1. 서 론
2. 유동성 채움재
2.1 재료
2.2 배합과정
2.3 기본 물성
3. 반복 삼축압축실험
3.1 실험 과정
3.2 반복하중 거동
3.3 축적된 영구변형
3.4 영구변형 예측
4. 요약 및 결론
1. 서 론
유동성 채움재는 기존의 뒷채움재에 비해 우수한 역학적 특성과 유동성을 나타내며, 다양한 시공 환경에 적합하도록 설계될 수 있다(Gomaa et al., 2023; Han et al., 2019; Jeon and Kim, 2022; Park et al., 2004; Xiao et al., 2021; Zadehmohamad et al., 2021). 이러한 유동성 채움재는 잔골재, 시멘트, 물, 플라이애쉬, 혼화제 등의 조합으로 이루어지며, 이 구성 요소들은 채움재의 워커빌리티와 최종 강도에 결정적인 역할을 한다. ACI 229R(1999)에 따르면, 유동성 채움재는 플로우 값이 200mm 이상이고, 28일 경과 후 압축 강도가 8.3MPa 이하인 자기다짐성의 저강도 재료로 분류된다(Tacim et al., 2023). 특히, 공사 후 재굴착이 필요한 경우, 유동성 채움재는 2.1MPa 이하의 낮은 강도를 유지되도록 요구되며, 이는 추후 유지보수 작업을 용이하게 한다.
선행연구에서는 유동성 채움재의 유동성과 압축 강도를 향상시키기 위한 다양한 시멘트 대체재료들이 연구되어 왔다(Khadka et al., 2023; Kim et al., 2021; Jung et al., 2024; Naik et al., 2006; Raghavendra and Udayashankar, 2013; Byun et al., 2016). 최근에는 기존 재료의 한계를 극복하기 위해, 유동성이 높고 팽창성을 보이는 Expandable Foam Grout와 같은 새로운 재료들이 유동성 채움재의 대체재로 연구되어 왔다(Lee et al., 2020; Han et al., 2021a; Han et al., 2021b; Han, 2023). 그러나, 유동성 채움재의 배합 설계에서 기존 시멘트의 대체재로서 친환경 재료의 사용이 고려될 필요가 있다.
리그닌은 식물에서 재생가능한 바이오매스의 중요한 구성 요소로, 다양한 친수성 그룹과 탄소 사슬을 포함한 소수성 그룹으로 구성되어 있다(Chen et al., 2014; Indraratna et al., 2008). 리그닌은 식물의 세포벽 내에서 단량체와 반응하여 전이되는 방법인 라디칼 중합법을 통해 고분자를 형성하며, 이 과정에서 식물의 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 및 펙틴 성분과 결합하여 식물 세포벽의 강도를 조절한다(Agrawal et al., 2014; Gidebo et al., 2023; Okoro et al., 2021). 이와 같이, 리그닌은 식물의 구조적 안정성과 내구성을 유지하는데 필수적인 요소이며, 이러한 리그닌의 구조적 특성 때문에 리그닌은 다양한 산업 분야에서 중요한 역할을 해 왔다. 산업용 리그닌은 주로 크래프트, 알칼리성, 황산 및 유기용매를 이용한 공정을 통해 목재에서 추출되고, 리그노설포네이트는 황산을 이용한 추출공정을 통해 생성되며, 친환경적이고 부식성 및 독성이 없는 결합재로 사용된다(Alazigha et al., 2018; Chen et al., 2014; Chavali and Reshmarani, 2020; Vakili et al., 2018; Vakili et al., 2022; Vinod et al., 2010; Ta'negonbadi and Noorzad, 2017). 리그노설포네이트의 술폰산그룹(-SO3H)은 시멘트 입자와 상호작용하여 양이온과 반응하고, 입자 간의 반발력을 증가시킨다. 따라서, 리그노설포네이트는 콘크리트 및 시멘트 페이스트의 첨가제로, 또한 연약 지반의 강도를 향상시키는 안정제로 사용되어 왔다(Aso et al., 2013). 그럼에도 불구하고, 시멘트 대체재로서 유동성 채움재의 배합설계에 리그노설포네이트를 활용한 연구는 아직까지 수행되지 않은 것으로 파악된다.
