1. 서 론
2. 시멘트계고화재 및 탄소섬유 특성
2.1 시멘트계고화재 화학적 특성
2.2 탄소섬유의 물리적 특성
3. 실험조건 및 방법
3.1 실내실험
3.2 실험방법
4. 탄소섬유보강토의 일축 압축강도 특성
4.1 탄소섬유를 혼합하지 않은 조건
4.2 탄소섬유를 혼합한 조건
5. 결 론
1. 서 론
최근 우리나라는 기후변화에 의한 극한 강우가 빈번하게 발생하고 있으며, 이에 따른 지반재해는 주로 비탈면 붕괴에 의한 토석류와 제방 유실로 인한 침수피해, 도로의 유실, 지반 공동 등 다양한 형태로 재해가 발생하고 있다. 특히 토사로 형성된 비탈면의 표층부 붕괴가 빈번하게 발생하고 있으며, 이에 대한 보강 방법, 설계의 방법 등 비탈면의 안정성을 확보할 수 있는 연구가 필요한 실정이다. 본 연구에서는 시멘트계고화재의 구조적 특성에 따라 조기 강도가 우수하며, 기후환경 변화에 따른 내구성 발현의 장점을 활용하여 현장토를 개량하였다. 또한, 보강토의 경량성과 전단 강도 및 점착력 향상을 고려하여 탄소섬유를 혼합한 비탈면의 표층 개선을 연구하였다.
이와 관련된 연구로 Kim(2020)은 친환경 시멘트에 혼합토를 활용하여 내구성 평가 및 도로 기층 포장재 적용에 관한 연구를 통해 개량토의 우수성을 확인하였다. Kim(2018)은 표층지반 개량제와 쏘일 네일린에 접목하여 비탈면 보강 효과에 관한 연구를 수행하였으며, Park(2019)는 플라이애시를 이용한 개량토를 비탈면의 표층 안정성 평가를 통해 강우 시 보강 효과에 대한 우수성을 제시하였다. 또한, Lee et al.(2021)은 지반안정제 개량토를 활용하고 비탈면 표층부를 보강하여 강우 지속 시간 48시간까지 최소 안전도를 확보하는 것으로 평가하였다. Dinesh et al.(2023)은 탄소섬유로 보강된 시멘트 복합재의 특성을 분석하여 초기 탄성계수가 강화되며, 소성파괴 형태로 전도성 특성이 크게 향상된다고 발표하였다. 또한, 탄소섬유는 미세균열 방지에 장점이 있고 복합재의 인장강도 및 연성이 향상되는 것을 확인하였다(Sanchez & Sobolev, 2010; Han et al., 2015; Chen & Liu, 2008). Wang & Shao(2023)는 탄소섬유로 보강된 흙-시멘트는 취성파괴가 소성파괴로 전환되고 잔류강도는 탄소섬유의 혼합비율과 길이에 따라 증가한다고 고찰하였다. 특히, 시멘트를 다양한 토질에 대하여 혼합하고 탄소섬유를 소량 혼합한 조건에서 일축 압축강도 증가 경향을 고찰하였다(Consoli et al., 2010; Tang et al., 2007). 또한, Bao et al.(2021)은 점토에 탄소섬유의 길이에 따라 보강한 효과를 측정한 결과 전단 강도와 점착력이 크게 향상하며, 전체 탄소섬유 길이 중 6mm에서 가장 효과가 향상하는 것으로 발표하였다.
따라서 본 연구에서는 상주영천 고속도로 일부 구간의 풍화토 비탈면에 발생하는 세굴 및 표층 붕괴 면의 표층 보강을 목적으로 탄소섬유와 친환경고화재(E.S.B.)를 혼합하여 일축 압축강도 시험을 수행하였다. 탄소섬유는 친환경고화재(E.S.B.)와 혼합되었을 때 강도증가, 내구성 개선, 기계적 성능 개선 등의 효과가 발생할 것으로 판단되어 탄소섬유를 활용하였다. E.S.B.와 탄소섬유의 최적 배합비를 결정하기 위해 E.S.B. 10%, 20%, 30%를 적용하고 탄소섬유 0.3%, 0.6%, 0.9%, 1.2%의 배합조건을 설정하여 공시체를 제작하고, 재령 기간 3일, 7일, 28일에 대하여 일축 압축강도 시험을 수행하였다.
