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문제 정의
- 반면에 토목 구조물에서 널리 사용되는 토목용 부직포는 서로 다른 토질의 분리, 토양 내 수분의 배수 등의 용도로 많이 사용되고 있지만, 인장강도와 인장 탄성계수, 크리프 등에서 제약이 있어 단위 중량을 상당히 크게 하더라도 보강 보호 기능이 강조되는 토목공사에의 적용은 제한되어져 왔다. 본 연구에서는 보강기능과 분리/배수 기능을 동시에 수행할 수 있도록, 고강도 보강 조직과 토목용 부직포를 위입 경편방식으로 결합시킨 새로운 형태의 지오컴퍼지트(geocomposite)를 개발 제조하여, 기계적, 수리적 특성의 평가와 함께 토양과의 전단 마찰 특성 둥 토목공학적 요구 성능을 복합적으로 평가하였다. 성능의 비교평가를 위하여 폐기물 매립장이나 연약지반 둥 기존 토목공사에서 많이 사용되는 토목용 부직포들을 선정하여 그 특성을 비교 평가함으로써, 새로운 토목용 복합재 료의 적용 가능성을 제시하였다.
제안 방법
- 또한 각각의 토목 합성섬유의 포설, 시공 시에 부직포와 컴퍼지트 접합 면에서의 마찰 거동특성을 비교하기 위하여, 각각을 겹침 포설 및 봉합 포설하고 시료를 제조하고 접합 면에서의 전단 특성을 평가하였다. 겹침 포설의 경우, 부직포나 지오컴포지트 시료를 약 15cm 겹쳐서 전단 부위에 포설하였으며, 봉합 포설의 경우, 겹치는 부위를 미리 준비된 재봉기로 2000d의 폴리에스터 고강력사를 이용하여 6열 재봉하였다.
- 토목합성재료의 기계적 특성을 평가하기 위하여 ASTM D 4595에 의거하여 광폭 인장시험을 실시하였으며, 토목구조물의 설계 시 인장강도를 산출하는데 기초가 되는 최대 인장강도와 변형률을 측정하였다. 그리고 지오컴포지트의 분리 및 여과 기능을 비교하고자, ASTM D 4491에 의한 지오컴퍼지트의 수직투수성(permitivity)을 평가하고, 실제로 토목 구조물에 포설된 후의 수직웅력 하에서의 배수 능력을 평가하기 위하여 ASTM D 4761에 따른 수평 투수성(transmissivity)을 평가하였다. 또한, 실제 구조물 중에서 발생할 수 있는 흙에 의한 막힘 현상(clogging)을 측정하고자 유효 구멍 크기(AOS)도 ASTM D 45기에 따라 평가하였다.
- 수직 응력을 3, 6, 9, 12t/m2로 다양하게 증가시키면서 마찰 강도를 평가한 다음에 최대전단응력 파 괴포락선을 통하여, 흙/흙 및 흙/보강재 사이의 내부 마찰각과 마찰효율을 평가하였다. 그리고 폐기물 매립장, 연약지반 등의 토목시공 현장에서 널리 사용되고 있는 700g/m' 부직포와 지오컴퍼지트에 사용된 200g/m' 부직포를 선정하여 지오컴퍼지트 6T, 12T와의 공학적 특성을 비교, 평가하였다.
- 또한 각각의 토목 합성섬유의 포설, 시공 시에 부직포와 컴퍼지트 접합 면에서의 마찰 거동특성을 비교하기 위하여, 각각을 겹침 포설 및 봉합 포설하고 시료를 제조하고 접합 면에서의 전단 특성을 평가하였다. 겹침 포설의 경우, 부직포나 지오컴포지트 시료를 약 15cm 겹쳐서 전단 부위에 포설하였으며, 봉합 포설의 경우, 겹치는 부위를 미리 준비된 재봉기로 2000d의 폴리에스터 고강력사를 이용하여 6열 재봉하였다.
- 또한, 실제 구조물 중에서 발생할 수 있는 흙에 의한 막힘 현상(clogging)을 측정하고자 유효 구멍 크기(AOS)도 ASTM D 45기에 따라 평가하였다. 또한, ASTM D 5321에 의거하여, 지오컴퍼지트를 블록에 고정시키고 수직 응력을 가한 상태에서, 정지된 토양 위로 미세하게 미끄러지게 하면서 그 전단응력의 저항을 측정하였다. 수직 응력을 3, 6, 9, 12t/m2로 다양하게 증가시키면서 마찰 강도를 평가한 다음에 최대전단응력 파 괴포락선을 통하여, 흙/흙 및 흙/보강재 사이의 내부 마찰각과 마찰효율을 평가하였다.
