1. 서 론
2. 사용재료
2.1 산업부산물이 주재료인 친환경 지반안정재
2.2 규산소다
2.3 실리카졸
3. 실내시험을 통한 성능 검토
3.1 시편 제작
3.2 호모겔 압축강도의 비교
3.3 환경적 영향 평가
4. 노후 저수지에서의 보강효과 분석
4.1 현장의 위치 및 개요
4.2 약액주입공법을 사용한 노후 저수지의 보강
4.3 친환경 지반안정재의 보강효과 분석
5. 결 론
1. 서 론
약액주입공법은 1802년 Charles Berigny가 세굴과 침하로 인하여 손상된 Dieppe 항구의 수문을 보수하기 위해 기초 아래의 공동부를 천연시멘트(pozzolana)와 점토를 혼합하여 주입재로 사용한 것을 시작한 이후 현재까지 다양한 목적으로 건설현장에서 적용되고 있다(Kim et al., 2010; Houlsby, 1990). 할 때 OPC에 비해 강도적, 환경적으로도 우수한 것으로 분석되었다. 노후 저수지에서의 시험시공 결과에서는 친환경 지반안정재를 약액주입재의 B액으로 사용하여 보강한 경우, 저수지 내부에서의 투수계수는 1/50 수준까지 감소하였다. 그리고 전기비저항 탐사결과 노후 저수지 내부의 전기비저항은 시간이 경과함에 따라 증가하여 포화대는 사라졌으며, 전반적으로 보강되는 것으로 분석되었다. Keywords : Aging reservoir, Chemical grouting material, Environmental soil stabilizer, Reinforcement effect analysis 우리나라의 경우, 약액주입공법의 주입재로는 높은 물/결합재비(W/B, Water/Binder)에서도 겔(gel)의 형성이 용이한 알칼리성의 물유리계인 규산소다(sodium silicate, Na2SiO3)가 주로 사용되고 있다(Jang et al., 2016). 그러나 규산소다를 사용하는 경우, 시간의 경과에 따라 지하수에 의해 경화체로부터 알칼리성분의 용탈과 이에 따른 강도저하 및 경화체의 유실이 발생하는 문제점이 보고되고 있다(Chun and Yang, 2006). 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 규산소다를 무기산(inorganic acid) 또는 유기산(organic acid)과 반응시켜 알칼리성분이 중화된 중성의 콜로이드(colloid)성 실리카용액인 실리카졸(silica sol)을 보통 포틀랜드 시멘트(OPC, Ordinary Portland Cement)와 혼합하여 사용함으로써 반영구적으로 사용하고 있다(Lee et al., 2010).
그러나 실리카졸과 혼합하여 사용되고 있는 보통 포틀랜드 시멘트의 경우, 생산과정에서 1,400°C의 고온에서 석회석의 소성이 이루어지기 때문에 약 0.8∼0.9톤의 온실가스가 배출되며, 우리나라에서만 시멘트 산업으로 인해 연간 약 26,000천톤(2017년 기준)에 달하는 온실가스를 배출하고 있는 환경적 문제를 안고 있다(Andew, 2018, GIR, 2019). 또한 보통 포틀랜드 시멘트를 생산하기 위해서는 석회석의 채굴로 인한 자원고갈의 문제점이 사회적으로 부각되고 있어 이를 대체할 수 있는 재료의 개발이 사회적으로 요구되고 있다(Lee et al., 2016).
따라서 본 연구에서는 산업부산물인 고로슬래그와 순환유동층 보일러의 연소재를 주재료로 사용하여 시멘트와 유사한 경화반응을 유도하도록 개발된 친환경 지반안정재(environmental soil stabilizer)를 약액주입재(chemical grouting material)로 사용하기 위해 실리카졸과 혼합한 후 실내시험을 실시하였다. 그리고 실리카졸과 혼합하여 약액주입재로 주로 사용되고 있는 보통 포틀랜드 시멘트와 비교를 통해 지반안정재의 공학적･환경적 성능을 검토하였다. 또한 실제 노후 저수지에 시험시공을 실시하고, 현장에서의 전기비저항 탐사 및 투수시험 결과를 토대로 보강효과를 분석하여 보통 포틀랜드 시멘트의 대체 가능성을 판단하고자 하였다.
