1. 서 론
2. 유동성 채움재 공학적 특성 평가
2.1 유동성 채움재의 정의
2.2 유동성 채움재의 공학적 특성 평가 방법
2.3 배합비율 및 양생기간에 따른 일축압축강도 시험 결과
3. 선행연구와의 상관관계
4. 석회 배합 적용에 따른 일축압축강도 확보방안
5. 결 론
1. 서 론
최근 도심지에서 빈번하게 발생하는 도로함몰의 근본적인 원인은 도심지 내에서 굴착공사로 인한 지반의 교란과 지하수위 변동, 노후하수관로 증가, 되메움 및 다짐불량 등으로 알려져 있다. 특히, 서울시의 경우 2012년 이후 발생한 도로함몰 3,205건 중 노후 하수관이 원인인 것은 2,714건으로 약 84%에 달하는 것으로 나타났다(Lee and Cho, 2016; Kim and Jeon, 2022; Jung et al., 2024). 일반적인 지하함몰은 보통 지중매설관의 노후 및 접합불량 등에 기인한 누수에 의해서 발생하거나, 터널 굴착 및 지하구조물 시공 시 잘못된 공법의 선택, 관리부실로 인한 지하수의 유입으로 지하공동이 발생되어 일어난다(An et al., 2019). 상기의 기술한 바와 같이 지하공동의 발생을 예방 또는 이미 발생한 지하공동을 신속하게 복구하기 위해 각 지자체는 지하안전관리에 관한 특별법(2019)에 의거 지반침하 육안조사 연 1회, 지하 공동조사 5년마다 1회 이상 지표투과 레이더(ground penetrating radar, GPR) 탐사를 실시하도록 하고 있으며, 그 대상을 직경 500mm 이상의 상·하수도관, 전기통신설비, 가스공급시설, 수송관 등으로 규정하고 있다. 탐사 종료 후에는 확정 공동에 유동성 채움재(CLSM) 타설하여 즉시 복구한다. 결과적으로 앞서 기술한 다양한 원인에 의해 지하 공동이 발생하게 된다. 이후 지하 공동의 규모가 장기간에 걸쳐 확장될 경우 도로함몰, 대규모 싱크홀 등의 문제가 발생하게 된다(Kim and Jeon, 2022; Jung et al., 2024). 이러한 지하 공동의 존재를 선제적으로 판단하여 도로함몰, 침하 등으로 인한 사건, 사고를 사전에 방지하고자 최근 각 지역 지자체에서는 지표투과 레이더 탐사 기술을 도입하여 비교적 높은 정확도로 얕은 심도의 지하 공동의 존재를 판단하고 있다(Han, 2017; Han, 2018; Park et al., 2013; Kim and Jeon, 2022; Jung et al., 2024). 또한, 현재 활발히 사용 중인 지표투과 레이더 탐사 기술 연구와 더불어 발견된 공동의 복구를 위해 사용되는 유동성 채움재에 관한 연구도 활발히 진행되었다(Park, 2015; Lee, 2016; Jang, 2020; Kim, 2019; Kim and Jeon, 2022; Jung et al., 2024).
유동성 채움재 관련 선행연구는 일반적으로 사용되는 주재료 선정과 실효성에 대한 부분이 중심이었다(Lee, 2016; Kim et al., 2010; Lee et al., 2018; Jang, 2020; Kim and Jeon, 2022; Jung et al., 2024). 하지만 최근 지구온난화로 인한 기후 이상 현상으로 인하여 고온다습한 환경, 국지성 강우 등으로 현장에 적용되는 유동성 채움재의 공학적 실효성의 검증이 대두되고 있다.
