2.1.1 알루미늄 거푸집 및 PP 시트지 제작

공공주택의 저층부 벽체(250 mm)를 시공하는 거푸집의 조건을 유사 재현하기 위하여 600 × 1200 × 250 mm의 콘크리트 타설이 가능한 알루미늄 거푸집을 주문 제작하였고 거푸집용 PP 시트지의 기본 물성은 Table 1과 같다.

PP 시트지는 아민계면활성제의 함침량 차이를 달리하여 제조한 뒤 거푸집 크기로 재단하였고 점착 이형 필름으로 거푸집에 부착시켜 Table 2와 같이 구분하였다.

2.1.2 철근배근

철근배근은 국가건설기준센터 및 대한민국 정부에서 발행하는 KDS 설계기준을 기초로 기초판 두께는 200 mm로 선정(KDS 14 20 70)하였으며, 이형철근 D10 표준 갈고리형 수직철근을 사용하여 정착 길이는 200 mm로 선정(KDS 14 20 52 및 14 20 70)하였다. 또한, KDS 14 20 50 및 아파트 저층부 벽체 설계 사례 등을 참고하여 철근배근 간격은 두께: 250 mm / 수직철근: D10@ 500 / 수평철근: D10@ 250으로 하였다.

2.1.3 콘크리트 타설 및 해체

타설 콘크리트는 공공주택의 저층부에서 시공되는 보통 콘크리트를 실험부지 근처에 위치한 레미콘 업체에 발주하였으며 그 배합은 Table 3과 같다. 콘크리트 타설 진행기간 동안의 평균 기온은 26∼29℃이었으며 강수가 예상되는 날은 실험을 진행하지 않았다. 콘크리트는 오후 5시경 정량을 타설하고 30초간 바이브레이터로 진동다짐한 뒤 수분증발 등을 제어하기 위하여 상부에 비닐을 덮어 보양하였다. 그리고 24시간 외기 조건에서 양생한 후 해체하는 순서로 현장 콘크리트 타설 및 거푸집 해체 실험을 진행하였다.

Fig. 1 Concrete placing and curing process

2.2.1 Wall-A 거푸집

거푸집 4면을 앞뒤좌우로 구분하고 뒷면(Back side)은 해체 이후 별도의 작업을 하지 않았으며 나머지 3면(앞면, 좌측, 우측)은 해체 이후 콘크리트 잔여물 제거를 위한 끌질청소를 하였고, 이후 전면에만 이형제를 도포해 전용하였다.

2.2.2 Wall-B, C, D 거푸집

거푸집 뒷면은 해체 이후 별도의 작업을 하지 않았으며 나머지 3면(앞면, 좌측, 우측)은 해체 이후 콘크리트 잔여물 제거를 위한 끌질청소만 하여 전용하였다.

Fig. 2 Formwork(Wall-A) preconditioning method

Fig. 3 Formwork(Wall-B, C, D) preconditioning method

2.3.1 거푸집 해체에 소요되는 Pull value 측정

본 연구는 이형제를 도포한 일반 알루미늄 거푸집과 PP 시트지를 부착한 거푸집의 전용횟수에 따른 해체 용이성을 확인하기 위하여 해체에 소요되는 인장력을 비교 분석하고자 하였다. 이에 따라 콘크리트 타설 후 재령 1일차(24시간) 해체에 소요되는 인장력을 측정하고자 디지털 Push & Pull 게이지를 활용하여 Pull Value를 측정하였다. 여기서 Pull Value는 Push & Pull 게이지가 인장 변위를 감지하여 힘 피크값을 N, kgf 등으로 표현한 값으로 본 연구에서 거푸집을 해체할 때 소요되는 최대 인장력의 값이다.

특히, 콘크리트의 측압은 타설 완료 직후 액압의 형태로 높이에 비례하므로 콘크리트 타설 후 재령 1일차(24시간)에 콘크리트가 완전 경화한 뒤 측정하였으며^{(Ko et al., 2015)} 전용횟수, 알루미늄 거푸집의 이형제 도포 유무, PP 시트지의 아민계면활성제의 함침량 차이, 해체한 패널의 끌질청소 유무에 따라 해체 시 소요되는 Pull value를 측정하였다.

