1. 서 론
2. 재료 특성 및 시험
2.1 재료 특성
2.2 실내 시험
2.3 프로그램 해석
3. 시험 결과 및 분석
3.1 페이스트(paste) 상태의 배합 시험 결과
3.2 고화토의 배합 시험 결과
3.3 프로그램 해석 결과
3.4 중금속 용출 시험 결과
4. 결 론
1. 서 론
도시화된 권역을 중심으로 매년 인구가 증가함에 따라 신도시·신시가지의 건설이 적극적으로 이루어지고 있으며, 최근에는 원도심을 대상으로 한 재개발을 통해 구조물의 대형화 및 초고층화도 이루어지고 있다. 특히 재개발 예정인 구조물의 경우 제한된 위치에서의 인접한 시공이 요구되므로 안전을 확보하기 위한 설계 검토, 사용 재료의 품질 관리, 시공 개선 등이 필요하다. 뿐만 아니라 대형화된 주차 공간을 확보하기 위해 지하층의 흙막이 구조물을 적용한 굴착 및 시공이 예정되어 있어 안전한 설계 및 프로그램 해석, 시공, 계측 등 종합적인 연구가 이루어지고 있다(Yoon et al., 2013). 하지만 밀집화된 도심지에서의 굴착공사는 일반적으로 8 가지의 주요 요인(지반조사의 부실, 가시설 구조체의 불안정, 굴착바닥면의 불안정, 지하수 처리에 따른 불안정, 시공상의 불안정, 과다굴착으로 인한 불안정, 비탈면활동으로 인한 불안정, 관리 소홀로 인한 불안정)으로 인해 인접 구조물의 기능 손상, 지하 매설물의 파괴, 시공 중 비탈면 붕괴 등 지반 문제를 유발하여 매년 막대한 인적·경제적 피해가 발생하고 있다(Seong et al., 2013; You et al., 2022). 또한 굴착 심도, 방법 등 지반 조건에 따라 설계 및 시공과정 중 발생하는 축력, 전단력, 모멘트에 관련된 부재력과 변위가 크게 달라지므로 구조물에 대한 영향을 최소화할 수 있는 공법의 활용이 요구되고 있다(Moon et al., 2021).
따라서 현장에서는 지하수를 차단하고, 안전한 지하 굴착이 이루어질 수 있도록 시멘트를 사용한 흙막이공법을 적용되고 있으며, 주요 공법으로는 지하연속벽(diaphragm wall), Soil Cement Wall(SCW), 그리고 Cast In Place(CIP) 공법이 사용되고 있다(Do et al., 2016). 지하연속벽은 굴착 후 벤토나이트 안정액을 주입하고, 강성이 큰 철근 콘크리트 연속벽을 설치하는 방법으로 대심도 수직 굴착현장에서 적용되고 있다. 하지만 굴착토의 분리를 위해서 추가적인 기계적 침전설비가 요구되어 시공이 어렵다. CIP 공법은 steel casing을 삽입함과 동시에 H-pile을 근입한 뒤 콘크리트를 타설하여 주열형태의 콘크리트 말뚝을 형성하는 공법으로 강성 및 지반 변위에 효과적이다. 그러나 수직도를 유지하지 못할 경우 말뚝 간 틈새로 인한 누수 위험이 있고, 굴착 심도가 커질 경우 배면 그라우팅으로도 차수가 어려울 수 있다. SCW 공법은 지중에 시멘트를 주입 및 혼합한 후 연속벽을 형성하여 지수벽(cut-off wall) 역할을 수행하는 동시에 횡방향 저항력 증대를 위해 H-pile을 삽입하여 주열식 벽체를 형성하는 방법으로 연속성이 우수하고, 공기의 단축이 가능하다. 그러나 강성이 크지 않아 적용하고자 하는 굴착 심도에 제한이 있다(Choi et al., 2018). 이에 최근에는 기존의 단점을 보완할 수 있고, 시공성, 구조적 안정성, 경제성 측면에서 향상된 성능을 보여 미국 또는 유럽에서 사용되고 있는 겹침 주열식 현장타설말뚝(Secant Piles Wall) 공법도 국내에서 활발하게 적용되고 있다(Kim et al., 2023).
