1. 서 론
2. 전도성 그라우트 주입시험 개요
2.1 시험개요
2.2 주입시험재료
2.3 주입시험장비
3. 주입시험방법
3.1 주입시험 배합비
3.2 토조 조성
3.3 시험방법
4. 시험결과 및 분석
4.1 자갈 주입
4.2 규사 1호사 주입
4.3 규사 2호사 주입
4.4 규사 3호사 주입
4.5 규사 4호사 주입
5. 결 론
1. 서 론
그라우팅 공법은 연약지반의 차수 및 보강을 목적으로 시공되며, 구체적으로는 진동과 지하수위 저하로 인해 기울어진 피해건물의 원상복구와 지지력 증대를 위한 기초보강, 진동 또는 지진에 대비한 방진 및 내진설계, 폐기물 매립장의 특수지반보강 등 다양한 현장 조건에서 적용한다. 그라우팅 공법은 지반 내에 시멘트 혹은 다양한 약재 등을 압력으로 주입하여 토립자 간의 접착력을 증가시키고 시공주변의 지반을 압밀시켜 토립자의 공극율 감소와 지지력 증대효과를 얻을 수 있다. 그라우트가 지반 내에 주입될 때, 지반을 구성하는 지반의 형태, 토립자의 크기, 공극율 및 지하수의 유무에 따라 그라우트의 침투 및 확산하는 형태가 다양하게 나타나고 있으나, 그라우팅 설계 시에는 이러한 요인을 적용하기 어려운 실정이다.
대표적인 지반보강 공급으로는 그라우팅 공법이 있으며, 그라우팅 공법은 시멘트 혹은 다양한 약재 등을 지반 내에 주입하여 지반의 차수 혹은 보강 등 다양한 목적으로 사용하고 있다. 일반적으로 그라우팅 공법의 시공 후 품질관리는 주입재의 총량과 실제 그라우팅 시공 시 사용한 주입재의 양을 비교하여 효과를 판정하였으며, 혹은 그라우팅 공법을 적용한 지반에 보링 후 시료의 일축압축강도 평가, 혹은 현장 투수시험을 통하여 지반 보강여부를 판단(Choi et al., 2020)하였다. 그라우트 주입 시 모든 보강지역에 목표 보강효과를 이루었다고 판단하기는 어려우며 그라우팅 시공 전후로 품질관리가 가능한 새로운 방법이 개발되어야 한다. 국내에서는 그라우팅 공법의 새로운 품질평가 방법 개발을 위해 다양한 연구들이 이루어져 있다. Jeon(2021)은 시멘트 그라우트와 흑연을 혼합하여 규사 입자크기 및 흑연 배합비에 따른 전기비저항 측정시험을 수행하였으며, 전도성 물질인 흑연 배합비 증가에 따라 전기비저항이 증가하는 연구결과를 발표하였다. 또한, 선행연구로 Choi et al.(2020)는 전도성 재료로 기계적 성능 및 내구성 측면에서 이점을 주는 탄소섬유(Cao & Chung, 2001; Chen & Liu, 2003; Peyvandi et al., 2013; Shu et al., 2015; Graham et al., 2013)와 시멘트 그라우트와 배합하여 탄소섬유 배합비 증가에 따른 일축압축강도 증가를 확인하였으며, 그라우트 재료와 전도성 재료를 혼합하였을 때 강도저하가 발생하지 않는 연구결과를 발표하였다. 그리고 Choi et al.(2021)는 추가적으로 시멘트 그라우트와 탄소섬유의 배합을 통해 공시체를 제작하여 탄성파 및 전단파 특성평가를 수행하였으며, 탄소섬유 배합비 증가에 따라 재료의 강성은 증가하는 경향을 확인하였다.
