KR100402456B1 - 지반 고결재 - Google Patents
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Abstract
중성실리카솔·미립자시멘트계의 현탁형 지반고결재로서 침투가능시간이 길고, 침투성이 우수하고, 더구나 높은 고결강도를 나타내고, 또한 알칼리용해이탈이 적어서 환경에의 영향이 적은 지반고결재를 얻는다.
상술한 지반고결재는 규산나트륨을 이온교환수지로 처리해서 그 규산나트륨중의 알칼리의 대부분을 제거하고, 입자제조해서 얻어진 중성실리카솔과, 미립자시멘트와 다시또 필요에따라 슬랙(slag)과를 유효성분으로해서 배합하고, 그 중성실리카솔의 배합량이 배합후 점도증가하지만 명백한 겔(gel)화상태로 되지않는 양으로서, 다음의 요건(1)및 (2)의 어느것인가 또는 양쪽을 구비해서 구성된다.
(1) 배합액을 정치해서 입자를 침강시킨때의 전체배합액에대한 입자를 포함하지않은 액량의 비율, 즉 침강율이 점도증가에의해 40%이하로 되는것
(2) 배합후 1분이상 경과후에 가소상태를 나타내고, 이 가소상태가 10분이상 지속되는것.
Description
본발명은 중성실리카솔·미립자시멘트계의 현탁형 지반고결재에 관한것이며, 특히 침투가능시간이 길고 침투성이 우수하고, 또한 높은 고결강도를 나타내는 지반고결재에 관한 것이다.
지반을 고결시키기위한 지반주입용 그라우트(grout)로서 종래에 각종의것이 알려져있다.
예를들면 몰비가 작고, 또한 알칼리도가 높은 규산나트륨을 사용하는 슬랙계의 규산나트륨그라우트가 알려져있다.
이 그라우트는 고결강도는 크지만 알칼리의 용해이탈이 우려된다.
또 중성실리카솔에 다가금속염을 첨가한 그라우트도 알려져있으나 이것은 고결강도가 작다고하는 결점을 갖는다.
이 고결강도를 개량하기위해 근년에 중성실리카솔과 포오틀랜드시멘트(portland cement)를 1.5쇼트로 합류, 주입시키는 방법도 채용되고있으나 이 합류주입에의한 그라우트는 겔화시간이 겨우 1분이내로 짧아서 침투성이 떨어지는것이다.
다시또 중성실리카솔에 고로 슬랙분말 및 포틀랜드 시멘트분말을 첨가해서된 그라우트도 알려져있다.
그러나 중성실리카솔을 사용한 그라우트는 일반적으로 컵도립법(倒立法)에의해 지상에서 측정한 겔화시간이 짧고 더구나 지중에서는 다시또 겔화시간이 짧아지고 이때문에 침투성이 나쁘고 흙 입자간에서 구멍막힘이 일어나고만다.
다시또 이것은 흙중에서의 겔화시간의 연장이 되지않는다고하는 결점도갖고있다.
본발명자등은 상기한 결점을 개량하기위해 예의 연구한 결과 특정의 중성실리카솔과 미립자시멘트와 필요에따라 슬랙를 소망의 조건하에서 배합하므로서 배합액은 점차로 점도증가하고, 이어서 가소상태를 유지해서 명확한 겔화시간을 나타내지않고 이와같은 상태의 배합액은 침투성이 양호하고, 또한 점도증가시간의 조정이 용이해서 침투시간을 길게할 수가 있고, 더구나 주입완료후에는 유동성을 상실해서 실질적으로 고결되고, 겔화시간을 나타내는 그라우트와 같은 효과를 나타낼수있는것을 발견하여 본발명을 완성하기에 이르렀다.
본발명의 목적은 침투가능시간이 길고, 침투성이 우수하고, 더구나 높은 고결강도를 나타내고, 또한 알칼리용해이탈이 작아서 환경에 대한 영향이 작고, 상기한 공지기술에 존재하는 결점을 개량한 중성실리카솔·미립자시멘트계의 현탁형 지반고결재를 제공하는데 있다.
