[논문]다양한 양생조건에서 지반주입 그라우트의 경화특성에 대한 연구

허형석; 박인준

doi:10.14481/jkges.2020.21.11.11

다양한 양생조건에서 지반주입 그라우트의 경화특성에 대한 연구
A Study on the Hardening Characteristics of Ground Injection Grout under Various Curing Conditions 원문보기

한국지반환경공학회논문집 = Journal of the Korean Geoenvironmental Society, v.21 no.11, 2020년, pp.11 - 20

허형석 (Research Center, MM E&C) , 박인준 (Department of Infrastructure Civil Engineering, Hanseo University)

초록
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연약지반 차수 및 보강용 그라우트에 대하여 다양한 양생조건에서 초기 및 장기재령에 걸쳐 내구성에 대한 검토를 수행하였다. 그라우트는 물유리계, 급결광물계 및 아크릴고분자계를 대상으로 하였으며, 양생조건은 수도수(청수) 양생, 인공해수 양생 및 대기 양생으로 하고, 시험은 재령별 일축압축강도와 길이변화량 및 중량변화량에 대하여 수행하였다. 인공해수는 MgCl₂와 MgSO₄ 수용액을 각각 제조하여 사용하였다. 급결광물계와 아크릴고분자계는 수도수와 인공해수에서는 내구성에 큰 변화가 없이 안정적으로 양생되는 반면 물유리의 경우 수도수에 비해 인공해수조건에서 매우 급격한 내구성 저하가 발생되었다. 대기 양생조건에서는 모든 경우에서 수도수 양생에 비해 내구성이 저하되는데, 특히 급결광물계와 물유리계에서 중량감소가 각각 약 62% 및 60%로 큰 내구성 저하가 발생되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

For water barrier and reinforcing grout in soft ground, the verification of durability was conducted over the initial and long-term ages under various curing conditions. The grout was made of water glass system, fast-hardening mineral (FHM) system, and acrylic polymer system. There were three types of curing conditions that were tab water curing, artificial seawater curing, and atmospheric curing. And the various tests were performed for each sample by age, uniaxial compressive strength, length change, and weight change. As artificial seawater, MgCl2 and MgSO4 aqueous solutions were prepared and used, respectively. As the test results, the fast-hardening mineral system and acrylic polymer system were cured stably without significant change in durability in tap water and artificial sea water, whereas water glass system showed a very rapid drop in durability under artificial sea water conditions compared to tap water. In atmospheric curing conditions, durability is lowered compared to water curing in all cases, and in particular, the weight loss in the FHM system and water glass system is about 62% and 60%, respectively, resulting in a significant decrease in durability.

주제어

표/그림 (21)

그림 Fig. 1. Hydration process of fast hardening minerals
표 Table 1. Chemical composition of OPC, Micro cement and FHM
표 Table 2. Chemical composition of waterglass
표 Table 3. Physical properties of acrylic polymer
그림 Fig. 2. Specimens for research
그림 Fig. 3. Strength results of VHG by age for curing conditions
그림 Fig. 4. Variation in strength of VHG compared to tap water curing condition
표 Table 4. Mixing ratio of waterglass grout
표 Table 5. Mixing ratio of FHM grout
표 Table 6. Mixing ratio of acrylic polymer grout
그림 Fig. 5. Strength results of HG by age for curing conditions
그림 Fig. 6. Variation in strength of HG compared to tap water curing condition
그림 Fig. 7. Strength results of SG by age for curing conditions
그림 Fig. 8. Variation in strength of SG compared to tap water curing condition
그림 Fig. 9. Strength results of FHM by age for curing conditions
그림 Fig. 10. Variation in strength of FHM compared to tap water curing condition
그림 Fig. 11. Strength results of Waterglass by age for curing conditions
그림 Fig. 12. Variation in strength of waterglass compared to tap water curing condition
그림 Fig. 13. Variation in length by age according to curing condition
그림 Fig. 14. Variation in weight by age according to curing condition
그림 Fig. 14. Variation in weight by age according to curing condition (Continued)

