Bleeding characteristics of coupling materials for installation of acoustic emission (AE) sensor

Jong-Won  Lee; Hyunwoo  Kim; Min-Koan  Kim; Tae-Min    Oh

doi:10.9711/KTAJ.2017.19.4.635

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Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association. 31 July 2017. 635-650
https://doi.org/10.9711/KTAJ.2017.19.4.635

Bleeding characteristics of coupling materials for installation of acoustic emission (AE) sensor

AE 센서 설치를 위한 커플링 재료의 블리딩 특성

Jong-Won Lee ¹

Hyunwoo Kim²

Min-Koan Kim³

Tae-Min Oh⁴^*

이 종원¹

김 현우²

김 경렬³

오 태민⁴^*

¹Researcher, Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources (KIGAM)

Senior researcher, Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources (KIGAM)

³Researcher, Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources (KIGAM)

⁴Senior researcher, Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources (KIGAM)

¹비회원, 한국지질자원연구원, 복합재난대응연구단 연구원

정회원, 한국지질자원연구원, 복합재난대응연구단 선임연구원

³비회원, 한국지질자원연구원, 복합재난대응연구단 연구원

⁴정회원, 한국지질자원연구원, 복합재난대응연구단 선임연구원

^{*교신저자.}^{*Corresponding Author.}

License:

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ABSTRACT

Acoustic emission (AE) sensors have broadly used to monitor the damage of underground structures and tunnels. The reliability of measured signal is determined by the coupling condition of the AE sensors which are embedded in the target underground structure. To secure the reliability of health monitoring results, it is important to understand the characteristics of the coupling materials. In this study, laboratory tests were performed using portland cement, micro cement, and gypsum as coupling materials in order to verify the bleeding characteristics. The effective parameters for bleeding were determined to be water-cement ratio, material type, curing time, and injected volume of coupling materials. As a results of the experimental study, the bleeding rate increases with an increase in a water-cement ratio and an injected volume; for portland cement, water-cement ratio and injected volume effects are larger than the micro cement. However, curing time is not much effective for occurrence of the bleeding phenomenon. It is anticipated that this study may be useful for the selection of suitable coupling materials for installation of acoustic emission sensors.

Keywords

Acoustic emission sensor

Sensor installation

Coupling

Bleeding

도시의 발전에 따라 전력선, 통신선, 상하수도배관 등을 공동으로 수용하는 공동구의 수 요는 점점 증가할 것으로 예상되고 있으며 따라서 앞으로 TBM을 이용한 터널시공이 증가할 것으로 예상된다. TBM을 이용한 터널 건설시 굴진율 예측은 공기와 공사비 책 정의 중요한 요소이다. 현재, NTNU model, CSM model 등의 TBM 굴진율 예측방법 이 있지만, 이 방법들은 많은 입력 인자들을 필요로 한다. 본 논문은 문헌조사를 통해 다 양한 여러 지반 물성인자들 중, 경암의 취성지수 (Brittleness index)와 TBM 순굴진율 간의 관계를 도출하고자 하였다. 특히, 인장강도와 압축강도의 함수인 취성지수는 그 정 의에 따라 순굴진율과 관계가 다르고 매우 큰 분산을 가지는 것으로 나타났다. 본 연구는 TBM 순굴진율 예측에서 암반물성 중 취성도가 지니는 의미를 제시하고 있다.

키워드

AE 센서

센서 설치

커플링

블리딩

MAIN

1. 서 론
2. 블리딩 실험방법 및 시편 준비
2.1 블리딩 현상
2.2 시편의 재료 및 배합비율
2.3 실험 방법
3. 블리딩 실험 결과
3.1 물-시멘트 배합비율의 영향
3.2 커플링 재료의 영향
3.3 양생 기간의 영향
3.4 주입량의 영향
4. 적합한 커플링 재료 선정에 관한 논의
4.1 포틀랜드 시멘트
4.2 석고
4.3 마이크로 시멘트
5. 결론

1. 서 론

최근 지하시설물 및 터널의 손상을 모니터링하기 위한 방법으로 AE (acoustic emission) 센서가 주로 활용되고 있다(Cheon et al., 2014; Wang and Ge, 2008). 지하구조물의 안정적인 모니터링을 위해서는 시추공을 천공하여 센서를 설치하고 커플링(coupling) 재료를 함께 채워야 한다. 만약 시추공 내 센서 설치를 위한 커플링이 완전하지 않다면, 암반 및 구조물의 거동에 대한 AE 신호의 에너지 감쇠가 발생하여 모니터링 신뢰성이 감소할 수 있다.

