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문제 정의
- 경량성을 유지하기 위해서 첨가된 기포가 경량 혼합토의 응력-변형 거동에 미치는 영향을 고찰하였다. 준설토의 초기 함수비가 125%, 시멘트 함유율이 6%와 12%일 경우, 각각 기포가 첨가된 경우와 기포가 포함되지 않은 무기포 시료에 대한 삼축압축강도 실험결과를 그림 6에 도시하였다.
- 따라서, 소요 강도의 경량기포혼합토 제작에 필요한 적정 함수비를 결정하는 것은 매우 중요하다고 할 수 있다. 이에 본 논문에서는 초기 함수비의 변화에 따른 경량 혼합토의 응력-변형 거동을 고찰하기 위하여 준설토의 함수비로 액성한계의 3.1, 3.5, 5.0배에 해당하는 초기 함수비를 갖는 준설토를 이용하여 배합하였다.
- 이에 본 연구에서는 새로운 건설재료 개발을 위하여 항만건설 공사시 다량으로 배출되지만 대부분 재활용되지 못하고 투기되고 있는 준설토와 기포제를 혼합하고 이를 보통 포틀랜트 시멘트로 고화시켜 제작한 경량 혼합토의 압축성, 응력-변형 거동 및 압축강도특성을 고찰하고자 함이 목적이다. 특히, 시멘트 함유율이 높은 경우의 경량혼합토 강도 변화 특성을 고찰하였다.
- 본 논문에서 수행한 실내시험 내용을 요약하면 표 2와 같다. 표준 압밀 실험과 삼축압축실험의 경우에는 동일한 초기 함수비와 시멘트 함유율에 대해서 기포가 포함되지 않은 시료를 만들어 기포로 인한 압축성과 역학적 거동의 상대적인 변화를 파악하고자 비교연구를 하였다. 일축 압축시험의 경우에는 2.
제안 방법
- 그리고, 기포가 포함되지 않은 무 기포 시료에 대해서도 구속압 lOOkPa의 조건으로 삼축압축실험을 실시하였으며 그림 7은 시멘트 함유율에 따른 압축강도의 변화를 나타내고 있다. 그림에서 경량 혼합토의 경우, 압축강도는 시멘트 함유율의 증가에 비선형적으로 증가하고 있으며, 무기포 시료의 경우 고시멘트비로 갈수록 기포가 포함된 시료와의 압축강도의 차이가 점차 증가하는 것으로 나타났다.
- 기포를 혼합한 경량 기포혼합토의 혼합재 비율이 압축 특성에 미치는 영향을 고찰하기 위해서 우선, 표준 압밀 시험을 수행하였다. 그림 1은 준설토의 초기 함수비가 125%일 때 시멘트 함유율이 각각 6%, 12%일 때의 압밀 현상을 재현한 모습이다.
- 다양한 배합조건으로 제작된 경량혼합토의 특성을 규명하고자 준설토의 초기 함수비( 也), 시멘트 함유율 (G), 기포의 함유율(A, ), B 준설토의 혼합율(M)의 각 요소들의 조건을 달리하여 배합 설계치를 산정하고 이에 따라 경량 혼합 토를 제작하였다. 이때 경량 혼합토의목표 단위 중량은 L2g/物3이며 초기함수비, 시멘트 함유율, 기포 함유율, 그리고 B 준설토의 혼합율은 A 준설토에 대한 중량 백분율로 산정하였다.
- 본 논문에서 준설토와 시멘트 그리고 기포를 혼합한 경량 혼합 토를 다양한 배합조건으로 실험하여 이에 대한 압축성과 응력-변형 거동 및 압축강도특성을 분석하였으며 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
- 시멘트 함유율에 따른 압축강도 특성을 고찰하고자 초기 함수비가 125%인 경우에 일죽압축실험과 구속압조건을 50kPa~400kPa로 증가시켜 삼축압축실험을수행하였다. 그리고, 기포가 포함되지 않은 무 기포 시료에 대해서도 구속압 lOOkPa의 조건으로 삼축압축실험을 실시하였으며 그림 7은 시멘트 함유율에 따른 압축강도의 변화를 나타내고 있다.
- 실 트질 준설토 함유율에 따른 응력-변형 거동 및 압축 특성을 고찰하기 위하여 A 준설토에 대한 중량비로 B 준설토의 혼합율을 25%, 50%, 75%인 경우에 구속압을 lOOkPa와 400kPa로 삼축압축시험을 수행하였다.
