KR102369849B1

KR102369849B1 - 연약지반 급속 처리방법

Info

Publication number: KR102369849B1
Application number: KR1020190161646A
Authority: KR
Inventors: 임양현; 서세관; 안양진; 문경주
Original assignee: 주식회사 대웅
Priority date: 2019-12-06
Filing date: 2019-12-06
Publication date: 2022-03-04
Also published as: KR20210071458A

Abstract

본 발명은 연약지반 급속 처리방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 염소 성분을 함유한 부산물에 의한 경화 촉진 및 동결방지 기능에 의해 기온이 낮은 겨울철 공사나 긴급한 공사의 연약 지반 고화 처리 공사시 최소한의 양생 조건을 갖추고 사용할 수 있는 연약지반 급속 처리방법에 관한 것이다.
본 발명에 의한 연약지반 급속 처리방법은 1) 지반에 주입관을 설치하는 단계; 2) 지반 고화재를 물과 혼합하여 지반 그라우팅재를 제조하는 단계; 3) 상기 지반 그라우팅재를 상기 주입관을 통해 이송하여 주입시키는 단계; 및 4) 상기 지반 그라우팅재를 경화시켜 양생하는 단계;를 포함하며, 상기 지반 고화재는, 비표면적이 4,000∼8,000cm²/g인 고로슬래그 미분말 100중량부에 대하여, 0.1∼5mm로 이하로 입도가 조정되고 CaO 함량이 15∼70중량%이고 SO₃ 함량이 3∼35중량%인 순환 유동층 보일러 바텀애시 0.5∼1,000중량부와, 염소 함유량이 1∼20중량%인 제철소 중조 탈황 분진 0.5∼500중량부와, 염소 함유량이 0.5∼10중량%인 제철소 석회 탈황 분진 0.5∼500중량부와, 염소 함유량이 0.1∼10중량%인 고형연료 연소재 0.5∼500중량부와, 시멘트 5∼300중량부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

연약지반 급속 처리방법{WEAK FOUNDATION TREATMENT METHOD}

본 발명은 연약지반 급속 처리방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 염소 성분을 함유한 부산물에 의한 경화 촉진 및 동결방지 기능에 의해 기온이 낮은 겨울철 공사나 긴급한 공사의 연약 지반 고화 처리 공사시 최소한의 양생 조건을 갖추고 사용할 수 있는 연약지반 급속 처리방법에 관한 것이다.

우리나라와 같은 동절기간이 긴 지역에서 시공된 콘크리트 구조물은 소정의 강도와 내구성을 기대하기가 어렵기 때문에 한중콘크리트의 시공방법에 의한 시공이 불가피하다. 국내의 국토교통부 시방서에 의하면 한중콘크리트는 하루 평균 기온이 4℃ 이하인 날로 규정하고 있으며 기온이 0℃ 이하인 경우 물공사 중단을 실시하도록 지방자치단체와 토지주택공사의 경우 조치하고 있다. 지방단체인 경우 31∼160일이고 토지주택공사의 경우 20∼120일에 이르고 있어 공사중단에 따른 막대한 손실을 초래하고 있는 실정이다. 콘크리트의 동해를 방지하기 위해서는 먼저 강도나 내구성 등의 요구 성능을 만족시켜야 하며 굳지 않은 상태의 시공성과 경화 시의 수화반응이 충실히 이루어지도록 하지 않으면 안 된다.

특히 콘크리트에 있어서 가장 중요한 것은 시멘트가 초기에 충분한 수화반응을 할 수 있도록 적절한 수화 온도 조건이 유지되어야 한다. 시멘트의 수화는 낮은 온도에서는 그 반응이 지연되거나 정지되어 요구 성능을 얻지 못하게 된다. 또한 콘크리트가 초기 동해를 입었을 경우 물의 결빙으로 인해 용적팽창에 의한 균열이 발생하여 영구적으로 강도 발현이 어렵게 된다. 이로 인해 동절기에는 건설공사가 제대로 수행되지 못하고 있는 실정이며 만약 동절기에도 낮은 온도에 구애받지 않고 공사가 이루어 질 수 있다면 레미콘사 및 지반 고화 전문 건설사의 동절기 겨울공사 중단에 따른 막대한 손실을 보상할 수 있고 고용증대 효과 측면에 있어서도 매우 효과적이라 할 수 있다.

현재 우리나라에서 사용되고 있는 한중 콘크리트 규준들의 많은 부분들이 외국의 규준을 근거로 만들어졌으나 국내의 각 학회나 시방서에 따라 약간씩 다른 내용으로 되어 있어 정확하고 통일된 규준의 마련이 필요하며, 현장에서 적용이 쉽게 되고 활성화될 수 있는 방안의 수립이 필요하다. 외국의 경우 방한제의 활용에 의해 효과적인 한중콘크리트를 개발이 활발히 진행되고 있으나 국내에서는 이에 대한 개발은 매우 미진한 실정이며, 단지 선진국에서 방한제의 수입을 통해 일부 레미콘사에 공급하고 있다. 콘크리트의 동결온도를 저하시킬 수 있는 혼화제로 기존에 많이 활용된 것은 염화칼슘, 염화나트륨, 염화칼륨, 초산나트륨, 아초산나트륨, 초산칼슘, 아초산칼슘, 요소, 표백분, 에틸알코올, 에틸렌알코올 등의 물질이다.