따라서 본 연구에서는 앞서 수행한 선행 연구에 이어, 전도성 재료를 함유한 그라우트를 지반 내로 주입하는데 있어서 전도성 재료 첨가에 따른 그라우트의 침투성능이 어떻게 변화되는지를 파악하고, 실제 건설현장에 전도성 재료를 적용하기 위한 개선점을 제안하고자 하였다. 주입시험에서는 전도성 재료를 혼합수의 0%, 3% 및 5%를 그라우트에 첨가하고, 원지반 조건을 자갈과 규사로 구성된 다양한 지반으로 조성하였다. 전도성 그라우트는 전용주입장치를 사용하여 모형지반 내로 압력에 의해 주입되면서 주입시간(t), 압력(p), 유속(v) 및 주입량(q)를 계측하고, 모형지반 내 주입된 경화체를 채취하여 침투성능을 평가하였다.
2. 전도성 그라우트 주입시험 개요
2.1 시험개요
본 연구에서 수행한 그라우트 주입시험에서는 다양한 입자크기의 토사로 이루어진 토조에 강제적으로 주입 후 주입량, 주입압력, 주입시간, 경화체 형태 등 주입특성에 대해 분석하였다. 주입시험은 탄소섬유 배합비에 따른 다양한 배합조건을 입자크기가 다른 토조 내에 주입하였으며, 주입 후 3일간 존치하여 경화체를 채취하였다. 채취한 그라우트 경화체는 단면을 확인하여 토립자 공극에 따라 어떠한 방식으로 침투되었는지 분석하였다.
2.2 주입시험재료
주입시험에서 사용한 재료는 주입재료를 사용한 전도성 그라우트 밀크와 토조에 사용한 토사로 나눌 수 있다. 전도성 그라우트 밀크를 배합하기 위해 사용한 재료는 탄소섬유, 그리고 고분자계 급결제를 사용하였다. 그라우트 주입의 성능을 향상시키기 위해 그라우트 재료로는 S사의 마이크로시멘트를 사용하였다. 마이크로시멘트 물리적 특성은 Table 1과 같다.
Table 1.
Physical characteristics of micro cement (Choi et al., 2020)
| Specific gravity |
Fineness (cm2/g) |
Flow (%) | Setting time |
Compressive strength (MPa/days) | |||
|
Initial (min) |
Final (hr:min) | 3 | 7 | 28 | |||
| 2.96 | 6,800 | 109.3 | 240 | 5:30 | 36 | 52 | 68 |
그리고 본 연구에서 사용한 전도성 재료는 E사의 가공된 분말형 탄소섬유(Carbon fiber)를 사용하였다. 탄소섬유의 물리적 특성은 Table 2와 같다.
Table 2.
Physical characteristics of carbon fiber (Choi et al., 2020)
|
Tensile strength (MPa) |
Tensile modulus (GPa) |
Strain (%) |
Density (g/cm3) |
Yield tex (g/1000m) |
| 4,900 | 240 | 2.0 | 1.79 | 800 |
또한, 지반 내 주입특성을 연구하기 위해 1.5 shot rod 방법으로 적용하였으며, 그라우트 경화체의 특성분석을 용이하게 파악하기 위해 본 연구에서는 고분자계 급결제를 사용하였다. 급결제는 아크릴고분자 및 광물계급결제로 구성되어 있으며, 주입시험에서 사용한 급결제의 화학적 특성은 Table 3, Table 4와 같다.
Table 3.
Chemical properties of acrylic polymer (Heo & Park, 2020)
| Item |
Viscosity (cps) |
Density (g/cm3) | pH | Colour |
| Acrylic polymer | 5.61 | 1.055 | 2.8 | Milky white |
Table 4.
Chemical properties of Fast Hardening Materials (Kang et al., 2002)
| Item | Density (g/cm3) |
| Fast Hardening Material (FHM) | 2.8 |
| SiO2 | 6.8 |
| Al2O3 | 24.6 |
| Fe2O3 | 1.9 |
| CaO | 42.6 |
| MgO | 1.5 |
| SO3 | 20.5 |
| LOI | 0.4 |
| Total | 98.3 |
주입시험에서 조성한 토조에 사용된 골재는 자갈과 규사를 사용하였으며, 규사는 K사의 입자크기가 각각 다른 규사 1~4호사(K-1~4)를 사용하였다. 토조 조성을 위해 사용한 골재는 Fig. 1과 같으며, 특성은 Table 5와 같다.
