I. 제목
산업부산물의 경제적 재활용과 시공품질 향상을 위한 분말형 레디믹스트(Ready-mixed) 숏크리트 개발
II. 연구개발의 목적 및 필요성
본 연구개발의 최종목표는 현장타설 숏크리트가 가지는 불확실한 시공 품질, 강도 및 내구성 등의 품질저하에 대한 고질적인 문제를 해결하고, 산업부산물인 고로슬래그를 재활용하여 숏크리트 품질향상과 산업부산물의 경제적 재활용을 통해 국가자원을 확보하고 시공 품질을 향상시킬 수 있는 새로운 숏크리트 재료를 개발하고자 하는 것이다. 본 연구에서 개발하고자 하는 "분말형 레디믹스트(Ready-mixed) 숏크리트"란 기존에 현장에서 배합되던 숏크리트의 문제점들을 효과적으로 개선하기 위해, 숏크리트 재료의 배합 및 제조를 건조 모르타르 제조 전문업체에서 사전에 미리 실시하여, 골재의 철저한 토립분 관리, 확실한 입도관리, 전문배합 장치를 이용한 엄격한 품질관리 및 재료의 규격화 등을 거쳐 시공 품질을 극대화 시킬 수 있게 제조되는 숏크리트 재료를 말하는 것이다.
본 연구개발을 위해 설정한 최종목표는 다음과 같다.
o 산업부산물의 경제적 재활용과 시공품질향상을 위한 분말형 레디믹스트(Ready-mixed) 숏크리트 개발을 통한 숏크리트 건설기술의 확보
- 산업부산물을 재활용한 분말형 레디믹스트(Ready-mixed) 숏크리트 개발
- 규격화된 재료의 생산
- 현장 시공품질 개선 및 숏크리트 시공성 향상을 통해 터널 구조물의 안정성 확보
- 기존 레미탈 생산체계를 활용한 경제성 있는 숏크리트 공법의 실용화
III. 연구개발의 내용 및 범위
최종목표를 달성하기 위해 본 연구개발에서는 다음과 같은 연구개발 내용을 수행하였다.
■ 1차년도 연구내용 및 범위
(1) 국내외 레디믹스트 기술의 현황 조사
- 자료, 문헌 조사를 통한 국내외 레디믹스트 기술관련 품질규정 조사
- 국내 민간기업이 보유 레디믹스트 기술 수준 분석 및 국내외 레디믹스트 관련 제품 현황 파악
- 국내 레디믹스트 생잔 시스템 분석
(2) 현장배합 숏크리트의 국내 시공실태 파악 및 레디믹스트 숏크리트의 개발 방향 모색
- 현장배합 숏크리트의 국내외 품질규정 조사
- 현장 실무기술자들을 대상으로 한 숏크리트 현장설문조사 수행 및 결과분석을 통한 시공실태 및 문제점 파악
- 실무 의견 수렴을 통한 분말형 레디믹스트 숏크리트의 개발 방향 결정
(3) 분말형 레디믹스트 숏크리트 개발을 위한 숏크리트 재료의 고품질화 방안 제시
- 국내에서 생산되는 숏크리트 재료의 품질평가
- 국내 민간업체의 골재 생산시스템 분석
- 국내 터널 현장에서 적용되는 숏크리트용 골재의 품질성능 평가
- 분말형 레디믹스트 숏크리트의 품질 선진화를 위한 재료 규격화 방안 제시
(4) 다기능 레디믹스트 숏크리트 개발을 위한 국내 터널 현장의 시공특성 파악
- 국내 터널 현장의 시공 특성 조사
- 시공 특성에 따른 터널 현장의 분류법 제시 및 조사된 터널 현장 분류
- 분말형 레디믹스트 숏크리트의 다기능 부여를 위한 기능 인자 설정
