KR100804807B1

KR100804807B1 - 친환경 지반 주입용 조성물 및 이의 주입공법

Info

Publication number: KR100804807B1
Application number: KR1020070087811A
Authority: KR
Inventors: 김용식; 정춘학; 이영진
Original assignee: 케이에스씨 엔지니어링 주식회사; 김용식; 정춘학; 이영진; 주식회사 도화종합기술공사; 주식회사 한국종합기술
Priority date: 2007-08-30
Filing date: 2007-08-30
Publication date: 2008-02-20

Abstract

본 발명은 친환경 지반 주입용 조성물 및 이의 주입공법에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로 Al₂O₃, K₂O 및 SO₃로 구성된 알루나이트를 600∼700℃로 열처리하여, 분말도가 4,500∼5,500㎠/g인 급결 성분 35∼65wt%, 칼슘설포알루미네이트 분말 15∼30wt%, 무수석고 5∼15wt%, 반수석고 5∼15wt%, 황토분말 5∼15wt%, 반응 조절제(RC) 3∼10wt%, 계면활성제 0.3∼1.0wt%로 구성되어 있는 급결재 조성물(A)과, 시멘트 미분말 50∼70wt% 및 슬래그 미분말 30∼50wt%로 구성되어 있는 마이크로 시멘트 조성물(B)로 구성된 친환경 지반 주입용 조성물 및 이를 4조 교반장치를 이용하여 주입하는 공법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 지반 주입용 조성물은 종래의 제품에 비해 상대적으로 겔타임이 매우 빠르고 안정적이며, 특히 압축강도가 높을 뿐만 아니라 장기적으로도 안정적인 압축강도가 발현되는 등 매우 우수한 효과가 있다. 또한, 본 발명의 주입공법은 상기 조성물을 가장 효율적으로 지반에 주입시킬 수 있다.

알루나이트, 칼슘설포알루미네이트, 황토, 지반, 겔타임, 압축강도

Description

친환경 지반 주입용 조성물 및 이의 주입공법{Environment-friendly composition for injection into a ground and earth natural grouting method thereof}

본 발명은 친환경 지반 주입용 조성물 및 이의 주입공법에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로 기존의 무기질계 지반주입재와 비교하여 겔타임이 매우 빠르고 안정적이며, 특히 압축강도가 높을 뿐만 아니라 장기적으로도 안정적인 압축강도가 발현되는 친환경 지반 주입용 조성물 및 이를 4조 교반장치를 이용하여 주입하는 공법에 관한 것이다.

본 명세서에서 상기 친환경 지반 주입용 조성물은 "E.N.G(Earth Natural Grouting) 조성물"이라고도 하고, 상기 친환경 지반 주입용 조성물의 주입공법은 "E.N.G공법"이라고도 한다.

우리나라에서는 연약 지반의 분포가 많지는 않으나 최근 산업의 발달, 인구증가 및 경제규모의 확장은 종합적인 국토개발을 필요로 하게 되었고 또 삼면이 바다로 둘러싸인 해양국가로서 서·남해안 간척사업, 신공항 개발 등의 국토개발 뿐만 아니라 환경 친화적인 사업으로서 쓰레기 매립, 상·하수 및 종말처리장의 슬 러지 고화처리 등 상대적으로 열악한 지역의 개발에 필요한 토질안정제의 개발은 불가피한 실정이다.

국내에서는 일부 시멘트 회사에서 특수시멘트로서의 토질 안정제 및 고화재를 개발하기도 하였으나 이는 시멘트를 소모하기 위한 방편으로서 수입재료를 모방하는 정도의 특성을 갖는 것으로서 극히 일부에서만 사용이 되고 있으며, 더구나 그 주원료는 대부분이 CSA(Calcium Sulfo Aluninate)계로서 전량 수입에 의한 재료를 사용하고 있다. 일부 건설회사에서는 용도에 따른 토질 안정제를 수입하여 사용하고 있는 실정이다.

한편, 지반주입공법에서 시멘트 현탁액에 혼합되는 종래의 지반주입재용 급결재로서, 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 물 시멘트비에서도 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.

다시 말하면, 현재 지반보강 및 차수를 목적으로 널리 사용되고 있는 물유리계 약액주입은 시공 후 고결체가 서서히 용탈이 되므로 6가 크롬 등의 독성성분이 주변의 환경으로 스며들어서 지하수계 및 지반환경을 오염시키고 있다. 그리고 고결체의 용탈현상으로 인하여 보강벽 및 차수벽이 붕괴되어 그 내구연한이 수개월 정도밖에 유지되지 못하는 등의 단점으로 인하여 단기간의 차수 및 보강목적으로 밖에 사용할 수 없었다. 이에 따라, 지반에 약액주입 시공 후 일정 기간이 경과되면 재시공을 해야하는 등의 문제점이 있었다.

