KR101018306B1

KR101018306B1 - 초속경성 마이크로시멘트 주입재 및 이를 함유한 초속경성 마이크로시멘트

Info

Publication number: KR101018306B1
Application number: KR1020100105186A
Authority: KR
Inventors: 김성운; 김영진; 차경섭; 김선주
Original assignee: 쌍용양회공업(주); (주)대우건설
Priority date: 2010-10-27
Filing date: 2010-10-27
Publication date: 2011-03-04

Abstract

본 발명은 초속경성 마이크로시멘트 주입재 및 이를 함유한 초속경성 마이크로시멘트에 관한 것으로서, 특히 터널 굴착공사에 있어서, 기존 주입재의 양생기간을 대폭단축함으로써 공사기간의 단축이 가능한 초속경성 마이크로시멘트 주입재에 관한 것이다. 본 발명에 의하면 별도의 규산소다나 급결 약액을 사용하지 않으면서도, 겔타임을 수분~수십분의 범위로 조절 가능하면서, 주입 작업이 완료된 후 2~3시간에 일반적인 차수 및 보강용 주입재의 장기 압축강도인 2MPa 이상의 압축강도 발현이 가능하여, 주입재의 양생기간을 대폭 단축 가능하다.
본 발명은 블레인 비표면적 4,000~12,000㎠/g인 포틀랜드시멘트 10~70중량%; 아윈계 광물 함량이 10~90 중량%이면서 블레인 비표면적 4,000~12,000㎠/g인 아윈클링커 미분말 20~60중량%; SO₃ 함량이 40~90중량%이며, 블레인 비표면적 4,000~20,000㎠/g인 황산칼슘 10~30중량%로 이루어지는 초속경성 마이크로시멘트 주입재 100 중량부에 대하여, 무기질 증점제 0.1~5.0 중량부; 분말상의 유기질 증점제 0.1~5.0 중량부; 유동화제 0.1~5.0 중량부; 시멘트 수화 촉진제 0.1~5.0 중량부를 분체 믹서에서 혼합하여 제조되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 터널 누수부에 시공하여 일반적인 차수용 주입재의 28일 설계 강도인 2MPa 이상의 호모겔 강도를 2~3시간 이내에 발현함으로써 주입재 주입 후 후속 공정의 진행에 필요한 양생기간을 수일 내지 수주일에서 2~3시간으로 대폭 단축함으로써 공사기간을 크게 단축할 수 있다. 또한 지연제 첨가량을 조절함으로써 주입작업이 가능한 시간 및 겔타임을 조절할 수 있어, 온도나 지반 특성의 변화에 따른 유동성 유지시간의 조절 및 강도발현 속도의 조절이 용이하고, 여러 대의 주입재 믹서 및 펌프가 필요 없이 각각 한대의 믹서 및 펌프만으로 간편하게 차수 및 보강공사를 할 수 있어 공사비의 절감이 가능하다. 또한 시멘트계 무기질 결합재를 사용함으로써 종래의 규산소다나 약액계 주입재에 비해 우수한 내구성과 높은 강도발현이 가능하여, 구조물의 반영구적인 차수 및 보강이 가능하다.

Description

초속경성 마이크로시멘트 주입재 및 이를 함유한 초속경성 마이크로시멘트{SUPERHIGH HARDENING MICROCEMENT GROUT AND SUPERHIGH HARDENING MICROCEMENT HAVING THEREOF}

본 발명은 초속경성 마이크로시멘트 주입재 및 이를 함유한 초속경성 마이크로시멘트에 관한 것으로, 보다 상세하게는 별도의 규산소다나 약액계 급결재를 사용하지 않고 수분~수십분의 겔타임 확보가 가능하고, 주입 후 2~3시간에 주입재의 실용강도인 2MPa 이상의 강도발현이 가능한 초속경성 마이크로시멘트 주입재 및 이를 함유한 초속경성 마이크로시멘트에 관한 것이다.

지반 및 구조물, 터널 등의 누수를 차단하거나 강도를 높이기 위해 공극 또는 공동부에 충전재를 주입하는 공법을 그라우팅(grouting) 이라고도 하며, 그 주입재를 그라우트 또는 그라우트재라고도 한다.

그라우팅 공법으로는 주입 재료 및 시공기술의 발달에 따라 다양한 공법이 개발되어 실용화 되어 왔다. 지반주입공법은 크게 용액형 약액계, 시멘트-약액계 및 시멘트 현탁액계로 나누어진다.

용액형의 약액으로는 무기계인 물유리계와, 크롬-리그닌(Chrome-lignin)계, 아크릴-아미드(Acryl-amide)계, 우레탄(Urethane)계 등의 고분자계로 구분되고, 이들 약액은 점성이 낮고 입자가 없어 시멘트로는 기대할 수 없는 협소한 균열 깊숙이까지 주입 충전될 수 있으나, 고분자계 약액은 주입으로 인한 공해문제로 특수한 목적 외에는 거의 쓰이지 않고 있다.