Table 5.
Characteristics of gravel and silica sand
| Item | Gravel | K-1 | K-2 | K-3 | K-4 |
| Particle size (mm) | 5~25 | 4~8 | 2~5 | 1~2 | 0.8~1.8 |
| Density (g/cm3) | 2.65 | 2.62 | 2.62 | 2.62 | 2.62 |
2.3 주입시험장비
본 연구에서 사용한 주입시험 장비는 믹서장치와 제어장치 및 컴퓨터로 구성되어 있다. 믹서장치는 약재믹서 2기 및 펌프 2기, 압력계 2기로 구성되어 있고, 시험 중 그라우트 밀크의 침전을 방지하기 위해 교반기가 설치되어 있다. 펌프의 유속은 컴퓨터로 제어가 가능하며 설정된 유속으로 약액을 토출시키며 주입시험 종료 조건을 만족할 경우 자동으로 시험이 종료된다. 제어장치는 믹서장치의 운전조건을 설정하고 수동으로 작동시킬 수 있도록 한다. 컴퓨터는 주입장치 제어 및 운전을 위한 전용프로그램이 설치되어 있어 운전방식을 자동화시키며 주입조건을 설정하며, 주입과정을 그래프와 수치로 파악할 수 있다. 본 연구에서 사용한 장비는 Fig. 2와 같으며, 규격은 Table 6과 같다.
Table 6.
Specification of grout injection test equipment
3. 주입시험방법
3.1 주입시험 배합비
본 연구에서는 탄소섬유 함유량에 따른 주입특성을 분석하기 위해 배합 시 사용한 물 무게에 대해 0%, 3%, 5%의 탄소섬유를 그라우트 재료와 배합하였다. 또한, 지반 내 주입특성을 파악하기 위함과 그라우트 경화체의 특성분석을 용이하게 분석하기 위해 고분자계 급결제를 혼합하여 주입재를 제조하였다. 주입시험에서 사용한 배합비 조건은 Table 7과 같다.
Table 7.
Injection test mixing ratio (Choi et al., 2021)
3.2 토조 조성
주입시험용 토조는 상부 및 하부에 물과 공기를 배출하는 배수구가 있으며 이곳으로 주입 중 발생하는 압력이 소산된다. 또한, 토조의 1/3 지점에 주입관을 삽입할 수 있는 구멍을 내어 그라우트를 주입하였다. 시멘트 현탁액형 그라우트의 경우 실내시험에서 낮은 주입압력으로는 현실적으로 침투주입이 가능할 수 있는 최소크기는 규사 4호사로 판단하였다. 따라서, 토조는 자갈 및 규사 1호사, 2호사, 3호사, 4호사를 사용하여 각각의 크기별로 조성하였다. 자갈의 크기는 5∼25mm이며, 물로 세척한 후 배수 가능한 용기에 보관하여 잔류수가 모두 제거된 상태에서 토조에 무다짐으로 투입 및 제작하였고 용기의 체적과 자갈 중량을 계산하여 매 시험에서 단위용적중량이 일정하도록 하였다. 규사는 1호사, 2호사, 3호사 및 4호사로 사용하였고, 각 규사는 물을 살포한 후 배수 가능 용기에 보관하여 잔류수가 모두 제거된 상태에서 자갈과 동일한 방법으로 각 호사의 단위용적중량이 일정하도록 토조를 조성하였으며 Table 8과 같다. 사용한 토조는 Fig. 3과 같으며, 규격은 Table 9와 같다.
Table 8.
Measurement of the weight of soil according to each aggregate (Choi et al., 2021)
| Standard | Aggregate weight (kg) | Unit volumetric weight (kg/L) |
| Gravel | 23.78 | 1.40 |
| K-1 | 23.31 | 1.38 |
| K-2 | 23.18 | 1.37 |
| K-3 | 23.06 | 1.36 |
Table 9.
