시멘트 그라우트가 수질에 미치는 영향

 

 

해수역에서의 그라우트 시공시 어패류 폐사 방지공법

 

 

 

 

 

  

요 약 본 논문은 반응성규산인 포졸란(pozzolana)을, 하구언설치공사의 차수벽설치와 지반 등의 보강을 위해서 시공되는 시멘트계 그라우트와 콘크리트구조물에서 시멘트의 수화과정에서 용출되는 다량의 알카리성 수산화칼슘(Ca(OH)2)에 의한 해양과 하천수의 오염(PH산도 12)으로 인한 생물학적 폐해를 방지하고 콘크리트구조물의 수명을 길게 할 수 있는 공법의 자료임.

 

 

해수역에서의 그라우트 시공시 어패류 폐사 방지공법

 

 

사단법인 일본기술사협회

규수 지방기술사 센터 부회장 야시노도모아쯔

 

 

1. 머리말

1986년 4월, 일본기술사회의 회원 가운데, 「프리케스트 지하연속벽의 설계와 시공」을 시작으로 다수의 저서가 출판되고 있는 故 마에하라 쇼이찌선생(1988.8.23서거)으로부터 “하구(河口)부근의 지하연속벽공사에서 어패류(魚貝類)의 폐사(斃死)를 일으키지 않는 그라우팅(소일시멘트 차수벽)용 혼화재는 없는가?” 라는 질문을 필자가 받았다.

 

나는 그때, 이미 18년이란 기간에 걸친 베스톤의 특성 추적의 결과로 ,즉시 “베스톤을 쓰면 좋아”라고 대답하였는데, “왜 그런데”라는 반문에, 그 다음의 대답은 “수화작용시 다량으로 발생 용출하고 주위에 해독을 미치는 강알카리의 수산화칼슘(Ca(OH)2)을 한쪽 끝에서 농락(籠絡:싸서 묶음)하여 장래 유익한 베스톤 겔(규산칼슘 겔)CaSIO3 로 변신시키기 때문입니다”

자신도 묘한 표현을 했다고 후회 하였지만, 후회해도 소용없는 일이고. 자, 과연 마에하라 선생님이 이해를 하셨는지.

 

선생님은 반신반의 하면서도 곧 민간의 시험기관 “구호꾸 야도”에서의 실험을 1987년 1월23일까지 반복하였고, 선생님의 조언을 구했던 규수지방건설국 오이따공사사무소(山國川 河口堰地下連續壁工事 : 야마구니가와 가와구찌단 지하연속벽공사)에 대해서 “베스톤”의 채용을 제언 하였고, 이하 1988년 5월부터 1989년 12월까지 3기에 걸쳐서 약29,000㎥의 그라우팅이 시공되었고, 그 과정에서 베스톤은 그 성과를 충분히 발휘하였다.

 

또한, 베스톤 사용의 콘크리트구조물은 내해수성에 있어서 뛰어나게 우수하고, 하구언기초의 영구성 보지(保持)에 기여하고 있는 것으로 생각된다.

 

이하, 평성대언(平成大堰 -旧.中津大堰 :나까쯔 오오세끼)기초 차수벽에 베스톤 사용에 관하여 약술한다.

 

 

2. 평성대언 (旧.中津大堰 :나까쯔 오오세끼)

(1) 堰의 諸元

型 式 : 로울러 게이트 可動堰

堰 高 : 3.15m 敷 高 : T ․ P+3.05m

堰 長 : 218m [可動部 166m, 固定部 :52m]

 

(2) 貯 水 池

集水面積 : 521㎢ 湛水面積 :0.157㎢

總貯水量 :278,000㎥

 

(3) 止水壁工, 遮水壁工

<止水壁工>

先行 보오링 : (延)18,543m 同 그라우트 : 4,450㎥

3軸混合處理 : 16,657㎡ 同 그라우트 : 12,598㎥

 

<遮水壁工>

施工深度 : 9.5 ~ 6.7m (max 13.7m)

선행보오링 : 9,766m 동 그라우트 : 2,720㎥

3軸混合處理 : 8,774㎡ 동 그라우트 : 7,672㎥

 

<鋼矢板工>

SP-Ⅳ, SPⅢ 사용 1,688m(約4,200 枚使用)

※ 上記는 当初 計劃 數値

 

3. 베스톤 採用과 經過 (理由)

 

(1) 偃基礎 遮水工法의 選擇

각종 공법을 비교 검토한 결과 소일 시멘트계 공법(시멘트 안정처리공법이라고도 함; 현지 재료 또는 이것에 보조 재료를 첨가한 것에 시멘트를 첨가하여 처리하는 공법으로, 보통은 1축 압축강도가 30㎏/㎠가 되는 시멘트를 사용함)이 최적공법으로 판단되었다.

