KR20120080812A

KR20120080812A - 급결성 고분말 시멘트를 포함한 숏크리트 조성물

Info

Publication number: KR20120080812A
Application number: KR20110002236A
Authority: KR
Inventors: 이민석; 김특준; 유동우; 김재영
Original assignee: 성신양회 주식회사
Priority date: 2011-01-10
Filing date: 2011-01-10
Publication date: 2012-07-18
Also published as: KR101252962B1

Abstract

본 발명은 강도가 우수하고, 리바운드율이 적은 숏크리트 조성물을 개시한다. 본 발명에 따른 숏크리트 조성물을 개시한다. 본 발명에 따른 숏크리트 조성물은 숏크리트 1m³ 당, 치수가 7~15mm이며, 500~700kg 중량의 굵은 골재; 900~1,200kg의 잔골재; 37 내지 55 중량 %의 물-분체비를 갖는 물; 및 시멘트를 포함하되, 시멘트는 포틀랜드 시멘트, 고분말도 시멘트 및 급결성 시멘트로 이루어진 급결성 고분말도 시템트이고, 급결성 고분말도 시멘트는 4,500 내지 6,500 cm²/g의 분말도를 갖는다. 여기서, 고분말도 시멘트의 분말도는 4,500 내지 5,500 cm²/g인 것이 바람직하다. 본 발명에 따른 숏크리트 조성물을 구성하는 시멘트는 고로 슬래그 미분말이 혼합된 시멘트를 더 포함할 수 있으며, 이 때, 시멘트는 30 내지 95중량%의 고분말도 시멘트, 2 내지 25%의 급결성 시멘트 그리고 5 내지 20%의 고로 슬래그 미분말 혼합된 시멘트, 나머지는 포틀랜드 시멘트로 이루어진다.

Description

급결성 고분말 시멘트를 포함한 숏크리트 조성물 {Shotcrete composition comprising cement having high fineness and quick setting time}

본 발명은 숏크리트 조성물에 관한 것으로서, 특히 포틀랜드 시멘트와 급결성 고분말 시멘트를 급결제와 함께 사용하여 급결성 향상과 압축 강도 증진 효과를 갖는 숏크리트 조성물에 관한 것이다.

일반적으로 도로, 철도 등을 시공하는 토목 공사에 있어서, 국토의 효율적인 활용을 위해 터널 또는 절토 등을 통하여 지하 공간을 확보하고 있다. 숏크리트는 터널/지하 공간의 굴착 직후 굴착 단면을 안정화하기 위한 임시 지보재(support member)임과 동시에 터널/지하 공간의 완공 후에도 영구 지보재로서 사용되는, 터널/지하 공간의 건설에 있어 가장 중요한 지보재이다.

그러나, 숏크리트 시공 방법에 있어서는 공기 등의 문제점으로 인하여 숏크리트 공정을 짧은 시간 내에 진행한 후, 다음 과정의 공정을 수행하여야 한다. 이러한 현실적인 상황으로 인하여 숏크리트가 단시간에 급결되어 다음 공정을 진행할 필요가 있다.

이러한 조건으로 인하여 숏크리트 타설 공정 중 급결제를 투입하여 짧은 시간 안에 터널이나 법면의 슬로프 면에 타설된 숏크리트를 경화(양생)시키며, 이후 다음의 공정을 진행하게 된다.

따라서, 시공상 또는 경제적인 측면에서 거푸집을 사용할 수 없는 터널이나 법면 등에 적용하는 숏크리트 공법에 있어서, 살포된 숏크리트를 급속하게 경화(양생)시켜 주기 위하여 다량의 급결제를 사용하고 있으며, 이러한 숏크리트 급결 방식에 있어서는 통상적으로 액상의 급결재 또는 분말상의 급결재가 투입된다.

한편, 국내 건설 현장에서 사용되고 있는 숏크리트는 그 기본재료로서 3,000내지 3,500cm²/g의 분말도를 갖는 포틀랜드 시멘트를 주로 이용하고 있다. 터널/지하공간을 안정화하기 위해서는 부재의 두께를 증가시키거나 숏크리트의 강도를 향상시켜야 한다. 강도 향상을 위해서는 특수 시멘트를 사용하거나 실리카 흄 등의 혼합재를 첨가하여 보완하고 있으나, 고가의 특수 시멘트 및 혼합제의 사용으로 인하여 시공 단가가 상승한다는 문제점이 발생한다. 이와 함께, 두꺼운 두께의 숏크리트가 경화되는 속도가 느려 장시간의 시공 시간이 소요된다는 문제가 있다.