한편, 물유리계 주입재의 용탈현상의 단점을 개선하기 위한 해결책으로서 시멘트계 급결재가 제시되었다.

예를 들어, 특허문헌 1에서는 (1) 시멘트 수용액 중의 수산화칼슘과 반응하여 수화반응물을 생성하는 급경성분; (2) 시멘트의 수화반응을 촉진시키는 급결성분; 및 (3) 급경성분의 자체 겔화를 방지하기 위한 수화지연제;를 포함하는 시멘트 혼화재를 개시하고 있다.

특허문헌 2에서는 칼슘설포알루미네이트, 마이크로시멘트, 반응 촉진제, 응결 지연제, 분산제로 이루어지는 무기질계 지반보강용 급결재 조성물을 개시하고 있다.

특허문헌 3에서는 이산화규소, 산화알루미늄, 산화철, 산화칼슘, SO₃의 조성을 갖고 분말도 4000∼8000㎠/g를 갖는 NDS ES 분말이 용해된 NDS ES 분말 수용액을 상기 시멘트에 대해 추가로 포함하는 환경친화적이고 내구성이 뛰어난 무기질계 지반안정제를 개시하고 있다.

그러나 시멘트계 급결재를 사용하는 주입재의 경우에 급결성을 나타내는 낮은 물 시멘트비에서는 겔의 형성은 용이하나 열을 동반한 순간 강도가 너무 높아 급결성 재료가 지반 속에서 장벽을 형성하여 완결형 침투성 주입에 장애를 초래하는 문제점이 있다. 특히, 높은 물 시멘트비에서는 겔의 형성이 이루어지지 않는 현상을 나타내기도 한다. 경제적 측면에서도, 시멘트계 급결재를 사용하면 급결을 위해서 고가의 급결재를 다량으로 사용하여야 하므로 비용이 증가하는 단점이 있다.

특허문헌 1: 한국 등록특허 제10-0587178호

특허문헌 2: 한국 특허출원 제2005-0053826호

특허문헌 3: 한국 등록특허 제10-427490호

본 발명은 상기와 같이 기존의 물유리를 이용한 약액 주입 공법이 가지고 있는 문제점인 용탈 현상에 의한 차수막 또는 지반보강효과의 상실 및 환경오염의 문제점을 해결하고, 급결재 성분의 침투성 주입에 장애를 감소시킬 뿐만 아니라 경제적이면서 무기질계의 재료가 가지고 있는 특성인 장기적인 안정성이 우수한 점을 활용함으로써 영구적인 차수 및 지반보강 효과를 얻을 수 있는 친환경 지반 주입용 조성물을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 상기 친환경 지반 주입용 조성물을 가장 효율적인 방법으로 지반에 주입하는 공법을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 E.N.G 조성물은 Al₂O₃, K₂O 및 SO₃로 구성된 알루나이트를 600∼700℃로 열처리한 급결 성분 35∼65wt%, 칼슘설포알루미네이트 분말 15∼30wt%, 무수석고 5∼15wt%, 반수석고 5∼15wt%, 황토분말 5∼15wt%, 반응 조절제(RC) 3∼10wt%, 계면활성제 0.3∼1.0wt%로 구성되어 있는 급결재 조성물(A)과, 시멘트 미분말 50∼70wt% 및 슬래그 미분말 30∼50wt%로 구성되어 있는 마이크로 시멘트 조성물(B)로 구성된다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 칼슘설포알루미네이트 분말은 비중이 2.94이고, 분말도는 4,500∼6,000㎠/g인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 상기 반응조절제는 규불화염, 인산염, 시 안산염, 타르타릭산(tartaric acid), 시트릭산(citric acid), 하이드록시 카르복실산(hydroxy carboxylic acid), 아미노카르본산, 탄산리튬, 아민류, 탄산염, 소듐염, 글루콘산염, 및 칼슘염 중에서 2∼3가지를 혼용 사용하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 실시 예에 따르면, 상기 계면활성제는 리그닌계, 나프탈렌계, 멜라민계, 및 카르복실산계 중에서 1종 선택되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 실시 예에 따르면, 상기 급결재 조성물과 마이크로시멘트 조성물의 혼합비는 상기 급결재 조성물 100중량부에 대하여 마이크로시멘트 조성물 80∼120중량부인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 목적을 달성하기 위한 E.N.G 공법은:

급결교반 및 완결교반이 완전 별도의 작업으로 동시에 작업이 진행되는 4조식 교반장치를 제공하는 단계;

