1. 서 론
2. 실험재료 및 공시체 제작방법
2.1 실험 재료
2.2 공시체 제작방법
3. 풍화 이암 고결토의 실험 결과
3.1 양생조건, 시멘트비, 모래비에 따른 일축압축강도 비교
3.2 양생기간에 따른 일축압축강도 비교
3.3 내구성시험 결과
4. 결 론
1. 서 론
경상북도 포항지역의 지질은 크게 중생대 백악기 퇴적암과 이를 관입한 화성암 및 화산암, 그리고 신생대 제3기의 퇴적암 등으로 구성되어 있다(Lee et al., 2008). 그 중 포항지역에 분포하는 신생대 제3기에 퇴적된 미고결 퇴적암인 이암은 고결도는 낮으나 균열이 적기 때문에 완전히 고결된 것처럼 보인다. 특히 이러한 암석은 건조상태에서는 충분한 강도를 가지고 있지만 몬모릴로나이트와 같은 팽창성 점토광물이 포함되어 있기 때문에 물을 흡수하면 팽창하고 쉽게 부서지는 성질을 가지고 있다. 또한, 대기 중에 노출되면 1～2cm 간격의 균열이 발생하게 되고, 이러한 성질로 인해 비탈면 붕괴가 자주 발생하고 있다. 한편 2007년 포스코 신단지 간선도로 건설현장에서 이암 암벽이 이와 같은 이유로 붕괴되었으며, 2019년 포항시 두호동 화석산지는 이암층의 절개지에서 반복해서 떨어지는 낙석으로 인해 고생물 화석 명소가 사라질 위기에 처해 있다.
도로 노상이나 각종 토목공사 시 흙의 공학적 성질을 개선하기 위한 가장 간단한 방법은 현장 토사에 10% 이내의 시멘트를 혼합하는 것이다. 국내에서도 최근까지 시멘트를 혼합한 흙의 강도 및 내구성에 관한 다양한 연구가 수행되었다(Kim et al., 2005; Park, 2011; Park et al., 2014). Park(2011)은 작은 입자 사이에 굵은 입자가 포함된 모래-자갈 고결토의 강도 특성에 관한 연구를 수행하였으며, 자갈의 개수가 증가할수록 강도가 감소하다가 증가하는 것으로 나타났다. Park and Hwang(2012)에 의하면 시멘트비가 증가할수록 내구성이 증가하는 경향을 보였으며, 내구성이 우수한 고결토를 얻기 위해서는 시멘트비가 8% 이상이 필요하며, 대기중 양생보다는 수중 양생으로 충분한 수분을 공급할 필요가 있다. 이와 같이 기존 연구사례는 사질토에 시멘트를 혼합한 연구사례가 대부분이다.
본 연구에서는 파쇄 이암의 도로 노상이나 뒷채움재 사용 시 강우나 침투로 이암이 빠르게 풍화되는 문제점을 개선하기 위해 소량의 시멘트와 모래를 혼합하고 이에 따른 강도와 내구성을 평가하고자 하였다. 국외에서는 셰일에 시멘트를 혼합하여 도로 보조기층으로 사용한 사례는 있지만, 국내에서는 아직 파쇄된 퇴적암을 고결시켜 도로 현장에 적용한 사례는 많지 않은 실정이다(Nweke and Okogbue, 2017; Joel and Agbede, 2010). 현장에서 사용하는 다짐방법을 적용하여 모래 및 시멘트를 혼합하여 공시체를 제작한 다음 일축압축강도 및 내구성지수를 평가하였으며, 각 공시체의 조건에 따라 SEM(Scanning Electron Microscope) 및 공학적 특성을 비교 분석하였다.
