KR100632357B1 - 토사 및 폐콘크리트의 안정화 방법 및 이 방법에 의해안정화된 토사 또는 폐콘크리트 고화체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 토사 및 폐콘크리트의 안정화 방법과 이 방법에 의해 안정화된 토사 또는 폐콘크리트 고화체에 관한 것으로, 토사 또는 폐콘크리트 100중량부에 대하여 시멘트 3∼20중량부와, 리그닌, 탄산나트륨, 로진, 수산화나트륨, 양이온계 유화제, 비이온 계면활성제, 올레인산, 양이온 계면활성제 및 양쪽성 계면활성제로 이루어지는 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 계면활성제, 벤토나이트, 물 및 유화아스팔트를 함유하도록 구성되는 안정강화제 3∼10중량부를 혼합하여 제조되며, 고강도를 가지며 빠르게 안정화되므로 석재 대용으로 건축자재, 토목공사자재 등으로 사용할 수 있는 동시에 현장 발생토, 폐콘크리트 등을 이용할 수 있어 경제적이며 자연환경 보전에 기여할 수 있다.

토사, 폐콘크리트, 안정, 고화, 기층, 보조기층, 압축강도

Description

토사 및 폐콘크리트의 안정화 방법 및 이 방법에 의해 안정화된 토사 또는 폐콘크리트 고화체{Method of stabilizing soil and waste concrete and soil or waste concrete stabilized by the method}

본 발명은 토사 및 폐콘크리트의 안정화 방법 및 이 방법에 의해 안정화된 토사 또는 폐콘크리트 고화체에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 고강도를 가지며 빠르게 안정화되어 항만, 해안매립지, 도로 기층, 보조기층, 댐 등의 축조시 석재 대용으로 사용 가능하도록 토사 및 폐콘크리트를 안정화시키는 방법 및 이 방법에 의해 안정화된 토사 또는 폐콘크리트 고화체에 관한 것이다.

최근 토목공사 및 건설사업 수행시 양질의 건설재료 확보 어려움으로 인해 공사기간이 지연되어 경비를 증가시키는 요인으로 작용하며, 건설자재 확보를 위하여 석산개발을 하거나 하천, 해상 등에서 골재채취를 함으로써 자연환경을 훼손하고 생태계를 교란시키고 있다. 구체적으로는, 기존 아스팔트 및 콘크리트 포장공법 등에서는 석재 등의 입상재료를 사용하므로 채석을 위하여 산야를 훼손하고 있고, 채석, 운반, 깨기 작업 등이 공사비를 증가시키는 요인이 되고 있다. 그 외에도, 대부분의 하천제방 축조공법에서는 일반토사를 사용하므로 수류의 압력에 의한 세 굴 작용으로 내구성 및 안전성이 결여되어 제방의 붕괴로 인한 수해 및 질병 확산의 원인이 되고 있으며, 기존 연약지반 개량공법의 경우 공사비가 고가이며 사용재료의 손실율이 큰 문제점이 있었다.

이에, 이러한 문제점을 해결하기 위하여 우리나라 전역에 널리 분포되어 있으나, 토질에 포함된 유기물질로 인해 고화하는데 어려움이 있어 널리 활용되지 못 하고 있는 토사 또는 과량 배출되지만 거의 재활용되지 못 하고 있는 폐콘크리트 등의 산업폐기물을 각종 토목공사 및 다양한 건설사업에 석재 대용으로 재활용하기 위하여 다양한 안정화재, 안정처리공법 등이 개발중에 있다.

종래의 시멘트 안정처리공법(cement stabilization) 및 LAC(Lignin Rosin Asphalt Concrete)공법 등은 마무리 양생시간이 길어 조기 압축강도를 얻기가 용이하지 않으며, 사용할 수 있는 분야가 도로건설의 보조기층재 등에 국한되어 있고 수밀성이 부족하여 침투수에 의해 동해와 이로 인한 균열이 심하다.

또 다른 방법으로 한국특허공개 제2002-49817호에는 토질안정 처리재의 제조방법이 게시되어 있다. 이 발명에서 토질안정 처리재는 고로수재슬래그 80 내지 90중량부와 시멘트 소성과정 중에 발생한 집진더스트 10 내지 20중량부로 이루어진 조성물에 칼슘설포알루미네이트 및 무수석고를 소량 첨가하고, 염화칼슘, 수산화나트륨, 탄산나트륨, 황산나트륨 중 선택된 화합물 중 하나 이상의 알칼리염을 소량 첨가함으로써 제조된다. 이 토질안정 처리재는 보통 사용되는 포틀랜드 시멘트나 석회계를 주원료로 사용하지 않고 고로슬래그를 주원료로 사용한 것에 특징을 둔 것이긴 하지만, 상기 조성물 대신에 시멘트를 주원료로 사용하는 경우 효과적인 압 축강도 조기 발현이 어렵고 집진더스트의 고화가 되지 않으므로 시멘트와는 함께 사용될 수 없어, 적용범위가 제한되는 문제점이 있다.

