KR101581754B1 - 지열 냉난방용 그라우팅 재료 및 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 실리카 40 내지 50중량%, 벤토나이트 5 내지 10중량%, 물 40 내지 55중량%를 포함한 열전도도가 향상된 그라우팅 재료 및 상기 벤토나이트 함량 100중량부를 기준으로 0.2 내지 1.0중량부의 유동화제를 더 포함하여 낮은 점도를 가짐과 동시에 열전도도가 향상된 그라우팅 재료를 개시한다.

Description

지열 냉난방용 그라우팅 재료 및 제조 방법{GROUTING MATERIAL FOR GEOTHERMAL HEATING AND COOLING AND METHOD OF MANUFACTURE THEREOF}
본 발명은 지열 냉난방용 그라우팅 재료에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 높은 열전도도를 유지하면서 점도가 낮아 시공성이 향상된, 지열히트펌프 설치 시의 그라우팅 공정에 사용되는 그라우팅 재료 및 제조 방법에 관한 것이다
그라우팅은 건설공사에서 지반의 갈라진 틈이나 공동, 공극 등에 적절한 충전재를 압력을 이용하여 주입하는 공정으로서, 굴착공사 시 누수 방지와 불안정한 지반 보강을 위해 시공된다. 도심 지하철 및 대형 건축공사장의 지반굴착 등의 토목공사에서는 지반 안정성 확보를 위해서 각종 그라우팅 공정을 많이 사용하고 있다. 또 그라우팅은 연약지반의 차수 및 보강, 진동과 지하수위 저하로 인해 기울어진 피해건물의 원상복구 및 지지력 증대를 위한 기초보강, 진동 또는 지진에 대비한 방진 및 내진설계, 폐기물 매립장의 특수지반보강 등 지반 개선을 위해서도 사용되고 있다.
지열원 열펌프 시공 공정에서는, 지중 열교환기로 사용되는 U자관을 보어홀(borehole)에 삽입한 다음 파이프와 보어홀 사이의 빈 공간을 그라우팅 재료로 채우는 그라우팅 작업을 실시한다. 그라우팅에 의해, 파이프 삽입 후 지중 열교환기와 지중의 빈 공간을 메움으로써 지중 열교환기 파이프와 시추공 주변의 토양 또는 암석 등과의 열전달이 촉진되고 표층수가 시추공 내로 유입되는 것이 방지되어 시추공 주변 수맥에서 시추공 내로의 지하수 흐름이 방지된다.
상기 그라우팅 작업에 사용되는 그라우팅 재료는 열교환기 파이프와 보어홀 주변의 토양 또는 암석 등과 열전달을 촉진하고 표층수가 보어홀 내로 유입되는 것을 방지하며 보어홀 주변의 수맥에서 보어홀 내로의 지하수 흐름을 방지하는 중요한 역할을 한다. 현재 투과성이 낮은 시멘트계 그라우팅 재료나 벤토나이트계 그라우팅 재료 등이 주로 사용되고 있다.
벤토나이트(bentonite)는 점토광물인 몬모릴로나이트(montmorillonite)를 주성분으로 하는 점토의 일종이며, 주성분 광물인 몬모릴로나이트는 2:1형의 층상규산염광물에 속하여 미립의 얇은 판상형태를 보이는 결정으로 되어 있다. 이러한 층상의 결정 구조에는 기본 층 사이에 층간이 존재하고 그 속에 교환성 양이온과 물이 포함되어 있으며, 이들은 주변의 조건에 따라 많은 물을 흡수하기도 하고 탈수하기도 하여 층간격이 변화된다. 이러한 구성 광물의 성질 때문에 벤토나이트는 건조 시와 습윤 시 체적 수축과 팽창이 큰 특징이 있다. 실제로 벤토나이트는 정수 상태에서 물과 반응하면 보통 무게의 5배까지, 체적의 13∼16배까지 팽창하여 틱소트로픽(thixotropic)한 겔(gel) 상태 물질로 변화하는 성질이 있다.
이와 같은 벤토나이트의 특성으로 인하여 벤토나이트계 그라우팅 재료는 시멘트계 그라우팅 재료에 비해 수화 작용에 의한 열발생이 적고, 공정 시간이 짧은 장점을 가진다.
