[논문]굴착복구용 속경성 경량기포 시멘트 모르타르의 최적 배합 도출을 위한 기초 물성 연구

안지환; 전성일

doi:10.7855/ijhe.2017.19.1.001

굴착복구용 속경성 경량기포 시멘트 모르타르의 최적 배합 도출을 위한 기초 물성 연구
Optimized mix design of rapid-set lightweight-formed mortar for backfill 원문보기

한국도로학회논문집 = International journal of highway engineering, v.19 no.1 = no.81, 2017년, pp.1 - 9

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PURPOSES : The objective of this study is to develop an optimized method of mix design for rapid-set lightweight-formed mortar mix. To achieve this objective, the workability, setting time, and compressive strength of mixes under various conditions of mix design were evaluated. METHODS : The water-bonder ratio, fly-ash substitution ratio, and forming agent injection amount were selected as design variables in the study. The fluidity, setting time, density, and strength of the mortar mix were considered as major evaluation criteria of the mixture, and were subsequently utilized to evaluate the characteristics of the mortar mix under various conditions. RESULTS : The observations made from the mix design process are as follows: 1) the air content and fluidity increase as the forming agent ratio and forming agent ratio increase, respectively; 2) the maximum air content is approximately 20%; 3) the accelerating agent decreases the fluidity of the mortar mix by 15% on average; 4) the forming agent injection ratio and fly-ash substitution ratio yield significant effects on the initial and final set times of the mortar mix; 5) as the forming agent injection ratio and fly-ash substitution ratio increase, the compressive strength of the mortar mix decreases; and 6) the 28-day compressive strengths of the forming agent injection ratio and fly-ash substitution ratio yield the most significant effects. CONCLUSIONS : It is concluded that the governing design variables for the rapid-set lightweight-formed mortar mix are the forming agent injection ratio and fly-ash substitution ratio.

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문제 정의

기포와 급결제를 넣기 전·후의 공기량과 플로를 측정하여 기포와 급결제에 의한 공기량과 플로의 변화를 비교하고자 하였다.
본 논문에서는 굴착복구용 재료로 속경성 경량기포 모르타르의 최적 배합 도출을 위해 다양한 배합들의 기초물성을 비교 분석하였다. 이를 위해 3수준의 물-결합 제비, 3수준의 플라이애시 치환율 및 3수준의 기포제 투입량을 변수로 하였으며 속경성을 위하여 급결제를 첨가하여 배합을 설정하였다.
본 연구에서는 미국의 CLSM 개념을 응용하여 국내 실정을 고려한 맞춤형 굴착복구 채움재를 개발하고자 하였다. 특히 본 연구에서는 매설관 주변부의 채움 재료를 경량기포 시멘트 모르타르로 적용하기 위하여 공기량, 유동성, 속경성 및 압축강도 발현을 다양한 배합별로 비교·분석하였다.
한정된 시간 내에서 재료의 속경성은 중요한 부분이다. 속경성을 평가하기 위해서 침입도 시험을 사용하였으며 초결이 30~60분 내에 발현하는 것을 목표로 하였다.
채움재 타설을 할 경우 기술자가 굴착부위에 직접 들어가서 작업을 할 필요가 없어야 하기 때문이다. 이를 위해 플로우 값을 500mm 이상 만족하는 것을 목표로 하였다.
특히 본 연구에서는 매설관 주변부의 채움 재료를 경량기포 시멘트 모르타르로 적용하기 위하여 공기량, 유동성, 속경성 및 압축강도 발현을 다양한 배합별로 비교·분석하였다. 이를 통해 현장 적용을 위한 최적 배합 안을 도출하고자 하였다.
특히 본 연구에서는 매설관 주변부의 채움 재료를 경량기포 시멘트 모르타르로 적용하기 위하여 공기량, 유동성, 속경성 및 압축강도 발현을 다양한 배합별로 비교·분석하였다.

