1. 서론

최근 발생하고 있는 도심지의 지반함몰은 국민 생활에 밀접한 연관이 있어 국민들에게 불안감을 가중시키고 있다. 이러한 지반함몰은 2011년 573건에서 2015년 1,036건으로 증가하고 있는 추세에 있고, 2014년에서 2015년까지 1.0m × 1.0m 규모의 도로함몰이 154건, 2010년 이후 규모 2m × 2m 이상의 큰 도로함몰이 21건 발생하였다고 서울시에서 보고된 바 있어 지반함몰 발생의 증가 추세가 우려되고 있는 상황이다(Seoul Metropolitan Government, 2016a). 이에 국토교통부는 국민적 불안감과 지반함몰 발생의 증가 추세에 대한 우려를 해소하기 위해 ‘지하공간의 체계적인 안전관리 대책방향(안)’을 제시하였고, 서울시는 ‘서울시 도로함몰 특별대책’을 발표함은 물론 국회에서는 ‘지하안전 관리에 관한 특별법’을 통과시켰다. 또한 2014년 석촌 지하차도 지반함몰 발생 이후 ‘도심지 지반함몰 저감 및 예방’을 위한 다양한 연구들이 진행되고 있고, 특히 지반함몰 복구에 대한 대책공법으로 유동성 채움재(CLSM, Controlled Low Strength Materials)에 관한 연구가 활발히 이루어지는 등 지반함몰에 대한 관심이 집중되고 있다.

기존에 지반함몰 대책공법으로 사용된 유동성 채움재는 현장유용토나 준설토, 폐타이어를 사용하거나, 석탄회와 슬래그와 같은 산업부산물을 이용하였다. 이는 자기수평성과 자기다짐성, 유동성, 강도조절이 가능한 장점을 지닌다(ACI Committee 229, 1994). 하지만 기존 지반함몰 대책공법으로 사용되는 유동성 채움재는 경화시간이 길어 긴급복구 시 적용하기에 미흡한 실정이다.

따라서 본 논문에서는 지반함몰 긴급복구에 주안점을 두고 초기강도를 확보하여 도로의 재개 및 지반의 지지력 확보가 가능한 고유동성 채움재의 개발을 목적으로 pH시험, 플로우시험, 강도시험, 초기응결시험 등 실내시험을 통하여 최적배합비를 도출하였다. 또한 현장검증을 통해 현장적용성과 안정성을 평가하였다.

2. 이론적 배경

2.1 지반함몰 발생원인

지반함몰이란 지하 구조물의 상태나 공사로 인하여 지반을 유지하고 있던 지반이 파괴되어 수직으로 가라앉는 현상으로 정의된다(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2015).

지반함몰의 발생원인은 자연적인 원인과 인위적인 원인으로 구분된다. 자연적인 원인으로 Fig. 1과 같이 석회암 성질의 암반이 지하수에 의해 공동을 형성하게 되고 이로 인하여 상부지반이 무너져 내리는 싱크홀 현상이 있다(Thiansky, 1999).

Choi(2016)는 지반함몰에 대한 인위적인 원인으로 하수관 손상, 매설관의 하부 공간 유입, 매립재의 공간 유입, 구조물 및 공사장 배면 유입으로 인한 공동발생 등 4가지 원인으로 분류 하였다. 하수관 손상은 Fig. 2(a)와 같이 노후화로 인한 맨홀, 관의 연결부 등에서 발생하며, 이로 인한 누수로 토사가 유실되어 손상부 주변에 동공이 발생하게 된다. 매설관의 하부공간 유입은 지중에 관로를 매설 시 관로 하부의 다짐부족으로 인해 빈 공간이 발생하며, 다발로 매설되는 주름관의 경우 관 사이와 하부에 빈 공간이 발생하기 쉽다. 이러한 빈 공간 사이에 지하수와 함께 토사가 유실되어 동공이 발생하게 된다(Fig. 2(b)). 매립재의 공간 유입은 Fig. 2(c)와 같이 지하구조물 시공 후 되메우기에 불량 폐자재가 매립된 경우 폐자재 사이에 빈 공간이 형성되어 지하수가 침투하고, 원지반의 토사가 유실되어 동공이 형성되게 되며, 공사장 배면 유입은 Fig. 2(d)와 같이 차수대책이 미흡하여 지하수가 공사장 내부로 유입되어 동공이 발생하게 된다(Choi, 2016).