상기 4조 교반장치의 제1 교반장치에서 Al₂O₃, K₂O 및 SO₃로 구성된 알루나이트를 600∼700℃로 열처리하여, 분말도가 4,500∼5,500㎠/g인 급결 성분 35∼65wt%, 칼슘설포알루미네이트 분말 15∼30wt%, 무수석고 5∼15wt%, 반수석고 5∼15wt%, 황토분말 5∼15wt%, 반응 조절제(RC) 3∼10wt%, 계면활성제 0.3∼1.0wt%로 구성되어 있는 급결재 조성물(A1)과 물을 혼합시키고, 제2 교반장치에서 시멘트 미분말 50∼70wt% 및 슬래그 미분말 30∼50wt%로 구성되어 있는 마이크로 시멘트 조성물(B1)과 물을 혼합시킨 다음, 상기 두 성분을 혼합시켜 급결재 슬러리를 제공하는 단계;

상기 4조 교반장치의 제3 교반장치에서 Al₂O₃, K₂O 및 SO₃로 구성된 알루나이트를 600∼700℃로 열처리하여, 분말도가 4,500∼5,500㎠/g인 급결 성분 35∼65wt%, 칼슘설포알루미네이트 분말 15∼30wt%, 무수석고 5∼15wt%, 반수석고 5∼15wt%, 황토분말 5∼15wt%, 반응 조절제(RC) 3∼10wt%, 계면활성제 0.3∼1.0wt%로 구성되어 있는 급결재 조성물(A2)과 물을 혼합시키고, 제4 교반장치에서 시멘트 미분말 50∼70wt% 및 슬래그 미분말 30∼50wt%로 구성되어 있는 마이크로 시멘트 조성물(B2)과 물을 혼합시킨 다음, 상기 두 성분을 혼합시켜 완결재 슬러리를 제공하는 단계; 및

펌프를 통해 상기 급결재 슬러리와 상기 완결재 슬러리를 지반에 반복적으로 이송 및 주입시키는 단계를 포함하며;

여기서, 상기 급결재 슬러리와 상기 완결재 슬러리는 첨가되는 물의 함량에 의해 결정되는 것으로 구성된다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 물은 보일러 장치에 의해 20∼30℃로 공급되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 E.N.G 조성물은 종래의 제품에 비해 상대적으로 겔타임이 매우 빠르고 안정적이며, 특히 압축강도가 높을 뿐만 아니라 장기적으로도 안정적인 압축강도가 발현되는 등 매우 우수한 효과가 있다. 또한, 본 발명의 주입공법은 상기 조성물을 가장 효율적으로 지반에 주입시킬 수 있다.

이하 본 발명을 좀 더 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

본 발명은 내구성이 우수한 무기질계 E.N.G 조성물 및 이의 주입공법에 관한 것으로서, 그 조성물은 급결 성분 35∼65wt%, 칼슘설포알루미네이트 성분 15∼30wt%, 무수석고 5∼15wt%, 반수석고 5∼15wt%, 황토분말 5∼15wt%, 반응 조절제(RC) 3∼10wt%, 계면활성제 0.3∼1.0wt%로 구성되어 있는 급결재 조성물(A)과, 시멘트 미분말 50∼70wt%, 슬래그 미분말 30∼50wt%로 구성되어 있는 마이크로시멘트 조성물(B)로 구성되어 있다.

상기 급결 성분은 주요 구성성분이 Al₂O₃, K₂O 및 SO₃로 구성된 알루나이트(Alunite)를 600∼700℃로 열처리를 하여 반응성이 대단히 높은 물질로서 물과 접촉을 하면 급결성을 나타내도록 한 것이다. 수화반응기구는 열처리한 알루나이트가 물과 접촉하여 SO₃ 및 Ca(OH)₂과 반응을 하여 CaSO₄ㆍ2H₂O 및 칼슘알루미네이트 수화물(CAH₁₀, C₂AH₆, C₂AH₈, C₃AH₆, C₄AH₁₉, AH₃)을 생성시키고, 이 칼슘알루미네이트와 석고가 반응을 하여 최종 생성물은 에트링자이트(ettringite) 수화물(3CaOㆍAl₂O₃ㆍ3CaSO₄ㆍ32H₂O)를 생성시킴으로써 슬러리의 급속한 겔을 형성시키고 신속히 강도를 발현시키는 역할을 한다.

