KR20160033522A - 환원슬래그를 이용한 고함수율 연약지반 토양 개량용 고화재 조성물 및 이를 이용한 토양 고화 방법 - Google Patents

환원슬래그를 이용한 고함수율 연약지반 토양 개량용 고화재 조성물 및 이를 이용한 토양 고화 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 환원슬래그를 이용하여 고함수율 연약지반 토양의 개량을 위한 고화재 조성물과 이를 이용하여 토양을 고화하는 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 환원슬래그 10~30 중량%, 1종 보통 포틀랜드 시멘트 35~50 중량%, 고로슬래그 미분말 20~50 중량% 및 석고 1~30 중량%를 포함하는, 고함수율 연약지반 토양 개량용 고화재 조성물과, 상기 조성물을 이용하여 토양을 고화시키는 단계를 포함하는, 토양의 고화 방법을 제공한다.
본 발명에서 제공하는 고화재 조성물은 토목공학적 및 환경공학적 문제를 발생하지 않고, 특히 고함수율 연약지반의 토양을 우수한 효율로 개량 및 강화시킬 수 있다.

Description

환원슬래그를 이용한 고함수율 연약지반 토양 개량용 고화재 조성물 및 이를 이용한 토양 고화 방법{Solidifying composition for improvement of high water content and weak ground using reduction slag and method for solidifying soil using the same}
본 발명은 환원슬래그를 이용하여 고함수율 연약지반의 토양 개량을 위한 고화재 조성물과 이를 이용하여 토양을 고화하는 방법에 관한 것이다.
국내 건설 시장은 협소한 국토의 한계를 극복하고 간척지 및 연약지반에 구조물을 건설하는 단계까지 이르고 있는 실정이다. 따라서 이러한 연약지반에 대한 대책 수립으로, 보통 포틀랜드 시멘트 및 생석회 등을 주성분으로 하고 플라이 애쉬(fly ash) 및 고로 수쇄 슬래그 미분말을 일부 포함하는 고화재를 사용하여 연약지반을 개량 및 강화하는 방법이 제안되었다.
또한, 대한민국 등록특허공보 제0727654호에서는 연약지반용 고화재를 제안하였고, 대한민국 등록특허공보 제1148916호에서는 친환경적인 토양 고화재 및 이를 이용한 연약지반 처리 공법을 제안한 바 있다.
그런데 상기와 같은 고화재를 고함수율 연약지반 토양에 사용하게 되면, 목표로 하는 일축압축강도를 충족시키기 위해서는 보통 포틀랜드 시멘트나 생석회 등을 다량으로 사용해야만 하는데, 이들이 다량 함유된 고화재는 사용 대상이 되는 토양에 토목공학 및 환경공학적 문제점을 유발시킬 수 있는 문제점이 있다.
구체적으로는, 상기한 고화재를 표층 혼합 처리하는 경우, 연약지반 토양을 개량한 후 표층으로부터 대략 1 내지 3m 범위에서 건조 및 수축에 의한 균열 현상이 발생할 수 있고, 상기 고화재를 심층 혼합 처리하는 경우에는, 보통 포틀랜드 시멘트 및 생석회의 수화과정에서 생성된 수산화칼슘(Ca(OH)2)이 대상 및 주변 토양의 pH를 높이는 등 생태계에 악영향을 미칠 수 있다.
더욱이, 시멘트를 제조하는 산업은 전세계 CO2발생량의 7%를 차지할 정도로 상당히 많은 양의 온실가스를 배출하고 있다. 따라서, 최근에는 이러한 시멘트 사용량 저감을 위해 시멘트를 대체할 수 있는 물질에 대한 연구가 요구되고 있다.
본 발명은 고함수율 연약지반의 토양을 개량 및 강화하는데 사용할 수 있는 고화재 조성물과 이를 이용한 토양의 고화 방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 토양 개량 시 균열 등의 문제점을 발생시키지 않으면서, 보다 친환경적으로 고함수율 연약지반의 토양을 개량 및 강화시킬 수 있는 고화재 조성물과, 이를 이용한 토양의 고화 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 구현 예에 따르면, 환원슬래그 10~30 중량%, 1종 보통 포틀랜드 시멘트 35~50 중량%, 고로슬래그 미분말 20~50 중량% 및 석고 1~30 중량%를 포함하는, 고함수율 연약지반 토양 개량용 고화재 조성물을 제공한다.
