KR100884285B1

KR100884285B1 - 연약지반 개량용 경화제와 이의 초고압수분사장치 및 이를 이용한 지반개량 공법

Info

Publication number: KR100884285B1
Application number: KR20080086797A
Authority: KR
Inventors: 윤재철; 정진교; 박세연
Original assignee: 윤재철; 정진교; 박세연
Priority date: 2008-09-03
Filing date: 2008-09-03
Publication date: 2009-02-18

Abstract

본 발명은 해양지역의 지반개량 및 보강공사시, 경화제를 초고압력으로 선단장치의 분사구를 통하여, 시멘트 페이스트(포틀랜드 시멘트) 또는 모르타르(포틀랜드 시멘트 + 모래 + 물) 등의 경화제를 압송하여 대상지반에 충전하거나 또는 경화제를 교반하여 고결시키는 것으로, 해양에 유해한 포틀랜드 시멘트를 사용하지 않거나 일부만을 사용하여, 해양에서 쉽게 얻을 수 있는 해수를 이용하여, 해수의 알칼리성분에 의해 수화반응되는 산업부산물인 고로 슬래그를 1차 희석하고, 해상 갯벌의 강도 증진과 재료의 경제성 확보에 모래와 천연재료인 석회를 고로 슬래그와 혼합하여 경화제를 제조하고, 이와 같이 제조된 경화제를 지중에 삽입한 경화제 고압분사장치의 선단장치에 설치된 초고압수분사구와 압축공기분사구 및 경화제분사구에서 초고압수 및 압축공기를 회전분사하여 대상 지반을 느슨하게 진흙화 한 후, 이 느슨한 지중에 경화제분사구를 통해 경화제를 압송시켜 지중의 현지토를 밀어내면서 주입된 경화제가 충전되어, 경화제의 고결에 의한 연약지반 구조체를 조성하도록 한 연약지반 개량용 경화제와 이의 초고압수분사장치 및 이를 이용한 지반 개량공법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연약지반 개량용 경화제는 고로 슬래그 35∼50 중량부, 석회 6∼8 중량부, 모래 또는 골재 40∼70 중량부, 해수 28∼88 중량부로 구성됨을 특징으로 한다.

또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연약지반 개량용 경화제 초고압수분사장치는 상부에 위치되며, 압축공기주입구, 초고압수주입구, 경화제주입구, 실리카졸주입구가 형성된 스위벨과; 상기 스위벨의 하부에 장착됨과 동시에 각각 연통되며, 압축공기통로, 초고압수통로, 경화제통로가 형성된 삼중관로드와; 상기 삼중관로드의 하부에 장착됨과 동시에 각각 연통되며, 압축공기분사구, 초고압수분사구, 경화제분사구가 형성된 선단장치와; 상기 경화제분사구의 내주면에 부착되는 교반날개로 구성됨을 특징으로 한다.

그리고 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연약지반 개량용 경화제를 이용한 지반 개량공법은 천공장비에 연약지반 개량용 경화제의 초고압수분사장치를 설치하되, 상기 연약지반 개량용 경화제 초고압수분사장치는 상부에 위치되며, 압축공기주입구, 초고압수주입구, 경화제주입구, 실리카졸주입구가 형성된 스위벨과; 상기 스위벨의 하부에 장착됨과 동시에 각각 연통되며, 압축공기통로, 초고압수통로, 경화제통로가 형성된 삼중관로드와; 상기 삼중관로드의 하부에 장착됨과 동시에 각각 연통되며, 압축공기분사구, 초고압수분사구, 경화제분사구가 형성된 선단장치와; 상기 경화제분사구의 내주면에 부착되는 교반날개로 구성된 연약지반 개량용 경화제 고압분사장치를 설치하고, 상기 천공장비로 지중을 일정한 깊이 및 직경으로 천공하며, 상기 천공부위에 연약지반 개량용 경화제 고압분사장치의 스위벨에 형성된 압축공기주입구, 초고압수주입구 및 경화제주입구를 통하여 압축공기, 초고압수, 경화제를 주입하고, 상기 연약지반 개량용 경화제 고압분사장치의 삼중관로드에 장착된 압축공기분사구, 초고압수분사구를 통하여 초고압수와 압축공기를 회전분사시켜 지반을 절삭 및 파쇄시킴과 동시에 상기 연약지반 개량용 경화 제 고압분사장치의 선단장치의 내주면에 부착된 교반날개에 의해 경화제가 교반되어 경화제분사구를 통하여, 경화제를 분사시켜 지중에 원주형상의 구조체의 형성을 특징으로 한다.

연약지반 개량용 경화제, 초고압수분사장치, 지반개량기술

Description

연약지반 개량용 경화제와 이의 초고압수분사장치 및 이를 이용한 지반개량 공법{The soil stabilization for which this for super-high-pressure injection and this were used with hardening agent for soft soil stabilization}

본 발명은 연약지반 개량용 경화제와 이의 초고압수분사장치 및 이를 이용한 지반개량공법에 관한 것으로, 특히 연약지반 개량용 특수 선단장치의 상부분사구를 통한 초고압수를 회전분사하여 지반을 이완시키고, 특수 선단장치의 하부주입구 또는 분사구를 통하여 연약지반 개량용 경화제를 압송 또는 분사하여 지중의 느슨한 토립자를 경화제가 밀어냄과 동시에 충전되어 충전된 경화제의 고결에 의하여 지중에 원주형상의 구조체를 형성하여 연약지반을 개량 또는 고결시키는 공법에 관한 것이다.

일반적으로 연약지반을 고결에 의한 시공원리로 개량하는 방식에는 여러 가지의 방식이 알려져 있다.

그 대표적인 예로서 침투주입방식이 있다.