2. 시멘트계고화재 및 탄소섬유 특성
2.1 시멘트계고화재 화학적 특성
고화재는 흙과 간극 사이에 존재하는 물과 고화재의 화학반응에 의한 고화 작용으로 흙의 공학적 특성 및 강도를 개선하여 지반 안정성을 상승시킬 수 있는 재료이다. 특히 기존에 상용되고 있는 보통 포틀랜드 시멘트가 대표적이다. 고화재는 산화칼슘(CaO), 이산화규소(SiO2)로 구성되어 있으며, 고화재에 존재하는 산화칼슘이 수화반응을 통해 흙의 공학적 특성을 개선하고 강도를 증진시킨다. 이에 따라 본 연구에서는 산화칼슘이 혼재한 대표적 고화재인 보통 포틀랜드 시멘트와 친환경고화재(E.S.B.)의 화학적 분석을 통해 산화칼슘 함양, 수화열 감소, 건조수축 감소 등 안정적인 강도 발현에 적합한 고화재를 활용하고자 전반적인 화학적 특성을 평가하였다. Table 1은 고화재의 화학적 구성성분을 나타내고 있다.
Table 1.
Chemical properties of stabilizer
| Division | SiO2 | CaO | Al2O3 | Fe2O3 | MgO | SO3 |
Heat of hydration (cal/g) |
Initial set (min) |
| Cement | 33.8 | 40.6 | 12.9 | 3.2 | 4.2 | 2.6 | 39 | 260 |
|
E.S.B. (Eco Soil Binder) | 20.07 | 63.08 | 5.21 | 2.96 | 2.67 | 2.97 | 12.59 | 50 |
표에서 나타나듯이 보통 포틀랜드 시멘트의 경우 산화칼슘 및 이산화규소는 전체 구성 중 74%를 차지하며, 포졸란 반응에 유효한 산화칼슘의 함량은 40.6% 구성인 것에 반해 친환경고화재(E.S.B.)는 산화칼슘 및 이산화규소는 전체 구성 중 83%를 함양하고 산화칼슘의 함량은 63%로 약 1.5배 높게 구성되어 재령 기간 조건에 따라 발생하는 포졸란 반응으로 강도증가에 장점이 있는 것으로 평가할 수 있다. 또한, 수화열 반응 분석 결과 E.S.B.는 12.59cal/g로 시멘트와 비교하여 약 3배 낮게 측정되어 수화열에 의한 건조수축을 저감할 수 있으며, 응결반응이 50분으로 시멘트와 비교하여 약 5배 감소할 수 있어 초기 강도 증진에 우수한 장점이 나타나는 것을 알 수 있다.
2.2 탄소섬유의 물리적 특성
탄소섬유 강화 폴리머(CFRP) 복합재는 강성, 강도, 경량의 탁월한 조합을 바탕으로 항공우주부터 토목건축, 스포츠 레저, 자동차 등 다양한 응용 분야에 적용되고 있다. 탄소섬유는 유기 고분자 섬유를 약 1,000∼3,000℃의 온도에서 열분해 때문에 생성되며, 생성과정에서 산소, 질소, 수도 등의 분자가 분해되어 중량이 감소하여 알루미늄에 비해 가볍고 철과 비교하여 탄성 및 강도가 뛰어난 특징이 있다.
본 연구에서는 비탈면 표층 보강토로 활용하기 위해 사용된 탄소섬유는 H 사에서 가공된 직물형 탄소섬유(carbon fiber)를 사용하였다. 탄소 함량이 92% 이상인 섬유로 철과 비교하여 무게는 1/4로 10배의 강도, 7배의 탄성을 유지하고 있으며, 탄소섬유의 파단 변형은 1.8%로 내구성, 내부식성, 전도성, 내열성에 장점을 활용하였으며, 탄소섬유의 물리적 특성은 Table 2와 같다.
