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문제 정의
- 따라서, 본 연구에서는 블리딩 특성을 사전에 파악함으로써 적합한 커플링 재료 선정을 위한 기준을 정립하는데 그 목적이 있다.
- 본 연구에서는 커플링 재료의 물-시멘트 배합비율, 종류, 양생 기간, 주입량이 블리딩 발생에 미치는 영향을 실험적으로 평가하였다. ASTM C940에 따른 총 주입량(800 ml) 기준에서, 적합 커플링 재료 선정을 위한 블리딩 실험 결과를 Table 4와 같이 정리하였다.
- 시추공의 길이에 의하여 커플링 재료의 주입량이 달라진다면 블리딩 발생 양상 또한 달라질 수 있다. 이에 따라 본 실험에서는 직경은 동일하나 높이가 다른 시편을 설치하여 주입량이 블리딩에 미치는 영향을 평가하였다.
- 실제 현장에서는 시추공의 천공 직경은 동일하나 센서의 설치 위치에 따라 커플링 재료의 총 주입량이 달라질 수 있다. 이에 따라, 본 연구에서는 ASTM 기준보다 적은 주입량을 설정하여 총 블리딩 양에 미치는 영향을 평가하였다. Case B는 case A와 동일한 직경의 실린더에 커플링 재료의 주입량을 800 ml에서 340 ml로 약 58% 낮춘 경우에 해당한다.
제안 방법
- 8은 커플링 재료 배합 및 설치 후 시간 경과에 따른 블리딩 발생 비율 결과이다. 각 시편의 블리딩 발생 비율은 커플링 재료 설치 후 1, 3, 6, 24 시간이 경과된 시점에 측정하였다.
- , 2012). 따라서 본 연구에서는 물-시멘트 배합비율을 0.5, 1.0, 1.5, 2.0의 네 단계로 설정하여 물-시멘트 배합비율에 따른 블리딩 실험을 수행하였다.
- 시험편은 증발과 같은 외부의 영향을 최소화하기 위하여 실린더 상부를 밀봉하였으며, 양생 1, 3, 6, 24 시간 후 블리딩을 측정하였다. 또한, 최종 블리딩 비율은 양생 후 24 시간이 경과된 시점에 측정하여 결과를 분석하였다.
- 본 연구에서는 AE 센서 설치를 위한 커플링 재료로 포틀랜드 시멘트, 마이크로 시멘트 및 석고를 선정하였다. 또한, 커플링 재료의 물-시멘트 배합비율, 종류, 양생 기간, 주입량이 블리딩 발생에 미치는 영향을 파악하였다. 본 연구에서 파악된 블리딩 발생 특성은 적합 재료 선정을 위한 기초 연구 결과로 향후 AE 센서 설치 시 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
- 따라서 블리딩은 양생 기간에 따라 달라지므로, 양생 기간이 블리딩 발생에 미치는 영향을 파악하는 것은 중요하다. 본 실험에서는 포틀랜드 시멘트, 마이크로 시멘트, 석고의 물-시멘트 배합비율을 0.5, 1.0, 1.5, 2.0으로 설정하여, 양생 후 시간 경과에 따른 블리딩 발생 변화를 분석하였다. Fig.
- 7은 동일 배합비율 내에서 커플링 재료에 따른 블리딩 실험 결과이다. 본 연구에서 설정한 최소 물-시멘트 배합비율인 0.5와 최대 물-시멘트 배합비율인 2.0일 때 포틀랜드 시멘트, 마이크로 시멘트 및 석고 시편에서의 블리딩 비율을 비교 분석하였다.
- 본 연구에서는 블리딩 실험을 위하여 포틀랜드 시멘트, 마이크로 시멘트, 석고를 증류수와 설정한 물-시멘트 배합비율(0.5, 1.0, 1.5, 2.0)로 배합한 후 실린더에 설치하였다(Fig. 5). 실린더의 크기는 직경 60 mm, 높이 420 mm로 준비하였으며, ASTM C940 규정에 따라 총 커플링 재료의 양은 800 ml (높이 283 mm)로 결정하였다.