AI 본문요약
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문제 정의

This research was a part of the project titled ‘Development of performance-based seismic design technologies for advancement in design codes for port structures’, funded by the Ministry of Oceans and Fisheries, Korea.
본 연구에서는 급결재를 사용하는 그라우트에 대하여 내구특성을 검토하기 위해 물유리계, 급결광물계 및 아크릴고분자계를 대상으로 각각의 압축강도, 길이변화 및 중량변화에 대하여 다양한 양생조건에 대하여 검토하였다.
본 연구에서는 다양한 그라우팅 재료에 대한 특성을 파악하기 위하여 물유리계, 급결광물계 및 아크릴 고분자계에 대하여 각각의 일축압축강도와 내구성의 변화를 다양한 양생조건별(수도수, 인공해수, 대기상태)로 검토하였고, 분석조건은 KS L 5105 수경성시멘트 모르타르의 압축강도 시험방법(User’s guide, 2007)의 양생조건을 기준으로 결과를 분석하였다.
(2006)은 물유리계와 무기질계 지반주입재의 양생조건별 내구성을 검토한 바 있으나 측정기간이 비교적 짧고 양생조건을 해수와 담수에 한정하여 수행하였다. 본 연구에서는 지반주입용 그라우트에 대한 실내실험을 통해 현재 우리사회가 주목하는 환경영향 문제와 재료가 갖는 내구성 및 강도특성을 파악하여, 시공현장의 안정성 향상과 그라우팅 공사의 효율증대를 위한 정보를 제공하고자 한다.
) 그리고 대기 상태로 구별하여 장기간 양생하면서 그 결과를 측정하였다. 해수에 대한 저항특성을 평가하기 위해 본 연구에서는 인공해수를 제조하였다. 해수의 성분 중 시멘트와 가장 관계가 되는 것은 Chloride와 Sulfate이며 이에 대하여 MgCl₂와 MgSO₄를 각각 물 1 Liter당 25g이 용해된 용액을 제조하여 실험을 진행하였다.

제안 방법

(1) 시료는 각 급결재를 사용하여 경화시킨 후 수도수, 인공해수(MgCl₂, MgSO₄) 및 대기상태에 양생하였으며, 측정기간은 재령 1일, 3일 7일 28일 56일 및 100일에 대하여 압축강도, 길이변화 및 중량변화를 측정하였다.
중량변화량 측정용 시료는 길이변화량 시료를 같이 사용하였다. 각 시료에 대하여 길이변화를 측정한 후 중량변화를 측정하였다.
기술적 특성상 각각의 재료는 그들만의 배합기술이 존재함으로 본 연구에서는 검토대상 재료에 맞는 배합을 각각 적용하여 수행하였다. 물유리(type-3사용)와 급결광물의 경우 대표배합 1개을 선정하였고, 아크릴고분자의 경우 물-분체비율을 100%, 125% 및 150%로 구분한 배합을 선정하였다.
길이변화량 측정을 위한 시료는 40 × 40 × 160mm 규격으로 제조하고, 양생조건은 압축강도시료와 동일하게 하고 길이변화량을 측정하였다.
기술적 특성상 각각의 재료는 그들만의 배합기술이 존재함으로 본 연구에서는 검토대상 재료에 맞는 배합을 각각 적용하여 수행하였다. 물유리(type-3사용)와 급결광물의 경우 대표배합 1개을 선정하였고, 아크릴고분자의 경우 물-분체비율을 100%, 125% 및 150%로 구분한 배합을 선정하였다. Table 4~6은 본 연구에서 채택한 그라우팅 기술의 배합비를 나타낸다.
배합별로 제조된 그라우트 시료는 재령별로 강도, 길이변화량 및 중량변화량을 측정하였고, 각각의 양생조건은 수도수(청수), 인공해수(MgCl₂, MgSO₄) 그리고 대기 상태로 구별하여 장기간 양생하면서 그 결과를 측정하였다. 해수에 대한 저항특성을 평가하기 위해 본 연구에서는 인공해수를 제조하였다.
압축강도를 측정하기 위하여 시료는 50 × 50 × 50mm 규격으로 제조하고, 수도수, 인공해수 및 대기상태에 양생하면서 재령 1일, 3일, 7일, 28일, 56일 및 100일에 대하여 각각의 강도를 측정하였다.

대상 데이터

중량변화량 측정용 시료는 길이변화량 시료를 같이 사용하였다. 각 시료에 대하여 길이변화를 측정한 후 중량변화를 측정하였다.
해수에 대한 저항특성을 평가하기 위해 본 연구에서는 인공해수를 제조하였다. 해수의 성분 중 시멘트와 가장 관계가 되는 것은 Chloride와 Sulfate이며 이에 대하여 MgCl₂와 MgSO₄를 각각 물 1 Liter당 25g이 용해된 용액을 제조하여 실험을 진행하였다. 이것은 자연해수의 6배와 10배에 해당하는 용해도이다.

