KR101079189B1 - 친환경적 고압 분사 주입 공법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 친환경적 고압 분사 주입 공법은, (S1) 지반에 미리 정해진 깊이의 천공홀을 형성하는 단계; (S2) 주입재 분사공을 구비한 주입관을 상기 천공홀 내부에 삽입하는 단계; 및 (S3) 비정질 칼슘 알루미네이트를 시멘트 총 중량 대비 5~30 중량% 함유하는 시멘트, 물 및 아크릴레이트계 고분자 가소제를 포함하는 주입재를 상기 주입관의 분사공을 통해 상기 천공홀 내부로 주입하되, 상기 주입공정을 상기 주입관을 천공홀로부터 인발함과 동시에 수행하는 단계를 포함한다. 본 발명의 고압 분사 주입 공법은 용출수의 pH 증가가 적으며, Cr⁶⁺ 이온의 용출이 없다.

고압 분사 주입, 칼슘 알루미네이트

Description

친환경적 고압 분사 주입 공법{Method for eco-friendly high pressure jet grouting}

본 발명은 친환경적 고압 분사 주입 공법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 가소성을 가지며, 용출수의 pH 증가가 적으며, Cr⁶⁺ 이온의 용출이 없는 친환경적 고압 분사 주입 공법에 관한 것이다.

각종 산업 발달과 인구 도시 집중화에 의한 S.O.C 사업의 증가로 인하여 각종 토목 공사는 지반 여건이 열악한 지역에서 실시되고 있는 경우가 많다. 또한 대형 구조물 건설이 증가함에 따라 안정된 지반 지내력이 요구되고 있는 실정이다. 이에 연약한 지반을 보강하기 위하여 여러 공법들이 개발, 적용되어 오고 있으며, 예를 들면 약액 주입 공법 및 고압 분사 주입 공법 등이 실제 현장에서 많이 사용되고 있다.

특히 고압 분사 주입 공법은 초고압 분류수의 강력한 운동에너지에 의해 지반을 절삭하고, 절삭된 토립자를 지표면으로 배출시키면서 원지반을 시멘트 등의 경화재로 치환하는 공법으로서, 지반 보강 효과와 적용 대상 지반의 범위가 넓어 적용 분야가 넓다.

현재 사용되고 있는 고압 분사 주입 공법으로는 J.S.P 공법, R.J.P공법, Twin Jet 공법 등이 있다. 상기의 고압 분사 주입 공법들은 시멘트를 물과 적절히 혼합하여 이를 주경화재로 사용하여, 지반에 200~400kgf/cm²의 고압으로 분사 주입, 지중의 흙과 시멘트가 혼합된 고결체를 형성하여 지반의 지내력을 보강하는 효율적인 공법이다.

그러나, 지반 내에 지하수가 존재하거나 보강하고자 하는 부위에 공동이 존재하는 경우 시멘트만을 주입재로 사용하게 되면 경화시간이 길어져서 시멘트가 지하수에 의해 희석되거나, 공동부위로 흘러 들어가 지반에 있는 공동과 틈을 따라 보강하고자 하는 부위외에 다른 지역으로 주입재가 유실되는 경우가 발생하게 된다.

이러한 경우, 주입재인 시멘트는 강염기성으로서 지하수 pH 수치를 증가시켜 오염을 발생시키며, 시멘트 중에 있는 Cr성분이 6가 이온 형태로 용출되는 현상이 발생한다. Cr⁶⁺은 LARC(국제암연구센터)와 EPA(미국환경보호국)에서 발암성물질로 지정된 독성 물질이다.

따라서, 지하수에 의해 희석되지 않아 지하수가 있는 지반에서도 지반개량 효과가 가능하면서도 pH 증가가 적으며, Cr⁶⁺의 용출이 없는 친환경적이며, 지하 공동 부위에서도 주입재료가 유실되지 않는 가소성을 확보한 고압 분사 주입 공법의 개발이 요구된다.

