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문제 정의
- 유동성 뒷채움공법의 적용은 국내에서 극히 미비하며, 특히 미국과 일본의 적용 대상 토질 조건과는 상이하다. 따라서, 굴착토의 재활용율을 극대화하고 국내 토질조건에 적합하며, 고화재와 혼화제의 양을 최소화하여 경제적인 지중전력구조물 뒷채움재의 최적배합비 산정을 시험목표로 하였다. 이를 위한 시험항목 및 적용기준은 표 5에 정리하였다.
- 따라서, 본 연구에서는 지중 전력구조물 공사에서 발생하는 잔토를 재활용하기 위하여 지중전력 구조물의 뒷채움재로 사용 할 수 있는 유동화 되메움 재료인 고화재와 흙 혼합재료의 물리적 성질과 블리딩률, 유동성, 일축압축강도, 열저항성 등의 역학적 성질을 만족하는 유동성 뒷채움재의 최적배합비를 산정하는데 그 목적이 있다.
제안 방법
- A고화재는 속경성 고화재와 촉진제(알칼리금속염)로 구성되어 있으며, 이를 풍화토100%, 풍화토와 자갈, 풍화토와 점토의 혼합토에 적용하여 장기강도를 검토하였다. B고화재(풍화토 및 혼합토용)는 A고 화재의 혼합비율을 참고하여 속경성 고화재와 촉진제의 혼합 비율을 조정하여 사용하였고 C고 화재(점토용)는 점토의 고유성분 및 흡착수 등의 영향과 순수 점토의 경화 시 큰 강도 발현성을 고려하여 수화작용을 촉진시키는 촉진제와 속경성 고화재를 사용하였다.
- D고화재(강모래용)는 높은 투수성과 고결뒤 강도 발현성이 우수함을 고려하여 유동화제, 촉진제, 그리고 속경성 고화재를 사용하였다. 각 고 화재의 비중 및 성분을 표 4와 같이 보통포틀랜드 시멘트(OPC)와 비교하였다.
- 27 kg/cm2의 범위를 나타내었다(그림 5). 따라서, 재령 1시간에 공시체가 직립하지 않으므로 순수 풍화토 100%에 시멘트량을 100, 130, 160kg/m3(W/C : 498-312%)로 변화시키며 A급결제(0, 10%)를 첨가 하였다. 또한 같은 대상 시료에 시멘트량을 160, 200, 240, 280kg/m3(W/C : 338T80%)로 변화시키며 B급결제(0, 5, 7%)를 첨가하였다(그림 5).
- 따라서, 재령 1시간에 공시체가 직립하지 않으므로 순수 풍화토 100%에 시멘트량을 100, 130, 160kg/m3(W/C : 498-312%)로 변화시키며 A급결제(0, 10%)를 첨가 하였다. 또한 같은 대상 시료에 시멘트량을 160, 200, 240, 280kg/m3(W/C : 338T80%)로 변화시키며 B급결제(0, 5, 7%)를 첨가하였다(그림 5). 그 결과, 재령 1시간 공시체의 자립을 기대하였으나 몰드에서 공시체를 분리하는 순간 공시체가 주저 않아 일축압축강도를 측정할 수 없었다.
- 본 연구에서는 B고화재(풍화토용 및 혼합토용), C고화재(점토용), 그리고 D고화재(강모래용)을 적용하여 블리딩률 1%이하, 유동성 200mm이상(ASTM D 6103), 1시간 일축압축강도 0.5膾々詩 이상, 4시간 일축 압축강도 1.5膾舟詩 이상, 28일 일축압축강도 6.5kg/cm2 이하, 그리고 열저항성 85 cm-°C/w 이하를 만족하는 지중전력구조물 뒷채움재의 최적배합비를 산정하기위한 시험을 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 블리딩률 시험은 JSCE-F522-1999 및 KS F 2442T996의 주입모르타르의 블리딩률 시험 방법으로 폴리에틸렌 실린더(05cm, H二50cm)를 사용하여 10분 간격으로 30분간의 블리딩량 (ml)을 측정하였다. 열저항성 시험은 Decagon Devices사의 KD2 thermal properties analyzer를 사용하였으며, 대상 시료에 대하여 90초간 열안전성을 확인한 후 30초 동안 대상 시료의 온도, 열 전도성, 열 저항성, 그리고 열방산을 계산하여 화면에 나타낸다. 일축압축시험은 허용하중이 200kg인 Tokyo Sokki Kenkyuio사의 load cell과 displacement transducer# 사용하였다.
