1. 서 론

도시의 지하에는 전기, 수도, 가스 등의 공급시설, 하수, 전신전화 등의 라이프 라인(life line)이 복잡하게 매설되어 있다. 이러한 라이프 라인은 인간에게 필요한 각종 생활편익을 제공하지만 노후 관로의 손상에 따른 누수로 인해 지반의 지지력이 저하되면서 도로가 함몰되는 사고가 발생한다. 도심지 매설관 설치를 위해 굴착, 매설, 뒤채움 작업을 실행하는 과정에서 굴착장비에 의한 관의 파손, 다짐부족 및 되메움재 불량 등으로 인해 약화된 지반에 우수 및 지하수가 침투로 지반침하가 발생한다. 상·하수도관 등 관로매설공사의 되메우기 방법은 트렌치를 굴착한 후 저면에 모래를 깔고 관을 설치하는 방법을 사용하고 있으나, 지중 매설관이 중첩되어 있거나,  관 접속부위, 관하부의 틈새를 다짐하는데 어려움이 있다. 또한 관로의 다짐작업시 현장다짐에너지에 의해 발생되는 추가 하중은 구조물에 토압증가 효과를 유발한다(Duncan et al, 1986). 이러한 뒤채움재 및 다짐으로 인한 문제점들을 해결하기 위해 유동성 뒤채움재가 사용되고 있다. 선진국에서는 건설 발생토를 재활용하여 잔토처리 비용을 줄이고, 충분한 유동성을 확보하여 고화하는 특성을 가진 친환경적인 슬러리 재료를 사용한 뒤채움 기술이 주목받고 있다. 국내에서도 플라이애시, 해양준설토를 사용한 유동성 뒤채움재 개발 및 적용에 관한 연구 등이 진행된 사례가 있다(Kong et al, 2010; Kim 2011; Yoon et al, 2012; Lee et al, 2015).

미국 콘크리트 학회 ACI (1994)에서는 시멘트, 물, 골재와 플라이애쉬로 구성된 저강도 유동성 채움재를 CLSM (Controlled low strength materials)으로 정의하고 있다.  CLSM은 자기 수평능력(self-leveling)과 자기 다짐성(self- compacting)을 가진 재료로 초기에는 높은 유동성을 갖게 되며 시멘트 양생으로 원하는 강도까지 강도를 증진 시킬 수 있는 특징을 가지고 있다. CLSM은 콘크리트와 토사의 중간성질을 보이며 다짐된 충전재를 대신해 자기 수평 및 다짐 능력을 가진 충전 재료로 고려되고 있어 동결융해, 표면침식, 유해한 화학물질의 침입 등이 고려되지 않고 설계된다. 장기압축강도에서도 콘크리트보다 매우 낮은 0.34~2.06MPa으로 나타나지만 지지력 면을 보자면 잘 다져진 토사가 0.34~0.69MPa인 것으로 봐서 강도가 비슷하다고 할 수 있다. CLSM은 시공시 장소의 제약이 적으며 다짐이 필요없으므로 비용절감, 작업자의 안정성 증진, 시공의 단순화로 인한 인력감소 등의 장점이 있으며 재활용재료를 첨가함으로써 친환경재료로도 사용이 가능하다. 또한, 배합비에 따라 강도 조절이 가능하며 기존에 다짐 등에 의한 강도 조절에 비해 재료의 강도가 전체적으로 균일한 특징을 가지고 있다. 그러나, CLSM은 주 재료로 플라이애쉬와 소량의 시멘트를 사용하여 양생에 수 일 내지 수 주의 기간이 필요한 단점과 더불어 지하수 유출에 의한 희석, 지하 간극으로의 재료유실 등의 단점이 있다.

이에 본 연구에서는 조속한 후속공정의 도입을 위한 조기강도 발현, 재료유실 방지를 하는 가소성, 시공품질 확보를 위한 수중불분리성을 갖춘 유동성 채움재의 공학적 특성 평가를 통해 하수관로로 뒤채움재로서의 사용 가능성을 제시하고자 한다.

2. 재료 및 실험방법

2.1 속경성 결합재의 최적배합 및 특성 실험

2.1.1 실험재료

보통 시멘트계 재료는 물과 반응하여 새로운 광물을 형성하는 수화과정을 거쳐 굳게 된다. 기존의 CLSM도 이러한 시멘트의 수화반응과, 시멘트 수화 과정에서 발생하는 다량의 소석회와 비정질 실리카인 플라이애쉬간의 포졸란 반응에 의해 적정 강도의 경화체를 얻게 된다.

