1. 서 론
2. 실험재료 및 방법
2.1 실험 재료
2.2 배합 설계 및 실험 변수
2.3 공시체 제작 및 양생 조건
2.4 성능 평가 방법
3. 결과 및 고찰
3.1 투수 성능 평가 결과
3.2 역학적 성능 평가 결과
3.3 시공 성능 평가 결과
3.4 투수성-강도-시공성 균형에 따른 배합 특성 종합
4. 결 론
1. 서 론
강우 발생 시 지중으로 침투한 빗물은 간극수압을 증가시키고 활동토층의 단위중량을 증가시켜 사면의 활동력을 증대시키는 동시에 저항력을 감소시킨다. 이로 인해 강우 시 사면의 안정성은 현저히 저하될 수 있다. 최근 기후 변화로 인해 극한 강우 및 국지성 강우의 발생 빈도와 강도가 증가하는 경향을 보이고 있으며, 이에 따라 사면 붕괴 발생 사례 또한 지속적으로 증가하고 있다(Fig. 1).
한편, 강우 시 사면 내부로 침투한 수분은 불포화대의 모관흡인력을 약화시키며, 국지적인 포화 영역을 형성하고, 이로 인해 간극수압 상승과 단위중량 증가가 동시에 발생할 수 있다. 특히 불투수층이나 불투수성 보강재 상부에서는 침투수의 정체로 인한 국지 포화 및 수압 집중 현상이 발생하여, 사면 안정성을 급격히 저하시킬 가능성이 있다.
이와 같은 강우 조건에 효과적으로 대응하기 위해서는 사면 보강 공법에 있어 지반의 강도 증진뿐만 아니라, 침투수의 원활한 배수를 고려한 대응 방안이 요구된다.
그러나 기존 사면 보강 공법에 적용되는 시멘트계 그라우트는 주로 구조적 강도 확보를 목적으로 사용되어 왔으며, 주입 과정에서 지반 공극을 충전함으로써 침투수의 배수 경로를 차단하는 특성을 가진다. 이러한 불투수성 거동은 강우 시 지중 내 침투수의 체류를 유발하고, 간극수압 상승을 가속화하여 오히려 사면 안정성을 저하시키는 요인으로 작용할 가능성이 있다.
그라우트는 사면 보강 공법에서 지반의 전단강도 증진과 차수 성능 확보를 위해 널리 적용되어 왔으며, 일반적으로 시멘트계 재료를 주성분으로 한다. 기존 연구에서는 배합 조건, 주입 방법 및 경화 특성 등을 최적화하여 높은 압축강도와 내구성을 확보하는 데 초점이 맞추어져 왔다. 이처럼 기존 그라우트 관련 연구는 주로 역학적 성능 향상에 중점을 두고 진행되어 왔으며, 공극 형성이나 투수성 부여와 같이 강도 저하 가능성이 수반되는 특성에 대한 연구는 상대적으로 제한적인 실정이다.
한편, 투수성 포장 및 투수 콘크리트와 같이 공극을 통해 물의 흐름을 허용하는 투수성 재료에 대한 연구는 활발히 이루어져 왔다. 특히 투수성 콘크리트(pervious concrete)는 굵은 골재 간의 연결공극을 통해 강우 시 표면에 고인 물을 신속하게 지반 내부로 침투시키는 특성을 가지며, 도시 지역에서 배수성 향상, 표면 유출 저감 및 열섬 완화 등의 효과를 나타내는 것으로 보고되고 있다(Yang & Jiang, 2003; Deo et al., 2010; Xu et al., 2023). 최근 연구에서는 투수성 콘크리트의 압축강도와 내구성을 확보하면서도 충분한 투수계수를 유지하기 위한 배합 설계와 공극 구조 제어가 주요 연구 과제로 다루어지고 있다(Zhang et al., 2022; Xu et al., 2023; Lu et al., 2023).
그러나 이러한 투수성 콘크리트는 주로 굵은 골재 간의 연결공극을 기반으로 한 자립형 구조 재료로 포장체나 배수층과 같은 지표 구조물에 적용되는 것이 일반적이다. 이로 인해 공극 크기가 상대적으로 크고, 미세한 지반 공극을 충전하거나 사면 내부로 주입되는 그라우트 재료로 적용하기에는 한계가 있다. 또한, 기포를 활용한 경량기포콘크리트 및 기포콘크리트는 밀도 저감과 단열·방음 성능 향상을 주요 목적으로 하며, 기포가 주로 폐쇄공극 형태로 분포하여 구조 내부의 물 이동을 억제하는 특성을 가진다(Liu et al., 2024). 따라서 이러한 재료 역시 투수성을 주요 성능 목표로 설정하지 않으며, 지중 배수 기능이 요구되는 사면 보강용 그라우트로 적용하기에는 적합하지 않다.
