KR101537764B1

KR101537764B1 - 시멘트 그라우팅용 고분자계 급결재 제조방법

Info

Publication number: KR101537764B1
Application number: KR1020140185035A
Authority: KR
Inventors: 김창준; 김태훈
Original assignee: (주)대솔지오텍; 주식회사 우남케미코
Priority date: 2014-12-19
Filing date: 2014-12-19
Publication date: 2015-08-07

Abstract

본 발명은 시멘트 그라우팅용 고분자계 급결재 제조방법에 관한 것으로서, 초기 강도를 증가시킴으로서 초기 지반 변이에 대한 안정성을 향상시킴과 함께 완벽한 차수 효과를 얻을 수 있도록 하기 위한 것이다.
이를 실현하기 위한 본 발명은, 에틸렌옥사이드(Ethylene oxide) 함량이 50% 이상이고 분자량이 700~3,000인 폴리에틸렌글리콜 50~70중량%와, 분자량이 400~2,000이고 관능기가 2~3인 폴리옥시알킬렌글리콜(Polyoxyalkylene Glycol)을 30~50중량%를 60°C로 가열 혼합하여 폴리올(polyol) 혼합물을 형성하는 제1단계와; 상기 혼합된 폴리올(polyol) 혼합물 40~60중량%와, 이소시아네이트(Isocyanate) 30~60중량%를 혼합 80~85°C에서 3시간 가열하여 잔존 NCO%가 2~15 되게 프리폴리머(Pre-polymer)를 제조하는 제2단계와; 상기 프리폴리머(Pre-polymer) 100중량%를 기준으로 반응조절재(반응촉진재 또는 반응지연재) 0.001~1.0중량%를 혼합하는 제3단계와; 상기 혼합물 100중량%를 기준으로 점도 조절재로 유기용재를 5~40중량%로 혼합하는 제4단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

시멘트 그라우팅용 고분자계 급결재 제조방법{Polymerized Fast Curing Additive for Cementious Grouting}

본 발명은 고분자계 급결재 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 터널 굴착시 연약지반, 단층대, 파쇄대 및 용수대의 지반 보강 및 차수를 목적으로 시행되는 시멘트를 주재로 한 터널 보조공법으로 시멘트 현탁액과 혼합 결합하여 단시간 내에 높은 초기 강도발현과 우수한 침투성에 따른 내구성 향상과 뛰어난 차수 효과가 실현되어 안전한 터널 굴착이 가능한 시멘트 그라우팅용 고분자계 급결재 제조방법에 관한 것이다.

본 발명의 명세서에서 상기 초기 강도와 우수한 내구성 및 차수성 발현이 기대되는 시멘트 현탁액과 고분자계 급결재의 혼합물을 “PMG(Polymer Method of Grouting) 조성물”이라 하고, 상기 고분자계 급결재와 시멘트 현탁액의 혼합물을 이용한 지반보강 및 차수 공법을 “PMG(Polymer Method of Grouting) 공법”이라 한다.

일반적으로 토사나 풍화토 등의 연약지반 구간의 터널 건설 시 굴착 보조 공법으로 사용되는 강관 다단이나 지반보강공법에는 주요 공정으로 시멘트그라우팅(grouting) 공정이 터널 건설 시 안정성 확보를 위해 사용되고 있다.

즉, 시멘트그라우팅 공법이라 함은 주입펌프 등을 이용하여 토사 또는 암반의 틈새 등에 시멘트 그라우트(grout)를 주입하는 공법으로, 주입관을 지반에 설치하고, 그 주입관을 통해 시멘트 그라우트를 분산시켜 그라우트재에 의해 지반이 고결되도록 하여 대상 지반의 지내력을 증가시키고, 투수 계수를 감소시켜 차수성을 향상시키는 공법이다.

이러한 그라우팅 공법은 1887년 독일에서 물유리(water glass)와 염화칼슘을 사용한 것을 최초로, 이후 1901년 벨기에에서 묽은 물유리와 묽은 산을 이용하였으며, 1906년에는 물유리와 황산알루미늄을 사용하였고, 1925년 독일에서 농축된 물유리와 강력한 염화칼슘 용액을 사용하였다.