또한, 한국특허공개 제2004-36749호는 내붕괴성이 우수한 토양고화제, 이를 이용한 토양 고화체, 제방 및 댐에 관하여 기재되어 있으며, 토양고화제는 (a)시멘트와, (b)리그닌 술폰산염, 염화칼슘, 스테아린산염, 수산화나트륨, 실리카, 트리폴리산염, 나머지 산화칼슘으로 구성되는 주원료와, 상기 주원료에 대해 염화마그네슘, 비산제일철, 소다회, 산화철의 첨가제를 포함하도록 조성되는 고화원료로 조성되며, 고화 구조체는 토양 100중량부에 대하여 상기 토양고화제를 3∼25중량부 포함하도록 구성된다. 이 고화제에서 최대량으로 사용되는 것은 '생석회'로도 불리는 산화칼슘(CaO)으로, LAC공법과도 유사하며 생석회가 다량 포함되어 있으므로 수분의 흡착력이 빨라서 건조수축 및 동결융해시 균열의 발생 우려가 있고, 또한 생석회는 수분과 접촉하며 발열하는 성질을 가지므로 취급이 용이하지 않다.

한편, 한국특허공개 제2004-70133호 및 제2004-87294호에는 하소 명반석을 이용한 토질안정용 고화재 조성물이 게시되어 있으며, 고화재 조성물은 명반석을 500∼700℃에서 하소한 하소 명반석(alunite), 염소성 방법에 의해 1,000∼1,100℃에서 소성된 생석회, 무수석고 및 일반 포틀랜드 시멘트로 구성된다. 이 토질안정용 고화제는 명반석 및 생석회를 열처리하는 공정이 추가로 요구되어 고비용을 초래할 뿐만 아니라 수밀성이 부족하여 침투수에 의한 동해와 이로 인한 균열이 발생할 수 있는 문제점이 있다.

앞서 설명한 바와 같이, 석재는 도로 및 공항 분야, 수자원 개발 분야, 토질 분야, 토목기초 분야 등 그 사용범위가 광범위하지만 자원은 한정되어 있으므로, 그 대용으로서 건설 현장 발생량이 많아 쉽게 취득 가능한 토사 및 산업폐기물을 안정화시켜 활용할 수 있는 획기적인 방안이 절실히 요구된다.

따라서, 본 발명자들은 이러한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 연구를 거듭한 결과, 토사 또는 폐콘크리트 및 소량의 시멘트에 특정 조성을 갖는 안정강화제를 혼합할 경우 고강도를 가지며 빠르게 안정화되고 고형화되어 석재 대용으로 건축자재, 토목공사자재 등으로 사용할 수 있는 토사 또는 폐콘크리트 고화체를 제공할 수 있음을 발견하고 본 발명을 완성하게 되었다.

본 발명의 목적은 안정강화제를 사용하여 토사 또는 폐콘크리트에 고강도를 부여하며 토사 및 폐콘크리트를 안정화시키는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 안정화 방법에 의해 다양한 건축 및 토목분야에서 원자재로 사용가능한 토사 또는 폐콘크리트 고화체를 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 안정강화제를 사용하여 토사 및폐콘크리트를 안정화시키는 방법에 있어서, 토사 또는 폐콘크리트 100중량부에 대하여 시멘트 3∼20중량부 및 안정강화제 3∼10중량부를 혼합하여 안정화하며, 상기 강화제는 강화제 총 중량에 대하여 리그닌 1.4∼2.4중량%, 탄산나트륨 0.1∼0.3중량%, 로진 0.5∼0.9중량%, 수산화나트륨 0.1∼0.3중량%, 양이온계 유화제 0.6∼1.2중량%, 비이온 계면활성제 0.9∼1.6중량%, 올레인산 0.5∼1.0중량%, 양이온 계면활 성제 및 양쪽성 계면활성제로 이루어지는 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 계면활성제 0.1∼0.3중량%, 벤토나이트 0.07∼0.13중량%, 물 26∼44중량% 및 잔량으로서 유화아스팔트를 함유하는 것임을 특징으로 한다.

이하, 본 발명을 좀 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 토사 또는 폐콘크리트 고화체는 토사 또는 폐콘크리트에 소량의 시멘트와, 토사 또는 폐콘크리트의 안정화 및 고화를 용이하게 하기 위한 바인더로서 안정강화제를 첨가함으로써 제조된다.

본 발명에서 토사로는 자연토사, 현장발생토, 불량토 등을 포함하여 통상 토사로 분류되는 것이라면 제한됨이 없이 사용될 수 있으며, 시멘트로는 포틀랜드 시멘트로 분류되는 것이라면 제한됨이 없이 사용될 수 있다.

한편, 안정강화제는 리그닌, 탄산나트륨, 로진, 수산화나트륨, 양이온계 유화제, 비이온 계면활성제, 올레인산, 양이온 계면활성제 및 양쪽성 계면활성제로 이루어지는 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 계면활성제, 벤토나이트, 물 및 유화아스팔트를 함유하도록 구성되어, 토사 또는 폐콘크리트에 효과적인 강도를 부여하고 건조수축으로 인한 균열을 방지하여 안정화시키는 역할을 한다.

이들 성분 중 리그닌은 강화제와 혼합되는 토사 또는 폐콘크리트를 분산시키는 역할을 하며, 시멘트와 강화제 혼합물질을 결합시켜 강도를 증대시킨다. 1.4중량% 미만의 양으로 함유될 경우 입자 분산 효능이 크지 못하고 강도를 저하시키는 문제점이 있을 수 있으며, 2.4중량% 초과의 양으로 함유될 경우 재료의 특성상 3차 원 망상구조이므로 다른 물질의 화학적 반응을 저해하는 문제점이 있을 수 있으므로, 강화제 총 중량에 대하여 1.4∼2.4중량%의 양으로 함유된다. 더욱 바람직하게는, 1.43∼2.37중량%의 양으로 함유된다.

