KR100876222B1 - 연약지반 개량용 기능성 고화재 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연약지반 개량용 기능성 고화재에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 토양과의 배합시 우수한 분산성과 강도발현을 발휘함으로써소량으로도 함수비가 높은 점성토와 유기물을 다량 함유하고 있는 토양으로 구성된 연약지반을 효과적으로 고화시킬 수 있는 특성을 갖는 연약지반 개량용 기능성 고화재에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 60~65중량%의 포틀랜드시멘트와, 고로슬래그미분말, 석탄회미분말, 화산재, 왕겨재, 규조토, 실리카흄 및 제올라이트 중의 하나인 10~15중량%의 포졸란물질과, CSA(Calcium Sulfo-Aluminate)와 석고 또는 CSA와 알루미나시멘트 중의 하나인 10~15중량%의 조강제와, 멜라민계, 나프탈렌계, 카르복실계 분산제 중의 하나인 10~15중량%의 분산제로 구성되고, 4,000cm2/g의 분말도를 가짐을 특징으로 한 연약지반 개량용 기능성 고화재가 제공된다.
고화재, 연약지반, 개량, 시멘트, 포졸란물질, 조강제, 분산제

Description

연약지반 개량용 기능성 고화재{The solidifying agent composition for softground improvement}
본 발명은 연약지반 개량용 기능성 고화재에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 토양과의 배합시 우수한 분산성과 강도발현을 발휘함으로써소량으로도 함수비가 높은 점성토와 유기물을 다량 함유하고 있는 토양으로 구성된 연약지반을 효과적으로 고화시킬 수 있는 특성을 갖는 연약지반 개량용 기능성 고화재에 관한 것이다.
국토가 좁은 우리나라에서는 해안지역을 매립하기 위하여 많은 건설 및 토목공사가 이루어지고 있다. 그러나 남해안과 서해안의 해안지역에서는 점토로 이루어진 퇴적물이 두껍게 분포되어 공사에 어려움이 많다.
따라서 이러한 해안지역의 연약지반에 대해서는 시멘트(보통 포틀랜드시멘트)를 이용하여 지반을 고화시키는 방법을 사용하고 있으나, 특수한 경우에는 포틀랜드시멘트 대신에 슬래그시멘트나 조강시멘트 등의 시멘트를 사용하여 지반을 고화시키는 방법도 사용하고 있다.
이때 시멘트는 물과 접촉하면 즉시 굳지 않고, 일정시간 소성상태를 유지한 굳게 되는데, 이러한 단계를 응결(setting)이라고 한다. 상기 소성상태의 시멘트는 응결이 끝난 뒤에 시멘트입자의 사이가 조밀하게 채워지고 굳어지면서 강도가 증가되는 경화(hardening)의 단계를 거치게 된다.
이것은 시멘트를 구성하는 화합물이 각각 물과의 특유의 화학반응을 하여 다른 화합물로 변화되기 때문이다. 이러한 작용을 수화작용이라고 한다. 그러나 함수비가 높은 점토 또는 유기물을 함유하고 있는 연약지반은 상기 점토와 유기물이 시멘트의 수화반응을 방해하여 고화처리를 불가능하게 한다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 시멘트에 지반특성이나 공사목적에 따라 첨가제를 섞은 고화재를 사용함으로써, 다량의 에트링자이트(ettringite)를 생성함으로써 다량의 결합수를 흡수하여 함수비를 떨어뜨림과 동시에 토립자의 이동을 구속시켜 고화작용이 용이한 상태로 변환시켜 준다.
그리고 수산화칼슘(Ca(OH)2)과 규산칼슘(CaSi2) 등에서 용출되는 칼슘이온(Ca+)에 의하여 토립자의 응집고결이 더욱 강화되고, 규산칼슘 수화물의 생성에 의하여 강도가 커진다.
또한 토양에 포함된 실리카(SiO2)와 알루미나(Al2O3)등의 가용성 수화물이 수산화칼슘과 결합하여 불용성 수화물을 생성함으로써 재령기간이 경과할수록 더욱 단단해지게 된다.
그러나 연약지반 중에서 장기간의 퇴적이나 유기폐기물에 의해 다량의 유기 물을 포함하고 있는 연약지반의 경우에는 상기 유기물이 토립자 표면에 흡착되어 고화재와 연약지반의 혼합 접촉을 방해하여 고화재의 수화물과 토립자 간의 직접적인 반응이 원활하지 못하게 되어 고화의 진행이 어렵되는 문제점이 있었다.
