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문제 정의
- 이러한 환경적 문제를 해결하기 위해 시멘트를 사용하지 않고 산업부산물인 탈황석고와 Fly-ash를 활용하여 시멘트의 경화반응과 유사한 경화반응을 유도함으로써 강도증진 효과가 있고, 중금속 용출 등에 의한 지반오염을 억제할 수 있는 친환경적인 시멘트 제로형 안정재인 CMD-SOIL을 개발하였다. 본 연구에서는 개발된 CMD-SOIL을 심층혼합처리공법의 안정재로 사용하여 함수비, 물-안정재(W/B) 비율, 폐각 함유율, 투입비 등의 다양한 조건을 고려한 실내배합시험과 현장에서의 시험시공을 실시하였고, 현재 해안 및 항만 공사에서 안정재로 주로 사용되고 있는 고로슬래그 시멘트와의 비교를 통해 심층혼합공법에서의 적용성을 평가하고자 한다.
- 본 연구에서는 부상토와 모래의 혼합비율이 강도저하에 미치는 영향과 강도확보를 위해 추가로 투입되는 안정재의 양을 결정하기 위하여 부상토와 모래의 혼합비 및 안정재의 추가 투입량의 변화에 따른 일축압축시험을 실시하였고, 이를 Table 7과 Fig. 17∼18에 정리하였다.
제안 방법
- CMD-SOIL에 사용된 Fly-ash의 경우 일반 화력발전소의 미분탄 연소방식에서 발생하는 F급 석탄재와는 달리 부정형으로 KS L 5405에 제시된 물리 ․ 화학적 성능을 만족시키지 못하고, 콘크리트 혼화재료로서도 활용이 불가능하다. 그러나 CaO 및 CaSO4에 의해 생성된 석고를 포함하고 있어 결합재 및 자극제로서의 역할을 동시에 수행할 수 있으며, 이를 확인하기 위해 XRF(X-ray Fluorescence) 분석을 실시하였고, 분석결과를 Table 1에 고로슬래그 시멘트와 비교하여 나타내었다. 분석결과, 경화반응에 가장 큰 영향을 미치는 성분인 CaO, SiO2, SO3의 성분비가 고로슬래그 시멘트와 유사하게 분포하고 있는 것으로 나타났으며, 연약지반에 분포하고 있는 점토와 혼합할 경우 고로슬래그 시멘트와 유사한 경화반응을 일으킬 수 있는 것으로 나타났다.
- 또한 현장에서는 심층혼합처리시 발생하는 부상토의 발생으로 인하여 강도저하가 발생하며, 표층에서의 충분한 강도확보를 위하여 모래 및 슬러리 상태의 안정재를 추가적으로 투입하고 있다. 따라서 이러한 영향을 고려하기 위해 함수비 100%와 120%에서의 원지반과 모래를 혼합한 시료에 대해 안정재 230kg/m3를 투입하여 부상토를 제작하였고, 안정재의 추가 투입에 따른 강도변화를 파악하기 위해 안정재의 추가 투입량을 50kg/m3, 100kg/m3로 배합조건을 설정하였고, 이를 정리하여 Table 4에 나타내었다.
- 또한 스페츌라를 사용하여 몰드 상부의 표면을 정리하였고, 기온 20 ±3℃, 습도 95% 이상 조건에서 7∼28일간 양생을 실시하여 시료를 제작하였으며, Fig. 3에 시료제작과정을 정리하여 나타내었다.
