[논문]실리카 콜로이드를 이용한 가소성 그라우트의 개발 및 공학적 특성

류동성; 정경환; 신민식; 김동해; 이준석; 정두회

문제 정의

따라서 본 연구에서는 공동충진 및 배면 충전의 목적에 적합하고 기존에 사용하는 그라우트 재의 단점을 개선한, 새로운 가소성 그라우트로서 실리카 콜로이드와 시멘트를 주재로 하고 여기에 가소성 및 조기 강도의 발현 등을 목적으로 a제와 P제 등의 특정한 첨가제를 배합한 가소성 그라우트를 개발하였으며, 이 가소성 재료의 가소성 특성과 압축강도 및 내구성 등의 공학적 특성에 관하여 조사하였다.
본 연구에서는 실리카 콜로이드를 주경 화제로 사용하고 기능성 첨가제로서 a제, P제 등을 배합하여 얻어지는 가소성 그라우트 재를 제조하여 그 공학적 특성을 조사한 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다.

제안 방법

유실되기 쉬우며, 그 영역 이상에서는 가압에 의해서도 유동이 거의 불가능하며 또한 이후에는 급격히 경화가 이루어지기 시작하여 점도가 무한대에 이르게 된다. 한편, 가소성 그라우트의 경우 시간 경과에 따라 그라우트의 점도가 계속 상승하므로 본 연구에서는 액에 대한 분산효과가 큰 진동형 점도계를 이용하여 시간 경과에 따른 점도를 연속적으로 측정함으로써 그라우트의 가소성 유지 시간을 조사하였다.
본 연구에서는 기존 그라우트의 경제성, 품질 등에 준한 결과를 얻기 위하여 기존의 가소성 그라우트의 표준배합을 고려함과 동시에 예비실험을 통하여 재료들의 배합비 및 양을 결정한 결과 그 범위는 표 3과 같다.
상기 표 3에 나타낸 바와 같이 배합액은 A 액과 B 액으로 구분하여 1.5 shot 방식으로 주입하는 것을 전제로 하였다. 배합 양에 있어서 시멘트의 경우에는 상기 범위 이하를 사용할 경우 최종강도가 낮아지기 때문에 적합지 않고, 그 이상의 시멘트의 사용은 가소상 유지 시간을 다소 단축시킴과 동시에 경제성에서 불리하여 바람직하지 않음을 알 수 있었다.
본 연구에서 개발한 가소성 그라우트 재의 시간 경과에 따른 점도 변화를 관찰하기 위하여 아래 그림 1의 진동형 점도계(일본 AND사 모델 SV-10)를 이용하여 시간대별 점도를 연속적으로 측정하였다. 앞의 3.
본 연구에서 제조한 가소성 그라우트 재의 장기적인 내구성을 확인하기 위하여 28일간 양생된 배합 #1의 호모 겔 공 시체 및 기존의 규산계 가소성 그라우트 호모 겔을 각각 180일간 정수 중에 방치하고 방치 전후의 일축 압축강도를 측정하고, 또 공 시체의 외관을 비교 관찰하였다(표 6 및 그림 6).

