1. 서 론

CSG(Cemented Sand and Gravel) 공법은 재료의 합리화, 설계의 합리화, 시공의 합리화를 실현하기 위한 새로운 개념의 급속 성토공법으로 소량의 시멘트량으로 강도증가와 차수성을 확보할 수 있어 댐 뿐 만이 아니라 다양한 성토 구조물의 시공공법으로 그 활용도가 증가하고 있다.

특히 국외의 경우 본댐, 보조댐 이외에 사면보호공, 하천제방공, 압성토공, 저사댐 및 사방댐 그리고 내진교대의 보강공법 등 다양한 분야로의 활용이 가능하여 RCC, RCD 공법과 더불어 빈배합 설계개념의 급속 시공공법으로 각광 받고 있다.

시멘트 또는 석고 혼합토는 흙 입자간의 고결현상으로 건조 시 흙의 체적변화를 감소시키거나 강도를 증가시키므로 기초지반 및 연약지반의 보강, 옹벽 뒤채움재, 도로 및 철도의 성토노반, 기층재료 등으로 그 활용도가 다각화 되고 있는 추세이다. 이와 같은 혼합토는 경화 초기엔 토질적인 역학특성을 보이지만 시간이 경과함에 따라 점차 콘크리트 재료적 특성을 발현하게 된다. 경화된 혼합토는 시멘트의 함유량에 따라 작은 변형률에서 최대강도가 발현되고 이 후 급격한 취성파괴에 도달하는 탄성적 성질을 띠게 된다. 이러한 재료적 특성을 보완하기 위하여 국내의 경우 모래나 흙 또는 자갈에 시멘트 또는 석고 등과 같은 고결 유발제에 섬유 보강재를 일정비율 혼합한 시멘트 섬유보강 혼합토에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다(Cho et al., 1995; Kim et al., 2005; Park et al., 2008). 국외의 경우 평판재하시험, 실내 CBR시험, 실내모형실험, 일축압축시험, 삼축시험, 직접전단시험 등을 통하여 섬유의 보강효과를 입증하였다(Clough et. al., 1981). 또한 콘크리트 및 모르타르의 건조수축 균열 제어를 위한 방안으로 섬유와 혼화제가 일반적으로 많이 적용되어 지고 있다(Grazybowski et al., 1990; Chern et al., 1990; Shah, 1992; Yoon et al., 2004). Won et al.(2004, 2005)은 섬유보강 폴리머 시멘트 모르타르, 콘크리트에 대한 연구를 통하여 초기 수축균열(소성수축균열)에 대한 억제효과를 입증하였으며, Song et al.(1990)은 섬유보강토 균열특성에 대한 연구를, Mun et al.(2012)은 섬유 및 혼화제를 이용한 황토 모르타르 건조수축 감소효과 대한 연구를 통하여 섬유보강 재료의 건조수축에 의한 균열 감소효과를 입증한 바 있다. 하지만, 대부분의 이러한 건조수축 균열을 제어하기 위한 기술들은 일반보통 시멘트 콘크리트 및 모르타르에 국한되어 적용되고 있으며(Mun, 2012) 시멘트 혼합토 등 적용에 대한 기술개발은 아직 미비한 상태이다.

일반적으로 연약지반위에 활용된 토목섬유나 옹벽 및 교대 뒷채움시에 일정한 방향으로 근입된 토목섬유는 토압에 의한 인장력을 발현함으로써 흙의 지지력을 증강시키지만 근입 방향으로 미끄러짐 현상이 발생 할 가능성이 있다. 이를 보완하고자 무작위로 섞은 단섬유 보강기술에 대한 연구가 점차 증가하고 있는 추세이다. 이와 같은 단섬유형태의 합성섬유를 추가적으로 시멘트 혼합토에 혼합할 경우 섬유의 인장력이 발휘되어 시멘트 혼합토의 취성 파괴를 방지하거나 저감할 수 있다. 섬유혼합토는 흙과 섬유의 마찰력에 의해 유발되는 섬유의 인장력을 이용하여 흙의 역학적 특성을 개선시킨 새로운 형태의 보강토이다. 특히 단섬유(staple fiber)로 보강된 섬유혼합토는 흙과 섬유의 혼합이 용이하고, 강도의 등방성과 그 지속성이 우수하며, 토목섬유 공법의 단점인 보강재를 따라 진전되는 잠재적인 취약면이 없는 등의 장점을 가지고 있다(Maher and Ho, 1994).