최근까지의 선행연구에 따르면 현장에 사용되는 유동성 채움재의 경우 장기강도가 급격히 저하되며 수침 기간의 장기화로 강도의 저하 및 풍화 정도가 대단히 심각한 것으로 평가되었다(Kim and Jeon, 2022; Jung et al., 2024). 또한, 상·하수관, 수송관, 가스공급시설, 전기통신설비 등은 대부분 도로와 보도에 위치하며 지방도, 일반국도, 고속국도는 표층, 기층, 보조기층, 노상층으로 구분된다(도로포장 구조 설계 요령, 2015). 지표투과 레이더 탐사의 탐사 가능 심도는 1.0m ~ 1.5m이며 대부분의 각종 지장물(상·하수관, 수송관 등)은 도로의 G.L.(-) 1.5m 내외로 위치하고 있다. 결론적으로 노후 관로 대다수 지하에 발생하는 공동은 보조기층과 노상층에서 발생하게 되며, 발생 된 확정 공동에 유동성 채움재를 타설하고 임시복구를 수행하게 된다. 다만, 도로포장 하부구조 시공 지침(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2017)에 따르면 보조기층 및 노상층의 경우 시공 후 10일 양생 압축강도를 2.0MPa 이상으로 규정하는 반면, 일반적으로 사용되고 있는 유동성 채움재의 압축강도는 0.6MPa 이하로 도로포장 설계기준과 상당한 차이를 보인다. 따라서 본 연구에서는 상기에 기술한 바와 같이 도로포장 설계기준과 큰 차이를 나타내는 유동성 채움재가 기존 도로에 국부적으로 설치되었을 때 발생하는 문제점을 규명하고 도로포장 설계기준이 제시하고 있는 압축강도를 보완할 수 있는 유동성 채움재 배합비율을 제안하고자 한다.
2. 유동성 채움재 공학적 특성 평가
2.1 유동성 채움재의 정의
미국콘크리트협회(ACI Committee 229)에서 규정하고 있는 유동성 채움재(control low strength materials, 이하 CLSM)의 기준은 플로우 200mm 이상을 만족하며, 양생 28일 경과 후 일축압축강도를 8.3MPa 이하로 규정하고 있다. 다만, 제시된 8.3MPa은 재굴착이 요구되지 않는 경우의 강도 기준이다. 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, Kim(2025)은 유동성 채움재란 저강도 콘크리트를 지반 공학에 적용하여 만들어진 채움재의 일종으로 그 특징으로는 콘크리트와 토사의 중간 성질을 보이며, 국내에서는 유동성 채움재, 강도조절 채움재, 다짐조절 채움재 및 유동성 플라이애쉬 등의 명칭으로 정의하였다. Jung et al.(2024), Kim and Jeon(2022)은 다양한 배합비율, 첨가제에 의한 유동성 채움재의 강도 특성을 규명하였으며, 수침 및 양생 기간의 증가로 강도 특성이 급격하게 감소하는 것을 확인하였다. 상기에 기술한 바와 같이 선행연구 결과에 의하면 유동성 채움재는 다양한 명칭과 형태를 가지며, 최근에는 산업부산물을 적용한 유동성 채움재 개발 연구도 활발히 수행되고 있다. 하지만 이와 동시에 실제 유동성 채움재를 평가하기 위한 명확한 국내 시험 및 시공 기준은 없으며, 다양한 형태의 유동성 채움재를 활용한 공학적 특성을 평가한 연구는 일부 선행되었으나 내수성, 내열성 등의 공학적 특성을 극복하기 위한 연구는 미흡한 상태이다. 본 연구에서는 초기 및 장기강도 확보를 위해 시멘트, 석회, 플라이애시를 사용하였으며, 사용된 유동성 채움재는 플라이애시, 시멘트, 석회를 각각의 다양한 배합비율로 혼합하였다.
