[논문]공동부 충전재로써 페이스트형 유동화토의 환경 안정성 평가에 관한 실험적 연구

김진춘; 강희진; 임유진

문제 정의

본 시험은 페이스트형 유동화토 (이하 ASEM ; Aerated Soil Eco Mixture grouting)를 이용하여 석회암지역 공동부 보강 시 지중에 주입된 주입재가 계획된 범위를 벗어나지 않고 소정의 강도를 유지하며, 친환경재료로 주변지역에 서식하는 어류의 폐사 및 지하수오염에 대한 우려를 사전에 불식시키고 환경안정성을 확보하는지를 검증하기 위해 실시하였다.
본 연구에서는 공동부 채움용으로 사용되고 있는 slurry형 주입재의 원거리 유출현상을 방지하기 위해서 페이스트형 유동화토를 개발하였으며, 유동성 및 환경안정성 등 공학적 특성을 평가하여 공동부 충전재로서의 적합성을 검증하고자 한다.

제안 방법

어독성 시험은 <그림-3>와 같이 (a)고결된 공시체(1일 재령) 상태로 투입하는 것과 (b)현탁액(페이스트형) 상태로 투입하는 방법, 두 방법으로 시험을 실시하였으며 환경안정성 평가는 공시어 치사율, pH, 온도 등을 0, 12, 24, 48, 96 hrs로 시간별로 측정하여 기록하였다.
ASEM 주입재가 수질(지하수)에 미치는 영향비교 분석 시험방법은 상부로부터 물을 흘려보내 주입재를 투과 시킬 수 있는 시험 장치를 와 같이 구성하고 시간별 (청정수, 투입즉시, 1, 3, 6, 12, 24, 48, 72hr)로 배출된 침출수를 용기에 담아 pH 및 탁도를 측정한다.
② 현탁액 상태의 조건에서는 시험수조 물량을 60ℓ로 채운 후 현탁액 상태의 ASEM 주입재를 시험수조 물량의 30배수인 2ℓ를 계량하고, 투과성이 있는 부직포계 filter를 이용하여 현탁액에서 불순물이 수조안으로 배출되지 않도록 packing하였다.
③ 공시어는 1급수에서만 서식하는 송어 치어를 구입하여 시험을 실시하였으며, 고결된 공시체 조건에서는 10cm이하 송어치어, 현탁액(페이스트형)상태에서는 5cm이하의 송어치어를 이용하여 본 시험을 실시하였다.
④ 1급수에서 생활하는 송어의 경우 일반 수돗물을 이용하여 시험하게 되면 수돗물에 함유되어 있는 염소물질에 의해 송어들이 생존할 수 없기 때문에 시중에서 판매하는 음용 생수를 이용하여 시험을 실시하였으며, 공시체 제작은 Φ=100mm, h=120mm, V≒1ℓ의 원형공시체를 5개 제작하였다.
④ 주입재가 투입되기 진전 흘러나오는 청정수를 채취하고 주입재 투입 후 시간별(1, 3, 6, 12, 24, 48, 72hr)로 배출되는 침출수를 채취하여 pH를 측정한다.
⑤ 고결된 공시체 조건에서는 시험수조에 100ℓ의 물을 채워 공시체 부피의 20배수 조건으로 시험을 실시하였으며, 현탁액(페이스트형)상태로 투입하는 조건에서는 공시어 상태가 고결된 조건에 비해 작은 공시어를 사용하기 때문에 시험수조에 60ℓ의 물을 채워 공시체 부피의 30배수 조건으로 시험을 실시하였다.
⑥ 고결된 공시체 조건에서 시편 1개의 부피는 약 1ℓ로, 5개의 공시체를 시험수조에 투입하였고, 시험수조에 시편의 20배수인 100ℓ의 생수를 투입하여 공시어의 활동공간을 충분히 확보함으로써 공시어가 스트레스를 받지 않고 생활할 수 있도록 배려하였다.
수중상태에서 ASEM 주입재를 투입 후 배출된 침출수 채취하여 pH농도 및 탁도를 육안 관찰한 결과 다음 와 같은 결과를 도출하였다.
지하 공동부 보강공사로 초고압수를 이용하여 지중에 인위적으로 시멘트 slurry를 충전하는 치환공법은 충전재가 고결시까지 낮은 압축강도를 가지고 소성적으로 거동하여 불규칙하게 발달한 석회공동 또는 파쇄대를 따라 채워짐으로 보강범위 이외로 확산될 가능성이 있고, 주변 샘물이나 양식장등 지하수 오염 등 생태환경 훼손이 우려된다. 이에, 원거리 유출현상을 방지하고 구조물기초 지반의 지내력 확보 및 충전재의 강성이 우수하며 무독성 및 pH(산성도)가 낮은 친환경 ASEM을 이용하여 실내시험을 통해 주입재에 대한 생태환경 및 물성을 평가하였다.
잡석을 채운상태에서 ASEM 주입재를 투입 후 배출된 침출수 채취하여 pH농도 및 탁도를 육안 관찰한 결과 다음 와 같은 결과를 도출하였다.
페이스트형 혼합토인 ASEM 주입재를 이용하여 어독성 시험 및 수질시험을 실시한 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.