그 반응과정을 살펴보면, 소결된 알루나이트[K₂SO₄ + Al₂(SO₄)₃ + 2Al₂O₃] + Ca(OH)₂ + H₂O --> CaSO₄ㆍ2H₂O, 칼슘알루미네이트 수화물(AH₂F, CAH₁₀, C₂AH₆, C₂AH₈, C₃AH₆, C₄AH₁₉, AH₃) + Ca(OH)₂ --> 모노설페이트 수화물(3CaOㆍAl₂O₃ㆍCaSO₄ㆍ12H₂O), 에트링자이트 수화물(3CaOㆍAl₂O₃ㆍ3CaSO₄ㆍ32H₂O)을 생성시키게 된다.

본 발명에서 사용한 급결 성분의 분말도는 4,500∼5,500㎠/g의 분말이 적절하며 함량이 35wt% 미만인 경우에는 슬러리의 겔이 형성되는 시간이 늦어지고 겔 생성직후의 강도가 낮아서 연속적인 주입작업에 지장을 초래하며, 65wt%를 초과하면 슬러리의 유동성을 확보하기가 어려워지기 때문에 적절한 작업시간의 확보가 곤란해진다.

칼슘설포알루미네이트(CSA)는 주요 화학성분이 CaO 37∼42wt%, SO₃ 8∼11wt% 및 Al₂O₃ 35∼39wt% 및 나머지는 기타 성분으로 구성이 되어 있으며, 주요 화합물은 C₄A₃ S이다. 화학성분 중 특히 Al₂O₃ 성분의 함량은 35wt% 이상의 것이 본 발명에서는 적합하며 Al₂O₃ 성분의 함량이 35wt% 미만인 경우에는 중기의 강도발현이 낮게 된다. 칼슘설포알루미네이트 분말은 비중이 2.94이며 분말도는 4,500∼6,000㎠/g인 것이 반응속도를 빠르게 하여 겔타임 및 겔의 강도를 신속히 발현시키기 위한 목적으로 적절하며, 석고와 반응을 하여 시멘트계 수화물중 가장 많은 물을 고정할 수 있는 에트링자이트 수화물을 생성시킴으로써 슬러리가 겔화하는 시간을 단축시킬 수 있다. 즉, 통상적으로 시멘트가 사용될 때 혼합수의 양이 시멘트에 대하여 약 40∼60wt% 임에 반하여 본 발명의 지반 주입재에서는 혼합수의 양이 250∼400wt%로 대단히 높기 때문에 혼합수를 반응초기에 빠르게 고정시킬 수 있어야 슬 러리의 겔타임(겔화하는 시간)을 빠르게 확보할 수 있으므로 다량의 혼합수를 초기에 수화물로 고정시키는 것이 매우 중요하다.

석고는 전술한 바와 같이 칼슘설포알루미네이트(CSA)와 반응하여 에트링자이트 수화물을 생성시키기 위한 성분으로 사용하는 것으로서 무수석고와 반수석고를 1 : 1 ∼ 1 : 0.5의 비율로 사용한다. 이렇게 두 성분을 혼합하여 사용하는 이유는 반수석고의 용해도가 무수석고의 용해도보다 약 2∼3배 정도 빠르기 때문에 소결된 알루나이트 및 칼슘설포알루미네이트와 반응하여 생성되는 에트링자이트 수화물을 급속히 생성시키기 위함이다. 상기 두 성분이 각각 5wt% 미만인 경우에는 경화체의 강도가 낮아지며, 두 성분의 합이 30wt%를 초과하면 슬러리의 겔타임이 늦어지게 된다.

황토분말은 시멘트에 포함이 되어 있는 6가 크롬을 비롯한 각종 중금속을 흡착시키기 위한 목적과 잉여 수를 다량 고정시킴으로써 겔타임을 보다 빠르게 확보하기 위한 목적으로 사용하는 것으로서, 325메쉬 이하의 분말이 적절하다. 황토분말의 화학조성은 SiO₂ 50∼65wt%, Al₂O₃ 8∼13, CaO 6∼15wt%, Fe₂O₃ 4∼10wt% 및 그 외 MgO, Na₂O 등의 성분으로 구성이 되어 있다. 사용량이 5wt% 미만이면 중금속의 흡착효과가 미미한 경향이 있고, 15wt%를 초과하면 경화체의 압축강도가 저하되며 겔타임이 저하된다.

반응조절제(RC)는 슬러리의 작업성 및 겔타임을 확보하기 위한 목적으로 사용을 하며 규불화염, 인산염, 시안산염, 타르타릭산(tartaric acid), 시트릭 산(citric acid), 하이드록시 카르복실산(hydroxy carboxylic acid), 아미노카르본산, 탄산리튬, 아민류, 탄산염, 소듐염, 글루콘산염, 및 칼슘염 중에서 2∼3가지를 혼용 사용한다. 사용량이 3wt% 미만일 경우에는 슬러리의 안정적인 가사시간의 확보가 어려워짐으로서 주입성능이 감소하며, 10wt%를 초과할 경우에는 겔타임이 늦어지고 초기강도가 낮게 된다.

