地 盤 工 學
大 韓 土 木 學 會 論 文 集第29卷 第5C 號·2009年 9月 pp. 207~215
양생방법에 따른 고결모래의 일축압축강도 특성
Effect of Different Curing Methods on the Unconfined Compressive Strength of Cemented Sand
박성식*·김기영**·최현석***·김창우***
Park, Sung-Sik·Kim, Ki-Young·Choi, Hyun-Seok·Kim, Chang-Woo
···
Abstract
Cemented soils or concrete are usually cured under moisture conditions and their strength increases with curing time. An insufficient supply of water to cemented soils can contribute to hydration process during curing, which results in the variation of bonding strength of cemented soils. In this study, by the consideration of in situ water supply conditions, cemented sand with cement ratio less than 20% is prepared by air dry, wrapped, moisture, and underwater conditions. A series of unconfined com- pression tests are carried out to evaluate the effect of curing conditions on the strength of cemented soils. The strength of air dry curing specimen is higher than those of moisture and wrapped cured specimens when cement ratio is less than 10%, whereas it is lower when cement ratio is greater than 10%. Regardless of cement ratio, air dry cured specimens are stronger than underwater cured specimens. A strength increase ratio with cement ratio is calculated based on the strength of 4%
cemented specimen. The strength increase ratio of air dry cured specimen is lowest and that of wrapped, moisture, and under- water cured ones increased by square. Strength of air dry cured specimen drops to maximum 30% after wetting when cement ratio is low. However, regardless of cement ratio, strength of moisture and wrapped specimens drops to an average 10% after wetting. The results of this study can predict the strength variation of cemented sand depending on water supply conditions and wetting in the field, which can guarantee the safety of geotechnical structures such as dam.
Keywords :cemented sand, curing method, unconfined compressive strength, wetting
···
요 지
시멘트 혼합토나 콘크리트는 일반적으로 습윤상태를 유지하면서 양생이 되며 양생기간이 늘어남에 따라 수화작용으로 강 도는 증가한다. 하지만 양생기간 동안 시멘트 혼합토에 충분한 수분이 공급되지 않을 경우 이는 수화작용에 영향을 미치고 결국 시멘트 혼합토의 강도 변화를 가져오게 된다. 본 연구에서는 시멘트비가 20% 미만인 시멘트 혼합토가 현장에서 시공 될 때 발생할 수 있는 수분공급 조건을 고려하여 네 가지 양생방법(대기중 양생, 밀봉 양생, 습윤 양생, 수중 양생)으로 제 작된 고결모래의 양생조건에 따른 일축압축강도의 특성을 비교하였다. 전기간(3일) 대기중 양생한 공시체의 강도는 시멘트비 가 10% 미만인 경우 밀봉 및 습윤 양생한 공시체보다 크지만 시멘트비가 10% 이상인 경우는 더 작았다. 시멘트비에 관계 없이 대기중 양생한 공시체가 수중 양생한 공시체보다 더 큰 강도를 발휘하였다. 양생방법이 동일한 경우 시멘트비 4%의 강도를 기준으로 시멘트비 증가에 따른 강도 증가율은 대기중 양생한 공시체가 가장 낮았으며, 밀봉, 습윤 및 수중 양생한 공시체의 강도는 시멘트비 증가율의 제곱으로 증가하였다. 공시체를 2일 양생 후 1일 동안 수침시켰을 때 밀봉 또는 습윤 양생한 공시체의 강도는 수침시키지 않은 공시체보다 시멘트비에 관계없이 평균 10% 정도 저하되었으나, 대기중 양생한 공 시체는 시멘트비가 낮은 경우 최대 30% 정도까지 크게 저하되었다. 본 연구 결과는 현장에서 발생하는 수분공급 조건과 수침에 따른 시멘트 혼합토의 강도 변화를 예측하여 시멘트 혼합토를 사용한 댐과 같은 지반구조물의 안정성 확보에 기여할 수 있다.
핵심용어
:고결모래, 양생방법, 일축압축강도, 수침
···
1.
서 론
흙이나 모래에 시멘트 또는 석고를 섞은 혼합토는 흙 입 자간의 고결작용으로 건조 시 흙의 체적변화를 감소시키거
나 강도를 증가시켜 기초지반 및 연약지반의 보강, 옹벽 뒤 채움재, 도로 및 철도의 성토노반, 기층재료 등으로 사용될 수 있다. 하지만 약하게 고결된 혼합토에 큰 하중이나 높은 구속압이 작용할 경우 고결이 파괴되어 일반 모래와 유사한
*정회원·교신저자·원광대학교공과대학토목환경도시공학부조교수 (E-mail : [email protected])
**정회원·한국수자원공사 K-water 연구원 댐안전연구소 선임연구원
***원광대학교공과대학토목환경도시공학부석사과정
거동을 보이거나 강도 증가를 기대하기 어렵게 된다(Coop
and Atkinson, 1993; Clough
등, 1981; Huang and
Airey, 1998).
