KR102556265B1 - 친환경 저탄소 지반 그라우트재 조성물 - Google Patents

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Abstract

친환경 저탄소 지반 그라우트재 조성물이 제공된다. 일 실시예에 있어서, 시멘트, 고로슬래그 미분말 및 초임계 유동층 보일러 플라이애시를 포함하는 주재; 1액형 상태로 겔화시간을 제어하기 위한 급경제; 응결시간을 제어하기 위한 응결조절제; 및 지반으로의 침투성을 향상시키기 위한 감수제;를 포함하고, 상기 주재는, 시멘트 5~20중량부, 고로슬래그 40~60중량부, 및 플라이애시 20~50중량부를 포함할 수 있다.

Description

친환경 저탄소 지반 그라우트재 조성물{ECO-FRIENDLY LOW-CARBON GROUT MATERIAL COMPOSITION}
본 발명은 친환경 저탄소 지반 그라우트재 조성물에 관한 것이다.
그라우팅(Grouting)은, 토목공사 또는 건축공사 시 누수 방지 또는 토질안정 등을 위하여 지반의 갈라진 틈이나 공동(空洞)에 충전재를 주입하는 시공방법을 지칭한다. 상기한 그라우팅에 의해, 지반속에서 고여있는 물이나 흐르고 있는 물을 차단하여 기초공사를 원활하게 수행할 수 있고, 연약한 지반을 단단하게 할 수 있다. 상기한 그라우팅에 사용되는 주입재를 그라우트(Grout) 또는 그라우트재라 한다.
상기 그라우트의 종류로는, 시멘트, 물, 점토 등을 이용하는 시멘트계 그라우트, 철골기초의 충전이나 이음새 부분의 충전 보강용으로 주로 사용되는 철분질계 그라우트, 지수와 토질 안정용에 주로 사용되는 아스팔트계 그라우트, 케미컬 그라우트 등이 있다. 그런데 상기 시멘트계 그라우트는, 시멘트에 포함된 독성물질이 용출되어 토양을 오염시킨다는 단점이 있다. 또한 상기 케미컬 그라우트는, 시간의 경과에 따라 그라우트의 용탈이 진행되어, 주입된 그라우트가 본래의 기능을 상실하고 지하수를 오염시킨다는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 개선하기 위하여, 최근에는 케미컬 그라우트를 화학적으로 개질한 약액(藥液) 그라우트의 사용이 증가하고 있다. 상기한 약액 그라우트는, 산성 실리카졸 약액 그라우트와 중성 실리카졸 약액 그라우트 등으로 분류할 수 있다. 상기 약액 그라우트는, A약액과 B약액으로 구성되어 있으며, 이 중에서 A약액은 규산나트륨(물유리 3종), B약액은 시멘트가 주로 사용되고 있다. 그런데 상기 시멘트 졸은 독성이 매우 강하여 지하수를 오염시킨다는 문제가 있다. 또한 규산나트륨과 시멘트를 혼합하여 그라우팅 시공을 하는 방식은, 졸(Sol) 상태의 약액이 겔(Gel) 상태로 되기까지의 시간인 겔 타임(Gel Time)이 매우 느리고, 차수 품질이 낮아 적용범위가 한정된다는 단점이 있다. 이러한 단점을 보완하기 위하여, 규산나트륨을 사용하는 경우, 황산, 중탄산나트륨 등을 첨가하여 겔 타임을 단축시키기도 한다.
한편, 상기 B약액으로 사용되는 시멘트는, 중금속에 의한 환경오염뿐만 아니라, 시멘트 제조 시 이산화탄소를 대량으로 배출한다는 문제점이 있다.
이에 따라 본 발명의 기술분야에서 시멘트 사용량을 감소시키거나 시멘트를 사용하지 않고자 하는 시도가 이루어졌으나, 시멘트 사용량이 감소될수록 응결이 지연되어 주입된 그라우트가 지하수에 흘러내려 씻겨나가 버린다는 문제가 발생하였다. 이를 보완하기 위해 다시 시멘트 함량을 증가시키면, 시멘트의 큰 입자크기로 인한 지반 침투주입의 한계 및 낮은 재료분리저항성으로 인한 공동부 채움불량의 문제가 발생하였다.
따라서, 시멘트 사용량을 현저하게 감소시키면서도 우수한 물성을 달성할 수 있는 저탄소 지반 그라우트재의 개발이 필요하다.
본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위한 것으로, 시멘트 사용량을 현저하게 감소시켜 온실가스 발생을 감소시키면서도 그라우트재의 우수한 유동성 및 응결경화 특성을 갖고, 블리딩율이 낮고 지반으로의 침투성이 우수하며, 내구성이 향상된 친환경 저탄소 지반 그라우트재를 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해, 시멘트, 고로슬래그 미분말 및 초임계 유동층 보일러 플라이애시를 포함하는 주재; 1액형 상태로 겔화시간을 제어하기 위한 급경제; 응결시간을 제어하기 위한 응결조절제; 및 지반으로의 침투성을 향상시키기 위한 감수제;를 포함하고, 상기 주재는, 시멘트 5~20중량부, 고로슬래그 40~60중량부, 및 플라이애시 20~50중량부를 포함하는, 친환경 저탄소 지반 그라우트재 조성물을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 종래 시멘트를 사용하는 지반 그라우트재와 비교하여 시멘트 사용량을 중량기준으로 20% 이하로 감소시키고, 시멘트 대신 고로슬래그 미분말 및 초임계 유동층 보일러 플라이애시를 포함하는 산업부산물을 적극 사용하여 온실가스를 80% 이상 저감시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 시멘트의 사용량을 중량기준으로 80% 이상 줄임으로서 시멘트 독성에 의한 환경오염을 줄일 수 있으며, 미분말 함량이 높기 때문에 지반으로의 침투성이 향상되어 지반 그라우팅 공사 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 고로슬래그 미분말, 초임계 유동층 보일러 플라이애시로 구성되는 미분말 함량이 높은 산업부산물을 적극 활용하면서도, 이에 따라 시멘트 보다 빠른 응결시간을 갖는 특성을 발휘하여 재료분리저항성이 향상됨으로써 종래에 비해 공동부 충전율을 향상시켜 블리딩율을 감소시키고, 또한 시멘트 보다도 높은 흐트러진 용적을 나타냄으로써 지반 그라우트재의 총 사용량을 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 다른 시험성적 결과를 나타낸 것이고, 도 2는 종래 일반적인 포틀랜드 시멘트의 시험성적 결과를 나타낸 것이다.
