KR101154048B1 - 실리카 슬러리 조성물 및 이를 이용한 그라우팅 공법 - Google Patents

실리카 슬러리 조성물 및 이를 이용한 그라우팅 공법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 목적은 국내에서 발생되는 흄드실리카 및 화이트카본의 규격 외 제품 및/또는 폐 슬러리 제품을 이용하여, 고형분이 12~20 중량%로서 겔화가 없이 6개월 이상 안정성을 구비할 수 있는 실리카 슬러리 조성물을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 상술된 실리카 슬러리 조성물을 이용하여 1) 종래의 그라우팅 공법에서 필요한 겔화시간을 유지할 수 있으며, 2) 겔화 이후 그라우팅재고형체의 밀도를 증가시킬 수 있고, 3) 과도한 수축을 방지할 수 있으며, 4) 나트륨 등의 용탈 방지로 차수성능을 증가시킬 수 있고, 그리고 5) 그라우팅재 고형체의 압축 강도를 증가시킬 수 있는 그라우팅 공법을 제공하는 것이다.

Description

실리카 슬러리 조성물 및 이를 이용한 그라우팅 공법{Silica slurry composition and grouting method using the same}
본 발명은 실리카 슬러리 조성물 및 이를 이용한 그라우팅 공법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 실리카 파우더 10 내지 30 중량부; 가성소다 0.0001 내지 5 중량부; 및 계면 활성제 0.00001 내지 1 중량부를 포함하며, 상기 실리카 파우더, 상기 가성소다 및 상기 계면 활성제의 전체량이 10 내지 30 중량%이며, 그리고 물 70 내지 90 중량%를 포함하는 실리카 슬러리 조성물 및 이를 이용한 그라우팅 공법에 관한 것이다.
흄드 실리카(Fumed Silica), 화이트 카본(White Carbon) 등과 같은 실리카 제품의 제조 공정 중에서 발생되는 규격 외 제품과 포장 및 공정 변경 중에 배출되는 폐실리카의 양은 월간 50톤 내지 80톤 정도 발생되는 실정이다. 그러나 이러한 미분의 폐실리카는 고가의 제품임에도 불구하고 재활용 가능한 경우가 거의 없어 폐기되거나 또는 야적 보관되고 있는 실정이다. 특히 이들 규격 외 제품의 경우에는 규산소다의 제조시 SiO2의 성분을 높이기 위해서 일부 투입되어 사용될 수도 있으나 그 활용이 많지 않으며, 폐실리카의 경우에는 가볍고 부피가 매우 크다는 특성으로 인해 규산소다의 제조 공정에 투입하는 것 자체가 용이하지 않아 재활용이 매우 어렵다는 문제점이 있다.
한편, 그라우팅 공법이라 함은 주입펌프 등을 이용하여 토사 또는 암반의 틈새 등에 그라우트(grout)를 주입하는 공법으로, 주입관을 지반에 설치하고, 그 주입관을 통해 그라우트재를 투입하여 지반이 고결되도록 하여 대상 지반을 보강하고 차수성을 향상시키는 공법이다.
통상, 그라우팅 시공 단계는 ① 천공 단계, ② 급결용 특수 시멘트와 물, 규산소다와 물의 혼합물을 동시에 주입하는 급결용 그라우팅재 주입 단계, 및 ③ 완결용 특수 시멘트와 물, 규산소다와 물의 혼합물을 동시에 주입하는 완결용 그라우팅재 주입 단계로 이루어진다.
또한, 종래의 그라우팅 공법은 주재료는 급결용 특수 시멘트, 완결용 특수 시멘트 및 규산소다로 이루어지는데, 이때, 규산소다의 일반적인 화학조성은 Na2O,nSiO2,xH2O로 표시되며, 물에 대한 용해성이 있기 때문에 물유리(water glass)라고도 한다. 상기 식중 n은 몰비(molar ratio)를 나타낸다.
그라우팅 공법에 사용되는 규산소다와 시멘트 성분 중에 SiO2의 성분이 높으면 그라우팅재의 치밀도가 높아져 차수능력이 향상되고, 강도가 증가되며, 나트륨 성분 등의 용출로 인한 용탈 현상이 감소된다는 장점이 있다.
그러나 그라우팅 공법에 사용되는 규산소다의 성분 중에 SiO2의 성분 비율을 높이는 경우에는, 제조 비용이 증가한다는 문제점이 발생하며 더욱이 온도에 따라 규산소다의 유동성이 급격히 떨어지게 된다는 문제점이 발생하게 된다.