(5) 숏크리트 굵은골재 최대치수에 따른 숏크리트의 성능평가
- 숏크리트 타설시험용 몰드제작
- 국내외 숏크리트 굵은골재 최대치수에 따른 물리성능 평가자료 조사
- 숏크리트 굵은골재 최대치수(8,10,13mm)에 따른 현장타설시험 수행
(6) 숏크리트 타설실험의 효율성 증대를 위한 숏크리트 타설시험기 설계
- 국내외 숏크리트 타설장비 현황 조사
- 타설시험기 설계를 위한 고려 인자 결정
- 숏크리트 타설시험기의 설계도면 작성
■ 2차년도 연구내용 및 범위
(1) 국내 고로슬래그의 현황 및 물리·화학적 특성 파악
- 고로슬래그의 국내 발생 현황, 생산능력(파이넥스공법) 및 발생 메커니즘 조사
- 국내외 고로슬래그의 경제적 재활용 사례 조사
- 고로슬래그 미분말의 화학조성 분석
- 고로슬래그 미분말의 물성 및 재료특성 파악
(2) 현장 적용성 평가를 통한 분말형 레디믹스트 숏크리트의 초기개발 및 재료분리 최소화 방안 연구
- 분말형 레디믹스트 숏크리트의 초기배합 결정
- 현장타설실험을 통한 초기배합의 품질 평가
- 골재 입도 조정을 통한 재료분리 최소화 방안 및 최적 믹싱 시간 도출
- 동일배합의 현장 숏크리트와의 품질 비교
(3) 고로슬래그 레디믹스트 숏크리트의 초기배합 설계
- 고로슬래그 미분말의 숏크리트에 대한 적용성 평가
- 고로슬래그 치환율에 따른 레디믹스트 숏크리트의 강도특성 분석
(4) 고로슬래그 레디믹스트 숏크리트의 양생 특성 및 환경영향 평가
- 숏크리트 공시체의 SEM 촬영을 통한 양생특성 및 메트릭스의 변화특성 파악
- 숏크리트 공시체의 용출시험을 통한 산업부산물의 환경영향 평가 수행
(5) 다기능 레디믹스트 숏크리트의 초기배합 설계
- 설정된 다기능 인자에 따른 레디믹스트 숏크리트의 초기배합 설계 실시
- 각종 혼화재 특성에 따른 다기능 인자의 성능발휘 시험 수행
- 성능발휘 시험 평가를 통한 다기능 레디믹스트 숏크리트의 초기 배합비 결정
(6) 초기개발된 분말형 레디믹스트 숏크리트의 현장 시공성 및 경제성 평가
- 현장 숏크리트 교반장비 실태 조사
- 분말형 레디믹스트 숏크리트의 효율적인 운송 방법 및 현장 믹싱 시스템 분석
- 현장배합 숏크리트와의 설계 단가 비교를 통한 초기개발 제품의 경제성 평가
(7) 숏크리트 장기내구성 평가를 위한 고려 인자 파악
- 숏크리트 성능저하에 영향을 미치는 열화인자 고찰
- 숏크리트 타설 환경에 따른 장기내구성 평가 인자 설정
(8) 숏크리트 타설실험의 효율성 증대를 위한 숏크리트 타설시험기 제작
- 국내 실험실의 타설시험기 현황 조사
- 실내 타설 시공성을 고려한 타설시험기의 적정 용량 산출
- 숏크리트 타설시험기의 시제품 제작
■ 3차년도 연구내용 및 범위
(1) 레디믹스트 숏크리트의 최종 배합비 결정
- 초기배합 개선을 통한 최종 배합비 결정
- 현장타설실험을 통한 최종 배합비의 품질 평가
- 현장배합 숏크리트와의 비교 실험을 통한 레디믹스트 숏크리트의 품질 우수성 평가
(2) 고로슬래그 레디믹스트 숏크리트 최종 배합설계
- 경제성과 품질을 고려한 고로슬래그 미분말의 최적 치환율 도출