이와 함께, 숏크리트 공정에서의 또 다른 문제점은 리바운드(rebound)율, 즉 터널 벽면에 숏크리트를 분사한 후, 전체 숏크리트 양에 대하여 바닥면으로 떨어지는 숏크리트 양의 비율이 높다는 점이다.

즉, 터널 벽면에 타설되지 않고 바닥면으로 떨어지는 숏크리트의 양이 많을수록 전체 공정에 소요되는 숏크리트의 양이 많아질 수 밖에 없으며, 따라서 시공비가 급증하는 문제점이 수반된다.

본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 급결성 고분말 시멘트를 사용하여 숏크리트 타설시 강도가 우수하고, 급결성이 향상되며, 리바운드율이 현저하게 낮아지는 숏크리트 조성물을 제공하는데 그 목적이 있다.

이상과 같은 목적을 구현하기 위한 본 발명에 따른 숏크리트 조성물은 숏크리트 1m³ 당, 치수가 7~15mm이며, 500~700kg 중량의 굵은 골재; 900~1,200kg의 잔골재; 37 내지 55 중량 %의 물-분체비를 갖는 물; 및 시멘트를 포함하되, 시멘트는 포틀랜드 시멘트, 고분말도 시멘트 및 급결성 시멘트로 이루어진 급결성 고분말도 시멘트이고, 급결성 고분말도 시멘트는 4,500 내지 6,500 cm²/g의 분말도를 갖는다.

여기서, 고분말도 시멘트의 분말도는 4,500 내지 5,500 cm²/g인 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 숏크리트 조성물을 구성하는 시멘트는 고로 슬래그 미분말이 혼합된 시멘트를 더 포함할 수 있으며, 이 때, 시멘트는 30 내지 95중량%의 고분말도 시멘트, 2 내지 25%의 급결성 시멘트 그리고 5 내지 20%의 고로 슬래그 미분말 혼합된 시멘트, 나머지는 포틀랜드 시멘트로 이루어진다.

이상과 같은 본 발명에 따른 숏크리트 조성물은 급결로 인한 숏크리트 공정에서의 리바운드율이 현저하게 낮아지며, 또한 경화된 후 우수한 압축 강도를 얻을 수 있다.

이와 함께, 본 발명에 따른 숏크리트 조성물은 급결제 및 시멘트의 사용량을 현저하게 절감할 수 있다.

도 1 내지 도 3는 각 비교예와 실시예에 따른 숏크리트 조성물을 이용한 숏크리트 공정시의 리바운드 율 및 압축 강도의 변화를 나타낸 그래프.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 숏크리트 조성물은 급결성 고분말도 시멘트, 굵은 골재, 세골재, 혼화재, 급결재 및 물을 포함한다.

본 발명에 따른 숏크리트 조성물을 구성하는 굵은 골재는 치수가 7.0~15 mm로서, 비중이 약 2.66이다. 숏크리트 1 루베(1㎥)당 500~700kg 중량의 굵은 골재가 사용하며, 이 양은 설계에 따라 변경될 수 있다. 굵은 골재의 양이 너무 많으면, 숏크리트 시공시에 리바운드량이 많고 또한 공급 호스를 폐쇄시킬 우려가 있으므로 위의 범위 내에 있는 굵은 골재를 선택하는 것이 바람직하다.

잔골재는 숏크리트 1㎥당 900~1,200kg을 사용하며, 잔골재의 양 또한 설계에 따라 변경할 수 있다.

급결제는 터널 공사에서 시멘트의 급결성을 부여하기 위해 사용하는 첨가제로서, 본 발명에서는 급결제를 분체대비 3~8%로 사용하는 것이 바람직하다. 본 발명에서의 물-분체 중량비는 설계에 따라 37 내지 60 중량%의 범위 내에서 선택된다. 다양한 종류의 급결제가 이용될 수 있으며, 예를 들어 알칼리프리 액상형 급결제가 이용될 수 있다.