상술한 본발명의 목적을 달성하기위해 본발명에 의하면 규산나트륨을 이온교환수지로 처리해서 그 규산나트륨중의 알칼리의 전부 또는 일부를 제거하고, 입자제조해서 얻어진 중성실리카솔과, 미립자시멘트를 배합하고, 상기 미립자시멘트의 배합량이 전체 배합량 1000㎖당 30∼500g이며, 그 중성실리카솔의 배합량이 배합후 점도증가하지만 명백한 겔화상태로 되지않는 양으로서 다음의 요건(1)및 (2)의 어느것인가 또는 양쪽을 구비해서 된것을 특징으로한다.
(1) 배합액을 정치해서 입자를 침강시킨때의 전체배합액에 대한 입자를 포함하지않은 액량의 비율, 즉 침강율이 점도증가에의해 40%이하로 되는것
(2). 배합후 점도 증가하여 1분이상 경과후에 가소상태를 나타내고, 이 가소상태가 10분이상 지속되는것.
다음에 본발명을 구체적으로 상세히 설명한다.
본발명에 관한 지반고결재는 배합후 점차로 점도증가하여 이윽고 점도가 높아지면 가소상태를 유지하지만 겔화는 일으키지않는다.
이 점도증가시간은 1분이상, 바람직하게는 10∼120분정도가 적당하며 그후 가소상태를 10분이상, 바람직하게는 30분이상 계속유지한다.
다시또 본발명에 관한 지반고결재는 침강율 즉, 배합액을 정치해서 입자를 침강시킨때의 전체배합액에 대한 입자를 포함하지않는 액량의 비율이 점도증가에의해 40%이하가 되는것과 같은 배합이다.
또한 점도증가후 가소상태로 되지않는 것에 대해서는 침강율은 20%이하가 바람직하다.
본발명은 배합후 점도증가해서 1분이상 경과후에 가소상태를 10분이상 지속시키는 조건 및 배합액의 침강율을 40%이하로하는 조건의 어느것인가 한쪽 또는 양쪽을 구비하는것을 특징으로한다.
이와같은 본발명에 관한 배합액을 지반에 주입하면 지반이 치밀한 경우에는 점도증가단계에서 종래의 겔화시간과 같은모양으로 작용해서 배합액은 침투하지않게되고, 지반이 거친 경우에는 점도증가단계로부터 가소상태라도 주입(침투)이 계속된다.
또 본발명에서는 미리 순간고결그라우트를 지반중에 주입해서 초벌고결시킨후 본발명에 관한 지반고결재를 완만고결그라우트로서 주입하므로서 일층 지반의 개량효과를 향상시킬수가 있다.
여기서 종래의 지반고결재가 겔화시간을 컵도립법으로 측정하여 컵을 경사지게해도 흐르지않게된 시간을 겔화시간으로 하고있는데 대해 본발명에서는 B형점도계로 측정하여 대략 500cps(centipoise)이상, 약 1000cps이하로 되지만 컵도립법으로 측정해도 컵으로부터 흘러나오지않게 되는일이 없기때문에 B형점도계로 측정해서 배합액조정시로부터 점도가 500cps가 되기까지의 경과시간을「점도증가시간」으로한다.
또한 현탁액을 B형점도계로 측정하는것은 약간의 문제가 있으나 종래의 겔화형의 지반고결재는 그 배합액의 점도를 B형점도계로 측정하면 점도증가하기 시작하면 급격히 2,000cps이상의 고점도로되어 겔화해버리기때문에 B형점도계로 측정한 값을 하나의 표준으로했다.
또 상기에 있어서, 겔화란 액상인 배합액이 반응에의해 형태보존성을 갖게되는것이며, 상기와 같이 컵도립법으로 측정해서 컵을 경사시켜도 흘러나오지않게된 상태를 말한다.
이와같은 배합액은 겔화하면 전혀 침투하지않게되며 가소상태를 유지할수있는 본발명의 배합액과 전혀 다른것이다.
또한 컵도립법으로 겔화하지않은 배합이라도 흙중에 주입한후, 흙입자간에있어서, 외력이 가해지지않으면 점차로 고화(혹은 고결)하지만 이것은 본발명의「명백한 겔화상태로는 되지않는다」에는 해당되지않는다.
또한 점도증가시간이 10분이상의 배합은 거의 가소상태가 10분이상 계속된다.
