KR100684185B1 - 가소상 그라우트 주입재 - Google Patents

Abstract

본 발명은 배면상 공극 또는 공동을 충전하기 위하여 사용되는 가소상 그라우트 주입재에 관한 것으로서, 구조물과 지반의 배면에 발생하는 공극 또는 공동 등을 충전하는 작업에 있어서 상기 작업에 적합하게 점도유지시간 범위를 조절할 수 있을 뿐만 아니라, 빠른 조강특성을 가지며 내구성 또한 우수한 가소상 그라우트로서, 실리카 콜로이드, 시멘트, 고흡수성 고분자 및 칼슘설포알루미네이트계(CSA) 급결제가 조합된 가소상 그라우트를 제공하는 것이다.

배면주입, 공동충전, 가소상 그라우트

Description

가소상 그라우트 주입재{THIXOTROPICAL GROUT}

도1은 가소성 그라우트재의 점도변화를 관찰하기 위해 사용되는 디지탈 진동형 점도계인 일본 AND사 모델 SV-10이고,

도2는 실시예1의 가소상 그라우트재의 시간경과에 따른 점도변화를 나타내는 그래프이고,

도3은 실시예2의 가소상 그라우트재의 시간경과에 따른 점도변화를 나타내는 그래프이고,

도4는 비교예1의 가소상 그라우트재의 시간경과에 따른 점도변화를 나타내는 그래프이고,

도5는 규산계 가소상 그라우트재의 시간경과에 따른 점도변화를 나타내는 그래프이고,

도6은 실시예 1 및 비교예1의 그라우트 겔을 180일간 수침한 결과를 나타내는 사진이다.

본 발명은 배면상 공극 또는 공동을 충전하기 위하여 사용되는 것으로서, 실리카 콜로이드, 시멘트, 고흡수성 고분자 및 칼슘설포알루미네이트계(CSA) 급결제를 포함하는 가소상 그라우트 주입재에 관한 것이다.

터널굴착 또는 지하굴착 등과 같은 토목공사를 진행하는 과정에서 토목 구조물과 지반의 경계면에 공동이 발생하거나, 지반 내에 큰 간극 또는 여굴 등이 발생하는 경우가 있다. 이런 경우 지하수 유출, 토사의 유실 및 지반변형에 의한 붕괴 등이 발생할 우려가 높다. 특히 최근 증가추세에 있는 쉴드터널에 있어서는 굴진시 필연적으로 세그먼트와 배면지반 사이에 공극이 발생하기 때문에 이를 충전할 필요가 있다.

상기와 같은 문제를 예방하기 위하여 배면상 공극 또는 공동에 단순한 일액성 시멘트 밀크나 규산계의 그라우트를 주입하여 충전하는 방법이 사용되어왔다. 그러나 상기와 같이 단순한 일액성의 시멘트 밀크 지반주입재 등은 주입후 완전히 경화되기 전에 일정 수준 이상의 점도와 강도를 유지하지 못할 뿐만 아니라 지하수에 의하여 쉽게 희석, 유실된다는 문제가 있었다.

근래에 들어서는 주입효과 및 품질을 향상시키기 위하여 가소상 그라우트가 지반주입재로서 사용되기 시작하였다. 이러한 가소상(可塑狀) 그라우트는 일반적인 시멘트계 주입재 등과는 달리, 공동 등에 주입할 때에는 점도가 낮아 유동성을 갖지만, 일정한 시간이 경과하면 일정수준으로 점도가 점진적으로 상승하기 때문에, 점도가 상승하는 일정시간 동안 요변특성(가소성)을 갖게된다. 따라서, 가압에 의해 미세한 공간까지 충전할 수 있을 뿐만 아니라, 일정시간 경과하여 점도가 상승한 후에는 일정 수준이상의 강도를 발현하기 때문에 공동 등에 충전한 후에도 지하 수에 의해 쉽게 유실되지 않는 성질을 갖고 있었다. 상기와 같은 가소상 그라우트 재료로는 시멘트 밀크에 벤토나이트 및 규산소다를 조합하는 방법이 공지되어 있다. 이는 L.W.와 같은 통상의 지반주입방법에 사용되는 지반주입재의 일종이다. 그러나 시멘트 밀크에, 벤토나이트, 규산소다를 조합한 주입재의 경우 규산소다의 사용에서 비롯되는 알칼리 용탈에 의하여 시간경과에 따라 내구성이 저하된다는 문제점이 있었다.