탄산나트륨은 수산화나트륨과 함께 토질에 포함된 유기물질을 분해 및 중화하는 역할을 한다. 0.1중량% 미만의 양으로 함유될 경우 분산 및 분해가 원활하지 못할 수 있으며, 0.3중량% 초과의 양으로 함유될 경우 환경적인 저해 요소가 발생할 수 있으므로, 강화제 총 중량에 대하여 0.1∼0.3중량%의 양으로 함유된다. 더욱 바람직하게는, 0.17∼0.30중량%의 양으로 함유된다.

로진(rosin)은 토사의 입도간 방수성 및 접착성을 향상시켜 밀도를 증대시키는 역할을 한다. 0.5중량% 미만의 양으로 함유될 경우에는 입자간의 접착성이 결여되는 문제점이 있을 수 있으며, 0.9중량% 초과의 양으로 함유될 경우에는 제품비용을 증대시킬 수 있으므로, 강화제 총 중량에 대하여 0.5~0.9중량%의 양으로 함유된다. 더욱 바람직하게는 0.50∼0.83중량%의 양으로 함유된다.

수산화나트륨은 로진 등 강화제에 포함된 유기물질을 분해 및 중화하는 역할을 한다. 0.1중량% 미만의 양으로 함유될 경우 유기물 분해능이 미약한 문제점이 있을 수 있으며, 0.3중량% 초과의 양으로 함유될 경우 환경적인 저해 요소가 발생할 수 있으므로, 강화제 총 중량에 대하여 0.1~0.3중량%의 양으로 함유된다. 더욱 바람직하게는 0.14∼0.24중량%의 양으로 함유된다.

양이온계 유화제(Cationic emulsifier)는 혼합용 아스팔트 유제로 사용되는 것으로서, 당 분야에서 사용되는 양이온계 유화제라면 제한됨이 없이 어느 것이라 도 사용 가능하지만, 에스테르계 양이온 유화제를 사용하는 것이 더욱 바람직하다. 특히, 네오페렉(Neoperex C-70, Kao사 제품, 일본 소재)을 사용하는 것이 가장 바람직하다. 0.6중량% 미만의 양으로 함유될 경우 도로 기층 및 보조기층 등을 형성할 때 첨가되는 아스팔트 등을 유화시키지 못 하는 문제점이 있을 수 있으며, 1.2중량% 초과의 양으로 함유될 경우 제품비용을 증대시키고 유화 기능이 오히려 감소하는 문제점이 있을 수 있으므로, 강화제 총 중량에 대하여 0.6~1.2중량%의 양으로 함유된다. 더욱 바람직하게는 0.68∼1.13중량%의 양으로 함유된다.

비이온 계면활성제는 비이온계 유화 및 고분자 응집제로서 응집과 분산을 위해 중요한 역할을 하는 것으로, 당 분야에서 사용되는 비이온 계면활성제라면 제한됨이 없이 어느 것이라도 사용 가능하지만, 특히 흡수성이 강한 에스테르(Ester)계 비이온 계면활성제를 사용하는 것이 더욱 바람직하다. 0.9중량% 미만의 양으로 함유될 경우 유화 및 분산 효능이 불충분한 문제점이 있을 수 있으며, 1.6중량% 초과의 양으로 함유될 경우 부유물이 생성되는 문제점이 있을 수 있으므로, 강화제 총 중량에 대하여 0.9~1.6중량%의 양으로 함유된다. 더욱 바람직하게는 0.91∼1.50중량%의 양으로 함유된다.

올레인산은 지방산 계면활성제의 일종으로, 강화제를 구성하는 다른 성분들이 시멘트 및 토사 또는 폐콘크리트에 잘 흡수되게 하며 시멘트 및 토사 또는 폐콘크리트의 혼합물 내면에 침투하여 내면 방수성을 좋게 하고 결빙 기온에서의 응고 현상을 감소시키는 역할을 한다. 0.5중량% 미만의 양으로 함유될 경우 시멘트와 토사 또는 폐콘크리트의 혼합물에 흡수되지 않아 방수성이 저하되는 문제점이 있을 수 있으며, 1.0중량% 초과의 양으로 함유될 경우 부유물을 형성하게 되는 문제점이 있을 수 있으므로, 강화제 총 중량에 대하여 0.5~1.0중량%의 양으로 함유된다. 더욱 바람직하게는 0.56∼0.94중량%의 양으로 함유된다.

양이온 계면활성제 및 양쪽성 계면활성제로 이루어지는 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 계면활성제는 시멘트의 기포성을 증대시키고 분산력을 활성화하며 유화제로서 시공성을 양호하게 하는 역할을 한다. 강화제 총 중량에 대하여 0.1중량% 미만의 양으로 함유될 경우 기포성이 저하되어 표면장력이 발생하며 유화가 되지 않는 문제점이 있을 수 있으며, 0.3중량% 초과의 양으로 함유될 경우 제품비용을 증대시키는 문제점이 있을 수 있으므로, 강화제 총 중량에 대하여 0.1~0.3중량%의 양으로 함유된다. 더욱 바람직하게는 0.16∼0.27중량%의 양으로 함유된다.