2. 실험재료 및 공시체 제작방법
2.1 실험 재료
본 연구에서는 경상북도 포항시 북구 흥해읍에 위치한 국도 31호선 도로공사 현장에서 흑색을 띠는 이암을 채취하여 수침시킨 후 풀린 풍화토를 사용하였다. 채취한 이암은 미고결 암석으로 대기상태에서는 Fig. 1(a)와 같이 균열이 없고 완전한 고결상태로 보이지만 수침시키면 Fig. 1(b)와 같이 짧은 시간에 물을 흡수하면서 팽창하여 강도를 상실하게 된다. 이렇게 풀린 이암을 건조시킨 후 Fig. 2(a)와 같이 2mm체를 통과한 이암 풍화토를 사용하였으며, 모래는 Fig. 2(b)와 같이 낙동강유역에서 채취한 것으로 0.85-2mm 사이 모래를 사용하였다. 그리고 50% 이하의 모래와 소량의 시멘트를 섞어 고결토를 제작하였다. 시멘트는 H사의 1종 포틀랜트 시멘트를 사용하였으며, 기본물성은 Table 1과 같다. 공시체 제작에 사용한 풍화 이암과 낙동강모래의 입도분포곡선과 기본물성치는 Fig. 2 및 Table 2와 같다. 이암 풍화토는 비중(KS F 2308) 2.76, 액성한계(KS F 2303) 44%, 소성한계(KS F 2303) 25%로 통일분류법상 액성한계가 낮은 점토(CL)이며, 모래는 입도분포가 나쁜 모래(SP)로 분류된다.
Table 1. Material properties of Portland cement
| Type |
Specific surface area (cm2/g) |
Specific gravity, Gs | Chemical composition (%) | |||
| CaCO3 | MgO | SO3 | Blast furnace slag | |||
| Ordinary portland cement | 3,660 | 3.15 | 88.25 | 2.98 | 2.61 | 4.85 |
Table 2. Material properties of weathered mudstone (clay) and sand
| Soil type | Gs |
PL (%) |
LL (%) |
D10 (mm) |
D30 (mm) |
D60 (mm) | Cu | Cg |
Unified soil classification system |
| Weathered mudstone (Clay) | 2.76 | 25 | 44 | 0.033 | 0.12 | 0.3 | 9.09 | 1.45 | CL |
| Sand | 2.73 | - | - | 1.3 | 1.5 | 1.4 | 1.08 | 1.24 | SP |
2.2 공시체 제작방법
공시체는 풍화된 이암에 낙동강모래와 시멘트 그리고 물을 혼합한 다음 표준 A다짐방법으로 직경 5cm, 높이 10cm의 공시체를 제작하였다. 다짐에 사용한 램머의 직경은 Fig. 3과 같이 4.8cm, 무게 2.5kg, 그리고 낙하고는 30cm이며, 3층으로 층당 다짐횟수는 5회로 하여 모두 동일한 다짐에너지(5.73kg/cm2)로 제작하였다. 시멘트비(Cement Ratio, CR)는 건조시킨 이암과 모래 무게에 대한 시멘트의 무게비로 8, 12, 16%를 사용하였다. 모래비(Sand Ratio, SR)는 이암 무게에 대한 모래의 무게비로 0, 10, 30, 50%를 사용하였다. 공시체 제작 시 함수비는 모래 함유량(큰 입자)이 높을수록 최적함수비가 낮아졌다. 예를 들면, 모래함유량이 0%인 경우 최적함수비 27%이고 모래함유량이 10%, 30%, 50%로 증가함에 따라 최적함수비는 각각 25%, 20%, 17%로 감소하였다. 공시체는 모래비가 증가함에 따라 Fig. 4와 같이 건조단위중량이 14kN/m3에서 17.5kN/m3으로 25% 정도 선형적으로 증가하는 경향을 보였다.
완성된 공시체는 두 가지 양생조건(대기중 양생, 수중 양생)으로 양생시켰으며, 수중 양생의 경우 간극수에 의한 효과를 최소화하기 위해 일축압축강도시험 및 내구성시험 1일 전 수중에서 꺼낸 다음 실험을 실시하였다. 대기중 양생의 경우 제작된 공시체를 실내 평균온도 20°C로 유지되는 오븐에 넣어 양생하였으며, 수중 양생의 경우 물의 온도를 15°C로 유지하였다. 일축압축시험(ASTM D2166-06, 2003)은 연 엔지니어링에서 제작한 일축 압축시험장치(Fig. 5(a))의 상하 평판 사이에 공시체를 거치한 후 1mm/min의 전단속도로 시료가 파괴될 때까지 재하하였다.
