< Previous48 자연,터널그리고 지하공간기술기사 2시멘트광물계 급결제를 적용한 숏크리트의 안전성 확보와 환경안정성 관점에서의 재료 공학적 특성고찰<그림 6> 알칼리-실리카 반응 모식도2.3 숏크리트의 내구성숏크리트의 안전성 확보에는 숏크리트의 초기 강도 뿐만 아니라 장기적인 내구성도 중요한 인자이다. 과거에는 숏크리트를 1차 지보재로서만 여겼으나 최근에는 1차 지보재 및 영구지보재로서 고강도 숏크리트를 시공하는 사례가 늘어나고 있고 그에 따라 내구성에 대한 관심도 점차 증가하고 있다. 숏크리트는 온도 변화가 적은 지하에서 시공되며 터널 라이닝의 내부에 위치함에 따라 콘크리트의 내구성에 영향을 주는 동결융해, 염소이온 등의 영향은 일반적인 콘크리트 구조물에 비해 적은 편이라 할 수 있다. 그러나 시공과정에서 터널 내부에 차량 및 중장비 등이 끊임없이 이동하기 때문에 배기가스 등에 의한 영향과 지속적으로 유입되는 지하수에 의한 숏크리트의 중성화가 일어날 여지가 있다.2.3.1 숏크리트의 중성화경화(硬化)한 콘크리트는 시멘트의 수화생성물로서 수산화칼슘을 함유하여 강알칼리성(pH 12~13)을 나타낸다. 공기 중의 탄산가스(CO2) 또는 산성비가 콘크리트 중의 수산화칼슘(Ca(OH)2)과 화학반응하여 서서히 탄산칼슘(CaCO3)이 되면서 콘크리트의 알칼리성을 상실한다. 이와 같은 현상을 ‘콘크리트 중성화’ 혹은 ‘탄산화(Carbonation)’ 라고도 한다. → ↑⇨ 중성화↑ (식 1)콘크리트 내부의 pH가 11 이상에서는 철근의 표면에 부동태 피막이 형성되므로 산소가 존재해도 녹슬지 않지만, 중성화에 의하여 pH가 11보다 낮아지면 철근에 녹이 발생하고, 또 이러한 녹에 의하여 철근은 약 2.5배까지 체적이 팽창한다. 즉, 콘크리트 중성화(pH 8.5~10)로 철근이 부식하고 팽창압이 발생하는데, 이 팽창압이 콘크리트 응력을 초과하면 균열이 발생하고 균열부로 물과 이산화탄소가 침투하여 열화(劣化, 노후화)가 급격히 진행된다.Ryu, J.H(2012)에 의하면 숏크리트 내부의 알칼리도가 높을시 Ca 용출이 낮아지나, 알칼리도가 낮아지게 되면 Ca 이온의 양이 증가되어 장기적으로 숏크리트의 내구성이 저하되는 원인이 된다고 기술하고 있으며, 이규필(2005)은 그의 연구에서 산 용액에 노출된 숏크리트는 표면에서부터 수화생성물의 분해가 진행되어 pH가 1인 산성 조건에 있던 공시체의 압축강도는 재령16주 일반 양생조건에 있는 공시체 압축강도의 72% 정도로 측정되었으며, pH가 2와 3 조건에서는 각각 86%와 95% 정도로 측정되어 pH가 낮을수록 압축강도가 감소하는 특성을 나타내었다고 밝힌 바 있다.2.3.2 알칼리 골재반응알칼리-실리카 반응은 반응성 실리카 성분, 알칼리 성분 및 수분이 존재할 때 발생하는 화학적 반응으로 팽창성 알칼리-실리카 겔을 형성하여 콘크리트 구조물에 균열을 발생하게 한다(식 2, 그림 6).Vol. 20, No. 4 49비반응성 골재를 사용한 시편의 팽창률반응성 골재를 사용한 시편의 팽창률<Control : Plain, CM : 시멘트광물계, AM : 알루미네이트계, AF : 알칼리프리계><그림 7> 비반응성 골재, 반응성 골재의 팽창률자료인용 : KS F 2527 “콘크리트용 골재”, KS F 2545 “골재의 알칼리 잠재반응 시험방법” → ∙ → ∙ → → ∙ → 팽창(식 2)이러한 알칼리-골재반응을 방지하고자 시멘트 내의 알칼리량을 0.6% 이하로 관리하거나 콘크리트의 1m3 속의 전 알칼리량을 3kg/m3 이하로 규정하는 방안도 있으나 시멘트 내의 알칼리 외에도 골재 자체 또는 배합수나 제설제 등과 같은 첨가 물질로부터 알칼리가 나오기도 하며 지하수나 해수를 통해 유입될 수도 있다. 