가. 개요
중력식 안벽 증심공법으로 사석마운드의 일부를 개량･고화하는 방법을 적용하기 위해서는 개량된 사석마운드의 역학적 성능에 대한 평가가 필요하다. 본 연구에서는 사석의 간극, 충 진제의 종류 및 충진정도를 변수로 하여 제작된 사석마운드 모형의 일축압축강도 실험을 통 하여 중력식 안벽 구조물의 안정성 확보를 위한 개량체의 강도를 평가하였다.
충진제 종류는 시멘트 페이스트(W/C 0.6) + 수중불분리제 배합과 가소성 그라우트 배합을 적용하였다. 2가지 충진제 종류에 대해 직경 100mm, 높이 200mm와 직경 150mm, 높이 300mm 크기의 실린더형 공시체 형태로 사석마운드 모형을 제작하였다. 또한 가소성 그라우트 자체 의 강도를 확인하기 위해 50mm × 50mm × 50mm 크기의 큐브형 공시체에 대한 압축강도 실 험을 수행하였다.
사석의 간극에 대한 강도특성을 파악하기 위해 사석마운드 모형 제작 시 사석의 무게와 다짐 정도에 따라 대, 중, 소로 구분하였다. 충진정도는 사석마운드 모형 제작 시 사석의 간 극에 주입되는 충진제의 양에 따라 대, 소로 구분하였다.
기존 수행연구 결과(일본 항만공항기술연구소)에 의하면, 중력식 안벽 구조물의 안전성 확 보를 위한 개량체의 소요강도는 6MPa 정도이다. 본 연구에서는 개량체의 소요강도를 고려하 여 사석마운드 모형의 목표 강도는 재령 7일 기준으로 8MPa로 정하였다. 또한, 가소성 그라 우트 자체의 목표 강도는 재령 7일 기준으로 12MPa로 정하였다.
나. 사석마운드 보강 모형실험에 관한 문헌조사
1) 국외 연구사례
사석마운드 모형의 공시체 제작 방법에 참고하기 위하여 일본 항만공항기술연구소에서 수 행한 실험 자료를 조사하였다. 일본의 실험사례에서는 시멘트 페이스트(물시멘트비 0.6)의 충 진 상태와 사석의 간극을 변수로 하여 일축압축강도를 수행하였다. 여기서는 시멘트 페이스 트의 충진 상태를 다음의 세 가지 경우로 선정하여 공시체를 제작하였다.
① 공시체 A: 사석의 간극에 시멘트 페이스트를 충분히 충진하지 않은 경우
② 공시체 B: 사석의 간극에 시멘트 페이스트를 충분히 충진한 경우
③ 공시체 C: 사석이 서로 접점하지 않을 정도로 많은 양의 시멘트 페이스트를 충진한 경우
사석의 간극은 공시체 제작 시 다짐횟수에 따라 간극 대(0회 다짐), 간극 중(1회 다짐), 간
극 소(15회 다짐)로 구분하여 공시체를 제작하였다. 그림 3.2.4는 시멘트 페이스트의 충진 상
태에 따른 공시체의 모식도를 나타낸 것이다. 그림 3.2.5와 그림 3.2.6은 각각 공시체 A와 공 시체 B의 모습을 나타낸 것이다. 공시체 A는, 하부에 주입구가 있는 몰드(직경 50mm, 높이 100mm)에 사석을 담고 하부에서부터 시멘트 페이스트를 주입한 후 다시 시멘트 페이스트가 몰드의 하부를 통해 배출되도록 하여 제작하였다. 공시체 B의 경우는 공시체 A의 경우와 제 작 방법은 동일하며, 시멘트 페이스트의 주입, 배출 작업을 한 번 더 진행하여 공시체를 제 작하였다.
