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문제 정의
- 이를 위해서는 현장접근 및 시공이 용이한 장비의 개발은 물론 보강공사 직후 열차가 즉시 통행할 수 있을 정도의 초기강도와 주입성을 갖춘 재료의 개선이 요구된다. 기존 약액주입공사에 적용되는 재료의 배합에 따르면 1시간 경과 후의 강도가 1kgf/㎠ 미만으로 고속선 콘크리트궤도의 노반 보강에 적용하기 어려운 것으로 판단되어 새로운 배합설계를 제시하고자 하였다.
- 본 논문에서는 배합비 개선을 위하여 각각의 배합비에 따른 초기강도 실험(압축강도 측정) 및 경화시간 측정을 통해 향후 콘크리트궤도 노반 복원공사에 적용할 수 있는 재료와 배합비를 결정하는데 그 목적이 있다.
- 본 논문에서는 중결재와 급결재 실험으로 구분하여 분말재 및 혼화재의 조건별 반복 실험을 통하여 실제 현장에서 활용할 수 있는 표준 배합비를 얻을 수 있었다.
제안 방법
- (그림.6-(a)) 급결재의 양생기간별 압축강도의 변화를 실험하였다. 먼저, 시간대별로 각각 1, 2, 4, 8, 24시간, 2, 4, 7, 15, 28일로 실험을 실시하였다.
- 급결재는 일반포틀랜트시멘트를 사용할 경우, 설계압축강도를 확보하지 못하는 것을 확인하였다. 따라서 강도를 향상하기 위한 방안으로 마이크로시멘트를 적용하였다. 실험 결과 겔 타임은 포틀랜트시멘트 재료와 거의 동일하게 1.
- 마이크로시멘트 급결․ 중결 재료의 압축강도시험은 시멘트 및 혼화재의 종류, 분말재의 양, 액상경화재인 규산의 배합비 및 분말경화재(MS-A, MS-B)의 영향, MS-P재의 양, 온도변화, 양생기간 등을 고려하여 제작된 공시체를 만능재료시험기를 사용하여 강도 테스트를 실시하였다.
- 마이크로시멘트 재료의 내알카리성 시험은 5cm × 5cm × 5cm 시편을 위의 방법대로 제작한 후 28일간 수중양생 후 4일 간 수산화칼슘 포화용액에 침지한 후에 겉모양 및 압축강도시험을 실시한다.
- 마이크로시멘트 재료의 환경적 특성을 분석하여 대상재료의 환경 안정성을 파악하기 위하여 용출시험을 실시하였다. 용출시험은 5cm × 5cm × 5cm 시편을 위의 방법대로 동일하게 제작한 후 3시간 후에 탈형하여 폐기물 공정시험 방법에 의해 시행하였다.
- 4-(a))를 나타내고 있다. 양생기간별 압축강도의 변화를 살펴보면 먼저, 시간대별로 각각 1, 2, 4, 8, 24시간, 2, 4, 7, 15, 28일로 실험을 실시하였다. 시간대별 압축강도 실험결과(그림.
- 액상형 A재는 약액믹서를 통해 배합되고 시멘트를 포함한 분말재는 시멘트 믹서를 통해 배합되어 펌프를 통해 주입관으로 이동된 후 분사되어 1:1로 혼합된다. 본 실험에서는 소량의 주입재 배합(현장 배합량의 1/400)을 위해 중량비로 재료를 실험실에서 수동으로 배합하여 재료의 강도 및 경화시간을 측정하였다.
- 용출시험은 5cm × 5cm × 5cm 시편을 위의 방법대로 동일하게 제작한 후 3시간 후에 탈형하여 폐기물 공정시험 방법에 의해 시행하였다. 시험 항목은 Pb, As, Cu, Hg, Cr(VI), Cd, CN , 유기인, 테트라클로로에틸렌, 트리클로로에틸렌, 기름성분 총 11개 항목을 검사하였다.
- 4-(a))를 나타내고 있다. 양생기간별 압축강도의 변화를 살펴보면 먼저, 시간대별로 각각 1, 2, 4, 8, 24시간, 2, 4, 7, 15, 28일로 실험을 실시하였다. 시간대별 압축강도 실험결과(그림.
- 용출시험은 5cm × 5cm × 5cm 시편을 위의 방법대로 동일하게 제작한 후 3시간 후에 탈형하여 폐기물 공정시험 방법에 의해 시행하였다.
- 위의 여러 실험 조건을 통하여 표.2와 같은 표준배합비를 결정하여 재료의 겔 타임 및 1시간 압축강도를 측정하였다. 표준배합비에서의 겔 타임은 약 15초~18초 사이에서 형성되었으며, 1시간 압축강도는 약 6kg/cm ~ 8kg/cm2 사이의 양호한 결과(그림.
