3.2.1 일축압축강도시험 방법

일축압축강도시험은 ^{KS L 5105}(2022)에 의거하여 수행하였다. ITB 그라우트의 경우 3액형으로 A액, B액, C액을 5분간 충분히 교반한 후 제작하였으며 초기 겔 형성시간이 빠르게 이루어져 정량펌프를 사용하였다. LW 공법의 경우 2액형으로 A액, B액을 배합하여 공시체를 제작하였다. 공시체는 50×50×50(mm)의 정육면체로 제작하였으며 양생방법은 기건양생의 경우 상온의 대기 중에서 공시체를 양생하였고 수중양생의 경우 22°C 온도의 물에 공시체가 완전히 잠기도록 양생하였다. Fig. 2는 일축압축강도시험 방법을 보여주고 있다.

Fig. 2. Method of Unconfined Compressive Strength Test. (a) Dry Curing, (b) Underwater Curing, (c) Strengh Measurement

3.2.2 일축압축강도시험 결과

일축압축강도시험 결과 LW 공법 기건양생의 경우 초기재령인 재령 1시간에서 0.024 MPa, 재령 1일에서 0.772 MPa인 것으로 나타났으며 재령 7일의 경우 건조수축으로 인해 공시체가 파괴되어 강도 측정이 불가하였다. 수중양생의 경우 재령 1시간에서 0.028 MPa, 재령 1일에서 0.548 MPa로 기건양생 대비 낮은 강도를 보였으며 기건양생과 동일하게 재령 7일에서 용탈현상으로 인해 공시체가 파괴되었다. ITB 그라우트 기건양생의 경우 재령 1시간에서 LW 공법 대비 약 13배 높은 0.3 MPa로 나타났으며 재령 1일의 경우 LW 공법 대비 약 1.4배 높은 1.06 MPa로 나타났다. 또한 재령 7일에서 강도가 급격하고 증가하다가 재령 8개월에서 3.912 MPa로 가장 높은 강도를 보였고 재령 12개월까지 수렴하였다. 수중양생의 경우 모든 재령에서 LW 공법 대비 높은 강도를 보였으며 재령 7일에서 강도가 급격하게 증가하였고 재령 12개월에서 3.28 MPa의 높은 강도를 유지하였다. 목표성능과 비교결과 LW 공법의 경우 목표성능에 적합하지 않은 것으로 나타났지만 ITB 그라우트의 경우 모든 재령(3~28 day)에서 강도 기준(2.5 MPa)을 만족하는 것으로 나타났다. Fig. 3과 Table 6은 일축압축강도시험 결과를 보여주고 있다.

Fig. 3. Result of Unconfined Compressive Strength Test

3.3.1 길이변화실험 방법

길이변화실험은 ITB 그라우트와 LW 공법의 양생방법에 따라 발생하는 공시체의 수축 및 팽창을 비교·분석하기 위해 수행하였다. ITB 그라우트와 LW 공법 모두 겔타임의 80 %까지 교반한 이후 길이변화실험 몰드에 성형하였다. 공시체는 40×40×160(mm)의 직육면체로 제작하였으며 양생방법은 기건양생의 경우 상온의 대기 중에서 공시체를 양생하였고 수중양생의 경우 22°C 온도의 물에 공시체가 완전히 잠기도록 양생하였다. 이후 최초 길이 대비 재령에 따른 길이변화를 분석하였다. Fig. 4는 길이변화실험의 방법을 보여주고 있다.

Fig. 4. Method of Length Variation Experiment. (a) Dry Curing, (b) Underwater Curing, (c) Length Measurement

3.3.2 길이변화실험 결과

길이변화실험 결과 ITB 그라우트 기건양생의 경우 재령 1일에서 1.2 % 수축하였으며 재령 12개월에서의 수축량은 5.2 %로서 매우 미미한 변화를 보인 것으로 나타났다. LW 공법 기건양생과 비교한 결과 재령 1일에서 LW 공법의 수축량은 3.12 %로 ITB 그라우트 대비 약 2.6배 크게 수축하였으며 재령 7일의 경우 LW 공법의 수축량은 12.5 %로 ITB 그라우트 대비 약 6.6배 크게 수축하였다. 또한 LW 공법 기건양생의 경우 재령 7일까지 수축량이 급격히 증가하다가 공시체가 파괴되었다. 한편 ITB 그라우트 수중양생의 경우 기건양생 대비 수축량이 작게 발생하였으며 재령 1일에서 0.86 % 수축되었고 재령 12개월에서 3.75 %로 매우 미미하게 수축하였다. LW 공법의 경우 재령 1일에서 1.87 %, 재령 7일에서 4.3 % 수축하였으며 이후 파괴되었다. Fig. 5과 Table 7은 길이변화실험 결과를 보여주고 있다.