이 방식은 지반 중에 삽입한 주입관의 분사구를 통하여 저압력으로 약액을 토립자의 공극 내에 침투주입시켜 토립자의 고결에 의한 연약지반을 개량하는 원리 이다. 이 경우는 약액을 지반 내 토립자의 구조적인 배열을 이완시키지 않고 공극 내에 침투시켜서 개량하는 원리를 기본이론으로 하고 있다.

다른 고결에 의한 원리로 연약지반을 개량하는 방식으로는 경화제와 물을 혼합한 주입액을 주입관의 선단부에 설치된 특수 선단장치의 분사구를 통한 초고압력으로 분사하면서 회전하여 지반을 파쇄함과 동시에 경화제가 현지토와 교반되어 고결시 원주형상의 개량체를 조성하는 방식이다. 이 초고압수분사방식은 극단적으로 말하면 지반의 교반원리라고도 할 수 있다.

한편, 순수한 교반방식은 토립자의 공극이 치밀한 주로 점성토 지반을 대상으로 하며 교반날개가 장착된 기계적인 교반축을 지중에 삽입시킨 다음, 교반축을 통하거나 또는 별도의 공급계통으로부터 시멘트류 경화제를 공급하면서 교반날개를 이용한 강제적으로 교반해 가면서 인발시 그 교반영역을 시멘트류 경화제가 현지토사와 혼합하여 고결에 의한 연약지반을 개량하는 원리이다.

그러나 상기한 침투주입방식의 약액주입공법은 목적범위 내 한정주입을 행하기 위하여, 점도가 낮은 재료로서 주로 물유리계통의 재료를 사용하여 겔-타임을 짧게 조정하여 주입하므로 개량강도가 낮음과 동시에 내구성이 부족한 단점이 있다.

여기서, 개량강도가 낮은 이유는 연약지반을 경화제로 치환하는 것이 아니고, 침투주입 또는 할열(맥상)주입되는 것으로 단위용적당 경화제가 점하는 비율이 낮고 불균일한 것에 기인하고 있다.

다시 문제점을 부언하면 통상, 사질토층의 경우에는 토립자의 공극이 커서 침투주입을 행할 수가 있으나, 점성토층에서는 토립자의 공극에 작아서 균등한 침투주입을 기대할 수가 없으므로 할렬주입(맥상주입)의 형태로 나타나게 된다.

한편, 점성토층에서는 나무뿌리 모양(수목상 또는 맥상)으로 할열주입이 되어 목적하는 영역을 균질하게 개량하는 것이 곤란하며, 재료의 손실이 많다.

또한, 상기 초고압분사 교반에서는 경화제를 원지반토와 교반하므로 대상지반의 토질성상 불균질에 의한 개량강도가 불균질하게 개량되는 단점이 있다.

특히 점성토 지반의 경우에는 절삭이 불충분한 것으로 인한 토괴의 끌어들임으로 인한 불균형이 크다.

그리고 상기 교반방식은 설비가 대형화하는 것이 큰 단점이며, 또한 점성토층의 경우에는 토입자와 경화제의 혼합물이 교반날개에서 함께 돌아가 버리는 현상에 의하여 혼합효율이 떨어지는 현상으로 개량강도의 균일성이 결핍되는 단점이 있다. 한편, 이 교반방식은 상술한 바와 같이 점성토 지반을 대상으로 한다.

또한, 사질토지반에도 적용할 수 있지만 교반축 내지는 교반날개의 지반에 대한 저항이 크므로 거대한 교반수단을 사용해야만 적용할 수가 있다.

또한, 상기 교반방식은 지반 중에 삽입한 분사관의 선단부에 설치한 분사구에서 고압수를 분사하여 대상 지반의 토립자를 파쇄하여 느슨하게 하고, 동시에 이 느슨해진 지반 중에 고점성의 경화제를 압입할 경우 느슨해진 토립자를 사방으로 배제함과 동시에 일정한 범위가 경화제로 치환되어 고결에 의한 구조체를 지중에 조성함으로 해결할 수 있다.

또한, 이 경우 초고압수에 의해 지반을 느슨하게 하는 시점과 경화제의 압입 시점이 다르도록 할 수도 있으며, 주입관의 선단에 설치되는 특수 선단장치의 상부에 경화제의 분사용 분사구를 형성하고 이 분사구 위치에서 끝 측에 분사구를 형성하여, 주입관을 끌어올리는 과정에서 지반의 이완과 경화제의 압입을 거의 동시에 행할 수도 있다.

한편, 분사관이 3개의 유로를 가진 경우에는 그 제1의 유로는 지반의 이완용물의 공급에 사용하며, 제2의 유로는 이완용수가 멀리 공극되어 토립자를 파쇄하는 능력의 향상 및 파쇄된 토립자의 일부를 지상으로 배출(Air Lift)시키는 압축공기의 공급에 사용되며, 제3의 유로는 경화제를 이완범위 내에 공급하는데 사용할 수가 있다.

공급수로 포화되어 느슨해진 대상지반에 대하여 경화제를 압송하면 토립자가 사방으로 압축되어 밀리면서 경화제가 충전된다.

이 압입에 의하여, 느슨해진 지반을 밀어 넓혀지도록 경화제를 주입시킨다.

그러나 이 방식으로 해양지역의 지반을 개량하기 위하여 사용되는 경화제는 주로 포틀랜드 시멘트를 사용하고, 용수와 포틀랜드 시멘트를 현장에서 1:1로 희석하고 모래 또는 골재 등을 포함하여 지반에 주입하는 방식이다.

특히, 해양 콘크리트구조물 시공시에는 검증된 용수(민물)로 포틀랜드 시멘트를 희석하여도 해수의 침투에 의한 심각한 문제점이 있으나, 이와 같은 상황을 고려하지 않고 단순히 용수(민물)를 해양지역에서 쉽게 구할 수 없다는 점 때문에 보통 해수를 사용하여 포틀랜드 시멘트를 희석하여 지반에 주입하므로 해수의 황산염과 반응하여 체적팽창을 일으키는 물질(에트링가이트)을 만들어 결과적으로 해양 구조물의 미세구조를 파괴시켜 장기강도의 문제점과 해양지역의 시멘트 오염으로 인한 심각한 환경오염을 일으키고 있는 실정이다.