Classification characteristics of test sand (Choi et al., 2021)
| Item | Contents | Note |
| Inner diameter | ⵁ 210 mm | Transparent acrylic tube |
| Inner height | 490 mm | - |
| Nozzle diameter | ⵁ 10 mm | 150 mm above installation from the bottom |
| Volume | 16.96 L | - |
3.3 시험방법
본 연구에서 수행한 주입시험의 주입방식은 시멘트혼합액(Milk-A)와 급결약재(Milk-B)가 주입장치와 펌프에 의해 일정한 양이 토조 내로 주입되도록 프로그래밍하였다. 주입시험의 절차는 Fig. 4와 같으며 그라우트 주입시험 조건은 Table 10과 같으며 주입시험은 준비된 약재가 모두 주입되거나 설정된 최대압력(1.7 bar)에 도달하면 종료하였다.
Table 10.
Injection test conditions
상기의 시험방법에 따라 토조 조성 및 주입이 종료된 후 경화체 확인을 위해 3일간 존치하여 경화체를 채취하였다. 채취한 그라우트 경화체는 육안으로 단면을 확인하여 입자크기에 따라 어떠한 방식으로 침투되었는지 분석하였다.
4. 시험결과 및 분석
탄소섬유 배합비에 따른 주입성능을 평가하기 위해 다양한 입자크기 별로 이루어진 토조에 전도성 그라우트 주입시험을 수행하였다. 탄소섬유는 사용한 총 물 중량의 0%, 3%, 5%를 배합하였다. 그라우트 주입시험에서 대상 토조 내에 얼마나 많은 양이 주입되어야 하는지에 대한 규정은 없으며, 주입량에 영향을 주는 조건으로는 많은 인자가 될 수 있으나 가장 중요한 인자로는 주입압력, 주입재의 입자크기 및 점도 등을 들 수 있다. 따라서, 본 시험에서는 그라우팅 현장시공조건을 고려한 확산범위를 추측하여 주입성능을 평가하였다. 그라우팅 시공을 위해 지반을 외경 75mm로 천공할 경우 차수그라우트의 CTC(Center to Center)를 400mm로 설계할 시 침투거리는 500mm가 된다. 이때 천공경을 기준으로 한 그라우트의 침투율 6.67배가 된다. 본 시험에서 주입노즐의 외경이 10mm로써 상기 침투율을 고려한 그라우트의 침투범위는 66.7mm이고, 이 범위 이상이 주입될 경우 주입이 양호한 것으로 판단하였다. 주입압력은 그라우팅 주입장비에서 안정적으로 주입이 가능한 최대압력으로 설정하고, 토조 내로 그라우트를 주입하면서 그라우트의 주입특성과 경화체의 특성을 검토하였다.
4.1 자갈 주입
자갈을 사용하여 조성한 토조 내에 전도성 그라우트 주입시험을 수행한 결과는 Table 11 및 Fig. 5와 같다. 탄소섬유가 혼합되지 않은 조건에서는 그라우트가 모두 주입되어 시험이 종료되었으며, 탄소섬유를 혼합한 3%, 5%에서의 조건에서는 최대압력에 도달하여 시험이 종료되었다. 탄소섬유를 3% 혼합한 조건과 탄소섬유를 혼합하지 않은 0%의 조건과 비교하였을 때 주입량이 약 38%가 감소하였으며, 5%의 조건과 3%의 조건을 비교하였을 때 약 16%의 주입량의 감소를 확인하였다. 또한, 경화체를 확인한 결과 0% 조건에서의 최대 침투거리는 약 210mm로 나타났으며 3%, 5% 조건에서는 각각 150mm, 130mm로 측정되어 모든 조건이 침투거리 66.7mm를 만족하였기 때문에 전도성 그라우트 주입이 양호한 것으로 판단된다.
Table 11.