그러나 현장의 상황을 고려하여 적절한 공법의 적용이 이루어지더라도 흙막이의 설치를 위해서는 많은 시멘트가 사용되기 때문에 산업적 측면에서 온실가스(CO2)의 배출규제 압박이 커 생산설비를 개선 및 보수하고, 시멘트 대체재료를 활용하여 온실가스 배출을 획기적으로 감축하는 방법을 연구하고 있다(Moon et al., 2022). 따라서 본 연구에서는 탈황석고(desulfurized gypsum) 및 고칼슘 플라이애시(high-calcium fly ash)를 사용하여 고로슬래그 미분말(Granulated Blast Furnace Slag Powder, GBFSP)을 알칼리 자극(alkali activated)하여 경화반응을 유도할 수 있는 기술을 활용하고자 한다. 이를 위해 실내시험을 통해 고화토(solidification soil)의 물/결합재비(Water/Binder, W/B)에 따른 압축강도를 측정하고, 결과를 분석하고자 한다. 또한 중금속 용출에 대한 검토와 프로그램 해석을 통해 시멘트 대체재료의 적용에 따른 효과를 비교하고, 결과를 분석하고자 한다.
2. 재료 특성 및 시험
2.1 재료 특성
2.1.1 개발 고화재
본 연구에 사용된 개발 고화재는 순환자원인 탈황석고와 고칼슘 플라이애시를 사용하여 고로슬래그 미분말을 알칼리 자극함으로써 Fig. 1과 같은 경화반응을 유도하고, 시멘트를 대체하고자 하였다(Seo et al., 2021). 이를 위해 Table 1에는 사용 재료에 대한 XRF(X-Ray Flurescence) 분석결과를 비교하여 나타내었고, Table 2에는 분말도와 비중, 안정도(autoclave), 응결시간의 시험 결과를 나타내었다. 개발 고화재는 산화칼슘(CaO)을 다량 포함하는 등 전체적으로 OPC와 유사한 화학적 구성성분을 나타내며, 분말도, 오토클레이브(autoclave) 팽창도, 응결시간 등 KS 기준을 만족하여 시멘트 대체재료로 활용이 가능하다.
Table 1.
XRF analysis result of materials
| Material | Chemical constituent (%) | ||||||
| SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | CaO | MgO | SO3 | L.O.I | |
| Development solidification material | 24.9 | 8.7 | 2.5 | 46.8 | 3.9 | 8.6 | 1.8 |
| OPC | 20.2 | 6.0 | 3.6 | 60.5 | 2.9 | 3.9 | 0.2 |
Table 2.
Physical properties result of materials
| Material | Blaine (cm2/g) | Autoclave (%) | Setting time | Remark | |
| Initial (min) | Final (min) | ||||
| Development solidification material | 4,110 | 2.97 | 70 | 120 | KS L 5210 |
| OPC | 2,800 over | 0.8 under | 60 over | 600 under | |
2.1.2 시험을 위한 원료토
시험을 위해 본 연구에서는 G.L –2.0 ~ -3.0m 위치에서의 사질토와 점토를 각각 채취하였으며, Fig. 2에는 채취과정을 나타내었다. 또한 원지반 흙에 대한 실내시험을 실시하고, Table 3에 시험결과를 나타내었다. 시험결과, 통일분류법(Unified Soil Classification System, USCS) 상 모래질 흙은 실트질 모래(silty sand, SM)이고, 점토는 고소성 점토(highly plastic clay, CH)로 구분되어 차이를 보였다.
Table 3.
Physical properties of natural soil
2.2 실내 시험
2.2.1 배합 시험
시멘트 대체재료를 사용한 SCW의 압축강도를 측정하기 위해 먼저 실내에서의 배합 시험(mixing test)을 실시하고자 하였다. 배합 시험은 일반적으로 250 ~ 400kg/m3의 고화재를 배합하여 1 ~ 2MPa의 압축강도를 확보하는 것을 목표로 이루어지고 있다. 따라서 본 연구에서는 사질토와 점토에 대해 300, 350, 400kg/m3의 개발 고화재를 투입하고, 물/결합재비(Water/Binder, W/B)를 100, 150, 200%로 적용하고자 하였다. 또한 시험 결과의 OPC(Ordinary Portland Cement)와 비교하고자 하였다. Table 4에는 배합 시험의 조건을 나타내었고, Fig. 3에는 배합 시험의 과정을 정리하여 나타내었다.
Table 4.
Mixing test plan
| Material | Soil | Unit weight (kN/m3) | Water/Binder (%) |
|
Development solidification material OPC |
Sandy soil Clay |
3.0 3.5 4.0 | 150 |
2.2.2 시험 장비
배합 시험을 위해 사용된 장비는 로드셀(load-cell)과 변위계(displacement)가 설치되어 있으며, 속도를 조절할 수 있는 에스티엠(STM)의 압축강도 측정기를 사용하였다. Fig. 4에는 배합 시험에 사용한 장비를 나타내었다.
2.3 프로그램 해석
지반에 미치는 영향을 판단하기 위해 MIDAS 사의 해석프로그램인 SOILWORKS를 활용하여 SCW의 적용에 따른 수평변위를 굴착 깊이에 따라 판단하고자 하였다. 이를 위해 Fig. 5과 같은 굴착 단면에 대해 해석을 실시하고자 하였다. 뿐만 아니라 Table 5에는 사용된 해석 조건을 정리하여 나타내었다.
