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문제 정의
- 본 연구에 활용된 고화제는 고함수토 전용으로 해안점토와 같은 고함수비의 토양을 신속하고 효과적으로 고화시켜 현장토의 재활용에 사용하기 위한 목적을 가지고 있다. 따라서 고화과정을 통해 고함수토에 대한 탈수와 감수효과로 성질을 개량함으로써 현장발생토의 재활용이 가능하도록 할 수 있다.
- 본 연구에서는 고화제로 개량된 해성점토가 동결-융해에 대한 저항성을 높이거나 도로의 기층재나 노상재로 적용할 수 있는지를 확인하기 위해 실내 동상시험을 수행하였다.
- 본 연구에서는 실내실험을 통하여 고화제 첨가에 의한 지반개량의 적용성 평가를 위하여 KS F 2374의 시험법을 참고하여 침하량을 산출하여 비교하는 실험을 수행하였다.
- 본 연구에서는 일축압축시험을 통해 결정된 적정배합비 6%의 고화제를 첨가한 현장유용 해성점토의 공용성을 평가하기 위해 고화처리된 지반에서 침하량의 변화를 산정하였으며, 혼합토의 재령 일수를 28일로 설정하였다. Fig.
- 본 연구의 목적은 제지애쉬와 시멘트계 고화물질로 구성된 고화제의 개선효과와 적정 배합비를 결정하는데 있으며, 이를 위해 혼합토의 광물학적 분석은 물론 배합비에 따른 강성의 변화를 분석하기 위해 일축압축강도실험을 수행하였다. 또한 현장발생토의 고화처리 효과를 검증하고 노상재로의 활용성을 평가하기 위해 동상시험, 노상토지지력시험 휠트래킹시험을 수행하였고 SEM촬영 및 방사선회절분석을 통해 혼합토의 강도증진을 도모하는 물질에 대한 분석을 수행하였다.
- 고화제를 점토에 첨가하는 경우 포졸란반응이 이루어지면서 흙의 경화가 진행된다. 이러한 경화과정을 규명하고 결정질 화합물을 확인하기 위해 본 연구에서는 해성점토시료와 고화제를 6% 혼합한 시료에 대해 XRD 분석을 수행하였다. 또한 해성점토 및 시멘트계 고화제의 혼합으로 인한 시료의 경화거동을 분석하기 위해 공시체의 표면형상과 평균 결정립의 크기를 SEM(주사전자현미경)을 이용하여 분석하였다.
제안 방법
- 고화제 첨가에 다른 개량토의 특성을 평가하기 위해 경기도 ㅇㅇ대교 근처에서 채취한 해성점토에 대하여 한국산업규격(KS)의 시험방법에 따라 비중, 입도분포, 애터버그한계, 다짐시험 등 기본적인 물리적 특성 시험을 수행하였으며, 요약하면 Table 1과 같다.
- 고화제 혼합토를 노상토로 사용할 수 있는지를 평가하기 위한 방법으로 반복하중에 의한 침하량에 대하여 분석하는 휠트래킹 실험기를 이용한 실험을 수행하였다. 공시체 몰드는 1변 mm의 길이가 (300 ± 5) mm인 정사각형으로 두께 190mm의 공시체를 다질 수 있는 몰드를 사용하였고, 시험 차륜하중은 686 N으로 고정시켜 시험하였다.
- 고화제를 첨가하였을 때 시간경과에 따른 강도변화특성을 분석하기 고화제 혼합율은 2%, 4%, 6%, 8%, 10%의 범위로 선정하였고, 각각의 경우마다 3개의 공시체를 제작하여 3일, 7일, 14일, 21일, 28일동안 양생하여 일축압축강도시험을 수행하였다. 공시체의 크기는 직경 5cm, 길이 10cm로서 1:2의 비율이고 공시체의 단면을 고르게 하기 위해 석고를 이용하여 캡핑(capping)하였다.
