1. 서 론
2. 유동성 개량 되메움재의 시료 구성
2.1 현장토 시료의 물리적 특성
2.2 특수재료의 화학적 및 물리적 특성
3. 유동성 개량 되메움재의 배합비 및 실험조건
4. 실내시험 및 분석
4.1 유동성 시험(Flowability Test)
4.2 일축압축강도 시험(Uniaxial Compressive Strength Test)
5. 결 론
1. 서 론
석유나 천연가스와 같은 화석연료는 산업과 생활에 필수적으로 사용되고 있는 품목으로 이에 대한 의존량이 산업의 발전과 더불어 증가하고 있다. 또한, 화석연료를 대체할 에너지 자원에 대한 연구 및 개발이 차지하는 비중의 요구가 커지고 있지만 활발한 적용이 여전히 부족한 실정이다. 현재 대부분의 화석연료는 중동과 미국, 러시아와 같은 나라에서 생산하고 있지만, 화석연료 고갈 우려와 탐사 및 시추기술 발달에 따라 캐나다의 오일샌드나 알래스카, 시베리아와 같은 북극권 영구동토지대의 비전통 에너지 자원 개발에 강대국들의 관심이 증가하고 있다(Kim, 2014).
에너지 자원 개발 시 개발된 자원을 수송하기 위한 파이프라인과 같은 구조물의 설치가 수반된다. 이러한 구조물들은 보통 지반을 굴착하고, 굴착한 지반에 구조물을 매설한 후 되메움과 다짐작업을 통해 매설공사를 진행한다. 일반적으로 기존 관 매설공사의 되메움 작업 시 현장토 혹은 양질의 토사를 이용하여 되메움 작업을 수행 중이지만 현장토를 활용한 되메움 시 다짐 시공을 위한 공간 확보를 위해 과굴착 문제가 발생하며 매설물의 형상과 현장 조건에 따라 매설물 주변의 다짐 작업이 어려워 침하가 발생하는 등 안전성에 대한 문제와 다짐 시 발생하는 소음과 진동 등의 문제들이 제기되어왔다. 또한 북극권과 같은 영구동토지대에 관 매설공사 진행 시 유기질을 많이 함유하고있는 점토질 모래(이탄토, 실트, 점토 다량 함유)와 같은 되메움 재료를 주로 사용하고 있다. 되메움 재료로는 부적합한 현장토의 공학적 특성과 겨울철의 동결, 여름철의 융해, 파이프라인을 통해 수송되는 석유의 뜨거운 열에 의한 지반 융해 등과 같은 영구동토지대의 환경에 의한 대규모 변형이 발생하여 매설구조물의 안정성에 문제를 야기할 수 있다(Park and Choi, 1994).
유동성 개량 되메움재의 개발은 기존 관 매설공사의 문제점을 개선하기 위해 활발하게 이루어져 왔다. 유동성 개량 되메움재는 유동성이 높아 매설물의 형상과 관계없이 매설물 주변으로 쉽게 흘러 들어갈 수 있기 때문에 매설물과 채움재 사이의 빈 공간 없이 되메움을 할 수 있어 구조물과 되메움재의 공극에 의한 침하가 발생하지 않는다. 또한 자기다짐특성에 의해 별도의 다짐이 필요 없으며, 타설 후 일정 시간이 지나면 강도가 발현되어 안정성 확보에 효과적이고 시공성 또한 우수하다(Han et al., 2017). 하지만 영구동토지역의 에너지 개발의 환경에서는 이러한 장점을 갖고 있는 유동성 개량 되메움재에 대한 추운 지역에서의 거동이나 특성과 관련된 자료 및 연구가 필수적인데 아직 이에 대한 준비가 미비한 실정이다. 따라서, 영구동토에 적용 가능한 유동성 개량 되메움재에 대한 연구와 기술개발 및 적용에 대한 요구가 크게 증가하고 있다.
