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工學碩士 學位論文
공법을 적용한 개량체에 DCM
관한 연구
A Study on Improved Soil by Deep Cement Mixing Method
指導敎授 金 泰 亨
2010年 2月
韓國海洋大學校 大學院
土 木 環 境 工 學 科
鄭 善 英
工學碩士 學位論文
공법을 적용한 개량체에 DCM
관한 연구
A Study on Improved Soil by Deep Cement Mixing Method
指導敎授 金 泰 亨
2010年 2月
韓國海洋大學校 大學院
土 木 環 境 工 學 科
鄭 善 英
목 차
ABSTRACT ···ⅰ 요약 ···ⅱ 표 목차 ···ⅴ 그림 목차 ···ⅶ
장 서 론
1 ···1
연구 배경 및 목적
1.1 ···1 연구 내용
1.2 ···1
장 공법 개요 및 현황
2 DCM ···3
공법 개요
2.1 DCM ···3 공법의 특징
2.1.1 DCM ···4 공법의 분류
2.1.2 DCM ···4 공법 개발과 현황
2.2 DCM ···5 해외 공법 현황
2.2.1 DCM ···5 국내 공법 현황
2.2.2 DCM ···8 공법 설계기법 및 개량체 강도특성
2.3 DCM ···12 개요 및 검토 항목
2.3.1 ···12 개량체 단면
2.3.2 ···13 개량형식
2.3.3 ···14 개량체의 허용응력 및 전단강도 검토방법
2.3.4 ···15 공법의 환경적 특성 및 검토사항
2.4 DCM ···16 소음 및 진동 영향평가 사례
2.4.1 ···17 수질 영향분석 사례
2.4.2 ···19 가크롬
2.4.3 Cr+6(6 ) ···21
장 배합설계 시험
3 DCM ···23
시험개요
3.1 ···23
고로슬래그시멘트
3.2.2 ···28 배합설계를 위한 시험장비 및 시험방법
3.3 DCM ···31 시험장비
3.3.1 ···31 시험방법
3.3.2 ···34 배합시험 조건
3.4 DCM ···37 강열감량에 의한 초기시료의 유기물 함유량 시험
3.4.1 ···37 원지반 시료와 함수비 조정 시료의 기본 배합시험
3.4.2 ···38 모래 및 쇄석 적용시료의 기본 배합시험
3.4.3 ···41 시료의 유기물 함유량에 따른 강도 특성시험
3.4.4 ···42 시멘트 종류에 따른 강도 특성시험
3.4.5 ···42 배합시료의 용출시험
3.4.6 ···43 현장의 코어샘플 시료에 대한 배합시험
3.4.7 ···44 추가 배합시험
3.4.8 ···45
장 배합설계 시험결과
4 DCM ···48
강열감량에 의한 초기시료의 유기물 함유량 시험
4.1 ···48 원지반 시료와 함수비 조정 시료의 기본 배합시험
4.2 ···49 모래 및 쇄석 적용시료의 기본 배합시험
4.3 ···52 유기물 함유량에 따른 시험
4.4 ···54 시멘트 종류에 따른 강도 특성시험
4.5 ···55 배합시료의 용출시험
4.6 ···56 현장의 코어샘플 시료에 대한 배합시험
4.7 DCM ···58 추가 배합실험
4.8 ···60
장 결론
5 ···62
참 고 문 헌 ···63
감 사 의 글 ···65
표 목차
표 2.1 심층혼합처리공법의 종류 건설교통부( , 2003) ···3
표 2.2 DCM 조합선과 전용선의 작업성능 비교 정경환 외 인( 3 , 2006) ···11
표 2.3 DCM 공법 적용시 주요 검토사항···13
표 2.4 DCM 개량체의 제원비교 정경환 외 인( 5 , 2006) ···14
표 2.5 DCM 개량형식의 비교 정경환 외( 3 , 2006) ·인 ···15
표 2.6 설계기준강도 결정방법 정경환 외 인( 3 , 2006) ···16
표 2.7 실제 설계에 적용한 기준강도 정경환 외 인( 3 , 2006) ···16
표 2.8 생활소음 규제기준 정경환 외 인( 3 , 2006) ···17
표 2.9 생활진동 규제기준 정경환 외 인( 3 , 2006) ···17
표 2.10 국내 해양환경 기준···19
표 2.11 수질분석 결과(○○○○항 예)(조성태 외 인4 , 2006) ···21
표 2.12 6가크롬 관련 법규···22
표 3.1 보통 포틀랜드 시멘트의 화학조성···24
표 3.2 고로슬래그 미분말의 화학조성···29
표 3.3 고로슬래그 시멘트의 분류(KS L 5210) ···30
표 3.4 항온항습기 표준사양···33
표 3.5 유기물 함유량 시험 조건···38
표 3.6 원지반 시료와 함수비 조정시료의 DCM 배합조건···39
표 3.7 초기함수비 110% 시료의 배합량 초기시료의 단위중량( :1.44) ···40
표 3.8 초기함수비 85% 시료의 배합량 초기시료의 단위중량( :1.51) ···40
표 3.9 초기함수비 55% 시료의 배합량 초기시료의 단위중량( :1.63) ···41
표 3.10 모래 쇄석 적용시료의 기본/ DCM 배합조건 및 배합량···41
표 3.11 유기물 함유량에 따른 강도특성 평가시험의 DCM 배합조건 및 배합량···42
표 3.12 시멘트 종유에 따른 강도특성 시험 DCM 배합조건 및 배합량 초기시료의( 중량:1.51) ···43
표 3.13 배합시료의 용출시험 조건···43
표 3.14 용출시험 항목···44
표 3.15 1차 코어샘플 시료의 DCM 배합조건 및 배합량 각 개 공시체 조합( 2 ) ···44
표 3.16 2차 코어샘플 시료의 DCM 배합조건 및 배합량 각 개 공시체 조합( 6 ) ···45
표 3.17 원지반 시료와 함수비 조정시료의 DCM 배합조건···46
표 3.19 초기함수비 85, 55% 시료의 배합량 초기시료의 단위중량( :1.51, 1.63) 47
표 4.1 유기물 함유량 시험 결과···48
표 4.2 원지반 시료와 함수비 조정 시료의 기본 배합시험···50
표 4.3 모래 및 쇄석 적용시료의 기본 배합시험 결과···52
표 4.4 유기물 함유량에 따른 DCM 강도특성···54
표 4.5 시멘트 종류에 따른 강도특성시험 결과···55
표 4.6 원지반 준설토 및 배합시료의 용출시험 결과···57
표 4.7 서해안지역 DCM 적용지반의 용출시험 결과···57
표 4.8 1차 코어샘플 시료의 배합시험 결과···58
표 4.9 2차 코어샘플 시료의 배합시험 결과···59
표 4.10 추가실험 결과···60
그림 목차
그림 2.1 DCM 공법의 일본 시공 실적(http://www.cdm-gr.com) ···6
그림 2.2 심층혼합처리공법의 개발연대 정경환 외 인( 5 , 2006) ···6
그림 2.3 북유럽 핀란드 스웨덴 의 실적 정경환 외( , ) ( 5 , 2006) ·인 ···8
그림 2.4 DCM 공법의 국내실적 정경환 외 인( 5 , 2006) ···9
그림 2.5 해상의 DCM 공법 실적 정경환 외 인( 5 , 2006) ···9
그림 2.6 DCM 시공전경 및 모식도 조성태 외 인( 4 , 2006) ···10
그림 2.7 DCM 시공 개념도 조성태 외 인( 4 , 2006) ···10
그림 2.8 육상 DCM 공법의 시공순서 정경환 외( 5 , 2006) ·인 ···12
그림 2.9 소음레벨의 거리에 따른 감쇄 특성(CDM 연구회, 1996) ···18
그림 2.10 진동레벨의 거리에 따른 감쇄 특성(CDM 연구회, 1996) ···19
그림 2.11 수질측정 사례 조성태 외 인( 4 , 2006) ···20
그림 3.1 시멘트계 고화재와 흙과의 반응 개요···28
그림 3.2 고로슬래그 시멘트의 제조 공정···29
그림 3.3 고로슬래그 시멘트의 수화반응 모식도···31
그림 3.4 일축압축시험용 회용1 EP 몰드···32
그림 3.5 시험에 사용된 항온항습기···32
그림 3.6 일축압축시험기···34
그림 3.7 공시체 제작 단계···35
그림 3.8 일축압축시험 단계···36
그림 3.9 강열감량법에 의한 유기물 함유량 시험···37
그림 4.1 원지반 초기함수비별 물 시멘트비에 따른 강도특성- ···51
그림 4.2 모래 및 쇄석 혼합에 따른 재령 일 및7 28일 일축압축강도···53
그림 4.3 유기물 함유량에 따른 DCM 배합시험의 강도특성···54
그림 4.4 시멘트의 종류와 배합비에 따른 강도특성···56
그림 4.5 1차 코어샘플 시료의 배합비에 따른 강도특성···58
그림 4.6 2차 코어샘플 시료의 배합시험 결과···59
그림 4.7 원지반 초기함수비별 물 시멘트비에 따른 추가실험의 강도특성- ···61
A Study on Improved Soil by Deep Cement Mixing Method
by
Seon-yeong Jeong
Department of Civil and Environmental Engineering Graduate School of
Korea Maritime University
ABSTRACT
SCP (Sand Compaction Pile) method has been used to improve a soft soil so far. However, because of environmental damage for gathering sand and price rising of sand materials, The use of DCM (Deep Cement Mixing) method has been increasing. DCM method makes a soil harder with cement and lime.
