[논문]강화벤토나이트 차수벽체의 배합방법 및 양생일에 따른 거동 특성

황정순; 김승욱; 정준기; 이승주; 오병삼; 백승철

doi:10.14481/jkges.2016.17.12.45

문제 정의

벤토나이트 혼합물의 거동특성과 관련된 연구에서 배합비 변화에 따른 재료특성 변화와 관련해서는 미약하나마 일부 성과가 축척되어 있는 실정이나, 물-벤토나이트 혼합물의 양생시간에 대한 연구 성과나 고로슬래그 시멘트 첨가에 따른 혼합물의 강도와 투수계수의 변화 거동에 대한 연구성과는 전무한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 일반적으로 현장에 적용되는 표준배합비를 적용하여 배합방법의 변화에 따른 혼합물의 공학적 특성 변화에 대해 실험적으로 고찰하였다.
또한 제체나 제방의 공용중에 발생할 수 있는 다양한 문제점을 최소화하기 위해서는 보강재료와 원지반의 이질거동이 최소화되고 기존 토구조물과 일체화되어 거동을 하여야 한다. 따라서 본 절에서는 재료의 하중-변형 특성이 제체를 구성하고 있는 흙재료의 거동과 유사한 형태로 나타나는지 여부와 더불어 배합방법 및 투입재료의 특성에 따른 강도특성 등을 분석하였다.
일반적으로 강화벤토나이트 벽체의 구성원리는 벤토나이트의 점토광물 특성인 저투수성과 시멘트의 결합특성을 이용한 혼합물을 지상에서 배합한 후 지중 굴착구역의 투입을 통해 적당한 강성을 지니는 불투수성 지중연속벽체를 구성하게 된다. 본 연구에서는 강화벤토나이트를 구성하는 물, 벤토나이트 및 시멘트의 배합방법이 강화벤토나이트 벽체의 강도와 차수성에 어떤 영향을 미치는지에 대해 혼합재료의 양생일별로 고찰하였으며, 보통포틀랜드 시멘트를 첨가재로 사용한 경우와 고로 슬래그 시멘트를 첨가재로 사용한 경우에 대한 비교･분석을 통해 첨가제별 강도 및 투수특성을 평가하여 최적의 배합재료를 제안하였다. 한편 본 연구에서는 제안된 공법을 현장에 적용하기에 앞서 제안된 기법의 설계와 공사비 산정에 가장 중요한 요인이 되는 사용재료의 공학적 특성과 이질재료(물-시멘트-벤토나이트)의 배합비를 결정했으며, 현장에 적용 품질관리를 위해 배합순서 및 배합비 등을 기준으로 제시하였다.
본 연구에서는 기존의 다양한 차수공법들의 공법적 한계를 극복하고 보다 합리적이며 예측 가능하고 경제적인 새로운 차수공법을 제안하고, 현장 적용 시 품질관리를 위한 배합방법 및 절차를 실내실험을 통해 제시하였다. 또한 벤토나이트 수화 기간이 강화벤토나이트 벽체의 품질에 미치는 영향과 시멘트를 첨가한 경우와 고로슬래그 첨가한 경우의 강화벤토나이트 슬러리의 비교를 통해 최적의 배합재료를 찾기 위한 연구를 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
차수 그라우팅 공법은 공용 중인 저수지 제체에 천공 후 약액 등을 주입하므로, 제체 자체에 가해지는 손상이 미소하기 때문에 효율적인 방법의 하나이나 공법의 내구성 문제와 지반의 공극을 통해 충진되는 그라우팅 공법의 특성상 차수영역의 균질성 및 차수범위의 정확한 파악이 어렵다는 한계를 지니고 있다. 본 연구에서는 노후제방 등의 차수성능 개선을 위한 적극적인 방법으로 지반 굴착 후 시멘트와 벤토나이트 혼합재료로 즉시 치환하는 지중차수 벽체 조성방법에 대한 기초연구를 수행하였다.
본 연구에서는 벤토나이트 혼합물의 배합조건 및 배합비에 따른 거동특성 평가를 위해 다양한 조건에 대해 일축압축강도 및 투수실험을 수행하였다. 일반적으로 시멘트-벤토 나이트 혼합물은 먼저 물과 벤토나이트를 혼합하여 일정시간 벤토나이트가 물을 흡수하여 팽창하는 것을 허용한 후, 시멘트를 첨가하여 시멘트-벤토나이트 혼합물의 경화를 유도한다.
