KR100556545B1 - 그라우트 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 원지반이 사질(모래)이나 점성토(흙) 일때 적합하도록 시멘트와 화력발전소의 미분탄 연소 후 발생되는 버텀 애쉬 분말을 레드 머드와 배합하고 여기에 무기질 급결재를 현장 여건에 따라 혼합하여 요구 강도와 침투성 및 내구성을 자유롭게 조절할 수 있는 1액형 그라우트 조성물을 제공함으로써, 시공이 편리하고 버텀 애쉬 및 레드 머드를 사용하므로 시멘트량을 좀더 줄일 수 있으며 특히 레드 머드로 인하여 원지반의 내구성 및 응집력이 향상되는 친환경적인 그라우트 조성물에 관한 것이다.
이러한 본 발명의 그라우트 조성물은 시멘트 50 ~ 80중량부, 석탄회 분말 10 ~ 30중량부 및 레드 머드 10 ~ 20중량부를 배합하여 원지반이 사질이나 점성토 일때 적합하도록 한 특징이 있다.
버텀 애쉬, 레드 머드, 시멘트, 급결재, 흙, 모래

Description

그라우트 조성물{A composition of grout}
본 발명은 지반 차수 및 보강 그라우팅에 있어서 시멘트와 화력발전소의 미분탄 연소 후 발생되는 석탄회 분말 및 레드 머드(Red Mud)를 혼합하여 원지반이 사질이나 점성토 일때 적합하도록 하였으며 여기에 무기질 급결재를 현장 여건에 따라 혼합하여 요구 강도와 침투성 및 내구성을 자유롭게 조절할 수 있는 1액형 무기 급결재 그라우트를 제공함으로써, 시공이 편리하고 석탄회 및 레드 머드를 사용하므로 시멘트량을 줄일 수 있으며 특히 레드 머드로 인하여 원지반의 내구성 및 응집력이 향상되는 경제적이고 친환경적인 그라우트 조성물에 관한 것이다.
일반적으로 지하 건설의 차수보강공사, 산악터널 공사시의 차수보강공사, 댐 기초공사시의 차수보강공사 및 일반적인 연약지반 개량공사에 이용되는 그라우트(Grout)재에는 널리 쓰이는 것으로 현탁액형과 용액형이 있다. 현탁액형의 그라우트재는 용액중에 고체입자를 포함하고, 용액형 그라우트재는 용액중에 고체입자가 많이 들어있지 않은 것이다. 현탁액형 그라우트재 보다는 용액형 그라우트재가 많이 쓰이는 것은 지반내 침투성이 용액형이 용이하기 때문이다.
지금까지 개발된 현탁액형 그라우트재는 시멘트-벤토나이트를 경화재로 한 CB 그라우트 또는 일반 시멘트를 단독으로 사용하는 밀크 그라우트재가 대표적이다. 현탁액형 그라우트재의 침투성에 큰 영향을 미치는 인자는 분체입자의 크기와 현탁액의 점성이다. 그러나 최근에는 분체기술의 발달로 인하여 현탁액 중의 분체를 초미립자화한 현탁액형 그라우트재가 개발되어 현탁액도 많이 사용되고 있으며 또한 현탁액형도 용액형 그라우트재 만큼 높은 침투성을 발휘한다.
분체 그라우트재에 대한 초미립자화를 사용할 경우 두 가지 특성이 서로 대치되는 문제가 발생한다. 분체가 초미립자화 되면서 침투영역이 실트성 지반까지 확대될 수 있으나 현탁액의 점성은 급격히 증가하게 된다. 그러나 응결기능이 부족한 문제점이 있었기 때문에 겔 타임조절이 어려워 사용되지 못했었다. 또한 현탁액 입자의 입경은 현장에서 조절할 수 없지만 현탁액의 점성은 현장에서 조절 가능하다. 점성을 낮추기 위한 방법으로는 현재 물결합비를 높이거나 전기화학적인 분산작용을 유발시키는 화학 혼화제를 사용하는 방법이 있다.
