1. 서 론
2. 이론적 배경
2.1 기존의 연구 동향
2.2 유동성 채움재
3. 유동성 채움재 배합비 적합성 시험
3.1 실험 시료
3.2 일축압축강도 및 팽창시험
4. 현장 시공성 평가
4.1 핸디형 안테나 시스템
4.2 유동성 채움재 주입
4.3 핸디형 GPR 공동탐사 결과
5. 실험 결과 분석
5.1 일축압축강도
5.2 팽창성
5.3 현장 시공성 평가
6. 결 론
1. 서 론
최근 도심지 싱크홀 및 국부적으로 발생하는 소규모 공동의 발생이 빈번하여 통행 중인 차량 및 보행자의 안전을 위협하고 있다. 따라서, 최근 각 시도군의 지자체에서는 지하공동의 유무를 판단하여 이를 보수, 보완하기 위해 지표투과레이더(ground penetrating radar, GPR) 탐사 기술을 도입하여 비교적 높은 정확도로 얕은 심도의 지하공동의 유무를 판단하고 있다(Han, 2017; Han, 2018; Park et al., 2013). 활발히 진행 중인 지표투과레이더 탐사 기술 연구와 함께 발견된 공동의 복구를 위해 사용되는 유동성 채움재에 관한 연구도 활발히 진행되었다(Park, 2015; Lee, 2016; Jang, 2021).
Lee(2016)에 의하면 과거 발견된 공동의 복구를 위해 뒤채움공법으로 대부분 모래가 사용되었으나 지하수 유동에 따라 토립자가 유실되는 문제점이 발생하였으며, 현재 국내에서 수요 가능한 모래의 양이 감소하는 추세임으로 이를 대신할 수 있는 대체재로 산업부산물 등을 활용한 유동성 채움재(CLSM, controlled low strength materials)가 사용되고 있다. 따라서 석탄회, 석고, 저회, 제지회, 산업부산물 등을 활용한 유동성 채움재 연구가 수행되었으나 실제 현장에 적용할 수 있는 상용화 단계까지 다다르지 못했거나 현장 시공 경험이 부족한 경우가 대부분이다. 이와 같은 상황으로 대부분 공동 발생 현장에서는 지반의 특성, 건조수축 등의 변수를 고려하지 못하는 기성품을 일괄 적용하는 실정이다(Kim et al., 2010; Lee et al., 2018; Jang, 2021; Lee, 2016).
일반적으로 유동성 채움재는 유동성으로 인해 자기충진성, 자기수평성을 가지게 된다. 이를 위해 충분한 수량으로 배합하며, 응결경화 과정에서 다량의 수량으로 인한 건조수축이 발생하게 된다. 건조수축은 수분의 증발에 기인하며, 도로의 균열과 침하 등의 문제를 발생시킨다(Kim, 2019). 본 연구에서는 현장에서 지표투과레이더 탐사 시스템을 활용하여 확보한 공동에 배합비 산정 시험을 통해 결정된 배합비를 적용한 유동성 채움재를 주입 후 건조수축으로 인해 감소 된 부피를 보완하여 공동 채움 후 발생할 수 있는 추가 공동 발생을 예방하고자 한다. 최종적으로 본 연구에서는 유동성 채움재의 효율적인 배합비와 건조수축 시 발생하는 부피감소를 극복하기 위한 물과 유동성 채움재, 팽창제 혼합에 따른 현장 시공성을 검증하고자 한다.
2. 이론적 배경
2.1 기존의 연구 동향
최근 도심지 도로함몰 발견 이후 서울과 인천, 울산, 부산 등을 중심으로 지반함몰, 지하공동 등이 많이 발생하고 있으며, 이로 인한 실질적인 피해를 사전 예방하고자 지표투과레이더를 활용하여 주기적으로 도로 노면 및 하수관로 인근 탐사를 수행하고 있다. 더불어 지표투과레이더 탐사 시스템의 기술 개발과 함께 발견된 공동을 효율적, 안정적, 경제적, 친환경적으로 복구하기 위한 유동성 채움재에 관한 연구도 활발히 수행되고 있다(Park, 2015; Kim et al., 2010; Lee et al., 2018; Jang, 2021; Lee, 2016; Lee, 2020; Kim, 2019).