이에 본 연구에서는 기존 불투수성 그라우트의 한계를 보완하기 위하여, 공극 구조를 제어함으로써 침투수의 원활한 배수를 유도할 수 있는 투수성 그라우트를 사면 보강 재료로 개발하고자 한다. 본 연구에서 제안하는 투수성 그라우트는 기포를 단순한 경량화 요소가 아닌 연속적인 배수 경로 형성을 위한 공극 구조 제어 요소로 활용하고, 다공질 골재를 병용하여 기포 간 연결공극의 연속성을 강화하는 것을 특징으로 한다. 이를 통해 강우 시 지중 침투수의 배출을 촉진하고 간극수압 상승을 억제함과 동시에, 사면 보강 재료로서 요구되는 구조적 안정성과 시공성을 확보하는 것을 목표로 한다.
2. 실험재료 및 방법
본 연구에서는 기포와 다공질 골재(Porous aggregate)를 활용한 투수성 그라우트의 배합 설계를 수행하고, 공극 구조 형성에 따른 성능 변화를 실험적으로 검토하였다. 배합 시험은 예비 배합 시험과 본 배합 시험의 두 단계로 구분하여 수행하였으며, 각 단계에서 설정된 배합 조건과 실험 변수에 따라 재료의 거동을 평가하였다.
2.1 실험 재료
2.1.1 결합재 및 혼화재
투수성 그라우트의 주결합재로는 보통 포틀랜드 시멘트(OPC)를 사용하였으며, 일부 배합에서는 플라이애시(fly ash)와 고로슬래그 미분말(GGBFS)을 광물성 혼화재로 부분 치환하여 적용하였다. 본 연구에서 사용된 플라이애시는 대성에너지(Daesung Energy, Korea)에서 공급된 제품을 사용하였으며, 고로슬래그 미분말은 대한슬래그(Korea Slag Co., Korea)에서 공급된 제품을 사용하였다.
플라이애시는 포졸란 반응을 통해 시멘트 수화 과정에서 생성되는 Ca(OH)₂와 반응하여 C–S–H 겔을 형성함으로써 장기 강도 발현과 미세 공극 구조 형성에 기여한다. 고로슬래그 미분말은 잠재 수경성을 가지며, 시멘트 수화 과정에서 발생하는 알칼리 환경에 의해 활성화되어 추가적인 수화 반응을 유도한다. 이러한 혼화재는 시멘트 수화 반응에 참여하여 장기 강도 발현에 기여하며, 동시에 배합의 안정성 확보를 목적으로 활용되었다.
모든 배합에서 결합재 계열 재료는 균질한 혼합이 이루어지도록 사전에 충분한 건식 혼합 후 배합하였다.
2.1.2 기포제 및 기포 생성 방식
공극 구조 형성을 위해 기포제(Foaming agent)를 사용하였으며, 기포제는 계면활성 작용을 통해 기포막을 안정화시켜 시멘트 페이스트 내에 균일한 공극 구조 형성을 유도한다. 본 연구에서는 한국산업(Korea Sineop Co., Korea)에서 공급된 기포제를 사용하였다.
또한 기포는 선기포(preformed foam) 방식으로 생성하여 배합에 적용하였으며, 선기포 방식 적용 시 기포의 안정적인 유지를 위해 단백질계 동물성 기포제를 사용하였다. 동물성 기포제는 시멘트계 재료와의 상용성이 우수하며, 선기포 방식 적용 시 기포 생성 이후 초기 양생 단계까지 비교적 안정적인 기포 구조를 유지하는 것으로 보고된 바 있다(Ramamurthy et al., 2009; Liu et al., 2024).
본 연구에서는 실험실 규모의 기포 생성 장치(Lab Concrete Foam Generator Machine)를 이용하여 일정한 조건에서 기포를 생성함으로써, 배합 과정에서 기포의 크기와 분포가 안정적으로 유지되도록 하였다. 생성된 기포는 배합 과정에서 파괴를 최소화하기 위하여 최종 혼합 단계에서 투입하였으며, 기포의 안정적인 유지와 균일한 분산을 위해 증점제(Viscosity-modifying agent)를 함께 사용하였다. 이를 통해 배합 과정 및 초기 양생 단계에서 기포 파괴를 억제하고, 공극 구조의 재현성을 확보하고자 하였다.