- 국내의 경우, 심층혼합처리용 재료의 제작에 대한 기준은 마련되지 않은 실정으로 일본지반공학회(JGS)의 기준 중 비교적 현장여건에 적합하고 실내시험이 용이한 안정처리토의 정적다짐에 의한 공시체 제작방법에 대한 기준(JGS 0812, 2000)을 참고하여 시료를 제작하였다. 먼저 채취한 원지반토를 벌크시료와 혼합하여 균질성이 확보된 시료를 제작하였고, 안정재로 사용할 CMD-SOIL 및 고로슬래그 시멘트를 해수와 섞어 슬러리(Slurry) 상태로 만들어 믹서에 투입하여 10분간 기계적 혼합을 실시하였다. 믹서에서의 혼합이 종료된 후 직경 5cm, 높이 10cm의 몰드에 시료를 3층으로 채우고 각 층마다 가볍게 다짐을 실시하였고, 몰드 측면을 고무망치로 타격하여 시료 내부에 혼입된 공기를 제거하고 충진이 잘 이루어질 수 있도록 하였다.
- 먼저 채취한 원지반토를 벌크시료와 혼합하여 균질성이 확보된 시료를 제작하였고, 안정재로 사용할 CMD-SOIL 및 고로슬래그 시멘트를 해수와 섞어 슬러리(Slurry) 상태로 만들어 믹서에 투입하여 10분간 기계적 혼합을 실시하였다. 믹서에서의 혼합이 종료된 후 직경 5cm, 높이 10cm의 몰드에 시료를 3층으로 채우고 각 층마다 가볍게 다짐을 실시하였고, 몰드 측면을 고무망치로 타격하여 시료 내부에 혼입된 공기를 제거하고 충진이 잘 이루어질 수 있도록 하였다. 또한 스페츌라를 사용하여 몰드 상부의 표면을 정리하였고, 기온 20 ±3℃, 습도 95% 이상 조건에서 7∼28일간 양생을 실시하여 시료를 제작하였으며, Fig.
- 배합 조건을 결정하기 위해 Fig. 4에 나타난 것과 같이 국내에서의 심층고화처리를 위한 안정재 적용 사례를 토대로 고로슬래그 시멘트와 CMD-SOIL의 투입량을 200kg/m3, 230kg/m3, 250kg/m3으로 결정하였다. 또한 기존의 국내 연구결과에 따르면 심층혼합처리공법을 적용한 8개 현장에서의 실내배합강도와 현장강도의 비(λ)를 분석한 결과 0.
- 본 연구에서는 탈황분진을 이용하여 개발한 CMD-SOIL의 적용성을 평가하기 위해 고로슬래그 시멘트와 CMDSOIL을 안정재로 사용하여 실내배합시험과 현장에서의 시험시공을 실시하였고, 성능을 평가하였으며 이를 통해 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 본 연구에서는 패각함유량에 따른 강도저하 효과를 알아보기 위해 패각함유량이 10%와 20%인 시료에 대해 안정재의 투입량과 함수비의 변화에 따른 일축압축시험을 실시하였고, 그 결과를 Table 6와 Fig. 13∼14에 나타내었다.
- 상기에 서술된 배합 조건을 토대로 제작 및 양생한 시료에 대해 상부표면에서의 요철을 최소화할 수 있도록 시료 표면을 컴파운드로 캡핑을 실시한 후 Fig. 6의 시험장비를 사용하여 동일한 조건에서 제작된 3개의 시료에 대해 일축 압축시험(KS F 2314)에 따른 일축압축강도를 측정하였다.
- 원지반토의 비중은 2.72이고, 액성한계 89.9%, 소성지수 55.4%, 200번체(0.075mm) 통과율은 95%로 조사되어 통일분류법상 고소성 점토(CH)로 분류되었고, 유기물 함량은 8.3∼10.4%인 것으로 조사되어 시료의 균질성을 확보하기 위해 다수의 벌크시료를 이용하여 균질 혼합을 실시하여 배합용 시료(유기물 함량 8.7%)를 제작하였고, 시료의 물리적 특성을 정리하여 Table 3에 나타내었다.
