본 연구에서는 보통 포틀랜드 시멘트 OPC(Ordinary Portland Cement)와 MIS(Micro-Injection Process System) 공법에서 사용하고 있는 마이크로 시멘트의 지반 침투성능을 평가하기 위해 실내모형시험을 수행하였다. 이를 위해 그라우트 주입을 일정한 방법으로 재현할 수 있는 가압침투주입장치를 제작하였으며 공시체 제작방법을 마련하였다. 물시멘트비를 5:1에서 1:1까지 변화하여 주입시험을 수행한 결과 물시멘트비가 증가함에 따라 침투성능이 선형적으로 증가하였으며 주입성능을 비교하면 상대적으로 비표면적이 큰 MIS가 OPC보다 동일한 배합비에서 침투성능이 우수한 것으로 나타났다. 특히 물시멘트비가 2:1~1:1의 부배합에서 OPC의 침투성능이 매우 낮은 것으로 관찰되었다. 또한 침투량과 주입시간과의 관계곡선을 hyperbolic으로 모델링하여 예측치를 산정하고 이를 측정치와 비교한 결과 그라우트 성능평가에 대한 hyperbolic 모델의 잠재력이 검증되었다.
본 연구에서는 보통 포틀랜드 시멘트 OPC(Ordinary Portland Cement)와 MIS(Micro-Injection Process System) 공법에서 사용하고 있는 마이크로 시멘트의 지반 침투성능을 평가하기 위해 실내모형시험을 수행하였다. 이를 위해 그라우트 주입을 일정한 방법으로 재현할 수 있는 가압침투주입장치를 제작하였으며 공시체 제작방법을 마련하였다. 물시멘트비를 5:1에서 1:1까지 변화하여 주입시험을 수행한 결과 물시멘트비가 증가함에 따라 침투성능이 선형적으로 증가하였으며 주입성능을 비교하면 상대적으로 비표면적이 큰 MIS가 OPC보다 동일한 배합비에서 침투성능이 우수한 것으로 나타났다. 특히 물시멘트비가 2:1~1:1의 부배합에서 OPC의 침투성능이 매우 낮은 것으로 관찰되었다. 또한 침투량과 주입시간과의 관계곡선을 hyperbolic으로 모델링하여 예측치를 산정하고 이를 측정치와 비교한 결과 그라우트 성능평가에 대한 hyperbolic 모델의 잠재력이 검증되었다.
In this paper, a laboratory model test was conducted to evaluate grouting efficiency of ordinary portland cement(OPC) and micro cement used in MIS(Micro-Injection Process System). For this research, a injection equipment was developed for pressure permeation which can evenly simulate various groutin...
In this paper, a laboratory model test was conducted to evaluate grouting efficiency of ordinary portland cement(OPC) and micro cement used in MIS(Micro-Injection Process System). For this research, a injection equipment was developed for pressure permeation which can evenly simulate various grouting tests in a laboratory and suggested a standard for the production of the test specimen. Using the injection device, the laboratory injection tests of grouts were prepared with water/cement ratio of 1:1, 2:1, 3:1, 4:1, and 5:1. The analysis of injection test for pressure permeation showed that the efficiency of injection increases linearly as the water/cement ratio increases. Comparison of efficiency of the injection indicates that MIS with a relatively smaller average diameter shows more efficient injection than the OPC. In the low ratio of water/cement as 2:1~1:1, the injection efficiency of OPC was especially poor. Also, a nonlinear grout volume-injection time is represented by a hyperbolic model and grout volume predicted by hyperbolic model was compared with the value measured. From the comparison, it shows that the hyperbolic model has the potential of evaluating the efficiency of grouting.
In this paper, a laboratory model test was conducted to evaluate grouting efficiency of ordinary portland cement(OPC) and micro cement used in MIS(Micro-Injection Process System). For this research, a injection equipment was developed for pressure permeation which can evenly simulate various grouting tests in a laboratory and suggested a standard for the production of the test specimen. Using the injection device, the laboratory injection tests of grouts were prepared with water/cement ratio of 1:1, 2:1, 3:1, 4:1, and 5:1. The analysis of injection test for pressure permeation showed that the efficiency of injection increases linearly as the water/cement ratio increases. Comparison of efficiency of the injection indicates that MIS with a relatively smaller average diameter shows more efficient injection than the OPC. In the low ratio of water/cement as 2:1~1:1, the injection efficiency of OPC was especially poor. Also, a nonlinear grout volume-injection time is represented by a hyperbolic model and grout volume predicted by hyperbolic model was compared with the value measured. From the comparison, it shows that the hyperbolic model has the potential of evaluating the efficiency of grouting.
