KR100587178B1 - 다목적 시멘트 혼화재 및 이를 이용한 시멘트 경화체의제조방법 - Google Patents

다목적 시멘트 혼화재 및 이를 이용한 시멘트 경화체의제조방법 Download PDF

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Abstract

칼슘알루미네이트 및 칼슘설포알루미네이트를 강도 발현을 위한 주성분으로 하고, 알칼리 금속염류 및 알칼리 하이드록사이드 설페이트를 졸(Sol)화 촉진제의 주성분으로 하는 시멘트 혼화재를 제공한다. 이에 더하여 플라이 애쉬(Fly-Ash)와 같은 포졸란(Pozzolanic) 물질과, 고로슬래그 미분말과 같은 잠재수경성 물질, 또는 석회석 미분말 및 가네트 분말과 같은 광물질 미분말과 소석회(Burnt Lime) 및 석고(Gypsum) 등을 부성분으로 한다. 또한 급경재 자체의 겔화를 방지하기 위한 지연제(Retarder)와 광물질 입자의 응집을 방지하는 분산제(Dispersing Agent)가 미량으로 혼합된다. 본 발명에 따른 시멘트 혼화재를 사용하면, 시멘트, 몰탈 및 콘크리트에 유동성고 속경성, 급경성 및 초기강도와 장기강도의 증진을 확보하고 장기간의 시간이 경화하여도 시멘트 경화체 성분이 용탈되지 않는다. 따라서 내구성이 우수하고 환경친화적 다목적용 시멘트계 급경성 및 속경성 혼화재를 제공할 수 있다.
시멘트, 혼화재, 지반보강공법

Description

다목적 시멘트 혼화재 및 이를 이용한 시멘트 경화체의 제조방법 {Multipurpose Cement Admixture, And Method For Forming Cement Matrix Using The Same}
도 1은 본 발명에 따른 시멘트 혼화재를 포함하는 시멘트 현탁액 및 일반 시멘트 현탁액의 상태변화를 비교하기 위한 사진이다.
도 2는 본 발명에 따른 시멘트 혼화재를 사용한 시멘트 슬러리를 플라스틱 용기에 담아 가압하였을 때, 유출되는 시멘트 슬러리의 형상을 나타낸 사진이다.
도 3은 종래의 물유리계 주입재를 사용한 시멘트 경화체의 조직을 주사전자현미경으로 확대한 사진이다.
도 4는 본 발명에 따른 시멘트 혼화재를 사용한 시멘트 경화체의 조직을 주사전자현미경으로 확대한 사진이다.
도 5는 본 발명에 따른 시멘트 혼화재 및 초미립자 시멘트를 사용하여 제조한 시멘트 호모-겔의 압축강도 발현성상을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따른 시멘트 혼화재 및 일반 시멘트를 사용하여 제조한 시멘트 호모-겔의 압축강도 발현성상을 나타낸 그래프이다.
도 7을 본 발명에 따른 시멘트 혼화재를 사용하여 제조한 시멘트 호모-겔 공시체 및 물유리계 주입재를 사용하여 제조한 시멘트 호모-겔 공시체의 형상변화를 나타낸 사진이다.
도 8은 본 발명에 따른 시멘트 혼화재를 사용하여 제조한 공시체 및 물유리계 주입재를 사용하여 제조한 공시체의 길이변화를 비교한 그래프이다.
도 9는 본 발명에 따른 시멘트 혼화재를 사용한 공시체의 어독성 실험을 행한 사진이다.
본 발명은 시멘트계 경화체에 급경성 또는 속경성을 부여하는 시멘트계 혼화재료에 관한 것으로서, 나아가 상기 시멘트 혼화재를 사용하여 시멘트 경화체를 제조하는 방법을 제공하고자 한다. 보다 자세하게는 본 발명에 따른 시멘트 혼화재는 일반 시멘트 몰탈 및 콘크리트 제품용의 속경재로서 사용될 수도 있고, 또한 지반주입용 급경재로 사용되거나 지반안정용 고화재로도 사용될 수도 있다.
종래에는 시멘트, 몰탈 및 콘크리트의 초기 압축강도를 증가시키기 위하여, 알루미나 시멘트(수경성의 칼슘알루미네이트를 주성분으로 한 클링커를 미세하게 분쇄하여 제조하는 시멘트)를 사용하거나, 칼슘알루미네이트 또는 칼슘설포알루미네이트를 일반 포틀랜드 시멘트에 혼합하는 방법을 사용하였다. 그러나, 알루미나 시멘트는 타설 후에 외부의 습기에 노출되는 경우 결정구조가 파괴되어 강도가 감소하고 내구성이 저하되는 문제점이 있었다. 또한, 칼슘알루미네이트 및 칼슘설포알루미네이트를 포틀랜드 시멘트에 혼합하여 사용하는 경우에는 충분한 작업시간을 확보하는 것이 어려우며 별도의 응결시간 조절제를 사용하여야 하는 문제점이 있었다.
한편, 일반적으로 일정 물시멘트비(콘크리트 또는 모르타르 속에 함유된 페이스트 속의 반죽 혼합 직후 물과 시멘트의 무게비, water cement ratio) 이상의 시멘트 현탁액에서는 시멘트 입자의 침강 현상이 발생하게 된다. 따라서 급결재를 사용하지 않은 시멘트 슬러리를 주입하는 경우, 높은 물시멘트비에서는 시멘트 입자가 침강하게 되어 물이 차지한 체적 부분이 지반 중에서 공극으로 존재하게 되므로, 급결재를 사용하지 않은 시멘트 현탁액 단독으로는 차수 및 공극 충진이 불가능하게 된다.