시멘트-약액계 그라우트팅 공법의 구체적인 종류로는 LW공법, SGR공법 마이크로 시멘트 그라우팅공법, 실리카졸계 그라우팅공법 등을 들 수 있으며, 약액과 시멘트 현탁은 혼합 후 수초~수분 후에 유동성을 잃고 겔화되어 급속 차수 공법으로서 이용되고 있다.

물유리를 사용하는 LW 및 SGR 공법의 경우 시멘트현탁액과 물유리액을 1.5액형 또는 2.0액형 방식으로 지반에 주입하여 공극을 충진함으로써 차수 및 보강하는 공법으로서, 경제성이 우수하고, 시공이 간단하여 다수 적용되어 오고 있으나, 겔화 이후 강도발현이 이루어지기 위해서는 수일 이상이 소요되며, 수주일 이후의 강도 또한 0.5~2.0MPa 이하의 수준으로 낮다. 더욱이 시간이 경과에 따라 경화체로부터 수산화칼슘, 알칼리 및 미반응 실리카가 쉽게 용탈되어 수~수십 개월 이내에 구조물에 다시 누수가 발생하는 등 문제점이 있다.

상기 물유리의 문제점을 개선하기 위하여 시멘트 및 슬래그미분말 등을 활용한 마이크로시멘트가 개발되어 마이크로시멘트(또는 마이크로실리카) 그라우팅공법으로 실용화되어 있으며, 물유리를 개질한 특수규산소다 및 실리카졸 약액이 사용되기도 하나, 이 또한 겔화 이후 강도발현에 수일~수주일 이상 소요되고, 최종적인 강도 또한 2MPa 수준으로 낮아, 구조물의 반영구적인 보강재료로서는 부적절하다.

한편, 시멘트 현탁액계의 주입재는 강도가 높고, 내구성이 우수하여 반영구적인 차수 및 보강의 목적으로 사용되고 있으나, 일반 콘크리트에 비해 물-시멘트비가 높은 주입재의 경우 6시간 이상 경과하여도 유동상태를 유지하여, 주입범위의 조절이 어렵고, 특히 크고 연속적인 공극이 존재하거나 유수중에 주입하는 경우 재료의 유실이 크게 발생하며, 실용적인 강도를 발현하기 위해서는 수일이 소요되는 문제점이 있다.

차수 및 보강에 사용되는 주입재의 예로서,

등록특허 제10-0415005호는 분말도가 9,000~12,000㎠/g인 초미립자 시멘트 40~85중량%; 분말도가 9,000~12,000㎠/g인 고로 슬래그 10~55중량%; 플라이애시, 유리 슬래그, 폐유리 분말, 무수 석고, 실리카흄 그룹 중 선택된 1종 이상의 부원료 2~10중량%; 유동화제 분말 1.5~2.5중량%를 포함하여 이루어진 초미립자 시멘트계 주입재에 관한 것으로서, 분말도가 높아 미세 공극의 주입이 가능하여 그라우팅이나 구조물 보수공사에서 우수한 주입성능을 발휘할 수 있으나, 경화시간이 길어 주입 후 수압 등에 의해 경화되지 못한 주입재가 유실되어 차수효과를 상실하기 쉬우며, 본 발명에서와 같이 단시간의 높은 강도발현이 불가능하다.

또한, 대한민국등록특허 제10-0402456호에는 지반보강 및 차수를 목적으로 하여, 지반에 대한 침투성이 양호한 특성을 나타내는 비표면적 4,000㎠/g 이상의 미립자 시멘트와 중성 실리카졸(실리카 콜로이드)을 이용하는 방법이 기재되어 있다. 그러나, 상기 중성 실리카졸은 가격이 높고, 겔화를 위해서는 추가적으로 중탄산나트륨을 사용하는 등 경제성이 떨어지는 문제가 있으며, 겔화 이후에 강도발현을 위해서는 수일 이상 양생이 이루어져야 한다.

등록특허 제10-0487825호에서는 시멘트와 혼화제로서 염기성 황산알루미나 용액을 사용하여 황산알루미나의 반응에 의해 수산화 알루미늄 졸을 생성시켜 블리딩이 적은 주입재를 제조하는 방법을 제시하고 있으나, 강도발현이 늦어 3일 이후의 강도만을 제시하고 있다.

이외에도 등록특허 제10-0766626호, 등록특허 제10-0397249호, 특허등록 제10-0413340호, 공개특허 특2000-0023085호 등이 있으나, 물유리 또는 실리카졸을 혼합하여 주입하는 2액형의 재료로써, 겔타임이 수초~수십초의 범위로서 급속 차수의 목적으로 사용할 수는 있으나, 2~3시간에 후속 공정이 가능할 정도의 조기 강도발현은 불가능하다.

