KR101487750B1 - 친환경 앵커 그라우트 조성물 및 친환경 앵커 그라우트재 - Google Patents

친환경 앵커 그라우트 조성물 및 친환경 앵커 그라우트재 Download PDF

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Abstract

본 발명은 「보통 포틀랜드 시멘트 36~42중량부, 고로 슬래그 미분말 24~28중량부, 기능성 개선재 25~40중량부, 경화 촉진제 0.1~10중량부, 팽창제 0.01~0.5중량부 및 감수제 0.1~3중량부로 구성되고, 상기 기능성 개선재는 래들 슬래그와, 천연석고 및 탈황석고 중 어느 하나 이상이 혼합된 것으로, 상기 래들 슬래그는 제강공정의 부산물로서 2,000~8,000㎠/g의 분말도를 가지고 CaO, Al2O3 및 SO3를 각각 30~50wt%, 12~50wt% 및 0.1~3wt% 함유하고, 상기 천연석고는 CaO, Al2O3 및 SO3를 각각 40~45wt%, 0.1~3wt% 및 50~58wt% 함유하고, 상기 탈황석고는 CaO, Al2O3 및 SO3를 각각 45~65wt%, 0.1~3wt% 및 15~30wt% 함유하되, 상기 기능성 개선재의 질량 성분비에 있어서 Al2O3/SO3 및 CaO/SO3는 각각 0.25~1.2 및 1~4인 것을 특징으로 하는 친환경 앵커 그라우트 조성물」을 제공한다.

Description

친환경 앵커 그라우트 조성물 및 친환경 앵커 그라우트재{Eco-friendly earth anchor grout composite and eco-friendly earth anchor grout material}
본 발명은 친환경 앵커 그라우트 조성물 및 친환경 앵커 그라우트재에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 제강산업부산물을 이용한 기능성 개선재를 통해 제강산업부산물의 생산적인 활용처를 제시해주는 한편 시멘트의 사용량을 줄여주어 친환경적이고, 종래 시멘트에 배합되던 고가의 기능성 팽창재를 함께 사용할 필요가 없어 경제적이며, 유동성 및 압축강도 등의 물성도 앵커 그라우트로서 적합한 친환경 앵커 그라우트 조성물 및 친환경 앵커 그라우트재에 관한 것이다.
일반적으로 토목 및 건설공사에 있어서 지면의 절취, 붕괴 등을 방지하기 위해 어스 앵커(earth anchor), 소일네일링(soil nailing), 락볼팅(rock bolting) 등 각종 지면 보강공법이 사용되고 있다. 이와 같은 지면 보강공법은 지반에 천공을 형성하고, 상기 천공 내부에 앵커나 네일 또는 락볼트를 삽입 설치한 후, 상기 천공 내부로 그라우트재를 주입 충전하여 앵커나 네일 또는 락볼트를 정착하는 방식으로 수행된다.
종래의 앵커 그라우트재의 경우 현장에서 배합되어 만들어지는 것이 일반적인데, 보통 포틀랜드 시멘트를 결합재로 하고 팽창재를 결합재 100중량부 대비 1 내지 10중량부 내외로 혼합한 앵커 그라우트 조성물에 물을 배합하여 만들어진다. 이와 같은 종래 앵커 그라우트재의 경우 시멘트 사용량이 매우 많아 친환경적이지 못하고, 팽창재가 고가인 것이 문제점으로 지적된다. 구체적으로 팽창재의 가격은 널리 사용되는 제품이 톤당 100만원 정도이고, 고급 제품의 경우 톤당 250만원에 이르는데 그로 인해 그라우팅 시공 비용을 상승시키는 요인이 될 뿐만 아니라 현장에서의 배합 변동에 따른 품질의 저하 등의 문제가 발생하기도 한다.
한편, 근래에는 슬래그, 플라이 애시 등과 같은 산업부산물을 결합재 조성물의 혼화재로 활용하는 방안에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있는데 그 결과 환경 친화적이면서도 경제성도 우수한 결합재 조성물이 다수 선보이고 있다. 그러나 아직까지 제강산업의 부산물인 래들 슬래그를 건설재료로 재활용하는 기술은 선보이지 못하고 있는 실정이다. 또한 산업부산물을 활용하면서 고가의 팽창재 사용을 절감시켜주거나 더 나아가 별도의 팽창재를 사용할 필요가 없게 하여주는 앵커 그라우트 조성물에 대한 기술은 아직까지 제시되지 않고 있다.
