KR100487825B1 - 그라우트 주입 공법 및 그라우트 주입재 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 재료 분리를 방지할 수 있고, 유동성과 충전성을 유지하는 점착성을 가지며, 또한 브리징이 적고, 게다가 경화 능력을 상실하는 일 없이 충분한 강도를 발휘할 수 있는 그라우트를 얻는 것이다.
간극 또는 공동에, 그라우트 1 ㎥당 약 200 내지 500 ㎏의 시멘트를 함유한 시멘트 현탁액과, 염기성 황산알루미나 용액을 주재료로,
[a] 황산알루미나의 염기도가 2 이상이며,
[b]의 값이 1.33 이상
이 되도록 혼합하여 유동성 또는 가소성 그라우트화 하고, 수산화 알루미늄 졸을 생성시킨다.

Description

그라우트 주입 공법 및 그라우트 주입재 {Method of Grout Injection and Grout Injection Material}
본 발명은, 지반 중의 공동이나 사력층 등의 큰 간극, 지반과 구조물과의 경계면의 공동 등에 충전하는 (예를 들면, 터널의 뒤채움 (back-filling)) 그라우트 주입 공법에 관한 것이다. 또한, 이에 사용하는 그라우트 주입재에 관한 것이다.
상세하게는 시멘트를 주 재료로 하고, 이에 염기성 황산알루미나 (황산 알루미늄)을 첨가하여 생성된 교상 침전물의 수산화알루미늄 (이하, 수산화 알루미늄 졸이라 함)의 점착성 그라우트를 사용한 그라우트 주입 공법이다.
상기 공동 충전에 사용하는 그라우트는, 브리징 (이장수(離漿水))이 적어 (통상 2 내지 5% 이하), 재료 분리 (골재를 첨가한 경우, 입자의 침강)을 방지하고, 주입 펌프에서의 압송성 및 충전성을 양호하게 하기 위해 유동성이 요구되며, 또한 일정 이상 (통상 2 내지 30 kgf/cm2 정도)의 강도가 요구된다.
이러한 목적으로 사용하는 충전용 그라우트로서는,
(1) 강도, 내구성 및 경제적으로도 우수한 재료로서 시멘트가 사용되고 있다.
(2) 그라우트의 브리징, 재료 분리의 방지 및 유동성, 충전성을 유지하기 위해 점착성을 갖는 재료가 사용된다.
상기 중에서, 본 발명의 대상이 되는 것은 (2)의 점착성 재료이다.
점착성 재료로서, 종래부터 가장 많이 사용되고 있는 것이 몬모릴로나이트 점토 광물 (일반적으로는 벤토나이트라고 함)이다.
이 벤토나이트 분말은, 수중 (특히, 맑은 물)에서는 분산, 팽윤하여 점착성 (점조성이라고도 함)를 갖는 점성액이 얻어진다.
이것에 시멘트를 첨가하면, 반응하여 일종의 겔화 반응을 일으켜 벤토나이트특유의 팽윤성을 잃지만, 급격하게 점성이 증대하여 브리징이 적은 그라우트를 얻을 수 있다.
그러나, 벤토나이트는 분말이기 때문에, 현장에서 물을 첨가하여 혼합할 필요가 있고, 또한 물과의 접촉 시간에 따라 팽윤도 (길수록 큼)가 다르기 때문에 시공, 및 관리상 문제가 있다.
또한, 벤토나이트는 맑은 물 이외의 전해질 이온을 함유한 물 (해수나 시멘트가 혼입된 알칼리수)에서는 팽윤도가 극단적으로 저하되기 때문에 (다량의 벤토나이트를 필요로 함), 시공성, 경제성에도 문제가 생기는 결점이 있다.
한편, 또 하나의 점착제로서 알루미늄염 용액이 있으며, 이는 본원의 발명자들에 의해 이미 출원되어 공개되었다 (일본 특허 출원 공개 제48-88015호).
이 점착제는, 알칼리성의 시멘트 현탁액에 산성의 알루미늄염 용액을 첨가하면 양자가 반응을 일으켜 점착성의 수산화 알루미늄 졸을 생성하여, 벤토나이트와 동일한 그라우트가 얻어진다.
