KR101347086B1 - 지반 보강용 그라우트 조성물 및 이를 이용한 그라우팅 시공방법 - Google Patents

지반 보강용 그라우트 조성물 및 이를 이용한 그라우팅 시공방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 무기계 결합재 10∼60중량%, 잔골재 10∼60중량%, 폴리머계 혼화제 0.01∼20중량% 및 물 1∼30중량%를 포함하며, 상기 폴리머계 혼화제는 스티렌-부타디엔 수지 75∼99중량%, 부틸렌-메타크릴레이트 수지 0.1∼10중량%, 말레인아미드 0.1∼10중량%, 아크릴니트릴 0.1∼10중량% 및 페놀 수지 0.01∼5중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 그라우트 조성물 및 이를 이용한 그라우팅 시공방법에 관한 것이다. 본 발명에 그라우트 조성물에 의하면, 강도, 내구성 및 유동성이 우수하여 지반의 균열부까지 충전이 가능하고, 현장 적용성, 작업성, 내구성, 부착성 및 방수성이 우수하여 공용기간 증가, 유지보수비용 절감 및 시공성 향상을 구현할 수 있으며, 유동성이 우수하여 시공이 용이하고 빠른 시간 내에 경화되어 시공기간이 단축되고 시공비의 절감효과를 얻을 수 있으며, 굴착면 등의 변위 억제와 인발 저항력을 극대화하여 보강 지반의 안정성을 증대시킬 수 있고, 경화 건조 시 발생하는 건조 수축을 보상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

지반 보강용 그라우트 조성물 및 이를 이용한 그라우팅 시공방법{Grout composition for ground reinforcement and grouting method using the composition}
본 발명은 그라우트 조성물 및 이를 이용한 그라우팅 시공방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 사면(또는 법면, 비탈면), 터파기 굴착면, 터널, 공동구, 연약지반 등의 침식이나 토사의 유실을 방지하기 위하여 사용되는 지반 보강용 그라우트 조성물 및 이를 이용한 그라우팅 시공방법에 관한 것이다.
일반적으로 연약지반이라고 하면 상부구조물을 지지할 수 없는 상태의 지반을 말하며, 예를 들면 연약한 점토, 느슨한 사질토, 유기질토 등이 이에 속하고, 연약한 점성토나 유기질토로 구성된 지반 위에 도로, 교량, 건물 등이 그대로 놓여 진다면 침하량이 과대해지고, 지지력이 부족하여 안전상의 문제가 생기게 된다.
이러한 문제들이 예상되는 연약지반을 개량하여 어떠한 목적물을 건설하는데 있어 안전상의 문제점을 제거하기 위한 수단으로 연약지반 개량공법인 그라우팅 공법이 이용되고 있다. 예를 들면, 도로를 건설함에 있어 단단한 기초지반을 필요로 하는데, 연약지반 구간을 피해 도로를 건설할 경우 과다한 공사비의 지출이 불가피해짐으로써, 지반의 경도를 건설에 필요로 하는 정도의 경도로 끌어올리는 작업이 필요하게 된다.
그라우팅 시공 시 약액 주입공법이란 연약지반 속에 시멘트액과 같은 주입제를 펌프의 압력으로 주입하여 지반 내의 공극이나 균열에 충전시켜 줌으로써 용수의 유출을 막거나 연약 지층을 뭉쳐 굳게 하여 지반의 붕괴를 억제하는 공법이며, 주입제로는 시멘트액, 모르타르액, 물유리액과 같은 약액 등이 사용된다.
한편, 쏘일 네일링 공법은 사면 보강 및 굴착면의 안정을 목적으로, 유럽 및 미국 등에서 널리 활용되고 있다. 국내에서도 80년대 말에 기초 이론 및 설계법이 도입된 이래, 경제성과 편리성으로 흙막이, 사면 안정 등의 목적으로 그 적용이 확산되고 있다. 쏘일 네일링 공법의 일반적인 시공단계는 비탈면이나 터파기 굴착면을 자립할 수 있는 안정 높이까지 굴착하는 단계, 비탈면 또는 굴착면 지반을 천공하는 단계, 천공된 구멍에 네일을 설치하고 그라우팅을 하는 단계 및 표면 보호를 위해 숏크리트 타설 단계, 다시 굴착, 천공, 네일 삽입 및 그라우팅, 숏크리트 단계가 요구되는 높이가 될 때까지 반복적으로 이루어진다.
상기와 같은 일반적인 쏘일 네일링 공법에서는 네일에 프리텐션이나 그라우팅의 팽창압을 가하지 않고 시공되고 있다. 최근에는 네일에 프리텐션을 가하거나 그라우팅 작업 시 패커를 설치하고 콤프레샤 등의 가압 장치로 압력을 가하여 공법의 효과를 도모하는 방법이 모색되고 있으나, 네일에 프리텐션을 가하기 위해서는 인장력이 풀리지 않도록 하기 위한 전면판 두께가 증가하고 별도의 장치 및 장비와 추가적인 작업이 필요하여 시공성 저하 및 공사비 상승의 요인이 되고 있으며, 그라우팅 작업 시 압력을 주는 경우도 패커나 콤프레샤 등의 별도 장치가 요구되고 있다.
또한, 그라우트재를 지반에 밀착시키기 위해 일반 팽창제를 이용하는 경우가 있으나, 이는 통상적인 혼화재의 일종인 알루미늄 분말을 이용하는 것으로 시멘트의 경화가 일어나기 전에 대부분 팽창 반응을 완료함으로써 그라우트 경화체의 팽창에 기여하기 보다는 지반 내의 국부 취약부나 균열부 등의 약한 개방된 부분으로 밀려나가 그라우팅재와 지반과의 밀착이 어렵게 되며, 이로 인하여 인발저항력 향상에 한계가 있다.