본 발명은 상술된 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 국내에서 발생되는 흄드실리카 및 화이트카본의 규격 외 제품 및/또는 폐 슬러리 제품을 이용하여, 고형분이 12~20 중량%로서 겔화가 없이 6개월 이상 안정성을 구비할 수 있는 실리카 슬러리 조성물을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 상술된 실리카 슬러리 조성물을 이용하여 1) 종래의 그라우팅 공법에서 필요한 겔화시간을 유지할 수 있으며, 2) 겔화 이후 그라우팅재고형체의 밀도를 증가시킬 수 있고, 3) 과도한 수축을 방지할 수 있으며, 4) 나트륨 등의 용탈 방지로 차수성능을 증가시킬 수 있고, 그리고 5) 그라우팅재 고형체의 압축 강도를 증가시킬 수 있는 그라우팅 공법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 하나의 양태로서, 본 발명은 실리카 파우더 10 내지 30 중량부; 가성소다 0.0001 내지 5 중량부; 및 계면 활성제 0.00001 내지 1 중량부를 포함하며, 상기 실리카 파우더, 상기 가성소다 및 상기 계면 활성제의 전체량이 10 내지 30 중량%이고, 및 물 70 내지 90중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리카 슬러리 조성물에 관한 것이다.
이때, 상기 실리카 파우더의 평균 입도는 10 내지 50㎛이거나 또는 상기 실리카 파우더의 평균 입도는 320 내지 330 매쉬(mesh)인 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 실리카 파우더의 비표면적은 10 내지 250 ㎡/g인 것을 특징으로 한다.
이러한 실리카 파우더의 특징은 국내에서 발생되는 흄드실리카 및 화이트카본의 제조 공정 중 발생하는 규격 외 제품, 포장시 누출된 제품, 설비의 청소 등으로 발생되는 폐실리카의 일반적인 특징으로 인해 기인하는 것임을 유의한다.
한편, 본 발명에 있어서, 평균 입도가 320 내지 330 매쉬라는 의미는, 상기 실리카 파우더를 320~330mesh의 여과필터를 통해 여과하였을 때 80%이상이 여과되는 입도를 가짐을 의미한다.
이러한 실리카 슬러리의 제조는 초음파 분산기 또는 고속 교반기를 이용하여 수행할 수 있음을 유의한다. 더욱이, 실리카 슬러리의 제조방법은 상술된 방법 이외에 다양한 방법에 의해 제조될 수도 있음을 유의한다.
바람직하게는, 상기 실리카 슬러리 조성물의 고형분은 12 내지 20 중량%인 것을 특징으로 한다.
상기 실리카 슬러리 조성물의 고형분은 12 중량% 미만인 경우에는, 후술되는 바와 같이 그라우팅 공법에 있어서, 규산소다 화합물과 함께 투입되어 사용되는 경우 고형분인 실리카 성분이 적어 그 효과가 미미하게 되며, 제품의 성분 중 물의 함량이 높아 운송비 및 원가 상승으로 다량의 사용이 어렵게 된다. 한편, 상기 실리카 슬러리 조성물의 고형분이 20 중량%를 초과하는 경우에는, 시간의 경과됨에 따라 슬러리의 안정성이 급격하게 떨어져 겔화되게 되고 떡짐 현상 등으로 인해 슬러리로 존재하지 않게 된다.
한편, 일반적으로 슬러리의 고형분이 10 중량%를 초과하는 경우에는 슬러리의 안정성 및 유동성이 부족하여 급속하게 겔화가 되는 것이 일반적인데 본 발명에 따른 실리카 슬러리의 경우에는 0.1 내지 1 N의 가성소다를 0.0001 내지 5 중량부 첨가함으로써 이러한 문제를 해결하였다. 더욱이, 계면 활성제를 0.00001 내지 1 중량부 첨가함으로써, 슬러리가 급속하게 겔화되는 것을 방지할 수 있다.
이러한 구성으로 인해, 국내에서 발생되는 흄드실리카 및 화이트카본의 규격 외 제품 및/또는 폐 슬러리 제품을 이용하여, 고형분이 12~20 중량%로서 겔화가 없이 6개월 이상 안정성을 구비할 수 있는 실리카 슬러리 조성물을 제공할 수 있게 된다.
본 발명의 또 하나의 양태로서, 본 발명은 (A) 실리카 파우더 10 내지 30 중량부, 가성소다 0.0001 내지 5 중량부, 계면 활성제 0.00001 내지 1 중량부를 포함하며 상기 실리카 파우더, 상기 가성소다 및 상기 계면 활성제의 전체량이 10 내지 30 중량%이고, 및 물 70 내지 90중량%를 포함하는 실리카 슬러리 조성물과 규산소다 화합물을 포함하는 제1 슬러리; 및 급결용 시멘트와 물을 포함하는 제2 슬러리;를 혼합한 급결용 그라우팅재를 지반에 주입하는 1차 주입 단계; 및 (B) 실리카 파우더 10 내지 30 중량부, 가성소다 0.0001 내지 5 중량부, 계면 활성제 0.00001 내지 1 중량부를 포함하며 상기 실리카 파우더, 상기 가성소다 및 상기 계면 활성제의 전체량이 10 내지 30 중량%이고, 및 물 70 내지 90중량%를 포함하는 실리카 슬러리 조성물과 규산소다 화합물을 포함하는 제3 슬러리; 및 완결용 시멘트와 물을 포함하는 제4 슬러리;를 혼합한 완결용 그라우팅재를 상기 지반에 주입하는 2차 주입 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 그라우팅 공법에 관한 것이다.
