KR101538377B1 - 지반안정용 조성물 및 이를 이용한 시공방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폴리이소프렌, 염기성 또는 알칼리성 물질 및 이온교환수 또는 연수를 포함하는 지반안정용 조성물에 관한 것이다. 본 발명의 조성물은 천연라텍스인 폴리이소프렌을 포함하는 에멀젼 그라우트재로서 입자크기 2.5 μm 이하이고 점도 6 cp 이하이며, 표면장력은 55 dyne/cm 이하인 특징이 있다. 본 발명의 조성물은 종래의 지반안정용 조성물과 비교하여 침투성이 우수하고, 폴리이소프렌 응결 후의 탄성력으로 인하여 지반이 유동하는 경우에도 균열이 일어나지 않으며, 지반의 구성물질과 결합하여 밀폐력이 강화되는 효과가 있다.

Description

지반안정용 조성물 및 이를 이용한 시공방법{Compositions for Stabilization of Ground and Method of Using It Thereof}

본 발명은 지반안정용 조성물 및 이를 이용한 시공방법에 관한 것이다.

지하 굴착공사나 지하구조물 설치공사 시에 연약지반으로 인한 붕괴붕락은 기술자나 운영자가 작업을 하면서 부딪히는 가장 곤란하면서 까다로운 문제 중 하나이다. 이러한 연약지반을 일반 그라우트공법이나 그라우트 재료로는 완벽한 지반안정 효과를 얻기는 불가능에 가깝다.

충전제를 넣거나 넣지 않은 유체를 콘크리트나 암반이나 흙에 주입하여 공극을 메우고 지반을 안정시키는 작업을 그라우트라 한다. 그라우트 재료는 주입재에 들어가는 물질의 크기에 따라 크게 미립자 그라우트, 에멀젼 그라우트 및 화학물질 그라우트로 분류된다(표 1 참조).

시멘트계 그라우트재는 점도가 높아 침투성이 떨어지며 경화시간이 매우 느려 1 시간에서 하루 정도의 경화시간이 필요하므로 신속성이 요구되는 공정에는 적절하지 않으며, 지하수와 접촉하면 희석유실되며 경화되지 못하는 문제점이 있다.

규산소다 등의 수용성알칼리물질은 시공성이 비교적 양호하고 공해성도 적으며 경제성이 좋은 장점을 지니지만 지반에 주입고결된 겔의 내구성이 좋지 않아 일정시간 경과 후에 지하수에 의해 유실되거나 용탈되어 강도가 저하되고, 수축하여 지속적인 성능을 발휘하지 못하는 문제점이 있다.

아크릴계 그라우트재는 조성물의 점도가 낮아서 지층의 미세한 틈새와 크랙에 대한 침투성이 우수하고, 경화 시간의 조절이 자유로우며 불투수성의 경화물을 형성하고 화학적으로 열화하지 않아 내구성이 우수하여 지반 강화에 매우 효과적이다. 그러나 아크릴레이트계 그라우트재는 엘라스토머(TPE, thermo-plastic elastomer) 성질의 탄성이 있어 지수하고자 하는 부위에 시공된 후 수압이 작용하면 외부의 개방된 부위로 밀려나오는 현상이 발생하고, 수축 팽창 또는 진동 변형이 있는 구조물에 종래의 아크릴계 지수제를 사용했을 때는 탄성제인 지수제가 찢어지거나 갈라져서 또 다시 누수가 발생하는 단점이 있다. 또한, 종래의 아크릴계 그라우트재의 경우 수분함량이 높아 겨울철에는 동결하기 쉽고 동결되었을 때에 진동 또는 변형되는 힘이 작용하면 깨어지면서 틈새가 발생하여 다시 누수가 일어나는 현상이 발생한다.

에멀젼 그라우트재에는 물에 용해되지는 않으면서 물 속에서 퍼져 작은 콜로이드 입자나 방울을 이루는 각각 현탁질 용액이나 유화 용액을 형성하는 고체입자나 액체가 들어있다. 이런 용액은 특정 조건에서는 안정된 상태를 유지하지만 활성화 되면 분산된 상이 빠르게 응고하면서 불안정한 상태가 된다. 유화액을 간편하게 주입할 수 있으며 활성화되면 응고하여 토립자 사이의 공동을 메우고 응결하여 안정된 지반을 만들어주게 된다.