Park(2015)은 연약지반 개량을 위해 CO2포집 부산물인 탄산칼슘(CaCO3)을 주 재료로 활용하여 유동성 채움재에 관한 연구를 수행하였으며, 본 연구는 고유동성 채움재 연구를 통해 도심지 지하매설물 주변 뒤채움 불량 및 연약지반 개량을 위한 연구이다.
Kim et al.(2010)는 석탄회를 주요성분으로 하고 시멘트와 물을 첨가하여 혼합 초기에는 유동성이 높아 슬러리 상태로 주입할 수 있고, 점차 경화되어 일정 시간 경과 후에는 다짐이 필요 없는 강도까지 도달하게 되어 관거와 같이 지중 구조물 주변에 다짐이 어려운 경우에 사용할 수 있으며, 추후 재굴착이 필요한 경우 인력이나 장비로 재굴착이 가능한 저강도 고유동화재의 배합비에 따른 경화 특성을 분석하였다.
Lee et al.(2018)는 저회와 석고를 활용한 긴급복구용 유동성 채움재를 개발하기 위해 실내시험으로 일축압축강도 시험을 통하여 유동성 채움재의 초기와 장기강도를 측정하였고, 유동성을 확인할 수 있는 플로우 시험과 환경적 안정성을 평가할 수 있는 pH시험 그리고 긴급복구에 대한 적합성을 판단하기 위한 초기응결시험을 수행하였다.
Jang(2021)은 제지회를 고유동성 채움재의 재료로 활용하기 위해 방안을 모색하고자 화강풍화토, 제지회 및 친환경 고결제를 혼합한 고유동성 채움재를 대상으로 공학적 특성을 규명하고, 이를 플라이애쉬를 활용한 고유동성 채움재와 비교·분석함으로 제지회를 활용한 고유동성 채움재의 활용가능성을 평가하였다.
Lee(2016)는 산업부산물을 이용하여 지반함몰의 긴급복구 방지대책을 위해 유동성 채움재(CLSM)를 개발 및 연구하기 위해 석탄회와 석고, 시멘트를 적절 혼합비율로 배합하여 물리적 특성을 파악하여 사용 가능성을 파악하고, 재료의 특성과 배합비별 특성을 도출하기 위하여 일축압축강도시험, 플로우시험, pH시험, 응결시간측정시험 등의 실내시험과 경제성 분석을 수행하였다.
Lee(2020)는 제지회, 플라이애쉬, 시멘트, 모래를 사용한 유동성 채움재를 개발하기 위해 해마다 증가하는 폐기물 중 제지회와 플라이애쉬를 재활용하여 실내시험, 대형 토조를 활용한 평판재하시험, 수치해석을 수행하였다.
Kim(2019)은 플라이애쉬의 종류에 따른 고유동성 채움재의 공학적 특성과 적용성을 규명하고자 플라이애쉬의 종류별 특성을 분석하고, 여섯 종류의 플라이애쉬를 각각 혼합한 고유동성 채움재 시료에 대해 기초물성, 유동성, 압축강도, 초기 경화 특성을 평가하였다.
이와 같이 최근 유동성 채움재는 다양한 목적과 재료를 활용한 연구가 이루어져 왔으나 주로 지반에 발생한 공동을 복구하기 위한 목적으로 연구가 진행되고 있다. 하지만 다양한 연구가 진행되어도 그 결과가 현장에 직접 적용되거나 기성품으로 제작되어 사용되는 경우는 극히 드물며, 일반적으로 공동복구에 사용되는 유동성 채움재는 특정 기성품(Chemius 등)으로 획일화되어 사용되고 있다. 또한, 이러한 기성품은 지반여건을 고려할 수 없고, 건조수축과 압축강도 저하 등의 근본적인 문제를 해결할 수 없다. 따라서, 유동성 채움재의 근본적인 문제점을 해결하기 위한 추가적인 연구가 필요하다.
