1. 서 론
2. 실내 가열시험
2.1 시험 장비
2.2 모형 지반
2.3 실내 가열시험 조건
2.4 실내 가열시험 방법
3. 실내 가열시험 결과
3.1 모형 지반의 개량 단면 관찰 결과
3.2 모형 지반의 온도 분석 결과
3.3 모형 지반의 콘 저항치 분석 결과
4. 온도-강도 관계 분석
4.1 온도와 강도간의 상관관계 분석
4.2 온도의존 강도 증진모델 개발
5. 결 론
1. 서 론
연약지반의 지지력을 증진시키기 위한 개량공법으로는 성토 재하와 같은 압밀공법, 연직배수와 같은 배수공법, 모래다짐말뚝과 같은 다짐공법, 심층혼합처리와 같은 치환공법 등이 널리 적용되고 있다. 이러한 공법들은 지반의 강도를 직접적으로 증가시킬 수 있다는 장점을 가지지만 시공 기간이 길거나 고가의 재료를 필요로 하는 경우가 많아 시공성 및 경제성 측면에서 한계를 갖는다. 또한 시멘트나 규산나트륨을 사용하는 치환공법은 알칼리 성분의 용출 및 장기적인 재료 손실에 따른 내구성 저하와 환경적 문제를 야기할 수 있다.
소결공법은 루마니아(Beles and Stanculescu, 1958), 러시아(Litvinov, 1960), 일본(Yamada, 1962)의 건설현장에서 처음 적용된 공법으로 지반을 가열하여 강도를 증진시키는 개량기술로서 시공 기간이 비교적 짧고 별도의 개량재를 필요로 하지 않는다는 장점을 가진다. 소결 공법은 가열을 통해 흙의 강도를 직접적으로 증가시킨다는 점에서 치환공법과 유사하지만 용해성 물질이나 알칼리성 재료를 사용하지 않기 때문에 내구성 및 환경적 측면에서도 상대적으로 유리한 공법으로 평가된다.
소결 공법의 주된 목적은 점토지반을 고온 조건에서 경화시키는 데 있다. 점토가 가열 조건에서 시간에 따라 경화되는 현상은 Lee(2003), Abuel-Naga et al.(2005), Hashemi et al.(2019), Lee et al.(2025) 등의 연구에서 실내시험을 통해 확인된 바 있으며 Litvinov et al.(1961), Shin(2011), Park et al.(2012), Han et al.(2014) 등은 현장 적용을 통해 가열에 따른 강도 증진 효과를 평가한 바 있다. 이러한 선행연구들은 가열처리가 점토지반의 강도 증진에 효과적임을 입증하였다는 점에서 의의가 있다.
그러나 기존 연구의 대부분은 가열 전과 후의 강도를 정성적으로 비교하거나 특정 가열 조건에서의 강도 증가 경향을 제시하는 수준에 머물렀으며 가열 과정에서 형성되는 온도 분포와 강도 증가 간의 정량적인 관계를 명확히 제시한 연구는 매우 제한적이다. 따라서 소결 공법은 명확한 설계 매뉴얼의 부재로 인하여 실제 현장 적용 사례가 매우 제한적인 실정이다(Lee, 2026).
이에 본 연구는 실내 가열시험을 통해 가열처리 점토지반의 온도 변화와 강도 증가 거동을 분석하고 이를 기반으로 온도 의존 강도증진 모델을 개발하는 데 목적이 있다. 이를 위하여 선행압밀하중과 초기 온도 조건을 달리하여 점토지반을 조성하였으며 히터를 이용한 실내 가열시험을 수행하였다. 시험 과정에서 시간에 따른 온도를 계측하였고 가열 시험 종료 후에는 콘관입 시험을 통해 점토지반의 강도를 평가하였다. 측정된 온도와 강도 결과는 정규화하였으며 이를 바탕으로 온도 상승에 따른 강도 증진 특성을 정량적으로 표현할 수 있는 실험적 강도증진 모델을 제안하였다.