또 침강율은 배합액의 거의 전체가 고결하는 하나의 표준이며 B형점도계로 약 500cps이상이 되는경우에는 대부분의 경우 침강율이 40%이하로서 대개의 경우에 수%이하로 되기때문에 점도가 500cps로되는가 어떤가가 하나의 판정기준이된다.
겔화되어있지않은 배합액은 통상, 많거나 작거나 침강하기때문에 특히 저점도의 배합액일수록 침강율은 커지게된다.
그러나 배합액이 가소상태가되면 실질상 거의 입자는 침강하지않게된다.
침강율은 예를들면 배합액을 액량계등에 넣고 정치해서 물의 분리된 양에의해 산출한다.
또한 침강율에 대해서는 주입완료후 배합액이 유동하지않게된 단계에서의 침강율이 고결물의 균일성, 물방지성, 강도등에 관계하기때문에 본발명에서는 점도증가후의 침강율을 측정했다.
또 가소상태란 주입등에의한 외력이 가해지면 유동성을 나타내지만 외력이 없어지면 유동성을 나타내지않는 상태를 말한다.
배합시에 이와같은 가소상태가되면 침투성이 나빠지므로 이와같은 경우에는 본발명으로부터 제외하고 적어도 1분이상 경과후에 가소상태로 되는것이 필요하다.
또 가소상태의 계속시간이 짧은경우에는 그후 겔화하는 경우도 있을수 있으므로 가소상태가 적어도 10분이상, 바람직하게는 60분이상 지속되는것이 필요하며 그후는 정치등에 의해 고화해도 본발명의 목적이 달성되는데에는 변함이없다.
상술한 본발명은 중성실리카솔과 미립자시멘트, 바람직하게는 미립자슬랙을 병용한 미립자시멘트를 주성분으로하는 지반고결재로서, 중성실리카솔의 사용량이 배합액을 점도증가시키는데 필요한양, 즉 배합액전체의 5∼0.5(용량)%이며, 미립자시멘트가 브렌비표면적 4000cm2/g이상이며, 필요에따라 점도증가시간의 조정제를 첨가할수도있다.
또한 규산나트륨으로부터 이온교환수지로 탈알칼리해서 얻어지는 활성실리카는 탄산수소나트륨과 혼합하는것만으로 겔화하는것이며 겔화하기전에 상기한 사용량의 활성실리카와 시멘트현탁액을 혼합해도 본발명의 중성실리카솔을 사용한경우와같이 가소상태로는 되지않는다.
본발명의 지반고결재에 있어서, 상기한 중성실리카솔의 배합량은 배합액이 점도증가는 하지만, 규산나트륨용액형 그라우트의 호모겔과 같은 탄력성이 있는 겔이 되지않는 양이며, 미립자시멘트의 입자크기 및 미립자슬랙의 병용 다시또 점도증가시간의 조정제의 첨가량에 의해서도 다르다.
침투가능시간에 대해서는 지반의 상황에 따라 다르기때문에 명확한것은 말할수없지만 일반적인 중성실리카솔을 사용한 종래의 실리카솔-시멘트계그라우트에서는 겔화시간이 약 30분이하(특히 여름철에는 3분이하이며 이것을 길게하는것은 거의 불가능하다)로 극히 짧을뿐아니라 점도증가개시후 겔화가 급격히 일어나 더구나 겔화후는 겔강도가 크기때문에 그 이상 겔을 파괴해서 침투시킬수가 없다.
이에대해서 본발명에 관한 지반고결재는 점도증가시간을 1시간 이상으로도 할수가있고, 더구나 소위 겔강도(본발명에서는 가소상태로 되어있기때문에 겔강도라고는 하지않는다)가 약하기때문에 점도증가시간 경과후도 지반에 따라서는 침투가능하며, 이와같이 침투가능시간을 충분히 길게할 수가 있다.
또 시멘트를 단독의 현탁액으로 주입하면 시멘트가 구멍막힘이 되거나 침강하는것에 대해 본발명의 지반고결재는 중성실리카솔중의 실리카가 시멘트입자에 부착해서 그 시멘트입자의 윤활성(구멍막힘되지않고 모래의 간극을 통과하는것)을 양호하게하기 때문인지 침투성이 양호하고, 그후의 점도증가에 의해 주입액의 거의 전체가 고화한다.
