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문제 정의
- 해양준설토는 압축강도가 아주 작기 때문에 경량 기 포혼합토를 제작할 경우 강도를 증가시키기 위하여 고화제(시멘트)가필요하다. 따라서 경량기포혼 합토의 구성성분인 고화제 함유율에 따른 응력- 변 형 거동을 고찰하였다.
- 국내에서는 김홍택과 방윤경(1996)에 의하여 폐 EPS 조각을 혼합한 경량성토재를 대상으로 토질공 학적 특성에 관련된 시험을 수행하였고, 홍상기 (2000)는 해성점토와 EPS 를 혼합한 경 량혼합토의 강도특성에 관한 실험적 연구를 실행한 바 있으나 기포제를 이용한 경량혼합토에 대한 연구는 국내에서 수행되 지 않은 것으로 나타났다(김 용수, 1995). 본 연구는 해양준설토를 새로운 건설재료로 사용하기 위하여 고화제(시멘트)를 혼합하고, 경량화를 위하여 기포를 첨가한 경량기포 혼합토의 응력-변형거동과 압축강도 특성을 구명하기 위해 수행되었다. 이를 위하여 해양 준설토의 초기함수비, 고화제 함유량, 양생조건 그리고 구속압을 달리한 삼축압축시험을 수행하였다.
- 아울러 구속압에 따른 영향을 파악하기 위하여 일축압축 시험을 함께 수행하였다. 이러한 시험결과들의 정량적인 비교 분석을 통하여 지반재료로서 경량기포 혼합토의 역학적 특성을 구명하려는 것이 본 연구의 목적이다.
제안 방법
- ① 현장에서 채취한 준설토의 초기함수비가 100% 이하이므로 혼합토 제작조건과 일치하는 함수 비를 맞추기 위해 해수를 첨가한 후 1주일 정도 방치한 상태에서 함수비를 측정하고 오차의 범위를 3% 이내가 되도록 조절하였다.
- ② 각 배합조건에 맞는 함수비로 조정한 시료에 고화제를 첨가하여 충분히 혼합한 후 목표 단위 중량과 일 치 하도록 기 포를 주입 하였다.
- 경 량기포 혼합토의 배합시 기포를 제외 하고 혼합토 간극내 공기의 혼입을 최대한 억제하기 위하여 주의 깊은 혼합을 수행하였으며, 또한 공기가 제거된 물(de-aired water)을 사용하였다. 장기간(28일, 56일, 112일)에 걸쳐 수중에 방치 한 혼합토 시료의 함수비 와 습 윤단위중량의 변화를 관찰한 결과, 습윤단위중량은 1%~3%의 변화를 보이는 것으로 나타났다.
- 고화제 함유율을 8%로 고정하고, 초기함수비 조건을 100%~160%로 증가시 킬 경우 일축 및 삼축압축 시험의 응력-변형 거동을 Fig. 2에 도시 하였다.
- 공시체 몰드는 PVC 관 (w=50mm, H=110mm) 과아크릴 판을 이용하여 실리콘으로 부착시켜 제작 하였고, 몰드 내면은 혼합토가 양생되면서 부착되는 것을 방지하기 위하여 그리스 (grease) 를 도포하였으며, 양생 후 몰드에서 혼합토를 분리할 때 공시체가 교란되는 것을 방지하기 위하여 분리형 몰드를 사용하였다. 대기양생후 공시체 내부 실물 사진은 Fig.
- 공시체가 목표단위중량과 일치하지 않을 때는 기포량을 증가시켜 목표단위중량에 맞게 조정 하였는데 기포의 재혼합은 3회로 제한하여 실시하였고, 공시체 제작과정에서 기포의 소포 및 고화제의 경화되는 영향을 고려하여 10분이 경 과하면 이들 시 료는 공시 체 제 작을 제외 시 켰다.