지반주입공법에서 시멘트 현탁액에 혼합되는 종래의 지반주입재용 급결재로서, 종래에는 이산화규소와 알칼리의 혼합물인 규산알칼리염을 수용액으로 제조한 물유리(water glass)를 주로 사용하였다. 일반적으로 물유리의 조성은 Na2O·nSiO2(n=2~4)를 주성분으로 하며 수분이 10~30중량%를 차지한다. 시멘트와 물유리의 반응은 이온염석반응으로 시멘트계 현탁액이 유동성을 상실하는 시간인 겔타임(gel time)의 조절을 위하여 시멘트와 물유리의 농도를 변화시키게 된다. 그러나 침투 주입에 필요한 작업시간의 확보를 위하여 겔타임을 길게 하기 위해서는 시멘트와 물유리의 양을 감소시켜야 하는데, 이 경우 경화후의 강도를 확보하는 것이 어렵게 된다. 또한, 강도를 높이기 위하여 시멘트 및 물유리의 양을 증가시키면 겔타임이 짧아져 작업시간을 확보하는 것이 어렵게 된다.
또한, 물유리계 주입재는 물유리의 화학적인 특성상 높은 물시멘트비에서도 겔의 형성이 용이한 반면에 물유리의 용탈현상에 의한 경화체의 수축 및 강도저하가 최대의 단점으로 지적되고 있으며, 겔 형성 후의 유동성 및 가소성 등이 급격히 저하하여 공동 충진용 주입특성과 같이 유동성을 오랫동안 확보해야 하는 용도에는 부적합한 측면이 있다. 환경의 측면에 있어서도, 물유리는 pH가 11~12 정도인 강알칼리성이며 지반에 지하수가 존재하거나 강우로 인하여 지반 중에 수분이 이동하는 경우 지반주입재로 사용된 물유리의 용탈이 발생하므로, 시공된 지반주입재가 차수 및 지반보강 효과를 상실하며 용출성분에 의한 환경오염이 발생하는 문제점이 있다.
한편, 물유리계 주입재의 용탈현상의 단점을 개선하기 위한 해결책으로서 시멘트계 급결재가 제시되었다. 그러나 시멘트계 급결재를 사용하는 주입재의 경우에 급결성을 나타내는 낮은 물시멘트비에서는 겔의 형성은 용이하나 열을 동반한 순간 강도가 너무 높아 급결성 재료가 지반 속에서 장벽을 형성하여 완결형 침투성 주입에 장애를 초래하는 문제점이 있다. 특히, 높은 물시멘트비에서는 겔의 형성이 이루어지지 않는 현상을 나타내기도 한다. 경제적 측면에서도, 시멘트계 급결재를 사용하면 급결을 위해서 고가의 급결재를 다량으로 사용하여야 하므로 비용이 증가하는 단점을 가지고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 창안된 것으로서, 물시멘트비가 100%~300% 정도의 시멘트계 슬러리 현탁수용액에 미리 혼합되지 않고 별도로 분리 하여 첨가되어, 높은 물시멘트비의 시멘트계 현탁액에서 발생하는 시멘트 입자의 침전 및 재료분리를 방지하고, 슬러리 현탁액의 가용성 및 침투주입성을 확보하며, 시멘트에 급경성을 부여할 수 있는 시멘트 혼화재를 제공한다. 따라서, 매립지 지반안정 및 플라이 애쉬 폐기장 지반 처리용, 해안지대의 지반안정, 댐 보강 등의 목적으로 시공이 가능한 지반주입재 공사용 시멘트의 급경재로 사용하는 것이 가능하다.
또한 일반 고화재의 경우 경제성을 확보하기 위하여 물시멘트비를 높이는 경우에 흙의 고화시간이 지연되는 문제점을 해결하여, 높은 물시멘트비에서도 시멘트 및 흙과 혼합되어 수시간내에 흙의 강도를 확보하는 것이 가능한 시멘트 혼화재를 제공한다. 그리하여 흙의 고화시간을 줄임으로써 지반안정공사의 공기를 단축하고 시공비를 절감시킨다.
또한, 본 발명은 시멘트와 혼합하여 물시멘트비가 20%~100%의 시멘트 페이스트, 몰탈 및 콘크리트의 유동성 및 작업성을 수분에서 수십분으로 확보하는 것이 가능한 시멘트 혼화재를 제공한다. 그리하여, 상온상압에서 시멘트의 수화반응에 속경성을 부여하는 것이 가능하여, 요구되는 시멘트계 경화체의 강도를 얻는데 통상 수일에서 수십일이 걸리던 시간을 수분에서 수시간으로 단축시킬 수 있다.
본 발명에 따른 시멘트 혼화재는 시멘트 수용액에 첨가되어 시멘트 경화체를 제조하기 위해 사용되는 시멘트 혼화재로서, (1) 시멘트 수용액 중의 수산화칼슘과 반응하여 수화반응물을 생성하는 칼슘알루미네이트, 칼슘설포알루미네이트 또는 칼 슘알루미네이트 및 칼슘설포알루미네이트의 혼합물을 함유하는 급경성분; 및 (2) 시멘트의 수화반응을 촉진시키는 알칼리 금속염류, 알루미늄 하이드록사이드 설페이트, 또는 알칼리 금속염류 및 알루미늄 하이드록사이드 설페이트의 혼합물을 함유하는 급결성분;을 포함하는 것을 특징으로 한다. 급결성분인 알칼리 금속염류 및/또는 알루미늄 하이드록사이드 설페이트와, 급경성분인 칼슘알루미네이트 및/또는 칼슘설포알루미네이트의 혼합비를 요구되는 급결성 및 경화속도에 따라 적절하게 조절하는 것이 가능하다.
