Strength Variation of Cemented Sand Due to Wetting

地 盤 工 學

第29卷 第6C 號·2009年 11月 pp. 303~311

수침이 고결모래의 강도에 미치는 영향

Strength Variation of Cemented Sand Due to Wetting

박성식*·김기영**·김창우***·최현석***

Park, Sung-Sik

·

·

·

···

Abstract

In this study, weakly cemented sand was cured at air dry condition with different periods (3, 7, 14, 21, 28 days) and its unconfined compressive strength was evaluated. As a result, the strength of specimens with low cement ratios such as 4 and 8% increases until 7 days curing but, after 7 days, their strength continuously decreases. The strength of specimens with rel- atively high cement ratios such as 12 and 16% increases up to 7 days curing and then stays almost constant until 21 days. After 21 days curing, their strength suddenly dropped down, which is much lower than the strength of 3 days curing specimen. A cemented sand and gravel called CSG, which is highly permeable, could be exposed to repetitive drying and wetting conditions due to rainfall or groundwater table change during curing. In this study, the weakly cemented sand is exposed to repetitive dry- ing and wetting and then its unconfined compressive strength was evaluated. As a result, the strength of a specimen with 27 days drying condition following 1 day wetting was at maximum 35% lower than the one cured under 28 days drying. The strength degradation due to wetting decreases as a cement ratio increases. However, the strength of a specimen with repetitive drying and wetting increases as the number of wetting increases until 3 cycles. After 3 cycles of drying and wetting, the rate of strength increase decreases due to an insufficient water for hydration or stays constant. If the sufficient water supply is pro- vided to cemented sand during curing, the target or design strength increase can be achieved. Otherwise, the strength deg- radation due to wetting should be considered at the design stage.

Keywords :cemented sand, unconfined compressive strength, wetting

···

요 지

본 연구에서는 먼저 시멘트를 소량 혼합한 고결모래를 대기중에서 재령 3, 7, 14, 21, 28일로 양생한 다음 재령에 따른 일축압축강도 변화를 평가하였다. 그 결과, 시멘트비가 4, 8%로 비교적 낮은 경우, 7일까지는 강도가 지속적으로 증가하지 만 그 이후에는 점차 감소하는 경향을 보였다. 그리고 시멘트비가 12, 16%로 상대적으로 높은 경우, 7일까지 계속 증가한 강도는 14, 21일까지 비슷한 강도를 나타내지만 28일 강도는 3일 강도보다도 훨씬 감소하였다. 시멘트로 고결된 흙 특히 모래나 자갈을 혼합한 CSG(cemented sand and gravel) 재료는 투수성이 좋기 때문에 양생기간 동안 내리는 강우나 지하 수위 변화로 습윤 상태와 건조 상태가 반복될 수 있다. 따라서 본 연구에서는 일정 기간 양생한 후 현장에서 발생할 수 있는 수침과 건조 상태를 반복하면서 고결모래의 일축압축강도를 평가하였다. 그 결과, 27일 동안 대기중에서 양생한 다음 마지막 1일 동안 수침시킨 공시체의 강도는 28일 동안 수침시키지 않고 대기중에서 양생한 공시체보다 최대 35% 정도 감 소하였으며, 강도 저하율은 시멘트비가 증가할수록 감소하는 경향을 보였다. 양생기간 28일 동안 일정한 간격으로 수침과 건 조를 반복할 경우 3회 반복까지는 일축압축강도가 선형적으로 증가하지만 그 이후로는 강도 증가율이 둔화되거나 수화작용 에 필요한 수분 부족으로 강도가 오히려 감소하였다. 현장에서 소량의 시멘트를 혼합한 흙으로 시공할 경우 양생기간에 따 라 충분한 강도 증가를 얻기 위해서는 양생기간 동안 적절한 습윤 상태를 유지해야 하며, 건습으로 인한 강도 변화를 적절 히 설계에 반영해야 한다.

핵심용어

고결모래, 일축압축강도, 수침

···

1.

서 론

급속한 경제성장과 더불어 최근까지 계속되는 도로, 댐, 항 만 등의 건설로 대량의 골재가 전국 곳곳에서 채취되었으며,

특히 부족한 골재나 양호한 암질의 축조재를 확보하기 위한 무분별한 석산 개발로 인한 환경파괴와 자연훼손이 크게 우 려되고 있다. 따라서 최근에는 석산을 개발하거나 토취장을 마련하지 않고 현장에 있는 강 자갈이나 모래, 주변 전답에

*정회원·교신저자·원광대학교공과대학토목환경도시공학부조교수 (E-mail : [email protected])

**정회원·한국수자원공사 K-water 연구원댐안전연구소선임연구원

***원광대학교 공과대학 토목환경도시공학부 석사과정

있는 흙을 토목공사 재료로 활용하는 사례가 늘고 있다. 특 히 새로운 건설재료로 각광을 받고 있는 CSG(Cemented

sand and gravel)

재료는 공사 현장에서 가까운 강이나 하

천에서 활용 가능한 하상재료인 모래나 자갈에 소량의 시멘 트를 혼합하여 고결시킨 모래와 자갈을 의미한다. 일본에서 는 1992년부터 나가시마댐 상류 가물막이 제방 공사 이후 주로 가물막이용 제방이나 모래를 쌓아 두는 댐(저사댐), 성 토, 옹벽 등에 CSG 재료를 사용하기 시작하였으며, 최근에 는 몇몇 소형댐과 오쿠쿠비(億首)댐의 제체에 이용되기도 하 였다. 국내에서 CSG 재료를 이용한 대표적인 사례는 화북 댐이나 부항댐과 같은 콘크리트 표면차수벽형 석괴댐