최근에도 시멘트 또는 석고와 같은 고결 유발
제를 섞은 혼합토에 관한 연구가 국내외적으로 활발히 진행 되고 있다(김기영 등, 2005; 송창섭과 임성윤, 2002; 이우진 등, 2006; 정우섭, 2006; Abdulla and Kiousis, 1997;
Clough
등, 1981; Saxena and Lastrico, 1978). 특히 이문
주 등(2007a, 2007b, 2008a, 2008b, 2009a, 2009b)은 석 고로 고결된 모래의 강도 특성에 관한 다양한 실험 연구를 수행하였으며, 최근에는 고결이 전단탄성계수를 비롯한 여러 변형계수에 미치는 영향을 분석하였다. Consoli 등(1998,
2000, 2006)
은 높은 구속압 하에서 양생되는 시멘트 혼합토
의 강도가 낮은 구속압 하에서 양생되는 시료보다 더 높다 는 연구 결과를 비롯하여 섬유를 혼합한 시멘트 혼합토에 관한 폭 넓은 연구를 수행하였다. 박성식 등(2008)과
Park(2009)
은 취성파괴를 일으키는 시멘트 혼합토의 거동을
개선하기 위하여 시멘트와 부착이 우수한 PVA섬유를 혼합 한 모래에 관한 연구를 실시하였다.
다양한 종류의 현장 흙에 고결제 역할을 하는 시멘트와 물을 넣고 다진 혼합토인 시멘트 혼합토에는 시멘트가 비교 적 많이 섞인 소일시멘트(soil cement)와 적게 섞인 시멘트 변형토(cement modified soil)가 있다(PCA, 1995). 시멘트 혼합토는 주로 현장에서 활용 가능한 흙이나 강모래에 시멘 트를 3-16% 정도 혼합한 것을 말하며(PCA, 1995), 최근 댐 건설에서 시멘트를 적게 사용하여 비용절감 효과가 있는
RCC(roller compacted concrete)
나 일반 콘크리트보다는 시
멘트비가 훨씬 적다. 이와 같이 시멘트 함유량이 적은 시멘 트 혼합토는 콘크리트보다 수밀성이 훨씬 낮고 투수성이 좋 기 때문에 수분의 증발이나 손실로 인하여 수화작용이 저하 되거나 불충분한 수화반응을 일으킬 수 있다. 현장조건에 따 라 수분증발 및 공급 상황이 다양하게 나타날 수 있으며 이 는 양생에 영향을 미치고 결국 강도 발현에 차이를 일으키 게 된다. 하지만 콘크리트보다 시멘트 함유량이 훨씬 적고 고결력이 약한 시멘트 혼합토에서 수분조건과 같은 양생조 건에 따른 강도 변화에 관한 연구는 국내외적으로 아직 미 흡한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 동일한 건조밀도를 가 진 공시체를 다른 조건으로 양생시키거나 수침시킨 다음 일 축압축시험을 실시하여 강도 특성을 평가하고자 하였다. 양 생과정 중에 발생할 수 있는 수분공급 정도가 시멘트 혼합 토의 강도에 미치는 영향을 평가하였을 뿐 아니라 양생이 상당히 진행된 시멘트 혼합토가 수침될 경우 발생할 수 있 는 강도 저하를 분석하였다. 본 연구 결과는 현장에서 발생 하는 수분공급 조건과 양생 중 또는 양생 후에 강우나 지하 수 유입으로 인한 수침에 따른 시멘트 혼합토의 강도 변화 를 예측하여 시멘트 혼합토를 사용한 댐과 같은 지반구조물 의 안정성 확보에 기여할 수 있다.
2.
시멘트의 양생
2.1
양생조건에 따른 강도 특성
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. 초기 양생온도가 너무 높으면 초기강도는 증가하지만 그 이후의 수화반응을 지연시키므로 장기강도 발휘가 불리 하게 된다(Price, 1951). 일반적으로 콘크리트의 강도는 양생 기간에 따라 증가하며 28일 동안 수중 양생시킨 공시체의 강도 값을 사용하고 있다. 콘크리트의 양생방법으로, 첫째, 대기 중에 노출된 상태로 양생하는 대기중 양생(Air dry
Curing, AC)
이 있다. 둘째, 콘크리트에 물을 뿌리거나 젖은
덮개로 콘크리트를 씌우는 습윤 양생(Moisture Curing,
MC)이 있다. 셋째, 방수지나 양생막을 이용하여 수분 손실 을 막아 주는 방법을 밀봉 양생(Wrapped Curing, WC)이라 하며, 이 방법은 편리하고 일손이 많이 가지 않기 때문에 많은 경우에 전통적인 수중 양생이나 습윤 양생 대신에 자 주 쓰인다(정영수 등, 2008). 물시멘트비(W/C)가 0.4보다 작 을 경우 자기건조가 빠르게 일어날 수 있기 때문에 자기건 조를 막아주는 습윤 양생이 밀봉 양생보다 나은 방법이다(정 영수 등, 2008). 넷째, 물 속에서 양생하는 수중 양생(Un-
derwater Curing, UC)
이 있다. 이와 같은 양생방법에 따른
콘크리트의 강도 변화는 여러 연구자(노인철, 1997; 이영대,
1984;
유희경, 2001; Price, 1951; Safiuddin 등, 2007)에
의해 연구되었다. 콘크리트의 경우 대기중 양생한 공시체보 다 수중 양생한 공시체의 강도가 더 높은 것이 일반적이다
