KR20020072416A

KR20020072416A - 폐스티로폴 입자를 이용한 경량성토재와 이를 활용한구조물 뒤채움공법 및 복토공법

Info

Publication number: KR20020072416A
Application number: KR1020010012352A
Authority: KR
Inventors: 박종서; 이봉직; 이종규
Original assignee: 보경산업개발 주식회사; 박종서; 이봉직; 이종규
Priority date: 2001-03-09
Filing date: 2001-03-09
Publication date: 2002-09-16
Also published as: KR100451093B1

Abstract

본 발명은 옹벽 등의 뒤채움재, 지하구조물의 복토재 등을 외부에서 반입하지 않고 공사현장에서 발생되는 토사와 폐스티로폴을 적용한 경량성토재 및 이를 활용한 구조물 뒤채움공법 및 지중구조물 복토공법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 경량성토재는 공사현장에서 발생하는 토사(예, 모래, 풍화토 및 점성토)에 폐스티로폴 입자를 상기 토사 용적의 50∼150%의 비율로 첨가 혼합하고, 여기에 고화재로서 시멘트를 토사 중량의 3∼9% 첨가혼합하고, 플라이애쉬와 알콜 에톡실레이트로 구성된 안정재를 토사 중량의 1∼3% 첨가혼합하여 함수비가 10∼20%로 되도록 제조된 것으로, 이러한 경량성토재는 경량이며, 고강도이고, 내진성과 내동상성이 우수하고, 시공의 효율성을 높일 수 있는 우수한 효과가 있다.

Description

폐스티로폴 입자를 이용한 경량성토재와 이를 활용한 구조물 뒤채움공법 및 복토공법{LIGHTWEIGHT FILL MATERIALS USING WASTE STYROFOAM BEADS AND LIGHTWEIGHT FILL METHOD APPLYING THE SAME}

본 발명은 옹벽 등의 뒤채움재, 지하구조물의 복토재 등을 외부에서 반입하지 않고 공사현장에서 발생되는 흙(토사)과 폐스티로폴 입자, 시멘트 및 안정제를 혼합하여 제조되는 경량이며, 고강도이고, 내진성과 내동상성이 우수하고, 시공의 효율성을 높일 수 있는 폐스티로폴을 이용한 경량성토재 및 이를 활용한 구조물 뒤채움공법 및 지중구조물 복토공법에 관한 것이다.

폐스티로폴 조각은 가볍고 단열성이 좋으며 진동차단효과도 우수하기 때문에 경량성토재의 재료로 활용할 수 있으며, 1996년 재활용품목으로 선정되어 토공재료로서의 적합성만 확인된다면 체계적인 공급이 가능하게 되었다.

한국발포스티렌재활용협회에 따르면 1998년 폐스티로폴은 총3만8천193톤이 발생하여 그중 41.9%인 1만6천12톤이 재활용되었으며, 그 이외에는 매립되거나 소각되고 있어, 매립장의 부족과 환경오염을 증가시키는 문제가 있었다. 따라서 폐스티로폴을 체계적이고 대규모로 재활용할 수 있는 방안이 요구되고 있는 실정이다.

경량성토공법은 성토자체의 중량을 가볍게 함으로써 구조물에 작용하는 하중과 벽면에 작용하는 토압을 경감시킬 수 있어 최근에 그 사용이 크게 증가하고 있다.

지금까지 경량 성토공법에 사용되고 있는 재료로는 이탄, 화산회토 등의 경량토사와 수쇄 슬래그, 석탄회 및 톱밥 등의 경량폐기물 등이 있었으나, 이들은 재료의 공학적 특성이 미흡하거나 재료확보 등의 제약이 있어 널리 활용되지 못하고있는 실정이다.

또한 인공 경량재료인 EPS 블록은 국내에서도 성공적으로 시공한 사례가 늘어나면서 널리 사용되고 있으나, 수침의 우려가 있는 곳에서는 부력에 대한 대책이 필요하며 경제성이 나쁜 단점이 있어 연약지반의 교대 뒤채움 등의 제한적인 용도로 사용되고 있다.