그리고 연약지반 중에서 해안지역과 같이 함수율이 매우 높은 경우에도 종래의 고화재를 사용하여도 고화가 원활하게 진행되지 못하여 만족할 정도의 고결강도를 얻을 수 없는 문제점도 있었다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 다양한 성분으로 구성된 고화재들이 발명되어 유통되고 있으나, 이 역시 시멘트를 주원료로 하여 다량 투입하기 때문에 경화가 느리고 고화시 수화열이 발생하여 체적변화를 일으킴으로써 균열(Crack)이 발생하는 문제점이 여전히 있었다.
그리고 일반시멘트에 첨가하는 고화성분과 비율에 있어서 효율적인 유기물질 분해나 에트링자이트가 생성되지 아니하여 퇴적토나 수분이 많은 지반 등에서는 고화가 확실하지 않아 경화도에 있어서도 기준에 못 미치는 문제점도 여전히 있었다.
본 발명은 상기한 바와 같이, 종래의 고화재가 가지고 있는 문제점을 해결하여 함수비가 높은 점성토와 유기물을 다량으로 함유하고 있어 기존의 시멘트만으로는 고화가 불가능한 토양으로 구성된 연약지반을 효과적으로 고화시킬 수 있도록 하기 위한 해결 과제를 가지고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로, 60~65중량%의 포틀랜드시멘트와, 고로슬래그미분말, 석탄회미분말, 화산재, 왕겨재, 규조토, 실리카흄 및 제올라이트 중의 하나인 10~15중량%의 포졸란물질과, CSA(Calcium Sulfo-Aluminate)와 석고 또는 CSA와 알루미나시멘트 중의 하나인 10~15중량%의 조강제와, 멜라민계, 나프탈렌계, 카르복실계 분산제 중의 하나인 10~15중량%의 분산제로 구성되고, 4,000cm2/g의 분말도를 가짐을 특징으로 한 연약지반 개량용 기능성 고화재를 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명은 우수한 분산 및 교반성능과 함께 우수한 강도발현을 통해 함수비가 높은 점성토와 유기물을 다량으로 함유하고 있어 기존의 시멘트만으로는 고화가 불가능한 토양으로 구성된 연약지반을 효과적으로 고화시킬 수 있게 됨으로써 연약지반의 개량작업 및 폐기물 처리작업을 효율적으로 할 수 있고, 뿐만 아니라 슬라임과 6가크롬 및 유해물질의 발생량을 최소화할 수 있게 됨으로써, 환경오염을 줄일 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 연약지반 개량용 기능성 고화재는 60~65중량%의 시멘트와, 10~15중량%의 포졸란물질과, 10~15중량%의 조강제와, 10~15중량%의 분산제로 구성되어 4,000cm2/g의 분말도를 가짐을 특징으로 한다.
이의 화학성분은 실리카(SiO2) 20~30%, 알루미나 및 산화철(AlO3+Fe2O3) 5~10%, 석회 및 산화마그네슘(CaO+MgO) 45~55%, 산화나트륨 및 산화칼슘(Na2O+K2O) 1~5%와, 무수황산(SO3) 5~10%로 조성되어 있다.
상기 시멘트는 포틀랜드시멘트로 구성하는데, 1종에서 5종까지의 포틀랜드시멘트를 적용 용도에 따라 달리하여 사용할 수 있다.
상기 포졸란물질은 고로슬래그미분말, 석탄회미분말, 화산재, 왕겨재, 규조토, 실리카흄 및 제올라이트 중의 하나를 선택하여 구성하면 된다.
상기 조강제는 경화속도를 촉진시키고 압축강도를 증진시키기 위한 것으로, CSA(Calcium Sulfo-Aluminate)와 석고 또는 CSA와 알루미나시멘트 중의 하나를 선택하여 구성하면 된다.
이때 조강제가 10중량% 미만일 경우에는 응결시간이 늦어지기 때문에 주입된 고화재가 간극수에 희석될 위험성이 높고, 15중량% 초과일 경우에는 고화재가 급격하게 경화된다. 따라서 조강제의 혼합비율을 10~15중량%를 유지해야 한다.
상기 분산제는 고화재의 교반 및 주입성을 향상시키기 위한 것으로, 멜라민계, 나프탈렌계, 카르복실계 분산제 중의 하나를 선택하여 구성하면 된다.
이때 분산제가 10중량% 미만일 경우에는 교반 및 주입성 향상효과가 미약하여 압축강도를 저하시키고, 15중량% 초과일 경우에는 고화재의 분리현상을 초래하여 교반 및 주입성 향상효과가 전혀 없다. 따라서 분산제의 혼합비율을 10~15중량%를 유지해야 한다.
이와 같이 구성된 본 발명의 연약지반 개량용 기능성 고화재는, 기초공사를 위해 연약지반 내부에 보강체, 차수벽, 흙막이벽, 토류벽을 형성하거나, 오염토양을 고형화시키기 위해 지반을 고화시키기 위한 것이다.