먼저 실험에 적용된 혼합물의 표준배합비는 일반적인 값으로 Table 3과 같이 결정하였다. 본 연구에서는 추가적으로 물과 벤토나이트가 혼합된 후 시멘트가 투입되기 이전 벤토나이트의 수화시간에 따른 강화벤토나이트 공시체의 강도 및 투수특성을 평가하였다. 벤토나이트의 수화시간은 물과 벤토나이트가 혼합된 후 시멘트가 투입되기까지의 대기시간을 의미하며, 일반적으로 시간이 길수록 혼합물의 공학적 특성은 양호해지는 것으로 알려져 있다.
본 절에서는 보통포틀랜드 시멘트로 배합된 강화벤토나이트 차수재의 투수계수를 평가하기 위해 변수위 투수시험을 수행하였다. 투수계수시험은 물과 벤토나이트를 배합한 후 수화시간 4시간과 24시간의 차이를 두고 보통포틀랜드 시멘트가 배합된 경우에 대해 수행하였으며, 벤토나이트 수화시간이 각각 다른 두 개의 투수 몰드를 설치하여 30일간 연속적으로 투수계수를 측정하였다.
이 현상은 유동이 없는 안정된 상태에서는 겔(gel)상태가 되고, 급격한 이동이 일어날때는 액상의 졸(sol) 상태로 변하게 되는 것으로 몬모릴로나 이트 현탁액은 이 현상의 상태 변화가 특히 예민하다. 본연구에서는 강화벤토나이트 벽체의 혼합재료 변경에 따른 강도 및 투수특성 변화를 고찰하고자 정해진 배합비에 따라 고화재료를 보통포틀랜드 시멘트(Ordinary Portland Cement, OPC)와 고로슬래그 시멘트(Blast Furnace Slag Cement, BSC)로 바꾸어가며 강화벤토나이트 혼합물의 재료변화와 재령 일수에 따른 강도특성 및 투수특성의 변화를 고찰해보았다. Table 2는 본 연구에 사용된 보통포틀랜드 시멘트와 고로슬래그 시멘트의 화학구성 및 재료 특성값이다.
투수실험의 목적은 시멘트-벤토나이트의 배합조건에 따라 투수계수 특성을 파악한 후 일반적인 차수재의 품질관리 기준인 1×10–5cm/sec 이하를 만족하는지 여부를 판단하기 위하는 데 있다.

제안 방법

5mm/min 이하의 조건으로 실시하였다. 강화벤토나이트 재료의 투수특성을 파악하기 위한 방법으로 투수계수가 작은 시료에 적절한 방법인 변수위 투수시험을 시행하였다. 투수실험의 목적은 시멘트-벤토나이트의 배합조건에 따라 투수계수 특성을 파악한 후 일반적인 차수재의 품질관리 기준인 1×10^–5cm/sec 이하를 만족하는지 여부를 판단하기 위하는 데 있다.
투수실험의 목적은 시멘트-벤토나이트의 배합조건에 따라 투수계수 특성을 파악한 후 일반적인 차수재의 품질관리 기준인 1×10^–5cm/sec 이하를 만족하는지 여부를 판단하기 위하는 데 있다. 강화벤토나이트 혼합재료의 시료는 일축압축강도 실험 시와 동일한 방법으로 제작하였으며, 몰드에 투기된 시료의 포화를 위해 24시간 이상 수침을 실시하였다. 특히 투수실험의 오차를 최소화하기 위해 실험실 내의 온도를 일정하게 유지하고 몰드의 내측면에 유재를 도포하여 측벽과 시료의 틈에서 발생할 수 있는 누수를 차단하였으며, 실험 시기에 따른 오차를 최소화하기 위해 시험이 필요한 4개의 몰드에 대해 동시에 측정이 가능하도록 변수위투수시험용 스텐드파이프 4개 조를 제작하여 시험을 시행하였다.
본 연구에서는 기존의 다양한 차수공법들의 공법적 한계를 극복하고 보다 합리적이며 예측 가능하고 경제적인 새로운 차수공법을 제안하고, 현장 적용 시 품질관리를 위한 배합방법 및 절차를 실내실험을 통해 제시하였다. 또한 벤토나이트 수화 기간이 강화벤토나이트 벽체의 품질에 미치는 영향과 시멘트를 첨가한 경우와 고로슬래그 첨가한 경우의 강화벤토나이트 슬러리의 비교를 통해 최적의 배합재료를 찾기 위한 연구를 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
여기서는 재료의 역학적 특성 규명을 위해 물, 시멘트 및 벤토나이트의 배합조건을 변화시켜가며 실험을 수행하였으며, 시멘트는 보통포틀랜드 시멘트와 고로슬래그 시멘트 두 가지로 종류 변화시켜 결합재 종류에 따른 차수벽체의 공학적 특성을 평가하였다. 또한 시멘트가 결합재로 사용되는 특성을 고려하여 양생시간 경과에 따른 배합체의 일축압축강도와 투수계수 특성을 평가하였으며, 그 결과를 통해 향후 현장에서 적용이 가능한 배합방법을 도출하였다.
