Mechanical Characteristics of Accelerated Flowable Backfill Materials Using Surplus Soil for Underground Power Utilities

地 盤 工 學

大 韓 土 木 學 會 論 文 集

第26卷 第5C 號·2006年 9月 pp. 303~312

굴착 잔토를 재활용한 지중전력구조물 뒷채움재의 역학적 특성

Mechanical Characteristics of Accelerated Flowable Backfill Materials Using Surplus Soil for Underground Power Utilities

천선호*·정상섬**·이대수***·김대홍****

Cheon, SeonHo ^· Jeong, Sangseom ^· Lee, DaeSoo ^· Kim, DaeHong

···

Abstract

This study is to evaluate the mechanical characteristics of flowable backfill and offer a guide line of mixture proportion based on soil types for constructing underground power utilities. Flowable backfill is known as soil-cement slurry, void fill, and controlled low-strength material(CLSM). The benefits of CLSM are reduced equipment costs, faster construction, re-excava- tion in the future, and the ability to place materials in confined spaces, which are narrow parts or perimeters of underground power cables nearly impossible for compaction. The flowable slurry mixed with 17 soils and 6 accelerated mixtures in the lab- oratory were evaluated for flowability and unconfined compressive strength to meet the target values of this study.

Keywords :

mechanical characteristics, flowable backfill, controlled low-strength material(CLSM), soil-cement slurry, underground power utility

···

요 지

본 연구에서는 급결성 유동화 뒷채움 재료의 역학적 특성을 파악하여 토질 조건에 따른 배합비 설계 기준을 제시하고 거 동 특성을 파악하는데 그 목적이 있다. 국내 토질 여건을 고려하여 사질토(SW-SM)에 자갈과 점토의 혼합비를 차별적으로 적용하여 사질토는 SP와 SW-SM, 점토는 CH, 그리고 혼합토는 SW-SM, SP-SM, SC, 그리고 GP-GM등 총 17종류의 대 상토를 선정하였으며 대상토에 고결재료와 물을 혼합하여 급결성 유동화 뒷채움재로 사용하였다. 본 연구결과 고화재의 종류 와 양을 차별적으로 적용하여 만든 뒷채움재는 기존의 모래로 다짐된 뒷채움재의 특징인 유지 및 보수를 위한 재굴착성 뿐 만 아니라 고유동성, 굴착잔토의 재활용성 등 많은 장점들을 가지고 있어 모래 뒷채움재를 대체 할 수 있다고 판단되어 토 질 조건에 따라 배합비 설계기준을 제시하고 거동 특성을 파악하였다.

핵심용어 : 역학적 특성, 유동화 뒷채움재, 저강도 조절 재료, 흙-시멘트 슬러리, 지중화 전력 구조물

···

1. 서 론

도심지의 지중구조물은 주로 지중 전력케이블 , 상하수도관 ,

도시가스관 , 각종 통신구등의 지중매설관이 주류를 이루고 있으며 , 굴착 시 발생하는 잔토를 지중화 공사에 재이용하기 보다는 거의 폐기처분 하고 , 뒷채움재로 다시 양질의 모래를 구입하여 사용하고 있는 실정이다 . ^{굴착 잔토의 폐기 처분과}

모래의 채취는 환경에 악영향을 미치고 있으며 , 뒷채움재 다 짐 시 발생하는 소음과 진동 그리고 관하부 다짐의 어려움 ,

다짐효율이 떨어지는 문제점을 발생시키고 있다 . 이러한 문

제점을 해결하기 위한 방법 중 하나가 flowable backfill

(slurry soil-cement, controlled low-strength material) 을 이용 하는 것이다 . CLSM(controlled low-strength material) 의 장점 은 다짐이 필요하지 않는 자기 수평성 ( 시공성 ), 자원의 재활용

을 통한 경제성 , 그리고 자기강도발현성 및 미래의 재 굴착성 이 가능한 것으로 알려지고 있다 .

지중 전력구조물 유동성 뒷채움 재료로서 CLSM 을 고려할 때 가장 중요한 특성은 유동성과 일축압축강도이다 . 유동성은 시공 시 작업인원과 생산성에 매우 밀접한 관계가 있으며 일 축압축강도는 시공성과 미래의 재굴착성을 나타내는 지표로 쓰인다 . ^{현재 미국} , ^일본 , ^{그리고 대만 등에서는 굴착잔토} , ^플

라이애쉬 및 폐주물사 , 시멘트 및 혼화제를 차별적으로 혼합 하여 시공 목적에 적합한 유동성 및 강도발현이 되는 유동화 저강도 뒷채움재에 대한 연구가 진행 중에 있다 (Wayne, 1994; Takahashi, 1994). 국내에서는 이를 지중매설관 , 옹벽

( 조재윤 등 , 2000; 박재헌 등 , 2004) 등의 뒷채움 재료로 적 용한 경우는 있으나 대부분 굴착잔토의 재활용율이 매우 낮 고 국내 토질 조건을 고려한 연구는 매우 미미하다 . 또한 , 대

*정회원ㆍ연세대학교토목공학과석사과정졸업

(E-mail : [email protected])

**정회원ㆍ교신저자·연세대학교공과대학토목공학과교수

(E-mail : [email protected])

***한국전력공사전력연구원책임연구원

(E-mail : [email protected])

****한국전력공사전력연구원선임연구원

(E-mail : [email protected])

부분의 지중화 공사가 도심지에서 주로 야간 시간에 차량소 통이 적은 틈을 이용하여 단시간에 이루어지는 상황을 고려 할 때 , 신속한 시공을 위하여 단시간에 고결되는 뒷채움재의 필요성 , 유지 및 보수를 위한 재굴착성을 고려한 유동화 뒷 채움재에 대한 연구는 매우 미비하다 .