AE 센서 시공을 위한 커플링 재료는 주로 포틀랜드 시멘트(portland cement)가 사용되고있다(Amitrano et al., 2005; Young and Collins, 2001). 이외에도 커플링 재료로 암반 내 미세 절리 충진을 위한 마이크로 시멘트(micro cement, Axelsson et al., 2009)와 급결(quick-setting)을 위한 석고(Houlsby, 1990) 등이 사용되고 있다. 이러한 시멘트 계열의 커플링 재료를 사용하는 경우 시멘트 입자와 물이 분리되는 블리딩 현상(bleeding effect)이 발생하여 커플링 효과를 저하시킨다. Fig. 1은 블리딩 발생으로 인한 불완전한 커플링 상태를 나타내며, 신호와 센서 사이의 빈 공간에 의하여 신호가 AE 센서에 전파되지 못하는 결과를 보여준다. 이와 같이 커플링 조건에 따라 측정된 신호가 왜곡된다면 모니터링 결과를 신뢰할 수 없다(Ge et al., 2012). 또한, Owino and Jacobs (1999)는 진동 계측센서를 사용하여 신호를 감지하는 경우, 신호의 감쇠를 최소화 하는 것이 중요하며 센서와 측정 대상 사이의 커플링 상태에 따라 계측 값이 달라질 수 있음을 보고하였다. 그러나, 현재 국내의 지하 구조물 모니터링에서 센서 커플링 특성에 대한 연구는 매우 제한적이다.

Fig. 1. An example of the imperfect coupling condition by bleeding effect

시추공 내 커플링 재료의 설치 과정에서는 커플링 재료의 물-시멘트 배합비율(water-cement ratio, W/C), 종류, 양생 기간, 주입량에 따라 블리딩 발생 비율이 달라질 수 있다. Ghourchian et al. (2016)은 기존에 보고되었던 물-시멘트 배합비율 변화에 따른 블리딩 실험 결과를 이론식과 비교하였다. 물-시멘트 배합비율의 증가는 블리딩 발생 비율이 증가하는 결과를 보여주었다. 이러한 결과는 실내실험과 이론해와의 비교에서 유사한 경향성을 보였다. Draganović (2009)는 시멘트 입자 크기에 따른 블리딩 발생 비율을 실험적으로 평가하였다. 동일한 물-시멘트 배합비율과 동일한 커플링 재료의 설치 길이 조건에서 블리딩 발생 비율은 시멘트 입자가 작은 시편에 비하여 시멘트 입자 크기가 큰 시편에서 높게 평가되었다. 또한, Lee et al. (2016)은 설치 길이가 같고 직경이 다른 실린더를 이용하여 양생 기간에 따른 블리딩 발생 비율을 실험적으로 평가하였다. 블리딩은 대부분 양생 초기에 발생하였으며 양생이 진행됨에 따라 일정한 블리딩 비율 값으로 수렴하는 결과를 보였다. Massoussi et al. (2017)은 동일 물-시멘트 배합비율 내에서 커플링 재료의 주입량에 따른 블리딩 발생 비율을 실험적으로 평가하였다. 커플링 재료의 시편 길이가 큰 경우, 짧은 시편에 비하여 블리딩이 더 많이 발생하였으며, 블리딩 종료 시점이 지연되는 결과를 보였다. 그러나 시추공 내 AE 센서 설치 시 블리딩을 고려한 커플링 연구는 미미한 실정이다. 블리딩은 커플링 재료의 준비 및 설치 과정에 따라 달라지기 때문에 커플링 재료의 종류, 물-시멘트 배합비율, 양생 기간, 주입량 등을 함께 고려할 필요가 있다.

본 연구에서는 AE 센서 설치를 위한 커플링 재료로 포틀랜드 시멘트, 마이크로 시멘트 및 석고를 선정하였다. 또한, 커플링 재료의 물-시멘트 배합비율, 종류, 양생 기간, 주입량이 블리딩 발생에 미치는 영향을 파악하였다. 본 연구에서 파악된 블리딩 발생 특성은 적합 재료 선정을 위한 기초 연구 결과로 향후 AE 센서 설치 시 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