- 0%/min의 속도로 일축압축 시험 을 수행하였다. 그리고 구속압에 따른 경량 기포혼합 토의 압축강도의 변화특성을 고찰하기 위해 일축압 축시험의 경우와 동일한 배합 및 양생 조건으로 구속압⑹)을 50kPa, lOOkPa, 200kPa 및 300kPa로 증가시 키 면서 비압밀-비배수(UU) 조건의 삼축압축시험을 수행하였다.
- 4와 같다. 또한 구속압의 영향을 알기 위하여 구속압이 가해지지 않는 일축압 축시험 결과를 함께 도시하였으며, 공시체는 수중양 생한 경 량기포 혼합토이다.
- 배합조건에 맞는 공시체의 양생조건을 수중과 대 기중으로 구분하여 28일간 양생하였으며, 양생한 경 량기포 혼합토는 1.0%/min의 속도로 일축압축 시험 을 수행하였다. 그리고 구속압에 따른 경량 기포혼합 토의 압축강도의 변화특성을 고찰하기 위해 일축압 축시험의 경우와 동일한 배합 및 양생 조건으로 구속압⑹)을 50kPa, lOOkPa, 200kPa 및 300kPa로 증가시 키 면서 비압밀-비배수(UU) 조건의 삼축압축시험을 수행하였다.
- 기포제는 경량성과 유동성을 확보하기 위해서 기포를 내부에 균일하게 분산시키는 것이 중요하 므로 온도의 영향을 크게 받는 발포제를 혼합시키는 방법은 거의 사용하지 않는 것으로 알려져 있다. 본 실험에서는 혼합토에 균일하게 기포가 분포할 수 있도록 기포기를 이용하여 사전에 발포시키는 방법을 적 용하였다.
- 이를 위하여 해양 준설토의 초기함수비, 고화제 함유량, 양생조건 그리고 구속압을 달리한 삼축압축시험을 수행하였다. 아울러 구속압에 따른 영향을 파악하기 위하여 일축압축 시험을 함께 수행하였다. 이러한 시험결과들의 정량적인 비교 분석을 통하여 지반재료로서 경량기포 혼합토의 역학적 특성을 구명하려는 것이 본 연구의 목적이다.
- 본 연구는 해양준설토를 새로운 건설재료로 사용하기 위하여 고화제(시멘트)를 혼합하고, 경량화를 위하여 기포를 첨가한 경량기포 혼합토의 응력-변형거동과 압축강도 특성을 구명하기 위해 수행되었다. 이를 위하여 해양 준설토의 초기함수비, 고화제 함유량, 양생조건 그리고 구속압을 달리한 삼축압축시험을 수행하였다. 아울러 구속압에 따른 영향을 파악하기 위하여 일축압축 시험을 함께 수행하였다.
- 따라서 적정 배합 함수비를 결정하는 것이 무엇보다도 중요하다. 이에 본 연구는 준설토의 초기함수비 조건을 4가지로 달리 하여 경량기포혼합토를 제작하고, 초기함수비(W”) 에 따른 응력-변형 거동을 고찰하였다.
- 준설토 초기함수비에 따른 압축강도의 특성을 파악 하기 위하여 준설토의 함수비를 100%~ 160%로 변화 시 키 고, 고화제 함유율을 4%와 10%로 혼합한 경 량기 포 혼합토에 대하여 일축 및 삼축압축시험을 실시하였으며, 그 결과는 Fig. 5와 같다.
- 본 실험에서는 직경 50mm, 높이 100mm 의 공시체를 제작하였다. 준설토의 초기함수비는액성한계를 기준으로 각각 100%(2.2Wl), 120% (2.6WQ, 140% (3.0Wl) 및 160%(3.5WQ 으로변화시켰고, 고화제 함유율은 각 함수비를 조정한 준설토의 중량에 대해 각각 4%, 6%, 8%, 10%로 달리 하여 배합하였다. 기포의 배합은 기포의 특성 상 기포를 혼합하기 전에 기포의 소포로 인하여 체적과 무게를 측정하는 것이 불가능하기 때문에 기포를 배합한후 공시 처의 습윤단위 중량이 L2g/cn?가 되도록 조절하였다.
