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텍스타일 활용 고성능 건설자재 및 콘크리트 구조물 성능향상 기술 개발
  • 게시일2021-03-24
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텍스타일 활용 고성능 건설자재 및 콘크리트 구조물 성능향상 기술 개발

 

 

▲ 김형열 인프라안전연구본부 선임연구위원

 

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연구배경


건설재료 중에서 경제성, 시공성, 내구성 등을 종합적으로 고려할 때 가장 보편적으로 사용되는 재료는 콘크리트이다. 과거에는 많은 양의 콘크리트를 사용하여 튼튼하게 구조물을 시공하는 것이 당연시 되었으나 시멘트는 1t 생산 시 약 0.8t의 이산화탄소가 발생하기 때문에 건설에서 시멘트 사용량을 감소시키는 것이 필요하게 되었다. 또한, 콘크리트 보강재로 사용되는 철근의 부식으로 인하여 잦은 유지보수가 발생하고 있어 비부식성 보강재의 적용이 필요하게 되었다. 한편 우리나라는 물론 대부분의 선진국이 고령화 사회로 진입함에 따라 장래에는 숙련된 건설노동자를 적기에 시설물 유지관리시장에서 구할 수 없는 시대가 도래할 것으로 예측되므로 앞으로는 최소한의 유지관리만을 필요로 하는 건설재료와 시공법이 필요하게 되었다.

 

그림 1 텍스타일 보강 모르타르(TRM) 시공기술


이와 관련하여 약 20년 전부터 건설분야에서는 고성능 재료 개발 및 적용이 증가하고 있으며 최근에는 탄소섬유가 철근 또는 철근망을 대체하는 소재로 활용되고 있다. 탄소섬유는 굵기는 머리카락의 약 1/10 정도이나 철보다 인장강도가 10배 이상 강한 소재이다. 건설재료로 탄소섬유의 가장 큰 장점은 녹슬지 않는다는 것이다. 이러한 탄소섬유 필라멘트를 1만 개에서 5만 개까지 모아서 직경이 2~5mm가 되는 다발로 만들고 이 다발로 간격이 2~4cm의 격자모양을 갖는 텍스타일 그리드 보강재를 제작할 수 있다. 텍스타일 그리드는 콘크리트나 모르타르의 보강재로 사용할 수 있고 모르타르를 결합재로 사용하는 경우 텍스타일 보강 모르타르(Textile Reinforced Mortar, TRM)라고 한다(그림 1). TRM 설계 및 시공 시 텍스타일 그리드의 비부식성으로 인하여 내구성 확보를 위한 피복두께가 필요 없기 때문에 구조물을 아주 얇게 시공할 수 있는 장점이 있다.

 

 

기술 개발 현황


이 글에서는 TRM 활용 기술 중에서 한국건설기술연구원(이하 건설연)에서 성능검증이 완료된 프리캐스트 TRM 패널 기술, TRM 뿜칠 보강 기술, 콘크리트 포장 TRM 덧씌우기 기술을 소개하고자 한다. 건설연에서 개발한 텍스타일 보강 콘크리트 기술은 기존 국외기술대비 크게 두 가지 특징을 갖는다. 첫 번째는 텍스타일 그리드의 표면을 마모재로 코팅하여 부착성능을 해외제품 대비 약 190% 향상시켰다. 두 번째는 텍스타일 보강 콘크리트가 기존 콘크리트에 비하여 아주 얇게 시공되는 것을 고려하여 사용되는 모르타르의 염해저항성능은 기존 모르타르 대비 3배, 화학적 저항성능은 기존 대비 2배이상 향상시켰다.

 

그림 2 비탈형 영구거푸집용 TRM 패널 시공 기술

 

 

프리캐스트 TRC 패널 활용 기술


텍스타일 그리드 보강재와 모르타르를 사용하여 두께 15~20mm 정도로 얇게 제작한 패널을 TRM 패널이라고 한다. 건설연에서는 얇게 제작된 프리캐스트 패널을 탈형이 필요 없는 영구거푸집은 물론 콘크리트 구조물 보강 목적으로 활용하는 방안을 개발하였다.


제설제를 사용하는 도로시설물이나 해양환경에 노출된 항만구조물은 염해피해 특히 염화물로 인한 철근부식과 철근부식으로 인한 콘크리트 균열, 박리, 탈락이 쉽게 발생하고 있다. 최근 설계사례에 따르면 항만 잔교식 구조물의 바닥판 피복두께를 최대 130cm까지 설계하고 있다. 콘크리트 구조물 시공시 본 연구에서 개발한 두께 20mm TRM 패널을 영구거푸집으로 적용하는 경우 콘크리트 양생 후 탈형이 필요 없고 TRM 패널과 콘크리트 구조물이 일체화되어 하중저항성능은 약 1.5배로 증가하는 효과가 있었다. 또한, TRM에 사용하는 모르타르는 염해저항성능과 화학적 저항성능이 우수하여 구조물의 내구수명을 증가시킬 수 있는 장점도 있다.


