가. 지반보강 그라우트의 배합비 선정
1) 개요
본 연구에서는 압축강도 실험을 통해 지반보강성능을 평가한 두 가지 가소성 그라우트 배 합 중 충진성능 평가 실험에 사용될 배합을 선정하기 위하여 예비 주입실험을 수행하였다.
지반보강성능 평가 실험과 동일한 배합비의 가소성 그라우트를 사용하였다. 각 배합비별로 6 개의 실험체를 준비하여 예비 주입실험을 수행하였다. 주입 완료된 실험체는 제작 직후 수온
20℃의 항온수조에서 수중양생 하였으며, 재령 7일과 28일에 각각 3개씩 압축강도 실험을 진
행하여 지반보강성능도 재확인하였다.
주입성능에 영향을 미치는 인자는 재료의 점도, 주입압력, 주입속도가 있으며, 가소성 그라 우트의 특성상 혼합 후 흐름이 없는 소성고체와 같은 거동을 보이므로 점도 측정이 어렵다. 따라서 플로우 실험(정치, 타격)으로 두 배합의 흐름성능을 비교하였다. 또한 공극율과 주입 압력이 동일한 상태에서 주입시간을 측정하여 상대적으로 주입성능이 좋은 배합을 충진성능 평가 실험 배합으로 선정하였다.
2) 주입실험 방법
예비 주입실험에 사용한 가소성 그라우트 배합은 지반보강성능 평가 실험 배합과 동일하 다. 실험에 사용한 골재의 크기는 27~32mm을 적용하였다. 공극율을 최대한 동일하게 맞추기 위해 골재를 6.5kg씩 미리 계량해 놓고 다짐 없이 몰드에 채워 넣었고, 물을 부어 채워지는 양으로 부피를 계산하여 공극률을 산출하였다(그림 3.2.58).
예비 주입실험에 사용한 주입장비는 최대 압력 1.2MPa 용량의 에어 컴프레서와 10L 용량 의 소형 주입 장치를 사용하였다(그림 3.2.59). 소형 주입 장치의 주입관 직경은 10mm이며, 골재 투입 시 그림 3.2.60(a)와 같이 몰드 상면에서부터 200mm 깊이에 미리 설치해 놓고 주 입실험을 진행하였다. 여기서, 주입실험 진행시에는 가소성 그라우트는 압력에 의해 몰드 내 부의 공극을 채우므로 골재가 외부로 빠져나가는 것을 방지하기 위하여 그림 3.2.60(b)와 같 이 아크릴판을 이용하여 주입실험체를 막아야 한다.
(a) 골재 계량 (b) 공극율 측정 그림 3.2.58 골재 계량 및 공극율 측정
(a) 에어 컴프레서 (b) 주입 장치
그림 3.2.59 예비 주입실험에 사용한 에어 컴프레서 및 주입 장치
(a) 주입관 설치 (b) 예비 주입실험체 세팅 그림 3.2.60 주입관 설치 및 예비 주입실험체 세팅 모습
예비 주입실험체 준비가 완료되면 그림 3.2.61(a)와 같이 가소성 그라우트 10L를 제작하여 소형 주입 장치에 투입 후 주입실험이 진행된다. 소형 주입실험 장치에는 그림 3.2.61(b)와 같이 압력계가 설치되어 있으며, 동일 압력에서의 주입성능을 비교하기 위해 실험 전 에어 컴프레서의 압력을 200kPa 정도로 설정한다.
주입실험은 각 배합당 6개씩 총 12개의 실험체에 대해 수행하였으며, 각 실험체마다 주입 시간을 측정하여 주입속도를 산출하였다. 제작된 주입실험체는 수온 20℃에서 수중양생 하였
으며, 7일과 28일 재령에서 압축강도 실험을 수행하여 지반보강성능도 재확인하였다.
a) 가소성 그라우트 준비 (b) 소형 주입 장치에 설치된 압력계 그림 3.2.61 주입 장비 내 가소성 그라우트 투입 및 압력계
추가적으로 주입실험 시 가소성 그라우트의 정치 및 타격 플로우 실험도 함께 진행하였다.
타격 플로우는 정치 플로우 실험 후 15초 동안 15회의 낙하 운동을 가하여 퍼진 후의 지름 을 의미한다. 주입실험 및 플로우 실험 모습을 그림 3.2.62에 나타내었다.