특히, 네일링 시공은 굴착, 천공, 네일 삽입, 그라우팅, 숏크리트 타설 등이 자립할 수 있는 제한된 높이의 굴착면에서 반복적으로 단계적인 시공이 필요한 것이어서 그라우트재가 충분히 힘을 받을 수 있을 정도로 강도가 조기에 발현되어야 다음 단계의 굴착 등의 공사를 할 수 있다. 따라서 주입되는 그라우트재의 조기강도 발현은 공사 시간 단축과 안정성 향상을 위해서 필수적이다.
이상과 같이 기존의 일반적인 쏘일 네일링 공법은 시공성이 저하되고, 그라우팅재와 지반과의 밀착이 어려워 많은 보완점을 필요로 하며, 조기에 요구되어지는 강도 발현에 문제점을 가지고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 강도 및 내구성이 우수하면서 유동성이 우수하여 지반의 취약부, 균열부 등과 같은 심부까지 충전이 가능하고, 현장 적용성, 작업성, 내구성, 부착성 및 방수성이 우수하여 공용기간 증가, 유지보수비용 절감 및 시공성 향상을 구현할 수 있으며, 유동성이 우수하여 시공이 용이하고 빠른 시간 내에 경화되어 시공기간이 단축되고 시공비의 절감효과를 얻을 수 있으며, 굴착면 등의 변위 억제와 인발 저항력을 극대화하여 보강 지반의 안정성을 증대시킬 수 있고, 경화 건조 시 발생하는 건조 수축을 보상시킬 수 있는 효과가 있으며, pH가 낮아 환경 친화적인 그라우트 조성물 및 이를 이용한 그라우팅 시공방법을 제공함에 있다.
본 발명은, 무기계 결합재 10∼60중량%, 잔골재 10∼60중량%, 폴리머계 혼화제 0.01∼20중량% 및 물 1∼30중량%를 포함하며, 상기 폴리머계 혼화제는 스티렌-부타디엔 수지 75∼99중량%, 부틸렌-메타크릴레이트 수지 0.1∼10중량%, 말레인아미드 0.1∼10중량%, 아크릴니트릴 0.1∼10중량% 및 페놀 수지 0.01∼5중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 그라우트 조성물을 제공한다.
상기 폴리머계 혼화제는 메틸셀롤로오스, 폴리비닐메틸에테르, 폴리비닐알코올 및 폴리비닐아민 중에서 선택된 1종 이상의 물질 0.001∼5중량%를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 폴리머계 혼화제는 폴리카보네이트 수지 0.001∼5중량%를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 폴리머계 혼화제는 폴리카본산계 유동화제, 나프탈렌계 유동화제, 폴리에틸렌옥사이드, 우레탄 및 폴리카본산 중에서 선택된 1종 이상의 물질 0.001∼3중량%를 더 포함할 수 있다.
상기 무기계 결합재는 보통 포틀랜드 시멘트 20∼90중량%, 마그네슘설포알루미네이트 5∼50중량%, 알루미나 시멘트 0.1∼20중량%, 알루민산 칼슘 0.1∼20중량%, 고로슬래그 0.1∼20중량%, 플라이애쉬 0.1∼20중량%, 그라스버블 0.1∼20중량%, 석고 0.1∼10중량%, 생석회 0.1∼10중량%, 황산마그네슘 0.01∼5중량% 및 탄산나트륨 0.01∼5중량%를 포함할 수 있다.
상기 무기계 결합재는 길이(L) 대 직경(D)의 비(L/D)가 20∼150의 범위를 갖고 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌 중에서 선택된 1종 이상의 물질로 이루어진 매크로 섬유 0.01∼3중량%를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 무기계 결합재는 알루미늄 분말 0.01∼5중량%를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 무기계 결합재는 메틸셀롤로오스, 스타치 및 검(Gum)중에서 선택된 1종 이상의 물질 0.001∼6중량%를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 무기계 결합재는 폴리카본산, 나프탈렌, 멜라민 및 리그닌 중에서 선택된 1종 이상의 물질 0.001∼5중량%를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은, 지반 보강을 위해 시공하려는 지반을 천공장비를 이용하여 천공하는 단계와, 상기 천공에 의해 형성된 구멍 내의 슬라임(slime)을 에어(air)를 이용하여 처리하여 상기 지반에 복수의 천공구멍을 형성하는 단계와, 상기 천공구멍 내부에 지반을 안정시키기 위하여 케이블볼트, 록볼트, 앵커 또는 네일을 설치하는 단계 및 상기 천공구멍에 상기 그라우트 조성물을 주입하여 양생하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 그라우팅 시공방법을 제공한다.
본 발명에 의한 그라우트 조성물은 현장 적용성, 작업성, 내구성, 부착성 및 방수성이 우수하여 공용기간 증가, 유지보수비용 절감 및 시공성 향상을 구현할 수 있다.
또한, 본 발명의 그라우트 조성물은 유동성이 우수하여 시공이 용이하고, 빠른 시간 내에 경화되어 시공기간이 단축되고 시공비의 절감효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 그라우트 조성물은, 굴착면 등의 변위 억제와 인발 저항력을 극대화하여 보강 지반의 안정성을 증대시킬 수 있고, 경화 건조 시 발생하는 건조 수축을 보상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 그라우트 조성물은 기존의 그라우트 팽창제와는 달리 경화 후에도 일정 기간 동안 지속적인 팽창이 이루어져 지반과의 밀착을 증진시키는 동시에 조기에 고강도 발현으로 안정성 증가 및 공사기간 단축 등의 장점을 가지고 있다.
또한, 본 발명의 그라우트 조성물은 기존 시멘트 그라우팅재나 일반 팽창제에 비해 pH가 낮아 환경 친화적인 장점도 가지고 있다.
또한, 본 발명의 그라우트 조성물은 강도 및 내구성이 우수하면서 유동성이 우수하여 지반의 취약부, 균열부 등과 같은 심부까지 충전이 가능하다.
