A Study on the Development and Characteristics of Eco-friendly None Alkaline Silica Sol Grouting Material

친환경 비알칼리성 실리카졸 지반주입재의 개발과 특성에 관한 연구

Abstract

Purpose: In this study, a grout material mixed using non-alkaline silica-based materials, which is an eco-friendly injection material to stabilize ground, is investigated to improve conventional problems. Method: The homogel specimens of Eco-Friendly Non-Alkaline Silica Sol (ENASS) and L.W. and S.G.R., representative silicate grouting are manufactured. Physicochemical and engineering properties of the specimens are evaluated in laboratory with uniaxial compression strength, hydraulic conductivity, shrinkage, chemical resistance, elution, fish poison, waste leaching. Result: Laboratory test results show that the ENASS was superior in all aspects compared to the existing injection matirial. The suitability of the grout material with ENASS is investigated with filed tests. Conclusion: The results of laboratory and field tests demonstrates that the grout material with ENASS is eco-friendly material that increases the strength, decreases the permeability, and discharges pollutants without leaching.

연구목적: 본 연구에서는 기존 주입공법의 문제점을 개선하기 위한 친환경적인 주입재를 개발하고 시험을 통해 현장 적용성을 확인하기 위한 연구를 수행하였다. 연구방법: 친환경 주입재와 기존 주입재(L.W, S.G.R)의 호모겔 공시체를 각각 제작하고, 실내시험(일축압축강도, 투수계수, 수축성, 내화학성, 용출성, 어독성, 폐기물공정)을 실시하여 물리화학적 및 공학적 특성을 비교·검토하였다. 연구결과: 실내시험 결과 친환경 주입재가 기존 주입재에 비해 모든면에서 우수하였으며 주입재료로서 실제 현장에서 시공적합성을 실험하고 지반개량 효과를 확인할 수 있었다. 결론: 본 연구에서 사용된 주입재는 강도증가 및 투수성 감소 등의 기본적인 물성을 만족하면서 친환경적인 특성을 가지고 있어 지반의 조건과 적용에 관계없이 범용적으로 사용이 가능한 재료로 판단되었다.

서론

지반주입공법은 지반의 특성을 목적에 따라 개선 또는 향상시키기 위해 연약지반에 주입재를 주입, 침투 또는 혼합 등의 방법을 통하여 연약지반의 강도 및 차수성을 증대함을 그 목적으로 하고 있다. 이를 통하여 시공 중 본 구조물의 안정성 확보는 물론 지반침하를 억제하여 인접 구조물의 안정에도 기여할 뿐만 아니라 구조물 내로의 지하수 유입을 차단 또는 감소시킬 수 있다.

1970년대부터 지반주입공법에 사용된 약액에 의한 지하수의 오염이 사회적으로 문제화되면서 환경적으로 안전한 약액의 필요성이 제기되었고, 1980년대부터 전세계적으로 대형댐, 지하철, 고속철도 등의 건설 붐에 따라 약액의 내구성과 고침 투성이 요구됨에 따라 그동안 범용적으로 사용되던 보통시멘트와 물유리계 약액의 한계성을 극복하기 위한 새로운 주입재와 공법이 개발되어 실용화되고 있다(Cheon, 1998).

본 연구에서는 비알칼리성 실리카졸을 사용하여 주입재의 용탈이 없으면서 내구성이 반영구적이며, 해수 중에서도 고결 시간의 지연없는 환경 친화적인 경화재 및 혼화재에 대한 실내시험과 현장 적용성 시험을 통해 주입약액의 성능 연구를 수행하였다.

친환경 그라우팅재의 개발

친환경 그라우팅재 ENASS약액

ENASS은 Eco-Friendly Non-Alkaline Silica Sol의 약자로 친환경인 경화재와 혼화재를 사용하여 지반에 주입하는 약액으로 기존의 물유리계 약액에 비하여 용탈 및 열화현상이 낮은 고내구성, 장단기의 차수성능 및 고강도의 특징을 가지며, 유속이 있는 대수층에서도 차수 및 보강효과를 극대화할 수 있는 약액이다.

사용된 경화재는 점성이 작아 침투성이 좋으며, 겔타임의 길고 짧음에 관계없이, 지반중에 주입되면 거의 완전히 고결되기 때문에 고결특성이 우수하며, 지하수의 흐름이 있는 경우에도 겔타임의 지연현상이 거의 없이 확실히 고결되고, 고결물이 거의 중성범위에서 고결되기 때문에 주입지반의 pH변화를 거의 일으키지 않는다.