2.2 유동성 채움재
Kim(2011)에 의하면 유동성 채움재란 저강도 콘크리트를 지반공학에 적용시켜 만들어진 채움재의 일종으로 콘크리트와 토사의 중간 성질을 보이며, 국내에서는 유동성 채움재, 강도조절 채움재, 다짐조절 채움재 및 유동성 플라이애쉬 등의 이름으로 불린다.
Park(2004)에 의하면 유동성 채움재(CLSM)는 저강도 콘크리트 개념을 지반 공학에 적용하여 만들어진 것으로, 유동성 뒷채움재, 비수축 채움재(unshrinakge fill), 강도조절 채움재(controlled strength fill), 유동성 모르타르(flowable mortar), 흙-시멘트 슬러리(soil-cement slurry), K-krete 등으로 불린다. 이의 대표적인 특성은 자기수평능력(self-leveling), 자기다짐(self-compacting), 유동성(flowability), 인위적인 강도조절, 시공 후 재굴착이 용이, 시공단계를 줄여 시공비 절감이 가능하다. Kim(2019)은 고유동성 채움재는 재령 28일의 압축강도가 8.3MPa 이하의 시멘트 계통의 슬러리 재료로 잔골재(모래), 물, 시멘트, 플라이애쉬, 혼화제 등을 혼합하여 만들어진다고 정의하고 있다. 또한, Lee(2016)에 의하면 최근 환경적 이유로 산업부산물을 활용하여 시멘트의 원료나, 비료의 원료, 성토·복토용 골재, 혼화재 등으로 많이 사용하고 있으며, 현재 가장 많이 연구되고 사용되는 분야는 뒤채움재이다. 앞서 기술한 바와 같이 유동성 채움재는 다양한 명칭과 형태를 가지며, 동시에 산업부산물을 적용한 연구도 활발히 수행되고 있다. 하지만 이와 동시에 실제 유동성 채움재를 평가하기 위한 명확한 국내 시험 기준은 없으며, 일부 다양한 형태의 유동성 채움재를 활용한 건조수축 정도를 평가한 연구(Lee, 2016; Jang, 2020)는 선행되었으나 경화 시 발생하는 건조수축을 극복하기 위한 연구는 미흡한 상태이다. 또한, 부산시 공동관리기준(2022)에 의하면 공동의 규모에 따라 위험등급을 적용하게 되어 있으나 실질적으로 사용되는 유동성 채움재의 적용에 대한 명확한 기준이 없는 상태이다.
Lee(2016)에 의하면 지반침하로 인해 발생하는 도로함몰의 경우 하수관의 손상 80%, 상수관 누수 20%, 굴착 복구공사 미흡 18% 등의 원인으로 규명하고 있다. 결과적으로 지하 공동 발생의 주요 원인은 하수관 또는 상수관의 누수로 인한 것임으로 공동복구 시 적용되는 유동성 채움재의 건조수축을 보완할 수 없다면 추가적인 공동 발생으로 인한 2차 피해가 발생할 수 있다. 따라서 유동성 채움재의 명확한 종류와 규격, 건조수축의 정도 등을 기준으로 명시해 두는 것이 바람직할 것이다.
