인디아나주 도로국 (INDOT, Indiana Department of Transportation)에서는 부분적으로 1990년대 초반부터 토사개량(지반 안정화는 아님)에 대한 저비용의 건설재료로서 석회노분을 사용해왔다. 그러나 석회노분을 포함한 흙의 강도향상은 설계과정에서 노상의 안정화계산에 반영되지 않았다. 따라서 본 연구는 석회노분이 수화된 석회와 유사한 공학적 성질을 지닌 재료인지를 평가하기 위하여 수행되었으며, 인디아나주에서 흔히 접할수 있는 A-4, A-6, A-7-6와 같이 세립분이 우세한 다양한 흙과 조합하여 석회노분의 역학적 장점들을 평가하기 위해 일련의 실내실험들을 수행하였다. 본 연구에서는 아터버그한계, 표준다짐, 일축압축, CBR, 체적 안정성과 회복탄성계수등의 실험들을 수행하였으며 그 결과 비처리토에 비해 처리토의 경우 60-400% 정도의 범위로 일축압축강도가 증가하였다. 비혼합토에 대한 CBR 값의 범위가 3-18인 것에 반하여, 혼합토에 대한 CBR 값들은25-70의 범위내에 있다. 또한, 일반적으로 혼합토의 회복탄성계수도 상당히 증가하는 것으로 관찰되었다. 이상의 결과는 석회노분은 수화된 석회에 대한 대안으로서 실용적이고 경제적인 재료이며 세립토의 강도를 향상시키며 작업성을 향상시킬 수 있음을 암시한다.
인디아나주 도로국 (INDOT, Indiana Department of Transportation)에서는 부분적으로 1990년대 초반부터 토사개량(지반 안정화는 아님)에 대한 저비용의 건설재료로서 석회노분을 사용해왔다. 그러나 석회노분을 포함한 흙의 강도향상은 설계과정에서 노상의 안정화계산에 반영되지 않았다. 따라서 본 연구는 석회노분이 수화된 석회와 유사한 공학적 성질을 지닌 재료인지를 평가하기 위하여 수행되었으며, 인디아나주에서 흔히 접할수 있는 A-4, A-6, A-7-6와 같이 세립분이 우세한 다양한 흙과 조합하여 석회노분의 역학적 장점들을 평가하기 위해 일련의 실내실험들을 수행하였다. 본 연구에서는 아터버그한계, 표준다짐, 일축압축, CBR, 체적 안정성과 회복탄성계수등의 실험들을 수행하였으며 그 결과 비처리토에 비해 처리토의 경우 60-400% 정도의 범위로 일축압축강도가 증가하였다. 비혼합토에 대한 CBR 값의 범위가 3-18인 것에 반하여, 혼합토에 대한 CBR 값들은25-70의 범위내에 있다. 또한, 일반적으로 혼합토의 회복탄성계수도 상당히 증가하는 것으로 관찰되었다. 이상의 결과는 석회노분은 수화된 석회에 대한 대안으로서 실용적이고 경제적인 재료이며 세립토의 강도를 향상시키며 작업성을 향상시킬 수 있음을 암시한다.
The Indiana Department of Transportation (INDOT) has permitted the use of Lime Kiln Dust (LKD) as a low-cost construction material in creating a workable platform for soil modification (not for soil stabilization) since the early 1990s on selected projects. However, the enhanced strength of soils wi...
The Indiana Department of Transportation (INDOT) has permitted the use of Lime Kiln Dust (LKD) as a low-cost construction material in creating a workable platform for soil modification (not for soil stabilization) since the early 1990s on selected projects. However, the enhanced strength of soils with LKD has not been accounted for in the subgrade stability calculations in the design process. This study was initiated to evaluate how the lime kiln dust is a comparable material to hydrated lime. A series of laboratory tests were performed to assess the mechanical benefits of lime kiln dust in combination with various predominant fine grained soils encountered in the State of Indiana, such as A-4, A-6 and A-7-6. In the course of this study, several tests such as the Atterberg limits, standard Proctor, unconfined compression, CBR, volume stability, and resilient modulus were performed. As a result, mixtures of fine grained soils with 5% lime or 5% LKD substantially improve unconfined compressive strength up to 60% - 400%. CBR values for treated soils are in the range of 25 to 70 while those for untreated soils range from 3 to 18. In general, significant increase in resilient moduli of the soils treated with lime and LKD was observed. This indicates that lime kiln dust may be a viable, cost effective alternative to hydrated lime in enhancing the strength of fine grained soils.
