This study is about penetrability of Micro Cement(MC) used for ground improvement. In this study, the characteristics of chemical grouting such as solidification, penetrability were analyzed experimentally by changing permeability of ground, grain size and relative density of grout material. For eva...
This study is about penetrability of Micro Cement(MC) used for ground improvement. In this study, the characteristics of chemical grouting such as solidification, penetrability were analyzed experimentally by changing permeability of ground, grain size and relative density of grout material. For evaluating applicability of grout material, solidification test and penetrability test were performed. From the results of the tests, effective solidification ratio and penetrability ratio of MC was each 75%, 86% to be excellent when ground permeability was in the range of 10$^{-2}$ and 10$^{-4}$ cm/sec. Otherwise, those of Ordinary Portland Cement(OPC) were both lower than 50% to be poor. When penetrability of grout material is needed for improvement of dam foundation and soft ground, application of MC Is much superior to that of the other materials. The results of the grouting tests in the water flowing ground show that solidification effect of long gel-time grout material is excellent as injection pressure increases when groundwater velocity is relatively low. But when groundwater velocity is relatively high, solidification effect of long gel-time grout material is very poor because most grout materials are outflowed. Therefore, as groundwater velocity is high, effective solidification ratio of long gel-time grout material is better than that of short gel-time grout material, also penetration distance of long gel-time grout material is longer than that of short gel-time grout material.
This study is about penetrability of Micro Cement(MC) used for ground improvement. In this study, the characteristics of chemical grouting such as solidification, penetrability were analyzed experimentally by changing permeability of ground, grain size and relative density of grout material. For evaluating applicability of grout material, solidification test and penetrability test were performed. From the results of the tests, effective solidification ratio and penetrability ratio of MC was each 75%, 86% to be excellent when ground permeability was in the range of 10$^{-2}$ and 10$^{-4}$ cm/sec. Otherwise, those of Ordinary Portland Cement(OPC) were both lower than 50% to be poor. When penetrability of grout material is needed for improvement of dam foundation and soft ground, application of MC Is much superior to that of the other materials. The results of the grouting tests in the water flowing ground show that solidification effect of long gel-time grout material is excellent as injection pressure increases when groundwater velocity is relatively low. But when groundwater velocity is relatively high, solidification effect of long gel-time grout material is very poor because most grout materials are outflowed. Therefore, as groundwater velocity is high, effective solidification ratio of long gel-time grout material is better than that of short gel-time grout material, also penetration distance of long gel-time grout material is longer than that of short gel-time grout material.
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문제 정의
기초부의 처리를 위한 그라우팅 공법 시행시 일반시멘트는 암반기초부의 미세한 균열면에는 원활한 침 투가 되지 않으므로 보통포틀랜드시멘트(OPC)보다 입경이 매우 작은 시멘트(예 : Micro Cement)를 사용하는 것이 바람직하다(천, 1998). 따라서, 본 연구에서는 고결성, 침투성 및 동수지중 모형실험과 같은 실내 약 액주입 모형실험을 통하여 시멘트계 주입재의 침투특성을 파악하고자 하였다.
본 시험에는 현장에서의 실제 주입상황을 재현하고 그에 대한 주입효과의 차이와 대상지반의 주입한 계을 파악하기 위한 실험으로서 토질 삼축압축시 험기를 웅용한 직경 400mmX높이 500mm의 대형 몰드 를 제작하여 실험을 하였다. 이 시험에 사용한 대상시료토는 가는모래 50% + 실트 50% 혼합한 실트모 래를 사용하였고 주입재는 OPC, MC를 사용하였다.
가설 설정
상기와 같은 조건에서 고결성 및 침투성 시험을 실시하여 주입 후 얇은 관에 의한 채취방법(Thinwal -led Tube Sampling)을 사용해 고결토(직경 50mmX 높이 100mm)를 채취하고 채취한 샘플을 재령별로 일축압축강도와 투수계수를 측정하였다. 단, 고결성 및 침투성 실험에서 2가지 가정을 전제조건으로 하여 실험을 수행하였다. 첫째, 지반심도에 대한 상재압을 결정하기 위해서 지반은 동일한 흙으로 100% 포화지반이며 둘째, 지반의 상태가 흐름의 변화가 없는 정수(靜水)지반으로 가정하였다(건설교통부, 2001).
본 시험에서는 지반심도 T5m를 가정하여 상대밀도 정도에 따라 조밀한 상태에서는 1.99kg/cm2, 보통 상태에서는 1.97kg/cm2, 느슨한 상태에서는 1.95kg/cm2로 상재압을 설정하여 Cell Pressure로 가하였다 (건설교통부, 2001).