또한, 경화제를 주입유도관을 통하여 주입시 슬럼프가 낮은 경화제(5-15)를 주입하면 주입유도관 내경이 50-70mm정도에 특수한 콘크리트 주입장비에 의해 막힘없이 경화제를 주입할 수 있다.

그러나 3개 유로의 주입관 시에는 천공장비의 특성상 경화제의 주입관 내경이 25-40mm 정도이며, 슬럼프가 낮은 경화제는 주입할 수 없는 실정으로 현장에서는 유동성을 높이기 위해 경화제의 슬럼프를 23 이상으로 주입하다 보니 경화제와 모래가 지반주입 후 재료가 분리되어 구조체 개량강도의 균일성이 결핍되는 문제가 있다.

그리고 해양지역의 연약지반은 주로 갯벌로 형성되어 있으므로 통상 경화제를 주입하여 갯벌의 지반이 고정되게 사용하고 있다.

그러나 경화제를 지반에 가압 주입시 부상한 슬라임은 갯벌과 일부 포틀랜드 시멘트가 혼합하여 폐기물 처리를 하여야 하며 폐기물 반입 장소 확보에 문제가 발생되고 있다.

이에, 본 발명은 상기한 바와 같은 제반 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 해양지역의 연약지반개량 시, 경화제를 초고압수분사용 선단장치의 분사구를 통하여, 시멘트 페이스트(포틀랜드 시멘트) 또는 모르타르(포틀랜드 시멘트 + 모래 + 물) 등의 경화제를 압송하여 대상지반에 충전하거나 또는 경화제를 교반하여 고결시키는 것으로, 해양에 유해한 포틀랜드 시멘트를 사용하지 않거나 또는 일부만을 사용하여, 해양에서 쉽게 얻을 수 있는 해수를 이용하여, 해수의 알칼리성분에 의해 수화반응하는 산업부산물인 고로 슬래그를 1차 희석하고, 해상 갯벌의 강도 증진과 재료의 경제성 확보에 모래와 천연재료인 석회를 고로슬래그와 혼합하여 경화제를 제조하고, 이와 같이 제조된 경화제를 지중에 삽입한 주입관의 선단부에 설치된 특수 선단장치에 설치된 초고압수분사구와 압축공기분사구 및 경화제분사구에서 초고압수 및 압축공기를 병행하여 회전·분사로 대상 지반을 느슨하게 진흙화한 후, 이 느슨하게 된 범위에 경화제분사구를 통한 경화제를 압송시킬 경우에는 지중의 현지토를 밀어내면서 경화제가 충전되며, 경화제의 고결로 연약지반 구조체를 조성하도록 한 연약지반 개량용 경화제와 이의 초고압수분사장치 및 이를 이용한 지반 개량공법을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연약지반 개량용 경화제 초고압수분사장치는 압축공기주입구, 초고압수주입구, 경화제주입구, 실리카졸주입구가 형성된 스위벨과; 상기 스위벨의 하부에 장착됨과 동시에 각각 연통되며, 압축공기통로, 초고압수통로, 경화제통로가 형성된 삼중관로드와; 상기 삼중관로드의 하부에 장착됨과 동시에 각각 연통되며, 압축공기분사구, 초고압수분사구, 경화제분사구가 형성된 선단장치와; 상기 경화제분사구의 내주면에 부착되는 교반날개로 구성됨을 특징으로 한다.

그리고 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연약지반 개량용 경화제를 이용한 지반 개량공법은 천공장비에 초고압수분사와 경화제주입이 동시에 가능한 특수 선단장치를 설치하되, 상기 지반개량용 경화제의 공급장치는 상부에 위치되며, 압축공기주입구, 초고압수주입구, 경화제주입구, 실리카졸주입구가 형성된 스위벨과; 상기 스위벨의 하부에 장착됨과 동시에 각각 연통되며, 압축공기통로, 초고압수통로, 경화제통로가 형성된 삼중관로드와; 상기 삼중관로드의 하부에 장착됨과 동시에 각각 연통되며, 압축공기분사구, 초고압수분사구, 경화제분사구가 형성된 선단장치와; 상기 경화제분사구의 내주면에 부착되는 교반날개로 구성된 연약지반 개량용 경화제 고압분사장치를 설치하고, 상기 천공장비로 지중을 일정한 깊이 및 직경으로 천공하며, 상기 천공부위에 연약지반 개량용 경화제 고압분사장치의 스위벨에 형성된 압축공기주입구, 초고압수주입구 및 경화제주입구를 통하여 압축공기, 초고압수, 경화제를 공급하고, 상기 연약지반 개량용 장치의 삼중관로드에 장착된 압축공기분사구, 초고압수분사구를 통하여 초고압수와 압축공기를 회전·분사시켜 대상지반의 토립자를 파쇄시킴과 동시에 상기 특수 선단장치의 내주면에 부착된 교반날개에 의해 경화제가 재차 균일화게 혼합되어 경화제분사구를 통과하게 되며, 경화제를 충전시켜 지중에 주상형 구조체를 형성함을 특징으로 한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 연약지반 개량용 경화제와 이의 초고압수분사장치 및 이를 이용한 연약지반 개량공법은 해양에 유해한 포틀랜드 시멘트를 사용하지 않거나 또는 일부만을 사용하여, 해양에서 쉽게 얻을 수 있는 해수를 이용하여, 해수의 알칼리성분에 의해 수화반응하는 산업부산물인 고로 슬래그를 1차 희석하고, 해상 갯벌의 강도 증진과 재료의 경제성 확보에 모래와 천연재료인 석회를 고로슬래그와 혼합하여 경화제를 제조하고, 이와 같이 제조된 경화제를 지중에 삽입된 지반개량용 특수 선단장치에 설치된 초고압수분사구와 압축공기분사구 및 경화제분사구에서 초고압수 및 압축공기를 병용하여 회전분사하여 대상 지반을 느슨하게 진흙화한 후, 이 느슨한 지중에 경화제분사구를 통해 경화제를 압송시켜 지중에서 파쇄되어 느슨해진 현지토를 밀어내면서 경화제가 충전되어 치환되고, 충전된 경화제의 고결에 의한 강성의 증대로 연약지반을 개량하는 효과가 있다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 연약지반 개량용 경화제는 고로 슬래그 35∼50 중량부, 석회 6∼8 중량부, 모래 또는 골재 40∼70 중량부, 해수 28∼88 중량부로 구성된다.

