2.1 라우트 미충전으로 인한 사고사례

그라우트 미충전으로 인한 공극에 물 또는 제설제와 같은 염소이온이 침투하여, PSC 구조물의 긴장재가 부식 파단되어 발생한 사고사례는 해외에서 많이 찾아볼 수 있다(FDOT 2002; Lee and Zielske 2014)^(2,10). 대표적인 사례는 Table 1, Fig. 1 및 Fig. 2에 나타내었다.

이러한 문제는 최근 국내에서도 발생하고 있다. 2016년 2월 서울시 정기 안전점검 시, 서울시 내부순환도로 중 정릉천고가교에서 강연선 파단이 Fig. 3과 같이 발견되었으며, 이로 인해 내부순환도로가 1개월간 전면 차단되었다. 파단 원인에 대해 서울시와 관련 기관이 조사한 결과, 주원인은 쉬스관 내부의 긴장재 부식을 방지하는 그라우트의 충전 부족 및 그라우트 재료에서 분리된 블리딩수에 의한 공극 발생, 그라우트 주입 후 염화물을 함유한 수분 침투가 원인일 수 있다고 분석하였다(SMG 2017)⁽¹²⁾.

2.2 현행 그라우트 작업의 문제점

국내･외 PSC 구조물의 그라우트 미충전으로 인한 공극 발생의 대표적인 원인은 재료적인 측면과 시공적인 측면에서 살펴볼 수 있다.

재료적인 측면에서는 현재 사용되고 있는 PSC 구조물의 그라우트는 대부분 물-시멘트비가 약 40 %대로 비교적 높고, 가스를 발생시키는 금속성 팽창재의 다량 사용으로 블리딩 발생 가능성이 높고 품질관리가 어려운 것으로 알려져 있다(Koh et al. 2017)⁽⁹⁾.

특히 실내실험 결과 긴장재가 설치되는 PSC 구조물은 소선 간 모세관 현상으로 블리딩이 촉진되어 블리딩이 크게 발생하고 있다(Shin et al. 2007)⁽¹³⁾.

시공적인 측면에서는 그라우트 장비 고장, 주입능력 부족, 연결관 파손, 유량계 고장이 충전 부족의 요인이 된다. 또한, 작업자의 작업 숙련도가 다르며, 주입구 및 배출구의 설치 방법과 서중, 한중에 대한 대응 등에 따라 차이가 크다(Terada 2016)⁽¹⁴⁾.

이로 인해 시험실과 실제 현장에서 그라우트 샘플링 블리딩 조사 결과 큰 차이가 발생함을 확인할 수 있다.

3.1 진공그라우팅 주입이론

‘진공’이란 단어의 뜻은 아무것도 없는 빈 공간을 말한다. 하지만 실용적으로는 대기압력(0.1 MPa, 760 Torr)보다 낮은 압력으로 기체가 채워져 있는 공간을 말한다. 또한, 진공작용은 대기압력과 진공압력의 압력 차에 의해 비어있는 공간으로 공기를 밀어내는 현상을 말한다(Dickes 2008)⁽¹⁾.

일반적인 진공의 구분은 Table 2와 같으며, 진공그라우팅 방법의 진공은 저진공(low vacuum)을 말한다.

실험에 적용되는 진공압력은 게이지압력($P_{g}$), 절대압력($P_{a}$)으로 표현된다. 게이지압력은 게이지에 표시되는 압력으로 대기압력을 제외한 압력이며, 절대압력은 게이지압력에 대기압력을 더한 압력이다. 즉, 게이지압력이 0기압(0 MPa)일 때, 절대압력은 1기압(0.1 MPa)이 된다. 절대압력, 게이지압력, 대기압은 식(1)과 같은 상관관계를 갖는다(In 2013)⁽⁵⁾.

실험에서 측정 관리되는 압력은 게이지압력이며, 이를 이론에 적용할 때는 절대압력으로 변환하여야 한다. 예를 들어, 게이지압력이 -0.09 MPa은 압력 자체가 음의 값을 가지는 것이 아닌 절대압력 0.01 MPa임을 의미한다.

