본 연구는 특별히 물과 관련된 실트질 계열의 경량기포혼합토(기포슬러리밀도 10kN/$m^3$ 대상)의 특성변화를 알아보기 위해 수행되었다. 일축압축강도, 투수계수, 모관상승고 등에 대한 연구가 이루어졌으며, 이들 연구를 뒷받침할 수 있는 경량기포혼합토의 미세구조에 대한 연구도 아울러 진행되었다. 사진을 통한 미세 구조 분석 결과 경량기포혼합토 내의 기포는 다양한 크기로 존재하며, 위치별 기포의 분포는 거의 일정한 것으로 밝혀졌다. 또한 기포 안에 아주 많은 미세한 공극들이 존재하여 물에 의해 경량기포혼합토가 포화상태에 가까이 도달될 수 있음이 밝혀졌다. 이미지를 이용한 간극률 산정도 같이 이루어졌다. 일축압축강도 시험 결과, 물에 의한 극한강도 값의 변화는 없으나 응력-변형거동에는 영향을 주는 것으로 나타났다. 경량기포혼합토의 투수계수는 평균 $4.857{\times}10^{-6}cm/sec$로 점토보다는 약간 큰 값을 갖는 것으로 나타났다. 경량기포혼합토의 모관상승은 시험초기부터 100분 이내에는 가파르게 진행되고, 그 이후 경과시간에 따라 상승속도가 점진적으로 완만하게 진행됨을 알 수 있다. 모관상승은 곧 재료의 단위중량 증가를 유발하므로 경량기포혼합토의 설계와 유지관리 시 각별한 주의가 요구된다.
본 연구는 특별히 물과 관련된 실트질 계열의 경량기포혼합토(기포슬러리밀도 10kN/$m^3$ 대상)의 특성변화를 알아보기 위해 수행되었다. 일축압축강도, 투수계수, 모관상승고 등에 대한 연구가 이루어졌으며, 이들 연구를 뒷받침할 수 있는 경량기포혼합토의 미세구조에 대한 연구도 아울러 진행되었다. 사진을 통한 미세 구조 분석 결과 경량기포혼합토 내의 기포는 다양한 크기로 존재하며, 위치별 기포의 분포는 거의 일정한 것으로 밝혀졌다. 또한 기포 안에 아주 많은 미세한 공극들이 존재하여 물에 의해 경량기포혼합토가 포화상태에 가까이 도달될 수 있음이 밝혀졌다. 이미지를 이용한 간극률 산정도 같이 이루어졌다. 일축압축강도 시험 결과, 물에 의한 극한강도 값의 변화는 없으나 응력-변형거동에는 영향을 주는 것으로 나타났다. 경량기포혼합토의 투수계수는 평균 $4.857{\times}10^{-6}cm/sec$로 점토보다는 약간 큰 값을 갖는 것으로 나타났다. 경량기포혼합토의 모관상승은 시험초기부터 100분 이내에는 가파르게 진행되고, 그 이후 경과시간에 따라 상승속도가 점진적으로 완만하게 진행됨을 알 수 있다. 모관상승은 곧 재료의 단위중량 증가를 유발하므로 경량기포혼합토의 설계와 유지관리 시 각별한 주의가 요구된다.
This study was especially conducted to find out the characteristics of the lightweight air-mixed soil (slurry density 10 kN/$m^3$) containing silt related to water. Compression strength, permeability, and capillary height of the lightweight air-mixed soil were studied, and also to support...
This study was especially conducted to find out the characteristics of the lightweight air-mixed soil (slurry density 10 kN/$m^3$) containing silt related to water. Compression strength, permeability, and capillary height of the lightweight air-mixed soil were studied, and also to support these studies, the structure of that soil was analyzed in detail. Air bubbles of various sizes are inside the lightweight air-mixed soil, and its distribution in a location is almost constant. A numerous tiny pores are inside the air bubbles so that the lightweight air-mixed soil can be saturated with water. Porosity is also estimated through the image analysis. Peak strength of the lightweight air-mixed soil is not dependent on water, but behavior of stress-strain is affected by the water. Permeability is about $4.857{\times}10^{-6}cm/sec$, which is a little bit higher than the clay's permeability. Capillary rise occurs rapidly at the beginning of the test until the lapse of 100 minutes and then its increase rate becomes slow. The capillary rise causes the increase of the density of the lightweight air-mixed soil, and thus it is required to pay attention to this phenomenon during structure design and maintenance of the lightweight air-mixed soil.