2.2 유동성 채움재의 공학적 특성 평가 방법
본 연구에서는 도로포장 하부구조 시공 지침(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2017)에서 제안한 보조기층 및 노상층의 10일 양생 압축강도 2.0MPa에 근접한 일축압축강도(uniaxial compressive strength)를 확보하기 위하여 시멘트, 석회, 플라이애시를 배합하여 유동성 채움재 시료를 각각 5개씩 제작하였으며 7일, 14일, 28일 동안 양생 후 일축압축강도 시험을 수행하였다. 선행연구(Jung et al., 2024)에 의하면 상용화 되어 있는 유동성 채움재를 활용하여 수침기간에 따른 유동성 채움재의 풍화도를 평가하였다. 시험을 위한 시료는 유동성 채움재와 물을 1:1 비율료 배합하여 28일 재령 후 물이 가득 채워진 비커에 장시간 수침시켜 유동성 채움재의 풍화 정도를 평가하였다. 수침기간이 48시간을 초과할 경우 손으로 부수었을 때 대단히 작은 힘으로도 쉽게 파괴됨을 확인하였다. 즉, 본 연구에 사용된 재료와 선행연구(Jung et al., 2024)에 사용된 재료의 차이는 분명하지만 기본적으로 사용된 플라이애시의 비중이 유사함을 근거로 수침기간의 장기화로 인한 유동성 채움재의 풍화작용은 발생할 것으로 판단된다. 다만, 정량적인 평가를 위해 추가적으로 본 연구에 사용된 공시채(동일한 배합비, 양생기간 적용)를 활용하여 열화 및 풍화에 대한 공학적 특성을 규명할 수 있는 연구를 진행하고자 한다.
공동복구 적용을 위해 가장 중요한 공학적 특성인 초기강도와 장기강도를 판단하기 위해 KS F 2328(흙 시멘트의 압축강도 시험방법)에 의거하여 일축압축강도 시험을 수행하였으며, 일축압축강도 시험을 위하여 KS F 2329(흙 시멘트의 압축 및 휨강도 시험용 공시채 제작, 양생방법)에 의거 시험용 공시채를 제작하고 양생하였다. 본 시험에서 공동복구 시 장기간 유동성 채움재 본연의 기능 유지가 가능한 지지력을 판단함과 동시에 도로포장 하부구조 시공 지침(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2017)에서 제안한 압축강도 2.0MPa을 기준으로 평가하였다.
압축강도 시험을 위해 배합된 시멘트, 석회, 플라이애시 배합비율은 각각 플라이애시 9.0/시멘트 1.0, 플라이애시 9.0/시멘트 0.5/석회 0.5, 플라이애시 8.0/시멘트 2.0, 플라이애시 8.0/시멘트 1.0/석회 1.0, 플라이애시 8.0/시멘트 1.5/석회 0.5로 배합하였다. 배합비율 산정 근거는 흙시멘트 표준규격서에 의거하여 주재료 90%, 고화재는 주재료의 10%, 첨가제 등은 고화재의 10% 이내를 기준으로 하였다. 주재료는 플라이애시, 고화재는 시멘트, 첨가제는 석회로 분류하였다. 다만, 본 연구에서는 유동성 채움재의 충분한 압축강도 확보를 위함으로 고화재 및 첨가제 등의 배합비율을 조정하여 적용하고, 최적의 강도 확보를 목적으로 하였다.
2.3 배합비율 및 양생기간에 따른 일축압축강도 시험 결과
선행연구에 따르면 플라이애시 비율이 감소하고 시멘트 비율이 증가할 경우 평균 압축강도가 높아진다(Housing Research Institute Korea National Housing Corporation, 1999). 결과적으로 양생 과정에서 시료의 형태 유지가 어려워 균열, 수축, 공극의 발생 여부에 따라서 압축강도에 지대한 영향을 주며, 이러한 양생 과정에서의 문제점으로 인하여 배합비율에서 시멘트 비율이 높음에도 불구하고 시료의 형태가 불균등하여 평균 압축강도가 급격하게 감소한다.
시험결과에 따르면 석회의 존재 유무가 공시채 형태와 압축강도의 영향을 준다는 사실은 분명하다. 다만, 시멘트와 석회의 비율에 따른 압축강도의 상관관계에 대한 연구가 추가적으로 필요하다. 시멘트의 비중이 높아질수록 압축강도가 크게 증가하여야 함은 자명하지만 시료의 양생 과정에서 발생하는 균열, 미세공극 등으로 인한 강도 저하가 발생하는 것으로 판단된다. 즉, 미세균열의 발생을 억제하고, 균열에 의한 강도저하를 최소화하기 위해 일정 수준의 석회 사용은 바람직 한 것으로 판단된다. 향 후 시멘트와 석회의 양생과정에서 형성되는 입자배열의 형태를 분석하는 연구 역시 추가로 필요할 것으로 판단된다.
