KR101056474B1 - 지오폴리머계 급결재를 이용한 지반 차수 및 보강용 고내구성 그라우트재 조성물 및 그 제조방법 - Google Patents

지오폴리머계 급결재를 이용한 지반 차수 및 보강용 고내구성 그라우트재 조성물 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 겔타임 조절이 양호하면서 고강도, 고내구성 그라우팅이 가능한 시멘트계 급결조제 및 강도발현재의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 지오폴리머계 급결재인 A액과, A액의 급결조제 및 강도 발현재인 B액의 그라우트재 조성물을 제공하여, A액과 B액을 1.5Shot 또는 2.0Shot 그라우트 주입공법에 의해 지반 및 공극에 주입하여 차수 및 보강이 이루어지도록 한다. 본 발명에 따르면, 겔타임 조절이 용이하며, 강도가 높고, 내구성이 우수한 2액형의 친환경적 그라우트재를 제공할 수 있으며, 혼합수로서 해수의 사용이 가능하다.
2액형, 그라우팅, 겔타임, 지오폴리머, 내구성, 강도, 해수

Description

지오폴리머계 급결재를 이용한 지반 차수 및 보강용 고내구성 그라우트재 조성물 및 그 제조방법{Composition and Manufacturing Method of Highly Durable Grouting Materials Comprising Geopolymeric Quick Setting Material for Water Blocking and Soil Strengthening}
본 발명은 해상 및 해안 구조물 공사를 위해 건설되는 가물막이 구조물, 해안 수리 구조물 및 도심지 흙막이 공사 등 대단위 건축 및 토목공사에서 지반 하부의 유수를 차단하고, 지반을 보강하기 위해 실시하는 보링 그라우팅 공사에 사용되는 고강도, 고내구성의 그라우트재 및 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고강도, 고내구성의 그라우트재를 제조하기 위해 포졸란 재료와 물유리를 혼합 제조한 지오폴리머계 고성능 급결재와 겔타임 조절이 양호하면서 고강도, 고내구성 그라우팅이 가능한 시멘트계 급결조제 및 강도발현재의 조성물 및 그 제조방법에 관한 것이다.
통상적으로 건축 또는 토목공사에서 누수 방지나 차수 및 지수, 암반이나 토양의 강화 및 안정을 위하여 갈라진 틈이나 공동, 또는 굴착한 주입구 등에 충전재 를 주입하는 공법을 그라우팅(grouting)이라고도 하며, 그 주입재를 그라우트 또는 그라우트재라고 한다.
그라우팅 공법으로는 주입 재료 및 시공기술의 발달에 따라 다양한 공법이 개발되어 실용화 되어 왔다. 지반주입공법은 크게 약액계 및 시멘트 현탁액계로 나누어진다. 각각의 재료 및 공법은 시공성, 침투성, 차수성, 친환경성 및 내구성 등에서 장점을 가지고 있지만, 각각의 공법과 재료 조합에서 시공성, 친환경성, 내구성 등의 한계를 나타내고 있는 것이 현실이다. 특히, 주입공법을 단기 차수, 보강을 목적으로 사용하는 것만이 아니라, 반영구적 또는 영구적인 구조물의 차수, 보강을 목적으로 사용하는 추세이며, 따라서 주입재의 내구성에 대한 중요성이 더욱 강조되고 있는 추세이다.
시멘트약액계 급결성 그라우트팅공법의 구체적인 종류로는 LW공법, 마이크로시멘트그라우팅공법, 실리카졸계 그라우팅공법 등을 들 수 있다.
LW공법의 경우 물시멘트비가 200%인 시멘트현탁액과 물유리물의 부피비가 100%인 물유리액을 1.5Shot 또는 2.0Shot 방식으로 지반에 주입하여 공극을 충진함으로써 지반을 차수 및 보강하는 공법으로서, 경제성이 우수하고, 시공이 간단하여 다수 적용되어 왔다. 그러나, LW 그라우트재는 물시멘트비가 높고, 겔타임이 60초 이상으로 길어 강도가 낮으며, 점도가 낮아 시멘트 입자가 쉽게 침강하여 상하부의 재료가 불균질한 층을 형성하고, 물유리의 반응이 불완전하게 일어나는 문제가 있다. 이로 인해 그라우트재는 시공 후 수일이 경과하여도 경화가 이루어지지 않고, 수주일간 양생하여도 강도가 수kgf/㎠ 수준으로 낮은 치밀하지 못한 경화체를 형성 함으로써, 경화체로부터 수산화칼슘, 알칼리 및 미반응 실리카가 쉽게 용탈되어 발생하여 수~수십 개월 이내에 구조물에 다시 누수가 발생하는 등 문제점이 있다.