Fig. 1.

Causes of natural occurrences of ground subsidence (Thiansky, 1999)

Fig. 2.

An artificial cause of ground subsidence (Choi, 2016)

2.2 지반함몰 대책공법

일반적으로 지반함몰이 발생한 경우 대책방안으로 재래식 복구공법을 사용하고 있다. 재래식 복구공법은 함몰이 발생한 구간을 개착하여 토사를 되메운 뒤 콤팩터를 이용하여 다짐을 실시하고, 아스콘을 활용하여 포장층을 형성한 뒤 아스콘 다짐을 실시한다. 재래식 복구공법은 비교적 장비가 간편하고 신속한 투입이 가능하여 즉각적인 대처가 가능하지만 관로하부의 경우 다짐부족으로 인한 재 침하 및 개착 시 관로손상이 발생하여 재보수가 이루어질 가능성이 크기 때문에 한계점을 지닌다(Han et al., 2017).

이러한 한계점을 해결하기 위해 최근 CLSM(Controlled Low Strength Materials) 공법을 활용한 지반함몰 대책공법의 많은 연구가 진행되고 있다. CLSM이란 저강도 콘크리트 개념을 지반공학에 적용한 공법으로 ACI(American Concrete Institute)에서는 모래, 시멘트, 혼화제, 플라이애쉬, 물로 구성된 저강도 유동성 채움재로 정의한다. CLSM은 기존의 모래 또는 토사를 활용한 뒤채움재 보다 자기 수평능력과 자기 다짐성을 가지고 유동성이 좋으며 강도조절이 가능하여 지반함몰 대책공법으로 활용되고 있다(ACI Committee 229, 1994). 그러나 CLSM은 강도의 발현까지 충분한 양생기간이 필요하여 지반함몰 발생 시 긴급복구에 적용하기는 미흡한 실정이다.

지반함몰 발생 시 긴급복구가 가능한 공법으로 현장발생토 그라우팅공법이 있다. 이 공법은 현장발생토와 칼슘설포알루미네이트, 석회와 석고등의 혼합재를 배합하여 사용하고 있다. 현장발생토 그라우팅공법은 소음이 적고 추가 다짐작업이 없으며, 배합되는 혼합재에 따라 친환경적으로 사용이 가능하며 충분한 강도를 확보 할 수 있는 공법이다. 그러나 혼화재 주입 시 주입압으로 인해 주변 관로에 유입이 될 수 있고, 현장 발생토를 재사용할 경우 현장에 따라 발생토의 공학적 특성이 상이하여 지반함몰 긴급복구에 적용하기 위해서는 개선이 필요할 것으로 판단된다(Lee and Chung, 2017).

최근 수용성 폴리머 기반의 충전 재료를 활용한 복구공법재료가 연구되고 있다. 재료의 특성은 무기질계 혼화재가 미리 혼합되어 있어 현장 공정을 간단하게 해주며 친환경적이고, 주변지반과 유사한 강도를 구현한다는 장점이 있다. 그러나 이러한 충전재료 역시 그라우팅공법으로 사용하는 주입공법으로 지반 하부에 있는 Lifeline의 보호와 긴급복구의 가능여부에 대한 추후 연구가 필요할 것으로 보인다(Jung et al., 2017).

2.3 산업부산물

재래식 복구공법의 경우 주로 토사를 사용하는 공법이 많았다. 그러나 현재 토사의 경우 수요가 가능한 양이 감소하는 추세를 보이고 지하수위에 따라 토사유실이 발생할 가능성이 있어 비효율적인 복구공법이 될 수 있다. 최근 개발되는 CLSM이나 현장토 주입공법과 같은 지반함몰 대책공법은 주재료로 산업부산물을 활용한다.

부산물이란 제품의 제조･가공･수리나 에너지의 공급 또는 토목･건축공사에서 부수적으로 생겨난 물건을 말하며 폐기물이란 쓰레기, 연소재, 오니, 폐유, 폐산, 폐알칼리 및 동물의 사체 등 사람의 생활이나 사업 활동에 필요 없게 된 물질을 말한다. 산업부산물이란 단어의 정식명칭은 사업장 부산물로서, 산업 활동 과정에서 불가피하게 발생하는 물품으로 목적제품보다 중요성이 떨어지나 가공하여 이용할 수 있는 것을 말한다. 산업부산물은 건설 현장이나 생산 현장에서 발생하는 모든 부산물을 지칭한다. 이러한 부산물은 환경에 많은 영향을 미치기 때문에 환경부에서 법령으로 활용 기준을 정하고 있다(Ministry of Environment, 2016).