In this study, current situations of DCM method in domestic and abroad are analyzed. A series of laboratory tests are conducted on the improved specimens with DCM and various factors which can influence the strength of improved soil are investigated.
Based on test results, the unconfined compressive strength of improved soil with DCM is almost linearly increased with decreasing the ratio of water-cement and increasing the ratio of cement. The compressive strength is also increased with increasing the mixture ratio of sand or crushed stone and increasing the mixing time. On the other hand, the strength is decreased with increasing the ration of organic in in-situ soil. In addition, environmental impact of the DCM method used the cement
공법을 적용한 개량체에 DCM
관한 연구
정 선 영
한국해양대학교 대학원 토목환경공학과
요 약
지금까지 연약지반처리공법으로 SCP(Sand Compaction Pile)공법이 많이 적용되었다. 하지만 모래의 재료비 상승과 모래 채취에 따른 환경파괴로 인해 최근에는 시멘트나 석회 등의 개량재를 지반과 혼합하여 고화하는 기술인 DCM (Deep Cement Mixing) 공법 의 사용이 증가하고 있다.
본 연구에서는 DCM공법의 국내외 현황을 분석하고 DCM 개량체에 대한 실내 배합시험 을 실시하여 강도에 영향을 미치는 다양한 인자들을 검토하였다.
시험결과, DCM 개량체의 일축압축강도는 물 시멘트비가 감소할수록 또한 시멘트의 배- 합비가 증가함에 따라 거의 선형적으로 증가하는 것으로 나타났다. 그리고 모래의 쇄 석 혼합비율이 증가할수록, 혼합시료의 교반시간이 증가할수록 DCM 개량체의 강도가 증가하는 것으로 나타났다. 반면에 원지반 토의 유기물 함유량이 증가하면 DCM 개량체 의 강도는 감소하는 것으로 나타났다. 또한 배합시료에 대한 중금속 용출시험을 수행 한 결과 시멘트계 고화재 사용에 따른 주변 환경의 영향성은 극히 미약한 것으로 나타 났다.
연구 배경 및 목적 1.1
연약지반은 압축성이 커서 침하가 크게 일어나고 지지력이 약해 직접 구조물을 건 설할 수 없는 경우가 많다. 따라서, 연약지반에 구조물을 건설하기 위해 지반개량 을 시행하게 된다. 지반개량대책으로서 오래전부터 치환공법, 연직배수공법, 선재 하공법 등이 적용되어 왔다. 특히 국내에서는 해양구조물의 기초로서 모래다짐말뚝 공법이 주로 적용되었으나, 준설토처리로 인한 환경문제와 모래채취에 의한 재료비 증가등의 문제로 최근에는 연약지반개량 공법 중에서 고결공법에 속하는 DCM공법이 일본과 유럽에서 기술이 개발되어 최근 10년 동안 국내의 적용사례가 증가하고 있 는 실정이다.
공법은 연약지반 내에 시멘트와 물을 혼합한 안정처리재를 저압으로 주입하면 DCM
서 연약토와 안정처리재를 특수교반기의 회전에 의해 혼합교반하고, 시멘트의 경화 반응을 이용하여 원지반을 고화시켜 원주형 말뚝체를 조성하여 대상범위의 연약토 층이 소요강도 이상의 지지력을 확보할 수 있도록 안정시키는 공법으로, 최저 2.0m 에서 34.0m(수심 까지 시공이 가능하다) . 혼화제에 따라 점성토, 사질토, 유기질토 등 모든 연약토에 적용할 수 있으며, 소음 진동 등의 공해와 주변지반의 교란이 적· 다 그리고 단시간 내에 큰 강도를 얻을 수 있는 신뢰성 높은 공법이다. .
이러한 장점으로 인해 DCM 공법은 국내의 시공실적이 늘어나고 있지만, 그에 비해 연구가 미흡한 실정이다. 그리하여 본 논문에서는 DCM 공법적 특성에 관해 분석하 고, DCM 개량체의 강도에 영향을 미치는 다양한 인자 원지반의 함수비( , 물 시멘트- 비(W/C), 시멘트 종류, 시멘트의 배합비, 유기물 함량, 모래 쇄석함유량 등 들의/ ) 검토를 위해 배합설계 시험을 실시하여 결과를 분석하여 설계에 반영할 수 있는 기 초자료를 제공하고자 한다.
연구 내용 1.2
본 논문에서는 DCM 대한 설계기법과 국내외의 개발동향과 그동안의 시공실적에 대 한 자료를 수집하여 분석하였고, 최적의 DCM 배합설계를 도출하기 위해 일축압축강 도시험과 유기물함유량시험, 마지막으로 환경적인 문제를 고려하여 폐기물공정시험 법에 의한 중금속 용출시험을 실시하였다.
개량체의 강도에 영향을 미치는 인자들을 다음의 조건으로 나누어 시험을 수 DCM
행하였다.
의 배합량(270, 300, 330)에 따른 일축압축강도의 변화를 파악하고, 모래 및 쇄석의 배합비에 따른 일축압축강도의 변화를 파악하였다. 그리고 유기물 함량에 따른 강도특성과 시멘트의 종류와 배합비, 융기토의 구성성분비에 대한 강도특성을 파악하였다. 또한 원지반 및 고화처리시편의 폐기물공정시험법에 의한 용출시험을 수행하여, DCM 공법이 환경에 미치는 영향을 분석하였고, DCM 공법이 적용된 현장 의 코어샘플시료의 시멘트 배합량에 따른 강도특성을 파악하였다.
공법 개요 2.1 DCM
공법은 시멘트나 석회 등의 개량재를 지반과 혼합하여 고화하는 기술로서 흙 DCM
자체의 역학적 특성이나 물리적 특성을 개선하여 지반의 지지력을 증대시키거나 지 반의 변형 및 침하를 방지하는 기법의 일종이다. 이 공법은 시멘트 및 석회 등의 고화제와 토립자 및 물과의 화학반응에 의한 반응 생성물들이 토립자간의 결합력을 증대시켜 지반의 강도를 증가시키며, 반응생성물에 의한 간극의 충진 및 밀실화에 의해 투수계수를 감소시켜 지반을 개량하는 기술로서 지반개량에 완전히 정착된 공 법이 아니라 최근 급속히 발전중인 공법이라 할 수 있다.
공법은 혼합처리공법의 일종으로 지반 심도 를 넘는 심층까지 개량하는 심
DCM 20m
층혼합처리(Deep Soil Mixing Method)의 병행기술로 구분 지을 수 있는데 심층혼합 처리공법은 <표 2.1>에 제시된 바와 같이 고화재의 공급과 혼합방식에 따라서 교반 날개로 강제 혼합하는 기계적 교반공법 슬러리계( , 분체계 과 약액주입공법을 발전) 시킨 고압분사공법으로 분류된다.
표 2.1 심층혼합처리공법의 종류 건설교통부( , 2003)
심층혼합공법
기계적 혼합 처리공법
계 공법 DLM
공법 DLM
공법 CMC
공법 DCM
계 공법 HCM
공법 DCM
공법 DeMIC
공법 DCCM
계 공법 MIP
공법 MIP
공법 CSL
공법 MR-D 공법
DJM 고압제트
분사혼합 처리공법
그라우트 분사방식 CCP 공법 그라우트 공기분사방식 JGS 공법
물 공기분사그라우트- 콤프제트공법 주입방식
공법은 연약지반에 시공되는 구조물의 기초지반을 개량하거나 흙막이 벽체로 DCM
사용하기 위해 개발되었다. 이는 석회 또는 시멘트계를 과상, 분말상 또는 현탁액 상으로 원위치 지반에 주입과 동시에 교반 혼합하여 원지반에 개량체를 조성하는 공․ 법이다. 석회나 시멘트를 흙과 함께 혼합하면 여러 화학적 작용으로 흙이 경화된 다. 이들은 생석회의 소화에 의한 흡수, 팽창작용, 소석회나 시멘트의 함수비 저하 작용, 칼슘의 염기치환작용 등으로서 포졸란 반응에 의한 효과가 가장 크다.
공법의 특징 2.1.1 DCM
․ 일반적으로 개량효과는 물리적 개량효과에 비해 훨씬 크며, 조기에 큰 개량강도 를 얻을 수 있으나 연약토의 종류에 의한 개량 정도의 차이가 대단히 큰 단점을 가지고 있다.
․ 침하량, 측방이동량 등의 저감효과가 크며, 인접구조물에 대한 지장이 적으며, 저진동 저소음으로 시공이 가능하다.․
․ DCM 공법의 개량효과는 교반 혼합의 정도에 따라 좌우되며․ , 고화재와 연약토를 얼마나 균질하게 혼합하느냐가 시공상의 포인트가 된다.
