Experimental Study for Proposal of Concrete Removal Standard using Hydrodemolition Method

大 韓 土 木 學 會 論 文 集 第29卷 第1D 號·2009年 1月 pp. 73~80

施 工 管 理

Hydrodemolition에 의한 콘크리트 파쇄기준 제안을 위한 실험적 연구

Experimental Study for Proposal of Concrete Removal Standard using Hydrodemolition Method

정원경*·김기헌**·윤경구***·김용곤****

Jeong, Won-Kyong·Kim, Ki-Heun·Yun, Kyong-ku·Kim, Yong-Gon

···

Abstract

To repair the deteriorated concrete structures, the deteriorated parts should be removed by using surface treatment methods and replaced by new construction materials. Hydrodemolition is one of the most effective methods for chipping off the dete- riorated concrete and treating the remaining concrete. The water jet can remove the deteriorated concrete without damaging the reinforcement steel and surrounding aggregates. Using the water jet system improves surface texture, which ensures to improve adhesive strength between new and old concretes. In this study, three different concrete slab strengths and two water jet machine sets were investigated. Experimental results showed the relationship between concrete strength and water jet con- dition and this would enable to provide the information of the domestic water jet system and specification, which would con- tribute to automatization and efficiency of concrete repairing and rehabilitation works.

Keywords :water jet, hydrodemolition, adhesive, repair, deteriorated concrete

···

요 지

열화된 콘크리트 구조물 보수에 있어, 보수재를 사용하기 전에 열화부위는 완전히 제거되어야 한다. 워터제트 공법은 열화 된 콘크리트를 제거하는 방법 중에 하나로 철근 및 건전한 콘크리트에 손상을 주지 않으면서 손상된 콘크리트를 제거할 수 있는 매우 효과적인 방법으로 알려져 있다. 이러한 워터제트의 사용은 표면요철형성 등으로 신구 콘크리트의 부착력을 향상 시킨다. 본 연구에서는 국내에서 적용되고 있는 워터제트 장비를 사용하여 콘크리트 슬래브 강도에 변화를 주어 파쇄깊이에 따른 강도추정식을 제안하고 하였으며 이를 통해 워터제트 관련 규정제안 및 보수보강 시 사용되고 워터제트 장비에 대한 기초적인 정보를 제공하고자 한다.

핵심용어

:

워터제트, 부착, 보수, 열화 콘크리트

···

1.

서 론

콘크리트 구조물은 공용 중 외부하중 및 환경하중 등에 의해 내구성이 저하되게 된다. 이러한 내구성 저하는 구조적 안정성 및 이용자 안전에 위험이 되기 전에 보수 또는 보강 이 이루어져야 한다. 콘크리트 구조물의 보수보강은 내구성 저하를 억제하거나 구조기능을 회복시키는 것을 의미하는 것 으로 매우 폭넓고 다양한 방법으로 시행되고 있다. 그러나 콘크리트 자체의 보수보강에 있어 매우 중요한 것은 신구재 료의 일체화 거동을 유도하는 것이다. 이를 실현하기 위해서 는 반드시 기존의 열화된 콘크리트를 모두 제거한 후 기준 이상의 부착력을 반드시 확보하여야 한다. 특히, 콘크리트 포

장과 같은 구조물은 신구 접합특성에 따라 시공방법 및 해 석방법에 차이가 발생하며 일반 구조물에서도 보수보강 시 우선시 고려되는 사항이 부착특성이다. 이러한 부착력을 확 보하기 위한 기존 구조물 표면처리방법으로 국외에서는

Hydrodemolition

개념을 이용한 워터제트 방식을 콘크리트

교면재포장 및 콘크리트 구조물 보수보강에 적용하고 있다

(Johan, 1994; Shigemi, 2003).

