KR102481694B1 - 강관다단 그라우팅 공법용 속경성 그라우트재, 이의 제조방법 및 이를 이용한 강관다단 그라우팅 공법 - Google Patents

강관다단 그라우팅 공법용 속경성 그라우트재, 이의 제조방법 및 이를 이용한 강관다단 그라우팅 공법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 속경성 그라우트재, 이의 제조방법 및 이를 이용한 강관다단 그라우팅 공법에 관한 것으로서, 좀 더 구체적으로 설명하면, 연약지반 및 터널의 보수보강 효과가 우수하고, 공사 시간을 단축시킬 수 있는 강관다단 그라우팅 공법용 속경성 그라우트재, 이의 제조방법 및 이를 이용한 강관다단 그라우팅 공법에 관한 것이다.

Description

강관다단 그라우팅 공법용 속경성 그라우트재, 이의 제조방법 및 이를 이용한 강관다단 그라우팅 공법{Quick-harding grout materials for multi-step grouting reinforcement withi steel pipe, Manufacturing method of the same, and Multi-step grouting reinforcement method usins the same}
본 발명은 연약지반 및 터널의 보수보강 효과가 우수하고, 공사 시간을 단축시킬 수 있는 강관다단 그라우팅 공법용 속경성 그라우트재, 이의 제조방법 및 이를 이용한 강관다단 그라우팅 공법에 관한 것이다.
토목 및 건축 구조물의 사용 중 터널공사 및 증축이나 리모델링, 용도변경, 하중증가 등으로 인해 차수 및 지반 보강이 필요한 경우가 자주 발생하게 된다. 이러한 문제들이 예상되는 지반을 개량하여 어떠한 목적물을 건설하는데 있어 차수 및 보강 등의 안전상의 문제점을 제거하기 위한 수단으로 연약지반 개량공법으로 그라우팅 공법이 이용된다.
그라우팅 시공시 주입공법이란 연약지반 속에 시멘트와 같은 주입제를 펌프의 압력으로 주입하여 지반 내의 공극이나 균열을 충전시켜 줌으로써 용수의 유출을 막거나, 또는 연약 지층을 뭉쳐 굳게 하여 지반의 붕괴를 억제하게 되며, 주입재로는 시멘트액, 모르타르액, 물유리액과 같은 약액 등이 사용된다.
따라서, 주입공법은 원래 유동성을 갖고 있지만 소정 시간 후에 고결시키는 것이 가능한 현탁액형 및 용액형 주입액을 지반 중에 주입하여 지반의 투수성을 감소시키고, 지반의 강도를 증대시킴으로써 변상방지 등의 복합적인 효과를 기대하는 지반개량 공법 중의 하나다. 용액형 주입재의 대부분을 차지하고 있는 물유리계 주입액은 시멘트계 현탁형 주입재에 비해서 침투성이 우수한 장점을 갖고 있지만, 강도가 약하고, 내구성이 떨어지는 결점을 갖고 있기 때문에 시멘트계 현탁액형 주입재와 조합하여 반현탁액형 주입재로 사용하는 것이 일반적이다. 이렇게 일반적으로 사용되는 그라우팅용 주입공법에서는 주요 결합재로 시멘트를 사용하는데 시멘트는 지반의 강알칼리 및 6가 크롬에 의한 환경오염을 유발할 수 있고 수화반응 진행 시 과도한 체적 수축이 발생하는 문제점을 내포하고 있다.
특히, 터널보강을 위한 주입 공법, 즉 그라우팅 공법은 통상 천공, 강관삽입, 코킹(caulking) 및 실링(sealing), 그라우팅(grouting)의 시공절차로 진행되고 있다. 즉, 터널 굴착 전에 강관을 적절한 형상으로 배열, 설치하고 그 강관의 내측에 팩커(Packer)를 설치하여 다단으로 그라우트 조성물을 주입함으로서 주입재에 의한 지반의 고결로 인하여 강관과 지반을 일체로 만들고 강관 및 주변 지반의 빔(Beam)작용에 의해 터널 굴착지반에 가해지는 상재 하중, 토압 등의 분산효과 및 경감 효과를 얻어 막장의 안전성을 확보하게 된다. 이를 통해, 천정이 붕괴되는 등의 원치 않는 사고를 방지할 수 있고, 굴착설계에 따른 안정적 굴착작업이 가능하다.
하지만, 기존 주입재(그라우트재)는 초기 압축강도가 낮고, 겔화 시간이 늦어져 강관다단 그라우팅 공법을 통한 시공 시간 단축이 실질적인 어려움이 있다.
한국 등록특허번호 제10-11840470호(공고일 2018.05.04) 한국 등록특허 제 10-0834923호 호(공고일 2008.06.03)
본 발명은 빠른 겔화시간을 가지면서도, 우수한 조기 압축강도를 발현하고, 내화학성이 우수한 최적의 조성을 가지는 그라우트재, 이를 제조하는 방법 및 이를 이용한 강관다단 그라우팅 공법을 제공하고자 한다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명은 강관다단 그라우팅 공법용 그라우트재에 관한 것으로서, 주입재, 물 및 급결재를 포함한다.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 본 발명의 강관다단 그라우팅 공법용 그라우트재는 주입재 100 중량부에 대하여, 물 100 ~ 140 중량부 및 급결재 80 ~ 110 중량부를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 주입재는 혼합 시멘트, 초기강도 증진제, 강도보강제, 접착향상제, 크랙저감제, 부식방지제, 내구성 증진제, 작업성 증진제, 겔화촉진제, 흐름방지제, 공기연행제, 환경충진제, 분산제 및 규사를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 주입재는 초기강도 증진제 0.8 ~ 2.0 중량%, 강도보강제 5 ~ 10 중량%, 접착향상제 3 ~ 8 중량%, 크랙저감제 0.1 ~ 1.0 중량%, 부식방지제 0.1 ~ 1.0 중량%, 내구성 증진제 15 ~ 20 중량%, 작업성 증진제 1.0 ~ 3.0 중량%, 겔화촉진제 0.02 ~ 0.15 중량%, 흐름방지제 0.02 ~ 0.15 중량%, 공기연행제 0.1 ~ 0.5 중량%, 환경충진제 10 ~ 15 중량%, 분산제 0.10 ~ 0.30 중량%, 규사 10 ~ 20 중량% 및 전체 100 중량% 중 나머지 잔량의 혼합 시멘트를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 주입재 성분 중 상기 혼합 시멘트는 1종 포틀랜드 시멘트, 초미립자상 시멘트 및 알루미나 시멘트를 1 : 0.10 ~ 0.50 : 0.05 ~ 0.20 중량비로 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 주입재 성분 중 상기 초기강도 증진제는 개미산 칼슘을 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 주입재 성분 중 상기 강도보강제는 메타카올린 및 카올린 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 주입재 성분 중 상기 접착향상제는 실록산 유화액 및 유동성 향상제를 1 : 0.05 ~ 0.15 중량비로 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 접착향상제 성분 중 상기 실록산 유화액은 실록세인계 화합물 30 ~ 40 중량%, 아크릴계 공중합체 수지 15 ~ 20 중량%, 에톡실레이트 2차 알코올 5 ~ 15 중량%, 계면활성제 0.2 ~ 1.0 중량% 및 나머지 잔량 중량%의 물을 혼합 및 가수분해시켜서 제조한 것일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 접착향상제 성분 중 상기 유동성 향상제는 폴리옥시에틸렌라우릴에테르 5 ~ 10 중량% 및 방향족 화합물 함량이 0.5 중량% 미만인 탄화수소 오일 90 ~ 95 중량%를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 주입재 성분 중 상기 겔화촉진제는 리튬카보네이트를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 주입재 성분 중 상기 흐름방지제는 메셀로스를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 주입재 성분 중 상기 분산제는 폴리카보네이트계 분산제를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 급결재는 보크사이트, 칼슘설포알루미네이트, 급결보조제, 흐름방지제, 속경보완제 및 응결보조제를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 급결재는 보크사이트 15 ~ 20 중량%, 급결보조제 8 ~ 12 중량%, 흐름방지제 0.01 ~ 0.50 중량%, 속경보완제 5.0 ~ 10.0 중량% 및 응결보조제 4.0 ~ 8.0중량% 및 전체 중량% 중 나머지 잔량의 칼슘설포알루미네이트를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 목적은 앞서 설명한 강관다단 그라우팅 공법용 그라우트재를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 혼합 시멘트, 초기강도 증진제, 강도보강제, 접착향상제, 크랙저감제, 부식방지제, 내구성 증진제, 작업성 증진제, 겔화촉진제, 흐름방지제, 발수제, 공기연행제, 환경충진제, 분산제 및 규사를 혼합하여 주입재를 제조하는 1단계; 상기 주입재와 물을 혼합하여 모르타르를 제조하는 2단계; 및 상기 모르타르와 급결재를 혼합하는 3단계;를 포함하는 공정을 수행하여 제조할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 3단계의 급결재는 보크사이트, 칼슘설포알루미네이트, 급결보조제, 흐름방지제, 속경보완제 및 응결보조제를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 목적은 강관다단 그라우팅 공법에 관한 것으로서, 지반을 천공하는 1단계; 상기 천공으로 다단 강관을 삽입하는 2단계; 상기 다단 강관과 천공 사이에 실링재 모르타르를 충진하는 3단계; 충진된 실링재가 겔화된 후, 앞서 설명한 상기 속경성 그라우트재를 다단 강관에 충진하는 4단계; 및 충진된 속경성 그라우트재를 경화시키는 5단계;를 포함하는 공정을 수행할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 실링재 모르타르는 실링재 및 물을 포함한다.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 실링재는 혼합시멘트, 유동화제, 감수제, 지연제, 촉진제, 내마모제, 급결제, 소포제, 충진제 및 흐름방지제를 포함할 수 있다.
