PC(Prestressed Concrete) 그라우트용

레미탈에 관한 연구

A Study on Ready-Mixed-Mortar for Prestressed

Concrete grouting material

박  길  수*       전  진  호**       김  경  덕**

이  학  봉***      노  현  승****     이  완  경*****

Kark, Kil Su         Jeon, Jin Ho       Kim, Kyung Tyuk

Lee, Hak Bong       Rho, Hyeon Seung  Lee, Wan Kyung

ABSTRACT

As conventional grouting materials for the sheath such as cement slurry or cement-mortar  are mixed and pumped in site,  those harden with bleeding or shrinkage and meets low compressive strength. Also the materials haven't always same cements , sand size distributions, additives in site, so those materials have unstable quality properties.  We have studies on ready-mixed-mortar for grouting pretensioned or post-tensioned cables and rods to encapsulate the steel  so that we have developed a formulation of specially selected, flowable, shrinkage-compensating materials.

* 한일시멘트공업(주) 중앙연구소 연구원

** 한일시멘트공업(주) 중앙연구소 연구원

*** 한일시멘트공업(주) 중앙연구소 주임연구원

**** 한일시멘트공업(주) 중앙연구소 레미탈팀장

***** 한일시멘트공업(주) 중앙연구소 소장

1. 서 론

1.1 연구배경 및 목적

산업경제 기초가 되는 건설, 토목분야의 기술발달로 인한 새로운 건설공법이 계속 개발되면서 그 공법에 알맞은 재료를 요구하고 있다.  국내 PC 건설공법에 적용되고 있는 쉬스내 충진용 몰탈은 시멘트와 물을 혼합하여 직접 타설하고 있는 수준이다. 이런 방법으로 타설할 경우, 시멘트 함량 및 W/C비가 높아 블리딩 발생량이 높고, 초·후기 수축률과 충진성이 떨어져 제품으로서 제 역할을 하고 있지 못하다. 또한 응결시간 조절이 불가능하고, 강도의 불안정, 내구성 저하 등의 많은 문제점이 발생되는 것으로 알려져 있다.

따라서 본 연구는 현장에서 사용하고 있는 PC 그라우트용 레미탈 제품에 비해 초·후기 수축률 보상, 고유동성, 응결시간 조절, 충진성, 내구성, 고강도성을 고려한 현장배합과 같은 원가절감형 HR1 배합과 고기능성을 가진 HR2 배합을 병행하여 PC 그라우트용 레미탈 개발에 관한 연구를 하였다.

1.2 PC 그라우트용 레미탈의 물리적 특성 조건

PC 그라우트용 레미탈의 물리적 특성 조건은 표 1.과 같다.

표 1. PC 그라우트용 레미탈의 물리적 특성 조건

구 분	한 국1,2,3)			일 본4,5,6)
	Precast,Prepacted Concrete		Prestressed Concrete	Prestressed Concrete
	저강도	고강도	-	현행기준	업체관리기준
					Conbex208 T	Pozzolith GF 1700	Pozzolith GF 1720
블리딩율 (%)	3이하	1이하	3이하	3이하	0이하	0이하	0이하
팽창율 (%)	5∼10	2∼5	10이하	10이하	-0.5∼0.0	-0.5∼0.0	-0.5∼0.0
Consistensy 점성(초)	16∼20	25∼50	시공에 접합한 값	저점성 15∼30J1)	고점성 5∼12J)	중점성 3∼10J)	고점성 5∼12J)
W/C 비 (%)	45이하	40이하	45이하	45이하	45이하	45이하	45이하
압축강도 (kgf/cm2)	소요강도	400이상	200이상	200이상	200이상	300이상	300이상

주) 한국 : 건설교통부 제정 콘크리트 표준시방서(99년 1월 개정발행) J1) : JA□-□, J) : J14 □-□

2. 실험계획 및 방법

2.1 실험계획

본 연구의 실험계획은 표 1.과 같은 물리적 특성 조건을 근간으로 보다 좋은 품질을 개발하기 위하여, 표 2와 같은 물리적 특성 조건을 기준으로, 현장배합의 물리적 특성을 검토하고 그 결과를 기준으로 원가절감형 HR1 배합과 고기능성 HR2 배합에 대하여 실험을 실시하였다.

