Alkali-Free Accelerators for Sprayed Concrete

Bernhard Leikauf and Max Oppliger

Abstract:

Sprayed Concrete의 적용에는 콘크리트의 강도 발현과 응결을 위하여 촉진 성분이 요구되어진다. 일반적인 촉진제는 강알카리성 이거나 상당한 양의 알카리를 포함하고 있다. 촉진제가 노즐에서 첨가되어지는 동안 발생되는 부식성의 분무제는 작업자의 눈과 피부에 심각한 피해를 줄 수 있다. 일반적이 촉진제가 가지는 다른 문제점으로는 알카리-실리케이트 반응에 의한 피해와 시간이 경과함에 나타나는 약 50%까지의 강도저하 등이 있다.

MBT의 지하건설팀의 R&D 부서의 궁극적인 목표는 sprayed concrete의 적용상의 문제점과 방출되어지는 물의 오염을 극복할 수 있는 alkali-free 촉진제를 개발하는 것이다.

이 논문은 전세계적으로 관심을 가지고 있는 실제적용과 실험실 실험을 통하여 이러한 종류의 촉진제에 대한 몇 가지 결과를 나타내고 있다.

1. What is Sprayed Concrete?

여기의 sprayed concrete가 알려진 것은 80년이 넘었다. 첫 번째 응용은 20세기의 시작과 더불어 Cement-Gun Company에 의해서 이루어졌다. 첫 번째 장비는 공룡모델을 만들기 위해서 망사틀에 몰탈을 분사시키기 위한 장비가 필요했던 Carl Ethan Akeley에 의해서 개발되었다. 이러한 특수 몰탈은 Gunite라는 상표로 등록되었으며 이것은 아직까지도 이 분야에서 널리 사용되어지고 있다.

그후 20여년이 지난 후, sprayed concrete는 터널과 지하공사에 사용되어지기 시작하였다. 터널공사, 채광, 수력발전 계획에 있어서 인력과 장비를 보호하기 위하여 바위를 지탱하는 것이 관 건 이었다.

이러한 응용에서, 콘크리트 믹스는 촉진제가 첨과되는 노즐까지 이동되었다. 콘크리트의 이동속도를 빠르게하고 바위표면에 분사시킬 수 있도록 공기가 사용되었다. 촉진제의 사용은 쇼크리트 층의 증강을 가능하게 하였으며, 응결 시간을 단축시켰고 안전한 작업 환경을 위한 강도증진을 개선시켜주었으며 더욱 짧아진 작업주기를 제공하였다.

일반전인 sprayed concrete용 촉진제는 alkali aluminate와  silicate에 근간을 두고 있으며, 둘 다 alkali 함량이 매우 높아 11-14의 pH값을 가진다.

2. Ecological and Application Problems

Sprayed concrete의 적용에는 2가지 방법이 알려져 있다.

건식법은 골재와 시멘트를 혼합하여 압축공기를 사용하여 노즐로 이동시키는 것으로, 노즐에서 시멘트의 화학반응을 위한 촉진제와 필요한 물이 혼합된다. 먼지 발생이 상당하며 작업환경은 보통 안전조건을 만족하지 못한다. 습식법은 만들어진 콘크리트가 특별한 펌프장비를 사용하여 관을 통하여 노즐까지 전송되어진후, 노즐에서 촉진제가 첨가되며 압축공기에 의해서 기질에 분사된다.

압축공기는 두가지 방법의 적용에 있어서 필수적인 것이기는 하나, 압축공기는 콘크리트와 공기가 혼합될 때 촉진제의 에어졸과 적용물질의 조작에 의해서 먼지를 발생시키는 원인이 된다. 촉진성 화학물질은 높은 알카리성에 의해서 눈과 피부에 해를 줄수 있다. 촉진제의 조작과 보관은 특별한 주의와 안전규제가 필요하다.

기질에 붙지 않는 재료(리바운드)는 버려져야 한다. 용출이 가능한 칼슘염은 공기와 접하게 되면 CO2에 의해서 침전되어지므로 공사현장 내의 배수시설을 막아 버린다. 콘크리트에 사용되어지는 알카리성 첨가제의 또다른 위험성은 알카리-골재 반응이다. 골재와의 반응은 팽창을 일으키며, 결국에는 콘크리트 구조물을 붕괴시킨다.

3. The Chemistry of Cement

포틀랜드 시멘트의 각각의 상의 화학반응은 기지의 사실이다. 실제 콘크리트에 있어서 서로 다른 화학 반응의 상호작용과 kinetics에 대해서는 완전히 이해되어지지 않은 상태이다.