본 연구에 사용된 유동성 채움재는 부산시 공동탐사 용역에 주로 사용되는 제품으로 특수바인더 및 산업부산물을 재활용한 필러로 구성되어 초기에는 가소성 또는 높은 유동성을 가지며, 주입 후 4시간 이내에 속경성을 발휘하여 후속 시공이 가능하고, 재굴착이 가능하도록 장기강도 증진이 억제된 채움재이다(Chemius, 2022). 사용된 유동성 채움재는 일반적으로 현장에 사용되는 유동성 채움재로써 채움재와 물의 배합비율을 1:1.0으로 하는 것은 권장 사항이며, 팽창제 사용 시 검증되지 아니한 화학반응에 의한 변수를 배제하기 위해 팽창제는 따로 사용하지 않는다. Fig. 1은 Chemius(2022)에 의한 재령 일에 따른 일축압축강도 시험결과로써 재령 4시간, 7일, 28일 기준으로 유동성 채움재와 물의 배합비율을 1:0.8, 1:0.9, 1:1.0, 1:1.1로 선정하고, 팽창제를 첨가하지 않은 조건에서 일축압축강도 시험을 수행하였다. 시험결과 재령 일수와 무관하게 물의 비율이 높을수록 압축강도는 감소하는 경향을 보인다(Fig. 1).
3. 유동성 채움재 배합비 적합성 시험
3.1 실험 시료
본 연구에 사용된 유동성 채움재는 물과 유동성 채움재 배합비 1:1.0으로 적용했을 경우 재령 4시간 후 압축강도 0.15MPa 이상 확보 가능하며, 재령 28일 기준 압축강도는 0.55MPa 이하로 나타났다. 또한, 가소성의 경우 정치 시 100mm이하, 진동 시 250mm 정도이며, 수중불분리성은 탁도 50NTU 이하로 나타났다. 본 유동성 채움재는 지하매설관의 하부충전, 도로 하부의 공동 충전, 수중 구조물 공동 채움 등에 적용되고 있으며, 유동성 채움재의 물리·화학조성은 Table 1과 같다.
Table 1.
Physical and chemical composition of CLSM for this study (Chemius, 2022)
본 연구를 위해 물과 유동성 채움재를 1:0.4, 1:0.6, 1:0.8, 1:1.0, 1:1.2 배합비율로 적용하였으며, 팽창제 첨가비율은 각각 2%, 5%를 적용하였다. 또한, 재령일 기준은 3일, 7일, 15일, 28일로 각각의 배합 조건당 3개의 공시체를 제작하였다.
3.2 일축압축강도 및 팽창시험
공동복구 적용을 위해 가장 중요한 공학적 특성인 초기강도와 재굴착 여부를 판단하기 위한 장기강도를 측정하고자 KS F 2426-20에 의거하여 일축압축강도 시험을 수행하였으며, 팽창률 시험 및 검사방법은 KS F 2433-18을 적용하였다. 본 실험은 공동복구 시 교통량 재개가 가능한 지지력과 재굴착을 판단하기 위한 장기강도(28 day)는 부산광역시 공동관리기준(2021)에 의거하여 0.3~0.6MPa을 기준으로 수행하였다.
일축압축강도 및 팽창시험에 사용될 시료의 재령 일 기준은 3일, 7일, 15일, 28일이며, 유동성 채움재와 물 배합비는 1:0.4, 1:0.6, 1:0.8, 1:1.0, 1:1.2이고, 팽창제 첨가량은 2%, 5%로 각각 적용하였다. 일축압축강도 시험 횟수는 각각의 배합 조건당 3회씩 수행하였으며, 팽창시험은 배합 조건당 1회씩 수행하였다. 단, 재령 28일 기준 일축압축강도 및 팽창시험은 재령 15일 기준 시험결과를 토대로 가장 적합한 배합비를 선정 후 선정 된 배합비를 적용하여 일축압축강도 시험을 추가로 수행하였다. Fig. 2와 3은 3.1절에 앞서 설명한 바와 같이 준비된 공시체에 대하여 일축압축강도 및 팽창시험 수행 현황이다.
유동성 채움재와 물 배합비에 따른 일축압축강도 및 팽창률 시험결과 유동성 채움재와 물 배합비 1:0.8, 팽창제 5%를 혼합하였을 때 재령 15일 기준 일축압축강도 0.5MPa, 팽창률 3.3%로 가장 적합한 일축압축강도와 높은 팽창률을 나타냈다. 따라서, 채움재와 물 배합비 1:0.8, 팽창제 5%의 배합비율을 기준으로 재령 28일까지의 추가로 압축강도시험을 수행하였으며, 그 결과 일축압축강도는 0.2MPa로 나타났다.
