주입재의 품질 관리
1) 물：시멘트비
시멘트량에 대한 물량의 비 즉 물：시멘트 표시는 용적비와 중량비 두가지이다. 콘크리트 공사에서는 중량비를 사용하는 것이 일반적이나 그라우팅 공사에서는 두 가지가 모두 쓰이고 있다. 그러나, 벌크(bulk)를 쓰지 않고 포대에 담긴 양회를 쓰는 그라우팅 현장에서는 용적비가 더 편리하다.
물：시멘트비는 2：1, 1：1, 0.8：1, 0.5：1 등으로 표시하며 때로는 콘크리트 시방처럼 1을 빼고 w/c비 2, 1, 0.8, 0.5로 표시하기도 한다. 양회를 믹서에 투입할 때는 포단위로 집어 넣고 이에 맞추어 물의 양을 수량계로 계량하여 넣으면 된다. 양회를 투입할 때 1/2포, 1/3포대를 정확히 집어 넣을 수 없기 때문이다.
물론 40㎏ 단위인 양회를 포단위로 믹서에 집어 넣고 이에 맞추어 물을 중량개념으로 집어넣는 중량비 방법이 불가능한 것은 아니나 용적비에 비해 불편하다. 용적비 시멘트 1포의 용적은 시멘트 자체의 절대용적이 아니라 흐트러진 상태의 용적이며 흐트러진 상태의 용적에는 공기가 포함되어 있다.
시멘트의 비중은 3.15정도이므로 시멘트 1포 40㎏의 절대용적은 40/3.15= 12.7ℓ이다. 다짐의 상태에 따라 다르나 흐트러진 상태의 환산계수는 대개 2.1이므로 실제의 흐트러진 상태의 용적은 12.7×2.1≒27ℓ이다. (양회 1㎥=1500㎏=37.5대 ∴양회 1대≒27ℓ)
물：시멘트비를 용적과 중량비의 환산방법은 다음과 같다.
기본이 되는 물：시멘트비는 5：1, 4：1, 3：1, 2：1, 1：1, 0.8：1, 0.6：1, 0.5：1이며 주입재 농도는 이의 순서에 따라 변화시키면 점성이 서서히 증가하여 주입에 무리가 없어진다. 즉 3：1로 주입하다가 2：1을 뛰어 넘어 1：1로 주입농도를 바꾸면 균열이 막힐 위험이 크다.
200ℓ짜리 믹서를 사용할 때의 물：시멘트비별로 투입하는 주입재료의 양은 (표 4-5)과 같다. 이 때 만들어진 주입재에는 물이 시멘트 입자의 공극을 채우게 되므로 시멘트 절대용적인 대당 12.7ℓ가 되므로 주입재량은 표와 같아진다.
벌크 사용 규모가 큰 주입프랜트에는 중량비가 편하며 때로는 시방서에 중량비를 규정한 경우도 있다.
2) 주입량 측정 및 기록
주입량의 측정은 단계별, 공별로 주입된 양을 측정하는데 있을 뿐 아니라 만들어진 주입재를 더 부배합으로 하거나 빈배합으로 할 때도 필요하다. 또한 어느 곳이 주입이 잘 되었는지, 재보강이 필요한지를 평가하는데 결정적으로 중요하다.
단순하게 공별로 주입된 시멘트 대수만을 기록하는 것보다 교반기에 설치한 계심장치로 측정하거나, 주입량측정기(grout flow meter)를 이용하여 정해진 시간 예를 들면 15분마다 주입량을 측정하는 것이 좋다.
주입량 측정자료를 정리하는데는 여러 가지 방법이 있으나 적어도 다음과 같은 내용이 기재되어야 한다.
∙ 주입시간(시작, 종료)
∙ 물：시멘트비
∙ 믹서에 있는 주입재량(시작, 종료)과 주입량, 버림량, 누출량
∙ 주입압력
∙ 시멘트량(대수 또는 ㎏)
∙ 주입전의 수압시험자료
∙ 누출, 암반변위 여부
∙ m당 시멘트 주입량(㎏ 또는 ℓ)
3) 점성
물：시멘트비가 부배합 상태인 주입재를 양동이에서 쏟아 부어보면 잘 흘러나오지 않는다. 반대로 물을 부어보면 잘 흘러나간다. 이는 주입재에 있는 시멘트 입자 때문에 흐름에 내부저항(internal resistance)이 있기 때문이다.
