1. 서 론
2. PET 섬유의 설계 투입량 및 혼입량 산출
2.1 PET 섬유 보강 설계량 산출을 위한 실험
2.2 시험에 의한 보정값 산출 및 단위 kg당 이론 개체 수 비교
2.3 PET 섬유의 설계 투입량 및 혼입량 산출
3. 현장 적용성 평가
3.1 시공성 평가
3.2 경제성 평가
3.3 환경성 평가
3.4 기타 안전성 평가
4. 결 론
1. 서 론
숏크리트는 터널 굴착 초기 안정성을 확보하지만, 강지보재를 철근, 격자 지보재, 와이어 매쉬로 사용할 경우 공동이 발생하거나 숏크리트와 강지보재가 부착력 감소에 따른 일체화되지 않는 문제가 있다. 이러한 문제를 개선하기 위하여, 유기계와 무기계 섬유보강 숏크리트가 적용되고 있으며, 강섬유와 합성섬유를 사용하고 있지만, 강섬유보강 숏크리트는 작업 성능저하와 부식, 환경오염 등과 같은 문제가 있다. 이에 따른 대안으로 합성 섬유보강 숏크리트 다양한 연구가 진행 중이다(Jeon and Jeon, 2011; Kim and Heo, 2013).
현재, 터널설계기준과 시방서에서는 강섬유를 제외한 섬유 보강재에 대한 성능 기준을 제공하고 있지 않고, 강섬유와 동등한 성능을 요구하고 있는 실정이다(Korea Railroad Authority Construction Specification, 2018; Korea Expressway Construction Specification, 2018; Korean railway design standards, 2021; Korean Design Standard, 2023a, 2023b). 이에 따라, 국내･외 대부분의 연구는 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 섬유 등과 같은 합성섬유의 성능 평가에 국한되어 있다(Kim et al., 2010; Yoon et al., 2012; Park et al., 2013; Marthong and Sarma, 2015; Cheng et al., 2017; Padhan and Gupta, 2018; Moon et al., 2019; Shah et al., 2021, Oh et al., 2023).
이에 따라 선행 연구로 합성섬유 보강 숏크리트의 현장 적용성 증대를 위해, 합성섬유 재료별 품질특성을 평가하고 최적 합성섬유 혼입량을 산정하는 연구를 수행하였다(Yoo et al., 2024). PP 섬유보강 숏크리트보다 PET 섬유보강 숏크리트의 품질이 우수함을 평가하여, PET 섬유보강 숏크리트의 최적 혼입량을 제시하였다. 최적 혼입량 평가에 따라, PET 섬유보강 숏크리트의 현장 적용을 위해, 추가적으로 시공성, 경제성, 환경성, 안전성 등에 대한 평가가 필요하다. Namli(2021)는 강섬유보강 숏크리트로 터널 시공을 하면, 일반 숏크리트의 시공보다 터널 시공 시간이 47% 감소되고 시공 비용은 16.6% 감소된다고 평가하였다. Lourenço et al.(2011)은 잔류 압축강도 측면에서 섬유보강 콘크리트의 내화성을 평가하였다. 비금속성 섬유를 사용할 경우 폭발성 박리를 방지할 수 있어, 콘크리트의 내화성 향상에 기여하는 것으로 평가하였다. 섬유보강 숏크리트에 관한 연구가 수행 중이지만, 현장 적용성 평가에 관한 연구는 수행 중이지 않은 편이어서, 효율적인 현장 적용을 위해 시공성, 경제성, 환경성, 안전성 등에 대한 평가가 시급하다.
본 논문은 합성섬유 보강 숏크리트의 설계 투입량과 혼입량을 산정하고. 이에 따른 PET 섬유보강 숏크리트의 현장 적용성을 평가하고자 한다. 선행 연구(Yoo et al., 2024)의 최적 혼입량 산정 결과를 기초로 하여, 설계 투입량과 혼입량 산정한다. 현장 적용성은 시공성, 경제성, 환경성 및 기타 안전성을 평가하고자 한다.
