Long-Term Compressive Strength and Durability Properties of

1) Department of Civil Engineering, Yanbian University, China

동결융해시험에 의한 “CSG” 재료의 장기강도 및 내구 특성

Long-Term Compressive Strength and Durability Properties of “CSG”

Materials by Freezing-Thawing Test

김 광 일

¹⁾

²⁾

^†

¹⁾

Guangri Jin ･ Kiyoung Kim ･ Hongduk Moon ･ Hechun Quan

Received: September 5

, 2016; Revised: September 20

, 2016; Accepted: November 2

, 2016

ABSTRACT : With the development of construction technology, constructions of dam and levee (dike) as well as the environmental problems are becoming issues. Recently, many countries have tried to develop and used CSG (Cemented Sand and Gravel), which needs fewer requirements than others in aggregates, constructability and ground condition during the dam construction. Mixing up with small amount of cement, CSG is able to increase the strength and proceed accelerated construction without artificial gradation adjustment of riverbed aggregate and crushed rock on construction site. Thus, CSG can minimize environmental damage resulted from quarries mining and reduce cost of construction. Unlike heat of hydration condition that regular concrete usually met, CSG exposes to repeated dry-wet and freezing and thawing environment. Thus, consider the importance of structure of dam or levee, intensive study on the durability of CSG is needed. In this study, freezing and thawing experiment was carried out to evaluate the durability of CSG. In results, the durability factor of CSG is 30 ∼40 or >40 when the amount of cement is 0.4∼0.6 

or 0.8 ∼1.0 

, respectively.

The unconfined compressive strength is reduced to 30 ∼50% or 40∼70% when the amount of cement is 0.4∼0.6 

or 0.8 ∼1.0



, respectively. Taken together, the strength and durability of CSG is reliable when the amount of cement is over 0.8 

. Keywords : CSG, Freezing and thawing, Durability, Compression strength

요 지 : 시공기술의 발전과 더불어 댐･제방 건설과 환경문제가 크게 대두되고 있는 실정이다. 최근 여러 국가에서 댐･제방 건설 시 골재, 시공성, 기초지반에 대한 요구가 상대적으로 높지 않은 CSG(Cemented Sand and Gravel)재료를 활발히 연구, 적용하고 있다.

CSG 재료는 시공현장 하상골재, 현장에서 발생하는 암버럭 등을 인위적으로 입도조정하지 않고 최대골재 치수만을 선별하여 소량

의 시멘트와 혼합하여 강도증가 및 급속시공이 가능하다. CSG 재료는 인위적인 석산개발 등에 의한 환경파괴를 최소화함으로써 환경부하저감 및 공사비 등의 측면에서 비교적 경제적이며 친환경적이다. CSG 재료의 외부환경은 일반콘크리트가 접하는 수화열 환경과는 달리 건습반복, 동결융해 등의 환경에 노출되게 된다. 그러므로 댐･제방구조물의 중요성을 감안하여 CSG 재료의 내구성 에 대한 연구가 필요하다. 본 연구는 CSG 재료의 내구성에 대하여 고찰하고자 현장채취 CSG 코어재료에 대하여 동결융해 시험을 실시하였다. 시험결과, CSG 재료의 내구성 지수는 시멘트함량 0.4∼0.6 

의 경우 30∼40, 0.8∼1.0 

의 경우 40 이상으로 나타났다. 일축압축강도는 0.4∼0.6 

에서 동결융해 전의 30∼50%, 0.8∼1.0 

에서 동결융해 전의 40∼70%로 감소하는 것 으로 나타났다. 결과적으로 시멘트함량 0.8 

이상의 경우 강도 및 내구성 측면에서 비교적 타당한 것으로 판단된다.

주요어 : CSG, 동결융해, 내구성, 압축강도

Journal of the Korean Geo-Environmental Society 17(12): 35～43. (December, 2016) http://www.kges.or.kr

ISSN 1598-0820 DOI https://doi.org/10.14481/jkges.2016.17.12.35

1. 서 론

최근 댐･제방 설계/시공 등 수리구조물 건설과 더불어 환 경문제가 많은 주목을 받고 있다. 댐 축조기술은 시공효율 성, 비용절감을 고려하여야 할 뿐만 아니라 생태환경에 미 치는 영향을 최소화하여야 한다.

