KR101359036B1 - 가소상 그라우트 주입용 조성물 및 이를 이용한 가소상 그라우트 공법 - 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

가소상 그라우트 주입용 조성물 및 이를 이용한 가소상 그라우트 공법{Compositions for Thixotropic Grout Injection and Grouting Method of Using It Thereof}

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

지하구조물 공사시에 발생된 공동을 메우기 위해 기존의 널리 채택 시공중인 LW (Labiles Wasser Glass)공법은 겔화 시간이 늦어 지하수에 의해 겔화가 되지 않거나 경화되지 못하고 죽탕상태가 되어 그라우팅 효과가 없다. 또한 겔화되기까지의 가소상태 유지시간이 짧아 빈공동을 가득 채우지 못하게 되는 경우가 많다. 또한 지하수의 영향을 받거나 충전된 후 그라우트가 경화되는 과정에 재료분리, 불균일강도, 블리딩(bleeding)현상 및 체적감소 현상을 나타내는 문제점이 있다. 또한, 경화시간이 비교적 길어 공동에 한정주입하기가 어렵다는 결점이 있다. 특히, 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 30-50초 정도가 소요된다) 한정주입이 불가능하고, 또한 겔화된 후에는 가소상태 없이 금방 경화되므로 목적으로 하는 공동을 완전하게 충전하기에는 어려움이 있다.

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 Na₂OSiO ₂ 로서 Na₂O와 SiO₂의 몰비는 1:3이며, pH 12 이상의 강알칼리성을 나타낸다. 이때 A액의 시멘트, 벤토나이트와 B액의 규산소다는 자동화하여 투입 조제가 가능하나 안정제의 경우 작업자가 별도로 계량투입하고 있으므로 조제 공장에 작업자가 항상 배치되어야 하며, 원격조정으로 조제가 불가능하다.

본 명세서 전체에 걸쳐 다수의 논문 및 특허문헌이 참조되고 그 인용이 표시되어 있다. 인용된 논문 및 특허 문헌의 개시 내용은 그 전체로서 본 명세서에 참조로 삽입되어 본 발명이 속하는 기술 분야의 수준 및 본 발명의 내용이 보다 명확하게 설명된다.

본 발명자들은 종래의 그라우트 주입제의 문제점을 해결하고자 예의 노력하였고, 그 결과 겔화 시간을 단축시키고 가소상태를 연장하는 가소제를 포함하는 내구성 및 시공성이 우수한 가소상 그라우트 조성물을 개발하였다. 상기 조성물을 이용하는 경우, 완벽한 그라우팅 뒷채움이 가능하며 그라우트 조성물의 성분을 줄여 조제공정이 단순화되므로 뒷채움의 완전 자동화가 가능함을 확인함으로써 본 발명을 완성하게 되었다.

따라서 본 발명의 목적은 가소상 그라우트 주입용 조성물을 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) 경화제로서의 규산나트륨, 및 (d) 가소제로서의 산화칼슘, 규산알루미늄 및 팽윤도 20이상의 벤토나이트의 혼합물을 포함하는 가소상 그라우트 주입용 조성물을 제공한다.

본 발명자들은 종래의 그라우트 주입제의 문제점을 해결하고자 예의 노력하였다. 그 결과 겔화 시간을 단축시키고 가소상태를 연장하는 가소제를 포함하는 내구성 및 시공성이 우수한 가소상 그라우트 조성물을 개발하였다. 상기 조성물을 이용하는 경우, 완벽한 그라우팅 뒷채움이 가능하며 그라우트 조성물의 성분을 줄여 조제공정이 단순화되므로 뒷채움의 완전 자동화가 가능함을 확인하였다.

