1. 서 론
스케이트보드는 전 세계 청소년과 일반 동호인들에게 가장 대중적인 인기를 누리는 액션 스포츠로서 대한민국 최초의 공공 스케이트 파크가 시공된 곳은 고양시의
호수공원으로, 1999년도에 개최되었던 스케이트보드 경기는 여러 기물이나 난간을 놓고 화려한 기술을 펼쳐 충분한 볼거리를 제공하였다. 스케이트보드는
올림픽의 미래와 흥행, 젊은 세대의 동기 부여를 노리는 국제올림픽 위원회(IOC)의 ‘아젠다 2020’에 따라 처음으로 2020 도쿄 올림픽에 정식
종목으로 채택되었다. 또한 2018년 자카르다･팔렘방 아시안게임에서도 정식 종목으로 채택되었으며, 2020 도쿄 올림픽을 시작으로 2024년 파리
올림픽과 2028년 로스앤젤레스 올림픽에서도 지속적으로 정식 종목으로 채택될 가능성이 크다고 볼 수 있다.
스케이트 파크는 Fig. 1과 같이 보울(bowl), 스트리트 파크(street park), 버트(vert), 그리고 메가 램프(mega ramp)로 구분되어지며, 플로우(하이브리드)
파크(flow(hybrid) park)는 보울과 스트리트 파크 스타일을 복합적으로 결합시켜 만든 형태이다(KSBA 2016)(17). 전 세계적으로 사용 중인 생활 체육 시설은 보울과 스트리트 파크, 그리고 플로우(하이브리드) 파크 형태가 보편화되어 있다.
국내 스케이트 파크는 대부분이 스트리트 파크 형태로서 수도권을 중심으로 서울, 단양, 동탄, 안산, 춘천, 의령, 김해 등 10곳에 설치되어 운영되고
있다. 그러나 대부분의 시설은 철골, 목재, 압축 종이 등으로 시공되어 내구성이 떨어지므로, 경기장 설치 후 단기간 내에 쉽게 파손된다는 단점이 있으며,
그 형상도 2차원의 단조로운 구성으로 국제 대회 경기장으로서는 양적･질적인 측면에서 모두 현저하게 부족한 상황이다.
스케이트 파크는 현재까지 규정된 국제규격은 없으나 많은 국제 대회에서 사용되는 경기장은 콘크리트 일체 구조물로서 보울과 스트리트 파크가 결합된 형태의
플로우 파크 형태가 주를 이루고 있으며, 곡선 및 직선 등 다양한 구조형상이 3차원적으로 끊임없이 변화하는 비정형화된 단면형상으로 구성되어 있다.
Fig. 1. Type of skate park
일반적인 콘크리트는 거푸집을 설치하고 콘크리트를 타설하는 방법으로써 그 단면의 형상이 일률적인 구조물 시공에 가능하지만, 숏크리트 공법은 거푸집을
설치하지 않고 콘크리트를 뿜어 붙이는 시공방법으로서 단면과 형상이 연속적으로 변화하는 구조물에 시공이 가능하다. 스케이트 파크는 무수히 많은 곡선으로
이루어져 있어, 연속적으로 단면의 형상이 변화하므로 일반적인 콘크리트로는 타설이 불가능하며, 숏크리트 공법을 적용할 수밖에 없는 실정이다. 현재 북미
및 호주 등에서는 숏크리트 공법을 이용하여 스케이트 파크를 시공하고 있다.
스케이트 파크는 단면의 두께가 약 150~300 mm 내외이며, 스케이트보드의 바퀴직경은 52 mm 내외, 스케이트보드의 최고 속도는 32 km/hr
정도로, 일반적으로 몸무게 70 kg 정도를 지탱할 수 있어야 한다. 또한 스케이트보드는 작은 바퀴로 매우 빠른 속도로 달리기 때문에 재료의 마모저항성이
우수해야 하며, 넓은 면적이 대기 중에 노출되기 때문에 시공 중과 준공 이후에도 소성수축과 건조수축 등에 의하여 균열이 발생할 수 있으므로, 수축에
대한 균열 저항성이 우수한 숏크리트 재료가 요구된다.
