초속경 건식 숏크리트의 조기강도 및 내구특성에 관한 연구 = A Study on Early-Age Strength and Durability Characteristics of Very-Early-Strength Dry-Mix Shotcrete

국문 초록 (Abstract)

숏크리트 공법은 공기압으로 콘크리트를 대상 면에 뿜어 붙이는 방법으로, 거푸집을 사용치 않고 자유로이 시공할 수 있으며 빠른 시간 내에 구조재로서의 역할을 할 수 있어, 터널 및 지하구조물의 1차지보재, 경사면 보호, 구조물 유지보수 등에 사용되어왔다. 특히, 건식방법(Dry-Mix Process)은 습식방법(Wet-Mix Process)에 비해 장비가 소형이고, 비연속적 작업에 용이하며, 청소 및 유지관리가 용이하며, 속경성 재료의 사용이 가능함으로 유지보수에 적합한 공법이다. 그러나 국내에서는 건식방법의 공법 및 재료에 대한 연구가 거의 진행되지 않고 있으며, 유지보수 적용을 위한 연구 또한 전무한 상태이다.
따라서, 본 연구에서는 속경성 시멘트를 이용하여 초속경 건식 숏크리트 재료를 개발하였으며, 개발 된 숏크리트의 조기강도를 평가하기 위해 정방형 시험편 압축강도시험, 코아 압축강도시험, 인발시험, 성숙도시험을 실시하여 이들의 상관성을 분석하였다. 이를 바탕으로 현장 숏크리트의 품질관리를 위해 신뢰성이 가장 높은 코아 압축강도시험을 대체할 수 있는 대안을 제시하고자 하였다. 또한, 개발된 초속경 숏크리트의 내구특성을 검증하기 위해 염소이온 촉진투과시험, 내약품성 시험, 동결-융해 저항성 시험 및 표면박리 저항성 시험을 수행하였다. 이로부터 다음과 같은 결론을 얻었다.
개발 된 초속경 건식숏크리트 재료는 급결제를 사용하지 않고 프리믹스 형태의 초속경 시멘트를 사용함으로, 공정이 간편할 뿐만 아니라 충분한 강도발현을 보이므로 유지보수 재료로써 충분히 적용성이 있는 것으로 판단된다. 실험에 사용한 건식 숏크리트 장비 ‘Meyco Piccola rotaty gun'는 이동이 간편하고 분진발생이 적으며 작업 중 호스 막힘이 발생하지 않아 청소할 필요가 없고 작업이 중단되어도 재료가 물과 혼합된 상태가 아니므로 일정시간 방치하여도 문제시되지 않기 때문에 작은 단면 분할보수시공에 효과적이라 판단된다.
코아 압축강도, 정방형 시편 압축강도, 인발시험으로부터 추정된 압축강도 실험결과를 상관성 분석한 결과 모두 90%이상의 높은 상관성을 보였다. 따라서 숏크리트 현장 품질관리나 강도발현 상태를 확인하기 위해서는 현장 여건을 고려해 이들 방법 중 하나를 선택하면 적용이 가능할 것으로 판단된다.
내구성 실험결과 ASTM C 1202에 따른 염소이온 투수 저항성은 400-500 쿨롱의 ‘Very low'값을 나타내었고, ASTM C 267에 따른 내약품성은 모두 ±2%의 낮은 중량변화율을 보였으며, ASTM C 666에 따른 동결-융해 저항성은 300사이클 이후 상대동탄성계수가 97.2%의 높은 값을 나타내었고, ASTM C 672에 따른 표면박리 저항성 또한 시각등급이 ’0 등급‘ 그리고 50사이클이 지난 후의 단위면적당 누적 표면박리 량이 0.0792 kg/㎡라는 매우 낮은 값으로 나타나 내구특성이 우수한 것으로 입증되었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Shotcrete is a mortar or concrete that is pneumatically projected at high velocity onto a subject. It has been applied for tunneling, underground big-spaces, repairs, slope stabilization and others where conventional form work and normal concrete placing techniques would be inadequate. For the dry-mix shotcrete, the majority of the water is introduced near the end of hose, namely at nozzle. It is common practice in the dry-mix shotcrete to introduce the material into the delivery equipment either in dry oven state or containing only a small part of the mixing water. The dry-mix shotcrete usually require a smaller equipment than wet-mix shotcrete, which make this process attractive and economic for smaller works or structural repairs along with the possibility of spraying intermittently small volumes. However, the researches on dry-mix shotcrete, needless to say on shotcrete repairs, are rare in Korea.
The purpose of this research was to develop a very-early-strength dry-mix shotcrete without accelerator using a rapid-setting cement, to analyze the correlationship of test results among cube test, core test, pullout test and maturity, and to evaluate the durability characteristics from rapid chloride permeability test, chemical attack resistance test, freeze-thaw test, and surface scaling test. The results were as follows:
The developed pre-mixed material showed a good field applicability at repair works because it developed a very-early strength without accelerator using a small equipment and a simple procedures. The used equipment at dry-mix process, Meyco Piccola rotaty gun, was easy to operate, reduced dust, did not necessitate to clean up the hose and delivery system even at intermittent small repair jobs.