이를 개선하기 위하여 시멘트 및 슬래그미분말 등을 활용한 마이크로시멘트가 개발되어 마이크로시멘트(또는 마이크로실리카) 그라우팅공법으로 실용화되어 있다. 마이크로시멘트는 입자가 매우 작고, 유동화제에 의한 시멘트입자의 분산으로 미세균열 및 공극에의 주입이 용이하고, 물유리 용액과의 혼합시 침강이 적으며, 시멘트와 물과의 접촉면적이 커서 물유리의 겔화반응 및 시멘트의 수화가 개선되는 효과가 있다. 따라서 조기 강도발현이 가능하며, 보다 균질한 경화체를 형성하게 된다. 그러나, 마이크로시멘트는 가격이 보통시멘트의 약 300% 이상으로 높아 경제성이 낮으며, 일반적인 경우 시멘트현탁액의 물시멘트비가 약 200% 이상으로 높아 강도가 낮은 수준이다.
이외에도 2.0Shot방식의 대표적인 주입방식으로서 물유리와 시멘트 및 급결제를 사용하는 SGR(Space Grout Rocket System)공법은 시멘트와 급결제의 작용에 의해 다양한 겔타임의 그라우트재를 제공하고 있으나, 물시멘트비가 매우 높아 강도 및 내구성이 LW와 비슷한 수준으로 낮아, 주입재의 용탈 및 분해로 인해 장기적인 내구성의 보증이 어렵다는 문제점이 있다.
한편 물유리 및 실리졸의 약액은 금속이온과 반응하여 순결성의 겔화반응을 일으키게 된다. 따라서 해수를 혼합수로 사용하는 경우 약액이 해수중에 포함된 Ca2+, Mg2+ 등의 이온과 반응하여 겔화물을 생성하게 되므로 급결재 약액의 혼합수로 서 해수의 사용이 어렵다. 더욱이 이 약액을 해수를 사용하여 제조한 시멘트 현탁액과 혼합하면 순간적으로 겔화물을 생성하는 순결반응을 일어나, 겔타임 확보가 불가능하므로 해수를 사용한 약액계 그라우트재의 시공은 불가능하다.
이러한 문제점으로 인해, 종래에는 높은 분말도의 특수시멘트를 사용하거나, 화학약품을 이용한 급결제, 실리카졸, 특수 규산 등의 2액형 급결성 그라우트재료가 재료가 실용화되었으나, 재료의 가격이 높아 기존 시멘트계 그라우트재와 물유리계 약액 그라우트재에 비해 경제성이 크게 떨어지는 단점이 있으며, 강도 및 내구성이 낮아 장기적인 구조물의 차수 및 보강재료로서는 한계가 있다.
상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 강도 및 내구성이 우수한 시멘트계 그라우트재와, 짧은 겔타임으로 차수에는 유리한 물유리계 약액 그라우트재의 장점을 결합하여 겔타임 조절이 용이하며, 강도가 높고, 내구성이 우수한 2액형의 친환경적 그라우트재를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 혼합수로서 해수 및 담수의 사용이 모두 가능한 그라우트재를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은 지오폴리머계 급결재인 A액과, A액의 급결조제 및 강도 발현재인 B액의 그라우트재 조성물을 제공하여, A액과 B액을 1.5Shot 또는 2.0Shot 그라우트 주입공법에 의해 지반 및 공극에 주입하여 차수 및 보강이 이루어지도록 한다.
