1. 서 론
2. 사용 재료 및 현장
2.1 CMD-SOIL
2.2 지반 조건
2.3 시험 조건
2.4 실내 배합시험 방법
시험 결과 및 분석
3.1 실내 배합시험 결과
3.2 현장 확인 시험
4. 결 론
1. 서 론
바다로 둘러쌓인 우리나라는 세계 교역 및 해양 항만 산업의 변화에 따라 선박의 대형화 및 고속화에 대한 대응 필요성이 높아지고 있다. 또한 상해(Shanghai), 싱가포르(Singapore) 등 기존 항만의 선점경쟁이 시작됨에 따라 항만물동량 및 항만서비스 개선 등을 목표로 31개 무역항을 비롯한 국가 및 지방어항을 개발하고, 유지관리를 위한 해상 건설사업이 상시 시행 중에 있다(Park and Choi, 2017; Back et al., 2021). 특히 2021년부터 10년간 진행 중인 제4차 전국 항만기본계획에 따르면, 디지털화 및 지능화 등 4차 산업에 대비하기 위해 권역별 인프라가 개발되고, 연안네트워크의 구축 등의 노력이 진행됨에 따라 접안시설 및 화물 부두를 확충하고 배후단지를 건설하기 위한 투자가 활발하게 이루어지고 있다(MOF, 2020). 또한 기존 중·소항만에서의 다양한 문제를 해결하고자 수심 증설, 하역장비의 대형화, 선석길이의 확장 등 부산, 울산 등의 광역도시를 중심으로 한 신항만(new port)을 건설하여 초대형 선박의 원활한 입·출항을 유도하고자 노력하고 있다(Won et al., 2015).
신항만 건설을 위해 일반적으로는 지반조사 자료를 토대로 설계 결과를 도출한 후 준설 또는 매립하고, 연약지반의 개량을 위해 모래 또는 자갈을 사용한 다짐공법이 사용되고 있다. 그러나 모래다짐말뚝(SCP, Sand Compaction Pile) 또는 자갈다짐말뚝(GCP, Gravel Compaction Pile)의 경우, 진동 또는 충격하중을 가하여 전단강도 및 지지력 증대, 압밀침하 저감, 액상화 방지 등 다양한 장점에도 불구하고, 모래 또는 자갈의 부족과 단가상승으로 인한 경제성 확보가 어렵다(Kitazume, 2005; Kim et al., 2015; Bong et al., 2018). 따라서 최근에는 시멘트와 물을 혼합한 슬러리를 주입·교반하면서 기둥체를 형성하는 심층혼합공법(DMM, Deep Mixing Method)의 적용이 증가하고 있다(Kim et al., 2021a). 심층혼합공법은 1975년 일본에서 첫 적용된 이후, 1988년 우리나라의 부산항 컨테이너터미널 부두축조공사에서 적용되었으며, 주로 남해안을 중심으로 많은 발전을 이루었다(Park and Song, 2020). 또한 안벽기초 하부 등에 시멘트를 안정적으로 주입하고, 단시간에 요구되는 압축강도를 확보할 수 있으며, 수질 오염이 극히 적고, 소음 및 진동이 작아 주변 지역에 큰 영향을 주지 않는 것으로 알려져 있다(Mun and Seo, 2018). 하지만 심층혼합공법에 사용되는 시멘트는 1,400°C의 고온에서 소성이 이루어지기 때문에 800~900kgCO2eq/ton의 온실가스가 발생하게 된다(Kim et al., 2021b). 따라서 새로운 재료를 사용하여 시멘트를 대체하고, 탄소배출량을 효과적으로 감소시킬 수 있는 방안이 요구되고 있다.
따라서 본 연구에서는 순환유동층(CFBC, Circulating Fluidized Bed Combustion) 보일러에서 발생한 고칼슘 플라이애시(high-calcium fly ash)를 고로슬래그(GBFS, Granulated Blast Furnace Slag) 미분말의 알칼리 자극재(alkali activator)로 사용한 CMD-SOIL을 울산지역에 적용하고자 하였다. 이를 위해 실내 배합시험을 실시하여 CMD-SOIL의 압축강도를 측정하고, 시험결과를 고로슬래그 시멘트(SC, Slag Cement)와 비교하였다. 또한 현장에서는 확인 보링(boring)을 실시하여 6공에 대한 시추 결과를 분석하고, CMD-SOIL의 품질을 확인함으로써 해안구조물 기초의 건설에 활용해보고자 하였다.
