1. 서 론
2. 하이브리드형 주입재 특성시험
2.1 하이브리드형 주입재의 화학성분 분석
2.2 하이브리드형 주입재의 물리적 특성 분석
3. 팽창제를 첨가한 그라우트재 특성시험
3.1 시험개요
3.2 시멘트계 팽창제 시험
3.3 시멘트계 팽창제 시험결과 분석
3.4 우레탄계 팽창제 시험
3.5 우레탄계 팽창제의 시험결과 분석
3.6 PC팩커의 제작 및 시공원리
4. 현장시험 및 결과분석
4.1 시험현장의 지층현황 및 시험위치
4.2 침투다짐효과 확인시험 및 결과분석
4.3 현장투수시험을 통한 주입효과 확인 및 결과분석
5. 결 론
1. 서 론
1802년 프랑스의 기술자 Charles Berigny가 지반침하로 손상된 수문 기초의 공동부를 채우고 기초 밑에 석회와 점토의 불안정한 주입재를 주입하여 퇴적된 충적층을 안정화시키기 위해서 약액주입을 적용한 이래 약액주입에 의한 지반개량의 역사는 약 200년이 경과 되었다. 당시 Charles Berigny는 ‘procedure of grouting’을 최초로 제안함으로써 약액주입의 개념을 기술적으로 정립하는데 기여하였다(Kutzner, 1996). 1926년 독일의 Dutchman H. Joosten이 순수 용액형 화학약액 주입재를 이용한 Joosten공법을 개발한 이후 약액주입의 비약적인 발전이 시작되었는데 Joosten공법의 특징은 고농도 물유리와 염화칼슘이 동시에 주입되어 혼합되면 순간적으로 실리카겔을 형성하면서 20~80kgf/cm2정도의 높은 압축강도 경화체를 만들고 화학작용에 대한 변화도 극히 작았으나 매우 고가이고 점도가 높았기 때문에 세사층에는 침투될 수 없는 문제점이 있었다(Kazuhito Kusano, 1983).
최근의 그라우팅 기술은 급속히 발전하여 무공해성의 입자를 마이크로화하고 주입효과와 내구성을 증진시키기 위한 고성능 재료개발, 저압으로 복합주입하여 인접구조물에 대한 손상을 억제시키기 위한 주입장치개발, 주입관리 및 효과판정을 컴퓨터화하여 주입공법에 대한 신뢰성을 향상시키는 단계에 이르고 있다(Kim, 1999). 저수지 제방에 대한 그라우팅시 가장 이상적인 주입형태는 침투주입이지만 일반적으로 침투와 할렬주입이 복합적으로 시공되어 원지반의 교란이 발생될 가능성이 존재한다(Korea rural community corporation, 2010).
Kim et al.(2012)은 다양한 실내실험을 통해 용해성과 유동성이 우수한 계면활성제계 혼화제를 혼합한 수중 불분리성 그라우트재의 점도특성, 자기 수평성, 체적변화, pH, 탁도 등에 대한 물리적 특성을 파악하였다. 또한, Kim et al.(2013)은 계면활성제계 개질제를 혼합한 수중 불분리성 그라우트재의 특성을 분석하기 위하여 다양한 실내실험을 수행하여, 점성 개질제를 이용한 수중 불분리성 그라우트재가 심도별 압축강도면에서 일반 그라우트재보다 품질관리가 용이한 것을 확인하였다.
주입지반의 교란과 같은 문제점을 개선하기 위해서는 이상적인 침투주입을 가능하게 하는 그라우트 재료를 이용하여 저압의 팽창압력으로 그라우팅 주입공 주변에 대한 다짐을 실시하고 순차적으로 그라우트재를 주입하는 방법이 유용하다(Kim and Yoo, 2015).
본 연구에서는 침투다짐형 팩커(Permeable Compaction Type Packer; 이하 PC팩커)를 이용하여 그라우트 주입공 주변에 대한 침투다짐효과 증진을 목적으로 하이브리드형 주입재와 팽창제를 혼합한 침투다짐 그라우트를 적용하고 그 주입효과에 대해 고찰하였다. 보다 세부적으로는 하이브리드형 주입재와 팽창제의 물리적 특성을 분석하고, 이상적인 다짐효과에 적합한 팽창제의 선택을 위한 예비 시험 후 침투다짐 그라우트에 의한 다짐효과를 검증하기 위해 팽창율시험을 수행하고 PC팩커의 주입효과 분석 및 현장시험을 통한 침투다짐 주입기술의 주입효과를 고찰하였다.
