건축시공기술사 안정액

[건축시공기술사 김우식]

건축시공기술사 안정액

자연상태의 지반을 수직으로 굴착하게 되면 초암 및 수압의 균형이 깨져 굴착벽면에 붕괴의 위험이생기게 되는데 이러한 공벽의 붕괴방지 및 안정을 도모하기 위해 배발된 것이 안정액이다.
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출처 : 김우식 건축시공기술사 공부방<네이버카페>

Ⅰ.개요

안정액을 이용한 지반의 굴탁방법은 현장타설 말뚝이외에도 지하연속벽 공법이나,안정액 Shield 공법등이 있다.이러한 안정액굴착공법은 타 공법에 비해 소음,진동 및 지반침하가 적게 유발되고,기존 구조물에의 영향이 적어 근접공사가 가능하며 따라서 여러 가지 규제가 엄격한 도심에서의 시공이 용이하다는 잇점 때문에 최근 과밀화한 도시 재개발시의 기초공사 등에 선진각국에서는 이미 널리 채용되고 있으며,최근 국내에서도 관심이 고조되고 있으므로 많은 시공이 이루어질 것으로 예상된다.
이러한 안정액굴착공법의 특징은 사용하는 안정액의 기능에 따라 좌우된다.그러므로 우수한 말뚝을 시공하기 위해서는 안정액의 제기능의 충분한 이해를 바탕으로한 각 공법의 안정액 사용목적 및 방법에 적합한 안정액 기술을 필요로 한다.또한 우수한 말뚝의 시공뿐만 아니라 시공시 발생하는 굴착토사와 폐기泥水의 처리기술 역시 소홀히 해서는 안된다.
국내에서는 아직폐기泥水의 처리문제가 심각히 대두된 적은 없으나 안정액공법의 채택이 빈번해짐에 따라 점차 문제화할 것으로 예상된다.이 폐기泥水의 처리 소홀히 할 경우 새로운 2차 공해를 야기하여 환경보전의 측면에서 안정액 굴탁공법의 존립자체가 혼들릴 우려가 있으므로 철저한 고려가 필요하다.

Ⅱ.안정액과 미수

자연상태의 지반을 수직으로 굴착하게 되면 토압 및 수압의 균형이 깨져 굴착벽면에 붕괴의 위험이 생기게 되는데 이러한 공벽의 붕괴방지 및 안정을 도모하기위해 개발된 것이 "안정액"이다.여기서 안정액을 크게 두가지로 구분할 수 있는데 첫째는 , Earth Drill공법이나 지하연속벽 공법등에서와 같이 Bentonite등의 재료를 에 분산시켜 특별히 제작한 안정액이 있고,둘째는,Reverse Circulation Drill(RCD)공법에서와 같이 초기에는 텅수에 의해 굴착하나,굴탁진행에 따라 지반중의 세립분이 청수에 혼입되어 생성되는 안정액이 그것이다.
이들중 특히 전자는 "안정액",후자를 "泥水"라 하분하여 칭하며, 후자역시 공벽안정의 기능을 가지므로 총칭하여 안정액이라 부르기도 한다.
또한 전자의 안정액도 그 사용 주재료가 무엇이냐에 따라 벤토나이특계 안정액과 폴리머계 안정액등이 있다.

Ⅲ.안정액의 기능

이러한 안정액의 주요기능으로는 다음의 3가지를 들수 있다.



1.굴착공벽 붕괴방지 및 조벽성



굴착공벽에 Mud Cake이라는 불투수성의 막을 형성하고 이막에 대해 안정압이 작용,토압과 수압을 支持하며,굴착면에서 일정한 두께까지 안정액이 침투,침적층을 형성하여 공벽붕괴를 방지한다.이러한 작용은 다음의 <그림1>과 같이 청수와 안정액을 사용하여 비교시험함으로써 확인할 수 있다. 즉, 청수의 경우 중간 분리판을 빼면 쉽게 붕괴하나,예를 들어 Bentonit를 8~10%섞은 안정액을 사용했을경우는 쉽게 붕괴하지 않게 된다.<그림2>는 굴착면에 Mud Cake(Filter Cake)이 형성된 형태를 나타낸 것이다.

<그림1>안정액의 붕괴를 방지하는 작용시험
<그림2>굴착벽면의 模式圖



2.굴탁초사의 슬라임 방지기능



안정액중에 굴착토사를 혼입,浮流시켜 침전을 막아 Slime생성을 얼제함으로써 굴착완료후 철근케이지의 삽입을 용이하게 하고 콘크리트의 품질저하를 방지한다.



3.굴착토사의 운반기능



어스드릴 공법과 드릴링 버켙으로 굴착ㆍ배토하는 안정액 비순환 굴착방식에서는 해당이 없으나 리버스서쿨레이션(RCD)공법등과 같은 안정액 순환 굴착방식에서는 안정액에 굴착토사를 혼합하여 지상으로 운반 배출하는 기능을 갖는다.
이상에 서술한 안정액의 기능 중에서 1.의Mud Cake(泥膜)의 형성은 안정액압이 작용해서 수초~수분내에 환료되며 그 두께는 안정액의 성분에 따라 다르지만 2~20㎜정도이고 투수계수는 10^-7 ~10^-8 ㎝/sec정도이다.또,2.3.의 기능은 안정액의 유동특에 지배는 받는 것으로<그림3>과 같이 슬라임의 침강속도는 안정액의 精度 항복치(Yield Value)에 의해 크게 변화한다.Smlime의 발생방지에는 전술한 바와같이 Slim을 안정액중에 浮流시켜 침강을 막는 방법과,되도록 신속히 침강시켜 제거하는 방법이 있다.이 두가지 방법에 있어서의 안정액 유동특성에 대한 관리법은 완전히 반대가 된다.즉 전자는 고점성이 필요하고 후자는저점성을 유지해야 한다.최근에는 저점성의 안정액에 의한 시공방법이 슬라임 문제뿐 아니라 말뚝의 주면 마찰력에 미치는 감소영향이 적고,말뚝에 대한 신뢰성도 좋다고 판단되고 있다.



<그림3>안정액의 점도와 슬라임의 침하속도와의 관계

Ⅳ.굴착방법에 따른 안정액의 조건

안정액 굴착방법은 시공중 안정액의 흐름에 따라 다음과 같이 구분되며 요구되는 안정애그이 성질도 다르게 된다.



1.안정액 비순환 굴착방식<그림4>

어스드릴 공법은 지반을 회전 바켙으로 굴착 배출하는 안정액 비순환 굴착방식으로 바켙 이 좁은 孔內를 오르내릴 때 안정액에 湍流가 발생되어 공벽이 붕괴되기 쉽다.따라서 조벽성이 큰 벤토나이트 안정액을 써서붕괴를 방지한다.
이 방식은 안정액과 굴착토사의 혼합 정도가 적기 때문에 지상에서 굴착토사의 처리가 간편하다.굴착완료후 철근케이지 삽입,슬라임제거,콘크리트 타설을 하게 되는데 콘크리트를 타설하면서 안정액을 회수할 때 콘크리트와의 접촉면면에서 안정액에 시멘트가 혼입되어 기능이 저하된 폐기 안정액이 발생하게 된다.