계면활성제는 반응성이 매우 빠르고 미립인 제트시멘트 및 칼슘설포알루미네이트의 슬러리 중에서의 균일한 분산을 위해서 첨가를 하며, 리그닌계, 나프탈렌계, 멜라민계, 카르복실산계 중에서 1종류를 사용한다. 사용량이 0.3wt% 미만일 경우에는 슬러리 중에서 분말의 균일한 분산성이 감소하며, 1.0wt%를 초과할 경우에는 겔타임이 늦어지게 된다.

한편, 본 발명의 마이크로시멘트 조성물을 구성하는 시멘트 미분말은 급결재 성분과 반응하여 겔타임 및 경화체의 강도를 확보하는 역할을 하며, 50wt% 미만이면 경화체의 강도가 저하되고, 70wt%를 초과하면 겔타임이 늦어지게 되는 경향이 있다. 아울러, 슬래그 미분말은 경화체의 내구성을 증가시키기 위한 목적으로 첨가되며, 30wt% 미만이면 경화체의 내구성 증가에 큰 효과가 없고, 50wt%를 초과하면 경화체의 강도가 저하되는 경향이 있다.

본 발명에 따른 E.N.G 조성물은 상기와 같이 조성된 급결재 조성물과, 마이크로시멘트 조성물로 구성되며, 이들의 혼합비율은 부피비로 급결재 조성물 100중량부에 대하여 마이크로시멘트 조성물로 구성되며, 이들의 혼합비율은 상기 급결재 조성물 100중량부에 대하여 마이크로시멘트 조성물 80∼120중량부가 바람직하고, 좀 더 바람직하게는 1 : 1이다.

한편, 도 1은 본 발명에 따른 E.N.G 조성물을 이용하여 그라우팅 주입하는 바람직한 일 실시 예를 나타낸 시공계통도로서, 이를 살펴보면 다음과 같다.

도 1을 참조하면, 4조 교반장치(예를 들어, 한국특허 제493807호(명칭: 무기질계 지반주입재를 혼합제조하기 위한 4조 교반장치))를 이용하여, 제1 및 제2 교반조에서 급결재 조성물 분말(A1)과 물, 및 마이크로시멘트 분말(B1)과 물을 각각 혼합하여 급결재 슬러리를 만들고, 제3 및 제4 교반조에서 급결재 조성물 분말(A2)과 물, 및 마이크로시멘트 분말(B2)과 물을 각각 혼합하여 완결재 슬러리를 만든다. 급결재 슬러리와 완결재 슬러리는 상대적인 물의 함량에 기초하여 결정된다. 본 발명의 바람직한 실시 예에 따르면, 급결재 슬러리는 급결재 조성물 분말(A1) 40㎏과 물 186ℓ, 및 마이크로시멘트 분말(B1) 100㎏과 물 167ℓ로 구성되고, 완결재 슬러리는 급결재 조성물 분말(A2) 20㎏과 물 193ℓ, 및 마이크로시멘트 분말(B1) 80㎏과 물 174ℓ로 구성된다. 이후, 펌프, 예를 들어, 저압 등압식 그라우트 펌프를 통해 급결재 슬러리와 완결재 마이크로 시멘트 슬러리를 반복적으로 이송 및 주입시킨다.

세부사항으로, 먼저 기존의 주입장치에서는 다양한 지반조건에 맞는 적절한 겔-타임을 맞추기 위해 주재의 배합비 조정에 의해서만 가능하다. 이는 한 사이클 작업 완료 후 재배합함으로써 막대한 재료 손실, 작업시간 지연 등 많은 단점을 안고 있어 현장 시공시 많은 어려움이 있었으나, 이와 같은 종래의 제반 문제점을 해소하고자 주재와 혼합되는 작업용수의 온도를 인위적으로 조절하기 위해 도 1에 도 시된 바와 같은 보일러(예를 들어, 한국특허 제550027호(명칭: 그라우팅 작업을 위한 자동온수공급장치))를 설치하여 기존의 주입방식에서 볼 수 있던 단점들을 완전히 개선하였으며, 특히 동절기 시 자연수를 그대로 사용함으로 작업을 할 수 없어 많은 공기 손실을 가져왔으나 보일러 시스템에 의한 인위적인 작업용수의 온도 조절로 인해 계절에 관계없이 작업이 가능하게 된다. 본 발명에 바람직한 용수의 온도는 20∼30℃이고, 좀 더 바람직하게는 약 25℃이다.