도 3 내지 도 6은 본 발명과 종래 포틀랜드 시멘트에 대한 재료분리저항성을 측정한 결과를 나타낸 것이다.
이하, 본 발명의 실시예들이 상세하게 설명된다. 그러나 본 발명이 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 내용을 더 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.
본 명세서에서 일 요소가 다른 요소 '위' 또는 '아래'에 위치하는 것으로 언급되는 경우, 이는 상기 일 요소가 다른 요소 '위' 또는 '아래'에 바로 위치하거나 또는 그들 요소들 사이에 추가적인 요소가 개재될 수 있다는 의미를 모두 포함한다. 본 명세서에서, '상부' 또는 '하부' 라는 용어는 관찰자의 시점에서 설정된 상대적인 개념으로, 관찰자의 시점이 달라지면, '상부' 가 '하부'를 의미할 수도 있고, '하부'가 '상부'를 의미할 수도 있다.
복수의 도면들 상에서 동일 부호는 실질적으로 서로 동일한 요소를 지칭한다. 또한, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 기술되는 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
한편, 본 발명에서 지칭하는 용어 그라우트(Grout) 또는 그리우트재는 그라우팅에 사용되는 주입재를 의미한다.
한편, 본 발명의 친환경 저탄소 지반 그라우트재는 방조제, 저수지, 하천제방 등의 수리구조물과 지하철, 터널, 도로공사 등의 대단위 건축 및 토목공사에 이르기까지 지반 하부의 저류수를 차단하고 지반보강을 위하여 실시하는 차수그라우팅 공사에 사용될 수 있다.
한편, 본 발명에서 지칭하는 용어 블리딩은 타설된 콘크리트에 있어서 시멘트와 골재가 침강하고, 물이 상승하여 상면에 모이는 현상을 의미한다.
한편, 본 발명의 그라우트재는 1액형인 것이 적용될 수 있다.
본 발명의 발명자들은 방조제, 저수지, 하천제방의 차수 그라우팅 공사에서 종래 사용되는 시멘트 그라우트재의 문제점으로 온실가스의 과다한 배출, 시멘트 독성에 의한 환경오염, 시멘트의 큰 입자크기로 인한 지반 침투주입의 한계 및 낮은 재료분리저항성으로 인한 공동부 채움불량 등을 해결하고자 다양한 시행착오를 경험한 끝에 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
본 발명의 발명자들은 온실가스 발생 저감을 위한 시멘트의 사용량을 줄이기 위해 고로슬래그 미분말 및 플라이애시와 같은 산업부산물을 적극 활용하는 경우, 시멘트의 사용량이 줄어들수록 응결이 지연되어 주입된 그라우트재가 지하수에 흘러내려 씻겨나가 버리는 문제가 발생함을 확인하였다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 발명의 발명자들은 그라우트재의 응결시간을 조절하여 주입에 필요한 시간은 확보하되, 주입이 완료된 이후 응결이 시작되도록 함으로써 그라우트재의 유실, 및 과도한 범위의 주입이 이루어지지 않는 지반 그라우트재를 개발하고자 하였다. 이와 함께, 본 발명의 발명자들은 현장에서의 품질관리 및 주입장비(믹서 및 펌프)의 간소화를 위해 하나의 믹서에서 물과 혼합하여 하나의 주입펌프로 시공하고자 하는 지반부위에 주입하는 1액형 지반 그라우트재를 개발하고자 하였다.
한편, 본 발명의 발명자들은 상기와 같은 기술적인 과제를 해결하기 위해서는 칼슘설포알루미네이트계(4CaO.3Al2O3.SO3), 칼슘플로알루미네이트계(11CaO.7Al2O3.CaF2), 알루미나시멘트계(CaO.Al2O3, CaO.2Al2O3) 등 속경성 재료와 지연제를 적절히 사용하거나 물유리나 실리카졸과 같은 급결액을 사용함으로서 겔타임을 수십초에서 수시간 정도로 조절하는 것이 가능하지만, 2액형의 주입장비를 설치하여야 하므로 장비의 구성이 복잡하고, 경제성이 떨어지는 단점이 있다는 것을 알게 되었다.
이에 따라, 본 발명의 발명자들은 시멘트, 고로 슬래그 미분말, 초임계 유동층 보일러 플라이애시, 칼슘알루미네이트, 석고, 응결조절제 및 감수제의 최적 조합에 의해 응결시간을 적절히 조절할 수 있는 기술을 개발함으로써, 종래 사용되는 시멘트에 비하여 온실가스 발생을 현저하게 낮추면서도, 그라우트재의 유동성 및 응결경화 특성을 만족하며, 친환경적이며, 블리딩률이 적고 지반으로의 침투성이 우수하며, 내구성이 향상된 친환경 저탄소 지반 그라우트재를 개발하였다.
본 발명은, 시멘트, 고로슬래그 미분말 및 초임계 유동층 보일러 플라이애시를 포함하는 주재, 1액형 상태로 겔화시간을 제어하기 위한 급경제, 응결시간을 제어하기 위한 응결조절제, 및 지반으로의 침투성을 향상시키기 위한 감수제를 포함한다.
