KR101497220B1 - 겔화 시간 조절 및 경화를 강화하기 위한 혼화제를 포함하는 실리카졸 그라우팅용 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 토목공사에서 누수방지 공사나 토질 안정 등을 위하여 지반의 갈라진 틈이나 공동 등에 충전물질로 사용되는 그라우팅용 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 실리카졸 및 시멘트 현탁액으로 이루어진다.
이루어진 그라우팅용 조성물은 내구성이 우수한 충전물질을 제공하며, 경화시간이 상기의 성분으로 조절되어 어떠한 지층에서도 우수한 작업성을 나타낸다.
또한, 연약지반의 지하수에 의한 용탈이 발생하지 않고 유실되지 않으므로 지하수, 해수 및 유기질토에서도 조절하는 경화시간대로 경화되어 우수한 내수성을 나타낸다.

Description

겔화 시간 조절 및 경화를 강화하기 위한 혼화제를 포함하는 실리카졸 그라우팅용 조성물{COMPOSITION FOR SILICA SOLS GROUTING COMPRISING ADMIXTURE FOR GELATION TIME CONTROL}

본 발명은 겔화 시간 조절 및 경화를 강화하기 위한 혼화제를 포함하는 그라우팅용 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 실리카졸 및 시멘트 현탁액으로 이루어져, 내구성이 우수한 충전물질을 제공하며, 경화시간이 조절되어 우수한 작업성을 나타내는 겔화 시간 조절 및 경화를 강화하기 위한 혼화제를 포함하는 그라우팅용 조성물에 관한 것이다.

본 발명은 그라우팅 공법(일명, SSM 공법 : Soil Multi-Improvement Silica-sol grouting Method)에 사용되는, 겔화 시간 조절 및 경화를 강화하기 위한 혼화제를 포함하는 실리카졸 그라우팅 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 실리카졸 및 시멘트 현탁액으로 이루어져, 내구성이 우수한 충전물질을 제공하며, 경화시간이 조절되어 우수한 작업성을 나타내는 겔화 시간 조절 및 경화를 강화하기 위한 혼화제를 포함하는 실리카졸 그라우팅용 조성물에 관한 것이다.

토목공사 시에 건물을 철거하고 재건축할 경우에 주차대수, 용적율 및 건폐율 등 관련법규의 강화로 인해 종래에 건축물과 동일한 면적을 갖는 건축물을 재현하는 것은 현실적으로는 거의 불가능하게 되었으며, 앞으로는 기존 건물의 건폐율 등을 그대로 유지하면서 수직증축이나 리모델링을 통한 건물 사용이 늘어날 것으로 예측되고 있다.

이에 따라, 증축이나 리모델링 등으로 인해 증가 된 하중을 기존의 기초지반이 수용할 수 없을 경우에는 지반의 지지력을 향상시키기 위한 지반보강공사는 필수조건이 될 것으로 예측되고 있다.

일반적으로 연약지반이라고 하면 상부구조물을 지지할 수 없는 상태의 지반을 말하며, 예를 들면 연약한 점토, 느슨한 사질토 및 유기질토 등이 이에 속하고, 연약한 점성토나 유기질토로 구성된 지반 위에 도로, 교량, 건물 등이 그대로 놓여 진다면 침하량이 과대해지고, 지지력이 부족하여 안전상의 문제가 발생하게 된다.

상기의 문제점을 해소하기 위해 그라우팅 공법이 이용되는데, 그라우팅 공법의 예로 도로공사를 시행하는 경우에 단단한 기초지반이 요구되는데, 연약지반구간을 피해 도로공사가 진행될 경우에는 과다한 공사비의 과다지출이 불가피하며, 이러한 공사비의 과다지출을 피하기 위해서는 지반이 도로공사에 적합한 경도를 갖도록 하는 그라우팅 작업이 요구되며, 이러한 그라우틴 작업에 사용되는 것을 그라우팅용 조성물이라고 표현한다.