특히, 본 발명의 연약지반 개량용 기능성 고화재는 함수비가 높은 점성토와 유기물을 다량 함유하고 있으므로 기존의 시멘트만으로는 고화가 용이하지 못하였던 토양으로 구성된 연약지반을 효과적으로 고화시켜 연약지반 개량 작업을 보다 효율적으로 행할 수 있도록 한 것에 특징이 있다.
이는 상기한 구성과 같이, 본 발명의 연약지반 개량용 기능성 고화재가 60~65중량%의 시멘트와, 10~15중량%의 포졸란물질과, 10~15중량%의 조강제와, 10~15중량%의 분산제로 구성됨에 의한 것인데, 이의 특성을 설명하기 앞서 고화재의 일반적인 작용원리에 대해 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 고화재를 분체주입 교반공법을 통해 보강체, 차수벽, 흙막이벽, 토류벽 등을 형성하고자 하는 연약지반이나, 오염토양을 고화시키고자 하는 지반에 타설하면, 단기 재령기간까지는 바로 경화되지 않고 적정기간 동안 소성상태를 유지하는 응결단계를 거치게 된다.
이때 고화재와 간극수 간의 화학반응을 통해 상기 고화재의 표면에는 간극수를 흡수하는 겔(Gel)이 생성되면서 지반의 함수비가 떨어지면서 토질성상이 개선되게 된다.
상기와 같이 응결단계를 거친 단기 재령기간부터 중장기 재령기간까지는 고화재를 구성하는 화합물과 간극수 간의 수화반응에 의해 고화재의 입자가 조밀하게 채워지고 경화되면서 강도가 증진됨으로써 고화체를 이루는 경화단계를 거치게 된다.
이때 아래의 화학식 1과 같이, 수화반응에 의한 수화물인 수산화칼슘(Ca(OH)2)으로부터 용출되는 칼슘이온(Ca+)에 의한 토양 입자의 응집화 및 단립화가 이루어지게 된다.
<화학식 1>
2C3S + 6H20 -> 3CaO·2SiO2·3H20 + 3Ca(OH)2
2C2S + 4H20 -> 3CaO·2SiO2·3H20 + Ca(OH)2
그리고 아래의 화학식 2와 같이, 침상결정을 갖는 수화물인 에트링자이 트(ettringite)의 생성으로부터 탈수효과가 증대되고, 토립자는 상호 치밀하게 결속되는 네트워크 구조를 가지게 된다.
<화학식 2>
C3A + 3CaSO4·2H2O + 26H2O -> C3A·3CaSO4·32H2O
따라서 고화재에 의해 지반에 형성되는 고화체는 상기한 작용에 의하여 1차적으로 강도가 증진되게 된다.
상기와 같이 1차적으로 강도가 증진된 중장기 재령기간부터 장기 재령기간까지는 아래의 화학식 3과 같이, 수화반응으로 생성된 수산화칼슘(Ca(OH)2)과 실리카(SiO2)와 알루미나(Al2O3)는 상온에서 서서히 반응하여 불용성 화합물인 C-S-H겔을 생성하는 포졸란 반응을 함으로써, 상기 C-S-H겔이 고화체의 공극으로 충진되면서 공극을 축소시켜 고화체의 조직이 더욱 치밀하게 한다.
<화학식 3>
Ca(OH)2 + SiO2 -> CaO SiO2 H2O[C-S-H]
Ca(OH)2 + AlO3 -> CaO Al2O3 H2O[C-S-H]
따라서 고화재에 의해 지반에 형성되어 1차적으로 강도가 증대된 고화체는 상기한 작용에 의하여 2차적으로 강도가 증대되게 된다.
상기한 바와 같이 일반적인 고화재의 작용원리를 포함하고 있는 본 발명의 고화재는 일반적인 고화재로 쓰이는 포틀랜드시멘트와 슬래그시멘트와는 차별되는 특성을 나타내는데, 이를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
먼저, 본 발명의 고화재에 의한 고화체는 포틀랜드시멘트와 슬래그시멘트에 의한 고화체에 비하여 우수한 강도발현을 나타낸다. 이는 본 발명의 고화재를 구성하는 시멘트, 포졸란물질, 조강제, 분산제가 이상적인 혼합비로 구성되어 주입시부터 시작하여 장기 재령기간까지 상호 유기적으로 작용하기 때문이다. 이에 대한 압축강도는 아래의 표 1과 같다.
