KR100900597B1 - 폐콘크리트 미분을 이용한 터널 공동부 주입 충전재 및 그시험장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 터널 공동부 주입 충전재및 그 시험장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 폐콘크리트를 분쇄하고 수처리를 한 미분을 사용하여 점성을 증가시키고, 가소제와 벤토나이트를 이용하여 가소성과 수중 불분리성을 갖춘 터널의 공동부를 충전시킬 수 있는 폐콘크리트 미분을 이용한 터널 공동부 주입 충전재및 그 시험장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 폐콘크리트 미분을 이용한 터널 공동부 주입 충전재는 시멘트 10중량부에 대하여, 벤토나이트가 3~7중량부, 폐콘크리트 미분이 3~7중량부, 물이 15~28중량부, 가소제 0.9~1.5중량부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

페콘크리트 미분, 터널, 충전재.

Description

폐콘크리트 미분을 이용한 터널 공동부 주입 충전재 및 그 시험장치{Inserting Material for Tunnel Cavity using discarded concrete micro-sized powder and testing device}

본 발명은 터널 공동부 주입 충전재및 그 시험장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 폐콘크리트를 분쇄하고 수처리를 한 미분을 사용하여 점성을 증가시키고, 가소제와 벤토나이트를 이용하여 가소성과 수중 불분리성을 갖춘 터널의 공동부를 충진시킬 수 있는 터널 공동부 주입 충전재및 그 시험 장치에 관한 것이다.

일반적으로 터널의 공동부를 보강하는 방법으로는 국부보강법과 충전공법의 두 가지가 있다. 국부보강법은 터널 공동의 일부분이나, 상부 지반만을 보강하는 공법이고, 충전공법은 터널 공동부를 공학적 재료로 충전하여 터널 공동부의 안정성을 향상시키는 공법이다.

터널 등 토목 구조물 공사시 단층면, 균열, 절리, 불연속면 등을 통하여 물이 유입되게 되면, 대량 출수로 인한 재해를 가져올 수 있다. 이로 인해 인명, 재산상의 피해는 물론이고, 지하수, 토양오염과 도로, 터널 등과 같은 사회간접 시설물의 피해를 크게 입을 수 있다는 데 문제의 심각성이 있다.

이러한 터널의 공동부는 그 규모가 매우 다양하다. 소규모 터널 공동인 경우에는 소량의 충전재로 공동을 완전하게 충진시키는 것이 가능하다. 공학적으로도 그 안정성에 전혀 문제가 없다. 하지만 대규모인 경우에는 공동 전체를 충전시키기 위해서 대량의 충전재가 필요하며, 이는 공사기간의 증가와 시공비의 증대를 유발하는 요인이 된다.

따라서 이러한 터널의 공동부에 대한 충전작업을 진행할 때에는 시공성 뿐만아니라, 경제성도 고려하여야 한다. 이를 충족시키기 위해서는 터널 공동에서 지반안정성을 좌우하는 중요 국부 부위에 대한 충전만을 실시하여 공학적으로 지반 안정성을 확보할 수 있어야 한다.

또한 터널 공동부의 특정부위에 충전재가 주입되고 나서 충전재가 응결될 수 있는 겔타입 조절 특성을 갖추어야 한다. 이러한 특성을 가소성이라고 하는데, 충전재의 경우에는 일정 정도이상의 가소성을 갖추고 있어야 충전재로서의 활용이 가능하다.

뿐만 아니라, 현재 폐콘크리트 같은 부산물의 경우에는 재활용에 대한 처리가 어려운 상황에 있다. 현재까지는 양질의 모래를 회수하여 다시 사용하는 정도에 그칠 뿐 최종 생성물인 미분에 대한 처리까지는 해결하지 못하고 있는 상황이라고 할 수 있다. 따라서 재활용에 대한 대책 마련이 시급한 상황이라고 할 수 있다.

여기에 터널 공동부는 하수의 유입이 빈번히 발생하는 상황이라고 할 수 있고, 이러한 하수의 유입시에 재료의 분리가 발생하면 충전재로서의 성능을 상실하게 된다. 이에 대한 시험 장치 역시 개발되어야 한다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 안출한 것으로써, 터널의 내부에서 발생하는 물에 대한 수중 불분리 특성이 우수한 충전재를 개발하고자 하는 것이 본 발명의 첫번째 목적이다.

또한 터널의 공동부에 대한 재료의 투입작업을 진행할 때 가소성을 유지할 수 있는 시멘트, 벤토나이트, 폐콘크리트 미분, 가소제에 대한 배합의 비율을 결정하는 것이 본 발명의 두번째 목적이다.

또한 터널의 공동부에 대한 충전재로써 고가의 벤토나이트를 일정 성분이상 폐콘크리트 미분으로 대체하여 경제성을 높이고자 하는 것이 본 발명의 세번째 목적이다.

또한 이러한 수중 불분리 특성이 우수한 충전재에 대한 시험 장치를 제안하고자 하는 것이 본 발명의 네번째 목적이다.

본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.

본 발명에 따른 폐콘크리트 미분을 이용한 터널 공동부 주입 충전재는 시멘트 10중량부에 대하여, 벤토나이트가 3~7중량부, 폐콘크리트 미분이 3~7중량부, 물이 15~28중량부, 가소제 0.9~1.5중량부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

특히, 터널 공동부 주입 충전재에 사용되는 폐콘크리트미분은 입자의 직경이 74㎛이하이다.

특히, 가소제는 감수제와 시멘트계 가소제의 중량비가 1:5~6이다.

특히, 미분의 경우에는 폐콘크리트미분은 폐콘크리트를 이용한 재생골재 처리공정이라고 할 수 있는 수처리공정에서 획득할 수 있다.