(Concrete Faced Rockfill Dam)

을 건설하는 경우이다. 화북

댐과 부항댐에서는 본댐 축조를 위하여 상류쪽 페이스 슬래 브를 지지하는 층인 curb element 시공에 2mm 이하의 강 모래에 약 10% 이내의 시멘트로 빈배합하여 만든 시멘트 혼합토를 사용하고 있다. 이와 같이 흙이나 모래에 시멘트를 섞은 혼합토는 흙 입자간의 고결작용으로 건조 시 흙의 체 적변화를 감소시키거나 강도를 증가시켜 기초지반 및 연약 지반의 보강, 옹벽 뒤채움재, 도로 및 철도의 성토노반, 기 층재료 등으로 사용될 수 있다.

최근 국내에서 시멘트를 혼합한 모래의 강도 및 변형에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다(김기영 등, 2005; 박성식 등, 2009; 정우섭, 2006). 박성식 등(2009)은 현장에서 시공 되는 시멘트 혼합토의 양생기간 중에 강우나 지하수 유입으 로 인한 급작스런 수분 증가가 강도에 어떤 영향을 미치는 지 연구하였다. 특히 시멘트비가 낮은 경우(예: 4%) 대기중 에서 양생되던 시멘트 혼합토가 침수될 경우 30% 정도의 강도 저하가 발생할 수 있다는 결과를 발표하였다. 한편 벤 토나이트나 몬모릴로나이트와 같은 점토성분을 포함한 흙에 시멘트를 혼합하여 안정화시킨 흙이 물에 잠길 경우 침투한 물로 인하여 점토입자들이 팽창하면서 시멘트 고결을 파괴 시켜 강도를 약화시키게 된다(Stavridakis, 2005). 국내에서 최근 폭우로 시멘트 혼합토로 시공 중인 00댐이 월류되면서 댐 제체가 완전히 포화된 경우도 발생하였다. 이와 같이 맑 은 날씨 가운데 양생 중이던 댐 제체가 갑작스런 호우로 포 화될 경우 강도가 어떻게 변하는지 예측할 필요가 있다. 또 한 하루 이틀 비가 온 뒤 다시 맑은 날씨를 보이다가 다시 비가 오는 경우도 있으며 이와 같은 경우는 수침과 대기중 양생을 반복하게 되며 이로 인한 시멘트 혼합토의 강도는 어떻게 변하는지 또한 예측할 필요가 있다. 만약 댐의 일부 또는 전체가 시멘트 혼합토로 만들어질 경우 시공 중에 수 침으로 인하여 시멘트 혼합토의 강도가 저하되거나 부분적 으로 균열 또는 파손이 생긴다면 댐과 같은 토목구조물의 안전이 위협받을 수 있기 때문이다. 그렇기 때문에 시멘트 혼합토로 시공할 경우 현장에서 발생하는 환경변화에 따른 다양한 양생조건을 고려하여 그에 따른 강도 변화를 평가할 필요가 있다. 시멘트비가 낮은 시멘트 혼합토의 경우 콘크리 트와 달리 고결이 상당히 약하기 때문에 수분공급을 위하여 실시하는 살수 또는 분무 등으로 인하여 일부가 손상되거나 씻겨 나갈 수도 있으므로 습윤상태를 유지하는 것이 실제로 어려운 경우가 많다. 본 연구에서는 습윤 또는 수중 양생이 아닌 실제 현장에서 시멘트 혼합토가 양생되는 조건으로 판

단되는 대기중 양생방법으로 재령을 달리하여 재령에 따른 강도 변화를 연구하였으며, 또한 시멘트 혼합토가 대기중에 서 28일 동안 양생되는 가운데 1일 동안 수침되는 횟수를 달리하여 수침횟수 증가에 따른 공시체의 강도 및 함수비 변화를 평가하고자 하였다.

2.

양생조건 및 수침이 강도에 미치는 영향

시멘트와 물 사이에 일어나는 화학적, 물리적 반응에 의해 응결과 경화가 일어나며, 이렇게 만들어진 콘크리트의 강도 는 주로 양생온도, 양생기간, 양생방법 등에 따라 영향을 받 는다. 양생온도가 너무 높으면 초기강도는 증가하지만 그 이 후의 수화반응을 지연시키므로 장기강도 발휘가 불리하게 된 다(Price, 1951). 콘크리트의 양생방법에는 일반적으로 대기 중, 밀봉, 습윤, 수중 양생과 같은 네 가지 방법이 있으며 양생방법에 따라 강도는 상당한 차이를 나타낸다(Price,

1951).

일반적으로 콘크리트의 강도는 양생기간에 따라 증가

하며 28일 동안 수중 양생시킨 공시체의 강도 값을 사용하 고 있다.