따라서, 본 연구에서는 스케이트 파크용 습식 숏크리트 재료를 개발하기 위하여 자연섬유와 광물성 혼화재를 혼입하여 이에 따른 숏크리트의 수축저항성 및
마모저항성에 초점을 두고 평가하고자 하였다.
3. 시험결과 및 고찰
스케이트 파크용 습식 숏크리트 개발을 위하여 자연섬유와 광물성 혼화재를 혼입한 습식 숏크리트의 숏팅 전 역학적 특성과 내구성으로 염소이온침투저항성,
소성수축균열, 마모저항성을 평가하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
3.1 공기량 및 슬럼프 시험 결과
배합변수에 따라 측정된 공기량 및 슬럼프 시험 결과는 Fig. 9와 같으며, 모든 배합에서 목표 슬럼프와 목표 공기량을 만족하였다.
Fig. 9. Result of air content and slump
Fig. 10. Result of compressive strength
Fig. 11. Result of compressive strength ratio
숏크리트는 작업성으로 펌핌성과 붙임성 확보를 위하여 공기량은 6.0±1.5 %, 슬럼프는 130±20 mm를 목표로 설정하였으며, 배합변수에 따라
고성능 AE 감수제를
Table 5와 같이 혼입하였다.
공기량의 경우 혼화재의 혼입에 따른 큰 변화는 없는 것으로 파악되었으나, 슬럼프의 경우 혼화재의 종류 및 혼입율에 따라 다소 차이가 있는 것으로 나타났다.
특히 콜로이달 실리카와 실리카퓸을 혼입한 변수에서 목표 슬럼프를 확보하기 위해, 상대적으로 다량의 고성능 AE 감수제를 혼입하였다. 다른 혼화재에
비해 높은 분말도를 갖는 콜로이달 실키라와 실리카퓸을 혼입한 경우에는 콘크리트의 점성이 증가된 영향으로 판단할 수 있다.
3.2 압축강도 시험 결과
배합변수에 따라 측정된 압축강도 시험결과는 Fig. 10과 같다. 재령 3일, 7일, 28일 그리고 56일에 측정한 압축강도와 변수별 재령 28일의 압축강도를 OPC 기준으로 상대비율로 나타낸 것이다.
모든 변수에서 고성능 숏크리트 배합기준인 재령 28일의 압축강도 35.0 MPa 이상을 만족하는 것으로 나타났다.
재령 28일을 기준으로 CS3-NF가 60.6 MPa로 가장 크게, FA30GS10-NF가 46.5 MPa로 가장 작게 측정되었다. OPC의 압축강도와
비교하여 CS3-NF, SF7-NF, FA20-NF, FA10GS10-
NF, FA20GS20-NF, 그리고 FA20GS30-NF의 압축강도는 약 103 % 수준 이상으로 증가하였으며, OPC-NF, FA20GS10,
그리고 FA30GS10-NF는 약 100 % 수준 이하로 감소하였다.
자연섬유의 혼입에 따른 압축강도의 변화보다는 혼화재의 종류 및 혼입량에 따라 압축강도가 변화된 것을 확인할 수 있다.
Fig. 11은 배합변수에 따라 재령 3일, 7일, 28일 그리고 56일의 압축강도 비율로, 재령 28일 OPC의 압축강도를 기준으로 각각의 상대비율을 나타낸
것이다.
재령 3일에는 OPC를 기준으로 OPC-NF, CS3-NF, SF7-NF, 그리고 FA10GS10-NF가 크게 측정되었으며, 재령 7일에도 동일한
경향이 발생되었다. 재령 28일에는 FA20GS10-NF와 FA30GS10-NF을 제외한 모든 변수가 OPC보다 크게 측정되었다. 재령 56일에는
FA30GS10-NF를 제외한 모든 변수가 OPC보다 크게 측정되었다.
