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| 김영진 대우건설 수석연구위원 | ||
특히 국내의 경우 장대교량의 주를 이루는 사장교 및 현수교의 설계 및 시공실적이 증가하고 있어 이 분야의 관련 기술이 비약적으로 발전하고 있다.
2000년 이전까지는 주경간 200m 이상의 교량의 경우 10년에 걸쳐 1∼2개 밖에 건설되지 않았으나 2000년대 들어 사장교인 서해대교(주경간 : 470m)와 현수교인 영종대교(주경간 : 500m) 준공 이후 장대교량 건설이 급증하고 있으며 주경간 길이도 장대화되고 있는 추세이다.
최근 개통된 현수교인 이순신대교(광양∼여수)의 주경간장 길이는 1545m로 국내에서 가장길며, 세계적으로는 일본의 아카시대교(1990m), 중국 시호우먼교(1650m) 및 덴마크의 그레이트벨트교(1624m)에 이어 4번째로 긴 장대교량이다.
국내 장대교량의 시장규모는 1990년대에 약 0.8조원 규모에 불과하였으나 2000년대에는 약 4.5조원 규모가 되었으며 2010년대에는 주경간이 1545m인 이순신대교를 포함하여 현재 사업비를 추정할 수 있는 실적만 고려하더라도 6.7조원에 이를 것으로 예상되어 세계에서 가장 큰 시장 중 하나로 부상할 것으로 예상된다.
이렇듯 2000년 이후 장대교량 건설이 증가한 원인은 정부가 국토 가용면적 확대와 낙후지역 개발을 위하여 서남해안 개발 사업을 추진하고 있어 서남해안 도서를 연결하는 연육교 및 연도교의 발주 개수가 증가하고 있기 때문이다.
그러나 장대교량 건설시 콘크리트 구조물의 대형화에 따른 성공적인 시공을 위해서 콘크리트 물성의 요구성능이 높아지고 있으며, 그 대표적인 콘크리트 시공부위는 주탑, 앵커리지 및 해상기초라고 할 수 있다.
이러한 경향은 사장교 및 현수교의 주경간 길이가 증가함에 따라서 비례적으로 주탑의 높이, 하부 구조인 기초 및 케이블을 고정하는 앵커리지의 규모 및 요구성능이 커지고 있다.
이같은 고기능성 콘크리트에 대한 필요성은 계속 가속화 될 전망이다.
일반적으로 콘크리트 주탑 시공시 상부에 콘크리트를 운반하기 위해서 버킷과 펌핑을 이용하는 두가지의 방법이 있다.
버킷의 경우 초기 비용은 비교적 저렴한 편이지만 주탑의 높이가 증가함에 따라서는 오히려 펌핑이 경제적인 방안이 될 수도 있다.
해상교량의 하부구조에 타설하는 콘크리트의 경우 물과 접하는 경우가 많아 일부 중요 부위에는 수중불분리 콘크리트를 타설해야 하며 이 때 시공 효율성과 품질 안정화를 위한 방안이 필요하다.
또한 앵커리지의 규모는 교량의 주경간장이 길어질수록 증대되기 때문에 시멘트의 수화열에 의한 품질 저하를 방지하기 위해서 온도균열 발생이 적은 초저발열 콘크리트의 적용이 필요하다.
따라서 이러한 기술들을 점차 장대화 되어가는 교량에 적용한다면 공기 단축 및 경제성 확보에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.
대우건설 기술연구원에서는 국토해양부에서 발주한 초장대교량사업단에 참여하여 고기능성 콘크리트에 관한 기술개발을 2009년부터 현재까지 수행하고 있다.
이 연구 개발의 핵심기술은 크게 3가지로 첫째 수직 높이 400m 이상 일괄타설이 가능하며 압송 전·후의 콘크리트 물성 변화가 적은 콘크리트, 둘째 기존 보통포틀랜트 시멘트를 사용한 콘크리트와 비교하여 온도균열 발생이 적은 초저발열 콘크리트, 셋째 수중 타설시 콘크리트의 품질을 확보하기 위하여 고유동 특성을 가지는 수중불분리성 콘크리트 등이다.
