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문제 정의
- 본 논문에서는 전술한 배합 조건에서의 경량 기포 혼합 토의 응력- 변형 특성과 강도 특성을 조사하기 위해 일 축 압축시험을 실시하였다. 일축 압축시험을 위한 공시체제 작은 직경 5.
- 본 연구에서는 광양항 중 마 일반부두의 준설토와 시멘트 고화제 그리고 기포를 혼합한 기포혼합처리 토를 다양한 배합 조건으로 실험하여 이에 대한 응력- 변형 거동 및 압축강도 특성을 분석하였으며 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
- 이에 본 연구에서는 전라남도 광양해역 중 마항 지역에서 채취된 점토질 준설토를 재활용하기 위하여 고화제와 기포제를 혼합한 경량 기포 혼합 토를 제작한 후 응력-변형 거동 그리고 압축 강도 특성을 고찰하였다. 경량 기포혼합토의 초기 함수비, 시멘트 함유율의 변화가 압축강도에 미치는 영향 및 응력- 변형 거동 특성을 비교.
제안 방법
- 본 연구에서는 다양한 배합 조건에서 경량 기포 혼합토의 역학 특성을 조사하기 위해 본배합장치 를 사용하여 공시 체를 제작하였으며, 배합조건으로는 준설토의 초기 함수비(职), 시멘트 함유율(G), 기포의 함유율(&)의 각 요소들의 조건을 달리하여 배합 설계치를 산정하였다. 경량 기포 혼합토 제작을 위한 w, 는 125%, 150% 및 200%로 변화시켰으며, C는 경제성과 시공성을 고려하여 각각의 함수비에 대해 6%, 9%, 12%, 18%로 변화시켰다. 또한, 각각의 배합비에 따른 기포의 혼합은 기포 발생 장치를 이용하여 2~3kg/cm2의 압력 하에 발포시킨 기포를 평균 5분 이내에 수행함으로써, 공시체제 작에 따른 기포의 소포를 최소화하였다.
- 이에 본 연구에서는 전라남도 광양해역 중 마항 지역에서 채취된 점토질 준설토를 재활용하기 위하여 고화제와 기포제를 혼합한 경량 기포 혼합 토를 제작한 후 응력-변형 거동 그리고 압축 강도 특성을 고찰하였다. 경량 기포혼합토의 초기 함수비, 시멘트 함유율의 변화가 압축강도에 미치는 영향 및 응력- 변형 거동 특성을 비교. 분석하여 경량화된 지반 재료로써 갖는 역학적 특성을 파악하였다.
- 몰드 하부는 가로, 세로 10cm의 아크릴판으로 밀봉하였으며, 몰드 내면은 경량 기포 혼합 토가 양생 되면서 부착되는 것을 방지하기 위하여 그리스(grease)를 얇게 도포하였다. 그 후 각각의 배합설계에 따른 경량 기포 혼합토의 슬러리를 전체 양의 1/3씩 나누어 몰드 안에 주입하였는데, 이때 슬러리 속의 기포가 소포 되지 않도록 세심한 주의를 기울이며 스페 출 러를 이용하여 다짐을 하였다. 한편, 일축 압축시험을 위한 공시 체는 일반적으로 적용되는 양생 기간 7, 14 및 28일의 대기 양생을 계획하여 제작하였다.
- 또한, 본 연구에서는 환경친화적인 식물성 기포제를 사용하였다. 또한, 혼합 토에 기포가 균일하게 분포할 수 있도록 한국해양연구원(2003)에서 자체 개발한 기포장치를 이용하여 기포제에 물리적으로 공기압을 가해 사전에 발포시킨 후 혼합하는 방법을 적용하였다.
- 또한, 본 연구에서는 환경친화적인 식물성 기포제를 사용하였다. 또한, 혼합 토에 기포가 균일하게 분포할 수 있도록 한국해양연구원(2003)에서 자체 개발한 기포장치를 이용하여 기포제에 물리적으로 공기압을 가해 사전에 발포시킨 후 혼합하는 방법을 적용하였다. 이때 기포제와 물의 비율을 1:20, 공기압은 2 ~3kg/cm2 하에 발포 시 킨 기포를 사용하였다 (그림 2 참조).