본 발명의 강관다단 그라우팅 공법용 그라우트재는 속경성이 우수하여 짧은 겔화시간을 가지며, 재료분리 현상이 없어서 우수한 압축강도 등의 기계적 물성이 우수하며, 속경에 따른 수축에 의한 크랙 발생을 방지할 수 있는 바, 이를 이용한 강관다단 그라우팅 공정 시간을 크게 단축시키고, 효과적인 그라우팅 공법을 수행할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 속경성 그라우트재를 이용한 강관다단 그라우팅 공법의 순서를 보여주는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 속경성 그라우트재를 이용한 강관다단 그라우팅 장치가 굴착공에 설치된 단면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 A부의 확대도이다.
도 4는 도 2에 도시된 B부의 확대도이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 속경성 그라우트재를 이용한 강관다단 그라우팅 장치의 일부 구성요소인 콘 타입 강관의 횡단면도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 속경성 그라우트재를 이용한 강관다단 그라우팅 장치의 A부의 확대도이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 속경성 그라우트재를 이용한 강관다단 그라우팅 장치의 A부의 확대도로서 작동 후를 도시한다.
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 속경성 그라우트재를 이용한 강관다단 그라우팅 장치의 A부의 확대도이다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명의 그라우트재는 다양한 그라우팅 공법에 사용할 수 있으며, 바람직하게는 강관다단 그라우팅 공법에 적용할 수 있다.
본 발명의 그라우트재는 주입재, 물 및 급결재를 포함하며, 바람직하게는 주입재 100 중량부에 대하여, 물 100 ~ 140 중량부를 혼합한 후, 여기에 주입재 100 중량부에 대하여 급결재 80 ~ 110 중량부를 혼합하여 제조할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 주입재 100 중량부에 대하여, 물 115 ~ 140 중량부를 혼합한 후, 여기에 주입재 100 중량부에 대하여 급결재 90 ~ 105 중량부를 혼합하여 제조할 수 있다. 이때, 물의 사용량이 100 중량부 미만이면 그라우트재의 겔타임(gel time)은 짧으나 그라우트재의 경화물에 크랙이 발생할 수 있고, 그라우트재 점도가 높아서 그라우팅 시공시 작업성이 좋지 못할 수 있으며, 물 사용량이 140 중량부를 초과하면 겔타임이 길어져서 오히려 빠른 시공성에 악영향을 주고 조기 압축강도가 낮을 수 있으므로 상기 범위 내로 사용하는 것이 좋다.
또한, 상기 급결재는 그라우트재에 속경성을 부여하는 역할을 하는 것으로서, 급결재 사용량이 80 중량부 미만이면 그라우트재의 겔타임이 너무 지연되는 문제가 있을 수 있고, 110 중량부를 초과하여 사용하면 겔타임은 짧아지나 오히려 그라우트재 경화물에 크랙 발생하고, 경화물의 기계적 장기 수명 안정성이 저하될 수 있으므로 상기 범위 내로 사용하는 것이 좋다.
[주입재]
본 발명 그라우트재의 주입재의 조성을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
상기 주입재는 혼합 시멘트, 초기강도 증진제, 강도보강제, 접착향상제, 크랙저감제, 부식방지제, 내구성 증진제, 작업성 증진제, 겔화촉진제, 흐름방지제, 공기연행제, 환경충진제, 분산제 및 규사를 포함한다.
주입재 성분 중 상기 혼합시멘트는 1종 포틀랜드 시멘트, 초미립자상 시멘트 및 알루미나 시멘트를 1 : 0.10 ~ 0.50 : 0.05 ~ 0.20 중량비로 포함할 수 있으며, 바람직하게는 1종 포틀랜드 시멘트, 초미립자상 시멘트 및 알루미나 시멘트를 1 : 0.20 ~ 0.40 : 0.10 ~ 0.15 중량비로, 더욱 바람직하게는 1종 포틀랜드 시멘트, 초미립자상 시멘트 및 알루미나 시멘트를 1 : 0.25 ~ 0.35 : 0.10 ~ 0.15 중량비로 포함할 수 있다.
상기 초미립자상 시멘트는 수화 초기 작업성을 유지하고 시멘트 입도를 초미분화를 할 목적으로 시멘트 소성법으로 제조된 것으로서, 상기 초미립자상 시멘트는 저열시멘트(KS 4종 시멘트)용 반제품인 클링커에 이수석고 및/또는 무수석고를 3 ~ 5 중량% 첨가한 다음, 1차로 롤러에서 압축전단 분쇄하여 분말도 약 4,000 ㎠/g 수준까지 분쇄한 후, 2차로 고성능 분체 분급기(separator)에서 분체 농도 및 선회류 속도를 조절하여, 분말도 5,000 ~ 15,000 ㎠/g 범위, 바람직하게는 6,000 ~ 12,000㎠/g 의 초미립자상 시멘트로 제조한 것을 사용할 수 있다.
상기 초미립자상 시멘트 사용으로 인해 우수한 조기 압축강도를 발현할 수 있으며, 혼합 시멘트 내 초미립자상 시멘트 사용량이 포틀랜드 시멘트 기준으로 0.10 중량비 미만이면 조기 압축강도 향상 효과가 미비하고, 외부에서 유입되는 이온 침투 저항 효과가 미비할 수 있고, 0.30 중량비를 초과하여 사용하면 주입재의 흐름성이 좋지 못하여 그라우팅 공법 작업성이 저하될 수 있으므로 상기 범위 내로 사용하는 것이 좋다.
그리고, 혼합 시멘트 성분 중 상기 알루미나 시멘트는 그라우트재의 속경성 증대 및 내화학성을 보완하기 위해 함께 사용하는 것으로서, 포틀랜드 시멘트 기준으로 0.05 중량비 미만으로 사용시 그 사용량이 너무 적어서 이의 사용으로 인한 속경성 증대 및 내화학성 증대가 없을 수 있고, 0.20 중량비를 초과하여 사용하면 그라우트재 경화물의 조기 압축강도가 낮을 수 있고, 비싼 가격으로 인해 그라우트재의 경제성이 떨어질 수 있으므로 상기 범위 내로 사용하는 것이 좋다.
그리고, 주입재 내 혼합시멘트 함량은 주입재 전체 중량% 중 초기강도 증진제, 강도보강제, 접착향상제, 크랙저감제, 부식방지제, 내구성 증진제, 작업성 증진제, 겔화촉진제, 흐름방지제, 공기연행제, 환경충진제, 분산제 및 규사 각각의 함량을 제외한 나머지 잔량의 중량%이다.
다음으로, 주입재 성분 중 상기 초기강도 증진제는 그라우트재의 조기 압축강도 발현 및 기계적 물성 향상 효과를 위해 사용하는 것으로서, 개미산 칼슘을 사용하는 것이 좋으며, 그 사용량은 주입재 전체 중량% 중 0.8 ~ 2.0 중량%, 바람직하게는 0.80 ~ 1.55 중량%를 사용하는 것이 좋다. 이때, 초기강도 증진제 사용량이 0.8 중량% 미만이면 이의 사용으로 인한 초기 강도 향상 효과가 미비할 수 있고, 2.0 중량%를 초과하여 사용하더라도 더 이상의 초기 강도 향상 효과가 없으므로 상기 범위 내로 사용하는 것이 좋다.
