Research Paper

Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association. July 2020. 367-381
https://doi.org/10.9711/KTAJ.2020.22.4.367


ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. Seal재의 기능 및 역할

  • 3. 실내실험

  •   3.1 실험개요

  •   3.2 Seal재 배합 및 배합비

  •   3.3 겔화 및 블리딩 측정

  •   3.4 비카트 침 관입실험

  •   3.5 실내 실험 결과 분석

  •   3.6 교반 속도 및 시간의 영향 검토

  • 4. 현장 실험

  •   4.1 실험개요

  •   4.2 초결 시간 판단

  •   4.3 대구경 일반 강관을 이용한 구근 확인

  •   4.4 현장 실험 결과 분석

  • 5. 결 론

1. 서 론

최근 도시화로 인해 지하철, 통신구, 지하차도 등 지하공간의 활용에 대한 수요가 폭넓게 증가하고 있다. 현재, 국내에서는 주로 지반자체를 터널의 주지보재로 이용하는 NATM 공법을 이용하여 시공을 하며(Hong et al., 2013), 시공되고 있는 지하공간 보강 공법의 대부분은 그라우팅 기술을 이용하여 지반의 물성치를 개선하는 개념으로 시행되고 있다(Cho et al., 2010).

NATM 터널 보강에 있어서 가장 대표적인 강관다단 그라우팅 공법은 주입재의 침투효과에 의해 차수 및 주변지반의 보강과 함께 지반의 이완 및 지압의 확대 등을 방지하므로 사질토, 점성토, 풍화토 파쇄대층 및 풍화암 등 다양한 지반에 적용될 수 있다(Park and Im, 2004).

연약한 지반이나 토피가 적은 굴착면의 안정 및 붕괴방지를 위해 강관 삽입 및 그라우팅에 의한 구조적 보강으로 터널의 안정성을 확보하는 강관다단 그라우팅은 Seal재 및 주입재의 품질관리에 따라 안정성이 좌우될 수 있으며, Seal재 및 주입재의 적정 겔화 및 경화시간을 정량화하는 것이 강관다단 그라우팅 보강 품질 확보의 관건이라고 할 수 있다(Kim et al., 2018). 그러나 현재 국내에는 Seal재의 적정 겔화시간 및 본 주입재의 경화시간에 대한 명확한 기준이 없는 실정이며, 주입 후에도 이를 확인 할 수 없어 품질관리에도 어려움이 있다.

이에 본 연구에서는 Seal재의 W/C 및 교반방법 등으로 나누어 Case를 선정하여 실험을 실시하였다. 실험은 재료의 분리를 판단하기 위해 블리딩량 측정, Seal재의 겔화 시간측정을 위한 기울기 실험, Seal재의 경화시간 측정을 위한 비카트 침 관입시험을 하여 Seal재의 정적 W/C를 평가하고 추가로 현장실험을 진행하여 현장 적용성을 확인하였다.

2. Seal재의 기능 및 역할

강관다단 그라우팅에 적용되는 Seal재는 1980년대 이탈리아의 트레비사가 개발한 우산망 보강공법(PRUM)에 최초로 적용된 것으로 알려지고 있다. 구조물 균열부의 보수보강에도 자주 사용되는 Sealing재는 균열부 주면을 Sealing하여 본 주입재를 밀실하게 주입할 수 있도록 주입효율을 높여주는 재료이다. 강관다단 그라우팅 공법의 경우에도 최종적으로 지반 내로 주입재를 주입하기 위해 강관과 천공홀 간극을 Sealing재로 채워 본 주입재가 주입부 외부로 역류를 방지하여 지반 내로 밀실하고 충분히 주입이 될 수 있도록 하기 위함이다.

Seal재는 주입 후 천공홀 내 큰 부피의 변화가 없어야 하며, 너무 큰 강도를 갖지 않아야 한다. 또한 그라우트 본 주입 시 역류를 방지할 수 있도록 충분히 채워지고, 적정한 강도를 지녀야 한다. 그리고 쉽게 분사될 수 있어야 하며, 고결강도가 약하고, 부피가 팽창하여 공간을 남기지 말아야 한다. 이러한 역할을 수행하기 위하여 Seal재는 고결상태가 아닌 겔화상태로 유지되어야 한다.