상기 시멘트는, 조강 또는 초조강 등의 각종 포틀랜드 시멘트를 분쇄 또는 분급에 의해 바람직하게는 20μm 이하의 평균 입경을 갖는 미립자시멘트로 된 것이 적용될 수 있다. 예를 들어, 15μm, 일 예로 10μm 이하인 것이 적용될 수 있다. 적용되는 시멘트 평균 입경이 20μm를 초과하면 주입시 침투성이 열악해지고, 응결이후의 초기 경화반응을 향상시키는데 충분하지 않다는 문제가 발생할 수 있다.
상기 고로슬래그 미분말은 철강제조의 과정에서 고로에서 배출되는 용융상태의 슬래그 등을 물 등으로 급냉시킨 유리질상을 분쇄하여 미분말화한 것으로, 잠재 수경성을 가지며, 알칼리의 자극효과에 의해 경화하는 특징을 갖는 것이 적용될 수 있다.
상기 고로슬래그 미분말의 조성은 CaO 함유량 35~50중량%, Al2O3 함유량 10~25중량% 및 SiO2 함유량 31~40중량%인 것이 적용될 수 있다. 예를 들어, CaO 함유량 40~50중량%, Al2O3 함유량 10~25중량% 및 SiO2 함유량 31~40중량%가 적용될 수 있다. 상기 고로슬래그 미분말은 MgO, TiO2, Fe2O3, Na2O, K2O 등의 불순물이 함유되어 있으나, 본 발명의 효과를 저해하지 않는 범위내에 있으면 허용되어질 수 있다.
본 발명의 그라우트재에 상기 고로슬래그 미분말을 함유하는 것으로 높은 주입성과 장기강도 발현성이 부여된다. 상기 고로슬래그 미분말의 분말도는 평균 입경 10μm 인 것이 적용될 수 있다. 10μm를 초과하는 경우 주입시 침투성이 저하하는 것과 더불어 단기, 장기적인 강도의 발현성 향상이 충분히 나타나지 않을 수 있다.
상기 초임계 유동층 보일러 플라이애시는 시멘트를 대체하는 결합재로, 초임계 상태에서 보일러를 가동하는 초임계 유동층 보일러에서 배출되는 플라이애시를 포함할 수 있다. 초임계 유동층 보일러는 물이 증기로 변환되는 임계조건(225.5kg/㎝2 증기압, 374℃ 증기온도)으로 가하여 발전하는 보일러를 지칭할 수 있다. 일반적인 플라이애시는 석탄화력발전소에서 연료(미분말로 분쇄한 석탄)와 공기를 주입하여 연소(1,200~1,500℃)하는 공정을 통해 배출되는 플라이애시이고, 순환 유동층 보일러 플라이애시는 순환 유동층 보일러에서 공기와 석회를 동시에 주입하여 지속적으로 열을 순환시키면서 석탄을 완전 연소(760~950℃)하는 공정을 통해 배출되는 플라이애시이다. 이에 반해 상기 초임계 유동층 보일러 플라이애시는 초임계 유동층 보일러에서 공기대신 산소를 주입하여 초임계 상태에서 연료(석탄)을 연소하는 공정을 통해 배출되는 플라이애시인 것을 지칭할 수 있다. 이들 플라이애시들은 석탄을 연료로 하는 발전설비에서 배출되는 플라이애시라는 점에서 공통점이 있으나, 발전설비의 구체적인 처리방식이 달라 플라이애시의 화학성분과 물리적 특성에서 차이가 있으며, 특히 초임계 유동층 보일러 플라이애시는 20% 이상의 CaO, 15% 이상의 Fe2O3, 8% 이상의 SO3 성분을 함유할 수 있다. CaO와 SO3에 의한 CaSO4는 Ca(OH)2 및 C3A와 반응하여 에트링자이트(Ettringite) 수화물을 형성하며, 초기강도 증진에 기여하고 더불어 Fe2O3는 CaO와 결합하여 수화반응성이 있는 칼슘 페라이트(2CaO.Fe2O) 광물을 일부 형성할 수 있다. 칼슘페라이트 광물은 일반적인 플라이애시에서는 형성되지 않거나 극히 일부 생성되는 수화물로서, Fe2O3의 함량이 높은 초임계 유동층 보일러 플라이애시를 사용시에 형성되는 수화물이다.
본 발명에서 상기 초임계 유동층 보일러 플라이애시는 초임계 유동층 보일러 플라이애시 100중량부 당 Fe2O3 10~20중량부, SO3 5~20중량부, Free CaO 1~10중량부를 함유하면서 분말도가 평균입경 10μm 이하인 것이 적용될 수 있다. 본 발명의 조성에서 Free CaO가 10중량부 초과인 경우 초기강도가 열악해질 수 있고, 1중량부 미만인 경우 Free CaO 사용에 따른 효과가 확보되지 않는다.
본 발명의 지반 그라우트재 조성물에서 시멘트, 고로슬래그 미분말, 및 초임계 유동층 보일러 플라이애시의 함량은, 시멘트 5~20중량부, 고로슬래그 미분말 40~60중량부, 및 플라이애시 20~50중량부인 것이 바람직하다.
시멘트 함량이 5중량부 미만이면 응결이후 초기 경화반응이 늦어지는 현상이 나타나며, 20중량부 초과이면 주입재를 현탁액으로 하였을 때의 점성이 증가하여 침투성이 떨어질 수 있으며, 친환경성, 경제성이 떨어지고 중금속 오염 증가도 우려된다.
고로슬래그 미분말의 함량이 40중량부 미만이면 경제성이 떨어지고 60중량부 초과이면 반응성이 떨어져 초기강도의 확보가 어려워질 수 있다.