도로 및 철도 하부구조에서 차량의 반복하중에 의한 하부층의 변형은 중요한 문제이며, 하부층에 사용되는 재료의 역학적 특성 평가는 필수적이다. 선행 연구들은 반복하중 하에서 다층 하부구조체의 다양한 재료의 영구변형 특성을 조사해 왔다(Byun and Tutumluer, 2019; Byun et al., 2020; Mogili et al., 2020; Qamhia et al., 2021; Han et al., 2022; Ifediniru and Ekeocha, 2022; Han et al., 2023; Luan et al., 2023; Kim et al., 2024; Aregbesola and Byun, 2024). Byun et al.(2020)은 전단강도에 대한 전단응력의 비율과 축차응력의 크기가 도로 기층재의 영구변형 축적에 큰 영향을 미침을 보여주었다. 또한, Luan et al.(2023)은 구속압과 축차응력이 증가함에 따라 골재의 영구변형이 증가함을 밝혔다. Han et al.(2023)은 유동성 채움재의 경화 시간에 따라 반복 일축압축시험을 수행하여 영구변형을 평가하였고, 결과적으로 유동성 채움재의 영구변형은 경화 시간과 하중재하횟수가 증가함에 따라 감소하는 것으로 나타났다.
본 연구는 리그노설포네이트를 혼입한 유동성 채움재를 개발하고, 차량의 윤하중에 의한 내구성을 평가하기 위하여 유동성 채움재의 영구변형 특성을 조사하였다. 먼저, 유동성 채움재에 사용된 재료들의 물성과 배합과정을 설명하고, 리그노설포네이트의 혼입의 영향을 평가하기 위해 유동성 채움재의 유동성, 경화특성, 일축압축강도 특성을 평가하기 위해 플로우시험, 비카트침시험, 일축압축시험을 수행하였다. 또한, 반복 삼축압축실험을 통해 구속압과 다양한 축차응력, 하중재하횟수에 따른 리그노설포네이트를 혼입한 유동성 채움재의 영구변형 거동을 평가하였다. 마지막으로, 지수함수 기반의 영구변형 예측식을 제안하고, 실험에서 측정된 결과와의 비교 분석하였다.
2. 유동성 채움재
2.1 재료
본 연구에서 개발된 유동성 채움재는 모래, 시멘트, 플라이애쉬, 물, 그리고 리그노설포네이트로 구성되었다. 사용된 모래의 평균 입경과 균등계수는 각각 0.89mm 및 4.1로, 통일분류법에 따라 SP(poorly graded sand)로 분류되었다. 채움재 조성을 위해 보통 포틀랜드 시멘트가 사용되었으며, Fig. 1에 실험에서 사용된 플라이애쉬 및 리그노설포네이트 시료의 주사전자현미경 이미지를 나타내었다. 플라이애쉬의 평균입경과 균등계수는 각각 23.3㎛ 및 25.8로 나타났으며, 리그노설포네이트는 비정형 형상을 보였주었다.
2.2 배합과정
유동성 채움재를 조성하기 위하여 전체 시료의 중량을 기준으로, 시멘트 4.8%, 플라이애쉬 16.4%, 모래 61.1% 및 물 17.7%로 배합되었다. 기본 배합비에 대해 리그노설포네이트를 0.07%의 중량비로 추가하여 리그노설포네이트를 혼입한 유동성 채움재가 조성되었다. 이러한 유동성 채움재의 배합 과정은 Fig. 2에 모식도로 간단히 나타내었다. 배합순서는 먼저 시멘트, 플라이애쉬 및 모래를 균일하게 건배합한 후, Chen et al.(2018)에서 제안된 방법에 따라 전체 물 함량의 5%를 리그노설포네이트 분말과 균질하게 섞어 리그노설포네이트 용액을 제작한다. 이후 나머지 물과 건배합된 재료 및 리그노설포네이트 용액을 약 120초 동안 믹서기를 사용하여 일정하게 혼합하였다. 배합 과정에서 원료들이 충분히 혼합되어 일관된 특성을 지닌 유동성 채움재를 얻을 수 있도록 하였다. 유동성 채움재를 몰드에 부어 72시간 동안 공기 중에서 양생한 후, 각 시편은 탈형되어 약 20°C의 물에서 수중 양생을 실시하였다.