- 현장발생토의 노상토로서의 활용가능성을 평가하기 위해 관입시험을 진행하였다. 고화제의 적정 혼합비는 일축압축시험을 통해 가장 효율적인 혼합비로 6%를 결정하고 각각 10회, 25회, 55회 다짐시험을 수행하였으며, 다짐시험을 통해 얻은 최적함수비에 맞추어 공시체를 제작하였다.
- 고화제를 첨가하였을 때 시간경과에 따른 강도변화특성을 분석하기 고화제 혼합율은 2%, 4%, 6%, 8%, 10%의 범위로 선정하였고, 각각의 경우마다 3개의 공시체를 제작하여 3일, 7일, 14일, 21일, 28일동안 양생하여 일축압축강도시험을 수행하였다. 공시체의 크기는 직경 5cm, 길이 10cm로서 1:2의 비율이고 공시체의 단면을 고르게 하기 위해 석고를 이용하여 캡핑(capping)하였다.
- 이러한 경화과정을 규명하고 결정질 화합물을 확인하기 위해 본 연구에서는 해성점토시료와 고화제를 6% 혼합한 시료에 대해 XRD 분석을 수행하였다. 또한 해성점토 및 시멘트계 고화제의 혼합으로 인한 시료의 경화거동을 분석하기 위해 공시체의 표면형상과 평균 결정립의 크기를 SEM(주사전자현미경)을 이용하여 분석하였다. 분석은 원지반에 고화제를 혼합하고 습윤양생 7일 후에 자연건조를 한 시료를 균일한 분말로 제작하여 실시하였다.
- 본 연구의 목적은 제지애쉬와 시멘트계 고화물질로 구성된 고화제의 개선효과와 적정 배합비를 결정하는데 있으며, 이를 위해 혼합토의 광물학적 분석은 물론 배합비에 따른 강성의 변화를 분석하기 위해 일축압축강도실험을 수행하였다. 또한 현장발생토의 고화처리 효과를 검증하고 노상재로의 활용성을 평가하기 위해 동상시험, 노상토지지력시험 휠트래킹시험을 수행하였고 SEM촬영 및 방사선회절분석을 통해 혼합토의 강도증진을 도모하는 물질에 대한 분석을 수행하였다.
- 시험 중 시험차륜의 하중이 일정하게 유지되더라도 접지압의 분포에 따라 안정도가 변화하므로 일정 기간에 대해 동일 하중에 따른 접지압을 측정한 후 항상 동일한 접지압을 유지할 수 있도록 하였다. 변형량 측정은 최초에 중심부를 통과한 때, 다이얼 게이지의 눈금을 원점으로 하며 30초 마다 침하 깊이를 측정 기록하고 변형량-시간 곡선 중 곡선이 직선으로 변하는 변곡선 구간에서 변형률이 일정하게 변하는 45분, 60분 구간의 15분간 변형량을 측정하여 분석한다.
- 본 연구에서는 현장에서 발생되는 유용토를 대상으로 고화제를 활용한 화학적인 지반개량을 수행하여 지반공학적･동토공학적 특성을 개선하고 이에 따른 노상재로써의 공용성을 평가하기 위해 고화제의 배합비별로 일축압축시험과 실내 동상실험을 실시하고 지지력시험과 휠트래킹 시험을 수행하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 또한 해성점토 및 시멘트계 고화제의 혼합으로 인한 시료의 경화거동을 분석하기 위해 공시체의 표면형상과 평균 결정립의 크기를 SEM(주사전자현미경)을 이용하여 분석하였다. 분석은 원지반에 고화제를 혼합하고 습윤양생 7일 후에 자연건조를 한 시료를 균일한 분말로 제작하여 실시하였다. Fig.