산업부산물 중 그 전부 또는 일부를 재활용하는 것이 자원을 효율적으로 이용하는데 특히 필요한 것으로 대통령령으로 정하는 부산물을 지정부산물이라 지정하여 여러 분야에 재활용을 권장하고 있다. 부산물, 지정부산물 등은 ｢자원의 절약과 재활용촉진에 관한 법률｣에서 정의 하고 있으며 이 법은 폐기물의 발생을 억제하고 재활용을 촉진하는 등 자원을 순환적으로 이용하도록 함으로써 환경의 보전과 국민경제의 발전에 이바지함을 목적으로 하고 있다.

국내에서는 플라이애시와 혼화재, 시멘트, 모래와 물을 배합한 CLSM을 기본으로 사용한 유동성채움재의 연구가 많이 이루어지고 있다(Table 1). 또한, 모래를 대신하기 위한 재료로서 매립 석탄회와 저회를 많이 사용하고 있다. Won and Lee(2001)은 골재, 플라이애쉬, 저회, 시멘트와 물을 배합한 유동성 채움재에 대한 연구를 진행 하였다. 유동성 채움재의 특성을 파악하기 위해 플로우시험, 슬럼프시험, 압축강도시험 등의 실내시험을 수행한 결과 저회의 재활용을 늘리고 현장에서 사용이 가능하다는 결과를 도출하였다. Kong et al.(2010)은 모래대신 석회, 시멘트, 물의 혼합물로 저강도 고유동화재를 개발하여 대체재로서 공급의 가능성을 제시하였다. 또한, 슬래그와 폐주물사 등이 연구된바 있지만 슬래그의 경우 시멘트나 콘크리트의 혼화재로 많은 양이 사용되고 있어 유동성채움재에 대한 연구는 미비한 실정이다.

2.4 유동성 채움재 설계기준

유동성 채움재의 설계기준을 살펴보면 ACI Comittee 229(1994)에서는 유동성 채움재의 압축강도를 2.1MPa(재 굴착이 용이할 경우)로 제시하고 있으며, TRB(2008)에서는 0.35∼1MPa의 범위를 제시하고 있다. 유동성에 대한 설계기준은 ASTM C-939-02에 의거하여 15.2cm 이하의 경우 저유동성, 15.2∼20.3cm 범위의 경우 중간유동성, 20.3cm 이상일 때 고유동성으로 구분된다.

일본에서는 유동성 채움재를 유동성 처리토라 부르며 현장발생토에 물과 고화제를 섞어 사용하고 있다. 유동성 처리토는 용도에 따라 요구되는 강도의 차이가 있는데 소규모 공동의 충전 시 0.3MPa 이상, 지하 동공 충전 시 0.1 MPa 이상, 매설관 되메움 시 차도하부의 경우 교통 개방 직후 0.14MPa 이상 28일 이후 0.2∼0.6MPa, 보도하부의 경우 교통 개방 직후 0.05MPa 이상 28일 이후 0.2∼0.6 MPa로 제시한다. 플로우 값은 지하매설물의 뒤채움으로 사용할 경우 110mm 이상 소규모 공동발생 또는 지하공간에 적용 시 200mm 이상까지 범위를 제시하고 있다(Japan Civil Engineering Research Institute, 2007).