3. 실험조건 및 방법
3.1 실내실험
본 연구에서는 친환경고화재(E.S.B.)와 탄소섬유 혼합에 따른 일축 압축강도 특성을 평가하기 위해 각각 조건에 따라 공시체를 제작하여 일축 압축강도 시험을 수행하였다. Table 3은 본 연구에 활용된 흙의 특성을 나타내고 있다. 화강풍화토는 상주영천 고속도로 구간의 풍화토 비탈면의 토사를 활용하였으며, 균등계수와 곡률 계수는 각각 10.2, 1.2로 통일분류법상 입도 양호한 SW로 구분되며, 최대건조단위 중량과 소성지수는 각각 21kN/m3, 4.5로 평가된다. Fig. 1은 화강풍화토의 다짐특성 및 입도분석 결과를 나타내고 있다. Table 4는 친환경고화재(E.S.B.) 혼합비율에 따른 일축 압축강도 실험조건을 나타내고 있으며, 친환경고화재(E.S.B.) 혼합비율(10%, 20%, 30%)로 설정하였으며, 상주영천 고속도로 구간의 풍화토 비탈면의 원지반 다짐도와 친환경고화재 및 탄소섬유 보강토의 적용 시 다짐도에 따른 일축 압축강도 특성을 평가하기 위해 최대건조단위 중량의 85%, 95%를 적용하였으며, 재령 기간 3일, 7일, 28일의 조건으로 공시체를 제작하였다. Table 5는 탄소섬유 혼합비율에 따른 일축 압축강도 실험조건을 나타내고 있다. 탄소섬유는 기존 문헌을 참고하여 6mm로 절단하여 사용하였으며, 다짐도에 따른 일축 압축강도를 분석하여 최대건조단위 중량의 95%를 적용하였다. 탄소섬유와 친환경고화재(E.S.B.) 혼합에 따른 일축 압축강도 특성을 평가하기 위해 흙 중량 대비 친환경고화재(E.S.B.) 10%, 20%, 30%를 적용하고 탄소섬유 혼합비율 0.3%, 0.6%, 0.9%, 1.2%를 적용하였다. 또한, 재령 기간에 따른 강도 변화를 평가하기 위해 3일, 7일, 28일의 재령 기간에 따라 일축 압축강도를 평가하였다.
Table 3.
Physical properties of soil
| Specimen |
Unit weight (kN/m3) |
O.M.C (%) |
Liquid Limit (%) |
Plastic Limit (%) |
Plasticity Index |
Specific Gravity |
Coefficient of uniformity |
Coefficient of curvature |
| SW | 21.0 | 14.0 | 29.3 | 24.7 | 4.5 | 2.65 | 10.2 | 1.2 |
Table 4.
E.S.B. Reinforced soil experimental conditions
| Specimen | E.S.B. ratio (%) | γd (%) | Curing time (days) |
| SW |
10 20 30 |
85 95 |
3 7 28 |
Table 5.
Carbon fiber Reinforced soil experimental conditions
| Specimen | E.S.B. ratio (%) | Carbon fiber ratio (%) | Carbon fiber length (mm) | γd (%) | Curing time (days) |
| SW |
10 20 30 |
0.3 0.6 0.9 1.2 | 6 | 95 |
3 7 28 |
3.2 실험방법
3.2.1 공시체 제작
일축 압축강도 평가를 위한 공시체는 직경 50mm, 높이 100mm 원형 몰드에 최대건조단위 중량의 85%, 95%의 다짐도 조건으로 화강풍화토, 친환경고화재(E.S.B.)와 물, 탄소섬유 중량을 산정하여 실험조건에 따라 혼합하였으며, 공시체 하부, 중부, 상부에 균일한 다짐을 위해 3층으로 구분하여 다짐 방식으로 공시체를 제작하였다. 같은 조건의 공시체를 각각 3개씩 제작하여 공기 중 건조 양생을 하였으며, 실험에 의한 오류를 최소화하기 위해 일축 압축강도는 3개의 평균값을 적용하였다.
