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문제 정의
- 순수 시멘트의 밀도를 감소시키고, 최종으로 혼합된 시멘트 슬러리의 체적을 증가시키기 위해 시멘트에 일반적으로 사용하는 첨가재는 모래와 벤토나이트이다(한정상 외, 2005). 따라서 본 연구에서는 여러가지 배합비 및 첨가재에 따른 시멘트 그라우트의 유동성 및 열전도도를 측정하였다. 순수 시멘트 시료에 물/시멘트 비를 0.
- 본 연구에서는 시멘트 그라우트의 배합비에 따른 유동성 및 열전도도, 일축압축강도의 변화를 측정하기 위하여 물/시멘트 비, 천연규사 함유량, 벤토나이트 함유량을 변화시켜 배합하여 각 배합 조건에 따른 영향을 평가하였다. 물/시멘트 비는 0.
- 시멘트 그라우트의 경우 벤토나이트보다 열전도도가 높고, 높은 부착력과 낮은 투수계수를 갖는다(Allan, 2000). 본 연구에서는 시멘트 그라우트의 적용성을 검토하기 위하여 다양한 배합비에 대한 시멘트 그라우트의 유동성, 열전도도 및 일축압축강도를 측정하였다. 또한, 냉난방시스템 가동으로 인한 지중열교환기 내로 순환하는 유체의 반복적인 온도 변화에 따른 시멘트 그라우트의 재료적 안정성을 일축압축강도 변화를 통해 연구하였다.
- 본 연구에서는 실내시험을 통하여 시멘트 그라우트의 유동성과 열전도도, 일축압축강도 특성 및 등가 투수계수에 대해 실험적으로 고찰하였으며 결과를 종합하면 다음과 같다.
- Allan과 Philippacopoulos(1999)는 연구를 통해 개발한 시멘트 그라우트에 파이프를 삽입한 경우와 파이프를 삽입하지 않은 시멘트 그라우트와 비교하였으며 1000배에서 10000배까지 침투량(Infililtration rate)이 증가하였다고 보고하였다. 본 연구에서는 파이프가 그라우트에 삽입되어 있는 공시체의 등가 투수계수 측정이 가능하도록 그림 8과 같은 장비를 고안하였다. 시멘트 그라우트에 삽입한 파이프는 일반적인 지중열교환기용 HDPE 파이프이며 외경은 약 36mm이다.
제안 방법
- 시험 적용된 수정 비정상 열선법(modified transient hot-wire method)에서는 시료 표면의 특별한 가공이 필요없다. 각각의 시료를 직사각형 몰드에 성형하여 습윤 상태와 14일 후의 시료에 대하여 열전도도를 측정하였다.
- 따라서 실험을 통해 구해진 투수계수는 포화투수계수가 된다. 그러므로 실험 전 시멘트 그라우트 시료와 파이프가 삽입된 시료를 충분히 포화가 되도록 수침을 시킨 후 시험을 진행하였다. 시험은 투수계수가 10-8cm/s보다 클 경우 최소 4회 측정한 평균값의 변화가 ±25%일 때 종료하였으며 투수계수가 10-8cm/s 보다 작을 경우에는 최소 4회 측정한 평균값의 변화가 ±50%일 때 종료하였다.
- 시멘트 그라우트에 삽입한 파이프는 일반적인 지중열교환기용 HDPE 파이프이며 외경은 약 36mm이다. 등가 투수계수를 측정하는 그라우트 시료의 직경을 100mm로 제작하고 멤브레인을 공시체 외경에 맞게 제작하여 Flexible Wall Permeability Cell을 사용하여 등가 투수계수를 산정하였다.
- 또한 실제 지중 열교환기용 파이프내 순환유체의 온도변화가 시멘트 그라우트의 재료적 안정성에 미치는 영향을 검토하기 위해 일축압축강도를 반복적으로 측정하였다. 반복적인 온도변화를 모사하기 위해 공시체를 항온항습기 내에서 50℃에서 10일, -5℃에서 10일 주기로 온도 변화를 주며 보관한 후, 각 온도변화 주기 별로 공시체의 일축압축강도를 측정한 결과는 그림 17과 같다.
- 본 연구에서는 시멘트 그라우트의 적용성을 검토하기 위하여 다양한 배합비에 대한 시멘트 그라우트의 유동성, 열전도도 및 일축압축강도를 측정하였다. 또한, 냉난방시스템 가동으로 인한 지중열교환기 내로 순환하는 유체의 반복적인 온도 변화에 따른 시멘트 그라우트의 재료적 안정성을 일축압축강도 변화를 통해 연구하였다. 마지막으로 순환유체의 반복적인 온도변화가 시멘트 그라우트와 파이프 사이 경계면의 부착성에 미치는 영향을 등가 투수계수 측정을 통해 간접적으로 판단하였다.