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제안 방법
그라우트의 주입압력은 일본 토질공학회에서 사용하고 있는 0.5 kg/cm2을 적용하였으며 그라우트의 주입시간은 믹서의 용량 및 공시체의 규격을 고려하여 최대 60초로 규정하였다.
따라서 본 연구는 실내에서 시멘트 그라우트를 간단하고 쉽게 주입할 수 있을 뿐만 아니라 침투결과를 직접 확인할 수 있는 가압침투시험 장치를 자체 개발하였고 공시체의 표준적인 제작방법과 적정 배합비 기준을 마련하였으며, 보통포틀랜드 시멘트(OPC)와 마이크로 시멘트인 MIS(Micro-Injection Process System) 시멘트의 물시멘트비를 변화시켜 가압침투시험을 실시하였다. 또한 시험결과를 분석하여 배합비, 경과시간 및 침투유량에 대한 모델을 제안하여 예측치를 산정하고 이를 실측치와 비교·검증함으로써 OPC와 MIS의 배합비별 침투유량 산정 및 성능 비교를 가능하게 하였다.
또한 시험결과를 분석하여 배합비, 경과시간 및 침투유량에 대한 모델을 제안하여 예측치를 산정하고 이를 실측치와 비교·검증함으로써 OPC와 MIS의 배합비별 침투유량 산정 및 성능 비교를 가능하게 하였다.
시멘트 그라우트를 실내에서 간편하고 쉽게 주입할 수 있는 실내모형침투주입장치를 개발하여 OPC와 MIS의 지반 침투성능을 비교하였으며, 실내시험결과를 이용하여 주입시간과 침투량의 관계를 수치 모델링한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
시멘트 그라우트의 유동성은 동일한 배합비라도 배합 믹서에 따라 약간의 차이가 있으므로 일정한 배합이 이루어지도록 믹서의 크기와 교반축의 회전속도를 규정할 필요가 있다. 실내에서 사용하고 있는 믹서의 용량에 알맞게 배합량을 조정하였으며, 회전속도를 1,500 rpm으로 일정하게 유지하여 매회 동일한 배합이 이루어지도록 하였다.
그동안 국내 댐 및 제방의 보수·보강 공사의 경우 1:1에서 5:1의 범위의 물시멘트가 보편적으로 적용하였으며 코어의 침투그라우팅에서 2:1의 배합비가 가장 많이 사용되었다. 이러한 근거를 바탕으로 가압침투주입에서는 5:1에서 1:1까지의 물시멘트비를 선정하였다. 시멘트 그라우트의 유동성은 동일한 배합비라도 배합 믹서에 따라 약간의 차이가 있으므로 일정한 배합이 이루어지도록 믹서의 크기와 교반축의 회전속도를 규정할 필요가 있다.
대상 데이터
따라서 시험의 용이성과 편리성을 위해 주문진 표준사 대신 규사 6호를 사용하였다. 표준사와 비교할 때 전반적으로 침투성능이 개선되었으나 부배합에서는 침투가 잘 이루어 지지 않았다.
때문에 시료를 채취하여 실제 지반의 상태에 가까워지도록 다지는 것이 중요하다. 실내 주입시험에서 가능한 한 높은 침투성능을 발휘하기 위해 시멘트의 종류와 그 배합조건 등을 선정할 경우에는 공시체의 제작을 용이하게 하여 시험결과의 재현성을 좋게 할 필요가 있으며 공시체 제작을 위한 몰드는 폭 150 mm, 높이 170 mm의 규격으로 제작하였다.
#30체를 통과하고 #140체에 잔류한 규사 6호를 가지고 3층으로 나누어 진동다짐으로 시료를 성형한 결과 시멘트 그라우트가 원활하게 주입되었다. 필터재료로는 #10체를 통과하고 #30체에 잔류한 규사 3호를 사용하였다. 규사 6호의 비중 및 공시체의 건조단위중량 및 간극률은 다음과 같다.