- 공시체 몰드는 1변 mm의 길이가 (300 ± 5) mm인 정사각형으로 두께 190mm의 공시체를 다질 수 있는 몰드를 사용하였고, 시험 차륜하중은 686 N으로 고정시켜 시험하였다. 시험 중 시험차륜의 하중이 일정하게 유지되더라도 접지압의 분포에 따라 안정도가 변화하므로 일정 기간에 대해 동일 하중에 따른 접지압을 측정한 후 항상 동일한 접지압을 유지할 수 있도록 하였다. 변형량 측정은 최초에 중심부를 통과한 때, 다이얼 게이지의 눈금을 원점으로 하며 30초 마다 침하 깊이를 측정 기록하고 변형량-시간 곡선 중 곡선이 직선으로 변하는 변곡선 구간에서 변형률이 일정하게 변하는 45분, 60분 구간의 15분간 변형량을 측정하여 분석한다.
- 제지애쉬를 혼입하여 화학적 안정처리한 해성점토의 노상토 재료로써의 적용성을 평가하기 위해 혼합률에 따른 일축압축강도, 노상토지지력시험(CBR), 실내동상시험을 수행하였다.
- 현장발생토의 노상토로서의 활용가능성을 평가하기 위해 관입시험을 진행하였다. 고화제의 적정 혼합비는 일축압축시험을 통해 가장 효율적인 혼합비로 6%를 결정하고 각각 10회, 25회, 55회 다짐시험을 수행하였으며, 다짐시험을 통해 얻은 최적함수비에 맞추어 공시체를 제작하였다.
대상 데이터
- 공시체 몰드는 1변 mm의 길이가 (300 ± 5) mm인 정사각형으로 두께 190mm의 공시체를 다질 수 있는 몰드를 사용하였고, 시험 차륜하중은 686 N으로 고정시켜 시험하였다.
- 대상 흙 시료는 50%의 자연함수비를 가지는 세립토로서 No.200체의 통과 백분율이 99.4%이고, 액성한계 및 소성한계는 각각 35.9%, 12.29%로 나타나 통일분류법(USCS)에 의해 저압축성의 점토(CL)로 분류된다.
이론/모형
- 본 연구에서 사용한 고화제는 분말로 흙의 다짐 시험방법(KS F 2312)으로 얻은 최적함수비와 최대건조단위중량의 결과 값을 이용하여 시험조건을 결정하였다.
- 흙 종류에 따른 노상토의 C.B.R과 지반조건기준을 이용하여 고화제로 처리한 흙의 용도를 결정하고, 고화제 혼합에 의한 지지력 증가를 판단하기 위하여 KS F 2320에 의하여 C.B.R시험을 진행하였다. 노상토지지력은 노상토, 노반재료의 지지력 특성을 표현하는 지수로 지름 5.
성능/효과
- (1) 시멘트계 고화제를 혼합한 현장 발생 해성점토에 대한 일축압축강도를 평가해본 결과, 고화제의 혼합비에 따른 강도의 증가비가 배합비 6%에서 가장 두드러지며, 6% 이후 증가비가 급격히 감소하는 경향을 나타내었으며 모든 재령에서 동일한 경향을 보였다.
- (2) 재령 28일 강도에 대한 강도 발현율을 재령과 배합비별로 분석한 결과, 고화제의 혼합비가 6%를 상회하는 경우 강도비가 확연히 증가되는 추세를 나타내었다. 또한 재령에 따른 강도의 변화에 따르면 고배합비에서는 초기강도의 발현도가 상대적으로 높아 저배합비에 비해 재령에 따른 증가비의 급격한 상승은 발생하지 않는 것으로 나타났다.
- (3) 동상실험을 통해 해상점토는 TRRL의 판단기준에 의하면 기본적으로 동상에 대하여 민감하지 않은 흙으로 분류되나, 고화제를 이용한 안정처리 시 동상민감성이 현저하게 감소되는 경향을 나타내어 동상방지층으로도 충분히 활용가능할 것이라 판단된다.
- (4) 일축압축 및 동상실험 결과를 토대로 시멘트계 고화제가 6% 혼합된 현장 유용토의 공용성을 평가하기 위해 노상토지지력평가를 수행한 결과, 수정CBR은 10 이상으로 평가되어 성토재로서의 기준을 상회하는 것으로 나타났다. 또한 휠트래킹시험을 수행한 결과, 동적안정도가 15,750회/mm인 것으로 산정되어 소성변형에 대한 저항성이 크고 높은 안정도의 값을 보이는 것으로 나타났다.