현재는 주로 물결합비를 높이는 방법이 사용되고 있다. 용액형 그라우트재의 대표적 약액은 물유리인데, 물유리를 사용하면 용탈현상 때문에 내구한도가 길어야 1년이고 짧게는 3개월 정도부터 차수효과가 현저히 저하되는 경향이 있으므로 물유리의 용탈현상을 촉진하는 소디움을 제거하고 순수 실리카만을 결합재로 활용하여 실리카의 용탈을 억제하는 실리카졸계 주입재(MSG)의 사용이 증가하고 있는 추세다.
특허 제414856호는 시멘트계 초미립자와 포졸란계 초미립자로 조성된 초미립 자 복합실리카 시멘트를 주재로 한 분체 그라우트재와 현탁액의 점성을 낮추기 위한 분산제 및 응결속도를 조정할 수 있는 소디움실리케이트, 실리카졸, 혼화제 등에의해서 겔 타임 범위를 광범위하게 조정할 수 있는 현탁액형과 용액형 그라우트재를 이용하여 시공성을 편리하게 개선하고 고침투성, 고강도 및 고내구성을 부여하여 지반보강구조를 구축하는 그라우트재에 관한 것이다.
그러나 상기 복합실리카 시멘트는 시멘트와 플라이애쉬 및 왕겨를 사용하고 복합실리카와 고결반응촉매재 및 분산제 등을 사용하기 때문에 성분비가 복잡하고 시멘트와 플라이애쉬 및 왕겨를 포대 단위로 포장 운반할 수 없으므로 현장에서 물과 교반할 수 없고 공장에서 레미콘과 같은 차량에 혼합된 상태로 운반해야 되는 단점이 있으며, 2액형 이므로 2중관을 사용하여 현장 타설 해야 되는 등의 단점이 있었다.
본 발명자는 종래의 문제점을 감안하여 화력발전소의 미분탄 연소 후 발생되는 석탄회를 수거하여 이를 미세분말로 만들고 시멘트와 혼합하되 겔 타임과 물량의 조절이 쉽고 이들 석탄회와 시멘트의 혼합비에 따라 요구 강도와 침투성 및 내구성을 자유롭게 조절할 수 있는 1액형 무기질 급결재를 개발하여 특허출원 제2004-35882호로 선출원 중에 있다.
본 발명은 선출원 된 본 발명자의 특허를 개량한 것으로서, 본 발명의 목적은 원지반이 사질이나 점성토 일때 적합하도록 시멘트와 화력발전소의 미분탄 연소 후 발생되는 버텀 애쉬 분말을 레드 머드와 배합하고 여기에 무기질 급결재를 현장 여건에 따라 혼합하여 요구 강도와 침투성 및 내구성을 자유롭게 조절할 수 있는 1액형 그라우트 조성물을 제공함으로써, 시공이 편리하고 버텀 애쉬 및 레드 머드를 사용하므로 시멘트량을 좀더 줄일 수 있으며 특히 레드 머드로 인하여 원지반의 내구성 및 응집력이 향상되는 친환경적인 그라우트 조성물에 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 그라우트 조성물에 있어서, 시멘트 50 ~ 80중량부, 석탄회 분말 10 ~ 30중량부 및 레드 머드 10 ~ 20중량부를 배합하여 원지반이 사질이나 점성토 일때 잘 스며들어 굳도록 한 특징이 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 원지반이 사질 또는 점성토 일때 적합하도록 그리고 시멘트의 량을 줄일 수 있도록 하기 위하여 버텀 애쉬와 레드 머드를 사용한 그라우트 조성물에 관한 것이다.