또한, 시멘트의 수화반응을 촉진시키는 물질로는 염화물과 탄산염, 아초산염 등의 무기염류와 트리에탄올아민, 질산칼슘 등이 사용되고 있다. 그러나 염화칼슘과 염화나트륨 등의 염화물은 1종 보통시멘트(75,000원/톤)에 비해 단가가 높을 뿐만 아니라 철근 콘크리트 구조물 중의 철근을 부식시킬 위험성이 크기 때문에 시멘트 중량 대비 0.3중량% 이상의 과도한 사용이 어렵고 그 외에 동해방지 혼화제는 가격이 50∼200만원/톤으로 매우 고가이기 때문에 국내에서는 널리 한중콘크리트가 활용되지 못하고 있는 실정이다. 그러나 염화물계 방한제의 경우 철근과 같이 사용되지 아니하는 무근 콘크리트 제품, 마감용 모르타르, 연약지반 고화재 등과 같은 현장의 경우에는 시멘트 중량 대비 0.3% 이상의 염화물도 사용이 가능할 수 있어 초기 동해에 매우 효과적이다 할 수 있다.

또한 콘크리트의 초기 동해를 방지하기 위해 일반적으로 사용되는 방법으로 물 및 골재를 가열하여 사용되는 방법이 있으나 실제 대부분의 레미콘 공장에서 물 및 골재를 가열하여 레미콘을 생산할 수 있는 설비가 제대로 갖추지 못하고 있는 실정이다.

또한 속경성 시멘트를 이용하여 초기강도 발현과 동해방지를 막을 수 있는 방법이 있으나 1종 보통시멘트에 비해 속경성 시멘트의 가격이 4∼20배 정도의 가격이 높아 긴급 보수공사 외에는 사용이 어려운 단점을 가지고 있다.

선행 특허 문헌을 살펴보면, 대한민국 등록특허 제 101456041호의 “강도 증진 및 동해 방지용인 콘크리트 배합 조성물 및 콘크리트 배합방법”에는 염화나트륨 15.5중량% 내지 21.5중량%, 염화암모늄 11.5중량% 내지 17.5중량%, 염화칼슘 32.5중량% 내지 51중량%, 염화마그네슘 1.5중량% 내지 7.5중량%, 소다회 11.5중량% 내지 17.5중량%, 계면활성제 4.5중량% 내지 10.5중량%, 프로필렌 글리콜 4.5중량% 내지 10.5중량%로 포함된 강도 증진 및 동해 방지용인 콘크리트 배합 조성물이 개시되어 있다.

대한민국 등록특허 제 101561003호의 “자기발열 슬래그를 포함한 시멘트 조성물, 이를 포함한 한중 콘크리트 조성물 및 이를 이용한 구조물의 시공방법”에는 C₃A(3CaO·Al₂O₃)을 주요광물로 포함하며, Al₂O₃를 20 중량% 이상 함유하는 제강공정의 정련과정에서 발생되는 자기발열 슬래그, 시멘트 및 석고를 포함하는 조성물이 개시되어 있다.

대한민국 등록특허 제 101729216호의 “발열 콘크리트용 내한촉진제 조성물”에는조기강도를 발현할 수 있는 발열 콘크리트용 내한촉진제 조성물은 방동성을 부여하기 위하여 첨가되고, 질산칼슘, 아질산칼슘 및 아질산리튬을 포함하는 제1 혼화제; 콘크리트의 응결시간 및 발열시간을 조절하기 위해 첨가되고, 포타슘포메이트(PF), 포타슘아세테이트(PA), 칼슘포메이트(CF), 질산칼륨, 주석산 및 리튬카보네이트로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 제2 혼화제; 및 상기 제1 혼화제 및 제2 혼화제를 혼합하기 위하여 사용되는 배합수를 포함하는 조성물이 개시되어 있다.

대한민국 등록특허 제 100880930호의 “초속경성 시멘트 조성물”에는 칼슘설포알루미네이트 60∼85%를 포함하는 아윈계 클링커를 분쇄한 분말 40∼60중량%, 무수석고와 반수석고가 혼합된 석고 분말 15∼30중량%, 보통 포틀랜드 시멘트 20∼40중량%, 소석회 1∼4중량%를 포함하는 초속경성 시멘트 조성물이 개시되어 있다.