․ DCM 공법은 원지반의 흙 자체를 이용하므로 치환공법과 같은 잔토처분의 문제가 없고 또 시공기계에서 진동이나 소음과 같은 건설공해가 발생하지 않는다.
․ 연약지반 개량을 위해 사용된 고화재를 부주의하게 취급하면 인체에 위험을 미 치거나 혹은 주변의 pH를 증가시켜 문제가 발생할 수 있다.
공법의 분류 2.1.2 DCM
슬러리계 공법은 슬러리 형태의 고화재를 플랜트에서 유압펌프로 심층혼합 (1) DCM
처리기의 선단에 압송하고, 연약지반과 고화재 슬러리를 교반날개로 혼합시켜 소정 의 강도가 발휘되도록 한다. 저소음ㆍ저진동 시스템으로서 조기강도발휘와 침하방 지효과 등의 특징이 있어서 점성토는 물론 사질토 유기질토 등 광범위한 토질에ㆍ 적용이 가능하다.
분체계 공법은 고화재를 건조 상태의 분체로 공기를 압송하여 교반날개로 (2) DCM
굴착한 공간을 충전하여 흙과 혼합시키는 공법으로, 슬러리계와 함께 기계적 교반 공법으로 불리고 적용 토질은 유사하지만 고함수비의 토질이나 유기질토에 효과적 인 것으로 알려져 있다. 다만, 분체계는 해상공사 적용이 어렵다.
고압분사공법은 고압 젯트의 충격력으로 지반을 파쇄하고 절삭부분에 시멘트 (3)
합리적인 DCM공법의 적용을 위해서는 사전조사를 실시하여 토질특성을 파악하고 이를 토대로 실내배합시험을 통해 설계기준강도를 산정하여 설계에 적용하며, 개량 체의 품질을 확보하기 위해 시공전과 시공후의 개량체의 품질확인을 위한 시험이 필요하다.
공법 개발과 현황 2.2 DCM
해외 공법 현황 2.2.1 DCM
일본에서 초창기 DCM 공법의 연구는 운수성 항만기술소(PHRI, Port and Harbour 의 지반안정연구실에서 이루어졌는데 해상 점성토의 석회 안
Research Institute) ,
정화 개념으로 1968년 PHRI의 기술서적에 발행되었고, 그 개념은 1970년초 Okumura 및 Terashi에 의해 연구개발로 실현되었다. 초기의 시공관리절차는 일본 지반공학 회 학술발표회와 PHRI의 보고서 시공관리절차에 대한 연구결과로 확립되었고, 국제 토질공학회(ISSMFE) 제 5회 아시아지역 회의에서 소개되었다(CDIT, 2002).
개발초기에는 Deep Lime Mixing(DLM)공법으로 과립상태의 석회와 분체형식의 소석 회가 고화제로 사용되었는데, 개량지반의 균질성과 고품질을 확보하기 위해 분체형 식의 석회에서 시멘트 몰탈이나 슬러리로 대체되었다. 슬러리를 사용하는 이 공법 을 DCM이라고 한다.
일본 건설성 토목연구소는 “건설성종합기술개발프로젝트 의 일환으로 운수성의” 자문단을 참석시켜, 1970년대 말에서 1980년대 초까지 DCM과 유사한 기술을 연구하 여 슬러리 대신에 분체상태의 시멘트나 석회 고화재를 직접 분사시켜 원지반과 혼 합 교반하는 육상용․ DJM(Dry Jet Mixing)공법을 개발하였다.
그림 2.1 DCM 공법의 일본 시공 실적(http://www.cdm-gr.com)
그 후 다양한 장비발전과 설계기준의 제정으로 사용실적은 급속도로 증가하였으 며, DCM 공법은 <그림 2.1>에 제시된 바와 같이 해상과 육상 모두에 적용되고 있 다. 유기질토나 고함수비 연약지반에 적합한 것으로 알려져 있는 DJM은 분체를 사 용하는 특성상 육상에서만 적용되고 있으며, 최근에 (재 토목연구센터에서 발간한) 육상용 심층혼합처리공법 매뉴얼은 슬러리계인 DCM과 분체계인 DJM이 통합되었고,
공법을 위한 해상용 매뉴얼은 별도로 발간되었다
DCM .
미국에서 DCM 공법은 1980년대까지 다른 공법에 비해 가격경쟁력이 낮다는 이유로 활성화 되지 못했지만, 1970년대 DCM이 전 세계적으로 널리 사용되면서 공기를 단 축시킬 수 있는 다축 오거(multi auger shafts)가 개발되고, 시공효율을 향상시킬 수 있도록 motor 및 교반장치 등이 개발되면서 많은 장점을 지니게 됨에 따라 1987 년 처음으로 액상화 대책공법에 DCM이 적용되었다.
그 이후 1990년대에는 Massachusetts주 Boston의 도심지에 건설된 고속도로인 의 굴착공법 밑 안정화 공법으로 이상의 시공실적을 거두 Central Artery 500,000㎥
면서 공법의 적용성과 경제성 등에서 경쟁력을 지니게 됨에 따라 점차 관심의 정도 가 늘어가는 추세에 있다. 현재 미국에는 National Deep Mixing(NDM) Research와
년 가 설립한 등의
1998 Deep Foundation Institute(DFI) Soil Mixing Committee DCM 관련기관이 있으며, 국제적인 교류 및 파트너쉽을 통해 DCM의 보급과 발전을 위한 활발한 활동을 하고 있다.
유럽의 DCM 역사는 Rathmayer가 Is-Tokyo '96에서 발표한 State of the Art 에 정리되어 있다 년에 석회를 이용한 연약점성토의 Report(Rathmayer, 1996) . 1967
안정화라는 신공법이 Kield Paus에 의해 개발되었고, 스웨덴식 석회말뚝공법
으로 불렀다 는
(Swedish Lime Column Method) . Linden-Alimak AB BPA 건설회사와 회사 및 스웨덴의 지반공학회가 공동으로 Byggproduktion AB Euroc AB
경량의 휠 탑재용 혼합장치를 개발하고, Broms and Boman(1975)이 국제토질공학회 제 회 아시아지역 회의에서 발표한 이후 현재는 유럽전역으로 확산되어 (ISSMFE) 5
있다. 유럽에서의 적용은 교각, 제방, 기총에서의 침하를 감소시키거나 성토와 굴 착사면의 안정성 증대 등을 목적으로 하며, 분체방식의 석회나 시멘트를 고속교반 기로 혼합하는 방식의 장비가 주를 이루고 있다.
그림 2.3 북유럽 핀란드 스웨덴 의 실적 정경환 외( , ) ( 5 , 2006)인
국내 공법 현황 2.2.2 DCM
육상 공법 2.2.2.1 DCM
시멘트 슬러리를 고화재로 사용하는 DCM공법(SEC 공법으로 도입됨 은) 1985년 하수 처리장의 자립식 흙막이와 구조물 기초용으로 처음 적용된 후, 육상에서는 SCW공법 으로 많은 현장에 적용되고 있다. 개량심도는 파일 드라이브의 용량에 의존하는데 도입초기에는 110P 파일드라이브를 사용하여 20 ∼ 25m까지 시공하였지만, 1990년대 중반에 135P 파일드라이브가 도입되어 30 ∼ 33m 정도까지 시공하였고, 2005년에는 파일드라이브의 도입으로 까지 개량할 수 있다 개량단면의 경우 도
170P 35 ∼ 37m .
입초기에는 기초용으로 축2 (1,000× 2 rod) ,을 흙막이벽체에는 축3 (550× 3 rod)을 주 로 사용하였다. 그 후 다양한 개량단면의 요구로 2004년 한국가스공사 발주의 평택 시설공사에 액상화 방지를 목적으로 4 (1,000×4 rod)축 이 처음 적용된 후, 2005
○○
년 김해 ○○지구에서는 최초로 자립식 흙막이 벽체에 4축이 적용된바 있다. DCM 4 축은 2축에 비해 개량면적이 넓기 때문에 시공효율이 높고 교반 효과가 좋으며, 자 립식 흙막이 벽체로 사용할 경우 중첩성이 좋아서 개량체의 일체성이 높으므로 구조 적으로 훨씬 안정하다.
해상 공법 2.2.2.2 DCM
해상에서의 DCM 공법은 1988년 “경상남도 창원시 ○○공사 에 처음으로 적용되” 었다. 당시는 육상용 파일 드라이브를 작업대선에 탑재한 조합선으로 시공하였는 데, 이후 총 20개소의 해상 DCM 공사가 전부 조합선으로 2출 1연 방식에 의해 시공 되었고, 2004년 중반기 국내처음으로 해상 기초용 DCM 공법으로 4축 1연 방식으로
까지 완공한 부산의 시설공사도 해상 조합선으로 시공되었다
48m ○○-5951-2 .
조합선은 전용선과는 달리 대선에 고정된 형식이 아니라 와이어로 결선되어 있어 전용선에 비해 시공시 개량체의 신뢰도는 떨어질 수 있지만, 현재까지 약 20개소의 공사실적을 가지고 있으며, 조합선은 필요에 따라 수시로 장비 및 장치를 조합시킬 수 있는 장점도 있다.
