KR101078043B1 - 약액형 그라우팅용 조성물 및 이를 이용한 그라우팅 공법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 약액형 그라우팅용 조성물은 (A) SiO₂ 16 내지 26.5 중량부, (B) Na₂O 3 내지 7 중량부 및 (C) 물 66.5 내지 81 중량%로 이루어지는 기초 규산소다 화합물 100 중량부에 대하여, (D) 알칼리 콜로이달 실리카 5 내지 20 중량부 및 (E) 경화보조제 1 내지 10 중량부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한, 본 발명의 그라우팅 공법은 (A) SiO₂ 16 내지 26.5 중량부, Na₂O 3 내지 7 중량부 및 물 66.5 내지 81 중량%로 이루어지는 기초 규산소다 화합물 100 중량부에 경화보조제 1 내지 10 중량부를 첨가하여 혼합한 후, 알칼리 콜로이달 실리카 5 내지 20 중량부를 첨가하여 1차 그라우팅재를 제조하는 단계 및 (B) 상기 1차 그라우팅재를 연약지반에 주입하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

약액형 그라우팅제, 규산소다, 경화제

Description

약액형 그라우팅용 조성물 및 이를 이용한 그라우팅 공법{Composition for Grouting by Liquid Injection Type and Method of Construction Using Thereof}

본 발명은 약액형 그라우팅용 조성물 및 이를 이용한 공법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 해변, 해안 매립지 및 강가 주변의 보강 및 차수 재료로 적합하게 이용할 수 있는 약액형 그라우팅용 조성물 및 이를 이용한 공법에 관한 것이다.

규산소다는 수용성 규산염 중 가장 널리 사용되고 있는 무기화합물로 일반적인 화학 조성은 Na₂O·nSiO₂·xH₂O로 표시되며, 물에 대한 용해성이 있기 때문에 물유리(water glass)라고도 불려진다. 규산소다는 SiO₂/Na₂O의 몰비와 농도에 따라 다양한 성질을 나타내며 이러한 비율에 따라 다양한 용도로 사용되고 있다. 여기서 n은 몰비(molar ratio)를 나타낸다.

규산소다의 용도는 실리카겔, 비누와 세제, 주물, 제지, 요업, 섬유, 용접봉 등으로 다양하고, 규산소다는 화학적 반응에 의해 기공이 많은 토양 구조를 견고화 할 수 있기 때문에 토목기초공사에 널리 사용되고 있다. 댐, 탄광, 터널, 기타 굴착공사시 규산소다로 토양을 안정화 및 견고화시켜 상부로부터의 하중을 견딜 수 있고, 기초공사 중 측면 토양의 유실을 방지하며 지하수의 흐름을 차단할 수 있다. 기공이 많은 토양을 규산소다로 안정화시키면, 규산소다의 겔화에 의해 토양의 강도를 향상시키고 투수성을 줄일 수 있다. 규산소다는 공기 중의 이산화탄소와 반응하여 탄산염을 형성하고 점차적으로 수용성을 상실한다.

그라우팅(grouting)이라 함은 토목공사에서 누수방지 공사 또는 토질안정 등을 위해 지반의 갈라진 틈, 공동 등에 충전재(grout)를 말한다. 또한 그라우팅 주입 공법이라 함은 주입펌프 등을 이용하여 토사 또는 암반의 틈새 등에 그라우트(grout)를 주입하는 것을 말한다.

종래의 그라우팅 방식은 무기 교화제의 수용액 또는 시멘트 등의 A액과 물유리(water glass) 수용액을 B액을 혼합하여 이를 주입하는 공법으로 시공을 하였다. 그러나, 이러한 방식은 실제 지중에서 양액체의 주입 압력이 강한 경우 또는 주입량이 소량인 경우에 미반응 물질이 지반에 잔류하게 되고, 시멘트를 함유하는 A액 및 B액이 혼합된 AB액은 시멘트 현탁액으로, 투수성이 약하여 세립토층에서는 침투가 불가능하였다. 따라서 종래의 공법은 지반 보강이 어렵고, 보강 후에도 지반이 불균질하다는 문제점이 있었다.