이때, 상기 실리카 파우더의 평균 입도는 10 내지 50㎛이거나 또는 상기 실리카 파우더의 평균 입도는 320 내지 330 매쉬(mesh)인 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 실리카 파우더의 비표면적은 10 내지 250 ㎡/g인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 실리카 슬러리 조성물의 고형분은 12 내지 20 중량%인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 급결용 그라우팅재 또는 상기 완결용 그라우팅재에 포함되는 상기 실리카 슬러리 조성물은 10 내지 40 중량%인 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 규산소다 화합물은 (a) SiO2 16 내지 26.5 중량%; (b) Na2O 3 내지 7 중량%; 및 (c) 물 66.5 내지 81 중량%;로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 규산소다 화합물은 비중이 1.1 이상인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 규산소다 화합물은 몰비가 3 내지 5인 것을 특징으로 한다.
이와 같이, 비중이 1.1이상, 몰비는 3～5이며, 16～26.5wt％의 SiO2와 3～7wt％의 Na2O로 구성된 규산소다 화합물을 첨가하여 그라우팅 공법을 진행하는 경우, 그라우팅재의 겔화시간 조절이 가능하게 되며, 그로 인해 원하는 완결시간을 얻을 수 있을 뿐 아니라, 수량이 많거나 수맥의 속도가 빠른 현장에서도 소망하는 시간 내의 급결시간을 얻을 수 있기 때문에 원활한 그라우팅 공법을 진행할 수 있게 된다.
이러한 구성으로 인해, 1) 종래의 그라우팅 공법에서 필요한 겔화시간을 유지할 수 있으며, 2) 겔화 이후 그라우팅재고형체의 밀도를 증가시킬 수 있고, 3) 과도한 수축을 방지할 수 있으며, 4) 나트륨 등의 용탈 방지로 차수성능을 증가시킬 수 있고, 그리고 5) 그라우팅재 고형체의 압축 강도를 증가시킬 수 있는 그라우팅 공법을 제공할 수 있게 된다.
본 발명에 따르면, 국내에서 발생되는 흄드실리카 및 화이트카본의 규격 외 제품 및/또는 폐 슬러리 제품을 활용함으로써, 폐기물을 감소시킬 수 있으며, 폐기된 실리카 분말을 안정된 실리카 슬러리로 만들어 그라우팅 재료로 재활용하여 환경폐기물을 저감시킬 수 있다는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 실리카 슬러리를 제조하여 이를 그라우팅 재료로 이용하여 그라우팅 공법을 수행함으로써, 1) 종래의 그라우팅 공법에서 필요한 겔화시간을 유지할 수 있으며, 2) 급결성, 초급결성 및 완결성을 동시에 만족시킬 수 있으며, 3) 온도에 상관없이 사용할 수 있어 상용성이 우수하고, 4) 국내 지질특성상 지하수와 천공이 많은 장소에서 지중의 투입량이 많은 규산소다와 병용 사용함으로써, 기존의 합성실리카 또는 실리카졸을 사용하는 것에 비해 원재료비를 절감할 수 있고, 그리고 5) 그라우팅 재료의 밀도의 증가로 과도한 수축방지와 차수 능력 향상, 고형체의 강도를 향상, 및 시멘트의 용탈 현상을 저감시키는 효과가 있다.
도 1은 실리카 슬러리 조성물을 첨가하지 않은 종래의 그라우팅 공법에 따른 경우에 있어서, 규산소다 화합물과 물이 혼합된 제1 슬러리 및 급결용 시멘트(MSG)와 물이 혼합된 제2 슬러리를 혼합시켜 시간 경과에 따른 변화를 도시하는 사진이며,
도 2는 실험예 5에서 사용된 고형분이 16 중량%인 실리카 슬러리 조성물과 규산소다 화합물, 완결용 시멘트(MSG) 및 물이 혼합된 슬러리와 비교실험예 1에서 사용된 규산소다 화합물, 완결용 시멘트(MSG) 및 물이 혼합된 슬러리의 15일 경과 후 모습에 관한 사진이며,
도 3은 실험예 5에서 사용된 고형분이 16 중량%인 실리카 슬러리 조성물과 규산소다 화합물, 완결용 시멘트(MSG) 및 물이 혼합된 슬러리와 비교실험예 1에서 사용된 규산소다 화합물, 완결용 시멘트(MSG) 및 물이 혼합된 슬러리의 20일 경과 후 모습에 관한 사진이며,
도 4는 실험예 5에서 사용된 고형분이 16 중량%인 실리카 슬러리 조성물과 규산소다 화합물, 완결용 시멘트(MSG) 및 물이 혼합된 슬러리와 비교실험예 1에서 사용된 규산소다 화합물, 완결용 시멘트(MSG) 및 물이 혼합된 슬러리의 30일 경과 후 모습에 관한 사진이다.