본 발명에 따른 숏크리트 조성물을 구성하는 시멘트로서는 포틀랜드 시멘트와 급결성 고분말도 시멘트 (고분말도 시멘트, 급결성 시멘트 그리고 고로 슬래그 미분말이 혼합된 시멘트)가 이용되며, 특히 약 4,000 내지 6,000cm²/g의 분말도를 갖는 고분말도 시멘트와 평균 입경 4.5um(10um 이하의 입자가 80% 이상)인 급결성시멘트(BF Dust)가 이용된다.

급결성 시멘트는 시멘트 분쇄 과정에서 분진 발생을 방지하기 위한 백 필터(bag filter)에 포집된 시멘트로서, 시멘트 밀(cement mill), 사일로(silo) 저장 및 이송 과정 중에 포집된다. 또한 급결성 시멘트는 알칼리, Al₂O₃, 및 SO₃가 포틀랜드 시멘트보다 높게 나타나고 4,000~10,000cm²/g의 분말도 그리고 2.7~3.0의 낮은 비중을 갖는다.

본 발명에 따른 숏크리트 조성물을 구성하는 각 시멘트의 화학 조성은 표 1과 같다.

구분	LOI	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	CaO	MgO	SO₃	K₂O	전체	비중
포틀랜드 시멘트	1.44	21.36	5.03	3.31	63.18	2.89	2.15	0.90	100.5	3.15
고분말도 시멘트	1.97	21.30	4.95	3.33	63.16	2.90	2.15	0.88	100.7	3.14
급결성 시멘트	5.16	20.23	5.12	3.37	58.69	2.43	3.30	1.56	100.0	2.91

본 발명은 위와 같이 입도가 낮은 시멘트(높은 분말도)를 사용하여 수화 반응 계면의 증가(큰 비표면적)와 알칼리 및 C₃A (3CaOㆍAl₂O₃) 성분 등의 반응으로 수화 반응을 촉진시켜 급결을 가져오며, 또한 숏크리트 조성물의 공극에 미립분이 치밀한 수화물을 형성시킴으로써 압축 강도의 증진을 가져오게 된다.

또한, 분쇄 공정과 포집된 시멘트를 활용하는 제조 과정을 사용하고 있어 특수 시멘트나 특수 혼합제에 비해 저렴하게 생산할 수 있다는 장점이 있다.

숏크리트는 초기 강도의 발현을 위하여 급결제의 사용이 필수적이다. 일반적인 콘크리트 공정과 달리 분사 형식으로 공정이 진행되는 숏크리트 공정에서는 상당한 양의 숏크리트가 터널 벽면에 타설되지 않고 탈락(rebound)되어 바닥면으로 떨어지게 된다.

본 발명에 따른 숏크리트 조성물은 급결성 고분말도 시멘트를 포함함으로써 위와 같은 숏크리트의 탈락을 방지하여 리바운드율을 낮출 수 있다는 이점도 함께 갖는다.

이하, 본 발명의 실시예에 대하여 예시적으로 상세히 설명하며, 본 발명은 하기 실시예에 한정되지 않는다.

시멘트의 물리적 특성 (고분말도 시멘트의 분말도는 4,500cm²/g임)

구분		분말도(cm²/g)	응결시험		압축강도(MPa)
구분		분말도(cm²/g)	초결	종결	3일	7일	28일
포틀랜드 시멘트	BF O%	3466	272	6:30	24.7	38.1	53.8
	BF 2%	3625	258	5:33	26.2	39.4	54.4
	BF 4%	3729	236	4:53	25.8	38.3	52.7
	BF 8%	3857	242	5:03	25.7	38.8	52.2
	BF 10%	4104	244	5:04	26.4	39.7	53.6
	BF 30%	5284	212	4:03	31.7	42.2	54.5
고분말 시멘트 (4500)	BF O%	4479	267	5.22	27.1	40.4	55.8
	BF 2%	4583	255	4:58	27.5	41.1	55.4
	BF 4%	4653	220	4:37	28.9	42.2	56.6
	BF 8%	4732	210	4:40	29.7	42.0	57.9
	BF 10%	4859	208	4:16	30.8	43.4	58.4
	BF 30%	6061	194	3:46	33.5	43.0	58.2

본 발명의 각 실시예에 따른 숏크리트 조성물의 배합 조건은 하기 표 3과 같다.