초임계 유동층 보일러 플라이애시의 함량이 20중량부 미만이면 재료분리저항성이 열악해지고, 50중량부 초과이면 반응성이 열악해지고 주입재를 현탁액으로 하였을 때 점성이 증가하여 주입성이 저하될 우려가 있다.
본 발명의 그라우트재 조성물은 1액형 상태로 겔화시간을 제어하기 위한 급경제를 더 포함할 수 있고, 급경제는 주재 및 급경제의 혼합물 100중량부를 기준으로 1~10중량부로 포함될 수 있다.
급경제는 칼슘알루미네이트와 석고의 혼합물인 것이 적용될 수 있다.
본 발명에서 적용되는 칼슘알루미네이트는 석회석과 보오크사이트를 원료로 하여 전기로 등에 의해 용융시켜 얻어진 것을 평균입경 10μm 이하로 미분쇄한 것으로 화학식 12CaO·7Al2O3인 것일 수 있다.
칼슘알루미네이트의 분말도는 침투성의 측면에서 평균입경 10μm 이하가 바람직하며, 평균입경 10μm 이상이면 침투성이 열악해질 우려가 있다.
본 발명에서 적용되는 석고는 무수석고, 반수석고 및 이수석고를 포함할 수 있고, 특히 천연석고나 인산부생석고, 배연탈황석고 및 불산부생석고 등의 화학석고 또는 열처리를 통해 얻어진 석고를 포함할 수도 있다. 한편, 본 발명에서는 강도발현성이 큰 장점을 가진 천연무수석고를 사용하는 것이 바람직하다.
석고의 분말도는 평균입경 10μm 이하인 것이 바람직하며 10μm 이상이면 주입시 침투성이 저하할 우려가 있다.
석고의 함량은 칼슘알루미네이트 100중량부를 기준으로 50~200중량부일 수 있고, 예를 들어, 70~150중량부가 적용될 수 있다. 50중량부 미만이면 단기강도가 적어지는 문제가 발생할 수 있으며, 200중량부 이상이면 침투성이 저하하는 문제가 발생할 수 있다.
급경제는 주재 및 급경제의 혼합물 100중량부를 기준으로 1~10중량부로 포함될 수 있다. 칼슘알루미네이트와 석고의 합계의 비율이 1중량% 미만이면 초기강도의 발현이 어려우며, 칼슘알루미네이트와 석고의 합계의 비율 10중량부 초과이면 경화시간의 제어가 어렵고, 침투성이 저하될 우려가 있다.
본 발명의 그라우트재 조성물은 응결시간을 제어, 즉, 응결시간을 미리 설정하고 시공하기 위해 응결조절제를 더 포함할 수 있으며, 상기 주재 및 급경제 혼합물 100중량부를 기준으로 0.05~1중량부를 포함할 수 있다.
본 발명에서 응결조절제는 알루민산 나트륨, 알루민산 칼륨 등의 알루민산염, 탄산나트륨, 탄산칼륨 등의 탄산염, 수산화나트륨, 수산화칼륨 등의 수산화물, 황산알루미늄, 황산철 및 명반 등의 황산염, 규산나트륨, 규산칼륨 등의 규산염, 인산나트륨, 인산칼슘 및 인산마그네슘 등의 인산염 이와 더불어 붕산리튬, 붕산나트륨 등의 붕산염 등의 무기염, 구연산, 글루콘산, 주석산 또는 이들중의 나트륨, 칼륨염 및 칼슘염 등의 유기산 및 당류가 고려될 수 있으며, 이들중에서 1종 또는 2종 이상을 혼합할 수 있다. 이들 중 본 발명의 그라우트재 조성물에 필요한 소정의 응결시간 및 경화시간을 확보하기 위해 탄산염과 유기산이 혼합된 구성이 적용되는 것이 바람직하다. 이때, 염으로서는 나트륨염, 칼륨염이 적용될 수 있다.
한편, 탄산염과 유기산을 병용하는 경우, 탄산염의 사용량은 유기산 100중량부에 대하여 50~1,000중량부가 적용될 수 있다. 50중량부 미만이면 초기강도 발현성이 떨어질 우려가 있으며, 1,000중량부를 초과하면 시공에 필요한 지연시간을 얻기 어려울 수 있다.
응결조절제의 함량은 필요한 응결시간에 따라서 조절될 수 있으며, 예를 들어, 상기 주재 및 급경제 혼합물 100중량부를 기준으로 0.05~1중량부를 포함할 수 있다. 0.05중량부 미만은 경화시간의 확보가 어려울 수 있으며, 1중량부를 초과하면 경화시간이 불필요하게 길어지게 되며 불균일하게 고화될 수 있다.
본 발명의 그라우트재 조성물은 지반으로의 침투성을 향상시키기 위해 감수제를 더 포함할 수 있으며, 시멘트 100중량부를 기존으로 20~30중량부로 포함될 수 있다.
본 발명에서 감수제는 나프탈렌설폰산염계, 리그니설폰산염계, 멜라민설폰산염계, 폴리카르본산계 등의 고성능감수제가 적용될 수 있으며, 이들중에서, 지반 그라우트재의 점도를 낮추는 측면에서는 멜라닌설폰산염계가 바람직하게 적용될 수 있다.
감수제의 함량은 시멘트 100중량부에 대하여 고형분으로 계산하여 20~30중량부로 적용될 수 있으며, 20중량부 미만이면 낮은 물비의 경우 침투성이 열악해질 우려가 있으며, 30중량부 초과이면 지반 그라우트재의 점도가 올라가 침투성이 열악해질 우려가 있다.
지반 그라우트재를 현탁액으로 하는 경우의 물의 사용량은 펌프로 압송이 가능하면 특별히 한정하는 것은 아니나, 주재 및 급경제의 혼합물 100중량부를 기준으로 100~1,000중량부가 바람직하며, 100중량부 미만에서는 현탁액의 점도가 높아져 침투성이 열악해질 수 있으며, 1,000중량부를 초과하면 경화되지 않는 문제가 발생할 수 있다.