- 본 연구에서는 보강기능과 분리/배수 기능을 동시에 수행할 수 있도록, 고강도 보강 조직과 토목용 부직포를 위입 경편방식으로 결합시킨 새로운 형태의 지오컴퍼지트(geocomposite)를 개발 제조하여, 기계적, 수리적 특성의 평가와 함께 토양과의 전단 마찰 특성 둥 토목공학적 요구 성능을 복합적으로 평가하였다. 성능의 비교평가를 위하여 폐기물 매립장이나 연약지반 둥 기존 토목공사에서 많이 사용되는 토목용 부직포들을 선정하여 그 특성을 비교 평가함으로써, 새로운 토목용 복합재 료의 적용 가능성을 제시하였다. 아울러, 실제 현장의 포설 시공 시에 많이 문제가 제기되는 포설 방법에 대하서 검토하고자, 폭 방향의 겹침 포설과 봉합 포설을 실내의 대형 직접 전단시험으로 비교 실 시하고 포설 방법의 기준을 평가하였다.
- 또한, ASTM D 5321에 의거하여, 지오컴퍼지트를 블록에 고정시키고 수직 응력을 가한 상태에서, 정지된 토양 위로 미세하게 미끄러지게 하면서 그 전단응력의 저항을 측정하였다. 수직 응력을 3, 6, 9, 12t/m2로 다양하게 증가시키면서 마찰 강도를 평가한 다음에 최대전단응력 파 괴포락선을 통하여, 흙/흙 및 흙/보강재 사이의 내부 마찰각과 마찰효율을 평가하였다. 그리고 폐기물 매립장, 연약지반 등의 토목시공 현장에서 널리 사용되고 있는 700g/m' 부직포와 지오컴퍼지트에 사용된 200g/m' 부직포를 선정하여 지오컴퍼지트 6T, 12T와의 공학적 특성을 비교, 평가하였다.
- 성능의 비교평가를 위하여 폐기물 매립장이나 연약지반 둥 기존 토목공사에서 많이 사용되는 토목용 부직포들을 선정하여 그 특성을 비교 평가함으로써, 새로운 토목용 복합재 료의 적용 가능성을 제시하였다. 아울러, 실제 현장의 포설 시공 시에 많이 문제가 제기되는 포설 방법에 대하서 검토하고자, 폭 방향의 겹침 포설과 봉합 포설을 실내의 대형 직접 전단시험으로 비교 실 시하고 포설 방법의 기준을 평가하였다.
- 토목공사 현장에서의 시공 시에 부직포와 컴퍼지트 둥 자재의 포설 시공 시에 접합 면에서의 마찰 거동특성을 비교하기 위하여, 각 자재의 겹침 포설 D와 F, 각 자재의 봉합 포설 E와 G를 각각 시료로 제조하여 직접 전단시험을 통하여 실제 겹침 면에서 발생하는 흙과의 전단력 변화를 평가하였다. 표 6에 다양한 접합 면 경우에서의 전단 특성 결과를 나타내었다.
- 토목합성재료의 기계적 특성을 평가하기 위하여 ASTM D 4595에 의거하여 광폭 인장시험을 실시하였으며, 토목구조물의 설계 시 인장강도를 산출하는데 기초가 되는 최대 인장강도와 변형률을 측정하였다. 그리고 지오컴포지트의 분리 및 여과 기능을 비교하고자, ASTM D 4491에 의한 지오컴퍼지트의 수직투수성(permitivity)을 평가하고, 실제로 토목 구조물에 포설된 후의 수직웅력 하에서의 배수 능력을 평가하기 위하여 ASTM D 4761에 따른 수평 투수성(transmissivity)을 평가하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서 사용된 지오컴퍼지트의 보강 원사는 국내에서 생산되는 폴리에스테르(PET) 고강력사 제품들 중에서 고강력 및 고탄성 계수와 함께 신율이 낮으면서 특정 신 도(5%)에서의 강력(LASE 5%)이 높은 제품(A사)을 선택하였다. 그리고 지오컴퍼지트를 제조하기에 적합하도록 비교적 성능과 작업성이 우수한 200g/m! 폴리프로필렌 니들펀치 부직포 선정하여, 지오컴포지트 제조에 사용하였다.