고분말도 시멘트의 분말도는 4,500cm²/g임

No.	분체량 (kg)	시멘트		치환율 (%)	물 (kg)	잔골재율 (%)	골재		혼화제 (kg)
No.	분체량 (kg)	포틀랜드시멘트 (kg)	고분말도 시멘트 (kg)	치환율 (%)	물 (kg)	잔골재율 (%)	잔골재 (kg)	굵은 골재 (kg)	혼화제 (kg)
비교예1	480	480	0	0	190.0	63	1028	608	4.8
비교예2	440	440	0	0	174.2	64	1092	619	4.8
비교예3	400	400	0	0	158.4	65	1157	628	4.8
실시예1	480	432	48	10	190.0	63	1028	608	4.8
실시예2	440	396	44	10	174.2	64	1092	619	4.8
실시예3	400	360	40	10	158.4	65	1157	628	4.8
실시예4	480	336	144	30	190.0	63	1028	608	5.0
실시예5	440	308	132	30	174.2	64	1092	619	5.0
실시예6	400	280	120	30	158.4	65	1157	628	5.0
실시예7	480	240	240	50	190.0	63	1028	608	5.2
실시예8	440	220	220	50	174.2	64	1092	619	5.2
실시예9	400	200	200	50	158.4	65	1157	628	5.2
실시예10	480	144	336	70	190.0	63	1028	608	5.4
실시예11	440	132	308	70	174.2	64	1092	619	5.4
실시예12	400	120	280	70	158.4	65	1157	628	5.4
실시예13	480	0	480	100	190.0	63	1028	608	5.6
실시예14	440	0	440	100	174.2	64	1092	619	5.6
실시예15	400	0	400	100	158.4	65	1157	628	5.6

여기서, 각 실시예에서의 물/분체비는 39.6%이다.

위의 표에 기재된 용어들은 하기와 같이 정의된다.

- 분체량 : 숏크리트 1루베(1㎥)의 중 시멘트와 혼합재를 합한 무게 (kg);

- 치환률 : 숏크리트를 구성하는 포틀랜드 시멘트와 고분말도 시멘트의 비율(%)로서, 일반 시멘트만 사용된 경우, 치환률을 0 %로, 그리고 고분말도 시멘트만 사용된 경우, 치환률을 100%라 정의함.

- 물/분체 : 물(kg)/분체(kg)*100 (여기서 "분체"는 시멘트 및 시멘트를 치

환하여 사용할 수 있는 재료의 합을 의미함)

- 잔골재율 : 잔골재/(잔골재+굵은 골재)/100(%)

위의 표 3에서, 실시예 1, 4, 7, 10 및 13은 비교예 1과는 치환률만을 제외

하고는 모든 조건이 동일하며, 실시예 2, 5, 8, 11 및 14는 비교예 2와 치환률만을 제외하고는 모든 조건이 동일하다. 또한, 실시예 3, 6, 9, 12 및 15은 비교예 3과는 치환률만을 제외하고는 모든 조건이 동일하다.

한편, 표 3의 각 비교예에 따른 숏크리트 조성물은 일반적인 포틀랜드 시멘트만을 이용하였으며, 실시예 1 내지 15에 따른 숏크리트 조성물에는 BF 8% 및 고로 슬래그 미분말 5%가 첨가된 고분말도 시멘트를 이용하였다.

각 비교예와 실시예에서는, 굵은 골재로서는 직경이 13mm, 비중이 2.66인 골재를 이용하였으며, 잔골재로서는 흡수율이 0.90, 비중이 2.66인 해사를 이용하였다.

여기서, 시멘트 량(분체량)이 감소되는 경우, 숏크리트를 타설하기 위한 배합으로 잔골재의 양을 증가시켰다. 즉, 단위 시멘트량이 감소되면, 굵은 골재 비율이 증가하기 때문에 숏크리트 타설시 쿠션 효과가 떨어지며, 따라서 리바운드율을 감소시키기 위해 잔골재량이 증가되는 것이 바람직하다.