다른 가소상 그라우트 재료로서 시멘트 밀크에 알루미늄 염계 또는 점토광물계 급결제를 조합하는 것이 알려져 있고, 대한민국공개특허 제2001-0090686호에는 시멘트 밀크와 염기성 황산알루미나 용액을 조합한 가소상 그라우트에 관하여 기재되어 있다. 그러나, 시멘트밀크에 염기성 황산 알루미나 용액을 조합하면 가소상 유지시간, 점도특징 및 조기강도 발현 등의 측면에 있어서 전체적으로 당업계에서 요구되는 수준에 이르지 못하여 그 활용이 제한된다는 문제점이 있었다.

또한, 대한민국등록특허 제10-0402456호에는, 공동충전 또는 배면주입 등의 목적이 아닌 지반보강 및 차수를 목적으로 하여, 지반에 대한 침투성이 양호한 가소상의 특성을 나타내는 지반고결재로 중성실리카졸(실리카 콜로이드)을 이용하는 방법이 기재되어 있다. 그러나, 상기 중성실리카졸은 비표면적 4,000cm²/g 이상의 미립자 시멘트 및 미립자 슬래그와 조합되고 점도시간 조정제로 중탄산나트륨을 사용한 것이기 때문에, 최종강도 및 내구성 등에서는 우수하지만 점도증가 시간이 길고 조기강도가 낮다. 따라서, 지반에 침투되어 흙과 일체화되는 지반고결재로는 적 합하지만, 실드터널의 라이닝 배면주입재, 공동 충전재 등으로 직접 적용하기에는 적합하지 않다는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여, 가소성을 유지할 수 있는 시간을 원활히 조절할 수 있고, 조강성이 우수할 뿐만 아니라, 내구성 및 장기안정성 등의 특성이 우수하기 때문에 배면주입 및 공동충전에 적합한 가소상 그라우트 주입재를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 의한 가소상 그라우트 주입재는, 그라우트 주입재 1m³당 실리카 콜로이드 100~200kg, 시멘트 200~400kg, 고흡수성 고분자수지 0.5~2.0kg 및 칼슘설포알루미네이트계 급결제 5~20kg을 조합하고 나머지 성분으로 물을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 주입재에 있어서, 실리카 콜로이드는 본 발명의 그라우트 주입재의 초기 겔화를 유도할 뿐만 아니라 최종 상태인 겔의 장기 강도 및 내구성을 발현하게 한다. 상기 실리카 콜로이드는 당업계에서 가소상 그라우트재 제조에 사용되는 것으로 알려진 것들이라면 그 종류에 제한 없이 사용할 수 있으며, 본 발명자들에 의해 발명된 대한민국 공개특허공보 제10-2004-0100603호의 방법에 의해 제조되는 실리카 콜로이드로서, 고흡수성 수지인 폴리(아크릴레이트-아크릴아미드)가교 공중합체를 실리카졸 수용액과 접촉시킨 후에, 실리카졸 수용액으로부터 물을 흡수 한 고흡수성 수지를 실리카졸 용액으로부터 분리시킨 다음, 대기중에 노출시켜 온도를 상승시킴으로써 물을 방출시키는 조작을 1회 이상 반복함으로써 실리카졸 요액으로부터 물을 제거하는 농축방법에 의하여 제조된 실리카 콜로이드를 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명에 사용되는 상기 실리카 콜로이드 입자의 평균입경은 10nm 이상인 것이 바람직하고, 30~40nm인 것이 더욱 바람직하다. 상기 실리카 콜로이드 입자의 평균입경이 10nm에 미치지 못하면 시멘트와의 결합력이 약해져 최종강도가 낮아지기 때문에 바람직하지 않다. 상기 실리카 콜로이드의 함량은 가소상 그라우트 주입재 1m³당 100~200kg인 것이 바람직하다. 실리카 콜로이드의 함량이 100kg에 미치지 못하면 전체적인 고형분의 농도가 낮아지기 때문에 최종강도가 낮아져서 바람직하지 않고, 200kg을 넘어서면 작업시에 점도가 상승하여 작업에 어려움이 발생할 뿐만 아니라 경제적이지 못하기 때문에 바람직하지 않다.

