† 교신저자, 코오롱건설(주), 기술연구센터, 차장 E-mail : [email protected] * 코오롱건설(주), 토목사업본부, 상무 ** 코오롱건설(주), 기술연구센터, 주임 *** 인천대학교, 도시건설공학과, 교수
철도 터널 구조물 시공을 위한 다발형 폴리아미드섬유 보강 숏크리트
Multiple Polyamide Fiber Reinforced Shotcrete for
Railway Tunnel Structure
전중규† 정재민* 윤지현** 전찬기***
Joong-Kyu Jeon Jae-Min Chung Ji-Hyun Yoon Chan-Ki Jeon
ABSTRACT
Fiber reinforced shotcrete began to be used in tunnel constructions because it facilitates and expedites the construction process, and improves reinforcement properties. As one of the most widely used forms of shotcrete used in tunneling, steel fiber reinforced shotcrete offers excellent strength and ductility and allows quick reinforcement. However, steel fibers tend to lump together in cement matrix, and low levels of water and acid resistance cause corrosion in steel fiber, resulting in cracks and delamination. In particular, rebound and backlash of steel fiber is significantly increased during steel fiber reinforced shotcrete construction, compromising the flexural toughness and quality of shotcrete.
In order to resolve the problems associated with steel fiber reinforced shotcrete and improve the application, durability, and cost-effectiveness of shotcrete, this paper proposes methods for manufacturing and constructing tunnels with multiple polyamide fiber reinforced shotcrete. We performed experiments to evaluate the performance of the proposed shotcrete, and the experimental results indicate that the multiple polyamide fiber reinforced shotcrete proposed in this paper offers outstanding performance that meets various construction design criteria.
1. 서론