한편, 공개특허 10-2007-0071717호 및 등록특허 10-0737488에서는 CSA(칼슘설포알루미네이트) 또는 알루미나시멘트 등와 무기염계 촉진제 및 지연제 등으로 구성되는 급결제와 시멘트 현탁액으로 구성되는 급결 주입재를 제시하고 있으나, 이는 2액형으로 각각 2대 이상의 믹서 및 펌프가 필요하며, 겔타임이 수초~수십초 범위로 지반 차수 및 보강 범위가 작고, 지반 내에서 단시간에 혼합이 이루어지므로 균질한 재료 및 물성의 확보가 불확실한 단점이 있다. 또한, 겔화 이후 1~3일 이상 양생하여야 1MPa 이상의 실용적인 강도발현이 가능한 재료로서, 본 발명의 주입재와 같이 시공 후 2~3시간 내에 2MPa 이상의 강도 확보는 불가능하다.

또한, 상기의 물유리, 실리카졸, 황산알루미나용액 및 알루미나시멘트 등의 급결제를 사용하는 경우 2액형의 재료로서, 장비 구성이 복잡하여 시공비가 증가하게 되며, 특히 지반 내에서 순간적으로 혼합 및 반응이 이루어지므로 균일한 경화체의 형성이 어려워 실제 지반 내에서의 강도 및 내구성에 대한 품질 확인 및 보증이 불가능한 문제점이 있다.

또한, 지반, 수리 구조물 및 터널 등의 차수 및 보강에 사용되는 기존의 주입재는 시공 후, 후속 공정의 작업이 가능한 강도를 발현하는데 수일 내지 수주일의 양생기간이 필요하여, 공사기간이 크게 지연되는 문제점이 있다.

또한, 시멘트 현탁액계의 주입재는 높은 물-시멘트비의 영향으로 재료분리 및 블리딩이 발생하여, 양생 과정에서 공극이 발생하므로 누수를 차단하기 위해서는 수 차례에 걸쳐 반복 시공하여야 하는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 주입후 2~3시간의 양생만으로 2MPa 이상의 충분한 강도발현이 가능하여, 주입재의 양생에 따른 작업의 지연을 최소화할 수 있도록 하는 초속경성 마이크로시멘트 주입재 및 이를 함유한 초속경성 마이크로시멘트를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 별도의 규산이나 급결성분 약액을 사용하지 않으면서도 수분~수십분에 시멘트 현탁액을 겔화 시키고, 또한 지연제의 투입량을 조절함으로써 현탁액의 유동성 유지 시간을 충분한 작업 시간을 확보할 수 있도록 수분 내지 수십분으로 조절할 수 있도록 하는 초속경성 마이크로시멘트 주입재 및 이를 함유한 초속경성 마이크로시멘트를 제공하는데 다른 목적이 있다.

또, 본 발명은 주입 작업에 각각 여러 대의 믹서 및 펌프가 필요한 종래의 2액형 또는 1.5액형 급결성 주입재에 비해, 믹서 및 펌프가 각각 1대만 필요한 1액형 주입재를 제공함으로써, 시공장비가 감소하여 시공이 간편하고 시공비를 절감할 수 있으며, 균일한 재료의 주입이 가능하도록 하는 초속경성 마이크로시멘트 주입재 및 이를 함유한 초속경성 마이크로시멘트를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

또, 본 발명은 물유리나 특수규산 등의 급결 약액을 사용하지 않으므로 알칼리 용탈에 의한 경화 구조체의 내구성 악화요인이 없어 반영구적인 구조물의 차수 및 보강이 가능할 뿐 아니라, 안정한 경화체를 형성함으로써 주위 환경에 미치는 영향이 적은 친환경적인 초속경성 마이크로시멘트 주입재 및 이를 함유한 초속경성 마이크로시멘트를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은,

터널 굴착공사에서 누수 지반의 차수 및 보강에 사용하기 위한 주입재에 있어서, 블레인 비표면적 4,000~12,000㎠/g인 포틀랜드시멘트 10~70중량%; 아윈계 광물 함량이 10~90 중량%이면서 블레인 비표면적 4,000~12,000㎠/g인 아윈클링커 미분말 20~60중량%; SO₃ 함량이 40~90중량%이며, 블레인 비표면적 4,000~20,000㎠/g인 황산칼슘 10~30중량%로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

여기에서, 상기 초속경성 마이크로시멘트 주입재는 2~3시간 내에 2MPa 이상의 강도발현이 가능하다.

본 발명의 다른 특징은,

상기의 초속경성 마이크로시멘트 주입재 100 중량부에 대하여, 무기질 증점제 0.1~5.0 중량부; 분말상의 유기질 증점제 0.1~5.0 중량부; 유동화제 0.1~5.0 중량부; 시멘트 수화 촉진제 0.1~5.0 중량부를 분체 믹서에서 혼합하여 제조되는 것을 특징으로 한다.

