멘트 444 ㎏/㎥을 100 중량부로 설정하였으며, 도 6b에서는 시멘트 518 ㎏/㎥을 100 중량부로 설정하였다.

도 6a를 참조하면, 시멘트 444 ㎏/㎥에서 잔골재율이 51.6% 내지 59.1% 범위인 경우 슬럼프와 압축강도 기준을 만족함을 알 수 있으며, 도 6b를 참조하면, 시멘트 518 ㎏/㎥에서 잔골재율이 56.0% 내지 63.5% 범위인 경우 슬럼프와 압축강도 기준을 만족함을 알 수 있다.

도 3a 및 도 3b, 도 4a 및 도 4b, 도 5a 및 도 5b, 도 6a 및 도 6b의 시험결과를 종합하여 배합비율을 살펴보면, 시멘트량이 444㎏/㎥ 내지 518㎏/㎥(92 중량부 내지 108 중량부)에서 아래의 표 2와 같은 최적화된 잔골재와 굵은 골재, 물의 배합비를 도출해낼 수 있다.

시멘트 (㎏/㎥)	잔골재율 (%)	물시멘트비 (%)	잔골재 범위 (㎏/㎥)	굵은 골재 범위 (㎏/㎥)	물의 범위 (㎏/㎥)
444	49.1~59.1	39.0~42.1	842 ~ 1013	702 ~ 874	173 ~ 187
480	52.5~60.0		865 ~ 990	660 ~ 785	187 ~ 202
518	53.5~63.5		883 ~ 1002	576 ~ 734	202 ~ 218

시멘트 양이 444㎏/㎥ 내지 518㎏/㎥ (92 내지 108 중량부) 범위에서 잔골재는 842㎏/㎥ 내지 1013㎏/㎥ (175.4 내지 211.0 중량부) 범위이고, 굵은 골재는 576㎏/㎥ 내지 874㎏/㎥ (120.0 내지 182.1 중량부) 범위이며, 물은 172㎏/㎥ 내지 218㎏/㎥ (35.8 내지 45.4 중량부) 범위에서 강도 특성과 슬럼프 특성을 만족시킬 수 있다.

이러한 배합비는 시험에 따라 달라질 수 있으며, 어느 정도의 변경을 감안하여 배합비를 결정하는 것이 바람직하다. 시험 환경에 따른 실제적인 변경을 고려할 때, 시멘트 87 내지 113 중량부 범위, 물 32 내지 48 중량부 범위, 잔골재 170 내지 216 중량부 범위, 굵은 골재 115 내지 187 중량부 범위를 배합하는 것이 바람직하다.

한편, 다시 도 1을 참조하면, 유동관의 일부에 설치된 센서(133)를 이용하여 콘크리트의 유동량을 측정한다(S200). 상술한 바와 같이, 센서(133)는 유동관의 초기 콘크리트 공급관(211)에 설치될 수도 있으며, 상기 초기 콘크리트 공급관(211) 이외에도 분산 콘크리트 공급관(212) 및 혼합 콘크리트 공급관(213)에 설치될 수 있다.

상기 S200 단계의 콘크리트 유동량 측정은, 급결제와 혼합되기 위해 유동하는 콘크리트의 경로 상에서 콘크리트가 압송되는 지점부터 콘크리트에 압축공기가 분사되는 지점까지의 구간을 유동하는 콘크리트의 시간당 유동량을 측정할 수 있다.

또한, 상기 S200 단계의 콘크리트 유동량 측정은 어느 특정 일지점을 통과하는 콘크리트의 유동량을 측정할 수도 있으며, 일정한 구간을 통과하는 콘크리트의 유동량을 측정할 수도 있다.

이어서, 숏크리트 분사장치(200)의 급결제 공급장치(100)는 상기 센서(133)에 의하여 측정된 콘크리트의 유동량에 연동하여 급결제를 유동관에 투입한다(S300).

이를 위하여, 숏크리트 분사장치(200)의 제어부(140)는 센서(133)에 의하여 측정된 콘크리트의 유동량에 기초하여 급결제의 필요량을 산출하고, 상기 산출된 급결제의 필요량에 대응하는 제어신호를 조정기(132)로 송신한다. 제어신호를 수신받은 조정기(132)는 모터(313)의 회전속도를 제어하며, 모터(131)의 회전속도에 의하여 급결제의 공급량이 조절될 수 있다. 압축공기펌프(120)에 의하여 급결제 공급관(103)에 투입되는 급결제의 양이 실시간으로 조절된다.