ASCE 그라우팅위원회에서는 주입재의 점성을 “어느 물질의 내부적 유체저항으로 인해 흐름의 경향을 방해하는 성질” 로 정의하였다. 물도 점성이 있으나 주입재에 비하여 대단히 적다. 주입재의 점성은 이에 포함된 시멘트량에 따라 많은 차이가 있는데 시멘트입자는 설명하기가 대단히 어려운 물리화학적 작용 즉 입자간의 정전기적 흡인과 반발 그리고 구조적인 상호연결성으로 인해 점성이 형성된다.
점성은 주입재료의 혼합방법, 주입재료의 분말도, 분산제의 사용, 첨가제의 사용 여부에 따라서도 변한다. 점성은 모래층 등 미고결지층에 약액을 주입할 때는 주입성에 결정적인 요인으로 작용하나 암반에서는 균열에 시멘트 알갱이가 침투할 때 작용하는 여러요인 중 하나에 불과하다.
점성은 지층의 공극이나 절리에 주입재가 침투하는데 영향을 미치며 대상지층에 사용하고자하는 주입재료의 적정성 선정과 주입 영향반경 결정에 주요 요인으로 작용한다. 작업성에도 영향을 미치는데 일반적인 주입펌프로 점성이 800～1000 s․mPa(=cP) 정도이면 작업에 무리가 없다. 점성은 믹서에서 혼합이된 후부터 증가하기 시작하며 온도에 의해서도 변한다. 물의 경우는 온도가 높아질수록 점성이 낮아지나 시멘트 현탁액이나 규산염질 주입재는 온도가 높아질수록 증가한다. 그러나 실제 현장적용에는 이 정도의 변화정도는 무시해도 좋다.
<그림 4-41>은 시간 경과에 따른 점성의 변화를 보여주는데, 약액은 교반 후 서서히 점성이 증가하다가 30분이 경과하면 급격히 증가한다. 현탁액의 초기 점성은 w/c비와 벤토나이트와 같은 첨가제 사용여부에 따라 다르며, 교반후 2～3시간 후 즉 초결이 이루어질 때까지는 변화가 없다가 그 이후 종결이 이루어질 때까지 급격히 증가한다.
암석이나 토사의 그라우팅은 틈을 채워 안정화시키고자 하는 것이다. 따라서 주입재의 침투성과 고결된 주입재의 강도에 많은 고려가 있어야 한다. 주입재는 초기에 유동성이 있어 펌프로 주입이 가능하나 공극이나 암반의 틈새에 들어가서는 침투성이 변하며 고결 후 이루어지는 강도도 다양하다.
모든 주입재는 작업성(workability)에 있어 두가지 전제조건이 맞아야 하는데 첫째는 유동한계(flow limit)가 실행가능한 범위인 50Pa를 넘지 않아야 하며 둘째는 펌프로 송달하는 과정에서 유동의 조건이 변하지 않아야 한다. 만약에 이들이 변하면 침하와 고결현상이 일어나게 된다.
이상적인 작업성의 범위는 최초에 10s․mPa 정도이며 이 범위의 점성이 30분 정도는 지속되어야 주입과정에서 아무런 변화가 일어나지 않는다. 이후 점성이 급격히 증가하여 주입재의 침투성이 나빠진다<그림 4-42>.
<그림 4-42> 주입재의 점성과 작업성(kutzner, 1996)
그러나 약액의 경우 이상적인 범위에서 주입이 원활하나 시멘트의 경우는 그렇지 않다. 즉 최초 주입재의 점성이 실용적인 범위인 10～100s․mPa 이던 것이 30분 정도가 경과하면 점성이 증가하는데 이정도의 점성은 시멘트 현탁액에서는 문제가 되지 않으며 이는 초결이 시작될 때까지 거의 일정하게 지속된다. 허용될 수 있는 작업성은 100～500s․mPa 정도인 시멘트풀의 상태이며 시간이 경과할수록 점성이 증가한다.
암반틈새의 크기와 시멘트 입경간의 상관관계에 따라 주입의 성패가 달려있는 것은 물론이며, 주입량과 압력의 급격한 상승으로 인하여 주입공이 막히지 않는다면 주입재는 틈새를 따라 계속해서 침투되기 마련이다. 따라서 Deere(1982)는 일정한 시간내에 점성이 20cP인 안정성 현탁액은 5cP인 주입재에 비해 1/4거리만큼 주입되고, 동일한 거리만큼 주입 시키려면 4배의 시간 또는 4배의 압력이 작용되어야 한다고 하였다.