따라서 내구성 및 내진성 등 공학적 특성이 우수하면서도 경제성을 확보할 수 있는 경량성토재의 개발이 요구되고 있다.

또한, 최근 통신구, 전력구, 공동구 등 지하 구조물 공사와 고성토부의 교대 뒤채움 공사 등 장소가 협소하여 다짐작업이 어려운 공사가 크게 증가하고 있다. 특히 복토 및 뒤채움 작업은 굴착과정 중 자연지반의 교란을 수반하기 때문에 복토에 따른 철저한 다짐관리가 구조물과 주변지반의 안정에 필수적이다. 그러나 배후지반이 협소하거나 구조물과 지반이 인접한 경우 적절한 다짐장비의 부족, 과다 다짐으로 인한 구조물 손상 등의 문제로 인하여 다짐관리가 어려운 실정이다.

따라서, 최근에는 다짐작업이 필요하지 않으면서도 적정한 강도를 발휘할 수 있는 유동성 성토재료의 사용이 증가하고 있다.

유동성 성토재료는 주재료인 토사에 물과 시멘트, 벤토나이트 등의 고화재를 혼합하여 조성된 안정처리토로서 경화되기 전에는 높은 유동성을 지니고 있어 다짐작업이 필요하지 않으며, 경화후에는 일반 양질의 토사에 비해 높은 강도와 토압 감소 효과를 얻을 수 있기 때문에 다지기 곤란한 장소에서 되메우기나 충전 등에 크게 활용될 수 있다. 또한 기존에 널리 사용되고 있는 양질의 성토재에 비하여 표류수, 침투수에 의한 침식이 적어 침식으로 인한 공동화를 방지하는 데에도 큰 효과가 있으며 높은 점착력을 유지하기 때문에 액상화의 위험이 적은 것으로 알려져 있다.

특히 해안지역과 같이 지반조건이 열악한 지역에서는 복토 및 뒤채움 작업을 위하여 양질의 성토재의 반입이 필수적이기 때문에 시간적·경제적 손실을 초래할 뿐만 아니라 반출되는 토사로 인한 환경적 문제까지 초래할 수 있기 때문에 성토재로 부적당한 것으로 여겨졌던 점성토, 실트 등의 세립토를 이용하기 위한 노력이 이루어지고 있다.

종래에 사용되어온 경량성토재는 중량이 가벼운 천연재료, 경량폐기물, 인공의 경량재 등이 있다. 그러나 천연재료의 경우 재료의 발생량이 적기 때문에 대량공급이 어려워 사용되어 온 예가 거의 없으며, 산업폐기물의 경우 역시 공급이 원활하지 못하거나 재료의 공학적 특성이 경량성토재료로서 사용하기에는 미흡하기 때문에 아직까지 실용화되지 못하고 있는 실정이다.

최근에는 EPS블록으로 대표되는 인공의 경량성토재가 널리 사용되고 있으나 단위중량의 조절이 쉽지 않기 때문에 지하수위가 높은 지역에서는 부력에 대한 추가적인 보강공법이 병행되어야 하며 비용이 비교적 많이 소요되기 때문에 널리 사용되기 어려운 실정이다.

따라서 본 발명은 버려지는 스티로폴블록을 입자형태로 분쇄한 폐스티로폴입자를 활용하여 경량성토재 및 유동성 경량성토재로 활용하고자 하는데 그 목적이있다.

폐스티로폴을 활용한 경량성토재는 버려지는 자원을 적극적으로 재활용할 수 있는 동시에 저렴하면서도 공학적 특성이 우수한 성토재로 활용할 수 있는 장점이 있다.

