1. 서론
그라우팅 공법은 시멘트 등의 고결재료를 보강 및 차수 등의 목적으로 지반 또는 구조물에 주입하는 것을 의미한다. 급 경사지 방재등의 목적으로 절리등 불연속면이 발달한 암반 층에서 많이 적용하고 있으며, 콘크리트 구조물의 균열부에 주입하여 보수하는데 사용한다.
그라우팅 공법은 1802년 프랑스에서 점토와 석회현탁액을 사용하여 수문하부 공동 채움 및 주변 충적층에 대한 보강을 시초로, 1887년 독일의 규산소다와 염화칼슘을 이용한 액상 형 주입제의 사용이후 적용범위가 확대되었다. 1900년대 이후 그라우팅에 필요한 펌프 등의 장비 발전으로 그라우팅 기술의 향상이 이루어 졌으며, 우리나라의 경우 1960년대 외국 기술진이 다목적댐 기초 처리를 위해 활용하기 시작하여, 지하철공사 등 지하구조물 시공에 적용범위를 확대하며 활용되 고 있다(Lee, 2015). 최근에는 국민적인 관심사로 부각된 도시부 지반함몰의 복구 및 보강공사에 사용되는 등 적용 범위가 확대되고 있다.
그라우팅 공법에 사용되는 주입재료는 시멘트를 주재료로 하는 현탁액형과 고분자재료등을 이용하는 콜로이드형, 용액형 등으로 나눌 수 있으며, 주입 방법은 재료의 종류와 보강대상의 상태에 따라서 저압주입 및 고압주입의 방법을 현장에서 선택할 수 있다. 사전에 소정의 목적을 위하여 배합 설계 된 시멘트등의 고화재료를 보강 대상의 특정한 지점까지 충분하게 도달하게 하는 것이 공법의 핵심이라고 할 수 있다.
우리나라에서는 이러한 주입성능을 개선하기 위하여 다양한 기초 연구가 수행되었다. Jeon et al. (2010)은 절리 거칠기 와 간극 변화에 따른 그라우트 유동과 주입압에 관한 연구를 진행하였다. Kim et al. (2009)은 간극 및 균열에 대한 주입특성을 평가하기 위하여, 평행평판주입시험을 도입하여 시멘트의 주입특성을 평가하였으며, Lee(2009)는 그라우트 재료 주입관에 진동을 가하여 주입방법을 개선하므로서 침투 특성을 개선하고자 하는 시도를 하였다. 그라우팅 공법에 사용되는 재료의 개선과 주입방법 개선의 대표적인 사례라고 할 수 있다.
그러나 기존 연구들에서는 실험의 효율을 고려해서 0.25 mm 이하의 미세균열에 대하여 평가하지 못한 부분이 있다. 실재의 방재공사 및 복구 현장에서는 미세균열에 대응하기 위해서 고가의 마이크로 시멘트 및 고분자 계열 재료가 사용되는 경우가 있으며, 이러한 주입재가 마이크로시멘트의 크기보다 큰 미세균열에서 막히는 현상이 보고되고 있으며, 이를 해결하기 위한 연구가 진행되고 있다.
이에 본 연구에서는 우리나라에서 미세한 균열 보수 및 보강에 많이 적용되고 있는 마이크로시멘트와 고분자계 주입재에 대하여 점도변화에 따른 막힘현상을 확인하고자 하였다. 미세균열을 모사할 수 있는 평행평판 주입 실험장치를 제작하고 마이크로 시멘트와 고분자계 주입재에 대하여 실험하였다. 고분자 주입재는 기능에 따라서 종류가 많기 때문에 그라우팅 공법에 일반적으로 적용되는 고분자계 증점제를 사용하여 마이크로시멘트의 실험과 동일한 점도의 시료를 제작하여 기본적으로 특성이 다른 두 가지 재료에 대하여 실험을 수행하였다.