대한민국 등록특허 제 101418238호의 “고내구성 초속경 혼합시멘트 조성물”에는클린커(clinker) 90∼95%중량부, 이수석고 5.0∼10.0%중량부로한 조강형 시멘트를 29.3∼43.1%중량부, 실록산계 실리콘 0.5∼1.0%중량부, 칼슘설포알루미네이트 (3CaO.3Al₂O₃.CaSO₄) 32.5∼33.5%중량부, C₁₂A₇ 2.0∼9.5%중량부, 무수석고 19.0∼21.0%중량부, 소석회 2.0∼4.0%중량부, 유동화제 0.3∼0.5%중량부, 경화촉진제 0.1∼0.5%중량부, 응결지연제 0.5∼0.7%중량부로 조성된 실란 및 실록산계 실리콘을 이용한 고내구성 초속경 혼합시멘트 조성물이 개시되어 있다.

대한민국 등록특허 제 101456041호 대한민국 등록특허 제 101561003호 대한민국 등록특허 제 101729216호 대한민국 등록특허 제 100880930호 대한민국 등록특허 제 101418238호

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 염소 성분을 함유한 부산물에 의한 경화 촉진 및 동결방지 기능에 의해 기온이 낮은 겨울철 공사나 긴급한 공사의 연약 지반 고화 처리 공사시 최소한의 양생 조건을 갖추고 사용할 수 있는 연약지반 급속 처리방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 온도가 낮은 겨울철 공사에 적합한 연약지반 급속 처리방법을 제공함에 있다.

위와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 의한 연약지반 급속 처리방법은 1) 지반에 주입관을 설치하는 단계; 2) 지반 고화재를 물과 혼합하여 지반 그라우팅재를 제조하는 단계; 3) 상기 지반 그라우팅재를 상기 주입관을 통해 이송하여 주입시키는 단계; 및 4) 상기 지반 그라우팅재를 경화시켜 양생하는 단계;를 포함하며, 상기 지반 고화재는, 비표면적이 4,000∼8,000cm²/g인 고로슬래그 미분말 100중량부에 대하여, 0.1∼5mm로 이하로 입도가 조정되고 CaO 함량이 15∼70중량%이고 SO₃ 함량이 3∼35중량%인 순환 유동층 보일러 바텀애시 0.5∼1,000중량부와, 염소 함유량이 1∼20중량%인 제철소 중조 탈황 분진 0.5∼500중량부와, 염소 함유량이 0.5∼10중량%인 제철소 석회 탈황 분진 0.5∼500중량부와, 염소 함유량이 0.1∼10중량%인 고형연료 연소재 0.5∼500중량부와, 시멘트 5∼300중량부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 시멘트는 보통포틀랜드 시멘트, 준조강 포틀랜드 시멘트, 조강 포틀랜드 시멘트, CSA(Calcium Sulfur Aluminate), C₁₂A₇, 알루미나 시멘트, 초속경 시멘트 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물인 것이 바람직하다.

또한, 상기 고로슬래그 미분말 100중량부에 대하여, 염화물계 경화촉진제를 0.5∼50중량부 더 포함하며, 염화물계 경화촉진제는 염화칼슘, 염화나트륨, 염화칼륨, 시멘트 킬른 염소 더스트로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나이거나 둘 이상의 혼합물을 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 고로슬래그 미분말 100중량부에 대하여 황산염계 경화촉진제를 0.5∼50중량부 더 포함하며, 황산염계 경화촉진제는 CaSO₄, K₂SO₄, MgSO₄,Na₂SO₄, Al₂(SO₄)₃로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나이거나 둘 이상의 혼합물인 것이 바람직하다.

또한, 상기 고로슬래그 미분말 100중량부에 대하여 유동성을 증진시키기 위하여 액상 및 분말형 유동화제 0.01∼5중량부를 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 고로슬래그 미분말 100중량부에 대하여 재료 분리를 방지하기 위하여 증점제 0.01∼5중량부를 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 고로슬래그 미분말 100중량부에 대하여 인장강도 증진을 위하여 유기계 단섬유 0.01∼5중량부를 더 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 고로슬래그에 염소 성분을 함유한 부산물에 의한 경화를 촉진하여 동결을 방지할 수 있는 효과가 있다.

따라서 기온이 낮은 겨울철 공사나 긴급한 공사의 연약 지반 고화 처리 공사시 최소한의 양생 조건으로 초기강도 향상과 초기 동해를 방지할 수 있다.

따라서 동절기에 겨울공사 중단에 따른 막대한 손실을 보상할 수 있고 고용증대 효과 측면에 있어서도 매우 효과적이다.

이하, 본 발명에 의한 연약지반 급속 처리용 지반고화재 조성물에 대하여 구체적으로 설명한다.

본 발명에 의한 연약지반 급속 처리용 지반고화재 조성물은 비표면적이 4,000cm²/g 이상인 고로슬래그 미분말 100중량부에 대하여, 0.1∼5mm로 이하로 입도가 조정되고 CaO 함량이 15∼70중량%이고 SO₃ 함량이 3∼35중량%인 순환 유동층 보일러 바텀애시 0.5∼1,000중량부와, 염소 함유량이 1∼20중량%인 중조 탈황 분진 0.5∼500중량부와, 염소 함유량이 0.5∼10중량%인 석회 탈황 분진 0.5∼500중량부와, 염소 함유량이 0.1∼10중량%인 고형연료 연소재 0.5∼500중량부와, 시멘트 5∼300중량부를 포함한다.