특히, 수처리 공정은 수처리과정은 조크러셔로 분쇄하여 재생골재를 투입하는 단계(S10); 조크로셔로 분쇄된 재생골재 중에서 자선기를 사용하여 철강재 폐기물을 제거하는 단계(S20); 철강재 폐기물이 제거된 재생골재를 임팩트 크러셔로 반복파쇄하여 5mm이하의 입경의 재생골재를 얻어내는 단계(S30); 5mm이하의 재생골재 중에서 샌드유니트에서 잔골재를 분리하는 단계(S40); 잔골재가 제거된 폐콘크리트 미분을 샌드유니트로 보내는 단계(S50); 샌드유닛트를 통과한 상기 폐콘크리트 미분에 대하여 슬러지와 물을 분리시키는 단계(S60); 미분을 침지하여 미세부유물을 제거하는 단계(S70); 미분을 침전 농축조에서 약품 처리 및 침전시키는 단계(S80); 침전 농축조에서 침전된 슬러지가 사일로로 보내져서 저장되는 단계(S90);및 슬러지가 필터프레스에서 폐콘크리트미분으로 배출되는 단계(S100);를 포함한다.

특히, 약품 처리 공정은 약품 공급장치에서 공급되는데, 이러한 약품 공급장치는 준비용 탱크와 사용탱크로 구성되어 있다.

특히, 필터프레스에서 배출된 미세분말에 대하여 일정한 함수율을 유지하도록 로터리 킬른에서 가열하는 단계를 더 포함한다.

또한 본 발명에 따른 폐콘크리트를 이용한 터널 공동부의 주입 충전재는 수 중 불분리성을 갖추어야 하는데, 이의 성능 시험을 위해서 물을 담을 수 있는 수조, 수조가 이동할 수 있도록 수조의 하면에 부착되어 있는 고정용의 2개의 바퀴와 이동용의 2개의 바퀴, 수조(10)의 밑면(16)에는 주입충전재가 들어갈 수 있는 밸브(18), 주입충전재인 주재와 첨가재를 따로 주입하여 혼합할 수 있도록 하는 2개의 주입관(60,70); 및 주재와 상기 첨가재를 공급할 수 있는 2개의 펌프(50)로 구성되어 있다.

특히 주입관 중에서 주재를 투입하는 주입관의 경우에는 압송거리가 길어짐에 따라 주입관의 직경이 증가하도록 구성이 되어 있다.

또한 주입관 중에서 첨가재를 투입하는 주입관의 경우에는 일정한 직경을 가지고 있다.

본 발명에 따른 폐콘크리트 미분을 이용한 터널 공동부 주입 충전재 및 그 시험 장치는 벤토나이트의 요변성을 이용하여 터널 공동부 주입 충전재로서의 필요 조건인 겔화 특성을 갖출 수 있다.

또한 벤토나이트와 가소제를 적절하게 혼합하는 방법으로 물과 혼합되는 상황에서도 재료의 분리가 발생하지 않고 형태를 유지하는 수중 불분리성을 갖출 수 있다. 이로 말미암아 터널의 공동부에 안정적인 충전재의 공급이 가능하다.

뿐만 아니라, 이러한 가소제로서의 특성인 가소성을 측정할 수 있는 방법 및 수중 불분리특성을 측정할 수 있는 장치에 대하여 확립하는 것이 가능하다.

또한 벤토나이트를 일정 성분이상 미분으로 대체하는 방법을 사용하는 것에 의해서 터널 공동부에 대한 대량 충전이 필요할 경우 경제적인 충전이 가능하다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 구성과 작용에 대하여 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 시멘트, 벤토나이트, 물과 가소제의 배합으로 플로우 각도 시험을 하는 것을 보여주는 사시도이다. 도 1에 도시된 바와 같이 플로우 각도시험은 플로우 각도 시험기(90)를 기울여가면서 각도기(80)를 그 앞에 배치시켜 놓고 플로우 각도 시험기(90)위에서 충진주입재가 기울어지기 시작하는 각도를 측정하는 방법을 사용한다.

이러한 플로우 각도 시험결과 흘러가는 각도 값이 낮게 나온다는 것은 위의 화합물이 유동성이 좋다는 것이고, 흘러가는 각도 값이 높게 나온다는 것은 경화가 진행되어 유동성이 저하한다는 것을 말한다.

플로우 시험 결과 평가

결과	경사각도	상황
불량	0~15°로 흘러나감	가소제 부족
양호	15~30°로 흘러나감	가소제 적정
불량	30°이상으로 흘러나감	가소제 과다

표 1에 보여진 바와 같이 본 발명에 따른 주입 충전재의 경화 특성이 발휘되지 않으면서 유동성이 좋으면 적은 기울임으로도 흘러가게 되고 이는 주입 충전재가 경화되지 않았음을 뜻한다. 따라서 이런 경우에는 가소제를 첨가하는 것이 바람직하다. 하지만 15~30°로 기울여서 흘러나가는 경우에는 가소제를 적정하게 혼합한 것을 의미하고, 터널 공동부의 주입 충전재로서 적절하게 사용할 수 있음을 의미한다. 하지만 30°이상의 각도에서 주입 충전재가 흘러간다는 것은 주입 충전재의 경화현상이 너무 일찍 발현되어 적절한 충전제로서의 성능을 보일 수 없음을 의미한다. 이러한 것은 결국은 주입 충전재의 경화특성에 대한 문제로서 배합되는 재료의 특성을 파악하는 것이 선행하여야 할 작업으로 판단되어 벤토나이트와 가소제가 어떤 특성을 가지고 있는 지에 관하여 먼저 서술하기로 한다.

벤토나이트는 매우 다양한 이용도를 갖는 점토물질이다. 여러 용도중에서도 시추용 이수와 토목기초공사에서 세계적으로 가장 많이 사용되고 있다. 이와 같이 시추와 토목공사에 필수적으로 이용되는 벤토나이트는 점토 광물의 일종인 몬모릴로나이트를 주성분으로 하는 점토이다. 따라서 이러한 벤토나이트의 이용원리는 주성분광물인 몬모릴로나이트의 광물학적 특성에 기초하는 것이다. 이 몬모릴로나이트는 나노단위의 콜로이드에서부터 수미크론에 이르는 미립의 크기를 가지는 층상규산염 광물로서 이온 교환성, 현탁성, 흡착성, 팽윤성 등의 많은 물리화학적 특성을 가지고 있다. 따라서 벤토나이트의 효율적 이용 및 새로운 용도개발을 위해서는 광물학적 측면에서의 검토 및 연구가 필수적이다.

