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문제 정의
- 황중호(2010)는 원료토로 준설토를 사용하는 경량기포혼합토의 단점을 보완하기 위하여 공장에서 생산된 균질한 품질의 모래를 사용하였으며 이를 통해 만들어진 경량기포토를 개발하였다. 기초적인 연구로 균질한 품질의 경량기포토의 압축특성을 검토하였다. 연구 대상은 모래가 전혀 포함되지 않은 경량기포토와 품질이 균질한 모래를 포함한 경량기포토에 대해 시험이 실시되었다.
- 하지만 경량기포토의 현장타설 직후 양생온도에 의한 관련된 연구는 매우 미비한 상태이다. 따라서 본 연구에서는 경량기포토의 양생온도에 따른 일축압축강도의 변화와 양생온도에 따른 단위중량별 특성 변화를 검토하여 적합한 양생온도 관리기준을 제시하였다.
- 단위체적당 40%～60%에 달하는 기포군으로 인하여 양생초기의 온도변화에 따라 기포의 수축, 팽창 및 소포에 의한 체적변화와 강도변화를 유발할 수 있다. 따라서 소포량 관찰시험이 계획되었다. 소포량 관찰시험은 단위중량별 각각의 양생온도에서 28일 동안 등온양생을 실시하여 공시체의 체적변화량을 확인하고 SEM 촬영을 통한 기포의 형태 변화를 같이 관찰 하였다.
- 이영준(2011)은 경량기포토가 기존 구조물에 인접해서 시공되는 경우 진동의 영향을 받는 경우가 종종 발생되고 있는 점에 주목하여 진동장치를 이용한 실험을 실시하였다. 이를 통해 기포슬러리 상태에서 진동속도, 진동시점, 진동지속시간이 경량기포토에 미치는 영향 등에 관한 기초적인 자료를 제시하였다.
- 총 16가지의 재료배합을 설정하였고, 역학적 특성인 압축강도에 대한 분석을 실시하였다. 이를 통해 소요 단위중량에 대한 압축강도 및 변형 특성을 파악하여 최적의 경량기포토에 대한 기초자료를 제시하였다.
제안 방법
- 각 배합비 별로 제작된 공시체에 대하여 계획된 양생 온도로 저온양생과 고온양생을 시작하여 7일과 14일, 그리고 28일 동안 온도를 유지한 시료에 일축압축시험을 실시하였다. 배합조건에 따른 경량기포토의 응력-변형 특성과 단위중량과 일축압축강도와의 관계를 조사하였다.
- 각각의 온도에 대한 양생을 하기 위하여 고온양생기와 저온양생기를 사용하였다. 양생온도가 -5℃~0℃의 저온 시료의 양생에는 저온양생기를 20℃~40℃양생에는 고온양생기를 사용하였다.
- 경량기포토의 단위중량별 각각 온도양생에 의한 경량기포토 공시체의 표면과 내부, 기포의 크기, 배열, 부피를 산정하기 위해 실체현미경과 전자현미경(SEM) 촬영을 통해 획득한 영상을 판독하였다. 각 장비에 대한 구체적인 사양은 표 6과 같다.
- 경량기포토의 양생온도 관리기준은 압축강도와 소포에 따른 침하량 기준을 모두 만족하는 범위를 고려하여 결정하였다. 압축강도에 의한 허용범위 5℃~25℃를 나타나고, 소포에 따른 침하량을 만족하는 허용범위는 8℃~25로 나타났다.
- 공시체는 시멘트와 모래 등의 원료토사와 물을 핸드믹서를 사용하여 혼합한 슬러리와 물로 희석된 기포제를 기포발생장치를 통해 기포를 발생 시킨 후 시멘트 슬러리와 다시 혼합하는 과정으로 제작한다. 발생된 기포는 경량기포토의 강도에 매우 큰 영향을 주므로 기포제에 따라 적절한 압력으로 발포한 후 단위중량을 확인하여야 한다.
- 소포량 측정은 28일 양생이 완료된 후 실시하였고, 소포에 대한 침하량 기준은 양생된 기포콘크리트 규정(주택공사시방서, 2010)에 따라 -6mm 이하를 기준으로 비교 하였다. 공시체의 부풀음에 대한 그 어떤 기준도 마련되어있지 않기 때문에 앞서 압축강도시험에서 경량기포토의 양생온도에 대한 기준으로 제시된 25℃에 대한 교점을 부풀음에 대한 기준으로 하여 비교하였다. 그 기준에 대한 표시는 체적변화 그림의 상, 하단 점선으로 표시하였다(그림 7).