영구동토지대란 일반적으로 2년 이상 온도가 결빙온도 0°C 이하로 유지되어 영구동토층이 나타나는 지대를 말하며 남극과 북극권에 속하는 알래스카, 그린란드, 캐나다 북부지역 및 시베리아와 같은 극한지에서 나타난다. 극한지의 공학적 정의는 평균 온도 -30°C 이하인 지역을 뜻하고, 여름의 경우 평균 -10°C 이하의 온도가 유지된다(Kim, 2021). 이러한 환경에서의 에너지 개발 시 필수적인 이송 파이프 매설 및 되메움 공사에서는 신속하고 편리하며 영하의 온도에서도 고유동성과 급속경화 특성을 가지는 유동성 개량 되메움재의 개발이 필요하다. 또한 영구동토지대의 지반에서는 동결융해에 따른 지반의 동결상승과 융해로 인한 지반의 부등침하가 발생하고(Kim et al., 2001; Cho, 2003; Andersland and Ladanyi, 2004) 이러한 현상이 설치된 구조물의 안정성에 크게 영향을 미친다. 따라서, 유동성 개량 되메움재의 저온환경에서의 시공성 및 장기 내구성에 대한 연구도 반드시 수행되어야 한다.
본 연구에서는 저온환경의 유기질토가 다량 함유된 불량한 지반에서 장기적으로 안정적인 비전통유 파이프라인 고속설치 시공을 위한 기술을 개발하기 위하여 되메움 재료로써 특수재료와 현장토를 사용한 저온 환경에서 원활한 시공성과 장기 내구성을 만족하는 유동성 개량 되메움재를 개발하는 것이 목적이다.
2. 유동성 개량 되메움재의 시료 구성
2.1 현장토 시료의 물리적 특성
미국 ASTM의 통일분류법(USCS)에 따르면 토질은 자갈, 모래, 실트, 점토로 구분하며 각각 G, S, M, C의 기호로 나눈다. 토질의 분류는 조립토의 경우 가적통과율에 따라 W(well graded)와 P(poorly graded)로 분류하고, 세립토인 경우 소성도로 구분하여 L(low plasticity) H(high plasticity) 구분한다. 유기질 여부는 O(organic)과 P(peat)로 구분한다. 캐나다 동토지역의 토양은 빙적토 또는 풍화된 잔적토로 이루어져 있을 것으로 추정된다. 또한, 캐나다 영구동토지대의 지반에서는 동결융해에 따른 지반의 동결상승과 융해로 인한 지반의 부등침하가 발생하고 이러한 현상이 설치된 구조물의 안정성에 크게 영향을 미친다(Kim et al., 2001; Cho, 2003; Andersland and Ladanyi, 2004).
동결융해에 의해 암반이 풍화되면서 주로 자갈질과 모래질이 섞여 있는 토양으로 예상된다. 호수 주변의 경우 충적층의 형성으로 실트나 점토질이 발견될 가능성이 크다. 툰드라 지역의 영구동토는 짧은 여름 동안에 풀, 이끼 등 식물이 성장하는 것으로 보고되므로 유기질이 포함된 나대지로 볼 수 있다. 툰드라 토양은 종종 다층구조를 이루며 상부는 부식된 유기질이 쌓여 있는 조무층(horizon)이 존재하기도 한다. 이는 식물의 분해된 부분이나 이끼, 마른 식물잔해 등이 포함될 수 있다. 구체적인 토질정보는 현장에 따라 다르므로 현장 토질조사를 통해 파악하여야 한다.
본 연구에서는 상기 사항을 중에서 입도분포와 유기질 특성을 대표할 수 있는 현장토 시료를 토질분류법에 따라 모사하였다. 유동성 개량 되메움재의 시료 제작에 사용된 현장토 시료는 Fig. 1에 나타내었다. Table 1은 현장토 시료에 관한 물리적 성질을 나타낸 것이다.
Table 1.
Physical properties of field soil samples
| USCS |
Water content (%) | Gs | Atterberg limit (%) | Sieve analysis (% finer) |
Organic content (%) | Remark | |||
| LL | PL | PI | # 4 | # 200 | |||||
| SP | 5 | 2.65 | NP | NP | - | 99.8 | 3.5 | 10 |
Cu: 4.0 Cc: 0.8 |
Fig. 2는 현장토 시료에 대한 누적통과율을 나타낸 것으로 균등계수가 4.0, 곡률계수가 0.8로서 입도분포가 불량(poor)로 나타났으며 USCS 분류상 SP로 나타났다.