이하, 실시예에 의해 본 발명의 내용을 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 본 발명은 이러한 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
<제조예 1-1: 초음파 분산기를 통한 실리카 슬러리의 제조>
우선, 평균 입도가 25~40㎛ 이고 325매쉬(mesh)이며 비표면적이 10 내지 250 ㎡/g인 실리카 파우더를 25g 준비하였다. 또한, 1 리터 비커에 473g의 물에 넣고 1 N(노말 농도, Normality)의 가성소다 용액 2g을 첨가하여 물과 가성소다가 혼합되어 있는 비커를 준비하였다.
이러한 물과 가성소다가 혼합되어 있는 비커를 초음파 분산기에 넣은 후 온도를 약 35℃로 가열하여 유지시키고, 준비된 실리카 파우더 25g을 서서히 투입하면서 잘 저어주었다. 이때, 실리카 슬러리가 뭉치지 않도록 투입된 실리카 파우더가 완전히 분산된 후에 조금씩 투입하면서 잘 저어주었다.
이러한 방식으로 고형분이 약 5 중량%인 실리카 슬러리 조성물을 제조하였다.
<제조예 1-2 : 초음파 분산기를 통한 실리카 슬러리의 제조>
40g의 실리카 파우더를 사용하고, 458g의 물을 사용한다는 점을 제외하고는 제조예 1과 동일한 방법을 실시하여 고형분이 약 8 중량%인 실리카 슬러리 조성물을 수득하였다.
<제조예 1-3 : 초음파 분산기를 통한 실리카 슬러리의 제조>
60g의 실리카 파우더를 사용하고, 438g의 물을 사용한다는 점을 제외하고는 제조예 1과 동일한 방법을 실시하여 고형분이 약 12 중량%인 실리카 슬러리 조성물을 수득하였다.
<제조예 1-4 : 초음파 분산기를 통한 실리카 슬러리의 제조>
80g의 실리카 파우더를 사용하고, 418g의 물을 사용한다는 점을 제외하고는 제조예 1과 동일한 방법을 실시하여 고형분이 약 16 중량%인 실리카 슬러리 조성물을 수득하였다.
<제조예 1-5 : 초음파 분산기를 통한 실리카 슬러리의 제조>
90g의 실리카 파우더를 사용하고, 408g의 물을 사용한다는 점을 제외하고는 제조예 1과 동일한 방법을 실시하여 고형분이 약 18 중량%인 실리카 슬러리 조성물을 수득하였다.
<제조예 1-6 : 초음파 분산기를 통한 실리카 슬러리의 제조>
100g의 실리카 파우더를 사용하고, 398g의 물을 사용한다는 점을 제외하고는 제조예 1과 동일한 방법을 실시하여 고형분이 약 20 중량%인 실리카 슬러리 조성물을 수득하였다.
<제조예 2-1 : 교반기를 이용한 실리카 슬러리의 제조>
우선, 평균 입도가 25~40㎛ 이고 325매쉬(mesh)이며 비표면적이 10 내지 250 ㎡/g인 실리카 파우더를 25g 준비하였다. 또한, 1 리터 비커에 35℃의 물 473g을 넣고 1 N(노말 농도, Normality)의 가성소다 용액 2g을 첨가하여 물과 가성소다가 혼합되어 있는 비커를 준비하였다.
이러한 물과 가성소다가 혼합되어 있는 비커를 83W의 교반기에 넣고 분당회전수(RPM)를 약 200으로 설정하여 교반을 하면서, 준비된 실리카 파우더 25g을 서서히 투입하였다. 이때, 투입된 실리카 파우더의 양이 많아지는 경우에는 실리카 슬러리가 뭉치지 않도록 교반기의 분당회전수을 약 500까지 올린후 실리카 파우더를 조금씩 투입하면서 완전히 분산시켰다.
이러한 방식으로 고형분이 약 5 중량%인 실리카 슬러리 조성물을 제조하였다.
<제조예 2-2 : 교반기를 이용한 실리카 슬러리의 제조>
40g의 실리카 파우더를 사용하고, 458g의 물을 사용한다는 점을 제외하고는 제조예 2와 동일한 방법을 실시하여 고형분이 약 8 중량%인 실리카 슬러리 조성물을 수득하였다.
<제조예 2-3 : 교반기를 이용한 실리카 슬러리의 제조>
60g의 실리카 파우더를 사용하고, 438g의 물을 사용한다는 점을 제외하고는 제조예 2와 동일한 방법을 실시하여 고형분이 약 12 중량%인 실리카 슬러리 조성물을 수득하였다.
<제조예 2-4 : 교반기를 이용한 실리카 슬러리의 제조>
80g의 실리카 파우더를 사용하고, 418g의 물을 사용한다는 점을 제외하고는 제조예 2와 동일한 방법을 실시하여 고형분이 약 16 중량%인 실리카 슬러리 조성물을 수득하였다.
<제조예 2-5 : 교반기를 이용한 실리카 슬러리의 제조>
90g의 실리카 파우더를 사용하고, 408g의 물을 사용한다는 점을 제외하고는 제조예 2와 동일한 방법을 실시하여 고형분이 약 18 중량%인 실리카 슬러리 조성물을 수득하였다.