상기 환원슬래그는 전기로 서냉 환원슬래그일 수 있다.
상기 환원슬래그는 CaO 40~70 중량%, Al2O3 10~40 중량%, SiO2 1~20 중량%, Fe2O3 1~10 중량%, MgO 4~9 중량%, K2O 0.01~1 중량%, Na2O 0.01~1 중량% 및 SO3 0.5~3 중량%를 포함할 수 있다.
상기 환원슬래그의 분말도는 2,000~6,000 cm2/g일 수 있다.
상기 1종 보통 포틀랜드 시멘트의 분말도는 2,500~5,000 cm2/g일 수 있다.
상기 고로슬래그 미분말은 고로 수쇄슬래그 미분말일 수 있다.
상기 고로슬래그 미분말의 분말도는 3,000~6,000 cm2/g일 수 있다.
상기 석고는 천연석고, Ⅱ형 무수석고, Ⅲ형 무수석고, 이수석고, 반수석고, 탈황석고, 인산석고 및 중화석고로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.
본 발명의 다른 구현 예에 따르면, 상기 고화재 조성물을 사용하여 토양을 고화시키는 단계를 포함하는, 토양의 고화 방법을 제공한다.
상기 토양은 함수율이 20 내지 80 중량%인 연약지반의 토양일 수 있다.
본 발명에서 제공하는 고화재 조성물은 고함수율 연약지반의 토양을 우수한 효율로 개량 및 강화시킬 수 있다.
더욱이, 본 발명에서 제공하는 고화재 조성물은 토양 개량 시, 균열이나 주변 토양의 pH 저하 등의 토목공학적 및 환경공학적 문제점을 발생시키지 않을 뿐만 아니라, 더 나아가 시멘트의 상당량을 산업부산물로 대체함으로써 시멘트의 소성 과정에서 발생되는 이산화탄소의 발생량을 저감시킬 수 있으며, 산업부산물의 처리에 따르는 친환경적 및 경제적 효과 또한 꾀할 수 있다.
도 1은 본 발명에서 사용할 수 있는 전기로 서냉 환원슬래그의 X선 회절분석 결과를 나타낸 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
본 발명은 산업부산물인 환원슬래그를 이용하여 고함수율 연약지반의 토양을 개량 및 강화하는데 사용할 수 있는 고화재 조성물과 이를 이용한 토양의 고화 방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 구현 예에 따르면, 고함수율 연약지반 토양 개량용 고화재 조성물에 관한 것으로, 환원슬래그 10~30 중량%, 1종 보통 포틀랜드 시멘트 35~50 중량%, 고로슬래그 미분말 20~50 중량% 및 석고 1~30 중량%를 포함할 수 있다.
본 발명에서 제공하는 고화재 조성물은 환원슬래그를 포함하는 것을 특징으로 하는데, 상기 환원슬래그는 제강공정 중 전기로 정련공정(Ladle furnace process)에서 부산물로 발생되는 슬래그를 급속 냉각이 아닌 공기 중 자연 냉각 등의 방법으로 천천히 냉각하여 얻어진 서냉 환원슬래그를 사용하는 것이 바람직하다.
구체적으로 상기한 서냉 환원슬래그는, 슬래그를 냉각시킴에 있어서 살수 급냉 또는 공기 급냉 등과 같은 별도의 특별한 냉각 공정을 수반하지 않고 바로 이용될 수 있으므로 에너지 절감의 측면에서 바람직하고, 슬래그를 냉각시키는 과정에서 발생하는 폐수나 대기오염 물질들의 배출 또한 최소화할 수 있어, 환경적인 측면에서도 바람직하다.
한편, 도 1은 본 발명에서 사용할 수 있는 전기로 서냉 환원슬래그의 X-ray 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 1에서 보는 바와 같이, 본 발명에서 사용할 수 있는 환원슬래그는 주요 광물로 칼슘-알루미네이트계 광물인 C12A7(12CaO·7Al2O3) 및 C3A(3CaO·Al2O3)를 포함하고 있는 것을 볼 수 있다.