2.2 특수재료의 화학적 및 물리적 특성
특수재료의 성분은 X-선 형광 정량분석에 따라 시료 내의 CaO, SiO2, Al2O3, Fe2O3, MgO, SO3, K2O, TiO2, Na2O, Mn2O3, P2O5 등 11종류의 성분을 분석하였다. 표준검정곡선은 성분별 회절각과 바탕세기의 측정조건에서 20-80초간 X-선 강도를 측정하여 작성하였다.
Table 2는 본 실험에 적용된 특수재료의 X-선 형광분석 결과이다. 특수재료의 주요성분은 산화칼슘(CaO)이며 규산(SiO2), 산화알루미늄(Al2O3), 산화황(SO3)이며 주요 요소의 변화에 따라 경화특성이나 pH의 농도가 다르게 나타난다.
특수개발 재료는 여름용(Summer), 봄에서 가을용(Spring-autumn) 및 겨울용(Winter)으로 구분하여 개발하였다. 계절적으로 구분하여 개발한 이유는 향후 캐나 동토지역의 온도환경 특성에 대비하기 위하여 다양하게 개발한 것이다.
L.O.I는 강열 감량 비율을 나타내며 시멘트계 재료를 950~1,000(975±25)°C 정도로 가열을 반복했을 때 중량이 감소하는 비율을 의미한다. 일반적으로 강열 감량값은 0.6-0.8% 정도가 되며 강열 감량 비율은 시멘트계 재료의 풍화정도를 판단하는데 사용된다.
Table 2.
Components of special materials according to X-ray fluorescence analysis
Table 3은 특수재료의 밀도, 응결속도, 분말도 시험결과이다. 특수재료의 응결시간은 초결(initial set) 상태는 페이스트가 부드러운 상태이나 유동성이 없는 상태를 측정하며 종결(final set)상태는 경화된 상태를 측정한다.
특수재료 I의 분말도는 4,015 특수재료 II의 분말도는 5,400으로 나타났다. 본 연구에서는 응결시간이 빠르고 상대적으로 강도발현이 우수한 특수재료 Type II 형을 적용하였다. 특수재료는 동토지역에서 영하조건의 토양에서도 동결되지 않고 수화 발열반응을 통해 유동화토의 특성을 가지는 재료로 개발되었다.
Table 3.
Key physical and chemical properties of special materials
3. 유동성 개량 되메움재의 배합비 및 실험조건
유동성 개량 되메움재 제작을 위한 배합비는 Table 4와 같다. 현장토 시료 1,700 kgf을 기준으로 특수재료 Type I의 경우 300 kgf 에 물 900 kgf를 배합하였다. 특수재료 Type II-1은 상온 20°C 배합하는 조건으로 물과 특수재료간의 비율을 1 : 2.5로 하여, 물 875 kgf과 특수재료 350 kgf를 배합하였다.
Type II-2는 영하의 조건에서 수화열을 확보하는 과정에서 특수재료의 양이 35 kgf 증가되었다. 따라서, 배합비율은 1 : 2.27로 조정되었으며 물 875 kgf과 특수재료 385 kgf를 혼합하였다.
Table 4.
Mixing ratio of fluidity-enhanced refilling material
| No. | Soil (kgf) | Special material (kgf) | Water (kgf) | W/S* |
| Type I | 1,700 | I (300) | 900 | 3 |
| Type II-1 | 1,700 | II (350) | 875 | 2.5 |
| Type II-2 | 1,700 | II (385) | 875 | 2.27 |
양생된 유동성 개량 되메움재를 대상으로 유동성 시험과 양생기간에 따른 일축압축강도시험을 실시하였다. 현장토 시료의 유기물함량은 10%이며 시험온도조건은 상온조건(20°C)과 영하조건(-4°C)에서 시험을 진행하였다.