상기 고로슬래그 미분말은 잠재수경성 물질로서 시중에서 일반적으로 유통되는 비표면적 4,000cm²/g 이상의 미분말 형태로 분쇄된 제품이면 사용이 가능하다. 비표면적 4,000cm²/g 이하의 제품을 사용하면 초기 강도가 늦게 발현되어 본 발명의 취지인 연약지반을 급속 처리하기가 어렵게 된다.

상기 순환 유동층 보일러 바텀애시는 석탄을 주연료로 하는 순환 유동층 보일러에서 석회석과 혼소하여 로내 탈황하는 방식의 보일러 하부에서 발생한다. 순환 유동층 보일러의 탈황공정은 연소실 내에 석회석을 주입하여 연료와 함께 연소시켜 연소가스 중의 인산화황과 석회석이 로내에서 반응하여 연소가스 중의 황은 제거되고 무수석고가 생성되며, 황과 반응하지 않은 석회석은 탈탄산되어 생석회 성분으로 전이되어 배출된다. 특히, 순환 유동층 보일러 바텀애시는 약 850℃의 온도에서 연소되어 유리질 성분이 없기 때문에 포졸란 반응을 일으킬 수는 없지만 상부에서 집진되는 플라이애시에 비해 CaO 및 CaSO₄ 성분이 더 높게 함유되어 있으며 고로슬래그 미분말의 알칼리 및 황산염 자극제로서 더 탁월한 조성을 가지고 있다고 할 수 있다. 따라서, pH가 11.5 이상의 강알칼리 물질이며 고로슬래그 미분말과 같이 활용될 경우 자극제로서 역할을 수행할 수 있는 성질을 가지고 있다.

통상의 고로슬래그 미분말에 물을 투입하게 되면, 표면에 비결정질 피막이 형성되어, 내부의 Ca²⁺, Al³⁺ 등의 용출이 이루어지지 않는다. 그러나, 순환 유동층 보일러 바텀애시를 혼입 후 물을 투입하게 되면, 순환 유동층 보일러 바텀애시가 함유하고 있는 CaO 성분이 물과 반응하여 Ca(OH)₂로 변환되어 생성된 OH^-와 탈황 과정 중 생성된 SO₄ ^2-성분이 고로슬래그 미분말의 비결정질 피막을 파괴하여 Ca²⁺, Al³⁺ 등의 용출이 용이하게 되고, 용출 이온들이 CaO-SiO₂-H₂O계 수화물 등을 생성하게 됨으로써 경화를 빠르게 촉진하고, 잉여 황산화물은 침상형의 구조를 가지는 에트린가이트 수화생성물(3CaO·Al₂O₃·3CaSO₄·32H₂O)을 생성시킴으로써 수화체 내부의 조직을 치밀화하여 경화체의 압축강도를 향상시킬 수 있다.

상기 순환 유동층 보일러 바텀애시는 일반적으로 5mm 이하의 입경을 가지고 있는데 입경이 시멘트, 플라이애시에 비하여 큼에도 불구하고 그 자체로서 고로수쇄 슬래그의 자극효과가 있기 때문에 자극제 및 잔골재로서 동시 역할을 수행할 수 있어 별도의 골재 투입 없이도 물과 혼합 시 페이스트 및 그라우팅재로서 바로 활용이 가능하다. 하지만 고로수쇄 슬래그의 자극 효과를 더욱 더 향상시키기 위해 1mm 이하로 분급 및 분쇄하여 사용하는 것이 바람직하다.

상기 순환 유동층 보일러 바텀애시는 CaO 함량이 15∼70중량%이 바람직하다. 15중량% 미만이면 CaCO₃, CaSO₄의 화합물 형태로 존재하는 CaO 함량 약 10중량% 정도를 제외하면 순수 CaO 그 자체 형태로 존재하는 CaO 함량이 부족하다. 즉, 순수 CaO가 물과 반응하여 Ca(OH)₂로 변환되어 생성된 OH^-이온량이 부족하기 때문에 고로수쇄 슬래그 미분말의 비결정질 피막을 단시간 내에 파괴하기가 어려워 초기 강도가 크게 저하된다. 또한 바텀애시에 존재하는 순수 CaO는 물과 반응하여 흡수, 발열 및 팽창하여 Ca(OH)₂이 될 때 반응식은 아래와 같으며 이때 체적이 약 1.99배 팽창한다.