여기에서, 상기 초속경성 마이크로시멘트는 상기 초속경성 마이크로시멘트 100 중량부에 대하여 유기산 지연제 0.01~2.0 중량부를 첨가한 혼합수를 상기 초속경성 마이크로시멘트 대비 1:2 내지 5:1의 중량비가 되도록 믹서 투입하고 혼합하여 1액형으로 제조한다.
여기에서 또한, 상기 초속경성 마이크로시멘트는 3시간 내에 2MPa 이상의 강도발현이 가능하다.

여기에서 또, 상기 무기질 증점제는 나트륨벤토나이트, 칼슘벤토나이트로 이루어지는 군에서 1종 이상을 선택한다.

여기에서 또, 상기 유기질 증점제는 셀룰로즈계,폴리사카라이드계 바이오 고분자로 이루어지는 군에서 1종 이상을 선택한다.

여기에서 또, 상기 유동화제는 리그닌술폰산염, 나프탈렌술폰산염, 폴리카르복실산염으로 이루어지는 군에서 1종 이상을 선택한다.

여기에서 또, 상기 수화 촉진제는 알칼리금속의 탄산염 또는 중탄산염으로 이루어진 군에서 1종 이상을 선택한다.

여기에서 또, 상기 지연제는 카르복시산 또는 그 염으로 이루어진 군에서 1종 이상을 선택한다.

상기와 같이 구성되는 본 발명인 초속경성 마이크로시멘트 주입재 및 이를 함유한 초속경성 마이크로시멘트에 따르면, 기존의 일반적인 차수용 주입재의 28일 설계 강도인 2MPa 이상의 호모겔 강도를 2~3시간 이내에 발현함으로써, 주입재 주입 후 후속 공정의 진행에 필요한 양생기간을 2~3시간으로 대폭 단축함으로써 공사기간을 크게 단축할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면 무기계 및 유기계 증점제의 작용으로 입자의 침강을 제어하여 안정하고 균일한 현탁액을 제공함으로써 블리딩 발생이 대폭 감소하여 재시공에 따른 손실을 감소시킬 수 있다.

또, 본 발명에 따르면 지연제 첨가량을 현장에서 조절함으로써 유동성 유지시간 및 강도발현 속도의 조절이 용이하며, 지반 공극에 따른 주입시간의 조절이나 온도의 변동에 따른 시멘트 수화속도의 조절이 용이하고, 따라서 목적에 따라 강도 및 강도발현 속도를 쉽게 조절할 수 있다.

또, 본 발명에 따르면 시공면에서도 기존 급결 주입재의 경우 시멘트 현탁액과 급결재액의 2액형 재료를 사용함으로써 각각 여러 대의 믹서 및 펌프가 필요한 데 비해, 본 발명은 각각 한대의 믹서 및 펌프만으로 간편하게 차수 및 보강공사를 할 수 있어 공사비의 절감이 가능하고, 장비 관리 및 공정관리가 대폭 간소화시킬 수 있다.

또, 본 발명에 따르면 내구성면에서도 시멘트계 무기질 결합재를 사용함으로써 종래의 규산소다나 약액계 주입재의 단점으로 지적되고 있는 용탈의 문제 발생하지 않아 우수한 내구성과 높은 강도발현이 가능하므로, 반영구적인 차수 및 보강용 재료로서 사용할 수 있다.

도 1은 본 발명의 주입재의 겔화 반응 및 경화 과정을 설명하는 도면이다.

이하, 본 발명에 따른 초속경성 마이크로시멘트 주입재 및 이를 함유한 초속경성 마이크로시멘트를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

본 발명에 따른 초속경성 마이크로시멘트 주입재는 블레인 비표면적 4,000~12,000㎠/g인 포틀랜드시멘트 10~70중량%; 아윈계 광물 함량이 10~90 중량%이면서 블레인 비표면적 4,000~12,000㎠/g인 아윈클링커 미분말 20~60중량%; SO₃ 함량이 40~90중량%이며, 블레인 비표면적 4,000~20,000㎠/g인 황산칼슘 10~30중량%로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

그리고, 본 발명에 따른 초속경성 마이크로시멘트 주입재를 함유한 초속경성 마이크로시멘트는 초속경성 마이크로시멘트 주입재 100 중량부에 대하여, 무기질 증점제 0.1~5.0 중량부; 분말상의 유기질 증점제 0.1~5.0 중량부; 유동화제 0.1~5.0 중량부; 시멘트 수화 촉진제 0.1~5.0 중량부를 분체 믹서에서 혼합하여 제조되는 것을 특징으로 한다.

일반적으로 포틀랜드시멘트가 수화하여 강도발현이 이루어지기 위해서는 시멘트의 구성 광물 중 칼슘실리케이트 광물의 수화반응에 의해 겔상의 칼슘실리케이트 수화물이 생성되어야 하므로, 지반 그라우팅에 사용되는 통상적인 물-시멘트비인 100% 범위에서는 6시간 이상이 경과하여도 유동상태를 유지하며, 1일 이상 경과하여도 1MPa 이상의 강도를 얻기 어렵다.