제안 방법

굴착복구 되메움 재료를 위한 저강도 배합으로 물-결 합재비는 3수준(60%, 65%, 70%), 단위 결합재량은 450kg/m³으로 하였다. 원활한 배합을 위하여 폴리카본 산계 고성능 감수제를 해당 물-결합재비에 따라 적정량을 사용하였으며, AE제는 사용하지 않았다.
예비시험 결과 공기량이 20% 이상 초과하게 되면 재료분리 및 체적 감소가 나타나는 것으로 판단되었기 때문이다. 그 결과 전체 배합량(kg) 대비 3 수준(0g/kg, 2.95g/kg, 5.91g/kg)의 단위 기포량 중량 (g)을 투입하였다.
기포투입량은 예비시험을 통해 공기량 20% 이하를 목표로 하였으며 사용 장비의 초당 기포 생산량도 고려하여 결정하였다. 예비시험 결과 공기량이 20% 이상 초과하게 되면 재료분리 및 체적 감소가 나타나는 것으로 판단되었기 때문이다.
도심부에서 신속한 굴착복구 공사를 위해 조기강도 발현을 위한 응결 촉진제가 필요한데 본 연구에서는 시멘트광물계 급결제를 사용하였다. 시멘트 광물계 급결제는 Ca(OH)₂와 SO₃ 반응에 의한 에트린자이트 생성을 통해서 급결성을 나타내는 방법으로, 시멘트와 유사한 pH 10~12의 약알칼리 저자극성 물질로 초기강보발현이 우수하고 높은 차수효과로 장기적 내구성이 우수한 것으로 알려져 있다.
또한 조기강도 발현을 위해 모든 배합에 공통적으로 결합재 중량 대비 5%의 급결제를 적용하였고, 단기 급결을 예방하고자 결합재 중량대비 0.2%의 지연제를 적용하였다.
본 실험에서는 배합 단계별로 공기량과 플로를 측정하였다. 기포와 급결제를 넣기 전·후의 공기량과 플로를 측정하여 기포와 급결제에 의한 공기량과 플로의 변화를 비교하고자 하였다.
두 번째는 기포투입량에 따른 공기량 변화와 플로 변화이다. 본 연구에서는 공기량이 최대 20% 이하가 되도록 예비시험을 통하여 기포량을 결정하였으며, 단위 배합량 대비 기포 첨가량은 0, 2.95, 5.91g/kg이다. 기포 투입량이 증가할수록 공기량 역시 증가하는 경향을 보였는데, 물-바인더 비가 높을수록 기포 투입량 대비 공기량 증가율이 큰 것을 알 수 있다(Fig.
압축강도는 KS L 5105 “수경성 시멘트 모르타르의 압축 강도 시험 방법”에 따라 50mm×50mm의 입방체 시편을 사용하여 재령 1일과 28일에 실험하였다.
압축강도시험은 입방체 시편으로 재령 1일, 28일에 측정을 하였다. Fig.
으로 하였다. 원활한 배합을 위하여 폴리카본 산계 고성능 감수제를 해당 물-결합재비에 따라 적정량을 사용하였으며, AE제는 사용하지 않았다.
이를 위해 3수준의 물-결합 제비, 3수준의 플라이애시 치환율 및 3수준의 기포제 투입량을 변수로 하였으며 속경성을 위하여 급결제를 첨가하여 배합을 설정하였다. 이들 배합별 기초물성을 평가하기 위하여 기포제 및 급결제 투입 전후 공기량과 플로를 비교하였으며, 경화 및 응결시간을 파악하기 위하여 관입저항 시험과 압축강도를 측정하였다. 이를 통하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
본 논문에서는 굴착복구용 재료로 속경성 경량기포 모르타르의 최적 배합 도출을 위해 다양한 배합들의 기초물성을 비교 분석하였다. 이를 위해 3수준의 물-결합 제비, 3수준의 플라이애시 치환율 및 3수준의 기포제 투입량을 변수로 하였으며 속경성을 위하여 급결제를 첨가하여 배합을 설정하였다. 이들 배합별 기초물성을 평가하기 위하여 기포제 및 급결제 투입 전후 공기량과 플로를 비교하였으며, 경화 및 응결시간을 파악하기 위하여 관입저항 시험과 압축강도를 측정하였다.

