KR101154839B1 - 친환경적 저시멘트계 연약지반용 고화재 조성물 및 이를 이용한 토양 고화 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연약지반용 고화재 조성물 및 이를 이용한 토양 고화 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고함수 및 유기질 점성토에도 적용 가능한 저시멘트계 연약지반용 고화재 조성물 및 이를 이용한 토양 고화 방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 고화재 조성물은 유동성 및 압축강도의 향상으로 시공성이 확보되는 동시에, 토출슬러지의 감소로 폐기물 처리비용이 감소되는 효과가 있고, 또한 시멘트의 수화반응을 저해하는 유기산을 흡착하는 특성과 함께 에트링자이트(ettringite)의 생성에 의한 치밀한 조직형성이 가능하여 유기질의 고함수 토양에서도 강도발현이 우수한 특성이 있다.

고로슬래그, 시멘트, 석고, 고체산촉매, 육가크롬, 유동성, 고화재

Description

친환경적 저시멘트계 연약지반용 고화재 조성물 및 이를 이용한 토양 고화 방법{Eco-friendly low cement-based solidifying composition for weak ground and method of solidifying soil using the same}

본 발명은 해안 또는 하안 지역의 연약지반 안정처리 공사 또는 쓰레기 매립층, 유기물이 많은 저습지 등의 연약지반용 고화재 조성물 및 이를 이용한 토양 고화 방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 시멘트 성분을 최소화함으로써 환경 친화적인 저시멘트계 고화재 조성물 및 이를 이용한 토양 고화방법에 관한 것이다.

최근 국내에서 서해안, 남해안의 지반 개량 공사 및 4대강 정비사업 등 건설공사가 대규모로 진행 또는 계획 중에 있으며, 사회 기반 시설의 확충과 더불어 구조물의 대형화 및 각종 지하 공간 개발의 필요성으로 인해 지하 굴착도 대규모화하고 있다. 특히, 국토가 좁은 국내의 여건을 고려할 때 연해안 개발 및 간척 사업을 통한 국토 확장은 연악 지반의 지반 개량 및 안정 처리가 필수적이라 할 수 있다.

종래의 연약 지반 개량 공법으로는 샌드 드레인 공법이나 샌드 컴팩션 공법 등이 주로 이용되어 왔는데, 이러한 방법 들은 시공 후 안정성 확보가 용이하지 못하고 심도 25 m 이상의 연약 지반에서는 적용하기 어려운 문제점이 있었다.

이러한 문제점 때문에 최근에는 석회 및 시멘트계 화학적 안정재를 첨가하여 원 위치의 점성토와 기계식 교반 장치로 교반하여 연약한 지반을 개량하는 화학적 개량 공법의 일종인 심층 혼합 처리 공법이 주로 이용되고 있다.

심층 혼합 처리 공법은 종래의 물리적 공법에 비해 개량 효과가 크고 조기에 큰 강도를 얻을 수 있으며, 저진동, 저소음으로 육상 및 해상에 관계 없이 시공이 가능하다는 장점 때문에 적용 용도가 많다.

그러나, 이러한 심층 혼합 처리 공법에 사용되는 고화재는 종래 포틀랜드 시멘트나 슬래그 시멘트를 주로 사용하기 때문에 연약토의 종류, 함수비, 유기질 함유 토양 여부 등에 따라 개량 강도의 차이가 커지는 문제점이 있다.

첫 번째 문제점은 점토 중에 유기질 토양이 함유되어 있으면, 유기질 토양 중의 부식산(humic acid) 및 펄빅산(fulvic acid)이 시멘트의 수화반응에 의해 생성되는 수산화칼슘과 반응하여 부식산 칼슘 등을 생성하고 이와 같은 생성물이 수화되지 않은 시멘트 입자를 파괴시켜 시멘트의 수화반응을 저해하기 때문에 고화재로서 일 반 포틀랜드 시멘트를 사용하는 경우에는 지반 개량의 효과가 감소되는 문제가 있다. 유기질 토양 중의 유기물은 크게 동식물의 유체가 분해되지 않고 남은 정형 유기물과 동식물의 유체가 미생물의 작용으로 분해되어 생성된 무정형 유기물(부식 혹은 부엽토)로 구분되는데, 이것은 갈색 또는 흑갈색을 띠는 물질로서 친수성을 가지며 양이온 흡착 능력이 뛰어난 콜로이드 물질로 일반적으로 입자에 흡착하여 시멘트와 토양 입자의 접촉을 방해한다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 일반적으로 포틀랜드 시멘트를 모재로 하고 높은 단가의 칼슘 설포 알루미네이트계 화합물이나 석고를 다량 첨가하는 시멘트계 고화재가 있지만, 이는 고가의 혼합재로서 그 특성이 발휘되기 위해서는 다량을 첨가하는 것이 요구되기 때문에 비경제적이라 할 수 있으며, 또한 칼슘 설포 알루미네이트계 화합물의 경우에는 보통 포틀랜드 시멘트처럼 고온의 소성과정에 의해 제조되므로 제조과정 중에 이산화탄소를 다량으로 배출하여 환경적으로 문제가 된다.