일축압축실험 방법에는 변형률을 제어하는 방법과 응력을 제어하는 방법이 있으며, 일반적으로 변형률을 제어하는 방법을 주로 사용한다. 본 논문에서는 KS F 2314의 규정에 따라 공시체의 직경과 높이를 1:2로 맞추어 성형된 시료를 양생하였다. 여기서는 일축압축강도를 파악하기 위해 사용한 장비는 최대 재하하중 300kg인 재료실험기로 하중을 제어하는 본체와 데이터를 수집하는 컴퓨터로 구성되어 있으며, 실험 시 재하속도는 0.
본 연구 제안공법은 일반 굴착장비로 지반을 굴착함과 동시에 물, 시멘트 및 벤토나이트(이하 CB or 강화벤토나이트)의 혼합재료로 이루어진 차수재료로서 굴착부위를 치환 하여 지중연속벽을 조성하는 방법이며, 점토광물인 몬모릴로나이트계의 벤토나이트에 결합력 증진을 위한 소량의 시멘트를 첨가한 혼합물로 구성된다. 일반적으로 강화벤토나이트 벽체의 구성원리는 벤토나이트의 점토광물 특성인 저투수성과 시멘트의 결합특성을 이용한 혼합물을 지상에서 배합한 후 지중 굴착구역의 투입을 통해 적당한 강성을 지니는 불투수성 지중연속벽체를 구성하게 된다.
그러나 양생 시간이 길어지면 물-벤토나이트 혼합물을 저류하기 위한 후방 플랜트의 규모가 커져 경제성이 악화되므로 적절한 양생 시간의 결정은 강화벤토나이트 차수벽체의 성능 및 경제성을 확보하기 위해 매우 중요하다. 본 연구에서는 물과 벤토 나이트의 양생시간이 4시간인 경우와 24시간인 경우로 결정하였다. 배합조건 변화에 따른 실험방법을 정리하면 Table 4와 같다.
여기서는 고로슬래그 시멘트로 배합된 강화벤토나이트 차수재의 투수계수를 평가하기 위해 변수위 투수시험을 수행하였다. 투수계수시험은 물과 벤토나이트를 배합한 후 수화 시간 4시간과 24시간의 차이를 두고 고로슬래그 시멘트가 배합된 경우에 대해 수행하였으며, 벤토나이트 수화시간이 각각 다른 두 개의 투수 몰드를 설치하여 30일간 연속적으로 투수계수를 측정하였다.
본 논문에서는 KS F 2314의 규정에 따라 공시체의 직경과 높이를 1:2로 맞추어 성형된 시료를 양생하였다. 여기서는 일축압축강도를 파악하기 위해 사용한 장비는 최대 재하하중 300kg인 재료실험기로 하중을 제어하는 본체와 데이터를 수집하는 컴퓨터로 구성되어 있으며, 실험 시 재하속도는 0.5mm/min 이하의 조건으로 실시하였다. 강화벤토나이트 재료의 투수특성을 파악하기 위한 방법으로 투수계수가 작은 시료에 적절한 방법인 변수위 투수시험을 시행하였다.
강화벤토나이트 차수벽체를 시공하기 위해서는 물-시멘트-벤토나이트 및 대체재로 구성된 혼합물에 대한 적절한 배합비, 배합방법 및 혼합재료에 따른 강도 및 투수 특성 등을 사전에 파악하여야만 한다. 여기서는 재료의 역학적 특성 규명을 위해 물, 시멘트 및 벤토나이트의 배합조건을 변화시켜가며 실험을 수행하였으며, 시멘트는 보통포틀랜드 시멘트와 고로슬래그 시멘트 두 가지로 종류 변화시켜 결합재 종류에 따른 차수벽체의 공학적 특성을 평가하였다. 또한 시멘트가 결합재로 사용되는 특성을 고려하여 양생시간 경과에 따른 배합체의 일축압축강도와 투수계수 특성을 평가하였으며, 그 결과를 통해 향후 현장에서 적용이 가능한 배합방법을 도출하였다.