현재 국내에서 유동성 채움재 관련 규정이 미흡하지만 유동성 채움재에 관한 선행연구 결과로써 현장시험과 실내시험을 통해 일축압축강도의 정성적 기준을 제시하고 있다. 미국 콘크리트학회(ACI Committe 229, 1994)에서는 재령 28일의 압축강도가 8.3MPa 이하로 될 수 있게 제어된 슬러리계의 되메움 재료로 정의되고 있는 유동화 처리토의 일종으로 규정하고 있다. 또한, 부산광역시 공동관리기준(2021)에서는 도로 하부에 발생한 공동에 사용되는 유동성 채움재의 일축압축강도 기준을 재령 28일 기준 0.3~0.6MPa로 규정하고 있다. 또한, Lee et al.(2018)은 초기 교통량 재개가 가능한 지지력 강도를 0.025MPa 이상, 초기강도를 0.15MPa 이상, 재굴착이 가능한 장기강도를 0.8~1.5MPa로 제시하고 있다.
건조수축을 최소화함과 동시에 효율적인 시공성 확보를 위한 유동성 채움재의 배합비 산정을 위해 일축압축강도 및 팽창시험을 수행한 결과는 Table 2와 같다. 결과적으로 Fig. 4~7과 같이 팽창제 첨가의 정도와는 별개로 물의 배합비율이 높을수록 일축압축강도는 감소하는 경향을 보였으며, 팽창제 첨가 후 일축압축강도 시험결과 재령 15일까지는 모든 조건의 시료들에 대한 일축압축강도가 증가하는 경향을 보이지만 재령일 28일의 일축압축강도는 재령 15일 대비 감소하였다.
Table 2.
Uniaxial compressive strength results according to mixing ratio of fillings
4. 현장 시공성 평가
본 연구에서는 실내시험을 통해 산정된 배합비를 적용하여 현장 공동에 직접 주입 후 핸디형 GPR 탐사 시스템을 활용하여 시공성을 평가하였다. 본 연구에 적용된 유동성 채움재와 물의 배합 비율은 1:0.8, 팽창제는 5%를 첨가하는 것으로 하고, 현장에서 즉시 배합하여 확보된 도로 하부 공동에 유동성 채움재를 주입하였다. 주입 후 재령 28일 경과 한 시점에서 핸디형 GPR 탐사 시스템을 적용하여 공동에 주입된 유동성 채움재의 시공성을 확인 및 평가하였다.
4.1 핸디형 안테나 시스템
핸디형 안테나는 단순히 측선(2차원)을 따라 탐사를 수행하는 것으로 탐사 측선 직하부에 대한 GPR 신호만을 획득할 수 있다. 이 결과는 탐사 측선 직하부에 국한된 신호로 매설물의 심도와 위치는 파악되나 매설물의 형태, 방향 등은 파악하기 어렵다. 또한, 매설물과 평행하게 탐사를 수행하면 매설물에 대한 신호가 나타나지 않아 파악되지 않을 수 있다. 그 외 연속성이 없는 잡석이나 기타 매설물 등에 의한 신호도 지하매설물로 오인하기 쉽다. 이러한 단점을 줄이기 위해서 탐사측선 간격을 조밀하게 하여 한곳에서 많은 탐사를 수행하여야만 정확한 지하매설물들의 심도, 형태, 방향 등을 파악할 수 있다.
본 연구에서는 Fig. 8과 같이 유동성 채움재의 현장 시공성 평가를 위해 사용된 핸디형 GPR 탐사 시스템은 OPERA DUO를 사용하였으며, 주파수는 250MHz와 700MHz로 2채널로 사용하였고, 최대 탐사 가능 심도는 1.5m이다. 또한, 핸디형 GPR 탐사 후 취득 프로그램은 SIR4000으로 단일채널 자료취득 시스템이며, 자료처리 프로그램은 RADAN으로 다양한 형식의 데이터를 통합·표준 포맷을 지원하는 프로그램이다.
