1. 서 론
2. 고성능 합성지보재의 실내 기본 성능 평가
2.1 멤브레인의 배합조건과 기존 연구 결과 분석
2.2 고성능 숏크리트 배합조건과 실내 표준 시험
3. 고성능 합성지보재의 실대형 성능 평가
3.1 실대형 시험 개요
3.2 실대형 시험 결과
4. 결 론
1. 서 론
뿜칠 방수 멤브레인은 기존의 쉬트 방수 멤브레인(sheet waterproofing membrane)을 대체하기 위해 비교적 최근에 개발된 재료이다(ITAtech, 2013). 특히, 뿜칠 방수 멤브레인은 타설면에 대해 높은 부착력을 발현하기 때문에, 타설면인 콘크리트 또는 숏크리트 라이닝과 일체화되어 복합 구조체(composite structure)로서 기능을 발현하여 싱글쉘(single-shell) 터널 구조를 형성할 수 있고 이로 인해 라이닝의 두께를 줄일 수 있는 효과도 기대할 수 있는 것으로 알려져 있다(Chang et al., 2016, Holter, 2016, Makhlouf & Holter, 2008, Thomas, 2009). 영구 지보재로 사용되는 뿜어 붙임 방식의 멤브레인은 TSL(Thin Spray-on Liner)로 불리며 뿜칠 방수 멤브레인에 비해 인장강도나 부착강도가 높지만 신율은 낮은 것이 특징이다. TSL에 관한 휨 시험 연구에서 콘크리트 라이닝 하부에 TSL을 3~4 mm 시공하였을 경우에 최대 휨 하중이 증가한다는 보고가 있다(Ahn, 2011). 또한 콘크리트 라이닝 하부에 쁨칠 멤브레인을 설치한 3점 휨 시험에 관한 수치해석 연구에서도 멤브레인 설치로 인하여 최대 휨 하중이 약간 증가했다고 보고하였다(Lee et al., 2017).
뿜칠 방수 멤브레인은 TSL에 비해 구조적 성능이 낮고 차수/방수 목적을 가지기 때문에 방수성능에 관한 국내보고(Choi et al., 2017) 사례는 있으나 실제 구조 재료 대해 3점 휨 시험과 같은 성능 검토 실험을 수행하여 재료 시공에 따른 구조적 보강효과에 관한 검증한 연구는 부족한 실정이다. ITAtech(2013)이나 EFNARC(2008)에서는 뿜칠 방식의 멤브레인에 관해 차수 성능이나 구조적 성능 기준을 제시하고 있지만 구조체로서 지보재에 기여하는 정도나 지보재의 강도 변화에 관한 내용은 담겨 있지 않다. Lee et al. (2018)은 뿜칠 방수 멤브레인에 대해 TSL과 같은 기준으로 성능을 검토한 결과 최근 개발된 재료는 기존 TSL 성능기준을 만족하면서 차수 기능을 갖는다고 보고한 바 있다.
기존 숏크리트면에 차수 성능을 만족하는 뿜칠 멤브레인을 타설할 경우, 지보재에 추가적인 차수 성능을 기대할 수 있다. 지하구조물에 지하수가 유입될 때 지하수는 숏크리트와 같은 지보재를 통해 지보재와 멤브레인 사이의 경계면으로 흐르게 되며 멤브레인을 통해 유체가 흐를 수 없기 때문에 재료의 경계면에서는 별도의 유도배수 없이 수두차에 따라 하부 배수 시설로 집수할 수 있으므로 부직포가 포함된 쉬트 멤브레인과 유사한 역할을 하게된다. 하지만 현재까지 국내나 해외에서 뿜칠 멤브레인을 추가로 시공할 경우, 구조적인 해석 방법이나 강도 기여도 등의 연구가 충분히 이루어지지 않아 재료가 갖는 장점에도 불구하고 사용실적이 낮은 것이 현실이다. 본 연구에서는 뿜칠 멤브레인과 고성능 숏크리트가 구조적으로 결합된 형태(고성능 합성지보재)에서 발현하는 지보재의 강도 변화를 검토하고자 일반 고성능 숏크리트의 휨강도 차이를 실내 표준 시험과 실대형 실험을 통해 비교하였다. 이때 실험을 통해 관찰한 하중-변위 관계를 통해 실험체의 초기 균열 하중, 최대 휨 하중, 그리고, 항복 이후 변화를 서로 검토하였다.