벤토나이트(bentonite)는 시멘트와의 수화작용을 원활하게 하여 강도증대 효과가 있으며 토사 또는 폐콘크리트 입자간의 충진재로서 방수효과도 갖는다. 강화제 총 중량에 대하여 0.07중량% 미만의 양으로 함유될 경우 시멘트의 수화작용이 원활하지 않아 시멘트 자체만 굳을 염려가 있으며, 0.13중량% 초과의 양으로 함유될 경우 수분 흡수력이 너무 커져서 유화가 일어나지 않아 유제 생성이 어려운 문제점이 있을 수 있으므로, 강화제 총 중량에 대하여 0.07~0.13중량%의 양으로 함유된다. 더욱 바람직하게는 0.073∼0.121중량%의 양으로 함유된다.

물은 강화제 총 중량에 대하여 26중량% 미만의 양으로 함유될 경우 유화 분산이 제대로 일어나지 않게 되는 문제점이 있을 수 있으며, 44중량% 초과의 양으로 함유될 경우 토사 또는 폐콘크리트, 시멘트 및 강화제로 혼합되어 형성되는 고화체 의 입자간 접착성, 방수력 및 강도 저하를 초래하는 문제점이 있을 수 있으므로, 강화제 총 중량에 대하여 26~44중량%의 양으로 함유된다. 더욱 바람직하게는 26.2∼43.4중량%의 양으로 함유된다.

유화아스팔트(emulsified asphalt)는 혼합물인 토사 또는 폐콘크리트 고화체 입자의 탄력성과 안정성을 증대시키고 표면 방수 역할을 하는 것으로서, 비이온계 유화아스팔트도 가능하지만, 안정성이나 접착성을 고려할 때 양이온계 유화아스팔트를 사용하는 것이 더욱 바람직하며, 앞서의 성분들을 제외한 잔량을 차지하도록 함유된다. 유화아스팔트가 지나치게 소량 함유될 경우 입자간의 탄력성 저하로 안정성이 결여되고 고화체의 균열이 발생하는 문제점이 있을 수 있으며, 과량 함유될 경우 제품비용을 증대시키고 강도 저하 현상을 유발하는 문제점이 있을 수 있으므로, 유화아스팔트의 함유량 또한 그 외 성분의 함량 조절에 의해 적합한 범위로 조절하여야 한다. 가장 바람직하게는 강화제 총 중량에 대하여 약 60중량%의 양으로 함유된다.

이러한 조성에 따라 혼합되어 제조된 안정강화제는 액상이므로 토사 또는 폐콘크리트와 혼합되는 배합공정에서 균일한 혼합이 용이하여 제품의 강도 편차가 매우 적으므로 공정 및 품질관리가 용이하다. 그러나, 이러한 액상 강화제를 토사 또는 폐콘크리트 100중량부에 대하여 3중량부 미만의 양으로 사용되는 경우에는 토사 또는 폐콘크리트의 안정화, 고화 및 강도에 문제점이 있을 수 있으며, 10중량부 초과의 양으로 사용되는 경우에는 경제적인 부담이 가중되고 환경을 저해할 수 있으며, 필요 이상의 강도 발현은 오히려 사용목적에 적합하지 않으므로 3∼10중량부 의 양으로 사용되는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 3∼5중량부의 양으로 사용된다.

한편, 시멘트는 과다하게 혼합될 경우 경제적이지 못하며 환경적인 문제를 유발하므로 각 나라에서 규정한 제한치 이내에서 현장 시험을 거쳐 적용할 수 있다. 본 발명에서는 토사 또는 폐콘크리트 고화체 제조시 토사 또는 폐콘크리트 100중량부에 대하여 3∼20중량부의 양으로 사용될 수 있다. 많이 사용될수록 더 효과적이지만 3중량부의 양만을 사용하더라도 본 발명의 효과를 발현할 수 있다. 가장 바람직하게는 3∼15중량부의 양으로 사용하며, 포틀랜드 시멘트를 사용한다.

이러한 성분 조성으로 토사 또는 폐콘크리트, 안정강화제 및 시멘트가 준비되면 이들을 통상의 방법에 따라 혼합함으로써 압축강도가 대략 40∼120kgf/㎠에 속하는 토사 또는 폐콘크리트 고화체를 제조할 수 있다. 이러한 안정화 방법에 따라 토사 또는 폐콘크리트 고화체를 제조할 경우, 강도, 내구성 및 차수성이 우수하며, 경화속도 또한 단축되어, 그 토사 또는 폐콘크리트 고화체를 석재 대용으로 토목 또는 건설공사 전반에 걸쳐 사용할 수 있다. 혼합과정에서 자동혼합 플랜트를 사용할 경우 배합이 균일하며 함수비 관리가 용이하여 더 우수한 품질의 토사 또는 폐콘크리트 고화체를 제조할 수 있다.

이러한 안정화 방법에 따라 제조된 토사 또는 폐콘크리트 고화체는 토목 및 건축공사의 재료로서는 제한됨이 없이 사용될 수 있으며, 특히, 도로 기층재 및 보조기층재, 하천제방 및 댐의 심벽축조재 및 연약지반 개량재로 사용되는데 적합하다.

이하, 먼저 안정강화제의 제조예를 실시한 다음, 실시예 및 비교예를 들어 본 발명을 상세히 설명하지만 본 발명이 이들 예로만 한정되는 것은 아니다.