다음으로, 주입재 성분 중 강도보강제는 그라우트재의 기계적 물성을 향상시키기 위해 사용하는 것으로서, 메타카올린 및 카올린 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 메타카올린을 포함할 수 있다. 그리고, 주입재 내 상기 강도보강제의 함량은 주입재 전체 중량 중 5 ~ 10 중량%, 바람직하게는 5.5 ~ 9.5 중량%, 더욱 바람직하게는 6.0 ~ 8.5 중량%로 포함할 수 있다. 이때, 강도보강제 함량이 5 중량% 미만이면 그 사용량이 너무 적어서 이의 사용으로 인한 그라우트재의 강도 증대 효과가 미비한 문제가 있을 수 있고, 10 중량%를 초과하면 그라우트재 양생시 초기 강도는 우수하나, 오히려 완전 경화 후 미세 크랙이 발생하고, 내화학성이 떨어지는 문제가 있을 수 있으므로 상기 범위 내로 사용하는 것이 좋다.
다음으로, 주입재 성분 중 접착향상제는 그라우트재 성분 간 결합력을 증대 통한 기계적 물성을 향상시키고, 그라우트재와 그라우팅 시공면과의 접착력을 증대 및 염소이온 고정 효과를 통해 경화된 그라우트재의 부식 차단 기능을 부여하기 위해 사용하는 것으로서, 주입재 전체 중량% 중 접착향상제 3 ~ 8 중량%를, 바람직하게는 4.0 ~ 7.5 중량%를, 더욱 바람직하게는 4.5 ~ 7.0 중량%를 사용하는 것이 좋다. 이때, 접착향상제 사용량이 3 중량% 미만이면 그 사용량이 적어서 이의 사용으로 인한 물성 향상 효과가 미비할 수 있고, 8 중량%를 초과하여 사용하는 그라우트재의 흐름성이 좋지 못하여 그라우팅 시공시 작업성에 악영향을 줄 수 있으므로 상기 범위 내로 사용하는 것이 좋다.
그리고, 상기 접착향상제는 실록산 유화액 및 유동성 향상제를 1 : 0.05 ~ 0.15 중량비를 혼합하여 제조한 것을, 바람직하게는 실록산 유화액 및 유동성 향상제를 1 : 0.07 ~ 0.12 중량비로 혼합하여 제조한 것을 사용할 수 있다.
그리고, 상기 실록산 유화액은 실록세인계 화합물 30 ~ 40 중량%, 아크릴계 공중합체 수지 15 ~ 20 중량%, 에톡실레이트 2차 알코올 5 ~ 15 중량%, 계면활성제 0.2 ~ 1.0 중량% 및 나머지 잔량 중량%의 물을 혼합 및 가수분해시켜서 제조한 것이며, 바람직하게는 실록세인계 화합물 32 ~ 38 중량%, 아크릴계 공중합체 수지 15 ~ 18 중량%, 에톡실레이트 2차 알코올 6 ~ 12 중량%, 계면활성제 0.4 ~ 0.8 중량% 및 나머지 잔량 중량%의 물을 혼합 및 가수분해시켜서 제조한 것이다.
그리고, 실록산 유화액 성분 중 상기 실록세인계 화합물은 하기 화학식 1로 표시되는 실록세인계 화합물을 사용할 수 있다.
[화학식 1]
Figure 112022038296916-pat00001
화학식 1에 있어서, R1은 수소원자 또는 C1~C3의 직쇄형 알킬기이며, 바람직하게는 수소원자이다. 그리고, 화학식 1의 R2는 수소원자, -COOH, -COOCH3 또는 C1~C3의 직쇄형 알킬기이고, 바람직하게는 R2는 -COOH 또는 -COOCH3이며, 더욱 바람직하게는 -COOH이다. 그리고, 화학식 1의 R3는 수소원자, C1~C3의 직쇄형 알킬기, -CH2COOH 또는 -CH2COOCH3이며, 바람직하게는 R3는 C1~C3의 직쇄형 알킬기, -CH2COOH 또는 -CH2COOCH3이고, 더욱 바람직하게는 R3는 -CH2COOH이다. 그리고, 화학식 1의 m은 2 ~ 10의 정수이다.
실록산 유화액 성분 중 상기 아크릴계 공중합 수지는 하이드록실(C1~C3의 알킬)아크릴레이트 모노머 50 ~ 60 중량%, 하기 화학식 2로 표시되는 아민 함유 방향족 비닐계 단량체 15 ~ 20 중량% 중합 개시제 0.01 ~ 0.20 중량% 및 용매를 포함하는 혼합액을 공중합시킨 공중합체이다. 상기 아크릴계 공중합 수지는 실록세인계 화합물의 접착력 증대, 내화학성을 증대시키는 역할을 하는 것으로서, 중량평균분자량(Mw) 10,000 g/mol ~ 50,000 g/mol, 바람직하게는 중량평균분자량 12,000 g/mol ~ 45,000 g/mol, 더욱 바람직하게는 15,000 ~ 35,000 g/mol 인 것이 좋으며, 중량평균분자량이 10,000 g/mol 이면 접착성 향상 향상 효과가 미비할 수 있고, 50,000 g/mol을 초과하면 내화학성 및 다른 성분들과의 결합성 유지가 오히려 감소하는 문제가 발생할 수 있으므로 상기 범위 내의 중량평균분자량을 가지는 것을 사용하는 것이 좋다.
[화학식 2]
Figure 112022038296916-pat00002
화학식 2의 R1은 수소원자 또는 C1~C3의 알킬기이고, 수소원자 또는 메틸기이며, 더욱 바람직하게는 수소원자이다. 화학식 2의 R2는 C1~C3의 알킬렌기 또는 -O-이며, 바람직하게는 프로필렌기 또는 -O-이며, 더욱 바람직하게는 -O-이다. 화학식 2의 R3 및 R4 각각은 독립적으로 수소원자, C1~C5의 직쇄형 알킬기 또는 C3~C7의 분쇄형 알킬기이고, 바람직하게는 수소원자 또는 C1~C3의 직쇄형 알킬기이며, 더욱 바람직하게는 C1~C2의 직쇄형 알킬기이다.
아크릴계 공중합체 수지 제조에 사용되는 상기 중합개시제는 C1~C10의 알킬리튬, 나트륨알콕사이드, 칼륨알콕사이드, 및 리튬설포네이트 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 C2~C5의 알킬리튬 또는 리튬설포네이트를 포함할 수 있다.
아크릴계 공중합체 수지 제조에 사용되는 상기 용매는 n-펜탄, n-헥산, n-헵탄, 이소옥탄, 사이클로헥산, 톨루엔, 벤젠 및 크실렌 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 n-헥산, n-헵탄 및 사이클로헥산 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
실록산 유화액 성분 중 상기 계면활성제는 C8 ~ C18 지방 알콜 에톡실레이트, 에틸렌 옥사이드와 프로필렌 옥사이드의 블록 공중합체 및 C8 ~ C18 알킬폴리글리코사이드 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
그리고, 접착향상제 성분 중 상기 유동성 향상제는 접착향상제의 흐름성을 향상시키는 역할을 하는 것으로서, 상기 유동성 향성제는 폴리옥시에틸렌라우릴에테르 및 방향족 화합물 함량이 0.5 중량% 미만인 탄화수소 오일을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 폴리옥시에틸렌라우릴에테르 10 ~ 15 중량% 및 나머지 잔량의 상기 탄화수소 오일을, 더욱 바람직하게는 폴리옥시에틸렌라우릴에테르 10.5 ~ 13.5 중량% 및 나머지 잔량의 상기 탄화수소 오일을 포함할 수 있다. 탄화수소 오일의 유분과 실록산 유화액의 상용성을 높이기 위해서는 적절한 친수성과 친유성 균형이 필요한데, 상기 폴리옥시에틸렌라우릴에테르는 이러한 친수성, 친유성의 균형을 맞추는 역할을 하며, 10 ~ 15 중량% 범위로 포함하는 것이 적절하다.
다음으로, 주입재 성분 중 크랙저감제는 그라우트재가 완전 경화 후, 크랙 발생을 저감시키기 위해 사용하는 것으로서, 무수석고, 이수석고(CaSO4·2H2O) 및 반수석고(CaSO4·1/2H2O) 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 바람직하게는 분말도 5,000 cm2/g 이상, 바람직하게는 분말도 5,500 ~ 7,000 cm2/g인 무수석고를 포함할 수 있다. 그리고, 주입재 내 크랙저감제의 함량은 크랙저감제 0.1 ~ 1.0 중량%, 바람직하게는 0.2 ~ 0.8 중량%, 더욱 바람직하게는 0.3 ~ 0.7 중량%이며, 크랙저감제 함량이 0.1 중량% 미만이면 그 함량이 적어서 크랙 저감 효과가 미비할 수 있고, 1.0 중량%를 초과하여 사용하면 그라우트재의 흐름성이 좋지 않아서 그라우팅 작업성이 오히려 저하되는 문제가 있을 수 있으므로 상기 범위 내로 사용하는 것이 좋다.