종래에 그라우팅용 조성물의 경우 투명도에 따라 용액형과 현탁액형으로 구분하며, 겔화 및 고결시간에 따라 6초에서 10초 내에 겔화 및 고결되는 순결형형(Short Type)과, 60초에서 300초 내에서 겔화 및 고결되는 완결형(Mild type)으로 구분되며, 순결형의 경우, 빠른 시간 내에 차수가 필요하면서, 지반 강화 및 완결형 약액을 주입할 목적으로 이용되고 있고, 완결형의 경우 모래지반과 같은 미세한 공극 사이로 침투력 및 확산력을 발휘하여 지반을 강화하는 곳에 이용되고 있다.

현재 그라우팅 작업에 널리 사용되고 있는 실리카졸 그라우팅은 규산소다 또는 규산칼슘 등의 규산염류계 물질을 특정한 무기산(또는 유기산)으로 중화한 실리카 콜로이드 용액인 실리카 졸과 시멘트 현탁액을 사용하고 있다.

한편, 그라우팅 조성물은 주입현장에서 수온 및 현장여건에 따라 겔화 타임이 수시로 변하기 때문에 실제 시공현장에서는 시험적으로 겔화 시간을 측정하여 조성물의 구성을 조절하여 겔화시간을 조절하게 된다.

실리카졸 그라우팅의 순결형인 경우 소기의 겔화시간을 얻지 못할 경우 빠른 겔화시간을 위해 시멘트 현탁액의 비율을 높이거나 시멘트의 투입량을 늘릴 수 밖에 없는데 이럴 경우 시공비가 상승하여 경제성이 떨어질 뿐만 아니라 시멘트 현탁액의 점성이 증가하여 주입성능에도 문제가 생길 수 있다.

반대로 완결형의 경우 가능한 겔화 시간을 지연시켜야 소기의 지반보강 및 차수 목적을 달성 할 수 있는데 이를 위해서는 시멘트 현탁액의 비율을 줄이거나 시멘트 투입량을 줄이기 되면 고결체의 강도와 투수계수의 시공품질이 떨어지는 문제점을 갖고있다.

본 발명의 목적은 실리카졸 및 시멘트 현탁액을 포함할 뿐만 아니라, 내구성이 우수한 충전물질을 제공하는 겔화 시간 조절 및 경화를 강화하기 위한 혼화제를 포함하는 그라우팅용 조성물을 제공하는 것이다. 상기 혼화제는 경화제를 포함하는 개념이다.

본 발명의 다른 목적은 혼화제 투입량만으로 경화시간이 조절되는 우수한 작업성을 나타내는 겔화 시간 조절 및 경화를 강화하기 위한 혼화제를 포함하는 그라우팅용 조성물을 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은 실리카졸 및 시멘트 현탁액을 포함하는 그라우팅 조성물에 있어서, 겔화 시간 조절 및 경화를 강화하기 위한 혼화제를 포함하는 것을 특징으로 하는 그라우팅용 조성물을 제공함에 의해 달성된다.

본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 겔화 시간 조절을 위한 혼화제를 포함하는 그라우팅용 조성물은 실리카졸과 시멘트 현탁액이 1:1～2 의 부피부 비율로 혼합되어 이루어지는 것으로 한다.

본 발명의 더 바람직한 특징에 따르면, 상기 실리카졸은 규사염, 황산알루미늄 및 황산용액을 고속 회전반응기에 투입하고 혼합하여 제조되는 것으로 한다.

본 발명의 더욱 바람직한 특징에 따르면, 상기 시멘트 현탁액은 시멘트 100 중량부에 혼화제 4 내지 15 중량부 및 물 150 내지 300 중량부를 혼합하여 이루어지는 것으로 한다.

본 발명의 더욱 더 바람직한 특징에 따르면, 상기 혼화재는 황산 알루미늄으로 이루어진 촉진제 1 내지 10 중량부, 무수석고 및 CSA(Calcium Sulfur Aluminate)로 이루어진 팽창제 40 내지 90

중량부, 구연산으로 이루어진 경화지연제 1 내지 5 중량부 및 플라이애쉬로 이루어진 충전제 10 내지 30 중량부로 이루어지는 것으로 한다.