2. 실내 가열시험
2.1 시험 장비
실내 가열시험에 사용된 장비는 Fig. 1(a)에 나타낸 바와 같이 모형토조(Model soil tank), 강성 다공판(Rigid perforated plate), 그리고 하중재하판(Loading plate)으로 구성되어 있다. 모형토조는 모형지반 조성을 위하여 Fig. 1(b)와 같이 상부 및 하부에 배수재를 설치하였으며 그 상부에는 강성 다공판과 하중재하판이 순차적으로 배치되도록 제작하였다. 모형지반의 조성이 완료된 후에는 가열 시험을 수행할 수 있도록 모형토조 중심부에 Fig. 2와 같은 가열용 히터를 삽입하였다. 또한 온도 센서는 Fig. 1(c)와 같이 히터와 토조 경계면 사이에 30mm 간격으로 총 6개 설치하였으며 이를 통해 위치별 모형지반의 온도를 정밀하게 계측할 수 있도록 하였다.
2.2 모형 지반
실내 가열시험에 사용된 시료는 Fig. 3과 같이 경상남도 산청군에서 채취한 카올린 점토를 이용하였으며 시료의 기본 물성시험 결과는 Table 1과 같다. 시료 조성은 모형토조 하부에 배수재(모래)를 포설한 후(Fig. 4a), 배수재와 점토 슬러리의 혼합을 방지하기 위하여 그 위에 부직포를 설치하였다(Fig. 4b). 부직포 위로는 점토 슬러리를 조성하였으며 가열 히터를 중심에 삽입하였다(Fig. 4c). 히터 설치가 완료된 후에는 상부에 다시 부직포와 배수재를 역순으로 적용하였으며 Fig. 1(b)에 나타낸 바와 같이 20일 이상 선행압밀하중을 재하하여 모형지반을 조성하였다.
Table 1.
Properties of sample
| Division | Physical properties | |||||
|
Specific Gravity (Gs) |
Liquid Limit (LL, %) |
Plastic Limit (PL, %) | Percent finer by weight (%) | |||
| 0.425mm | 0.075mm | 0.002mm | ||||
| Sample | 2.687 | 30.44 | 18.33 | 99.88 | 91.97 | 30.84 |
2.3 실내 가열시험 조건
전기 히터는 열량 조건에 의해 시간이 경과함에 따라 온도가 점진적으로 증가하며 히터의 온도가 허용할 수 있는 한계 온도에 도달할 경우 과열될 수 있으므로 컨트롤러를 통해 온도 상승을 방지한다. 이때 히터의 열량조건(전압, 전류, 전기저항)과 가열시간, 그리고 히터의 한계 온도는 Table 2와 같다. 가열시간은 상용프로그램(Temp/W)을 통해 점토지반 내 온도 분포가 시간 경과에 따라 충분히 수렴하는 시점을 검토하였으며 2시간이 경과할 경우 지반 내 온도 분포가 안정된 상태로 수렴하는 것으로 나타났다. 따라서 본 연구에서는 점토지반 내 열전달이 충분히 이루어지도록 가열시간을 2시간으로 설정하였다.
Table 2.
Conditions of laboratory heating test
| Division | Voltage (V) | Current (A) | Electrical resistance (Ω) | Heating duration (hr) | Max. temperature (℃) |
| Value | 220 | 3 | 73.3 | 2 | 1,000 |
실내 가열시험은 Table 3과 같이 점토의 온도 및 강도에 영향을 미치는 초기온도와 선행압밀하중 조건을 달리 하여 수행하였다. 이때 초기온도 조건은 Beltrami et al.(2002)의 계절에 따른 온도분포 결과를 참고하여 10℃, 15℃, 20℃로 달리 고려하였다. 선행압밀하중()은 점토지반 표층부에서 소결을 수행한다는 점을 감안하여 5kPa, 10kPa, 20kPa로 적용하여 총 9개 케이스에 대한 실내 가열시험을 수행하였다. 또한 각 선행압밀하중에 대한 초기함수비 조건은 각각 42%, 39%, 34%이다.
Table 3.