대상 데이터

ASEM주입재의 시험배합은 실제 현장에서 적용되고 있는 배합조건으로 선정하였으며 와 같다 .
페이스트형 유동화 충전재인 ASEM 주입재는 소일크리트 (CLSM : Controlled Low Strength Material : ASTM D 4832, 6023, 6024, 6103) 및 filler재(F/A, 광미, 흙 등)를 기본으로 사용하며, 필요 시 기포를 혼합하여 사용할 수 있다. 또한 일반 시멘트에 비해 무독성 및 PH(산성도)가 낮은 주입재를 사용하며, 유동성이 상대적으로 시멘트 slurry보다 낮아(Low Slump) 계획범위 이외로 크게 주입재가 벗어나지 않는다.

이론/모형

ASEM의 환경안정성 평가 시험은 「KS M 0111」 에 규정된 「어류에 의한 급성 독성시험」 (한국표준협회, 1993)법과 어류에 대한 주입재 영향 평가 시험방법(柴崎光弘, 1985) 등에 근거하여 시험 장치를 구성하였으며, ASEM 시료의 환경안정성 평가 시험계획은 와 같은 방법으로 시험을 실시하였다(천병식, 김진춘, 1998a).

성능/효과

1) 어독성 시험 결과 시료 부피의 배수인 엄격한 수조에서 ASEM 혼합물에 의한 pH 상승은 종료 시점까지 8.5이하를 유지하여 송어의 생존환경에 적합한 1급수 상태를 유지하였다.
2) 시험 종료 96시간 후 치사된 공시어가 없었으며, ASEM 혼합물에 의한 송어의 생존환경에 큰 영향이 없슴을 확인할 수 있었다.
3) ASEM 혼합물이 굳지 않은 상태로 수조에 투입되더라도 약 1일 후에는 경화된 고결체로 변하였으며, 송어치어의 생존환경에 미치는 영향은 경화된 공시체를 투입한 경우와 유의차가 없슴을 확인하였다.
4) 수질시험 결과 침출수를 시간별로 채취 후 pH 및 탁도를 측정한 결과 pH는 점점 감소하는 추세를 보였으며, 탁도 역시 미약한 것으로 측정됐다.
상기 결론에 의해서 페이스트형 혼합토를 공동부에 사용하였을 경우, 혼합물이 주변 지하수 및 양식장에 유입된다 하더라도 이동과정에서 단기간에 수화가 진행되고 흐름이 지속되는 상황에서는 pH상승과 현탁물의 탁도 상승이 미약하기 때문에 환경오염을 최소화 시킬 수 있을 것으로 판단된다. 본 실험적 평가를 통해 페이스트형 혼합토(ASEM)의 우수성을 확인할 수 있었으며, 향후 페이스트형 혼합토의 내구성 및 경화특성, 시공방법 등 추가연구가 계속될 것이다.

후속연구

상기 결론에 의해서 페이스트형 혼합토를 공동부에 사용하였을 경우, 혼합물이 주변 지하수 및 양식장에 유입된다 하더라도 이동과정에서 단기간에 수화가 진행되고 흐름이 지속되는 상황에서는 pH상승과 현탁물의 탁도 상승이 미약하기 때문에 환경오염을 최소화 시킬 수 있을 것으로 판단된다. 본 실험적 평가를 통해 페이스트형 혼합토(ASEM)의 우수성을 확인할 수 있었으며, 향후 페이스트형 혼합토의 내구성 및 경화특성, 시공방법 등 추가연구가 계속될 것이다.

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