본 발명의 주입재에 있어서, 상기 시멘트는 본 발명의 그라우트 주입재의 기본 모체가 되는 성분이다. 본 발명에 있어서 상기 시멘트로는 당업계에서 가소상 그라우트재 제조에 사용되는 것으로 알려진 것들이라면 그 종류에 제한 없이 사용할 수 있고, 일반적인 포틀랜드 시멘트, 슬래그 시멘트 및 마이크로 시멘트 등을 모두 사용할 수 있으며, 특히 포틀랜드 시멘트를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 시멘트의 함량은 가소상 그라우트 주입재 1m³당 200~400kg인 것이 바람직하다. 시멘트의 함량이 200kg에 미치지 못하면 최종강도가 낮아지기 때문에 바람직하지 않고, 400kg을 넘어서면 가소상 유지시간이 단축될 뿐만 아니라 경제적이지 못하여 바람직하지 않다.

본 발명의 주입재에 있어서, 상기 고흡수성 고분자 수지는 물에 용해되지 않고, 재료 자체가 물을 빨아들이는 것이므로 흡수량이 탈지면이나 무명천 같은 것보다 훨씬 많아서 자기 중량의 수십~수백배의 물을 흡수하여 보유하는 능력을 갖는 것이다. 뿐만 아니라, 웬만큼 압력을 가해도 물을 방출하지 않는 특성을 갖는다. 이 수지는 고분자전해질에 교량(橋梁)이나 불용부(不溶部)를 도입한 고분자로서, 전분(감자녹말)이나 셀룰로오스에 아크릴로니트릴을 그래프트혼성중합(混成重合)시킨 것, 아크릴산과 비닐알코올의 블록혼성중합체 등이 분말 형태로나 섬유 모양으로 사용될 수 있다. 본 발명에 사용되는 고흡수성 고분자수지는 순수(純水)와 같은 통상의 조건에서는 자기중량보다 많은 물을 흡수 및 보수할 수 있는 능력을 지 니고 있지만, 이를 시멘트 밀크 현탁액에 첨가할 경우에 시멘트 밀크중에 다량 용해되어 있는 시멘트 이온성분에 의해 흡수능력은 현저히 저하된다. 이에 따라 시멘트 밀크액에 본 발명에 사용되는 고흡수성 고분자수지를 첨가할 경우에도 약간의 점도상승만 나타날뿐 배합사용에 아무런 문제가 나타나지 않는다. 그러나, 상기 고흡수성 고분자 수지 분말이 포함된 시멘트 밀크가 본 발명에 사용되는 실리카 콜로이드 용액과 더해지면 시멘트 성분과 실리카 콜로이드 용액과의 반응에 의해 시멘트 이온성분이 고정되면서 혼합액중의 이온농도는 낮아지게 된다. 이에따라 고흡수성 고분자 수지는 흡수력이 회복되어 다량의 물을 흡수하기 시작한다. 이에 따라 혼합액의 점도를 점진적으로 상승하게 된다. 따라서, 본 발명의 가소상 그라우트 주입재에 고흡수성 고분자수지를 첨가하지 않는 경우에는 시멘트와 실리카 콜로이드와의 반응에 의해 경화되어 가는 과정에서의 점도 상승만 나타나므로 그 점도상승시간이 상대적으로 지연된다. 결과적으로 고흡수성 고분자 수지의 첨가 유무에 따라 배합액의 점도 상승시간이 확연히 달라지는 특징을 지닌다. 아울러, 고흡수성 고분자수지의 이러한 흡수능력은 배합재중의 물의 함유비율을 낮추는 역할을 하기 때문에 그라우트가 겔화된 후 고결체의 조강성 발현에 기여한다.