성능/효과

(2) 압축강도 결과에서는 수도수와 인공해수 조건에서 VHG, HG, SG 및 FHM은 공통적으로 재령이 증가함에 따라 압축강도가 증가하고 있으며, MgSO₄의 경우에는 초기재령에서 강도증가가 두드러지게 나타났으나 장기로 갈수록 강도증가율이 감소하고 있다. 대기 양생조건에서는 초기 재령에서 강도가 상대적으로 높게 발현되나 후기재령으로 갈수록 강도가 감소되는 결과를 보이고, FHM은 재령 100일에서는 최대 강도의 약 9.
(3) 길이변화 결과에서는 VHG, HG, SG 및 FHM가 양생조건과 무관하게 유사한 경향을 나타내고 있다. 다만, 인공해수조건인 MgSO₄ 용액에서 상대적으로 크게 나타났고 이것은 SO₃에 의해 그라우트 경화체의 에트린자이트 생성량이 증가하여 발생된 결과로 생각된다.
(4) 중량변화 결과는 VHG, HG, SG 및 FHM이 길이변화결과와 유사한 경향을 보이고 있다. 수도수와 인공해수에서 시료중량이 증가하고, MgSO₄에서 그 증가량이 가장 크게 나타났다.
MgCl2의 경우 초기 강도 증가는 매우 가파르게 상승되지만, 재령 100일에는 시료가 파손되어 강도측정이 불가능 하였고, MgSO4의 경우 강도 증가가 크지 않고 시료의 파손도 재령 56일에 관찰되었다.
8은 SG에 대한 양생조건별 강도결과를 나타낸다. SG는 VHG 및 HG에 비해 물-분체비율이 높아서 상기 결과와 같이 인공해수 및 대기양생에 대한 영향이 더욱 크게 나타났다. 초기에는 수도수 양생조건에 비해 강도가 증가하는 것으로 나타났으나, 재령 28일 이후 양생에서는 수도수에 비해 강도증가율이 저하되고 있으며 MgSO₄ 양생 조건에서는 재령 100일 압축강도가 수도수보다 낮아지는 결과를 나타낸다.
초기 재령에서 중량이 크게 증가되고 있고, 장기로 갈수록 중량증가는 감소되어 재령 14일 이후에는 큰 증가 없이 일정한 값에 수렴하는 특성을 보인다. 다만, 대기 양생조건에서는 VHG, HG 및 SG는 재령에 따른 중량감소형태가 유사하게 나타나는 반면, FHM의 경우에는 비교적 매우 큰 중량감소를 나타내었다. 재령 7일에 초기 중량의 약 57%가 감소되고 이후에는 거의 중량감소가 발생되지 않고 서서히 진행되어 최종 약 62%로 일정한 값을 나타낸다.
특히, 수도수 조건에 비해 MgSO₄ 조건에서 길이증가량이 다소 크게 나타나고 있는데, 이것은 황산염(SO₃)에 의한 시료의 팽창영향으로 판단된다. 다만, 대기양생조건에서는 초기 3일 재령에서 길이 감소율이 크고 이후에는 그 정도가 감소되고 있는데, 이것은 그라우트 경화체 모세관 공극의 수축에 따른 결과를 판단되며 그라우트의 건조현상은 초기에 빠르게 발생된다는 것을 보여준다.
MgSO₄는 중간 값을 나타내는데 이것은 시료가 수화되는 과정에서 시멘트 중의 가용성 성분(CaOH₂, SO₃, Na₂O)등이 수중으로 운반되는데(정재동, 1996), 이때 수중의 이온농도에 따라 그 량의 변화가 있을 것으로 판단된다. 대기 양생조건에서는 7일까지 수도수와 유사하게 강도가 증가하고 재령 28일에서 최대값을 보인 이후 강도가 서서히 저하되어 100일에는 수도수 양생조건과 비교하여 46%정도밖에 강도가 발현되지 못하였다. 따라서, 그라우트의 강도 증가를 위해서는 지속적인 수분의 공급이 필수요건임을 알 수 있다.
의 경우에는 초기재령에서 강도증가가 두드러지게 나타났으나 장기로 갈수록 강도증가율이 감소하고 있다. 대기 양생조건에서는 초기 재령에서 강도가 상대적으로 높게 발현되나 후기재령으로 갈수록 강도가 감소되는 결과를 보이고, FHM은 재령 100일에서는 최대 강도의 약 9.5%만이 잔류되었다. 물유리계는 양생기간이 증가될수록 강도의 감소가 모든 조건에서 유사하게 나타났고 특히 해수 조건에서 매우 크게 나타났다.
물유리계는 양생이 길어질수록 외형변화와 박리가 발생되었고, 해수조건에서 시료파손에 의해 측정이 불가능하였다. 대기 양생조건에서는 초기에 길이가 급격히 감소되고 변경이 크게 나타났으나 재령 28일 이후에는 더 이상의 변화가 없이 쉽게 부스러지는 현상이 관찰되었다.
