KR101582246B1 - 용탈 방지용 고강도 그라우팅 조성물 및 이를 이용한 시공방법 - Google Patents

용탈 방지용 고강도 그라우팅 조성물 및 이를 이용한 시공방법 Download PDF

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Abstract

본원은 양이온교환수지를 이용하여 나트륨(Na) 성분을 제거하거나 최소화한 실리카 졸의 생성량과 겔화제 및 첨가제의 유입량을 조절할 수 있는 유체유입 제어장치와 자동유입 개폐장치를 이용한 그라우팅의 겔타임을 자동 조절할 수 있는 용탈방지용 고강도 그라우팅(Grouting) 조성물의 제조방법 및 이를 이용한 시공방법에 관한 기술이다.
본원은 그라우팅 약액으로서, (A)용액 제조단계에서 규산염과 물을 포함한 용해성 첨가제가 유체자동유입 제어장치에 의해 유입량이 조절되어 주입되고 규산염과 용해성 첨가제가 혼합단계에서 균일한 농도로 희석되어 양이온교환수지가 충진된 수지탑으로 유입되어 이온교환이 이루어지면서 나트륨(Na)의 농도가 최소화된 실리카졸 용액을 만들어 실리카졸 수용액(A)을 얻는 단계와, 강도증가와 급결 또는 완결도를 조절하기 위한 그라우팅 (B)용액 제조단계에서 시멘트 내지는 첨가제의 분말상태를 분말 자동유입 제어장치에 의해 정량으로 공급되어 용액(B)을 얻는 단계와, 상기 A용액과 B용액이 동량 비율로 혼합되어 제공되는 그라우팅 혼합약액를 얻어서 고결체의 용탈방지 및 내구성을 높이는 기능을 갖도록 제공되는 그라우팅 약액 및 그 이용방법에 관한 것이다.

Description

용탈 방지용 고강도 그라우팅 조성물 및 이를 이용한 시공방법{High strength grouting components which can prevent to leaching and construction methods.}
본원은 양이온교환수지를 이용하여 나트륨(Na) 성분을 제거하거나 최소화시킨 실리카 졸을 얻고 실리카 졸과 겔화제 및 첨가제의 유입량을 조절하며 그라우팅의 겔 타임을 조절할 수 있는 용탈 방지용 그라우팅(Grouting) 조성물의 제조방법 및 이를 이용한 시공방법에 관한 것이다.
그라우팅(grouting)란 지반 개량이나 용수(湧水)의 방지를 위해 땅 속의 공극에 시멘트 풀을 압입하는 공법으로서 지반의 고결화, 지반의 지지력 증가, 투수성 감소, 지반과 구조물과의 일체화 등을 목적으로 사용된다.
기초 지반이 연약할 때 구조물 주변 및 구조물 자체 또는 그 내부로 각종 시멘트나 모르타르나 반응약제 등을 주입하는 것으로서, 흙 속의 공극이나 암반의 균열에 주입제를 넣어 지수벽을 만들기 위한 목적으로 설치하는 커튼 그라우팅, 콘크리트 댐과 같은 구조물과 기초 암반과의 일체화, 기초 암반의 변형성과와 강도 등을 개량할 목적으로 실시하는 컨솔리데이션 그라우팅 등이 있다.
1802년 프랑스의 기술자 Charles Berigny가 지반침하로 손상된 수문 기초의 공동부를 채우고 기초 저부에 석회와 점토의 불안정한 주입재를 주입하여 퇴적된 충적층을 안정화시키기 위해서 약액주입을 적용한 이래 약액주입에 의한 지반개량의 역사는 약 200년이 경과 되었다.
당시 Charles Berigny는 'procedure of grouting'을 최초로 제안함으로써 약액주입의 개념을 기술적으로 정립하는 데 기여하였으며, 1926년 독일의 Dutchman H. Joosten이 순수 용액형 화학약액 주입재를 이용한 Joosten공법을 개발한 이후 약액 주입의 비약적인 발전이 시작되었다.
1980년대 이후 환경과 지하수 보호에 대한 요구가 증가하면서 유럽에서는 화학약액 주입이 거의 사라지고, 용액형에 필적하는 침투성을 발휘하는 초미립자시멘트에 대한 연구가 시작되었고 초미립자시멘트에 관한 기초적 특성평가 연구는 1980년대에 들어오면서 본격적으로 시작되었고, Clarke 등(1984)은 초미립자시멘트의 기초물성을 평가하여 시멘트계 주입재의 고침투성을 제안하였다.
국내에서도 최근 지반보강을 위한 초미립자시멘트의 실용화 연구가 수행되고 있으나 초미립자시멘트에 관한 현장적용성 평가는 터널 및 댐 등 암반지대에서 차수 및 보강을 위한 주입특성에 관한 연구가 주류를 이루고 있다.
일본의 大貫富夫등(1982)은 산악터널 지반주입에 적용될 초미립자 시멘트의 품질기준을 제시하였으며, 久保田辰治등(1992)은 암반기초의 투수성이 5Lu이하에서 초미립자시멘트를 적용할 경우 추가적인 천공주입을 하지 않고도 설계목표 차수성을 달성할 수 있기 때문에 초미립자시멘트를 사용하는 것이 유리하다고 제안한바 있다.
또한, 市川公彦등(1996)은 사질토 지반의 액상화를 방지하기 위한 그라우팅에서도 초미립자시멘트가 효과적이다 라고 보고하고 초미립자시멘트를 건식과 습식으로 제조하는 방법을 제안한 바 있다.
국내에서도 보통시멘트를 현장에서 초미립화 할 수 있는 공법으로 SGR(Space Grouting Rocket System)의 초미립화 공정(Ground Flex)에 적용된 예가 있지만 균질한 품질의 확인과 시공속도에 대응할 수 없는 문제점이 발생하여 현재는 거의 적용되지 않고 있는 실정이다.
