KR101168151B1

KR101168151B1 - 지반보강용 고화재

Info

Publication number: KR101168151B1
Application number: KR1020110082853A
Authority: KR
Inventors: 문경주; 박원춘; 윤성진; 윤형선; 곽금옥; 조상민
Original assignee: 대호산업개발(주); 주식회사 씨엠디기술단
Priority date: 2011-08-19
Filing date: 2011-08-19
Publication date: 2012-08-10

Abstract

본 발명은 지반을 보강하는 고화재에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고로슬래그를 주원료로 사용하고 자극제로서 페트롤 코우크스 탈황석고를 활용해 고로슬래그의 잠재수경성을 활성화시켜 고결강도를 발현하며, 팽창재에 다량 함유된 산화칼슘의 발열반응과 체적팽창작용을 이용하여 토양의 간극수를 제거하고 함수율을 저감하여 지반을 조속히 안정시키는 지반보강용 고화재에 관한 것이다.
본 발명에 의한 지반보강용 고화재는 고로슬래그 미분말 100중량부에 대하여, 페트롤 코우크스 탈황석고 20~50중량부를 포함한다.

Description

지반보강용 고화재{SOLIDIFIED AGENT TO STRENGTHEN STRATUM}

본 발명은 지반을 보강하는 고화재에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고로슬래그를 주원료로 사용하고 자극제로서 페트롤 코우크스 탈황석고를 활용해 고로슬래그의 잠재수경성을 활성화시켜 고결강도를 발현하며, 팽창재에 다량 함유된 산화칼슘의 발열반응과 체적팽창작용을 이용하여 토양의 간극수를 제거하고 함수율을 저감하여 지반을 조속히 안정시키는 지반보강용 고화재에 관한 것이다.

일반적으로 연약지반 등 지반을 개량하기 위한 심층혼합공법(SCW:Soil Cement Wall, DCM : Deep Cement Mixing, DSP : Deep Soil Mixing Pile, DSM : Deep Soil Mixing 등)은 연약지반을 심층까지 천공하고 원지반과 고화재를 혼합하여 지반을 개량한다. 이 때, 고화재는 일반적으로 시멘트와 벤토나이트를 혼합하여 사용되어 왔다.

이 중 시멘트의 경우 수화하면서 수축을 하는 특성 때문에 차수 목적을 위하여 벤토나이트를 사용하는데 벤토나이트는 국내에 천연자원으로 부존하지 않는 광물로서 전량 수입에 의존하고 있는 고가의 재료이며 염분과 접촉하면 그 팽윤도가 현저히 떨어져 차수성이 크게 저하되는 문제점이 있다.

또한 시멘트의 경우 주원료인 석회석을 채광하여 1,450℃의 고온에서 소성하여 제조되기 때문에 석회석의 탈탄산 과정에서 온실가스의 주원인인 다량의 CO₂ 가스가 발생하여 대기환경에 치명적인 해를 준다. 또한 시멘트의 경우 pH가 12 이상에 달할 정도로 강한 알칼리이기 때문에 토양에 사용하였을 경우 바람직하지 않다.

최근에는 이러한 기존의 시멘트를 고화재로 사용하는 문제점을 개선하기 위한 여러 기술들이 제시되고 있다. 예를 들면 국내 등록특허 10-0845248에서는 고로슬래그시멘트에 생석회와 무수석고를 혼합한 후 분말도를 향상시키기 위한 목적으로 진동밀을 이용하여 분쇄를 하고 이 분쇄물에 유동성 및 침투성을 향상시키기 위한 폴리카르본산계 혼화제 0.1% ~ 0.5%중량부를 다시 혼합하는 기술을 제안하였다. 그러나 이 방법은 1차로 생산된 제품을 구매한 후 진동밀 이라는 거대한 장치를 이용해 다시 분쇄하여야 하는 공정이 필요하고 더욱이, 분쇄물에 폴리카르본산계 혼화제 0.1% ~ 0.5%중량부를 다시 혼합하는 기술을 제시하였으나, 현재의 기술로 분체에 0.1~0.5%중량부의 원료를 고르게 혼합할 수 있는 상용화 기술은 없는 상태로서 매우 많은 비용이 들어가며, 기술적으로도 상용화되기 어려운 비합리적인 방법이라 할 수 있다.

