KR101377552B1

KR101377552B1 - 시멘트를 사용하지 않은 매입말뚝 시공용 밀크주입재 조성물

Info

Publication number: KR101377552B1
Application number: KR1020120045274A
Authority: KR
Inventors: 문경주; 박원춘; 안양진; 박성순; 음현미
Original assignee: 주식회사 씨엠디기술단
Priority date: 2012-04-30
Filing date: 2012-04-30
Publication date: 2014-03-24
Also published as: KR20130122164A

Abstract

본 발명은 시멘트를 사용하지 않는 연약지반 매입말뚝 시공용 밀크주입재 조성물에 관한 것으로, 보다 자세하게는 밀크주입재의 주원료인 고로슬래그 미분말과 고칼슘 플라이애시 등의 비정질 물질을 활성화시켜 강도를 발현하고 부원료로 사용되는 소각잔재에 다량 함유된 CaO의 흡수, 발열반응과 체적팽창작용을 이용하여 천공 구멍과 매입말뚝 사이에 존재할 수 있는 지하수에 의한 밀크액의 유실을 방지하여 매입 말뚝의 선단지지력 및 주면마찰력을 기존 시멘트 밀크액에 비하여 크게 향상시키는 매입 말뚝 밀크주입재 조성물에 관한 것이다.
본 발명에 의한 매입말뚝 시공용 밀크주입재는 산화칼슘(CaO) 함량이 30%~60%인 석탄재 100중량부에 대하여, 고로슬래그미분말 100~300중량부, 페트롤코우크스 탈황석고 20~100중량부, 황산염자극제 20~50중량부를 포함한다.

Description

시멘트를 사용하지 않은 매입말뚝 시공용 밀크주입재 조성물{composition for soft ground construction pile}

본 발명은 시멘트를 사용하지 않는 연약지반 매입말뚝 시공용 밀크주입재 조성물에 관한 것으로, 보다 자세하게는 밀크주입재의 주원료인 고로슬래그 미분말과 고칼슘 플라이애시 등의 비정질 물질을 활성화시켜 강도를 발현하고 부원료로 사용되는 소각잔재에 다량 함유된 CaO의 흡수, 발열반응과 체적팽창작용을 이용하여 천공 구멍과 매입말뚝 사이에 존재할 수 있는 지하수에 의한 밀크액의 유실을 방지하여 매입 말뚝의 선단지지력 및 주면마찰력을 기존 시멘트 밀크액에 비하여 크게 향상시키는 매입 말뚝 밀크주입재 조성물에 관한 것이다.

최근의 건설 현장에 있어서, 파일 기초공사시의 소음과 진동 규제 강화 추세에 따라 매입공법의 파일공사가 증가하고 있다.

매입 말뚝 시공은 지반에 구멍을 파고 기성 제품인 말뚝을 심는 방법으로 지반과 말뚝의 공간에 순수 시멘트 또는 벤토나이트를 배합한 분말에 물을 혼합하여 제조된 혼합물을 충진하여 지반에 고정시키는 매입 말뚝공법이다.

천공 구멍과 파일사이에 밀크주입재는 하중 재하 초기 단계에서 파일의 자립을 위한 채움재 및 파일 주면마찰력의 기능을 발휘하는 것이 기본 역할이다.

하지만, 상기 벤토나이트는 국내에 천연자원으로 부존하지 않는 광물로서 전량 수입에 의존하고 있는 고가의 재료이며 염분과 접촉하면 그 팽윤도가 현저히 떨어져 차수성이 크게 저하되는 문제점이 있다.

또한 시멘트는 주원료인 석회석을 채광하여 1,450의 고온에서 소성하여 제조되는 관계로 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 시멘트의 성능을 개선시키기 위해 여러 기술들이 제시되고 있다. 이러한 기술은 시멘트 대신 고로슬래그 및 플라이애시를 일부 치환하고 다양한 고가의 혼화제 및 혼화재 원료를 추가하는 기술이다. 그러므로 제조공정이 매우 복잡하고 생산에 많은 비용이 수반되며, 여러 가지 원료를 동시에 사용해야하기 때문에 원료의 물리 화학적 품질특성 변동에 따른 배합의 선정이 어렵다.