2. 사용재료
2.1 산업부산물이 주재료인 친환경 지반안정재
본 연구에서 사용된 친환경 지반안정재는 순환자원인 순환유동층 보일러의 연소재(fly ash)와 고로슬래그 미분말(blast furnace slag powder)을 혼합하여 고로슬래그의 산화피막(oxidation film)을 제거하고, 이를 통해 알칼리 활성화 반응(alkali activated reaction)을 유도하여 칼슘 실리케이트 수화물(C-S-H, Calcium Silicate Hydrate)와 에트링자이트(ettringite)를 생성함으로써 시멘트와 유사한 경화반응을 유도할 수 있는 재료이다(Seo et al., 2020). Fig. 1에는 산업부산물인 순환유동층 보일러의 연소재와 고로슬래그를 주재료로 사용하는 친환경 지반안정재의 경화 메커니즘을 정리하여 나타내었고, Table 1에는 XRF (X-Ray Fluorescence) 분석을 통해 파악된 친환경 지반안정재의 화학적 구성성분을 보통 포틀랜드 시멘트와 비교하여 나타내었다.
Table 1.
Chemical constituents of environmental soil stabilizer
| Material | Chemical constituents | |||||
| CaO | SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | MgO | SO3 | |
| Environmental soil stabilizer | 51.80 | 25.50 | 10.40 | 0.72 | 2.22 | 7.75 |
| OPC | 67.30 | 16.40 | 3.69 | 3.82 | 2.52 | 3.88 |
2.2 규산소다
규산소다는 이산화규소(SiO2)가 알칼리 금속산화물(M2O, 여기서 M은 Na, K, Li)이 결합된 알칼리 규산염(alkali silicate)의 한 종류로, 일반적으로 가성소다 또는 소다회를 규사와 반응시켜 제조된다(Ryu and Lee, 2018a). 규산소다는 알칼리 금속산화물의 종류, 몰비(mole ratio), 수분함량에 따라 반응성, 흡습성, 접착성 등이 달라진다(Ryu and Lee, 2018b). 따라서 우리나라의 경우, 한국산업표준(KS)에서 비중, 물불용율, 산화나트륨(Na2O), 이산화규소(SiO2), 산화철(Ⅲ)(Fe2O3)의 함량에 따라 품질을 구분하여 다양한 목적으로 사용하고 있다(KS M 1415). 본 연구에서는 겔타임(gel-time)의 조정이 용이하도록 나트륨이온(Na+) 및 규소이온(Si+)의 수준이 조정되었으며, 몰비가 3.3∼4.4인 3종 규산소다와 유사한 규산소다를 사용하였다. Table 2에는 사용된 규산소다를 국내 기준과 비교하여 나타내었다.
Table 2.
Used sodium silicate in this study
2.3 실리카졸
실리카졸은 음(-)전하를 띠는 이산화규소(SiO2) 미립자가 수중에서 5∼100nm의 콜로이드 상태로 안정된 상태를 유지하고 있는 것을 의미하며, 금속염의 첨가로 인해 전기화학적 균형이 깨질 경우 입자들이 서로 얽히게 되어 겔화가 이루어지는 특성이 있어 화학적 그라우팅 주입재로 사용되고 있다(Cho et al., 2011). 본 연구에서는 규산소다와 충분한 반응이 이루어질 수 있도록 직경(D)이 40nm로 구형이며, 입자의 분산성이 우수한 실리카졸을 사용하였다.
3. 실내시험을 통한 성능 검토
3.1 시편 제작
산업부산물을 주재료로 사용하여 시멘트와 유사한 경화반응을 유도하도록 개발된 친환경 지반안정재를 약액주입재로 사용하는 경우에 대해 공학적･환경적 성능을 검토하고자 실내시험을 실시하였다. 이를 위해 본 연구에서는 규산소다와 실리카졸을 A액, 친환경 지반안정재 또는 보통 포틀랜드 시멘트를 B액으로 사용하였고, 호모겔(homo- gel) 압축강도를 측정하기 위해 Table 3과 같은 배합비를 적용하였다. 시편제작은 국내 시험기준(KS F 2405, 2010)을 준용하여 50mm의 정육면체 형태로 Fig. 2와 같이 시편을 제작하였고, 20±3°C의 온도에서 수중양생을 실시한 후 실내시험을 수행하였다.
Table 3.
