강관다단공법에 적용되는 씰링재 (벤토나이트-시멘트 슬러리)의 점성 특성에 대한 실험 An experimental study on the viscosity features of sealant (bentonite-cement slurry) in umbrella arch method원문보기
본 연구에서는 강관다단공법에 사용되는 씰링재의 점도특성에 대한 연구를 수행하였다. 씰링재는 차수 및 공벽 안정성 확보 기능과 더불어 후속공정인 그라우트재 주입 시 주입이 원활히 될 수 있도록 최소한의 강도를 보유하여야 한다. 교반조건에 따른 씰링재의 특성을 점도를 통하여 간접적으로 파악하였다. 초기 물과 벤토나이트의 사전 교반 특성에 따라 점도의 급격한 증가 시점이 상이하게 나타났다. 사전교반 시간이 길수록 벤토나이트가 팽윤 할 기회가 많아지므로 상대적으로 짧은 시간에 점도의 급격한 증가 현상이 나타났다. 또한 급격한 점도 증가 이전 단계에서는 물/시멘트/벤토나이트 혼합물이 틱소트로피 거동을 보이다가 점도 증가 이후부터는 레오펙시 거동을 보인다. 또한 사전 교반 시간은 혼합물이 재료분리 거동에도 영향을 미침이 확인이 되었다. 따라서 본 연구결과를 바탕으로 씰링재의 요구성능 및 배합절차에 대해서 추가 논의가 필요하며, 향후 시멘트와 벤트나이트의 상호작용에 대해 심도 깊은 연구를 통하여 현장에서 적용 가능한 가이드 도출이 필요하다.
본 연구에서는 강관다단공법에 사용되는 씰링재의 점도특성에 대한 연구를 수행하였다. 씰링재는 차수 및 공벽 안정성 확보 기능과 더불어 후속공정인 그라우트재 주입 시 주입이 원활히 될 수 있도록 최소한의 강도를 보유하여야 한다. 교반조건에 따른 씰링재의 특성을 점도를 통하여 간접적으로 파악하였다. 초기 물과 벤토나이트의 사전 교반 특성에 따라 점도의 급격한 증가 시점이 상이하게 나타났다. 사전교반 시간이 길수록 벤토나이트가 팽윤 할 기회가 많아지므로 상대적으로 짧은 시간에 점도의 급격한 증가 현상이 나타났다. 또한 급격한 점도 증가 이전 단계에서는 물/시멘트/벤토나이트 혼합물이 틱소트로피 거동을 보이다가 점도 증가 이후부터는 레오펙시 거동을 보인다. 또한 사전 교반 시간은 혼합물이 재료분리 거동에도 영향을 미침이 확인이 되었다. 따라서 본 연구결과를 바탕으로 씰링재의 요구성능 및 배합절차에 대해서 추가 논의가 필요하며, 향후 시멘트와 벤트나이트의 상호작용에 대해 심도 깊은 연구를 통하여 현장에서 적용 가능한 가이드 도출이 필요하다.
In this paper, viscosity features of sealant (bentonite-cement slurry), which is used for umbrella arch method in tunnel, were studied. The sealant must secure optimal strength and capacity for the waterproof and stabilization of borehole as well as to satisfy groutability. In this study, the variat...
In this paper, viscosity features of sealant (bentonite-cement slurry), which is used for umbrella arch method in tunnel, were studied. The sealant must secure optimal strength and capacity for the waterproof and stabilization of borehole as well as to satisfy groutability. In this study, the variation of viscosity was measured with different mixing processes. With an increase of initial mixing period with water and bentonite mixture, the required time for the rapid increase of viscosity of the sealant is shorten. With increase of mixing period, the possibility of swelling of bentonite will increases and this can lead increase of the viscosity of the mixture. In addition, the behaviors of sealant vary with a drastic increase of the viscosity: thixotropy and rheopexy. Furthermore, the bentonite/water mixing period influences on the bleeding features of the sealant. Further study is required to introduce the guideline, which can be applicable in the field in the aspect of required capacity of the sealants and mixing processes of the ingredients.