재령 7일과 28일 사이에서 FA20-NF, FA20GS20-NF, 그리고 FA20GS30-NF는 상대적으로 압축강도가 증가한 것을 확인할 수 있으며,
이는 혼화재의 종류 및 혼입량에 따른 광물성 혼화재의 활성도에 의한 영향으로 판단할 수 있다.
3.3 휨강도 시험 결과
배합변수에 따라 측정된 휨강도 시험결과는 Fig. 12와 같다. 재령 28일과 56일에 측정한 휨강도와 변수별 재령 28일의 휨강도를 OPC 기준으로 상대비율로 나타낸 것이다. 모든 배합에서 재령 28일의
목표 휨강도 4.5 MPa 이상을 만족하는 것으로 나타났다.
재령 28일을 기준으로 FA20-NF가 9.2 MPa로 가장 크게, FA30GS10-NF가 7.0 MPa로 가장 작게 측정되었다. OPC 휨강도와
비교하여 OPC-NF, CS3-NF, SF7-NF, FA20-NF, FA20 GS10-NF, FA20GS20-NF, 그리고 FA20GS30-NF의
휨강도는 약 102 % 수준 이상으로 증가하였으며, FA10GS10-NF, FA30 GS10-NF는 약 98 % 수준 이하로 감소하였다.
Fig. 12. Result of flexural strength
자연섬유의 혼입에 따른 영향은 OPC와 OPC-NF를 통하여 알 수 있으나 약 5 % 정도로 그 효과가 미비한 것으로 나타났으며, 일반적으로 자연섬유는
강섬유와 달리 콘크리트의 휨강도 및 휨인성 증진에는 영향을 크게 미치지 못한다. 따라서, 광물성 혼화재의 종류 및 혼입량에 따라 휨강도의 변화가 발생한
것을 확인할 수 있다.
3.4 염소이온침투저항성 시험 결과
배합변수에 따라 측정된 염소이온 침투저항성 시험결과는 Fig. 13과 같다. 재령 28일과 56일에 측정한 통과전하량과 변수별 재령 28일의 통과전하량을 OPC 기준으로 상대비율로 나타낸 것이다.
재령 28일의 통과전하량을 기준으로 염소이온 침투성이 OPC-NF는 ‘높음’으로 나타났으며, OPC, CS3-NF, FA20-NF, 그리고 FA10GA10-NF은
‘보통’으로, 다른 5개의 변수 SF7-NF, FA20GS10-NF, FA20GS20-NF, FA20GS30-NF, FS30GS10-NF는 ‘낮음’으로
나타났다.
OPC 통과전하량과 비교하여 OPC-NF와 CS3-NF는 각각 122 %와 104 % 수준으로 통과전하량이 증가하여 염소이온 침투성이 증가하므로 염소이온
침투저항성은 감소하는 것으로 나타났다. 그 외 다른 변수는 최소 66 % 수준에서 최대 29 % 수준으로 통과전하량이 감소하여 염소이온 침투성이 감소하므로
염소이온 침투저항성이 증가하는 것으로 나타났다.
Fig. 13. Result of chloride ion penetration resistance
일반적으로 강섬유를 혼입한 콘크리트의 경우에는 통과전하량이 급격히 증가하여 전해질이 끓는 경우가 생기며, 시험이 정상적으로 진행될 수 없는 경우도
발생한다. 이와 유사하게 OPC에 자연섬유를 혼입한 경우에도 자연섬유가 염소이온이 통과할 수 있는 길을 만들어줘서, 통과전하량이 증가하여 기준 변수
OPC에 비하여 OPC-NF의 염소이온 침투성이 증가하므로 염소이온 침투저항성이 상대적으로 낮게 나타난 것을 확인할 수 있다.
CS3-NF의 경우에는 콜로이달 실리카를 3 % 혼입하였음에도 불구하고 통과전하량이 증가하여 염소이온 침투성이 증가하므로 염소이온 침투저항성이 낮게
나타났다. 이는 콜로이달 실리카의 혼입량에 비하여 자연섬유의 혼입량이 더 큰 영향을 미친 것으로 판단할 수 있으나, 더욱 다양한 시험을 통하여 명확하게
규명할 필요가 있다.