2. PET 섬유의 설계 투입량 및 혼입량 산출
2.1 PET 섬유 보강 설계량 산출을 위한 실험
섬유보강 숏크리트의 시공 과정에서 섬유의 리바운드가 발생하는 문제가 있다. 리바운드 발생량을 예측하지 못하면, 합성 섬유의 혼입량이 감소하여 설계한 휨인성 발현에 문제가 발생한다. 따라서, PET 섬유의 설계 투입량에 리바운드량을 고려한 최적 혼입량을 결정해야 한다. 시험에 사용한 섬유보강재는 강섬유와 PET 섬유 두 가지 종류를 사용하였다. 강섬유는 Ø0.5 × 30 mm, 최소 인장강도 700 MPa 이상, 형상비 60이상의 특성을 가지고, PET 섬유는 Ø0.6 × 40 mm, 최소 인장강도 700 MPa 이상, 형상비 60 이상을 가지며, 섬유 길이의 절반을 침투시켜 평가를 수행하였다. 강섬유와 PET 섬유의 부착하중은 Fig. 1과 같이, 부착성능 시험을 수행하였다. Ø100 × 200 mm 원주형 몰드의 중앙에 섬유 길이의 절반을 정착시켜 시험체를 제작하였다. 강섬유의 경우, 섬유의 부착길이가 15 mm, PET 섬유의 부착길이는 20 mm이며, 비부착구간을 통해 부착하중을 평가하였다. 식 (1)을 통해, 인발응력을 산정하고 그 결과는 Fig. 2와 같다.
강섬유와 PET의 부착하중을 비교한 결과, 강섬유의 경우 121.00~129.40 N으로 평균 125.93 N의 부착하중을 나타냈고, PET 섬유는 122.60~125.40 N으로 123.93 N의 평균 부착하중으로 평가되었다. 부착하중은 강섬유가 PET 섬유에 비해, 1.02배 높게 나타났다. 인발응력은 강섬유의 경우 5.04 MPa, PET 섬유의 경우 4.54 MPa로 나타나, 강섬유가 PET 섬유에 비해 1.11배 높게 평가되었다.
여기서, : 최대하중(N)
: 섬유의 직경(mm)
: 정착길이(mm)
2.2 시험에 의한 보정값 산출 및 단위 kg당 이론 개체 수 비교
PET 섬유 보강재의 설계량 산출 실험의 결과, 부착하중과 인발응력 모두 강섬유가 PET 섬유보다 크게 평가되었다. 이에 따라, 개체 수 보정은 강섬유의 부착하중과 인발응력을 기준으로 하여, PET 섬유의 부착하중, 인발응력에 따른 보정값을 계산하여, 개체 수를 조정하였다(Table 1). 인장강도는 강섬유와 동등 수준 이상의 700 MPa 이상으로 하여, 개체 수 보정을 하지 않았다. 2.1의 실험결과에 따라, 부착하중은 1.6%, 인발응력은 10.1%의 개체 수 보정값을 산정하였다. 인장강도, 부착하중, 인발응력에 따른 보정값을 적용하면 강섬유를 대체로 PET 섬유를 혼입할 때 11.7%의 개체 수 최적화를 수행하였다.
Table 1.
Evaluation of quality characteristics of optimal PET fiber reinforced shotcrete
| Type | Minimum tensile strength | Bond Load | Drawing stress |
| (MPa) | (N) | (MPa) | |
| Steel fiber | 700 | 125.93 | 5.04 |
| PET fiber | 700 | 123.93 | 4.54 |
| Correction of Fiber count | - | +1.6% | +10.1% |
2.3 PET 섬유의 설계 투입량 및 혼입량 산출
단위 kg당 강섬유와 PET 섬유의 개체 수를 비교하기 위해, 강섬유와 PET 섬유의 물리적 특성을 비교한 결과를 Table 2로 정리하였다. 강섬유와 PET 섬유의 경우, 직경과 길이에 차이가 있어, 형상비가 강섬유는 60, PET 섬유는 66.7로 차이가 있고, PET 섬유의 비중이 강섬유의 약 16.0%밖에 되지 않아 경량이고 단위 중량이 강섬유가 5배 크게 나타났다. 1 kg당 개체 수량을 산정하면 강섬유의 경우 18,810개, PET 섬유는 92,337개로 PET 섬유가 강섬유에 비해, 약 4.91배 많은 개체 수가 확보됨을 확인하였다.