이에 따라, 콘크리트의 유동량이 증가한 것으로 감지되는 경우에는 상기 증가된 콘크리트의 유동량에 대응하여 유동관에 투입되는 급결제의 양을 증가시킬 수 있다. 또한, 콘크리트의 유동량이 감소한 것으로 감지되는 경우에는 상기 감소된 콘크리트의 유동량에 대응하여 유동관에 투입되는 급결제의 양을 감소시킬 수 있다. 또한, 콘크리트의 유동량이 없는 것으로 감지되는 경우에는 유동관에 투입되는 급결제의 투입을 중단시킬 수 있다.

본 발명에 적용되는 급결제 공급장치(100)에서 투입되는 결합제는 시멘트 광물계 급결제를 이용하는 것을 기술적 특징으로 하고 있다. 상기 시멘트 광물계 급결제는 칼슘알루미네이트를 주성분으로 함유하고 있다.

이러한, 시멘트 광물계 급결제는 시멘트광물이 주성분이므로 자극성이 적어서 인체에 해가 적고 응결촉진효과가 우수하여 리바운드 양이 적을 뿐만 아니라 장기강도가 높아서 터널의 내구성을 높이는 효과가 있다. 또한, 시멘트 광물계 급결제는 분말이므로 사용량을 늘리면 콘크리트의 물의 비율이 오히려 낮아지는 효과가 있다. 따라서, 부착력이 우수하여 용수부위에도 시공성이 우수할 뿐만 아니라 콘크리트의 슬럼프에 둔감하기 때문에 현장의 품질관리가 용이해지는 등 많은 장점을 가지고 있다.

또한, 본 발명에 적용되는 시멘트 광물계 급결제는 급결제 조성물 전체에 대해 알칼리금속탄산염 0.1 내지 10 중량%, 칼슘페로알루미네이트 분말 5 내지 20 중량%와 칼슘알루미네이트분말 50 내지 80 중량%, 수산화칼슘 5 내지 20 중량%와 알칼리금속알루민산염 5 내지 20 중량%로 조성한다.

상기 조성물에서 사용하는 알칼리금속탄산염은 조기 강도를 향상시킬 목적으로 사용하는 것으로 슬래그 숏크리트 타설시 조기 강도 저하를 방지하기 위해 첨가되었다. 알칼리금속탄산염으로는 예를 들면 탄산나트륨, 탄산칼륨, 중탄산나트륨 등을 들 수 있으며, 이중 1종 또는 2종 이상의 사용이 가능하다.

알말리금속탄산염의 사용량은 급결제 조성물 전체에 대하여 0.1 내지 10 중량%가 적당하며, 더욱 바람직하게는 0.1 내지 5 중량%의 범위가 될 수 있다. 0.1 중량% 이하에서는 효과가 미미하고, 10 중량%를 넘게 사용하면 콘크리트의 슬럼프 유지성이 떨어져 시공성이 나빠지게 된다.

도 9는 본 발명에 적용될 수 있는 시멘트 광물계 급결제의 조성비율에 관한 시험결과를 나타낸다. 상기 도 9의 실험에서 급결제 이외의 재료 배합은 상기 도 2의 실시 No. 1A-4에서와 같은 배합을 조성하여 시험하였으며, 품질기준은 초결시간 5분 및 종결시간 15분을 기준으로 한다.

도 9를 참조하면, 슬래그 숏크리트 타설을 위해 개선된 급결제에 의한 급결성이 매우 우수하고, 양호한 강도 발현성을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 알칼리금속탄산염 함량이 증가될수록 초결 및 종결시간이 빨라지고 1일 강도가 증가하나, 장기 28일 강도는 작아지는 경향을 보임을 알 수 있다.

또한, 상기 알칼리금속알루민산염도 초기 응결을 촉진시키기 위한 것으로 예를들면, 알루민산리튬, 알루민산나트륨, 알루민산칼륨 등을 들 수 있으며, 이들 중 1종 또는 2종 이상이 사용가능하다.

알칼리금속알루민산염의 사용량은 급결제 조성물 전체에 대하여 5 내지 20 중량%일 때가 적당하며, 5 중량% 이하에서는 효과가 미미하고, 20 중량%를 넘으면 장기강도 발현성이 저해되기가 쉽다.