따라서 , 본 연구에서는 지중 전력구조물 공사에서 발생되는 굴착 잔토를 재활용하기 위하여 17 종류의 대상 시료와 6 종 류의 고결재료를 사용하여 짧은 시공시간 , 빠른 교통개방 , 그 리고 미래의 재굴착이 가능한 급결성 유동화 뒷채움재의 물 리·역학적 성질을 파악하여 토질 조건에 따른 배합비 설계 기준을 제시하고 그 거동특성을 파악하는데 목적이 있다 .

2. 대상 시료

유동화 뒷채움재는 크게 흙 , 고화재 , 물로 구성되어 있다 .

특히 고화재는 여러 성분으로 구성되어 있으며 , 이중 급결제 의 경우 조기강도를 결정짓는 중요한 인자로 작용한다 . 이에 본 절에서는 급결제가 고화재의 구성 성분이나 특별히 따로 언급하였다 .

2.1 흙

국외 선행 연구에 사용된 유동화 뒷채움재 재료는 최대 세립분 함량이 10% 이하 (ASTM C33) 또는 30% 이하 ( 미 개척국 ) 로 그 범위가 일부분에 국한되었다 . 이는 국외의 유 동화 뒷채움재의 경우 주로 모래 또는 혼합토 ( 모래 + 점토 ) 를

사용하였기 때문이다 . 하지만 본 연구에서는 국외 선행 연구 결과 제시된 세립분 함량기준과 국내 토질 조건 모두를 고

려하여 국내 표층의 70~80% 를 차지하고 있는 화강풍화토

중 세립분 함량이 10% 인 사질토를 기본 대상 시료로 선정 하였다 . 또한 국내 천층에 존재하는 다양한 토질을 대표하고

자 기본 대상 시료에 점토를 10~30% 함유한 혼합토 , 자갈

을 10~50% 함유한 혼합토 , 자갈과 점토를 모두 함유한 혼

합토 , 강모래 100%, 그리고 순수 점토 100% 등 총 17 종류

( 표 1) 의 대상시료를 선정하여 시험을 수행하였다 .

2.2 급결제

일반적으로 급결제의 첨가량이 증가함에 따라 조기강도 가 증가한다 . ^이는 C3A, ^{에트린가이트} , C3S ^{에 의한 팽창}

작용 및 간극 충전으로 발생한다 . ^{본 실험에서 사용한 급}

결제는 무기질계 지반주입제 (A ^급결제 ) ^와 shotcrete ^{용 무기}

염제 (B ^급결제 ) ^{를 사용하였다} .

A 급결제는 물유리 주입제 ( 규산소다 , sodium silicate) 를 보 강한 것으로 환경성과 내구성을 개선한 급결제이며 화학조 성은 표 2 ^{와 같다} . A ^{급결제는 물과 반응하는 즉시 활성화되}

어 침상형 결정인 에트린가이트를 형성한다 . 이 침상형 결정 이 점차 성장하여 토립자들을 가교 상으로 연결하고 칼슘실 리케이트수화물이 이들 사이의 간극을 충진하여 고결제의 강 도를 증가시킨다 . 보통 포틀랜드 시멘트와 조강 포틀랜드시 멘트의 시멘트의 응결시간이 수 시간이고 초속경 시멘트의 경우라도 응결시간이 수 십 분에 이르나 A 급결제는 높은 함 표 1. 시료 및 물성

토질 분류 대상토질 가적 잔류율

(%)

_소성

4.75~13mm 0.075~4.75mm 0.075mm

이하 지수

사질토

SW-SM

풍화토

100% - 90 10 -

SP

강모래

100 % - 95 4.91 -

점토

CH

점토

100 % - 0 100 33.7

혼합토

SW-SM

풍화토

90%+

자갈

10% 10 81 8.60 -

SW-SM

풍화토

80%+

^자갈

10%+

^점토

10% 10 72 17.78 6.88

SP-SM

풍화토

80% +

자갈

20% 20 72 8.09 -

SP-SM

풍화토

70% +

^자갈

30% 30 63 6.62 -

SP-SM

풍화토

60% +

자갈

40% 40 54 5.99 -

SP-SM

풍화토

90% +

^점토

10% - 81 18.82 6.72

SC

풍화토

80% +

점토

20% - 72 27.63 8.48

SC

풍화토

70% +

^점토

30% - 64 36.45 9.80

SC

풍화토

70%+

자갈

10%+

점토

20% 10 63 27.01 8.62

SC

풍화토

70%+

^자갈

20%+

^점토

10% 20 63 16.57 7.09

SC

풍화토

60%+

자갈

20%+

점토

20% 20 55 25.42 8.81

SC

풍화토

60%+

^자갈

30%+

^점토

10% 30 54 15.94 7.29

SC

풍화토

50%+

자갈

30%+

점토

20% 30 45 24.88 9.38

GP-GM

풍화토

50% +

^자갈

50% 50 45 4.79 -

표 2. 무기질계 급결제의 화학조성 (A 급결제)

분류

lg. loss Insol SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3

비중 분말도

(cm²/g)

% 0.6 0.8 2.2 23.9 0.70 43.3 0.2 28.3 2.9 5500

수비에서도 그 응결시간이 수초에 지나지 않아 지반주입재 에 필요한 급결성을 확보할 수 있게 된다 .

B 급결제의 화학조성은 표 3 과 같으며 조기강도 발현은 빠 르나 장기로 갈수록 강도 발현이 작고 급결제를 많이 사용할 수록 첨가량에 비해 장기 강도가 저하되는 특징을 갖고 있다 .