또한 유기 고결액을 이용한 종래 공법은 알데히드 화합물 또는 에스테르를 고결제로 사용하고, 용액상 물유리를 이용하는 공법으로, 그 고결 시간이 장시간으로 액체 합류 과정없이 원샷(one shot) 방식에 의해 세립토층까지도 균질하게 주입 시킬 수 있다는 장점이 있으나, 경화 시간이 너무 길고, 고결제가 공극 또는 조립토층에서 주입범위 밖으로 일탈되기 쉽고, 큰 공극 또는 조립토층에서의 신속한 고결이 어렵기 때문에 차수능력이 떨어진다는 문제점이 있었다.

이에 본 발명자는 지하수 오염 등의 문제가 발생하지 않으면서도 조립토 및 세립토의 지층까지 침투가 가능하고, 신속한 겔화로 지층보강 및 차수 능력이 개선된 신규한 고결방법을 제공하기 위하여, 시멘트가 포함되지 않은 액상형이고, 조립토층 및 세립토층의 침투력이 높으며, 수용액 경화제를 이용함으로써 조립토층 및 세립토층을 모두 균질하게 고결할 수 있고, 높은 내압력과 연약지반의 차수능력을 동시에 향상시킬 수 있는 본 발명의 약액형 그라우팅용 규산소다 및 경화제 조성물을 개발하기에 이른 것이다.

본 발명의 목적은 지하수 오염 등의 문제가 발생하지 않으면서도 조립토 및 세립토의 지층까지 침투가 가능한 약액형 그라우팅용 규산소다 및 경화제 조성물을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 시멘트가 포함되지 않은 액상형이고, 조립토층 및 세립토층의 침투력이 높은 약액형 그라우팅용 규산소다 및 경화제 조성물을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 수용액 경화제를 이용함으로써 조립토층 및 세립 토층을 모두 균질하게 고결할 수 있고, 높은 내압력과 연약지반의 차수능력을 동시에 향상시킬 수 있는 약액형 그라우팅용 규산소다 및 경화제 조성물을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 상기 및 기타 목적들은 하기 설명되는 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.

본 발명의 약액형 그라우팅 조성물은 (A) SiO₂ 16 내지 26.5 중량부; (B) Na₂O 3 내지 7 중량부; 및 (C) 물 66.5 내지 81 중량%로 이루어지는 기초 규산소다 화합물 100 중량부에 대하여, (D) 알칼리 콜로이달 실리카 5 내지 20 중량부; 및 (E) 경화보조제 1 내지 10 중량부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 규산소다 화합물은 비중이 1.1 이상인 것을 특징으로 한다.

상기 규산소다 화합물은 몰비가 3 내지 5인 것을 특징으로 한다.

상기 알칼리 콜로이달 실리카는 30 내지 50%의 고형분을 가지는 것을 특징으로 한다.

상기 경화 보조제는 폴리인산나트륨, 트리폴리인산나트륨 및 에틸렌디아민4초산으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 단독 또는 2종 이상의 화합물인 것을 특징으로 한다.

