Evaluation of Shear Strength at Interface Between Geotextile and Cementitious Binder Materials

시멘트계 결합재가 적용된 지오텍스타일의 접촉면 전단강도 평가

Abstract

Multi-layered geotextile tubes may have problems on its stability when used as cofferdam. This study presents the shear strength characteristics at the interface between geotextiles and a cementitious binder material to improve the stability of the multi-layered geotextile tubes. In this study, two different types of geotextiles are used. After mixing with a rapid setting cement, fly ash, sand, accelerator, and water, the cementitious binder material is prepared at the interface between two geotextile samples and cured under water for a desired period. The specimen is placed on upper and lower direct shear boxes by using clamping systems. A series of direct shear tests for two different geotextiles are performed along the curing time under three vertical stresses. Experimental results show that the shear strength at the interface between the cementitious binder material and geotextiles is greater than that at the interface between two geotextiles. For two types of geotextiles, apparent cohesion occurs at the interface between the cementitious binder material and geotextiles. In addition, the friction angles for any curing time are improved, compared to the interface between two geotextiles. The cementitious binder material suggested for the interface between two geotextiles may be useful for the reinforcement of multi-layered geotextile tubes.

Ⅰ. 서론

지오텍스타일은 폴리에스테르, 폴리프로필렌 등 고분자 합성섬유를 기반으로 직포 및 부직포 또는 복합포로 구성된 연속체 시트로써, 일반적으로 유연성 및 투수성을 띄고 있다. 지오텍스타일은 분리, 여과, 배수, 보강 등 다양한 기능을 갖고 있어, 토목구조물의 용도에 따라 적용되고 있다. 특히, 지오텍스타일은 가설도로의 보강토 옹벽을 시공하기 위한 매트 공법, 연약지반 호안의 보강을 위한 매트 공법, 월류로 인한 저수지 붕괴를 예방하기 위한 제체 사면의 보강 공법 등으로 활용되어 왔다 (Park et al., 2008; Lee and Lee, 2010).

다양한 지오텍스타일의 활용분야 중 하나로써, 섬유를 밀폐된 포대로 봉제한 후 내부에 모래 또는 준설토를 채움으로써 토목구조물을 구축하는 지오텍스타일 튜브 공법이 개발 및 적용되어 왔다. 지오텍스타일 튜브는 연성구조물로써, 호안 제방이나 해안 침식 방지, 준설토 처리, 방파제, 가물막이댐, 가도 축조, 긴급 복구용 제방 등의 목적으로 국내외에서 널리 사용되어 왔다 (Gibeaut et al., 2003; Kim, 2004; Koffler et al., 2008; Shin et al., 2010; Park et al., 2013). 기존 적용사례를 보면, 1단 또는 2단의 지오텍스타일 튜브로 성토구조물을 축조하는 경우가 대부분을 차지하고 있으며, 국내의 경우 인천대교 가축도를 처음으로 3단의 지오텍스타일 튜브로 시공한 바 있다 (Shin et al., 2010). 그러나 다단으로 지오텍스타일 튜브를 시공할 경우, 지오텍스타일 간 마찰 증진을 포함한 성토구조물의 안정성 향상 방안에 대한 연구가 요구된다.