시멘트 수화반응에 필요한 이론수량은 시멘트 페이스트량 의 약 40% 정도이며 이 가운데 25%는 시멘트 중의 각 성 분과 화학적으로 결합하는데 사용되고 15% 정도는 수화물 에 고착되는 수량이다(유희경, 2001). 물시멘트비를 40% 이 상으로 하더라도 수화반응 시에 시료 내에 공극이 생기면서 공극 주위에 있는 시멘트에 추가적으로 수분을 공급해야만 완전한 수화가 일어난다(유희경, 2001). 즉, 시멘트가 물과 결합하여 수화반응하는 과정에서 공극이 발생하는데, 외부로 부터 수분이 공급되지 않으면 물이 없는 모세관 공극에 접 하는 시멘트 입자는 미반응하여 수화가 낮아진다(한국콘크리 트학회, 2007). 대기중에서 양생되는 콘크리트는 수화과정 중에 형성된 모세관 공극 주위의 시멘트 입자로 추가적인 수분공급이 이루어지지 않기 때문에 수분이 원활하게 공급 되는 수중 양생한 공시체보다 낮은 장기강도를 보인다(정영 수 등, 2008). 하지만 양생이 완료된 콘크리트의 경우, 정영 수 등(2008)은 건조한 콘크리트와 물로 포화된 콘크리트를 비교하면서 다음과 같은 이유로 오히려 물로 포화된 콘크리 트의 강도가 감소할 수도 있다고 하였다. (i) 수분이 흡착되 면 규산 칼슘 수화물(calcium silicate hydrate, C-S-H gel) 이 서로 더 멀어져서 반데르발스 결합력이 감소함으로 인해 서 더 약한 시스템을 구성한다. (ii) 응력이 가해지면 수분이

Si-O-Si

결합을 약하게 한다. (iii) 수분이 윤활제 역할을 해

서 기계적인 맞물림을 약하게 한다.

현장에서 시공되고 있는 구조물의 양생조건이 수중양생과

다른 경우도 많이 있을 뿐 아니라 양생과정 중에 양생조건

이 바뀔 수도 있으므로 현장 양생조건과 동일한 방법으로

공시체를 양생한 다음 강도를 평가할 필요가 있다. 특히 양

생과정 중에 일어나는 수침은 시멘트로 약하게 고결된 모래

의 강도를 감소시킬 수도 있다(박성식 등, 2009). 즉 물을

지속적으로 공급하는 수침은 시멘트 혼합토의 강도 측면에

서 경우에 따라 강도 증가라는 유리한 측면과 때론 강도 감

소라는 불리한 측면을 동시에 가지고 있다. 양생기간 중에

양생에 필요한 수분이 충분히 지속적으로 공급될 경우 강도

는 장기적으로 증가하지만, 대기중에서 양생되고 있거나 건 조상태에 있는 공시체에 수분이 공급된 직후의 강도는 감소 하게 된다(박성식 등, 2009). 따라서 수침으로 인한 시멘트 혼합토의 강도는 양생과정이나 최종 수분상태에 따라 달라 질 수 있다. 본 연구에서는 28일이란 양생기간 동안 CSG와 같이 시멘트가 비교적 적게 포함된 경우를 비롯하여 시멘트 혼합토에 급작스런 강우가 내릴 경우와 반복해서 강우가 내 릴 경우 강도가 어떻게 변하는지를 실험을 통하여 관찰 및 분석하였다.

3.

시멘트 혼합토의 일축압축시험

3.1

실험 재료

콘크리트와 같이 서로 다른 재료를 혼합한 복합재료의 품 질을 평가하는 가장 일반적인 방법은 복합재료의 일축압축 강도를 평가하는 것이다. 일축압축시험은 간단하고 빠를 뿐 아니라 저렴하고 신뢰할만한 실험방법으로 시멘트 혼합토에 대한 많은 결과가 축적되어 있기도 하다(Consoli 등, 2007).

본 연구에서는 새만금모래에 고결제로 초속경시멘트를 사용 하여 일축압축시험용 공시체를 제작하였다. 새만금모래는 전 라북도 새만금 지역에서 준설한 실리카질 모래이며 그림 1 은 새만금모래의 전자현미경 사진이다. 입도특성은 표 1과 같다. 새만금모래의 최대건조밀도와 최적함수비는 1.61g/cm

과 14%이다. 고결제는 3시간에 7일 강도 발현이 가능하고 도로, 교량 긴급보수에 사용되는 비중이 3.14인 국내 S사의 초속경시멘트를 사용하였으며, 모르타르의 압축강도는 3시간 후 25MPa, 1일 후 30MPa, 3일 후 35MPa, 7일 후 40MPa 이다.

3.2

공시체 제작 및 종류

시멘트비는 건조된 모래의 무게에 대한 시멘트의 무게로 다음과 같이 계산하였다.

(1)

여기서 W

는 시멘트의 무게, W

는 건조된 모래의 무게이다.