본 발명의 그라우팅 시공방법에 의하면, 지반 보강을 위해 시공하려는 사면(또는 법면, 비탈면), 터파기 굴착면, 터널, 공동구, 연약지반 등의 지반을 신속하게 보강할 수 있으므로 침식이나 토사의 유실 등을 방지할 수 있다.
본 발명의 그라우팅 시공방법에 의하면, 작업시간(가사시간)을 조절할 수 있어 연약지반의 형태에 구애받지 않을 수 있고, 그라우팅 시공 시 많은 인력이 동원되지 않으면서 지반을 보강하거나, 차수벽이나 보강체 등의 구조물을 균일하고 효율적으로 형성할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 그라우트 조성물은 무기계 결합재, 잔골재, 폴리머계 혼화제 및 물을 포함한다. 상기 그라우트 조성물은 무기계 결합재 10∼60중량%, 잔골재 10∼60중량%, 폴리머계 혼화제 0.01∼20중량% 및 물 1∼30중량%를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 잔골재는 상기 그라우트 조성물에 10∼60중량% 함유되는 것이 바람직하다. 골재는 잔골재와 굵은골재로 구분되며, 이하에서 입경이 5mm 이하인 것을 잔골재라 한다. 상기 잔골재는 4호규사와 7호규사를 0.05∼0.4 : 0.6∼0.95의 중량비로 혼입한 규사를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 무기계 결합재는 상기 그라우트 조성물에 10∼60중량% 함유되는 것이 바람직하다. 상기 무기계 결합재는 보통 포틀랜드 시멘트, 마그네슘설포알루미네이트, 알루미나 시멘트, 알루민산 칼슘, 고로슬래그, 플라이애쉬, 그라스버블, 석고, 생석회, 황산마그네슘 및 탄산나트륨을 포함할 수 있다. 상기 무기계 결합재는 보통 포틀랜드 시멘트 20∼90중량%, 마그네슘설포알루미네이트 5∼50중량%, 알루미나 시멘트 0.1∼20중량%, 알루민산 칼슘 0.1∼20중량%, 고로슬래그 0.1∼20중량%, 플라이애쉬 0.1∼20중량%, 그라스버블 0.1∼20중량%, 석고 0.1∼10중량%, 생석회 0.1∼10중량%, 황산마그네슘 0.01∼5중량% 및 탄산나트륨 0.01∼5중량%를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 보통 포틀랜드 시멘트는 KS에 규정된 것을 사용하는 것이 바람직하며, 일반 시중에 유통되는 보통 포틀랜드 시멘트를 사용할 수 있다. 상기 보통 포틀랜드 시멘트는 상기 무기계 결합재에 20∼90중량%를 함유되는 것이 바람직하다.
상기 마그네슘설포알루미네이트는 무기질계 초속경 재료로서 물과 접촉할 때 순식간에 물과 반응하여 에트린자이트(Ettringite) 수화물을 생성함으로써, 시멘트와 혼합할 때 수일 혹은 수 십일에 얻어지는 일반 포틀랜드 시멘트의 압축강도를 수 시간 내에 얻을 수 있게 한다. 상기 마그네슘설포알루미네이트는 상기 무기계 결합재에 5∼50중량%를 함유되는 것이 바람직하다. 상기 마그네슘설포알루미네이트의 함량이 5중량% 미만이면 충분한 초기강도 발현을 기대하기 어려우며, 50중량%를 초과하면 초기강도 발현은 우수하나 작업성 및 경제성이 저하될 수 있다.
상기 알루미나 시멘트는 무기질계 초속경 재료로서 시멘트와 혼합할 때 수일 혹은 수 십일에 얻어지는 일반 포틀랜드 시멘트의 압축강도를 수 시간 내에 얻을 수 있게 한다. 상기 알루미나 시멘트는 상기 무기계 결합재에 0.1∼20중량% 함유되는 것이 바람직하다. 상기 알루미나 시멘트의 함량이 0.1중량% 미만이면 초기강도 발현 및 내구성능 발현이 미약할 수 있고, 20중량%를 초과하면 작업성 및 가격경쟁력이 저하될 수 있다.
상기 알루민산 칼슘은 석고와 혼합하여 물과 혼합되면 반응하여 에트린자이트를 생성하여 시멘트와 혼합할 때 팽창성을 띠게 되어 건조수축을 방지하기 위하여 사용한다. 상기 알루민산 칼슘은 상기 무기계 결합재에 0.1∼20중량%를 함유하는 것이 바람직하다. 상기 알루민산 칼슘의 함량이 0.1중량% 미만이면 충분한 초기 강도 발현 및 수축저감 효과를 기대하기 어려우며, 20중량%를 초과하면 수축저감효과는 우수하나 작업성이 저하될 수 있다.
상기 고로슬래그 및 플라이애쉬는 잠재수경성 및 포졸란반응의 무기질계 미분말로 시멘트 경화체의 장기강도를 증진시키며 시멘트 경화체의 수화조직을 치밀하게 하여 화학저항성과 내구성을 증대시키는 역할을 한다. 상기 고로슬래그 및 플라이애쉬는 상기 무기계 결합재에 각각 0.1∼20중량% 함유되는 것이 바람직하다. 상기 고로슬래그 및 플라이애쉬의 전체 함량이 0.2중량% 미만이면 장기강도 발현 및 내구성 개선 효과가 미약할 수 있고, 40중량%를 초과하면 초기강도 발현이 지연될 수 있다.
그라스버블은 내부가 비어있는 유리질 재료로서, 싱글 캐비티 오리피스 노즐(single cavity orifice nozzle) 등을 이용하여 가운데 구멍(Hole)으로 공기를 불어 넣어 제조할 수 있다. 이러한 그라스버블은 상업적으로 판매되고 있는 것을 사용할 수 있다. 상기 그라스버블은 그라우트 조성물의 충전성을 개선하기 위하여 사용한다. 상기 그라스버블은 상기 무기계 결합재에 0.1∼20중량% 함유되는 것이 바람직하다. 상기 그라스버블의 함량이 0.1중량% 미만이면 충전성 개선 효과가 미약할 수 있고, 20중량%를 초과하면 초기강도 발현이 지연될 수 있고 작업성이 저하될 수 있다.