표 2. 물리적 특성 조건

유동성(점성)	압축강도 (kg/cm2)	블리딩율 (%)	W/R주) (%)	작업성 유지 (%)	팽창율 Vol %	길이변화율 (%)	재료 분리
35초이하	350이상	0	40이하	85(30분 후)	0∼3(3시간)	-0.1∼0.1(7일)	무

주) W/R : 물/레미탈

2.2 사용재료

2.2.1 시멘트

시멘트는 당사 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였으며, 화학성분은 표 4.와 같다.

2.2.2 모래

본 연구에 사용된 모래는 B사 모래(B1, B2, B3, B4)를 사용하였으며, 물리적 성질은 표 3.과 같다.

2.2.3 팽창제

본 연구에 사용된 팽창제는 시중에서 범용 적으로 사용되는 제품을 사용하였으며, 화학성분은 표 4.와 같다.

2.2.4 혼화제 및 충진재

본 연구에 사용된 혼화제는 유동화제(나프탈렌계, 멜라민계), 소포제, 재료분리 방지제 등이며, 충진재는 당사에서 생산되고 있는 제품을 사용하였다. 그 화학성분은 표 4와 같다.

표 3. 모래의 물리적 성질

항목 시료	비중	흡수율 (%)	입도크기 (Mesh)	조립율	점토덩어리 (%)	염화물 (%)	유기불순물
B1	2.63	1.06	14∼48	2.76	0.01	없음	없음
B2			30∼100	1.48
B3			50∼100	0.8
B4			80∼120	0.75

표 4. 사용재료 화학성분             (단위 : wt%)

화학성분 사용재료		Al	SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO	SO3	Ig.loss	sum
Cement		-	21.36	5.01	3.55	61.97	2.42	2.23	1.71	98.25
팽창재	EX1	-	6.34	36.42	2.94	41.33	0.52	11.29	1.22	100.06
	EX2	-	1.30	0.04	0.20	39.82	-	55.89	2.50	99.75
	EX3	89.80	6.36	1.71	0.65	0.27	0.09	-	0.32	99.20
충진재		-	28.72	12.19	0.55	42.62	4.03	10.63	0.13	98.87

2.3 실험방법

2.3.1  모르타르 혼합

KS L 5109( 수경성 시멘트 반죽 및 모르타르의 기계적 혼합 방법)의 혼합기를 사용하여, 물을 먼저 넣은 후 Grout材를 넣어 혼합하였다. 이때 혼합 속도는 1속(140±5 rpm)으로 3분간 혼합하였다.

2.3.2 Flow 및 Flow Loss

KS L 5111 시험용 플로우 테이블용 Flow Cone(상단경70±5mm, 하단경100±0.5mm, 높이50±0.5mm)을 유리판 위에서 들어올렸을 때  자연흐름을 측정하여  Flow가 315±15mm을 기준으로 하였다. Flow loss율은 혼합후 1차로 Flow를 측정한 후, 표면수의 증발을 막기 위해 즉시 물에 젖은 종이로 덮어두었다가, 29분이 지난 후 1분간 충분히 재 혼합한 후 2차로 Flow를 측정하여, 다음의 식으로 flow loss율을 계산하였다.   Flow loss율 = [eqn: { Xo - X } over { Xo }]×100 (%)

X : 2차 Flow 측정치

Xo : 1차 Flow 측정치

2.3.3 단위용적중량 측정

1□ 용기를 이용하여 fresh mortar의 단위용적중량을 측정하였다.

2.3.4 Consistency

KS F 2432 (주입 모르터의 Consistency 시험방법)에 따라 측정하였다.

2.3.5 길이변화율 측정

사진 1.에서 보는 바와 같이 100cm×10cm×5cm 길이변화용 몰드를 이용하여 레미탈과 물을 혼련할 때부터 공시체를 제작하여 현장성에 가장 근접한 방법으로 실험실내에서 양생하면서 길이변화율을 측정하였다(온·습도는 수시변화). 측정기기로는 Digital Micrometer(분해능 0.001mm)를 사용하였으며, 길이변화율은 다음 식으로 계산하였다.