또한, 물-시멘트비가 100%인 보통포틀랜드시멘트 주입재는 시멘트 입자의 침강 및 블리딩의 발생으로 주입재 부피의 약 20~30%가 감소하여 1차 주입이 완료되더라도 추가적인 2차, 3차의 그라우팅 작업을 실시하여야 한다.

본 발명에 따른 초속경성 마이크로시멘트 주입재는 상기 포틀랜드시멘트 주입재의 강도 발현이 지연되는 문제를 해결하기 위하여, 포틀랜드시멘트 미분말과 아윈계 클링커 미분말 및 황산칼슘 미분말을 혼합하여 제조하여, 2~3시간 이내에 다량의 침상 에트린가이트 수화물 생성을 유도함으로써, 2MPa 이상의 강도발현이 가능한 초속경성 마이크로시멘트 주입재로서의 기능을 하게 된다. 또한 이후에 포틀랜드시멘트 미분말의 수화반응에 의해 침상의 에트린가이트 수화물 사이에 존재하는 공극을 겔상의 칼슘실리케이트 수화물이 충전함으로써 지속적인 강도발현이 이루어지게 된다.

이상의 수화반응을 그림으로 표현하면 도 1과 같다.

본 발명에 따른 초속경성 마이크로시멘트 주입재가 수화 초기인 2~3시간 내에 2MPa 이상의 강도를 발현하는 것은 아윈계 클링커 미분말과 포틀랜드시멘트에서 용출되는 수산화칼슘 및 황산칼슘의 반응에 의해 생성되는 에트링가이트 수화물의 결합력에 의한다.

따라서, 아윈계 클링커 미분말의 양이 적은 경우 에트링가이트 생성량이 감소하여 초기에 충분한 강도 발현이 어렵게 된다. 또한 황산칼슘이 적은 경우 강도발현에 필요한 양의 에트링가이트의 생성량이 감소하고, 모노설페이트 수화물 또는 칼슘알루미네이트 수화물이 생성되면서 시멘트 입자로의 물의 이동을 방해함으로써 지속적인 아윈계 클링커 미분말의 수화를 방해하게 되며, 따라서 강도발현을 저해하게 된다.

한편, 아윈계 클링커 미분말과 황산칼슘의 양이 지나치게 증가하는 경우 포틀랜드 시멘트의 감소하게 되어, 포틀랜드 시멘트로부터 공급되는 수산화칼슘의 양이 감소하게 되어 에트린가이트 수화물의 생성이 정상적으로 이루어지지 않아, 강도발현을 저해하게 된다.

한편, 지반 주입재는 주입성을 높이기 위해 통상의 콘크리트 또는 모르타르에 사용되는 물-시멘트비인 30~70%에 비해 높은 물-시멘트비 80~200% 이상의 혼합비로 제조된다.

따라서, 시멘트 입자가 시멘트 입자의 침강, 재료분리 및 다량의 블리딩이 발생되어 차수 성능을 저해하는 원인이 된다. 특히, 서로 밀도가 다른 포틀랜드시멘트와 아윈계 클링커, 황산칼슘이 혼합된 경우 각 입자의 침강속도가 다르게 되면, 균일한 수화반응이 이루어지지 않고, 하부와 상부에서 생성되는 수화물의 종류 및 량이 달라지게 되어 강도발현이 지연 또는 저하하거나, 불균일한 팽창에 의한 균열이 발생하는 등 경화체의 성능 및 내구성을 크게 저해하는 원인이 된다.

시멘트 입자를 미세하게 분쇄하여 마이크로 시멘트화 하면 어느 정도의 시멘트 입자의 침강을 막을 수 있으나, 이로는 한계가 있다.

따라서, 주입재의 주입성을 저해하지 않으면서도 점성을 높여 입자의 침강 속도를 낮추고, 칙소트로픽한 성질을 부여함으로써 압력을 가하여 주입하는 때는 양호한 유동성을 유지하고, 유동하지 않는 경우에는 빠르게 점성을 증대시켜 입자가 침강되지 않도록 하는 것이 중요하다.

이러한 문제를 해결하기 위하여 본 발명에서는 상기 시멘트 결합재 100 중량부에 대하여 무기질 증점제로서 나트륨벤토나이트 또는 칼슘벤토나이트로 이루어지는 군에서 1종 이상을 선택하여 0.1 내지 5.0 중량부 첨가함으로써 주입재에 칙소트로픽한 성질을 부여하고, 이에 더해 분말상의 유기질 증점제로서 메틸 셀룰로즈, 하이드록시 에틸셀룰로오즈, 하이드록시 프로필 셀룰로즈 등의 셀룰로즈계, 폴리 아크릴 아미드계 고분자, 혹은 웰란검, 커들란 등의 폴리사카라이드계 바이오 고분자로 이루어지는 군에서 1종 이상을 선택하여 0.1 내지 5.0 중량부 첨가하여 주입재의 점성을 높여 시멘트 입자의 침강, 재료분리 및 블리딩 발생을 억제하는 것을 특징으로 한다.