 

中津大堰 計劃 槪要圖

 

평 면 도

정 면 도

 

 종 단 도

 

(2) 施工對象地盤

1급 하천 야마구니가와 하구에 위치하고 있기 때문에 상부는 력(자갈)층, 하부는 나까쯔 층이나 사마계층에서 이루어진다.

상층부 80%이상이 력(자갈)분 이기 때문에 상대밀도가 높은 반면에 투수계수가 높고, k= 10-1~10-2㎝/sec, 간극비 e=0.642, 간극율 n-0.391 정도이다.

 

(3) 施工上 必要로 하는 設計條件

경화 후의 소일시멘트에 요구되는 성상으로는 투수계수, 1축 압축강도, 탄성계수이고 경화 전에는 가사시간과 점성이다.

차수벽에 관해서는 벽체의 소요 압축강도상으로 그 설계기준강도를 10㎏/㎠정도 ,투수계수10-7㎝/sec(10℃)를 확보하는 것이 바람직하다.

 

(4) 遮水壁 및 止水壁에 使用하는 材料의 選擇

1) 배합시멘트

고로C종 시멘트(크링카: 45%, 슬래그: 55%)

고로시멘트 채용의 이유로는 타 시멘트보다 가격이 싸고 그 외

① 장기강도가 크고(3개월 이후에는 보통시멘트를 넘는 강도를 얻는다.)

② 해수, 하수, 지하수에 대한 내침식성이 우수하다. 다시 말하자면 앞에서 기록한 바와 같이 물이 포함한 유산염과 결합하는 콘크리트중의 Ca(OH)2의 발생이 굉장히 적고, 콘크리트 붕괴의 원인이 되는 팽창성의 시멘트 바칠루스의 생성 이 일어나기 어렵기 때문이다.

③ 수화열이 작다.

④ 투수성이 작다. 다시 말하면 고로시멘트의 슬래그와 유리된 수산화칼슘이 결합 하여 치밀한 조직을 만들기 때문이다. CaO의 유출은 C종고로의 경우 보통시멘 트의 60%정도 이다.

 

2) 프라이애쉬(반응성 규산으로 사용)

개괄적인 사용 이유는 프라이애쉬 입자의 볼베아링으로서의 물리적 작용과 시멘트 가 수화할 때 다량으로 생성하는 수산화칼슘을 결합하는 작용 다시 말하면 포졸란반 응을 이용한 것이다.

프라이애쉬는 보통시멘트와 마찬가지로 실리카(SiO2) 50%정도, 알미나(Al2O3) 25%, 석회(CaO) 7~9%가 주성분이다.

 

프라이애쉬를 혼합한 경우의 특징으로는

① 유동성이 좋아진다. 콘크리트에는 블리딩이 감소하고 콘크리트 재료의 분리경향 이 개선된다.

② 건조시에 수축이 적어진다.

③ 장기강도가 증진한다.→ 시멘트의 수화작용에서 생기는 Ca(OH)2가 프라이애쉬와 반응하여 강도를 증대 시킨다.

④ 수화열이 낮아진다.

⑤ 수밀성 및 화학저항성을 증대시키고, 또 수중에서의 경화를 양호하게 하는 특징 이 있다.

⑥ 그라우트를 사용하면 수화시간을 연장시킬 수가 있기 때문에 공극으로의 침투성 을 양호하게 함과 동시에 전기④의 특징과 함께 헤어크랙 방지에 도움이 된다.

 

3) 베스톤

이상 1) 2)재료는 예견되는 각종의 문제를 최소한으로 막고, 최대효과를 발휘하기 위해 적절한 선택이라고 생각된다.

그렇지만 콘크리트 수화작용시 다량으로 발생하는 Ca(OH)2 를 반응성 규산인 프라 이애쉬를 사용하여 컨트롤 할 때, 프라이애쉬가 함유하는 CaO가 수화하여 그라우 트 주변 하천수의 알카리성을 높이는 방향으로 움직이는 결과가 됩니다.

하천수의 알카리성 오염은 현저하게 생물학적 폐해를 일으키는 것이 예견된다. 여기 에 대응해서 반응성규산인 포졸란(베스톤)을 사용하면 PH를 저하시키고, Ca(OH)2를 용이하게 컨트롤 할 수가 있다.(베스톤은 CaO 를 거의 함유하지 않는다.)