2.3 기본 물성
리그노설포네이트를 혼입한 유동성 채움재의 유동성, 경화특성, 압축강도특성을 평가하기 위해 플로우시험, 비카트침시험, 일축압축시험을 수행하였다. 플로우시험은 직경 75mm, 높이 150mm의 원형 몰드에 배합된 유동성 채움재를 다짐 없이 채운 후, 몰드를 수직으로 들어올려 확산된 시료의 최대 직경과 직각 방향 직경의 평균을 측정하여 플로우 값으로 산정하였다(ASTM D 6103-97). 비카트침시험은 ASTM C 191(2019) 기준을 준수하였으며, 시료 양생 후 1시간 간격으로 진행되었다. 관입된 침의 깊이가 25mm에 도달하는 시점을 초결 시간으로, 더 이상 관입이 발생하지 않는 시점을 종결 시간으로 설정하여 응결 특성을 평가하였다. 일축압축시험은 직경 및 높이가 각각 50mm, 100mm인 시험체에 대해 1mm/min의 속도로 압축 하중을 재하하여, 3일, 7일, 14일, 28일 양생 후 일축압축강도를 평가하였다.
리그노설포네이트가 혼입된 채움재(CLSM modified with lignosulfonate, CLSM-ML)와 미혼입된 채움재(CLSM without lignosulfonate, CLSM-WL)의 플로우 값, 초결 및 종결시간을 Table 1에 정리하였다. 리그노설포네이트를 첨가한 채움재는 미혼입된 채움재에 비해 높은 플로우 값을 보였다. 또한, 비카트침시험 결과에 따르면 리그노설포네이트를 혼입한 채움재의 초결 및 종결시간이 증가하는 경향을 나타내었다. 이러한 결과로부터 리그노설포네이트의 첨가가 유동성 채움재의 흐름 특성을 개선하고, 경화시간을 연장할 수 있음을 확인하였다. 이는 리그노설포네이트의 술폰산그룹(-SO3H)이 시멘트 입자와 상호작용하여 양이온과 반응하고, 이로 인해 입자 간의 반발력을 증가시키는 원리에 기인한다(Masi, 2023).
Table 1.
Flow value and setting time of CLSMs modified with and without lignosulfonate
| Mixture | Flow value [mm] | Setting time [hours] | |
| Initial | Final | ||
| CLSM-WL | 256 | 16.8 | 25 |
| CLSM-ML | 267.5 | 21.8 | 30 |
28일 양생기간동안 리그노설포네이트 혼입 유무에 따른 유동성 채움재의 일축압축강도를 Fig. 3에 나타내었다. 리그노설포네이트의 혼입 여부와 상관없이, 두 채움재의 일축압축강도는 양생 기간이 증가함에 따라 모두 향상되었다. 양생 초기에는 리그노설포네이트를 혼입하지 않은 채움재의 일축압축강도가 더 높게 나타났으나, 14일 이후에는 리그노설포네이트를 혼입한 채움재의 강도가 더 높은것으로 확인되었다. Luukkonen et al.(2019)의 연구에 따르면, 리그노설포네이트를 혼입한 시멘트 모르타르는 양생 28일 차에 미혼입 모르타르보다 더 높은 압축강도를 가지는 것으로 보고되었고, 이는 리그노설포네이트의 적절한 혼입량이 유동성 채움재의 성능 개선에 중요한 역할을 한다는 것을 보여준다. 또한, 본 연구에서 사용된 리그노설포네이트 혼입 채움재는 재굴착에 선호되는 양생 28일 강도인 2.1MPa 이하를 만족하는 것으로 나타났다.
3. 반복 삼축압축실험
3.1 실험 과정
본 연구에서는 리그노설포네이트가 혼입된 채움재와 미혼입된 채움재의 영구변형 특성을 평가하기 위해, 반복 삼축압축실험을 실시하였다. 먼저, 리그노설포네이트 혼입량을 0% 및 0.07%로 설정하고, 직경 및 높이가 각각 50mm, 100mm인 리그노설포네이트가 혼입된 채움재와 미혼입된 채움재 시료를 각각 조성하였다. 7일 및 28일 동안 양생된 시료를 이용하여 실험을 실시함으로써, 조기 및 장기 양생기간에 따른 영구변형 특성을 평가하고자 하였다. 반복 삼축압축시험기의 셀 내부에서 시료에 35kPa의 구속압을 가하고, 차량의 윤하중을 모사한 축차응력을 반복적으로 적용하여 시험체의 변형을 측정하였다. 이 때, 시료 표면에는 석고를 이용함으로써, 균일한 압축하중이 재하되도록 처리하였다. 선행 연구에 따르면, 석고와 같은 재료로 시료 표면을 처리한 후 다양한 구속압력 하에 반복하중을 적용한 결과, 석고처리가 하중 전달을 개선하고 시료의 역학적 성능을 안정화시키는 효과가 있음을 보고한 바 있다(Seed and McNeill, 1956). 반복 삼축압축실험에서 축차응력은 AASTHO T294-94에 따라, 1초당 1회씩 haversine 형태의 하중이 적용되고 펄스지속시간은 0.1초, 나머지 0.9 초의 휴지기간에는 축차응력의 10%되는 크기의 접촉응력이 적용되도록 설정하였다. 다양한 축차응력 조건 하에서 영구변형 특성을 평가하기 위해 축차응력은 50, 100, 200kPa로 설정되어 각각 총 5,000회의 반복하중이 적용되었다.