본 시험결과 중 플라이애시 9.0/시멘트 0.5/석회 0.5 배합비율을 적용한 시료의 평균 압축강도가 1.15MPa로 가장 높았으며 시멘트의 비율이 가장 높은 플라이애시 8.0/시멘트 1.5/석회 0.5 배합비율을 적용한 시료의 평균 압축강도는 0.91MPa로 상대적으로 부족했다.
본 시험결과는 도로포장 하부구조 시공 지침(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2017)에서 규정한 기준보다 상대적으로 부족한 압축강도를 보였다. 유동성 채움재 배합비율 중 석회의 유무에 따라서 시료 형태의 정도에 차이가 있었으며, 공시체의 형상이 원주, 정육면체 및 직육면체 등으로 일정하게 가공되지 못할 경우 강도 변화가 심하게 발생할 수 있다(Eom et al., 2008). 또한, 일축압축강도 기계의 로드셀과 공시채의 압축이 가해지는 단면이 불균등할 경우에도 강도 별화가 심하게 발생할 수 있다. 본 연구에서는 석회의 배합비율에 따라서 공시채 형태 유지에 대단히 큰 차이를 보였으며, 각각의 배합비율에 따른 공시채 형태는 Fig. 2와 같다.
Table 1.
Uniaxial compressive strength results by curing period
3. 선행연구와의 상관관계
Chemius(2022)는 본 연구와 동일한 조건에서 유동성 채움재 시료를 양생하여 일축압축강도(uniaxial compressive strength) 시험을 수행하였다. 다만, 본 연구에서는 시험방법으로 KS F 2328(흙 시멘트의 압축강도 시험방법)을 적용하였으나 선행연구(Chemius, 2022)의 경우 KS F 4044(수경성시멘트 무수축 그라우팅 시험방법)을 적용하였으며, Kim and Jeon(2022)의 경우 KS F 2426-20(주입 모르타르의 압축강도 시험방법)을 시험방법을 적용하였다. 반면 Jung et al.(2024)은 공동복구를 위해 가장 중요한 공학적 특성인 초기강도와 재굴착 여부를 판단하기 위한 장기강도를 측정하고자 KS F 2328(흙 시멘트의 압축강도 시험방법)을 적용하였다. 시험방법의 차이와 양생조건의 차이는 동일한 배합비율을 적용하였음에도 실질적인 일축압축강도 결과에 큰 영향을 준다(Choi et al., 2016).
본 연구에서는 선행연구(Chemius, 2022; Kim and Jeon, 2022; Jung et al., 2024)와 동일한 양생일 기준으로 일축압축강도 시험 결과를 비교·분석하여 압축강도의 차이를 규명하고자 한다. 선행연구(Chemius, 2022)에 의하면 유동성 채움재와 물의 배합비율 1.0:1.0 적용하였을 경우 시료 재령 7일, 28일 기준 압축강도는 각각 0.245MPa, 0.250MPa로 양생일 증가에 따른 변화가 없음을 확인할 수 있다. 반면에 Kim and Jeon(2022)의 연구에서는 Chemius(2022)와 동일한 재료와 배합비율을 적용하였음에도 장기강도가 0.136~0.176MPa로 큰 폭으로 낮아짐을 확인하였다. 상기에 기술한 바와 같이 부산광역시 공동관리기준(2021)은 유동성 채움재의 적용 기준을 압축강도 0.3~0.6MPa로 규정하고 있으며 도로포장 하부구조 시공 지침(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2017)에 의하면 보조기층 및 노상층의 10일 양생 압축강도를 2.0MPa로 규정하고 있다. 반면에 선행연구(Chemius, 2022; Kim and Jeon, 2022)는 현장 적용 기준에 미흡한 압축강도를 나타냈다.