일축압축시험 후 40～60g의 부채꼴 형태의 시료 4개를 내구성시험에 사용하였으며, ASTM D 4644(2004)에서와 같이 제일정밀에서 제작한 슬레이크 내구성 시험장치(Fig. 5(b))의 길이 100mm, 지름 140mm인 원통형 드럼으로 원주면의 체 구멍 크기는 2mm인 표준체를 사용하였다. 물은 드럼 축 아래 20mm까지 채웠으며, 드럼의 회전속도는 20rpm으로 10분간 총 200회 회전시켰다. 일반적인 암석의 경우 40～60g의 시편 10개를 사용하는 것을 표준으로 하고 있으나, 일축압축시험에 사용한 공시체의 크기가 작아 4개의 시편을 사용하였다. 시험이 끝난 시편은 110°C 건조로에 넣고 12시간 이상 건조시켰으며, 총 2회 반복하면서 내구성지수 Id(durability index)를 식 (1)과 같이 계산하였다.
| $${\mathrm I}_{\mathrm d}=\frac{\mathrm{FW}}{\mathrm{IW}}\times100\%$$ | (1) |
여기서, FW는 내구성시험 후 건조무게, IW는 시험 전 건조무게이다.
3. 풍화 이암 고결토의 실험 결과
3.1 양생조건, 시멘트비, 모래비에 따른 일축압축강도 비교
함수비는 대기중 양생한 경우 약 3% 정도이며, 수중 양생의 경우는 18-20% 사이로 모래비나 양생기간에 따른 차이는 크지 않았다. 일축압축시험 결과는 동일한 조건의 공시체 3개를 실험한 다음 평균값을 비교하였다. Table 3은 7일 양생한 공시체의 (i) 양생조건, (ii) 시멘트비, 그리고 (iii) 모래비에 따른 공시체의 실험 결과를 비교하고 있다. Fig. 6은 7일 동안 대기중 및 수중 양생한 공시체의 일축압축응력-축변형률 관계를 비교하고 있다(3개 결과 중 평균에 가까운 응력 곡선을 나타냄). 시멘트비가 8, 12%로 상대적으로 낮은 경우 양생조건에 따른 강도 차이는 미미하였으며, 평균적으로 수중 양생한 경우가 대기중 양생보다 더 높았다. 또한 순수 모래를 고결시킨 경우 시멘트비 증가에 따라 할선탄성계수가 증가하는 취성적인 거동을 보이지만, 점토를 고결시킨 본 연구에서는 시멘트비 증가에 따른 취성적인 거동은 나타나지 않았다. 포항지역 이암 성분에는 석영 62%, 장석 10%, 녹니석 8%, 스멕타이트(smectite) 군의 점토광물인 몬모릴로나이트 등이 20% 존재한다(Kim et al., 2001; Park et al., 2018). 따라서, 경화되지 않은 공시체를 수중에서 양생할 경우 몬모릴로나이트와 같은 점토광물이 팽창하면서 시멘트의 경화를 방해한 것으로 판단된다. 또한, Schwartz(1939)는 시멘트비가 10% 미만인 경우 수중 양생한 공시체의 강도가 낮은 이유로 흙 입자 사이의 과도한 수분이 시멘트를 경화시키기보다 오히려 윤활작용으로 강도를 저하시킨다고 하였다.
