1. 서    론

최근 고강도 및 고내구성에 대한 인식이 높아지면서 고성능 숏크리트에 대한 연구가 일부 진행되기도 하였으나, 국외 선진국에 비하면 아직 초보단계에 그치고 있다. 즉 강도와 내구성 평가만 일부 이루어졌고, 시공성을 대변하는 펌핑성(pumpability)과 붙임성(shootability)에 대한 연구는 이루어지지 않고 있다. 콘크리트의 경우 슬럼프 시험을 통해서 워커빌리티 평가는 용이하나, 숏크리트의 경우에는 펌프 압송과 붙임두께 확보라는 두 가지 변수가 추가되기 때문에 작업성 평가에 한계가 있다. 습식 숏크리트는 콘크리트와 달리 펌프라인을 통해 숏크리트 재료가 이동하므로 펌핑성(pumpability)이 재료기준에 매우 중요한 의사결정 수단이 되며, 붙임성(shootability) 또한 펌핑성과 마찬가지로 숏크리트 기준 설정에 매우 중요한 특성이 된다. 숏크리트 재료 분야에서 펌핑성과 붙임성을 예측할 수 있고 손쉽게 평가할 수 있는 방법은 레올로지 특성을 평가하는 것이다(Beaupre 1994).

Tattersall(1991)와 Beaupre(1994)는 펌핑 전 숏크리트의 레올로지를 측정하여 소성점도(µ)와 항복응력(τ₀)을 평가한 후 실제 숏크리트의 펌핑을 통하여 펌핑이 가능한 레올로지 정수를 제시하였다. Beaupre(1994)의 연구에 따르면 소성점도가 감소할 시 항복응력이 작아져도 펌핑이 가능하다고 제시하였으며, 항복응력이 작을 시 붙임성이 향상된다고 언급했다.

현재 국내에서 사용되고 있는 숏크리트용 잔골재는 강모래, 육상골재 및 세척 바다모래 등 천연 상태의 골재가 사용되고 있다. 이러한 잔골재들은 한정된 자원으로 고갈의 문제가 있으며 생산지에 따른 토립분의 과다함량, 함수율 부정확, 조립률 및 입도불량 등 물리적 성질의 변화에 따라 골재 품질확보가 어려운 실정이다. 그러나, 숏크리트는 적당한 강도와 장기내구성을 가져야 하며, 경제적인 시공이 가능해야 하기 때문에, 숏크리트를 구성하는 재료 중 70 %이상을 차지하는 골재의 역할이 상당히 중요하다. 이러한 문제점을 해결하고자 균질한 입도를 생산하여 변동성을 최소화할 수 있는 부순모래와 천연모래를 사용하여 시공성을 대변하는 펌핑성에 대하여 고찰이 필요하다.

본 논문에서는 습식 숏크리트의 펌핑성을 개선하고자 부순모래의 경우 포졸란재료의 종류에 따라 적정혼입율을 선정하여 숏크리트의 기초특성과 레올로지 특성에 대하여 평가하였고 천연모래의 경우 실리카 흄의 유무 및 AE제, 유동화제에 변동을 주어 숏크리트의 기초특성과 레올로지 특성에 미치는 영향을 평가하였다. 또한 천연골재와 부순골재를 사용하였을 경우 숏크리트의 펌핑성에 미치는 영향을 레올로지와 연계하여 평가하였다.

2. 실험계획 및 방법

2.1 실험계획

습식 숏크리트의 레올로지를 평가하기 위하여 도로공사 표준시방서와 터널 숏크리트의 품질개선 지침에 규정되어 있는 숏크리트용 혼합골재의 권장입도 분포를 적용하였다.

부순 모래를 사용하여 숏크리트용 혼합골재의 입도분포 범위의 중간선을 잡아 굵은 골재 최대 치수 10 mm의 골재를 제작하여 적용하였으며 광물성 혼화재의 종류 및 혼입률이 습식 숏크리트의 레올로지에 미치는 영향과 역학적인 특성을 평가하고자 하였다.

습식 숏크리트의 펌핑성을 개선하고자 천연모래를 사용하여 습식 숏크리트에 실리카 흄의 유무 및 AE제, 유동화제의 유무에 변동을 주어 혼입하여 숏크리트의 기초특성과 레올로지 특성에 미치는 영향을 평가하였다. 또한 천연모래와 부순모래가 숏크리트의 펌핑성과의 상관성에 대하여 평가하고자 하였다.