상기 칼슘-알루미네이트계 광물들의 수화 반응은 일반 무기재료인 보통 포틀랜드 시멘트나 고로 수쇄슬래그 시멘트의 주요 광물인 C3S(3CaO·SiO2) 및 C2S(2CaO·SiO2)의 수화 반응 때 보다 더 많은 양의 물을 반응수로 소비하면서 C3AH6(3CaO·Al2O3·6H2O) 등의 칼슘-알루미네이트계 수화물들을 형성할 수 있고, 아울러, 형성된 칼슘-알루미네이트계 수화물들은 연속적으로 석고와 반응하면서 에트린가이트(ettringite)(Ca6Al2(SO4)3(OH)12·26H2O)를 생성할 수 있는데 이 반응에서도 상당한 양의 물이 계속해서 반응수로 소비될 수 있다.
따라서, 본 발명에서는 고화재 조성물로 환원슬래그를 사용함으로써, 특히 고함수율 연약지반의 토양에 과량으로 포함된 수분을 효과적으로 제거하고, 나아가서는 경화반응을 통해 압축강도를 향상시켜 토양 강화 효과를 기대할 수 있다.
더욱이, 본 발명의 고화재 조성물에서 사용되는 환원슬래그는 보통 포틀랜드 시멘트와 달리 별도의 소성 공정을 수행하지 않고 바로 사용이 가능하므로, 시멘트의 소성 과정에서 발생되는 이산화탄소의 발생량을 저감시킬 수 있으며, 산업부산물의 처리에 따르는 친환경적 및 경제적 효과를 꾀할 수 있다.
한편, 본 발명의 고화재 조성물에서 사용할 수 있는 환원슬래그의 구체적인 조성은 특별히 한정하지는 않으나, 예를 들어, CaO 40~70 중량%, Al2O3 10~40 중량%, SiO2 1~20 중량%, Fe2O3 1~10 중량%, MgO 4~9 중량%, K2O 0.01~1 중량%, Na2O 0.01~1 중량% 및 SO3 0.5~3 중량%로 포함된 것을 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 고화재 조성물에서 사용할 수 있는 환원슬래그의 분말도 역시 특별히 한정하지는 않으나, 분말도가 2,000 cm2/g 미만인 경우, 수화 및 경화 반응 시 반응성이 떨어져 충분한 토양 개량 및 강화 효과를 기대하기 어려울 수 있으므로, 2,000 cm2/g 이상의 분말도를 갖는 것을 사용하는 것이 바람직하다. 다만, 분말도가 6,000 cm2/g를 초과하는 경우 비용이 과다하게 발생할 수 있으므로, 본 발명은 2,000~6,000 cm2/g의 분말도를 갖는 환원슬래그를 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 고화재 조성물은 상기 환원슬래그를 10 내지 30 중량%의 함량으로 포함하는 것이 바람직하다. 환원슬래그의 함량이 10 중량% 미만인 경우, 토양 개량 시 수분 제거 효과가 미미하여 개량 효율이 떨어질 수 있다. 반면 함량이 30 중량%를 초과하는 경우, 환원슬래그 내에 포함된 다량의 C12A7 및 C3A가 석고와 반응하여 에트린가이트가 많이 생성되므로 팽창에 의해 토양에 균열이 발생할 수 있고, 보통 포틀랜드 시멘트의 함량이 상대적으로 적어짐에 따라, 상기 C12A7 및 C3A의 급격한 수화반응 및 경화에 영향을 미치는 보통 포틀랜드 기반의 수화물 생성이 억제될 수 있다.
본 발명의 고화재 조성물은 상기한 환원슬래그와 함께 1종 보통 포틀랜드 시멘트를 포함할 수 있다. 상기 1종 보통 포틀랜드 시멘트에는 C3S 및 C2S이 포함되어 있고, 이들이 물과 반응하여 Ca(OH)2 수화물을 생성하게 되는데, 이들은 자체 경화를 하거나, 혼합 부산물인 고로슬래그 미분말의 자극제 역할을 수행하여 개량 대상이 되는 토양의 공극을 충전시키는 효과를 가져와 일축 압축강도의 증진을 유도하는 등 고함수율 연약지반 토양에 보다 안정적인 개량 효과를 부여할 수 있다.