구체적으로, 본 발명은 지오폴리머계 급결재인 A액과 시멘트계 현탁액인 B액으로 이루어지는 그라우트재 조성물의 제조 방법에 있어서,
상기 A액은 포졸란 물질 90.0~99.0중량%, 유동화제 0.01~5.00중량% 및 급결재의 안정화제 0.01~5.00중량%로 구성되는 분체를 물분체비가 0.5~5 가 되도록 A1액을 제조하는 단계; 및 상기 A1액을 고형분 함량이 10중량% 이상인 액상 알칼리 실리케이트염과 실리카졸로 이루어지는 군에서 1종 이상의 물질을 포함하여 이루어지는 액상의 A2액과 부피비 1:5~5:1의 비율로 혼합하는 단계에 의해 제조되며,
상기 B액은 블레인 분말도가 2,000~20,000㎠/g인 포틀랜드시멘트, 슬래그시멘트, 플라이애시시멘트, 포졸란시멘트 및 다성분계시멘트로 이루어지는 군에서 선택되는 최소한 1종의 시멘트 50~98중량%; 급결 조제로서 이수석고, 무수석고 및 반수석고로 이루어지는 군에서 선택되는 최소한 1종의 석고 분말 1~30중량%; 알칼리수산염, 알칼리탄산염, 알칼리황산염, 알칼리탄산수소나트륨으로 이루어지는 군에서 선택되는 최소한 1종의 알칼리염 분말 0.1~30중량%; 및 시멘트 유동화제 0.01~5.00중량%로 구성되는 분말에 대하여 물분체비가 0.5~3이 되도록 혼합하여 제조되는 것을 특징으로 하는 그라우트재 조성물의 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명에서는 상기의 조성물 A액 및 B액 각각의 100 중량부에 대하여 석회석 미분말, 석분 및 토분, 실트, 벤토나이트로 이루어지는 군에서 1종 이상의 광물질을 증량재 및 충진재로서 1~300 중량부 첨가하는 것을 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 해수 안정화제에 의해 해수 사용을 가능하게 하여, 시공의 용이성 및 경제성이 우수한 그라우트재를 제공하며, 물유리와 포졸란재료를 현장에서 혼합하여 강도 및 내구성이 우수한 지오폴리머계 급결재의 사용과 시멘트 현탁액의 물시멘트비의 조절 및 석고계 급결재의 사용에 의해 더욱 강도 및 내구성을 높임으로써, 현장 적용성 및 경제성이 우수하고, 반영구적인 그라우트 조성물을 제공할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 포졸란재료의 알칼리 고정화 효과 및 지오폴리머계 고결물에 의한 중금속 안정화 효과에 의해 지하환경의 오염문제를 해결할 수 있는 환경 친화적인 특성을 나타내는 그라우트 조성물을 제공할 수 있다.
상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은 지오폴리머계 급결재인 A액과, A액의 급결조제 및 강도 발현재인 B액의 그라우트재 조성물을 제공하여, A액과 B액을 1.5Shot 또는 2.0Shot 그라우트 주입공법에 의해 지반 및 공극에 주입하여 차수 및 보강이 이루어지도록 한다.
단, 본 발명은 상기의 주입재 조성물만을 한정하는 것은 아니고, 상기의 조성물 A액 및 B액 각각의 100 중량부에 대하여 석회석 미분말, 석분 및 토분, 실트, 벤토나이트로 이루어지는 군에서 1종 이상의 광물질을 증량재 및 충진재로서 1~300 중량부 첨가하는 것을 포함한다.
LW, SGR, MSG, MCG 등 규산소다를 기본으로 하는 급결재를 사용하는 경우 경제성, 겔타임, 점성 등의 문제로 인하여 급결제와 물과의 혼합비를 크게 할 수 없 는 상황이며, 또한 너무 적은 경우 겔화 특성 및 강도가 저하하는 문제가 있어, 통상 부피비로 1:1 정도의 배합으로 사용된다. 그러나, A액이 급결제와 물만으로 구성되는 경우 점도가 너무 낮아 B액과 혼합하는 경우 시멘트계 재료가 분리, 침강하는 원인이 되며, 이 경우 상층에 분리된 규산소다액은 수중에서 쉽게 분해되어 내구성에 악영향을 미친다. 또한 전체적으로 물시멘트(또는 바인더)비가 낮아 강도 및 내구성 저하의 원인이 된다.
본 발명에서는 이러한 단점을 보완하기 위해 포졸란재료와 해수의 안정화제로 구성된 재료를 해수 또는 담수와 혼합한 현탁액과 규산소다액을 혼합하여 지오폴리머계 급결재를 제조하는 것을 특징으로 한다.
포졸란 재료로 사용되는 재료로서는 실리카퓸과 같이 90% 이상 SiO2를 주성분으로 하는 재료와, 플라이애시, 메타카올린과 같이 그 구성 성분이 SiO2 외에 Al2O3와 CaO, Fe2O3 등을 포함하는 재료로 나눌 수 있다.
