1. 서 론
2. 실험계획
3. 섬유보강 숏크리트의 품질특성 평가
3.1 강섬유, PP 합성섬유 특성 비교(현장 A)
3.2 강섬유, PP 합성섬유 특성 비교(현장 B, C, D, E)
4. PET 섬유보강 숏크리트의 최적혼입량 평가
5. 결 론
1. 서 론
숏크리트는 콘크리트나 시멘트를 구조물 표면에 높은 압력으로 분사하여 형성하는 공법이다. 숏크리트는 물을 분사 직전 혼입하는 Dry-mix와 사전에 물을 혼입하여 분사 시에 추가적인 혼입을 진행하지 않는 Wet-mix 방법으로 나뉜다. 숏크리트는 낙반 및 풍화방지, 응력집중 완화, 내압 상승, 아치 형성 효과를 통해, 터널 굴착 초반에 안전성을 확보하는 역할을 한다. 하지만, 철근, 격자 지보재, 와이어 매쉬 등을 사용할 경우 설치 곤란, 부착력 감소, 공동 발생으로 인한 숏크리트와 강지보재가 일체화되지 않는 문제가 있었다(Kim and Heo, 2013). 이러한 문제를 개선하기 하여, 굴착 면 풍화 등 이완을 억제하고 지반을 조기에 안정화, 노출 암반의 절리 및 요철에 의한 응력완화, 지반 아치를 조기에 형성하여 하중을 분산 및 지반 거동을 구속하는 등의 기능으로 건설 중 안정성과 건설 후 내구성을 확보하는 주요 역할로써, 유기계와 무기계 섬유를 보강하는 섬유보강 숏크리트가 적용되고 있으며, 일반적으로 다양한 섬유 보강재 중 강섬유를 사용하고 있다(Jeon and Jeon, 2011).
국내의 터널설계기준 및 시방서에 따르면, 숏크리트의 휨인성 증대를 위해 강재 또는 기타 재질의 섬유를 혼입할 수 있도록 규정하고 있지만, 강섬유를 제외한 기타 재질의 섬유 보강재에 대한 구체적인 성능 기준이 제공되고 있지 않다. 명확한 성능 기준이 제공되고 있는 강섬유는 섬유보강 숏크리트에 가장 보편적으로 활용되고 있지만, 작업성능저하, 강섬유 부식에 의한 장기강도 저하와 이에 따른 환경오염, 시공비 증가 등의 단점이 있다. 이러한 단점을 보완하기 위해, 잔골재율과 증점재를 혼입하여 유동성 확보 등의 방법을 통해 강섬유의 성능 개선을 진행하고 있다(Kim and Lee, 2014). 동시에, 강섬유 대체 할 합성 섬유보강 숏크리트를 활용하는 다양한 연구가 진행 중이다(Kim et al., 2010; Yoon et al., 2012; Park et al., 2013; Moon et al., 2019). 특히, Oh et al.(2023)은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 섬유보강 콘크리트 환경에서 섬유 자체의 강도 감소 유무를 평가한 결과, 실험 종류와 환경에 따라 결과 차이는 있지만, 기준 휨강도보다 우수한 것으로 평가되었다. PET 섬유보강 콘크리트의 성능이 우수하게 발현됨에 따라, PET 섬유를 보강할 때 가수분해로 인한 성능 저하가 발생하지 않는 것으로 판단되었다.
해외의 경우, 강섬유보강 콘크리트의 특성 중 압축강도와 휨강도는 충분히 기준에 만족하지만, 휨인성 약화라는 단점을 보완하기 위한 구조용 합성섬유 중 PET 섬유는 콘크리트에 혼입 시, 수축이 감소하고 연성 향상에 효과적일 뿐만 아니라, 폐PET병을 활용한 PET 재활용이 가능하기에 환경성이 우수하여, 강섬유를 대체할 섬유보강재료로 연구가 활발히 진행되고 있다(Marthong and Sarma, 2015; Cheng et al., 2017; Padhan and Gupta, 2018). PET 섬유 혼입을 통해 압축강도 향상에 큰 이점이 있음을 다양한 연구자들이 확인하였고, PET 섬유혼입 콘크리트는 일반 골재 대비 경량 콘크리트로 개발이 가능할 것으로 평가하였다(Foti, 2011; Irwan et al., 2013; Fadhil and Yaseen, 2015; Joshi and Bhattarai, 2019).