상기 그라우팅 조성물은 급결용 경화제를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 급결용 경화제는 기초 규산소다 화합물 100 중량부에 대하여 5 내지 25 중량부로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 급결용 경화제는 5 내지 15 중량%의 경화제 수용액으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 급결용 경화제는 칼슘포메이트 및 유기염류와 산류 중 1종 또는 2종의 혼합물로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 산류는 설포릭산, 하이드로클로릭산 및 포스포릭산을 포함하는 무기산; 및 호박산, 말레익산 및 주석산을 포함하는 유기산으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 단독 또는 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 그라우팅 공법은 (A) SiO₂ 16 내지 26.5 중량부, Na₂O 3 내지 7 중량부 및 물 66.5 내지 81 중량%로 이루어지는 기초 규산소다 화합물 100 중량부에 경화보조제 1 내지 10 중량부를 첨가하여 혼합한 후, 알칼리 콜로이달 실리카 5 내지 20 중량부를 첨가하여 1차 그라우팅재를 제조하는 단계; 및 (B) 상기 1차 그라우팅재를 연약지반에 주입하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 규산소다 화합물은 비중이 1.1 이상으로 제조하는 것을 특징으 로 한다.

상기 규산소다 화합물은 몰비가 3 내지 5로 제조하는 것을 특징으로 한다.

상기 알칼리 콜로이달 실리카는 30 내지 50%의 고형분을 가지도록 제조하는 것을 특징으로 한다.

상기 경화 보조제는 폴리인산나트륨, 트리폴리인산나트륨 및 에틸렌디아민4초산으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 단독 또는 2종 이상의 화합물로 제조하는 것을 특징으로 한다.

상기 주입하는 단계 후 연약지반에 급결용 경화제를 추가로 더 주입하는 것을 특징으로 한다.

상기 급결용 경화제는 기초 규산소다 화합물 100 중량부에 대하여 5 내지 25 중량부로 제조하는 것을 특징으로 한다.

상기 급결용 경화제는 5 내지 15 중량%의 경화제 수용액으로 제조하는 것을 특징으로 한다.

상기 급결용 경화제는 칼슘포메이트 및 유기염류와 산류 중 1종 또는 2종의 혼합물로 제조하는 것을 특징으로 한다.

상기 산류는 설포릭산, 하이드로클로릭산 및 포스포릭산을 포함하는 무기산; 및 호박산, 말레익산 및 주석산을 포함하는 유기산으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 단독 또는 2종 이상의 혼합물로 제조하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 시멘트 현탁액형이 아닌 순수 액상형으로 침투력이 높아 조립토층 및 세립토층을 모두 균질하게 고결시켜 높은 내압력과 연약지반 차수능력이 우수하고, 주요 성분으로 규산소다를 사용하여 합성실리카 또는 실리카 졸을 사용하는 것보다 편리하며, 침투력이 높고, 신속한 경화로 효과적인 차수능력 및 지반의 강화를 도모할 수 있으며, 종래 합성실리카 또는 실리카 졸을 사용하는 것에 비해 경제성이 우수한 약액형 그라우팅용 규산소다 및 경화제 조성물을 제공하는 발명의 효과가 있다.

이하, 본 발명의 실시예들에 따른 약액형 그라우팅용 조성물 및 이를 이용한 그라우팅 공법에 대하여 상세하게 설명하지만, 본 발명이 하기의 실시예들에 제한되는 것은 아니며, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명에 따른 약액형 그라우팅용 조성물 및 이를 이용한 그라우팅 공법을 다양한 다른 방법으로 구현할 수 있을 것이다.

본 발명의 약액형 그라우팅용 조성물은 그라우팅용 규산소다의 제조시 규산 성분을 높이고 가성소다 성분을 조정하여 SiO₂가 16~26.5 중량부, Na₂O가 3~7 중량부, 물이 66.5 내지 81 중량부로 이루어지는 기초 규산소다 화합물 100 중량부로 제조한다. 상기 기초 화합물은 몰비가 3~5가 되도록 하고,비중이 1.1 이상이 되도 록 제조하는 것이 바람직하다.

상기 그라우팅용 규산소다의 SiO₂가 16~26.5 중량부, Na₂O가 3~7 중량부 및 물이 66.5 내지 81 중량부, 그 비중이 1.1 이상, 몰비가 3~5가 되도록 제조하는 목적은 계절의 변화에 따른 저온 시에도 유동성을 확보하여 5℃ 이상의 분위기에서는 항상 편리하게 사용이 가능하여 상용성이 우수하도록 하기 위한 것이다. 또한 성분 중 SiO₂를 높여 몰비가 3~5가 되도록 제조하는 이유는 지중에서 겔화 후 수축을 적게하고 견고성과 내수성을 높여 주기 위함이다.