The Indiana Department of Transportation (INDOT) has permitted the use of Lime Kiln Dust (LKD) as a low-cost construction material in creating a workable platform for soil modification (not for soil stabilization) since the early 1990s on selected projects. However, the enhanced strength of soils with LKD has not been accounted for in the subgrade stability calculations in the design process. This study was initiated to evaluate how the lime kiln dust is a comparable material to hydrated lime. A series of laboratory tests were performed to assess the mechanical benefits of lime kiln dust in combination with various predominant fine grained soils encountered in the State of Indiana, such as A-4, A-6 and A-7-6. In the course of this study, several tests such as the Atterberg limits, standard Proctor, unconfined compression, CBR, volume stability, and resilient modulus were performed. As a result, mixtures of fine grained soils with 5% lime or 5% LKD substantially improve unconfined compressive strength up to 60% - 400%. CBR values for treated soils are in the range of 25 to 70 while those for untreated soils range from 3 to 18. In general, significant increase in resilient moduli of the soils treated with lime and LKD was observed. This indicates that lime kiln dust may be a viable, cost effective alternative to hydrated lime in enhancing the strength of fine grained soils.
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문제 정의
따라서, 본 연구에서는 지반의 개량과 안정화에 사용된 석회노분의 역학적인 특성을 평가하고자 한다.
따라서, 석회노분에 대하여 이용할 수 있는 데이터가 극히 제한되어 있기 때문에, 석회혼합토의 특성에 대한 이해를 바탕으로 석회노분의 특성을 간접적으로 이해하였다. 석회혼합토의 거동은 주로 흙의 타입 석회 함유량, 온도, 양생시간에 의존한다(TRB, 1987).
제안 방법
노상의 개량과 안정화를 위해 사용될 수 있는 석회노분의 공학적 특성을 평가하기 위하여 실내시험을 실시하였다. 인디애나 각지에서 채집한 세립토에 5% 석회노분과 5% 석회를 혼합하였다.
연구에 사용된 흙들과 석회와 석회노분과의 적절한 함량을 결정하기 위하여 PH시험을 수행하였으며, 대략 적절한 석회 노분 및 석회의 함량이 5% 전후로 분포되었다. 따라서 본 연구에서는 사용된 모든 흙들에 대한 통일성을 가하기 위하여, 5%의 석회노분과 5%의 수화석회(중량비)를 사용하여 개량된 지반의 특성을 관측하였다. 화학적인 구성성분은 석회노분의 60%가 산화칼슘과 산화마그네슘, 30%의 수산화칼슘 그리고 나머지 10%는 다양한 광물로 구성되어 있다.
앞서 언급한 바와 같이 건조밀도와 함수비는 양생 시간에 따라 변화하지만, 본 연구에서의 주된 관심사항은 양생 효과를 평가하는 것보다는 석회노분흙 혼합토와 석회-흙 혼합토의 공학적 특성을 정성적으로 비교하는 것이므로 본 연구에서는 시간에 따른 양생효과는 고려대상에서 제외하였다. 모든 시험들은 흙과 석회 또는 석회노분을 혼합한 후 2시간 후에 수행하였다.
본 연구에서는 Bunnister의 해를 근간으로 하는 범용프로그램인 ELSYM5를 이용한 다층토 탄성 해석 결과로부터 인디애나 도로국에서 관리하는 도로에서 발생하는 최소한의 구속압력, 14kPa를 적용하였다. 그림 6(a)와 (b)는 14kPa의 구속응력의 조건으로부터 회복 탄성계수와 축차응력의 관계를 나타낸 그림 이다.
본 연구에서는 각각의 3가지 시료(비혼합, 5% 석회혼합, 그리고 5% 석회노분 혼합)를 준비하였으며 각각의 시료에 대하여 90%(건조측 다짐), 95% 그리고 1師% 다짐시의 일축압축강도, CBR, 팽창성(swell potential) 그리고 회복탄성계수(resilient modulus)를 평가하였다. 앞서 언급한 바와 같이 건조밀도와 함수비는 양생 시간에 따라 변화하지만, 본 연구에서의 주된 관심사항은 양생 효과를 평가하는 것보다는 석회노분흙 혼합토와 석회-흙 혼합토의 공학적 특성을 정성적으로 비교하는 것이므로 본 연구에서는 시간에 따른 양생효과는 고려대상에서 제외하였다.