또한 혼화재는 경화재와 안정적으로 반응하여, 고내구성, 고강도를 발현하는 물질로 친환경적인 주입재료이다.

그라우팅재 조성 및 배합

본 공법의 주입재료의 배합비를 결정하기 위하여 배합비를 다양하게 조정하면서 최적의 배합을 결정하기 위한 강도시험, 겔타임시험, 실내투수시험을 실시하였다. 본 연구에 사용된 배합비를 선정하기 위한 약액배합은 Table 1, Table 2와 같다. A액은 경화재이고, B액은 혼화재이다.

Table 1. Stage mixing ratio for mixing ratio determination test

Table 2. Stage mixing ratio for mixing ratio determination test

본 연구에서 재료의 적정 배합비를 결정하기 위하여 Table 1, Table 2의 배합비별 겔타임시험, 강도시험, 실내배합투수시험을 실시하여 적정한 겔타임과 일축압축강도, 투수계수를 가지는 배합을 선정하여 ENASS약액의 표준배합으로 결정하고 본 연구를 진행하였다.

실내실험 재료와 제작

주입재료의 배합별 내구성, 강도특성, 차수성능, 환경성 등을 확인하기 위하여 실내 비교시험을 실시하였다. 주입공법별 표준배합비는 Table 3과 같다.

Table 3. Standard mixing ratio by injection method(1,000 ℓstandard)

본 연구에서는 시멘트와 혼합하는 현탁액형 주입재로서의 특성을 검토하였다. 또한 Table 3과 같이 ENASS의 대표 배합과 대표적 물유리계 공법인 L.W 및 S,G,R의 겔타임이 빠른 급결형으로 표준배합비를 선정하고 호모겔 공시체를 제작하였다.

친환경 그라우팅재로서의 안정성 고찰

실내시험 고찰

압축강도

호모겔 공시체 일축압축강도시험은 KS E 3033(2001)에 의거하여 일축압축강도를 측정하였다. 일축압축강도는 28일 강도를 측정하였으며, 그 결과는 Table 4와 같다.

Table 4. Comparation of uniaxial compressive strength between the ENASS method and silicate grouting metiod 단위 : Mpa

강도시험결과 ENASS 약액과 S.G.R 약액은 약12.6배정도의 강도 차이가 났고, L.W 약액과는 약2.5배 정도의 차이가 났다. ENASS 약액의 강도는 차수 목적 그라우팅뿐만 아니라 지반보강 목적의 그라우팅에도 적용이 가능할 것으로 보인다.

차수성

투수계수시험은 ASTM D 5084(2003)에 의거하여 투수계수를 측정하였다. 시편을 담수중에서 28일간 양생 후 투수시험의 결과는 Table 5와 같다.

Table 5. Comparation of homogel permeability tests between the ENASS method and silicate grouting metiod 단위 : cm/sec

투수시험결과 ENASS 약액은 투수계수가 S.G.R 약액 보다 차수효과가 큰 것으로 나타났다. 반면 L.W 약액의 경우는 알카리 용탈에 의한 수축현상으로 인하여 변형 및 수축량이 많아 투수시험이 불가능하였다.

내구성

주입재의 내구성 및 수축정도를 평가하기 위해 길이변화율시험을 실시하였다. 시편은 대기건조상황과 담수중, 해수중에 대하여 110일 동안의 양생기간 동안의 길이변화로 내구성을 확인하였다. 시험결과는 Table 6과 같다. ENASS 주입시편은 대기건조상황과 담수 및 해수에서도 0.1% 이내로 수축현상이 거의 발생하지 않았다. 그러나 L.W와 S.G.R 주입시편은 양생 조건과 관계없이 고결에 따라 지속적으로 주입재의 용탈 및 열화현상 등으로 수축현상이 발생함을 확인할 수 있었다. 이를 통하여 ENASS 약액은 담수 및 해수의 조건에서도 용탈현상이 없어 수축이 없었다는 것을 의미하며, 비알칼리성 실리카졸의 조직구조, 강도특성 및 투수성이 우수함을 잘 반영해주고 있는 것임을 알 수 있다.

Table 6. Comparation of homogel Length change tests between the ENASS method and silicate grouting metiod 단위 : %

환경영향성

주입재의 환경영향성을 확인하기 위하여 폐기물 공정시험을 폐기물공정시험기준(국립환경과학원고시 제2017-54호 : 2017.12.12.)에 의거하여 실시하였다. 시험결과는 Table 7과 같다.

Table 7. Enviromental impact of the ENASS method(waste leaching) 단위 : mg/ℓ

환경영향성시험(폐기물공정시험) 결과 ENASS 약액의 주입재는 모든 항목에서 중금속이 검출되지 않아 환경오염의 우려가 없을 것으로 확인되었다.