<제조예 2-6 : 교반기를 이용한 실리카 슬러리의 제조>
100g의 실리카 파우더를 사용하고, 398g의 물을 사용한다는 점을 제외하고는 제조예 2와 동일한 방법을 실시하여 고형분이 약 20 중량%인 실리카 슬러리 조성물을 수득하였다.
<비교제조예 1>
가성소다 용액을 첨가하지 않는다는 점을 제외하고는 제조예 1과 동일한 방법을 실시하여 고형분이 각각 5 중량%, 8 중량%, 12 중량%, 16 중량%, 18 중량%, 20 중량%인 실리카 슬러리 조성물을 수득하였다.
<비교제조예 2>
가성소다 용액을 첨가하지 않는다는 점을 제외하고는 제조예 2와 동일한 방법을 실시하여 고형분이 각각 5 중량%, 8 중량%, 12 중량%, 16 중량%, 18 중량%, 20 중량%인 실리카 슬러리 조성물을 수득하였다.
<실험예 1>
제조예 1-1, 1-2, 1-3, 1-4, 1-5 및 1-6에서 제조된 실리카 슬러리 조성물, 제조예 2-1, 2-2, 2-3, 2-4, 2-5 및 2-6에서 제조된 실리카 슬러리 조성물, 비교제조예 1에서 제조된 실리카 슬러리 조성물 및 비교제조예 2에서 제조된 실리카 슬러리 조성물을 300cc 프라스틱 병에 각각 200g씩 담아 상온에 방치하였다. 그리고 시간 경과에 따른 슬러리의 겔화 여부를 관찰하였다. 또한, 각각의 실리카 슬러리의 점도를 20℃에서 측정하였다.
<실험예 2 : 그라우팅 실험>
우선, 제조예 1-1에서 제조된 고형분이 약 5 중량%인 실리카 슬러리 조성물, 물, 규산소다 화합물을 약 20℃로 유지시켰다. 이때, 규산소다 화합물은, 비중이 1.2365이고 SiO2가 24.42wt％이고 Na2O가 6 wt％로서 몰비가 약 4.2인 그라우팅용 특수 규산소다 화합물을 사용하였다.
실리카 슬러리 조성물 21.55g과 규산소다 화합물 13g과 물 15g을 혼합하여 제1 슬러리를 제조하였다. 또한, 급결용 시멘트(MSG) 10.8g과 물 21.55g을 혼합하여 제2 슬러리를 제조하였다. 이러한 제1 슬러리 및 제2 슬러리를 서로 혼합시켜 급결용 그라우팅재를 형성하고 혼합 순간부터 겔화되는 시간을 측정하였다. 이때, 측정된 겔화시간은 급결시간이 된다.
그리고, 실리카 슬러리 조성물 21.55g과 규산소다 화합물 13g과 물 15g을 혼합하여 제3 슬러리를 제조하였다. 또한, 완결용 시멘트(MSG) 10.8g과 물 21.55g을 혼합하여 제4 슬러리를 제조하였다. 이러한 제3 슬러리 및 제4 슬러리를 서로 혼합시켜 혼합 순간부터 겔화되는 시간을 측정하였다. 이때, 측정된 겔화시간은 완결시간이 된다.
한편, 상기 급결시간 및 완결시간은 시험 오차를 줄이기 위하여 같은 방법을 3회 실시 후 그 평균값을 측정하였다.
<실험예 3 : 그라우팅 실험>
제조예 1-1에서 제조된 고형분이 약 5 중량%인 실리카 슬러리 조성물 대신에 제조예 1-2에서 제조된 고형분이 약 8 중량%인 실리카 슬러리 조성물을 사용한 점을 제외하고는 실험예 2과 동일한 방법을 실시하여 급결시간 및 완결시간을 측정하였다.
<실험예 4 : 그라우팅 실험>
제조예 1-1에서 제조된 고형분이 약 5 중량%인 실리카 슬러리 조성물 대신에 제조예 1-3에서 제조된 고형분이 약 12 중량%인 실리카 슬러리 조성물을 사용한 점을 제외하고는 실험예 2과 동일한 방법을 실시하여 급결시간 및 완결시간을 측정하였다.
<실험예 5 : 그라우팅 실험>
제조예 1-1에서 제조된 고형분이 약 5 중량%인 실리카 슬러리 조성물 대신에 제조예 1-4에서 제조된 고형분이 약 16 중량%인 실리카 슬러리 조성물을 사용한 점을 제외하고는 실험예 2과 동일한 방법을 실시하여 급결시간 및 완결시간을 측정하였다.
<비교실험예 1 : 기존의 그라우팅 공법>
우선, 물 및 규산소다 화합물을 약 20℃로 유지시켰다. 이때, 규산소다 화합물은, 비중이 1.2365이고 SiO2가 24.42wt％이고 Na2O가 6 wt％로서 몰비가 약 4.2인 그라우팅용 특수 규산소다 화합물을 사용하였다.
