딕소트로피와 그라우팅 주입재의 침하현상

딕소트로피(thixotropy)

사전적 의미로는 흐트러진 점토지반을 함수비의 변화없이 시간이 경과할수록 원래 상태로 강도가 회복되는 현상입니다

주로 항타에 의한 말뚝기초에 쓰이는 개념입니다. 

말뚝기초 시험시공시 실시하는 동재하 테스트에서는 말뚝 주변마찰력에 대한 지지력이 정확하게 나오지 않습니다.

추후 동재하테스트를 다시 함으로써 완전한 지지력을 얻게 되는데 그 이유가 바로 딕소트로피 현상때문입니다

딕소트로피 현상

 

딕소트로피(thixotropy)와 그라우팅 주입재 배합비

균열 내에 주입재가 유동하다가 잠시 작업을 중단시켜 압력이 없어진다면 유동이 중단됩니다.

다시 압력이 가해지면 빈배합의 주입재는 다시 움직입니다.

그러나 부배합 주입재는 시멘트 페이스트나 슬러지 상태로 있던 것이 어느 정도의 충분한 압력이 작용하면 갑자기 성질이 바뀌어 유동하게 됩니다.

이처럼 슬러지가 유체로 바뀌어지는 점을 빙험항복점이라고 하며, 겔 상태의 시멘트풀이 유체로 바뀌어지는 성질을 딕소트로피라고 합니다.

 

좀 더 쉽게 설명하면 토마토케첩을 가만히 두면 움직이지 않는 걸쭉한 상태이나 이를 흔들면 액상이 되어버립니다.

즉 겔의 상태에서 졸(SOL) 상태로 되는 현상입니다.

다시 한참동안 그대로 두면 걸쭉한 상태로 됩니다.

즉 졸의 상태에서 겔의 상태로 됩니다.

 

이처럼 틱소트로피는 졸 <--> 겔 간의 가역반응을 하는 것으로써 시멘트를 주재료로 하는 주입재의 유동특성에 중요한 영향을 미치는 성질입니다.

점토, 벤토나이트에도 딕소트로피 성질이 있습니다.

이러한 성질을 모르고 부주의하게 주입을 함으로써 주입의 효과를 저하시키는 결과가 생길 수도 있습니다.

그러나 이 성질을 이용하여 지하수에 의해 주입재가 다량 누출되는 경우와 지표로 심하게 누출되는 곳에서는 단속적인 주입을 하면 누출을 최소화 할최소화할 수 있습니다.

이외에도 주입압력에 의해 변위를 일으키는 암석일 때 딕소트로피 성질을 이용하여 단속적인 주입을 함으로써 작용압력을 최소화할 수 있습니다.

 

그러나 균열이 여러가지 크기인 경우 잠시 주입을 중단했다가 재주입을 할 때 딕소트로피 성질에 의해 주입이 잘 안 될 수 있습니다.

주입을 시작하면 절리의 통로를 따라 주입재가 자유롭게 유동을 하며 전단응력은 빙험항복점 이상으로 작용하게 됩니다.

이러한 현상은 주입이 거부되면서 주입량이 감소할 때까지 계속되다가 결국에는 전단응력이 빙험항복점 아래로 떨어져 겔 상태로 변화하면서 주입공으로부터 주입재를 통해 전달되던 압력은 감소하게 됩니다.

주입공으로부터 바깥쪽으로 주입재가 확산되면서 일어나는 압력분포를 나타내는 그림입니다.

 

주입중 압력분포와 주입중지후 압력분포

 

주입공에서 거부반응이 일어나서 주입종료 하였을 때의 압력 감소현상을 보여주는 그림입니다.

한 번의 주입으로 위의 그림처럼 주입이 종료되면 좋으나 실제로는 작업상의 문제점으로 주입이 중단되었다가 잠시 후 재주입을 해야 할 때가 있습니다.

균열-절리의 틈새가 크고 작은 것이 혼합되어 있는 상태일 때의 주입재 배합비는 주의하여야 합니다.

그라우팅 주입재 배합비 참고

즉 주입의 초기단계에는 w/c비가 적정하다면 모든 틈새에 주입됩니다.

