Abstract
Very-early strength latex-modified concrete(below ; VES-LMC) was developed for possible early-opening-to-traffic after overlay of bridge deck concrete. The purpose of this study is to analyze the cause of map, transverse and longitudinal cracking in VES-LMC and to provide a control method for minimizing occurrence of cracking. The proposed prevention method against map and transverse cracking was verified by field data. VES cement was modified as the unit cement content was reduced from 390kg/m
3to 360kg/m
3. The maximum size of coarse aggregate was increased from 13mm to 19mm. The wire mesh and steel fiber were adopted in concrete mixture. From the results, the proposed prevention method against map and transverse cracking was verified since structural cracking was not occurred until 3 years after overlay.
요 지
초속경 라텍스개질 콘크리트는 교량바닥판 보수 후 조기교통개방을 가능하도록 하기위해 개발되었다. 본 논 문의 목적은 초속경 라텍스개질 콘크리트에 발생하는 망상형, 횡방향 및 종방향 균열에 대한 원인을 분석하여 균열발생을 최소화 할 수 있는 방안을 마련하고, 현장 시험시공을 통하여 균열 억제방안을 검증하는 것이다. 횡 방향 균열발생을 최소화하기 위하여 시멘트 성능의 개선과 더불어 단위시멘트량을 390kg/m
3에서 360kg/m
3으로 줄이고 굵은 골재의 최대치수를 13mm에서 19mm로 변경하였다. 시공측면에서 망상형 균열발생을 억제 하기 위하여 강섬유와 와이어 메시를 사용하였고, 콘크리트 타설 직후 양생이 이뤄질 수 있도록 하였다. 검증실 험 대상교량의 현장 균열조사결과 미세한 크기의 횡방향 균열과 종방향 균열을 제외하면, 3년 동안 구조적 균 열이 발생하지 않은 것으로 조사되었다. 따라서 제안된 균열억제 방안이 균열억제에 효과적임을 확인하였다.
Keywords : Longitudinal crack, Map crack, Transverse crack, Very-early strength latex-modified concrete
핵심 용어 : 종방향 균열, 망상형 균열, 횡방향 균열, 초속경 라텍스개질 콘크리트
초속경 라텍스개질 콘크리트의 균열발생 사례 및 억제방안
Crack Example and Crack Control Method of Very-Early Strength Latex-Modified Concrete
최 판 길* 윤 경 구**
이 봉 학**
Choi, Pan-Gil Yun, Kyong-Ku Lee, Bong-Hak
1)
* 정회원, 강원대학교 토목공학과 박사과정
** 정회원, 강원대학교 토목공학과 교수
E-mail : [email protected] 033-250-6240
•본 논문에 대한 토의를 2009년 6월 30일까지 학회로 보내 주시면 2009년 9월호에 토론결과를 게재하겠습니다.
Photo 2 Example of map crack in Korea Photo 1 Poor curing section in field
1. 서 론
초속경 라텍스개질 콘크리트(이하 ; VES-LMC)는 기존 교량바닥판긴급 보수용 덧씌우기 콘크리트로 사 용되고 있다. VES-LMC는 기존 슬래브에 신규로 덧 씌우기 되므로 모체콘크리트인 교량 슬래브가 구속조 건으로 작용하고, VES-LMC의 건조수축, 자기수축 및 열 변형 등과 같은 초기거동을 구속하게 된다. 콘 크리트는 경화과정에서 자기수축, 건조수축 등과 같 은 재료적 특성으로 인해 필연적으로 체적변화가 수 반되며, 과도한 체적변화는 위와 같은 구속조건하에 서 균열을 발생시킬 수 있다(Yun, 2004, 정원경, 2002).
더불어 시공과정에서 발생하는 시공방법, 시공 장비 및 양생방법 등의 차이가 균열발생을 증폭시키는 역할 을 하기도 한다. 이러한 균열은 구조물의 내구성을 저하시켜 내구연한을 단축시키는 직접적인 요인으로 작용하게 된다. VES-LMC에 발생하는 균열은 크게 망상형 균열(map crack), 횡방향 균열(transverse crack) 및 종방향 균열(longitudinal crack) 3가지 로 구분할 수 있다(윤경구, 2005).