등록특허 제0600440호 "유동성이 우수한 무기계 그라우트 조성물과 이를 향균성 탄소섬유패널과 함께 이용한 콘크리트 구조물 보강공법", 2006. 07. 13. 등록특허 제1328402호 "기능성 그라우트 조성물과 이를 이용한 지반안정화 공법", 2013. 11. 13.
본 발명은 제강산업부산물을 이용한 기능성 개선재를 통해 제강산업부산물의 생산적인 활용처를 제시해주는 한편 시멘트의 사용량을 줄여주어 친환경적이고, 종래 시멘트에 배합되던 고가의 기능성 팽창재를 함께 사용할 필요가 없어 경제적이며, 유동성 및 압축강도 등의 물성도 앵커 그라우트로서 적합한 친환경 앵커 그라우트 조성물 및 친환경 앵커 그라우트재를 제공함에 그 목적이 있다.
전술한 과제의 해결을 위해 본 발명은 「보통 포틀랜드 시멘트 36~42중량부, 고로 슬래그 미분말 24~28중량부, 기능성 개선재 25~40중량부, 경화 촉진제 0.1~10중량부, 팽창제 0.01~0.5중량부 및 감수제 0.1~3중량부로 구성되고, 상기 기능성 개선재는 래들 슬래그와, 천연석고 및 탈황석고 중 어느 하나 이상이 혼합된 것으로, 상기 래들 슬래그는 제강공정의 부산물로서 2,000~8,000㎠/g의 분말도를 가지고 CaO, Al2O3 및 SO3를 각각 30~50wt%, 12~50wt% 및 0.1~3wt% 함유하고, 상기 천연석고는 CaO, Al2O3 및 SO3를 각각 40~45wt%, 0.1~3wt% 및 50~58wt% 함유하고, 상기 탈황석고는 CaO, Al2O3 및 SO3를 각각 45~65wt%, 0.1~3wt% 및 15~30wt% 함유하되, 상기 기능성 개선재의 질량 성분비에 있어서 Al2O3/SO3 및 CaO/SO3는 각각 0.25~1.2 및 1~4인 것을 특징으로 하는 친환경 앵커 그라우트 조성물」을 제공한다.
이때, 상기 경화 촉진제는 생석회, 황산나트륨, 소석회, 황산알루미늄, 탄산나트륨 및 수산화리튬 중 어느 하나 이상으로 구성된 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 팽창제는 알루미늄 파우더인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 감수제는 나프탈렌계, 멜라민계, 리그닌계 및 폴리카르본산계 중 어느 하나 이상으로 구성된 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 본 발명은 「상기 친환경 앵커 그라우트 조성물과 상기 친환경 앵커 그라우트 조성물 100중량부 대비 36~45중량부의 물을 교반하여 페이스트 형태로 제조된 것을 특징으로 하는 친환경 앵커 그라우트재」를 추가적으로 제공한다.
본 발명에 따른 친환경 앵커 그라우트 조성물 및 친환경 앵커 그라우트재는 다음과 같은 효과를 가진다.
1. 종래 건설재료로는 활용되지 않았던 제강산업부산물인 래들 슬래그의 건설재료로서의 생산적인 활용처를 제시한다.
2. 종래 앵커 그라우트 조성물 대비 36~42wt% 정도의 시멘트만 포함하도록 구성되어 있어 시멘트의 사용량을 획기적으로 줄여준다.
3. 종래 앵커 그라우트 조성물은 현장에서 고가의 기능성 팽창재와 함께 배합되어 사용되었는데 본 발명의 경우 종래 사용되던 고가의 기능성 팽창재의 사용이 필요없는 새로운 대체 조성물을 제공한다.
4. 앵커 그라우팅에서 요구되는 유동성 및 압축강도 등의 물성도 만족한다.
이하에서는 본 발명에 따른 친환경 앵커 그라우트 조성물 및 친환경 앵커 그라우트재에 관하여 상세하게 설명하도록 한다.
본 발명에 따른 친환경 앵커 그라우트 조성물은 보통 포틀랜드 시멘트 36~42중량부, 고로 슬래그 미분말 24~28중량부, 기능성 개선재 25~40중량부, 경화 촉진제 0.1~10중량부, 팽창제 0.01~0.5중량부 및 감수제 0.1~3중량부로 구성된다.