실제 높은 점성의 주입재는 개구상으로 틈새가 큰 파쇄대에서 주입재의 확산거리를 줄이고 주입공에서 떨어진 틈새에서는 압력의 감소현상이 생겨 수압파쇄현상이나 지표의 들어올림 현상을 줄일 수 있다.
4) 딕소트로피
<그림 4-43>과 같이 균열내에 주입재가 유동하다가 잠시 작업을 멈춰 압력이 없어지면 유동이 중단된다. 다시 압력이 가해지면 빈배합의 주입재는 다시 유동한다. 그러나 부배합(딕소프로피) 주입재는 시멘트풀(paste)이나 스러지(sluge) 상태로 있던 것이 어느 정도의 충분한 압력이 작용하면 갑자기 성질이 바뀌어 유동하게 된다. 이처럼 스러지가 유체로 바뀌어지는 점을 빙험항복점(Bingham yield point) 이라고 하며, 겔(gel) 상태의 시멘트풀이 유체로 바뀌어지는 성질을 딕소트로피(thixotropy)라고 한다.
이를 다시 쉽게 설명하면 토마토 캐첩을 가만히 두면 움직이지 않는 걸쭉한 상태이나 이를 흔들면 액상으로 되어버린다. 즉 겔의 상태에서 졸(sol) 상태로 변하는 현상이다. 다시 한참동안 그대로 두면 걸쭉한 상태로 된다. 즉 졸의 상태에서 겔의 상태로 변한다. 이처럼 딕소트로피는 졸↔겔 간에 가역반응을 하는 것으로써 시멘트를 주재료로 하는 주입재의 유동특성에 중요한 영향을 미치는 성질이다. 점토, 벤토나이트에도 딕소트로피 성질이 있다. 이러한 성질을 모르고 부주의하게 주입을 함으로써 주입의 효과를 저하시키는 결과가 생길 수도 있다. 그러나 이 성질을 이용하여 지하수에 의해 주입재가 다량 누출되는 경우와 지표로 심하게 누출되는 곳에서는 단속적인 주입을 하면 누출을 최소화 할 수 있다. 이외에도 주입압력에 의해 변위를 일으키는 암석일 때 딕소트로피 성질을 이용하여 단속적인 주입을 함으로써 작용압력을 최소화 할 수 있다.
그러나 균열이 여러 가지 크기인 경우 잠시 주입이 중단되었다가 재주입을 할 때는 딕소트로피 성질에 의해 주입이 잘 안될 수 있다. 주입을 시작하면 절리의 통로를 따라 주입재가 자유롭게 유동을 하며 전단응력은 빙험항복점 이상으로 작용하게 된다. 이러한 현상은 주입이 거부되면서 주입량이 감소할 때까지 계속 되다가 결국에는 전단응력이 빙험항복점 아래로 떨어져 겔 상태로 변화하면서 주입공으로부터 주입재를 통해 전달되던 압력은 감소하게 된다.
<그림 4-44>는 주입공으로부터 바깥쪽으로 주입재가 확산되면서 일어나는 압력분포를 나타내며 <그림 4-45>는 주입공에서 거부반응이 일어나서 주입을 종료 하였을때의 압력 감소현상을 보여주는 그림이다.
위의 그림처럼 한번의 주입으로 주입이 종료되면 좋으나 실제로는 작업상 주입이 중단되었다가 잠시후 재주입을 해야 할 때가 있는데 균열․절리의 틈새가 크고 작은 것이 혼합되어 있는 상태일 때의 주입재 배합비는 주의하여 선택해야 한다. 즉 주입의 초기단계에는 w/c비가 적정하다면 모든 틈새에 주입된다. 그러나 틈새가 큰 것이 있을 경우에는 이쪽으로 주입재가 대부분 들어가고 압력 또한 이 방향으로 집중되어 미세한 틈새에는 충분히 주입이 되지 않으며 이미 들어간 주입재는 겔 상태가 되기 시작한다. 시간이 지나 큰 틈새가 주입재로 채워진 후 미세한 틈새로 주입재가 들어가나 이미 틈새 입구의 주입재는 굳어져 다시 움직이기는 어렵게 되는 경우가 생기기도 한다. 따라서 이러한 경우에는 딕소트로피 고결현상이 미미한 빈배합으로 주입을 하여야 한다.