또한, 본 발명에 따른 연약지반 개량용 경화제는 포틀랜드 시멘트와 고로 슬래그를 6:4의 중량비율로 혼합한 혼합재 35∼50 중량부, 석회 0.5∼5 중량부, 모래 또는 골재 40∼70 중량부, 해수 28∼88 중량부로 구성된다.

여기서, 상기 고로 슬래그는 고로에서 고온으로 철광석을 녹이면 무거운 철성분과 나머지 암석성분인 슬래그로 분리되어 배출되며, 이 슬래그는 고로에서 화 산 용암과 같이 흘러나오는데, 냉각을 시키기 위해 고압의 물을 분사하면 급속하게 냉각되며 모래 모양의 작은 입자로 부서지며, 이 작은 입자를 분쇄기에서 시멘트입자 크기로 미세하게 분쇄한 것을 고로 슬래그라 한다.

이러한 고로 슬래그는 물과 반응하면 시멘트와 같이 굳는 성질이 있어, 이 특성 때문에 고로 슬래그는 시멘트 대체 재료로 사용되고 있다.

또한, 고로 슬래그는 철광석의 부산물이 원료이기 때문에 시멘트에 비하여 가격이 매우 저렴한 경제적인 재료이다.

그리고 고로 슬래그의 특징을 이용하면 표 1과 같이 다양한 용도를 가진 고부가가치 고기능성 콘크리트를 제조할 수 있다.

국외에서는 고로 슬래그의 다양한 활용이 이루어지고 있으나, 국내에서는 단순 용도에만 일부 사용할 뿐으로 다양한 활용방안을 마련할 필요성이 있다.

[표 1] 고로 슬래그의 용도

특징	용도
1. 유동성	고유동 콘크리트(공사의 저에너지화, 콘크리트의 품질향상 등)
2. 응결지연효과 大	대량 연속 타설 콘크리트 등
3. 재발열	매스 콘크리트(대형건축물 기초 등)
4. 재령 28일강도 大	단위 시멘트량 저감 등
5. 장기강도 大	건축물의 내구성 향상, 단위 시멘트량 저감 등
6. 고강도	고층 철근콘크리트 건축물
7. 수밀성 大	지하구조물, 해중ㆍ수중구조물 등
8. 염분차단성 大	해안건축물, 해상ㆍ수중건축물 등
9. 내해수성 大	해상ㆍ해중구조물
10. 내약품성 大	화학공장 건축물, 온천지 건축물, 산성비 대책 등
11. 알칼리반응억제	건축물의 고내구성화 등

한편, 고로 슬래그는 보통 포틀랜드 시멘트처럼 물과 알칼리촉진제에 접하는 것만으로 자기 촉발적 수화반응을 개시할 수 없는 잠재수경성 물질이다.

즉, 슬래그와 물이 접촉하게 되면 슬래그 입자의 표면에 치밀한 불투수성 겔 박막이 형성됨으로써 입자 속까지 물이 침입하는 것이 방해되고 더 이상 반응이 일어나지 못한다.

그러나 알칼리[Ca(OH)₂, KOH, NaOH]나 황산염(CaSO₄) 등의 자극을 받으면 이 박막이 파괴되면서 군도구조의 겔로 변화되고, 슬래그로부터 이온의 용출과 불용성의 물질이 석출되면서 경화되기 시작하는데 이러한 수화기구를 잠재수경성이라 한다.

슬래그는 장기적으로 슬래그 질량의 약 10%에 해당하는 Ca(OH)₂과 결합하게 되는데, 포틀랜드 시멘트는 약 25%의 Ca(OH)₂을 생성 방출하기 때문에 이론적으로는 고로슬래그를 시멘트의 75%까지 치환해도 그 전량을 활성화할 수 있다.

고로 슬래그 콘크리트 특성

1) 압축강도

고로 슬래그를 사용한 콘크리트의 압축강도는 물결합재비, 재령 및 양생방법 이외에도 고로 슬래그의 분말도 및 치환율의 영향을 받는다.

고로 슬래그를 사용한 콘크리트의 압축강도는 물결합재비{물/결합재(시멘트+고로 슬래그 등)의 중량비}와 거의 직선적인 관계에 있고, 또한 치환율이 높을수록 초기의 강도 증진이 작게 되는 경향이 있으나, 잠재수경성 반응에 의하여 장기 재령으로 갈수록 강도는 많이 증진된다.

단 분말도가 6,000㎠/g 이상인 경우에는 무 혼입과 같은 정도의 초기강도를 얻을 수 있다.

한편, 치환율의 증가에 따라서는 초기 재령에서는 일반적으로 압축강도가 저하 하지만, 장기 재령에서는 치환율이 70%가 되어도 압축강도는 상승한다.

양생 온도가 고로 슬래그를 혼입한 콘크리트의 압축강도에 미치는 영향은 고로 슬래그를 혼입하지 않은 콘크리트보다 현저하다.