Fig. 4 Pull value test procedure required for demolding formwork

2.3.2 해체 거푸집 패널 및 콘크리트 면 육안 검사

거푸집을 전용하여 사용할 경우 패널의 종류, 이형제의 유무 등에 따라 해체 이후 거푸집의 상태에 차이가 발생하며 거푸집 패널에 묻어난 콘크리트 잔여물은 전용횟수가 증가함에 따라 점차 누적되어 확대되는 것이 일반적이다. 이러한 콘크리트 잔여물은 거푸집의 해체 성능을 저하시키고 해체한 거푸집의 콘크리트 표면에 요철과 공극을 유발하여 심미성을 떨어트리며 강도 저하 등의 물리적인 악영향을 유발한다. 이에 전용횟수에 따른 해체 거푸집 패널면과 각각 해체한 거푸집의 콘크리트 면의 상태를 육안 검사하고 사진 촬영하여 그 차이를 평가하였다.

2.3.3 전용 횟수에 따른 콘크리트 면의 반발경도

본 연구는 비파괴 시험의 일종인 슈미트 헤머를 이용하여 전용횟수에 따른 각각의 거푸집에서 해체한 콘크리트 면의 반발 경도를 측정하여 비교 평가하고자 하였다. 해체한 거푸집의 콘크리트 면에서 임의의 동일한 위치를 선정하여 각 개소마다 20점을 표준으로 타격하고 각 지점마다의 반발경도를 측정하였다. 각 결과값은 반발도 추정식을 이용하여 각도보정과 재령일을 보정하여 MPa로 표시하였고, 제조 후 처음 사용한 거푸집에서 해체된 콘크리트 면의 평균반발경도(S), 마지막 전용 회차의 평균반경경도(E), 각 거푸집 종류별 전체 전용기간 동안 최고 반발경도 및 최저반발 경도를 확인하여 전용횟수에 따라 해체한 각각의 거푸집 콘크리트 표면 상태를 비교 평가하였다.

Fig. 5 Schmidt hammer test for concrete face

2.3.4 전용 횟수 선정

본 연구의 현장 실험에서는 거푸집의 전용횟수를 총 20회를 계획하여 진행하였으나, 전용 횟수가 증가함에 따라 거푸집 표면에 콘크리트 잔여물이 묻어남과 해체 시 가해지는 외력에 의한 탈락 현상이 반복되는 것 이외의 다른 현상을 보이지 않아 본 논문에서는 총 9회의 전용 횟수(사용 10회)를 연구범위로 선정하여 실험결과를 도출하였다.

3.1.1 해체 거푸집 육안검사

거푸집 해체 시 콘크리트 잔여물의 끌질청소와 이형제를 도포한 Wall-A형 앞면은 전용 9회 동안 거푸집 패널에 콘크리트 잔여물이 거의 묻어나지 않았다. 그러나 끌질청소와 이형제를 도포하지 않은 Wall-A형 뒷면의 경우 전용 3회에 거푸집 패널 일부분에 콘크리트 잔여물이 묻어나기 시작하였으며, 전용 4회부터 급격히 증가하여 전용 8회에 거푸집 패널 전체 면이 콘크리트 잔여물로 덮여지는 형상을 보였다. 특히, 콘크리트 잔여물로 전체가 덮인 전용 8회 이후의 Wall-A형 뒷면은 해체 시 가해지는 외력에 의하여 콘크리트 잔여물이 부분적으로 탈락되며 거푸집의 패널의 본래 표면의 일부가 노출되기도 하였으나, 전용횟수가 증가하면서 다시 콘크리트 잔여물로 완전히 덮어지는 형상을 보였고 이러한 현상은 실험 종료까지 반복되어 나타났다.