2. 블리딩 실험방법 및 시편 준비

2.1 블리딩 현상

블리딩 현상은 배합된 재료가 시간 경과에 따라 커플링 재료와 물로 분리되는 현상이다. Fig. 2는 물과 입자의 혼합 후, 블리딩 현상이 발생되는 메커니즘을 보여준다. 블리딩은 커플링 재료 입자의 침강(sedimentation)과 입자 사이에서 유발되는 인력(attractive force)에 의하여 발생된다(Draganović, 2009). 물과 함께 배합된 커플링 재료는 비중 차이로 인하여 재료의 입자가 침강되고 물이 상승하면서 1차적인 블리딩이 발생된다. 이러한 비중 차이로 인한 블리딩 과정은 물과 커플링 재료의 배합비율에 따라 발생 비율이 달라진다. 또한, 1차적인 블리딩 발생 이후 커플링 재료 입자들 사이에 작용하는 인력에 의하여 2차적인 블리딩이 발생한다. 입자 사이의 인력에 의하여 입자들이 서로 결합되면서 추가적인 블리딩이 발생되며, 입자의 크기가 작은 재료에서 2차적인 블리딩 발생 비율이 더 높다(Draganović, 2009). 본 연구에서는 커플링 재료의 양생 후 최종 블리딩 발생 비율과 양생 후 최종 시편 길이의 비율을 식 (1) 및 (2)와 같이 정의하였다(Fig. 3).

Fig. 2. Bleeding phenomena by sedimentation and attractive force (after Draganović, 2009)

Fig. 3. Conceptual diagram of bleeding effect

Finalbleedingratio,(%)= (1)

Finalspecimenratio,(%)= (2)

여기서 는 설치 직후 배합 커플링 재료의 총 부피, 는 블리딩 발생에 의한 물의 부피, 는 블리딩 발생 후 시편의 부피에 해당한다.

2.2 시편의 재료 및 배합비율

일반 포틀랜드 시멘트(OPC; Ordinary Portland Cement)는 적용 대상 및 목적에 부합하도록 추가적인 첨가 재료가 혼합되어 사용된다. 일반 포틀랜드 시멘트는 CCN (Cement Chemists Notation)에 따라 규산(silicate) 계열인 C₂S와 C₃S, 알루미늄(aluminate) 계열인 C₃A, 페라이트(ferrite) 계열인 C₄AF로 크게 네 가지로 분류할 수 있다. Table 1은 계열에 따른 시멘트 재료의 수화 반응(hydration reaction) 및 강도 발현 시기 특성을 보여준다. C₃S와 C₃A는 수화 반응이 빠르게 발생하여 발열과 초기 강도를 발현시키며 C₂S는 수화 반응이 천천히 발생하지만 양생 후반 강도를 발현시키는 특징이 있다(Pelletier et al., 2010).

Table 1. Chemical compositions and function of ordinary portland cement (OPC) (after Pelletier et al., 2010)

A: Al₂O₃, S: SiO₂, C: CaO, F: Fe₂O₃ by *Cement Chemists Notation (CCN)

본 연구에서는 시추공 내 AE 센서 설치 시 커플링 재료로 주로 사용되는 포틀랜드 시멘트, 암반 미세 절리 충진을 위해 사용되는 마이크로 시멘트, 커플링 시 빠른 시공을 위해 첨가제로 사용되는 석고를 시편으로 사용하였다(Fig. 4). 제조사에 의해 보고된 커플링 재료의 물성에 따르면 입자의 크기는 포틀랜드 시멘트, 석고, 마이크로 시멘트 순으로 큰 것으로 나타났으며, 평균 입자 크기(D₅₀)는 마이크로 시멘트에 비하여 석고는 약 3 배, 포틀랜드 시멘트는 약 4 배 큰 것으로 분석되었다(Table 2). 한편, 시편의 제작은 별도의 첨가제 및 잔골재를 함께 배합하지 않고 포틀랜드 시멘트, 마이크로 시멘트 및 석고를 단일 커플링 재료로 사용하여 물과 함께 혼합하였다.

Fig. 4. Coupling materials used for bleeding tests

Table 2. Properties of coupling materials

현장에서 사용하는 커플링 재료의 물-시멘트 배합비율에 대해 보고된 정보는 제한적이다. 따라서, 기존 암반 절리 내 그라우팅 시 사용하는 물-시멘트 배합비율을 참고하였으며, 일반적으로 사용되는 물-시멘트 배합비율의 범위는 0.5에서 3.0의 범위를 가지는 것으로 확인하였다(Høien et al., 2014; You et al., 2012). 따라서 본 연구에서는 물-시멘트 배합비율을 0.5, 1.0, 1.5, 2.0의 네 단계로 설정하여 물-시멘트 배합비율에 따른 블리딩 실험을 수행하였다.

