2.1. 개요

가소성 그라우트의 충진성능 평가에 앞서 2가지 가소성 그라우 트 배합에 대한 지반보강성능을 검토하였다. 가소성 그라우트 충 진 사석마운드 모형을 제작하여 압축강도 실험을 통해 보강성능 을 확인하였다. 사석마운드 모형은 직경 100 mm, 높이 200 mm 크기의 실린더형 몰드에 제작하였다. 또한 가소성 그라우트 자 체의 강도를 확인하기 위해 50 mm x 50 mm x 50 mm 크기의 큐 브형 공시체에 대한 압축강도 실험도 수행하였다. 기존 연구 (^{Mizutani et al., 2013})에 따르면, 구조물의 안전성 확보를 위한 개량체의 소요강도는 6 MPa 정도이다. 실험에는 총 2종의 가소 성 그라우트 배합을 사용하였으며, 개량체의 소요강도를 고려하 여 사석마운드 모형의 목표강도는 7일 기준으로 8 MPa로 하였 다. 압축강도 실험은 재령 3일, 7일, 15일, 28일에 수행하였으며, 재령별 압축강도 실험 시 사석마운드 모형과 큐브형 공시체 수 는 각각 3개씩이다.

2.2. 사석마운드 모형 공시체 제작

2.2.2. 공시체 제작

사석마운드 모형 공시체(Ø100 mm x H200 mm) 제작 과정을 Fig. 2에 나타내었다. 공시체 제작 전 예비실험을 통해 1개의 공 시체를 만들기 위해 필요한 골재량과 가소성 그라우트의 양을 미리 확인하였으며, 골재와 가소성 그라우트 각각 2.25 kg, 890 mL로 모두 동일하게 사용하였다. 공시체 제작 순서는 다음과 같 다. 먼저 가소성 그라우트와 계량해 놓은 골재를 손비빔으로 섞 은 후, 다짐봉을 이용해 다지면서 실린더형 몰드에 타설하였다. 사석마운드 제작에 사용된 골재의 크기는 13 mm~15 mm이다. 2가지 배합 모두 동일한 방법으로 사석마운드 모형 공시체를 제 작하였으며, 골재 없이 가소성 그라우트만으로 타설된 큐브형 공시체도 동시에 제작하였다. 제작된 공시체는 수온 20°C의 항 온수조에서 수중양생하였다.

Fig. 2.

Manufacture process of rubble mound specimen

2.3. 압축강도 실험 및 결과

압축강도 실험은 변위제어 방법으로 3 mm/min.의 속도로 수 행하였다. 사석마운드 모형과 큐브형 공시체 모두 재령 3, 7, 15, 28일에 실험을 진행하였다. 사석마운드 모형 공시체는 압축강도 실험 전 석고캐핑으로 윗면처리를 하였다. 석고캐핑과 압축강도 실험 사진을 Fig. 3에 나타내었다. 큐브형 공시체와 사석마운드 모형 공시체의 각 재령별 압축강도 실험 결과를 Tables 2와 3에 정리하였다.

Fig. 3.

The top surface capping and compressive strength test

Table 2의 큐브형 공시체의 실험 결과를 살펴보면, 가소성 그 라우트만의 강도는 재령 15일까지 1종 보통시멘트를 사용한 Mix-1이 더 높은 양상을 보였으며, 재령 28일에서는 조강시멘트 를 사용한 Mix-2가 26.9 MPa로 Mix-1보다 약 7 MPa 정도 높은 것으로 확인되었다.

Table 3의 사석마운드 모형 공시체 실험 결과를 살펴보면, 조 강시멘트를 사용한 Mix-2가 모든 재령에서 강도가 높은 것으로 측정되었다. 28일 재령에서의 압축강도는 두 배합 모두 약 16 MPa로 비슷한 수준으로 측정되었다. Mix-2로 제작한 사석마운 드 모형 공시체는 재령 3일에 약 7 MPa로 안전성 확보를 위한 소 요강도를 만족하였고, Mix-1은 재령 7일에 소요강도를 만족하 였다. 또한 재령 7일에서의 압축강도는 두 배합모두 목표로 정한 8 MPa을 웃도는 것으로 확인되었다.