2.안정액 순환 굴착방식



안정액 순환 굴착방식에는 정순환과 역순환의 2가지방식이 있다.RCD공법에서는 <그림4 (b)>와 같이 안정액이 위에서 아래로 느리게 유동하므로 공벽의 붕괴 성향이 적어 조벽성이 벤토나이트 안정액보다 적은 니수에 의해서도 충분한 굴착을 수행할 수 있다.
Bentonite 안정액을 사용하면 안정액에 혼합된 모래나 점성토의 침강이 느려서 비중이 커지고 오히려 굴착능률이 저하될 우려가 있다.즉, 공벽안정이 유지되는 한도내에서 되도록 비중을 작게 함으로써 니수에 포함되어 배출된 굴착토사의 침강으루 촉진하여 순환효율을 크게 할 수 있다.
한편,B.H.(Bore Hole) 공법과 갗은 정순환 공법에서는 <그림4(c)>굴착토사를 안정액에 혼합 부유시켜 정순환으로 배출하기 위하여 큰 점성을 갖는 벤토나이트 안정액을 쓸 필요가 있다.점성이 적을 경우는 굴착토사를 밀어올리기 힘들고 침전물의 양도 증가할 우려가 있다.
이들중 역시 많이 적용되는 것은 RCD 공법이나,어느 경우든지반을 굴착기로 깎아 굴탁초를 안정액중에浮游시켜 안정액중의 토사를 분리하는 처리가 중요한 공정으로 남게 된다.따라서 굴착토중의 세립분이 안정액속에 섞여 안정액의 비중이 커지고 기능이 저하된 폐기 안정액의 발생정도가 안정액 비순환 굴착방식에 비해 크다.



<그림4> 공법별 안정액의 흐름

Ⅴ.안정액의 성질

1.安定液의 流體的 性質



일반적으로 유페의 평면다면을 생각할 때 다음 <그림5 (a)>와 같이 ad선상을 유체의 하부 고정 경계로하고 cd선을 따라 접선력을 가하면 이 층의 유체가 같은 방향으로 이동하여 c점의 유체가 d점까지 움직이게된다. 이때 마찰력에 의해 그다음 충돌의 유체역시 연쇄적으로 바로 전 충보다는 느린속도로 유동하게 되어 결국 ce면의 유체가 de면의 위치로,어느 단위 시간에 움직이게 된다.



<그림5>층류에서의 전단력과 유체의 흐름

이리하여 속도 구배가 생기게 되는데 이것을

라 한다.

따라서 그림과 같은 유체의 유동 상태에서, r(전단응력)는 D(Rate of Shear)와 함수관계가 있다.


이관계는 Newton 유체의 경우, 간단히 다음 식으로 나타난다.

r==ηD ㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍ(1)

이때 η를 점성계수(Coefficient of Viscosity) 혹은 점성(Viscosity)라 한다.만일 <그림5 (b)>와 같이 유체의 고정경계면으로부터 거리x만큼 떨어져 있고 면적이 A인 유체요소에 전단력 F를 가했을 때 이 유체요소가 속도 V를 가지고 이동하였다면 이 유체의 점성은 다음과 같이 나타낼 수 있다.



점성의 단위는 g㎝/sec,dyne-sec/㎤ 혹은 P(Poise)이다. 물의 점성은 0.01P 즉,1cP(Centi Poise)이다.유체의 대표적인 흐름 형태를 D-1의 관계로 나타내면 다음<그림6>과같다.


그림에서 ①은 Newton유체이고, ②는 1가 A값에 이르기 전에는 유동이 일어나지 않고 그 이상에서는 비례적으로 D(Rate of shear)가 증가하게 되는데 이런 흐름을 Ideal Plastic Flow라 부른다.곡선 ③은 안정액의 흐름에서 일반적인 형태로 빙햄 플래스틱 흐름(Bingham Plastic Flow)이라 한다.



2.Bingham Plastic 유체가 갖는 특징



(1)Gel Strength Yield Point

<그림7>은 Bingnam Plastic 유체의 유동특성을 나타내는 곡선으로 여기서 r_s 가 이 유체의 Gel Strength로 유동을 일으키는 최소의 전단응력을 나타낸다.


직선부를 연장해서 횡축과 만나는 점(r₀)을 Bingham Yield Stress,혹은 그냥 Yield Point라 한다. 이 r_s 가 r₀와 일치할 때 그 유체는 Ideal Plastic Flow이며 대부분의 경우 r₀>r_s이다.

<그림6> 유체의 D-r 관계도
<그림7> Bingham Plastic 유체의 유동특성



(2)겉보기 점성 (Apparent Viscosity),플래스틱 점성(Plastic Viscosity)

<그림7>에서 직선부분은 다음 식으로 나타낼 수 있다.

r = r₀ + η_pDㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍ(3)

여기서 η_p는 플래스틱 점성(Plastic Viscosity)이다.


겉보기 점성,η_a는 그림에서



이에 대해 플래스틱 점성, η_p는


이다.


(3)틱소트로피(Thixotropy)

정지상태의 안정액은 콜로이드 입자간의 약한 결합력에 의해 Gel화 한다.Gel상의 안정액을 휘저으면 입자간의 결합은 무너지고 다시 원래의 유동상태(Sol)로 돌아간다.


이러한 성질을 가진 유체를 Thixotropy성 유체라한다.즉.Thixotropy란 유체계가 응력을 받거나 방치했을 때의 Sol-Gel 가역변환을 의미한다.


벤토나이트 용액이 높은 농도의 염분에 오염되면 점성과 Yield Value가 크게 증가하여 Gel화 하며 이때는 Thixotropy의 성질을 상실하게 된다.

Ⅵ.안정액의 시험

굴착에 이용되는 안정액의 성질은 방법에 따라 시행되는 시험에 의해 정량적으로 판단할 수 있으며 이런 측정값을 기준으로 안정액의 배합 및 품질을 관리하게 된다.굴착안정액의 시험규정은 API RP13B(1982)와 일본 안정액 굴착공법연구회의 안정액시험법등이 있다.



1.시료채취방법

(1)채취장소

① 안정액 제조시는 Mixer의 상부에서 채취
② 저장조내의 안정액은 전체를 교반한 후 상부에서 채취
③ 굴착중에는 굴축공내 안정액을 대표할 수 있는 위치에서 채취
④ 기타 필요로 하는 장소에서 채취한다.

(2)채취시기

① 굴착개시전1시간 이내
② 굴착중에는 1일1회이상
③ 굴착종료후
④ 콘크리트 타설후
⑤ 기타,시험을 필요로 하는 시기

(3)채취량 채취시료의 양은 대개 1~2ℓ로 한다.

2.시험방법

(1)비중시험

가. Mud Balance에 의한 측정

Mud Balance는 <그림8>과 같이 지지대 위에 한쪽끝은 안정액을 담는 컵이,다른쪽 끝은 고정추가 달린 눈금이 매겨진 막대가 있고 이 막대위를 자유로이 움직일수 있는 유동추로 되어 있다.이 수평대막대 위에는 수평을 확인할 수 있는 기포관이 있다.

①측정순서

ㄱ. 지지대를 수평인 바닥에 설치한다.
ㄴ. 시험할 시료를 컵에 채운다.
ㄷ. 컵의 뚜껑을 돌려서 확실히 닫는다.이때 뚜껑의 구멍으로 약간의 시료가 밀려 나오도록 하여 시료 속의 공기나 Gas가 완전히 배출되었음을 확인한다.
ㄹ. 컵 외부에 묻은 시료를 깨끗이 닦는다.
ㅁ. 지지대 위에 컵달린 눈금 막대를 올려놓고 유동추를 움직여 수평을 이루도록 한다.이때 수평여부를 기포관으로 확인한다.
ㅂ. 0.01g/㎤단위까지 눈금을 읽어 비중을 기록한다.
ㅅ. 단위 환산은 다음과 같이 한다.



<그림8>Mud Balance for Measuring Density

② 측정상 주의사항

ㄱ. 수시로 청수에 의한 Balance의 조정이 필요하다.순수한 물은 21°C에서 1g/㎤이며.이것이 맞지 않으면 조절나사로 조정한다.
ㄴ. 컵의 용량이 변하지 않도록 조심해서 다룬다.
ㄷ. 컵,뚜껑등 사용후 맑은 물로 닦아 건조시켜 놓는다.
ㄹ. 우동추 선단의 마모는 측정의 정확성을 잃게 하므로 수시로 교체 여부를 검사할 필요가 있다. 나.중량법에 의한 측정

Mud Balance가 고장났을 경우는 시료의 중량과 용적을 측정하여 다음과 같이 계산할 수 있다.