대상 데이터

1964년에 USBR(U.S. Bureau of Reclamation)은 CLSM을 콘크리트 파이프(직경 380~2400mm) 아래의 받침(bedding) 재료로 사용하여, Amarillo에서 Lubbock까지 연장 518km에 적용하였다. 이때 사용된 재료는 쏘일 시멘트 슬러리(soil-cement slurry)로 시공 비용에 약 40% 정도를 절감할 수 있었다(Lowitz and Defroot, 1968).
골재는 굵은 골재를 사용하지 않고 잔골재만을 사용 하였다. 왜냐하면 굵은 골재를 사용할 경우 재료 분리 가능성이 높아질 수 있으며, 이를 해결하기 위해 모르타르 배합에 비해 좀 더 높은 점성이 요구될 수 있기 때문이다.
발생된 기포는 혼합물 배합 시 주입하여 혼합물과 함께 섞여서 기포 콘크리트를 형성하는 것이다. 본 실험 에서 사용된 기포제(forming agent)는 식물성 기포제를 사용하였다.

이론/모형

공기량 실험은 KS F 2409 “굳지 않은 콘크리트의 단위 용적 질량 및 공기량 시험 방법(질량 방법)”에 따라 실험을 수행하였다.
기포생성 방식은 선기포 방식과 후기포 방식이 있는데, 본 연구에서는 선기포방식을 채택하였다. 이 방식은 기포제를 미리 물에 희석한 후 이것을 고압의 공기와 함께 기포발생기에 주입하여 기포를 발생시키는 방법이다.
모르타르의 응결시험은 KS F 2436 “관입 저항침에 의한 콘크리트의 응결 시간 시험방법”에 따라 실험을 수행하였으며, 초결과 종결의 응결시간 계산을 위하여 회귀분석에 의한 방법을 사용하였다.
플로(Flow)는 KS L 5111에 따라 플로 시험체 틀을 만들었으며, KS F 2594 방식을 활용하여 플로 시험을 수행하였다. 여기에 사용된 플로 콘은“Hagermann cone”으로 주로 자가 다짐 시멘트 모르타르의 흐름치를 측정하는데 사용된다.