최근 여러 국가에서 새로운 댐･제방 축조공법으로서 CSG 재료를 활발히 적용하고 있는 실정이다. CSG 재료는 골재, 시공, 기초지반에 대한 요구가 상대적으로 낮으며, 시공현

장에서 발생하는 골재 및 암버럭을 최대한 활용할 수 있어 석산개발 등 신규 골재원 개발에 의한 환경부하 저감이 가 능한 공법이다.

CSG 설계개념 및 시공방법은 CFRD(Concrete Face Rockfill Dam), RCC(Roller Compacted Concrete Dam)와 유사하나, 차이점은 현장에서 발생하는 입도조정을 거치지 않은 재료 에 소량의 시멘트를 첨가하고 혼합하여 강도 증가를 발휘 할 수 있다는 것이다. CSG 재료의 특징으로는 내진성, 세굴 방지효과가 있으며, 또한 골재에 대한 요구가 낮다. 뿐만 아

Fig. 1. Grain size distribution of river aggregates

Table 1. Chemical compositions of normal portland cement







 



 

21.0~22.5% 4.5~6.0% 63.0~66.0% 2.5~3.5% 0.9~3.3% 1.0~2.0%

니라 급속시공이 가능하며 공사비가 저렴하여 경제적이며 환 경에 미치는 영향이 적어 친환경적이다(Londe & Lino, 1992).

Raphael(1992)은 새로운 댐 축조재료인 cement sand and gravel 즉 CSG 재료의 적용 가능성을 제시하였으며, 시멘트 혼합토 이론 및 적용 설계이념을 처음으로 발표하였다. 그 는 대용량, 고 효율적인 운송수단과 다짐장비를 적용하여 특별한 선별작업을 거치지 않은 골재에 시멘트를 첨가하여 축조재료로 사용할 것을 제안하였다. Londe & Lino(1992)는 CSG 댐은 비용이 적을 뿐만 아니라 RCC 댐에 비하여 안정 성이 높다고 발표하였다. 일본에서는 CSG 공법을 적용하여 1992년 Nagashima 댐 상류 가물막이 댐에, 1994년 Tyubetsu 댐 가물막이, Kubusugawa 댐 가물막이 공사에 적용하였다. 그 이 후로 Haizuka check 댐(14m, 일본 최초의 CSG 댐), Okukubi 댐(39m), Sanru 댐(50m), Honmyogawa 댐(62m) 등 다수의 댐 건설에 적용 하였다(Tadahiko et al., 2002). 중국의 경우 Hongkou 수력발전소 상류 물막이에 적용하는 등 많은 댐 건설현장에 CSG 공법을 적용하고 있는 추세이다(Kim, et al., 2011).

국내의 경우 군위 댐 축조 시 하상자갈을 본 댐 축조재로 사용하는 CFRD 형식의 댐 축조기술이 처음으로 도입되었 으나 CSG 재료를 이용한 댐의 시공은 전무한 실정이다. 시 멘트 혼합토의 활용은 다양한 방식으로 토목구조물 건설에 활용되고 있지만 CSG 재료를 활용한 대규모 시공 사례는 거의 없다. 현재 CSG 공법의 경우 군위 댐 건설 당시 다양 한 형태로 소규모 임시 구조물(가물막이 등)에 적용된 것을 그 활용 사례로 들 수 있다(Kim, 2009; Jin et al., 2013).