실리카퓸의 SiO2는 규산소다의 가수분해에 의해 생성되는 NaOH에 의해 일부 표면이 용해될 수 있으나, 그 반응은 매우 적고, 완만한 속도로 진행되며, 따라서 규산소다와 혼합하여도 수~수십 시간 이상 현탁액 상태로 존재할 수 있다. 그러나, 시멘트 현탁액과 혼합되면 시멘트의 수화에 의해 생성되는 Ca(OH)2와 반응하여, 강도 및 내구성이 우수한 CSH 겔을 형성함으로써 그라우트재의 강도 및 내구성, 내화 학성, 내해수성 개선을 크게 향상하는 효과를 나타낸다. 그 반응을 화학식으로 나타내면 아래와 같다.
C3S, C2S(칼슘실리케이트) + H(물) → CSH gel + Ca(OH)2 (반응속도가 빠름)
Ca(OH) + Pozzolan + H2O → CSH (반응속도가 느림)
또한 포졸란 물질은 NaOH와 일부 반응하여 겔화물을 생성함으로써 알칼리를 낮게 하는 효과를 나타내며, 콘크리트에서는 알칼리골재반응 억제의 효과를 나타낸다.
한편, 플라이애시, 메타카올린과 같은 재료는 실리카퓸과 같이 반응성의 SiO2를 함유하고 있어 시멘트와 포졸란 반응을 하지만, 동시에 Al2O3를 포함하고 있음으로 인해 규산소다와 반응하여 새로운 수화물을 형성하게 된다. SiO2 외에 플라이애시와 메타카올린 등에 포함된 AluminoSilicate Oxide(Si2O5Al2O2)는 규산소다와 반응하여 SiOAl 의 결합이 이루어지며, 포졸란 반응에 의한 CSH gel과는 다른 새로운 형태의 화합물을 생성하게 된다. 그 반응을 화학식으로 나타내면 다음과 같다.
Figure 112011023925681-pat00001
삭제
Figure 112009072265533-pat00002
이러한 반응 기구(이를 Geopolymerization 이라 함)를 이용하여 메타카올린, 플라이애시 및 슬래그시분말과 규산소다, 알칼리 수산화물을 조합하여 콘크리트제조 사용할 수 있다는 것이 알려져 있으나, 이 반응은 고온(50~100℃)에서는 빠르게 이루어지나 상온에서는 매우 느리게 이루어지며, 수개월이 경과하여도 충분한 경화가 이루어지지 않는다. 특히 그라우팅재로 사용하기 위해 다량의 물유리와 물을 혼합한 상태에서는 수개월이 경과하여도 점성이 큰 상태로 경화하지 않거나, 응고한 젤라틴 정도의 상태로 차수 및 보강의 역할이 불가능한 상태를 유지한다.
또한, 그라우팅에 있어서는 사용되는 재료나 배합에 있어 큰 차이를 나타낸다. 지오폴리머 바인더의 경우 규산소다와 알칼리 수산화물이 포졸란 바인더인 자극제로서 수~수십% 사용되나, 그라우팅에서는 규산소다가 초기에 시멘트 현탁액과의 반응으로 겔화되어 주요 바인더로서 역할을 하게 된다. 이후 시멘트의 지속적인 수화에 의해 규산소다의 반응이 더욱 진행되고, 시멘트의 수화에 의해 강도발현이 이루어진다. 또한 상기 포졸란재료와 물유리와의 Geopolymerization 반응이 이루어짐으로써 치밀한 고내구성의 Geopolymer를 형성하게 되며, 알칼리를 고정하고, 물 유리의 반응율을 향상하는 효과를 얻게 된다.
한편, 시멘트의 수화 과정에서 생성된 수산화칼슘은 다른 수화물에 비해 용해도가 커서 용탈에 의한 내구성 저하의 원인이 되고, 해수 등 황산염을 포함하는 환경에서는 팽창의 원인이 되어 그라우트재의 내구성을 떨어뜨리는 원인이 되나, 일부의 포졸란재료는 수산화칼슘과 반응하여 치밀하고, 강도 및 내구성이 우수한 CSH 수화물을 형성하여 그라우트재를 고강도, 고내구화 하는 효과를 나타낸다.