그러나, 이 반응은 알칼리와 산의 중화 반응, 즉, 시멘트 중의 알칼리 성분 (주로 수산화칼슘)이 황산알루미나 (황산알루미늄)의 산 성분과 소비 (중화)되는 것이다.
한편, 점착성 그라우트는 통상적으로 목적하는 강도로부터 1 ㎥당 200 내지 500 ㎏의 시멘트를 (강도 2 내지 30 kgf/㎠ 정도) 함유하여 사용된다.
이 때문에, 이 시멘트량에 대하여 브리징이 2 내지 5% 이하인 그라우트가 되도록 하는데에 필요한 황산알루미나를 첨가할 경우, 시멘트가 경화 능력을 잃는다는 결점이 있다 (상술한 선출원에 의하면, 시멘트 현탁액의 초기 pH값이 11.5 정도 또는 그 이상이 필요하다고 되어 있음).
이 때문에, 상술한 선출원에서는 시멘트에 석회, 탄산 소다 등의 알칼리 성분을 첨가함으로써, 대처하고 있는 실정이다.
본 발명은 상술한 종래의 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 시멘트를 주 재료로 하고, 이에 염기성의 황산알루미나를 첨가함으로써, 이 염기성의 황산알루미나를 목적하는 양만큼 첨가하는 것이 가능해지고, 그 결과 재료 분리를 방지할 수 있고, 유동성과 충전성을 유지하는 점착성을 가지며, 또한 브리징이 적고, 경화 능력을 상실하는 일 없이 충분한 강도를 발휘할 수 있는 그라우트를 얻는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 그라우트 주입 공법은 간극 또는 공동에 그라우트 1 ㎥당 약 200 내지 500 ㎏의 시멘트를 함유한 시멘트 현탁액과, 염기성 황산알루미나 용액을 주 재료로 하여,
[a] 황산알루미나의 염기도가 2 이상이고,
[b]의 값이 1.33 이상인
조건을 만족시키도록 혼합하고 주입하여, 수산화 알루미늄 졸을 생성시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 그라우트 주입재는 그라우트 1 ㎥당 약 200 내지 500 ㎏의 시멘트를 함유한 시멘트 현탁액과 염기성 황산알루미나 용액을
[a] 황산알루미나의 염기도가 2 이상이고,
[b]의 값이 1.33 이상인
조건을 만족시키도록 조정하여 주 재료로 하고, 간극 또는 공동에 주입되는 것을 특징으로 한다.
이하에, 본 발명의 실시 형태에 대해서 설명한다.
본 발명은 시멘트와 황산알루미나를 조합한 점착성 그라우트에 관한 것이다.
황산알루미나 등 (수용성 알루미늄염)의 알루미늄 이온 (Al3+)은, 다른 철 등의 이온과는 달리, 수용액 중에서는〔Al(0H2)63+의 형태로 존재하고 있으며, Al3+만으로는 수용액 중에는 존재하지 않는다. 알루미늄염 수용액에 알칼리제 (본 발명에서는 시멘트)를 첨가하면 백색의 교상 침전이 생성된다.
Al3+ + 30H- Al(0H)3
Al(0H)3 (수산화알루미늄)은 간단한 분자가 아닌 Al의 주위에 6개의 0H- (수산기 이온)를 갖는 정육면체의 착기가 0H-를 공유하여 다수 중합된 큰 분자로 다음과 같이 나타내야할 것이다.
n〔Al(0H2)63+ + 3n0H- Aln(0H)3n + 6nH2O
수산화알루미늄 용액이 교상 침전, 즉 수산화 알루미늄 졸이 되는 것은, 이렇게 큰 분자가 생기기 때문이다.
이에 따라, 황산알루미나 수용액에 알칼리제로서 시멘트를 첨가하여 점착성의 수산화 알루미늄 졸을 생성시켜, 브리징이 적은 그라우트를 만들 수가 있다.
그러나, 본 발명과 같이 시멘트가 1 m3당 200 내지 500 ㎏인 범위에서는 일반적인 산성 황산알루미나로는 산의 절대량이 많기 때문에, 브리징을 2 내지 5% 이하로 하는데에 필요한 양을 첨가할 경우, 시멘트의 경화 능력을 상실하여, 강도의 발현을 얻을 수 없다.