- (윤길림과 김병탁, 2003a; 윤길림 등, 2003). 본 연구에서는 다양한 배합 조건에서 경량 기포 혼합토의 역학 특성을 조사하기 위해 본배합장치 를 사용하여 공시 체를 제작하였으며, 배합조건으로는 준설토의 초기 함수비(职), 시멘트 함유율(G), 기포의 함유율(&)의 각 요소들의 조건을 달리하여 배합 설계치를 산정하였다. 경량 기포 혼합토 제작을 위한 w, 는 125%, 150% 및 200%로 변화시켰으며, C는 경제성과 시공성을 고려하여 각각의 함수비에 대해 6%, 9%, 12%, 18%로 변화시켰다.
- 경량 기포혼합토의 초기 함수비, 시멘트 함유율의 변화가 압축강도에 미치는 영향 및 응력- 변형 거동 특성을 비교. 분석하여 경량화된 지반 재료로써 갖는 역학적 특성을 파악하였다. 최종적으로 각 배합 인자들에 의한 경량 혼합토의 압축 강도의 변화를 모두 고려할 수 있는 정규화 계수(Normalized Factor, NF)를 제안하고 압축 강도와 정규화 계수의 관계를 고찰하였다.
- 본 연구에서 사용한 해양준설토 시료는 전라남도 광양해역 중 마항 지역에서 채취하였다. 실내 물성 실험을 통하여 채취한 준설토의 기본적인 물리적 특성을 파악하였으며, 그 결과는 표 1에 나타낸 바와 같다. 사용된 준설토를 통일분류법에 근거하여 분류하면 CL에 해당하였으며 그림 1에 입도 분포를 나타내었다.
- 한편, 일축 압축시험을 위한 공시 체는 일반적으로 적용되는 양생 기간 7, 14 및 28일의 대기 양생을 계획하여 제작하였다. 재하중 공시체에 발생되는 축 변형량과 압축 하중은 각각 다이얼 게이지와 로드 셀에 의해 측정하였다. 그림 4와 5는 각각 경량 기포 혼합토공시체의 전형적인 파괴 형상과 그 단면을 나타내고 있다.
- 분석하여 경량화된 지반 재료로써 갖는 역학적 특성을 파악하였다. 최종적으로 각 배합 인자들에 의한 경량 혼합토의 압축 강도의 변화를 모두 고려할 수 있는 정규화 계수(Normalized Factor, NF)를 제안하고 압축 강도와 정규화 계수의 관계를 고찰하였다.
- 그 후 각각의 배합설계에 따른 경량 기포 혼합토의 슬러리를 전체 양의 1/3씩 나누어 몰드 안에 주입하였는데, 이때 슬러리 속의 기포가 소포 되지 않도록 세심한 주의를 기울이며 스페 출 러를 이용하여 다짐을 하였다. 한편, 일축 압축시험을 위한 공시 체는 일반적으로 적용되는 양생 기간 7, 14 및 28일의 대기 양생을 계획하여 제작하였다. 재하중 공시체에 발생되는 축 변형량과 압축 하중은 각각 다이얼 게이지와 로드 셀에 의해 측정하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서 사용한 해양준설토 시료는 전라남도 광양해역 중 마항 지역에서 채취하였다. 실내 물성 실험을 통하여 채취한 준설토의 기본적인 물리적 특성을 파악하였으며, 그 결과는 표 1에 나타낸 바와 같다.
- 본 논문에서는 전술한 배합 조건에서의 경량 기포 혼합 토의 응력- 변형 특성과 강도 특성을 조사하기 위해 일 축 압축시험을 실시하였다. 일축 압축시험을 위한 공시체제 작은 직경 5.0cm, 높이 12cm인 PVC 몰드를 이용하였다. 몰드 하부는 가로, 세로 10cm의 아크릴판으로 밀봉하였으며, 몰드 내면은 경량 기포 혼합 토가 양생 되면서 부착되는 것을 방지하기 위하여 그리스(grease)를 얇게 도포하였다.