다양한 종류의 지반신소재 간의 접촉면 전단강도에 대한 연구는 주로 직접전단실험을 통하여 수행되어 왔다. 매립지의 바닥 차수재로 주로 사용되는 Geosynthetic Clay Liner (GCL)은 지오텍스타일 사이에 벤토나이트를 포함하고 있으며, GCL 내부 전단강도와 인접한 지반신소재 사이의 마찰특성이 매립지의 구조적 안정성에 영향을 주는 중요한 인자이다. Zornberg et al. (2005)은 GCL의 내부 전단강도에 영향을 주는 요소를 평가하기 위해 대형 직접전단실험의 결과를 4백여 개 이상으로 축적하여 분석한 바 있다. Seo et al. (2002)은 매립지 사면의 안정성 평가를 위해 요구되는 GCL-지오멤브레인의 접촉면 전단강도를 분석하였으며, 접촉되는 섬유의 종류에 따라 연직하중과 수화상태가 접촉면 전단강도에 미치는 영향이 달라지는 것을 보여주었다. 한편, 지반신소재와 다양한 이종재료 간 전단거동에 관한 연구도 수행되어 왔다. Lee et al. (2018)는 차수용 박층 멤브레인이 포함된 복합 숏크리트의 직접전단실험 결과를 수치해석적으로 검토하여, 숏크리트와 멤브레인 사이 접촉면의 전단거동을 모사하였다. 또한, 얕은기초의 지지력을 향상시키기 위해 사질토와 지오텍 스타일의 접촉면을 시멘트로 고결시킨 경우를 미고결된 경우와 수치해석적으로 비교함으로써, 접촉면의 전단응력 분포의 차이도 보고된 바 있다 (Ouria and Mahmoudi, 2018). 그러나, 다단 지오텍스타일 튜브로 시공 시 지오텍스타일 간 마찰 증진을 위한 결합재 개발에 대한 연구는 거의 시도되지 않았으며, 시멘트계 결합재가 적용된 지오텍스타일 접촉면의 전단 거동 특성에 대한 연구는 미비한 실정이다.

본 연구에서는 다단 지오텍스타일 튜브 시공기술의 일환으로, 지오텍스타일의 표면에 시멘트계 결합재의 적용에 따른 마찰 특성 및 거동을 파악하고자 하였다. 먼저, 실험에 사용된 2종류의 지오텍스타일 및 시멘트계 결합재의 재료 특성을 설명하였다. 지오텍스타일과 시멘트계 결합재의 접촉면 마찰 특성을 조사하기 위하여 직접전단실험을 수행하였으며, 전단 실험을 위한 시료 양생 및 조성 방법에 대해 서술하였다. 두 종류의 지오텍스타일에 대해, 지오텍스타일 간 전단강도를 분석하였으며, 양생시간에 따른 시멘트계 결합재와 지오텍스타일의 접촉면 전단강도의 변화에 대해 토의하였다.

Ⅱ. 재료 특성

1. 지오텍스타일

본 연구에서는 폴리에스테르로 구성된 직포 형태의 지오텍스타일을 이용하여, 한 쌍의 지오텍스타일 접촉면에 적용된 시멘트계 결합재에 따른 마찰특성을 조사하였다. 실험을 위하여, 지오텍스타일 튜브의 재료로 사용되는 두 종류의 지오텍스타일 (GT1 및 GT2)을 선정하였다. 두 종류의 지오텍스타일의 인장강도는 경사방향 (Machine Direction, MD)과 위사방향 (Cross Machine Direction, CMD)에서 평균적으로 각각205 kN/m 및 241 kN/m로 나타났으며, 지오텍스타일 종류에 따라 다소 차이를 보여준다. 신율은 경사방향에서 GT1 보다 GT2가 다소 크게 나타났으며, 위사방향에서는 두 종류의 지오텍스타일에서 모두 약 11%로 유사하게 나타났다. Fig. 1은 실험에 사용된 지오텍스타일 표면의 직물 조직을 보여주고 있다. 경사와 위사가 교차되는 교차점은 GT1이 GT2 보다 적게 형성되어 있다. 이에 따라, GT1과 GT2의 유효구멍크기는 각각 219 μm 및 73 μm로 나타났으며, GT1의 유효구멍크기가 GT2 보다 약 3 배 정도 큰 것을 알 수 있다.

Table 1 Properties of geotextiles used in this study

Fig. 1 Pictures for geotextiles used: (a) GT1; (b) GT2

2. 시멘트계 결합재

시멘트계 결합재는 초속경 시멘트, 플라이애쉬, 모래, 급결제, 그리고 물로 혼합하여 제조되었다. 먼저, 초속경 시멘트는 20분 이상의 초결시간 및 60분 이하의 종결시간을 보이는 제품이 사용되었다. 모래는 평균입경이 각각 0.53, 0.17 mm인 두 종류의 규사를 2.67 대 1의 무게비로 혼합된 후 사용되었다. 플라이애쉬의 밀도와 분말도는 각각 2.2 g/cm³ 및 3,850 cm²/g이며, 화학성분으로 이산화규소 (SiO₂), 삼산화황 (SO₃), 산화칼슘 (CaO)를 각각 62.9%, 0.1%, 2.1% 함유하고 있다. 경화과정을 촉진시키기 위하여 알칼리프리계 급결제를 사용하였으며, 15℃ 온도의 수돗물을 사용하여 시멘트계 결합재를 배합하였다.