- 이러한 환경적 문제를 해결하기 위해 시멘트를 사용하지 않고 산업부산물인 탈황석고와 Fly-ash를 활용하여 시멘트의 경화반응과 유사한 경화반응을 유도함으로써 강도증진 효과가 있고, 중금속 용출 등에 의한 지반오염을 억제할 수 있는 친환경적인 시멘트 제로형 안정재인 CMD-SOIL을 개발하였다. 본 연구에서는 개발된 CMD-SOIL을 심층혼합처리공법의 안정재로 사용하여 함수비, 물-안정재(W/B) 비율, 폐각 함유율, 투입비 등의 다양한 조건을 고려한 실내배합시험과 현장에서의 시험시공을 실시하였고, 현재 해안 및 항만 공사에서 안정재로 주로 사용되고 있는 고로슬래그 시멘트와의 비교를 통해 심층혼합공법에서의 적용성을 평가하고자 한다.
- 심층혼합처리의 경우 원지반 흙의 물리적 특성, 배합비 및 혼합방법, 양생환경 등 다양한 요인들에 의하여 현장에서의 강도가 다르게 나타날 수 있으며, 실내시험결과를 검증하기 위해서는 현장에서의 시험시공을 통한 강도발현을 반드시 확인해야 한다. 이를 위해 본 연구에서는 Fig. 21에서와 같이 전남 여수시 ○○항 축조공사 현장에서 호안구역과 접안구역의 접속부로 N치가 0, 폐각 함유율이 5% 미만인 연약점토가 30.6m 분포하고 있고, 설계상 부상토가 약 1m가량 발생할 것으로 예상되는 단면에 대하여 CMD-SOIL을 안정재로 사용하여 안정재 투입량 250kg/m3, 물-안정재 비율 80%를 적용한 시험시공을 실시하였고, 확인 Boring을 통해 양생 28일에 해당하는 시료를 채취하여 일축압축강도를 측정하였고, 시험결과를 Table 8에 나타내었다.
- , 2008). 이에 따라 본 연구에서는 Fig. 5에 나타난 설계기준강도 사례를 토대로 설계기준강도는 2.25MPa을 적용하였고, 실내배합강도를 3.375MPa을 적용하였다. 물-안정재 비율(W/B)의 경우 실제 시공시 주로 사용하는 70%와 80%를 적용하였고, 시료의 함수비는 원지반에서의 상·하부 평균값인 55%와 85%를 적용하였다.
- 패각함유량에 따른 강도감소 효과를 파악하기 위해 동일한 상태인 원지반 시료의 일축압축강도와 비교하여 함수비와 안정재 투입량에 따른 강도감소율을 구하였고, 이를 Fig. 15∼16에 나타내었다.
- 물-안정재 비율(W/B)의 경우 실제 시공시 주로 사용하는 70%와 80%를 적용하였고, 시료의 함수비는 원지반에서의 상·하부 평균값인 55%와 85%를 적용하였다. 한편, 현장에서는 심층혼합처리 공법의 적용시 현장에 존재하는 패각으로 인하여 강도가 저하되는 현상이 나타나기도 하며, 본 연구에서는 이러한 영향을 고려하기 위해 원지반토에 패각을 10%, 20% 혼합한 시료에 대하여 실내배합강도인 3.375MPa을 확보할 수 있도록 안정재 투입량을 증가시켜 200kg/m3, 250kg/m3, 300kg/m3을 적용하였다. 또한 현장에서는 심층혼합처리시 발생하는 부상토의 발생으로 인하여 강도저하가 발생하며, 표층에서의 충분한 강도확보를 위하여 모래 및 슬러리 상태의 안정재를 추가적으로 투입하고 있다.
대상 데이터
- 본 연구에서 사용된 시료의 원지반토는 심도 2.6∼13.5m에 다량의 패각이 함유되어 있는 것으로 나타났고, 이는 심층혼합처리시 강도저하를 유발하게 된다.
- 연약지반에서 심층혼합처리공법의 적용성을 평가하기 위해 본 연구에서는 N치가 0인 연약지반이 약 10m에서 최대 33m로 분포되어 있는 전남 여수시 ○○항 축조공사 현장에서 채취한 시료를 원지반토로 사용하였고, Fig. 2에는 해당 지반의 지질주상도를 나타내었다. 원지반토의 비중은 2.