본 발명의 그라우트재는 천연라텍스를 포함하는 에멀젼 그라우트재로서, 입자크기 및 점도를 조절하여 지반안정에 최적화된 조성물을 제공한다.

본 명세서 전체에 걸쳐 특허문헌이 참조되고 그 인용이 표시되어 있다. 인용된 특허 문헌의 개시 내용은 그 전체로서 본 명세서에 참조로 삽입되어 본 발명이 속하는 기술 분야의 수준 및 본 발명의 내용이 보다 명확하게 설명된다.

대한민국 공개특허공보 제10-2000-0055925호 일본 공개특허공보 제2000-80365호

본 발명자들은 지반안정화에 적합한 조성물을 개발하고자 예의 연구 노력하였고, 그 결과 천연라텍스를 포함하는 에멀젼 그라우트재로서 일정 입자크기 이하의 입도를 가지고 일정 점도 및 표면장력 이하의 값을 가지는 지반안정용 조성물을 개발하였다. 본 발명자들은 상기 조성물이 종래의 지반안정용 조성물로 가장 널리 쓰이는 시멘트계 그라우트재와 비교하여 침투성이 우수하고 응결된 후에는 조성물 자체의 탄성력에 의해 압력에 의해 균열이 일어나지 않고 밀폐력이 증가함을 확인함으로써 본 발명을 완성하게 되었다.

따라서 본 발명의 목적은 지반안정용 조성물을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 지반안정용 조성물을 이용한 시공방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적 및 이점은 하기의 발명의 상세한 설명, 청구범위 및 도면에 의해 보다 명확하게 된다.

본 발명의 일 양태에 따르면, 본 발명은 전체 조성물에 대하여 폴리이소프렌(polyisoprene) 14.8-62 중량%, 염기성 또는 알칼리성 물질 0.1-1.0 중량%, 및 이온교환수 또는 연수 37-85 중량%를 포함하는 지반안정용 조성물로서, 상기 조성물의 pH는 8.5-13.0의 에멀젼 상태이고, 상기 에멀젼의 입자 크기는 2.5 μm 이하이며, 상기 조성물의 점도는 6 cp 이하이고, 표면장력은 55 dyne/cm 이하인 것을 특징으로 하는 지반안정용 조성물을 제공한다.

본 발명자들은 지반안정화에 적합한 조성물을 개발하고자 예의 연구 노력하였고, 그 결과 천연라텍스를 포함하는 에멀젼 그라우트재로서 일정 입자크기 이하의 입도를 가지고 일정 점도 및 표면장력 이하의 값을 가지는 지반안정용 조성물을 개발하였다. 본 발명자들은 상기 조성물이 종래의 지반안정용 조성물로 가장 널리 쓰이는 시멘트계 그라우트재와 비교하여 침투성이 우수하고 응결된 후에는 조성물 자체의 탄성력에 의해 압력에 의한 균열이 일어나지 않고 밀폐력이 증가함을 확인함으로써 본 발명을 완성하게 되었다.

본 발명의 지반안정용 조성물은 에멀젼 그라우트재로 분류할 수 있다. 라텍스 에멀젼용액에 응결촉진제나 지연제 등의 각 종의 첨가제를 응용할 수 있다. 본 발명의 조성물은 활성화되기 전에는 안정된 상태를 유지하다가 안정성이 깨져 콜로이드 형태로 퍼지면서 응고하여 젤리처럼 단단한 고무입자를 형성한다.

본 발명의 지반안정용 조성물은 지반이나 구조물의 좁은 균열틈을 통과해 흐르다가 각종 무기물과의 화학적 결합 전단 작용으로 콜로이드 형태로 퍼진 고무 입자가 뭉치게 된다. 이렇게 형성된 고무질이 공극과 균열부의 벽에 서서히 달라붙기 시작한다. 그리고 계속적인 추가 응결작용에 의해 덩어리가 더 크게 만들어지고 고무입자가 빠르게 형성되면서 주입재의 흐름이 멈출 때까지 공극이나 균열부를 메워가며 토립자간에 결합이 이루어지도록하여 지반을 안정시키게 된다.