- 사용된 식물성 기포제의 특성과 공기압에 따른 단위 중량은 표 2와 같다. 한편, 본 논문에서 경량 기포 혼합토의 강도 증대를 위하여 사용한 고화재는 1종 보통 포틀랜드(Portland) 시멘트를 사용하였다.
성능/효과
- (1) 재령기간 7일에 대한 경량 기포 혼합토의 응력- 변형 거동은 시멘트 함유량에 관계없이 뚜렷한 파괴 양상은 나타나지 않았으며 일반 흙과 유사한 응력- 변형 거동을 나타냈다. 재령기간 14일의 지난 경우에는 파괴 전까지는 완만한 응력- 변형 거동을 보였지만 파괴 후에는 급격한 응력 저하 양상을 보였다 그리고 재령기간 28일의 경우에는 비교적 작은 축변형율에서 공 시체가 파괴된 후, 급격한 응력 저하를 나타내는 취성적 파괴 양상을 보였다.
- (2) 경량 기포 혼합토의 일축 압축 강도는 재령기간에 관계없이 모든 시멘트 함유량에 대해서 초기 함수비가 증가할수록 감소하였다. : 또한 준설토의 초기함수비 증가에 따른 일축 압축강도의 감소율은 시멘트 함유량이 증가할수록 작아짐을 알 수 있었다.
- (3) 일축 압축시험 결과 경량 기포 혼합토의 변형계수(E5。) 는 시멘트 함유량이 증가하면서 그 크기도 증가 하나 준설토의 초기함수 비가 클수록 작게 나타났다. 또한, 실험 결과에 의한 압축 강도와 변형계수의 관계는 재령 7일의 경우 E50 = 130%, 재령 14일의 경우 E5o = 97%, 재령 28일의 경우 E50 = 98%로 나타났다.
- (4) 경량 혼합토의 임의의 배합비에 대한 재령 28일에 대한 일축 압축 강도를 구하고 자 구성요소인 준설토의 초기 함수비, 시멘트 함유량, 기포함유량을 모두 고려한 정규화 계수(涸와 일축 압축 강도의 적절한 회귀 식을 제시하였으며, 이식을 이용하면 관심 대상 준설토에 대하여 임의의 배합 조건에 따른 경량 기포 혼합토의 일축 압축 강도의 예측할 수 있다.
- (5) 본 연구의 결과와 기존의 연구 성과와의 비교를 통해 준설토의 물리적 특성의 차이에 따른 경량 기포 혼합토의 역학적 특성이 변화함을 알 수 있었다. 따라서, 경량 기포 혼합토의 역학적 특성은 준설토의 채취 지역에 따라 검토해야 할 필요성이 있다고 판단된다.
- (2) 경량 기포 혼합토의 일축 압축 강도는 재령기간에 관계없이 모든 시멘트 함유량에 대해서 초기 함수비가 증가할수록 감소하였다. : 또한 준설토의 초기함수비 증가에 따른 일축 압축강도의 감소율은 시멘트 함유량이 증가할수록 작아짐을 알 수 있었다. 한편, 일축 압축 강도는 재령기간에 관계없이 모든 초기 함수비에서 시멘트 함유량이 증가할수록 일축 압축강도는 증가하였으며, 준설토의 초기 함수비가 높을수록 시멘트 함유량의 증가에 따른 강도 증가율이 커짐을 알 수 있었다.
- 그림에는 전술한 부산 시료에 대한 관계도 함께 도시하였다. 각각의 결과를 회귀 분석한 결과 모두 지수함 수의 형태로 나타났으며, 결정 계수(R2)는 0.92 이상으로 얻어졌다. NF의 증가에 따라 일축 압축 강도는 비선형적으로 감소하는 것을 알 수 있으며, 그것은 매우 유용한 관계를 나타내고 있다.