The correlationship analysis of test results among cube test, core test, pullout test and maturity showed more than 90%. Thus it would be possible to adapt any one for estimating a compressive strength of shotcrete at early-age, according to field conditions.
The results of rapid chloride permeability test according to ASTM C 1202 ranged between 400 to 500 coulomb which indicated "very low" permeability. The results of chemical attack resistance test according to ASTM C 267 showed less than 2% at all chemicals at this test. The results of freeze-thaw test according to ASTM C 666 showed 97.2% of relative dynamic modules after 300 freezing and thawing cycles. The results of surface scaling test according to ASTM C 672 showed a very good resistance indicating " 0 grade" from visual inspection and 0.0792 kg/㎡ from surface deteriorated amount. As a result of durability tests, it was evaluated to have enough durability characteristics.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 = 1
• 1.1 연구배경 및 목적 = 1
• 1.2 연구동향 = 4
• 1.2.1 숏크리트의 국내·외 연구동향 = 4
• 1.2.2 비파괴시험의 국내·외 연구동향 = 11
• 1.3 연구내용 및 범위 = 19
• Ⅱ. 건식 숏크리트의 특성 및 조기강도 추정방법 고찰 = 20
• 2.1 개요 = 20
• 2.2 숏크리트의 종류 = 22
• 2.2.1 건식 숏크리트 공법 = 22
• 2.2.2 습식 숏크리트 공법 = 24
• 2.2.3 숏크리트 공법의 비교 = 26
• 2.3 건식 숏크리트 장비 = 28
• 2.3.1 이송 장비 = 28
• 2.3.2 노즐 = 29
• 2.4 굳기 전 건식 숏크리트의 특성 = 31
• 2.4.1 응결시간 = 31
• 2.4.2 리바운드 = 31
• 2.4.3 최대 부착두께 = 32
• 2.5 굳은 후 건식 숏크리트의 특성 = 34
• 2.6 숏크리트의 현황 및 문제점 = 35
• 2.6.1 고성능 숏크리트의 정의 = 35
• 2.6.2 숏크리트의 내구성 항목 및 이론 = 37
• 2.6.3 국내 숏크리트의 시공 문제점 및 개선사항 = 44
• 2.6.4 숏크리트 강도발현 평가 문제점 분석 = 48
• 2.7 콘크리트의 강도 추정을 위한 간접적인 시험방법 = 49
• 2.7.1 인발시험(Pull-out Test) = 49
• 2.7.2 반발경도법 = 62
• 2.7.3 초음파 속도법 = 66
• 2.7.4 Pin 관입시험 = 69
• 2.7.5 오스트리아 지침에 규정된 시험 = 69
• 2.7.6 콘크리트의 성숙도(Maturity) 시험 = 70
• Ⅲ. 실험계획 및 방법 = 73
• 3.1 개요 = 73
• 3.2 실험 계획 = 73
• 3.2.1 실험변수 설정 = 73
• 3.2.2 배합설계 = 74
• 3.3 실험 재료 = 74
• 3.3.1 시멘트 = 74
• 3.3.2 골재 = 74
• 3.3.3 혼화재료 = 76
• 3.4 사용된 건식 숏크리트 장비 = 80
• 3.4.1 Meyco Piccola rotary gun = 80
• 3.4.2 부스터 펌프 = 81
• 3.4.3 노즐 = 82
• 3.4.4 에어 콤프레샤 = 82
• 3.5 시편제작 및 실험방법 = 85
• 3.5.1 강도실험방법 = 85
• 3.5.2 내구성실험방법 = 91
• Ⅳ. 초속경 숏크리트의 조기강도 추정 = 101
• 4.1 개요 = 101
• 4.2 실험결과 = 101
• 4.2.1 코아 압축강도 = 101
• 4.2.2 정방형 시험편 압축강도 = 103
• 4.2.3 인발시험(Pull-out Test) = 104
• 4.2.4 성숙도(Maturity) = 106
• 4.3 실험결과 비교분석 = 109
• 4.3.1 코아 압축강도와 정방형 시험편 압축강도 비교 = 109
• 4.3.2 코아 압축강도와 인발시험으로부터 추정된 압축강도 비교 = 110
• 4.3.3 정방형 시험편 압축강도와 인발시험으로부터 추정된 압축강도 비교 = 112
• 4.3.4 회귀분석에 의한 추정식 비교 = 113
• 4.4 인발시험(Pull-out Test)의 기존제안식과의 비교분석 = 116
• 4.5 소결 = 117
• Ⅴ. 초속경 숏크리트의 내구성실험 결과 및 고찰 = 118
• 5.1 투수저항성 = 118
• 5.2 내약품성 = 119
• 5.3 동결-융해저항성 = 124
• 5.4 표면박리 저항성 = 125
• 5.5 소결 = 127
• Ⅵ. 결론 및 향후 연구과제 = 129
• 참고문헌 = 131
• Abstract = 136