화력발전소에서 대부분 연소된 석탄회는 배연가스와 함께 보일러로부터 배출된다. 이때 집진기에 포집되는 플라이 애쉬(fly ash)는 70 ~ 80% 이상은 10㎛이하의 입경으로 이루어져 있으며, 보일러의 하부에 낙하되는 괴상(塊狀) 또는 큰 입경의 석탄회(10 ~ 15%)를 버텀 애쉬(bottom ash)라고 부른다.
본 발명의 버텀 애쉬는 선별, 세척 후 분쇄기에서 최대한 미립자로 분쇄한 뒤 스크린 선별법으로 선별하여 분말도가 2400 ~ 5000㎠/g인 것이다. 버텀 애쉬는 완전한 무기물로써 표 1은 버텀 애쉬의 화학 성분을 분석한 시험 성적표이다.
[표 1] KG 분석센타(주) 2004. 4. 16
미량성분 주성분
분석항목 분석결과 분석항목 분석결과
pH[1:10] 9.61 SiO2(%) 61.0
Pb(mg/kg) 35.2 Fe2O3(%) 6.06
Cd(mg/kg) 2.5 Al2O3(%) 17.3
Cu(mg/kg) 45.2 TiO2(%) 0.65
Cr(mg/kg) 65.1 CaO(%) 10.11
As(mg/kg) 흔적 MgO(%) 1.64
Hg(mg/kg) 흔적 K2O(%) 0.44
Zn(mg/kg) 50.5 Na2O(%) 0.54
Ni(mg/kg) 60.2 강열감량(%) 2.1
수용성Cl(%) 0.35 SO3(%) 0.01
수분(%) 0.34 * 흔적 : 검출한계 이하 표시임
상기 표 1에서 알 수 있듯이 석탄회인 버텀 애쉬 분말은 무기질이며 수은, 비소 등의 유해 중금속이 없으므로 친환경적이다. 그리고 원적외선에 의한 항균, 향취 및 살충기능을 가지며 알칼리성이므로 시멘트의 독성을 중화시키고 냄새를 없애 지하수의 오염을 막을 수 있는 특징이 있으며, 이러한 버텀 애쉬를 사용하여 자원을 재활용하므로 친환경적인 특징이 있다.
본 발명은 물유리계를 사용하지 않는 1액형 무기 알칼리계 이며 차수용 또는 지반 보강용 그라우트 조성물에 관한 것으로 상기 버텀 애쉬를 시멘트와 혼합하고 레드 머드로 하기 표 2의 화학성분을 갖는 것을 사용하였다.
[표 2] KG 아스텍(주) 2004. 10. 07
분석항목(단위) 시료구분 비고
레드 머드
pH[1:10] 11.10 흔적 : 검출한계 이하 표시임
Pb(mg/kg) 9.7
Cd(mg/kg) 0.4
Cu(mg/kg) 196.4
Cr(mg/kg) 132.0
As(mg/kg) 0.33
Hg(mg/kg) 흔적
Zn(mg/kg) 24.6
Ni(mg/kg) 34.5
수용성Cl(%) 흔적
수분(%) 15.56
상기 표 1 및 표 2에서 알 수 있듯이 국내 환경 기준인 지적법 제5조 제1항의 가지역 또는 나지역의 오염물질 기준치 이하로 나타나는 버텀 애쉬와 레드 머드를 사용하여 아래의 시험 배합비로 압축강도 실험을 실시하였다.