혼화재 혼입에 따른 영향으로 2성분계는 SF7-NF가 염소이온 침투성이 가장 낮게 나타나 염소이온 침투저항성이 가장 높은 것으로, CS3-NF를 제외하면
FA20-NF가 염소이온 침투성이 가장 높게 나타나 염소이온 침투저항성이 가장 낮은 것으로 나타났다. 3성분계는 FA20GS30-NF가 염소이온 침투성이
가장 낮게 나타나 염소이온 침투저항성이 가장 높은 것으로, FA10GS10-NF가 염소이온 침투성이 가장 높게 나타나 염소이온 침투저항성이 가장 낮은
것으로 나타났다. 또한, 플라이애시의 경우에는 혼입량이 10 %에서 30 %로 증가할수록 염소이온 침투성이 낮아지므로 염소이온 침투저항성은 증가하는
것으로 나타났으나, FA20-NF와 비교 시 고로슬래그 미분말 10 %의 혼입이 상대적으로 높은 분말도 등의 복합적인 영향을 미친 것으로 판단할 수
있다. 플라이애시 20 %를 기준으로는 고로슬래그 미분말의 함량이 10 %에서 30 %로 증가할수록 염소이온 침투성이 낮아지므로 염소이온 침투저항성은
증가하는 것으로 나타났다.
3.5 소성수축균열 시험 결과
배합변수에 따라 측정된 소성수축균열 시험결과는 Table 7 및 Fig. 14와 같다.
Table 7은 소성수축에 의하여 발생된 균열 폭을 나타낸 것으로, 상위 5 %, 상위 10 %, 상위 40 %에 해당하는 균열 폭을, 그리고 상위 5 %와 하위
5 % 제외한 평균 균열 폭을 나타낸 것이다.
OPC는 소성수축에 의하여 발생한 상위 5 %, 상위 10 %, 상위 40 %, 그리고 상･하위 각각 5 %를 제외한 평균 균열 폭이 0.50 mm,
0.46 mm, 0.32 mm, 0.29 mm로 모든 경우에서 가장 크게 측정되었으며, OPC-NF는 각각 0.46 mm, 0.40 mm, 0.25
mm, 0.23 mm으로, FA20GS20-NF은 0.19 mm, 0.17 mm, 0.12 mm, 0.11 mm로 모든 경우에서 가장 작게 측정되었다.
FA20GS20-NF은 상위 5 %의 경우에도 0.19 mm로 OPC에 비하여 37 % 수준이며, OPC-NF에 비하여도 41 % 수준에 해당된다.
또한, 상･하위 5 %를 제외한 평균 균열 폭도 0.11 mm로 OPC의 37 % 수준이며, OPC-NF의 47 % 수준에 해당된다.
Fig. 14는 소성수축에 의하여 발생된 균열 폭 중 상･하위 각각 5 %를 제외한 평균 균열 폭과 변수별 균열 폭을 OPC 기준으로 상대비율로 나타낸 것이다.
평균 균열 폭을 기준으로 OPC의 균열 폭이 0.29 mm로 가장 크게 나타났으며, OPC-NF는 0.23 mm로 나타났고 FA20GS20-NF은
0.11 mm로 가장 작에 나타났다.
자연섬유 혼입에 따라 소성수축으로 발생된 평균 균열 폭의 감소 효과는 OPC와 비교하여 OPC-NF는 약 80 % 수준으로 감소되는 것을 확인할 수
있다. 또한 OPC에 비하여 모든 시편에서 자연섬유를 혼입함에 따라 소성수축으로 발생된 균열 폭이 최소 89 %에서 최대 37 % 수준으로 감소되는
것으로 나타났다. 이는 광물성 혼화재의 혼입에 따른 영향 또한 반영된 것이며, 본 실험에서는 별도의 양생제 살포 없이 자연섬유와 광물성 혼화재의 영향을
평가하였으나, 양생제 살포와 함께 진행된다면 소성수축에 의한 균열 발생을 확연하게 감소시킬 수 있을 것이다.
