KR100424078B1 - 현장 발생토를 이용한 고화에 의한 지반의 안정화방법 - Google Patents

Abstract

지반 안정화를 위한 고화토 공법에 있어 기존의 현장 발생토는 선별기로 선별하여 흙만으로 모재하던 것을 현장발생토 모두 (흙 30%-40%, 60%-70% / 돌종류 30%-40%, 60%-70%)를 파쇄공정을 통하여 시공모재의 파쇄 미세분말이 첨가된 모재로 사용하므로서 고화체의 압축강도를 전단강도를 높힐 수 있으며 여기에 고화제로서 CAS계와 PSA계 시멘트 무기계 복합 고화제를 사용하여 조직의 치밀한 강도증진 그리고 석고 사용에 의한 토양의 부식산에 의한 고화토의 강도저하 방지, 또 미세입자인 마이크로실리카의 사용으로 포졸란 반응을 더욱더 활발하게 하므로서 전체적인 수화반응의 촉진으로 조직공극을 치밀하게 충진 체움으로서 전체적인 기능에 의하여 고화체의 고른 우수한 강도와 차수성을 얻을 수 있는 지반안정화 방법이라 할 수 있다.

Description

현장 발생토를 이용한 고화에 의한 지반의 안정화방법 {THE METHOD OF STABILIZING THE BASE GROUND BY SOIL CEMENT, USING SOIL OF THE VERY SPOT}

본 발명은 시공현장에서 발생하는 흙과 돌을 이용 이를 직접 파쇄 분급하여 이를 모재로하여 시멘트와 고화제를 첨가 고화에 의한 지반을 안정화시키는 방법에 관한 것이다.

지반의 안정화라함은 자연상태의 흙을 공학적인 목적에 맞게 물리적, 화학적, 생물학적 방법 또는 그 방법을 조합하여 시공하는 방법으로 지반의 강도나 지지력 그리고 인위적이거나 자연적인 환경에 저항하는 내구성을 증가시키고 투수성과 체적변형 침하를 감소시켜 장기적으로 지반의 안정성을 향상시키는 것이라 하겠다.

이와 같이 지반의 안정화 방법은 여러 가지가 있으나 현실적인 면에서 다음과 같은 방법들이 있으며 먼저 자연 상태의 외부의 힘을 작용시켜 밀도를 증가시키므로서 흙의 공학적인 물성을 개선하는 물리적 안정화방법, 화학적인 첨가제를 이용하여 지반을 안정화시키는 방법으로 주로 사용하는 첨가제로는 일반적으로 포트란트시멘트, 석회, 역청제, 송지(수지), 프라이에쉬와 같은 석탄 화력 발전소의 부산물인 포졸란 물질이 있으며 이들 첨가제와 흙을 결합수와 함께 섞었을 때 화학적인 반응이 발생하며 기본적인 반응에는 수화반응, 이온교환반응, 포졸란 반응, 응집, 침전, 중화반응, 산화반응, 탄산반응 등을 일으키므로서 지반을 개량시키는 화학적인 방법과 장기적이거나 단계적으로 흙에 열을 가해 지력을 증가시키거나 압축성과 수평압을 감소시키는 방법과 인위적으로 동결시켜 투수성을 얻거나 강도를 증진시키는 열적안정화 방법이 있으며 전기장을 이용하여 흙의 강도증진 또는 압밀시키거나 지반내의 오염물질을 제거하는 전기적 안정화 방법 등이 있다.

본 발명은 이상의 지반(토양)의 안정화 방법 중에서 화학적인 방법과 고화토 공법에서 사용되는 장비를 이용 고화에 의한 지반을 안정화 또는 연약지반을 개량시키는 방법으로 현장에서 발생되는 흙 및 흙에 썩여있는 돌일체를 파쇄분급하여 미세골재로한 모재에 시멘트 그리고 CAS계시멘트(calcium sulphoaluminate)에 PSA[(K₂SO₄·Al₂(SO₄)₄]², 석고 마이크로실리카로 조성되는 무기계분말고화제를 첨가 연약지반의 개량 및 지반을 안정화시키는 방법이라 할 수 있다.