- 따라 경량 혼합 토를 제작하였다. 이때 경량 혼합토의목표 단위 중량은 L2g/物3이며 초기함수비, 시멘트 함유율, 기포 함유율, 그리고 B 준설토의 혼합율은 A 준설토에 대한 중량 백분율로 산정하였다.
- 따라서 경 량기 포 혼합토의 소요 압축강도에 필요한 적정 시멘트 함유율의 결정은 경량기포혼합토의 실용화 측면에서 매우 중요한 부분이라 할 수 있다. 이를 위하여 본 논문에서는 시멘트 함유율에 따른 응력-변형 거동을 고찰하였는데, 그 실험 결과는 그림 4와 같다. 그림 4는 준설토의 초기 함수비가 125%일 때에 시멘트 함유율을 6%에서 18%로 증가시키면서 구속압 조건을 lOOkPa로 하여 삼축압축실험을 수행한 결과이다.
- 특히, 시멘트 함유율이 높은 경우의 경량혼합토 강도 변화 특성을 고찰하였다. 준설토의 초기 함수비, 시멘트 함유율에 따른 압축성 및 역학적 거동을 정량적인 비교 분석을 하기 위하여 표준 압밀 시험, 일축 및 삼축 압축강도 시험을 수행하고 그 결과를 고찰하였다.
- 표 4는 시멘트 함유율과 압축강도와의 관계를 회귀분석을 통하여 실험식을 제시한 것이다. 초기 함수비에 따른 압축강도 특성을 고찰하고자 시멘트 함유율이 12%일 때 구속압 50kPa~400kPa 의 조건으로 삼축압축실험을 수행하였다. 그림 8은 초기 함수비의 변화에 따른 압축강도의 변화를 보여주고 있다.
- 함이 목적이다. 특히, 시멘트 함유율이 높은 경우의 경량혼합토 강도 변화 특성을 고찰하였다. 준설토의 초기 함수비, 시멘트 함유율에 따른 압축성 및 역학적 거동을 정량적인 비교 분석을 하기 위하여 표준 압밀 시험, 일축 및 삼축 압축강도 시험을 수행하고 그 결과를 고찰하였다.
대상 데이터
- 5 cm, 높이 15 cm인 PVC 몰드를 제작한다. 그다음에 및일축 압축강도 및 삼축 압축 강도 시험을 위한 직경 5 cm, 높이 12 cm 의 PVC 몰드를 준비하고 몰드 하부를 가로, 세로 10 cm 인 아크릴판으로 밀봉하였다. 그리고, 각각의 배합 설계치에 따른 준설토와 시멘트를 혼합한 다음, 발포 장치로 생성시킨 기포를 섞어 배합 장치 내에서 바로 PVC 몰드로 직접 주입을 하였다.
- 경량 기포혼합토의 제작과정을 간략히 서술하면 다음과 같다. 먼저 표준 압밀 시험을 위하여 직경 6.5 cm, 높이 15 cm인 PVC 몰드를 제작한다. 그다음에 및일축 압축강도 및 삼축 압축 강도 시험을 위한 직경 5 cm, 높이 12 cm 의 PVC 몰드를 준비하고 몰드 하부를 가로, 세로 10 cm 인 아크릴판으로 밀봉하였다.
- 본 연구를 위한 실내 시험에서 기포가 포함된 경량 기포혼합 토를 제작하는 데는 PVC 몰드를 사용하였다. 경량 기포혼합토의 제작과정을 간략히 서술하면 다음과 같다.
- 본 연구에서 사용된 시료는 해양 준설토로 기본 물성은 다음의 표 1과 같다. 사용된 준설토를 통일분류법에 근거하여 분류하면 CL과 SM이다.
- 다른 기포제로서는 카본 산계가 있는데 비누로 대표되는 것으로 매우 안정하고 점성이 높은 세립기포가 발생하지만 슬러리 중에서는 불안정한 특성을 갖고 있다. 사용된 기포제는 환경친화적인 측면을 고려하여 식물성 계면 활성제를 사용하였다. 그리고, 균질한 기포의 생성을 위하여 자체제작한 발포 장치를 사용하여 물과 기포제의 비율을 1:20으로 섞은 후 공기압이 2~3 繼/物 2 하에 발포시킨 기포를 사용하였다.