2. 사용 재료 및 현장
2.1 CMD-SOIL
CMD-SOIL은 순환자원인 고칼슘 상태의 플라이애시를 고로슬래그 미분말의 알칼리 자극재로 사용하여 시멘트와 유사한 경화 반응을 유도하여 흙 재료와의 혼합을 통해 현장에서 요구하는 2.0MPa 이상의 압축강도를 확보할 수 있는 재료이다(Kim et al., 2023). Fig. 1에는 CMD-SOIL의 경화 반응의 메커니즘을 나타내었다. 그리고 Table 1~2에는 환경성을 판단하기 위해 폐기물 공정시험을 통한 중금속 용출 결과와 OECD(Organization for Economic Cooperation and Development) 기준에 따른 어독성 시험(fish, toxicity test) 결과를 나타내었다. 폐기물 공정시험을 통한 CMD-SOIL의 결과는 전 항목에서 용출되지 않았으며, 어독성 시험에서도 개체의 생존율은 100%로 분석되어 환경적으로 안전한 재료이다.
Table 1.
Korea standard leaching test result of CMD-SOIL (Kim et al., 2023)
Table 2.
Fish, toxicity test result of CMD-SOIL (Ham et al., 2021)
| Material | Number of death in group |
Survival rate %) | pH | |||||
| Initial | 12 hr | 24 hr | 48 hr | 96 hr | Initial | 96 hr | ||
| CMD-SOIL | 0/10 | 0/10 | 0/10 | 0/10 | 0/10 | 100 | 7.09 | 7.26 |
2.2 지반 조건
일반적으로 심층혼합공법은 지반의 종류, 함수비(moisture content), 비중(GS, Specific Gravity), 액성한계(LL, liquid limit)와 소성한계(PL, plastic limit), 입도분포 등에 따라 다양한 특성이 발현되기 때문에 지반조사를 확인하고, 실내 및 현장에서의 시험을 실시하는 것이 중요하다(Park and Choi, 2019). 따라서 CMD-SOIL을 사용한 울산지역에서의 시공 현장을 중심으로 Fig. 2와 같이 지반조사를 실시하였다. 그리고 Table 3과 Fig. 3~4에는 지반조사 결과를 정리하여 나타내었다.
Table 3.
Physical characteristics and unconfined compressive strength of in-situ soil
지반조사 결과, 함수비는 88.7~90.6%, 비중(GS) 2.72, 액성한계(LL) 93.4~97.8%, 소성한계(PL) 29.6%로 나타나 액성지수(LI)가 1.0에 근접한 상태인 것으로 분석되었다. 뿐만 아니라 Fig. 3(a)에서와 같이 입도분포곡선을 분석한 결과, 200번체 누적 통과율이 95.6~97.3%로 통일분류법(USCS, Unified Soil Classification System)상 고소성 점토(CH, Highly plastic Clay)로 구분되었다. 또한 Fig. 3(b)와 같이 고소성 점토를 채취하여 일축압축강도(qu)를 측정한 결과, 10.3~12.8kPa로 매우 연약한 상태로 분석되었다. 마지막으로 Fig. 4에 나타낸 표준관입시험(SPT, Standard Penetration Test)에 따른 분석결과, 대부분의 심도 및 위치에서 N 값이 4 이하인 것으로 나타나 보강이 필요한 것으로 분석되었다(Korea Construction Standards Center, 2021).
2.3 시험 조건
CMD-SOIL에 대한 심층혼합공법에서의 적용성을 판단하기 위해 Table 4와 같은 조건으로 배합하였다. 그리고 시험을 위해 직경(d) 50mm, 높이(h) 100mm의 원통형 몰드(mold)를 사용하여 함수비(ω) 61.7, 70.8, 88.2%로 시편을 제작한 후, 각각 7, 14, 28일에서의 압축강도를 측정하였다. 시험을 위해 사용된 장비는 압축시험이 가능한 지오티에스(GEO-TS)의 장비를 사용하였으며, 재하속도는 1mm/min를 적용하였다. Fig. 5에는 사용된 압축시험기를 나타내었다.