또한, 본 발명에 따른 시멘트 혼화재는, 잠재수경성 고로슬래그 미분말, 포졸란 미분말 또는 광물질 미분말을 더 포함하는 것을 특징으로 한다. 부성분으로 포함되는 잠재수경성 고로슬래그 미분말, 포졸란 미분말 및 기타 광물질 미분말을 첨가함으로써 장기적으로 치밀한 시멘트 수화조직을 형성하는 것이 가능하며, 그리하여 시멘트 경화체의 장기적인 기계적 강도를 증진시킬 수 있다.
아울러, 본 발명에 따른 시멘트 혼화재는, 급경성분의 자체 겔화를 방지하기 위한 수화지연제; 또는 분말의 분산성을 증진시키기 위한 분산제;를 선택적으로 또는 모두를 포함할 수 있다. 부성분으로 첨가되는 수화지연제를 통하여 시멘트의 수화반응을 순간적으로 차단하게 된다. 또한 분산제를 첨가하여 광물질 입자들의 응집을 방지하게 된다.
본 발명에 따른 시멘트 경화체의 제조방법은, (1) 수화지연제 및 분산제를 포함하는 수용액을 준비하는 단계; (2) 칼슘알루미네이트, 칼슘설포알루미네이트, 또는 칼슘알루미네이트 및 칼슘설포알루미네이트의 혼합물을 함유하는 급경성분; 알칼리 금속염류, 알루미늄 하이드록사이드 설페이트, 또는 알칼리 금속염류 및 알루미늄 하이드록사이드 설페이트의 혼합물을 함유하는 급결성분; 및 잠재수경성 고로슬래그 미분말, 포졸란 미분말 및 광물질 미분말;을 포함하는 시멘트 혼화재를, 상기 수화지연제 및 분산제를 포함하는 수용액에 첨가하여 시멘트 혼화재의 수용액을 준비하는 단계; (3) 시멘트 분말을 포함하는 시멘트 수용액을 준비하는 단계; (4) 상기 시멘트 혼화재의 수용액과 상기 시멘트 수용액을 혼합하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한 분산제는 시멘트 분말과 함께 첨가되어 시멘트 수용액에 포함되는 것도 가능하다.
본 발명의 시멘트 혼화재에 사용되는 성분으로는, (1) 급경성분, (2) 급결성분, (3) 광물질 미분말, (4) 수화지연제 및 (5) 분산제가 있으며, 이들을 선택적으로 또는 모두를 포함하는 것이 가능하다. 이하에서는, 본 발명의 시멘트 혼화재에 사용되는 각각의 성분 및 기능에 대하여 설명하기로 한다.
첫째, 급경성분에 대하여 설명하면, 본 발명에 따른 시멘트 혼화재에서는 급경성분으로서 칼슘알루미네이트 및/또는 칼슘설포알루미네이트를 사용한다. 이들 급경성분은 시멘트 수용액 중의 수산화칼슘(Ca(OH)2)과 반응하여 수화반응물을 생성시키게 된다. 보다 자세히 설명하면, 시멘트가 물과 접촉하면 수산화칼슘이 수용액 중에 녹아 나오게 되는데, 이때 상기 급경성분이 수산화칼슘과 반응하여 에트린가이트(3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O) 혹은 이와 유사한 수화반응물(예컨대, 3CaO·Al2O3·CaSO4·12H2O)을 생성하게 된다. 또한, 그 수화반응 중에 다량의 물분자를 사용하 여 겔화를 촉진시키고 시멘트의 강도를 수배 내지 수십배정도로 조기에 발현시키게 된다. 특히 수화반응물인 에트린가이트 결정은 침상이므로 치밀한 수화조직을 생성하여 외부로부터의 물리적 및 화학적 침식에 대한 시멘트 경화체의 저항성이 증가된다.
둘째, 본 발명에 따른 시멘트 혼화재에서는 급결성분으로서 알칼리 금속염류 및/또는 알루미늄 하이드록사이드 설페이트를 사용한다. 이들 급결성분은 시멘트의 수화반응을 가속화하여 시멘트 슬러리를 졸화시키므로 높은 물시멘트비에서의 입자의 침강과 재료분리를 방지하고, 시멘트 슬러리에 유동성과 침투성을 부여하게 된다.
세째, 본 발명에 따른 시멘트 혼화재는 부성분으로서 고로슬래그, 포졸란 미분말 및 광물질 미분말을 포함한다. 바람직하게는, 블레인(Blaine) 분말도가 4,000~15,000㎠/g인 고미분말의 잠재수경성 고로슬래그 미분말, 포졸란 미분말 및 기타 광물질 미분말(예컨대, 석회석 미분말 및 가네트 미분말 등)을 혼합하여, 장기적으로 치밀한 시멘트 수화조직을 형성하게 된다. 그리하여, 시멘트 경화체의 기계적 장기강도를 증진시키고 화학저항성 및 내구성을 향상시킨다.