섬유혼합토의 전단강도에 영향을 미치는 인자로는 혼합되는 흙의 입도분포와 흙 입자의 형상 등과 같은 흙의 공학적 특성과 섬유의 형상, 길이, 직경, 인장강도, 탄성계수, 마찰계수, 섬유혼합율 등과 같은 섬유의 물리적･역학적 특성 및 구속응력, 다짐상태 등의 외적 인자 등을 들 수 있다(Cho et al., 2002).

본 연구에서는 최대강도 발현이후 취성적인 파괴를 보이는 CSG 재료의 역학적 특성을 개선하고자 시멘트와 친화성이 좋은 Polyvinyl alcohol(PVA)단섬유를 일정한 비율로 최대입경이 40mm인 CSG재료 전체에 무작위로 분산･교반한 다음 공시체를 제작한 후 섬유보강 CSG 공시체에 대한 일련의 일축압축･인장강도 시험을 실시하였으며 섬유보강에 의한 강도특성을 살펴보고자 하였다.

2. 실험개요

2.1 시험시료

2.1.1 하상시료

본 연구에서 사용한 하상재료는 군위댐 하상시료 중간입도를 대상으로 시험을 수행하였다. 재료의 동일성 확보를 위하여 하상재료를 Fig. 1과 같이 5단계로 구분하여 체가름한 후 중간입도와 동일하게 재구성하여 관련 시험을 진행하였다. 시험에 적용된 하상시료는 통일분류법상 GW, GP로 분류되며 비중은 2.67～2.69, 최대건조밀도 2.11g/cm3, 최적함수비는 7.0%로 나타났다. Table 1에 시험에 적용된 하상시료의 물리･역학적 특성을 나타내었으며 Fig. 2에 하상시료의 입도분포곡선을 나타내었다. 시험에 적용된 하상시료의 최대 입경은 40mm 이다.

2.1.2 섬유 보강재 및 시멘트

본 시험에서는 최근 시멘트 보강재로 가장 많이 사용되고 있는 PVA섬유로 배합설계를 실시하였다. PVA는 범용 합성섬유 중에서 강도와 탄성률이 가장 높고 친수성, 내후성, 내열성, 내약품성 등이 우수하기 때문에 산업용 소재로서 많이 사용 되고 있다. Choi(2002)은 PVA 섬유의 특징 및 제조방법에 대하여 자세히 소개하였으며, 그 특징은 다음과 같다. 여러 합성섬유 중에서 토목재료로써의 PVA 섬유는 고강도, 고탄성률의 우수한 물리적 특성을 가지며 이외에도 열안정성, 내약품성, 내후성 등이 우수하기 때문에 산업용 섬유로서 널리 사용되고 있다.

PVA 섬유는 나일론, 폴리에스터에 비해 건열수축률이 낮아서 우수한 형태안정성을 나타내며, 열안정성이 좋은 것으로 잘 알려진 레이온보다 더욱 안정하다. 일반적으로 PVA 섬유는 산업용 소재로서 우수한 접착성이 가장 큰 특징이다. PVA섬유는 화학적, 물리적으로 우수한 접착성을 가지고 있으며 인장강도가 90～150MPa 이상으로 내알카리성이 높게 요구되는 시멘트 콘크리트 보강소재로 적당하다. 또한, PVA섬유는 콘크리트와 모르터 보강용으로서 종래의 섬유에 비해 콘크리트와 모르터 속에서 비빔성, 분산성능이 우수하며, 보강성분이 뛰어나 콘크리트 및 모르터용 섬유로 높은 평가를 얻고 있다. Table 2는 PVA 섬유의 종류 및 특징을 요약한 것이며, Fig. 3은 본 시험에서 사용된 REC15 PVA 섬유를 나타낸 것으로 섬유 직경은 약 0.1mm, 길이는 약 20mm 정도이다.

CSG 재료배합에 사용된 시멘트는 보통포틀랜드 시멘트로서 밀도는 3.04g/cm3이며 Table 3에 시멘트의 화학성분을 나타내었다.

2.2 공시체 제작 및 시험 방법

강도시험용 표준공시체 제작을 위한 재료혼합은 Fig. 4b와 같이 간이식 교반기를 이용하여 소정의 시료, 시멘트, 섬유보강재 그리고 물을 함께 투입하는 방식을 채택하였으며 교반된 시료는 Fig. 4b과 같이 재료 분리를 방지하기 위하여 시료팬에서 다시 한번 인력으로 교반하였다.

