확폭도로성토체로 사용된 경량기포혼합토의 특성과 현장 적용성

工學博士 學位論文

확폭도로성토체로 사용된

경량기포혼합토의 특성과 현장 적용성

Characteristics and Field Application of the Lightweight Air-Mixed Soils Used for Embankment of Road Extension

指導敎授 金 泰 亨

2010 年 8 月

韓國海洋大學校 大學院

土木環境工學科

安 永 均

工學博士 學位論文

확폭도로성토체로 사용된

경량기포혼합토의 특성과 현장 적용성

Characteristics and Field Application of the Lightweight Air-Mixed Soils Used for Embankment of Road Extension

指導敎授 金 泰 亨

2010 年 8 月

韓國海洋大學校 大學院

土木環境工學科

을 의 으로 함.

本 論文 安永均 工學博士 學位論文 認准

( ) 委員長 金 明 鶴 印

( ) 委 員 張 晶 旭 印

( ) 委 員 徐 榮 敎 印

( ) 委 員 金 允 泰 印

( ) 委 員 金 泰 亨 印

2010 年 8 月

韓國海洋大學校 大學院

목 차 ··· ⅰ LIST OF TABLES ··· ⅳ LIST OF FIGURES ··· ⅵ ABSTRACT ··· ⅸ 요 약 ··· ⅺ

제 1 장 서 론··· 1

연구의 배경

1.1 ··· 1 연구의 목적

1.2 ··· 2

제 2 장 경량성토공법··· 3

경량성토공법의 종류

2.1 ··· 3 경량기포혼합토 공법

2.2 ··· 4 경량기포혼합토의 개요

2.2.1 ··· 4 경량기포혼합토공법의 공학적 특성

2.2.2 ··· 9 경량기포혼합토 공법의 현장 적용 사례

2.2.3 ··· 18

제 3 장 실내시험 ··· 23

재 료

3.1 ··· 23 원료토

3.1.1 ··· 23 시멘트

3.1.2 ··· 24 기포제

3.1.3 ··· 24 물

3.1.4 ··· 26 배합시험

3.2 ··· 26 시험 내용 및 방법

3.3 ··· 27

모관상승고 시험

3.3.2 ··· 29 투수시험

3.3.3 ··· 30 수침시험

3.3.4 ··· 33 사진촬영

3.3.5 ··· 34 결과 및 분석

3.4 ··· 34 일축압축강도

3.4.1 ··· 34 모관상승고

3.4.2 ··· 36 투수계수

3.4.3 ··· 40 수침시험

3.4.4 ··· 40 광물조성과 구조

3.4.5 ··· 41

제 4 장 현장계측··· 45

현장계측의 개요

4.1 ··· 45 현장개요

4.1.1 ··· 45 시공현황

4.1.2 ··· 45 계측현황

4.1.3 ··· 47 계측 관리

4.2 ··· 48 계측기 설치 목적 및 설치 현황

4.2.1 ··· 48 계측관리 기준

4.2.2 ··· 51 계측 결과

4.3 ··· 53 지표침하판

4.3.1 ··· 53 지중경사계

4.3.2 ··· 54 층별침하계

4.3.3 ··· 56 간극수압계

4.3.4 ··· 57 지하수위계

4.3.5 ··· 59 압밀침하량 분석

4.4 ··· 60 분석내용

4.4.1 ··· 60 검토조건

4.4.2 ··· 60 검토방법

4.4.3 ··· 62 검토결과

4.4.4 ··· 65 수치해석

4.4.5 ··· 70

제 5 장 결론 및 제언··· 77

참고문헌 ··· 80

감사의 글 ··· 83

부 록 ··· 84

지표침하판 A. ··· 85

지중경사계 B. ··· 87

층별침하계 C. ··· 91

간극수압계 D. ··· 93

지하수위계 E. ··· 97

Table 2.1 Lightweight embankment construction methods··· 3

Table 2.2 Characteristics of lightweight air-mixed soil··· 5

Table 2.3 Applications of lightweight air-mixed soil method··· 8

Table 2.4 Mixing ratio of lightweight air-mixed soil··· 9

Table 2.5 Creep coefficient and final compressive strain··· 17

Table 3.1 Physical properties of in-situ soil··· 23

Table 3.2 Standard and component of B-type of blast furnance cement··· 24

Table 3.3 Chemical component of animality foaming agent··· 25

Table 3.4 Types and characteristics of foaming agent according to the shooting method··· 26

Table 3.5 Mixing ratio··· 27

Table 3.6 Capillary rise height··· 30

Table 3.7 Coefficient of permeability according to the materials··· 31

Table 3.8 List of analysis equipments··· 34

Table 3.9 Comparison results of unconfined compressive strength··· 36

Table 3.10 Results of coefficient of permeability··· 40

Table 4.1 Installation objectives and number of instruments··· 48

Table 4.2 Frequency of measurement··· 51

Table 4.3 Standard allowance settlement··· 51

Table 4.4 Damage limit of construction··· 52

Table 4.5 Settlement measured by Surface settlement plate··· 53

Table 4.6 Maximum horizontal displacement measured by Inclinometer··· 54

Table 4.7 Settlement measured by Multi-layer extensometer ··· 56

Table 4.8 Excess pore water pressure measured by V.W. Piezometer··· 57

Table 4.9 Results of Water level meter··· 59

Table 4.10 Soil properties··· 61

Table 4.11 Overburden load··· 62

Table 4.12 Construction background··· 62

Table 4.13 Calculation method of stress increase··· 63

Table 4.14 Stress change in soft ground by embankment stages··· 67

Table 4.15 Revaluation of compression index and coefficient of consolidation ··· 68

Table 4.16 Results of consolidation analysis using measured data··· 70

Table 4.17 Step-by-step interpretation method··· 71

Table 4.18 Input parameters··· 73

Table 4.19 Results of numerical consolidation analysis··· 75

Fig. 2.1 Materials of lightweight air-mixed soil··· 4

Fig. 2.2 Relation between unit weight and unconfined compressive strength of embankment materials··· 6

Fig. 2.3 Stress-strain characteristics of lightweight air-mixed soil··· 10

Fig. 2.4 Relation between solidification material additive contents and compressive strength ··· 10

Fig. 2.5 Relation between curing stress and triaxial compressive strength···· 11

Fig. 2.6 Relation between modulus of deformation and compressive strength 12 Fig. 2.7 Relation between curing days and compressive strength··· 14

Fig. 2.8 Effect of curing stress according to the unit weight and unconfined compressive strength··· 15

Fig. 2.9 Relation between unconfined compressive strength and modulus of deformation··· 16

Fig. 2.10 Shear creep displacement according to the elapsed time··· 17

Fig. 2.11 Abutment backfill application cases (JAPAN)··· 18

Fig. 2.12 Embankment of road extension application cases (JAPAN)··· 19

Fig. 2.13 Reducing load method application cases (JAPAN)··· 20

Fig. 2.14 Domestic construction cases··· 21

Fig. 3.1 Particle size distribution curve of in-situ soils··· 23

Fig. 3.2 Unconfined compression test equipment··· 28

Fig. 3.3 Unconfined compression test specimens and failure shape··· 29

Fig. 3.4 Triaxial permeability test equipment··· 31

Fig. 3.5 Schematic diagram of triaxial permeability test equipment··· 32

Fig. 3.6 SEM pictures of lightweight air-mixed soil··· 33

Fig. 3.7 Unconfined compression test results of the specimens cured at both the field and laboratory··· 35

