1. 서    론

지하구조물의 대형화, 특수화 및 굴착심도의 증가로 인하여 흙막이 공사에 도입되는 지하연속벽(Slurry wall) 공법에는 콘크리트의 고강도화 및 고유동화가 필수적인 요구 성능이기 때문에, 고성능 자기충전 콘크리트가 많이 사용된다. 일반적으로 자기충전 콘크리트는 분체계, 증점제계 및 병용계 등으로 나눌 수 있다.¹⁾ 분체계는 시멘트 및 플라이애쉬, 고로슬래그 미분말 등과 같은 다량의 결합재를 사용하여 분리저항성을 부여하기 때문에, 과도한 강도발현과 높은 수화열 및 건조수축 등의 문제가 발생하기도 한다. 또한 증점제계는 증점제를 사용하여 요구되는 분리저항성을 확보해야하기 때문에, 비교적 저강도 영역의 자기충전 콘크리트에 유용한 것으로 알려져 있다.²⁾

병용계의 경우에는 분체계의 고강도 발현과 수화열 및 건조수축 등의 문제를 해소하고, 안정적인 분리저항성의 유지 및 품질관리의 균일성을 확보하기 위하여 사용하는 경우가 많기 때문에, 결합재의 종류에 따른 적합성과 유동성, 강도발현, 현장에서의 시공성 및 경제성 분석 등에 대한 연구가 필요한 실정이다.²⁾

특히 지하식 LNG 저장탱크와 같은 대형구조물의 흙막이 공사에 적용되는 지하연속벽은 굴착심도가 매우 깊을 뿐만 아니라, 트레미 배관(Tremie pipe)을 사용하여 자유낙하로 콘크리트를 타설하는 시공조건과 벤토나이트 안정액과 접하는 부분의 콘크리트 품질변동에 대한 우려가 높기 때문에, 자기충전 콘크리트의 분리저항성 확보 및 유지를 위한 품질관리가 매우 중요하다.³⁾

따라서 본 연구에서는 슬래그 시멘트 및 벨라이트 시멘트, 석회석 미분말 등과 같은 결합재에 따른 고성능 자기충전 콘크리트의 최적 배합조건을 도출하고, 현장에서의 제조, 운반, 타설에 따른 유동성, 충전성 및 재령별 강도발현 특성, 그리고 현장 최적 배합조건에 따른 재료비 및 현장적용에 따른 시공자료 등을 평가하여, 결합재 종류에 따른 자기충전 콘크리트의 시공성 및 경제성 등의 특성을 비교·분석하고자 한다.

2. 실험개요 및 배합조건

2.1 실험개요 및 요구성능

2.1.1 실험개요

본 연구에서는 결합재에 따른 고성능 자기충전 콘크리트의 선행연구에서 도출된 기본배합을 기초로, 슬래그계(슬래그 시멘트＋석회석 미분말) 및 벨라이트계(벨라이트 시멘트＋석회석 미분말)의 잔골재 용적비(S_r), 굵은골재 용적비(G_v) 및 물-시멘트비(W/C)에 따른 유동성과 강도발현으로 실내의 배합조건을 선정하였다.^4,5)

이러한 배합조건을 대상으로 현장 배치 플랜트에서 자기충전 콘크리트의 물-시멘트비에 대한 유동성, 배합시간의 선정 및 연속성 시험, 제조 성능에 따른 특성 시험 등을 실시하여 현장의 최적 배합조건을 선정하였으며, 현장에서의 시공성 및 경제성 등을 분석하고자 하였다. 이에 따른 본 연구의 단계적 실험개요는 Fig. 1과 같다.

2.1.2 요구성능 및 평가방법

본 연구의 고성능 자기충전 콘크리트에 대한 요구성능 및 평가방법은 Table 1과 같다.