Gravel injection test results
4.2 규사 1호사 주입
규사 1호사를 사용하여 조성한 토조 내에 전도성 그라우트 주입시험을 수행한 결과는 Table 12 및 Fig. 6과 같다. 자갈과 유사하게 탄소섬유가 혼합되지 않은 조건에서는 그라우트가 모두 주입되어 시험이 종료되었으며, 탄소섬유를 혼합한 3%, 5%에서의 조건에서는 최대압력에 도달하여 시험이 종료되었다. 탄소섬유를 3% 혼합한 조건과 탄소섬유를 혼합하지 않은 0%의 조건과 비교하였을 때 주입량이 약 52%가 감소하였으며, 5%의 조건과 3%의 조건을 비교하였을 때 약 11%의 주입량의 감소를 확인하였다. 또한, 경화체를 확인한 결과 0% 조건에서의 최대 침투거리는 약 190mm로 나타났으며 3%, 5% 조건에서는 각각 170mm, 160mm로 측정되어 전도성 그라우트 주입이 양호한 것으로 판단된다.
Table 12.
Silica sand No. 1 injection test results
4.3 규사 2호사 주입
규사 2호사를 사용하여 조성한 토조 내에 전도성 그라우트 주입시험을 수행한 결과는 Table 13 및 Fig. 7과 같다. 모든 조건에서 주입시험 중 최대압력에 도달하여 시험이 종료되었다. 탄소섬유를 배합하지 않은 조건에서 규사 1호사 주입과 주입량을 비교한 결과 약 50%의 주입율을 나타내어 주입율이 저하되는 것을 확인하였다. 탄소섬유를 3% 혼합한 조건과 탄소섬유를 혼합하지 않은 0%의 조건과 비교하였을 때 주입량이 약 43.6%가 감소하였으며, 5%의 조건과 3%의 조건을 비교하였을 때 약 23.9%의 주입량의 감소를 확인하였다. 또한, 경화체를 확인한 결과 0% 조건에서의 최대 침투거리는 약 170mm로 나타났으며 3%, 5% 조건에서는 각각 150mm, 140mm로 측정되어 전도성 그라우트 주입이 양호한 것으로 판단된다.
Table 13.
Silica sand No. 2 injection test results
4.4 규사 3호사 주입
규사 3호사를 사용하여 조성한 토조 내에 전도성 그라우트 주입시험을 수행한 결과는 Table 14 및 Fig. 8과 같다. 규사 2호사와 동일하게 모든 조건에서 최대압력에 도달하여 시험이 종료되었다. 규사 1호사와 유사한 주입율을 나타내었으며, 탄소섬유를 3% 혼합한 조건과 탄소섬유를 혼합하지 않은 0%의 조건과 비교하였을 때 주입량이 약 30%가 감소하였으며, 5%의 조건과 3%의 조건을 비교하였을 때 약 46%의 주입량의 감소를 확인하였다. 또한, 경화체를 확인한 결과 0% 조건에서의 최대 침투거리는 약 160mm로 나타났으며 3%, 5% 조건에서는 각각 80mm, 60mm로 측정되었다. 탄소섬유를 5% 혼합한 조건에서는 작은 타원형으로 경화된 경화체를 확인할 수 있었으나 기준 침투범위를 만족하지 못하기 때문에 주입특성이 불량한 것을 확인하였다.
Table 14.
Silica sand No. 3 injection test results
4.5 규사 4호사 주입
규사 4호사를 사용하여 전도성 그라우트 주입시험을 수행한 결과는 Table 15 및 Fig. 9와 같다. 규사 2호사 및 3호사와 동일하게 모든 조건에서 최대압력에 도달하여 시험이 종료되었다. 탄소섬유를 3% 혼합한 조건과 탄소섬유를 혼합하지 않은 0%의 조건과 비교하였을 때 주입량이 약 35.3%가 감소하였으며, 5%의 조건과 3%의 조건을 비교하였을 때 약 31%의 주입량의 감소를 확인하였다. 또한, 경화체를 확인한 결과 0% 조건에서의 최대 침투거리는 약 80mm로 나타났으며 3%, 5% 조건에서는 각각 70mm, 70mm로 측정되었다. 모든 조건에서 기준 침투거리는 만족하지만 경화체를 확인한 결과 다른 골재들과 달리 그라우트의 침투가 원활하게 이루어지지 않고 주변 토사를 밀어내며 그라우트로만 이루어진 경화체를 형성하였다. 따라서 주입특성이 불량한 것으로 판단된다.