즉 양생 온도가 저온일 경우 초기강도의 증진이 둔화하는 것을 확인할 수 있고, 30℃ 이상의 고온 양생에서는 초기강도가 높게 됨을 알 수 있다.

이러한 경향은 분말도가 낮고 치환율이 높을수록 현저하다.

2) 건조수축

고로 슬래그를 사용한 콘크리트의 건조수축은 치환율 및 분말도에 따라 약간 다르기는 하지만 일반적으로 건조일수 5주까지는 치환율 및 분말도가 클수록 증대되는 경향을 나타낸다.

그러나 그 이후에서는 건조수축이 점차 둔화되어 일반 콘크리트와 거의 동등한 경향을 나타낸다.

3) 중성화

고로 슬래그를 사용한 콘크리트는 시멘트의 수화반응에서 발생하는 Ca(OH)₂과 고로 슬래그의 성분이 반응하여 콘크리트의 알칼리성이 저하되기 때문에 콘크리트의 중성화가 보통 콘크리트에 비해 빠르게 진행된다.

따라서 고로 슬래그를 사용하는 경우 경화제의 중성화하여 지반의 알칼리성 오염을 줄일 수 있다.

분말도와 중성화의 관계에서는 분말도가 증가할수록 경화제가 밀실하게 됨으로써 중성화 깊이가 작아지는 경향을 보이고 있다.

또한, 초기 수중 양생 기간이 길수록 중성화 깊이는 작아지기 때문에 충분한 습윤양생이 중요하다.

4) 수밀성과 내해수성

수밀성은 콘크리트가 치밀한 정도, 즉 공극량이 적고, 공극직경이 작으며, 공극이 불연속적으로 분포할수록 향상된다.

고로 슬래그를 혼입한 경화제에서는 잠재수경성에 의해 생성된 C-S-H겔이 공극 구조를 개선하기 때문에 수밀성이 향상된다.

이러한 수밀성의 향상에 의하여 황산염, 염소 이온의 침투 등에 대한 저항성도 크게 된다.

한편, 내해수성의 경우 고로 슬래그는 경화제 중에서 Ca(OH)₂과 반응하여 C-S-H 겔을 형성하기 때문에 Ca(OH)₂과 해수 중의 황산염 반응에 의한 팽창성 수화물의 생성량을 줄일 수 있어 보통 경화제보다 내해수성이 향상된다.

이러한 내해수성은 고로 슬래그에 석회를 첨가함에 따라 향상시킬 수 있는데, 이는 표층부에 치밀한 에트링가이트가 생성됨에 기인한 것으로 알려져 있다.

5) 기타

고로 슬래그의 치환율이 증가함에 따라 알칼리 골재반응의 억제효과가 크게 나타나며, 내산성 및 내황산염에 대한 저항성에 있어서 고로 슬래그의 치환율 및 분말도의 증가와 물결합재비의 감소에 따라 크게 향상되므로 고로 슬래그를 사용한 콘크리트의 큰 장점 중 하나이다.

종합적으로 고로 슬래그를 경화제에 활용하면 장기강도의 증진, 수밀성 향상, 수화열 억제, 화학적 저항성 향상 및 경제성 향상 등의 측면에서 긍정적인 효과가 크다.

한편, 상기 석회는 생석회(산화칼슘)와 소석회(수산화칼슘)가 있는데, 바람직하게는 소석회로서 일반적으로 시판되는 것을 사용한다.

여기서, 상기 생석회는 산화칼슘(CaO)을 주성분으로 백색의 괴상 또는 분말이다.

산에서 채굴한 석회석을 수세·선별한 후, 소성화로속에서 900ㅀ∼1000ㅀ의 고온으로 구워서 제조한다.

생석회의 주된 성질

주성분: 산화칼슘

화학식: CaO

식량: 56.1

색: 고순도의 것은 백색, 순도가 낮은 것은 조금 회색, 띠황색(불순물에 의해 착색)

결정구조: 입방정계

진비중: 3.34

겉보기비중: 1.6∼2.8

융점: CaO 2,572℃

비점: 2,850℃

수화열: 물과 반응하면 고열을 발생함.

또한, 상기 소석회는 수산화칼슘(Ca(OH)₂)을 주성분으로 백색의 분말로, 생석회에 물을 반응시켜서 제조한다. 물에 녹기 어렵고, 강한 알칼리성을 나타낸다.

소석회의 주된 성질

주성분: 수산화칼슘

화학식: Ca(OH)₂

식량: 74.1

색: 백악색, 생석회보다 흰 분말

결정구조: 육방정의 평판 또는 프리즘 상

비중: 2.24

겉보기: 비중 0.4∼0.55

여기서, 상기 소석회를 비소(As), 카드뮴(Cd), 망간(Mn), 납(Pb), 아연(Zn)으로 오염된 인공오염수로부터 중금속을 제거하는 실험을 한 결과, 소석회 0.3wt%의 첨가만으로 침전 1시간 이후부터 상등액 내 중금속의 제거율이 90% 이상을 나타내었으며, 소석회 0.5wt% 첨가시 침전 후 0.5시간에서 95% 이상의 제거율을 나타내어 소석회의 비소(As)와 망간(Mn)의 제거 효율이 매우 높은 것으로 나타났다.

카드뮴(Cd)과 아연(Zn)의 제거효율은 비소(As)와 망간(Mn)의 제거율보다는 낮았으나, 소석회의 첨가량 증가에 따라 제거율이 높아져, 소석회 0.5wt% 첨가시 약 75-85%의 제거효율을 나타내어 소석회의 카드뮴(Cd)과 아연(Zn) 제거효율도 높은 것으로 나타났다. 다만, 납(Pb)의 경우 소석회 0.5wt%의 소석회 첨가에 의해서 약 20%의 제거율을 나타내었고, 소석회 1.0wt% 첨가에 의해서 약 44%의 비교적 낮은 제거율을 나타내었다.