Table 4.
Mixing condition of materials
| Material | Moisture content (%) | Curing time (day) |
Dosage (kg/m3) |
| CMD-SOIL | 61.7 | 7, 14, 28 | 270 |
| 70.8 | |||
| 88.2 | |||
| Slag cement | 61.7 | 7, 14, 28 | 270 |
| 70.8 | |||
| 88.2 |
2.4 실내 배합시험 방법
국내 기준에 따르면, 심층혼합공법의 적용성을 검토하기 위해 일반적으로 함수비 및 양생 조건에 따른 실내 배합시험을 실시하고, 설계 배합강도(qul) 이상의 압축강도를 확보하는 것이 요구되고 있다(MOF, 2018). 따라서 본 연구에서는 Fig. 6과 같이 CMD-SOIL에 대한 실내 배합시험 방법을 정리하여 나타내었다. 먼저 그림에서와 같이 현장에서 채취한 흙과 재료를 준비(Fig. 6(a))한 후, 혼합 장비를 사용하여 일정한 시험 조건에 따라 혼합(Fig. 6(b))을 완료하였다. 그리고 각 층별로 압축(Fig. 6(c))하고, 스패츌러(spatula)를 사용하여 표면을 마감(Fig. 6(d))하였다. 마지막으로 습윤 상태로 양생(Fig. 6(e))한 후, 탈형(Fig. 6(f))하여 시편의 제작을 완료하였다.
3. 시험 결과 및 분석
3.1 실내 배합시험 결과
CMD-SOIL의 성능을 평가하기 위해 채취한 2 가지의 흙 재료를 혼합하여 실내 배합시험을 실시하였고, 결과를 Table 5와 Fig. 7~8에 나타내었다.
Table 5.
Laboratory mixing test results of materials
Fig. 7에는 양생일에 따른 압축강도의 변화를 나타내었다. 시험 결과, CMD-SOIL의 압축강도는 7일 기준 2.29~3.06MPa, 14일 기준 3.43~4.29MPa, 28일 기준 3.97~5.13MPa로 고로슬래그 시멘트(SC, slag cement)와 비교하여 유사한 결과를 나타내었으며, 설계 배합강도(qul = 3.38MPa) 이상을 확보할 수 있는 것으로 분석되었다. 또한 Fig. 8에는 함수비에 따른 압축강도의 변화를 분석하여 나타내었다. 분석 결과, CMD-SOIL의 경우 함수비의 증가에 따라 압축강도는 감소하는 경향을 나타내었다. 그러나 양생일에 따라 압축강도는 증가하였고, 함수비에 따른 재료적 특성의 변화는 없는 것으로 나타나 CMD-SOIL의 적용성은 우수한 것으로 분석되었다. Fig. 9에는 양생 7일에 대한 양생 28일에서의 압축강도 증가율울 비교하여 나타내었다. 선행 연구결과에 따르면, CMD-SOIL의 양생 7일에 대한 양생 28일에서의 압축강도 증가율은 2.022로 고로슬래그 시멘트(SC)의 1.882에 비해 높은 것으로 분석되었다(Ko et al., 2016; Ham et al., 2021). 그러나 울산지역에서의 배합시험 결과, 양생 7일에 대한 양생 28일에서의 압축강도 증가율은 1.747로 선행연구 대비 작은 값을 나타내었다. 이러한 결과는 액성한계가 93.4~97.8%(선행 연구결과에서는 액성한계(LL)가 28.4~65.1%로 소성도(plasticity chart)를 비롯한 물리적 특성의 차이로 인하여 압축강도 증가율에 영향을 미친 것으로 판단되었으며, 다양한 현장에서의 추가적인 적용 및 검토를 통해 연구가 필요한 것으로 분석되었다.
3.2 현장 확인 시험
실제 현장에서 CMD-SOIL의 적용성을 검토하기 위해 6개소에 대한 시공 후 보링(boring)을 실시하고, 시추 결과를 Table 6과 Fig. 10에 나타내었다.
Table 6.