PSC 구조물에 설치된 쉬스관 내부에 채워지는 그라우트 양은 육안으로 확인하기 어렵기 때문에 별도의 확인 방안이 필요하다. 이때 쉬스관 내부에 채워지는 그라우트 양의 확인은 기체의 기본이론인 보일의 법칙을 이용한다.

보일의 법칙은 진공 상태에서 일어나는 기체의 압력 및 부피 변화 현상에 관해 설명한다. 일정한 온도에서 일정량의 기체가 유지되면 압력($P$)과 부피($V$)는 반비례한다.

즉, 식(2)와 같이 주어진 질량에 대해 일정한 온도에서 압력과 부피는 일정하다.

신규 PSC 구조물의 경우 쉬스관의 부피를 알 수 있고, 진공압력을 결정하면 쉬스관 내부에 주입되어야 할 그라우트 양을 예측할 수 있다. 따라서 센서 등을 이용하여 그라우트 주입량을 측정하면 쉬스관 내부의 그라우트 충실률을 확인할 수 있다.

또한, 공용 중인 PSC 구조물의 미충전부와 같은 공극의 부피를 알 수 없을 경우, 보일-샤를의 법칙을 적용하여 공극부피를 구할 수 있다. 이 법칙은 식(3)과 같이 온도가 일정할 때 기체의 압력은 부피에 반비례하는 보일의 법칙과 압력이 일정할 때 기체의 부피는 온도의 증가에 비례하는 샤를의 법칙을 적용한 것이다. 공극 부피의 측정방법은 진공그라우팅 장비에 별도로 부피를 알 수 있는 진공탱크를 감압한 후 공극과 연결하면서 변화되는 압력 및 온도를 측정하여 식(3)에 대입하면 공극 부피($V_{2}$)를 구할 수 있다.

여기서, $T_{1}$ : 진공 탱크 내의 온도

$T_{2}$ : 내부 공극의 온도

$T_{3}$ : 압력 변화 후 온도

$P_{1}$ : 진공 탱크 내의 압력

$P_{2}$ : 내부 공극의 압력

$P_{3}$ : 압력 변화 후 압력

$V_{1}$ : 진공 탱크 부피

$V_{2}$ : 내부 공극의 부피

3.2 진공그라우팅 장비

쉬스관 공극부에 그라우트를 재주입하기 위해 개발한 소형 진공그라우팅 장비는 시간당 작업량이 많지 않기 때문에 장비의 효율지수(시간당작업량/장비부피×1,000)를 고려하여 소형화할 수 있었으며(Hwang and Jeoung 2015)⁽⁴⁾, 특히 구조물 내부의 운반 등을 고려하여 진공펌프, 진공탱크, 그라우트 주입펌프, 제어장치 등 각 부분을 16 kg 이하의 무게로 분리할 수 있게 하여 이동성을 향상시켰다. Fig. 4는 진공그라우팅 장비의 모습이다.

진공장치는 Fig. 4(a), 4(b)와 같이 진공펌프와 진공탱크로 이루어져 있다. 진공펌프는 저진공에 적합한 펌프를 사용하였으며, 진공탱크는 공극부피를 측정하기 위해 추가로 설치한 장치로서 압력과 온도를 측정할 수 있는 센서가 부착되어 있다.

주입장치는 Fig. 4(c)와 같이 믹서탱크, 그라우트 탱크와 유압형 주입장치로 이루어져 있다. 믹서탱크에는 적정한 교반장치가 설치되어 있으며, 그라우트 탱크에는 그라우트량을 확인할 수 있는 측정눈금이 부착되어 있다. 특히 새롭게 개발한 유압형 주입장치는 진공 주입 이후에 그라우트를 주입하는 데 사용되며, 일정한 스트로크에 의한 주입방법으로 주입량을 제어할 수 있도록 하였다.

제어장치는 Fig. 4(d)와 같이 진공압력 및 감압 속도, 그라우트 주입량을 제어할 수 있으며, 내부의 압력과 온도, 그라우트 장비의 압력과 속도를 모니터링할 수 있어 정밀하면서 정량적인 제어 및 측정이 가능하도록 하였다.