2.3 실험 방법

물과 함께 배합된 커플링 재료의 블리딩을 평가하기 위하여, 본 연구에서는 ASTM C940 (2010)시험 기준을 따라 실험을 수행하였다. 제안된 ASTM C940 시험에서는 커플링 재료, 배합수, 주변 온도를 23.0 ± 2.0°C로 유지하여 블리딩 시험을 수행해야 한다. 한편, 시험 방법으로는 1,000 ml의 실린더에 800 ± 10 ml의 배합된 커플링 시편을 준비하여 최종 블리딩 발생 비율을 관찰해야 한다. 그러나, ASTM C940 규정은 시편의 부피에 관한 정보만을 제공하고 있으며 실린더의 직경 및 길이에 관한 추가적인 정보는 제안된 바 없다.

Fig. 5. Bleeding test with coupling material volume

본 연구에서는 블리딩 실험을 위하여 포틀랜드 시멘트, 마이크로 시멘트, 석고를 증류수와 설정한 물-시멘트 배합비율(0.5, 1.0, 1.5, 2.0)로 배합한 후 실린더에 설치하였다(Fig. 5). 실린더의 크기는 직경 60 mm, 높이 420 mm로 준비하였으며, ASTM C940 규정에 따라 총 커플링 재료의 양은 800 ml (높이 283 mm)로 결정하였다. 실험 중 양생 온도는 23.0 ± 2.0°C, 습도는 60 ± 10%를 유지하였다. 시험편은 증발과 같은 외부의 영향을 최소화하기 위하여 실린더 상부를 밀봉하였으며, 양생 1, 3, 6, 24 시간 후 블리딩을 측정하였다. 또한, 최종 블리딩 비율은 양생 후 24 시간이 경과된 시점에 측정하여 결과를 분석하였다.

한편, 본 연구에서 시추공 내 센서 설치를 위한 주입량에 따른 블리딩 발생 비율 평가 실험을 위하여 총 주입량을 ASTM C940 기준인 800 ml (case A)와 340 ml (case B) 두 가지 경우로 나누어 실험을 수행하였다(Table 3). 실제 현장에서는 시추공의 천공 직경은 동일하나 센서의 설치 위치에 따라 커플링 재료의 총 주입량이 달라질 수 있다. 이에 따라, 본 연구에서는 ASTM 기준보다 적은 주입량을 설정하여 총 블리딩 양에 미치는 영향을 평가하였다. Case B는 case A와 동일한 직경의 실린더에 커플링 재료의 주입량을 800 ml에서 340 ml로 약 58% 낮춘 경우에 해당한다.

Table 3. Summary of case conditions

3. 블리딩 실험 결과

3.1 물-시멘트 배합비율의 영향

AE 센서 설치를 위한 커플링 재료의 물-시멘트 배합비율이 달라진다면 블리딩 발생 비율은 변화한다. 물-시멘트 배합비율이 증가하는 경우, 단위 시멘트량(unit weight of cement) 당 물의 양이 증가하기 때문에 물-시멘트 배합비율이 낮은 시편에 비하여 블리딩 발생 비율이 증가할 수 있다. Fig. 6은 물-시멘트 배합비율이 블리딩 발생 비율에 미치는 영향을 평가한 결과이다. 블리딩 발생비율이 가장 낮은 실험 결과(, = 0.5인 경우)를 기준으로 물-시멘트 배합비율에 따른 블리딩 변화량을 분석하였다. 블리딩 발생 후 최종 시편의 부피는 처음 커플링 재료의 주입량에서 블리딩 발생에 의하여 감소한 양으로 정의하였다().

Fig. 6a는 포틀랜드 시멘트를 사용한 시편에서 물-시멘트 배합비율에 따른 블리딩 발생량을 보여준다. 물-시멘트 배합비율이 0.5에서 1.0, 1.5, 2.0으로 증가하는 경우, 물-시멘트 배합비율이 0.5일 때의 블리딩 값에 비하여 각각 약 26%, 45%, 52%까지 증가하는 결과를 보였다. 또한, 물-시멘트 배합비율이 2.0일 때, 주입한 커플링 재료의 양에 비하여 절반 이상 시편의 길이가 감소하는 결과를 보였다. 이와 같은 결과는 커플링 재료로 포틀랜드 시멘트를 사용하는 경우, 물-시멘트 배합비율에 따라 블리딩이 상당히 발생할 수 있음을 보여준다.