성능/효과
- (1) 동일 함수비에서 시멘트 함유율이 증가할수록 cement bonding 효과에 의하여 경량 혼합토의 압축성이 매우 감소하였으며, 압축성과 선행압밀하중은 초기함수비보다 시멘트 함유율의 변화에 더 의존하였다.
- (2) 경량 혼합토의 응력-변형 거동은 시멘트 함유율이 증가할수록 파괴시 축 변형이 감소하며 파괴후 압축응력이 완만하게 감소하는 변형연화현상을 전반적으로 나타내며, 고함 수비에서는 cement bonding 효과의 감소와 액성 상태로 인하여 파괴후 응력-변형 곡선이 매우 완만하게 나타났다.
- (3) 압축강도는 시멘트 함유율의 증가에 비선형적으로 증가하며 초기 함수비의 증가에 비선형적으로 감소하였다. 시멘트 함유율이 증가함에 따라 무기 포의 경우와 경량혼합토의 경우에 대한 압축강도의 차가 급격하게 증가하고 있는데, 이는 고 시멘트 함유율에서는 경량혼합토의 압축강도가 기포의 유무에 의존하는 결과를 보여주고 있다.
- (4) 실 트질 준설토 혼합율이 증가할 경우 경량 혼합 토의 응력-변형거동은 초기탄성부의 기울기가 증가하는 것으로 나타났으며 이는 실 트질 준설토의 혼합으로 인한 혼합토 입자의 구조적인 변화에서 기인하는 것으로 보인다. 또한, 압축강도는 실트질 준설토의혼합율에 따라 비선형적으로 증가하였다.
- (5) 본 연구에서 제시한 정규화 계수와 압축강도가 매우 유용한 관계를 나타내고 있으며 정규화계수의 증가에 대하여 비선형적으로 압축강도가 감소하는 것을 알 수 있다. 이러한 관계는 일축압축상태에서도 유효하며 삼축압축상태에서는 구속압의 크기에 따라 상한계 0=4OOkPa)와 하한계(Uc=50kPa)를 갖는 것으로 나타났다.
- 8kgfem2일 때, 경량기포혼합토의 간극비가 거의 동일한 것으로 나타났다. 결과적으로, 시멘트함유율의 변화가 상대적으로 초기 함수비보다는 압축성과 선행압밀하중에 더 큰 영향을 미치는 것으로 판단된다.
- 상대적으로 낮은 시멘트 함유율일수록 압축강도의 증가는 완만하게 증가하고 있다. 그리고, 시멘트함유율이 9%일 때의 파괴 시 압축변형율은 6%인 경우보다 약 1.7배 증가하여 나타났으며 시멘트 함유율이 18%일 때의 파괴 시 압축변형율은 12%인 경우보다 압축강도가 약 30% 감소하였다. 전반적으로 시멘트 함유율의 증가에 대하여 파괴 축변형율은 감소하는 것으로 나타났는데 이는 고 시멘트 함유율일수록 기포보다는 시멘트가 응력■변형거동에 지배적인 영향을 미치기 때문이라 판단된다.
- 실 트질 준설토의 혼합율이 증가할수록 압축강도는 비선형적으로 증가하고 있으며 회귀분석을 통한 실험식도 나타내고 있다. 그리고, 실트질 준설토가 75%혼합된 시료는 실 트질 준설토가 포함되지 않은 시료에 비해 압축강도가 구속압이 lOOkPa인 경우에는 약 73.1%, 구속압이 400kPa인 경우에는 약 44.1%의 증가를 보이고 있다.
- 그리고, 기포가 포함되지 않은 무 기포 시료에 대해서도 구속압 lOOkPa의 조건으로 삼축압축실험을 실시하였으며 그림 7은 시멘트 함유율에 따른 압축강도의 변화를 나타내고 있다. 그림에서 경량 혼합토의 경우, 압축강도는 시멘트 함유율의 증가에 비선형적으로 증가하고 있으며, 무기포 시료의 경우 고시멘트비로 갈수록 기포가 포함된 시료와의 압축강도의 차이가 점차 증가하는 것으로 나타났다. 이는 고 시멘트함유율로 갈수록 압축강도가 시멘트의 고결력(bonding) 보다는 기포에 의한 영향에 의해 지배적인 영향을 받기 때문이라 판단된다.