(Price, 1951).2.2
현장상황에 따른 양생조건
최근 시멘트 혼합토는 현장 흙을 이용한 댐 공사(김기영 등, 2005)나 도로공사에 사용되고 있으며 이와 같이 현장 시공된 시멘트 혼합토는 콘크리트보다 수밀성이 훨씬 낮기 때문에 양생 중에 함수비 유지가 어려울 뿐만 아니라 수분 이 훨씬 빨리 증발하는 경향이 있다. 따라서 혼합에 사용한 초기 함수비 유지나 수분 조절이 어려운 현장에서는 타설된 깊이에 따라 그림 1과 같은 다양한 양생조건이 나타날 수 있다. 즉, 지표면 근처에서는 공기 중으로 수분이 증발하는 대기중 양생과 유사하며, 지표면 보다 다소 아래에서 양생될 경우 수분 손실이나 증발을 막기만 하는 밀봉 양생과 유사 하며, 지표면보다 상당히 아래에서 양생될 경우 양생에 필요 한 수분이 공급되는 습윤 양생과 유사하게 된다. 그리고 지 하수위 아래에서 양생될 경우 수중 양생이 된다. 시멘트 수 화반응에 필요한 이론수량은 시멘트 페이스트량의 약 40%
정도이며 이 가운데 25%는 시멘트 중의 각성분과 화학적으
그림
1.현장상황에 따른 양생조건
로 결합하는데 사용되고 15% 정도는 수화물에 고착되는 수 량이다(유희경, 2001). 물시멘트비를 40% 이상으로 하더라도 수화반응 시에 시료 내에 공극이 생기면서 공극 주위에 있 는 시멘트에 추가적으로 수분을 공급해야만 완전한 수화가 일어난다(유희경, 2001). 현장에서 활용 가능한 흙이나 강모 래의 공학적 특성을 개선하기 위하여 시멘트를 소량으로 혼 합할 경우 콘크리트와 마찬가지로 수화가 정상적으로 이루 어져야 요구되는 강도와 내구성을 얻을 수 있다. 따라서 본 연구에서는 그림 1과 같이 현장에서 발생 가능한 양생조건 을 고려하여 공시체를 제작하였으며, 일축압축시험을 실시하 여 수분조건에 따른 강도 특성을 연구하였다.
3.
시멘트 혼합토의 일축압축시험
3.1
일축압축시험 및 실험재료
콘크리트와 같이 서로 다른 재료를 혼합한 복합재료의 품 질을 평가하는 가장 일반적인 방법은 복합재료의 일축압축 강도를 평가하는 것이다. 일축압축시험은 간단하고 빠를 뿐 만 아니라 저렴하고 신뢰할만한 실험방법으로 시멘트 혼합
토에 대한 많은 결과가 축적되어 있다(Consoli 등, 2007).
본 연구에서는 새만금모래에 고결제로 초속경시멘트를 사용 하여 일축압축시험용 공시체를 제작하였다. 새만금모래는 전 라북도 새만금 지역에서 준설한 모래로 그림 2와 같이 약간 모난 모양을 하고 있다. 그림 3은 0.85mm체를 통과한 새만 금모래의 입도분포곡선이며 입도특성은 표 1과 같다. 새만금 모래의 다짐곡선은 그림 4와 같으며 최대건조밀도와 최적함 수비는 1.61g/cm
3과 14%이다. 고결제는 3시간에 7일 강도 발현이 가능하고 도로 교량 긴급보수에 사용되는 비중이
3.14인 국내 S사의 초속경시멘트를 사용하였으며, 몰탈의 압축 강도는 3시간 후 25MPa, 1일 후 30MPa, 3일 후 35MPa,
7일 후 40MPa이다.
3.2
공시체 제작 및 양생
시멘트비는 건조된 모래의 무게에 대한 시멘트의 무게로 다음과 같이 계산하였다.
(1)
여기서 W
c는 시멘트의 무게, W
s는 건조된 모래의 무게이 다. 본 실험에 사용한 시멘트비는 4, 8, 12, 16%이다. 모래 에 소량의 시멘트를 혼합할 경우 최대건조밀도는 증가하더 라도 최적함수비는 크게 변하지 않는다는 정우섭(2006)의 연 구결과로부터 새만금모래의 최적함수비 14%를 시멘트 혼합 토의 최적함수비로 가정하였다. 시멘트 혼합토는 건조된 모 래 1000g에 정해진 양의 시멘트를 잘 혼합한 다음 최적함 수비로 다시 잘 비빈다. 잘 비빈 시멘트 혼합토를 약 200g 씩 5등분한 다음 각 등분을 다짐몰드에 넣고 다졌다. 다짐 에 사용한 램머(rammer)의 직경은 65mm이고 무게는 2.6kg 이며, 그림 5는 다짐몰드와 램머의 사진이다. 다짐방법은 과 다짐으로 입자파쇄가 발생하지 않도록 수정 D다짐방법에 의 한 다짐에너지의 약 95% 정도가 되도록 공시체를 5층으로 나누고 층당 50회, 낙하높이는 20cm로 일정하게 유지하였 다. 그림 5에 있는 높이 30cm의 몰드 연결기는 램머가 시료
ρ
c Wc Ws--- 100 %
× ( )
=
표
1.새만금모래의 입도특성
Maximum void ratioemax
Minimum void ratio
emin Gs Effective grain size
D10 (mm)
Mean grain size D50 (mm)
Uniformity coefficient Cu
1.237 0.765 2.64 0.25 0.41 1.64
그림
2.새만금모래의 전자현미경 사진
그림
3.새만금모래의 입도분포곡선
그림
4.새만금모래의 다짐곡선
를 잘 다질 수 있도록 낙하거리를 안내하는 역할을 하였으 며, 제작된 공시체의 크기는 직경 7cm, 높이 14cm이다.