본 발명은 이렇게 시멘트 광물계 급결제를 사용하기 때문에 시멘트의 일부를 고로슬래그미분말로 치환함에 의하여 발생될 수 있는 조기 강도의 문제를 해소시킬 수 있다. 이러한 본 발명에 의한 강도 시험결과는 상술한 도면에 도시되어 있다.

상기 도면에 따르면, 본 발명은 고로슬래그미분말을 배합하여 콘크리트를 제조하였음에도 불구하고 조기 압축강도와 장기 압축강도가 각각 10MPa, 21MPa 이상이 나와 기준을 충족할 수 있으며, 휨강도 또한 기준을 충족하는 것을 알 수 있었다.

또한, 숏크리트 배합에 고강도 혼화재 등을 투입하여 고강도를 발현시키는 종래의 숏크리트 공법과 대비하였을 때, 본 발명은 혼화재의 추가투입 없이도 고강도를 발현시킬 수 있으므로, 종래 기술과 대비하여 경제적인 공법이라고 볼 수 있다.

이어서, 상기 단계에 의하여 제조된 숏크리트 조성물을 실제 시공현장에 타설하여 소정의 구조물을 형성할 수 있다(S400).

<본 발명의 숏크리트 공법의 실시례 >

이하에서는, 본 발명이 제안하고자 하는 숏크리트 공법의 일 실시례로서 숏크리트 분사장치를 이용하여 상술한 숏크리트 조성물을 타설하는 방법을 도 7a 및 도 7b를 참조하여 구체적으로 설명한다.

도 7a 및 도 7b는 본 발명에 적용될 수 있는 숏크리트 분사장치와 급결제 공급장치의 일례를 나타내는 구성도이다.

본 발명에 적용 가능한 숏크리트 분사장치(200)는, 레미콘에서 배출된 초기 콘크리트가 압송펌프(210)에 의해 공급되어 노즐(220)을 통해 외부로 분사되도록 이루어진 콘크리트 공급부, 압송펌프(210)에서 노즐(220)까지의 콘크리트 유동 경로 상에서 유동하는 콘크리트가 압축공기에 의해 분산되도록 설치된 압축공기 공급부, 콘크리트 유동 경로 상에서 압축공기가 공급되는 지점부터 노즐(220)까지의 사이에 급결제를 공급하도록 급결제 공급장치(100)가 설치된 급결제 공급부가 포함되어 이루어진다.

콘크리트 공급부의 압송펌프(210)에서 노즐(220)까지의 사이에는, 압송펌프(210)에 의해 초기 콘크리트가 압송되는 지점에서 압축공기펌프(230)에서 발생한 압축공기가 공급되는 지점까지의 초기 콘크리트 공급관(211), 압축공기가 공급된 지점에서 급결제가 공급되는 지점까지의 분산 콘크리트 공급관(212), 급결제가 공급된 지점에서 노즐(220)까지의 혼합 콘크리트 공급관(213)이 포함되어 이루어진다.

센서(133)는 초기 콘크리트의 시간당 유동량을 측정하기 위해 초기 콘크리트 공급관(211)에 설치될 수 있다. 여기서, 센서(133)는 초기 콘크리트 공급관(211) 이외에도 분산 콘크리트 공급관(212) 및 혼합 콘크리트 공급관(213)에 설치되어 콘크리트의 시간당 유동량을 측정할 수도 있다.

또한, 급결제 공급 장치(100)는, 콘크리트의 유동량을 측정하는 센서(133), 센서(133)에서 획득한 콘크리트 유동량 데이터를 수신하고, 이 데이터를 기초로 하여 대응되는 급결제 공급량 및 급결제 공급속도를 산출하여 제어신호를 송신하는 제어부(140), 제어부(140)의 제어신호를 수신하는 조정기(132)인 인버터, 상기 인버터의 신호에 따라 회전속도가 가변되는 모터(120)인 서보 모터, 상기 서보 모터와 연동 설치된 감속기(130)에 연동설치된 로터리 피더(102), 상기 로터리 피더(102)에 급결제를 낙하시키기 위해 탱크(110)의 출구에 설치된 바이브레이터(101), 상기 로터리 피더(102)에 압축 공기를 공급하여 급결제 공급관(103)으로 급결제를 이송시키도록 설치된 공기압축펌프(120)가 포함되어 이루어진다.

모터(120)는 서보 모터 이외의 일반 모터를 이용하여도 무관하다. 다만, 급결제의 공급량을 미세하게 조정하기 위해서는 서보 모터가 이용됨이 바람직하다.