2.2 실험재료

2.2.1 시멘트

시멘트는 KS L 5201에서 규정에 의거, 규격에 만족하는 국내 S사 생산의 1종 포틀랜드 시멘트(분말도 3,289 cm²/g, 밀도 3.15 g/cm³, 강열감량 0.61 %, 안정도 0.08 %)를 사용하였다.

2.2.2 골재

굵은골재는 굵은골재 최대치수(Gmax) 10 mm인 골재를 사용하였고 잔골재에서 부순모래는 각각의 체크기에 맞게 체가름을 수행하여 골재의 크기를 구분한 후 규정된 숏크리트용 혼합골재의 권장입도 분포의 중간선을 잡아 혼합하여 쇄석 골재를 제작하였다. 천연모래는 굵은골재와 잔골재를 65 %로 혼합하여 숏크리트용 혼합골재를 제작하였다. 숏크리트용 혼합골재의 밀도 및 조립률은 Table 1과 같다. 부순모래와 천연모래를 사용한 숏크리트용 혼합골재의 입도분포는 Figs. 1, 2와 같다.

2.2.3 유동화제

유동화제는 국내 S사에서 판매되는 폴리카르본산계의 유동화제(표준형)를 선정하여 사용하였다. 유동화제의 물성은 Table 2와 같다.

2.2.4 공기연행제

공기연행제는 국내 S사에서 판매되는 AE제를 선정하여 사용하였다. 공기연행제의 물성은 Table 3과 같다.

2.2.5 광물성 혼화재료

1) 플라이애시

본 실험에서는 KS L 5405에서 규정된 플라이애시를 사용하였고, Table 4는 실험에 사용된 플라이애시의 물리․화학적 특성을 나타낸 것이다.

2) 실리카 흄

실리카 흄은 시멘트 중량의 5~15 %정도 치환하면 콘크리트 내부 구조가 치밀하게 되어 고강도를 발현할 수 있으며 재료분리 저항성, 수밀성, 내화학약품성이 향상되고 알칼리 골재반응의 억제효과 또한 기대할 수 있다. Table 5는 본 실험에서 사용된 실리카 흄의 물리·화학적 특성을 나타낸 것이다.

3) 고로슬래그 미분말

고로슬래그 미분말의 치환율이 증가할수록 소정의 슬럼프를 얻기 위해 필요한 단위수량의 저감이 가능하며 유동성, 유지성능이 우수한 것으로 알려져 있다. 본 실험에서 사용한 고로슬래그 미분말의 물리․화학적 특성은 Table 6과 같다.

4) 메타카올린

메타카올린은 시멘트의 혼화재료로 약 10 % 전․후를 시멘트에 치환하여 사용함으로써 단기적으로 에트린가이트(ettringite)의 생성과 시멘트 주요 광물인 알라이트(alite)의 활성화로 인한 반응속도의 증가로 초기강도를 증가시키고, 중․장기적으로는 시멘트의 수산화칼슘과의 포졸란 반응으로 콘크리트 조직이 치밀화되어 강도 및 내구성을 향상시키며 특히 고강도용 콘크리트에 큰 효과를 발휘한다. 본 실험에서 사용된 메타카올린의 물리․화학적 특성은 Table 7과 같다.

2.3 배합설계

본 배합설계는 부순모래의 경우 단위결합재량 441 kg/m³, 물시멘트비(W/C) 43 %로 기본조건을 설정, 각 혼화재료의 혼입율에 따른 배합설계를 실시하였다. 목표 공기량 5 ± 2 %, 목표 슬럼프 100 ± 20 mm을 확보하기 위해 AE제와 유동화제를 사용하였다. 천연모래의 경우 단위결합재량 460 kg/m³, 물시멘트비(W/C) 40 %로 기본조건을 설정하고 배합설계를 실시하였다. 목표 공기량 10 ± 2 %, 목표 슬럼프 80 ± 20 mm을 확보하기 위해 AE제와 유동화제를 사용하였다. 실내배합에 사용된 배합표는 Table 8과 같다. CS는 부순모래, NS는 천연모래, FA는 플라이애시, SF는 실리카 흄, MK는 메타카올린, GGFS는 고로슬래그 미분말을 약어로 나타낸 것이다.

2.4 실험방법

2.4.1 슬럼프 시험

굳기 전 숏크리트의 슬럼프는 KS F 2402(콘크리트의 슬럼프 시험방법)에 준하여 측정하였다.