- 1 과 같다. 흙의 기본적인 특성을 파악하기 위하여 KSF 기준에 의해 함수비시험, 액성한계시험, 소성한계시험, 비중시험을 각각5 회를 실시하였는데 그 결과는 Table 1 과 같다. 사용된 해 양준설토를 통일 분류법 으로 분류하면 CL에 속한다.
대상 데이터
- 기포제는 동물성, 식물성, 합성유계 등이 있으나, 계면활성 작용을 이용하여 물리적으로 기포를 도입 하는 것으로 본 실험에서는 환경친화적인 식물성 기포제를 사용하였으며 사용한 기포제의 비중은1.03 이다. 기포를 발생시키는 방법은 기포기를 이용하여 물리적으로 공기압을 가해 사전에 발포를 시키는 방법과 발포제를 시료에 혼합시켜 수화반응에 의해 가스를 발생시키는 방법 등이 있다.
- 본 실험에서는 직경 50mm, 높이 100mm 의 공시체를 제작하였다. 준설토의 초기함수비는액성한계를 기준으로 각각 100%(2.
- 본 연구에 사용된 시료는 부산 신항만 건설 지역에서 채취한 해양준설토로서 입도분석 결과는 Fig. 1 과 같다. 흙의 기본적인 특성을 파악하기 위하여 KSF 기준에 의해 함수비시험, 액성한계시험, 소성한계시험, 비중시험을 각각5 회를 실시하였는데 그 결과는 Table 1 과 같다.
- 본 연구에서 사용한 고화제는 일반적으로사용하는 보통 포틀랜드(Portland) 시멘트(1종 시멘트)를 사용하였다.
- 본 연구에서 이러한 특징을 고려하여 삼축 압축시 험시 시료의 포화를 위한 강제 배압은 가하 지 않고 수중양생된 시료를 그대로 사용하였다.
성능/효과
- 1) 경량기포 혼합토의 응력-변형거동과 압축강도는 준설토의 초기 함수비 보다 고화제 함유율에 더 크게 영향을 받는 것으로 나타났다.
- 2) 수중양생한 경 량기포 혼합토의 일축압축시험에서 응력-변형거동은 최대압축강도를 나타낸 후 압축 강도가 급격히 감소하는 변형-연화거동을 보였 으 나, 삼축압축시험에서는 최대압축강도를 나타낸 후 일정 잔류강도를 유지 하는 거 동을 나타 내 었으 며, 고화제 함유율이 작은 혼합토의 경우는 구속압 의 영향에 의해 느슨한모래 질흙의 거동과 같은 비 선형 응력거 동을 나타냈다.
- 3) 삼축압축시험에서 구속압에 따른 응력-변형 거동 은 구속압을 일축압축강도와 비슷하게 가한 경우 를 경계로 다르게 나타나는 것을 알 수 있었다. 이는 일축압축강도와 관련한 경계구속 압에서 축차 응력상태하의 혼합토내 기포 골격 붕괴에 원인이 있는 것으로 판단된다.
- 4) 목표 삼축압축강도를 200kPa(20t/m2)로 하는 경우 경량기포 혼합토의 적정배합비를 추정한다면, 양 생 방법에 무관하게 초기 함수비는 100%~160% 정 도이며, 최소 고화제 함유율은 수중양생의 경우6.6%이 고, 대 기 양생 의 경우 4%로 나타났다.
- 5) 압축강도와 할선탄성계수의 관계는 회귀분석을 통하여 일축압축상태의 경우 E50= 83 qu(uc) 로 나 타났으나 삼축압축인 경우 구속압이 50kPa 에서300kPa로 증가함에 따라 E50s 167 qu(TC)~ 22qu(TC)로 다소 큰 차이를 나타내었다.
- 또한 변형율 10%일 때 잔류강 도는 최대압축강도의 62%~93%를 유지 하였다. 고화제 함유율 6%이하인 경우는 파괴시 변형율 이 뚜렷하지 않은 상태로 변형율이 증가함에 따라 일정한 잔류응력을 유지하는 것으로 나타났다.