따라서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 주입재로 인한 지하수의 pH의 증가가 적으며, Cr⁶⁺의 용출이 없고, 지하 공동 부위에서도 주입재가 유실되지 않는 친환경적 고압 분사 주입 공법을 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 친환경적 고압 분사 주입 공법은, (S1) 지반에 미리 정해진 깊이의 천공홀을 형성하는 단계; (S2) 주입재 분사공을 구비한 주입관을 상기 천공홀 내부에 삽입하는 단계; 및 (S3) 비정질 칼슘 알루미네이트를 시멘트 총 중량 대비 5~30 중량% 함유하는 시멘트, 물 및 아크릴레이트계 고분자 가소제를 포함하는 주입재를 상기 주입관의 분사공을 통해 상기 천공홀 내부로 주입하되, 상기 주입공정을 상기 주입관을 천공홀로부터 인발함과 동시에 수행하는 단계를 포함한다. 본 발명의 친환경적 고압 분사 주입 공법은 특정 함량의 비정질 칼슘 알루미네이트를 함유하는 시멘트를 사용함으로써 강염기성의 시멘트 및 Cr⁶⁺ 이온의 용출을 현저하게 감소시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 고압 분사 주입 공법에서는 가소성을 갖는 주입재를 사용하여 지반의 공동(空洞) 부위에 제한된 주입이 가능하다. 본 발명에 있어서 "가소성"이란 주입재가 압력이 가하지 않는 상태에서는 변형이 발생하지 않고, 외부에서 압력이 가해지면 형상이 변화되는 물성을 의미한다.

본 발명에 따른 상기 주입재는 시멘트 100 중량부에 대하여 물 60 ~ 200 중량부, 가소재 0.05 ~ 3.0 중량부를 포함할 수 있으며, 선택적으로 상기 시멘트는 2,800 ~ 7,000 ㎠/g인 범위에서 적절한 분말도를 채택할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 그리고, 상기 가소제는 아크릴레이트계 고분자를 가소제 총 중량 대비 25 ~ 65 중량% 포함하는 것이 바람직하다.

또한 선택적으로, 본 발명의 친환경적 고압 분사 주입 공법에서 가소제는 제2의 분사공으로 시멘트와 별도로 방출될 수 있다.

본 발명의 친환경 고압 주입 분사 공법에 의하면, 지하수가 있는 지반에서도 지하수에 주입재가 희석되지 않으며, 지하수의 pH 증가가 적고, Cr⁶⁺ 용출이 없으며, 가소성을 가짐으로써 지반 공동 부위에 이외에 주입재의 유실이 없어 충분한 충진이 가능하여, 환경 유해성이 거의 없는 고품질의 시공이 가능하다.

이하, 본 발명의 친환경적 고압 분사 주입 공법을 상세히 설명하기로 한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 공법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

먼저, 지반에 미리 정해진 깊이의 천공홀을 형성한다(S1 단계).

보강이 필요한 지반 영역의 상부에 천공기를 사용하여 미리 정해진 깊이로 천공홀을 형성시킨다. 보강이 필요한 지반이 넓다면 필요에 따라 다수의 천공홀을 형성할 수 있다. 다수의 천공홀이 형성되는 경우에는 천공홀의 위치 및 간격은 지반 보강의 목적 및 지반의 상태를 고려하여 미리 정해진다. 천공홀의 지름도 역시 같이 고려되는데, 통상적으로 평균지름 약 10 ㎝ 이상으로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

다음으로, 주입재 분사공을 구비한 주입관을 상기 천공홀 내부에 삽입한다(S2 단계).

강관으로 이루어진 주입관은 주입재의 분출이 가능하도록 측면에 분사공이 형성된다. 분사공은 필요에 따라 복수로 형성될 수 있다.

또한, 필요에 따라 가소제를 별도로 분사하기 위한 제2의 분사공이 형성될 수도 있다. 이 경우에는 가소제와 가소제 이외의 성분이 분사 후에 적절히 혼합될 수 있도록 각 분사공이 적당한 간격(예를 들면, 약 10 ㎝ 이상)을 유지하는 것이 바람직하다. 또한, 가소제와 가소제 외의 다른 성분들을 분리된 상태로 전송하기 위해 상기 주입관이 2중관 형태를 가질 수 있다.

다음으로, 비정질 칼슘 알루미네이트를 시멘트 총 중량 대비 5~30 중량% 함유하는 시멘트, 물 및 아크릴레이트계 고분자 가소제를 포함하는 주입재를 상기 주입관의 분사공을 통해 상기 천공홀 내부로 주입하되, 상기 주입공정을 상기 주입관을 천공홀로부터 인발함과 동시에 수행한다(S3).

통상적으로 시멘트를 제조하기 위해서는 다양한 성분들이 사용되고, 그 공정 조건도 다양하다. 동일한 원재료를 사용하더라도 공정 조건, 예를 들면 소성 온도 등의 차이에 따라 제조되는 시멘트의 성분이 달라질 수 있다는 것은 자명하다. 본 발명에 따른 시멘트는 석회석, 보크사이트 및 석고와 필요에 따라 선택된 첨가제들을 분쇄, 혼합하여 약 1,300 ℃이상의 고온에서 소성시킨 다음, 상기 용융 소성물을 급랭시킨 후에 분쇄, 분급 과정을 거쳐 제조된다.