Mixing ratio of materials in this study
| Liquid A | Liquid B | |||
| Sodium silicate | Silica sol | Water | Environmental soil stabilizer (or OPC) | Water |
| 2.74×10-4 m3 | 0.137×10-4 m3 | 2.94×10-4 m3 | 1.02×10-8 m3 (1.08×10-8 m3) | 4.06×10-4 m3 |
3.2 호모겔 압축강도의 비교
친환경 지반안정재를 사용하여 보통 포틀랜드 시멘트를 대체하는 경우, 변화하는 공학적 특성을 판단하기 위해 규산소다와 실리카졸을 A액, 친환경 지반안정재 또는 보통 포틀랜드 시멘트를 B액으로 사용한 약액주입재에 대해 호모겔 압축강도를 측정하였다. 호모겔 압축강도는 3톤의 하중까지 압축재하가 가능한 CBR(California Bearing Ratio)시험기를 사용하여 측정하였고, 양생일별 호모겔 압축강도를 Table 4에 정리하여 나타내었다.
Table 4.
Compressive strength of material
호모겔 압축강도에 대한 시험결과, 친환경 지반안정재의 평균 압축강도는 양생 3일에서 0.656MPa, 양생 7일에서 3.337MPa, 양생 28일에서 6.241MPa이며, 보통 포틀랜드 시멘트와 비교하여 양생 3일에서는 3.23배, 양생 7일에서는 2.88배, 양생 28일에서는 1.25배 큰 값인 것으로 분석되었다. 따라서 이러한 결과를 토대로 판단할 때 친환경 지반안정재를 약액주입재로 사용하여 노후 저수지를 보강할 경우, 약액주입재의 압축강도 증가에 따른 노후 저수지의 내구성 증대가 예상되므로 공학적 안정성 확보에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.
3.3 환경적 영향 평가
친환경 지반안정재를 약액주입재의 재료로 사용하여 노후 저수지를 보강하는 경우, 주변 지반에 미치는 환경적 영향을 판단하기 위해 토양오염공정시험(MOE, 2017)과 송사리(asiatic ricefish)를 사용한 어독성시험(OECD, 2019)을 실시하였고, 시험결과를 보통 포틀랜드 시멘트와 비교하여 Table 5∼6에 나타내었다.
Table 5.
Result of soil contamination test (Soil environment conservation Act. No.2017-22)
Table 6.
Result of fish, acute toxicity test (OECD guideline for the testing of chemicals, test No.203)
토양오염공정시험 결과, 친환경 지반안정재의 경우, 니켈(Ni)을 제외하면 보통 포틀랜드 시멘트에 비해 중금속 용출이 적은 것으로 나타났고, 국내 환경기준에서 가장 중금속용출을 엄격하게 관리하고 있는 1지역(학교용지, 어린이놀이시설 등)에 적용이 가능하여 환경친화적인 것으로 나타났다. 또한 어독성시험 결과에서도 96시간이 경과된 상태에서 생존율 100%를 나타내어, 생존율 70%를 나타낸 보통 포틀랜드 시멘트 보다 환경적으로 안정한 것으로 분석되었다.
4. 노후 저수지에서의 보강효과 분석
4.1 현장의 위치 및 개요
친환경 지반안정재를 약액주입재의 재료로 사용하는 경우, 보강효과를 분석하기 위해 실제 노후 저수지에 적용하는 시험시공을 수행하였다. 시험시공이 이루어진 저수지는 전라북도 완주군 소양면에 위치한 노후 저수지로 Fig. 3에 저수지의 위치와 전경을 나타내었고, Table 7에는 저수지의 제원에 대하여 나타내었다.
Table 7.
Specification of aging reservoir
|
Year of construction |
Basin area (m2) |
Total capacity (1×103 m3) |
Useful capacity (1×103 m3) |
Length (m) |
Height (m) |
Coef. of permeability (10-5 m/sec) |
| 1945 Before | 620,000 | 4.70 | 4.49 | 72.0 | 6.4 | 1.71~27.97 |
저수지를 구성하고 있는 흙의 종류와 현재 상태를 판단하기 위해 지반조사(ground investigation) 및 표준관입시험(SPT, Standard Penetration Test)를 실시하였으며, 지반조사결과를 종합하여 Fig. 4에 나타내었다. 해당 저수지의 경우, 대부분 점토질 모래(clayey sand)와 점토와 모래가 혼합된 흙(sand-clay mixture)으로 구성되어 있으며, 대부분의 심도에서 N치가 4 이하인 것으로 조사되어 매우 연약한 상태인 것으로 분석되었다. 또한 지반조사 결과, 저수지 비탈면의 일부 구간에서는 현재 누수가 발생하고 있어 보강이 필요한 상태인 것으로 분석되었다.