그림 는 주 동아지질이 시공한 공법의 실적을 육상과 해상으로 구분한
< 2.4> ( ) DCM
것이며, <그림 2.5>는 해상 DCM의 실적을 나타낸 것으로, 해상공사는 1995년 이후 급속하게 증가하고 있다.
그림 2.4 DCM 공법의 국내실적 정경환 외 인
( 5 , 2006)
그림 2.5 해상의 DCM 공법실적 정경환 외 인
( 5 , 2006)
한편 깊은 심도와 파랑의 영향이 커지는 외해로의 구조물 증가로 국내에서도 수차 례에 걸쳐 DCM 전용선의 필요성이 제기되었으나 경제성 문제로 실행단계에 이르지 못하였다. 하지만 최근 SCP공법의 주재료인 모래채취로 인한 환경문제와 단가상승 으로, 2004년부터 4축 3연의 독자적인 DCM 전용선의 개발이 착수되어 2005년에 실 용화되었다. <그림 2.6>은 DCM 전용선의 시공전경 및 모식도를 나타내고 <그림
은 시공 개념도를 나타내며 표 는 전용선과 조합선의 제원 2.7> DCM , < 2.2> DCM (135P 기준 을 비교한 것이다) .
그림 2.6 DCM 시공전경 및 모식도 조성태 외 인( 4 , 2006)
그림 2.7 DCM 시공 개념도 조성태 외 인( 4 , 2006)
표 2.2 DCM 조합선과 전용선의 작업성능 비교 정경환 외 인( 3 , 2006)
항 목 조합선(135P) 전용선
크기(B× L× H) 18m× 47m× 3m 32m× 75m× 5m 높이
Leader 2 :39m, 4축 축:33m 64.6m
시공 심도(m) 44m(수심20m 포함) 56.6m(수심포함 80m) Anchor 5tonf(4개) 11tonf(4개),10tonf(2개) Main Winch 50HP (Motor Type) 20tonf× 35m/min
Rod Size 288mm 288mm
축 교반 직경
1 1,000mm 1,000mm
연 식 4축 1연 4축 연3
발전기 500, 300kw 각 기1 1000kw 2기
작업가능 풍속 8m/sec 15m/sec
유입파고 2m이상 3m이상
한계파고 1.0m, 12sec(회) 1.5m, 8sec( )회 기타 수중 End Leader Guide Pipe
한편 DCM 공법에 대한 국내의 학술적인 연구는 공법의 적용에 비해 미진했지만, 최근 들어 연구가 활발하게 진행되고 있다. 설계기준 강도와 변형계수에 관한 양태 선 등(2000)의 연구와 신뢰성 기법에 대한 김영상 등(2006)의 연구 및 수치해석기 법에 대한 정두희 등(2005)의 연구가 있다. 또한 서해안 지역의 토질특성을 반영하 여 DCM 개량시 원지반 조건에 따른 지지력의 증가정도를 평가하고, 수질시험 연구 를 실시한 조성태 등(2006)이 있다.
그림 2.8 육상 DCM 공법의 시공순서 정경환 외( 5 , 2006)인
현재는 4축 2연의 DCM 전용선도 일부업체에서 제작이 완료되었다. 전용선 도입에 따른 이점은 시공 가능한 심도가 깊어지고, 보다 정밀한 시공을 할 수 있을 뿐만 아니라 자동화 시공으로 고품질이 확보되고, 파랑이나 조류의 영향에 저항력이 상 대적으로 커서 시공의 안정성이 뛰어나며, 1연식 조합선에 비해 시공속도도 빨라서 공기도 단축할 수 있다. <그림 2.8>은 육상 DCM 공법의 시공순서를 나타낸다.
공법 설계기법 및 개량체 강도특성 2.3 DCM
개요 및 검토 항목 2.3.1
에 의한 개량체 설계방법 DCM
평균적인 지반 강도가 발휘되는 복합지반으로 설계하는 방법 말뚝식 접원식
(1) ( ,
개량에 적용)
각각의 개량체나 연속되는 개량체를 기초 구조물적으로 취급하는 설계방법 블
(2) (
록식, 벽식, 격자식 개량에 적용)
개량지반은 개량체와 그 사이의 원지반으로 구성되며, 각각의 역학적 특성에 맞는 지지력을 발휘하고 하중을 부담해야 하며, 지지력 특성은 개량형식 개량체의 배치( 와 개량폭 개량길이 과 개량체의 품질 강도와 분산도 의 영향을 받는다/ ) ( ) .
표 2.3 DCM 공법 적용시 주요 검토사항
구 분 주 요 검 토 사 항
개량체 단면 시공성 경제성에서 유리한 단면선정,
개량 형식 안정성 시공성 경제성 등을 충분히 파악하여 적절한 개량형식 선정, , 하단부
지지형식
외적안정 전도( , 활동, 지반지지력, 원호활동 에 대해 충분히 안정하) 도록 선정
개량폭 DCM 내적안정 외적안정에 충분히 안정하도록 선정,
개량율 상부하중에 대해 재료허용응력을 만족하는지 검토하여 선정
설계방법과 개량형식, 개량품질에 맞게 개량율을 정하고 경계부근에 대한 대응책 도 포함한 전체적인 경제성, 시공성을 고려하여 개량범위를 종합적으로 판단하는 것이 중요하다. 또한 안정검토는 외적 안정성과 개량체의 응력상태에 대한 내적 안 성검토가 필요하다. <표 2.3>은 DCM 적용시의 검토사항을 나타낸 것이다.
개량체 단면 2.3.2
항만 구조물의 기초용으로 사용되던 기존의 DCM 개량체 단면은 주로 1,000× 2축이 적용되었으나, 1,000× 4축이 개발된 2004년 이후 최근에는 품질과 경제성 측면에서 보다 유리한 1,000× 4축의 적용이 증가 추세에 있다. <표 2.4>는 1,000× 2축과
축 제원을 비교한 것이다 1,000× 4
표 2.4 DCM 개량체의 제원비교 정경환 외 인( 5 , 2006)
구 분 Φ1,000× 4 (축 개량면적, A=3.024㎡) Φ1,000× 2 (축 개량면적, A=1.547 )㎡
개념도 및 단면도
시공성
축에 비해 대형장비임 2
축에 비해 시공 속도는 빠름 2
최근에 적용이 증가하고 있음
축에 비해 소형장비이므로 기동성 4
이 좋음 육상( )
축에 비해 본당 시공속도가 빠름
4 1
시공실적이 많음 개량
면적 A = 3.024 ㎡ A = 1.541 ㎡
개량형식 2.3.3
개량형식은 개량지반의 상태에 따라 블록식 벽식 격자식 말뚝식 접원식
DCM , , , ,
등 여러 가지가 있다.
블록식개량은 소정의 개량범위 심도까지 말뚝체를 중첩시켜 구조물 바로 아
(1) ,
래 지반에 장벽(Long Unit)이라 불리는 개량토 벽을 법선 직각방향으로 형성하여 이것을 개량길이가 짧은 단벽(Short Unit) 에 법선방향을 결합시키는 개량형식을 말한다.
격자식 개량은 블록식과 벽식의 중간 정도로 구조물 아래 지반에 장벽과 단벽 (2)
개량체를 격자식으로 형성하는 형식이며, 말뚝개량은 말뚝체 모양의 개량체를 형성 하여 평면상 군말뚝 형태의 개량형식을 말한다.
접원식 개량은 말뚝끼리 접하도록 배치하는 개량형식이다 표 는 개량형
(3) . < 2.5>
식의 모식도와 비교표이다.
표 2.5 DCM 개량형식의 비교 정경환 외( 3 , 2006)인
구 분 접원식 블록식 벽 식
개념도
개량방법
장주를 법선방향으로 접하게 하여 일정간격으로 배치
개량범위 전체 90%
이상개량
장주 단주를 법선· 직각방향으로 접하면서 번갈아
배치검토
검토방법 장벽 전단검토 필요
전체가 개량되므로 원지반의 압밀침하
검토 불필요
장벽 단벽 전단검토, 필요
원지반 압밀침하 검토 불필요
안정성 블록식과 유사한
안정성 확보 안정성이 높음 블록식과 유사한
안정성 확보 시공성 벽식보다 시공관리
용이 공기증가 중첩부 시공관리가
필요 경제성 벽식과 블록식의 중간 상대적으로 고가 블록식에 비해 저렴
개량체의 허용응력 및 전단강도 검토방법 2.3.4
개량체의 설계기준강도와 허용응력은 실내배합시험에 의한 일축압축강도로부 DCM
터 <표 2.6>과 같은 방법으로 산정한다. 일본 기준에 의하면 값의 선정에서 4축 이 상의 교반날개를 사용하는 해상 공사일 경우에 1.0 값을 권장하고 있으며, <표
은 시멘트량이 일 경우 실제 설계에 적용된 허용응력 값이다
2.7> 200kg/㎥ .