본 발명의 고화재 조성물에서 사용할 수 있는 1종 보통 포틀랜드 시멘트의 분말도는 특별히 한정하지는 않으나, 분말도가 2,500 cm2/g 미만인 경우, 수화 및 경화 반응의 반응성이 떨어져 충분한 토양 개량 및 강화 효과를 기대하기 어려울 수 있고, 분말도가 5,000 cm2/g를 초과하는 경우 비용이 과다하게 발생할 수 있으므로, 본 발명에서는 1종 보통 포틀랜드 시멘트로, 2,500~5,000 cm2/g의 분말도를 갖는 것을 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 고화재 조성물은 1종 보통 포틀랜드 시멘트를 35 내지 50 중량%의 함량으로 포함하는 것이 바람직하다. 상기 1종 보통 포틀랜드 시멘트의 함량이 35 중량% 미만인 경우, 시멘트 수화 반응에 의한 수화 생성물인 Ca(OH)2 양의 저감으로 인하여 고로슬래그 미분말과의 반응성이 떨어져 강도 증진 효과가 미미할 수 있고, 함량이 50 중량%를 초과하는 경우, 상대적으로 환원슬래그의 함량이나 고로슬래그 미분말의 함량이 감소하므로 이산화탄소 발생 저감 효과 또한 미미할 수 있다.
또한, 본 발명의 고화재 조성물은 고로슬래그 미분말을 포함할 수 있는데, 상기 고로슬래그 미분말을 보통 포틀랜드 시멘트와 혼합한 뒤 물과 반응시키면, 이산화규소(SiO2) 및 산화알루미늄(Al2O3)과 시멘트의 수화 반응으로 형성되는 Ca(OH)2가 서서히 반응하여 칼슘실리케이트 수화물을 생성하는 포졸란 반응이 수행되고, 이러한 반응에 의해 CaO-SiO-H2O계 수화물이 생성됨으로써 개량되는 토양의 장기 압축강도를 증진시키는 효과를 얻을 수 있다.
이때, 본 발명의 고화재 조성물에서 사용할 수 있는 고로슬래그 미분말의 종류는 특별히 한정하지는 않으나, 고온 용융 상태의 고로슬래그를 물로 급냉 처리한 고로 수쇄슬래그를 건조 및 분쇄하여 얻어진 고로 수쇄슬래그 미분말이 급냉 과정에서 유리화되어 환원슬래그 및 포틀랜드 시멘트와의 반응성이 높아 바람직하다.
또한, 본 발명의 고화재 조성물에서 사용할 수 있는 상기 고로슬래그 미분말의 분말도는 특별히 한정하지는 않으나, 분말도가 3,000 cm2/g 미만인 경우, 수화 및 경화 반응 시 반응성이 낮아 충분한 토양 개량 및 강화 효과를 기대하기 어려울 수 있고, 분말도가 6,000 cm2/g를 초과하는 경우 비용이 과다하게 발생할 수 있으므로, 본 발명에서는 3,000~6,000 cm2/g의 분말도를 갖는 고로슬래그 미분말을 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 고화재 조성물은 상기 고로슬래그 미분말을 20 내지 50 중량%의 함량으로 포함하는 것이 바람직하다. 상기 고로슬래그 미분말의 함량이 20 중량% 미만인 경우, 포틀랜드 시멘트와의 반응에 의한 수화물의 생성량 저감에 따라 충분한 압축강도를 확보하기 어려울 수 있고, 함량이 50 중량%를 초과하는 경우, 목표 강도를 얻기 위해서는 환원슬래그의 사용량이 상대적으로 적어지고, 보통 포틀랜드 시멘트의 사용량이 증가되어야 하므로, 시멘트 대체 효과가 미미하다.
또한, 본 발명의 고화재 조성물은 압축강도 발현 향상을 목적으로 석고를 포함할 수 있다. 구체적으로 상기 석고는 본 발명에서 사용하는 환원슬래그의 자체 수화반응에 의한 칼슘-알루미네이트계 수화물과 반응하여 에트린가이트를 형성함으로써 추가적인 감수 효과와 미세 입자의 공극 충진으로 인해 조직이 치밀화되어 초기강도를 증진시키는 효과를 얻을 수 있다.
