1. 서 론

최근 LNG 저장탱크 등 특수 구조물의 공사 기간과 비용 절감을 목적으로 프리스트레스트 콘크리트 대신 프리캐스트 형식의 합성형 강판 콘크리트 구조모듈(Steel Concrete Panel, 이하 SCP 모듈)에 대한 관심이 증가하고 있다(^{Yim et al., 2013}; ^{Shin et al., 2016}). SCP 모듈은 Fig. 1과 같이 철판과 철판 사이에 약 40~125 mm의 간격을 갖는 다량의 스터드가 연결되고 콘크리트가 채워지는 구조이다(^{Kim et al., 2017}). 이 경우 콘크리트 충전이 가능한 단면이 매우 작아서 굵은골재의 상호간섭에 의해 자기 충전성을 확보하기가 매우 어렵다. 따라서 내부를 채우기 위한 콘크리트는 40~45 MPa 수준의 압축강도를 갖으면서도 유동성과 충전성이 우수한 고유동 콘크리트의 사용이 요구된다(^{Kim et al., 2008}). 그러나 현재까지 개발된 고유동 콘크리트의 경우 대부분 다량의 결합재를 사용하여 50~60 MPa 이상의 고강도 콘크리트로 제조되고 있다(^{Kim et al., 1998}). 이에 본 연구에서는 저분체를 기반으로 우수한 유동성을 가지는 고유동 콘크리트의 최적 배합을 검토하였다. 그리고 도출된 최적배합의 현장적용성을 평가하기 위해 펌핑 전후에 따른 콘크리트의 물성을 검토하고 펌프카를 활용한 SCP Mock-up 부재 제작하여 충전 성능을 평가하였다.

Fig. 1.

Steel Concrete Panel (SCP) Module

2. 실험계획 및 방법

2.1 사용재료 및 배합

본 연구에서는 1종 포틀랜드 시멘트(Ordinary Portland Cement, 이하 OPC), 고로슬래그 미분말(Blast Furnace Slag, 이하 BFS), 플라이애시(Fly Ash, 이하 FA)를 결합재로 사용하였다. 굵은 골재는 최대치수 10 mm의 쇄석(Gravel, 이하 G₁₀)을 사용하였고 잔골재는 세척사(Sea Sand, 이하 SS)와 부순 모래(Crushed Sand, 이하 CS)를 5:5로 혼합하여 사용하였다. 혼화제는 밀도 1.03 g/cm³, 고형분 함량이 20 %인 폴리칼본산계 고성능 감수제(Water Reducing Agent, 이하 WRA)와 우레탄계 증점제(Viscosity Agent, 이하 VA)를 혼합하여 사용하였고, 수축에 의한 균열 저감을 위해서 글리콜에테르 유도체를 주성분으로 하는 액상 수축저감제(Shrinkage Reducing Agent, 이하 SRA)를 사용하였다(^{Park et al., 2017a}). 한편 본 연구에서 사용된 고유동 콘크리트 배합은 적합한 결합재 종류 및 비율을 검토하여 3성분계(C:BFS:FA=7:2:1)로 구성하였고(^{Park et al., 2017b}), 이때 단위수량 165, 170, 175, 180 kg/m³에 대한 영향을 검토하였다. Table 1에 기본 배합사항을 나타내었다. 고유동 콘크리트는 실험방법에 따라 20 L 용량의 Hobart 믹서와 1.5 m3 용량의 B/P 시설을 이용하여 제조하였고, 슬럼프 플로의 목표 값을 650 mm 이상으로 설정하여 재료분리가 발생하지 않는 범위에서 혼화제 사용량을 결정하였다.

Table 1. Concrete Mixing Design

2.2 실험방법

2.2.1 고유동 콘크리트의 유동 특성 및 압축강도

고유동 콘크리트의 유동성을 검토하기 위하여 ^{BS EN 12350-8 (2010)}에 따라 슬럼프 플로 및 500 mm 도달시간(T-50)을 측정하였고, ^{BS EN 12350-12(2010)}의 J-ring 실험을 통해 철근 간극통과성을 평가하였다. 또한 ^{BS EN 12350-10(2010)}에 따른 L-box와 JSCE에서 규정한 U-box 실험(^{JSCE Concrete Committee, 1999})을 진행하여 Fig. 2와 같이 고유동 콘크리트의 충전성을 평가하였다. 압축강도는 ^{BS EN 12390-3(2009)}에 따라 Φ100×200 mm 크기의 원주형 공시체를 제작하였고, 20℃에서 재령 28일의 습윤양생을 거친 후 최대용량 3,000 kN의 만능재료시험기(Universal Testing Machine, UTM)을 이용하여 0.7 mm/min의 재하속도로 측정하였다.