- 7일 재령 후의 분석결과, 고화제를 혼합한 시료의 경우 재령 초기에 CAH계의 알민산석회화합물(Ettringite,dÅ3.88)이 형성되기 시작하였으며 시멘트화합물의 경우 수화반응이 일어나면서 알민산석회는 이중석고와 결합하여 알민산유산석회 화합물을 형성하여 침상형태의 결정구조를 형성하는 것으로 나타났다.
- 5는 고화제 혼합비에 대한 일축압축강도 증가율을 나타낸 것이다. 고화제의 혼합비가 증가할수록 일축압축강도의 증가율은 증가하는 것으로 나타났다. 고화제 혼합율이 0%~6%범위에서 공시체의 최대 일축압축강도는 약 70%~90%이고 6% 이후의 혼합비에서는 일축압축강도의 증가율이 크지 않은 것으로 분석된다.
- 또한 휠트래킹시험을 수행한 결과, 동적안정도가 15,750회/mm인 것으로 산정되어 소성변형에 대한 저항성이 크고 높은 안정도의 값을 보이는 것으로 나타났다. 따라서 6%의 배합비는 현장 발생토의 개량을 통해 노상토로의 활용가치를 기대할 수 있을 것으로 판단된다.
- 따라서 상기 식으로부터 대상지반의 동적안정도가 15,750회/mm인 것으로 산정되었으므로 실험대상 고화토가 기준을 만족하고 있으며 소성변형에 대한 저항성이 커서 높은 안정도의 값을 나타내는 것으로 나타났다. 이러한 값은 배합비 6%의 고화처리 지반이 노상토로서 공용성을 갖고 있음을 판단할 수 있다.
- 34mm인 것으로 나타났다. 따라서 상기식을 통한 산정결과 대상 혼합토지반의 변형속도는 0.0026mm/min인 것으로 분석되었다.
- 따라서 고화과정을 통해 고함수토에 대한 탈수와 감수효과로 성질을 개량함으로써 현장발생토의 재활용이 가능하도록 할 수 있다. 또한 시멘트가 가지고 있는 6가 크롬 등의 환경적인 문제를 최소화한 제품으로 친환경적인 특성이 보강 되었다.
- (2) 재령 28일 강도에 대한 강도 발현율을 재령과 배합비별로 분석한 결과, 고화제의 혼합비가 6%를 상회하는 경우 강도비가 확연히 증가되는 추세를 나타내었다. 또한 재령에 따른 강도의 변화에 따르면 고배합비에서는 초기강도의 발현도가 상대적으로 높아 저배합비에 비해 재령에 따른 증가비의 급격한 상승은 발생하지 않는 것으로 나타났다. 이상의 분석으로부터 조기강도 발현의 측면에서도 고화제의 배합비 6%가 뚜렷한 강도발현 효과를 보이는 것으로 확인하였다.
- 또한 총 변형량(mm)은 최초로 시험 차륜이 중심부를 통과한 1회차를 0으로 결정하고, 다짐 횟수가 2,520회(60분 소요)일 때의 침하 깊이를 기록하는 것으로 실험이 종료된 60분에서 5.34mm로 나타났다.
- (4) 일축압축 및 동상실험 결과를 토대로 시멘트계 고화제가 6% 혼합된 현장 유용토의 공용성을 평가하기 위해 노상토지지력평가를 수행한 결과, 수정CBR은 10 이상으로 평가되어 성토재로서의 기준을 상회하는 것으로 나타났다. 또한 휠트래킹시험을 수행한 결과, 동적안정도가 15,750회/mm인 것으로 산정되어 소성변형에 대한 저항성이 크고 높은 안정도의 값을 보이는 것으로 나타났다. 따라서 6%의 배합비는 현장 발생토의 개량을 통해 노상토로의 활용가치를 기대할 수 있을 것으로 판단된다.