◇핵심기술
△고압송 콘크리트 평가시스템
초장대교량의 고주탑 시공용 콘크리트에서 가장 중요한 인자는 콘크리트의 압송성이다.
400m 높이까지 콘크리트의 물성변화 없이 압송 가능하다면 경제성 확보와 함께 구조적 안정성이 크게 증대될 것이다.
따라서 굳지 않은 콘크리트의 펌프 압송성 예측기술, 압송 전·후의 물성변화 최소화 기술 및 펌프압송시 관내 폐색현상 방지 기술은 본 연구의 핵심기술이다.
콘크리트의 펌프 압송성 예측 기술은 공정 계획시 예정된 조건하에서 압송이 가능한지 여부 확인, 펌프의 기종 선정 및 콘크리트 배합의 보정이 필요한지 사전에 파악할 수 있는 기술이다.
이러한 콘크리트의 펌프 압송성 예측 기술은 유변학적 특성 시험에서 얻어진 입력 값을 이용하여 1차 해석을 실시하고 유동성과 펌프압송성의 관계를 정량적으로 분석하는 것이다.
그림 1은 유변학적 특성 시험에서 사용하는 모델을 나타낸 것이며, 그림 2는 실제 콘크리트의 유변학적 특성을 측정하여 정리한 그림이다. 그림 3은 콘크리트의 압송 성능을 예측하기 위한 절차를 정리한 것이다.
이러한 과정을 통하여 압송 전·후의 물성변화를 최소화 시킬수 있는 콘크리트의 배합설계 기술이 완성되며, 압송후에도 슬럼프, 공기량 및 압축강도의 변화를 최소화 시킬 수 있는 콘크리트의 제조가 가능하다.
또한 펌프압송시 관내의 폐색 현상은 수직으로 압송할 경우 수직관내에서 자중에 의해 물이 이탈하여 폐색이 발생할 수 있다.
이러한 현상을 방지하기 위하여 골재의 함수 상태에 따른 콘크리트의 특성 및 가압블리딩 시험 등을 실시하여 압력을 받은 굳지 않은 콘크리트의 특성변화에 대한 영향 요인을 분석하는 것이 필요하다.
그림 1. 유변학적 특성 검토 모델
그림 2. 콘크리트의 설계 기준강도별 유변학적 특성
그림 3. CFD 해석과정
△세계 최고 수준의 초저발열 콘크리트
초장대교량의 앵커리지 시공용 콘크리트에서 가장 중요한 인자는 초저발열 콘크리트의 개발이다.
초저발열 콘크리트의 핵심 기술로는 시멘트 자체의 수화 발열량을 저감시키는 기술이며, 저발열 시멘트에는 3성분 혼합시멘트계 저발열 및 고벨라이트계 저발열 시멘트 2종류가 있다.
각각의 시멘트에는 서로 장단점을 가지고 있으며, 초장대 교량에 적용하기 위해서는 수화열이 낮고, 목적 강도값을 확보하며 동시에 유동성이 좋아야 하는 관점에서 두 종류의 저발열 시멘트의 장점을 활용할 필요가 있다.
현재의 기술로 콘크리트의 구조적인 목표성능을 만족하는 결합재의 미소수화열은 40cal/g 정도가 세계 최고 수준이며, 본 연구개발에서는 35cal/g 이하의 초저발열 결합재의 개발을 목표로 하고 있다.
표 1은 시멘트의 주광물인 C2S, C3S, C3A 및 C4AF 등의 단위 g당 일반적인 수화열을 나타낸다. 시멘트 성분중의 C2S, C3S, C3A 및 C4AF 등의 광물 중량비에 대한 최종수화열은 식1로 계산된다.
그림 4는 콘크리트의 단열온도 시험장치를 나타낸 것이며, 그림 5는 수화열로 인한온도균열 저항성 정량 평가 시스템에 관해 정리한 것이다.