<제조예 1 내지 3> 안정강화제

리그닌, 탄산나트륨, 로진(대명케미칼, 중국산 수입품, 한국 소재), 수산화나트륨(NaOH: 영진화학, 한국 소재), 양이온계 유화제(Neoperex C-70, Kao사 제품,일본 소재), 비이온 계면활성제(OP-85R, Kao사 제품, 일본 소재), 올레인산, 계면활성제(NP-8; 영창케미칼 제품, 한국 소재), 벤토나이트, 물 및 유화아스팔트(AP-0 또는 AP-00; 한국유제 제품, 한국 소재)를 하기 표 1의 조성이 되도록 각각의 성분을 정량한 후 균질혼합기(Homogenizers) 등을 사용하여 물리적으로 결합시켰다. 구체적으로는 유화아스팔트는 130℃로 가열하고 그 외의 성분은 80℃로 가열하여 물리적으로 결합되도록 분산시켜 하기 제조예 1∼3의 강화제를 제조하였다.

성분 (단위: 중량%)	제조예
	1	2	3
리그닌	1.84	1.43	2.37
탄산나트륨	0.23	0.18	0.30
로진	0.65	0.50	0.83
수산화나트륨	0.18	0.15	0.24
양이온계 유화제	0.87	0.68	1.13
비이온 계면활성제	1.17	0.91	1.50
올레인산	0.73	0.56	0.94
양이온/양쪽성 계면활성제	0.21	0.16	0.27
벤토나이트	0.09	0.07	0.12
물	33.70	26.22	43.34
유화아스팔트	잔량	잔량	잔량

<실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 5> 공시체 제작

일반 포틀랜드 시멘트와 제조예 1∼3에서 미리 준비된 안정강화제를 하기 표 2의 조성을 갖도록 혼합한 후, 양 측면 2개의 이음매를 가진 원통형의 강제몰드에 일반 화강풍화토를 투입한 다음, 2.5kg의 햄머로 30㎝ 높이에서 25회 낙하시켜 다지며 3개층으로 나누어, 직경 50㎜이고 높이 100㎜인 실시예 1∼3 및 비교예 3∼5의 공시체를 제작하였다. 이때 이음매와 상하단부에 누수나 변형이 발생하지 않도록 하였으며 몰드내면에는 광물성 기름을 발라 양생 후 쉽게 몰드로부터 분리될 수 있도록 하였다. 다짐된 화강풍화토가 최대건조단위중량이 될 때의 함수비(OMC; optimum moisture contents)는 8.6%이고, 최대건조단위중량은 1.991g/㎤이었다. 동일한 방법으로 화강풍화토만으로 구성되는 비교예 1의 공시체를 제작하고, 분말 생석회(삼광석회 제품, 한국 소재)를 혼합하는 점만을 달리하는 종래의 LAC 공법에 의하여 비교예 2의 공시체를 제작하였다. 한편, 각 실시예 및 비교예에서 시멘트 및 강화제는 화강풍화토 100중량부에 대한 함량비로 함유된다.

성분 (단위: 중량부)		실시예			비교예
		1	2	3	1	2	3	4	5
안정 강화제	제조예 1	3.0	-	-	-	-	1.5	-	-
	제조예 2	-	3.0	-	-	-	-	1.5	-
	제조예 3	-	-	3.0	-	-	-	-	1.5
	생석회	-	-	-	-	3.0	-	-	-
시멘트	포틀랜드 시멘트	7.0	7.0	7.0	-	7.0	7.0	7.0	7.0
토사	화강풍화토	100	100	100	100	100	100	100	100

<실시예 4 내지 12 및 비교예 6 내지 7> 공시체 제작

일반 포틀랜드 시멘트와 제조예 1에서 미리 준비된 강화제를 하기 표 3의 조성을 갖도록 혼합한 후, 양 측면 2개의 이음매를 가진 원통형의 강제몰드에 일반 화강풍화토를 투입한 다음, 4.5kg의 햄머로 45Cm 높이에서 55회 낙하시켜 다지며 5개층으로 나누어, 직경 50㎜이고 높이 100㎜인 실시예 4∼12의 공시체를 제작하였다. 다짐된 화강풍화토의 OMC는 14.5%이고, 최대건조단위중량은 1.84g/㎤이었다. 비교예 2에서와 동일한 방법으로 비교예 6∼7의 공시체를 제작하였다.

성분 (단위: 중량부)		실시예									비교예
		4	5	6	7	8	9	10	11	12	6	7
안정 강화제	제조예 1	3	5	3	5	3	5	3	5	3	-	-
	생석회	-	-	-	-	-	-	-	-	-	3	3
시멘트	포틀랜드 시멘트	3	3	5	5	10	10	15	15	20	3	15
토사	화강풍화토	100	100	100	100	100	100	100	100	100	100	100

<시험예 1>

실시예 1 내지 12 및 비교예 1 내지 7에서 제조된 공시체 각각을 3일, 7일 및 28일 양생 후 KS F 2405에 따라 시험기의 강성가압판의 상하압축면을 청소하고 제작된 공시체의 중심축이 가압판의 중심과 일치하도록 놓은 후 공시체에 충격을 주지 않도록 일정한 속도로 하중을 가하였다. 하중을 가하는 속도는 압축응력의 증가가 매초 2∼3kgf/㎠가 되도록 하였으며, 공시체가 급격한 변형을 시작한 후에는 하중을 가하는 속도의 조정을 중지하고 하중을 계속 가하여 일축압축강도를 측정하였다. 또한, 통상의 방법에 따라 각 공시체의 함수비를 측정하였다. 그 결과를 하기 표 4 및 표 5에 나타내었다.