선행 연구에서는 폴리프로필렌(PP), PET 섬유 등 합성 섬유보강 숏크리트의 터널설계 기준 충족여부 검토를 위해, 휨강도 및 휨인성 시험 등을 수행하는 연구가 활발히 진행 중이다. 특히 PET 섬유는 콘크리트 수축을 감소시키고 연성을 향상시키며, 환경성도 우수하기 때문에, 강섬유 대체재료로의 관심이 많다. 폴리에틸렌 테레프탈레이트 섬유를 강섬유를 대체하여 보강하기 위해, 강섬유 동등 이상의 역학적 성능 및 부착성능을 발현하는 것으로 평가되어 합성 섬유보강 숏크리트의 현장에 적용 중이다. 그러나, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 섬유보강 숏크리트를 현장적용 함에 있어, 최적 PET 혼입량을 산정하기보다, 관련 설계기준과 시방서에 따라 일축압축강도 28 MPa, 휨강도 4.5 MPa, 평균휨인성 3.0 MPa 이상에 부합하면 활용하고 있는 실정이다(Korea Expressway Construction Specification, 2018a; Korea Railroad Authority Construction Specification, 2018b; Korean Railway Design Standards, 2021; Korean Design Standard, 2023a; Korean Design Standard, 2023b). 이처럼 PET 혼입을 위한 최적 혼입량 산정 등에 관한 연구는 부족하고 정량적 평가없이 사용하고 있다. 따라서, 현장 적용을 위한 최적 혼입량 산정 및 현장 적용성 증대를 위한 평가 분석이 필요하다.
본 논문은 합성섬유 보강 숏크리트의 활용을 위한 섬유재료별 특성 품질특성을 비교하고 성능발현에 따른 최적 합성섬유의 혼입량을 산정하고자 한다. 품질 특성 비교를 위해, 시방서 및 설계기준의 일축압축강도, 휨강도, 평균휨인성을 평가하여 비교하고 기준 충족여부를 평가한 후, 최적 혼입량을 산정하고자 한다.
2. 실험계획
섬유보강 숏크리트의 종류와 최적혼입량 산정을 위해, 5곳의 국내 시공 현장에서 일반적으로 활용하고 있는 강섬유보강과 PP섬유보강 숏크리트, PET섬유보강 숏크리트 배합에 대한 품질특성 평가를 수행하였다. 사용한 배합은 Table 1과 같고, 강섬유보강과 PP 섬유보강을 수행한 현장 3곳, 강섬유보강과 PET섬유보강을 진행한 현장 2곳이며, 잔골재는 자연사(SA)와 부순모래(CA)를 사용하였고, 급결제(Acc.)와 고성능감수제(HPWRA)를 배합에 활용하였다. 현장별 섬유보강 특성을 보면, 현장 A는 강섬유보강 숏크리트는 37 kg/m3의 강섬유를 혼입한 배합, 인장강도 500 MPa 이상, Ø1.1 × 60 mm의 PP섬유를 혼입한 PP섬유보강 숏크리트는 PP 섬유의 혼입량을 7 kg/m3로 혼입한 배합이고, 현장 B는 강섬유보강 숏크리트는 37 kg/m3의 강섬유를 혼입한 배합, 인장강도 700 MPa 이상, Ø0.6 × 50 mm의 PET섬유를 혼입량 10 kg/m3로 혼입한 섬유보강 숏크리트 배합이다. 현장 C는 강알칼리성 시멘트광물계 급결제를 활용한 강섬유보강 숏크리트 배합은 37 kg/m3의 강섬유를 혼입하였고, 인장강도 700 MPa 이상, Ø0.6 × 40 mm의 PET섬유를 혼입량 10 kg/m3로 혼입한 섬유보강 숏크리트 배합이고 현장 D는 강섬유를 37 kg/m3 혼입한 배합과, 인장강도 700 MPa 이상, Ø0.6 × 40 mm의 PET섬유를 혼입량 9 kg/m3로 혼입한 섬유보강 숏크리트 배합이며 강섬유를 37 kg/m3 혼입한 배합과 인장강도 700 MPa 이상, Ø0.6 × 40 mm의 PET섬유를 혼입량 9 kg/m3로 혼입한 섬유보강 숏크리트 배합에 대해 품질특성 실험을 수행하였다.