그러나 침전 12시간 후 상등액을 모래여과칼럼에 통과시키면서 처리수내 잔류했던 납(Pb)의 제거율은 100%를 나타내었다.

처리수내 잔류하였던 비소(As)와 아연(Zn)들도 대부분 제거되었으며, 다만 카드뮴(Cd)의 모래여과 제거효율은 크게 높지 않은 것으로 나타났다. (표 1)

표 1 소석회를 이용한 중금속 제거 결과

따라서, 상기 소석회는 폐수처리 무기응집제로 사용될 뿐만 아니라, 중금속 토양으로부터 중금속 용출을 낮추는 토양안정제로서 효과가 있다.

한편, 해수는 많은 종류의 염류가 용해되어 있으며 해수 1kg에 포함되어 있는 염류의 총량은 대략 35g 정도이다.

표 2에는 염분농도 3.5%인 해수의 주요성분을 나타내고 있다.

여기서, 염분이라는 것은 '해수 1kg 중에 포함된 고형물질의 총량을 g으로 나타낸 것’으로서 이들 성분 중에서 NaCl 총량은 해수 중 염류의 80% 이상을 점유하고 있음을 알 수 있다.

이들 성분 가운데 시멘트 경화체에 강하게 영향을 미치는 것은 Cl^-, SO₄ ^2-, Mg²⁺ 이고 특히 이들 이온들의 경화체중에서의 확산속도는 다음과 같이 밝혀져 있다.

Cl^- > SO₄ ^2- > Na⁺ > Ca²⁺ >Mg²⁺

즉, 황산염의 침투를 의미하는 SO₄ 이온의 경화체내의 침투는 C₃A 수화물과 반응하여 팽창성이 있는 에트링가이트라는 물질을 생성시켜 시멘트 경화체를 파괴한다고 알려져 있다.

그러나 해수로부터 경화체로의 SO₄ 이온의 침투는 실제로 침투깊이도 경화체의 표층부에 한정될 뿐만 아니라 확산속도 역시 Cl^- 이온의 경우보다 훨씬 작아서 이를 침투량으로 환산해 보면, 침투속도는 염소 이온의 수분의 1이고 또한 해수 중 의 농도는 염소이온의 약 1/7이기 때문에 SO₄ 이온의 침투량은 Cl^- 이온의 수십 분의 1의 작은 값이 된다.

결과적으로 침투깊이, 확산속도, 해수 중의 농도를 고려하면 SO₄ ^- 이온보다 Cl^- 이온의 영향이 더욱 크다고 할 수 있다.

따라서 콘크리트의 내해수성을 고려할 때 황산염에 의한 경화체의 열화에 우선하여 염화물에 대한 저항성을 증가시키지 않으면 안 된다.

표 2. 해수의 주요성분 및 농도 (염분 3.5%의 해수)

성분	농도(g/kg)	비율(%)
Cl^- Na⁺ SO₄ ^2- MG²⁺ Ca²⁺ K⁺ HCO^3- Br^- Sr²⁺ B(OH)^4- F-	19.353 10.76 2.712 1.294 0.413 0.387 0.142 0.067 0.008 0.004 0.001	55.10 30.60 7.70 3.70 1.20 1.10 0.40 0.19 0.023 0.011 0.003

상기한 바와 같은 구성으로 이루어진 본 발명에 따른 연약지반 개량용 경화제는 고로 슬래그와 석회를 해수로 혼합함으로써, 황산염에 의한 경화제 조직의 약화를 억제하고, 수산화칼슘과 해수의 혼합으로 초기수화반응을 발생하여 강알칼리촉진제(물유리 등)를 첨가한 것과 동일한 효과가 있음을 알 수 있다.

즉, 해양환경에 있는 경화제에서는 항상 포틀랜드 시멘트의 수화생성물이 분 해될 위험에 처해 있는 것이 명확히 밝혀져 있으므로, 이러한 포틀랜드 시멘트 대신에 석회와 고로 슬래그 등에 해수를 혼합하여 제조함으로써, 경화제의 내구성 확보에 유리한 효과가 있다.

1. 결합재로서 포틀랜드 시멘트를 사용하지 않아서 수화생성물인 C₃A가 발생하지 않아 황산염과 반응하여 체적팽창을 일으키는 물질(에트링가이트)을 만들지 않아서 결과적으로 경화제의 미세구조를 파괴하지 않는다.

2. 석회와 고로 슬래그의 잠재수경성에 의해 Ca(OH)₂가 칼슘실리케이트 수화물로 변화하고, 강도가 증진하여 수밀성이 향상됨으로써, 부식물질의 침투에 대한 저항성이 높아진다.

3. 고로 슬래그를 사용함으로써 표층에서 프리델氏염이 생성되어 염화물이 흡착효과가 높아지는 장점이 있다.

이러한 이유로 초기강도와 장기강도 및 환경오염 피해를 줄임과 동시에 저발열화와 내해수성을 달성할 수 있는 혼합재, 특히 고로 슬래그과 석회가 적정량 들어있는 다성분의 혼합형 경화제가 바람직함을 알 수 있다.

여기서, 상기 연약지반 개량용 경화제는 해수가 용수 역할뿐만 아니라 알칼리제인 KOH, NaOH, 물유리 등과 같이 경화촉진제 역할을 하며 단순한 유동성을 위한 용수가 아니라, 경화제에서는 해수의 화학적 구성을 최대한 이용하여 다른 경화촉진제(특히 물유리)를 사용하지 않고 Ca(OH)₂에도 초기강도와 장기강도가 동일하 다는 것을 발견하고, 해수의 NaCl^-과 Ca(OH)₂이온화 하면 NaOH와 CaCl이 형성하여 고로슬래그 미분말의 수화작용을 촉진하여 강알칼리촉진제(물유리 등)보다 초기 경화속도가 증진한다고 본다.