본발명에서 사용되는 중성실리카솔은 규산나트륨을 이온교환수지로 처리해서 Na+이온등의 알칼리를 거의 분리제거하고, 입자직경이 6∼50미리미크론의 크기로 가열입자제조해서 얻어진 반투명의 액체로서 중성∼약알칼리성, 바람직하게는 pH가 8.0∼10.5의 약알칼리성으로서 비중이 1.16∼1.24로서 대략 SiO2가 10∼40중량%, Na2O가 0.01∼4중량%의 범위이다.
Na2O가 4중량%이상이 되면 규산콜로이드(colloid)는 용해되어버리고, 규산염의 수용액이 되어버린다.
또한 Na2O가 0.01중량%이하가 되면 규산콜로이드는 안정해서 존재하지않고 응집해버린다.
즉 Na2O가 4∼0.01중량%의 범위에서 Na이온이 규산콜로이드의 표면에 분포해서 안정된 콜로이드상을 유지할수있다.
이경우의 규산콜로이드의 입자직경은 거의 6∼50미리미크론이 주가된다.
규산콜로이드의 입자직경이 50미리미크론 이상이되면 침전되어버린다.
이상의 규산콜로이드는 몰비(SiO2/Na2O)로 거의 1000∼10으로하고, pH는 8∼10이 콜로이드의 안정상 바람직하다.
이와같이해서 조제된 규산콜로이드는 반영구적으로 안정되어있고, 이것을 공장으로부터 현장에의 반입 및 주입조작시에 겔화할 염려가없다.
본발명에서 사용되는 미립자시멘트는 침투성의 점으로부터 브렌비표면적 4000cm2/g 이상인것이 바람직하다.
점도증가시간을 보다 길게하는 경우에는 특히 미립자시멘트량을 많게한다.
또 겔화하기쉬운 배합의 경우에는 이것을 겔화하지않는 배합으로하기 위해서는 미립자슬랙을 병용하므로서 가능하게된다. 병용되는 미립자슬랙의 브렌비표면적은 8000cm2/g이상, 바람직하게는 10,000cm2/g이상이다.
고결물의 강도는 용도에따라 적절히 선택할수있지만 미립자시멘트의 사용량에서는 지반고결재 1,000ml당 30∼500g이 바람직하다.
특히 고강도, 내구성의 고결물을 얻기위해서는 미립자시멘트의 양은 지반고결재 1,000ml당 500g이상이 바람직하고, 다시또 미립자슬랙을 병용하는것이 바람직하다.
이경우 미립자시멘트와 미립자슬랙의 비율은 80∼20 : 20∼80로하는것이 바람직하다.
이와같은 본발명에관한 중성실리카솔-미립자시멘트계에서는 중성실리카솔 및 미립자시멘트의 사용량을 변경하므로서 점도증가시간을 조정할 수가 있으나, 다시또 점도증가시간의 조정제를 첨가하므로서 점도증가시간을 지연시킴과 동시에 저점도화하므로서 침투성의 향상을 도모할 수가 있다.
짧은 시간에서 겔화하는것과 같은 경우에는 점도증가시간의 조정제를 첨가하므로서 점도증가는 되지만 겔화는 되지않도록 할수도있다.
점도증가시간의 조정제의 사용량은 지반주입재의 사용조건, 특히 액온에 의해 적절히 선택할 수가 있으나 점도증가시간을 30분이상, 필요에 따라서는 수시간으로 하는것이 본발명의 특징이며, 이와같은 경우에는 점도증가시간의 조정제를 미립자시멘트에대해 0.1∼10중량% 사용할 수가 있다.
상술한 점도증가시간의 조정제로서는 알칼리금속의 중탄산염, 탄산염, 인산염, 산성인산염, 피로인산염, 구연산, 주석산 및 리구닌술폰산소다, 폴리술폰산소다등의(지연형)시멘트 유동화제등을 들수가 있다.
이들중에서 특히 바람직한 조정제로서는 고결물의 강도에의 영향이 작은 알칼리금속의 중탄산염, 탄산염등이다.
이와같은 점도증가시간의 조정제는 중성실리카솔측에 첨가하고, 주입시에 미립자시멘트의 현탁액과 혼합하는쪽이 효과적이다.
또 시멘트유동화제를 첨가하는 경우에는 미립자시멘트측에 첨가하는것이 바람직하고, 이경우에는 다른 조정제를 중성실리카솔측에 첨가하는것이 바람직하다.