규산소다 화합물 13g과 물 15g을 혼합하여 제1 슬러리를 제조하였다. 또한, 급결용 시멘트(MSG) 10.8g과 물 21.55g을 혼합하여 제2 슬러리를 제조하였다. 이러한 제1 슬러리 및 제2 슬러리를 서로 혼합시켜 급결용 그라우팅재를 형성하고 혼합 순간부터 겔화되는 시간을 측정하였다. 이때, 측정된 겔화시간은 급결시간이 된다.
그리고, 규산소다 화합물 13g과 물 15g을 혼합하여 제3 슬러리를 제조하였다. 또한, 완결용 시멘트(MSG) 10.8g과 물 21.55g을 혼합하여 제4 슬러리를 제조하였다. 이러한 제3 슬러리 및 제4 슬러리를 서로 혼합시켜 혼합 순간부터 겔화되는 시간을 측정하였다. 이때, 측정된 겔화시간은 완결시간이 된다.
한편, 상기 급결시간 및 완결시간은 시험 오차를 줄이기 위하여 같은 방법을 3회 실시 후 그 평균값을 측정하였다.
<실험예 6: 압축 강도 측정>
실험예 2, 3, 4, 5 및 비교실험예 1에서 사용된 급결용 그라우팅재를 수중 양생시킨후, 7일, 28일이 경과된 후 각각 압축강도를 측정하였다. 이때, 압축강도는 오차를 줄이기 위하여 같은 방법을 3회 실시 후 그 평균값을 측정하였다.
<결과에 대한 구체적인 검토>
표 1은 실험예 1에 따른 결과를 나타낸 것이다. 이러한 표 1은 시간 경과에 따른 슬러리의 겔화 여부를 관찰함으로써, 실시카 슬러리의 저장 안정성을 시험한 결과이다.
제조예 1
(고형분 중량%) 		제조예 1-1
5 중량%		 제조예 1-2
8 중량%		 제조예 1-3
12 중량%		 제조예 1-4
16 중량%		 제조예 1-5
18 중량%		 제조예 1-6
20 중량%
안정기간 1년 이상 1년 이상 1년 이상 1년 이상 47일 7일
제조예 2
(고형분 중량%) 		제조예 2-1
5 중량%		 제조예 2-2
8 중량%		 제조예 2-3
12 중량%		 제조예 2-4
16 중량%		 제조예 2-5
18 중량%		 제조예 2-6
20 중량%
안정기간 1년 이상 1년 이상 1년 이상 1년 이상 50일 10일
비교제조예 1
(고형분 중량%) 		5 중량% 8 중량% 12 중량% 16 중량% 18 중량% 20 중량%
안정기간 1년 이상 1년 이상 26일 제조불가 제조불가 제조불가
비교제조예 2
(고형분 중량%) 		5 중량% 8 중량% 12 중량% 16 중량% 18 중량% 20 중량%
안정기간 1년 이상 1년 이상 26일 제조불가 제조불가 제조불가
표 1을 참조하면, 제조예 1-5, 1-6, 2-5, 2-6에서 제조된 실리카 슬러리와 비교제조예 1, 2에서 제조된 실리카 슬러리 중 고형분이 12 중량% 이상인 실리카 슬러리의 경우에는, 수일 내지 2개월 이내에 겔화가 진행되었음을 알 수 있다.
또한, 비교제조예 1, 2에서 제조된 실리카 슬러리 중 고형분이 16 중량% 이상인 실리카 슬러리는 분체의 표면 흡습성 때문에 겔화 현상이 일어나 떡짐 현상으로 인해 실리카 슬러리 제조 자체가 불가능하였음을 알 수 있다.
한편, 제조예 1과 같이 초음파로 분산하여 실리카 슬러리를 제조한 경우와 제조예 2와 같이 교반기를 이용하여 실리카 슬러리를 제조한 경우는 서로 거의 유사한 안정성을 보여줌을 알 수 있다.
표 2는 실험예 1에서 측정된 각각의 실리카 슬러리의 점도를 나타내는 것으로서, 특히 저장 안정성이 높은 제조예 1-1, 1-2, 1-3, 1-4에서 제조된 실리카 슬러리의 점도를 나타내었다.
제조예 1
(고형분 중량%) 		제조예 1-1
5 중량%		 제조예 1-2
8 중량%		 제조예 1-3
12 중량%		 제조예 1-4
16 중량%
점도 1.2 3.0 15 64.8
표 2를 참조하면, 실리카 슬러리의 고형분이 16 중량%를 넘으면 점도가 급격히 증가함을 알 수 있다. 즉, 고형분이 16 중량% 이하인 실리카 슬러리까지는 사용시 특별한 불편이 없음을 확인할 수 있다.
표 3은 실험예 2, 3, 4, 5 및 비교실험예 1에 따른 급결시간 및 완결시간을 나타낸 것이다. 상술된 바와 같이, 이러한 실험예 2, 3, 4, 5에서 사용된 각각의 실리카 슬러리 조성물은 저장 안정성이 6개월 이상인 것임을 유의한다.