네째, 본 발명에 따른 시멘트 혼화재는 콘 스타치(Corn Starch) 성분의 수화지연제를 상기 시멘트 혼화재의 총량에 대하여 0.1~3.0중량%로 사용하는 것이 바람직하다. 이를 통해, 시멘트가 물과 접촉하자마자 시작되는 수화반응을 순간적으로 차단하여 시멘트, 몰탈 및 콘크리트 작업 혹은 시멘트 슬러리의 주입 작업, 지반고화작업에 필요한 가사 작업시간을 확보한다.
다섯째, 본 발명에 따른 시멘트 혼화재는 리그닌 설폰산염(Calcium Ligno-Sulfonate & Sodium Ligno-Sulfonate), 멜라민 설폰산염(Melamine Sulfonate), 나프탈렌 설폰산염(Poly-Naphthalene Sulfonate) 및 폴리카본산(Polycarboxilate)계를 단독으로 혹은 2종 이상 혼합된 분산제를 본 발명에 따른 시멘트 혼화재의 총량에 대하여 0.1~1.0중량%로 함유하는 것이 바람직하다. 그리하여, 시멘트 및 기타 미분말의 분산성을 증진시켜 낮은 물시멘트비에서는 시멘트, 몰탈 및 콘크리트의 유동성과 작업성을 증진시키고 치밀한 시멘트 경화체를 얻게 한다. 이를 통해, 시멘트 경화체의 강도와 내구성을 증진시키게 된다. 또한, 지반주입재 및 고화재로 사용하는 경우에는 통상 높은 물시멘트비로 사용하게 되는데, 이러한 경우에도 시멘트 슬러리의 유동성을 증가시키는 동시에 입자의 응집 및 침강을 방지하므로 미세공극으로의 주입성과 내구성을 증진시키게 된다.
본 발명에 따른 시멘트 혼화재는, 급결성분인 알카리 금속염류 혹은 알루미늄 하이드록사이드 설페이트와 급경성분인 칼슘알루미네이트 혹은 칼슘설포알루미네이트의 혼합비를 요구되는 급결성 및 경화속도에 따라 변화시켜 사용하는 것이 바람직하다. 예컨대, 경화속도 및 강도를 증가시키고자 할 경우에는, 칼슘 알루미네이트 및 칼슘설포알루미네이트의 혼합량을 증가시키며 제품의 나머지 부분은 고로 슬래그 미분말 혹은 포졸란 미분말과 기타 광물질 미분말로 구성하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 시멘트 혼화재는 물과 혼합하여도 자체만으로는 응결이 발생하지 않으나 시멘트 혹은 시멘트 수용액과 혼합하면 시멘트 수용액 중의 수산화 칼슘과 순간적으로 수화반응을 일으켜 시멘트 현탁액을 겔화시키게 된다. 따라서, 일반적으로 물시멘트비 약 300%의 시멘트 현탁액에서는 외력에 의한 교반이 없이 정치할 경우 시멘트 입자가 침강하고 수분은 증발하여 시멘트 슬러리의 체적을 유지할 수 없게 된다. 그러나 본 발명에 따른 시멘트 혼화재를 사용하면, 물시멘트비 약 300%의 시멘트 슬러리에서도 시멘트 입자와 물의 분리없이 졸화를 진행시켜 현탁액의 체적을 유지할 수 있다.
본 발명에 따른 시멘트 혼화재의 물리화학적 성능의 일례는 표-1과 같다. 상기 표 1에서 DF-FS는 순간적인 강도와 급결을 필요로 하는 경우에 사용되는 제품의 일례이고, DF-DS는 긴 가사시간의 확보와 지반으로의 침투성을 확보하기 위하여 지연된 응결성을 필요로 하는 경우에 사용되는 제품의 일례이다. 표 1에서 보여주는 화학조성은 단지 본 발명에 따른 일실시예에 불과하며, 본 발명에 따른 시멘트 혼화재의 화학조성의 함량비는 사용할 수 있는 시멘트, 몰탈 및 콘크리트 제품에 따라서 함량비를 조절할 수 있고, 또한 지반주입재, 고화재 등과 같이 최종 제품의 용도나 물시멘트비의 변화에 따라서 함량비를 달리하는 것도 가능하다.
Figure 112003041062617-pat00001
본 발명에 따른 시멘트 혼화재는 일반 시멘트 몰탈 및 콘크리트 제품용의 속경재로서 사용하는 것이 가능하며, 낮은 물시멘트비에서 시멘트 프리믹스(Premix) 타입으로 미리 시멘트 혼합물에 첨가되거나 또는 시멘트, 몰탈 및 콘크리트 믹싱(Mixing)과정에서 혼합하여, 초속경 시멘트 및 속경성 몰탈, 프리캐스트 제품 제조용 시멘트 속경재로 사용이 가능하다. 또한 본 발명에 따른 시멘트 혼화재는 지중에 시멘트 밀크를 주입하여 지반을 경화, 안정화시키는 지반안정화용 시멘트 혼화재로도 사용이 가능하다. 이하에서는 본 발명에 따른 시멘트 혼화재를 지반안정화공법에 사용하는 경우를 예로서 설명하기로 한다.