지반보강성능 검토를 위한 압축강도 실험 결과, 실험에 사용 한 2가지 가소성 그라우트 배합 모두 구조물의 안전성 확보를 위 한 소요강도를 만족하였으며, 강도 측면에서는 사석마운드 보강 용 그라우팅 재료로 사용하기에 충분하다고 판단된다.

3.1. 개요

압축강도 실험을 통해 지반보강성능 검토를 수행한 2가지 가 소성 그라우트 배합 중 충진성능 평가 실험에 사용될 배합을 선 정하기 위하여 예비 주입실험을 수행하였다. 예비 주입실험에는 직경 150 mm, 높이 300 mm의 실린더형 몰드를 사용하였다. 가 소성 그라우트는 보강성능 평가 실험과 동일한 배합을 사용하였 으며, 공극율과 주입압력이 동일한 상태에서 주입시간을 측정하 여 상대적으로 주입성능이 좋은 배합을 충진성능 평가 실험 배 합으로 선정하였다.

3.2. 예비 주입실험 방법

예비 주입실험에 사용한 가소성 그라우트 배합은 보강성능 평 가 실험 배합과 동일하다(Table 1). 예비 주입실험에 사용한 골 재의 크기는 27 mm~32 mm 이다. 공극율을 최대한 동일하게 맞 추기 위해 골재를 6.5 kg씩 미리 계량해 놓고 다짐 없이 몰드에 채워 넣었다. 공극율은 몰드에 골재를 채운 후 물을 부어 채워지 는 양으로 부피를 계산하여 산출하였다.

예비 주입실험에 사용한 주입장비는 최대 압력 1.2 MPa 용량 의 에어 컴프레서와 10 L 용량의 소형 주입 장치를 사용하였다 (Fig. 4). 소형 주입 장치의 주입관 직경은 10 mm이며, 골재 투입 시 몰드 상면에서부터 200 mm 깊이에 미리 설치해 놓고 주입실 험을 진행하였다. 동일 압력에서의 주입성능을 비교하기 위해 실험 전 에어 컴프레서의 압력을 200 kPa 정도로 설정하였다. 주 입실험은 각 배합당 6개씩 총 12개의 실험체에 대해 수행하였다. 주입실험 전 모든 실험체에 대해 공극율을 측정하였다. 주입실 험 중에는 압력과 주입시간을 측정하였다. 주입실험 전 골재가 채워진 실험체와 주입실험 중 모습을 Fig. 5에 나타내었다. 제작 된 주입실험체는 수온 20°C에서 수중양생 하였으며, 7일과 28 일 재령에서 압축강도 실험을 수행하였다.

Fig. 4.

Grouting apparatus for preliminary injection test

Fig. 5.

Fill a mold with aggregate and grouting

3.3. 예비 주입실험 결과 및 충진성능 평가 배합 선정

2종의 가소성 그라우트 배합에 대한 예비 주입실험 결과를 Table 4에 나타내었다. 공극율은 Mix-2의 4, 5번째 실험체를 제 외하고 모두 52.8%로 동일하게 측정되었다. 실험 전 공극율을 최대한 동일하게 맞추기 위해 모든 실험체에 채워진 골재량을 같게 하였다. 압력 측정 결과를 살펴보면, Mix-1과 Mix-2의 평 균압력은 각각 192 kPa, 202 kPa로 미리 설정한 에어 컴프레서 의 압력과 거의 비슷한 수준으로 측정된 것을 확인할 수 있다. 공 극율과 주입압력이 동일한 상태에서의 주입시간을 비교해보면, Mix-1은 평균 22.1초, Mix-2는 평균 77.8초로 Mix-1이 약 3.5배 정도 빠른 것으로 확인되었다. 주입속도 평균도 마찬가지로 Mix-1이 7.7 L/min, Mix-2가 2.17 L/min으로 Mix-1이 약 3.5배 빠른 것으로 확인되었다. 조강시멘트의 분말도가 1종 보통시멘 트보다 약 1.5배 정도 크기 때문에 W/B가 비슷한 수준에서는 상 대적으로 조강시멘트를 사용한 배합이 반죽질기가 되다. 이는 점도가 높다는 것을 의미하며, 같은 양을 주입하기 위해 필요한 압력도 커지게 된다(^{Choi el al., 2014}). 따라서 된 배합인 Mix-2 가 Mix-1 보다 동일 압력에서 상대적으로 주입속도가 낮은 것으 로 판단된다.