Table 7. Result of crack width
|
|
Crack width (mm)
|
|
5 %
|
10 %
|
40 %
|
Ave.
|
|
OPC
|
0.50
|
0.46
|
0.32
|
0.29
|
|
OPC-NF
|
0.46
|
0.40
|
0.25
|
0.23
|
|
CS3-NF
|
0.41
|
0.38
|
0.28
|
0.25
|
|
SF7-NF
|
0.36
|
0.34
|
0.23
|
0.22
|
|
FA20-NF
|
0.46
|
0.40
|
0.25
|
0.23
|
|
FA10GS10-NF
|
0.34
|
0.30
|
0.22
|
0.21
|
|
FA20GS10-NF
|
0.45
|
0.42
|
0.28
|
0.26
|
|
FA20GS20-NF
|
0.19
|
0.17
|
0.12
|
0.11
|
|
FA20GS30-NF
|
0.50
|
0.45
|
0.28
|
0.26
|
|
FA30GS10-NF
|
0.41
|
0.37
|
0.25
|
0.23
|
Fig. 14. Result of average crack width and relative crack width ratio
혼화재 혼입에 따라 소성수축으로 발생된 균열 폭의 감소 효과는 2성분계의 경우에는 85 %에서 75 % 수준으로 OPC- NF와 유사한 수준으로 나타났으며,
3성분계의 경우에도 FA 20GS20-NF를 제외하고는 소성수축에 의한 균열 폭의 감소 효과가 뚜렷하게 나타나지는 않았다. 오히려 2성분계 중 CS3-
NF, 3성분계 중 FA20GS10-NF와 FA20GS30-NF는 OPC-NF에 비하여 평균 균열 폭이 증가한 것으로도 나타났다.
Fig. 15는 소성수축으로 발생된 균열 폭에 대하여 상위 5 %, 10 %, 40 %, 그리고 상･하위 각각 5 %를 제외한 평균 균열 폭을 각각의 OPC를
기준으로 상대비율로 나타낸 것이다.
Fig. 15. Result of relative crack width ratio
각각 OPC에 발생한 균열 폭과 비교하여 OPC-NF, FA20- NF, 그리고 FA20GS30-NF는 균열 폭의 크기에 따라 감소율에 차이를 보이고
있으나, 다른 변수에서는 그 차이가 크지 않다. OPC-NF의 경우 상위 5 %에 해당하는 균열 폭에 있어서는 약 92 %의 수준으로, 상위 10
%는 약 87 %의 수준으로, 상위 40 %에서는 약 77 %의 수준으로 나타났으며, 평균적으로는 약 80 %의 수준으로 균열 폭의 감소 효과를 나타내고
있다. 따라서 상대적으로 폭이 작은 균열을 보다 효과적으로 감소시킬 수 있다는 것을 보여주고 있으며, FA20-NF와 FA20GS30-NF의 경우에도
OPC-NF와 동일한 경향을 보여주고 있다. 그 외 변수에서는 균열 폭의 크기에 상관없이 유사한 균열 폭 감소 효과를 보여주고 있다.
3.6 마모저항성 시험 결과
배합변수에 따라 측정된 마모저항성 시험결과는 Fig. 16과 같다. 평균 마모 깊이와 변수별 마모 깊이를 OPC 기준으로 상대비율로 나타낸 것이다. 한국도로공사는 콘크리트 포장의 경우 마모저항성 기준을 ASTM
C 779(2019)(2) Procedure B 시험방법에 준하여 마모 깊이 2.0 mm 이하로 규정하고 있으며, 모든 변수에서 기준을 만족하므로 마모저항성이 우수한 것으로
나타났다.
OPC는 0.51 mm로 최대 마모 깊이를 나타냈으며, SF7-NF가 0.14 mm로 최소 마모 깊이를 보여주고 있다.