대상 데이터
- 풍화토와 점토의 혼합토에 적용하여 장기강도를 검토하였다. B고화재(풍화토 및 혼합토용)는 A고 화재의 혼합비율을 참고하여 속경성 고화재와 촉진제의 혼합 비율을 조정하여 사용하였고 C고 화재(점토용)는 점토의 고유성분 및 흡착수 등의 영향과 순수 점토의 경화 시 큰 강도 발현성을 고려하여 수화작용을 촉진시키는 촉진제와 속경성 고화재를 사용하였다. D고화재(강모래용)는 높은 투수성과 고결뒤 강도 발현성이 우수함을 고려하여 유동화제, 촉진제, 그리고 속경성 고화재를 사용하였다.
- B고화재(풍화토 및 혼합토용)는 A고 화재의 혼합비율을 참고하여 속경성 고화재와 촉진제의 혼합 비율을 조정하여 사용하였고 C고 화재(점토용)는 점토의 고유성분 및 흡착수 등의 영향과 순수 점토의 경화 시 큰 강도 발현성을 고려하여 수화작용을 촉진시키는 촉진제와 속경성 고화재를 사용하였다. D고화재(강모래용)는 높은 투수성과 고결뒤 강도 발현성이 우수함을 고려하여 유동화제, 촉진제, 그리고 속경성 고화재를 사용하였다. 각 고 화재의 비중 및 성분을 표 4와 같이 보통포틀랜드 시멘트(OPC)와 비교하였다.
- 본 연구는 뒷채움 재료로서 굴착잔토의 재활용을 목표로 하기 때문에 천층에 존재하는 토사를 대표할 수 있는 흙을 선정하였다. 대상시료(표 1)는 유동화 되메움 재료로 규정되어 있는 ASTM C33의 최대 세립분 함량(10%)을 함유한 순수 풍화토 100%, 풍화토에 점토를 10-30% 함유한 혼합토, 풍화토에 자갈을 10-30% 함유한 혼합토, 강모래, 그리고 순수 점토 100%를 대상으로 시험을 수행하였다.
- 이는 C3A, 에트린가이트, C3S에 의한 팽창작용 및 간극 충전으로 발생한다. 본 실험에서 사용한 급결제는 무기질계 지반 주입제(A급 결제)와 Shotcrete용 무기염제(B급결제)를 사용하였다.
- 있다. 본 연구는 뒷채움 재료로서 굴착잔토의 재활용을 목표로 하기 때문에 천층에 존재하는 토사를 대표할 수 있는 흙을 선정하였다. 대상시료(표 1)는 유동화 되메움 재료로 규정되어 있는 ASTM C33의 최대 세립분 함량(10%)을 함유한 순수 풍화토 100%, 풍화토에 점토를 10-30% 함유한 혼합토, 풍화토에 자갈을 10-30% 함유한 혼합토, 강모래, 그리고 순수 점토 100%를 대상으로 시험을 수행하였다.
- 본 연구에서는 A고화재를 적용한 시험 결과를 토대로 목표 장기강도 6.5kg/cm2^ 근접한 배합비에 대상 토질별로 B고화재, C고화재, D고화재를 적용하였다. 그림 7은 풍화토 100%에 B고화재량을 170kg/m3과 EOkg/n?로 고정한 후 촉진제 함량을 각각 0.
- 본 연구에서는 지중전력구조물 뒷채움재의 손 굴착이 가능한 최대 일축압축강도로 6.5kg/cm2< 시험목표 강도로 선정하였다. A고화재를 적용한 풍화토 100% 및 혼합토(풍화토+자갈, 풍화토+점토)의 재령 7일 일축압축강도는 4.
- 본 연구에서의 시험 과정은 지중 전력구조물 유동성 뒷채움재로 보통포틀랜드시멘트(OPC)와 상용화되고 있는 급결제 2종류를 적용하여 목표 유동성 및 목표 일축압축강도의 만족 여부를 확인한 후 만족하지 않을 경우 고화재를 적용하였다. 고화재의 적용은 재굴착이 가능한 강도를 나타내는 배합비에 대하여 촉진제의 함량을 조절하여 목표 조기강도를 만족시켰다.