따라서 차수층의 경우 가장 중요한인자는 투수계수이고 국내의 제방 차수층이나 폐기물관리 법의 차수층에 투수계수 기준은 10^-5m/sec로 정하고 있다. 일반적으로 차수를 목적으로 하는 지중연속벽체를 구성하는 경우 차수재의 투수계수는 주요 시공관리 항목 중의 하나이며, 본 연구에서 제안한 강화벤토나이트 혼합물의 차수 성능 검토를 위해 변수위 투수시험을 시행하였다. 투수시험은 실험실 온도 변화에 따른 오차 발생 최소화를 위해 실내에서 수행하였다.
Table 5에 기술된 바와 같이 배합조건 변화는 총 4가지 set이며 각 set 별로 혼합물의 일축압축 강도와 투수계수를 측정하였다. 일축압축강도 시험은 각 배합 조건별로 물-시멘트-벤토나이트 혼합물의 양생 7일, 14일, 21일 및 28일 이후에 실험을 수행하였으며, 투수계수 시험은 각 case 별로 연속적으로 측정을 시행하였다. 시험을 위해 제작된 시료는 강도시험을 위해서는 총 48개 시료가 필요하나 각 case의 양생일별로 여유시료 2개씩을 추가하여 총 80개의 시료를 준비하였으며, 투수시험은 각 case 별로 1개씩 총 4개의 시료를 제작하여 시험을 수행하였다.
특성 평가를 위한 배합은 시멘트를 분말 형태로 배합하지않고 수용액 형태로 배합하였다. 즉 경우 정해진 물의 양에 일부를 벤토나이트와 혼합하고 일정시간이 경과한 후에 잔량의 물과 시멘트를 혼합한 수용액을 수화된 벤토나이트 혼합물과 혼합하여 실험 시료를 제작하였다. Table 5는 실험 시 실제로 적용된 case 별 배합비 및 배합 조건별 특성시험 항목들이다.
여기서는 고로슬래그 시멘트로 배합된 강화벤토나이트 차수재의 투수계수를 평가하기 위해 변수위 투수시험을 수행하였다. 투수계수시험은 물과 벤토나이트를 배합한 후 수화 시간 4시간과 24시간의 차이를 두고 고로슬래그 시멘트가 배합된 경우에 대해 수행하였으며, 벤토나이트 수화시간이 각각 다른 두 개의 투수 몰드를 설치하여 30일간 연속적으로 투수계수를 측정하였다. 고로슬래그 시멘트가 배합된 경우에 대한 투수시험 case는 Table 12와 같다.
본 절에서는 보통포틀랜드 시멘트로 배합된 강화벤토나이트 차수재의 투수계수를 평가하기 위해 변수위 투수시험을 수행하였다. 투수계수시험은 물과 벤토나이트를 배합한 후 수화시간 4시간과 24시간의 차이를 두고 보통포틀랜드 시멘트가 배합된 경우에 대해 수행하였으며, 벤토나이트 수화시간이 각각 다른 두 개의 투수 몰드를 설치하여 30일간 연속적으로 투수계수를 측정하였다. 보통포틀랜드 시멘트가 배합된 경우에 대한 투수시험 case는 Table 10과 같다.
일반적으로 차수를 목적으로 하는 지중연속벽체를 구성하는 경우 차수재의 투수계수는 주요 시공관리 항목 중의 하나이며, 본 연구에서 제안한 강화벤토나이트 혼합물의 차수 성능 검토를 위해 변수위 투수시험을 시행하였다. 투수시험은 실험실 온도 변화에 따른 오차 발생 최소화를 위해 실내에서 수행하였다.
특성 평가를 위한 배합은 시멘트를 분말 형태로 배합하지않고 수용액 형태로 배합하였다. 즉 경우 정해진 물의 양에 일부를 벤토나이트와 혼합하고 일정시간이 경과한 후에 잔량의 물과 시멘트를 혼합한 수용액을 수화된 벤토나이트 혼합물과 혼합하여 실험 시료를 제작하였다.