담수어류 중 잉어에 대한 약액의 급성독영향을 평가하였다. 시험방법은 국립환경과학원 고시 제2020-46호(2020년 11월 03일) ‘화학물질의 시험방법에 관한 규정’ 제3장 제3항 ‘어류 급독성시험’ 에 제시된 시험방법에 따라 실시하였다. 시험의 농도는 시료의 36배에 해당하는 희석수에서 96시간 동안 실시하였으며, 그 결과는 Table 8과 같다.

Table 8. Comparision of fish toxicity test results of the ENASS and L.W. and S.G.R.method according to time

어독성시험 결과 ENASS 약액은 pH농도가 시간의 경과에 따라 감소하는 것을 확인할 수 있었으며, 96시간 동안 공시어가 한 마리도 치사되지가 않았다. L.W공법약액은 48시간 후 공시어의 치사율이 100%로 환경에 안 좋은 영향을 미치는 것으로 나타났다. ENASS 약액는 비알칼리성이며 경화가 이루어지고 난 이후 pH가 낮아진 후에도 pH 변화가 거의 없어 공시어의 치사율도 0%로 나타났다. 반면에 기존의 대표적인 물유리계 공법인 L.W 및 S.G.R약액의 경우 초기에 급격한 pH의 증가 있었으며 경화 이후에는 변화가 없었다. 높은 pH 및 독성으로 48시간 후 공시어의 치사율이 100%로 환경성이 대단히 좋지 않은 것으로 나타났다.

현장시험 고찰

실제현장에서 시험시공을 통해 ENASS 약액의 현장적용성과 차수 및 지반보강효과를 확인하였다. 효과확인 시험은 대상 지반에 시공 전ㆍ후의 현장투수시험, 표준관입시험, 전기비저항탐사(쌍극자배열법)를 실시하여 그 결과 값을 비교하였다.

현장투수시험

해안가에 인접한 건축공사 현장에서 실시하였으며, 가시설 배면차수 및 보강목적으로 ENASS 약액 주입시험 시공을 2개소 실시하였다. 시험방법은 KS F 2322에 의거하여 주입대상지반에 주입전ㆍ후로 수위강하식 변수위투수시험(Falling Head Test)을 실시하였으며, 그 결과는 Table 9와 같다.

Table 9. On-site permeability test results before and after construction of the ENASS method

시공효과 확인을 위한 현장투수시험에서 2개소 모두 시공 전·후의 투수계수에 비교하여 볼 때 해수의 영향이 있는 해안가 지반에서도 지반개량의 차수효과가 확인되었다. 특히 풍화암층의 주입 전 투수계수가 2.533×10^-3cm/sec이었음에 반해, 주입 후 6.620×10^-6cm/sec으로 감소하여 암반층에서의 밀실주입이 가능하였음을 확인할 수 있었다. 이를 통하여 ENASS는 현장시험 시공 시 주입재에 의한 투수계수의 시방기준인 1×10^-5cm/sec 이하의 투수계수를 확보할 수 있음을 확인할 수 있다.

현장강도시험

지반보강의 효과를 확인하기위하여 현장에서 시공전ㆍ후로 각2개소에서 표준관입시험을 실시하였으며, 시험방법은 KSF 2307에 의거하여 실시하였다. 그 결과는 다음과 Table 10과 같다.

Table 10. Standard penetration test results before and after construction of the ENASS method

시공효과 확인을 위한 주입전ㆍ후 표준관입시험 결과, 보강 전 N치 2/30~50/11에서 보강 후 N치 7/30~50/8 로 시공 후 지반의 강도가 증대된 것을 확인하였다. 보강전의 N치가 3/30~7/30 인 느슨한 매립층 또는 연약 퇴적층은 보강후 N치가 8/30~13/30으로 약 2배 정도로 상향 강도가 증가되었음을 알 수 있다. 다만 기반암에서의 강도증가는 매우 미약했음을 확인할 수 있었다. 또한, 전기비저항탐사의 결과에서도 보강 전보다 보강 후의 전기비저항치가 높아진 것으로 나타났으며 지반의 밀도의 증가 등 보강효과를 확인할 수 있었다.