한편, 활성화된 에멀젼에서 처음 만들어지는 젤리형 고무는 물을 다량 함유하고 있다. 상기 젤리형 고무에 압력을 가하면 물이 상당량 밖으로 빠져 나오고 고무 표피가 서로 달라붙어 밀도가 높아지면서 더 이상 압축되지 않으며, 탄성력이 있는 고무질의 밀봉체를 형성하게 된다. 초기 형성 시에는 잠시 물이 통하지만 잠시 후에는 불투과성 밀봉결합제가 된다. 상기 고무 밀봉체는 탄성이 있으므로 뒤쪽에서 압력을 받으면 고무밀봉체가 공극이나 균열부로 더 단단히 달라붙어 밀폐력을 더욱 강화하는 효과가 있다. 지반이 진동으로 움직이거나 균열이 일어나 다시 누수가 일어나는 다른 경화성 그라우트재와는 달리, 고무성질의 유연성을 그대로 지니고 있으므로 지반이 유동하여도 효과가 그대로 유지된다.

폴리이소프렌(polyisoprene)은 천연고무의 주요 화학적 성분인 이소프렌(isoprene, C₅H₈)의 중합체이다. 분자 구조에 따라 폴리이소프렌은 탄성이 있는 폴리머(천연 라텍스 및 이소프렌 고무)가 될 수 있으며, 합성 발라타(balata) 또는 구타페르카(gutta-percha)와 같은 딱딱하고 질긴 고무가 될 수도 있다. 예컨대, 상기 폴리이소프렌은 트랜스-1,4 폴리머; 시스-1,4 폴리머; 1,2 폴리머; 또는 3,4 폴리머를 단량체로 포함할 수 있으며, 상기 단량체들로 구성된 폴리머의 혼합물을 포함할 수도 있다.

본 발명의 조성물은 천연라텍스의 주성분인 폴리이소프렌의 함량을 14.8-62 중량%로 사용한 것을 특징으로 한다. 라텍스의 유효성분이 14.8 중량%보다 낮으면 겔(Gelling)화 되어 고무화가 된 상태의 힘이 약해 토립자 사이를 충분히 메워주지 못하며 62 중량%가 넘으면 점도와 표면장력이 높아 지반 내에 침투하기 어렵고 주입효율이 떨어진다.

본 발명에 따르면, 본 발명의 조성물은 전체 조성물에 대하여 폴리이소프렌을 14.8-62 중량%로 포함할 수 있으며, 또는 14.8-40 중량%, 또는 14.8-31 중량%로 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 상기 폴리이소프렌은 14.8-31 중량%로 사용하는 것이 가장 효율적이다.

한편, 상기 염기성 또는 알칼리성 물질은 에멀젼 용액의 안정된 분산과 지하수 중의 무기염이나 지반의 토립자 등 과의 고무화 반응촉진을 하기 위하여 첨가될 있다. 상기 염기성 또는 알칼리성 물질은 전체 조성물에 대하여 0.1-1.0 중량%로 포함될 수 있으며, 또는 0.1-0.9 중량%, 0.1-0.8 중량%, 0.1-0.7 중량%, 0.1-0.6 중량%, 0.1-0.5 중량% 또는 0.1-0.3 중량%로 포함될 수 있다.

이러한 물질로서 지반내의 함유되어 있는 무기염과의 반응을 촉진시키면서 용액을 안정을 돕는 암모니아수나 아민계의 알칼리성 물질을 0.1-1.0%농도로 사용하여야 한다. 0.1 중량%보다 낮을 경우 용액의 안정성이 낮아 장기보관 시, 용액의 변질로 인해 라텍스성분이 석출될 수 있으며, 1.0 중량%보다 높을 경우는 알칼리성이 지나쳐 토립자 중의 무기염과의 반응을 방해하여 지반안정의 목적을 달성할 수 없게 한다. 본 발명에 따르면, 상기 알칼리성 물질의 적정한 사용 함량은 0.1-1.0%이다.

상기 염기성 또는 알칼리성 물질은 본 발명의 조성물의 pH를 8.5~13.0 사이로 조절하여주게 되므로 토립자 중의 무기염과의 반응을 활성화하는 효과가 있다. pH 8.5 이하인 경우에는 용액이 불안정하여 라텍스 성분이 석출하며 pH가 13.0보다 높게 되면 강알칼리성 상태로서 취급과정에 냄새가 심할 수 있으며 환경을 오염시킬 수 있다.

