1. 서 론

지반 위나 아래에 다양한 시설물(건물, 철도, 도로, 항만시설, 방파제 등)들을 설치하는 건설공사가 국내･외 곳곳에서 수행되고 있다. 이와 같은 다양한 시설물들이 안전하게 설치되기 위해서는 시설물들을 지지하고 있는 지반이 충분한 지지력을 가지고서 시서물의 자중과 기타 추가되는 설하중, 풍하중 등의 다양한 하중을 지지할 수 있어야 한다. 그렇지 못한 경우 지반강도를 증진하는 방법을 모색하여야 하는데 점토지반의 강도를 증진시키는 기존 개량공법으로는 연약한 점성토를 양질의 토사로 치환하는 치환공법, 탈수 및 배수에 의해 지반의 압밀을 촉진시켜 강도를 증대시키는 프리로딩, 샌드드레인공법과 같은 밀도증대공법, 흙의 간극 내에 액체 또는 분말형의 고결재를 주입하거나 혼합시켜 흙의 강도를 증진시키는 약액주입공법, 생석회말뚝공법, 심층안정처리공법과 같은 고결공법 등이 있다. 특히 점토지반 개량에 자주 사용되는 고결공법은 시멘트계나 석회계 등의 고화제를 지반에 주입하거나 혼합시켜 지반을 요구하는 강도로 증가시키는 공법으로서 투입되는 시멘트계나 석회계 등의 고화제량이 증가할수록 공사비 또한 크게 증가하는 문제점이 있었다. 이를 해소하기 위해서 다양한 섬유혼합 보강토에 관한 연구가 국내･외적으로 수행되었다(Cho and Kim, 1995; Kim et al., 2002; Song and Im, 2002; Kim et al., 2007; Park et al., 2007; Freitag, 1986; Maher and Ho, 1994; Cai et al., 2006; Tang et al., 2007). 하지만 사용된 대부분의 섬유가 합성섬유(나일론, PVA, 강섬유 등)를 활용한 것으로서 여러 가지 환경오염에 대한 우려와 섬유혼입 단가에 대한 문제들이 존재해 왔다.

본 연구에서는 상기와 같은 여러 가지 문제점을 줄이면서 점토지반의 강도를 증가시키기 위해서 친환경재료인 사람이나 동물의 헤어섬유를 재활용하는 것으로서 지반강도증진을 위해서 투입되는 시멘트계나 석회계 등의 고화제량을 줄여 공사비를 절감할 뿐만 아니라 쓰레기 매립 및 처리에 들어가는 경비 또한 절감하는 효과를 가져올 수 있을 것으로 판단된다.

기존 국내･외 지반개량에 대한 연구들을 조사한 결과 아직까지 지반개량을 목적으로 헤어섬유를 활용한 구체적 연구사례는 없었으며, 본 연구를 통하여 지반개량에 대한 헤어섬유 활용연구가 좀 더 활성화 될 수 있기를 기대하는 바이다.

2. 재료 및 실험방법

2.1 사용재료

본 연구에 사용된 재료의 물리적 특성은 Table 1에 나타내었다. 사용된 점토흙은 카올리나이트이며, 시멘트는 보통포틀랜드 시멘트를 사용하였다. 전체 실험과정을 통해 액성한계 및 소성한계시험, SEM 성분분석을 실시하여 사용시료의 균질성을 확인하였다. 본 연구를 위해 준비된 헤어섬유 인장시험 방법 및 그 결과를 Fig. 1 및 Table 2에 나타냈다. 그림에서 보는 바와 같이 파마 및 매직 등의 처리를 겪은 헤어섬유는 인장강도가 크게 감소하는 특징을 나타냈으며 본 연구에서는 이와같은 헤어섬유는 실험에 사용하지 않았다.

2.2 공시체 제작

본 연구에서는 흙시멘트 압축 및 휨강도 시험용 공시체를 제작하고 양생하는 방법(KS F 2329)에 의거하여 공시체를 제작하고 시험을 실시하였다.