Table 1.
Mix proportions of shotcrete
5곳의 현장배합에 대한 품질특성 실험은 일축 압축강도 시험, 휨강도, 평균 휨인성 시험, 혼입량 시험을 현장에 따라 Table 2와 같이 수행하였다. 일축 압축시험은 KS F 2405(Korean Standards Association, 2022)에 따라, Ø100 × 200 mm의 원주형 공시체를 제작한 후, 압축강도 시험기를 활용하여, 0..05 MPa/sec의 속도로 하중을 가력하여 원주형 공시체의 압축강도를 측정하였다. 압축강도는 정해진 재령일에 3개씩 실험을 수행하였다. 3개의 압축강도 시험체의 압축강도의 평균을 시험 재령일의 압축강도로 사용하였다. 평균 휨강도, 휨인성시험은 KS F 2566(Korean Standards Association, 2019)를 참고하여, 시험체는 150 × 150 × 550 mm의 직육면체를 사용하였다. 하중의 가력은 4점재하를 통해, 재하속도는 시험체가 파괴될 때까지 0.005 mm/sec로 일정하게 하중재하를 수행하였고, 하중-처짐 곡선을 구하기 위해, 선형가력변위변환계(LVDT, Linear Variable Displacement Transduce)를 활용해 처짐량을 측정하였다. 시험은 재령 28일에 수행하였으며, 3개의 휨강도의 평균값을 활용하였다. 휨인성 평가는 응력-변위 곡선을 통해, 등가휨강도를 평가하였다. 최대강도섬유보강 숏크리트의 혼입량 시험은 KS F 2781(Korean Standards Association, 2017)에 따라 일축압축강도 시험 후 파괴된 압축강도 시험체를 분쇄하여, 공기 중에서 표면건조 포화시료의 질량과 수중 무게, 물의 밀도 등을 이용하여 시료의 부피를 아래 식 (1)과 같이 선정한다. 이때, 표면건조 포화시료의 질량은 시료를 24시간 이상 침지시킨 후, 표면의 수분을 제거하고 공기 중에서 질량을 측정한다.
여기서, : 경화된 시료의 부피(m3)
: 경화된 시료의 공기 중 표면건조 포화시료의 질량(kg)
: 경화된 시료의 수중 질량(kg)
: 온도에 따른 물의 밀도(kg/m3)
산정된 시료의 부피에서 경화된 시료의 부피와 숏크리트 내의 혼입된 섬유의 무게를 측정하여 식 (2)에 따라 혼입량을 계산한다.
여기서, : 강섬유의 혼입량(kg/m3)
: 경회된 시료의 부피(m3)
: 강섬유의 질량(kg)
3. 섬유보강 숏크리트의 품질특성 평가
섬유보강 숏크리트 터널 현장 별 배합에 대한 품질특성 평가를 수행한 결과를 섬유보강 종류에 따라 강섬유, PP합성섬유 품질특성과 강섬유, PET합성섬유 품질특성에 대한 평가결과를 비교하고 설계기준과 시방서의 기준인 휨강도 4.5 MPa 이상, 휨인성 3.0 MPa 이상에 만족하는지를 검토하였다(Korea Expressway Construction Specification, 2018a; Korea Railroad Authority Construction Specification, 2018b; Korean Railway Design Standards, 2021; Korean Design Standard, 2023a; Korean Design Standard, 2023b).