5) 주입재의 침하
물은 시멘트 입자의 운반매체로서의 역할을 하고 난 후에는 존재가치가 떨어진다. 주입재에 포함된 물의 양은 시멘트 수화작용의 화학적인 활동에 필요한 양보다 훨씬 많다. 따라서 이상적인 그라우팅은 주입재가 유동할 수 있는 최소한의 물만 사용하여야 한다. 일단 주입재의 유동속도가 낮아지거나 정지되면 분리현상이 일어나 시멘트 입자는 중력으로 가라앉으며 물과 묽은 주입재는 위로 뜨게 되는데, 주입재의 정지상태가 오래 지속되면 약간 흐리거나 맑은 물이 침하된 시멘트 위쪽으로 뜨고 양자간에 경계가 분명히 나타난다.
<그림 4-46>는 각종 배합비의 주입재가 시간이 경과하면서 블리딩되는 물의 양을 비교한 것이다.
이 그림은 메스시린더와 같이 구경이 커서 밀도류가 형성되는데 아무 지장이 없고 측면에서 브리지(bridge) 현상이 일어나지 않으며 첨가제나 모래를 혼합하지 않은 시멘트 현탁액의 시험자료이다. 그림에서 물：시멘트비 2：1의 주입재가 1.5시간 후에는 블리딩으로 35%의 용적이 줄어들고 5：1과 같은 빈배합에서는 70%가, 12：1에서는 85%가 줄어든다. 빈배합의 주입재가 부배합의 주입재보다 입자의 침하속도가 훨씬 빠르나, 암반에 높은 압력을 작용하여 변위되고 블리딩되는 물이 빨리 배제되는 변위그라우팅(displacement grouting)에서는 사용하여도 괜찮다.
그러나 시멘트 입자의 침하속도가 빠른 주입재 즉 빈배합 주입재로 고결되는 구조는 대단히 느슨해져서 내구성이 좋지 않다. 즉 시멘트의 결정이 약하고 느슨하게 결합하여 부배합 주입재로 만들어진 것보다 공극이 많은 구조를 만들기 때문에 침투수가 쉽게 통과․분해되어 누수가 유발된다. 따라서 가장 이상적인 것은 최대의 부배합으로 주입하는 것이 좋으나 대개의 경우에는 그렇게 할 수 없으므로 적당한 조정방안이 모색되어야 한다. 주입압력이 빈배합 주입재에 작용하면 물이 압출되어 시멘트 입자로 만들어지는 구조가 치밀해질 것으로 생각하였으나 미국 공병단의 실험 결과 그렇치 않다는 것이 증명되었다.
주입작업 과정에는 침하가 발생하거나 응고가 일어나서는 안되며 균질한 상태를 이루어야 한다. 이러한 침하현상은 현탁액에서만 일어나며 침하가 일어나는 것을 불안정현탁액(unstable suspensions), 안정이 되어서 침하가 일어나지 않는 것을 안정현탁액(stable suspensions)이라고 한다. 침하율 10% 이하를 대개 안정상태라고 한다. 현탁액은 교반되지 않으면 고체 주입재료가 침하 되는데 침하에 영향을 미치는 요인은 주입재료의 입경, 단위중량, 시간, 온도, 믹서의 교반속도 등이다. 무엇보다도 시멘트의 분말도와 w/c비에 의해 가장 크게 영향을 받는다. 즉 w/c비가 적으면 침하속도가 느리며 w/c비가 증가하는 빈배합일 때는 빠르다.
<그림 4-46>에서 30분을 기준하여 w/c=1.5 정도가 안정성을 보인다. 분말도가 큰 초미립자시멘트는 보통포틀랜드시멘트에 비해 침하속도가 훨씬 느리다. 포틀랜드시멘트에 1～4% 중량의 벤토나이트를 첨가하면 현탁액을 안정화시킬 수 있는데 20%에 달하는 침하율이 2%의 벤토나이트 첨가로 10% 정도로 낮아지며, 4% 정도를 첨가하면 5%까지 침하율이 낮아진다. 그러나 벤토나이트를 너무 많이 넣으면 고결되는 주입재의 강도가 낮아지므로 6% 이상은 사용하지 않는 것이 좋다. 벤토나이트를 첨가하면 점성이 늘어나며 현탁액의 유동한계(flow limit)가 증가하나 <그림 4-42>처럼 실용적인 범위 이내에서는 별 문제 없이 사용할 수 있다.
6) 블리딩의 배제
<그림 4-47>처럼 정상적인 주입과정에서는 주입공의 윗부분에 물이나 묽은 주입재가 뜬다. 이는 주입재가 빠른 속도로 공내에 들어가는 경우가 아닌 즉, 들어가는 속도가 줄어들면서 소량의 주입재가 들어갈 때 일어난다.