구분
 급결시간 완결시간
1회 2회 3회 평균값 1회 2회 3회 평균값
실험예 2 15 15 16 15.33 44 43 44 43.67
실험예 3 13 15 14 14 42 41 42 41.67
실험예 4 12 13 13 12.67 40 42 41 40.30
실험예 5 12 12 13 12.33 38 39 39 38.67
비교실험예 1 12 13 13 12.67 39 39 39 39
표 3을 참조하면, 본 발명에 따른 실리카 슬러리 조성물을 사용하여 그라우팅 시험을 실시한 실험예 2, 3, 4, 5에서의 급결시간 및 완결시간은 비교실험예 1(실리카 조성물이 첨가되지 않은 종래의 그라우팅 공법)에서의 급결시간 및 완결시간과 거의 유사한 것을 알 수 있다. 특히, 실리카 슬러리 조성물의 고형분이 12 중량%인 실험예 4와 고형분이 16 중량%인 실험예 5에서는, 급결시간 및 완결시간이 기존의 그라우팅 공법과 거의 차이가 없어 공사 현장 및 그라우팅 공법이 필요한 공정에서 요구되는 급결시간 및 완결시간에 영향을 주지 않음을 확인하였다. 즉 본 발명에 따른 그라우팅 공법을 공사 현장에 사용하는 경우에도 특별한 불편이 없음을 확인할 수 있었다.
한편, 도 1은 실리카 슬러리 조성물을 첨가하지 않은 종래의 그라우팅 공법에 따른 경우에 있어서, 규산소다 화합물과 물이 혼합된 제1 슬러리 및 급결용 시멘트(MSG)와 물이 혼합된 제2 슬러리를 혼합시켜 시간 경과에 따른 변화를 도시하는 사진이다.
도 1을 참조하면, 슬러리의 양생시간이 경과함에 따라 수분의 감소로 인해 발생하는 슬러리의 수축현상을 명확히 알 수 있다. 보다 구체적으로 살펴보면, 5일이 지난 후에는 종이컵 내에 꽉차이었던 슬러리가 10일, 15일이 지난 후에는 종이컵과 어느 정도 간격을 두어 수축되고 있음을 알 수 있다.
또한, 도 2는 실험예 5에서 사용된 고형분이 16 중량%인 실리카 슬러리 조성물과 규산소다 화합물, 완결용 시멘트(MSG) 및 물이 혼합된 슬러리와 비교실험예 1에서 사용된 규산소다 화합물, 완결용 시멘트(MSG) 및 물이 혼합된 슬러리의 15일 경과 후 모습에 관한 사진이다.
도 3은 실험예 5에서 사용된 고형분이 16 중량%인 실리카 슬러리 조성물과 규산소다 화합물, 완결용 시멘트(MSG) 및 물이 혼합된 슬러리와 비교실험예 1에서 사용된 규산소다 화합물, 완결용 시멘트(MSG) 및 물이 혼합된 슬러리의 20일 경과 후 모습에 관한 사진이다.
도 4는 실험예 5에서 사용된 고형분이 16 중량%인 실리카 슬러리 조성물과 규산소다 화합물, 완결용 시멘트(MSG) 및 물이 혼합된 슬러리와 비교실험예 1에서 사용된 규산소다 화합물, 완결용 시멘트(MSG) 및 물이 혼합된 슬러리의 30일 경과 후 모습에 관한 사진이다.
도 2를 참조하면, 혼합후 15일이 경과된 경우, 좌측의 비교실험예 1의 슬러리는 수축 현상과 함께 일부 상측면에서 갈라짐 현상도 보임을 알 수 있다. 그러나, 우측의 본 발명에 따른 실리카 슬러리가 첨가된 슬러리는 수분의 감소가 적을 뿐만 아니라 실리카가 공극을 메워주고 있어 갈라짐 현상이 없으며, 비교실험예 1의 슬러리보다 수축현상도 감소됨을 알 수 있다.
도 3을 참조하면, 혼합후 20일이 경과된 경우, 좌측의 비교실험예 1의 슬러리는 하단 모서리측에 부서짐 현상이 보이는 것을 알 수 있다. 그러나, 우측의 본 발명에 따른 실리카 슬러리가 첨가된 슬러리는 부서짐과는 달리 모서리측에 다소의 망실만이 있음을 알 수 있다.
도 4를 참조하면, 혼합후 30일이 경과된 경우, 좌측의 비교실험예 1의 슬러리는 수축 현상과 함께 하단부에서 갈라짐 현상이 매우 심하게 일어났음을 알 수 있다. 반면에, 우측의 본 발명에 따른 실리카 슬러리가 첨가된 슬러리는 갈라짐 현상이 전혀 없는 것을 알 수 있다. 한편, 이러한 우측의 본 발명에 따른 실리카 슬러리가 첨가된 슬러리는 수축율이 약 5 중량% 이내로 양호하였으며, 좌측의 슬러리와 비교했을 때, 수축율이 더 작음을 확인할 수 있었다. 이는 실리카 슬러리가 첨가됨에 따라, 수분의 감소가 적어질 뿐만 아니라 실리카가 공극을 메워주고 있어 갈라짐 현상이 발생하지 않고, 슬러리의 수축율도 감소됨을 의미한다.