- 표 5의 배합표는 시멘트, 잔골재, 물 및 기포군의 비중에 따른 최적설계를 바탕으로 구성되어 있다. 구체적으로 물의 비중 1을 기준으로 하여 시멘트의 비중 3.15, 잔골재의 비중 2.1, 기포군의 비중 0.04를 고려하여 배합설계를 실시하였으며, 수량은 시멘트-모래비에 따라 다른 비율로 첨가되었다.
- 콘크리트는 온도에 대한 기준으로 서중콘크리트와 한중콘크리트로 나눠 온도에 대한 적정 양생기준을 마련하여 건설현장에 적용하고 있는 반면 경량기포토에 대한 적정양생온도에 대한 기준이 없다. 따라서 서중콘크리트와 한중콘크리트의 온도 범위를 고려하여 시험범위를 -5℃, 0℃, 5℃, 20℃, 40℃로 설정하였다. 외부조건의 영향을 받지 않고 온도에 의한 특성변화만을 규명하고자 28일 동안 일정하게 해당 온도를 유지시켜 양생한 후 시험을 실시하였다.
- 각 배합비 별로 제작된 공시체에 대하여 계획된 양생 온도로 저온양생과 고온양생을 시작하여 7일과 14일, 그리고 28일 동안 온도를 유지한 시료에 일축압축시험을 실시하였다. 배합조건에 따른 경량기포토의 응력-변형 특성과 단위중량과 일축압축강도와의 관계를 조사하였다. 시험 방법은 흙의 일축압축시험방법인 KS F2314에 따라 일축압축시험기를 이용하여 실시하였다.
- 현재 국내에서 사용되는 기포제는 식물성기포제, 동물성기포제, 고분자기포제 등이 있으며 콘크리트의 양생과 장기적인 사용에 악영향을 주지 않는 것을 사용해야 한다. 본 연구에서는 동물성기포제를 사용하였다. 동물성기포제는 단백질계 기포제로서 단백질의 원료로는 동물의 혈액, 유제성분인 카세인, 동물의 뼈, 뿔의 분말인 젤라틴 등이 있다.
- 기포는 소정의 희석비율이 되도록 물로 희석한 기포제를 압축공기와 함께 발포장치에 불어 넣고 소정의 발포비율이 되도록 공기압을 조절하여 제조한다(하이그레이드소일 연구컨소시엄, 2005). 본 연구에서는 실내 실험용 공시체의 제작을 위해 소규모의 기포발생장치를 제작하여 사용하였고, 기포발생장치를 통해 발생된 기포를 시멘트 슬러리에 혼합하는 선기포 방식을 사용하였다.
- 따라서 소포량 관찰시험이 계획되었다. 소포량 관찰시험은 단위중량별 각각의 양생온도에서 28일 동안 등온양생을 실시하여 공시체의 체적변화량을 확인하고 SEM 촬영을 통한 기포의 형태 변화를 같이 관찰 하였다.
- 따라서 서중콘크리트와 한중콘크리트의 온도 범위를 고려하여 시험범위를 -5℃, 0℃, 5℃, 20℃, 40℃로 설정하였다. 외부조건의 영향을 받지 않고 온도에 의한 특성변화만을 규명하고자 28일 동안 일정하게 해당 온도를 유지시켜 양생한 후 시험을 실시하였다. 즉, 온도가 양생 중인 경량기포토에 미치는 영향을 평가하기 위하여 실험변수를 양생온도, 양생시간, 배합비 등으로 나누어 경량기포토의 일축압축강도 및 소포량을 측정하였다.
- 외부조건의 영향을 받지 않고 온도에 의한 특성변화만을 규명하고자 28일 동안 일정하게 해당 온도를 유지시켜 양생한 후 시험을 실시하였다. 즉, 온도가 양생 중인 경량기포토에 미치는 영향을 평가하기 위하여 실험변수를 양생온도, 양생시간, 배합비 등으로 나누어 경량기포토의 일축압축강도 및 소포량을 측정하였다.