PP 시트지 거푸집의 경우 아민계면활성제의 함침량 차이에 관계없이 사용 첫 회를 제외한 전용 1회부터 거푸집 패널 일부분에 콘크리트 잔여물이 묻어나는 형상을 보였다. 특히, Wall-C, D형 거푸집의 경우 전용 2회에 앞면, 뒷면의 거푸집 패널 전체 면이 콘크리트 잔여물로 덮여졌으며, Wall-B형의 경우 전용 4회에 앞면, 뒷면의 거푸집 패널 전체 면이 콘크리트 잔여물로 덮여졌음을 확인하였다.

육안검사 결과 모든 거푸집에서 전용횟수가 증가함에 따라 해체작업과 끌질청소 등이 반복되면서 거푸집 표면에 요철이 발생하였고 특히, 거푸집 Wall-A의 알루미늄 보다 재질이 약하고 친수성이 보다 큰 PP 시트지로 마감한 거푸집 Wall-B, C, D에서 더 많은 요철과 콘크리트 묻어나는 현상이 관찰되었다. 특히, 요철이 발생한 PP 거푸집을 전용하여 신규 콘크리트를 타설 시 요철 부위에 콘크리트 잔여물이 묻어나는 현상이 더욱 심하게 나타났으며, 전용횟수가 증가함에 따라 이전 해체 거푸집에 묻어났던 콘크리트 잔여물 부위에 더 많은 콘크리트가 묻어나 그 면적이 확장됨을 확인 할 수 있었다.

3.1.2 콘크리트 면 육안검사

거푸집의 해체시마다 패널의 잔여물 끌질청소와 이형제를 도포한 Wall-A형 앞면에 타설 된 콘크리트 면은 전용 9회 동안 요철이 거의 없이 매끄러운 형상을 나타내었다. 반면 끌질청소와 이형제를 도포하지 않은 Wall-A형 뒷면에 타설 된 콘크리트 면은 전용 3회에 요철과 공극이 부분적으로 관찰되기 시작하였으며, 전용 4회부터 급격히 증가하여 전용 8회에서 콘크리트 면에 전체적으로 뜯겨진 형상의 요철과 공극이 관찰되었다. 특히, 거푸집 표면 육안검사 결과에서 전용 8회 이후 Wall-A형 뒷면의 해체 시 가해지는 외력에 의하여 거푸집에 묻어있던 기존 콘크리트 잔여물이 부분적으로 탈락되며 거푸집 패널 일부분에서 본래의 거푸집 표면이 노출되었고 이곳에 신규 타설 된 콘크리트 면은 해체 시 요철 없이 매끄러운 형상을 나타내기도 하였다. 그러나 전용횟수가 증가하면서 재차 콘크리트 잔여물이 거푸집 패널에 묻어나며 해당부위에서 콘크리트 면에 요철과 공극이 부분적으로 관찰되기 시작하였고 이후 콘크리트 표면에 전체적으로 요철과 공극이 확장 되는 현상이 이전과 같이 반복되는 경향을 보였다.

PP 시트지 거푸집의 경우 아민계면활성제의 함침량 차이에 관계없이 사용 첫 회(전용 0회) 타설된 콘크리트 면은 요철이나 공극이 없이 매끄러운 형상을 보였다. 그러나 해체 후 거푸집의 끌질청소를 진행한 앞면의 경우에서도 Wall-B형은 전용 4회, Wall-C, D형은 전용 2회부터 콘크리트 면에 요철과 불규칙한 공극이 처음 관찰되기 시작하였다. 그리고 이러한 요철과 불규칙한 공극은 정도의 차이는 있었으나 Wall-A에서와 같이 전용횟수가 증가하면서 거푸집 패널에 묻어나는 콘크리트 잔여물이 확장하면 해당 전용 회차에서 해체한 콘크리트 면의 요철과 공극도 확장 되거나 또는 해체 시 외력에 의해 거푸집에서 잔여물이 부분적으로 탈락 되면 다음 회차에서 해체한 콘크리트 면에서 해당부위에 요철 없이 매끄러운 형상을 나타내기도 하는 현상을 반복하였다 (Figs 6, 7).