최근에는 벤토나이트에 실리카를 혼합하여 열전도도가 향상된 그라우팅 재료가 개발되고 있으나, 벤토나이트가 물과 반응하면 사용된 중량의 5배까지 또한 체적의 13 내지 16배까지 팽창하여 틱소트로픽(thixotropic)한 겔(gel) 상태 물질로 변화하기 때문에 그라우팅 재료의 점도가 매우 높아 그라우팅 작업시 펌핑이 어려워지는 문제가 있었다.
본 발명의 목적은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, 실리카, 벤토나이트 및 물을 포함하는 그라우팅 재료에 유동화제를 더 포함하여 점도가 현저하게 낮아짐과 동시에 높은 열전도도를 유지하는 지열 냉난방용 그라우팅 재료 및 제조 방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 그라우팅 재료는, 그라우팅 재료 전체 중량을 기초로 하여, 실리카 40 내지 50중량%, 벤토나이트 5 내지 10중량%, 물 40 내지 55중량%이 포함된다.
상기 실리카, 벤토나이트 및 물은 각각 43 내지 48중량%, 8 내지 10중량%, 및 44 내지 48중량%인 것이 바람직하다.
상기 실리카는 본 발명이 속하는 기술분야에서 사용되는 공지의 실리카를 포함하며, 보다 구체적으로는 유리제조용 규사 또는 규석을 정제할 때 생성되는 실리카를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 실리카에는 Si02, Al203 및 Fe203가 포함될 수 있으며, 이 중 Si02는 80.7 내지 99.0중량% 포함되는 것이 바람직하며, Al203는 0.5 내지 10.9중량% 포함되는 것이 바람직하다.
그라우팅 재료 중 실리카가 40중량% 미만이면 벤토나이트와 대비하여 열전도도가 높은 실리카의 비율이 낮아져 그라우팅재료의 열전도도가 저하되고, 고가의 벤토나이트가 보어홀(borehole)에 실리카보다 더 채워지므로 경제성이 저하되는 문제가 있다. 그라우팅 재료 중 실리카가 50중량% 초과하면 벤토나이트의 구성광물 중 몬모릴로나이트가 물을 흡수하여 팽윤을 하여도 그 비율이 적기 때문에 실리카와 벤토나이트의 재료 분리가 발생하여 그라우팅 재료의 열전도도가 저하되는 문제가 있다.
상기 벤토나이트는 천연 Na-벤토나이트 또는 합성 Na-벤토나이트일 수 있고, 상기 합성 Na-벤토나이트는 Ca-벤토나이트의 Ca이온을 Na이온으로 치환시킨 것일 수 있다. 상기 합성 Na-벤토나이트는 Ca-벤토나이트에 벤토나이트 중량비 대비 3.5%의 Na2CO3나 NaOH 등을 첨가 후 혼합 교반하여 활성화시키는 것으로 공지의 방법에 의해 Ca이온을 Na이온으로 치환하는 것에 의해 제조되는 것을 포함하며, 합성 Na-벤토나이트 또는 Na 활성 벤토나이트라 명명된다.
벤토나이트와 실리카 혼합물에 물을 첨가하는 것은 벤토나이트와 실리카 혼합물의 이송 및 벤토나이트의 습윤으로 인한 팽윤을 위한 것이며, 그라우팅 재료 중 물이 40중량% 미만이면 그라우팅 재료의 농도가 높아 이동성이 떨어지고 벤토나이트 팽윤의 감소로 균열을 동반한 수축이 생길 위험이 있다. 그라우팅 재료 중 물이 55중량% 초과하면 벤토나이트가 습윤하여 팽윤이 포화될 때 열전도도가 0.6W/m℃로 낮은 물의 잔량이 많아져 그라우팅재료의 열전도도가 낮아지는 문제가 있다.
본 발명의 그라우팅 재료는, 그라우팅 재료에 포함된 벤토나이트 함량 100 중량부를 기준으로 0.2 내지 1.0 중량부의 유동화제를 더 포함할 수 있다.
상기 유동화제는 폴리아크릴산 나트륨이 주성분으로(sodium polyacrylate) 폴리아크릴산 나트륨이 40~50중량%, 물이 50~60중량%로 구성되어 있는 액상 유동화제인 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니하다.
상기 폴리아크릴산 나트륨이 주성분인 유동화제를 실리카, 벤토나이트 및 물을 혼합한 혼합물에 첨가하면 이온결합으로 결합되어 있는 Na와 polyarylate가 해리되고, polyarcylate가 벤토나이트 입자에 흡착하여 대전반발력과 입체장애효과로 벤토나이트 입자간 응집을 일시적으로 방해하여, 벤토나이트에 높은 점도를 가지는 그라우팅 재료의 점도가 낮아져 시공성이 향상 된다.