워터제트 방식은 분진과 진

동이 전혀 없으므로 시가지나 주요시설주변의 까다로운 작 업조건에 적합하며 재래식 공법에 비해 시공속도가 매우 빠 르고 충격과 진동이 없어 인근 구조물에 균열 등의 영향을 주지 않는 특성과 더불어 파쇄되지 않는 면에 대한 응력영 향이 적어 구조물을 그대로 유지하면서 표면을 요철 방식으

*정회원·(주)삼우아이엠씨기술연구소책임연구원 (E-mail : [email protected])

**정회원·(주)삼우아이엠씨 사업본부 대표이사(E-mail : [email protected])

***정회원·교신저자·강원대학교토목공학과부교수(E-mail : [email protected])

****정회원·대상이앤씨(주) 사업본부 대표이사(E-mail : [email protected])

로 제거하므로 보강 콘크리트의 부착력이 증대된다(Michael,

1992; Masao, 2003).

또한, 일정하게 분사되는 물의 압력보

다 낮은 부위를 선택적으로 제거할 수 있어 부착력 증진과 열화된 콘크리트를 동시에 제거할 수 있는 특성을 지니고 있다.

국내에서는 2000년 이후 본격적으로 도입되어 일부 콘크 리트 교면재포장 및 콘크리트 포장 보수에 적용되고 있으나 국내에서 제작·사용되고 있는 워터제트 장비제원, 제거방식 및 그 효과에 대한 연구는 미흡한 실정이며 이와 관련된 국 내 규정 또한 전무한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 콘크 리트 구조물 보수보강 시 적용되는 국내 워터제트에 대한 효과 및 파쇄특성을 실험적으로 고찰하여 현장 관리자 및 이용자들에게 보다 활용도 높은 정보를 제공하고 향후

Hydrodemolition

개념에 의한 콘크리트 보수보강 시 필요한

관련 규정제정에 필요한 기초자료를 제공하고자 한다.

2.

부착력 확보를 위한 콘크리트 파쇄방법

2.1

파쇄방식에 따른 부착 특성

기존 콘크리트의 열화부를 제거하고 신구 재료의 부착력을 확보하기 위한 열화부 제거장비는 크게 인력파쇄장비, 기계 화장비 및 워터제트 장비로 구분할 수 있다. 이중 소규모

파쇄에 대한 인력파쇄장비는 공기압을 이용한 핸드브레이커 가 이용되고 있으며 도로면과 같이 대규모 절삭을 요하는 공사에서는 유압식 상온절삭기(Cold milling)이 적용되고 있 다. 이들에 대한 각각의 특성은 표 1과 같다.

Johan(1998)

는 표면 처리 방법에 의한 부착강도 비교실험

을 실시하여 그 결과를 발표하였는데, 인력브레이커, 샌드블 라스팅 및 워터제트를 사용하여 표면처리를 실시한 경우, 신 구 부착강도는 각각 0.94MPa, 1.73MPa 및 2.23MPa로 측 정되었다고 보고하였다. 표면의 거친 정도에 따라 부착 강도 는 고압살수 방법이 인력 제거 방법보다 2.4배 크게 측정되 어 우수한 부착특성을 나타내었으며 고압살수 제거에 의해 시공된 콘크리트 덧씌우기의 경우 시간이 경과 후에도 부착 강도의 저하가 미소한 것으로 평가하였다. 또한 인력브레이 커 파쇄 시 충격압력에 의해 건전부에 균열이 발생한다는 사실도 증명하여 그림 1과 같이 발표하였다.

Kal(1990)

은 고압살수 방식은 인력제거 방법을 사용한 경

우 보다 부착강도가 1.62배 크게 측정되어 워터제트 방식에 의한 표면처리 시 부착성능이 우수해진다는 연구결과를 제 시하였으며 Bickley(1998)도 인력제거보다 고압살수 장비를 사용하였을 때 부착강도가 더 우수하다는 동일한 연구결과 를 발표하였다. 김기헌(2005) 등은 직접인발시험에 의해 측 정된 현장 부착강도 결과에서 인력파쇄구간 및 상온절삭기

표

1.

콘크리트 절삭장비 비교

파쇄방법 인력파쇄

(Hand-Held Pneumatic Breakers)

상온절삭기

(Cold milling machine)

워터제트

(Hydrodemolition)

장비크기

9, 20, 45kg 1.8~45t 30t

장비파워

420~620KPa 18kw~560kw 225~370kw

특성 ·충격식 소형 부분파쇄장비

·수직, 수평면 파쇄가능

·작업원 숙련도에 따라 작업성 변화

·기계화 연속식 장비

·수평면 파쇄장비

·일정한 깊이로 파쇄가능

·작업속도 우수

·대규모 연속식 장비

·수직, 수평, 굴곡면 파쇄가능

·선택적 제거가능

·작업속도 양호 적용대상 ·콘크리트 구조물 부분보수 ·도로 및 교면 재포장 ·도로 및 교면 재포장

·경사구조물 보수보강

·관로 보수보강

장비전경

그림

1.