3. 시험 결과 및 분석
3.1 페이스트(paste) 상태의 배합 시험 결과
Table 6과 Fig. 6에는 페이스트 상태에 대한 배합 시험 결과를 정리하여 나타내었다. 그림에서 물/결합재비(W/B)가 증가함에 따라 재령 7 일에서 약 11.15MPa, 재령 28 일에서는 27.30MPa로 나타나 OPC 대비 43.6 ~ 55.7%(OPC의 경우, 재령 7 일에서 25.56MPa, 재령 28 일에서 48.99MPa) 수준으로 분석되었다. 또한 개발 고화재의 사용 여부와 관련없이 물/결합재비의 증가에 따라 압축강도의 변화는 전체적으로 동일하게 감소하는 것으로 분석되었다. 하지만 OPC를 사용한 기존의 연구결과와 비교할 때, 개발 고화재는 100% 이상의 물/결합재비에서는 압축강도의 변화 폭이 최대 2.5MPa로 거의 동일한 수준인 것으로 분석되었다(Park et al., 2009). 따라서 물/결합재비가 50%인 일반적인 상태에서는 압축강도 측면에서 불리한 것으로 나타났다. 하지만, 물/결합재비가 100%에서는 5.72 ~ 7.96MPa, 물/결합재비 150%에서는 3.82 ~ 5.49MPa, 물/결합재비 200%에서는 2.40 ~ 3.99MPa로 OPC와 개발 고화재의 실제적인 압축강도 차이가 감소하는 것으로 나타나 실제 현장에서의 워커빌리티만 고려된다면 시멘트 대체재료로서 개발 고화재의 활용이 가능할 것으로 판단된다.
Table 6.
Test result for paste state
3.2 고화토의 배합 시험 결과
Table 7에는 사질토와 점토의 물/결합재비(W/B) 150%에 대한 개발 고화재의 결과를 OPC와 비교하여 나타내었다. 또한 Fig. 7는 사질토, Fig. 8은 점토에 대한 평균 압축강도의 결과를 재령 7, 14, 28 일에 따라 나타내었다. 그림에서 OPC를 사용하는 경우, 재령 7 일에서 단위 투입량에 따라 0.66 ~ 1.33MPa을 나타내었다. 또한 흙의 차이에 따른 분석결과, 사질토는 1.14 ~ 1.33MPa, 점토는 0.66 ~ 1.03MPa로 나타났다. 그러나 개발 고화재를 사용한 경우, 동일한 조건(투입량)에서의 압축강도는 0.62 ~ 1.22MPa(사질토의 경우 0.78 ~ 1.22MPa, 점토의 경우 0.62 ~ 0.96MPa)로, 68.4 ~ 96.3% 수준의 낮은 압축강도를 나타내었다. 이와 반대로 재령 28 일에서는 압축강도 증가폭이 감소한 OPC(1.47 ~ 2.35MPa로, 사질토의 경우 1.77 ~ 2.35MPa, 점토의 경우 1.51 ~ 2.23MPa)에 비해 동등한 압축강도 증가폭을 나타내어 1.47 ~ 2.41MPa(사질토의 경우 1.71 ~ 2.41MPa, 점토의 경우 1.47 ~ 2.37MPa)를 확보할 수 있는 것으로 분석되었다. Fig. 9에는 재령 7 일에 대한 재령 28 일에서의 압축강도 증가율을 비교한 결과를 나타내었다. 일반적으로 압축강도 증가율은 OPC를 고화토(solidification soil)와 혼합하는 경우 유기질토에서 1.44 배, 점토의 경우 1.57 배 정도로 알려져 있다(Masaki and Masaaki, 2012). 그러나 개발 고화재의 경우 사질토는 2.06, 점토는 2.41로 OPC를 사용한 1.85에 비해 높은 압축강도 증가율을 나타내었다. 이러한 이유로는 고로슬래그 미분말을 알칼리 자극하여 경화반응을 유도하는 개발 고화재의 재료적 특성으로 인해 초기에는 느리지만 장기강도 측면에서 지속적인 압축강도의 발현으로 판단되며, 추후 개발이 완료된 후에는 다양한 현장에서의 분석을 실시하여 종합적인 검토를 수행하도록 하겠다.
Table 7.