강화벤토나이트 혼합재료의 시료는 일축압축강도 실험 시와 동일한 방법으로 제작하였으며, 몰드에 투기된 시료의 포화를 위해 24시간 이상 수침을 실시하였다. 특히 투수실험의 오차를 최소화하기 위해 실험실 내의 온도를 일정하게 유지하고 몰드의 내측면에 유재를 도포하여 측벽과 시료의 틈에서 발생할 수 있는 누수를 차단하였으며, 실험 시기에 따른 오차를 최소화하기 위해 시험이 필요한 4개의 몰드에 대해 동시에 측정이 가능하도록 변수위투수시험용 스텐드파이프 4개 조를 제작하여 시험을 시행하였다.
본 연구에서는 강화벤토나이트를 구성하는 물, 벤토나이트 및 시멘트의 배합방법이 강화벤토나이트 벽체의 강도와 차수성에 어떤 영향을 미치는지에 대해 혼합재료의 양생일별로 고찰하였으며, 보통포틀랜드 시멘트를 첨가재로 사용한 경우와 고로 슬래그 시멘트를 첨가재로 사용한 경우에 대한 비교･분석을 통해 첨가제별 강도 및 투수특성을 평가하여 최적의 배합재료를 제안하였다. 한편 본 연구에서는 제안된 공법을 현장에 적용하기에 앞서 제안된 기법의 설계와 공사비 산정에 가장 중요한 요인이 되는 사용재료의 공학적 특성과 이질재료(물-시멘트-벤토나이트)의 배합비를 결정했으며, 현장에 적용 품질관리를 위해 배합순서 및 배합비 등을 기준으로 제시하였다.

대상 데이터

Table 2는 본 연구에 사용된 보통포틀랜드 시멘트와 고로슬래그 시멘트의 화학구성 및 재료 특성값이다. 고로슬래그 시멘트는 58%의 보통포틀랜드 시멘트에 42%의 고로슬래그를 혼합하여 제작되었으며, 이로 인하여 보통포틀랜드 시멘트와 비교하여 CaO의 함유량은 감소되나 SiO₂와 Al₂O₃의 함유량은 증가한다.
일축압축강도 시험은 각 배합 조건별로 물-시멘트-벤토나이트 혼합물의 양생 7일, 14일, 21일 및 28일 이후에 실험을 수행하였으며, 투수계수 시험은 각 case 별로 연속적으로 측정을 시행하였다. 시험을 위해 제작된 시료는 강도시험을 위해서는 총 48개 시료가 필요하나 각 case의 양생일별로 여유시료 2개씩을 추가하여 총 80개의 시료를 준비하였으며, 투수시험은 각 case 별로 1개씩 총 4개의 시료를 제작하여 시험을 수행하였다.

성능/효과

(3) 실내실험 결과 강화벤토나이트 재료의 배합조건에 따른 장기강도 및 차수성 측면에서는 사전에 물과 벤토나 이트의 수화반응 시간을 최소한 4시간 이상 확보할 경우 품질 기준의 만족에는 이상이 없음을 확인할 수 있었다. 이를 통해 지중연속벽의 시공 시 급속시공을 요하거나 조기강도가 발휘되어야 하는 경우 물과 벤토나이트의 수화반응을 최소한 4시간 이상을 확보한 후 벤토나이트 슬러리와 시멘트의 현장배합이 이루어질 수 있도록 유도해야 할 것으로 판단되며, 고품질의 유지와 투입재료의 균질성 확보를 위해서는 가급적 24시간 이상 수화시간 확보를 권장한다.
벤토나이트 혼합체의 강도는 고로슬래그를 첨가한 강화 벤토나이트 벽체의 강도가 양생기간이나 배합방법에 무관하게 더 우수한 것으로 분석되었다. Table 8과 같이 4시간 수화 후 고로슬래그 시멘트를 배합한 경우 충분한 양생기간이 주어지지 않았음에도 보통포틀랜드 시멘트를 첨가하고 4시간 수화시킨 혼합체의 28일 강도(Table 6) 대비 229% 증가함을 확인하였으며, 24시간 수화시킨 혼합체의 28일 강도(Table 7)와 비교하여도 180% 이상 큰 것으로 분석되었다. 물-벤토나이트 혼합체를 24시간 수화시킨 후 고로슬래그 시멘트를 배합한 경우(Table 8)는 그 차이가 더 증가하여 보통포틀랜드 시멘트를 첨가하고 4시간 수화시킨 혼합체의 28일 강도(Table 6) 대비 257% 증가함을 확인하였으며, 24시간 수화시킨 혼합체의 28일 강도(Table 7) 대비 203% 이상 큰 것으로 분석되었다.