상기 기능성 개선재는 래들 슬래그와, 천연석고 및 탈황석고 중 어느 하나 이상이 혼합된 것으로, 상기 래들 슬래그는 제강공정의 부산물로서 2,000~8,000㎠/g의 분말도를 가지고 CaO, Al2O3 및 SO3를 각각 30~50wt%, 12~50wt% 및 0.1~3wt% 함유하고, 상기 천연석고는 CaO, Al2O3 및 SO3를 각각 40~45wt%, 0.1~3wt% 및 50~58wt% 함유하고, 상기 탈황석고는 CaO, Al2O3 및 SO3를 각각 45~65wt%, 0.1~3wt% 및 15~30wt% 함유하되, 상기 기능성 개선재의 질량 성분비에 있어서 Al2O3/SO3 및 CaO/SO3는 각각 0.25~1.2 및 1~4인 것을 특징으로 한다.
상기 래들 슬래그는 CaO 및 Al2O3(주로 Al2O3)의 공급원으로서의 역할을 수행하고, 상기 천연석고 및 상기 탈황석고는 CaSO4 공급을 목적으로 한다. 구체적으로 상기 래들 슬래그는 제강 공정 부산물로 고온에서 급냉을 통해 생성되게 때문에 매우 불안정한 결정상인 C12A7계, CA 계가 다량 형성되어 반응성이 매우 빠르며, 물과 단순 혼합시 급결을 일으키는 특성이 있다. 이러한 래들 슬래그를 상기 천연석고 또는 상기 탈황석고와 적절히 혼합하여 사용할 경우 CA계 광물과 석고(CaSO4)와의 반응을 통해 에트링가이트 수화물을 생성하며 효율적으로 강도발현을 시킬 수 있게 된다. 이러한 상기 래들 슬래그의 고강도화 메커니즘은 초속경 및 조강성을 내는데 쓰이는 알루미나 시멘트와 유사한 면이 있으나 상기 래들 슬래그는 알루미나 시멘트와 비교할 때 산업부산물로서 재활용시 친환경적이고, 경제성 면에서 유리한 점이 있다.
한편, 상기 기능성 개선재의 질량 성분비를 위와 같이 한정하는 것은 시멘트가 수화할 때 발생하는 수화물(3CaOAl2O3 3CaSO4 32H2O)인 에트링가이트(ettringite)의 생성량을 극대화하고자 함이다. 에트링가이트는 침상형 수화물로 시멘트 페이스트 내에 공극 및 겔공극들 사이에서 길고 가는 장주상의 결정으로 생성 및 성장하게 되거나 ?고 굵은 단주상의 결정으로 생성 및 성장하게 됨으로써 페이스트의 공극을 메워 고강도화에 기여하게 된다. 이러한 에트링가이트의 결정상은 Ca2+ 이온 농도에 따라 달라지게 되는데 고강도 및 조강성을 위해서는 CaO 함량이 지나치게 높지 않아야 한다. Ca2+ 이온 농도가 낮을 때 길고 가는 형태의 장주상의 결정이 생성되기 때문이다. (CaO 함량이 매우 높고 Al2O3함량이 높은 일반 시멘트의 경우는 강도발현이 주로 에트링가이트가 아닌 C-S-H 수화물에 의해 이루어지게 된다.) 따라서 상기 기능 개선재를 통해 다량의 에트링가이트 수화물이 생성되도록 하기 위해서는 투입되는 반응성 Al2O3량 및 CaSO4의 공급량과 비율이 무엇보다 중요하다.
이와 같은 질량비를 맞추기 위해서는 특별히 상기 래들 슬래그의 구성 성분비가 중요하다. 상기 보통 포틀랜드 시멘트, 상기 고로 슬래그 미분말, 상기 천연석고 및 상기 탈황석고의 구성 성분비는 대체적으로 일정한 범위를 나타내지만 상기 래들 슬래그는 제강공정의 부산물로서 어떠한 종류의 강(鋼)을 생산하는 공정이었는지 여부에 따라 그 구성 성분비의 변동의 폭이 크며, 그 결과 상기 래들 슬래그를 포함하는 기능성 개선재의 구성 성분비 변동도 커지게 된다. 본 발명에서는 이를 감안하여 상기 보통 포틀랜드 시멘트 36~42중량부, 상기 고로 슬래그 미분말 24~28중량부, 상기 기능성 개전재가 25~40중량부 배합될 때 상기 래들 슬래그를 포함하는 기능성 개선재는 질량 성분비에 있어서 Al2O3/SO3 및 CaO/SO3는 각각 0.25~1.2 및 1~4인 것을 특징으로 하도록 한정하였으며, 또한 Al2O3/SO3 및 CaO/SO3의 비율을 더 효율적으로 맞추기 위하여 상기 래들 슬래그를 제강공정의 부산물로서 2,000~8,000㎠/g의 분말도를 가지고 CaO, Al2O3 및 SO3를 각각 30~50wt%, 12~50wt% 및 0.1~3wt% 함유한 것으로 한정하였다. 상기 기능성 개선재의 질량 성분비에 있어서 Al2O3/SO3 및 CaO/SO3가 각각 0.25~1.2 및 1~4 범위를 벗어나게 되면 본 발명에 따른 친환경 앵커 그라우트 조성물의 고강도 및 조강성에 문제가 발생하게 된다.