그러나 아직 우리나라에서는 벤토나이트의 응용적 측면에 대한 연구가 매우 미흡한 실정이다.

여기서 토목공사에 사용하는 벤토나이트의 이용범위, 이용원리, 문제점 등에 대하여 간단히 기술하여 터널공동부의 주입 충전재로서의 응용가능성에 대하여 논의하기로 한다.

벤토나이트를 토목기초공사에 이용하는 주목적 중의 하나는 굴착 및 시추시 벽면의 붕괴방지를 위한 것이다. 벤토나이트가 물에 분산된 현탁액은 높은 점도를, 높은 유동속도에서는 낮은 점도를 나타내는 성질이 있다. 이러한 현상을 요변성이라고 한다. 이 현상은 유동이 없는 안정된 상태에서는 겔상태가 되고, 급격한 이동이 일어날 때에는 액상의 졸상태로 변하게 되는 것을 말한다. 몬모릴로나이트의 현탁액은 이 현상의 상태변화가 특히 예민하다. 이러한 성질때문에 굴착 및 시추시에 벤토나이트의 현탁액을 주입한다. 시추굴착시 굴착공의 선단인 비트부분에서는 유동속도가 빠르기 때문에 벤토나이트의 현탁액은 점도가 낮아져서 굴착속도가 높아지게 된다.

반면에 굴착공의 벽면에서는 유동속도가 낮은 상태가 되기 때문에 현탁액의 점도가 높아지게 되어 굴착된 암편 부스러기들을 지상까지 운반하는 것이 가능하다. 그리고 몬모릴로나이트는 극히 얇은 박편상의 결정형태를 가지므로 벤토나이트의 현탁액을 여과하려고 할 때 이러한 박편상의 몬모릴로나이트는 벤토나이트의 현탁액이 일정의 압력으로 작용하여 불투수성의 막을 형성하기 때문에 그 벽면의 붕괴를 방지하는 역할을 수행한다.

그리고 이러한 점토의 벽이 형성될 때까지의 사이에 그 현탁액의 작은 입자들이 지층중에 침투한다. 이렇게 공극들을 충전하고 토양과 같은 느슨한 입자들을 점결하는 효과도 있으므로 굴착벽면의 붕괴를 방지하는 역할을 수행한다.

또한 토목공사 중 그라우팅에도 벤토나이트를 이용하고 있다. 이 그라우팅은 지반의 구성입자간의 공극 혹은 암반 유동성이 있는 약액 및 현탁액을 압력으로 침투시킨다. 그렇게 되면 그 약액은 겔화 또는 경화되어 지반 및 암반을 강화시키고 물의 침투를 막는 데 이러한 약액주입공법을 그라우팅이라고 한다. 이것도 전술한 벤토나이트의 성질을 이용한 것이다. 그라우팅에는 벤토나이트 이외에도 시멘트, 물유리, 염화캄슘, 고분자 유기 물질 등 여러 가지 재료를 사용하기도 한다.

시추, 굴착, 그라우팅에 사용되는 이수 중의 점토광물로서는 입자가 미립이고, 요변성과 팽윤성이 높은 것이 바람직하다. 이에 가장 적합한 벤토나이트로는 일반적으로 Na- 몬모릴로나이트를 주로 사용하고 있다. Ca- 몬모릴로나이트는 물을 흡수하여 단위 층간격이 20Å까지만 팽윤하지만 Na-몬모릴로나이트는 150Å이상 까지 크게 팽윤이 가능하다. 따라서 Na이온으로 치환된 Na- 몬모릴로나이트를 토목용 벤토나이트로 사용한다. 이러한 높은 팽윤성 때문에 지반의 미세한 틈을 꽉메우게 되어 불투수층이 형성된다.

토목공사에서 벤토나이트는 시추, 굴착, 그라우팅, 치수, 지반 안정화등에 주로 사용되고 있다. 이는 벤토나이트의 현탁성, 팽윤성, 요변성등의 물리적 성질을 이용하는 것으로 주로 현탁액의 형태로 사용하지만 분말이나 입상의 형태로도 사용한다. 토목기초공사에서 벤토나이트는 지하수의 차단이나 측벽 붕괴 방지등의 목적으로 주로 사용된다. 여기서 벤토나이트는 물에 분산된 현탁액으로 사용하여 이를 안정액이라고 부르기도 한다. 기초공사 목적을 위해 깊이 굴착할 경우 지하수가 새나오고, 측벽이 무너지는 것을 방지하기 위하여 벤토나이트 현탁액을 채워 측벽을 안정하게 한다. 이러한 기초공사에 대한 공법은 다양하며 공사의 규모, 목적, 장소 등에 따라 다양하며, 더욱 효과적인 공법이 계속 개발되고 있다.

앞에서 상술한 바와 같이 토목기초공사에 이용되는 벤토나이트는 현탁액의 상태로 이용되며 이를 안정액이라 한다. 이러한 안정액의 성질이 공사의 질을 좌우하게 된다. 따라서 이 양호한 안정액의 제조 및 관리가 매우 중요하다. 토목공사에서 안정액은 무엇보다 측벽의 안정성을 유지하고 굴착하는 토사를 현탁액으로 수송하고, 지하수의 유입과 물의 유출을 방지하는 기능을 가지고 있다. 안정액으로서 요구되는 성질은 다음과 같다.