여기서, 상기 실리카졸 자동 제조장치는 본 발명의 출원인이 등록특허 10-0683020호를 사용하였음을 밝혀두며, 이하 실리카졸 자동제조장치에 상세한 설명은 생략한다.

이하, 상기한 바와 같은 구성으로 이루어진 본 발명에 따른 고압분사에 의한 연약지반 개량용 장치에 대하여 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 연약지반 개량용 경화제 초고압수분사장치를 도시한 개략도이다.

이 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 연약지반 개량용 경화제 초고압수분사장치는 상부에 위치되며, 압축공기주입구(15), 초고압수주입구(12), 경화제주입구(14), 실리카졸주입구(10)가 형성된 스위벨(16)과; 상기 스위벨(16)의 하부에 장착됨과 동시에 각각 연통되며, 압축공기통로(18), 초고압수통로(20), 경화제통로(22)가 형성된 삼중관로드(24)와; 상기 삼중관로드(24)의 하부에 장착됨과 동시에 각각 연통되며, 압축공기분사구(26), 초고압수분사구(28), 경화제분사구(30)가 형성된 특수 선단장치(32)와; 상기 경화제분사구(30)의 내주면에 부착되는 교반날개(40)로 구성된다.

여기서, 상기 교반날개(40)는 정회전교반날개(42)와 역회전교반날개(44)가 교호적으로 일체로 형성된다.

이와 같은 교반날개(40)는 연약지반 개량용 경화제 초고압수분사장치에 주입된 경화제를 교반하기 위함으로 특히 정회전교반날개(42)와 역회전교반날개(44)를 동일 선상으로 배치함으로써, 정회전교반날개(42)를 통과하면서 정방향으로 교반된 경화제가 상기 정회전교반날개(42)의 하부에 일체로 형성된 역회전교반날개(44)를 지나가면서 역방향으로 교반됨으로써, 경화제의 교반을 용이하게 수행할 수 있다.

이하, 상기한 바와 같은 구성 및 장치로 이루어진 본 발명에 따른 연약지반 개량용 경화제를 이용한 지반개량에 대해 설명한다.

도 2(a) 내지 2(e)는 본 발명에 따른 연약지반 개량용 경화제 초고압수분사장치를 이용하여 지반을 개량하는 과정을 도시한 공정도이다.

이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 연약지반 개량용 경화제 초고압수분사장치를 이용한 지반 개량공법은 천공장비(M)에 연약지반 개량용 경화제 초고압수분사장치(A)를 설치하되, 상기 연약지반 개량용 경화제 초고압수분사장치(A)는 상부에 위치되며, 압축공기주입구(15), 초고압수주입구(12), 경화제주입구(14), 실리카졸주입구(10)가 형성된 스위벨(16)과; 상기 스위벨(16)의 하부에 장착됨과 동시에 각각 연통되며, 압축공기통로(18), 초고압수통로(20), 경화제통로(22)가 형성된 삼중관로드(24)와; 상기 삼중관로드(24)의 하부에 장착됨과 동시에 각각 연통되며, 압축공기분사구(26), 초고압수분사구(28), 경화제분사구(30)가 형성된 선단장치(32)와; 상기 경화제분사구(30)의 내주면에 부착되는 교반날개(40)로 구성된 연약지반 개량용 경화제 초고압수분사장치(A)를 설치하고, 상기 천공장 비(M)로 지중을 일정한 깊이 및 직경으로 천공하며, 상기 천공부위에 연약지반 개량용 경화제 초고압수분사장치(A)의 스위벨(16)에 형성된 압축공기주입구(15), 초고압수주입구(12) 및 경화제주입구(14)를 통하여 압축공기, 초고압수, 경화제를 주입하고, 상기 연약지반 개량용 경화제 초고압수분사장치(A)의 삼중관로드(24)에 장착된 압축공기분사구(26), 초고압수분사구(28)를 통하여 초고압수와 압축공기를 회전분사시켜 지반(G)을 절삭 및 파쇄시킴과 동시에 상기 연약지반 개량용 경화제 초고압수분사장치(A)의 선단장치(32)의 내주면에 부착된 교반날개(40)에 의해 경화제가 교반되어 경화제분사구(30)를 통하여, 경화제를 분사시켜 지중에 주상형 구조체(P)를 형성한다.

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한편, 본 발명에 따른 연약지반 개량용 경화제를 이용한 지반 개량공법에 사 용되는 경화제는 1m³당 고로 슬래그 35∼50 중량부, 석회 6∼8 중량부, 모래 또는 골재 40∼70 중량부, 해수 28∼88 중량부로 구성된다.

또한, 상기 경화제는 포틀랜드 시멘트와 고로 슬래그를 6:4의 중량비율로 혼합한 혼합재 35∼50 중량부, 석회 0.5∼5 중량부, 모래 또는 골재 40∼70 중량부, 해수 28∼88 중량부로 구성된다.

상기한 바와 같은 단계로 이루어진 본 발명에 따른 연약지반 개량용 경화제를 이용한 지반 개량공법은 연약지반(G) 중에 삽입된 연약지반 개량용 경화제 초고압수분사장치(A)의 선단장치(32)에 설치된 초고압수분사구(28) 및 압축공기분사구(26)에서 초고압수 및 압축공기를 분사시켜 대상 지반(G)을 느슨하게 늦춰주거나 또는 늦춘 후 상기 연약지반 개량용 경화제 초고압수분사장치(A)에 상기한 경화제 를 압입시켜 지중의 느슨한 토립자를 경화제가 밀어냄과 동시에 충전되어 충전된 경화제의 고결에 의하여 지중 주상형 구조체(P)를 형성할 수 있는 작용효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 연약지반 개량용 경화제 초고압수분사장치를 도시한 개략도,

도 2(a) 내지 2(e)는 본 발명에 따른 연약지반 개량용 경화제 초고압수분사장치를 이용하여 지반을 개량하는 과정을 도시한 공정도.