4.2 약액주입공법을 사용한 노후 저수지의 보강
노후화로 인해 비탈면의 일부 구간에서 누수가 발생하고 있는 저수지를 보강하기 위해 약액주입공법을 적용하여 Fig. 5와 같이 저수지를 보강하였고, Table 8에는 노후 저수지의 보강방법을 정리하여 나타내었다. 사용된 약액주입재는 규산소다와 실리카졸을 A액, 친환경 지반안정재를 B액으로 사용하였고, 겔타임은 83∼92초로 국내 기준(MOLIT, 2016)인 60∼120초 이내로 적용하였다. 그리고 일반적인 약액주입공법에서 중심간 간격(C.T.C, Center To Center)은 1.5∼3.0m로 적용하는 것을 고려하여 현장의 상황에 맞게 2.0m로 적용하였고, 누수를 예방하기 위해 2열로 적용하였다(KARICO, 2001). 또한, 현장에서는 플랜트를 설치하여 약액의 주입상태를 실시간으로 확인하며 보강이 진행되었다. Fig. 5에는 약액주입공법을 적용하여 실제 노후 저수지의 보강한 과정을 정리하여 나타내었다.
Table 8.
Reinforcement method of aging reservoir
|
Reinforcement method | Material |
C.T.C (m) |
Diameter (m) |
Row of hole | |
| Liquid A | Liquid B | ||||
| LW method |
Sodium silicate and Silica sol mixture |
Environmental soil stabilizer | 2 | 2 | 2 |
4.3 친환경 지반안정재의 보강효과 분석
친환경 지반안정재를 약액주입재의 B액으로 사용하여 노후 저수지를 보강하는 경우, 이에 따른 보강효과를 분석하기 위해 시험시공이 이루어진 노후 저수지에서 전기비저항탐사와 현장투수시험을 실시하였다. 현장 투수시험은 물을 주입한 후 수두의 변화를 측정하여 투수계수(k)를 측정하는 주입법(falling head method)을 사용하였고, Table 9에는 현장투수시험을 통해 측정된 투수계수를 비교하여 나타내었다. 또한 전기비저항탐사의 경우, 일반적으로 포화대는 수위의 변화에 따른 침윤선에 따라 형성되기 때문에 이에 대한 검토가 요구된다(Lee et al., 2018). 따라서 본 연구에서는 동일한 수위가 유지된 상태에서 탐침을 2m 간격으로 설치한 후 전기비저항(Ω)을 측정하였고, Fig. 6에는 전기비저항탐사 결과를 나타내었다.
Table 9.
Result of field permeability test
| Depth (m) | Coefficient of permeability (k, 10-5m/sec) | |
| None reinforcement | After reinforcement | |
| 1.0∼4.0 | 27.97 | 6.33 |
| 4.0∼7.0 | 1.71 | 0.05 |
현장투수시험 결과, 보강 이전의 투수계수(k)는 1.71∼27.97×10-5m/sec로 비교적 큰 투수계수를 나타내었으나, 보강 이후에는 0.05∼6.33×10-5m/sec를 나타내었고, 최대 1/50의 수준까지 감소하여 충분한 차수효과를 나타내는 것으로 분석되었다. 전기비저항탐사 결과, 보강 이전인 Fig. 6(a)에서는 저수지 상부로부터 약 3m의 깊이까지 포화되어 있으며, 일부 구간에서는 심도 5m부터 포화대가 존재하는 것으로 나타났다. 그러나 친환경 지반안정재를 약액주입재의 B액으로 사용하여 보강한 직후(Fig. 6(b))에서는 포화대의 분포구간이 보강전과 비교하여 감소하였고, 시간이 경과함(Fig. 6(c)∼6(d))에 따라 전기비저항이 증가하여 포화대는 사라지고, 노후 저수지의 전반적인 보강이 이루어지는 것으로 분석되었다. 전기비저항의 변화를 확실하게 판단하기 위해 보강이 이루어진 지점(BH-1)과 보강은 이루어지지 않았으나 보강지역으로부터 4m가 이격된 지점(BH-2)에 대해 심도별 전기비저항의 변화를 Fig. 7에 나타내었다.