2.3 고화재

본 연구에 사용된 고화재 ( 표 4 참조 ) 는 상용화 되고 있는 제품을 시험 목적에 적합하도록 고화재의 배합 비율을 조정 하여 혼합 초기 유동성을 유지하였으며 시공성 향상 ( 빠른 교 통개방 ) 을 위하여 조기강도는 크고 재굴착을 위하여 장기강 도는 작도록 개선된 것을 사용하였다 . 고화재는 고유동성의 뒷채움재를 만들기 위하여 포졸란 양을 증가시키고 유동화 제 등의 혼합제를 첨가하는 방법을 사용하여 고화재는 칼슘 설포알루미네이트 시멘트 ( 조강형 CSA 계 시멘트 ), 포졸란 , 그 리고 알칼리탄산염 촉진제로 구성하였다 .

최초 A type 고화재를 17 종류의 대상 시료에 적용한 후

고유동 및 저강도 특성을 나타내지 않는 대상시료에 대하여 그 물리적 특성에 따라 고화재내 구성 성분비를 변화시켰다 .

B type 고화재는 일반적인 흙보다 유동성이 작고 강도가 좋

은 대상 시료에 대하여 세립분율을 증가시키고 CSA 시멘트 량을 감소시킨 것으로 강모래에 적용하였다 . C type 고화재 는 초기강도는 매우 작으나 고결 뒤 높은 강도 특성을 나타 내는 대상 시료에 대하여 초기에 수화작용을 촉진시키고 장

기강도를 낮추기 위하여 CSA ^{시멘트량을 낮춘 것으로 순수}

점토 100% 에 적용하였다 . D type 고화재는 자갈이 다량

함유되어 있어 자중으로 인하여 유동성이 매우 나쁘고 강도

특성이 우수한 대상 시료에 유동화제 3.2% 를 첨가시키고

CSA ^{시멘트 양을 감소시킨 것이다} . ^또한 , ^{각각의 고화재는}

대상 시료에 따라 시험 목표 초기강도를 만족시키기 위하여 알칼리탄산염 촉진제를 차별적으로 첨가하였다 . 표 4 는 고화 재의 비중과 성분을 나타내며 이를 보통포틀랜드 시멘트

(OPC) ^{와 비교하였다} .

3. 시험 목표 및 시험방법

3.1 시험목표

한국전력공사에서는 전력공급의 한 방법으로 지중화 공사

를 수행하고 있으며 지중전력구조물 뒷채움 시공에서 관 주 변의 다짐불량과 기존 되 메움 재료 ( ^모래 ) ^{의 점차적인 경제}

적 취약성 등을 해결하기 위한 방법으로 대체 재료 ( 방식사 등 ) 또는 굴착잔토를 재활용한 유동성 뒷채움공법에 대한 연

구를 진행하고 있다 ( 이대수 , 2003). 굴착 잔토를 사용한 유

동성 뒷채움공법의 적용은 국내에서 극히 미비하며 , 특히 미 국과 일본이 모래 또는 모래와 점토의 혼합토를 대상토로 하는 것과는 상이하다 . 따라서 , 굴착토의 재활용율을 극대화 하고 국내 토질조건에 적합하며 , 고화재와 혼합제의 양을 최 소화하여 교통개방 시간이 짧고 유지 및 보수를 위해 인력 에 의한 재굴착이 가능한 지중전력구조물 뒷채움재의 배합 비 설계기준과 거동특성을 파악하는 것이 본 연구의 시험목 표이다 . 이를 위한 시험항목 및 적용기준은 국외 선행 연구 를 바탕으로 표 5 에 정리하였다 .

3.2 시험 방법

본 연구에서는 유동성과 일축압축강도를 각각 5 회 측정한 후 이를 평균한 결과에 의하여 역학적 특성을 파악하였다 .

실험 간의 편차는 최대 3.4% 로 매우 미미하여 초기 우려

했던 양질의 공시체 형성의 어려움에 대해서는 고려하지 않 아도 된다고 판단하였다 .

유동성은 유동화 되메움재의 중요한 특징으로 다짐 없이 시공을 가능하게 하여 시공성 , 안정성 및 경제성에 큰 영향 을 미친다 . 본 연구에서는 측정용 몰드의 규격이 다른 두 방법을 사용하여 유동성을 측정하였다 . 유동성 시험용 몰드 는 JHS A 313 에서 규정한 몰드 (D=8cm, H=8cm) 와 미국

ACI 및 ASTM D 6103 에서 규정한 몰드 (D=7.62cm,

H=15.24cm) 를 사용하였다 ( 사진 1). ASTM D 6103(Standard Test Method for Flow Consistency of Controlled Low Strength Material) 은 모래 또는 19mm 이하의 굵은 골재를 표 3. 무기염계 급결제의 화학조성 (B 급결제)

분류

SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO TiO2 SO3 Na2O

비중 분말도

(cm²/g)

% - 11 - 25 - - 1.5 29 2.6 5000

표 4. 고화재의 화학조성

구분

lg. loss SiO² Al²O³ Fe²O³ CaO MgO SO³ Total

비중 분말도

(cm²/g)