또한 국내 등록특허 제10-0374122호에서는 시멘트 100중량부에 대하여 5 ~ 40중량부의 석고와 5 ~ 30중량부의 석회와 20 ~ 200중량부의 2가지 입도(15 ~ 30㎛인 제1성분의 50 ~ 60중량부, 3 ~ 8㎛인 제2성분 40 ~ 50중량부)를 갖는 포졸란물질과 계면활성제를 포함하는 기술을 제시하였다. 그러나 이 방법은 시멘트를 주원료로 한다는 점에서 상술한 문제점이 있고, 특히 포졸란 물질을 15 ~ 30㎛, 3 ~ 8㎛의 입도로 분리하는 것이 현존하는 기술로서 가능한 것인지 의문을 갖지 않을 수 없다.

또한 국내등록특허 10-0553732에서는 평균입경이 10~15인 알루미노-실리케이트계 산업부산물 70~80 중량부, 평균입경이 20~30인 석고계부산물 10~25 중량부 및 알칼리계 부산물 5~10 중량부를 포함하는 고화재를 제시하였다. 그러나 이 기술 역시 주원료인 알루미노-실리케이트계 산업부산물의 평균입경이 커서 롤러밀, 볼밀, 진동밀 등을 이용하여 분쇄하여 입도를 조정한다고 발명의 구성 및 작용에서 설명하고 있다.

또한 국내등록특허 10-0431797의 경우도 고로슬래그, 석고, 수산화나트륨, 황산알루미늄, 생석회 또는 소석회, 석회석, 조경제를 혼합한 후 다시 분쇄하는 비소성시멘트 제조방법을 제시하고 있다. 이러한 기술은 시멘트 대신 고로슬래그 및 플라이애시를 주재료로 한 변형 기술로서 포졸란반응 및 에트링가이트 형성을 향상시키기 위하여 알칼리 자극제 및 황산염자극제를 다양한 원료 또는 배합원료로 추가하는 기술이다. 그러므로 제조공정이 매우 복잡하고 원료의 전처리에 많은 비용이 수반되며, 여러 가지 원료를 동시에 사용해야하기 때문에 원료의 물리 화학적 품질특성 변동에 따른 배합의 선정이 어렵다는 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 목적을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 고로슬래그를 주원료로 사용하고 자극제로서 페트롤 코우크스 탈황석고를 활용해 고로슬래그의 잠재수경성을 활성화시켜 고결강도를 발현하며, 팽창재에 다량 함유된 산화칼슘의 발열반응과 체적팽창작용을 이용하여 토양의 간극수를 제거하고 함수율을 저감하여 지반을 조속히 안정시키는 지반보강용 고화재를 제공함에 있다.

위와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 의한 지반보강용 고화재는 고로슬래그 미분말 100중량부에 대하여, 페트롤 코우크스 탈황석고 20~50중량부를 포함한다.

또한 함수율을 급속히 저감하고 체적팽창을 통한 토양의 간극수를 제거하기 위하여 팽창재가 더 포함되는 것이 바람직하다.

또한 상기 팽창재는 노내탈황방식 석탄연소보일러에서 발생하는 고칼슘 플라이애시, 바이오매스 소각잔재, 제지슬러지소각잔재, RDF(Refuse Derived Fuel) 소각잔재, RPF(Refuse Plastic Fuel) 소각잔재, 전로슬래그 더스트, 생석회 및 경소백운석으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나이거나 둘 이상의 혼합물인 것이 바람직하다.

또한 상기 팽창재는 산화칼슘(CaO) 함량이 20~70%인 것이 바람직하다.

또한 상기 팽창재는 상기 고로슬래그 미분말 100중량부에 대하여, 40~100중량부 혼입되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 고로슬래그를 주원료로 사용하고 자극제로서 페트롤 코우크스 탈황석고를 활용해 고로슬래그의 잠재수경성을 활성화시켜 고결강도를 발현하며, 팽창재에 다량 함유된 산화칼슘의 발열반응과 체적팽창작용을 이용하여 토양의 간극수를 제거하고 함수율을 저감하여 지반을 조속히 안정시키는 효과가 있다.

본 발명에 의한 고화재는 심층혼합공법용으로 이용 가능할 뿐 아니라, 황토길 조성을 위한 고화재 등 지반보강을 위한 다양한 방법으로 이용가능하다.

이하, 본 발명에 의한 지반보강용 고화재 조성물에 대하여 구체적으로 설명한다.

본 발명에 의한 지반보강용 고화재는 시중에서 수득이 가능한 고로슬래그 미분말 100중량부에 대하여, 페트롤 코우크스 탈황석고 20~50중량부를 포함한다.