대개의 주입공에는 주입전에 이미 어느 정도의 물이 있게 마련이며 이들은 지하수, 투수시험 때 주입된 물, 인근 공의 찬공수 그리고 인근 주입공에서 압출되어 들어온 것으로써 들어오는 주입재의 압력에 의해 절리 등을 따라 밀려나간다. 그러나 틈새가 작고 치밀한 경우에는 쉽게 밀려나가지 않고 그대로 남아있다. 주입의 초기에는 주입재의 물이 절리를 따라 밀려나가나 절리가 주입재로 채워지면 더 이상 밀려나지 않고 블리딩된 물은 지반중에 남아 있게 된다. 따라서 이 물은 브리더 밸브로 배제시켜야 하나 대개의 경우 실시하지 않고 있다.
물의 배제는 비교적 부배합인 w/c=3인 주입재에서 효과적이며 w/c=5 정도인 빈배합에서는 효과가 적다. 왜냐하면 w/c=5 정도의 주입재는 부배합으로 주입한 후 배제하여 버리는 농도가 이 정도이기 때문이다. 더욱이 공으로 들어간 주입재 농도와 배제시키는 묽은 주입재의 농도가 비슷하여 육안으로 구분도 힘들다. 육안구분은 w/c=3 이상의 부배합일 때 가능하나 이 보다 더 빈배합일 때는 어렵다. 블리딩되는 물이 잘 배제 되었는지는 주입을 완료한 후 하루정도 지나서 관찰해보면 알 수 있다. 즉 주입재가 파커를 물린 직하부까지 채워져 있어 더 이상의 공매작업이 필요 없을 정도이면 배제가 잘 된 것으로 볼 수 있다.
흔히 재주입을 위해 재찬공을 할 때 시멘트의 종결시간이 지났음에도 파커를 물린 곳까지 주입재가 채워져 있지 않거나 빗트의 회전없이 롯드의 자중만으로 들어갈 정도의 묽은 주입재가 채워져 있다면 이는 배제가 충분히 되지 않았음을 의미한다. 배제가 잘되지 않았을 때는 균열의 상부가 부배합 주입재로 채워지지 않고 물이 대부분인 묽은 주입재로 채워지므로 그라우팅의 효과는 떨어지게 되며 추후 누수유로가 형성될 수 있다. 따라서 그라우팅의 품질관리를 위해서는 블리딩되는 물을 꼭 배제시켜야 한다. 특히 지수벽의 상부는 그라우팅이 완벽하게 되어야 하며 이곳에 결함이 생기면 심각한 재해가 발생할 가능성이 크게 된다. 이곳은 물을 밀어내기 위해 주입압력을 높게 적용할 수도 없고 주입재가 지표로 누출되어 지반의 개선이 대단히 힘든 곳이다. 따라서 1단계의 그라우팅시 블리딩되는 물을 배제시키지 않아 시공효과가 떨어지는 공사를 하지 말아야 할 것이다.
블리딩되는 물을 배제시키는 방법은 <그림 4-37>에서 주입량 조절밸브를 열어 주입공내로 주입재가 들어오지 않도록 하고 브리더밸브는 완전히 개방한다. 이때 주입압 조절밸브는 조금 열어두어 브리더로부터 밀려오는 소량의 주입재가 통과할 수 있도록 한다. 진한 주입재는 아래로 가라앉고 물과 묽은 주입재는 위로 떠서 배출되므로 이의 농도를 육안으로 관찰하여 충분히 배제되었다고 판단되면 브리더밸브를 잠그고 주입작업을 계속한다. 배제작업은 15～30분 간격으로 반복하여 시행할 필요가 있다.
7) 주입재의 응결
시멘트가 물과 혼합하면 즉시 화학반응이 일어나며 수 시간 동안 계속하여 활발하게 진행한다. 화학반응 결과 응결(setting)과 강도(hardness)가 생긴다. 응결에는 초결과 종결이 있는데 초결은 주입재가 굳어지나 단단하지는 않은 상태이고 종결은 단단해지기 시작하는 상태이다. 시멘트가 충분히 수화되어 응결하는데 필요한 최소 물：시멘트비는 중량비로 0.2：1, 용적비로 0.3：1 정도이다. 그러나 이는 너무 부배합이어서 실제 주입이 불가하며 가장 좋은 그라우트믹서로 생산할 수 있는 최고의 부배합은 0.5：1로 보고되어 있다. 따라서 실제 생산되는 주입재는 화학작용에 필요한 물보다 대단히 많으며 과다한 물로 인해 응결이 지연된다.