헤어섬유를 혼입한 공시체(∅ 50×100mm) 제작을 위해서 먼저 건조 점토시료에 액성한계에 해당하는 물을 첨가한 후 교반기로 충분히 교반하였다. 그런다음 물에 헤어섬유를 넣어 혼합한 후, 시멘트 분말을 첨가하여 헤어섬유, 시멘트, 물로 구성된 혼합물을 만들어 앞서 교반된 점토와 썩어 10분간 교반하였다. 충분한 교반을 위하여 스크레이퍼를 이용해서 부착된 시료를 용기의 가운데로 모아주고 재교반하는 과정을 반복하였다. 교반된 헤어섬유 혼입 점토혼합물을 몰드에 3층으로 나눠 충진하고 각 층당 다짐봉으로 25회씩 다짐하며 공시체를 제작하였다. 공시체는 재령별(3, 7, 14, 28일)로 평균을 고려하여 3개씩 제작하였으며 항온 항습기를 통하여 온도 20±3℃, 습도 95%에서 양생하였다.

헤어섬유 길이 및 혼입량에 따른 강도특성을 파악하기 위하여 헤어섬유 길이는 5mm 및 20mm의 두 가지조건을 고려하였고, 섬유 혼입량은 점토의 중량 대비 0.1% 및 0.5%의 조건을 고려하였다. 시멘트량의 변화에 따른 강도특성을 파악하기 위하여 사용한 시멘트의 양은 점토흙의 단위체적(m³)당 100, 200, 300kgf의 세 가지 조건을 고려하였으며 물-시멘트비(W/C)는 80%를 적용하였다. 본 연구에 사용된 배합비와 시험조건은 Table 2에 정리하여 나타냈으며 Fig. 2는 준비된 재료들을 보여주고 있다.

2.3 실험 방법

직접압축 및 인장강도 측정장치를 준비하고, 작용하중의 재하속도는 분당 1mm로 변위제어를 실시하였다. 재령별 조건에 따라 각 3개의 시편에 대하여 강도시험을 실시하였으며, 압축강도는 “흙시멘트 압축강도 시험방법(KS F 2328)”에 의거하여 실시하였다. 직접인장강도 시험의 경우에는 I형 공시체를 제작한 후 하중전달 장치를 체결하여 시험을 실시하였다. Fig. 3은 관련시험 모습을 보여주고 있다.

3. 실험결과 분석

3.1 일축압축강도 시험

 Figs. 4～6은 점토의 중량 대비 시멘트 첨가량 6.25% (100kgf/m³), 12.5%(200kgf/m³), 18.75%(300kgf/m³)를 사용한 헤어섬유 혼입 점토에 대한 재령별 압축강도 변화를 보여주고 있다. 그림에서 보는바와 같이 시멘트 첨가량 6.25%에서는 헤어섬유 혼입량 및 길이에 대한 압축강도의 변화가 뚜렷하게 나타나지 않았으나 시멘트 첨가량 12.5%의 경우에는 헤어섬유 길이 및 혼입량 (20mm, 0.1%)의 경우에서 헤어섬유가 혼입되지 않은 경우보다 상대적으로 큰 강도증가율(재령 28일에서 약 12%)을 나타냈다. 시멘트 첨가량 18.75%에서는 헤어섬유 혼입에 따른 뚜렷한 강도 변화를 볼 수 없었다. 시멘트 첨가량이 상대적으로 작은 경우에는 헤어섬유와의 결합효과가 크지 않아 압축강도 증가효과가 미비한 것으로 판단되며, 시멘트 첨가량이 상대적으로 많은 경우에는 헤어섬유로 인한 결합효과가 시멘트량 증가에 따른 압축강도 증가효과에 비해서 미비하여 헤어섬유로 인한 압축강도 증가효과가 나타나지 않은 것으로 판단된다. 뿐만 아니라 본 연구에서는 헤어섬유가 상대적으로 짧거나(5mm) 또는 혼입 헤어섬유량이 상대적으로 많은 경우(0.5%)에도 압축강도 증가효과는 나타나지 않았는데 이는 헤어섬유가 상대적으로 짧으면 결합효과가 크지 않고 혼입 헤어섬유량이 상대적으로 많으면 헤어섬유의 국부적인 밀집현상 등으로 인해 하중작용에 대한 취약한 면이 존재할 가능성이 높아질 수 있기 때문인 것으로 판단된다. Fig. 7은 헤어섬유 미혼입 점토의 시멘트 첨가량에 따른 재령별 압축강도 변화를 보여주고 있다. 그림에서 보는바와 같이 시멘트 첨가량이 증가할수록 압축강도 또한 재령에 관계없이 증가하는 것을 알 수 있다. 이는 시멘트 첨가량이 증가할수록 점토흙과의 결합력이 증가하였기 때문인 것으로 판단된다.