단, 고결성 및 침투성 실험에서 2가지 가정을 전제조건으로 하여 실험을 수행하였다. 첫째, 지반심도에 대한 상재압을 결정하기 위해서 지반은 동일한 흙으로 100% 포화지반이며 둘째, 지반의 상태가 흐름의 변화가 없는 정수(靜水)지반으로 가정하였다(건설교통부, 2001).
제안 방법
본 고결성 시험에서는 시료의 종류 및 공극율, 주입재 종류 등을 시험인자로 하여 검토하였고, 대상시료는 실트모래를 사용하였으며, 물리적 특성 및 입도분포는 2절에 소개한 바 있다. 고결율 및 침투율 측정용 주입몰드는 어느 정도 큰 것이 좋으나 작업성을 고려하여 주입몰드 크기는 <6 400mmxH 500mm로 주입 후 고결체의 형상을 정확히 파악할 수 있도록 몰드를 분리할 수 있도록 제작하였으며, 그림 2에 나타내었다.
고결체의 실제 형상은 복잡하여 고결토의 정확한 체적을 구하는 것은 어렵지만, 대형수조에 물을 가 득히 채운다음 고결체를 물속에 담근후 빼내고 수조에 남은 물의 무게를 측정하여 무게차를 고결토의 부피로 결정하였다.
주입조건에는 대상토의 입도, 주입압, 포화정도, 공극율, 주입재의 배합, 주입구의 거리 등 다양한 영향인자가 있다. 본 고결성 시험에서는 시료의 종류 및 공극율, 주입재 종류 등을 시험인자로 하여 검토하였고, 대상시료는 실트모래를 사용하였으며, 물리적 특성 및 입도분포는 2절에 소개한 바 있다. 고결율 및 침투율 측정용 주입몰드는 어느 정도 큰 것이 좋으나 작업성을 고려하여 주입몰드 크기는 <6 400mmxH 500mm로 주입 후 고결체의 형상을 정확히 파악할 수 있도록 몰드를 분리할 수 있도록 제작하였으며, 그림 2에 나타내었다.
본 시험에서는 MC를 주입재로 사용하고, 침투형상을 가시적으로 보기 위하여 규산소다 3호를 첨가하였다. 주입압은 2, 4kg/cm2 두가지로 설정하였으며, 유속은 10%m/sec 정도에 해당되는 유속에 대하여 1가지, 10 2cm/sec 정도에 해당되는 유속 2가지로 유속의 변화에 따른 3가지 경우에 대하여 시험을 계획 하여 지중유속~주입압~Gel-time(주입재종류)~유효고결율의 관계를 파악하고자 하였다
다짐은 상대밀도에 따라 조밀, 보통, 느슨한 지반으로 나누었고, 상재압은 지반심도 -15m로 정하여 압력을 주었으며, 주입 속도는 1 « /min, 주입량은 10C(A 액 50, B 액 5 g )로 설정하고, 한계주입압은 Skg/cn? 로 설정하였다. 상기와 같은 조건에서 고결성 및 침투성 시험을 실시하여 주입 후 얇은 관에 의한 채취방법(Thinwal -led Tube Sampling)을 사용해 고결토(직경 50mmX 높이 100mm)를 채취하고 채취한 샘플을 재령별로 일축압축강도와 투수계수를 측정하였다. 단, 고결성 및 침투성 실험에서 2가지 가정을 전제조건으로 하여 실험을 수행하였다.
시료를 토조에 적절한 다짐도에 따라 다진 후 토조에 상재압을 가하고, 시료를 포화시킨 후 분사구멍 이 시료에 의해 막히는 현상을 없애기 위해, 분사 전에 주입선단의 분사구멍을 덮고 있던 부분을 내려 서 약액의 주입이 원활히 되도록 하기 위한 유도공간을 만들어 주었다.
본 시험에서는 MC를 주입재로 사용하고, 침투형상을 가시적으로 보기 위하여 규산소다 3호를 첨가하였다. 주입압은 2, 4kg/cm2 두가지로 설정하였으며, 유속은 10%m/sec 정도에 해당되는 유속에 대하여 1가지, 10 2cm/sec 정도에 해당되는 유속 2가지로 유속의 변화에 따른 3가지 경우에 대하여 시험을 계획 하여 지중유속~주입압~Gel-time(주입재종류)~유효고결율의 관계를 파악하고자 하였다
주입재는 현장에서 가장 일반적으로 사용되는 OPC와 MC를 현탁액상태로 주입하고, 대상토는 다짐 정도에 따라서 3종류, 주입압은 주입펌프로 일정하게 하고, 주입재의 물시멘트비는 200%로 선정하여 공 극율, 주입재 종류에 따른 OPC, MC 현탁액의 고결성을 평가하기 위해 다음의 표 6과 같이 시험을 계획 하였다.