다음으로, 주입재 성분 중 부식방지제는 외부 환경에서 유입되는 염화물 성분에 의한 부식을 방지하는 역할을 하는 것으로서, 아질산나트륨(NaNO2) 및 과탄산나트륨(2Na2CO3.3H20) 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 아질산나트륨을 사용할 수 있다. 그리고, 이의 사용량은 주입재 전체 중량 중 0.1 ~ 1.0 중량%, 바람직하게는 0.2 ~ 0.5 중량%이며, 이때, 부식방지제 함량이 0.1 중량% 미만이면 그 사용량이 적어서 이의 사용으로 인한 부식 방지 효과가 미비할 수 있고, 1.0 중량%를 초과하여 사용하면 오히려 그라우트재의 압축강도가 저하되는 문제가 있을 수 있으므로 상기 범위 내로 사용하는 것이 좋다.
다음으로, 주입재 성분 중 상기 내구성 증진제는 그라우트재의 내마모성을 증대시키는 역할을 하는 것으로서, 실리카흄 및 플라이애쉬 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 SiO2 94 중량% 이상을 함유한 실리카흄 및 플라이 애쉬를 혼합하여 사용할 수 있다. 그리고, 본 발명의 모르타르 내 상기 내구성 증진제의 함량은 모르타르 전체 중량 중 15 ~ 20 중량%, 바람직하게는 15.0 ~ 17.5 중량%, 더욱 바람직하게는 15.0 ~ 17.0 중량%로 포함할 수 있다. 이때, 내구성 증진제 함량이 15 중량% 미만이면 내구성 증대 효과가 미비한 문제가 있을 수 있고, 20 중량%를 초과하면 그라우트재의 흐름성에 악영향을 줘서 그라우팅 시공성이 저하는 문제가 있을 수 있으므로 상기 범위 내로 사용하는 것이 좋다.
다음으로, 주입재 성분 중 작업성 증진제는 시공 성능 향상하는 역할을 하는 것으로서, 탄산칼슘 및 탈크 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 그리고, 상기 작업성 증진제의 함량은 주입재 전체 중량 중 1.0 ~ 3.0 중량%, 바람직하게는 1.2 ~ 2.8 중량%, 더욱 바람직하게는 1.5 ~ 2.5 중량%로 포함할 수 있다. 이때, 작업성 증진제 함량이 1.0 중량% 미만이면 시공성 저하 문제가 있을 수 있고, 3.0 중량%를 초과하면 오히려 그라우트재의 내구성 저하 문제가 있을 수 있으므로 상기 범위 내로 사용하는 것이 좋다.
다음으로, 주입재 성분 중 겔화촉진제는 그라우트재의 초기 겔화를 촉진시키는 역할을 하는 것으로서, 상기 겔화촉진제는 리튬카보네이트를 포함할 수 있다. 그리고, 겔화촉진제의 함량은 전체 중량 중 0.02 ~ 0.15 중량%, 바람직하게는 0.05 ~ 0.12 중량%, 더욱 바람직하게는 0.05 ~ 0.10 중량%로 포함할 수 있다. 이때, 겔화촉진제 함량이 0.02 중량% 미만이면 그 사용량이 너무 적어서 겔화 촉진 효과가 미비한 문제가 있을 수 있고, 0.15 중량%를 초과하면 오히려 내구성을 저하시키는 문제가 있을 수 있으므로 상기 범위 내로 사용하는 것이 좋다.
다음으로, 주입재 성분 중 상기 흐름방지제는 그라우트재의 플로우(flow)성, 즉 흐름성이 너무 높아지는 것을 방지하는 역할을 하는 것으로서, 메셀로스(mecellose)를 포함할 수 있다. 그리고, 흐름방지제의 함량은 전체 중량 중 0.02 ~ 0.15 중량%, 바람직하게는 0.05 ~ 0.12 중량%, 더욱 바람직하게는 0.05 ~ 0.10 중량%로 포함할 수 있다. 이때, 흐름방지제 함량이 0.02 중량% 미만이면 그 사용량이 너무 적어서 흐름성 조절 효과가 미비한 문제가 있을 수 있고, 0.15 중량%를 초과하면 오히려 흐름성을 저하에 의한 그라우팅 시공시 작업성을 저하시키는 문제가 있을 수 있으므로 상기 범위 내로 사용하는 것이 좋다.
다음으로, 주입재 성분 중 상기 공기연행제는 그라우트재의 시공 성능 원할히 역할을 하는 것으로서, 술폰산염을 포함할 수 있고, 바람직하게는 알파올레핀술폰산염(Sodium alpha oleffin sulfonate)을 포함할 수 있다. 그리고, 주입재 내 공기연행제의 함량은 모르타르 전체 중량 중 0.1 ~ 0.5 중량%, 바람직하게는 0.15 ~ 0.35중량%를 사용하는 것이 좋다. 이때, 공기연행제 함량이 0.1 중량% 미만이면 그 사용량이 너무 적어서 작업 성능 효과가 미비할 수 있고, 0.5 중량%를 초과하여 사용하는 경우, 압축강도 저하 문제가 있을 수 있으므로 상기 범위 내에서 사용하는 것이 바람직하다.
다음으로, 주입재 성분 중 상기 환경충진제는 토질오염방지를 방지하는 목적으로 하는 역할을 하는 것으로서, 석회석(limestone)을 포함할 수 있다. 그리고, 주입재 내 환경충진제의 함량은 모르타르 전체 중량 중 10.0 ~ 15.0 중량%, 바람직하게는 11.5 ~ 14.5중량%를 사용하는 것이 좋다. 이때, 환경충진제 함량이 10.0 중량% 미만이면 그 사용량이 너무 적어서 오염방지에 효과가 미비할 수 있고, 15 중량%를 초과하여 사용하는 경우, 압축강도 저하하는 문제가 있을 수 있으므로 상기 범위 내에서 사용하는 것이 바람직하다.
다음으로, 주입재 성분 중 상기 분산재는 주입재 성분 간 혼화가 잘 이루어지도록 하는 역할을 하는 것으로서, 폴리카르본산계 분산제를 포함할 수 있고, 상용화된 폴리카르본산계 분산제로는 상품명 멜플렉스 2651, 상품명 PC1031, 상품명 PC-WP500P등이 있다. 그리고, 본 발명의 주입재 내 분산제의 함량은 주입재 전체 중량 중 0.1 ~ 0.3 중량%, 바람직하게는 0.10 ~ 0.28중량%를, 더욱 바람직하게는 0.10 ~ 0.20 중량%를 사용하는 것이 좋다. 이때, 분산제 함량이 0.1 중량% 미만이면 그 사용량이 너무 적어서 혼화성 향상 효과가 미비할 수 있고, 0.3 중량%를 초과하여 사용하는 경우, 오히려 작업성에 문제가 있을 수 있으므로 상기 범위 내에서 사용하는 것이 바람직하다.
다음으로, 주입재 성분 중 상기 규사는 그라우트재 경화시 발생할 수 있는 건조수축을 감소시켜 주고, 또한 그라우트재의 강성을 높여주는 역할을 하는 성분으로서, 그 함량은 주입재 전체 중 10 ~ 20 중량%, 바람직하게는 12.0 ~ 16.0 중량%, 더욱 바람직하게는 12.5 ~ 15.0 중량%를 사용하는 것이 좋다.
[급결재]
본 발명의 그라우트재 조성 중 상기 급결재는 주입재의 겔화 및 양생 속도를 증가시키는 것으로서, 보크사이트, 칼슘설포알루미네이트, 급결보조제, 흐름방지제, 속경보완제 및 응결보조제를 포함할 수 있으며, 바람직하게는 보크사이트 15 ~ 20 중량%, 급결보조제 8 ~ 12 중량%, 흐름방지제 0.01 ~ 0.50 중량%, 속경보완제 5.0 ~ 10.0 중량%, 응결보조제 4.0 ~ 8.0중량% 및 전체 중량% 중 나머지 잔량의 칼슘설포알루미네이트를 포함할 수 있고, 더욱 바람직하게는 보크사이트 16 ~ 18 중량%, 급결보조제 10 ~ 12 중량%, 흐름방지제 0.03 ~ 0.30 중량%, 속경보완제 6.5 ~ 10.0 중량%, 응결보조제 4.4 ~ 7.0중량% 및 전체 중량% 중 나머지 잔량의 칼슘설포알루미네이트를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 보크사이트(bauxite)는 칼슘설포알루미네이트와 함께 주입재의 겔타임을 줄이고, 그라우트재의 양생 속도를 증가시키는 역할을 하는 것으로서, 분말도 5,000 cm2/g 이상인, 바람직하게는 분말도 6,000 ~ 8,000 cm2/g 인 보크사이트를 사용하는 것이 주입재 성분과의 혼화성 측면에서 바람직하다. 그리고, 상기 급결보조제는 망초(Na2SO4)를 사용하는 것이 좋으며, 망초 함량이 급결재 전체 중량% 중 8중량% 미만이면 급결 향상 효과가 미비할 수 있고, 12 중량%를 초과하여 사용하면 오히려 주입재와 급결재의 혼화성을 저해할 수 있으므로 상기 범위 내로 사용하는 것이 좋다. 또한, 급결재 성분 중 상기 흐름방지제는 급결제의 점도를 조절하는 역할을 하는 것으로서, 급결재에 사용되는 흐름방지제인 메셀로스(mecellose)를 사용하는 것이 좋다. 또한, 급결재 조성 중 상기 속경보완제로는 생석회(burned lime)을 사용하는 것이 좋고, 상기 응결보조제로는 소다회(Na2CO3)를 사용하는 것이 좋다.