시멘트계 결합재를 구성하는 재료의 배합비를 Table 2에 정리하였다. 배합에 의한 시멘트계 결합재의 특성 변화를 최소화하기 위하여, 배합과정은 다음과 같이 동일한 순서로 진행되었다. 먼저, 초속경 시멘트와 플라이애쉬, 모래를 건배합한 후, 물과 일정시간 혼합하고, 급결제를 첨가하였다. 배합된 시멘트계 결합재의 유동성 및 응결시간, 그리고 강도 특성을 평가하기 위해, 플로우시험, 응결시간시험, 일축압축시험을 실시하였다. 플로우시험은 ASTM D6103에 제시된 방법을 준용하였으며, Fig. 2와 같이 퍼진 시료의 최대 직경 및 수직방향의 직경을 측정하여 평균을 측정한 결과, 플로우값은 459 mm로 나타났다. 시료의 응결시간을 파악하기 위하여, ASTM C191에 따라 응결시간시험을 수행하였다. 25 mm의 침입도를 보이는 초결시간 및 침입도의 종결시간은 각각 142분 및 520분으로 나타났다. 일축압축시험을 위하여 직경 50 mm 및 높이 100 mm인 시료를 24시간 습윤 양생 시킨 후, 28일동안 수중양생하였다. 일축압축시험은 ASTM D4832을 기준으로, 1 mm/min 속도로 각 시료에 하중을 재하함으로써 수행되었다. 실험결과, 양생시간에 따라 일축압축강도가 증가함을 보였고, 28일 수중양생된 시료의 일축압축강도는 876 kPa로 나타났다.

Table 2 Mixing ratio of cement binder

Fig. 2 Picture of flow test

Ⅲ. 실험방법

1. 직접전단실험기

두 면의 지오텍스타일 사이의 시멘트계 결합재가 결합된 시료의 마찰특성을 평가하기 위해, Fig. 3(a)과 같이 수정된 직접전단실험기를 이용하여 직접전단실험을 수행하였다. 상부상자와 하부상자는 수직응력의 재하로 인한 변형을 최소화하기 위해 Fig. 3(b)와 같이 강성이 큰 황동과 알루미늄으로 제작하였다. 직접전단실험시 지오텍스타일을 고정하기 위하여 윗면의 지오텍스타일과 아랫면의 지오텍스타일은 각각 상부상자와 하부상자의 클램프를 이용하여 고정하였다. 지오텍스타일과 전단상자가 분리되지 않고 일체로 거동하기 위하여, 상부상자와 하부상자의 접촉면에 폭 1 mm 깊이 0.5 mm의 요철을 설계하였다. 이와 같이 제작된 전단상자를 이용함으로써, 상/하부상자 사이의 직사각형 접촉면에 대한 전단강도 특성을 평가할 수 있다.

Fig. 3 Pictures of experimental setup: (a) modified direct shear testing apparatus; (b) shear box

2. 시험절차

두 개의 지오텍스타일 사이에 시멘트계 결합재 시료를 양생하기 위하여 다음과 같은 과정이 필요하다. 먼저, 일정한 크기로 절단된 두 개의 지오텍스타일 사이에 시멘트계 결합재를 양생하기 위하여, 두께가 얇은 직사각형 형태의 분리된 몰드를 나사를 이용하여 연결하였다. Fig. 4(a)와 같이 조립한 몰드를 한 개의 지오텍스타일에 위치시킨 후 몰드의 내부에 시멘트계 결합재를 양생하여 가로, 세로 및 높이의 크기가 각각 100, 70, 4 mm인 시료를 조성하였다. 그 후, Fig. 4(b)과 같이 조성된 결합재 위에 다른 한 개의 지오텍스타일을 덮음으로써, 두 개의 지오텍스타일 사이에 시멘트계 결합재가 밀착되도록 하였다. 두 개의 지오텍스타일과 부착된 시멘트계 결합재는 일정한 온도를 유지하며 계획된 기간동안 수중에서 양생되었다. 본 연구에서는 초기의 안정성 확보가 우선적으로 요구되는 다단 지오텍스타일 튜브의 시공조건을 고려하여 시멘트계 결합재의 조기강도를 파악하고자, 배합 후 최대 7일까지 양생된 시료에 대해서만 직접전단실험을 수행하였다.