본원 발명자는, 이 문제를 해결하기 위하여 여러가지의 실험을 수행한 결과, 산성 황산알루미나 대신에 산의 절대량이 적은 염기성의 황산알루미나를 사용함으로써 종래의 과제를 해결 (구명)할 수 있었다.
즉, 염기성 황산알루미나를 사용함으로써, 시멘트의 알칼리 성분의 소비 (중화)를 감소시키고, 이 결과 많은 양을 첨가하는 것이 가능해져, 브리징이 적으면서도, 경화 능력을 잃지 않고 충분한 강도를 발휘할 수 있는 그라우트를 완성하였다.
본 발명은 그라우트 1 ㎥당 약 200 내지 500 ㎏의 시멘트를 함유한 그라우트에 있어서, 하기 두 조건을 만족시키는 것이 필요하다.
(1) 시멘트가 경화 능력을 상실하지 않고, 충분히 강도를 발휘할 것.
(2) 브리징이 5% 이하인 그라우트가 얻어질 것.
이러한 조건의 만족은 황산알루미나의 염기도 정도와 그의 양 및 시멘트량에 의해 결정된다는 것이 판명되었다.
즉, [a]의 조건 : 황산알루미나의 염기도가 2 이상인 것.
염기도가 2 이하로 통상의 산성 황산알루미나에 근접할 경우, 산성도가 강해지기 때문에 시멘트를 경화시키기 위해서는 소량의 황산알루미나 밖에 첨가할 수가 없기 때문에, 브리징 (수산화 알루미늄 졸의 생성량에 반비례)이 커져 그라우트로서는 부적합하다.
또, 황산알루미나의 염기도는 2 이상, 바람직하게는 2.5 이상이면 양호하다.
또한, [b]의 조건 : (시멘트/100) ÷(Al2O3/) = 1.33 이상인 것.
여기서,「시멘트」는 시멘트 중량을 의미하고,「A12O3」는 황산알루미나 중의 Al203의 중량을 의미하며 「염기도」는 황산알루미나의 염기도를 의미한다.
황산알루미나의 염기도의 정도와 그의 양, 및 시멘트량의 관계가, [b]식 조건의 1.33 이상일 경우, 시멘트가 충분히 경화된다는 것이 판명되었다.
즉, 본 발명에서는 시멘트를 1 ㎥ 당 약 200 내지 500 ㎏ 함유한 그라우트에 있어서, 황산알루미나의 염기도가 2 이상이라는 조건 ([a]의 조건)과, 황산알루미나의 염기도의 정도와 그의 양, 및 시멘트량의 관계의 조건 ([b]의 조건)을 만족시킴으로써 브리징이 2 내지 5% 이하이며, 시멘트의 경화를 충분히 발휘할 수 있는 점착성 그라우트를 얻을 수 있다.
또한, 황산알루미나의 염기도는 분석값으로부터 하기식에 의해 얻는다.
또한, 본 발명에서 알루미늄염 중에서 황산알루미나를 특정한 것은 하기와 같은 이유 때문이다.
즉, 황산알루미나와 시멘트가 반응하면 불용성의 중성 황산 칼슘이 되어, 그라우트로부터 용출되지 않는 안전한 물질이 된다. 또한, 황산알루미나는 알루미늄염 중에서 가장 저가이며 다량으로 생산되고 있다.
이에 대하여, 마찬가지로 다량으로 생산되고 있는 폴리염화알루미늄은 시멘트와의 반응에 의해 가용성 염화나트륨을 생성하고, 그라우트 경화체의 밖으로 용출하여 콘크리트 구조물 등에 악영향을 주게 되기 때문에, 본 발명의 범위에서 제외시켰다.
본 발명에 사용하는 시멘트는, 일반적으로 시멘트라 호칭되는 것으로, 대표적으로는 보통 포틀랜드 시멘트이다.
또한, 본 발명에 첨가할 수 있는 골재 (또는, 증량재)로서 모래, 비산회(flyash), 석회, 일차 광물 미분말 (암석, 석영, 석회석, 백운석 등), 점토 광물 (벤토나이트, 도자기 흙 등)이나, 현장 발생토 (침니 (silt), 점토분을 함유한 흙 및 실드 이수 등) 등을 들 수 있으며, 또, 이들 골재의 1종 또는 2종 이상을 조합시킬 수 있다.