상기 석고는 초기강도 발현을 위하여 사용한다. 석고는 무수석고 또는 이수석고를 사용할 수 있다. 석고의 함량이 증가하면 빠른 경화특성을 나타낸다. 상기 석고는 상기 무기계 결합재에 0.1∼10중량% 함유되는 것이 바람직하다. 상기 석고의 함량이 0.1중량% 미만이면 초기강도 발현 효과가 미약할 수 있고, 10중량%를 초과하면 작업성 및 내수성이 저하될 수 있다.
상기 생석회는 그라우트 조성물의 팽창 효과를 얻기 위하여 사용한다. 상기 생석회는 상기 무기계 결합재에 0.1∼10중량% 함유되는 것이 바람직하다. 상기 생석회의 함량이 0.1중량% 미만이면 팽창 효과가 미약할 수 있고, 10중량%를 초과하면 작업성 및 내수성이 저하될 수 있다.
상기 황산마그네슘 및 탄산나트륨은 그라우트 조성물의 반응을 촉진하기 위하여 사용한다. 상기 황산마그네슘 및 탄산나트륨은 상기 무기계 결합재에 각각 0.01∼5중량% 함유되는 것이 바람직하다. 상기 황산마그네슘 및 탄산나트륨의 전체 함량이 0.02중량% 미만이면 반응 촉진 효과가 미약할 수 있고, 10중량%를 초과하면 반응이 빨라져 작업성이 저하될 수 있다.
상기 무기계 결합재는 매크로 섬유를 더 포함할 수 있다. 상기 매크로 섬유는 그라우트 조성물의 휨강도, 인장강도 및 파괴인성을 개선하기 위하여 사용한다. 상기 매크로 섬유는 길이(length; L) 대 직경(Diameter; D)의 비(L/D)가 20∼150의 범위를 갖는 것이 바람직하며, 예컨대 상기 매크로 섬유는 0.001 내지 1.0 mm의 직경을 가질 수 있다. 상기 매크로 섬유는 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌 중에서 선택된 1종 이상의 물질로 이루어진 것이 바람직하다. 상기 매크로 섬유는 상기 무기계 결합재에 0.01∼3중량% 함유되는 것이 바람직하다. 상기 매크로 섬유의 함량이 0.01중량% 미만이면 강도 발현 효과 및 파괴인성 개선 효과가 미약할 수 있고, 3중량%를 초과하면 작업성 및 내수성이 저하될 수 있다.
상기 무기계 결합재는 알루미늄 분말을 더 포함할 수 있다. 상기 알루미늄 분말은 시멘트에 의해 수축되는 것을 억제하는 역할을 한다. 상기 알루미늄 분말은 상기 무기계 결합재에 0.01∼5중량% 함유되는 것이 바람직하다. 상기 알루미늄 분말의 함량이 0.01중량% 미만이면 시멘트에 의한 수축을 억제하는 효과가 미약할 수 있고, 5중량%를 초과하면 작업성이 저하될 수 있다.
또한, 상기 무기계 결합재는 메틸셀롤로오스, 스타치 및 검(Gum)중에서 선택된 1종 이상의 물질을 더 포함할 수 있다. 상기 메틸셀롤로오스, 스타치 및 검(Gum)중에서 선택된 1종 이상의 물질은 그라우트 조성물의 재료분리 방지와 작업성을 개선하기 위하여 사용하며, 상기 무기계 결합재에 0.001∼6중량% 함유되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 무기계 결합재는 폴리카본산, 나프탈렌, 멜라민 및 리그닌 중에서 선택된 1종 이상의 물질을 더 포함할 수 있다. 상기 폴리카본산, 나프탈렌, 멜라민 및 리그닌 중에서 선택된 1종 이상의 물질은 시멘트 경화체의 내부 조직을 치밀하게 하여 수밀성 및 동결융해 저항성을 개선시키고 내구성을 증진시킨다. 또한 굳지 않은 시멘트 모르타르에 점성과 유동성을 동시에 부가하여 공극에 침투를 용이하게 한다. 상기 폴리카본산, 나프탈렌, 멜라민 및 리그닌 중에서 선택된 1종 이상의 물질은 상기 무기계 결합재에 0.001∼5중량% 함유되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 무기계 결합재는 감수제를 더 포함할 수 있다. 상기 감수제는 그라우트 조성물의 물-시멘트비를 감소시켜 강도 및 내구성을 개선하기 위하여 사용할 수 있다. 감수제의 종류에는, 폴리칼본산계, 멜라민계, 나프탈렌계 등이 있는데, 멜라민계 또는 나프탈렌계 감수제는 폴리카본산계 감수제에 비하여 강도 및 내구성의 개선 효과가 미약하고, 물-시멘트비의 저감 효과가 크지 않으며, 폴리머계 혼화제와의 혼화성이 나쁘다는 단점이 있다. 따라서, 본 발명의 그라우트 조성물에는 폴리카본산계 감수제를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 감수제는 상기 무기계 결합재에 0.01∼5중량% 함유되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 무기계 결합재는 지연제를 더 포함할 수 있다.상기 지연제는 일정 시간 동안 작업성을 확보하기 위해 급격하게 경화되는 것을 지연하기 위하여 사용되는 것으로서, 상기 무기계 결합재에 0.001∼4중량%를 함유되는 것이 바람직하다. 지연제로는 일반적으로 잘 알려진 물질을 사용할 수 있는데, 예컨대 포도당, 글루코오스, 텍스트린, 덱스트란과 같은 당류, 글루콘산, 사과산, 구연산, 시트릭산(citric acid)과 같은 산류 또는 그의 염, 아미노카복실산 또는 그의 염, 포스폰산 또는 그의 유도체, 글리세린과 같은 다가알코올 등을 사용할 수 있다.