지반 그라우트재의 혼합방법 및 주입방법으로는, 주입관의 종류에 따라 단관롯트공법, 단관스트레이너공법, 이중관단상공법, 이중관복상공법, 이중관더블팩커공법 등 통상적으로 사용되는 공법이 적용될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
본 발명에서의 지반 그라우트재의 최대입경은 20μm를 넘지 않은 것이 바람직하다. 예를 들어, 평균입경이 15μm 미만일 수 있으며, 일 예로, 10μm로 제어될 수 있다. 최대입경이 20μm를 초과하면 지반의 지질에 따라서 미세한 간극으로의 주입이 어려운 경우가 발생할 수 있다.
한편, 본 발명에서의 지반 그라우트재는 현탁액이 흐르지 않는 시간으로 측정되는 겔화시간이 15시간 이하인 것, 현탁액이 모래층 20㎝ 깊이까지 도달할 때까지의 시간이 22분 이하인 것, 침투후 현탁액의 경화시간이 5시간 이하인 것 및 이들의 조합을 나타낼 수 있다. 본 발명의 기술구성요소들의 조합에 의할 때, 겔화시간이 15시간 이하에서 단기강도가 향상되고, 현탁액이 모래층 20㎝ 깊이까지 도달할 때까지의 시간이 22분을 초과하는 경우 침투성이 향상되며, 침투후 현탁액의 경화시간이 5시간 이하인 경우 그라우트재가 환경 요인에 의해 소실되지 않을 수 있다.
이처럼 본 발명의 1액형 친환경 저탄소 지반 그라우트재가 적용되는 경우, 종래의 일반적인 포틀랜드 시멘트와 벤토나이트를 사용하는 1액형 그라우트재와는 달리, 고로슬래그 미분말 및 초임계 유동층 보일러 플라이애시를 포함하는 산업부산물을 다량으로 포함하여 시멘트 사용을 최소화하여, 온실가스인 이산화탄소의 발생을 크게 감소시키고, 시멘트의 독성에 의한 환경오염을 방지할 수 있다. 또한, 본 발명은 지반 그라우트재의 응결시간과 점성을 조절하여 재료분리 저항성을 향상시켜, 벤토나이트를 사용하지 않아도 블리딩률을 감소시킬 수 있기 때문에 주입작업이 완료된 이후 응결 경화가 이루어지도록 함으로써 공극을 채울 수 있게 된다. 이에 따라, 저수지, 방조제, 하천제방과 같이 누수 및 저류수에 의한 침식 및 세굴로 제체 하부에 공동과 공극이 다수 형성된 경우에도, 주입된 그라우트재의 유실을 방지할 수 있고, 주입을 위한 과도한 시설이 불필요하며, 과도한 범위까지도 효율적인 주입이 가능해진다.
본 발명의 지반 그라우트재는 일반적인 포틀랜드 시멘트에 비해 입자의 크기가 작아서 분말도가 높으므로 지반으로의 침투가 용이하며, 흐트러진 용적이 일반적인 포틀랜드 시멘트에 비해 크기 때문에 지반 그라우팅 설계시 동일한 공극율의 지반을 주입시공 할 경우, 소요되는 지반 그라우트재의 사용량을 감소시킬 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시예를 설명한다. 실시예는 본 발명의 실시형태를 예로 들어 설명하는 것이며 본 발명이 실시예로 제한되어 해석되지 않는다.
실시예1 내지 실시예5
시멘트, 고로슬래그 미분말, 초임계 유동층 보일러 플라이애시, 칼슘알루미네이트, 석고를 분급 분쇄하였다. 그 후에 시멘트 15중량부와 고로슬래그 미분말 50중량부, 초임계 유동층 보일러 플라이애시 35중량부로 구성되는 주재 97중량부와 급경제 3중량부를 혼합하였다. 이때, 급경제는 칼슘알루미네이트와 석고가 1:1로 혼합하여 제조하였다. 주재와 급경제의 혼합물 100 중량부에 응결조절제 0.4중량부를 추가 혼합한 후, 감수제를 시멘트 중량의 20%가 되도록 추가 혼합하여 실시예1에 따른 그라우트재 조성물을 제조하였다. 이때, 실시예2 내지 실시예5는 그라우트재 조성물의 평균 입자 크기를 실시예1과 다르게 제어한 것을 제외하고는 표 6에 나타낸 바와 같이 실시예1과 동일하게 그라우트재 조성물을 제조하였다.
이후 물을 그라우트재 조성물 100 중량부 당 100 내지 1000 중량부 사이로 투입하여 현탁액을 제조하였다. 구체적으로 사용된 재료는 다음과 같다.
시멘트: 보통 포틀랜드 시멘트 분쇄 분급품
고로슬래그 미분말: CaO 42중량%, Al2O3 13중량%, SiO2 34중량%, 기타 11중량%의 조성을 가진 고로 수쇄 슬래그 미분쇄품
초임계 유동층 보일러 플라이애시: CaO 24중량%, Al2O3 13중량%, SiO2 28중량%, Fe2O3 15중량% 기타 20중량%의 조성을 가진 초임계 유동층 보일러에서 발생된 플라이애시 미분쇄품
칼슘 알루미네이트: CaO 51중량%, Al2O3 44중량%, 기타 5중량%의 조성을 가진 비정질상태의 칼슘알루미네이트의 미분쇄품
석고: 천연무수석고 미분쇄품
감수제: 멜라민설폰산염계 분말
응결조절제: 구연산 100중량%와 탄산칼륨 300중량%로 이루어진 혼합물
모래: 주문진 규사
물: 수도물
실험예1
실시예1 내지 실시예5에 따른 그라우트재 조성물의 현탁액으로 모의모래층에 대한 침투깊이를 다음과 같은 방법으로 측정하였고, 그 결과를 아래 표 1에 나타내었다.