Table 2.
Physical properties of steel fiber and PET fiber
단위 kg당 이론 개체 수 비교 결과에 2.2 최적 PET 섬유 최적 혼입을 위해 산정한 보정값을 적용하여 PET 섬유의 보정 개체 수를 Table 3과 같이, 산출하였다. 강섬유 기준의 이론적으로 투입량은 1 m3당 강섬유 보강을 37 kg할 때, 695,986개의 투입량과 산출 시 30 kg의 강섬유 보강이 되었다고 가정할 때, 564,313개의 강섬유의 개체 수를 확인할 수 있다. 이론 개체 수에 보정값 11.7% 증가시키면, 투입량은 777,416개, 산출 시 630,333개의 섬유 개체 수를 확보할 수 있다.
Table 3.
Calculating the number of PET fiber adjustment factor
| Type | Steel fiber | Adjustment factor | |
|
Number of theoretical fiber (ea/kg) | Input | 695,986 | +11.7% |
| output | 564,313 | +11.7% | |
|
Calculating the number of PET (ea/kg) | Input | 777,416 | |
| output | 630,333 | ||
Table 3의 산출된 PET 섬유 개체 수를 토대로 PET 섬유의 설계 투입량 및 혼입량을 결정한 결과를 Table 4로 정리하였다. PET 섬유는 1 kg당 92,337개의 개체 수를 가진다. 이를 앞서 산출한 이론 개체 수의 투입량과 산출량 777,416, 630,338개에 선행 연구(Yoo et al., 2024)의 숏크리트 시공 시 섬유 자체의 리바운드율 7%를 반영하여 설계 산출량을 산정하였다. 산출된 설계 적용량의 1 m3당 이론 개체 수는 투입량 923,370개, 산출량 738,699개이다. 설계 산출량의 환산 중량은 투입량은 10.0 kg/m3이고, 8.0 kg/m3의 산출량을 산정 후 최적 혼입량으로 적용하였다.
3. 현장 적용성 평가
2장에서 산정한 설계 산출량 10 kg/m3를 최적 혼입량으로 하는 PET 섬유보강 숏크리트의 현장 적용성 평가를 위해, 강섬유, PET 섬유의 시공성과 경제성, 환경 및 안전성을 평가하였다.
3.1 시공성 평가
강섬유 보강재는 국내 터널 시공현장에서 보편적으로 사용되지만, 콘크리트 혼합 시 균일한 분산이 어려워 뭉침 현상으로 인해 시공성이 저하된다. 수용성 결합제를 사용한 번들 형태의 강섬유는 결합제 품질 저하 또는 부식으로 인해 강섬유 낱알이 제대로 분리되지 못해 분산이 어렵다. 강섬유는 외부 수분과 산소에 의해 부식되면서 상호 결합하여 시공성을 저하시킨다. 형상비를 증가시키기 위해 강섬유 길이를 늘리면 숏크리트 장비의 제한된 직경을 통과하지 못해 막힘 현상이 발생한다. 또한, 강섬유의 높은 탄성으로 인해 콘크리트 압송관의 마모가 촉진되어 시공성에 부정적인 영향을 미친다.
PET 섬유보강 숏크리트의 휨인성을 향상시키기 위해 섬유의 형상비를 증가시키더라도, PET 섬유는 유연성과 복원력이 뛰어나 시공성에 부정적인 영향을 미치지 않는다. 또한, PET 섬유는 섬유로 인해 숏크리트 압송관이 마모되지 않아 시공성을 저하시킬 요소가 없다. 특히, PET 섬유의 비중은 1.2~1.4 g/cm3로 강섬유의 약 16.0%밖에 되지 않아, 비표면적이 넓고, 낱알 섬유 형태로 설계되어 숏크리트 혼합 시 부유 현상이 발생하지 않는 특징이 있다. Fig. 3에서 볼 수 있듯이, PET 섬유는 계량 후 투입 과정에서 콘크리트와 균일하게 혼합되며, 이로 인해 뭉침 현상이 크게 줄어든다. 이러한 특성 덕분에 균일한 숏크리트 시공이 가능하다.