성능/효과

1. 기포제 첨가량에 따라 공기량은 증가하였으며, 최대공기량은 약 20% 정도 수준으로 나타났다. 본 배합에서 설정한 기포제 단위첨가량 5.
기포 투입량과 플라이애시 치환량이 압축강도에도 영향을 미치는 것으로 나타났다. 1일 압축강도에서는 일부 플라이애시 치환율이 60%보다 70%일 때 압축강도가 더 큰 경우도 있었으나, 28일 압축강도에 서는 플라이애시 첨가량에 따른 강도 차이가 명확한 것으로 나타났다.
2. 플로는 기포제 첨가량에 따라 증가하였으며, 급결제 첨가 시 평균 15% 정도 감소하였다. 플로는 굴착복구에서 자가 다짐을 평가하기 위한 중요한 항목이므로 추가연구를 통해 현장 적용을 위한 기준의 검토가 필요하다.
3. 초결과 종결 응결시간을 결정하는 중요한 요소로 기포투입량과 플라이애시 치환량이 중요한 것으로 나타났다. 초결 응결시간은 현장에서 되메우기 작업시간을 고려한 재료 배합 적정 범위 산정에 도움이 되며, 종경 응결시간은 실제 최적 배합 도출에 필요한 경우의 수를 줄이는데 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
4. 기포 투입량과 플라이애시 치환량이 압축강도에도 영향을 미치는 것으로 나타났다. 1일 압축강도에서는 일부 플라이애시 치환율이 60%보다 70%일 때 압축강도가 더 큰 경우도 있었으나, 28일 압축강도에 서는 플라이애시 첨가량에 따른 강도 차이가 명확한 것으로 나타났다.
91g/kg이다. 기포 투입량이 증가할수록 공기량 역시 증가하는 경향을 보였는데, 물-바인더 비가 높을수록 기포 투입량 대비 공기량 증가율이 큰 것을 알 수 있다(Fig. 5). 특히 물-바인더 비가 낮을 경우 기포 투입량이 증가하더라도 공기량이 크게 증가하지 않은 것으로 나타나 향후 최적 배합 도출 시 적정 기포 투입량을 고려해야 한다.
둘째, 도심부 굴착복구의 경우 타설 후 30~60분 안에 응결이 발생하여, 기술자가 시공면에서 다음 작업이 가능해야 한다. 한정된 시간 내에서 재료의 속경성은 중요한 부분이다.
또한 경제성을 고려하여 플라이애시 치환율을 최대한 확보하고자 하였으며, 사전 배합을 통해 전체 결합재 대비 60~70% 치환이 적절한 것으로 판단하였다. 치환율이 이보다 클 경우 오히려 초결 발생이 지연되어 본 연구에서 제시하는 성능 목표를 만족하기가 어려운 것으로 나타났다.
13, 14는 1일 압축강도를 나타낸 것으로 기포첨가량이 적을수록 강도가 증가한 것으로 나타났다. 또한 플라이애시 치환량이 낮을수록 강도가 증가하였으나, 일부 배합에서는 치환율이 60%보다 70%일 때 강도가 큰 경우도 있었다.
속경성 경량기포 모르타르 재료의 구성은 1종 시멘 트, 광물성 혼화재, 기포제, 응결촉진제(급결제) 및 골재로 구성되어 있다. 본 연구에서는 광물성 혼화재로 플라이애시를 사용하였으며(Table 3), 기포제를 이용하여 경화된 콘크리트 페이스트 내부에 안정된 공극을 생성 시켜 모르타르의 밀도를 감소시킬 수 있다.
15, 16의 28일 강도와 비교해 보면 플라이애시 치환량이 작고 기포 첨가량이 작을수록 압축강도가 증가하는 것으로 나타났다. 즉, 1일 강도에서는 플라이애시 치환량에 따른 강도 차이가 다를 수 있으나 시간이 지날수록 플라이애시 첨가량에 따른 강도 차이가 명확한 것으로 나타났다.
첫째, 고유동성을 나타내어 별도의 다짐과 마감작업이 필요하지 않는 자가 다짐(Self-compacting, Selfleveling)이 가능해야 한다. 채움재 타설을 할 경우 기술자가 굴착부위에 직접 들어가서 작업을 할 필요가 없어야 하기 때문이다.
초결 응결시간을 결정하는 중요한 요소로 기포투입량과 플라이애시 치환량이 중요한 것으로 나타났다. 이는 동일 배합이더라도 기포함량과 플라이애시 치환량에 따라 초결 응결시간을 조절할 수 있으며, 이러한 특징은 현장에서 계절별 특성을 고려하여 시공할 때 유용할 것으로 판단된다.
플로는 기포 투입량 증가에 따라 증가하는 것으로 나타났으나, 물-바인더 비가 높은 배합에서는 증가량이 적은 것으로 나타났다(Fig. 6). 3번대 배합의 경우 플로 실험값은 오히려 낮은 것으로 나타났으나, 플로값 차이가 크지 않아 거의 변화가 없다고 보는 것이 타당하다.