종래 단순히 선별 흙만으로 모재로하여 여기에 고화제나 경화촉진제를 첨가하는 소일시멘트 고화토공법에 있어서는 흙 입자의 간극을 충전시켜야하므로 소정의 강도를 얻기 위하여 많은량의 시멘트가 소요됨에 비하여 우수한 강도나 내마모성을 기대하기 힘들며 그리고 종래 유기질이 많은 토양을 모재로 하는 경우 포트란트 시멘트와 석회를 고화제로 사용하는 고화토 공법에서는 흙속에 포함된 유기물이 시멘트의 수화반응을 억제한다.

구체적으로는 유기물중의 부식산(humic acid) 및 펄빅산(fulvic acid)은 시멘트나 석회의 수화반응에 의해 생성되는 수산화칼슘과 반응하여 부식산 칼슘을 생성하고 이와 같은 생성물이 수화되지 않는 시멘트입자를 파괴시켜 시멘트나 석회의 수화반응이 저해를 받게되어 고화토의 물성이 크게 저하되나 이를 방지할 수 있는 고화제가 요구되고 있는 실정이다.

그 밖에 표층을 마감으로 하고 장기간 노출이 요구되는 도로와 농수로 같은 시공구조체는 통상 콘크리트 구조체와 유사한 강도와 내마모성, 동결 및 융해 방지와 내수성이 확보되어야하고 도로와 같은 표층은 우수등 물을 접하면 흙만으로 모재로하고 통상의 시멘트와 고화제로한 고화체는 흙의 특성상 표면이 미끄럽고 낮은 강도 때문에 차량이 통과하면서 하중과 멈춤 출발 충격으로 발생하는 전단력 때문에 표면 마모 파손은 물론 경사도가 있을 경우 미끄러움 때문에 차량운행에 여러 가지 문제점이 발생하므로 일반적으로 적용되는 흙만을 모재로한 고화체 공법으로는 높은 강도를 얻을 수 없고 표층의 내마모 파손이 심해 실시하기 곤란하다.

본 발명은 종래 현장토 중에서 돌을 제거하고 흙만으로 모재로하여 시멘트 ,석회, 통상의 고화제 등으로 고화시키는 방법을 탈피하여 현장에서 발생하는 현장토는 물론 현장토에서 발생하는 상당량의 돌을 파쇄 분급하여 적정량의 현장토와 혼합사용하므로서 미세토의 분쇄를 용이하게 함과 동시에 골재를 사용하는 것과 같이 시멘트 사용량을 대폭 줄일 수 있고 또한 고화체의 강도와 내마모성을 향상시키는 목적과 토양에 존재하는 유기산이 시멘트의 수화반응을 억제하고 시멘트 입자를 파괴시키는 것을 방지하기 위하여 반수석고 또는 이수석고 형태의 석고를 고화제에 도입하므로서 석고와 흙중의 반응성 알루미나등이 에트린자이트(3CaO·SAl₂O₃·CaSO₄·3₂H₂O)를 생성케하므로서 흙중의 결정수를 대량으로 흡수하여 함수비를 저하시킴과 동시에 에트린자이트 결정이 흙입자의 간극을 충진시켜 경화체를 치밀하게 하므로서 부식산의 영향을 감소시키고 마이크로실리카를 고화제에 첨가하므로서 시멘트 수화반응에서 포졸란 반응은 수산화칼슘이 필요한데 마이크로실리카가 없는 경우에 수산화칼슘은 큰덩어리로 존재하며 적은 입자에 비교적 강하게 붙어있어 다음 단계의 화학반응이 저해 받지만 마이크로실리카가 존재한 경우에는 수산화칼슘 덩어리를 잘게 분산시키는 역할을 하여 수산화칼슘의 포졸란 반응을 활성화시킨다.