즉, 먼저 굴착벽면에 점토막을 형성해야 한다. 또한 화학적으로 안정성을 가지고 있어서 다른 산이나 알카리와의 반응성이 적어야 한다. 왜냐하면 터널 공동부 같은 경우에는 산이나 알칼리에 노출이 되었을 때 주입 충전재가 안정적이지 않으면 충전재로서의 기능을 발휘할 수 없기 때문이다. 또한 장시간 물리적 성질을 유지할 수 있는 안정성을 가지고 있어야 한다. 일반적으로 안정액을 실린더에 넣고 10시간 이상 정치해도 분리액이 안정액 높이의 5%이상이 되는 것이 좋다. 또한 적절한 비중을 가지고 있어야 한다. 만일 비중이 너무 작으면 측벽의 토압과 수압을 견디기 어렵고, 또한 굴착된 토사가 침전하게 되며, 비중이 너무 크면, 벤토나이트를 이송하는 펌프의 능력이 저하되어 적절한 배출압력을 유지할 수 없다. 또한 콘크리트와의 치환이 용이하게 진행될 수 없다는 등의 문제점을 유발시킬 수 있다.

벤토나이트는 전술한 바와 같이 점토광물인 몬모릴로나이트를 주성분으로 하며, 이들 광물입자들은 표면이 부전하를 띠고 있다. 이는 굴착지반 중의 양전하와 결합하여 벽면에서 응집을 일으켜서 얇은 막을 형성하여 결국 차수와 지반 붕괴방지에 이바지할 수 있다. 그러나 벤토나이트 현탁액은 콘크리트 중의 Ca 이온을 흡착하기도 하고 혹은 수중에 염분이 포함되어 있는 경우에는 Na이온을 흡착하여 응집반응을 일으키기도 한다. 이렇게 되면 안정액으로서 사용하고자 하는 벤토나이트로서의 팽윤성, 요변성 등의 물리적 성질 발현에 문제가 생긴다. 따라서 산지, 생산회사, 입도 등에 따라 신중한 선택을 하여야 한다.

본 발명에 따른 터널 공동부 주입충전재의 경우에는 굴착에 따른 지반 안정성을 확보하여야 하기 때문에 벤토나이트의 사용이 필요하다. 하지만 이러한 벤토나이트만으로는 충전재가 겔화되는 특성을 보이기는 어렵다. 이에 따라 가소제를 사용하기로 하였다.

본 발명에 따른 가소제로는 감수제와 시멘트계 가소제를 사용하였다.

여기서 사용되는 감수제는 폴리머계 가소제로서 액상의 상태를 이루고 있다. 또한 시멘트계 가소제는 분말의 상태로서 사용하였다. 이러한 감수제와 시멘트계 가소제는 [표 2]과 같은 비율로서 물과 함께 첨가재로서 사용한다.

가소제의 비율

감수제(kg)	물(kg)	시멘트계가소제(kg)	물(kg)
0.375	4	1.88	3.75

감수제의 경우에는 염화칼슘 또는 염화칼륨을 포함하는 감수제이다. 반면 시멘트계 가소제는 3CaO·SiO₂(C₃S)로 중량비 70~80wt%정도 넣고, 2CaO·SiO₂ (C₂S)는 20~30wt% 정도로 구성되어 있다.

이러한 가소제를 첨가하는 것은 수중 불분리성내지는 주입 충전재로서 가소성을 발휘하는 데 큰 역할을 할 수 있다. 또한 이러한 가소성의 확보와 함께 수중에서도 흐트러지거나 분리됨이 없는 수중 불분리 특성을 갖는 충전재를 개발할 수 있다.

이러한 가소제의 여러가지 역할 중에서 수중 불분리 특성을 확보하고자 하는 것이 감수제와 시멘트계 가소제를 선택한 이유이다. 만일 충전재료가 가소화되기도 전에 수중에서 흐트러진다면 지반안정화는 기대하기 어렵다. 터널 공동부에 대한 주입 충전재로 사용하기 위해서는 충전재료가 분리되지 않아야 한다. 이처럼 충전재가 수중에서도 기건상태와 같은 수화반응을 일으키며, 기건 상태와 같은 물성이 그대로 유지될 수 있도록 하는 특성을 수중 불분리 특성이라고 한다. 수중 불분리특성은 경화속도와 직접적으로 관련이 있다. 이처럼 시멘트와의 경화반응을 촉진시키는 성능을 갖는 배합성분으로는 C₃S를 다량 함유하고 있는 시멘트계 가소제를 사용하기로 하였다. 이러한 C₃S의 첨가로 속경성을 가지게 되는 데, 이러한 C₃S의 영향으로 터널 공동부 주입 충전재는 팽창성, 급경성, 고강도성을 나타내게 된다.

또한 감수제에 포함되어 있는 염화칼슘은 시멘트의 수화반응을 촉진시키는 혼화제의 일종이다. C₃S와 염화칼슘은 두 가지 모두 시멘트의 경화에 역할을 수행한다. C₃S는 시멘트의 구성성분을 이루는 것으로서 자체적으로 수화반응을 보이는 특성을 보인다. 하지만 염화칼슘은 시멘트의 수화반응을 촉진시키는 역할을 수행할 뿐만 아니라, 동절기와 같은 낮은 온도에서도 배합재료 본래의 성능을 발휘케 하는 역할도 수행한다. 하지만 염화칼슘은 콘크리트의 황산염에 대한 화학 저항성을 감소시키므로 정해진 사용량을 첨가하여야 한다. 따라서 본 발명에서 감수제와 시멘트계 가소제를 중량비가 1:5~6 인 것으로 한정하여 사용하였다.

이러한 측면의 보강을 위하여 감수제와 시멘트계 가소제를 첨가재로서 주재를 따로 주입하는 방법을 사용하였다. 특히 이러한 주재와 가소제를 첨가할 때 급경하는 성질을 보이기 때문에 실제 시공현장에서 1.5쇼트 방식으로 재료를 주입하는 방식을 사용하였다.