3.1 강섬유, PP 합성섬유 특성 비교(현장 A)
Fig. 1은 현장 A의 강섬유와 PP 합성섬유의 품질특성을 비교한 결과이다. 일축압축강도의 경우, 강섬유보강 숏크리트와 PP 섬유보강 숏크리트 모두 한국도로공사 기준강도인 28 MPa 이상의 일축 압축강도가 발현한 것으로 나타났다. 하지만, 휨강도와 휨인성 결과는 강섬유 보강 콘크리트의 경우 기준값인 4.5 MPa와 3.0 MPa에 만족하지만, PP 섬유의 경우 기준값에 도달하지 못하였다. 이는 PP 섬유의 낮은 비중으로(0.91g/cm3) 숏크리트 시공시 고압의 압축공기에 의한 섬유 자체의 반발재 증가로 실제 벽체에 타설된 합성섬유의 혼입량을 감소시킴으로써 휨인성 기준을 충족하지 못하는 것으로 판단된다. Table 3과 같이, 혼입량 시험 결과 투입량 대비 혼입량은 강섬유는 83.6%, PP 섬유는 75%로 나타났는데, 섬유의 분산성 저하에 따른 불규칙 분포가 주요 요인인 것으로 판단된다.
Table 3.
Mixing amount test results (Site A)
| Fiber type |
Specimen name |
Input amount (kg/m3) |
Based on mixing amount (kg/m3) |
Mixing amount (kg/m3) |
Mixing rate (%) |
| Steel | A-SF | 37 | 30 | 30.95 | 83.6 |
| PP | B-PP | 7 | 6.3 (90%) | 5.25 | 75 |
3.2 강섬유, PP 합성섬유 특성 비교(현장 B, C, D, E)
강섬유와 PET 합성섬유를 혼입한 현장 B, C, D, E의 품질특성을 비교한 결과는 Fig. 2와 같다. Table 2와 같이, 일축압축강도는 현장 B, C에서, 휨인성 시험은 모든 현장에서, 혼입량 시험은 현장 B에서만 진행하였다. 먼저, 일축압축강도 결과는 모든 현장에서 기준강도인 28 MPa 이상의 강도 발현성능을 나타냈다. 현장 B는 강섬유보강 숏크리트는 67.2 MPa, PET 섬유보강 숏크리트는 61.6 MPa로 강섬유 대비 PET 섬유의 강도가 91.7% 수준이었고, C 현장은 강섬유보강은 52.3 MPa, 섬유보강은 47.0 MPa로 강섬유 대비 90.0% 수준의 강도 발현을 나타냈다. 두 현장 모두 강섬유보강보다는 강도가 최대 10% 작게 발현되었지만, 기준 강도대비 현장 B는 220%, C는 167.9% 강도발현이 됨을 확인하였다. 현장 B와 C의 배합의 차이는 PET 섬유의 형상이다. PET 섬유의 형상을 현장 B의 83(∅0.6 × 50 mm)에서 현장 C의 경우 67(∅0.6 × 40 mm)로 최소 기준에 맞춰 하향 조정한 결과, 휨인성이 3.5 MPa에서 5.09 MPa로 약 1.45배 향상되었다. 이 결과는 형상비 감소에 따른 PET 섬유의 개체 수 증가하여 휨인성을 개선하였기 때문이다.