이때, 본 발명에서 사용될 수 있는 석고의 종류는 특별히 한정하지는 않으나, 예를 들어, 천연석고, Ⅱ형 무수석고, Ⅲ형 무수석고, 이수석고, 반수석고, 탈황석고, 인산석고 및 중화석고로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다. 단, 상기 중화석고는 인산석고에 생석회(CaO)를 포함하는 것을 의미한다.
또한, 본 발명의 고화재 조성물은 상기 석고를 1 내지 30 중량%의 함량으로 포함하는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 5 내지 10 중량%의 함량으로 포함할 수 있다. 상기 석고의 함량이 1 중량% 미만인 경우, 감수 및 초기강도 향상 효과가 미미하여 토양의 개량 효율 또한 저하될 수 있고, 함량이 30 중량%를 초과하는 경우, 경화반응에 석고와 함께 중요한 역할을 하는 환원슬래그의 함량이 상대적으로 적게 되어 경화반응이 제대로 이루어지지 않을 수 있다.
한편, 하기 표 1은 본 발명의 고화재 조성물에 포함될 수 있는 1종 보통 포틀랜드 시멘트, 고로 수쇄슬래그 미분말 및 전기로 서냉 환원슬래그의 예시적인 조성을 나타낸 것이다.
화학 조성(중량%)
Ig-Loss SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 free-Cao
1종 보통 포틀랜드 시멘트 1.98 22.04 5.21 3.29 61.95 2.91 2.03 0.21
고로 수쇄슬래그 미분말 0.00 34.44 17.51 0.50 43.86 3.63 0.00 0.08
전기로 서냉 환원슬래그 6.21 3.36 26.45 3.49 52.06 6.50 1.18 4.95
상기 표 1에서 보는 바와 같이, 전기로 서냉 환원슬래그의 경우 유리석회(free-CaO)를 대략 5 중량% 정도의 매우 높은 함량으로 포함하고 있는데, 유리석회는 물과 반응할 때 대략 1.95배 체적 팽창하는 특성을 가지므로, 이를 고화재 조성물로 사용하는 경우 토목 구조물의 안정성에 문제가 될 수 있어, 종래에는 이를 사용하지 않았다.
그러나, 본 발명에서는 상기 환원슬래그의 함량을 적절한 수준으로 조절함으로써, 토양 개량 시 안정성을 확보하면서 감수 및 강도 향상 효과를 기대할 수 있다.
본 발명의 다른 구현 예에 따르면, 토양을 고화시키는 방법에 관한 것으로, 본 발명에서 제공하는 고화재 조성물을 이용하여 토양을 고화시키는 단계를 포함한다.
단, 본 발명의 고화 방법에서 사용하는 고화재 조성물은 상기한 본 발명에서 제공하는 고화재 조성물에서 기재한 바와 동일하다.
본 발명의 고화 방법은 감수 효과 및 강도 증진 효과가 우수한 고화재 조성물을 사용하므로, 함수율이 20 내지 80 중량%에 해당하는 고함수율 연약지반의 토양을 고화시키기에 적합하지만, 반드시 개량 대상을 이로 한정하지 않으며, 점성 토양, 마사 토양, 사질 토양 또는 시트질 토양 등 다양한 종류의 토양에 대하여도 고화재 조성물의 사용량을 적절한 수준으로 조절함으로써 우수한 토양 개량 및 강화 효과를 얻을 수 있다.
실시예
이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
[실험예 1]
본 발명의 범위에 속하는 고화재 조성물이, 함수율이 상대적으로 높은 토양에 대하여 목표 일축압축강도를 안정적으로 확보할 수 있는지를 알아보기 위하여, 이하의 각 실시예 및 비교예에서는 기초 시험으로 모르타르 시편의 일축압축강도와 주도를 평가하였다.
1. 일축압축강도 평가
하기 표 2에 나타난 조성을 갖는 고화재 조성물을 이용하여 KS L ISO 679(시멘트의 강도 시험 방법) 규정에 따라 모르타르 시편을 각각 제작하되, 상기 시편 제작 시 사용되는 물의 양은, 고화재 조성물의 사용량에 대한 물의 사용량을 중량%(이하, '물량' 이라 한다.)로 하기 표 2에 나타내었다. 이후 제작된 각각의 모르타르 시편에 대하여 재령일에 따른 압축강도를 평가해 그 결과를 하기 표 2에 함께 나타내었다.
