1. 서 론

전 세계적으로 지난 수십년간 급속한 도시화가 진행되면서 인구 밀집과 지상 공간 부족 문제가 심화되고 있다. 이는 도시 인프라 시스템의 수직적 확장을 야기하였으며 지하공간 개발은 필수 불가결한 핵심 전략이 되었다. 이에 따라 지하공간 개발에 대한 수요와 관심이 증가하면서 지하공간에 대심도 터널과 같은 인프라 건설 프로젝트가 활발히 진행되고 있다. 이와 같은 대심도 터널 시공 시 높은 지열에 의한 문제가 부상하고 있다. 선행 연구에 의하면 대심도 시공 현장의 고온환경은 콘크리트 라이닝(concrete lining)의 열화, 고온 지하수 유출 위험 증가, 열응력 증가에 따른 암반 손상 등의 문제를 발생시킨다(Chen et al., 2014, Liu et al., 2019, Wang et al., 2021). 대심도 암반에 터널을 건설하는 경우 높은 지열 및 고온의 지하수로 인해 고온 환경이 조성된다. 고온 환경이 조성된 터널의 경우 주변 암반 온도가 40 - 60°C에 이르는 사례가 다수 보고된 바 있다(Table 1).

자연 상태의 대심도 암반은 일반적으로 단층, 절리 등의 복잡한 지질학적 특성을 가진다. 대심도 터널 및 구조물 건설을 위해 암반을 굴착하는 경우 굴착 과정에서 주변 암반에 무수히 많은 불연속면이 추가적으로 발생한다. 이와 같은 절리는 지하수의 주요 유동 경로로 작용할 수 있으며 이로 인한 지하수의 유출은 시공 중 침수, 공사기간 증가, 장비 손상 등 다양한 형태의 경제적 손실을 야기한다. 또한 고온의 지하수가 시공 현장 또는 터널에 유출될 경우 심각한 인명 피해를 유발할 수 있다(Xiao et al., 2021). 이에 따라 터널 및 지하 구조물 건설 시 암반 그라우팅 공법을 통한 암반 보강 및 차수는 필수적이다.

암반 그라우팅은 절리 및 균열이 발달한 암반층 내의 불연속면을 대상으로 보강 및 차수의 목적으로 고결재를 주입하여 내부 공극 및 빈 공간을 충진하는 공법이다. 암반 그라우팅을 위한 주입재는 현탁액형 주입재와 용액형 주입재로 구분된다. 현탁액형 주입재는 시멘트계 재료를 사용하며 대표적으로 보통 포틀랜드 시멘트(Ordinary Portland cement)가 주로 사용되고 있다. 용액형 주입재는 규산 나트륨(sodium silicate), 에폭시(epoxy)계 등의 화학약액을 주재료로 한다. 포틀랜드 시멘트는 강도 및 내구성 측면에서 우수한 성능을 보이며 경제적인 장점이 있어 그라우팅 현장에서 활발히 사용되고 있다. 그러나 상대적으로 큰 입자크기(평균 입경 15-20 μm, 최대 입경 80-100 μm)로 인해 0.5 mm 이하의 미세 절리에서는 주입가능 범위가 제한된다. 이와 같은 경우 입자 크기가 비교적 작고 점도가 낮은 용액형 주입재 또는 마이크로 시멘트(micro-cement)의 적용이 필요하다.

그러나 용액형 주입재는 비용이 높아 경제성이 낮고 환경적 측면에서도 우려가 제기된 바 있다. 이에 대한 대안으로 최근 토목 구조물 보강, 지하구조물 건설, 암반 그라우팅 등 다양한 분야에서 마이크로 시멘트의 적용이 증가하고 있다. 마이크로 시멘트는 용액형 주입재에 비해 경제적이며 입자가 미세하여 암반 균열에 쉽게 침투할 수 있어 그라우팅 시 적합한 재료로 평가된다(Wang et al., 2022). 시멘트계 주입재는 시공 목적에 따라 플라이 애시(fly ash), AE제 등 첨가제를 추가적으로 사용할 수 있으며 실제 암반 그라우팅 현장에서는 시공 편의성을 고려하여 시멘트 재료를 단독으로 사용하는 경우가 일반적이다(Lee et al., 2022).