또한, 종래의 그라우트에 첨가하고 있는 발포제 (기포제 등), 분산제, 지연제, 조기 강도 발현재 등을 목적에 따라 첨가할 수 있다.
본 발명의 그라우트의 시공은 하기 두 방법에 의해서 수행된다.
(1) 일액성 방식
황산알루미나가 비교적 적으며, 브리징이 1 내지 5% 정도로 점착 (고점성) 정도가 별로 강하지 않은 경우, 그라우트는 유동성을 유지하고 있다. 본 발명에서는, 이러한 유동성을 유지하는 그라우트를 유동상 그라우트라 한다.
이 유동상 그라우트의 시공은 일액성 방식으로 행한다. 즉, 믹서 등의 조합 용기에 물, 시멘트, 황산알루미나 또는 필요에 따라서 골재, 첨가제를 첨가하여 수산화 알루미늄 졸과 시멘트를 주성분으로 한 점착성 그라우트를 한번에 조합하고 1대의 주입 펌프로 압송하여, 목적하는 공동 등에 주입하는 방법으로 수행한다.
(2) 이액성 방식
한편, 황산알루미나를 많이 사용하여, 브리징이 없고 (0 %), 점착 (초고점성)정도가 매우 강한 경우, 그라우트는 비유동성을 유지하는 상태가 된다.
본 발명에서는 이러한 비유동성을 유지하는 그라우트를 가소상 그라우트라 한다.
이 가소상 그라우트란, 그라우트 자체는 유동하지 않지만, 가압 (펌프 등으로)할 경우, 용이하게 유동화되는 성질을 말한다.
가소상 그라우트의 시공은 이액성 방식으로 행한다. 즉, 시멘트 또는 필요에 따라 골재나 첨가제를 첨가한 현탁액을 A액이라 하고, 황산알루미나 용액을 B 액이라 하여, 각각 별개의 주입 펌프로 압송하고, 주입구 부근에서 A, B액을 합류 혼합함으로써, 상기 시멘트와 황산알루미나와의 반응에 의해 수산화 알루미늄 졸과 시멘트를 주성분으로 하는 가소상 그라우트로 변질시킨 그라우트를 목적하는 공동 등에 주입한다.
또한, 일액성의 유동상으로부터 비유동성인 가소상으로 변질되었는지의 판정은, 그라우트의 성질에 다소 좌우되지만, 본 발명에서는 원통 플로콘 측정 (아크릴판에 내경 80 mm, 높이 80 mm의 원통을 장치하고, 이 속에 그라우트를 채운 후, 원통을 서서히 들어 올려, 그 때의 그라우트의 퍼짐, 즉 직경을 측정하여 cm 단위로 표시함)에 준한 기준으로서, 그라우트의 하부의 퍼짐이 약 13 ㎝ 이하의 경우를 가소상 그라우트라 하였다.
이상을 요약하면, 본 발명의 점착성 그라우트 주입 공법은, 지반 중의 간극이나 공동, 또는 지반과 구조물의 경계면의 대간극이나 공동의 충전 주입 공법에 사용하는 그라우트이며, 시멘트를 그라우트 1 ㎥당 약 200 내지 500 ㎏ 함유한 시멘트 현탁액과 염기성 황산알루미나 용액을 [a] 황산알루미나의 염기도가 2 이상이고, [b] (시멘트/100) ÷(Al2O3/) = 1.33 이상 (여기서, Al203는 황산알루미나 중의 알루미나의 중량임)인 조건을 만족시키도록 혼합하여 수산화 알루미늄 졸을 생성시키는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 실시예를 들어 상세하게 설명한다.
실험에 사용한 염기성 황산알루미나는, 표 1에 나타내는 것과 같이, 염기도가 상이한 다섯 종류이고, 시멘트는 보통 포틀랜드 시멘트이다. 황산알루미나 용액 1리터 중에 포함되는 Al203 중량은 대략 100 g 전후이다.