Table 8과 같이 4시간 수화 후 고로슬래그 시멘트를 배합한 경우 충분한 양생기간이 주어지지 않았음에도 보통포틀랜드 시멘트를 첨가하고 4시간 수화시킨 혼합체의 28일 강도(Table 6) 대비 229% 증가함을 확인하였으며, 24시간 수화시킨 혼합체의 28일 강도(Table 7)와 비교하여도 180% 이상 큰 것으로 분석되었다. 물-벤토나이트 혼합체를 24시간 수화시킨 후 고로슬래그 시멘트를 배합한 경우(Table 8)는 그 차이가 더 증가하여 보통포틀랜드 시멘트를 첨가하고 4시간 수화시킨 혼합체의 28일 강도(Table 6) 대비 257% 증가함을 확인하였으며, 24시간 수화시킨 혼합체의 28일 강도(Table 7) 대비 203% 이상 큰 것으로 분석되었다. 이를 통해 강화벤토나이트 벽체의 강성에는 고로슬래그 시멘트의 적용이 더 우수함을 확인하였다.
2에 도시된바 같이 벤토나이트의 수화시간을 충분히 부여한 경우 4시간 수화시키는 경우에 비해 상대적으로 배합체의 강도는 증가하며 시험자료의 편차도 감소되는 것으로 나타났다. Fig. 1과 Fig. 2를 비교하면 벤토나이트 수화기간을 충분히 확보(24시간)한 시료가 수화기간이 부족한 경우(4시간)에 비해 강도와 강도증가비 모두 더 큰 것을 확인할 수 있었다. 또한 24시간 수화시킨 시료들의 강도 값의 편차도 작아 전체 혼합체가 상대적으로 보다 균질한 상태에 있는 것으로 추정되었다.
7은 보통포틀랜드 시멘트로 배합한 시료의 양생기간에 따른 투수계수 변화이다. Fig. 7에 도시된 바와 같이 강화벤토나이트 배합물의 양생이 진행 중인 초기에는 벤토나이트 수화 시간을 4시간만 부여한 case 01-04의 투수계수가 수화시간 24시간을 부여한 case 01-24보다 더 작은 투수계수 값을 보였으나 시험시료의 양생에 따라 7일을 경과하며 유사해지고 30일 이후에는 24시간 수화시료의 투수계수가 더 작은 것으로 평가되었다. 30일 양생 후 시료별 투수계수는 case 01-04의 경우 7.
4(b)와 Table 9의 강도 증가비는 7일 차 시험자료를 기준으로 분석한 결과이다. Table 9에 의하면 물과 벤토나이트 혼합체를 24시간 이상 수화시킨 후 고로 슬래그 시멘트를 첨가한 경우는 28일 강도가 7일 강도에 비해 평균적으로 258%가량 강도가 증가하고 있음을 확인하였으며, 양생 기간별 강도 및 평균 강도비 변화 곡선이 지속적으로 증가하는 경향을 보이는 것을 고려할 때 향후에도 지속적으로 강도는 증가될 것으로 예측된다.
① 시멘트 투입 이전에 배합되는 물-벤토나이트 슬러리의 수화시간 변화에 따른 압축강도 실험으로부터 벤토나이트의 수화시간을 충분히 확보하는 경우의 강도가 더 큰 것을 확인하였다.
① 투수특성의 경우 보통포틀랜드 시멘트로 배합한 경우보다 고로슬래그 시멘트로 배합한 경우의 투수계수가 더 작았으며, 양생기간 증가에 따라 투수계수는 감소하는 것을 확인하였다.
② 보통포틀랜드 시멘트를 사용하는 경우, 30일간 양생한 시료의 투수계수는 5일 양생시료에 비해 33～19% 수준으로 감소하고, 고로슬래그 시멘트를 사용하는 경우는 27～18% 수준으로 감소되는 것을 확인하였다.
② 양생시간 증가에 따라 강화벤토나이트의 강도는 증가하는 것으로 확인되었다. 강도의 증가 정도는 보통포틀랜드 시멘트를 사용한 경우 4시간 수화 시료의 28일 강도가 7일 강도 대비 211% 증가하였으며 24시간 수화 시료는 395% 증가하였다.
③ 결합재인 시멘트 종류에 따른 강도특성은 고로슬래그 시멘트를 첨가한 경우가 보통포틀랜드 시멘트를 첨가한 경우 대비 180%～257%가량 더 큰 것으로 평가되어, 벽체의 강성에는 고로슬래그 시멘트의 적용이 더 우수함을 확인하였다.