1.5숏트 방식이란 약액주입공법의 일종이다. 여기서 약액 주입공법이란 물유리 약액과 현탁액을 혼합하면, 겔화된다는 현상에 착안하여 개발된 공법이다. 주입재는 물유리 용액을 주재로 하고, 시멘트 현탁액이나, 시멘트 벤토나이트를 경화재로 한다. 이러한 주입 방법은 각각 별개의 펌프를 갖고 동압 동량으로 보내 Y 자형 파이프로 합류시켜서 혼합주입하는 방식을 특히 1.5숏트 방식이라고 한다. 이러한 약액 주입 공법에는 1숏트 방식과 2숏트 방식도 가능한데, 1숏트 방식은 주액과 첨가액을 미리 혼합하여 주입하는 공법을 말한다. 이러한 공법을 주재와 경화재를 첨가하는 공법에 사용한다면 압송이전에 경화되는 현상이 발생하므로 주재와 경화재의 첨가공법에는 사용할 수 없다. 또한 2숏트 공법이란 서로 다른 주입관을 가지고 주입하는 공법으로 2개의 주재와 경화재가 혼합되지 않는 현상이 발생하고 이에 따라 부분적인 경화가 발생하게 된다. 따라서 본 발명에 따른 터널 공동부 주입 충전재로서 벤토나이트, 시멘트, 가소제를 사용하기 위해서는 1.5숏트 공법을 사용하는 것이 바람직하다. 이때 1.5 숏트 공법을 적용하는 경우에는 주재용 펌프와 첨가재용 펌프의 두 가지 펌프가 필요하다. 이때 주재용 펌프의 경우에는 압송거리에 따라 주입관의 직경을 달리할 필요가 있다. 하지만 첨가재를 주입하는 관의 경우에는 자체 경화되는 특성을 보이지는 않으므로 일정한 두께인 12mm로 일정하게 하는 것이 바람직하다.

압송거리에 따른 주입관의 지름

압송거리	200m 미만	200m~500m	500m~1000m
주재관 지름	31.75mm이상	38.10mm이상	50.80mm이상
첨가재관 지름	12mm	12mm	12mm

이러한 주재관의 지름을 시공거리에 따라 크게 한 것은 압송거리에 따라 압송압력의 저하 현상이 발생하는 것을 고려하여 산정된 것으로 주입액 송출량은 Q=50~160ℓ/min 정도를 기준으로 최대 주입압력 미만으로 시공을 하여야 한다.

먼저 시멘트, 벤토나이트, 물을 혼합한 경우의 표 1에 따른 플로우 각도 결과에 대하여 살펴보기로 한다.

플로우 각도시험 결과

시멘트 (kg)	벤토나이트(kg)	물 (kg)	플로우 각도	수조에 물이 투명해질 때 PH
				1회	2회	3회	4회	5회
64.180	64.180	187.500	62	11.81	11.50	11.24	11.20	11.5
67.750	67.750	185.000	64	11.10	10.90	10.66	10.68	10.8
71.320	71.320	182.50	65	11.03	11.04	10.80	10.57	10.9
75.000	75.000	180.00	70	11.76	11.81	11.30	11.20	11.5
78.450	78.435	177.50	-	11.31	11.58	11.11	10.92	11.2

[표 4]에 따른 실험 결과를 보면, 플로우 각도가 현격하게 높은 것을 알 수 있다. 앞에서 상술하였듯이 적절한 플로우 각도를 15~30°라고 할 때 이렇게 플로우 각도가 높게 나오는 것은 위의 배합을 가지고는 터널 공동부에 대한 주입 충전재로서의 성능을 충족시키지 못한다는 것을 의미한다. 또한 물이 투명해질 때의 pH변화량을 보면 배합에 따라 큰 차이를 보이지 않고 10~12사이의 안정된 값을 보이기 때문에 약알카리성을 유지한다는 것을 알 수 있다.

또한 [표 4]에 나타내지 않았지만 물의 함량이 증가할 수록 무게차이가 심하게 나타난다는 것을 알 수 있었고 또한 물의 함량을 증가시키면 유동성이 증가하면서 플로우 각도가 작아진다는 것을 확인할 수 있었다.

이에 따라 이러한 터널 공동부 주입 충전재에 대하여 가소제를 첨가하는 경우에 대한 플로우 각도를 측정해보기로 하였다.

가소제의 첨가에 따른 주입충전재의 플로우 각도 변화

NO	시멘트 (kg)	벤토나이트(kg)	물 (kg)	가소제(kg)	플로우 각도
					3분	6분	9분	12분	15분
1	57.00	57.00	192.50	10	42.5	47.5	48.5	52	53
2	53.42	53.42	195.0	10	39.5	46	55	55	56
3	49.84	49.84	197.0	10	31.5	41.5	45.5	50	45.5
4	46.26	46.26	200.0	10	25.5	33.5	35.5	38.5	37.5

[표 5]에 따른 각도 변화를 보면 시멘트와 벤토나이트의 양이 줄어들고 물의 양이 증가함에 따라 플로우 각도가 점점 줄어든다는 것을 알 수 있다. 하지만 본 [표 5]에서 주의해야 할 내용은 플로우 각도의 측정은 가소제가 벤토나이트와 배합되는 즉시 경화되는 성질을 가지고 있기 때문에 콘크리트 믹서(미도시)에서 시료를 아크릴 통에 넣고 각도를 재는 시간을 포함하여 3분을 기준으로 한 각도를 잰 결과로서 실제 초기 상태일 때의 플로우 각도를 보면 그래프 4번째의 실험 결과가 가장 이상적인 플로우 각도 값을 보인다는 것을 알 수 있다.

이로부터 터널 공동부 주입 충전재에 필요한 시메트, 벤토나이트, 물에 대한 배합비를 결정할 수 있었다. 상술한 바와 같이 이러한 플로우 각도 실험은 터널 공동부 주입 충전재에 필요한 가소성을 충족시키는 배합을 결정하기 위하여 실시한 것이다. 안정액을 형성하는 벤토나이트에 급경성을 보이는 첨가재를 부가하는 방법에 의해서 적절한 배합비를 결정할 수 있었다.

여기에 수중 불분리성에 대한 시험이 필요하다.