즉, 그라우팅에서는 1차적으로 규산소다와 시멘트 또는 기타 물질에서 용출되는 양이온(주로 Ca2+ 이온)에 의해 규산이 급격하게 거대분자로 성장하여 겔화가 이루어지며, 장기적으로는 시멘트의 수화, 시멘트의 수화반응에 의해 생성되는 수산화칼슘과 포졸란 재료의 포졸란 반응에 의한 수화 그리고 규산소다의 알칼리와 포졸란 재료(실리카퓸을 제외한 플라이애시, 슬래그미분말 및 메타카올린 등) 및 잠재수경성 재료(슬래그미분말 등)의 Geopolymerization 반응에 의해 장기적인 강도 증진 및 내구성 확보가 가능하게 된다. 특히, 포졸란 반응과 Geopolymerization에 의해 생성되는 물질은 내구성 및 내화학성, 내해수성이 시멘트 수화물에 비해 매우 우수하며, 추가적으로 물바인더비의 감소에 의한 강도 및 내구성 개선 효과도 크게 작용하게 된다.
한편, 물유리 및 실리카졸의 혼합수로 해수를 사용하는 경우 시멘트의 반응 에 의해 용출되는 양이온에 의해 물유리가 겔화되는 것과 같이 해수 중에 포함된 Mg2+ 및 Ca2+ 이온 등의 알칼리토금속 양이온에 의해 물유리가 일부 겔화물을 생성하게 되며, 이는 그라우트재의 주입성을 떨어뜨리고, 물유리와 시멘트 현탁액의 반응성을 저해하는 원인이 된다. 또한, 물유리 및 실리카졸 약액을 해수를 혼합수로 사용한 시멘트 현탁액과 혼합하면 순간적으로 겔화물을 생성하는 순결반응을 나타내게 되어 겔타임 조절이 불가능하게 되므로, 해양 공사에서도 해수의 사용이 불가능하고, 담수를 별도로 공급하여 사용해야 하는 문제점이 있다. 따라서 본 발명에서는 해수의 안정화제로서 알칼리수산염, 알칼리탄산염, 알칼리황산염 및 알칼리중탄산염으로 이루어지는 군에서 1종이상의 알칼리염을 첨가함으로써, 해수중의 알칼리토금속 양이온이 용해도가 낮은 물질로 전환되도록 하고, 물유리 및 실리카졸의 겔화반응 및 순결반응을 해소함으로써, 해수의 사용이 가능하게 하는 것을 특징으로 한다.
B액은 Blaine 분말도가 3,000~20,000㎠/g인 포틀랜드시멘트, 슬래그시멘트, 플라이애시시멘트, 포졸란시멘트 및 다성분계시멘트로 이루어지는 군에서 1종 이상의 시멘트 50~98중량%, 급결조제로서 이수석고, 무수석고 및 반수석고로 이루어지는 군에서 1종 이상의 황산칼슘 분말 1~30중량%, 알칼리수산염, 알칼리탄산염, 알칼리황산염, 알칼리탄산수소나트륨으로 이루어지는 군에서 1종 이상의 알칼리염 분말 0.1~30중량%, 시멘트 유동화제 0.01~5.00중량%로 구성되는 분말에 대하여 물분 체비가 0.5~3이 되도록 해수 또는 담수와 혼합하여 이루어진다. 모든 분말은 공장에서 사전에 혼합하여 제조하는 것이 바람직하나, 포틀랜드시멘트 이외의 분말만을 공장에서 혼합 제조하여 그라우팅 공사 현장에서 시멘트와 함께 믹서에 투입하여 현탁액을 제조하는 것도 포함한다.
겔타임 조절 및 알칼리 감소를 위한 금속염으로서 알칼리토금속인 칼슘 및 마그네슘과 알루미늄 등의 황산염, 질산염 또는 염산염을 사용할 수 있다. 이러한 금속염은 그 종류에 따라 물에 용해되는 양이 달라지게 되며, 규산소다 수용액과 반응하면 금속이온은 규산의 겔화 반응을 유도하고, 음이온은 알칼리와 반응하여 중성의 물질을 생성하게 된다. 그 반응을 화학식으로 나타내면 다음과 같다.