시멘트계 그라우트는 고농도의 현탁액(suspension)이므로 주입재의 역학적 안정성(stability) 평가 시 블리딩(bleeding)이 주요 지표로 고려되어야 한다(Massoussi et al., 2017, Wang et al., 2023). 블리딩이란 재료분리(segregation)의 일종으로 결합재가 물과 재료로 분리되는 현상이다(Fig. 1). 시멘트 그라우트에 블리딩이 발생하면 그라우트의 물리적·기계적 성질이 변화한다. 그라우트에서 물이 분리되어 상부로 떠오르면서 그라우트의 점성도는 지속적으로 변화하고 이로 인해 그라우트의 유동성과 주입 영역에 영향을 미친다. 시멘트 입자가 하부로 침전되면 그라우트의 수직방향 밀도 균일성을 저해하여 그라우팅 성능 저하로 이어질 수 있다(Wang et al., 2023). 이와 같이 블리딩은 그라우팅의 차수 성능을 저하시키는 주요 요인으로 작용하며 이를 최소화하는 것은 대심도 암반 그라우팅의 성능 확보를 위한 핵심 기술이 된다(Lee et al., 2017).

Fig. 1.

Bleeding in rock fractures according to water-cement ratio (Lee et al., 2017)

시멘트 주입재의 블리딩 특성은 시멘트 재료, 물-시멘트 배합비(water-cement ratio, W/C), 시간 등의 요인에 영향을 받는다. 기존 연구에서 재료, 물-시멘트 배합비, 그리고 양생 시간에 따른 블리딩 특성 분석 연구는 다수 보고되었다. Lee et al.(2021)는 포틀랜드 시멘트와 벤토나이트를 혼합한 그라우트의 물-시멘트 배합비 및 벤토나이트 함량에 따른 블리딩 특성을 분석하였다. 물-시멘트 배합비 3.0 이상인 경우 벤토나이트를 첨가하여도 블리딩 발생비율이 40%를 초과하여 사용이 제한적인 것으로 평가하였다. Azadi et al.(2017)은 시멘트와 다양한 첨가제를 사용하여 재료와 물-시멘트 배합비에 따른 그라우트의 물성을 평가하였으며 블리딩을 주요 지표로 활용하여 최적화된 그라우트 설계를 제안하였다. Sha et al.(2018)은 시멘트와 플라이 애시, 벤토나이트를 배합한 그라우트의 배합비와 시간 경과에 따른 블리딩 특성을 분석하였다.

시멘트 그라우트의 양생 온도 또한 그라우트의 유동 및 블리딩 특성에 큰 영향을 미치는 요인에 해당한다. Bohloli et al.(2019)는 온도(8°C, 20°C)에 따른 시멘트 그라우트의 블리딩 특성을 분석하였다. 연구 결과, 저온조건에서는 온도가 낮을수록 블리딩이 감소하여 안정성이 높아지는 것으로 평가하였다. Xu et al.(2023)은 포틀랜드 시멘트 그라우트의 온도(20 - 45°C)에 따른 블리딩 실험을 수행하였다. 실험 결과, 블리딩은 온도와 반비례하는 경향을 보였으며 그라우트 설계 시 블리딩에 미치는 온도의 영향이 고려되어야 한다고 평가하였다. 블리딩 특성에 영향을 미치는 변수 중 물-시멘트 배합비, 양생 시간에 대한 연구는 비교적 활발히 진행되어 왔으나 마이크로 시멘트 주입재를 대상으로 온도에 따른 블리딩 특성을 평가한 연구는 제한적이다. 특히 대심도의 불연속면에서 규모가 작고 간극이 작은 미세균열을 주입 대상으로 하는 암반 그라우팅의 경우 주입재의 침투성을 확보하기 위해 미세 입경의 마이크로 시멘트 활용이 요구되므로 고온조건에서의 블리딩 특성 평가가 필수적으로 수행되어야 한다.

