이하, 본 발명의 구성에 대하여 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 경량성토재는 공사현장에서 발생하는 토사(예를 들면, 모래, 풍화토 및 점성토)에 단위중량이 0.02∼0.04t/㎥의 매우 작은 폐스티로폴 입자를 상기 토사 용적의 50∼150%의 비율로 첨가 혼합하고, 여기에 강도증진을 위하여 고화재를 토사 중량의 3∼9% 첨가혼합하고, 워커빌리티 및 다짐효율 향상을 위하여 안정재를 토사 중량의 1∼3% 첨가혼합하여 함수비가 10∼20%로 되도록 제조된다. 여기서 고화재는 포틀랜드시멘트가 바람직하고, 안정재는 워커빌리티 확보를 위한토사중량의 0.5 ∼ 3%의 플라이애쉬와 다짐작업을 원활하게 수행하기 위한 토사중량의 0.1∼1%의 알콜 에톡실레이트(alcohol ethoxylate)로 구성되어있다. 이와 같이 제조된 경량성토재는 저중량, 고강도, 내진 및 내동상성의 성토재로 활용할 수 있다.
상기 구성에서 폐스티로폴입자는 현장에서 발생하는 토사의 부피비로 혼합하는데, 그 함량이 50% 미만일 경우 단위중량이 너무 크게 되어 경량의 특성을 살릴 수 없으며, 150%를 초과할 경우 지나치게 가볍기 때문에 실용성이 떨어지며 강도가 작고 배합이 어렵기 때문에 폐스티로폴입자는 상기 토사에 대한 부피비로서 50∼150%의 비율로 첨가하는 것이 바람직하다.
고화재는 토사 중량의 3%미만일 경우 강도 발현이 작기 때문에 성토재로서 요구되는 강도를 만족하지 못하며 9%를 넘을 경우 과다한 고화재의 사용으로 경제성이 저하되기 때문에 고화재의 비율은 3∼9%가 바람직하다.
안정재는 다짐효과와 시공시 작업성을 개선하는 효과를 지니고 있는데, 안정재를 토사중량의 1% 미만으로 사용할 경우 시공성 및 다짐성 증대효과가 거의 없고, 3%를 초과하여 사용할 경우 경제성이 떨어지고 시공성 및 다짐성의 증대효과가 크게 증가하지 않기 때문에, 안정재 함량은 토사중량의 1∼3%가 바람직하다.
함수비는 실험결과 배합비와 고화재 그리고 안정재의 양에 따라 변화하지만 최적의 함수비는 10∼20% 사이에서 형성되는 것으로 나타났다.
또한, 본 발명에 따른 유동성 경량성토재는 공사현장에서 발생하는 토사(점성토)에 상기 폐스티로폴 입자를 상기 토사 용적의 50∼150%의 비율로 첨가 혼합하고, 플라이애쉬를 전체중량의 3∼7%의 비율로 혼합하여 함수비가 40∼60%가 되도록 제조된다. 구성물 중 플라이애쉬는 작업성과 유동성을 증진하는 역할을 하며 3%이하일 경우 유동성이 저하되고 7%이상을 혼합할 경우 강도, 지지력 특성이 저하되기 때문에 전체중량의 3∼7%로 제한하였다.
유동성 경량성토재 역시 상기의 경량성토재와 유사한 특성을 지니며, 다만 다짐작업이 필요없는 성토재로 사용되기 위해서는 유동성을 확보하여야 하기 때문에 실험을 통하여 상기의 비율로 혼합하였을 경우 유동성을 확보하기 위한 함수비가 40∼60% 사이에서 형성되는 것으로 나타났으며, 유동성을 높이기 위하여 플라이애쉬를 3∼7%로 혼합하는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같은 본 발명에 따른 폐스티로폴을 활용한 경량성토재는 구조물의 뒤채움재 및 지중구조물의 복토재로서 효과적으로 사용할 수 있다.
