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문제 정의
- 본 연구의 최종 목표는 폐기되고 있는 준설토를 이용하여 경량혼합토를 만들며, 이를 이용하여 도로포장 노상층의 건설재료로 사용 가능한지를 역학적으로 규명하는 것이다. 최종 목표를 달성하기 위하여 점토질 준설토를 이용하여 경량혼합토를 제조하였으며, 제조한 경량혼합토 샘플에 대한 일축합축시험과 회복탄성계수시험을 실시하였다.
제안 방법
- 경량혼합토의 회복탄성계수 시험은 흙과 자갈의 회복탄성계수 표준시험법인 AASHTO T307 방법에 의해 이루어졌다. 10cm 직경과 20cm 높이를 가진 샘플의 경량혼합토를 이용하여 회복탄성계수를 시험하였다(Kim and Siddiki, 2006). Fig.
- 배윤식 및 윤길림(2010)등의 경량혼합토의 연구자료에 의하면 배합토의 원중량, 함수비, 고화재로 사용하는 시멘트량 등과 일축압축강도를 비교하여 최적 배합설계를 결정하였다. 강도발현을 위하여 폐타이어와 왕겨를 첨가하였으며, 왕겨는 3%일 때 최대강도를 나타내었고 폐타이어는 6%일 때 최대강도를 나타내었다. 김준영(2011) 등은 송도지역의 실트질 점성토에 대하여 배합 합수비, 개량재 배합비, 양생기간을 변화시키며 시멘트와 생석회로 고화처리하고 일축압축시험 및 평탄재해시험을 통하여 강도특성을 파악하였다.
- 군산 미장지구의 경우 시멘트함량을 슬러리 무게의 5, 10, 15, 20%로 변화하였고 기포제함량을 20, 25, 30%로 변화하여 시료를 제작하였으나 시료제작 후 양생결과 시멘트함량이 5%인 경우와 기포제함량이 30%인 경우는 시료성형 및 강도발현이 어려웠다. 경량혼합토 기포발생을 위하여 기포발생장치를 이용하여 2~3kg/cm2의 압력하에 발포시킨 기포를 평균 5분 이내에 수행함으로서 경량혼합토 공시체 제작에 따른 기포의 소포를 최소화하였다. 시멘트와 기포제의 함량은 Table 3에 요약하였다.
- 경량혼합토를 제작하기 위하여 원지반 흙에 고화제 시멘트를 혼합하여 1.4g/cm2이 되도록 물을 희석하였으며, 기포제를 혼합하여 목표 단위중량을 1.2g/cm가 되도록 하였다. 군산 미장지구의 경우 시멘트함량을 슬러리 무게의 5, 10, 15, 20%로 변화하였고 기포제함량을 20, 25, 30%로 변화하여 시료를 제작하였으나 시료제작 후 양생결과 시멘트함량이 5%인 경우와 기포제함량이 30%인 경우는 시료성형 및 강도발현이 어려웠다.
- 경량혼합토의 회복탄성계수를 층탄성 프로그램의 탄성계수 입력변수로 사용하고 구조해석을 실시하여 아스팔트 층의 맨 아래 층에서의 수평변형률과 노상층의 맨위 층에서의 연직변형률을 이용하여 피로균열 수명과 소성변형 수명을 각각 예측하였다(NCHRP, 2004). 이렇게 역학적인 변형률을 계산한 다음 경험적인 공용성 식에 대입하여 공용성을 구하는 포장 해석방법을 역학-경험적 포장 설계법(Mechanistic-Empirical Pavement Design) 이라고 한다.
- 0cm인 PVC 몰드를 제작하였다. 그리고 PVC 몰드 하부의 밀봉을 위하여 가로와 세로 10cm의 아크릴판을 준비하여 몰드 하부와 아크릴 사이를 접착제를 사용하여 수밀성 있게 고정하였다. 이때 몰드 내면은 경량기포혼합토가 양생되면서 부착되는 것을 방지하기 위하여 그리스(grease)를 얇게 도포하였으며, 양생 후 몰드에서 분리할 때 공시체가 교란되는 것을 방지하기 위하여 분리가 가능한 몰드를 제작하여 사용하였다.
- Jo(2012) 등은 경량혼합토를 이용하여 구조물 뒤채움재 재료개발을 하고자 하였다. 모래성질의 주문진 표준사에 기포와 시멘트를 혼합하여 강도시험을 수행하였다. 함수비가 25%일 때 가장 강한 압축강도와 전단강도가 나타나는 것을 알 수 있었다.