***지반주입재로서의 사용예***
일반적으로 일정 물시멘트비 이상의 시멘트 현탁액에서는 시멘트 입자의 침강 현상이 발생하여 급결재를 사용하지 않은 시멘트 슬러리 주입의 경우, 높은 물시멘트비에서는 시멘트 입자가 침강하게 되어 물이 차지한 체적 부분은 지반 중에서 공극으로 존재하게 된다. 따라서, 급결재를 사용하지 않는 시멘트 현탁액 단독으로는 차수 및 공극 충진이 불가능하게 된다.
종래의 물유리계 주입재는 물유리의 화학적인 특성상 높은 물시멘트비에서도 겔의 형성이 용이한 반면에 물유리의 용탈현상에 의한 경화체의 수축 및 강도저하가 최대의 단점으로 지적되고 있다. 또한 겔 형성 후의 유동성(流動性) 및 가소성(可塑性) 등이 급격히 저하하여 공동(空洞) 충진용 주입특성과 같이 유동성을 오랫동안 확보해야 하는 용도에는 부적합한 측면이 있다.
한편, 일부 시멘트계 급결재를 사용하는 주입재의 경우에는, 급결재 및 급경재로 1종류의 제품을 사용하고 제품의 사용량에 따라 급결시간을 조정하여 낮은 물시멘트비에서 겔의 형성이 용이하다. 그러나 열을 동반한 순간강도가 너무 높아 급결성 재료가 지반 속에서 장벽을 형성하여 완결형 침투성 주입에 장애를 초래하고, 높은 물시멘트비에서는 겔의 형성이 이루어지지 않는 현상을 나타내기도 한다.
본 발명에 따른 시멘트 혼화재는 급결 및 완결의 필요성에 따라 성분 및 효과가 다른 급경재를 사용하는 것이 가능하다. 예컨대, 완결의 경우에는 기존의 물유리계 지반주입공법 등에서 사용하는 물시멘트비 200%이상 혹은 300% 이상의 물시멘트비에서도 겔의 형성이 용이하다는 장점을 가지고 있다. 또한 지반보강공사에서 차수의 목적이 요구되는 공사와 겔의 강도가 요구되는 현장에 따라 급결재와 완결재의 사용비를 달리하여 경화시간 및 강도의 확보를 선택적으로 운용할 수 있게 하므로 내구성이 있으면서도 경제적인 시공을 가능하게 한다.
비교를 위하여, 도 1에 물결합재비 300%로 각각 제조한 일반시멘트 현탁액과 본 발명에 따른 시멘트 혼화재가 첨가된 시멘트 현탁액을 매스 실리더 용기 속에서 1시간 정치한 후의 상태를 나타내었다. 도 1에서 왼쪽 메스실린더는 본 발명에 따른 시멘트 혼화재(DF급결재)를 사용한 시멘트 현탁액이고, 오른쪽 메스실린더는 급결재를 사용하지 않은 일반시멘트의 현탁액이다. 일반 시멘트 입자는 침강하여 물과 완전히 분리되었으나 본 발명에 따른 시멘트 혼화재가 첨가된 시멘트 현탁액은 겔을 형성하여 그 체적이 전혀 변화하지 않음을 볼 수 있다.
또한 본 발명에 따른 시멘트 혼화재를 사용하면, 겔의 형성 후에도 강도가 발현되기 전까지의 주입시간 동안에는 유동성을 확보하고 있다는 부가적인 장점도 가지고 있다. 이러한 특징은 지반 속에서 연속적으로 주입되는 저압공법의 주입특성상 앞선 선두형 주입재가 잇따라 도달하는 후발성 주입재에게 장애물이 되지 않고 또한 손상을 받지않으므로 배면 그라우팅과 같이 공동(空洞) 충전용에 적합한 성능이 된다. 도 2에 도시한 바와 같이, 일단 겔이 형성된 시멘트 슬러리가 들어 있는 플라스틱 용기를 가압하여 좁은 입구에서 외부로 빠져 나오는 형태로부터, 본 발명에 따른 시멘트 혼화재가 사용된 시멘트 슬러리는 필요한 시공 및 작업시간 동안 계속 유동성을 가진다는 것을 충분히 유추할 수 있다.
물유리계 주입재의 경우, 급격한 겔 형성은 시멘트의 수화반응에 의한 것이 아닌 물유리의 고화에 의한 것으로 장기강도는 시멘트의 수화반응에 의존해야 한다. 그러나 물유리는 시간의 경과와 더불어 슬러리를 구성하는 물(H2O)과 함께 용출되어 시멘트 수화물과의 연결고리가 끊어짐에 따라, 경화체의 체적은 점차 감소하면서 부스러지는 현상을 갖게 된다. 이러한 현상은 공기중에서는 더욱 촉진하게 된다. 도 3에 나타낸 주사전자현미경의 확대사진(56배 확대)을 통하여 알 수 있듯이, 물유리계 주입재를 사용하여 형성된 경화체의 조직은 낮은 확대배율의 사진에서도 시멘트 수화물 사이에 무수한 공극을 포함하고 있다. 이와 같이 물유리계 주입재는 시간의 경과에 따라 가결상태로 결합된 물과 물유리의 용탈이 진행되어 체적감소 및 강도저하의 원인이 되며, 저압공법의 최대 장점인 원지반을 교란하지 않고 토립자 사이의 공극을 충진함으로 지반을 개선하는 차수효과 및 보강효과는 점차 사라지게 된다.
