KR101501552B1 - 내해수성 그라우트재 조성물 및 이를 이용한 해상풍력발전 구조물의 시공방법 - Google Patents

내해수성 그라우트재 조성물 및 이를 이용한 해상풍력발전 구조물의 시공방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고강도 혼합재 2~10 중량%; 1종 포틀랜드 시멘트 25~35 중량%; 입도 30~60mesh 규사 30~45 중량%; 입도 60~100mesh 규사 5~15 중량%; 입도 100~200mesh 규사 5~10 중량%;를 포함하며, 고강도 혼합재는 슬래그 45~99 중량%; 무수석고 1~55 중량%;를 혼합 분쇄한 것을 특징으로 하는 내해수성 그라우트재 조성물 및 이를 이용한 해상풍력발전 구조물의 시공방법을 제시함으로써, 내해수성이 우수하고, 저온에서의 강도 발현이 뛰어나며, 풍하중 및 파압에 의한 반복하중에 대하여 저항할 수 있도록 압축강도 및 내구성이 증진되도록 한다.

Description

내해수성 그라우트재 조성물 및 이를 이용한 해상풍력발전 구조물의 시공방법{GROUT COMPOSITION AND CONSTRUCTION METHOD FOR OFFSHORE WIND POWER GENERATION FACILITY USING THE SAME}
본 발명은 토목 기술분야에 관한 것으로서, 상세하게는 내해수성 그라우트재 조성물 및 이를 이용한 해상풍력발전 구조물의 시공방법에 관한 것이다.
해상풍력발전 구조물이란. 기초가 해저지반에 형성되고 상부 프로펠러가 해수면 위로 노출되는 구조로서, 해상의 풍력을 이용하여 발전하기 위한 구조물을 말한다.
여기서 해저지반에 형성되는 해상풍력발전 구조물의 기초는 다음과 같은 조건을 만족하여야 한다.
첫째, 해상풍력발전 구조물에는 풍하중 및 파압에 의해 대단히 큰 반복하중이 지속적으로 작용하므로, 이에 저항할 수 있는 고강도를 지녀야 한다.
둘째, 해수의 염분에 노출될 수밖에 없으므로, 내해수성(내염해성) 물성이 요구된다.
그런데, 현재까지 개발된 그라우트 조성물은 위와 같은 조건을 만족하지 못하므로, 이들 조건을 만족하는 그라우트 조성물의 개발이 시급한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 도출된 것으로서, 내해수성이 우수하고, 저온에서의 강도 발현이 뛰어나며, 풍하중 및 파압에 의한 반복하중에 대하여 저항할 수 있도록 압축강도 및 내구성이 증진된 내해수성 그라우트재 조성물 및 이를 이용한 해상풍력발전 구조물의 시공방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기 과제의 해결을 위하여, 본 발명은 고강도 혼합재 2~10 중량%; 1종 포틀랜드 시멘트 25~35 중량%; 입도 30~60mesh 규사 30~45 중량%; 입도 60~100mesh 규사 5~15 중량%; 입도 100~200mesh 규사 5~10 중량%;를 포함하며, 상기 고강도 혼합재는 슬래그 45~99 중량%; 무수석고 1~55 중량%;를 혼합 분쇄한 것을 특징으로 하는 내해수성 그라우트재 조성물을 제시한다.
상기 고강도 혼합재는 분말도 7000~10,000cm2/g인 것이 바람직하다.
CAS, CaO 및 CaSO4의 혼합에 의한 수축 보상재 3~10 중량%;를 더 포함하는 것이 바람직하다.
폴리카르복실레이트계 합성 유동화제 0.05~0.5 중량%; 폴리글리콜계 소포제 0.1~0.3 중량%; 칼슘설퍼알루미네이트계 경화촉진제 0.3~1.0 중량%;를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명은 상기 내해수성 그라우트재 조성물 및 물을 포함하고, 물-시멘트비는 12~18 중량%인 것을 특징으로 하는 내해수성 그라우트 재료를 함께 제시한다.
본 발명은 해저 지반을 천공하여 천공 홀(1)을 형성하는 단계; 상기 천공 홀(1)에 파일(10)을 설치하고, 제 5항의 그라우트 재료(G)에 의해 그라우팅 하는 단계; 상기 파일(10)의 상부에 해상풍력발전 구조물(100)을 설치하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 해상풍력발전 구조물의 시공방법을 함께 제시한다.
본 발명은 내해수성이 우수하고, 저온에서의 강도 발현이 뛰어나며, 풍하중 및 파압에 의한 반복하중에 대하여 저항할 수 있도록 압축강도 및 내구성이 증진된 내해수성 그라우트재 조성물 및 이를 이용한 해상풍력발전 구조물의 시공방법을 제시한다.