Table 3. Summary of unconfined compression tests on cemented mudstone for 7 days
시멘트비에 따른 일축압축강도의 영향은 다음과 같다. 모래비가 0%인 순수 이암 풍화토의 경우 시멘트비가 8%에서 16%로 증가함에 따라 일축압축강도는 1,923kPa에서 2,641kPa로 37% 정도 증가하였다. 모래비가 50%인 경우에는 2,400kPa에서 3,957kPa로 65% 정도 증가하였다. 여러 종류의 점토나 모래에 시멘트를 혼합한 기존 연구 사례와 유사하게 시멘트비가 증가할수록 강도는 증가하는 경향을 보였으며, 일축압축강도가 증가함에 따라 탄성계수도 증가하는 경향을 보였다. 한편, 순수 모래를 고결시킨 경우(Park et al., 2009; Park and Hwang, 2014) 시멘트비가 8%에서 16%로 증가함에 따라 일축압축강도 증가율이 300% 정도로 본 연구와 같이 순수 점토를 고결시킨 경우보다 훨씬 높았다. 이는 입자가 굵은 모래는 고결제에 의한 입자간 결합력의 영향이 크지만, 점토는 입자가 작고 입자간의 인력이나 결정구조상 층간 결합이 양이온과 결합되어 결합력이 약하며 물을 흡착해 팽창하는 성질에 영향을 받기 때문으로 판단된다.
순수 이암 풍화토에 모래비가 30% 정도 증가함에 따라 강도가 감소하는 경향을 보이다가 50% 정도 함유될 경우 다시 강도가 순수 이암 풍화토보다 높아지는 경향을 보였다. 이는 소량의 모래가 이암 풍화토의 결합력을 약화시키거나 분리하는 역할을 한 것으로 판단된다. 따라서 모래가 50% 정도 혼합되면서 분리되어 있던 모래 입자들이 서로 연결되면서 강도가 증가하였으며, 모래 입자간의 결합력이 점토 입자끼리의 결합력보다 더 크기 때문으로 판단된다. Park(2011)의 연구에서도 고결된 모래 지반 내에 포함된 자갈의 개수가 증가함에 따라 강도가 감소하다가 어느 정도 이상의 자갈이 포함되면 자갈 입자간의 접촉 증가로 강도가 증가하는 경향을 보였다.
Table 4는 28일 양생한 공시체의 (i) 양생조건, (ii) 시멘트비, 그리고 (iii) 모래비에 따른 공시체의 실험 결과를 비교하고 있다. Fig. 7은 28일 동안 대기중 및 수중 양생한 공시체의 일축압축응력-축변형률 관계를 비교하고 있다(3개 결과 중 평균에 가까운 응력 곡선을 나타냄). 양생조건의 경우 시멘트비에 관계없이 수중 양생한 경우 43% 정도 전반적으로 높은 강도를 보였다. 이는 대기중 양생한 경우 3% 정도의 낮은 함수비를 갖는 반면 수중 양생의 경우 19% 정도의 높은 함수비로 시멘트 수화반응에 필요한 간극수가 투수성이 낮은 이암 풍화토에 지속적으로 충분히 공급되었기 때문으로 판단된다. 7일 양생한 공시체와 유사하게 시멘트비 증가에 따라 순수 이암 풍화토의 일축압축강도는 2,292kPa에서 2,774kPa로 21% 정도 증가하였으며, 탄성계수도 증가하는 경향을 보였다. 모래비에 따른 결과도 7일 양생한 결과와 유사하게 10% 혼합 시에는 감소하지만 30-50% 함유됨에 따라 강도가 점점 증가하는 결과를 보였다.
Table 4. Summary of unconfined compression tests on cemented mudstone for 28 days
3.2 양생기간에 따른 일축압축강도 비교
Fig. 8과 9는 7일 및 28일 동안 대기중(A로 표시) 및 수중(W로 표시) 양생한 공시체의 일축압축강도를 시멘트비(CR) 및 모래비(SR)에 따라 비교하고 있으며, 각 그림에 평균 강도도 표시하였다. 양생기간이 7일에서 28일로 증가함에 따라 양생조건, 시멘트비, 그리고 모래비에 관계없이 일축압축강도는 모두 증가하였다. 먼저, Fig. 8과 같이 대기중(수중) 양생한 이암 고결토의 양생기간이 증가함에 따라 평균 강도 증가율은 시멘트비에 따라 각각 10%(23%), 10%(42%), 5%(28%)로 증가하였다. 수중 양생한 경우와 달리 대기중 양생한 경우 양생기간에 따른 강도 증가는 미미하였으며, 이는 기존 시료 제작 시에 포함된 함수비가 수화반응에 필요한 물보다 적게 함유되었기 때문으로 판단된다.