결국 본 발명은 현장토에서 발생하는 돌의 파쇄 입자의 일정량을 현장토와 함께 사용하고 고화제에 석고 및 마이크로실리카등 우수한 기능성의 고화제를 도입하므로서 시멘트의 절약은 물론 지반의 안정화를 위한 고화토의 전체물성을 크게 향상시킴에 목적이 있다.

본 발명은 현장에서 발생하는 현장토와 현장에서 발생하는 돌의 량을 조정하여 일정 중량비가 되게 한 것을 "이동식 콘크리트 혼합공급기"(국내실용신안공보 제 0197769호)로 파쇄 분급시킨 흙과 미세골재를 모재로하여 여기에 통상의 포트란트 시멘트와 다기능성의 고화제를 첨가 결합수와 함께 교반을 거친 고화토 시공몰탈을 살포, 전압다짐 후 소정기간(7-28일) 고화시키는 지반의 안정화 방법으로 이를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

먼저 모재가 되는 흙과 미세골재의 배합 중량비는 흙 30-40%에 미세골재 60-70% 범위로하고 이모재에 대하여 시멘트 7-8중량부, 고화제 3-5중량부, 결합수 2-3중량부를 첨가하여 충분히 교반 혼합된 자동화 플랜트시스템으로 교반 혼련된 고화토를 시공층에 포설하여 전압다짐 후 7-28일간 고화시킴을 특징으로하는 지반의 안정화 방법에 관한 것이다.

상기 본 발명에서 사용하는 이동식 콘크리트 혼합기는 국내실용신안 제 0197769호로 특허 받은바 있으며 기능과 구조는 추레라 장착 3단 분리장치로서 4톤 트럭이 출입할 수 있는 곳이면 어디든지 이동 설치할 수 있으며 파쇄장치는 내부가 특수강구조물로 구성된 체가 없는 파쇄식으로 50-150메쉬의 입도 범위에서 입도조절을 자유자제로 조절 파쇄할 수 있는 1차 혼합 2차 교반혼합까지도 수행할 수 있는 장치로서 1일 10시간 기준 500㎥용량을 처리할 수 있도록 제작된 장치이다.

이상의 이동식 콘크리트 혼합기의 작업 순서를 나타내면 다음과 같다.

이상에서 현장토에 석여있는 돌의 미세분쇄물의 사용과 그 사용배합비는 분쇄와 고화물의 강도에 큰 영향을 준다.

시멘트로 흙을 고결고화시킴에 있어서 고화제가 소정의 강도를 얻기 위하여 시멘트 첨가량은 점토나 갯뻘 등을 모재로할 경우 일반적으로 경화를 위해 더 많은 시멘트가 필요하며 혼합이전의 분쇄과정이 상당히 힘들다.

점토 또는 실트와 조립토의 혼합으로 생기는 작은 공모양의 점토 덩어리단괴(clay ball)는 일반적인 혼합분쇄 방법으로 잘 부서지지 않는다.

특히 함수량이 많을 경우 미세입자로 분쇄 분리시킴은 극히 힘들다.

이와 같이 분쇄의 균질성이 확보되지 않으면 시멘트와 이와 함께 첨가되는 고화제가 토양입자에 균일하게 침투될 수 없고 깊히 침투될 수 없으므로 고결된 고화물(안정화)의 강도가 떨어진다.

여기에서 현장토에 섞여있는 돌을 사용하므로서 흙과 함께 파쇄되어 가는 과정에서 파쇄된 돌의 파쇄입자가 흙을 파쇄 분산시키므로서 흙의 분쇄가 용이해진다.

또 흙만으로 시멘트로 고화시킬 경우는 흙의 미세입자 간극에 시멘트가 골고루 분산되어야만 고화물의 강도가 발휘되나 실재 시공단계에서 곤란한 문제이고 그래도 어느 정도의 강도를 얻기 위해서는 시멘트가 분산되는 표면적이 커야하므로 많은 량의 시멘트가 필요하게된다.

그러나 돌의 파쇄물은 50-150메쉬 까지의 입도를 갖는 돌의 파쇄입자를 사용하기 때문에 시멘트가 분산되는 표면적을 줄일 수 있어 시멘트의 량을 크게 줄일 수 있을 뿐만 아니라 종래의 고화토 고화물에 비하여 강도가 월등하게 상승된다.