Fig. 6b는 마이크로 시멘트를 사용한 시편에서 물-시멘트 배합비율에 따른 블리딩 발생량을 보여준다. 물-시멘트 배합비율이 0.5와 1.0인 경우 커플링 재료의 블리딩은 발생하지 않았다. 한편 물-시멘트 배합비율이 1.5일 때에는 블리딩이 약 3% 발생하였다. 물-시멘트 배합비율이 2.0 인 경우 블리딩 비율이 큰 폭(14%)으로 증가하는 것으로 분석되었다.

Fig. 6c는 석고를 사용한 시편에서 물-시멘트 배합비율에 따른 블리딩 발생량을 보여준다. 마이크로 시멘트를 사용한 시편과 마찬가지로 물-시멘트 배합비율이 0.5와 1.0인 경우 블리딩은 발생하지 않는 결과를 보였으며, 물-시멘트 배합비율이 1.0을 초과할 때 블리딩이 발생하는 것으로 분석되었다. 한편 물-시멘트 배합비율이 1.5와 2.0일 때에는, 물-시멘트 배합비율이 0.5일 때의 블리딩 값에 비하여 각각 약 6%, 14% 증가하는 결과를 보였다.


Fig. 6. Final bleeding ratio according to the water-cement mixing ratio

3.2 커플링 재료의 영향

커플링 재료 입자의 침강 및 입자 간의 인력 발생은 커플링 재료의 특성 및 입자 크기에 따라 달라진다. 이에 따라 동일 물-시멘트 배합비율에서 커플링 재료가 달라진다면 블리딩 발생 비율 또한 달라질 수 있다. Fig. 7은 동일 배합비율 내에서 커플링 재료에 따른 블리딩 실험 결과이다. 본 연구에서 설정한 최소 물-시멘트 배합비율인 0.5와 최대 물-시멘트 배합비율인 2.0일 때 포틀랜드 시멘트, 마이크로 시멘트 및 석고 시편에서의 블리딩 비율을 비교 분석하였다.

Fig. 7a는 물-시멘트 배합비율이 0.5인 경우 포틀랜드 시멘트, 마이크로 시멘트 및 석고에서 블리딩 후 최종 시편의 비율을 나타낸다. 물-시멘트 배합비율이 0.5일 때 포틀랜드 시멘트에서는 약 3%의 블리딩이 발생하였다. 한편, 마이크로 시멘트와 석고 시편에서는 블리딩이 발생하지 않아 양생 초반 시편 길이와 동일한 길이로 측정되었다.

Fig. 7b는 물-시멘트 배합비율이 2.0인 경우, 포틀랜드 시멘트, 마이크로 시멘트 및 석고 시편에서는 각각 약 53%, 14%, 14%의 블리딩이 발생한 결과를 보여준다. 포틀랜드 시멘트는 블리딩이 큰 폭으로 발생하여 마이크로 시멘트와 석고에 비하여 블리딩 발생 비율이 약 39% 높은 결과를 보였다.

동일한 물-시멘트 배합비율에서 마이크로 시멘트와 석고는 포틀랜드 시멘트에 비하여 블리딩 발생 비율이 낮은 결과를 보여주었다. 따라서, 센서 설치를 위한 커플링 설치 시 포틀랜드 시멘트에 비하여 마이크로 시멘트와 석고가 블리딩 측면에서 커플링 재료로써 유리한 것으로 분석되었다.


Fig. 7. Bleeding ratio according to the coupling materials

3.3 양생 기간의 영향

커플링 재료는 물과 시멘트가 배합되는 시점부터 블리딩이 발생하기 시작하여 일정 시간 경과후 블리딩이 종료 된다. 따라서 블리딩은 양생 기간에 따라 달라지므로, 양생 기간이 블리딩 발생에 미치는 영향을 파악하는 것은 중요하다. 본 실험에서는 포틀랜드 시멘트, 마이크로 시멘트, 석고의 물-시멘트 배합비율을 0.5, 1.0, 1.5, 2.0으로 설정하여, 양생 후 시간 경과에 따른 블리딩 발생 변화를 분석하였다. Fig. 8은 커플링 재료 배합 및 설치 후 시간 경과에 따른 블리딩 발생 비율 결과이다. 각 시편의 블리딩 발생 비율은 커플링 재료 설치 후 1, 3, 6, 24 시간이 경과된 시점에 측정하였다.