Fig. 3.8 Capillary rise height on the specimens··· 37

Fig. 3.9 Results of capillary rise height test··· 38

Fig. 3.10 Domestic structure of cured lightweight air-mixed soil··· 39

Fig. 3.11 SEM(Scanning Electron Microscope) Image-×1000··· 39

Fig. 3.12 Mineral component of lightweight air-mixed soil··· 41

Fig. 3.13 Vertical and horizontal images of the cut specimens··· 42

Fig. 3.14 Stereoscopic microscope image··· 42

Fig. 3.15 Image of X-ray (left : Negative, right : Positive)··· 43

Fig. 3.16 SEM image of specimens··· 44

Fig. 3.17 Porosity calculation using SEM image··· 44

Fig. 4.1 Plan view of I/C Ramp A and B··· 45

Fig. 4.2 Standard cross-section (A-A) of I/C Ramp A and B··· 46

Fig. 4.3 Standard cross-section (B-B) of I/C Ramp A and B··· 46

Fig. 4.4 Site view before construction··· 47

Fig. 4.5 Site view after construction··· 47

Fig. 4.6 Plan view of instruments installed at I/C Ramp ··· 49

Fig. 4.7 Representative cross-section of instrument-1··· 50

Fig. 4.8 Representative cross-section of instrument-2··· 50

Fig. 4.9 Allowance angular distortion··· 52

Fig. 4.10 Settlement according to the elapsed time : Surface settlement plate at S-RA0050··· 54

Fig. 4.11 Horizontal displacement according to the depth and elapsed time : Inclinometer at I-RA0050··· 55

Fig. 4.12 Settlement graph according to the elapsed time : Multi-layer extensom eter at M-RA0050··· 56

Fig. 4.13 Pore water pressure change : V.W. Piezometer at PW-RA0050··· 58

Fig. 4.14 Change during construction period : Water level meter··· 59

Fig. 4.15 Location of examination object(Ramp-A 0+050)··· 60

Fig. 4.16 Examination cross-section (Ramp-A 0+050)··· 61

Fig. 4.17 Loading and unloading steps··· 66

Fig. 4.18 Stress change of under soft ground according to the embankment 67 Fig. 4.19 Time-settlement curve··· 68

Fig. 4.20 Time-settlement curve(Detailed 'A')··· 69

Fig. 4.21 Consolidation settlement and degree of consolidation··· 70

Fig. 4.22 Analysis modeling··· 71

Fig. 4.24 Analysis results of feedback : Time-settlement curve··· 72

Fig. 4.25 After 4th embankment of lightweight air-mixed soil··· 73

Fig. 4.26 After 7th embankment of lightweight air-mixed soil··· 73

Fig. 4.27 After Vehicle loading on completing embankment··· 74

Fig. 4.28 Dissipation of excess pore water pressure··· 75

Fig. 4.29 Time-settlement curve and degree of consolidation··· 75

Characteristics and Field Application of the Lightweight Air-Mixed Soils Used for Embankment of Road

Extension

by

Young-Kyun Ahn

Department of Civil and Environmental Engineering Graduate School of Korea Maritime University

ABSTRACT

This study is conducted to find out the characteristics and field application of the embankment of road extension constructed by the lightweight air-mixed soil (slurry density 10kN/m³) for a short-term without any soft ground improvement. To confirm the characteristics and field application of lightweight air-mixed soil, compressive strength, capillary rise height, permeability coefficient, micromorphology, field measurement of the lightweight air-mixed soil are studied.

Compression strengths of the specimens sampled at the site after 1 and 5 months of construction are all satisfied the required strength 500kPa. However, it is not convinced the homogeneity construction, because the values of strength are depending on the sampled location.

Strength difference between laboratory and site specimens are found about 19%, and thus it should be considered for mixing design. Capillary

pores existed inside the lightweight air-mixed soil. The capillary rise causes increase the density of the lightweight air-mixed soil, and thus it is required to pay attention on this phenomenon during design and maintenance of the structure constructed by the lightweight air-mixed soil.

In addition to capillary rise, permeability test also is conducted. The coefficient of permeability is about 4.857×10^-6cm/sec, which is a little bit higher than a clay's permeability. To verify the effect of water on the lightweight air-mixed soil, the structure of that is analyzed in detail.

Various size air bubbles are existed inside the lightweight air-mixed soil, and its distribution with a location is almost constant. A numerous tiny pores are existed inside the air bubbles so that the lightweight air-mixed soil can be saturated due to water. Porosity is also estimated through the image analysis.

Based on measurement data, the expanded road embankment

constructed by the lightweight air-mixed soils is well maintained so far.

Relationship between settlement and time of the soft ground placed underneath the expanded embankment is estimated by using the measured data and back analysis technique. The current average consolidation ratio and the final settlement after 120 months later are estimated about 32% and 4.5cm, respectively. This settlement is much less value than the allowable settlement 10cm for this structure.

Synthetically, It can be concluded that the lightweight air-mixed soil used for embankment of road extension is successfully applied.

확폭도로성토체로 사용된

경량기포혼합토의 특성과 현장 적용성

안 영 균

한국해양대학교 대학원 토목환경공학과

요 약

본 연구는 하부연약지반의 지반개량없이 경량기포혼합토공법 슬러지 단위중(

량 10kN/m³)을 적용하여 하중을 경감함으로서 단기간에 확폭시공된 도로성토

체에 대한 품질 및 성능평가와 현장 적용성에 대한 연구로 이를 위해 경량기포

혼합토의 일축압축강도 모관상승고 투수계수, , , 미세구조 현장계측에 대한 연,

구가 수행되었다.

시공 후 각각 1개월과 5개월 경과 후 샘플링 된 공시체에 대한 일축압축강

도시험 결과 모든 공시체가 목표일축압축강도인 500kPa을 만족하는 것으로 나

타났다 다만 공시체의 샘플링 위치에 따라 값에 차이가 발생하는 것으로 보아.

전 구간에 걸쳐 균질하게 경량기포혼합토가 시공되었다고는 볼 수 없을 것 같

다 현장코어와 실험실 공시체의 일축압축강도를 비교해보면 약. 19%정도 강도

차이가 발생되므로 이를 고려한 배합설계가 실제 경량기포혼합도 현장적용에

요구된다 모관상승고 시험 결과. 70시간동안 20cm 가까이 모관상승이 발생되

었는데 이것은 경량기포혼합토 내에 미세한 공극이 존재하기 때문이다 모관상, .

승은 곧 재료의 단위중량 증가를 유발하므로 경량기포혼합토의 설계와 유지관 리 시 각별한 주의가 요구된다.

포혼합토의 투수계수는 4.857×10^-6cm/sec로 점토보다는 약간 큰 값을 갖는

것으로 나타났다. 물과 관련된 경량기포혼합토의 특성변화를 뒷받침하기위해

경량기포혼합토의 미세구조에 대한 연구도 아울러 진행되었다 사진을 통한 미.

세 구조 분석 결과 경량기포혼합토 내의 기포는 다양한 크기로 존재하며 위치,

별 기포의 분포는 거의 일정한 것으로 밝혀졌다 또한 기포 안에 아주 많은 미.

세한 공극들이 존재하여 물에 의해 경량기포혼합토가 포화상태에 가까이 도달

될 수 있음이 밝혀졌다 이미지를 이용한 간극률 산정도 같이 이루어졌다. .

현장 계측결과을 종합하면 현재까지 시공된 성토체에 큰 문제는 없는 것으,

로 나타났다 도로 개통 후 전달하중에 의한 하부 연약지반의 시간 경과에 따.

른 압밀침하관계는 현장에서 측정 되어진 계측결과(1.5cm 침하 를 이용하여)

압축지수와 압밀계수를 재평가하여 정규압밀 점토의 1차원 압밀이론과 수치해

석을 이용하여 산정한 결과 현재 연약지반의 평균압밀도는 32%로 나타났다.

개월 후 예상되는 최종침하량이 약 로 침하량 허용기준 에 훨

120 4.5cm 10cm

씬 못 미치는 거동을 보일 것으로 판단되었다 이상의 결과를 종합해 볼 때 확. ,

폭도로성토체에 대규모로 시공된 경량기포혼합토가 성공적으로 적용되었음을 알 수 있다.

경제 성장 및 국토개발에 따른 항만 신도시 공항 대규모 주택단지 등과 같은 대형, , , 토목공사들이 예정 및 진행되어지고 있는 시점에서 막대한 양의 성토재가 요구되고 있 는 실정이다 그러나 이용할 수 있는 부존자원은 한정적이고 급속한 산업화로 인한 각. 종 폐기물은 날로 증가하는 추세이며 주변 환경오염으로 천문학적인 사회적 비용을 야 기하여 국내뿐만 아니라 세계적으로 큰 문제가 되고 있다 따라서 건설공사에 부수적. 으로 발생되는 건설발생토를 효율적으로 이용할 수 있는 방안으로 경량기포혼합토가 대두되고 있다.