Fig. 8은 시멘트 첨가량에 따른 재령별 압축강도 변화의 직접적인 비교를 보여주고 있다. 시멘트 첨가량 100 kgf/m³을 기준으로 시멘트 첨가량을 200kgf/m³ 및 300 kgf/m³으로 증가함에 따라 압축강도도 증가한다는 것을 알 수 있다. 재령 3일에서는 헤어섬유의 혼입량 및 길이에 따른 변화는 크게 나타나지 않았으나 헤어섬유 미혼입 대비 헤어섬유 혼입 0.1% 및 길이 20mm [CH(20_0.1)]에서 상대적으로 큰 변화를 나타냈다. 재령 7일에서도 헤어섬유의 혼입량 및 길이에 따른 변화는 크게 나타나지 않았으나 시멘트 첨가량 200kg중/m³에서 헤어섬유 미혼입 대비 헤어섬유 혼입량 0.1% 및 길이 20mm [CH(20_0.1)]에서 상대적으로 큰 강도증가(10%)를 나타냈다. 재령 14일 및 28일에서는 전체적으로 비슷한 경향을 나타내었나, 특히 재령 28일에서 시멘트 첨가량 200kg중/m³에서 헤어섬유 미혼입 대비 헤어섬유 혼입량 0.1% 및 길이 20mm [CH(20_0.1)]에서 상대적으로 큰 강도증가(약 12%)가 나타났다.

3.1.1 압축 응력-변형율 곡선

Fig. 9는 점토 중량 대비 시멘트 첨가량 12.5%(200 kgf/m³)을 사용한 헤어섬유(20mm, 0.1%) 혼입점토에 대한 재령별 압축응력-변형율 곡선을 보여주고 있다. 그림에서 보는바와 같이 헤어섬유가 혼입된 점토의 응력-변형률 곡선이 더 큰 첨두강도를 나타내고 있으며 파괴이후 보다 큰 잔류강도를 가지는 것으로 나타났다.

Fig. 10은 점토시편의 일축압축강도 시험 후 파괴된 공시체의 헤어섬유 혼입별 모습을 보여주고 있다. 헤어섬유의 길이가 길어지고 혼입량이 증가함에 따라 헤어섬유 분포의 균질도가 저감한다는 것을 알 수 있다.