기존의 가소상 그라우트 조성물은 가소상을 부여하기 위하여, 기존의 널리 시공중인 LW공법의 조성물의 기초 소재인 포틀랜트시멘트 대신 특수 시멘트을 사용하거나, 규산소다 3호 대신 Na₂O와 SiO₂의 물비를 조정한 특수 규산소다를 사용하여야 하며, 경우에 따라 벤토나이트나 안정제의 성분을 조절하여 사용하여야만 가소상태를 얻을 수 있었다. 한편, 안정제 성분이 추가되므로 인해 기존에 널리 보급되어 사용중인 LW공법의 뒷채움 시설(Back Fill Plant)을 개조하여야만 작업성이 개선될 수 있다. 본 발명자들은 이러한 작업의 복잡성을 개선하고, 보다 단순하고 효율적인 공정을 제공할 수 있는 그라우트 조성물을 개발하고자 노력하였으며, 본 발명의 조성물을 개발하였다.

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 가소상 그라우트 전체 조성물은 물 55-70중량%, 시멘트 15-25중량%, 규산나트륨 5-10중량% , 가소제 5-10중량%으로 이루어질 수 있다.

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 및 가소제를 하나의 용기에, 규산나트륨 경화제를 다른 용기에 포함할 수 있다.

종래의 그라우트 조성물과 비교하여 본 발명의 그라우트 조성물의 우수한 특성은 안정제를 사용하지 않고도 가소제만으로서 가소상태를 형성할 수 있는 것이다.

본 발명의 가소제에 포함되는 산화칼슘은 겔화시간을 단축시키며 가소상태를 연장시키는 작용을 하며 강도 발현과정에 시멘트 혼합물의 수축현상을 방지하여 주는 역할을 한다. 규산알루미늄은 겔화시간을 단축시키며 강도를 향상시키는 작용을 한다. 팽윤도 20 (단위: ㎎/2g)이상의 벤토나이트는 시멘트의 재료분리를 방지하는 작용과 가소상태의 반죽(paste)에 점결력을 주는 작용을 한다.

산화칼슘, 규산알루미늄 및 벤토나이트 혼합물로 이루어진 가소제에서, 각각 성분의 비율은 바람직하게는 가소제 혼합물 총 중량 대비 30-70중량%의 산화칼슘, 5-30중량%의 규산알루미늄 및 20-45중량%의 팽윤도 20이상의 벤토나이트이고, 보다 바람직하게는 40-60중량%의 산화칼슘, 10-20중량%의 규산알루미늄 및 25-40중량%의 팽윤도 20이상의 벤토나이트를 포함한다.

가소제 성분에서의 산화칼슘 함량이 30중량% 미만이면 가소상태의 유지시간이 짧아지며 수축현상을 막을 수 없게 되며, 70중량%를 초과하면 그라우트재가 지나치게 팽창될 수 있다. 가소제 성분에서의 규산알루미늄 성분이 5중량%미만이면 겔화시간이 길어져 지하수 등의 수중에 그라우트재가 주입될 때 희석되어 경화가 일어나지 않게 되며 강도가 약하고, 30중량%를 초과하면 경화속도가 지나치게 빨라지고 가소상태 유지시간이 짧아져 가소상 그라우트재의 기능을 발휘할 수 없게 된다. 그리고 팽윤도가 20이하의 벤토나이트는 가소상태의 점결력을 약화시키며 사용량이 20중량%이하이면 재료분리의 원인이 되며 40중량%이상이면 강도발현에 문제가 발생한다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 가소제는 상기 혼합물 총 중량 대비 30-70 중량%의 산화칼슘, 5-30 중량%의 규산알루미늄 및 20-45 중량%의 팽윤도 20이상의 벤토나이트를 포함한다.

본 발명의 다른 바람직한 구현예에 따르면, 상기 규산나트륨 경화제는 상기 조성물 총 중량 대비 2-12 중량%의 비율로 포함된다.

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

(a) 규산나트륨에 산성용액을 혼합하여 규산나트륨 경화제를 제조하는 단계;

(b) (i) 가소제로서의 산화칼슘, 규산알루미늄 및 팽윤도 20이상의 벤토나이트의 혼합물 및 (ⅱ) 시멘트를 혼합하여 가소상 그라우트 주입용 조성물을 제조하는 단계

(c) 상기 단계 (a)의 규산나트륨경화제와 상기 단계 (b)의 가소상 그라우트 주입용 조성물을 압송하여 주입구 끝단에서 혼합하고 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.