여기서,

Gw = 비중
W0 = 용기의 무게(g)
W1 = 용기+청수의 무게(g)
W2 =용기+시료의 무게(g)

이때 용기에 담는 청수와 시료의 용적은 반드시 같게 해야 한다.

(2)점성시험

가. 깔때기형 점도계(Marrsh Funnel Viscometer)

기구 및 규격은 다음 <그림9>와 같다.1500cc 용량의 깔때기형 점도계<그림9 (a)>에서 946cc(1U.S.Quart)가 빠져 나가는데 걸리는 시간을 측정한다.청수의 경우 21。±3。에서 26±0.5sec이다.일본에서는 500cc용량의 깔때기를 통해 500cc가 빠져 나갈 때 걸리는 시간으로 측정한다. 이들을 각각 초(946/1500cc)또는 초(500/500cc)로 표시한다.
이 방법에 의한 측정치가 다른 방법으로 구한 값과 직접적인 연관관계는 없지만 현장에서 간단한 방법에 의해 구할수 있어 일상 측정에서 유용하게 쓰인다.플래스틱 점성(Plastic Viscosity)과의 개략적인 관계도<그림10>에 의해 cP(Centi-Poise)단위로 환산이 가능하다.

<그림9> 깔때기형 점도계
<그림10> Correlation of Plastic Viscosity and Fummel Viscosity



①측정순서

ㄱ. 1500cc의 시료를 준비한다.깔때기의 유출공을 막히게 할 우려가 있는 고형입자를 제거하기 위해 미리 0.25㎜의 스크린을 통과시켜 마련한다.
ㄴ. 깔때기를 스탠드에 올려놓고 유출공을 손가락으로 막는 다음 시료를 깔때기내의 스크린 바닥에 올 때까지 채운다.
ㄷ. 손가락을 땜과 동시에 스톱워치로 시간을 측정한다.
ㄹ. 컵에 946cc가 담길 때까지의 시간(초)과 이때 시료의 온도(。C)를 측정 기록한다.
ㅁ. 500cc용기 사용시는 500cc전량유출시간을 측정한다.

②측정시 주의사항

ㄱ. 측정용기를 사용하지 않을 때는 천으로 싸 전체를 보호한다.
ㄴ. 측정전에 반드시 내부,특히 유출공의 청소상태를 확인하여 시료가 그냥 담겨 있는 일이 없도록 주의한다.

나.회전식 점도계

<그림11>은 안정액 점도시험에 많이 쓰이는 회전식 점도계의 일종인 Fan V-G Meter를 나타낸다. 이 기구로는 겉보기 점성(Apparent Viscosit),젤강도(Gel Strenght) 등 안정액의 점성에 관한 여러 가지 측정이 가능하다.

①V-G Meter의 구조 및 측정원리

<그림11>과 같이 안정액을 일정 높이까지 담아 측정할 수 있는 컵이 있고 그안에 내,외 2개의 실린더가 있다.외측의 실린더는 회전Sleeve로서 모터의 회전력에 의해 돌며,안정액이 그 회전력을 받아 내측실린더에 전달하여 내측관에 토크가 생긴다.이 내측실린더의 회전속도는 600, 300, 100, 6, 3rpm의 6가지로 조정이 가능하다.



<그림11> Fann V-G meter



②플래스틱 점성,겉보기 점성 및 항복점의 측정

ㄱ. 용기에 시료를 담고 회전 Sleeve를 표시된 깊이까지 시료에 잠기도록 한다.
ㄴ. 이때 현장에서 시료채취후 시험까지의 지연시간이 최소가 되도록 하면 가능하면 5분이내에 시험을 실시하도록 한다. 온도 역시 현장 상황과의 차이가 6。이내이어야 한다.
ㄷ. 회전 Sleeve(외측 실린더)를 600rpm으로 회전시키고 눈금이 일정상태가 될 때 값을 읽는다. ㄹ. 마찬가지로 300rpm에서의 값을 읽는다.
ㅁ. 플래스틱 점성(PV)
AV=600rpm의 읽음-(단위 cP)
ㅂ. 겉보기 점성(AV)
AV=600rpm의 읽음/2 [단위 cP]
ㅅ. 항복점(YP)
YP=300rpm의 읽음-PV [단위 1b/100ft²]



③겔 강도(Gel Strength))측정

ㄱ. ②와 같이 시료를 장치한 후 최대속도로 10초간 회전시킨후 회전을 정지시키고 10초간 기다린 다음 다시 3rpm으로 회전시켜 읽을 수 있는 눈금의 최대값이 초기 Gel Strength이다.
ㄴ. 같은 방법으로 회전시키고 10분간 정지후 다시 3rpm으로 회전시켜 읽을 수 있는 눈금의 최대값이 10분 Strength이다.
ㄷ. Gel Strength의 단위는 일반적으로 측정값이 1b/100ft²]으로 주어진다(1 1b/100ft²=0.48Pa)

④측정시 주의사항

ㄱ. 내측 실린더에 힘을 가해 축이 변형되지 않도록 설치시 주의한다.
ㄴ. 점성 측정이므로 반드시 안정액 온도를 측정한다.
ㄷ. 내ㆍ외 실린더의 간극이 매우 작으므로 안정액은 60~80 Mesh의 체로 쳐서 준비한다.



(3)여과시험

여과시험은 안정액의 침투손실과 Mud Cake을 구성하는 물질의 투수성을 추정함으로써 안정액의 중요한 성질의 하나인 造壁性을 확인하는 시험이다. 즉, 조벽성이 좋은 안정액이란 여과시험 결과 얇고 강한 Mud Cake이 형성되고 여과수량이 적은 것을 말한다.그러나 이러한 시험에 나타난 결과만으로 현장에서의 지반-안정액의 상호작용을 해석하기는 어려운가 경우가 많으므로 주의를 해야한다.


표준 여과시험은 <그림12>와 같은 기구에 의해 실시되는데 내경 76.2㎜,높이 63.5㎜의 실린더 셀안에 안정액을 넣고 밀폐한 후 3㎏/㎠의 압력을 가해 여과시킨다.이때 압력을 가하는 방법에 따라 여러 가지 기구가 사용되고 있다.

가. 측정순서

① 시험기의 각 부분을 건조된 상태로 준비한다.
② 안정액이 담길 실린더 부분을 <그림7>과 같은 순서로 결합한다.
③ 실린더에 안정액을 채우고(상단에서 약 1/4"까지)뚜껑을 닫은 후 Frame에 설치하고 고정핸들로 조인다.
④ 여과수를 받을 메스실린더를 드레인 튜브밑에 설치한다.
⑤ 밸브를 통해 3㎏/㎠의 압력을 가한다.
⑥ 압력을 가한 시각부터 시간을 재어 10분후의 여과 수량을 잰다.
⑦ 여과수량 측정후 실린더부를 제거하여 남은 안정액을 버리고 여과지에 형성된 Mud Cake을 맑은 물로 조심스럽게 세척한 후 그 두께를 측정한다.

<그림13> 여과시험기구조 개념도
<그림14> 실린더부 결합순서



나.측정시 주의사항

① 측정중 압력(3㎏/㎠)이 일정하게 유지되도록 압력계를 보면서 조정한다.
② 여과지가 2장겹치지 않도록 주의한다.
③ 여과지는 Whatman No.50, S&S No.576(미API) 동양濾紙 No.4(일) 혹은 이와 동등한 것으로 사용하되 1매1회 사용에 한하다.
④ Mud Cake의 두께는 Vernier Caliper등으로 재는 것이 편리하다.
⑤ 가능하면 30분간 시험하는 것이 바람직하나 결과를 빨리 알고져 할 때는 7분30초간 시험한 후 여과수량은 2배,Cake 두께는 1~1.2배로 하여 사용한다.