This study was especially conducted to find out the characteristics of the lightweight air-mixed soil (slurry density 10 kN/$m^3$) containing silt related to water. Compression strength, permeability, and capillary height of the lightweight air-mixed soil were studied, and also to support these studies, the structure of that soil was analyzed in detail. Air bubbles of various sizes are inside the lightweight air-mixed soil, and its distribution in a location is almost constant. A numerous tiny pores are inside the air bubbles so that the lightweight air-mixed soil can be saturated with water. Porosity is also estimated through the image analysis. Peak strength of the lightweight air-mixed soil is not dependent on water, but behavior of stress-strain is affected by the water. Permeability is about $4.857{\times}10^{-6}cm/sec$, which is a little bit higher than the clay's permeability. Capillary rise occurs rapidly at the beginning of the test until the lapse of 100 minutes and then its increase rate becomes slow. The capillary rise causes the increase of the density of the lightweight air-mixed soil, and thus it is required to pay attention to this phenomenon during structure design and maintenance of the lightweight air-mixed soil.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 현장에서 발생된 원료토를 이용한 경량기포혼합토의 물과 관련된 특성들에 대해 파악하고자 한다. 이를 위해 경상남도 OO현장에 시공된 경량기포혼합토 성토체에 사용된 시료를 공시체로 이용하였다.
따라서 양생이 끝난 후 일정 기간 동안 침수시킨 시료에 대한 압축강도 변화에 대한 고찰이 본 연구에서 이루어졌다.
본 연구에서는 압축강도에 대한 물의 영향을 조사하기 위하여 28일간 습윤양생 시킨 공시체를 탈형 후 물속에 2일간 수침 시킨 후 일축압축강도시험을 실시하였다. 시료의 수침은 28일간 양생한 공시체를 탈형한 후 물을 채운 수조에 이틀간 담가 놓은 후 일축압축시험을 실시하였다.
본 연구의 목적은 건설현장에서 발생되는 흙(원료토)을 이용하여 만든 경량기포혼합토(기준 슬러리밀도 10kN/m3) 의 내부구조를 관찰하고, 물과 관련된 경량 기포혼합토의 특성 변화를 알아보는데 있다. 본 연구를 통해 다음과 같은 결론을 도출하였다.
이와 같은 분석은 단순히 공극의 분포를 확인하는 것 이외에 더 세부적인 고찰은 이루어지지 않았다. 이와 같이 기존 연구들은 대부분 단순한 사진 촬영을 통한 기포 확인이 주로 이루어졌는데 반해 본 연구에서 경량기포혼합토 내의 기포의 분포 확인은 물론, 기포의 상태와 고화재와 결합된 혼합토 내부 성분 분석, 내부 간극률 산정 등을 시도해 보고자 한다.
제안 방법
28일간 양생시킨 공시체를 원통형 시료를 수평과 수직 단면으로 서형(그림 4)한 후 표면에 분포하는 경량기포혼합토 간島의 형태와 분포를 분석하였다. 경량 기포혼합토는 건조과정에서 원료토에 포함된 점토의 영향으로 균열이 밭생하며, 기포의 크기와 빈도는 거의 일정한 것으로 내타났다.
배합 기준은 목표 단위중량 10kN/m3; 목표 일축압축강도 500kPa, 플로우 값 200±20mm이며 구조물의 설계에서 고려한 안전도를 확보하기 위해서 고화재량을 Im?당 l.OkN, 1.5kN, 2.0kN의 세 가지로 구분하여 소요강도를 확인하기 위해 시멘트 양 별로 배합시험을 실시하였다. 플로우값은 크기 350><350mm 유리판위에 안지름8Qmm, 높이 80mm인 아크릴 원통을 세운 후 경량기포혼합토를 상부까지 붓고 남은 윗부분은 수평하게 제거하고 원통을 살며시 들어 올려 1분 후에 시료가 퍼진 4방향에 대해 등간격으로 측정한 길이의 평균값을 의미한다(KS F 4039:2004).
경량기포혼합토의 광물조성을 확인하기 위해 X-선회절(XRD)을 실시하였고, 표면과 내부의 기포의 크기, 배열, 부피를 산정하기 위해 실체현미경과 전자현미경, X-선 투과촬영을 통해 획득한 영상을 판독하였다. 각 장비에 대한 구체적인 사양은 표 6과 같다.
따라서 본 연구에서는 삼축셀을 이용한 투수시험 장치로써 투수계수가 낮은 시료의 경우에도 짧은 시간 내에 포화는 물론 투수계수를 측정할 수 있도록 하였다. 그림 2는 실험에 사용된 장비의 모식도이다
모관상승고 시험은 1cm 정도의 물이 담긴 용기에 높이 10cm 공시체를 넣고 경과 시간에 따른 상승고를 관찰하는 것으로 이루어졌다. 이때 용기 내의 물의 높이가 1cm로 일정하게 유지되도록 하였다.