도 1 내지 2는 본 발명에 의한 내해수성 그라우트재 조성물의 성능시험을 검증하기 위한 시험결과를 도시한 것으로서,
도 1은 압축강도 측정결과를 나타낸 그래프.
도 2는 염소이온 침투 저항성 시험결과를 나타낸 그래프.
도 3 이하는 본 발명에 의한 내해수성 그라우트재 조성물을 이용한 해상풍력발전 구조물의 시공방법의 실시예를 도시한 것으로서,
도 3은 천공 홀을 형성하는 단계의 단면도.
도 4는 그라우팅하는 단계의 단면도.
도 5는 구조물을 설치하는 단계의 단면도.
이하, 첨부 표를 참조하여 본 발명의 실시예에 관하여 상세히 설명한다.
본 발명에 의한 내해수성 그라우트재 조성물은 고강도 혼합재 2~10 중량%; 1종 포틀랜드 시멘트 25~35 중량%; 입도 30~60mesh 규사 30~45 중량%; 입도 60~100mesh 규사 5~15 중량%; 입도 100~200mesh 규사 5~10 중량%;를 포함하여 구성된다는 점이 특징이다.
그리고 고강도 혼합재는 슬래그 45~99 중량%; 무수석고 1~55 중량%;를 혼합 분쇄한 것을 특징으로 한다.
일반적으로 해상풍력발전 구조물의 기초형성용 그라우트 재료가 가져야 할 물성은 다음과 같다.
첫째, 건조수축이 100일 기준으로 0.5mm/m 이하여야 한다.
둘째, 강도가 80MPa 이상이어야 한다.
셋째, 염소이온 침투전하량이 1500 Coulomb 이하여야 한다.
본 발명에 의한 그라우트 재료의 실시예로서, 고강도 혼합재 2~10 중량%, 1종 포틀랜드 시멘트 25~35 중량%, 입도 30~60mesh 규사 30~45 중량%, 입도 60~100mesh 규사 5~15 중량%, 입도 100~200mesh 규사 5~10 중량%를 혼합하여 그라우트 조성물을 형성하고, 이와 물을 혼합하여 물-시멘트비가 12~18 중량%인 그라우트 재료를 제조하였다.
종래의 그라우트 재료는 위 조건을 만족하지 못하는 것으로 나타났으나, 위의 본 발명의 실시예에 의한 그라우트 재료의 경우에는 위 조건을 모두 만족하는 것으로 나타났다.
따라서, 본 발명의 그라우트 재료를 이용하여 해상풍력발전 구조물을 시공할 경우, 내해수성이 우수하고, 저온에서의 강도 발현이 뛰어나며, 풍하중 및 파압에 의한 반복하중에 대하여 효과적으로 저항할 수 있는 구조물을 확보할 수 있다.
표 1은 본 발명의 그라우트재 조성물의 제 1실시예의 구성 성분의 배합비를 나타낸 것이다.
Figure 112013049885541-pat00001
먼저, 고강도 혼합재는 분말도 7000~10,000cm2/g인 것을 사용하는 것이 바람직하며, 슬래그 45~99 중량%와 무수석고 1~55 중량%를 혼합 분쇄한 것을 특징으로 한다.
표 2는 고강도 혼합재의 구성 성분의 배합비를 나타낸 것이다.
Figure 112013049885541-pat00002
이러한 고강도 혼합재를 혼입하여 그라우트재 조성물을 제조할 경우, 발생하는 메카니즘은 다음과 같다.
먼저, 고강도 혼합재는 시멘트의 성분 중, 칼슘알루미네이트(3CaO·Al2O3)와 반응하여 에트링자이트(3CaO·AL2O3·3CaSO4·32H2O)를 생성한다.
이후, 에트링자이트는 물과 시멘트의 수화반응에 의해 생성된 수산화칼슘(Ca(OH)2)과 반응하여 칼슘실리케이트 수화물(C-S-H계)을 형성한다.
위의 과정과 아울러, 고강도 혼합재는 미분체의 충전효과에 의한 유동성 향상으로 반죽에 필요한 소요 물량을 감소시켜 고강도를 유도하는 것이다.
이는, 표준양생조건(20℃)에서의 강도발현뿐 아니라, 저온양생조건(5℃)에서도 재령 28일 압축강도 100MPa 이상을 달성할 수 있다는 장점이 있다.
즉, 본 발명의 그라우트재 조성물에 고강도 혼합재를 사용함으로써, 고강도 콘크리트 파일 또는 고강도 콘크리트 구조물을 확보하는 효과가 있다.