Hornby(1961)는 초결 45분, 종결 10시간인 ASTM TypeⅠ 포틀랜드 시멘트로 응결시험을 하였다. <그림 4-48>에서 빈배합 주입재의 응결이 대단히 늦게 됨을 알 수 있는데 내구성이 그래도 괜찮다고 보는 물：시멘트비=3：1인 주입재의 초결이 16시간이 걸리며 종결시간은 이보다 훨씬 더 많이 소요될 것이다. 이러한 이유 때문에 부배합의 주입재를 사용하여야 하는 것이다.
지하수가 많이 유동하는 지반에 빈배합의 그라우트가 주입되면 응결시간은 치명적이어서 딕소트로피고결(thixotropic stiffening)이 되지 않아 응결이 지연되면서 주입재는 유거되어 버린다. 이와 같이 빈배합의 주입재는 응결시간이 대단히 늦다는 것을 모르고 물：시멘트=8：1의 농도로 조심스럽게 주입을 하였던 댐에서 수일 만에 모든 주입재가 유거된 사례가 외국에서 있었는데, 유거된 사실을 상당한 량의 공사를 하고 난 후에 알았다고 한다.
위의 사례는 지하수가 유동하는 조건에서 빈배합 주입재를 사용하여 응결이 지연된 것이지만 앞절에서 설명한 것처럼 지반에는 많은 물이 있어 아직도 응결되지 않거나 유동중에 있는 주입재에 나쁜 영향을 미치는 것이 대부분이다.
시멘트가 고결되는 화학적 반응은 대단히 복잡하며 여기에서 자세한 설명은 생략한다. 포틀랜드 시멘트의 입자가 수화하는데는 2단계를 거치는데 첫번째는 입자 표면에 물기가 많은 겔상태의 피막이 만들어지고 그 다음 섬유질 같은 침상구조가 생긴다. 침상구조(spike)는 수화된 규산염 칼슘으로 만들어지는데 물이 서서히 시멘트 입자의 무수(無水)핵으로 침투하면 칼슘은 빠져나오고 마지막으로 삼투압에 의해 피막(membrane)이 파괴하면 섬유질 같은 수화된 규산염칼슘 결정들이 성장한다. 이런 성장으로 생긴 연결(interlock)로 강도가 형성된다.
C3S(3CaO․SiO2：tricalcium silicate, 규산삼석회) 결정은 조기강도에 영향을 미치며 C2S(2CaO․SiO2 dicalcium silicate, 규산이석회)는 서서히 장기간에 걸쳐 강도에 영향을 미친다.
Braun은 결정의 성장․연결은 콘크리트와 같이 제한된 곳보다 딕소트로피 주입재 상태에서 더 활발하게 이루어진다고 하였다. 그러나 주입재가 교반되고 있거나 주입배관을 따라 순환하고 있을 때는 결정이 성장하는 한편 깨어져 버리기도 한다. 깨어져 버린 결정을 끊임없이 보충하려고 하는 잠재력(potential)도 한계가 있어서 순환이 오래 지속될수록 시멘트의 강도와 내구성은 떨어진다. 이러한 이유로 고품질의 그라우팅공사에서는 바로 만들어진 주입재를 써야하고 만들어진지 2시간이 경과한 주입재는 버려야 한다. 또한 주입배관도 가능한 한 짧게 하여야 한다. 이처럼 신선한 주입재(fresh grout)를 사용하는 이유는 주입재가 최종적으로 균열의 틈새에 들어간 후 결정의 성장이 이루어지도록 하기 위함이다.
주입재와 균열의 벽 사이에 결정의 연결이 이루어지는 것이 바람직하나 실제 대부분의 경우 희귀하게 이루어진다. 이는 균열을 흐르는 지하수로 인해 균열의 벽면에 풍화물이나 흙 등의 얇은 피막을 만들어 놓아서 주입재가 암반에 잘 붙지 않기 때문이다. 즉 주입재는 접착의 상태라기 보다는 충전의 상태로 있게 된다.