Fig. 4 Procedure of specimen preparation: (a) preparation; (b) curing; (c) arrangement of shear boxes; (d) demolding

두 개의 지오텍스타일 사이에서 양생된 시멘트계 결합재 시료를 이용하여 직접전단실험을 수행하기 위하여, 전단상자 내에서 다음과 같은 시료조성 과정을 따르게 된다. 먼저, 양생한 시료를 하부상자의 중앙에 위치한 후, 아랫면 지오텍스타일의 한쪽 끝을 클램프를 이용하여 하부상자에 고정시킨다. Fig. 4(c)와 같이, 하부상자와 고정된 시료위에 상부상자를 시멘트계 결합재가 조성되어 있는 부분에 위치시킨 후, 윗면 지오텍스타일을 상부상자의 클램프를 이용하여 상부상자에 고정시킨다. 이 때, 시료의 손상을 줄이기 위해 적용된 몰드를 Fig. 4(d)와 같이 제거해준다. 이러한 몰드의 사용을 통해, 일정한 두께의 시료를 양생할 수 있다. 시료 조성이 완료된 후, 직접전단실험기를 이용하여 각 시료에 32, 60, 116 kPa의 수직 응력을 재하하였다. 수직변위가 일정한 값으로 수렴된 후, 전단속도를 1 mm/min으로 유지하며 전단실험을 시작하였으며, 20 mm의 수평변위에 도달할 때까지 실험을 수행하였다.

Ⅳ. 결과 및 고찰

1. 지오텍스타일 접촉면의 전단강도

지오텍스타일 간 접촉면의 전단강도 특성을 분석하기 위하여, 3 개의 수직응력하에서 직접전단실험을 수행하였으며, 수평변위가 20 mm에 도달할 때까지 전단응력을 측정하였다. Fig. 5는 두 종류 지오텍스타일의 수평변위에 따른 전단응력의 변화를 보여주고 있다. 전반적으로, 초기의 수평변위가 증가함에 따라 전단응력은 증가하는 것으로 나타났다. GT1의 경우, 전단응력은 수평변위가 증가함에 따라 첨두상태에 도달한 후 감소하여 대변형률에서 일정한 값으로 수렴하였다. 첨두상태 이후, 전단응력의 감소는 수직응력이 증가할수록 크게 나타났다. 반면에, GT2의 경우, 초기의 전단응력 증가 후 뚜렷한 첨두상태 없이 대변형률로 전개되면서 전단응력은 일정한 변동을 보이며 유지되었다. 첨두상태 이후 전단응력은 지오텍스타일 표면의 교차점 수에 영향을 받아 변화되는 것으로 판단된다. 교차점이 상대적으로 많은 GT2에서 주기적인 전단응력의 변화가 보다 뚜렷하게 나타났으며, 수직응력이 증가할수록 전단응력의 변동폭도 증가되었다. 전체적으로 수직응력이 증가할수록 전단강도에 도달하는 수평변위는 증가하였으며, GT1의 경우 GT2 보다 더 큰 수평변위에서 전단강도에 도달하였다. 수직응력에 따른 전단강도의 변화를 Fig. 6 에 도시하였다. 수직응력과 전단강도의 관계는 원점을 지나는 직선의 형태로 나타났으며, 두 종류의 지오텍스타일에서 선형관계는 모두 0.99 이상의 상관계수를 보여주었다. 두 직선의 기울기로부터, GT1 및 GT2 의 마찰각은 각각 37.8° 및 35.1°로 확인되었다.