상기 페트롤 코우크스 탈황석고는 페트롤 코우크스를 원료로 하는 보일러에서 노내 탈황을 위해 석회석을 혼소하는 과정에서 페트롤 코우크스에 포함되어 있는 황 성분과 석회석이 고온에서 탈탄산된 CaO 성분이 반응하여 생성된 분진과 같은 입자상 석고 물질로서 pH가 11.5이상의 강알칼리 물질이다. 상기 석고에 포함된 황산염과 높은 pH가 황산염자극 및 pH에 따른 알칼리 자극을 고로슬래그 미분말에 가하게 되면 고로슬래그 미분말이 활성화되어 잠재수경성 반응을 개시하여 고결강도를 발현한다. 상기 슬래그 미분말과 페트롤 코우크스 탈황석고의 황산염 자극제의 수화반응은 초기 재령에서 다량의 에트링가이트(ettringite)를 골격으로 개시되며 이와 동시에 생성된 C-S-H겔에 의해 이루어진다. 또한 C-S-H겔은 에트링가이트를 감싸며 재령이 경과함에 따라 생성량이 지속적으로 증가하고 C-S-H겔이 경화된 페이스트의 공극을 밀실하게 채우게 되어 에트링가이트와 치밀한 네트워크식 망상구조를 형성하면서 지속적으로 높은 강도발현을 한다.

또한 상기 고화재가 토양에 혼합된 고화토의 함수율을 급속히 저감하고 체적팽창을 통한 토양의 간극수를 제거하기 위하여 벤토나이트를 대체하는 팽창재가 더 포함되는 것이 바람직하다.

또한 상기 팽창재는 노내탈황방식 석탄연소보일러에서 발생하는 고칼슘 플라이애시, 바이오매스 소각잔재, 제지슬러지 소각잔재, RDF 소각잔재, RPF 소각잔재, 전로슬래그 더스트, 생석회 및 경소백운석으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나이거나 둘 이상의 혼합물인 것이 바람직하다.

또한 상기 팽창재는 상기 고로슬래그 미분말 100중량부에 대하여 40~100중량부 혼입되는 것이 바람직하다.

또한 상기 팽창재 중 노내탈황방식 석탄연소보일러에서 발생하는 고칼슘 플라이애시, 바이오매스 소각잔재, 제지슬러지소각잔재, RDF 소각잔재, RPF 소각잔재 는 연료에 포함된 황 성분을 제거하기 위하여 석회석을 혼합 연소하는 과정에서 연료의 황 성분과 탈탄산된 석회석의 CaO 성분이 화학 반응하여 생성된 입자상 물질로 이들 소각잔재에 다량 함유된 산화칼슘은 물과 반응하여 흡수, 발열 및 팽창하여 수산화칼슘이 된다. 이에 대한 반응식은 아래와 같다.

CaO+ H₂O->Ca(OH)₂+15.6kcal mol^-1

통상 소각잔재는 콘크리트 혼화재료로 재활용됨에도 불구하고, 위와 같이 산화칼슘이 다량 함유된 소각잔재는 흡수, 발열 및 팽창 특성이 있어 콘크리트 혼화재료로 활용이 불가능하다.

따라서 본 발명은 통상적으로 콘크리트 혼화재료로 활용할 수 없는 소각잔재들을 이용하는 것이다.

또한 상기 전로슬래그 더스트는 전로슬래그를 입도 조정을 위하여 분쇄하는 과정에서 집진기에 포집된 미립 분진으로 주성분이 CaO 성분과 FeO 성분이 다량 함유되어 있으며 흡수, 발열 및 팽창 특성이 있어 콘크리트 혼화재료로 활용이 불가능하여 현재 전량 매립처리 되고 있는 실정이다.

또한 상기 생석회 및 경소백운석은 석회석 및 백운석을 고온에서 하소하여 탈탄산시킨 물질로서 상기 소각잔재에 포함되어 있는 CaO와 같은 화학반응을 한다.

이하에서 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예들이 기술되어질 것이다. 또한 이하의 실시예들은 본 발명을 예증하기 위한 것으로서 본 발명의 범위를 국한하는 것으로 이해되어져서는 안 된다.

실시예 1

먼저, 고로슬래그 미분말 100중량부에 대하여, 페트롤 코우크스 탈황석고 30중량부와 팽창재로서 산화칼슘 함량이 47%인 바이오매스 소각잔재 60중량부를 균질하게 혼합하여 심층혼합공법용 고화재를 제조하였다.