③ 실험에 적용된 전 경우에서 벤토나이트 수화시간 확보와 무관하게 12일이 경과하는 시점에서 일반적인 차수재 품질기준인 1.0×10-5cm/sec를 만족하여 차수재로서 충분한 적용성을 지니는 것으로 평가되었다.
투수계수 분석결과 역시 강도특성시험결과와 동일하게 보통포틀랜드 시멘트를 결합재로 사용한 경우보다 고로슬래그 시멘트를 결합재로 사용한 경우의 투수계수가 더 작아 차수재로서의 성능이 더 우수한 것으로 평가되었다.
2는 물-벤토나이트 혼합물을 4시간 및 24시간 수화한 후 일반포틀랜드 시멘트를 혼합한 강화벤토나이트 벽체의 양생기간에 따른 강도특성 변화이다. 그림에 도시된바 같이 벤토나이트의 수화시간이 짧은 경우 배합물의 강도는 저하되며 시험자료의 편차도 매우 큰 것으로 나타났으나, 수화시간 증가 시 강도는 증가하며 시험자료의 편차는 감소하였다.
2를 비교하면 벤토나이트 수화기간을 충분히 확보(24시간)한 시료가 수화기간이 부족한 경우(4시간)에 비해 강도와 강도증가비 모두 더 큰 것을 확인할 수 있었다. 또한 24시간 수화시킨 시료들의 강도 값의 편차도 작아 전체 혼합체가 상대적으로 보다 균질한 상태에 있는 것으로 추정되었다. Table 7에 의하면 물과 벤토나이트 혼합체를 24시간 이상 수화시킨 후 보통포틀랜드 시멘트를 첨가한 경우는 7일 강도에 비해 평균적으로 395%가량 강도가 증가하고 있음을 확인하였다.
강도의 증가 정도는 보통포틀랜드 시멘트를 사용한 경우 4시간 수화 시료의 28일 강도가 7일 강도 대비 211% 증가하였으며 24시간 수화 시료는 395% 증가하였다. 또한 고로슬래그를 사용한 시료의 경우 양생기간 증가에 따라 4시간 수화 시료는 273%, 24시간 수화시료는 258%의 강도 증가가 발생하는 것으로 평가되었다.
6(b) 역시 뚜렷한 전단파괴면을 확인할 수 있었다. 또한 시험 시 시험시료의 육안관측결과 일반포틀랜드 혼합시료에 비해 고로슬래그 혼합시료의 표면의 경도와 양생상태가 크게 개선됨을 확인 할 수 있었다. 이를 통해 강화벤토나이트 차수벽체의 결합재로 고로슬래그시멘트를 사용하는 경우 벽체의 성능개선 및 현장 시공 시 공기와 관련하여 보다 원활한 대응이 가능한 것으로 판단된다.
4에 도시된바 같이 벤토나이트의 수화시간을 충분히 부여한 경우 배합체의 강도는 증가되며, 시험자료의 편차도 감소되어 시험 case 중 가장 균질한 결과를 보였다. 벤토나이트 수화기간을 충분히 확보(24시간)한 후 고로슬래그 시멘트를 첨가한 Fig. 4와 보통포틀랜드 시멘트를 첨가한 Fig. 2를 비교하면 강도 차이가 전 기간에 걸쳐 200% 이상 발생하는 것을 확인할 수 있었다. Fig.
벤토나이트 혼합체의 강도는 고로슬래그를 첨가한 강화 벤토나이트 벽체의 강도가 양생기간이나 배합방법에 무관하게 더 우수한 것으로 분석되었다. Table 8과 같이 4시간 수화 후 고로슬래그 시멘트를 배합한 경우 충분한 양생기간이 주어지지 않았음에도 보통포틀랜드 시멘트를 첨가하고 4시간 수화시킨 혼합체의 28일 강도(Table 6) 대비 229% 증가함을 확인하였으며, 24시간 수화시킨 혼합체의 28일 강도(Table 7)와 비교하여도 180% 이상 큰 것으로 분석되었다.
2(b)의 강도증가비는 7일 차 시험자료를 기준으로 분석한 결과이다. 본 분석을 통해 벤토나이트 혼합물에 시멘트가 첨가되기 이전에 충분한 수화가 이루어지지 않는 경우(Fig. 1), 재료의 균질성 및 품질확보가 용이하지 않을 것으로 분석된다. 그러나 Fig.