(a) 주입 실험 (b) 플로우 실험 장비 (c) 플로우 실험 과정 그림 3.2.62 주입실험 및 플로우 실험
그림 3.2.63 가소성 그라우트 예비 주입실험 과정
예비 주입실험의 전체 실험과정은 다음과 같으며, 그림 3.2.63에 나타내었다.
① 가소성 그라우트 및 골재 계량(6.5kg) 계량 ② 실험체 제작: 주입과 배치 후 골재 투입
③ 가소성 그라우트 믹싱: 시멘트 혼합물 및 혼합액 따로 믹싱 후 혼합 ④ 소형 주입 장치에 가소성 그라우트 투입
⑤ 주입 시작
⑥ 몰드에 가소성 그라우트가 가득 채워지면 주입 정지
3) 충진성능 평가를 위한 배합비 선정
1종 보통시멘트(Mix-1)와 조강시멘트(Mix-2)를 사용한 두 가지 가소성 그라우트 배합에 대 한 플로우 실험 결과를 표 3.2.13에 정리하였으며, 각각 그림 3.2.64와 그림 3.2.65에 나타내었 다. 두 가지 가소성 그라우트 배합의 정치 플로우 실험 결과는 모두 100mm로 혼합 후 거의 유동이 없는 소성상태를 유지하는 것으로 확인되었다. 타격 플로우 실험 결과도 두 배합 모 두 190mm로 동일한 것으로 측정되었다. 따라서, 플로우 실험에 의한 그라우트 주입성능을
표 3.2.13 가소성 그라우트의 플로우 실험 결과
배합 정치 플로우
(mm)
타격 플로우 (mm)
Mix-1 100 190
Mix-2 100 190
(a) 정치 플로우 (b) 타격 플로우
그림 3.2.64 가소성 그라우트의 플로우 실험 결과 – Mix-1
(a) 정치 플로우 (b) 타격 플로우
그림 3.2.65 가소성 그라우트의 플로우 실험 결과 – Mix-2
1종 보통시멘트(Mix-1)와 조강시멘트(Mix-2)를 사용한 두 가지 가소성 그라우트 배합에 대 한 예비 주입실험 결과를 표 3.2.14에 나타내었다. 실험 전 모든 실험체에 골재량을 동일한 무게로 진행하였으므로 공극율은 Mix-2의 4, 5번째 실험체를 제외하고 모두 52.8%로 동일하 게 측정되었다. 압력 측정 결과를 살펴보면, Mix-1과 Mix-2의 평균압력은 각각 192 kPa, 202 kPa로 미리 설정한 에어 컴프레서의 압력과 거의 비슷한 수준으로 측정된 것을 확인할 수 있다. 공극율과 주입압력이 동일한 상태에서의 주입시간을 비교해보면, Mix-1은 평균 22.1
초, Mix-2는 평균 77.8 초로 Mix-1이 약 3.5배 정도 빠른 것으로 확인되었다. 주입속도 평균
인되었다. 조강시멘트의 분말도가 1종 보통시멘트보다 약 1.5배 정도 크기 때문에 물-시멘트 비가 비슷한 수준에서는 상대적으로 조강시멘트를 사용한 배합이 반죽이 된 것으로 나타나 이는 점도가 높다는 것을 의미하며 이러한 이유로 같은 양을 주입하기 위해 필요한 압력도 커지는 것으로 나타났다. 따라서 상대적으로 된 배합인 Mix-2가 Mix-1 보다 동일 압력에서 상대적으로 주입속도가 낮은 것으로 판단된다.
표 3.2.14 가소성 그라우트 예비 주입실험 결과
배합 시편 공극율
(%)
압력 (kPa)
주입시간 (sec)
주입속도 (L/min)
Mix-1
#1 52.8 240 22.7 7.4
#2 52.8 180 25.2 6.7
#3 52.8 180 23.1 7.3
#4 52.8 180 22.7 7.4
#5 52.8 180 19.2 8.8
#6 52.8 190 19.5 8.6
Mix-2
#1 52.8 200 88.8 1.9
#2 52.8 210 81.9 2.1
#3 52.8 200 82.3 2.0
#4 50.9 200 80.6 2.0
#5 50.9 200 63.0 2.6
#6 52.8 200 70.2 2.4
주입실험체의 재령 7일과 28일에서의 압축강도 실험 결과를 표 3.2.15에 나타내었다. 재령
7일에서의 압축강도 평균은 두 배합 모두 약 9MPa 정도로 소요강도 6MPa을 웃도는 것으로
확인되었다. 28일에서의 압축강도 평균은 Mix-1이 16.2MPa, Mix-2는 17.4MPa로 Mix-2가 약간 높은 것으로 측정되었다.