폐스티로폴을 활용한 경량성토재의 시공방법은 플랜트 혼합방법과 현장혼합방법이 있는데, 경량성토재는 플랜트 혼합방법과 현장혼합방법 모두 시공이 가능하며, 유동성 경량성토재는 플랜트 혼합방법을 사용할 수 있다.
플랜트 혼합방법은 토사와 폐스티로폴 입자, 시멘트, 안정재, 물의 혼합은 혼합 플랜트에서 실시하며, 플랜트 내에서의 각종 재료의 계량오차는 +3% 이내이어야 한다. 혼합된 경량토 성토재는 공사현장으로 운송하여 덤핑한 후 불도저나 백호우 등을 사용하여 1층 두께를 30cm정도로 포설하고, 다짐은 불도저나 백호우, 플레이트 컴팩터(Plate Compactor) 등을 사용하여 현장다짐시험 실시 후 수행한다. 다짐 완료 후에는 강우 등에 의한 영향을 고려하여 20∼30cm 정도의 피복토를 덮는다.
원위치 혼합방법으로 백호우에 유압회전식 교반기를 달고 지반을 굴착하면서 토사와 폐스티로폴, 시멘트, 안정재를 혼합하여 현장에서 직접 혼합하는 방식이 있으며 원위치 혼합방법은 안정재를 살포하고, 안정재 상부에 폐스티로폴 입자를 살포한 후 백호우 장착형 교반기로 굴착과 혼합작업을 병행하여 혼합한다. 이후 표면 깔기 작업을 통하여 표면을 정지하고 전압 및 다짐 작업을 실시한다.
이하, 본 발명에 따른 뒤채움공법 및 복토공법에 대하여 설명한다.
1) 폐스티로폴 입자를 활용한 구조물의 뒤채움 공법
폐스티로폴을 활용한 경량성토재 및 유동성 경량성토재를 구조물 뒷채움재로 사용하기 위한 바람직한 실시예를 첨부한 도 1에 의거하여 설명하면 다음과 같다.
도 1에서와 같이, 옹벽이나 교대 구조물과 인근지반 사이의 거리가 멀어 다짐장비의 진입이 가능하고 다짐관리가 용이한 구간의 경우에는 인근지반(1)을 굴착한 후 벽체(4)를 시공한다. 투수성이 작은 토사를 경량성토재 재료로 사용하였을 경우에는 벽체 배면의 원지반 상부에 배수재(2)를 설치한다. 경량성토재는 폐스티로폴 입자(토사 용적의 50∼150%)와 토사(모래, 풍화토 및 점성토), 고화재(포틀랜드시멘트, 토사 중량의 3∼9%), 안정재(토사 중량의 1∼3%)를 플랜트 방식으로 혼합한다. 혼합한 경량성토재(3)는 시공된 벽체 배후에 포설한 후 전압한다(이때 경량성토재는 30∼50 ㎝ 두께로 포설하고 층다짐 하는 것을 원칙으로 한다). 포설 및 전압이 끝난 후 50㎝두께로 양질의 토사를 이용하여 피복토(5)를 실시한 후 최종 전압을 통하여 지반을 견고하게 시공한 후 면고르기를 실시한다.
또한, 도 2에서와 같이, 벽체와 인근지반의 거리가 좁아 다짐장비의 진입이 불가능하거나 다짐관리가 어려운 구간의 경우에는 유동성 경량성토재를 이용하여 시공한다. 우선 인근지반(6)을 굴착한 후 벽체(9)를 시공한다. 투수성이 작은 토사를 경량성토재 재료로 사용하였을 경우에만 벽체 배면의 원지반 상부에 배수재(7)를 설치한다. 성토재는 다짐이 필요없는 유동성 경량성토재를 사용하며 유동성 경량성토재(함수비 40∼60%)는 폐스티로폴 입자(토사 용적의 50∼150%), 점성토, 플라이애쉬(전체중량의 3∼7%)로 구성되며 플랜트 방식으로 혼합한다. 혼합한 유동성 경량성토재(8)는 시공된 벽체 배후에 포설한 후 50㎝두께로 양질의 토사를 이용하여 피복토(10)를 실시한 후 최종 전압을 통하여 지반을 견고하게 시공한 후 면고르기를 실시한다.