평균입자크기: 레이저회절법에 의한 평균입자크기를 측정하였다(Marvern사 mastersizer 2000 사용).
침투깊이: 직경 5㎝의 폴리에틸렌 비닐에 주문진 규사를 높이 20㎝가 되도록 충전하여 제작한 모의 모래층에 현탁액 200㎖를 윗면에 천천히 주입하여 자연침투시킨 후 2시간 이후 모의 모래층으로의 침투깊이를 측정하였다.
20㎝ 도달할 때 까지의 시간(20㎝ 도달시간): 침투깊이 측정에서 있어서, 현탁액을 윗면에 주입시켜, 현탁액이 모의 모래층 20㎝ 침투할 때까지의 시간을 측정하였다.
평균입자 크기(㎛) 침투깊이(㎝) 20㎝도달 시간(분) 비고
실험예1-1 5 >20 15 실시예1
실험예1-2 7 >20 18 실시예2
실험예1-3 10 >20 22 실시예3
실험예1-4 15 16 - 실시예4
실험예1-5 20 11 - 실시예5
-: 20㎝까지 도달하지 못함
표 1을 참조하면, 본 발명의 그라우트재 조성물은 평균입자 크기가 15㎛ 미만인 경우 침투성이 열악해져 현탁액이 모의 모래층의 20㎝까지 침투하지 못하는 것으로 나타났다.
즉, 본 발명의 그라우트재 조성물은 5㎛ 이상 15㎛ 미만의 범위 내에서 평균입자 크기가 작아질수록 침투성이 향상되는 것으로 나타났다.
실시예6 내지 실시예10 및 비교예1 내지 비교예2
상기 실시예3에서 주재의 함량, 즉, 시멘트, 고로 슬래그 미분말, 초임계 유동층 보일러 플라이애시의 함량을 달리한 것을 제외하고는 실시예3과 동일한 방법으로 실시예6 내지 실시예10 및 비교예1 내지 비교예2에 따른 그라우트재 조성물을 제조하였다. 그 구체적인 함량을 표 6에 나타내었다.
실험예2
실시예 3, 실시예6 내지 실시예10 및 비교예1 내지 비교예2에 따른 그라우트재 조성물의 현탁액으로 겔화시간과 침투성을 평가하였고, 그 결과를 아래 표 2에 나타내었다.
이때, 겔화시간 평가 방법은 다음과 같다.
겔화시간: 현탁액을 컵에 부어 넣고, 현탁액이 들어있는 컵을 기울여도 현탁액이 흐르지 않는 상태까지의 시간
겔화시간(시간) 침투깊이(㎝) 20㎝도달 시간(분) 비고
실험예2-1 24 >20 5 비교예1
실험예2-2 4 >20 12 비교예2
실험예2-3 4 >20 22 실시예3
실험예2-4 7 >20 13 실시예6
실험예2-5 5 >20 17 실시예7
실험예2-6 3 >20 20 실시예8
실험예2-7 6 >20 14 실시예9
실험예2-8 2 18 - 실시예10
-: 20㎝까지 도달하지 못함
표 2를 참조하면, 그라우트재 조성물에 본 발명의 실시예에 따른 주재의 조성이 포함되는 경우, 침투성이 향상됨을 확인할 수 있다.
또한, 본 발명의 그라우트재 조성물은 1액 상태에서의 겔화시간 확보가 가능하기 때문에 예상 가능한 범위 내에서 작업시간이 단축되며, 침투후에는 빠르게 경화됨을 확인할 수 있다.
한편, 비교예2에 따른 그라우트재 조성물은 침투성과 겔화특성이 우수하게 발현되었으나, 시멘트가 포함되지 않기 때문에 응결이 지연되어 주입된 그라우트가 지하수에 흘러내려 씻겨나가게 되는 문제가 발생할 수 있다.
실시예11 내지 실시예13 및 비교예3
상기 실시예3에서 급경제의 함량을 달리한 것을 제외하고는 실시예3과 동일한 방법으로 실시예11 내지 실시예13 및 비교예3에 따른 그라우트재 조성물을 제조하였다. 그 구체적인 함량을 표 6에 나타내었다.
실험예3
실시예 3, 실시예11 내지 실시예13 및 비교예3에 따른 그라우트재 조성물의 현탁액으로 겔화시간과 침투성, 초기강도를 평가하였고, 그 결과를 아래 표 3에 나타내었다.
이때, 초기강도는 경화시간 1일에 있어서의 압축강도로 측정하였다.
또한, 침투후 경화시간은 최종 침투깊이 도달 후 경화 시 까지의 시간으로 측정하였다. 구체적으로는 상부가 개방된 지름 5cm, 길이 20cm의 폴리에틸렌비닐로 제조된 투명한 봉지에 주문진 규사를 채우고, 실험예에 따른 그라우트재 조성물의 현탁액을 상부에서 투입하여 규사층으로 그라우트 조성물이 침투되도록 하였다. 이후 상기 투명한 봉지의 최종 침투깊이 주변에 외력을 가하여 유동이 없는 상태의 시간을 측정하였다.
겔화시간
(시간)		 침투깊이
(㎝)		 20㎝도달 시간(분) 침투후 경화시간 초기강도
(N/㎜2)		 비고
실험예3-1 30 >20 10 8 측정불능 비교예3
실험예3-2 4 >20 22 3 0.19 실시예3
실험예3-3 15 >20 14 5 0.09 실시예11
실험예3-4 3 16 - 2 0.28 실시예12
실험예3-5 1 7 - 1 0.41 실시예13
-: 20㎝까지 도달하지 못함
표 3을 참조하면, 그라우트재 조성물에 본 발명의 실시예에 따른 주재와 급경제의 조성 범위 내에서, 침투성과 초기강도가 향상됨을 확인할 수 있다.