조정제를 첨가하는경우 미리 물에 용해시킨후 중성실리카솔을 첨가하는 방법이 바람직하고, 그 상태에서 균일하게되는 조정제를 선택 사용하는것이 바람직하다. 다시또 점도증가시간의 조정제를 첨가하므로서 A, B양액혼합시의 점도가 작게되고, 침투성을 보다 높일수가 있다.
다음에 본발명을 실시예에 의해 구체적으로 설명하지만 이들 실시예는 본발명의 1예에 불과하고 본발명은 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
우선 본발명의 실시예 및 비교예에 사용한 중성실리카솔, 슬랙, 시멘트, 및 점도증가시간의 조정제를 다음에 정리해서 나타낸다.
(1)중성실리카솔
규산나트륨을 이온교환수지로 처리하므로서 알칼리의 대부분을 제거하고, 입자제조해서 얻어진 표1에 나타내는 조성의 아사히덴카고오교(주)제의 중성실리카솔을 사용했다.
(2)슬랙
표 2에 나타내는 조성 및 분쇄도가 다른 3종류의 슬랙을 사용했다.
(3)시멘트
표 3에 나타내는 조성 및 분쇄도가 다른 포틀랜드시멘트와 고로시멘트를 사용했다.
(4)점도증가시간의 조정제
대표적인 점도조정제로서 탄산수소나트륨(시약 1급 :NaHCO3)를 사용했다.
실시예 1∼9 및 비교예 1∼6
표 1의 중성실리카솔과 탄산수소나트륨을 A액으로하고, B액으로서 슬랙, 시멘트의 물현탁액을 사용하고, A액과 B액을 표 4에 나타내는 비율로 혼합하여 각종의 지반고결재를 조제했다.
얻어진 지반고결재에대해서 B형점도계에의해 점도증가시간을 측정하고, 또 토질공학회기준「흙의 1축압축시험방법」에준해서 1축압축강도를 측정했다.
실시예1∼9의 배합은 어느것이나 점도증가후 10분이상 가소상태가 계속되었다. 결과를 표 4에 나타낸다.
주1 :3시간 경과후도 거의 점도증가 되지않았다.
주2 :3시간 경과후 6,500cps에 달하지않았다.
점도증가시간은 액온 20℃에서 측정했다.
실시예 10∼12 및 비교예 7,8
상기한 실시예 및 비교예의 몇개인가의 배합에 대해서 침투시험, 침강시험을 행했다.
그 결과를 표 5에 나타낸다.
[침투시험]
5φ×100cm의 아크릴파이프에 도요우라표준모래를 상대밀도 약 60%가 되도록 충전시키고, 물로 포화시킨후 상기한 대표적인 실시예 및 비교예의 배합액을 주입압력 1kgf/cm2로 주입하여 침투거리를 측정했다.
도요우라표준모래의 충전은 소정량을 수회로 나누어서 행하고, 그 때마다 파이프의 측면을 해머로 두들겼다.
또 배합액의 조제는 믹서에 A, B양액을 넣고, 10초간 교반에의해 행했다.
또 침투거리는 파이프의 외부로부터 눈으로보아 명확히 색의 변화가있는 범위를 측정하고, 침투거리로했다. 또 주입일주간후 미고결의 부분을 물로 씻어흘리고, 고결율을 개산으로 구했다.
또한 액의 주입량은 투입량으로부터 주입후의 잔량을 뺀값으로했다.
또 고결부분의 공극량은 균일하게 모래가 충전된것으로 간주하고, 고결부분의 몰드의 공극량으로부터 모래의 충전량을 뺀값으로 구했다.
[침강시험]
10초간 믹서로 교반 혼합해서 배합액을 조제하여 B형점도계로 500cps에 달한후(비교예등에서 점도증가하지않은 배합에 대해서는 배합액조제 30분후)100ml의 액량계에 주입하여 정치해서 30분마다에 눈으로보아 입자를 포함하지않은 액량(이수량)을 측정하여 이수량이 변화하지않게된 그 이수량을 사용해서 계산에의해 침강율을 구했다.
* 비교예7은 점도증가가 빠르기때문에 침투거리가 짧게된것이라고 생각된다.