앞서 설명한 본 발명의 그라우트재는 주입재를 제조하는 1단계; 상기 주입재와 물을 혼합하여 모르타르를 제조하는 2단계; 및 상기 모르타르와 급결재를 혼합하는 3단계;를 포함하는 공정을 수행하여 제조할 수 있다. 1단계의 주입재 및 3단계의 급결재 각각은 앞서 설명한 조성 및 함량과 같다.
앞서 설명한 본 발명의 그라우트재를 이용한 강관다단 그라우팅 공법에 대해 설명하면, 지반을 천공하는 1단계; 상기 천공으로 다단 강관을 삽입하는 2단계; 상기 다단 강관과 천공 사이에 실링재 모르타르를 충진하는 3단계; 충진된 실링재가 겔화된 후, 앞서 설명한 상기 속경성 그라우팅재를 다단 강관에 충진하는 4단계; 및 충진된 속경성 그라우팅재를 경화시키는 5단계;를 포함하는 공정을 수행할 수 있다.
1단계의 상기 지반은 연약지반, 터널의 지반 등 보강하고자 하는 지반을 의미한다.
그리고, 2단계의 다단 강관을 당업계에서 사용하는 일반적인 다단 강관을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 콘 타입 강관을 도입한 다단 강관을 사용할 수 있으며, 콘 타입 다단 강관에 대해 설명하면 다음과 같다.
[다단 강관]
본 발명의 제1 실시예에 따른 속경성 그라우트재를 이용한 강관다단 그라우팅 장치를 도 1 내지 도 5를 참고하여 설명한다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 속경성 그라우트재를 이용한 강관다단 그라우팅 장치는, 도 1 내지 도 5를 참고하면, 콘 타입 강관(10), 주입부재(30)를 포함한다.
상기 콘 타입 강관(10)은, 막장에 형성된 굴착공(2)으로 삽입되어 안착되고 전방이 콘 형태로 이루어질 수 있다. 상기 콘 타입 강관(10) 전단부의 형태를 콘 타입으로 변형시켜 주입압력을 높임으로써 기존 주입공법보다 충진율을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
이때, 콘 타입 강관(10)의 전단의 콘 타입부(10c)에는 중앙에 주입재가 배출될 수 있도록 전방 토출홀이 형성될 수 있다.
이때, 상기 콘 타입 강관(10)에는 복수개의 몸통 토출홀(10a)이 형성되고, 상기 복수개의 몸통 토출홀(10a)에는 압력조절밸브(20)가 설치될 수 있다.
이때, 상기 복수개의 몸통 토출홀(10a)은 상기 콘 타입 강관(10)의 둘레에 균일하게 또는 불규칙한 위치에 형성될 수 있다. 또한 상기 압력조절밸브(20)의 압력을 상하좌우 위치마다 서로 다르게 조절하여 삽입되는 위치의 주위에 토질에 따라 다르게 조절할 수 있다.
이때, 상기 압력조절밸브(20)는 소위 나사 식 밸브의 간단한 구조를 갖는 밸브를 적용할 수 있을 것이다.
이때, 상기 콘 타입 강관(10)의 외면에는 상기 콘 타입 강관(10)의 외면과 굴착공(2) 사이의 간격이 일정 간격 이상으로 유지될 수 있도록 복수개의 날개(10b)가 구비될 수 있다.
이때, 상기 복수개의 날개(10b)는 120도 각도로 형성되어 콘 타입 강관(10)과 굴착공(2) 사이 거리를 유지하는데 최소한도로 설치할 수 있다.
상기 주입부재(30)는, 도 1 내지 도 5를 참고하면, 이 굴착공(2)에 삽입된 상태에서 내부에 주입재가 제공된 다음 주입재에 압력을 가하여 굴착공(2) 주변으로 주입재를 압입시킬 수 있다.
이때, 주입부재(30)는, 도 1 내지 도 5를 참고하면, 피스톤부(30a), 로드부(30b), 그리고 패킹 손잡이부(30c)를 포함할 수 있다.
이때, 상기 피스톤부(30a)는, 콘 타입 강관(10) 내부에 주입된 주입재를 전방으로 압입시킬 수 있다.
이때, 상기 피스톤부(30a)는 반구형으로 이루어져 전진 시에는 힘이 가해져 그라우트재를 압입시키고 후진 시에는 용이하게 후진될 수 있도록 되어 있다.
상기 로드부(30b)는, 상기 피스톤부(30a)에 일단이 연결되고 타단은 패킹 손잡이부(30c)에 연결될 수 있다. 로드부(30b)는 파이프 또는 봉 형태로 이루어질 수 있고, 압입 강도에 따라 그 직경을 설계 변경할 수 있다.
상기 패킹 손잡이부(30c)는, 상기 로드부(31b)의 타단이 연결되고 상기 피스톤부(30a)가 최대 전진하게 되면 상기 콘 타입 강관(10) 입구부를 밀착하여 폐쇄되도록 직경이 크게 형성될 수 있다.
이때, 상기 패킹 손잡이부(30c)에는 상기 콘 타입 강관(10)에 밀착 시, 상기 콘 타입 강관(10) 내부가 밀폐되도록 상기 콘 타입 강관(10)의 내부에 밀착되는 패킹부재(31)를 포함할 수 있다.
이때, 상기 패킹 손잡이부(30c)는 전체가 실링을 위하여 고무 또는 실리콘 재질로 이루어질 수 있다. 이때, 상기 패킹부재(31) 또한 고무 재질, 또는 실리콘 재질로 이루어질 수 있다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 속경성 그라우트재를 이용한 강관다단 그라우팅 공법의 순서를 보여주는 모식도가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 그라우팅 공법은, 천공 후 강관을 삽입하는 제1 단계, 주입구를 코팅하는 제2 단계, 그라우트재를 주입하는 제 3단계, 주입완료 및 회수하는 제 4단계, 그라우팅 완료 후 굴착하는 제 5단계, 그리고 굴착 완료하는 제 6단계를 포함할 수 있다.
도 2 내지 도 5를 참고하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 속경성 그라우트재를 이용한 강관다단 그라우팅 장치가 굴착공(2)에 설치된 단면도가 도시되어 있다. 콘 타입 강관(10)은 복수개의 날개(10b)에 의해 굴착공(2)과 일정 간격을 유지하면서 삽입되고 그 상태를 유지할 수 있도록 되어 있다. 콘 타입 강관(10)에는 복수개의 몸통 토출홀(10a)이 형성되어 있고, 각 몸통 토출홀(10a)에는 나사식의 압력조절밸브(20)가 설치될 수 있다. 이를 이용하여 주입되는 위치와 양을 어느 정도 조절이 가능할 수 있다. 콘 타입 강관(10)의 콘 타입부(10c)에는 중앙에 토출홀이 형성되어 있고, 그라우트재 압입 시 전방으로 그라우트재를 토출할 수 있도록 되어 있다.