Cases of laboratory heating test
| Ini. temperature (T, ℃) | Preconsolidation (Pc, kPa) | Case |
| 10 | 5, 10, 20 | Case 1, Case 2, Case 3 |
| 15 | 5, 10, 20 | Case 4, Case 5, Case 6 |
| 20 | 5, 10, 20 | Case 7, Case 8, Case 9 |
2.4 실내 가열시험 방법
실내 가열시험시에는 모형지반 상부 하중 재하판과 강성 다공판, 배수재, 부직포를 제거한 후 Fig. 1(c)와 같이 온도 센서를 삽입하고 히터를 통해 열을 가하였다. 모형지반의 온도는 온도 센서를 통해 1분간격으로 측정하였으며 강도는 시험이 종료된 후 Fig. 5와 같은 휴대용 콘관입 시험기를 이용하여 측정하였다. 콘관입 시험은 열전달 실험 종료 후 점토지반을 1일간 충분히 식히고 나서 측정하였으며 Fig. 1(c)의 Probe 1~Probe 4 위치에 대하여 측정하였다. 콘관입 시험시에는 1cm/sec 속도로 모형지반을 관입하였으며 모형 지반 깊이의 절반을 지났을 때의 콘 저항치를 측정하였다.
3. 실내 가열시험 결과
3.1 모형 지반의 개량 단면 관찰 결과
가열시험을 수행한 후 개량 단면을 관찰한 결과(선행압밀압력 10kPa, 초기온도 15℃ 조건)는 Fig. 6과 같다. 개량단면 관찰시에는 육안 관찰 함께 ASTM D2488(2009)에 명시되어 있는 엄지손가락 압착 시험을 수행하여 연경도를 정성 분석하였다.
분석 결과 단면 중심부(반경 0mm~10mm)에서는 Table 4와 같이 점토가 고열에 의해 세라믹화되어 색상이 연한 갈색에서 회색으로 변화하였다. 해당 구간의 개량체는 엄지손가락 압착에 대한 저항이 크게 나타나 매우 견고한 연경도를 보이는 것으로 분석되었다. 반경 10mm~30mm구간에서는 Table 4와 같이 색상 변화는 관찰되지 않았으나 간극수가 거의 전부 제거된 상태로 확인되었으며 엄지손가락 압착 시험 결과 매우 견고한 연경도를 나타내었다. 반경 30mm~50mm 구간에서는 Table 4와 같이 매우 건조하며 엄지손가락이 압착되지 않으나 손톱자국이 생기는 정도의 견고한 연경도를 보였다. 반면 반경 50mm 구간에서는 Table 4와 같이 간극수가 마르지 않아 습윤 상태를 유지하며 엄지손가락이 압착되어 개량효과가 미미한 것으로 분석되었다. 따라서 본 연구에서 수행한 실내 가열시험 조건에서는 약 100mm정도 직경의 개량체를 형성한 것으로 평가 되었다.
Table 4.
Observation results of the improved cross section of the model soil
이러한 경향이 나타나는 이유는 히터와의 이격거리가 짧을수록 고온 조건에 보다 빠르게 노출되어 함수비 감소와 세라믹화가 조기에 발생하기 때문으로 판단된다. 이러한 열적 영향의 차이로 인해 개량체 내부에서는 위치에 따른 개량 정도의 불균질성이 나타나는 것으로 해석된다. 따라서 가열처리 점토지반은 히터와의 거리 조건에 따라 개량 성능이 상이하게 발현되며 히터와의 이격거리가 가까울수록 보다 높은 공학적 성능 향상을 기대할 수 있을 것으로 판단된다.
3.2 모형 지반의 온도 분석 결과
Fig. 7은 실내 가열시험으로부터 시간, 히터로부터의 이격거리, 선행압밀하중, 초기온도 조건에 따른 온도를 측정한 대표적인 결과이다. 온도 분석 결과 히터와 직접 접촉하는 중심부(반경 10mm)에서는 Fig. 7(a)와 같이 실험 초기 약 30분 동안 급격한 온도 상승이 발생한 이후 히터 상한 온도의 약 90% 수준인 약 900℃에서 온도가 수렴하는 경향을 보였다. 이는 히터와 점토지반 경계면에서 발생한 미세한 틈으로 인해 일부 열에너지가 외부로 손실되었기 때문으로 판단된다.