3.2 직접인장강도 시험

Figs. 11～13은 점토의 중량 대비 시멘트 첨가량을 6.25% (100kgf/m³), 12.5%(200kgf/m³), 및 18.75%(300kgf/m³)로 증가시키면서 헤어섬유 혼입 점토에 대한 재령별 직접인장강도 변화를 보여주고 있다. 그림에서 보는바와 같이 시멘트 첨가량이 6.25%인 경우, 헤어섬유 혼입량 및 길이(0.1%, 20mm)의 경우에서 헤어섬유가 혼입되지 않은 경우보다 상대적으로 큰 강도증가율(재령 28일에서 약 11%)을 나타냈지만 헤어섬유 혼입량이 0.5%의 경우에는 오히려 강도가 저하되는 것을 알 수 있었다. 시멘트 첨가량이 12.5%인 경우에서도 마찬가지로 헤어섬유 혼입량 및 길이(0.1%, 20mm)의 경우에서 헤어섬유가 혼입되지 않은 경우보다 큰 증가율(재령 28일에서 약 19%)을 보였다. 헤어섬유 혼입량 및 길이가 0.1%, 5mm 경우에서도 전체적으로 강도증가가 나타나고 있으며 특히 재령일이 작은 경우 그 차이가 뚜렷하게 나타났고(3일 및 7일 재령에서 각각 29% 및 23% 강도증가) 재령일이 증가함에 따라 강도증가폭은 감소하였다. 시멘트 첨가량을 18.75%로 증가한 경우 헤어섬유 혼입량 및 길이가 각각 0.1% 및 20mm에서 헤어섬유가 혼입되지 않은 경우보다 상대적으로 큰 강도증가율(재령 28일에서 약 21%)을 나타냈다. 기타의 경우에는 강도의 변화가 뚜렷하게 나타나지 않았으며 오히여 헤어섬유 혼입량 및 길이(0.5%, 20mm)에서는 강도저하가 발생한다는 것을 알 수 있었다. 헤어섬유 혼입에 따른 압축강도와 비교하여 인장강도에서는 시멘트량에 관계없이 특정조건의 헤어섬유 혼입량 및 길이(0.1%, 20mm)에서 강도증진 효과를 나타냈는데 이는 소일시멘트의 인장강도가 압축강도에 비해 상대적으로 작아 헤어섬유 혼입에 따른 강도증진 효과가 상대적으로 크게 나타났고 헤어섬유가 인장재로서의 역할을 보다 크게 하였기 때문인 것으로 판단된다. 혼입된 헤어섬유량이 상대적으로 많은 경우 인장강도의 감소는 헤어섬유의 국부적인 밀집현상 등으로 인해 하중작용에 대한 취약한 면의 존재가능성이 높아질 수 있기 때문인 것으로 판단된다. Fig. 14는 헤어섬유 미혼입 점토의 시멘트 첨가량에 따른 재령별 직접인장강도 변화를 보여주고 있다. 그림에서 보는바와 같이 시멘트 첨가량이 증가할수록 인장강도 또한 재령에 관계없이 증가하는 것을 알 수 있다.

Fig. 15는 시멘트 첨가량에 따른 재령별 직접인장강도의 직접적인 비교를 보여주고 있다. 시멘트 첨가량 100kg중/m³을 기준으로 시멘트 첨가량이 200kg중/m³ 및 300kg중/m³으로 증가함에 따라 직접인장강도도 증가한다는 것을 알 수 있다. 재령 3일 및 7일에서는 헤어섬유의 혼입량 및 길이에 따른 변화가 특히 시멘트 첨가량 200kg중/m³에서 크게 나타났으며 헤어섬유 혼입량이 0.1%인 경우 헤어섬유 길이 5mm 및 20mm 모두에서 상대적으로 큰 강도증가를 나타냈다. 재령 14일 및 28일에서는 시멘트 첨가량에 관계없이 헤어섬유의 혼입량 및 길이(0.1%, 20mm)의 경우에서 헤어섬유가 혼입되지 않은 경우보다 상대적으로 뚜렷한 강도증가율을 나타냈으며 헤어섬유 혼입량이 0.5%로 증가하면 오히려 강도가 저하될 수도 있다는 것을 알 수 있다.

3.2.1 인장응력-변형률 곡선

Fig. 16은 점토의 중량 대비 시멘트 첨가량 12.5% (200kg중/m³)을 사용한 헤어섬유(20mm, 0.1%) 혼입점토에 대한 재령별 인장응력-변형률 곡선을 보여주고 있다. 헤어섬유가 혼입된 점토의 응력-변형률 곡선이 더 큰 첨두강도를 나타냈으며 파괴시점까지 훨씬 큰 변형을 허용하는 것으로 나타났다.

Fig. 17은 점토시편의 직접인장강도 시험 후 파괴된 공시체의 헤어섬유 혼입별 모습을 보여주고 있다. 헤어섬유의 길이가 길어지고 혼입량이 증가함에 따라 헤어섬유 분포의 균질도가 저감한다는 것을 알 수 있다.

4. 결 론

본 연구는 친환경 물질이면서 폐기물로서 처리되는 헤어섬유를 재활용하여 점토지반의 강도를 증진시키는 등 헤어섬유 재료의 산업이용을 위한 기반기술을 구축하고 그 가능성을 제시함에 목표가 있으며, 본 연구를 통해 얻은 실험결과 및 기술적 의의를 정리하면 다음과 같다.