2. 고성능 합성지보재의 실내 기본 성능 평가
2.1 멤브레인의 배합조건과 기존 연구 결과 분석
뿜칠 멤브레인은 재료의 구성에 따라 분말재료로만 구성된 1성분(one-component)과 액상+분말 또는 액상+액상으로 구성된 2성분(two-component)으로 구분된다(Chang et al., 2016, Tannant, 2001). 뿜칠 멤브레인의 타설 두께는 3~5 mm의 박층의 폴리머 재료로써 호퍼(hopper)에 분말재료를 투입한 후 노즐(nozzle)에서 물과 혼합되어 분사되는 형식으로서 시공된다. 본 연구를 위해 사용된 멤브레인은 외산 분말 성분의 1성분 제품으로 재료에 대한 배합은 폴리머 65~70%, 결합재(Alumina cement) 15~20%, 필러(Calcium carbonate) 10~15%, 그 외 첨가제로 구성되어 있다.
실험에 의한 뿜칠 멤브레인의 구조적인 보강효과를 검토하기에 앞서, 외산 분말 1성분의 기본적인 역학적 특성을 확인하였다. 기본적으로 ITAtech(2013)와 EFNARC(2008)에서 규정되어 있는 성능기준으로 인장강도, 파괴 시의 신장율(elongation at break) 등이 있다. 이상과 같은 외국산 재료(Han et al., 2013)의 뿜칠 멤브레인의 시험결과들에 대해 수행된 선행 시험결과를 검토하였다. Chang et al.(2016)은 뿜칠 멤브레인에 대한 성능을 분석하였으며 EFNARC(2008)에서 규정하고 있는 ASTM(2010)의 시험방법에 따라 뿜칠 멤브레인의 직접인장강도 등을 보고하였다. 시험결과, 본 연구에서 적용한 분말 1성분 외산 멤브레인의 재령 7일 인장강도는 평균 3.1 MPa로서 EFNARC(2008)에서 규정하고 있는 2 MPa를 상회하는 것으로 나타났다(Fig. 1). 그리고 파괴 시 신장률은 직접인장시험에서 얻어진 인장응력-인장변형률 곡선에서도 확인할 수 있는데(Fig. 2), 외산 멤브레인의 재령 7일∼28일 신장율은 EFNARC(2008)에서 규정하고 있는 파괴 시의 신장율 기준인 10%를 상회한 것을 확인할 수 있다(Fig. 3).
Fig. 1.
Elongation at break (a) and direct tensile strengths (b) of the waterproofing membrane at different curing ages (Chang et al., 2016)
2.2 고성능 숏크리트 배합조건과 실내 표준 시험
고성능 숏크리트를 배합하기 위해서는 별도의 플랜트 시설이 필요하기 때문에 현재 진행 중인 고성능 숏크리트 현장의 시료를 사용하였다. 현장에 사용된 시공 장비는 호퍼용량 400 L, 최대 토출량이 35 m3/h인 차량형 숏크리트 타설 장비이며 시험을 위해 거푸집을 사용하여 압축강도/휨인성 시험용 시험체(0.15×0.15×0.55 m)를 현장에서 직접 제작하였다. 압축강도, 휨인성 시험체 제작에 사용한 재료의 배합은 Table 1에 정리하였으며 Fig. 3은 성형된 시험체의 모습이다. 전체 시험체는 현장 타설 후 카고 크레인에 옮겨 현장에서 1일간 습윤 양생을 진행하였으며, 이후 실내로 옮겨 타설면 정리를 진행하고 직사광선이 없는 곳에서 습윤 양생을 실시하였다. 그리고, 압축강도 측정용으로 제작된 시험체는 28일 양생 후에 코어 채취를 실시하였다. 휨강도 시험용 시험체의 경우에는 제작된 시험체 절반에 대하여 양생 약 1주일 후 앞서 설명한 외산 제품의 멤브레인 타설을 진행하였다.
Table 1.
Mixing condition of high-performance shotcrete
| Gmax (mm) | W/B (%) | S/a (%) | Unit Weight (kg/m3) | AD (C*%) | |||||
| W | C | HPA | S | G | steel fiber | ||||
| 10 | 38 | 66 | 182.4 | 456 | 24 | 1,002 | 687 | 37 | 1.2 |
숏크리트 타설 현장에서 측정한 숏크리트 공시체의 초기 재령(20 h)에 대한 압축강도 측정 결과는 13.89 MPa로 우수한 강도를 발현하였다. 고성능 숏크리트의 성능을 확인하기 위한 압축강도 시험용 공시체는 28일 양생 후 5개를 채취하였으며, KS F 2422 “절취한 코어 및 보의 강도시험방법”에 규정된 방법으로 압축강도를 측정하였다. 압축강도 시험결과 코어 5개의 평균이 39.52 ± 2.43으로 한국 도로공사의 표준시방서에서 제시하는 고강도 숏크리트의 규준(1일강도 10 MPa, 28일 강도 35 MPa)을 만족시키는 결과를 보였다(Fig. 4).