일반적으로 CSG 공법은 성토재료의 효율성을 극대화하 기 위한 공법으로 골재에 대한 요구, 골재의 최대치수, 시방 기준, 시멘트량 등 많은 부분에서 일반 콘크리트에 비하여 상대적으로 품질관리 기준이 낮아질 수밖에 없다. 댐･제방

구조물의 중요성을 감안할 경우 설계 및 시공에 있어서 경 제성 및 내구성의 개념이 절실히 필요하다. CSG 재료의 외 부환경은 일반콘크리트가 접하는 열화환경과는 달리 건습 반복, 동결융해, 침식 등의 환경에 노출되게 된다(Kim et al., 2011). CSG 구조물 축조 시 급격한 수위변동, 동결융해, 침 식 등으로 인한 내구성 저하에 대한 연구가 필요한 시점이 다. 현재 국내의 경우는 CSG 재료 내구성에 대한 연구가 상대적으로 부족한 실정이다.

이에 본 연구에서는 CSG 재료의 온도변화에 의한 내구 성 특성을 파악하고자 현장 채취 CSG 시편에 대하여 동결 융해저항시험을 실시하였으며, 재료의 내구성 및 동결융해 전･후의 강도특성에 대하여 고찰하였다. 또한 동결융해 특 성을 규명하여 CSG 재료의 댐･제방 설계 및 시공에 필요한 기초적 자료를 제공하고자 한다.

2. 시험재료 및 방법

2.1 시험재료

2.1.1 하상재료 및 시멘트

본 연구에서 적용한 하상재료는 00댐 하상재료를 적용하 였다. 하상재료의 입도분포는 Fig. 1과 같이 현장자연입도 (최대입경 300mm), 최대입경 40mm의 상한, 중간, 하한 입 도 및 최대입경 80mm 재료에 대하여 나타내었다. CSG 내 구성 시험에 적용한 코어의 하상골재 최대입경은 80mm를 입도를 선정하여 관련 실험을 실시하였다. 하상재료의 비중

Fig. 2. Result of compaction test

Table 2. Materials mix design (Unit: kN/m

)

Coarse Middle Fine

Cement 0.6 0.8 1.0 0.6 0.8 1.0 0.6 0.8 1.0 Water 1.520 1.420 1.55 1.363 1.498 1.642 1.519 1.424 1.554 Gravel 20.79 20.79 20.92 20.70 20.60 20.60 20.79 20.72 20.92

A

E C D

F B

1 4 m 1 5 m

C = 0 .6 k N /m

C = 0 .8 k N /m

Fig. 3. Test construction cross section

타났다. 시멘트는 보통포틀랜드시멘트를 적용하였으며 비중 은 3.04이며, 성분은 Table 1에 나타내었다.

2.2 공시체 준비 및 시험방법 2.2.1 시험시공을 위한 실내 시험

내구성 시험에 적용된 공시체는 00댐 현장 시험시공 시 채취한 CSG 코어를 사용하였다. 골재의 최대입경은 80mm 이다.

현장 시험시공은 실내실험 결과를 참고하여 CSG 재료의 배합을 실시하였다. 실내실험의 경우 시험조건의 제한으로 현장에 있는 원상태의 입도를 그대로 적용할 수 없으므로 Fig. 1의 최대입경 40mm 상, 중, 하 입도를 적용하여 배합비 산정을 위한 다짐시험을 실시하였다. 이때 단위시멘트량은 0, 0.6, 0.8, 1.0kN/m

³

다짐시험결과 시멘트를 첨가하지 않은 하한입도의 경우 최적함수비는 약 7.0%, 최대 건조단위중량은 21.1kN/m

³

³

중간입도의 경우 최대 건조단위중량은 시멘트 미첨가 시와 단위시멘트량 0.6kN/m

³

³

2.2.2 시험시공 및 공시체 채취

현장 시험시공은 본 시공에 앞서 실내 시험결과를 토대로 현장배합을 실시하였다. 시험시공은 총 3개 층으로 실시되 었다. Fig. 3은 층별 세부 단면도를 도시한 것이다.