2) 폐스티로폴 입자를 활용한 지중구조물의 복토공법
폐스티로폴 입자를 활용한 경량성토재 및 유동성 경량성토재를 지중구조물의 복토재로 사용하기 위한 바람직한 실시예를 나타내면 도 3과 같다.
지중구조물을 설치하기 위하여 최종 굴착면까지 굴착한 후 경량성토재는 폐스티로폴 입자(토사 용적의 50∼150%)와 토사(모래, 풍화토 및 점성토), 고화재(포틀랜드시멘트, 토사 중량의 3∼9%), 안정재(토사 중량의 1∼3%)를 플랜트 방식으로 혼합한다. 혼합한 경량성토재(11)를 최종굴착면에 타설하여 지중구조물의 베딩재로 활용한다. 베딩재 위에 관 또는 지중구조물(13)을 매설한 후 연성관 높이까지 유동성 경량성토재(12)를 타설한다. 유동성 경량성토재(함수비 40∼60%)는 폐스티로폴 입자(토사 용적의 50∼150%), 점성토, 플라이애쉬(전체중량의 3∼7%)로 구성되어있다. 유동성 경량성토재 타설 후 만 24시간 지난 후 경량성토재(11)를 타설하고 면고르기 및 소정의 에너지로 전압한다. 면고르기와 전압이 끝난 후 피복토(14)를 덮고 면고르기를 한다.
[실시예]
이하 실시예에 의해 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 후술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
일반적으로 뒤채움재료 및 복토재료가 갖추어야 할 조건은 다음과 같다.
① 강도가 적당하여야 한다.
② 투수성이 좋아야 한다.
③ 토압의 발생이 최소이어야 한다.
따라서 국내 및 국외의 뒤채움 재료조건은 일반토사를 기준으로 상기의 조건을 만족시키기 위한 입도분포와 CBR값, 다짐도를 기준으로 제시하고 있으며 이를 요약하면 다음 표 1과 같다.
|
항목 |
도로공사표준시방서 |
토목공사공통시방서(일본도로공단) |
AASHTO기준 |
입도분포 |
최대치수 |
100이하 |
150 |
- |
4.75mm 체 통과율 |
25∼100 |
- |
- |
0.075mm 체 통과율 |
15이하 |
- |
4이하 |
다짐조건 |
다짐도 |
95% |
- |
90이상 |
지지력조건 |
CBR |
10이상 |
10이상 |
- |
[실시예 1 - 3]
따라서 본 발명에 따른 경량성토재 및 유동성 경량성토재의 적합성을 확인하기 위하여 일련의 경량성토재를 제작하여 강도 특성, 투수 특성, CBR 특성 시험을 실시하였다.
본 실시예에 있어서, 강도 특성은 일축압축시험장치를 이용하여 KS F 2314에 의거하여 시험을 실시하였으며, CBR특성은 실내 CBR시험기를 이용하여 KS F 2320, 다짐특성은 실내다짐시험기를 이용하여 KS F 2312에 의거하여 시험을 실시하였다. 또한 투수특성은 투수시험장치를 이용하여 KS F 2322 , 입도분포특성은 KS F 2309에 의거하여 시험을 실시하였다.
시험은 사질토, 폐스티로폴입자(사질토 부피의 100%에 해당하는 양), 안정재(사질토 중량의 3%에 해당하는 양)를 혼합한 후 고화재를 벤토나이트(실시예 1), 시멘트(실시예 2), 생석회(실시예 3)로 변화시켜가며 각각 사질토 중량대비 5.5%로 혼합하여 경량성토재를 제작하였다.