상기에서 살핀 바와 같이 그라우트 공법은 1980년대 이후 분쇄 및 분급기술이 발전하면서 초미립자시멘트 생산이 가능하게 되었고, 일본 등에서와 같이 분체산업이 발달된 국가에서 평균입경 10㎛, 최대입경 40㎛, 비표면적 6,000㎠/g 이상의 콜로이드시멘트와 평균입경 4㎛, 최대입경 10㎛, 비표면적 8,000㎠/g 이상의 초미립자시멘트가 실용화 되고 있으며(김진춘, 1999), 초미립자시멘트는 용액형에 필적하는 침투성을 발휘하는 것으로 보고되고 있다(米田俊一, 1993).
토목 및 건축 구조물의 사용 중 터널공사 및 증축이나 리모델링, 용도변경, 하중증가 등으로 인해 차수 및 지반보강이 필요한 경우가 자주 발생하게 되는바, 예를 들면 도심지에 위치한 건물의 경우 철거하고 재건축할 경우 주차대수, 용적율, 건폐율 등 관련법규의 강화로 현재 규모의 면적을 재현하는 것이 거의 불가능하게 되므로 앞으로는 기존 건물의 건폐율 등을 그대로 유지하면서 수직증축이나 리모델링을 통한 건물 사용이 늘어날 것으로 예측되기 때문에 증축이나 리모델링 등으로 인해 증가 된 하중을 기초지반이 수용할 수 없게 되는 경우 지반의 지지력을 향상시키기 위한 지반보강공사는 필수조건이 될것으로 예측된다.
일반적으로 연약지반이라고 하면 상부구조물을 지지할 수 없는 상태의 지반을 말하며, 예를 들면 연약한 점토, 느슨한 사질토, 유기질토 등이 이에 속하고 연약한 점성토나 유기질토로 구성된 지반 위에 도로, 교량, 건물 등이 그대로 놓여 진다면 침하량이 과대해지고, 지지력이 부족하여 안전상의 문제가 발생하게 되므로 이러한 문제들이 예상되는 연약지반을 개량하여 어떠한 목적물을 건설하는데 있어 안전상의 문제점을 제거하기 위한 수단으로 연약지반 개량공법으로 그라우팅 공법이 많이 이용될 것으로 예측된다.
또한, 도로를 건설함에 있어 단단한 기초지반을 필요로 한데 연약지반구간을 피해 건설할 경우 과다한 공사비의 지출이 불가피해지는 경우 지반을 건설에 필요로 하는 정도의 강도를 갖도록 경도를 끌어올리는 작업이 필요하게 된다.
그러나 상기와 같은 종래의 용액형 또는 현탁액형 그라우팅 약액의 경우, 대부분 나트륨이 다량 함유된 규산소다류의 규산염이 사용되고 있는데 최종 고결체에 다량 잔존하게 되는 나트륨(Na)은 지하에 포함된 수분과 반응하여 고결체 밖으로 빠져나오는 용탈 현상이 발생하여 고결체 체적 감소에 따라 방수역할을 제공할 수 없을 뿐 아니라 추후 높은 강도의 고결체를 훼손시키는 원인이 된다.
상기와 같은 용탈현상을 방지하기 위한 연구가 이루어지고 있으며, 일 예로 등록번호 제1209218호 기술에서는 용탈 현상이 없는 고강도 그라우팅 약액 자동제조장치 로 규산소다가 충진된 단일체로 된 규산소다탱크와, 황산용액이 충진된 단일체로된 황산용액탱크와, 상기 규산소다탱크와 배관으로 연결되어 규산소다를 각각 공급받음과 동시에 물탱크에 구비된 수중펌프에 의해 물을 각각 공급받아 규산소다와 물을 모터에 의해 회전하는 회전날개를 이용하여 이들을 고르게 혼합 희석시키는 2개의 교반기와 상기 2개의 교반기 하측에 설치되어진 각각의 분배파이프 일측단을 통해 선택적으로 공급되는 혼합 희석된 희석규산소다를 저장하는 희석규산소다저장조와 상기 2개의 교반기 하측에 설치된 각각의 분배파이프 타측단에 배관연결되어진 희석규산소다 이송펌프에 의해 희석규산소다를 강제로 공급받는 것과 동시에 상기 황산용액탱크와 배관연결되어진 황산용액이송펌프에 의해 각기 다른 이송속도 또는 이송율의 황산용액을 공급받아 모터에 의해 300~1800 RPM의 회전속도로 고속회전하는 회전날개를 이용하여 믹싱하는 2개의 고농도 졸믹서)와 상기 2개의 고농도졸 믹서에서 각기 다른 이송속도 또는 이송율의 황산용액이 믹싱된 졸 형태의 약액조성물을 공급받아 저장하는 완결형약액조성물저장조와 순결형약액조성물저장조를 구비하여 이루어진 장치가 제시되어 있으나 용탈현상을 해소하기에 한계를 갖고 있어서 새로운 해소하는 방안이 요구되어 왔다.
본원은 최종 생성된 고결체에서 용탈현상이 발생되지 않으면서 내구성을 높임은 물론 그라우팅 작업성이 우수한 그라우팅 약액을 찾고자 하는 과제를 갖고 시작된 발명이다.
본원은 용액형 또는 현탁액형 그라우팅 약액을 이용하여 고결체의 내구성을 높이면서도 겔-타임을 조절할 수 있는 그라우팅 공법에서 규산염을 수지탑(Resin top) 내부에 충진된 양이온교환수지를 통과시켜 나트륨(Na)의 농도가 존재하지 않거나 또는 최소화된 단량체(Monomoer)로 변화시켜 실리카 졸 용액을 만들고, 만들어진 실리카 졸 용액의 생성량과 겔화제 및 첨가제의 량을 조절하여 용탈현상이 발생하지 않는 고강도용 그라우팅 조성물을 제공하고자 하는 목적을 갖는다.
또한 본원은 상기 그라우팅 조성물을 이용하여 그라우팅 겔 타임을 조절할 수 있는 시공방법을 제공하여 연약지반의 형태에 구애받지 않고, 그라우팅 시공 시 많은 인력이 동원되지 않으면서 지반을 보강하거나, 차수벽이나, 보강체 등의 구조물을 균일하고 효율적으로 형성할 수 있는 그라우팅 시공방법을 제공하고자 하는 목적도 갖는다.