2. 그라우트 주입 성능 평가 실험 개요
2.1 평행평판 그라우트 주입 성능 평가 장치
균열부에 적용되는 그라우팅 공법은 일반적으로 정밀하게 보강이 이루어져야 하는 도시부의 현장을 대상으로 하지만, 균열이 불확실하게 발달되어 있는 부분을 대응하여야 하기 때문에 사전에 그라우트 재료 및 주입공법의 적용성이 검증되어 있어야 한다. 그러나 일반적인 그라우팅 주입성능 실험은 주입재가 지반의 토립자 골격을 교란시키는 않도록 칼럼형 또는 파이프형 주입실험 장치를 활용하고 있다. 이 실험법은 균열을 정량화하여 모사하기 어렵기 때문에 칼럼형 주입 실험 장치 대신에 유출부를 개방한 형태의 평행평판 주입실험 장치를 사용하는 것이 합리적이다.
본 연구에서는 미세 균열에 주입 가능한 그라우트 재료의 성능을 평가하고자 하였기 때문에 실험 조건에 적합한 평행 평판 주입실험 장치(Fig. 1)를 사용하여 실험을 진행하였다. 평행평판 실험장치는 압력공급장치, 그라우트체 주입장치, 펌프, 평행평판, 단위시간당 통과유량 측정장치, 데이터 로거 등으로 구성된다. 지반의 균열을 모사하기 위하여 공업용 필름 (폴리에스테르 필름, 열수축 1%이하, 탄성계수 450 kgf/mm2) 을 사용하여 그라우트제가 암반의 균열 속으로 주입되는 상황을 재현할 수 있도록 하였다. Fig. 1의 (b)에서 A부분에 공업용 필름을 설치하여 균열의 폭을 유지하도록 하였으며, B 부분을 통하여 그라우트 재료가 이동하도록 하였다. 그라우트 펌프에서 주입되는 압력이 지반속에 전달되는 상황을 정밀하게 측정하기 위하여 3개의 압력계를 평행평판의 주입부, 중간 부 2곳(평행평판 길이의 1/3, 2/3 지점)에 분산하여 설치하였다. 막힘현상이 발생하는 경우에는 막히는 지점을 찾을 수 있도록 아크릴 판을 상부에 설치하여 내부의 상황을 볼 수 있도 록 하였다. 가압성능은 1,000 kPa까지 가능하도록 압력셀과 지반균열부가 설계되었다.
2.2 마이크로시멘트
일반 포틀랜드 시멘트의 주입효과가 확인되면서 건설공사에서 약액주입이 본격적으로 도입되었지만 평균입경 15~20 μm, 최대입경 80~100 μm로 입자가 굵기 때문에 침투 주입의 영역이 제한적이었으며, 시멘트계 주입에서 침투성 저하의 주요한 원인이 되어왔다(Kim, 1999). 이러한 문제를 해결하기 위해서 다소 고가이면서 입자의 크기가 매우 작은 마이크로 시멘트가 적용되면서 미세균열 대응용으로 사용 범위가 증대되고 있다.
본 연구에서 사용된 마이크로시멘트는 분말도 8,000을 사 용하였으며, 시멘트의 평균입경은 5 μm, 최대입경 25 μm이며, 제조사(케미우스 코리아 홈페이지 참조)에서 제시하는 누적입도분포와 입도분포 곡선은 Table 1 및 Fig. 2와 같다.
2.3 증점제
고분자 주입재는 보강 및 차수등 특수한 목적에 따라서 사용할 수 있는 종류가 많기 때문에 그라우팅 공법에 일반적으로 적용되는 고분자계 증점제를 사용하여 고분자계 주입재의 기본적인 특성을 파악하였다. 본 연구에 사용된 증점제는 셀룰로오스(Cellulose)를 원료로 하는 수용성 고분자로서 건설 공사 및 지반 보강 그라우팅에 적용되는 재료를 선정하였다. 셀룰로오스는 기본적으로 분자간 수소 결합으로 인해 30~65%의 결정성을 가지는 불용성의 천연 고분자이나, 에테르화 반응(Etherification)을 통하여 셀룰로오스 에테르(Cellulose ether)로 제조되어 물에 녹는 수용성 고분자로 개량된 것을 사용하였다.