여기서 설계기준강도는 재령 91일이며, 콘크리트의 변동계수(V)를 10%로 가정한 할증계수(α)와 수중저감계수를 각각 1.2 및 0.95로 하여 배합강도를 산정하였다.³⁾

또한 자기충전 콘크리트의 시험항목은 KSCE 2003-02(슬럼프 플로우 시험)에 따른 슬럼프 플로우 및 500mm 플로우 도달시간, KSCE 2003-03(깔때기를 사용한 유하시험 방법)에 규정된 V형-깔때기 유하시간, KSCE 2003-01(충전장치를 이용한 간극통과성 시험방법)에 규정된 U형-box 충전시험 등으로 선정하였다.^2,6)

2.2 사용재료 및 배합조건

2.2.1 사용재료

결합재에 따른 자기충전 콘크리트의 제조에 사용된 재료의 종류 및 품질실험 결과는 Table 2와 같다.

여기서 슬래그계는 고로슬래그 미분말의 함량이 평균 46.5%인 슬래그 시멘트이며, 잔골재는 강모래, 굵은골재는 20mm 쇄석을 사용하였다. 또한, 고성능 AE 감수제 및 증점제의 적합성을 고려하여 폴리 카본산계 및 폴리 싸카라이드계를 사용하였으며, 각각의 재료실험 결과는 요구성능을 만족하였다.

2.2.2 배합조건 및 배합방법

각각의 슬래그 시멘트 및 벨라이트 시멘트에 석회석 미분말을 사용한 자기충전 콘크리트의 현장재료에 따른 배합조건은 Table 3과 같다.

Fig. 2는 현장 실험실에서 자기충전 콘크리트의 배합방법을 나타낸 것이다. 용량 100L의 강제식 믹서(40rpm)를 사용하였으며, 전체 배합시간은 210초이지만 건비빔 단계(90초)를 제외하면 실제 배합시간은 120초이다.

2.2.3 배처 플랜트 시험배합 및 연속생산성 시험

Table 3에 제시한 배합조건으로 현장 최적배합 조건을 도출한 후, 이에 따른 배처 플랜트의 시험배합을 실시하여 콘크리트의 배합시간을 선정하였으며, 배처 플랜트의 연속생산성 시험을 통하여 자기충전 콘크리트의 유동성 및 시공성을 확인하였다. 또한, 최적 배합시간에 따른 시간당 생산량 및 시공계획을 사전에 분석하였다.

2.3 시공성 및 경제성 평가

결합재에 따른 자기충전 콘크리트의 생산성, 운반, 타설 및 시공성에 대한 실험결과를 분석하였으며, 최적 배합조건에 따른 재료비 및 설계물량에 대한 실타설량을 비교하여, 이에 따른 경제성 평가를 실시하였다.

3. 실험결과 및 분석

3.1 물-시멘트비에 따른 실험결과 분석

Table 3에 제시된 배합조건으로 현장 시험배합을 실시하였으며, 유동성, 충전성, 재료분리 저항성 및 재령별 강도발현 특성에 대한 실험결과는 다음과 같다.

3.1.1 물-시멘트비에 따른 유동성 실험결과 분석

Figs. 3 및 4는 슬래그계 및 벨라이트계 자기충전 콘크리트의 물-시멘트비에 따른 슬럼프 플로우 및 500mm 플로우 도달시간의 실험결과를 각각 나타낸 것이다.

실험결과, 물-시멘트비가 증가할수록 단위결합재량의 감소에 따른 잉여수의 증대로 슬럼프 플로우가 증가하는 것으로 나타났으나, 경시변화에 따른 슬럼프 플로우의 변화는 크지 않았다. 또한, 물-시멘트비가 증가할수록 500mm 플로우 도달시간은 감소하는 경향을 나타내었다.

특히 슬래그계에 비해 벨라이트계가 물-시멘트비 및 경시변화에 따른 슬럼프 플로우와 500mm 플로우 도달시간의 변동 폭이 적은 것으로 나타났는데, 이는 슬래그의 유리질(Glass) 평활한 입자형태 및 벨라이트계의 C₂S 함량 증대에 따른 실리케이트와 고성능 AE 감수제의 흡착거동과 분산작용의 영향, 그리고 석회석 미분말의 사용량과 분말도에 따른 미세공극의 충전효과 영향으로 사료된다.^2,7)

3.1.2 물-시멘트비에 따른 충전성 실험결과 분석

Figs. 5 및 6은 물-시멘트비에 따른 V형-깔때기 유하시간 및 U형-box 충전성 실험결과를 나타낸 것이다.