Fig. 5 Variation of shear stress along the horizontal displacement at the interface between geotextiles: (a) GT1; (b) GT2

Fig. 6 Shear strength versus normal stress for two geotextiles

2. 시멘트계 결합재가 적용된 접촉면의 전단강도

지오텍스타일 사이에 시멘트계 결합재가 적용된 접촉면의 전단강도 특성을 평가하기 위해 수행된 직접전단실험 결과를 Figs. 7 및 8에 도시하였다. 결합재가 미적용된 접촉면의 결과와 유사하게, 전단응력은 수평변위가 증가함에 따라 첨두상태에 도달한 후 대변형률에서 일정한 값으로 수렴하였다. 전반적으로, 지오텍스타일 사이에 시멘트계 결합재가 적용된 접촉면의 전단강도는 결합재가 적용되지 않았던 접촉면의 전단강도보다 상당히 증가하였음을 알 수 있다. 또한, 각 수직응력에서 전단강도에 도달하는 수평변위도 대체적으로 증가하였다.

Fig. 7 Shear stress-horizontal displacement curves for the interface between cementitious binder material and GT1 at (a) 1 day and (b) 7 days after curing

Fig. 7 은 GT1 의 접촉면에서 양생시간이 증가함에 따라 전단강도가 다소 증가함을 보여주고 있다. 그러나, 양생시간에 따른 첨두상태의 수평변위의 변화는 일정한 양상을 보이지 않았다. Fig. 8 은 양생후 3 일 경과 시, 두 종류의 지오텍스타일 접촉면에서 전단거동을 보여준다. 시멘트계 결합재가 적용된 GT2 의 접촉면에서 전단응력의 변화는 GT1 의 접촉면에 비해 보다 뚜렷한 취성파괴 양상을 나타내었다. 즉, GT2 의 접촉면에서 전단강도는 GT1 의 접촉면보다 크게 나타났으며, 전단강도에 도달하는 수평변위는 GT1 의 접촉면이 GT2 의 접촉면보다 크게 나타났다. 결합재가 미적용된 접촉면의 결과와 비교하면, 두 종류 지오텍스타일의 대변형률에서 수평변위에 따른 전단응력의 증감현상은 상당히 줄었으며, 이는 시멘트계 결합재를 적용함으로써 대변형률에서 전단응력 변화에 대한 지오텍스타일 내 교차점 수의 영향이 감소된 것으로 판단된다.

Fig. 8 Shear stress-horizontal displacement curves for the interface between the cementitious binder material and geotextiles at 3 days after curing: (a) GT1, (b) GT2

양생시간별 수직응력에 따른 전단강도의 변화를 Fig. 9 에 도시하였다. 양생후 7 일까지 평가된 결과를 보면, 양생시간과 관계없이, 각 수직응력에 따른 전단강도는 GT1 의 접촉면보다 GT2 의 접촉면에서 크게 나타났다. 결합재가 미적용된 접촉면의 결과와 유사하게, 두 종류의 지오텍스타일에서 수직응력에 따른 전단강도의 변화는 선형관계를 보여주었으며, 이때 상관계수는 모두 0.96 이상으로 나타났다. 한편, 시멘트계 결합재가 적용된 지오텍스타일 접촉면의 경우, 수직응력 및 전단강도의 관계에서 y 절편이 도출되었다. 이러한 수직응력과 전단강도의 강도관계를 Mohr-Coulomb 파괴 포락선을 이용하여 평가하면, 시멘트계 결합재가 적용된 접촉면의 경우, 대부분 점착력이 발생한 것을 알 수 있다.