(4)砂分함유시험

안정액중의 사분 함유율을 측정하는 방법으로는 유리제의 샌드콘텐트 튜브를 사용하는 방법과,메스실런더를 사용하는 방법이 있다.

가.샌드콘텐트 튜브에 의한 측정기구는 <그림15>와 같이 직경 63.5㎜(2(1/2)")의 200-Mesh체와 이에 맞는 깔때기 그리고 유리로된 측정튜브로 구성되어 있다.


측정순서는 다음과 같다.

① 측정튜브에 시료를 75cc눈금까지 채운다.
② 청수를 250cc눈금까지 넣어 튜브입구를 막고 흔들어 섞는다.
③ 이 액체를 200-Mesh체에 쏟아 넣는다.
④ 튜브 내부가 깨끗해질 때까지 행구어 체에 쏟는다.
⑤ 체에 담긴 석분내의 Mud입자가 완전히 제거될 때까지 체에 물을 부으면서 붓끝으로 시료를 움직여 준다.
⑥ 세척수가 완전히 맑아지면 체위에깔때기를 거꾸로끼워 서서히 뒤집어서 깔때기 입구를 그림과 같이 측정튜브에 넣는다.
⑦ 체에 남아있는 사분을 스프레이 등으로 세척하여 측정튜브에 넣는다.
⑧ 사분이 완전히 침전된 후 <그림15>의 튜브 왼쪽눈금을 직접 읽음으로써 사분의 체적(%)을 구한다.

나.메스 실린더에 의한 측정

샌드콘텐트 튜브가 없는 경우는 용적을 잴수 있는 메스 실린더 등을 사용하여 사분함유율을 측정한다.측정순서는 다음과같다.

① 시료를 100cc정도 정량하여 500cc이상의 용적을 가진 메스 실린더에 담는다.
② 가능한 한 많은 청수로 회석하여 모래를 침전시켜고 상부의 물을 버린다.
③ 점토분이 완전히 제거될 때까지 전항을 반복한다.
④ 남은 모래의 용적(cc)을 최초의 시료 金 용적(cc)으로 나누어 사분함유율을 구한다.

<그림15> Sand-Content Set

(5)pH시험

안정액의 pH는콘크리트 타설시 시멘트의 혼입량과 대응하면 그 측정법이 간단하므로 안정액의 폐기 여부를 결정할 수 있는 간이 지표로서 관리시험에 많이 사용되고 있다.pH란 액중 수고이온 농도의 역수에 상용log를 취한,pH=-log[H^÷]로 나타낸다.
순수한 물의 pH는 7이며,이보다 낮은 경우를 "산"높은 경우를 "염기"혹은 "알칼리"라 한다.
안정액의 pH측정은pH시험지에 의한 방법과 전기식pH측정기에 의한 방법이 있다. 시험지에 의한 측정방법은 간단히 여과수에 담그기만 하면 되나 염분농도가 높을 때는 특히 신회성이 없다.
또한전기식의 경우는 Na⁺ 이온 농도가 높은 현탁액에서는 특수 전극을 사용해야 하며 온도에 따른 보정도 필요하다.
일반적인 안정액은 pH7~10의 범위에 들며 콤크리트 타설에 의해 높아지게 되나 12이상이어서는 안된다. 현장에서는 특히 엄밀한 시험이 필요한 경우뢰에는 대개pH시험지에 의한 방법이 사용되고 있다.

ㆍ pH측정기는 사용전에 반드시 전극을 맑은 물로 닦고 건조시켜둔다.
ㆍ 검토를 위한 표준액을 넣는 용기는 사용직후 곧 純水로 세척하고 다음회 사요시는 건조한 상태로 쓰도록 한다.
ㆍ 사용하는 청수의 pH도 반드시 측정해 둔다.
ㆍ 시험지 사용시,안정액에 직접 담그면 안정액에 의해 착색되므로 반드시 여과액을 사용하도록 한다.
ㆍ 시험지는 고온이나 습기는 금물이므로 보관에 주의해야 한다.

(6)기타의 안정액 시험

이상에 서술한 시험외에 현장상황에 따라 안정액 관리에 필요한 시험들이 있으며 그중 다음 몇가지를 간단히 소개한다.

가.물 분리성 시험

안정액의 물리적 안정성을 검토하는 시험으로 10시간 이상 방치하여 상부에 생긴 분리수층의 높이가 전체 안정액 높이의 5%미만이라야 한다.





나.상ㆍ하 비중차 시험

안정액을 채취하여 1시간이상 방치한 후 액체의 상단 및 하단에서 1/3높이에 있는 액을 채취하여 양자의 비중차가 없어야 한다.

다.현탁분산성 시험

안정액의 화학적 안정성을 알아보는 시험으로 현탁분산상태의 안정액이 응집에 이르기까지 Ca⁺⁺이온에 대해 어느정도 안정한가를 조사한다.25cc의 안정액에 염화칼슘(CaCl₂)을 투여하여 응집현상이 일어나고 상부의 물이 분리될 때의 CaCl₂양으로 검사한다.

라.염분함유량 시험

안정액중의 염분은 안정액 기능저하의 원인이 된다.염분의 침해가 예상되는 현장에서는 사전에 염분농도를 측정하여 안정액의 배합시 분산제 사용을 고려 해야한다. 염분농도의 측정은 초산은 용액을 이용한 정량법을 사용한다.

Ⅶ. 안정액의 배합과 관리


1. 안정액의 재료 및 특징

(1) 물

안정액의 가장 주된 성분을 차지하는 것이 물이므로 물의 질은 안정액의 성질에 결정적인 영향을 미친다. 즉 물속에 포함되어 있는 불순물이나 pHE등에 의해 안정액의 성질이 현저하게 변화하므로 상수도 물을 사용하는 것이 가장 좋으며 지하수, 하천수, 호수 혹은 해수 사용시는 사전 시험을 거쳐 포함 성분에 따라, 안정액의 재료 선택 및 특수한 첨가제의 사용등을 검토해야 한다.
보통 적당한 사용수의 조건은 Ca⁺⁺ 이온농도 100ppm이하, Na⁺ 이온농도 500ppm이하, pH는 중성이며 硬水는 피해야 한다.
또한 혼합재료로서의 사용수는 조건을 만족한다 하더라도 굴착과 더불어 침투하는 지하수의 영향도 고려해야 한다. 특히 해안 가까이 이거나 또는 해양구조물 기초 설치를 위한 굴착시는 염분 영향에 대한 내염성 점토 등의 특수한 배합을 고려해야 한다.
염분수는 벤토나이트 용액에 대해 약한 응집제의 역할을 하여 초기에 겉보기 점성과 항복응력(YIELD STRESS)을 크게 하며 계속된 염분 투여시는 GEL화 현상과 여과수가 커지게 되고 용액의 탁소트로피(THIXOTROPGY)현상이 사라지게 된다.
또한 염분수는 청수에서 큰 팽창성을 지니는 벤토나이트의 팽창성을 제한한다. 벤토나이트는 높은 염분농도에서나 특히, 염화칼슘 혹은 높은 원자가의 양이온 용액에서는 전혀 팽창성을 보이지 않게 된다. <그림16>은 5% 벤토나이트 현탁액을 청수와 염수로 희석 할 때의 겉보기 점성(AV)과 여과수량(脫水量)의 변화를 비교하여 나타낸 것이다.