구분	일축압축강도 (단위: kgf/㎠)			함수비 (단위: %)
	3일 양생	7일 양생	28일 양생
실시예 1	28.28	36.17	56.86	7.2
실시예 2	26.49	32.48	49.43	6.9
실시예 3	26.77	33.72	51.32	7.0
비교예 1	14.01	19.10	24.00	-
비교예 2	23.22	27.81	43.72	5.6
비교예 3	21.02	25.79	34.12	5.1
비교예 4	19.55	24.80	33.74	5.0
비교예 5	20.02	25.17	32.93	5.0

구분	일축압축강도 (단위: kgf/㎠)			함수비 (단위: %)
	3일 양생	7일 양생	28일 양생
실시예 4	23	35	40	14.5
실시예 5	23	36	42	14.5
실시예 6	23	38	43	14.5
실시예 7	24	40	45	14.5
실시예 8	27	46	48	14.5
실시예 9	27	47	50	14.5
실시예 10	38	51	68	14.5
실시예 11	39	53	68	14.5
실시예 12	39	52	68	14.5
비교예 6	15	24	38	14.5
비교예 7	25	34	49	14.5

상기 표 4 및 표 5에서 알 수 있는 바와 같이, 실시예 1∼12는 시멘트를 화강풍화토 100중량부에 대하여 3중량부의 양으로 소량 첨가하더라도 28일 양생시 최소 40kgf/㎠ 이상의 일축압축강도를 갖는 것으로 나타났다. 시멘트를 20중량부의 양으로 첨가한 실시예 12의 경우 28일 양생시 일축압축강도는 대략 68kgf/㎠에 이르렀다. 한편, 실시예 1과 비교예 2, 실시예 4와 비교예 6 및 실시예 10과 비교예 7의 압축강도를 비교하여 볼 때, 실시예들의 압축강도는 생석회를 사용하여 종래 LAC 공법에 의해 제조된 비교예들의 압축강도와 유사하거나 더 큰 값을 나타내었다. 이와 같이, 균열이 잘 발생하고 고가인 단점이 있긴 하지만 이를 대체할만한 강도를 발현하는 재료가 없어 종래 널리 사용되고 있는 생석회를 사용하는 대신에 본 발명의 강화제를 사용할 경우, 형성되는 토사 고화체는 생석회를 사용하여 형성되는 고화체와 유사한 강도를 발현할 수 있다. 이 정도의 강도를 발현할 수 있으므로, 본 발명의 토사 고화체는 도로의 기층 및 보조기층재, 하천제방공사, 공항활주로, 토사댐이나 연약지반의 개량 등의 목적으로 활용 가능할 것으로 여겨진다.

<시험예 2>

아래 실시예 13∼15에서 사용되는 폐콘크리트의 기본적인 물성을 하기 표 6의 방법에 따라 시험하여 측정하고, 그 결과를 하기 표 7에 나타내었다. 대표시료는 각 시험을 위하여 실험실에 반입된 폐콘크리트를 4분법 하여 추출하였다.

기본 물성	시험방법
함수량	KS F 2306
비중	KS F 2308
체분석	KS F 2309

시료	함수량(Wn) (단위: %)	비중(Gs) (단위: ton/㎥)	#200번 체통과량 (단위: %)
폐콘크리트	13.4	2.98	2.07

<실시예 13 내지 15> 공시체 제작

화강풍화토 대신 시험에 2에서 추출된 폐콘크리트를 하기 표 8의 조성을 갖도록 사용한다는 점만을 달리하고는 실시예 4∼12에서와 동일한 방법으로 실시예 13∼15의 공시체를 제작하였다.

성분 (단위: 중량부)		실시예
		13	14	15
안정강화제	제조예 1	3	-	-
	제조예 2	-	3	-
	제조예 3	-	-	3
시멘트	포틀랜드 시멘트	5	10	15
산업폐기물	폐콘크리트	100	100	100

<시험예 3>

실시예 13∼15에서 제조된 공시체 각각을 7일 및 28일 양생 후 시험예 1의 방법에 따라 일축압축강도를 측정하였다. 그 결과를 하기 표 9에 나타내었다.

구분	일축압축강도 (단위: kgf/㎠)
	7일 양생	28일 양생
실시예 13	44	47
실시예 14	48	53
실시예 15	53	65

상기 표 9에서 알 수 있는 바와 같이, 실시예 13∼15는 시멘트를 폐콘크리트 100중량부에 대하여 5중량부의 양으로 소량 첨가하더라도 28일 양생시 최소 40kgf/㎠ 이상의 일축압축강도를 갖는 것으로 나타났다. 실시예 1∼12의 토사 고화체와 더불어 이 폐콘크리트 고화체는 다양한 건설사업에 석재 대용으로 활용하기에 적합한 강도를 갖는다.