도 2는 본 발명에 따른 터널 공동부 주입 충전재에 대한 수중 불분리성 시험용 수조를 보여주는 사시도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 수중 불분리성 수조(10)의 좌우측면(14a,14b)과 밑면(16)은 절곡이 되어 있어서 U자형의 모양을 이룬다. 또한 앞, 뒤면(15a,b)으로는 50×50 앵글(11)로 플랜지를 형성한다. 또한 윗면에는 50×50 앵글(11)로 날개가 바깥이 되도록 플랜지를 만든다. 이렇게 수중 불분리성 시험용 수조(10)를 만들게 되면 앞뒤면(15a,15b)으로는 뚫려 있게 된다.

여기에 아크릴 판(미도시)를 대고 실리콘으로 마감처리를 하면 수중 불분리성 시험용 수조(10)는 완성이 된다.

이렇게 완성된 수중 불분리성 시험용 수조(10)는 이동이 가능할 수 있도록 2개의 고정용 바퀴(17a)와 이동용 바퀴(17b)를 부착시킨다. 이러한 수중 불분리성 시험용 수조(10)에는 밑면(16)에 주재와 첨가재가 주입될 수 있도록 하는 밸브(18)로 형성되어 있어야 한다. 그리고 이러한 밸브(18)에는 Y자형의 호스(미도시)를 연결하게 되는데, 한쪽에는 주재를 주입하기 위한 펌프(미도시)가 연결되어 있고, 다른 한쪽에는 첨가재를 주입하기 위한 펌프(미도시)가 연결되어 있다. 또한 본 발명에 따른 수중 불분리성 시험용 수조의 우측면(14b)에는 수조에 들어간 물을 배수 시킬수 있는 배수용 밸브(19)로 구성된다.

또한 수중 불분리성 시험을 위해서는 몰탈 믹서(미도시)가 2대 따로 마련되어 있어서 재료 공급전에 주재와 첨가재에 대한 혼합 작업을 수행하도록 구성되어 있다.

이렇게 수중 불분리성 시험용 수조가 마련이 되면 수중 불분리성에 대한 실험을 수행한다. 이것은 앞에서 상술한 바와 같이 시멘트, 벤토나이트, 물, 가소제가 들어갔을 때 물과 융합이 되지 않고 그 형태를 유지하는 가에 대한 시험이다. 만일 이러한 수중 불분리성 시험에서 물과 융합이 되는 현상이 발생한다면 이러한 배합재는 터널 공극용 주입 충전재로서 사용하기 어려울 것이다.

앞의 [표 4]에서 적정한 플로우 각도를 No.4의 배합을 사용하였고, 수중 불분리성 시험용 수조(10)에 물을 채운 다음 콘크리트 믹서(미도시)에서 배합된 재료를 2대의 펌프를 이용하여 압송하였다. 또한 이러한 압송방식은 1.5쇼트 방식을 사용하여 수중 불분리성 시험용 수조(10)의 밸브(18)를 통해서 터널 공동부 주입 충전재가 투입되기 전에 혼합작업이 이루어지도록 한다.

이와 같은 수중 불분리성 시험기기로 물과 재료의 분리성을 확인한 결과 수중에서 재료를 주입한 형태로 유지되었으며, 재료를 절단하였을 때에도 재료안에 공극이 발생하지 않고 완전한 충전이 일어난다는 사실을 확인할 수 있었다.

하지만 이러한 벤토나이트는 고가이기 때문에 소량공사의 경우에는 [표 4]의 No.4와 같은 배합으로 충전을 할 수 있지만 대규모 공사의 경우에는 경제성의 문제가 대두된다. 이러한 것에 대한 대책으로 생각해 낸 것이 건설 폐기물의 일종인 폐콘크리트 미분을 사용하는 것이다.

도 3은 본 발명에 따른 폐콘크리트 재생골재로부터 폐콘크리트 미분을 얻어내는 수처리과정을 보여주는 절차도이다. 먼저 폐콘크리트 재생골재를 분쇄하는 작업을 수행한다(S10). 이러한 1차적인 조분쇄 과정은 조크러셔에 의해 이루어지게 된다. 이처럼 조크러셔에 의해 분쇄된 재생골재는 자선기를 이용하여 철강재폐기물이 제거된다(S20). 그리고 철강재폐기물이 제거된 폐콘크리트 재생골재를 임팩트크러셔에서 반복 파쇄한다(S30). 이러한 파쇄작업에서 분쇄된 폐콘크리트 재생골재를 #4번 체를 이용하여 체가름을 한다. 이러한 체가름 작업을 통해서 잔골재를 분리한다(S40). 이렇게 체가름 후 잔여분은 샌드유니트로 보내지고 회전 선별기로 공급된다(S50). 이때 회전선별기에서는 물탱크로부터 세척수가 함께 공급된다. 이러한 회전선별기에서는 세척하는 작업을 수행함과 아울러 일정크기 이상의 크기를 갖는 골재를 제거하는 작업을 수행한다(S60).

이처럼 세척수로 걸러진 미분은 많은 부유물을 포함하고 있다. 이러한 부유물이라고 하는 것은 스치로폴, 목재, 플라스틱류 등을 말하는데 부유물 제거기에서 제거되는 과정을 거친다(S70). 부유물이 제거된 재생골재는 분사장치에 의해서 다시 한번 더 세척수가 분사되면서 일정한 입도를 갖는 탈수스크린을 통과하게 된다.

스크린을 통과한 세척오수는 탱크로 수집된다. 그 다음 세척오수는 섬유사 제거과정을 통해 실, 머리카락 등 각종 섬유사가 제거된다. 이때 압축공기가 공급되어 컨베이어에 붙은 잔여 섬유사의 제거를 촉진한다.

이처럼 굵은 입자가 제거된 세척수와 미분은 약품 공급장치에 의해서 공급되는 약품에 의해서 침전되고 농축된다(S80). 이러한 작업이 이루어지는 장소가 침전 및 농축조이다. 이러한 침전 및 농축조에서 미분은 침강시키고 스크래파를 회전시켜서 일정한 농도로 농축하고 상등수는 물탱크로 보내어져 다시 세척수로 재사용하게 된다. 그러나 이렇게 얻어진 농축된 슬러지는 사일로로 보내어져 저장된다(S90).