2.1.3 다공질 골재 및 기타 첨가제
기포에 의해 형성된 공극 간의 연결성을 강화하기 위하여 다공질 골재로는 Perlite를 사용하였으며, 본 연구에서는 다농(Danong Co., Korea)에서 공급된 제품을 적용하였다. Perlite는 내부에 다수의 개방공극을 포함하는 경량 골재로, 그라우트 내에서 기포 공극과 결합하여 연속적인 공극 구조 형성에 기여하도록 적용되었다.
이 외에도 배합의 작업성과 안정성을 확보하기 위하여 감수제(Water-reducing agent), 공기연행제(Air-entraining agent) 및 증점제를 혼화제로 사용하였다.
이 외에도 배합의 작업성과 안정성을 확보하기 위하여 감수제(water-reducing agent), 공기연행제(air-entraining agent) 및 증점제를 혼화제로 사용하였다. 본 연구에 사용된 PC계 감수제는 카르복실기(carboxyl group)를 통해 시멘트 입자에 흡착하고, 측쇄(side chain)에 의한 입체 반발력으로 시멘트 입자의 분산을 유도하여 유동성을 향상시킨다. 또한 공기연행제는 표면장력을 감소시켜 미세 기포의 형성과 안정화를 유도하며, 이는 공극 분포의 균일성과 작업성 향상에 기여한다. 감수제와 공기연행제는 HBT Co., Korea에서 공급된 제품을 사용하였으며, 증점제로는 현암(Hyunam Co., Korea)에서 공급된 메셀로스(methyl cellulose) 계열의 혼화제를 적용하여 물과 결합을 통해 점성을 증가시키고 기포의 붕괴 및 재료 분리를 억제함으로써 배합의 안정성을 향상시키고자 하였다.
Table 1.
Performance-oriented design strategy of permeable grout
Table 2.
Reaction mechanism of admixtures used in permeable grout
|
Fly Ash (John et al., 2018) |
GGBFS (Choi, 2001) |
Foaming agent (Ministry of Construction and Transportation, 1996) |
 |  |  |
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Air-entraining agent (Tunstall et al., 2021) |
Viscosity-modifying agent (Sharma et al., 2021) |
Polycarboxylate-based water-reducing admixture (Gong, 2022) |
 |  |  |
2.2 배합 설계 및 실험 변수
2.2.1 예비 배합 시험(Part A)
예비 배합 시험은 기포 적용 이전 단계에서 투수성 그라우트의 안정적인 배합 조건을 확보하기 위한 목적으로 수행되었다. 본 단계에서는 공극 형성을 배제한 시멘트계 그라우트 배합을 기준으로, 결합재 조성 및 혼화재·혼화제의 종류와 함량 변화에 따른 배합 거동을 검토하였다.
주요 검토 항목은 그라우트 재료의 기본 물성, 수화 과정에서의 기포 안정성 확보 가능성, 첨가제 비율 변화에 따른 유동성 및 작업성 변화 등이었으며, 이를 통해 기포 적용 시에도 배합 분리나 과도한 블리딩 없이 안정적인 거동을 유지할 수 있는 배합 범위를 도출하고자 하였다. 예비 배합 시험 결과는 이후 본 배합 시험에서 적용할 혼화재 치환율과 혼화제 조합을 결정하는 기초 자료로 활용되었다.
2.2.2 본 배합 시험(Part B)
본 배합 시험에서는 예비 배합 시험을 통해 도출된 배합 조건을 고정 변수로 설정하고, 투수성 그라우트의 공극 구조 형성에 직접적인 영향을 미치는 인자를 주요 변수로 하여 배합과 성능 평가를 수행하였다. 주요 실험 변수는 기포 첨가량과 다공질 골재 함량으로 설정하였다.
Table 3.
Summary of experimental program for Part A and Part B
기포 첨가량은 시멘트 중량 대비 단계적으로 변화시켜 공극 구조의 차이를 유도하였다. 또한 다공질 골재의 함량을 변화시켜 기포에 의해 형성된 공극 간 연결성의 변화를 유도하고, 이에 따른 투수 성능 및 역학적 성능의 변화를 검토하였다.