후속연구

이는 동일 배합이더라도 기포함량과 플라이애시 치환량에 따라 초결 응결시간을 조절할 수 있으며, 이러한 특징은 현장에서 계절별 특성을 고려하여 시공할 때 유용할 것으로 판단된다. 또한 본 연구에서 목표로 하는 30~60분 이내의 초결 응결시간을 가지는 재료 배합에 대한 평가및 적정범위를 산정하는데 도움이 될 것으로 판단된다.
초결과 종결 응결시간을 결정하는 중요한 요소로 기포투입량과 플라이애시 치환량이 중요한 것으로 나타났다. 초결 응결시간은 현장에서 되메우기 작업시간을 고려한 재료 배합 적정 범위 산정에 도움이 되며, 종경 응결시간은 실제 최적 배합 도출에 필요한 경우의 수를 줄이는데 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
플로는 기포제 첨가량에 따라 증가하였으며, 급결제 첨가 시 평균 15% 정도 감소하였다. 플로는 굴착복구에서 자가 다짐을 평가하기 위한 중요한 항목이므로 추가연구를 통해 현장 적용을 위한 기준의 검토가 필요하다.
향후 연구로는 실내에서의 속경성 굴착복구 시멘트 모르타르 최적 배합 범위를 결정하여 현장 시공 적용 시필요한 재료 물성 기준을 제시하고자 한다.
3Mpa를 넘지 않는 것으로 나타났다. 향후 장기강도를 검토하여 필요한 최적 배합 도출 시 고려를 해야 할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	도로공간에서 발생하는 공간의 유형에는 무엇이 있는가?	도로공간에서 발생하는 공간의 유형은 굴착과 비굴착공사, 도로점용 및 비점용공사로 구분한다. 도로점용공사는 굴착복구를 포함한 굴착공사와 차선도색이나 공사장의 자재적치 등의 비굴착공사를 포함한다.
	여러 기관에서 채움재용 CLSM에 요구하는 제시 사항은?	여러 기관에서는 채움재용 CLSM이 20~35분 안에 응결을 발생시킬 수 있도록 설계해야 하며(사람이 걸어 다닐 수 있을 정도), 대략 1시간 이후에는 콘크리트 또는 아스팔트 포장을 시공할 수 있어야 한다고 제시하였다(Howard and Hitch, 1997). 그러나 여기서 제시된 속경성 배합은 플라이애시는 사용하지 않고 오직 시멘트만을 사용하여 배합을 제시하였다.
	국내 실정을 고려한 맞춤형 굴착복구 채움재를 개발하고자 비교, 분석한 요소들은?	본 연구에서는 미국의 CLSM 개념을 응용하여 국내 실정을 고려한 맞춤형 굴착복구 채움재를 개발하고자 하였다. 특히 본 연구에서는 매설관 주변부의 채움 재료를 경량기포 시멘트 모르타르로 적용하기 위하여 공기량, 유동성, 속경성 및 압축강도 발현을 다양한 배합별로 비교·분석하였다. 이를 통해 현장 적용을 위한 최적 배합 안을 도출하고자 하였다.

참고문헌 (15)

ACI, 2013. "Report on Controlled Low-Strength Materials", ACI 229R.
Civil engineering works standard specification, Korea Society of Civil Engineering, 2004.
Han, Woojin et al., 2015, "Study on Correlation between Compressive Strength and Compressional Wave Velocity for CLSM According to Curing Time", Journal of the Korea Geo-Environmental Society, 2015. vol 16 pp5-11.
Howard, A. K., and Hitch, J. L., 1997." The Design and Application of Controlled Low-Strength Materials(Flowable Fill)", ASTM STP 1331, Symposium on the Design and Application of CLSM.
Kevin J. F. et al., 2008." Development of a Recommended Practice for Use of Controlled Low-Strength Material in Highway Construction", NCHRP Report 597.
Kukminilbo, 2015.04.12. "Damage to pipe line connections and the long-term settlement after excavation in Seoul", http://news.kmib.co.kr/article/view.asp?arcid0009331326&code61121111&cpnv.
Lee, Jong-Hwi et al., 2011," A Study on the Effect Factors of Lightweight Foamed CLSM using Coal Ash", Proceeding of Korea Geo-Environmental Society, 2011. 9. pp129-134.
Lee, Seing-Jun et al., 2012, " An Analysis on Thermal Characteristics of Controlled Low Strength Materials with Coal Ash for Pipe-Backfill", Proceeding of Korea Geo- Environmental Society, 2012. 9. pp149-152.
Lowitz, C. A., and Defroot, G., 1968. "Soil Cement Pipe Bedding, Canadian River Aqueduct", Journal of the Construction Division, ASCE, V. 94, No. C01.
Seoul Metropolitan Facilities Management Corporation, 2013.12, "A Study on the Method of the Quality Improvement of Small Scale Repair Works".
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Smith, A., 1991. "Controlled Low-Strength Material", Concrete construction.
Stahli, P, van Mier, J.G.M, 2004 "Three-fibre-type hybrid fibre concrete", in proceeding FRAMCOS-5, Vail, USA, ed. V. C. Li et al, pp. 1105-1112.
Song, Yong Won et al., 2009, "The Investigation of Application of Reject Ash and Recycled Fine Aggregate to High Flowing", Proceeding of Korea Concrete Institute, 2009. 5. pp403-404.

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동의어: Packet Collision Rate

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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