또한, Fig. 9와 같이 대기중(수중) 양생한 이암 고결토의 양생기간이 증가함에 따라 평균 강도 증가율은 모래비에 따라 각각 8%(28%), 21%(32%), 17%(41%), 13%(8%)로 증가하였다. 한국도로공사 표준시방서(2015) 보조기층의 설계 일축압축강도인 750kPa와 비교할 때, 실험결과 중 강도가 가장 낮은 시멘트비가 8%인 대기중 양생한 공시체의 일축압축강도가 1,336kPa이므로 도로공사 기준을 충분히 만족하였다.
시멘트비가 8%인 경우, 일반적으로 양생기간이 증가함에 따라 점토광물의 팽창으로 인해 강도 증가율은 전반적으로 감소하는 경향을 보인다. 예를 들면, 모래를 시멘트로 고결시킨 경우 시멘트비 4%의 경우에 양생기간이 7일에서 28일로 길어질수록 일축압축강도가 비슷하거나 오히려 감소하는 결과를 보였다(Park and Hwang, 2014). 한편, Xiao and Lee(2008)에 의하면 삼축압축응력-변형률 거동에서 양생기간에 따른 효과는 구속압 및 시멘트비에 영향을 받지만, 20일 이내에서 양생기간이 증가할수록 강도는 선형적으로 증가하는 경향을 보이다가 28일 이상의 장기 강도는 점점 감소하는 경향을 보였다.
Fig. 10은 입자간의 연결 모습이나 결합 정도를 비교하기 위하여 주사전자현미경(SEM) 사진을 이용하여 시멘트비 12%의 각각 모래비 50%, 10%, 0%를 촬영한 모습을 나타내고 있다. Fig. 10(a)는 모래 입자끼리 서로 연결된 부분을 원으로, 500배 확대한 사진을 사각형으로 나타내었으며, 입자간의 시멘트 결합이 가장 견고하다. Fig. 10(b)의 경우 원 내 점토 입자와 모래 입자의 결합을 나타내며, 이를 500배 확대한 사진은 사각형으로 입자 사이에 빈 공간을 형성하여 상대적으로 약한 결합을 하고 있다. Fig. 10(c)는 점토 입자간의 시멘트 결합으로 점토입자간의 단일 결합으로 이루어져 격자형을 이루고 있는 모습을 2,000배 확대한 사각형의 사진으로 나타내고 있다. 따라서 입자간의 결합력이나 외부 하중에 대한 저항력은 모래 입자간의 결합, 점토 입자간의 결합, 모래 입자와 점토 입자간의 결합 순으로 높은 것으로 판단된다.
3.3 내구성시험 결과
Table 5는 각각의 양생조건(대기중 및 수중 양생)에서 시멘트비와 모래비에 따른 내구성지수를 나타내고 있다. 전반적으로 수중 양생한 경우에 높은 내구성지수를 보였으며, 시멘트비 16% 기준으로 수중 양생한 경우 내구성지수는 84%로 대기중 양생 44%보다 평균 2배 정도 높은 내구성을 보였다. Fig. 11과 Fig. 12는 양생조건이 동일한 경우 시멘트비와 모래비 증가에 따른 내구성지수의 변화를 비교하고 있다. 시멘트비가 증가함에 따라 양생조건이나 모래비에 관계없이 내구성지수가 증가하는 경향이 뚜렷하게 나타났다. 또한 모래비가 증가함에 따라 내구성지수도 증가하였으나, 시멘트비가 증가함에 따라 더 높은 내구성지수를 나타내지만 모래비에 따른 영향은 점점 감소하였다. 즉, 모래비에 따른 내구성지수 향상보다는 시멘트비 증가가 내구성지수에 더 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. 기존 연구에서도 시멘트비가 10% 미만인 경우 슬레이크 내구성시험으로 다량의 중량 손실이 발생하였으나, 시멘트비가 증가할수록 내구성지수가 최대 98%(시멘트비 12%일 때)까지 증가하였으며, 대기중 양생한 공시체보다 수중 양생한 공시체의 내구성지수가 평균 30% 정도 높게 나타났다(Park and Hwang, 2012).