2.4.2 압력법에 의한 공기량 시험

굳지 않은 콘크리트의 공기량 시험은 KS F 2421(굳지 않은 콘크리트의 압력법에 의한 공기 함유량 시험방법(공기실 압력 방법))의 규정에 준하여 측정하였다. 숏크리트 타설 전 공기량이 10 ± 2 %인 관계로 공기량 측정이 20 %까지 가능한 공기량 시험기를 사용하였다.

2.4.3 레올로지 실험

캐나다에서 개발된 IBB 레오미터를 사용하여 레올로지 실험을 수행하였다. 1994년 D. Beaupre가 개발하여 UBC 레오미터라 명명한 후, IBB 회사가 생산판매를 시작하면서 IBB 레오미터로 개명을 하였다. 이 시험 장비는 H형의 임펠러(impeller)가 회전하면서 회전속도 및 회전 시 부하된 토크를 측정하여 소성점도(plastic viscosity)와 항복응력(yield stress)과 같은 레올로지 정수(rheological parameters), H(Nm.s)와 G(Nm)를 측정하고 있다.

시험방법은 먼저 Zero Strain Gage의 토크값이 ± 0.5 Nm 이내에 맞도록 보정을 한 다음 콘크리트를 측정 용기에 200 mm까지 채워 놓고 용기를 올려 임펠러가 콘크리트 속에 묻히도록 한 후 Start Test를 눌러 실험을 시작하게 된다. 실험 시작 후, 추가 작업이 필요하지 않으며 테스트 후 결과값을 IBB 레오미터를 통하여 직접 확인 가능하며 컴퓨터와 연결하여 회전속도 및 토크값 등의 결과를 얻을 수 있다. Fig. 3은 IBB Rheometer의 전면부와 후면부 전경이다.

3. 실험결과

3.1 포졸란 재료에 따른 부순모래 숏크리트의 레올로지 평가

3.1.1 경화 전 숏크리트 특성

포졸란재료의 종류에 따라 혼입하여 목표 슬럼프 100 ± 20 mm의 작업성을 만족시킬 수 있도록 유동화제의 혼입량에 변화를 주어 습식 숏크리트의 공기량 및 슬럼프 측정하였다. 측정 결과는 Table 9와 같다.

3.1.2 레올로지 측정 결과

부순모래를 사용한 포졸란재료의 적정 혼입율에 따른 레올로지의 결과는 토크점성은 CS.Control 변수를 기준으로 모든 변수에서 감소되어 펌핑성이 향상될 것으로 나타났다. 플라이애시와 메타카올린, 고로슬래그 미분말을 적정 혼입을 한 경우에는 토크점성이 감소되는 비율이 적은 편이나 AE제 변수나 실리카 흄에서는 많은 차이가 있었다. 흐름저항은 CS.Control을 기준으로 CS.FA20을 제외한 모든 변수에서 흐름저항 값이 감소하는 경향을 나타냈다. 흐름저항 값이 증가하면 붙임성이 향상될 것으로 판단되는데 플라이애시 변수에서만 흐름저항 값이 CS.Control을 기준으로 증가하는 경향을 나타내었다. Fig. 4는 Tattersall(1991)과 Beaupre(1994)가 펌핑 가능범위를 나타낸 것이다. Fig. 5 및 Table 10은 포졸란 재료에 따른 부순모래 숏크리트의 레올로지 측정 결과 및 정수이다. 측정결과 대부분의 변수가 펌핑이 불가능할 것으로 예상되었으나 대부분의 변수에서 펌핑에 성공하였다.

3.2 혼화재료(SF, AE, SP)에 따른 천연모래 숏크리트의 레올로지 평가

3.2.1 경화 전 숏크리트 특성

유동화제 및 AE제 및 실리카 흄의 유무에 따라 혼입하여 목표 슬럼프 80 ± 20 mm의 작업성을 만족시킬 수 있도록 각각의 혼화제에 변화를 주어 습식 숏크리트의 공기량 및 슬럼프 측정하였다. 측정 결과는 Table 11과 같다. NS.Control과 NS.SF의 변수에서는 혼화제의 혼입이 없어 소요의 슬럼프를 얻기 위하여 약간의 가수를 하여 80 ± 20 mm의 슬럼프를 만족시킬 수 있었다.