- 본 연구에서 사용된 지오컴퍼지트의 보강 원사는 국내에서 생산되는 폴리에스테르(PET) 고강력사 제품들 중에서 고강력 및 고탄성 계수와 함께 신율이 낮으면서 특정 신 도(5%)에서의 강력(LASE 5%)이 높은 제품(A사)을 선택하였다. 그리고 지오컴퍼지트를 제조하기에 적합하도록 비교적 성능과 작업성이 우수한 200g/m! 폴리프로필렌 니들펀치 부직포 선정하여, 지오컴포지트 제조에 사용하였다. 丑 1에 지 오컴퍼지트 시료를, 丑 2에 본 실험에서 사용된 모든 토목합성재료를 각각 나타내었다.
이론/모형
- 그리고 지오컴포지트의 분리 및 여과 기능을 비교하고자, ASTM D 4491에 의한 지오컴퍼지트의 수직투수성(permitivity)을 평가하고, 실제로 토목 구조물에 포설된 후의 수직웅력 하에서의 배수 능력을 평가하기 위하여 ASTM D 4761에 따른 수평 투수성(transmissivity)을 평가하였다. 또한, 실제 구조물 중에서 발생할 수 있는 흙에 의한 막힘 현상(clogging)을 측정하고자 유효 구멍 크기(AOS)도 ASTM D 45기에 따라 평가하였다. 또한, ASTM D 5321에 의거하여, 지오컴퍼지트를 블록에 고정시키고 수직 응력을 가한 상태에서, 정지된 토양 위로 미세하게 미끄러지게 하면서 그 전단응력의 저항을 측정하였다.
성능/효과
- 표 5는 각각의 시료의 전단 특성 평가 결과로써, 지오컴퍼지트 A와 B의 내부마찰각 25。, 마찰효율 80% 이상이며, 토목용 부직포 C에 비해 우수한 마찰 특성을 나타내고 있다. 이는 외관상 표면 조직의 차이이며, 표면이 상대적으로 미끈한 부직포에 비해 전단 면에서 고강력사 경편으로 굴곡 표면이 많아진 조직을 가지며, 위 사 방향에서 원사들이 수동저항을 유발하는 등 지오컴퍼지트가 더 우수한 전 단 마찰 거동 마찰 특성을 나타내고 있음을 알 수 있고, 따라서 보다 안정한 구조물 보강 보호 기능을 할 수 있을 것으로 예상된다.
- ) C와 D에 비해 고강력, 저변형율을 나타내며, 대표적 보강재인 지오 그리드의 인장 거동과 유사한 형태를 나타내었지만, 토목용 부직포는 지오컴퍼지 트 시료에 비해 고중량인 경우에도 불구하고, 대체로 80%의 높은 인장변형율을 보이며 인장 강력도 현저히 낮다. 따라서 지오컴퍼지트는 토목용 부직포에 비해 구조물 보강과 변형억제를 효과적으로 제어 할 수 있을 것으로 판단된다.
- 지오컴퍼지트의 기계적 인장 특성 결과, 제품설계 강도보다 높은 인장강도와 12% 미만의 양호한 낮은 변형율을 나타내어, 지오 그리드와 유사한 인장 특성으로 보강기능이 양호하였다. 수리학적 특성은 일반적으로 사용되고 있는 부직포와 유사한 수준의 수직 및 수평 투수 성능을 보이며, 따라서 분리, 여과 기능을 원활히 수행할 것으로 판단되었다. 그리고 전단 특성은 흙의 마찰 특성을 근거로 한 평가에서 양호한 전단 마찰 거동을 보임과 동시에, 접착력 2&/1把, 내부마찰각 25。, 마찰효율 80% 이상으로 기존의 토목용 부직포에 비하여 우수한 전단 마찰 특성을 나타내므로, 향후 보강/분리 복합재료로써 효과적으로 사용될 것으로 판단된다.