파쇄방식에 따른 경계면 미세균열 발생 유무

(Johan, 1994)

장비에 의한 파쇄구간에서 각각 0.6MPa 및 0.7MPa로 나타 나 접착식 콘크리트 덧씌우기 포장에서 요구하는 접합강도

1.4MPa

를 만족하지 못하는 것으로 평가하였으며 워터제트에

의한 구간에서는 1.8MPa 이상의 부착강도를 나타내어 기준 접착강도를 만족한다는 결과를 발표하였다.

2.2

워터제트에 의한 콘크리트 파쇄특성

워터제트 공법이란 물을 초고압초고속 상태의 제트류로 만 들어 이를 해체대상 구조물에 분사시킴으로써 콘크리트의 세 굴작용을 일으켜 콘크리트만을 선택적으로 파괴시킬 수 있 는 공법이다. 이 공법으로 시행하게 되면 부재의 표면은 요 철형태로 콘크리트가 떨어지고 철근에는 전혀 손상 없이 해 체할 수 있으므로 이 표면 위에 보강공사를 시행할 때 보강 콘크리트의 부착력을 증대시킬 수 있다. 따라서 교량의 상판 보수공사 등 구조물을 완전히 해체하지 않고 보강을 필요로 하는 콘크리트 부분만을 제거하는데 유용한 공법으로 알려 져 있다.

유체가 고체에 저압으로 부딪힐 경우에는 고체표면에 아무 런 변화가 없으나 일정 압력 이상의 높은 압력으로 고체에 부딪히면 고체의 표면에 구멍(crater)이 생기기 시작하고 이 것이 계속 진행되면 고체 내부로의 세굴작용을 일으킨다. 이 러한 세굴작용이 계속 더 진행되면 분사되는 물의 압력이 세굴된 고체 내부의 벽면에 압력을 가하여 고체가 박리되는 충격파괴가 시작되며, 이러한 폭발적인 파괴작용을 일으키는 원리를 이용하는 것이 워터제트방식이다(건우기술, 2008). 워 터제트 방식은 장비제원, 장비구성 등에 따라 대상구조물에 대한 파쇄특성이 변화하게 되며 이때 제공되는 최대수압, 유 량, 노즐수, 노즐직경, 분사각, 분사간격, 지속시간 등에 따라 매우 상이한 결과를 얻게 되나 이를 종합한 하나의 관계식 으로 정량적 평가를 시행하는 것은 매우 어려운 상황이다.

또한 워터제트 용어는 보통명사로 고압살수를 이용하는 방 식을 총칭하여 워터제트라 하며 파쇄기능면에 있어

Hydrodemolition

과 Waterblasting으로 구분할 수 있다.

Hydrodemolition

은 초고압수를 이용하여 대상구조물을 분

쇄·파쇄하는 것을 의미하며 Waterblasting은 파쇄목적보다 는 이물질 및 면처리 기능을 의미한다. 이러한 구분은 제공 되는 펌프압과 유량에 따라 변화하는 식 (1)의 장비출력 즉, 마력(horsepower, hp)으로 구분할 수 있으며(NLB Corp,

2007) 300~500hp

정도의 출력을 Hydrodemolition에 필요한

장비조건으로(Michael, 1992), 이보다 낮은 출력을 갖을 경 우 Waterblasting 개념으로 평가한다. 따라서 본 연구에서는 현재 사용되고 있는 국내 워터제트 장비 중 Hydrodemoli-

tion

제원을 만족하는 장비를 활용하여 콘크리트 파쇄특성을

실험적으로 분석·정리하고자 하였다.