그밖에 흙과 돌 파쇄물의 배합비는 돌파쇄물로만 채워진 상태에서 돌의 파쇄물 입자의 간극에 흙, 시멘트, 고화제 혼합물이 치밀하게 완전히 충진되는 량이라 할 수 있다.

이때 돌파쇄입자간의 맞물림 효과와 이들의 간극에 채워진 흙, 시멘트, 고화제의 혼합물에 의한 고결로 큰 강도가 발생하게된다.

이와 같이 고화토 공법에서 돌파쇄물의 사용 및 그 배합비는 본 발명을 구성하는 중요한 요소의 하나이다.

한편, 이상의 모재에 첨가되는 고화제의 구성은 상술한 바와 같이 다음 표(1)의 화학성분을 갖는 CSA계 시멘트(calcium sulphoaluminate)와 표(2)의 화학성분을 갖는 PSA(potassium alum계) 그리고 석고, 마이크로 실리카로 구성되며 그구성비는 중량비로 CAS 76%, PSA 10-18%, 석고 7%, 마이크로실리카 3-6%로 이루어진 분말고화제이다.

Soil 시멘트(Soil Cement)에서 보통 포트란트 시멘트가 가장 보편적으로 사용되고 있지만 고함수비의 점성토, 고유기물질토 또는 유기물질을 포함하는 흙 등에 적용하기에는 한계가 있다.

그리고 보통 포트란트 시멘트 경화체에서 항상 발생하는 건조 수축에 의한 균열발생, 느린경화속도, 낮은 인장강도 등에 문제점이 있다.

그 해결책으로 팽창시멘트인 CSA를 고화제의 주성분으로 사용하므로서 포트란트시멘트의 소일시멘트공법에서 문재점을 해결할 수 있다.

CSA시멘트(3CaO·3Al₂O₃·CaSO₄)는 자연에서 산출되는 아우인(hauyne)의 모든 Na와 Si 성분을 Ca와 Al로 치환시킨 화합물로 아우인의 결정 구조와 거의 같기 때문에 아우인이라 부르기도 한다.

CSA 시멘트의 기능은 수화과정 초기부터 에트린자이트가 급속히 생성되는데 에트린자이트의 급속한 생성은 다량의 수분을 요구하므로 흙 속의 간극으로부터 다량의 간극수를 빼앗아 함수비를 저하시킴과 동시에 그 간극 중에 침상결정으로 성장하여 3차원적으로 연결된 골격구조를 형성해서 간극을 충진한다.

그리고 에트린자이트 결정 상호간의 얽힘은 토입자간의 고결력을 증가시켜 조기의 강도를 발현하게 하며 속경성성분의 수화 이후에는 여분의 C₃S가 활발히 수화하게 되는데 이때 생성하는 토베모라이트겔(tobemoritegl C-J-H gel)은 미수화 입자간에 형성된 에트린자이트 골격구조내의 간극을 충진하여 조직의 치밀화와 강도를 충진시킨다.

또 에트린자이트 생성에 의한 강도 발현에는 부식산의 영향이 그 이상 현저하게 미치지 못하므로 고유기질로 포함되는 고화토공법이나 연약지반의 개량 또는 안정화에 효과적이다.

또 CSA 시멘트는 보통 포트란트시멘트보다 팽창성이 크다.

보통 포트란트시멘트는 대기중에서 경화할 때 건조수축으로 균열이 발생하는데 이는 소일시멘트(Soil Cement)의 내구성에 악영향을 미친다.

그러나 CSA시멘트는 수화 초기에 팽창성 수화물인 에트린자이트가 급속히 생성되어 소일시멘트 경화체에 팽창압을 발생시키게되며 이러한 팽창압은 시멘트의 수축응력을 보상하게되어 균열을 방지할 수 있게 된다.