한편, 본 발명에 따른 숏크리트 분사장치(200)의 작동에 대해 간략히 설명하자면, 레미콘에서 배출된 초기 콘크리트가 압송펌프(210)에 의해 압송되고, 압송되는 초기 콘크리트에 압축공기펌프(230)에서 발생된 압축공기가 공급되면 초기 콘크리트는 분산된다. 이 분산되어 유동되는 콘크리트에 급결제 공급장치(100)에서 공급된 급결제가 투입되어 혼합된 다음, 노즐(220)을 통해 급결제가 혼합된 콘크리트 즉, 숏크리트가 외부로 분사된다.

여기서, 숏크리트 분사장치(200)는 콘크리트가 급결제와 혼합되어 노즐(220)을 통해 분사되는 실시례를 기초로하여 기재되었다.

콘크리트가 노즐(220)을 통해 외부로 분사되는 동안 급결제가 투입되어 혼합되는 다른 실시례에서도 센서(133)는 초기 콘크리트 공급관(211)은 물론 분산 콘크리트 공급관(212) 및 혼합 콘크리트 공급관(213)에 설치될 수도 있다.

한편, 도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같이, 본 발명에 적용되는 급결제 공급장치(100)는, 급결제가 수용된 탱크(110), 상기 탱크(110)의 하부 배출구에 설치된 바이브레이터(101), 상기 바이브레이터(101)에 의해 낙하하는 분말형 급결제를 일정량만큼 나누어서 이송하는 로터리 피더(102), 상기 로터리 피더(102)에 의해 나누어진 1회 공급량을 급결제 공급관(103) 측으로 이송하도록 압축 공기를 토출하는 공기압축펌프(120), 상기 로터리 피더(102)를 회전시키도록 장착된 감속기(130), 상기 감속기(130)와 연동되도록 설치된 모터(131), 상기 모터(131)의 동작 및 작동 범위를 조정하도록 설치된 조정기(132), 상기 조정기(132)를 제어하기 위한 데이터인 콘크리트 유동량을 측정하는 센서(133), 상기 센서(133)에서 측정한 콘크리트 유동량 측정 데이터를 수신하여 분석 및 판단하고 결과 데이터를 산출한 다음 조정기(132)에 제어 신호를 송신하는 제어부(140)가 포함되어 이루어진다.

단, 도 7a 및 도 7b에 도시된 구성요소들이 필수적인 것은 아니어서, 그보다 많은 구성요소들을 갖거나 그보다 적은 구성요소들을 갖는 급결제 공급장치(100)가 적용될 수도 있다.

센서(133)는 레미콘에서 배출된 초기 콘크리트가 압송펌프(210)에 의해 압송되면서 압축공기에 의해 분산되고 급결제가 투입된 후 노즐(220)을 통해 분산되는 경로 즉, 압송펌프(210)에 의해 압송이 시작되는 지점에서 노즐(220)까지의 콘크리트 유동 경로 상에 설치되어 콘크리트의 시간당 유동량을 실시간으로 측정하게 된다.

센서(133)에 의한 콘크리트 유동량 측정은 하나의 센서(133)로 일지점을 통과하는 콘크리트의 시간당 유동량을 측정할 수 있다. 또한, 다수의 센서(133)로 일정 구간 또는 다수의 구간을 정하고 이 구간을 유동하여 통과하는 콘크리트 시간당 유동량을 측정할 수도 있으며, 기타 다른 다양한 조건으로 측정할 수도 있음은 물론이다.

또한, 센서(133)는 콘크리트 유동 경로의 어느 곳에 설치하여도 무방하고, 특히 콘크리트 유동 경로 중에서 압송펌프(210)에 의해 압송되는 지점에서 압축공기에 의해 분산되는 지점 사이에 설치되는 것이 바람직하다.

센서(133)가 압송되어 분산되는 지점 사이에 설치되는 것은 콘크리트가 압축공기에 의해 분산된 이후 측정될 경우 발생할 수 있는 콘크리트의 밀도 변화에 따른 센서(133)의 오작동을 회피하기 위함이다.

물론, 압송펌프(210)에 의해 공급되는 콘크리트의 시간당 유동량은 압축공기에 의해 분산되어 유동되는 콘크리트의 시간당 유동량과 동일하기 때문에 센서(133)가 콘크리트 유동 경로 중 어느 곳에 설치되어도 무방하다.