휨강도 시험결과는 모든 현장에서 섬유보강의 종류에 상관없이 기준강도를 초과하였지만, 평균휨인성의 경우 강섬유보강은 현장 C에서 2.71 MPa로 나타나 기준값인 3.0 MPa에 미달하였지만, PET 섬유보강은 모든 현장에서 3.0 MPa 이상의 성능을 보였다. 현장 B는 강섬유보강 숏크리트는 평균 휨강도 7.1 MPa, 휨인성 4.1 MPa로 나타났고, PET 섬유보강의 경우 평균 휨강도와 휨인성은 각각 5.7 MPa, 3.5 MPa로 평가되었다. 강섬유보강 대비 PET 섬유보강을 진행할 때, 평균 휨강도와 휨인성은 80.3, 85.4% 수준의 성능을 발현하였다. 현장 C는 강섬유보강과 PET 섬유보강은 각각 8.361 9.017 MPa이고 (c)의 휨인성은 2.711, 5.091 MPa로 평가되었다. 특히, 휨인성의 경우 PET는 기준강도인 3.0 MPa를 충족하지만, 강섬유보강의 경우 기준강도에 도달하지 못하였는데, 이는 강섬유의 분산성 저하에 기인한 것으로 판단된다. 휨강도와 휨인성 모두 강섬유로 숏크리트를 보강할 경우보다 PET 보강을 했을 때, 107.8, 187.7% 수준의 성능이 향상되었다. 현장 D는 강섬유보강과 PET보강은 각각 6.23, 6.30 MPa이고 (b)의 휨인성은 3.43, 3.84 MPa로 평가되었다. 휨강도의 경우 강섬유보강과 PET보강 숏크리트가 동등한 수준으로 나타났고, 휨인성은 PET보강 숏크리트가 1.12배 우수한 것으로 확인되었다. E 현장은 강섬유보강과 PET보강은 각각 6.23, 5.71 MPa이고 (b)의 휨인성은 각각 3.44, 3.67 MPa로 평가되었다. 휨강도의 경우 강섬유보강과 PET보강 숏크리트가 약 8.3% 감소되었으나, 휨인성은 PET보강 숏크리트가 6.9% 증가하는 것으로 확인되었다. 이 결과는 강섬유 대비 PET 섬유의 개체 수 증가에 기인함을 확인할 수 있다.
Table 4처럼, 현장 B의 섬유혼입량 시험 결과는 투입량 대비 혼입량은 강섬유는 83.5%, PET 섬유는 92.7%로 나타났다. 혼입량은 강섬유보강의 경우보다 PET 섬유를 보강할 경우, 111.0 % 수준으로 혼입량이 향상되었다.
현장 B와 C를 통해, PET 섬유의 형상을 최소 기준에 맞춰 하향하면 형상비 감소에 따른 PET 섬유의 개체 수 증가로 휨인성을 개선할 수 있음을 확인하였다. PET 섬유 혼입량에 따라, 현장 C, D, E를 비교하면, 혼입량이 증가하면, 휨강도와 휨인성이 증가한다. 혼입량이 증가하면, PET 섬유의 개체 수가 증가하여 휨인성 개선에 도움이 된다. 휨강도와 휨인성의 감소는 물-바인더 비와 잔골재율의 차이에 따라 현장 D, E를 비교하면, 물-바인더 비와 잔골재율이 커질 때, 휨강도와 휨인성에 변화가 없음을 확인하였다.
PP섬유와 PET 섬유를 혼입한 결과 PET 섬유가 터널 설계기준과 시방서 기준에 만족하는 휨강도 4.5 MPa, 휨인성 3.0 MPa 이상을 성능을 발현함을 확인하였다. 또한, 시공 조건에서 리바운드 양이 PP섬유에 비해 PET 섬유가 적고 PET 섬유는 재활용이 가능하다. 이를 종합적으로 평가할 때, 강섬유 대체재료로 PET 섬유를 섬유보강 숏크리트에 활용하는 것이 효과적이라고 판단된다. 또한, 휨강도와 평균휨인성을 통해 볼 때, 현장 C,D에서 사용한 인장강도 700 MPa 이상, Ø0.6 × 40 mm의 PET 섬유를 활용하여 최적 혼입량을 산정하는 것이 PET의 성능을 극대화할 것으로 판단된다.