본 발명에 사용되는 고흡수성 고분자수지로는 흡수능력이 자기 중량의 250배 이상인 것이 바람직하고, 아크릴계 고흡수성 수지, 예컨대 폴리(아크릴레이트-아미드)가교 공중합체가 더욱 바람직하다. 고흡수성 수지의 흡수능력이 자기 중량의 250배에 미치지 못하면 본 발명이 목적으로 하는 효과를 얻을 수 없어 바람직하지 않다. 상기 고흡수성 고분자 수지의 함량은 가소상 그라우트 주입재 1m³당 0.5~2.0kg인 것이 바람직하다. 고흡수성 고분자수지의 함량이 0.5kg에 미치지 못하면 첨가에 따른 효과가 미약하여 본 발명이 목적으로 하는 효과를 얻을 수 없기 때문에 바람직하지 않고, 2.0kg을 넘어서 사용되면 가소성 유지시간이 단축되어 최종 경화제가 수중에서 팽창, 파괴되는 현상이 나타나기 때문에 바람직하지 않다.

상기 주입재를 물과 배합하면, 배합후부터 점도가 증가하여 5분이내에 가소상태를 나타내기 시작하여 10~60분 동안 가소상태를 유지하다가, 이후에는 비유동성의 겔을 형성한다.

본 발명의 가소상 그라우트 주입재에는 주입재의 가소성 및 조강성을 향상시 키기 위하여 칼슘설포알루미네이트계 급결제(CSA)를 첨가할 수 있다. CSA를 시멘트물과 혼합하면 수화에 의하여 경화되기 시작하면서부터 시멘트 경화제의 미세한 공극에 에트링자이트(Ettringite, 3Cao·Al₂O₃·Sio₂) 또는 수산화칼슘 등의 결정이 생성, 발달된다. 수화반응에 의해 생성되는 에트링자이트는 수마이크로의 매우 작은 결정으로 시멘트 페이스트의 경화과정에서 콜로이드상으로 겔간의 미세한 공극에 밤송이 모양으로 발포되어 경화에 따른 수축과 건조수축이 감소하고, 공극들을 충전시킴으로써 조직을 치밀하게 하여 강도를 증진시킨다. 본 발명의 그라우트 주입재에 사용되는 상기 칼슘설포네이트계 급결제의 함량은 가소상 그라우트 주입재 1m³당 5~20kg인 것이 바람직하다. 칼슘설포네이트계 급결제의 함량이 상기 범위를 초과할 경우 가소성 시간이 단축될 뿐만 아니라 조강효과도 크지 않기 때문에 바람직하지 않다.

본 발명의 그라우트 주입재는 그 점도 유지시간 범위를 조절할 수 있기 때문에 하기와 같이 일액성 및 이액성 방식에 의하여 시공할 수 있다.

(1) 일액성 방식

믹서 등의 조합용기에, 실리카 콜로이드, 시멘트, 고흡수성 고분자수지 및 칼슘설포알루미네이트계 급결제를 조합한 것에 물 또는 필요에 따라서 골재, 첨가제를 첨가하여 한번에 조합하고 1대의 주입 펌프로 압송하여, 목적하는 공동 등에 주입하는 방법으로 수행한다.

(2) 이액성 방식

실리카 콜로이드 및 필요에 따라 골재나 첨가제를 첨가한 현탁액을 A액이라고 하고, 시멘트, 고흡수성 고분자수지 및 칼슘설포알루미네이트계 급결제를 조합한 것을 B액이라고 하여, 각각 별개의 주입 펌프로 압송한 다음, 주입구 부근에서 A, B액을 합류 혼합한 그라우트 주입재를 목적하는 공동 등에 주입하는 방법으로 수행한다.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.