VHG, HG 및 SG의 경우 인공해수에서 양생 시 물-분체비가 낮은 VHG와 비교하여 HG와 SG는 해수에 대한 영향을 많이 받는 것으로 판단된다. 대기양생 조건에서는 재령 28일에서 최고 강도를 발현한 이후 지속적으로 강도가 저하되어 최종 100일에서는 수도수 대비 32%가 발현되고, 최고 강도(재령 28일) 대비 약 26%가 저하되었다.
MgCl₂의 경우 재령 56일 측정이후 시료가 파손되어 추가적인 측정이 불가능 하였고, MgSO₄의 경우 MgCl₂보다 시료파손이 더욱 심화되어 28일 측정이후 시료가 파손되어 추가적인 측정이 불가능 하였다. 대기양생조건에서는 측정초기부터 중량감소가 발생되어 재령 14일에는 초기 중량에 비해 약 52.5%의 중량 감소와 더불어 시료 변형이 매우 크게 발생되었고 이후 재령에서는 약간의 중량감소는 발생되고 있었으나 큰 변화 없이 일정한 값에 수렴하고 있다. 최종적으로 재령 100일의 중량은 초기에 비해 약 60%가 감소되었으며, 재령 14일 이후에는 시료의 외형에는 큰 변형이 관찰되지 않았다.
수도수와 인공해수조건에서 모두 길이가 증가하고 있으며, 또한 MgSO₄ 조건에서 가장 큰 증가형태를 나타낸다. 더불어, HG와 VHG에 비해서 증가율이 가장 크다는 특징을 보여준다. 대기 양생조건에서는 재령증가에 따라 길이가 감소하고 있는데, 그 감소의 정도는 VHG와 HG와 유사한 정도를 보여준다.
물유리계 그라우트는 수중 및 해수조건에서 양생 시 초기에는 강도 발현이 양호하나 재령 14일 이후에는 강도저하가 발생되고 특히 인공해수조건에서는 시료의 파손으로 인해 강도측정이 불가능하게 되었다. 더불어, 대기 양생조건에서는 강도 저하가 더욱 크게 나타났고 시료파손 또한 재령 14일에서 28일 사이에 발생되어 어떤 양생조건에서보다 가장 빨리 발생되었다.
5%만이 잔류되었다. 물유리계는 양생기간이 증가될수록 강도의 감소가 모든 조건에서 유사하게 나타났고 특히 해수 조건에서 매우 크게 나타났다. 대기양생에서는 시료의 변형 및 파손이 심각하여 재령 28일부터 강도측정이 불가능하였다.
반면에, 대기 양생조건의 수축량 측정결과에서는 상기 VHG, HG 및 SG와 큰 차이가 없이 유사하다. 본 결과에서 시멘트 및 급결광물을 주재료로 사용하는 그라우트의 경우 건조 상태가 장기간 유지되어도 그라우트의 외형의 변화는 크게 발생되지 않는다는 것을 보여준다.
13(e)는 물유리의 양생조건에 따른 길이변화결과이다. 수도수 양생조건에서는 초기재령부터 시료의 길이가 점진적으로 증가되어 재령 100일에서는 약 3.22%의 길이 증가가 나타났고, 그 형태는 시료가 일부 부풀어 오르고 갈라진 형태를 보였다. 인공해수 양생조건에서의 시료는 초기재령에서 길이가 증가되는 경향을 뚜렷이 측정되었으나, 장기재령에서 길이감소와 더불어 시료의 일부 파손과 더불어 최종적으로는 완전히 붕괴되는 현상을 나타내었다.
(4) 중량변화 결과는 VHG, HG, SG 및 FHM이 길이변화결과와 유사한 경향을 보이고 있다. 수도수와 인공해수에서 시료중량이 증가하고, MgSO₄에서 그 증가량이 가장 크게 나타났다. 대기양생의 경우, 중량감소는 시험 초기부터 재령 7일까지 급격하게 발생되다가, 이후에는 중량 감소가 현저히 줄어들어 상대적으로 일정한 값을 나타냈고, FHM은 약 37.
22%의 길이 증가가 나타났고, 그 형태는 시료가 일부 부풀어 오르고 갈라진 형태를 보였다. 인공해수 양생조건에서의 시료는 초기재령에서 길이가 증가되는 경향을 뚜렷이 측정되었으나, 장기재령에서 길이감소와 더불어 시료의 일부 파손과 더불어 최종적으로는 완전히 붕괴되는 현상을 나타내었다. MgCl₂의 경우 재령 56일 이후에 시료가 파손되었고, MgSO₄의 경우 시료의 파손이 훨씬 가속화되어 재령 28일 이후에는 측정이 불가능 하였다.
