KR101154280B1

KR101154280B1 - 친환경 흙포장 조성물 및 이를 이용하는 흙포장 시공방법

Info

Publication number: KR101154280B1
Application number: KR1020120039008A
Authority: KR
Inventors: 박기철
Original assignee: (주)알엔씨
Priority date: 2012-04-16
Filing date: 2012-04-16
Publication date: 2012-06-13

Abstract

본 발명은 흙 20 내지 60 중량부, 흙고화제 20 내지 60 중량부, 물 5 내지 10 중량부를 포함하되, 상기 흙고화제는 금속이온을 함유하고 있는 광물질을 포함하는 고상부와 액상규산염, 다가 알코올, 혼화제를 포함하는 액상부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 흙포장 조성물로서, 흙포장 조성물의 재료인 포틀랜드 시멘트는 전혀 첨가하지 않으므로, 환경에 유해한 중금속 오염을 방지하고, 우수한 내구성을 구비한 흙포장용 고화제 조성물을 제공하고, 또한 신속한 고화처리가 가능하고 흙의 고유성질을 유지하면서 소정시간 내에 유효강도를 발휘할 수 있고 눈, 비에도 지속적으로 우수한 압축강도를 유지할 수 있는 친환경 흙포장 조성물을 제공하는 것이다.

Description

친환경 흙포장 조성물 및 이를 이용하는 흙포장 시공방법{THE ENVIRONMENT-FRIENDLY COMPOSITION FOR SOIL PAVEMENT AND CONSTRUCTION METHOD USING THEREOF}

본 발명은 친환경 흙포장 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 액상규산염, 다가 알코올, 혼화제를 포함하는 액상부와 금속이온을 함유하고 있는 광물질을 포함하는 고상부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 흙고화제를 이용하므로써, 흙포장시공을 용이하게 단기간에 할 수 있게 하며 또한 시공된 흙포장은 우수한 내구성을 갖는 친환경적인 포장이 되도록 하는 흙포장 조성물에 관한 것이다.

일반적으로 도로포장은 도로면을 보호하고 평탄성을 높여 사람의 보행과 차량의 주행을 편하게 하기 위한 노면구조물로서, 여러 층으로 이루어진 층구조를 이루며, 표층부의 재질에 따라 역청계(아스팔트) 포장, 콘크리트계 포장 및 블록 포장으로 크게 분류된다. 한편, 최근에는 환경 친화적이면서도 인체에 해를 끼치지 않는 흙을 이용한 포장공법이 도로 및 보도에 적용되고 있는 추세이다.

상기 흙을 이용한 포장공법에는 흙을 고화시키는 결합재로 포틀랜트 시멘트, 슬래그 시멘트, 플라이애시 시멘트 등의 시멘트류가 사용되기도 한다. 이는 적은 비용으로 흙을 고화시킬 수 있고 사용이 간단하기 때문이다. 그러나 이러한 시멘트류는 동결 융해에 의한 내구성 저하, 건조수축에 의해 균열이 발생하는 문제점이 있고 중금속이 용출될 위험성이 있다. 구체적으로 시멘트를 사용한 종래 기술을 살펴보면, 한국등록특허 제10-438138호(친환경적으로 개량된 토양의 포장시공방법)에서는 그 구성성분으로 토양, 시멘트 및 수용성 무기염조성물을 경화제로 사용하는 방법을 개시하고, 입자의 크기 조절을 통하여 우수한 물성이 발휘된다고 기재되어 있으나, 이는 토양의 입자크기를 한정하는 데 불과하여 종래 시멘트가 사용된 흙포장 조성물의 문제점을 그대로 포함하고 있다. 또한 시멘트를 사용하지 않는 흙포장 조성물을 개시하고 있는 한국등록특허공보 제10-866012호는 지오폴리메릭 메트릭스 형성을 통한 흙포장용 조성물을 개시하고 있지만, 지오폴리머 형성과정만을 개시하고 있을 뿐이고 그 효과가 현저한지 여부를 개시하고 있지 않다.