-도면의 주요부분에 대한 부호의 설명-

10:실리카졸주입구 12: 초고압수주입구

14: 경화제주입구 15: 압축공기주입구

16: 스위벨 18: 압축공기통로

20: 초고압수통로 22: 경화제통로

24: 삼중관로드 26: 압축공기분사구

28: 초고압수분사구 30: 경화제분사구

32: 선단장치 40: 교반날개

42: 정회전교반날개 44: 역회전교반날개

A: 연약지반 개량용 경화제 초고압수분사장치

G: 지반 M: 천공기

P: 주상형 고결체

Claims

고로 슬래그 35∼50 중량부, 석회 6∼8 중량부, 모래 또는 골재 40∼70 중량부, 해수 28∼88 중량부로 구성됨을 특징으로 하는 연약지반 개량용 경화제.
포틀랜드 시멘트와 고로 슬래그를 6:4의 중량비율로 혼합한 혼합재 35∼50 중량부, 석회 0.5∼5 중량부, 모래 또는 골재 40∼70 중량부, 해수 28∼88 중량부로 구성됨을 특징으로 하는 연약지반 개량용 경화제.
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천공장비(M)에 연약지반 개량용 경화제 초고압수분사장치(A)를 설치하되, 상기 연약지반 개량용 경화제 초고압수분사장치(A)는 상부에 위치되며, 압축공기주입구(15), 초고압수주입구(12), 경화제주입구(14), 실리카졸주입구(10)가 형성된 스위벨(16)과; 상기 스위벨(16)의 하부에 장착됨과 동시에 각각 연통되며, 압축공기통로(18), 초고압수통로(20), 경화제통로(22)가 형성된 삼중관로드(24)와; 상기 삼중관로드(24)의 하부에 장착됨과 동시에 각각 연통되며, 압축공기분사구(26), 초고압수분사구(28), 경화제분사구(30)가 형성된 선단장치(32)와; 상기 경화제분사구(30)의 내주면에 부착되는 교반날개(40)로 구성된 연약지반 개량용 경화제 초고압수분사장치(A)를 설치하고, 상기 천공장비(M)로 지중을 일정한 깊이 및 직경으로 천공하여 천공홀을 형성하며, 상기 천공홀에 연약지반 개량용 경화제 초고압수분사장치(A)의 스위벨(16)에 형성된 압축공기주입구(15), 초고압수주입구(12) 및 경화제주입구(14)를 통하여 압축공기, 초고압수, 경화제를 주입하고, 상기 연약지반 개량용 경화제 초고압수분사장치(A)의 삼중관로드(24)에 장착된 압축공기분사구(26), 초고압수분사구(28)를 통하여 초고압수와 압축공기를 회전분사시켜 지반(G)을 절삭 및 파쇄시킴과 동시에 상기 연약지반 개량용 경화제 초고압수분사장치(A)의 선단장치(32)의 내주면에 부착된 교반날개(40)에 의해 경화제가 교반되어 경화제분사구(30)를 통하여, 경화제를 분사시켜 지중에 주상형 구조체(P)를 형성하되,

상기 경화제는 고로 슬래그 35∼50 중량부, 석회 6∼8 중량부, 모래 또는 골재 40∼70 중량부, 해수 28∼88 중량부로 구성됨을 특징으로 하는 연약지반 개량용 경화제를 이용한 지반 개량공법.
천공장비(M)에 연약지반 개량용 경화제 초고압수분사장치(A)를 설치하되, 상기 연약지반 개량용 경화제 초고압수분사장치(A)는 상부에 위치되며, 압축공기주입구(15), 초고압수주입구(12), 경화제주입구(14), 실리카졸주입구(10)가 형성된 스위벨(16)과; 상기 스위벨(16)의 하부에 장착됨과 동시에 각각 연통되며, 압축공기통로(18), 초고압수통로(20), 경화제통로(22)가 형성된 삼중관로드(24)와; 상기 삼중관로드(24)의 하부에 장착됨과 동시에 각각 연통되며, 압축공기분사구(26), 초고압수분사구(28), 경화제분사구(30)가 형성된 선단장치(32)와; 상기 경화제분사구(30)의 내주면에 부착되는 교반날개(40)로 구성된 연약지반 개량용 경화제 초고압수분사장치(A)를 설치하고, 상기 천공장비(M)로 지중을 일정한 깊이 및 직경으로 천공하여 천공홀을 형성하며, 상기 천공홀에 연약지반 개량용 경화제 초고압수분사장치(A)의 스위벨(16)에 형성된 압축공기주입구(15), 초고압수주입구(12) 및 경화제주입구(14)를 통하여 압축공기, 초고압수, 경화제를 주입하고, 상기 연약지반 개량용 경화제 초고압수분사장치(A)의 삼중관로드(24)에 장착된 압축공기분사구(26), 초고압수분사구(28)를 통하여 초고압수와 압축공기를 회전분사시켜 지반(G)을 절삭 및 파쇄시킴과 동시에 상기 연약지반 개량용 경화제 초고압수분사장치(A)의 선단장치(32)의 내주면에 부착된 교반날개(40)에 의해 경화제가 교반되어 경화제분사구(30)를 통하여, 경화제를 분사시켜 지중에 주상형 구조체(P)를 형성하되,

상기 경화제는 포틀랜드 시멘트와 고로 슬래그를 6:4의 중량비율로 혼합한 혼합재 35∼50 중량부, 석회 0.5∼5 중량부, 모래 또는 골재 40∼70 중량부, 해수 28∼88 중량부로 구성됨을 특징으로 하는 연약지반 개량용 경화제를 이용한 지반 개량공법.
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