- 4는 고화제를 혼합한 공시체의 양생기간에 따른 일축압축강도 증가율을 나타낸 것이다. 모든 혼합비 조건에서 양생기간이 증가함에 따라 일축압축강도 증가율이 증가하는 것으로 나타났다. 고화제를 혼합하지 않은 조건에서 압축강도가 증가하는 것은 양생기간동안 공시체의 수분이 감소하였기 때문이라 분석되고, 양생기간이 0인 공시체에서 일축압축강도가 증가하는 것은 고화제를 첨가함에 따라 공시체의 함수비가 감소하기 때문인 것으로 판단된다.
- 실험결과 45분 시점의 변형량은 5.3mm, 60분에서의 변형량은 5.34mm인 것으로 나타났다. 따라서 상기식을 통한 산정결과 대상 혼합토지반의 변형속도는 0.
- 앞서 산정한 최적혼합비 6%의 고화제가 혼합된 혼합토에 대한 노상토지지력실험 결과, CBR값이 10.9로 노상토에서 요구하는 지지력 값인 10 이상인 것으로 평가되어 성토재의 기준에 만족하고 있음을 확인하였다.
- 이상과 같이 본 연구에서는 현장에서 발생하는 점토를 적절한 화학적 첨가재의 혼합을 통하여 도로노상토로 활용이 가능하다는 것을 공학적으로 검증하였으며, 특히 고화제의 적정 배합비에 대해 강도와 동토공학적 특성을 통해 확인하였다. 향후에는 도로노상토를 비롯한 뒷채움재 및 성토재로의 활용가능성에 대한 연구가 요구되며 현장 시공을 위한 기계화와 자동화에 대한 연구도 필요할 것으로 판단되며, 현장여건을 통해 직접적으로 개량 설계에 적용할 수 있는 강도나 지지력비 등의 예측식에 대한 연구가 후속적으로 진행되어야 할 것으로 판단된다.
- 또한 재령에 따른 강도의 변화에 따르면 고배합비에서는 초기강도의 발현도가 상대적으로 높아 저배합비에 비해 재령에 따른 증가비의 급격한 상승은 발생하지 않는 것으로 나타났다. 이상의 분석으로부터 조기강도 발현의 측면에서도 고화제의 배합비 6%가 뚜렷한 강도발현 효과를 보이는 것으로 확인하였다.
- 3은 고화제의 양생일과 혼합비에 따른 일축압축강도를 나타낸 것이다. 해성점토에 대하여 고화제의 혼합비율이 높을수록 일축압축강도는 증가하는 경향을 보이며, 고화제의 혼합비가 0%~6%의 범위에서는 증가폭이 큰 반면 6%~10%의 범위에서는 일축압축강도의 증가폭이 크지 않은 것으로 분석된다.
- 해성점토의 주요 성분은 α-석영, 시멘트 계 고화제는 석영과 알민산규소, 산화칼슘이나 이중석고 등의 수화물로 구성되어 있는 것으로 분석되었다.
후속연구
- 9로 노상토에서 요구하는 지지력 값인 10 이상인 것으로 평가되어 성토재의 기준에 만족하고 있음을 확인하였다. 따라서 현장에서 발생되는 해성점토 유용토를 노상토 재료로 활용하기 위해 시멘트계 고화제를 6% 혼합할 경우, 흙 쌓기 재료의 품질기준을 만족하는 것으로 나타났으며 현장발생토의 활용에 대한 적합한 사용기준으로 활용할 수 있을 것이라 사료된다.
- 향후에는 도로노상토를 비롯한 뒷채움재 및 성토재로의 활용가능성에 대한 연구가 요구되며 현장 시공을 위한 기계화와 자동화에 대한 연구도 필요할 것으로 판단되며, 현장여건을 통해 직접적으로 개량 설계에 적용할 수 있는 강도나 지지력비 등의 예측식에 대한 연구가 후속적으로 진행되어야 할 것으로 판단된다.
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