다짐으로 완성된 공시체는 2.2절에서 언급한 현장조건과 유사한 네 가지 양생조건(대기중 양생, 밀봉 양생, 습윤 양 생, 수중 양생)으로 3일 동안 양생시켰으며, 공시체에 따라
필요한 경우 2일 양생 후 1일 동안 수침시켰다. A시리즈는 표 2와 같이 네 종류의 시멘트비에 대하여 각각 수중 양생 을 제외한 세 가지 조건으로 3일 동안 계속 양생시켰다. A 시리즈에서 3일 후의 함수비는 양생방법에 따라 약간씩 달 랐다. 즉, 대기중 양생한 경우 1-5% 사이이며 시멘트비가 높을수록 최종 함수비가 커지는 경향을 보였다. 밀봉 및 습 윤 양생한 경우의 최종 함수비는 9-12%사이로 서로 비슷하 였으나, 대기중 양생한 공시체와 반대로 시멘트비가 높을수 록 최종 함수비는 감소하는 경향을 보였다. B시리즈는 A시 리즈와 동일하게 2일 동안 양생시킨 다음 나머지 1일은 수 침시켰다. B시리즈는 마지막 1일 동안 수침시키기 때문에 시멘트비가 동일한 경우 최종 함수비는 표 3에 나타난 것처 럼 거의 유사하였다. 하지만 공시체의 시멘트비가 증가할수 록 공시체 내의 간극이 감소하거나 작아지기 때문에 수침 후의 함수비가 감소하는 경향을 보였다. C시리즈는 3일 동 안 물에 잠긴 상태로 수중 양생한 공시체로 함수비는 표 4 에 나타난 것처럼 1일 수침시킨 B시리즈와 유사하였다. 세 시리즈의 공시체는 동일한 방법으로 제작되어 건조밀도는 시 멘트비가 동일한 경우 1% 오차범위 이내에서 거의 동일하 그림
5.공시체 제작에 사용한 장비
표
2. A시리즈
(3일 양생
)의 실험조건 및 결과
Test Cement ratio (%) Curing condition
ρ
d (g/cm3) w (%) Peak strength (kPa) Axial strain at peak strength (%) A-14
AC (3) 1.56 1.9 542 0.70
A-2 WC (3) 1.56 12.5 381 0.79
A-3 MC (3) 1.56 12.2 397 0.73
A-4
8
AC (3) 1.63 3.1 2036 0.94
A-5 WC (3) 1.64 11.1 1507 0.83
A-6 MC (3) 1.62 11.2 1461 0.92
A-7
12
AC (3) 1.68 3.8 3905 1.26
A-8 WC (3) 1.68 10.0 4374 1.07
A-9 MC (3) 1.68 10.1 4412 1.16
A-10
16
AC (3) 1.72 4.5 6493 1.50
A-11 WC (3) 1.71 10.6 6774 1.43
A-12 MC (3) 1.72 9.2 6638 1.40
*Note: AC: Air dry Curing, WC: Wrapped Curing, MC: Moisture Curing
표
3. B시리즈
(2일 양생 후
1일 수침
)의 실험조건 및 결과
Test Cement ratio (%) Curing condition
ρ
d (g/cm3) w (%) Peak strength (kPa) Axial strain at peak strength (%) B-14
AC (2) + UC (1) 1.56 18.6 368 0.78
B-2 WC (2) + UC (1) 1.56 18.5 354 0.72
B-3 MC (2) + UC (1) 1.56 18.5 367 0.66
B-4
8
AC (2) + UC (1) 1.62 15.4 1401 0.78
B-5 WC (2) + UC (1) 1.63 15.7 1374 0.76
B-6 MC (2) + UC (1) 1.62 15.3 1279 0.87
B-7
12
AC (2) + UC (1) 1.68 12.8 3014 1.00
B-8 WC (2) + UC (1) 1.68 14.7 4007 1.07
B-9 MC (2) + UC (1) 1.68 13.7 3827 1.15
B-10
16
AC (2) + UC (1) 1.73 13.3 4870 1.29
B-11 WC (2) + UC (1) 1.71 14.9 5902 1.27
B-12 MC (2) + UC (1) 1.72 13.5 5985 1.29
*Note: AC: Air dry Curing, WC: Wrapped Curing, MC: Moisture Curing, UC: Underwater Curing
였으며, 시멘트비가 증가할수록 비중이 큰 시멘트양이 증가 하여 건조밀도가 약간 증가하는 경향을 보였다. 표 2, 3, 4 와 같이 건조밀도는 1.56-1.73g/cm
3사이이다.
4.