또한 반경 10mm~60mm 구간에서는 Fig. 7(b)와 같이 가열 시간이 증가함에 따라 온도가 지속적으로 상승하는 경향을 보인 반면 반경 90mm 이상 구간에서는 유의미한 온도 상승이 관찰되지 않았다. 이에 따라 본 모형시험 조건에서 실질적인 열전달 및 개량 효과가 발현되는 범위는 반경 10mm~60mm 구간으로 판단되며 해당 범위를 초과할 경우 가열시간 증가에 따른 추가적인 개량 효과는 제한적인 것으로 나타났다. 이는 앞서 수행한 개량단면 관찰 결과(약 100mm 개량체 형성)와 유사한 결과이다.
또한 선행압밀하중의 영향은 Fig. 7(c)와 같이 선행압밀하중 증가할수록 점토의 온도가 선형적으로 증가하는 경향을 보였다. 이는 선행압밀압력이 클수록 열전도율이 큰 흙입자의 밀도가 증가하기 때문으로 해석된다(Andersland and Anderson, 1978). 반면 초기온도 조건은 Fig. 7(d)와 같이 온도 상승에 어느정도 영향을 미치기는 하나 선행압밀압력에 비해서는 상대적으로 작은 것으로 나타났다. 이러한 결과는 가열처리 점토지반의 열전달 거동이 초기 온도보다는 지반의 밀도 상태에 보다 큰 영향을 받는다는 점을 보여준다.
3.3 모형 지반의 콘 저항치 분석 결과
Fig. 8은 실내 가열시험으로부터 히터로부터의 이격거리, 선행압밀하중, 초기온도 조건에 따른 콘 저항치를 측정한 대표적인 결과이다. Table 4에 의하면 점토지반의 실질적인 소결 효과는 히터로부터의 이격거리 50mm 구간까지 견고한 연경도를 나타내어 개량이 이루어진 것으로 판단된다. 다만 콘 저항치는 연약한 경우(90mm~120mm 구간), 중간 정도의 견고한 경우(60mm 구간), 견고한 경우(30mm 구간) 등 다양한 연경도 조건에서 측정하였으며 각 연경도에 대응하는 온도와 강도의 상관관계를 분석하기 위한 기초자료로 활용하였다. 콘 저항치는 Fig. 8(a)와 같이 토조 중심과의 거리가 증가할수록 감소하는 경향이 뚜렷하게 나타났으며 특히 반경 30mm~60mm 구간에서 급격한 강도 저하가 관찰되었다.
이는 해당 구간이 고온 영역에서 중·저온 영역으로 전이되는 구간으로서 가열 효과의 차이가 크게 발생하기 때문으로 해석된다. 또한 콘 저항치는 Fig. 7의 온도 분포와 유사한 경향성을 보이므로 온도 상승에 지배되며 비례 관계를 보일 것으로 판단된다. 그러나 가열시간이 증가하여 온도 분포 영역이 넓어질 경우에는 Han et al.(2016)의 연구와 같이 토조 중심과의 거리에 따른 강도의 감소가 완만하게 이루어질 것으로 판단된다.
선행압밀하중의 영향은 Fig. 8(b)와 같이 선행압밀하중이 증가할수록 콘 저항치는 전반적으로 증가하는 경향을 보였으나 강도 증가 폭은 선행압밀압력이 클수록 점차 감소하는 것으로 나타났다. 이는 선행압밀압력의 크기가 흙의 물리·역학적 특성과 반드시 비례하지는 않기 때문으로 보인다. 초기온도 조건은 Fig. 8(b)와 같이 초기온도가 증가함에 따라 콘 저항치가 다소 증가하는 경향이 확인되었으나 온도 분석 결과와 마찬가지로 그 영향은 선행압밀압력에 비해 상대적으로 적은 것으로 나타났다.
4. 온도-강도 관계 분석
4.1 온도와 강도간의 상관관계 분석
소결공법의 원리는 온도 상승에 따른 점토지반의 세라믹화 현상과 함수비 감소에 기인한다. 따라서 가열처리에 따른 점토지반의 강도 증가는 세라믹화 및 함수비 감소를 지배하는 온도와의 상관관계를 분석할 필요가 있다. 분석 방법은 Fig. 7 및 Fig. 8과 같이 히터로부터의 이격거리, 선행압밀하중, 초기온도 조건별 시험 결과로부터 얻은 온도와 콘 저항치를 이용하여 상관관계를 분석하였다. 이때 소결 영향이 거의 나타나지 않는 경계부에 해당하는 히터로부터 이격거리 120mm지점의 콘 저항치를 초기 콘 저항치()로 적용하였다.