- 일반 레디믹스트 숏크리트와의 비교 평가를 통한 강도특성 및 품질평가
(3) 고로슬래그 숏크리트의 재료품질 평가
- 일반 숏크리트와 고로슬래그 치환 숏크리트의 수은압입시험 실시
- 고로슬래그 치환율에 따른 숏크리트의 수은압입시험 결과 고찰
- 고로슬래그 숏크리트의 공극분포특성 파악
(4) 적용인자에 따른 다기능 레디믹스트 숏크리트 최종 배합설계
- 적용인자별 다기능 레디믹스트 숏크리트의 최종 배합비 결정
- 실내실험을 통한 다기능 레디믹스트 숏크리트의 적용인자별 품질성능 평가
(5) 단일 열화인자 평가를 통한 레디믹스트 숏크리트 내구성 평가
- 레디믹스트 숏크리트의 실내촉진시험 수행 및 단일내구성 평가
(6) 복합열화시험을 통한 레디믹스트 숏크리트의 장기내구특성 평가
- 레디믹스트 숏크리트 복합열화시험 및 옥외폭로시험 수행
- 레디믹스트 숏크리트 복합열화특성 파악
(7) 대량생산 및 규격화생산을 위한 레디믹스트 숏크리트 자동생산 시스템 확보
- 기존 레디믹스트 콘크리트의 생산 시스템 분석
- 레디믹스트 숏크리트 재료의 규격화에 적합한 생산 시스템 설계
- 재료 생산시 믹싱, 재료 거출, 운반과정의 재료분리 가능성 평가
- 레디믹스트 숏크리트의 판매용 시제품 제작
(8) 레디믹스트 숏크리트 현장시공 프로세스 분석을 통한 시공 우수성 평가
- 현장배합 숏크리트 시공 프로세스 분석
- 설계된 자동 생산 시스템의 시공 프로세스 분석
- 레디믹스트 숏크리트 제품의 공급망관리(SCM) 평가를 통한 시공 프로세스 분석
- 현장배합 및 공장배합 숏크리트의 시공 프로세스 비교 및 평가
(9) 레디믹스트 숏크리트의 운송시간 경과에 따른 품질 변화 양상 평가
- 레디믹스트 숏크리트의 운송시간 경과에 따른 슬럼프 및 공기량 변화 측정
- 운송시간에 따른 레디믹스트 숏크리트의 품질 유지 방안 고려
(10) 레디믹스트 숏크리트 최종 경제성 평가
- 고로슬래그 치환율 변화에 따른 경제성 분석
- 레디믹스트 숏크리트의 재료비 상승단가 검토
- 현장배합과 레디믹스트 숏크리트의 품질 대비 경제성 비교
- 시공시스템 간소화로 인한 간접비 감소율 파악
- 레디믹스트 숏크리트의 국내 수요 및 시장성 조사
(11) 레디믹스트 숏크리트의 공정관리 및 시공·품질관리 편람(안)
- 재료생산 및 공정관리 편람(안) 제안
- 시공 및 품질관리 편람(안) 제안
(12) 숏크리트 타설시험기를 이용한 레디믹스트 숏크리트 품질 평가 수행
- 개발된 타설시험기의 성능 평가를 위한 실내 시험 수행
- 실내 시험 평가를 통한 타설시험기의 문제점 분석 및 보완
- 숏크리트 타설시험기의 사용 매뉴얼 작성
IV. 연구개발결과
■ 레디믹스트 관련 기술현황 조사
국내외 레디믹스트 기술의 현황 조사를 위해 레디믹스트 관련 국내 품질 규정을 조사하였고, 국내외 기술 수준 몇 산업동향과 레디믹스트 제품의 생산량 등을 조사하였다. 그리고 레디믹스트 생산 시스템의 분석을 통해 차후 개발될 분말형 레디믹스트 숏크리트의 공장생산 시스템 확립을 위한 기초 자료로 활용하고자 하였다.