경량기포혼합토는 건설발생토나 준설토 등과 같은 원료토에 물과 시멘트 등의 고화 재를 혼합하여 유동화 시킨 것에 기포를 혼합하여 경량화 시킨 것으로 산악지대나 연, 약지반 위의 성토 옹벽의 뒤채움 구조물의 되메우기 등에 효과적인 재료이다 국내에, , . 서는 종래에 경량성토를 필요로 하는 곳에 EPS가 주재료로 이용되어 왔으나, EPS가 갖는 소성변형 크리프 으로 인해 문제점이 노출되기 시작하면서 최근에는 경량성토재로( ) 서 경량기포혼합토를 적용시키기 위하여 많은 연구가 이루어지고 있다 정종홍( , 2005;

임종철, 2008).

경량기포혼합토의 압축강도에 영향을 미치는 인자들에 대한 국내 연구로서는 시료의 초기함수비 시멘트 함유율 기포의 함유율 및 양생방법 등이 주요인자로 알려졌으며, , 김주철과 이종규 이러한 영향인자들을 이용하여 경량기포혼합토의 임의 배합 ( , 2002),

에 따른 일축압축강도를 추정하는 기법이 해양연구원 윤길림과 김병탁( , 2004)에 의해 개발되어 있다 이후의 연구에서는 현장발생토의 초기함수비 시멘트 첨가량 기포첨가. , , 량을 고려한 정규화계수로 표현되는 일축압축강도의 적절한 회귀식을 제시하고 있으 며 정규화계수가 원료토의 채취지역에 따라 달라지는 것을 지적하고 있다 윤길림과 유, ( 승경, 2004). 원료토의 채취지역에 따라 경량기포혼합토의 일축압축강도가 달라지는 이유는 원료토를 구성하고 있는 모래 실트 점토의 함유량에 따라 기포의 형성을 방해, , 하는 소포현상의 영향으로 보이며 소포현상으로 인해 경량기포혼합토의 단위중량 강, , 도 변형특성 등에 영향을 미치는 것으로 나타났다 송준호 등, ( , 2008; 송준호, 2009).

이와 같이 경량기포혼합토의 경우는 현장에서 발생하는 다양한 원료토에 따라 기포의,

대한 철저한 시공관리가 요구되는 것을 알 수 있다.

경량기포혼합토와 관련된 지금까지 연구 결과를 보면 주로 실내압축강도와 관련된 연구가 주로 이루어졌으며 경량기포혼합토가 현장에 시공된 후의 압축강도 등에 대한, 연구는 미비한 실정이다 또한 강우 등의 주변상황에 따른 지하수위 변화로 인한 물의. 영향이나 경량기포혼합토의 미세구조에 대한 연구도 깊이 있게 이루어 지지 않은 상태 이다.

본 연구에서는 경량기포혼합토가 현장에 시공된 경우 강우 등에 의한 경량기포혼합 토의 특성변화를 알아보기 위하여 실내 실험실에서 양생된 공시체와 현장에서 샘플링 한 공시체에 대하여 각각 시험을 실시하여 품질의 변동을 살펴보고자 한다 또한 시공. 된 이후에 현장시험을 통하여 장기적인 거동을 관찰하여 경량기포혼합토의 적용성을 파악하고자 한다.

이러한 목적으로 경상남도 OO지역에 확폭이 되는 도로의 성토재로 시공된 경량기포 혼합토에 대하여 실내 공시체와 현장에서 샘플링한 공시체의 강도 차이를 규명하기 위 해 실험실 공시체와 현장에서 샘플링한 공시체에 대하여 각각 일축압축시험 실시하였 다 또한 물에 의한 영향을 알아보기 위하여 투수시험과 모관상승고 시험을 실시하였. 고, 경량기포혼합토의 미세구조를 분석하기 위하여 SEM(Scanning Electron 을 이용하여 확대 사진을 촬영하였다 시공이 완료된 후의 거동을 파악하

Microscope) .

기 위하여 지표침하판 지중경사계 층별침하계 간극수압계 지하수위계 등을 설치하여, , , , 현장계측을 실시하였고 계측결과와 해석결과를 이용하여 압축지수와 압밀계수를 재평 가 재해석하여 비교분석함으로써 경량기포혼합토의 도로성토재로서의 안정성 및 적용, 성 등을 검토하였다.

경량성토공법에 이용하는 경량성토재에는 경량기포혼합토 발포스티로폼, (EPS) 블록, 발포 beads혼합경량토 등이 있다 이밖에도 석탄회나 수쇄. (水碎) 슬래그와 같은 부산 물이나 천연 재료를 이용하여 경량화를 도모한 것 또는 콘크리트 박스 등의 중공구조, 물도 경량화공법이라 할 수 있다.

경량성토공법은 크게 경량재를 이용하는 공법 현지 발생재를 이용하는 공법 중공, , 구조물에 의한 공법으로 분류된다 따라서 경량성토공법을 이용하는 경우에는 그 목적. 에 따라 적절한 공법을 선정한다 현재 사용되거나 개발 중인 경량성토공법의 종류는.

과 같다 Table 2.1 .

재 료 경량성토재 단위중량(kN/m³) 특 징

경량재

석탄회,

수쇄슬래그 등 10~15 정도 입상재료 자경성, 화산회토 12~16 정도 천연재료

블록

EPS 0.1~0.3 정도 초경량성 합성수지 발포체,

현지 발생재

경량기포혼합토 5 정도 이상 밀도조정 가능 유동성 자립성, , , 현지발생재 이용 가능

발포Beads혼합토 7 정도 이상 밀도조정 가능 현지발생재, 이용 가능

중공 구조물 중공구조물 10 정도 박스컬버트 콜게이트 파이프 등,

경량기포혼합토는 일반적인 흙의 구조와는 달리 재료의 경량화와 강도증대를 위하여 추가적인 재료를 원료토와 혼합하여 제작된다 경량기포혼합토란 용어는 일본에서 먼. 저 사용하였으며 액성한계 이상으로 조정하여 슬러리화 시킨 준설토나 건설발생토 등, 의 원료토와 시멘트와 같은 고화재 및 경량화 재료를 첨가 혼합해서 매립과 뒤채움용∙ 의 지반재료로서 사용하고 경량화로 안정한 지반을 만들어 내는 것을 의미한다(Fig 여기서 원료토란 준설토 또는 현장발생토로서 경량기포혼합토의 재료로 이용 가 2.1).

능한 것을 말한다 고화재는 원료토나 기포를 화학적으로 안정 처리하여 소정의 강도. 나 강성을 가지도록 하기 위해 첨가하는 시멘트계 재료를 말한다 그리고 필요에 따라. 특수한 고화재를 사용할 수 있다 경량화재는 재료의 경량화를 위해 혼합하는 재료로. 서 주로 기포나 발포비즈를 대상으로 하고 있다 기포제는 혼합한 재료의 경량화와 유. 동성을 가지게 하기 위해 기포를 발생시키는 재료를 말하며 기포제를 물에 희석하여, 발포하며 주로 사전발포, (Pre-foam) 방식을 사용한다 송준호( , 2009).

경량기포혼합토는 건설발생토 등의 원료토에 물과 시멘트 등의 고화재를 혼합하여 유동화 시킨 것에 기포를 혼합하여 제작한다 단위중량은. 6~12kN/m³에서 조절이 가 능하다 제작 직후에는 유동성을 나타내나 고화재의 반응에 따라 최종적으로는 양질의. 토양재료와 같거나 그 이상의 강도특성을 가지는 고화처리토가 된다.

경량기포혼합토는 일반적인 토사에 비해 가벼우며 지반 등에 미치는 하중을 경감할 수 있다 또한 유동성이 높으므로 펌프를 이용하여 압송에 의한 타설이 가능하므로 시. 공이 용이하다 게다가 진흙 등의 저품질 토양을 유효하게 활용할 수 있다. (Table 2.2).