3. 고유동성 채움재 개발

3.1 개요

현재 고유동성 채움재에 대한 개발은 많이 이루어지고 있다. 그러나 동공 탐지 시 긴급복구를 할 수 있는 복구공법에 대한 연구와 개발은 미흡한 상황이다. 본 연구에서는 산업부산물인 저회와 석고를 활용하여 개발한 긴급복구용 고유동성 채움재의 적용 가능성을 제시하고자 한다. 이에 고유동성 채움재 배합재료에 대한 특성을 분석하였으며, 유동성 채움재 설계기준에 의거하여 개발하고자 하는 고유동성 채움재에 대한 목표성능을 도출하였다. 현재 수요가능한 양이 적어지는 모래를 대신하여 공학적 특성이 비슷한 저회를 사용함으로서 토사의 특성에 따른 품질의 변화에 대한 문제를 해결할 수 있다. 또한 저회와 화학석고의 사용은 재활용 재료로서 경제적으로도 긍정적인 면을 보이며, 부산물 매립으로 인한 환경문제를 해결할 수 있다. 저회의 실리카와 알루미나 성분이 시멘트의 수화반응으로 발생한 수산화칼슘과 반응하여 장기강도를 좋게 해주며, 석고를 사용함으로서 초기강도를 빠르게 발현시켜 지반함몰에 대한 긴급복구가 가능하도록 개발하였다. 배합 후 유동성(Flow)은 20cm 이상을 만족하며 배합 후 4시간 내에 0.025MPa의 강도를 발현하고, 일정 시간 경과 후 재 굴착이 가능하도록 목표 강도를 설정하였다.

3.2 고유동성 채움재 배합재료

석탄회는 화력발전소에서 석탄의 연소과정으로 발생하는 산업부산물로서 비회와 저회로 구분된다. 비회는 집진기에서 포집되는 미분말의 부산물로 석탄회 발생량의 75 ∼80% 정도를 차지하며 실리카 계열의 구형 입자형태로 포졸란 특성을 지니고 있다. 또한 비회의 배합 시 워커빌리티가 좋고, 장기강도의 증진, 내구성의 증진 등의 장점이 있어 시멘트의 원료나 혼화재로서 많은 양이 재활용되고 있다. 저회는 연소될 때 보일러 하부에 낙하된 입경이 큰 부산물로 석탄회 발생량의 10∼20% 정도를 차지한다. 저회의 형상은 다공질로 비중은 1.9∼2.3의 범위를 보여 일반적인 토사보다 가볍고, 분말도가 높아 수밀성과 내구성을 증가시키는데 영향을 준다. 저회의 화학 성분으로는 SiO₂(실리카), Al₂O₃(알루미나)등이 80% 이상을 이루고 있으며 CaO, SO₃ 등의 성분으로 이루어져 있다. 주를 이루는 SiO₂와 Al₂O₃는 포졸란 반응을 일으키는 성분으로서 시멘트와 혼합할 경우 시멘트의 수화에 의해 발생되는 Ca(OH)₂와 반응하여 장기 강도를 발현한다(Kwon, 2008). 유럽 등의 국가에서는 저회가 콘크리트의 잔골재와 시멘트 생산에 많이 사용되고 있다.

석고는 천연석고와 부산물로 발생한 화학석고로 구분된다. 천연 석고는 천연 상태로 채취되는 석고로 바닷물에 용해되어 있었던 석회류와 황산염이 반응하여 생성되는 물질이다. 3%이하의 수분을 포함하고 있으며, 각각의 생성된 곳에 따라 성분이 다르다. 화학석고라고 불리는 폐석고는 일정한 제조공정을 통하여 생산되는 석고이며, 공정에 따라 무수석고, 반수석고, 이수석고로 불린다. 이수석고는 약 160°C의 열을 가하면 결정이 깨지게 되어 반수석고가 생성되고 그 후에 열을 더 가하면 결정을 갖지 않은 무수석고가 된다. 우리나라에서는 천연 석고를 구하기 어려우며, 화학 석고로 천연 석고를 대체할 수 있다. 현재 화학석고는 산업부산물로서 연간 400 만 톤 이상 발생하고 있으며, 시멘트응결지연제, 석고보드 그리고 일부 농업용으로 재활용되고 있다. 석고의 화학성분은 CaSO₄･2H₂₀로 염기성을 띄고 물과 만나면 발열반응을 하여 물을 증발시켜 빨리 경화되는 특징이 있다(Kim, 2018).

시멘트는 분말도가 높아 수화작용이 촉진되어 발열량도 높고 그로 인한 강도가 커지게 된다. 또한 미세한 입자가 공극을 채워주어 수밀성도 좋아진다(Kwon, 2008).