상기 염기성 물질은 공지된 다양한 염기성 물질을 포함하며 암모니아수나 아민계 용액을 사용할 수 있다. 상기 알칼리성 물질은 공지된 다양한 알칼리성 물질을 포함하며, 예컨대 나트륨 또는 칼륨의 알칼리성 물질을 포함한다.

본 발명의 조성물에 포함되는 연수는 칼슘이온이나 마그네슘이온 등의 양이온의 함유량이 적은 물을 의미하며, 이온교환수는 이온교환법으로 양이온, 음이온, 유리탄산 등을 정제한 순수를 의미한다.

본 발명의 조성물은 전체 조성물에 대하여 연수 또는 이온교환수를 37-85 중량% 포함한다. 본 발명의 일 구현예에 따르면, 본 발명의 조성물은 전체 조성물에 대하여 연수 또는 이온교환수를 50-85 중량%, 60-85 중량% 또는 68-85 중량%로 포함할 수 있다.

본 발명의 조성물은 지반안정용 조성물 100 중량부에 대하여 첨가제 0.1-3.0 중량부를 추가적으로 포함할 수 있으며, 예컨대 상기 첨가제는 카본블랙, 가류촉진제, 노화방지제, 소포제, 분산제, 계면활성제, 침강방지제, 증점제, 응결촉진제 및 응결지연제을 포함하며 이에 한정되지는 않는다. 카본블랙은 안정된 러버(rubber)를 형성시키기 위해 첨가되는 물질로서, 보강성 충전제로 첨가될 수 있다.

카본블랙은 Gelling으로 고무화되었을 때 토립자들을 서로 강하게 잡아줄 수 있게 하는 성분으로서 0.1-2.0 중량%로 사용한다. 본 발명에 따르면, 카본블랙은 0.2-1.0 중량%로 포함된다.

본 발명에 따르면, 상기 본 발명의 조성물은 전체 조성물에 대하여 폴리이소프렌(polyisoprene) 14.8-62 중량%, 염기성 또는 알칼리성 물질 0.1-1.0 중량%, 카본 블랙 0.1-2.0 중량% 및 이온교환수 또는 연수 37-85 중량%로 포함될 수 있다.

가류촉진제(vulcanizing accelerator)는 고무 가류시, 가류속도의 증가, 가류 온도의 저하 또는 가류 시간을 단축할 목적으로 첨가되는 물질이다. 상기 가류촉진제는 가류속도, 가류촉진제가 사용되는 물질의 종류 또는 화학적 조성에 따라 분류된다. 상기 가류촉진제는 예컨대 알데하이드 아민계(Aldehyde amines), 구아니딘계(Guanidines), 티아졸계(Thiazoles), 설펜아미드계(Sulfenamides), 디티오카바메이트계(Dithiocarbamates) 및 티우람 설파이드계(Thiuram sulfides)를 포함한다.

본 발명의 조성물은 폴리이소프렌(polyisoprene) 이외에, 폴리이소부틸렌(polyisobutylene), 폴리우레탄(polyurethane), 폴리클로로프렌, 실리콘, 스티렌-부타디엔-스티렌(styrene-butadiene-styrene, SBS), 니트릴-부타디엔 고무(nitrile-butadiene rubber, NBR) 또는 스티렌-부타디엔 고무(styrene butadiene rubber)를 추가적으로 포함할 수 있다.

한편, 본 발명의 성분들은 모든 성분의 입자크기를 2.5 마이크로미터 이하로 하는 것이 바람직하다. 이는 지반 내 토립자 사이의 간극 특히 점토실트층에서도 침투가 가능하도록 모든 성분의 입자크기를 최소화할 수 있도록 분쇄하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 본 발명의 조성물은 입자크기 2.0 마이크로미터 이하이다. 본 발명에 따르면, 본 발명의 조성물은 입자크기 1.7 마이크로미터 이하, 1.5 마이크로미터 이하, 또는 1.3 마이크로미터 이하일 수 있다.