- 연구 대상은 모래가 전혀 포함되지 않은 경량기포토와 품질이 균질한 모래를 포함한 경량기포토에 대해 시험이 실시되었다. 총 16가지의 재료배합을 설정하였고, 역학적 특성인 압축강도에 대한 분석을 실시하였다. 이를 통해 소요 단위중량에 대한 압축강도 및 변형 특성을 파악하여 최적의 경량기포토에 대한 기초자료를 제시하였다.
대상 데이터
- 본 시험에 사용된 동물성 기포제는 400～450kPa의 압력으로 발포하였고 기포군의 단위중량은 0.5±0.05kN/m3으로 공시체를 제작하였다.
- 본 연구에서는 KS L 5201의 규정에 적합한 H사 제품인 보통포틀랜드시멘트를 사용하였다. 품질이 비교적 균일한 경량기포토의 제작을 위해 균질하게 생산되는 모래를 사용하였으며, 모래의 물리적 특성은 표 1과 같다.
-
본 연구에서는 황중호(2010)가 경량기포토에 대해 실시한 배합 중에서 3가지를 연구대상으로 선택하였다(표 5). 이들 배합은 현장에서 가장 많이 사용되는 경우에 해당
- 기초적인 연구로 균질한 품질의 경량기포토의 압축특성을 검토하였다. 연구 대상은 모래가 전혀 포함되지 않은 경량기포토와 품질이 균질한 모래를 포함한 경량기포토에 대해 시험이 실시되었다. 총 16가지의 재료배합을 설정하였고, 역학적 특성인 압축강도에 대한 분석을 실시하였다.
- 05kN/m3으로 공시체를 제작하였다. 이 시험에서는 양생온도에 따른 경량기포토 특성에 미치는 영향을 확인하고자 단위중량 6kN/m3, 8kN/m3, 10kN/m3으로 설정된 직경 5cm, 높이 10cm 공시체를 제작하였다.
- 본 연구에서는 KS L 5201의 규정에 적합한 H사 제품인 보통포틀랜드시멘트를 사용하였다. 품질이 비교적 균일한 경량기포토의 제작을 위해 균질하게 생산되는 모래를 사용하였으며, 모래의 물리적 특성은 표 1과 같다.
이론/모형
- 소포량 측정은 28일 양생이 완료된 후 실시하였고, 소포에 대한 침하량 기준은 양생된 기포콘크리트 규정(주택공사시방서, 2010)에 따라 -6mm 이하를 기준으로 비교 하였다. 공시체의 부풀음에 대한 그 어떤 기준도 마련되어있지 않기 때문에 앞서 압축강도시험에서 경량기포토의 양생온도에 대한 기준으로 제시된 25℃에 대한 교점을 부풀음에 대한 기준으로 하여 비교하였다.
- 배합조건에 따른 경량기포토의 응력-변형 특성과 단위중량과 일축압축강도와의 관계를 조사하였다. 시험 방법은 흙의 일축압축시험방법인 KS F2314에 따라 일축압축시험기를 이용하여 실시하였다.
성능/효과
- 단위중량 6, 10kN/m3에서는 그림 4(a),(c)와 같이 저온인 -5℃~5℃ 양생된 공시체는 재령이 증가할수록 압축강도가 증가하여 목표압축강도에 도달함을 관찰할 수 있었다. 단위중량 8 kN/m3에서는 그림 4(b)와 같이 0℃와 5℃에서는 재령에 따른 강도가 꾸준히 증가함을 확인할 수 있었던 반면에 -5℃에서는 재령 14일 이후 강도증가가 둔화됨을 확인할 수 있었다.
- 에서는 그림 4(b)와 같이 0℃와 5℃에서는 재령에 따른 강도가 꾸준히 증가함을 확인할 수 있었던 반면에 -5℃에서는 재령 14일 이후 강도증가가 둔화됨을 확인할 수 있었다. 이에 반해 40℃에서 양생된 모든 단위중량 공시체는 초기재령 7일을 기준으로 압축강도가 재령이 증가할수록 감소하여 목표압축강도에 도달하지 못하였고 가장 적은 압축강도를 나타내었다.
- 각 단위중량 양생온도에 대한 압축강도 변화를 살펴보면, 저온인 -5℃에서의 강도감소율은 기준양생온도인 20℃에 비하여 -3~35%의 비교적 적은 감소율을 확인할 수 있었다. 반면에 고온인 40℃에서의 강도 감소율은 모든 단위중량에서 39~59%에 달하는 높은 강도 감소율을 확인 할 수 있었다.