CaO+ H₂O->Ca(OH)₂+15.6kcal mol^-1

따라서 순수 CaO 성분은 물과 반응하여 수산화칼슘으로 전이 후 고로슬래그 미분말의 알칼리 자극제 역할도 수행하지만 발열에 의한 온도상승으로 고로슬래그 미분말의 수화반응 촉진, 경화체의 체적 수축을 보상하는 효과와 중성화 방지 역할 등도 동시에 발휘하게 된다. 반대로 CaO 함량이 70중량% 초과이면 순수 CaO 형태로 존재하는 CaO 함량이 과도하여 수분을 과도하게 흡수하고 발열 및 팽창이 과도하게 발생하여 균열을 야기시킬 수 있다. 따라서 바텀애시 중에서 반드시 원료 입고 전 화학적 정량 분석을 실시하여 CaO 함량이 15∼70중량%인 것을 사용해야 한다.

상기 순환 유동층 보일러 바텀애시는 SO₃ 함량이 3∼35중량%이 바람직하다. 3중량% 미만이면 고로슬래그를 자극할 수 있는 SO₃ 함량이 부족하여 강도발현이 어렵고, 35%를 초과하면 잉여량의 고로슬래그와 반응하지 못한 SO₃ 함량이 존재하여 오히려 강도가 저하될 수 있다. 화학조성물을 분석하여 상기 범위 내에 바텀애시를 사용하는 것이 바람직하다.

상기 순환 유동층 보일러 바텀애시는 고로슬래그 미분말 100중량부에 대하여, 0.5∼1,000중량부 혼합되는 것이 바람직한데, 0.5중량부 미만일 경우 그 효과가 발휘되지 못하고 1,000중량부 초과일 경우 상대적으로 고로슬래그 함량이 줄어들고 자극제 성분이 과다하여 강도가 크게 저하하게 된다.

상기 중조 탈황 분진은 제철소에서 철광석을 고로에 투입하기 전에 소결광을 제조하게 되는데, 이때 발생하는 가스 내 황산화물(SOx)을 포집하기 위하여 분말도가 높은 고분말의 중조(NaHCO₃)를 투입하게 된다. 중조 탈황 분진은 탈황 반응을 거쳐 최종적으로 주성분이 황산나트륨(Na₂SO₄)이고 염소이온을 일부 함유하는 분진 형태로 배출된다.

반응식 1(중조 탈황 반응)

중조 탈황 분진은 Fe, Ca 등 유용성분 부족으로 제철소내 공정 재활용이 불가능하며, 매립처리 외에는 적절한 처리방안이 없는 상황이다. 하지만 매립처리 역시 2018년도부터 시행된 자원순환기본법의 영향으로 처분부담금이 발생하고, 위탁매립처리비 또한 급격히 동반상승하고 있는 실정이다. 따라서 중조 탈황 분진의 매립량 저감을 위해 대체처리 방안이 필요한 상황이다. 하지만 중조 탈황 분진의 경우 물과 반응시 Na⁺ 및 SO4^2-로 용해되어 높은 pH를 유지시킴과 더불어 알칼리 및 황산염 복합 자극을 유도하므로 고로슬래그 미분말의 수화반응을 초기에 급격히 촉진할 수 있다. 또한 물에 쉽게 용해되는 성질이 있고 free CaO 성분이 없어 물과 혼합 시 유동성이 개선되는 효과가 있다. 또한 분진 형태로 발생하기 때문에 파쇄ㆍ분쇄와 같은 별도 가공 없이 바로 사용 가능한 장점이 있다. 따라서 제철 공정 중에 부산물로 발생하는 중조 탈황 분진은 고로 슬래그의 반응 자극제로서 활용 할 수 있는 가능성이 있다. 또한 염소가 함유되어 있는 물질이기 때문에 염소이온(Cl^-)은 고로슬래그 미분말 및 시멘트의 수화반응을 촉진하는 특성을 가지고 있어 동절기에 초기강도를 요구하는 현장에서 일반적으로 사용되는 염화칼슘 및 염화나트륨 등을 대체할 수 있다.

상기 중조 탈황 분진은 고로슬래그 미분말 대비 0.5∼500중량부를 사용하는 것이 바람직하다. 0.5중량 미만일 경우 급결 및 유동성 개선 효과가 미비하며 500중량부 초과일 경우 상대적으로 강도가 크게 저하되고 백화현상이 발생할 수 있다.

상기 석회 탈황 분진은 일관제철소 등의 고로에서 생산된 용선 중에 함유된 황(S)을 제거하기 위하여, 상기 용선 상부에 고분말 석회 등의 탈황 부원료를 투입한 후 교반함으로써, 황과 상기 탈황 부원료의 반응을 도모하여 용선 중에 함유된 황을 제거하고 있다. 이러한 탈황처리 과정에서 분진이 발생되는데, 이를 석회 탈황 분진이라한다. 석회 탈황 분진은 주성분이 Ca(OH)_2,CaSO₄ 및 CaCl₂ 성분으로 구성되어 있으며 pH가 11.5 이상의 강알칼리 물질이며 free CaO 성분이 없어 물과 혼합 시 유동성을 개선시키는 효과가 있다. 고로슬래그 미분말과 같이 활용될 경우 자극제 및 촉진제로서 역할을 수행할 수 있는 성질을 가지고 있다.