또한, 사용성분의 함량을 조절과 호모게나이즈공정을 통하여 용액의 표면장력을 55 dyne/cm 이하로 낮추는 것이 바람직하다. 용액의 표면장력이 높으면 토립자 사이로 용액의 침투가 어려워 주입효과가 낮거나 무리하게 높은 압력의 주입압이 요구되기 때문이다.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 본 발명의 조성물은 표면장력 50 dyne/cm 이하이다. 본 발명에 따르면, 본 발명의 조성물은 표면장력 45 dyne/cm 이하, 또는 42 dyne/cm 이하일 수 있다.

본 발명의 조성물의 점도는 6 cp 이하이다. 본 발명에 따르면, 본 발명의 조성물은 점도 5.5 cp 이하, 5.0 cp 이하, 4.0 cp 이하 또는 3.2 cp 이하일 수 있다.

본 발명의 조성물은 라텍스, 염기성 또는 알칼리성 물질 및 첨가제 성분을 하나의 용기에 포함할 수 있고, 별도의 용기에 포함할 수 있으며, 또한 몇 성분씩을 묶어서 몇 개의 용기에 포함할 수 있다. 예컨대, 라텍스, 염기성 또는 알칼리성 물질을 하나의 용기에, 첨가제로서 응결촉진제 또는 응결지연제를 다른 용기에 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 본 발명은 다음 단계를 포함하는 지반안정용 조성물의 시공방법을 제공한다:

(a) 지반안정용 조성물의 시공 범위를 결정하는 단계;

(b) 단계 (a)에서 결정된 시공 범위에 본 발명의 지반안정용 조성물을 주입하는 단계; 및

(c) 상기 단계 (b)에서 주입한 조성물의 응결 후 지반안정도를 확인하는 단계.

본 발명의 시공방법은 상기 본 발명의 지반안정용 조성물을 이용하는 방법으로서, 이 둘 사이에 공통된 내용은 본 명세서의 과도한 복잡성을 피하기 위하여, 그 기재를 생략한다.

우선, 본 발명의 지반안정용 조성물을 투입할 시공 범위를 결정한다. 시공하고자 하는 불안정한 지반의 여러 가지 현장특성을 파악한 후 본 발명의 라텍스에멀젼 조성물의 주입범위를 결정한다.

이어, 단계 (a)에서 결정된 시공 범위에 지반안정용 조성물을 주입한다. 상기 지반안정용 조성물은 폴리이소프렌(polyisoprene), 염기성 또는 알칼리성 물질 및, 이온교환수 또는 연수를 포함하는 조성물로서, 상기 조성물은 에멀젼 상태이고, 상기 조성물의 pH는 8.5-13.0의 에멀젼 상태이고, 상기 에멀젼의 입자 크기는 2.5 μm 이하이며, 상기 조성물의 점도는 6 cp 이하이고, 표면장력은 55 dyne/cm 이하이다.

상기 단계 (b)는 지반안정용 조성물의 주입범위가 넓고 미세한 경우 상기 조성물의 주입 전 응결지연액을 5-20 kg/cm²으로 주입한다. 본 발명에 따르면, 상기 응결지연액의 주입 압력은 10 kg/cm²이다.

본 발명의 시공방법은 그라우팅의 범위를 벗어나거나 지하수에 씻겨나가는 현상을 없애기 위해서 응결시간을 단축시키는 응결촉진제를 투입하거나 미세한 틈새로 충분히 침투분산시키기 위하여 응결지연제를 사용하여 응결시간을 지연시키는 등을 조절할 수 있다.

그라우팅하고자 하는 범위가 넓고 미세한 침투분산에 필요한 경우에는 응결지연액을 먼저 주입노즐을 통해 10kg/㎠ 압력이상으로 충분히 주입한 후 라텍스 에멀젼용액을 주입하면서 주입량과 주입압력을 관찰해야 하는데 이 때 예상 주입량보다 작은 상태에서 압력이 급격히 상승하는 경우에는 응결지연제를 적정 비율로 같이 주입하여야 하며 예상 주입량보다 많이 주입되었는데도 압력변화가 거의 없을 경우에는 응결촉진제를 적정비율로 조절하여 응결시간을 줄인 후 주입하여 주입하고자 하는 범위를 벗어나지 않도록 한다. 응결촉진제는 5-20 kg/cm²으로 주입한다. 본 발명에 따르면, 상기 응결지연액의 주입 압력은 10 kg/cm²이다.

적정한 주입으로 주입압이 상승하고 균열이나 공극이 어느 정도 메워졌다고 판단되면 주입을 멈추고 주입액이 모두 응결되도록 한다.