공시체 A 공시체 B 공시체 C
그림 3.2.4 공시체 구조의 모식도
그림 3.2.5 공시체 A 제작 완료 모습 그림 3.2.6 공시체 B 제작 완료 모습
공시체 C의 경우는 공시체 A, B와는 달리 주입구가 없는 몰드를 사용하였으며, 몰드 내부 에 시멘트 페이스트를 조금씩 흘려서 주입하고 여기에 사석을 수작업으로 떨어 뜨리는 공정 을 3~4회 정도 반복하여 제작 하였다. 그림 3.2.7은 공시체 C의 제작 방법의 이해를 돕기 위 해 투명 컵을 이용하여 사전 제작을 했을 때의 사진을 나타낸 것이다. 제작된 공시체는 수중 에서 7일간 양생 후 일축압축시험을 수행하였다. 공시체 제작에 사용한 시멘트 페이스트의 일축압축강도는 16~18 MPa 정도이다. 그림 3.2.8에서 그림 3.2.10은 압축강도 실험 결과를 나 타낸 것이다. 사석의 간극에 시멘트 페이스트가 충분히 채워지지 않은 공시체 A의 경우, 사 석의 간극이 작을수록 일축압축강도가 커지는 경향을 보였다. 또한 간극 대의 경우, 충진율 이 높은 공시체의 일축압축강도가 크게 나타났다. 공시체 B 의 경우도 공시체 A의 경우와 마찬가지로 사석의 간극이 작을수록 일축압축강도가 크게 측정되었다. 반면에 공시체 C의 경우는 사석의 간극이 큰 공시체의 일축압축강도가 크게 나타났다.
그림 3.2.8 공시체 A의 일축압축시험 결과
그림 3.2.10 공시체 C의 일축압축시험 결과
2) 국내 연구사례
국내에서는 Kim et al.(2014)에 의해 그라우트재의 수중 속채움 시험 및 일축압축강도 특성 에 대한 연구가 진행된 바 있다. 이 실험에서는 그라우트재의 종류, 골재의 크기, 물시멘트 비, 강도 증진 혼화재(실리카퓸) 함유율, 팽창제 함유율을 변수로 공시체를 제작하여 일축압 축강도를 비교하였다.
실험에서 대상으로 선정한 그라우트재의 종류로는 일반 시멘트 그라우트, 슬래그 시멘트 그라우트이다. 사석의 크기는 총 4종류를 변수로 하였으며, 크기는 10~25mm, 25~40mm, 25~50mm,
100mm 이상으로 선정하였다. 물시멘트비는 총 3종류를 변수로 하였으며, 45%, 60%, 75% 에
대해 실험을 수행하였다. 강도 증진 혼화재 함유율은 0%, 3%, 6%를 변수로 하였다. 팽창제 함유율은 3%, 8%, 15%를 변수로 하였다. 공시체의 크기는 직경 15cm, 높이 30cm의 철제몰 드를 이용하여 제작하였다(그림 3.2.11)
시험방법은 주입관을 몰드 중앙에 설치한 후 사석을 다짐기를 이용해 다짐하여 1.75t/m3의 건조단위중량으로 공시체를 제작하였고, 주입관을 통한 그라우트의 주입과 타설, 양생 모든 과정을 수중에서 수행하였다. 사석의 간극사이로 주입되는 그라우트재의 점성이 높거나 물시 멘트비가 낮은 경우, 또는 주입 속도가 침투속도보다 빠를 경우 몰드 내에 채워진 사석이 위 로 부상하여 몰드 밖으로 빠져나올 수가 있다. 따라서 그라우트재의 주입속도를 3~4 L/min으 로 결정하여 실험을 수행하였다.