Seal재가 가져야 할 조건으로는 다음과 같다.

- Seal재가 유출되어 부피가 줄어서는 안된다.
- 시간 경과에 따라 블리딩의 과다로 인하여 부피가 변화되고, 천공홀을 밀실하게 충진하지 못하면 안된다.
- 본 주입재 주입 시 주입 압력에 의해 쉽게 Seal재가 파괴되어 분사될 수 있어야 하고, 본 주입재 그라우트의 역류는 충분히 방지해야 한다.
- 본 주입재를 주입하는 작업시간 동안 겔화상태가 최소 4시간 이상 지속되어야 하며, 작업시간 내 Seal재의 경화속도가 빨리 진행되어 본 주입재의 주입을 방해해서는 안된다.

3. 실내실험

3.1 실험개요

Seal재의 현장적용에 앞서 Seal재가 가져야 할 조건들을 충족하는지에 대한 실내 실험을 진행하였다. 충족하는 배합비를 확인하기 위하여 총 4가지의 배합비(455%, 90%, 120%, 150%)를 선정하였다. 배합비 455%의 경우 “소구경 강관다단 그라우팅 공사시방서(안) (Korea Rail Network Authority, 2018)”을 통해 확인한 배합비로서, 공단 기준 배합비이다. 이 경우 블리딩양이 많아 다른 실험 조건의 경우 배합비를 낮추어 선정하였다.

각 배합비에 대한 겔화시간을 확인하기 위하여 겔화 및 블리딩 측정을 진행하였으며 이에 대한 방법 및 결과는 아래 3.3과 같다. 또한 초결상태를 확인하기 위한 비카트 침 실험을 진행하였다. 이는 비카트 침에 의한 수경성 시멘트 응결시험(KS L ISO 9597, 2019)에 따라 진행하였으며 이에 대한 방법 및 결과는 아래 3.4와 같다.

3.2 Seal재 배합 및 배합비

Seal재의 배합은 물, 시멘트, 벤토나이트를 활용하였으며, 이는 전자저울을 활용하여 정확한 계량을 한 후 교반기로 교반하였다. 교반 방법에 있어 재료의 동시 교반 방법과 벤토나이트 선 교반 방법을 사용하였다. 동시교반의 경우 계량된 시료들을 동시에 300초 동안 고속 교반하는 경우이며, 벤토나이트 선 교반의 경우 물과 벤토나이트를 150초 동안 교반 후 시멘트를 추가하여 150초 동안 고속 교반을 진행하였다. 각 배합비 및 교반 방법은 Table 1과 같다.

Table 1.

Mixing case

Classification Mixing ratio (%) Mixing method Classification Mixing ratio (%) Mixing method
Case 1 455 Simultaneous
mixing
Case 1-1 455 Bentonite primary
mixing
Case 2 90 Case 2-1 90
Case 3 120 Case 3-1 120
Case 4 150 Case 4-1 150

3.3 겔화 및 블리딩 측정

겔화 시간 측정은 “강관다단 그라우팅에 적용하는 속경성 Sealing재 개발” (Shin et al., 2019)을 참고하였으며, Seal재를 45도 및 90도로 기울여 흐름 정도를 파악하였다. Seal재가 흐름정지 상태일 때를 겔화로 판단하였으며, 블리딩량은 교반 후 24시간이 지난 뒤 측정하였다. 겔화 측정 방법은 Fig. 1과 같다.

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Fig. 1.

Gelation time measurement

3.3.1 겔화시간 측정 결과

Seal재의 겔화 판단을 위하여 1시간 간격으로 기울기 실험을 진행하였으며, 진행 결과는 Table 2와 같다.

Table 2.

Gelation time

Classification Mixing ratio (%) Gelation time (hr) Classification Mixing ratio (%) Gelation time (hr)
Case 1 455 6 Case 1-1 455 3
Case 2 90 4 Case 2-1 90 2
Case 3 120 5 Case 3-1 120 3
Case 4 150 6 Case 4-1 150 4

동시 교반의 경우 약 4~6시간 후 겔화를 보이며, 벤토나이트 선 교반의 경우 약 2~5시간 후 겔화를 보이는 것을 확인하였다. 벤토나이트 선 교반이 동시 교반보다 더 빠른 겔화를 보이는 것을 확인하였다.