상기 유동화제가 벤토나이트 함량 100중량부를 기준으로 0.2중량부 미만이면 그라우팅 재료의 점도를 낮추는 효과가 떨어진다. 유동화제가 1.0중량부 초과하면 그라우팅 재료의 점도가 현저하게 낮아져 시공성은 향상되나 보어홀 내에서 비중 차이에 의해 실리카와 벤토나이트가 분리되는 재료 분리 현상이 발생되어 보어홀의 자립 유지가 불가능하게 되고 그라우팅 재료의 열전도도가 낮아지는 문제가 있다.
상기 그라우팅 재료는 점도가 80 내지 150cps일 수 있고, 열전도도가 1.1 내지 1.4W/m℃일 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 그라우팅 재료 제조방법은, 그라우팅 재료전체 중량을 기준으로 실리카 40 내지 50중량%, 벤토나이트 5 내지 10중량% 및 물 40 내지 55중량%를 혼합하는 단계를 포함한다.
상기 실리카, 벤토나이트 및 물은 각각 43 내지 48중량%, 8 내지 10중량%, 및 44 내지 48중량%로 혼합하는 것이 바람직하다.
상기 혼합하는 단계 이후 상기 벤토나이트 함량 100중량부를 기준으로 0.2 내지 1.0 중량부의 유동화제를 첨가하는 단계; 및 상기 유동화제가 첨가된 혼합물을 경화시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 유동화제가 첨가된 혼합물을 경화시키는 단계는 48시간동안 이루어질 수 있다.
명세서의 간결함을 위하여, 상기 그라우팅 재료 제조방법에 관한 내용 중 상기 그라우팅 재료에 관한 내용과 중복되는 부분에 대해서는 생략하기로 한다.
본 발명의 그라우팅 재료는 일정한 수치 범위의 실리카, 벤토나이트 및 물을 포함함으로써 열전도도가 향상되는 효과가 있으며, 상기 그라우팅 재료에 벤토나이트 함량 대비 일정한 수치 범위의 유동화제를 더 포함함으로써 낮은 점도를 가짐과 동시에 높은 열전도도를 유지하여 우수한 물성을 갖는 효과 및 그라우팅 시공성이 향상되는 효과가 있다.
도 1은 실시예 2와 비교예 2, 및 실시예 3과 비교예 3의 열전도도 및 점도 비교를 나타내는 그래프이다.
이하에 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이다. 다음에서 설명되는 실시예들은 여러 가지 다양한 형태로 변형할 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하의 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 기술적 사상을 명확히 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
실시예 1-1: 실리카 43중량%, 합성 Na-벤토나이트 9중량%, 물 48중량%를 포함한 그라우팅 재료 제조.
유리제조용 규사 또는 규석을 정제할 때 생성되는 실리카, 합성 Na-벤토나이트 및 물을 각각 43중량%, 9중량%, 및 48중량%로 혼합하고 48시간 동안 경화시켜 그라우팅 재료를 제조하였다.
실시예 1-2: 실리카 45중량%, 합성 Na-벤토나이트 10중량%, 물 45중량%를 포함한 그라우팅 재료 제조.
실리카, 합성 Na-벤토나이트 및 물을 각각 45중량%, 10중량%, 및 45중량%로 혼합한 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일한 방법으로 그라우팅 재료를 제조하였다.
실시예 1-3: 실리카 48중량%, 합성 Na-벤토나이트 8중량%, 물 44중량%를 포함한 그라우팅 재료 제조.
실리카, 합성 Na-벤토나이트 및 물을 각각 48중량%, 8중량%, 및 44중량%로 혼합한 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일한 방법으로 그라우팅 재료를 제조하였다.
실시예 2: 폴리아크릴산 나트륨 유동화제를 천연 Na-벤토나이트 함량 100중량부 기준 0.37중량부를 포함한 그라우팅 재료 제조.
유리제조용 규사 또는 규석을 정제할 때 생성되는 실리카, 천연 Na-벤토나이트 및 물을 43중량%, 9중량%, 48중량%로 혼합하고, 폴리아크릴산 나트륨 유동화제를 천연 Na-벤토나이트 함량 100중량부를 기준으로 0.37중량부를 첨가한 후, 48시간 동안 경화시켜 그라우팅 재료를 제조하였다.
실시예 3: 폴리아크릴산 나트륨 유동화제를 합성 Na-벤토나이트 함량 100중량부 기준 0.37중량부를 포함한 그라우팅 재료 제조.