일반적으로 시멘트를 사용하지 않는 흙포장 조성물은 환경보전 측면에서 상당한 효과가 있기는 하나, 흙 자체 점성 또는 부착력이 약해서 일정한 형태로 성형하기 어렵고, 강도 및 경도가 약하여 사용 중 깨지거나 크랙이 발생될 뿐 아니라, 물에 잘 풀리고, 시간이 지날수록 강도가 약해지는 단점이 있어서 도로용으로 활용하기에 적지 않은 제약이 있다. 또한, 종래 흙 고화제를 사용한 흙포장의 일반적인 문제점은 양생중에 비중이 상대적으로 낮은 흙이나 모래 등이 표면으로 떠서 비가 오면 표면강도가 약해지고, 특히 알카리 규산염으로 급결시키면 초기강도가 빨리 나타나는 반면, 후기강도가 떨어지는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소하고자 발명된 것으로 다음과 같은 목적을 가진다.

본 발명의 목적은 흙포장 조성물의 재료인 포틀랜드 시멘트를 사용하지 않으므로, 환경에 유해한 중금속 오염을 방지하고, 우수한 내구성을 구비한 흙포장용 고화제 조성물을 제공하는 것이다.

본 발명에서는 흙고화제를 사용한 도로포장의 고화공법으로 별도의 가열장치가 없이 상온포장 시공으로 신속한 고화처리가 가능하고 흙의 고유성질을 유지하면서 소정시간 내에 유효강도를 발휘할 수 있고 눈, 비에도 지속적으로 우수한 압축강도를 유지할 수 있는 흙포장 조성물을 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 다음과 같은 해결 수단에 의하여 구현된다.

본 발명의 흙포장 조성물은 흙 20 내지 60 중량부, 흙고화제 20 내지 60 중량부, 물 5 내지 10 중량부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 흙고화제는 금속이온을 함유하고 있는 광물질을 포함하는 고상부와 액상규산염, 다가 알코올, 혼화제를 포함하는 액상부로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 금속이온을 함유한 광물질은 벤토나이트, 슬래그, 제오라이트, 마이카, 등을 포함하는 실리카계 금속산화물로, 상기 금속산화물 중 적어도 하나 이상 선택되는 것을 특징으로 한다.

상기 흙고화제 중의 상기 액상규산염의 SiO₂ 대 X₂O의 몰비(SiO₂ mol/X₂O mol, X는 Li, Na, K 등의 알칼리금속)가 1.5 내지 2.5인 것을 특징으로 한다.

상기 흙고화제에서 특히 알카리 규산염으로 급결시키면 초기강도가 빨리 나타나는 반면, 후기강도가 떨어지는 문제점을 해결하기 위하여 상기 다가 알코올은 글리세린, 폴리올 등의 합성 알코올류와 스타치, 셀루로오즈, 당밀 등의 천연 알코올류 중의 어느 한가지 이상을 포함하고, 상기 액상규산염 100 중량부를 기준으로 5 내지 10 중량부 포함한다.

상기 흙고화제에서 혼화제는 리그닌계, 나프탈렌계, 멜라민계 및 폴리카본산계로 이루어지는 군에서 적어도 하나 이상을 포함하고, 상기 액상규산염 100 중량부를 기준으로 1 내지 5 중량부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 앞서 본 구성에 의하여 다음과 같은 효과를 가진다.

본 발명은 흙포장 조성물의 재료인 포틀랜드 시멘트를 사용하지 않으므로 환경에 유해한 중금속 오염을 방지하고, 우수한 내구성을 구비한 흙포장용 고화제 조성물을 제공하는 효과를 갖는다. 또한 본 발명은 흙고화제를 사용한 도로포장의 고화공법으로 별도의 가열장치가 없이 상온포장 시공으로 신속한 고화처리가 가능하고 흙의 고유성질을 유지하면서 소정시간 내에 유효강도를 발휘할 수 있고 눈, 비에도 지속적으로 우수한 압축강도를 유지할 수 있는 흙포장 조성물을 제공하는 효과를 갖는다.

출원인은 이하에서 앞서 본 과제의 해결수단을 상세하게 설명한다. 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지기술에 대한 상세한 내용은 생략한다.

본 발명의 흙포장 조성물은 흙 20 내지 60 중량부, 흙고화제 20 내지 60 중량부, 물 5 내지 10 중량부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 흙포장 조성물에 있어서, 상기 흙고화제를 60 중량부 이상으로 포함하는 경우에는 강도가 더 이상 크게 증진되지 않고 흙고화제용 원료 제조에 따른 비용만이 증가한다. 또한 상기 흙고화제의 첨가량이 20중량부 이하로 적어지면 충분한 반응이 이루어지지 않아 초기 강도가 저하되는 문제가 발생한다.