또한, 고강도 혼합재는 산업폐기물인 슬래그를 사용하여 형성되므로, 제조에 소용되는 비용을 절감할 수 있으며, 환경적 측면에서도 바람직하다는 효과가 있다.
표 3은 본 발명의 그라우트재 조성물의 제 2실시예의 구성 성분의 배합비를 나타낸 것이다.
Figure 112013049885541-pat00003
표 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 그라우트재 조성물은 CAS, CaO 및 CaSO4의 혼합에 의한 수축 보상재 3~10 중량%를 혼입하는 것이 바람직하다.
위의 수축 보상재를 혼입하여 그라우트재 조성물을 제조할 경우, 발생하는 메카니즘은 다음과 같다.
CAS(4CaO·3Al2O3·CaSO4)는 수화 시, 조강성과 더불어 무수석고(CaSO4)와 수산화칼슘(Ca(OH)2)과 반응하여 팽창성의 에트링가이트(ettringite ; 3(C3A·3CaSO4·32H2O)) 수화물을 생성한다.
이는, 시멘트 경화체의 빈 공극을 채워주는 기능을 함과 아울러, 팽창압이 발생되어 경화체 건조시 발생되는 건조수축을 억제시켜 주는 기능을 하며, 강도를 증진시키는 기능을 한다.
따라서, 위의 수축 보상재를 혼입함에 따라, 건조수축을 감소시켜 작업성을 확보하며, 고강도의 콘크리트 파일 또는 구조물을 확보할 수 있다는 효과가 있다.
수축 보상재는 10 중량%를 초과하여 혼입할 경우, 이상 팽창을 유발하여 강도를 급격히 저하시키는 원인이 되므로, 본 발명에서 제시하는 3~10 중량%의 범위 내에서 혼입하는 것이 바람직하다.
표 4는 본 발명의 그라우트재 조성물의 제 3실시예의 구성 성분의 배합비를 나타낸 것이다.
Figure 112013049885541-pat00004
표 4에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 그라우트재 조성물은 특성 개선제 컴파운드로서, 폴리카르복실레이트계 합성 유동화제 0.05~0.5 중량%와 폴리글리콜계 소포제 0.1~0.3 중량%와 칼슘설퍼알루미네이트계 경화촉진제 0.3~1.0 중량%를 혼입하는 것이 바람직하다.
특성 개선제 컴파운드는 위의 배합비에 따라 혼입됨으로써, 각각의 혼화제의 효과를 극대화할 수 있다.
또한, 특성 개선제 컴파운드의 총 혼입량은 0.5~2.0 중량%인 것이 바람직하다.
특성 개선제 컴파운드를 구성하는 혼화제 중, 폴리카르복실레이트계 합성 유동화제(Polycarboxylate superplasticizer)의 분자 구조는 볏모양의 구조이며, 선형의 주쇄(main chain)에 측쇄(side chain)로 카르복실레이트(carboxylate)와 에테르 그룹(ether groups)가 붙어있는 구조이다.
이 카르복실그룹이 시멘트 입자와 달라붙는 흡착 수단이 되며, 카르복실그룹의 정전기적 반발과 측쇄의 에테르 그룹의 입체장애에 의하여 분산 능력이 발휘된다.
이러한 폴리카르복실레이트계 합성 유동화제는 주쇄가 짧을수록, 측쇄가 길고 많을수록 콘크리트의 유동성이 커지고, 슬럼프 지속성이 높아진다는 특징이 있다.
또한, 측쇄의 PEO기(ether groups)가 친수성을 나타내기 때문에 물과 수소결합을 형성하며, 우수한 젖음 특성으로 시멘트계로 확장된다.
따라서, 혼합수의 상당부분이 시멘트 입자에 흡착되어 있는 PCA의 인력권역 내에 존재하게 되고, 시멘트 입자 표면에서 수화가 진행될수록 비 건조 수인 화학적 결합수 또는 층간수 등의 비율이 높아지며, 강도 등 내구성에 영향을 미치는 모세관수의 비율이 낮아져 압축강도 개선효과를 가진다.
동일 화학구조에서 [주쇄]/[측쇄] 몰비의 증가에 따라 압축강도는 증가하는데, 이는 앞서 기술한 바와 같이 시멘트 입자들의 분산성이 우수해질수록 시멘트 입자상의 초기 수화물이 미세하고 치밀해지기 때문에 표면적이 증가하고, 이로 인해 생성된 수화물 간에 인력이 증가하여 압축강도가 개선될 수 있는 것이다.
그리고 시멘트 입자 간에 입체적 장애 효과로 인한 분산 및 안정화 효과를 갖는 측쇄는 수화물 층과의 인력작용으로 압축 및 응결촉진의 효과를 나타낸다.