본 논문에서는 VES-LMC에 발생한 균열특징을 시 공방법과 양생방법 등을 고려하여 VES-LMC의 균열 발생 억제방안을 제시하고, 현장 시험시공을 통해 검 증하고자 하였다. 구체적인 방법으로 콘크리트 재료적 원인에 의한 균열발생과 시공 원인에 의한 균열발생을 최소화하기 위하여 다양한 변수를 설정하여 현장에 적 용하였다. 재료적인 측면에서는 시멘트 성분의 변화, 굵은 골재 최대치수 및 단위시멘트량의 변화를 통해 수화열 저감을 모색하였고, 강섬유를 첨가하여 균열 저항성을 증진시켰다. 시공적인 측면에서는 와이어매 시(wire mesh)를 사용, 피막양생제 살포시기 및 살 포량 및 습윤양생포 설치 및 비닐 덮기 등의 방법을 적용하였다. 현장에 적용된 VES-LMC의 균열억제 방안 효과에 대한 분석을 위하여 콘크리트 타설 후 지속적인 모니터링을 실시하여 균열발생 시기 및 균 열 특성에 대해 조사하였다. 시험시공을 통한 검증실 험 결과 균열발생 빈도가 현저히 줄어든 것으로 나타 났다.
2. VES-LMC 균열발생 사례
2.1 망상형 균열(Map Crack)
Photo 1은 부적절한 양생상태를 나타내는 사진으로
콘크리트 타설 후 양생이 제대로 이뤄지지 않은 예를
타나낸다. Photo 2는 국내에서 조사된 망상형 균열의
예를 나타내는 사진으로 콘크리트 배출당시 콘크리트
의 품질 및 Photo 1과 같은 부적절한 양생 등 복합적
인 원인에 의해 발생할 수 있다. Photo 3은 2005년
조사된 Braddock Road Bridge(미국, Route 620)
에 발생한 망상형 균열을 나타내는 사진이다. 교량 표
면은 미끄럼저항을 증진시키기 위해 구르빙(grooving)
이 설치되어 있었다. 망상형 균열이 심각하게 발생한 것
으로 보아 RSLMC(Rapid Setting Latex Modified
Concrete ; 이하 RSLMC)적용 초기에 적용된 교량
으로 사료된다(윤경구, 2005).
Photo 4 Example of transverse crack in Korea Photo 3 Example of map crack in America
Photo 5 Example of transverse crack in America
VES-LMC 시공방법에 있어서 가장 큰 문제점은
콘크리트 타설 후 타이닝(tinning) 시간 확보가 요구 되기 때문에 즉각적인 양생공정이 이뤄지지 못한다는 것이다. 즉, 타이닝 시간을 확보하기 위해 초기배출 콘크리트의 작업성 확보시간을 길게 유지할 수 있도록 콘크리트의 성능이 요구되었고, 이는 초기슬럼프를 크 게 일으키는 결과를 초래하였다. 또한 타이닝 작업이 완료된 후 양생이 이뤄지기 때문에 해당시간동안 외부 로의 수분증발이 자유롭게 이뤄져 초기 건조수축도 커 지게 되는 결과를 가져왔다. 소성수축균열은 일반적으 로 콘크리트 표면의 증발량이 1.0kg/m
2/hr이상이거 나 또는 증발량이 블리딩(bleeding) 량보다 클 때, 표면의 수축현상이 소성상태에 있는 내부의 콘크리트 를 구속하게 되기 때문에 콘크리트 표면에 인장응력이 발생하게 되어 표면균열로 이어지게 된다. 이러한 균 열을 최소화하기 위해서는 콘크리트 타설 후 철저한 양생관리를 통하여 수분증발을 최소화하여야 하며, 경 우에 따라서는 양생제 살포시기를 타이닝 전후 두 번 으로 나누어 실시하는 방법도 고려해 볼 필요가 있다.
2.2 횡방향 균열(Transverse Crack)
Photo 4는 VES-LMC로 보수된 교량에 발생한 횡 방향 균열로의 한 예를 나타내는 사진으로써 횡방향으 로 일정한 간격을 두고 균열이 발생한 것으로 조사되 었고, 특히 교량난간부에서 균열이 발생하여 차로부로 진전된 경우가 대부분인 것으로 나타났다. Photo 5는 2002년에 RSLMC가 적용되었던 Backlick Road
Bridge(미국, Route 617)의 횡방향 균열을 나타내 는 사진으로, 5개소에서 2~3m간격으로 횡방향 균열 이 관찰되었으나 전체적으로 매우 양호한 상태였다. 대 상 교량은 Wagman사(미국에는 4개 정도의 RSLMC 시공사가 있으며 그 중에서 Wagman의 시공능력이 가장 우수)에 의해 시공된 교량이다(윤경구, 2005).