상기 폴리머계 혼화제는 시멘트 모르타르 경화체에 분산되면서 시멘트 모르타르 경화체의 내부에 필름을 형성하여 휨, 인장 및 부착강도를 향상시키고 보수성을 개선하여 중성화, 염화물 이온 침투, 동결융해 등의 내구성을 향상시킬 수 있으며, 자기 평탄성(셀프 레벨링)을 갖게 하고 방수성을 부여하는 역할을 한다. 상기 폴리머계 혼화제는 상기 그라우트 조성물에 0.01∼20중량% 함유되는 것이 바람직하다.
상기 폴리머계 혼화제는 스티렌-부타디엔 수지, 부틸렌-메타크릴레이트 수지, 말레인아미드, 아크릴니트릴 및 페놀 수지를 포함한다. 상기 폴리머계 혼화제는 스티렌-부타디엔 수지 75∼99중량%, 부틸렌-메타크릴레이트 수지 0.1∼10중량%, 말레인아미드 0.1∼10중량%, 아크릴니트릴 0.1∼10중량% 및 페놀 수지 0.01∼5중량%를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 스티렌-부타디엔 수지는 상기 그라우트 조성물 내부에 폴리머 필름을 형성하여 휨, 인장 및 부착강도를 증진시킬 뿐만 아니라 폴리머 필름막으로 인하여 내구성을 개선시킨다. 상기 스티렌-부타디엔 수지는 상기 폴리머계 혼화제에 75∼99중량% 함유되는 것이 바람직하다. 상기 스티렌-부타디엔 수지의 함량이 75중량% 미만이면 강도 및 내구성 개선 효과가 미약할 수 있고, 99중량%를 초과하면 강도 및 내구성 개선 효과는 뚜렷하나 경제성이 떨어질 수 있다.
상기 부틸렌-메타크릴레이트 수지는 연성 및 분산성을 향상시키기 위하여 사용한다. 상기 부틸렌-메타크릴레이트 수지는 상기 폴리머계 혼화제에 0.1∼10중량% 함유되는 것이 바람직하다. 상기 부틸렌-메타크릴레이트 수지의 함량이 0.1중량% 미만이면 연성 및 분산성 향상 효과가 미약할 수 있고, 10중량%를 초과하면 연성이 개선되나 재료분리 현상이 발생되기 쉽다.
상기 말레인아미드는 경화된 후의 접착강도가 매우 우수하며, 시멘트의 강도를 높여줌으로써 접착 후의 탈착을 방지하는 역할을 한다. 상기 말레인아미드는 상기 폴리머계 혼화제에 0.1∼10중량% 함유되는 것이 바람직하다. 상기 말레인아미드의 함량이 0.1중량% 미만이면 접착강도 개선 효과가 미약할 수 있고, 10중량%를 초과하면 점도가 높아져 작업성이 저하될 수 있다.
상기 아크릴니트릴은 그라우트 조성물의 내구성 및 내알칼리성을 개선하기 위하여 사용한다. 상기 아크릴니트릴은 상기 폴리머계 혼화제에 0.1∼10중량% 함유되는 것이 바람직하다. 상기 아크릴니트릴의 함량이 0.1중량% 미만이면 내구성 및 내알칼리성 개선 효과가 미약할 수 있고, 10중량%를 초과하면 점도가 낮아져 재료분리 현상이 발생되기 쉽다.
상기 페놀 수지는 표면경도와 내수성을 개선하기 위하여 사용한다. 상기 페놀 수지는 상기 폴리머계 혼화제에 0.01∼5중량% 함유되는 것이 바람직하다. 상기 페놀 수지의 함량이 0.1중량% 미만이면 표면경도 및 내수성 개선 효과가 미약할 수 있고, 5중량%를 초과하면 점도가 높아져 작업성이 저하된다.
상기 폴리머계 혼화제는 재료분리 방지를 위하여 메틸셀롤로오스, 폴리비닐메틸에테르, 폴리비닐알코올 및 폴리비닐아민 중에서 선택된 1종 이상의 물질을 더 포함할 수 있으며, 상기 메틸셀롤로오스, 폴리비닐메틸에테르, 폴리비닐알코올 및 폴리비닐아민 중에서 선택된 1종 이상의 물질은 상기 폴리머계 혼화제에 0.001∼5중량% 함유되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 폴리머계 혼화제는 내수성 및 내마모성을 개선하기 위하여 폴리카보네이트 수지를 더 포함할 수 있으며, 상기 폴리카보네이트 수지는 상기 폴리머계 혼화제에 0.001∼5중량% 함유되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 폴리머계 혼화제는 셀프 레벨링을 개선하기 위하여 폴리카본산계 유동화제, 나프탈렌계 유동화제, 폴리에틸렌옥사이드, 우레탄 및 폴리카본산 중에서 선택된 1종 이상의 물질을 더 포함할 수 있으며, 상기 폴리카본산계 유동화제, 나프탈렌계 유동화제, 폴리에틸렌옥사이드, 우레탄 및 폴리카본산 중에서 선택된 1종 이상의 물질은 상기 폴리머계 혼화제에 0.001∼3중량% 함유되는 것이 바람직하다.