합성 Na-벤토나이트는 Ca-벤토나이트를 소다회로 활성화 시켜 합성 Na-벤토나이트를 제조하였다. 합성 Na-벤토나이트를 사용한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 방법에 의해 그라우팅 재료를 제조하였다.
비교예 1-1: 실리카 45중량%, 합성 Na-벤토나이트 11중량%, 물 44중량%를 포함한 그라우팅 재료 제조.
합성 Na-벤토나이트 및 물을 각각 45중량%, 11중량%, 및 44중량%로 혼합한 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일한 방법으로 그라우팅 재료를 제조하였다.
비교예 1-2: 실리카 43중량%, 합성 Na-벤토나이트 4중량%, 물 53중량%를 포함한 그라우팅 재료 제조.
합성 Na-벤토나이트 및 물을 각각 43중량%, 4중량%, 및 53중량%로 혼합한 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일한 방법으로 그라우팅 재료를 제조하였다.
비교예 1-3: 실리카 51중량%, 합성 Na-벤토나이트 8중량%, 물 41중량%를 포함한 그라우팅 재료 제조.
합성 Na-벤토나이트 및 물을 각각 51중량%, 8중량%, 및 41중량%로 혼합한 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일한 방법으로 그라우팅 재료를 제조하였다.
비교예 1-4: 실리카 39중량%, 합성 Na-벤토나이트 8중량%, 물 53중량%를 포함한 그라우팅 재료 제조.
합성 Na-벤토나이트 및 물을 각각 39중량%, 8중량%, 및 53중량%로 혼합한 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일한 방법으로 그라우팅 재료를 제조하였다.
비교예 1-5: 실리카 40중량%, 합성 Na-벤토나이트 5중량%, 물 55중량%를 포함한 그라우팅 재료 제조.
합성 Na-벤토나이트 및 물을 각각 40중량%, 5중량%, 및 55중량%로 혼합한 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일한 방법으로 그라우팅 재료를 제조하였다.
비교예 1-6: 실리카 49중량%, 합성 Na-벤토나이트 12중량%, 물 39중량%를 포함한 그라우팅 재료 제조.
합성 Na-벤토나이트 및 물을 각각 49중량%, 12중량%, 및 39중량%로 혼합한 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일한 방법으로 그라우팅 재료를 제조하였다.
비교예 2 : 폴리아크릴산 나트륨 유동화제를 천연 Na-벤토나이트 함량 100중량부 기준 1.1중량부를 포함한 그라우팅 재료 제조.
유동화제를 천연 Na-벤토나이트 함량 100중량부 기준 1.1중량부를 첨가한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 방법에 의해 그라우팅 재료를 제조하였다.
비교예 3 : 폴리아크릴산 나트륨 유동화제를 합성 Na-벤토나이트 함량 100중량부 기준 1.1중량부를 포함한 그라우팅 재료 제조.
유동화제를 합성 Na-벤토나이트 함량 100중량부 기준 1.1중량부를 첨가한 것을 제외하고는 실시예 3과 동일한 방법에 의해 그라우팅 재료를 제조하였다.
실시예 1-1 내지 1-3 및 비교예 1-1 내지 1-6의 48시간 동안 경화시킨 후의 열전도도를 측정하였으며, 그 결과를 아래 [표 1]에 도시하였다.
[표 1]
Figure 112013119232310-pat00001
표 1을 참고하면, 실시예 1-1 내지 1-3는 각각 1.275, 1.373, 및 1.299 W/mK로 측정되어, 높은 열전도도를 갖는 것을 알 수 있다.
이에 비해 비교예 1-1 및 비교예 1-6의 경우 벤토나이트의 팽윤으로 인해 그라우팅 재료로 혼합되지 않아 열전도도의 측정이 불가능하였으며, 비교예 1-2 내지 1-5의 경우 실리카가 침전되어 열전도도가 각각 0.624, 0.951, 0.847, 및 0.682 W/mK로 낮은 열전도도를 갖는 것으로 측정되었다.
따라서 그라우팅 재료 전체 중량을 기초로 하여, 실리카 40 내지 50중량%, 벤토나이트 5 내지 10중량% 및 물 40 내지 55중량%를 포함하는 그라우팅 재료는 상기 함량 범위를 벗어난 실리카, 벤토나이트 및 물을 포함하는 그라우팅 재료에 비해 현저하게 높은 열전도도를 갖는 것을 알 수 있다.