본 연구에서는 고온환경 암반 그라우팅을 위한 시멘트 주입재의 물-시멘트 배합비, 양생 시간, 온도가 그라우트의 블리딩 특성에 미치는 영향을 평가하고자 하였다. 이를 위해 시멘트 재료로 포틀랜드 시멘트와 마이크로 시멘트를 선정하여 블리딩 실험을 수행하였다. 본 연구에서는 60°C를 고온조건으로 정의하고 20-60°C 온도조건에서 영향변수(물-시멘트 배합비, 양생 시간, 온도)에 따른 블리딩 특성을 분석하였다.

2. 재료 선정 및 실험방법

2.1 실험재료

본 연구에서는 그라우트 재료로 포틀랜드 시멘트(Ordinary Portland Cement, OPC)와 마이크로 시멘트(Micro-cement, MC)를 사용하였다(Fig. 2). 포틀랜드 시멘트는 KS L 5201 Type 1 시멘트이며 비중(specific gravity)은 3.15, 분말도(Blaine fineness)는 2,800 cm²/g 이상이다. 입자크기는 D₅₀일 때 16 - 20 μm, D₉₅일 때 120 μm 미만에 해당한다. 마이크로 시멘트의 비중은 2.95, 분말도는 6,990 cm²/g이며 입자크기는 D₅₀일 때 6 μm, D₉₅일 때 18 μm이다. 포틀랜드 시멘트 및 마이크로 시멘트 재료의 특성은 Table 2에 나타내었다.

Fig. 2.

Cement materials for rock grout samples

시멘트 그라우트의 블리딩 특성 분석을 위해 물-시멘트 배합비는 기존 암반 그라우팅 연구 및 현장에서 사용되는 물-시멘트 배합비를 참고하였다. 선행연구에 의하면 암반 그라우팅 현장에서 물-시멘트 배합비는 주로 1.0 - 3.0의 범위에서 활용되고 있다. 해외의 경우 암반 그라우팅 시 안정적인 시멘트 그라우트 물-시멘트 배합비를 0.6 - 3.0으로 제한하는 반면, 한국에서는 물-시멘트 배합비 4.0 이상의 높은 배합비가 빈번히 적용되고 있는 것으로 보고되었다(Kim and Lee, 2022). 본 연구에서는 국내외 암반 그라우팅 연구 및 현장에서 널리 사용되는 물-시멘트 배합비를 고려하여 그라우팅 주입재의 물-시멘트 배합비를 1.0, 2.0, 4.0으로 설정하였다.

시멘트 그라우트의 블리딩 특성에 미치는 온도의 영향을 평가하기 위해 배합수 및 그라우트 시편 양생온도는 대심도 암반 온도를 반영하였다. 기존 연구에서 심도 1,000 m 대심도에서의 암반 온도는 약 60°C에 해당한다고 보고된 바 있다(Table 1) (Lee et al., 2017). 따라서 본 연구에서는 이를 고려하여 배합수와 양생 온도 범위를 20 - 60°C로 설정하였다. 배합수는 설정 온도 ± 2°C 범위로 준비하였으며 시멘트와 물을 배합하여 시험편을 준비하였다. 본 연구에서 블리딩 실험을 위해 설정한 실험조건은 Table 3과 같다.