(2) 벤토나이트

안정액을 구성하는 콜로이드 성분의 주재로서 다량의 MONTMORILLONITE를 함유하고 있는 점토 광물이다. 물을 첨가했을 때 현저히 팽창하는 성질을 가지며 팽창한 콜로이드 입자는 상호 전기적 척력(斥力)에 의해 현탁분산 상태를 유지한다.
벤토나이트의 성분은 산지에 따라 다르나 보통 SiO2$$가 62∼75%, Al2O3$$가 14∼20%, 그밖에
Fe2O3, MgO, Na2O, CaO 등이 함유되어 있다. 벤토나이트의 팽창정도는 1g의 벤토나이트가 흡수할 수 있는 물의 양(cc)으로 비교하는데 이를 팽창도라 한다.


<그림16> Dilution of a 5% Fulbent Suspension : (a) Changes in Apparent Viscosity : (b) Changes n Fluid Loss. (From Fuchsberger, 1974)

<표1> Slurry Properties for Various Bentonite Brands at 6% Concentration


Source of Bentonite Clay	Plastic Viscosity (cP)	Gel Strength (1b/100ft2)
		Initial	10-min
Wyoming Polymer Treated England Cyprus London Tap Water	16 23 12 3 1	0 113 32 1 0	0.5 >200 87 1 0

<표2> Slurry Properties for Various Bentonite Concentrations (Japanese Bentonite)

Concentration (%)	Density (g/㎠)	Viscosity.(cP)		Yield Strength (1b/100ft2)	Gel strength (1b/100ft2)
		Plastic	Apparent		Initial	10-min
10 12 14 16 18	1.055 1.065 1.075 1.085 1.095	21 32 51 63 *	28 53 94 134 *	15 40 81 106 *	1.2 3.5 14 28 68	1.2 4.5 18 35 81

*Could not be measured.


<그림17> Rheological Characteristics of Bentonite Suspensions :
(a) Thixotropic Gelation : (b) Buildup of Marsh Cone Viscosity.



보통 나트륨 벤토나이트는 8∼12, 칼슘 벤토나이트는 3∼5 정도의 팽창도를 가진다. 일반적으로 사용하는 것은 나트륨 벤토나이트 이다.
벤토나이트의 주요 산지로는 미국, 알제리, 모로코, 이탈리아, 유고슬라비아, 아르헨티나, 남아프리카공화국, 영국, 프랑스, 키프러스, 인도, 일본, 뉴질랜드 등이며 연암의 상태로 채굴, 건조, 분쇄하여 회백색의 분말로 생산된다. 벤토나이트는 산지에 따라 그 성질이 다르다.

<표1>은 산지에 따른 벤토나이트 현탁액의 성질을 나타낸다. 이런 벤토나이트의 선정은 낮은 농도에서 적절한 특성을 나타내는 것이 좋으나, 포함 성분에 의한 조건뿐 아니라 求得의 용이 여부와 가격 등을 고려햐야 한다.
전술한 바와 같이 Montmorillonite는 높은 계면 활성도와 팽창성을 나타내는 광물로서 벤토나이트의 주성분을 이룬다.
<표2>는 일본에서 산출되는 벤토나이트의 농도에 따른 평균적인 제특성을 나타낸 표이다. 일본산 벤토나이트는 비중이 2.2이며 6%농도 현탁액의 비중은 1.035이고 농도 1%변화에 따라 0.005씩 비중이 변화한다. <그림17>은 벤토나이트 농도별의 시간에 따른 전단 강도와 점성변화를 나타낸 것이다.
벤토나이트 현탁액은 응집제나 解離劑에 의해 유동특성이 변화하는데 다음의 <그림8>에 보인 바와 같이 플래스틱 점성에는 변화가 거의 없으나 항복응력(Yield Stress)은 상당한 영향을 나타냄을 알 수 있다.

<그림18> Effect of Peptization and Flocculation on the Flow Curve of Clay Suspensions.
<그림19> CMC 미수의 깔때기 점도 및 여과수량



(3) CMC (Solution Carboxy-Methyl Celulose)

CMC는 긴 사슬 구조의 고분자 화합물(Polymer)로서 농도에 따라 점성 범위가 넓고 유동 특성은 빙햄프래스틱(Bingham plastic)유체와 같이 거동한다. 벤토나이트액에 첨가되면 점성을 크게 하고 조벽성을 높이며 여과수량도 급격히 감소한다. <그림19>는 8%, 6%, 4%, 0%의 벤토나이트 용액에 CMC를 첨가할 때의 깔때기 점도와 여과수량의 변화를 나타낸다. CMC 안정액은 시멘트나 염분에 대해서도 안정성이 크다. 이는 폴리머의 보호 콜로이드 작용에 의해 벤토나이트 등의 미세한 토립자에 親水性의 폴리머 콜로이트 입자가 흡착되어 둘러싸는 작용을 하기 때문이다. 이것이 CMC나 기타 폴리머계 안정액이 염수 특히 해양에서의 굴착에 많이 쓰이는 이유이다.

(4) 기타 폴리머계 점성제

건설공사에서 니수를 사용한 굴착공사시 시멘트 성분이 니수중에 혼입되는 것을 피할 수가 없다. 따라서 시멘트 성분이 혼입되어도 기능이 저하되지 않고 본래의 기능을 유지하는 재료가 필요하다. 이런 의미에서 벤토나이트를 대신하는 안정액으로서 전분(Starch)을 사용한 예도 있으며, 물에 용해되어 점성을 나타낸다는 점에서 친수성 고분자화합물(Polymer)의 사용이 고려되어 왔다.

<표3> 점성제로 사용되는 폴리머


식물성 점성제	전분, 젝스트린, 알긴소다, 한천, 고무
동물성 점성제	젤라틴
합 성 점성제	· 셀루로우스 유도체(CMC, 메틸 셀룰로우즈, 하이드로겐에틸 셀룰로우즈) · 전분유도체(CM화 전분, 전분 하이드로겐 에틸에텔) · 기타(알긴산 프로필렌 그리콜에스텔, 폴리비닐알콜, 폴리아크릴산 소다, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리 아크릴 아마이드 등)


(5) FCL(Sodium Ferrochrome Lignosulphonate)

<표4> 원료성분에 따른 안정액의 특성


종 별	벤토나이드系	폴리머系
재 질	무 기 물	유 기 물
기 능	지반중에 침투 침적층 및 굴착벽면에 불투수성 泥幕을 형성해 공벽을 보호한다.	굴착벽면에 유성망의 중첩된 층을 생성하여 벽면을 보호한다.
Sol-Gel 변성	有	無
혼 합 수 질	함유염분에 의해 입자의 팽창이 저해되며 입자는 물과 분리 침각하고 기능을 상실한다.	영향이 적다.
지 하 수 질	굴착시 함유염분의 混入에 의해 응집 침전하다.	영향이 적다.
혼 입 토 사	굴착시 혼입되는 토사의 분리가 어렵다.	굴착시 혼입하는 토사는 벤토나이트계에 비해 분리가 쉽다.
슬 라 임	슬라임의 침강속도가 느리고, 정지시간의 경과에따라 Gel화 하여 침강이 중지된다.	침강속도가 벤토나이트계에 비해 빠르며, 침강은 전량 침강이 될 때까지 계속된다.
첨 가 제	증점제 : 塑性層 분산제 : 응집방지	변질방지제 : 변질, 분해방지 벤토나이트 : 지반중에 미세입자가 없는 경우 조벽성 향상을 위해 사용
시멘트의 영향	응집, 침전한다.	영향이 적다.

<그림20> Control of Cement Contamination with FCL.