는 각 성토재료에 따른 일축압축강도와 단위중량의 관계를 나타낸다

Fig. 2.2 .

항 목 특 징

단위중량 단위중량을 6~12kN/m³사이에서 임의로 설정 가능 경량화재의 혼합량에 따라 단위중량을 조정

( )

강 도 일축압축강도를 1,000kPa 정도까지 설정 가능 고화재의 첨가량으로 일축압축강도를 조정

( )

유동성 공동충진 협소부 되메우기 등의 펌프압송에 의한 시공이 가능, 유동성이 크고 셀프레벨링을 유지

( )

시공성 전압 조임 및 고정 균일화 작업이 필요 없으므로 시공인력의 절감, , 유효성 각종 발생토를 유효하게 활용 가능

경량기포혼합토는 가옥이나 일반도가 근접하는 장소에서 도로의 신설이나 확폭을 하 는 경우 근접지나 기설 성토에 대한 성토 하중의 저감을 도모할 수 있다 또한 단기간. 에 저소음 저진동으로 연직성토가 가능하며 특히 연약지반의 경우 침하 및 측방변형, , 등의 경감을 도모할 수 있다.

또한 지반활동 두부의 성토에 경량기포혼합토를 이용함으로써 성토하중을 저감시킬 수 있고 지반 활동 대책의 경감을 도모할 수 있으며 교대나 옹벽 등의 구조물 뒷채움,

부에 경량기포혼합토를 시공하여 구조물 배면에 작용하는 토압을 경감할 수 있기 때문 에 기초말뚝 등의 구조물의 규모를 작게 하는 것이 가능해진다 뿐만 아니라 산악도로. 등의 급경사지에서 복부 연결 성토에 경량기포혼합토를 시공하여 공사용 진입로나 재( ) 료 운반을 경감시킬 수 있고 유동성 또한 우수하기 때문에 발판 아래의 공동이나 지, 하 매설물 내부의 충진재료 등에 적합하다 일본도로공단( , 1996).

경량기포혼합토 공법의 용도에 따른 목적 및 효과가 Table 2.3에 나타나 있다.

설계 타입

용

도 개념도 특 징

목적 및 효과 경량 유동 자립

하중 경감 공법의

설계 연 약 지 반 상 의 확 폭 성 토

가옥

성토

경량기포혼합토 연약지반

확폭부 포장

◎ ○ ○

용지 시공폭의 - ,

축소

저소음 저진동

- ,

대형기계 시공상 -

불필요 다짐불필요 -

침하 측방변형의 - ,

억제

지 반 활 동 지 성 토

경량기포혼합토 포장

지반활동 토양 원지반

활동면

◎ ○

활동력의 경감 -

억지말뚝 등 -

지반활동 대책공 의 경감

급 경 사 지 성 토

(b) 1 : 0.5 1 : 0.51 : 1.0

경량기포혼합토

◎ ○ ◎

재료운반 절성토

- ,

량의 저감 대형기계 시공상 -

불필요 다짐 불필요 -

토압 경감 공법의

설계 구 조 물 에 의 토 압 경 감

건넘판

스티로폼

뒷채움길이 교대

포장

성토

연약지반 경량기포

혼합토

기초말뚝

◎ ○ ◎

구조물 배면토압의 -

경감

측방유동압의 경감 -

단차 방지 -

컬버트 Box 신도로면 포장

구도로면

경량기포 혼합토

성토

◎ ○

기설 컬버트 박스위에 -

성토를 쌓아 올리는 경우에도 박스의 보강․

철거가 불필요

참 고

공 동 충 진

건넘판

성토 교대

연약지반

공동내 경량성토재 충진

◎ - 지진시 안정성의 확보 부등침하의 방지 -

협 소 부 되 메 우

◎ - 협소공간으로의

되메우기로 이용

등은 삼축압축시험기를 사용하여 경량기포혼합토의 변형특성과 강도특 (1996)

土田孝

성을 고찰하는 연구를 수행한 바가 있다 그의 연구에 의하면 해수 하부에 타설된 경. , 량기포혼합토에는 수압이 작용하는 상태에서 고화되고 양생되기 때문에 실내 실험에, 서 몰드로 타설하고 경량기포혼합토 시료를 직접 해수가 채워진 용기 내에서 50, 100,

의 압력 하에서 양생하였다

200, 300 kPa .

삼축압축시험은 소정의 양생기간이 경과된 후에 시료를 압력용기에서 꺼내어 삼축 셀 내에 양생압력과 같은 배압을 가한 상태로 압밀하고 비배수압축시험을 실시하였다.

본 실험에 있어서는 카와사키항 점토를 원료토로서 준설직후 목표 단위중량을 12kN/m³, 그리고 28일 양생후의 압축강도의 목표치를 200, 400kPa로 하는 배합비를

와 같이 제시하였다

Table 2.4 .

목표강도 (kPa)

원료토 고화재 경량재

함수비 (%)

무게 (kg)

체적 (L)

무게 (kg)

체적 (L)

무게 (kg)

체적 (L) 200 186 1133 896 67(17%) 21 4.15 83 400 186 1124 888 76(19%) 25 4.36 87

흙의 경우 재료의 응력 변형 거동은 유효구속압의 크기에 의존하고 있는 것으로 알- 려져 있다 경량기포혼합토의 경우에는 압축성이 있는 기포가 존재하므로 구속압에 따. 라 응력 변형 거동 특성이 충분히 다를 수 있을 것이다- . 土田孝(1996) 등은 유효구속 압에 따른 응력 변형 특성을 삼축압축시험으로부터 밝혔는데 그의 연구결과에 의하면- 유효구속압이 증가 할수록 응력 변형 곡선의 초기기울기는 완만한 경사를 갖는 것으로- 밝히고 있다 또한 유효구속압의 증가에 따른 압축강도는. Fig. 2.3에 근거한다면 증가 하는 것으로 파악될 수 있다.

경량기포혼합토의 강도는 고화재의 첨가량에 의해 지배된다고 할 수 있다 고화재. 첨가량을 달리한 경우에 대하여 삼축압축시험을 수행하고 고화재 첨가량에 따른 압축, 강도의 변화를 경량기포혼합토와 경량 beads혼합토 준설토 고화재( + +EPS)에 대하여

와 같이 제시하고 있다

Fig. 2.4 .

고화재 첨가량과 압축강도를 나타낸 Fig. 2.4에는 사전의 혼합 시험으로부터 얻어진 고화재 첨가량과 일축압축강도 관계 곡선도 함께 나타내었다 연구결과에 의하면 양생. , 압력 및 유효구속압의 크기에 의하여 비배수 삼축압축시험에서 얻어진 압축강도가 분 산되어 있고 임의의 특정범위에 분포하고 있다 그림에서 빗금친 부분이 그 범위를 나, . 타내고 있으며 수압 하에서 양생한 경량혼합토의 삼축압축강도는 대기압에서 양생한, 시료보다 30%~70%정도 크다고 밝히고 있다.

경량기포혼합토의 타설이 수중에서 이루어지는 경우 양생시 수압에 의한 영향으로 응력 변형거동이 변화하였는지를 고찰하기 위하여 다양한 양생압력이 작용하는 경우에- 대한 삼축압축시험을 수행하였다 연구결과 양생압력 후 압력 제거 시에 공시체의 균. 열이 발생하였으며 이를 방지하기 위하여 양생압력의 제거는 충분한 시간을 두고 실, 시해야 한다고 밝히고 있다.

는 경량기포혼합토의 양생과정에서 양생압력이 일 경우에 대하

Fig. 2.5 50~300kPa

여 목표압축강도에 따라 구분하여 양생압력과 압축강도의 관계를 나타내고 있다 같은. 양생압력에 따른 압축강도의 변화는 양생압력이 증가할수록 목표압축강도가 큰 경우에 전반적으로 증가하는 경향을 보였다.

