KR101224848B1 - 약알칼리성 규산나트륨을 이용한 가소상 그라우트 주입용 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비알칼리성 경화제를 포함하는 가소상 그라우트 주입재에 관한 것이다. 본 발명은 배면상 공극 또는 공동을 충전하기 위하여 사용되는 가소상 그라우트 주입재에 관한 것으로서, 구조물과 지반의 배면에 발생하는 공극 또는 공동 등을 충전하는 작업에 있어서 장거리 압송이 가능하고, 시공성이 좋으며, 겔화시간이 짧은 주입제를 제공한다. 또한, 중성영역에서 균질 침투성이 좋은 배합액을 얻을 수 있을 뿐 아니라 장기내구성을 유지하면서도 단기 내구성을 확보할 수 있고 지하수에 의한 희석의 우려가 없다.

Description

약알칼리성 규산나트륨을 이용한 가소상 그라우트 주입용 조성물{Compositions for Thixotropic Grout Injection Using Weak Alkaline Sodium Silicate}

본 발명은 약알칼리성 규산나트륨을 이용한 가소상 그라우트 주입용 조성물 및 이를 이용한 가소상 그라우트 공법에 관한 것이다.

종래의 공동충전에 사용되어 온 시멘트를 주성분으로 하는 1액성 그라우트는 매우 장시간(통상 2~3시간정도 소요)을 거쳐서 시멘트입자를 구성하고 있는 클링커(clinker) 광물이 물과 반응하여 응결되면서 새로운 조직으로 발달하고점차 응결되면서 유연성을 상실하여 고결(경화)된다.

그러나, 상기 1액성 그라우트는 압송(주입)이나 충전시 지반조건에 따라 특히 지하수의 영향을 받거나 충전된 후 그라우트가 경화되는 과정에 재료분리, 불균일강도, 블리딩(bleeding)현상 및 체적감소현상을 나타내는 문제점이 있다. 또한, 경화시간이 비교적 길어 공동에 한정주입하기가 어렵다는 결점이 있다.

따라서, 실드공사에서는 지하수가 수반되고 있고 사질지반의 붕락이나 초연약지반의 침하의 우려가 있으므로, 시멘트와 물유리(Water Glass)를 주재로 하는 이액형그라우팅 공법인 LW(Labiles Wasser Glass) 공법을 채택하고 있다. LW 공법은 지수(止水)나 지반강화에는 효과가 있지만, 겔화 시간이 비교적 길기 때문에(약 1분 정도가 소요된다) 한정주입이 불가능하고, 또한 겔화된 후에는 가소상태 없이 금방 경화되므로 목적으로 하는 공동을 완전하게 충전하기에는 어려움이 있다.

한편, 실드기에 의해 굴진할 때에 생기는 공동(테일보이드)이나 기존 구조물의 배면 및 주변에 생긴 공동에 그라우트를 충전주입하기 위해서는 다음과 같은 성능을 만족시켜야 한다.

① 충전성이 우수하고 또한 가능한 공동 외부로의 유출(막장 등으로의 누설이나 불필요한 주변 지반으로의 일주)이 적을 것.

② 유동성이 좋고, 블리딩이 적을 것.

③ 주입시에 지하수에 의한 희석이 적을 것.

④ 재료분리가 적고 균일한 압밀강도를 얻을 수 있을 것.

⑤ 경화후의 체적감소가 없을 것.

⑥ 무공해이고, 보류(步留) 등을 고려하여 공사비가 저렴할 것.

또한, 신설된 실드터널의 실드주입에서는 상기 ④에서 「조기강도의 발현」이 요구되어지며 기존구조물 등의 뒤채움주입에서 특히 외기에 접해서 건조의 우려가 있는 곳에서는 「그라우트중의 수분이 감소해도 강도저하가 없을 것」이 요구된다. 그중에서 특히 중요한 것은 「충전성」이며, 「유동성」및 「공동외부로의 일주」는 충전성과 밀접한 관련성을 가진다. 이들은 상반되는 성질이기 때문에 이러한 조건(유동성은 좋지만 공동 외부로의 일주가 없고 완전하게 충전할 수 있을 것)을 어떻게 만족시킬 수 있을지가 공동충전주입 분야의 궁극의 목표이기도 하다.