또한, 급결성 고분말도 시멘트의 초기 반응이 빠르기 때문에 적절한 작업성과 압축 강도를 확보하기 위하여 혼화제(감수제)량을 증가시켰다.

이와 같은 비교예와 실시예에 따른 배합 조건을 갖는 숏크리트를 이용하여 모의 부재에 대한 숏크리트 시험을 진행하였으며, 각 비교예와 실시예에 따른 숏크리트 조성물에 대하여 리바운드율 및 압축 강도를 측정하였으며, 그 측정 결과를 표 4에 나타내었다.

실시예 1 내지 15에 사용된 고분말도 시멘트의 분말도는 4,500cm²/g

	분체량	리바운드율	급결제 사용량	압축강도(MPa)
	분체량	리바운드율	급결제 사용량	1일	28일
비교예 1	480	6.7	7.0	12.1	32.3
비교예 2	440	7.5	7.0	10.9	30.5
비교예 3	400	8.3	7.0	8.3	26.4
실시예 1	480	6.7	7.0	12.0	31.9
실시예 2	440	7.4	7.0	10.9	30.4
실시예 3	400	8.4	7.0	8.5	26.6
실시예 4	480	6.4	6.5	12.3	32.6
실시예 5	440	7.1	6.5	11.0	30.8
실시예 6	400	8.0	6.5	8.7	26.7
실시예 7	480	6.0	6.0	12.7	33.4
실시예 8	440	6.5	6.0	11.6	31.3
실시예 9	400	7.8	6.0	9.3	27.4
실시예 10	480	5.4	5.0	14.2	33.1
실시예 11	440	5.9	5.0	12.1	32.0
실시예 12	400	6.7	5.0	10.2	27.9
실시예 13	480	4.9	4.5	14.9	33.9
실시예 14	440	5.3	4.5	13.1	32.4
실시예 15	400	5.6	4.5	11.4	28.2

숏크리트의 리바운드율 및 압축 강도의 측정 방법은 하기와 같다.

- 시멘트의 압축강도시험방법 : KS L ISO 679

- 시멘트의 응결시험방법 : KS L 5108

- 급결제를 사용한 시멘트의 응결시간 : ASTM C 1102에 준하여 W/C=0.3으로 시험

- 시멘트의 화학분석 : KS L 5120

- 시멘트의 비중 시험 방법 : KS L 5110

- 콘크리트 압축 강도 시험방법 : 시험용 공시체는 90초간 혼합한 다음, 급결제를 투입하고 약 10초간 혼합한 후, Φ 75X150mm 몰드를 이용하여 제작

- 리바운드율 시험 : 간이로 제작한 모의 부재에 뿜칠을 하여 사용된 콘크리트의 양 대비 떨어진 콘크리트양으로 측정

한편, 분말도가 5.500cm2/g인 고분말도 시멘트를 이용한 것을 제외하고는 위

의 실시예 1 내지 15와 각각 동일한 배합 조건을 갖는 실시예 16 내지 30에 따른 숏크리트 조성물을 이용하여 모의 부재에 대한 숏크리트 시험을 진행하였으며, 각 비교예와 실시예 16 내지 30에 따른 숏크리트 조성물을 이용한 숏크리트 공정에서의 숏크리트의 리바운드율 및 압축 강도를 하기 표 5에 나타내었다.

실시예 16 내지 30에 사용된 고분말도 시멘트의 분말도는 5,500cm²/g

	분체량	리바운드율	급결제 사용량	압축강도(MPa)
	분체량	리바운드율	급결제 사용량	1일	28일
비교예 1	480	6.7	7	12.1	32.3
비교예 2	440	7.5	7	10.9	30.5
비교예 3	400	8.3	7	8.3	26.4
실시예 16	480	6.5	7	12.2	32.4
실시예 17	440	7.4	7	11.0	31.3
실시예 18	400	8.3	7	8.5	26.8
실시예 19	480	6.2	6.5	12.4	33.0
실시예 20	440	6.9	6.5	11.1	31.0
실시예 21	400	7.9	6.5	8.9	27.2
실시예 22	480	5.5	6	14.5	33.0
실시예 23	440	5.9	6	12.2	31.9
실시예 24	400	7.3	6	10.3	27.7
실시예 25	480	5.0	5	16.1	33.4
실시예 26	440	5.2	5	14.8	32.2
실시예 27	400	5.7	5	11.6	28.3
실시예 28	480	4.5	4.5	16.8	34.1
실시예 29	440	4.8	4.5	14.8	32.7
실시예 30	400	5.1	4.5	12.6	28.4