한편, 주입재의 유동성을 향상하여 주입성을 높이기 위해서는 시멘트 입자를 분산시켜 단입자화 시키는 것이 필요하다. 시멘트가 물과 만나면 시멘트 입자간의 인력에 의해 미세한 응집체를 형성하며, 주입재에 유동성을 부여하는 물을 구속하여 유동성을 떨어뜨리는 원인이 된다. 또한, 시멘트 응집체의 크기는 실제 시멘트 입자에 비해 수배~수십배의 크기로 거동하게 되므로, 미세 공극에 주입되어야 하는 주입재의 주입성을 저해하는 원인이 된다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 상기 시멘트 결합재 100 중량부에 대하여, 분말상의 리그닌술폰산염, 나프탈렌술폰산염 또는 폴리카르복실산염으로 이루어지는 군에서 1종 이상을 선택하여 0.1 내지 5.0 중량부 첨가하는 것을 특징으로 하며, 보다 바람직하게는 0.5 내지 2.0 중량부의 범위에서 조절하는 것이 적정하다.

아윈클링커 미분말의 수화를 촉진하고, 반응율을 높이기 위해서 사용되는 촉진제는 리튬, 나트륨 및 칼륨 등 알칼리금속의 탄산염 또는 중탄산염으로 이루어진 군에서 1종 이상을 선택하여 0.1 내지 5.0 중량부를 첨가하는 것을 특징으로 한다.

이러한 촉진제를 첨가하지 않아도 수화반응이 이루어지기는 하나, 수화반응 속도 및 반응율이 저하하여 강도발현이 지연된다. 따라서, 강도발현과 경제성을 고려하여 촉진제의 양을 결정하며, 보다 바람직하게는 0.5 내지 2.0 중량부 첨가하는 것이 적절하다.

또한 본 발명은 상기의 시멘트와 분말상의 첨가재를 분체 믹서에서 균일하게 혼합하여 프리믹스드 시멘트를 제공하는 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 초속경성 마이크로시멘트를 현장에서 사용함에 있어서, 물-시멘트비 및 온도의 변화, 지반의 특성에 따라 작업시간을 조절할 필요가 있으며, 또한 요구 강도를 얻기 위한 양생시간을 조절할 필요가 있다. 이를 위해 본 발명에서는 시멘트와 첨가재를 혼합하여 제조된 초속경성 마이크로시멘트 100 중량부에 대하여 작업시간 및 강도발현 속도 조절을 위한 지연제로서 타르타르산, 구연산 , 글루콘산 등의 카르복시산 또는 그 염으로 이루어진 군에서 1종 이상을 선택하여 0.01 내지 2.0 중량부를 사전에 혼합수에 첨가하고, 초속경성 마이크로시멘트와 중량비가 1:2 내지 5:1의 비가 되도록 믹서에서 혼합하여 이루어지는 1액형의 초속경성 주입재를 제조하는 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 실시예를 나타내었으나, 그 범위가 본 실시예에 한정되는 것은 아니다.

먼저, 초속경성 마이크로시멘트를 제조하기 위하여 1종 클링커와 황산칼슘을 혼합 분쇄하여 시멘트의 SO3 함량이 4.5%가 되도록 하였으며, 분말도는 블레인 비표면적 6,500㎠/g으로 하였다. 아윈클링커는 아윈광물의 함량이 60%인 클링커 6,500㎠/g으로 분쇄하여 사용하였다. 황산칼슘으로는 SO3 함량이 55%인 것을 분말도 8,500㎠/g으로 분쇄하여 사용하였으며, 상기 시멘트 결합재의 혼합비와 시멘트 결합재 100 중량부에 대한 분말 첨가제의 양은 표 1과 같다. 이 때 시멘트 결합재 100 중량부에 대한 혼합수의 비는 150 중량부로 하였으며, 지연제는 시멘트 결합재 100 중량부에 대하여 0.5 중량부로 하였다.

주1) 포틀랜드시멘트계 마이크로시멘트(Blaine 6,500㎠/g)

주2) 보통포틀랜드시멘트(Blaine 3,200㎠/g)

실시예 1~9는 첨가재량이 동일한 조건에서 시멘트와 아윈, 황산칼슘 화합물의 혼합비에 따른 물성 변화를 평가하기 위한 것으로, 첨가제는 무기증점제 2.0 중량부, 유기증점제 0.5 중량부, 유동화제 1.0 중량부 및 촉진제 0.5 중량부로 동일하게 하였다. 실시예 10과 실시예11은 무기 및 유기 증점제의 영향을 평가하기 위한 것이며, 실시예 12와 실시예13은 촉진제의 영향을 평가하기 위한 것이다.