■ 현장배합 숏크리트의 국내 시공실태 파악
현장배합 숏크리트의 국내 시공실태 파악을 위해 숏크리트의 국내외 품질규정을 고찰하였고, 문제점 파악을 위해 실시한 현장설문조사 결과를 분석하였다. 그리고 실무의견 수렴을 통한 분말형 레디믹스트 숏크리트의 개발방향을 모색하였다.
■ 레디믹스트 숏크리트 재료 고품질화
국내 숏크리트 재료의 품질을 고찰하고 골재 생산 시스템에 대해 조사하였다. 그리고 숏크리트 재료의 성능 실험과 현장 배합용 숏크리트 골재의 품질관리 실태 파악을 통해 레디믹스트 숏크리트 재료의 품질 선진화를 위한 방안을 모색하였다.
■ 레디믹스트 숏크리트 개발
공장에서 사전 배합하여 엄격한 품질관리 및 재료의 규격화를 이루어 현장에서 시공성과 품질을 개선 할 수 있는 레디믹스트 숏크리트 개발에 대한 연구를 수행하였다. 레디믹스트 숏크리트의 품질 개선과 재료 분리 방지를 위해 최대골재치수를 8mm로 결정하여 압축강도 및 리바운드율 시험을 통해 적용성을 검토하였고 레디믹스트 숏크리트의 재료 분리를 최소화 할 수 있는 최적 믹싱 시간 및 혼합 회전속도를 도출하였다. 그리고 실내시험을 통해 합성섬유 및 혼화재의 최적 배합량을 산정하고 현장에 적용성 평가를 실시하여 레디믹스트 숏크리트의 최적 배합을 제안하였다.
■ 고로슬래그 레디믹스트 숏크리트 개발
산업부산물로 생성되는 고로슬래그 미분말을 활용한 레디믹스트 숏크리트 개발 연구를 위해 국내·외 고로슬래그의 재활용 상황을 파악하고 성능평가를 실시하여 고로슬래그의 치환율을 도출하였고 고로슬래그 레디믹스트 숏크리트의 양생특성 파악을 위한 실내실험 및 현장적용성 평가를 실시하여 고로슬래그 레디믹스트 숏크리트의 최적 배합을 제안하였다.
■ 다기능 레디믹스트 숏크리트 개발
현장상황에 따라 특성화된 기능을 발휘하는 다기능 레디믹스트 숏크리트의 개발을 위해 국내 터널 현장의 시공시 발생하는 문제들을 파악하고 개발이 시급한 다기능 인자를 도출하였다. 그리고 다기능 인자에 따른 초기 배합을 결정하고 성능 발휘 실험을 실시한 뒤 현장에 타설하여 적용성 평가를 수행하였으며 이 결과를 토대로 다기능 레디믹스트 숏크리트의 최적 배합을 제안 하였다.
■ 레디믹스트 숏크리트 장기내구성 평가
레디믹스트 숏크리트의 단일열화 및 복합열화에 의한 성능저하 요인을 분석하기 위하여 시험을 실시하였다. 단일열화 시험 결과는 보통 포틀랜드 시멘트를 사용한 보통강도 콘크리트 보다 레디믹스트 숏크리트 배합의 경우에 다소 양호한 결과를 나타내었다. 복합열화 시험결과 또한 특수한 상황을 제외 하고는 일반강도 콘크리트 보다는 우수한 결과를 나타냈다. 그리고 레디믹스트 숏크리트의 장기내구성 평가를 위해 수은압입 시험을 수행한 결과 현장 골재에 비해 우수한 장기내구성능을 확인 할 수 있었다.
■ 레디믹스트 공장생산 및 시공 시스템 구축
레디믹스트 숏크리트의 공장 규격화 생산 시스템을 구축하고 현장에서 가장 효과적으로 시공이 가능한 현장 시공시스템을 제안하기 위해 국내 현장 배치플랜트 실태 조사를 실시하였다. 그리고 기존 레디믹스트 생산 시스템 분석을 통해 개발 재료의 규격화된 생산 시스템을 구축하였고, 실제 제조공정 적용을 통해 각 규격별 레디믹스트 숏크리트 시제품을 생산하였다. 또한, 현장 배치플랜트 설비를 대처할 시공시스템을 도출함으로써, 재료 개발과 동시에 실제적인 현장적용이 가능한 연구개발이 되고자 하였다.