또한, 분산성 향상으로 인해 동일 작업 반죽질기를 얻기 위한 첨가수량을 감소시킬 수 있어 높은 압축강도를 얻을 수 있다.
특성 개선제 컴파운드를 구성하는 혼화제 중, 폴리글리콜계 소포제는 계면의 표면장력을 낮춰 모르타르에 연행된 공기포를 소멸시켜주는 작용을 하여 모르타르 내 공극을 감소시키므로, 압축강도 및 내구성을 높이는 효과를 얻을 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 본 발명의 내해수성 그라우트재 조성물과 물을 혼합하여 물-시멘트비가 12~18 중량%인 그라우트 재료를 제조하였다.
위의 그라우트 재료를 이용한 해상풍력발전 구조물의 시공방법은 다음과 같은 공정에 의해 구성된다.
해저 지반을 천공하여 천공 홀(1)을 형성한다(도 3).
천공 홀(1)에 파일(10)을 설치하는데, 그 천공 홀(1)과 파일(10)의 사이 영역을 위 그라우트 재료(G)에 의해 충전하는 방식으로 그라우팅을 실시한다(도 4).
이후, 파일의 상부에 해상풍력발전 구조물(100)을 설치한다(도 5).
이하, 본 발명의 효과를 알아보기 위한 실험예에 관하여 설명한다.
표 5는 그라우트재 조성물의 성능시험에 사용된 본 발명의 조성물의 배합비와 비교예의 배합비를 나타낸 것이다.
Figure 112013049885541-pat00005
표 6은 표 5에 나타낸 본 발명의 조성물의 실시예 1내지 3 및 비교예에 대하여 압축강도 및 염소이온 침투 저항성을 나타낸 것이다.
성능시험 결과, 본 발명의 그라우트재 조성물은 28일 압축강도가 비교예와 비교하여 월등히 높은 것을 확인할 수 있다(도 1).
또한, 본 발명의 그라우트재 조성물은 염소이온 침투 저항성이 비교예와 비교하여 월등히 우수하다는 것을 확인할 수 있다(도 2).
즉, 본 발명의 그라우트재 조성물 및 이를 이용한 그라우트 재료는 압축강도 및 내해수성이 매우 우수하므로, 풍하중 및 파압에 의한 반복하중에 대하여 효과적으로 저항할 수 있으며, 이에 해상풍력발전 구조물의 수명을 증대시킬 수 있다는 장점이 있다.
이상은 본 발명에 의해 구현될 수 있는 바람직한 실시예의 일부에 관하여 설명한 것에 불과하므로, 주지된 바와 같이 본 발명의 범위는 위의 실시예에 한정되어 해석되어서는 안 될 것이며, 위에서 설명된 본 발명의 기술적 사상과 그 근본을 함께 하는 기술적 사상은 모두 본 발명의 범위에 포함된다고 할 것이다.

Claims (6)

  1. 고강도 혼합재 2~10 중량%;
    1종 포틀랜드 시멘트 25~35 중량%;
    입도 30~60mesh 규사 30~45 중량%;
    입도 60~100mesh 규사 5~15 중량%;
    입도 100~200mesh 규사 5~10 중량%;
    CAS, CaO 및 CaSO4의 혼합에 의한 수축 보상재 3~10 중량%;
    폴리카르복실레이트계 합성 유동화제 0.05~0.5 중량%;
    폴리글리콜계 소포제 0.1~0.3 중량%;
    칼슘설퍼알루미네이트계 경화촉진제 0.3~1.0 중량%;를
    포함하며,
    상기 고강도 혼합재는
    슬래그 45~99 중량%;
    무수석고 1~55 중량%;를 혼합 분쇄한 것을 특징으로 하는 내해수성 그라우트재 조성물.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 고강도 혼합재는
    분말도 7000~10,000cm2/g인 것을 특징으로 하는 내해수성 그라우트재 조성물.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1항 또는 제 2항 중 어느 한 항의 내해수성 그라우트재 조성물 및 물을 포함하고,
    물-시멘트비는 12~18 중량%인 것을 특징으로 하는 내해수성 그라우트 재료.
  6. 해저 지반을 천공하여 천공 홀(1)을 형성하는 단계;
    상기 천공 홀(1)에 파일(10)을 설치하고, 제 5항의 그라우트 재료(G)에 의해 그라우팅 하는 단계;
    상기 파일(10)의 상부에 해상풍력발전 구조물(100)을 설치하는 단계;를
    포함하는 것을 특징으로 하는 해상풍력발전 구조물의 시공방법.
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