본 발명에서 사용되는 경량성토재는 폐스티로폴 입자와 현장에서 발생되는 토사, 소량의 고화재와 안정재로 구성되어 있기 때문에 종래의 경량성토재에 비해 비용을 절감시킬 수 있고, 또한 기술적으로 재료의 중량은 폐스티로폴입자의 혼합비의 변화를 통하여 조절할 수 있으며, 강도는 고화재의 양을 가감함으로써 조정이 가능하다. 따라서 종래의 성토공법에서 문제시 되어온 지하수위가 높은 지역에서 부력에 대한 추가적인 보강공법이 필요하지 않기 때문에 시공기간과 시공능률 그리고 경제적인 이득을 얻을 수 있다.

동상으로 인한 지중구조물의 파손은 파손지점을 정확하게 알기가 쉽지 않고 파손시 그 피해가 크기 때문에 동상을 방지하기 위한 다양한 노력이 이루어지고 있다. 하지만 본 발명에 따른 경량성토재는 스티로폴이 갖는 방한효과로 인하여 동상방지 효과가 탁월하기 때문에 한냉지 또는 동결심도가 낮은 지역에서도 시공이 가능하다. 최근에는 지진이 전세계적으로 큰 피해를 발생시키고 있으며 지진에 대비하기 위한 각종의 내진재료와 내진구조체가 크게 증가하고 있는 실정이다. 본 발명에 따른 경량성토재의 경우 지진 또는 진동으로 인한 피해가 예상되는 지역에서 스티로폴의 충격흡수성에 따라 지중구조물을 보호할 수 있는 특성을 지니고 있어 지진이 많은 지역에서도 큰 효과를 볼 수 있다.

더욱이 버려지는 재료를 활용함으로써 자원의 재활용과 동시에 처리비용을 줄일 수 있어 폐기물매립지 부족으로 인한 사회적·환경적 문제를 경감시킬 수 있으며 자원빈국인 우리나라의 자원재활용에 크게 기여할 수 있다.

또한, 폐스티로폴입자를 유동성 경량성토재에 활용한다면 상기의 장점 외에 다짐작업이 필요없어 공사비의 추가 절감이 가능한 동시에 다짐부족으로 인한 각종 폐해를 근원적으로 예방할 수 있으며, 지반조건이 열악한 지역에서 폐기되는 건설잔토를 유용하게 활용할 수 있다. 즉, 해안지역과 같이 불량한 지반조건을 지닌 지역에서는 복토 및 뒤채움 작업을 위하여 양질의 성토재의 반입이 필수적이기 때문에 시간적·경제적 손실을 가져올 뿐만 아니라 반출되는 토사로 인한 환경적 문제까지 초래할 수 있다. 따라서 지금까지 성토재로서 부적당한 것으로 인식되었던 점성토, 실트 등과 폐스티로폴을 혼합하여 유동성 경량성토재와 같은 기능성 성토재로 활용한다면 성토재의 공학적 안정성, 폐기물의 효과적인 재활용, 성토재의 경제성 등에서 많은 이득을 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 다짐장비의 진입이 가능하고 다짐관리가 용이한 구간에서 경량성토재를 이용한 뒤채움공법에 따라 시공된 상태를 개략적으로 나타낸 도면.

도 2는 본 발명에 따른 다짐장비의 진입이 불가능하거나 다짐관리가 어려운 구간에서 유동성 경량성토재를 이용한 뒤채움공법에 따라 시공된 상태를 개략적으로 나타낸 도면.

도 3은 본 발명에 따른 경량성토재와 유동성경량성토재를 활용한 복토공법에 따라 시공된 상태를 개략적으로 나타낸 도면.

[도면의 주요부분에 대한 부호의 설명]

1, 6, 15 : 지반2, 7 : 배수재

3, 11 : 경량성토재4, 9 : 구조물(또는 옹벽)

5, 10, 14 : 피복토8, 12 : 유동성 경량성토재

13 : 지중구조물16, 17 : 토사

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 위한 토사중량의 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 최종전압을 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 폐스티로폴입자(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)
CBR_5.0(%)	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

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

	CBR_5.0
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.