실험결과 및 분석
4.1
양생방법에 따른 영향
4.1.1
일축압축강도 특성
표 2, 3, 4와 같이 A, B, C시리즈에 해당하는 각각의 공 시체를 일축압축시험기를 이용하여 1%/min의 속도로 압축하 였다. A와 C시리즈는 시멘트 함유량이 20% 미만인 시멘트 혼합토가 현장에서 일어날 수 있는 양생방법에 따른 강도 특성을 분석하였다. 즉 수중 양생(C시리즈)을 포함하여 앞서 언급한 네 가지 양생조건에 따른 일축압축강도(q
u)의 차이를 비교하였다. 그림 6은 A시리즈 중에서 대표적으로 대기중 양생한 공시체의 응력-변형률 곡선을 나타내고 있다. 시멘트 비가 10% 이상인 경우(A-7, A-10) 응력-변형률 거동이 최 대강도에 도달한 후에 급작스럽게 응력이 떨어지는 취성적 인 파괴 현상을 보였다. 그림 7(a)는 A시리즈와 수중 양생 한 C시리즈의 결과 중에서 시멘트비에 따른 일축압축강도의 변화를 나타내고 있다. 대기중 양생한 공시체의 강도는 시멘 트비가 10% 미만일 경우 밀봉 및 습윤 양생한 공시체보다 크지만 시멘트비가 10% 이상일 경우는 더 작았다. 시멘트비 에 관계없이 대기중 양생한 공시체가 수중 양생한 공시체보 다 더 큰 강도를 나타냈다. A시리즈에서 밀봉 양생한 공시 체와 습윤 양생한 공시체는 양생 중 수분조건이 유사할 뿐 만 아니라 최종 함수비도 거의 동일하기 때문에 강도가 서 로 유사하였다. 뿐만 아니라 시멘트비가 10% 이상일 경우 대기중 양생한 공시체보다 더 높은 강도를 나타내며 이것은 시멘트비가 높아질수록 강도 발현에 더 많은 수분이 요구되 기 때문으로 판단된다. 하지만 시멘트비가 10% 미만인 경우
대기중 양생한 공시체의 강도가 가장 높았다. 수중 양생한 공시체가 다른 공시체보다 낮은 강도를 보인 것은 대기중, 밀봉, 및 습윤 양생한 공시체보다 함유하고 있는 수분이 많 고 시료 내의 물이 윤활작용을 한 것으로 판단된다
(Schwartz, 1939).
표 2와 4에 A와 C시리즈에서 얻은 일축
압축강도를 비롯한 실험결과를 정리하였다.
4.1.2
변형 특성
탄성계수 E
50은 일축압축강도의 50%에 해당하는 변형률을 이용하여 계산한 할선탄성계수이며, 그림 8과 같이 시멘트비 가 4%(E
50은 평균 100MPa 정도)에서 12%(E
50은 평균
350MPa
정도)사이에서는 양생방법에 관계없이 선형적으로
증가하다가 12%에서 16%(E
50은 평균 400MPa 정도)사이에 서 증가율이 다소 감소하는 경향을 보였다. 시멘트비의 증가 에 따라 혼합토의 탄성계수가 증가한다는 것은 이미 잘 알려 진 사실이다(김기영 등, 2005; 이우진 등, 2006; 정우섭,
2006).
파괴(최대강도) 시 축변형률은 그림 6(A시리즈의 대기
중 양생한 공시체)에 나타난 것처럼 시멘트비가 증가할수록 약간 증가하는 경향을 보였으며, 양생방법에 관계없이 그림 표
4. C시리즈
(3일 수중 양생
)의 실험조건 및 결과
Test Cement ratio (%) Curing condition
ρ
d (g/cm3) w (%) Peak strength (kPa) Axial strain at peak strength (%)C-1 4 UC (3) 1.56 17.5 371 0.63
C-2 8 UC (3) 1.63 15.7 1567 0.72
C-3 12 UC (3) 1.69 13.9 3891 1.07
C-4 16 UC (3) 1.73 13.7 5802 1.33
그림
6. A시리즈의 응력
-변형률 곡선
그림
7.양생방법에 따른 일축압축강도의 변화
: (a) A와
C시리즈
결과
, (b) B와
C시리즈 결과
9
에 나타난 것처럼 0.7%에서 1.5% 범위 내에서 시멘트비가 증가함에 따라 증가하는 경향을 보였다. 김주철과 이종규
(2002)
는 시멘트를 혼합한 경량기포혼합토의 일축압축시험에
서 이와 유사한 결과를 보고하였으며, 정문걸(2007)도 약하 게 고결된 시멘트 혼합토의 삼축압축시험에서 시멘트비의 증 가에 따라 파괴 시 축변형률이 증가하는 경향을 보였다. 하 지만 Clough 등(1981)을 비롯한 몇몇 연구자(김주철과 이종 규, 2002; Schnaid 등, 2001)에 의하면 시멘트를 혼합한 모 래와 경량기포혼합토의 삼축시험 결과에서 이와 반대로 고 결이 증가할수록 파괴 시 축변형률은 감소하는 경향을 보였 다. 결과적으로 파괴 시 축변형률은 시험방법이나 공시체 제 작 및 양생방법에 따라 얻어지는 결과가 다를 수 있다. 그 림 10은 완성된 공시체의 모습과 대기중 양생한 공시체인
A-4, 7, 10
의 파괴 후 모습이다. 일반적으로 최대하중에 도
달한 이후에 공시체의 상부에서 연직방향으로 크랙이 발생 하며 점점 하부로 전파되어 가는 경향을 보였다. 여러 개의 연직방향 크랙이 발생하면서 형성되는 파괴면은 수평방향에 서 약 70-80도 기울어져 형성되며 거의 연직에 가깝다. 함 수비가 높은 수침한 공시체에서는 비교적 적은 수의 크랙이 관찰되었다. 함수비가 낮을수록 시멘트비가 높을수록 파괴면 의 각도는 연직에 가까운 경향을 보였다. 그림 11은 실험이 끝난 다음 공시체의 일부분을 전자현미경으로 관찰한 사진 이다. 모래 입자 주위로 시멘트가 붙어 있으며 시멘트로 인 한 모래 입자의 고결은 공시체 파괴 시에 발생한 크랙으로 대부분 끊어진 것으로 보인다.