본 발명의 흙포장 조성물에 있어서, 상기 흙고화제는 금속이온을 함유하고 있는 광물질을 포함하는 고상부와 액상규산염, 다가 알코올, 혼화제를 포함하는 액상부로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 상기 금속이온을 함유한 광물질은 벤토나이트, 슬래그, 제오라이트, 마이카 등을 포함하는 실리카계 금속산화물로, 상기 금속산화물 중 적어도 하나 이상 선택되는 것을 특징으로 한다.

상기 흙고화제의 고상부의 벤토나이트, 슬래그, 제오라이트, 마이카 등에 포함된 Ca, Mg, Al, Mn 등의 금속이온들은 상기 액상규산염과 반응하여 불용성의 규산염 금속수화물 및 규산염 금속수산화물, 규산 등을 동시에 생성하여 겔화된다. 이와 같은 반응으로 생성되는 화합물은 금속이온과 규산이온의 존재량에 의존한다. 사용되는 액상규산염은 Li, Na, K등의 알카리 금속염의 실리케이트로 일반적으로 시판되는 물유리와 이를 이용하여 변성한 실리케이트류를 포함한다.

Ca, Mg, Al, Ba등의 금속이온을 함유하고 있는 광물질인 벤토나이트, 슬래그, 마이카 등은 포졸란으로 알려져 있는데, 알카리 금속염인 액상규산염에 의하여 포졸란의 실리카 성분이 활성화되고 실리카 또는 음이온 부분은 칼슘실리케이트 수화물을 형성하여 흙과 혼합시 각 성분들의 급격한 응결 및 경화를 조정한다. 알카리 금속염으로 포졸란의 실리카 성분을 활성화시키는 반응은 다음과 같다. 포졸란이 물과 접촉하면 입자표면에 불투수성 탄성피막이 형성되어 수화반응이 진행되지 않으므로 액상고화제의 액상규산염을 첨가하여 포졸란의 예인 고로슬래그의 불규칙적 3차원 쇄상결합이 절단되면서 망상구조체 내부에 있던, Ca²⁺ Mg² ⁺ Al² ⁺등의 이온들과 고로슬래그의 수화반응을 돕는다.

상기 포졸란의 성분 중 CaO는 H₂O와 반응하여 Ca(OH)₂로 되어 혼합물을 응집시켜 발열 반응을 거쳐 함수비를 저감시키므로, 흙과 혼합하는 과정에서 함수분을 제거하는 기능을 하며, 함수분이 25% 정도까지 떨어진다. 또, 포졸란의 성분 중 Fe₂O₃가 공기 중의 산소와 반응하여 자연 양생의 공정을 거친 혼합물은 황갈색으로 pH와 함수분이 안정화된 고형물이 된다.

그리고 흙고화제의 입자의 표면에 부착된 수소이온(H), 나트륨이온(Na), 칼륨이온(K) 등과 석회 용해시 발생하는 Ca² ⁺이 서로 이온 교환되어 점토입자 표면의 대전반발력이 감소되어 입자가 응집 단립화 되므로 비표면적이 축소되어 중금속의 융출을 억제시킨다.

상기 흙고화제의 구성에 있어서 금속이온을 함유하고 있는 광물질을 소량 첨가하면 충분한 경도와 신속한 고화가 이루어지지 못하게 되고, 너무 과량 첨가하면 액상규산염과 혼합시 가사시간이 짧아져서 성형성이 좋지 않으며, 각종 물리적 특성이 약화되게 된다.

상기 흙고화제는 액상규산염의 SiO₂ 대 X₂O의 몰비(SiO₂ mol/X₂O mol, X는 Li, Na, K 등의 알칼리금속)가 1.5 내지 2.5인 것을 특징으로 한다. 상기 흙고화제의 액상부분의 몰비가 2.5이상으로 높으면 겔화와 중합반응은 빨리 일어나서 초기강도가 빨리 발현되지만 더 이상 후기강도가 올라가지 않으므로 도로용으로는 적합하지 않다. 또, 몰비가 1.5이하로 낮으면 알카리 금속의 함량이 높아져서 경화 후 시간이 경과하여도 미반응된 알카리금속이 환경에 영향을 줄 수 있다.

본 발명은 상기 다가 알코올은 상기 액상규산염과 함께 혼합되어 흙과 혼합시 각 성분들의 급격한 응결 및 경화를 조정하는 경화조절제로서 글리세린류 등의 합성 알코올류와 스타치, 셀루로오즈, 당밀 등의 천연 알코올류 등을 포함하는 것을 특징으로 하고 있다. 상기 다가 알코올류는 상기 액상규산염 100 중량부를 기준으로 5 내지 10중량부를 포함한다.