(hp) (1)

여기서, GPM은 유량단위(gallon per minute), psi는 펌프압 력단위

2.3

국내외 콘크리트 슬래브 절삭깊이 관련 규정

미국 미주리 도로국의 워터제트 관련 시방서에 의하면 일 반적인 파쇄장비를 이용하여 1차적으로 교량 슬래브 표면을

1/4

인치(0.6cm)까지 제거하며, 그 다음에 Hydrodemolition

(

워터제트)을 이용하여 철근콘크리트 표면 상부를 높은 거칠 기와 부착력을 확보하기 위하여 건전한 콘크리트인 경우 1/

4~1/2

인치(0.6~1.2cm) 추가적으로 제거 또는 열화된 콘크리

트일 경우 모두를 제거하도록 규정하고 있다. 콘크리트 파쇄 를 위한 워터제트 장비구성 및 작업능력에 대한 규정으로는 미국 전략상 고속도로 연구 프로그램에 의거, 고압펌프는

225~370kW

의 디젤엔진으로 구성되며 펌프압은 약 83~138

MPa,

피스톤 타입의 펌프유량은 75~265L/min.를 만족하도

록 제안하고 있다.

국내에서 활용되고 있는 워터제트 관련 파쇄깊이 및 장비 제원에 관련된 규정은 없으며, 초속경라텍스개질 콘크리트

(Very Early Strength Latex Modified Concrete, VES- LMC)

를 이용한 교면재포장공사 특별시방서에 표 2와 같은 조건으로 현장에 적용하고 있다. 그러나 국내 적용 워터제트 장비에 대한 콘크리트 파쇄 능력에 대한 검증 및 연구가 미 흡하여 그 결과에 많은 논란이 일고 있어 이에 대한 실험적 평가가 요구되고 있는 실정이다.

3.

실험계획 및 실험방법

3.1

슬래브 제작

국내에서 콘크리트 신구 부착력 강화를 위해 적용되고 있 는 워터제트 방식인 Hydrodemolition 개념의 파쇄성능을 평 가하기 위하여 콘크리트 강도수준을 변수로 슬래브를 제작 하였다. 국내에서 시공되고 있는 콘크리트 교량 슬래브의 설 계강도는 최소 21MPa 이상이며 보통 28MPa 이하로 설계 되고 있으나 실제 강도는 30MPa를 넘는 것이 일반적이다.

따라서 본 연구에서는 교량 상부 슬래브의 실제 강도를 모 사하기 위하여 설계기준강도 28MPa를 기준으로 고강도인

35MPa

와 15MPa 저강도 슬래브를 제작하여 콘크리트 강도

BHP GPM PSI

×

---1715

=

표

2.

워터제트 관련 국외 규정 및 국내 현황

국외(미국) 국 내

표면절삭 깊이규정

<Missouri DOT

자료>

-

일반 파쇄기 1/4 inch(0.6cm) + 워터젯 장비 1/4~1/2 inch(0.6~1.3cm)

≒ 1~2cm

-

상부 열화부 전체

VES-LMC

특별시방서

-

설계 시 워터제트 공정에 의해 1cm 파쇄 기준.

장비구성

<SHRP-S-336

자료>

- 225~370kW

고압디젤엔진

- 75~265L/min.

유량

- 83~138MPa

펌프압

VES-LMC

공법 적용장비

- 350kW

고압디젤엔진

- 82~195L/min.

유량

- 110~250MPa

펌프압

에 따른 파쇄깊이를 검증하고자 하였다. 슬래브 타설 후 재 령 28일 경과시점에서 보다 정확한 시편의 강도를 측정하고 자 슬래브 코어채취 강도를 측정한 결과, 모두 설계기준강도 를 상회하는 강도값을 보였다.

3.2 Hydrodemolition

장비제원

현재 국내에서 제작적용되고 있는 Hydrodemolition 장비 는 크게 2가지 제원으로 구분되며 본 연구에서는 두 가지 장비제원 모두에 대하여 실험적 평가를 수행하였다. 사용된 장비는 콘크리트 파쇄목적으로 현재 국내 현장에서 실제적 용되고 있는 장비이며 보다 자세한 장비제원 표 4와 같다.