전기비저항탐사(쌍극자배열)

지반보강의 효과를 확인하기 위하여 현장에서 시공전ㆍ후로 전기비저항탐사를 실시하였다. 시험방법은 쌍극자배열법을 이용하였고, 3개의 측선을 배열하여 시험을 진행하였다. 그 결과는 다음 Fig. 1과 같다. ENASS을 현장에 주입하기 전에 비하여 주입에 의한 복합그라우팅으로 전기비저항 측정치가 높아져매립층 하부에 주입재가 충전된 것으로 확인할 수 있었다. 전기비저항탐사 결과, 상부 0~3m 내외의 구간은 불포화된 느슨한 구간으로 이루어져 있으며 일부는 공간이나 아주 느슨한 상태, 불포화된 느슨한 매립층 하부가 매립재나 세립점토가 유실된 저비저항상태 였으나 보강 후 고비저항으로 나타나 전 공동이 보강된 것으로 확인할 수 있었다.

Fig. 1. Comparation of electrical resistivity methodresults before and after construction

마찬가지로 3~7m내외 구간의 지하수로 포화된 매립재 및 점토가 많이 함유된 구간의의 저비저항대 지층이 보강 전에 비해 상부층과 마찬가지로 보강 후가 고비저항대 지층으로 바뀌었음을 확인할 수 있어 공동 및 느슨한 지반의 보강이 양호한 것으로 판단할 수 있었다. 한편, 하부 풍화대 및 연경암 구간은 대체로 비저항치가 보강전ㆍ보강후가 비슷한 경향을 나타냄을 보였다.

결론

기존의 주입공법은 물유리계의 주입재를 사용함으로서 약액의 용탈로 인하여 내구성저하 및 환경오염 등의 문제가 있어 주입효과가 결여되어 차수 및 보강이 불확실하다.

본 연구에서는 주입재의 용탈이 없어서 내구성이 반영구적이며, 해수 중에서도 고결시간의 지연이 없는 환경 친화적인 비알칼리성 실리카졸계 경화재 및 혼화재(ENASS)에 대한 실내시험 및 현장시험을 실시하여 비교 검토하였으며, 그 결과는 다음과 같다.

첫째, ENASS 주입재료의 배합비에 따른 겔타임, 강도 및 투수계수로부터 적정 배합비를 선정하였고 이를 물유리계인 L.W 및 S.G.R 약액과 물리·화학적 및 공학적 특성을 비교하였다.

둘째, 강도특성을 파악하기 위하여 호모겔 일축압축강도시험을 실시한 결과, ENASS 약액이 L.W 약액과 S.G.R 약액에 비해 강도가 큰 것으로 났다. 이에 ENASS 약액이 차수 목적 그라우팅뿐만 아니라 지반보강 목적의 그라우팅에도 적용이 가능할 것으로 판단된다.

셋째, 투수특성을 파악하기 위하여 실내투수시험을 실시한 결과, ENASS 약액이 S.G.R 약액보다 투수성이 낮은 것으로 나타나 ENASS 약액의 차수효과가 기존공법에 비해 매우 우수할 것으로 판단된다.

넷째, 내구성 및 수축정도를 확인하기 위하여 시편의 길이변화를 대기건조조건, 담수조건, 해수조건에 대하여 측정한 결과, ENASS주입재는 양생조건과 관계없이 L.W 약액과 S.G.R 약액에 비해 수축현상이 거의 발생하지 않아 내구성이 큰 것으로 판단된다.

다섯째, ENASS공법 주입재의 환경영향성을 확인하기 위하여 어독성시험과 폐기물공정시험을 실시한 결과 어독성시험에서는 96시간동안 공시어의 치사가 없었으며, pH농도도 중성에 가깝게 나타났다. 폐기물공정시험에서도 모든 항목에서 중금속이 검출되지 않아 환경오염의 우려가 없을 것으로 확인되어 친환경적인 주입재임을 알 수 있었다.

여섯째, 현장적용성과 차수 및 지반보강효과를 확인하기 위한 해안가 현장 시험시공 결과 주입 전ㆍ후의 투수계수에 비교하여 볼 때 ENASS 약액이 해수의 영향이 있는 해안가 지반에서도 지반개량의 차수효과가 확인되었다.

일곱째, ENASS 약액의 보강효과를 확인하기 위하여 표준관입시험과 전기비저항탐사에서도 주입전ㆍ후 표준관입시험 결과에서 지반의 강도가 증대된 것을 확인하였으며, 전기비저항탐사에서도 보강 전보다 보강 후의 전기비저항치가 높아진 것으로 나타나 지반강도 보강효과를 확인할 수 있었다.

여덟째, 위의 연구결과를 종합하여 볼 때 ENASS공법은 기존 물유리계공법에 비하여 주입재의 강도 및 내구성, 차수성이 우수하고, 환경오염의 우려가 없는 친환경 주입재료로서 그 적용성이 우수할 것으로 판단된다.