여기에 유동성울 유지하도록 하여 지중에서 미세한 세립토 층까지 침투 후 시간이 지날수록 규산소다의 강도를 좋게 하는 경화보조제를 혼합 제조한다. 상기 경화보조제로는 폴리인산나트륨(Sodium Polyphosphate), 트리폴리인산나트륨(Sodium Tripoly Phosphate), 킬레이트고리를 가지는 에틸렌디아민4초산 등의 화합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 단독 또는 2종 이상의 화합물을 사용할 수 있다. 상기 경화보조제는 기초 규산소다 화합물 100 중량부에 대하여 1~10 중량부로 혼합 제조된다.

또한, 고결 후 용탈 및 수축의 문제를 해결하기 위하여 여기에 알칼리성 콜로이달 실리카를 기초 규산소다 화합물 100 중량부에 대하여 5~20 중량부를 첨가하여 규산성분을 높여 준 후 1차 그라우팅재로 주입한다. 상기 알칼리성 콜로이달 실리카는 기초 규산소다 화합물 100 중량부에 대하여 30~50%의 고형분을 갖는 것이 바람직하다. 고형분 성분이 30% 미만인 경우 용탈이 현저하게 되는 단점이 있고, 50%를 초과하는 경우 물성 및 상용성이 좋지 않다는 단점이 발생한다.

또한, 알칼리성 콜로이달 실리카가 첨가량이 5 중량부 미만의 경우는 첨가 전후 수축율의 차이가 미미한 문제점이 있고, 20 중량부를 초과하게 되면, 겔화 및 응집의 발생으로 침투성이 떨어지게 되므로 바람직하지 않다.

그 후 1차로 주입된 그라우팅재가 수분과 지하수에 의해 유실되지 않도록 겔화시켜주는 침투력이 우수한 급결용 경화제를 2차로 주입시킨다. 이때 2차로 주입하는 급결용 경화제로는 칼슘포메이트 및 유기염류, 산류 중 1종 또는 2종의 혼합물을 선택하고, 기초 규산소다 화합물 100 중량부에 대하여 5~25 중량부의 용액으로 제조한다. 상기 급결용 경화제는 5~15 중량%의 수용액으로 제조하는 것이 바람직하다. 5 중량% 미만의 용액으로 제조할 경우 경화 성능이 떨어지고, 15 중량%를 초과하는 용액은 용액 중 불용분이 존재하여 반응이 균질하지 못한 단점이 있다.

또한, 상기 급결용 경화제는 기초 규산소다 화합물 100 중량부에 대하여 5 중량부 미만으로 사용할 경우 겔화 시간이 느려지는 단점이 있으며, 25 중량부를 초과하여 사용하는 경우 경화제 수용액중의 수분으로 인하여 1차 주입 물질에 과도한 수분이 공급되는 문제점이 발생한다.

상기 급결용 경화제로 사용되는 물질로는 칼슘포메이트와 설포릭산, 하이드로클로릭산 및 포스포릭산 등의 무기산과 호박산, 말레익산 및 주석산 등의 유기산 등이 있으며, 이들 중에서 단독 또는 2종 이상의 혼합 사용이 가능하다.

이하, 실시예 1 내지 실시예 5을 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.

실시예 1 (규산소다+경화보조제)

실리카 파우더와 초자를 이용하여 제조된 규산소다의 비중 1.236, SiO₂ 21.0%, Na₂O 5.16%, 비중 1.380, SiO₂ 29.0% _,Na₂O 9.5%, 점도 28 Be(보오메)가 되도록 조정한 제품 100g을 200cc 비이커에 담았다.