본 실험에 사용한 시멘트비는 4, 8, 12, 16%이다. 모래에 소량의 시멘트(예: 시멘트비 2~8%)를 혼합할 경우 최대건조 밀도는 증가하더라도 최적함수비는 크게 변하지 않는다는 정 우섭(2006)의 연구결과를 참고하여 새만금모래로 제작한 시 멘트 혼합토의 최적함수비는 모두 14%로 가정하였다. 다짐 에 사용한 램머(rammer)의 직경은 65mm이고 무게는 2.6kg 이며, 다짐방법은 과다짐으로 입자파쇄가 발생하지 않도록 수정 D다짐방법에 의한 다짐에너지의 약 95% 정도가 되도 록 공시체를 5층으로 나누고 층당 50회, 낙하높이는 20cm 로 일정하게 유지하였다. 이와 같은 방법으로 반복해서 제작 되는 공시체의 크기는 직경 7cm, 높이 14cm이며, 건조밀도 는 시멘트비가 동일한 경우 거의 동일하며 시멘트비가 증가 할수록 비중이 큰 시멘트 양이 증가하여 건조밀도가 약간 증 가하는 경향을 보였다. 표 2 및 표 3과 같이 건조밀도는 각 각의 시멘트비에 대하여 1.56~1.58, 1.62~1.65, 1.68~1.71,

1.72~1.76g/cm³

이다. 동일한 시멘트비를 가진 공시체에서 계

산되는 건조밀도의 오차는 1~2% 정도로 작아 동일한 공시 체의 반복적인 제작이 가능하였다.

일축압축시험은 수침시키지 않은 AC시리즈와 수침시킨

시리즈 두 종류로 구성되었으며, AC시리즈는 표 2와 같 이 네 종류의 시멘트비에 대하여 대기중 양생으로 각각 3,

7, 14, 21, 28

일 동안 양생시켰다. 일축압축시험 시의 함수

비 즉 최종함수비(w

는 시멘트비가 4%인 경우 0.7~1.9%

사이, 8%인 경우 1.2~3.1%, 12%인 경우 1.9~3.8%, 16%

인 경우 1.7~4.5%이었다. AC시리즈에서 동일한 시멘트비를 가진 경우 양생일수가 증가함에 따라 수분 증발로 최종함수 비는 감소하는 경향을 보였다. 그리고 시멘트비가 높을수록 최종함수비가 증가하는 경향을 보였으며, 이는 시멘트비가 높을수록 수밀성이 좋아 공시체 내에 갇혀 있던 물의 증발 이 감소하기 때문으로 판단된다. WT시리즈의 양생기간은

일로 AC시리즈와 동일하며 수침횟수에 따라 그림 2에 표 시된 날짜에 1일 동안 수침시켰다. 마지막 날에 수침시킨 경우를 제외할 경우 일축압축시험 시의 최종함수비는 수침 횟수에 따라 증가하였다. 한편 수침횟수가 비교적 적은 1회 와 2회의 경우 최종함수비는 AC시리즈와 동일하게 시멘트 비가 증가할수록 함수비도 증가하지만 수침횟수가 3회일 경 우는 특별한 경향을 보이지 않다가 4, 5회로 더 늘어날 경 우 최종함수비는 AC시리즈와 반대로 시멘트비가 증가할수 록 감소하는 경향을 보였다.

4.

시험 결과 및 분석

4.1

재령에 따른 강도 변화

각각의 공시체를 일축압축시험기를 이용하여 1%/min의 속 ρ

W_s

--- 100 %

× ( )

=

표

새만금모래의 입도특성

e_max

Minimum void ratio

e_min G_s Effective grain size

D₁₀ (mm)

Mean grain size D₅₀ (mm)

Uniformity coefficient C_u

1.237 0.765 2.64 0.25 0.41 1.64

그림

새만금모래의 전자현미경 사진

표

대기중 양생

시리즈 실험조건 및 결과

(Test ID)

Cement ratio (%)

Curing condition (day)

ρ

(g/cm³)

w (%)

Peak strength (kPa)

Axial strain at peak strength (%) AC-1(D-1)

4

AC (3) 1.56 1.9 542 0.70

AC-2(E-1) AC(7) 1.57 1.0 586 0.83

AC-3(I-1) AC(14) 1.58 1.0 495 1.05

AC-4(J-1) AC(21) 1.58 0.8 411 1.28

AC-5(F-1) AC(28) 1.57 0.7 386 0.98

AC-6(D-4)

8

AC (3) 1.63 3.1 2036 0.94

AC-7(E-4) AC(7) 1.64 1.8 2391 1.19

AC-8(I-3) AC(14) 1.65 1.8 2185 1.04

AC-9(J-3) AC(21) 1.64 1.4 1899 1.48

AC-10(F-4) AC(28) 1.63 1.2 1313 0.93

AC-11(D-7)

12

AC (3) 1.68 3.8 3861 1.26

AC-12(E-7) AC(7) 1.70 2.6 4759 1.77

AC-13(I-5) AC(14) 1.70 2.9 4949 1.47

AC-14(J-5) AC(21) 1.71 2.5 4878 1.88

AC-15(F-7) AC(28) 1.69 1.9 3498 1.36

AC-16(D-10)

16

AC (3) 1.72 4.5 6493 1.50

AC-17(E-10) AC(7) 1.74 3.3 7707 1.80

AC-18(I-7) AC(14) 1.75 3.6 7835 1.82

AC-19(J-7) AC(21) 1.75 3.0 7801 2.11

AC-20(F-10) AC(28) 1.75 1.7 5788 1.58

Note: AC is air dry curing.