In this paper, viscosity features of sealant (bentonite-cement slurry), which is used for umbrella arch method in tunnel, were studied. The sealant must secure optimal strength and capacity for the waterproof and stabilization of borehole as well as to satisfy groutability. In this study, the variation of viscosity was measured with different mixing processes. With an increase of initial mixing period with water and bentonite mixture, the required time for the rapid increase of viscosity of the sealant is shorten. With increase of mixing period, the possibility of swelling of bentonite will increases and this can lead increase of the viscosity of the mixture. In addition, the behaviors of sealant vary with a drastic increase of the viscosity: thixotropy and rheopexy. Furthermore, the bentonite/water mixing period influences on the bleeding features of the sealant. Further study is required to introduce the guideline, which can be applicable in the field in the aspect of required capacity of the sealants and mixing processes of the ingredients.
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문제 정의
하지만 장시간의 경화시간은 현장에서 강관다단공법의 적용에 제한점이 되고 있다. 따라서 본 논문에서는 강관다단공법에서 사용되는 씰링재의 유변학적 특성을 파악하여 현재 현장에서 적용하고 있는 기준의 적절성에 대하여 검토하고자 한다.
특히 강관다단공법에 사용되는 씰링재는 단기적인 특성에 대한 파악이 필요하므로 기존의 연구 방향과는 다소 차이가 있다. 따라서 본 논문에서는 시멘트-벤토나이트 혼합물의 배합특성 및 시간에 따른 점도특성에 대해서 살펴보고자 한다. 현장에서 사용되고 있는 물/시멘트/벤토나이트 배합비를 적용하였다(물/시멘트/벤토나이트 배합비는 100/23/7 기준을 적용).
본 연구에서는 터널현장의 강관다단공법에 사용하는 씰링재인 물/시멘트/벤토나이트 혼합물 시간에 따른 점도 특성을 조사하였다. 시공 시 씰링재의 배합에 대한 명확한 기준이나 재료의 요구성능이 없으므로 이에 대한 정립이 필요하며 본 연구에서는 그 이전 단계로 혼합물의 재료적 거동 특성에 대한 연구를 수행하였으며 그 결과는 다음과 같다.
본 연구에서는 터널현장의 강관다단공법에 사용하는 씰링재인 물/시멘트/벤토나이트 혼합물 시간에 따른 점도 특성을 조사하였다. 시공 시 씰링재의 배합에 대한 명확한 기준이나 재료의 요구성능이 없으므로 이에 대한 정립이 필요하며 본 연구에서는 그 이전 단계로 혼합물의 재료적 거동 특성에 대한 연구를 수행하였으며 그 결과는 다음과 같다.
씰링재 주입 후 재료의 상 변화를 파악하기 위하여 본 논문에서는 회전형 점도계를 이용하여 물-시멘트-벤토나이트 혼합물의 시간에 따른 점도 변화를 측정하였다(ASTM, 2014). 회전형 점도계는 원통형의 스핀들을 회전시켜 계측되는 전단률과 전단응력을 바탕으로 점도를 측정한다.
제안 방법
Fig. 4(a)는 물과 벤토나이트를 10분간 사전 교반한 후 물-벤토나이트 혼합물에 시멘트를 투입하여 10분간 추가 교반을 하였다. 교반은 인력에 의한 교반이며 120 rpm 수준으로 교반을 하였다.
또한 동일 스핀들 상에서도 점도가 변하므로 RPM 조정(10→0.1)을 통해서 일정한 수준의 토크가 유지될 수 있도록 실험을 수행하였는데 토크값이 10% 이하 이거나 100% 이상인 경우 장비의 오차범위를 벗어나므로 토크값이 10~100% 사이의 값으로 유지될 수 있도록 하였다.
이러한 특성을 가진 회전형 점도계를 이용하여 아래와 같이 두 조건에 대한 시간에 따른 점도를 측정하였다. 물과 벤토나이트 15분 배합 후 시멘트를 추가하여 15분 배합, 총30분을 배합한 조건과 물, 벤토나이트, 시멘트를 섞어서 10분간 배합한 조건에 대한 점도를 측정하였다. 첫번째 조건의 경우 30분 배합 시점도 측정결과는 Table 1과 같다.