순수한 클린커의 슬러리는 물과 혼합되어지면 빠르게 반응한다. 상당한 열이 발생하며, 재료는 서서히 굳어 가게되어 몇 분 안에 충분한 강도를 나타낸다. 혼합 시간을 늘려주기 위하여 보통 3-5%의 이수석고를 클링커에 혼합한다. 물을 첨가한 후 초기의 상에서는 빠른 반응이 시작되나 몇분이 지나지 않아 반응성은 느려지게 된다. 이수석고는 용해되어 클린커 입자 주위에 에트링자이트(3CaO․Al2O3․3CaSO4․32H2O)를 생성시키며 이때 굳는 현상은 나타나지 않는다. 이와 반대로 더 이상 이수석고가 존재하지 않으면 판상의 칼슘알루미늄 하이드레이트가 생성되어지며 응결을 가져온다.

촉진제의 첨가는 시멘트의 반응을 상당히 바꾸어 놓는다. 첨가하자마자 주요 상은 몇 시간에서 몇 분 혹은 즉시 콘크리트의 응결이 시작되어진다.

알카리 알루미네이트는 소비되어 에트링자이트를 형성한후 모노설페이트로 변화되며, 그외에도 페이스트에서 칼슘알루미늄수화물을 형성한다. 설페이트 원의 변화는 또한 콘크리트의 반응성에 영향을 준다. 실리케이트가 다른 방향으로 반응을 하게 된다. 높은 pH에서 칼슘이온은 콘크리트에서 독립적인 실리케이트 네트워크의 침전을 발생 시킨다. 이것은 구조물을 안정화시키며 관찰가능한 초기의 굳는 영향을 설명해줄 수 있다. 첨가된 알카리는 후에 일반적인 시멘트의 반응의 반응 속도를 증진시킨다.

4. Alkali-Free Accelerator Approch

Spray concrete를 적용시 나타나는 문제점들중에 일부는 일반적인 촉진제가 가지는 높은 알카리 함량 때문에 나타난다. 불행이도, 알카리 금속을 쉽게 다른 알루미네이트 혹은 실리케이트의 물질로 대체하는 것은 불가능하다. 생산품이 이러한 pH에서 안정하지 않기 때문이다. 수산화알루미늄 혹은 실리케이트는 즉각 침전하게 된다. 게다가 시멘트의 화학반응성에 미치는 영향중에 하나가 콘크리트중에서 free-alkali 성분을 증가시키는 것이다.

유사한 성능을 보이기 위해서는 단지 알카리를 제거하는 것이 필요하다. 성공적인 alkali-free 촉진제의 성공적인 개발은 용해도가 적은 알루미늄 염을 사용함으로써 가능해지게 된다. 알카리의 부족과 콘크리트에 첨가한 후 첫 단계에서의 줄어든 용해도는 이러한 첨가제를 개발하는데 있어서 가장 중요한 문제이다.

피부와 눈에 대한 자극을 없애기 위해서는 낮은 pH가 요구되어지며, 다양한 알루미늄염을 사용함으로써 다양한 범위의 pH를 얻을 수 있다. 위생적인 측면에서 피부에 대한 가장 적절한 pH값의 범위는 5-6이다. 이것은 MBT의 첫 번째 세대의 알칼리 프리 촉진제를 위한 용액이다. 이러한 생산품은 상당한 선응을 보이지만, 시멘트의 종류에 따라 상당히 민감함을 보이고 있으며 사용량이 시멘트에 대하여 4-6%로 제한되어지고 있다.

다음 세대의 알카리 프리 촉진제는 pH 범위가 더 낮아질 것이다. 생산품 MEYCOⓇ SA 160은 대부분의 시멘트와 콘크리트에 대해서 상당한 선응을 보여주는 액상의 alkali free 촉진제 이다.

게다가 알카리 골재반응의 위험성을 최소화할 수 있다. 콘크리트중의 총 알카리양은 알카리를 포함하는 촉진제를 사용하여 3kg Na2O/m3까지 쉽게 증가시킬 수 있다.

5. Technical Aspects

촉진제로써 요구되는 사항은 성능에 따라 3가지 영역으로 나누어질 수 있다.