5%와 5±1%의 범위의 중량백분률로 지반개량에 사용하고 있다. 연구에 사용된 흙들과 석회와 석회노분과의 적절한 함량을 결정하기 위하여 PH시험을 수행하였으며, 대략 적절한 석회 노분 및 석회의 함량이 5% 전후로 분포되었다. 따라서 본 연구에서는 사용된 모든 흙들에 대한 통일성을 가하기 위하여, 5%의 석회노분과 5%의 수화석회(중량비)를 사용하여 개량된 지반의 특성을 관측하였다.
일축 압축시험은 5%의 석회노분과 5%의 석회를 각각 흙과 혼합하여 혼합한 흙의 강도 증가량을 평가하기 위하여 수행하였다. 그림 4(a)와 (b)는 A-4(US-41), A-6(SR-37)에 대하여 석회노분과 석회로 처리된 흙에 대한 일축 압축강도를 나타내는 그림이다.
인디애나 각지에서 채집한 세립토에 5% 석회노분과 5% 석회를 혼합하였다. 일축압축강도, CBR, 회복 탄성계수 시험을 비혼합토 5% 석회노분 혼합토 그리고 5% 석회 혼합토의 90%, 95%, 100% 다짐도 시료에 대하여 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
회복탄성계수시험은 AASHTO T-307에 따라 응력단계에 따라 수행되였다. 회복 탄성계수시험에서 14, 28, 41kPa의 구속응력을 적용하였으며, 각각의 구속 응력에 대하여 14, 28, 41, 55, 69kPa의 축차 응력을 가하였다. 회복탄성계수시험에 사용한 시료들은 시험 전 혼합함수비를 유지하기 위하여 다른 시험과 마찬가지로 비닐백으로 2시간 동안 밀봉하여 보관한 후에 사용하였다.
대상 데이터
실험을 위하여 다섯 개의 전형적인 세립토를 네 곳에서(1-94, US-41, SR-37, STV6)에서 채취하여왔다. 각각의 시료는 흙의 종류와 수집 장소로 표현하였다.
그림 8(a)와 (b)는 본 연구에서 실측 회복탄성계수값과 5% 석회노분 혼합토와 5% 석회 혼합토의 예측 회복탄성계수값과의 관계를 나타낸 그림이다. 예측치와 실측치에 비교에서는 본 연구에 사용된 다섯개의 흙들에 대한 회복 탄성계수 값들이 사용 되었다. 표 3은 비혼합토와 혼합토에 대한 회귀분석 계수를 보여준다.
인디애나 각지에서 채집한 세립토에 5% 석회노분과 5% 석회를 혼합하였다. 일축압축강도, CBR, 회복 탄성계수 시험을 비혼합토 5% 석회노분 혼합토 그리고 5% 석회 혼합토의 90%, 95%, 100% 다짐도 시료에 대하여 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
데이터처리
(5) 사용된 모든 흙들에 대해 회복탄성계수 계수를 추정하기 위해 Uzan model을 사용하여 비혼합토, 5% 석회노분 그리고 5% 석회 혼합토에 대한 회귀분석을 수행하였다. 예측된 회복탄성계수값들은 실측된 회복탄성계수 값들과 상관성이 잘 나타나지 않았다.
이론/모형
채취된 흙들은 AASHTO 분류법으로는 A-4, A-6 그리고 A-7-6로 분류되며, 통일분류법으로는 ML, CL 그리고 CH로 분류되며, 인디아나 도로국 textual 흙 분류법에서는 Si, Si-LO 그리고 CL로 분류된다(그림 2). 입도와 아터버그 한계시험이 AASHTO T-89와 AASHTO T-90에 따라 수행되었으며, 표준다짐시험은 AASHTO T-99에 따라 수행되었다. 그림 3은 최대건조밀도와 최적 함수비를 구하기 위한 다짐곡선을 보이고 있는데, 그림에서와 같이 최대건조밀도와 최적함수비는 각각 15.
있다. 회복탄성계수시험은 AASHTO T-307에 따라 응력단계에 따라 수행되였다. 회복 탄성계수시험에서 14, 28, 41kPa의 구속응력을 적용하였으며, 각각의 구속 응력에 대하여 14, 28, 41, 55, 69kPa의 축차 응력을 가하였다.
성능/효과
(1) 5% 석회 또는 5% 석회노분을 세립토에 첨가시킨 혼합토는 일축압축강도가 약 60-400%까지 향상되었으며, 혼합토와 비혼합토 모두 다짐도가 증가함에 따라 일축압축강도가 증가하였다. 이는 재료와 상관없이 노상 다짐의 중요성을 나타내는 지표이다.