저장된 슬러지는 케이크 상태로 탈수하여 탈수된 물은 혼합탱크로 보내지고 필터프레스에 의해서 슬러지 상태의 미세분말이 얻어진다(S100). 이렇게 되면 슬러지 상태의 폐콘크리트 미분은 입경이 0.074mm이하의 크기를 갖게 되고, 이러한 크기를 갖는 입자는 활성 및 점성이 좋은 상태가 된다.

본 발명에 따른 폐콘크리트 미분을 이용한 터널 공동부 주입 충전재는 이러한 74㎛이하의 입자크기를 갖는 미분을 고가인 벤토나이트에 대한 대체재료로서 사용한다. 또한 이러한 수처리 공정에 의해서 얻어진 미분의 경우에는 수분의 함량이 미분에 따라 차이가 나므로 이에 대한 균일화 작업이 필요하다. 이를 위해서 소형 로터리킬른에서 가열하는 작업을 수행한다(S110). 이러한 작업을 통하게 되면 폐콘크리트 미분에 포함되어 있는 함수량은 일정하게 되고 화학적, 물리적으로 동일한 성질을 나타내므로 터널 공동부에 주입 충전재로 사용이 가능하다.

만일 이러한 처리를 하지 않는다면 폐콘크리트 미분의 경우에는 균일한 특성을 보이지 않기 때문에 수중 불분리성이나 가소성에서 어떠한 미분을 사용하는가에 따라 달라지게 될 것이다.

또한 본 발명에 따른 폐콘크리트 미분을 이용한 터널 공동부 주입 충전재의 경우에는 약품 공급장치로 부터 침전되고 농축되는 공정이 포함되어 있는 데, 이러한 약품 공급장치는 준비용 탱크와 사용탱크로 구성되어 있어서 세척수를 반복하여 사용할 수 있는 구성을 가지고 있다.

벤토나이트와 가소제는 재료비가 매우 고가이기 때문에 위와 같은 수처리공정에서 얻어지는 미분을 이용하여 경제성있는 충진재가 된다. [표 6]은 이에 대한 플로우 각도 실험 결과를 보여준다.

벤토나이트와 미분의 중량비를 7:3으로 배합한 경우 플로우각도

No	시멘트 (kg)	벤토나이트(kg)	미분 (kg)	물 (kg)	가소제 (kg)	플로우 각도(평균)				비고
						3분	6분	9분	12분
1	67.840	47.409	20.350	185.00	10	38	45	45	46	가소성 많이 발현 재료분리 없음
2	64.260	44.980	19.280	187.50	10	32	38	40	44	가소성 많이 발현 재료분리 없음
3	60.680	42.480	18.200	190.00	10	25	29	30	31	가소성 조금 발현 재료분리 약간 발견
4	57.100	39.970	17.130	192.50	10	18	20	20	19	가소성 조금 발현 재료분리 약간 발견

배합조건은 0.25㎥을 기준으로 배합을 하였고, 시멘트, 벤토나이트, 미분을 중량비 1:0.7:0.3으로 하였다. No.1과 No.2 같은 경우에는 [표 5]의 결과와 비교하여 많은 가소성과 재료분리가 일어나지는 않았다. No.3과 No.4의 경우에는 가소성이 어느 정도 발현이 된다. 하지만 재료가 완전히 겔화하는 현상이 생기는 것이 아니라, 약간의 재료분리로 수면에 약간의 물이 떠 있는 것을 알 수 있었다. 그리고 미분이 들어가지 않은 경우에 비해서 순간적인 겔화현상은 생기지 않고 각도차이는 2~12°의 차이를 보였다.

이에 따라 미분을 증가시키되 시멘트의 양을 증가시키는 방향으로 실험의 방향을 조정하였다. [표 7]은 이러한 벤토나이트와 미분의 비가 1:1인 경우의 플로우 각도를 보여주는 표이다.

벤토나이트와 미분의 중량비를 5:5로 배합한 경우 플로우 각도

No	시멘트 (kg)	벤토나이트(kg)	미분 (kg)	물 (kg)	가소제 (kg)	플로우 각도(평균)
						3분	6분	9분	12분
1	78.580	39.290	39.290	177.50	10	30	34	35	35
2	75.000	37.500	37.500	180.50	10	25	31	32	35
3	71.420	35.710	35.710	182.50	10	20	22	24	25
4	67.840	33.9200	33.920	185.00	10	18	20	22	25

실험을 한 결과 플로우 각도는 No.1, No.2, No.3, no.4 모두 적정한 각도를 보였다. 그리고 1번과 2번의 경우에는 약간의 재료분리가 있고 가소성이 어느 정도 발현되었다. 또한 벤토나이트의 양이 줄어듦에 따라 순간적인 겔화현상은 발생하지 않았다.

여기에 시멘트의 중량비를 고정시키고 벤토나이트와 미분을 3:7의 배합비로 혼합한 경우에 대한 플로우 각도 측정을 하였다. [표 8]은 이러한 실험결과에 대한 배합결과이다.

벤토나이트와 미분의 중량비를 3:7로 한 경우의 플로우 각도

No	시멘트 (kg)	벤토나이트(kg)	미분 (kg)	물 (kg)	가소제 (kg)	플로우 각도(평균)
						3분	6분	9분	12분
1	103.64	31.09	72.55	160.00	10	32	35	36	36
2	100.06	30.02	70.04	162.50	10	28	33	32	335
3	96.48	28.94	67.54	165.00	10	26	28	31	32
4	92.9	27.87	65.03	167.50	10	23	24	25	25
5	89.2	26.80	62.50	170.00	10	20	22	23	24

[표 8]은 벤토나이트와 미분을 3:7로 배합한 경우의 실험 결과인데, No.2, No3, No.4, No.5는 모두 적정한 플로우 각도를 보였으며, 각도의 차이는 2~6°의 차이를 보였다. 재료분리는 물의 양이 많아질 수록 재료분리가 더 잘 일어나 순간적인 겔화 현상도 적게 발현이 되었다.