최근, 외국의 경우에는 화산 지질이 많은 곳을 중심으로 하여 합성 실리카와 습식으로 분쇄된 초미립 시멘트, 또는 실리카 졸과 경화제를 그라우트재로 사용하기도 한다. 한편, 국내에서는 상기의 재료들이 규산소다에 비하여 가격이 매우 비싸기 때문에 그 사용이 거의 없으며, 국내의 지질 특성상 지하수와 천공이 많아서 입자가 미세한 특수 시멘트와 이에 적합한 규산소다를 혼합하여 그라우트재로 사용하게 되었다.

이러한 그라우팅 조성물에 관련된 종래 기술로서, 특허등록 제1078044호에서는 규산소사 화합물을 포함하는 그라우트재에 관련된 기술이 제안된 바 있다.

그러나, 상기한 종래 기술에서는 규산소다를 주성분으로 하기 때문에 지반속의 간극수 특히 유동하고 있는 지하수 등과 접하면 약액성분의 일부가 고결물로부터 용출할 가능성이 있다.

약액조성분은 주제인 고결하는 성분과 주제를 고결시키기 위해서 필요로 하지만 그 자체는 고결하지 않는 성분으로 구분된다. 고결하는 성분은 물유리계 약액으로는 실리카(SIO 2)아크릴아미드계 약액으로는 아크릴아미드계 모노마, 요소계 약액으로는 포름알데히드 요소초기 축합물, 우레탄계 약액으로는 폴리우레탄, 프리폴리머(Pre-polymer)이다. 고결하는 성분이 그만큼 고결물의 안정성에 영향을 미치는 것을 알수 있다.

물유리계 약액의 실리카분은 실제로는 10~50%가 용출되며 실리카분의 용출비율이 높은 것일수록 고결물의 강도가 작아지고 있다. 그러므로 안정된 고결물을 얻는 데는 가능한 실리카분의 용출율이 적은 약액을 사용할 필요가 있다.

또한, 규산소다를 급결재로 사용하게 되면 그라우팅 시공 후, 초기에 강도 발현이 증진되지 않아서 토사 및 풍화토 등의 초기 하중이 발생하거나 변위가 크게 발생하는 조건에서의 안정성에 문제가 제기되어 왔다.

본 발명의 시멘트그라우팅용 고문자계 급결재는 이러한 단점을 보완하여 용탈을 최소화 하여 내구성 향상과 환경문제를 개선한 급결재이며 장단기 강도발현과 차수 효과가 탁월한 성능을 기대할 수 있다.

본 발명은 상기한 종래 기술에서의 용탈, 내구성 저하, 환경문제 등을 개선하기 위해 제안된 것으로서, 연약지반 주입재의 초기 강도를 단시간 내에 발현할 수 있는 고분자계 급결재 제조방법을 제공함으로서 초기 변이에 대한 안정성을 확보하고 용탈 현상을 방지하여 지반의 내구성 및 차수 효과를 극대화하는데 목적이 있다.

상기 목적을 이루기 위한 본 발명은, 에틸렌옥사이드(Ethylene oxide)의 함량이 50% 이상이고 분자량이 700~3,000인 폴리에칠렌글리콜(Polyethylene Glycol) 50~ 70중량%와, 분자량이 400~2,000인 폴리옥시알킬렌글리콜(Polyoxyalkylene Glycol) 을 30~50 중량%를 60°C에서 가열 혼합하여 폴리올(polyol) 혼합물을 만드는 제1단계와 상기 혼합된 폴리올(polyol) 혼합물 40~60중량%와 이소시아네이트(Isocyanate) (MDI, 변성MDI또는 TDI) 30~60 중량%를 혼합 80~85°C에서 3시간 가열하여 프리폴리머(Pre-polymer)를 제조하는 제2단계와; 상기 프리폴리머(Pre-polymer) 100중량%를 기준으로 반응조절재(반응촉진재 또는 반응지연재) 0.001~1.0중량%를 혼합하는 제3단계와; 상기 혼합물 100중량%를 기준으로 점도 조절재로 친수성 유기용재를 5~30중량%로 혼합하는 제4단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이러한 본 발명에 따른, 고분자계의 급결재를 제조함으로써 시멘트 그라우팅 주입재의 초기 강도가 단시간 내에 높게 발현될 수 있게 되어 공사기간 단축은 물론 우수한 침투효과에 따른 그라우트의 내구성 및 차수 효과를 극대화할 수 있는 효과를 나타낸다.