횡방향 균열에 관한 연구는 이미 많은 연구자들에
의해 연구된 바 있다(최판길, 2005, Horn, 1972,
Kosel, 1985). 횡방향 균열의 발생원인은 여러 가지
가 있으며, 크게 구속 상태에서의 온도응력과 수축에
기인한다. 구조적 균열이므로 어느 정도 예견된 균열
이라 할 수 있다. 최근 미국 도로국(DOTs)에서는
100,000여개 이상의 교량에 대해 균열조사를 실시하
였고, 교량의 장기균열이 초기 횡방향 균열에 영향을
많이 받는다고 보고하였고, 주로 열응력과 건조수축의
조합 또는 각각의 원인으로 인해 발생한다고 보고하였
다(Krauss, 1996).
Photo 6 Example of Longitudinal crack
type A type B type C type D type E
Prope rty
- existing VES-Ceme
nt
- setting delay
- setting delay
-low hydration
heat
- setting delay (6hr)
- setting delay (12hr)
Effect - standard
- setting delay -improvem
ent of workability
- release of thermal
stress
- setting delay -improvem
ent of workability
- setting delay -improvem
ent of workability
Table 1 Major properties of modified very-early strength cementCement -Gmax
w/c (%)
S/a (%)
C (kg)
Gmax (mm)
Slump (cm)
Max.
temp.
(℃)
Compressive Strength(MPa)
3 hr 24 hr 390-13 38 54 390 13 23 33.4 27.1 35.6 360-19 38 55 360 19 21 31.8 27.4 35.4
Table 2 Improved concrete mix
2.3 종방향 균열(Longitudinal Crack)
VES-LMC로 보수된 교량에서는 일부구간에서 종 방향 균열이 발생하기는 하였으나 발생빈도가 횡방향 균열에 비해 매우 적은 것으로 조사되었다. Photo 6 은 교량 팽창조인트(expansion joint) 부분의 종방향 균열을 나타내는 사진이며, 조인트와 포장부의 단차에 의해 차량의 충격하중이 포장체에 전달되어 발생한 것 으로 사료된다.
종방향 균열은 아직까지 발생 원인이 명확하게 규명 된 바 없다. 횡방향 균열과 마찬가지로 교량난간부의 구속과 중앙분리대의 구속력이 차량 주행방향으로 작 용하여 발생한 것으로 사료된다. 향후 종방향 균열의 원인규명을 위한 후속연구가 수행되어야 할 것이다.
3. 균열발생 억제방안
3.1 시멘트 개선VES-LMC의 급격한 수화반응으로 인해 발생하는 높은 수화열은 콘크리트 균열발생에 중요한 원인이 될 수 있다. 수화열은 시멘트의 제조성분, 단위시멘트량 및 양생온도에 따라 큰 차이를 나타내는데, 초속경시 멘트(Very-Early Strength Cement ; 이하 VES- Cement)에서는 아윈 성분이 조기 에트링가이트 생성 (primary ettringite formation) 반응을 일으켜 초 기 강도발현을 나타내며, 1종시멘트 성분은 장기강도 발현에 관여한다. 또한 초기의 급격한 수화반응 억제
를 위해 화학무수석고가 제조과정에서 첨가되며, 천연 무수석고는 초기강도를 개선하고 수축억제를 위한 목 적으로 일정량 배합되어 사용된다.
본 연구에서는 시멘트의 성분변화를 통하여 수화열 을 저감시킬 수 있는 방법으로 Table 1과 같이 총 5 가지의 VES-Cement를 적용하여 균열발생저감을 모 색하였다. type A는 기존에 사용되고 있는 시멘트이 고, type B는 응결시간을 지연시키기 위하여 개량된 시멘트이며, type C는 응결지연 및 수화열을 저감시 킨 시멘트이다. type D와 E는 각각 수화반응 속도를 조절하여 6시간과 12시간에 소요 강도를 발현하는 시 멘트로서 교통량이 비교적 적은 구간의 보수공사에 적 용될 수 있도록 개량한 시멘트이다.