터널 시공에 있어 NATM(New Austrian Tunneling Method) 공법이 국내에 도입되면서 초기에는 건 식 공법에 의한 숏크리트 시공이 일반적으로 이루어졌으나 현재는 소규모 터널 및 지하철 공사 등 일부 를 제외하고는 습식 숏크리트의 시공이 보편화되어 수행되고 있다. 이처럼 숏크리트는 터널 굴착 직후 발생하는 원지반의 초기 변위의 제어 및 풍화 방지를 통한 굴착면의 안정도모의 목적으로 시공되었으나 최근 들어서는 터널 구조물의 장기적인 사용성 및 안전성의 개념에서 숏크리트의 역할이 중요하게 부각 되고 있다. 이에 본 연구에서는 터널시공 시 구조적 안정 및 보강의 목적으로 대표적으로 사용되고 있 는 강섬유 보강 숏크리트의 문제점을 해결할 뿐만 아니라 강섬유 숏크리트를 대체할 수 있는 다발형 폴 리아미드섬유 보강 숏크리트의 제작 및 시공방법을 제안하고, 제안된 숏크리트의 성능을 실험적으로 검 증하고자 한다. 2. 숏크리트 기술동향 및 문제점 2.1 숏크리트 기술동향 터널 시공에 있어서 초기에는 숏크리트 시공 시 와이어메쉬를 암반에 부착시킨 후 그 위에 숏크리트
를 타설하는 방법을 사용하였다. 하지만 이 방법은 숏크리트의 반발률이 크고 와이어메쉬 설치 기간이 과다 소요 되며, 정확한 설치가 곤란한 점 등으로 빠른 보강 작업이 이루어지지 못하고 설치비용이 증 가하는 단점이 있었다. 이후 시공 상의 편리, 공기단축, 보강특성 향상 등의 이유로 섬유보강 숏크리트 가 사용되기 시작하였으며, 이중 대표적으로 사용되고 있는 것이 그림1과 같은 강섬유가 보강된 숏크리 트이다. 이 방법은 기존의 와이어메쉬를 사용한 공법보다 시공이 간편하며 강도 및 인성특성이 우수하 고 빠른 보강이 가능한 장점 등으로 인해 숏크리트 시공에 대표적으로 사용되고 있다. (a) 형상 (b) 종류 그림1. 숏크리트 보강용 강섬유 2.2 기존 강섬유 보강 숏크리트의 문제점 최근 국내의 경우 강섬유의 국산화가 이루어지고 강섬유 보강 숏크리트 지침이 수립되는 등 철도 및 고속도로 터널 공사를 중심으로 강섬유 보강 숏크리트가 대표적으로 사용되고 있다. 하지만 강섬유 보 강 숏크리트는 그림2와 같이 혼합 시 숏크리트 내에서의 뭉침 현상, 타설 시의 노즐 및 압송호스 막힘 현상과 강섬유의 튐 및 반발률이 많이 발생되어 휨인성 및 품질 저하 문제가 발생하고 있다. 특히 강섬 유는 내수성 및 내산성이 낮아 부식으로 인한 균열 및 박리현상 발생하며, 가격이 고가인 점 등이 단점 으로 지적되고 있다. (a) 분산 및 부착성능 불량 (b) 반발률 과다 (b) 부식 발생 그림2. 기존 강섬유 보강 숏크리트의 문제점 3. 다발형 폴리아미드섬유 보강 숏크리트의 제작 및 시공방법 본 연구에서 제안하는 다발형 폴리아미드섬유 보강 숏크리트에 보강되는 섬유는 이상에서 언급한 기 존 강섬유의 문제점을 개선하고 대체하기 위하여 그림3과 같이 국내에서 개발․생산한 것으로 강섬유와 비교하여 단가가 낮으며, 섬유 자체가 연성이 있어 숏크리트 내에서 배합 성능이 우수하다. 또한, 강섬 유 및 기존에 개발된 섬유들과 차별화되게 다발형 폴리아미드섬유는 그림4와 같이 표면에 분산제(윤활 제, 계면활성제, 대전방지제가 혼합된 분산제)가 코팅되어 있어 숏크리트 내에서 분산성 및 부착성능이 우수하여 숏크리트의 품질향상에 기여할 수 있다. 또한 다발형 폴리아미드섬유는 그림5와 같이 숏크리 트와 혼합 시 끝단의 풀림과 섬유 표면에 다수의 루프가 형성되어있어 시멘트 경화체와의 부착성능이
양호하게 발현된다. 이와 같이 개발․제조․생산된 다발형 폴리아미드섬유 보강 숏크리트는 기존의 강 섬유 보강 숏크리트 시공과 동일한 장치 및 설비를 이용하여 그림 6과 같이 동일한 과정으로 시공된다. 4. 다발형 폴리아미드섬유 보강 숏크리트의 성능 검증 4.1 성능 검증 방법 본 연구에서 제안된 다발형 폴리아미드섬유 보강 숏크리트의 실험적 성능 검증을 위하여 도표 1과 같 이 섬유가 보강되지 않은 숏크리트 실험체(Plain)와 기존 숏크리트 시방 규정에 정해진 강섬유 40kgf/m3(체적 대비 약 0.5%)의 혼입 조건에 준하는 섬유 보강 숏크리트 실험체 3종류(PA0.6(혼입율 0.6%의 폴리아미드섬유 보강 숏크리트), SF0.5(혼입율 0.5%의 강섬유 보강 숏크리트), PP0.5(혼입율 0.5%의 폴리프로필렌섬유 보강 숏크리트))를 설정하였다. 