워터제트의 파쇄능력은 사용되는 펌프압 및 유량에 가장 크게 영향을 받게 된다. 워터제트 장비 구성은 그림 3(1)~

(2)

와 같이 수압과 유량을 제어하는 초고압펌프와 그림 3(3) 의 자동제어 이동식 파쇄로봇으로 이루어져 있으며 초고압 펌프에서 제공되는 에너지를 로봇에서 분사노즐을 통해 타 격함으로써 타격 에너지보다 낮은 콘크리트를 제거하거나 표 면에 요철을 형성하게끔 한다. 분사노즐은 그림 4와 같이 직경 250~350mm, 200rpm의 속도로 고속회전하면서 대상구 조물을 파쇄하게 된다.

이때 제공되는 분사에너지는 펌프압 및 유량으로 계산되는 마력(horsepower)으로 표현되며 워터제트 장비 중 콘크리트 를 파쇄하는 Hydrodemolition을 수행하기 위해서는 300~

500hp

의 크기를 가져야 한다(Michael, 1992). 국내에서 콘

크리트 파쇄를 목적으로 적용되고 있는 장비는 펌프압 및 유량에 다소 차이는 있으나 모두 450~480hp의 장비출력을 갖는 것으로 조사되어 Hydrodemolition의 기본 장비제원은 만족하는 것으로 평가되었다.

3.3

실험방법

Hydrodemolition

에 의한 콘크리트 파쇄특성은 전술한 바와

그림

2.

시편 제작 및 강도측정용 코어채취

표

3.

콘크리트 제작 시편에 대한 강도측정결과 시편구분

S-15 S-28 S-35

설계강도(fck)

15MPa 28MPa 35MPa

코어강도(fc)

17MPa 32MPa 38MPa

그림

3.

워터제트 중

hydrodemolition

장비조합

표

4.

국내 콘크리트 파쇄용

hydrodemolition

장비 제원

구 분

W-1 W-2

노즐수

2

구

4

구

노즐분사구경(Nozzle diameter)

2.2mm 0.8mm

스핀헤드 직경(rotating diameter)

250mm 350mm

스핀헤드 회전속도(rotating speed)

200 rpm 200 rpm

펌프압(pump pressure)

110 MPa 250 MPa

유량(flow rate)

195 L/min 82 L/min

마력(horsepower)

474 hp 453 hp

그림

4.

노즐 파쇄이동 방식

같이 최대수압, 유량, 노즐수, 노즐직경, 분사각, 지속시간 등 에 따라 상이한 결과를 나타나게 된다. 그러나 국내에서는 이와 관련된 규정 및 연구결과가 없으므로 국외 규정을 인 용하여 이에 적합한 수압 및 유량조건의 장비를 제작, 분사 노즐수를 각각 2구 및 4구로 장착하여 적용하고 있다. 본 연구에서는 고정된 최대수압, 유량, 노즐직경, 분사각에 대하 여 2구 및 4구 노즐장비에 대한 지속시간만을 변수로 하여 파쇄성능을 평가하였다.

워터제트 로봇의 지속시간은 회전노즐의 좌우이동속도

(traverse speed, m/sec)

를 의미하므로 최저이동가능속도인

0.1m/sec

과 최대이동가능속도인 0.5m/sec을 기준으로 파쇄성

능을 평가하였다. 기본적으로 저속으로 이동·파쇄할 경우 대상구조물을 더 깊게 파쇄할 수 있으나 이동속도에 따른 파쇄깊이 변화에 대한 연구가 없으므로 이에 대하여 정량적 평가를 수행하였다.

4.

실험결과

4.1

노즐수에 따른 파쇄특성

동일한 수압 및 유량 조건에서는 분사노즐수가 증가할수록 분출되는 수량 및 압력이 분산되어 파쇄능력은 저하된다. 따 라서 노즐수를 증가시키면서 동일한 파쇄능력을 유지하기 위 해서는 최대수압을 높이고 분사유량을 저감시켜 타격에너지 를 보존시키는 방법이 일반적이다. 국내 워터제트 장비는 장 비출력 450~480hp를 유지하기 위하여 2구의 경우는 최대수 압 110MPa, 유량 195L/min.을 적용하고 있으며 4구 장비 는 최대수압 250MPa, 유량 82L/min.을 사용하고 있다.