이렇게 제조된 본 발명에 따른 시멘트는 비정질 칼슘 알루미네이트를 시멘트 총 중량 대비 5~30 중량% 포함하게 된다. 이러한 본 발명의 시멘트는 물과 혼합 시 에트린자이트(Ettringite, 3CaO·Al₂O₃·3CaSO₄·32H₂O)를 형성하여 빠른 겔화 성능을 나타내며, 지반 내 토질 간극에서 흙 입자들을 가교상으로 연결하여 강도를 증가시킨다. 그 결과 용출되는 시멘트의 양을 획기적으로 줄일 수 있게 되어 시멘트 용출로 인한 주변 환경의 pH 증가를 억제할 수 있으며, Cr⁶⁺ 용출도 방지할 수 있다. 본 발명에서 사용되는 시멘트 내의 비정질 칼슘 알루미네이트의 함량이 시멘트 총 중량 대비 5 중량% 미만이면 시멘트에 의한 pH 증가 및 Cr⁶⁺ 용출 현상이 발생하게 되며, 30 중량%를 초과하면 반응성이 지나치게 상승하여 주입관으로부터의 분사가 용이하지 않게 될 수 있다.

본 발명에 따라 제조된 시멘트는 고압 분사 주입 공법이 수행되는 지반의 상태 및 요구되는 성능 등에 따라 다양한 분말도를 채택하여 제조될 수 있다. 예를 들면 분말도가 2,800 ~ 7,000 ㎠/g일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

또한 선택적으로, 본 발명에서 사용되는 시멘트는 우수한 강도를 획득하기 위해 SO₃를 시멘트 총 중량 대비 5 ~ 10 중량% 더 포함할 수 있다.

본 발명의 주입재는 아크릴레이트계 고분자 가소제를 포함한다. 본 발명에 따른 가소제는 본 발명의 주입재에 가소성을 부여하여 지반 내에 공동이 있어도 제한된 주입이 가능하다. 본 발명에 따른 상기 가소재는 아크릴레이트계 고분자를 적절한 용매에 분산 또는 용해시켜 사용하는데, 환경적인 문제를 고려하면 용매로는 물이 바람직하다.

상기 가소제는 아크릴레이트계 고분자를 25 ~ 65 중량% 포함하는 것이 바람직하다. 상기 함량이 25 중량% 미만인 경우 시멘트 주입재와 혼합 후 유동성이 급격히 증가하며 가소성이 나타나지 않으며, 65 중량% 초과이면 점성이 과다하게 증가하여 분사가 용이하지 않게 된다.

또한, 본 발명에 따른 주입재는 시멘트 100 중량부에 대하여 상기 가소제 0.05 ~ 3.0 중량부를 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명의 친환경적 고압 분사 주입 공법에 사용되는 주입재는 시멘트와 반응하는 물을 포함하는데, 지반의 상태에 따라 혼합되는 물의 함량을 적절히 조절할 필요가 있다. 예를 들면 시멘트 100 중량부에 대하여 물 60 ~ 200 중량부를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 친환경적 고압 분사 주입 공법은 통상적인 고압 분사 주입 공법과 마찬가지로 공기가 주입재와 함께 분사된다. 다만, 본 발명에 있어서 가소제가 별도의 분사공으로 분사되는 경우에는 공기는 시멘트와 함께 분사되도록 한다.

본 발명에 따른 주입공정은 천공홀로부터 서서히 인발됨과 동시에 수행되며, 상기 주입관이 회전하면서 수행될 수 있다.

선택적으로, 본 발명에서 사용할 수 있는 각종 첨가제가 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 추가적으로 더 포함될 수 있다. 이러한 첨가제로서는 분산제, 안정제 등이 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.

실시예

석회석, 보크사이트 및 석고를 분쇄한 후 혼합하여 1,300 ℃로 열처리하여 혼합물을 용융시켰다. 상기 용융 소성물을 상온으로 급랭시킨 후에 분쇄, 분급 과정을 거쳐 약 2,800 ~ 7,000㎠/g의 분말도의 미립 분말 시멘트를 얻었다.

시험예

1. pH 변화 및 Cr ⁶⁺ 용출 측정

상기 실시예에 따라 제조된 본 발명의 분말 시멘트와 물 및 아크릴레이트 고 분자 가소제를 하기 표 1에 기재된 함량으로 혼합하여 주입재를 제조한 다음, 200 kg 의 물이 채워진 길이 1600mm 폭 500mm 높이 400mm의 수조에 상기 주입재 10kg 넣어 시간 별 pH 변화와 Cr⁶⁺ 용출량을 측정하였다.

친환경 시멘트(kg)	가소제 (kg)	물(kg)
800	6	755

시간에 따라 수조에서 측정된 pH 값 및 Cr⁶⁺ 용출량을 하기 표 2에 기재하였다.