- 그림 1과 2에서와 보는 바와 같이, 준설토의 동일 함수비 조건에서 시멘트 함유율이 증가할수록 cement bonding 효과에 의하여 경량 혼합토의 압축성이 크게 감소한다. 또한 동일한 시멘트 함유율 조건에서 준설토의 초기 함수비가 증가함에 따라서 간극비의 변화는 없는 것으로 나타났다. 즉, 준설토 함수비가 125%와 150%의 경우에 압밀 압력이 12.
- 보인다. 또한, 압축강도는 실트질 준설토의혼합율에 따라 비선형적으로 증가하였다.
- 그림에서 변형계수는 압축강도의 18- 120배정도의 범위를 가지는 것으로 나타났다. 시멘트 함유율이 18%인 경우는 다른 조건과는 상당한 차이를 보이고 있어 변형계수와 압축강도와의 적정 범위를 제시하기가 어려운 것으로 나타났삼축 압축실험 시축압축실험시 비 배수의 조건하에서 수행되었지만 실질적으로는 내부의 기포로 인해 체적 변형이 발생하게 되는데 이로 인해 전단 시 파괴 축변형율이 증가하는 것으로 나타났다. 그러나, 시멘트 함유량이 18%인 경우에는 시멘트 고결력의
- 실트혼합율이 증가할수록 초기 탄성 부의 기울기는 증가하는 것으로 나타났다. 그리고, 실 트질 준설토가 포함되지 않은 경우와 비교할 때 비교적 명확한 파괴점을 나타내며 일반적인 사질토의 응력-변형 거동과 유사한 거동을 보이는데 이는 혼합된 실 트질 준설토로 인한 입자의 구조적인 변화에서 기 인하는 것으로 판단된다.
- 또한 동일한 시멘트 함유율 조건에서 준설토의 초기 함수비가 증가함에 따라서 간극비의 변화는 없는 것으로 나타났다. 즉, 준설토 함수비가 125%와 150%의 경우에 압밀 압력이 12.8kgfem2일 때, 경량기포혼합토의 간극비가 거의 동일한 것으로 나타났다. 결과적으로, 시멘트함유율의 변화가 상대적으로 초기 함수비보다는 압축성과 선행압밀하중에 더 큰 영향을 미치는 것으로 판단된다.
- 그림 8은 초기 함수비의 변화에 따른 압축강도의 변화를 보여주고 있다. 초기 함수비가 증가함에 따라 압축강도는 비선형적으로 감소하며 구속압이 증가할수록 초기 함수비의 증가에 따른 압축강도의 감소율은 감소하는 것으로 나타났다.
- 경량 기포혼합 토는 고함수비로 갈수록 초기 탄성영역의 기울기는 감소한다. 특히, 초기 함수비가 200%일 때는 파괴 후축변형율의 증가에 따른 압축응력의 변화가 상대적으로 매우 완만하게 나타났다. 이는 고함수비에서는 양 생후에도 잔존하는 고함 수비에 따른 cement bonding 효과의 감소와 액성 상태에 기인하는 것으로 판단된다.
후속연구
- 이와 같이, 경량 혼합토의 압축강도는 구성요소 모두에 의존하여 압축강도를 발현하고 있어 임의의 배합조건에 따른 압축강도의 크기를 추정하는 것은 복잡하다고 할 수 있다. 따라서, 이들 경량 혼합토의 구성요소들을 모두 포함하는 정규화계수(Normalized Factor, NF)를 적용한다면, 구성요소에 따른 압축강도의 변화를 추정할 수 있을 것이며 구성요소들에 의한 다양한 배합조건비에 상응하는 압축강도와 같은 지반재료의 정수를 쉽게 추정할 수 있을 것으로 판단된다.
- 본 논문에서 수행된 경량 기포혼합 토는 기존의 강도 증진을 위해 적용되고 있는 시멘트 혼합 토와는 달리 압축성의 기포를 함유하고 있어 배합조건에 따른 압축강도 점착력, 내부마찰각과 같은 지반재료 정수의 추정 이 어렵다고 할 수 있다. 본 연구에서는 앞서 경량 혼합토의구성요소들과 압축강도와의 관계와 그 거동에 대해 검토한 바를 개괄적 인정 리 하면 그림 12와 같다.
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