단, 하기 표 2에서 '배합1'은 분말도가 4,000 cm2/g인 전기로 서냉 슬래그 20 중량%, 분말도가 3,300 cm2/g인 1종 보통 포틀랜드 시멘트 45 중량%, 분말도가 4,500 cm2/g인 고로 수쇄슬래그 미분말 30 중량% 및 무수석고 5 중량%로 이루어진 것을 의미하고, '배합 2'는 분말도가 4,000 cm2/g인 전기로 서냉 슬래그 30 중량%, 분말도가 3,300 cm2/g인 1종 보통 포틀랜드 시멘트 35 중량%, 분말도가 4,500 cm2/g인 고로 수쇄슬래그 미분말 28 중량% 및 무수석고 7 중량%로 이루어진 것을 의미한다.
구분 고화재 조성물의 조성 물량(중량%) 일축압축강도(MPa)
3일 7일 28일
비교예 1 보통 포틀랜드 시멘트 50 29.5 37.2 50.8
비교예 2 고로슬래그 시멘트 2종 50 22.0 31.6 56.0
실시예 1 배합 1 50 22.0 45.0 52.0
실시예 2 배합 2 50 수분 부족으로 시험 불가
비교예 3 보통 포틀랜드 시멘트 60 18.0 27.3 42.8
비교예 4 고로슬래그 시멘트 2종 60 13.9 23.7 42.4
실시예 3 배합 1 60 15.0 24.3 42.6
실시예 4 배합 2 60 13.6 29.6 33.3
상기 표 2에서 보는 바와 같이, 물량을 50 중량%로 하여 제조한 모르타르 시편에 있어서, 고화재 조성물의 조성이 본 발명의 범위에 속하는 배합 1에 의하는 실시예 1의 경우, 제작된 시편의 재령 3일(초기) 일축압축강도는 보통 포틀랜드 시멘트만을 사용한 경우(비교예 1)보다는 약간 낮았지만, 고로슬래그 시멘트 2종을 사용한 경우(비교예 2)와 동일한 값을 갖는 것을 볼 수 있다. 반대로 재령 28일(장기) 일축압축강도는 실시예 1의 경우, 비교예 2의 경우보다는 약간 낮았지만, 비교예 1보다는 높은 것을 볼 수 있다.
또한, 물량을 60 중량%로 하여 제조한 모르타르 시편에 있어서, 고화재 조성물의 조성이 본 발명의 범위에 속하는 배합 1 및 2에 의하는 실시예 3 및 4의 경우에도, 제작된 시편의 재령 3일(초기) 및 재령 28일(장기) 일축압축강도가 보통 포틀랜드 시멘트만을 고화재로 사용한 비교예 1과, 고로 슬래그 시멘트 2종을 고화재로 사용한 비교예 2와 동등하거나 약간 낮은 정도에 해당하는 것을 볼 수 있다.
그런데, 상기 실시예 1, 3 및 4의 초기 및 장기 일축압축강도의 수준이 비교예 1 내지 4와 비교하였을 때 동등하거나 약간 낮더라도 그 차이가 미미하므로, 본 발명의 범위에 속하는 조성을 갖는 고화재 조성물은 일반적으로 고화재로 사용되는 보통 포틀랜드 시멘트나 고로슬래그 시멘트를 충분히 대체할 수 있을 것으로 판단된다.
한편, 상기 표 2에서 보는 바와 같이, 물량을 50 중량%로 하여 제조한 모르타르 시편에서, 배합 2의 조성을 갖는 고화재 조성물을 사용한 실시예 2의 경우, 반응수가 부족하여 모르타르 시편을 제작하는 것 자체가 어려운 것을 볼 수 있다.
다만, 상기한 고화재 조성물은 물량을 60 중량%로 하여서는 모르타르 시편의 제작이 가능하였고(실시예 4), 그때 얻어진 시편의 초기 및 장기 일축압축강도가 보통 포틀랜드 시멘트나 고로슬래그 시멘트 2종을 고화재로 사용한 경우와 거의 동등한 수준을 갖는 것을 볼 수 있다. 따라서, 상기한 결과로부터 본 발명의 범위에 속하는 것으로, 환원슬래그를 포함하는 고화재 조성물은 고화재의 수화 반응 시 다량의 물이 필요함을 알 수 있고, 더 나아가서는 본 발명의 범위 내에서 고화재 조성물 내 환원슬래그의 함량이 높을수록 함수율이 높은 토양의 개량에 적합한 것을 예측할 수 있다.
