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문제 정의
- 본 연구에서는 MSG 및 보통시멘트 등 2개의 주입재를 주재료로 하는 주입재료를 사용하여 기존의 내륙이 아닌 화산활동에 의해 형성된 제주도 화산지층에 적용했을 시, 주입효과가 탁월한 동시에 주입재의 강도가 우수하고 영구적인 차수 및 보강에 적합한 재료의 종류 및 배합(급결･완결)을 선정 및 평가하기 위한 실험을 수행하였다. 이를 위해 일축압축강도시험 및 내구성시험과 실내약액주입시험(주입량 결정시험, 주입범위 평가를 위한 모형토조시험) 등의 연구를 진행하였으며, 그 결과는 다음과 같이 요약될 수 있다.
- 본 연구에서는 제시된 주입재 중에서 최적의 주입재와 배합비 결정을 위해 호모겔 시편을 제작하였다.
- 이에 본 연구에서는 지반개량 재료로 물유리계 약액인 규산나트륨과 시멘트를 주원료로 하는 주입재료를 사용하여, 기존의 내륙지반이 아닌 제주도 화산지반에 적용했을 시 주입효과가 탁월한 동시에 주입재의 용탈 현상이 발생하지 않아 영구적인 차수 및 보강에 적합한 재료의 종류 및 배합을 선정 및 평가하고자 한다.
제안 방법
- 일축압축강도시험은 디지털형 만능 재료시험기를 이용하여 KS F 2314의 방법에 의거하여 측정하였다. gel-time은 A액, B액을 각각 200 cc 컵에 50 cc씩 채운 후 연속 좌우 혼합시켜 컵에서 유동성에 정지되는 시간을 측정하여 이것을 주입재(A액+B액)의 gel-time으로 선정하였다.
- 고결체의 일축압축강도시험은 ∅5 cm × 10 cm 원형시편으로 제작하여, 보통시멘트 시료와 MSG 시료에 대해서 gel-time에 따라 각각 완결 타입과 급결 타입으로 나누어서 실시하였다.
- 내구성시험은 직경 5 cm, 높이 10 cm의 공시체를 제작한 뒤 자연해수의 6배(25 gf/l)의 MgCl2 용액 및 자연해수의 10배(25 gf/l)의 MgSO4 용액에 침적시키고 3일, 1주, 2주, 3주, 4주의 길이변화율을 측정하였다(천병식, 2011).
- 시험 시에는 정확도를 위하여 각 케이스별로 3회씩 시험을 반복하였다. 모형지반에 주입재를 주입 한지 48시간 경과 후 구근의 크기 및 장･단반경을 측정하였다. 주입을 위한 시험장치는 주입탱크와 주입관 그리고 주입관에 압력을 가할 수 있는 컴프레셔로 구성되어 있으며, 압력을 일정하게 유지시키기 위한 컨트롤러가 부착되어 있다.
- 시험 시에는 정확도를 위하여 각 케이스별로 3회씩 시험을 반복하였다. 모형지반에 주입재를 주입 한지 48시간 경과 후 구근의 크기 및 장･단반경을 측정하였다. 주입을 위한 시험장치는 주입탱크와 주입관 그리고 주입관에 압력을 가할 수 있는 컴프레셔로 구성되어 있으며, 압력을 일정하게 유지시키기 위한 컨트롤러가 부착되어 있다.
- 본 연구에서는 대상지반에 그라우팅 된 조건에서의 모형 토조시험을 수행하기 위해 먼저 주입량 결정시험을 실시하여 주입량을 결정한 후, 주입압(300 kPa, 500 kPa)을 변화시켜 실험을 실시하였고, 일축압축강도 시험을 통해 결정된 2가지 조건(2가지 주입재의 배합비)에 대해 모형토조 주입시험을 실시하였다. 시험 시에는 정확도를 위하여 각 케이스별로 3회씩 시험을 반복하였다.
- 본 연구에서는 대상지반에 그라우팅 된 조건에서의 모형토조시험을 수행하기 위해 먼저 주입량 결정시험을 실시하여 주입압을 결정하였다. 일축압축강도 시험을 통해 강도가 높이 평가된 2가지 조건(MSG 급결용, 보통시멘트 급결용)에 대하여 2가지 주입압(300 kPa, 500 kPa)에 대해 모형토조 주입시험을 실시하였다.