3.2 경제성 평가
단위 m3당 숏크리트의 재료비 비교에 있어 강섬유 투입량의 경우 “강섬유 투입량 최적화 및 숏크리트용 급결제 품질기준 정립 연구(2012.12, 한국철도시설공단)”의 연구 결과에 따라 37 kg/m3를 적용하였고 PET 섬유의 경우, 설계 투입량 10 kg/m3을 적용하여 경제성을 비교하여 Table 5로 정리하였다.
Table 5.
Results of economic evaluation of shotcrete
| Type | Steel fiber shotcrete (m3) | |||
| Quantity | unit cost (won) | Amount (won) | ||
| Cement (kg) | 489.6 | 83 | 40,392 | |
| Fine aggregate (m3) | 0.661 | 23,000 | 15,203 | |
| Coarse aggregate (m3) | 0.339 | 23,000 | 7,797 | |
|
Admixture (kg) | SAA* | 24.0 | 1,000 | 24,000 |
| HRWRA** | 4.8 | 1,000 | 4,800 | |
| Fiber | 37.0 | 1,700 | 62,900 | |
| Total | 155,337 | |||
| (a) Steel fiber shotcrete | ||||
| Type | PET fiber shotcrete (m3) | |||
| Quantity | unit cost (won) | Amount (won) | ||
| Cement (kg) | 489.6 | 83 | 40,392 | |
| Fine aggregate (m3) | 0.661 | 23,000 | 15,203 | |
| Coarse aggregate (m3) | 0.339 | 23,000 | 7,797 | |
|
Admixture (kg) | SAA | 24.0 | 1,000 | 24,000 |
| HRWRA | 4.8 | 1,000 | 4,800 | |
| Fiber | 10.0 | 5,500 | 55,000 | |
| Total | 147,192 | |||
| (b) PET shotcrete | ||||
배합에 사용되는 시멘트, 잔골재, 굵은골재, 급결제, 유동화제의 혼입량은 강섬유와 PET섬유가 동일하지만, 강섬유와 PET 섬유의 혼입량에 차이가 있기 때문에, 이에 따라 경제성의 차이가 발생한다. 강섬유는 조달청 단가를 기준으로 할 때, 1 kg당 1,700원이고, PET 섬유는 물가자료를 기준으로 할 때, 1 kg당 5,500원의 단가를 책정하고 있다. 1 kg당 단가는 강섬유에 비해 PET 섬유가 3,800원이 비싸 비용이 약 3.24배 증가한다. 하지만, 1 ㎥당 혼입량이 강섬유의 경우 37 kg/m3이고, PET 섬유는 10 kg/m3로 1 m3당 27 kg/m3의 혼입량의 차이를 가진다. 이에 따라, 1 m3당 강섬유와 PET 섬유의 혼입 금액을 비교하면, 강섬유는 62,900원이고, PET 섬유는 55,000원으로 산정되었다. 이에 따라 강섬유보강 숏크리트 1 m3당 단가는 155,337원이고 PET 섬유보강 숏크리트는 147,192원으로 PET 섬유보강 숏크리트를 적용할 때, 1 m3당 5.25%에 해당하는 7,900원의 비용 절감이 가능하다.
강섬유 보강 숏크리트는 단위 m3당 기준 투입량 37 kg/m3 대비, 합성섬유의 혼입량은 PET 섬유의 경우 10 kg/m3이므로, 단위 m3당 PET 섬유 적용 시 최소 27 kg/m3의 중량을 감소시킬 수 있다. 또한, 강섬유 보강 숏크리트 및 합성섬유 보강 숏크리트에 대한 리바운드의 경우 작업자의 숙련도에 따라 상이하나, 객관적 폐기물 처리비 절감효과를 분석하기 위하여 섬유 보강재 자체 리바운드에 대하여 비교하면 Table 6과 같다. 강섬유와 PET 섬유의 재료별 리바운드양을 비교한 결과, 강섬유를 37 kg/m3 투입할 경우, 6.1 kg/m3가 리바운드되어 83.5%의 혼입률로 평가하였다. PET 섬유는 10 kg/m3 투입하면, 리바운드 양은 0.66 kg/m3로 혼입률이 93.4%로 평가되었다. 중량으로 비교 시 강섬유 대비 약 89.1%의 중량감소 효과가 있다.