또한 등가알칼리 함유량이 0.6% 미만인 시멘트와 0.4% 미만인 시멘트를 사용하였음에도 불구하고 알칼리-실리카 반응으로 인한 유해한 팽창이 발생하기도 한다. Won, J.P(2010)의 연구에서도 통상적으로 사용하는 1종 보통 포틀랜드 시멘트의 경우 제조사별로 차이는 있으나 소량의 Na이온과 K이온을 함유하고 있어 알칼리 골재반응의 위험성이 있는 골재 사용시 알칼리 골재반응이 발생하는 것으로 밝힌 바 있다.그림 7과 같이 비반응성 골재를 사용할 경우 모든 시편(알루미네이트계, 알칼리프리계, 시멘트광물계)에서 알칼리-실리카 반응이 발생하지 않았으며, 반응성 골재에서는 모든 시편(알루미네이트계, 알칼리프계, 시멘트광물계)알칼리-실리카 골재 반응이 발생하는 것으로 확인할 수 있다. 결론적으로 반응성 골재를 사용하면 급결제의 등가알칼리 함유량에 상관없이 알칼리-실리카 반응이 발생할 수 있으나, 현재까지 국내에서는 알칼리-실리카 반응으로 인한 피해사례가 없으며 저알칼리 시멘트 및 급결제의 사용 또는 포졸란 재료의 사용 등의 대책보다는 숏크리트용 골재 선정시 반응성 유무를 검사하여 반응이 없는 골재를 사용하는 것이 알칼리-실리카 반응 방지를 위한 근본적인 대책인 것으로 판단된다. 또한 콘크리트 표준시방서에서도 알칼리 반응성이 없는 골재만 콘크리트용 골재로 사용하도록 규정하고 있다.2.3.3 고강도 숏크리트고강도 숏크리트의 장점으로는 동일한 암반조건에서 숏크리트의 두께를 감소할 수 있고 여건에 따라 숏크리트 만으로 지보재와 마감재로서 활용이 가능하며, 일반강도 숏크리트와 비교 시 전반적으로 내구성에서 우위에 있어 장기적인 안전성 확보 등 다양한 장점이 있다. 물론 고강50 자연,터널그리고 지하공간기술기사 2시멘트광물계 급결제를 적용한 숏크리트의 안전성 확보와 환경안정성 관점에서의 재료 공학적 특성고찰<그림 8> 시멘트광물계 급결제를 사용하는 숏크리트의 화학반응<그림 9> 안성~구리 ○○ 터널도용 혼합재 사용 및 그에 따른 비용 상승의 문제, 콘크리트 배합 등 품질관리 및 시공관리에 어려움이 있어 적용이 쉽지 않았던 것도 사실이다. 그러나 급결제 등 재료의 품질 및 성능 향상과 터널 시공 기술의 발달, 그리고 숏크리트의 품질에 대한 인식 등의 변화에 기인하여, 올해 개정된 한국도로공사 전문시방서에서 일반 숏크리트의 28일 압축강도 기준을 상향조정한 것과 유사한 맥락으로 근래에 들어 28일 압축강도가 35MPa 이상인 고강도 숏크리트의 설계 및 시공이 증가하고 있는 추세이다. 시멘트광물계 급결제의 수화반응은 에트린자이트가 급결제와 시멘트의 수화반응 초기에 생성되어 시멘트의 응결을 빠르게 하고, 초기강도를 발현하게 해주며 장기적으로 모노설페이트로 변이되어 콘크리트의 내구성을 확보해주는 역할을 하여 장기적으로 고강도를 발현하게 된다(그림 8).상기의 효과 외에 고강도 숏크리트 시공사례를 살펴보면 원콘크리트의 28일 압축강도에 비해 시멘트 광물계 급결제를 적용했을 때가 더욱 높게 측정되는 경우가 종종 발생하는데 이는 콘크리트에 추가적으로 혼합되는 급결제의 시공특성으로 급결제 사용량만큼 원콘크리트의 물-시멘트 비가 감소되는 효과도 있을 것으로 판단하고 있다.① 고강도 숏크리트 적용사례#1. 