국내에서는 선굴착 매입말뚝 공법이 일본으로부터 1987년부터 도입되면서 물시멘트비(W/C)가 83%인 시멘트 밀크가 주로 사용되었다. 물시멘트비가 83%인 시멘트 밀크는 1.0m³를 만드는데 시멘트 880kg과 물 730kg이 필요하다. 왜냐하면 시멘트의 비중이 3.15가 되므로 이를 체적으로 환산하면 880÷3.15=280ℓ가 되며, 물 730ℓ와 더하면 1,010ℓ 즉, 약 1.0m³의 체적이 되기 때문이다. 그러나 이와 같은 빈배합비를 갖는 시멘트 밀크는 주입하더라도 말뚝 주변지반으로 빠져나가 충진이 되지 않으며, 지하수가 많은 경우에는 희석되어 더욱 빈배합이 되어 지지력이 작아지게 된다. 이에 따라 투수성이 큰 지반이나 지하수가 많은 현장에서는 부배합으로 변경하여 사용하고 있어 과도한 시멘트가 지반에 투입되는 현상을 초래한다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 시멘트를 사용하지 않는 연약지반 매입말뚝 시공용 밀크주입재 조성물에 관한 것으로, 밀크주입재의 주원료인 고로슬래그 미분말과 고칼슘 플라이애시 등의 비정질 물질을 활성화시켜 강도를 발현하고 부원료로 사용되는 소각잔재에 다량 함유된 CaO의 흡수, 발열반응과 체적팽창작용을 이용하여 천공 구멍과 매입말뚝 사이에 존재할 수 있는 지하수에 의한 밀크액의 유실을 방지하여 PHC 말뚝의 선단지지력 및 주면마찰력을 기존 시멘트 밀크액에 비하여 크게 향상시키는 매입 말뚝 시공용 밀크주입재 조성물을 제공하는 것이다.

위와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 의한 매입말뚝 시공용 밀크주입재는 산화칼슘(CaO) 함량이 30%~60%인 석탄재 100중량부에 대하여, 고로슬래그미분말 100~300중량부, 페트롤코우크스 탈황석고 20~100중량부, 황산염자극제 20~50중량부를 포함한다.

또한 상기 황산염 자극제는 황산칼슘, 황산알루미늄, 황산마그네슘 및 황산나트륨 중 선택된 어느 하나이거나 둘 이상의 혼합물인 것이 바람직하다.

또한 체적팽창을 통한 매입말뚝의 주면 마찰력을 향상시키기 위하여 팽창재가 더 포함되는 것이 바람직하다.

또한 상기 팽창재는 산화칼슘(CaO) 함량이 40% 이상인 바이오매스 소각잔재, 제지슬러지 소각잔재, RDF 소각잔재, RPF 소각잔재, 전로슬래그 더스트 및 생석회, 경소백운석으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나이거나 둘 이상의 혼합물인 것이 바람직하다.

또한 상기 팽창재는 산화칼슘(CaO) 함량이 30%~60%인 석탄재 100중량부에 대하여 40~100중량부 혼입되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 주원료인 고로슬래그 미분말과 고칼슘 플라이애시 등의 비정질 물질을 활성화시켜 강도를 발현하고 부원료로 사용되는 소각잔재에 다량 함유된 CaO의 흡수, 발열반응과 체적팽창작용을 이용하여 천공 구멍과 매입말뚝 사이에 존재할 수 있는 지하수에 의한 밀크액의 유실을 방지하여 PHC 말뚝의 선단지지력 및 주면마찰력을 기존 시멘트 밀크액에 비하여 크게 향상시키는 효과가 있다.

도 1은 실시예와 비교예의 흙 혼입에 따른 유동성 변화 실험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 2는 실시예 1 및 흙 혼입에 따른 일축압축강도 실험결과를 나타낸 그래프이다.
도 3은 실시예 2 및 흙 혼입에 따른 일축압축강도 실험결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 비교예 1 및 흙 혼입에 따른 일축압축강도 실험결과를 나타낸 그래프이다.

이하, 본 발명에 의한 매입 말뚝 시공용 밀크주입재에 대하여 구체적으로 설명한다.