교반 완료된 시료를 Fig. 4d와 같이 진동 다짐기를 이용하여 공시체를 성형하였다. 진동 다짐에 대한 시험방법은 Table 4와 같은 ASTM C 1435 방법을 참조하였다. 이 방법은 시험자가 사용하기 용이하고 보통 현장 다짐장비와 비슷한 진동과 진폭을 가진다는 장점이 있으나 다짐도가 현장보다 다소 작게 나타날 수 있다. 표준 공시체 몰드는 재료의 특성을 고려하여 직경 150mm, 높이 300mm인 콘크리트 표준 몰드를 사용하였다.

공시체는 혼합비별 다짐시험결과를 기준으로 다짐도가 90% 이상이 되도록 성형하였다(Table 5 참조). 공시체 제작 후 24시간 경과 후 몰드를 분리하였으며 약 22℃ 정도로 항온･습윤 양생을 실시하였으며, 7일, 28일 90일간의 양생기간을 거쳐 일축강도와 인장강도 시험을 실시하였다.

3. 강도시험

섬유보강 CSG의 강도특성을 파악하고자 일축압축강도시험과 할열인장강도시험 시험을 실시하였다. 시험에 적용된 시멘트 함량은 60, 80kg/m3, 섬유 함량은 시멘트 중량의 0, 1, 3, 5, 10%로 구분하여 양생일수 7일, 28일, 90일 별로 각각 제작 하였다. 제작된 공시체는 최대재하하중 75ton인 대형압축시험기를 사용하여 일축 및 인장강도시험을 실시하였으며, 시험적용 재하속도는 1mm/min으로 하였다. Table 6은 일축압축강도 및 인장강도 시험결과를 나타낸 것이다.

3.1 배합비에 따른 일축압축강도

시멘트 함량이 60kg/m3와 80kg/m3인 경우에서의 섬유함량 변화에 따른 공시체의 일축압축 거동은 Fig. 5, 6에 나타내었다. 실험결과로부터 알 수 있듯이 무보강 섬유 CSG의 경우 최대강도 발현 후 급격한 취성 파괴양상을 보이며 파괴 변형률도 상대적으로 작은 변형률 범위에서 나타나고 있음을 알 수 있다. 섬유보강의 경우 섬유 함유량이 증가함에 따라 급격한 취성파괴보다는 소성영역의 연성파괴 현상이 나타나고있으며, 잔류강도가 비교적 큰 변형률 범위까지 유지되는 것을 알 수 있다. 따라서 CSG 시멘트 혼합토는 섬유 보강재의 흙입자간 연결 작용으로 인하여 취성파괴 영향이 상당히 완화되고 있음을 알 수 있다.

섬유 함유량에 따른 재령별 하중-변형률 거동으로부터 알 수 있듯이 각 재령에서 섬유보강재의 혼입률이 증가할수록 그 잔류강도도 증가하는 경향 또한 더욱 뚜렷해지는 것으로 나타났다.

Fig. 7은 시멘트 함량 60kg/m3와 80kg/m3에서의 섬유 함유량에 따른 재령별 일축압축 강도의 변화양상을 도시한 것이다. 전반적으로 단위시멘트량에 관계없이 동일한 섬유 함량에서 재령이 늘어남에 따라 강도는 증가하는 것으로 나타났다. 각각의 시멘트 함량에서 장기일축압축강도는 PVA 섬유의 함량의 증가에 따라 3%에서 최대강도를 보이고 섬유 함량이 3%이상에서는감소하는 경향을 나타내고 있다. 이로부터 과도한 섬유 보강은 압축강도의 증가를 저하시킬 수 있음을 알 수 있다.

Fig. 8은 섬유 함량에 따른 공시체의 최대일축압축강도 발현시의 축변형률을 나타낸 것이다. 재령별 축변형률을 비교하면 시멘트 함량 60kg/m3 경우 섬유 함량의 변화에 따라 재령 7일에서 1.33～1.85%, 28일에서 1.18～1.37%, 재령 90일에서 1.25～1.72%로 나타났다. 시멘트 함량 80kg/m3 경우 재령 7일에서 1.48～1.944, 재령 28일에서 1.10～2.02%, 재령 90일에서 1.02～1.83%로 나타났다. 재령 별 섬유함량 0%에 대한 파괴시 변형률의 증가비는 섬유 함량의 증가에 따라 시멘트 함량 60kg/m3에서 7일의 경우 최대 1.39배, 28일의 경우 1.43배, 90일의 경우 1.36배 증가한 것으로 나타났으며, 시멘트 함량 80kg/m3의 7일의 경우 최대 1.31배, 28일의 경우 1.84배, 90일의 경우 1.79배 증가하는 것으로 나타났다. 섬유보강 된 CSG공시체에서 보강섬유의 효과를 확인 할수 있었다.