아래의 표 2는 상기 표 1의 배합조건에 대한 주입재의 겔타임과 압축강도 및 블리딩율을 측정한 결과이다. 여기서, 겔타임은 주입재가 더 이상 유동하지 않고, 주입재가 들어있는 용기를 기울여도 흘러나오지 않는 시간을 나타내며, 압축강도는 'KS L ISO 679 시멘트 강도시험 방법'에 규정된 압축강도 시험용 몰드에 주입재를 부어 넣은 다음 탈형하여 정해진 재령까지 20℃에서 수중 양생한 공시체에 대한 시험 결과이다. 단, 실시예는 모두 3시간에 탈형하여 이후에는 수중에서 양생하였으며, 비교예1 및 비교예 2는 3시간에 탈형이 불가능하여 24시간에 탈형하여 시험하였다. 단, 비교예1 및 비교예 2는 블리딩에 의한 물-시멘트비 감소의 영향을 배제하기 위하여 벤토나이트를 5%씩 첨가하여 블리딩이 5% 이하가 되도록 하여 시험하였다. 블리딩 시험은 'KS F 2433 주입모르터의 블리이딩률 및 팽창률 시험 방법'에 의거하여 주입재의 블리딩률을 측정하였다.

상기 표 2의 실시예 1~9에서 보는 바와 같이 주입재의 겔타임은 60분 내외로 나타났으며, 따라서 40분 이상의 작업시간 확보가 가능한 것으로 나타났다. 압축강도 시험결과 아윈 함량이 45% 높고, 황산칼슘이 15%로 낮은 실시예1을 제외하고 모든 경우에서 3시간 강도 2MPa 이상을 나타냈으며, 이는 일반적인 급결 약액을 사용하는 주입재의 3~28일 강도에 해당하는 값이다. 또한 7일 및 28일 강도는 5MPa 이상으로 비교예1의 포틀랜드시멘트계의 마이크로시멘트와 동등 수준의 강도를 나타내었으며, 보통포틀랜드시멘트에 비해서는 약 2배 정도의 강도를 나타내었다.

실시예10은 무기계 증점제를 첨가하지 않고, 유기계 증점제만을 첨가한 것으로 블리딩량이 4.5%로 나타났으며, 실시예11은 무기계 및 유기계 증점제 모두를 첨가하지 않은 것으로 블리딩이 더욱 증가하여 8.6%로 나타나, 실제 현장에 적용할 경우 시공 후에도 블리딩에 의한 공극이 잔존하게 되어 수밀성이 떨어지는 요인이 될 것이다.

실시예12는 촉진제를 사용하지 않은 경우의 시험결과를, 실시예13은 촉진제 첨가량을 1.0 중량부로 증가시킨 경우의 실험결과를 나타낸 것으로, 촉진제를 첨가하지 않은 경우 1일 이후의 강도발현은 3.86MPa로 양호한 수준이나, 겔타임이 96분으로 크게 증가하였으며, 3시간 강도가 0.23MPa로 강도발현이 크게 지연되었다. 촉진제를 1.0 중량부로 증대한 경우는 0.5 중량부 첨가한 실시예7에 비해 3시간 강도발현이 더욱 증가함을 알 수 있다.

이에 비해 비교예1 및 비교예2는 360분 이상 유동상태를 유지하여 3시간 강도 측정은 불가하였으며, 1일에도 0.5MPa 이하로 낮은 강도를 나타내었으며, 2MPa 이상의 강도발현을 위해서는 7~28일간 양생이 이루어져야 함을 알 수 있다.

아래의 표 3과 같이 다음의 실시예는 지연제 첨가량이 겔타임 및 강도발현에 미치는 영향을 평가한 것으로, 시멘트 결합재 배합비는 시멘트 40 중량부, 아윈 40중량부, 황산칼슘 20 중량부로 하였으며, 시멘트 결합재 100 중량부에 대하여 첨가재는 무기증점제 2.0 중량부, 유기증점제 0.5 중량부, 유동화제 1.0 중량부 및 촉진제 1.0 중량부로 하였다. 지연제는 시멘트 결합재 100 중량부에 혼합수의 비가 100 중량부가 되도록 계량하고, 시멘트 결합재 100 중량부에 대하여 각각 무첨가, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8 및 1.0 중량부의 지연제를 혼합수에 첨가한 후 시멘트와 혼합수를 혼합하여 시험하였다.

비교예1과 같이 지연제를 첨가하지 않는 경우 겔타임이 3분으로 시멘트와 물을 혼합하면서 믹서 내에서 겔화되어 공시체 성형이 불가능하였으며, 실제 현장에서 적용하기는 불가능함을 알 수 있다. 실시예1~5와 같이 지연제의 첨가량을 증가시키면 겔타임이 증가하는 경향을 나타내, 현장에서는 지연제의 양을 조절함으로써 원하는 작업시간 확보가 가능하다. 한편, 지연제의 양이 증가함에 따라 초기 강도발현이 지연되는 경향이기는 하나, 작업시간을 30분~60분 범위에서 확보하면서도 3시간 이내에 4MPa 이상의 높은 강도발현이 가능함을 알 수 있다.