본 발명의 조성물은 지반안정용 조성물로 기재되어 있지만, 지수 또는 방수의 용도로 사용가능함은 물론이다.

본 발명의 특징 및 이점을 요약하면 다음과 같다:

(a) 본 발명은 폴리이소프렌, 염기성 또는 알칼리성 물질, 및 이온교환수 또는 연수를 포함하는 지반안정용 조성물을 제공한다.

(b) 본 발명의 조성물은 천연라텍스인 폴리이소프렌을 포함하는 에멀젼 그라우트재로서 입자크기 2.5 μm 이하이고 점도 6 cp 이하이며, 표면장력은 55 dyne/cm 이하인 특징이 있다.

(c) 본 발명의 조성물은 종래의 지반안정용 조성물과 비교하여 침투성이 우수하고, 폴리이소프렌 응결 후의 탄성력으로 인하여 지반이 유동하는 경우에도 균열이 일어나지 않으며, 지반의 구성물질과 결합하여 밀폐력이 강화되는 효과가 있다.

도 1은 지반 주입재 침투성 시험장치를 나타낸다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명할 것이다.

실시예

본 명세서 전체에 걸쳐, 특정 물질의 농도를 나타내기 위하여 사용되는 “%“는 별도의 언급이 없는 경우, 고체 액체의 구분 없이 중량 %이다.

1. 지반안정용 조성물의 제조

일반적인 지반 주입용 조성물의 재료는 주입재에 들어가는 물질의 크기에 따라 크게 표 1과 같이 분류할 수 있다. 본 발명의 지반안정을 위한 그라우트재로서 천연라텍스의 주성분인 폴리이소프렌(poly isoprene)를 이용하여 에멀젼 그라우트를 제조하였다.

그라우트 물질의 종류 및 평균 입자크기

평균입자크기	10³	10	10	10-11
고체 유형	입자	콜로이드	분자	원자
그라우트 물질	모래	라텍스
	시멘트		규산염
	마이크로실리카			아크릴
그라우트 종류	미립자 그라우트	에멀젼 그라우트		화학물질 그라우트

우선, 교반기에서 폴리이소프렌을 넣고 50-80 rpm으로 교반하면서 암모니아수나 아민계 용액 또는 나트륨 또는 칼륨의 알칼리성 물질을 적하(dripping)하고 pH 페이퍼로 측정하여 pH 8.5-13의 에멀젼 용액상태로 제조하였다(실시예 1 내지 실시예 7). 이후 첨가제로서 카본블랙 등을 넣고 교반하면서 5분간 추가 교반을 한 후 호모게나이즈로 점도 및 표면장력과 입자의 크기를 조절함으로서 실시예 1 내지 실시예 7의 조성물을 제조하였다.

한편, 비교예 A의 조성물은 폴리이소프렌 대신 시멘트를 이용하여 제조하였고(비교예 A),를 비교예 B의 조성물은 조성물의 함량, pH, 평균입자크기, 점도 및 표면장력의 범위를 달리하여 제조하였다(비교예 B: 비교예 1 내지 비교예 6).

2. 실내주입실험에 의한 지반주입효과비교

대상지반에 대한 지반주입재의 침투 깊이와 넓이, 즉 침투부피는 주입재입자의 크기, 점성, 표면장력, 주입압력에 의해 달라지며 주입대상지반의 토립자의 크기공극률투수계수에 따라 주입재의 침투깊이가 다르고 주입효과가 달라진다. 이러한 조건을 감안하여 토질별 대상지반을 네 종류로 구분하였다. 지반주입재는 기존 널리 사용중인 마이크로세멘트와 보통의 포들랜드시멘트용액을 비교예로 하였고 실시예로서 용액의 조제를 7종류로 달리하여 준비하였다.

토질조건별 대상지반의 준비

본 발명의 주입재의 지반침투효과를 비교하기 위하여 토질별 토립자의 크기를 굵은 모래중간모래가는모래실트 네 가지로 구분하였고 공극률을 측정하였다.

그리고 도 1과 같이 내경 50 cm, 높이 50 cm의 투명압력용기에 토질별로 대상지반시료를 충전한 후 지하수의 흐름을 재현하기 위하여 자연압에 의해 물이 흐르도록 하였다. 그리고 3 kg 압력으로 10분간 지반주입재를 주입한 후 1 일간 방치한 후 주입재가 침투된 대상지반의 부피를 측정하였다.