각 배합 조건에 대해 공극률 측정 및 투수시험, 일축압축강도 시험 및 유동성 시험을 수행하였으며, 이를 통해 기포 및 다공질 골재의 배합 조건 변화에 따른 투수 성능, 역학적 성능 및 시공 성능의 변화를 비교·분석하였다.
2.3 공시체 제작 및 양생 조건
각 배합 조건별 성능 평가를 위해 원주형 공시체를 제작하였다. 공시체의 규격은 직경 50 mm, 높이 100 mm로 하였으며, 모든 배합 조건에 대해 동일한 형상과 크기의 공시체를 적용하였다. 배합은 본 배합 시험에서 설정된 조건에 따라 수행되었으며, 재료의 균질한 분산과 기포의 파괴를 최소화하기 위하여 기포 투입 전과 투입 후 각각 1분간 혼합한 후, 기포가 배합 내에 균일하게 분산되도록 혼합 조건을 일정하게 유지하였다.
제작된 페이스트는 기포 배합의 특성을 고려하여 과도한 다짐을 배제한 상태에서 몰드에 충전하였으며, 공시체 내부에 공기 포집이나 국부적인 공극 집중이 발생하지 않도록 하였다.
공시체는 성형 후 항온항습 조건(온도 20±2℃, 상대습도 40±5 %)에서 48시간 동안 초기 양생을 실시한 뒤 탈형하였다. 이후 공시체는 각 성능 평가 목적에 따른 재령까지 수침 양생을 실시하였다. 모든 공시체는 동일한 양생 조건을 적용하여 배합 조건에 따른 성능 차이가 양생 환경에 의해 영향을 받지 않도록 하였다.
2.4 성능 평가 방법
2.4.1 투수 성능 평가
투수 성능 평가는 투수성 그라우트의 공극 구조 형성에 따른 배수 기능을 정량적으로 검증하기 위해 수행되었다. 투수 성능 평가는 공극률 측정과 투수시험을 통해 이루어졌다.
공극률은 공시체 단면을 이용한 이미지 분석 기법으로 산정하였다. 각 공시체는 중앙부를 절단하여 단면 이미지를 촬영한 후, ImageJ 프로그램을 활용하여 이진화 처리하였다. 이 과정에서 공극 영역과 채움 영역을 구분하였으며, 전체 단면적 대비 공극 면적의 비율을 공극률로 정의하였다.
투수시험은 자연사면 토층의 투수계수 범위를 기준으로 수행하였으며, 보강재 주입 이후에도 지반의 배수 흐름을 저해하지 않는 투수 성능 확보 여부를 검토하는 데 목적을 두었다. 따라서 정수위 조건을 모사한 자체 시험 장치를 이용하여 측정하였다(Fig. 4). 시험은 공시체 상·하부에 일정한 수두차를 유지한 상태에서 수행되었으며, 단위 시간당 유출 유량을 측정하여 투수계수를 산정하였다.
2.4.2 역학적 성능 평가
역학적 성능 평가는 투수성 그라우트가 사면 보강 재료로 적용될 경우 요구되는 초기 구조적 안정성 확보 여부를 검증하기 위해 수행되었다. 역학적 성능 평가는 일축압축강도 시험을 통해 이루어졌으며, 시험 재령은 7일로 설정하였다. 시험 방법은 ASTM C476을 준용하였으며, 각 배합 조건별로 동일한 재령에서 압축강도를 측정하여 기포 및 다공질 골재 첨가에 따른 강도 발현 특성을 비교할 수 있도록 하였다.
2.4.3 시공 성능 평가
시공 성능 평가는 투수성 그라우트의 주입성을 검증하기 위해 유동성 시험을 통해 수행되었다. 유동성 평가는 KS F 2476에 따른 플로 시험으로 실시하였다.
플로 시험에는 하부 내경 80 mm, 상부 내경 70 mm, 높이 40 mm의 원추 절단형 플로 콘을 사용하였다. 시료는 플로 콘에 충전한 후 상면을 평탄하게 정리하고, 콘을 수직으로 들어 올려 시료가 자연 확산되도록 하였다(Fig. 5). 기포를 포함하는 배합의 특성을 고려하여 별도의 다짐 과정은 적용하지 않았다. 확산된 시료의 직경은 서로 직교하는 두 방향에서 측정하여 평균값을 산정하였으며, 이를 통해 배합 조건에 따른 유동성 및 확산 형상의 균일성을 평가하였다.