이에 반하여, 본 발명에 따른 시멘트 혼화재를 사용하는 경우에는, 시멘트계 수화반응에 기초한 급결재와 시멘트 입자의 수화반응에 의해 수초 또는 수분 사이에서 시멘트 페이스트를 겔화시키고 강도를 발현하는 메커니즘을 갖고 있다. 본 발명에 따른 시멘트 혼화재는 높은 물시멘트비에서도 순식간에 겔을 형성하는 초기응결의 메커니즘을 가지고 있다. 이는 알루미네이트와 시멘트의 수화반응에 의해 순간적으로 에트린가이트(Ettringite)를 형성하는 것으로, 이러한 에트린가이트의 형성에는 다량의 물이 필요하게 된다. 이처럼 에트린가이트는 초기의 겔 형성에 주된 기여를 하는 반면에, 본 발명에 따른 시멘트 혼화재의 초미립자 포졸란계 재료는 장기강도의 형성에 기여한다. 특히 초미립 형태의 포졸란 입자는 수화물 조직 치밀화 및 장기강도 증진의 효과 이외에도, 외부로부터 침투하는 화학물질을 고용하여 내화학성능을 증가시키고 내구성을 증가시키는 역할을 담당한다. 본 발명에 따른 시멘트 혼화재를 사용한 시멘트 현탁액이 물과 반응하여 에트린가이트를 생성한 수화물 조직을 주사전자현미경으로 확대(500배 확대)하여 도 4에 나타내었다. 사진에서 알 수 있는 것처럼, 본 발명에 따른 시멘트 혼화재를 사용한 시멘트 경화체는 수화물의 조직이 치밀하며 공극이 존재하지 않기 때문에 강도가 발현될 수 있다. 그리고 이를 더욱 확대하면 침상(針狀) 형태의 에트린가이트의 형상을 확연히 관찰할 수 있다.
본 발명에 따른 시멘트 혼화재를 이용한 지반주입재 시공시의 배합비는 다음 표-2와 같다. 여기서 시멘트로는 포틀랜드 시멘트 및 초미립 시멘트의 사용이 바람직하나, 슬래그 시멘트 및 포졸란 시멘트의 사용도 가능하다. 초미립 시멘트를 사용하는 경우, 입자 크기가 일반 시멘트에 비해 초미립이므로 지반에의 침투성이 우수하고 겔화 된 이후의 강도도 매우 높은 장점을 가지고 있으므로, 큰 공극을 갖고 있는 성토지반 및 자갈층과 같이 시멘트 입자의 크기가 침투효과에 영향을 미치지 않은 곳을 제외한 지역에서는 초미립 시멘트의 사용이 바람직하다. 표 2에서 A액은 본 발명에 따른 시멘트 혼화재(DF-FS: 급결용 혼화재)의 수용액이고, B액은 초미립 시멘트(DF-CC)와 분산제(DF-DA)의 수용액을 의미한다.
Figure 112003041062617-pat00002
표 3, 도 5 및 도 6에는 본 발명에 따른 시멘트 혼화재(표 2에서 급결, 중결 및 완결에 해당하는 배합비 사용)를 초미립자 시멘트에 사용한 경우(DF-CC) 및 일반 보통 포틀랜드 시멘트에 사용한 경우(DF-PC)에 제조된 시멘트 호모-겔(Homo-Gel)의 압축강도 발현 성상을 나타내었다. 또한, 본 발명에 따른 시멘트 혼화재를 첨가하여 제조한 호모-겔(표-4에서 DF 경화체로 칭함)과 일반 포틀랜드 시멘트 호모-겔 공시체(50mm×50mm×50mm)를 각각 제조하여 1일간 항온항습조에서 양생 후, 물속에 3일간 침적하여 용출된 성분을 분석하여 그 결과를 표 4에 나타내었다.
Figure 112003041062617-pat00003
Figure 112003041062617-pat00004
물유리를 급결재로 사용하는 주입재는 주입 후에 시간의 경과에 따라 물유리의 용탈이 시작되어 체적이 감소하여 수개월 후에는 차수효과를 상실하며 미세한 균열이 수없이 발생하여 강도가 저하된다. 반면에 본 발명에 따른 시멘트 혼화재가 첨가된 주입재는 체적 변화가 거의 발생하지 않고 강도발현이 지속되므로 차수 및 보강효과가 영구적이다. 도 7에는 본 발명에 따른 시멘트 혼화재 및 물유리계 주입재를 사용하여 제조된 공시체(100mm×100mm×500mm)를 공기 중에서 14일간 건조한 체적변화를 나타내었다.
도 7을 통하여 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 시멘트 혼화재를 사용하여 제조한 공시체(도 7에서 "DF531"이라 명시한 공시체)는 체적변화가 거의 없으나, 물유리계 주입재를 사용한 공시체는 급격한 수축을 나타내고 있으며, 이러한 경향은 급결용의 경우가 완결용에 비하여 현저하게 크게 나타난다. 상기의 방식대로 제조한 시멘트 공시체를 수중에 침적하여 28일 동안의 길이 변화를 측정하고 수축율을 계산하여 그 결과를 도 8에 나타내었다. 급결용으로 배합된 물유리계 시멘트 공시체(도 8에서 실선으로 표시한 경우)는 본 발명에 따른 시멘트 혼화재 DF531(도 8에서 점선으로 표시한 경우)을 사용한 시멘트 공시체에 비하여 최고 300배의 수축율을 나타내었다.