Compressive strength of material by unit weight according to curing time
3.3 프로그램 해석 결과
Fig. 10에는 1.5m부터 4.0m까지 0.5m 간격으로 굴착 깊이에 따른 SCW의 보강 효과를 분석한 결과를 나타내었다. 그림에서 굴착 깊이가 10m인 경우, SCW의 보강 두께는 1.5m에서 기준치(=0.30m 이하)를 초과하였으나, 2.0m 이상의 조건에서는 충분히 대응이 가능한 것으로 분석되었다. 그리고 굴착 깊이가 12m 이상의 조건에서는 SCW의 보강 두께가 3.0m 이상인 경우에만 기준치 이하를 만족하는 것으로 분석되었다. 일반적으로 현장에서 적용되는 SCW의 경우, 기존 구조물이 존재하더라도 저압에 의한 주입을 통해 시공이 가능한 것으로 알려져 있다. 하지만 단점으로는 주열식 벽체의 형성이 어렵고, 차수 효과가 떨어지며, 일반적으로 최대 30m 이하의 큰 강성이 요구되지 않는 지반에서만 활용이 가능하기 때문에 많은 한계가 있다. 따라서 현장에서 개발 고화재를 적용하기 위해서는 굴착 깊이에 따른 보강 효과에 제약이 있으므로, 격벽형 중력식 2열 합성소일벽(BSCW, Buttress type Self-supporting Composite Wall)과 같은 방식을 적용하여 현장에서의 적합한 활용 방법을 도출하는 것이 바람직할 것으로 판단된다(Kim et al., 2019).
3.4 중금속 용출 시험 결과
Table 8에는 국내 환경 시험기준에 따라 폐기물공정시험에서 개발 고화재의 중금속 용출 시험 결과를 OPC와 비교하여 나타내었다. 시험 결과, OPC의 경우 6가 크롬(Cr6+)의 용출량은 0.68mg/L로 국내 기준치 이하이긴 하나 환경성 측면에서 불리한 것으로 분석되었지만, 개발 고화재의 경우 모든 항목에서 불검출(not dissolved)된 것으로 분석되었다. 따라서 대규모 지하구조물의 건설을 위해 SCW를 적용하는 경우 환경성 측면에서 유리하다. 뿐만 아니라 약 830 kgCO2eq/ton의 온실가스가 발생하는 시멘트(OPC)에 비해 약 10 kgCO2eq/ton 이내의 온실가스가 발생하는 개발 고화재의 경우 획기적으로 온실가스 저감이 가능하므로 다양한 현장에서의 검토가 이루어진다면 SCW공법으로의 활용이 가능할 것으로 판단된다(Kim, 2023).
Table 8.
Waste leaching test result
4. 결 론
본 연구에서는 순환자원인 고로슬래그 미분말과 탈황석고 및 고칼슘 플라이애시의 알칼리 자극 반응에 따른 경화반응을 활용하여 SCW공법에 적용하기 위한 실내시험을 수행하고, 프로그램 해석과 중금속 용출 등 결과를 종합적으로 분석함으로써 시멘트 대체 재료의 적용에 따른 효과를 검토하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
(1) 페이스트 상태에 대한 배합 시험 결과, 개발 고화재의 압축강도는 OPC 대비 43.6 ~ 71.0% 수준으로 나타났다. 하지만 물/결합재비(W/B)의 증가함에 따라 압축강도는 크게 감소하여 물/결합재비 200% 에서는 2.40 ~ 3.99MPa의 차이를 보이는 것으로 분석되었다.
(2) 고화토에 대한 실내시험 결과, 개발 고화재의 경우 재령 7 일에서는 57.9 ~ 82.1%로 OPC 대비 낮은 수준의 압축강도를 나타내었으나, 재령 28 일에서는 96.2 ~ 106.3%로 동등한 수준의 압축강도를 확보할 수 있는 것으로 분석되었다. 또한 개발 고화재에 대한 재령 7 일과 재령 28 일에서의 압축강도 증가율을 비교한 결과, 사질토의 경우 2.06, 점토의 경우 2.41로 1.85를 나타낸 OPC 보다 높은 압축강도 증가율을 나타내어 장기강도 측면에서 유리한 것으로 분석되었다.
(3) 굴착 깊이를 기준으로 프로그램 해석을 수행한 결과, 굴착 깊이가 증가함에 따라 3.0m 이내의 보강을 통해 대응이 가능하나, 보강 효과가 크게 감소하여 활용이 어려우므로 기존의 보강 방법을 적용하여 현장에 활용이 가능한 새로운 방법을 도출하는 것이 필요할 것으로 판단된다.
(4) 개발 고화재에 대한 중금속 용출 시험의 분석 결과, 개발 고화재는 모든 항목에서 불검출되었으며, 환경성 측면에서도 온실가스 발생량을 획기적으로 감소시킬 수 있어 다양한 현장에서의 추가적인 검토가 이루어진다면 SCW공법에 적용할 수 있을 것으로 판단된다.