3.3 목표성능 도출

본 연구에서 제시한 고유동성 채움재는 긴급복구에 최적화를 위한 재료적 특성으로 플로우 값(Flow)은 미국과 일본의 기준을 적용하여 20cm 이상으로 하였다. 또한 폐기물의 재사용으로 인한 환경적인 문제를 야기 할 수 있어 [폐기물 재활용 용도 및 방법에 관한 규정]에 의거하여 pH 6.0∼12.4의 범위를 만족할 수 있도록 하였다. 최근 국내 유동성채움재에 대한 연구동향을 살펴보았을 때 재 굴착이 가능한 기준을 재령 28일 기준으로 약 0.7∼1.5MPa의 강도를 발현하도록 하였다(Won, 2001; Kong, 2010). 이를 기준으로 본 연구의 목표 강도를 재 굴착이 용이하면서도 뒤채움 시 강도가 발현될 수 있는 범위인 0.8∼1.5MPa로 설정하였다.

최근 서울시는 도로함몰 지역에 대한 포장 두께와 동공의 두께를 통해 긴급복구, 우선복구, 일반복구, 관찰대상 4개 등급으로 구분하였다. 본 논문에 적용되는 복구는 긴급복구로서 포장 두께가 10cm 미만, 동공 토피가 20cm 미만일 경우를 의미한다. 이 경우 공동 탐사 시 공동 확인이 되면 4시간 이내에 복구가 필요하다(Seoul Metropolitan Government, 2016b). 이를 기준으로 도심지 지반함몰 시 긴급복구를 위한 초기강도는 타설 후 4시간을 기준으로 초기 교통량 재개가 가능한 지지력강도 약 0.025MPa(약 15ton 장비의 접지압)과 초기강도인 재령 1일 강도를 0.15 MPa 이상을 목표로 산정하였다.

4. 실내시험

4.1 개요

지반함몰 발생 시 긴급복구에 적용하기 위해 실내시험을 통하여 앞서 도출한 목표성능에 대한 적합여부를 확인하였다. 실내시험의 방법으로 고유동성 채움재의 유동성을 확인할 수 있는 플로우 시험과 환경적 안정성을 평가할 수 있는 pH시험 그리고 긴급복구에 대한 적합여부를 판단할 수 있는 초기응결시험을 실시하였다. 또한 고유동성 채움재의 강도측정을 위해 일축압축강도시험을 실시하였다.

고유동성 채움재의 배합재료는 산업부산물로 분류되는 저회와 석고에 시멘트를 추가하여 배합하였다. 이에 대한 배합비는 Table 2와 같이 저회와 석고의 비율을 70:30, 60:40, 50:50으로 선정하였으며, 석고의 비율을 2%씩 감소시킴과 동시에 시멘트의 비율을 2%씩 증가시켜 실내시험을 수행하였다.

4.2 플로우 시험 (KS F 2594)

플로우 시험은 고유동성 채움재의 유동성을 확보하기 위해 실시하였다. 앞서 도출한 고유동성 채움재의 플로우 값의 목표치는 200mm 이상이기 때문에 이에 적합한 유동성 확보를 위하여 30%의 함수비에서부터 함수비를 점차 증가시켜 목표성능을 만족시키는 함수비를 도출하였다. 시험방법은 KS F 2594에 의거하여 윗면 지름이 100mm, 밑면 지름이 200mm, 높이 300mm의 슬럼프 콘을 평판에 놓고 A∼O 배합비에 초기 함수비를 30%로 배합한 시료를 채워 다짐봉으로 5회 3층 다짐을 실시하고 슬럼프 콘을 연직방향으로 들어 올려 플로우 값을 측정하였다(Fig. 3).

시험결과 저회의 비율이 70%일 경우 44∼47%의 함수비 범위에서 플로우 값의 목표치를 만족하였고, 저회의 비율이 60%의 경우 40∼44%, 저회의 비율이 50%의 경우 35∼38%의 함수비 범위에서 플로우 값의 목표치를 만족하였다. 즉 저회의 비율이 높을수록 큰 함수비 범위에서 목표치를 만족하는 유동성을 보였으며, 이에 유동성을 확보하는 함수비 값을 추가한 배합비는 Table 3과 같다.

Fig. 3.

Flow test

4.3 응결시간측정(KS L ISO 9597)

응결시간은 지반함몰 긴급복구에 있어 매우 중요한 인자이다. 앞서 언급하였듯이 최근 서울시는 공동관리 등급을 4단계로 분류하여 적용 중에 있다. 그 중 긴급복구의 경우 4시간 이내 복구가 이루어져야 할 것으로 보인다. 이에 고유동성 채움재 재료를 배합 후 응결시간을 측정하기 위해 KS L ISO 9597에 의거하여 비이카침을 이용한 응결시험을 실시하였다.