- 본 연구의 주요 시험은 유동성, 블리딩률, 열저항성, 그리고 일축압축강도이다. 유동성시험은 JHS A 313(080mm, H=80mm)과 ASTM D 6133(03in.
- 본 연구의 주요 시험은 유동성, 블리딩률, 열저항성, 그리고 일축압축강도이다. 유동성시험은 JHS A 313(080mm, H=80mm)과 ASTM D 6133(03in., H=6in.)기준 몰드를 각각 사용하였다. 시험과정은 끝이 뚫린 플라스틱 몰드에 혼합물을 채운 다음 평탄한 유리판위에 놓고 들어 올렸을 때 최대값과 그 수직값의 평균값을 사용하였다.
- 열저항성 시험은 Decagon Devices사의 KD2 thermal properties analyzer를 사용하였으며, 대상 시료에 대하여 90초간 열안전성을 확인한 후 30초 동안 대상 시료의 온도, 열 전도성, 열 저항성, 그리고 열방산을 계산하여 화면에 나타낸다. 일축압축시험은 허용하중이 200kg인 Tokyo Sokki Kenkyuio사의 load cell과 displacement transducer# 사용하였다. 하중은 수직변형률이 분당 1% 재하되었으며, 하중재하는 변형이 증가함과 함께 하중 값이 감소 할 때 까지 또는 10%의 변형률에 도달할때 까지 하중재하를 계속하였다.
- 양생방법은 EPRI(미국 전력연구원)의 기준안인 sealing 방법으로 온도는 20±3'C, 습도는 70*0%로 항온 수조에서 양생하여 급격한 함수비의 변화가 없는 지중상태를 구현하였다. 총 실험 횟수는 블리딩률시험 54회, 유동성 시험 490회, 일축압축강도 시험 268회, 그리고 열저항성 시험 108회를 수행하였다.
데이터처리
- )기준 몰드를 각각 사용하였다. 시험과정은 끝이 뚫린 플라스틱 몰드에 혼합물을 채운 다음 평탄한 유리판위에 놓고 들어 올렸을 때 최대값과 그 수직값의 평균값을 사용하였다. 블리딩률 시험은 JSCE-F522-1999 및 KS F 2442T996의 주입모르타르의 블리딩률 시험 방법으로 폴리에틸렌 실린더(05cm, H二50cm)를 사용하여 10분 간격으로 30분간의 블리딩량 (ml)을 측정하였다.
이론/모형
- 시험과정은 끝이 뚫린 플라스틱 몰드에 혼합물을 채운 다음 평탄한 유리판위에 놓고 들어 올렸을 때 최대값과 그 수직값의 평균값을 사용하였다. 블리딩률 시험은 JSCE-F522-1999 및 KS F 2442T996의 주입모르타르의 블리딩률 시험 방법으로 폴리에틸렌 실린더(05cm, H二50cm)를 사용하여 10분 간격으로 30분간의 블리딩량 (ml)을 측정하였다. 열저항성 시험은 Decagon Devices사의 KD2 thermal properties analyzer를 사용하였으며, 대상 시료에 대하여 90초간 열안전성을 확인한 후 30초 동안 대상 시료의 온도, 열 전도성, 열 저항성, 그리고 열방산을 계산하여 화면에 나타낸다.
- 일축압축시험용 몰드는 직경은 50mm이고 높이는 100mm인 토질시험용 규격몰드를 사용하였고 몰드성형 시 구리스를 이용하여 몰드 밖으로의 물 빠짐을 억제하였다. 양생방법은 EPRI(미국 전력연구원)의 기준안인 sealing 방법으로 온도는 20±3'C, 습도는 70*0%로 항온 수조에서 양생하여 급격한 함수비의 변화가 없는 지중상태를 구현하였다. 총 실험 횟수는 블리딩률시험 54회, 유동성 시험 490회, 일축압축강도 시험 268회, 그리고 열저항성 시험 108회를 수행하였다.
성능/효과
- 1. 보통포틀랜드시멘트와 무기질계 급결제 및 무기염계 급결제를 각각 사용한 결과 목표 유동성과 조기 일축 압축강도를 만족시키지 못하였다. 이는 급결제의 사용으로 재료를 섞는 동안 유동성이 크게 감소하여 배합비 별 요구수량의 증가로 강도가 저감되었음을 알 수 있었다.