Boring results of in-situ
현장에서의 보링 결과, CMD-SOIL의 압축강도는 2.30~9.63MPa로, 위치에 따라 편차가 있으나, 설계 기준강도(quck = 2.25MPa) 이상을 확보할 수 있는 것으로 분석되었다. 또한 Fig. 10(a)에서와 같이 심도에 따른 압축강도의 변화는 qu = 4.45 + (0.122 × depth), 신뢰도(R)는 68.2%로 나타나 증가하는 경향을 나타내었다. 그리고 Fig. 10(b)에서와 같이 일부 위치(location 1, location 4)에서 부상토의 영향으로 단위중량에 차이를 보였지만 대부분 1.77 ± 0.16kN/m3으로 일반적으로 동일한 상태를 나타내었으며, Table 5의 결과와 같이 모든 위치에서 코어회수율(TCR, Total Core Recovery) 또한 90% 이상을 나타내어 CMD-SOIL의 품질을 확보할 수 있는 것으로 분석되었다.
Fig. 11에는 양생 28일에 대한 현장과 실내 배합시험에서의 압축강도 비(λ)를 비교하여 나타내었다. 기존 연구결과에 따르면 고로슬래그 시멘트(SC)의 경우 일반적으로 2/3수준을 나타내었다(Ko et al., 2016). 울산지역에서의 CMD-SOIL에 대한 비교 결과, 현장에서의 시공 조건 및 위치, 그리고 함수비의 증가에 따라 큰 차이를 나타내었다. 따라서 평균적인 압축강도 비(λ)를 고려한 결과, 0.916을 나타내었으며, 기존의 연구결과(λ = 0.889)와 비교하여 유사한 결과를 나타내었다(Ham et al., 2021). 따라서 울산지역에 대한 현장의 적용성을 고려할 때 CMD-SOIL을 사용한 심층혼합공법의 활용이 가능하며, 건설 전반에서의 활용도 가능할 것으로 판단된다. 하지만 압축강도 비(λ)는 실내 및 현장에서의 압축강도에 따라 다양하게 변화할 수 있으므로 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
4. 결 론
본 연구에서는 울산지역에서의 해안구조물 건설을 위해 지반개량재인 CMD-SOIL을 사용하여 심층혼합공법에 적용하고자 하였다. 이를 위해 울산지역의 고소성 점토(CH) 지반을 대상으로 실내에서의 배합시험을 실시하고, 현장에서의 확인 및 분석을 실시하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
1. CMD-SOIL을 사용한 실내 배합시험 결과, 7일 압축강도는 2.29~3.06MPa, 28일 압축강도는 3.97~5.13MPa로 고로슬래그 시멘트(SC) 대비 동등한 수준의 압축강도를 확보할 수 있으며, 함수비가 변화하는 조건에서도 충분히 설계 배합강도(qul = 3.38MPa)를 만족시킬 수 있어 적용이 가능한 것으로 분석되었다.
2. 양생 7일에 대한 양생 28일에서의 압축강도 증가율을 검토한 결과, 울산지역에서 CMD-SOIL의 압축강도 증가율은 1.747로 기존 연구결과(CMD-SOIL의 경우 2.022, 고로슬래그 시멘트의 경우 1.882) 대비 낮은 값을 나타내었다. 그러나 압축강도 증가율의 차이는 흙의 차이에 의한 것으로 정확한 비교 및 분석을 위해서는 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
3. CMD-SOIL을 사용한 현장에서의 확인 시험 결과, 위치에 따라서 차이가 있으나 압축강도는 2.30~9.63MPa의 범위를 나타내어 설계 기준강도(quck = 2.25MPa) 이상을 충분히 확보할 수 있으며, 코어회수율(TCR)도 90.0% 이상을 나타내어 심층혼합공법으로써의 품질 확보가 가능한 것으로 판단된다.
4. 실내 배합시험과 현장에서의 확인 시험에 따른 압축강도 비(λ)를 분석한 결과, 함수비를 고려한 평균적인 압축강도 비(λ)는 0.916으로 기존 연구결과와 비교하여 유사한 결과를 나타내어 CMD-SOIL을 사용한 울산지역에서의 심층혼합공법의 활용은 가능한 것으로 판단된다.