대상 데이터
- MS-P제(초미립자 실리카)는 재료의 미세한 공극을 줄이고 강도를 증가시키는 역할을 한다. 마이크로 시멘트는 비표면적이 6,000～8,000㎠/g 인 것을 사용하였다.
- 본 실험에서는 사용되는 주입재료는 경화시간에 따라 급결재(경화시간 1~3초)와 중결재(10~30초)로 구분할 수 있으며, 급결․ 중결 재료 공히 A액(액상형 재료)과 B액(시멘트를 포함한 분말재)으로 구성된다. 액상형 A재는 약액믹서를 통해 배합되고 시멘트를 포함한 분말재는 시멘트 믹서를 통해 배합되어 펌프를 통해 주입관으로 이동된 후 분사되어 1:1로 혼합된다.
- PRCG(pressurized rapid-hardening cement grouting)공법은 그림 1과 같이 급결성 시멘트모르터의 주입압력을 이용하여 침하를 복원하고 중결성 시멘트모르터를 이용하여 보강하는 방식이다. 시멘트 외 5종의 무기계 재료를 혼합한 그라우트재료를 사용한다.
성능/효과
- 시간대별 압축강도 실험결과(그림.4-(b)) 재료의 설계 강도인 1시간 압축강도는 9.5kg/cm2이며 2일 강도는 87kg/cm2까지 선형적으로 증가하다가 그 이후에는 수렴하는 경향을 나타내어 28일 강도는 약 120kg/cm2을 나타내었다. 이 실험 결과 침하복원의 충전 재료 사용으로 충분히 가능하다고 판단되어진다.
- (그림.3-(a),(b)) 표준배합비의 압축강도 및 겔 타임은 마이크로시멘트의 양(120kg, 140kg)의 증가에 따라 평균 2kg/cm2의 증가를 보였으며, 두 가지 경우 모두 현장적용은 가능한 것으로 판단된다. 액상경화재인 규산의 배합비가 높으면 겔 타임과 강도는 다소 증가하는 것으로 나타났다.
- (그림.3-(c)) 현장적용은 가능하지만, 액상경화재의 비율이 높을수록 재료 용탈의 가능성이 커지므로 가능한 비율을 낮추는 것으로 하였다. 분말경화재(MS-A, MS-B)의 영향에 따른 실험결과(그림.
- -(g)) 겔 타임의 지연과 압축강도의 평균값은 온도의 영향을 많이 받는 것으로 나타났기 때문에 액상재료의 온도 조절은 매우 중요하다고 판단된다. 그림에서 30℃ 경우에는 겔 타임 단축과 압축강도가 증가하는 현상을 보였으나 편차가 크게 나타났으며, 35℃, 40℃로 조절하여 실험한 결과 겔 타임은 표준배합비 보다 나은 결과를 보였지만, 압축강도에서는 너무 빠른 겔 현상이 발생되어 오히려 압축강도의 편차가 크고 저하되는 현상을 나타내었다. 액상재의 온도기준으로 적절한 범위는 약 10℃ ~25℃ 인 것으로 나타났으며, 이 범위를 벗어날 경우에는 별도의 온도조절이 필요하다.
- 급결재 배합의 경우 마이크로시멘트와 포틀랜트시멘트의 배합비 실험을 통해 1시간 경과 후 압축 강도의 결과, 마이크로시멘트가 중결재와 마찬가지로 가장 적합한 재료인 것을 확인 할 수 있었다. 그러나 급결재 배합에서는 마이크로시멘트도 포틀랜트시멘트처럼 압축강도 결과 값이 최고치와 최저치의 편차가 너무 크게 나타나고 있는 현상이 보이며, 이는 급결재의 짧은 겔 타임으로 생기는 경화특성에 의한 문제로 생각되며, 현장의 주입방식과 최대한 동일한 혼합방식을 사용한 실험을 통하여 편차가 줄어든 결과를 좀 더 확인할 필요가 있다고 판단되어진다.
- 급결재는 일반포틀랜트시멘트를 사용할 경우, 설계압축강도를 확보하지 못하는 것을 확인하였다. 따라서 강도를 향상하기 위한 방안으로 마이크로시멘트를 적용하였다.
- 82MPa의 값이 측정되었다. 길이변화비(4주)시험도 마찬가지로 수중에서 28일 양생하였기 때문에 균열이 발생하지 않았고, 압축강도는 평균 0.075%의 값이 측정되었다. 이 실험 결과에서 보듯이 콘크리트궤도 침하복원의 충전 재료로 현장사용이 가능할 것으로 판단된다.
- 마이크로시멘트 재료의 내알카리성 시험 결과 시험시편이 28일 간 수중양생 후 4일 간 수산화칼슘포화 용액 속에 침지되어 있었기 때문에 균열발생이 없었으며, 압축강도는 평균 9.82MPa의 값이 측정되었다. 길이변화비(4주)시험도 마찬가지로 수중에서 28일 양생하였기 때문에 균열이 발생하지 않았고, 압축강도는 평균 0.