■ 레디믹스트 숏크리트 시공성 및 경제성 평가
레디릭스트 숏크리트의 시공성 및 경제성 평가를 위해 설계단가 비료를 통해 초기 경제성 평가를 실시하였다. 그리고 현장 배치플랜트 활용시와 일체형 사일로 믹서 활용시의 시공프로세스 분석을 실시하여 공정, 자원 및 부지활용에 대한 분석을 실시하였다. 또한, 최종 경제성 평가를 위해 터널 공사 유형에 따른 생산 및 운반 단위 공사비 분석을 실시하였고, 성능 및 비용을 통해 VE에 의한 가치평가를 실시하였다.
■ 숏크리트 타설시험기 개발
현장과 같은 조건에서 타설실험이 가능한 타설 시험기 제작을 위한 연구를 수행하였다. 기존에 운용되고 있는 숏크리트 타설장비의 특성을 파악하고 시험기를 제작하여 성능 평가를 수행하였고 그 결과 현장타설 장비와 매우 유사한 성능을 발휘하는 것으로 나타나 현장타설시험의 한계 및 제약 조건을 극복하고 숏크리트 재료의 표준화 및 규격화 시험에 효과적으로 활용 할 수 있을 것이라 판단된다.
■ 공정관리 및 시공·품질관리 편람(안) 제안
레디믹스트 숏크리트의 실제적인 현장 적용을 확대하고, 생산 공장 및 건설 현장에 종사하는 실무기술자들이 어려움 없이 개발 재료를 활용할 수 있도록 공장에서의 재료 생산 단계에서부터 현장 시공 및 품질 관리, 적용된 재료의 품질시험 방법을 설명한 레디믹스트 숏크리트 공정관리 및 시공·품질관리 편람(안)을 제안하였다.
V. 연구개발결과의 활용계획
본 연구개발을 통해 얻은 결과와 이를 통해 개발된 기술들은 다음과 같은 측면에서 활용 가능할 것으로 판단된다.
■ 시공성을 갖춘 분말형 레디믹스트(Ready-mixed) 숏크리트 개발을 통한 숏크리트 건설기술의 확보
- 연구를 통해 개발되는 분말형 레디믹스트(Ready-mixed) 숏크리트 공법은 공장형 배합의 최적 골재관리, 각기 다른 입도 및 비중을 갖는 재료들의 최적혼합 등을 꾀할 수 있으며, 현장에서 재료 계량, 재료 야적 및 재료 품질관리 등이 필요없이 공장에서 생산되어 포장된 재료를 믹싱만 해서 사용하면 되므로 숏크리트 시공 품질을 월등하게 향상시킬 수 있음.
- NATM 개념에 의한 터널 굴착시 노출되는 암반의 특성에 따라 공장 주문형 다기능 숏크리트를 시공할 수 있는 기술개발이 가능함.
- 터널 시공과정 중 발생되는 암특성에 따른 숏크리트 설계 강도 변화, 누수량에 따른 설계 변화, 공사비 및 공사기간의 변경으로 인한 숏크리트 설계 변화 등의 상황일 때 공장 주문형 다기능 숏크리트 기술을 통해 유동적이며 효율적인 숏크리트 시공이 가능하며, 공장형 배합을 통해 다품종 소량생산 및 최적의 생산시스템 확립을 통해 경제적인 제품생산으로 활용이 가능함.
- 기능성 혼화재의 혼입을 통해 터널 굴착 후 노출된 암반의 특성에 따라 주문형 레디믹스트(ready-mixed) 숏크리트의 생산 및 시공이 가능해져, 터널 지보재로서의 장기내구성 확보뿐만 아니라 고부가 가치의 토목 건절재료의 생산이 가능함.