전술한 바와 같은 본 발명에 따른 경량성토재의 장점 및 효과는 다음과 같다:

① 경량 성토재를 이용함으로써 성토하중이 지반에 미치는 영향을 적게 한다. 즉, 보통 성토재의 단위체적중량이 1.6 ∼2.1 (t/㎥)인데 반하여 단위체적중량을 0.5 ∼1.5 (t/㎥)까지 줄일수 있어 성토하중의 대폭적인 저감을 꾀할 수 있으며 자립성 혹은 자경성이 있기 때문에 벽면에 작용하는 토압을 줄일 수 있다.

② 경량재와 발생토 및 경화재의 혼합에 의해서 현장의 조건에 적합하게 성토재의 단위체적중량과 강도를 조절할 수 있다. 즉 폐 스티로폴 입자를 토사와 혼합한 경량토는 폐 스티로폴 입자의 혼합량에 의해 경량토의 단위중량을 자유롭게 조정할 수 있으며(보통 산토사의 경우에는 0.7 ∼ 1.5 (t/㎥) 범위의 단위중량을 설정), 보통 포틀랜드 시멘트 등 고화재의 첨가량(2 ~ 10% 정도)에 의해 일축압축강도를 0.2 ~ 3.0 (kg/㎤) 정도로 조정할 수 있다. 따라서 다양한 현장조건에 맞추어 배합비에 따라 조정할 수 있다.

③ 현지 발생토를 효과적으로 이용할 수 있다. 건설공사에서 적정한 토량의 배분은 공사의 난이도와 고사비를 결정하는 주요요소이다. 따라서 성토재료로서 불량한 지반이 있는 공정은 불량토의 사토비용과 양질의 토사를 반입하는 추가적인 절차를 거쳐야만 한다. 그러나 본 발명을 통하여 현지발생토를 개량한다면 공정개선과 더불어 재료의 적정한 활용에 기여할것으로 기대되며 폐기되는 폐 스티로폴을 재활용한다면 비용절감까지 꾀할 수 있어 기존의 경량 성토공법의 문제점을 개선할 수 있을 것으로 기대된다.

④ 폐스티로폴 자원의 재활용할 수 있다. 폐 스티로폴의 경우 1996년 3월 재활용품목으로 선정되었지만 무게와 비교하여 상대적으로 부피가 크기 때문에 매립이 될 경우 매립지 부족을 가속화시키며 수송의 어려움으로 수거를 기피하는 현상이 발생되고 있어 근본적인 재활용방안이 요구되고 있다. 1995년의 EPS 재활용량을 보면, 폐 EPS 4만톤중 1만4백20톤(26%)만이 재활용되어졌고 이것 또한 표면이 깨끗한 경우에만 국한되며 그 외 74%는 모두 매립되어지고 있다. 또한, 농업생산과정 및 어업활동에서 발생하는 각종 EPS제품 및 어류상자 등의 폐 EPS는 토사와 같은 불순물과 함께 수거되기 때문에 감용기에 의한 재활용이 가능하지 않아 그대로 버려지게 되므로 농어촌의 환경을 악화시키는 요인이 되고 있다. 따라서 중간처리가 비교적 단순하며 대량으로 처리할 수 있는 방법으로 도로 및 토공사에 이용하는 기술이 절실히 요구되고 있다. 따라서 폐 스티로폴을 경량토 개발에 사용한다면 폐기물 재활용의 다양화를 이룰 수 있을 뿐만 아니라 다량의 폐 스티로폴을 활용할 수 있어 효율적인 자원관리가 가능하다.

⑤ 단열성 및 내진성 확보할 수 있다. 스티로폴의 경우 가볍고, 단열성이 좋으며, 진동차단효과도 높아 적정한 비율로 혼합하여 경량토를 개발한다면 동상이 발생하기 쉬운 지역에 동상량을 감소시키고 내진성을 높일수 있는 효과를 기대할 수 있다. 즉 지하에 설치되는 지중구조물의 경우 겨울철 냉한으로 인한 동결과 융해가 반복되면서 이로 인한 피해가 발생할 수 있으나 본 재료를 사용하면 스티로폴이 갖는 보온의 특성을 기대할 수 있어 동결심도를 높일 수 있으며, 진동의 흡수효과를 통하여 내진성을 증대할수 있다.