도 1은 본 발명의 급결재 제조과정 순서도.

이하, 본 발명의 구체적인 실시 예를 살펴보기로 한다.

먼저, 본 발명의 일 실시 예에 따른 시멘트 그라우팅용 고분자계 급결재 제조과정을 도 1의 순서도를 참조하여 살펴보면 다음과 같다.

<제1단계>

먼저, 에틸렌옥사이드(Ethylene oxide)의 함량이 50중량% 이상이고 중량평균분자량이 700~3,000인 폴리에칠렌글리콜(Polyethylene Glycol) 50~70중량%와, 중량평균분자량이 400~2,000이고 관능기가 2~3 인 폴리옥시알킬렌글리콜(Polyoxyalkylene Glycol) 30~50중량%를 60°C에서 가열 혼합하여 폴리올(polyol) 혼합물을 형성한다.

<제2단계>

이후, 상기 폴리올(polyol) 혼합물 40~60중량%와, 이소시아네이트(Isocyanate) (MDI,변성MDI 또는 TDI) 40~60중량%를 프리폴리머(Pre-polymer) 하여 잔존 NCO가 2~15 중량%가 되도록 80~85°C에서 3시간 가열 반응시킨다.

* 상기에서, MDI는 “4.4‘-디페닐메탄디이소시아네이트”의 약자이고 TDI는 “톨루엔 디 이소시아네이트”의 약자를 각각 나타낸다.

<제3단계>

그리고, 상기 프리폴리머 100중량%를 기준으로 반응조절재(반응촉진재 또는 반응지연재) 0.001~1.0중량%를 혼합한다. 바람직하게는 반응지연재로 부틸에시드포스페이트(butyl acid phosphate) 또는 벤질클로라이드(benzyl chloride) 0.02~0.1 중량%가 사용된다.

<제4단계>

이후, 상기 혼합물 100중량%를 기준으로 점도 조절재로 유기용재를 5~40중량%로 혼합하게 되는데, 이때 혼합되는 유기용재로는 아세톤(acetone), 메틸에틸캐톤(Methyl ethyl Ketone), 에틸아세테이트(Ethyl acetate), 에틸렌클로라이드(Ethylene chloride), 디메틸클로라이드(Dimethyl chloride), 프로필렌카보네이트(Propylene carbonate) 중 하나 또는 두 종류이상이 선택적으로 사용되어지게 된다.

바람직하게는 아세톤(acetone) 단독 혹은 아세톤(acetone) 70~80중량%와 메틸에틸캐톤 20~30중량%가 혼합된 유기용재 혼합물이 사용된다.

이와 같은 과정을 통해 제조된 본 발명의 고분자계 급결재는 시멘트 현탁액 100중량%를 겔타임과 강도를 고려하여 15~30중량%로 혼합하여 지반 내에 시멘트그라우팅 주입기에 의해 주입하게 된다.

일 예로서, 시멘트 현탁액 100중량%를 기준으로 급결재 20중량%의 비율로 혼합하여 그라우트재를 제조했을 때, 3시간 후 5~8Kg/㎠, 24시간 후 10~15 Kg/㎠의 일축압축강도가 발현됨을 확인할 수 있었으며, 이는 종래 기술에서의 시멘트그라우팅에 비해 월등히 향상된 일축압축강도를 나타내는 것이다.