예비 주입실험 결과, 압축강도 측면에서는 Mix-1과 Mix-2가 비슷한 수준이나, 주입속도는 1종 보통시멘트를 사용한 Mix-1이 조강시멘트를 사용한 Mix-2보다 3배 이상 높은 것을 확인 할 수 있었다. 따라서 상대적으로 시공성능이 뛰어난 Mix-1 배합을 충진성능 평가 실험에 적 용하였다.
표 3.2.15 가소성 그라우트 예비 주입실험체의 압축강도 실험 결과
재령 시편
압축 강도 (MPa)
압축강도 평균 (MPa)
Mix-1 Mix-2 Mix-1 Mix-2
7
#1 10.2 8.7
9.3 9.1
#2 9.6 9.5
#3 8.9 9.0
28
#1 15.0 18.7
16.2 17.4
#2 16.4 16.0
#3 17.2 17.6
나. 가소성 그라우트의 충진성능 평가
1) 개요
가소성 그라우트의 충진성능은 실내실험을 통하여 평가하였다. 충진성능 평가 실험의 목적 은 사석마운드에 가소성 그라우트를 주입했을 때 원하는 범위만큼 충진이 잘 되는지와 시공 시 적절한 주입속도를 파악하는 것이다. 충진성능 평가 실험에 사용할 가소성 그라우트 배합 은 예비 주입실험을 통해 1종 보통시멘트를 사용한 배합으로 선정되었다.
충진성능 평가 실험에는 직경 400mm, 높이 530mm 크기의 원형 실험체를 설계하여 제작하 였고 펌프 속도와 사석의 종류를 변수로 총 5개의 실험체에 대해 충진 실험을 수행하였다. 충진성능 평가 실험에 사용한 펌프는 최대압력 4MPa, 최대토출량 40L/min의 모르타르 펌프 를 적용하였다.
각 변수별로 공극율, 압력, 주입시간을 측정하였으며, 충진성능 평가 실험 후 28일 경과 시 점에서 실험체의 충진 상태를 육안으로 관찰하였다. 그라우팅 시 시간지연으로 인한 충진성 능 감소 효과도 살펴보기 위해 5개의 실험체 중 1개의 실험체에 대해서는 가소성 그라우트 혼합 후 1시간 경과 후 실험을 진행하였다. 그림 3.2.66은 가소성 그라우트의 충진성능 평가 실험 개요를 나타낸 것이다.
그림 3.2.66 충진성능 평가 실험 개요
2) 충진성능 평가 실험체 설계
가소성 그라우트의 충진성능을 평가하기 위해 원형 실험체에 주입관과 배수관을 설계하였 다. (그림 3.2.67). 원형 실험체의 치수는 직경 400mm, 높이 530mm이며 부피는 약 66.6L이다. 가소성 그라우트가 주입되는 주입관의 내경은 40mm이며, 실험체 바닥에서부터 150mm 높이 에 설치하였다. 배수관은 그라우팅 시 실험체 내부에 채워진 물을 배출하기 위한 용도로 내 경은 20mm이며 실험체 하부 2개, 상부 2개를 설치하였다. 배수관 위치는 각각 실험체 바닥 에서부터 50mm, 480mm 높이에 설치되어 있다. 주입관과 배수관의 재질은 모두 폴리염화비 닐(PVC, Polyvinyl chloride)으로 제작되었다.
실험체는 총 5개를 제작하였으며, 그림 3.2.68과 같이 실험시 원형 실험체 내에 사석을 채 우면서 주입관과 배수관을 설치하는 방식을 적용하였다. 실험체 제작 완료 후 뚜껑을 닫아 밀폐시킨 모습은 아래 그림과 같다. 가소성 그라우트 충진실험 중에는 주입관 및 배수관과 뚜껑 사이를 에폭시로 처리하여 누수를 방지하도록 하였다.