상기 석회 탈황 분진은 고로슬래그 미분말 100중량부에 대하여 0.5∼500중량부 혼합되는 것이 바람직한데, 0.5중량부 미만일 경우 그 효과가 발휘되지 못하고 500중량부 초과일 경우 상대적으로 시멘트의 함량이 적어져 초기 강도 발현이 어렵게 된다.

또한, 상기 고형연료 연소재는 일반 고형연료(SRF, Solid Refuse Fuel), 바이오 고형연료(BIO-SRF, Biomass-Solid Refuse Fuel)를 연소하는 발전시설에서 배출되는 것이 바람직하다.

고형연료 연소재는 재료분리를 억제하기 위하여 점성을 증가시키는 역할을 수행한다. 수분을 흡수하는 성질 또한 석탄을 연료로 하는 순환 유동층 보일러 플라이애시에 비해 적어 유동성 또한 양호하다. 또한, 고형연료 연소재는 염소 성분을 일부 함유하고 있어 초기 강도 향상에 효과적이다. 상기 고형연료 연소재는 고로슬래그 미분말 100중량부에 대하여 0.5∼500중량부 혼합되는 것이 바람직한데, 0.5중량부 미만일 경우 그 효과가 발휘되지 못하고 500중량부 초과일 경우 상대적으로 강도가 크게 저하하게 된다.

또한, 상기 시멘트는 초기 강도 확보를 위해 필요하며 보통포틀랜드 시멘트, 준조강 포틀랜드 시멘트, 조강 포틀랜드 시멘트, CSA(Calcium Sulfur Aluminate), C₁₂A₇, 알루미나 시멘트, 초속경 시멘트 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물인 것이 바람직하다. 또한, 상기 시멘트는 상기 고로슬래그 미분말 100중량부에 대하여, 5∼300중량부 혼합되는 것이 바람직한데, 5중량부 미만일 경우 초기 강도 발현이 되지 못하며 300중량부를 초과할 경우 초기 강도는 증가하나 경제성이 불리하고 6가 크롬 등 유해 중금속이 용출될 수 있다.

또한, 상기 고로슬래그 미분말 100중량부에 대하여, 염화물계 경화촉진제를 0.5∼50중량부 더 포함하며, 상기 염화물계 경화촉진제는 염화칼슘, 염화나트륨, 염화칼륨, 시멘트 킬른 염소 더스트로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나이거나 둘 이상의 혼합물을 더 포함하는 것이 바람직하다. 염화물계 경화촉진제는 고로슬래그 미분말 및 시멘트의 C₃S의 수화를 촉진시켜 초기강도를 급격히 발휘하게 함으로써 초기 동해를 방지하는데 도움이 된다. 또한, 상기 염화물계 경화촉진제는 상기 고로슬래그 미분말 100중량부에 대하여, 0.5∼50중량부 혼합되는 것이 바람직한데, 0.5중량부 미만일 경우 동결방지 기능과 고로슬래그 미분말 및 시멘트 수화반응 촉진 효과가 미흡하며, 50중량%를 초과할 경우 시멘트 수화생성물 Ca(OH)₂와 반응하여 CaO, CaCl₂·2H₂O, Mg₂(OH)₃Cl·4H₂O의 결정물을 생성 후 용적을 팽창시킬 수 있는 염해가 발생할 수 있으며 너무나 급격하게 경화되어 작업성 확보가 어렵게 된다.

또한, 상기 비표면적이 고로슬래그 미분말 100중량부에 대하여 황산염계 경화촉진제를 0.5∼50중량부 더 포함하며, 상기 황산염계 경화촉진제는 CaSO₄, K₂SO₄, MgSO₄,Na₂SO₄, Al₂(SO₄)₃로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나이거나 둘 이상의 혼합물인 것이 바람직하다. 황산염 이온은 고로슬래그 미분말의 산성피막을 깨뜨릴 수 있는 자극제 역할을 수행하며 알칼리 성분은 고로슬래그 미분말 및 시멘트의 급결을 유도하는 역할을 수행한다. 상기 황산염계 경화촉진제는 상기 고로슬래그 미분말 100중량부에 대하여 하여, 0.5∼50중량부 혼합되는 것이 바람직한데, 0.5중량부 미만일 경우 고로슬래그 미분말의 자극 효과가 미흡하며, 50중량%를 초과할 경우 경제성에 크게 불리하고 오히려 강도가 저하될 수 있다.