지반주입재의 제조 및 물성 측정

비교예 A로서 지반주입재의 소재로 대부분 사용 중인 마이크로시멘트(구입처: 한일시멘트)와 포들랜트시멘트를 Water/Cement 300%(구입처: 동양시멘트)의 비율로 주입재 용액을 제조하였다.

비교예 A	평균입자의 크기	점도	표면장력
일반시멘트 W/C300%	17 ㎛	22 cp	76 dyne/cm
마이크로시멘트 W/C300%	4 ㎛	15 cp	85 dyne/cm

비교예 B는 본 발명의 조성물 함량, 입자크기 및 물성범위를 벗어나는 조성으로 제조하였다(표 3).

비교예 B	1	2	3	4	5	6
폴리이소프렌	70 %	30 %	30 %	30 %	50 %	10 %
카본블랙	1.0 %	3.0 %	1.0 %	2.0 %	2.0 %	0.5 %
암모니아수	0.5 %	0.5 %	0.05 %	1.0 %	2.0 %	0.5 %
연수	28.50%	66.50%	68.95%	67.00%	46.00%	84.00%
pH	10.2	10.6	7.9	11.3	13.5	12.1
평균입자크기 (μm)	4.5	5.2	1.8	3.2	3.4	1.8
점도 (cp)	16	8	4	6	12	1.3
표면장력 (dyne/cm)	58	62	47	57	52	43
비고	용액의 점도가 너무 높아 지반에 주입하기가 곤란하였음	지반에 침투가 잘 되지 않았으며 고무의 형성이 지나치게 빠르고 너무 딱딱하였음	실온에서 3일만에 고무가 석출되었으며 지반에 주입시 결집력이 약했음	지반에의 침투가 잘되지 않았음	점도가 높아 주입이 어려웠으며 고무형성이 너무 딱딱해서 추가주입이 불가능했음	침투가 잘되었으나 결집력이 약하고 힘이 없어 지반보강 안정효과가 없었음

본 발명의 지반안정용 조성물로서, 다음과 같은 비율의 조성물을 제조하였다(표 4).

실시예	1	2	3	4	5	6	7
폴리이소프렌	15 %	20 %	40 %	60 %	30 %	30 %	30 %
카본블랙	0.3 %	1.0 %	0.1 %	2.0 %	1.0 %	0.6 %	0.3 %
암모니아수	0.1 %	0.15 %	0.3 %	0.5 %	1.0 %	0.2 %	0.2 %
연수	84.60 %	78.85 %	59.60 %	37.50 %	68.00 %	69.20 %	69.50 %
pH	8.6	9.4	10.2	11.9	12.6	11.3	9.8
평균입자크기 (μm)	0.6	0.8	1.3	1.5	1.7	1.1	0.8
점도 (cp)	3.2	3.8	7.2	5.5	2.9	2.6	1.5
표면장력 (dyne/cm)	39	41	49	46	45	42	36

지반주입 비교시험

각 조성물의 지반주입 비교시험결과는 표 5와 같다:

토질조건	종류	굵은 모래	중간 모래	가는 모래	점토, 실트
	토립자 크기 (mm)	2.0~0.5	0.5~0.25	0.25~0.1	0.1 이하
	공극률 (%)	38%	35%	33%	32%
비교예 A	마이크로시멘트	○	T	Ｘ	Ｘ
	일반 시멘트	S	Ｘ	Ｘ	Ｘ
비교예 B	1	○	T	Ｘ	Ｘ
	2	○	S	Ｘ	Ｘ
	3	○	T	T	Ｘ
	4	○	T	Ｘ	Ｘ
	5	○	S	T	Ｘ
	6	○	S	T	Ｘ
실시예	1	○	○	○	S
	2	○	○	S	S
	3	○	○	T	T
	4	○	○	S	T
	5	○	○	○	T
	6	○	○	○	S
	7	○	○	○	○

※ 침투성 : 90 %이상 (○), 70 %이상 (S), 30 %이상 (T), 30 %이하 (Ｘ)

비교예로 사용된 보통시멘트의 평균입자크기는 17 ㎛ 정도이며 마이크로시멘트의 경우는 4 ㎛ 정도이다. 이러한 입자성의 주입재의 경우 0.5 mm 이상의 굵은 모래지반에서는 70 %이상의 부피에 침투성을 나타내었으나 중간 모래층에서 일반 시멘트용액의 경우 약 20 % 정도 밖에 되지 않았으며 마이크로시멘트의 경우 약 45 % 정도의 침투성을 나타내었다.

