그라우팅 주입재료(물, 시멘트, 혼합시멘트, 초미립시멘트, 벤토나이트, 모래 등)의 특성에 관한 모든 것

가. 주입재료로써 요구되는 기본성질

1) 주입재료는 지반의 토립자 공극이나 암반의 절리 등에 침투성이 높아야 한다. 즉 주입재료의 입자가 작아야 한다.

2) 그라우트중에 입자는 균등하게 분산하고 블리딩 현상이 적으며 유동성이 좋아야 한다.

3) 고강도가 발현되고 수밀성과 내구성이 좋아야 한다.

4) 주입재료에는 흙이나 지하수를 오염시키는 물질이 포함되지 않은 무공해라야 한다.

5) 경제성이 있어야 한다.

6) 주입대상지층의 물성과 유사해야 한다.

 

나. 물

현탁액이나 약액에 들어가는 물은 주입재의 고결이나 최종 특성에 유해한 영향을 미치는 물질 즉 칼륨이나 나트륨염이 많이 용해되었거나, 강산․강알칼리 성분의 물은 사용하지 말아야 하고 또한 유기물질이 함유되지 않은 깨끗한 것을 사용해야 한다. 음용수나 생활용수로 사용할 수 있는 정도이면 만족하며 특별한 주변여건으로 유해한 성분이 함유되었을 것으로 의심이 되면 수질시험 분석을 해야 한다. 특히 방조제 그라우팅공사 때 담수호의 물을 사용해야 할 경우에는 수질에 대한 검토가 필요하다.

주입수로 사용되는 물의 온도는 10～37°C (50～100°F)이어야 한다.

 

다. 시멘트

포틀랜드시맨트는 주성분인 석회, 실리카, 알루미나 및 산화철을 함유하는 원료를 적당한 비율로 혼합하여 그 일부가 융용하며 소결된 클링커에 적당량의 석고를 가하여 분말로 한 것이다.

포틀랜드시멘트는 KSL 5201에 의하면 5가지 종류가 있으며 제1종은 보통포틀랜드시멘트로 불리우며 재료값이 싸서 그라우팅 재료로 가장 많이 사용하고 있다. 그러나 다른 포틀랜드시멘트에 비해 내화학성이 떨어진다. 제2종은 보통정도의 내황산염용으로 만들어졌으며 1종에 비해 수화열 발생이 적다. 제3종은 조강시멘트로 2주 정도에 강도가 나야하는 긴급한 그라우팅에 사용되며 다른 포틀랜드시멘트에 비해 입경이 작기 때문에 미세한 공극의 주입재료로 사용하기도 한다. 이의 분말도는 3,300㎠/g이상으로 다른 포틀랜드시멘트에 비해 세립이어서 빨리 응결되어 조기강도가 실현된다. 강도실현이 빠르나 다른 포틀랜드시멘트에 비해 강도가 그리 높지는 않다. 수화과정에서 수화열이 격렬하게 발생하나 기온이 높지 않으면 그라우팅에 크게 나쁜 영향은 미치지 않는다. 제4종은 제2종에 비해 수화열이 적고 제1종에 비해 강도실현이 늦으며, 그라우팅재료로는 일반적으로 사용치 않으나 높은 수화열이 있어서는 안되는 대용량의 그라우트주입에 사용된다. 제5종은 황산염이 많은 토사나 지하수가 있을 때 사용하는 것으로 강력한 내황산염 그라우트 재료이다. 포틀랜드시멘트의 분말도는 2,800㎠/g 이상, 최대입경은 0.1㎜(100㎛)이며 물리적성능은 (표 4-2)과 같다.

그라우팅에 사용하는 시멘트는 덩어리가 없는 갓 만들어진 것을 써야 한다. 혼합기에 들어가면 덩어리가 풀어질 것으로 기대하지 말아야 한다. 온난한 기후에서는 제조된지 3개월 이내의 것을 사용하여야 하며, 보관장소는 시멘트가 습도와 온도로부터 보호되는 시설이어야 한다.