재료의 수치해석 시 변형계수(E50)는 전단강도정수와 함께 중요한 해석변수이다 따. 라서 변형계수의 변화를 파악하는 것은 재료의 특성을 파악하는데 중요하다 할 수 있 다. Fig. 2.6은 경량기포혼합토의 변형계수와 압축강도의 관계를 나타낸 것이다 삼축. 압축상태에서의 압축강도와 변형계수의 관계는 분산의 정도가 크게 나타나고 있는데, 이는 구속압의 영향에 의한 것으로 밝히고 있다.

에 의하면 상한계의 압축강도 변형계수 관계의 기울기는 낮은 구속압에서의

Fig. 2.6 -

결과들이며 하한계의 압축강도 변형계수 관계기울기는 높은 구속압에서의 결과들이라, - 밝히고 있다 변형계수와 압축강도 상관관계는 식. (2.1)과 같이 제시하고 있다.

_  ∼  ∙ _ __{ } (2.1)

경량기포혼합토의 재료로서 기포와 발포beads는 큰 압축성을 가지고 있기 때문에 경량기포혼합토의 체적은 비배수 조건에서 전단응력이 가해지는 경우에도 재료의 압축 성으로 인하여 변화한다 체적변형량은 내부. cell속의 수위변화에 의해 측정될 수 있으

며, 土田孝(1996) 등은 체적변형을 직접 측정하여 변화정도를 제시하였다. Fig. 2.3에 서 비배수 삼축압축에 동반하는 체적변형률(_)의 변화가 점선으로 표시되었다.

연구 결과에 의하면 일반적으로 유효구속압이 증가할수록 전단시에 생기는 체적변, 형이 커지는 경향을 나타낸다 그러나 경량혼합토가. 300kPa의 구속압을 받을 때 체적 변형이 반대로 적어지는 경우도 있다 그러나 구속압의 크기가 어느 이상으로 되면 초. 기 및 압축 전단에 의해 총 체적변형은 그다지 변하지 않는다고 밝히고 있다.

비배수 조건에서 전단응력이 가해지는 경우에 경량혼합토의 체적변형의 이유를 土田 등은 다음과 같은 이유로 설명하고 있다 삼축압축시험기에서의 압축 전단에

(1996) .

孝

앞서 양생압력과 같은 배압 이상으로 유효구속압을 가했지만 배압시의 공시체는 반드, , 시 압력 해방 이전의 상태로 되돌아오지는 않았다 압력양생 시에 있어서는 흙 골격에. 작용하는 유효응력은 ‘0’이고 기포 및 간극수에 작용하는 압력은 양생압력과 같다 이, . 때 기포와 흙 골격과의 사이에 응력은 작용하지 않았다고 생각된다 공시체는 양생압, . 력의 해방에 의해 간극수압이 거의 완전하게 작용하지 않는 상태가 될 것이다 따라서. 기포의 팽창에 의하여 흙 골격이 신장 응력상태로 바뀌는 것으로 추정된다 다음으로. 공시체에 구속압(_)이 가해지지만 기포의 압축성에 의해 불포화 상태이기 때문에 전 응력의 상당한 비율은 흙 골격에 의해 지지되고 흙 골격은 유효응력에서 압축된다 골, . 격과 기포가 일체로서 변형한다고 생각하면 이때 기포는 압력양생 시에 비해 더욱 더, 압축된 상태로 있다 압축 전단에 따라 골격 구조가 파괴되고 양자의 변형 조합 조건. ․ , 은 차츰차츰 없어지고 기포가 비교적 자유롭게 팽창할 수 있어 공시체 전체의 체적이, 감소하는 결과가 된다고 밝히고 있다.

고화재가 포함된 경량기포혼합토의 압축강도 발현은 양생일에 따라 비례하는 것으로 알려져 있으며, 土田孝(1996) 등은 이를 고찰하기 위하여 상온 대기압 상태에서∙ 7일, 1 일 및 일간 양생하고 양생일에 따른 일축압축강도를 고찰하였다 은 경량

4 28 , . Fig. 2.7

기포혼합토의 압축강도와 양생일수의 관계를 나타내고 있다 그의 연구결과에 의하면. 양생일에 따른 압축강도의 발현은 비선형적인 증가양상을 보이고 있으며 시간의 대수, 함수로서 압축강도의 변화를 식 (2.2)와 같이 표현할 수 있었다.

_ _{  }  ∙     (2.2)

여기서, T는 양생일수이고, _{  }은 양생 3일 때의 일축압축강도이다 식. (2.2)에서

_{  } 및 고화재 첨가량 b는 혼합한 경량재의 종류나 원료토의 초기함수비 또는 양생

온도에 의하여 변화한다고 밝히고 있다. Fig. 2.7의 괄호 안에 나타난 수치는 각 조건 에 대한 _{  }과 b의 값을 의미한다.

삼축압축 상태에서와 마찬가지로 일축압축 상태에서도 수압이 작용하는 경우 압축강 도에 영향을 받을 것이다. Kasai(1993) 등은 경량기포혼합토의 공시체를 굳지 않은 상 태에서 50~200kPa의 수압 하에서 수중양생하고, 압력양생조건이 경량기포혼합토의 일축압축강도와 단위체적중량에 미치는 영향을 고찰한 바가 있다 그들의 연구결과에. 의하면 경량기포혼합토를 수압 하에서 양생하면 단위체적중량이 증가하고 일축압축강, 도 역시 증가하는 것으로 밝히고 있다.

등이 양생압력이 압축강도에 미치는 영향을 고찰하기 위하여 준설토 (1996)

橫田聖哉

함수비 고화재 첨가량 단위중량 등의 조건을 변화시켜 일축압축시험을 수행한 바가, , 있다 그의 연구결과를 도시하면 경량기포혼합토에서의 양생압력과 습윤단위중량 및. 일축압축강도의 관계는 Fig. 2.8과 같다 그림에서와 같이 양생압력의 증가에 따라 단. 위중량은 증가하는 경향이 있지만 이것은 양생압력으로 Boyle's 법칙에 의해 경량기포 혼합토의 체적이 감소하였기 때문으로 설명하고 있다 일축압축상태에서는 양생압력에.

의한 압축강도의 변화가 미미한 것으로 판단된다.

일축압축강도와 변형계수(_)의 관계를 土田孝(1999)는 일본 내 점토에 대하여 제 시하고 있다 그의 결과는. Fig. 2.9와 같으며 그림에서와 같이 일축압축강도 변형계수, - 의 관계는 배합시의 조건들에 영향을 받으므로 분산된 분포를 보여주고 있다 따라서. 일축압축강도 변형계수의 관계기울기는 특정한 범위를 갖는 것으로 제시되며 이는 식- ,

과 같다 (2.3) .

_  ∼  ∙ _ (2.3)

은 일면전단시험의 결과로서 최대전단강도의 및 의 전단응력을

Fig. 2.10 , 70% 80%

일주일동안 계속해서 재하해서 크리프 변위량을 측정한 결과를 나타낸다 여기서 수직. 응력은 일축압축강도의 50%로 했다 이 그림에서 재하초기의 변위량이 대부분이고 시. , 간경과에 따른 변위는 대단히 작다는 것을 알 수 있다.

일차원압밀시험에서의 압축하중을 장기간 받았을 때의 영향을 조사하기 위해서 장, 기압축시험을 실시했다 장기간의 압축하중으로서는 항복하중의. 0.5배 및 1.5배를 사 용했다. 시험결과는 Table 2.5에 나타낸다. 압축하중이 압축항복응력의 0.5배에서는 최종압축변형률은 약 3.0%~5.0% 이내이고 크리프 계수도 상당히 작은 결과가 나왔, 다 이것으로부터 항복응력 이하의 응력에서의 장기적인 침하량에 대해서는 거의 문제. 가 없다고 말할 수 있다 이는. EPS가 가지고 있는 장기크리프의 단점을 보완하고 있 다.