실시예 13∼16 및 비교예 9,10
상기한 실시예 및 비교예의 몇개인가의 배합에 대해서 30℃에 있어서의 점도증가시간을 측정했다.
또한 점도증가시간의 조정제(탄산수소 나트륨)의 사용량은 다음표와같이 추가하고, 다른 양은 동일하게했다.
그 결과를 표 6에 나타낸다.
이 결과에 의해 고온에있어서도 점도증가시간이 길고, 충분히 침투가능한것을 알수있다. 또한 가소상태는 비교예를 제외하고 실시예의것은 어느것이나 30분이상이었다.
실시예 17,18 및 비교예 11,12
상기한 실시예 및 비교예의 몇개인가의 배합에대해서 흙중 겔화시간, 점도증가시간(또는 겔화시간)을 측정했다.
그 결과를 표 7에 나타낸다.
[흙중 겔화시간 측정법]
믹서로 10초간 교반혼합해서 배합액을 조제하여 그 중으로부터 50g를 즉시 도요우라표준모래 100g에 첨가혼합해서 정치시켰다.
여기에 대꼬챙이를 찔러 빼낸때에 꼬챙이의 흔적이 남게된 시간을 측정하여 흙중겔화시간으로 했다.
또한 동시에 남은 배합액으로 점도증가시간(비교예의 경우 겔화시간)을 측정했다.
* 표의 비교예는 겔화시간이다.
본발명은 이상과 같으며 중성실리카솔과 미립자시멘트(및 미립자슬랙)를 유효성분으로하는 지반고결재는 특정량의 중성실리카솔을 사용하므로서 다음과같은 효과를 발휘한다.
(1) 중성실리카솔을 소량 첨가한것에의해 미립자시멘트(및 미립자슬랙)의 주입시의 흙입자간에서의 구멍막힘을 저감시킬수가 있기때문에 지반에의 침투성이 극히 우수하다.
(2) 비교적 긴 주입가능시간으로 할수가있기때문에 1액배합으로서 주입할수가있다.
(3) 용액형에서는 볼수없는 높은 고결강도가 얻어진다.
(4) 중성실리카솔은 통상의 규산나트륨과같이 알칼리성분을 다량으로 함유하지않기때문에 알칼리의 용해이탈에의한 환경에의 영향이 적다.
(5) 시멘트를 비교적 많이 사용한경우에도 중성실리카솔은 통상의 규산나트륨과같은 고 알칼리성분을 거의 함유하지않기때문에 고결물은 내구성이있다.
시멘트의 칼슘성분은 알칼리에의해 물에 용해되기 쉽게되나 중성의 실리카솔을 사용하고있기때문에 이것과 반응해서 물에 용해되기어려운 화합물(칼슘실리케이트류)이 되기때문에 고결물은 내구성이 양호한 것이 된다.
Claims (5)
- 규산나트륨을 이온교환수지로 처리해서 그 규산나트륨중의 알칼리의 전부 또는 일부를 제거하고, 입자제조해서 얻어진 중성실리카솔과, 미립자시멘트를 배합하고 상기 미립자시멘트의 배합량이 전체배합량 1000㎖당 30∼500g이며, 그 중성실리카솔의 배합량이 다음의 요건;(1) 배합액을 정치해서 입자를 침강시킨때의 전체배합액에대한 입자를 포함하지않은 액량의 비율, 즉 침강율이 점도증가에의해 40%이하로 되는 것.(2). 배합후 점도 증가하여 1분이상 경과후에 가소상태를 나타내고, 이 가소상태가 10분이상 지속되는 것 중 어느 쪽 또는 양쪽을 구비해서된 지반고결재.
- 제 1항에 있어서,상기 중성실리카솔의 배합량은 SiO2농도 30%의 실리카솔 환산으로 전체배합액중 5∼0.5용량%인 지반고결재.
- 제 1항에 있어서,상기 미립자시멘트의 비표면적이 4,000cm2/g 이상인 지반고결재.
- 제 1항에 있어서,미리 순간고결그라우트를 지반중에 주입한후 완만고결그라우트로서 주입하는 지반고결재.
- 제1항에 있어서,미립자 슬랙을 더욱 배합하고, 미립자시멘트와 미립자 슬랙의 배합비율이 중량비로 80∼20:20∼80인 지반고결재.
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