시험방법은 우선 고유동성 채움재의 재료들을 배합하여 Φ 70mm 몰드에 넣고 캐핑을 하여 바늘이 수직방향으로 관입할 수 있도록 한다. 다음으로 관입 후 30 초 또는 바늘의 관입이 더 이상 진행되지 않을 시 지시값을 읽어준다. 이때 관입량이 4 ± 1mm 일 때 시간을 초결시간이라 하고, 관입량이 0.5mm 이하일 때 즉, 바늘의 흔적이 남지 않을 때의 시간을 종결시간이라고 한다.

시험결과 모든 배합비에서 종결시간은 4시간 이내로 확인되었고, 저회의 비율이 클수록 종결시간이 늦어지고, 석고의 비율이 클수록 응결시간이 점점 줄어들었다. 하지만 시멘트의 비율 변화에 따른 응결시간은 그 차이가 미미하였다(Fig. 4).

Fig. 4.

Change in the condensation test in accordance with the ratio of bottom ash

4.4 pH 시험(KS M 0011)

고유동성 채움재의 배합재료들은 산업부산물을 사용한다는 점에서 환경적인 안정성에 민감하다. 이에 고유동성 채움재의 환경적인 안정성 평가를 실시하고자 pH 시험을 수행하였다. 시험 방법은 KS M 0011에 의거하여 시료 무게에 5배의 정제수를 사용하여 혼합한 후 일정시간 후 pH 측정기를 사용하여 측정하고, 5회 반복하여 그 평균값을 확인하였다. 시험시료는 Φ 40mm × 80mm 크기의 공시체를 제작하여 재령시간(1day, 3day, 28day)에 따른 pH를 측정하였다(Fig. 5).

pH시험결과 A ~ O의 모든 배합비에서 재령 1일에 대한 pH 값은 Table 4와 같이 6.0∼12.4 범위 안에 포함되어 환경적 안정성을 확보하는 것으로 확인되었다. 또한 재령시간에 따른 pH 값은 그 변화가 미미하였다(Table 4).

Fig. 5.

pH test

4.5 일축압축강도시험 (KS F 2314)

고유동성 채움재의 가장 중요한 특성인 초기강도와 재 굴착 여부를 판단하기 위하여 일축압축강도시험을 수행하였다. 일축압축강도시험은 KS F 2314에 의거하여 시험하였으며 직경 40mm, 높이 80mm의 공시체를 제작하였다. 공시체는 배합비 별 재령시간에 따라(4hr, 1day, 2day, 3day, 7day, 14day, 28day) 3개씩 제작하였으며, 각 공시체의 압축강도를 측정한 후 평균값을 확인하였다. 본 시험은 재하하중 용량이 5tonf 인 일축압축 시험기를 사용하였으며, 재하속도는 1mm/min 으로 실험하였다. 일축압축강도시험은 긴급복구 시(4hr) 초기 교통량 재개가 가능한 지지력강도인 0.025MPa(약 15ton 장비의 접지압)과 초기강도 0.15MPa, 재 굴착을 판단하기 위한 장기강도 0.8∼1.5 MPa을 기준으로 수행하였다.

시험결과 공시체 배합 4시간 후 압축강도는 0.027∼0.2 MPa의 범위를 보여 교통량 재개가 가능한 강도인 0.025 MPa 을 모두 만족하는 것을 확인하였다. 또한, 초기강도인 재령 1일 강도는 0.16∼1.18 MPa의 값을 보여 초기강도의 목표치인 0.15 MPa을 만족하였다. 또한 석고의 함량이 증가할수록 초기응결 강도가 커지는 것을 알 수 있으며, 시멘트의 비율이 증가할수록 초기응결 강도가 점차 증가하는 것을 확인하였다. 이는 석고가 물과 혼합되었을 때, 수화열에 의한 수화촉진으로 초기강도의 향상을 보여주며, 수화촉진에 의한 장기강도 저하현상이 발생하지 않도록 시멘트를 적정량 첨가하면 장기강도에 긍정적인 영향을 주는 것으로 보인다.