고흡수성 고분자 수지의 제조

소듐아크릴레이트 단량체(CH₂=CHCOONa)와 아크릴아미드 단량체(CH₂=CHCONH₂)를 1:1의 몰비로 혼합한 단량체 혼합물을 순수한 물에 용해시켜 20중량% 농도의 수용액으로 제조한 후, 여기에 가교제로서 N,N'-메틸렌비스아크릴아미드 2.0중량%를 첨가하여 용해시켰다. 이렇게 제조된 수용액 100중량부에 대해 실온에서 1.0중량부의 트리에탄올아민을 우선 가하고, 곧바로 이어서 1.3중량부의 소듐퍼설페이트를 가하여 중합반응을 개시하였다. 반응이 시작되어 발열이 일어나기 시작하였으며, 30분 경과후 반응이 완결되어 발열이 중지되고 고형화되었다. 이를 3시간 방치시켜 숙성후에 과량의 50% 메탄올 수용액을 상기 생성된 고형겔에 더한 후 고속 분쇄믹서로 분쇄하고, 여과포를 통과시켜 과량의 물과 기타 가용불순물을 제거하였다. 이 렇게 하여 얻어지는 케이크상태의 겔을 80℃의 진공건조기에서 24시간 동안 건조시켜 완전히 수분을 제거하고, 질소가스로 충전한 볼밀내에서 분쇄하여 분말상의 수지 형태의 고흡수성 고분자 화합물을 제조하였다.

실리카 콜로이드 용액의 제조

실리카 농도 4중량%, pH 10.3, 평균입자경 12nm의 알칼리성 실리카졸 100리터에 상기에서 제조된 고흡수성 고분자 수지 3Kg(건조중량)을 투입한 후 실온(25℃)에서 30분간 방치하고 난 후 압착식 여과방법을 사용하여 고흡수성 고분자 수지를 분리하여 실리카졸을 농축하므로써 실리카 콜로이드 용액을 제조하였다.

[그라우트 주입재의 준비]

하기 표1에 기재된 바와 같이 그라우트 주입재의 구성 성분들을 A액 및 B액으로 구분하여 준비한 다음, 각각의 A액 및 B액을 혼합하여 1m³의 그라우트 주입재를 제조하였다.

[표1. 가소상 그라우트 주입재의 배합]

구분	A액	B액
	실리카 콜로이드용액	시멘트1)	고흡수성 고분자 수지	CSA2)	물
실시예1	150kg	300kg	1kg	10kg	750L
실시예2	150kg	300kg	0.5kg	10kg	750L
비교예1	150kg	300kg	-	10kg	750L
비교예2	150kg	300kg	1kg	-	755L

*1)시멘트:포틀랜트 시멘트

*2)CSA:일본 Denka사의 DENKA CSA#20(칼슘설포알루미네이트를 성분으로 하는 무수축 혼화제)

[실험예1:가소성 측정]

실시예1, 실시예2 및 비교예1의 가소상 그라우트 주입재를 혼합한 후부터 시간경과에 따른 점도변화를 관찰하기 위하여 도1의 진동형 점도계(일본 AND사 모델 SV-10)를 이용하여 시간대별 점도를 연속적으로 측정하였다. 그 결과는 도2, 3 및 4에 각각 나타내었다. 또한, 기존의 규산계 가소상 그라우트 주입재의 시간대별 점도 그래프도 비교하기 위해서 도5에 나타내었다. 도2~5에서 x축은 시간, 왼쪽 y축은 점도를, 오른쪽 y축은 온도를 표시하며, 그래프 곡선중 아래의 곡선은 배합액의 시간경과에 따른 점도변화를 윗 곡선은 배합액의 온도변화를 표시한다.

도2에 나타난 바와 같이 고흡수성 고분자 수지의 첨가량이 제일 많은 실시예1의 경우에 가소성 유지시간이 약40분 정도로 당업계에 적용하기에 적합한 수준임을 알 수 있었다. 또한, 도3에 나타난 바와 같이 실시예1에 비하여 고흡수성 고분자 수지의 첨가량이 절반인 실시예2의 경우에는 가소성 유지시간이 다소 지연됨을 알 수 있었다. 그러나, 고흡수성 고분자 수지가 전혀 첨가되지 않은 비교예1의 경우 도4에 나타난 바와 같이 가소성 유지시간이 과다하게 지연됨을 알 수 있었다.

도2 및 도3의 경우에는 점도 1,200~1,300cp의 영역에서 상승곡선이 꺽여 하강하였다가 다시 올라가는 것을 볼 수 있는데, 이는 이 영역에서 이미 전체적으로 겔화가 시작되어 점도가 급격히 상승하였음에도 점도계의 진동센서 부분에서는 진동에 의해 겔이 소성파괴되어 배출된 현탁수를 감지한 점도를 측정하였기 때문인 것으로, 이는 육안관찰과 촉감을 통해 확인되었다. 따라서 실질적으로는 곡선이 꺽인 변곡점에서 오히려 가소성을 잃고 비가소성의 겔로 변화되는 점인 것을 확인할 수 있었다. 또한, 상기 실험예1의 실험결과를 통하여 고흡수성 고분자 수지를 적정량 첨가한다면 가소성 유지시간을 조절하는데 매우 유리하다는 것을 알 수 있었다.