두 번째 문제점은 종래의 심층 혼합 처리 공법 중에서 원지반에 고화재 슬러리를 주입하여 교반 혼합하는 습식 공법은 사용되는 물의 양을 높여서 시공성을 확보할 수 있지만 주입되는 물의 양이 많으면 압축강도가 저하되고 토출되는 슬러지(폐기물)의 발생량이 증가하게 되는 문제가 있다. 토출 슬러지 발생량의 증가는 곧 폐기물 처리에 따른 2차적 환경비용을 발생을 야기한다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 유동성 개선을 위한 고가의 혼화제를 첨가해야 하기 때문에 실제 현장에서는 적 용하기에는 경제적으로 한계가 있다. 다만, 국내에서는 대부분 원지반과의 균일한 혼합을 위하여 습식공법을 채용하고 있기 때문에 상기 문제의 해결방안이 요구되고 있다.

세 번째 문제점은 기존 시멘트 및 슬래그 시멘트에 의해 지반 개량을 실시할 경우에는 개량토에서 6가 크롬이 토양 환경 기준을 넘는 농도로 토양 중에 용출된다는 점이다. 고화된 개량토로부터 6가 크롬이 과다하게 용출하게 되면 토양 오염의 문제가 발생하는데, 이러한 원인은 고화재로 사용되는 시멘트 성분 중에 6가 크롬이 포함되어 있기 때문이다. 따라서 이러한 문제점을 해결하기 위해서는 6가 크롬이 함유된 시멘트를 가능한 적게 사용할 필요가 있는데 종래에는 이러한 기술이 개발된 적이 없는 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제를 해결하기 위한 것으로서, 유동성 및 압축강도의 향상으로 시공성이 확보되는 동시에, 토출슬러지의 감소로 폐기물 처리비용이 감소되며, 육가 크롬 용출이 현저히 감소된 환경 친화적인 고화재 및 이를 이용한 토양 고화 방법을 제공하는 것을 과제로 한다.

상기 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 고로슬래그 분말 55-70 중량%;

시멘트 분말 20-35 중량%; 석고 분말 5-15 중량%; 및 고체산 촉매 1-10 중량%를 포함하는 연약지반용 고화재 조성물 및 이를 이용한 토양 고화 방법을 제공한다.

본 발명에 따른 고화재 조성물은 종래의 시멘트 또는 고로슬래그 시멘트 보다 유동성 및 압축강도가 향상되어 시공성이 확보되고, 토출슬러지의 저감으로 폐기물 처리비용이 감소되며, 시멘트의 양을 최소한으로 사용함으로써 이산화탄소의 배출이 적고 6가 크롬의 용출을 최소화할 수 있는 동시에, 시멘트의 수화반응을 저해하는 유기산을 흡착하는 특성과 에트링자이트의 생성에 의한 치밀한 조직 형성으로 유기질이 있는 고함수의 토양에서도 강도 발현이 우수한 효과가 있다.

이하에서 본 발명을 더욱 구체적으로 설명한다.

본 발명의 연약지반용 고화재 조성물은 고로슬래그 분말 55-70 중량%; 시멘트 분말 20-35 중량%; 석고 분말 5-15 중량%; 및 고체산 촉매 1-10 중량%

를 포함한다.

본 발명에서 사용되는 상기 고로슬래그는 비정질 상태이고 염기도가 1.6 - 2.0인 것을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, CaO 40-50 중량%, MgO 1-10 중량%, Al₂O₃ 10-25 중량% 및 SiO₂ 30-40 중량%를 포함하는 것이 바람직하나, 이에 한정하는 것은 아니다.

또한, 상기 고로슬래그는 볼밀, 롤러밀, 진동밀 등의 분쇄 수단을 사용하여 분쇄된 것으로서 비표면적이 4,000~5,000 cm²/g인 것을 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명에서 사용되는 상기 고로슬래그의 양은 전체 조성물 중량에 대하여 55 ~ 70 중량%인 것이 바람직하다. 상기 함량이 55 중량% 미만인 경우에는 에트링자이트의 생성량 저감과 장기 강도 발현이 저하되는 문제가 있고, 70 중량%를 초과하면 초기 반응 및 응결 시간이 지연되는 등 초기 강도 확보에 어려움이 있게 된다.