본 발명에 따른 겔화 시간 조절 및 경화를 강화하기 위한 혼화제를 포함하는 그라우팅용 조성물은 실리카졸 및 시멘트 현탁액으로 이루어져, 내구성이 우수한 충전물질을 제공하는 탁월한 효과를 나타낸다.

또한, 실리카졸과 시멘트 현탁액의 혼합비를 조절하거나 시멘트 투입량의 조절없이 혼화제의 투입량을 조절하는 것만으로 겔화시간 조절 및 경화를 강화할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 겔화 시간 조절을 위한 혼화제를 포함하는 그라우팅용 조성물에 함유된 팽창제에 의해 발생한 에트링자이트를 촬영한 사진이다.

이하에는, 본 발명의 바람직한 실시예와 각 성분의 물성을 상세하게 설명하되, 이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위한 것이지, 이로 인해 본 발명의 기술적인 사상 및 범주가 한정되는 것을 의미하지는 않는다.

본 발명에 따른 겔화 시간 조절 및 경화를 강화하기 위한 혼화제를 포함하는 실리카졸 그라우팅용 조성물은 실리카졸 및 시멘트 현탁액으로 이루어지며, 실리카졸과 시멘트 현탁액이 1:1 부피부 비율로 혼합되어 이루어지는 것이 더욱 바람직하다.

상기 실리카졸은 규사염, 황산알루미늄 및 황산용액을 고속 회전반응기에 투입하고 혼합하여 제조된다.

상기 규산염은 종래에 시판되고 있는 액상 규산나트륨(sodium silicate), 액상 규산칼륨(potassuium silicate) 및 액상 규산리튬(lithiun silicate)으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 하나로 이루어지며, 액상 규산나트륨 또는 규산칼륨을 이용하여 제조되는 것이 바람직하다.

더욱 바람직하게는, 가격을 고려하여 규산나트륨(1종,4종)을 이용하는데, 규산나트륨 중 1종(SiO2/Na2O의 mole ratio: 2.1~2.3)인 경우 점도가 100,000cps 이상으로 매우 크기 때문에 규산나트륨의 유입량을 적절히 조절하기가 어렵고, 특히 동절기에는 어름과 같이 고형화될 확률이 높아 작업성이 매우 떨어진다는 단점이 있으며, 규산나트륨 2종(SiO2/Na2O의 mole ratio: 2.4~2.6)인 경우 1종보다 실리카 졸의 량을 더 많이 제공할 수 있으나, 점도가 10,000 내지 50,000cps로 높기 때문에 2종 역시 정확한 규산염의 유입량을 조절하기 어렵고, 규산나트륨 4종(SiO2/Na2O의 mole ratio: 3.4~3.6)인 경우 많은 량의 실리카 졸을 생성시킬 수 있으며, 점도가 매우 낮아 규산염의 유입량을 조절하기 매우 편리하나, 구입이 어렵고 단가가 비싸다는 단점을 가지고 있으며, 규산나트륨 3종(SiO2/Na2O의 mole ratio: 3.15~3.30)인 경우 점도도 그다지 높지않으면서 가격이 저렴하고 국내의 규산염 제조업체에서 가장 많이 생산하고 있는 규산염이기 때문에 구입하는데 편리하므로 경제성 및 생산성을 고려할 때 3종의 규산나트륨을 이용하는 것이 가장 바람직하다.

상기 규산염은 물 100 중량부에 규산염 80 내지 150 중량부를 혼합하는 것이 바람직한데, 상기 규산염의 함량이 80 중량부 미만이면, 완결(mild)의 효과가 나타나기 때문에 순결을 요구하는 그라우팅 조성물에는 적합하지 않고, 규산염의 함량이 150 중량부를 초과하여 혼합되면, 수초 안에 순결효과가 나타나나 그라우팅용 조성물의 과잉혼합에 의한 시공단가가 높아진다.