주입실험체의 재령 7일과 28일에서의 압축강도 실험 결과를 Table 5에 나타내었다. 재령 7일에서의 압축강도 평균은 두 배합 모두 약 9 MPa 정도로 소요강도 6 MPa을 웃도는 것으로 확인되 었다. 28일에서의 압축강도 평균은 Mix-1이 16.2 MPa, Mix-2 는 17.4 MPa로 Mix-2가 약간 높은 것으로 측정되었다.

예비 주입실험 결과, 압축강도 측면에서는 Mix-1과 Mix-2가 비슷한 수준이나, 주입속도는 1종 보통시멘트를 사용한 Mix-1 이 조강시멘트를 사용한 Mix-2보다 3 배 이상 높은 것을 확인할 수 있었다. 따라서 상대적으로 시공성능이 뛰어난 Mix-1 배합을 충진성능 평가 실험에 사용하기로 선정하였다.

4.1. 개요

충진성능 평가 실험의 목적은 사석마운드에 가소성 그라우트 를 주입했을 때 원하는 범위만큼 충진이 잘 되는지와 시공 시 적 절한 주입속도를 파악하는 것이다. 충진성능 평가 실험에 사용 할 가소성 그라우트 배합은 예비 주입실험을 통해 선정하였으 며, 배합표는 Table 1의 Mix-1과 같다. 충진성능 평가 실험에는 직경 400 mm, 높이 530 mm 크기의 드럼통을 사용하였고, 펌프 속도와 사석의 종류를 변수로 총 5개의 실험체에 대해 충진 실험 을 수행하였다. 각 변수별로 공극율, 압력, 주입시간을 측정하였 으며, 드럼통 해체 후 충진 상태를 육안으로 관찰하였다.

4.2. 충진성능 평가 실험체 제작

충진성능 평가 실험체의 치수와 실험체 형상을 Fig. 6에 나타 내었다. 드럼통의 치수는 앞에서 언급했듯이 직경 400 mm, 높이 530 mm이며, 부피는 약 66.6 L 이다. 가소성 그라우트가 주입되 는 주입관의 내경은 40 mm이며, Fig. 6(a)에 나타낸 바와 같이 실험체 바닥에서부터 150 mm 높이에 설치하였다. 그라우팅 시 실험체 내부에 채워진 물을 배출하기 위한 배수관도 설치하였 다. 배수관은 실험체 하부 2개, 상부 2개를 설치하였으며, 위치는 Fig. 6(a)에 나타낸 바와 같이 각각 실험체 바닥에서부터 50 mm, 480 mm 높이에 설치하였다. 배수관의 내경은 20 mm이다. 주입관 과 배수관의 재질은 모두 폴리염화비닐(PVC, Polyvinyl chloride) 이다.

Fig. 6.

Dimension and shape of filling performance specimens

실험체는 총 5개를 제작하였으며, Fig. 6(b)와 같이 드럼통 내 에 사석을 채우면서 주입관과 배수관도 같이 설치하였다. 실험 체 제작 완료 후 뚜껑을 닫아 밀폐시킨 모습도 Fig. 6(b)에 나타 내었다. 충진 실험 중 누수방지를 위해 주입관 및 배수관과 뚜껑 사이를 에폭시로 처리하였다. 충진 실험 시 그라우트재가 드럼 통을 가득 채우면 뚜껑이 부풀어 배관 파손이나 그라우트가 누 출될 수 있기 때문에 드럼통 상부에서부터 50 mm 위치까지만 사석을 채웠다. 상부 배수관도 같은 위치(상부에서부터 50 mm) 에 배치하였으며, 충진 실험 시 상부 배수관에서 그라우트가 배 출되면 실험을 종료하였다.

4.3. 실험 변수 및 방법

4.3.2. 실험 방법

충진성능 평가 실험을 위한 배관 설치 단면도를 Fig. 7에 나타내 었다. 펌프는 최대압력 4 MPa 용량의 모르타르 펌프를 사용하였다. 전체 배관 길이는 8,200 mm이며, 배관 입구에서부터 1,000 mm 위 치에 압력센서를 설치하여 압력을 측정하였다. 압력센서 설치모 습과 충진 실험체 세팅완료 모습을 Fig. 8에 나타내었다. 충진 실 험을 진행하면서 배출되는 물을 받기 위해 Fig. 8(b)와 같이 배수 관 아래에 통을 배치하였으며, 상부 배수관에서 그라우트가 배 출되면 실험을 종료하였다. 충진 실험 시 주입속도 계산을 위하 여 타이머로 주입시간을 측정하였다. 공극율은 실험체를 제작할 때 사석을 채운 후 실험체 내부에 물을 부어 채워지는 부피로 계 산하였다.