본 연구에서는 노즐수에 따른 장비출력 변화가 콘크리트 파쇄에 미치는 영향을 실험적으로 평가하고자 하였다. 그림

6~7

은 지속시간별 콘크리트강도 변화에 따른 파쇄깊이를 정 리한 것으로 콘크리트강도 변화에 상관없이 4구를 적용한 경우가 2구의 파쇄깊이보다 다소 깊이 측정되었으나 그 차 이가 약 5mm 정도로 미소하여 현재의 2구 및 4구 장비에 대한 각각의 장비출력은 양호한 것으로 평가되었으며 파쇄 에너지원이 동일한 것으로 나타났다.

4.2

콘크리트 강도에 따른 파쇄깊이 특성

콘크리트 구조물에 대한 보수보강 시 신구 부착력 증대를 위해 적용되는 워터제트는 기존 콘크리트 강도와 분사되는 수압, 유량 등에 따라 파쇄깊이가 변화하게 되지만 기존 콘 크리트 강도가 양호할 경우 표면에 요철을 형성하여 보수보

강재의 부착면을 증대시키는 역할을 하게 된다. 그러나, 기 존 콘크리트가 환경조건 및 외력 등에 의해 강도가 저하된 경우 파쇄깊이는 증가하게 된다. 또한, 워터제트 장비 조합 및 운영이 부적절할 경우 필요이상으로 파쇄깊이가 깊어질 수 있게 된다. 따라서 검증된 콘크리트 강도를 기준으로 현 장비의 파쇄능력을 검증하여 이를 토대로 파쇄깊이에 따른 기준 콘크리트의 강도를 추정함으로써 관리자 및 시공자의 부담을 절감할 수 있다. 본 연구에서는 건전한 콘크리트 강 도 기준을 교량 슬래브 설계강도인 fck=28MPa로 설정하고 이를 기준으로 고강도 콘크리트와 저강도 콘크리트 슬래브 를 제작하여 동일한 워터제트 장비제원으로 파쇄할 경우 변 화되는 파쇄깊이를 실험적으로 평가하였다. Hydrodemolition 에 의한 콘크리트 파쇄결과는 유량 및 펌프압에 의한 장비 출력(hp)과 이에 반발하는 콘크리트 강도에 따라 변화하므로 콘크리트의 재료요소 및 배합요소는 전체적인 파쇄에 큰 영 향이 없는 것으로 판단되어 본 연구의 결과분석에서는 이와 그림

5.

파쇄로봇의 노즐 및 스핀헤드

그림

7.

노즐수

4

구의 파쇄깊이

그림

6.

노즐수

2

구의 파쇄깊이

같은 영향을 고려하지 않았다.

그림 9~11은 콘크리트 강도별 평균 파쇄깊이를 나타낸 것 으로 이를 살펴보면, 20MPa보다 낮은 저강도 콘크리트에서 는 지속시간 0.1m/sec에서 파쇄깊이는 36~40mm로 측정되 었으며 지속시간 0.5m/sec의 파쇄깊이는 약 11~13mm로 파 쇄되어 약 3배이상 차이가 나는 것으로 나타났다. 그러나 콘크리트 강도가 증가할수록 파쇄깊이는 감소하여 32MPa 강도에서는 0.1m/sec의 파쇄깊이는 15~19mm, 0.5m/sec의 파쇄깊이는 5~6mm로 고강도로 갈수록 지속시간에 따른 파 쇄깊이 차이는 미미해지는 것으로 평가되었다. 그림 12~14 는 평균파쇄깊이를 나타낸 것으로 콘크리트 강도 및 파쇄지 속시간에 따른 파쇄깊이 변화를 정량적으로 분석할 수 있는 자료이며, 표 5는 측정데이터를 종합하여 정리한 것이다.

4.3

파쇄깊이와 콘크리트 강도와의 상관성

콘크리트 구조물의 유지보수 시 워터제트를 이용한

Hydrodemolition

개념을 적용하는 주된 목적은 신구 콘크리

트의 부착력 강화를 위하여 기존 콘크리트에 일정한 형태의 요철을 주기 위함이며 두 번째는 기존 콘크리트 구조물의 손상없이 일정강도이하의 열화부위를 제거하기 위함이다. 일 반 파쇄기로도 열화부를 제거함과 동시에 부착면 증대를 위 한 요철형태를 만들 수 있으나 그 과정에서 기존구조체에 그림

8.