상기 규산염을 물과 혼합하는 과정에서는 고속회전 반응기가 사용되며, 고속회전 반응기의 교반속도는 25 내지는 150rpm이 바람직하며, 상기 교반속도가 25 rpm의 미만이면, 균일한 규산염의 제공하기 위하여 다소 시간이 걸리기 때문에 작업의 효율성이 저하되며, 교반속도가 150rpm을 초과하는 경우에는 매우 짧은 시간에도 균일한 규산염을 제공할 수 있으나, 고속 회전에 의한 와류에 의하여 많은 유입량을 혼합하기 어려우며, 물에 희석된 규산염 용액이 혼합장치 밖으로 유출될 수 있다.

상기와 같은 조건을 통해 제공되는 희석된 규산염 100 중량부에 황산알루미늄 30 내지 40 중량부와 황산용액 5 내지 10 중량부를 더 첨가하여, 실리카 졸이 형성되며, 이때, 실리카졸을 형성하기 위한 고속회전 혼합장치의 하우징 및 임펠러는 내산성이 우수한 스테인레스 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 시멘트 현탁액은 시멘트 100 중량부에 혼화제 4 내지 15 중량부 및 물 150 내지 300 중량부를 혼합하여 이루어진다.

이때, 상기 혼화제는 황산 알루미늄으로 이루어진 촉진제 1 내지 10 중량부, 무수석고 및 CSA로 이루어진 팽창제 40 내지 90 중량부, 구연산으로 이루어진 경화지연제 1 내지 5 중량부 및 플라이에쉬로 이루어진 충전제 10 내지 30 중량부로 이루어진다.

상기 촉진제는 황산알루미늄으로 이루어지며, 상기 무수석고의 수화반응을 촉진하는 역할을 한다.

상기 팽창제는 무수석고 및 CSA로 이루어지는데, 무수석고는 물과 반응하여 매우 급격한 수화반응을 진행하며, 30 내지 40 중량부가 사용되는 것이 바람직한데, 무수석고의 사용량이 40 중량부를 초과하게 되면 이상 급결현상이 발생하여 발열과 과대팽창 현상이 발생하여 그라우팅용 조성물의 강도가 저하된다.

또한, 상기 CSA는 시멘트와 반응하여 여러 종류의 칼슘알루미네이트 수화물과 에트링자이트(수화반응 초기의 급결반응에서 생성되는 침상형 수화물을 지창하는 것으로, 아래 도 1 참조)를 생성하며, 10 내지 50 중량부가 첨가되는데 시멘트를 급결시키며 장기간 동안 우수한 강도를 나타내는 그라우팅용 조성물을 제공하는 역할을 한다.

상기 CSA의 함량이 50 중량부를 초과하게 되면, 매우 격렬한 반응이 진행되어, 이상급결 및 과대 팽창이 발생하여, 그라우팅용 조성물의 강도가 저하되며, 제조비용을 증가시키게 된다.

상기 경화제연제는 구연산으로 이루어지며, 상기 무수석고의 수화반응을 지연시켜 경화시간을 연장하여 그라우팅용 조성물의 작업성을 개선하고, 안정적인 겔(Gel) 반응을 진행하는 역할을 한다.

상기 경화제연제의 함량이 5 중량부를 초과하게 되면, 그라우팅용 조성물의 강도가 저하되며, 경우에 따라서는 수화반응과 겔 현상이 발생하지 않을 수도 있다.

상기 충전제는 플라이에쉬로 이루어지며, 치밀한 매트릭스 조직을 갖는 그라우팅용 조성물을 제공하며, 제조비용을 낮추는 역할을 한다.

이하에서는, 본 발명에 따른 겔화 시간 조절을 위한 혼화제를 포함하는 그라우팅용 조성물의 제조방법을 실시예를 들어 설명하기로 한다.

<실시예 1>

실리카졸 100 부피부에 시멘트 현탁액 100 부피부를 혼합하여 순결형 그라우팅용 조성물을 제조하였다.

상기 실시예 1에서 사용되는 실리카졸과 시멘트 현탁액을 성분 및 경화시간을 정리하여 아래 표 1에 나타내었다.