이러한 혼합재료의 온도 상승은 다음과 같은 기술적 요소가 가미된 것으로, 무기질계 지반주입재(또는, 일반적 시멘트: OPC)의 물 온도와 수화반응의 메카니즘을 간단히 설명하면, 시멘트의 온도 변화에 따른 수화발열속도의 차이는 C₃S(규산3칼슘)의 수화발열에 의존한다. 저온(5℃)에서 고온으로 시멘트의 온도가 상승하면서 수화발열 속도가 급격하게 빨라지며, 시멘트의 온도가 35℃일 경우에는 수화발열 속도가 약 4배 정도 빨라지며, 50℃일 경우에는 약 9배 정도 반응속도가 빨라진다. 일반적으로 화학반응은 온도 의존성이 크며, 온도가 10℃ 변화됨에 따라 반응 속도는 약 2배 정도의 차이가 있다.

수화발열속도는 시멘트의 반응속도를 나타내는 것으로 온도가 상승함에 따라 시멘트의 반응속도가 급격하게 빨라지게 됨으로써 초기 시멘트 슬러리(Cement Slurry)의 겔타임(Gel Time) 및 강도의 증진이 매우 빨라지게 된다.

이에 따라 결과적으로, 고가인 급결재의 절감 효과와 부대적인 인건비를 절감할 수 있음은 물론 계절 및 주야의 온도 변화와 관계없이 작업을 시행함으로 공 기단축은 물론, 동절기시 안전하게 시공할 수 있도록 하며, 항상 일정한 온도의 혼합수를 사용함으로 품질의 균일화를 실현시켜 결국 기존의 그라우팅 주입장치에서 볼 수 있던 많은 단점들을 해소하였다. 또한, 원재료의 온도를 상승 및 유지하기 위해 가설창고 운용과 같이 여러 가지 번거로운 공정 절차를 생략하여 공기지연에 따른 감가상각비는 물론 약 30% 정도의 원가 절감 효과가 있었다.

다음으로 4조 교반장치를 살펴보면, 급결재 슬러리와 완결재 슬러리를 반복주입하는 주입공법에서 기존에는 2조식 또는 3조식이 일반적이었으나 이러한 장치에서는 급결교반 주입 후, 교반기내 재배합 후 완결교반 주입으로 넘어가기 위해서는 같은 교반기로 다시 재배합을 함으로 작업시간이 오래(지연) 걸렸으나, 도 1과 같이 4조식 교반장치에서는 급결교반 및 완결교반이 완전 별도의 작업으로 동시에 작업이 진행되어 급결주입 후 완결주입시 작업의 중단없이 연속작업이 가능하여 작업시간이 지연되는 것을 미연에 방지한다. 또한 주입재료 투입시 발생되는 발생분진을 제거할 수 있는 흡입장치가 설치되어 분진으로 인해 발생되는 환경 피해를 최소화하였으며, 기존 교반기의 교반 모터는 일반 포틀랜트 시멘트(분말도 2,800∼3,000)를 사용하므로 200rpm만으로도 가능하였으나, 본 발명과 같이 마이크로 시멘트를 주재로 할 경우 교반 모터의 교반속도를 600∼700rpm 정도가 될 수 있도록 하여 충분한 혼합(mixing)이 될 수 있게 하였다.

따라서, 본 발명에 따른 조성물을 이용한 E.N.G 공법은 현장에서 시공시 보일러 및 4조 교반장치를 사용하여 작업의 안정성, 경제성, 시공성, 내구성, 품질의 균일화, 기계의 자동화는 물론 환경적 부분까지 향상시킬 수 있다.

이하 실시 예를 통하여 본 발명을 좀 더 구체적으로 살펴보지만, 하기 예에 본 발명의 범주가 한정되는 것은 아니다.

제조 예 1

급결성분의 제조

알루나이트를 약 650℃에서 열처리한 다음, 분말도가 4,500∼5,500㎠/g가 되도록 진동밀을 사용하여 분쇄하였다.

제조 예 2

마이크로 시멘트의 제조

비표면적이 약 7,200㎠/g인 시멘트 미분말 60wt% 및 슬래그 미분말 40wt%을 잘 혼합하여 준비하였다.

실시 예 1

상기 제조 예 1의 급결 성분 53.3wt%, CSA 분말(비중이 2.94이며 분말도는 4,500∼6,000㎠/g) 20wt%, 무수석고 7wt%, 반수석고 6wt%, 황토분말 8wt%, 반응 조절제로 타르타릭산 3.0wt% 및 탄산리튬 2.0wt%, 및 계면활성제(멜라민계 유동화제, 상품명 F4000) 0.7wt%로 이루어진 지반 주입용 급결재 조성물 100중량부와 물 298중량부로 이루어진 슬러리 100부피부와, 상기 제조 예 2의 마이크로 시멘트 100중량부와 물 134중량부로 이루어진 슬러리 100부피부와의 반응에 대하여 겔타임, 가사시간, 압축강도 시험을 하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 기재하였다.