MSO4/MNO3/MCl+H2O→M+(cation)+SO4 2/NO3/Cl(anion)
Na2SiO3+M++anion+H2O→M―SiO3(gel)+Naanion(중성염)
(여기서 M+는 금속 이온을 나타냄)
이 반응에 의해 규산소다의 강알칼리를 나타내는 성분이 금속염과 반응하여 중성의 황산염, 질산염 및 염산염을 만들어 줌으로써 시멘트만을 사용한 경우에 비해 알칼리가 크게 감소하고, 강도 및 내구성이 크게 개선된다. 단, 이 반응은 사용 하는 물질에 따라 규산소다와의 반응속도가 달라지게 되며, 따라서 겔화 속도 및 알칼리 중화 정도가 크게 달라지게 된다. 특히, 용해도가 큰 물질인 경우 물유리와 반응하여 1초 이내에 겔화물을 형성하는 순결반응이 일어나 사용하기 어렵다. 따라서 그라우트재의 겔타임 조절 및 알칼리도 감소를 위해서는 시멘트의 일부를 칼슘의 황산염인 이수석고, 무수석고 및 반수석고로 하는 것이 바람직하다.
한편, 해수를 사용하는 경우 시멘트 현탁액 에서도 금속양이온의 농도가 증가하여 물유리와 순간적인 반응을 통해 겔화물을 생성하게 되므로 해수와 반응하여 금속이온을 침전시키는 알칼리수산염, 알칼리탄산염, 알칼리황산염, 알칼리탄산수소나트륨으로 이루어지는 군에서 1종 이상의 알칼리염 분말을 0.1~30중량% 첨가하는 것이 바람직하다. 또한 시멘트 현탁액의 물시멘트비가 낮은 경우 점도가 증가하여 주입성이 낮아지는 것을 고려하여 시멘트 유동화제를 0.01~5.00중량% 첨가함으로써 시멘트의 분산성을 높이고, 점도를 낮추는 것이 바람직하다.
상기와 같이 제조된 지오폴리머계 급결재 A액과 급결조제 및 강도발현재 B액은 각각 펌프의 용량을 조절하거나, 유량조절이 가능한 펌프를 사용하여 부피비가 0.2:1.0~1.0:0.5가 되도록 조절하여 1.5Shot 또는 2.0Shot 주입공법에 의해 지반에 주입이 이루어지게 되며, A액과 B액의 점도가 비슷한 정도로 조절됨으로써 불충분한 혼합 및 재료분리에 의한 그라우트재의 품질 저하를 막아주고, 약액과 시멘트 현탁액이 분리되어 주입되는 것을 개선함으로써 균질하며 높은 강도의 고내구성의 그라우트 시공을 가능하게 한다.
이하 본 발명의 실시예를 나타내었으나, 그 범위가 본 실시예에 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
표 1은 통상의 물유리를 급결재로 사용하는 그라우팅공법의 재료를 비교예로 하고, 본 발명의 그라우트재료를 실시예로 하여 배합비를 나타낸 것으로, 비교예1은 LW공법으로서 보통 포틀랜드시멘트와 물유리를 사용한 재료의 배합비, 비교예2 및 비교예3은 마이크로시멘트와 특수규산소다를 사용한 재료의 배합비, 비교예4 및 비교예5는 물유리와 보통포틀랜드시멘트 및 급결제를 사용한 재료의 배합비를 나타낸 것이며, 실시예1~14는 본 발명의 재료 및 배합을 나타낸 것이다.
그라우트재의 재료 및 배합비
구 분 A액(kg/200liter) B액(kg/200liter)
물 규산
소다		 PZ
주1) 		물 OPC
주2) 		MC1
주3) 		MC2
주4) 		AD1
주5) 		AD2
주6) 		CS1
주7) 		CS2
주8)
비교예1 100 140 0 173 86
비교예2 120 112 0 173 80
비교예3 120 112 0 173 80
비교예4 140 100 0 168 60 24
비교예5 140 100 0 168 60 24
실시예1 100 140 0 165 110
실시예2 100 140 0 152 152
실시예3 85 140 35 173 86
실시예4 85 140 35 165 110
실시예5 85 140 35 152 152
실시예6 71 140 70 173 86
실시예7 71 140 70 165 110
실시예8 71 140 70 152 152
실시예9 104 117 29 165 110
실시예10 92 117 59 165 110
실시예11 92 117 59 165 104.5 5.5
실시예12 92 117 59 165 99.0 11.0
실시예13 92 117 59 165 104.5 5.5
실시예14 92 117 59 165 99.0 11.0
※주1) PZ본 발명의 포졸란계 재료, 주2) OPC보통포틀랜드시멘트,
주3,4) MC1급결마이크로시멘트, MC2완결마이크로시멘트, 주5,6) 시판 급결제,
주7) CS1본 발명의 황산칼슘계 고내구 급결제
주8) CS2본 발명의 황산칼슘계 고내구 급결제
각 재료 및 배합에 대한 겔타임과 호모겔 압축강도를 측정한 결과를 표 2에 나타내었다. A액과 B액을 혼합하면서 더 이상 유동하지 않고, 굳어지기 시작하는 시간을 겔타임으로 하였으며, 호모겔 압축강도는 KS L ISO 679의 시멘트 강도시험 방법에 준하여 실시하였다.