(혼화제 : 황산 알루미늄 5 중량부, 무수석고 30 중량부, CSA 40 중량부, 구연산 2 중량부 및 플라이애쉬 23 중량부)

<표 1>

상기 실시예 1을 통해 제조된 그라우팅용 조성물의 겔타임은 20℃에서 5 내지 20초에 이르고, 실리카졸 및 시멘트 현탁액으로 이루어져, 내구성이 우수한 충전물질을 제공하며, 경화지연제가 함유되어 우수한 작업성을 나타낸다.

또한, 구연산이 함유되어 안정적인 겔 현상이 진행되며, 플라이에쉬를 첨가하여 치밀한 매트릭스 조직을 나타낸다.

상기 실시예 1은 실험실에서의 시험과 다양한 현장경험을 토대로 제시되는 예이며 실제 시공현장에서는 다양한 시공목적에 맞추어 빠른 겔화시간을 얻기 위해서는 실리카졸과 시멘트 현탁액의 혼합비를 조절하거나 시멘트 투입량의 증가 없이 혼화제의 투입량을 증가시키는 것으로 겔화시간을 조절할 수 있다.

<실시예 2>

실리카졸 100 부피부에 시멘트 현탁액 100 부피부를 혼합하여 완결형 그라우팅용 조성물을 제조하였다.

(혼화제 : 황산 알루미늄 4 중량부, 무수석고 24 중량부, CSA 20 중량부, 구연산 3 중량부 및 플라이애쉬 49 중량부)

<표 2>

상기 실시예 2을 통해 제조된 그라우팅용 조성물의 겔타임은 20℃에서 30 내지 300초에 이르고, 실리카졸 및 시멘트 현탁액으로 이루어져, 내구성이 우수한 충전물질을 제공하며, 경화지연제가 함유되어 우수한 작업성을 나타낸다.

또한, 구연산이 함유되어 안정적인 겔 현상이 진행되며, 플라이에쉬를 첨가하여 치밀한 매트릭스 조직을 나타낸다.

상기 실시예 2은 실험실에서의 시험과 다양한 현장경험을 토대로 제시되는 예이며 실제 시공현장에서는 다양한 시공목적에 맞추어 겔화시간을 지연시키기 위해서는 실리카졸과 시멘트 현탁액의 혼합비를 조절하거나 시멘트 투입량의 감소없이 혼화제의 추가 투입량만으로 겔화시간을 조절할 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 그라우팅용 조성물은 강도와 작업성이 우수한 그라우팅 조성물을 제공하여, 치밀한 매트릭스 조직을 나타낼 뿐만 아니라, 플라이 에쉬가 첨가되어 제조비용이 저렴한 효과를 나타낸다.

또한, 다양한 시공목적에 맞추어 겔화 시간을 조절하기 위해서 실리카졸과 시멘트 현탁액의 혼합비나 시멘트 투입량의 조절없이 혼화제의 투입량으로 겔화 시간을 조절할 수 있기 때문에 저렴한 시공비와 시공품질이 우수한 효과를 나타낸다.

Claims (6)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 실리카졸 및 시멘트 100 중량부에 겔화 시간 조절 및 경화를 강화하기 위한 혼화제 4 내지 15 중량부 및 물 150 내지 300 중량부를 혼합하여 이루어지는 시멘트 현탁액을 포함하는 실리카졸 그라우팅 조성물에 있어서,
   상기 혼화제는 황산 알루미늄으로 이루어진 촉진제 1 내지 10 중량부, 무수석고 및 CSA로 이루어진 팽창제 40 내지 90 중량부, 구연산으로 이루어진 경화지연제 1 내지 5 중량부 및 플라이에쉬로 이루어진 충전제 10 내지 30 중량부로 이루어지며,
   팽창제 40 내지 90 중량부 중 무수석고는 30 내지 40 중량부, CSA는 10 내지 50 중량부인 것을 특징으로 하는 혼화제를 포함하는 실리카졸 그라우팅용 조성물.
   

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