현장에서 제작된 휨성능용 시험체(0.15×0.15×0.55 m)에 대해서 KS F 2566 “ 섬유보강 콘크리트의 휨성능 시험방법”에서 규정된 방법으로 휨강도를 측정하였다. 휨성능 시험은 멤브레인 타설을 하지 않은 고성는 숏크리트 시험체(5개)와 멤브레인을 타설한 시험체(5개)에 대하여 비교실험을 진행하였다. 고성능 숏크리트의 휨강도는 28일 재령에 측정하였으며, 휨성능 시험을 통해 숏크리트 실험체의 휨인성을 평가하였다(Fig. 5). 고성능 숏크리트와 멤브레인이 타설된 시험체의 휨인성 결과는 Fig. 5와 Table 2에 정리하였다. 휨성능 시험결과에서 고성능 숏크리트에 대한 휨강도는 4.66 MPa ± 0.22이고 휨인성은 70.88 ± 1.81 %으로 나타났고, 멤브레인이 타설된 숏크리트의 경우는 휨강도는 4.77 MPa ± 0.23이고 휨인성는 74.24 ± 2.59%로 나타났다. 고성능 숏크리트의 휨성능 시험결과를 살펴보면 멤브레인이 타설된 경우 평균 휨인성에서 약 4.7 % 증진한 효과를 확인할 수 있었으나 시험체 개수가 작고 시험체 간 편차가 있기 때문에 본 실험결과만으로 이를 확인하기는 어렵다고 판단된다.
Table 2.
Summary of flexural test results of high-performance shotcrete
3. 고성능 합성지보재의 실대형 성능 평가
3.1 실대형 시험 개요
본 연구에서는 터널현장에서 차량형 숏크리트 타설장비를 사용하여 길이 3.0 m, 폭 320 mm, 두께 300 mm인 고성능 숏크리트 합성보를 실물 재하시험을 위한 시험체로 제작하였다(Fig. 6). 실물 재하시험을 위하여 사용된 배합은 기본 성능시험에 사용한 배합과 동일하다(Tabel 1). 실대형 시험용 시험체는 진동다짐기를 사용하여 제작하였으며, 타설이 완료된 시험체에 대해서는 습윤 양생을 실시하였다. 그리고, 구조물에 타설한 뿜칠 멤브레인에 대한 보강 효과를 확인하기 위해서 고성능 숏크리트 합성보에 뿜칠 멤브레인을 타설하였다. 숏크리트 합성보 시험체 하부에 외산 뿜칠 멤브레인을 사용하여 타설하였으며, 타설 두께는 3~5 mm로 시험체를 3개를 제작하였다. 성능비교시험을 위해서 뿜칠 멤브레인을 타설하지 않은 고성능 숏크리트 합성보 시험체도 3개를 제작하였다.
본 연구에서 사용된 시험기는 한국건설기술연구원이 보유한 실물 시험용 시험기로 하단부 지지대에 따라 다양한 크기의 실물 재료에 대해 사용하는 엑츄에이터 용량에 따라 다양한 하중 재하 시험이 가능하다. 숏크리트 합성보의 휨실험 시에 실험체 상부의 재하를 위하여 재하 시스템의 중앙부에 설치된 유압 서보제어 엑츄에이터(최대 재하용량: 100톤, 최대 스트로크: 300 mm)를 사용하였다. 실험체 양단 200 mm 지점에 지지대를 설치하여 실물 숏크리트 실험체에 대해 3점 휨실험을 실시하였다(Fig. 9). 모든 시험에서 서보제어에 의한 변위제어 실험을 실시하였으며, 변위속도는 재하점을 기준으로 하여 5 mm/min으로 설정하였다. Fig. 7에서 보이는 바와 같이 시험체 하부에 하중-변위관계 분석을 위하여 변위계 및 영상처리기법을 이용한 재하하중 단계별 균열측정용 사진기를 설치하였다. 영상처리기법에 의한 균열 측정은 0.1 mm 단위의 균열 폭을 확인하였다(Lee et al., 2013).