3.3.2 블리딩 측정 결과

각 배합비에 해당하는 Seal재의 24시간 경과 후 재료 분리상태를 육안으로 확인하였다. 동시 교반 블리딩 상태는 Fig. 2와 같다.

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Fig. 2.

Measurement of simultaneous mixing bleed

동시 교반의 블리딩을 확인해보면 Case 2와 Case 3은 블리딩이 거의 발생하지 않는 것을 확인할 수 있으며, 배합비(W/C)가 커지면 커질수록 블리딩양은 많아지는 것을 확인할 수 있다. Case 1의 경우 약 35%, Case 2의 경우 약 5%, Case 3의 경우 약 7%, Case 4의 경우 약 25%의 블리딩을 보인다.

벤토나이트 선 교반의 블리딩은 Fig. 3과 같다.

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Fig. 3.

Measurement of bentonite primary mixing bleed

벤토나이트 선 교반의 블리딩을 확인해보면 동시 교반과 유사하게 Case 2-1과 Case 3-1은 블리딩이 거의 발생하지 않는 것을 확인할 수 있으며, 배합비(W/C)가 커지면 커질수록 블리딩양은 많아지는 것을 확인할 수 있다. Case 1-1의 경우 약 10%, Case 2-1의 경우 약 0%, Case 3-1의 경우 약 4%, Case 4-1의 경우 약 9%의 블리딩을 보인다. 동시 교반과 벤토나이트 선 교반을 비교해보면 벤토나이트 선 교반의 경우 블리딩이 더 작게 발생하는 것을 확인하였다.

3.4 비카트 침 관입실험

Seal재 초결 시험은 비카트 침 시험기를 사용하여 진행하였다. 관입 상태를 파악하기 위하여 투명 플라스틱 통을 활용하여 진행하였으며, Fig. 4와 같이 상, 중, 하 위치에 비카트 침 시험을 진행하였다.

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Fig. 4.

Penetration test of vicart needle

비카트 침 실험 방법은 비카트 침에 의한 수경성 시멘트 응결시험(KS L ISO 9597, 2019)및 수경성 시멘트의 표준주도 시험 방법(KS L 5102, 2016)에 따라서 진행하였으며, 내용은 다음과 같다. 시험체를 시험기에 놓은 후 초결침이 시험체에 닿게 하여 고정시킨다. 눈금을 0으로 맞춘 후 보정추를 올린다. 고정나사를 풀러 초결침이 내려가도록 하며 30초 후 값을 읽는다. 또한 측정값이 10 mm 이내가 되는 시간은 소성이 없어지고 일정한 임의 압력에 견딜 수 있을 정도로 충분히 굳어 졌을 때인 초결에 달하였다고 판단한다.

위 방법을 통해 3시간 단위로 총 18시간 동안 비카트 침 실험을 진행하였으며, 그 결과는 Fig. 5와 같다.

각각의 비카트 침 실험 결과를 확인해 보면 Case 1과 Case 1-1을 제외한 배합비의 경우 약 9~12시간 사이에 모두 초결 상태에 달하는 것을 확인할 수 있다. 배합비가 낮은 Case 2와 Case 2-1의 경우가 가장 빨리 초결 상태에 달하였으며, Case 1과 Case 1-1은 18시간 후에도 모든 지점이 관입되었다.

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Fig. 5.

Penetration test of vicart needle results

3.5 실내 실험 결과 분석

겔화 및 비카트 침 관입실험을 통해 얻은 결과를 정리하면 Table 3과 같다.

Table 3.

Results of experiment

Mixing ratio (%) Classification Gelation time (hr) Initial set time (hr) Elapsed time (hr)
455 Case 1 6 - -
Case 1-1 3 - -
90 Case 2 4 8~11 4
Case 2-1 2 8~10 6
120 Case 3 5 11~13 6
Case 3-1 3 9~11 6
150 Case 4 6 11~12 5
Case 4-1 4 11~14 7

대부분 시료의 겔화시간은 동시 교반 기준으로 6시간 정도로 측정되었으며, 벤토나이트 선교반의 경우 2~5시간의 겔화시간이 배합비에 따라 다르게 측정되었다. 또한 경화 시작 전까지 작업시간을 고려하면 최소 5~6시간이 소요되며 이를 충족하는 배합은 Case 2~4이다. 하지만 Case 4의 경우 블리딩양이 많으며, Case 2의 경우 동시 교반에서 겔화 후 급격히 경화가 진행되는 것으로 결과가 도출되었다.