(1)본 연구에 대한 실험결과 친환경 헤어섬유를 점토지반의 강도증진을 위하여 이용할 시 일정조건에 따라 강도를 크게 증가시킬 수 있는 것으로 나타났다. 특히 첨가되는 시멘트의 양과 사용되는 헤어섬유의 길이 및 혼입량, 지반종류에 따라 서로 다른 강도특성을 나타냈다.

(2)점토흙에 있어서 헤어섬유 혼입에 따른 압축강도의 증진은 크게 나타나지 않았으나 시멘트 첨가량을 200kg/cm³으로 하고 헤어섬유의 길이를 20mm, 헤어섬유 혼입량을 0.1%로 하였을 경우 가장 효과가 좋게 나타났다(약 12% 강도증진). 시멘트 첨가량이 상대적으로 작은 경우에는 헤어섬유와의 결합효과가 크지 않아 압축강도 증가효과가 미비한 것으로 판단되며, 시멘트 첨가량이 상대적으로 많은 경우에는 헤어섬유로 인한 결합효과가 시멘트량 증가에 따른 압축강도 증가효과에 비해 미비하여 헤어섬유로 인한 압축강도 증가효과가 나타나지 않은 것으로 판단된다.

(3)점토흙에 있어서 헤어섬유 혼입에 따른 직접인장강도의 증진은 시멘트 첨가량을 200kg/cm³ 또는 300 kg/cm³로 하고 헤어섬유의 길이를 20mm, 헤어섬유 혼입량을 0.1% 하였을 경우 가장 효과가 좋게 나타났다(각각 19% 및 21% 강도증진). 압축강도와 비교하여 헤어섬유 혼입에 따른 인장강도의 뚜렷한 증가효과는 소일시멘트의 인장강도가 압축강도에 비해 상대적으로 작아 헤어섬유 혼입에 따른 강도증진 효과가 상대적으로 크게 나타났고 헤어섬유가 인장재로서의 역할을 보다 크게 하였기 때문인 것으로 판단된다.

(4)본 연구에서는 헤어섬유 혼입량 및 길이(0.1%, 20mm)에서 가장 큰 강도증진 효과를 나타냈는데 이는 헤어섬유가 상대적으로 짧으면(5mm) 결합효과가 크지 않고 혼입 헤어섬유량이 상대적으로 많으면(0.5%) 헤어섬유의 국부적인 밀집현상 등으로 인해 하중작용에 대한 취약한 면이 존재할 가능성이 높아질 수 있기 때문인 것으로 판단된다.

(5)본 연구결과에 의하면 헤어섬유혼입에 대한 영향이 압축보다 인장에서 더 크게 나타나 흙 속에 헤어섬유와 같은 보강재를 혼합할 경우 섬유가 발휘하는 인장저항으로 인하여 인장강도의 큰 증가를 기대할 수 있을 것으로 판단된다.

(6)실험결과 헤어섬유를 점토지반의 강도증진을 위하여 이용할 시 일정조건에 따라 강도를 크게 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라 유연성 있는 헤어섬유의 보강재 역할 때문에 파괴가 일어나기 전까지 큰 변형을 허용할 수 있는 것으로 나타났다.

(7)본 연구의 대상인 친환경 헤어섬유를 이용한 점토지반 강도증진 기술은 국내･외적으로 아직 시도되지 않은 기술로서 본 연구를 통해 헤어섬유의 점토지반 강도증진 및 산업이용을 위한 가능성을 파악함에 그 기술적 의의를 찾아볼 수 있다. 현장적용성과 관련해서도 적당한 크기로 절단된 헤어섬유를 점토 및 시멘트 등과 혼합 및 교반만 하면되므로 시공성 및 작업의 난이도에 있어서 큰 문제가 없을 것으로 판단된다. 더 나아가 폐기물로서 처리되는 헤어섬유를 적극적으로 재활용한다면 폐기물 처리비용 등을 절감하고 지반개량에 소요되는 시멘트량을 감소시킬 수 있으며, 기존의 화학섬유 및 약품 등을 이용한 지반개량에 의한 환경오염 또한 줄일 수 있는 여러 장점이 있는 것으로 판단된다.