또한, 이와 같은 콘크리트가 노즐(220)까지 이동하는 동안 급결제가 투입되는 경우 이외에, 노즐(220)을 통해 분사되는 콘크리트에 급결제가 투입되는 경우에도 센서(133)의 설치 위치에 동일하게 적용된다.

한편, 제어부(140)는 센서(133)에서 측정한 콘크리트의 실시간 유동량 측정 데이터를 수신하는 수신부(141), 상기 수신부(141)에서 입력된 유동량 데이터를 분석 및 누적된 유동량 데이터와 비교 및 판단 등을 통해 급결제 공급량 및 급결제 공급속도 등을 산출하고, 이 산출된 결과를 토대로 제어신호를 출력하는 판단부(142), 유동량 데이터와 산출된 결과 및 제어신호를 작업자가 육안으로 식별할 수 있도록 표시되는 표시부(143), 판단부(142)의 제어신호를 조정기(132)로 전송하는 송신부(144)가 포함되어 이루어지고, 송ㆍ수신부(141,144)와 센서(133) 및 조정기(132) 간의 송ㆍ수신은 유선 또는 무선 통신기에 의해 실시간으로 이루어진다.

여기서, 무선 통신기를 이용한 송ㆍ수신은 제어부(140)가 작업장뿐만 아니라 작업장에서 다소 먼 거리에서의 제어실이 있는 경우에도 작업 지시가 가능 하다는 것이다.

제어부(140)에서는 신규 및 누적 유동량 데이터를 비교하여 콘크리트 유동량의 증가 및 감소량, 미리 설정된 콘크리트와 급결제의 혼합비 적용 범위, 콘크리트 유동량 대비 급결제의 공급량 및 공급량 공급속도, 급결제의 공급량 조절을 위한 모터(131)의 회전속도 등과 같이 콘크리트 유동량에 대해 급결제의 공급량을 제어하기 위한 다양한 결과를 산출하게 된다. 이러한 산출 결과를 토대로 조정기(132)를 제어하기 위한 제어신호를 출력하여 조정기(132)로 송신하게 된다.

제어부(140)에서 송신된 제어신호를 수신하는 조정기(132)는 모터(131)의 동작 및 작동범위를 조정하게 된다.

여기서 일 실시례로, 조정기(132)는 인버터이고, 모터(131)는 서보 모터 또는 일반 모터이며, 인버터는 제어신호에 의해 전류 및 전압이 가변되고, 이 인버터의 실시간으로 가변되는 전력이 모터(131)의 회전속도를 실시간으로 조정하게 된다.

물론, 조정기(132)와 모터(131)는 실시간으로 송신되는 제어신호에 의해 빠르게 반응하여 급결제의 양을 조절하기에 적합한 기존의 제품이 이용되어도 좋다.

모터(131)의 회전속도가 실시간으로 변하면서 이 속도 변화가 감속기(130)에 전달되고, 이 감속기(130)는 다시 로터리 피더(102)에 전달하게 된다.

따라서 모터(131)의 회전속도 가변은 로터리 피더(102)의 회전속도 변화에 영향을 미치게 되고, 이로 인해 로터리 피더(102)에 의해 분할 이송된 다음 압축공기에 의해 공급되는 급결제의 공급량이 조절된다.

이때, 급결제의 공급량은 센서(133)에서 측정된 콘크리트의 시간당 유동량 대비 5 내지 12 중량부 범위 내에서 공급되는 것이 바람직하다.

여기서, 로터리 피더(102)는 하부 일측에 압축공기 공급관(121)이 설치되고, 타측에 급결제 공급관(103)이 설치되며, 압축공기 공급관(121)에서 유동하는 압축공기가 로터피 피더(102)를 통해 이송된 급결제를 급결제 공급관(103)으로 이송시키게 된다.

좀 더 자세히 설명하자면, 로터리 피더(102)는 기존의 급결제를 분배하기 위해서 사용되고 있는 제품으로, 치형(齒型)의 산과 산 사이에 1회 공급량의 급결제가 낙하하여 수용되면 이를 하부로 이송시켜 바닥에 축방향으로 형성된 홈에 수용시키도록 이루어진다. 여기서, 로터리 피더(102)의 홈의 일단부에 연결된 압축공기 공급관(121)의 압축공기가 홈의 타단부에 연결된 급결제 공급관(103)으로 급결제가 이송하도록 이루어진다. 또한, 로터리 피더(102)로 급결제가 낙하하는데 조력하기 위해 바이브레이터(101)가 탱크(110)의 하단 배출구 측에 설치된다.