그밖에 CSA시멘트에 일정량의 무수석고(CaSO₄)를 첨가하면 수화 촉진으로 다량의 간극수를 소비하므로서 응결시간이 단축된다.

CSA의 수화반응이 진행되기 위해서는 일정한 농도의 SO₃가 존재해야하는데 무수석고와 PSA계 시멘트량을 기존 사용량에서 10%이상 더 첨가 사용하여 PSA의 수화반응과 C₃S의 수화를 더욱 촉진시켜 더 많은 에트린자이트가 생성돼 더욱더 치밀한 경화체를 형성할 수 있도록 하였다.

본 발명에서 사용하는 고화제성분 중 CaSO₄는 내유기성 고화제라 할 수 있다.

소일 시멘트에서는 흙속에 함유된 유기물이 시멘트의 수화반응을 억제한다.

유기물중의 부식산(humic acid) 및 펄빅산(fulvic acid)은 시멘트의 수화반응에 의해 생성되는 수산화 칼슘과 반응하여 부식산 칼슘을 생성하고 이와 같은 생성물이 수화되지않은 시멘트 입자를 파괴시켜 시멘트의 수화반응이 저해 받는다.

이와 같은 현상은 결국 시멘트가 첨가되는 고화토 공법에서 고화체의 강도를 떨어뜨리게 된다.

상기와 같은 현상은 고화토 공법에서 시멘트와 함께 첨가되는 석회에도 유사한 양상이 나타난다.

이상과 같은 문제를 해결하기 위하여 사용되는 성분이 석고로서 이의 특징적인 조성으로는 다량의 삼산화황(SO₃)을 함유한다는 것이다.

SO₃는 반수석고(CaSO₄·0.5 H₂O) 또는 이수석고(CaSO₄·2H₂O)의 형태로 함유된다.

일반적인 포트란트시멘트에 적당량의 석고를 가함에 따라 개량효과가 개선되는 것은 석고와 흙중의 반응성 알루미나등이 에트린자이트(3CaO·3Al₂O₃·CaSO·3₂H₂O)를 생성하고 흙중의 결정수를 대량으로 흡수하여 함수비를 저하시킴과 동시에 에트린자이트 결정이 흙입자의 간극을 충진시켜 경화제를 치밀하게 하기 때문이다.

그리고 이와 같은 에트린자이트의 생성에 의한 강도 발현에는 부식산의 영향이 그 이상 현저하게 미치지 못하므로 석고를 가하므로서 흙 중에 어느 정도의 부식산이 포함되더라도 상당한 토질 개량효과를 기대할 수 있다.

그밖에 고화제의 성분으로 마이크로실리카는 시멘트의 량을 크게 줄일 수 있는 성분으로서 콘크리트 혹은 시멘트계 고화제로 처리된 흙에서 마이크로실리카는 채움재의 기능과 시멘트의 수화반응 촉진재의 역할을 한다.

마이크로 실리카는 1-3㎛정도의 구형 입자이므로 간극을 메우는 역할을 하며 시멘트 수화반응에서 포졸란반응은 수산화 칼슘이 필요한데 마이크로실리카가 없는 경우 수산화칼슘은 큰 덩어리로 존재하며 적은 입자에 비교적 강하게 붙어있어 다음 단계로의 화학반응이 저해 받는다.

그러나 마이크로실리카의 존재시에는 마이크로실리카가 이 수산화칼슘 덩어리를 잘게 부수는 역할을 하여 수산화칼슘에 포졸란 반응에 좀더 활발하게 참여할 수 있도록 하므로서 전체적인 수화반응이 촉진된다.

이상에서와 같이 현장 발생토를 이용한 고화에 의한 지반의 안정화 방법은 모재 자체가 강도를 갖는 파쇄세석의 입자를 일정량 사용하므로서 밀림방지효과를 갖게되어 고화체의 강도를 향상시킬 수 있고 일정량의 파쇄세석을 사용하므로서 종래 모재를 흙만으로 사용할 경우에 비하여 시멘트량을 크게 줄일 수 있는 잇점이 있으며 다기능성의 고화제를 사용하므로서 CAS계의 시멘트와 PSA시멘트계를 조절 사용으로 고화체의 균열방지 석고 사용에 의해서 부식산의 함유로 발생하는 고화체의 강도저하의 방지효과가 있으며 흙중의 반응성 알루미나와 에트린자이트의 생성반응과 마이크로실리카 첨가로 포졸란 반응을 활성화시키므로서 고화체가 치밀하게되어 강도 및 차수기능을 크게 향상시킨다.