길이변화율 = [eqn: { X - Xo } over { Xo }]×100 (%)

X : 재령에 따른 길이

Xo : 초기 길이

사진 1. 길이변화율 시험기

2.3.6 초기 팽창율 및 블리딩 측정

KS F 2433(ASTM C 940) 초기 팽창율 및 블리딩 시험방법에 의하여 측정하였다.

2.3.7 압축강도 측정

KS L 5105(수경성 시멘트 모르터르의 압축강도 시험 방법)의 5cm×5cm×5cm 몰드를 이용하여, 다짐 없이 공시체를 제작하고 재령 1, 3, 7, 28일 압축강도를 측정하였다. 양생방법은 항·온습실(T:21±1℃, HR: 65±5%)에서 1일간 양생 탈형 후 27일간 수중(21±1℃)양생하였다.

3. 실험결과

현장 및 HR1, HR2 배합에 관한 실험결과를 다음과 같이 비교하였다.

3.1 단위수량(W/R) 및 단위용적중량 비교 결과

현장배합의 실험결과를 기준으로 단위수량 및 단위용적중량을 비교한 결과, 그림 1.에서 보는 바와 같이 단위수량의 경우, 현장배합보다 HR1 배합은 13%, HR2 배합은 21.5% 감소하였다. 단위용적중량 경우는 현장배합 보다 HR1배합은 137kg/m3(7.2%), HR2 배합은 256kg/m3(13.5%)증가 하였다. 이는 충진율이 증가하였다는 것을 의미하며, 충진율이 높고 단위수량이 감소하면 블리딩 발생량을 크게 감소시킬 수 있다는 의미가 되며, 또한 초·후기 수축율 감소와 압축강도 증가에 큰 영향을 주는 것으로 판단할  수 있다.

그림 1. 단위수량, 단위용적중량 비교결과

3.2 작업성(Consistency, Flow, Flow Loss) 비교 결과

현장배합의 실험결과를 기준으로 작업성을 비교한 결과, 그림 2.에서 보는 바와 같이 Consistency 경우, 현장배합보다 HR2 배합은 8초 감소로 수직 유동성(침투성)이 증가하였으며, HR1과 현장배합은 같은 Consistency을 나타내었지만, Flow(자연 흐름성)에 있어서는 약 12cm 감소하는 경향을 나타내었다. 이를 쉬스내에 타 설될 경우, 자연흐름성이 떨어지므로 그림 1.에서 보는 바와 같이 충진성이 감소될 가능성이 높다. Flow 경우, 현장제품에 비해 HR1과 HR2 배합이 각각 12cm, 13cm 증가로 수평 유동성(자연 흐름성)이 크게 증가하였는데 이는 유동성 및 충진성에 있어서도 뛰어난 효과를 나타낼 것으로 판단된다.

또한, 30분 경화후의 Flow loss율(보상율)은 현장배합 보다 HR1과 HR2 배합이 각각 60%, 68% 수평 유동성을 유지하였는데 이는 현장 작업여건에따라 충분한 작업성을 맞출 수 있다고 판단되며, 유동성 및 충진성에 있어서도 유리하다고 판단된다. Consistency와 Flow는 물과 반죽된 레미탈의 점성과 상관 관계가 있으며, 또한, 점성은 블리딩 및 충진율, 공기량과 관계가 있기 때문에 적당한 재료와 첨가량 선정이 매우 중요하다.

그림 2. 작업성(Consistency, Flow, Flow Loss)  비교 결과

3.3 초기 팽창율 및 블리딩율 비교 결과

현장배합의 실험결과를 기준으로 수축·팽창율 및 블리딩율을 비교한 결과, 그림 3.에서 보는 바와 같이 수축·팽창율 경우, 현장배합보다 HR1과  HR2 배합은 각각 3.61%, 3.01% 팽창하였으며, HR2 배합의 초기팽창률은 HR1보다 0.6% 감소시킨 것은 용적증가를 감소시킴으로서 수밀성을 높여 장기 수축율을 감소시키기 위함이다. 블리딩율 경우, HR1과  HR2 배합은 각각 1.94%, 2.14%로 크게 감소하였다. 이는 원재료의 물리·화학적 특성을 적절하게 부여함으로서 나타난 결과로서 단위수량 감소의 영향이 크며, 또한 모래의 입도크기를 조정함으로서 현장배합 보다 충진성이 높기 때문이다.