다음으로 해양준설토 100중량부에 대하여 위와 같이 제조된 고화재 18중량부에 상기 고화재의 두배 상당량 즉 36중량부의 물을 첨가하여 강제식 믹서로 충분히 혼합하여 고화토를 제조하고 12개의 공시체를 제작하여 이를 7일간 20에서 양생하였다.

실시예 2

해양준설토 100중량부에 대하여, 상기 실시예1과 동일한 고화재 25중량부에 상기 고화재의 두배 상당량 즉 50중량부의 물을 첨가하여 강제식 믹서로 충분히 혼합하여 고화토를 제조하고 12개의 공시체를 제작하여 이를 7일간 20에서 양생하였다.

비교예 1

해양준설토 100중량부에 대하여, 보통 포틀랜드 시멘트를 18중량부에 시멘트의 두배 상당량 즉 36중량부의 물을 첨가하여 강제식 믹서로 충분히 혼합하여 고화토를 제조하고 12개의 공시체를 제작하여 이를 7일간 20에서 양생하였다.

비교예 2

해양준설토 100중량부에 대하여, 보통 포틀랜드 시멘트를 25중량부에 시멘트의 두배 상당량 즉 50중량부의 물을 첨가하여 강제식 믹서로 충분히 혼합하여 고화토를 제조하고 12개의 공시체를 제작하여 이를 7일간 20에서 양생하였다.

고화토의 성능시험방법 및 결과

아래 표 1에 나타낸 바와 같이 투수계수는 KS F 2322 변수위투수시험법에 따라 실시하고 압축강도시험은 KS F 2343 일축압축강도 시험방법에 의해 실시하였다.

실험	방법	비고
투수계수	KS F 2322	변수위 투수시험방법
압축강도	KS F 2343	일축압축강도시험방법

(1) 투수계수

7일동안 20에서 양생한 공시체의 투수계수 시험성과를 표 2에 나타내었다. 표2에서 알 수 있는 바와 같이 시멘트만을 사용한 비교예 1과 비교예 2에서보다 실시예 1 및 2의 투수계수가 낮은 것을 알 수 있으며, 이는 시멘트 고화토의 경우 수화반응시 발생하는 체적수축과 고화토에 함유된 수분이 증발 또는 수화되면서 상대적으로 투수계수가 크고, 실시예 1 및 2에 따른 고화토의 경우 팽창재에 함유된 CaO의 팽창에 의해 토양의 간극수가 배제되고 체적팽창이 일어나 낮은 투수성능을 보이는 것으로 판단된다.

구분	투수계수(/sec)	압축강도 7일 (kgf/cm²)	압축강도 표준편차(kgf/cm²)
실시예1	5.37 × 10^-8	35.5	2.2
실시예2	3.61 × 10^-8	39.8	2.5
비교예1	6.68 × 10^-7	18.6	5.3
비교예2	2.28 × 10^-7	22.3	5.7

(2) 일축압축강도의 변화

표 2에 나타난 바와 같이, 양생 7일에, 실시예 1은 35.5 kgf/cm², 실시예 2는 39.8kgf/cm², 비교예 1은 18.6 kgf/cm² 비교예 2는 22.3 kgf/cm²로 나타나 본 발명의 고화재가 보통 포틀랜드시멘트에 비하여 많은 강도를 발현하는 결과를 보였다. 이는 고화재와 물과 토양이 반응하여 신속한 발열반응에 의해 토양입자의 단립화를 이루어 압밀 촉진 효과를 얻을 수 있고 CaO와 SiO₂ 성분에 의해 칼슘실리케이트 반응이 유도되어 압축강도를 확보할 수 있는 고화반응이 일어나 강도를 증진시키기 때문이다. 또한 각각의 공시체 압축강도의 표준편차역시 비교예의 수치가 적어 상대적으로 시멘트에 비해 안정된 성능을 발휘하는 것을 확인할 수 있었다.

Claims

고로슬래그 미분말 100중량부에 대하여, 페트롤 코우크스 탈황석고 20~50중량부 및 팽창재 40~100중량부를 포함하며,
상기 팽창재는 노내탈황방식 석탄연소보일러에서 발생하는 산화칼슘(CaO) 함량이 20~70%인 플라이애시인 것을 특징으로 하는 지반보강용 고화재.
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제1항에 있어서,
상기 팽창재는 전로슬래그 더스트, 생석회 및 경소백운석으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나이거나 둘 이상의 혼합물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지반보강용 고화재.
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