Engineering Verification and Quality Evaluation of Underground Concrete Slipform Paving with Accelerator- Incorporated Side Support

지하 깊은 곳, 탄광의 좁고 어두운 통로에서 바닥은 단순한 지면 그 이상입니다. 이는 핵심적인 기반 시설입니다. 이 도로들은 중장비의 엄청난 무게와 석탄 및 물자를 운반하는 차량의 끊임없는 통행을 견뎌내야 합니다. 수십 년 동안 이러한 바닥을 만드는 작업은 노동 집약적인 방식에 의존해 왔으며, 작업자들이 손으로 직접 콘크리트의 형태를 잡는 느리고 육체적으로 고된 과정이었습니다. 그 결과는 종종 불균일했으며, 품질은 작업팀의 숙련도와 체력에 크게 좌우되었습니다. 이 작업을 현대화하기 위해 엔지니어들은 슬립폼 페이빙(slipform paving) 공법을 도입했습니다. 이는 기계가 앞으로 이동하면서 젖은 콘크리트를 연속적으로 붓고 매끄럽고 단단한 길을 형성하는 방식입니다. 그러나 이 기술은 광산의 좁고 불규칙한 공간에서 고질적인 문제에 직면합니다. 기계가 젖은 콘크리트를 밀어낼 때, 몰드(틀)가 지나가는 즉시 측면의 지지력이 상실됩니다. 빠르게 굳히는 방법이 없다면, 신선한 콘크리트의 가장자리는 주저앉거나, 갈라지거나, 안쪽으로 무너져 내려 매끄러운 표면과 바닥의 구조적 무결성을 망가뜨리게 됩니다.

중국의 한 대학과 탄광 산업 그룹의 연구진은 바닥 전체의 강도를 희생하지 않으면서 이 특정한 문제인 가장자리 붕괴를 해결하기 위해 나섰습니다. 그들은 콘크리트 배합에 대해 영리한 두 가지 전략을 개발했습니다. 바닥 전체를 동일하게 취급하는 대신, 그들은 측면을 중앙과 다르게 처리하기로 했습니다. 그들은 가속제라고 알려진 특수한 액체 화학 물질을 양쪽 가장자리의 좁은 두 줄기 콘크리트에만 투입할 것을 제안했습니다. 이 화학 물질은 콘크리트의 응결 시간에 '빨리 감기' 버튼을 누르는 것처럼 작용하여, 옆쪽 스트립이 부어진 직 \후 거의 즉시 굳도록 만듭니다. 가장 많은 무게를 견디는 넓은 중앙 구역은 정상적인 속도로 굳는 표준 배합을 유지합니다. 이 접근 방식은 주요 도로의 장기적인 강도를 보존하면서도, 가장자리가 형태를 유지하는 데 필요한 '직립 성능'을 갖추도록 하는 것을 목표로 합니다.

이 아이디어가 실제 현장에서 작동하는지 테스트하기 위해, 연구팀은 장비를 가지고 실제 가동 중인 지하 탄광으로 들어갔습니다. 그들은 기계를 정밀하게 설정했습니다. 기계는 분당 6.0미터의 일정한 속도로 전진했고, 기계 내부의 회전 스크류는 분당 45회전으로 콘크리트를 휘저었습니다. 그들은 9%의 용량을 사용하여 14센티미터 너비의 측면 스트립에 가속제를 적용했습니다. 기계가 움직이면서 연속적인 콘크리트 경로를 만들어냈습니다. 결과는 즉각적이고 명확했습니다. 과거에 주저앉고 무너지던 가장자리들이 이제는 단단하게 서 있었습니다. 연구진이 측면을 측정한 결과, 콘크리트는 거의 움직이지 않았습니다. 평균 측면 변형은 단 1밀리미터였으며, 이는 눈에 거의 띄지 않을 정도로 작은 거리입니다. 완성된 바닥의 너비는 기계의 몰드와 완벽하게 일치했으며, 이는 측면이 중앙의 젖은 콘크리트 압력에 맞서 형태를 잘 유지했음을 증명합니다.

연구팀은 또한 표면의 품질도 조사했습니다. 그들은 굴곡이나 움푹 팬 곳을 확인하기 위해 3미터 길이의 직선자를 바닥에 굴렸으며, 평균 간격이 4.6밀리미터임을 발견했습니다. 이는 매우 매끄러운 표면임을 나타냅니다. 더욱 상세한 조사를 위해, 그들은 고해상도 3D 카메라를 사용하여 콘크리트의 질감을 스캔했습니다. 바닥 중앙은 평탄도가 2.8밀리미터로 매우 매끄러웠던 반면, 가속제 처리를 받은 측면은 4.1밀리미터로 약간 더 거칠었습니다. 이러한 미세한 차이는 가속제로 인해 측면이 급격히 굳으면서 미세한 표면 불규칙성이 매끄러워지기 전에 고정되었기 때문에 발생하는 자연스러운 현상입니다. 그럼에도 불구하고, 측면은 여전히 높은 품질로 간주되었습니다. 연구진은 샘ка플을 채취하여 압축 시험을 통해 콘크리트의 강도를 테스트했습니다. 중앙 콘크리트는 압축 강도가 43.637메가파스칼로 가장 강했습니다. 가속제 처리를 받은 측면 콘크리트는 33.925메가파스칼로 약간 더 약했습니다. 이러한 강도 감소는 고농도의 가속제 사용 시 나타나는 알려진 트레이드오프(trade-off)이지만, 측면 콘크리트는 광산의 하중을 견디기에 충분히 강한 상태를 유지했습니다.

이 연구는 이러한 복합적인 접근 방식이 효과적으로 작동함을 확인해 줍니다. 불안정한 가장자리에만 필요한 곳에 가속제를 사용함으로써, 엔지니어들은 지하 포장 작업에서 흔히 발생하는 붕괴와 변형을 막을 수 있었습니다. 중앙의 콘크리트는 무거운 하중을 견딜 수 있는 전체 강도를 유지하고, 보강된 측면은 안정적인 경계를 제공합니다. 이 방법은 기존 채굴 장비를 완전히 개조할 필요 없이, 단순히 배합과 기계의 속도를 조정하는 것만으로 가능합니다. 이 연구 결과는 이 기술이 어려운 수동 작업을 현대적인 지하 운영의 엄격한 요구 사항을 충족하는 연속적이고 고품질인 공정으로 전환하여, 탄광 바닥 건설의 기계화를 위한 신뢰할 수 있는 길을 제시하고 있음을 시사합니다.