성능/효과
- (1) CMD-SOIL과 고로슬래그 시멘트를 안정재로 사용하여 함수비, 물-안정재 비율, 안정재의 투입량에 따른 시료를 제작하고 일축압축시험을 실시한 결과 CMDSOIL을 정재로 사용한 시료의 일축압축강도가 고로슬래그 시멘트를 안정재로 사용한 시료에 비해 최대 1.136배 큰 것으로 나타났고, 이는 CMD-SOIL에서의 포졸란(Pozzolan) 반응이 고로슬래그 시멘트에 비해 잘 이루어졌기 때문인 것으로 판단된다.
- (2) 패각의 함유량에 따른 일축압축시험을 실시한 결과 CMD-SOIL을 안정재로 사용하는 경우 고로슬래그 시멘트를 안정재로 사용한 경우에 비해 일축압축강도가 1.009∼1.222배 큰 것으로 나타났고, 대부분의 시료에서 CMD-SOIL을 안정재로 사용하였을 경우 고로슬래그 시멘트를 사용한 경우에 비해 강도감소율이 낮은 것으로 나타났다.
- (3) 부상토의 혼합비에 따른 일축압축시험을 실시한 결과 CMD-SOIL을 안정재로 사용하는 경우 고로슬래그 시멘트를 안정재로 사용한 경우에 비해 일축압축강도가 1.034∼1.363배 큰 것으로 나타났고, 안정재를 추가로 투입하는 경우 일축압축강도는 50kg/m3에서 약 1.5배, 100kg/m3에서 약 2배 증가하는 것으로 나타났다.
- (4) 현장에서의 시험시공을 실시한 결과, 실내배합강도와 현장강도의 비(λ)는 0.77로 기존의 연구결과(λ=2/3)와 유사한 경향을 보이는 것으로 나타났고, 이를 토대로 판단할 때 고로슬래그 시멘트에 비해 함수비, 투입량, 물-안정재 비율, 부상토의 발생 등의 다양한 조건에서 일축압축강도가 크고, 패각의 함유량에 따른 강도감소율이 낮은 것으로 나타난 CMD-SOIL을 심층혼합처리 공법의 안정재로 사용할 경우 우수한 현장 적용성을 확보할 수 있을 것으로 판단된다.
- 11에 양생 7일 일축압축강도에 대한 양생 28일에서의 일축 압축강도의 비를 나타내었다. Fig. 11에서 고로슬래그 시멘트를 혼합한 시료의 경우 일축압축강도가 88.2% 증가하는 것으로 나타났고, CMD-SOIL을 혼합한 시료의 경우 82.5% 증가하는 것으로 나타나 강도의 발현이 거의 동일한 것으로 나타났다. Park et al.
- 그러나 함수비가 85%인 시료의 경우 안정재의 투입량이 250kg/m3 이상 되어야만 물-안정재 비율의 영향을 받지 않고 실내배합강도를 만족시킬 수 있는 것으로 나타났다. 또한 CMD-SOIL을 혼합한 시료의 일축압축강도는 고로슬래그 시멘트를 혼합한 시료의 일축압축강도와 비교하여 최대 1.136배가 큰 것으로 나타났고, 이는 CMDSOIL에서의 포졸란(Pozzolan) 반응이 고로슬래그 시멘트에 비해 잘 이루어졌기 때문인 것으로 판단된다.
- 또한 안정재 투입량의 증가 및 부상토에 모래를 혼합함에 따라 일축압축강도는 증가하는 것으로 나타났고, CMD-SOIL을 안정재로 사용한 시료의 일축압축강도가 고로슬래그 시멘트를 사용하였을 경우에 비해 1.034∼1.363배 큰 것으로 나타났다.
- 그림에서 안정재의 종류와 상관없이 시료의 함수비가 낮고, 패각의 함유량이 증가할수록 강도감소율은 큰 것으로 나타났다. 또한 패각함유량이 20%, 함수비가 55%인 시료를 제외하면, CMD-SOIL을 혼합한 시료의 강도감소율이 고로슬래그 시멘트를 혼합한 시료의 강도감소율에 비해 작은 것으로 나타났다.