Fig. 9 Shear strength versus normal stress at the interface between cementitious binder material and two geotextiles at (a) 1 day, (b) 3 days, and (b) 7 days after curing

3. 지오텍스타일 접촉면의 마찰특성 비교

한 쌍의 지오텍스타일 접촉면에 시멘트계 결합재의 적용여부에 따라 도출된 전단강도정수를 Table 3 에 정리하였다. 또한, 양생시간에 따른 점착력과 마찰각의 변화를 Fig. 10 에 도시하였다. 두 종류의 지오텍스타일에서 시멘트계 결합재를 적용함에 따라 지오텍스타일 접촉면에서 점착력이 발현되었으며, 마찰각도 증가되었다. 점착력은 두 종류의 지오텍스타일에서 양생시간에 따라 다소 변화되었으며, 양생1 일에 산정된 점착력보다 양생후 7 일에 산정된 점착력이 더 크게 나타났다. GT1 의 경우, 양생시간이 증가함에 따라 마찰각이 점진적으로 증가하였으며, GT2 의 경우, 양생시간에 따른 증감이 일정치 않은 것으로 나타났다. GT2 의 양생후 7 일에 산정된 마찰각이 크게 되었는데, 이는 선형의 상관관계 도출 시 점착력이 상대적으로 크게 산정되었기 때문인 것으로 판단된다. 양생 7 일 경과 시 GT2 의 마찰각은 GT1 보다 작게 산정되었으나, GT2 의 전단강도는 각 수직응력에서 GT1 보다 더 크게 나타났다 (Fig. 9(c)). 다만, 지오텍스타일의 종류 및 양생시간에 따른 점착력과 마찰각의 변화양상은 장기간 양생된 시료에 대해 추가적인 실험 후 정확하게 도출할 수 있을 것이다. 본 연구에서 개발된 시멘트계 결합재는 다단 튜브의 시공 시 하단 튜브의 내부 채움완료 후 상단 튜브의 설치작업 중 적용될 수 있으며, 지오텍스타일 접촉면의 전단강도 증진을 통하여 다단 지오텍스타일 튜브의 초기 안정성을 높이는데 효과적으로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

Table 3 Shear strength properties at interface between geotextiles

Fig. 10 Variation in strength properties along the curing time: (a) cohesion; (b) friction angle

Ⅴ. 결론

본 연구에서는 수정된 직접전단실험기를 이용함으로써 두개의 지오텍스타일 사이에 시멘트계 결합재가 조성된 시료의 마찰특성을 평가하였다. 초속경 시멘트, 플라이애쉬, 모래, 급결재, 물을 혼합하여 시멘트계 결합재를 배합한 후, 양생시간 및 지오텍스타일 종류에 따라 접촉면의 전단강도를 분석하였다. 또한, 결합재가 미적용된 접촉면의 전단강도와 비교함으로써, 지오텍스타일 사이에 적용된 시멘트계 결합재의 마찰 증진 효과를 실험적으로 제시하였다. 본 연구를 통해 도출된 주요 결과는 다음과 같다.

(1) 결합재가 미적용된 접촉면의 전단응력은 지오텍스타일 표면의 교차점 수에 영향을 받아 변화되었다. 수직응력과 전단강도의 관계로부터, 결합재가 미적용된 접촉면에서 점착력은 나타나지 않고, 마찰각은 지오텍스타일 종류에 따라 미소한 차이로 도출되었다.

(2) 시멘트계 결합재가 적용된 접촉면에서는 결합재가 미적용된 접촉면에서 보다 전단강도가 상당히 증가하였으며, 전단강도에 도달하는 수평변위도 대체적으로 증가하였다.

(3) 시멘트계 결합재의 적용 후, 표면의 교차점 수가 상대적으로 많았던 지오텍스타일의 접촉면에서 보다 뚜렷한 취성파괴 거동을 보여주었다. 또한, 교차점 수가 많은 지오텍스타일의 접촉면에서 보다 높은 전단강도를 보였으며, 전단강도에 도달하는 수평변위는 상대적으로 작게 나타났다.

(4) 지오텍스타일의 종류에 상관없이, 결합재를 적용한 접촉면에서 점착력이 발현되었으며, 결합재가 미적용된 접촉면에 비해 마찰각도 증가되었다.

감사의 글

본 결과물은 농림축산식품부의 재원으로 농림식품기술기획평가원의 농업기반 및 재해대응기술개발사업의 지원을 받아 연구되었음 (320045032HD020)을 밝히며, 이에 깊이 감사드립니다. 또한, 본 연구의 실험 재료에 관한 정보를 제공해주신 대윤지오텍(주)의 협력에도 감사드립니다.