표 2.6 설계기준강도 결정방법 정경환 외 인( 3 , 2006)
설계기준강도 허용 응력
: 설계기준강도(kgf/cm2)
: 실내배합 일축압축강도(kgf/cm2)
: 현장강도계수(=2/3)
(=1.0, 4축 이상의 해상인 경우)
: 현장 일축압축강도(kgf/cm2)
,
,
: 허용압축응력(kgf/cm2)
: 허용인장응력(kgf/cm2)
: 단면 유효계수
: 중첩부의 신뢰도 계수(: 0.8적용) 재료의 안전율 평상시
F : ( ：3.0, 시공시：2.5, 지진시：2.0)
표 2.7 실제 설계에 적용한 기준강도 정경환 외 인( 3 , 2006)
구 분 시멘트량
의 경우 200kg/㎥
실내배합 일축압축강도(kgf/cm2) 32.00 설계기준강도(kgf/cm2) 21.33
허용응력 (kgf/cm2)
압축응력 평상시 5.69
지진시 8.53
전단응력 평상시 2.84
지진시 4.26
인장응력 평상시 0.85
지진시 1.28
공법의 환경적 특성 및 검토사항 2.4 DCM
공법의 시공시 환경성에 대한 검토는 시공에 따른 소음과 진동에 대한 영향평 DCM
가와 DCM 시공에 따른 수질 영향분석을 실시한다. 이외에도 DCM공법은 시멘트를 주 원료로 하는 지반개량공법으로 주로 포틀랜드 시멘트를 사용하므로 해외에서는 6가 크롬 용출시험을 실시하도록 규제를 강화하고 있는 실정이다. 국내에서도 최근 들 어 시멘트를 이용한 제품, 시멘트를 이용한 다양한 공법 등에 있어서 6가크롬에 대 한 우려가 제기되고 있지만 현재까지 이에 대한 명확한 평가기준 및 제한규정은 미
소음 및 진동 영향평가 사례 2.4.1
개요 및 관련기준 2.4.1.1
공사시 발생되는 소음에 대한 규제는 2005년 12월 개정된 소음 진동규제법에 명시· 되어 있으며, 시행규칙 제29조의 2에 의한 생활소음 및 생활진동 규제기준은 각각
표 및 표 와 같다
< 2.8> < 2.9> .
표 2.8 생활소음 규제기준 (정경환 외 인3 , 2006) (단위：dB(A))
대상지역 시간별 소음원
아침 저녁, (05:00 08:00,∼
18:00 22:00)∼
낮 (08:00∼
18:00)
밤 (22:00∼
05:00)
상업지역, 준공업지역, 일반공업지역,
취락지역 중 주거지역 이외의
지역
확성기
옥외설치 70이하 80이하 60이하 옥내에서 옥외로
소음이 나오는 경우 60이하 65이하 55이하 공장 사업장· 60이하 65이하 55이하
공사장 70이하 75이하 55이하 공사장의 소음규제기준은 주간의 경우 특정공사의 사전신고대상 기계·장비를 사용
※
하는 작업시간이 1일 2시간 이하일 때는 +10dB , 2을 시간 초과 4시간 이하일 때는 을 규제기준치에 보정한다
+5dB .
표 2.9 생활진동 규제기준 (정경환 외 인3 , 2006) (단위：dB(V))
시간별 대상지역 주간
(06:00∼22:00)
심야 (22:00 06:00)∼ 주거지역 녹지지역, , 관리지역 중 취락지구
및 관광 휴양개발진흥지구· , 자연환경보전지역 그 밖의 지역 안에,
소재한 학교·병원·공공도서관
이하
65 60이하
그 밖의 지역 70이하 65이하
공법의 소음 및 진동 실측 예 일본
2.4.1.2 DCM ( )
그림 는 소음레벨의 거리에 따른 감쇄 특성으로서 연구회
< 2.9> (CDM , 1996), DCM 공법은 바이브레이터를 사용하는 다른 지반개량공법에 비해 저소음 공법임을 알 수 있다. 일본의 예를 보면, DCM 전용선은 소음 발생원에서 30m이상이면 측정소음이 국내 소음기준인 75dB이하를 만족하지만, SCP 공법이 소음기준을 만족하려면 소음 발생원에서 약 100m의 거리가 필요하다. 시공과 함께 발생하는 진동은 기종, 용량, 지반 등에 따라 크게 변동한다. <그림 2.10>은 진동레벨의 거리에 따른 감쇄 특성 을 도시한 그림이며, 이를 통해 DCM 공법의 경우 발생되는 진동 레벨 또한 기타 공 법들에 비해 훨씬 낮은 것을 알 수 있다.
그림 2.9 소음레벨의 거리에 따른 감쇄 특성(CDM 연구회, 1996)
그림 2.10 진동레벨의 거리에 따른 감쇄 특성(CDM 연구회, 1996)
수질 영향분석 사례 2.4.2
개요 및 관련기준 2.4.2.1
공법은 시멘트를 주원료로 하는 지반개량공법으로 시공에 따른 인근 수질에 미 DCM
치는 영향을 분석하여 지반개량에 따른 환경 피해를 방지하여야 한다. <표 2.10>은 년 월 일 개정된 환경부 제정 환경정책기본법시행령의 해양환경기준으로서
2000 8 17 ,
시공에 따른 수질 평가의 기준으로 적용이 가능하다
DCM .
표 2.10 국내 해양환경 기준
구 분
기준 수소
이온농도 (pH)
화학적 산소요구량 (COD)(mg/l)
용존 산소량 (DO)(mg/l)
대장균 균수 (MPN/100ml)
용매추출 유분 (mg/l)
총질소 (mg/l)
총인 (mg/l)
Ⅰ 7.8 8.3∼ 1 이하 7.5 이상 1000 이하 0.01 이하
0.3 이하
0.03 이하
Ⅱ 6.5 8.5∼ 2 이하 5 이상 1000 이하 0.01 이하
0.6 이하
0.05 이하 1.0 0.09
비 고 : 1. 등급 은 참 방어 및 미역 등 수산생물의 서식 양식 및 해수욕에 적합한Ⅰ · · 수질을 말한다.
등급 는 해양에서의 관광 및 여가선용과 숭어 김 등 등급 의 해역에서
2. Ⅱ , Ⅰ
서식 양식에 적합한 수산생물외의 수산생물의 서식 양식에 적합한 수질을· · 말한다.
등급 은 공업용 냉각수 선박의 정박 등 기타 용도로 이용되는 수질을 말
3. Ⅲ ,
한다.
공법의 수질 영향분석 사례 2.4.2.2 DCM
공법의 시공에 따른 수질 영향분석을 위한 시험항목으로 수소 이온 농도
DCM pH( ),
부화물질 염도 수온 등이 있으며 필요에 따라서는 용존산소 화학
SS( ), , , DO( ), COD(
적 산소요구량), 투명도 조사를 실시한다. <그림 2.11(a)>은 일본의 해상 측정사례 로서 시공전·시공중 및 시공후의 지속적인 측정결과 DCM의 시공이 수질에 미치는 영향은 미미한 것으로 나타났다(CDM연구회, 1996). 또한, 일본의 ( )재 토목연구센터 의 자료에 의해 개량체와 개량체 사이 지반의 측정 결과 주변수역에
(2004) DJM , pH
미치는 영향이 없음을 입증하였다.
그림 는 국내의 수질 측정 사례를 비교한 것으로서 분석한 결과
< 2.11(b)> (pH) , DCM
시공에 따른 영향은 시공전, 시공중 및 시공 완료 후에 거의 변화가 없는 것으로 나타났다. 추가적으로 <표 2.11>은 <그림 2.11(b)>에 도시된 국내 ○○○○항에서 실시된 다양한 항목들에 대한 수질조사결과로서, 조사항목은 탁도, pH, 염분, COD 등이다. 조사결과 시공전과 시공후가 유사한 결과를 나타내고 있으며, 국내의 해양 환경기준 등급에 대한 수질문제는 전혀 없는 것으로 판명되었다1 .
일본사례
(a) (b) 국내 ○○○○항 측정사례
표 2.11 수질분석 결과(○○○○항 예 조성태 외 인)( 4 , 2006) 구분
항목
탁 도 (NTU)
수소이온농도 (pH)
염 분 (PPT)
COD (mg/ )ℓ
측정 No.1
시공전 18 8.14 36.1 1.187
시공중 20 8.14 33.8 1.123
시공후 19 8.14 36.5 1.046
측정 No.2
시공전 21 8.17 36.1 1.100
시공중 28 8.16 35.9 1.116
시공후 27 8.08 35.7 0.801
측정 No.3
시공전 24 8.09 35.5 1.176
시공중 26 8.08 36.6 1.053
시공후 24 8.09 36.7 0.774
2.4.3 Cr+6(6가크롬)
가크롬 용출시험의 경우 년도 이후 일본 유럽 미국 등지에서 포틀랜드 시
6 2000 , ,
멘트를 사용한 현장의 오염 및 유해성에 대한 문제가 대두되기 시작하여 이를 계기 로 규제안이 발효되어 시행되고 있다. 일본의 경우는 시멘트계 지반개량공법을 적 용하는 현장에서 토질조건에 따라 토질환경기준 환경청 고시( 46 )호 을 상회하는 6가 크롬이 용출되는 등 환경에 대한 우려가 대두됨에 따라 일본 건설성에서는 2000년 월 지반개량 또는 주입공법으로 시멘트를 사용하는 경우에 대한 규정이 발효되었 3
고 6가크롬에 대한 용출시험을 실시하도록 하는 등 규제를 강화하고 있는 실정이 다. 국내에서도 최근 들어 시멘트를 이용한 제품, 시멘트를 이용한 다양한 공법 등 에 있어서 6가크롬에 대한 우려가 제기되고 있지만 현재까지 이에 대한 명확한 시 험방법 및 기준치에 대한 제한규정은 미미한 실정이다. <표 1-12>는 6가크롬과 관 련된 법규들이다.