한편, 상기 경화 촉진제는 생석회, 황산나트륨, 소석회, 황산알루미늄, 탄산나트륨 및 수산화리튬 중 어느 하나 이상으로 구성된 것을 특징으로 할 수 있고, 상기 팽창제는 알루미늄 파우더인 것을 특징으로 할 수 있으며, 상기 감수제는 나프탈렌계, 멜라민계, 리그닌계 및 폴리카르본산계 중 어느 하나 이상으로 구성된 것을 특징으로 할 수 있다.
이하에서는 구체적인 본 발명에 따른 친환경 앵커 그라우트 조성물의 물성을 검증하기 위하여 구체적인 실시예로서 상기 친환경 앵커 그라우트 조성물을 물과 배합한 친환경 앵커 그라우트재의 물성을 비교예들과 함께 살펴본다.
우선 도로공사 재료품질 기준이 요구하는 앵커 그라우트재의 물성은 아래의 [표 1]과 같다.
Figure 112014104662255-pat00001
또한 각 실시예들과 비교예들에 포함된 시멘트, 고로 슬래그, 천연무수석고, 탈황석고 및 래들 슬래그의 구성 성분비 및 물성은 아래의 [표 2]에 나타난 바와 같다.
Figure 112014104662255-pat00002
또한 구체적인 실시예들의 배합비는 아래의 [표 3]과 같으며, 비교예 1의 경우 보통 포틀랜드 시멘트 100중량부에 시중에서 사용되는 A사의 팽창재를 1중량부 배합하고 물을 결합재 100중량부 대비 43중량부 배합하여 제조된 앵커 그라우트재이고, 비교예 2의 경우 보통 포틀랜드 시멘트 100중량부에 시중에서 사용되는 B사의 팽창재를 1중량부 배합하고 물을 결합재 100중량부 대비 43중량부 배합하여 제조된 앵커 그라우트재이다. 비교예 1과 비교예 2는 종래 공사 현장에서 앵커 그라우트재로 배합되어 사용되는 제조예에 따른 것이다.
Figure 112014104662255-pat00003
실시예 1 내지 4의 경우 보통 포틀랜드 시멘트 36중량부, 고로 슬래그 미분말 24중량부, 상기 기능성 개선재 36.8중량부, 상기 경화 촉진제 3중량부, 상기 팽창제 0.02중량부 및 상기 감수제 0.2중량부를 프리 믹스(Pre-mix)하여 친환경 앵커 그라우트 조성물을 제조하고 상기 친환경 앵커 그라우트 조성물 100중량부 대비 물 43중량부를 혼합한 것이다. 상기 경화 촉진제로는 생석회, 황산나트륨, 소석회, 황산알루미늄, 탄산나트륨, 수산화리튬이 사용되었고, 상기 팽창제로는 알루미늄 파우더가 사용되었으며, 상기 감수제로는 폴리카르본산계 감수제가 사용되었다.
실시예 5 및 6의 경우 보통 포틀랜드 시멘트 36중량부, 고로 슬래그 미분말 24중량부, 상기 기능성 개선재 26.8중량부, 상기 경화 촉진제 3중량부, 상기 팽창제 0.02중량부 및 상기 감수제 0.2중량부를 프리 믹스(Pre-mix)하여 친환경 앵커 그라우트 조성물을 만들고 상기 친환경 앵커 그라우트 조성물 100중량부 대비 물 43중량부를 혼합하여 친환경 앵커 그라우트재를 제조한 것이다. 상기 경화 촉진제로는 생석회, 황산나트륨, 소석회, 황산알루미늄, 탄산나트륨, 수산화리튬이 사용되었고, 상기 팽창제로는 알루미늄 파우더가 사용되었으며, 상기 감수제로는 폴리카르본산계 감수제가 사용되었다.
또한 실시예 1 내지 4에서 상기 기능성 개선재의 질량 성분비 Al2O3/SO3 및 CaO/SO3는 각각 0.41 및 1.75이고, 실시예 5 및 6에서 상기 기능성 개선재의 질량 성분비 Al2O3/SO3 및 CaO/SO3는 각각 0.25 및 3.08이다.