시험항목	단위		물성값
겔타임	초		7.4
가사시간	분		60
압축강도	㎏f/㎠	3일	32
		7일	45
		28일	63
		60일	66

실시 예 2

상기 제조 예 1의 급결 성분 36.3wt%, CSA 분말(비중이 2.94이며 분말도는 4,500∼6,000㎠/g) 30wt%, 무수석고 10wt%, 반수석고 10wt%, 황토분말 8wt%, 반응 조절제로 타르타릭산 3.0wt% 및 탄산리튬 2.0wt%, 및 계면활성제(멜라민계 유동화제, 상품명 F4000) 0.7wt%로 이루어진 지반 주입용 급결재 조성물 100중량부와 물 298중량부로 이루어진 슬러리 100부피부와, 상기 제조 예 2의 마이크로 시멘트 100중량부와 물 134중량부로 이루어진 슬러리 100부피부와의 반응에 대하여 겔타임, 가사시간, 압축강도 시험을 하였으며, 그 결과와 실시 예 1의 결과를 비교하여 하기 표 2에 나타내었다.

시험항목	단위		물성값
시험항목	단위		실시 예 1	실시 예 2
겔타임	초		7.4	8.2
가사시간	분		60	70
압축강도	㎏f/㎠	3일	32	24
		7일	45	36
		28일	63	55
		60일	66	59

실시 예 3

상기 제조 예 1의 급결 성분 61.3wt%, CSA 분말(비중이 2.94이며 분말도는 4,500∼6,000㎠/g) 15wt%, 무수석고 5wt%, 반수석고 5wt%, 황토분말 8wt%, 반응 조절제로 타르타릭산 3.0wt% 및 탄산리튬 2.0wt%, 및 계면활성제(멜라민계 유동화제, 상품명 F4000) 0.7wt%로 이루어진 지반 주입용 급결재 조성물 100중량부와 물 298중량부로 이루어진 슬러리 100부피부와, 상기 제조 예 2의 마이크로 시멘트 100중량부와 물 134중량부로 이루어진 슬러리 100부피부와의 반응에 대하여 겔타임, 가사시간, 압축강도 시험을 하였으며, 그 결과와 실시 예 1의 결과를 비교하여 하기 표 3에 나타내었다.

시험항목	단위		물성값
시험항목	단위		실시 예 1	실시 예 3
겔타임	초		7.4	6.8
가사시간	분		60	50
압축강도	㎏f/㎠	3일	32	35
		7일	45	42
		28일	63	60
		60일	66	62

실시 예 4

상기 제조 예 1의 급결 성분 53.3wt%, CSA 분말(비중이 2.94이며 분말도는 4,500∼6,000㎠/g) 20wt%, 무수석고 6wt%, 반수석고 7wt%, 황토분말 8wt%, 반응 조절제로 타르타릭산 3.0wt% 및 탄산리튬 2.0wt%, 및 계면활성제(멜라민계 유동화제, 상품명 F4000) 0.7wt%로 이루어진 지반 주입용 급결재 조성물 100중량부와 물 298중량부로 이루어진 슬러리 100부피부와, 상기 제조 예 2의 마이크로 시멘트 100중량부와 물 134중량부로 이루어진 슬러리 100부피부와의 반응에 대하여 겔타임, 가사시간, 압축강도 시험을 하였으며, 그 결과와 종래의 지반 주입용 조성물(A제품)과 비교하였으며, 그 결과는 하기 표 4와 같다.

시험항목	단위		물성값
시험항목	단위		실시 예 1	실시 예 4
겔타임	초		7.4	13.2
가사시간	분		60	55
압축강도	㎏f/㎠	3일	32	18
		7일	45	26
		28일	63	34
		60일	66	35

상기의 실시 예에서와 같이, 본 발명의 지반 주입재 조성물은 종래의 제품에 비해 겔타임이 매우 빠르고 안정적이며, 특히 압축강도가 높을 뿐만 아니라 장기적으로도 안정적인 압축강도가 발현되는 등 매우 우수한 효과가 있음을 알 수 있다. 상기의 실시 예에서 압축강도 시험은 KS L 5105에 규정된 시멘트 압축강도 시험 몰드 및 양생 조건에 준하여 실험을 하였으며, 겔타임은 2종류의 슬러리를 혼합하였을 때 유동성이 완전히 소실될 때의 시간을 측정하였다. 상기 실시예 4에서 비교한 A 제품은 국내에서 시판되고 있는 A사의 무기질계 지반주입재 제품을 비교 실험 대상으로 하였다.