- 본 연구에서는 블리딩 측면에서의 최적 커플링을 위하여 한정된 재료와 배합비율만을 고려하였다. 따라서 재료 선정 기준을 정립할 때, 커플링 재료의 탄성파 속도, 감쇠 비율과 같은 동적 특성(dynamic properties)과 점성도와 같은 작업성을 함께 고려한다면 최적화된 커플링 조건을 설계할 수 있을 것으로 판단된다.
- 블리딩 발생비율이 가장 낮은 실험 결과(Bmin, W/C = 0.5인 경우)를 기준으로 물-시멘트 배합비율에 따른 블리딩 변화량을 분석하였다.
- 0°C, 습도는 60 ± 10%를 유지하였다. 시험편은 증발과 같은 외부의 영향을 최소화하기 위하여 실린더 상부를 밀봉하였으며, 양생 1, 3, 6, 24 시간 후 블리딩을 측정하였다. 또한, 최종 블리딩 비율은 양생 후 24 시간이 경과된 시점에 측정하여 결과를 분석하였다.
- 제안된 ASTM C940 시험에서는 커플링 재료, 배합수, 주변 온도를 23.0 ± 2.0°C로 유지하여 블리딩 시험을 수행해야 한다.
- 9는 포틀랜드 시멘트와 마이크로 시멘트를 사용할 때 서로 다른 주입량의 시편에서 블리딩 발생 결과를 나타낸다. 커플링 재료의 주입량은 case A는 800 ml, case B는 340 ml에 해당하며 물-시멘트 비율이 0.5에서 2.0으로 증가할 때의 블리딩 변화량을 평가하였다.
- 한편, 본 연구에서 시추공 내 센서 설치를 위한 주입량에 따른 블리딩 발생 비율 평가 실험을 위하여 총 주입량을 ASTM C940 기준인 800 ml (case A)와 340 ml (case B) 두 가지 경우로 나누어 실험을 수행하였다(Table 3). 실제 현장에서는 시추공의 천공 직경은 동일하나 센서의 설치 위치에 따라 커플링 재료의 총 주입량이 달라질 수 있다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 AE 센서 설치를 위한 커플링 재료로 포틀랜드 시멘트, 마이크로 시멘트 및 석고를 선정하였다. 또한, 커플링 재료의 물-시멘트 배합비율, 종류, 양생 기간, 주입량이 블리딩 발생에 미치는 영향을 파악하였다.
- 본 연구에서는 시추공 내 AE 센서 설치 시 커플링 재료로 주로 사용되는 포틀랜드 시멘트, 암반 미세 절리 충진을 위해 사용되는 마이크로 시멘트, 커플링 시 빠른 시공을 위해 첨가제로 사용되는 석고를 시편으로 사용하였다(Fig. 4). 제조사에 의해 보고된 커플링 재료의 물성에 따르면 입자의 크기는 포틀랜드 시멘트, 석고, 마이크로 시멘트 순으로 큰 것으로 나타났으며, 평균 입자 크기(D50)는 마이크로 시멘트에 비하여 석고는 약 3 배, 포틀랜드 시멘트는 약 4 배 큰 것으로 분석되었다(Table 2).
- 5). 실린더의 크기는 직경 60 mm, 높이 420 mm로 준비하였으며, ASTM C940 규정에 따라 총 커플링 재료의 양은 800 ml (높이 283 mm)로 결정하였다. 실험 중 양생 온도는 23.
- 제조사에 의해 보고된 커플링 재료의 물성에 따르면 입자의 크기는 포틀랜드 시멘트, 석고, 마이크로 시멘트 순으로 큰 것으로 나타났으며, 평균 입자 크기(D50)는 마이크로 시멘트에 비하여 석고는 약 3 배, 포틀랜드 시멘트는 약 4 배 큰 것으로 분석되었다(Table 2). 한편, 시편의 제작은 별도의 첨가제 및 잔골재를 함께 배합하지 않고 포틀랜드 시멘트, 마이크로 시멘트 및 석고를 단일 커플링 재료로 사용하여 물과 함께 혼합하였다.