1) 분사능력을 개선(적은 먼지발생과 리바운드)

2) 응결거동과 분사된 콘크리트 층의 일정두께 유지성능

3) 강도발현과 시멘트 반응에 의한 낮은 강도저하

우리는 여러회의 분사 시험에서 alkali-free 급결제를 사용함으로써 5% 수준까지 먼지 발생과 리바운드를 충분히 감소시킴을 확인하였다. 초기 수초간의 낮은 반응성이 먼지생성을 낮게 하고 리바운드를 감소시키는데 도움을 준다. 기질에 부착된 분사된 콘크리트 층은 초기 수초간은 경화하거나 굳지 않는다. 그 결과 다음 층은 유동성이 있는 기질층에 더욱 잘 부착되어진다. 최종강도에 큰 변수인 분사된 구조의 충진은 개선되고 양생된 콘크리트의 많은 특성들 역시 개선되어 진다.

이러한 첫 단계 후에, 응결이 시작된다. 재료는 서서히 굳어가면서 적은 하중을 견딜 수 있게 되어 20cm 이상의 단면적의 sprayed concrete를 지탱하기에 충분하게 된다(1m2의 20cm 두께의 콘크리트는 약 500kg). 최적의 조건으로 설계된다면, 상당한 두께의 층으로 실례에 적용되어질 수 있다.

[Fig.] Strength development of sprayed concrete(20℃).

Mix design: cement : 425kg CEM I 42.5 Siggenthal

aggregate : 1720kg, 0-8mm : 1.5% RHEOBUILD 1000, 0.9% DELVO stabilizer;

air : 4%, density : 2.35, flow : 50-55cm, w/c : 0.47,

MEYCO SA 140, SA 145, SA 160

Alkali-free accelerators : MEYCO TCC 766, silicate-based accelerator

초기의 15-30분 이내에, 콘크리트는 측정되어질 만큼의 강도를 발현하면서 경화한다. [그림]은 서로 다른 촉진제를 사용하여 설계된 sprayed concrete의 강도 발현을 보여주고 있다. J2, J3 곡선은 NATM에 의해서 정의된 것이다(New Austrian Tunnelling Method). 여기에는 특정 암석의 조건에 따른 쇼크리트 영역의 강도요구 조건을 나타내고 있다.

유사한 강도발현이 4가지의 촉진제에서 모두 관찰되어 질 것이다. 초기의 15분 간의 매우 빠른 반응은 0.1-0.3MPa에 이르게 해주며, 2-3 시간까지의 기간에는 압축강도가 매우 서서히 증가하여 결국에는 3-5MPa에 이르게 된다. 이 시기에 나타나는 강도 발현은 일반 콘크리트의 강도발현과 유사하다.

게다가 촉진제가 사용되지 않은 콘크리트와 비교하여 sprayed concrete의 강도저하는 일반적인 것이다. 촉진제의 종류에 의존하여, 이러한 강도저하는 전체 강도에 약 50%까지 이르게 된다.

습식법에 사용되어지는 촉진제는 일반적으로 액상이다. 액상의 촉진제는 좀더 쉽게 콘크리트에 적당량이 혼합되어질 수 있으며 먼지 발생의 문제성이 적다. 이전에 설명되었듯이, 촉진제는 반응성이 강한 화학물질이며 모든 주어진 환경에서 흡입되어서는 안된다.

6. International Construction Sites

Alkali-Free 촉진제는 세계적으로 사용되어지고 있다. 매우 흥미로운 건설계획들이 간략하게 설명되어질 것이며, 이것은 상이한 요구조건에 대한 유용성을 제공할 것이다.

A: Melbourne City Link, Melbourne,

Australia

도시 연결계획에 있어서 가장 중요하고 흥미있는 것은 Yarra 강과 King의 영역을 통과하게될 두 터널이다. 이 터널은 극히 중요한 부분이며, 이 터널들은 교통을 매우 혼잡한 길로부터 (교통)흐름이 자유로운 산업단지나 주택단지로 이동시킬 수 있다.

두 터널 모두 일방통행의 3개 차선으로 만들어지며, 최종적인 터널의 크기는 폭이 11.5m 높이가 4.9m가 될 것이다. 터널의 총 연장은 5,000m이다.

터널의 건설은 부분적으로는 터널굴착기(TBM:tunnel boring machine)과 road header를 사용하여 건설되어진다. 터널은 이미 모양이 정해진 철제 아치와 철제 볼트에 의해서 지탱되어진다. 그후에 이 것들은 alkali-free 촉진제가 포함되어진 sprayed concrete를 사용하여 순간 lining에 의해서 덮혀지게 된다. 이것을 사용함으로써 작업성이 좋아지고 콘크리트의 질이 월등해지게 된다. 최종적으로 lining 되는 콘크리트의 두께는 350-400mm가 될 것이다.