- 또한, 냉난방시스템 가동으로 인한 지중열교환기 내로 순환하는 유체의 반복적인 온도 변화에 따른 시멘트 그라우트의 재료적 안정성을 일축압축강도 변화를 통해 연구하였다. 마지막으로 순환유체의 반복적인 온도변화가 시멘트 그라우트와 파이프 사이 경계면의 부착성에 미치는 영향을 등가 투수계수 측정을 통해 간접적으로 판단하였다.
- 지중 열교환기 시공현장에서 채취한 시멘트 그라우트 시료에 대해 양생 기간에 따른 재료의 열전도도를 측정하여 시멘트 그라우트 양생 시 발생하는 수화열이 열전도도 측정에 미치는 영향을 규명하였다. 마지막으로 시멘트 그라우트와 순화 파이프 사이 경계면의 양호한 부착성 유지 여부를 판단하고자 직경 50mm, 높이 100mm인 원주형 시료와 시료 내부에 36mm 파이프를 삽입하여 투수계수를 비교, 분석 하였다. 투수계수 측정은 시멘트 그라우트 시료 배합비는 GEO-1, GEO-6, GEO-7, GEO-9, GEO-11, GEO-12에 대해 실시했으며, 순환유체의 반복적인 온도변화가 시멘트 그라우트와 파이프 사이 경계면의 부착성에 미치는 영향 파악을 위해서는 GEO-6 배합비에 파이프를 삽입하였다.
- 본 연구에서는 시멘트 그라우트의 배합비에 따른 유동성 및 열전도도, 일축압축강도의 변화를 측정하기 위하여 물/시멘트 비, 천연규사 함유량, 벤토나이트 함유량을 변화시켜 배합하여 각 배합 조건에 따른 영향을 평가하였다. 물/시멘트 비는 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8의 5가지, 물/시멘트는 0.6으로 고정하고 시멘트 무게의 2.0, 2.2, 2.4, 2.6, 2.8배로 천연규사를 첨가한 조건 5가지, 물/시멘트 비는 0.6, 천연규사의 양은 시멘트 무게의 2.4배로 고정하고 시멘트 무게의 1%, 2%, 3%, 4%, 6%씩 벤토나이트를 첨가한 5가지로 총 15개의 배합으로 표1과 같이 시료를 조성하였다.
- 물/시멘트 비를 0.6으로 고정하고 천연규사/시멘트 비를 2.0부터 0.2씩 늘려가며 배합한 경우 유동화제는 시멘트 무게의 0.1%씩 첨가하였다. 시험결과 열전도도는 그림 12와 같이 0.
- 시멘트 그라우트 시료 양생 후, 지중열교환기 내로 순환유체의 반복적인 온도변화에 따른 시멘트 그라우트의 재료적 안정성을 일축압축강도 변화를 통해 평가하였다. 반복적인 온도변화를 모사하기 위해 공시체를 항온항습기 내에서 50℃에서 10일, -5℃에서 10일 주기로 온도 변화를 주며 보관한 후, 각 온도변화 주기 별로 공시체의 일축압축강도를 측정하였다.
- 본 연구에서 고안된 투수시험 장비는 그림 9와 10과 같이 투수 Cell과 시료의 상 · 하부에 수압을 조절하고 시료의 유량을 확인할 수 있는 조절판으로 구성되어 있으며, 시료는 조절판을 이용해 포화시키고, Cell에 적당한 구속압을 가한 후 항온 수조를 이용하여 일정한 온도로 조절한 물을 시료의 파이프 내로 주입하여 냉방과 난방시의 온도의 순환을 고려한 등가 투수계수 측정 시험을 수행하였다.
- Slump Flow 시험은 모르타르용 100mm직경의 링을 사용하였다. 수평 아크릴 판 위에 모르타르를 채운 링을 놓고 수직으로 들어 올려 모르타르가 아크릴 바닥에 타원형으로 퍼져나간 최대 직경과 최소 직경을 기록하였다. 시멘트 그라우트의 열전도도를 측정하기 위해서는 그림 1의 QTM-500(Kyoto Electronics)을 사용하였다.