Table 5. Summary of durability tests for air and under water cured specimens
4. 결 론
지금까지 다양한 모래 혹은 점토에 시멘트를 단순 혼합한 고결토에 관한 연구는 다수 수행되었지만, 점토에 소량의 모래를 혼합하여 강도뿐 아니라 내구성을 증진시키기 위한 연구 사례는 많지 않은 실정이다. 이에 본 연구에서는 경상북도 포항지역 토목현장에서 직접 채취한 미고결 이암 풍화토에 시멘트와 모래를 혼합하여 다짐방법으로 제작한 공시체의 강도 및 내구성 특성에 관한 연구를 수행하였으며, 도로 노상재료로의 적합성 여부를 판단하였다. 지반 재료 중 점토성분의 시멘트비 및 모래입자와의 결합력을 알아보기 위해 양생조건, 양생기간에 따라 일축압축시험과 슬레이크 내구성시험을 실시하였다. 주요 연구 결과를 정리하면 다음과 같다.
(1) 순수 이암 풍화토의 시멘비가 8%에서 16%로 증가함에 따라 일축압축강도는 대기중(수중) 양생한 경우 1,923kPa(2,115kPa)에서 2,641kPa(3,409kPa)로 양생조건에 상관없이 선형적으로 증가하였다. 이렇게 공학적 특성이 개선된 것은 시멘트비가 증가할수록 시멘트의 수화반응에 따른 점토 입자간 결합이 더 강해지기 때문으로 판단된다.
(2) 순수 이암 풍화토에 모래를 10-30% 정도 혼합할 경우 일축압축강도가 낮아지지만 모래비가 50% 정도 혼합할 경우 다시 일축압축강도가 순수 이암 풍화토보다 높은 경향을 보였다. 이는 모래가 소량 함유될 경우 점토 입자간의 수화물 결합을 방해하지만, 모래가 다량 함유될 경우 점토 입자간의 수화물 결합보다는 모래 입자간의 연결 및 수화물 결합으로 더 높은 강도를 발휘한 것으로 판단된다.
(3) 양생기간이 7일에서 28일로 증가할수록 시멘트비, 모래비에 상관없이 강도는 증가하였으며, 양생기간이 증가할수록 대기중 양생보다 수중 양생 시 강도 증가율이 크게 나타났다. 대기중 양생의 경우 양생기간에 따라 강도 증가율이 낮은 이유는 기존에 포함된 함수비가 시멘트 수화반응에 7일이면 충분한 것으로 판단되며, 장기적으로 대기중 양생보다는 수중 양생방법이 강도 증가 측면에서 우수한 것으로 나타났다.
(4) 시멘트비 및 모래비가 증가할수록 내구성지수는 증가하는 경향을 보였으며, 내구성지수 증가율은 모래비에 따른 영향보다 시멘트비에 따른 영향이 더 큰 것으로 나타났다. 또한 시멘트비가 10% 미만인 경우 대기중 양생 조건에서의 내구성지수가 0%에 가까우며, 기존 연구 결과와 마찬가지로 우수한 내구성을 위해서는 대기중 양생 조건에서의 경우 10% 이상의 시멘트비가 필요하거나, 수중 양생으로 시멘트 수화반응에 필요한 충분한 물을 공급할 필요가 있다.
(5) 풍화 이암 고결토를 도로 노상으로 적용할 시 시멘트비 8%인 경우 최소 강도가 1,336kPa로 설계 배합강도인 750kPa를 만족하며, 또한 모래 함유량을 30% 이상 혼합시키면 건습반복에 대한 내구성도 충분히 확보할 것으로 판단된다.