본 발명에서 사용되는 상기 시멘트 분말은 포틀랜트 시멘트를 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명에서 사용되는 시멘트, 바람직하게는 포틀랜드 시멘트는 물과의 반응에 의해 Ca(OH)₂의 생성량을 증진시키는 역할을 하며, 생성된 Ca(OH)₂가 고로슬래그 미분말의 자극제 역할을 하도록 유도하는 것으로 그의 비표면적은 3,200 ~ 3,800 cm²/g 인 것이 바람직하다.

본 발명에서 사용되는 상기 시멘트의 양은 전체 조성물 중량에 대하여 20 ~ 35 중량%인 것이 바람직하다. 상기 함량이 20 중량% 미만인 경우에는 시멘트 수화 반응에 의한 수화 생성물인 Ca(OH)₂의 저감으로 고로슬래그 미분말과의 반응성이 떨어지고, 35 중량%를 초과하면 시멘트 중에 있는 6가 크롬의 용출량이 증가하므로 상기 범위를 유지하는 것이 바람직하다.

본 발명에서 사용되는 상기 석고는 고화재에서 유동성 향상 및 압축강도 발현 향상을 목적으로 첨가한다. 이러한 석고의 예로는 콘크리트용 혼화제 제조시에 여과 공정에서 배출되는 고상의 슬러지로 이루어진 석고를 사용할 수 있으나 이에 한정하는 것은 아니다. 본 발명에 따른 석고는 혼화제 성분을 함유하고 있으므로 유동성 및 압축 강도를 향상시키는 역할을 한다.

본 발명에서 사용되는 석고는 SO₃ 성분이 40 중량% 이상 함유된 것을 특징으로 하며, 더욱 바람직하게는 40 ~ 90 중량%이다. SO₃ 함량이 높으면 고화재가 토양과 혼합되어 고화될 때에 에트링자이트 및 모노설페이트 수화물 형성에 기여하면서 압축강도의 향상에 유리한 역할을 하게 된다. 이와 같이 생성된 수화물에 의해서 토양 입자간의 결합을 최대로 하여 토양 속에 있는 각종 유기물을 고착시킬 수 있고 강 도를 증대시킬 수 있게 되며, 또한 오염된 토양의 경우에는 각종 중금속의 고정화에도 기여를 한다.

본 발명에서 사용되는 상기 석고의 양은 전체 조성물 중량에 대하여 5 ~ 15 중량%인 것이 바람직하다. 상기 함량이 5 중량% 미만인 경우에는 유동성 향상의 효과가 미미하고 시멘트계 초기 수화물인 에트링자이트의 생성이 적게 되어 초기 강도 발현성이 떨어지는 문제가 있고, 15 중량%를 초과하면 응결이 지연되는 문제가 발생하므로 상기 범위를 유지하는 것이 바람직하다.

상기 유동성 향상 및 압축 강도의 향상 효과는 고체산 촉매를 추가로 사용함으로써 더욱 증대될 수 있다. 본 발명에서 사용되는 고체산 촉매는 유기질 토양의 유기산을 빠르게 흡착하는 역할을 하므로 초기부터 강도 발현이 우수해지는 특성을 나타낸다.

본 발명에서 사용되는 고체산 촉매의 예로는 제올라이트, 실리카, 알루미나 또는 몰리브데늄 산화물을 사용할 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 고체산 촉매의 특성을 보면, 분자 크기가 수십 ~ 수천 Angstrom에 이르는 기공부터 단지 수 Angstrom의 기공까지 구조가 잘 발달되어 있기 때문에 촉매로서의 효과가 우수하다.

본 발명에서 사용되는 고체산 촉매의 함량은 전체 조성물 중량에 대하여 1 ~ 10 중량%의 범위에서 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명에서 생성되는 고화재의 비표면적은 4,000 - 5,500 cm²/g 정도이며, 본 발명에 따른 고화재 조성물을 사용하여 토양의 심층 혼합 처리 등 토양 고화 방법으로 사용될 수 있다. 이 경우 종래의 시멘트를 사용한 경우나, 고로슬래그 시멘트를 사용한 경우에 비하여 유동성 및 압축강도가 향상되어 시공성이 좋으며, 토출슬러지의 감소로 폐기물 처리비용이 감소되고, 치밀한 조직형성이 가능하여 유기질을 함유한 고함수 토양에서도 강도발현이 우수하다.