한편, 본 발명에 적용될 수 있는 급결제 공급장치(100)의 작동을 간략히 설명하자면, 먼저 센서(133)에서 콘크리트의 시간당 유동량을 측정한 데이터가 제어부(140)에 수신되고, 이 제어부(140)에서 유동량 데이터를 기초로 급결제의 공급량 및 급결제 공급속도가 산출된다. 또한 제어부(140)에서 산출된 결과를 토대로 제어신호가 출력된다.

다음으로, 제어부(140)의 제어신호가 조정기(132)에 수신되고, 이 조정기(132)를 통해 모터(131) 및 감속기(130)에 순차적으로 연동 전달되어 회전속도가 조정된다. 조정된 회전속도에 의해 로터리 피더(102)의 회전속도 역시 조정되면서 급결제 1회 공급량의 공급 속도 역시 조정된다. 조정된 급결제 1회 공급량은 압축공기 공급관(121)을 유동하는 압축공기에 의해 급결제 공급관(103)으로 이송된다.

상술한 숏크리트 분사장치(200)를 이용하는 경우, 종래의 장비를 이용하여 타설하는 것에 비하여 리바운드율이 추가적으로 감소되는 것을 확인할 수 있었다. 구체적으로, 숏크리트 분사장치(200)를 이용하여 타설을 하는 경우 4.5 내지 7.5%의 리바운드율이 나타난다는 이점이 있다. 아래의 표 3은 2㎥를 터널의 측벽부와 천정부에 타설하는 경우의 리바운드율을 시험한 결과를 나타낸다.

실시 No	리바운드율(%)
	No.1	No.2
1A-4	4.21	4.83
1A-5	4.99	5.10

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 숏크리트 공법에 의하면 시멘트의 일부를 고로슬래그미분말로 치환함으로써 경제성을 확보할 수 있음과 동시에 친환경적인 시공이 가능하다. 또한, 본 발명에 의하면 시멘트 광물계 급결제를 사용함으로써 강도를 개선시키고 리바운드를 저감시킬 수 있으며, 콘크리트의 유동량에 따라 급결제가 투입되도록 제어함으로써 콘크리트와 급결제의 혼합비가 최적의 범위 내에서 항상 유지될 수 있고 숏크리트의 성능 및 타설 효과가 향상되면서 리바운드 양이 최소화될 수 있다.

한편, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시례들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시례들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시례들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims (23)