이 시험에 사용한 대상시료토는 가는모래 50% + 실트 50% 혼합한 실트모 래를 사용하였고 주입재는 OPC, MC를 사용하였다. 주입재의 온도는 20℃로 유지하면서 시료의 다짐상 태, 주입재 종류에 따라 달리하여 각각의 실험시간에 따른 압력, 유량을 측정하였다. 다짐은 상대밀도에 따라 조밀, 보통, 느슨한 지반으로 나누었고, 상재압은 지반심도 -15m로 정하여 압력을 주었으며, 주입 속도는 1 « /min, 주입량은 10C(A 액 50, B 액 5 g )로 설정하고, 한계주입압은 Skg/cn? 로 설정하였다.
침투성 시험의 주입재는 OPC, MC의 현탁액을 대상으로 하며, 대상토는 다짐 정도에 따라서 3종류, 주입압은 2~3kg/cm2, 주입재의 W/C비는 200%로 선정하고 시료토의 공극율, 주입재 종류에 따른 주입 재의 침투성을 평가하였다.
대상 데이터
주입재의. 배합비는 현장에서 가장 많이 사용되고 있는 200%를 기준으로 다음의 표 5와 같이 설정하였으며, OPC와 MC를 사용할 경우는 시편 채취의 편의성을 위해 경화촉진제(Sodium Aluminate)를 사용하였다.
일반적으로 시멘트계 주입재는 Gel-time 조정이 불가능하기 때문에 Gel-time 조정이 용이한 물유리계 약액이 사 용되고, 내구성 증대를 위해서는 Silicasol계 약액을 사용하기도 한다. 본 시험에서는 OPC+규산소다 3호 와 MSG(MC+규산소다 3호) 2가지를 사용하였다.
본 실험에서는 가는모래 50% + 실트 50% 혼합한 실트모래를 사용하였으며, 입도분석결과는 표 3에 나타내었으며, 물리적 특성은 표 4에 나타낸 바와 같으며, OPC와 MC의 주입재로서의 적용한계 평가를 위해서 아래와 같이 설정하였다.
시멘트계 주입재는 제조방법, 혼합물의 종류 및 배합비율에 따라 물리·화학적 특성이 상이하며, 범용 적으로 사용되는 주입재는 포틀랜드슬래그계 OPC, Micro Cement(이하 MC)와 그 중간단계인 포틀랜드 슬래그계 Colloid Cement 등이 있다. 본 연구에서는 국내에서 실용화된 이들 제품을 사용하였으며, 이들 의 물리·화학적 특성은 다음과 같다(김진춘, 1999).
본 시험에는 현장에서의 실제 주입상황을 재현하고 그에 대한 주입효과의 차이와 대상지반의 주입한 계을 파악하기 위한 실험으로서 토질 삼축압축시 험기를 웅용한 직경 400mmX높이 500mm의 대형 몰드 를 제작하여 실험을 하였다. 이 시험에 사용한 대상시료토는 가는모래 50% + 실트 50% 혼합한 실트모 래를 사용하였고 주입재는 OPC, MC를 사용하였다. 주입재의 온도는 20℃로 유지하면서 시료의 다짐상 태, 주입재 종류에 따라 달리하여 각각의 실험시간에 따른 압력, 유량을 측정하였다.
데이터처리
즉, 입자가 미세할 수 록, 입자형상의 장축직경과 그 구체의 이상적인 구(球)의 직경과의 비로써 표현되는 구상화율(球狀化率) 이 작을수록 현탁액형 그라우트의 점성은 증가하고 전단응력은 커진다. 본 연구에 사용된 시료의 입도 분석 결과는 그림 1과 같으며, 시험장비는 Particle Size Analyzer(Mal.,ern Instruments 社의 Mastersi- zer Microplus)를 사용하였다. 분체공학에서 입자의 형상을 판정하는 것이 중요한 변수이며, 구상화율(球 狀化率)이 형상판정계수로서 활용된다.
성능/효과
(2) 시멘트계 주입재의 적용성을 실험적으로 평가하기 위하여 고결성 시험을 실시한 결과, 모형토사지반 의 상대밀도에 따른 투수계수를 10"~ 10"cm/sec로 변화시킨 경우, MC는 투수계수 l0Fcm/sec에서 유효고결율 75% 이상으로 고결성이 우수한 결과를 나타낸 반면, OPC는 lOecm/sec에서도 유효고결 율이 50% 미만으로서 고결율이 떨어지는 것으로 나타났다.
결과에서 볼 수 있듯이 OPC의 경우는 원지반의 투수계수가 10-2cm/sec정도일 경우에는 침투주입이 가능하여 고결율이 컸지만, 10 3~io fm/sec정도의 투수계수를 가지게 되면 침투주입이 불가능하여 고 결율이 현저히 저하되는 것으로 나타났다. 한편, 지반의 상대밀도에 따른 투수계수를 IO*~lolm/sec정도로 변화시킨 경우 MC는 투수계수 l("cm/sec에서도 침투주입이 원활하여 고결율이 우수한 것으로 보 여지므로, 댐 침투수 조절을 위하여 기초지반의 보강을 실시할 경우는 상기와 같은 결과를 염두에 두고 대상지반의 투수계수가 l0Tcm/sec정도가 된다면 MC로 그라우팅을 하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.