표 2.12 6가크롬 관련 법규
법 명 Cr+6 기 준 치
토양환경 보전법 토양오염우려기준 (4 ∼ 12mg/kg)
토양오염대책기준 (10 ∼ 30mg/kg) 해양오염 방지법 고상폐기물기준 (0.5mg/l) 액상폐기물기준 (5mg/l)
폐기물 관리법 2등급 이하의 수질지역 공단폐수종말처리지역 농공단지지역(0.5mg/l)
장 배합설계 시험 3 DCM
시험개요 3.1
본 배합설계 시험에서는 최적의 DCM 배합설계를 도출하기 위해 수행되었으며, 원 지반의 함수비 및 물 시멘트비- (W/C)를 비롯하여 시멘트 종류, 시멘트의 배합비, 유 기물 함량, 모래 쇄석함유량 등 다양한 인자에 따른/ DCM 배합 설계시 영향성을 분 석하고자 하였다. 최종적으로 제안된 본 배합설계 시험의 조건은 아래에 제시된 바 와 같다.
최적 배합을 위한 기초 배합 시험 DCM
․
원지반 시료의 함수비(55%, 85%, 110%)와 물 시멘트비- (0.7, 0.8, 0.9) 및 시멘트
․
배합량(270, 300, 330kg/m3) 따른 일축압축강도의 변화 파악 모래 및 쇄석의 배합비에 따른 일축압축강도의 변화 파악
․
유기물 함유량에 따른 강도특성 파악
․
시멘트의 종류와 배합비에 따른 강도특성 파악
․
융기토의 구성성분비 측정 및 강도특성 파악
․
원지반 및 고화처리시편의 폐기물공정시험법에 의한 용출시험 수행
․
적용현장 코어샘플시료의 시멘트 배합량에 따른 강도특성 파악 DCM
․
특히 본 배합설계 시험에서는 공시체의 제작을 용이하게 하기 위해 1회용 필름 코 팅이 되어 있는 EP몰드를 이용하였으며, 원지반 준설토와 시멘트 및 해수의 균질한 혼합을 위해 전동식 교반기를 이용해 10분 이상 교반하였다. 또한 공시체의 일축압 축강도 측정시에는 공시체의 불확실성 오차를 최소화하기 위해 각 시험조건당 3개 의 동일 공시체를 제작하여 평균치를 산출하였다.
배합시험 중 시멘트의 종류 및 특성 3.2 DCM
보통포틀랜드시멘트 3.2.1
일반적 사항 3.2.1.1
보통 포틀랜드 시멘트는 알라이트라고 불리는 3CaO SiO․ 2(C3S)계 화합물, 벨라이트 라 불리는 2CaO SiO․ 2(C2S)계 화합물, 3CaO Al․ 2O3(C3A)계 화합물, 4CaO Al․ 2O3․Fe2O3(C4AF)
각각 51%, 25%, 9%, 9%, 4% 정도의 비율로 구성되어 있다. 보통 포틀랜드 시멘트의 화학성분은 <표 3.1>과 같다.
표 3.1 보통 포틀랜드 시멘트의 화학조성
구분 SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 Na2O K2O TiO2 P2O5 MnO 보통포틀랜드
시멘트 22.1 5.0 3.0 63.8 1.6 2.0 0.35 0.54 0.30 0.11 0.13
시멘트계 고화재의 반응 메카니즘 및 특성 3.2.1.2
고화재는 연약한 흙 뿐 아니라 갯벌, 고유기질토 및 산업폐기물에 이르기까지 다 양한 토질을 개량 처리하고자 하는 목적으로 사용하는 것이라고 말할 수 있다․ . 흙 자체의 강도를 기본으로 하여 고화재 첨가에 의한 대상토 및 대상지반의 함수비 저 하, 이온교환반응, 단립화 등에 의하여 소성한계가 높아지고 물성의 개선이 이루어 진다. 시멘트의 수화반응이 진행되면 강도가 증가되고, 또한 장기간의 양생에서 포 졸란 반응이 발생하여 안정적인 강도의 개선이 이루어진다. 고화재에 의한 흙의 강 도개선 효과의 대부분은 수화물 생성에 의하여 발생한다.
처리토의 내부 조직을 전자현미경으로 관찰하면 비교적 큰 모래입자 및 실트 입자 를 골격으로 해서 이러한 입자사이의 간격이 규산석회수화물(3CaO 2SiO․ 2․3H2O), 포졸 란 반응생성물, 미세한 점토입자 및 미수화고화재 입자에 의해 충진 되어 있으며 복잡한 간극구조를 가진 내부 조직이 형성됨을 알 수 있다. 규산석회수화물에 의한 토립자의 고결도는 시멘트 첨가율과 그 수화도에 의해 결정된 규산석회수화물의 생 성량과 시료토의 종류 비표면적( , 입도분포 에 의해서도 크게 영향을 받으며) , 규산 석회수화물에 의한 토립자의 고결효과는 점성토보다도 사질토에서 크게 나타난다.
또한 고화재의 수화반응은 미세한 점토입자의 존재에 따라 진행이 억제되는 것으로 보고되고 있다. 더욱이 토양 중에 포함된 유기물이 고화재의 수화반응을 저해하는 것으로도 알려지고 있다. 유기물속의 휴믹산 및 후루보산은 시멘트의 수화 반응에 의해 생성되는 수산화칼슘과 반응해서 휴믹산 또는 후루보산 칼슘을 생성하고 이러( ) 한 생성물이 미수화의 고화재 입자를 덮고 있으므로 수화반응의 진행이 저하된다.
고화재의 화학성분 및 광물조성은 대상토의 성질이나 개량목적에 따라 변화시킬 수 있고 입도조성 등도 조정할 수 있다.
3CaO Al
․ ․ 2O3 + 3CaSO4 + 32H2O →3CaO Al․ 2O3․3CaSO4․32H2O
석회계열을 제외한 고화재는 규산석회수화물(3CaO 2SiO․ 2․3H2O)과 함께 알루민산 규 산석회수화물 에트링자이드( ; ettringite : 3CaO Al․ 2O3․3CaSO4․32H2O)의 생성이 활발하 게 이루어지는 것이 특징이며 에트링자이드 중량으로 100의 CaSO4에 대하여 141의 H2O, 66의 33CaO Al․ 2O3가 반응하여 얻어지는 데에서 알 수 있듯이 탈수 효과가 증대 된다. 알루민산 규산석회수화물에는 고유산염형의 에트링자이드(3CaO Al․ 2O3․3CaSO4․ 32H2O)와 모노 에트링자이드(3CaO Al․ 2O3․CaSO4․12H2O)가 존재한다. 에트링자이드 는 전자현미경으로나 확인 가능한 침상결정으로 시멘트의 산화 석회 (ettringite)
등의 결정의 간극을 보충하도록 결정화가 이루어지며 고화 대상물의 수분을 다량 소화한다. 이 작용에 의하여 팽창성이 생기며 고화의 밀실화와 함께 유해중금속류, 유기물 등을 고착시키는 능력을 가지게 되며, 다량의 물과 결합하여 수분이 많고, 공기의 투과가 적은 지반 중에서는 탄산화가 진행되지 않는 안정성이 높은 광물이 다. 연약지반에서는 강도의 발현뿐만 아니라 압밀, 지반침하 방지, 주변토의 강도 증가 등의 이점이 더해져서 강건한 지반을 형성하는데 효과가 있다. 또한, 침상결 정으로서 조직의 밀실화 및 유해 물질의 고착력 뿐만 아니라 각종 복염화합물을 생 성할 수 있고 이러한 성질은 초연약점성토 처리에 있어서 유해 중금속류의 치환에 의한 고착능력에 의하여 달성되며 토립자 사이를 고화재의 수화물이 충진하여 치밀 화하기 때문에 개량 전보다 차수성이 향상된다.
에트링자이드의 생성은 보통 포틀랜드 시멘트 이상의 고화강도와 조기강도의 발현 능력을 갖도록 하는데 도움을 주고 고화재의 수화반응시에는 다량의 결합수를 필요 로 하며 이 다량의 결합수를 고화대상물에서 흡수하여 고화작용을 진행시키면 고화 재의 탈수 효과가 증진한다. 수화의 초기과정에서 생성되는 에트링자이드는 시간이 경과하면 육각판상의 모노설페이트 수화물(monosurfatehydrate : 3CaO Al․ 2O3․CaSO4․ 12H2O)로 변형되며 보통 포틀랜드시멘트에서 모노설페이트 수화물의 존재는 내산성 을 저하시킨다. 에트링자이드의 결정형태는 1㎛ 정도의 미세한 결정에서부터 수 10 의 큰 침상결정까지 다양하고, 처리토 가운데 3차원적으로 조합된 골격구조를 형
㎛ 성한다.