<시험예 4> 포장도로의 소성변형량

쇄석을 이용한 일반 아스팔트 콘크리트 포장공법과, 이러한 기존 포장공법에서 쇄석 대신 토사 100중량부에 대하여 시멘트 15중량부와 본 발명의 안정강화제 5중량부를 혼합하여 형성되는 토사 고화체를 사용하는 본 포장공법에 따라 시험포장을 하였다. 시험포장 장소는 경북 포항시 철강공업관리공단앞 시험포장구간으로, 하절기의 높은 기온 및 철강수송을 위한 대형차량의 잦은 운행으로 인한 도로의 소성변형 발생량이 매우 큰 지역이다. 한편, 시공은 2004년 7월 22일에 하여 23일에 도로폭 3.5m이고 길이 50m인 구간의 아스팔트 콘크리트 공법 시공과 도로폭 3.5m이고 50m인 구간의 본 포장공법 시공을 각각 완공한 후, 차량운행을 개방하였다. 이후, 서울시립대학교 지반공학 연구소에 의뢰하여 동년 10월 7일에 통상의 방법에 따라 균열 및 소성변형에 대한 추적조사를 실시하였다.

조사 결과, 기존 아스팔트 콘크리트 공법 및 본 공법으로 시공한 구간 모두에서 균열은 발생하지 않았다. 한편, 하기 표 10에서 알 수 있는 바와 같이, 소성변형 발생량은 기존 공법으로 시공한 구간에서는 최대 33.2㎜이었으나, 본 공법으로 시공한 구간에서는 최대 3.2㎜에 불과하였다.

측정 거리 (단위: m)	소성변형량(㎜)
	기존 포장공법		본 포장공법
	내측차륜부	외측차륜부	내측차륜부	외측차륜부
0	-	-	1.9	1.8
10	22.4	33.2	2.1	0.5
20	20.5	19.6	0.95	0.7
30	18.7	24.6	3.2	2.2
40	20.9	18.0	3.1	1.7
50	23.5	17.9	1.1	1.6

상기 표 10으로부터 본 발명의 토사 또는 폐콘크리트 고화체는 도로포장 기층, 보조기층, 선택층 등에 적용하여 사용하기에 적합함을 확인할 수 있다.

다짐도, 양생기간 및 시멘트와 안정강화제의 양을 조절함으로써 다양한 강도를 갖는 토사 또는 폐콘크리트 고화체를 제조할 수 있다. 이로 인해, 본 발명에 따라 형성되는 토사 또는 폐콘크리트 고화체는 다양한 분야에 적용가능하다.

한편, 본 발명의 실시예로서 토사 단일물 또는 폐콘크리트만을 사용하여 공시체를 제조하였으나, 본 발명의 제조방법 및 이러한 제조방법에 의해 제조된 토사 고화체 또는 산업폐기물 고화체는 이들 예에만 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니며, 토사 혼합물 및 슬래그, 분슬래그, 슬러지 등을 포함하는 다양한 산업폐기물을 사용한 것에도 적용가능하다.

본 발명의 토사 또는 폐콘크리트 고화체는 토사 또는 폐콘크리트, 시멘트 및 안정강화제 각각을 통상의 장치를 사용하여 계량 및 이송한 후, 이들을 혼합함으로써 생산될 수 있다. 혼합시 자동혼합 플랜트((예를 들어, Portable Stability Soil Base Mixing Plant; HuEn E&C Co., Ltd., 한국 소재)를 사용할 경우, 자동화된 설비로 재료가 계량되고 혼합되므로 배합이 균일하며, 함수비 관리가 용이하여 품질관리가 더욱 우수하며, 작업 효율이 향상되고 시공이 간편하여 공사 기간이 단축될 수 있다. 공사의 규모, 성격, 지형학적 위치 및 경제성 등을 고려하여 용량을 결정하며 일반적인 토목 공사에서는 분당 3.0∼5.0㎥을 생산할 수 있는 장비를 사용한다.

이하, 구체적으로 본 발명의 안정화 방법에 의해 제조된 토사 또는 폐콘크리트 고화체를 양생한 후 적용할 수 있는 분야를 예를 들어 설명한다.

(1) 도로 및 공항분야

기존 아스팔트 및 콘크리트 포장공법에서는 쇄석 등의 입상재료가 사용되어 왔는데, 이러한 쇄석 등은 석재와 같은 문제점을 갖는다. 이를 대신하여 본 발명의 토사 또는 폐콘크리트 고화체를 도로 기층 및 보조기층재, 활주로 및 항공기 이송로의 기층 등으로 사용할 경우 공사비를 절감할 수 있으며 자연환경 보전에 기여할 수 있다. 예를 들어, 시멘트 5중량부와 안정강화제 3중량부를 첨가하여 제조된 토사 또는 폐콘크리트 고화체를 기층재로 사용하고, 시멘트 3중량부와 강화제 3중량부를 첨가하여 제조된 토사 또는 폐콘크리트 고화체를 보조기층재로 사용할 수 있다. 도로 및 공항분야에서 본 발명의 방법에 따라 제조된 토사 또는 폐콘크리트 고화체는 조기 강도 발현이 우수하고, 차수성 및 강도증대로 침투수에 의한 팽창 및 변형의 영향이 적으며, 동결 등 기상 조건에 강하고, 수축 균열 발생이 적으며, 환경적으로 안정하며 다루기가 용이하다는 장점을 갖는다. 또한, 기존의 아스콘포장이나 시멘트 포장에 비하여 중금속의 용출이 현저하게 적고 바닷물에 수침하여 실험한 결과 패류가 달라붙어 서식할 정도로 환경 친화적이다. 본 공법은 안정강화제와 토사 또는 폐콘크리트 및 시멘트가 화학반응을 시작하여 약 3시간 이후에는 인체에 유해한 독성 물질이 현저하게 줄어드는 것으로 판단된다.