그라우트 주입을 완료한 공시체는 그림 3.2.12와 같이 블리딩 현상으로 인해 상부 면에 골 재가 노출되어 있는 상태이다. 일축압축실험을 수행하기 위해서는 공시체의 윗면이 평탄한 수평 상태를 유지해야 하므로 블리딩이 일어난 후 동일한 그라우트재로 마감을 하였다. 그림 3.2.13은 일반 시멘트 그라우트재를 사용한 공시체의 사석 크기별 양생 일수에 따른 일축압
축강도를 나타낸 것이다. 일반 시멘트 그라우트재의 경우, 사석의 크기 10~25mm, 25~40mm 인 공시체에서 28일 강도가 20MPa 이상으로 비슷하게 나타났으나, 60일 강도는 사석의 크기 가 10~25mm인 공시체가 약간 높은 것으로 나타났다.
그림 3.2.11 그라우트재 속채움 실험을 위한
실험체 세팅 그림 3.2.12 타설 완료한 공시체 모습
그림 3.2.13 일반 시멘트 그라우트재의 사석 크기에 따른 일축압축강도 실험 결과
그림 3.2.14는 일반 시멘트 그라우트재와 슬래그 시멘트 그라우트재에 대한 사석 크기
25~40mm, 25~50mm 공시체에 대한 일축압축강도 실험 결과를 나타낸 것이다. 초기 강도의
경우 뚜렷한 경향을 나타내지 않았으나, 28일 이후의 강도에서 슬래그 시멘트 그라우트가 일 반 시멘트 그라우트보다 약간 높은 압축강도를 보였다. 그림 3.2.15는 일반 시멘트 그라우트 재와 슬래그 시멘트 그라우트재의 물시멘트비 변화에 따른 일축압축강도 실험 결과를 나타 낸 것이다.
물시멘트비의 변화에 따른 일축압축강도 실험 결과를 살펴보면, 모든 배합에서 물시멘트비 가 높을수록 강도는 낮아지는 경향을 보였다. 물시멘트비가 45%로 동일한 경우, 양생 14일까 지는 슬래그 시멘트 그라우트재로 제작한 공시체의 강도가 일반 시멘트 그라우트재로 제작 한 공시체의 강도보다 낮은 것으로 나타났으며, 28일 강도에서는 비슷한 수준으로 나타났다.
결과를 나타낸 것이다. 슬래그 시멘트 그라우트재에 대한 팽창제 함유율에 따른 일축압축강 도 실험 결과를 살펴보면, 양생 초기에서는 강도 차이가 크지 않으나 양생일수가 경과할수록 팽창제 함유율이 높은 공시체에서 약 7~16% 정도 강도 증진 효과를 보였다. 그림 3.2.17은 슬래그 시멘트 그라우트재에 대한 강도 증진 혼화재(실리카퓸) 함유율에 따른 일축압축강도 실험 결과를 나타낸 것이다. 양생 초기에는 실리카퓸 함유에 따른 강도 증가가 거의 나타나 지 않았으나 양생 일수가 길어짐에 따라 압축강도는 약 5~7% 정도 증가하는 경향을 보였다.
그림 3.2.14 그라우트재 종류별 사석 크기에 따른 일축압축강도 실험 결과
그림 3.2.15 그라우트재 종류별 물시멘트비에 따른 일축압축강도 실험 결과
그림 3.2.16 슬래그 시멘트 그라우트재의 팽창제 함유율에 따른 일축압축강도 실험 결과
그림 3.2.17 슬래그 시멘트 그라우트재의 실리카퓸 함유율에 따른 일축압축강도 실험 결과
다. 사석마운드 보강용 그라우트의 압축강도 특성
1) 실험 개요
사석마운드 모형의 압축강도 실험에 대한 기존 문헌조사를 바탕으로 사석마운드 모형 공 시체를 제작하여 압축강도 특성을 평가하였다. 본 연구에서 선정한 그라우트재의 종류는 시 멘트 페이스트 + 수중불분리제 배합, 그리고 가소성 그라우트 배합 총 2가지로 선정하였다.
사석의 간극, 그라우트재의 충진정도를 실험조건으로 선정하여 실험을 수행하였으며, 기본적 으로 그라우트재로만 제작된 공시체의 강도도 측정하였다. 실험에 사용한 사석의 크기는