- 지 오컴퍼지트 A, B의 수직, 수평 투수 계수는 토목용 부직포 C, D와 유사한 수준으로 단위 중량과는 큰 영향이 없음을 알 수 있고, 유효 구멍 크기는 부직포의 단위 중량이 증가할수록 공극이 감소하여 작아짐을 알 수 있다. 이 결과로부터, 지오컴퍼지트는 토양 중에서 분리, 배수, 여과 등의 수리적인 기능 역할을 원활히 수행할 것으로 판단된다.
- 표 4에 지오컴퍼지트와 토목용 부직포의 수직 및 수평 투수 계수와 유효 구멍 크기를 나타내었다. 지 오컴퍼지트 A, B의 수직, 수평 투수 계수는 토목용 부직포 C, D와 유사한 수준으로 단위 중량과는 큰 영향이 없음을 알 수 있고, 유효 구멍 크기는 부직포의 단위 중량이 증가할수록 공극이 감소하여 작아짐을 알 수 있다. 이 결과로부터, 지오컴퍼지트는 토양 중에서 분리, 배수, 여과 등의 수리적인 기능 역할을 원활히 수행할 것으로 판단된다.
- 표 3에 지오컴퍼지트와 토목용 부직포의 광폭인장시험의 결과를 나타내었다. 지오컴퍼지트(이후GC 라 함.)인 A와 B는 토목용 부직포(이후 GN이라 함.) C와 D에 비해 고강력, 저변형율을 나타내며, 대표적 보강재인 지오 그리드의 인장 거동과 유사한 형태를 나타내었지만, 토목용 부직포는 지오컴퍼지 트 시료에 비해 고중량인 경우에도 불구하고, 대체로 80%의 높은 인장변형율을 보이며 인장 강력도 현저히 낮다. 따라서 지오컴퍼지트는 토목용 부직포에 비해 구조물 보강과 변형억제를 효과적으로 제어 할 수 있을 것으로 판단된다.
- 지오컴퍼지트의 기계적 인장 특성 결과, 제품설계 강도보다 높은 인장강도와 12% 미만의 양호한 낮은 변형율을 나타내어, 지오 그리드와 유사한 인장 특성으로 보강기능이 양호하였다. 수리학적 특성은 일반적으로 사용되고 있는 부직포와 유사한 수준의 수직 및 수평 투수 성능을 보이며, 따라서 분리, 여과 기능을 원활히 수행할 것으로 판단되었다.
후속연구
- 수리학적 특성은 일반적으로 사용되고 있는 부직포와 유사한 수준의 수직 및 수평 투수 성능을 보이며, 따라서 분리, 여과 기능을 원활히 수행할 것으로 판단되었다. 그리고 전단 특성은 흙의 마찰 특성을 근거로 한 평가에서 양호한 전단 마찰 거동을 보임과 동시에, 접착력 2&/1把, 내부마찰각 25。, 마찰효율 80% 이상으로 기존의 토목용 부직포에 비하여 우수한 전단 마찰 특성을 나타내므로, 향후 보강/분리 복합재료로써 효과적으로 사용될 것으로 판단된다. 한편, 현장 포설 방법에 따른 직접 전단시험으로 비교 결과, 겹침이나 봉합의 필요에 대하여 특별한 필요성 근거를 나타내지 않았다.
- 한편, 현장 포설 방법에 따른 직접 전단시험으로 비교 결과, 겹침이나 봉합의 필요에 대하여 특별한 필요성 근거를 나타내지 않았다. 끝으로, 지오컴퍼지트는 향후 새로운 용도와 분야에서 실제 시공을 통한 적용성 평가가 추진되어야 하며, 이를 위해 보강설계 기준, 내시 공성, 내약품성 둥 다양한 특성 평가가 선행되어야 할 것으로 생각된다.
- 표 5는 각각의 시료의 전단 특성 평가 결과로써, 지오컴퍼지트 A와 B의 내부마찰각 25。, 마찰효율 80% 이상이며, 토목용 부직포 C에 비해 우수한 마찰 특성을 나타내고 있다. 이는 외관상 표면 조직의 차이이며, 표면이 상대적으로 미끈한 부직포에 비해 전단 면에서 고강력사 경편으로 굴곡 표면이 많아진 조직을 가지며, 위 사 방향에서 원사들이 수동저항을 유발하는 등 지오컴퍼지트가 더 우수한 전 단 마찰 거동 마찰 특성을 나타내고 있음을 알 수 있고, 따라서 보다 안정한 구조물 보강 보호 기능을 할 수 있을 것으로 예상된다.
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