3.6 교반 속도 및 시간의 영향 검토

현장 적용에 있어 Case 3의 배합비가 가장 적절한 것을 축소모형 실험을 통해 확인하였으며, 교반 속도와 교반 시간이 Seal재에 미치는 영향을 확인하기 위해 추가적인 검토를 진행하였다. Case 3의 배합비와 동시 교반 방법을 사용하여 2가지의 Case를 추가적으로 구성하였다. 추가 구성한 Case는 Table 4와 같다.

Table 4.

Additional mixing case

Classification Mixing ratio (%) Mixing method
Case 3-2 120 Low speed, 5 min mixing (simultaneous mixing)
Case 3-3 High speed, 10 min mixing (simultaneous mixing)

3.6.1 겔화 및 블리딩 측정

앞서 진행한 실험방법과 동일한 조건을 통해 Case 3-2, Case 3-3의 겔화 시간과 블리딩양을 측정하였다. 추가로 검증한 겔화 시간은 Table 5와 같다.

Table 5.

Additional gelation time

Classification Mixing ratio (%) Gelation time (hour)
Case 3-2 120 6
Case 3-3 4

추가 실험을 확인한 결과 Case 3-2는 6시간, Case 3-3은 4시간의 겔화시간을 확인하였다. 이를 통해 저속 교반 보다 고속 교반의 겔화 시간이 빠르다는 것을 확인할 수 있었으며, 10분 고속 교반(Case 3-3)의 경우 5분 고속 교반(Case 3)보다 겔화 시간이 빠르게 측정되는 것을 확인하였다.

추가로 진행한 블리딩 측정은 Fig. 6과 같다.

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Fig. 6.

Measurement of additional mixing bleed

육안으로 비교하기 쉽게 하기 위하여 Case 3~Case 3-3의 시료를 동시 확인 하였으며, 확인결과 5분 저속 교반을 제외한 나머지 조건에서는 상당히 적은 양의 블리딩이 발생하였다. Case 3의 경우 약 7%, Case 3-1의 경우 약 4%, Case 3-2의 경우 약 21%, Case 3-3의 경우 약 5%의 블리딩을 보인다. 이를 통해 교반 시 저속 교반 보다 고속 교반을 진행 할 때, 동일한 조건에서 교반 시간이 증가할 때 블리딩 현상이 적다는 것을 확인하였다.

3.6.2 비카트침 관입실험

비카트침 관입실험 또한 앞서 진행한 조건 및 방법을 동일하게 하여 진행하였으며, 측정 간격은 3시간에서 1시간으로 줄여 더욱 정밀하게 측정하였다. 추가적인 Case에 해당하는 비카트침 관입실험 결과는 Fig. 7과 같다.

1시간 간격으로 측정 결과 Case 3-2는 약 12시간, Case 3-3은 약 10시간의 경과 후 초결에 달하였으며, 일정 강도를 발현하기 시작하는 것으로 나타났다.

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Fig. 7.

Penetration test of additional vicart needle results

4. 현장 실험

4.1 실험개요

현장실험은 ○○~○○ 철도건설사업 제○공구 건설공사를 위하여 진행되었다. 현장실험의 전경도는 Fig. 8과 같으며, 현장실험에 적용된 실시공 Case는 Table 6과 같다. 현장실험의 경우 공단 기준 배합비인 455%와 실내실험의 결과중 가장 적합한 조건인 배합비 120%, 비교 검토를 하기 위한 배합비 140%를 실험 조건으로 선정하였다. 실내실험을 통해 고속 교반이 더욱 적절한 것으로 파악되었으며, 현장실험의 교반은 고속교반으로 진행하였다. 또한 Seal재 실시공에 있어 시험 시공 모식도는 Fig. 9와 같다.

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Fig. 8.

Field view

Table 6.