FCL은 적색 분말 형태의 분산제의 일종으로, 안정액이 염분 혹은 시멘트에 의해 기능이 저하되는 것을 방지하는 효과가 크다. Ca⁺⁺ 이온이나 기타 이온에 의해 생기는 GEL화를 조절할 수 있다. 다음의 <그림20>는 시멘트의 혼입에 의해 점성이 증가하는 벤토나이트 용액에 대한 FCL의 효과를 나타낸 것이다. 여기서 곡선 a는 FCL을 섞지 않은 경우이고 b1, b2, b3는 각각 FCL의 농도를 0.1, 0.2, 0.3%로 섞었을 때를 나타낸다.

(6) 니트로 후민산 소다

석탄에서 추출한 후민산을 재료로 만든 안정액의 개선에 사용되는 분산제의 일종으로, 시멘트의 영향을 받은 안정액 및 실트가 많이 혼합된 안정액의 개선에 유효하다.

(7) BALITE (황산바륨)

重晶石의 분말로 비중이 약 4정도이므로 안정액의 비중을 크게하기 위한 가중제로 사용된다. 같은 목적으로 사토를 첨가하기도 한다.

(8) 逸水방지제

일수란 투수성이 큰 지반에서 안정액이 지반속으로 유출되는 현상을 말하는데 이러한 현상을 방지하는 방법으로 안정액에 섬유소나 박편상의 물질을 첨가해 공벽을 실링(SEALING)하는 것이다. 이런 목적으로 재료로는 운모나 셀로판 또는 사탕수수 줄기, 톱밥, 땅콩, 혹은 호두껍질 가루 등을 사용하기도 한다.
이러한 재료를 사용해도 효과가 없을 경우는 지반을 그라우팅 하거나 채움 콘크리트를 타설하고 안정시켜 다시 굴착하는 방법을 취해야 한다.

(9) 방부제

폴리머계 안정액을 사용할 경우 액이 부패하는 경우가 생기는데 이러한 변질은 우기 폴리머에 대한 균류의 번식이 큰 원인이라 생각되어 이에 대한 대책으로 각종의 방부제 사용이 제안되고 있다. 그러나 이의 사용은 생물 환경에 대한 영향을 검토하여 신중히 결정해야 한다.
흔히 사용하는 방부제로는 살리실산, 안식향산 등이 있다.

2. 안정액의 배합

안정액의 배합은 현장의 지반조건의 굴착공법, 기티 여러 조건을 고려하여 사용 재료를 결정하고 각 재료에 대한 시험을 거쳐 기본 배합을 한다. 벤토나이트와 그밖에 첨가제 등은 거의가 분말상으로 물에 잘 용해 되지 않으므로 고속회전(200∼100rpm)믹서가 필요하다. 또한 안정액 배합시 특히 주의해야 할 점은 굴착개시 전에 굴착공 전체에 필요한 양을 준비해 놓아야 한다는 것이다. 굴착중에 배합하여 보급하려는 생각으로 굴착을 개시할 경우 안정액이 부족하게 되고 이에 대처하기 위해 청수를 직접 보충하면 안정액의 점성 및 비중 저하에 의해 붕괴나 침반이 커지는 원인이 된다. 또한 안정액을 묽게하는 것은 쉬우나 묽은액을 진하게 하는 것은 훨씬 큰 노력이 필요하다는 것을 염두에 두고 초기에 충분한 양의 안정액을 배합, 저장 탱크에 준비해 두어야 한다.
안정액의 배합 순서는 처음에 물을 일정량 믹서에 넣은 후 설계에 따라 안정의 벤토나이트를 혼합하고, CMC분산제, 기타 첨가제 순으로 한다. 그러나 이러한 안정액의 배합 및 관리의 최대 난점은 현장의 다양한 지반조건 및 시공 방법등에 따라 이론적이고도 합리적인 확고한 기준이 없고 대부분 경험의 축적에 의존하고 있는 현실이란 점이다. 따라서 다음에 제시하는 배합 기준치 역시 경험적으로 얻어진 수치이다.

(1) 지층에 따른 안정액 배합

안정액의 성질을 굴착대상 지반의 지층 조건에 적응하도록 하는 것이 안정액 취급의 근본 방침이다. 다음에 이에 관련된 예를 들어 안정액 배합에 참고가 되도록 한다.

가. 일반적으로 지층 구조는 다양한 토질로 구성되어 있으므로 미리 조사된 초질보고서에 의해 예상 굴착 깊이 내에서 가장 붕괴 성향이 큰 지층을 기준으로 배합하며 특히 지표로부터 10m깊이까지가 가장 붕괴성향이 크므로 굴착에 특별한 주의를 요한다.

나. 지층 구조가 지표 부근은 점토질이고 그 하부에 사질층이 있는 경우 점토층에 적합한 안정액 배합을 하여 굴착을 하면 굴착 과정에서 점토분이 안정액에 혼입되어 점성이 증가되므로 하부의 사질층을 굴착할 때 새로이 점성을 높일 필요가 없게 된다. 반대로 사질층이 상부에 있을 때는 초기부터 높은 점성의 안정액 배합이 필요하다.

다. 지층구조가 평면적으로 큰 변화가 없을 경우는 최초 굴착시의 자료가 다음 굴착에 상당한 도움을 주게된다. 또한 필요에 따라서는 시험굴착을 실시하여 굴착전, 굴착중 및 굴착 후 콘크리트 타설 전후의 안정액 비중, 점성, 여과시험 결과 및 각종 첨가제 적용 등의 자료를 분석함으로써 실측치에 근거한 보다 확실한 안정액의 배합 및 관리기준을 얻을 수 있다.

라. 다음의 <표5>는 어스드릴 공법에서 벤토나이트 안정액의 지층에 따른 일반적인 표준배합 예를 보인 것이다. 여기서는 지층을 입도구성에 따라 4가지로 구분했고 사용한 벤토나이트는 8%(8㎏/100ℓ)농도에서의 깔때기 점도(FV)에 따라 4종류로 분류했다. CMC는 일반적으로 사용되는 250℃의 청수에 1% 혼합했을 때의 점도가 100∼300cP정도인 것을 기준으로 하였다.

한편 어스드릴 공법에서 지반 붕괴방지에 필요한 안정액의 점성 기준을 굴착대상 지반의 N치에 따라 예시한 것이 다음의 <표6>이다.

<표5> 토질별, 벤토나이트 안정액의 초기배합례

벤토나이트 종류 토질분류		33>FV≥30	30>FV≥27	27>FV≥23	23 >FV≥21
Ⅰ	점토 또는 실트 (CL,OL,CH,OH)	4	5	6	7
Ⅱ	사질실트,실트질사 (ML, MH, SM, SC)	5	6	7	7 (0.05)
Ⅲ	細∼中砂, 실트섞인 자갈 (GM, GC, SW, SP)	6	7	7 (0.05)	7 (0.10)
Ⅳ	中∼粗砂 및 자갈 (GW, GP)	7	7 (0.05)	7 (0.10)	7 (0.15)

註】
1. 토질분류 기호는 통일 분류표에 의함
2. 혼합비율은 물 100ℓ에 대한 벤토나이트 중량(㎏)울 나타냄
3. ( )속의 숫자는 첨가되는 CMC량(㎏)을 나타냄



<표6> 안정액의 점성기준

토 질	필요점성(초500/500cc)
모래섞인실트 모 래 (N치<10) 모래 (10<N<20) 모 래 (N치<20) 점토섞인 砂礫 砂 礫	20∼23 40이상 25∼45 23∼25 25∼35 45이상

【註】다음의 경우에는 상기 값보다 크게 해야한다.