워터제트 파쇄성능 평가시험 전경

그림

10.

기준 콘크리트 파쇄단면깊이

그림

9.

저강도콘크리트 파쇄단면깊이

그림

11.

고강도콘크리트 파쇄단면깊이

그림

12.

저강도 콘크리트 파쇄깊이 특성

그림

13.

기준 콘크리트 파쇄깊이 특성

손상을 유발하여 오히려 부착력 저하를 나타내게 된다. 신구 콘크리트 부착력 강화에 필요한 요철 및 파쇄깊이는 정량적 으로 분석제시된 연구사례는 없으나 Hydrodemolition 개념 을 이용할 경우에 파쇄깊이를 국외에서는 건전한 콘크리트 를 기준으로 약 1cm 내외의 깊이로 형성되게끔 규정하고 있다(MoDOT, 2002). 국내에서는 파쇄깊이에 대한 Hydro-

demolition

관련 연구결과 및 규정이 없으며 일부 사례에서

기존 콘크리트를 1차 절삭한 후 Hydrodemolition에 의해 약 1cm 내외로 파쇄하도록 설계하고 있다. 그러나 파쇄깊이 는 콘크리트의 열화정도에 의한 실제 콘크리트 강도에 따라 차이가 발생하게 되므로 본 연구에서는 Hydrodemolition 파 쇄깊이에 따른 기존 콘크리트 강도추정식을 제안하고자 하 였다.

그림 15과 16은 Hydrodemolition에 의한 파쇄깊이와 콘 크리트강도를 정리하여 회귀분석한 결과이다. 표 6에 나타낸 강도추정식을 활용할 경우, 현재 국내 워터제트 관련 장비에 대한 제원확보 및 파쇄능력을 평가할 수 있으며 건전한 콘 크리트 즉, 설계기준강도 21MPa를 만족하는 콘크리트에 대 하여 2구의 워터제트를 사용하여 파쇄할 경우 그 깊이는 지 속시간 0.1m/sec, 0.2m/sec 및 0.5m/sec에 대하여 각각

30mm, 17mm, 10mm

로 평가할 수 있게 된다.

따라서, 부착력 강화를 위한 워터제트의 Hydrodemolition 적용 파쇄깊이를 국외규정을 적용하여 10mm로 하고자 할 경우, 장비출력 450~480hp에서 파쇄지속시간이 0.5m/sec일 경우 이를 만족하게 된다. 또한, 기존콘크리트강도가 30MPa 이상으로 고강도일 경우는 부착력 확보를 위한 지속시간을

그림

14.

고강도 콘크리트 파쇄깊이 특성

표

5.

콘크리트 강도별 지속시간에 따른 파쇄깊이 측정결과

fc 17MPa 32MPa 38MPa

Traverse speed 0.1m/sec 0.2m/sec 0.5m/sec 0.1m/sec 0.2m/sec 0.5m/sec 0.1m/sec 0.2m/sec 0.5m/sec

type I (2holes) removal depth (mm)

41 14 8 8 8 5 8 8 3

39 18 11 13 10 4 8 10 4

34 21 13 18 12 5 9 7 5

29 15 14 21 9 7 10 8 6

36 16 16 19 10 8 10 9 4

38 24 12 14 14 6 10 5 3

32 21 14 20 11 9 11 8 4

42 24 10 16 11 4 12 5 5

38 25 8 13 12 4 10 6 6

aver. 36.6 19.8 11.8 15.8 10.8 5.8 9.8 7.3 4.4

type II (4holes) removal depth (mm)

38 19 13 18 14 4 11 9 7

42 24 10 17 15 5 9 14 4

44 26 14 21 18 5 6 7 7

47 22 14 17 9 7 7 9 5

37 19 15 19 14 5 12 7 6

40 23 16 24 12 8 14 5 4

38 25 17 20 15 6 13 8 5

36 23 14 19 20 8 9 6 6

40 19 11 18 12 9 13 12 7

aver. 40.2 22.2 13.8 19.2 14.3 6.3 10.4 8.6 5.7

표

6.