영하조건에서 현장토 시료와 특수재료는 항온항습 장치에서 -4°C 영하의 조건에 존치 후 혼합 시에 꺼내어 배합 양생하였다. 물은 영하의 조건에서 동결되므로 작업성을 위해 상온조건으로 하였다. Table 5는 유동성 개량 되메움재의 유기질 함량 및 온도조건에 따른 실험조건을 나타낸 것이다.
영상의 조건에서는 유동화토 강도 기준에 부합하면 되었으나, 영하의 조건에서는 물이 동결되기 때문에 시행착오를 통해 수화반응에 의해 물이 얼지 않는 상태를 유지할 수 있도록 비전통 고화재의 양을 조절하여 제작하였다.
4. 실내시험 및 분석
4.1 유동성 시험(Flowability Test)
유동성 시험은 미국 ACI(American Concrete Institute) 229R(2013)의 CLSM(ACI, 2013) 시공품질기준을 만족하기 위하여 ASTMD6103 시험기준에 따라 진행하여 온도변화에 따른 거동 특성을 규명하고, 영하의 온도에서도)의 고유동성 기준인 200 mm 이상을 만족하는 유동성 개량 되메움재를 개발하여 캐나다 오일샌드 분포지역과 같은 영구동토지대의 극한환경에서도 시공 시 파이프라인과 되메움재 사이의 빈공간 없이 되메움 할 수 있고, 자기다짐특성으로 인한 다짐과정 생략을 통해 시공성과 안정성을 가지는 유동성 개량 되메움재 개발을 목적으로 한다. Fig. 3은 유동성 시험을 위한 시료을 제작하는 과정이다.
유동성 시험을 위해 현장토 시료, 특수재료 및 물을 준비하여 배합비를 조절하며 적정 배합비를 시험하였다. 최적의 조건으로 영상의 조건에서 현장토 시료 1,700 kg, 특수재료 350 kg, 물은 875 kg로 정하고 영하의 조건에서 특수재료의 양을 추가하여 385 kg으로 하였다. 이는 자체 수화열을 이용하여 영하의 조건에서 양생 시 결로현상에 의한 강도저하를 방지하기 위한 배합비이다. 시료의 최종배합비는 영상조건에서 현장토 시료, 특수재료, 물 배합비를 2 : 1 : 2.5로 하였으며 영하조건에서 배합비는 2 : 1 : 2.27로 결정하였다. Fig. 4는 최종 배합된 비전통 고화체의 영상 20°C 조건에서 유동성 시험을 실시한 것이며, Fig. 5는 영하 -4°C조건에서 유동성 시험을 실시한 것을 나타낸다.
시험결과 Type I의 경우 일반 현장에서 널리 사용되는 시멘트계 재료이며, 일반재료를 사용해도 본 연구의 목적에 적용가능한지를 확인할 목적으로 적용하였으나, 미국 ACI(American Concrete Institute) 229R(2013)의 CLSM(ACI, 2013) 시공품질기준의 목표기준치에 부합하지 않아 제외하였다.
시험 결과 Type II-1의 경우 영상의 조건에서 2 : 2.5 : 1 배합비에서의 유동성은 370 mm로 확인되었으며 Type II-2의 경우 영하 -4°C에서 실험하였으며 유기질토 2 : 1 : 2.27을 배합비 조건에서 실험하였다. 유동성 시험결과 350 mm로 유동성 기준에 부합하는 것으로 나타났다. Table 6은 유동성 개량 되메움재의 유동성 시험 결과이다.
Table 6.
Liquidity test result of fluidity improved refilling material
| No. | Type | W/S | Flowability test (mm) |
| 1 | Type II-1 | 2.5 | 370 |
| 2 | Type II-2 | 2.27 | 350 |
4.2 일축압축강도 시험(Uniaxial Compressive Strength Test)
미국콘크리트학회(ACI)에 따르면 CLSM ACI299R-2013이 요구하는 강도는 21 kgf/cm2 이하를 요구하고 있다. 하지만 유동성 개량 되메움재를 다짐을 하여 사용할 경우에 24.56~33.75 kgf/cm2의 강도를 나타낸다(Green, 1999; ACI, 2013). 유동성 개량 되메움재의 일축압축강도 시험방법은 ASTM D4832(2002) 기준을 따르며 시험체는 20°C와 -4°C에서 1일, 28일 양생하였다.