상기 다가알코올류를 액상규산염 100 중량부를 기준으로 5 중량부 이하로 하면 가사시간이 짧아 충분한 반응이 이루어지지 않아 강도가 저하되는 문제가 발생하고, 액상규산염 100 중량부를 기준으로 10 중량부 이상으로 포함하는 경우에는 가사시간은 길어지나 경화시간이 늦어 총 작업시간이 길어진다.

상기 혼화제는 상기 액상규산염 100 중량부를 기준으로 1 내지 5중량부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 상기 혼화제는 리그닌계, 나프탈렌계, 멜라민계 및 폴리카본산계로 이루어지는 군에서 적어도 하나 이상 선택되는 것으로서, 흙과 다른 분말의 분산을 돕고, 감수제로 사용되는 일반적인 첨가제들 중 적어도 하나 이상 선택한다.

상기 혼화제는 액상규산염 100 중량부를 기준으로 1 중량부 이하로 소량 첨가하면, 입자의 분산력이 저하되어 흙포장의 양생 중에 비중이 가벼운 물질이 표면에 떠서 표면 강도를 낮추게 되고, 액상규산염 100 중량부를 기준으로 5 중량부 이상으로 과량 첨가될 경우 다른 성분들의 함량이 저하되어 전체적인 물성이 저하된다.

본 발명을 이용하여 흙포장을 시공하는 방법은, 상기 흙포장 조성물을 작업장에 포설하는 1차 포설단계; 상기 1차 포설단계를 거친 흙을 전압하는 1차 전압단계; 크랙방지를 위한 줄눈시공단계; 표면 구배를 위한 2차 포설단계; 및 상기 2차 포설된 흙을 전압하는 2차 전압단계를 포함하여 이루어지며, 이러한 흙포장 시공방법의 장점은 다음과 같다.

(1) 현지토 사용이 가능하여 경제적이다.

(2) 초기 응결속도가 빨라 양생시 비중 차이에 의한 분리를 막을 수 있다.

(3) 시공시 특별한 가열장치가 필요하지 않다.

(4) 시공 후 양생은 특별히 필요치 않으므로 신속하게 필요한 강도를 얻을 수 있고, 교통을 즉시 개방할 수 있다.

(5) 건조밀도가 높기 때문에 동결 등 기상변화에 강하며 수축균열의 발생이 거의 없다.

본 발명은 흙고화제 중 액상규산염과 경화조절제, 리그닌 술폰산염 등의 혼화제로 이루어진 액상부분과 금속이온이 함유되어 있는 광물을 적절히 첨가하고, 흙에 배합하면 초기 응결이 신속히 달성되어 우수한 일축압축강도를 갖고 고화시간을 대폭 단축시켜 단시간에 안정된 지반이 조성된다는 것을 실험을 통해 확인하고, 그 실험결과에 기초하여 본 발명을 완성하게 된 것이다. 즉 본 발명은 초기 응결 시간을 조절하여 양생시 비중 차이에 의하여 흙이나 모래 등이 표면으로 뜨게 되어 분리되는 현상이 없고 흙포장 이후 시간이 경과되어도 일축압축강도가 우수한 흙포장물이 조성된다는 실험치에 근거한 것이다. 본 발명에서는 고화시키고자 하는 토양의 함수율과 목표로 하는 토양의 일축압축강도에 따라 흙고화제를 적절히 혼합할 수 있다. 즉, 흙고화제의 혼합량이 증가할수록 예시적으로, 도로포장에서 기층은 30kg/ 이상, 보조기층은 10kg/ 이상 및 선택층은 7kg/ 이상의 일축압축강도가 요구되는데, 이러한 수준은 흙 20 내지 60 중량부 및 물 5 내지 10 중량부를 포함하는 흙포장 조성물에서 흙고화제를 20 내지 60중량부의 범위에서 조절하면 얻을 수 있다. 이와 관련하여 실시예를 통하여 상세하게 설명한다.

다음의 실시예 및 비교예는 본 발명을 좀 더 상세히 설명하는 것이지만, 본 발명의 범주를 한정하는 것은 아니다.

<흙포장 조성물의 제조>

실시예 1

흙 40 중량부, 물 6중량부, 흙고화제 54 중량부를 포함하는 흙포장 조성물 100 중량부를 제조하였다.