일반적으로 널리 사용되어온 LW 방식의 뒷채움재는 경화시간을 단축시키고 조절하기 위하여 물, 시멘트, 안정제 및 벤토나이트 혼합용액(이하, “A액”이라 한다)과 경화제(이하, “B액”이라 한다)로 나누어져 2액형으로 시공된다. 본 발명에서는 별도의 안정제 투입없이, 상기 2액형 LW 방식을 그대로 이용하면서, 공정을 자동화시킬수 있는 그라우트 주입공법을 제공한다. 이하, 본 발명의 가소상 그라우트 주입공법에 대하여 자세히 설명한다:

단계 (a): 규산나트륨 경화제(B액)의 제조

우선, 믹서에서 규산나트륨과 황산용액을 혼합하고, 믹서 내의 규산나트륨 용액의 pH는 pH 미터를 통하여 계속적으로 모니터링 되어 황산용액 탱크 및 규산나트륨 저장 탱크로부터 믹서로 유입되는 황산 및 규산나트륨의 양을 제어한다. B액의 제조 시 규산나트륨에 첨가되는 산성용액은 당업계에 공지된 다양한 산을 포함하며, 바람직하게는 무기산이고, 보다 바람직하게는 염산 또는 황산이다. 상기 과정을 통하여, 규산나트륨 경화제가 효율적으로 제조될 수 있다.

단계 (b): 경화제, 물, 시멘트 및 가소제 혼합용액(A+B액)의 제조

이어, (i) 가소제로서의 산화칼슘, 규산알루미늄 및 팽윤도 20이상의 벤토나이트의 혼합물 및 (ⅱ) 시멘트를 혼합한다.

안정제는 별도로 투입하지 않으며, 믹서를 통하여 가소제, 시멘트 및 물이 혼합되며, 교반조에서 교반하면서 균일한 혼합물을 얻는다.

단계 (c): 가소상 그라우트 주입용 조성물의 주입

마지막으로, A와 B액을 각각의 배관을 통해 압송하여 배관의 끝단에 만나 혼합되게 하여 공극 또는 간극에 주입한다.

본 발명의 특징 및 이점을 요약하면 다음과 같다:

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

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

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

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

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

(f) 본 발명의 주입재를 이용하면, 완벽한 그라우팅 뒷채움이 가능하며 그라우트 조성물의 성분을 줄여 조제공정이 단순화되므로 뒷채움의 완전 자동화가 가능하다.

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 및 가소제(산화칼슘, 규산알루미늄 및 팽윤도 20이상의 벤토나이트의 혼합물)를 포함하며, B액은 규산나트륨용액을 포함한다.
도 6은 기존의 LW 공법의 재료투입 공정도이다. 도 5와 비교하는 바와 같이 수작업으로 계량 투입되어야 하는 안정제의 별도첨가가 필요 없이 기존의 벤토나이트 사이로를 가소제 사이로 활용하게 되므로 별도의 장치가 필요없이 소요되는 소재의 전량을 자동 계량 투입이 가능하다. 따라서 별도의 작업자 투입없이 완전 자동화하여 원격조정으로 완성된 그라우트재를 조제하여 필요시점에 적절히 사용할 수 있다.
도 7은 A액과 B액이 혼합되어 겔화가 되고 난 후, 가소상태로 유지되는 시간을 측정한 사진이다.

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.

실시예

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 10중량% 농도의 황산용액을 적하(dripping)하면서 pH 페이퍼로 측정하여 pH 9.0 정도가 되도록 제조하였다.