- 투수시험 장치는 투수 Cell과 시료의 상․하부에 수압을 조절하고 시료의 유량을 확인할 수 있는 조절판으로 구성되어 있다. 시료는 시험 초기에 조절판을 이용해 포화를 시키고, 시료의 포화 후 멤브레인의 접촉 상태를 양호하게 하기 위해 Cell에 적당한 구속압을 가한 후 수두변화를 기록하여 투수계수를 측정하였다 (그림 6 참조).
- 시멘트 그라우트 시료 양생 후, 지중열교환기 내로 순환유체의 반복적인 온도 변화를 모사하기 우해 항온항습기를 이용하고 온도 변화에 따른 시료의 일축압축강도를 측정은 GEO-3, GEO-8의 배합비를 적용하였다. 지중 열교환기 시공현장에서 채취한 시멘트 그라우트 시료에 대해 양생 기간에 따른 재료의 열전도도를 측정하여 시멘트 그라우트 양생 시 발생하는 수화열이 열전도도 측정에 미치는 영향을 규명하였다.
- 시멘트 그라우트 시료 양생 후, 지중열교환기 내로 순환유체의 반복적인 온도변화에 따른 시멘트 그라우트의 재료적 안정성을 일축압축강도 변화를 통해 평가하였다. 반복적인 온도변화를 모사하기 위해 공시체를 항온항습기 내에서 50℃에서 10일, -5℃에서 10일 주기로 온도 변화를 주며 보관한 후, 각 온도변화 주기 별로 공시체의 일축압축강도를 측정하였다.
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2.2 일축압축강도 측정 시험
시멘트 그라우트의 일축압축강도를 측정하기 위하여 배합한 시료를 표준 공시체에 넣고 수중 양생한 후 28일 강도를 측정하였다
. 강도는 그림 3의 유압식 자동 강도 측정기를 이용하였다. - 하지만, 순환수를 5℃ 시험했을 경우 시멘트보다 HDPE 파이프가 상대적으로 수축을 크게 하므로 접촉부분의 이완이 예상되고, 이에 따라 측정된 등가투수계수가 35℃에 비하여 다소 증가했다. 시험 개시 후 약 65일이 지난 시점에서 5℃에 대한 등가투수계수 측정을 종료하고 다시 35℃로 순환수의 온도를 바꿔 등가투수계수 측정시험을 진행하였다. 시험시작 후 약 90일이 경과한 시점에서 35℃로 재순환 시킨 경우는 등가투수계수가 처음 35℃로 순환 시켰을 때 보다 약간 증가하였으며 이후 5℃로 다시 온도를 바꿔 순환시킨 결과 약 100일까지 대략적으로 1.
- 따라서 재료 자체의 투수계수를 측정하는 것도 중요하지만, 파이프가 삽입된 상태에서 등가 투수계수 변화에도 주목해야 한다. 일반 시멘트 그라우트 시료의 경우, 열전도도 및 일축압축강도 평가를 위해 적용한 배합비로 투수계수 측정용 시료로 제작하여 시험을 수행하였다. 시멘트 그라우트의 경우, 그림 18과 같이 배합비에 따라 투수계수는 10-8～10-9 cm/sec 범위로 나타났다.
- 시멘트 그라우트 시료 양생 후, 지중열교환기 내로 순환유체의 반복적인 온도 변화를 모사하기 우해 항온항습기를 이용하고 온도 변화에 따른 시료의 일축압축강도를 측정은 GEO-3, GEO-8의 배합비를 적용하였다. 지중 열교환기 시공현장에서 채취한 시멘트 그라우트 시료에 대해 양생 기간에 따른 재료의 열전도도를 측정하여 시멘트 그라우트 양생 시 발생하는 수화열이 열전도도 측정에 미치는 영향을 규명하였다. 마지막으로 시멘트 그라우트와 순화 파이프 사이 경계면의 양호한 부착성 유지 여부를 판단하고자 직경 50mm, 높이 100mm인 원주형 시료와 시료 내부에 36mm 파이프를 삽입하여 투수계수를 비교, 분석 하였다.
- 마지막으로 시멘트 그라우트와 순화 파이프 사이 경계면의 양호한 부착성 유지 여부를 판단하고자 직경 50mm, 높이 100mm인 원주형 시료와 시료 내부에 36mm 파이프를 삽입하여 투수계수를 비교, 분석 하였다. 투수계수 측정은 시멘트 그라우트 시료 배합비는 GEO-1, GEO-6, GEO-7, GEO-9, GEO-11, GEO-12에 대해 실시했으며, 순환유체의 반복적인 온도변화가 시멘트 그라우트와 파이프 사이 경계면의 부착성에 미치는 영향 파악을 위해서는 GEO-6 배합비에 파이프를 삽입하였다.