Fig. 5. Result of Length Variation Experiment

3.4.1 XRD시험 방법

본 절에서 진행한 XRD 시험은 ^{KS L 3316}(2014)에 의거하여 수행하였으며 공시체는 재령 1일에서 재령 1년까지 수중에서 양생하였다. 재령 별 시료를 랜덤하게 채취하여 시료 전량을 분쇄하고 체 6.7 mm를 통과한 시료를 용기에 담아 부정형 내화물과 반응하지 않는 상태에서 균일하게 교반하였다. 이후 모르타르와 반응하지 않는 내열성판 위에 취하고 두께가 10 mm 이하의 원형상태로 100±5°C 공기중탕에 10시간 이상 건조시킨 시료를 4분법에 따라 약 10 g으로 축분하여 2시간 이상 건조시킨다. 이와 같이 보존된 시료를 X-선 분석 장치에 장착하고 형광 X-선을 발생시켜 X-선 세기를 통해 각 성분의 종류와 양을 측정하였다.

3.4.2 XRD 시험 결과

XRD 분석 결과 시멘트광물계 급결제의 주성분인 12CaO ․ 7Al₂O₃가 시멘트 겔화 성분인 수산화칼슘(Ca(OH)₂) 및 황산칼슘(CaSO₄)과 반응하여 Ettringite의 침상결정을 생성한 것으로 나타났다. 이러한 침상결정이 성장한 후 서로를 연결하여 최종 형성되는 칼슘실리케이트 수화물(C-S-H)은 이들 사이의 공극을 충전하며 장기적으로 강도 안정성의 영향을 준다(Kim et al., 2010). Ettringite는 재령 1일에서 7.8 %의 성분이 검출되었으며 재령 7일에서 33.9 %로 급격하게 증가하였다. 이후 재령 360일에서의 검출양은 재령 1일 대비 약 36 % 증가한 43.8 %인 것으로 나타났다. 이로 미루어 보아 재령 7일에서 급격히 증가한 Ettringite는 ITB 그라우트의 초기 겔 형성의 큰 영향을 준 것으로 보이며 장기 재령에서의 초기 재령 대비 증가한 Ettringite는 장기강도에 영향을 준 것으로 판단된다.

Calcite는 물과 반응하여 가소성을 유지하는 시간을 조절하고 초기 겔 형성 시간을 단축할 수 있는 성분으로써 칼슘 알루미네이트(3CaO ․ Al₂O₃), 칼슘 실리케이트(3CaO ․ SiO₂)와 반응하여 탄산염화를 일으켜 탄산칼슘(CaCO₃)이 구조물 표면에 형성되어 그라우트 장기내구성에 불리한 작용을 하는 성분이다^{(Kim, 2010)}. Calcite의 경우 재령 1일에서 75.8 %의 성분이 검출되었으며 재령 경과에 따라 꾸준히 증감하는 경향을 보였으며 재령 360일에서 38.1 %의 성분이 검출되었다. 이를 통해 Calcite의 검출량이 초기 재령 대비 장기 재령에서 약 38 % 감소한 것은 ITB 그라우트 장기내구성에 유리한 작용을 한 것으로 판단된다.