- 분말형 레디믹스트(ready-mixed) 숏크리트 개발로부터 얻어지는 신기술을 국내 및 해외에 특허 출원하여 산업재산권화 함으로써 건설기술 관련 국내산업을 보호하고, 각종 국·내외 학술지에 발표하여 국내 관련 산업의 선진화를 이루는 초석으로 활용 가능함.
- 숏크리트 공법에 대한 고로슬래그 재활용이 가능해져, 국가 자원을 절감하고 경제적인 자원 재활용으로 국가 정책에 기여할 수 있음.
- 숏크리트 재료를 생산하고 있는 국내 민간기업이 본 연구개발에 직접적으로 참여함으로서 기술 경쟁력을 향상시킬 수 있으며, 체계적인 공장 생산 시스템의 설치 및 개발을 통해 민간기업의 국가 산업 기여도 향상, 인적 자원의 고용증대, 신제품 개발을 통해 국내 시장 확산 등의 효과를 거둘 수 있음.
- 각종 기능성 혼화재와의 혼입을 통하여 방수용, 고강도용, 고인성용, 저리바운드용 등 터널 시공시 발생할 수 있는 모든 상황에 대한 맞춤형 숏크리트 생산이 가능하고 기존의 일률적인 숏크리트 시공을 떠나 각 현장별 차별화된 시공이 가능해 짐.
■ 경제적인 분말형 레디믹스트(Ready-mixed)공법 적용으로 인한 국가 예산 절감
- 숏크리트 관련 제품의 기술개발을 촉진하여 관련 제품의 가격인하 및 수입대체 효과가 있음.
- 고내구성 숏크리트의 개발 및 시공으로 인한 유지·보수 비용 절감에 따른 경제적 이익효과가 발생하며, 관련 분야 시공기술 개발을 촉진하여 소요 자금 및 인력의 절감효과가 발생.
- 국내 지반환경에 적합한 가장 경제적이고 우수한 내구성을 가지는 숏크리트의 제조·배합기법의 도출 기대
- 공장 생산 시스템의 개발로 현장 배치 플랜트 시설의 축소 및 설치비 절감이 가능하여 건설업체 입장에서는 현장 시설 소모를 줄이고 고품질의 공장 생산 제품을 직접 사용가능하게 되어 경제적인 시공이 가능하게 됨.
- 공장에서부터 관리되는 골재품질, 정확한 배합 계량 및 산업부산물을 재활용한 경제적 생산 등의 이점을 보유하고 있어, 현장에서 고품질 시공이 가능하고 특별한 시설 투자가 필요 없으며 터널 시공 상황에 따라 공장 주문형 다기능 숏크리트 생산도 가능하므로 건설재료 시장의 점유율이 높음.
- 성능 및 비용분석을 종합한 가치분석 결과 현장배합 숏크리트에 비해 8~16% 정도의 가치향상을 보이며, 비용측면에서는 성능개선 효과가 우수한 성능강조형으로 성장 가능. 또한, 현장 여건이 복잡한 철도, 지하철 터널에서는 비용 절감효과가 같이 나타나 가치혁신적인 측면을 나타내어 경제성의 개선효과의 극대화가 가능함.
■ 일체형 사일로 믹서 제작 및 테스트베드 평가를 위한 추가 연구 필요성
- 개발된 레디믹스트 숏크리트 재료를 가장 효과적으로 현장에 적용시킬 수 있는 시공 시스템 도출.
- 현장 배치플랜트를 통하지 않고 공장생산된 숏크리트 재료를 믹싱과 함께 타설장비에 공급하여, 개발된 재료의 품질을 가장 효과적으로 발휘할 수 있는 일체형 사일로 믹서 장비 설계.
- 설계된 일체형 사일로 믹서에 대한 테스트베드 평가를 통해 최종적인 레디믹스트 숏크리트의 현장 적용성 평가가 요구되며, 이를 위해서는 후속적인 연구개발이 필요함.