2. 하이브리드형 주입재 특성시험
하이브리드형 주입재는 Type-8000(분말도 8,000cm2/g이상), Type-6000(분말도 6,000cm2/g이상) 및 Type-4000(분말도 4,000cm2/g이상)과 같이 분말도와 제품사용 목적 및 특성에 따라 3종류가 있으며 본 연구에서는 하이브리드형 주입재에 대한 화학성분 분석, 물리적 특성 분석을 수행하였다.
2.1 하이브리드형 주입재의 화학성분 분석
하이브리드형 주입재는 무기물질로 구성되어 있으며, 독성과 냄새가 없는 무공해 주입재로서 화학성분의 분석결과는 Table 1과 같다.
Type-8000은 초미립화 재료로써 초기에 수화활성이 지나치게 크면 침투성 저하가 빨라지기 때문에 초기수화 반응속도 조절이 가능하도록 염기도를 낮게 조절하는 것이 유리하다.
2.2 하이브리드형 주입재의 물리적 특성 분석
각 나라마다 포틀랜드계 시멘트나 혼합계 시멘트에 대한 품질기준을 국가규격으로 관리하고 있지만, 아직까지 초미립자계 마이크로시멘트에 관한 별도의 국가규격은 없다. 따라서, 본 시험에서는 한국 산업규격을 기준으로 품질을 평가하기로 하며, 보통 포틀랜드 시멘트와 하이브리드형 주입재에 대한 물리적 특성의 대표적인 시험결과는 Table 2와 같다. Table 2와 Fig. 1에서 볼 수 있듯이 Type- 8000과 Type-6000은 보통 포틀랜드 시멘트에 비해 약 1.3~1.4배 이상 높은 강도특성을 보이고 있으며, Type-4000은 보통포틀랜드 시멘트 대비 약 1.2배 높은 강도특성을 나타내고 있다. 또한, 환경친화성(pH) 측정결과 하이브리드형 주입재는 8.0~9.2로 측정되었다.
물리특성 시험 결과 하이브리드형 주입재는 보통포틀랜트 시멘트보다 높은 강도특성을 가지고 있어 고강도 및 고내구성을 발현할 수 있음을 확인할 수 있고 환경친화성(pH)도 보통 포틀랜트 시멘트 보다 낮기 때문에 환경적으로도 유리하다고 사료된다.
3. 팽창제를 첨가한 그라우트재 특성시험
3.1 시험개요
팽창제를 첨가한 그라우트재 특성시험은 팽창제의 종류별 특성을 파악하여 적합한 팽창제를 선택하고, 적절한 배합 및 시공 방법을 찾기 위해 수행되었다. 팽창제는 시멘트계 팽창제와 우레탄계 팽창제를 구분하여 시험하였다.
3.2 시멘트계 팽창제 시험
하이브리드형 주입재와 팽창제를 혼합하기 위한 팽창제 선정을 위해 시멘트계 팽창제로 국산 2가지 샘플과 해외 1가지 샘플 등 총 3가지 샘플을 선택하였다(Table 3 참조). 선정시험의 하이브리드형 주입재 배합비는 w/c=90%를 기준으로 선정하였으며 팽창제의 첨가량은 샘플번호 ①∼③ 모두 Type-4000 그라우트 무게대비 1%를 첨가하였다(Table 4 참조).
3.3 시멘트계 팽창제 시험결과 분석
팽창율 시험에 사용된 공시체의 가로×세로 길이는 5.0cm로 동일하고 체적은 125cm3인 큐빅 몰드를 사용하였으며 상온 양생 2시간 후 측정하였다(Fig. 2 참조).
일축압축시험(KS F 2314)의 재령 1일 강도시험에 사용한 몰드는 동일하고 상온 24시간 후 측정하였으며, 팽창율을 측정하는 기준은 팽창에 의한 높이의 변화를 측정하여 원 체적대비 증감량을 계산하는 방식을 채택하였다. C-100샘플의 경우 블리딩 현상이 거의 발생하지 않았으며 나머지 2가지 샘플에서는 블리딩이 발생하였다.
시험결과 팽창율은 세가지 샘플 중 C-100샘플은 2.4%증가하였으며, Type-1, HI-E 샘플은 각각 7.2%, 9.5% 감소하였다. 재령 1일 일축압축강도시험의 결과는 HI-E 샘플이 가장 높은 8.20kgf/cm2로 가장 크게 측정되었고, Type-1 샘플은 5.65kgf/cm2으로 중간 값을 나타내었으며, 팽창율이 가장 높았던 C-100샘플의 경우 일축압축강도가 2.67kgf/cm2으로 가장 낮은 값을 보이고 있어 팽창율과 일축압축강도는 반비례하는 특성이 있다(Fig. 3 참조). Table 5는 시멘트계 팽창제의 팽창율 측정결과이며, Table 6은 시멘트계 팽창제의 재령1일 일축압축강도 측정결과이다.