각 비교예 및 실시예에서 1회 비빔시험은 2㎏ 단위로 제조하여 즉시 유하시간을 측정하고, 3시간 후 블리딩율 및 팽창율을 측정하였으며, 압축강도를 재령 1일, 3일, 7일 및 28일에 대하여 측정하였다. 그 결과가 아래의 [표 4]에 나타나 있다.
Figure 112014104662255-pat00004
[표 4]를 통해서 본 발명에 따른 실시예들이 비교예들과 비교하여 대체적으로 유하시간이 짧고, 팽창률, 블리딩률 및 압축강도에 있어서도 대등한 수준을 보임을 확인할 수 있다.
위의 실시예들의 경우 상기 친환경 앵커 그라우트 조성물 100중량부 대비 43중량부 교반하여 친환경 앵커 그라우트재를 제조하였으나 반드시 물이 상기 친환경 앵커 그라우트 조성물 100중량부 대비 43중량부여야만 하는 것은 아니고, 상기 친환경 앵커 그라우트 조성물 100중량부 대비 36~45중량부의 물을 교반할 수 있다.
한편 본 발명에 따른 친환경 앵커 그라우트 조성물을 제조하는 데에는 현재 기준으로 톤당 71,473원의 비용이 소요되었다. 비교예들의 경우 보통 포틀랜드 시멘트가 톤당 75,000원, A사의 팽창재가 톤당 1,100,000원, B사의 팽창재가 톤당 2,500,000원이므로 각 팽창재가 결합재 대비 1중량부 첨가 사용한다고 할 때 비교예 1은 톤당 8,6000원, 비교예 2는 톤당 100,000원이 각각 소요되었다. 이를 통해 본 발명의 경제성을 확인할 수 있다.
이와 같이 본 발명에 의할 경우 기존에 건설재료로서의 활용이 전무하였던 제강산업부산물인 래들 슬래그의 건설재료서의 생산적인 활용처를 제시받게 되면서도 시멘트 사용량도 획기적으로 줄일 수 있어 친환경적이고, 고가의 팽창재 사용도 필요없게 되어 경제성도 뛰어나며, 유하시간, 팽창율, 블리딩율 및 압축강도 등의 물성도 도로공사 재료품질기준에 부합하는 친환경 앵커 그라우트 조성물 및 친환경 앵커 그라우트재를 얻을 수 있게 된다.

Claims (5)

  1. 보통 포틀랜드 시멘트 36~42중량부, 고로 슬래그 미분말 24~28중량부, 기능성 개선재 25~40중량부, 경화 촉진제 0.1~10중량부, 팽창제 0.01~0.5중량부 및 감수제 0.1~3중량부로 구성되고,
    상기 기능성 개선재는 래들 슬래그와, 천연석고 및 탈황석고 중 어느 하나 이상이 혼합된 것으로, 상기 래들 슬래그는 제강공정의 부산물로서 2,000~8,000㎠/g의 분말도를 가지고 CaO, Al2O3 및 SO3를 각각 30~50wt%, 12~50wt% 및 0.1~3wt% 함유하고, 상기 천연석고는 CaO, Al2O3 및 SO3를 각각 40~45wt%, 0.1~3wt% 및 50~58wt% 함유하고, 상기 탈황석고는 CaO, Al2O3 및 SO3를 각각 45~65wt%, 0.1~3wt% 및 15~30wt% 함유하되, 상기 기능성 개선재의 질량 성분비에 있어서 Al2O3/SO3 및 CaO/SO3는 각각 0.25~1.2 및 1~4인 것을 특징으로 하는 친환경 앵커 그라우트 조성물.
  2. 제1항에서,
    상기 경화 촉진제는 생석회, 황산나트륨, 소석회, 황산알루미늄, 탄산나트륨 및 수산화리튬 중 어느 하나 이상으로 구성된 것을 특징으로 하는 친환경 앵커 그라우트 조성물.
  3. 제1항에서,
    상기 팽창제는 알루미늄 파우더인 것을 특징으로 하는 친환경 앵커 그라우트 조성물.
  4. 제1항에서,
    상기 감수제는 나프탈렌계, 멜라민계, 리그닌계 및 폴리카르본산계 중 어느 하나 이상으로 구성된 것을 특징으로 하는 친환경 앵커 그라우트 조성물.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 친환경 앵커 그라우트 조성물과 상기 친환경 앵커 그라우트 조성물 100중량부 대비 36~45중량부의 물을 교반하여 페이스트 형태로 제조된 것을 특징으로 하는 친환경 앵커 그라우트재.
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