물-시멘트비가 증가할수록 V형-깔때기 유하시간은 감소하는 경향을 나타내었으며, U형-box 충전성 실험결과 슬래그계는 물-시멘트비 41.0%, 벨라이트계는 물-시멘트비 51.0%에서 변곡점을 나타내었다. 이는 결합재-페이스트의 점성차이 및 굵은골재의 맞물림 현상(Arching)으로 사료되지만, 대부분 U-box 충전성 관리기준(300mm 이상)을 만족하였다.^2,8)

3.1.3 물-시멘트비에 따른 압축강도 실험결과 분석

Fig. 7은 결합재 종류별 물-시멘트비에 따른 재령별 압축강도 실험결과를 나타낸 것이다.

일반적으로 물-시멘트비가 증가할수록 압축강도 발현이 감소하는 경향을 보이지만, 결합재에 따른 강도 감소비율이나 재령별 강도증진 효과는 다른 것으로 나타났다.

슬래그계의 경우에는 91일 강도를 기준으로 볼 때, 재령 7일에 60.5~61.8%, 재령 28일에 82.0~88.3%의 높은 초기강도 발현을 나타내었다.

또한 벨라이트계의 경우에는 재령 7일에 36.9~40.5%, 재령 28일에 67.1~69.5%의 비교적 낮은 초기강도 발현을 보였다. 이는 벨라이트(C₂S) 함량이 51.4%로 높은 시멘트의 특성과 석회석 미분말의 치환율(39.4~45.6%)의 영향으로 사료된다. 따라서 Table 1에 제시된 자기충전 콘크리트의 요구성능에 따른 유동성, 충전성 및 재령별 압축강도 실험결과를 고려할 때, Table 4와 같이 슬래그계는 물-시멘트비 41.0%, 벨라이트계는 물-시멘트비 51.0%를 최적 배합조건으로 선정하였다.

3.2 현장 최적배합에 대한 실험결과 분석

Table 4의 현장 최적배합에 대한 응결시간 및 블리딩 시험, 자기충전 콘크리트의 침하량 시험, 배처 플랜트의 배합시간 선정시험 및 연속 생산성 시험을 실시하였으며, 이에 따른 실험결과는 다음과 같다.

3.2.1 응결시간 및 블리딩 실험결과 분석

Table 5는 결합재에 따른 자기충전 콘크리트의 응결시간 실험결과를 나타낸 것이다.

일반 콘크리트와 비교해 볼 때, 자기충전 콘크리트의 응결시간은 매우 지연되는 것으로 나타났다. 특히, 벨라이트계가 슬래그계보다 지연되었는데, 이는 시멘트의 수화속도와 석회석 미분말의 사용량 등의 영향으로 사료된다.^2,8)

Fig. 8은 결합재에 따른 자기충전 콘크리트의 블리딩 실험결과를 나타낸 것이다.

실험결과, 벨라이트계는 블리딩량 0.15cm³/cm² 및 블리딩 종료시간 8.5시간이며, 슬래그계는 블리딩량 0.19cm³/cm² 및 블리딩 종료시간 7.5시간으로 나타났다. 슬래그계가 블리딩량이 크게 나타난 것은 유리질 입자형태 외에도 분말도가 큰 석회석 미분말의 사용량이 벨라이트계에 비해 매우 적었기 때문에, 미세공극의 충전효과와 시멘트의 흡착효과 감소 등의 영향으로 사료된다.^2,8)

3.2.2 침하량 및 단열온도 상승량 실험결과 분석

Figs. 9 및 10은 자기충전 콘크리트의 침하량 및 단열온도 상승량의 실험결과를 나타낸 것이다.

실험결과, Φ150×1,210mm 원형 시험체를 대상으로 벨라이트계는 침하깊이 0.67mm, 침하종료 9.0시간, 슬래그계는 침하깊이 0.81mm, 침하종료 8.5시간을 나타내어 슬래그계가 벨라이트계보다 높은 것으로 나타났다.