그러나 시멘트의 수화반응 중 강도발현에 주로 기여하는 C₃S 및 C₂S 등의 칼슘실리케이트 광물의 수화는 수 일에서 수 주의 시간이 걸리는 것으로 알려져 있다. 이에 본 연구에서는 비정질 칼슘실리케이트계 광물을 결합재의 주원료로 이용하여 경화에 필요한 시간을 단축하고, 장기적인 강도증진을 억제하고자 하였다.

본 실험에 사용한 재료로 국내산 플라이애시 및 칼슘알루미네이트계 바인더를 사용하였으며, 그 물리 화학적 특성은 Table 1과 같다. 또한, 가소제는 국내 J社 제품을 사용하였고, 촉진제는 모두 시약으로 사용하였다.

2.1.2 실험방법

속경형 가소성 뒤채움재의 최적배합을 얻고자 3단계에 걸쳐 실험을 진행하였다. 1단계에서는 플라이애쉬와 CA (Calcium Aluminate) 바인더의 최적 혼입율을 결정하고자 하였으며, 2단계에서는 적정 촉진제의 종류와 사용량을 결정하였고, 3단계에서 최적의 물성을 나타내는 물-재료비를 얻고자 하였다. 각 단계별 뒤채움재의 테이블 플로와 4시간, 7일, 28일 압축강도를 측정하였다. 4시간에 경화가 되지 않은 시료는 이후 재령의 압축강도를 측정하지 않았으며, 4시간 이내에 경화가 된 시료에 대해서만 장기강도의 억제를 확인 하고자 1단계와 2단계에서는 7일 강도만을, 3단계에서는 7일과 28일 재령의 압축강도를 측정하였다. 이후 최종 확인실험에서는 테이블 플로와 4시간, 7일, 28일 압축강도 및 수중불분리성을 측정하여 최적 배합을 선정하였다. 빠른 후속공정을 위한 속경성 및 조기강도 기준은 동경전력 유동화토 기준에 따라 재령 4시간에 일축압축강도 0.13MPa를 기준으로 하였다. 굴삭기 등 일반적으로 하수관거 시공에 사용되는 중장비의 무게는 대략 10~20ton으로, 후속 작업이 가능한 압축강도는 0.05~0.1MPa가 된다.

(1) 뒤채움재의 혼합

뒤채움재의 혼합은 Fig. 1의 호바트 믹서로 다음과 같이 혼합하였다. 용기에 물을 붓고 뒤채움재를 투입한 후 저속으로 혼합기를 40초 동안 작동시킨다. 혼합기의 작동을 멈추고 20초 동안 비트로 용기의 바닥과 벽에 부착된 모든 재료를 떼어내면서 손비빔을 실시한다. 그런 다음 가소제를 투입하여 20초간 손비빔을 하여 혼합을 완료하였다.

(2) 뒤채움재의 가소성 측정

페이스트의 테이블 플로 시험은 KS L 5111의 규정을 만족하는 장비로 Fig.2의 장비를 이용하였다. 본 연구에서는 현장 타설시 바이브래이터 등에 의해 외력이 가해졌을 때는 유동성을 가지나, 외력이 없을 때는 유동성이 사라지는 가소성(假塑性)을 측정하기 위하여 기존의 CLSM에 적용하는 ASTM D 6103과 같은 플로 시험이 아닌 타격플로 시험을 진행하였다. 슬럼프 뒤채움재 시료를 상부 지름 70mm, 하부 지름 100mm, 높이 50mm의 틀에 채운 후 틀을 들어 올려 외력이 없는 상태인 초기 플로를 측정하였으며, 25회 타격하여 타격 플로를 측정하여 외력이 주어졌을 때의 유동성을 측정하였다.

(3) 뒤채움재 시편 제작

압축강도 시험용 시편은 뒤채움재의 테이블 플로를 측정한 다음 50×50×50mm의 각주형 시험체 틀에 넣어 KS L 5105 규정에 의거하여 제작하였다.

(4) 뒤채움재의 압축강도 측정

압축강도는 제작한 시편을 기온 21℃, 상대습도 60%로 설정된 항온항습 챔버에서 양생하여 Fig. 3의 3000kN UTM을 사용하여 측정하였다. 뒤채움재의 속경성 확보를 위하여 양생 4시간 이내에 경화되지 않은 시료는 제외하였으며 경화된 시료에 대해서만 7일 및 28일 강도를 측정하였다.

(5) 뒤채움재의 수중불분리성 및 침하량측정

수중불분리성은 혼합한 뒤채움재 약 50g을 500ml의 수중에 투입한 후 상등액을 취하여 탁도를 측정하였으며, 침하량은 ø100×200mm 실린더 몰드에 혼합한 뒤채움재를 채운 후 경화시까지의 침하량을 측정하였다.