[표 3] 시멘트와 버텀 애쉬 및 레드 머드의 배합비에 따른 압축강도 변화
시멘트 (중량부) 버텀 애쉬 분말 (중량부) 레드 머드 (중량부) 압축강도 (Kgf/cm2)
4일 7일
1차 시험 배합비 50 30 20 47.6
60 20 20 51.2
70 10 20 112
80 10 10 114.4
80 15 5 64.4
2차 시험 배합비 50 30 20 61.2
60 20 20 67.6
70 10 20 132
80 10 10 119.2
80 15 5 32.4
상기 표 3에서와 같이 1차 시험 배합비에서 4일 강도가 제일 좋은 것은 시멘트 80중량부, 버텀 애쉬 10중량부 및 레드 머드 10중량부 이다. 그리고 2차 시험 배합비에서 7일 강도가 제일 좋은 것은 시멘트 80중량부, 버텀 애쉬 10중량부 및 레드 머드 10중량부 이다. 1,2차 시험 배합비에서 각각의 물량은 시멘트와 버텀 애쉬 및 레드 머드를 혼합한 량의 1 : 1로 하는 것이 좋다. 상기 표 3에서 알 수 있듯이 레드 머드는 버텀 애쉬 보다 같거나 많아야 되며, 물량이 적을 수 록 초기 강도가 높게 나온다는 결과를 얻었다. 그리고 석탄회인 버텀 애쉬는 분말도가 2400 ~ 5000㎠/g인 것을 사용하였다.
[표 4] 한국건자재시험연구원 2005. 01. 13
시험항목 결과 시험방법
유해물질 용출량 (ppm) Pb(mg/kg) 검출안됨 폐기물공정시험방법 (ICP분석)
Cd(mg/kg) 검출안됨
Cu(mg/kg) 검출안됨
Cr(mg/kg) 검출안됨
As(mg/kg) 검출안됨
Hg(mg/kg) 검출안됨
Zn(mg/kg) 검출안됨
Ni(mg/kg) 검출안됨
pH 측정온도 : 18.7℃ KS F 2103-`98
12.5
함수량(%) 8.4 KS L 5405-`97
염화물(CI)량(%) 0.004 KS F 2715-`02
상기 표 4는 1,2차 시험 배합비 에서 시멘트 80중량부, 버텀 애쉬 분말 10중량부 및 레드 머드 10중량부 일 때의 유해물질 검출 결과이다. 여기서 알 수 있듯이 국내환경기준 지적법 제5조 제1항의 규정을 만족하는 것으로 나타났으며 4일 및 7일 강도가 그라우트의 요구 조건에 만족하는 것으로 나타났다.
원지반이 사질이거나 점성토 일때 본 발명 1,2차 시험 배합비로 충분한 압축강도가 나오는지 알아보기 위하여 모래 또는 흙을 배합하여 현장 적용 압축강도 시험을 실시하였다.
[표 5]
1차 시험 배합비 1차배합비 : 모래 1차배합비 : 흙 압축강도 (Kgf/cm2) 4일
시멘트 (중량부) 버텀 애쉬 분말 (중량부) 레드 머드 (중량부)
50 30 20 1 : 1 55.6
60 20 20 1 : 1 51.2
70 10 20 1 : 1 48.4
80 10 10 1 : 1 65.2
80 15 5 1 : 1 32.1
50 30 20 1 : 1 24.4
60 20 20 1 : 1 26
70 10 20 1 : 1 27.2
80 10 10 1 : 1 32.4
80 15 5 1 : 1 23.2
상기 표 5에서 알 수 있듯이 1차 시험 배합비인 시멘트 80중량부, 버텀 애쉬 분말 10중량부 및 레드 머드 10중량부에 대하여 모래를 1 : 1의 비율로 혼합하고, 물량은 시멘트 80중량부, 버텀 애쉬 분말 10중량부 및 레드 머드 10중량부에 대하여 1 : 1의 비율로 혼합 하였을 때 4일 압축강도가 제일 좋게 나왔으며, 시멘트 80 중량부, 버텀 애쉬 분말 10중량부 및 레드 머드 10중량부에 대하여 흙을 1 : 1의 비율로 혼합하고, 물량을 역시 1 : 1의 비율로 혼합 하였을 때 4일 압축강도가 좋게 나왔으므로 현장 원지반이 사질이나 점성토 일때 그라우트 조성물로 사용하는데 충분하다는 결론을 얻었다.