표

수침

시리즈 실험조건 및 결과

Case (Test ID)

Cement ratio (%)

Curing condition:

AC+(UC) (day)

ρ

(g/cm³) w (%)

Peak strength (kPa)

Axial strain at peak strength (%) WT-1(F-2)

4

27+(1) 1.57 17.7 252 0.90

WT-2(F-3) 13+(1)+14 1.57 0.7 406 0.94

WT-3(G-1) 9+(1)+8+(1)+9 1.58 3.5 325 1.63

WT-4(G-2) 6+(1)+6+(1)+6+(1)+7 1.58 6.1 459 1.20

WT-5(G-3) 5+(1)+5+(1)+5+(1)+4+(1)+5 1.57 9.3 496 1.23

WT-6(G-4) 4+(1)+4+(1)+4+(1)+4+(1)+3+(1)+4 1.57 10.1 524 0.75

WT-7(F-5)

8

27+(1) 1.63 15.7 1099 0.93

WT-8(F-6) 13+(1)+14 1.62 1.5 1666 1.17

WT-9(G-5) 9+(1)+8+(1)+9 1.64 3.1 2252 1.38

WT-10(G-6) 6+(1)+6+(1)+6+(1)+7 1.65 4.6 2519 1.25

WT-11(G-7) 5+(1)+5+(1)+5+(1)+4+(1)+5 1.65 7.3 2530 1.55

WT-12(G-8) 4+(1)+4+(1)+4+(1)+4+(1)+3+(1)+4 1.64 8.1 2672 1.61

WT-13(F-8)

12

27+(1) 1.69 12.9 2866 1.17

WT-14(F-9) 13+(1)+14 1.69 2.5 4591 1.48

WT-15(G-9) 9+(1)+8+(1)+9 1.70 3.9 4960 1.36

WT-16(G-10) 6+(1)+6+(1)+6+(1)+7 1.71 4.9 5407 1.42

WT-17(G-11) 5+(1)+5+(1)+5+(1)+4+(1)+5 1.71 6.5 5204 1.36

WT-18(G-12) 4+(1)+4+(1)+4+(1)+4+(1)+3+(1)+4 1.70 7.7 4789 1.33

WT-19(F-11)

16

27+(1) 1.75 11.7 4633 1.31

WT-20(F-12) 13+(1)+14 1.75 2.3 7735 1.74

WT-21(G-13) 9+(1)+8+(1)+9 1.75 4.7 9025 2.15

WT-22(G-14) 6+(1)+6+(1)+6+(1)+7 1.75 5.3 9344 2.22

WT-23(G-15) 5+(1)+5+(1)+5+(1)+4+(1)+5 1.75 6.2 8947 1.94

WT-24(G-16) 4+(1)+4+(1)+4+(1)+4+(1)+3+(1)+4 1.76 6.8 9061 2.14

Note: AC is air dry curing and UC is underwater curing.

도로 전단하였다. 표 2는 대기중 양생한 공시체를 각각 3,

7, 14, 21, 28

일 동안 양생시킨 다음 실시한 일축압축시험의

결과이다. 재령에 따른 일축압축강도와 최대강도에서의 축변 형률을 비교하고 있다. 그림 3은 네 종류의 시멘트비에 대 하여 대기중 양생한 공시체의 재령에 따른 일축압축강도(q

의 차이를 비교하였다. 7일까지는 강도가 증가하다가 그 이 후로는 시멘트비에 따라 달라지는 경향을 보였다. 즉, 시멘 트비가 비교적 높은 경우(

는 7, 14, 21일 강도 가 일정하지만, 시멘트비가 비교적 낮은 경우(

는

일 이후 강도가 감소하는 경향을 보이고 있다. 한편 28일 동안 양생한 공시체의 강도는 3일 양생한 공시체보다 시멘 트비에 관계없이 낮게 나타났으며, 특히 시멘트비가 높은

의 경우 최대강도(14일 양생한 공시체)보다 26% 정도 감소하였다. 그림 4는 각각의 양생일수에 대하여 시멘트비 증가에 따른 강도 증가를 비교하고 있다. 시멘트비 증가에 따른 강도 증가율을 나타내는 곡선의 기울기는 양생일수에 관계없이 서로 유사하였다. 하지만 강도 발현은 양생 7일째 가장 뚜렷하였으며 28일 양생시킨 경우 강도가 가장 낮게 나타났다. 양생이란 굳기 전의 시멘트 페이스트 내에서 물이 채우고 있던 공간을 가능한 한 시멘트 수화물로 채울 때까

지 콘크리트를 포화상태로 유지하거나 거의 포화상태로 유 지시키는데 있다. 하지만 대기중에서 양생이 될 경우 필요한 수분이 지속적으로 공급되지 않기 때문에 수화과정 속도가 느려지고 지속적으로 생성되는 수화물로 인한 모세관 공극 도 점점 증가하게 되며 그 주위의 시멘트 입자까지 수분 공 급이 이루어지지 않아 강도가 감소하게 된다.

이와 같은 실험 결과는 시멘트로 고결된 흙의 강도가 일 반적으로 양생기간에 따라 증가한다는 몇몇 연구자들의 실 험 결과와는 다르다(정우섭, 2006; Kongsukprasert 등,

2007; Xiao

와 Lee, 2008). 다시 말하면, 시멘트로 고결된

모래나 점토를 습윤 양생할 경우 양생시간에 따라 강도는 점점 증가하는 경향을 보였다. 예를 들면, Kongsukprasert 등(2007)은 일본 북부 아오모리현의 고속도로 기반 조성 현 장에서 사용되는 아오모리모래에 약 4%의 시멘트비를 혼합 하여 고결된 모래의 장기거동을 일축 및 삼축압축시험을 이 용하여 8년까지 관찰하였다. 초기함수비가 14.9, 17.5,

25.3%

로 다른 공시체의 장기 일축압축강도는 14.9%인 경우

를 제외하면 8년이 지났을 때 28일 강도의 3배 이상 증가 하였으며, 17.5%보다는 25.3%의 경우가 장기강도 증가율이 훨씬 크게 나타났다. 하지만 초기함수비가 14.9%의 경우는

그림

일 양생기간 동안 수침 일정

그림

양생기간에 따른 공시체의 강도 변화 그림

시멘트비에 따른 공시체의 강도 변화

28

일 강도나 8년이 지난 후의 강도는 거의 변함이 없었다.