- 본 연구에서는 대상지반에 그라우팅 된 조건에서의 모형토조시험을 수행하기 위해 먼저 호모겔 시편을 제작하여 일축압축강도시험을 실시하여 주입재료를 결정하였다. 일축압축강도 시험은 MSG와 보통시멘트의 2가지 조건에 급결형, 완결형 조건으로 총 4가지 경우에 대해 시험하였다.
- 본 연구에서는 대상지반에 그라우팅 된 조건에서의 모형 토조시험을 수행하기 위해 먼저 주입량 결정시험을 실시하여 주입량을 결정한 후, 주입압(300 kPa, 500 kPa)을 변화시켜 실험을 실시하였고, 일축압축강도 시험을 통해 결정된 2가지 조건(2가지 주입재의 배합비)에 대해 모형토조 주입시험을 실시하였다. 시험 시에는 정확도를 위하여 각 케이스별로 3회씩 시험을 반복하였다. 모형지반에 주입재를 주입 한지 48시간 경과 후 구근의 크기 및 장･단반경을 측정하였다.
- 본 연구에서는 대상지반에 그라우팅 된 조건에서의 모형토조시험을 수행하기 위해 먼저 호모겔 시편을 제작하여 일축압축강도시험을 실시하여 주입재료를 결정하였다. 일축압축강도 시험은 MSG와 보통시멘트의 2가지 조건에 급결형, 완결형 조건으로 총 4가지 경우에 대해 시험하였다. 그 결과 Table 3에서 볼 수 있듯이 MSG(급결형)가 보통시멘트(급결형)에 비해서 1.
- 본 연구에서는 대상지반에 그라우팅 된 조건에서의 모형토조시험을 수행하기 위해 먼저 주입량 결정시험을 실시하여 주입압을 결정하였다. 일축압축강도 시험을 통해 강도가 높이 평가된 2가지 조건(MSG 급결용, 보통시멘트 급결용)에 대하여 2가지 주입압(300 kPa, 500 kPa)에 대해 모형토조 주입시험을 실시하였다. 주입량 결정시험을 통해 주입량을 결정하고 모형지반을 조성한 후 주입압을 변화시켜 그라우팅을 실시하였으며, 시험 시에는 정확도 향상을 위하여 각 케이스별로 3회씩 시험을 반복하였다.
- 대상지반의 흙의 공학적 특성은 채취된 8개의 Ton Bag 중 대표적인 Ton Bag - A, B, C 3개의 시료를 실험 대상으로 하였다. 입도분포 시험은 채취한 시료를 먼저 노건조시켜 건조된 시료를 사분법에 의해 나누어서 실시하였다. 입도분포 결과는 No.
- 고결체의 일축압축강도시험은 ∅5 cm × 10 cm 원형시편으로 제작하여, 보통시멘트 시료와 MSG 시료에 대해서 gel-time에 따라 각각 완결 타입과 급결 타입으로 나누어서 실시하였다. 재령일 3일, 7일, 14일, 28일간 수침양생한 공시체로 일축압축강도시험을 실시하여 일축압축강도를 산출하였다.
- 일축압축강도 시험을 통해 강도가 높이 평가된 2가지 조건(MSG 급결용, 보통시멘트 급결용)에 대하여 2가지 주입압(300 kPa, 500 kPa)에 대해 모형토조 주입시험을 실시하였다. 주입량 결정시험을 통해 주입량을 결정하고 모형지반을 조성한 후 주입압을 변화시켜 그라우팅을 실시하였으며, 시험 시에는 정확도 향상을 위하여 각 케이스별로 3회씩 시험을 반복하였다. 모형지반에 주입재를 주입한지 48시간 경과 후 구근의 크기 및 장･단반경을 측정하였다.
- 주입량은 규산나트륨과 시멘트 혼탁액의 양을 10, 20, 30, 40 L로 변화시키며 시험을 수행하였고, 시험결과 30 L일 때 구근의 크기나 범위가 가장 크게 형성되어 주입재의 양을 30 L로 결정하였다.