3. 결과 및 고찰
본 장에서는 예비 배합 시험(Part A)과 본 배합 시험(Part B)에서 적용된 배합 변수 및 설계 인자를 바탕으로 투수성 그라우트의 성능 평가 결과를 제시한다. 각 실험 단계에서 적용된 주요 배합 변수와 그 범위는 Table 3에 정리하였다. 성능 평가 결과는 투수 성능, 역학적 성능 및 시공 성능의 항목별로 평가하였다.
Table 4.
Experimental variables and applied ranges for Part A and Part B
3.1 투수 성능 평가 결과
3.1.1 공극률 측정 결과
Fig. 6은 기포와 다공질 골재를 모두 적용하지 않은 그라우트 배합, Fig. 7은 기포 단독 배합, Fig. 8은 다공질 골재(Perlite) 단독 배합, Fig. 9는 기포와 다공질 골재를 병용한 배합의 단면 이미지 및 이진화 결과이다.
기포와 다공질 골재를 모두 적용하지 않은 기준 배합(Fig. 6)에서는 단면 이미지 상에서 공극이 거의 관찰되지 않았으며, 공극률은 0 %에 수렴하는 값을 나타냈다. 이는 시멘트 페이스트가 내부 간극을 대부분 충전하여 치밀한 조직을 형성한 결과로 판단되며, 일반적인 시멘트계 그라우트의 불투수성 거동과 일치한다.
기포를 단독으로 적용한 배합(Fig. 7)의 경우, 기포 첨가량 증가에 따라 공극의 수와 크기가 동시에 증가하는 양상이 관찰되었다. Fig. 8에 나타난 바와 같이, 기포 첨가량이 3–5 % 범위일 때 공극률은 약 20–40 % 수준으로 증가하였으며, 6–7 % 수준에서는 약 40–50 %까지 상승하는 경향을 보였다. 기포 첨가량이 상대적으로 낮은 배합에서는 주로 독립적인 미세 공극이 형성되었으며, 첨가량이 증가함에 따라 공극의 크기와 분포 밀도가 함께 증가하는 양상이 관찰되었다.
다공질 골재를 단독으로 적용한 배합(Fig. 9)에서도 일정 수준의 공극이 관찰되었다. 다공질 골재 함량 증가에 따라 공극률은 점진적으로 증가하는 경향을 보였으며, 대체로 약 10–40 % 범위의 증가 양상이 확인되었다(Fig. 11).
또한, 공간적으로 균질하게 분산되기보다는 골재 입자의 위치에 따라 국부적으로 집중되는 경향을 보였다. 이는 Perlite의 다공성 입자 구조와 입자 간 접촉 배열 특성이 단면 공극 분포에 직접적인 영향을 미친 결과로 해석된다. 다만, 이러한 공극은 주로 입자 내부 또는 주변에 국한되어 형성되므로 공극 간 연속성은 상대적으로 낮은 것으로 판단된다.
기포 5 %를 고정하고 다공질 골재를 병용한 배합(Fig. 10)의 경우, 동일한 다공질 골재 적용 조건에서도 단독 적용 대비 더 높은 공극률이 산정되었다.
특히 다공질 골재 10–30 % 범위에서 공극률은 약 40 % 이상으로 증가하는 경향을 보였으며(Fig. 11), 이는 기포에 의해 형성된 구형 공극과 Perlite의 다공성 구조가 복합적으로 작용한 결과로 해석된다.
병용 배합에서는 기포 공극 사이에 다공질 골재 입자가 배치되면서 공극 간 간격이 감소하고, 이진화 분석상 공극 영역이 확대되는 양상이 확인되었다. 이는 공극 구조가 보다 복합적으로 발달함을 의미하며, 공극 간 연결성 또한 단독 배합에 비해 개선된 것으로 판단된다.
다만, 본 연구에서의 공극률은 단면 이미지 기반 분석 결과로 산정된 값으로, 기포에 의해 형성된 공극과 다공질 골재의 구조적 특성이 복합적으로 반영된 지표로 해석할 필요가 있다.
이에 따라 공극률 측정 결과는 공극 구조 변화의 상대적 경향을 비교하는 지표로 활용하였다.