설정강도 (kPa)

설정단위중량 (kN/m³)

장기압축하중 0.5Py 장기압축하중 1.5Py

최종압축 변형률

(%)

크리프계수 Cac(%)

최종압축 변형율

(%)

크리프계수 Cac(%)

200 10 2.8 1.87×10^-1 16.1 7.43×10^-1 11 4.9 3.06×10^-1 25.4 7.95×10^-1 400 10 4.6 1.92×10^-1 23.3 7.59×10^-1 11 4.4 1.96×10^-1 23.3 7.74×10^-1

은 교대 배면의 뒷채움재로 경량기포혼합토가 적용된 일본의 사례로 시공 Fig. 2.11

단면과 시공현장 시공후의 보습을 보여주고 있다, .

는 주택가에 인접하여 도로의 확폭 성토 시공한 사례로 좁은 지역에서 Fig. 2.12(a)

도 시공이 가능하고 저소음, 저진동으로 공사가 가능하다. Fig. 2.12(b)는 해안 지역 의 기존 도로의 확폭 공사에 시공한 사례로 물막이 및 지반안정처리 없이 수중에 경량 기포혼합토의 타설이 가능하다.

과 같이 경량기포혼합토는 토사에 비해 하중을 경감시키고 경화 후에는 자 Fig. 2.13

립하기 때문에 연직성토 시공이 가능하며 급경사 지역이나 지반 활동지역에서도 시공 이 가능하며 구조물의 규모를 작게 할 수 있다.

와 같이 국내에서도 되메움재 기존 도로의 확폭 성토 경량성토재 및 뒷

Fig. 2.14 , ,

채움재 등 다양한 공사에 경량기포혼합토 공법이 적용되고 있다.

본 연구에서는 원료토로 해운대 OO신축공사현장에서 발생한 흙을 사용하였으며 물 성치는 Table 3.1과 같고 입도분포곡선은, Fig. 3.1과 같다 이 흙은 통일분류법에 의. 해 ML로 분류된다.

USCS 모래 (%)

실트 및 점토 (%)

함수비 w (%)

비중 Gs

액성한계 LL (%)

소성한계 PL (%)

소성지수

PI (%) 비 고

고화재는 토사의 종류에 의해 선정하나 일반적으로 강도 발현이 좋은 점성토 등에 는 보통포틀랜드시멘트 또는 고로시멘트 B종을 사용되며 관동롬이나 유기질토 등에는 시멘트계 고화재가 이용된다 또한 육가크롬에 대해 반응성이 높은 토사에는 시멘트계. 의 특수토용 고화재도 이용되고 있다 하이그레이드소일 연구컨소시엄( , 2005). 본 현장 에서는 고화재로 고로시멘트 B종을 사용하였으며 규격 및 성분은 Table 3.2와 같다.

구

분 화학성분 물리성능

항 목

삼산화황 (SO3)

(%)

강열감량 (%)

황분 (S) (%)

분말도 안정도 응결 시간 압축강도

모르터의 공기함유량

(%) 비표면적

(㎠/g)

오토클래이브 팽창도(%)

길모아 시험

비이커

시험 3일 일 7

일 28 (MPa) 초결 분( )

종결 시간( )

초결 분( ) 종결 시간( ) KS L

5210 종 (2 )

이하

4.0 3.0이하 2.0

이하 3.000이상 0.20 이하 60 이상 이하 10

이상 60

이하 10

이상 6.0

이상 12.0

이상 28.0

이하 12

사용

재료 4.0이하 2.0이하 1.0

이하 4,000이상 0.05 이하 230 이상 이하 8

이상 200

이하 8

이상 17.0

이상 26.0

이상 40.0

이하 6

현재 국내에서 사용되는 기포제는 식물성기포제 동물성기포제 고분자기포제등이 있, , 으며 콘크리트의 양생과 장기적인 사용에 악 영향을 주지 않는 것을 사용해야 한다.

합성계면활성제의 일종으로 실생활에서 쉽게 접할 수 있는 주방세제와 비슷한 종류 로써 투명한 액체의 성상을 나타낸다 동관이나 강관에 직접 닿아도 부식의 위험이 없. 으며 동물성 기포제를 사용하는 것보다 유동성이 뛰어나 형성된 면의 평활성이 우수, 한 반면에 투수성이 높다고 알려져 있다.

단백질계 기포제로서 단백질의 원료로는 동물의 혈액, 유제성분인 카세인 동물의, 뼈 뿔의 분말인 젤라틴 등이 있다 이들은 여러 종류의 아미노산으로 구성되어 있고, . 이것을 알칼리로 가수분해하여 중화 후 여과한 것을 철염이나 방부제를 첨가한 기포제 이다 동물성 기포제의 일반적인 화학적 성분은. Table 3.3과 같다 이수영( , 2004).

H2O Protein NaCl NH4Cl CaCl2 MgCl2 FeSO4

36 32 10 1 6 5 2

고분자기포제는 폴리아크릴레이트 성분의 고분자 중합체로서 담황색으로 pH 7로 중 성이고 발포시 백색크림 같은 상태이며 내부에는 0.1~0.4mm크기의 기포군이 형성되 고 황산염이나 염화물 등이 들어있지 않아 부식되지 않는다는 장점을 가지고 있다 시. 멘트 입자는 보통 혼합을 하여도 시멘트 입자간의 응집작용이 물의 습윤작용보다 크기 때문에 10~30%정도는 응집된 상태로 남아 있는데 고분자기포제의 경우 시멘트 입자, 의 분산효과가 있어 작업성을 증대시키는 효과가 있는 것으로 알려져 있다 고분자기. 포제는 이온수에 폴리머를 서서히 투입한 다음 80~90℃로 가열하여 3시간 동안 교반 하여 용해시킨 후에 계면활성제와 기포 안정제를 차례로 투입하여 교반하고 숙성시키 는 과정을 통하여 제조한다.

본 연구에서는 식물성 계면활성제를 기포제로 사용하였다 기포제를 물과. 1:19의 비 율로 혼합한 후 기포발생장치를 통해 발포시킨 기포를 시멘트 슬러리에 혼합하는 선기 포 방식을 채용하였다 선기포 방식은 기포의 양을 조절하기 쉽고 현장 발포가 용이한. 장점이 있다 기포의 발포 방식에 따른 기포제의 종류는. Table 3.4와 같다.

분 류 특 징

선

◎ 기포 방식

기포기의 압축공기로 미리 발포시킨 기포를 시멘트 슬러리 에 혼합하는 방법으로 기포의 양을 조절하기가 쉽고 현장발 포가 용이한 것이 장점

후기포 방식

와 같이 시멘트 슬러리 내에 처음부터 알루미늄 분말 ALC

이나 아연분말 등 발포제를 혼합하여 적정온도에서 화학반 응에 의해 가스가 발생되며 이 가스에 부피팽창을 시키는, 방법

혼합기포 방식 계면활성제(AE )제 등을 슬러리 중에 첨가하여 혼합과정에서 발포시키는 방법

경량기포혼합토에 이용하는 물은 하천수 호소수 지하수 수돗물 등 경제적으로 구할 수‧ ‧ ‧ 있는 물을 사용하는 것으로 한다 경량기포혼합토의 강도 발현에 지장을 주는 먼지나. 진흙, 기름 등을 포함한 물을 사용해서는 안된다. 따라서 본 연구에서는 KASS 의 규정에 따라 상수도수를 사용하였으며 회수수의 사용 비율은 로 하

05010.2.1.3 50%

였다 회수수란 레미콘 운반 차량 믹서 등의 세척수에서 골재를 침전시킨 후 상부에. , 뜨는 물을 말한다.

배합시험에 이용되는 토사는 사전에 No.4(4.75mm)체에 걸러 이물질이나 자갈을 걸 러내어 균일하게 한 뒤 물을 넣어 혼합하였다 준비된 토사에 고화재를 넣고 충분히. 혼합한 후 기포를 넣고 믹서혼합 한다 배합 기준은 목표 단위중량. 10kN/m³, 목표 일 축압축강도 500kPa, 플로우값 200±20mm이며 구조물의 설계에서 고려한 안전도를 확보하기 위해서 고화재량을 1m³당 1kN, 1.5kN, 2.0kN의 세 가지로 구분하여 소요강 도를 확인하기 위해 시멘트양 별로 배합시험을 실시하였다 플로우값의 측정은 크기.