먼저, 본 발명에 의한 매입 말뚝 시공용 밀크주입재의 구성성분 및 작용을 설명한다.

본 발명에 의한 매입 말뚝 시공용 밀크주입재는 산화칼슘(CaO) 함량이 30%~60%인 석탄재 100중량부에 대하여, 고로슬래그미분말 100~300중량부, 페트롤코우크스 탈황석고 20~100중량부, 황산염자극제 20~50중량부를 포함한다.

또한 산화칼슘(CaO) 함량이 30%~60%인 석탄재는 물과 반응하여 흡수, 발열 및 팽창하여 수산화칼슘이 된다. 이에 대한 반응식은 아래와 같다.

CaO+ H₂O->Ca(OH)₂+15.6kcal mol^-1

통상 별도의 탈황장치를 구비한 화력발전소에서 배출되는 석탄재는 산화칼슘(CaO) 함량이 5% 이하로 콘크리트 혼화재료로 재활용됨에도 불구하고, 위와 같이 산화칼슘이 다량 함유된 석탄재는 흡수, 발열 및 팽창 특성이 있어 콘크리트 혼화재료로 활용이 불가능하다.

따라서 본 발명은 통상적으로 콘크리트 혼화재료로 활용할 수 없는 노내탈황 방식 유동층 보일러에서 배출되는 산화칼슘(CaO) 함량이 30%~60%인 석탄재를 이용하는 것이다.

또한 상기 고로슬래그 미분말은 유사한 공정을 거쳐 생산되는 전로슬래그 미분말, 제강슬래그 미분말, 스테인리스슬래그 미분말 및 동제련슬래그 미분말 등과 비교하여 시험하였을 때 황산염자극에 의한 초기강도발현이 탁월하였다.

고로슬래그 미분말은 산화칼슘(CaO) 함량이 30%~60%인 석탄재 100중량부에 대하여, 100~300중량부가 바람직하다. 100중량부 미만이면 CaO를 함유한 석탄재, 페트롤코우크스 탈황석고 및 황산염 자극제와 반응할 수 있는 슬래그 함량이 부족하여 강도 발현이 어렵고 300중량부를 초과하면 슬래그의 양에 비해 자극제의 함량이 상대적으로 감소하여 강도발현이 오히려 저하될 수 있으며, 시멘트 대비 원가가 크게 저하되지 않는 단점을 가질 수 있다.

또한 상기 페트롤 코우크스 탈황석고는 반응초기에 슬래그와 반응하여 에트린가이트를 다량 생성해주고 재령이 경과함에 따라 비정질 물질인 슬래그 및 석탄재를 활성화시켜 강도를 발현해주는 자극제 역할을 하는 물질로서 소각로에서 폐기물로 발생하기 때문에 동등한 성능을 발휘하는 천연 무수석고나 소성에 의한 탈수과정을 거쳐야하는 인산석고 등에 비해서 경제성이 월등하다.

페트롤 코우크스 탈황석고는 산화칼슘(CaO) 함량이 30%~60%인 석탄재 100중량부에 대하여, 20~100중량부가 바람직하다. 20중량부 미만이면 CaO 성분과 석고 성분을 동시에 함유하고 있는 알칼리 및 황산염 복합 자극제로서 그 효과가 미비하고, 100중량부를 초과하면 슬래그 및 석탄재와 반응하지 못한 잉여량이 존재하여 오히려 강도가 저할 될 수 있다.

상기 슬래그 미분말과 황산염 자극제 화학반응에 따른 초기 재령에서의 강도발현은 다량의 에트링가이트(ettringite)를 골격으로 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 강도를 발현을 한다.

상기 황산염 자극제는 산화칼슘(CaO) 함량이 30%~60%인 석탄재 100중량부에 대하여, 20~50중량부가 바람직하다. 20중량부 미만이면 자극 효과가 미비하고 50 중량부를 초과하면 가격이 다른 구성물질에 비해 상대적으로 고가이기 때문에 시멘트 밀크주입재 대비 경제적 효과가 크게 감소한다.

또한 매입 말뚝의 주면마찰력을 향상시키기 위하여 팽창재가 더 포함되는 것이 바람직하다.