3.1.2 투수시험 결과
투수 성능 평가는 보강재 주입 이후에도 기존 지반의 배수 흐름을 저해하지 않으면서, 동시에 그라우트 내부에 과도한 유속 집중을 유발하지 않는 성능 확보 여부를 기준으로 검토하였다. 이를 위해 자연사면 토층의 투수계수 범위를 비교 기준으로 적용하였으며, 기존 실측 자료에 따르면 화강암 및 편마암 풍화토로 구성된 자연사면 토층의 투수계수는 통상적으로 10-3-10-1 mm/s 범위에 분포하는 것으로 보고되고 있다(Jeon et al., 2010). 이 범위는 강우 시 침투수가 지반 내에서 비교적 원활하게 배출되면서도, 토립자 유실이나 국부 세굴이 발생하지 않는 수준으로 평가된다.
투수시험 결과, 기포를 첨가하지 않은 배합에서는 투수계수가 측정되지 않거나 매우 낮은 수준으로 나타나 불투수성 거동을 보였다. 기포를 적용하지 않고 다공질 골재만을 적용한 배합의 경우에도 투수계수는 0으로 측정되었으며, 이는 공극률이 낮고 공극 간 연속성이 충분히 확보되지 않았기 때문으로 판단된다.
기포를 첨가한 배합에서는 투수계수가 유의미하게 증가하는 양상을 보였다. 기포 첨가량 7 % 조건에서 투수계수는 약 0.04 mm/s 수준으로 측정되었으며, 이는 기포 도입을 통해 공극 간 연결성이 일부 확보되었음을 시사한다. 또한 동일한 기포 첨가 조건에서 다공질 골재를 병용한 경우에는 투수계수가 약 0.15 mm/s까지 증가하여, 기포 단독 배합 대비 현저히 높은 투수 성능을 나타냈다.
이러한 결과를 앞서 제시한 자연사면 토층의 투수계수 범위와 비교할 때, 기포 첨가량 2–7 % 범위의 배합과 다공질 골재를 병용한 일부 배합(Perlite 20 % + Foam 1-3 %)에서 측정된 투수계수는 자연사면 토층의 투수계수 범위에 포함되는 수준으로 나타났다. 이러한 결과는 본 배합 범위가 사면 보강 시 배수 기능과 수리적 안정성을 동시에 고려한 투수 성능을 확보할 수 있음을 보여준다.
3.2 역학적 성능 평가 결과
투수성 그라우트의 구조적 안정성을 평가하기 위하여 각 배합 조건별 일축압축강도를 측정하였다. 압축강도 평가는 ASTM C476에서 제시하는 그라우트 압축강도 기준을 참고하여 수행하였으며, 해당 규격에서는 재령 28일 기준 최소 압축강도를 2,000 psi(약 13.79 MPa)로 규정하고 있다. 본 연구에서는 그라우트의 초기 강도 발현 특성을 고려하여, 초기 재령에서의 강도 수준을 중심으로 결과를 해석하였다.
기존 연구에 따르면, 시멘트계 그라우트의 재령 7일 압축강도는 재령 28일 압축강도의 약 80 % 수준까지 발현되는 것으로 보고되고 있다(Appa Rao & Manikandan, 2017). 이를 바탕으로, 본 연구에서는 ASTM C476에서 제시하는 28일 강도 기준을 재령 7일 강도로 환산하여 적용하였으며, 이에 따라 등가 재령 7일 요구 압축강도를 약 11.0 MPa로 설정하였다. 이후 각 배합 조건별 압축강도 결과는 해당 기준을 중심으로 비교·검토하였다.
기포를 첨가하지 않은 배합에서는 비교적 높은 압축강도를 나타내어 일반적인 시멘트계 그라우트의 강도 수준을 나타냈다. 반면, 기포 첨가량이 증가함에 따라 압축강도는 전반적으로 감소하는 경향을 나타냈다(Fig. 13).
기포 단독 첨가 배합의 경우, 첨가량 증가에 따라 공극률이 증가하면서 하중 저항 면적이 감소하여 압축강도 저하가 뚜렷하게 나타났다. 특히 기포 첨가량이 일정 수준을 초과할 경우 강도 감소 폭이 크게 증가하는 경향을 보였으며, 이는 공극 구조의 발달로 인해 구조적 연속성이 약화된 결과로 해석된다.