⑥ 시공의 효율성을 꾀할 수 있다. 플라이애쉬와 alchol ethoxylate로 구성되어있는 혼합토의 안정재를 사용함으로써 혼합시 위커빌리티를 높이고 혼합토를 다짐 할 경우 다짐성을 제고 할수 있어 적은 에너지로 큰 다짐효과를 얻을 수 있는 장점이 있다.

⑦ 유동성혼합토의 경우 복토재 및 뒷채움 시공시 추가적인 다짐작업이 필요없어 다짐부족으로 인한 부등침하 및 시설물 파손을 예방할 수 있다.

Claims

공사현장에서 발생하는 토사(예, 모래, 풍화토 및 점성토)에 폐스티로폴 입자를 상기 토사 용적의 50∼150%의 비율로 첨가 혼합하고, 여기에 고화재로서 시멘트를 토사 중량의 3∼9% 첨가혼합하고, 플라이애쉬와 알콜 에톡실레이트로 구성된 안정재를 토사 중량의 1∼3% 첨가혼합하여 함수비가 10∼20%로 되도록 제조된 경량성토재.
공사현장에서 발생하는 토사(점성토)에 폐스티로폴 입자를 상기 토사 용적의 50∼150%의 비율로 첨가 혼합하고, 플라이애쉬를 전체중량의 3∼7%의 비율로 혼합하여 함수비가 40∼60%가 되도록 제조된 유동성 경량성토재.
인근 지반을 굴착 후 벽체를 시공하는 단계;

투수성이 작은 토사를 경량성토재 재료로 사용할 경우 배수를 원활하게 하기 위하여 벽체 배면의 원지반 상부에 배수재를 설치하는 단계;

제 1 항에 따른 경량성토재를 시공된 벽체 배후에 30∼50 ㎝ 두께로 포설하고 층다짐하여 전압하는 단계;

포설 및 전압이 끝난 후 50㎝ 두께로 양질의 토사를 이용하여 피복토를 덮는 단계; 및

최종 전압을 통하여 지반을 견고하게 시공한 후 면고르기를 하는 단계로 이루어진 폐스티로폴 입자를 활용한 구조물의 뒤채움 공법.
인근지반을 굴착한 후 벽체를 시공하는 단계;

투수성이 작은 토사를 경량성토재 재료로 사용할 경우 배수를 원활하게 하기 위하여 벽체 배면의 원지반 상부에 배수재를 설치하는 단계;

다짐작업이 필요없는 제 2 항에 따른 유동성 경량성토재를 시공된 벽체 배후에 포설하는 단계;

포설단계 후 50㎝ 정도의 두께로 양질의 토사를 이용하여 피복토를 덮는 단계; 및

최종 전압을 통하여 지반을 견고하게 시공한 후 면고르기를 하는 단계로 이루어진 폐스티로폴 입자를 활용한 구조물의 뒤채움 공법.
지반을 최종 굴착면까지 굴착하는 단계;

제 1 항에 따른 경량성토재를 최종 굴착면에 타설하여 지중구조물의 베딩재로 하는 단계;

상기 베딩재 위에 지중구조물(또는 관)을 매설하는 단계;

상기 매설된 지중구조물 높이까지 제 2 항에 따른 유동성 경량성토재를 타설하는 단계;

상기 유동성 경량성토재를 타설한지 하루 경과후 제 1 항에 따른 경량성토재를 타설하는 단계;

면고르기와 전압하는 단계; 및

피복토를 덮고 면고르기를 하는 단계로 이루어진 폐스티로폴 입자를 활용한 지중구조물의 복토공법.