(2) 수자원개발 분야

대부분의 하천제방 축조공법에서는 일반토사를 사용하므로 수류의 압력에 의한 세굴 작용으로 내구성과 안전성이 결여되어 제방의 붕괴로 인한 수해 및 질병 확산의 원인이 되고 있다. 이를 대신하여 본 발명의 토사 또는 폐콘크리트 고화체를 하천제방의 축조와 보수, 댐 축조 등에 재료로서 사용할 경우 공사비를 절감할 수 있으며 자연환경 보전에 기여할 수 있다. 수자원개발 분야에서 토사 또는 폐콘크리트 고화체는 조기 강도 발현이 우수하고, 차수성 및 강도증대로 수류에 의한 팽창 및 변형의 영향이 적으며, 동결 등 기상 조건에 강하고, 수축 균열 발생이 적으며, 환경적으로 안정하며 다루기가 용이하다는 장점을 갖는다. 특히, 토사댐 축조시 과거 심벽을 수밀성이 있는 진흙을 쓰던 것을 대체할 수 있으므로 진흙을 구하기 위하여 환경을 저해하던 것을 예방할 수 있다.

(3) 토질 및 기초 분야

본 발명의 토사 또는 폐콘크리트 고화체를 연약지반 개량공법 등에 재료로서 사용할 경우, 공사비를 절감할 수 있으며 자연환경 보전에 기여할 수 있다. 토질 및 기초 분야에서 토사 또는 폐콘크리트 고화체는 조기 강도 발현이 우수하고, 차수성 및 강도증대로 해수에 의한 팽창 및 변형의 영향이 적으며, 동결 등 기상 조건에 강하고, 수축 균열 발생이 적으며, 환경적으로 안정하며 다루기가 용이하며, 표층의 고화만으로도 필요한 조기 강도를 얻을 수 있다는 장점을 갖는다.

본 발명에 따른 토사 또는 폐콘크리트 고화체는 앞서 설명한 분야를 포함하여 토목 및 건축시공 분야라면 제한됨이 없이 사용될 수 있다.

이상으로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 안정화 방법에 따르면 강도, 내구성 및 차수성이 강화되며 경화 속도가 단축된 토사 또는 폐콘크리트 고화체를 제조할 수 있다. 이러한 토사 또는 폐콘크리트 고화체는 석재 대용으로 건축자재, 토목공사자재 등으로 사용할 수 있으며, 공사현장에서 손쉽게 재료원을 확보할 수 있어 공사비를 절감할 수 있고, 자연환경 보전에도 기여할 수 있다.

Claims (10)

1. 안정강화제를 사용하여 토사 및 폐콘크리트를 안정화시키는 방법에 있어서,

   토사 또는 폐콘크리트 100중량부에 대하여 시멘트 3∼20중량부 및 안정강화제 3∼10중량부를 혼합하여 안정화하며,

   상기 강화제는 강화제 총 중량에 대하여 리그닌 1.4∼2.4중량%, 탄산나트륨 0.1∼0.3중량%, 로진 0.5∼0.9중량%, 수산화나트륨 0.1∼0.3중량%, 양이온계 유화제 0.6∼1.2중량%, 비이온 계면활성제 0.9∼1.6중량%, 올레인산 0.5∼1.0중량%, 양이온 계면활성제 및 양쪽성 계면활성제로 이루어지는 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 계면활성제 0.1∼0.3중량%, 벤토나이트 0.07∼0.13중량%, 물 26∼44중량% 및 잔량으로서 유화아스팔트를 함유하는 것임을 특징으로 하는 토사 및 폐콘크리트의 안정화 방법.
2. 제1항에서, 상기 시멘트는 3∼15중량부의 양으로 함유되는 것임을 특징으로 하는 토사 및 폐콘크리트의 안정화 방법.
3. 제1항에서, 상기 안정강화제는 3∼5중량부의 양으로 함유되는 것임을 특징으로 하는 토사 및 폐콘크리트의 안정화 방법.
4. 제1항에서, 상기 혼합과정은 자동혼합 플랜트를 사용하여 실시됨을 특징으로 하는 토사 및 폐콘크리트의 안정화 방법.
5. 제1항의 방법에 의해 안정화된 토사 고화체.
6. 제5항에서, 압축강도가 40∼120kgf/㎠임을 특징으로 하는 토사 고화체.
7. 제6항에서, 도로 기층재, 보조기층재, 하천제방 및 댐의 심벽축조재 및 연약지반 개량재로 사용됨을 특징으로 하는 토사 고화체.
8. 제1항의 방법에 의해 안정화된 폐콘크리트 고화체.
9. 제8항에서, 압축강도가 40∼120kgf/㎠임을 특징으로 하는 폐콘크리트 고화체.
10. 제9항에서, 도로 기층재, 보조기층재, 하천제방 및 댐의 심벽축조재 및 연약지반 개량재로 사용됨을 특징으로 하는 폐콘크리트 고화체.