다공질 골재를 단독으로 적용한 배합에서는 골재 함량 증가에 따라 압축강도가 점진적으로 감소하였으나, 기포를 병용한 배합에 비해 상대적으로 완만한 감소 경향을 나타냈다(Fig. 14). 이는 다공질 골재가 내부 다공 구조를 포함하고 있음에도 불구하고, 기포에 비해 연속적인 하중 전달 경로를 일정 부분 유지하기 때문으로 판단된다.
배합별 강도 발현 특성을 종합적으로 검토한 결과, 등가 재령 7일 압축강도 11.0 MPa를 기준으로 기포 첨가량 3–5 % 범위와 다공질 골재 함량 10 % 이하의 배합에서 초기 구조적 안정성이 확보되는 것으로 확인되었다.
3.3 시공 성능 평가 결과
투수성 그라우트의 시공 성능은 유동성 시험을 통해 평가하였다. 기포를 첨가하지 않은 배합에서는 상대적으로 낮은 유동성을 보였으며, 플로 확산 직경이 서로 직교하는 두 방향에서 큰 편차를 나타내어 타원 형태의 확산 거동이 관찰되었다.
기포를 첨가한 배합에서는 첨가량 증가에 따라 유동성이 점진적으로 향상되는 경향을 보였다. 특히 기포 첨가량이 증가함에 따라 플로 확산 직경이 증가하였으며(Fig. 15), 직교하는 두 방향에서 측정된 확산 직경의 편차가 감소하여 확산 형상이 원형에 가까운 형태로 나타났다. 이는 기포의 계면활성 효과와 유효 수화수 증가로 인해 페이스트 내부 마찰이 감소한 결과로 판단되며, 그라우트 주입 시 국부적인 유동 집중 없이 보다 안정적이고 균일한 확산 거동을 유도할 수 있을 것으로 사료된다.
기포 첨가량이 일정 범위에 해당하는 배합에서는 유동성 향상과 함께 확산 형상의 대칭성이 뚜렷하게 개선되어, 주입 과정에서의 재료 분리나 국부적 막힘 가능성이 감소할 것으로 예상된다. 반면, 과도한 기포 첨가는 유동성 측면에서는 유리하나, 앞서 확인된 역학적 성능 저하를 함께 고려할 필요가 있다.
3.4 투수성-강도-시공성 균형에 따른 배합 특성 종합
앞선 3.1, 3.2, 3.3절의 성능 평가 결과를 종합하면, 투수성 그라우트의 성능은 공극 구조 형성 정도에 따라 상호 연계적으로 변화하며, 투수성, 역학적 성능 및 시공성 간에는 상충 관계가 존재하는 것을 확인하였다.
투수 성능 측면에서는 기포 첨가량 증가에 따라 공극률과 투수계수가 유의하게 증가하였다. 특히 기포 3–5 % 범위의 배합에서는 자연사면 토층의 대표적인 투수계수 범위(10-3-10-1 mm/s)에 해당하는 배수 성능을 확보할 수 있어, 보강재 주입 이후에도 기존 지반의 배수 흐름을 저해하지 않는 수준으로 평가되었다.
역학적 성능 측면에서는 기포 및 다공질 골재의 첨가량 증가에 따라 압축강도가 전반적으로 감소하는 경향을 보였다. 등가 재령 7일 압축강도 기준(11.0 MPa)을 적용한 결과, 기포 첨가량 3–5 % 및 다공질 골재 함량 10 % 이하의 배합에서는 사면 보강 재료로서 요구되는 초기 구조적 안정성이 확보되는 것으로 확인되었다.
시공 성능 측면에서는 기포 첨가에 따라 유동성이 향상되었으며, 플로 확산 직경 증가와 함께 확산 형상의 대칭성이 개선되는 경향을 나타냈다. 특히 기포 3–5 % 범위의 배합에서는 주입 과정에서의 국부적 유동 집중이나 재료 분리 가능성이 감소할 것으로 판단된다.
이상의 결과를 종합하면, 투수성, 구조적 안정성 및 시공성을 동시에 만족시키기 위해서는 공극 구조를 과도하게 발달시키기보다는, 연속적인 배수 경로를 형성하면서도 하중 전달 구조를 유지할 수 있는 배합 범위 설정이 중요하다.