3. 실험결과 및 고찰

3.1 속경성 결합재의 최적배합 설계

3.1.1 1단계 실험결과

속경성 결합재의 최적배합 실험을 위해 Table 2와 같이 1단계 실험울 수행하였다. Table 3과 Fig. 5는 1단계 실험의 테이블 플로 및 4시간 압축강도 시험결과를 보여주고 있다. 가소성(假塑性)은 외력이 존재할 경우 유동성을 가지나 외력이 없을 때는 유동성이 사라지는 성질을 말한다.  본 실험의 모든 배합에서 다소 차이는 있었으나 타격 등의 외력을 주지 않은 정치상태에서는 대부분 거의 유동성을 나타내지 않았으며, 테이블의 타격을 통한 외력의 영향하에서는 모두 유동성을 갖는 것으로 나타났다. 모든 배합에서 가소성을 갖는 유동성 조건은 만족하는 것으로 나타났으며, CA 치환율이 증가함에 따라 가소성 확보에 필요한 가소제의 양은 감소하는 것으로 나타났다. 이는 CA 주성분인 C₁₂A₇이 유동성에 관여하는 자유수와 급격하게 반응하여 자유수의 양을 감소시키면서 결합재에 흡착한 다음 결합재를 응집시키고 물분자와 수소결합을 통해 일시적으로 자유수의 작용을 억제시킨 것으로 생각된다. 그러나 가소성을 갖게하기 위한 가소제의 영향에 의한 응결지연 현상으로 모든 배합에서 목표로 하는 4시간 강도 0.13MPa를 만족하지 못하는 것으로 나타났다. 이에 따라 가소성을 가지면서 4시간 이내에 요구강도를 만족할 수 있도록 촉진제를 사용한 추가실험을 진행하였다.

3.1.2 2단계 실험결과

Table 4는 2단계 실험의 최종 배합사항을 나타낸 것이다. Table 5는 2단계 실험의 테이블 플로 및 4시간 압축강도 시험결과를 나타낸 것이며, Fig. 6은 테이블 플로를 나타낸 것이다.

촉진제1을 사용하는 경우 플레인 배합과 동일한 가소제량을 사용하면 촉진제1을 0.5% 첨가시정치 테이블 플로는 플레인과 동일하게 나타났다. 촉진제1을 1.0% 첨가할 경우 정치 테이블 플로는 플레인에 비해 급격하게 증가하는 것으로 나타났으며, 촉진제1의 첨가율에 관계없이 4시간에 경화가 되지 않는 것으로 나타났다. 촉진제3을 사용하는 경우0.5% 첨가시플레인과 동일한 정치 테이블 플로를 만족시키기 위해서는 가소제의 사용량을 2배로 증가시켜야 함을 알 수 있다. 촉진제3을 1.0% 첨가시 가소제를 2배 사용해도 유동성을 상실되지 않는 것으로 나타났으며, 촉진제3의 첨가율에 관계없이 4시간에서는 경화가 되지 않는 것으로 나타났다. 촉진제2를 사용한 경우 플레인 배합과 동일한 가소제량을 사용하면 촉진제2를 0.5% 첨가시정치 테이블플로는 플레인 보다 작게 나타났다. 촉진제2를 1.0% 첨가시가소제량을 대폭 감소시켜도 정치 테이블 플로가 플레인에 비해 작게 나타났고, 촉진제2를 1.0% 사용한 배합에서는 4시간에 강도를 발현하는 것으로 나타났다. 따라서 가소성을 가지면서도 4시간 이내에 경화하여 신속한 시공을 위해서는 촉진제2를 1% 정도 첨가하는 것이 유리한 것으로 나타났다.

3.1.3 3단계 실험결과

Table 6은 3단계 실험에서 사용된 최종 배합사항을 나타내고 있다. Table 7은 3단계 실험의 테이블 플로 및 4시간, 7일 압축강도 시험결과를 나타낸 것이다.  

CA 사용량에 관계없이 촉진제2의 치환율이 증가할수록 테이블 플로의 정치 조건을 만족하는데 사용되는 가소제량은 감소하는 것으로 나타났다. 이는 촉진제2가 하수관거 뒤채움용 속경성 결합재의 반응성을 향상시킨 것에 기인한 결과로 사료된다. 압축강도는 CA 10% 치환하고 촉진제2를 최소 0.6% 이상 첨가한 배합에서 재령 4시간에 급격히 경화되는 것으로 나타났다.

