국내에서 숏크리트 연구는 주로 습식 숏크리트에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있는데, 최근 고내구성·고강도에 대한 중요성이 높아지면서 강도와 내구성, 펌핑성(Pumpability)과 숏팅성(Shootability)으로 대변되는 시공성을 확인하기 위한 레올로지 등 다양한 연구가 이루어지고 있다. 이러한 연구를 바탕으로 강도 및 내구성을 확보하고, 펌핑성 및 숏팅성을 동시에 확보할 수 있는 실리카 흄(Silica Fume)이 숏크리트용 혼화재료로 많이 사용되고 있다.
실리카 흄은 숏크리트에 사용 시 콘크리트의 점성을 증가시켜 압송 중에 발생할 수 있는 재료분리에 의한 막힘 현상과 타설면에서 발생하는 재료슬라이딩 현상을 크게 개선 킬 수 있다. 하지만 실리카 흄은 배합 후 콘크리트 내부 수분 흡착으로 인한 수축변형을 증대시켜 소성수축 균열이 과도하게 발생하는 문제점이 있는 것으로 알려져 있다.
따라서 고강도 숏크리트를 생산하기 위해 사용되는 실리카 흄의 균열문제를 해결 및 개선하고자 나노실리카를 물에 분산시킨 ‘콜로이달 실리카’를 사용하여 실리카 흄의 장점인 강도 및 시공성은 유지하고, 단점인 내부수분의 흡착에 의한 초기균열발생을 해결하고자 하는 것이 본 연구의 목적이다. 이를 위해 콜로이달 실리카 혼입률(2, 3, 4 %)과 입자크기(10, 40, 80 ㎚)를 주요 변수로 하여 시공성과 수축 특성을 평가하였다.
펌핑성과 붙임성으로 대변되는 시공성 평가를 위해 ICAR Rheometer를 사용하여 레올로지를 측정하였으며, 측정된 레올로지 특성으로 펌핑성을 평가하고 붙임성을 예측하였다. 또한 소성수축과 건조수축 시험을 통하여 콜로이달 실리카가 수축에 미치는 영향을 평가하였고, 기초 물성실험을 수행하여 강도 및 투수특성을 분석하였다. 연구결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.
콜로이달 실리카의 혼입률과 입자크기가 레올로지 특성에 미치는 영향을 고찰한 결과 혼입률이 증가함에 따라 토크점성(H)은 감소하였으나 흐름저항(G)은 증가하였다. 또한 콜로이달 실리카의 입자크기가 증가할수록 토크점성 H가 증가하고 흐름저항 G는 감소하였다. 따라서 콜로이달 실리카를 이용한 고성능 숏크리트 생산 시 작은 입자의 콜로이달 실리카를 다량 사용할 경우 펌핑성과 붙임성이 향상된 숏크리트 생산이 가능할 것으로 판단된다.
실리카 흄의 혼입률이 증가함에 따라 토크점성 H는 감소하고 흐름저항 G 또한 감소하는 경향을 보여 실리카 흄이 고성능 숏크리트의 펌핑성과 붙임성을 동시에 향상시켜 주는 것으로 판단된다. 비교분석결과 실리카 흄과 동일한 양의 콜로이달 실리카 혼입 시 토크점성 H는 유사하고 흐름저항 G는 증가하는 경향을 보였다. 따라서 실리카 흄과 동일한 양의 콜로이달 실리카를 혼입할 경우 펌핑성 증대효과는 실리카 흄과 유사한 반면, 붙임성 증대효과는 실리카 흄에 비해 더욱 뛰어날 것으로 판단된다.
콜로이달 실리카의 혼입률이 증가함에 따라 숏크리트의 소성수축 균열폭이 감소하여 균열저감률이 증가하였으며, 동일한 혼입률의 실리카 흄 변수보다 균열저감률이 증가하는 것으로 나타났다. 따라서 콜로이달 실리카를 혼입한 숏크리트 및 콘크리트의 경우 소성수축에 의한 초기균열발생 감소효과가 우수할 것으로 판단된다.