결국 본 발명은 흙에 다량의 분쇄석 입자를 사용하므로서 물리적으로 고화체의 물성을 향상시킴과 동시에 다기능성의 고화제를 사용하므로서 화학적인 반응에 의하여 고화체 물성이 향상되므로 고화체 전체 물성에 있어 상승효과를 얻을 수 있는 토양고화에 의한 지반의 안정화 방법이라 할 수 있다.

상기 본 발명을 확실하게 이해하고 효과를 알아보기 위하여 실시예를 들기로한다.

실시예(1)

시공현장에서 발생한 흙과 이에서 발생된 돌을 50메쉬 이하로 파쇄한 파쇄세석을 40% : 60%의 비율로 조정하고 이모재 100부에 포트란트 시멘트 7부, 다기능 무기복합고화제 4중량부, 결합수 3부를 이동식 콘크리트 혼합공급 프렌트로 연속공정으로 혼합시켜 시공하였다.

이때 모재의 수분함량 10.9-11.2이고 분쇄 분급, 혼합교반 작업은 국내실용신안 제 0197796호로 등록된 "이동식콘크리트혼합공급기"를 사용하고 로울러 전압다짐으로 시공하였다.

그 결과 14일 경과시 압축강도 42.61kgf/㎠로 나타났고, 28일 경과 후 53.17kgf/㎠으로 나타났으며, 투수계수는 14일 경과시 4.8 x 10^-6cm/sec나타났으며, 28일경과 3.5 x 10^-7cm/sec 가 나타났다.

이상의 실시예(1)에서의 압축강도와 투수계수는 기존의 단순선별 흙(돌종류제거)만을 주모재로한 고화제나 경화촉진제의 소일시멘트 고화토공법에서 요구되는 압축강도(5-15kgf/㎠), 투수계수(1x10^-5cm/sec)에 비하여 월등히 상승함을 알 수 있고 국내특허등록 제 121307호로 특허된 "폐기물매립장조성공법"에서의 고화토 공법에서의 실시예 1-3까지에서 사용되고 있는 시멘트량(석회포함)에 비해서 적게는 30% 많게는 50%까지의 시멘트량을 줄일 수 있는 고화토 공법이라 할 수 있으며 현장토에 다량의 파쇄세석을 사용하므로서 단단한 파쇄세석의 밀착으로 밀림현상이 전혀 발생하지 않아 고화체가 견고하게 되므로서 실시예에서와 같이 우수한 압축강도를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 전단력이 우수하여 연약지반의 지반안정화를 위한 고화토공법으로 사용할 수 있음은 물론 도로 농노 경사면의 고화토 공법으로 사용할 수 있는 지반 안정화 방법이다.

Claims (2)

1. 지반 안정화를 위한 고화토 공법에 있어서 흙과 파쇄세석인 미세 골재의 비를 흙 30-40wt%, 미세골재 60-70wt%로한 것을 모재로하고 이모재 100중량부에 대하여 시멘트 7-8중량부, 고화제 3-5중량부 결합수(2-3중량부)를 첨가하여 충분히 교반 혼화한 고화토 시공몰탈을 살포 전압다짐하여 7-28일간 고화시킴을 특징으로하는 현장 발생토를 이용한 지반의 안정화방법.
2. 청구항1에 있어서, 고화제가 중량비로 CSA계 시멘트(calcium sulphoaluminato)76%, PSA(pota ssium alum계)10-18%, 석고 7%, 마이크로실리카 3-6%의 조성비를 갖는 것임을 특징으로 하는 현장 발생토를 이용한 지반의 안정화 방법.