반면에, 도5의 기존에 사용되고 있는 규산계 가소상 그라우트재의 경우 도4의 비교예1 보다는 가소성 점도가 전체적으로 높았으나, 그 유지시간은 비슷한 수준으로 지연되고 있음을 알 수 있었으며, 이에 따라 현재 사용되고 있는 규산소다계 가소상 그라우트재의 경우는 지하수가 많을 경우 유실가능성이 다소 있음을 확인할 수 있었다.

[실험예2:일축압축강도의 측정]

실시예1 및 비교예2의 가소상 그라우트 주입재에 대하여, 각각의 구성요소를 혼합한 후부터 1일, 7일 및 28일에 걸쳐 일축압축강도를 측정하여 표2에 나타내었다.

표2에 나타낸 바와 같이 실시예1의 가소상 그라우트 주입재는 전반적으로 배면충전용이나 공동채움용의 목적에 적합한 수준의 압축강도를 가지는 것을 알 수 있었다. 예상할 수 있는 바와 같이 시멘트의 배합량이 늘어남에 따라 최종강도는 증대되는 경향을 나타내었다.

한편, CSA를 포함하고 있는 실시예1과 그렇지 않은 비교예2를 비교하면, 조기강도에 있어서 CSA를 포함하는 배합의 초기강도가 상대적으로 높아지는 것을 확 인할 수 있었다. 따라서 본 발명의 가소상 그라우트 주입재에 있어서 조강성의 발현을 위해서 CSA제를 적정량 사용하는 것이 바람직한 것을 확인하였다.

[표2:일축압축강도]

구분	일축압축강도(kg/cm2)
	1일	7일	28일
실시예1	6.2	10.3	18.6
비교예2	4.5	8.5	16.9

[실험예 3:내구성 실험]

겔상태가 된 실시예1의 가소상 그라우트 주입재 및 기존의 규산계 가소상 그라우트 주입재인 비교예1 각각을 180일간 정수중에 방치하면서, 방치 전후의 일축압축강도를 측정하고, 또 공시체의 외관을 비교 관찰하여, 그 결과를 표3 및 도6에 나타내었다.

[표3:180일간 수침 전후에 다른 일축압축강도]

구분	일축압축강도(kg/cm2)
	방치전	방치후
실시예1	18.6	18.7
비교예1	19.4	18.1

표3에 나타낸 바와 같이 실시예1의 가소상 그라우트 주입재의 겔은 180일간의 수침시 강도열화가 나타나지 않은 반면, 기존의 규산계 가소상 그라우트 겔의 경우에는 약 6~7% 정도의 강도열화가 발생됨을 확인하였다. 이러한 사실은 도 3에서 볼 수 있듯이 육안관찰을 통해서도 쉽게 확인할 수 있었다.

본 발명은 배면상 공극 또는 공동을 충전하기 위한 충전재로서 가소성 유지 시간을 원활히 조절할 수 있고, 가소상 그라우트의 조강성을 유도할 수 있으며, 내구성 및 장기 안정성에 있어서도 유리한 가소상 그라우트 주입재를 제공한다.

Claims (4)

1. 그라우트 주입재 1m³당 실리카 콜로이드 100~200kg, 시멘트 200~400kg, 고흡수성 고분자수지로서 흡수능력이 자기중량의 250배 이상인 폴리(아크릴레이트-아미드)가교 공중합체 0.5~2.0kg 및 칼슘설포알루미네이트계 급결제 5~20kg과, 나머지 성분으로서 물을 포함하는 것을 특징으로 하는 가소상 그라우트 주입재.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 실리카 콜로이드의 평균입경이 10nm이상인 것을 특징으로 하는 가소상 그라우트 주입재.
3. 삭제
4. 삭제

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