이론/모형
- 물과 함께 배합된 커플링 재료의 블리딩을 평가하기 위하여, 본 연구에서는 ASTM C940 (2010)시험 기준을 따라 실험을 수행하였다. 제안된 ASTM C940 시험에서는 커플링 재료, 배합수, 주변 온도를 23.
- ASTM C940에 따른 총 주입량(800 ml) 기준에서, 적합 커플링 재료 선정을 위한 블리딩 실험 결과를 Table 4와 같이 정리하였다. 커플링 상태에 따른 블리딩 허용 기준은 최종 블리딩 발생 비율이 10%이하인 기준(Shirlaw et al., 2014)으로 설정하여 평가하였다. 포틀랜드 시멘트의 경우, 물-시멘트 배합비율 0.
성능/효과
- 그러나 물-시멘트 배합비가 1.5 - 2.0으로 증가되면 총 주입량의 증가(340 → 800 ml)에 따라 추가적으로 약 5 - 10% 정도 블리딩 비율이 가산될 수 있음을 확인할 수 있었다.
- 블리딩의 발생 비율은 전체 주입량으로 나눈 값으로 정의되기 때문에, 전체 주입량에 관계없이 동일한 재료 및 환경조건에서는 동일한 블리딩 비율이 측정되어야 한다. 그러나 본 실험 결과 총 커플링 주입량이 증가할수록 블 리딩 비율은 증가하는 것으로 분석되었다. 마이크로 시멘트와 포틀랜드 시멘트 두 시편 모두에서 커플링 재료의 주입량이 증가할수록 블리딩 비율이 증가함을 관찰할 수 있었다.
- Draganović (2009)는 시멘트 입자 크기에 따른 블리딩 발생 비율을 실험적으로 평가하였다. 동일한 물-시멘트 배합비율과 동일한 커플링 재료의 설치 길이 조건에서 블리딩 발생 비율은 시멘트 입자가 작은 시편에 비하여 시멘트 입자 크기가 큰 시편에서 높게 평가되었다. 또한, Lee et al.
- 따라서, 기존 암반절리 내 그라우팅 시 사용하는 물-시멘트 배합비율을 참고하였으며, 일반적으로 사용되는 물-시멘트 배합비율의 범위는 0.5에서 3.0의 범위를 가지는 것으로 확인하였다(Høien et al., 2014; You et al., 2012).
- 동일한 물-시멘트 배합비율에서 마이크로 시멘트와 석고는 포틀랜드 시멘트에 비하여 블리딩 발생 비율이 낮은 결과를 보여주었다. 따라서, 센서 설치를 위한 커플링 설치 시 포틀랜드 시멘트에 비하여 마이크로 시멘트와 석고가 블리딩 측면에서 커플링 재료로써 유리한 것으로 분석되었다.
- 양생 기간이 블리딩 발생에 미치는 영향의 실험 결과, 본 연구에서 선정한 모든 커플링 재료에서 주로 양생 시작 1 시간까지 대부분의 블리딩이 진행되었으며 양생 시작 3 시간 후 블리딩 현상이 종료되는 것으로 관찰되었다. 따라서, 양생 기간이 블리딩에 미치는 영향은 작은 것으로 분석되었으며 마이크로 시멘트와 석고는 포틀랜드 시멘트에 비하여 양생 기간에 따른 영향이 거의 없는 것으로 평가되었다.
- 0일 때 양생 시작 1 시간 후 블리딩은 각각 약 1%, 11%, 30%, 47% 발생 하는 것으로 분석되었다. 또한 양생 시작 3 시간 후의 블리딩은 각각 약 3%, 29%, 46%, 53% 발생하여 물-시멘트 배합비율이 증가할수록 블리딩의 대부분은 양생 초반 발생하는 것으로 분석되었다. 따라서, 양생 기간이 블리딩 발생에 미치는 영향은 물-시멘트 배합비율이 높은 경우 미미한 것으로 판단된다.