2.2 실험방법

시멘트 그라우트의 블리딩 특성을 평가하기 위해 ASTM C940(2016) 시험 기준을 참고하여 블리딩 실험을 수행하였다(Fig. 3). 시멘트와 물을 배합하여 설정 온도(20°C, 40°C, 60°C) 및 물-시멘트 배합비(1.0, 2.0, 4.0)의 시멘트 그라우트를 준비하였다. 그라우트 배합 시 2분간 수동 혼합하였으며 1000 mL 실린더에 800 ± 10 mL의 그라우트를 설치하였다. 사용한 실린더는 직경 약 70 mm, 높이 421 mm에 해당한다. 시험편의 증발을 최소화하기 위해 실린더 상부를 밀봉하였으며 설정 온도의 항온유지장치(constant temperature device)에서 시험편을 양생하였다. 해당 장치는 대류 흐름을 이용한 열 분포 제어를 통해 설정 온도를 안정적으로 유지한다. 본 연구에서는 블리딩 평가를 위해 배합 후 1, 3, 6, 24시간 경과 후 그라우트의 블리딩 발생량을 측정하였으며 최종 블리딩 발생 비율은 다음 식 (1)과 같이 정의하였다.

여기서, V_t는 배합 직후 시멘트 그라우트의 총 부피(ml), V_w는 블리딩이 발생하여 생성된 물의 부피(ml)로 정의된다. 블리딩 실험은 동일 조건에서 3회씩 수행하였으며 3회 측정값의 평균값을 결과 분석에 사용하였다.

Fig. 3.

Schematic diagram of bleeding test under high-temperature conditions

3. 영향인자에 따른 실험결과 분석

3.1 시멘트 재료의 영향

시멘트 그라우트의 블리딩 특성은 시멘트 재료의 화학적 조성 및 입자 크기 등 다양한 물리·화학적 요인에 의해 영향을 받는다. 특히 시멘트 입자 크기는 시멘트의 비표면적을 결정하며 시멘트의 수화 반응과 블리딩 발생에 영향을 미친다. 시멘트 재료는 그라우트의 성능에 중요한 요인으로 작용하며 사용 목적 및 현장 적용성을 고려한 적절한 시멘트 재료를 선정하는 기준이 된다. 동일 조건 하에서도 시멘트 재료의 특성에 따라 블리딩 발생 양상이 달라질 수 있으므로 시멘트 재료에 따른 블리딩 특성을 평가하는 것이 필수적이다. 본 연구에서는 물-시멘트 배합비 2.0일 때 20°C 및 60°C 조건에서의 포틀랜드 시멘트 및 마이크로 시멘트의 최종 블리딩 발생비율을 비교 분석하였다. 이 때 최종 블리딩 발생비율은 더 이상 블리딩이 관찰되지 않는 배합 24시간 경과 후 시점의 블리딩 측정값으로 정의하였다.

시멘트 재료에 따른 블리딩 분석 결과, 포틀랜드 시멘트(OPC)가 마이크로 시멘트(MC)보다 블리딩이 큰 것으로 분석되었다. Fig. 4(a)는 온도 20°C 조건에서 물-시멘트 배합비 2.0일 때의 포틀랜드 시멘트 및 마이크로 시멘트 그라우트의 최종 시편 부피를 나타낸다. 해당 조건에서 포틀랜드 시멘트 그라우트는 63.3%의 블리딩이 발생하였으며, 마이크로 시멘트 그라우트의 경우는 39.6%의 블리딩이 발생하였다. Fig. 4(b)는 온도 60°C 조건에서의 최종 시편 부피를 나타낸다. 온도가 60°C인 경우, 포틀랜드 시멘트에서는 54.1%, 마이크로 시멘트에서는 30.6%의 블리딩이 발생한 것으로 분석되었다. 포틀랜드 시멘트의 경우 블리딩이 50% 이상 크게 발생하였으며 포틀랜드 시멘트와 마이크로 시멘트 그라우트의 블리딩 발생 비율 차이는 20°C 조건에서 23.7%, 60°C 조건에서는 23.5%로 온도 변화에 따른 두 시멘트 재료 간 블리딩 발생 차이는 미미한 것으로 분석되었다. 이는 온도보다 시멘트 재료의 물성이 블리딩 발생에 더 큰 영향을 미친다는 것을 의미한다.