3.2 반복하중 거동
리그노설포네이트가 혼입된 유동성 채움재와 미혼입된 채움재의 양생 7일 및 28일의 영구변형을 평가하였다. Fig. 4는 반복 삼축압축실험에서 사용된 채움재의 전형적인 반복하중 거동을 보여주며, 양생 28일된 리그노설포네이트가 혼입되지 않은 시료에 200kPa의 축차응력 재하했을 때의 결과를 나타낸다. 1회 반복하중 재하시 발생된 전체 변위에서 회복변위를 제외한 크기를 영구변위로 결정하였으며, 하중재하횟수가 증가함에 따라 각 하중에서 발생된 영구변위의 축적 양상을 도시할 수 있다.
축차응력 크기에 따른 영구변형을 비교하기 위해, 50 및 200kPa의 축차응력을 재하시, 하중재하횟수에 따른 양생 7일 및 28일 시료의 영구변형 축적 양상을 Fig. 5에 나타내었다. 리그노설포네이트가 혼입된 유동성 채움재와 미혼입된 채움재 모두에서 하중재하횟수가 증가함에 따라 축적된 영구변형의 크기가 증가하였다. 반복 초기에는 급격한 영구변형의 증가가 발생하였고, 점진적으로 수렴하는 형태의 영구변형 축적 양상을 보여주었다. 또한, 양생 28일에 시료의 경화가 충분히 진행됨에 따라, 리그노설포네이트가 혼입된 채움재와 미혼입된 채움재에서 전체적으로 축적된 영구변형의 크기가 감소함을 보여주었다.
3.3 축적된 영구변형
양생 7일 및 28일 시료의 축적된 영구변형을 축차응력의 크기에 따라 Fig. 6에 나타내었다. 일반적으로 축차응력의 크기가 증가함에 따라 축적된 영구변형이 증가하였다. 양생 7일에는 축차응력의 크기에 관계없이 리그노설포네이트가 혼입된 시료에서 미혼입된 시료보다 높은 축적된 영구변형을 보여주었다. 이는 비카트침시험 결과와 같이 리그노설포네이트의 혼입이 경화시간을 지연시킴에 따라 영구변형이 증가한 것으로 판단된다. 특히, 200kPa의 축차응력을 재하했을 때 상당히 큰 영구변형이 발생하였다. 대조적으로, 양생 28일에는 리그노설포네이트가 혼입된 시료가 미혼입된 시료보다 낮은 영구변형을 보여주었다. 이는 양생 28일에 경화시간이 충분히 경과함에 따라, 리그노설포네이트가 혼입된 시료가 양생 14일 이후 미혼입된 시료보다 높은 압축강도를 나타낸 것과 유사한 양상을 보여준다. 리그노설포네이트가 혼입된 시료를 보면, 양생기간 초기인 7일차에 200kPa의 축차응력에서 1.81%의 영구변형이 발생하였으나, 양생 28일에는 동일한 축차응력에서 영구변형이 0.068%로 감소하였다. 선행 연구에 따르면, 일반적으로 도로 기층재의 경우 0.1%에서 1%의 영구변형을 안정적인 범위로 간주하며, 이 범위를 초과하는 변형은 장기적인 도로 포장 성능에 문제를 일으킬 수 있음을 보고된 바 있다(Park and Hwang, 2011; Park et al., 2004). 따라서, 리그노설포네이트가 혼입된 유동성 채움재는 양생 초기에 높은 축차응력 조건을 피하면 장기적인 관점에서 미혼입된 채움재보다 안정적인 영구변형 거동을 보일 것으로 예상된다.
3.4 영구변형 예측
반복 삼축압축실험에서 측정된 유동성 채움재의 영구변형을 기반으로, 예측식을 도출하기 위해 아래와 같이 지수함수를 활용하여 회귀분석을 수행하였다(Byun et al., 2020; Han et al., 2023).