- 본 연구에서는 전라북도 새만금지역 내부 개발로 인해 이용이 편리한 준설토를 이용하여 경량혼합토를 개발하였으며, 일축압축시험을 통하여 7일 및 28일 강도를 각각 측정하였다. 일축압축시험의 응력변형률(stress-strain) 관계로부터 탄성계수를 산정하였으며, 이를 이용하여 역학경험적 포장 설계법(Mechanistic Empirical Pavement Design)에 적용하여 노상층으로서의 사용성 평가를 수행하였다.
- 그리고 PVC 몰드 하부의 밀봉을 위하여 가로와 세로 10cm의 아크릴판을 준비하여 몰드 하부와 아크릴 사이를 접착제를 사용하여 수밀성 있게 고정하였다. 이때 몰드 내면은 경량기포혼합토가 양생되면서 부착되는 것을 방지하기 위하여 그리스(grease)를 얇게 도포하였으며, 양생 후 몰드에서 분리할 때 공시체가 교란되는 것을 방지하기 위하여 분리가 가능한 몰드를 제작하여 사용하였다.
- 김준영(2011) 등은 송도지역의 실트질 점성토에 대하여 배합 합수비, 개량재 배합비, 양생기간을 변화시키며 시멘트와 생석회로 고화처리하고 일축압축시험 및 평탄재해시험을 통하여 강도특성을 파악하였다. 일축압축시험과 평판재하시험은 매우 관련성이 크게 나타났으며 이를 바탕으로 개량토를 매립지 표토층으로 이용하였을 경우 건설장비의 주행성을 평가하였다. Jo(2012) 등은 경량혼합토를 이용하여 구조물 뒤채움재 재료개발을 하고자 하였다.
- 군산 및 새만금지역에서 채취한 준설토 시료를 사용하여 기본 물성시험을 실시하였다. 채취한 준설토의 기본적 물리특성을 파악하기 위하여 비중시험, 액성한계시험, 소성한계시험, 함수비시험 등을 실시하였으며 그 결과는 Table 1 에 나타내었다.
- 본 연구의 최종 목표는 폐기되고 있는 준설토를 이용하여 경량혼합토를 만들며, 이를 이용하여 도로포장 노상층의 건설재료로 사용 가능한지를 역학적으로 규명하는 것이다. 최종 목표를 달성하기 위하여 점토질 준설토를 이용하여 경량혼합토를 제조하였으며, 제조한 경량혼합토 샘플에 대한 일축합축시험과 회복탄성계수시험을 실시하였다. 측정한 회복탄성계수를 이용하여 역학-경험적 포장 분석을 실시하였으며, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 최종 목표를 달성하기 위하여 점토질 준설토를 이용하여 경량혼합토를 제조하였으며, 제조한 경량혼합토 샘플에 대한 일축합축시험과 회복탄성계수시험을 실시하였다. 측정한 회복탄성계수를 이용하여 역학-경험적 포장 분석을 실시하였으며, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 기포제는 동물성, 식물성, 합성유계가 등이 있으며, 계면활성작용을 이용하여 물리적으로 기포를 혼합한 것인데 환경친화적인 식물성 기포제를 사용하였다. 혼합토에 균일하게 기포가 분포할 수 있도록 군산대학교에서 개발 및 제작한 기포기를 이용하여 사전에 발포시킨 후, 혼합하는 방법을 적용하였다. 그리고 기포제와 물의 비율을 1:20, 공기압은 2~3kg/cm2 하에 발포시킨 기포를 사용하였다.
대상 데이터
- 경량혼합토의 일축압축시험을 위한 공시체 제작을 위하여 직경 5.0cm, 높이 12.0cm인 PVC 몰드를 제작하였다. 그리고 PVC 몰드 하부의 밀봉을 위하여 가로와 세로 10cm의 아크릴판을 준비하여 몰드 하부와 아크릴 사이를 접착제를 사용하여 수밀성 있게 고정하였다.
- 군산 및 새만금지역에서 채취한 준설토 시료를 사용하여 기본 물성시험을 실시하였다. 채취한 준설토의 기본적 물리특성을 파악하기 위하여 비중시험, 액성한계시험, 소성한계시험, 함수비시험 등을 실시하였으며 그 결과는 Table 1 에 나타내었다.
- 일본의 Watabe 박사 등은 최근 도쿄 하네다 공항 활주로 건설에 점성질 준설토를 이용한 경량혼합토를 사용하였다. 점성 준설토에 시멘트와 기포재를 혼합하여 경량혼합토를 개발하여 해양구조물 건설에 사용하였다. 경량기포혼합토의 전단강도와 밀도가 해양구조물 설계규정을 만족하였다.