도 1은 본 발명에 따른 지반 주입용 조성물을 이용하여 그라우팅 주입하는 바람직한 일 실시 예를 나타낸 시공계통도이다.

Claims

Al₂O₃, K₂O 및 SO₃로 구성된 알루나이트를 600∼700℃로 열처리하여, 분말도가 4,500∼5,500㎠/g인 급결 성분 35∼65wt%, 비중이 2.94이고, 분말도는 4,500∼6,000㎠/g인 칼슘설포알루미네이트 분말 15∼30wt%, 무수석고 5∼15wt%, 반수석고 5∼15wt%, 황토분말 5∼15wt%, 반응 조절제(RC) 3∼10wt%, 계면활성제 0.3∼1.0wt%로 구성되어 있는 급결재 조성물(A)과, 시멘트 미분말 50∼70wt% 및 슬래그 미분말 30∼50wt%로 구성되어 있는 마이크로 시멘트 조성물(B)로 구성된 것을 특징으로 하는 친환경 지반 주입용 조성물.
삭제
청구항 1에 있어서, 상기 반응조절제는 규불화염, 인산염, 시안산염, 타르타릭산(tartaric acid), 시트릭산(citric acid), 하이드록시 카르복실산(hydroxy carboxylic acid), 아미노카르본산, 탄산리튬, 아민류, 탄산염, 소듐염, 글루콘산염, 및 칼슘염 중에서 2∼3가지를 혼용 사용하는 것을 특징으로 하는 친환경 지반 주입용 조성물.
청구항 1에 있어서, 상기 계면활성제는 리그닌계, 나프탈렌계, 멜라민계, 및 카르복실산계 중에서 1종 선택되는 것을 특징으로 하는 친환경 지반 주입용 조성물.
청구항 1에 있어서, 상기 급결재 조성물과 마이크로시멘트 조성물의 혼합비는 상기 급결재 조성물 100중량부에 대하여 마이크로시멘트 조성물 80∼120중량부인 것을 특징으로 하는 친환경 지반 주입용 조성물.
급결교반 및 완결교반이 완전 별도의 작업으로 동시에 작업이 진행되는 4조식 교반장치를 제공하는 단계;

상기 4조 교반장치의 제1 교반장치에서 Al₂O₃, K₂O 및 SO₃로 구성된 알루나이트를 600∼700℃로 열처리하여, 분말도가 4,500∼5,500㎠/g인 급결 성분 35∼65wt%, 칼슘설포알루미네이트 분말 15∼30wt%, 무수석고 5∼15wt%, 반수석고 5∼15wt%, 황토분말 5∼15wt%, 반응 조절제(RC) 3∼10wt%, 계면활성제 0.3∼1.0wt%로 구성되어 있는 급결재 조성물(A1)과 물을 혼합시키고, 제2 교반장치에서 시멘트 미분말 50∼70wt% 및 슬래그 미분말 30∼50wt%로 구성되어 있는 마이크로 시멘트 조성물(B1)과 물을 혼합시킨 다음, 상기 두 성분을 혼합시켜 급결재 슬러리를 제공하는 단계;

상기 4조 교반장치의 제3 교반장치에서 Al₂O₃, K₂O 및 SO₃로 구성된 알루나이트를 600∼700℃로 열처리하여, 분말도가 4,500∼5,500㎠/g인 급결 성분 35∼65wt%, 칼슘설포알루미네이트 분말 15∼30wt%, 무수석고 5∼15wt%, 반수석고 5∼15wt%, 황토분말 5∼15wt%, 반응 조절제(RC) 3∼10wt%, 계면활성제 0.3∼1.0wt%로 구성되어 있는 급결재 조성물(A2)과 물을 혼합시키고, 제4 교반장치에서 시멘트 미분말 50∼70wt% 및 슬래그 미분말 30∼50wt%로 구성되어 있는 마이크로 시멘트 조성물(B2)과 물을 혼합시킨 다음, 상기 두 성분을 혼합시켜 완결재 슬러리를 제공하는 단계; 및

펌프를 통해 상기 급결재 슬러리와 상기 완결재 슬러리를 지반에 반복적으로 이송 및 주입시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 지반 주입용 조성물을 이용한 주입공법.
청구항 6에 있어서, 상기 물은 보일러 장치에 의해 20∼30℃로 공급되는 것을 특징으로 하는 친환경 지반 주입용 조성물을 이용한 주입공법.