워터제트 장비조합별 파쇄깊이에 따른 기존 콘크리트 강도추정식

2

구

4

구

장비조합 펌프압

유량 마력

110 MPa 195 L/min

474 hp

250 MPa 82 L/min 453 hp

파쇄깊이별

콘크리트강도 추정식

0.1m/sec 0.2m/sec 0.5m/sec

y = 52.276e-0.0307x (R2 = 0.9996) y = 64.099e-0.0666x (R2 = 0.9939) y = 62.389e-0.1104x (R2 = 0.9986)

y = 53.328e-0.0281x (R2 = 0.9915) y = 69.421e-0.0611x (R2 = 0.9460) y = 62.408e-0.0947x (R2 = 0.9814)

0.2m/sec

으로 할 경우 10mm 내외의 파쇄깊이를 확보할 수 있게 된다.

5.

결 론

본 연구에서는 콘크리트 구조물 보수보강 시 적용되고 있 는 워터제트의 Hydrodemolition 장비에 대한 파쇄특성을 실 험적으로 평가하고 파쇄깊이별 콘크리트 강도추정식을 제시 하였다. 국내에는 워터제트 관련 규정이 없는 관계로 현장에 서 적용되고 있는 장비제원을 활용하여 파쇄특성을 분석하 였으며 이를 토대로 연구결과를 요약하면 다음과 같다.

1.

국내에서 적용되고 있는 콘크리트 파쇄용 워터제트는 노 즐수에 따라 2구 및 4구 장비로 구분되며 각각 펌프압

110MPa,

유량 195L/min에 장비출력 474hp, 펌프압 250

MPa,

유량 85L/min에 장비출력 453hp을 갖는 것으로 조

사되었다.

2.

국외에서는 교면 재포장 시 철근콘크리트 표면 상부를 높 은 거칠기와 부착력을 확보하기 위하여 워터제트

(Hydrodemolition)

를 적용하는데 그때의 제거깊이는 건전

한 콘크리트가 1/4~1/2in.(0.64~1.3cm) 추가적으로 제거되 도록 규정하고 있다. 본 연구를 기초로 설계강도 21~

30MPa

를 만족하는 건전한 콘크리트에 펌프압과 유량에

의한 장비출력이 450hp 이상인 워터제트(Hydrodemoli-

tion)

장비를 적용할 경우 파쇄깊이는 약 1.0cm 정도이며

이는 현재의 설계기준 1.0cm를 만족하는 것으로 평가되 었다.

3.

워터제트에 의한 콘크리트 파쇄 시 콘크리트 설계강도를

기준으로 장비의 펌프압, 유량 및 이동속도로 결정된 파쇄 기준치보다 깊게 파쇄되는 것은 콘크리트 설계강도를 만 족하지 못하는 강도 상태임을 나타내는 것이며 이는 공용 기간 중 환경 및 하중조건 등에 의해 강도가 저하된 것 으로 신구 콘크리트 부착력 확보 및 보수효과를 높이기 위해서는 반드시 제거되어야 한다. 즉, 워터제트 장비출력

450~480hp,

이동속도 0.5m/sec, 설계강도 21~28MPa 조

건에서 콘크리트 파쇄깊이는 약 1.0cm 정도이나 이보다 더 깊게 제거되는 부위는 콘크리트 설계강도를 만족하지 못하는 열화된 영역으로 판단할 수 있으며 워터제트에 의 해 노출된 부위는 설계강도를 만족하는 건전한 부위로 평 가할 수 있다.

본 연구는 제한된 장비 및 콘크리트 조건에서 얻은 결과 로 향후, 콘크리트의 다양한 강도조건에서 펌프압 및 유량변 화에 따른 파쇄특성, 현장자료를 이용한 파쇄깊이에 따른 콘 크리트 강도추정식의 검증 등이 수행되어야 할 것으로 판단 된다.

감사의 글

본 연구는 국토해양부 건설교통기술연구개발 지원사업의 연구비지원(06건설핵심C14)에 의해 수행된 것으로 본 연구 를 가능케 한 한국건설교통기술평가원에 감사드립니다.

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178-186.

(

접수일: 2008.8.22/심사일: 2008.11.4/심사완료일: 2008.12.15) 그림

15.

파쇄깊이에 따른 콘크리트 강도추정

(2

구

)

그림

16.

파쇄깊이에 따른 콘크리트 강도추정

(4

구

)