- 그림 4는 각 단위중량별 양생온도에 대한 양생기간에 따른 일축압축강도 관계를 나타낸 것으로 점선은 목표일축압축강도 1000kPa를 의미한다. 각 단위중량별 재령 28일 압축강도를 확인한 결과 -5, 0, 5, 20℃에서 목표일축압축강도인 1000kPa은 비교적 만족하는 것으로 나타났으며, 고온인 40℃에서 양생된 공시체만 목표일축압축강도를 만족하지 못하였음을 확인하였다.
- 기준치를 만족하지 못하는 저온환경에서의 결과를 살펴보면 5℃에서는 단위중량이 10kN/m3인 공시체만이 침하량을 만족하였고, 0℃에서는 비교적 소포에 따른 침하량 기준치를 미미하게 만족하는 경향을 확인할 수 있었다. 반면 -5℃에서는 모든 공시체가 많은 소포량이 발생하여 기준치에 못 미치는 결과를 확인하였다.
- 의 공시체에서의 체적변화가 가장 많이 일어나고, 8℃이상에서 설정된 기준 값을 모두 만족하였다. 단위중량 10kN/m3는 비교적 적은 체적변화를 나타내고, 5℃이상에서 소포량 기준을 만족함을 보였다. 아울러 저온에서는 다소 많은 소포량으로 인해 침하량이 많이 나타남을 확인하였고, 고온 일 때에는 이와 달리 공시체가 부풀어 오르는 현상을 확인할 수 있었다.
- 단위중량별 소포량을 살펴보면 그림 7에서 6kN/m3,8kN/m3, 10kN/m3은 각각 8℃, 6.5℃, 5℃에서 소포에 의한 침하량의 기준 값인 -6.0mm를 만족하였고, 20℃를 넘어서면서 팽창에 따른 외형변화가 나타남을 확인 할 수 있었다.
- 동물성기포제는 그림 2에서 보는 바와 같이 기포의 형태가 식물성기포제인 그림 1에 비하여 균질한 기포상태를 유지하고 있으며, 각각의 기포는 독립형태를 유지하고 식물성기포제에 비하여 경량기포토 적용시 안정적인 골격을 유지하여 보다 더 효율적으로 압축강도를 발휘할 수 있을 것으로 보인다. 본 연구에서 사용된 H사의 동물성단백질계 기포제는 동물의 잔재물인 뿔, 발톱, 털 등을 가수분해한 후 단백질을 추출하여 제조한 제품으로 친환경적인 기포제로 물리적 특성은 표 3과 같고 납, 카드뮴, 수은 등의 중금속 검출시험 결과 모든 중금속이 불검출 되어 환경에도 무해함을 알 수 있다(표 4).
- 각 단위중량 양생온도에 대한 압축강도 변화를 살펴보면, 저온인 -5℃에서의 강도감소율은 기준양생온도인 20℃에 비하여 -3~35%의 비교적 적은 감소율을 확인할 수 있었다. 반면에 고온인 40℃에서의 강도 감소율은 모든 단위중량에서 39~59%에 달하는 높은 강도 감소율을 확인 할 수 있었다.
- 동물성기포제는 그림 2에서 보는 바와 같이 기포의 형태가 식물성기포제인 그림 1에 비하여 균질한 기포상태를 유지하고 있으며, 각각의 기포는 독립형태를 유지하고 식물성기포제에 비하여 경량기포토 적용시 안정적인 골격을 유지하여 보다 더 효율적으로 압축강도를 발휘할 수 있을 것으로 보인다. 본 연구에서 사용된 H사의 동물성단백질계 기포제는 동물의 잔재물인 뿔, 발톱, 털 등을 가수분해한 후 단백질을 추출하여 제조한 제품으로 친환경적인 기포제로 물리적 특성은 표 3과 같고 납, 카드뮴, 수은 등의 중금속 검출시험 결과 모든 중금속이 불검출 되어 환경에도 무해함을 알 수 있다(표 4).
- 단위중량 10kN/m3는 비교적 적은 체적변화를 나타내고, 5℃이상에서 소포량 기준을 만족함을 보였다. 아울러 저온에서는 다소 많은 소포량으로 인해 침하량이 많이 나타남을 확인하였고, 고온 일 때에는 이와 달리 공시체가 부풀어 오르는 현상을 확인할 수 있었다. 허용침하량을 만족시키는 온도의 허용범위는 8℃~25로 나타났다.