섬유 보강 숏크리트 실험체 3종류에 혼입된 보 강 섬유의 물성 및 특징, 형상은 도표 2 및 그림7과 같다. 다발형 폴리아미드섬유 보강 숏크리트의 성능 검증을 위한 실험 및 측정 항목은 재령 28일 경과 후의 압축강도, 쪼갬인장강도, 강섬유 보강 숏크리트 의 기존 휨강도 4.5MPa을 고려한 휨강도 및 등가휨강도비이다. 또한 본 연구에서는 이와 같은 실험 및 측정 항목을 바탕으로, 설계 시 및 시공현장에서의 효과적인 적용과 숏크리트 품질저하 방지를 위하여 도표 3에 나타낸 국내의 각 기관별 터널 숏크리트 설계기준 및 시방기준과 부합하도록 성능을 검증하고 자 한다. (a) 장치 개략도 (b) 고압 공기 교락 제조 (c) 다발형 폴리아미드섬유 그림3. 다발형 폴리아미드섬유 제조 폴리아미드섬유 친수기 친유기 폴리아미드섬유 친수기 친유기 그림4. 표면 분산제 코팅 (a) 단일형상 (b) 확대형상 (c) 미세 부착 형상 그림5. 다발형 폴리아미드섬유 형상 (a) 섬유투입 및 믹싱 (b) 운반 (c) 타설 그림6. 다발형 폴리아미드섬유 보강 숏크리트 시공방법
실험제 종류 W/C (%) S/a (%) Unit weight (kgf/m3) W C S G Fiber Plain 43 66.0 205 478 1068 566 -PA0.6 43 66.0 205 478 1068 566 6.84 SF0.5 43 66.0 205 478 1068 566 40.00 PP0.5 43 66.0 205 478 1068 566 4.55 도표 1. 숏크리트 성능 검증용 실험체의 배합 물성 종류 밀도 (g/cm3) 길이 (mm) 굵기 (mm) 형상비 (l/d) 인장강도 (MPa) 비고 다발형 폴리아미드섬유 1.14 30 0.42 71 594 화학저항성 우수 강섬유 7.85 30 0.50 60 810 부식 발생 폴리프로필렌섬유 0.91 50 0.50 100 450 화학저항성 우수 도표 2. 섬유 보강 숏크리트 실험체에 혼입된 보강 섬유의 물성 및 특징 (a) 다발형 폴리아미드섬유 (b) 강섬유 (c) 폴리프로필렌섬유 그림7. 섬유 보강 숏크리트 실험체에 혼입된 보강 섬유의 형상 구 분 도로설계기준 (2005) 철도설계기준 (2011) 고속철도설계기준 터널설계기준 (2007) 압축강도 (MPa) 10(1일)* 21(28일) 10(1일) 21(28일) 10(1일) 21(28일) 10(1일) 21(28일) 휨강도 (MPa) 4.4(28일) 4.5(28일) 4.5(28일) 4.5(28일) 등가휨강도 (MPa) - 3.0(28일) 3.0(28일) 3.0(28일) 골 재 최대치수 15mm 이하 최대치수 10mm 이하 최소 0.1mm 이상 최대치수 10mm 이하 최소 0.1mm 이상 최대치수 10mm 이하 최소 0.1mm 이상 최소타설두께 30mm 이상 50mm 이상 50mm 이상 50mm 이상 급결제 터널설계기준을 따름 시멘트 중량의 5~10% 시멘트 중량의 5~10% 시멘트 중량의 5~10% * 단, 한국도로공사 표준시방서에서의 휨인성지수는 68% 이상 도표 3. 국내 각 기관별 터널 숏크리트 설계기준 및 시방기준
4.2 압축강도 섬유가 보강되지 않은 숏크리트 실험체 및 섬유 보강 숏크리트 실험체 3종류의 압축강도 실험 결과를 그림8에 나타내었다. 그림8에서 확인할 수 있듯이, 모든 숏크리트 실험체는 도표3에 나타낸 터널 설계기 준 및 시방기준에서 제시한 재령 28일의 압축강도 21MPa을 만족하는 결과를 나타내었으며, 섬유를 혼 입하지 않은 숏크리트 실험체(Plain)가 다발형 폴리아미드섬유 보강 숏크리트 실험체(PA0.6)와 근소한 차이를 두고 가장 큰 압축강도를 나타내었다. Plain PA0.6 SF0.5 PP0.5 Types 0 10 20 30 40 50 C omp re ssi ve st re ng th (M P a) 21MPa 그림8. 