상기 폴리머계 혼화제는 소포제를 더 포함할 수 있고, 상기 소포제는 상기 폴리머계 혼화제에 0.01∼5중량% 함유되는 것이 바람직하다. 상기 소포제는 폴리에테르계, 실리콘계, 에틸알콜계 및 에틸렌 글리콜계 중에서 선택된 1종 이상의 물질로 이루어질 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 그라우트 조성물은 폴리머계 혼화제, 무기계 결합재, 잔골재 및 물을 혼합하여 제조할 수 있으며, 이때 상기 무기계 결합재는 상기 그라우트 조성물에 10∼60중량% 함유되고, 상기 잔골재는 상기 그라우트 조성물에 10∼60중량% 함유되며, 상기 폴리머계 혼화제는 상기 그라우트 조성물에 0.01∼20중량% 함유되고, 상기 물은 상기 그라우트 조성물에 1∼30중량% 함유되는 것이 바람직하다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 그라우트 조성물을 이용한 그라우팅 시공방법은, 지반 보강을 위해 시공하려는 사면(또는 법면, 비탈면), 터파기 굴착면, 터널, 공동구, 연약지반 등의 지반을 안정시킬 수 있는 심도까지 천공장비를 이용하여 천공하는 단계와, 상기 천공에 의해 형성된 구멍 내의 슬라임(slime)을 에어(air)를 이용하여 처리하여 상기 지반에 복수의 천공구멍을 형성하는 단계와, 상기 천공구멍 내부에 지반을 안정시키기 위하여 케이블볼트(cable bolt), 록볼트, 앵커, 네일 등의 장치를 설치하는 단계와, 상기 천공구멍에 상기 그라우트 조성물을 유압 또는 무압으로 주입하여 양생하는 단계를 포함한다.
상기 그라우팅 시공방법은, 상기 그라우트 조성물을 주입하여 양생하는 단계 후에는 필요에 따라 케이블볼트, 록볼트, 앵커, 네일 등의 장치를 인장하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이하에서, 본 발명에 따른 그라우트 조성물의 실시예들을 더욱 구체적으로 제시하며, 다음에 제시하는 실시예들에 의하여 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
무기계 결합재 35중량%, 잔골재 35중량% 및 폴리머계 혼화제 5중량%를 강제믹서에 투입하여 교반하고, 물 25중량%를 더 혼합한 후 다시 2분간 교반하여 그라우트 조성물을 제조하였다.
이때, 상기 무기계 결합재는, 보통 포틀랜드 시멘트 40중량%, 마그네슘설포알루미네이트 15중량%, 알루미나 시멘트 10중량%, 알루민산 칼슘 5중량%, 고로슬래그 6중량%, 플라이애쉬 6중량%, 그라스버블 5중량%, 석고 5중량%, 생석회 5중량%, 황산마그네슘 0.5중량%, 탄산나트륨 0.5중량%, 알루미늄 분말 0.5중량%, 지연제 0.5중량%, 감수제 0.5중량% 및 스타치 0.5중량%를 혼합하여 사용하였다. 상기 감수제로는 폴리카본산계 감수제를 사용하였고, 상기 지연제로는 구연산을 사용하였다.
상기 폴리머계 혼화제는 스티렌-부타디엔 수지 95중량%, 부틸렌-메타크릴레이트 수지 1중량%, 말레인아미드 1중량%, 아크릴니트릴 1중량%, 페놀 수지 1중량%, 실리콘계 소포제 0.5중량% 및 셀프 레벨링 개선을 위한 폴리카본산계 유동화제 0.5중량%를 혼합하여 사용하였다.
<실시예 2>
무기계 결합재 35중량%, 잔골재 35중량% 및 폴리머계 혼화제 5중량%를 강제믹서에 투입하여 교반하고, 물 25중량%를 더 혼합한 후 다시 2분간 교반하여 그라우트 조성물을 제조하였다.
이때, 상기 무기계 결합재는, 보통 포틀랜드 시멘트 40중량%, 마그네슘설포알루미네이트 15중량%, 알루미나 시멘트 10중량%, 알루민산 칼슘 5중량%, 고로슬래그 6중량%, 플라이애쉬 6중량%, 그라스버블 5중량%, 석고 5중량%, 생석회 5중량%, 황산마그네슘 0.5중량%, 탄산나트륨 0.5중량%, 알루미늄 분말 0.5중량%, 지연제 0.5중량%, 감수제 0.5중량% 및 스타치 0.5중량%를 혼합하여 사용하였다. 상기 감수제로는 폴리카본산계 감수제를 사용하였고, 상기 지연제로는 구연산을 사용하였다.
상기 폴리머계 혼화제는 스티렌-부타디엔 수지 90중량%, 부틸렌-메타크릴레이트 수지 3중량%, 말레인아미드 2중량%, 아크릴니트릴 2중량%, 페놀 수지 2중량%, 실리콘계 소포제 0.5중량% 및 셀프 레벨링 개선을 위한 폴리카본산계 유동화제 0.5중량%를 혼합하여 사용하였다.
<실시예 3>
무기계 결합재 35중량%, 잔골재 35중량% 및 폴리머계 혼화제 5중량%를 강제믹서에 투입하여 교반하고, 물 25중량%를 더 혼합한 후 다시 2분간 교반하여 그라우트 조성물을 제조하였다.
이때, 상기 무기계 결합재는, 보통 포틀랜드 시멘트 40중량%, 마그네슘설포알루미네이트 15중량%, 알루미나 시멘트 10중량%, 알루민산 칼슘 5중량%, 고로슬래그 6중량%, 플라이애쉬 6중량%, 그라스버블 5중량%, 석고 5중량%, 생석회 5중량%, 황산마그네슘 0.5중량%, 탄산나트륨 0.5중량%, 알루미늄 분말 0.5중량%, 지연제 0.5중량%, 감수제 0.5중량% 및 스타치 0.5중량%를 혼합하여 사용하였다. 상기 감수제로는 폴리카본산계 감수제를 사용하였고, 상기 지연제로는 구연산을 사용하였다.
상기 폴리머계 혼화제는 스티렌-부타디엔 수지 85중량%, 부틸렌-메타크릴레이트 수지 5중량%, 말레인아미드 3중량%, 아크릴니트릴 3중량%, 페놀 수지 3중량%, 실리콘계 소포제 0.5중량% 및 셀프 레벨링 개선을 위한 폴리카본산계 유동화제 0.5중량%를 혼합하여 사용하였다.
상술한 실시예 1 내지 실시예 3에 따라 제조된 그라우트 조성물의 물성과 비교하기 위하여, 현재 일반적으로 널리 사용되고 있는 시멘트 모르타르 조성물을 비교예 1 및 비교예 2로서 제시한다.