또한 Portlandite(Ca(OH)₂)는 산화칼슘(CaO) 간극수의 소화와 함께 생성되며 자경효과에 의한 초기강도를 결정짓는 성분으로서 Portlandite에서 방출되는 Ca₂+ 이온은 알루민산염과 규산염이 반응하여 칼슘실리케이트 수화물(C-S-H) 및 칼슘알류미네이트 수화물(C-A-H) 등을 생성하게 된다^{(Lee et al., 2021)}. 이처럼 가소성 기반 그라우트에서 Portlandite는 장기내구성에 유리한 작용하게 된다. ITB 그라우트의 Portlandite는 초기재령(재령 1일)과 장기재령(재령 360일)에서의 검출량이 유사하였다. 이를 통해 ITB 그라우트의 경우 Portlandite 용탈로 인해 발생하는 내구성 저하 및 수축 등의 문제는 없을 것으로 판단된다.

Gypsum(CaSO₄·2H₂O)은 광물조성 수화 반응을 통해 Ettringite를 생성하게 되며 팽창하는 성질이 있어 강도 증진 및 미세한 공극 충진에 효과를 보인다^{(Song et al., 2013)}. XRD 시험을 통해 Gypsum의 검출량을 분석한 결과 재령 7일에서 2.2 %로 매우 적은 양이 검출되었으나 재령이 증가함에 따라 증가하는 경향을 보였으며 재령 360일에서 15.6 %로 크게 증가되었다. Fig. 6과 Table 8은 XRD시험 결과를 보여주고 있다.

Fig. 6. Result of XRD Test

3.5.1 SEM-EDX 시험 방법

SEM-EDX 시험 방법은 주사현미경(Hitachi FE-SEM S-47000)을 사용하여 미세분석을 진행하였으며 진공상태의 시편 표면에 미세한 전자선을 2차원 방향으로 주사하여 원자와 전자선의 상호작용으로 발생하는 신호들을 검출기를 통해 검출하여 시료의 확대 상을 분석해 성분의 형태를 확인하였다. 시료의 경우 분쇄하여 스터브 등의 받침에 올린 후 스퍼터링하여 코팅하였다. Fig. 7은 SEM-EDX 시험 과정을 보여주고 있다.

Fig. 7. Method of SEM-EDX. (a) Specimen Grinding, (b) Specimen Coating, (c) Analysis of Specimen

3.5.2 SEM-EDX 시험 결과

SEM-EDX 시험 결과 LW 공법의 경우 재령 1일에서 일반 포틀랜드 시멘트의 수화생성물인 C-S-H(칼슘 실리케이트 수화물)겔이 수화 초기형태만 관찰되었으며 재령 7일 또한 재령 1일과 동일하게 관찰되었다. 반면 ITB 그라우트의 경우 재령 1일에서 C-S-H 겔과 다량의 Ettringite가 관찰되었으며 재령 7일의 경우 C-S-H 겔의 성장과 다량의 Ettringite가 관찰되었다. 또한 ITB 그라우트의 주요 구성요소는 탄산칼슘(C, CaCO₃), 이산화규소(O, SiO₂), 산화알루미늄(Al, Al₂O₃), 월라스토나이트(Ca, CaSiO3)로 나타났다. 이중 지반 내의 공극을 채워 입자간의 결합력을 높이고 흙의 고결화 작용을 하는 탄산칼슘^{(Park and Kim, 2012)}의 용탈량은 ITB 그라우트에서 약 1 gf, LW 공법에서 약 2 gf가 용탈되는 것으로 나타났다. 또한 가소상 유지시간 조절에 용이하며 초기 겔 형성 시간을 단축하는 산화알루미늄^{(Kim et al., 2009)}의 경우 IBT 공법에서 재령이 증가함에 따라 약 2배 증가하였지만 LW 공법의 경우 재령이 증가하여도 차이가 발생하지 않는 것으로 나타났다. 초기강도에 영향을 미치며 수화열이 감소함에 따라 강도가 감소하는 성분인 월라스토나이트^{(Jeon et al., 2020)}의 경우 ITB 그라우트는 재령이 증가함에 따라 10 gf 감소하였지만 LW 공법은 약 20 gf가 증가하는 것을 확인하였다. 한편 약액의 장기내구성에 영향을 미치며 겔 또는 고결사로부터 용탈되는 성분인 이산화규소의 경우 ITB 그라우트는 재령이 증가해도 검출량의 변화가 거의 없었으나 LW 공법의 경우 약 20 gf가 감소하는 것으로 나타났다. Table 9와 Fig. 8은 SEM-EDX시험 결과를 보여주고 있고 Fig. 9와 Fig. 10은 SEM 촬영 결과를 보여주고 있다.