따라서, 연약지반 터널시공시 안정성 확보와 조기굴착으로 시공비용을 절감할 수 있으며, 또한 본 발명 고분자계 급결재와 시멘트현탁액의 혼합 시 가수 반응과 요소결합에 의해 견고하게 결합하여 지하수나 해수에 의해 분리현상이 일어나지 않아 차수 효과는 물론 용탈 현상이 방지되어 체적감소효과 방지가 가능하여 확실한 보강 및 차수효과를 나타낼 수 있게 된다.

그리고, 상기에서 본 발명의 특정한 실시 예가 설명 및 도시되었지만 본 발명의 고분자계 급결재 제조과정이 당업자에 의해 다양하게 변형되어 실시될 수 있음은 자명한 일이다.

예를 들면, 상기 제1단계에서는 에틸렌옥사이드(Ethylene oxide)의 함량이 50 중량% 이상이고 분자량이 700~3,000인 폴리에칠렌글리콜(Polyethylene Glycol) 또는 분자량이 400~2,000이고 관능기가 2~3인 폴리옥시알킬렌글리콜(Polyoxyalkylene Glycol)이 단독으로도 사용되어질 수도 있게 된다.

따라서, 이와 같은 변형된 실시 예들은 본 발명의 기술적 사상이나 범위로부터 개별적으로 이해되어져서는 안되며, 이와 같은 변형된 실시 예들은 본 발명의 특허청구범위 내에 포함된다 해야 할 것이다.

Claims

에틸렌옥사이드(Ethylene oxide)의 함량이 50중량% 이상이고 중량평균분자량이 700~3,000인 폴리에칠렌글리콜(Polyethylene Glycol) 50~70중량%와, 중량평균분자량이 400~2,000 이고 관능기가 2~3인 폴리옥시알킬렌글리콜(Polyoxyalkylene Glycol)을 30~50중량%를 60°C로 가열 혼합하여 폴리올(polyol) 혼합물을 형성하는 제1단계와;
상기 혼합된 폴리올(polyol) 혼합물 30~50중량%와, 이소시아네이트 50~70중량%를 혼합, 80~85°C에서 3시간 가열하여 프리폴리머를 제조하는 제2단계와;
상기 프리폴리머 100중량%를 기준으로 반응조절재(반응촉진재 및 반응지연재) 0.001~1.0 중량%를 혼합하는 제3단계와;
상기 혼합물 100중량%를 기준으로 점도 조절재로 유기용재를 5~40중량%로 혼합하는 제4단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 시멘트 그라우팅용 고분자계 급결재 제조방법.
삭제
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청구항 1에 있어서,
상기 제2단계에서 프리폴리머(Pre-polymer)에서는 잔존 NCO 중량%가 2~15인 것을 특징으로 하는 시멘트 그라우팅용 고분자계 급결재 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 3단계에서 반응지연재로 부틸에시드포스페이트(butyl acid phosphate) 또는 벤질클로라이드(benzyl chloride) 0.02~1.0 중량%가 혼합됨을 특징으로 하는 시멘트 그라우팅용 고분자계 급결재 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 제4단계에서 유기용재는 아세톤(acetone), 메틸에칠캐톤(Methyl ethyl Ketone), 에틸아세테이트(Ethyl acetate), 에틸클로라이드, 디 메틸클로라이드, 프로필렌카보네이트(Propylene carbonate) 중에서 하나 또는 두 종류이상의 혼합물이 고분자계 급결재 100중량%에 대해 5~40 중량%가 선택적으로 사용됨을 특징으로 하는 시멘트 그라우팅용 고분자계 급결재 제조방법.
청구항 6에 있어서,
상기 유기용재는 아세톤(acetone) 70~80 중량%와 메틸에칠캐톤(Methyl ethyl Ketone) 20~30 중량%가 혼합된 유기용재 혼합물이 사용된 것을 특징으로 하는 시멘트 그라우팅용 고분자계 급결재 제조방법.
청구항 1에 의해 제조된 고분자 급결재 15~30중량%에 물 30~50중량%, 시멘트 20~55중량%가 혼합되어 시멘트 그라우트제로 사용됨을 특징으로 하는 시멘트 그라우팅용 고분자계 급결재 제조방법.