3.2.2 레올로지 측정 결과

혼화재료(SF, AE, SP)에 따른 천연모래 숏크리트의 레올로지의 결과는 토크점성은 NS.Control을 기준으로 NS.SF.SP.AE을 제외한 모든 변수에서 감소되어 펌핑성이 향상될 것으로 판단된다. NS.SF.SP.AE의 변수에서는 Slump가 150 mm 및 공기량이 19 %가 나왔는데도 토크점성이 높은 것을 확인 할수 있었다. 비록 슬럼프가 경화전 콘크리트의 작업성 평가수단으로 널리 사용되기는 하지만, 숏크리트의 작업성, 펌핑성 및 붙임성 평가 수단으로는 부적절 하다는 것으로 판단 된다.

흐름저항은 NS.Control을 기준으로 NS.SP을 제외한 모든 변수에서 흐름저항 값이 감소하는 경향을 나타냈다. 흐름저항 값이 증가하면 붙임성이 향상될 것으로 판단되는데 NS.SP의 변수에서만 흐름저항 값이 NS.Control을 기준으로 증가하는 경향을 나타내 이 변수에서는 붙임성이 향상 될것으로 판단된다. Fig. 6 및 Table 12는 혼화재료(SF, AE, SP)에 따른 천연모래 숏크리트의  레올로지 결과 및 정수 이다.

3.3 습식 숏크리트 펌핑 결과 및 분석

3.3.1 배합설계에 따른 실제 시멘트 페이스트

시멘트 페이스트는 시멘트, 물 그리고 공기량으로 구성되는데 실제 시멘트 페이스트는 시멘트, 물 그리고 굳기 전 숏크리트를 대상으로 측정된 공기량으로 구성된다.

부순모래의 경우 CS.Control이 39.0 %로 실제 시멘트 페이스트가 가장 작게 산출되었으며 CS.AE04가 53.0 %로 가장 크게 산출되었다. 물시멘트비는 43.0 %로 동일하므로 배합수량은 190 kg으로 고정되어 있으며 단위 바인더량도 440 kg/m³으로 고정되어 있으나 혼화재를 혼입한 경우에는 혼화재의 종류에 따라 밀도가 각각 다르므로 실제 시멘트 페이스트에는 일부 영향을 미치는 것으로 나타났다.

천연모래의 경우 NS.Control이 37.0 %로 실제 시멘트 페이스트가 가장 작게 산출되었으며 NS.SF.AE가 53.6 %로 가장 크게 산출되었다. 물시멘트비는 40.0 %로 동일하므로 배합수량은 184 kg으로 고정되어 있으며 단위 바인더량도 460 kg/m³으로 고정되어 있다. 그러나 공기실 압력법으로 측정된 공기량이 실제 시멘트 페이스트에 가장 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. 측정된 공기량이 클수록 실제 시멘트 페이스트가 크게 나타났다. Table 13은 숏크리트 펌핑을 수행한 변수의 실제 시멘트 페이스트를 산정한 결과를 나타낸 것이다.

3.3.2 유효 시멘트 페이스트

유효 시멘트 페이스트는 Burns(2008)가 제시한 이론으로 습식 숏크리트는 일정한 압력으로 호스에서 압송되므로 대기압하에서 일정한 용적을 차지하고 있던 공기량이 호스 압력하에서는 물속으로 100 % 녹아든다고 가정한 후 산정한 시멘트 페이스트이다.

부순모래를 사용한 숏크리트 펌핑을 수행한 실험 변수의 유효 시멘트 페이스트를 산정한 결과를 나타낸 것이다. CS.Control이 35.1 %로 유효 시멘트 페이스트가 가장 작게 산출되었으며 CS.AE04가 41.3 %로 가장 크게 산출되었다.

천연모래를 사용한 숏크리트 펌핑을 수행한 실험 변수의 유효시멘트 페이스트를 산정한 결과를 나타낸 것이다. NS.Control이 35.1 %로 유효 시멘트 페이스트가 가장 작게 산출되었으며 NS.SF.AE가 41.9 %로 가장 크게 산출되었다. Table 13은 숏크리트 펌핑을 수행한 실험 변수의 유효 시멘트 페이스트를 산정한 결과를 나타낸 것이다.