한편, 도 6및 도 7을 참고하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 속경성 그라우트재를 이용한 강관다단 그라우팅 장치의 일부 확대도가 도시되어 있다. 제1 실시예와 다른 점은 회수용 부재(50)가 설치된 차이점이 있다. 즉 주입부재(30)의 중앙에는 관통공(30d)이 형성되고, 상기 관통공(30d)에는 콘 타입 강관(10)을 회수할 수 있도록 상기 콘 타입 강관(10)의 전방 토출홀(10d)에 나사 결합되는 회수용 부재(50)가 설치될 수 있다. 이때 상기 회수용 부재(50)는 주입부재(30)와는 독립적으로 관통공(30d) 내에서 전후진할 수 있도록 되어 있고, 전방에는 나사(50a)가 형성되어 있다. 또한 콘 타입 강관(10)의 콘 타입부(10c)의 토출홀에는 너트 형태로 나사(10d)가 형성되어 회수용 부재(50)의 나사(50a)와 나사 결합하도록 되어 있다. 콘 타입부(10c)는 내경이 단부로 갈수록 감소하는 형태이기 때문에 회수용 부재(50)가 중앙에서 벗어나더라도 토출홀의 나사(10d)로 안내될 수 있다. 필요에 따라 회수용 부재(50)를 회전시켜 콘 타입 강관(10)과 나사 결합한 다음 후방으로 당겨 굴착공(2)으로부터 분리해 낼 수 있다. 콘 타입 강관(10)과 회수용 부재(50)가 나사 결합한 후의 상태가 도 7에 도시되어 있다.
한편, 도 8을 참고하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 속경성 그라우트재를 이용한 강관다단 그라우팅 장치의 일부의 확대도가 도시되어 있다. 주입부재(30)의 전방에는 콘 타입 강관(10)을 회수할 수 있도록 상기 콘 타입 강관(10)의 전방 토출홀의 나사(10d)에 나사(30f) 결합되는 회수용 부재(30e)가 일체로 형성될 수 있다. 즉 회수용 부재(30e)를 별도의 부재로 하는 것이 아니고 주입부재(30)에 일체로 형성한 차이점이 있다. 물론 동작은 동일하게 이루어질 수 있고, 다만 회수용 부재(30e)를 회전시키기 위해서는 주입부재(30) 전체를 회전시켜야 함은 물론이다.
[실링재]
3단계의 실링재 모르타르는 실링재와 물을 혼합하여 제조하며, 실링재 모르타르(또는 실링재)는 1시간 3시간 비가트 침 침입도가 40 mm 이하를 만족하고, 2시간 비가트 침 침입도가 30 mm 이하를 만족하며, 3시간 비가트 침 침입도가 10 mm 이하를 만족하고, 6시간 비가트 침 침입도가 5 mm 이하를 만족한다. 상기 실링재는 당업계에서 사용하는 실링재를 사용할 수 있으나, 바람직하게는 분산제, 감수제, 지연제, 겔화촉진제, 내마모제, 급결제, 소포제, 충진제, 흐름방지제 및 혼합 시멘트를 포함하는 실링재를 사용할 수 있고, 더욱 바람직하게는 분산제 2.0 ~ 4.0 중량%, 감수제 1.0 ~ 2.5 중량%, 지연제 0.01 ~0.12 중량%, 겔화촉진제 0.02 ~ 0.10 중량%, 내마모제 4.5 ~ 8.0 중량%, 급결제 15 ~ 22 중량%, 소포제 0.01 ~ 0.03 중량%, 충진제 10 ~ 20 중량%, 흐름방지제 20 ~ 30 중량% 및 실링재 전체 중량% 중 나머지 잔량의 혼합 시멘트를 포함할 수 있다.
실링재 조성 중 상기 분산제는 폴리카르본산계 분산제를 포함할 수 있고, 상용화된 폴리카르본산계 분산제로는 상품명 멜플렉스 2651, 상품명 PC1031, 상품명 PC-WP500P 등이 있다.
그리고, 실링재 조성 중 상기 감수제는 멜라민계 감수제를 포함할 수 있으며, 상기 지연제는 주석산 및 구연산을 포함할 수 있고, 바람직하게는 주석산 및 구연산을 1:0.2 ~ 1.0 중량비로 포함할 수 있다.
또한, 실링재 조성 중 상기 겔화촉진제는 리튬카보네이트를 포함할 수 있고, 상기 내마모제는 실리카흄을 포함할 수 있다. 또한, 상기 급결제는 칼슘설퍼알루미네이트를 포함할 수 있으며, 상기 소포제는 비이온계 계면활성제를 포함할 수 있고, 바람직하게는 C8 ~ C18 지방 알콜 에톡실레이트, 에틸렌 옥사이드와 프로필렌 옥사이드의 블록 공중합체 및 C8 ~ C18 알킬폴리글리코사이드 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 비이온계 계면활성제를 사용할 수 있다.
또한, 상기 충진제는 칼슘카보네이트를 포함할 수 있으며, 상기 흐름방지제는 몬모릴나이트계 흐름방지제를 포함할 수 있다.
그리고, 실링재 조성 중 상기 혼합 시멘트는 중용열 포틀랜드 시멘트, 조강 포틀랜드 시멘트, 내황산염 포틀랜드 시멘트, 백색 포틀랜드 시멘트, 유정시멘트, 콜로이드 시멘트, 고로 시멘트, 플라이 애쉬 시멘트, 실리카 시멘트, 초저발열 시멘트, 지열정 시멘트, 롤러 전압다짐 콘크리트 포장용 시멘트, 알루미나 시멘트, 초속결 시멘트, 및 유리섬유보강용 저알칼리 시멘트 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있고, 바람직하게는 조강 포틀랜드 시멘트, 내황산염 포틀랜드 시멘트 및 실리카 시멘트 3종을 1: 0.2 ~ 0.5 : 0.2 ~ 0.5 중량비로 혼합하여 사용할 수 있다.
본 발명의 강관다단 그라우팅 공법에 있어서, 3단계는 앞서 설명한 조성 및 함량의 실링재를 물을 W/C(물-시멘트비) 1.0 ~ 1.2 정도를 만족하도록 혼합한 후, 다단 강관에 주입하여 다단 강관과 천공 사이를 충진시킨다.
앞서 설명한 본 발명의 그라우트재를 이용한 강관다단 그라우팅 공법을 통해서 빠른 겔화시간 및 그라우트재의 빠른 양생시간, 우수한 압축강도를 확보, 그라우팅 공법 효율성을 향상시키는 다단 강관 이용을 통해서, 전체 공사시간을 단축시킬 수 있다.
이하에서는 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기로 하지만, 하기 실시예가 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니며, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로 해석되어야 할 것이다.
[실시예]
실시예 1 : 실링재 및 실링재 모르타르의 제조
폴리카르본산계 분산제(멜플렉스 2651) 2.74 중량%, 멜라민계 감수제 1.37 중량%, 지연제(주석산 및 구연산=1:0.5 중량비) 0.04 중량%, 겔화촉진제(리튬카보네이트) 0.07 중량%, 내마모제(실리카흄) 6.84 중량%, 급결제(칼슘설퍼알루미네이트) 20.52 중량%, 소포제(C12알킬 폴리글리코사이드) 0.014 중량%, 충진제(칼슘카보네이트) 13.68 중량%, 몬모릴나이트계 흐름방지제 27.36 중량% 및 전체 중량% 중 나머지 잔량의 혼합 시멘트를 혼합하여 실링재를 제조하였다.
그리고, 상기 혼합 시멘트는 조강 포틀랜드 시멘트, 내황산염 포틀랜드 시멘트 및 실리카 시멘트 3종을 1: 0.33 : 0.29 중량비로 혼합한 것을 사용하였다.
다음으로, 상기 실링재와 물을 1:1 중량비(W/C=1.0)으로 혼합하여 실링재 모르타르를 제조하였다.
실험예 1 : 실링재 모르타르의 비가트 침 칩입도 측정
상기 실시예 1에서 제조한 실링재 모르타르의 겔화시간 및 시간별 비가트 침 칩입도를 측정하였고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다. 비가트 침 칩입도는 KS L 9597에 의거하여 측정하였다.
구분 측정결과
겔화 시간 15 초
시간별
비가트 침 칩입도
1시간 38.4 mm
2시간 27.5 mm
3시간 9.1 mm
4시간 7.7 mm
5시간 5.6 mm
6시간 4.5 mm
7시간 3.9 mm
8시간 3.7 mm
9시간 3.6 mm
24시간 2.8 mm
상기 표 1의 실험결과를 살펴보면, 실시예 1의 실링재가 20초 미만의 매우 빠른 겔화 시간을 가지면서도, 전반적으로 낮은 비가트 침 칩입도를 가지는 것을 확인할 수 있었다.
실시예 2-1 : 그라우트재의 제조
(1) 접착향상제의 제조
실록산 유화액 및 유동성 향상제를 1 : 0.1 중량비로 혼합하여 접착향상제를 제조하였다.
상기 실록산 유화액은 하기 화학식 1-1로 표시되는 실록세인계 화합물 36 중량%, 아크릴계 공중합체 수지(Mw=23,000~30,000 g/mol) 17 중량%, 에톡실레이트 2차 알코올 7.8 중량%, 계면활성제 0.6 중량% 및 나머지 잔량 중량%의 물을 혼합한 후, 가수분해시켜서 제조한 것이다.