유리판위에 안지름 높이 인 아크릴 원통을 세운 후 경량기

350×350mm 80mm, 80mm

포혼합토를 상부까지 붓고 남은 윗부분은 수평하게 제거하고 원통을 살며시 들어 올려 분 후에 시료가 퍼진 방향에 대해 등간격으로 측정하여 평균값을 구하였다

1 4 (KS F

그 결과 시멘트의 양과 양생일의 증가에 따라 강도가 증가하는 것으로 4039:2004).

나타났다 이 결과를 이용하여. Table 3.5와 같은 최종 배합표를 결정하였다 공시체는. 의 최종 배합표를 이용하여 직경 높이 로 제작된 특수 종이캔을

Table 3.5 5cm, 10cm

사용하여 제작되었다.

중량(kN) 체적(m³)

조정니토 시멘트 기포제 합계 조정니토

시멘트 기포제 합계

원료토 물 원료토 물

4.481 3.854 1.51 0.155 10.00 0.2553 0.3854 0.0493 0.310 1.000

본 연구에서는 주변 환경에 따른 공시체의 일축압축강도 변화를 알아보기 위해 현장 타설 시와 동일한 경량기포혼합토를 별도로 제작한 캔 직경( 5cm, 높이 10cm)에 담아 실내 실험실에서 28일동안 습윤양생 시킨 공시체와 현장에서 샘플링한 공시체 직경( 높이 에 대해서 일축압축시험을 실시하였다 일축압축시험은 측압이 없는

10cm, 20cm) .

상태에서 상하로 축하중을 주어 시료를 간접전단 파괴시키는 방법으로 비배수 삼축압- 축시험에서 구속압력이 0인 경우의 시험에 해당한다 시험 방법은. KS F 2314에 따라

와 같은 일축압축시험기를 이용하여 실시하였다

Fig. 3.2 .

공시체의 일축압축강도와 변형계수 E50은 식 (3.1)과 (3.2)를 이용하여 계산하였다.

_ _

 ×



_



_{ }



_^

(3.1)

여기서, _ ^{: 일축압축응력}(kPa, 1kgf/cm²=98.0665kPa)

P ^{: 압축변형이}

e

A

e

D

50 50

2 100 q

E = e ´

여기서,

E

q

e



_

일 때의 압축변형율(%)

⨯

흙에서 간극은 물이 지하수면 위로 상승하게 하는 모세관 같은 역할을 하며 이러한, 모세관 현상은 모관흡수력의 크기와 간극크기에 따라 달라진다 모관흡수력은 외부환. 경의 변화에 의해 변하며 일반적으로 지반공학적 문제에서는 모관흡수력이 전 흡수력 변화를 좌우하며 삼투압 흡수력은 무시할 정도로 미미하다, . Table 3.6은 여러 재료들 에 대한 모관상승고를 나타낸 것으로 세립실트 입도크기( 0.02 0.05mm)∼ 의 경우 2m 이상 모관상승이 발생하는 것을 알 수 있다.

모관상승고 시험은 현장에서 시공 1개월과 5개월 만에 샘플된 공시체 직경( 10cm, 높이 20cm)에 대해 실시되었다 방법은. 1cm 정도의 물이 담긴 용기에 공시체를 넣고

지되도록 한다 또한 주변환경에 따른 공시체의 모관상승고 변화를 알아보기 위해 현. 장 타설 시에 동일한 경량기포혼합토를 별도로 제작한 캔 직경( 5cm 높이 10cm)에 담 아 실내 실험실에서 각각 1개월, 5개월 습윤양생 시킨 공시체에 대해서도 같은 시험을 실시하였다.

재 료 입도크기(mm) 모관상승고(cm)

세립자갈 매우 조립모래 조립모래 중간모래 세립모래 실트 세립실트

일반적으로 경량기포혼합토는 품질관리 측면에서 1단 시공높이를 1m 내로 제한하고 있다 본 연구에 선택된 현장의 경우도. 60cm가 1단 시공높이로 적용되어 최대 3단 ∼ 단이 시공된 점을 감안하면 높이까지 시공되었음을 알 수 있다 그래서

4 1.8 ∼ 2.4m .

본 연구에서는 모관상승높이 상승속도 등에 대해 관찰을 하였다, .

일반적으로 지반에서 투수계수는 흙과 물의 성질에 따라 변하는데 그 중에서 흙의 성질과 관련된 것으로는 간극비 흙 입자의 모양 입도분포 포화도 등이 있으며 물의, , , 성질과 관련된 것으로는 물의 점성계수와 단위중량이 있다 물의 오염정도가 심하지. 않고 온도차이가 크지 않으면 점성계수와 단위중량은 상온에서 그 차이가 별로 크지 않으므로 투수계수에 큰 영향을 미치는 것은 주로 흙의 성질이다 그러므로 경량기포. 혼합토의 투수계수도 성질에 영향을 많이 받을 것으로 판단된다 다만 현재까지 경량. 기포혼합토에 대한 투수시험이 실시되지 않아 정확한 투수계수 산정을 위한 시험장치 개발이 필요하다. Table 3.7은 여러 재료에 대한 투수계수 값으로 경량기포혼합토는 보통콘크리트나 모르터의 투수계수보다는 클 것으로 예상된다.

구 분 투수계수 k (cm/sec) 조립모래 1.1×10^-1 ~ 3.6×10^-1 세립모래 2.6×10^-3 ~ 1.4×10^-1 조립실트 4.0×10^-5 ~ 2.8×10^-4 경량기포혼합토 9.5×10^-8 ~ 7.2×10^-4

조립점토 3.0×10^-6 이하

모르터 1.0×10^-12 ~ 8.0×10^-11 보통콘크리트 9.2×10^-13 ~ 1.9×10^-9

투수계수를 구하는 실내시험법으로는 정수두 투수시험과 변수두 투수시험이 규정되, 어 있는데 두 방법 모두 포화토를 대상으로 하며 사질토인 경우는 정수위 투수시험으, 로 실트질일 때는 변수위 투수시험을 실시하여 투수계수를 구하나 변수위 투수시험, 시에는 시료를 포화시키는데 있어 많은 시간과 여러 어려움이 있을 뿐 아니라 자연 수 두를 이용하여 투수시험을 실시하므로 시간도 상당히 오래 소요되는 단점이 있다.

따라서 본 연구에서는 삼축셀을 이용한 투수시험 장치로써 투수계수가 낮은 시료의 경우에도 짧은 시간 내에 포화는 물론 투수계수를 측정할 수 있도록 하였다. Fig. 3.4 와 Fig. 3.5는 각각 실험에 사용된 장비의 모식도와 사진이다.

` ` `

`

σ3

P2

P1

Sample

Regulator1 Regulator2 Regulator3

Regulator1

Regulator2

Regulator2 Supply Pressure

0.00

0.00

0.00

0.00 Water

Air Compressor

Rubber ring Rubber membrane

Triaxial cell Loading system

Porous stone Master Regulator

시험은 시료의 포화 투수의 단계로 실시되었다 시료는 직경, . 5cm, 높이 10cm로 제 작된 공시체를 양생 28일 후 탈형하여 사용하였다 포화는 먼저 공시체에. CO₂를 10분 정도 통과시킨 후 공시체에 물을 공급하고 백압, (Back pressure)을 이용하여 공시체를 포화시켰다. 포화가 끝난 상태에서 p1을 1kg/cm²(100kPa)을 주고, _을 p1보다 0.1kg/cm²(10kPa)가 높은 1.1kg/cm²(110kPa)를 주었으며, p2는 대기압 상태(0 kg/cm²)로 두고 시험을 실시하였다 이 때 시료와 멤브레인 사이로 물이 흐르지 않도. 록 _ _ _의 상태가 되도록 하여야 한다(Head, 1986). p2로 빠져나오는 물의 양 이 일정해질 때까지 시험을 실시하여 아래의 식(3.3)을 사용하여 투수계수를 산정하였 다.