- 포틀랜드 시멘트는 물-시멘트 배합비율 증가에 따른 영향이 마이크로 시멘트와 석고에 비하여 큰 것으로 평가되었다. 또한, 마이크로 시멘트와 석고는 물-시멘트 배합비율 변화에 따른 블리딩 발생 비율이 유사한 양상을 보였으며, 물-시멘트 배합비율이 1.0 이하의 조건에서는 블리딩이 발생하지 않았다. 양생 기간에 따른 영향 분석에서는 커플링 재료 설치 후 1 시간 이내 대부분의 블리딩이 발생하였다.
- 0 이하일 때 시편의 주입량이 블리딩 발생에 미치는 영향은 거의 없는 것으로 파악되었다. 또한, 물-시멘트 배합비율이 1.0 보다 커지는 경우 case A와 case B의 차이가 발생하기 시작하였으며, 물-시멘트 배합비율이 2.0일 때 case B에 비하여 case A의 블리딩이 약 5% 높은 결과를 보였다.
- 5일 때의 블리딩 값에 비하여 각각 약 26%, 45%, 52%까지 증가하는 결과를 보였다. 또한, 물-시멘트 배합비율이 2.0일 때, 주입한 커플링 재료의 양에 비하여 절반 이상 시편의 길이가 감소하는 결과를 보였다. 이와 같은 결과는 커플링 재료로 포틀랜드 시멘트를 사용하는 경우, 물-시멘트 배합비율에 따라 블리딩이 상당히 발생할 수 있음을 보여준다.
- 0으로 증가할 때 case B에 비하여 case A에서 블리딩이 약 10% 큰 결과를 보였다. 또한, 물-시멘트 배합비율이 증가할 때, case A와 case B 의 블리딩 발생 비율의 차이는 증가하는 경향을 보였다. 이에 따라, 현장 적용 시 물-시멘트 배합비율이 본 연구에서 설정한 최대 값(W/C = 2.
- 양생 기간에 따른 영향 분석에서는 커플링 재료 설치 후 1 시간 이내 대부분의 블리딩이 발생하였다. 또한, 커플링 재료 설치 후 3 시간 이내 블리딩이 종료되어 양생 기간은 본 연구에서 설정한 다른 변수들에 비하여 블리딩에 미치는 영향이 미미한 것으로 파악되었다. 마지막으로 주입량에 따른 영향 분석 결과, 물-시멘트 배합비율이 증가할수록 블리딩 발생에 큰 영향을 주는 것으로 확인하였다.
- 8c는 커플링 재료 배합 및 설치 후 시간 경과에 따른 석고의 블리딩 결과이다. 마이크로 시멘트 시편의 결과와 유사하게 석고는 모든 물-시멘트 배합비율에서 양생 시작 1 시간 후 블리딩이 종료되는 것으로 분석되었다.
- 그러나 본 실험 결과 총 커플링 주입량이 증가할수록 블 리딩 비율은 증가하는 것으로 분석되었다. 마이크로 시멘트와 포틀랜드 시멘트 두 시편 모두에서 커플링 재료의 주입량이 증가할수록 블리딩 비율이 증가함을 관찰할 수 있었다.
- 또한, 커플링 재료 설치 후 3 시간 이내 블리딩이 종료되어 양생 기간은 본 연구에서 설정한 다른 변수들에 비하여 블리딩에 미치는 영향이 미미한 것으로 파악되었다. 마지막으로 주입량에 따른 영향 분석 결과, 물-시멘트 배합비율이 증가할수록 블리딩 발생에 큰 영향을 주는 것으로 확인하였다. 본 연구에서 사용된 커플링 재료를 종합적으로 분석하면, 작업성이 충분한 물-시멘트 배합비 1.
- (2016)은 기존에 보고되었던 물-시멘트 배합비율 변화에 따른 블리딩 실험 결과를 이론식과 비교하였다. 물-시멘트 배합비율의 증가는 블리딩 발생 비율이 증가하는 결과를 보여주었다. 이러한 결과는 실내실험과 이론해와의 비교에서 유사한 경향성을 보였다.