3.2 콘크리트배합 개선
일반적으로 콘크리트배합에서 많은 단위시멘트량과
작은 굵은 골재 최대치수(Gmax=13mm)는 수화열
증가, 강도 저하 및 건조수축 증가 등의 문제를 유발
할 수 있다. 본 연구에서는 목표 강도를 만족시킬 수
있는 범위에서 단위시멘트량을 최소화 시킬 수 있는
방법을 모색하였다. 이를 위하여 굵은 골재 최대치수
를 13mm에서 19mm로 증가시키고, 단위시멘트량을
390kg/m
3에서 360kg/m
3으로 감소시켰다. Table 2
Fig. 1 Section of experimental program in field
는 VES-LMC 콘크리트배합의 주요 변경내용과 이에
따른 슬럼프, 최대 수화열 및 압축강도 특성을 나타낸 표이다. 배합변경을 통해 일부 수화열 저감효과를 확 인할 수 있었고, 360kg/m
3의 단위시멘트량으로 소요 강도가 확보될 수 있음을 확인하였다.
3.3 시공방법 개선
3.3.1 강섬유 첨가 및 와이어 메시 설치 변수 콘크리트 배합에 강섬유를 첨가하게 되면 인성증가 및 균열발생시 브리지(bridge) 효과로 인한 균열진전 억제 등의 효과를 얻을 수 있다.
VES-LMC공법이 적용되는 교량은 대부분 열화가 심각하게 진행되어 보수․보강 두께가 작게는 10cm 에서 크게는 15cm 이상까지 형성되어 온도응력의 분 산을 필요로 하는 경우가 종종 나타나고 있다. 이러한 구간에서는 와이어 메시 설치 및 온도철근 배근 등의 방법을 이용하여 온도응력을 분산시킬 필요가 있다.
본 연구에서는 별도의 배합변경 없이 동일한 개선배 합을 적용하여 와이어 메시와 강섬유가 균열에 미치는 영향을 평가하였다.
3.3.2 양생관리 변수
지금까지 시공된 VES-LMC공법의 양생공정을 살 펴보면, 포설 후 페이버(paver)에 의한 평탄면 마무
리 작업을 한 다음 초결(initial set)에서 거친면 마무 리작업을 하고 피막양생제를 살포한 후 뒤이어 양생포 를 덮음으로써 양생공정이 끝나게 된다. 이러한 양생 공정에 있어 가장 큰 문제점은 피막양생제 살포 시기 와 살포량이 될 수 있다. 즉, 평탄면마무리 후 거친면 마무리가 이뤄지는 시기까지 성형성 확보를 목적으로 VES-LMC는 초결이 발생하는 시점까지 대기 중에 방치되므로 소성수축균열을 야기할 수 있다.
따라서 평탄면 마무리 후 즉시 피막양생제를 살포하 여 VES-LMC의 대기노출을 억제시키고, 타이닝 후 습윤 양생포를 즉시 설치하여야 한다.
4. 균열발생 억제방안 검증
4.1 시험시공 개요
시험시공은 1992년도에 준공된 PSC-I형 교량으로
강원도 홍천군도 9호선의 팔봉교로서, 교량길이 175m
의 왕복 2차선 교량이다. 교면포장은 아스팔트콘크리
트로 시공되어져 있으며, 교량 전반에 걸쳐 교면포장
및 신축이음부가 심각하게 손상된 교량이고, 일평균
교통량은 200대 미만으로 교통량이 많지 않은 교량이
다. 시험시공 기간은 2006년 4월 17일부터 4월 20
일까지 실시되었다. Fig. 1은 시험시공 구간별 적용된
변수를 나타내는 계획도이다.