그림 3. 초기 수축, 팽창율, 블리딩율  비교 결과

3.4 길이변화율 비교 결과

실험결과에 의하면 현장배합은 0∼8시간 구간(유지)에서 수축을 나타내지 않았으며, 8(-0.0060%)∼20(-0.0510%)시간 구간(급속 수축)은 급속한 수축을 나타내었다. 그 이후부터 72시간(-0.0590%)까지는 서서히 수축이 진행되는 것으로 나타나고 있다.  급속한 수축구간은 시멘트가 그 시점부터 수화가 활발하게 일어나는 것을 의미하며, 그림 3.에서 보는 바와 같이 3시간까지의 초기 수축율(-2.61%)이 높

기 때문에 쉬스내에 타설될 경우 초기 수축율에 대한 보상이 어렵고, 소성균열 발생이 높은 구간으로 생각된다.

HR1 배합은, 0∼10시간 구간(유지)에서 수축을 나타내지 않았으며, 10(-0.0010%)∼18(-0.0310%)시간 구간은 급속한 수축을 나타내고 있다. 그 이후부터 72시간(-0.0310%)까지는 서서히 수축이 진행되는 것으로 나타나고 있다.  현장배합의 길이변화율 실험결과와 비교하여 보면, 그림 3에서 보는 바와 같이 3시간까지의 초기 팽창(1%)으로 수축을 보상하였기 때문에 후기 수축은 그다지 크지 않은 것이며, 쉬스내에 타설될 경우 수축은 크지 않을 것으로 생각된다.

HR2 배합은, 1∼8시간 구간은 낮은 수축(-0.0010%)을 나타내다가 8시간부터 약간 팽창을 나타내어 32시간까지 거의 수축을 하지 않았으며, 33(-0.0010%)∼72(-0.0040%)시간 구간까지 높은 수축율을 나타내지 않았다. 현장배합의 길이변화율 실험결과와 비교하여 보면, 그림 3에서 보는 바와 같이 3시간까지의 초기 팽창(0.5%)으로 수축을 보상하였기 때문에 후기 수축은 그다지 크지 않은 것이며, 쉬스내에 타설될 경우 수축은 크지 않을 것으로 생각된다.

그림 4. 길이변화율  비교 결과

3.5 응결시간, 압축강도 비교 결과

그림 5. 응결시간, 압축강도  비교 결과

현장배합의 실험결과를 기준으로 응결시간 및 압축강도를 비교한 결과, 그림 5.에서 보는 바와 같이 응결시간 경우, 현장배합 보다 HR1 배합의 초결, 종결은 각각 3, 5시간 빨라졌으며, HR2 배합은 각각 4, 6시간 빨라졌다.  응결시간은 원재료의 물리·화학적 특성을 이용하여 현장여건에 따라 조절할 수 있다. 압축강도 경우는 단위시멘트량이 크게 감소함에도 불구하고 재령 28일에 있어서 HR1과 HR2 배

합은 각각 76kgf/cm2, 123kgf/cm2 증가하였다. 이는 앞에서 서술한 바와 같이 단위수량을 크게 감소시킨 것과 충진성을 높인 것이 그 이유로 추정할 수 있다.

4. 현장적용 가능성 검토

상기와 같은 실험결과를 현장적용 가능성 검토로 1, 2차에 걸쳐서 실시하였는데 1차(1999년 4월 26, 29일)는 현대건설 하청업체로 화성산업(주) 공장 품관실에서,  2차(1999년 7월 7일)는 2002년 울산월드컵 축구경기장 현장 품관실에서 단위수량, Flow, 압축강도에 대하여 실시하였다. 참관업체는 표 5와 같으며, 실험결과는 표 6.에 나타내었다.