- 0인 경우에는 양생 시작 6 시간 후 블리딩이 종료되었다. 물-시멘트 배합비율이 0.5, 1.0, 1.5, 2.0일 때 양생 시작 1 시간 후 블리딩은 각각 약 1%, 11%, 30%, 47% 발생 하는 것으로 분석되었다. 또한 양생 시작 3 시간 후의 블리딩은 각각 약 3%, 29%, 46%, 53% 발생하여 물-시멘트 배합비율이 증가할수록 블리딩의 대부분은 양생 초반 발생하는 것으로 분석되었다.
- 6a는 포틀랜드 시멘트를 사용한 시편에서 물-시멘트 배합비율에 따른 블리딩 발생량을 보여준다. 물-시멘트 배합비율이 0.5에서 1.0, 1.5, 2.0으로 증가하는 경우, 물-시멘트 배합비율이 0.5일 때의 블리딩 값에 비하여 각각 약 26%, 45%, 52%까지 증가하는 결과를 보였다. 또한, 물-시멘트 배합비율이 2.
- 본 실험 결과 커플링 재료의 물-시멘트 배합비율이 증가하는 경우 블리딩 발생 비율이 증가하는 경향을 보였다.포틀랜드 시멘트는 물-시멘트 배합비율 증가에 따른 영향이 마이크로 시멘트와 석고에 비하여 큰 것으로 평가되었다.
- 마지막으로 주입량에 따른 영향 분석 결과, 물-시멘트 배합비율이 증가할수록 블리딩 발생에 큰 영향을 주는 것으로 확인하였다. 본 연구에서 사용된 커플링 재료를 종합적으로 분석하면, 작업성이 충분한 물-시멘트 배합비 1.0 - 1.5의 마이크로 시멘트를 커플링 재료로 사용한다면 주입량에 따른 블리딩 최소화 및 미세절리까지 충진되는 효과적인 커플링이 가능할 것으로 판단된다.
- (2016)은 설치 길이가 같고 직경이 다른 실린더를 이용하여 양생 기간에 따른 블리딩 발생 비율을 실험적으로 평가하였다. 블리딩은 대부분 양생 초기에 발생하였으며 양생이 진행됨에 따라 일정한 블리딩 비율 값으로 수렴하는 결과를 보였다. Massoussi et al.
- 실험 중 양생 온도는 23.0 ± 2.0°C, 습도는 60 ± 10%를 유지하였다.
- 양생 기간이 블리딩 발생에 미치는 영향의 실험 결과, 본 연구에서 선정한 모든 커플링 재료에서 주로 양생 시작 1 시간까지 대부분의 블리딩이 진행되었으며 양생 시작 3 시간 후 블리딩 현상이 종료되는 것으로 관찰되었다. 따라서, 양생 기간이 블리딩에 미치는 영향은 작은 것으로 분석되었으며 마이크로 시멘트와 석고는 포틀랜드 시멘트에 비하여 양생 기간에 따른 영향이 거의 없는 것으로 평가되었다.
- 제조사에 의해 보고된 커플링 재료의 물성에 따르면 입자의 크기는 포틀랜드 시멘트, 석고, 마이크로 시멘트 순으로 큰 것으로 나타났으며, 평균 입자 크기(D50)는 마이크로 시멘트에 비하여 석고는 약 3 배, 포틀랜드 시멘트는 약 4 배 큰 것으로 분석되었다(Table 2).
- 주입량이 블리딩에 미치는 영향은 입자크기가 작은 마이크로 시멘트의 시편에 비하여 입자크기가 큰 포틀랜드 시멘트의 시편에서 더 크게 발생하는 것으로 분석되었다. 특히 포틀랜드 시멘트에서 물-시멘트 배합비율이 증가할수록 주입량에 의한 블리딩 발생 영향은 크게 증가하는 경향성을 보였다.