 

그러나 틈새가 큰 것이 있을 경우에는 이족으로 주입재가 대부분 들어가고 압력 또한 이 방향으로 집중되어 미세한 틈새에는 충분히 주입이 되지 않으며 이미 들어간 주입재는 겔 상태가 되기 시작합니다.

 

시간이 지나 큰 틈새가 주입재로 채워져 거부반응이 일어나면 그때서야 미세한 틈새로 주입재가 들어갑니다.

하지만 이미 틈새 입구의 주입재는 굳어져 다시 움직이기는 어렵게 되는 경우가 생기기도 합니다.

따라서 이러한 경우에는 빈배합으로 주입을 하여야 합니다.

빈배합의 주입재는 딕소트로피 고결현상이 미미하기 때문입니다.

 

그라우팅 주입재의 침하

물은 시멘트 입자의 운반매체로서의 역할을 하고 난 후에는 거추장스러운 존재가 됩니다.

주입재에 포함된 물의 양은 시멘트 수화작용의 화학적인 활동에 필요한 양보다 훨씬 많습니다.

따라서 이상적인 그라우팅은 주입재가 유동할 수 있는 최소한의 물만 사용해야 합니다.

 

일단 주입재의 유동속도가 낮아지거나 정지되면 분리현상이 일어나 시멘트 입자는 중력으로 가라앉으며 물과 묽은 주입재는 위로 뜨게 되는데, 주입재의 정지상태가 오래 유지되면 약간 흐리거나 맑은 물이 침하된 시멘트 위쪽으로 뜨고 양자 간에 경계가 분명히 나타납니다.

다음은 각종 배합비의 주입재가 시간이 경과하면서 블리딩 되는 물의 양을 비교한 것입니다.

 

주입재의 블리딩되는 물의 발생비

 

이 그림은 메스실린더와 같이 구경이 커서 밀도류가 형성되는데 아무 지장이 없고 측면에서 브리지 현상이 일어나지 않으며 첨가제나 모래를 혼합하지 않은 시멘트 현탁액의 시험자료입니다.

그림에서 물:시멘트비 2:1의 주입재가 1.5시간 후에는 블리딩으로 35%의 용적이 줄어들고 5:1과 같은 빈배합에서는 70%가, 12:1에서는 85%가 줄어듭니다.

 

빈배합의 주입재가 부배합의 주입재보다 입자의 침하속도가 훨씬 빠르니, 암반에 높은 압력을 적용하여 변위 시키고 블리딩 되는 물이 빨리 배제되는 변위그라우팅에서는 사용하여도 무방합니다.

그러나 시멘트 입자의 침하속도가 빠른 주입재 즉 빈배합 주입재로 고결되는 구조는 대단히 느슨해져서 내구성이 좋지 않습니다.

즉 시멘트의 결정이 약하고 느슨하게 결합하여 부배합 주입재로 만들어진 것보다 공극이 많은 구조를 만들기 때문에 침투수가 쉽게 통과하고 분해되어 누수가 유발됩니다.

 

따라서 가장 이상적인 것은 최대한 부배합으로 주입하는 것이 좋으나 대개의 경우에는 그렇게 할 수 없으므로 적당한 조정방안이 모색되어야 합니다.

주입압력이 빈배합 주입재에 작용하면 물이 압출되어 시멘트 입자로 만들어지는 구조가 치밀하게 될 것이라고 생각하였으나 일련의 실험 결과 그렇지 않다는 것이 증명되었습니다.

 

주입작업 과정에는 침하가 발생하거나 응고가 일어나서는 안되며 균질한 상태를 이루어야 합니다.

이러한 침하 현상은 현탁액에서만 일어나며 침하가 일어나는 것을 불안정현탁액, 안정이 되어서 침하가 일어나지 않는 것을 안정현탁액이라고 합니다. 침하율 10% 이하를 대개 안정상태라고 합니다.

 

현탄액은 교반되지 않으며 고체 주입재료가 침하되는데 침하에 영향을 미치는 요인은 주입재료의 입경, 단위중량, 시간, 온도, 믹서의 교반속도등입니다. 

무엇보다도 시멘트의 분말도와 w/c비에 의해 가장 크게 영향을 받습니다

즉 w/c비가 적으면 침하속도가 느리며 w/c비가 증가하는 빈배합일 때 빠릅니다