본원은 최종 그라우팅 고결체의 용탈을 방지하면서 겔화(Gelation)와 그라우팅 고결체의 강도를 증가의 역할을 제공하는 (A)단계에서 양이온교환수지를 이용하여 액상의 규산나트륨(이하에서는 물 유리라 칭함)이 이온교환방법에 의해 나트륨(Na)의 농도가 최소화된 실리카 졸 단량체(Monomer) 용액을 얻고 상기 용액이 유체자동유입장치에 의해 유입량이 주입되거나 차단되도록 제어되는 단계와, 추가적인 강도증가 및 겔화의 촉진과 지연을 제공하기 위하여 첨가되는 (B)단계에서 시멘트나 기타 첨가제가 분말상태로 자동개폐 장치에 의해 유입량이 조절 또는 차단되는 구조로 용액형 내지는 현탁액형의 그라우팅 주입약재가 제공되어 물과 혼합되는 단계와, 상기 단계에서 얻어진 (A)와 (B)가 동량으로 균일하게 섞어 혼합되어 그라우트 약제를 얻는 단계와 상기 약재가 현장의 필요부위에 주입되어 겔 타입이 자동조절될 수 있는 겔화단계 및 고결단계를 거쳐 고강도의 그라우트를 제공하고자 하는 기술사상의 발명이다.
본원에서 적용되는 그라우팅 시공방법은 나트륨(Na)의 함량이 존재하지 않거나 또는 최소화된 단량체의 실리카 졸 용액을 제공하기 위한 수단으로 수지탑(Resin top) 내부에 충진된 양이온교환수지에 원료 규산염을 통과시켜 실리카 졸 용액 A를 얻는 단계와, 시멘트, 중탄산나트륨, 규산소다, 첨가제 중에서 선택되는 성분에 물이 공급되어 용액 B를 얻는 단계와. 상기 공정을 통하여 얻은 용액 A와 용액 B를 동량으로 혼합시켜 겔(gel)화시키는 겔화단계; 를 포함하여 이루어지는 그라우팅 시공방법으로 상기의 목적을 달성할 수 있다.
본원은 용액형 또는 현탁액형 그라우팅 약액을 이용하여 고결체의 용탈방지 및 내구성을 높이도록 제공되는 그라우팅 시공방법에서, (A)용액 제조단계에서 규산염과 물을 포함한 용해성 첨가제가 유체자동유입 제어장치에 의해 유입량이 조절되어 주입되고 규산염과 용해성 첨가제가 혼합단계에서 균일한 농도로 희석되어 양이온교환수지가 충진된 수지탑으로 유입되어 이온교환이 이루어지면서 나트륨의 농도가 최소화된 실리카졸 용액을 만들어 실리카졸 수용액을 얻는 단계와, 강도증가와 급결 또는 완결도를 조절하기 위한 그라우팅 (B)용액 제조단계에서 시멘트 내지는 첨가제의 분말상태를 분말 자동유입 제어장치에 의해 정량으로 공급시켜 용액(B)을 얻는 단계와, 상기 A용액과 B용액이 균일하게 혼합되어 그라우팅 혼합약액을 얻는 단계와 상기 그라우팅 혼합약액을 그라우팅을 요하는 지반에 투입하는 그라우팅 약액 주입단계와 상기 그라우팅 약액이 투입된 부위에서 3차원적 거대 네트워크를 형성하며 일정한 형상으로 굳기 시작하는 겔화 단계와 상기 겔화단계를 거쳐 경화가 진행되며 완전히 경화체가 형성되는 고화단계를 포함하여 이루어지는 구성의 용탈 방지용 고강도 그라우팅 시공공법이 개시된다.
본원의 시공공봅에서 상기 실리카졸 수용액(A)을 얻는 단계에서 사용되는 규산염은 액상 규산나트륨(sodium silicate), 액상 규산칼륨(potassuium silicate), 액상 규산리튬(lithiun silicate) 중 어느 1종의 규산염이 선택되어 사용될 수 있고, 상기 실리카졸 수용액(A)을 얻는 단계에서 사용되는 양이온교환수지는 이온교환수지의 기초 고분자 모체부분이 R로 표시될 때 R-SO3H 또는 R-COOH로 표시되는 양이온교환수지를 사용하여 규산염 중의 나트륨(Na) 내지는 칼륨(K)의 양이온만 이온교환시켜 실리카 졸을 얻도록 적용될 수 있다.
또한, 상기 용액(B)을 얻는 단계에서 사용되는 첨가제는 벤토나이트, 고로슬래그 분말, 플라이에쉬(fly ash), 흄실리카(fume silica), 산화마그네슘, 수산화마그네슘, 산화아연, 산화알루미늄, 황산칼륨, 황산칼슘, 탄산칼슘, 보락스(sodium borate) 중 1종 이상이 선택되어 시멘트의 중량이 100중량부 기준일 때 2.5~35.0 중량부 범위로 첨가되어 적용될 수 있다.
본원은 그라우팅 시공에서 약액으로 이용되어 고결체의 용탈방지 및 내구성을 높이도록 제공되는 그라우팅 약액이 (A)용액 제조단계에서 규산염과 물을 포함한 용해성 첨가제가 유체자동유입 제어장치에 의해 유입량이 조절되어 주입되고 규산염과 용해성 첨가제가 혼합단계에서 균일한 농도로 희석되어 양이온교환수지가 충진된 수지탑으로 유입되어 이온교환이 이루어지면서 나트륨(Na)의 농도가 최소화된 실리카졸 용액으로 실리카졸 수용액(A)을 얻는 단계와, 강도증가와 급결 또는 완결도를 조절하기 위한 그라우팅 (B)용액 제조단계에서 시멘트 내지는 첨가제의 분말상태를 분말 자동유입 제어장치에 의해 정량으로 공급되어 용액(B)을 얻는 단계와, 상기 A용액과 B용액이 동량 비율로 혼합되어 그라우팅 혼합약액로 제공되는 단계를 거쳐 얻어진 약액을 이용하여 그라우팅 공법이 적용된 고결체의 용탈을 방지하고 내구성을 높이는 기능에 사용하고자 하는 기술사상의 발명이다.