Fig. 4.

Volume of specimen of cement grouts according to cement material (W/C=2.0) at (a) T=20°C and (b) T=60°C

포틀랜드 시멘트가 마이크로 시멘트보다 블리딩이 많이 발생하는 이유는 입자 크기, 즉 비표면적의 차이에서 기인하는 것으로 분석된다. 입자 크기가 작을수록 비표면적이 커지고 물과 접촉하는 면적이 넓어지며 이로 인해 물과 시멘트 입자 간의 수화반응이 활발하게 발생하게 된다. 따라서 입자크기가 작은 마이크로 시멘트가 포틀랜드 시멘트보다 동일 조건에서 블리딩이 적게 발생하게 되어 블리딩 측면에서는 마이크로 시멘트가 포틀랜드 시멘트보다 유리한 것으로 판단된다.

3.2 물-시멘트 배합비의 영향

암반 그라우팅에 사용되는 시멘트 그라우트를 설계하는 경우 물-시멘트 배합비는 그라우트의 블리딩에 가장 큰 영향을 미치는 주요 변수이다. 그라우트의 물-시멘트 배합비가 증가하면 물의 함량이 증가하며 수화에 사용되지 않은 잉여수(excess water)가 그라우트의 상부로 이동함에 따라 블리딩이 증가한다. 그러나 블리딩이 과도하게 발생하면 건조수축 및 체적감소를 유발하여 그라우트의 장기적 성능과 내구성을 저하시킬 수 있다. 반면에 물-시멘트 배합비가 감소하면 블리딩은 감소하지만 그라우트의 유동성이 저하되어 주입성과 작업성이 떨어질 수 있다. 이와 같이 블리딩에 미치는 물-시멘트 배합비의 영향은 시멘트 재료, 온도에 따라 상이할 수 있으며 이에 따른 블리딩 특성 평가가 필요하다. 본 실험에서는 포틀랜드 시멘트와 마이크로 시멘트 재료를 사용하여 온도 20°C 및 60°C 조건에서 물-시멘트 배합비 1.0, 2.0, 4.0일 때의 최종 블리딩 발생비율을 분석하였다.

Fig. 5(a)는 20°C 조건에서의 포틀랜드 시멘트(OPC)와 마이크로 시멘트(MC) 그라우트의 최종 블리딩 발생 비율을 나타낸 결과이다. 포틀랜드 시멘트 그라우트의 경우 물-시멘트 배합비 1.0을 기준으로 하여 2.0 및 4.0으로 증가했을 때 최종 블리딩 발생비율은 각각 31.3% 및 50.7% 증가하였으며 마이크로 시멘트 그라우트의 경우에는 각각 20.7% 및 48.6% 증가하였다. 물-시멘트 배합비 4.0 조건에서는 포틀랜드 시멘트 및 마이크로 시멘트의 최종 블리딩 발생비율이 각각 82.7% 및 67.5%로 분석되어 블리딩이 과도하게 발생하는 것으로 평가되었다. 따라서 상온 환경에서는 4.0 이상의 물-시멘트 배합비의 사용은 그라우트의 성능을 과도하게 저하시킬 것으로 판단된다.

Fig. 5.

Final bleeding ratio of cement grouts according to water-cement ratio at (a) T=20°C and (b) T=60°C