처리토에 있어서 에트링자이드 생성의 역할은 함수비의 저하와 함께 에트링자이드 의 결정과 시멘트겔의 조합에 의해 간극이 충진되고, 토립자 사이의 고결력이 증대 하는 효과가 있다. 또한 에트링자이드의 생성반응은 유기물 등이 존재할 때에도 별 로 장애가 되지 않으므로 유기질토의 개량에 적합하다. 연약토용 고화재를 사질토 에 사용하면, 수분이 부족하여 경화불량을 일으키거나, 개량지반이 팽창하여 균열 을 발생시킨다. 유기물을 함유한 갯벌과 같이 시멘트 입자의 표면에 유기물이 흡착 하여 양생 초기에서 수화가 진행되지 않고, 장기재령에서 약간의 반응이 진행되거
개량의 효과를 높일 수 있다.
가 이온 교환반응)
수분을 많이 함유한 점성토에 고화재가 섞이면 고화재의 수화반응으로 생긴 소석 회성분(Ca(OH)2)의 자유칼슘이온(Ca2+)이 이온 교환량이 많은 점토광물 흙의 세립분( 카올리나이트 몬모릴로나이트 등 과 이온을 교환하게 된다 이는 양이온 교환량
: , ) .
이 Na+<K+<Ca2+<Mg2+의 순서대로 크기 때문에 교환반응이 일어나는 것이다. 이에 따 라 지반 내 수분의 pH값이 증가 알칼리성 증가 하여 이 반응은 더욱 가속화된다( ) . 고화재 혼합 후 입자간의 전기적 반발력, 흙 입자의 양의 전기력으로 흙 입자는 면모구조를 갖는 단위 결합체를 형성한다. 이는 점토입자에 비해 큰 입자이며 내부 적으로 대단히 느슨한 배열을 갖게 되어 물성이 변하고 따라서 성토작업의 작업성 이 증진된다.
kaolinite+Ca(OH)2 → CSH(C/S=0.2∼1.0)+CAH+CASH kaolinite+Ca(OH)2 → CASH(prenite)
montmorilonite+Ca(OH)2 → CSH(gel)→ CSH( )Ⅱ
montmorilonite+Ca(OH)2 → CSH(gel)→ hydrogarnet(C4AH13) clay+Ca(OH)2 → CSH(gel)and/or CSH( )+ CⅠ 4AH13+ C3AH6
주)C :CaO ,S :SiO2 ,A :Al2O3 ,H :H2O
나 포졸란 반응)
수산화칼슘 소석회( :Ca(OH)2)과 흙의 조립분(SiO2, Al2O3등의 성분 과의 사이에서) 차적인 반응으로서 석회의 흡착 이온교환 포졸란 반응 이
2 , , (pozzolanicreaction)
동시에 진행되므로 규산석회수화물에 의한 토립자의 고결작용(3CaO 2SiO․ 2․3H2O)과 동 시에 시멘트 처리토의 강도발현에 있어서 중요한 역할을 하고 있다. 수화반응으로 인한 간극수 내의 pH값의 증가로 흙의 조립분을 구성하고 있는 광물인 석영, 장석, 운모 등의 광물들로부터 결정체 또는 비결정체의 실리카(SiO2)와 알루미네이트 (Al2O3)가 분리 및 Ca(OH)2, 고화재 수화물과의 결합이 촉진되어 시공 후 양생이 진 행함에 따라 비교적 장기간에 걸쳐 규산칼슘, 케레나이트 수화물을 생성, 에트링자 이드 등과의 결합으로 장기적으로 안정 고화되어 비표면적이 증대(100,000∼
하며 인공 제오라이트의 작용을 하는 고화체가 된다 또 고화토는 서
500,000 /g)㎠ , .
서히 경화되어 가면서 다양한 접착성 물질 포졸란( : 규산질, 또는 규산알루미나질 로서 그 자체는 경화성이 아주 약하거나 없으며, 다만 미세한 분말인 경우 상온에
체가 경화하거나 또는 경화성 화합물을 형성하는데 도움을 주는 물질 을 생성하기) 때문에 균열발생 방지의 역할을 하기도 한다.
Ca(OH)2 → Ca2++2(OH)-
Ca2++2(OH)-+SiO2(claysilica)→ CaO SiO․ 2․H2O Ca2++2(OH)-+Al2O3(clayalumina)→ CaO Al․ 2O3․H2O
또한, 강도증진의 저해성분인 휴믹산 이온들을 환원시키고 분열시켜서 시멘트계 고화재에 각 성분 작용으로 산화적으로 결합하여 토립자를 노출시켜 시멘트 주성분 인 칼슘의 작용이 직접 토립자와 토립자를 단립 고화시키게 된다. 이러한 조건은 모두 시멘트의 효과를 감소시키는 작용을 하게 된다. 따라서 고화재 처리토에 있어 서 고화재와 시료토 사이의 반응과정 및 반응생성물의 종류는 함유 점토광물에 의 해 상당히 다르게 되므로 점성토를 대상으로 하는 경우에는 그것을 충분히 이해할 필요가 있다 고화재에 의한 고화과정을 요약하면 아래와 같다. .
다량의 에트링자이드를 생성한다 에트링자이드는 다량의 물을 결합수로 해
(1) .
서 함수비를 저하시키는 동시에 토립자의 이동을 구속하고 시멘트 결합이 용 이한 상태를 만든다.
수산화칼슘 규산칼슘 등에서 방출하는
(2) , Ca2+는 토립자를 응집시킴으로서 토립
자는 응집 고결한다, .
규산칼슘 수화물의 생성에 의해 강도가 상승한다
(3) .
장기재령에서는 흙에 포함되어 있는
(4) SiO2, Al2O 등의 가용성분이 Ca(OH)2와 불용성 수화물을 생성해서 경화된다 이것을 포졸란 반응이라 한다. .
그림 3.1 시멘트계 고화재와 흙과의 반응 개요
고로슬래그 시멘트 3.2.2
일반적 사항 3.2.2.1
고로슬래그 시멘트는 포틀랜드 시멘트의 반제품인 클링커와 고로 슬래그 및 석고 를 각각 또는 조합하여 분쇄하고 일정한 비율로 혼합한 것을 말한다. 고로슬래그 시멘트는 다음과 같은 장점을 지니고 있다.
콘크리트의 작업성 향상 -
우수한 압축 및 휨강도 -
골재반응에 대한 우수한 저항성 -
우수한 가소성과 경화특성 -
고로슬래그는 고로에서 선철을 제련할 때 생성되는 잔해 분순물이다. 철광석, 코크 스와 석회석 등의 원료를 상부에서 장입하고 하부에서 열풍을 주입함으로서 고로에
고 용융시켜서 선철과 용융 슬래그를 분리시켜서 얻는다. 이를 고로에서 배출할 때 물로써 급랭하여 모래와 같이 입상화 시키기 때문에 수쇄 슬래그 또는 수재 슬래그 라고 부르며 슬래그 시멘트 원료로 사용한다. 고로슬래그 미분말의 화학특성과 고로 슬래그 시멘트의 제조 공정을 각각 표< 3.2>와 그림< 3.2>에 나타내었다.
표 3.2 고로슬래그 미분말의 화학조성
구 분 SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 Ig. loss SUM 고로슬래그
미분말 34.40 15.42 0.92 42.07 6.35 0.23 -0.93 98.46
그림 3.2 고로슬래그 시멘트의 제조 공정
한국산업규격 KS L 5210에서는 고로 슬래그 혼합량을 기준으로 1 , 2종 종, 3종으로 분류하고 있다 표( 3.3). 본 연구에서는 가장 일반적으로 사용되고 있는 2종 고로슬 래그를 고화재로 사용하였다.