^대상토질

OPC 1.90 20.70 4.20 3.10 63.90 3.90 2.30 100 3.15 3200

A

고화재

2.03 20.50 22.2 1.20 42.60 3.60 7.00 99.13 2.88 4500 B, C, D

고화재외의 토질

B

^고화재

1.81 29.20 16.2 0.70 43.30 4.70 3.30 99.21 2.89 4500

강모래

C

고화재

2.68 20.20 13.7 1.50 48.10 3.50 9.80 99.48 2.97 4600

순수점토

D

^고화재

2.03 20.50 22.2 1.20 42.60 3.60 7.00 99.13 2.88 4500

자갈 함유량

40%

^이상

표 5. 시험항목 및 적용기준

시험항목 적용기준

흐름값

JHS A 313

기준

20cm

이상

ASTM D 6133

기준

20cm

이상 일축압축강도 목표

1

시간강도

: 0.5kg/cm²

이상

,

목표

4

시간강도

: 1.5kg/cm²

이상

,

목표

28

일 강도

: 6.5kg/cm²

이하

포함하는 유동화 채움재에 적용 할 수 있다 . 유동성 시험에 서 플라스틱 몰드와 실험용 테이블은 실험 전에 물을 사용 하여 충분히 적셨다 . 유동화 채움재가 적합하게 혼합되자마 자 밑이 뚫린 플라스틱 몰드에 5 초 내에 혼합물을 채운 다 음 평탄한 유리판위에 놓고 수직방향으로 빠르고 조심스럽 게 2~4 초 내에 들어 올린다 . 흐름 특성을 관찰한 후 최대 흐름값과 그 값에 수직한 흐름값의 평균을 재료의 흐름 치 로 결정하였다 . 전체적인 시험 경과 시간은 90 초 안에 수행 되었다 .

또한 유동화 채움재의 강도를 평가하기 위하여 일축압축 강도 시험을 수행하였다 . 일축압축시험은 허용하중이 200kg

인 Tokyo Sokki Kenkyuio 사의 load cell 과 displacement trans-ducer 를 사용하였다 . 하중은 수직변형률을 분당 1% 로 재하 하였으며 , 하중재하는 변형률이 증가함과 함께 하중 값 이 감소 할 때 까지 또는 10% 의 변형률에 도달할 때 까지 하중재하를 계속하였다 . 일축압축강도의 측정 오차 범위는 각각의 목표 강도에 대하여 약 10% 범위 내에 있는 것을

측정값으로 하였다 . 일축압축시험용 몰드는 직경은 5cm 이고

높이는 10cm 인 토질시험용 규격몰드를 사용하였고 몰드성

형 시 구리스를 이용하여 몰드 밖으로의 물 빠짐을 억제하 였다 . 양생방법은 EPRI( 미국 전력연구원 ) 의 기준안인

sealing 방법으로 온도는 203

^o

C, 습도는 70-80% 로 항온수조 에서 양생하여 급격한 함수비의 변화가 없는 지중상태를 구 현하였다 .

4. 시험결과 및 분석

본 연구에서의 시험 과정은 지중 전력구조물 유동성 뒷채 움재로 보통포틀랜드시멘트 (OPC) 와 상용화 되고 있는 급결 제 2 종류를 적용하여 목표 유동성 및 목표 일축압축강도의 만족 여부를 확인한 후 만족하지 않을 경우 고화재를 적용 하였다 . 고화재의 적용은 재굴착이 가능한 강도를 나타내는

표 6. 유동성 시험 결과

토질 분류 대상토질

JHS A 313

(cm) ASTM D 6103

(cm)

사질토

SW-SM

풍화토

100%

약

20

SP

강모래

100 % 2525

점토

CH

점토

100 % 28

혼합토

SW-SM

풍화토

90%+

자갈

10% 25

SW-SM

풍화토

80%+

자갈

10%+

점토

10% 24

SP-SM

풍화토

80% +

자갈

20% 25

SP-SM

풍화토

70% +

자갈

30% 24

SP-SM

풍화토

60% +

자갈

40% 23

SP-SM

풍화토

90% +

점토

10% 26

SC

풍화토

80% +

점토

20% 26

SC

풍화토

70% +

점토

30% 26

SC

풍화토

70%+

자갈

10%+

점토

20% 24

SC

풍화토

70%+

자갈

20%+

점토

10% 23

SC

풍화토

60%+

자갈

20%+

점토

20% 24

SC

풍화토

60%+

자갈

30%+

점토

10% 23

SC

풍화토

50%+

자갈

30%+

점토

20% 23

GP-GM

풍화토

50% +

자갈

50% 23

사진 1. 유동성 시험용 몰드 사진 2. 흐름성 평가

배합비에 대하여 촉진제의 함량을 조절하여 목표 조기강도 를 만족시켰다 .

4.1 역학적 특성

4.1.1 유동성

유동성은 여러 시험 방법에 의하여 구할 수 있다 . 그러나 짧은 시간에 적은 시료 양으로 동일한 결과를 얻을 수 있는

것이 flow cone 을 사용하는 것이다 . 유동성 측정은 유동화

뒷채움재로 채워진 flow cone 을 들어 올렸을 때의 평균 퍼

짐 직경을 말한다 . 국외 선행 연구결과 JHS A 313 몰드

( 직경 =8cm 높이 =8cm) 를 사용하였을 경우 15cm 이하는 저 유동성 , 15-20cm 중간유동성 , 그리고 20cm 이상을 고유동 성으로 구분하고 있다 ( 사진 2). 또한 , ASTM D 6103 몰드

( 직경 =7.62cm, 높이 =15.24cm) 를 사용하였을 경우 15.24cm

이하는 저유동성 , 15.24~20cm 는 중간유동성 , 그리고 20cm

이상은 고유동성으로 규정하고 있다 . 이에 본 연구에서는 두 가지 시험기준에서의 고유동성을 나타내는 흐름값이 동일하 므로 몰드 크기가 작아 유동성을 만족시키기 위한 반복시험 시 상대적으로 흙의 손실이 적은 JHS A 313 ^{몰드를 사용}

하여 20cm 의 고유동 뒷채움재의 기준을 만족시키는 토질별

배합비를 구하고 이를 ASTM D 6103 몰드에 적용하여 흐

름값을 측정하여 표 6 에 나타냈다 .

동성은 재료의 종류에 따라 차이가 발생하며 좋은 유동성 은 시공성을 향상 시켜주므로 재료분리가 발생하지 않는 범 위 내에서 최대한 유동성을 증진시켜야 한다 . 시험 결과 ,

JHS A 313 몰드보다 ASTM D 6103 몰드를 사용한 측정값

이 더 큰 흐름값을 나타내었다 . ^이는 ASTM D 6103 ^몰드의

크기가 더 크기 때문에 그 차이가 발생한 것으로 판단된다 .