- (2017)은 동일 물-시멘트 배합비율 내에서 커플링 재료의 주입량에 따른 블리딩 발생 비율을 실험적으로 평가하였다. 커플링 재료의 시편 길이가 큰 경우, 짧은 시편에 비하여 블리딩이 더 많이 발생하였으며, 블리딩 종료 시점이 지연되는 결과를 보였다. 그러나 시추공 내 AE 센서 설치 시 블리딩을 고려한 커플링 연구는 미미한 실정이다.
- 주입량이 블리딩에 미치는 영향은 입자크기가 작은 마이크로 시멘트의 시편에 비하여 입자크기가 큰 포틀랜드 시멘트의 시편에서 더 크게 발생하는 것으로 분석되었다. 특히 포틀랜드 시멘트에서 물-시멘트 배합비율이 증가할수록 주입량에 의한 블리딩 발생 영향은 크게 증가하는 경향성을 보였다. 물-시멘트 배합비가 0.
- 본 실험 결과 커플링 재료의 물-시멘트 배합비율이 증가하는 경우 블리딩 발생 비율이 증가하는 경향을 보였다.포틀랜드 시멘트는 물-시멘트 배합비율 증가에 따른 영향이 마이크로 시멘트와 석고에 비하여 큰 것으로 평가되었다. 또한, 마이크로 시멘트와 석고는 물-시멘트 배합비율 변화에 따른 블리딩 발생 비율이 유사한 양상을 보였으며, 물-시멘트 배합비율이 1.
- 0인 경우, 포틀랜드 시멘트, 마이크로 시멘트 및 석고 시편에서는 각각 약 53%, 14%, 14%의 블리딩이 발생한 결과를 보여준다. 포틀랜드 시멘트는 블리딩이 큰 폭으로 발생하여 마이크로 시멘트와 석고에 비하여 블리딩 발생 비율이 약 39% 높은 결과를 보였다.
- 0을 초과할 때 블리딩이 발생하는 것으로 분석되었다. 한편 물-시멘트 배합비율이 1.5와 2.0일 때에는, 물-시멘트 배합비율이 0.5일 때의 블리딩 값에 비하여 각각 약 6%, 14% 증가하는 결과를 보였다.
후속연구
- 본 연구에서는 블리딩 측면에서의 최적 커플링을 위하여 한정된 재료와 배합비율만을 고려하였다. 따라서 재료 선정 기준을 정립할 때, 커플링 재료의 탄성파 속도, 감쇠 비율과 같은 동적 특성(dynamic properties)과 점성도와 같은 작업성을 함께 고려한다면 최적화된 커플링 조건을 설계할 수 있을 것으로 판단된다. 본 연구 결과를 통하여 파악된 커플링 재료의 블리딩 특성은 향후 현장에서 적합 커플링 재료 선정 시 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
- 또한, 입자가 작기 때문에 주입량에 의한 블리딩 영향이 다른 재료에 비해 상대적으로 작다. 따라서 현장 내 시추공의 천공 조건이 불확실할 경우, 마이크로 시멘트와 같이 입자가 작은 재료를 커플링 시공에 사용한다면 주입량에 의한 블리딩의 영향을 최소화 할 수 있을 것으로 기대된다.
- 따라서 재료 선정 기준을 정립할 때, 커플링 재료의 탄성파 속도, 감쇠 비율과 같은 동적 특성(dynamic properties)과 점성도와 같은 작업성을 함께 고려한다면 최적화된 커플링 조건을 설계할 수 있을 것으로 판단된다. 본 연구 결과를 통하여 파악된 커플링 재료의 블리딩 특성은 향후 현장에서 적합 커플링 재료 선정 시 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
- 본 연구에서 파악된 블리딩 발생 특성은 적합 재료 선정을 위한 기초 연구 결과로 향후 AE 센서 설치 시 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
- 또한, 물-시멘트 배합비율이 증가할 때, case A와 case B 의 블리딩 발생 비율의 차이는 증가하는 경향을 보였다. 이에 따라, 현장 적용 시 물-시멘트 배합비율이 본 연구에서 설정한 최대 값(W/C = 2.0)보다 커진다면 커플링 재료의 주입량이 증가할수록 블리딩은 더 많이 발생할 것으로 판단된다.
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