이하에서는 구체적인 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 이들 실시예는 본 발명의 내용을 이해하기 위해 제시되는 것일 뿐, 본 발명의 권리 범위가 이들 실시예로 한정되는 것은 아니다.

[ 실시예 ]

[ 실시예 1]

고로슬래그 미분말 493 g, 포틀랜드 시멘트 189 g, 혼화제 공장 부산석고 61 g 및 제올라이트 촉매 15 g를 물 606 g과 상온에서 3분간 믹서 혼련하여 본 발명에 따른 고화재 조성물을 제조하였다.

[ 실시예 2]

실시예 1과 동일한 방법으로 고화재 조성물을 제조하되, 고로슬래그 미분말 547 g, 포틀랜드 시멘트 211 g, 혼화제 공장 부산 석고 67 g 및 제올라이트 촉매 17 g를 물 674 g과 혼련한 것만 다르다.

[ 실시예 3]

실시예 1과 동일한 방법으로 고화재 조성물을 제조하되, 고로슬래그 미분말 547 g, 포틀랜드 시멘트 211 g, 혼화제 공장 부산 석고 67 g 및 제올라이트 촉매 17 g를 물 842 g과 혼련한 것만 다르다.

[ 실시예 4]

실시예 1과 동일한 방법으로 고화재 조성물을 제조하되, 고로슬래그 미분말 505 g, 포틀랜드 시멘트 211 g, 천연 무수석고 67 g 및 제올라이트 촉매 59 g를 물 842 g과 혼련한 것만 다르다.

[ 비교예 1]

고로슬래그 시멘트 842 g과 물 674g을 혼련하여 고화재를 제조하였다.

[ 비교예 2]

고로슬래그 시멘트 842 g과 물 674 g을 혼련하여 고화재를 제조하였으며, 나프탈렌계 혼화제를 고로슬래그 시멘트 대비 1% (8.42g)추가하여 제조하였다.

[ 비교예 3]

고로슬래그 시멘트 842 g과 물 842 g을 혼련하여 고화재를 제조하였다.

[ 비교예 4]

포틀랜드 시멘트 842 g과 물 842 g을 혼련하여 고화재를 제조하였다.

[성능평가]

실시예 1-4 및 비교예 1-4에서 얻은 고화재 조성물을 사용하여 아래 방법에 따라 슬러리 유동성, 고화체 일축압축시험 및 유기질 토양에서의 압축강도 발현성을 시험하여 그 결과를 표 1-3에 각각 나타내었다.

(1) 고화재 슬러리의 유동성

슬러리의 유동성은 그라우트 유하시험기로 고화재 슬러리의 유하시간을 측정하였다. 믹서에서 잘 혼련된 실시예 1-3 및 비교예 1-4의 고화재 조성물을 23± 1℃에서 KS F 4044의 시험방법에 의하여 유하시간을 측정하여 그 결과를 표 1에 나타내었다.

구분	물함량(%)	슬러리 유하시간(초)
		초기	60분후	120분후	180분후
실시예 1	80	7.3	7.25	7.18	7.09
실시예 2	80	7.5	7.56	7.34	7.25
실시예 3	100	6.8	6.9	6.95	7.1
비교예 1	80	9.7	9.76	9.56	9.8
비교예 2	80	8.25	8.4	8.56	8.45
비교예 3	100	7.9	8.0	7.9	8.26
비교예 4	100	8.0	7.96	8.29	8.13

상기 표 1의 결과로부터 본 발명에 따른 고화재는 동일 물량 100%에서 유하시간이 비교예에 비해 약 1초 정도 빠른 결과를 나타내었으며 물량을 80%로 줄인 경우에도 좋은 유동성을 보임을 알 수 있었다. 즉 본 발명에 따른 고화재 조성물은 혼화제 부산석고 성분중의 혼화제 성분의 영향으로 유동성이 향상되어 종래의 고로슬래그나 포틀랜드 시멘트를 사용하는 경우에 비해 물의 사용량을 20% 정도 저감할 수 있으며, 원지반에 주입되는 고화재 슬러리 제조시 물의 양을 감소시켜도 유동성은 유지되므로 강도발현에 유리하다.

(2) 고화체 일축 압축 시험

대상 점토로서 함수비 43.8%, 습윤밀도 1.764 g/cm³의 연안 점토를 이용하여 고화재를 180~200 kg/m³ 첨가했을 경우에 대하여 재령 7일 및 28일의 일축 압축 강도를 측정하였다. 측정 방법은 대상 점토에 고화재를 첨가해 믹서에서 5분간 혼합시킨 후, 지름 5cm* 높이 10cm 실린더형 몰드의 공시체를 제작하였다. 공시체는 23± 1℃에서 재령기간 동안 밀봉 양생한 후 일축 압축강도를 KS F 2314 방법에 의하여 측정하여 그 결과를 표 2에 나타내었다.