<표 1>
구분 고화체의 압축강도(kgf/cm2)
3일 7일 28일
기능성 고화재 15.8 32.6 45.6
포틀랜드시멘트 11.0 15.1 19.8
슬래그시멘트 9.2 15.6 24.9
그리고 본 발명에 의한 고화체는 토양을 오염시키는 건설폐기물의 발생량을 감소시킬 수 있다는 것이다. 이는 상기한 바와 같이 강도발현이 우수하므로 포틀랜드시멘트와 슬래그시멘트에 대하여 60%정도의 사용량만으로도 동일한 강도발현을 나타내기 때문이다.
따라서 사용량을 포틀랜드시멘트와 슬래그시멘트에 비하여 최대 40%정도 절감할 수 있게 됨으로써, 고화체의 시공시 발생하는 슬라임 등의 건설폐기물량을 현저히 줄일 수 있게 될 뿐만 아니라 시공비도 절감할 수 있게 된다.
그리고 본 발명의 고화재는 우수한 주입특성을 가진다. 이는 분산제의 적절 한 함량으로 인해 분산 및 교반성능이 향상되었기 때문이다.
따라서 현장에서 지반에 주입하여 간극수와 혼합되어 슬러리로 될 때, 포틀랜드시멘트를 사용할 때보다 간극수와의 혼합비가 낮아도 상관이 없으므로 강도발현에 유리하다. 이에 대한 분산 및 교반성능은 아래의 표 2와 같다.
<표 2>
구분 물/고화재 혼합비(%) 흐름성(유하시간, 초)
기능성 고화재 100 9.28
포틀랜드시멘트 110 9.31
그리고 본 발명의 고화재에 의한 고화체는 환경오염을 일으키는 수용성 6가크롬의 용출농도가 거의 0에 가깝다는 것이다. 이는 고화재 자체가 6가크롬의 함유량이 낮기 때문이다.
따라서 지반에 대한 환경오염을 최소화할 수 있게 됨으로써, 건축 및 토목공사로 인한 환경오염을 줄일 수 있게 된다. 이에 대한 6가크롬 용출농도는 아래의 표 3과 같다.
<표 3>
구분 6가크롬 용출농도(mg/l) 6가크롬 용출농도(mg/l)
기능성 고화재 불검출 불검출
포틀랜드시멘트 4.1 21.5
상기 뿐만 아니라 본 발명에 의한 고화체는 포틀랜드시멘트에 의한 고화체에 비하여 치밀한 구조를 가지므로 동일한 강도에서도 투수계수가 낮아 우수한 차수성을 발휘한다.
그리고 본 발명에 의한 고화체는 천연해수를 5배로 농축시킨 인공해수에 양생시킨 후 무구속 상태의 모르터바 팽창율 시험결과, 포틀랜드시멘트에 비해 팽창율이 낮아 해수에 대한 우수한 안정성을 발휘한다.
그리고 본 발명의 고화재는 폐기물 등을 고화처리할 때 포틀랜드시멘트를 사용할 때보다 카드뮴, 6가크롬, 납, 비소, 구리, 수은와 같은 유해물질의 용출량이 감소된다. 따라서 환경오염을 줄일 수 있게 된다. 이에 대한 유해물질의 용출량은 아래의 표 4와 같다.
<표 4>
시험항목 Cd(mg/l) Cr(mg/l) Pb(mg/l) As(mg/l) Cu(mg/l) Hg(mg/l)
폐기물 시료 12 45 98 31 120 0.1
기능성 고화재(200kg/m3) 불검출 불검출 불검출 불검출 불검출 불검출
포틀랜드시멘트(200kg/m3) 1.4 4.1 2.7 2.1 3.1 0.03
이와 같이 본 발명의 연약지반 개량용 기능성 고화재는 종래의 고화재의 일반적인 작용을 그대로 하면서 우수한 강도발현과 우수한 교반 및 분산성능과 환경오염의 최소화와 우수한 차수성과 해수에 대한 우수한 안정성을 나타냄으로써, 연약지반의 개량작업을 더욱 효율적으로 할 수 있게 된다.

Claims (1)

  1. 60~65중량%의 포틀랜드시멘트와, 고로슬래그미분말, 석탄회미분말, 화산재, 왕겨재, 규조토, 실리카흄 및 제올라이트 중의 하나인 10~15중량%의 포졸란물질과, CSA(Calcium Sulfo-Aluminate)와 석고 또는 CSA와 알루미나시멘트 중의 하나인 10~15중량%의 조강제와, 멜라민계, 나프탈렌계, 카르복실계 분산제 중의 하나인 10~15중량%의 분산제로 구성되고, 4,000cm2/g의 분말도를 가짐을 특징으로 한 연약지반 개량용 기능성 고화재.
KR20070090239A 2007-09-06 2007-09-06 연약지반 개량용 기능성 고화재 KR100876222B1 (ko)

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