상기 팽창재는 산화칼슘(CaO) 함량이 40% 이상인 바이오매스 소각잔재, 제지슬러지 소각잔재, RDF 소각잔재, RPF 소각잔재, 전로슬래그 더스트 및 생석회, 경소백운석으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나이거나 둘 이상의 혼합물인 것이 바람직하고 상기 석탄재 중량부에 대하여 40~100중량부 혼입되는 것이 바람직하다.

상기 팽창재의 혼입량이 40중량부 미만이면 매입 말뚝의 주면 마찰력을 향상시키기 위하여 팽창 효과가 미비하고, 100중량부를 초과하면 팽창 효과는 증가하나 경화체의 공극 또한 증가하여 강도가 크게 저할 될 수 있다.

또한, 상기 팽창재는 선단지지력을 주요하게 여기는 매입 말뚝 하단부에는 사용하지 않는 것이 바람직하며, 주면마찰력을 요하는 매입 말뚝 중상부층에 주입시 그 효과가 제대로 발휘될 수 있다.

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

실시예 1( CMD SOIL 1)

먼저, 산화칼슘 함량이 45%인 석탄재 100중량부에 대하여, 고로슬래그 미분말 300중량부, 페트롤 코우크스 탈황석고 80중량부 및 황산염자극제 30중량부를 균일하게 혼합하여 매입 말뚝 주입재를 제조하였다.

다음으로 주입재에 물바인더비(W/B) 83%가 되도록 물을 첨가하여 강제식 믹서로 충분히 혼합하여 밀크액을 제조하였다.

다음으로 실제 시공시 천공 구멍의 매입 말뚝 주면 흙이 무너져 밀크액에 혼입되는 것을 고려하여 밀크액 중량비로 점성토 흙을 50%, 60%, 70%, 100% 혼입하여 유동성, 재령에 따른 압축강도를 측정하였다.

실시예 2( CMD SOIL 2)

먼저, 산화칼슘 함량이 45%인 석탄재 100중량부에 대하여, 고로슬래그 미분말 150중량부, 페트롤 코우크스 탈황석고 40중량부 및 황산염자극제 20중량부, CaO함량이 55%인 전로슬래그 더스트를 80중량부를 균일하게 혼합하여 매입 말뚝 주입재를 제조하였다.

비교예 1(OPC)

먼저, 1종 시멘트에 대하여 물바인더비(W/B) 83%가 되도록 물을 첨가하여 강제식 믹서로 충분히 혼합하여 밀크액을 제조하였다.

다음으로 실제 시공시 천공 구멍의 매입 말뚝 주면 흙이 무너져 밀크액에 혼입되는 것을 고려하여 밀크액 중량비로 점성토 흙을 50%, 60%, 70%, 100% 혼입하여 유동성, 재령에 따른 압축강도를 실시예 1 및 2와 비교 측정하였다.

매입 말뚝 시공용 밀크 주입재의 성능시험방법 및 결과

아래 표 1에 나타낸 바와 같이 플로우 시험은 KS F 2594, 압축강도시험은 KS F 2343방법에 의해 실시하였다.

실험	방법	비고
슬럼프 플로우	KS F 2594	슬럼프 플로우 시험방법
압축강도	KS F 2343	일축압축강도시험방법
재료분리 저항성	육안검사	사진 참조
체적변화	육안검사	사진참조

(1) 플로우 결과

밀크 주입재의 유동성 변화를 관찰한 결과 전반적으로 흙의 혼입율이 증가함에 따라 유동성은 감소하는 특성을 보였다. 도 1을 참조하면, 실시예 1(CMD SOIL 1)은 비교예1(OPC)과 유사한 유동 특성을 보이나 실시예 2(CMD SOIL 2)는 유동성이 OPC에 비해 크게 저하되는 경향을 보였다. 이는 실시예 2에 팽창재가 추가 혼입되어 산화칼슘 성분이 물과 접촉시 흡수, 발열 및 팽창 작용에 의해 유동성이 저하된 것으로 판단된다. 그러나 밀크 주입재의 경우 주입관의 이송 저하 및 막힘 현상이 없는 상태에서 오히려 유동성 저하는 재료분리 저항성 측면과 사질토 등의 공극이 큰 지반에서는 유리하게 작용할 수 있다.