3.3.3 이론적으로 요구되는 최소 시멘트 페이스트

첫 번째로 호스 내부 윤활층을 형성하기 위하여 요구되는 시멘트 페이스트는 Chapdelaine(2007)이 제안한 것으로 본 연구에서는 2 in.의 호스를 사용하였으므로 호스의 직경이 약 50.8 mm로 윤활층을 형성하기 위하여 요구되는 최소 시멘트 페이스트는 약 7.8 %로 산출하였다. 두 번째로 각각의 골재의 입도분포에 따라 생성되는 공극량을 산출하기 위하여 골재의 입도분포에 따라 단위용적중량을 측정하였다. 단위용적중량과 골재의 밀도로부터 공극률을 계산하여 Table 14에 나타내었다.

3.3.4 시멘트 페이스트의 비교 분석

이론적으로 요구되는 최소 시멘트 페이스트는 부순모래를 사용한 변수는 37.3 %로 계산되었으며 천연모래를 사용한 변수에서는 37.8 %로 계산되었다.

CS.AE04와 NS.SF.AE  및 NS.SF.SP.AE이 실제 시멘트 페이스트가 유효 시멘트 페이스트보다 많으며 유효 시멘트 페이스트가 최소 요구 시멘트 페이스트보다 많은 것으로 나타났다. 그러나 본 연구에 사용된 습식 숏크리트 펌프 장비로는 유효 시멘트 페이스트가 최소 요구 시멘트 페이스트보다 적은 경우에도 펌핑이 가능했던 것으로 나타났다. 이를 3.1절의 시험결과와 비교하고 가시적으로 학인 하였을 때 낮은 소성점도는 펌핑성에 이로운 영향을 미치지만 지나치게 낮은 소성점도(30Pa.s 이하)일 경우 페이스트만 펌핑되고, 골재는 호스 내부에 막혀버리는 재료분리 현상이 발생할 수 있을 것으로 판단된다.

Burns(2008)가 제시한 유효 시멘트 페이스트는 계산하는 과정에서 공기량이 100 % 물속으로 녹아들어간다고 가정하였다. 그러나 본 연구 결과에서는 유효 시멘트 페이스트가 최소 요구 시멘트 페이스트보다 작은 경우에도 펌핑이 가능했으므로 공기량이 100 %로 물속으로 녹아들어가지 않는다고 판단 된다. 펌핑 주요 변수의 실제 시멘트 페이스트, 유효 시멘트 페이스트 그리고 이론적으로 요구되는 최소 시멘트 페이스트를 비교하여 Table 15에 나타내었다.

4. 결    론

본 논문에서는 숏크리트의 기초물성 및 레올로지특성을 연구하였고 숏크리트 타설을 통하여 Burns(2008)가 제시한 유효 시멘트 페이스트 이론과 비교하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.

1)포졸란 재료에 따른 부순모래 숏크리트의 레올로지 결과에 따르면 CS.Control과 비교하여 모든 변수에서 토크점성이 작아 펌핑성이 향상될 것으로 판단된다. 흐름저항의 경우 CS.Control에 비교하여 플라이애시 변수만이 흐름저항이 증가하여 붙임성이 향상될 것으로 판단된다.

2)혼화재료에 따른 천연모래 숏크리트의 레올로지 결과에 따르면 NS.Control을 기준으로 NS.SF.SP.AE을 제외한 모든 변수에서 감소되어 펌핑성이 향상될 것으로 판단된다. 흐름저항은 NS.Control을 기준으로 NS.SP.AE 변수에서만 흐름저항 값이 증가하는 경향을 나타내 이 변수에서는 붙임성이 향상될 것으로 판단된다.

3)공기 연행제의 변수의 경우 NS.SF.SP.AE의 변수를 제외한 CS.AE04와 NS.SF.AE의 변수에서 기준 Control 배합에 비하여 토크점성과 흐름저항이 급격하게 감소하는 것으로 나타났으며 토크점성 감소로 펌핑성 향상이 예상되며 흐름저항 저하로 붙임성 또한 저하가 예상되나 Beaupre(1994)의 이론에 의하여 숏크리팅 중 공기가 거의 모두 소산되어 붙임성은 증가될 것으로 예상된다.

4)유효 시멘트 페이스트 이론에 만족하지 못하더라도 펌핑이 가능하여 유효 시멘트 페이스트 이론은 적용하지 못하였다. 따라서 콘크리트 내의 모든 공기가 펌핑 중에 펌핑압력에 의해 모두 시멘트 페이스트에 녹는다는 Burns(2008)의 유효 페이스트 이론(real paste concept)은 일부 수정 할 필요가 있다.