최하단부는 단위시멘트량에 따른 1회 포설두께 및 소요 장비조합을 위한 시험시공 구간으로 총 6개 단면으로 이루 어져 있다. ABC 구간은 단위시멘트량이 0.6kN/m

³

³

2층은 1층의 시험시공에서 얻어진 최적두께(40～50cm) 및 장비조합(진동횟수 4회 이상)을 대상으로 함수량에 따른 강 도특성을 파악하기 위하여 최적함수비를 기준으로 ±2% 범 위의 함수비 변화구간을 두어 시공 시 함수비 변화의 영향을 살피고자 하였다. 이때 단위시멘트량은 0.6kN/m

³

³

최상단은 최대골재치수별 강도특성을 파악하기 위하여 최대골재치수를 20mm, 40mm, 80mm, 150mm 구간으로 나

Fig. 4. Aggregate size change section (unit: kN/m

)

Fig. 5. Result of field compaction density

Fig. 6. Field density test

Fig. 7. Core drilling sampling and curing

Table 3. Evaluation of durability factor

Durability factor (  ) Evaluation

60 < Good

40 <  < 60 Fair

 < 40 Poor

누어 시험시공을 실시하였다. 내구성 시험에 적용한 공시체 최상단 최대골재 치수 변화구간의 최대입경 80mm 코어를 사용하였다. Fig. 4는 최상단 골재치수 변화구간의 분포도를 나타낸 것이다.

현장 시험시공의 품질을 확인하고자 들밀도 시험을 실시 하였다. 결과 최대입경 80mm 구간 시멘트 배합비 0.2kN/m

³

³

³

³

³

³

³

³

³

³

것이며 Fig. 6은 현장 들밀도 시험 장면을 나타낸 것이다.

본 연구에 사용된 공시체는 장기 강도 및 내구성을 검토하 기 위하여 현장 코아를 채취하여 상온(20±2℃)-항습(60±2%) 조건의 양생실에서 1년간 양생하였다. 공시체의 크기는 직 경 10cm, 높이 20cm 규격이며, 단위시멘트량은 각각 0.4, 0.6, 0.8, 1.0kN/m

³

2.2.3 시험방법 및 장비

본 연구에서는 CSG 재료의 내구성에 대하여 고찰하고자 동결융해시험, 동결융해시험에 의한 상대동탄성계수, 내구 성지수 및 공시체 중량 손실률, 그리고 동결융해전후 CSG 재료의 강도변화에 대하여 알아보고자 하였다. 일축압축강 도시험은 KS F 2314에 의하여 실시하였다.

시험방법은 KS F 2456 급속 동결융해 시험방법 ｢수중동 결 수중융해 시험｣인 A방법과 ｢기중동결 수중융해 시험｣인 B방법 중 A방법에 의하여 시험을 실시하였다.

공시체의 중심온도가 동결 시 -18℃, 융해 시 +4℃가 되 도록 수중 또는 공기 중에서 동결융해의 반복 작용을 1 사이 클에 2～4시간 정도로 300사이클 또는 상대동탄성계수가 60% 이하가 되는 사이클까지 되풀이한다. 연속적인 시험이 불가할 경우 공시체 온도가 -18℃인 동결상태를 유지하도록 장비를 조작하였다.

상대동탄성계수는 Eq. (1)에 의하여 계산한다.

 _    ^

 _ ^

× 

여기서,

 _



 

ⓐ ⓑ

Fig. 8. Freezing and thawing and dynamic elastic modulus test

(a) 0.4 kN/m

(b) 0.6 kN/m

(c) 0.8 kN/m

(d) 1.0 kN/m

Fig. 9. Relationship between freeze-thaw cycle and resonant frequency

(a) 0.4 kN/m

(b) 0.6 kN/m

(c) 0.8 kN/m

(d) 1.0 kN/m

Fig. 10. Relationship between freeze-thaw cycle and relative dynamic modulus

내구성지수(



     

여기서,









동결융해 n cycle에 있어서 공시체의 중량 변화율은 Eq.

(3)과 같다.