Fig. 7(a)는 보강 이전에는 심도별로 다른 전기비저항을 나타내었으나, 지반안정재를 약액주입재의 B액으로 사용하여 보강한 이후에는 감소하여 28.9∼89.8 Ω･m의 분포를 보인 후 점차 증가하는 양상을 나타내었다. 또한 일반적으로 그라우팅 재료가 28일 이후에 나타내는 전기비저항 범위인 90∼120 Ω･m 이내의 값을 나타내어 전체적으로 균질한 상태를 유지하는 것으로 분석되었다(Rural Research Institute, 2003). Fig. 7(b)는 보강은 이루어지지 않았으나 보강지역으로부터 4m가 이격된 지점에서의 심도별 전기비저항의 변화를 나타낸 그림이다. 해당 지역의 경우, 직접적인 보강은 이루어지지 않았으나 보강된 지역에서와 같이 전기비저항의 변화가 보강 이후에 감소한 후 증가하는 경향을 나타내었다. 그러나 이러한 변화는 보강으로 인하여 주변 지반에서의 전기비저항이 증가함에 따라 이러한 결과가 나타난 것으로 판단된다. 따라서 이러한 결과를 토대로 판단할 때 산업부산물이 주재료인 친환경 지반안정재를 약액주입재로 사용하여 지반을 보강하는 경우 충분한 보강효과를 유도할 수 있으며, 본 연구결과를 토대로 다양한 현장에서의 적용 및 보강효과의 분석이 이루어진다면 보통 포틀랜드 시멘트를 대체하여 사회적･환경적 문제를 해결하는 데 기여할 수 있을 것으로 판단된다.
5. 결 론
본 연구에서는 산업부산물인 고로슬래그와 순환유동층 보일러의 연소재를 주재료로 사용하여 시멘트와 유사한 경화반응을 유도하도록 개발된 친환경 지반안정재를 약액주입재로 사용하기 위해 실리카졸과 혼합한 후 실내시험을 실시하여 공학적･환경적 성능을 분석하였다. 그리고 실제 노후 저수지에 시험시공을 실시하고, 현장에서의 전기비저항 탐사 및 투수시험 결과를 토대로 보강효과를 분석하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
(1) 규산소다와 실리카졸을 A액, 친환경 지반안정재를 B액으로 사용한 약액주입재에 대해 호모겔 압축강도를 측정한 결과, 평균 압축강도는 양생 3일에서 0.656 MPa, 양생 7일에서 3.337 MPa로 보통 포틀랜드 시멘트를 사용한 경우와 비교하여 약 2.88∼3.23배 큰 압축강도를 나타내어 강도적 측면에서 보통 포틀랜드 시멘트를 대체할 수 있는 것으로 분석되었다.
(2) 규산소다와 실리카졸을 A액, 친환경 지반안정재를 B액으로 사용한 약액주입재에 대해 토양오염공정시험과 어독성시험을 실시하여 환경적 영향에 대한 검토를 실시한 결과, 친환경 지반안정재를 약액주입재의 B액으로 사용한 경우 중금속 용출은 국내 기준치 이하이며 보통 포틀랜드 시멘트 대비 매우 적은 중금속 용출이 발생하였고, 어독성시험에서도 생존율 100%를 나타내어 노후 저수지의 보강시 주변 환경에 미치는 영향은 거의 없을 것으로 판단된다.
(3) 규산소다와 실리카졸을 A액, 친환경 지반안정재를 B액으로 사용한 약액주입재를 사용하여 노후 저수지를 보강한 결과, 저수지 내부에서의 투수계수는 최대 1/50 수준까지 감소하였고, 전기비저항 탐사결과에서도 저수지 내부의 포화대에서의 전기비저항이 사라져 차수측면에서 충분한 보강효과를 나타내는 것으로 분석되었다.
(4) 약액주입재를 사용하여 노후저수지를 보강하는 경우, 지층, 흙의 종류, 지하수의 변화 등 다양한 지반조건에 따라 보강효과는 다르게 나타나므로 다양한 현장에서 추가적인 시험시공 및 검토가 이루어진다면 약액주입재로써 친환경 지반안정재를 사용이 가능하며, 이를 통해 현재 약액주입재로 사용되고 있는 보통 포틀랜드 시멘트의 대체하여 사회적･환경적 문제를 해결하는 데 기여할 수 있을 것으로 판단된다.