또한 단열온도 상승량은 벨라이트계(30.8°C)가 슬래그계(49.9°C)보다 낮게 나타났으며, 단열온도 상승속도는 슬래그계(0.62)가 벨라이트계(0.42)보다 큰 것으로 나타났다. 이는 벨라이트계가 수화열이 낮은 C₂S의 함량 및 석회석 미분말의 사용량이 크기 때문으로 사료된다.^9,10)

3.2.3 배처 플랜트의 배합시간에 따른 유동성 분석

배처 플랜트에서 자기충전 콘크리트의 배합시간은 콘크리트의 성능뿐만 아니라 시간당 생산량 및 현장 타설속도와도 상관성이 높다. 따라서 조정실 게이지의 믹서 암페어와 배합시간의 관계를 실험으로 분석하였으며, 이에 따른 자기충전 콘크리트의 유동성을 확인하였다.

Fig. 11은 3 m³/batch 배합할 때, 배처 플랜트의 배합시간과 믹서 암페어에 따른 결합재별 10회 측정한 평균값의 실험결과를 나타낸 것이며, Figs. 12 및 13에 믹서의 배합시간에 따른 슬럼프 플로우 및 500mm 플로우 도달시간을 측정한 실험결과를 나타낸 것이다.

Fig. 11에 보듯이 배합시간이 증가할수록 믹서 암페어가 감소하는 것으로 나타났는데, 이는 콘크리트의 품질이 균일해지기 때문으로 암페어 50 (A)범위에서 안정화되는 경향을 보였는데, 이때의 배합시간은 70초 범위에 있다.

또한, Figs. 12 및 13에 나타난 바와 같이 배합시간이 증가할수록 슬럼프 플로우는 증대하였으며, 500mm 플로우 도달시간은 감소하는 경향을 나타내었다. 이는 배합시간이 증가함에 따라 시멘트 입자의 분산성능이 개선되기 때문으로 사료된다.²⁾ 배합시간 60초 이하에서는 슬럼프 플로우의 관리기준(650±50mm)을 만족하지 못하였으며, 50초 이하에서는 500mm 플로우 도달시간의 관리기준(7±3초)을 만족하지 못하였다. 또한 이 범위에서 벨라이트계의 실험결과가 약간 우수한 것은 벨라이트 시멘트 및 대량의 석회석 미분말 사용으로 인한 고성능 AE 감수제의 흡착 및 분산성능이 개선되었기 때문으로 사료된다.^2,8) 이러한 실험결과를 고려하여 배처 플랜트의 최적 배합시간을 75초로 선정하였다.

3.2.4 배처 플랜트의 생산성 실험결과 분석

배처 플랜트에서 자기충전 콘크리트의 재료계량 및 투입, 배합시간, 배출시간 등을 고려한 콘크리트의 3 m³ 및 6 m³ 생산에 소요되는 시간과 생산량은 Fig. 14와 같다.

실험결과, 3 m³ 생산에 필요한 임계시간은 133초, 에지테이터 1대(6 m³)의 생산에 소요되는 시간은 약 3분 30초로 나타났다. 따라서 플랜트 믹서의 안전율을 고려하면, 배처 플랜트 1대당 자기충전 콘크리트의 생산량은 100~110 m³/hr 정도로 예상할 수 있다.

Table 6은 생산성 시험에서 결합재에 따른 자기충전 콘크리트의 유동성을 측정한 실험결과를 나타낸 것이다.

실험결과, 결합재에 따라 약간의 차이는 있으나 자기충전 콘크리트에 요구되는 성능을 대부분 만족하였으며, 표준편차도 매우 안정적인 것으로 나타났다.

3.3 현장 시공계획 및 타설결과 분석

3.3.1 현장 시공계획

지하식 LNG 저장탱크의 지하연속벽에 요구되는 자기충전 콘크리트의 설계물량 및 사양은 Table 7과 같다.

선행패널의 경우, 최대 타설량이 75 m³/hr이기 때문에 생산성 실험결과와 비교해 볼 때, 자기충전 콘크리트의 생산 및 시공계획에는 문제가 없는 것으로 사료된다.