- 압축강도시험에서 제안된 5℃~25℃의 양생온도범위와 소포에 의한 침하량 관찰시험에서 제안된 8℃~25℃를 모두 만족하는 범위인 8℃~25℃의 양생범위를 경량기포토의 가장 적합한 양생범위로 볼 수 있을 것이다.
- 양생온도에 따른 소포량 및 외형변화 시험결과, 각각의 단위중량별 결과를 살펴보면 기포로 인해 간극률이 가장 많은 단위중량 6kN/m3의 공시체에서의 체적변화가 가장 많이 일어나고, 8℃이상에서 설정된 기준 값을 모두 만족하였다. 단위중량 10kN/m3는 비교적 적은 체적변화를 나타내고, 5℃이상에서 소포량 기준을 만족함을 보였다.
- 그러나 그림 5에서 보는바와 같이 -5℃에서 각각의 단위중량별 압축강도를 보면 때론 가장 적합한 양생조건이라고 생각되어지고 있는 20℃의 압축강도 보다 더 높은 강도를 보였다. 이는 현재 정확한 이유를 이번 시험을 통하여 확인할 수는 없었으나 다만 -5℃에서 양생시킨 파괴된 공시체를 확인한 결과 공시체 주변에 물기가 비치는 것을 확인할 수 있었다. 이것은 슬러리 상태인 공시체가 양생온도 -5℃에서 28일 동안 양생됨으로 인해 일부 수분이 동결된 상태에서 압축강도 시험이 이뤄지므로 인하여 이와 같은 결과가 나타나는 것으로 판단된다.
- 고온인 40°C에서 양생시킨 공시체의 경우 그림 6(b)와 같이 공시체가 부풀어 오르는 외형변화를 나타났다. 이때 공시체의 시멘트 함량이 많을수록, 기포의 체적이 많을수록 부풀어 오름이 증가되는 형상을 확인할 수 있었다.
- 이렇듯 저온에서 온도가 증가할수록 강도가 점진적으로 증가함을 볼 수 있었던 반면에 일정 온도를 넘어가면서 부터는 급격한 강도 감소가 진행됨을 확인하였다. 그러나 그림 5에서 보는바와 같이 -5℃에서 각각의 단위중량별 압축강도를 보면 때론 가장 적합한 양생조건이라고 생각되어지고 있는 20℃의 압축강도 보다 더 높은 강도를 보였다.
- 일축압축강도를 볼 때 적정양생온도를 고려하여 시공이 이루어져야하므로 각각의 단위중량별 목표압축강도 값을 모두 만족하는 적정 양생온도로 5℃~25℃의 온도범위가 경량기포토의 가장 좋은 압축강도를 확보할 수 있는 양생온도임을 알 수 있다.
후속연구
- 따라서 본 관찰시험을 통해 얻어진 경량기포토의 양생온도범위는 8℃~25℃임을 제안해 본다. 다만 경량기포토의 특성상 온도와 주변여건에 의한 품질의 변동요소가 많기 때문에 추가적인 시험을 통하여 보다 더 공용화할 수 있는 범위가 설정되어져야 할 것으로 판단된다.
- 연약지반에 구조물을 건설하는 경우 성토하중에 의해 지반의 침하가 발생된다. 만약 기존 구조물에 근접하여 이러한 시공이 이루어진다면 침하발생으로 인한 기존구조물에 큰 피해를 줄 것이다. 연약지반에 성토로 인한 침하량을 최소화함으로써 축조된 기존 도로에 피해가 없이 시공하는 방안으로 경량성토공법이 대안으로 제시되고 있다.
- 이런 결과를 통해 향후 현장에서 이뤄질 경량기포토의 시공에서는 적정 양생온도를 유지하여 시공이 이루어져야 할 것이다. 이때 모든 단위중량에 적용할 수 있는 양생온도로는 5℃~25℃에서의 온도가 경량기포토의 가장 좋은 압축강도를 확보할 수 있는 양생온도로 여겨진다.
- 이때 모든 단위중량에 적용할 수 있는 양생온도로는 5℃~25℃에서의 온도가 경량기포토의 가장 좋은 압축강도를 확보할 수 있는 양생온도로 여겨진다. 이외의 온도에 대해서는 적합한 양생방법을 통하여 상기 온도가 유지될 수 있도록 관리하여야 할 것을 제언해 본다.
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