본 연구와 선행연구(Chemius, 2022; Kim and Jeon, 2022) 결과는 상당한 차이를 보인다. Kim and Jeon(2022)의 연구에 의하면 양생 7일 기준 유동성 채움재 압축강도 0.365MPa, 양생 28일 기준 압축강도 0.158MPa로 평가되었다. 반면에 본 연구에서는 시멘트가 첨가되었음에도 양생 7일 기준 가장 높은 압축강도는 0.220MPa, 양생 28일 기준 가장 높은 압축강도는 1.150MPa로 평가되었다. 특히 선행연구(Kim and Jeon, 2022)에서의 재령 28일 기준 압축강도는 본 연구의 재령 28일 기준 압축강도가 최소 0.9MPa 이상 더 높다. 하지만 도로포장 하부구조 시공 지침(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2017)에 명시되어 있는 2.0MPa 대비 최소 0.85MPa 이상 부족한 압축강도를 보였다. 결과적으로 현장 적용 기준에 부족한 일축압축강도를 확보함과 동시에 시멘트 사용 시 지속적으로 증가하는 장기강도를 조절, 유동성, 재굴착의 용이성을 겸비할 수 있는 추가적인 연구가 진행되어야 한다.
Table 2.
Comparison of uniaxial compressive strength with previous studies
|
Mix proportioning (Total 10%) | Curing period | Uniaxial compressive strength (MPa) | ||||
| First test | Second test | Third test | Fourth test | Fifth test | ||
|
Fly ash 9.0 Cement 1.0 | 7 days | 0.157 | 0.147 | 0.230 | 0.190 | 0.205 |
| 14 days | 0.111 | 0.207 | 0.111 | 0.279 | 0.221 | |
| 28 days | 0.183 | 0.471 | 0.540 | 0.263 | 0.204 | |
|
Fly ash 9.0 Cement 0.5 Plaster 0.5 | 7 days | 0.109 | 0.092 | 0.078 | 0.104 | 0.070 |
| 14 days | 0.119 | 0.200 | 0.122 | 0.139 | 0.239 | |
| 28 days | 0.539 | 0.219 | 1.615 | 1.661 | 1.718 | |
|
Fly ash 8.0 Cement 2.0 | 7 days | 0.224 | 0.178 | 0.198 | 0.169 | 0.236 |
| 14 days | 0.464 | 0.547 | 0.650 | 0.519 | 0.648 | |
| 28 days | 0.240 | 0.104 | 1.628 | 0.129 | 1.061 | |
|
Fly ash 8.0 Cement 1.0 Plaster 1.0 | 7 days | 0.248 | 0.123 | 0.113 | 0.133 | 0.153 |
| 14 days | 0.258 | 0.240 | 0.188 | 0.269 | 0.290 | |
| 28 days | 1.613 | 1.633 | 0.251 | 0.113 | 1.300 | |
|
Fly ash 8.0 Cement 1.5 Plaster 0.5 | 7 days | 0.187 | 0.103 | 0.358 | 0.142 | 0.311 |
| 14 days | 0.258 | 0.240 | 0.188 | 0.269 | 0.290 | |
| 28 days | 1.289 | 0.374 | 0.524 | 1.879 | 0.467 | |
|
CLSM 5.0 Water 5.0 (Kim and Jeon, 2022) | 7 days | 0.387 | 0.351 | 0.358 | - | - |
| 28 days | 0.179 | 0.136 | - | - | - | |
|
C LSM 5.0 Water 5.0 (Chemius, 2022) | 7 days | 0.245 | - | - | - | - |
| 28 days | 0.250 | - | - | - | - | |
4. 석회 배합 적용에 따른 일축압축강도 확보방안
본 연구에서 시멘트 및 플라이애쉬만 사용할 경우 Fig. 11(b)와 같이 양생 기간이 증가할수록 공극 및 균열이 심각하게 발생한다. 유동성 채움재는 도로 하부에 발생한 공동에 긴급복구를 목적으로 사용됨으로 타설된 유동성 채움재에서 추가 공극 및 균열이 발생하여서는 안된다. 따라서 공극 및 균열 발생을 최소화하기 위하여 미립자의 석회를 소량 첨가하여 공시채를 양생하였으며, Fig. 11(a)와 같이 28일 양생 후에도 공극 및 균열 없이 형태가 유지되었다. 다만, 석회를 사용할 경우 유동성 저하의 요인이 될 수 있으므로 향 후 각각의 배합비율에 따른 유동성 평가를 위한 연구를 추가적으로 진행하도록 하여야 한다.