세종~포천(안성~구리)간 고속도로 건설공사(그림 9, 표 5)세종-포천(안성-구리)간 고속도로 건설공사 중 ○○ 터널 구간은 남한산성 도립공원을 통과함에 따라, 토공으Vol. 20, No. 4 51<표 5> 고강도 숏크리트 시멘트 광물계 급결제 주요 적용현장구분공사명구분공사명고속도로안성~구리 11공구철도도담~영천 2공구안성~구리 13공구지하철하남선 4공구철도이천~문경 8공구별내선 4, 5공구삼성~동탄 2, 4공구김포도시철도 2, 5공구<그림 10> 일본 ○○ 터널 및 고강도 숏크리트 품질 시험성적서<표 6> 일본 ○○ 터널 고강도 숏크리트 적용 시험결과구분고강도 시멘트광물계 급결제 적용시(MPa)비고5%7%10%압축강도 1일19.421.324.02013/01/14 7일36.137.232.714일52.549.547.328일58.254.452.7로 계획 할 경우 대깎기부 발생이 예상되어 자연 환경 훼손 및 민원발생을 최소화 하고자 터널로 계획하였다. 굴착 중 터널 안정성 확보를 위해 허용 숏크리트 압축강도를 기존 21MPa에서 30MPa, 강섬유보강 숏크리트 및 RMR 40이하 구간에는 고강도 허용 숏크리트 압축강도 35MPa를 목표로 설계가 진행되었으며, 별도의 미분말 혼화재 없이 고강도 발현이 가능한 시멘트광물계 급결제가 설계에 적용되어 공사가 진행 중에 있다.#2. 일본 ○○ 터널 건설공사 고강도 숏크리트 적용사례(그림 10, 표 6)일본은 90년대 말부터 대부분의 터널현장(90% 이상)에서 시멘트광물계 급결제를 적용하고 있으며, 시멘트광물계 급결제(일본 수출명 : K-Crete)는 일본토목센터의 엄격한 해외건설 재료품질 인증을 획득하여 다수의 일본 내 터널현장에서 수출되어 그 품질과 기술성을 인정받고 있다.52 자연,터널그리고 지하공간기술기사 2시멘트광물계 급결제를 적용한 숏크리트의 안전성 확보와 환경안정성 관점에서의 재료 공학적 특성고찰<그림 11> 시멘트광물계 급결제의 분류<그림 12> 시멘트광물계 급결제 공정순서와 공정도3. 숏크리트의 환경안정성3.1 시멘트광물계 급결제의 종류숏크리트의 환경적인 측면을 다루기에 앞서 국내에서는 시멘트광물계 급결제가 단일 제품으로 인식되는 경향이 있고 관련 연구도 미진한 부분으로 시멘트광물계 급결제의 분류에 대해 간략하게나마 정리해 보고자 한다. 시멘트광물계 급결제는 주원료에 따라 제조공정이 달라지며 첨가재의 종류 및 성분에 따라 포함되는 알칼리 총량은 크게 차이가 나고 용도에 따라 일반 숏크리트용, 고강도 숏크리트용으로 구분된다(그림 11).3.2 시멘트광물계 급결제 6가크롬()의 유해안정성 평가한국터널지하공간학회 학회지(2018 Vol.20, No.2) 기술기사 중 “숏크리트용 급결제내 유해성분 분석”에서는 “시멘트광물계 급결제의 제조과정에서 생성되거나 원료 중에 포함된 크롬(Cr)이 산화되어 유해성이 강한 6가크롬Vol. 20, No. 4 53()으로 전환된다”라고 기술하고 있다. 그러나 시멘트광물계 급결제는 소성로가 아닌 전기로에서 전력만을 이용하여 1,500~1,700℃의 온도로 환원분위기에서 용융되어 제조되므로 천연원료에 6가크롬()이 미량 포함되어 있더라도 크롬(Cr)으로 환원되어 시멘트 광물계 급결제에는 6가크롬()이 포함될 수 없다. 