구분	pH 값	Cr6+
주입재 투입 전	7.49	불검출
투입 직후	8.45	불검출
30분	8.43	불검출
1시간	8.42	불검출
3시간	8.41	불검출
24시간	8.38	불검출
72시간	8.35	불검출

상기 표 2에 나타난 바와 같이, Cr⁶⁺ 이온은 실질적으로 용출되지 않음을 알 수 있다. 또한, pH의 증가 정도는 약 1.0 이하로서 증가폭이 작음을 알 수 있다. 그리고 72시간 이후에도 pH는 더 이상 증가하지 않았다.

참고로, 도 1에는 본 발명의 주입재가 형성하는 에트린자이트의 현미경 사진을 나타내었다. 본 발명의 주입재는 이러한 에트린자이트 생성에 의한 팽창 효과로 경화 후 재료 수축이 발생하지 않는다.

또한, 도 2에는 본 발명의 주입재(a) 및 종래 시멘트 주입재(b)의 수중 정치 사진을 나타내었는데, 본 발명의 주입재는 에트린자이트 및 가소제의 복합적 작용에 의해 물 속에서도 재료의 분리 저항성이 매우 큼을 알 수 있으며, 그에 따라 상기와 같이 pH 변화가 적고 Cr⁶⁺ 용출량이 거의 없음을 확인할 수 있다.

2. 어독성 시험

상기 수조에 송어 치어 30마리를 방생하여 치어의 생존여부를 확인하였다.

방생 후 치어가 수조 내에서 활발한 움직임을 보였으며, 시간이 경과함에 따라 주입재에 치어가 접근하여 머무르기도 하였으며, 치어의 활동성이 저하되는 증거는 관찰되지 않았다. 72시간 후 치어 개체수를 측정하였으나, 치어는 초기에 방생한 수와 동일한 30마리가 살아있음이 확인되었다. 본 발명에 따른 주입재는 지반에 주입 분사 후에도 환경 오염의 가능성이 거의 없다고 해도 무방하다고 판단된다.

3. 가소성 측정

본 발명의 주입재는 지반의 공동 부위에 한정적으로 제한된 주입이 가능한 가소성을 갖는다. 이에 대해 상기 실시예에 따라 제조된 주입재로 80mm * 80mm 플로우 콘 형상을 제조한 다음, 정치 후 높이를 측정하고 15회 타격 후 퍼진 정도를 확인하여 가소성을 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 3에 기재하였다.

주입재 플로우 측정(mm)
타격 유무	직후	5분 후	10분 후	30분 후	60분 후
정치	85	80	80	79	79
15회타격	165	145	135	120	110

상기 표 3에 나타난 바와 같이, 60분까지 가소성이 유지되는 것으로 확인 되었다. 이에 따라, 본 발명에 따른 친화경 고압 분사 주입 공법은 공동부위에 재료의 유실이 없는 효과적인 고압 분사 주입 공법임을 알 수 있다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술한 발명의 내용과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.

도 1은 본 발명에 따른 주입재에 의해 형성되는 에트린자이트의 현미경 사진이다.

도 2는 본 발명의 주입재(a) 및 종래 시멘트 주입재(b)의 수중 정치 상태를 나타낸 사진이다.

Claims (5)

1. (S1) 지반에 미리 정해진 깊이의 천공홀을 형성하는 단계;

   (S2) 주입재 분사공을 구비한 주입관을 상기 천공홀 내부에 삽입하는 단계; 및

   (S3) 비정질 칼슘 알루미네이트를 시멘트 총 중량 대비 5~30 중량% 함유하는 시멘트, 물 및 아크릴레이트계 고분자 가소제를 포함하는 주입재를 상기 주입관의 제1의 분사공을 통해 상기 천공홀 내부로 주입하되, 상기 가소제는 상기 주입관에 구비된 제2의 분사공을 통해 따로 주입하고, 상기 주입공정을 상기 주입관을 천공홀로부터 인발함과 동시에 수행하는 단계;

   를 포함하는 친환경적 고압 분사 주입 공법.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,

   상기 시멘트의 분말도가 2,800 ~ 7,000 ㎠/g인 것을 특징으로 하는 친환경적 고압 분사 주입 공법.
4. 제1항에 있어서,

   상기 주입재는 시멘트 100 중량부에 대하여 물 60 ~ 200 중량부 및 가소제 0.05 ~ 3.0 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경적 고압 분사 주입 공법.
5. 제1항에 있어서,

   상기 아크릴레이트계 고분자 가소제는 아크릴레이트계 고분자를 가소제 총 중량 대비 25 ~ 65 중량% 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경적 고압 분사 주입 공법.

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