한편, 일반적으로 널리 사용되어온 LW 방식의 뒷채움재는 경화시간을 단축시키고 조절하기 위하여 물, 시멘트, 안정제 및 가소제 혼합용액(이하, “A액”이라 한다)과 경화제(이하, “B액”이라 한다)로 나누어져 2액형으로 시공되어 왔다. A액으로는 강도발현재로서 시멘트를 주재로 하고 시멘트의 블리딩/재료분리를 방지하기 위하여 팽윤성 물질인 벤토나이트와 유동성을 향상시키기 위한 안정제로 구성되어져 있으며, B액에서 경화촉진제로서 일반 규산소다 3호를 사용하여 왔다. 이때 사용되는 규산나트륨의 화학식은 Na₂OSiO₂로서 Na₂O와 SiO₂의 몰비는 1:3이며, pH 12 이상의 강알칼리성을 나타낸다.

본 발명자들은 종래의 그라우트 주입제의 문제점을 해결하고자 예의 노력하였고, 그 결과 점성을 부여하고 고결력을 부여하는 가소제와 가소상을 안정시키는 안정제 그리고 약알칼리성 경화제를 적당한 조합에 의해 내구성 및 시공성이 우수한 가소상 그라우트 조성물을 얻을 수 있다는 것을 규명함으로써 본 발명을 완성하게 되었다.

따라서 본 발명의 목적은 가소상 그라우트 주입제를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 가소상 그라우트 공법을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적 및 이점은 하기의 발명의 상세한 설명, 청구범위 및 도면에 의해 보다 명확하게 된다.

본 발명의 일 양태에 따르면, 본 발명은 (a) 물, (b) 시멘트, (c) pH 8.0-10.0의 약알칼리성 규산나트륨 경화제, (d) 안정제로서의 제올라이트 및 (e) 가소제를 포함하는 가소상 그라우트 주입용 조성물을 제공한다.

본 발명자들은 종래의 그라우트 주입제의 문제점을 해결하고자 예의 노력하였고, 그 결과 점성을 부여하고 고결력을 부여하는 가소제와 가소상을 안정시키는 안정제 그리고 약알칼리성 경화제를 적당한 조합에 의해 내구성 및 시공성이 우수한 가소상 그라우트 조성물을 얻을 수 있다는 것을 규명함으로써 본 발명을 완성하게 되었다.

본 발명의 그라우트 조성물은 가소상을 부여하기 위하여 가소제와 안정된 가소상을 유지하기 위한 안정제 그리고 약알칼리성 경화제를 조합한 가소상 그라우트 주입재를 제공한다.

본 발명에서 경화제를 언급하면서 사용되는 용어 “약알칼리성”이란 pH 8-10을 의미하며, 바람직하게는 pH 8-9이다.

본 발명에서 사용되는 용어 “경화제”는 당업계에서 가소상 그라우트 공법을 실시하는 과정에서 액체 또는 겔 상태인 혼합용액의 유동성을 낮추기 위해 사용되는 물질을 의미한다.

본 발명에서 사용되는 용어 “가소상”이란 정치하고 있으면 자기유동성이 없어 자립하고 있지만 가압으로 유동화하는 액체와 고체의 중간영역을 의미한다.

본 발명의 조성물은 (a) 물, (b) 시멘트, (c) pH 8.0-10.0의 약알칼리성 규산나트륨 경화제, (d) 안정제로서의 제올라이트 및 (e) 가소제를 포함한다. 본 발명의 조성물은 상기 5개의 성분을 하나의 용기에 포함할 수 있고, 별도의 용기에 포함할 수 있으며, 또한 몇 성분씩을 묶어서 몇 개의 용기에 포함할 수 있다. 예를 들어, 물, 시멘트, 안정제로서의 제올라이트 및 가소제를 하나의 용기에 약알칼리성 규산나트륨 경화제를 다른 용기에 포함할 수 있다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 본 발명의 조성물은 물 50-80 중량%, 시멘트 15-30 중량%, 약알칼리성 규산나트륨 경화제 2-12 중량%, 안정제는 1-4 중량% 및 가소제 2-7 중량%를 포함한다.

종래의 그라우트 조성물과 비교하여 본 발명의 그라우트 조성물의 우수한 특성은 약알칼리성 규산나트륨 경화제 및 특정의 가소제를 사용하는 데에서 비롯된다.

본 발명에 바람직한 가소제는 경소마그네시아 및 수산화알루미늄의 혼합물이다. 경소마그네시아는 산화마그네슘과 산화칼슘이 주성분으로 구성되어 있는 물질로서 겔화시간을 단축시키며 가소상태를 연장시키는 작용을 하며 강도 발현과정에 시멘트 혼합물의 수축현상을 방지하여 주는 역할을 한다. 수산화알루미늄은 그라우트재 자체의 점성을 순간적으로 높게 증대시켜주는 작용과 가압(주입)에 따라 용이하게 공동충전이 가능한 상태의 고결력을 주기 때문에 가소상을 부여하는 중요한 기능을 하게 된다.