6은 물과 벤토나이트 배합액을 24시간 충분히 수화시킨 후 시멘트를 첨가시킨 시료의 28일 양생 후 파괴형태이다. 비교결과 일반포틀랜드 첨가의 경우에 비해 고로슬래그를 첨가한 시료의 전단 파괴면의 형태가 보다 뚜렷이 나타나는것을 확인할 수 있었다. 일반포틀랜드를 첨가한 시료에 대한 시험결과인 Fig.
물-벤토나이트 혼합체를 24시간 수화시킨 후 고로슬래그 시멘트를 배합한 경우(Table 8)는 그 차이가 더 증가하여 보통포틀랜드 시멘트를 첨가하고 4시간 수화시킨 혼합체의 28일 강도(Table 6) 대비 257% 증가함을 확인하였으며, 24시간 수화시킨 혼합체의 28일 강도(Table 7) 대비 203% 이상 큰 것으로 분석되었다. 이를 통해 강화벤토나이트 벽체의 강성에는 고로슬래그 시멘트의 적용이 더 우수함을 확인하였다. Fig.
Table 13과 같이 고로슬래그 시멘트를 적용한 경우 벤토나이트를 24시간 수화시킨 경우에는 양생 7일 경과 시에 차수재의 투수계수 품질기준인 1×10^-5cm/sec 이하를 만족하였으나, 벤토나이트를 4시간 수화시킨 경우에는 양생 12일 경과 후에야 차수재의 품질기준을 만족시키는 것으로 파악되었다. 이를 통해 고로슬래그를 적용한 강화벤토나이트 벽체의 투수계수는 물과 벤토나이트 혼합 시 충분한 수화시간을 주는 것이 품질의 향상을 위해 유리한 것으로 분석되었다. Fig.
투수계수 분석결과 역시 강도특성시험결과와 동일하게 보통포틀랜드 시멘트를 결합재로 사용한 경우보다 고로슬래그 시멘트를 결합재로 사용한 경우의 투수계수가 더 작아 차수재로서의 성능이 더 우수한 것으로 평가되었다.

후속연구

④ 이상의 강도특성 시험결과를 요약하면 일반시멘트보다는 고로슬래그 시멘트를 사용하고 시멘트 배합 이전에 벤토나이트의 수화시간을 충분히 확보하는 것이 강도 측면에서 유리하며, 양생시간의 증가에 따라 벽체의 강도는 증가하므로 이를 고려한 설계가 수행되어야 할 것이다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	강화벤토나이트 차수벽체공법의 장점은?	본 연구에서는 벤토나이트로 굴착 트렌치의 안정성을 유지하면서 시멘트와 벤토나이트 혼합물을 불투수벽체의 재료로 사용하여 지중차수벽체를 구성하는 새로운 시공방법에 대해 고찰하였다. 강화벤토나이트 차수벽체공법은 굴착된 구역을 균질하게 차수재료로 치환하므로 일반적인 그라우팅공법에 비해 차수효과의 예측과 시공성과의 검증이 보다 용이한 장점을 지닌다. 또한 강화벤토나이트 차수벽체공법은 시공 장비가 단순하고 시공 순서가 간단하므로 경제적인 측면에서도 큰 장점을 가지고 있다.
	강화벤토나이트 벽체란?	강화벤토나이트 벽체는 시멘트, 벤토나이트 및 물로 배합된 슬러리를 굴착 트렌치 안에 채워 넣어 시공되는 지중 연직벽체의 일종이다. 강화벤토나이트 벽체는 지중에 투수 성이 매우 작은 일종의 차수벽체를 구성하여 지하수의 유출을 방지하거나 때로는 적절한 강성을 지니는 벽체로 저수지 제체나 제방의 안정성을 증가시키기 위한 목적이나, 쓰레기 매립장 등의 오염물질 차단, 지하수위 저하방지, 제체 내부의 지하수 흐름 차단 등을 위해 적용한다.
	강화벤토나이트 벽체가 국내의 경우 적용사례가 전무한 이유는?	강화벤토나이트 벽체의 상기와 같은 장점에도 불구하고 국내의 경우 적용사례가 전무한 실정이다. 특히 국내의 경우 산악지형의 특성상 농업용수의 확보를 위해 수많은 소류지와 중소규모 농업용 댐이 전국적으로 산재하고 있으며 많은 수의 수리용 댐들이 노후화되어 기능수행에 지장을 초래하고 있다. 국내에 존재하는 댐을 시공연도별로 나누어 살펴보면 2011년 기준으로 총 17,505개소가 존재하며, 1945년 이전에 준공된 저수지가 9,082개소로서 전체의 51.

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