2.4 시험의 개요
2.4.1 배합비
2.4.2 실험방법
본 실험에서 주입에 사용된 재료는 장비의 성능 및 기준을 위해 증류수를 사용한 주입과, 그라우트 재료인 마이크로시멘트 및 증점제를 사용한 실험을 진행하였다. 지반 균열폭은 공업용필름으로 조정하였고, 사용된 공업용 필름의 두께는 0.016mm, 0.025mm, 0.038mm, 0.075mm, 0.25mm, 0.35mm 이다. 실험에서는 균열 간격을 2배씩 증가시켜 진행하고자 하였으며, 마이크로 시멘트의 경우 0.125 mm, 0.25 mm, 0.5 (0.25 mm×2장) mm, 1.05(0.35 mm×3장) mm를 적용하였으며, 증점제는 0.075 mm, 0.125 mm, 0.25 mm의 균열폭을 적용하였다. 각 균역폭에 대하여 실험실에서 만들어진 증류수를 사용하여 그라우트 재료가 첨가되지 않은 상황과 비교 분석이 가능하도록 하였다.
평행평판 내부에 사전에 물을 주입하여 내부의 공간을 포화시킨 후, 그라우트 쳄버의 교반장치를 일정한 속도로 물과 배합된 그라우트 재료를 교반하였다. 교반과 동시에 가압하는 방식으로 일부 그라우트 재료가 장시간의 실험에 의하여 침전 되거나 관내 막힘현상이 발생하지 않도록 하였다. 주입압력은 국내 기준이 없어 일본 토질공학회에서 제시하는 50~100 kPa 을 참조하여 50 kPa로 일정하게 유지하여 주입하였다(Ahn et al., 2012). 그라우트제가 평행평판의 균열부를 통과해 배출되면 전자저울을 사용하여 유출량을 측정하였다. 실험의 균질성과 재현성을 확보하기 위하여 실험실 온도는 20°C, 상대습도는 50~70%를 유지하였으며, 물은 증류수제조기를 사용하였다.
3. 실험결과
증류수, 마이크로시멘트 및 증점제를 사용하여 주입시험을 진행하였고, 각각의 통과유무, 단위시간당 통과유량을 측정하였다. 통과유무의 경우 평행평판에 부착한 압력게이지의 변화를 관찰하여 판단하였다. 균열이 포화되어 있기 때문에 최초 압력이 가해지면 각 압력게이지에 일정한 압력이 전달된다. 이후 일부구간에서 막힘현상이 발생하는 경우, 게이지에 압력이 충분히 전달되지 못하여 압력이 저하되는 현상이 발생하는데 이 경우 통과하지 못하고 막힌 것으로 판단하였다. 압력 의 변화를 기준으로 판단한 각 실험의 통과유무는 Table 3과 같다.
Table 3
Result
| Crack Width (mm) | Water | Viscosity(cps) | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Thickener | Micro cement | ||||||
| 12 | 76 | 359 | 12 | 76 | 359 | ||
| 0.016 | ü | ||||||
| 0.025 | ü | ||||||
| 0.038 | ü | ||||||
| 0.075 | ü | • | • | • | |||
| 0.125 | ü | • | • | • | • | ||
| 0.25 | ü | ü | ü | • | ü | • | |
| 0.5 | ü | ü | ü | • | |||
| 1.05 | ü | ü | |||||
3.1 증류수 주입시험 결과
증류수를 사용한 경우에서는 평행평판 주입장치에서 모사한 모든 균열을 통과 하였다. 균열 폭 - 단위시간당 통과유량 에 대한 관계를 Fig. 5에 나타내었다. 증류수를 사용한 경우에는 균열폭 0.1~0.2 mm 보다 적은 균열폭에서 급격하게 단위 시간당 통과유량이 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 실험에서 사용한 최대 균열 폭인 1.05 mm의 경우 시간당 약 1 ton의 유량이 통과 가능한 것으로 나타났다. 증류수의 결과는 평행 평판 주입장치의 기본자료로서 주입재를 사용한 경우와 비교 분석이 가능하다.