Table 7은 공시체 파괴시험 후 내부의 기포에 의한 공극의 크기를 조사한 것으로, 팽창율이 큰 샘플일수록 공시체내부에 공극이 크게 형성되었음을 알 수 있었다.
시험결과 팽창제 사용 시 Type-1, HI-E 등은 1%이상 혼합 수축되는 것을 확인 하였으며, 이는 혼합비율 및 믹싱시간, 양생방법 등에 문제가 있어서 수축이 된 것으로 판단된다.
3.4 우레탄계 팽창제 시험
우레탄 팽창제 시험은 Table 8과 같이 연질, 경질 그리고 반경질의 3가지 제품을 사용하였다. 배합비는 3가지 타입의 배합(우레탄-시멘트 비 1:3, 1:2, 1:1.5)을 결정한 후 물-시멘트비율은 일정하게 유지하고 우레탄계 팽창제의 비율을 조금씩 변화를 주었으며 배합순서는 시멘트와 우레탄을 혼합한 후 물을 첨가 하였다(Table 9 참조).
3.5 우레탄계 팽창제의 시험결과 분석
우레탄계 팽창제의 시험에서 부피변화는 일정부피의 용기에 배합된 샘플을 일정시간이 경과한 후 그 높이변화를 측정하는 방법을 선택하였다. 연질 1,000제품과 2,000제품의 시험결과는 비슷하게 1배합 시험시 4∼5배로, 2배합 시험에서는 약 2∼3배로 팽창하였으나 3배합 시험에서는 팽창이 거의 발생하지 않았다. 반경질 3,000제품에서는 1배합 시험시 2∼3배, 2배합 시험에서는 약 2배로 팽창하였으나 3배합에서는 팽창이 일어나지 않았다. 우레탄계 팽창제는 팽창력은 좋으나 주입시공을 위해서는 별도의 주입믹서와 펌프 등의 장비가 필요하게 되어 현장 시험에서는 제외하기로 하였다. Table 10∼12는 우레탄계 팽창제의 시험결과이며 Table 13은 팽창시험 사진을 나타낸다.
3.6 PC팩커의 제작 및 시공원리
PC팩커는 침투다짐형 선단장치와 침투다짐 그라우트(하이브리드형 주입재+팽창제)를 이용하여 주입과 동시에 지반에 고침투성 및 다짐효과가 발휘되게 하는 기법으로 이를 그라우팅 현장에 적용하면 주입지반의 강도증가와 투수계수가 저감되고 지반의 조직이 치밀해져 구조적 안정성이 증진될 수 있다. Fig. 4는 일반적인 저수지 그라우팅 시공 시의 팩커 설치 개념도를 나타낸다.
Fig. 5는 본 연구에서 개발한 PC팩커의 제작 모식도와 제작된 PC팩커 사진이며, PC팩커의 기능 및 주입방법을 기술하면 기존에 사용되는 일반팩커는 1액으로만 주입이 가능한 단관구조라면 PC팩커는 2액을 주입할 수 있는 이중관 방식으로 구성되어 있다. 이는, 지반의 침투다짐효과를 발휘하기 위하여 2액을 교호적으로 주입할 수 있는 구조이다. PC팩커를 이용한 주입방법은 고침투성의 하이브리드형 주입재를 주입한계압력의 80~85%까지 주입하고, 주입 한계압력의 나머지 15~20%까지 침투다짐효과가 있는 침투다짐 그라우트(하이브리드형 주입재+팽창제)를 순차적으로 주입한다. 주입위치는 일반적인 저수지 제방 그라우팅 1스텝의 간격이 3m이므로 바닥부터 3m 위치에서 침투다짐주입을 실시하며 그 영향범위는 최초 직경의 15~20%까지이다. PC팩커는 그라우팅 주입구와 병행해서 팽창제를 주입하기 위한 별도의 주입장치가 필요하다.
원지반상태, 침투 및 할렬주입 상태 그리고 교란된 지반을 치밀하게 다진 상태에 따른 그라우트재 주입 시 투수계수와 상향반복 중첩식 침투다짐후의 투수계수의 저감 효과는 Fig. 6과 같이 표현할 수 있다.
본 연구에서는 저수지와 같은 저압 그라우팅에 사용되는 슬리브형태의 PC팩커를 제작하였으며, 저수지 현장에서 천공 후 케이싱이 인발되고 PC팩커를 설치한 다음 상향주입시공을 진행하게 되면 각 단계별 주입시공에 따라 순차적으로 PC팩커에서 주입과 동시에 고침투다짐(high permeable compaction)효과를 발생시켜 주입효율이 증진된다(Fig. 7 참조).