Table 6.
Comparison of rebound amount by fiber reinforcement
| Type | Input amount (kg/m3) | Rebound amount (kg/m3) | Replacement rate (%) |
| Steel fiber | 37 | 6.1 | 83.5 |
| PET fiber | 10 | 0.66 | 93.4 |
Table 6의 단위 m3당 리바운드를 통해 숏크리트 시공량 10,000 m3를 가정하여 섬유 보강재 자체 리바운드에 의한 폐기물 발생량을 비교하면 다음의 Table 7과 같다. 총 투입량은 강섬유보강 숏크리트는 23,640 t, PET 섬유보강 숏크리트는 23,360 t으로 280 t을 저감할 수 있다. 섬유 보강재의 종류에 따른 폐기물 발생량을 비교하면, 폐콘크리트의 양은 강섬유보강 숏크리트는 1,442.0 t, PET 섬유보강 숏크리트는 154.2 t으로 PET 섬유보강 숏크리트를 적용할 때, 1,287.8 t의 폐콘크리트의 발생을 감소시킬 수 있다. 이에 따라, 1 t당, 폐콘크리트 처리비가 25,989원일 때, 강섬유보강 숏크리트 처리비용은 약 37,480,000원이 발생하고, PET 섬유보강 숏크리트는 4,010,000원의 처리비가 발생해, 강섬유보강 숏크리트 대비 약 89.3%인 33,470,000원의 비용 절감효과를 평가하였다.
Table 7.
Comparison of waste generation by fiber reinforcement material
3.3 환경성 평가
강섬유보강 숏크리트는 외부의 수분과 산소와 반응하여 부식이 발생으로 인한 토양의 산성화와 부식수에 의한 지하수 오염이 위험 요소로 작용할 수 있다. 반면에, PET 합성섬유는 내산성 및 내알칼리성, 내부식성으로 자체의 리바운드에 의한 토양 및 지하수를 오염시키지 않으며, 일상생활에서 사용 후 폐기되는 PET용기 등 폐기물을 이용하여 화학적 처리를 통해, 생산이 가능함에 따라 재활용이 가능한 친환경 재료라고 할 수 있다. 또한, 탄소 배출량의 경우 강섬유는 단위 kg당 2.15 kg-CO2을 배출하나, PET 섬유의 경우 석유 원유로부터 생산 시 단위 kg당 1.6 kg-CO2이며, 재생PET 섬유의 경우 탄소배출량은 원유로부터 생산된 PET 섬유 대비 약 40% 절감할 수 있으므로 보다 친환경 재료라 할 수 있다. Table 8과 같이, 강섬유, PET섬유, 재생PET섬유 탄소배출량을 비교해 본 결과, 강섬유 대비 PET 섬유는 25.6 %의 탄소배출량을 감소시키고, 재생 PET 섬유는 강섬유 대비 55.3%의 탄소배출량을 감소시킨다.
Table 8.
Comparison of rebound amount by fiber reinforcement
| Type | Carbon emissions (kg-CO2/kg) | Reduction rate (%-CO2) |
| Steel fiber | 2.15 | - |
| PET fiber | 1.6 | 25.6 |
| Recycle PET fiber | 0.96 | 55.3 |
3.4 기타 안전성 평가
숏크리트 시공 시 강섬유는 반발재와 강성으로 인해 작업자의 안전을 위협하고 압송관 마모를 촉진하여 파손 위험을 증가시킨다. 반면, PET 합성섬유는 유연한 특성으로 작업자의 안전에 영향을 미치지 않고 압송관 마모에도 영향을 주지 않는다(Ochi et al., 2007).
강섬유는 타설면 돌출부로 인해 방수포를 훼손하여 용출수 차단 효과를 저하시키고, 터널 시공 완료 후 균열 부위에 백화현상을 발생시킬 가능성이 크다. 또한, 발파암을 재활용하여 도로포장용 골재로 사용할 경우, 강섬유의 혼입으로 인해 도로포장 결함 요소로 작용하며, 부식된 강섬유는 콘크리트의 열화를 촉진시키는 문제를 일으킨다. 반면, PET 합성섬유는 방수포 훼손이 없어 용출수 차단 효과를 유지하며, 발파암에 혼입될 경우 섬유가 미세화되어 콘크리트에 균열 억제 효과를 제공하는 장점이 있다(Kim et al., 2010).