또한, 본 발명의 그라우트재 조성물은 1액 상태에서의 겔화시간 확보가 가능하기 때문에 예상 가능한 범위 내에서 작업시간이 단축되며, 침투후에는 빠르게 경화됨을 확인할 수 있다.
실시예14 내지 실시예16 및 비교예4
상기 실시예3에서 응결조절제의 함량을 달리한 것을 제외하고는 실시예3과 동일한 방법으로 실시예14 내지 실시예16 및 비교예4에 따른 그라우트재 조성물을 제조하였다. 그 구체적인 함량을 표 6에 나타내었다.
실험예4
실시예14 내지 실시예16 및 비교예4에 따른 그라우트재 조성물의 현탁액으로 겔화시간과 침투성을 평가하였고, 그 결과를 아래 표 4에 나타내었다.
겔화시간
(시간)		 침투깊이
(㎝)		 20㎝도달 시간(분) 침투후 경화시간 비고
실험예4-1 NA 2 - 0.1 비교예4
실험예4-2 3 15 - 2 실시예14
실험예4-3 5 >20 16 3 실시예15
실험예4-4 11 >20 11 4 실시예16
-: 20㎝까지 도달하지 못함
표 4를 참조하면, 그라우트재 조성물에 본 발명의 실시예에 따른 주재에 급경제의 조성이 포함되는 경우 침투성이 향상됨을 확인할 수 있다. 그러나, 비교예 4에 따른 그라우트재 조성물의 현탁액은 겔화되지 않았다.
또한, 본 발명의 그라우트재 조성물은 1액 상태에서의 겔화시간 확보가 가능하기 때문에 예상 가능한 범위 내에서 작업시간이 단축되며, 침투후에는 빠르게 경화됨을 확인할 수 있다.
실시예17 내지 실시예19
상기 실시예3에서 감수제의 함량을 달리한 것을 제외하고는 실시예3과 동일한 방법으로 실시예17 내지 실시예19에 따른 그라우트재 조성물을 제조하였다. 그 구체적인 함량을 표 6에 나타내었다.
실험예5
실시예3 및 실시예17 내지 실시예19에 따른 그라우트재 조성물의 현탁액으로 겔화시간과 침투성을 평가하였고, 그 결과를 아래 표 5에 나타내었다.
겔화시간
(시간)		 침투깊이
(㎝)		 20㎝도달 시간(분) 침투후 경화시간 비고
실험예5-1 4 >20 22 3 실시예3
실험예5-2 2 10 - 0.8 실시예17
실험예5-3 5 15 - 2 실시예18
실험예5-4 13 >20 12 4 실시예19
-: 20㎝까지 도달하지 못함
표 5를 참조하면, 그라우트재 조성물에 본 발명의 실시예에 따른 주재에 감수제의 조성이 포함되는 경우 침투성이 향상됨을 확인할 수 있다.
또한, 본 발명의 그라우트재 조성물은 1액 상태에서의 겔화시간 확보가 가능하기 때문에 예상 가능한 범위 내에서 작업시간이 단축되며, 침투후에는 빠르게 경화됨을 확인할 수 있다.
실험예6
실시예7에 따른 그라우트재 조성물의 밀도, 분말도, 응결시간, 블리딩률, 압축강도를 측정한 결과를 도 1에 나타내었고, 일반적인 포틀랜드 시멘트의 블리딩률을 측정한 결과를 도 2에 나타내었다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 그라우트재 조성물은 2.88mg/m3으로 일반적인 포틀랜드 시멘트의 밀도(3.15g/㎝3)보다 낮고 분말도는 6,350㎝2/g으로 나타났다. 또한, 시멘트 함량이 매우 낮음에도 불구하고 응결시간이 4분으로 일반적인 포틀랜드 시멘트 보다 빠른 것으로 나타났다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 그라우트재 조성물 제조 후 물의 양을 1:1이 되도록 투입한 후 블리딩율을 측정한 결과 1% 수준을 나타내어, 동일한 조건에서 보통 포틀랜드 시멘트에 대한 블리딩률을 측정한 결과인 36%보다 훨씬 낮은 수준을 나타내는 것으로 확인되었다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 그라우트재의 압축강도는 보통 포틀랜드 시멘트의 KS규격을 만족하는 것으로 나타났다.
실험예7
실시예7에 따른 그라우트재 조성물과 일반적인 포틀랜드 시멘트에 대한 재료분리저항성을 확인하기 위해 3시간까지의 블리딩률을 측정하였다.
블리딩시험에서 사용된 배합비는 무게비가 아닌 용적비로 실시하였으며, 물과 시멘트의 용적배합비는 2:1로 설정하였다. 이때의 배합비는 일반적인 포틀랜드 시멘트의 경우 물 108리터에 일반적인 포틀랜드 시멘트 2포 (80kg)이며, 지반 그라우트재의 경우 물 108리터에 지반 그라우트재 2포 (60kg) 이다.
지반 그라우트재의 경우 흐트러진 용적이 0.89㎝3/g임에 반해, 일반적인 포틀랜드 시멘트의 경우 흐트러진 용적이 0.67㎝3/g으로 나타났다. 따라서, 지반 그라우트재가 일반적인 포틀랜드 시멘트가 투입되는 양의 75%만 투입되더라도 같은 용적을 가지게 되어 시멘트 사용량을 현저하게 감소시킬 수 있음을 알 수 있다.