Fig. 6 Front side photograph of wall formwork

Fig. 7 Back side photograph of wall formwork

3.1.3 Pull Value 측정 결과

해체작업 이후 끌질청소와 이형제 도포를 병행한 Wall-A형 앞면은 해체 시 소요되는 Pull value가 전용횟수에 따라 점차 증가하는 경향을 보였으나 전용횟수 9회 동안 전부 110 N 이하의 값을 나타내었다. 반면 끌질청소와 이형제 도포를 하지 않은 Wall-A형 뒷면은 앞면에 비하여 전용횟수가 증가함에 따라 Pull value가 다소 높은 경향을 보였고 전용 4회부터 Pull value가 100 N 이상을 나타내었다. 이는 거푸집 패널에 묻어난 콘크리트 잔여물이 신규 타설 콘크리트와 일부 결합하여 부착력이 증가되었기 때문으로 판단 가능하며, 전용횟수 증가에 따른 거푸집 육안 검사 결과에서 Wall-A형 뒷면이 전용 4회부터 콘크리트 잔여물이 급격히 증가하는 결과와도 그 경향이 일치함을 확인 할 수 있었다.

Wall-A형 뒷면은 전용횟수가 증가함에 따라 해체에 소요되는 Pull value가 증가하다 전용 7회 거푸집 해체 시 콘크리트 면이 거푸집 패널에 부착되어 뜯기듯이 탈락되는 현상을 보이며 Pull value가 갑작스럽게 낮아지는 경향을 나타내었다. 이후 전용 8회부터는 다시 거푸집 패널에서 콘크리트 잔여물이 증가하였고 전용횟수가 증가 할수록 Pull value가 다시 증가함을 확인하였다.

PP 시트지 거푸집은 아민계면활성제의 함침량 차이에 관계없이 사용 첫 타설 이후 해체 시 소요되는 Pull value가 전부 평균 200 N 이상의 값을 나타내었고, Wall-A형과 달리 전용횟수가 증가 할수록 더욱 빠르게 Pull value가 증가하는 경향을 나타내었다. 이는 전용횟수에 따른 거푸집면의 육안검사결과에서 PP 시트지 거푸집의 경우 전용 1회부터 거푸집 패널에 콘크리트 잔여물이 묻어났으며, 전용횟수가 증가할수록 빠르게 패널 전체면이 콘크리트 잔여물로 덮여진 결과와 그 경향이 일치하였다. 이후, 전용횟수가 증가할수록 콘크리트 잔여물이 확장되거나 탈락되는 현상이 여러 차례 반복되었으며, Wall-A형 뒷면의 해체 시와 같이 Pull value는 거푸집에서 잔여물이 탈락되는 전용회차에 값이 낮아지고 다음 전용 회차부터 잔여물이 증가할수록 Pull value도 증가하는 경향을 반복적으로 나타내었다.

PP 시트지 거푸집은 전용 6회까지 해체에 소요되는 Pull value가 평균 490 N 이상으로 일반 알루미늄 거푸집 Wall-A에 비하여 현저히 컸으며, 거푸집 패널에서 콘크리트 잔여물이 탈락되는 시점의 전용 회차에서도 Pull value가 약 300 N이상을 나타내었다. 특히, 전용 6회 이후 Pull value는 700 N 이상으로 수작업용 Push & Pull 게이지의 측정 상한선을 상회하였고 해체 작업 시 거푸집이 튕겨나가거나 콘크리트 면이 대량 탈락되는 등의 작업 안전상 위험이 발생하여 주의가 필요 할 것으로 판단되었다.

양생이 완료된 콘크리트는 친유성의 이형제 또는 소수성 소재와의 결합이 어려운 성질이 있으며, 분자 간 결합력의 측면에서 콘크리트 페이스트 사이의 결합력을 100%로 계산 시 콘크리트와 소수성 소재의 거푸집 표면 또는 도포된 이형제와의 상호 간의 부착 결합력은 100% 미만의 결합력을 가지므로 양생되어진 콘크리트는 거푸집 표면에 부착되지 못하고 떨어져 해체가 용이하게 진행될 수 있었다.