실험에 사용한 황산알루미나의 종류
종류 염기도 황산알루미나 용액 1리터 중에 있는 Al2O3의 중량(g)
B-1 0.5 96.7
B-2 2.5 110.5
B-3 8.6 96.8
B-4 28.8 94.0
B-5 58.0 94.1
<실험-1>
일정량의 시멘트 (그라우트 1 ㎥당 200 ㎏에 상당)에 대하여, 표 1에 나타낸 각 염기도의 황산알루미나를 첨가한 경우의 시멘트의 경화를 확인하기 위한 실험을 수행하여 표 2의 결과를 얻었다.
실험은 그라우트를 비닐 주머니 (직경 5 cm, 길이 30 cm)내에서 조합하고 3일 후의 경화 상태를 촉감으로 확인하였다.
표 2에 나타낸 것과 같이, 각 실험 (No. 1 내지 18)에서는, 시멘트 60 g (중량을 기호 C로 표시함)을 약 200 내지 270 ㎖의 물에 용해하고, 염기도 (기호 B로 표시함)가 상이한 황산알루미나를 각각 약 3 내지 50 ㎖ 첨가하였다. 물과 시멘트와 황산알루미나와의 혼합물 전체가 300 ㎖가 되도록 하였다. 첨가한 황산알루미나 중의 Al203의 중량 (g 단위의 중량을 기호 A로 표시함)는 약 0.3 내지 5 g이 된다.
표 2의 우측에서 2 번째 란에, 하기 [b]식의 값을 나타낸다.
[b]
또한, 표 2의 가장 우측란에 그라우트 (시멘트)의 경화에 대한 판정 결과를 나타낸다.
표 2의 실험 결과에 의해, 황산알루미나의 염기도 (B)가 작을수록, 황산알루미나의 양이 소량이어도 시멘트가 경화되지 않아 (비교예-2), 경화시키기 위해서는 황산알루미나의 양을 더욱 감소시킬 필요가 있다는 것을 알 수 있었다 (비교예-1). 비교예-2와 같은 경우에는, 시멘트가 경화 능력을 상실하여 강도를 발휘할 수 없는 것이 된다.
이에 대하여, 황산알루미나의 염기도 (B)가 클수록, 다량의 황산알루미나를 첨가하여도 시멘트가 경화된다는 것도 알 수 있었다. 이 시멘트에 황산알루미나의 염기도 (B) 및 그의 양 (Al203의 첨가량 A로 표시함)을 변화시켜 첨가할 경우, 경화되는지 여부에 대하여, 실험 결과를 정리하면 다음 [b]식을 유도할 수 있었다.
즉, 시멘트 중량 (C), 황산알루미나의 염기도 (B) 및 Al203의 첨가 중량 (A)의 관계는,
[b] = 1.33 이상
바꾸어 말하면,
[b] (시멘트/100) ÷(Al2O3/) = 1.33 이상
으로 표시할 수 있다.
이 [b]식의 값을 기준으로 1.33 이상이 되면 시멘트가 충분히 경화된다는 것을 확인할 수 있었다.
또한, [b]식은 시멘트가 증감하여도 경화의 판정이 가능하다.
또한, 덧붙여 말하면, 표 2의 실험에 있어서, 황산알루미나의 염기도 (B)는 표 1에 나타내는 것과 같이, 2.5에서 58.0의 범위의 것을 사용하였다. 또한, 그라우트의 경화가 양호하다고 판정된 것 (표 2 중의 ○표)은, [b]식의 값이 1.33에서 2.73의 범위에 이른다.
<실험-Ⅱ>
표 2에서 시멘트가 충분히 경화되기 위한 [b]식의 값이, 1.33 이상의 배합 (그라우트 1 ㎥당 200 내지 500 ㎏의 시멘트)의 경우에, 그라우트로서 실용할 수 있는지에 대해서, 브리징, 플로우값 및 일축 압축 강도를 측정하여 표 3의 결과를 얻었다.
표 3에 나타낸 것과 같이, 각 실험 (No. 19 내지 26)에서는, 시멘트를 약 60 내지 150 g (기호 C)의 범위에서, 약 240 ㎖의 물에 용해시키고, 염기도 (기호 B)가 상이한 황산알루미나를 각각 약 8 내지 90 ㎖ 첨가하였다. 물과 시멘트와 황산알루미나의 혼합물 전체가 300 ㎖가 되도록 하였다.