재 굴착의 가능여부에 대한 장기강도는 저회의 비율이 커질수록 감소하였다. 저회의 비율이 50% 일 경우 1.22 ∼3.62MPa, 60% 일 경우 1.3∼2.0MPa, 70%일 경우 1.42 ∼1.52MPa의 범위의 값을 갖는다. 또한, 시멘트 비율이 4% 이상일 경우는 장기강도가 1.5MPa 보다 크게 측정되어 목표성능을 만족하지 못한 것으로 확인되었다(Fig. 6).

Fig. 6.

Change in the condensation test in accordance with the ratio of Bottom ash

5. 현장검증 실험

5.1 개요

현장검증 실험은 지반함몰 발생 예방 및 긴급복구를 위해 개발한 고유동성 채움재의 적용효과 검증을 목적으로 현장실험 조건과 운영중인 도로(원지반)로 구분하여 실시하였다. 현장검증 실험 시 사용한 배합비는 저회와 석고의 비율이 50:48, 시멘트의 비율이 2%(L배합)이다.

현장실험 조건은 다량의 고유동성 채움재를 타설하여 조기강도의 성능을 확인하기 위해 인위적인 지반함몰 개소를 구축하였으며, 동적콘관입시험을 통해 일축압축강도를 추정하여 분석하였다. 운영중인 도로에서는 GPR탐사를 통해 함몰개소를 파악하고 굴착하여 긴급복구에 대한 가능성 여부를 확인하고, 재래식복구 공법과 비교하여 상대적으로 급속시공 여부와 시공의 편의성을 검토하였다.

5.2 조기강도 성능검증평가

현장실험장소는 교통량이 적고, 고유동성 채움재의 타설장비 지원이 유리하며, 안전상 문제가 없는 장소로 선정하였다. 현장실험 부지는 고유동성 채움재의 성능검증을 위해 일반적인 하수관거 등의 매설심도를 참고하여 1.2m(깊이) × 2.0m(폭) × 7.0m(길이)의 규모로 구축하였다. 또한 지반함물의 발생원인 중 하나인 하수관거(직경 200mm)의 동공을 모사하기 위하여 관 받침대 위에 관로를 설치하였으며, 고유동성 채움재 타설에 따른 관의 손상을 고려하여 관 받침대와 관을 서로 결속하여 모의 하수관거의 손상을 방지하였다(Fig. 7).

Fig. 7.

Test-bed

현장실험부지를 조성한 후 고유동성 채움재의 공학적 성질을 결정짓는 대표적인 인자인 일축압축강도를 동적콘관입시험을 통해 추정하여 분석하였다. 동적콘관입시험은 8kg 무게추로 엔빌을 항타하고 이때 발생되는 에너지로 인해 콘의 관입 깊이를 측정하며 CBR, N치, 일축압축강도, 다짐도 등을 추정할 수 있고, 휴대용 장비로서 측정 가능하여 현장에서의 조기강도를 파악하기 쉽다. 콘 관입 깊이에 따른 조기강도의 추정은 Deepika and Chakravarthi (2012)가 제안한 식 (1)을 통해 추정하였으며, 동적콘관입시험은 현장실험부지 내 8개 지점의 관입량을 측정하여 일축압축강도의 범위를 산정하였다.

     (1)

고유동성 채움재를 현장실험부지에 타설 후 4시간, 1일, 7일 재령의 일축압축강도를 추정한 결과 긴급복구에 필요한 4시간 이후 8개 지점의 일축압축강도의 범위는 0.3∼ 0.65MPa로 나타났으며, 1일 이후의 일축압축강도 범위는 0.4∼1.05MPa, 타설 후 7일 재령의 일축압축강도의 범위는 1.0∼1.6MPa로 측정되었다. 이에 본 연구에서 개발한 고유동성 채움재는 지반함몰에 대한 긴급복구 재료로서 적용이 가능할 것으로 판단되지만 재 굴착 여부를 판단하기 위한 장기강도 검증이 필요할 것으로 사료된다.

5.3 급속시공 성능검증평가(운영중인 도로)

고유동성 채움재의 급속시공에 대한 성능검증은 실제 운영중인 도로에서 동공발생 확인부터 긴급복구의 완료까지 모든 과정에 대한 시공성을 검증하기 위해 실시하였다. 우선 GPR탐사로 지반함몰이 추정되는 개소를 굴착하여 공동을 확인하고, 고유동성 채움재를 배합하여 타설 후 1시간 이내 인력을 지지할 수 있는 지지력을 육안으로 확인하였다.