Table 15.
Silica sand No. 4 injection test results
종합적으로 주입시험을 통해 경화체 특성 및 침투거리를 평가하여 각 탄소섬유 배합비 및 토조 조성에 사용한 골재에 따른 주입성능을 평가하였다. Table 16과 같이 대부분 조건에서 기준 침투거리를 만족하였다. 다만, 입자크기가 가장 작은 규사 4호사로 조성된 토조에서의 기준 침투거리는 만족하였으나, 그라우트로만 이루어진 경화체를 형성하였기 때문에 침투가 불량한 것으로 판단했다.
Table 16.
Conductive grout injection test penetration performance evaluation
5. 결 론
본 연구는 다양한 입자크기로 각각 조성된 토조 내에 그라우트 재료인 마이크로시멘트와 전도성 재료인 탄소섬유를 각 0%, 3%, 5%로 혼합 및 주입하여 탄소섬유 배합비 및 토조 골재에 따른 주입특성을 분석하였다. 주입특성은 기준 침투거리와 경화체 형태를 확인하여 침투주입이 양호하게 이루어졌는지에 대해 파악하였다. 주입시험에 대한 결과를 바탕으로 다음과 같은 결론을 도출하였다.
(1) 본 연구에서 수행한 전도성 그라우트 주입시험 결과 비교적 입자크기가 큰 자갈 및 규사 1호사, 2호사의 경우 탄소섬유 배합비와 관계없이 높은 주입량을 보여주었다. 규사 3호사의 경우 그라우트의 균질한 침투주입이 이루어지지 않아 불균질한 경화체를 형성하였으며, 탄소섬유 5%를 혼합한 조건에서 기준 침투거리를 만족하지 못하는 결과를 확인하였다. 규사 4호사의 경우 모든 조건에서 기준 압력을 초과하여 시험이 종료되었으며 침투성능 평가 결과, 기준 침투범위는 만족하였으나 경화체 형태 확인 시 침투주입이 아닌 주변 토사를 밀어내고 할렬주입이 이루어져 침투성능이 불량한 것으로 확인하였다.
(2) 결과를 종합하였을 때, 탄소섬유 배합비 증가에 따라 전도성 그라우트 주입율은 감소하였으며, 입자크기가 작아질수록 전도성 그라우트의 주입율은 감소하였다. 이에 따라서 주입형태에서도 침투주입에서 할렬주입이 이루어지는 결과를 확인하였다. 전도성 재료를 함유한 그라우트는 지반 내 침투가 비교적 양호하여 그라우트의 침투범위 측정을 위한 첨가제로 사용하는 것이 가능하다고 판단되며, 다만, 전도성 재료의 사용량 증가는 그라우트의 침투력를 저하시킬 수 있기 때문에 점도를 낮추기 위한 첨가제의 사용이 필요할 수 있을 것으로 판단된다.
본 연구는 전도성 그라우트 재료를 사용하여 실제 현장에서 주입재료로 사용하는 것에 대한 기초연구로 전도성 재료인 탄소섬유와 그라우트 재료인 마이크로시멘트를 혼합 및 주입하여 탄소섬유 배합비 및 입자크기에 따른 주입성능을 평가하였다. 향후 연구로는 더욱 다양한 조건의 모형토조 실내시험과 실제 현장에서 다양한 지반조건에 대해 전도성 그라우트 재료를 주입하여 전도성 그라우트 재료의 현장 적용성 평가가 필요하다.