표 4는 실험예 2, 3, 4, 5 및 비교실험예 1에서 사용된 급결용 그라우팅재를 수중 양생시킨후, 7일, 28일이 경과된 후의 압축 강도를 나타낸 것이다. 이때, 단면적의 단위는 ㎠이며, 하중의 단위는 kg이며, 압축강도의 단위는 kg/㎠이다.
경과일수 단면적 하중 압축강도
실험예 2의 급결용 그라우팅재 7일 25 762.75 30.51
28일 25 882.25 35.29
실험예 3의 급결용 그라우팅재 7일 25 774.50 30.98
28일 25 892.50 35.70
실험예 4의 급결용 그라우팅재 7일 25 815.00 32.60
28일 25 911.00 36.44
실험예 5의 급결용 그라우팅재 7일 25 823.75 32.95
28일 25 924.50 36.98
비교실험예 1의
급결용 그라우팅재		 7일 25 725.25 29.01
28일 25 840.50 33.62
표 4를 참조하면, 본 발명에 따른 실시카 슬러리 조성물을 사용한 경우의 급결용 그라우팅재가 실시카 슬러리 조성물을 사용하지 않은 종래의 급결용 그라우팅재보다 전반적으로 압축강도가 높음을 알 수 있다.
이는 통상의 그라우팅재의 압축강도의 기준이 양생 7일 후 15kgf/㎠이며, 28일 후 25kgf/㎠ 이상임을 고려할 때, 본 발명에 따른 실시카 슬러리 조성물을 사용한 경우의 급결용 그라우팅재 매우 우수한 압축 강도를 가짐을 나타낸다.
이상, 여기에서는 본 발명을 특정 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명이 그에 한정되는 것은 아니며, 이하의 특허청구의 범위는 본 발명의 정신과 분야를 이탈하지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변형될 수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 알 수 있다.

Claims (9)

  1. 실리카 파우더 10 내지 30 중량부;
    가성소다 0.0001 내지 5 중량부; 및
    계면 활성제 0.00001 내지 1 중량부를 포함하며,
    상기 실리카 파우더, 상기 가성소다 및 상기 계면 활성제의 전체량이 10 내지 30 중량%이고, 및
    물 70 내지 90 중량%를 포함하며, 상기 실리카 파우더의 평균 입도는 10 내지 50㎛이거나 또는 상기 실리카 파우더의 평균 입도는 320 내지 330 매쉬(mesh)인 것을 특징으로 하는,
    실리카 슬러리 조성물.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 실리카 파우더의 비표면적은 10 내지 250 ㎡/g인 것을 특징으로 하는,
    실리카 슬러리 조성물.
  4. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 실리카 슬러리 조성물의 고형분은 12 내지 20 중량%인 것을 특징으로 하는,
    실리카 슬러리 조성물.
  5. (A) 실리카 파우더 10 내지 30 중량부, 가성소다 0.0001 내지 5 중량부, 계면 활성제 0.00001 내지 1 중량부를 포함하며 상기 실리카 파우더, 상기 가성소다 및 상기 계면 활성제의 전체량이 10 내지 30 중량%이고, 및 물 70 내지 90중량%를 포함하는 실리카 슬러리 조성물과 규산소다 화합물을 포함하는 제1 슬러리; 및 급결용 시멘트와 물을 포함하는 제2 슬러리;를 혼합한 급결용 그라우팅재를 지반에 주입하는 1차 주입 단계; 및
    (B) 실리카 파우더 10 내지 30 중량부, 가성소다 0.0001 내지 5 중량부, 계면 활성제 0.00001 내지 1 중량부를 포함하며 상기 실리카 파우더, 상기 가성소다 및 상기 계면 활성제의 전체량이 10 내지 30 중량%이고, 및 물 70 내지 90중량%를 포함하는 실리카 슬러리 조성물과 규산소다 화합물을 포함하는 제3 슬러리; 및 완결용 시멘트와 물을 포함하는 제4 슬러리;를 혼합한 완결용 그라우팅재를 상기 지반에 주입하는 2차 주입 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    그라우팅 공법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 실리카 파우더의 평균 입도는 10 내지 50㎛이거나 또는 상기 실리카 파우더가 320 내지 330 매쉬(mesh)를 80% 이상 통과되는 것을 특징으로 하는,
    그라우팅 공법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 실리카 파우더의 비표면적은 10 내지 250 ㎡/g인 것을 특징으로 하는,
    그라우팅 공법.
  8. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 실리카 슬러리 조성물의 고형분은 12 내지 20 중량%인 것을 특징으로 하는,
    그라우팅 공법.
  9. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 급결용 그라우팅재 또는 상기 완결용 그라우팅재에 포함되는 상기 실리카 슬러리 조성물은 10 내지 40 중량%인 것을 특징으로 하는,
    그라우팅 공법.
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