유동성 채움재 배합비율 중 플라이애쉬8.0 : 시멘트1.5 : 석회0.5(물 배합비 50%)의 최대 일축압축강도는 1.879MPa로 나타났다. 반면에 플라이애쉬9.0 : 시멘트1.0(물 배합비 50%)의 배합비율로 만들어진 공시채의 일축압축강도는 최대 0.540MPa로 석회 첨가된 공시채 대비 1.339MPa 차이가 발생하는 것으로 나타났다. 석회가 추가되어 실질적 공극 및 균열이 축소되어 압축강도 시험 시 높은 강도를 유지할 수 있도록 영향을 끼친 것으로 판단된다. 또한, 석회를 첨가하여 만든 공시채의 일축압축강도는 도로포장 구조 설계 요령(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2015)이 제안한 보조기층 및 노상층 시공 후 10일 양생 기준 일축압축강도 2.0MPa과 큰 차이가 있는 것으로 나타났다. 또한, 유동성 채움재의 경우 도로 하부에 발생한 공동을 긴급복구하기 위해 사용됨으로 초속경 기능 및 재굴착의 간편화가 검증되어야 한다.
5. 결 론
본 논문에서는 도로 하부에 주입되는 유동성 채움재의 적정한 공학적 특성을 규명하기 위해 플라이애쉬, 시멘트, 석회를 물과 함께 배합하여 일축압축강도 시험을 수행하였다. 현재 도로포장 구조 설계 요령(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2015)에 의하면 보조기층 및 노상층은 시공 후 10일 양생 기준 일축압축강도 2.0MPa 이상으로 규정하고 있다. 반면, 부산광역시 공동관리기준(2021)에 의하면 도로 하부에 발생한 공동을 해소하고자 사용하는 유동성 채움재의 일축압축강도 기준을 0.3~0.6MPa 제안하고 있어 각각의 압축강도 기준에 대한 차이가 크다.
(1) 유동성 채움재에 대한 각각의 배합비를 토대로 압축강도를 수행한 결과 이론적으로 시멘트의 비중이 증가할수록 일축압축강도가 증가함이 바람직하지만 반대로 시멘트와 플라이애쉬의 비율이 증가할수록 장기 양생 과정 중 공극과 균열이 다수 발생하여 일축압축강도 시험 시 비교적 낮은 강도를 나타냈다.
(2) 유동성 채움재 배합비 구성 중 입자가 대단히 작은 석회를 소량 첨가하여 공시채를 만들고, 일축압축강도 시험을 수행한 경우 일축압축강도는 시멘트와 플라이애쉬만을 사용한 공시채의 압축강도와 유사하게 나타남과 동시에 공극 및 균열이 거의 없어 도로 하부에 발생하는 공동에 유동성 채움재를 타설하여도 양생 과정에서 추가 공동 및 균열 등으로 인한 문제 발생 가능성이 현저히 낮다.
(3) 선행연구에서의 압축강도 결과는 장기강도가 0.4MPa 넘어설 수 없었다. 반면에 본 연구에서는 플라이애쉬8.0 : 시멘트1.5 : 석회0.5(물 배합비 50%) 적용하였을 때 최대 압축강도는 1.879MPa로 도로포장 구조 설계 요령(국토교통부, 2015)에서 제안하고 있는 보조기층 및 노상층 시공 후 10일 양생 기준 일축압축강도 2.0MPa과 가장 유사하게 나타났다.
(4) 유동성 채움재는 긴급복구를 목적으로 도로 하부에 발생한 지하 공동에 사용하고 있으므로 초속경 기능과 재굴착이 쉬워야 한다. 반면에 본 연구의 결과는 단순 기능적인 측면을 확보하고자 국토교통부(2015)에서 제안하고 있는 압축강도 기준을 충족하고자 노력하였다. 향후 확보된 일축압축강도를 유지함과 동시에 재굴착의 간편화 및 초속경 기능을 확보할 수 있도록 연구를 추가 진행하여야 한다.