첫번째 조건의 경우 30분 배합 시점도 측정결과는 Table 1과 같다. 배합 이후 초기에는 저점도 조건에서 측정 가능한 스핀들(LV2)을 사용하였으며 겔화가 진행됨에 따라 점도가 증가하므로 해당 점도 조건에 적절한 스핀들(LV3)로 교체를 하여 실험을 수행하였다. 또한 동일 스핀들 상에서도 점도가 변하므로 RPM 조정(10→0.
이러한 특성을 가진 회전형 점도계를 이용하여 아래와 같이 두 조건에 대한 시간에 따른 점도를 측정하였다. 물과 벤토나이트 15분 배합 후 시멘트를 추가하여 15분 배합, 총30분을 배합한 조건과 물, 벤토나이트, 시멘트를 섞어서 10분간 배합한 조건에 대한 점도를 측정하였다.
대상 데이터
벤토나이트는 토목 및 수리시공 현장에서 오랫동안 사용된 재료로서 댐의 코어나, 제체의 라이닝, 차수벽체, 그라우팅등 다양한 용도로 사용되었다. 벤토나이트는 점토광물인 몬모릴로나이트(Montmorillonite)로 구성되어 있다. 몬모릴로나이트는 퇴적된 화산재의 풍화과정에서 발생을 하며 나트륨과 칼슘계 몬모릴로나이트를 가장 많이 이용 된다.
따라서 본 논문에서는 시멘트-벤토나이트 혼합물의 배합특성 및 시간에 따른 점도특성에 대해서 살펴보고자 한다. 현장에서 사용되고 있는 물/시멘트/벤토나이트 배합비를 적용하였다(물/시멘트/벤토나이트 배합비는 100/23/7 기준을 적용). 본 논문에서 수행된 실험은 해당 배합비를 기준으로 수행이 되었다.
성능/효과
1. 물/시멘트/벤토나이트 혼합물은 초기 배합특성이 점도 측면에서 상당히 중요한데 물/벤토나이트의 사전 교반을 충분히 할수록 혼합물의 급격한 점도 발현 시점은 더욱빨라짐을 알 수 있다. 물/벤토나이트/시멘트를 10분 교반한 경우와 30분 교반한 경우 혼합물 점도의 급격한 증가 양상을 보이는 시점은 교반 후 110분과 72분 이후로서, 충분한 교반이 이루어진 상태에서 점도의 증가 시점이 더 짦음을 알 수 있다.
2. 점도의 급격한 증가 이전까지는 물/벤토나이트/시멘트 혼합물은 틱소트로피 현상을 보인다. 하지만 점도의 급격한 증가 시점 이후에는 레오펙시 현상을 보이며 시간에 따른 혹은 전단율에 따른 점도의 증가 양상을 보인다.
3. 점도가 급격히 증가한 이후 혼합물의 표면 상태를 보면 어느 정도 자립이 가능한 수준으로 유동성이 급격이 저하됨을 알 수 있다.
4. 재료분리 측면에서도 충분한 물/벤토나이트의 사전 교반이 이루어진 상태에서 재료분리가 덜 발생함을 확인 하였다. 특히 현장에서는 절리 등 불연속면이 존재하므로 재료분리 발생시 수화 혹은 팽윤작용을 유도해야 할 물이 누수가 될 수 있으므로 충분한 사전교반을 통하여 재료분리가 발생하지 않도록 하는 것이 중요하다.
6이다. Fig. 6에서 확인할 수 있듯이 실험 시작 후 약 70분 경과하는 시점에서 급격한 점도의 변화가 발생하는 것을 알 수 있으며 90분 수준에서 측정범위에서의 한계치에 도달하였다.
이러한 현상은 초기에 벤토나이트가 팽윤 반응을 하면서 자유수의 부재로 시멘트가 충분한 수화반응을 하지 못하는 상황이므로 시멘트 수화반응이 장기간에 걸쳐 발생하는 것을 알 수 있다. SEM 관측을 통해서 수화반응에 의한 시멘트입자의 성장을 확인할 수 있었으며 바늘형태의 시멘트 입자는 시간에 따라 길어지고 두꺼워지며 입자간 결합이 더욱 강화됨을 확인할 수 있었다.