   ⇒   



  

∆ 

∆_

(_=0.001kg/cm³)

∴  ∆ ∙ ^× × 

 (cm/sec) (3.3)

여기서,  : 유량이 일정할 때의 투수량(cm³/min)

 : 투수계수 (cm/sec)

 : 동수경사 시료의 단면적 A : (cm²)

시료의 높이 h : (cm)

∆ : _ _(kg/cm²)

경량기포토가 적용되는 현장의 조건에 따라 침수특성은 매우 중요한 인자가 될 수 있다 따라서 본 연구에 사용된. T (사 일본 의 식물성 계면활성제를 사용한 경량기포혼) 합토에 대해 수침시험을 실시하였다.

기존의 연구에서 Fig. 3.6과 같이 동물성 기포제는 폐쇄된 독립적인 기포가 생성되 고 식물성 기포제는 연속적인 기포가 생성되며 동물성 기포제에 의한 기포보다는 작, 은 기포가 생성되고 있는 것을 알 수 있으나 이규섭( , 2008) 다양한 종류의 기포제가 상용되고 있으므로 실제 적용 시에는 그 특성을 파악하는 것이 필요할 것으로 판단된 다 시험은 물을 채운 용기에 직경. 5cm, 길이 10cm의 공시체를 수침시켜 시간과 경향 을 관찰하였다.

경량기포혼합토의 광물조성을 확인하기 위해 X-선 회절(XRD)을 실시하였고 표면과, 내부의 기포의 크기 배열 부피를 산정하기 위해 실체현미경과 전자현미경, , , X-선 투과 촬영을 통해 획득된 영상을 판독하였다 각 장비에 대한 구체적인 사양은. Table 3.8과 같다.

장비명 제조회사 특 징

Scanning Electron Microscope(SEM)

주사전자현미경

( )

Hitachi (Japan) S-2700

- Electron gun: Tungsten Filament type - Resolution: 4.0nm

- EDS: Horiba X-ray Scanner

선 투과 촬영기

(X- )

Softex (Japan) VIX-150(A)

- Cmera size: 12", 9", 4.5". CCD - Resolution: 12/18/22 Lp/cm

Microscope 실체현미경

( )

Nicon (Japan)

SMZ 2B - 배율: 20, 40, 80, 160, 200배

X-ray

Diffractometer(XRD) 선 회절분석

(X- )

Philips (Netheland)

X'PERT-MPD - 광물조성 확인

압축강도시험은 샘플링 된 공시체(10cm×20cm)에 대해 실시되었는데 그 결과, Fig.

에서 보는 바와 같이 목표일축압축강도인 를 만족하는 것으로 나타났다 다

3.7 500kPa .

만 시공 후 5개월 된 공시체의 강도가 시공 후 1개월 만에 샘플된 공시체의 강도보다 약간 큰 것으로 나타났다 이것은 재령에 따라서 강도가 증가한 것으로 판단된다 또. . 한 가지 중요한 점은 같은 재령 일수를 가진 공시체의 일축압축강도에서 차이가 발생 하였는데 이것은 공시체의 샘플링 위치가 서로 다르기 때문에 발생된 것으로 판단된 다 이것은 경량기포혼합토가 전 구간 전 위치에 걸쳐 아주 균질하게 시공된 것은 아. , 니라는 증거로 볼 수 있다 결론적으로 일축압축시험 결과 어느 정도 품질의 차이가.

있으나 모두 기대했던 목표일축압축강도를 만족하는 것으로 보아 시공상에 큰 문제는 없지만 위치별 구간별로 강도 차이가 발생하고 있어 아주 균질하게 경량기포혼합토가, , 시공된 것으로는 보기 어렵다고 판단된다.

위치에 따른 일축압축강도의 차이는 도로 공용 후 부등침하 등이 발생할 가능성으로 이어질 수 있으므로 원료토사의 처리와 기포제를 혼합하는 등의 제조과정에서 재료분

과정에서 수분의 증발을 막아 건조수축과 같은 문제를 예방하는 등 관리에 주의가 필 요할 것으로 판단된다.

주변 환경에 따른 공시체의 일축압축강도 변화를 알아보기 위해 현장 타설 시에 동 일한 경량기포혼합토를 별도로 제작한 캔 직경( 5cm, 높이 10cm)에 담아 실내 실험실 에서 각각 1개월, 5개월 습윤양생 시킨 공시체에 대해서도 일축압축시험을 실시하였 다. Table 3.9는 그 결과로 현장에서 샘플링된 공시체의 일축압축강도가 실내에서 습 윤 양생된 공시체에 비해 다소 작음을 알 수 있다.

이와 같은 차이는 실험실과 현장의 양생 조건의 차이와 대규모 현장 타설에 의해 발 생된 문제로 판단된다 현장 시공에 따른 강도 감소를 계산해보면 약. 19%로 추후 경 량기포혼합토의 배합설계 시 이를 반드시 반영해야 할 것으로 판단된다 또한 위와 같. 은 강도감소율을 최소화시키기 위해 경량기포혼합토의 시공 관리에 있어 각별한 주의 가 요구된다.

구 분

평균 일축압축강도 (kPa)

강도감소율(%)^* 실내 공시체

( 5cm×10cm)Φ

현장 공시체 ( 10cm×20cm)Φ

양생 1개월 771 626 18.8

양생 5개월 965 777 19.5

 강도감소율  _{ }

_{} _{}

×   _{}  실내공시체의 일축압축강도

_{ } 현장공시체의 일축압축강도

실험실 공시체의 경우 관찰 10시간 경과 후 높이 10cm의 공시체의 끝까지 상승하 는 것으로 나타났다(Fig. 3.8). 이것은 미세한 공극이 경량기포혼합토 내에 존재하기 때문인 것으로 판단된다. 이 결과를 모관상승고와 시간의 그래프로 표현하면 Fig.

와 같다 3.9(c) .

현장코어 공시체에 대한 시험결과도 샘플링 시기에 상관없이 모관상승고는 70시간이 경과한 후 20cm정도에 도달하였다(Fig. 3.9(a)). 실내 공시체에 대한 모관상승고 시험 결과와 비교해 보면 실내 공시체와 현장 코어 공시체 모두 시험 10시간 후 10cm 높 이의 모관상승이 매우 유사하게 발생하여 양생 조건에 따른 모관상승은 별 차이가 없 음을 알았다 시간에 따른 모관상승 경향은. Fig. 3.9(b)와 (c)에서 잘 볼 수 있는데 대 략 100분 이내에서는 모관상승이 가파르게 진행되고 그 이후의 시간에서는 상승 속도 가 점진적으로 완만하게 진행되었으며 경과시간에 따른 모관상승고의 추세를 수식으, 로 나타내면 각각 아래의 식과 같다.

실내 공시체 : _  ∙^ (3.4) 현장코어 공시체 : _  ×  (3.5)

여기서, hc : 모관상승고(cm) 경과시간 t : (hour)

ϕ ϕ

ϕ

또한 길이가 10cm인 실내공시체와 20cm인 현장에서 샘플링한 공시체 모두 모관상 승이 공시체의 끝까지 발생하여 최종적인 모관상승고를 확인하기 위해서는 추후 1m 이상의 공시체에 대한 시험이 필요할 것으로 보인다.

이와 같은 물의 모관상승 현상은 경량기포혼합토의 내부에 미세한 공극이 존재한다 는 것을 의미하며 이 미세공극은 고화 시 기포제 및 원료토사와 고화재의 상이한 입, 도분포에 의해 형성된 것으로 판단된다(Fig. 3.10). 준설토를 이용한 경량기포혼합토도 처럼 준설토와 고화재만 사용한 경우에는 고화재의 고화 작

Fig. 3.11(a) (Cementation)

용에 의해 점토입자가 서로 결합되어 미끈한 형상을 보이는 반면 기포를 혼합한 공시, 체의 경우에는 Fig. 3.11(b)와 같이 경량기포혼합토 내부에 기포가 분포하고 있는 것을 알 수 있다 윤길림 등( , 2005)