성능/효과

5 shot 방식으로 주입하는 것을 전제로 하였다. 배합 양에 있어서 시멘트의 경우에는 상기 범위 이하를 사용할 경우 최종강도가 낮아지기 때문에 적합지 않고, 그 이상의 시멘트의 사용은 가소상 유지 시간을 다소 단축시킴과 동시에 경제성에서 불리하여 바람직하지 않음을 알 수 있었다. P제의경우는 상기 범위 내에서 조강성 발현에 유리하였으나 그 이상의 사용은 가소성 시간의 단축과 더불어 조강 효과도 크지 않아 바람직하지 않았다.
4) 가소성 유지 시간이 과다하게 지연됨을 알 수 있었다. 그림 2와 그림 3의 경우 점도 1, 200~1, 300cp의 영역에서 상승곡선이 꺾여 하강하였다가 다시 상승하는 것을 볼 수 있는데 이는 이 영역에서 이미 전체적으로 겔화가 시작되어 점도가 급격히 상승하였음에도 점도계의 진동센서 부분에서는 진동에 의해 겔이 소성 파괴되어 배출된 현탁수를 감지한 점도를 측정하였기 때문인 것으로 육안관찰과 촉감을 통해 파악되었다.
그림 2와 그림 3의 경우 점도 1, 200~1, 300cp의 영역에서 상승곡선이 꺾여 하강하였다가 다시 상승하는 것을 볼 수 있는데 이는 이 영역에서 이미 전체적으로 겔화가 시작되어 점도가 급격히 상승하였음에도 점도계의 진동센서 부분에서는 진동에 의해 겔이 소성 파괴되어 배출된 현탁수를 감지한 점도를 측정하였기 때문인 것으로 육안관찰과 촉감을 통해 파악되었다. 따라서 실질적으로는 오히려 변곡점에서 가소성을 잃고 비가소성의 겔로 변화되는 점인 것을 확인할 수 있었다. 한편, 이상의 실험 결과를 볼 때 a 제의 적정량 첨가는 가소성 유지 시간을 조절하는데 매우 유리함을 알 수 있었으며, 그 이유는 a 제의 흡수 능력에 의한 것으로 사료된다.
따라서 실질적으로는 오히려 변곡점에서 가소성을 잃고 비가소성의 겔로 변화되는 점인 것을 확인할 수 있었다. 한편, 이상의 실험 결과를 볼 때 a 제의 적정량 첨가는 가소성 유지 시간을 조절하는데 매우 유리함을 알 수 있었으며, 그 이유는 a 제의 흡수 능력에 의한 것으로 사료된다.
반면에, 그림 5에 나타낸 바와 같이 규산계 가소성 그라우트의 점도 변화는 그림 4의 #3 보다는 가소성 점도가 전체적으로 높았으나 그 유지 시간은 비슷한 수준으로 지연되고 있음을 알 수 있었으며, 이에 따라 현재 사용되고 있는 규산소다계 가소성 그라우트의 경우는 지하수가 많을 경우 유실 가능성이 다소 있음을 확인할 수 있었다.
압축강도 측정 결과를 볼 때 본 연구에서 배합한 가소성 그라우트 호모겔의 일축 압축강도는 전반적으로 배면 충전이나 공동 채움의 목적에 적합한 수준의 강도(15kg/cm² 정도)를 가지고 있음을 알 수 있었다. 예상할 수 있는 바와 같이 시멘트의 배합양이 늘어남에 따라 최종강도는 증대되는 경향을 나타내었으며 한편, P제를 포함하고 있는 #1과 그렇지 않은 #4를 비교하면 조기강도에 있어서 p제를 포함하는 배합의 초기강도가 상대적으로 높아지는 것을 확인할 수 있었다.
압축강도 측정 결과를 볼 때 본 연구에서 배합한 가소성 그라우트 호모겔의 일축 압축강도는 전반적으로 배면 충전이나 공동 채움의 목적에 적합한 수준의 강도(15kg/cm² 정도)를 가지고 있음을 알 수 있었다. 예상할 수 있는 바와 같이 시멘트의 배합양이 늘어남에 따라 최종강도는 증대되는 경향을 나타내었으며 한편, P제를 포함하고 있는 #1과 그렇지 않은 #4를 비교하면 조기강도에 있어서 p제를 포함하는 배합의 초기강도가 상대적으로 높아지는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 본 연구에서 배합한 가소성 그라우트에 있어서 조강 성의 발현을 위해서 P 제의 적정량 사용은 유리한 것으로 판단되었다.
예상할 수 있는 바와 같이 시멘트의 배합양이 늘어남에 따라 최종강도는 증대되는 경향을 나타내었으며 한편, P제를 포함하고 있는 #1과 그렇지 않은 #4를 비교하면 조기강도에 있어서 p제를 포함하는 배합의 초기강도가 상대적으로 높아지는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 본 연구에서 배합한 가소성 그라우트에 있어서 조강 성의 발현을 위해서 P 제의 적정량 사용은 유리한 것으로 판단되었다.
표 6에 나타낸 바와 같이 본 연구에서 배합한 가소성 그라우트의 겔은 180일간의 수침 시 강도열화가 나타나지 않은 반면, 기존의 규산계 가소성 그라우트 겔의 경우는 약 6~7% 정도의 강도열화가 발생됨을 확인하였으며, 이러한 사실은 그림 6에 나타낸 바와 같이 육안관찰을 통해서도 쉽게 확인할 수 있었다. 이러한 이유는 규산계 가소성 그라우트재의 경우 경화제인 규산소다에 포함되어 있는 알칼리 성분의 용탈에 기인한 것으로 생각되며 이전의 연구에 의해 개발된 항구성 그라우트재(류동성 등, 2004)인 실리카 콜로이드를 주경 화제로 사용하는 가소성 재료인 경우에는 용탈 물질이 포함되어 있지 않기 때문에 상대적으로 내구성이 우수한 것으로 사료된다.
(1) a 제의 적정 양 첨가(전체주입 재중 0.1 중량% 정도)를 통해 가소성 유지시간을 30~40분대의 바람직한 수준의 가소성 유지 시간과 점도로 원활히 조절할 수 있음을 알 수 있었다.
(2) P 제의 적정 양 첨가(전체 주입 재중 1중량% 정도)로 가소성 그라우트의 조강성 이 발현됨을 확인하였다.
(3) 항구성 재료인 실리카 콜로이드를 주경 화제로 사용하면, 시간 경과에 따른 그라우트 겔의 강도열화가 기존의 규산소다계 가소성 그라우트 겔에 비해 훨씬 적어 내구성 및 장기안정성이 유리함을 확인할 수 있었다.
(4) 상기의 결과 등을 통해 본 연구에 의해 개발된 가소성 그라우트 재는 가소성 특성, 강도 및 내구성 등의 품질이 우수하여 쉴드 터널 공극의 동시주입용 충전재와, 지반의 공동충전재 등으로 효과적으로 사용될 수 있음을 확인하였다.

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