중량변화율   _   _  _ × 

여기서,

 _

 _

3. 시험결과 및 고찰

3.1 동결 융해시험

동결 융해시험은 시험 전 CSG 공시체의 제원과 무게 그리 고 초기동탄성계수를 정확히 측정한 후 공시체를 Fig. 8(a)와 같이 고무튜브에 넣은 다음 물을 붓고 동결 융해시험을 실시 한다. 급속동결 방식의 경우 약 3시간 정도의 급속동결과 융 해과정을 거치고 1 cycle이 완료될 때마다 공시체를 꺼내 동 탄성계수를 측정하여 상대동탄성계수를 계산한다. 동탄성 계수 계산에 사용된 공명진동수는 1차 공명진동수이며, 시험 전 측정한 초기동탄성계수와 각 동결융해 사이클에서의 상대 동탄성계수가 60%가 될 때까지 시험을 반복하여 시행한다.

Fig. 8(b)는 동탄성계수 측정 장면을 나타낸 것이다.

중량손실의 경우 동결 후 상온상태에서 시료 표면을 강철 솔로 문질러 떨어져 나오는 재료량을 측정하여 손실률을 Eq. (3)에 의하여 계산함으로써 중량손실에 의한 내구성을 평가하였다.

공시체의 각 단위시멘트량에서의 동결 융해 주기에 따른 진동파수는 Fig. 9와 같다. 단위시멘트량이 증가함에 따라 초기진동파수는 시멘트량에 비례하여 증가하는 것으로 나 타났으며, 동결융해가 진행됨에 따라 단위시멘트량에 관계 없이 진동파수는 점차 감소하는 것으로 나타났다. CSG 공 시체 단위시멘트량이 증가함에 따라 진동파수의 감소폭은 적어지는 것을 알 수 있다.

Fig. 11. Relationship between cement content and durability factor

Fig. 12. Relationship between cement content and loss of weight

Table 4. CSG material changes

Cycle 0.4 kN/m

0.6 kN/m

0.8 kN/m

1.0 kN/m

2

3

7

10

12

16

17

20

24

27

30

Fig. 10은 동결주기에 따른 상대동탄성계수의 결과를 도 시한 결과로 단위시멘트량이 가장 작은 0.4kN/m

³

³

³

³

급속동결-융해시험 결과 상대동탄성계수를 이용한 CSG 의 내구성 지수를 산정한 결과는 Fig. 11과 같다. 내구성지

Fig. 13. Relationship between cement content and uniaxial com- pressive strength

Fig. 14. Relationship between cement content and compressive strength reduction rate

수는 상대동탄성계수 60%에서의 동결주기를 활용하여 계 산하였다. 내구성지수는 단위시멘트량에 정비례하여 내구 성이 증가하는 것으로 나타났다. 단위시멘트량 0.6kN/m

³

³

Fig. 12는 단위시멘트량과 중량손실률과의 관계를 도시한 것이다. 동결융해 12cycle 완료 후의 각 단위시멘트량에 대 한 중량손실률을 파악한 결과 단위시멘트량 0.4kN/m

³

³

³

이후 동결융해 cycle을 30회까지 연장할 경우 단위시멘트량 0.4kN/m

³

³

³

³

Table 4는 동결융해 시험과정 중 CSG 공시체의 변화를 나타낸 것이다. 본 연구의 경우 30cycle까지의 공시체 변화 를 관찰하였다.

단위시멘트량 0.6kN/m

³

³

³

3.2 일축압축강도시험

동결융해가 CSG 재료에 미치는 영향을 알아보고자 동결 전후의 CSG 공시체에 대하여 일축압축강도시험을 실시하 여 CSG 재료의 강도 변화를 검토하였다. Fig. 13은 최대골 재치수 80mm CSG 공시체의 단위시멘량에 따른 동결 전후 의 CSG 일축압축강도(12cycle)를 도시한 것이다. 시험결과 로부터 알 수 있듯이 12cycle 후의 일축압축강도는 동결 전 에 비하여 크게 감소하는 것으로 나타났다.