여기서, εp는 영구변형률, σd는 축차응력, σs일축압축강도, N은 하중재하횟수, a, b, c는 예측식의 매개변수를 의미한다. Table 2에 세 종류의 지수함수 영구변형 예측식에 대한 결정계수 값을 정리하였다. 전반적으로 하중재하횟수와 축차응력이 고려된 Eq. (2)이 가장 높은 결정계수 값을 나타냈다. 이에 따라, Eq. (2)을 본 연구에서 사용된 유동성 채움재의 영구변형 예측식으로 선정하였으며, Eq. (2)의 매개변수 및 결정계수 값을 Table 3에 정리하였다. 또한, 양생 7일 및 28일에 각 축차응력에서 유동성 채움재의 영구변형 측정값과 예측값을 Fig. 7에 비교하였다. 비교 결과, 전반적으로 높은 일치도를 보였으며, 대부분의 조건에서 예측식이 반복 하중에 따른 영구변형 축적 양상을 효과적으로 예측하는 것으로 나타났다. 그러나, 양생 7일에 200kPa의 축차응력이 재하된 경우, 예측값이 실험값과 다소 차이를 보이는 경향이 나타났다. 이는 사용된 예측식이 특정 응력 조건에서 유동성 채움재의 변형 거동이 일반적인 경향과 차이를 보일 가능성이 있음을 의미하며, 향후 추가적인 실험을 통한 예측식의 보정이 필요할 것으로 판단된다.
Table 2.
Summary of coefficient of determination for three prediction models
| Mixture |
Curing period [days] | σd [kPa] | R2 | ||
| Eq. (1) | Eq. (2) | Eq. (2) | |||
| CLSM-WL | 7 | 50 | 0.912 | 0.963 | 0.963 |
| 100 | 0.921 | 0.966 | 0.966 | ||
| 200 | 0.889 | 0.939 | 0.938 | ||
| 28 | 50 | 0.425 | 0.738 | 0.738 | |
| 100 | 0.933 | 0.982 | 0.980 | ||
| 200 | 0.571 | 0.819 | 0.821 | ||
| CLSM-ML | 7 | 50 | 0.812 | 0.984 | 0.984 |
| 100 | 0.929 | 0.976 | 0.976 | ||
| 200 | 0.791 | 0.877 | 0.876 | ||
| 28 | 50 | 0.425 | 0.536 | 0.541 | |
| 100 | 0.592 | 0.666 | 0.662 | ||
| 200 | 0.843 | 0.930 | 0.926 | ||
Table 3.
Summary of model parameters and coefficients of determination for the selected prediction model with deviatoric stress
4. 요약 및 결론
본 연구에서는 유동성 채움재에 리그노설포네이트를 혼입하여 유동성, 경화특성 및 일축압축강도를 분석한 후, 반복 삼축압축실험을 수행하여 영구변형 특성을 평가하고, 이를 통해 지수함수 기반의 예측식을 도출하여 제안하였다. 리그노설포네이트가 혼입된 경우 플로우 값이 증가하였으며, 리그노설포네이트의 혼입은 유동성 채움재의 초결 및 종결시간을 지연시킬 수 있는 것으로 나타났다. 또한, 리그노설포네이트를 혼입한 유동성 채움재는 양생기간이 증가할수록 일축압축강도의 증가가 향상될 수 있음을 보여주었다.
반복 삼축압축실험을 통해 유동성 채움재의 영구변형 특성을 평가한 결과, 양생 7일에는 리그노설포네이트가 혼입된 시료의 영구변형이 미혼입된 시료보다 높았지만, 양생 28일 시료의 영구변형은 리그노설포네이트를 혼입한 시료가 낮게 나타났다. 또한, 영구변형 거동을 평가하기 위해 세 가지 지수함수 형태의 예측식을 비교하였으며, 그 결과 축차응력을 포함한 지수함수 기반의 예측식이 가장 높은 결정계수를 보여주었다. 예측값과 측정값의 비교 결과, 전반적으로 높은 일치도를 보였으나, 양생 7일 200kPa의 축차응력이 재하된 경우에는 예측값과 실험값 간의 차이가 발생하였다. 본 연구 결과에 따르면, 리그노설포네이트가 혼입된 유동성 채움재의 강도 발현이 초기 양생 단계에서 다소 지연될 수 있기 때문에, 높은 축차응력에서는 취약할 수 있으나, 낮은 축차응력 조건 및 장기적인 관점에서는 안정적인 도로 기층재로 사용될 것으로 예상된다. 또한, 본 연구 결과는 리그노설포네이트가 혼입된 유동성 채움재의 활용 시, 최적의 혼합비와 양생 조건을 결정하는데 중요한 기초자료가 될 것으로 기대된다.