자연섬유의 혼입에 따른 마모저항성은 OPC의 마모 깊이와 비교하여 OPC-NF의 마모 깊이가 약 63 % 수준으로 감소되어 마모저항성이 증가되는 것을
확인할 수 있다. 또한 OPC에 비하여 모든 시편에서 마모 깊이가 최소 73 %에서 최대 27 % 수준으로 감소하여 마모저항성이 향상되는 것으로 나타났다.
이는 광물성 혼화재의 혼입에 따른 영향 또한 반영된 것이다.
혼화재의 혼입에 따른 마모 깊이는 평균 약 53 % 정도의 수준으로 감소되어 마모저항성이 증가하는 것으로 나타났으며, 그 종류에 따라 다소 다른 경향을
보여주고 있다. 2성분계는 SF7-NF가 가장 효과적인 것으로, 3성분계는 FA20GS
30-NF가 가장 효과적인 것으로 나타났다. 또한 플라이애시의 경우에는 혼입량이 10 %에서 30 %로 증가할수록 마모 깊이가 증가되어 마모저항성이
감소하지만, 플라이애시 20 %를 기준으로 고로슬래그 미분말의 혼입량이 10 %에서 30 %로 증가할수록 마모 깊이가 저감되어 마모저항성이 증가하는
것으로 나타났다.
Fig. 16. Result of abrasion resistance
4. 결 론
스케이트 파크용 습식 숏크리트 개발을 위하여 자연섬유와 광물성 혼화재를 혼입한 습식 숏크리트의 숏팅 전 역학적 특성과 내구성으로 염소이온 침투저항성,
소성수축균열, 마모저항성을 평가하였으며, 그 결과를 바탕으로 다음과 같은 결론을 도출하였다.
1) 모든 변수에서 목표 공기량 6.0±1.5 %와 목표 슬럼프 130±20 mm를 만족하므로 숏크리트의 작업성으로서 펌핑성과 붙임성은 확보할 수
있을 것으로 판단된다.
2) 압축강도는 모든 변수에서 고강도 숏크리트의 기준인 35.0 MPa 이상을, 휨강도는 목표 휨강도 4.5 MPa 이상을 만족하는 것으로 나타났다.
자연섬유의 혼입에 따른 영향보다는 광물성 혼화재의 종류 및 혼입량에 따른 영향이 더 크게 작용된 것을 알 수 있다.
3) 염소이온 침투저항성은 변수에 따라 높음부터 낮음의 수준으로 각각 다르게 측정되었다. 자연섬유를 혼입함으로써 염소이온 침투저항성이 오히려 감소하는
것으로 나타나, 광물성 혼화재의 추가적인 혼입이 요구된다는 것을 확인하였으며, 3성분계인 FA20GS30-NF가 염소이온 침투저항성이 가장 우수한
것으로 나타났다.
4) 소성수축으로 발생된 균열은 상･하위 각각 5 %를 제외한 평균 균열 폭을 기준으로 최대 0.29 mm 이하로 측정되었다. 자연섬유를 혼입함으로써
소성수축에 의한 균열 폭은 약 80 % 수준으로 감소되는 것을 확인하였으며, 3성분계인 FA20GS20-NF가 소성수축에 의한 균열 폭 감소율이 가장
우수한 것으로 나타났다.
5) 마모 깊이는 모든 변수에서 한국도로공사 기준을 만족하므로 마모저항성이 우수한 것으로 나타났다. 자연섬유를 혼입함으로써 마모 깊이는 약 63 %
수준으로 감소되는 것을 확인하였으며, 2성분계인 SF7-NF가 마모저항성이 가장 우수한 것으로 나타났다.
6) 스케이트 파크용 습식 숏크리트의 숏팅 전 역학적 특성과 염소이온 침투저항성, 소성수축균열, 마모저항성 평가 결과를 기준으로 OPC, OPC-NF,
CS3-NF, SF7-NF, FA20GS10-NF, 그리고 FA20GS20-NF를 최종배합으로 도출하였으며, 추후 현장 적용성을 평가할 예정이다.