2. 주도 평가
하기 표 3에 나타난 조성을 갖는 고화재 조성물을 이용하여 KS L 5108(비카트 침에 의한 수경성 시멘트의 응결 시간 시험 방법) 규정에 따라 모르타르 시편을 각각 제작하였다. 이후, 제작된 각각의 모르타르 시편에 대하여 주도 6 mm를 맞추기 위하여 필요한 물의 양(g)을 측정하고, 고화재 조성물의 사용량에 대한 물 사용량을 백분율(%)로 계산하여 하기 표 3에 함께 나타내었다.
단, 하기 표 3에서 '배합 1' 및 '배합 2'는 상기 표 2에 나타낸 조성과 같다.
구분 고화재 조성물의 조성 고화재 조성물의 사용량(g) 물(g) 물(%) 주도(mm)
비교예 5 보통 포틀랜드 시멘트 500 142 28.4 6
비교예 6 고로슬래그 시멘트 2종 500 138 27.6 6
실시예 5 배합 1 500 157 31.4 6
실시예 6 배합 2 500 167 33.4 6
상기 표 3에서 보는 바와 같이, 목표 주도 6 mm를 맞추기 위해서 필요한 물의 양은 실시예 6(167g) > 실시예 5(157g) > 비교예 5(142g) > 비교예 6(138g) 순으로 많았으며, 고화재 조성물 내 환원슬래그의 사용량이 많은 실시예 6이 실시예 5보다 6% 이상의 물이 더 필요하였고, 보통 포틀랜드 시멘트 보다는 17% 이상 추가의 물량이 요구되었다.
따라서, 이상의 결과로부터 본 발명의 범위에 속하는 것으로, 환원슬래그를 포함하는 고화재 조성물을 사용하는 경우, 고화재의 수화반응을 위해서 많은 양의 물이 소비되는 것을 볼 수 있고, 이러한 특성에 근거할 때, 본 발명의 고화재 조성물은 고함수율의 연약지반의 토양을 개량 및 강화시킴에 있어 바람직한 것을 알 수 있다.
[실험예 2]
본 발명의 범위에 속하는 고화재 조성물이 실험실에서 제조한 인공 고함수율 연약지반 토양에 대하여 목표 일축압축강도를 안정적으로 확보할 수 있는지를 확인하기 위하여, 이하의 각 실시예 및 비교예에서는 특정 조성을 갖는 고화재 조성물을 혼합한 시험체의 일축압축강도를 평가하였다.
먼저, 고화의 대상이 되는 인공 고함수율 연약지반 토양을 제조하기 위하여, 완전 건조된 점토(하기 표 4에서는 '흙' 이라 기재한다.), 주문진산 표준사(하기 표 4에서는 '규사' 라 기재한다.) 및 물을 하기 표 4에 나타난 조성으로 혼합해 함수율이 각각 20 중량% 및 40 중량%인 토양을 제조하였고, 이후 하기 표 4에 나타난 조성을 갖는 고화재 조성물 0.5 kg과 혼합하여 시험체를 제작하였다. 이렇게 제작된 각각의 시험체를 습윤 조건(20℃, 상대습도 95%)에서 양생하면서 재령 7일 및 28일의 일축압축강도를 측정해 그 결과를 하기 표 4에 함께 나타내었다.