ｏ 사층이 연속하고 있는 경우
ｏ 지하수가 많은 경우
ｏ 말뚝직경이 1.3m 이상인 경우



3. 안정액의 관리

안정액 필요 성능을 가지도록 적절히 배합되었다 하더라고 굴착중 토사와 지하수, 또는 콘크리트 타설에 따리 시멘트 성분이 혼입되어 안정액의 성질이 배합 초기의 것과는 다르게 변화하게 된다. 특히 안정액 순환방식에는 이런 경향이 현저하다. 따라서 공사 진행중 안정액이 적절한 성능을 가지고 있는가를 확인하는 품질관리시험이 필요하며 시험결과에 따라 배합의 변경, 재사용성 및 분산제 등의 첨가제 사용 여부를 결정한다.

(1) 일반적 관리기준

Ⅳ. 항에서 설명한 바와 같이 굴착방법에 따라 안정액의 취급도 달라진다. 따라서 각 공법 별로 관리기준치도 달리 정할 필요가 있다. 예를 들면 어스드릴 공법의 기준에 대해, 정순환 굴착공비(BORE HOLE 공법)은 비중을 크게 하고 역순환 굴착공법에서는 작게 취한다. <그림21>은 어스드릴 공법에서의 관리기준치의 범위를 예시한 것이다.

(2) 어스드릴 공법과 역순환굴착(RCD)공법에서 안정액의 비중과 점성

비중은 안정액 관리상 중요한 2가지 사항에 관련된다. 즉 공벽의 안정 문제와 콘크리트 타설시 콘크리트와의 치환효율 문제가 그것이다. 비중이 클수록 안정액압이 커지므로 공벽안정에는 효과가 크나 굴착효율은 떨어지고 콘크리트 타설시 치환효율이 나빠져 품질에 나쁜 영향을 미치게 된다. 보통 콘크리트의 비중이 2.3∼2.4이고 안정액과의 비중차가 1.2정도 있는 것이 적당하므로 굴착 중에는 공벽안정상 부득이 했다 하더라도, 콘크리트 타설시는 안정액의 비중이 1.2를 초과하지 않는 것이 좋다.

<그림21> 일반적 토질에 따른 사용 안정액의 기준치 (例)


<그림22>깔때기 점성에 있어서의 泥水와 안정액의 비교

특히 RCD 공법에서는 굴착초기에 지반에 큰 붕괴성향이 없는 한 청수로 굴착을 시작하고 굴착과정에서 지반의 세립점토입자가 혼입되어 안정액이 만들어지므로 점성보다는 비중이 중요한 관리 사항이 된다. 즉 니수를 반복 사용하는 동안 굴착지반으로부터 미세한 토립자가 니수에 많이 혼입될수록 비중이 커지고 시간의 경과에 따라 얇고 강한 MUD CAKE이 형성된다. 이는 여과시험에서 의미하는 양호한 조벽성의 조건과 거의 일치하기 때문에 여과시험 없이도 비중시험만으로 조벽성을 점검할 수 있다. <그림22>는 니수와 벤토나이트 안정액의 비중-깔때기 점성의 관계를 보이고 있다.
이 그림에서 볼 때 RCD 니수의 경우는 농도를 증가 시켜도 점성에 크게 변화가 없고 RCD공법에서의 이상적인 니수 비중인 1.02∼1.06에서는 깔때기 점성이 19∼21초(500/500㏄)의 범위를 나타내고 있다. 따라서 농도 변화에 따라 점성이 민감하게 변하는 벤토나이트 안정액에 비하면 RCD 공법의 니수에 있어서는 비중이 중요한 관리점이 되며 점성은 그다지 중요한 관리사항이 아님을 이해할 수 있다.
이에 비하면 어스드릴 공법에서는 벤토나이트 안정액의 점성이 조벽성, 시멘트의 영향, 지하수에 의한 희석정도 및 모래의 침강을 지연시키는 능력 등을 판정하는 중요한 성질이며 RCD 공법에서는 비중과 견줄만한 중요한 관리사항이 된다. 다음의 <그림23>을 벤토나이트 안정액과 니수의 시멘트의 혼입에 따른 점성의 변화를 나타낸다. 그림에서도 알 수 있듯이 니수는 22%나 되는 고형물 농도에서도 시멘트의 혼입에 따른 점성의 변화가 거의 없으나 벤토나이트 안정액은 8%의 농도에서 시멘트의 영향에 따라 점성이 현저히 증가하여 곧 GEL화하게 된다. 따라서 점성이 벤토나이트 안정액의 기능판단에 중요한 사항의 하나가 된다.

이상에서 나타난 결과를 보더라도 RCD공법에서 사용하는 단순 니수는 비교적 쉽게 기능이 저하되지 않아 비중 관리법에 의한 관리가 용이하나, 어스드릴 공법의 경우는 안정액에 관한 고도의 지식과 경험을 가진 현장 기술자를 필요로 한다.

(3) 안정액의 기능저하 원인과 조정

안정액은 굴착을 진행함에 따라 벤토나이트나 CMC 등 주재의 소모 및 굴착토사, 지하수, 각종 이온 등의 혼입에 의해 그 본래의 성질이 변한다는 것은 전술한 바와 같아. 이러한 안정액 기능저하의 원인과 그 대책을 알아보기로 한다.

① 토사의 혼입

안정액에 다량의 굴착토사가 혼입되면 비중이 커지고 굴착 능률이 저하된다. 이에 대한 대책으로는 기계적 분리제거 방법이 있다. 기계적 분리에는 침전종에 의한 침강분리, 진동스크린에 의한 처리, 사이크론(CYCLONE)에 의한 분리방법이 있다.

<그림23> 벤토나이트 안정액 및 泥水에 대한 시멘트의 영향

② 점성의 영향

지하수의 유입이나 주재의 소모 등에 의해 안정액의 점성이 떨어질 때는 벤토나이트나 CMC를 첨가한다. 반대로 안정액에 점토의 혼입등에 의해 점성이 커질 경우는 안정액을 청수로 희석하거나 분리제 등을 첨가한다. 희석할 때는 반드시 믹서에 청수를 가해 혼합해야 하며 직접 굴착공에 투입해서는 안 된다.

③ 시멘트의 혼입

콘크리트 타설에 의한 시멘트의 혼입으로 접촉부에서 안정액의 점성이 과도하게 커지며 GEL화하게 된다. 이의 개선을 위해 분산제를 사용하는데 FCL 0.1∼0.3%를 첨가하는 것이 효과적이다. 한편 시멘트의 영향범위는 <그림24>와 같이 콘크리트 표면에서 5∼6cm 정도이므로 콘크리트 타설에 따라 치환되는 안정액중 영향 범위내의 것을 분리 회수하여 폐기하는 것이 바람직하다.

④ 염분의 영향

염분의 영향에 의해 안정액은 응집, 침반하게 되며 이의 방지를 위해 FCL 등의 분산제를 첨가한다. 그러나 해안에서의 굴착등과 같이 염분의 침해를 미리 예상할 수 있을EO는 안정액의 배합시 미리 FCL을 가하는 것이 보다 효과적이며, 내염성점토(ATTAPULGITE 등)S 폴리머계 안정액의 사용을 검토한다.
이상에 열거한 방법을 이용하여 안정액을 개량하여 사용하게 되는데 안정액의 조정에도 한계가 있으며 조정이 불가능한 안정액은 페기처분하게 된다.


Ⅷ. 안정액의 폐기



안정액의 사용을 거듭함에 따라 굴착중의 토사 혼입, 지하수 유입, 콘크리트 타설에 따른 시멘트의 영향 등에 의해 기능이 저하되는 것은 앞서 서술한 바와 같다. 이러한 안정액은 원칙적으로 개량하여 사용하게 되나 개량하는 것도 한도가 있으며 어느 정도 이상 기능이 저하되면 개량이 불가능하게 된다. 이런 경우는 부득이 안정액을 폐기하게 되는데 폐기 안정액을 공공 하수도나 하천, 해역에 직접 방류하면 환경오염을 유발하기 때문에 법률에 정해진 배출 기준에 적합하도록 처리하며 배출해야 한다.