ASTM D 6103 몰드를 사용한 유동성 기준은 재료분리를

고려하여 그 제한 범위를 나타내고 있으며 일반적인 평균 퍼짐 직경이 약 20-30cm(Wayne ^등 , 1994, Pons ^등 , 1998)

이다 . 본 연구에서는 재료분리가 발생하지 않는 최대 유동성

이 대상 시료에 따라 25-28cm 의 범위를 나타내어 대상 시

료 별 유동성이 우수함을 알 수 있었다 . 4.1.2 일축압축강도

유동화 채움재는 고결성 재료로서 양생 28 일 일축압축강도

가 83kg/cm

²

이하를 갖는 것으로 정의 되고 있으며 일축압

축강도는 유동화 채움재의 하중분담능력을 측정하기 위한 지 표로 사용되고 있다 . 강도 기준은 일반적으로 다음과 같이 , 인

력 굴착이 가능한 강도 (7kg/cm

²

이하 ), 기계 굴착이 가능한

강도 (40kg/cm

²

이하 ), 그리고 장비굴착이 가능한 강도 (83 kg/

cm

²

이하 ) 로 분류된다 (Ayers 등 , 1997). 본 연구에서는 인력에 의한 재굴착이 가능한 유동화 뒷채움재의 일축압축강도로 3.5- 7 kg/cm

²

로 선정하였으며 그 강도는 잘다져진 흙의 2-3 배의 지 지력에 해당한다 .

급결성 유동화 뒷채움재는 일반적인 유동화 뒷채움재와 달 리 장기강도 뿐만 아니라 조기강도 기준이 매우 중요하다 .

이는 지중전력구조물 뒷채움공사가 주로 야간 시간에 차량 소통이 적은 틈을 이용하여 신속한 뒷채움 시공을 끝마친 후 빠른 시간 내에 고결되어 교통해방이 가능해야 되기 때 문이다 . 유동화 뒷채움재의 고결과 교통해방의 가능성을 나

타내는 지표로 일축압축강도가 있다 . 1 시간 일축압축강도가

0.3-0.4 kg/cm

²

이상인 경우 사람이 설 수 있으며 유동화

뒷채움재 타설 후 상층부 또는 포장층을 지지 할 수 있는 강도이며 , 4 시간 일축압축강도가 1.5 kg/cm

²

이상이면 차량 하중을 지탱하여 교통소통이 가능하다 (Takahashi 등 , 1994;

Pons 등 , 1998).

4.1.2.1 급결제 첨가 유·무에 따른 일축압축강도 특성

유동성 뒷채움재 (CLSM) ^{의 중요한 특징 중} 2 ^{가지는 유}

동성과 일축압축강도이다 . ^그림 1, 2 ^{는 사질토} (SW-SM)

에 OPC ^{만을 적용한 경우와} OPC ^{와 상용화되고 있는 급}

결제 2 ^종류 (A, B ^급결제 ) ^{를 이용하여 목표 최소유동성} (200mm) ^{과 조기 일축압축강도} (1 ^시간 0.4kg/ cm

²

^이상 , 4 ^시

간 1.5kg/cm

²

^이상 ) ^{의 만족 여부를 판단하기 위한 시험을}

수행한 결과이다 .

기존의 플라이애쉬 또는 폐주물사를 이용한 유동성 뒷채움 재의 요구 시멘트량은 30kg/m

³

-119kg/m

³

(Naik, 1997; Du, 2002; FHWA-IF-03-019, 2003) 이다 . 이에 본 연구에서는

그림 1. 급결제 미 첨가시

그림 2. 급결제 첨가 시

사질토 (SW-SM) 에 OPC 를 120kg/m

³

으로 고정하고 물 - 시멘

트비 (W/C) 를 496 에서 451% 로 줄여가며 일축압축강도 시험

을 수행한 결과 1 시간 강도는 공시체가 직립하지 않아 측정 할 수 없었으며 , 4 시간 강도는 0.10-0.27kg/cm

²

의 범위를 나타냈다 ( 그림 1). 따라서 , 재령 1 시간에 공시체가 직립하지 않으므로 사질토 (SW-SM) 에 시멘트량을 100, 130, 160kg/m

³

(W/C: 498-312%) 로 변화시키며 A 급결제 (0, 10%) 를 첨가 하였다 . 또한 같은 대상 시료에 시멘트량을 160, 200, 240, 280kg/m

³

(W/C: 338-180%) 로 변화시키며 B 급결제 (0, 5, 7%) 를 첨가하였다 ( 그림 2). 그 결과 , 재령 1 시간 공시체의 자립을 기대하였으나 몰드에서 공시체를 분리하는 순간 공 시체가 주저 않아 일축압축강도를 측정할 수 없었다 . 재령

4 시간 일축압축강도는 공시체가 직립하여 측정 할 수 있었으 나 시험 목표 강도인 1.5kg/cm

²

에 대하여 A 급결제 적용 시

14-36% B 급결제 적용 시 15-23% 의 강도를 나타내었다 . 이 는 급결제의 초기 급결력으로 혼합 5 분 후 목표 유동성을 만족시키기 위하여 배합비 별 물 첨가량이 증가하여 급결제 미첨가시 보다 낮은 일축압축강도 값을 보이고 있다고 판단

된다 . 또한 A 급결제 첨가시 급결제 첨가량이 증가하여도 강도가 저하되는 현상을 보였다 . 이는 A 급결제의 경우 대

상토질에 대하여 binder 의 역할을 수행하지 못하며 단지 세

립분 함유량을 증가시키는 결과를 초래하였기 때문이라고 판 단된다 . 이와 같이 시멘트량을 증가시키거나 상용화되고 있 는 급결제를 적용하였을 경우에도 목표 조기강도 (1 시간 , 4 시 간 ) 는 만족하지 못하였다 . 따라서 혼합동안 초기 유동성의 변화가 적고 초기에 큰 강도를 발현한 후 추가적인 강도 증 가가 작은 저강도 특성을 갖는 고화재가 필요하였다 .