또한, 시멘트의 하소 및 소성과정에서 생성된 6가크롬() 및 기타 유해 중금속들은 시멘트가 경화되며 콘크리트에 고착되어 용출되지 않는 것으로 확인하였으며, 국내 · 외 시멘트업계는 자율관리 기준에 의해 20mg/kg 이하의 수치로 관리를 진행하고 있고 국립환경과학원에서 지속적으로 평가를 진행하고 있다. (그림 12)과 같이 전기로에서 제조된 시멘트광물계 급결제의 중금속 조사를 진행하였으며, 한국화학융합시험연구원과 한국세라믹연구원을 통한 시험결과 6가크롬 및 기타 중금속들은 불검출 되었다.4. 결 론1) 숏크리트의 최우선 가치인 터널의 안전성 확보 측면에서 최근 개정된 한국고속도로공사 전문시방서(2018년 06월 19일 제정)에서는 28일 숏크리트 허용압축강도를 기존 21MPa에서 28MPa로 상향 조정하는 등 품질성능 확보를 위해 급결제 기준이 더욱 강화되고 있어, 고강도와 고내구성을 겸비한 고성능 시멘트광물계 급결제에 관심이 높아지고 있다.2) 터널시공 현장에서는 1일 숏크리트의 허용압축강도 측정을 위해 코어를 채취하여 시험을 실시하지만, 일반적인 급결제 사용으로는 코어 공시체가 형성되지 않거나, 1일 숏크리트 허용압축강도인 10MPa 이상을 확보하는데 어려움을 겪고 있다. 3) 숏크리트는 동결융해, 염소이온에 의한 영향은 적은 편이나 시공과정이나 지하수의 화학적 침식 등으로 인한 중성화 발생시 강섬유 및 강지보재의 부식이 우려되므로 중성화를 방지하기 위해 시멘트와 유사한 pH나 알칼리도를 유지 할 수 있는 재료적 특성과 관련된 연구가 필요할 것으로 판단된다.4) 시멘트광물계 급결제를 적용한 숏크리트는 에트린자이트 생성반응으로 초기강도 및 장기강도 발현성능이 양호한 것으로 나타났으며, 미분말 성상의 시멘트광물계 급결제 사용량에 따라 원콘크리트의 물-시멘트 비를 감소시키는 효과도 있는 것으로 판단된다.5) 숏크리트의 알칼리-골재반응을 방지하기 위해서는 비반응성 골재를 사용하는 것이 가장 효과적인 것으로 보고되고 있으며, 국내에서 사용되는 콘크리트 골재는 콘크리트 시방기준에 따라 반응성 여부를 확인한 후에 비반응성일 경우에만 사용이 가능하도록 명시되어 있다. 6) 국내에서 사용되고 있는 대부분의 시멘트광물계 급결제는 원료부터 국내에서 제조되며, 환원분위기의 전기로에서 용융되어 천연원료에 6가크롬()이 미량 포함되어 있더라도 크롬(Cr)으로 환원되어 6가크롬()의 발생 가능성이 낮고 공인기관 실험결과에서도 검출되지 않는 것으로 확인되었다. 7) 현재 국내에서는 시멘트광물계 급결제가 동일한 재료라고 인식되고 있는 실정이지만 주원료, 품질성능, 용도에 따라 제품군이 구분될 필요가 있다고 판단된다. 이에 대한 관련 연구를 통해 적절한 기준 혹은 시방이 정립된다면 터널의 설계 및 시공과정에서 다양성을 확보하여 터널건설 기술발전에 큰 도움이 될 것으로 기대된다.※ 본 기술기사는 숏크리트와 시멘트 광물계 급결제의 재료적인 특성을 명확히 하여 이에 대한 실무기술자들의 이해를 향상시키고자 작성되었으며, 기술기사의 작성에 도움을 주신 현장관계자 여러분께 감사를 드립니다.54 자연,터널그리고 지하공간기술기사 2시멘트광물계 급결제를 적용한 숏크리트의 안전성 확보와 환경안정성 관점에서의 재료 공학적 특성고찰참고문헌1. 윤재환(1987), “알칼리골재반응에 의한 콘크리트 구조물의 열화에 관한 기초적 연구”2. 원종필, 성상경, 박해균, 이명섭, C12A7계 광물계 급결제를 사용한 숏크리트의 내구특성, 대한토목학회 논문집, 제 25권 제 3C호, 2005, pp. 235-240.3. 원종필, 최보라, 박해균(2010) 숏크리트용 급결제의 알칼리-실리카 반응성 검토4. Won, J. P(2005),Durability Characteristics of Shotcrete with C12A7 Mineral Based Accelerator5. 