3.2.2 일축 압축강도 시험
각각의 조건별로 제작된 공시체에 대하여 일축 압축강도 시험을 수행하였으며, 흙의 일축 압축시험 방법(KS F 2314)에 따라 수행하였다. UTM 실험장치를 활용하여 1%/min의 변형속도로 재하하여 일축 압축강도를 측정하였다. 하중 측정용 로드셀 용량은 200tonf이며, 전체 실험장비 전경은 Fig. 2와 같다.
4. 탄소섬유보강토의 일축 압축강도 특성
4.1 탄소섬유를 혼합하지 않은 조건
비탈면에 발생하는 풍화 및 침식, 지하수에 의한 활동 등의 재해를 보호하기 위한 기준 강도는 7일 기준 4MPa, 28일 기준 6MPa로 결정하였으며(ACI 230.1R-09, 2009), 이 논문에서는 기준 강도를 만족하는 배합비를 결정하기 위한 일축 압축강도 실험을 수행하였다. Fig. 3은 탄소섬유를 혼합하지 않은 조건에 대하여 최대건조단위 중량 대비 각각 95%와 85%(다짐도) 및 E.S.B. 혼합비율에 따른 일축 압축강도 시험결과를 보여주고 있다.
Fig. 3(a)에서 나타난 바와 같이 다짐도 95%의 경우 E.S.B. 10% 이상 혼합한 경우 재령 기간 3일부터 기준 강도를 만족하며, 재령 기간이 증가할수록 일축 압축강도도 크게 증가하는 것으로 나타났다. 그러나 다짐도 85%에서는 기준 강도를 만족하지 못하는 것으로 나타나 E.S.B. 10%인 경우 다짐도가 기준 강도를 만족하는 데 중요한 역할을 한다는 것을 알 수 있다.
Fig. 3(b)는 E.S.B. 혼합비율 20%인 경우 다짐도에 따른 일축 압축강도를 나타낸 그림이다. 그림에서 보여주듯이 다짐도 85%, 재령 기간 3일에서 기준 강도를 만족하고 있으며, E.S.B. 혼합비율과 다짐도가 증가할수록 일축 압축강도는 최대 7.5배 이상 크케 증가하는 것으로 나타났다.
Fig. 3(c)는 E.S.B. 혼합비율을 30%로 증가한 경우 일축 압축강도를 나타낸 것으로 모든 재령 조건과 다짐도에서 기준 강도를 만족하는 것으로 평가되며, 특히 다짐도 95%인 경우 85%에 비해 일축 압축강도가 약 2.3~3.6배 증가하는 것으로 나타나 다짐도가 일축 압축강도의 증가에 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있다.