실시예 2 내지 3 및 비교예 2 내지 3에 대한 실리카, 벤토나이트, 물 및 유동화제를 혼합하고 5분 후의 점도 및 48시간 동안 경화시킨 후의 열전도도를 측정하였으며, 그 결과를 아래 [표 2]에 도시하였다.
[표 2]
Figure 112013119232310-pat00002
표 2 및 도 1을 참고하면, 실시예 2의 혼합 5분 후 점도는 112cps이고 열전도도는 1.310W/mK, 실시예 3의 혼합 5분 후 점도는 100cps이고 열전도도는 1.274W/mK로 측정되었으며, 높은 열전도도를 유지하면서 그라우팅 작업 시 적정한 점도를 갖는 것을 알 수 있다.
이에 비해 비교예 2의 혼합 5분 후 점도는 1cps이고 열전도도는 0.600W/mK, 비교예 3의 혼합 5분 후 점도는 1cps이고 열전도도는 0.612W/mK로 측정되었으며, 이는 유동화제가 벤토나이트 함량 100중량부를 기준으로 1.1중량부가 첨가됨으로써 재료 분리가 발생되어 실리카, 벤토나이트 및 물층이 분리되어 현저하게 낮은 열전도도를 갖는 것을 알 수 있다.
따라서 벤토나이트 함량 100 중량부를 기준으로 0.2 내지 1.0 중량부의 유동화제를 더 포함하는 그라우팅 재료는 높은 열전도도를 유지하면서 낮은 점도를 가짐으로써 그라우팅 작업 시 펌핑이 원활하게 되어 시공성이 향상되는 효과를 갖는다.

Claims (19)

  1. 그라우팅 재료 전체 중량을 기초로 하여, 실리카 43 내지 48중량%, 벤토나이트 8 내지 10중량% 및 물 43 내지 48중량%를 포함하는 그라우팅 재료로서,
    점도를 낮추기 위한 유동화제로서 폴리아크릴산 나트륨을 상기 벤토나이트 함량 100 중량부를 기준으로 0.2 내지 1.0 중량부 범위로 더 포함하며,
    상기 벤토나이트는 천연 Na-벤토나이트 또는 합성 Na-벤토나이트인 것을 특징으로 하는 그라우팅 재료.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 실리카는 SiO2 함량이 80.7 내지 99.0중량%인 것을 특징으로 하는 그라우팅 재료.
  4. 청구항 1 에 있어서,
    상기 실리카는 Al2O3 함량이 0.5 내지 10.9중량%인 것을 특징으로 하는 그라우팅 재료.
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 합성 Na-벤토나이트는 Ca-벤토나이트를 Na이온으로 치환시킨 것을 특징으로 하는 그라우팅 재료.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 그라우팅 재료는 점도가 80 내지 150cps인 것을 특징으로 하는 그라우팅 재료.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 그라우팅 재료는 열전도도가 1.1 내지 1.4W/m℃인 것을 특징으로 하는 그라우팅 재료.
  11. 그라우팅 재료 전체 중량을 기초로 하여, 실리카 43 내지 48중량%, 벤토나이트 8 내지 10중량% 및 물 43 내지 48중량%를 혼합하는 단계;
    점도를 낮추기 위한 유동화제로서 폴리아크릴산 나트륨을 상기 벤토나이트 함량 100중량부를 기준으로 0.2 내지 1.0 중량부 범위로 첨가하는 단계; 및
    상기 유동화제가 첨가된 혼합물을 경화시키는 단계를 포함하며,
    상기 벤토나이트는 천연 Na-벤토나이트 또는 합성 Na-벤토나이트인 것을 특징으로 하는 그라우팅 재료 제조방법.
  12. 삭제
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 실리카는 SiO2 함량이 80.7 내지 99.0중량%인 것을 특징으로 하는 그라우팅 재료 제조방법.
  14. 청구항 11에 있어서,
    상기 실리카는 Al2O3 함량이 0.5 내지 10.9중량%인 것을 특징으로 하는 그라우팅 재료 제조방법.
  15. 삭제
  16. 청구항 11에 있어서,
    상기 합성 Na-벤토나이트는 Ca-벤토나이트를 Na이온으로 치환시킨 것을 특징으로 하는 그라우팅 재료 제조방법.
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 청구항 11에 있어서,
    상기 유동화제가 첨가된 혼합물을 경화시키는 단계는 48시간동안 이루어지는 것을 특징으로 하는 그라우팅 재료 제조방법.
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