1. 폐기 안정액의 발생량

페기 안정액의 발생량은 일반적으로 굴착토량 1㎥당 0.6∼0.8㎥정도이나, 폴리머계 안정액을 사용할 경우는 이보다 훨씬 적어지게 된다.
시멘트의 영향에 의한 폐기 안정액 발생범위는 보통 콘크리트 접촉으로부터 5m 이내이나 경우에 따라서는 10m 정도에 이를 때로 있다. 다음의 <그림25>는 벤토나이트계와 폴리머계에 있어서 폐기 안정액의 발생량을 비교한 것이다

<그림24> 시멘트의 영향 범위
<그림25> 굴착토량과 폐기 泥水량의 관계



대개의 경우 시공현장은 작업공간이 한정되어 있으므로 폐기 안정액을 시급히 배출할 필요가 절실하다.

2.법적규제

아직 우리 나라의 경우는 안정액 굴착공법이 일반화되지 않아 본 공법에 대한 적극적이고도 구체적인 법적 규제는 없으나 환경보존법, 해양오염 방지법 등에 규정된 하천 및 해역의 수질 기준과 이에 의한 배출 허용 기준은 다음과 같다.

(1) 수질기준

① 하천 및 호소


구 분	등 급	이용목적별 적용대상	기 준
			수소이온농도 (pH)	생물 화학적 산소요구량 (BOD) (mg/ℓ)	화학적 산소 요구량 (COD) (mg/ℓ)	부유 물질량 (SS) (mg/ℓ)	용존산소량 (DO) (mg/ℓ)	대장균군수 (MPN/100㎖)
생 활 환 경	Ⅰ	상수원수 1급 자연환경보전	6.5∼ 8.5	1 이하	1 이하	25 이하 (1)	7.5 이상	50 이하
	Ⅱ	상수원수 2급 수산용수 1급 수영용수	6.5∼ 8.5	3 이하	3 이하	25 이하 (5)	5 이상	1,000 이하
	Ⅲ	상수원수 3급 수산용수 2급 공업용수 1급	6.5∼ 8.5	6 이하	6 이하	25 이하 (15)	5 이상	5,000 이하
	Ⅳ	공업용수 2급 농업용수	6.5∼ 8.5	8 이하	8 이하	100 이하 (15)	2 이상	-
	Ⅴ	공업용수 3급 생활환경보전	6.5∼ 8.5	10 이하	10 이하	쓰레기등이 떠있지 아니할것	2 이상	-
사람의 건강보호	전 수 역	카드뮬(Cd) : 0.01mg/ℓ이하. 비소(As) : 0.05mg/ℓ 이하. 시안(CN) : 검출되어서는 안됨. 수은(Hg) : 검출되어서는 안됨. 유기인 : 검출되어서는 안됨. 포리크로리네이티드비페닐(PCB) : 검출되어서는 안됨. 납(Pb) : 0.1mg/ℓ이하. 6가크롬(Cr÷6) : 0.05mg/ℓ이하.

【註】1. 호소의 경우 생물화학적산소요구량기준은 적용하지 아니하고, 부유물질 기준은 ( )내의 기준을 적용한다.


① 海城

등 급	기 준
	수송이온농도 (pH)	화학적 산소요구량 (COD) (mg/ℓ)	용존 산소량 (DO)(%)	부유 물질량 (SS) (mg/ℓ)	대장균군수 (MPN/100㎖)	노말헥산추출 물질(유분) (mg/ℓ)	특정유해물질
Ⅰ	7.8∼8.3	1 이하	포화율 95이상	10 이하	200 이하	검출되어서는 안됨	6가크롬 (Cr+6) : 0.05mg/ℓ이하 비소(As) : 0.05mg/ℓ이하 카드뮴(Cd) :0.01mg/ℓ이하 납(PB) : 0.1mg/ℓ이하 시안(CN) : 검출되어서는 안됨 유기인 : 검출되어서는 안됨 수은(Hg) : 검출되어서는 안됨 포리크로네이디드비페닐 (PCB) : 검출되어서는 안됨
Ⅱ	6.5∼8.5	2 이하	포화율 85이상	25 이하	1,000 이하	검출되어서는 안됨
Ⅲ	6.5∼8.5	4 이하	포화율 80이상	-	-	-

【註】1. DO는 포화율 외에 농도로서 등급 Ⅰ은 60㎎/ℓ, 등급Ⅱ와 등급Ⅲ은 5㎎/ℓ이어야 한다.

② 배출허용기준

상기의 수질기준에 대한 폐수의 배출 허영기준은 다음 표와 같다.



표보기



우리 나라의 경우도 안정액을 이용한 현장타설 말뚝의 건설이 공법 특유의 저소음, 저진동의 이점 때문에 도심구간의 기초공법으로 널리 이용되게 되면 보다 구체적인 법적 규제는 필연적인 것으로 생각된다. 설계자의 입장이나 특히 현장타설 말뚝을 직접 건설하는 시공자의 입장에서 보면 이러한 규제는 일견 설계 및 공사진행에 지장을 초래하는 장애물로 생각되기 쉽다. 그러나 생활의 편리를 목적으로 하는 건설행위가 생활환경을 위협하는 2차적 공해를 초래한다면 당연히 규제되어야 하며 이에 대한 대책으로, 보다 손쉬운 처리방법과 새로운 재료에 대한 연구에 노력해야 할 것이다.

③ 처리, 처분 방법

폐기 안정액의 처리시, ②항의 환경보존법상의 규제 대상 중에서 중요한 항목은 pH와 浮游물질농도(SS)이며 그 밖의 항목은 특별한 첨가제의 과량 사용시 외에는 거의 문제가 되지 않는다.
안정액은 미세입자가 분산되어 안정된 상태로 부유하고 있는 것이기 때문에 단시간에 탈수하여 固液분리하기가 어렵고 보통 다음과 같은 방법으로 처리하게 된다.



<그림26> 固液分離 시스템의 일반적 과정



<표7> 안정액 처리에 주로 사용되는 응집제


분 류		응집제명
무기응집제		소석암 염화칼슘 염화제이철 유산반도(AS) 폴리염화 알미늄(PAC)
유기고분자 응집제	비 ION 성	폴리아크릴 아미드 폴리에틸렌 옥사이드
	음 ION 성	폴리아크리리 아미드 부분가수 분해물 폴리아크릴 산소다

가. 고액분리 처리

안정액중의 含泥率이 25%이하인 경우는 적합한 방법으로, 각종의 응집제를 사용하여 콜로이드 입자를 응집 침반시키고 2차적으로 기계적 방법에 의해 탈수하여 분리수는 pH를 조정하여 방류하고 분리된 고형물은 따로 처리하는 방법이다.

<그림26>은 처리과정을 나타냈다. 또한 이때 사용되는 응집제의 종류는 <표7>에 보인 바와 같다.

나. 전체고형화 처리

폐기 안정액에 포함된 현탁물의 농도가 높아 가.항의 방법에 의한 처리가 곤란한 경우는 안정약 전체를 고형화 처리한다. 고형화제로는 각종 시멘트가 사용된다. 고형화물의 폐기 조건은 1축 압축강도가 0.5㎏/㎠이상이면 족하다. 최근에는 이 고형화물을 유효하게 이용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있는데, 현장타설 말뚝의 되묻기 재료로 사용하거나, 고형화강도를 조절하여 차수벽 등의 재료로 이용하는 것도 고려되고 있다. <그림27>은 고형화처리 시스템의 과정을, <그림28>은 폐기 안정액에 시멘트를 첨가할 경우 고형화 강도와 재령의 관계를 나타낸 것이다.



<그림27> 고형화 처리 시스템의 일반적 과정
<그림28> 固形化强度와 재령의 관계