Fig. 5(b)는 60°C 조건에서 포틀랜드 시멘트와 마이크로 시멘트 그라우트의 최종 블리딩 발생비율을 나타낸다. 포틀랜드 시멘트 그라우트의 경우 물-시멘트 배합비가 1.0에서 2.0 및 4.0으로 증가할 때 블리딩은 각각 29.4% 및 54.7% 증가하는 결과를 보였으며 마이크로 시멘트의 경우에는 각각 24.8%, 48.8% 증가하였다. 특히 마이크로 시멘트는 고온에서 물-시멘트 배합비의 증가가 블리딩에 미치는 영향이 상대적으로 큰 것으로 분석되었다. 온도 60°C 조건에서 마이크로 시멘트는 물-시멘트 배합비 1.0일 때 최종 블리딩 발생비율은 5.8%로 나타났으며, 물-시멘트 배합비를 2.0으로 증가시킬 경우 블리딩 발생량은 기준 대비 5배, 4.0에서는 9배까지 증가하였다. 이는 동일 조건에서 물-시멘트 배합비 증가에 따라 블리딩 발생량이 각각 2배 및 3배 증가하는 포틀랜드 시멘트 그라우트와 비교했을 때 상대적으로 매우 급격한 증가 양상을 보인다. 따라서 고온 조건에서는 낮은 물-시멘트 배합비의 마이크로 시멘트를 사용할 때 블리딩 저감에 효과적인 대안으로 판단된다.

3.3 시간 경과의 영향

시멘트 그라우트는 배합 후 시간 경과에 따라 물과 시멘트 입자 간 수화반응이 발생하며 이 과정에서 수화 생성물이 형성되고 점진적으로 경화가 진행된다. 이때 수화 반응에 사용되지 않은 잉여수가 시멘트 입자 표면에서 분리되어 상부로 이동하게 되는 블리딩 현상이 발생하고 그 양은 시간에 따라 증가하는 경향을 보인다. 이와 같이 블리딩은 시간에 따라 발생 양상이 달라지므로 시멘트 재료, 물-시멘트 배합비, 온도에 따른 시간 경과의 영향이 사전에 평가되어야 한다. 본 실험에서는 포틀랜드 시멘트와 마이크로 시멘트를 사용하여 20°C 및 60°C 조건에서 물-시멘트 배합비 1.0, 2.0, 4.0일 때의 1, 3, 6, 24 시간 경과 후 시점의 블리딩 발생량을 분석하였다. 이때 시간 경과에 따른 블리딩 발생량의 변화가 1% 이하로 나타난 경우 블리딩이 더 이상 발생하지 않는 것으로 판단하였다.

Fig. 6은 20°C 조건에서 포틀랜드 시멘트와 마이크로 시멘트 그라우트의 시간 경과에 따른 시편의 부피를 나타낸다. 포틀랜드 시멘트의 경우 모든 물-시멘트 배합비 조건에서 배합 1시간 경과 후 블리딩이 더 이상 발생하지 않는 경향을 보였다. 동일 조건에서 마이크로 시멘트의 경우, 물-시멘트 배합비 1.0 및 2.0 조건에서는 배합 6시간 경과 후, 4.0 조건에서는 배합 3시간 경과 후 블리딩이 발생하지 않았다. 시멘트 재료에 따른 시간 경과별 블리딩 양상 분석 결과, 포틀랜드 시멘트가 마이크로 시멘트보다 블리딩이 더 빠르게 종료되는 경향을 보이는 것으로 분석되었다. 이는 포틀랜드 시멘트의 비표면적이 마이크로 시멘트보다 작아 물과 시멘트 입자 간 반응이 일어날 수 있는 표면적이 제한적이므로 시멘트 입자 표면에서의 화학반응이 신속하게 완료되어 초기 수화 반응에 따른 응집 및 침전이 보다 빠르게 이루어지는 것으로 판단된다.

Fig. 6.

Volume of specimen of cement grouts at T=20°C according to the time

온도 60°C 조건에서 포틀랜드 시멘트는 20°C 조건에서의 결과와 유사하게 모든 물-시멘트 배합비 조건에서 배합 1시간 경과 후 블리딩이 더 이상 발생하지 않았다(Fig. 7(a)). 마이크로 시멘트의 경우 물-시멘트 배합비 1.0, 2.0 조건에서는 배합 3시간 경과 후, 4.0 조건에서는 배합 1시간 경과 후 블리딩이 종료되는 결과를 보였으며 온도 20°C 조건의 경우와 비교하여 블리딩이 더 빠르게 종료되는 것으로 분석되었다(Fig. 7(b)). 온도 60°C 조건 또한 마찬가지로 포틀랜드 시멘트가 마이크로 시멘트보다 블리딩이 더 빠르게 종료되는 경향이 관찰되었다.