4.2 유동성 채움재 주입
유동성 채움재의 배합비율 산정을 위한 일축압축강도 및 팽창시험 결과를 토대로 채움재와 물의 배합비율 1:0.8, 팽창제 5%를 적용하여 Fig. 9와 같이 현장에서 중량비에 따른 배합을 수행하였으며, 배합이 완료된 유동성 채움재는 호스펌프를 이용하여 공동의 내부로 주입하였다. 공동내부가 유동성 채움재로 일정량 이상 채워진 후 깔때기를 이용하여 넘치지 않도록 천천히 남은 양을 주입하였으며, 주입이 완료된 후 고무 패킹과 아스콘으로 폐공을 수행하였다.
4.3 핸디형 GPR 공동탐사 결과
본 연구에서는 선정된 배합비율을 적용하여 확보된 미복구 공동에 주입한 후 재령 28일 경과 후에 시공성을 평가하고자 한다. 핸디형 GPR 탐사 시스템을 통해 도로 하부 공동의 존재를 파악한 후 천공을 수행하여 공동의 유무 및 규모를 파악하였다. 이후 물과 배합된 유동성 채움재를 주입하여 공동을 완전히 채웠다. 선정된 배합비율은 채움재와 물이 각각 1:0.8, 팽창제 5%를 적용하였으며, 선정된 배합비를 적용한 유동성 채움재를 공동 내부로 주입하기 전에 공내 영상 촬영기를 통해 다대로 및 연수로의 공동 크기를 측정하였고, 그 결과 다대로는 공동부피가 0.276m3, 연수로는 0.292m3 측정되었으나 실제 각 공동의 유동성 채움재 주입량은 0.196m3 이었다. 주입 완료 후 재령 28일 이후에 재탐사를 수행하여 유동성 채움재의 시공성을 평가하였다. 측정된 예상 공동 크기와 실제 주입된 유동성 채움재의 차이가 발생하는 이유는 공내 영상 촬영기를 통해 공내 최대 직경과 높이는 판단이 가능하지만 공동의 정확한 형태를 파악함은 불가하다. 일반적으로 공동 내부는 비정형으로 대단히 불규칙한 형태를 나타냄으로 이로 인해 공동 규모 측정에 대한 오차가 발생하게 된다. 공내 영상 촬영을 통해 확인된 미복구 공동의 부피와 실제 유동성 채움재 주입량과 차이가 있으나 공동의 높이 및 최대 직경은 비교적 명확하며, 실제로 미복구 공동의 위험도 지수(CDI)의 평가는 보수적으로 수행됨이 바람직하다.
현장시험은 사하구 다대로 일원, 연제구 연수로 일원에서 수행되었으며, 주입 당일 기준 재령 28일 경과 후 핸디형 GPR 탐사 시스템을 활용하여 재탐사를 수행한 결과 Fig. 10과 같이 연수로의 경우 채움재 주입 전 공동의 파형 대비 상당 부분 완화되었으나, Fig. 11과 같이 다대로의 경우 채움재 주입 전 공동의 파형 대비 비교적 신호가 약해졌음에도 불구하고 약한 공동의 신호가 남아있는 상태이므로 그 원인이 유동성 채움재의 수축에 의한 밀도 저하 및 공동주변의 보조 기층의 강도와 충진 된 유동성 채움재의 강도 차에 의한 것으로 판단된다.