또한, 상기 비표면적이 4,000cm²/g 이상인 고로슬래그 미분말 100중량부에 대하여 유동성을 증진시키기 위하여 액상 및 분말형 유동화제 0.01∼5중량부를 더 포함하는 것이 바람직하다. 유동화제는 나프탈렌계, 멜라민계, 아민계, 리그닌계, 폴리 카르본산계로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나이거나 둘 이상의 혼합물이 바람직하다. 상기 유동화제는 상기 고로슬래그 미분말 100중량부에 대하여 0.01∼5중량부 혼입되는 것이 바람직한데 0.01 중량부 미만일 경우 유동성 개선 효과가 없으며 5중량부를 초과할 경우 유동성이 과도하게 개선되어 재료분리가 일어날 수 있고 경제성이 부족하다.

또한 상기 비표면적이 4,000cm²/g 이상인 고로슬래그 미분말 100중량부에 대하여 수중 분리를 방지하기 위하여 증점제를 더 포함하는 것이 바람직하다. 상기 증점제는 하이드록시프로필 메틸셀룰로오스(HYDROXY PROPYL METHYL CELLULOSE, HPMC), 하이드록시 에틸셀룰로오스(HYDROXY ETHYL CELLULOSE, HEC), 카르복시메틸 셀룰로오스(CARBOXY METHYL CELLULOSE, CMC), 에틸 하이드록시틸 셀룰로오즈(ETHYL HYDROXY ETHYL CELLULOSE, EHEC), 폴리 아크릴계, 다당체(POLY SACCARIDE), 하이드 록시에틸 메틸셀룰로오스(HYDROXY ETHYL METHYL CELLULOSE, HEMC), 폴리 에틸렌 옥시드(POLY ETHYLENE OXIDE, PEO)계, 에틸렌 비닐 아세테이트(ETHYLENE VINYL ACETATE, EVA)계로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나이거나 둘 이상의 혼합물을 것이 바람직하다.

상기 증점제는 상기 고로슬래그 미분말 100중량부에 대하여 0.1∼5중량부 혼입되는 것이 바람직한데 0.01 중량부 미만일 경우 수중 불분리 개선 효과가 없으며 5중량부를 초과할 경우 점성이 과도해져서 시공이 어렵게 된다.

또한 상기 비표면적이 4,000cm²/g 이상인 고로슬래그 미분말 100중량부에 대하여 내진 설계 및 액상화 거동이 심한 현장에 대해서는 전단응력에 대응하는 고인성의 기능을 확보하기 위하여 유기계 단섬유 0.01∼5중량부를 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 유기계 단섬유는 탄소를 함유한 솔벤트, 기름, 염분, 알칼리에 매우 높은 저항성을 가지고 있다. 또한 섬유표면에 수산기를 가지고 있는 친수성 구조로서 액상에서 분산이 잘되고 높은 탄성계수와 분체 성분에 대한 부착성능이 우수하며, 비교적 작은 직경을 갖추고 있어 미소균열을 억제하고 안정화하여 섬유의 가교작용을 통하여 역학정 성질을 증대시키는데 매우 효과적이며 피로와 충격하중에 의해 발생하는 균열을 억제하는데 효과적이다. 본 발명에서 사용되는 유기계 단섬유는 일반적인 콘크리트 계열에 사용되는 섬유는 다 통용되나, 바람직하게는 폴리 비닐 알코올계 단섬유로 비중 1.1 ∼1.3g/㎤, 직경 9∼12㎛, 인장강도 7,000∼9,000kgf/㎠, 길이 3∼8㎜ 인 것을 사용하며, 상기 고화재 조성물 100중량부에 대하여 약 0.1∼5 중량부의 범위로 사용되는 것이 바람직하다. 0.1중량부 미만이면 소성균열을 억제하는데 그 효과가 미미하며, 5중량부를 초과할 경우 그 효과에 비해 경제성이 떨어지고, 흙과의 결속력을 떨어뜨려 압축강도를 저하시킬 우려가 있다.

이하에서는 연약지반 급속 처리방법을 설명한다.

먼저, 급속처리가 요구되는 연약지반에 주입관을 설치한다.

다음으로 앞서 설명한 본 발명에 의한 지반 고화재, 즉, 고로슬래그 미분말, 순환 유동층 보일러 바텀애시, 중조 탈황 분진, 석회 탈황 분진, 고형연료 연소재 및 시멘트를 필수적으로 포함하는 본 발명에 의한 지반 고화재를 제조하고, 물과 혼합하여 지반 그라우팅재를 제조한다.

다음으로, 상기 지반 그라우팅재를 상기 주입관을 통해 이송하여 주입시킨다.

마지막으로 상기 지반 그라우팅재를 경화시켜 양생하여 완성된다.

이하에서 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예가 기술되어질 것이다. 또한 이하의 실시예들은 본 발명을 예증하기 위한 것으로서 본 발명의 범위를 국한하는 것으로 이해되어져서는 아니된다.

〔실시예 1∼3 및 비교예 1의 조성물〕

하기 표 1은 비교예 및 실시예 1∼3의 고화재 조성물 시료들에 대한 배합비를 각각 나타낸 것이다.