이론/모형
공시체를 원래 지반의 상태 그대로 성형하는데 상당한 어려움이 따른다. 국내에는 아직 시멘트 그라우트의 침투주입 시험장치에 대한 기준이 없어 일본의 토질공학회 기준(JSFT 831-1990)을 참고하여 Fig. 1의 개념도와 같이 자체 제작하였다.
성능/효과
2. 배합비 5:1과 4:1의 빈배합에서 MIS 침투량에 대한 OPC의 침투량 비율이 약 2배 정도로 나타났으나, 부배합으로 갈수록 OPC의 침투가 원활하지 못하여 배합비 2:1과 1:1의 부배합에서는 약 7배의 큰 차이를 나타내었다. 이러한 결과는 실제 현장의 OPC 및 MIS 주입실적과 어느 정도 일치하는 것으로 판단된다.
3. 공시체의 투수계수가 AFTE의 정상적용범위에 있으며 AASHTO의 Task Force 보고서의 그라우팅 가능성 평가지수 기준을 만족하여 OPC의 침투가 가능한 것으로 평가되나 모형시험결과 일정 배합비 이하에서 주입이 곤란한 것으로 밝혀져 그라우트의 침투 가능성은 투수계수 및 N값만으로 평가하는 것은 문제가 있으며 배합비를 함께 고려하여 평가할 필요가 있다.
따라서 표준사의 #200체 통과량을 제거하고 입도를 조정하여 시료를 제작한 결과 물시멘트비가 낮은 부배합의 경우에도 시멘트 그라우트가 몰드내의 시료를 짧은 시간에 통과하여 유출되는 현상이 발생하였다. 3회 이상의 시험을 반복 수행한 결과 표준사를 가지고는 시멘트 그라우트 시험을 수행할 수 없을 뿐만 아니라 표준사 정도의 입도 또는 투수계수를 가진 지반에서는 시멘트 그라우트의 주입이 곤란하다는 사실을 알 수 있었다.
4. 현장에서 토질구조물의 보수·보강공사시 일반적으로 OPC를 사용하는 것이 경제적이나, 본 시험결과와 같이 부배합에서 OPC의 침투주입이 곤란하여 주입압력 증가시킬 경우 지반이 할렬현상을 일으키거나 맥상주입의 가능성이 크므로 침투성능이 뛰어난 MIS를 사용하는 것이 안전성 측면에서 유리한 것으로 판단된다.
5. 그라우트 주입시간과 침투량의 관계곡선 모양을 hyperbolic 곡선으로 모델링하여 수치화 하였으며, 실내모형 가압침투시험에 의한 실측치와 수치모델에 의한 예측치를 비교·분석한 결과 극한상태에서는 약간의 차이를 나타내고 있으나, 전반적으로 매우 유사한 결과를 나타냄으로써 침투그라우팅공법 적용시 그라우트 주입성능평가에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
두 시멘트 모두 물시멘트비의 증가에 따라 침투량이 선형적으로 증가하였으며 OPC에 비하여 비표적이 큰 MIS의 침투성능이 월등한 것으로 나타났다. OPC의 경우 부배합인 1:1 및 2:1의 배합비에서 그라우트가 매우 적게 침투되었으며 물시멘트비의 증가에 따라 MIS의 침투량과 차이가 감소되는 현상을 보였다.
9와 같다. 두 시멘트 모두 물시멘트비의 증가에 따라 침투량이 선형적으로 증가하였으며 OPC에 비하여 비표적이 큰 MIS의 침투성능이 월등한 것으로 나타났다. OPC의 경우 부배합인 1:1 및 2:1의 배합비에서 그라우트가 매우 적게 침투되었으며 물시멘트비의 증가에 따라 MIS의 침투량과 차이가 감소되는 현상을 보였다.
이는 표준사에 세립분이 많아 간극이 매우 작고 이들 간극을 시멘트 그라우트가 통과하지 못하였기 때문이다. 따라서 표준사의 #200체 통과량을 제거하고 입도를 조정하여 시료를 제작한 결과 물시멘트비가 낮은 부배합의 경우에도 시멘트 그라우트가 몰드내의 시료를 짧은 시간에 통과하여 유출되는 현상이 발생하였다. 3회 이상의 시험을 반복 수행한 결과 표준사를 가지고는 시멘트 그라우트 시험을 수행할 수 없을 뿐만 아니라 표준사 정도의 입도 또는 투수계수를 가진 지반에서는 시멘트 그라우트의 주입이 곤란하다는 사실을 알 수 있었다.