이와 같이 제작된 경량성토재를 대상으로 강도 특성, 투수 특성, CBR 특성을 시험하였으며, 그 결과는 표 2, 표 3에 나타냈다.
아래 표 2와 표 3에서 알 수 있는 바와 같이, 시멘트를 고화재로 사용한 시료가 가장 큰 강도를 보이는 것으로 나타났으며, CBR 특성 역시 시멘트가 가장 큰 지지력을 보이는 것으로 나타났다. 따라서 고화재의 경우 시멘트가 가장 우수한 특성을 보이는 것을 알 수 있었다.
고화재의 변화에 따른 경량성토재의 강도시험결과
|
실시예 1(벤토나이트) |
실시예 2(시멘트) |
실시예 3(생석회) |
일축압축강도(kg/㎠) |
1.12 |
1.19 |
0.65 |
고화재의 변화에 따른 경량성토재의 CBR 특성
|
실시예 1(벤토나이트) |
실시예 2(시멘트) |
실시예 3(생석회) |
CBR5.0(%) |
36.07 |
243.30 |
36.87 |
[실시예 4 - 7]
실시예 4-7은 안정재의 효과를 규명하기 위한 시험으로, 풍화토 부피의 100%의 폐스티로폴입자와 고화재(시멘트) 5%를 혼합한 후 안정재를 0%, 1%, 2%, 3%로 변화시켜 경량성토재를 제작하였다.
이와 같이 제작된 경량성토재를 시료로 하여 실내다짐시험을 하였으며, 그 결과는 표 4에 나타내었다.
아래 표 4의 결과로부터 안정재의 첨가량이 증가할수록 동일한 에너지로 다진 혼합토의 건조단위중량이 증가하는 것으로 나타나 안정재가 다짐을 원활하게 하는 작용이 있음을 확인할 수 있었다.
안정재 변화에 따른 다짐특성
|
실시예4(안정재 0%) |
실시예 5(안정재 1%) |
실시예 6(안정재 2%) |
실시예 7(안정재 3%) |
건조단위중량(t/㎥) |
1.12 |
1.14 |
1.18 |
1.19 |
[실시예 8-16]
경량성토재의 공학적 특성을 구명하기 위하여, 풍화토를 대상으로 폐스티로폴 입자의 혼합비와 고화재(시멘트)양을 각각 표 5에 나타낸 바와 같이 변화시켜가며 경량성토재를 제작하였다.
경량성토재의 성분 혼합비
|
폐스티로폴(토사부피 기준) |
안정재(토사중량기준) |
고화재(토사중량기준) |
실시예8 |
50% |
3% |
3% |
실시예9 |
50% |
3% |
5.5% |
실시예10 |
50% |
3% |
8.5% |
실시예11 |
100% |
3% |
3% |
실시예12 |
100% |
3% |
5.5% |
실시예13 |
100% |
3% |
8.5% |
실시예14 |
150% |
3% |
3% |
실시예15 |
150% |
3% |
5.5% |
실시예16 |
150% |
3% |
8.5% |
<입도분포특성 시험>
상기 실시예 8-16의 경량성토재를 시료로 하여 입도분포 특성을 시험한 결과는 표 6과 같다.
표 6에서 알 수 있는 것처럼, 실시예 8-16의 경량성토재는 모든 조건에서 4.75mm 체 통과율 95% 이상, 0.075mm체 통과율 2∼3%, 최대치수 80이하로 나타났으며, 이는 상기 표 1에 나타낸 뒤채움재 및 복토재가 갖추어야 할 기준에 모두 만족하는 것으로 나타났다.