5. 실험 결과 분석
5.1 일축압축강도
본 연구에서는 Fig. 12와 같이 채움재와 물의 배합비율 중 물의 비율이 낮을수록 일축압축강도가 상대적으로 높게 측정되는 반면, 물의 비율이 높을수록 일축압축강도가 낮아지는 것으로 나타났다. 또한, 배합비율과 상관없이 재령 일이 증가할수록 압축강도가 증가하는 경향을 보인다. 단, 재령 28일 경과 후 유동성 채움재의 압축강도는 재령 15일 대비 상대적으로 낮아지는 것으로 나타났다. 일반적으로 시멘트, 그라우트 등은 재령 일수가 증가할수록 높은 압축강도를 보인다. 반면, 유동성 채움재의 경우 재령 일수가 장기적으로 증가할 경우 압축강도가 저하하는 경향을 나타낸다. 또한, 본 연구에 사용된 유동성 채움재의 경우 일반적으로 유동성 채움재와 물의 배합비율을 1:1.0으로 하는 것이 일반적이며, 팽창제는 사용하지 않는다. Fig. 12의 Read-made와 같이 Chemius(2022)의 선행연구에서는 재령 28일 기준으로 채움재와 물의 배합비율을 1:0.8, 1:0.9, 1:1.0, 1:1.1로 선정하고, 팽창제를 첨가하지 않은 조건에서 압축강도 시험을 수행하였다. 그 결과 재령 일수가 증가하였음에도 불구하고 압축강도는 감소하는 경향을 나타냈다.
본 연구에 사용된 유동성 채움재는 부산, 경남지역 다수의 현장에 사용되는 유동성 채움재로써 앞서 기술한 바와 같이 현장 주입 후 상황에 따라 재굴착이 용이하도록 재령 일수가 증가하여도 압축강도는 증가할 수 없도록 처리되어 생산되고 있다. 하지만 최근 부산광역시의 경우 도로 하부에 발생한 공동에 적용하기 위해 유동성 채움재의 압축강도를 재령 28일 기준 0.3~0.6MPa로 규정하고 있으며, 건조수축으로 인한 시공 불량성을 최소화하고자 하는 추세이다. 결과적으로 본 연구결과에 의하면 실험에 사용된 유동성 채움재의 경우 팽창제를 적용 시 장기적으로 일축압축강도 저하가 발생할 수 있으며, 압축강도 저하의 원인을 파악하기 위한 추가적인 연구가 필요하다.
5.2 팽창성
본 연구에서는 유동성 채움재를 타설 후 건조수축으로 인해 발생하는 부피감소를 보완하고자 팽창제 2%, 5%를 첨가하여 재령 3일, 7일, 15일, 28일 기준으로 팽창성 시험을 수행하였다. 그 결과 채움재와 물의 배합비율이 1:0.4의 시료는 팽창제 2% 첨가한 경우 0.9%의 팽창성을 나타냈으며, 팽창제 5% 첨가한 경우 1.0%의 팽창성을 나타냈다. 반면, 배합비율이 1:1.2의 경우 팽창제 2% 첨가한 시료는 3.4%의 팽창성을 나타냈으며, 팽창제 5% 첨가한 경우 4.3%의 팽창성을 나타냈다. 결과적으로 물의 비율이 낮을수록 팽창이 적고 반대로 물의 비율이 높을수록 팽창이 크다. 또한, 팽창제 2% 첨가 때 보다 팽창제 5%를 첨가하였을 때 16% 정도 더 팽창하였다.
일반적으로 현장에서 사용하는 유동성 채움재의 경우 팽창제 첨가 없이 압축강도가 재령 일수가 증가할수록 대부분 감소하는 경향을 보이며, 그 범위는 0.2~0.3MPa 정도이다. 반면, 본 연구에서는 유동성 채움재에 팽창제를 배합 조건당 2%, 5% 첨가하였다. 그 결과 선행연구(Chemius, 2022)와는 달리 재령 15일까지 꾸준히 압축강도가 증가하였으나, 재령 28일 기준 압축강도가 급격하게 감소하였다. 재령 28일 기준 최종적으로 감소한 압축강도는 선행연구(Chemius, 2022)의 결과와 유사한 압축강도를 나타냈다. 즉, 팽창제의 첨가로 인해 단기간에 양호한 압축강도를 확보할 수 있으나 장기적으로는 압축강도 저하로 인한 시공성 저하를 동반하게 됨을 확인하였다.