본원의 기술이 구체적으로 구현되는 실시양태는 하기의 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용란에서 도면 및 실시예를 제시하여 상세히 설명된다.
상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따라 그라우팅 주입재를 제조하고 이를 이용하여 시공 과정 중 규산염을 양이온교환수지를 이용한 이온교환에 의해 만들어지는 실리카 졸의 생성량과 겔화제 및 첨가제의 유입량을 조절하고 용액형 및 현탁액형의 그라우팅 주입재에 동시 제공할 수 있음은 물론 겔타임이 순결과 완결이 적절하게 제공되면서 용탈이 발생하지 않는 고강도 그라우팅(grouting) 주입재의 조성물을 제조할 수 있기 때문에 기업의 경쟁력을 확보할 수 있으며, 지반강화 분야에 널리 활용될 수 있는 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 그라우팅 조성물의 제조공정 개략도
이하 본 발명의 기술사상이 구체적으로 구현되는 실시양태를 상술하고자 하나 본원에서 개시되는 실시 예는 본원의 기술사상의 일부 구현수단을 명확히 제공하기 위한 하나의 수단에 불과하며, 본 발명의 기술사상이 이 실시예에 한정되는 것이 아님은 자명하다 할 것이다.
본원 발명이 구현되는 일 실시양태를 도 1을 참조하여 설명한다.
본 발명은 그라우팅 주입재가 요구되는 구조체의 내구성 향상 및 겔 타임(Gel time)에 따라 실리카 졸을 제조하는 (A)용액 제조단계에서, 순결(급결)인 경우 5~13초의 시간 내에 겔화(Gelation)이 일어나고, 완결인 경우 50~90초의 시간 내에 겔화가 일어날 수 있도록 규산염(10)과 물 내지는 수 용해성 첨가제(20)가 유체자동유입 제어장치(50)에 의해 유입량이 조절되어 주입되고, 규산염과 물 혼합단계(70)에 의해 균일한 농도로 희석되며, 희석된 규산염 용액과 유체자동유입 제어장치(50)에 의해 양이온교환수지가 충진된 수지탑으로 일정한 유속으로 유입되어 이온교환단계(80)에서 실리카 졸 단량체로 이루어진 실리카 졸 수용액(A)이 제조될 수 있다.
또한, 본원에서 강도의 추가적인 증가와 겔화의 촉진(순결) 내지는 지연(완결)을 이루기 위한 (B)용액 제조단계에서, 시멘트(30) 내지는 첨가제(40)의 분말상태를 분말 자동유입 제어장치(60)에 의해서 공급되고, 분말 자동개폐장치(90)에 의해 분말상태의 시멘트 내지는 첨가제의 분말상태를 공급하거나 차단하도록 기능하며 물 내지는 수 용해성 첨가제(20)가 유체자동유입 제어장치(50)에 의해 유입량이 조절되어 주입되어 선택적으로 용액형 및 현탁액형의 그라우팅 조성물(110)을 구성하며 용액(B)가 제조되고, 실리카 졸 형성(100)로 제조된 실리카 졸 수용액(A)과 그라우팅 조성물(110)이 혼합되는 (A)+(B) 혼합단계(120)와 (A)+(B)의 그라우팅 혼합 약액을 지하로 타설하기 위한 약액 주입단계(130)와 지하에 타설된 (A)+(B)의 그라우팅 혼합 약액이 3차원적인 거대 네트워크 발생에 의해 일정한 형상으로 굳기 시작하는 겔화단계(140)와 겔화단계에 의해 경화가 시작하여 완전히 경화체가 형성되는 최종 고화단계를 이루도록 투명한 용액형 내지는 불투명한 현탁액의 그라우팅 약제가 제공되면서 순결 및 완결의 겔타임이 이루어지고, 최종 그라우팅 경화체가 용탈이 발생하지 않으면서 높은 내구성이 제공될 수 있음을 나타낸 것이다.
본원의 기술사상을 구체화하기 위한 각론으로 사용원료에 대하여 상술하여 보면, 실리카 졸(A액)을 얻는 단계의 상기 규산염은 일반적으로 국내,외에서 시판되고 있는 액상 규산나트륨(sodium silicate), 액상 규산칼륨(potassuium silicate), 액상 규산리튬(lithiun silicate) 중 어느 1종의 규산염을 사용하여도 무관하나 바람직하게는 액상 규산나트륨 내지는 규산칼륨을 이용하는 것이 유리하며, 더욱 바람직하게는 가격이 저렴한 규산나트륨(1종,4종)을 이용하는 것이 유리한 바, 규산나트륨 중 1종(SiO2/Na2O의 mole ratio: 2.1~2.3)인 경우 점도가 100,000 cps 이상으로 점도가 매우 크기 때문에 규산나트륨의 유입량을 적절히 조절하기가 어려운 문제점과 특히 동절기 시 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 10,000~50,000 cps로 대체적으로 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 쉬우나 국내의 수요처가 적어서 생산을 하지 않기 때문에 구입하기 어렵고 단가가 비싸다는 단점을 가지고 있으며, 규산나트륨 3종(SiO2/Na2O의 mole ratio: 3.15~3.30)인 경우 점도도 높지 않으면서 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 실리카 졸이 형성되는 (A)액의 제조 단계의 규산염과 물 혼합단계에 있어서 순결형(급결; short)인 경우, 물 내지는 수 용해성 첨가제를 100중량부로 기준으로 할 때 규산염을 80 내지는 150 중량부를 혼합하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 90 내지는 130 중량부가 혼합되는 것이 유리하며, 가장 바람직하게는 95 중량부 내지는 120 중량부를 혼합하는 것이 유리한바 규산염을 90 중량부 이하로 혼합할 경우 완결(mild)의 효과가 나타나기 때문에 순결을 요구하는 그라우팅 주입재에 적절치 않으며, 150 중량부를 초과하여 혼합할 경우 수초 안에 순결효과가 나타나나 주입재의 과잉혼합에 의한 시공단가가 높아질 수 있다는 문제가 있기 때문에 상기 제안한 농도로 혼합하는 것이 적절하다 할 수 있다.