에틸렌디아민4초산 10g, 증류수 90g을 혼합하여 초음파 분산 후 40~60℃로 중탕으로 가열하면서 불용분이 없도록 30분간 교반하였다. 상온으로 냉각된 조성물 5g을 채취하여 상기 규산소다가 들어있는 비이커에 넣어준 후 5분간 잘 저어 주었다.

초시계를 준비 후 두 슬러리를 서로 혼합하고 혼합된 슬러리를 양족의 비이커로 이동시키면서 혼합시간부터 슬러리가 겔화되는 시간을 측정하였다. 겔화 시간이 5분 이상 시는 그대로 방치 후 겔화 시간을 관찰하였다. 또한 시험 오차를 줄이기 위하여 같은 방법으로 3회 실시 후 그 평균값을 측정하였다.

실시예 2 (규산소다+경화보조제+콜로이달 실리카)

실시예 1의 조성물을 교반하면서 비이커에 고형분 40%인 알카리성 콜로이달 실리카(미국 듀폰사의 상품명 HS-40)를 20g을 첨가한 후 5분간 교반한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하였다.

실시예 3 (규산소다+콜로이달실리카+경화보조제+급결용 경화제 10g)

상기 실시예 2의 조성물 120g을 200CC 비이커에 준비하고, 다른 100cc 비이커에 칼슘포메이트 12g, 증류수 88g을 혼합하여 초음파 분산 후 40~60℃로 중탕으로 가열하면서 불용분이 없도록 30분간 교반하였다. 또한 상온으로 냉각된 상기 조성물 10g을 채취하여 다른 200CC 비이커에 담아 놓고, 초시계를 준비 후 두 슬러리를 서로 혼합하고 혼합된 슬러리를 양쪽의 비이커로 이동시키면서 혼합시간부터 슬러리가 겔화되는 시간을 측정한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 방법으로 수행하였다.

실시예 4 (규산소다+콜로이달실리카+경화보조제+급결용 경화제 20g)

칼슘포메이트 수용액 20g 채취하여 첨가하고 혼합 직후 시간부터 슬러리가 겔화되는 시간을 측정한 것을 제외하고는 실시예 3과 동일한 방법으로 수행하였다.

실시예 5 (규산소다+콜로이달실리카+경화보조제+급결용 경화제 30g)

칼슘포메이트 수용액을 30g 채취하여 첨가하고 혼합직후 시간부터 슬러리가 겔화되는 시간을 측정한 것을 제외하고는 실시예 3과 동일한 방법으로 수행하였다.

실시예의 결과는 다음과 같다.

실시예 1, 실시예 2는 콜로이달 실리카와 경화보조제를 규산소다와 혼합 후에도 이들 콜로이달 실리카와 경화보조제 그리고 규산소다에 포함된 수분이 모두 증발한 후 경화되었다.

그러나, 실시예 3~5는 경화제를 혼합 즉시 겔화된다.

실시예 5는 다량의 경화제 수용액의 다량 투여로 수분공급이 늘어나면서 겔화 후 수분이 많이 발생 하였다.

7일과 28일 경과 후 원형 고형체의 지름수축율은 다음과 같다.

시험결과 고형제의 수축율은 실시예 5가 가장 작았으며, 실시예 3, 4도 28일후 지름의 수축율이 5% 이내로 양호하였다.

실시예의 7일, 28일 후 수축시험 결과 고형분 40%인 알카리성 콜로이달 실리카(미국 듀폰사, 제품명 HS40)을 첨가한 실시예 2가 첨가하지 않는 실시예1 보다 수축율이 적었다.

콜로이달 실리카의 첨가, 경화제를 첨가한 경우가 첨가 하지 않은 것보다 수축율이 더 적은 것으로 나타났다.

실시예 3, 4, 5의 경우와 같이 급결 경화제 첨가량이 늘어남에 따라서 수축율이 적게 나왔다.