비록 초기함수비가 2.6% 정도 차이 나지만 장기적으로 이와 같은 큰 강도 차이를 나타내므로 양생 중의 함수비는 시멘 트 혼합토의 강도에 큰 영향을 미친다고 할 수 있다. Xiao 와 Lee(2008)는 싱가포르 점토에 다양한 양의 시멘트와 물 을 혼합한 슬러리 상태의 혼합토를 만든 다음 수중 양생하 여 공시체를 제작하였으며, 일축압축강도는 양생기간에 따라

개월까지 지속적으로 증가하는 경향을 보였다. 이와 같이 기존의 연구 결과와는 다른 본 연구 결과는 습윤 또는 수중 양생으로 공시체를 양생하지 않고 대기중에서 수분이 증발 하도록 방치하는 양생방법을 사용하였기 때문으로 판단된다.

4.2 1

회 수침에 따른 영향

박성식 등(2009)은 3일 동안 대기중 양생시킨 공시체와 2 일 양생 후 마지막 1일 수침시킨 공시체의 강도 비교에서 시멘트비가 4% 정도로 낮은 경우 수침으로 인한 강도 저하 가 최대 30% 정도에 이를 수 있다고 하였다. 본 연구에서 는 콘크리트의 강도 측정에 기준이 되는 양생기간 28일과 동일하게 고결모래를 28일 동안 양생시켰다. 그리고 다른 공 시체는 27일 동안 대기중에서 양생시킨 다음 마지막 1일을 수침시켜 일축압축시험을 실시하였다. 두 공시체에 대한 실 험 결과는 그림 5(a)에 각각 동그라미와 세모로 표시하였으 며, 네 종류의 시멘트비에 대하여 비교하였다. 두 공시체의 강도 차이는 수침으로 인한 강도 감소를 나타내며, 아래 식

와 같이 강도 저하율(Strength Degradation Ratio, SDR) 로 표시하였다. 그림 5(b)에 SDR을 비교하였으며 이것은 마 지막 1일 동안 수침시켰을 때 함수비가 증가되고 이로 인하 여 강도가 감소하는 정도를 나타낸다.

(2)

그림 5(b)에는 박성식 등(2009)이 양생기간 3일을 기준으 로 실험한 결과도 같이 비교하였다. 양생기간 3일 혹은 28 일에 관계없이 시멘트비가 가장 낮은 4%에서 가장 큰 강도 감소가 발생하였다. 그리고 수침으로 인한 강도 감소가 4%

에서 8%로 시멘트비가 증가할 때 강도 감소가 줄어들지만, 시멘트비가 12, 16%로 증가하면서 오히려 수침으로 인한 강도 감소가 더 증가하거나 일정하게 되는 것으로 보인다.

이러한 경향은 양생기간에 관계없이 나타나는 것을 볼 수 있으며, 본 연구 결과는 양생 중인 시멘트 혼합토에 급작스 런 호우가 왔을 경우 예상되는 강도 변화 예측에 활용될 수 있다. 이와 같은 강도 감소는 앞서 2장에서 설명한 세 가지 이유뿐만 아니라 물의 유입으로 고결물질이 용해되었기 때 문으로 판단된다. 하지만 본 연구와는 달리 시멘트로 안정화 된 흙에 벤토나이트나 몬모릴로나이트와 같은 점토성분이 포 함되어 있다면 수침 동안 침투한 물로 점토 입자가 팽창하 여 시멘트 결합을 파괴시켜 시멘트로 안정화된 흙의 강도를 더욱 저하시킬 수도 있다(Stavridakis, 2005).

4.3

반복되는 수침에 따른 영향

4.3.1

강도 특성

4.2

절에서는 1회 수침으로 인한 강도 저하 즉 양생이 완료

되기 하루 전에 수침을 시켰을 때의 강도 변화가 어떻게 되 는지를 분석하였다. 하지만 양생기간의 마지막 날이 아닌 총 양생기간 28일의 중간이 되는 시점 즉 그림 2(b)에 표시한 것처럼 13일 동안 대기중 양생한 다음 14일째 하루 동안만 수침시켰다. 그리고 15일째부터는 다시 대기중 양생을 시켰 다. 이것을 표 3의 양생조건에는 13+(1)+14로 표시하였으며 괄호 안의 숫자는 수침일수를 표시한다. 이런 방식으로 1회 에서 최대 5회까지 반복적으로 수침시켰을 때 강도 변화가 어떻게 되는지를 분석하였다. 먼저 1회 수침인 경우 동일하 게 1회 수침을 시켰지만 양생기간의 중간이냐, 마지막이냐에 따라 강도 변화를 분석하였다. 그림 5(a)는 수침 시점이 다 르지만 1회 수침시킨 두 종류의 공시체와 대기중에서 28일 동안 양생시킨 공시체와의 강도를 비교하고 있다. 양생기간 중간에 1회 수침시킨 경우(그림 5(a)에 13+(1)+14로 표시) 가 수침시키지 않은 공시체(그림 5(a)에 28로 표시)보다 오 히려 강도가 30% 이상 증가하였으며, 이러한 현상은 시멘트 비가 증가할수록 더욱 뚜렷하게 나타났다. 그 이유는 시멘트 비가 더 증가할수록 수화과정에서 필요로 하는 물의 양이 증가하게 되는데 이것이 수침과정을 통하여 공급되었기 때 문으로 판단된다.