Fig. 8a는 양생 기간에 따른 포틀랜드 시멘트 시편의 블리딩의 변화를 나타낸다. 물-시멘트 배합비율이 0.5부터 1.5에서는 양생 시작 3 시간 후, 물-시멘트 배합비율이 2.0인 경우에는 양생 시작 6 시간 후 블리딩이 종료되었다. 물-시멘트 배합비율이 0.5, 1.0, 1.5, 2.0일 때 양생 시작 1 시간 후 블리딩은 각각 약 1%, 11%, 30%, 47% 발생하는 것으로 분석되었다. 또한 양생 시작 3 시간 후의 블리딩은 각각 약 3%, 29%, 46%, 53% 발생하여 물-시멘트 배합비율이 증가할수록 블리딩의 대부분은 양생 초반 발생하는 것으로 분석되었다. 따라서, 양생 기간이 블리딩 발생에 미치는 영향은 물-시멘트 배합비율이 높은 경우 미미한 것으로 판단된다.

Fig. 8b는 양생 시간 경과에 따른 마이크로 시멘트의 블리딩 결과이다. 마이크로 시멘트 시편의 경우 포틀랜드 시멘트와 달리 물-시멘트 배합비율이 0.5부터 1.5일 때 양생 시작 1 시간 후 블리딩이 종료되었다. 한편, 물-시멘트 배합비율이 2.0일 때는 양생 시작 3 시간 후에 블리딩이 종료되는 것으로 분석되었다.

Fig. 8c는 커플링 재료 배합 및 설치 후 시간 경과에 따른 석고의 블리딩 결과이다. 마이크로 시멘트 시편의 결과와 유사하게 석고는 모든 물-시멘트 배합비율에서 양생 시작 1 시간 후 블리딩이 종료되는 것으로 분석되었다.

양생 기간이 블리딩 발생에 미치는 영향의 실험 결과, 본 연구에서 선정한 모든 커플링 재료에서 주로 양생 시작 1 시간까지 대부분의 블리딩이 진행되었으며 양생 시작 3 시간 후 블리딩 현상이 종료되는 것으로 관찰되었다. 따라서, 양생 기간이 블리딩에 미치는 영향은 작은 것으로 분석되었으며 마이크로 시멘트와 석고는 포틀랜드 시멘트에 비하여 양생 기간에 따른 영향이 거의 없는 것으로 평가되었다.


Fig. 8. Bleeding ratio with curing time

3.4 주입량의 영향

AE 센서 설치 현장에서는 물리적, 환경적인 영향 등에 의하여 시추공의 길이와 같은 천공 조건이 달라질 수 있다. 시추공의 길이에 의하여 커플링 재료의 주입량이 달라진다면 블리딩 발생 양상 또한 달라질 수 있다. 이에 따라 본 실험에서는 직경은 동일하나 높이가 다른 시편을 설치하여 주입량이 블리딩에 미치는 영향을 평가하였다. Fig. 9는 포틀랜드 시멘트와 마이크로 시멘트를 사용할 때 서로 다른 주입량의 시편에서 블리딩 발생 결과를 나타낸다. 커플링 재료의 주입량은 case A는 800 ml, case B는 340 ml에 해당하며 물-시멘트 비율이 0.5에서 2.0으로 증가할 때의 블리딩 변화량을 평가하였다.

Fig. 9a는 포틀랜드 시멘트 시편의 주입량에 따른 블리딩 결과이다. 물-시멘트 배합비율이 0.5인 경우 주입량에 따른 블리딩 차이는 거의 발생하지 않았다. 그러나 물-시멘트 배합비율이 0.5에서 2.0으로 증가할 때 case B에 비하여 case A에서 블리딩이 약 10% 큰 결과를 보였다. 또한, 물-시멘트 배합비율이 증가할 때, case A와 case B의 블리딩 발생 비율의 차이는 증가하는 경향을 보였다. 이에 따라, 현장 적용 시 물-시멘트 배합비율이 본 연구에서 설정한 최대 값(W/C = 2.0)보다 커진다면 커플링 재료의 주입량이 증가할수록 블리딩은 더 많이 발생할 것으로 판단된다.

Fig. 9b는 마이크로 시멘트 시편의 주입량에 따른 블리딩 결과이다. 마이크로 시멘트의 경우 물-시멘트 배합비율이 1.0 이하일 때 시편의 주입량이 블리딩 발생에 미치는 영향은 거의 없는 것으로 파악되었다. 또한, 물-시멘트 배합비율이 1.0 보다 커지는 경우 case A와 case B의 차이가 발생하기 시작하였으며, 물-시멘트 배합비율이 2.0일 때 case B에 비하여 case A의 블리딩이 약 5% 높은 결과를 보였다.