(1) 시 멘트계 주입재 인 OPC, MC의 입 도분석 결과, D50에 해당하는 입 자의 크기는 17.1㎛, 4.2㎛로써 MC가 OPC에 비 해서 약 4배 정도 미 세하여 지 반주입재의 침투가 요구되는 경우에는 MC를 사용흐} 는 것이 적합할 것으로 판단된다.
(3) 침투성 시험에서 모형토사지반의 상대밀도에 따른 투수계수를 10-2~l0Tcm/sec로 변화시킨 경우, MC는 투수계수 1(广'cm/sec에서 침투주입율 86% 이상으로서 침투성이 우수하였지만, OPC는 lOfm/sec에서도 침투주입율이 50% 미만으로서 OPC를 사용하는 경우 원활한 침투주입이 될 수 없을 것으로 판단된다.
(4) 동수지중 모형 시험 결과 유속이 빠를수록 Gel-time을 짧게 하는 것이 주입재 의 유실을 방지 하고 고 결율을 높이는 데 효과적이였으며, Gel-time이 9~12초 정도로 너무 짧은 급결형보다는 Gel-time이 60~90초 정도의 완결형이 침투거리도 길어지고 유효고결율도 높아지는 것으로 나타났다.
(5) 이상과 같은 결과를 종합적으로 분석해 볼 때, 댐 기초지반 및 연약지반의 보강을 위해 주입재의 침 투성이 요구되는 경우에는 MC계 그라우팅이 효과적일 것으로 판단되며 특히, 댐지초지반의 침투유 량이 큰 손상부에서 보수그라우팅을 할 경우 규산소다계의 완결재를 이용한 1차 차수그라우팅을 실 시하여 다량의 침투수량을 억제시킨 후 미세한 균열부까지 침투가 가능한 MC계 밀크그라우팅을 실 시함으로서 내구적인 차수그라우팅이 가능할 것으로 판단된다.
결과에서 볼 수 있듯이 OPC의 경우는 원지반의 투수계수가 10-2cm/sec정도일 경우에는 침투주입이 가능하여 고결율이 컸지만, 10 3~io fm/sec정도의 투수계수를 가지게 되면 침투주입이 불가능하여 고 결율이 현저히 저하되는 것으로 나타났다. 한편, 지반의 상대밀도에 따른 투수계수를 IO*~lolm/sec정도로 변화시킨 경우 MC는 투수계수 l("cm/sec에서도 침투주입이 원활하여 고결율이 우수한 것으로 보 여지므로, 댐 침투수 조절을 위하여 기초지반의 보강을 실시할 경우는 상기와 같은 결과를 염두에 두고 대상지반의 투수계수가 l0Tcm/sec정도가 된다면 MC로 그라우팅을 하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.
입도분포 및 입자형상은 현탁액형 그라우트의 전단응력과 밀접한 관계가 있다. 즉, 입자가 미세할 수 록, 입자형상의 장축직경과 그 구체의 이상적인 구(球)의 직경과의 비로써 표현되는 구상화율(球狀化率) 이 작을수록 현탁액형 그라우트의 점성은 증가하고 전단응력은 커진다. 본 연구에 사용된 시료의 입도 분석 결과는 그림 1과 같으며, 시험장비는 Particle Size Analyzer(Mal.
후속연구
(6) 본 연구성과를 더 발전시키기 위해서 주입목적, 적용지반 및 주입재 종류에 따른 좀 더 세부적인 그 라우팅 적용기준에 대한 추가적인 연구가 장기적으로 시행되기를 기대한다.
이상과 같이 유속이 커서 주입재의 희석, 유실이 커질 경우에는 물유리계 용액형 주입재를 차수재로 사용하여 물의 흐름을 억제한 후 OPC 또는 MC와 같은 현탁액형 주입재를 복합적으로 사용하면 투수 성이 큰 침투지역에서도 효과적으로 차수가 가능할 것으로 기대된다. Gel-time이 상당히 짧은 급결형보 다는 완결형과 같이 Gel-time이 어느 정도 적정한 주입재가 침투거리도 길고 유효고결율도 높일 수 있는 것으로 판단되며, 이는 Gel-time이 너무 짧은 주입재의 경우는 먼저 주입된 주입재가 토중에서 경화 가 되어버리면서 뒤편에 주입되는 주입재가 들어오는 것을 차단시키는 악영향을 끼치는 것으로 보인다.
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