그라우트재의 겔타임 및 호모겔 압축강도
구 분 겔 타임
(초)		 호모겔 압축강도(MPa)
3일 7일 28일
비교예1 70~80 0.15 0.50 2.93
비교예2 18~23 2.48 1.99 1.97
비교예3 35~40 1.70 2.80 2.83
비교예4 5~10 0.11 0.32 0.41
비교예5 35~40 0.20 0.62 3.12
실시예1 45~50 2.21 4.23 6.00
실시예2 30~35 7.34 9.00 11.60
실시예3 50~55 0.20 0.44 5.46
실시예4 35~40 2.45 4.95 8.51
실시예5 25~30 7.96 10.49 17.73
실시예6 40~45 0.35 0.99 7.01
실시예7 30~35 1.45 8.73 10.97
실시예8 20~25 13.68 18.83 24.10
실시예9 30~35 5.36 6.27 11.17
실시예10 38~43 3.75 4.23 7.50
실시예11 33~38 4.87 8.57 10.20
실시예12 30~35 4.62 8.34 12.28
실시예13 20~25 4.90 9.20 11.27
실시예14 15~20 4.13 9.24 10.85
LW 공법의 경우 물시멘트비가 200%로 겔타임은 70~80초이며, 7일까지도 강도발현이 매우 낮은 수준임을 알 수 있다. 비교예 2,3은 시멘트의 분말도 높게 한 마이크로시멘트로서, 성분비를 조절함으로써 겔타임이 약15~40초 까지 조절하고 있으나, 강도는 1.0~3.0 수준으로 낮은 수준임을 알 수 있다. 비교예 4,5는 보통포틀랜드시멘트를 사용한 것으로 보통포틀랜드시멘트와 특수 급결제를 사용하여 겔타임을 5~40초로 조절하고 있으나, 호모겔 압축강도는 LW 공법의 재료와 거의 동등 수준임을 알 수 있다.
실시예 1,2는 기존 LW 공법에서 사용되는 시멘트 현탁액의 물시멘트비가 200%인 것에 대해, 실시예1은 150%, 실시예2는 100%로 한 것으로 물시멘트비의 감소에 의해 겔타임이 단축되고, 3일 및 7일 압축강도가 증가함을 알 수 있다.
실시예3~5는 물유리의 중량에 대하여 25%의 포졸란계 재료와 물을 혼합하여 이루어지는 지오폴리머계 급결재에 대하여 시멘트 현탁액의 물시멘트비를 각각 200%, 150%, 100%로 한 경우에 대한 것으로서, 포졸란계 재료의 첨가에 따라 겔타임이 단축되고, 강도가 증가함을 알 수 있다.
실시예6~8은 실시예3~5에서 포졸란계 재료의 첨가량을 50%로 한 것으로 포졸란계 재료의 첨가량이 증가함에 따라 겔타임이 5~10초 더 단축되고, 7일강도는 25% 첨가에 비해 약 200% 정도로 크게 증가함을 알 수 있다.
실시예9~13은 물유리의 사용량을 140kg/200ℓ에서 117kg/200ℓ로 감소시킨 것으로서, 물유리의 감소에 따른 겔타임의 증가는 크지 않으나, 강도발현은 오히려 우수함을 알 수 있다. 또한 시멘트의 일부를 석고로 치환하는 경우 무수석고계에서는 겔타임이 거의 동등 수준이나, 반수석고계에서는 겔타임이 크게 단축됨을 알 수 있고, 강도발현 또한 우수함을 알 수 있다.
<실시예 2>
그라우트재의 화학적 안정성을 비교, 평가하기 위하여 표 3의 비교예 및 실시예의 재료 및 배합으로 호모겔 공시체를 제작하여, MgSO4 25g/ℓ 용액에 침적하여 장기적인 팽창량을 비교하였다.