응결시멘트의 화학적인 반응은 온도에 의해서 영향을 받는다. 높은 온도에서는 응결이 빠르고 낮은 온도에서는 느리거나 정지된다. 여름철 직사광선을 받는 주입배관에서는 온도가 많이 올라가므로 주입배관을 덮어주는 것이 좋다. 그러나 대개의 경우 실행이 잘 되지 않는다. 펌프를 주입공에 가깝게 설치하거나 배관길이는 짧게 하는 것이 좋다.
주입재의 바람직한 한계온도는 27℃(80℉) 이하이며, 38℃(100℉) 이상의 주입재가 혼합 후 즉시 주입되지 못할 경우에는 버려야 한다. 높은 온도의 주입재는 배관에서는 격렬하게 반응을 하나 지하의 시원한 조건에서는 반응속도가 떨어진다.
8) 주입재의 내구성과 강도
주입재의 내구성의 지속적인 유지 문제는 얼마나 그라우팅을 잘 하였느냐에 달려있다. 불량하게 그라우팅을 하였다면 침투수에 의해 용탈되거나 화학적으로 약화되며 때로는 주입재 주변부의 약한 물질의 침식으로 약화된다. 시공 이후 문제가 발생한 경우의 원인은 빈배합의 주입재 사용, 주입재료의 불량한 혼합과 부적절한 주입기술 등 이라고 판단된다.
댐터에는 침투수가 계속적으로 지수벽에 작용하므로 그라우팅이 부실하면 쉽게 악화된다. 그러나 이는 정확한 모니터링이 어려우며 악화되었다는 조짐이 쉽게 나타나지 않는다. 더욱이 저수지 바닥에 쌓이는 퇴사는 간접적으로 지수벽의 기능을 보강하는 역할을 하기에 더욱 그렇다. 그러나 경사부에는 퇴사가 쌓이지 않기 때문에 불량한 부분에서의 누수현상이 빨리 발생하기도 한다. 만약에 유화수소(H2S) 성분이 침투할 가능성이 높은 조건이라면 그라우트 커튼이 치명적으로 악화되므로 그라우팅 작업시 공극이 치밀하게 채워지도록 하여 주입재를 통한 누수유로가 만들어지지 않도록 하거나 내황산염 주입재료를 사용하여야 한다. 석탄층이 있는 지층에서는 침투수가 석탄과 반응하여 약산을 만들 가능성이 크므로 불량하게 그라우팅된 곳에서는 침해를 받을 가능성이 크다.
그라우팅의 목적은 균열을 완전하게 채우는 것이다. 100% 채운다는 것이 쉽진 않으나 철저한 관리와 주의를 기울이지 않으면 블리딩 통로, 공극 그리고 약하게 고결된 부분이 생겨 주의가 요망된다. 품질에 영향을 미치는 요인이 여러 가지이고 복합적이다. 이러한 요인 중에서도 w/c비가 가장 큰 요인으로 작용하여 부배합으로 주입하는 것이 최선의 방법이라고 많은 외국의 학자․기술자들이 주장하고 있다. 이들 의견에는 주입재의 w/c비를 3보다 더 빈배합으로 해서는 안된다는 주장(Houlsby, Kutzner 등)과 4보다 더 묽게 해서는 안된다는 주장(미국 공병단)이 있다. 주입과정에서는 묽은 주입재와 물을 배제시켜야하며 브리더밸브 장착을 위해서는 파커를 사용하지 말고 닛플그라우팅을 하도록 의견을 제시하고 있다. 미국 내무성개척국(USBR)에서는 12：1 정도까지 허용하였으나 상당한 연구조사 이후 최근에는 5：1을 적용하고 있다.
<그림 4-49>는 물：시멘트 = 5：1로 주입하고 난 후 불완전하게 공극이 충전된 실제 경우의 것으로 공극은 블리딩되는 물에 의해 생긴 것으로 영원히 남게 될 것이다.
내구성이 있는 만족할 만한 시멘트그라우트의 생산은 거의 대부분 물․시멘트비에 달려 있다. 주입재에 있어서의 물은 유동성 역할을 하나 양이 너무 많으면 분리되어 물만 모여 있는 구조(trap) 즉 포켓형태, 기포, 블리딩 통로 등을 만들어서 연속성 있는 시멘트 충전을 저해시킨다. 따라서 주입공부터 적정한 거리까지 주입재가 확산되는 조건을 충족시키는 범위내에서 최소한의 물을 사용해야 한다.
주입이 끝난 곳에 지하수가 침투하면 주입재가 유거되거나 약화될 가능성이 생기는데, 침투수에 유해한 성분이 있거나 물이 많은 주입재를 사용했을 때는 주입의 효과가 1년 이내에 저하된다.