구분	첨가량(kg/m3)	물함량(%)	일축압축강도(kg/cm2)		비표면적(cm2/g)
			7일	28일
실시예 1	180	80	23.1	42.1	4175
실시예 2	200	80	26.7	49.8
실시예 3	200	100	24.5	46.4
비교예 1	200	80	24.9	42.4	4045
비교예 2	200	80	21.5	42.2
비교예 3	200	100	23.8	38.3
비교예 4	200	100	19.9	40.8	3380

표 2의 결과로부터, 본 발명에 따른 고화재가 동일첨가량 200 kg/m³에서 기존 포틀랜드 시멘트나 고로슬래그 시멘트에 비해 동등 이상의 압축 강도를 가짐을 알 수 있으며, 고화재 첨가량 180 kg/m³으로 시험한 결과에서도 강도발현이 우수한 것을 확인할 수 있다.

상기 유동성 시험 및 일축압축 강도 시험 결과로부터 본 발명에 따른 고화재는 소정의 압축강도를 얻기 위한 고화재 첨가량이 종래의 시멘트나 고로슬래그 시멘트에 비해 적음에도 불구하고 유동성 및 강도 발현이 동등 이상의 결과를 보이므로 매우 경제적이라고 할 수 있다.

(3) 유기질 토양에서의 압축 강도 발현 특성

대상 점토로서 함수비 253.8%, 습윤밀도 1.094 g/cm³의 유기질 함유 점토를 이용하여 고화재를 200 kg/m³ 첨가했을 경우에 대하여 재령 7일, 28일의 일축 압축 강도를 측정하였다. 측정방법은 대상 유기질 점토에 고화재를 첨가해서 믹서에서 5분간 혼합한 후 지름 5cm* 높이10 cm의 실린더형 몰드 공시체를 제작하였다. 공시체는 23± 1℃에서 재령기간 동안 밀봉 양생한 후 일측 압축강도를 KS F 2314 방법에 의하여 측정하여 그 결과를 표 3에 나타내었다.

구분	첨가량(kg/m3)	물함량(%)	일축압축강도(kg/cm2)		비표면적(cm2/g)
			7일	28일
실시예 4	200	100	21.9	43.8	4340
비교예 3	200	100	13.8	35.8	4045
비교예 4	200	100	12.8	29.7	3380

표 3의 결과로부터, 본 발명에 따른 고화재는 일반 포틀랜드 시멘트나 고로슬래그 시멘트를 사용해서는 효과를 얻지 못하는 유기산이 함유된 유기질 토양에서도 우수한 강도를 발현함을 알 수 있다. 이는 본 고화재에 첨가되는 고체산 촉매가 유기질 토양 중의 유기산을 흡착하여 시멘트 수화반응을 저해하는 것을 억제하기 때문이다.

또한, 본 발명에 따른 고화재를 사용한 지반 개량 고화체에서 환경 오염을 일으키는 수용성 6가 크롬의 용출 농도가 토양 환경 시험 기준치인 0.05 mg/l 이하를 만족함을 확인하였다. 이는 본 발명에서 사용되는 재료에서 시멘트를 제외하면 6가 크롬이 존재하지 않기 때문이며, 사용되는 시멘트의 양도 종래의 고로 슬래그 시멘트나 포틀랜드 시멘트에 비하여 현저히 낮기 때문이다.

Claims (8)

1. 삭제
2. (a) 비정질 상태이고 염기도가 1.6 ~ 2.0이고 CaO 40-50 중량%, MgO 1-10 중량%, Al₂O₃ 10-25 중량% 및 SiO₂ 30-40 중량%를 포함하는 고로슬래그 분말 55-70 중량%;

   (b) 비표면적이 3,200-3,800 cm²/g인 포틀랜드 시멘트 분말 20-35 중량%;

   (c) SO₃ 성분이 40-90 중량% 함유된 혼화제 부산 석고 분말 5-15 중량%; 및

   (d) 제올라이트 고체산 촉매 1-10 중량%

   를 포함하는 연약지반용 고화재 조성물.
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 제2항에 있어서, 생성되는 고화재의 비표면적이 4,000 - 5,500 cm²/g인 것을 특징으로 하는 고화재 조성물.
8. 제2항 또는 제7항의 고화재 조성물을 사용하여 토양을 고화시키는 것을 특징으로 하는 토양 고화방법.