규산염과 물 내지는 수 용해성 첨가제의 혼합단계는 특별한 제한이 없고 액상규산염이 물에 균일한 농도로 희석되면 사용가능하다 할 수 있으며, 이를 위해 고속회전 반응기의 회전봉의 속도가 25 ~ 150 rpm 범위로 사용될 수 있고, 더욱 바람직하게는 35 ~ 120 rpm으로 가장 바람직하게는 50 ~ 85 rpm으로 혼합하는 것이 유리한바 25 rpm의 회전속도로 교반 할 경우 균일한 규산염의 제공하기 위하여 다소 시간이 걸리기 때문에 작업의 능률이 떨어진다는 단점이 있으며, 120 rpm 이상의 회전속도로 혼합할 경우 매우 짧은 시간에도 균일한 농도로 희석이 된다는 장점을 가지고 있으나 고속 회전에 의한 와류에 의하여 많은 유입량을 혼합하기 어려우며, 희석된 규산염 용액이 혼합장치 밖으로 유출될 가능성이 높기 때문에 적절한 혼합속도를 유지하는 것이 바람직하다.
상기와 같은 공정을 통하여 규산염과 물 혼합단계를 통하여 제공되는 희석된 규산염의 혼합조성물은 양이온교환수지가 충진된 수지탑의 경로를 거쳐 나트륨(Na)의 농도가 존재하지 않게되거나 최소화된 단량체(Monomer)의 실리카 용액이 제조될 수 있다.
이 때 양이온교환수지는 양이온과 음이온이 서로 결합된 규산염을 이온교환 방법을 통해 알칼리 금속인 나트륨의 양이온을 제거하게 되는데, 이온교환은 어느 물질을 염류의 수용액과 접촉시켜 두었을 때 그 물질 속의 이온은 용액 속으로 나오고, 용액 속의 이온이 그 물질 속으로 들어가는 현상 즉 용액 중의 다양한 이온들과 불용성 수지(이온교환 수지) 사이에서 같은 하전(positive or negative)을 가진 이온들의 가역적 교환되는 이온교환체로서 이온교환 현상을 나타내는 물질을 사용하게 되는데, 본 발명에 사용 가능한 양이온 교환수지는 망상구조의 기초 고분자 모체에 교환기로서 술폰산기(-SO3H)와 카르복실기(-COOH) 등을 결합시킨 양이온교환수지가 사용되어 Ca2 +, Na+, H+ 등과 같은 양이온을 교환한다.
상기 수지를 물에 침투시키면 교환기인 부분은 무기산과 같이 전리하는데 이온교환수지의 기초 고분자 모체부분을 R로 표시하고 양이온 교환수지로 R-SO3H 또는 R-COOH로 표시할 수 있으며, 수중에서 다음과 같이 전리한다.
R-SO3H R-SO3 + H+
R-COOH R-COO- + H+
이에 따라 본 발명에서는 희석된 규산염(Silicate) 중 양이온을 양이온 교환수지에 의해 이온교환되고, 고농도의 단량체의 실리카졸(Colloidal silica라고도 칭함)을 제조할 수 있게 된다.
수중에 희석된 나트륨은 양이온교환수지에 의해 이온교환 능력을 다할 때까지 연속적으로 이온교환되고, 최종 이온교환수지의 기초 고분자 모체에 전량 이온교환된 수지는 더 이상 이온교환을 할 수 없게 되는데, 이 때 이온교환 능력이 없는 양이온교환수지는 1/4 이상으로 희석된 염산(HCl) 또는 황산(H2SO4)을 수지탑 내부에 충진된 수명을 다한 양이온교환수지 내부로 순환을 시키게 되면 아래의 식과 같이 재생되어 다시 사용할 수 있다는 큰 장점을 가지므로 이온교환수지탑은 처음 시설비만 투자되고 저렴한 비용으로 관리될 수 있는 장점을 갖는다.
R-SO3H -> R-SO3 - + H+
↓(나트륨을 이온교환)
R-SO3Na -> R-SO3 - + Na+
↓(염산(HCl) 또는 황산(H2SO4)으로 순환)
R-SO3Na -> R-SO3 - + Na+ + HCl
↓
R-SO3Na -> R-SO3 -- + H+ + NaCl(세척)
↓(재생됨)
R-SO3H -> R-SO3 - + H+
종래의 방법에서는 고가의 시판용 실리칼 졸 용액을 구입하여 희석, 시공함에 따라 그라우팅 시공단가가 증가함에 따른 시공 경쟁력이 크게 떨어질 수 있다는 문제점이 있었고, 또한 아래의 식과 같이 고속회전하는 조건 하에 알칼리인 액상규산나트륨(물유리라 칭함, Na2SiO3)과 황산과 같은 강산과의 혼합에 의한 실리카 졸을 사용함에 따른 고농도의 나트륨이 존재하여 최종 그라우팅 고결체가 지하에 존재하는 수분과 반응에 의한 용탈이 상당히 발생하여 기술경쟁력이 크게 떨어지고, 강산을 사용함에 따라 부주의에 의한 인체에 위해를 가할 수 있다는 큰 문제점을 갖고 있었다.
Na2SiO3 + (고속교반) H2SO4 →SiO2(실리카 졸)+Na2SO4(용탈원인 및 내구성 악화 원인물질) + H2O(용탈)
그러나 본원에서 적용되는 공법은 상기와 같은 문제점을 야기하는 나트륨(Na) 성분을 제거하거나 최소화하기 위하여 원료물질인 규산염을 수지탑(Resin top) 내부에 충진된 양이온교환수지를 통과시켜 나트륨(Na)의 농도가 존재하지 않거나 또는 최소화된 단량체(Monomoer)로 변화시켜 실리카 졸 용액을 만들에서 사용하게 되는 부분에 특징부를 갖는다.