(2) 석회노분과 석회 혼합토는 CBR값이 현저하게 증가하였고 팽창성은 일반적으로 감소하는 경향을 나타냈다. 5% 석회 혼합토보다는 5% 석회노분 혼합토가 더 큰 CBR값을 나타냈다.
(3) 석회노분과 석회 혼합토의 회복탄성계수의 거동은 구속 응력이 커짐에 따라 회복탄성계수가 증가한다. 그러나 비혼합토와는 달리, 혼합토의 회복 탄성계수에 대한 축차응력의 영향은 혼합토 강성의 증가로 인해 미미하게 나타났다.
(4) 석회노분 혼합토와 석회 혼합토의 CBR값이 비혼합토보다 더 크게 나타났지만, A-4(US-41)과 A-6 (US-41) 혼합토의 회복탄성계수는 비혼합토보다 작게 나타났다. 이들 두 혼합토에서 회복탄성계수가 작게 나타나는 이유는, 비혼합토의 점토함유량이 작고, CBR 시험과 회복탄성계수 시험(동적 반복시험)들의 메카니즘이 기본적으로 다르기 때문인 것으로 사료된다.
그림에서 나타나듯이, 일축 압축강도는 5%의 석회노분과 5%의 석회가 혼합된 흙에 대하여 상당히 증가함을 알 수 있다. A-4(US-41)과 A-6 (SR-37)에서, 5%의 석회노분과 5%의 석회혼합토에 대하여 일축압축강도는 거의 동일한 증가를 나타내고 있으며, 비처리토에 비해 60-400% 정도의 범위로 일축 압축강도가 증가하는 것을 알 수 있다. 그림 4는 다짐도가 증가할수록 일축압축강도 또한 증가하는 양상을 보이고 있는데 이는 재료의 종류에 관계없이 노상 다짐의 중요성을 나타내고 있다.
예측 및 실측된 회복탄성계수 값은 비혼합토와 석회 노분 혼합토에 대해서는 어느정도 상관성을 나타내고 있으나, 석회 혼합토에 대해서는 그렇게 좋은 상관관계를 보이지 않는 것으로 나타났다. 이는 서로 다른 성질을 지닌 흙들에 대하여 하나의 선형회귀식으로 표현하기에는 다소 무리가 있음을 암시한다.
수행하였다. 예측된 회복탄성계수값들은 실측된 회복탄성계수 값들과 상관성이 잘 나타나지 않았다. 다른 흙들을 하나의 수식으로 표현하기에는 다소 무리가 따른것으로 보인다.
5% 석회와 5% 석회노분의 혼합이 팽창성을 현저하게 감소시키는 것으로 보인다. 표 2에서 보는 바와 같이, 5% 석회 혼합토는 5% 석회노분 혼합토보다 팽창성 감소에 있어서 효과적인 것으로 나타났으며, 석회노분 혼합토는 비혼합토와 비교하면 팽창성에 있어서 일정한 효과가 있는 것으로 나타났다. 따라서, 높은 점토함유량을 가진 흙을 5% 석회노분과 혼합하였을 때 일정량의 팽창성을 감소시킬수 있는 것을 의미한다.
후속연구
따라서 적은 점토함유량을 가지는 혼합토에 대한 회복 탄성계수 값의 사용은 주의를 요한다. 그러나 본 연구에서는 양생 효과는 고려하지 않았으모로 혼합토에 대한 회복 탄성계수 값들은 시간을 가지고 양생이 된다면 상당히 증가할 것으로 예상된다.
비혼합S, 5% 석회노분 혼합토와 5% 석회 혼합 토에 대한 일축압축강도 CBR, 회복탄성계수 시험들의 결과는 석회의 대안으로서 석회노분이 효과적으로 사용될 수 있음을 보여준다. 다만 회복탄성거동에 대한 보다 현실적인 설계를 위해 석회노분과 석회 혼합토의 회복 탄성계수 값들을 축적할 수 있도록 추가적인 연구가 필요한 실정이다.
그러므로 석회노분 또는 석회와 혼합하여 사용할 때에는 A-6(SR-37)과 A-7-6(SR-46) 처럼 이미 효과가 입증된 높은 점토함유량을 가진 흙에 적용하는 것이 바람직하다. 석회노분과 석회혼합토에 대해서는 추가적인 회복탄성계수 시험이 다양한 CBR 시험과 연계되어 반발거동에 있어서 충분한 결론을 도출해 낼 수 있도록 연구가 필요할 것으로 사료된다.
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