- 22에 나타내었다. 본 연구에서의 시험결과는 국내의 기존 시험결과와 비교하여 유사한 경향을 보이고 있으며, 이를 고 려할 때 CMD-SOIL을 안정재로 사용할 경우 기존의 안정재와 동일한 성능을 발휘할 수 있을 것으로 판단된다.
- 그러나 CaO 및 CaSO4에 의해 생성된 석고를 포함하고 있어 결합재 및 자극제로서의 역할을 동시에 수행할 수 있으며, 이를 확인하기 위해 XRF(X-ray Fluorescence) 분석을 실시하였고, 분석결과를 Table 1에 고로슬래그 시멘트와 비교하여 나타내었다. 분석결과, 경화반응에 가장 큰 영향을 미치는 성분인 CaO, SiO2, SO3의 성분비가 고로슬래그 시멘트와 유사하게 분포하고 있는 것으로 나타났으며, 연약지반에 분포하고 있는 점토와 혼합할 경우 고로슬래그 시멘트와 유사한 경화반응을 일으킬 수 있는 것으로 나타났다. 또한, 현장에서 CMD-SOIL의 시공에 따른 환경적 영향을 검토하기 위해 환경부에서 제시한 폐기물공정시험을 실시하였고, 시험결과를 Table 2에 나타내었다.
- 12에 본 연구의 시험결과를 기존의 연구결과와 비교하여 나타내었다. 비교결과, 본 연구에서의 강도증가비가 약 45% 크게 나타났으며, 이러한 결과는 연구에 사용된 안정재의 반응성에 따른 차이 때문인 것으로 판단된다.
- 시험결과 함수비가 100%이고, 부상토와 모래를 혼합한 재료에 100kg/m3의 CMD-SOIL을 추가적으로 투입한 시료를 제외한 대부분의 시료의 일축압축강도가 설계배합강도를 만족시키지 못하는 것으로 나타났다. 또한 안정재 투입량의 증가 및 부상토에 모래를 혼합함에 따라 일축압축강도는 증가하는 것으로 나타났고, CMD-SOIL을 안정재로 사용한 시료의 일축압축강도가 고로슬래그 시멘트를 사용하였을 경우에 비해 1.
- 7∼10에 나타내었다. 시험결과, CMD-SOIL과 고로슬래그 시멘트를 혼합한 시료 모두 양생일이 길고 안정재의 투입량이 많을수록 일축압축강도가 증가하는 것으로 나타났으며, 함수비가 55%인 시료의 경우 양생일 28일에서 모든 시료의 일축압축강도가 실내배합강도인 3.375MPa을 상회하는 것으로 나타났다. 그러나 함수비가 85%인 시료의 경우 안정재의 투입량이 250kg/m3 이상 되어야만 물-안정재 비율의 영향을 받지 않고 실내배합강도를 만족시킬 수 있는 것으로 나타났다.
- 시험결과, 패각함유량이 증가함에 따라 일축압축강도가 원지반의 일축압축강도에 비해 감소하는 것으로 나타났고, 안정재의 투입량이 250kg/m3 이상일 경우 안정재의 종류와 상관없이 실내배합강도인 3.375MPa를 만족시킬 수 있는 것으로 나타났으며, CMD-SOIL을 안정재로 사용하는 경우 고로슬래그 시멘트를 안정재로 사용하는 경우에 비해 일축압축강도가 1.009∼1.222배 큰 것으로 나타났다.
- 시험시공 결과, 실내배합강도는 3.937MPa, 확인 Boring을 통해 채취한 시료의 일축압축강도는 3.024MPa로 나타났고, 실내배합강도와 현장강도의 비(λ)는 0.77이며, 기존의 연구결과와의 비교를 위해 Fig. 22에 나타내었다.
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