3.3 진공그라우팅 적용 사례

진공그라우팅은 쉬스관을 그라우팅 전에 85~90 %의 진공상태로 만든다. 즉 밀폐된 공기의 85~90 %를 제거하며 갇힌 공기로 인한 공극이 남을 위험을 상당히 줄일 수 있다.

따라서, 진공그라우팅은 잔류공기가 모이게 되는 높은 지점이 없는 긴 수평텐던, 쉬스관의 최상부가 격벽 안에 있는 경우, 특히 최상부의 배출구 위치가 복잡하고 심지어 불가능한 경우에 권장된다(VSL Intnational Ltd. 2002)⁽¹⁵⁾.

또한, 쉬스관의 천공으로 콘크리트가 유입되어 쉬스관이 막힌 경우, 배출구가 파손되거나 막힌 경우 등 공기가 빠져나갈 수 없는 경우 진공그라우팅을 사용할 수 있다. 미국의 경우 Edison 교량, Woodrow Wilson 교량, Benecia-Martinez 교량이 이와 같은 원인으로 진공그라우팅 방법을 사용한 사례가 있다(Dickes 2008)⁽¹⁾.

4.1 수직관 실험

5.1 물 주입 실험

초기 수직관 내부 진공압력별 압력 차에 의한 물의 주입량과 Table 4의 이론값을 비교하여 Table 6에 나타내었다. 진공 주입량 평균은 -0.09 MPa에서 910 mm, -0.06 MPa에서 618 mm, -0.03 MPa에서 326 mm로 이론값에 대한 오차율은 각각 +7.6 %, +9.6 %, +15.5 %이었다.

가압 주입압력은 예비실험을 통해 W9의 경우가 100 % 채워지는 조건인 게이지압력 0.1 MPa(절대압력 0.2 MPa)로 결정하였다. 최종 주입량은 Table 7에 나타내었다.

동일한 압력(0.10 MPa)으로 가압하는 조건에서 초기 진공압력별 주입량을 측정 분석한 결과 이론값과의 오차율은 +5.3 %, +2.8 %, -1.5 %, -8.8 %로 정확도가 높았다.

수직관 내부 압력에 따른 물 주입량의 비교 사진과 상관관계 그래프를 Table 8과 Fig. 6에 나타내었다.

5.2 그라우트 주입 실험

초기 수직관 내부 진공압력별 압력차에 의한 그라우트의 주입량과 Table 4의 이론값을 비교하여 Table 9에 나타내었다. 진공 주입량 평균은 -0.09 MPa에서 902 mm, -0.06 MPa에서 547 mm, -0.03 MPa에서 2,756 mm로 이론값에 대한 오차율은 각각 +6.6 %, -3.0 %, -2.6 %이었다.

가압 주입압력은 예비실험을 통해 G9의 경우 100 % 채워지는 조건인 게이지압력 0.15 MPa(절대압력 0.25 MPa)로 결정하였다. 최종 주입량은 Table 10에 나타내었다.

동일한 압력(0.15 MPa)으로 가압하는 조건에서 초기 진공압력별 주입량을 측정 분석한 결과 이론값과의 오차율은 +4.2 %, -2.0 %, -12.1 %, -18.2 %이었다.

수직관 내부 압력에 따른 그라우트 주입량의 비교 사진과 상관관계 그래프를 Table 11과 Fig. 7에 나타내었다.

5.3 공극부피 측정 평가

진공탱크의 초기압력($P_{1}$)과 온도($T_{1}$), 수직관 내부의 압력($P_{2}$)과 온도($T_{2}$), 그리고 최종 진공탱크의 압력($P_{3}$)과 온도($T_{3}$)는 Table 12에 나타내었다.

진공탱크 내부 진공압력별 측정된 공극부피와 수직관의 부피를 비교한 결과는 Table 13과 Fig. 8에 나타내었다. 초기 진공 탱크 압력이 -0.09 MPa에서는 4.88 L, -0.06 MPa에서는 5.19 L, -0.03 MPa에서는 5.10 L로 측정되었다. 이론값과의 오차율은 +4.1 %, +5.9 %, -0.4 %이었다.