Fig. 7.

Pipeline for filling performance test

Fig. 8.

Installation of pressure sensor and pipe

그라우팅 시 시간지연으로 인한 충진성능 감소 효과도 살펴보 기 위해 VM-A1 실험체는 가소성 그라우트 혼합 후 1시간 경과 후 실험을 진행하였다.

충진 실험에서의 목표 충진 범위는, 수평방향으로는 실험체 옆면 전체, 그리고 연직방향으로는 실험체 바닥에서부터 상부 배수관 설치위치인 480 mm까지 이다.

4.4. 실험 결과

5개의 실험체에 대한 충진성능 평가 실험 결과를 Table 7에 나타내었다. 공극율 측정 결과를 살펴보면, 사석크기 27 mm 이 상 32 mm 이하로만 채운 VL-A1, VM-A1, VH-A1 실험체는 공 극율이 약 43% 정도로 비슷한 수준으로 측정되었다. 사석크기 2 가지를 혼합한 실험체 VH-A2와 3가지를 혼합한 실험체 VH-A3 실험체의 공극율은 각각 41.7%, 41.4%로 비슷한 수준으로 측정 되었으며, 1종류의 사석을 사용한 실험체보다는 약간 작은 것으 로 확인되었다. 크기 27 mm 미만의 사석을 채움으로써 공극율 이 감소될 것으로 예상했지만 크게 영향을 미치지 않는 것으로 확인되었다.

압력측정 결과를 살펴보면, 시간지연으로 인한 충진성능 감 소 효과를 살펴보기 위한 VM-A1 실험체가 104.8 kPa로 가장 높 게 측정되었다. VH-A1에 비해 주입속도는 느린데도 불구하고 압력은 약 26% 정도 높은 것으로 나타났다. 가소성 그라우트 혼 합 후 1시간 경과 후 실험을 진행하였기 때문에 일반적인 시멘트 계 재료와 마찬가지로 유동성 저하 및 응결에 의해 주입압력이 높아진 것으로 판단된다.

주입압력과 주입속도 관계를 Fig. 9에 나타내었다. 주입속도 는 채운 물의 양과 충진 시간으로 계산하였다. 펌프 속도가 증가 할수록 주입속도는 증가하는 것으로 확인되었다. 속도 중(VM) 실험체의 압력은 경시변화에 의한 유동성 저하로 인해 속도 상 (VH) 실험체의 압력보다 높게 측정되었다. 하지만 속도 하(VL) 실험체와 속도 상 실험체의 주입압력-주입속도 관계를 살펴봤을 때, 시간지연 없이 속도 중 실험체의 실험을 진행했을 경우 주입 압력과 주입속도는 선형적인 관계를 보였을 것으로 사료된다.

Fig. 9.

Relationship between the pressure and the filling velocity

충진 실험 후 28일 경과 시점에서 실험체의 충진 상태를 육안 으로 관찰하였다. 실험체의 옆면을 벗겨내어 표면을 확인한 모 습을 Fig. 10에 나타내었다. 실험체의 표면 상태는 충진 속도가 약 20 L/min으로 가장 낮은 VL-A1 실험체가 상대적으로 공극 이 적고 매끄러운 것을 확인할 수 있었다. VM-A1 실험체를 제 외한 모든 실험체에서 연직방향과 수평방향으로 목표한 범위만 큼 충진이 잘 된 것을 확인하였다. VM-A1 실험체는 수평방향으 로는 충진범위를 만족하였지만, 주입관 아래쪽으로는 충진이 되 지 않은 것으로 확인되었다. 따라서 현장에서의 그라우팅 공정 시 시공효율이나 충진성능 측면에서 그라우트재를 정지 없이 가 능한 연속으로 주입하는 것이 효과적이라고 판단된다.

Fig. 10.

Results of filling state of the specimens