<비교예 1>
보통 포틀랜드 시멘트 35중량%와 잔골재 35중량%를 강제믹서에 투입하여 교반하고, 물 30중량%를 더 혼합한 후 다시 2분간 교반하여 시멘트 모르타르 조성물을 제조하였다.
<비교예 2>
초속경 시멘트 35중량%, 잔골재 35중량% 및 스티렌-부타디엔 수지 5중량%를 강제믹서에 투입하여 교반하고, 물 25중량%를 더 혼합한 후 다시 2분간 교반하여 폴리머 시멘트 모르타르 조성물을 제조하였다.
<시험예 1> 시험용 공시체의 제작
상기 실시예 1 내지 실시예 3 및 비교예 1 내지 비교예 2에서 제시한 배합에 따라 KS F 2476(실험실에서 폴리머 시멘트 모르타르를 만드는 방법에 의하여 제조하고, 치수 4×4×6㎝(압축, 휨강도 시험용, 건조수축 시험용, 염화물 이온 침투 깊이 시험용 및 흡수율 시험용), 4×4×1㎝(접착강도 시험용) 몰드를 사용하여 시험체를 제작하였으며, 양생방법은 현장상황을 고려하여 기건양생을 실시하여 공시체를 각각 제작하였다.
<시험예 2> 강도시험
실시예 1 내지 실시예 3에 따라 제조된 조성물과 비교예 1 내지 비교예 2에 따라 제조된 조성물의 물리적 특성을 비교하기 위하여, 상기 시험예 1에서 제조한 각 공시체를 대상으로 KS F 2477(폴리머 시멘트 모르타르의 강도 시험방법), KS F 4916(시멘트 혼화용 폴리머)에 의한 압축강도, 휨강도, 접착강도 시험을 수행하였고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
구분 강도(kgf/㎠)
압축 휨 접착
4시간 1일 7일 4시간 1일 7일 4시간 1일 7일
실시예 1 215 328 388 60 71 95 16 18 21
실시예 2 229 339 395 65 77 97 17 20 23
실시예 3 235 347 402 69 84 102 18 20 34
비교예 1 - 210 249 - 31 52 - 11 15
비교예 2 205 309 362 55 65 90 14 19 22
상기 표 1에 나타난 바와 같이, 실시예 1 내지 실시예 3에 따라 제조된 조성물은 비교예 1 및 비교예 2에 따라 제조된 조성물과 비교하여 초기 압축강도 발현이 우수함을 알 수 있어 교통이 혼잡한 지역에 타설시 타설 후 수 시간 안에 교통개방이 가능함을 알 수 있으며, 실시예 1 내지 실시예 3에 따라 제조된 조성물은 폴리머계 혼화제를 사용한 경우로서 비교예 1 및 비교예 2에 따라 제조된 조성물에 비해 휨강도 및 접착강도가 매우 우수함을 알 수 있었다.
<시험예 3> 건조수축율 측정
상기 시험예 1에서와 같은 공시체를 제작 한 후 KS F 2424(모르타르 및 콘크리트의 길이변화 시험방법)에 의하여 건조수축율을 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
구분 실시예 1 실시예 2 실시예 3 비교예 1 비교예 2
길이변화(%) 0.04 0.03 0.03 0.14 0.08
상기 표 2에 나타난 바와 같이, 실시예 1 내지 실시예 3에 따라 제조된 조성물은 비교예 1 및 비교예 2에 따라 제조된 조성물과 비교하여 건조수축이 매우 낮은 것을 알 수 있었다. 이로부터 실시예 1 내지 실시예 3에 따라 제조된 조성물이 비교예 1 및 비교예 2에 따라 제조된 조성물과 비교하여 시공 후 수축에 대한 저항성이 크고 균열 방지 효과가 탁월한 것을 알 수 있었다.
<시험예 4> 슬럼프-플로우 측정
실시예 1 내지 실시예 3에 따라 제조된 조성물과 비교예 1 내지 비교예 2에 따라 제조된 조성물의 작업성을 비교하여 아래의 표 3에 나타내었다.
구분 실시예 1 실시예 2 실시예 3 비교예 1 비교예 2
슬럼프 플로우(㎝) 278 285 298 221 242
상기 표 3에 나타난 바와 같이, 실시예 1 내지 실시예 3에 따라 제조된 조성물은 비교예 1 및 비교예 2에 따라 제조된 조성물과 비교하여 블리딩 및 재료분리 발생 없이 슬럼프-플로우 값이 높았다. 실시예 1 내지 실시예 3에 따라 제조된 조성물이 유동성으로 작업성이 우수함을 확인하였다.
<시험예 5> 염화물 이온 침투 깊이
실시예 1 내지 실시예 3에 따라 제조된 조성물과 비교예 1 내지 비교예 2에 따라 제조된 조성물의 염화물 이온 침투 깊이를 비교하기 위하여, 상기 시험예 1에서 제조한 각 공시체를 대상으로 JIS A 6203(시멘트 혼화용 폴리머 디스퍼젼 및 재유화형 분말 수지)에 의한 시험을 수행하였고, 그 결과를 하기 표 4에 나타내었다.
구분 실시예 1 실시예 2 실시예 3 비교예 1 비교예 2
염화물 이온침투 깊이(mm) 0.4 0.3 0.2 2.9 0.8
상기 표 4에 나타난 바와 같이, 실시예 1 내지 실시예 3에 따라 제조된 조성물은 비교예 1 및 비교예 2에 따라 제조된 조성물과 비교하여 염화물 이온 침투 깊이가 적게 나타나 염해에 대한 저항성이 높음을 확인할 수 있었다.
<시험예 6> 흡수율
실시예 1 내지 실시예 3에 따라 제조된 조성물과 비교예 1 및 비교예 2에 따라 제조된 조성물의 흡수율을 비교하기 위하여, 상기 시험예 1에서 제조한 각 공시체를 대상으로 KS F 4916(시멘트 혼화용 폴리머)에 의하여 흡수율을 측정하였고, 그 결과를 하기 표 5에 나타내었다.