경소마그네시아 및 수산화알루미늄의 혼합물로 이루어진 가소제에서, 바람직하게는, 혼합물 총 중량 대비 50-90 중량%의 경소마그네시아 및 10-50 중량%의 수산화알루미늄, 보다 바람직하게는 70-85 중량%의 경소마그네시아 및 15-30 중량%의 수산화알루미늄을 포함한다.

가소제 성분에서의 경소마그네시아 함량이 50% 미만이면 가소상태의 유지시간이 짧아지며 수축현상을 막을 수 없게 되며 90%를 초과하면 그라우트재가 지나치게 팽창될 수 있다. 가소제 성분에서의 수산화알루미늄 성분이 10% 미만이면 겔화시간이 길어져 지하수 등의 수중에 그라우트재가 주입될 때 희석되어 경화가 일어나지 않게 되며, 50%를 초과하면 경화속도가 지나치게 빨라지고 가소상태 유지시간이 짧아져 가소상 그라우트재의 기능을 발휘할 수 없게 된다.

본 발명에서 사용되는 용어 “안정제”는 당업계에서 가소상 그라우트 공법을 실시하는 과정에서 가소상을 안정적으로 유지시키기 위해 사용하는 물질을 포함하며, 본 발명에서는 통상적으로 이용되는 벤토나이트 대신에 제올라이트를 이용한다.

제올라이트(Zeolite)는 내부에 있는 나노 크기의 구멍 속에 물 분자들을 함유하고 있는데 이 광석을 가열하면 내포된 물분자가 증발하여 수증기를 발생시키기 때문에 “끓는(zeo) 돌(lite)”이라는 의미로 명명된 광석이며, 미세한 다공질로서 물리적 흡착력과 화학적 양이온 치환작용(70-140meg/100g)이 뛰어나 수분 외 다른 물질 등을 20배까지 흡착하는 특이한 능력이 있으며, 구조적으로 AlO₄와 SiO₄가 산소를 공유하면서 일정한 결정성을 이루고, 분자식은 M2/n. Al₂O₃. xSiO₂. yH₂O 로 표현된다. 제올라이트 세공 속에 존재하는 양이온들은 수용액 중에서 다른 여러가지 금속 및 유기 양이온으로 용이하게 교환되므로 이러한 성질을 이용하여 칼슘(Ca^{2 +})과 마그네슘(Mg^{2 +})을 소디움(Na⁺) 이온으로 교환시켜주는 촉매역할을 하며, 세공 속의 표면적은 보통 1,000 ㎡/g에 이르고 이러한 넓은 표면적은 넓은 면적에 활성점(active site)을 분포시켜 본 발명이 목적하는 가소상을 유지하는 능력을 높여주고, 시멘트의 유동성을 유지시켜 주므로 장거리 압송이 가능하게 한다는 장점이 있다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 본 발명의 조성물은 경화촉진제를 추가로 포함한다. 경화촉진제의 예는 말단기에 -OH, -COOH, SO₃H, -CONH₂, -CONHR(R은 알킬기를 나타낸다), -SO₃NH₂, -SO₃NHR(R은 알킬기를 나타낸다) 또는 -SH를 갖는 경화촉진제 또는 이미다졸계 경화 촉진제를 포함한다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 본 발명은 다음 단계를 포함하는 가소상 그라우트 주입공법을 제공한다:

(a) 규산나트륨에 산성용액을 혼합하여 pH 8.0-10.0의 약알칼리성 규산나트륨 경화제를 제조하는 단계;

(b) 상기 약알칼리성 규산나트륨 경화제에 안정제로서의 제올라이트, 가소제 및 시멘트를 혼합하여 가소상 그라우트 주입용 조성물을 제조하는 단계; 및

(c) 상기 가소상 그라우트 주입용 조성물을 공극 또는 간극에 주입하는 단계.

본 발명의 방법은 상기 그라우트 조성물을 이용하기 때문에, 이 둘 사이에 공통된 내용은 본 명세서의 과도한 복잡성을 피하기 위하여, 그 기재를 생략한다.

도 5는 본 발명의 가소상 그라우트 주입용 조성물의 재료투입 공정도를 보여준다. 안정제 사이로에는 제올라이트가 있고, 가소제 사이로에는 경소마그네시아와 수산화알루미늄의 혼합물이 있다. 믹서를 통하여 안정제, 가소제, 시멘트 및 물이 혼합되며, A액 교반조에서 교반되어 균일한 혼합물을 얻는다. 이어, A액 펌프를 통하여 조작 감시반으로 A액이 이동하고 이어 B액과 혼합기에서 혼합되어 공극 또는 간극에 주입된다.