 

4. 베스톤의 활동 해설

(1) 콘크리트나 시멘트계 공법에 의한 구조물이 경화하는 과정에서 구체에서 용출하는 잉여수(剩餘水)중에는 수산화칼슘 Ca(OH)2를 다량으로 함유하고 있고, 구체에는 중요한 시멘트 알카리를 밖으로 끌어내어가는 것뿐 아니라, 그 물과 교체하여 구체 내에 공극(보이드)이 된다.

 

(2) 이 공극에 지하수(海水나 河川水의 경우도 있음)가 침투하여, 아직 수화가 끝나지 않은 시멘트의 부분에 반응하여 Ca(OH)2를 생성하고, 그것이 또 물에 녹는다. 그러 한 반복으로 약체화된 구조물이 되어버리는 것이 두려운 현실의 모습이다.

(3) 베스톤은 이와 같이 유리(遊離)되어 있는 수산화칼슘 Ca(OH)2를 물에 녹지 않는 규 산칼슘(CaSiO3)로 바꾸어서 구조물의 생명을 될 수 있는 한 길게 할 수가 있다.

 

(4) 또, 베스톤은 유리(遊離)알카리 결정수와 화합하여 겔(gel)상태의 불용성 규산칼슘겔 (CaO, OSiO2, nH2O)을 만들고, 그 겔은 구체 내에 온존한다. 크랙 등이 발생하면 이 겔이 공극 충전에 즉시 출동하여 굳어진다. 재미있는 것이 베스톤은 유리알카리 에는 반응하지만 유리되어 있지 않은 알카리에는 반응하지 않는다.

 

(5) 베스톤의 활동은 단한 번에 반응이 끝나는 것이 아니고 콘크리트중의 유리알카리의 유출로 공극 이 막히면 반응을 멈추고 있지만, 어떠한 원인으로 유리알카리가 용출 하면 다시 그것을 흡착, 화합하여 새로운 칼슘실리게이트의 겔 반응을 일으켜 공극 을 메워서 용수나 누수를 멈추게 해준다.

 

이 연쇄반응이 콘크리트나 소일시멘트계 공법에 의한 구조물에는 매우 중요한 의의 를 가지고 있다.

 

(6) 일반의 보통콘크리트 내부에는 콘크리트 재령 개월 정도로 수%~10수%의 시멘트가 조우(遭遇)하지 않고 미수화 상태로 남아서 존재하고 있다고 한다.(수중벽에서는 생 각할 수가 없다.) 그런 경우에도 베스톤은 전술(5)와 같이 장기적인 활동이 있다.

 

(7) 프라이애쉬도 SiO2를 가지고 반응성규산으로서 Ca(OH)2로 활동을 할 수가 있지만 그 반응은 1~2회에서 끝이 난다.

베스톤이 함유하는 실리카는 몇 회라도 반복 반응이 되는 활성실리카이다.

 

(8) 그라우트중의 반응성규산의 CaO 함유량은 1%정도로 규제되어 있지만 프라이애쉬는 그 성인상(成因上) 5.8%정도로 극히 많아, 그 CaO가 수화시 알카리성을 극히 높이 는 결과가 되고 하천수 등의 오염을 가져다주는 결점이 있다.

베스톤이 함유하는 CaO는 1%이하(0.62%)로 더더욱 중요한 것은 알카리액과 결합 하면 베스톤 특유의 PH≒4의 잠재성효과에 의해 첨가량을 증가시키면 명백하게 PH 를 저하시키고 생물학적 폐해의 발생을 방지시킨다.

콘크리트에서 수중에 타설할 경우 시멘트밀크가 유출되지 않기 때문에 그 부근의 물 은 탁해지지 않는다.

5. 재료와 배합의결정

1,000ℓ당 현장배합 (실제의 750ℓ당을 환산)

타입 W/C 종별			C-200(㎏)	C-160(㎏)	C-120(㎏)	비고
수 경 성 결 합 재 료	배합시멘트 (고로시멘트)	크 링 카	154.7	186.7	234.7
		슬 래 그	189.3	228.0	288.0
		소 계	344.0	414.7	522.7	45:55브랜드
	반응계규산	프라이애쉬	56	66.7	85.3
		포졸란(베스톤)	22.7	26.7	33.3
		소 계	78.7	93.4	118.6
	팽 창 시 멘 트		2.7	4.0	5.3
진 수(하 천 수)			853.3	822.7	778.7
합 계			1,278.7	1,334.8	1,425.3

단 C-120 :지수벽체용 그라우트 배합

C-160 :차수벽체용 그라우트 배합

C-200 :선행보링용 그라우트 배합

 