4. 현장시험 및 결과분석
현장시험은 경기도 ○○○저수지 현장에서 수행하였으며 침투다짐 그라우트(하이브리드형 주입재+팽창제)와 PC팩커를 사용하여 저수지 제방 보수보강을 위한 침투다짐효과가 가능한지를 검증하였다. 일반시멘트와 개발된 주입재를 비교하는 침투다짐효과 확인시험 및 주입영역에 근접하여 실시한 시공전･후의 현장투수시험 결과 분석을 통해 침투다짐 그라우트에 의한 주입효과를 판단하였다.
4.1 시험현장의 지층현황 및 시험위치
지반조사 결과 지층구조는 성토층(실트질 모래) 및 원지반(풍화토, 풍화암)으로 구성되어 있으며, 주입 전 지반의 투수계수(K) 분포는 Table 14와 같이 α × 10-4cm/sec 범위로 확인되었다. 이는 제체 그라우팅의 투수성 기준인 2.0 × 10-4cm/sec이상으로써, 차수를 위한 그라우팅이 필요한 지반으로 분석되었으며, 차수그라우팅 시공에 따른 현장시험은 Fig. 8과 같이 시험시공 조사공 위치에서 팽창다짐효과시험과 현장투수시험을 순차적으로 수행하였다. 현장투수시험의 조사공을 PH-2, 검사공을 CH-2라 한다.
4.2 침투다짐효과 확인시험 및 결과분석
시험방법은 두 개의 주입 홀 중 한 곳은 침투다짐 그라우트(하이브리드형 주입재+팽창제)를 PC팩커로 주입하였으며, 나머지 한 곳에는 일반주입 방식으로 주입 후 시간경과에 따른 주입 홀 변화 형태를 관찰하였다. 시험결과 Table 15 및 Table 16과 같이 개발된 주입방식은 일반그라우팅 방식보다 10배 이상 침전이 적어 침투다짐 그라우트(하이브리드형 주입재+팽창제)의 팽창다짐 효과가 발휘됨을 확인할 수 있었다.
4.3 현장투수시험을 통한 주입효과 확인 및 결과분석
현장투수시험은 침투다짐 그라우트(하이브리드형 주입재+팽창제)와 PC팩커를 사용하여 저수지 제방 보수보강을 위한 침투다짐효과가 가능한지를 검증하기 위하여 주입영역에 근접하여 실시하였다. 시험결과, Table 17과 같이 주입 전 투수계수 1.014 ~ 3.103 × 10-3~-4cm/sec가 주입 후 6.110 ~ 1.455×10-5cm/sec로 개량되어 투수성 개량 목표인 2.0 × 10-4cm/sec 이하로 만족되었다.
5. 결 론
본 연구에서는 고분말 및 저점도의 특징을 가지며 실트질 모래층까지 침투주입을 확장시킬 수 있는 하이브리드형 주입재와 침투다짐형 팩커(PC팩커)를 이용하여 주입공 주변에 대한 다짐효과를 고찰하였으며 다음과 같은 결론을 도출하였다.
(1)하이브리드형 주입재는 일축압축강도시험 등 물리적 특성 시험결과, 환경에 대한 안정성, 강도발현성, 내구성 측면에서 기존의 보통 포틀랜드 시멘트에 비해서 우수한 것으로 확인되었다.
(2)시멘트계 팽창제의 팽창율 시험결과 HI-E는 9.5% 감소하고 재령 1일 일축압축강도시험의 결과 8.20kgf/cm2로 나타나며, 팽창제 혼입량과 팽창율이 비례하는 것으로 확인되었고, 팽창율도 적정한 것으로 나타나 팽창제로 적용 가능한 것으로 판단된다.
(3)현장시험 결과 침투다짐 그라우트(하이브리드형 주입재+팽창제)와 PC팩커에 의한 주입방식은 일반그라우팅 방식보다 10배 이상 침전이 적었으며 주입 전 투수계수 1.014 ~ 3.103 × 10-3~10-4cm/sec가 주입 후 6.110 ~ 1.455 × 10-5cm/sec로 개량되어 침투다짐 그라우트(하이브리드형 주입재+팽창제)와 PC팩커를 저수지 제방 그라우팅공사에 적용할 경우 저수지 차수 그라우팅의 성능기준에 부합하는 침투다짐효과가 발휘됨을 확인하였다.
(4)본 연구에서는 현장의 침투다짐 그라우트재의 팽창효과를 평가하기 위해 주입 전･후의 침전 정도와 현장투수시험을 통해 평가하였으나, 향후 연구에서는 지중에 변위계 등을 설치하여 시간별 변위량과 주입 전･후 지반물리특성을 파악할 수 있는 현장시험을 통해 수치적 개량효과를 제시하는 추가 연구가 필요하다.