(표 4-2) 포틀랜드 시멘트의 물리적 성능

종 류 항 목			1종 (보통)	2종 (중용열)	3종 (조강)	4종 (저열)	5종 (내황산염)
분말도	비표면적(Blaine)㎠/g		2800이상	2800이상	3300이상	2800이상	2800이상
응결 시간	길모어 시험	초결 분	60 이상	60 이상	60 이상	60 이상	60 이상
		종결 시간	10 이하	10 이하	10 이하	10 이하	10 이하
	비카 시험	초결 분	45 이상	45 이상	45 이상	45 이상	45 이상
			375 이하	375 이하	375 이하	375 이하	375 이하
수화열 cal/g	7일		-	70 이상	-	60 이상	-
	28일			(80 이하)		70 이하
압축 강도 kgf/㎠	1일		-	-	130 이상	-	-
	3일		130 이상	110 이상	250 이상	-	90 이상
	7일		200 이상	180 이상	280 이상	75 이상	160 이상
	28일		290 이상	285 이상	310 이상	180 이상	210 이상

라. 혼합시멘트

일반적으로 해상점성토층에서의 시멘트 그라우팅에 있어서 해수성분 중의 염소이온, 황산염이온 등은 시멘트 수화물과 반응하여 콘크리트 열화의 주요 원인이 된다. 이 중 염소이온에 의한 침식작용은 콘크리트 재령 초기에 일어나며 Cℓ- 이온이 콘크리트 내부에 침투하여 시멘트 수화물중 Ca(OH)2와 반응하여 가용성의 CaCℓ2의 용출에 따른 다공화 현상에 의해 열화된다. 또한 황산염이온에 의한 콘크리트의 침식기구는 황산염이온과 칼슘알루미네이트계 수화물과 반응하여 Ettringite의 생성으로 인한 팽창파괴를 일으키는 것으로 콘크리트 열화 원인이 되고 있다.

따라서 해수나 온천지역과 같이 염소이온이나 황산염이온이 많은 지역의 구조물에 사용될 수 있는 시멘트는 일반적으로 포틀랜드계 5종 시멘트가 사용되고 있다. 5종시멘트는 내화학성을 높이기 위해서 시멘트 수화물의 화학적 저항성에 영향을 미치는 C3A(3CaO․Aℓ2O3)량을 규격화하여 5% 미만으로 관리되며 물리․화학적 특성은 보통 포틀랜드시멘트와 별다른 차이가 없다.

최근에는 내화학성 시멘트로 고로슬래그시멘트나 플라이애시시멘트 등 혼합시멘트가 오히려 더 일반적으로 사용되는 경향이 있다. 그 이유는 혼합시멘트에 첨가되는 혼합재의 첨가비율만큼 C3A를 감소시키는 효과를 갖으면서도 혼합시멘트가 갖는 장점을 살릴 수 있기 때문이다. 혼합시멘트가 갖는 장점으로는 제철과정이나 발전과정에서 부산되는 폐부산물인 슬래그나 플라이애시와 같은 폐자원을 자원화할 수 있고 환경보호 측면에서도 기여하는 바가 크기 때문에 선진 각국에서는 사용이 적극 장려되고 있다.

 

마. 초미립자 시멘트

분말도 6,000㎠/g 이상인 콜로이드시멘트 또는 8,000㎠/g 이상인 건식 마이크로시멘트를 사용하거나, 습식분쇄장치에서 초미립화한 습식시멘트를 사용할 때는 제품의 분말도를 포함한 물리적 특성 분석표를 제출하도록 시방서에 명기하여야 한다.

주입재료의 입자가 작을수록 침투성이 좋아지므로 70년대 후반부터 일본에서는 시멘트입자를 보다 더 미립화 시켜서 현탁형 그라우트의 주입성을 개선시키고자 노력하였다. 이는 초미립자 시멘트(마이크로시멘트)와 미립자 시멘트(콜로이드시멘트) 두 가지가 있으며 국내에서도 생산 공급되고 있다. 포틀랜드 시멘트의 최대 입경은 100μm, 평균입경 17μm 인데 비해 국내에서 생산 판매되고 있는 마이크로 시멘트는 각각 24μm, 4.2μm 이며, 콜로이드 시멘트는 각각 24μm, 7.5μm이다.