공시체에 대한 일축압축시험 결과 목표 강도인 500kPa에 만족하는 것으로 나타났다. 물에 의한 압축강도의 영향을 알아보기 위해 28일 양생 후 탈형한 시료를 2 일간수침 시킨 후 일축압축시험을 실시하였다. 그 결과를 비수침 시료의 강도와 비교했을 때 약간 작은 값을 보이나 큰 차이는 없음을 알 수 있다(그림 9).
10cm)에 대해 실시되었다. 방법은 1cm 정도의 물이 담기 용기에 공시체를 넣고 경과시간에 따른 모관상승고를 관찰하였다. 또한 이때는 용기 내 물의 높이가 1cm로 유지되도록 세심한 주의가 요구된다.
시공높이를 Im 내로 제한하고 있다. 본 연구에 선택된 현장의 경우도 60cm가 1단 시공높이로 적용되어 최대 3단~4단이 시공된 점을 감안하면 1.8m~2.4m 높이까지 경량기포혼합토가 시공되었며 이에 대해 모관 상승높이, 상승속도 등에 대해 관찰을 하였다.
일부에서 식물성은 환경적인 측면에서 안전하고 동물성은 냄새가 나는 관계로 안전하지 않다고 인식되고 있으나 두 종류 기포제 모두 환경적인 측면에서 안정하다. 본 현장에서는 기포제를 물과 1:19의 비율로 혼합한 후 기포발생장치를 통해 발포시킨 기포를 시멘트 슬러리에 혼합하는 선기포 방식을 채용하였다. 선기포 방식은 기포의 양을 조절하기 쉽고 현장 발포가 용이한 장점이 있다고 화재는 토사의 종류에 의해 선정하나 일반적으로 강도 발현이 좋은 점성토 등에는 보통 포틀랜드 시멘트 또는 고로시멘트 B종이 사용되며 관동롬(Loam)이나 유기질토 등에는 시멘트계 고화재가 이용된다.
시료의 수침은 28일간 양생한 공시체를 탈형한 후 물을 채운 수조에 이틀간 담가 놓은 후 일축압축시험을 실시하였다. 시료를 수조에 넣으면 처음에는 가로로 수면에 떠 있는 상태로 2분 정도 경과 후부터 공시체의 한쪽부터 물속에 잠겨 세로로 선 상태가 되고, 다시 30~40초 정도가 경과하면 완전히 바닥에 가라앉는 양상을 보였다.
시험은 시료의 포화, 투수의 단계로 실시되었다. 시료는 직경 5cm, 높이 10cm로 제작된 공시체를 양생 28일 후 탈형하여 사용하였다.
포화는 먼저 공시체에 C6를 10 분정도 통과시킨 후, 공시체에 물을 공급하고 백압(Back pressure)을 이용하여 공시체를 포화시켰다. 포화가 끝난 상태에서 Pi을 lOOkPa을 주고 %을 pi보다 lOkPa이 높은 llOkPa을 주었으며, 皿는 대기압 상태(OkPa)로 두고 시험을 실시하였다. 이때 시료와 멤브레인 사이로 물이 흐르지 않도록 % > % > 02의 상태가 되도록 하여야 한다.
대상 데이터
이 결과를 이용하여 표 5와 같은 최종 배합표를 결정하였다. 공시체는 표 5의 최종 배합표를 이용하여 직경 5cm, 높이 10cm로 제작된 특수 종이캔을 사용하여 현장 시공 시에 제작되었다.
또한 기포 안에 아주 많은 미세한 공극들이 존재하여 물에 의해 경량기포혼합토가 포화상태에 가까이 도달될 수 있음을 예측할 수 있다. 본 연구에 사용된 공시체는 약 40%의 간극률을 가진 것으로 이미지 분석을 통해 산정되었다.
본 연구에서는 원료토로 해운대 00 신축 공사 현장에서 발생한 흙을 사용하였으며 물성치는 표 3과 같고, 입도 분포곡선은 그림 1과 같다. 이 흙은 통일분류법에 의해 MI仏로 분류된다.
또한 육가크롬에 대해 반응성이 높은 토사에는 시멘트계의 특수 토용 고화재도 이용되고 있다(하이그레이드소일 연구컨소시엄, 2005). 사용하는 고화재는 기포혼합토의 육가크롬 용출시험이 토양환경기준에 적합한 것을 이용한다 본 연구에서는 고로 시멘트 B종을 사용하였으며 규격 및 성분은 표 4와 같다. 고로 시멘트는 포틀랜드 시멘트보다 분말도가 높아 동일한 수량에서도 작업성이 우수하며 수화열이 낮고, 내구성이 높으며, 화학적 저항성이 크고, 장기강도가 우수하며, 투수가 적은 특징이 있다.