반복되는 수침으로 인한 강도 변화는 그림 6에 비교하였 다. 시멘트비가 4%로 가장 낮은 경우 수침이 반복됨에 따 라 약간의 변화는 있으나 강도가 크게 증가하지 않았다. 하 지만 시멘트비가 8, 12, 16%로 상대적으로 높은 경우 3회

q_{u(28일 양생)}

--- 100 %

× ( )

=

그림

수침으로 인한 강도 변화

수침에서 높은 강도 증가를 보이다가 4, 5회 수침에서 약간 증가(

하거나 감소(

있다. 수침횟수에 따른 강도 증가율을 각각의 시멘트비에 대 하여 표 4에 비교하였다. 이러한 경향은 그림 7에 나타나 있는 수침횟수에 따른 함수비 변화를 이용하여 그 이유를 설명할 수 있다. 즉 시멘트비가 8%인 공시체는 투수성이 좋아 3회 반복수침 이후에도 지속적으로 함수비가 증가하여 수화작용에 필요한 수분을 지속적으로 공급하기 때문에 강 도가 3회 이후에도 지속적으로 증가하는 경향을 보인다. 시 멘트비가 8%인 공시체는 3회 수침했을 때보다 4회 수침했 을 경우 함수비가 약 3% 정도 증가하였다. 하지만 시멘트 비가 12, 16%인 공시체의 4회 수침했을 때의 함수비는 3회 수침했을 때보다 1% 내외로 증가하였으므로 수화작용에 필 요한 수분 공급이 원활하지 않아 강도가 증가하지 않은 것 으로 판단된다.

4.3.2

강성 특성

고결모래의 일축압축시험 결과 일반적인 응력 및 변형률 관계는 그림 8과 같다. 즉, 구속압이 작용하지 않으므로 재 하 초기에는 완만한 곡선 형태로 응력이 증가하다가 그 이 후에는 응력-변형률이 선형 관계를 나타내다가 다시 공시체 내에서 부분적으로 항복이 진행됨에 따라 응력 증가율이 감 소하면서 최대강도에 도달하게 된다. 최대강도 이후에는 시 멘트비가 높을수록 취성이 크므로 급작스런 파괴를 일으키 게 된다. 그림 8과 같이 응력-변형률 관계가 선형인 범위의 최대강도를 나타내는 선형한계강도(Linear limit strength, σ

와 이 구간의 기울기를 탄성계수 E로 정의하였다. 반복되 는 수침에 따른 탄성계수의 변화를 그림 9에 비교하였다.

시멘트비 4%를 제외하면 시멘트비와 수침횟수가 증가할수록 탄성계수도 증가하는 경향을 보였다. 그리고 선형한계강도와 최대강도의 비를 그림 10에 비교하였다. 이 값은 시멘트비에 관계없이 최대강도와 유사하게 수침횟수가 증가함에 따라 증 가하는 경향을 보이고 있으며, 선형한계강도는 최대강도의 약 70~85% 정도임을 알 수 있다. 또한 이 값은 시멘트 혼 합토의 거동을 선형탄성완전소성모델로 예측할 경우 파괴강 도로 사용할 수 있다.

4.3.3

함수비 변화 및 파괴 형상

수침시키는 않은 공시체와 중간에 1회 수침시킨 공시체의 표

수침횟수에 따른 강도 증가율

Cement ratio (%)

Number of wetting

0 1 2 3 4 5

4 0% 5% -16% 19% 28% 36%

8 0% 27% 72% 92% 93% 104%

12 0% 31% 42% 55% 49% 37%

16 0% 34% 56% 61% 55% 57%

그림

양생기간이

일인 공시체의 수침횟수에 따른 강도 변화

그림

양생기간이

일인 공시체의 수침횟수에 따른 함수비 변화

그림

고결모래의 일축압축응력

변형률 관계

그림

수침횟수에 따른 탄성계수의 변화

함수비는 시멘트비가 4%로 낮은 경우에는 서로 차이가 없 었으나 시멘트비가 증가함에 따라 중간에 1회 수침시킨 공 시체가 0.3%에서 0.6% 정도 큰 것을 알 수 있다. 그림 7 은 수침횟수에 따른 WT시리즈의 함수비의 변화를 나타내었 다. 시멘트비가 12, 16%인 경우 공시체의 수밀성이 좋기 때문에 수침횟수 증가에 따라 함수비는 2%에서 8%까지 크 게 증가하지는 않았다. 하지만 시멘트비가 4%로 가장 낮은 경우 투수성과 통기성이 좋기 때문에 1, 2회 반복수침에서는 통풍이 잘 되어 쉽게 건조되기 때문에 함수비가 1% 정도로 낮았으나 수침횟수가 4, 5회로 증가함에 공시체 내로 들어가 는 물의 양이 증가하여 함수비는 최대 10% 정도까지 증가 하였다. 그림 11은 시멘트비는 다르지만 동일한 공시체(즉,