4.2 탄소섬유를 혼합한 조건
친환경고화재(E.S.B.) 보강토의 일축 압축강도 결과 분석을 통해 γd = 95%에서 E.S.B. 혼합비율과 관계없이 기준 강도를 충족하는 것을 알 수 있다. 이에 따라 비탈면 표층 보강에 적용하고자 탄소섬유 보강에 따른 효과를 일축 압축강도 실험을 수행하여 평가하였다. Fig. 4는 탄소섬유 혼합비율에 따른 변형률과 일축 압축강도 관계를 나타내고 있다. 그림에서 나타나듯이 E.S.B.의 혼합비율과 재령 기간이 증가할수록 일축 압축강도는 증가하며, 탄소섬유 혼합비율 0.6%에서 최대강도를 발현하는 것으로 분석되었다. 또한, 일축 압축강도에 의한 항복점 이후 탄소섬유를 혼합한 조건에서 일축 압축강도는 점진적으로 강도가 감소함에 따라 탄소섬유에 의한 연성 형태를 보인다. 이는 탄소섬유의 혼합으로 인해 공시체에 인장력을 부여하고 항복 이후 발생하는 전도에 대하여 보완할 수 있는 부분으로 평가할 수 있다. Fig. 5는 재령 기간 조건에서 탄소섬유 혼합비율에 따른 일축 압축강도를 나타내고 있다. 그림에서 나타나듯이 탄소섬유를 혼합한 조건에서 무보강 일축 압축강도와 비교하여 증가하는 것을 알 수 있으며, 탄소섬유 0.6% 조건에서 최대 일축 압축강도를 발현하였다. 이때 무보강 일축 압축강도와 비교하여 약 54~70% 증가하는 것으로 평가되었다. 특히 재령 기간 7일에서 일축 압축강도는 재령 기간 28일의 약 90% 발현하므로 재령 기간 7일을 기준 강도로 활용할 수 있을 것으로 평가된다. 그러나 탄소섬유 1.2%의 조건에서는 공시체 제작 시 다짐에 의한 성형이 되지 않고 무보강 일축 압축강도보다 약 99% 감소하여 활용할 수 없는 것으로 평가된다. 이는 단위 체적에 탄소섬유가 차지하는 비율이 증가함에 따라 E.S.B.와 토양 및 탄소섬유가 결합되지 않아 강도 발현에 영향을 미치는 것으로 분석된다.
5. 결 론
풍화토 비탈면에 발생하는 세굴 및 표층 붕괴 면의 표층 보강을 목적으로 친환경고화재(E.S.B.)와 탄소섬유, 통일분류법상 SW에 해당하는 토양을 혼합한 탄소섬유 혼합토를 양생하여 일축 압축강도 실험을 수행하였다. 비탈면 표층 보강에 따른 기준 강도는 재령 기간 7일 기준 4MPa, 28일 기준 6MPa로 설정하였다(ACI 230.1R-09, 2009).
(1) 탄소섬유를 혼합하지 않은 조건에서 보강토의 다짐도가 85% 및 재령 기간이 3일인 경우 친환경고화재의 혼합비율이 10%에서 20%로 증가했을 때 강도증가가 3.4배로 가장 크게 증가하였다. 그러나 다짐도가 85%인 경우 친환경고화재(E.S.B.) 혼합비율 30%에서 28일 기준 강도(6MPa)를 만족하는 것으로 나타났다.
(2) 탄소섬유를 혼합하지 않은 조건에서 보강토의 다짐도가 95%인 경우 7일 양생 및 친환경고화재(E.S.B.) 혼합비율이 10%에서 20%로 증가했을 때 강도증가가 약 3배로 크게 증가하였다. 28일 기준 강도는 친환경고화재(E.S.B.) 혼합비율이 10% 이상이면 모든 조건에서 기준 강도를 만족하는 것으로 나타났다. 이는 다짐도 85%에 비해 일축 압축강도가 약 2.3~3.6배 증가한 것으로 탄소섬유를 혼합하지 않은 보강토의 경우 재령 기간 및 다짐도가 강도 발현에 매우 큰 요인인 것을 알 수 있다.
(3) 탄소섬유 보강 효과를 평가하기 위해 탄소섬유 혼합비율을 0.3~1.2%까지 0.3% 단위로 혼합비율을 증가하였다. 탄소섬유 보강토의 경우 탄소섬유의 혼합비율 0.6%에서 최대 일축 압축강도가 발현되었으며, 일축 압축강도-변형률 곡선은 완만한 형상을 보이는 것으로 나타났다. 특히 탄소섬유의 혼합비율이 0.6%를 넘어가면 강도감소가 현저하게 나타나 탄소섬유의 혼합률이 강도에 매우 민감하게 작용함을 알 수 있다.
(4) 탄소섬유를 0.6% 혼합한 경우 혼합하지 않은 경우에 비해 일축 압축강도가 약 1.5~1.7배 증가하는 것으로 나타났다. 특히 재령 기간 7일에서 일축 압축강도는 재령 기간 28일의 약 90% 강도를 발현하므로 재령 기간 7일을 기준 강도로 활용할 경우 경제성을 확보할 수 있을 것으로 평가된다.