- 본 연구에서는 제시된 주입재 중에서 최적의 주입재와 배합비 결정을 위해 호모겔 시편을 제작하였다. 주입재는 OPC(보통시멘트), MSG(마이크로시멘트)의 2가지 종류로 일축압축강도 시험 및 내구성 시험을 수행하였으며, 각 제시된 주입재별 배합비는 Table 2와 같다.
대상 데이터
- 3 및 Table 1과 같다. 대상지반의 흙의 공학적 특성은 채취된 8개의 Ton Bag 중 대표적인 Ton Bag - A, B, C 3개의 시료를 실험 대상으로 하였다. 입도분포 시험은 채취한 시료를 먼저 노건조시켜 건조된 시료를 사분법에 의해 나누어서 실시하였다.
- 본 연구의 대상 시료인 제주도 송이의 입도분포 및 물리적 특성은 Fig. 3 및 Table 1과 같다. 대상지반의 흙의 공학적 특성은 채취된 8개의 Ton Bag 중 대표적인 Ton Bag - A, B, C 3개의 시료를 실험 대상으로 하였다.
- 본 연구의 연구대상 지역은 제주도 구좌지구 해상시추조사지역인 제주도 동북해안 인근의 조천우회도로 공사 현장의 유수지 지역을 선정하였다(Fig. 2). 선정한 이유는 유수지가 지표에서 약 5.
- 2). 선정한 이유는 유수지가 지표에서 약 5.0～8.0 m 수직으로 굴착되어 굴착면에서 제주도 기반암 지층 특성인 현무암 용암의 층상구조와 스코리아 등의 연약층이 직접 잘 관찰되어 상부 지표에서 시추조사와 공내시험을 수행함으로써 연약층의 시추현황과 상호 연관성 검토를 수행할 수 있을 것으로 판단되어 연구 지역으로 선정하였다.
이론/모형
- 일축압축강도시험은 디지털형 만능 재료시험기를 이용하여 KS F 2314의 방법에 의거하여 측정하였다. gel-time은 A액, B액을 각각 200 cc 컵에 50 cc씩 채운 후 연속 좌우 혼합시켜 컵에서 유동성에 정지되는 시간을 측정하여 이것을 주입재(A액+B액)의 gel-time으로 선정하였다.
성능/효과
- (1) 각 주입재의 호모겔 일축압축강도시험결과 그 강도가 MSG(급결용)가 보통시멘트(급결용)에 비해서 1.3～1.6 배로 크게 나타나고 있어 MSG의 우수한 강도특성을 확인할 수 있었다. 이는 MSG의 분말도가 보통시멘트에 비해 크기 때문에 규산나트륨과의 반응이 우수함에 원인이 있는 것으로 판단된다.
- (2) 내구성시험결과는 MSG의 수축량이 보통시멘트에 비해 최대 25배까지 작게 나오고 보통시멘트와는 달리 MSG와 같은 초미립자시멘트에는 10 ㎛ 이상의 굵은 입자가 거의 없기 때문에 반응성이 우수하여, 내구성면에서 우수하고 강도발현이 크기 때문에 길이변화량이 작다는 것을 알 수 있었다.
- (4) 주입량 결정시험 및 주입범위 평가를 위한 모형토조시험 등의 실내주입시험결과 주입량은 A액+B액이 30 L로 결정되었고, 주입재는 MSG(급결용)를 사용하고 주입압 300 kPa일 때의 구근의 직경 평균과 둘레가 보통 시멘트의 경우보다 약 1.27배 크게 나와 결과적으로 MSG의 경우가 침투성이 우수함을 확인할 수 있었다.
- 즉 입자가 미세할수록, 입자형상의 장축직경과 그 구체의 이상적인 구(球)의 직경과의 비로써 표현되는 구상화율(球狀化率)이 작을수록 현탁액형 그라우트의 점성은 증가하고 전단응력은 커지는 경향이 있다(HK geotech, 2003). 따라서 그라우팅 재료로서 MSG 주입재가 고강도가 발현되며, 내구성에 유리할 것으로 분석되며, 하부 구조물 기초에 MSG 주입재로 그라우팅하는 경우에 보통시멘트를 사용하는 경우보다 지지력 증진에 보다 효과적인 영향을 끼치며, 안정성 측면에서 유리할 것으로 판단된다. 재령별 일축압축강도시험 결과는 Table 3 및 Fig.