그림
8.탄성계수
E50관계
그림
9.파괴 시 축변형률 관계
그림
10.실험 전
(a)과 후
(b, c, d)의 공시체의 모습
그림
11.고결모래의 파괴 후 모습
(전자현미경 사진
)4.2
수침으로 인한 영향
4.2.1
일축압축강도 특성
양생 중 또는 양생 후에 강우나 지하수 유입으로 인한 함 수비 변화로 현장에서 시공되는 시멘트 혼합토의 강도 변화 가 일어날 수 있다. A시리즈는 전기간(3일) 대기중, 밀봉, 그리고 습윤 양생시켰으나, B시리즈는 2일 동안 각각의 조 건에 따라 양생시킨 후 1일 동안 수침시켰다. 그림 7(b)는
B시리즈와 3일 동안 수침시켜 수중 양생한 C시리즈 결과로 시멘트비에 따른 일축압축강도의 변화를 나타내고 있다. B 시리즈에서 밀봉 양생한 공시체와 습윤 양생한 공시체의 강 도는 거의 동일하며 시멘트비가 10% 이상일 경우 가장 높 은 값을 나타내었다. A와 B시리즈 결과를 서로 비교하여 각각의 양생방법으로 양생된 공시체에 물이 유입되었을 때 발생할 수 있는 강도 변화를 분석하였다. 투수성이 상당히 낮은 암석이나 시멘트를 수침시킬 경우 어느 정도 강도 저 하가 발생하는 것으로 알려져 있으나(정영수 등, 2008;
Ditte and Labuz, 2002),
투수성이 비교적 높은 재료인 고
결모래에 대한 연구 결과는 부족하다. A시리즈와 B시리즈에 서 서로 비교 대상이 되는 공시체(예: A-1과 B-1)는 서로 동일한 건조밀도를 가지고 있으나 함수비가 다르다. 1일 수 침시킨 B시리즈는 A시리즈보다 다소 낮은 강도를 나타내며, 그림 12는 각각의 양생방법에서 수침으로 인한 강도 변화를 나타내고 있다. 이와 같은 수침으로 인한 강도 저하율
(strength degradation ratio, SDR)
을 식 (2)와 같이 정의하
였을 때, 그림 13은 각각의 양생방법에 대하여 시멘트비와
SDR의 관계를 비교하였다.
(2)
결과적으로 대기중 양생한 공시체는 시멘트비에 따라 25-
30%,
밀봉 및 습윤 양생한 공시체는 시멘트비에 관계없이
약 10% 정도의 수침으로 인한 강도 저하가 발생하였다. 대 기중 양생한 공시체의 경우 시멘트비가 증가할수록 SDR은 다소 감소하는 경향을 보였다. 정영수 등(2008)은 물로 포화 된 콘크리트는 다음과 같은 이유로 건조한 콘크리트보다 압 축강도가 20% 정도 낮다고 하였다. (i) 흡착된 수분이 제거 되면 C-S-H 입자가 서로 더 가까워져서 반데르발스 결합력
이 증가함으로 인해서 더 강한 시스템을 구성한다. (ii) 응력 이 가해지면 수분이 Si-O-Si 결합을 약하게 한다. (iii) 수분 이 윤활제 역할을 해서 기계적인 맞물림을 약하게 한다. 이 와 같은 이유는 비록 시멘트양이 적지만 시멘트를 혼합한 고결모래에도 일부 해당되리라 판단된다. 수침으로 인한 강 도 저하와 관련된 연구 사례로서 Ditte and Labuz(2002)는 건조한 사암을 수침시킨 다음 실시한 강도실험에서 수침으 로 인한 뚜렷한 강도 저하를 관찰하였다. 그 이유로 물이 고결을 약하게 만들거나 윤활작용을 하여 강도가 저하된다 는 의견이 다수 있다(Schwartz, 1939; 日本土質工學會,
1986).
이대수 등(2009)도 대형직접전단시험기를 이용한 쇄
석재료의 전단시험에서 쇄석재료의 내부마찰각이 수침으로
5%정도 감소한다는 결과를 발표하였다.
4.3
시멘트비에 따른 강도 증가율
그림 14는 대기중 양생한 공시체 그리고 밀봉, 습윤 및 수중 양생한 공시체에 대하여 시멘트비의 증가에 따른 일 축압축강도 변화를 비교하고 있다. 동일한 양생방법에서 시 멘트비가 4%일 때의 일축압축강도를 기준으로 시멘트비 증가에 따른 강도 증가율은 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다.