3.2 실대형 시험 결과
구조물 하부에 타설을 하지 않은 고성능 숏크리트 시험체(숏크리트의 압축강도 39.52 MPa ± 2.43, 휨강도 4.66 MPa ± 0.22 )의 휨 실험 결과, 하중이 각각 30.44, 19.67, 14.95 kN 재하 시 초기 균열이 발생하였으며, 재하하중이 30.84, 21.69, 23.42 kN에서 시험체가 파괴되었다(Fig. 11(a), Fig. 13, Table 5). 시험체의 균열발생은 실물 휨 실험 시 하부에 설치한 카메라에서 촬영한 영상에 대한 분석을 통하여 확인하였다. 시험체의 균열발생 하중은 하중-변형률 관계곡선의 기울기 변화 및 실험 시 육안관찰로 파악하고자 하였으나, Fig. 8에서 보이는 바와 같이 숏크리트 시험체에 초기 균열 발생하중을 기울기 변화로부터 확인하기 어려웠다. 따라서 영상처리기법을 이용하여 Fig. 10에서 보이는 바와 같이 최대 균열 폭 0.2 mm의 균열이 처음으로 발생하는 시점으로 산정하였다.
멤브레인이 타설된 고성능 숏크리트 시험체에 대한 실물 휨 실험결과, 재하하중 28.07, 29.13, 25.95 kN에서 실험체가 파괴되었다(Table 5, Fig. 6). 하지만, 시험체의 균열발생은 하중-변형률 관계곡선의 기울기 변화에서 확인이 어려웠으며(Fig. 8), Fig. 11에서 보이는 바와 같이 시험체 하부에 멤브레인이 타설되어 있어 영상처리기법으로도 정확한 초기균열을 확인하기는 어려웠다.
Table 3에서 보이는 바와 같이 멤브레인 타설에 의한 보강 효과로 인하여 파괴하중은 약 9.5% 증가하였으나, 멤브레인 타설 시험체의 균열하중에서의 보강효과를 확인하지 못하였다. 하중-변형률 관계곡선(Fig. 8)과 하중-변위곡선(Fig. 9)을 보면 고강도 숏크리트 시험체가 파괴된 시점 이후에도 강섬유로 인한 연성 증가 효과가 나타났으며, 멤브레인이 타설된 시험체에서 효과가 더욱 증대되어 균열제어 효과가 더 높은 것으로 판단된다.
Table 3.
Picture of real-scale bending test on a shotcrete specimen
4. 결 론
본 연구에서는 뿜칠 멤브레인에 의한 고성능 숏크리트의 강도 변화를 살펴보고자 멤브레인이 타설된 고성능 숏크리트(고성능 합성지보재)와 일반 고성능 숏크리트에 대해 실내 표준 시험과 실대형 실험을 수행하였고, 이때 발생한 하중-변위 관계를 통해 실험체의 초기 균열 하중, 최대 휨 하중, 그리고, 항복 이후 변화를 서로 검토하였다. 실내 표준 시험 결과, 고성능 숏크리트에 대한 휨강도는 4.66 MPa ± 0.22이고 휨인성은 70.88 ± 1.81%으로 나타났고, 멤브레인이 타설된 숏크리트의 경우는 휨강도는 4.77 MPa ± 0.23이고 휨인성는 74.24 ± 2.59%로 나타났다. 고성능 숏크리트의 휨성능 시험결과를 살펴보면 멤브레인이 타설된 경우의 휨인성이 약 4.7% 증진한 효과를 확인할 수 있다. 실대형 시험에서 시험체 간 파괴하중은 큰 차이를 보이지 않았으나 실내 시험에서와 마찬가지로 휨인성에서 약간의 차이를 보였다. 대표적으로 터널 지보재 설계에서 지보재 설계 부분은 기본적으로 허용응력 설계법에 의해 수행되고 있고 재료 자체의 구조적 성능 중 탄성계수, 강도 등의 설계정수가 사용되므로 휨인성과 같은 성능은 설계에 직접 반영하기 어려울 것으로 판단된다. 지보재의 파괴 이후 거동과 관련하여 멤브레인이 시공된 경우가 그렇지 않은 경우에 비해 지보재 파괴 이후 급격한 변형을 상대적으로 막을 수 있을 것으로 판단되고 멤브레인에 의한 추가적인 차수 기능을 기대할 수 있기 때문에 지하수 유출이 크지 않은 구간에서 기존 차수재를 대체하거나 멤브레인 단독으로 노후 구조물이나 지하구조물 적용이 가능할 것으로 판단된다. 이를 구체적으로 검토하기 위해서는 향후 재료 간 접촉면 거동, 구조체의 파괴 이후 거동에 대해 해석과 실험으로 일반화할 필요가 있다.