- (3) 내구성시험결과 구조물기초하부에 MSG 주입재로 주입한 경우가 보통시멘트를 사용한 경우보다 장기적인 관점에서 더 우수한 것으로 분석됐다. 또한 시공 시 지하수의 오탁을 일으키지 않는 공법을 적용하여 환경오염, 생태계에 나쁜 영향 등이 미치지 않도록 고려하여야 하는데 보통시멘트는 7일 이후에 용탈로 인하여 흐트러져 MSG 주입재로 그라우팅을 실시하는 것이 동수지반에 시공 시 내구성을 유지할 것으로 평가되었다.
- 27배 크게 나와 침투성의 우수함을 확인할 수 있었다. 보통시멘트의 경우 10㎛ 이상의 굵은 입자가 많이 포함되어 있기 때문에 침투성이 떨어지지만, MSG와 같은 초미립자시멘트에는 10 ㎛ 이상의 굵은 입자가 거의 없기 때문에 실제 주입시험 시 주입효과(MSG의 침투거리)가 보통시멘트보다 큰 것을 확인할 수 있었다. 주입량 결정시험결과를 토대로 수행한 주입범위 평가시험 시에도 MSG가 보통시멘트에 비해 약 1.
- 송이는 일반적으로 색상에 있어서 암회색, 적색 및 황색 등으로 구별할 수 있는데, 일반적으로 적갈색 송이가 20개 지역으로 가장 많이 분포하는 것으로 나타나며, 이들은 중산간 지역에 많이 분포하는 것으로 나타났다. 다음으로는 황갈색 송이가 9개 지역, 흑색 송이가 5개 지역 그리고 암회색 송이가 6개 지역에 분포하는 것으로 나타나며, 암회색 송이는 주로 해안 지역에서 분포하고 있는 것으로 나타나고 있다(Youn, 1995).
- 보통시멘트의 경우 10 ㎛ 이상의 굵은 입자가 많이 포함되어 있기 때문에 규산나트륨과의 반응성이 떨어지지만, MSG와 같은 초미립자시멘트에는 10 ㎛ 이상의 굵은 입자가 거의 없기 때문에 반응성이 우수하다. 이 결과들로부터 MSG 주입재가 보통시멘트에 비해 내구성 면에서 우수하고 강도발현이 크기 때문에 길이변화량이 작다는 것을 알 수 있었다.
- 일반적으로 조립재료에서 균등계수가 4보다 크고 곡률계수가 1∼3 사이인 경우에는 입도가 양호하다고 보고 있기 때문에, 본 시험결과로서 입도분포가 양호한 것으로 분석되었고, 통일분류법으로 분류한 결과는 GW로 나타났다.
- 입도분포 시험은 채취한 시료를 먼저 노건조시켜 건조된 시료를 사분법에 의해 나누어서 실시하였다. 입도분포 결과는 No.4체 통과하는 입자가 50% 이하이며, 균등계수가 13.30, 곡률계수가 1.32로 나타났다. 일반적으로 조립재료에서 균등계수가 4보다 크고 곡률계수가 1∼3 사이인 경우에는 입도가 양호하다고 보고 있기 때문에, 본 시험결과로서 입도분포가 양호한 것으로 분석되었고, 통일분류법으로 분류한 결과는 GW로 나타났다.
- 결정된 주입량으로 주입압 300, 500 kPa에 대하여 실험한 결과는 주입압 500 kPa로 주입 시 침투주입이 되지 않고 상부로 역류하는 현상이 나타나 실험이 불가하였다. 주입압 300 kPa로 주입량 결정시험 시 구근의 직경 평균과 둘레를 측정해본 결과, MSG의 경우 보통시멘트보다 약 1.27배 크게 나와 침투성의 우수함을 확인할 수 있었다. 보통시멘트의 경우 10㎛ 이상의 굵은 입자가 많이 포함되어 있기 때문에 침투성이 떨어지지만, MSG와 같은 초미립자시멘트에는 10 ㎛ 이상의 굵은 입자가 거의 없기 때문에 실제 주입시험 시 주입효과(MSG의 침투거리)가 보통시멘트보다 큰 것을 확인할 수 있었다.
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