Duham (1996)은 물/시멘트비 4, 6, 8, 10, 12 조건에서 벤토나이트 함량 5, 10, 15, 20%를 추가하여 1, 2, 14, 28, 56, 84, 168, 252, 336 일의 전단강도를 측정하였다. 베인시험기를 이용한 전단실험이었으며 시멘트와 벤토나이트의 양에 따라 그리고 시간의 경과에 따라 전단강도는 증가하는 추세를 보였다. 1일 양생기간 조건에서는 물/시멘트비에 따른 전단강도의 차이는 크지는 않으나 시간이 경과함에 따라 물/시멘트비에 따른 전단강도의 차이는 뚜렷하게 발생하였다.
후속연구
, 2012), 시멘트 슬러리중 벤토나이트와 같은 미립자를 다량으로 포함하는 경우 레오펙시 거동을 보인다고 보고된바 있다(Devereux, 2012). 이러한 거동이 벤토나이트의 팽윤에 의한 것인지 아니면 시멘트의 경화에 의한 것인지 확실치는 않으며 이에 대한 추가 연구가 필요하다.
이처럼 사전 교반이 씰링재의 점도 특성과 재료분리에 있어 중요한 역할을 하므로 충분한 사전교반을 통해서 양생시간을 단축할 수 있을 것으로 판단된다. 이를 위해서는 물/시멘트/벤토나이트 혼합물의 다양한 거동에 대한 연구를 통하여 혼합물의 거동에 있어 충분한 이해가 있어야 할 것이다. 현재 국내에서는 해당 혼합물의 요구성능에 대한 규정도 없는바 추가 연구를 통하여 강관다단공법에 적용되는 씰링재의 요구성능 정립이 필요하며, 해당 성능을 만족하기 위한 물과 벤토나이트의 교반에 대한 상세한 절차(교반 속도, 시간 등)가 수립되어야 할 것이다.
이를 위해서는 물/시멘트/벤토나이트 혼합물의 다양한 거동에 대한 연구를 통하여 혼합물의 거동에 있어 충분한 이해가 있어야 할 것이다. 현재 국내에서는 해당 혼합물의 요구성능에 대한 규정도 없는바 추가 연구를 통하여 강관다단공법에 적용되는 씰링재의 요구성능 정립이 필요하며, 해당 성능을 만족하기 위한 물과 벤토나이트의 교반에 대한 상세한 절차(교반 속도, 시간 등)가 수립되어야 할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
강관다단공법이란?
강관다단공법은 터널 상부에 파쇄대가 존재하는 등 지반조건이 양호하지 않을 경우 터널 굴착 전에 터널 상부에 강관을 삽입하고 그라우팅을 시공하여 터널에 작용하는 지반압을 지지하는 공법이다. 결합된 삽입 강관과 주입재는 빔 역할을 하며 아칭 효과를 유발하여 터널 천단부와 막장면의 안정성을 확보하여 천단의 붕락방지나 지하수 유입을 차단한다.
강관다단공법의 적용 대상 지반은?
결합된 삽입 강관과 주입재는 빔 역할을 하며 아칭 효과를 유발하여 터널 천단부와 막장면의 안정성을 확보하여 천단의 붕락방지나 지하수 유입을 차단한다. 강관다단공법은 지반보강을 위한 보조공법으로서 적용 대상 지반은 풍화토나 풍화암 지반조건 혹은 단층 파쇄대가 존재하는 지반조건에서 적용이 가능하다.
강관다단공법에서 씰링재로 사용되는 벤토나이트-시멘트 슬러리에 에게 요구되는것은?
강관다단공법에서 씰링재로 사용되는 벤토나이트-시멘트 슬러리는 공벽의 안정, 차수, 주입재의 역류방지, 지반과 강관의 일체(주입강관의 고정) 등의 역할을 한다. 따라서 공벽의 안정 및 역류방지가 될 만큼 충분한 재료의 결합강도와 더불어 주입 시 주입재가 씰링재를 뚫고 나갈 정도의 최소한의 결합강도가 요구된다. 이처럼 복잡한 요구 조건에 비해 강관다단공법의 씰링재로서 벤토나이트-시멘트 혼합물이 갖추어야 할 특성에 대한 정확한 규정은 존재하지 않으며 다만 앞서 언급한 바와 같이 한국철도시설공단에서 규정한 23 ± 1 시간을 적정 갤화시간을 권장하는 것이 가장 구체적인 수치이다.
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