Fig. 14는 동결 전후 CSG 공시체 감소비를 나타낸 것으 로 단위시멘트량의 변화에 따라 일축압축강도는 평균 30～

60%까지 감소되는 것으로 나타났다. 이러한 원인은 모세관 공극 온도가 0℃ 이하로 낮아지면서 모세관수가 동결하면 서 체적이 증가함으로 체적팽창을 완충시킬 수 있는 공간이

공극 내에 존재하지 않거나 적을 경우, 주변에 있는 물은 모세관 공극으로부터 내부조직을 통과하기 어려워 내적 팽 창압이 발생하기 때문으로 판단된다. 이 팽창압의 크기는 구 조의 치밀화 정도, 모세관수의 이동거리 및 이동속도에 비 례하여 달라지며, 팽창압보다 콘크리트의 인장강도가 작을 경우 미세한 균열이 발생하게 된다.

Table 4로부터 단위시멘트량 0.6kN/m

³

³

Fig. 15. Relationship between cement content and failure axial strain

Table 5. Micro structure of CSG with cement contents

Type Before After

0.4 kN/m

0.6 kN/m

0.8 kN/m

1.0 kN/m

는 체적팽창에 따른 내부 균열이 상당히 진행된 것으로 판 단된다. 그렇지만 본 연구의 CSG 재료의 단위시멘트량이 일반 콘크리트 및 RCD 공법에 비하여 상대적으로 적고 재 료선별 없이 현장 재료를 그대로 활용한 점, 그리고 동결 융 해 cycle이 12회인 점을 고려한다면 단위시멘트량 0.80kN/m

³

Fig. 15는 CSG 공시체 일축압축강도실험 최대강도 발현 시 축변형률을 나타낸 것이다. 시험결과 동결 전 CSG 공시체 파 괴 변형률은 2.12%～1.91%, 동결 후 파괴변형률은 2.17%～

1.96%로 나타나 동결 전후 변형률의 변화는 크지 않은 것으 로 나타났다. 또한 시멘트량과 상관없이 큰 변화를 보이지 않는 것으로 나타났다.

3.3 SEM에 의한 동결 전후 CSG 재료 분석 Table 5는 SEM(Scanning Electron Microscope)을 이용하 여 동결융해 전후 CSG 재료 일축압축시험을 실시한 시료를 대상으로 5천～2만 배율까지 확대하여 분석한 결과 중 1만 배의 미세구조를 관찰한 장면을 나타낸 것이다.

단위시멘트량이 작은 0.4～0.6kN/m

³

³

치밀하게 구성되어 있지만 동결 후 입자 간 공극이 전에 비 하여 상대적으로 발달된 형태로 변화되었음을 알 수 있다.

즉 동결 융해에 따른 CSG 재료의 시멘트에 의한 내부 결합 력이 많이 약화되었음을 확인할 수 있다.

상기의 CSG 재료의 동결 융해시험에 의한 내구성을 고 찰한 결과, 단위시멘트량이 증가할수록 CSG 재료의 내구성 이 증가하는 것으로 나타났다. 단위시멘트함량 0.8kN/m

³

4. 결 론

본 연구에서는 CSG 재료의 동결융해에 의한 내구성을 고 찰하고자 시험시공 현장 채취코어에 대하여 동결 융해시험 에 의한 내구성 및 동결융해 전후 일축압축강도시험을 실시 하였으며 다음과 같은 결과를 얻었다.

(1) 단위시멘트량이 증가함에 따라 상대동탄성계수 60%에 해당되는 동결주기는 점차 증가하는 것으로 나타났다.

(2) CSG 재료에 대한 내구성을 급속 동결 융해시험방법으

로 검토한 결과 단위시멘트량이 적은 0.4～0.6kN/m

³

³

(3) 12회 동결융해 후의 중량손실률은 단위시멘트량 0.4kN/m

³

(4) 12회 동결 후의 CSG 재료 일축압축강도는 단위시멘트 량이 적은 0.4～0.6kN/m

³

1.0kN/m

³

CSG의 내구성을 종합적으로 판단한 결과 적은 단위시멘 트량에서도 충분한 강도발현과 내구성을 확보할 수 있는 것 으로 나타나, 재료의 활용성과 연속시공을 통한 시공기간 절감효과를 기대할 수 있을 것으로 판단된다.

References

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