블리딩의 발생 비율은 전체 주입량으로 나눈 값으로 정의되기 때문에, 전체 주입량에 관계없이 동일한 재료 및 환경조건에서는 동일한 블리딩 비율이 측정되어야 한다. 그러나 본 실험 결과 총 커플링 주입량이 증가할수록 블리딩 비율은 증가하는 것으로 분석되었다. 마이크로 시멘트와 포틀랜드 시멘트 두 시편 모두에서 커플링 재료의 주입량이 증가할수록 블리딩 비율이 증가함을 관찰할 수 있었다.

Fig. 9. Final bleeding ratio according to the coupling material volume

(800 ml specimen volume for case A, 340 ml specimen volume for case B)

주입량이 블리딩에 미치는 영향은 입자크기가 작은 마이크로 시멘트의 시편에 비하여 입자크기가 큰 포틀랜드 시멘트의 시편에서 더 크게 발생하는 것으로 분석되었다. 특히 포틀랜드 시멘트에서 물-시멘트 배합비율이 증가할수록 주입량에 의한 블리딩 발생 영향은 크게 증가하는 경향성을 보였다. 물-시멘트 배합비가 0.5일 때는 주입량에 의한 영향이 미미한 것으로 분석되었다. 그러나 물-시멘트 배합비가 1.5 - 2.0으로 증가되면 총 주입량의 증가(340 → 800 ml)에 따라 추가적으로 약 5 - 10% 정도 블리딩 비율이 가산될 수 있음을 확인할 수 있었다.

4. 적합한 커플링 재료 선정에 관한 논의

본 연구에서는 커플링 재료의 물-시멘트 배합비율, 종류, 양생 기간, 주입량이 블리딩 발생에 미치는 영향을 실험적으로 평가하였다. ASTM C940에 따른 총 주입량(800 ml) 기준에서, 적합 커플링 재료 선정을 위한 블리딩 실험 결과를 Table 4와 같이 정리하였다. 커플링 상태에 따른 블리딩 허용 기준은 최종 블리딩 발생 비율이 10% 이하인 기준(Shirlaw et al., 2014)으로 설정하여 평가하였다. 포틀랜드 시멘트의 경우, 물-시멘트 배합비율 0.5일 때 블리딩 발생 기준치 이하인 것으로 확인되었다. 마이크로 시멘트와 석고 재료의 경우, 물-시멘트 배합비율이 0.5 - 1.5 일 때 블리딩 발생 기준을 만족하였다.

Table 4. Selection of coupling materials based on the criterion

4.1 포틀랜드 시멘트

포틀랜드 시멘트의 경우 설정한 물-시멘트 배합비율이 1.0부터 2.0에서는 최종 블리딩 발생 비율이 10%를 초과하였으며, 물-시멘트 배합비율이 0.5인 경우에만 허용 기준을 만족하였다. 그러나, 물-시멘트 배합비율을 0.5로 적용한다면 배합 커플링 재료의 점성이 높고 경화가 빠르게 진행될 것으로 예상된다. 따라서, 포틀랜드 시멘트를 사용하여 커플링을 실시하기 위해서는 유동화제와 같은 첨가제를 함께 배합하여 작업성(workability)을 향상시켜야 할 것으로 판단된다.

4.2 석고

석고의 경우 블리딩 측면에서 물-시멘트 배합비율에 따른 영향 정도가 다른 재료보다 작다. 그러나, 석고는 지하수와 같은 외부 지질적 환경에 민감하여 커플링 성능을 저하시킬 수 있을 것으로 판단된다. Fig. 10은 석고를 단일 커플링 재료로 사용하여 양생 28 일 이후 100°C에서 24 시간 동안 건조 후 수침(saturation)하는 과정에서 파손된 시편 사진이다. 건조 과정에서 석고 시편에 다수의 균열(crack)이 발생하였으며, 수침 과정에서는 수 분 내에 물에 용해되는 현상(dissolution)이 발생하였다. 따라서, 석고는 지하 수위의 변동이 심한 지하구조물 및 암반 내 AE 센서 설치를 위한 커플링 재료로 적합하지 않은 것으로 판단된다.


Fig. 10. Damage of gypsum samples under dried and saturated conditions

4.3 마이크로 시멘트

마이크로 시멘트의 경우 물-시멘트 배합비율이 1.5 이하일 때, 블리딩 허용 기준을 만족하기 때문에 일반 포틀랜드 시멘트와 비교하여 넓은 범위의 물-시멘트 배합비율이 가능하다. 또한, 입자가 작기 때문에 주입량에 의한 블리딩 영향이 다른 재료에 비해 상대적으로 작다. 따라서 현장 내 시추공의 천공 조건이 불확실할 경우, 마이크로 시멘트와 같이 입자가 작은 재료를 커플링 시공에 사용한다면 주입량에 의한 블리딩의 영향을 최소화 할 수 있을 것으로 기대된다.