WT-6, 12, 18, 24

공시체)를 5회 반복하여 수침시키는 동

안 수침시키기 직전마다 무게를 측정한 결과이다. 다음 번 수침까지 대기중에서 양생하는 시간은 표 3에 있는 것처럼 보통 4일 정도이다. 시멘트비가 높은 경우 앞서 언급한 함 수비 변화와 같이 무게의 변화도 작게 나타났다. 5회 반복 하여 수침시키면서 양생할 경우 공시체의 최종 무게는 시멘 트비에 관계없이 최초 시료 제작 직후의 무게와 1% 정도 가볍지만 거의 동일하였다.

공시체의 파괴 형상은 일반적으로 최대강도가 발휘될 즈음 윗부분에서 크랙이 발생하면서 아랫부분으로 전달되었다. 전 단이 진행될수록 여러 개의 수직방향 크랙이 추가적으로 발 생하면서 윗부분에는 그림 12(점선 내)와 같이 거꾸로 된 쇄기 모양의 고결모래가 공시체 내부를 계속 압박하여 공시

체의 윗부분이 갈라지면서 공시체가 파괴되었다. 그림 13은 시멘트비가 다른 공시체의 파괴 후 전자현미경사진이다. 시 멘트비가 4%와 8%인 경우 모래 입자들이 비교적 선명하게 불거져 있을 뿐 아니라 입자 사이에 공극이 많이 존재한다.

하지만 12%와 16%의 경우는 모래 입자가 고결된 시멘트로 묻혀 있어 잘 나타나지 않는다. 또한 시멘트비가 높을수록 모래 입자 주위에 더 많은 시멘트 입자가 고결되어 있는 것 을 확인할 수 있다.

5.

결 론

본 연구에서는 현장에서 활용 가능한 흙이나 강 모래에 소량의 시멘트를 혼합한 시멘트 혼합토가 양생기간 동안에 일시적으로 수침되거나 반복해서 수침이 될 경우 발생하는 강도 변화를 연구하였다. 각각의 수침조건과 시멘트비가 고 결모래의 거동에 미치는 영향을 일축압축시험을 통하여 분 석하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.

1.

시멘트비가 낮은 경우 대기중에서 양생되는 공시체는 양 생기간이 7일일 때 최대강도를 발휘하고 더 기간이 늘어 남에 따라 점차 감소하는 경향을 보였다. 그리고 시멘트비 가 상대적으로 높은 경우 양생기간 7일에서 최대강도를 나타내면서 21일까지 비슷한 강도를 보이다가 28일 강도 에서 급작스럽게 감소하는 경향을 보였다. 그리고 시멘트 혼합토의 일축압축강도는 시멘트비가 증가할수록 재령에 관계없이 선형적으로 증가하였다.

2.

시멘트 혼합토가 수침될 경우 수침되는 시기에 따라 강도 가 달라질 수 있다. 예를 들면, 수침 직후의 강도는 감소 하지만 수침 직후 대기중에서 다시 양생을 시키면 강도가 다시 증가하는 경향을 보였다. 한편 28일 양생기간 동안 중간에 1회 수침시킬 경우 시멘트비에 관계없이 대기중에 서 수침시키지 않고 양생한 공시체보다 30% 이상 강도가 증가하였다.

3.

대기중에서 양생되는 동안에 반복되는 수침은 강도 증가 에 영향을 미치지만 너무 잦은 수침(본 연구에서는 28일 동안 3회 이상)이 반복될 경우 강도 증가를 기대하기 어 려울 뿐 아니라 시멘트비가 높은 경우(12%와 16%)에는 오히려 강도가 감소할 수도 있다. 수침에 따른 탄성계수의

그림

수침횟수에 따른 선형한계강도와 최대강도의 비

그림

동일한 시료의 반복 수침 직전의 무게 변화

그림

공시체의 파괴 시에 형성되는 쇄기 모양의 고결모래

점

선 안

변화도 강도와 유사한 경향을 보였으며, 선형적인 응력-변 형률의 한계는 최대강도의 70~85% 정도였다.

4.

시멘트비가 높을수록 공시체의 수밀성이 증가하기 때문에 반복되는 수침에 따른 함수비 변화가 적다. 시멘트비가 낮을수록 수침 전후의 무게 변화가 크고 함수비 변화가 크다.

5.

현장에서 시공되는 시멘트 혼합토가 급작스런 호우로 수 침될 경우 예상되는 강도 저하를 설계에 적절히 반영하여 야 하며, 특히 최근 국내에서 시공되고 있는 시멘트비가 낮은 CSG 재료는 맑은 날씨 가운데 장기간 노출되어 있 으므로 강도 감소가 발생하지 않도록 주기적으로 수분을 공급하여야 한다.

감사의 글

이 논문은 2009학년도 원광대학교의 교비지원에 의해서 수행되었으며, 이에 감사드립니다.

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(

접수일: 2009.8.24/심사일: 2009.10.7/심사완료일: 2009.10.7)

그림

대기중에서

일 동안 양생한 공시체의 파괴 후 전자현미경 사진