- 마이크로시멘트 재료의 환경적 특성을 분석하여 대상재료의 환경 안정성을 평가하기 위하여 용출시험의 폐기물 공정시험방법을 실시한 결과 시험 항목 Pb, As, Cu, Hg, Cr(VI), Cd, CN , 유기인, 테트라클로로에틸렌, 트리클로로에틸렌, 기름성분 총 11개 항목 모두 관련기준 폐기물관리법 시행규칙 지정폐기물에 함유된 유해물질 기준에 적합한 것을 확인하였다. 시험 결과를 표.
- 6-(b)에서 볼 수 있다. 시험 결과 재료의 설계 압축강도인 1시간 강도는 6kg/㎠이며 2일강도는 45kg/㎠까지 선형적으로 증가하다가 그 이후에는 수렴하는 경향을 나타내어 28일 강도는 약 65kg/㎠을 나타내었다. 양생기간별 압축강도 결과에서 보듯이 콘크리트궤도 침하복원의 충전 재료로 양호한 것으로 판단된다.
- 따라서 강도를 향상하기 위한 방안으로 마이크로시멘트를 적용하였다. 실험 결과 겔 타임은 포틀랜트시멘트 재료와 거의 동일하게 1.5~2.5초 안팎으로 측정 되었으며 1시간 압축강도는 5kg/㎠ ~ 8kg/㎠의 결과를 보였다. 이 실험을 바탕으로 급결재 마이크로시멘트의 표준배합비 산정을 확보하였으며 현장사용이 가능할 것으로 판단된다.
- 3-(a),(b)) 표준배합비의 압축강도 및 겔 타임은 마이크로시멘트의 양(120kg, 140kg)의 증가에 따라 평균 2kg/cm2의 증가를 보였으며, 두 가지 경우 모두 현장적용은 가능한 것으로 판단된다. 액상경화재인 규산의 배합비가 높으면 겔 타임과 강도는 다소 증가하는 것으로 나타났다.(그림.
- 시험 결과 재료의 설계 압축강도인 1시간 강도는 6kg/㎠이며 2일강도는 45kg/㎠까지 선형적으로 증가하다가 그 이후에는 수렴하는 경향을 나타내어 28일 강도는 약 65kg/㎠을 나타내었다. 양생기간별 압축강도 결과에서 보듯이 콘크리트궤도 침하복원의 충전 재료로 양호한 것으로 판단된다.
- 3-(f))에서도 겔 타임은 오히려 늦어지는 경향을 보이며 압축강도에서는 별다른 변화를 주지 못하였다. 이 실험 결과 현장시공에서의 분말경화재(MS-A, MS-B) 추가사용과 MS-P재의 양 증가는 불필요하다고 판단된다. 액상재 온도변화(3℃, 7℃, 10℃, 15℃)에 따른 압축강도의 결과(그림3.
후속연구
- 급결재 배합의 경우 마이크로시멘트와 포틀랜트시멘트의 배합비 실험을 통해 1시간 경과 후 압축 강도의 결과, 마이크로시멘트가 중결재와 마찬가지로 가장 적합한 재료인 것을 확인 할 수 있었다. 그러나 급결재 배합에서는 마이크로시멘트도 포틀랜트시멘트처럼 압축강도 결과 값이 최고치와 최저치의 편차가 너무 크게 나타나고 있는 현상이 보이며, 이는 급결재의 짧은 겔 타임으로 생기는 경화특성에 의한 문제로 생각되며, 현장의 주입방식과 최대한 동일한 혼합방식을 사용한 실험을 통하여 편차가 줄어든 결과를 좀 더 확인할 필요가 있다고 판단되어진다.
- 중결재의 경우 마이크로시멘트를 사용한 표준배합비에 의한 재료의 1시간 압축 강도를 확보하여 현장 활용이 가능할 것으로 판단된다. 또한 마이크로시멘트의 배합에서도 수온은 겔 타임과 1시간 경과 후 압축 강도에 많은 영향을 주는 것이 확인되었으므로 동절기 현장의 수온 및 액상재료의 온도관리가 반드시 필요할 것으로 보인다.
- 075%의 값이 측정되었다. 이 실험 결과에서 보듯이 콘크리트궤도 침하복원의 충전 재료로 현장사용이 가능할 것으로 판단된다.
- 5초 안팎으로 측정 되었으며 1시간 압축강도는 5kg/㎠ ~ 8kg/㎠의 결과를 보였다. 이 실험을 바탕으로 급결재 마이크로시멘트의 표준배합비 산정을 확보하였으며 현장사용이 가능할 것으로 판단된다.(그림.
- 이 실험의 결과를 통하여 지반 보강 및 침하복원에 중요하게 적용되는 압축강도로 판단하였을 시 새롭게 제시된 재료의 배합비는 침하복원그라우팅의 중결재와 급결재로서 충분한 성능을 확보할 것으로 판단된다.
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