이규필, (2005) 화학적 침식에 의한 숏크리트의 압축강도 특성. 한국지반공학회 2005 Mar. 256. Ryu, J. H(2012), “Enhancement of Corrosion Resistance in Shotcrete Tunnel Lining Using Chemical Admixtures” Doctor's degree thesis.7. 원종필, 황언종, 이수진, 이재호, 장석부(2014) 개량형 C12A7계 광물계 급결제를 사용한 숏크리트의 장기강도 평가. KTAJ 2014. 16.28. 한국도로공사 전문시방서(2018), EXCS 27 30 00 터널지보재9. 한국콘크리트학회(2016), 콘크리트 표준시방서10. 한국터널지하공간학회(2015), 터널표준시방서11. 한국표준협회 KS F 2527 “콘크리트용 골재”, KS L 5201 “포틀랜드 시멘트”, KS F 2782 “숏크리트용 급결제”[본 기사는 저자 개인의 의견이며 한국터널지하공간학회의 공식입장과는 무관합니다.]알립니다건설경제 11월 5일자 기사는 한국터널지하공간학회 학회지에 게재되었던 기술기사인 “숏크리트용 급결제내 유해성분 분석”을(2018 Vol.20, No.2) 인용하면서 시멘트광물계 급결제내에 유해물질이 함유된 것으로 보도하면서 이를 마치 한국터널지하공간학회의 공식 입장인 듯한 내용으로 보도하였다. 이에 대해 한국터널지하공간학회는 기술기사는 개인회원의 의견일 뿐 학회의 공식적인 의견과는 전혀 관련이 없다고 밝혔으며, 건설경제에 정정기사를 게재해 줄 것을 요청하여 11월 8일자 신문에서 이러한 내용을 보도한 바 있다.Vol. 20, No. 4 55기술기사 31. 머리말건설산업의 생산성 향상을 위해서 전 생애주기에 걸쳐 발생하는 정보들을 효율적으로 관리하는 3차원 기반 BIM 기술의 활용이 전 세계적으로 건축 분야 뿐 아니라 인프라 분야에까지 확산되고 있다. 이러한 추세는 국내도 마찬가지로, 조달청에서는 2016년도부터 건설 프로젝트 공공 발주 시 BIM 도입을 의무화하고 있으며, 국토교통부는 2020년까지 SOC 사업의 20%까지 BIM을 적용하도록 추진 중에 있다. 또한 국내 건설‧ 인프라 분야의 발주처에서도 BIM 도입을 활발하게 추진 중에 있으며, 한국도로공사에서는 Ex-BIM (Expressway Building Information Modeling) 구축을 목표로 Ex-BIM 가이드라인 발간, Ex-BIM 로드맵 수립, 시범사업 등을 추진하고 있으며, 한국토지주택공사는 LH BIM 적용 가이드라인, LH BIM 로드맵, LH BIM 공동주택 BIM 적용 시범사업을 추진하고 있고, 한국수자원공사 역시 K-water BIM 마스터플랜을 구축하여 BIM 도입을 추진하고 있다.그러나 국내의 BIM기반 프로젝트 수행 시 발주처의 정보요구서, BIM 가이드라인 등이 부재하고, 계약자 중심의 일부 구조물에 한정하여 부분적으로 BIM을 적용하여, 통합적인 정보관리나 체계적인 모델링이 이루어지지 못하였다. 