Fig. 7.

Volume of specimen of cement grouts at T=60°C according to the time

3.4 온도의 영향

시멘트 그라우트의 배합수 온도와 양생 온도는 블리딩과 유변학적 특성에 직접적인 영향을 미치며 이는 궁극적으로 주입 압력, 침투 영역 등과 같은 그라우팅 설계 변수에 영향을 준다. 고온 환경에서 그라우팅 시공 시 상온 기준으로 동일하게 설계를 적용할 경우 설계값과 실제 시공 결과 간에 큰 차이가 발생할 수 있으므로 온도에 따른 블리딩 분석이 사전에 수행되어야 한다. 본 연구에서는 포틀랜드 시멘트와 마이크로 시멘트 그라우트의 온도 20, 40, 60°C 조건에서 물-시멘트 배합비 1.0, 2.0, 4.0일 때의 블리딩에 미치는 온도의 영향을 분석하였다.

온도에 따른 블리딩 측정 결과, 온도가 증가할수록 블리딩은 감소하는 경향을 보였다. Fig. 8은 포틀랜드 시멘트와 마이크로 시멘트 그라우트의 온도에 따른 최종 블리딩 발생비율을 나타낸다. 포틀랜드 시멘트 그라우트의 경우 물-시멘트 배합비 1.0 조건에서 온도 20°C일 때의 최종 블리딩 발생비율은 32.0%, 온도 40°C 및 60°C일 때는 각각 30.6%, 24.7%로 온도가 증가함에 따라 블리딩이 감소하였다(Fig. 8(a)). 마이크로 시멘트 그라우트의 경우에도 물-시멘트 배합비 1.0 조건에서 최종 블리딩 발생비율은 온도 20°C, 40°C, 60°C에서 각각 18.9%, 14.4%, 5.8%로 온도가 증가할수록 블리딩이 감소하는 경향이 관찰되었다(Fig. 8(b)). Wang et al.(2023) 또한 포틀랜드 시멘트 그라우트의 온도 상승에 따라 블리딩이 감소하는 결과를 보고하였으며 이는 고온으로 인한 수화 반응 가속화에 기인한 것으로 분석하였다.

높은 온도에서 블리딩의 감소는, 물과 시멘트 입자 간의 수화반응이 가속화되어 조기에 경화가 진행되고 빠르게 형성된 수화 생성물(수산화칼슘(Calcium hydroxide, Ca(OH)₂), 규산칼슘 수화물(Calcium silicate hydrate, C-S-H) 등)로 인해 물의 이동이 차단되기 때문이다. 이로 인해 물은 표면으로 떠오르지 못하고 시멘트 입자 사이의 공극에 머물게 되며 블리딩을 통해 외부로 배출되는 시간이 단축된다. 결과적으로 고온 조건에서는 블리딩이 초기 단시간에 집중되어 발생하며 전체 블리딩 발생량 또한 상온 환경 대비 감소하는 경향을 보이므로 블리딩 제어 측면에서 유리할 것으로 평가된다.