(3)
여기서,
ρ
c: %로 표기한 시멘트비
qu, ρc:
시멘트비가 ρ
c인 시멘트 혼합토의 일축압축강도(kPa)
qu, 4%:
시멘트비가 4%인 시멘트 혼합토의 일축압축강도(kPa)
k1:
상수로서 1.0271(대기중 양생), 0.9837(밀봉 양생),
0.971(
습윤 양생), 1.0263(수중 양생)
k2:
상수로서 1.7855(대기중 양생), 2.1269(밀봉 양생),
2.091(
습윤 양생), 2.0254(수중 양생)
그림 14와 식 (3)으로부터 네 가지 양생방법 중에서 밀봉, 습윤 및 수중 양생한 경우 시멘트비 증가에 따른 강도 증가 율이 서로 비슷하였으며, 시멘트비가 4%에서 16%로 4배 증 가할 경우 강도 증가율(q
u,ρc/qu,4%)은 시멘트 증가율(ρ
c/4%)의 제곱인 약 16배 정도로 증가하였다. 하지만 대기중 양생
SDR qu(A 시리즈)–qu B( 시리즈)qu A( 시리즈)
--- 100 %
× ( )
=
qu,ρc qu 4%, --- k1
ρ
c4%---
⎝ ⎠
⎛ ⎞
k2=
그림
12.양생방법이 다른 공시체에서 수침으로 인한 강도 저하
: (a)대기중 양생
, (b)밀봉 양생
, (c)습윤 양생
그림
13.수침에 따른 강도 저하율
한 공시체의 경우 시멘트비가 4배로 증가할 경우 강도 증가 율은 12배 정도로 상대적으로 낮았다.
5.
결 론
본 연구에서는 현장에서 활용 가능한 흙이나 강모래에 소 량의 시멘트를 혼합한 시멘트 혼합토의 양생방법에 따른 강 도 특성을 연구하였다. 현장에서 가능한 양생방법은 대기중 양생, 밀봉 양생, 습윤 양생, 수중 양생이 있다. 각각의 양 생방법에 따른 수분공급 정도와 시멘트비 그리고 수침이 고 결모래의 강도에 미치는 영향을 일축압축시험 강도를 통하 여 분석하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
1.
양생방법에 상관없이 시멘트비가 증가할수록 일축압축강 도는 선형적으로 증가하였다.
2.
시멘트비가 10% 미만인 경우 대기중 양생한 공시체의 강도가 가장 크게 나타났지만, 10% 이상인 경우 수화에 필요한 수분 증가로 밀봉 또는 습윤 양생한 공시체의 강 도가 더 크게 나타났다. 한편 시멘트비에 관계없이 상대 적으로 많은 물을 포함하고 있는 수중 양생한 공시체의 강도가 대기중 양생한 공시체보다 전반적으로 낮게 나타 났다.
3.
수침으로 인한 고결모래의 강도 저하는 밀봉 또는 습윤 양생한 공시체보다 대기중 양생한 공시체의 경우가 더 크 게 나타났으며, 특히 대기중 양생한 공시체에서 시멘트비 가 낮은 경우 30% 정도의 강도 저하가 발생하였다. 따라 서 시멘트 혼합토에서 수분 유입으로 인한 강도 저하를 최소화하기 위해서는 양생기간 동안 수분증발을 막거나 충 분한 수분을 공급해야 한다.
4.
대기중 양생한 공시체의 시멘트비 증가에 따른 강도 증가 율은 선형적으로 증가하지만, 밀봉, 습윤 및 수중 양생한 고결모래의 경우 시멘트비 증가에 따른 강도 증가율이 지 수형태로 훨씬 크게 나타났다.
감사의 글
일축압축시험 공시체 제작에 많은 도움을 준 원광대학교 토 목환경도시공학부 구본수 군과 우창수 군에게 감사드립니다.
참고문헌
김기영, 박한규, 전제성(2005) Cemented sand and gravel 재료 의 강도특성, 한국지반공학회 논문집, 한국지반공학회, 제21 권, 제10호, pp. 61-71.
김주철, 이종규(2002) 준설토를 이용한 경량기포혼합토의 역학적 특성 연구, 한국지반공학회논문집, 한국지반공학회, 제18권, 제4호, pp. 309-317.
노인철(1997) 양생온도 변화에 따른 고성능 콘크리트 연구, 석사 학위논문, 한양대학교.
이영대(1984) 양생방법이 콘크리트의 압축강도에 미치는 영향, 석 사학위논문, 서울대학교.
유희경(2001) 양생방법에 따른 현장콘크리트의 압축강도 비교연 구, 석사학위논문, 건국대학교.
박성식, 김영수, 최선규, 신시언(2008) 단섬유를 사용한 시멘트 혼합토의 일축압축강도 특성, 대한토목학회논문집, 대한토목학 회, 제28권, 제4C호, pp. 213-220.
송창섭, 임성윤(2002) 보강 혼합토의 역학적 특성(1)-시멘트 혼합 토, 한국환경복원녹화기술학회지, 한국환경복원녹화기술학회, 제5권, 제6호, pp. 9-13.
이대수, 김경열, 송성연, 오기대, 정상섬(2009) 대형직접전단시험 을 이용한 조립재료의 전단거동 특성 (III)- 최종 종합 분석, 한국지반공학회논문집, 한국지반공학회, 제25권, 제4호, pp.
39-54.