이론/모형
- 경량혼합토의 회복탄성계수 시험은 흙과 자갈의 회복탄성계수 표준시험법인 AASHTO T307 방법에 의해 이루어졌다. 10cm 직경과 20cm 높이를 가진 샘플의 경량혼합토를 이용하여 회복탄성계수를 시험하였다(Kim and Siddiki, 2006).
- 본 연구에는 경량혼합토를 성형하기 위하여 기포제가 사용되었다. 기포제는 동물성, 식물성, 합성유계가 등이 있으며, 계면활성작용을 이용하여 물리적으로 기포를 혼합한 것인데 환경친화적인 식물성 기포제를 사용하였다.
- 일축압축강도를 위한 실내시험은 KS F 2314(2011)의 기준에 따라 수행하였다. 실내시험에서는 미리 계획된 배합조건에 따라 제작한 공시체를 재하판 사이에 설치한 후, 매분 1%의 압축변형이 발생하도록 연속적으로 재하를 작동하였다.
- 본 연구에서는 전라북도 새만금지역 내부 개발로 인해 이용이 편리한 준설토를 이용하여 경량혼합토를 개발하였으며, 일축압축시험을 통하여 7일 및 28일 강도를 각각 측정하였다. 일축압축시험의 응력변형률(stress-strain) 관계로부터 탄성계수를 산정하였으며, 이를 이용하여 역학경험적 포장 설계법(Mechanistic Empirical Pavement Design)에 적용하여 노상층으로서의 사용성 평가를 수행하였다.
성능/효과
- 1. 일축압축시험결과 시멘트량이 증가할 수 록 경량혼합토의 강도는 증가하였으며, 기포제량이 증가할수록 강도는 감소하는 경향을 나타냈다.
- 2. 할선탄성계수를 산정한 결과 경향은 일축압축시험과 유사하였으나 7일과 28일 사이의 비교적 큰 차이를 보였다.
- 경량혼합토의 밀도는 PSPP함량 조절로 효율적으로 조정할 수 있음을 알 수 있었다. 2~6%의 PSPP 사용으로 밀도는 약 700~1,100kg/m3 정도로 효율적으로 감소시킬 수 있었다. 시멘트량을 10~15% 사용하였을 시 경량혼합토의 압축강도와 강성이 크게 증가하는 것으로 나타났다.
- 3. 회복탄성계수시험 분석결과 일축압축시험결과와 유사하게 회복탄성계수는 시멘트량이 증가할수록 증가하였으며, 기포제량이 증가할수록 감소하였다.
- 4. 경량혼합토를 노상층으로 사용하여 역학-경험적 분석을 한 결과 시멘트함량이 15% 이상이고 기포제함량이 20% 미만일 경우 소성변형수명을 만족하는 것으로 나타났다.
- 점성 준설토에 시멘트와 기포재를 혼합하여 경량혼합토를 개발하여 해양구조물 건설에 사용하였다. 경량기포혼합토의 전단강도와 밀도가 해양구조물 설계규정을 만족하였다. Liu(2006)등은 polystyrene pre-puff(PSPP) 구슬과 시멘트 함량 비율이 경량혼합토의 압축강도와 변형특성 등 역학적 성질에 미치는 영향을 분석하였다.
- 함수비가 25%일 때 가장 강한 압축강도와 전단강도가 나타나는 것을 알 수 있었다. 경량혼합토의 밀도, 수직변형, 압축 및 전단강도, 전단탄성계수, 정지토압계수 등을 비교한 결과 뒤채움재로 매우 우수한 것으로 나타났다.
- Liu(2006)등은 polystyrene pre-puff(PSPP) 구슬과 시멘트 함량 비율이 경량혼합토의 압축강도와 변형특성 등 역학적 성질에 미치는 영향을 분석하였다. 경량혼합토의 밀도는 PSPP함량 조절로 효율적으로 조정할 수 있음을 알 수 있었다. 2~6%의 PSPP 사용으로 밀도는 약 700~1,100kg/m3 정도로 효율적으로 감소시킬 수 있었다.
- 그들의 연구에 의하면 도쿄만에 퇴적되어 있는 점성질 준설토에 EPS와 시멘트를 혼합한 후 공학적인 성질을 측정하였다. 공학적 성질을 측정한 결과 경량혼합토가 건설재료로 적합하다는 결론을 내렸다. 일본의 Watabe 박사 등은 최근 도쿄 하네다 공항 활주로 건설에 점성질 준설토를 이용한 경량혼합토를 사용하였다.