[화학식 1-1]
Figure 112022038296916-pat00003
화학식 1-1에 있어서, R1은 수소원자이며, R2는 -COOH이고, R3는-CH2COOH이며, m은 6이다.
그리고, 상기 아크릴계 공중합체 수지는 하이드록실(C2의 알킬)아크릴레이트 모노머 56 중량%, 하기 화학식 2-1로 표시되는 아민 함유 방향족 비닐계 단량체 16.5 중량%, 중합 개시제(t-부틸리튬) 0.03 중량% 및 용매(사이클로헥산)를 포함하는 혼합액을 공중합시킨 공중합체이다.
[화학식 2-1]
Figure 112022038296916-pat00004
화학식 2-1의 R1은 수소원자이고, R2는 -O-이며, R3 및 R4 각각은 메틸기이다.
그리고, 상기 유동성 향상제는 폴리옥시에틸렌라우릴에테르 11.8.5 중량% 및 나머지 잔량의 방향족 화합물 함량이 0.5 중량% 미만인 탄화수소 오일을 혼합하여 제조한 것이다.
(2) 주입재 제조
1종 포틀랜드 시멘트, 초미립자상 시멘트(분말도 6,000 ~ 10,000㎠/g) 및 알루미나 시멘트를 1 : 0.263 : 0.132 중량비로 혼합하여 혼합 시멘트를 준비하였다.
이때, 상기 초미립자상 시멘트는 저열시멘트(KS 4종 시멘트)용 반제품인 클링커에 이수석고를 4 중량%가 되도록 첨가한 다음, 1차로 롤러에서 압축전단 분쇄한 후, 2차로 고성능 분체 분급기(separator)에서 분체 농도 및 선회류 속도를 조절하여 제조한 것이다.
초기강도 증진제(개미산칼슘) 1.4 중량%, 강도보강제(메타카올린) 7.0 중량%, 상기 접착향상제 4.5 중량%, 크랙저감제(분말도 5,500 ~ 7,000 cm2/g인 무수석고) 0.5 중량%, 부식방지제(아질산나트륨) 0.3 중량%, 내구성 증진제(SiO2 94 중량% 이상으로 함유한 실리카 흄 및 플라이 애쉬 1:0.8 중량비로 혼합) 15.3 중량%, 작업성 증진제(탈크) 1.8 중량%, 겔화촉진제(리튬카보네이트) 0.08 중량%, 흐름방지제(메셀로스) 0.08 중량%, 공기연행제(알파올레핀술포난염) 0.22 중량%, 환경충진제(석회석) 12.5 중량%, 폴리카르분산계 분산제(멜플렉스 2651) 0.17 중량%, 규사 14.5 중량% 및 100 중량% 중 나머지 잔량 중량%의 상기 혼합 시멘트를 혼합하여 주입재를 제조하였다.
(3) 급결재 제조
분말도 6,000 ~ 8,000 cm2/g 인 보크사이트 17 중량%, 급결보조제(Na2SO4), 흐름방지제(메셀로스) 0.18 중량%, 속경보완제(생석회, burned lime) 7.4 중량%, 응결보조제(Na2CO3) 5.8 중량% 및 나머지 잔량 중량%의 칼슘설포알루미네이트를 혼합하여 급결재를 제조하였다.
(4) 그라우트재 제조
상기 주입재 100 중량부에 대하여 물 120 중량부를 혼합하여 모르타르를 제조한 후, 주입재 100 중량부에 대하여 상기 급결재 130 중량부를 투입 및 혼합하여 그라우트재를 제조하였다.
실시예 2-2 ~ 2-4및 비교예 2-1 ~ 2-3
상기 실시예 2-1과 동일한 성분의 조성을 사용하여 그라우트를 제조하되, 하기 표 2 및 표 3과 같은 조성비로 조성물을 혼합 및 교반하여 그라우트재를 각각 제조하여 실시예 2-2 ~ 2-4 및 비교예 2-1 ~ 2-3을 각각 실시하였다.
비교예 2-4
상기 실시예 1과 동일한 성분의 조성을 사용하여 그라우트를 제조하되, 실시예 1의 혼합 시멘트 대신 1종 포틀랜드 시멘트 및 알루미나 시멘트 2종을 1 : 0.40 중량비로 혼합하여 제조한 혼합 시멘트를 사용하였다.
비교예 2-5
상기 실시예 1과 동일한 성분의 조성을 사용하여 그라우트를 제조하되, 실시예 1의 혼합 시멘트 대신 1종 포틀랜드 시멘트 및 초미립자상 시멘트(분말도 6,000 ~ 10,000 ㎠/g) 2종을 1 : 0.40 중량비로 혼합하여 제조한 혼합 시멘트를 사용하였다.
구분
(중량%)
실시예 2-1 실시예 2-2 실시예 2-3 실시예 2-4
초기강도 증진재 1.4 1.55 1.4 1.4
강도보강제 7.0 7.4 7.0 7.0
접착향상제 4.5 4.5 3.5 7.8
크랙저감제 0.5 0.7 0.5 0.5
부식방지제 0.3 0.4 0.3 0.3
내구성 증진제 15.3 16.5 15.3 15.3
작업성 증진제 1.8 2.2 1.8 1.8
겔화촉진제 0.08 0.06 0.08 0.08
흐름방지제 0.08 0.12 0.08 0.08
공기연행제 0.22 0.35 0.22 0.22
환경충진제 12.5 12.5 12.5 12.5
분산제 0.17 0.20 0.17 0.17
규사 14.5 12.7 14.5 14.5
혼합시멘트 100 중량% 중 나머지 잔량
구분
(중량%)
비교예 2-1 비교예 2-2 비교예 2-3 비교예 2-4 비교예 2-5
초기강도증진재 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4
강도보강제 7.0 7.0 7.0 7.0 7.0
접착향상제 4.5 2.0 9.0 4.5 4.5
크랙저감제 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5
부식방지제 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3
내구성 증진제 15.3 15.3 15.3 15.3 15.3
작업성 증진제 1.8 1.8 1.8 1.8 1.8
겔화촉진제 - 0.08 0.08 0.08 0.08
흐름방지제 0.08 0.08 0.08 0.08 0.08
공기연행제 0.22 0.22 0.22 0.22 0.22
환경충진제 12.5 12.5 12.5 12.5 12.5
분산제 0.17 0.17 0.17 0.17 0.17
규사 14.5 14.5 14.5 14.5 14.5
혼합시멘트 100 중량% 중 나머지 잔량
실험예 2 : 그라우트재의 물성 측정 1
실시예 2-1 ~ 2-4 및 비교예 2-1 ~ 2-5에서 제조한 그라우트재의 시편을 제작한 후, KS L ISO 679 : 2006의 시멘트 강도시험 방법에 의거하여 겔타임(초) 및 호모겔 압축강도(2시간, 4시간, 6시간)를 측정하였고, 그 결과를 하기 표 4에 나타내었다.
또한, KSF 4044에 의거하여 흐름성(flow), 팽창높이를 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 4에 나타내었다. 흐름성은 225mm 이상이면 합격이고, 팽창높이는 양생 24시간 기준으로 28일 도과한 시편의 팽창높이를 변화를 측정한 것이다.
구분 겔 타임
(초)
호모 겔 압축강도 (Mpa) 흐름성
(mm)
팽창높이
변화
(%)
2시간 4시간 6시간 24시간 28일
실시예2-1 39초 3.55 5.02 5.54 8.95 12.15 312 0.02
실시예2-2 38초 3.68 5.24 5.86 8.98 12.23 297 0.02
실시예2-3 42초 3.34 4.81 5.28 8.51 11.14 316 0.06
실시예2-4 40초 3.49 5.13 5.67 9.04 12.17 254 0.01
비교예2-1 53초 3.11 4.55 5.08 8.86 12.04 309 0.02
비교예2-2 44초 3.03 4.22 5.02 7.32 9.93 321 0.13
비교예2-3 38초 3.64 5.32 5.94 9.12 12.21 200 0.01
비교예2-4 37초 3.79 5.40 6.02 8.90 10.89 307 0.03
비교예2-5 48초 3.00 4.24 4.96 8.91 12.45 302 0.01
상기 표 4의 겔 타임 및 호모겔 압축강도 측정결과를 살펴보면, 실시예 2-1 ~ 2-4 및 비교예 2-3은 전반적으로 45초 이내의 겔 타임 및 우수한 호모 겔 압축강도 측정 결과를 보였다.