표 5 참관업체                      표 6. 물리적 특성 실험결과

구 분	엄 체 명
1차	화성산업,한일시멘트(주)
2차	일본 구로사와,현대건설. 화성산업, 달성건화, 한일시멘트(주), POS- A.C감리단

구 분	W/R (%)	Flow (mm)	압축강도(kgf/cm2) 수중양생
			1d	3d	7d	28d
HR1	33.0	325	165	346	432	483
HR2	22.0	330	236	356	451	524

현장적용성 검토결과 표 6.에서 보는 바와 같이 만족한 물리적 특성을 나타내었다.  참관업체에서도 양호하다는 평가를 하였다. 사진 2, 3은 울산월드컵 종합경기장 관련사진이다.

사진 2. 울산월드컵 축구 전용구장 현장    사진 3. PPC(Precast Prestressed Concrete) 압착 기둥

5. 결론 및 고찰

본 연구는 현장에서 사용하고 있는 PC 그라우트용 레미탈 제품에 비해 초·후기 수축율 보상, 고유동성 응결시간 조절, 충진성, 내구성, 고강도성을 고려한 현장배합과 같은 원가절감형 HR1 배합과 고기능성을 가진 HR2 배합을 병행하여 실험을 실시한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

1. 현장배합의 물리적 특성을 검토한 결과 단위수량(W/R) 44%, Flow loss 70%, Consistency 30초, 수축율 2.6%, 불리딩율 2.14%로 그라우트 레미탈이 갖추어야 할 주요 물리적 특성조건를 벗어난 제품이었다.

2. 현장배합의 문제점을 보완한 원가절감형 HR1 배합은 현장배합에 비교하여 단위수량 13%감소, 단위용적중량(충진율:7.2%) 137kg/m3 증가, 유동성 및 자연 흐름성(12cm) 증가, Flow loss(유동성 유지)율 60% 감소, 수축·팽창율 3.61% 증가, 블리딩율 1.94% 감소, 길이변화율(72시간) 0.0210% 증가, 압축강도 재령 28일에서 76kgf/cm2 증가하였으며 응결시간 조절이 가능하였다. 그러나 배합 특성상 블리딩율, 내구성, 후기 수축 보상에 있어서 문제가 있는 것으로 판단되지만, 공사현장에서 사용하고 있는 현장배합 보다는 우수한 물리적 특성을 나타내었다.

3. HR1(원가절감형) 배합에 대한 단점을 보완하여 고기능성을 부여한 HR2 배합은 현장배합에 비교하여 단위수량 21.5%감소, 단위용적중량(충진율:13.5%) 256kg/m3 증가, 유동성 및 자연 흐름성(13cm)이 증가, Flow loss(유동성 유지)율 68% 감소, 수축·팽창율 3.01% 증가, 블리딩율 2.14% 감소, 길이변화율 0.0550% 증가, 압축강도 재령 28일에서 123kgf/cm2 증가, 응결시간 조절가능 하였으며, 현장 및 HR1 배합 보다 매우 우수한 물리적 특성을 나타내었다.

4. 상기 개발된 제품에 대하여 1, 2차에 걸쳐서 현장적용 가능성 검토 결과 매우 양호하였다.

참고문헌

1. 한국콘크리트학회, □프리스트레스트콘크리트□, 건설교통부 제정 콘크리트표준시방서, 1999. pp. 22      3∼237

2. 한국콘크리트학회, □프리팩트콘크리트□, 건설교통부 제정 콘크리트표준시방서, 1999. pp. 169∼186

3. 한국도로교통협회, □□프리스트레스트콘크리트□, 건설교통부 제정 도로교표준시방서, 1999. pp. 164∼     176

4. 菅原 操, □□□□□□□□□□□□-□□□□□□作業□ □□□□品質□改良□ □□□□·□□□□-     □ No.603, May        1997. pp. 8∼15

5. 板井吉彦, □□□□□□□□□□□□□□□□□□-□造□□□大競技場□施工□ □□□□-□工學. Vol.     35, No. 12, 1997. 12. pp. 18∼22

6. 望月秀次, 本間淳史, 上東泰, □PC □□□□□ 施工技術□現狀□非破壞檢査□□□点檢□ □□□□-□    工學. Vol. 34, No. 6, 1996. 6. pp. 4∼13