내구성이 우수한 주입고결체가 만들어지려면 무시할 정도의 블리딩만 생겨야 하는데, 이는 수직이나 수직에 가까운 균열일 때 밀도의 차이로 인해 하부에는 진한 농도의 주입재가 채워지고 블리딩된 물은 위로 떠서 상부로 배제되는 경우이다. 그러나 수평상의 균열일 때 특히 상부방향의 배수통로가 거의 없을 때는 양호한 고결체가 만들어지지 않는다. 몇 년 전만 하더라도 적당한 주입압력이 가해지면 수평상의 균열내에서 생긴 블리딩은 주입 완료 후 딕소트로피 고결이 되기 전에 자연스럽게 압출된다고 믿었다. 그러나 주입압력은 밀도가 높은 주입재 전반에 걸쳐 작용하는 것이 아니라 밀도가 낮은 주입재가 있는 균열 상부에만 미치며, 블리딩은 중력에 의하여 주로 일어나고 최초의 블리딩도 주입후 시 때라도 오랫동안 주입을 하여 블리딩 발생을 기다렸다가 블리딩된 물을 압출시키는 것이 좋다.
주입재의 고결강도는 작용하는 수압과 구조물 하중에 저항할 수 있어야 하는데 실제 암반의 틈새나 토사의 공극에 들어가서 이루어지는 강도는 실내시험에서 확인하는 강도와는 차이가 있게 마련이어서 예측하기 어렵다. 암반의 틈새에 들어간 주입재는 암반에 강하게 부착하여 급한 동수경사에 의한 침식과 파이핑에 저항할 수 있어야 한다. 따라서 토사 정도의 강도를 가진 그라우트는 불충분하며 공극이 있거나 부스러지기 쉬운 상태의 그라우트도 부적당하고 물리적 성질 뿐만 아니라 화학적 성질도 안정해야 된다.
즉, 장기간 작용하는 침투수에 의해 Ca 성분이 침출되는 용탈현상이 생기지 않도록 안정해야 한다. 따라서 고결된 주입재는 투수성이 낮고 치밀해야 하는데 Deere(1982)는 이러한 안정된 성질을 가지는 주입재의 강도는 최소 50～100㎏f/㎠ 이상이 되어야 한다고 발표한 바 있다.
암반의 틈새에서 고결된 주입재를 실내시험에 필요한 규격만큼 샘플채취도 용이하지 않기 때문에, 부득이 실내시험에서 주입재 강도를 측정해 볼 수밖에 없으나 실제 주입조건과 다르다는 문제점이 있다. 즉 실내시험에서 w/c=5인 빈배합의 침하율이 약 50～70% 되어 고결된 시료의 강도는 w/c= 2～3의 강도를 나타내기 때문에 실내시험 자료를 실제 현장에 적용하기에는 차이가 있다. 회전수가 300～700rpm 에서 만든 시멘트 현탁액의 시료강도는 w/c= 3～5에서 f28= 150～350㎏f/㎠이다.
벤토나이트 첨가로 인한 압축강도는 현저하게 떨어지는데 부배합 보다 빈배합에서 심하며, 회전수300～700rpm 에서 만든 CB의 시료강도는 w/c= 2～3의 배합비에서는 벤토나이트 3% 첨가로 f28= 80～120㎏f/㎠가 발현되며, 이 정도는 약한 콘크리트강도 수준으로 주입재로서 필요한 최소 강도가 될 것으로 판단된다. 벤토나이트 사용은 주입재의 고결강도의 저하와 점성의 증가와 같은 악영향뿐만 아니라, 시멘트와의 완전한 혼합 여부를 확인할 수 없으며 지하 틈새에 주입된 후 압착되어 나오는 물과 함께 빠져 나와서 벤토나이트 만어 암석 파쇄대에 충전된 사례가 많이 보고되고 있다(Houlsby 1990, Deere 1982). 따라서 부배합에서는 2% 정도를, 빈배합에서는 4% 정도를 사용하는 것이 적당하다.
시멘트 현탁액의 고결강도는 w/c비에 따라 달라지며 적을수록 일축압축강도가 증가한다. Bonzel & Dahms(1972)는 분급이 좋지 않은 모래속에 w/c=1(중량비)의 주입재를 집어 넣고 물을 압출하지 않는 상태에서 그대로 두었다가 28일 만에 일축압축강도시험 결과 강도가 10Mpa(100㎏/㎠)이 넘었다고 보고한 바 있다.
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