3.2 마이크로시멘트의 주입시험 결과
마이크로시멘트를 각 점도에 맞는 물시멘트비로 교반 후 주입한 시험의 결과를 Fig. 6과 같이 균열 폭 - 단위시간당 통과유량의 관계로 나타내었다. 각 결과는 막힘 여부에 관계없이 모두 표시하였으며, 막힘 현상이 발생하여 압력게이지의 변화가 발생되기 전까지의 단위시간당 통과유량을 나타내었다. 12 cps의 경우 균열 폭 0.125 mm에서 증류수를 사용한 경우의 유량 대비 14.5%의 유량만 통과되었고, 균열 폭 0.25 mm 에서는 45.8%의 유량이 통과되었다. 76 cps에서는 균열 폭 0.25 mm에서 증류수의 유량 대비 16.8%의 유량이 통과되었고, 균열 폭 0.5 mm에서는 40.1%의 유량이 통과되었다. 359 cps 에서는 균열 폭 0.5 mm에서 물의 유량 대비 11.8%의 유량이 통과되었고, 균열 폭 1.05 mm에서는 62.0%의 유량이 통과되었다. 각 점도의 막힘현상이 발생한 균열 폭에서는 막힐때 까지 증류수의 단위시간당 통과유량대비 약 14.4%의 유량이 통과되었고, 막힘현상이 발생하지 않은 균열 폭에서는 증류수를 사용한 경우의 유량대비 평균적으로 49.3%의 유량이 통과되는 것으로 나타났다.
3.3 증점제의 주입시험 결과
증점제는 마이크로시멘트의 점도와 동일하게 조절하여 주입시험을 수행하였다. 증점제를 사용한 경우 마이크로시멘트와 점도는 동일하지만, 액상형으로 미세균열에 더 적합하며, 마이크로 시멘트의 입자크기보다 작아서 재료의 가격이 고가이면서 주입성능이 우수한 것으로 알려져 있다. 증점제를 사용한 실험의 결과를 Fig. 7에 균열 폭 - 단위시간당 통과유량의 관계로 나타내었다. 12 cps의 경우 0.075 mm, 0.125 mm, 0.25 mm에서 증류수의 단위시간당 통과유량과 비교하여 18.2%, 31.0%, 8.3%가 통과되었다. 76 cps의 경우 0.075 mm, 0.125 mm, 0.25 mm에서 증류수의 단위시간당 통과유량과 비교하여 67.5%, 10.4%, 4.3%의 유량이 통과되었다. 359 cps의 경우 0.075 mm, 0.125 mm, 0.25 mm에서 물의 단위시간당 통과유량과 비교하여 1.0%, 33.7%, 3.8%, 20.8%의 유량이 통과되었다. 막힘현상이 발생한 0.125 mm의 유량과 비교하여 막힘현상이 없는 0.25 mm의 유량은 12 cps에서 약 2배, 76 cps에서 약 3배만큼 증가하였다. 증점제를 적용한 경우에 막힘현상이 발생하지 않은 균열 폭에서는 증류수를 사용한 경우의 유량대비 평균적으로 11.1%의 유량이 통과되는 것으로 나타났다.
3.4 점도 – 단위시간당 통과 유량 상관관계
Fig. 8에서 마이크로 시멘트를 사용한 경우에 점도와 단위 시간당 통과유량의 관계를 나타내었으며, Fig. 9에서 증점제를 사용한 경우의 점도와 단위시간당 통과유량의 관계를 나타내었다. Eq. (1)과 Eq. (2)에서 점도와 단위시간당 통과유량의 상관관계를 수식으로 제시하였다.
마이크로 시멘트는 동일한 점도에서 증점제 보다 주입량이 많은 것으로 나타났으나, 미세균열에서는 막힘현상이 발생하였다. 반면에 증점제는 미세균열에서 막힘 현상이 적게 발생하고 점도가 높아져도 주입량의 변화가 상대적으로 크게 발생하지 않아서 전반적으로 안정적이고 주입성능이 마이크로 시멘트 보다 우수한 것으로 파악되었다.