4.1.2.2 고화재를 적용한 일축압축강도 특성

보통 포틀랜드 시멘트와 상용화 되고 있는 2 종류의 대표 적인 급결제를 사용할 경우 목표 조기강도를 만족 시키지 못하였기 때문에 대상 시료별로 고화재 성분을 차별적으로 적용할 필요성이 있다고 판단되었다 . 이에 7 일 강도는 어느 정도 만족하였지만 조기강도를 만족하지 못한 경우에 한하 여 고화재량은 고정시키고 촉진제 함량을 변화시켜가며 조 기강도 만족여부를 판단하였다 . 그림 3, 4 는 사질토 SW-SM

그림 3. A 고화재 적용시 그림 4. C 고화재 적용시

그림 5. 강모래에 B 고화재 적용시 그림 6. D 고화재에 촉진제 1% 첨가 시 일축압축강도

시료에 A 고화재량을 170kg/m

³

과 180kg/m

³

로 고정한 후 촉 진제 함량을 각각 0.32-1.52% 와 0.32-1.20% 로 증가시켰을 때와 점토 100% 에 C 고화재량을 370kg/m

³

으로 고정한 후

촉진제 함량을 1-2.1% 로 증가시켰을 경우의 일축압축강도를

나타내고 있다 . A type 과 C type 고화재를 적용하였을 때

목표 조기강도를 만족시키는 촉진제 함량은 각각 1.2% 와

1% ^{로 나타났다} . A, C type ^{고화재에서 나타나듯이 약} 1%

의 촉진제를 사용하였을 경우 조기강도를 만족하는 것으로 나타났다 . 이에 그림 5 와 같이 장기 강도 만족 범위가 고화

재 250-300kg/m

³

으로 광범위 했던 강모래에 촉진제 함량을

1% 로 고정시키고 적절한 조기강도를 갖는 고화재량을 실험

한 결과 고화재량 280kg/m

³

이 기준을 만족하는 것으로 나

타났다 . 또한 A type 고화재에 유동화제 3.2% 를 첨가한 D

type 고화재는 촉진제 1% 를 첨가하였을 경우 그림 6 과 같

이 목표 조기강도를 만족시켰다 . 따라서 급결성 유동화 뒷채 움재는 17 종류의 대상 시료에 알칼리탄산염 촉진제가 1-

1.2% 첨가된 고화재를 적용할 때 조기 목표 일축압축강도

( 재령 1 시간 0.4kg/cm

²

이상 , 재령 4 시간 1.5kg/cm

²

이상 ) 를 모두 만족시킬 수 있음을 알 수 있었다 .

그림 7 과 8 은 대상 토질별 양생 시간에 따른 일축압축강 도를 나타내고 있다 . 가장 많은 토질 조건에 적용되고 있는

A type ^{고화재를 적용한 대상 시료의 재령} 28 ^{일 일축압축}

강도는 4.26-6.06kg/cm

²

이었고 재령 56 일 및 7 일 일축압축 강도는 4.91-6.34 kg/cm

²

와 3.66-5.10kg/cm

²

로 측정되었다 .

B type 고화재를 적용한 강모래의 재령 28 일 강도는

5.71kg/cm

²

^{이었고 재령} 56 ^{일 및} 7 ^{일 일축압축강도는} 8.11 kg/cm

²

와 4.72kg/cm

²

로 측정되었다 . C type 고화재를 적용 한 점토 100% 의 재령 28 일 일축압축강도는 10.64kg/cm

²

이었으며 재령 56 일 및 7 일 일축압축강도는 12.09kg/cm

²

와

8.67kg/cm

²

^{로 측정되었다} . D type ^{고화재를 적용한 풍화토에}

자갈이 다량 함유된 혼합토의 재령 28 일 일축압축강도는

4.26-4.52kg/cm

²

이었으며 재령 56 일 및 7 일 일축압축강도는

4.24-4.62kg/cm

²

와 3.67kg/cm

²

로 측정되었다 . B type 고화재

를 적용한 강모래 100% 시료는 재령 28 일 이후에도 급격한

강도 상승이 발생되어 재령 28 일 일축압축강도를 만족하였지

만 재령 56 일 일축압축강도 시험 결과를 바탕으로 재굴착이 불가능한 것으로 판단되었다 . 그러나 나머지 대상 시료의 장 기강도는 재령 28 일 이후 급격한 강도 상승이 발생되지 않아

사질토 (SW-SM) 에 점토 30% 함유된 혼합토 , 순수 점토

100%, 그리고 강모래 100% 를 제외한 14 종류의 대상 시료는

인력에 의한 재굴착이 가능 할 것으로 판단된다 . 또한 재령

7 ^{일 및} 28 ^{일 이후 강도 증가가 소폭 발생하므로 재령} 56 ^일

이후 강도 증진은 미소하게 발생 할 것으로 판단된다 .