- 2. 유동성 뒷채움재는 slurry 상태임으로 높은 함수비를 나타냈으며 목표 유동성을 만족시키기 위하여 점토함유량이 증가 할수록 함수비는 증가 하였으며 자갈 함유량이 증가 할수록 함수비는 감소하였다. 이는 대상 시료의 함수비가 증가 할수록 강도는 줄어들어 목표 강도를 만족시키기 위한 고화 재량은 토질 종류, 입경, 그리고 함수비등에 의하여 결정되었다.
- 3. 각각의 고화재 사용 시 9종류의 대상 시료는 블리딩률 1%이하와 유동성 200mm 이상을 모두 만족하였다.
- 4. 풍화토에 점토 함유량이 30%인 혼합토와 점토 100%의 대상 시료를 제외한 나머지 7종류의 대상 시료는 토질 종류와 시료의 입경을 고려한 고화재 종류와 양을 조절하여 4.78-6.50kg/cm2 범위의 재령 28일 일축압축강도를 나태냈고 재령 7일 일축압축강도는 재령 28일 일축압축강도에 대하여 약 88% 의 강도가 발현되었다. 이는 재령 7일 이후 강도가 소폭 증가하며 재령 28일 이후 강도 증진이 일어나지 않을 것으로 예상된다.
- 5. 강모래를 이용한 다짐된 뒷채움재는 함수비의 증가가 열저항성을 감소시켰으나 고함수비를 나타내는 슬러리 상태의 뒷채움재의 열저항성은 재령과 단위중량에 영향을 받고 있음을 알 수 있었다.
- 1%로 증가시켰을 경우의 일축 압축강도를 나타내고 있다. B고화재와 C고화재를 적용하였을 때 목표 조기강도를 만족시키는 촉진제 함량은 각각 L2%와 1%로 나타났다. 그림 8은 강모래 100%에 고화재량을 250-300kg/m3으로 증가시켰을때의 일축압축강도를 나타내고 있으며 목표 조기강도를 만족시키는。고화재량은 280kg/m3으로 나타났다.
- 또한 같은 대상 시료에 시멘트량을 160, 200, 240, 280kg/m3(W/C : 338T80%)로 변화시키며 B급결제(0, 5, 7%)를 첨가하였다(그림 5). 그 결과, 재령 1시간 공시체의 자립을 기대하였으나 몰드에서 공시체를 분리하는 순간 공시체가 주저 않아 일축압축강도를 측정할 수 없었다. 재령 4시간 일축압축강도는 공시체가 직립하여 측정 할 수 있었으나 시험 목표 강도인 1.
- , 2002). 그러나 본 연구의 유동성 되메움재는 슬러리 상태임으로 재령 28일을 기준한 함수비는 약 23-71%의 범위를 나타내고 있으므로 함수비 보다 단위중량이 열저항성에 더욱 많은 영향을 미치는 것으로 판단된다(그림 13).
- 또한, 재령 28일을기준한 열저항성 감소폭은 자갈 함유량이 증가할수록 크고 점토함유량이 증가할수록 작았다. 대상 시료별 열저항 특성은 재령 및 자갈 함유량에 따라 감소하며, 점토함유량에 따라 증가하였다(그림 11). 이는 자갈 함량이 증가 할수록 간극비가 감소하며 단위중량의 증가(그림 12)로 인하여 구성 입자가 조밀해져 구성 입자간 접촉점을 증가시켜 열저항성이 감소하는 것으로 판단된다.
- 따라서, 기존에 제안한 시멘트량 30kg/m3-119kg/m3보다 큰 시멘트량을 배합에 적용한 결과 목표 조기강도(1시간, 4시간)가 만족하지 않으므로 제안 된 시멘트량 이하를 배합에 적용하여 혼합동안 초기 유동성의 변화가 적고 조기강도를 촉진시키는 촉진제와 고화재가 필요하였다.
- 열저항성은 감소하였으며, 점토함유량이 증가할수록 열저항성은 증가하였다. 또한, 재령 28일을기준한 열저항성 감소폭은 자갈 함유량이 증가할수록 크고 점토함유량이 증가할수록 작았다. 대상 시료별 열저항 특성은 재령 및 자갈 함유량에 따라 감소하며, 점토함유량에 따라 증가하였다(그림 11).