1. 물, 시멘트, 잔골재 및 굵은 골재가 배합된 배합물을 이용하여 제조되는 숏크리트 조성물에 있어서,
   고로슬래그미분말; 및
   상기 배합물의 응결을 촉진하기 위하여 상기 배합물에 투입되는 급결제;를 더 포함하되,
   상기 시멘트 중 일부인 제 1 시멘트는 상기 고로슬래그미분말로 치환되고, 상기 제 1 시멘트는 상기 시멘트 100 중량부에 대하여 30 내지 40 중량부의 범위이며,
   상기 급결제는, 알칼리금속탄산염, 칼슘페로알루미네이트 분말, 칼슘알루미네이트분말, 수산화칼슘 및 알칼리금속알루민산염이 기 설정된 범위의 비율로 조성된 시멘트 광물계 급결제를 이용하고,
   상기 잔골재는, 상기 시멘트 100 중량부에 대하여 175.4 내지 211 중량부의 범위이고,
   상기 굵은 골재는, 상기 시멘트 100 중량부에 대하여 120 내지 182.1 중량부의 범위이고,
   상기 물은, 상기 시멘트 100 중량부에 대하여 35.8 내지 45.4 중량부의 범위이고,
   상기 시멘트는 444 내지 518 ㎏/㎥의 범위이며,
   상기 시멘트 광물계 급결제는, 상기 급결제 전체에 대하여 상기 알칼리금속탄산염 0.1 내지 10 중량%, 상기 칼슘페로알루미네이트 분말 5 내지 20 중량%, 상기 칼슘알루미네이트분말 50 내지 80 중량%, 상기 수산화칼슘 5 내지 20 중량% 및 상기 알칼리금속알루민산염 5 내지 20 중량%로 조성되고,
   상기 시멘트 광물계 급결제는, 상기 시멘트 100 중량부에 대하여 5 내지 9 중량부의 범위이며,
   상기 잔골재 및 상기 굵은 골재는, 상기 숏크리트 조성물이 타설되는 시공현장에서 이용되는 것을 배합하는 것을 특징으로 하는, 슬래그의 치환 배합을 이용한 숏크리트 조성물.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,
   상기 굵은 골재의 최대 크기는 10㎜ 내지 13㎜ 사이의 값인 것을 특징으로 하는, 슬래그의 치환 배합을 이용한 숏크리트 조성물.
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 제 1항에 있어서,
   상기 급결제는 급결제 공급장치에 의하여 상기 배합물에 투입되고,
   상기 급결제 공급장치는,
   상기 배합물의 유동량을 측정하기 위한 센서; 및
   상기 센서에 의하여 측정된 배합물의 유동량에 연동하여 상기 투입되는 급결제의 양을 조절하는 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 슬래그의 치환 배합을 이용한 숏크리트 조성물.
9. 제 8항에 있어서,
   상기 센서에 의하여 측정된 배합물의 유동량이 증가하는 경우, 상기 제어부는 상기 증가된 유동량에 대응하여 상기 투입되는 급결제의 양을 증가시키고,
   상기 센서에 의하여 측정된 배합물의 유동량이 감소하는 경우, 상기 제어부는 상기 감소된 유동량에 대응하여 상기 투입되는 급결제의 양을 감소시키며,
   상기 센서에 의하여 측정된 배합물의 유동량이 없는 경우, 상기 제어부는 상기 급결제의 투입을 중단시키는 것을 특징으로 하는, 슬래그의 치환 배합을 이용한 숏크리트 조성물.
10. 삭제
11. 제 1항에 있어서,
    상기 배합물에는 상기 시멘트 100 중량부에 대하여 0.5 내지 3 중량부의 고성능감수제의 혼합제가 포함되는 것을 특징으로 하는, 슬래그의 치환 배합을 이용한 숏크리트 조성물.
12. 제 11항에 있어서,
    상기 고성능감수제는,
    나프탈렌설폰산염, 멜리민설폰산염의 포르말린 축합물 및 폴리카르본산계 고분자 화합물 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 숏크리트 조성물.
13. 삭제
14. 제 1항에 있어서,
    강섬유;를 더 포함하고,
    상기 강섬유는 상기 시멘트 100 중량부에 대하여 5 내지 10 중량부의 범위인 것을 특징으로 하는, 슬래그의 치환 배합을 이용한 숏크리트 조성물.
15. 제 1항에 있어서,
    상기 알칼리금속탄산염은,
    탄산나트륨, 탄산칼륨 및 중탄산나트륨 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는, 슬래그의 치환 배합을 이용한 숏크리트 조성물.
16. 제 1항에 있어서,
    상기 알칼리금속알루민산염은,
    알루민산리튬, 알루민산나트륨 및 알루민산칼륨 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는, 슬래그의 치환 배합을 이용한 숏크리트 조성물.
17. 물, 시멘트, 잔골재 및 굵은 골재가 배합된 배합물이 타설을 위하여 유동되는 유동관; 상기 배합물의 응결을 촉진하기 위한 급결제가 수용된 탱크; 및 상기 유동관에 상기 탱크로부터 배출된 상기 급결제를 공급하는 급결제 공급장치;를 포함하는 숏크리트 분사장치를 이용하여 숏크리트 조성물을 타설하는 숏크리트 공법에 있어서,