위의 표 4 및 표 5를 통하여 알 수 있듯이, 동일한 분체량의 조건 하에서, 치환율, 즉 전체 시멘트 중에서 급결성 고분말도 시멘트의 양이 증가할수록 리바운드율이 감소하고 압축 강도가 현저하게 증가함을 알 수 있다. 특히, 급결제의 사용양이 줄었음에도 불구하고 유사한 물성을 나타내고 있다.

한편, 도 1 내지 도 3은 표 4 및 5에 나타난 결과를 도시한 그래프이다. 도 1 내지 도 4의 그래프에서, 치환율 0%의 조성물은 일반 시멘트만을 포함한 숏크리트 조성물(비교예)을 나타낸다.

도 1은 치환율에 따른 리바운드 율의 변화를 나타낸 그래프로서, 도 1에서 는, 분말도가 4,500cm²/g인 고분말도 시멘트가 포함된 분체량 480kg, 440kg 그리고400kg의 숏크리트 조성물 그리고 분말도가 5,500cm²/g인 고분말도 시멘트가 포함된 분체량 480kg, 440kg 그리고 400kg의 숏크리트 조성물을 이용한 숏크리트 공정 후의 리바운드율을 나타낸다.

도 1에서는 치환율이 높을수록 리바운드율이 현저하게 감소되는 것을 나타낸

다.

도 2 및 도 3은 분말도가 4,500cm²/g인 고분말도 시멘트가 포함된 분체량 480kg, 440kg 그리고 400kg의 숏크리트 조성물, 그리고 분말도가 5,500cm²/g인 고분말도 시멘트가 포함된 분체량 480kg, 440kg 그리고 400kg의 숏크리트 조성물을 이용한 숏크리트 공정 후의 치환율에 따른 압축 강도의 변화를 나타낸 그래프로서, 도 2는 숏크리트 타설 후 1일이 경과된 상태의 숏크리트의 압축 강도를, 도 3은 숏크리트 타설 후 28일이 경과된 숏크리트의 압축 강도를 각각 나타낸다.

도 2 및 도 3을 통하여 알 수 있듯이, 고분말도 시멘트의 치환율이 높을수록 압축 강도가 현저하게 크다는 것을 알 수 있다. 즉, 도 1 내지 도 3은 동일 조건 하에서 치환율이 클수록 압축 강도가 증가하고 리바운드율이 감소한다는 것을 나타낸다.

본 발명은 바람직한 실시예들을 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다.

Claims

숏크리트 1m³ 당,
치수가 7~15mm이며, 500~700kg 중량의 굵은 골재;
900~1,200kg의 잔골재;
37 내지 55 중량 %의 물-분체비를 갖는 물; 및
시멘트를 포함하되,
시멘트는 포틀랜드 시멘트, 고분말도 시멘트 및 급결성 시멘트로 이루어진 급결성 고분말도 시멘트이고, 급결성 고분말도 시멘트는 4,500 내지 6,500 cm²/g의 분말도를 갖는 것을 특징으로 하는 숏크리트 조성물.
제 1 항에 있어서, 고분말도 시멘트의 분말도는 4,500 내지 5,500 cm²/g인 숏크리트 조성물.
제 1 항에 있어서, 시멘트는 고로 슬래그 미분말이 혼합된 시멘트를 더 포함하는 숏크리트 조성물.
제 3 항에 있어서, 시멘트는 30 내지 95중량%의 고분말도 시멘트, 2 내지 25%의 급결성 시멘트 그리고 5 내지 20%의 고로 슬래그 미분말 혼합된 시멘트, 나머지는 포틀랜드 시멘트로 이루어진 숏크리트 조성물.