구분 실시예 1 실시예 2 실시예 3 비교예 1 비교예 2
흡수율(%) 0.6 0.5 0.4 0.3 0.8
상기 표 5에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 3에 따라 제조된 조성물은 비교예 1 및 비교예 2에 따라 제조된 조성물과 비교하여 흡수율이 매우 낮게 나타났다. 이는 폴리머계 혼화제의 영향으로 물의 침투가 낮은 것으로 내수성이 우수한 성능을 발휘함을 알 수 있었다.
<시험예 7>
실시예 1 내지 실시예 3에 따라 제조된 조성물과 비교예 1 및 비교예 2에 따라 제조된 조성물을 JIS A 1171(폴리머 시멘트 모르타르의 시험방법)에 의한 중성화 깊이 시험을 수행하였고, 그 결과를 표 6에 나타내었다.
구분 실시예 1 실시예 2 실시예 3 비교예 1 비교예 2
중성화 깊이(mm) 0.4 0.3 0.2 1.2 0.6
위의 표 6에서와 같이, 실시예 1 내지 실시예 3에 따라 제조된 조성물이 비교예 1 및 비교예 2에 따라 제조된 조성물에 비하여 중성화 깊이가 적게 나타나 중성화에 대한 저항성이 높음을 확인할 수 있었다.
<시험예 8>
실시예 1 내지 실시예 3에 따라 제조된 조성물과 비교예 1 및 비교예 2에 의하여 제조된 조성물을 KS F 2456에 규정한 방법에 따라 동결융해 저항성 시험을 실시하였다. 동결융해는 콘크리트에 흡수된 수분이 결빙되고 녹는 것을 말하는 것으로, 동결융해가 반복되면 콘크리트 조직에 미세한 균열이 발생하게 되어 내구성이 저하되는 문제가 발생하게 된다.
표 7은 동결융해 저항성 시험에 따른 각각의 실시예들 및 비교예들의 내구성 지수를 표시한 것이다.
구분 실시예 1 실시예 2 실시예 3 비교예 1 비교예 2
내구성 지수 90 91 92 56 88
위의 표 7에서와 같이, 실시예 1 내지 실시예 3에 따라 제조된 조성물이 비교예 1 및 비교예 2에 따라 제조된 조성물에 비하여 내구성 지수가 월등히 높으므로, 내구성이 향상된 것을 알 수 있다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

Claims (10)

  1. 무기계 결합재 10∼60중량%, 잔골재 10∼60중량%, 폴리머계 혼화제 0.01∼20중량% 및 물 1∼30중량%를 포함하며,
    상기 폴리머계 혼화제는 스티렌-부타디엔 수지 75∼99중량%, 부틸렌-메타크릴레이트 수지 0.1∼10중량%, 말레인아미드 0.1∼10중량%, 아크릴니트릴 0.1∼10중량% 및 페놀 수지 0.01∼5중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 그라우트 조성물.
  2. 제1항에 있어서, 상기 폴리머계 혼화제는 메틸셀롤로오스, 폴리비닐메틸에테르, 폴리비닐알코올 및 폴리비닐아민 중에서 선택된 1종 이상의 물질 0.001∼5중량%를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 그라우트 조성물.
  3. 제1항에 있어서, 상기 폴리머계 혼화제는 폴리카보네이트 수지 0.001∼5중량%를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 그라우트 조성물.
  4. 제1항에 있어서, 상기 폴리머계 혼화제는 폴리카본산계 유동화제, 나프탈렌계 유동화제, 폴리에틸렌옥사이드, 우레탄 및 폴리카본산 중에서 선택된 1종 이상의 물질 0.001∼3중량%를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 그라우트 조성물.
  5. 제1항에 있어서, 상기 무기계 결합재는 보통 포틀랜드 시멘트 20∼90중량%, 마그네슘설포알루미네이트 5∼50중량%, 알루미나 시멘트 0.1∼20중량%, 알루민산 칼슘 0.1∼20중량%, 고로슬래그 0.1∼20중량%, 플라이애쉬 0.1∼20중량%, 그라스버블 0.1∼20중량%, 석고 0.1∼10중량%, 생석회 0.1∼10중량%, 황산마그네슘 0.01∼5중량% 및 탄산나트륨 0.01∼5중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 그라우트 조성물.
  6. 제5항에 있어서, 상기 무기계 결합재는 길이(L) 대 직경(D)의 비(L/D)가 20∼150의 범위를 갖고 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌 중에서 선택된 1종 이상의 물질로 이루어진 매크로 섬유 0.01∼3중량%를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 그라우트 조성물.
  7. 제5항에 있어서, 상기 무기계 결합재는 알루미늄 분말 0.01∼5중량%를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 그라우트 조성물.
  8. 제5항에 있어서, 상기 무기계 결합재는 메틸셀롤로오스, 스타치 및 검(Gum)중에서 선택된 1종 이상의 물질 0.001∼6중량%를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 그라우트 조성물.
  9. 제5항에 있어서, 상기 무기계 결합재는 폴리카본산, 나프탈렌, 멜라민 및 리그닌 중에서 선택된 1종 이상의 물질 0.001∼5중량%를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 그라우트 조성물.
  10. 지반 보강을 위해 시공하려는 지반을 천공장비를 이용하여 천공하는 단계;
    상기 천공에 의해 형성된 구멍 내의 슬라임(slime)을 에어(air)를 이용하여 처리하여 상기 지반에 복수의 천공구멍을 형성하는 단계;
    상기 천공구멍 내부에 지반을 안정시키기 위하여 케이블볼트, 록볼트, 앵커 또는 네일을 설치하는 단계; 및
    상기 천공구멍에 제1항에 기재된 그라우트 조성물을 주입하여 양생하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 그라우팅 시공방법.
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