상기 결과로부터 본 발명의 초속경성 마이크로시멘트 주입재는 지반의 차수 및 보강을 목적으로 하는 주입재로서 종래의 물유리나 특수규산 등을 사용하는 2액형, 혹은 1.5액형의 급결성 주입재에 비해 보다 간단한 장비로 시공이 가능하여 공사비 절감이 가능하다. 또한, 물-시멘트비 및 지연제의 조절에 따라 2~3시간에 2~7MPa 이상의 높은 강도발현이 가능하여, 일반적인 포틀랜드시멘트 주입재 및 급결 약액 주입재가 동일 수준의 강도를 발현하기 위해 소요되는 수일~수주일의 양생기간을 2~3시간으로 단축함으로써, 공사기간의 단축 및 이에 따른 공사비 절감에 효과적으로 이용 가능하다.

본 발명은 다양하게 변형될 수 있고 여러 가지 형태를 취할 수 있으며 상기 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시 예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

Claims

터널 굴착공사에서 누수 지반의 차수 및 보강에 사용하기 위한 주입재에 있어서,
블레인 비표면적 4,000~12,000㎠/g인 포틀랜드시멘트 10~70중량%;
아윈계 광물 함량이 10~90 중량%이면서 블레인 비표면적 4,000~12,000㎠/g인 아윈클링커 미분말 20~60중량%;
SO₃ 함량이 40~90중량%이며, 블레인 비표면적 4,000~20,000㎠/g인 황산칼슘 10~30중량%로 이루어지는 것을 특징으로 하는 초속경성 마이크로시멘트 주입재.
제 1 항에 있어서,
상기 초속경성 마이크로시멘트 주입재은,
2~3시간 내에 2MPa 이상의 강도발현이 가능한 것을 특징으로 하는 초속경성 마이크로시멘트 주입재.
제 1 항의 초속경성 마이크로시멘트 주입재 100 중량부에 대하여, 무기질 증점제 0.1~5.0 중량부; 분말상의 유기질 증점제 0.1~5.0 중량부; 유동화제 0.1~5.0 중량부; 시멘트 수화 촉진제 0.1~5.0 중량부를 분체 믹서에서 혼합하여 제조되는 것을 특징으로 하는 초속경성 마이크로시멘트 주입재를 함유한 초속경성 마이크로시멘트.
제 3 항에 있어서,
상기 초속경성 마이크로시멘트는,
상기 초속경성 마이크로시멘트 100 중량부에 대하여 유기산 지연제 0.01~2.0 중량부를 첨가한 혼합수를 상기 초속경성 마이크로시멘트 대비 1:2 내지 5:1의 중량비가 되도록 믹서 투입하고 혼합하여 1액형으로 제조하는 것을 특징으로 하는 초속경성 마이크로시멘트 주입재를 함유한 초속경성 마이크로시멘트.
제 3 항에 있어서,
상기 초속경성 마이크로시멘트는,
3시간 내에 2MPa 이상의 강도발현이 가능한 것을 특징으로 하는 초속경성 마이크로시멘트 주입재를 함유한 초속경성 마이크로시멘트.
제 3 항에 있어서,
상기 무기질 증점제는,
나트륨벤토나이트, 칼슘벤토나이트로 이루어지는 군에서 1종 이상을 선택하는 것을 특징으로 하는 초속경성 마이크로시멘트 주입재를 함유한 초속경성 마이크로시멘트.
제 3 항에 있어서,
상기 유기질 증점제는,
셀룰로즈계, 폴리사카라이드계 바이오 고분자로 이루어지는 군에서 1종 이상을 선택하는 것을 특징으로 하는 초속경성 마이크로시멘트 주입재를 함유한 초속경성 마이크로시멘트.
제 3 항에 있어서,
상기 유동화제는,
리그닌술폰산염, 나프탈렌술폰산염, 폴리카르복실산염으로 이루어지는 군에서 1종 이상을 선택하는 것을 특징으로 하는 초속경성 마이크로시멘트 주입재를 함유한 초속경성 마이크로시멘트.
제 3 항에 있어서,
상기 수화 촉진제는,
알칼리금속의 탄산염 또는 중탄산염으로 이루어진 군에서 1종 이상을 선택하는 것을 특징으로 하는 초속경성 마이크로시멘트 주입재를 함유한 초속경성 마이크로시멘트.
제 3 항에 있어서,
상기 지연제는,
카르복시산 또는 그 염으로 이루어진 군에서 1종 이상을 선택하는 것을 특징으로 하는 초속경성 마이크로시멘트 주입재를 함유한 초속경성 마이크로시멘트.