Fig. 2.

Rheological Properties of Low-binder based High-fluidity Concrete

2.2.2 펌핑 전후에 따른 고유동 콘크리트 물성 검토

선정된 고유동 콘크리트 배합의 현장 적용성 평가를 위해 Fig. 3 에 나타낸 B/P 설비를 이용하여 고유동 콘크리트를 제작하였고, Fig. 4에 나타낸 펌프카를 이용하여 펌핑 전후 물성에 대해 검토를 하였다. 제작된 고유동 콘크리트는 펌핑 전과 후로 구분하여 슬럼프 플로 및 T-50, J-ring, L-box, U-box, 압축강도 등을 측정하였으며, 펌핑 시 최대 토출량 155 m³/h의 펌프카를 이용하였다.

Fig. 3.

Batcher Plant

Fig. 4.

Pump Car (KCP 36)

2.2.3 SCP Mock-up 부재를 활용한 충전 성능 평가

고유동 콘크리트의 충전 성능을 평가하기 위한 SCP Mock-up 부재(3,300×1,250×200 mm)의 형상과 도면을 Fig. 5에 나타내었다. SCP Mock-up 부재의 모든 측면은 강재로 이루어져있으며, 강재에 부착된 내부 스터드는 서로 교차되어 최소 62.5 mm 간격으로 배치된다. 부재의 바깥 쪽에는 콘크리트 타설시 측압에 의해 부풀어 오르는 현상을 방지하고자 H빔을 일정한 간격으로 설치하였다. 콘크리트는 펌프카를 이용하여 타설되었으며, 콘크리트의 원활한 타설과 높이차에 따른 재료분리를 방지하기 위해 부재의 중앙에 펌프카 배관을 삽입하여 타설면과의 높이차를 1.5~2 m로 유지하면서 타설이 수행되었다.

Fig. 5.

SCP Mock-up Member

3. 실험결과 및 고찰

3.1 고유동 콘크리트 특성 평가

고유동 콘크리트의 단위결합재량은 슬럼프 플로가 650 mm 이상일 때 458 kg/m³ 이상이 추천되고 있다. 따라서 본 연구에서는 3성분계(C:BFS:FA = 7:2:1)와 단위결합재량 400 kg/m³을 가지는 콘크리트 배합을 바탕으로 유동 특성과 압축강도를 평가하였으며 이때 슬럼프 플로 목표값을 650 mm로 설정하였다. Fig. 6에 나타낸 실험결과를 보면 단위수량을 165 kg/m³에서 180 kg/m³으로 변화시켰을 때 슬럼프 플로는 650 mm에서 685 mm로 증가하여 목표값을 모두 만족하였다. 한편 슬럼프 플로가 최대 685 mm를 나타냈을 때 J-ring 플로 값과의 차이는 40 mm로 가장 작게 나타났으며, 이를 통해 콘크리트의 유동성이 우수할수록 철근의 간극통과성능은 증가하는 것을 확인하였다. 단위수량 180 kg/m³을 가지는 콘크리트에서 L-box 높이비는 0.58로 측정되었고, U-box 높이차는 5.0 mm로 측정되어 재료분리 없이 가장 우수한 충전성을 나타내었다. 한편 U-box의 경우 h2의 충전높이가 JSCE의 추천값인 300 mm 이상(높이차 기준 40 mm 이하)을 모두 만족하였다. 압축강도는 고유동 콘크리트의 단위수량이 증가함에 따라 감소하는 경향을 나타내었으며, 단위수량 180 kg/m³에서 약 45 MPa 수준을 나타내었다. 따라서 이 논문에서는 실험 결과를 바탕으로 3성분계(C:BFS:FA = 7:2:1) 및 결합재량 400 kg/m³, 단위수량 180 kg/m³을 가지는 배합을 저분체 기반 고유동 콘크리트 최적배합으로 선정하였다.

Fig. 6.