Additional gelation time

Classification Mixing ratio (%) Sort
Case A 120 Sealing
Case A-1 Sealing + Grouting
Case B 140 Sealing
Case B-1 Sealing + Grouting
Case C 455 Sealing
Case C-1 Sealing + Grouting
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Fig. 9.

Field diagram

4.2 초결 시간 판단

Seal재의 초결 시간을 확인하기 위하여 비카트 침 관입 실험을 진행하였다. 이는 투명 원형 시료 통과 대구경 일반 강관을 이용하여 측정하였다. 대구경 일반 강관은 Φ114.0의 강관이며, 10~15° 천공각도를 유지하여 시공하였다. 두 경우 모두 비카트 침의 관입이 10 mm 이하로 측정되면 초결에 달하였다고 판단하였다.

4.2.1 투명 원형 시료 통을 이용한 초결 확인

투명 원형 시료 통을 활용하여 각 Case 별 초결 시간을 확인하였다. 실험 방법은 실내실험과 동일하게 진행하였으며, Fig. 10은 각 Case별 결과를 나타낸 것이다.

Fig. 10을 확인해 보면 Case A의 경우 9시간까지 경과를 확인하였으며, 9시간 경과되었을 때 측정 결과 비카트 침이 7 mm에 위치하였다. Case B의 경우 10시간 까지 지속 확인한 결과 10시간 경과되었을 때 측정결과 비카트 침이 9 mm에 위치하였다. Case C의 경우 24시간 경과되었을 때까지 지속적으로 확인하였으나 24시간 경과되었을 때 측정결과 비카트 침이 42 mm에 위치하며, 이는 초결 판단 기준에 적합하지 않았다.

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Fig. 10.

Vicart measurement results of cylinder

각 Case의 초결 시간을 정리해 보면 Table 7과 같다.

Table 7.

Hardening time results of cylinder

Classification Mixing ratio (%) Elapsed time (hr) Penetration depth (mm)
Case A 120 9 7
Case B 140 10 9
Case C 455 24 (unsuitable) 42 (unsuitable)

4.2.2 대구경 일반 강관을 이용한 초결 확인

투명 원형 시료 통을 활용해 확인한 각 Case의 초결 시간을 대구경 일반 강관에 적용하여 확인해 보았다. Fig. 11은 각 Case 별 실시공 비카트 침 실험 결과를 나타낸 것이다.

Fig. 11을 확인해 보면 Case A의 경우 9시간 경과되었을 때 측정 결과 비카트 침이 0 mm에 위치하였다. Case B의 경우 10시간 경과되었을 때 측정 결과 비카트 침이 0 mm에 위치하였다. Case C의 경우 24시간 경과되었을 때 측정 결과 비카트 침이 17 mm에 위치하며, 이는 초결 판단 기준에 적합하지 않았다.

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Fig. 11.

Vicart measurement results of site

각 Case의 초결 시간을 정리해 보면 다음의 Table 8과 같다.

Table 8.

Hardening time of site

Classification Mixing ratio (%) Elapsed time (hr) Penetration depth (mm)
Case A 120 9 0
Case B 140 10 0
Case C 455 24 (unsuitable) 17 (unsuitable)

4.3 대구경 일반 강관을 이용한 구근 확인

Seal재와 본주입 그라우팅을 활용하여 실시공을 하였으며, 이를 통해 형성된 구근의 크기를 확인해 보았다. Case A-1, Case B-1, Case C-1을 통해 확인하였으며, 확인한 구근은 Fig. 12와 같다.

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kta/2020-022-04/N0550220403/images/kta_22_04_03_F12.jpg
Fig. 12.

Bulb formation confirmation

Fig. 12를 확인해 보면 Case A-1의 경우 27시간 경과되었을 때 약 70 mm의 구근이 형성된 것을 볼 수 있다. Case B-1은 28시간 경과되었을 때 약 60 mm의 구근이 형성된 것을 볼 수 있다. Case C-1의 경우 42시간 경과되었을 때 약 10 mm의 구근이 형성된 것을 볼 수 있다. 결과를 정리해 보면 다음의 Table 9와 같다.

Table 9.