- 군산 미장지구에서 채취한 연약지반에 대하여 재령기간 7일 및 28일 후의 경량혼합토의 응력-변형거동을 나타내고 있다. 그림에서 일축압축강도는 기포제함량이 감소할수록 시멘트 함유량이 많을수록 강도는 크게 나타나는 것을 보여주고 있고 시멘트 함유량이 15와 20% 일 때 뚜렷한 파괴양상을 보여주나 시멘트 함유량이 10%일 때는 최고점을 찾아보기가 어려우며 완만하게 파괴되는 것으로 나타났다. 이러한 취성파괴거동은 시멘트 함유량이 클수록 현저함을 보이고 있다.
- 이러한 취성파괴거동은 시멘트 함유량이 클수록 현저함을 보이고 있다. 기포제 25%의 경우 20%에 비교하여 강도가 감소하였으며 뚜렷한 peak점이 없이 파괴하는 것으로 나타났으며, 파괴변형률이 크게 감소하는 것으로 나타났다. 28일 강도의 경우 예측한대로 7일강도보다 증가하였으며, 기포제 함량에 무관하게 뚜렷한 파괴양상을 보였다.
- 4는 할선탄성계수를 각각 나타내었다. 기포제 함량이 각각 20과 25%에 대한 경량혼합토의 시멘트 함유량의 변화에 따른 할선탄성계수를 나타내었으며, 시멘트 함유량이 증가하면서 할선탄성계수의 크기도 증가함을 보여주고 있다. 일축압축강도의 경우 7일과 28일을 비교하였을 때 그 증가량이 미비하였으나 할선탄성계수의 경우 비교적 큰 차이가 남을 알 수 있었다.
- 수치해석 모델링을 통하여 일반적으로 사용하는 생석회 고화토와 같은 제방재료로서의 성능을 보이는 것으로 나타났다. 또한 강바닥의 축척된 폐기준설토를 이용함으로써 경제적으로나 환경적으로 매우 좋은 것으로 나타났다.
- Wang과 Miao는 시멘트로 처리한 양자강 모래와 EPS를 사용하여 제방재료로서의 적합성을 평가하였다. 수치해석 모델링을 통하여 일반적으로 사용하는 생석회 고화토와 같은 제방재료로서의 성능을 보이는 것으로 나타났다. 또한 강바닥의 축척된 폐기준설토를 이용함으로써 경제적으로나 환경적으로 매우 좋은 것으로 나타났다.
- 1은 군산 미장지구에서 채취한 준설토로 제작한 경량혼합토(기포제 20%)의 일축압축강도에 미치는 시멘트 함유량의 영향을 나타내고 있다. 시멘트 함유량이 증가할수록 일축압축강도는 증가함을 알 수 있다. 재령기간 7일에 대한 경량혼합토는 시멘트 함유량이 10에서 15, 20%까지 증가함에 따라, 129에서 230, 289kPa로 약 1.
- 2~6%의 PSPP 사용으로 밀도는 약 700~1,100kg/m3 정도로 효율적으로 감소시킬 수 있었다. 시멘트량을 10~15% 사용하였을 시 경량혼합토의 압축강도와 강성이 크게 증가하는 것으로 나타났다. Wang과 Miao는 시멘트로 처리한 양자강 모래와 EPS를 사용하여 제방재료로서의 적합성을 평가하였다.
- Table 4의 하중 구성조건을 이용하여 회복탄성계수시험을 수행하였으며, 분석결과를 Table 5에 나타내었다. 시멘트량이 증가할수록 회복탄성계수는 증가하였으며, 기포제량이 증가할수록 회복탄성계수는 감소하였다. 이는 일축압축시험과 매우 유사한 결과를 보여준다.
- 위의 결론을 바탕으로 준설토를 재활용한 경량혼합토는 도로포장 노상층으로 사용가능하다고 판단된다.
- 2는 기포제가 25%일 경우 경량혼합토의 일축압축강도에 미치는 시멘트 함유량의 영향을 나타내고 있다. 재령기간 7일에 대한 경량혼합토는 시멘트 함유량이 10에서 15, 20%까지 각각 증가함에 따라, 101에서 177, 210kPa로 약 2.1배의 일축압축강도 증가를 보이고 있으며, 재령기간 28일의 경우, 시멘트 함유량이 10에서 15, 20%까지 각각 증가함에 따라, 128에서 189, 226kPa로 약 1.8배의 일축압축강도 증가를 보이며, 이는 재령기간 7일의 경우보다 강도 증가율이 감소함을 알 수 있다.
- 모래성질의 주문진 표준사에 기포와 시멘트를 혼합하여 강도시험을 수행하였다. 함수비가 25%일 때 가장 강한 압축강도와 전단강도가 나타나는 것을 알 수 있었다. 경량혼합토의 밀도, 수직변형, 압축 및 전단강도, 전단탄성계수, 정지토압계수 등을 비교한 결과 뒤채움재로 매우 우수한 것으로 나타났다.
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