시료는 직경 5cm, 높이 10cm로 제작된 공시체를 양생 28일 후 탈형하여 사용하였다. 포화는 먼저 공시체에 C6를 10 분정도 통과시킨 후, 공시체에 물을 공급하고 백압(Back pressure)을 이용하여 공시체를 포화시켰다.
한다. 이를 위해 경상남도 OO현장에 시공된 경량기포혼합토 성토체에 사용된 시료를 공시체로 이용하였다.
성능/효과
(1) 사진을 통한 미세 구조 분석 결과, 경량기포혼합토내의 기포는 다양한 크기로 존재하며, 위치별 기포의 분포는 거의 일정한 것으로 밝-혀졌다. 또한 기포 안에 아주 많은 미세한 공극들이 존재하여 물에 의해 경량기포혼합토가 포화상태에 가까이 도달될 수 있음을 예측할 수 있다.
(2) 일축압축강도 시험 결과, 물에 의한 극한강도 값의 변화는 없으나 응력-변형 거동에는 영향을 주는 것으로 나타났다. 이것은 경량기포혼합토 내의 다양한 크기의 간극들이 존재하기 때문으로 사료된다.
(3) 경량기포혼합토의 투수계수는 평균 4.857xl(y6cm/sec 로 점토보다는 약간 크고, 보통 콘크리트보다는 매우 큰 값을 가진다는 것을 알 수 있다. 경량 기포혼합토의 모관상승 경향은 초기에 가파르게 상승이 진행되다가 시간의 경과에 따라 상승속도가 점진적으로 완만하게 진행됨을 알 수 있다.
경량 기포혼합토는 건조과정에서 원료토에 포함된 점토의 영향으로 균열이 밭생하며, 기포의 크기와 빈도는 거의 일정한 것으로 내타났다.
공시체에 대한 일축압축시험 결과 목표 강도인 500kPa에 만족하는 것으로 나타났다. 물에 의한 압축강도의 영향을 알아보기 위해 28일 양생 후 탈형한 시료를 2 일간수침 시킨 후 일축압축시험을 실시하였다.
경량 기포혼합토의 시간 경과에 따른 모관상승고는 그림 10과 같다. 관찰 10시간 경과 후 높이 10cm의 공시체의 끝까지 상승하는 것으로 나타났다. 이것은 그림 7에서 볼 수 있는 바와 같이 경량기포혼합토 내에 미세한 공극이 존재하기 때문으로 판단된다.
분포는 거의 일정한 것으로 밝-혀졌다. 또한 기포 안에 아주 많은 미세한 공극들이 존재하여 물에 의해 경량기포혼합토가 포화상태에 가까이 도달될 수 있음을 예측할 수 있다. 본 연구에 사용된 공시체는 약 40%의 간극률을 가진 것으로 이미지 분석을 통해 산정되었다.
플로우값은 크기 350><350mm 유리판위에 안지름8Qmm, 높이 80mm인 아크릴 원통을 세운 후 경량기포혼합토를 상부까지 붓고 남은 윗부분은 수평하게 제거하고 원통을 살며시 들어 올려 1분 후에 시료가 퍼진 4방향에 대해 등간격으로 측정한 길이의 평균값을 의미한다(KS F 4039:2004). 일축 압축강도는 시멘트의 양과 양생일의 증가에 따라 강도가 증가하는 것으로 나타났다. 이 결과를 이용하여 표 5와 같은 최종 배합표를 결정하였다.
잔류강도의 크기는 수침시킨 공시체의 강도가 그렇지 않은 공시체보다 작게 나타났고, 수침시킨 공시체에는 낮은 변형 단계에서 극한강도에 다다름을 알 수 있다. 즉 결론적으로 물에 의한 강도 값에는 영향^ 없으나 응력-변형거동에는 영향이 있음을 알 수 있다.
후속연구
이러한 경량 기포혼합토의 모관상승은 곧 재료의 단위중량 증가를 유발하므로 경량기포혼합토 공법의 설계 및 유지.관리 시에 각별한 주의가 요구되며, 또한 최종 모관상승고를 파악하기 위한 추가적인 실험이 필요할 것으로 판단된다.
모관상승에 의한 단위 중량의 변화는 지반의 거동을 유발할 수 있으므로 이에 대한 대비가 설계와 유지.관리에서 측면에서 각별히 요구되며, 또한 경량기포혼합토의 최종 모관상승고를 파악하기 위해서는 추가적인 실험이 필요할 것으로 판단된다.
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