5.3 현장 시공성 평가
본 연구에서는 핸디형 GPR 탐사 시스템을 활용하여 공동에 물과 배합비율을 1:0.8, 팽창제 5%를 첨가한 유동성 채움재를 주입하고 28일 경과 후 핸디형 GPR 탐사 시스템을 활용하여 재탐사를 수행하였으며, 그 결과를 바탕으로 현장 시공성을 평가하였다.
유동성 채움재 주입 전 공동의 파형은 다대로(Dadae-ro, Saha-gu)와 연수로(Yeonsu-ro, Yeonje-gu)의 경우 종방향 및 횡방향 공동반응 신호의 최상부가 라운드 형이 아닌 고깔 형태를 나타냈다. 반면, 유동성 채움재를 주입 후 공동 파형은 완전히 완화되거나 공동신호가 확인되지 아니하였다. 따라서, 유동성 채움재에 팽창제를 첨가하여 적용할 경우 건조수축에 의한 시공 불량을 최소화할 수 있다. 단, 장기적으로 유동성 채움재의 강도 저하를 평가하기 위한 연구가 추가적으로 수행되어야 할 것이다.
6. 결 론
본 논문에서는 지하 공동에 주입되는 유동성 채움재(Chemius, 2022)에 팽창제와 물을 일정량 혼합하여 재령 일자의 증가에 따른 건조수축으로 인한 부피의 감소 정도를 평가함과 동시에 현장시험을 통해 실질적인 팽창제를 혼합한 유동성 채움재의 시공성을 평가하였다. 본 논문에서 얻은 결론을 정리하자면 다음과 같다.
(1) 유동성 채움재의 물의 비중이 증가할수록 일축압축강도는 감소하는 경향을 보인다. 또한, 팽창제를 2%, 5% 혼합하였을 경우 첨가된 팽창제의 양과는 무관하게 모든 조건에서 재령 15일까지는 유사하게 증가하는 경향을 보였다. 단, 재령 28일 이후 강도는 재령 15일 압축강도 대비 급격하게 감소하였다. 일반적인 소일시멘트 등은 재령 일수가 증가할수록 압축강도가 증가함이 자명한 사실이지만 본 연구에서는 재령 28일 이후 압축강도가 급격하게 감소함으로 중·장기적인 재령 일에 따른 일축압축강도 추세를 파악하는 것이 중요할 것으로 판단된다.
(2) 일축압축강도 및 팽창시험을 통해 가장 양호한 시공성을 확보할 수 있는 배합비율을 선정하였으며, 그 결과는 유동성 채움재와 물의 비율을 1:0.8, 팽창제 첨가량을 5%로 적용하였다. 선정된 배합비율을 토대로 현장에서 유동성 채움재의 배합을 진행하였으며, 발견된 지하 공동에 배합이 완료된 유동성 채움재를 천천히 주입하여 공동을 복구하였다. 복구 28일 경과 후 2차 핸디형 GPR 탐사시스템(OPERA DUO)을 사용하여 시공성을 확인해 본 결과 연수로의 경우 복구 후 공동 파형이 완전히 사라졌지만, 다대로의 경우 공동 파형이 완화되었으나 미세 공동 파형이 여전히 존재했다. 그 이유는 팽창제를 5% 혼합하였음에도 건조수축으로 인한 부피감소가 발생하였거나 공동주변의 보조 기층의 강도와 충진 된 유동성 채움재의 강도 차에 의한 것으로 판단된다.
(3) 유동성 채움재에 일정량의 팽창제를 첨가할 경우 건조 과정에서 발생하는 부피의 감소를 최소화할 수 있지만 재령 일수가 증가할수록 강도가 감소하는 경향이 나타났다. 물론 재령 일수가 증가함으로 인한 압축강도의 감소가 팽창제의 영향임을 명확히 할 수는 없다. 따라서 향후 팽창제의 첨가 없이 중·장기적인 일축압축강도 시험을 추가로 수행하여, 팽창제로 인한 강도 저하가 아님을 규명한 후 실용성 검증을 완료함이 바람직할 것이다.