숏크리트 실험체의 압축강도 4.3 쪼갬인장강도 섬유가 보강되지 않은 숏크리트 실험체 및 섬유 보강 숏크리트 실험체 3종류의 쪼갬인장강도 실험 결 과를 그림9에 나타내었다. 그림9에서 확인할 수 있듯이, 3종류의 섬유 보강 숏크리트 실험체(PA0.6, SF0.5, PP0.5)는 섬유가 보강되지 않은 숏크리트 실험체(Plain)보다 비교적 큰 인장강도를 나타내었으며, 이는 그림10과 같이 각각의 섬유가 숏크리트 내에서의 가교작용에 의한 쪼갬인장강도의 증진 효과 및 균열저항 효과에 의한 것으로 판단된다. Plain PA0.6 SF0.5 PP0.5 Types 0 1 2 3 4 5 Sp lit tin g t en sile s tr en gt h( M P a) 그림9. 숏크리트 실험체의 쪼갬인장강도 그림10. 숏크리트 내에서 섬유의 가교작용 및 균열저항 효과 4.4 휨강도 및 등가휨강도비 그림11과 그림12는 섬유가 보강되지 않은 숏크리트 실험체 및 섬유 보강 숏크리트 실험체 3종류의 휨 강도 및 등가휨강도비 실험 결과를 나타낸 것이다. 도표3에 나타낸 바와 같이 터널 설계기준 및 시방기
준에서는 재령 28일의 휨강도를 4.5MPa 이상, 휨인성을 나타내는 등가휨강도를 3.0MPa 이상, 등가휨강 도비를 68% 이상으로 규정하고 있다. 그림11과 그림12에서 확인할 수 있듯이, 본 연구에서 제안한 다발 형 폴리아미드섬유 보강 숏크리트 실험체(PA0.6)와 기존의 강섬유 보강 숏크리트 실험체(SF0.5)의 경우 는 이상의 기준을 모두 만족하는 결과를 나타내었지만, 폴리프로필렌섬유 보강 숏크리트 실험체(PP0.6) 및 섬유가 보강되지 않은 숏크리트 실험체(Plain)는 터널 설계기준 및 시방기준에 미달하는 결과를 나타 내었다. Plain PA0.6 SF0.5 PP0.5 Types 0 1 2 3 4 5 6 7 8 B end in g s tr en gt h( M P a) 4.5MPa 그림11. 섬유 종류별 숏크리트의 휨강도 Plain PA0.6 SF0.5 PP0.5 Types 0 10 20 30 40 50 60 70 80 T oug hn es s qu ot ie nt (%) 68% 그림12. 섬유 종류별 숏크리트의 등가휨강도비 5. 결론 본 연구에서는 강섬유 보강 숏크리트의 문제점을 해결하고, 숏크리트의 시공성, 내구성 및 경제성을 향상시키기 위하여 다발형 폴리아미드섬유 보강 숏크리트의 제작 및 시공방법을 제안하고, 제안된 숏크 리트의 성능을 실험적으로 검증하였다. 실험적 검증 결과, 본 연구에서 제안한 다발형 폴리아미드섬유 보강 숏크리트는 터널 설계 목적과 기준에 충분히 부합하는 강도 및 휨인성을 확보하며, 기존 숏크리트 보다 낮은 슬럼프에서도 뿜어 붙이기가 가능하므로 반발률 및 분진 발생을 최소화할 수 있으며, 섬유 부식이 발생되지 않아 충분한 내구성을 확보하여 철도 및 도로 터널의 공용기간 동안 소요의 기능을 발 휘할 수 있는 것으로 평가되었다. 참고문헌 1. 건설교통부, “도로교설계기준”, 한국도로교통협회, 2005. 2. 건설교통부, “터널설계기준”, 한국터널공학회, 2007. 3. 국토해양부, “철도설계기준(노반편)”, 한국철도시설공단, 2011. 4. 마상준, 최재석, "강섬유보강 숏크리트의 품질기준 및 시험방법 KS규격 표준화.” 대한토목학회 기술 기사, Vol. 16, No. I-3, pp. 217-226, 2008.
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6. 장필성, 최희섭, 김동민, 남관우, “휨인성 특성을 통해 구조용 합성섬유를 사용한 레디믹스트 숏크리트 의 적정 혼입량 도출.” 대한토목학회 정기 학술대회 논문집, 2009, pp. 3651-3654, 2009.