한편, 시멘트의 제조 과정에서 원료에 포함되어 있는 천연의 3가 크롬(Cr+3)의 일부는 소성 과정에서 산화되어 6가 크롬(Cr+6)으로 변화된다. 6가 크롬은 국제 암연구센터(International Agency for Research on Cancer) 및 미국 환경보호국(Environmental Protection Agency)에서 석면과 더불어 2대 발암물질로 지정되어 있다. 따라서 시멘트계 성분이 포함된 재료를 사용하는 경우, 6가 크롬의 외부로의 용출 여부는 환경 및 인체 건강에 미치는 영향을 고려할 때 매우 중요한 요소이다. 일본에서는 "건설성기조발(建設省技調發) 제48호"에서 시멘트 및 시멘트계 고화제를 사용한 개량토의 경우에 폐기물 공정 시험방법 등에 의한 6가 크롬의 검출치가 토양 환경 기준을 만족하는가를 확인하도록 규정하고 있으며 그 허용값은 폐기물 기준으로 1.5mg/Liter이고 토양환경기준으로 0.05mg/Liter이다. 본 발명에 따른 시멘트 혼화재를 사용한 시멘트 경화체는 시멘트 성분의 수화과정에서 중금속 성분들이 고용체로 시멘트 수화물에 결합되어 6가 크롬의 용출이 발생하지 않으므로 환경적 안정성이 뛰어나다. 참고로, 본 발명에 따른 시멘트 혼화재가 첨가된 공시체를 침적한 수조에 금붕어를 넣고 어독성 실험을 실시하였으며, 이를 도 9에 나타내었다.
본 발명에 따른 시멘트 혼화재를 지반보강공법에 사용되는 공정에 대하여 설명하면, 지반주입공법에서 본 발명에 따른 시멘트 혼화재를 시멘트의 급경재로 사용시, "A액(시멘트) + B액(급·완결재)"와 같이 2액형 주입이라는 약액주입공법을 사용한다. 주입방식에 있어서는 1.5쇼트 방식도 가능하나 공사 용도에 따라 수초 단위의 급결성을 필요로 하는 경우도 있으므로 2.0쇼트 방식이 보다 바람직하다. 그리고 젯트공법과 같은 고압공법에 비하여 장비면에서 경제성을 갖는 저압공법의 선단장치 및 교반장치(3조식, 4조식)를 그대로 사용할 수 있다.
칼슘알루미네이트 및 칼슘설포알루미네이트를 강도 발현을 위한 주성분으로 하고, 알칼리 금속염류 및 알칼리 하이드록사이드 설페이트를 졸(Sol)화 촉진제의 주성분으로 하는 시멘트 혼화재를 제공한다. 이에 더하여 플라이 애쉬(Fly-Ash)와 같은 포졸란(Pozzolanic) 물질과, 고로슬래그 미분말과 같은 잠재수경성 물질, 또는 석회석 미분말 및 가네트 분말과 같은 광물질 미분말과 소석회(Burnt Lime) 및 석고(Gypsum) 등을 부성분으로 한다. 또한 급경재 자체의 겔화를 방지하기 위한 지연제(Retarder)와 광물질 입자의 응집을 방지하는 분산제(Dispersing Agent)가 미량으로 혼합된다. 본 발명에 따른 시멘트 혼화재를 사용하면, 시멘트, 몰탈 및 콘크리트에 유동성과 속경성, 급경성 및 초기강도와 장기강도의 증진을 확보하고 장기간의 시간이 경과하여도 시멘트 경화체 성분이 용탈되지 않는다. 따라서 내구성이 우수하고 환경친화적 다목적용 시멘트계 급경성 및 속경성 혼화재를 제공할 수 있다.
본 발명은 기존의 물유리계 지반주입공법 등에서 사용하는 물시멘트비 200% 이상 또는 300% 이상의 물시멘트비에서도 겔의 형성이 용이하다는 장점을 가지고 있다. 따라서, 지반보강공사에서 차수의 목적이 요구되는 공사와 겔의 강도가 요구되는 현장에 따라 물결합재비를 선택적으로 운용할 수 있게 하므로 내구성이 있으면서도 경제적인 시공을 가능하게 한다.
또한 본 발명에 따른 시멘트 혼화재는 고압 및 저압공법의 지반주입재용의 물시멘트비가 100%~300% 정도로 높은 시멘트 슬러리(Slurry) 현탁액과 별도의 현탁액으로 준비되어 지반주입 중에 시멘트 슬러리와 혼합하여 사용하는 것이 가능하다. 또한 단독 수용액으로는 약 1시간 이내에는 자체적으로 졸(Sol)화 혹은 겔(Gel)화 되거나 응결이 발생하지 않으며, 높은 물시멘트비의 일반 시멘트계 현탁 액에서 발생하는 시멘트 입자의 침강이나 재료분리를 방지하고, 시멘트 슬러리의 유동성과 분리저항성을 동시에 높이는 효과를 갖는다. 나아가, 시멘트 슬러리의 레올로지 특성을 개선하여 미세공극 중으로의 침투 주입성을 개선하며 일반 물유리가 혼합된 지반주입재의 문제인 용탈이 발생하지 않아 물유리계 지반주입재의 문제점인 시간 경과에 따른 차수효과 저하 및 강도 손실을 방지하며 물유리계 지반주입재의 사용이 불가능한 해수 성분이 혼합된 지반에서도 사용이 가능하다는 장점이 있다.