탐사결과 공동의 크기가 약 0.8m(길이) × 0.5m(폭) × 0.6m(깊이)로 확인된 개소를 길이와 폭, 깊이 1m의 크기로 굴착하여 타설 준비를 완료하였다. 그 후, 고유동성 채움재를 혼합하여 타설하고 아스콘 표층의 포설과 다짐을 실시하였다(Fig. 8). 급속시공의 성능검증 결과 굴착 후 복구까지 소요된 시간은 총 3시간으로 긴급복구가 이루어져야하는 4시간 내에 복구가 가능한 것으로 확인되었다. 하지만 추후 재침하 여부를 위한 다짐도에 대한 확인이 필요할 것으로 보이며, 지반환경에 대한 안정성 평가도 이루어져야 할 것으로 판단된다.

Fig. 8.

Rapid Construction Performance Verification of CLSM

6. 결론

본 연구에서는 도심지를 중심으로 빈번하게 발생하고 있는 지반함몰에 긴급하게 대응하고자 화력발전소 산업부산물인 저회, 석고와 시멘트로 제조된 지반함몰 긴급복구용 고유동성 채움재의 실내 및 현장실험평가를 다루었다. 이에 지반함몰 발생 시 기존에 적용된 대책공법을 검토하였고, 유동성 채움재의 설계기준에 의거하여 고유동성 채움재 개발을 위한 목표성능을 도출하였다. 또한 실내시험과 현장검증실험을 통해 고유동성 채움재의 적용효과를 분석하였으며 그 내용을 요약 정리하면 다음과 같다.

(1) 고유동성 채움재의 목표성능은 플로우 값 20cm 이상, 타설 후 4시간 초기강도를 0.025MPa(약 15ton 정비의 접지압), 재령 1일 강도를 0.15MPa 이상, 장기강도의 기준을 0.8∼1.5MPa 이내, pH값은 6.0∼12.4의 범위로 도출하였다.

(2) 일축압축강도시험의 결과, 모든 배합비의 타설 4시간 후 강도가 15tonf 장비를 지지하는 접지압인 0.025 MPa을 만족하여 교통의 재개가 가능하였으며, 재 굴착을 위한 장기강도의 경우 0.8∼1.5MPa의 범위에 포함되는 배합비는 A, B, C, F, K, L로 확인되었고, 초기강도와 장기강도를 고려한 최적배합비는 L배합으로 나타났다.

(3) 플로우시험 결과, 모든 배합비에서 목표 플로우 값을 만족하는 함수비의 범위는 35∼47%로 확인되었다. 응결시험 결과, 시험에서 적용된 모든 배합비에서 긴급복구가 이루어져야 하는 4시간 이내 종결되었다. pH시험 결과, pH 값은 약 10.7∼12.0으로 나타났다. 또한 저회의 비율이 높을수록 pH 값은 작고, 강염기성인 시멘트의 함유량이 커질수록 수소이온농도가 증가하여 pH값이 높게 측정되는 경향을 보였다. 이는 시멘트가 저회와 포졸란 반응을 일으켜 알칼리성이 저하되어 환경적인 안정성이 요구되는 pH 값인 12.4 보다는 낮은 범위에 있으나 보다 환경적인 안정성을 위해 고유동성 채움재의 중성화에 대한 연구가 필요할 것으로 사료된다.

(4) 현장실험결과, 긴급복구에 필요한 4시간 이후 조기강도와 타설 후 1일 일축압축강도는 모두 목표치를 만족하는 것으로 나타났다. 또한 운영중인 도로에서의 급속시공 성능검증 결과 긴급복구로 요구되는 4시간 이내 굴착 및 복구를 완료하여 지반함몰 긴급복구에 적용이 가능한 것으로 확인되었다.

본 논문의 연구 결과 저회와 석고, 소량의 시멘트를 활용한 고유동성 채움재는 지반함몰 긴급복구에 요구되는 초기강도와 현장 시공성을 만족하여 운영중인 도로에서의 지반함몰 긴급복구용 채움재로써 적용이 가능한 것으로 확인되었다. 하지만 향후 지반함몰 긴급복구에 대한 고유동성 채움재의 적용에 있어 환경적 안정성 평가와 현장에서의 장기강도 검증 및 재침하 여부를 위한 다짐도 평가에 대한 충분한 연구가 이루어져야 할 것으로 사료된다.