B: Sieberg Tunnel, Scheibs, Austria

이것은 Linz에 근접한 총길이 6500m의 양방향 고속 철길의 터널이다. 주위 환경은 단지 몇 미터의 일부 영역이 대부분 조금 무리가 되는 이회토 이다. 가로지르는 영역은 최고 속도가 200km/h인 기차를 위한 2 트랙을 건설하기 위한 것이다.

6면이 굴착되어지기 위해서는 2가지의 중간공정상의 요점이 있다. 터널은 첫 번째 라이닝으로써 30-40cm의 sprayed concrete가, 주(지속적인) 라이닝으로써 non-reinforced cast concrete 가 지탱하여 주고 있다. 일부 영역은 overburden의 부족으로 cut & cover 방법에 의해서 시공되었다.

터널은 압축 공기에 의해서 운반되어지는 촉진제와 골재 시멘트를 포함하는 믹스를 사용하는 6개의 건식 쇼크리트 기기를 사용하였다. 이 장치는 매우 단순하지만 먼지, 리바운드, 단가를 제어할 수 없다.

액상의 alkali-free 촉진제의 사용은 먼지 발생을 상당히 감소시키며, 낮은 리바운드 와 빠른 적용을 가능하게 하며 이는 시공자들에게 확인 되었다. 열과와 배합은 [표 1]에 나타 내었다.

C: Heathrow Express, London, Great Britain

Heathrow 고속터널은 공사중에 붕괴되기 시작하면서 세계적인 관심을 끌었다. 이 사고후에 터널을 위하여 사용되어지는 건설 시공재료에 대한 품질관리가 강화 되었다. 시공자들은 터널 구조와 작업자들의 안전조건을 개선시킬수 있도록 NATM의 규약을 따아야 했다. Alkali-free 촉진제의 사용으로 인하여 콘크리트의 품질이 더욱 개선되었다. 결과와 배합은 [표 2]에 나타내었다.

D: Northcape, Honingsyag, Norway

북노르웨이에서 멀리 떨어진 6820m의 바다 밑을 가로질러 달리는 자동차용 터널. 굴착 방법은 드릴과 폭발 그리고 교차하는 62m2의 영역에서의 1,2 레인 터널이 준비되었다. 터널은 현재 Vesterpollen(본토)와 Veidnes(Mageroya 섬)으로부터 굴착되어지고 있다. 원래 계획되어진 8달 후임에도 아직까지 굴착되어저야 할 구간이 1400m 남아있다(end of Sept. 1997). Vesterpollen으로부터 처음 3.4km 구간은 좋은 조건이였다. 거기서부터  Veidnes의 시작부근 까지는 매우 열악한 사암과 이판암이 마주치고 있다. 일주일에 약 10-15m의 전진속도로 1997년 8월까지 둘레가 2.5에서 5m인 콘크리트를 퍼붇고 있었다. MEYCOⓇ SA 160을 사용하는 쇼크리트로 바꿈으로써 25cm 두께의 쇼크리트층(7m3/m)로 직접 타설하여 매주 약 35m씩 전진하고 있다. 콘크리트의 배합은 [표 3]에 나타나 있다.

E: NEAT Access Tunnel, Sedrun, Switzerland

Sedrun에 있는 NEAT의 중간의 제어요점은 상당히 흥미로운 터널계획과 연결되어 있다.

첫 번째로, 990m의 긴 환기통로 터널이 있다. 그리고 좀더 철도의 좀더 양호한 공기교환을 위하여 450m의 긴 통풍창이 있으며, 철도에는 800m의 긴 수직 환기통이 있다.

바위를 지탱하기 위하여, sprayed concrete가 사용되었다. 이 계획에서 터널의 굴착과정에서 얻어진 재료를 채집한후 콘크리트를 만들기 위한 골재로 사용하였다. 이것은 모든 재료중에서 가장 관대한 배합설계를 요구한다. 시멘트, 조립률 곡선, 첨가제, 콘크리트 혼화제와 촉진제가 모두 최적화 되어야만 한다.

작업의 위생성(적은 리바운드와 먼지, 피부와 눈에 대한 저자극)과 콘크리트 품질의 개선(높은 압축강도)과 같은 명백한 잇점들이 alkali-free 촉진제를 사용하는 결정을 쉽게 만들었다.