3.2 배합비에 따른 인장강도

섬유보강 CSG공시체에 대하여 재령별로 할열인장강도 시험을 실시하였다. Fig. 9는 시멘트 함량 60kg/m3, 80kg/m3에서의 CSG재료 공시체의 섬유함량별 인장강도를 나타낸 것이다. 결과 각각의 시멘트 함량에서 인장강도는 섬유의 함량의 증가에 따라 소폭의 증가를 보이고 있지만, 전반적으로 거의 근접한 값을 나타내고 있다. 재령별 섬유함량 0%에 대한 인장강도 증감비를 보면 시멘트 함량 60kg/m3의 경우 90일 장기강도에서 약 1.1배 증가한 것으로, 시멘트 함량 80kg/m3의 경우 장기강도 90일에서 약 1.2배 정도 증가한 것으로 나타났다.

Fig. 10은 각 시멘트 함량에서의 섬유 배합비에 따른 최대인장강도 시의 축변형률을 나타낸 것이다. 재령별 축변형률은 시멘트 함량 60kg/m3 경우 섬유 함량의 변화에 따라 재령 7일에서 0.94～1.1%, 28일에서 0.73～0.99%, 재령 90일에서 1.02～1.54%로 나타났으며, 시멘트 함량 80kg/m3 경우 재령 7일에서 0.87～1.32%, 재령 28일에서 0.83～1.16%, 재령 90일에서 1.12～1.47%로 나타나 재령이 증가할수록 섬유 보강의 축병형률에 대한 효과를 확인 할수 있었다. 인장강도시험 결과 섬유함유량 변화는 인장강도보다 공시체 변형률 변화에 더 많은 영향을 미치고 있는 것으로 나타났다.

4. 결 론

CSG의 강도특성은 경화전･후 상당히 다른 재료적 거동특성을 나타낸다. 경화후의 CSG 재료는 변형률 1% 정도에서 거의 탄성거동을 발휘한 후 급격한 취성파괴를 발현하게 된다. 본 연구에서는 이러한 거동특성을 완화하고 상대적으로 취약한 인장성능을 개선하기 위하고자 PVA 섬유 보강재를 CSG재료에 적용하였으며 섬유보강재가 CSG재료 강도특성에 미치는 영향을 살펴보았다. 연구결과를 정리하면 다음과 같다.

(1)무보강 CSG의 경우 최대 강도발현이후 급격한 취성파괴 경향을 보이고 있으나 PVA단섬유 보강 CSG재료는 섬유함량이 증가함에 따라 완만한 파괴형상을 보여 섬유보강재가 취성파괴 영향을 완화시키는 역할을 하고 있음을 알 수 있다.

(2)PVA단섬유 보강 CSG재료는 단위시멘트량에 관계없이 양생일수가 증가함에 따라 일축압축강도 및 인장강도는 증가하는 것으로 나타났다.

(3)재령 별 섬유함량 0%에 대한 파괴시 변형률 증가비는 일축압축강도시험에서 최대로 1.8배, 인장강도시험에서 최대로 1.4배정도 증가하는 것으로 나타났다.

(4)시험 결과 섬유보강 CSG 재료 강도 및 변형 모두 섬유 함유율의 영향을 받고 있으나, 강도특성에 대한 영향보다 변형특성에 대한 영향이 더 큰 것으로 나타났다.

(5)PVA 섬유 보강재를 활용할 경우 응력-변형특성을 취성파괴에서 연성파괴로 유도할 수 있으며, 일정 부분 강도 증가효과를 발휘할 수 있었다. 일축, 인장강도 보강효과와 연성파괴를 유도할 수 있는 적정 섬유보강 혼합율은 약 3% 정도인 것으로 나타났다.

(6)본 연구는 특정 지역 하상시료에 대한 것임으로 추후 타 지역 시료에 대한 계속적인 연구를 실시하여 CSG재료의 특성에 대한 지속적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.