마이크로시멘트의 경우에는 실험에 사용된 마이크로시멘트의 평균입경이 5 μm이었지만, 125 μm의 균열에 대하여 막힘 현상이 발생하였다. 이는 입자가 균일하게 분포하여 점도가 일정하게 유지된다면 막힘이 발생하지 않아야 하는 경우로서 점도의 영향으로 유속과 전달압력이 저하되는 상황에서 마이크로 시멘트 입자가 응집결합되어 균열을 막은 것으로 추정 되었다. 이러한 막힘현상은 소정의 장소까지 그라우트 재료가 전달되지 못하고 중간에서 단절될 가능성이 높다고 판단된다.
3.5 평행평판시험을 통한 주입가능 범위 선정
평행평판 주입시험을 통해 마이크로 시멘트의 주입 가능한 균열 폭을 점도에 대해 나타내면 Fig. 8과 같으며, 막힘현상 발생 구간을 Fig. 8에서 같이 특정할 수 있다. Nishikaki(2003)의 연구결과를 Fig. 10과 Fig. 11에 동시에 표시하면 보통포틀란드 시멘트가 마이크로 시멘트 보다 주입성능이 우수한 것으로 나타났다. 이는 미세한 입자의 마이크로 시멘트가 보통 포틀란드 시멘트보다 응집현상이 크게 발생하는 것으로 보인다. 우리나라의 마이크로 시멘트가 참고문헌의 결과보다 근소하게 주입성능이 나쁜 것으로 나타났으나 큰 차이를 보이지는 않는 것으로 파악되었다. 주입재로 시멘트를 사용하는 경우에는 시멘트 입자의 크기를 줄이는 것 보다 시멘트 입자의 응집성을 최소로 하는 것이 중요하였다.
현장에서 주입효과는 균열의 거칠기, 지반의 조건 등 여러 가지 요인들이 복합적으로 작용하여 결정되기 때문에 실험실에서의 결과를 현장에 직접 적용하기는 어려울 수 있으나, 현장에서 균열 폭에 대한 주입가능성 여부를 개략적으로 판단하고 그라우팅 설계 자료 및 주입 범위 산정에 사용될 수 있을 것으로 나타났다.
5. 결론
미세균열에서 그라우트 재료의 점도에 따른 주입성능 평가를 위하여, 증류수, 마이크로시멘트 및 증점재를 사용하여 실험을 진행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
1. 마이크로시멘트를 주입하는 경우, 막힘현상이 발생하지 않은 균열에서 증류수를 사용하여 주입하는 경우보다 평균적으로 49.3%의 유량이 통과되는 것으로 나타났으며, 증점재를 적용한 경우에 막힘현상이 발생하지 않은 균열 폭에서는 증류수를 사용한 경우의 유량대비 평균적으로 11.1%의 유량이 통과되는 것으로 나타났다.
2. 마이크로 시멘트는 동일한 점도에서 증점재 보다 주입량이 많은 것으로 나타났으나, 미세균열에서는 막힘현상이 발생 하였다. 반면에 증점재는 미세균열에서 막힘 현상이 적게 발생하고 점도가 높아져도 주입량의 변화가 상대적으로 크게 발생하지 않아서 상대적으로 안정적인 주입성능을 보이는 것으로 나타났다.
3. 일반적으로 알려진 것과 다르게 주입재에 마이크로 시멘트만 사용한 경우에는 보통 포틀란드 시멘트 보다 주입성능이 좋지 않은 것으로 나타났다. 시멘트를 주입재료로 사용하는 경우에는 점도의 조절과 함께 시멘트 입자의 응집성을 최소로 하는 것이 중요하였으며, 그라우트 시공시 마이크로 시멘트가 응집되지 않도록 기계적 또는 화학적 처리를 함께 고려해야 할 것으로 나타났다.
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