이문주, 최성근, 이우진(2008a) 고결모래의 강도정수 평가, 한국 지반공학회논문집, 한국지반공학회, 제24권, 제11호, pp. 91-
100.이문주, 최성근, 추현욱, 조용순, 이우진(2007a) 응력조건에 따른 고결모래의 강도정수 평가, 한국지반공학회논문집, 한국지반공 학회, 제23권, 제5호, pp. 143-151.
이문주, 최성근, 추현욱, 조용순, 이우진(2007b) 고결모래의 강도 특성에 대한 영향요인 분석, 한국지반공학회논문집, 한국지반 공학회, 제23권, 제12호, pp. 75-82.
이문주, 최성근, 추현욱, 조용순, 이우진(2008b) 낙사법으로 조성 된 대형 석고 고결시료의 균질성, 한국지반공학회논문집, 한 국지반공학회, 제24권, 제1호, pp. 91-99.
이문주, 최성근, 홍성진, 이우진(2009a) CPT와 DMT에 의한 사 질토 고결영향 평가, 한국지반공학회논문집, 한국지반공학회, 제25권, 제2호, pp. 67-77.
이문주, 홍성진, 김재정, 이우진(2009b) 사질토의 변형계수에 미 치는 고결영향 분석, 한국지반공학회논문집, 한국지반공학회, 제25권, 제3호, pp. 39-48.
이우진, 이문주, 최성근, 홍성진(2006) 고결에 따른 모래의 비배 수 전단거동 변화, 한국지반공학회논문집, 한국지반공학회, 제
22권, 제4호, pp. 85-94.
정문걸(2007) 시멘트
-섬유 혼합토의 강도특성에 관한 연구, 석사 학위논문, 경북대학교.
정우섭(2006) 낙동강 하상모래의 시멘트 혼합율에 따른 강도특성, 박사학위논문, 경북대학교.
정영수, 김진근, 최석환, 하재담, 박홍근(2008) 콘크리트, 동화기 술.
日本土質工學會(1986) 組立材料の 變形と强度.
Abdulla, A.A. and Kiousis, P.D. (1997) Behavior of cemented sands-I. Testing, International Journal for Numerical and Ana- lytical Methods in Geomechanics, Vol. 21, pp. 533-547.
Clough, G.W., Sitar, N., Bachus, R.C., and Rad, N.S. (1981) Cemented sands under static loading, Journal of the Geotechni- cal Engineering Division, Vol. 107, No. GT6, pp. 799-817.
Coop, M.R. and Atkinson, J.H. (1993) The mechanics of cemented carbonate sands, Geotechnique, Vol. 43, No. 1, pp. 53-67.
Consoli, N.C., Foppa, D., Festugato, L, and Heineck, K.S. (2007) Key parameters for strength control of artificially cemented soils, Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engi- neering, Vol. 133, No. 2, pp. 197-205.
Consoli, N.C., Prietto, P.D.M., and Ulbrich, L.A. (1998) Influence
그림
14.시멘트비
4%일 때의 강도를 기준으로 시멘트비 증가에
따른 강도 증가율
of fiber and cement addition on behavior of sandy soil, Jour- nal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, Vol.
124, No. 12, pp. 1211–1214.
Consoli, N.C., Rotta, G.V, and Prietto, P.D.M. (2000) Influence of curing under stress on the triaxial response of cemented soils, Geotechnique, Vol. 50, No. 1, pp. 99-105.
Consoli, N.C., Rotta, G.V. and Prietto, P.D.M. (2006) Yielding-com- pressibility-strength relationship for an artificially cemented soil cured under stress, Geotechnique, Vol. 56, No. 1, pp. 69- 72.
Dittes, M. and Labuz, J.F. (2002) Field and laboratory testing of St.
Peter sandstone, Journal of Geotechnical and Geoenvironmen- tal Engineering, ASCE, Vol. 128, No. 5, pp. 372-380.
Huang, J.T. and Airey, D.W. (1998) Properties of artificially cemented carbonate sand, Journal of Geotechnical and Geoen- vironmental Engineering, Vol. 124, No. 6, pp. 492-499.
Park, S.-S. (2009) Effect of fiber reinforcement and distribution on unconfined compressive strength of fiber-reinforced cemented sand, Geotextiles and Geomembranes, Vo. 27, No. 2, pp. 162- 166.
PCA (1995) Soil-cement construction handbook, Portland Cement Association.
Price, W.H. (1951) Factors influencing concrete strength, ACI Jour- nal, Proceedings Vol. 47, Feb, pp. 417-432.
Safiuddin, M., Raman, S.N. and Zain, M.F.M. (2007) Effect of dif- ferent curing methods on the properties of micorsilica con- crete, Australian Journal of Basic and Applied Sciences, Vol. 1, No. 2, pp. 87-95.
Saxena, S.K. and Lastrico, R.M. (1978) Static properties of lightly cemented sand, Journal of the Geotechnical Engineering Divi- sion, Vol. 104, No. GT12, pp. 1449-1464.
Schnaid, F. Prietto, P.D.M. and Consoli, N.C. (2001) Characteriza- tion of cemented sand in triaxial compression, Journal of Geo- technical and Geoenvironmental Engineering, Vol. 127, No.
10, pp. 857-868.
Schwartz, G.M. (1939) Foundation conditions at the sites of the proposed St. Anthony Falls locks Minneaplis, Minnesota. Rep.
to the U.S. Army Corps of Engineers, St. Paul District.
(