점토지반의 콘 저항치()는 Fig. 9(a)와 같이 온도()가 증가할수록 선형적으로 증가하는 경향을 보였다. 가열온도와 콘관입 저항치 간의 상관관계는 결정계수가 =0.99로 매우 높게 나타나 두 인자 간의 상관성이 매우 높은 것으로 분석되었다.
한편 온도와 콘 저항치는 Fig. 7 및 Fig. 8과 같이 매우 유사한 경향성을 보이지 때문에 온도 증가의 정도와 강도 증가의 정도는 매우 유사할 것으로 보인다. 따라서 온도와 강도를 각각 정규화하여 초기온도()에 대한 온도의 비(온도비, )와 초기 콘 저항치()에 대한 콘 저항치()의 비(강도비, )의 상관관계를 분석할 경우 Fig. 9(b)와 같이 나타낼 수 있다. 온도비와 강도비의 상관관계는 Fig. 9(b)와 같이 온도비가 증가함에 따라 강도비도 선형적으로 증가하는 경향을 보였으며 이때 결정계수는 =0.73~=0.98 정도의 양호한 적합도를 보였다.
온도-강도의 상관관계는 Fig. 9(a)와 같이 선행압밀압력별 기울기가 0.89kPa/℃~1.01kPa/℃로 비교적 유사한 값을 보였으나 절편은 11.32kPa~72.98kPa로 큰 차이를 나타내었다. 반면 온도비-강도비의 상관관계는 Fig. 9(b)와 같이 선행압밀압력별 기울기가 0.29~0.69로 비교적 큰 차이를 보였으나 절편은 0으로 동일한 값을 보였다.
이를 종합할 경우 온도-강도의 상관관계와 온도비-강도비의 상관관계는 모두 온도 의존성을 잘 반영하는 것으로 평가된다. 또한 적합도는 온도-강도의 상관관계가 비교적 우위에 있는 것으로 평가되나 실무에 적용하기에는 온도 및 강도에 대한 정규화가 이루어지고 적은 수의 회귀변수(기울기)를 갖는 온도비-강도비의 상관관계가 좀 더 적정할 것으로 판단된다. 또한 Fig. 9(b)의 온도비()와 강도비()의 기울기를 강도 증가 계수()로 나타낼 경우 강도 증가 계수()와 선행압밀압력()의 상관관계는 Fig. 10과 같다. Fig. 9(b)와 같이 선행압밀하중()이 클수록 강도가 증가되는 정도(기울기)가 감소하기 때문에 강도 증가 계수()는 선행압밀하중()이 증가할수록 감소하는 것으로 나타났다. 이는 선행압밀하중이 작은 경우 간극수의 증발량이 많아 점토의 경도가 크게 증가하지만 선행압밀하중이 큰 경우 간극수의 증발량이 적어 점토의 경도가 비교적 작게 증가하기 때문이다.
4.2 온도의존 강도 증진모델 개발
Eq. (1)은 Fig. 9와 Fig. 10의 관계로부터 도출된 경험적 모델이다. Eq. (1)은 초기온도()와 상승된 온도(), 초기강도(), 선행압밀하중()를 알 경우 회귀변수 및 에 따라 증가된 강도값()을 예측할 수 있는 모델이다. Eq. (1)을 유도한 Fig. 9~Fig. 10은 결정계수가 =0.73~0.99로 양호한 적합도를 보이므로 이를 이용할 경우 점토지반 소결공법의 강도 증진에 대하여 보다 정량적인 설계가 가능할 것으로 판단된다.