(표 4-3)과 같이 마이크로 시멘트나 콜로이드 시멘트는 보통 포틀랜드 시멘트에 비해서 장기강도는 물론이고 초기강도도 매우 우수한 특성을 보이고 있다. 따라서, 주입공사시 보통 포틀랜드시멘트에 비해 주입성이 좋고 고강도가 발현되며 내구성도 향상될 것으로 판단된다.

분말도가 크다는 것은 현탁액 그라우트의 전단저항력이 작아지기 때문에 주입압의 손실을 줄일 수 있으므로 침투력이 향상되고, 주입반경을 넓힐 수 있다는 것을 의미한다.

 

(표 4-3) 시멘트계 주입재의 일반적인 입도분포 비교 (단위：누적통과율 %)

주입재종류 입경크기(㎛)	마이크로 시 멘 트	콜로이드 시 멘 트	보 통 시 멘 트
1	10.1	8.9	4.7
1.5	13.4	11.1	5.6
2	19.2	16.4	8.3
3	30.1	24.5	11.3
4	48.3	33.4	16.1
6	79.6	44.7	21.7
8	87.3	58.2	28.4
12	98.4	89.6	36.7
16	99.8	95.1	48.0
24	100.0	100.0	62.2
32			77.9
48			93.7
64			97.2
평균입경(d50)	4.2	7.5	17.1

 

(표 4-4) 시멘트계 주입재의 물리적 특성치

주입재종류 항 목		KS 규정값	마이크로 시 멘 트	콜로이드 시 멘 트	보 통 시 멘 트
비 중		-	2.94	3.02	3.15
분말도(㎠/g)		2800 이상	8150	6620	3250
응 결 (Vicat)	w/c(%)	-	30.5	29.3	28.7
	초결(분)	60 이상	205	195	170
	종결(시：분)	10 이하	8：05	7：45	7：30
압 축 강 도	w/c(%)	-	50.7	49.4	48.5
	1일(㎏/㎠)	-	162	162	61
	3일(㎏/㎠)	130 이상	356	299	202
	7일(㎏/㎠)	200 이상	535	480	264
	28일(㎏/㎠)	290 이상	689	570	405

 

<그림 4-40> 시멘트계 주입재의 입도분포 곡선

바. 벤토나이트

벤토나이트는 함수비 12% 이하, 입도는 No.200체(0.074 mm) 잔류량이 25% 이하, 팽윤도(ml/2g) 20 이상의 Na형-벤토나이트나 활성벤토나이트를 설계해야 한다. 벤토나이트 1kg에 물 10l 비율로 첨가하여 고속믹서에서 수분간 혼합한 후 10～24시간 동안 수화된 것을 사용하고, 사용량은 설계서에 정한 비율 이하로 사용하며 믹서에 투입하는 순서는 벤토나이트 슬러리를 넣고 다음에 물을 넣으며 나중에 시멘트를 넣는 것으로 공사 시방서에 명기해야 한다.

 

사. 모래

모르타르용 모래입도는 No. 16체(1.19mm)를 통과하여야 하며 No. 100체(0.149mm)룰 통과하는 세립질이 25% 이하일 때는 주입재의 운반능력이 떨어지므로 세립질을 첨가해야 한다. 사용하려는 모래는 입도분석을 하여야 하며 결과에 따라 벤토나이트 등의 혼화제 사용여부를 검토해야 한다. 모래는 주입 비용을 줄이기 위해 시멘트와 혼합하여 모래질그라우트(모르타르)재료로 사용하는데 이는 대단히 큰 절리나 뒷채움 그라우팅 등에 극히 제한적으로 이용된다. 모래는 반드시 입도분석을 하여 굵은 크기의 입자는 체로 쳐서 분리하는 등 작은 입경만을 사용해야 하며 혼화재 첨가없이 모래 : 시멘트 = 2 : 1 정도의 모르타르 주입이 한계점이다. 더욱이 주입장에서부터 주입공까지의 거리가 100m 이상으로 멀거나 주입장보다 높은 위치에 주입할 때는 주입배관이 막히는 등 시공상에 어려움이 대단히 많다. 모르타르는 침하현상 때문에 바람직한 주입재가 아니므로 가능하면 이의 설계․시공은 하지 말아야 한다.