中津大堰 (나까쯔 오오세끼)기초 차수벽체의 베스톤 사용량(당초계획)

기	시공장소	시공항목	W/C종별	시공수량	베스톤㎥당 사 용	사용수량	비고
제 1 기	지수벽공사	선행보링그라우트	C-200	(㎥) 2,281	㎏/㎥ 22,666	ton 51.7	실제의 수량은 표와차 가없음 29,000㎥임.
		3축혼합처리 〃	C-120 C-160	6,457	평균 30.0	193.7
	차수벽공사	선행보링그라우트	C-200	1,360	22,666	30.8
		3축혼합처리 〃	C-120 C-160	3,836	평균 30.0	115.1
	소 계			13,934		391.3
제 2 기	지수벽공사	선행보링그라우트	C-200	2,169	22,666	49.2
		3축혼합처리 〃	C-120 C-160	6,141	평균 30.0	184.2
	차수벽공사	선행보링그라우트	C-200	1,360	22,666	30.8
		3축혼합처리 〃	C-120 C-160	3,836	평균 30.0	115.1
	소 계			13,506		379.3
합 계				27,440		770.6

 

 

○ 총사용량(예정)은 상기 표에 나타낸 대로770ton

○ 주입 1000ℓ당 베스톤 사용량 = 700.6ton/27,440㎥ =28.1㎏/㎥

또 실제의 공기는 3기로 나누어져 있고 최종의 1998년 12월까지 약 29,000㎥의 그라우트공법이 실시되었다.

 

6. 맺은말

 

1.평성대언 (旧.中津大堰 :나까쯔 오오세끼)은 1990년 6월 완성(침수개시) 되었는데 표제에 관해서는 문제가 없이 소기의 목적이 달성되었다.

그 중에서 혼화재로서 사용된 베스톤이 기본적으로는 현저한 효과를 발휘 하였지만 진보된 기술의 시공관리가 아니었다면 공사는 중단해야하는 어려움을 겪었을지도 모른다고 생각된다.

다시 말하면 시공정도의 확보와 품질관리의 철저를 기하기 위해, 안전, 공해방지 체제를 세워서 엄격한 관리아래 시공되었다.

특히 기초 차수벽 시공과정의 전부를 오실로그래프로 자동기록하고 그것은 해석하여 주입량의 산출이 실시되어 보고되고 있다.

그리고 또 배수배액처리공으로 그 토습장에서도 그라우트의 수화가 완료될 때까지 그 누출을 방지하는 완전한 대책이 시행되고 있다.

빛나는 성과의 원인은 발주자 규수지방 건설국 (오이따 공사사무소)의 관리지도와 수주한 시공업체의 면밀한 시공에 의한 것으로 심심한 경의를 표한 것이다.

 

2.베스톤의 위물(僞物)

베스톤과 같이 극히 효과가 현저한 콘크리트용 혼화재가 장기간 그 역사를 존속하면 세상에는 즉시 위물(僞物)의 안물(安物)이 출현한다.

어찌되었든 베스톤의 주성분은 활성실리카(SiO2)이고 실리카(SiO2)분자식을 가진 물질은

320종이나 되기 때문에 효능이 똑같다고 하는 제품이 많아진다.

분자식은 같지 않지만 그 한 예가 제2산화철과 탈류석고로 콘크리트 수화작용시 다량으로 발생한다.

참고 ) 위물 ;가짜 물건, 안물 :가짜의 잘못

Ca(OH)2를 처음에는 용이하게 컨트롤하지만 ,후에는 그렇지 못하다.

실제로 활성 베스톤은 4-(5)와 같이 다시 반복하여 반응하지만 위물(僞物)에는 영구성이 없다.

그 외 모(某) 화학회사가 제조한 상품이 효과는 동등하고, 가격은 저렴하다며 출시되었으나 앞에서 말한바와 같이 반복 작용이 없어 수년 만에 모습을 감추었다.

천연재료인 베스톤은 아직 해명되지 않은 인공재료를 거부하는 신비성이 있는 것으로 생각된다.

 

3.끝으로

기원전 옛날부터 유리(glass) 등에 사용되어지고 있는 SiO2 약320종 가운데서 베스톤은 한편으로 세계의 첨단산업을 받쳐주는 제일의 화형(花形)스타 실리콘(SiO2에서 산소를 빼낸형, IC부품의 원재료)과는 형제와 같이 친근한 관계라는 불가사의 한 점, 양자 모두 장래를 향해서 점점 발전할 것을 기원한다.

 

 

참고문헌

前 原 昭一郞 中津大堰遮水壁工施工解析要約版

(元 日本技術硏究所 主宰)