    상기 물, 상기 시멘트, 상기 잔골재 및 상기 굵은 골재를 배합하여 상기 배합물을 제조하는 제 1 단계;
    상기 급결제 공급장치가 상기 유동관에 상기 급결제를 공급하여 상기 배합물에 상기 급결제를 투입하는 제 2 단계;
    상기 급결제가 투입된 배합물을 이용하여 상기 숏크리트 조성물을 제조하는 제 3 단계; 및
    상기 제조된 숏크리트 조성물을 시공현장에 타설하는 제 4 단계;를 포함하되,
    상기 제 1 단계에서 배합되는 상기 시멘트 중 일부인 제 1 시멘트는 고로슬래그미분말로 치환되고, 상기 제 1 시멘트는 상기 시멘트 100 중량부에 대하여 30 내지 40 중량부의 범위이며,
    상기 제 2 단계에서 투입되는 상기 급결제는,
    알칼리금속탄산염, 칼슘페로알루미네이트 분말, 칼슘알루미네이트분말, 수산화칼슘 및 알칼리금속알루민산염이 기 설정된 범위의 비율로 조성된 시멘트 광물계 급결제를 이용하고,
    상기 잔골재는, 상기 시멘트 100 중량부에 대하여 175.4 내지 211 중량부의 범위이고,
    상기 굵은 골재는, 상기 시멘트 100 중량부에 대하여 120 내지 182.1 중량부의 범위이고,
    상기 물은, 상기 시멘트 100 중량부에 대하여 35.8 내지 45.4 중량부의 범위이고,
    상기 시멘트는 444 내지 518 ㎏/㎥의 범위이며,
    상기 시멘트 광물계 급결제는, 상기 급결제 전체에 대하여 상기 알칼리금속탄산염 0.1 내지 10 중량%, 상기 칼슘페로알루미네이트 분말 5 내지 20 중량%, 상기 칼슘알루미네이트분말 50 내지 80 중량%, 상기 수산화칼슘 5 내지 20 중량% 및 상기 알칼리금속알루민산염 5 내지 20 중량%로 조성되고,
    상기 시멘트 광물계 급결제는, 상기 시멘트 100 중량부에 대하여 5 내지 9 중량부의 범위이며,
    상기 제 1 단계에서 배합되는 상기 잔골재 및 상기 굵은 골재는, 상기 숏크리트 조성물이 타설되는 시공현장에서 이용되는 것을 배합하는 것을 특징으로 하는, 슬래그의 치환 배합을 이용한 숏크리트 공법.
18. 삭제
19. 삭제
20. 제 17항에 있어서,
    상기 급결제 공급장치는, 상기 유동관에 설치된 센서; 및 제어부;를 더 포함하며,
    상기 제 2 단계는,
    상기 센서가 상기 배합물의 유동량을 측정하는 제 2-1 단계;
    상기 제어부가 상기 측정된 배합물의 유동량에 연동하여 상기 배합물에 투입될 상기 급결제의 양을 산출하는 제 2-2 단계; 및
    상기 제어부가 상기 산출된 양에 따라 상기 급결제를 상기 유동관에 공급되도록 제어하는 제 2-3 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 슬래그의 치환 배합을 이용한 숏크리트 공법.
21. 제 20항에 있어서,
    상기 급결제 공급장치는, 상기 급결제가 배출되는 상기 탱크의 배출구와 상기 급결제가 상기 유동관에 공급되도록 설치된 급결제 공급관을 연결하도록 설치된 로터리 피더; 및 압축공기펌프;를 더 포함하고,
    상기 제 2-3 단계는,
    상기 산출된 양의 급결제를 상기 탱크에서 배출하여 상기 로터리 피더에 이송하는 단계;
    상기 압축공기펌프를 이용하여 상기 로터리 피더에 압축공기를 공급하는 단계; 및
    상기 압축공기의 공급으로 상기 로터리 피더에 이송된 급결제를 상기 유동관으로 공급하여 상기 급결제를 상기 배합물에 투입하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 슬래그의 치환 배합을 이용한 숏크리트 공법.
22. 제 21항에 있어서,
    상기 급결제 공급장치는,
    상기 제어부로부터 제어신호를 수신하는 조정기; 및
    회전속도가 변동 가능한 모터;를 더 포함하되,
    상기 제어신호는 상기 제어부에 의하여 산출된 상기 배합물에 투입될 상기 급결제의 양에 기초하여 발생되고,
    상기 조정기는 상기 제어신호에 따라 상기 모터의 회전속도를 변동시키고, 상기 모터의 회전속도에 대응하여 상기 로터리 피더로 이송되는 상기 급결제의 양이 조절되는 것을 특징으로 하는, 슬래그의 치환 배합을 이용한 숏크리트 공법.
23. 제 17항에 있어서,
    상기 숏크리트 분산장치는, 상기 유동하는 배합물의 분산을 위하여 상기 유동관에 압축공기를 공급하는 압축공기펌프;를 더 포함하고,
    상기 제 2 단계에서 상기 급결제가 상기 유동관에 공급되는 위치는,
    상기 압축공기가 공급되는 지점과 상기 숏크리트 조성물이 타설을 위하여 외부로 분사되는 노즐 사이인 것을 특징으로 하는, 슬래그의 치환 배합을 이용한 숏크리트 공법.

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