본 발명에 따른 시멘트 혼화재는 지반안정용 고화재로 사용이 적합하다. 일반 고화재의 경우 경제성을 확보하기 위하여 물시멘트를 높이는 경우에 흙의 고화시간이 지연되는 단점이 있으나, 본 발명의 경우, 높은 물시멘트비에서도 흙의 고화처리가 가능하고 고화시간을 단축할 수 있으므로, 지반안정공사의 공기를 단축하고 시공비를 절감할 수 있다.

Claims (15)

  1. 시멘트 경화체를 제조하기 위해 사용되는 시멘트 혼화재로서,
    (1) 시멘트 수용액 중의 수산화칼슘과 반응하여 수화반응물을 생성하는 칼슘알루미네이트, 칼슘설포알루미네이트, 또는 칼슘알루미네이트 및 칼슘설포알루미네이트의 혼합물을 함유하는 급경성분;
    (2) 시멘트의 수화반응을 촉진시키는 알칼리 금속염류, 알루미늄 하이드록사이드 설페이트, 또는 알칼리 금속염류 및 알루미늄 하이드록사이드 설페이트의 혼합물을 함유하는 급결성분; 및
    (3) 급경성분의 자체 겔화를 방지하기 위한 수화지연제;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 시멘트 혼화재.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 시멘트 혼화재는, 잠재수경성 고로슬래그 미분말을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시멘트 혼화재.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 시멘트 혼화재는, 포졸란 미분말을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시멘트 혼화재.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 시멘트 혼화재는, 석회석 미분말 또는 가네트 미분말을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시멘트 혼화재.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 시멘트 혼화재는, 잠재수경성 고로슬래그 미분말; 포졸란 미분말; 및 석회석 미분말 또는 가네트 미분말을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시멘트 혼화재.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 잠재수경성 고로슬래그 미분말; 포졸란 미분말; 및 석회석 미분말 또는 가네트 미분말은 블레인(Blaine) 분말도가 4,000~15,000㎠/g인 것을 특징으로 하는 시멘트 혼화재.
  7. 삭제
  8. 제7항에 있어서,
    상기 수화지연제는, 상기 시멘트 혼화재의 총량에 대하여 0.1~3.0중량%로 첨가되는 것을 특징으로 하는 시멘트 혼화재.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 시멘트 혼화재는, 분말의 분산성을 증진시키기 위한 분산제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시멘트 혼화재.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 분산제는, 리그린 설폰산염, 멜라민 설폰산염, 나프탈렌 설폰산염 및 폴리카본산으로 이루어진 그룹에서 1종이상이 선택되는 것을 특징으로 하는 시멘트 혼화재.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 분산제는, 상기 시멘트 혼화재의 총량에 대하여 0.1~1.0중량%로 첨가되는 것을 특징으로 하는 시멘트 혼화재.
  12. 제1항 내지 제6항 또는 제8항 내지 제11항 중 어느 하나의 항에 따른 시멘트 혼화재; 및 시멘트 분말을 포함하는 것을 특징으로 하는 시멘트 조성물.
  13. 시멘트 경화체의 제조방법에 있어서,
    (1) 수화지연제 및 분산제를 포함하는 수용액을 준비하는 단계;
    (2) 칼슘알루미네이트, 칼슘설포알루미네이트, 또는 칼슘알루미네이트 및 칼슘설포알루미네이트의 혼합물을 함유하는 급경성분; 알칼리 금속염류, 알루미늄 하이드록사이드 설페이트, 또는 알칼리 금속염류 및 알루미늄 하이드록사이드 설페이트의 혼합물을 함유하는 급결성분; 및 잠재수경성 고로슬래그 미분말, 포졸란 미분말, 및 석회석 미분말 또는 가네트 미분말;을 포함하는 시멘트 혼화재를, 상기 수화지연제 및 분산제를 포함하는 수용액에 첨가하여 시멘트 혼화재의 수용액을 준비하는 단계;
    (3) 시멘트 분말을 포함하는 시멘트 수용액을 준비하는 단계;
    (4) 상기 시멘트 혼화재의 수용액과 상기 시멘트 수용액을 혼합하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 시멘트 경화체의 제조방법.
  14. 시멘트 경화체의 제조방법에 있어서,
    (1) 수화지연제를 포함하는 수용액을 준비하는 단계;
    (2) 칼슘알루미네이트, 칼슘설포알루미네이트, 또는 칼슘알루미네이트 및 칼슘설포알루미네이트의 혼합물을 함유하는 급경성분; 알칼리 금속염류, 알루미늄 하이드록사이드 설페이트, 또는 알칼리 금속염류 및 알루미늄 하이드록사이드 설페이트의 혼합물을 함유하는 급결성분; 및 잠재수경성 고로슬래그 미분말, 포졸란 미분말, 및 석회석 미분말 또는 가네트 미분말;을 포함하는 시멘트 혼화재를, 상기 수화지연제를 포함하는 수용액에 첨가하여 시멘트 혼화재의 수용액을 준비하는 단계;
    (3) 시멘트 분말 및 분산제를 포함하는 시멘트 수용액을 준비하는 단계;
    (4) 상기 시멘트 혼화재의 수용액과 상기 시멘트 수용액을 혼합하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 시멘트 경화체의 제조방법.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    상기 시멘트 혼화재의 수용액 및 상기 시멘트 수용액을 혼합하는 단계는 2.0쇼트 방식의 약액주입공법에 의해 행해지는 것을 특징으로 하는 시멘트 경화체의 제조방법.
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