터널 시공 시 사용되는 숏크리트는 굴착 지반의 안정화를 위한 임시 지보재 역할을 하며, Single shell 공법 등에서는 영구지보재로 사용되며 섬유보강재를 통해 인성을 높인다. 그러나 강섬유를 보강재로 사용하는 경우, 화재 발생 시 400°C 이상의 고온에서 콘크리트 내부 수분이 빠져나가지 못해 팽창 한계점에 도달하며 폭열 현상과 콘크리트 표면의 탈락 또는 박리가 발생한다. 이에 반해, PET 합성섬유를 보강재로 사용하는 숏크리트는 섬유의 융점이 약 250°C로 화재 시 용융되면서 내부 수분의 배출 통로를 제공하여 폭열 현상을 효과적으로 방지한다(Lourenço et al., 2011; Sedlmajer et al., 2024).
4. 결 론
본 연구는 최적 혼입량 산정 결과를 기초로 하여, 설계 투입량과 혼입량 산정한다. 현장 적용성은 시공성, 경제성, 환경성 및 기타 안전성을 평가하고자 한다.
1) 강섬유 1 개체 수 대비 PET 1 개체 수에 대한 비교를 통해 설계 투입량 및 혼입량을 산출한 결과, 부착하중은 PET 섬유가 1.02 배, 인발응력은 1.11배 낮게 평가되었다. 이를 토대로, 강섬유 대베 PET 섬유의 부착하중과 인발응력에 따른 보정값을 산정하여 11.7%를 가중하기로 결정하였다.
2) 1 kg당 강섬유보다 PET 섬유가 4.91배 많은 개체 수를 가지고 있으며, 단위중량당 개체 수를 통해 이론 개쳬수를 산정한 후, 환산 중량을 산정하여 최적 투입량을 10 kg/m3으로 평가하였고, 리바운드율을 고려하여 최적 혼입량을 8 kg/m3으로 산정하였다.
3) PET 섬유보강 숏크리트의 현장 적용성 검토를 위한 시공성 평가에서, PET섬유는 숏크리트 혼합 시 부유 현상이 발생하지 않았고, 뭉침현상이 현저히 감소되어 균일한 시공성능 발현하였다.
4) 경제성 분석결과, 시공량 10,000 m3 당 강섬유보강 대비 PET 섬유보강 숏크리트 생산비는 약 5.25% 감소한 81,450,000원, 폐기물 처리비는 약 89.3%에 해당하는 33,470,000원이 감소하여, 감섬유보강 대비 총 7.22% 감소한 114,920,000원의 비용이 절감된다.
5) PET 섬유는 PET 병을 재활용하여 재생 PET 섬유보강 숏크리트에 활용이 가능하며, 섬유 보강재 별 탄소 배출량을 비교해보면, 강섬유 대비 PET 섬유는 25.6 %, 재생 PET 섬유는 55.3 % 저감효과를 가진다.
6) PET 섬유는 강섬유보강 시공 시 작업자에게 발생할 수 있는 위험요소가 없으며, 방수포를 훼손하지 않아 방수 성능을 유지한다. 발파암에 혼입되더라도 분쇄 과정에서 Micro 섬유화되어 콘크리트에 혼입 시 균열 억제 효과를 발휘하며, 화재 발생 시 융점(약 250°C)에서 용융되어 콘크리트 내부 수분 배출 통로를 형성해 폭열 현상을 방지한다.
7) 700 MPa 이상, Ø0.6 × 40 mm의 PET 섬유보강 숏크리트를 8 kg/m3 이상 혼입한다면, 시공성, 경제성, 환경성, 안전성 등을 확보함을 확인하였다. 따라서, 본 연구 결과를 토대로 PET 섬유보강 숏크리트를 다양한 터널 시공 현장에서 활용할 수 있을 것이라 기대된다.