[표 6]
2차 시험 배합비 1차배합비 : 모래 1차배합비 : 흙 압축강도 (Kgf/cm2) 7일
시멘트 (중량부) 버텀 애쉬 분말 (중량부) 레드 머드 (중량부)
50 30 20 1 : 1 54
60 20 20 1 : 1 64.4
70 10 20 1 : 1 68.4
80 10 10 1 : 1 90
80 15 5 1 : 1 48.3
50 30 20 1 : 1 24
60 20 20 1 : 1 26
70 10 20 1 : 1 30.8
80 10 10 1 : 1 37.6
80 15 5 1 : 1 21.2
상기 표 6에서 알 수 있듯이 2차 시험 배합비인 시멘트 80중량부, 버텀 애쉬 분말 10중량부 및 레드 머드 10중량부에 대하여 모래를 1 : 1의 비율로 혼합하고, 물량은 시멘트 80중량부, 버텀 애쉬 분말 10중량부 및 레드 머드 10중량부에 대하여 1 : 1의 비율로 혼합 하였을 때 7일 압축강도가 제일 좋게 나왔으며, 시멘트 80 중량부, 버텀 애쉬 분말 10중량부 및 레드 머드 10중량부에 대하여 흙을 1 : 1의 비율로 혼합하고, 물량을 역시 1 : 1의 비율로 혼합 하였을 때 7일 압축강도가 좋게 나왔으므로 현장 원지반에서 그라우트 조성물로 사용하는데 충분하다는 결론을 얻었으며, 상기 표 3 내지 표 6으로부터 다음과 같은 현장 적용 가능한 그라우트 조성물을 얻었다.
[실시예 1]
시멘트 80중량부, 버텀 애쉬 분말 10중량부 및 레드 머드 10중량부를 배합하고 이 배합비에 대하여 물량을 1 : 1의 비율로 혼합하여 사질인 원지반에 적합하도록 한 그라우트 조성물.
[실시예 2]
시멘트 80중량부, 버텀 애쉬 분말 10중량부 및 레드 머드 10중량부를 배합하고 이 배합비에 대하여 물량을 1 : 1의 비율로 혼합하여 점성토인 원지반에 적합하도록 한 그라우트 조성물.
본 발명은 현장 여건에 따라 무기질 급결재를 혼합하여 사용할 수 있다.
[표 7] KG 분석센타(주) 2004. 5. 7
미량성분 주성분
분석항목 분석결과 분석항목 분석결과
pH[1:10] 10.85 SiO2(%) 2.22
Pb(mg/kg) 39.5 Fe2O3(%) 0.42
Cd(mg/kg) 1.8 Al2O3(%) 20.08
Cu(mg/kg) 10.5 TiO2(%) 1.04
Cr(mg/kg) 105.4 CaO(%) 45.36
As(mg/kg) 흔적 MgO(%) 0.36
Hg(mg/kg) 흔적 K2O(%) 0.77
Zn(mg/kg) 28.5 Na2O(%) 2.73
Ni(mg/kg) 22.7 강열감량(%) 0.20
수용성Cl(%) 흔적 SO3(%) 27.06
수분(%) 0.12 * 흔적 : 검출한계 이하 표시임
상기 표 7에 나타난 바와 같이 급결재는 비소, 수은 등의 유해 중금속이 검출되지 않으므로 친환경적이며, 물과 혼합하여 사용하므로 별도의 혼화제가 불필요한 특징이 있다. 그리고 시멘트, 버텀 애쉬, 레드 머드 및 물과 잘 혼합되며 겔 타임과 물량의 조절이 자유롭고 일정 단위 포장 운반하여 현장 교반 및 주입이 가능하므로 취급이 용이하다. 또한 급결재는 강열감량의 조정이 쉽고 점성증가를 방지시켜 유동성을 좋게 하며 반응물질의 조직을 치밀화 시켜 내구성을 향상시키는 특징이 있다.