Fig. 8. Results of SEM-EDX Test. (a) 1-Day Curing of ITB, (b) 7-Day Curing of ITB, (c) 1-Day Curing of LW, (d) 7-Day Curing of LW

Fig. 9. SEM Imaging Results of LW. (a) 1-Day Curing of LW (1.00 um), (b) 1-Day Curing of LW (5.00 um), (c) 7-Day Curing of LW (1.00 um), (d) 7-Day Curing of LW (5.00 um)

Fig. 10. SEM Imaging Results of ITB. (a) 1-Day Curing of ITB (1.00 um), (b) 1-Day Curing of ITB (5.00 um), (c) 7-Day Curing of ITB (1.00 um), (d) 7-Day Curing of ITB (5.00 um)

3.6.1 중금속 용출시험 방법

중금속 용출시험은 ^{KS I 3217}(2008)에 의거하여 수행하였으며 납(Pd)과 카드뮴(Cd)의 경우 해당 이온을 시안화칼륨 용액 중에서 디티존에 작용시켜 발생한 화합물을 사염화탄소로 추출하고 과잉의 디티존을 세척하여 납(Pd) 및 카드뮴(Cd)을 정량하였다. 6가크롬(Cr6+)의 경우 크롬이온을 과망간산칼륨을 이용하여 크롬산 이온으로 산화시킨 후 디페닐카르바지드를 작용시켜 발생한 수용액을 정량하였다.

3.6.2 중금속 용출시험 결과

중금속 용출시험 결과 ITB 그라우트의 경우 납(Pb), 카드뮴(Cd), 6가크롬(Cr6+) 모두 검출되지 않았다. 그러나 기존 규산계 뒤채움재의 경우에는 6가크롬(Cr6+)에서 0.049 mg/L가 검출되었으며 납(Pb)에서 0.004 mg/L가 측정되었다. 이를 통해 ITB 그라우트는 뒤채움재의 용탈액으로 인해 발생하는 환경오염 가능성은 거의 없다고 사료된다. Table 10은 중금속 용출시험 결과를 나타내고 있다.

3.7.1 어독성시험 방법

어독성시험의 시험수조는 약 30 L 이상의 유리 수조를 설계하였으며 수온의 경우 수온유지계를 부착하여 20±2°C를 유지하였다. 또한 시험 중에 용존산소 부족으로 인한 지장이 없도록 공기펌프를 설치하였다. 공시어는 3~4 cm의 송사리를 사용하였으며 100 L 사이즈의 순응 수조에서 약 10일간 사육하였다. 사육 이후 공시어 20마리를 선정하여 시험수조로 옮겨 담았으며 그라우트 별 공시체 3개를 투입하였다. 결과의 측정은 공시체 투입 후 재령 1일에서 재령 4일까지로 하였다. Fig. 11은 어독성시험 방법을 나타내고 있다.

Fig. 11. Method of Toxicity Test. (a) Measurement of Dead Fish, (b) Measurement of pH

3.7.2 어독성시험 결과

ITB 그라우트의 경우 공시어 적응 이후 재령 1~4일까지 폐사어가 발생하지 않은 것을 확인하였다. 반면 LW 공법의 경우 재령 1일에서 9마리의 폐사어가 발생하였으며 재령이 증가함에 따라 폐사어는 꾸준히 증가하는 경향을 보였고 재령 4일에서 20마리의 공시어가 모두 폐사한 것을 확인하였다. 한편 pH 측정 결과 ITB 그라우트의 경우 재령 1일에서 8.56으로 나타났으며 재령이 증가할수록 미세하게 감소하는 경향을 보였다. LW 공법의 경우 재령 4일에서 ITB 그라우트 대비 약 1.3배 높은 결과를 보였다. 또한 LW 공법의 경우 pH가 재령일에 비례하는 것에 반해 ITB 그라우트의 경우 재령일에 반비례하는 것으로 분석되었다. Fig. 12는 어독성 및 pH 시험 결과를 보여주고 있다.

Fig. 12. Result of Toxicity Test. (a) Result of Dead Fish Measurement, (b) Result of pH Measurement