10에서 보는 바와 같이 배합비 1:1 및 2:1과 같은 부배합에서 약 7배의 침투량 차이를 나타내었으나 배합비 4:1과 5:1의 빈배합에서는 2배 정도의 차이를 보였다. 이러한 결과로 볼 때 배합비 3:1을 경계로 이보다 빈배합일 경우에는 OPC를 사용하는 것이 경제적일 수 있으나 배합비 3:1 이하의 빈배합일 경우 과다한 압력으로 수압할렬이나 맥상주입의 가능성이 크다, 따라서 배합비 3:1 이하의 부배합에서는 MIS를 사용하는 것이 안전성 확보 및 침투성능의 개선에 효과적이다.
후속연구
1. 본 연구에서 제작된 침투주입장치는 실내에서 시멘트 그라우트를 간편하고 효과적으로 주입할 수 있으며, 사전에 보통 포틀랜드 시멘트와 마이크로계 시멘 시트의 침투성능을 비교·평가하여 현장에 적용함으로써 시공성 개선, 경제성 향상, 지질재해 저감 등에 도움이 될 것으로 기대된다.
16에서 보는 바와 같이 배합비가 낮은 경우 예측치와 실측치 사이에 어느 정도 차이가 있으나 부배합으로 갈수록 차이가 감소하는 현상을 나타내고 있으며 전반적으로 일치하는 경향을 보이고 있다. 따라서 간편한 실내모형시험과 hyperbolic 모델을 통하여 배합비별 침투량을 예측함으로써 현장에서 시멘트 그라우트 성능을 평가하는데 활용될 것으로 기대된다.
또한 시험결과를 분석하여 배합비, 경과시간 및 침투유량에 대한 모델을 제안하여 예측치를 산정하고 이를 실측치와 비교·검증함으로써 OPC와 MIS의 배합비별 침투유량 산정 및 성능 비교를 가능하게 하였다. 또한 연약지반의 안정처리공법에 사용되는 주입제의 종류, 배합시간 및 배합량에 따라 주변 암석 및 토양에 환경오염을 유발시킬 수 있는 잠재적 오염원이 되기 때문에 이 연구를 통하여 환경오염인자의 저감에도 기여하리라 생각된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
그라우트 주입을 일정한 방법으로 재현할 수 있는 장치는?
본 연구에서는 보통 포틀랜드 시멘트 OPC(Ordinary Portland Cement)와 MIS(Micro-Injection Process System) 공법에서 사용하고 있는 마이크로 시멘트의 지반 침투성능을 평가하기 위해 실내모형시험을 수행하였다. 이를 위해 그라우트 주입을 일정한 방법으로 재현할 수 있는 가압침투주입장치를 제작하였으며 공시체 제작방법을 마련하였다. 물시멘트비를 5:1에서 1:1까지 변화하여 주입시험을 수행한 결과 물시멘트비가 증가함에 따라 침투성능이 선형적으로 증가하였으며 주입성능을 비교하면 상대적으로 비표면적이 큰 MIS가 OPC보다 동일한 배합비에서 침투성능이 우수한 것으로 나타났다.
그라우팅의 어원은?
압력을 이용한 최초의 침투 그라우팅은 프랑스에서 Bérigny(1832)가 처음으로 시도하였다. 현재 사용하고 있는 그라우트의 어원은 여러 가지 주장이 있으나 원래 죽과 비슷한 연경도를 지닌 액체 몰탈의 의미와 “to grout’’라는 동사의 의미를 동시에 가지고 있다(Glossop, 1961; Houlsby, 1992).
물시멘트비를 5:1에서 1:1까지 변화하여 주입시험을 수행한 결과는?
이를 위해 그라우트 주입을 일정한 방법으로 재현할 수 있는 가압침투주입장치를 제작하였으며 공시체 제작방법을 마련하였다. 물시멘트비를 5:1에서 1:1까지 변화하여 주입시험을 수행한 결과 물시멘트비가 증가함에 따라 침투성능이 선형적으로 증가하였으며 주입성능을 비교하면 상대적으로 비표면적이 큰 MIS가 OPC보다 동일한 배합비에서 침투성능이 우수한 것으로 나타났다. 특히 물시멘트비가 2:1~1:1의 부배합에서 OPC의 침투성능이 매우 낮은 것으로 관찰되었다.
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