본 발명은 표 7에서와 같은 급결재를 실시예 1 내지 실시예 2에 각각 배합하여 사용할 수 있으며 이때 급결재량은 시멘트 80중량부에 대하여 1.6 ~ 2중량부로 하는 것이 좋다.
[도 8] 한국건자재시험연구원 2005. 01. 13
시험항목 결과 시험방법
유해물질 용출량 (ppm) Pb(mg/kg) 검출안됨 폐기물공정시험방법 (ICP분석)
Cd(mg/kg) 검출안됨
Cu(mg/kg) 검출안됨
Cr(mg/kg) 검출안됨
As(mg/kg) 검출안됨
Hg(mg/kg) 검출안됨
Zn(mg/kg) 검출안됨
Ni(mg/kg) 검출안됨
pH 측정온도 : 18.7℃ KS F 2103-`98
12.6
함수량(%) 7.7 KS L 5405-`97
염화물(CI)량(%) 0.003 KS F 2715-`02
상기 표 8은 시멘트 80중량부, 버텀 애쉬 분말 10중량부, 레드 머드 10중량부 및 무기 급결재 량은 시멘트량의 1.6중량부 일 때의 유해물질 검출 결과이며 국내환경기준 지적법 제5조 제1항의 규정을 만족하는 것으로 나왔다.
무기 급결재 량은 시멘트량의 1.6 ~ 2중량부 범위 내에서 조절하면 겔 타임은 현장에서 자유롭게 조절할 수 있으며, 물량이 높으면 겔 타임이 떨어지므로 주의해야 된다.
본 발명의 레드 머드는 시멘트와 버텀 애쉬가 원지반의 모래 또는 흙에 스며들 때 점성이 떨어지지 않고 응집력이 약화되는 것을 방지시키며 내구성이 향상되도록 해준다. 본 발명은 이러한 레드 머드로 인하여 차수 또는 지반 보강에 필요한 요구 강도가 충분하므로 시멘트의 량을 줄일 수 있으며 환경오염도 방지시키는 등의 효과가 있다.
또한 그라우트 조성물은 1액형이므로 그라우트를 주입하는 노즐이 여러 개이며, 일정 단위 포장 운반이 가능하므로 현장에서 필요한 만큼 물과 혼합하여 사용할 수 있는 이점이 있다.
이상에서와 같이 본 발명에 따르면 발전소에서 버려지는 석탄회를 시멘트 및 레드 머드와 혼합하고 이를 현장 여건에 따라 무기질 급결재로 결속시킴으로써, 연약지반의 보강이나 차수용으로 사용할 수 있으며, 1액형이므로 그라우팅 장치가 간소화되고 일정 단위 포장 운반하여 현장에서 물과 섞어 주입 할 수 있으므로 시공이 편리한 효과가 있다.
그리고 석탄회와 레드 머드를 사용하므로 시멘트량을 줄일 수 있어 친환경적인 효과도 있다.

Claims (4)

  1. 그라우트 조성물에 있어서,
    시멘트 80중량부, 분말도가 2400 ~ 5000㎠/g인 버텀 애쉬 분말 10중량부 및 레드 머드 10중량부를 배합하고 물량은 이 배합비의 1 : 1의 비율로 하며, 무기질 급결재를 혼합하되 시멘트 량에 대하여 1.6 ~ 2중량부로 하여 겔 타임과 물량의 조절이 자유롭고 원지반이 사질 또는 점성토 일때 적합하도록 한 것을 특징으로 하는 그라우트 조성물.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    레드 머드는 pH 11.10, Pb 9.7(mg/kg), Cd 0.4(mg/kg), Cu 196.4(mg/kg), Cr 132.0(mg/kg), As 0.33(mg/kg), Zn 24.6(mg/kg), Ni 34.5(mg/kg)인 것을 특징으로 하는 그라우트 조성물.
  4. 삭제
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