상기 용적배합비를 2:1로 설정한 지반 그라우트재를 각각 1000㎖ 매스실린더에 투입한 후 매1시간 간격으로 3시간까지의 상태를 확인하면서 블리딩률을 측정하였고, 그 결과를 도 3 내지 도 6에 나타내었다. 즉, 실험 개시 상태를 도 3에, 1시간 경과 후의 상태를 도 4에, 2시간 경과 후의 상태를 도 5에, 3시간 경과 후의 상태를 도 6에 각각 나타내었다. 이때, 비교군을 좌측에, 본 발명의 그라우트재를 우측에 동일한 평면 위에 올려놓았다.
도 3 내지 도 6에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 친환경 저탄소 그라우트재는 일반적인 포틀랜드 시멘트와 대비하여 재료 사용량을 25% 감소시켜 블리딩률을 측정하였음에도 불구하고, 3시간 후의 블리딩률이 일반적인 포틀랜드 시멘트는 37%, 본 발명의 일 실시예에 따른 친환경 저탄소 그라우트재는 11%로 나타났다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 다른 친환경 저탄소 그라우트재를 사용하는 경우, 시멘트 사용량을 25% 이상 절감하면서도 더 많은 공극을 채울 수 있음을 알 수 있다.
시멘트
(중량부)		 고로슬래그
미분말
(중량부)		 플라이애시
(중량부)		 급경제
(중량부)		 응결조절제(중량부) 감수제
(중량부)		 입자
크기(㎛)
실시예1 15 50 35 3 0.4 3 5
실시예2 15 50 35 3 0.4 3 7
실시예3 15 50 35 3 0.4 3 10
실시예4 15 50 35 3 0.4 3 15
실시예5 15 50 35 3 0.4 3 20
실시예6 20 60 20 3 0.4 3 10
실시예7 20 50 30 3 0.4 3 10
실시예8 20 40 40 3 0.4 3 10
실시예9 10 60 30 3 0.4 3 10
실시예10 10 40 50 3 0.4 3 10
실시예11 15 50 35 1 0.4 3 10
실시예12 15 50 35 5 0.4 3 10
실시예13 15 50 35 10 0.4 3 10
실시예14 15 50 35 3 0.1 3 10
실시예15 15 50 35 3 0.5 3 10
실시예16 15 50 35 3 1.0 3 10
실시예17 15 50 35 3 0.4 1.5 10
실시예18 15 50 35 3 0.4 1.75 10
실시예19 15 50 35 3 0.4 4.5 10
비교예1 0 100 0 3 0.4 3 10
비교예2 0 0 100 3 0.4 3 10
비교예3 15 50 35 0 0.4 3 10
비교예4 15 50 35 3 0 3 10
*) 상기 플라이애시는 초임계 유동층 보일러 플라이애시를 지칭
위에서 설명한 바와 같이 본 발명에 대한 구체적인 설명은 첨부된 도면을 참조한 실시예에 의해서 이루어졌지만, 상술한 실시예는 본 발명의 바람직한 예를 들어 설명하였을 뿐이므로, 본 발명이 상기 실시예에만 국한되는 것으로 이해돼서는 안 되며, 본 발명의 권리범위는 후술하는 청구범위 및 그 등가개념으로 이해되어야 할 것이다.
예를 들어, 도면은 이해를 돕기 위해 각각의 구성요소를 주체로 하여 모식적으로 나타낸 것으로, 도시된 각 구성요소의 두께, 길이, 개수 등은 도면 작성의 진행상, 실제와 다를 수 있다. 또한, 상기의 실시형태에서 나타낸 각 구성요소의 재질이나 형상, 치수 등은 한 예로서, 특별히 한정되지 않고, 본 발명의 효과에서 실질적으로 벗어나지 않는 범위에서 여러 가지 변경이 가능하다.

Claims (6)

  1. 시멘트, 고로슬래그 미분말 및 초임계 유동층 보일러 플라이애시를 포함하는 주재;
    1액형 상태로 겔화시간을 제어하기 위한 급경제;
    응결시간을 제어하기 위한 응결조절제; 및
    지반으로의 침투성을 향상시키기 위한 감수제;
    를 포함하고,
    상기 주재는, 시멘트 5~20중량부, 고로슬래그 40~60중량부, 및 플라이애시 20~40중량부를 포함하며,
    상기 급경제는 칼슘알루미네이트 100중량부 및 석고 50~200중량부를 포함하며,
    상기 급경제의 함량이 상기 주재 및 상기 급경제의 혼합물 100중량부를 기준으로 1~3중량부이며, 상기 응결조절제의 함량이 상기 주재 및 상기 급경제의 혼합물 100중량부를 기준으로 0.4~0.5중량부이며, 상기 감수제의 함량이 상기 시멘트 100중량부를 기준으로 20~30중량부이며, 최대입경이 5~10㎛ 인, 친환경 저탄소 지반 그라우트재 조성물.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 초임계 유동층 보일러 플라이애시는, 산소를 주입하면서 석탄연료를 초임계 상태에서 연소하는 공정에서 배출되는 플라이애시로서, Fe2O3 10~20중량%, SO3 5~20중량%, 및 Free CaO 1~10중량%를 함유하고, 분말도가 평균입경 10㎛ 이하인, 친환경 저탄소 지반 그라우트재 조성물.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 응결조절제가 탄산염 및 유기산을 포함하는, 친환경 저탄소 지반 그라우트재 조성물.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 그라우트재 조성물의 현탁액이 흐르지 않는 시간으로 측정되는 겔화시간이 15시간 이하인 것;
    상기 그라우트재 조성물의 현탁액이 모래층 20㎝ 깊이까지 도달할 때까지의 시간이 22분 이하인 것;
    상기 그라우트재 조성물의 최종 침투깊이 도달 후 경화 시 까지의 시간으로 측정되는 침투후 현탁액의 경화시간이 5시간 이하인 것; 및
    이들의 조합;
    중 어느 하나의 특성을 갖는, 친환경 저탄소 지반 그라우트재 조성물.
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