한편, B액의 제조는 도 6과 같이 실시할 수 있다. B액의 제조 시 규산나트륨(규산소다)에 첨가되는 산성용액은 당업계에 공지된 다양한 산을 포함하며, 바람직하게는 무기산이고, 보다 바람직하게는 염산 또는 황산이다. 믹서에서 규산나트륨과 황산용액이 혼합되며, 믹소 내의 규산나트륨 용액의 pH는 pH 미터를 통하여 계속적으로 모니터링 되어 황산용액 탱크 및 규산소다 저장 탱크로부터 믹서로 유입되는 황산 및 규산소다의 양을 제어한다. 이러한 과정을 통하여, pH 8.0-10.0의 약알칼리성 규산나트륨 경화제가 효율적으로 제조될 수 있다.

본 발명의 특징 및 이점을 요약하면 다음과 같다:

(i) 본 발명은 가소제와 안정제 및 약알칼리성 경화제를 포함하는 가소상 그라우트 주입재를 제공한다.

(ⅱ) 본 발명의 가소상 그라우트 주입재는 장거리 압송이 가능하고, 시공성이 좋으며, 겔화시간이 짧다.

(ⅲ) 본 발명의 주입재를 이용하면, 지하수에 의한 희석의 우려가 없다.

(ⅳ) 본 발명의 주입재를 이용하면, 단기내구성을 유지하면서도 장기내구성을 확보할 수 있다.

(ⅴ) 본 발명의 주입재를 이용하면, 중성영역에서 균질의 침투성이 좋은 배합액을 용이하게 얻을 수 있다.

도 1은 가소상 그라우트를 가압해서 압출하는 경우 유동화되는 과정을 도식적으로 보여주는 그림이다.
도 2는 LW 공법에 사용되는 장치를 보여주는 사진이다.
도 3은 LW 주입 상태와 본 발명의 가소상 주입 상태를 비교해서 보여주는 사진이다.
도 4는 컵도립 방법에 의한 겔화시간의 측정과정을 보여주는 그림이다.
도 5는 본 발명의 가소상 그라우트 주입용 조성물의 재료투입 공정도를 보여준다. A액은 물, 시멘트, 안정제(제올라이트) 및 가소제(경소마그네시아와 수산화알루미늄의 혼합물)를 포함한다.
도 6은 B액 제조 시스템을 나타낸다. M은 믹서, F는 유량계, P는 이송 펌프, Invert는 믹서의 rpm을 조절하는 장치이다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명할 것이다.

실 시 예

본 명세서 전체에 걸쳐, 특정 물질의 농도를 나타내기 위하여 사용되는 “%“는 별도의 언급이 없는 경우, 고체/고체는 (중량/중량) %, 고체/액체는 (중량/부피) %, 그리고 액체/액체는 (부피/부피) %이다.

1. 가소상 그라우트 주입용 조성물의 제조

약알칼리성 규산나트륨은 규산소다 3호((주)호성화학)에 10% 농도의 황산용액을 적하(dripping)하면서 pH 페이퍼로 측정하여 pH 9.0 정도가 되도록 제조하였다. 약알칼리성 규산나트륨 용액을 교반기에서 50-80 rpmM으로 교반하면서 물을 일정양 투입하고 안정제인 제올라이트를 투입하여 60 rpm에서 약 5분간 교반하였다. 이후 가소제로서 경소마그네시아와 수산화알루미늄(중량비 80:20)의 혼합물을 넣고 교반하면서 시멘트를 첨가하고 5분간 추가 교반을 실시하였다.

각 실험에 사용된 물, 시멘트, 안정제, 가소제 및 경화제의 양은 하기의 표 1과 같다. 각 실험에 사용된 물질들의 비율에 따른 겔화시간, 가소상태 시간 및 강도를 측정하였다.

2. 겔화 시간의 측정

상기 표 1에 나타난 것과 같은 일정량의 A액 및 B액을 각각 별도의 비이커에 넣고, A액을 B액이 담긴 비이커에 투입하여 혼합하고, 혼합액을 다시 A액이 담겨있던 비이커에 투입한다. 이와 같은 과정을 신속하게 반복하면서 더 이상 유동이 일어나지 않게 되는 시점을 겔화시간으로 측정하였다(도 1 참조).