- 순환유체의 반복적인 온도변화가 시멘트 그라우트와 파이프 사이 경계면의 부착성에 미치는 영향을 등가 투수계수 측정을 통해 간접적으로 판단하였다. 파이프가 삽입된 시료의 등가 투수계수 약 100일 가량 지속적으로 측정하였다. 다음 그림 21은 파이프가 삽입된 공시체의 순환수 온도에 의한 영향을 고려한 등가 투수계수를 보여준다.
대상 데이터
- 본 연구에서 사용한 프로브는 PD-13 모델을 사용하였고 크기는 95mm × 40mm이다.
- 전체 시험장비의 개략적인 모습은 그림 5와 같다. 투수시험 장치는 투수 Cell과 시료의 상․하부에 수압을 조절하고 시료의 유량을 확인할 수 있는 조절판으로 구성되어 있다. 시료는 시험 초기에 조절판을 이용해 포화를 시키고, 시료의 포화 후 멤브레인의 접촉 상태를 양호하게 하기 위해 Cell에 적당한 구속압을 가한 후 수두변화를 기록하여 투수계수를 측정하였다 (그림 6 참조).
이론/모형
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2.3 시멘트 그라우트와 파이프간의 부착성 평가 시험
시멘트 그라우트 시료는 직경 50mm, 높이 100mm인 원주형으로 시료를 성형하고 Flexible Wall Cell을 이용한 Falling Headwater-Rising Tailwater 시험법을 선택하였다
. 전체 시험장비의 개략적인 모습은 그림 5와 같다. -
2.1 유동성 및 열전도도 측정 시험
시멘트 그라우트의 유동성을 평가하기 위해 Slump Flow 시험을 수행하였다
. Slump Flow 시험은 모르타르용 100mm직경의 링을 사용하였다.
성능/효과
- ∙ 일축압축강도 측정결과 물/시멘트 비 및 천연규사의 첨가량이 증가 할수록 강도는 감소하였으며 벤토나이트 함유량에 따른 강도 변화는 뚜렷한 경향이 나타나지 않았다.
- ∙ 항온 항습기를 이용하여 온도변화에 따른 일축압축강도 측정결과 재령 28일 강도보다 강도가 낮게 나왔으며 온도변화 주기가 증가할수록 일축압축강도가 전반적으로 감소하는 경향을 보였다.
- 또한 물/시멘트 비와 천연규사/시멘트 비를 0.6, 2.4로 고정하고 벤토나이트의 첨가 비율을 1%씩 증가 시킬 때 마다 열전도도는 크게 변하지 않았으며 시료를 공기건조 시킨 후에는 열전도도가 0.34～0.44W/mK 만큼 감소하였다. 유동성에 관한 시험결과는 그림 13과 같이 벤토나이트가 시멘트 무게에 단지 1% 정도 첨가하여도 시멘트 모르타르의 유동성이 현저히 감소하였으며 벤토나이트 첨가량 2%에서 Slump Flow시험 최소값인 100mm를 기록하였다.
- 순수 시멘트 시료에 물/시멘트 비를 0.4부터 0.1씩 늘려가며 시료를 성형하였으며 시험 결과 그림 11과 같이 물/시멘트 비가 0.1씩 증가 할수록 열전도도는 0.01∼0.07W/mK씩 감소하였으며 유동성을 나타내는 Slump Flow는 증가하는 것으로 나타났다.
- 27×10-9 cm/sec로 다소 증가 하였다. 순환수의 온도변화에 따라 시멘트와 파이프의 수축과 팽창 정도차이에 의해 등가 투수계수가 변하는 것을 확인할 수 있다. 순환수 35℃의 경우, 시멘트보다 HDPE 파이프의 열적 팽창성이 더 커서 시멘트와 파이프 간의 접촉면을 압착하므로 등가투수계수가 상온에서 보다 더 작게 측정되었다.
- 시료를 건조 시킨 후 열전도도를 측정한 결과 열전도도가 습윤 상태일 때보다 대략 0.23∼0.27W/mK 만큼 소폭 감소하였다.
- 시험결과 열전도도는 그림 12와 같이 0.01∼0.09W/mK씩 증가하였으며 Slump Flow 시험의 Geo-9와 Geo-10의 경우 측정 최소값인 100mm로 나타났다.
- 시험시작 후 약 90일이 경과한 시점에서 35℃로 재순환 시킨 경우는 등가투수계수가 처음 35℃로 순환 시켰을 때 보다 약간 증가하였으며 이후 5℃로 다시 온도를 바꿔 순환시킨 결과 약 100일까지 대략적으로 1.02×10-8cm/sec로 수렴하는 것을 볼 수 있다.