본 연구에서는 투수성 확보를 위해 기포 3–5 %를 단독으로 적용한 배합과 다공질 골재 10 % 이하를 단독으로 적용한 배합이 각각 설정된 목표 투수 성능과 역학적 성능을 만족하면서, 투수성, 역학적 성능 및 시공성 간의 균형이 우수한 배합 범위로 도출되었다. 이는 적용 조건에 따라 선택적으로 활용 가능한 사면 보강용 투수성 그라우트의 합리적인 배합 영역을 제시하는 결과(Table 5)로 판단된다.
4. 결 론
본 연구에서는 강우 시 침투수 정체로 인한 간극수압 상승 문제에 효과적으로 대응하기 위하여, 공극 구조 제어를 통해 배수 기능을 부여한 사면 보강용 투수성 그라우트를 제시하고 그 성능을 실험적으로 검증하였다. 기존 시멘트계 그라우트가 주로 강도 확보에 초점을 두어 배수 기능이 제한적이었던 한계를 보완하고자, 기포와 다공질 골재를 활용한 배합 설계를 통해 투수성, 구조적 안정성 및 시공성의 균형을 확보하는 것을 연구의 주요 목표로 설정하였다.
실험 결과, 기포와 다공질 골재의 적용은 그라우트 내부 공극 구조를 효과적으로 제어하여 연속적인 배수 경로 형성을 가능하게 하였다. 반면, 공극 구조의 발달은 압축강도 저하를 동반하는 특성을 나타내어, 투수성과 구조적 안정성 간의 상충 관계가 확인되었다. 이러한 결과는 사면 보강용 그라우트의 설계 시 단일 성능 지표가 아닌 복합 성능을 종합적으로 고려한 배합 최적화가 필수적임을 시사한다.
또한 기포 첨가에 따른 유동성 개선 효과는 주입 과정에서의 균질한 확산 거동을 유도하여 시공 품질 확보 측면에서 유리한 특성을 나타냈다. 이는 투수성 그라우트가 단순한 배수 재료가 아닌, 실제 현장 적용을 고려한 보강 재료로 활용 가능함을 보여주는 결과로 판단된다.
따라서 기포 3–5 %를 단독으로 적용한 배합에서는 자연사면 토층과 유사한 수준의 투수 성능을 확보함과 동시에, 사면 보강 재료로서 요구되는 목표 압축강도를 만족하는 것으로 나타났다. 또한 다공질 골재 10 % 이하를 단독으로 적용한 배합에서도 설정된 투수 성능을 충족하며, 적용 조건에 따라 실용적인 시공 성능과 구조적 안정성을 확보할 수 있는 가능성이 확인되었다. 이에 따라 본 연구에서는 기포 3–5 % 적용 배합과 다공질 골재 10 % 이하 적용 배합을 사면 보강용 투수성 그라우트의 두 가지 최종 배합안으로 제시한다.
한편, 투수 성능이 구조적 강도보다 우선적으로 요구되는 적용 조건에서는, 본 연구에서 제시한 최종 배합안 외에도 기포와 다공질 골재를 병용한 배합의 활용 가능성을 검토할 수 있을 것으로 판단된다. 병용 배합의 경우 공극 간 연속성이 더욱 강화되어 투수 성능이 추가적으로 향상되는 경향을 보였으며, 배수 기능이 핵심적으로 요구되는 보조 배수층, 배면 배수 영역 또는 국부적인 수리적 완화 목적의 적용에서는 실용적인 대안이 될 수 있다. 다만 이러한 경우에도 적용 목적과 요구 강도를 고려한 합리적인 배합 설계가 병행되어야 할 것으로 판단된다.
종합적으로, 본 연구는 기포와 다공질 골재를 활용한 공극 구조 제어 개념을 통해 투수성–강도–시공성의 균형을 갖는 사면 보강용 투수성 그라우트의 적용 가능성을 실험적으로 제시하였다는 점에서 의의를 가진다. 제안된 투수성 그라우트는 강우 시 침투수 배출을 촉진함으로써 간극수압 상승을 완화하고, 동시에 초기 구조적 안정성을 유지할 수 있는 기능성 보강 재료로서 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
다만 본 연구는 실내 실험을 기반으로 수행된 기초 연구로서, 향후 연구에서는 장기 내구성 평가, 반복 강우 조건을 고려한 거동 분석, 실대형 모형 실험 및 수치해석을 통한 검증이 추가적으로 필요할 것으로 판단된다. 이를 통해 본 연구에서 제안한 투수성 그라우트의 현장 적용성 및 실질적인 사면 안정성 향상 효과를 보다 정량적으로 규명할 수 있을 것이다.