3.3.2 시공결과 분석

Table 8은 자기충전 콘크리트의 현장시공에 따른 유동성을 측정한 실험결과를 나타낸 것이다. 여기서 P는 선행패널(Primary), S는 후행패널(Secondary)을 의미한다. 선행패널은 시험 Lot(10회/패널)에 따라 260회 측정결과의 평균값을 나타낸 것이며, 후행패널은 4회/패널에 따라 96회 실험결과의 평균값을 나타낸 것이다.

시공결과, 대부분 자기충전 콘크리트의 요구성능을 만족하였으며, 벨라이트계가 슬래그계보다 슬럼프 플로우는 약간 낮게, 500mm 도달시간은 약간 높게 나타났는데, 이는 콘크리트의 온도에 따른 증점제의 온도민감성 및 점성의 영향으로 사료된다.²⁾

3.3.3 압축강도 결과분석

Fig. 15는 결합재별 자기충전 콘크리트의 현장시공에 따른 재령별 압축강도의 측정결과를 나타낸 것이다.

시공결과, 슬래그계의 강도발현이 벨라이트계에 비해 높은 것으로 나타났는데, 이는 소성점도를 만족하기 위한 시멘트량의 증대에 기인한 것으로 사료된다. 벨라이트계는 낮은 시멘트량과 증점제량 및 석회석 미분말의 치환율 증대로 유동특성을 만족할 수 있기 때문에, 매우 경제적인 강도발현을 나타낸 것으로 사료된다.^10,11)

3.3.4 경제성 결과분석

결합재에 따른 자기충전 콘크리트의 경제성 분석은 최적 배합조건에 대한 재료적 측면 및 설계물량과 실타설량에 대한 시공적 측면으로 나누어 평가하였다.

먼저, 재료비 측면에서 Table 4에 제시된 최적 배합조건에 대한 콘크리트의 단위체적(m³)당 재료단가는 슬래그계가 86,087원/m³인 반면에 벨라이트계는 74,187원/m³으로 약 14.0% 저감되는 것으로 나타났는데, 이는 시멘트와 고성능 AE 감수제 및 증점제 사용량의 차이에 기인된 것으로 사료된다. 또한, 설계물량에 대한 실타설량의 평가결과는 Fig. 16과 같다.

슬래그계는 설계물량 69,661m³에서 실타설량은 75,708m³로 약 9.4%가 증가하였으나, 벨라이트계는 설계물량 66,586m³에서 실타설량 70,491m³로 6.1%가 증가하였다.

이는 시공관리 외에도 자기충전 콘크리트의 점성유지와 안정적인 품질관리에 의한 것으로 사료된다. 따라서 재료비 및 시공성 측면에서 볼 때, 벨라이트계가 슬래그계보다 경제성 측면에서 우수한 것으로 나타났다.

4. 결    론

결합재에 따른 자기충전 콘크리트의 시공성 및 경제성 분석에 관한 본 연구의 결론을 정리하면, 다음과 같다.

1)자기충전 콘크리트의 현장 시험배합에서 유동성, 충전성, 재료분리 저항성 및 재령별 강도발현을 만족하는 물-시멘트비는 슬래그계 41.0%, 벨라이트계 51.0%의 범위가 가장 적합한 것으로 나타났다.

2)응결시간 실험결과, 벨라이트계가 슬래그계보다 지연되었으며, 유리질 슬래그의 입자형태 및 석회석 미분말의 사용량의 차이로 슬래그계가 벨라이트계보다 블리딩량이 증가되었으나 종료시간은 감소되었다.

3)침하량 실험결과, 슬래그계가 벨라이트계보다 침하깊이는 증대하였으나, 종료시간은 짧은 경향을 보였다. 시멘트의 C₂S 함량 및 석회석 미분말의 사용량의 차이로 단열온도 상승량 및 상승속도는 슬래그계가 큰 것으로 나타났다.

4)배처 플랜트의 배합시간은 결합재에 관계없이 75초가 적합하였으며, 생산량은 100~110m³/hr로 동일하였고 생산성 실험결과도 대부분 요구성능을 만족하였다.

5)시공성 분석에서 유동성 및 충전성은 모두 만족하였으며, 재령별 압축강도는 슬래그계가 높게 나타났으나, 경제성 분석에서 벨라이트계가 재료비 약 14.0%, 설계물량-실타설량에서는 3.3% 절감되는 것으로 나타났다.