시료 양쪽 측면을 가압면으로 하여 시험체 중앙부에 매초 800±50 N의 하중속도를 재하하여 최대하중을 구하였다. 일축압축강도는 6개의 시험체를 평균값으로 일축압축강도 산정식에 따라 산출하였다. Fig. 6은 유동성 개량 되메움재의 일축압축강도 시험용 시편제작 과정과 시험장면 사진이다.
유동성 개량 되메움재의 양생일별 강도는 영상조건에서 1일 강도 1.0 MPa, 28일 강도 2.1 MPa이 발현되었다. 최종강도 2.1 MPa는 미국 CLSM ACI 299R-2013의 기준을 만족하고 있다. 또한, -4°C의 영하조건에서도 일축압축강도는 영상조건의 강도에 비해 크게 저하되지 않는 것으로 나타났다. 따라서, 본 연구에서 적용한 유동성 개량 되메움재의 경우 저온환경 조건에서도 시공품질기준에 적합한 강도특성을 보이는 것으로 확인되었다. Fig. 7은 유동성 개량 되메움재의 온도와 양생일에 따른 압축강도를 나타낸 것이다.
5. 결 론
본 연구는 저온 환경 유기질 지반조건에 적용가능한 유동성 개량 되메움을 위한 특수재료 개발에 관한 연구이다. 이를 위하여 시멘트계 특수재료를 개발하였으며 개발된 특수재료와 현장토를 혼합한 유동성 개량 되메움재의 현장시공 품질 기준에 만족하기 위한 시공성과 장기내구성을 파악하기 위한 실내시험을 수행하였으며 다음과 같은 결론을 도출하였다.
(1) 본 연구에서는 응결시간이 빠르고 상대적으로 강도발현이 우수하게 개발된 특수재료 Type II 형을 적용하였다. 개발된 특수재료는 동토지역에서 영하조건의 불량한 지반조건에서도 동결되지 않고 수화 발열반응을 통해 시공성이 확보되는 유동성 및 장기 내구성의 특성을 가지는 재료로 개발되었다.
(2) 유동성 시험은 미국 ACI(American Concrete Institute) 229R(2013)의 CLSM 시공품질기준을 만족하기위하여 ASTMD6103 시험기준에 따라 진행하였으며, 시험결과 Type I의 경우 기준치에 부합하지 않아 제외하였으며, 개발된 특수재료인 Type II-1의 경우 영상의 조건에서 2 : 2.5 : 1 배합비에서의 유동성은 370 mm로 확인되었다. Type II-2의 경우 영하 -4°C에서 실험하였으며 유기질토 2 : 1 : 2.27을 배합비 조건에서 실험하였다. 유동성 시험결과 350 mm로 시공품질 기준에 만족하는 것으로 나타났다.
(3) 유동성 개량 되메움재의 압축압축강도 시험방법은 ASTM D4832(2002) 기준을 따르며 시험체는 20°C와 -4°C에서 1일, 28일 양생하였다. 유동성 개량 되메움재의 양생일별 강도는 영상조건에서 1일 강도 1.0 MPa, 28일 강도 2.1 MPa이 발현되었다. 최종강도 2.1 MPa는 미국 CLSM ACI299R-2013의 기준을 만족하고 있다. 또한, -4°C의 영하조건에서도 일축압축강도는 영상조건의 강도에 비해 크게 저하되지 않는 것으로 나타났다. 따라서, 향후 캐나다 동토지역과 같은 저온환경에서의 파이프 라인 공사시 유동성 개량 되메움재로서 장기내구성을 확보 할수 있는 가능성을 확인하였다.
(4) 지금까지 개발된 특수재료의 현장적용 가능성을 평가하기위한 실내시험을 수행하였으며 그 결과에 의하면 현장 적용성에는 문제가 없는 것으로 평가되었다. 다만, 추후 검증해야할 부분은 동결융해 저항성 검증 그리고 저온환경에서의 현장실증 연구가 추가되어야 할 것으로 판단된다.