- 2g/cn?인 조건에서 삼축압축상태의 구속압과 압축강도의 관계는 초기 함수비보다 고화제 함유율에 크게 영향을 받는 것으로 나타났다. 고화제 함유율별 압축강도의 변화는 구 속압의 증가에 따라 비 례적으로 증가하는 것을 알 수 있었다.
- 경 량기 포 혼합토의 고화제 함유율에 따른 압축 강 도의 영향은 일축 및 삼축압축시험에서 동일한 결과를 나타냈으며, 초기함수비에 무관하게 도시할 수 있었다. 고화제 함유율의 증가에 대하여 대기 양생의 경 량기포 혼합토는 압축강도가 거의 선형적 으로 증가하는 것으로 나타났다. 수중양생의 경우 압축강도가 고화제 함유율의 증가에 따라 비선형 적 인 증가를 보이고 있으며, 고화제 함유율 10% 이상에서 압축강도 의 증가는 완만하게 나타날 것으로 추정 된다.
- 구속압 증가에 따른 응력-변형 거동은 고화제 함유율이 4%로 작은 경우 변형율 2%이하의 낮은 변형율 영역에서는 구속압의 영향이 거의 없는 것으로 나타났으나, 고화제 함유율이 10%로 큰 경우 구속압이 100kf>a일때를 경계로 낮은 변형율 영역 에서는 축차응력의 증가가 매우 크게 나타나는 것을 알 수 있다. 또한 응력-변형거동은 축변형율 5%이내에서 구속압이 증가함에 따라 축차응력에 대한 축변형율이 크게 발생하며, 전체적으로 높은 구속압 에서 완만한 응력-변형거동 곡선을 보여주고 있다.
- 삼축압축상태에서 의 초기 함수비 에 대한 압축강도 감소의 비는 일축압축상태의 경우보다 약 15% 작은 값으로서 초기함수비의 영향에 대한 압축강도는 일 축압축상태보다 삼축압축상태에서 상대적으로 작은 것으로 나타났다. 또한 초기 함수비에 대한 압축강 도 감소의 비는 양생방법에 따라서는 큰 차이를 보이지 않는 것으로 나타났다.
- 8-(b)와 같다. 삼축압축강도는 구속압과 초기 함수비 및 고화제 함유율에 복합적으로 의존 하여 변화하기 때문에 각 구속압에 적합한 압축강도와 할선탄성계 수의 관계기울기를 제시하기는 어려우며, 본 연구에서는 구속압이 50kPa~300kPa의 범위에 대한 결과이 며, 구속압에 따른 압축강도와 할선 탄성계수의 관계 기울기는 구속압이 작은 경우 167, 구속압이 큰 경우 에서 22로 결정되었다.
- 삼축압축상태 (Oc=50kPa)에서의 응력-변형 거동 은 수중 및 대기양생의 경우 초기함수비가 증가함에 따라 파괴시 변형율은 증가하며, 최대압축강도는 미소하게 감소하는 것으로 나타났으며, 파괴시 변형 율 이후의 압축강도는 아주 완만하게 감소하여 일정 하게 잔류 압축응력을 나타내고 있다. 수중 양생시 변형율 10%에서의 잔류 압축강도는 최대 압축강도의 75%~86%의 범위를 나타냈다.
- 58로 비교적 작게 나타났다. 삼축압축상태에서 의 초기 함수비 에 대한 압축강도 감소의 비는 일축압축상태의 경우보다 약 15% 작은 값으로서 초기함수비의 영향에 대한 압축강도는 일 축압축상태보다 삼축압축상태에서 상대적으로 작은 것으로 나타났다. 또한 초기 함수비에 대한 압축강 도 감소의 비는 양생방법에 따라서는 큰 차이를 보이지 않는 것으로 나타났다.
- 삼축압축시험에 사용한 경량기포 혼합토의 포화 도는 기포를 혼합토의 구성성분으로 간주하고 실험 전 함수비, 비중 및 단위중량에 근거하여 계산 한 결과, 대부분 시료에서 90%-95% 정도로 얻어졌다. 하 중재하방식은 변형제어방식으로 0.