입도분포특성 시험결과
|
입도분포특성 |
4.75mm 체 통과율 |
0.075mm 체 통과율 |
최대치수 |
실시예8 |
95.5% |
2.2% |
80이하 |
실시예9 |
95.4% |
2.4% |
80이하 |
실시예10 |
95.3% |
2.8% |
80이하 |
실시예11 |
95.6% |
2.2% |
80이하 |
실시예12 |
95.5% |
2.5% |
80이하 |
실시예13 |
95.2% |
3.0% |
80이하 |
실시예14 |
95.5% |
2.0% |
80이하 |
실시예15 |
95.6% |
2.1% |
80이하 |
실시예16 |
95.2% |
2.4% |
80이하 |
<일축압축강도시험>
또한, 상기 실시예 8-16의 경량성토재를 시료로 하여 일축압축강도시험을 하였으며, 그 결과는 표 7과 같다.
아래 표 7에 나타낸 바와 같이, 실시예 8-16의 경량성토재의 강도는 4.287∼13.865 kg/㎠로 나타났으며, 이는 견고한 토사(4 kg/㎠ >)의 강도의 기준에 적합한 것을 알 수 있다.
일축압축강도 시험 결과
|
일축압축강도(㎏/㎠) |
실시예 8 |
5.005 |
실시예 9 |
6.777 |
실시예 10 |
13.865 |
실시예 11 |
4.401 |
실시예 12 |
5.717 |
실시예 13 |
7.136 |
실시예 14 |
4.287 |
실시예 15 |
5.006 |
실시예 16 |
6.534 |
<투수성 시험>
또한, 상기 실시예 8-16의 경량성토재를 시료로 하여 투수성 시험을 하였으며, 그 결과는 표 8과 같다. 이때 대조구로서 폐스티로폴 입자를 혼합하지 않은 원지반 토사의 투수성을 시험하였으며, 그 투수계수는 1.5×10-5(㎝/sec)로 나타났다.
아래 표 8에서 알 수 있는 것처럼, 실시예 8-16의 경량성토재의 투수성은 폐스티로폴 입자를 혼합하지 않은 원지반 토사의 투수계수(즉, 1.5×10-5㎝/sec)에 비해 모든 혼합비에서 투수계수가 증가하는 것으로 나타나 투수성이 증대되었다.
경량성토재의 투수성 시험결과
|
투수계수(cm/sec) |
실시예 8 |
2.885×10-4 |
실시예 9 |
2.183×10-4 |
실시예 10 |
1.923×10-4 |
실시예 11 |
4.202×10-4 |
실시예 12 |
3.702×10-4 |
실시예 13 |
3.033×10-4 |
실시예 14 |
5.154×10-4 |
실시예 15 |
6.082×10-4 |
실시예 16 |
7.303×10-4 |
<CBR 특성시험>
또한, 상기 실시예 8-16의 경량성토재에 대한 CBR 특성을 시험하였으며, 그 결과는 표 9에 나타내었다.
표 9에서 알 수 있는 것처럼, 실시예 8-16의 경량성토재의 CBR 특성은 15∼30으로서, 상기 표 1의 모든 기준(10 이상)에 부합하였다.
경량성토재의 CBR특성 시험결과
|
CBR5.0 |
실시예 8 |
15.37 |
실시예 9 |
22.58 |
실시예 10 |
30.56 |
실시예 11 |
16.85 |
실시예 12 |
21.30 |
실시예 13 |
29.45 |
실시예 14 |
15.00 |
실시예 15 |
17.20 |
실시예 16 |
18.76 |
실시예 8-9의 경량성토재를 이용하여 뒷채움을 실시하였을 경우 실제 벽체에 미치는 토압경감효과를 측정하기 위하여 모형실험을 실시하였다.
모형실험은 토압계가 장착되는 모형 매설구조물을 설치하고 되메움 단계별 토압과 모형매설구조물 상부에서 하중을 재하했을 때 벽체에 미치는 토압을 분석하였다. 실험결과 수평토압의 경우 일반토사의 토압에 비해 수평토압의 경우 46.2 ∼ 55.4%, 연직토압의 경우 25.4 ∼ 47.8%가 감소하는 것으로 나타나 일반토사로 뒤채움을 실시하였을 때 보다 토압감소효과가 큰 것으로 나타났다.