그러나, 비교예 2-3은 흐름성 측정 값이 210 mm로 좋지 않은 결과를 보였으며, 흐름성은 그라우트 시공시 작업성과 관련된 물성으로서 비교예 2-3은 다단강관 그라우팅 시공의 작업성 측면에서 부적합하였다.
또한, 겔화촉진제를 사용하지 않은 비교예 2-1의 경우, 실시예와 비교할 때, 겔 타임이 50초를 초과하여 느려지고, 전반전으로 6시간까지의 조기 호모 겔 강도가 다소 낮은 결과를 보였다.
그리고, 접착향상제를 3 중량% 미만인 2 중량%로 사용한 비교예 2-2의 경우, 실시예 2-3(3.5 중량%)와 비교할 때, 겔 타임 상대적으로 지연되고, 전체적으로 호모 겔 강도가 낮은 결과를 보였다.
그리고, 혼합 시멘트 내 초미립자상 시멘트를 사용하지 않은 비교예 2-4의 경우, 실시예 2-1 과 비교할 때, 조기 호모 겔 강도는 우수한 결과를 보였으나, 24시간 초과 후부터는 호모 겔 강도가 상대적으로 크게 낮아지는 결과를 보였다.
또한, 혼합 시멘트 내 알루미나 시멘트를 사용하지 않은 비교예 2-4의 경우, 실시예 2-1 등과 비교할 때, 28일 호모 겔 강도는 우수하나, 겔 타임이 늦고, 조기 호모 겔 강도가 낮아지는 결과를 보였다.
실시예 2-5 ~ 2-6및 비교예 2-6 ~ 2-7
상기 실시예 1과 동일한 방법으로 그라우트재를 제조하되, 하기 표 5와 같이 물 및 급결재 사용량을 달리하여 그라우트재를 각각 제조하였여, 실시예 2-5 ~ 2-6 및 비교예 2-6 ~ 2-7을 실시하였다.
구분(중량부) 주입재 급결재
실시예 2-1 100 120 100
실시예 2-5 100 136 100
실시예 2-6 100 105 100
비교예 2-6 100 150 100
비교예 2-7 100 90 100
실험예 3 : 그라우트재의 물성 측정 1
실시예 2-5 ~ 2-6 및 비교예 2-6 ~ 2-7의 그라우트재에 대한 겔타임 및 흐름성(flow)를 상기 실험예 2와 동일한 방법으로 측정하였고, 그 결과를 하기 표 6에 나타내었다.
Figure 112022038296916-pat00005
표 6의 측정 결과를 살펴보면, 그라우트재 제조시, 물을 140 중량부 초과 사용한 비교예 2-6의 경우, 흐름성은 좋으나, 겔 타임이 50초를 초과하여 실시예 2-5와 비교할 때, 겔 타임이 크게 증가하는 문제가 있었다.
또한, 물을 100 중량부 미만으로 사용한 비교예 2-7의 경우, 실시예 2-6과 비교할 때, 겔타임은 매우 빠르나, 흐름성이 크게 감소하는 문제가 있었으며, 시편에 미세 크랙이 발생하는 문제가 있었다.
이에 반해, 실시예 2-1 및 실시예 2-5와 실시예 2-6은 50초 미만의 겔 타임 및 우수한 흐름성을 보였다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술 사상 범위 내에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고, 이 또한 첨부된 특허청구범위에 속하는 것은 당연하다.
본 발명의 그라우트재는 빠른 겔 타임, 우수한 흐름성, 적은 팽창성 및 우수한 기계적 물성을 가지는 바, 연약지반 및/또는 터널 보수보강 시공을 위한 그라우팅 공법에 적합한 그라우트재를 제공할 수 있으며, 이를 이용하여 공사시간을 대폭 줄일 수 있으므로, 경제성, 효율성이 우수한 다단강관을 이용한 강관다단 그라우팅 공법을 제공할 수 있다.
10 : 콘 타입 강관
10a : 몸통 토출홀 10b : 날개
10c : 콘 타입부 20 : 압력조절밸브
30 : 주입부재 30e, 50 : 회수용 부재

Claims (10)

  1. 강관다단 그라우팅 공법용 그라우트재로서,
    주입재 100 중량부에 대하여, 물 100 ~ 140 중량부 및 급결재 80 ~ 110 중량부를 포함하고,
    상기 주입재는 혼합 시멘트, 초기강도 증진제, 강도보강제, 접착향상제, 크랙저감제, 부식방지제, 내구성 증진제, 작업성 증진제, 겔화촉진제, 흐름방지제, 발수제, 공기연행제, 환경충진제, 분산제 및 규사를 포함하며,
    상기 급결재는 보크사이트, 칼슘설포알루미네이트, 급결보조제, 흐름방지제, 속경보완제 및 응결보조제를 포함하고,
    상기 혼합 시멘트는 1종 포틀랜드 시멘트, 초미립자상 시멘트 및 알루미나 시멘트를 1 : 0.10 ~ 0.50 : 0.05 ~ 0.20 중량비로 포함하는 것을 특징으로 하는 강관다단 그라우팅 공법용 속경성 그라우트재.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 급결재는 보크사이트 15 ~ 20 중량%, 급결보조제 8 ~ 12 중량%, 흐름방지제 0.01 ~ 0.50 중량%, 속경보완제 5.0 ~ 10.0 중량% 및 응결보조제 4.0 ~ 8.0중량% 및 전체 중량% 중 나머지 잔량의 칼슘설포알루미네이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 강관다단 그라우팅 공법용 속경성 그라우트재.
  5. 제1항에 있어서, 상기 접착향상제는 실록산 유화액 및 유동성 향상제를 1 : 0.05 ~ 0.15 중량비로 포함하고,
    상기 실록산 유화액은 실록세인계 화합물 30 ~ 40 중량%, 아크릴계 공중합체 수지 15 ~ 20 중량%, 에톡실레이트 2차 알코올 5 ~ 15 중량%, 계면활성제 0.2 ~ 1.0 중량% 및 나머지 잔량 중량%의 물을 혼합 및 가수분해시켜서 제조한 것을 특징으로 하는 강관다단 그라우팅 공법용 속경성 그라우트재.
  6. 제5항에 있어서, 상기 유동성 향상제는 폴리옥시에틸렌라우릴에테르 5 ~ 10 중량% 및 방향족 화합물 함량이 0.5 중량% 미만인 탄화수소 오일 90 ~ 95 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 강관다단 그라우팅 공법용 속경성 그라우트재.
  7. 제1항이 있어서, 상기 초기강도 증진제는 개미산 칼슘을 포함하고,
    상기 강도보강제는 메타카올린 및 카올린 중에서 선택된 1종 이상을 포함하며,
    상기 겔화촉진제는 리튬카보네이트를 포함하고,
    상기 흐름방지제는 메셀로스를 포함하며,
    상기 분산제는 폴리카보네이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 강관다단 그라우팅 공법용 속경성 그라우트재.
  8. 혼합 시멘트, 초기강도 증진제, 강도보강제, 접착향상제, 크랙저감제, 부식방지제, 내구성 증진제, 작업성 증진제, 겔화촉진제, 흐름방지제, 발수제, 공기연행제, 환경충진제, 분산제 및 규사를 혼합하여 주입재를 제조하는 1단계;
    상기 주입재 100 중량부에 대하여, 물 100 ~ 140 중량부를 혼합하여 모르타르를 제조하는 2단계; 및
    상기 모르타르와 급결재를 혼합하는 3단계;를 포함하는 공정을 수행하며,
    상기 급결제는 2단계의 주입재 100 중량부에 대하여 80 ~ 110 중량부를 혼합하고,
    상기 급결재는 보크사이트, 칼슘설포알루미네이트, 급결보조제, 흐름방지제, 속경보완제 및 응결보조제를 포함하며,
    상기 혼합 시멘트는 1종 포틀랜드 시멘트, 초미립자상 시멘트 및 알루미나 시멘트를 1 : 0.10 ~ 0.50 : 0.05 ~ 0.20 중량비로 포함하는 것을 특징으로 하는 강관다단 그라우팅 공법용 속경성 그라우트재의 제조방법.
  9. 삭제
  10. 지반을 천공하는 1단계;
    상기 천공으로 다단 강관을 삽입하는 2단계;
    상기 다단 강관과 천공 사이에 실링재 모르타르를 충진하는 3단계;
    충진된 실링재가 겔화된 후, 다단 강관으로 제1항 및 제4항 내지 제7항 중에서 선택된 어느 한 항의 속경성 그라우트재를 충진하는 4단계; 및
    충진된 속경성 그라우트재를 경화시키는 5단계;를 포함하는 공정을 수행하는
    상기 실링재 모르타르는 실링재 및 물을 포함하는 것을 특징으로 하는 강관다단 그라우팅 공법.
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