또한 본원에서 현탁액 그라우팅 주입재로 이용되어 고강도의 그라우팅재를 이루기 위해 그라우팅 용액 B에 선택적으로 이용되는 시멘트는 지반의 형태나 특성에 따라 다양한 종류 중에서 선택되어 사용될 수 있다.
시멘트는 포틀랜드계 시멘트에 속하는 보통 포틀랜드 시멘트, 중용열 포틀랜드 시멘트, 조강 포틀랜드 시멘트, 내황산염 포틀랜드 시멘트, 백색 포틀랜드 시멘트, 유정시멘트, 콜로이드 시멘트 내지는 혼합시멘트에 속하는 고로 시멘트, Fly ash 시멘트, 실리카 시멘트, 초저발열 시멘트, 지열정 시멘트, RCCP 용 시멘트 내지는 알루미나 시멘트 내지는 초속결 시멘트 내지는 GRC용 저알칼리 시멘트 1종 단독 내지는 1종 이상의 시멘트를 혼합하여 사용할 수 있으며, 일반적 지반강화를 위한 현탁액 주입재를 제공하기 위해서는 비표면적이 3,000~3,500 cm2/g인 포틀랜드계 시멘트를 이용하는 것이 유리하며, 초기강도를 높이기 위해서는 비표면적이 4,000~4,600 cm2/g인 조강포틀랜드 시멘트 내지는 비표면적이 약 6,000 이상 cm2/g인 초조강포틀랜드 시멘트를, 1년 이상의 장기강도를 발현하면서 치밀한 경화체 조직을 얻기 위해서는 중용열 포틀랜드 시멘트를, 황산염 침입에 대한 저항성을 높이기 위해서는 내황산염 포틀랜드 시멘트를, 장기강도의 발현성을 높이면서 내해수성, 화학적 저항성을 높이고, 알칼리와 반응성을 최소화하기 위해서는 고로시멘트를, 건조수축을 줄이고, 수화열을 작게하면서 장기 강도를 크게 하기 위해서는 플라이에쉬(fly ash) 시멘트를 사용할 수 있다.
일반적인 그라우팅 주입재를 제공하기 위해서는 별도의 첨가제를 사용하지 않는 것도 가능하나, 단독으로 사용하는 현탁액 그라우팅 주입재보다 높은 강도를 제공하기 위하여 첨가제를 혼합하는 것이 유리한바, 본원에서 사용가능한 첨가제는 벤토나이트, 고로슬래그 분말, 플라이에쉬(fly ash), 흄실리카(fume silica), 산화마그네슘, 수산화마그네슘, 산화아연, 산화알루미늄, 황산칼륨, 황산칼슘, 탄산칼슘, 보락스(sodium borate) 중 어느 1종 내지는 1종 이상이 선택되어 사용될 수 있고, 상기 시멘트 중량에 대하여 2.5 ~ 35 중량부가 첨가되어 사용될 수 있으며, 바람직하게는 3.5 ~ 30 중량부를 첨가하는 것이 유리하고, 더욱 바람직하게는 5.0 ~ 30 중량부가 포함되는 것이 유리하며, 가장 바람직하게는 7.5 ~ 20 중량부를 첨가하는 것이 유리한바, 첨가제가 시멘트 대비 2.5 중량비 이하로 첨가될 경우 시멘트 단독으로 사용하는 현탁액의 물성과 유사하기 때문에 첨가제에 의한 물성향상의 영향이 그다지 높지 않으며, 35 중량부 이상이 첨가될 경우 시멘트 량이 상대적으로 적은 량 포함되므로 오히려 강도 저하의 우려가 있기 때문에 상기 제안한 적절한 량을 첨가해야 유리하다.
물 내지는 수 용해성 첨가제는 분말 자동유입 제어장치에서 공급되는 시멘트 내지는 첨가제를 희석하면서 유동성 및 균질성을 제공하기 위하여 사용될 수 있는바, 단독으로 물만 사용되거나 또는 탄산염(carbonate) 내지는 중탄산염(bicarbonate)을 물에 용해하여 사용할 수 있고, 용액형과 현탁액형의 그라우팅 주입재의 지반여건 사용처의 기초지질 여건에 따라 제조하여 첨가되는 것이 유리하며, 이 때 사용하는 탄산염 내지는 중탄산염은 용액(A)의 제조단계에서 제조된 실리카 졸과 반응하여 겔 타임이 조절되도록 작용하게 된다.
도 1에서 제시되는 물 내지는 수 용해성 첨가제(20)는 탄산나트륨, 탄산칼륨, 탄산암모늄, 중탄산나트륨, 중탄산칼륨, 중탄산암모늄, 글리옥살 중 1종 이상이 용액(A)의 제조단계에서 규산염을 기준으로 할 때 5 ~ 80 중량부가 첨가될 수 있으며, 순결형 그라우팅 주입재일 경우 바람직하게는 20 ~ 80 중량부를 용해하는 것이 유리하며, 더욱 바람직하게는 30 ~ 65 중량부가 유리하고, 가장 바람직하게는 35 ~ 60 중량부가 유리한 바, 20 중량부 이하로 용해할 경우 실리카졸 형성 단계(100)에서 형성된 실리카졸과 반응하여 겔화가 늦게 나타나기 때문에 순결형에 적합지 않으며, 80 중량부 이상을 용해할 경우 탄산염은 별다른 문제가 발생치 않으나 중탄산나트륨이 용해도가 크기 않기 때문에 불용성이 될 확률이 매우 높아 상기 제안한 적절량을 용해하는 것이 유리하다.
또한 완결형인 경우 5 ~20 중량부를 용해하는 것이 유리하며, 더욱 바람직하게는 5.5 ~ 15 중량부가 유리하며, 더욱 바람직하게는 7.0 ~ 13 중량부가 유리하며, 가장 바람직하게는 9.0 ~ 11 중량부가 유리한 바, 5 중량부 이하로 용해할 경우 완결의 효과를 발휘할 수 있으나 겔-타임을 조절하기가 매우 힘들며, 20 중량부 이상을 용해할 경우 순결형의 그라우팅 주입재가 만들어질 확률이 높기 때문에 상기 제안한 적절량을 용해하는 것이 유리하다.