또한, 비교예에서 사용된 에멀젼 용액의 경우 에멀젼 라텍스의 고형분 농도가 높으면 점도가 높아 침투효과가 떨어지는 현상이 나타났으며 낮으면 침투는 잘 되나 점결력이 떨어져 지반안정 효과가 낮은 것으로 판단된다. 암모니아수를 적정량 이하 사용할 경우 에멀젼의 입자분산이 고르지 않고 토립자와의 친화성이 달라지면서 표면장력이 높아지며 토립자 속의 무기염과 반응이 너무 빨라 침투성이 떨어지는 것으로 나타났다. 본 발명에 사용된 성분의 호모게이나즈밀링의 정도에 따라 분리침강속도 느려져 용액의 안정성이 좋아지며 입자의 크기가 2.5 μm 이하로 작아지면서 표면장력과 점도가 낮아져 침투성이 월등히 우수해지는 것을 알 수 있었다.

이상으로 본 발명의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 구현 예일 뿐이며, 이에 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백하다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항과 그의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims (8)

1. 전체 조성물에 대하여 폴리이소프렌(polyisoprene) 14.8-62 중량%, 염기성 또는 알칼리성 물질 0.1-1.0 중량%, 및 이온교환수 또는 연수 37-85 중량%를 포함하는 지반안정용 조성물로서, 상기 조성물의 pH는 8.5-13.0의 에멀젼 상태이고, 상기 에멀젼의 입자 크기는 2.5 μm 이하이며, 상기 조성물의 점도는 6 cp 이하이고, 표면장력은 55 dyne/cm 이하인 것을 특징으로 하는 지반안정용 조성물.
   
2. 제 1 항에 있어서, 상기 조성물은 상기 지반안정용 조성물 100 중량부에 대하여 첨가제 0.1-3.0 중량%를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 조성물.
   
3. 제 2 항에 있어서, 상기 첨가제는 카본블랙, 가류촉진제, 노화방지제, 소포제, 분산제, 계면활성제, 침강방지제, 증점제, 응결촉진제 또는 응결지연제인 것을 특징으로 하는 조성물.
   
4. 제 1 항에 있어서, 상기 조성물은 전체 조성물에 대하여 폴리이소프렌(polyisoprene) 14.8-62 중량%, 염기성 또는 알칼리성 물질 0.1-1.0 중량%, 카본 블랙 0.1-2.0 중량% 및 이온교환수 또는 연수 37-85 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 조성물.
   
5. 제 1 항에 있어서, 상기 조성물은 폴리이소부틸렌(polyisobutylene), 폴리우레탄(polyurethane), 폴리클로로프렌, 실리콘, 스티렌-부타디엔-스티렌(styrene-butadiene-styrene, SBS), 니트릴-부타디엔 고무(nitrile-butadiene rubber, NBR) 또는 스티렌-부타디엔 고무(styrene butadiene rubber)를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 조성물.
   
6. 다음의 단계를 포함하는 지반안정용 조성물의 시공방법:
   (a) 지반안정용 조성물의 시공 범위를 결정하는 단계;
   (b) 단계 (a)에서 결정된 시공 범위에 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항의 지반안정용 조성물을 주입하는 단계;
   (c) 상기 단계 (b)에서 주입한 조성물의 응결 후 지반안정도를 확인하는 단계.
   
7. 제 6 항에 있어서, 상기 단계 (b)는 지반안정용 조성물의 주입범위가 넓고 미세한 경우 상기 조성물의 주입 전 응결지연제를 주입하는 것을 특징으로 하는 시공방법.
   
8. 제 6 항에 있어서, 상기 단계 (b)는 지반안정용 조성물의 주입량이 예상주입량 보다 많은 상태임에도 압력 변화가 없을 경우 응결촉진제를 추가적으로 주입하는 것을 특징으로 하는 시공방법.

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