4.2 양생방법에 따른 물리·역학적 특성

급결성 유동화 뒷채움재는 지중에 존재하는 뒷채움재의 물 리적 특성과 그 물리·역학적 특성을 파악하기 위하여

sealing 양생법에 의하여 장기 일축압축강도 특성을 평가하였

다 . 또한 , 불투수층인 아스팔트 포장층 하부에 뒷채움재가 시 공된 후 완전 건조되는 것을 가정하여 대상 시료별 기건 양 생법에 의한 일축압축강도를 sealing 양생법에 의한 습윤 상 태의 일축압축강도 값과 비교하고 시험 목표 기준과의 만족 여부를 검토하였다 . 시험 결과 , 표 7 과 같이 함수비는 기건 양생 시 1.06-3.71% 로 sealing 양생 시 보다 약 92-95% 의 급격한 감소를 보였으며 단위중량은 약 1.20-1.80t/m

³

의 범위 를 나타내며 sealing 양생 시 보다 12-29% 의 감소하였다 . 이 는 건기 시 지하수 또는 침투수가 급결성 유동화 뒷채움재에 전혀 영향을 미치지 못하는 극한 상태의 대상 시료별 물리적 특성을 나타낸다 .

대상 시료별 기건 양생 시 일축압축강도는 표 8 과 같이 급격한 함수비 감소로 수화작용이 원활히 발생하지 않았고 단위중량이 감소하여 기건 양생 시 대상 시료에 따라 3.11- 5.46kg/cm

²

의 범위를 나타내며 sealing 양생 시 보다 약

15-38% 의 강도 감소를 나타냈다 . 단 , 풍화토 100%(SW-SM)

에 자갈을 40% ^또는 50% ^{함유한 혼합토는 각각} 7.05kg/

cm

²

와 8.55kg/cm

²

의 일축압축강도를 나타내며 sealing 양생 시 보다 각각 65.59% 와 89.25% 의 강도 증가가 발생하였다 .

이는 자갈 함량이 높아 재료분리가 발생하기 쉽고 유동성이 취약하여 유동화제를 첨가한 결과 , ^{단위중량의 감소는 대상}

시료 중 가장 작은 변화를 보였고 자갈이 공시체 내에서 작

그림 7. 단일, 2종류 혼합토의 강도 특성 그림 8. 3종류 혼합토의 강도 특성

은 binding 효과에도 불구하고 강도가 우수한 골격구조를 나타낸 결과라 판단된다 .

따라서 , ^{급결성 유동화 뒷채움재는 지중에서 습윤 또는 기}

건 상태로 존재할 때 재굴착이 가능한 대상 시료는 총 17

종류의 대상 시료 중 12 종류의 대상 시료임을 알 수 있었다 .

4.3 급결성 유동화 뒷채움재의 설계 배합비

본 연구에서는 대상 시료로 사질토, 점토, 그리고 혼합토로 구분하여 총 17 종류를 선정하였으며 고화재 종류와 양을 차 별화하여 흙고화체를 성형한 후 재령에 따라 물리적, 역학적 특성을 평가하였다. 이로부터 실내시험 목표 값을 만족하는

12 종류의 대상토를 적용한 급결성 유동화 뒷채움재의 배합 비 설계 기준을 제시하였다.

현장에서는 급결성 유동화 뒷채움재의 적용을 위하여 설계 흐름도(그림 9)에 따라 현장토의 물리적 특성을 파악한 후 실내 시험을 통하여 제시된 배합비 설계 기준(표 9)에서 배 합비를 선택하여 배합을 수행한다(그림 9에서 열저항성 기준 및 실험은 천선호 등, 2005 참조). 본 배합비는 실내 실험 을 통하여 유동성, 조기 및 장기 일축강도를 만족하는 경우 로서 재료별 ㎥당 질량비와는 무관하며, 기준을 만족하는 경 우 고화재 질량을 1로 하였을 경우의 대상토 및 물의 상대 적 질량비를 나타낸다.

표 7. 양생 방법에 따른 함수비 및 단위중량

대상시료 재 령 단위중량

(t/m³)

함수비

(%)

sealing

시 기건 양생시

sealing

시 기건 양생시

강모래

100% 2.04 1.70 20.19 1.06

풍화토

100 % 1.79 1.32 41.44 2.70

풍화토

90% +

자갈

10% 1.82 1.38 40.84 2.51

풍화토

80% +

자갈

20% 1.88 1.44 34.29 2.16

풍화토

70% +

자갈

30% 1.90 1.50 34.19 1.91

풍화토

60% +

자갈

40% 2.06 1.75 20.95 1.45

풍화토

50% +

자갈

50% 2.05 1.79 20.73 1.30

풍화토

90% +

점토

10% 1.75 1.26 43.87 3.08

풍화토

80% +

점토

20% 1.71 1.25 46.08 3.37

풍화토

70% +

점토

30% 1.68 1.21 47.44 3.71

풍화토

80% +

자갈

10% +

점토

10% 1.78 1.33 40.99 2.64

풍화토

70% +

자갈

10% +

점토

20% 1.75 1.35 40.27 3.01

풍화토

70% +

자갈

20% +

점토

10% 1.81 1.29 36.45 2.50

풍화토

60% +

자갈

20% +

점토

20% 1.74 1.37 39.37 2.80

풍화토

60% +

자갈

30% +

점토

10% 1.84 1.42 32.50 2.33

풍화토

50% +

자갈

30% +

점토

20% 1.82 1.32 38.22 2.71

표 8. 양생 방법에 따른 일축압축강도 , qu(kg/cm

²

)

대상시료 재 령

28

^일

sealing

^양생

q^u 28

^{일 기건 양생}

q^u

^변화율

(%)