실시예 2

흙 57 중량부, 물 8중량부, 흙고화제 35 중량부를 포함하는 흙포장 조성물 100 중량부를 제조하였다.

비교예 1

흙 56 중량부, 안료 1 중량부, 물 8 중량부, 시멘트 35 중량부를 포함하는 흙포장 조성물 100 중량부를 제조하였다.

비교예 2

흙 56 중량부, 안료 1 중량부, 물8 중량부, 액상규산염 35 중량부를 포함하는 흙포장 조성물 100 중량부를 제조하였다.

(시험 결과)

아래 표 1의 시험내용은 실시예 1, 2 및 비교예 1, 2를 제조한 후, 시공하여 일주일, 15일, 30일, 3개월 경과한 후 각각의 일축압축강도를 측정한 것이다.

압축 강도 (f/)	실시예 1	실시예 2	비교예 1	비교예 2
일주일 후	15.2	15.8	8.7	12.7
15일 후	15.9	16.2	9.2	12.9
30일 후	19.8	19.2	13.2	10.5
3개월 후	20.1	19.5	13.5	8.7

표 1에서 확인되는 바와 같이, 비교예 1(흙고화제를 포함하지 않은 경우)은 초기 압축강도가 낮고 고화시간이 30일 이상의 장기간이 소요되는 것에 반하여, 실시예 1 및 2는 초기 응결이 신속히 달성되어 우수한 일축압축강도를 갖고 고화시간을 대폭 단축시켜 단시간에 안정된 지반이 조성된다는 것을 알 수 있다. 또한 비교예 2(흙고화제로서 액상규산염만을 포함하는 경우)는 초기 응결이 비교적 신속하게 달성되기는 하나 30일 이후의 후기 강도가 점차 약화되는 것을 확인할 수 있다.결국, 흙포장 시공에 있어서 본원발명의 흙고화제를 이용하는 경우 흙고화제의 배합율에 따라 일축압축강도의 조절이 가능하고, 흙 포장의 후기 강도도 높음을 확인할 수 있다.

Claims

흙, 물, 흙고화제를 포함하는 흙포장 조성물에 있어서,
상기 흙은 20 내지 60 중량부:
상기 흙고화제는 20 내지 60 중량부; 및
상기 물은 5 내지 10 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 흙포장 조성물.
제1항에 있어서, 상기 흙고화제는 금속이온을 함유하고 있는 광물질을 포함하는 고상부와 액상규산염, 다가 알코올, 혼화제를 포함하는 액상부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 친환경 흙포장 조성물.
제2항에 있어서, 상기 금속이온을 함유한 광물질은 벤토나이트, 슬래그, 제오라이트, 마이카로 이루어지는 실리카계 금속산화물 군에서 적어도 하나 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 친환경 흙포장 조성물.
제2항에 있어서, 상기 액상규산염의 SiO₂ 대 X₂O의 몰비(SiO₂ mol/X₂O mol, X는 Li, Na, K 등의 알칼리금속)가 1.5 내지 2.5인 것을 특징으로 하는 친환경 흙포장 조성물.
제2항에 있어서, 상기 다가 알코올은 글리세린, 폴리올, 스타치, 셀루로오즈, 당밀로 이루어진 군중에서 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 흙포장 조성물.
제2항에 있어서, 상기 혼화제는 리그닌계, 나프탈렌계, 멜라민계 및 폴리카본산계로 이루어지는 군에서 적어도 하나 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 친환경 흙포장 조성물.
제2항에 있어서, 상기 다가 알코올은 상기 액상규산염 100 중량부를 기준으로 5 내지 10중량부를 포함하고, 상기 혼화제는 상기 액상규산염 100 중량부를 기준으로 1 내지 5중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 흙포장 조성물.
흙 20 내지 60 중량부, 흙고화제 20 내지 60 중량부, 물 5 내지 10 중량부를 포함하되,
상기 흙고화제는 액상규산염, 다가 알코올류, 혼화제를 포함하는 액상부와 금속이온을 함유하고 있는 광물질을 포함하는 고상부로 이루어진 것을 특징으로 하는 친환경 흙포장 조성물을 작업장에 포설하는 1차 포설단계;
상기 1차 포설단계를 거친 흙을 전압하는 1차 전압단계;
크랙방지를 위한 줄눈시공단계;
표면 구배를 위한 2차 포설단계; 및
상기 2차 포설된 흙을 전압하는 2차 전압단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 흙포장공법.