표 1. 시멘트 조성성분별 미소수화열
그림 4. 콘크리트 단열온도 시험 장치
그림 5. 온도균열 저항성 정량평가 시스템 평가 장치
△작업성이 우수한 수중불분리 콘크리트
초장대교량의 대형 해상기초 시공용 콘크리트에서 가장 중요한 인자는 고유동 수중불분리성 콘크리트의 개발이다.
고유동 수중불분리성 콘크리트를 개발하여 적용함으로서 콘크리트 타설시 우수한 작업성으로 인한 공사기간 단축 및 경제성을 확보할 수 있을것으로 예상된다.
이러한 고유동 수중불분리성 콘크리트의 목표성능 수준은 수중슬럼프 600mm 이상, 수중/기중 재령 28일 압축강도비 0.8이상 및 현탁물질액 150mg/ℓ를 확보하는 것이다.
이를 위해 수중불분리성 혼화제를 개발하여 기존 혼화제의 성능을 향상시키고, 저발열 특성을 갖기 위해 광물질 혼화재, 시멘트 종류 등을 검토하여 적정의 콘크리트 배합을 도출함으로써 목표성능 수준에 도달하는 고유동 수중불분리성 콘크리트 배합기술을 개발하는 것이다.
그림 6은 개발된 고유동 수중불분리 콘크리트와 일반 수중불분리 콘크리트를 비교한 것이다.
그림 6. 수중슬럼프 플로우 비교
◇개발현황 및 적용사례
△고압송 콘크리트
배관 내 콘크리트 유동 메커니즘을 분석하여 실 구조물의 펌프 압송 성능을 예측하고자 하는 CFD 해석적 기법과 아울러, 소규모 실험조건에서의 데이터를 분석해서 실 규모의 시공조건을 유추하는 상사성의 개념을 적용한 분석 기법을 위해, 수평 170 m의 semi-scale test 시험을 수행하였다. Semi-scale test 전체 전경 및 계측 상세 항목은 그림 7과 같다.
그림 7. Semi-scale test 전경 및 계측 상세
△초저발열 콘크리트
개발된 초저발열 결합재를 사용한 콘크리트의 수화열에 의한 온도상승 값을 분석하기 위해 테스트를 수행하였다.
설치된 기초 매트와 상부에 설치될 Mock-up 구조물을 구속시키고 내ㆍ외부 온도 및 온도 응력 등에 대한 계측 모니터링 및 외기 온도를 고려하여 양생기간을 설정하였으며, 상부에는 4×4×4m 크기의 Mock-up 구조물을 설치하고 초저발열 결합재를 적용하여 콘크리트를 타설하였다.
그림 8은 Mock-up 구조물의 전경이고 그림 9는 콘크리트의 단열온도 상승값을 비교한 결과이다.
그림 8. Mock-up test
그림 9. 단열온도 상승 값 비교
△수중불분리 콘크리트
개발된 수중불분리 혼화제와 최적배합을 기반으로 한 고유동 수중불분리 콘크리트를 그림 10과 같이 실제 공사구간에 적용 하였다. 적용현장은 대우건설에서 추진하고 있는 압해-암태 1공구 새천년 대교 공사(사장교) 구간 RCD파일 구간이다.
적용 결과 압축강도비 (수중/가중) 0.9 이상 및 슬럼프 플로우 610mm로 측정되었다.
그림 10 수중불분리 콘크리트 적용 구간
△성과 및 기대효과
대우건설 기술연구원에서 개발하고 있는 초장대 교량 건설용 고기능성 콘크리트 개발을 통하여 수직높이 400m 이상을 일괄 타설할 수 있는 콘크리트 제조 기법 및 타설 가능 예상 높이를 사전에 예측할수 있는 시스템을 구축하여 경제적인 고압송용 콘크리트 배합설계 및 시공법의 적용 가능성을 확인하였고, 대형 매스콘크리트 시공시 가장 큰 문제점 중하나인 수화열에 의한 온도 균열을 저감할 수 있는 방안을 수립하였다.
또한 대형 해상기초에 우수한 작업성 및 품질을 확보할 수 있는 수중불분리 콘크리트의 제조 방법을 개발하여 현장에 적용함으로서 우수성을 확인하였다.
김영진 대우건설 기술연구원 수석연구위원