하기 표 1 및 표 2에서 볼 수 있듯이, 본 발명의 가소상 그라우트 주입용 조성물은 겔화시간이 매우 단축된다.

3. 가소상태 시간의 측정

가소상태로 유지되는 시간을 측정하는 방법으로는 유동성이 유지되는 시간을 측정하였다. 시료용기에 A액과 B액이 혼합되어 겔화가 되고 난 후에 용기 내의 시료를 테이블에 뒤집어 빼낸 후에 수시로 손가가락으로 눌렀을 때 시료가 갈라져 깨어지지 않고 손가락 자국이 유동성에 의해 그대로 유지되는 순간까지 소요되는 시간을 측정하여 가소상태 시간으로 판단하였다.

표 1 및 표 2에서 볼 수 있듯이, 본 발명의 가소상 그라우트 주입용 조성물은 가소 상태로 유지되는 시간이 종래의 조성물과 비교하여 매우 길다.

4. 1축 압축강도의 측정

압축강도를 측정하기 위하여 내경 5 cm 높이 10 cm의 PVC 재질의 형틀에 시료를 주입하여 기중양생하는 방법으로 1축 압축강도를 측정하였다.

표 1 및 표 2에서 볼 수 있듯이, 본 발명의 가소상 그라우트 주입용 조성물은 종래의 조성물과 비교하여 압축강도도 비교적 크다.

-	A액(단위: g)				B액(단위: g)
	물	시멘트	안정제	가소제	경화제종류
실험예1	900	280	제올라이트 25	경소마그네시아와 수산화알루미늄(8:2) 55	약알칼리성규산나트륨 85
실험예2	890	300	제올라이트 23	경소마그네시아와 수산화알루미늄(8:2) 60	약알칼리성규산 90
실험예3	880	320	제올라이트 20	경소마그네시아와 수산화알루미늄(8:2) 65	약알칼리성규산 95
비교예1 LW 1	804	250	벤토나이트 2.2	-	규산소다 3호 112
비교예2 LW 2	750	350	벤토나이트 3.5	-	규산소다 3호 138

-	겔화시간	가소상태 시간	강도(kg/cm2)
			1시간	1일	7일
실험예1	9초	9분 17초	1.27	12.6	26.0
실험예2	8초	8분 28초	1.56	14.2	30.0
실험예3	6초	8분 13초	1.82	17.1	32.2
비교예1 LW 1	28초	1분 32초	0.6	11.2	23.5
비교예2 LW 2	23초	1분 12초	1.31	13.5	28.3

이상으로 본 발명의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 구현 예일 뿐이며, 이에 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백하다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항과 그의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims (9)

1. (a) 물, (b) 시멘트, (c) pH 8.0-10.0의 약알칼리성 규산나트륨 경화제, (d) 안정제로서의 제올라이트 및 (e) 가소제를 포함하는 가소상 그라우트 주입용 조성물.
   
2. 제 1 항에 있어서, 상기 가소제는 경소마그네시아 및 수산화알루미늄의 혼합물인 것을 특징으로 하는 조성물.
   
3. 제 2 항에 있어서, 상기 가소제는 상기 혼합물 총 중량 대비 50-90 중량%의 경소마그네시아 및 10-50 중량%의 수산화알루미늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 조성물.
   
4. 제 1 항에 있어서, 상기 약알칼리성 규산나트륨 경화제는 상기 조성물 총 중량 대비 2-12 중량%의 비율로 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 조성물.
   
5. 제 1 항에 있어서, 상기 조성물은 경화촉진제를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 조성물.
   
6. 다음 단계를 포함하는 가소상 그라우트 주입공법:
   (a) 규산나트륨에 산성용액을 혼합하여 pH 8.0-10.0의 약알칼리성 규산나트륨 경화제를 제조하는 단계;
   (b) 상기 약알칼리성 규산나트륨 경화제에 안정제로서의 제올라이트, 가소제 및 시멘트를 혼합하여 가소상 그라우트 주입용 조성물을 제조하는 단계; 및
   (c) 상기 가소상 그라우트 주입용 조성물을 공극 또는 간극에 주입하는 단계.
   
7. 제 6 항에 있어서, 상기 가소제는 경소마그네시아 및 수산화알루미늄의 혼합물인 것을 특징으로 하는 방법.
   
8. 제 7 항에 있어서, 상기 가소제는 상기 혼합물 총 중량 대비 50-90 중량%의 경소마그네시아 및 10-50 중량%의 수산화알루미늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
   
9. 제 6 항에 있어서, 상기 가소상 그라우트 주입용 조성물은 경화촉진제를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
   
   
   

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