건설인프라분야의 BIM 도입이 기존 도면의 3차원 모델링 수행으로 생각할 수 있으나, BIM을 도입한 프로젝트는 3차원 모델링 기반의 통합적인 정보관리 및 협업 체계를 의미하는 것으로, 본 기사에서는 BIM 도입으로 인한 건설인프라 분야 생태계 변화의 의의 및 국내 BIM 도입 현황에 대해 고찰해보고자 한다.BIM 도입으로 인한 건설산업 생태계 변화박정준한국철도기술연구원 선임연구원56 자연,터널그리고 지하공간기술기사 3BIM 도입으로 인한 건설산업 생태계 변화2. BIM 도입으로 인한 건설 산업 생태계 변화2.1 BIM 도입으로 인한 건설 산업의 이점2.1.1 발주자 측면에서의 BIM 도입의 이점∙ 초기 계획단계에서 3차원 노선정보를 활용한 도로 및 철도 노선, 정거장 결정, 구조물 계획으로 합리적인 정책결정을 지원하여 타당한 검토가 가능하다.∙ 사전검토 및 설계단계에서 생성된 정보의 재활용을 통해 불필요한 재작업을 예방한다.∙ 3차원 시각화된 전자도면상에 포함된 시설물 시공정보를 유지보수 정보로 활용이 가능하며, 자산관리 시 효과적인 의사결정을 내릴 수 있다.∙ 이전보다 정확한 개산 견적이 가능하고 상세정보 작성 전에 개념 모델을 이용하여 설계단계 및 시공단계 시뮬레이션이 가능하고 이것으로 사전검토가 가능하다.∙ 발주자는 설계, 시공시의 요구사항을 미리 파악하여, 과업지시서에 철도 노선, 시설물 요구사항을 보다 명확히 정의할 수 있다.2.1.2 설계 측면의 BIM 도입의 이점∙ BIM을 통해 설계작업을 수행한 경우 GIS, 지적정보와 BIM모델을 중첩하여, 설계초기부터 시각화 및 주변환<그림 1> 발주단계에서의 BIM 활용 예 - 효율적 설계협의(출처 : 서영엔지니어링)<그림 2> 사업 적정성 검토(출처 : 서영엔지니어링)<그림 3> 설계단계에서의 BIM 활용 예 - 상세검토(출처 : 서영엔지니어링)Vol. 20, No. 4 57경, 지적상황을 고려한 설계검토가 가능하다.∙ 3차원 모델로부터 얻어지는 시각화의 혜택과 더불어 설계변경사항의 자동 반영을 통해 정확성 확보가 가능하다.∙ BIM 모델을 통해 도면 추출 및 협의 및 검토를 위한 도서 추출이 가능하다. 시공도면에서 나타나는 오류와 재작업 시간의 단축이 가능하다.∙ 조기 협업이 가능하여 설계참여자 및 각 기술분야별 인터페이스 협업을 효과적으로 수행하여 설계오류를 최소화하고, 이해당사자의 참여하여 설계 내실화가 가능하다.∙ 설계 진행단계별로 BIM기반으로 VE를 수행하여, 설계 및 시공비용의 합리화 및 시공중 수정작업에 투입되는 시간과 비용을 사전에 예방할 수 있다.2.1.3 시공 측면의 BIM 도입의 이점∙ BIM 모델로부터 직접 시공도면을 추출하여 사용하여 도면의 정확성이 향상되고, 시공성향상을 위한 도면의 수정이 바로 반영 가능하여 비용과 기간의 단축이 가능하다.∙ 시공 현장의 장비 및 시공 시뮬레이션을 통해 정밀한 공정계획으로 현장에서의 불필요한 낭비를 예방하여 린건설(Lean Construction)이 가능하다.∙ 다양한 공종이 참여하는 공사현장에 분야별 공종별 협업을 용이하게 하며 공종간 간섭, 인터페이스 검토 등이 용이하다.∙ 설계단계에서 설계 오류가 줄어들어, 재시공 비율이 줄어들어 공기와 공사비 단축이 가능하다.2.1.4 유지관리 측면의 BIM 도입의 이점∙ BIM 정보를 통해 시설물 정보를 보다 쉽고 정확하게 얻을 수 있게 되어 구조물의 유지보수 시기 및 시공단계 하자 등을 효율적으로 관리하여, 유지보수비 절감 및 시스템 활용한 업무로 효율적인 업무가 가능해진다.<그림 4> 시공단계에서의 BIM 활용 예 – 장비시뮬레이션(출처 : GS건설)<그림 5> 수도권 고속철도(수서-평택) 제9공구 - 레이저 스캐닝을 이용한 실제 현장 상태 검토(출처 : GS건설)<그림 6> 증강현실(AR)을 활용한 교량 유지관리의 BIM 활용 예Next >