AE 센서 설치를 위한 시추공 주변 암반에는 미세 균열이 분포할 수 있다. 이러한 균열은 전파 되는 신호의 감쇠를 발생시켜 측정 신호의 신뢰성을 저하시킬 수 있다. 암반의 균열은 간극이 매우 좁기 때문에 일반 포틀랜드 시멘트를 사용한다면 간극을 충진할 수 없다(Fig. 11). Lee et al. (2017)은 미세 암반 균열의 그라우팅을 위해서는 입자 크기가 작은 마이크로 시멘트를 사용하는 것이 효과적인 것으로 보고하였다. 따라서 암반 주변의 미세 균열 충진을 함께 고려한 최적 커플링을 위해서는 포틀랜드 시멘트에 비하여 입자 크기가 작은 마이크로 시멘트를 커플링 재료로 사용하는 것이 신뢰성 있는 신호 획득을 위해 유리한 것으로 판단된다.

Fig. 11. An example of the AE sensor coupling in borehole

((a): unfilled in rock fracture with portland cement, (b): filled in rock fracture with micro cement)

5. 결론

지하시설물 및 터널을 사전에 모니터링 하기 위하여 최근 AE 센서가 주로 사용되고 있다. 이러한 센서를 활용하기 위해서는 지반과의 커플링을 통하여 발생 신호의 전달 능력을 유지하는 것이 중요하다. 만약 블리딩과 같은 현상이 발생하여 커플링 상태가 불완전 해진다면 AE 센서를 통한 모니터링의 신뢰성이 저하될 수 있다. 따라서, 본 연구에서는 블리딩 특성을 사전에 파악함으로써 적합한 커플링 재료 선정을 위한 기준을 정립하는데 그 목적이 있다.

본 실험 결과 커플링 재료의 물-시멘트 배합비율이 증가하는 경우 블리딩 발생 비율이 증가하는 경향을 보였다. 포틀랜드 시멘트는 물-시멘트 배합비율 증가에 따른 영향이 마이크로 시멘트와 석고에 비하여 큰 것으로 평가되었다. 또한, 마이크로 시멘트와 석고는 물-시멘트 배합비율 변화에 따른 블리딩 발생 비율이 유사한 양상을 보였으며, 물-시멘트 배합비율이 1.0 이하의 조건에서는 블리딩이 발생하지 않았다. 양생 기간에 따른 영향 분석에서는 커플링 재료 설치 후 1 시간 이내 대부분의 블리딩이 발생하였다. 또한, 커플링 재료 설치 후 3 시간 이내 블리딩이 종료되어 양생 기간은 본 연구에서 설정한 다른 변수들에 비하여 블리딩에 미치는 영향이 미미한 것으로 파악되었다. 마지막으로 주입량에 따른 영향 분석 결과, 물-시멘트 배합비율이 증가할수록 블리딩 발생에 큰 영향을 주는 것으로 확인하였다. 본 연구에서 사용된 커플링 재료를 종합적으로 분석하면, 작업성이 충분한 물-시멘트 배합비 1.0 - 1.5의 마이크로 시멘트를 커플링 재료로 사용한다면 주입량에 따른 블리딩 최소화 및 미세절리까지 충진되는 효과적인 커플링이 가능할 것으로 판단된다.

본 연구에서는 블리딩 측면에서의 최적 커플링을 위하여 한정된 재료와 배합비율만을 고려하였다. 따라서 재료 선정 기준을 정립할 때, 커플링 재료의 탄성파 속도, 감쇠 비율과 같은 동적 특성(dynamic properties)과 점성도와 같은 작업성을 함께 고려한다면 최적화된 커플링 조건을 설계할 수 있을 것으로 판단된다. 본 연구 결과를 통하여 파악된 커플링 재료의 블리딩 특성은 향후 현장에서 적합 커플링 재료 선정 시 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

Acknowledgements

이 논문은 2016년 정부(미래창조과학부)의 재원으로 국가과학기술연구회 융합연구단 사업(No. CRC-16-02- KICT, NP2016-055)의 지원을 받아 수행된 연구입니다. 지원에 감사드립니다.

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Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association ISSN:2233-8292(Print) 2287-4747(Online) 한국터널지하공간학회 논문집

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Bleeding characteristics of coupling materials for installation of acoustic emission (AE) sensor

ABSTRACT

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