(2) 일축압축강도의 변화

도 2는 실시예 1과, 실시예 1에 흙 혼입량에 따른 일축압축강도 실험결과를 나타낸 그래프이다. 즉, 도 2에서 CMD SOIL 1은 실시예 1의 일축압축강도 실험결과를 나타낸 것이고, CMD SOIL 1-50은 실시예 1: 흙= 1:0.5로 혼입한 후 일축압축강도 실험결과를 나타낸 것이고, CMD SOIL 1-60은 실시예 1: 흙의 혼입율을 1:0.6, CMD SOIL 1-70은 실시예 1: 흙의 혼입율을 1:0.7, CMD SOIL 1-100은 실시예 1: 흙의 혼입율을 1:1로 혼입한 후 일축압축강도 실험결과를 나타낸 것이다.

도 3은 실시예 2 및 흙 혼입에 따른 일축압축강도 실험결과를 나타낸 그래프이고, 도 4는 비교예 1 및 흙 혼입에 따른 일축압축강도 실험결과를 나타낸 그래프이다.

도 2 내지 도 4를 대비하면, 실시예 1(CMD SOIL 1)의 경우 비교예 1(OPC)인 1종 시멘트에 비하여 초기 강도는 다소 낮게 발현되었으나 7일 이후 강도는 우수하게 발현하는 결과를 보였다. 실시예 2(CMD SOIL 2)의 경우 전반적으로 비교예 1인 1종 시멘트에 비하여 낮은 결과를 보였다. 따라서 팽창재를 혼입하지 않은 경우는 선단지지력이 중요한 매입 말뚝 하단부에 활용하고 팽창재를 혼입한 경우는 강도를 크게 요구하지는 않으나 주면마찰력이 중요한 매입 말뚝 중상단부 층에 활용하면 적절할 것으로 판단된다.

(3) 기타

물고기가 있는 어항에 실시예 1, 실시예 2와 비교예 1을 각각 투입하여 140시간 경과후 상태를 파악하는 환경 안전성(어독성)평가를 실시한 결과, 실시예 1, 실시예 2는 모든 개체가 살아있었으나, 비교예 1은 모든 개체가 죽어 있는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 실시예 1, 실시예 2는 비교예 1에 비해 환경 안전성이 우수한 것을 알 수 있다.

또한 실시예 1, 실시예 2와 비교예1의 체적 변화를 측정한 결과, 1시간 후, 실시예 1, 실시예 2는 팽창성에 의해 수축 발생량을 보상하여 체적 변화가 거의 없었으나, 비교예 1은 체적 수축 발생량을 육안으로 확인할 수 있었다.

Claims

산화칼슘(CaO) 함량이 30%~60%인 석탄재 100중량부에 대하여, 고로슬래그미분말 100~300중량부 및 페트롤코우크스 탈황석고 20~100중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 매입말뚝 시공용 밀크주입재.
제1항에 있어서,
상기 석탄재 100중량부에 대하여, 황산염자극제 20~50중량부를 더 포함하며, 상기 황산염 자극제는 황산칼슘, 황산알루미늄, 황산마그네슘 및 황산나트륨 중 선택된 어느 하나이거나 둘 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 매입말뚝 시공용 밀크주입재.
제1항에 있어서,
체적팽창을 통한 매입말뚝의 주면 마찰력을 향상시키기 위하여 팽창재가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 매입말뚝 시공용 밀크주입재.
제3항에 있어서,
상기 팽창재는 산화칼슘(CaO) 함량이 40% 이상인 바이오매스 소각잔재, 제지슬러지 소각잔재, RDF 소각잔재, RPF 소각잔재, 전로슬래그 더스트 및 생석회, 경소백운석으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나이거나 둘 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 매입말뚝 시공용 밀크주입재.
제4항에 있어서,
상기 팽창재는 산화칼슘(CaO) 함량이 30%~60%인 석탄재 100중량부에 대하여 40~100중량부 혼입되는 것을 특징으로 하는 매입말뚝 시공용 밀크주입재.