Bulb formation review

Classification Mixing ratio (%) Elapsed time (hr) Thickness (mm)
Case A-1 120 27 70
Case B-1 140 28 60
Case C-1 455 48 10

하지만 Case C-1의 경우 초결이 제대로 이루어지지 않았으며, Fig. 13(a)와 같이 쉽게 으깨지는 현상을 확인하였다. Fig. 13(b)와 같이 Case A-1과 Case C-1을 비교한 결과 형성된 구근의 색은 육안으로 확인 할 수 있을 정도로 차이를 보였다.

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kta/2020-022-04/N0550220403/images/kta_22_04_03_F13.jpg
Fig. 13.

Strength check and visual comparison

4.4 현장 실험 결과 분석

현장 실험 결과를 정리해 보면 다음의 Table 10과 같다.

Table 10.

Analysis of field test results

Classification Elapsed time (hr) /
Penetration depth (mm)
Cylinder
Elapsed time (hr) /
Penetration depth (mm)
Site
Thickness (mm)
Case A / Case A-1 9 / 7 9 / 0 70
Case B / Case B-1 10 / 9 10 / 0 60
Case C / Case C-1 24 / 42 24 / 17 10

실험 결과를 비교해 보면 W/C가 낮아질수록 초결에 달하는 시간은 줄어들며, 구근의 형성이 커지는 것을 확인하였다. W/C가 커질수록 물의 양이 많아 형성된 구근의 색이 옅어지고 강도 또한 낮아지는 것을 확인하였다. 현장 실험 결과를 종합적으로 분석하였을 때 W/C 120%의 배합비는 초결 시간이 가장 빠르며 다른 배합비에 비해 강도 형성이 잘 이루어지는 것을 확인하였다.

5. 결 론

Seal재를 각 배합비로 배합한 후 시간경과에 따른 겔화시간, 블리딩, 초결 시간 측정에 대한 실내실험을 진행하였다.

Seal재는 유출되어 부피가 줄어서는 안되며, 시간경과에 따라 블리딩의 과다로 인한 부피 변화와 천공홀을 밀실하게 충진하지 못하면 안된다. 또한 본 주입재 주입 시 주입 압력에 의해 쉽게 파괴되어 분사될 수 있어야 하고, 본주입재 그라우트의 역류는 충분히 방지해야 한다. 본 주입재를 주입하는 작업시간 동안 겔화상태가 최소 4시간 이상 지속되어야 하며, 작업시간 내 Seal재의 초결속도가 빨리 진행되어 본 주입재의 주입을 방해 해서는 안된다.

겔화와 초결 실험 모두 벤토나이트 선 교반 시료의 진행상태가 동시 교반 시료보다 더욱 빠른 것을 확인할 수 있었다. 이는 벤토나이트의 팽윤성 때문이다. 벤토나이트의 팽윤성이 확보가 된 경우 블리딩 현상 또한 적음을 확인하였다. 하지만 팽윤성이 확보되어 농도가 진해졌을 경우 재료가 잘 섞이지 않는 문제점을 확인하였다. 이들 실험 결과를 통해 향후 시공 시 W/C 120%의 배합비가 가장 적절할 것으로 검토되었다.

또한 현장에서 배합 시 교반은 고속으로 교반하여 블리딩 및 재료 분리를 최소화해야 하며, 재료 교반 시 온도와 습도의 영향이 크므로 주의하여야 할 것이다. 교반 시 반죽판, 건조시멘트, 몰드 및 밑판 부근의 온도는 20~27.5°C로 유지하여야 하며, 혼합수의 온도는 22 ± 2.0°C의 범위 내에 있어야 한다. 시험실의 상대 습도의 경우 50% 이상이어야 한다. 향후 Seal재 품질에 영향을 미치는 교반 속도 외에 교반 날의 형상 및 크기에 대한 연구가 추가 되어야 한다.

저자 기여도

황병현은 데이터 수집 및 원고작성을 하였고, 김연덕은 데이터 해석을 하였고, 심재훈은 데이터 분석을 하였고, 김상환은 원고 검토를 하였다.

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Kim, G.H., Choi, C.R., No, J.G., Choi, J.Y. (2018), "A case study on the steel pipe multistage grouting", Magazine of Korean Tunnelling and Underground Space Association, Vol. 20, No. 3, pp. 67-76.

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