구분 고화재 조성물 인공 토양 일축압축강도(MPa)
조성 사용량
(kg)		 규사
(kg)		 흙
(kg)		 물
(kg)		 함수율
(중량%)		 7일 28일
비교예 7 보통 포틀랜드 시멘트 0.5 3 2 1.25 20 1.7 3.8
비교예 8 고로슬래그 시멘트 2종 0.5 3 2 1.25 20 2.0 4.2
실시예 7 배합 1 0.5 3 2 1.25 20 2.6 4.6
실시예 8 배합 2 0.5 3 2 1.25 20 2.3 4.1
비교예 9 보통 포틀랜드 시멘트 0.5 3 2 2.00 40 1.1 2.6
비교예 10 고로슬래그 시멘트 2종 0.5 3 2 2.00 40 1.3 3.0
실시예 9 배합 1 0.5 3 2 2.00 40 1.7 3.8
실시예 10 배합 2 0.5 3 2 2.00 40 1.9 3.4
상기 표 4에서 보는 바와 같이, 함수율이 20 중량%인 인공 토양의 경우, 본 발명의 범위에 속하는 고화재 조성물을 사용하여 고화시켰을 때(실시예 7 및 8), 고화된 시험체의 일축압축강도는 종래의 일반적인 고화재에 해당하는 보통 포틀랜드 시멘트와 고로슬래그 시멘트 2종을 사용한 비교예 7 및 8에 비하여 높은 것을 볼 수 있고, 함수율이 40 중량%인 인공 토양의 경우도 실시예 9 및 10에서 고화된 시험체의 일축압축강도가 비교예 9 및 10 시험체에 비하여 높은 것을 볼 수 있다.
특히 재령 28일 일축압축강도에 있어서, 본 발명의 범위에 속하는 배합 1 및 2의 고화재 조성물을 사용한 실시예 7 내지 10의 경우 함수율 조건에 따라 약간의 차이는 있었지만, 종래의 고화재 조성물을 사용한 비교예 대비 대략 1.1~1.5배 우수한 일축압축강도를 갖는 것을 볼 수 있다.
따라서, 이상의 결과로부터 본 발명의 범위에 속하는 환원슬래그를 포함하는 고화재 조성물을 사용하는 경우 종래의 일반적인 고화재에 해당하는 보통 포틀랜드 시멘트 또는 고로슬래그 시멘트를 사용하는 경우보다 일측압축강도 측면에서 우수한 특성을 보이고 있으므로, 토양 개량 시 감수 및 강화 효과가 모두 뛰어남을 용이하게 알 수 있고, 더욱 나아가서는 상기 배합 1의 고화재 조성물이 배합 2의 고화재 조성물보다 감수 및 강화 효과가 뛰어난 것을 용이하게 알 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.

Claims (10)

  1. 환원슬래그 10~30 중량%, 1종 보통 포틀랜드 시멘트 35~50 중량%, 고로슬래그 미분말 20~50 중량% 및 석고 1~30 중량%를 포함하는, 고함수율 연약지반 토양 개량용 고화재 조성물.
  2. 제1항에 있어서, 상기 환원슬래그는 전기로 서냉 환원슬래그인, 고함수율 연약지반 토양 개량용 고화재 조성물.
  3. 제1항에 있어서, 상기 환원슬래그는 CaO 40~70 중량%, Al2O3 10~40 중량%, SiO2 1~20 중량%, Fe2O3 1~10 중량%, MgO 4~9 중량%, K2O 0.01~1 중량%, Na2O 0.01~1 중량% 및 SO3 0.5~3 중량%를 포함하는, 고함수율 연약지반 토양 개량용 고화재 조성물.
  4. 제1항에 있어서, 상기 환원슬래그의 분말도는 2,000~6,000 cm2/g인, 고함수율 연약지반 토양 개량용 고화재 조성물.
  5. 제1항에 있어서, 상기 1종 보통 포틀랜드 시멘트의 분말도는 2,500~5,000 cm2/g인, 고함수율 연약지반 토양 개량용 고화재 조성물.
  6. 제1항에 있어서, 상기 고로슬래그 미분말은 고로 수쇄슬래그 미분말인, 고함수율 연약지반 토양 개량용 고화재 조성물.
  7. 제1항에 있어서, 상기 고로슬래그 미분말의 분말도는 3,000~6,000 cm2/g인, 고함수율 연약지반 토양 개량용 고화재 조성물.
  8. 제1항에 있어서, 상기 석고는 천연석고, Ⅱ형 무수석고, Ⅲ형 무수석고, 이수석고, 반수석고, 탈황석고, 인산석고 및 중화석고로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상인, 고함수율 연약지반 토양 개량용 고화재 조성물.
  9. 청구항 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 고화재 조성물을 사용하여 토양을 고화시키는 단계를 포함하는, 토양의 고화 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 토양은 함수율이 20 내지 80 중량%인 연약지반의 토양인, 토양의 고화 방법.
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