- 경량 기포 혼합토 제작을 위한 w, 는 125%, 150% 및 200%로 변화시켰으며, C는 경제성과 시공성을 고려하여 각각의 함수비에 대해 6%, 9%, 12%, 18%로 변화시켰다. 또한, 각각의 배합비에 따른 기포의 혼합은 기포 발생 장치를 이용하여 2~3kg/cm2의 압력 하에 발포시킨 기포를 평균 5분 이내에 수행함으로써, 공시체제 작에 따른 기포의 소포를 최소화하였다. 이때 경량기 포혼합토의 목표 단위 중량은 1.
- (3) 일축 압축시험 결과 경량 기포 혼합토의 변형계수(E5。) 는 시멘트 함유량이 증가하면서 그 크기도 증가 하나 준설토의 초기함수 비가 클수록 작게 나타났다. 또한, 실험 결과에 의한 압축 강도와 변형계수의 관계는 재령 7일의 경우 E50 = 130%, 재령 14일의 경우 E5o = 97%, 재령 28일의 경우 E50 = 98%로 나타났다.
- 동일한 시멘트 함유량일 때 재령기간이 긴 경우 일축 압축강도 가 크게 나타나고 있으나 재령기간에 관계없이 모든 시멘트 함유량에 대해서 초기 함수비가 증가할수록 일축 압축 강도는 감소하고 있다. 또한, 준설토의 초기함수비 증가에 따른 일축 압축강도의 감소율은 시멘트 함유량이 증가할수록 작아짐을 알 수 있다. 한편, 그림 9는 경량 기포 혼합토의 일축 압축 강도에 미치는 시멘트 함유량의 영향을 나타내고 있다.
- 한편, 그림 9는 경량 기포 혼합토의 일축 압축 강도에 미치는 시멘트 함유량의 영향을 나타내고 있다. 모든 초기 함수비에 대해서 시멘트 함유량이 증가할수록 일축 압축강도는 증가하고 있으며, 준설토의 초기함수비가 높을수록 시멘트 함유량의 증가에 따른 강도 증가율이 커짐을 알 수 있다.
- 그림 10은 경량 기포 혼합토의 시멘트 함유량의 변화에 따른 변형계수의 변화를 나타내고 있다. 시멘트 함유량이 증가하면서 변형계수의 크기도 증가 하나 준설토의 초기 함수비는 클수록 변형계수는 작은 것을 시험 결과 보여주고 있다. 그림 11은 경량 기포 혼합토의 변형 계수 일축 압축강도의 관계를 나타내고 있다.
- 본 실험 결과에 의한 경량 기포 혼합 토에 대한 변형 계수 일축 압축 강도의 관계를 함수식으로 표현하면 각각 식(1), (2), (3) 과 같다. 한편, 본 실험의 결과는 부산 시료에 대한 실험 결과의 상한계 측에 분포하며 土田에 의한 실험 결과의 중간에서 하한계 측 사이에 분포함을 알 수 있다. 이는 준설토의 물리적 특성이 지역에 따라 차이가 있음에 기인한 결과라고 판단된다.
- : 또한 준설토의 초기함수비 증가에 따른 일축 압축강도의 감소율은 시멘트 함유량이 증가할수록 작아짐을 알 수 있었다. 한편, 일축 압축 강도는 재령기간에 관계없이 모든 초기 함수비에서 시멘트 함유량이 증가할수록 일축 압축강도는 증가하였으며, 준설토의 초기 함수비가 높을수록 시멘트 함유량의 증가에 따른 강도 증가율이 커짐을 알 수 있었다.
후속연구
- 현장 발생토를 재활용하는 방법은 여러 측면에서 고려할 수 있으나 침하 감소 및 토압 저감용 경량 기포 혼합 토를 만들어 그 효용성을 증대시킨다면 매우 유용한 처리 방안이 될 것이다. 기존의 연 약지 반상에서 일반적인 토사를 사용하여 성토, 옹벽 및 교대의 뒷채움 재료로 하는 경우 지반 내 응력 증가에 따른 침하, 활동 파괴, 측방 유동 등의 문제가 빈번히 발생하고 있는 상황에서 이 경량 기포 혼합 토로 대치한다면 압축성이 큰 토질과 관련된 침하문저L항만구조물 배면 매립 시 토압 경 감 문제 등을 보완할 수 있을 것으로 예상된다(윤길림 등, 2003).
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