다음은 실시예 1~5의 조성물로 7일과 28일 경과 후 압축강도 시험을 하였다.

7일, 28일 경과 후 압축 강도 시험결과 실시예 3과 실시예 4 조성물의 강도는 모두 7일 후 15kgf/이상, 28일 후 25kgf/ 이상이 나왔다.

실시예 5는 7일 경화제의 과량 첨가로 수축율은 작았지만 과량 투여된 수용액 경화제 성분의 물이 과량으로 공급되어 압축강도가 낮게 나왔다.

실시예 1 실시예 2의 경우는경화제 투여 없이, 수분 증발에 의한 겔화가 서서히 진행된 경우다. .실시예 3, 실시예 4와 같이 경화제를 혼합하면 신속한 겔화가 발생하였으며, 실시예 5와 같이 다량의 경화제 수용액의 혼합 시는 겔화 후 수분이 많이 발생하였다.

고형분 40%인 알카리성 콜로이달 실리카(미국 듀폰사, 제품명 HS40)을 5~20중량부로 첨가한 것이 압축강도 및 수축율 방지효과가 있음을 알 수 있었다.

2차 주입하는 급결용 경화제로 사용하는 칼슘포메이트 용액을 5~25중량부로 첨가 시 강도, 겔화시간, 수축방지 등이 가장 우수하다는 것을 알 수 있었다.

Claims (20)

1. 삭제
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7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제
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11. SiO₂ 16 내지 26.5 중량부, Na₂O 3 내지 7 중량부 및 물 66.5 내지 81 중량부로 이루어지는 기초 규산소다 화합물 100 중량부에 경화보조제 1 내지 10 중량부를 첨가하여 혼합한 후, 알칼리 콜로이달 실리카 5 내지 20 중량부를 첨가하여 1차 그라우팅재를 제조하는 단계;

    상기 1차 그라우팅재를 연약지반에 주입하는 단계; 및

    상기 1차 그라우팅재를 주입한 연약지반에 급결용 경화제를 추가로 주입하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 그라우팅 공법.
12. 제11항에 있어서,

    상기 규산소다 화합물은 비중이 1.1 이상으로 제조하는 것을 특징으로 하는 그라우팅 공법.
13. 제11항에 있어서,

    상기 규산소다 화합물 중의 Na₂O 1몰에 대한 SiO₂의 몰비가 3 내지 5로 제조하는 것을 특징으로 하는 그라우팅 공법.
14. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 알칼리 콜로이달 실리카는 30 내지 50 중량%의 고형분을 가지도록 제조하는 것을 특징으로 하는 그라우팅 공법.
15. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 경화 보조제는 폴리인산나트륨, 트리폴리인산나트륨 및 에틸렌디아민4초산으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 단독 또는 2종 이상의 화합물로 제조하는 것을 특징으로 하는 그라우팅 공법.
16. 삭제
17. 제11항에 있어서,

    상기 급결용 경화제는 기초 규산소다 화합물 100 중량부에 대하여 5 내지 25 중량부로 제조하는 것을 특징으로 하는 그라우팅 공법.
18. 제11항에 있어서,

    상기 급결용 경화제는 5 내지 15 중량%의 경화제 수용액으로 제조하는 것을 특징으로 하는 그라우팅 공법.
19. 제11항에 있어서,

    상기 급결용 경화제는 칼슘포메이트, 유기염류 및 산류 중 1종 또는 2종의 혼합물로 제조하는 것을 특징으로 하는 그라우팅 공법.
20. 제19항에 있어서, 상기 산류는 설포릭산, 하이드로클로릭산 및 포스포릭산을 포함하는 무기산; 및 호박산, 말레익산 및 주석산을 포함하는 유기산으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 단독 또는 2종 이상의 혼합물로 제조하는 것을 특징으로 하는 그라우팅 공법.