B액의 조제방법으로, 약알칼리성 규산나트륨 용액을 교반기에서 50-80 rpmM으로 교반하면서 물을 일정양 투입하고 안정제인 제올라이트를 투입하여 50-60 rpm에서 약 5분간 교반하였다. 이후 가소제로서 산화칼슘, 규산알루미늄 및 팽윤도 20이상의 벤토나이트의 혼합물을 넣고 교반하면서 시멘트를 첨가하고 5분간 추가 교반을 실시함으로써 A액을 제조하였다. A액과 B액을 설계된 비율로 호스펌프를 이용, 압송하여 주입구 끝단에서 혼합하였다.

각 실험에서 사용된 물, 시멘트, 가소제의 양은 하기의 표 1과 같다. 각 실험에서 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 4).

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. 도 7과 같이 시료용기에 A액과 B액이 혼합되어 겔화가 되고 난 후에 용기 내의 시료를 테이블에 뒤집어 빼낸 후에 수시로 손가락으로 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 1측 압축강도를 측정하였다. 표 1 및 표 2에서 볼 수 있듯이, 본 발명의 가소상 그라우트 주입용 조성물은 종래의 조성물과 비교하여 압축강도도 비교적 크다. 가소제의 조성물은 2종류를 사용하여 사용량을 달리 했을 때의 결과를 비교하였다. 가소제 A의 조성은 산화칼슘 50중량%, 규산알루미늄 15중량% 및 팽윤도 20이상의 벤토나이트 35중량%이며, 가소제 B의 조성은 산화칼슘 60중량%, 규산알루미늄 20중량% 및 팽윤도 20이상의 벤토나이트 20중량%로 혼합조성물을 만들었다. 비교예의 안정제는 벤토나이트를 사용하였다.

-	A액(단위 : g)			B액(단위 : g)
	물	시멘트	가소제	규산소다 3호
실험예1	800	280	(가소제 A) 55	82
실험예2	890	300	(가소제 A) 60	85
실험예3	890	300	(가소제 B) 60	85
실험예4	880	320	(가소제 B) 65	90
비교예1 LW 1	804	250	안정제 1	112
비교예1 LW 2	750	350	안정제 1	138

-	겔화시간	가소상태 시간	강도(㎏/㎠)
			1시간	1일	7일
실험예1	5초	6분 26초	1.12	10.6	23.2
실험예2	8초	7분 12초	1.39	13.2	27.5
실험예3	4초	3분 56초	1.63	15.2	28.6
실험예4	3초	2분 30초	1.86	15.7	30.1
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 (5)

1. (a) 물, (b) 시멘트, (c) 경화제로서의 규산나트륨, 및 (d) 가소제로서의 산화칼슘, 규산알루미늄 및 팽윤도 20이상의 벤토나이트의 혼합물을 포함하는 가소상 그라우트 주입용 조성물.
   
2. 제 1 항에 있어서 상기 가소제는 상기 가소제 혼합물 총 중량 대비 30-70 중량%의 산화칼슘, 5-30 중량%의 규산알루미늄 및 20-45 중량%의 팽윤도 20이상의 벤토나이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 조성물.
   
3. 제 1 항에 있어서, 상기 규산나트륨 경화제는 상기 조성물 총 중량 대비 2-12 중량%의 비율로 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 조성물.
   
4. 다음 단계를 포함하는 가소상 그라우트 주입공법:
   (a) 규산나트륨에 산성용액을 혼합하여 규산나트륨 경화제를 제조하는 단계;
   (b) (i) 가소제로서의 산화칼슘, 규산알루미늄 및 팽윤도 20이상의 벤토나이트의 혼합물 및 (ⅱ) 시멘트를 혼합하여 가소상 그라우트 주입용 조성물을 제조하는 단계; 및
   (c) 상기 단계 (a)의 규산나트륨경화제와 상기 단계 (b)의 가소상 그라우트 주입용 조성물을 압송하여 주입구 끝단에서 혼합하고 공극 또는 간극에 주입하는 단계.
   
5. 제 4 항에 있어서, 상기 단계 (b)의 가소제는 상기 혼합물 총 중량 대비 30-70 중량%의 산화칼슘, 5-30 중량%의 규산알루미늄 및 20-45 중량%의 팽윤도 20이상의 벤토나이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 공법.

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