Photo 7 Deteriorated condition of bridge deck
Gmax
=19㎜
C=360㎏
slump (㎝)
working time (min)
compressive
strength(MPa) Remark (early-age) early-age 24 hr
type A 21 40 27.4 35.4 4 hr.
type B - - - - -
type C 23 20 25.3 31.7 4 hr type D 23 20 24.9 31.6 6 hr type E 23 40 23.0 29.0 12 hr
Table 4 Compressive strength of VES-LMC in lab
Gmax=19 C=360㎏
Maximum of
Hydration Heat(℃) Peak Time type A 31 ℃ 1 hr 32 min type B 32.5 ℃ 2 hr 28 min type C 32.5 ℃ 3 hr 20 min type D 29.5 ℃ 1 hr 22 min type E 28 ℃ 14 hr 18 min
Table 5 Hydration heat of VES-LMC in field
Gmax
=19㎜
C=360
㎏
Compressive Strength (MPa)
Flexural
Strength (MPa) Remark (early-age) early-age 24 hr early-age 24 hr
type A 29.5 36.3 6.5 - 4 hr
type B 30.4 34.7 6.3 6.8 4 hr type C 28.9 34.0 5.3 6.2 5 hr type D 25.5 32.0 6.8 7.0 6 hr type E 22.0 31.3 4.0 5.3 12 hr
Table 3 Strength of VES-LMC in field
4.2 바닥판 콘크리트 손상 상태
교량바닥판 콘크리트의 손상정도는 Photo 7에서 볼 수 있듯이 인력으로 아스팔트 층을 걷어 낼 수 있을 정도로 교면포장이 들떠 있었으며, 바닥판콘크리트는 삽으로 일정깊이까지 제거할 수 있을 정도로 열화가 진행된 곳도 조사되었다. 이러한 원인은 교면으로 침 투한 물이 신속하게 배수되지 않아 경사가 낮은 쪽으 로 물 및 염화물이 유입되어 동결융해 작용이 심하게 일어난 상태에서, 반복되는 교통하중으로 인한 진동 등이 복합적으로 작용하여 발생한 것으로 판단된다.
이와 같이 바닥판콘크리트의 열화는 발생과 동시에 손상속도가 급격하게 빨라진다. 일정깊이 이상 콘크리 트가 열화 되면 철근피복두께 부족에 의한 철근손상 및 부식이 발생하게 되고, 단면력 부족으로 인한 펀칭 홀(punching hole)이 발생할 수도 있다. 이러한 펀 칭홀 현상은 본 교량에서도 3개소에서 발생한 것을 확 인할 수 있었으며, 난간부 교량 상부슬래브의 주철근 이 심하게 부식된 경우도 조사되었다.
4.3 현장 콘크리트 특성
Table 3은 시험시공 구간에 적용된 각 변수별 콘크 리트의 강도발현 특성을 나타낸 것이다. type A(기존 시멘트) 시멘트의 경우 압축강도 및 수화열이 실내실 험과 유사하게 측정되었다(Table 2 참조). 현장실험 결과 급결(rapid setting) 방지를 목적으로 type A 시멘트 성분에 지연제를 기 첨가한 type B 시멘트는
type A시멘트와 유사한 결과를 보이고 있다. 응결지 연 및 수화열 저감을 목적으로 적용된 type C시멘트 의 경우, 실내실험에서는 재령 4시간 강도측정이 가능 하였으나, 현장에서는 재령 4시간 강도측정이 불가하 였다. 이렇듯 변동성이 큰 원인은 type C시멘트가 응 결시간 지연과 수화열 저감을 목적으로 개량된 시멘트 로서 낮은 온도(현장온도 10℃)에서 강도발현이 제대 로 이뤄지지 않아 나타난 현상이라 사료된다. type D 와 type E 시멘트가 적용된 결과는 실내실험과 유사 하게 나타났다. Table 4는 실내실험 결과를 나타낸다.
Table 5는 각 변수별 최대 수화열을 나타낸 것이
다. 단위시멘트량 360㎏의 경우 모든 변수에서 최대
수화열이 32℃이하로 평가되었다. 기존의 390㎏의 단
위시멘트량이 사용되었을 때의 수화열이 35~36℃인
것과 비교하면 3~4℃가량 최대 수화열이 저하된 것
을 알 수 있다(최상희, 2005).
SectionCement
type Crack Length
of Crack Analysis of Crack
3 span
type B ( ⓐ )
transverse crack (center) 1.0m
․poor curing condition
․exposure of fresh concrete(17m section) until curing
2 span
type A ( ⓑ )
transverse crack (center)
0.5m
․Insufficiently repaired pavement thickness(below 1㎝)
․high slump & material separation
․construction machine fault 1
span type D ( ⓒ )
transverse crack
(center) 0.5m ․severe distress of base concrete
Table 6 Characteristic of early-age crack
Fig. 2 Crack development
4.4 균열조사