5%의 중량 감소와 더불어 시료 변형이 매우 크게 발생되었고 이후 재령에서는 약간의 중량감소는 발생되고 있었으나 큰 변화 없이 일정한 값에 수렴하고 있다. 최종적으로 재령 100일의 중량은 초기에 비해 약 60%가 감소되었으며, 재령 14일 이후에는 시료의 외형에는 큰 변형이 관찰되지 않았다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	연약지반이란?	구조적으로 강도가 부족하여 지내력을 발현하기 어려운 지반을 연약지반이라고 하며(임해진, 2010), 연약지반은 개량 또는 보강과정을 통해서만 구조물의 기초지반으로 활용되어야 하고, 연약지반 개량을 위한 여러 가지 기술 중 비교적 경제적이고 효율적인 방법은 그라우팅 시공을 통한 지반의 안정화방법이다. 지반 안정화 목적으로 시공되는 구조물로는 강도 증가를 위한 기초보강, 투수계수 감소를 위한 차수벽, 터널 안정성 확보를 위한 다단그라우팅과 세그먼트 배면주입 그리고 폐기물 매립지의 차수보강 등이 수행되고 있다.
	실리카졸과 시멘트의 겔화반응 후 생성된 경화체는 어떤 특징을 갖고 있는가?	실리카졸과 시멘트의 겔화반응은 근본적으로 물유리의 경화반응과 동일하게 작용(SiO2 ∘ nH2O → H2SiO3 → 2H+ + SiO3-)하지만, 겔화진행이 완만히 이루어지는 차이가 있다. 반응 후 생성된 경화체는 내구성이 물유리에 비해 매우 우수하고 용탈이 극히 작아 물유리의 약점을 개선한 특징이 있다(쌍용양회공업 등, 1997).
	연약지반 개량을 위한 기술 중 비교적 경제적이고 효율적인 방법은?	구조적으로 강도가 부족하여 지내력을 발현하기 어려운 지반을 연약지반이라고 하며(임해진, 2010), 연약지반은 개량 또는 보강과정을 통해서만 구조물의 기초지반으로 활용되어야 하고, 연약지반 개량을 위한 여러 가지 기술 중 비교적 경제적이고 효율적인 방법은 그라우팅 시공을 통한 지반의 안정화방법이다. 지반 안정화 목적으로 시공되는 구조물로는 강도 증가를 위한 기초보강, 투수계수 감소를 위한 차수벽, 터널 안정성 확보를 위한 다단그라우팅과 세그먼트 배면주입 그리고 폐기물 매립지의 차수보강 등이 수행되고 있다.

참고문헌 (8)

쌍용양회공업, 한양대학교, 쌍용엔지니어링 (1997), 지반보강용 마이크로시멘트 및 실리카졸의 실용화 연구, 건설교통부, pp. 10-11.
임해진 (2010), 지반공학 용어사전, 구미서관, 서울, pp. 241.
정재동 (1996), 콘크리트 재료공학, 동양시멘트, pp. 466-467.
천병식 (2005), 최신 그라우트주입 이론 및 실제, 원기술, 서울, pp. 23, 32-33, 169-170.
Bowen, R. (1981), Grouting in engineering practice, John Wiley & Sons Special Construction, pp. 11-37.
Chun, B. S., Kang, H. N., Do, J. N. and Lim, J. H. (2006), A study on durability and impermeability of environmentally friendly inorganic ground injection material, Journal of the Korean Geo-Environmental Society, Vol. 7, No. 6.
Lee, H. C., Kim, J. H. and Chang, Y. H. (2006), Preparation and interface properties of colloidal silica, J. Korean Ind. Eng. Chem., Vol. 17, No. 4, pp. 386.
User's guide (2007), "Testing method for compressive strength of hydraulic cement mortar", KSL 5105 : 2007.

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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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