3.2 속경성 결합재의 특성 실험

Table 8은 속경성 결합재 특성 파악 실험의 최종 배합사항을 나타내고 있으며, 실험 결과는 Table 9와 Fig. 8～ Fig. 10과 같다.

Fig. 8은 가소성을 나타내는 테이블플로 시험 결과를 나타낸 것인데, W/M 100% 까지는 외력이 없는 경우 유동성을 전혀 나타내지 않다가 외력이 가해지면 유동성이 증가하며 특히 W/M 70% 이상에서 급격한 증가를 나타내었다.

Fig. 9는 속경성 결합재 특성 파악 실험의 압축강도를 나타낸 것이다. W/M이 높아질수록 단위수량 증가에 따른 자유수가 증가한다. 가소제는 이렇게 증가한 자유수를 결합재에 흡착한 다음 결합재를 응집시키고 물분자와 수소결합을 통해 일시적으로 자유수의 작용을 억제시켜주며 W/M이 높아질수록 유동성 상실을 유도하는 가소제의 첨가량은 증가하는 것으로 나타났다. 재령 4시간 압축강도는 W/M 70% 이하에서 0.55～0.64MPa 범위로 나타났고, W/B 80% 이상에서는 0.20MPa 정도로 나타났다. 재령 7일 압축강도는 W/M 70% 이하에서 0.55～0.73MPa 범위로 나타났고, W/M 80% 이상에서는 0.20～0.24MPa 정도로 나타났다. 특히, W/M 100%이상에서는 4시간 이후의 강도 증진이 거의 없는 것으로 나타났다.

Fig. 10은 수중에 굳지 않은 뒤채움재를 넣은 후 상등액의 탁도를 측정한 결과로, 일정 수준 까지는 거의 변화가 없었으나 W/M이 100%를 넘어가면 증가하는 것으로 나타났다. 이외에 타설 후 경화까지의 침하량을 측정하였으나, 가소성이 충분한 상태, 즉 정치 상태의 플로가 100mm를 만족하는 경우에서는 침하가 전혀 없었으며, W/M이 110%일 경우에만 약 2mm 침하가 되어 침하량은 1% 수준이었다.

이상의 결과로 볼 때, 속경성 결합재 페이스트의 W/M을 100% 까지 증가시켜도 가소제 첨가량을 적절히 조정하여 사용하면 요구성능을 만족시키면서 경제성 또한 확보할 수 있을 것으로 사료된다.

조기강도 발현을 위한 속경성, 재료유실 방지를 하는 가소성, 좁은 공간에도 쉬운 보수가 가능하도록 하는 유동성, 수중시공을 위한 수중불분리성을 갖춘 하수관거 뒤채움용 속경성 결합재의 최적배합을 도출하기 위하여 실험을 진행하였고, 그 결과로 하수관거 뒤채움용 속경성 결합재의 최적 배합을 Table 10과 같이 도출하였다.

4. 결 론

본 연구에서는 유동성을 갖춘 하수관로 뒤채움용 속경성 결합재의 최적배합을 도출하기 위해 실내시험을 수행하였으며, 결과는 다음과 같다.

(1)조기강도 발현을 위한 속경성과 재료유실 방지를 위한 가소성을 만족시키기 위한 압축강도와 페이스트의 실험을 실시하여 하수관로 뒤채움용 결합재의 최적 배합을 도출하였다.

(2)하수관거 뒤채움재 최적 배합의 경제성 향상을 위해 W/M 증가에 따른 속경성 결합재의 특성을 파악한 결과, W/M이 높아질수록 단위수량 증가에 따른 자유수가 증가하는 것을 알 수 있다. 가소제는 일시적으로 자유수의 작용을 억제시켜 유동성 상실을 유도하는 역할을 하며,  W/M 증가에 따라 가소제의 첨가량은 증가하는 것으로 나타났다.

(3)속경설 결합재 시험을 통해 재령 4시간 압축강도는 W/M 70% 이하에서 0.55～0.64MPa 범위로 나타났고, W/M 80% 이상에서는 0.20MPa 정도로 나타났다. 재령 7일 압축강도는 W/M 70% 이하에서 0.55～0.73MPa 범위로 나타났고, W/M 80% 이상에서는 0.23～0.24MPa 정도로 나타났다. 이러한 결과로부터 속경성 결합재 페이스트의 W/M을 100% 까지 증가시켜도 가소제 첨가량을 적절히 조정하여 사용하면 유동성 채움재의 요구 성능을 만족시키면서 경제성을 확보할 수 있는 것을 알 수 있다.