여기서, 는 소결공법에 의해 증진된 강도(kPa), 는 점토지반의 초기강도(kPa), 는 소결공법에 의해 상승한 온도(℃), 는 초기온도(℃), 는 선행압밀하중(kPa), 와 는 실내 가열시험으로부터 얻은 회귀변수이다. 본 연구에서는 회귀변수 의 경우 Fig. 10과 같이 0.025, 회귀변수 의 경우 0.75로 산정되었으나 본 연구와 상이한 조건에서는 회귀변수 와 가 상이해질 것으로 판단된다. 따라서 점토지반 소결공법을 설계하기 전에는 실내 가열시험을 수행하여 회귀변수 와 를 산정하고 Eq. (1)을 통해 현장의 개량후 강도()를 평가할 필요가 있을 것으로 판단된다.
5. 결 론
본 연구는 점토지반 소결공법의 강도증진에 대한 정량적인 설계 매뉴얼을 제시하기 위해 실내 가열시험을 수행하여 온도–강도 거동을 분석하고 이를 기반으로 온도 의존 강도증진 모델을 개발하였다. 본 연구로부터 도출된 주요 결론은 다음과 같다.
(1) 실내 가열시험 결과 모형지반은 히터와의 이격거리에 따라 개량 정도가 상이하게 나타났으며 실질적인 개량 효과는 히터 중심으로부터 약 10mm~60mm 범위에서 주로 발현되는 것으로 분석되었다. 이는 히터와의 이격거리가 짧을수록 고온 조건에 보다 신속하게 노출되어 함수비 감소와 세라믹화 현상이 조기에 발생하기 때문이다.
(2) 콘관입 시험 결과 콘 저항치는 히터와의 이격거리가 증가할수록 감소하는 경향을 보였으며 특히 반경 30mm~60mm 구간에서 급격한 강도 저하가 발생하였으며 이는 콘 저항치가 온도 분포와 유사한 관계를 나타내기 때문이다. 따라서 점토지반의 강도는 온도 상승에 의해 지배됨을 확인할 수 있다.
(3) 온도–강도의 상관관계는 결정계수가 =0.99로 매우 높은 적합도를 보였으며 온도비–강도비의 상관관계 또한 결정계수가 =0.73~=0.98로 양호한 적합도를 보여 온도 의존 강도 거동을 효과적으로 반영하는 것으로 분석되었다.
(4) 온도–강도 관계와 온도비–강도비 관계를 비교한 결과 절대 온도를 이용한 상관관계는 높은 적합도를 보였다. 그러나 실무 적용 측면에서는 정규화를 통해 적은 수의 회귀변수를 갖는 온도비–강도비 기반 접근법이 보다 합리적인 것으로 판단된다.
(5) 온도비()와 강도비()의 기울기인 강도 증가 계수()는 선행압밀하중()과 반비례하는 경향을 보였다. 이는 선행압밀하중이 작은 경우 간극수의 증발량이 많아 점토의 경도가 크게 증가하지만 선행압밀하중이 큰 경우 간극수의 증발량이 적어 점토의 경도가 비교적 작게 증가하기 때문이다.
(6) 점토지반의 소결공법의 강도증진을 정량적으로 평가하기 위해 의 경험적 모델을 사용할 필요가 있다. 이때 카올린 점토를 대상으로 한 본 연구에서는 회귀변수 를 0.025, 회귀변수 를 0.75로 제안한다.
본 연구에서 제안한 온도 의존 강도증진 모델은 초기온도, 가열온도, 초기강도 및 함수비를 이용하여 가열처리 후 점토지반의 강도를 정량적으로 예측할 수 있으며 이를 통해 소결공법의 설계 단계에서 개량 효과를 보다 체계적으로 평가할 수 있을 것으로 기대된다. 다만 본 연구에서 수행한 실내 가열시험은 점토 시료 중심부의 온도를 기준으로 분석하여 2차원 조건에 대한 해석을 수행하였다. 그러나 열전달이 충분히 이루어지지 않는 상·하부 경계 영역에서는 소결이 충분히 발생하지 않을 가능성이 있다. 따라서 본 연구에서 제안한 온도 의존 강도 증진 모델은 중심부 영역에 적용되는 것으로 판단되며 경계부 영역에 대해서는 보수적인 고려가 필요할 것으로 판단된다. 또한 제안 모델의 회귀변수는 지반 조건 및 가열 조건에 따라 달라질 수 있으므로 향후 다양한 점토 조건과 가열 환경을 고려한 추가 연구가 필요할 것으로 판단된다.