Test Results of High Fluidity Concrete according to Unit Water Content

3.2 펌핑 전후에 따른 고유동 콘크리트 물성 검토

콘크리트는 펌핑 과정에서 높은 압력과 배관 마찰 등으로 인하여 점성과 항복응력이 변화하기 때문에 실제 고유동 콘크리트 배합을 사용하기 위해서는 펌핑 전후에 대한 물성 검토가 반드시 필요하다. Fig. 7에 나타낸 실험결과를 살펴보면 슬럼프 플로는 펌핑 전이 710 mm로 측정되었고, 펌핑 후가 660 mm로 약 7 % 감소하였지만 목표 슬럼프 값인 650 mm 이상을 달성하였다. 이는 펌핑시 발생하는 관내 압력과 배관 마찰 등의 외력에 의해 페이스트 간의 구조적 변화가 발생하면서 항복응력이 증가하기 때문으로 판단된다(^{Jang and Kwon, 2015}; ^{Kim et al., 2014}). 슬럼프 플로 및 J-ring 플로 값의 차이는 펌핑 전 30 mm에서 펌핑 후 90 mm로 측정되었으며, 고유동 콘크리트의 유동성이 감소함에 따른 것으로 판단된다. L-box 실험에 따른 높이비는 펌핑 전후에 따라 0.67에서 0.57로 감소하였으며, U-box 실험에서도 높이차가 2 mm에 6.5 mm로 증가하였고, 재령 28일에서의 압축강도는 펌핑 전이 42.9 MPa이고, 펌핑 후가 41.2 MPa로 강도 감소가 미미하게 발생하였다. 펌핑 후 고유동 콘크리트의 슬럼프 플로가 목표값을 만족하였고 펌핑 전 물성값과 비교하여 큰 차이를 보이지 않아 실구조물 제작에 펌프카를 이용하여도 문제가 없을 것으로 판단된다.

Fig. 7.

Test Results of High Fluidity Concrete according to Pumping

3.3 SCP Mock-up 부재를 활용한 충전 성능 평가

SCP 모듈은 강재와 콘크리트의 일체 거동을 위하여 다수의 스터드가 설치되어 채움콘크리트의 원활한 충전여부가 중요한 변수가 된다. 이에 최적배합으로 선정한 고유동 콘크리트가 SCP 모듈내에 문제없이 타설되는지 검증하기 위해 SCP 모듈 Mock-up 부재를 이용한 충전 성능 평가를 실시하였다. 펌프카를 활용하여 SCP 모듈내에 고유동 콘크리트를 타설하고 재령 3일간의 경화시간을 거쳐 SCP 모듈 부재의 강재를 탈형하고 노출된 콘크리트 표면에 대한 육안관찰을 실시하였다. 육안관찰은 콘크리트 타설면의 표면상태와 타설높이차에 따른 골재와 시멘트 페이스트간의 재료분리 발생 여부에 대해 검토하였다. 평가결과, Fig. 8에 나타낸 바와 같이 콘크리트가 강재와 접하는 타설면 및 양측면 뿐만 아니라 바닥면까지 우수한 충전성을 갖으며 양호하게 타설된 것을 확인하였다.

Fig. 8.

Evaluation of Charging Performance of SCP Mock-up Member with Low-binder based High-fluidity Concrete

4. 결 론

본 연구에서는 SCP 모듈이 갖는 구조적 특성에 맞는 채움 콘크리트를 개발하기 위해 저분체 기반 고유동 콘크리트 최적 배합을 검토하였고, 선정된 배합을 바탕으로 현장 적용성을 평가하고자 펌핑 전후에 대한 물성과 SCP Mock-up 부재 충전 성능을 평가하였으며 아래에 그 결과를 나타내었다.

(1) 3성분계(C:BFS:FA = 7:2:1)와 단위결합재량 400 kg/m³을 가지는 콘크리트 배합을 바탕으로 유동성 및 철근 간극통과성, 압축강도 실험을 수행하였고 이를 통해 단위수량 180 kg/m³에서 슬럼프 플로 650 mm 이상의 유동성을 갖는 저분체 기반 고유동 콘크리트의 최적배합을 도출하였다.

(2) 현장 적용성을 평가하기 위한 목적으로 도출된 고유동 콘크리트의 펌핑 전후 유동성 및 철근 간극통과성, 압축강도를 평가한 결과 성능 감소에 있어 큰 차이를 보이지 않았다. 특히 펌핑 후 슬럼프 플로는 660 mm로 측정되어 목표값인 650 mm 이상을 만족하였으며, 이를 통해 펌프카를 이용한 실 구조물 제작에 문제가 없을 것으로 판단된다.

(3)SCP 모듈 Mock-up 부재에 펌프카를 이용한 저분체 기반 고유동 콘크리트의 충전 성능 평가를 실시한 후 강재면을 탈형하여 육안으로 관찰한 결과 타설면, 양측면과 바닥면까지 콘크리트가 매우 양호하게 충전된 것을 확인하였다.