표 3.3 고로슬래그 시멘트의 분류 (KS L 5210)
항목 1종 2종 3종
슬래그 함유량 (%) 5초과 이하 30
초과 30
이하 60
초과 60
이하 70 분말도 비표면적( /g)㎠ 3,000 3,000 3,300 이상 안정도 오토클레이브 팽창도
또는 수축도
(%) 0.20 이하 0.20 이하 0.20 이하
응결시간
길모어 (Gilmore)
초결 분( ) 60 이상 60 이상 60 이상 종결 시간( ) 10 이하 10 이하 10 이하 비카트
(Vicat)
초결 분( ) 45 이상 60 이상 60 이상 종결 시간( ) 7 이하 10 이하 10 이하
강도 압축강도
일
3 (MPa) 7.0 이상 6.0 이상 5.0 이상 일
7 (MPa) 15.0 이상 12.0 이상 10.0 이상 일
28 (MPa) 28.0 이상 28.0 이상 27.0 이상 모르터의 공기 함유량 (%) 12 이하 12 이하 12 이하
무수황산 (SO3, %) 3.0 이하 4.0 이하 4.5 이하 강열감량 (%) 3.0 이하 3.0 이하 3.0 이하 황 분 (S, %) 2.0 이하 2.0 이하 2.0 이하
반응 메카니즘 및 특징 3.2.2.2
고로슬래그시멘트는 보통포틀랜드시멘트의 반제품인 클링커와 제철소 부산물인 고 로슬래그를 분쇄하여 일정한 비율로 혼합한 것을 일컬으며, 고로슬래그 미분말은 선철 제조시 용광로에서 생성되는 부산물로서 화학성분의 구성은 시멘트와 거의 동 일한 것으로 나타나고 있다. 또한 고로슬래그시멘트의 수화반응은 보통포틀랜드시 멘트와 유사한 것으로 알려져 있으나, 고로슬래그 미분말은 단순히 물과의 접촉만 으로는 화학성분들이 용출되지 않고 자극제의 존재로 인해 반응이 서서히 촉진되는
잠재 수경성 을 지니고 있다 고로슬래그 미분말이 물과 접촉하면
“ ” . Ca2+이온이 발
생되고 그 표면에 투과성이 낮은 산성피막(ASH6)이 형성되어 고로슬래그 미분말의 입자 속으로 물의 침투 및 이온의 용출을 억제시키며 수화반응의 진행을 지연시킨
이와 같은 고로슬래그 미분말의 잠재수경성은 수화반응의 진행속도를 지연시켜 시 멘트 초기강도의 발현을 지연시키는 원인이 된다. 그러나 일단 반응이 진행되면 장 기간에 걸친 지속적인 반응이 발생하여 3 6∼ 개월 이상의 장기 강도는 보통 포틀랜 스 시멘트와 유사한 것으로 보고되고 있다.
그림 은 고로슬래그 시멘트의 수화반응 모식도를 나타낸다
< 3.3> .
그림 3.3 고로슬래그 시멘트의 수화반응 모식도
배합설계를 위한 시험장비 및 시험방법 3.3 DCM
시험장비 3.3.1
본 DCM 배합설계 시험에서 사용된 장비는 다음에 제시한 바와 같다.
일축압축시험용 회용 공시체 몰드
3.3.1.1 1
규격
- : 5cm(직경)×10cm(높이) 재질 필름코팅 강화판지 - :
공시체 탈형 방법 공구 없이 손으로 빗살방향으로 찢어서 탈형
- :
그림 3.4 일축압축시험용 회용1 EP 몰드
항온항습기 3.3.1.2
회용 몰드에 조성된 공시체의 양생을 위해 본 실험에서는 온도 습도
1 EP 20 ,℃
상태의 증기상태로 각 시험조건에 맞게 일 일 일 일 동안 양생하였
95% 7 , 14 , 21 , 28
다. 사용된 항온항습기는 <그림 3.5>에 제시된 바와 같으며, 항온항습기의 표준사 양은 <표 3.4>와 같다.
그림 3.5 시험에 사용된 항온항습기
표 3.4 항온항습기 표준사양
Model DYTH-336-P(M) Temperature
&Humidity Range
-40 ∼ +100℃/30 98%∼
Dimension W800*D600*H700,mm.
Ambient 20±8℃ / 50±20%
Temperature
&Humidity Control Range
30 ∼ 95%RH/20∼95℃
Temperature
&Humidity Uniformity
within ±1.0℃ full range
Up/Down Rate up rate 2 /min , down rate 1℃ ℃/min (Ambient 25℃) Exterior &Interior Exterior:SS41 Coating(EX8816(F)-1801) / Interior:SUS304
Insulation Poly Urethane Foam &Glass Wool Refrigerator
System
Double Stage Hermetic compressor
Water Supply Auto water supply sytem &water tank(20L) with pump View Window 200*300,mm. With lamp
Safety
Motor &Compressor over current protector,Compressor pressure,Over Heating protector
Dry/Wet heater protector,water level sensor,heater fuse Power Consumption 220V 60Hz 3PH 25A
일축압축시험기 3.3.1.3
본 DCM 배합설계 시험에서 사용된 일축압축시험기는 최대 적용하중 3tonf와 최대 변위 100mm까지 가능하며, 변위 최소눈금 1/100mm인 변위계가 부착된 중형 일축압 축시험기로 실측 가능한 최대응력은 152kgf/㎠이다. 변형속도는 0.1mm/min ∼
응력이 최대하중의 30%이하가 되었을 경우에는 안전을 위해 시험기가 자동 종료된 다. <그림 3.6>은 본 배합시험에 사용된 일축압축시험기의 전경이다.
그림 3.6 일축압축시험기
시험방법 3.3.2
일축압축시험 3.3.2.1
본 DCM 배합설계 시험시 일축압축시험은 KS F 2314에 의거하여 수행하였으며, 일 축압축시험을 수행하기 위해 크게 2단계 공시체 제작단계( , 일축압축시험 단계 로) 구분하여 시험을 진행하였다.
공시제 제작 (1)
배합설계 시험조건별로 원지반 시료를 준비한 후 각 조건 당 개 또는 개
DCM , 6 9
조합의 공시체 제작시 필요한 원지반 준설토량과 각 조건별 시멘트량 및 해수량을 정확히 산정하여 혼합하고, 전동교반기를 이용하여 약 10분간 균질하게 교반한다. 교반이 완료된 혼합시료는 스페츌러를 이용하여 준비된 EP 몰드에 고르게 삽입한 후 약 20 , 95%℃ 의 온도와 습도로 고정된 항온항습기에 투입하고 각각의 재령일수 에 따라 습윤 양생한다 그림( 3.7).
원지반 준설토 준비
(a) (b) 비율별 시료 혼합
공시체 조성
(c) (d) 항온항습기 투입
그림 3.7 공시체 제작 단계
일축압축시험 단계 (2)
각각의 재령별로 양생이 완료된 시료를 항온항습기에서 방출한 후 일축압축시험 수행전 공시체의 두부를 정리한다. 공시체의 두부 정리 후에는 준비된 일축압축시 험 장비의 변형속도를 1.0mm/min으로 설정하고 하중계를 초기화한다. 이후에는 일 축압축시험을 실시하고 공시체의 파괴가 발생할 때까지 변형을 지속시키며, 파괴가 완료되면 데이터로거 내 컴퓨터에 저장된 하중데이터를 이용하여 응력 변형율 곡선- 을 작도하고 최대 강도를 산정한다.
항온항습기에서 공시체 방출
(a) (b) 공시체 두부정리
일축압축시험 실시
(c) (d) 공시체 파괴
그림 3.8 일축압축시험 단계
유기물 함유량 시험 3.3.2.2
유기물 함유량 시험은 항온건조로에서 110±5℃로 24시간 노건조 시켜 무게를 측정 하고 전기로에 넣어 800℃로 4시간 가열하여 유기물을 태운 후, 무게를 측정하였 다 유기물 함유량 시험 과정은 그림. < 3.9>에 제시하였다.
입자제거
(a) 2mm (b) 시료준비
전기로 내부
(c) (d) 강열감량 이후 시료
그림 3.9 강열감량법에 의한 유기물 함유량 시험
배합시험 조건 3.4 DCM
강열감량에 의한 초기시료의 유기물 함유량 시험 3.4.1
원지반 시료에서 무작위 샘플 채취 종(5 )
․
현장 차 코어샘플 종1 (3 )
․
현장 차 코어샘플 종2 (3 )
․
추가시험에 사용된 원지반 시료중 무작위 샘플 채취(2 )종
․
각 시료당 개의 시험샘플을 조성하여 평균값을 산출3
․
표 3.5 유기물 함유량 시험 조건
시료종류 원지반 시료 1차 코어샘플 2차 코어샘플 추가시험 시료
Sample No.
Test 1 Test 6(14.4m) Test 9 (3.4m) Test 12 Test 2 Test 7(15.4m) Test 10(10.4m) Test 13 Test 3 Test 8(19.4m) Test 11(20.4m) -
Test 4 - - -
Test 5 - - -
원지반 시료와 함수비 조정 시료의 기본 배합시험 3.4.2
배합조건 3.4.2.1 DCM
원지반 시료와 함수비 조정시료의 기본배합시험에서는 원지반 시료( ) 및 함수비 조정시료( )에 대해 고로슬래그시멘트 배합량과 물 시멘트비-
에 따른 배합특성 규명을 위해 각 조건당 개의 공시체를 조성하였다
(W/C) 3 .
함수비 110%의 원지반 시료의 경우, 준설이후 표층의 DCM 공법 적용을 위해 선정 되었으며, 함수비 85% 조정시료의 경우, 상부 준설로 인한 상부지반의 특성을 고려 하기 위해 선정되었다. 또한 함수비 55% 조정시료의 경우, 연약점토층 하부 N=4 6∼ 의 분포를 보이는 지층의 특성을 고려하기 위해 선정되었다.
최종적으로 양생 7일과 21일 및 28일후 각 조건당 3개의 공시체에 대해 일축압축 시험을 실시하였으며, 이를 통해 각 조건에서의 평균 일축압축강도를 산정하였다. 세부적 실험조건은 표< 3.6>에 제시되었다.