그라우트재의 재료 및 배합비
구 분 A액(kg/200liter) B액(kg/200liter)
물 규산
소다		 PZ주1) 물 보통
시멘트		 슬래그
시멘트		 마이크로
시멘트		 CS2
비교예1 100 140 0 173 86
비교예2 120 112 0 173 80
비교예3 120 112 0 173 80
실시예1 100 140 0 165 110
실시예4 85 140 35 165 110
실시예7 71 140 70 165 110
실시예14 92 117 59 165 110
실시예14 92 117 59 165 99.0 11.0
※ 주1) PZ: 본 발명의 포졸란계 재료, 주2) OPC: 보통포틀랜드시멘트,
주3,4) MC: 마이크로시멘트, 주5,6) 시판 급결제,
주8) CS2: 본 발명의 황산칼슘계 고내구 급결제
도 1은 MgSO4 용액에서 실시예 및 비교예의 팽창율을 도시한 그래프이다. 팽창율은 측정재령까지 MgSO4 용액에서 침적시킨 후 꺼내어 KS F 2424 모트라트 및 콘크리트의 길이변화 시험방법에 의하여 공시체의 길이를 측정하고, 초기 길이에 대한 변화율을 팽창율로 하였다. 측정이 완료된 공시체는 다시 다음 측정재령까지 MgSO4 용액에서 침적하여 보관하였다. 도 1에서 나타낸 바와 같이 LW공법의 그라우트재 비교예1에 비하여 보통포틀랜드시멘트 형탁액의 물시멘트비가 감소한 실시예 1은 팽창량이 약간 증가하는 경향을 나타내었다. 슬래그시멘트를 사용한 비교예3의 경우 보통포틀랜드시멘트에 비해 약간 팽창량이 감소하는 경향이나, 높은 값을 나타내었다. 마이크로시멘트를 사용한 비교예3의 경우 슬래그량의 증가에 의한 수산화칼슘의 감소 및 석고의 함량 증가에 따른 에트린가이트의 안정화효과로 대폭 팽창량이 감소하였다. 본 발명의 실시예1~5는 마이크로시멘트에 비해서도 낮은 팽창량을 나타내었다. 이는 포졸란계 재료가 슬래그미분말에 비해 더 많은 양의 수산화칼슘을 고정화하고, 낮은 물시멘트비로 인해 유해 이온 침투가 억제되며, 급결제로 첨가한 석고에 의해 마이크로 에트린가이트 결정상을 생성되고, 불안정한 거대결정인 모노설페이트로의 전이가 억제되며, 따라서 해수의 황산염에 의한 2차 에트린가이트의 생성 및 전이 과정이 억제되기 때문이다.
도 1은 본 발명의 실시예
및 비교예에 따른 그라우트재의 종류별 팽창율을 도시한 그래프이다.

Claims (2)

  1. 지오폴리머계 급결재인 A액과 시멘트계 현탁액인 B액으로 이루어지는 그라우트재 조성물의 제조 방법에 있어서,
    상기 A액을 제조하는 단계는,
    포졸란 물질 90.0~99.0중량%, 유동화제 0.01~5.00중량% 및 급결재의 안정화제 0.01~5.00중량%로 구성되는 분체를 물분체비가 0.5~5 가 되도록 A1액을 제조하는 단계; 및 상기 A1액을 고형분 함량이 10중량% 이상인 규산소다로 이루어지는 액상의 A2액과 부피비 1:5~5:1의 비율로 혼합하는 단계를 포함하고,
    상기 B액을 제조하는 단계는,
    블레인 분말도가 2,000~20,000㎠/g인 포틀랜드시멘트, 슬래그시멘트, 플라이애시시멘트, 포졸란시멘트 및 다성분계시멘트로 이루어지는 군에서 선택되는 최소한 1종의 시멘트 50~98중량%; 급결 조제로서 이수석고, 무수석고 및 반수석고로 이루어지는 군에서 선택되는 최소한 1종의 석고 분말 1~30중량%; 알칼리수산염, 알칼리탄산염, 알칼리황산염, 알칼리탄산수소나트륨으로 이루어지는 군에서 선택되는 최소한 1종의 알칼리염 분말 0.1~30중량%; 및 시멘트 유동화제 0.01~5.00중량%로 구성되는 분말에 대하여 물분체비가 0.5~3이 되도록 혼합하여 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 그라우트재 조성물의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    B액은 A액 100중량부에 대하여 5~100중량부의 석회석 미분말, 실트, 벤토나이트, 석분, 점토 및 모래로 이루어지는 군에서 1종 이상의 물질을 증량재 및
    충진재로서 첨가하는 것을 특징으로 하는 그라우트재 조성물 제조 방법.
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