이로부터 시멘트, 벤토나이트, 물, 가소제를 사용한 배합실험의 경우에는 벤토나이트가 가소제와 결합하면서 순간 경화가 일어나 겔화되는 현상을 보였다. 그리고 여러 가지 배합조건 중에서 적절한 플로우 각도를 가지고 있는 배합에 대하여 수중 불분리성 시험을 한 결과 재료를 주입한 형태로 유지되는 수중 불분리성을 잘 나타냈다. 또한 이러한 재료의 배합의 경우에 주입 충전재로 적합하다는 것을 알 수 있었다. 또한 수중에서의 pH의 변화 또한 보이지 않는 안정액을 형성하는 특징을 보여주었다. 하지만 벤토나이트는 고가이므로 이에 대한 대체재료로서 미분을 배합하는 방법을 사용하였다.

이러한 시멘트, 벤토나이트, 미분, 물, 가소제의 실험결과는 벤토나이트의 양이 적어지면 적어질 수록 가소성은 적게 발현되었다. 또한 플로우 각도의 차이에서도 벤토나이트 양이 적어질 수록 재료분리가 일어나는 것을 관찰할 수 있었다.

이때 재료분리가 일어나는 배합의 경우에는 터널 공동부 주입 충전재로서 사용하기가 적절하지 않다고 할 수 있다. 그리하여 터널의 복공배면에 충전을 하는 경우 플로우 각도가 15~30°이기 때문에 어느 정도 유동성이 확보되며 터널의 공극부에 물이 차있다 하더라도 수중 물분리성이 있기 때문에 물과 재료가 분리가 되어 물을 공극에서 빼내면서 그 사이에 재료가 들어갈 수 있다.

이처럼 벤토나이트를 일정 미분으로 대체하면 경제성있는 터널 공동부 충전재로서의 적용 가능성이 확보된다고 할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 본 발명에 따른 시멘트, 벤토나이트, 물과 가소제의 배합으로 플로우 각도 시험을 하는 것을 보여주는 사시도.

도 2는 본 발명에 따른 터널 공동부 주입 충전재에 대한 수중 불분리성 시험용 수조를 보여주는 사시도.

도 3은 본 발명에 따른 폐콘크리트 재생골재로부터 폐콘크리트 미분을 얻어내는 수처리과정을 보여주는 절차도.

<도면의 주요부분에 대한 부호설명>

10:수중 불분리성 시험용 수조,

11:50×50앵글,

14a:좌측면,

14b:우측면,

15a:전면,

15b:후면,

16:밑면,

17a:고정용 바퀴,

17b:이동용 바퀴,

18:밸브,

19:배수용 밸브,

40:믹서,

50:펌프,

60:주재주입관,

70:첨가재주입관,

80:각도기,

90:플로우측정기기.

Claims (13)

1. 시멘트 10중량부에 대하여,

   벤토나이트가 3~7중량부,

   입자의 직경이 74㎛이하인 폐콘크리트 미분이 3~7중량부,

   물이 15~28중량부,

   가소제 0.9~1.5중량부를 포함하되, 상기 가소제는 감수제:시멘트계 가소제의 중량비가 1:5 ~ 6인 것을 특징으로 하는 폐콘크리트 미분을 이용한 터널공동부 주입 충전재.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서,

   상기 감수제는 염화칼슘 또는 염화칼륨을 포함하는 것을 특징으로 하는 폐콘크리트 미분을 이용한 터널 공동부 주입 충전재.
5. 제1항에 있어서,

   상기 시멘트계 가소제는 C₃S:C₂S의 중량비가 7:3~8:2 인 것을 특징으로 하는 폐콘크리트 미분을 이용한 터널 공동부 주입 충전재.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 폐콘크리트 미분은 수처리과정을 통하여 얻어지는 것을 특징으로 하는 폐콘크리트 미분을 이용한 터널 공동부 주입 충전재.
7. 제 6항에 있어서,

   상기 수처리과정은 조크러셔로 분쇄하여 재생골재를 투입하는 단계(S10);

   상기 조크로셔로 분쇄된 재생골재 중에서 자선기를 사용하여 철강재 폐기물을 제거하는 단계(S20);

   상기 철강재 폐기물이 제거된 재생골재를 임팩트 크러셔로 반복파쇄하여 5mm이하의 입경의 재생골재를 얻어내는 단계(S30);

   상기 5mm이하의 재생골재 중에서 샌드유니트에서 잔골재를 분리하는 단계(S40);

   재생골재를 샌드유니트로 이송하는 단계(S50);

   상기 샌드유닛트를 통과한 상기 폐콘크리트 미분에 대하여 슬러지와 물을 분리시키는 단계(S60);

   상기 미분을 침지하여 미세부유물을 제거하는 단계(S70);

   상기 미분을 침전 농축조에서 약품 처리 및 침전시키는 단계(S80);

   상기 침전 농축조에서 침전된 슬러지가 사일로로 보내져서 저장되는 단계(S90);및

   상기 슬러지가 필터프레스에서 폐콘크리트미분으로 배출되는 단계(S100);를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐콘크리트 미분을 이용한 터널 공동부 주입충전재.
8. 제 7항에 있어서,

   상기 약품 처리 및 침전되는 단계(S80)에서 상기 약품은 준비용 탱크와 사용탱크로 구성되어 있는 약품 공급장치에서 공급되는 것을 특징으로 하는 폐콘크리트 미분을 이용한 터널 공동부 주입충전재.
9. 제 7항 또는 제 8항에 있어서,

   상기 수처리과정은 상기 필터프레스에 배출되는 단계(S100)후에 소형 로터리 킬른에서 가열하는 단계(S110)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폐콘크리트 미분을 이용한 터널 공동부 주입충전재.
10. 삭제
11. 삭제
12. 삭제
13. 삭제

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