- 이는 자갈 함량이 증가 할수록 간극비가 감소하며 단위중량의 증가(그림 12)로 인하여 구성 입자가 조밀해져 구성 입자간 접촉점을 증가시켜 열저항성이 감소하는 것으로 판단된다. 반면, 점토함량의 증가할수록 간극비가 증가하고 단위중량이 감소하여(그림 12) 열저항성은 감소하는 경향이 나타났다.
- 경향을 보였다. 반면, 풍화토에 점토함량이 증가할수록 함수비는 증가하였으며, 단위중량은 감소하는 경향을 보였다. 그러나 재령에 따른 변화는 거의 없었다.
- 본 연구에서 재령 28일의 열저항성 범위는 47-100 cm-°C/w(그림 11)로 나타났고 자갈 함유량이 증가할수록 열저항성은 감소하였으며, 점토함유량이 증가할수록 열저항성은 증가하였다. 또한, 재령 28일을기준한 열저항성 감소폭은 자갈 함유량이 증가할수록 크고 점토함유량이 증가할수록 작았다.
- 유동성은 재료의 종류에 따라 차이가 나며 좋은 유동성은 시공성을 향상시켜주므로 재료분리가 발생하지 않는 범위에서 최대로 유동성을 증진시켜야 한다. 본 연구에서는 재료 분리가 발생하지 않는 최대 유동성으로 대상 시료에 따라 250-280mm의 범위를 나타내어 유동성은 우수하였다.
- 블리딩률은 기존의 플라이애쉬, 폐주물사, 그리고 굴착잔토를 사용한 기존 연구에서 다양한 기준을 적용하고 있으나 약 1%이하를 적용하고 있다(Wayne, 1994; Takahashi, 1994). 블리딩률은 풍화토에 자갈함량이 증가할수록 증가하고, 점토함량이 증가할수록 감소하는 경향을 나타냈다.
- 순수 풍화토 100%, 점토를 함유한 혼합토, 그리고 자갈을 함유한 혼합토에 촉진제 함량 L2%와 B 고화재, 순수 점토 100%에 촉진제 1%와 C고화재, 그리고 강모래에 D고화재의 양을 조절하며 시험한 결과 각 배합비 별 조기 일축압축강도는 재령 1시간 0.5kg/cm2 이상과 재령 4시간 1.5kg/cm2 이상인 목표 강도를 만족시켰다. 조기 목표 일축압축강도를 만족하는 배합비는 장기 일축압축강도를 측정하기 위하여 사용하였다.
- 시험 결과, 풍화토에 자갈함량이 증가할수록 함수비는 감소하는 경향을 보였으며, 단위중량은 증가하는 경향을 보였다. 반면, 풍화토에 점토함량이 증가할수록 함수비는 증가하였으며, 단위중량은 감소하는 경향을 보였다.
- 1997; Du, 2002; FHWA-IF-03-019, 2003)이다. 이에 본 연구에서는 순수 풍화토 100%에 OPC를 120kg/m3으로 고정하고 물-시멘트비(W/C)를 496-451%로 줄여가며 일축압축강도 시험을 수행한 결과 1 시간 강도는 공시체가 직립하지 않아 측정할 수 없었으며, 4시간 강도는 0.10-0.27 kg/cm2의 범위를 나타내었다(그림 5). 따라서, 재령 1시간에 공시체가 직립하지 않으므로 순수 풍화토 100%에 시멘트량을 100, 130, 160kg/m3(W/C : 498-312%)로 변화시키며 A급결제(0, 10%)를 첨가 하였다.
- 그 결과, 재령 1시간 공시체의 자립을 기대하였으나 몰드에서 공시체를 분리하는 순간 공시체가 주저 않아 일축압축강도를 측정할 수 없었다. 재령 4시간 일축압축강도는 공시체가 직립하여 측정 할 수 있었으나 시험 목표 강도인 1.5kg/cm2에 대하여 A급결제 적용 시 14-36%와 B급결제 적용 시 15-23%의 강도발현성을 나타내었다. 이는 급결제의 급결력으로 목표 유동성을 만족시키기 위하여 배합비 별 물 첨가량이 증가하여 급결제 미첨가시 보다 낮은 일축압축강도 값을 보이고 있다고 판단된다.
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