반면, 이형제를 도포하지 않은 일반 거푸집은 전용횟수가 증가함에 따라 상호 간의 부착 결합력은 콘크리트 페이스트 사이의 결합력 100% 이상으로 해체에 소요되는 Pull value가 증가하였고 특히, 알루미늄 거푸집에 비하여 PP 시트지 거푸집의 Pull value가 더욱 빠르게 증가하여 해체가 용이하지 않았음을 알 수 있었다.

N. Spitz는 거푸집 패널의 거칠기가 클수록 계면의 면적이 증가하며 요철의 골짜기 부분에 미세 시멘트 입자를 더 많이 수용할 수 있게 되어 부착 표면 에너지가 증가한다고 설명하였다^{(Spitz et al., 2018)}. 즉, 거푸집 패널 표면에 요철이 많을수록 콘크리트와의 부착강도가 증가하게 되고 해체에 소요되는 Pull value가 증가함을 알 수 있다. 본 실험의 육안검사의 결과에서도 거푸집 패널 표면 요철이 알루미늄 거푸집 보다 PP 시트 거푸집에서 더 많이 관찰되었고, 해당 요철부위에서 가장 먼저 콘크리트가 묻어나며 Pull value가 증가하는 경향을 나타내었다. 또한, 거푸집의 전용횟수가 증가함에 따라 패널에 콘크리트가 묻어났던 부위에는 더 많은 콘크리트가 묻어나 그 면적이 확장됨에 따라 해체에 소요되는 Pull value는 더욱 증가하여 거푸집의 해체가 용이하지 않음을 확인 할 수 있었다.

3.1.4 슈미트헤머 측정 결과

콘크리트의 표면반발강도 측정결과 알루미늄 거푸집에 이형제를 도포한 Wall-A 앞면에 최초로 타설된 콘크리트면의 반발경도는 31 MPa, 9회 전용한 거푸집에서 해체된 콘크리트 면의 반발경도는 29 MPa로 측정되었다. 또한, 총 9회의 거푸집을 전용하여 제조된 콘크리트 면에서 가장 높은 반발경도는 34 MPa, 가장 낮은 반발경도는 25 MPa로 측정되었다. 반면, 해체 이후 별도의 작업을 하지 않고 전용하여 사용한 Wall-A 뒷면의 경우 9회 전용한 거푸집에서 해체된 콘크리트의 평균 반발경도는 앞면 보다 약 2 MPa 감소하였고, 가장 낮은 반발경도는 24 MPa로 측정되었다. 이러한 결과는 거푸집 해체 시 잔여물의 끌질청소와 이형제를 도포한 Wall-A형 앞면이 해체에 소요되는 Pull Value가 가장 적게 소요되고 콘크리트 표면의 육안검사에서 요철이 거의 없는 결과와도 상관성이 있는 것으로 판단되었다.

PP 시트지 거푸집의 경우 콘크리트 잔여물 제거를 위한 끌질청소를 진행한 앞면에서 해체 된 콘크리트의 표면 반발강도는 아민계 활성제의 함침량이 클수록 표면 반발강도가 다소 낮아지는 경향을 나타내었으나 그 차이는 크지 않았다. 특히, Wall-D의 최저 반발강도는 19 MPa로 일반 알루미늄 거푸집에 이형제를 도포한 Wall-A 앞면에 비하여 약 6 MPa 낮은 결과를 나타내었다. 그러나 해체 이후 별도의 작업을 하지 않은 PP 시트지 거푸집 뒷면에서 해체된 콘크리트의 표면 반발강도는 아민계 활성제의 함침량과 크게 관계하지 않았으며 첫 회에 해체된 콘크리트와 전용 9회 거푸집에서 해체된 콘크리트의 강도차이가 거의 없이 약 25∼27 MPa로 전용횟수와 관계없이 평균 반발경도가 낮은 경향을 보였다. 또한, 총 9회의 거푸집을 전용하여 제조된 콘크리트 면에서 가장 낮은 반발경도는 약 18 MPa로 일반 알루미늄 거푸집 Wall-A 뒷면 대비 약 6 MPa 낮은 값을 나타내었고 전체 전용기간 동안 최고 반발경도 및 최저반발 경도 편차가 매우 컸음을 확인 하였다.

Fig. 8 Repulsive strength Pull value test proc