- 시험은 투수계수가 10-8cm/s보다 클 경우 최소 4회 측정한 평균값의 변화가 ±25%일 때 종료하였으며 투수계수가 10-8cm/s 보다 작을 경우에는 최소 4회 측정한 평균값의 변화가 ±50%일 때 종료하였다.
- 천연규사를 함유한 Geo-8의 배합비가 순수 시멘트 배합비(Geo-3) 보다 일축압축강도가 모든 온도변화 주기에서 크게 측정되었다. 온도변화 주기가 증가할수록 일축압축강도가 전반적으로 감소하는 경향을 보였다. 에너지 기초구조체(에너지 파일, 에너지 슬라브 등)에서는 시멘트나 콘크리트의 역학적 안정성 유지도 중요한 설계요소이므로 온도변화에 따른 시멘트 혼합물의 강도 감소에 대해 주의가 필요하다.
- 44W/mK 만큼 감소하였다. 유동성에 관한 시험결과는 그림 13과 같이 벤토나이트가 시멘트 무게에 단지 1% 정도 첨가하여도 시멘트 모르타르의 유동성이 현저히 감소하였으며 벤토나이트 첨가량 2%에서 Slump Flow시험 최소값인 100mm를 기록하였다. 따라서 시멘트/천연규사 그라우트를 배합 시 벤토나이트를 첨가할 경우 유동성이 떨어지므로 반드시 유동화제에 대한 고려가 있어야 할 것이다.
- 87×10-9 cm/sec로 나타났다. 이 두 값을 비교함으로서 시멘트 그라우트에 파이프를 삽입함으로써 파이프와 시멘트 사이의 접촉면으로 물이 벽면을 따라 흐를 수 있고 접촉면에서 시멘트 그라우트가 조밀하지 않다는 것을 확인하였다.
- 일축압축강도 시험 결과, 물/시멘트 비가 0.4부터 0.1씩 증가 할수록 그림 14와 같이 일축압축강도가 감소하는 경향을 보였다. 시멘트와 물만 배합한 시료이므로 시멘트 비율이 높을수록 강도가 높아지는 일반적인 시멘트 모르타르의 경향을 갖는다.
- 장기간 등가 투수계수 측정결과 공시체 제작 후 상온에서(20℃) 약 30일간 시험을 진행하여 등가투수 계수가 4.87×10-9cm/sec로 수렴하였고, 이후 첫 번째 순환수의 온도 35℃의 경우(냉방모드 모사), 약 20일 경과한 후 등가투수계수는 2.37×10-9 cm/sec로 수렴하였으며 이후 순환수의 온도가 5℃의 경우(난방모드 모사), 9.27×10-9 cm/sec로 다소 증가 하였다.
- 02×10-8cm/sec로 수렴하였다. 즉, 첫 번째 냉난방 순환 시 등가투수계수의 값이 제한된 범위 안에서 변동하다가 두 번째 냉난방 순환 이후에는 냉방과 난방에 관계없이 일정한 등가투수계수로 수렴함을 알 수 있다.
- 02×10-8cm/sec로 수렴하는 것을 볼 수 있다. 지중 열교환기 파이프 내 순환수의 온도 변화로 인한 시멘트와 파이프 사이의 이격에 대한 영향을 등가 투수계수 측정 시험을 통해 검토한 결과, 온도 변화에 의한 시멘트의 등가투수계수의 변화량이 작아 순환수의 온도 변화로 인한 시멘트 그라우트의 투수계수에 미치는 영향은 작을 것으로 판단된다. 약 100일(2회 온도순환) 후 시멘트 시료의 등가투수계수는 1.
- 시멘트와 물만 배합한 시료이므로 시멘트 비율이 높을수록 강도가 높아지는 일반적인 시멘트 모르타르의 경향을 갖는다. 천연규사/시멘트 비가 2.0부터 0.2씩이 늘어날수록 그림 15과 같이 일축압축강도는 감소하는 것으로 나타났으며 시멘트 무게의 1%, 2%, 3%, 4%, 6%씩 벤토나이트를 첨가한 경우 벤토나이트 함유량에 따른 강도 변화는 뚜렷한 경향이 나타나지 않았다. 열전도도를 높일 목적으로 천연규사가 과다 첨가 될 때에는 강도 저하나 시멘트 경화 과정에 문제가 발생할 수 있으므로 시공 시 이를 고려해야 한다.
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