- 일축압축시험에서 양생조건에 관계없이 고화 제 함유율이 증가할수록 응력-변형곡선은 취성파괴와 유사한 파괴시 변형율 초과후 압축강도가 감소하는 현상을 나타내었으나, 대기양생한 경우 고화제 함유율 6%이하는 압축강도의 완만한 증가에 따라 변형율이 증가하는 경향을 나타내었다. 수중양생 인 경우 파괴시 변형율의 분포는 1%정도이고, 대 기 양생인 경우 파괴시 변형율의 분포는 2.0%~4.5% 로 넓게 분포하는 것을 알 수 있었다. 또한 수중양 생인 경우 낮은 변형율(0.
- 경량기포 혼합토의 단위중량 1.2g/cn?인 조건에서 삼축압축상태의 구속압과 압축강도의 관계는 초기 함수비보다 고화제 함유율에 크게 영향을 받는 것으로 나타났다. 고화제 함유율별 압축강도의 변화는 구 속압의 증가에 따라 비 례적으로 증가하는 것을 알 수 있었다.
- 일축압축시험에서 양생조건에 관계없이 고화 제 함유율이 증가할수록 응력-변형곡선은 취성파괴와 유사한 파괴시 변형율 초과후 압축강도가 감소하는 현상을 나타내었으나, 대기양생한 경우 고화제 함유율 6%이하는 압축강도의 완만한 증가에 따라 변형율이 증가하는 경향을 나타내었다. 수중양생 인 경우 파괴시 변형율의 분포는 1%정도이고, 대 기 양생인 경우 파괴시 변형율의 분포는 2.
- 경 량기포 혼합토의 배합시 기포를 제외 하고 혼합토 간극내 공기의 혼입을 최대한 억제하기 위하여 주의 깊은 혼합을 수행하였으며, 또한 공기가 제거된 물(de-aired water)을 사용하였다. 장기간(28일, 56일, 112일)에 걸쳐 수중에 방치 한 혼합토 시료의 함수비 와 습 윤단위중량의 변화를 관찰한 결과, 습윤단위중량은 1%~3%의 변화를 보이는 것으로 나타났다. 이들 결 과로부터 혼합토의 구성성분으로 간주한 기포내의 포화 가능성과 장기적으로 물과 접촉하는 경우 혼합 토의 물 흡수성 및 팽창성은 거의 무시할 수 있을 정 도인 것으로 판단된다.
- 이는 같은 배합조건에 해당하는 혼합토의 일축 압축응력-변형 거동과 무관하지 않음을 알 수가 있다. 즉 고화제 함유율이 4%인 경우, 일축압축 강도가 약 50kPa 로서 구속압이 일축압축강도와 동일한 조건에서의 응력-변형곡선은 동일 축차응력에 대한 변형율이 일축압축상태의 경우보다 작게 나타나며, 고화제 함유율이 10%인 경우에서는 일축압축 강도 가 약 230kFa로서 구속압이 일축압축강도 보다 낮은 50kPa과 lOOkPa조건에서 축차응력에 대한 변형율이 일축압축상태의 경우보다 작게 나타났다.
- 초기함수비에 따른 압축강도는 양생방법에 무관 하 게 초기함수비가 증가할수록 압축강도는 감소하는 거동은 일축 및 삼축압축시험에 관계없이동 일하게 나타났다. 한편 초기함수비 증가에 따른 압축강도의 감소를 초기함수비에 대한 압축강도 감소의 비로 나 타내면, 일축압축시험은 평균 0.
- 초기함수비에 따른 일축압축시험의 응력-변형 거동 은 수중 및 대기양생의 경우 초기함수비가 증가함에 따라 파괴 시 변형 율은 증가하고, 최 대압축 강도는 감소하는 것으로 나타났다. 특히 수중양생의 경우에서 고함수비(wn=160%)의 시료에 대한 응력- 변형거동은 다른 함수비를 갖는 시료와 달리 초기 거동곡선은 매우 완만히 나타내고 있다.
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