온도 증가에 따른 블리딩 감소 경향은 물-시멘트 배합비가 낮을수록 큰 결과를 보였으며 이러한 경향은 포틀랜드 시멘트보다 마이크로 시멘트 그라우트에서 더 두드러지게 나타났다. 포틀랜드 시멘트 그라우트의 경우 20°C 조건의 블리딩 발생비율을 기준으로 온도가 40°C 및 60°C로 증가하는 경우 블리딩 발생량은 물-시멘트 배합비 1.0 조건에서는 각각 4.4%, 22.9%, 2.0에서는 5.9%, 14.5%, 4.0에서는 0.4%, 4.0% 감소하는 결과를 보였다(Fig. 8(a)). 마이크로 시멘트의 경우에는 20°C 조건의 블리딩 발생량을 기준으로 온도가 40°C 및 60°C로 증가할 때 블리딩 발생비율은 물-시멘트 배합비 1.0 조건에서 각각 23.8%, 69.5%, 2.0에서는 3.5%, 22.7%, 4.0에서는 8.5%, 19.1% 감소한 것으로 나타났다(Fig. 8(b)).

Fig. 8.

Final bleeding ratio of cement grouts according to temperature

4. 결 론

본 연구에서는 고온 환경에서의 암반 그라우팅을 위한 시멘트 주입재의 블리딩 특성을 평가하고자 하였다. 이를 위해 포틀랜드 시멘트와 마이크로 시멘트를 주입재로 선정하였으며 20 - 60°C 조건에서 시멘트 종류, 물-시멘트 배합비, 양생 시간, 온도에 따른 블리딩 특성을 분석하였다. 본 연구는 향후 고온 환경에서 첨가제를 활용한 시멘트 그라우트 설계 시 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

∙마이크로 시멘트는 포틀랜드 시멘트에 비해 상대적으로 낮은 블리딩 발생 특성을 보였다. 한편 물-시멘트 배합비 4.0 이상에서는 모든 조건에서 최종 블리딩 발생비율이 50%를 초과하여 과도한 블리딩이 발생함이 확인되었다. 이에 따라 시멘트를 단독으로 사용하는 경우 4.0 이상의 물-시멘트 배합비의 적용은 시공 품질 저하가 우려되어 적절하지 않으며 안정적인 성능 확보를 위해 혼화제 등 추가적인 첨가제 활용이 필수적일 것으로 판단된다.

∙마이크로 시멘트는 온도 상승에 따라 물-시멘트 배합비가 블리딩에 미치는 영향이 포틀랜드 시멘트보다 더 크게 나타나는 것으로 분석되었다. 이에 따라 고온 환경에서는 낮은 물-시멘트 배합비의 마이크로 시멘트 그라우트를 사용하는 것이 블리딩 저감에 효과적인 방안으로 판단된다.

∙포틀랜드 시멘트가 마이크로 시멘트보다 블리딩이 더 빠르게 종료되는 경향을 보였다. 또한 온도가 증가할수록 블리딩이 더 빠르게 종료되는 것으로 분석되었다. 따라서 신속한 차수 및 보강이 요구되는 경우, 고온 환경에서의 블리딩 특성은 상온 대비 유리하게 작용할 수 있을 것으로 판단된다. 그러나 고온 환경에서는 블리딩이 빠르게 종료되어 그라우트 주입 시공 시 시멘트가 침전되어 물만 주입되거나 주입관 내 폐색이 발생할 수 있다. 따라서 고온 환경에서는 블리딩 저감 효과뿐만 아니라 시간 경과에 따른 블리딩 발생 속도 변화 또한 함께 고려되어야 한다.

∙온도가 증가함에 따라 블리딩 발생은 감소하였으며 특히 물-시멘트 배합비가 낮은 조건에서 그 경향이 더 뚜렷하게 나타났다. 이에 따라 고온 환경에서 낮은 물-시멘트 배합비의 그라우트를 적용할 경우 블리딩 제어 측면에서 효과적일 것으로 평가된다.

∙본 연구에서는 정온 및 정적 조건에서 블리딩 특성을 정량적으로만 평가하였으며 실제 암반 주입 이후의 시멘트 그라우트 블리딩 특성을 평가하지 못한 한계점이 있다. 향후 연구에서는 실제 암반 절리 내의 열적 및 수리학적 불균질성을 복합적으로 고려한 실험을 통해 실증적인 블리딩 특성 평가 연구가 필요하다.