Feasibility study to develop a new eco- friendly backfill grout material for mechanical tunneling using biopolymer- based soil treatment (BPST)
생체다당류 기반 흙 처리(BPST)를 사용한 기계화 터널 시공의 새로운 친환경 뒤채움 그라우트 재료 개발의 타당성 연구
- 주제(키워드) TBM , Backfill , Grout , Material , Eco-friendly
- 주제(DDC) 690
- 발행기관 아주대학교 일반대학원
- 지도교수 장일한
- 발행년도 2025
- 학위수여년월 2025. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 건설시스템공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000034579
- 본문언어 영어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
With the increasing demand for sustainable construction practices, particularly in urban tunneling projects utilizing shield TBMs, the environmental impact of cement- based backfill grouts has become a critical concern. Cement is a significant contributor to global carbon dioxide emissions and environmental degradation, including soil contamination and water pollution. To address these challenges, this study aims to develop an eco-friendly backfill grout that completely eliminates the use of cement, leveraging sustainable materials such as biopolymers and soil-based components. The feasibility of the proposed eco-friendly grout was evaluated by analyzing key engineering properties, including unconfined compressive strength (UCS), shrinkage, and viscosity. A novel grout mixture composed of sand, clay (bentonite and kaolin), xanthan gum, and chromium nitrate was developed and assessed. The study found that bentonite clay was advantageous for strength, while kaolin clay exhibited superior performance in reducing shrinkage and viscosity. Additionally, the effects of lime and sodium chloride as additives were examined, revealing improvements in strength and shrinkage control, with a reduction in viscosity achieved by adjusting the chromium nitrate concentration. An economic evaluation was conducted to identify the optimal mixing ratio, balancing performance and cost-effectiveness. This study represents a foundational step in advancing sustainable tunneling practices and highlights the potential for eco- friendly materials to replace cement in backfill grouts.
more초록/요약
토목 분야에서 지속 가능한 자원에 대한 수요가 증가함에 따라, 특히 쉴드 TBM (Tunnel Boring Machine)을 사용하는 터널 공사 프로젝트에서 시멘트 기반의 뒤채움 그라우트의 환경에 미치는 영향이 중요한 관심사가 되고 있습니다. 시멘트는 생산 과정 및 사용시 전 세계 이산화탄소 배출과 토양 오염, 수질 오염을 포함한 환경 오염에 크게 영향을 미치고 있습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 본 연구는 시멘트 사용을 완전히 배제한 친환경 뒤채움 그라우트를 개발하는 것을 목표로 하고 있으며, 바이오 폴리머와 흙 기반 재료와 같은 지속 가능한 재료를 활용하여 연구를 수행하였습니다. 제안된 친환경 그라우트의 타당성은 일축압축강도(UCS), 수축률, 점도와 같은 주요 공학적 특성을 분석하여 평가되었습니다. 모래, 점토(벤토나이트와 카올린), 잔탄 검, 질산 크롬으로 구성된 새로운 친환경 뒤채움 그라우트 혼합물이 개발되어 평가되었습니다. 본 연구를 통해 벤토나이트 점토는 강도에 유리하고, 카올린 점토는 수축률과 점도 감소에 우수한 성능을 보였습니다. 또한, 첨가제로서의 석회와 염화나트륨의 효과를 분석한 결과, 질산 크롬 농도를 조정하여 점도를 낮추는 동시에 강도와 수축 제어 성능이 개선되는 것으로 나타났습니다. 최적의 혼합 비율을 파악하고 성능과 비용 효율성의 균형을 맞추기 위해 경제성 평가를 실시했습니다. 본 연구는 지속 가능한 터널 공사를 발전시키는 데 있어 기초적인 단계를 나타내며, 친환경 재료가 기존 뒤채움 그라우트의 시멘트를 대체할 수 있음을 확인하였습니다.
more목차
CHAPTER I INTRODUCTION 1
1.1 Background 1
1.2 Study Necessities and Objectives 5
1.3 Study Scope 7
CHAPTER II OVERVIEW OF TUNNEL BACKFILL GROUT: MATERIALS, REQUIRED PERFORMANCE 8
2.1 Backfill of tunnels materials and mixing ratio 8
2.1.1 Introduction 8
2.1.2 Cement 8
2.1.3 Water 10
2.1.4 Bentonite Clay 11
2.1.5 Sodium Silicate 12
2.1.6 Other Materials - Chemical additives 13
2.2 Backfill of tunnels required performance 16
2.2.1 Introduction 16
2.2.2 Properties in the unhardened state 17
2.2.3 Properties in the hardened state 22
CHAPTER III METHODOLOGY FOR EVALUATING THE FEASIBILITY OF ECO-FRIENDLY BACKFILL GROUT 24
3.1 Introduction 24
3.2 Soil materials 25
3.3 Biopolymer based soil treatment (BPST) 27
3.3.1 BPST 27
3.3.2 Engineering characteristics 28
3.4 Unconfined compression strength test and shrinkage 32
3.5 Rheology 33
3.5.1 Fall cone test 33
3.5.2 Viscosity test 34
CHAPTER IV RESULTS OF THE FEASIBILITY VERIFICATION OF ECO-FRIENDLY BACKFILL MATERIALS 36
4.1 Introduction 36
4.2 Liqiud Limit 36
4.3 Combination (I): Silt + Clay + Xanthan Gum 38
4.3.1 Introduction 38
4.3.2 Experimental variables and results 38
4.4 Combination (II): Silt + Clay + Xanthan Gum + Chromium nitrate 41
4.4.1 Introduction 41
4.4.2 Experimental variables and results 42
4.5 Summary and Conclusions 56
CHAPTER V IMPROVING THE PERFORMANCE OF ECO-FRIENDLY BACKFILL GROUT: VERIFICATION OF ADDITIVE EFFECTS 57
5.1 Introduction 57
5.2 Additional Material (I): Lime 58
5.2.1 Introduction 58
5.2.2 Experimental variables and results 59
5.3 Additional Material (II): Sodium Chloride 66
5.3.1 Introduction 66
5.3.2 Experimental variables and results 67
5.4 Summary and Conclusions 72
CHAPTER VI DETERMINATION OF THE OPTIMAL MIXING RATIO FOR ECO-FRIENDLY BACKFILL GROUT 73
6.1 Introduction 73
6.2 Economic Assessment 75
6.3 Deriving the optimal mixing ratio 78
6.4 Summary and Conclusions 84
CHAPTER VII CONCLUSIONS 85
REFERENCES 87
ABSTRACT (IN KOREAN) 93