이하, 본원의 기술사상이 적용되어 구현되는 발명의 실시예를 상술한다.
실시예 1.(현탁액형 순결형 그라우팅 주입재)
에스켐텍(주)의 규산나트륨 3호 90 리터를 물 100 리터를 첨가하여 희석하고, 이곳에 본 발명의 이륭화학 TRIRITE SCR8 양이온교환수지 50리터를 공급한 후 수지탑에 의한 실리카졸 제조와 유사한 조건을 구현하기 위하여 약 60 rpm 속도로 10분간 교반해 준 다음 양이온교환수지를 여과하고, 물을 공급하여 200리터의 실리카 용액 A를 제조하였다.
별도로 시멘트 180 kg을 측량 한 후 물을 공급하여 혼합기로 균일하게 혼합하면서 200 리터의 B용액을 제조하였다.
상기 A용액과 B용액이 섞이게 하는 혼합단계를 거치자마자 겔 타임을 측정하였으며, 겔 화 후 물성을 측정하였으며, 3회 측정한 결과의 평균치를 구하고자 하였다.
실시예 2.(용액형 순결형 그라우팅 주입재)
에스켐텍(주)의 규산나트륨 3호 90 리터를 물 100 리터를 첨가하여 희석하고, 이곳에 본 발명의 이륭화학 TRIRITE SCR8 양이온교환수지 50리터를 공급한 후 수지탑에 의한 실리카졸 제조와 유사한 조건을 구현하기 위하여 약 60 rpm 속도로 10분간 교반해 준 다음 양이온교환수지를 여과하고, 물을 공급하여 200리터의 실리카 용액 A를 제조하였다.
별도로 중탄산나트륨 35 kg을 측량하고 나머지 물로 채운 후 용해하여 200 리터의 B용액을 제조하였다.
상기 A용액과 B용액이 섞이게 하는 혼합단계를 거치자마자 겔 타임을 측정하였으며, 겔 화 후 물성을 측정하였으며, 3회 측정한 결과의 평균치를 구하였다.
실시예 3.(현탁액형 완결형 그라우팅 주입재)
에스켐텍(주)의 규산나트륨 3호 50 리터를 물 150 리터를 첨가하여 희석하고, 이곳에 본 발명의 이륭화학 TRIRITE SCR8 양이온교환수지 50리터를 공급한 후 수지탑에 의한 실리카졸 제조와 유사한 조건을 구현하기 위하여 약 60 rpm 속도로 10분간 교반해 준 다음 양이온교환수지를 여과하고, 물을 공급하여 200리터의 실리카 용액 A를 제조하였다.
별도로 시멘트 40 kg과 중탄산나트륨 4 kg을 측량 한 후 물을 공급하여 혼합기로 균일하게 혼합하면서 200 리터의 B용액을 제조하였다.
상기 A용액과 B용액이 섞이게 하는 혼합단계를 거치자마자 겔 타임을 측정하였으며, 겔 화 후 물성을 측정하였으며, 3회 측정한 결과의 평균치를 구하였다.
실시예 4.(용액형 완결형 그라우팅 주입재)
에스켐텍(주)의 규산나트륨 3호 50 리터를 물 150 리터를 첨가하여 희석하고, 이곳에 본 발명의 이륭화학 TRIRITE SCR8 양이온교환수지 50리터를 공급한 후 수지탑에 의한 실리카졸 제조와 유사한 조건을 구현하기 위하여 약 60 rpm 속도로 10분간 교반해 준 다음 양이온교환수지를 여과하고, 물을 공급하여 200리터의 실리카 용액 A를 제조하였다.
별도로 중탄산나트륨 5 kg을 측량하고 나머지 물로 채운 후 용해하여 200 리터의 B용액을 제조하였다.
상기 A용액과 B용액이 섞이게 하는 혼합단계를 거치자마자 겔타임을 측정하였으며, 겔화 후 물성을 측정하였으며, 3회 측정한 결과의 평균치를 구하였다.
실시예 5(용액형 순결형 그라우팅 주입재)
에스켐텍(주)의 규산나트륨 3호 90 리터를 물 100 리터를 첨가하여 희석하고, 이곳에 본 발명의 이륭화학 TRIRITE SCR8 양이온교환수지 50리터를 공급한 후 수지탑에 의한 실리카졸 제조와 유사한 조건을 구현하기 위하여 약 60 rpm 속도로 10분간 교반해 준 다음 양이온교환수지를 여과하고, 물을 공급하여 200리터의 실리카 용액 A를 제조하였다.
별도로 규산나트륨 3호 40 리터와 글리옥살 30 리터를 측량한 후 물을 공급하여 혼합기로 균일하게 혼합하면서 200 리터의 B용액을 제조하였다.
상기 A용액과 B용액이 섞이게 하는 혼합단계를 거치자마자 겔 타임을 측정하였으며, 겔 화 후 물성을 측정하였으며, 3회 측정한 결과의 평균치를 구하고자 하였다.
비교예 1.(현탁액형 순결형 그라우팅 주입재)
규산나트륨 3호 90 리터를 물 100 리터를 첨가하여 희석하고, 이곳에 본 발명의 콘트롤 시스템에 의하여 고속회전하는 반응기에 70 %농도의 황산 10 리터의 혼합용액을 공급하여 200 리터의 실리카 용액 A를 제조한 것을 제외하고는 실시 예 1과 동일하게 수행하였다.
비교예 2
규산나트륨 3호 90 리터를 물 100 리터를 첨가하여 희석하고, 이곳에 본 발명의 콘트롤 시스템에 의하여 고속회전하는 반응기에 70 %농도의 황산 10 리터의 혼합용액 공급하여 200 리터의 실리카 용액 A를 제조하고는 실시 예 2와 동일하게 수행하였다.
비교예 3
규산나트륨 3호 50 리터를 물 150 리터를 첨가하여 희석하고, 이곳에 본 발명의 콘트롤 시스템에 의하여 고속회전하는 반응기에 50 %농도의 황산 5 리터의 혼합용액을 공급하여 200 리터의 실리카 용액 A를 제조한 것을 제외하고는 실시 예 3과 동일하게 수행하였다.