강모래

100% 5.71 3.52 -38.41

풍화토

100 % 4.26 3.30 -22.41

풍화토

90% +

자갈

10% 4.78 3.35 -29.97

풍화토

80% +

^자갈

20% 4.82 3.14 -34.99

풍화토

70% +

자갈

30% 4.64 3.11 -32.92

풍화토

60% +

^자갈

40% 4.26 7.05 +65.59

풍화토

50% +

자갈

50% 4.52 8.55 +89.25

풍화토

90% +

^점토

10% 6.04 3.41 -43.48

풍화토

80% +

점토

20% 6.06 4.56 -24.75

풍화토

70% +

^점토

30% 6.90 5.46 -20.88

풍화토

80% +

자갈

10% +

점토

10% 5.26 3.61 -31.39

풍화토

70% +

^자갈

10% +

^점토

20% 5.53 3.90 -29.38

풍화토

70% +

자갈

20% +

점토

10% 5.49 4.10 -25.28

풍화토

60% +

^자갈

20% +

^점토

20% 5.50 3.40 -38.15

풍화토

60% +

자갈

30% +

점토

10% 5.59 4.78 -14.44

풍화토

50% +

^자갈

30% +

^점토

20% 5.51 4.26 -22.74

실내 시험에서는 급결성 유동화 뒷채움 재료로 선정된 대 상 시료의 역학적 특성을 평가하고 배합비 설계 기준을 검토 하였다. 현장에서는 다양한 토질 조건을 나타내므로 실내시험

을 통하여 제시된 배합비 설계 기준에서 배합비를 선택하여 검증 또는 수정 배합을 수행하여 제시된 설계 흐름도에 따라 품질 평가를 수행하여야 한다.

그림 9. 급결성 유동화 뒷채움재의 설계 흐름도 표 9. 급결성 유동화 뒷채움재의 배합비 설계 기준

토질 분류 대상토질 고화재 대상토 물 적부판정

사질토

SW-SM

풍화토

100% 1 6.04 2.95

SP

강모래

100 % 1 5.22 1.39

점토

CH

점토

100 % 1 1.45 1.81

혼합토

SW-SM

풍화토

90%+

자갈

10% 1 6.21 2.87

SW-SM

풍화토

80%+

자갈

10%+

점토

10% 1 5.25 2.68

SP-SM

풍화토

80% +

자갈

20% 1 6.87 2.95

SP-SM

풍화토

70% +

자갈

30% 1 7.62 3.03

SP-SM

풍화토

60% +

자갈

40% 1 9.52 2.71

SP-SM

풍화토

90% +

점토

10% 1 4.74 2.64

SC

풍화토

80% +

점토

20% 1 4.14 2.45

SC

풍화토

70% +

점토

30% 1 3.40 1.81

SC

풍화토

70%+

자갈

10%+

점토

20% 1 4.57 2.47

SC

풍화토

70%+

자갈

20%+

점토

10% 1 5.48 2.58

SC

풍화토

60%+

자갈

20%+

점토

20% 1 5.02 2.52

SC

풍화토

60%+

자갈

30%+

점토

10% 1 6.17 2.58

SC

풍화토

50%+

자갈

30%+

점토

20% 1 5.51 2.56

GP-GM

풍화토

50% +

자갈

50% 1 10.54 2.80

5. 결 론

본 연구에서는 지중 전력구조물 공사에서 발생되는 굴착 잔토를 최대한 재활용하여 기존의 뒷채움 재료로 사용되고 있는 모래를 대체하여 경제적 취약성을 향상시키고 최소한 의 인력으로 짧은 시공 시간과 빠른 교통개방을 통하여 교 통 혼잡을 최소화 하는 동시에 유지 및 보수를 위해 인력에 의한 재굴착이 가능한 급결성 유동화 뒷채움재를 현장에 적 용하기 위하여 실내 시험을 수행하였다. 이에 17 종류의 대 상 시료와 6종류의 고결재료를 사용하여 급결성 유동화 뒷 채움재의 역학적 성질을 파악하였다. 그 결과 4 종류의 고 화재 중 A type 고화재가 적용된 12종류의 대상 시료만이 실내 시험 목표 값을 만족하였으며 이를 바탕으로 대상 토 질에 따른 뒷채움재의 배합비 설계기준을 제시하였고 다음 과 같은 결론을 얻었다.

1. 굴착 잔토를 재활용한 급결성 유동화 뒷채움재는 유동성 과 재굴착성 등을 고려할 때에 기존의 모래로 다짐된 뒷 채움재를 대체 할 수 있음을 알 수 있었다.

2. 급결성 유동화 뒷채움재가 시공 된 후 완전 건조 또는 습 윤 상태로 지중에 존재할 때 일축압축강도 특성을 알아보 기 위하여 기건과 습윤 sealing의 서로 다른 양생방법을 적용하였다. 그 결과, 기건 양생 시 대상 시료의 재령 28 일 일축압축강도는 sealing 양생 시 보다 14-38% 감소하 였으며 유지 및 보수를 위한 미래의 재굴착이 가능함을 알 수 있었다.

3. 유동성과 일축압축강도 시험의 역학적 특성 평가를 통하 여 급결성 유동화 뒷채움 재료로 사용 될 수 있는 토질 은 사질토(SW-SM)와 그 사질토(SW-SM)에 자갈이 최대 30%까지 또는 점토 성분이 최대 20% 까지 함유된 조립 토 임을 알 수 있었다.

4. 실내 시험에서는 급결성 유동화 뒷채움 재료로 선정된 대 상 시료의 역학적 특성을 평가하고 배합비 설계 기준을 검 토하였다. 현장에서는 다양한 토질조건으로 의하여 배합비 가 상이하므로 실내시험을 통하여 제시된 배합비 설계 기준 에서 배합비를 선택하여 검증 또는 수정 배합을 수행하여 제시된 설계 흐름도에 따라 품질 평가를 수행하여야 한다.

감사의 글

본 연구는 한국전력공사 “굴착 잔토를 재활용한 급결성 콘 크리트 개발” 과제로 수행되었으며 이에 감사드립니다.

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접수일

: 2006.2.24/

심사일

: 2006.4.14/

심사완료일

: 2006.7.18)