한편, 노후 콘크리트 구조물의 보강공사에서 프리캐스트 TRM 패널을 거푸집 겸 보강재로 적용할 수도 있다. 건설연에서는 TRM 패널을 구조물 표면에 앵커로 고정한 후 패널과 구조물 사이 틈새에 그라우트 재료를 주입하여 구조물을 보강하는 공법(TRM 패널 보강공법)을 개발하여 특허를 출원하였다. 특히, TRM 패널 보강공법은 작업공간이 협소하여 뿜칠시공이 곤란한 현장이나 항만 잔교 바닥판 하면 등 기존 공법 시공시 해양오염의 우려가 있는 경우 패널 거치 후 그라우트 충진만으로 급속시공이 가능한 장점이 있다. TRM 패널 공법으로 보강된 슬래브에 대한 파괴실험 결과에 따르면 보강 전과 비교했을때 파괴하중이 1.5배로 증가하여 보강효과가 우수함을 알 수 있었다.

 

그림 3 TRM 패널 접착 보강 개요도

 

 

TRM 뿜칠 보강 기술


노후 콘크리트 구조물 보강공사에서 TRM은 인력이나 기계화 시공이 가능하다. 다만, 기존 국외에서 개발 및 적용되고 있던 TRM 뿜칠 공법에서는 시공과정에서 텍스타일 그리드를 구조물에 견고하게 고정하는 적절한 방법이 없었다. 따라서 곡면을 갖는 구조물, 슬래브하면에 TRM을 뿜칠로 시공하는 과정에 그리드가 탈락하는 사고가 종종 발생했다. 건설연에서는 TRM 뿜칠 시공법에서 구조물 벽체 또는 하면에 그리드를 빠르고 견고하게 고정할 수 있는 방법을 개발하여 특허를 출원하였고, 실제 콘크리트 박스구조물을 대상으로 시험시공을 실시하여 시공성 및 시공품질 확인을 마쳤다. TRM 뿜칠로 보강된 콘크리트 슬래브에 대한 파괴실험 결과에 따르면 보강 전과 비교했을때 파괴하중이 2배로 증가하여 보강효과가 우수함을 알 수 있었다.

 

그림 4 노후 콘크리트 박스 TRM 뿜칠 보강

 

 

콘크리트 포장 TRM 덧씌우기


콘크리트 포장은 아스팔트 포장에 비하여 수명이 길지만 표면이 노후화되거나 손상이 발생하는 경우 부분적으로 보수하는 것이 곤란하였다. 또한, 두께 300mm인 포장면을 전면 교체하는 경우 교통통제로 인한 사회적 비용이 증가하고 막대한 콘크리트 폐기물 발생으로 인하여 폐기물처리비용이 발생하고 있다. 본 연구에서는 세계 최초로 노후한 콘크리트 포장의 표층을 TRM으로 덧씌우기 하는 보수공법을 개발하였다. 개발된 기술은 노후 콘크리트 포장의 표층을 100mm 절삭한 후 그 위에 텍스타일 그리드 보강재와 콘크리트를 타설하여 포장면을 재생(덧씌우기)하는 공법이다. 개발된 기술에 대한 세 차례의 실내 성능실험을 거쳐 2020년 6월 경기도 연천에 위치한 SOC실증연구센터에 테스트베드를 구축하였다. 테스트베드 구축결과, 본 보수공법은 기존 공법에 비하여 폐기물 발생이 최소화되며, 시공이 간편하고 급속시공이 가능한 것으로 확인되었다. 현재 테스트베드에 대한 모니터링이 진행 중이며 포장가속시험(총15,000회 반복) 결과, 현재까지 보수된 단면에 누적된 손상이 없는 것으로 파악되었다.

 

그림 5 노후 콘크리트 포장 TRM 덧씌우기

 

 

맺음말


국토교통부 기반시설 관리 기본계획(2020.2)에 따르면 노후시설물을 준공 후 30년으로 기준으로 했을 때 우리가 매일 이용하는 도로, 철도 등 사회기반시설의 37%는 노후시설물이고 20년 후에는 80%로 증가될 예정이다. 노후시설물은 예산부족 등의 이유로 일시에 교체할 수 없으므로 수시로 유지보수를 실시하여 성능을 유지해야 하고 성능이 부족한 시설물은 보강 또는 성능개선공사를 실시하여 안전을 확보하고 시설물의 사용수명을 늘리는 것이 필요하다. 텍스타일 보강 콘크리트 기술은 기존 콘크리트 기술에 비하여 얇게 시공할 수 있고 내구성 및 구조성능 또한 우수한 것으로 파악되었다. 한편, 탄소섬유와 모르타르 또는 콘크리트 모두 불연소재이기 때문에 내화성능이 우수하여 화재위험에 노출된 건축물, 지하철 등 시설물 보강에 효과적으로 활용할 수 있을 것으로 판단된다. 한편, 개발된 기술의 경제성 분석 결과에 따르면 기존 공법에 비하여 최대 40% 비용절감이 가능하여 실용화를 위한 경제성도 확보된 것으로 파악되었다. 건설연에서는 텍스타일 보강 콘크리트 기술의 실용화를 위하여 대상시설물 및 공종에 따라 최적화를 실시하고 실제 시설물에 적용한 후 장기 모니터링을 실시할 예정이다.

 

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