재령에 따른 압축강도 시험결과, 콜로이달 실리카의 혼입률이 증가함에 따라 높은 초기강도를 발현하는 것으로 나타났다. 이러한 연구결과를 바탕으로 콜로이달 실리카 혼입 시 숏크리트의 초기강도 및 붙임두께 확보를 위하여 과다하게 사용되는 급결제의 사용량을 감소시킬 수 있을 것으로 판단되며, 급결제의 감소로 인한 장기강도 및 내구성의 확보가 용이할 것으로 판단된다.
콜로이달 실리카 혼입률이 증가함에 따라 재령 56일 염소이온 침투저항성의 Coulombs 값이 작게 측정되어 수밀성이 증가되는 것으로 평가되었으며, 실리카 흄과 동일한 혼입률을 투입할 경우 실리카 흄과 유사하게 수밀성이 감소하는 것으로 확인되었다. 콘크리트의 내구성에 전반적인 영향을 미치는 수밀성이 향상되어 콜로이달 실리카 혼입 시 실리카 흄과 유사한 내구성능 확보가 가능할 것으로 보여진다.

In Korea, studies on shotcrete mostly focus on wet-mix shotcrete. Recently, there have been numerous studies on shotcrete investigating durability, strength, and rheological characteristics such as pumpability and shootability. In those studies, silica fume has been generally used as a mineral admixture to simultaneously enhance strength, durability, pumpability and shootability of shotcrete.
Silica fume is well-known to greatly reduce clogging by increasing the viscosity of a mixture and to prevent material sliding at the receiving surface when used in shotcrete mixtures. However, silica fume is also known to increase plastic shrinkage because of the moisture consumption after placement. As a result, a higher chance of excessive plastic shrinkage cracking is frequently observed.

In order to resolve the cracking problems associated with the use of silica fume in shotcrete, in this study, colloidal silica was used, in which nano-silica is dispersed in water. The purpose of this research is to develop high-performance shotcrete with appropriate levels of strength and workability and reduced early-age shrinkage cracking by means of colloidal silica. To this end, the workability and shrinkage behavior of shotcrete with colloidal silica were evaluated for different levels of silica fume replacements (2,3 and 4%) and particle sizes (10, 40 and 80 nm).
The rheological properties of fresh shotcrete mixtures were estimated using an ICAR Rheometer and the measured rheological parameters were correlated with the pumpability and shootability. In addition, the effect of colloidal silica on shrinkage were evaluated based on plastic and drying shrinkage measurements. The strength and permeability characteristics were also evaluated. The findings of this study are as follows:
1. The effects of replacement level and particle size of colloidal silica on rheological properties: The torque viscosity (H) decreased and the flow resistance (G) increased, as the replacement level increased. In addition, as the particle size of colloidal silica increased, the torque viscosity H increased while the flow resistance G decreased. Therefore, it would be possible to produce high-performance shotcrete with improved pumpability and shoootability when a larger amount of small-sized colloidal silica is used.
2. As the replacement level of silica fume increased, both torque viscous H and flow resistance G tended to decrease, indicating that the use of silica fume can improve both pumpability and shootability of high-performance shotcrete. The results from mixtures with the same amount of colloidal silica showed that while the torque viscous H was similar to the silica fume mixtures, the flow resistance G rather increased. The results indicate that the use of colloidal silica would be more beneficial to obtain a higher level of shootability.
3. As the replacement level of colloidal silica increased, the plastic shrinkage crack width decreased. Also, compared to the same-level silica fume mixtures, the cracking resistance tended to increase. Based on the findings, the use of colloidal silica appears to benefit the cracking resistance of high-performance shotcrete.
4. As the replacement level of colloidal silica increased, the early-age compressive strength increased. The use of colloidal silica was found to help to reduce the amount of accelerator, which is used to ensure the early-age strength and build-up thickness of shotcrete.
5. As the colloidal silica replacement increased, the chloride ion penetration resistance at 56 days increased. The effect was almost identical when the same amount of silica fume was used. As a results, the similar level of durability is expected when colloidal silica is employed.