4. PET 섬유보강 숏크리트의 최적혼입량 평가
3장의 섬유보강 숏크리트의 품질특성 평가 결과에 따라, 인장강도 700 MPa 이상, Ø0.6 × 40 mm의 PET 섬유를 활용하여 최적혼입량을 산정하기 위해, PET 혼입량을 8, 9, 10 kg/m3로 하여 Table 5와 같이 배합하여 휨강도와 평균휨인성을 평가하였다.
Table 5.
Mix proportions of PET fiber reinforced shotcrete
| Type | W/B | S/a | Materials (kg/m3) | HPWRA | |||||
| W | C | S | G | Fiber | |||||
| (%) | (%) | SA | CA | (C×%) | |||||
| PET-8 | 43.7 | 65 | 195 | 447 | 322 | 761 | 591 | 8 | 0.1 |
| PET-9 | 9 | ||||||||
| PET-10 | 10 | ||||||||
Fig. 3의 (a)처럼 휨강도의 경우, PET 혼입량이 8, 9, 10 kg/m3로 증가할 때, 7.93, 8.07, 7.84 MPa로 나타났고, (b)의 평균휨인성은 각각 3.36, 3.65, 3.69 MPa로 평가되었다. 모든 배합에 대해, 시방서와 설계기준 상의 휨강도 4.5 MPa와 평균휨인성 3.0 MPa를 충족하였다. PET섬유 혼입량이 증가에 따른 휨강도의 영향은 없었고, 평균휨인성은 혼입량이 증가할수록 약간 증가하지만 향상효과가 크게 나타나지 않았다. 모든 배합에 시방서와 설계기준에 충족하였지만, 실내 실험 배합보다 전반적인 성능저하가 발생하는 현장배합의 특성에 따른 안전율 고려와 PET섬유 혼입량 9, 10 kg/m3에 따른 평균 휨인성 차이가 확인되지 않아, 최적 PET섬유 혼입량을 9 kg/m3로 선정하였다.
5. 결 론
본 연구는 현장에서 합성섬유 보강 숏크리트의 활용을 위한 섬유재료별 특성 품질특성을 비교하고 성능발현에 따른 최적 합성섬유의 혼입량을 산정을 위한 연구를 수행하였다. 품질특성 평가를 위해, 일축압축강도와 휨강도, 평균휨인성, 혼입율을 평가하여 합성섬유 최적 혼입량을 평가한 결과는 다음과 같다.
1. PP 섬유의 경우 7 kg/m3 이상 PET 섬유 8kg/m3 이상 혼입하면, 터널설계 기준 및 시방 기준인 휨강도 4.5 MPa, 휨인성 3.0 MPa를 충족한다. 시공 조건에서 리바운드 양이 PP섬유에 비해 PET 섬유가 적고 PET 섬유는 재활용이 가능하다. 이를 종합적으로 평가할 때, 강섬유 대체재료로 PET 섬유를 섬유보강 숏크리트에 활용하는 것이 효과적이라고 판단된다.
2. 700 MPa 이상, Ø0.6 × 40 mm의 PET 섬유의 최적 혼입량 산출을 위한 휨강도 및 휨인성 시험 결과를 비교해 보면, 9 kg/m3 이상의 혼입율에서 휨강도 및 휨인성 향상이 나타나지는 않았다.
3. 따라서, 최적 PET섬유 혼입량을 9 kg/m3로 선정하였다. 향후 PET 섬유가 터널 현장의 환경성 안전성, 시공성 향상에 대해 평가한다면, 합성 섬유보강 숏크리트의 현장적용성 향상에 기여할 것으로 기대된다.