표 3에 [b]식의 값을 나타낸다. 또한, 브리징, 플로우값 및 일축 압축 강도의 측정 결과를 표시한다.
표 3의 실험 결과에 의하면 실험 No. 19 (비교예-11)에서는, 표 2 (비교예-1)에 있어서는 시멘트가 충분히 경화되는 배합 (그라우트 1 ㎥당, 시멘트 500 ㎏, [b]식의 값 1.47)이지만, 황산알루미나 (염기도 0.5)의 첨가량이 적어, 충분한 수산화 알루미늄 졸을 생성할 수 없기 때문에, 브리징이 매우 많아지고 있다. 이 때문에, 그라우트로서는 적합하지 않아, 본 발명의 범위에서 제외하였다.
이에 대하여, 실험 No. 20 내지 26 (실시예 9 내지 15)에 나타낸 바와 같이 황산알루미나의 염기도가 2 이상이며, 또한, [b]식의 값이 1.33 이상 (실시예 9 내지 14에서 그라우트 1 ㎥당 200 내지 500 ㎏의 시멘트)에서는 브리징이 5% 이하이며, 고결 강도도 2 내지 25 kgf/㎠인 가능성이 충분한 그라우트인 것을 알 수 있다.
또한, 염기성 황산알루미나의 첨가량이 비교적 적은 경우에는 플로우값이 약 13 cm이상에서 유동상 그라우트이며 (실시예 9, 11, 13, 15), 반대로 많은 경우는 가소상 그라우트가 된다는 것을 알 수 있다 (실시예 10, 12, 14).
이상으로부터, 본 발명에서는 브리징이 약 2 내지 5% 이하이고, 충분한 강도가 얻어지는 것은 황산알루미나의 염기도가 2 이상인 것도 확인되었다.
또한, 실험예에는 나타내지 않았으나, 표 3의 실시예에 골재 및 첨가제를 첨가한 경우도 브리징이 2 내지 5% 이하이고, 시멘트가 충분히 경화되는 양호한 유동상 및 가소상 그라우트가 얻어졌다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 지반 중의 공동이나, 지반과 구조물 경계의 공동 등에 충전 주입하는 그라우트로서, 그라우트 1 ㎥당 약 200 내지 50O ㎏의 시멘트를 함유한 시멘트 현탁액과 염기성 황산알루미나를
[a] 황산알루미나의 염기도가 2 이상이며,
[b] (시멘트/100) ÷(Al2O3/) = 1.33 이상
이 되도록 조정함으로써, 브리징이 2 내지 5% 이하이고, 충분한 강도가 얻어지는 점착성 그라우트를 얻는 것이 가능하였다.
또한, 본 발명에 의하면 시멘트를 주재료로 하고, 이에 염기성의 황산알루미나를 첨가함으로써, 이 염기성의 황산알루미나를 목적하는 양으로 첨가하는 것이 가능해졌다. 이에 따라, 재료 분리를 방지할 수 있고, 유동성과 충전성을 유지하는 점착성을 갖으며, 또한 브리징이 적고, 게다가 경화 능력을 상실하는 일 없이 충분한 강도를 발휘할 수 있는 그라우트를 얻을 수 있다.
또한, 이러한 그라우트 주입재 및 이를 사용한 그라우트 주입 공법을 얻을 수 있다.

Claims (2)

  1. 간극 또는 공동(空洞)에 그라우트 1 ㎥당 약 200 내지 500 ㎏의 시멘트를 함유한 시멘트 현탁액과, 염기성 황산알루미나 용액을 주재료로 하며,
    [a] 황산알루미나의 염기도가 2 이상이고,
    [b]의 값이 1.33 이상인
    조건을 만족시키도록 혼합하고 주입하여, 수산화 알루미늄 졸을 생성시키는 것을 특징으로 하는 그라우트 주입 공법.
  2. 그라우트 1 ㎥당 약 200 내지 500 ㎏의 시멘트를 함유한 시멘트 현탁액과, 염기성 황산알루미나 용액을,
    [a] 황산알루미나의 염기도가 2 이상이고,
    [b]의 값이 1.33 이상인
    조건을 만족시키도록 조정하여 주 재료로 하고, 간극 또는 공동에 주입되는 것을 특징으로 하는 그라우트 주입재.
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