배합 사용원료	배합비율(중량%)
배합 사용원료	비교예	실시예 1	실시예 2	실시예 3
1종 포틀랜드 시멘트	100
고로슬래그 미분말 (비표면적 4,650cm²/g)	-	50	50	50
순환 유동층 보일러 바텀애시 (비표면적 2,1504,650cm²/g)		20	20	20
제철소 중조 탈황 분진 (염소이온 함유량 5.86중량%)	-	10	5	5
제철소 석회 탈황 분진 (염소이온 함유량 3.12중량%)	-	5	5	5
고형연료 연소재 (염소이온 함유량 2.28중량%)	-	5	5	5
준조강 포틀랜드 시멘트		10	10	10
염화물계 경화촉진제 (CaCl₂)			5
황산염계 경화촉진제 (Al₂(SO₄)₃)				5

〔저온 환경하에서 고화토 압축강도 특성 평가〕

본 발명의 지반 고화재 조성물이 저온 환경하에서 우수한 강도를 발현할 수 있는지를 알아보기 위한 기초시험으로 해성점토 1m³ 기준으로 1종 시멘트 또는 본 발명의 지반고화재 400kg, 물 320kg를 강제식 믹서로 충분히 혼합하여 밀크주입재를 제조하여 해성점토 1m³와 균질하게 혼합하여, Ø5cm×10cm 크기의 공시체 9개를 제작하여 항온항습기를 이용하여 -2℃에서 양생하여 재령 3일, 7일, 28일 강도를 측정하였다. 이후 그 결과를 하기 표 2에 각각 나타내었다.

〈-2℃ 조건에서 양생된 고화토의 압축강도 평가 시험〉

종류	압축강도(MPa)
종류	3일	7일	28일
비교예	0.21	0.48	0.81
실시예 1	0.42	0.98	1.78
실시예 2	0.63	0.99	1.69
실시예 3	0.79	1.82	2.14

1종 포틀랜드 시멘트인 비교예에 비하여 실시예 1, 실시예 2 와 실시예 3의 일축압축강도는 모두 높은 강도를 발현하는 것으로 나타내었다.

실시예 1은 1종 시멘트만을 사용한 비교예 1에 비하여 3일 재령에서 2배의 초기강도를 발현하였으며, 28일 재령에서도 약 2배 더 높은 강도를 발현하였다.

실시예 1에 염화물계 경화 촉진제를 더 포함한 실시예 2는 실시예 1에 비해 3일 재령에서는 1.5배 정도 강도 증진 효과가 있었으며 7일과 28일은 비슷한 경향을 나타내었다.

실시예 1에 황산염계 경화촉진제가 더 포함된 실시예 3은 비교예 1에 비하여 3일 재령에서 1.9배 가까운 강도를 발현하였을 뿐만 아니라 28일 재령에서도 약 1.2배가 가까운 강도가 발현됨을 확인할 수 있었다.

이와 같이 본 발명의 지반 고화재를 이용하여 연약지반을 처리하는 경우 영하 2℃의 낮은 온도 조건에서도 염소가 함유된 중조 탈황 분진의 초기 동결 방지 및 수화반응 촉진 효과와 더불어 석회 탈황 분진 및 고형연료 연소재 등에 의한 초기 양생 촉진 효과로 인해 동절기 공사에 초기강도 확보 및 초기 동해 방지에 매우 효과적인 성능 발휘가 가능함을 알 수 있었다.

또한 재활용이 미흡한 순환자원을 대량 활용함으로서 천연자원과 에너지를 대량 소비하여 제조되는 시멘트의 사용량 절감에 따른 비용절감과 환경보호의 효과를 기대할 수 있다.

Claims

1) 지반에 주입관을 설치하는 단계;
2) 지반 고화재를 물과 혼합하여 지반 그라우팅재를 제조하는 단계;
3) 상기 지반 그라우팅재를 상기 주입관을 통해 이송하여 주입시키는 단계; 및
4) 상기 지반 그라우팅재를 경화시켜 양생하는 단계;를 포함하며,
상기 지반 고화재는,
비표면적이 4,000∼8,000cm²/g인 고로슬래그 미분말 100중량부에 대하여,
0.1∼5mm로 이하로 입도가 조정되고 CaO 함량이 15∼70중량%이고 SO₃ 함량이 3∼35중량%를 포함하는 순환 유동층 보일러 바텀애시 0.5∼1,000중량부와,
염소 함유량이 1∼20중량%이고, 주성분으로 황산나트륨(Na₂SO₄)이 함유된 중조 탈황 분진 0.5∼500중량부와,
염소 함유량이 0.5∼10중량%이고 주성분이 Ca(OH)_2,CaSO₄ 및 CaCl₂ 성분으로 구성된 석회 탈황 분진 0.5∼500중량부와,
염소 함유량이 0.1∼10중량%인 고형연료 연소재 0.5∼500중량부와,
황산염계 경화촉진제 0.5∼50중량부와,
시멘트 5∼300중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 동절기 시공이 가능한 지반 그라우팅재 시공 및 연약지반 급속 처리방법.

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