비교예 4
규산나트륨 3호 50 리터를 물 150리터를 가하고 희석하여 물 140 리터를 첨가하여 희석하고, 이곳에 본 발명의 콘트롤 시스템에 의하여 고속회전하는 반응기에 7 %농도의 황산알루미늄 10리터와 50 %농도의 황산 5 리터를 공급하여 200 리터의 실리카 용액 A를 제조한 것을 제외하고는 실시 예 4와 동일하게 수행하였다.
비교예 5
규산나트륨 3호 90 리터를 물 100 리터를 첨가하여 희석하고, 이곳에 본 발명의 콘트롤 시스템에 의하여 고속회전하는 반응기에 설파민산 30 kg과 물 90리터의 황산 10 리터의 혼합용액을 공급하여 200 리터의 실리카 용액 A를 제조한 것을 제외하고는 실시 예 5와 동일하게 수행하였다.
상기 실시예 1~5 및 비교예 1~5에 대한 실험결과를 표 1에 나타냈다.
Samples Gel time(sec) 1달 경과 후의
용탈현상		 샌드겔 압축강도(28일)
(kg/cm2)
실시 예 1 8.8 전혀없음 27~30
실시 예 2 9.2 전혀없음 측정불가(매우 우수)
실시 예 3 58 전혀없음 27~30
실시 예 4 56 전혀없음 측정불가(매우 우수)
실시 예 5 7.9 전혀없음 측정불가(매우 우수)
비교 예 1 26분 약간발생 19~23
비교 예 2 14분 많이발생 측정불가(불량, 취성존재)
비교 예 3 24 약간발생 19~24
비교 예 4 측정안됨 측정안됨 측정안됨
비교 예 5 측정안됨 측정안됨 측정안됨
비고 1: 상기 겔타임 결과 중 측정안됨은 1시간 이내에 겔이 형성되지 않음을 의미함.
비고 2: 상기 1달 경과 후의 용탈, 샌드겔 압축강도 결과 중 측정안됨은 겔이 형성되 지 않는 용액으로 측정 불가함.
비고 3: 상기 샌드겔 압축강도(28) 결과 중 측정불가는 시멘트가 함유되지 않은 용액 형 고결체로서, 측정장비의 범위(Range)를 벗어남에 따라 측정불가하며, 이를 시각 및 손가락 압축에 의한 관능법에 의해 확인됨.
본원 발명자는 상기 표 1에서 나타낸 바와 같이 비교예 1~5에서는 겔 타임이 적절하게 제공하지 못하여 그라우팅의 의미를 상실했다고 볼 수밖에 없었으며, 특히 부정확한 겔 타임에 의해 만들어진 그라우팅 고결체가 상당한 량의 용탈이 발생하여 누수의 차단효과를 제공할 수 없음을 확인할 수 있었고, 또한 시멘트가 포함된 현탁액의 조성물 경우에도 강도가 매우 미약하여 그라우팅 시공에 의한 연약지반을 강화할 목적으로 적용되기에 부족함을 확인할 수 있는 반면, 본원 발명의 기술사상이 적용된 실시예 1~5에서는 적절한 시간 내에 겔타임을 제공하여 지반누수와 같은 곳에 충분히 적용될 가능성이 높을 뿐 아니라 용탈현상도 전혀 발생하지 않으면서 고강도의 그라우팅 고결체를 제공할 수 있음을 확인할 수 있었다.
따라서 본 발명의 고강도 그라우팅 조성물 및 이를 이용한 시공방법에 따라 연약지반의 형태나 토질의 종류에 따라 용액형 내지는 현탁액형의 그라우팅 주입재를 속결 및 완결의 겔타임을 조절할 수 있으며, 고강도의 그라우팅 조성물을 제공할 수 있기 때문에 기업의 경쟁력은 물론 지반강화 분야에 널리 활용할 수 있는 기술로 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
10 : 규산염 20 : 물 내지는 수 용해성 첨가제
30 : 시멘트 40 : 첨가제
50 : 유체 자동유입 제어장치 60 : 분말 자동유입 제어장치
70 : 규산염과 물 혼합단계 80 : 이온교환단계
90 : 분말자동주입 개폐단계 100 : 실리카 졸 형성단계
110 : 시멘트와 첨가제의 혼합단계 120 : A+B 혼합단계 130 : 약액 주입단계 140 : 겔화단계

Claims (5)

  1. 용액형 또는 현탁액형 그라우팅 약액을 이용하여 고결제의 용탈을 방지함과 동시에 내구성을 높이도록 제공되는 그라우팅 시공방법에 있어서,
    (A)용액 제조단계에서 규산염(10)으로 3종규산나트륨(SiO2/Na2O의 mole ratio: 3.15~3.30)과 첨가제로 탄산나트륨, 탄산칼륨, 탄산암모늄, 중탄산나트륨, 중탄산칼륨, 중탄산암모늄, 글리옥살 중에서 선택되는 용해성 첨가제(20)가 물과 함께 유체자동유입 제어장치(50)에 의해 유입량이 조절되어 주입되는 단계와;
    상기 3종규산나트륨과 용해성 첨가제(20)가 혼합단계(70)에서 균일한 농도로 희석될 때 양이온교환수지의 기초고분자 모체가 R로 표시되는 경우 R-SO3H 또는 R-COOH로 표시되는 양이온교환수지(80)가 충진된 수지탑으로 유입되어 3종규산나트륨 중의 나트륨(Na)을 이온교환시켜 나트륨(Na)의 농도가 최소화된 실리카졸 용액(90)을 만들어 실리카졸 수용액(A)을 얻고,
    수중에 희석된 나트륨(Na)은 양이온교환수지에 의해 연속적으로 이온교환되며 이온교환 능력이 떨어진 양이온교환수지는 희석된 염산(HCl) 또는 황산(H2SO4)을 사용하여 재생시켜 사용하는 단계와;,
    강도증가와 급결 또는 완결도를 조절하기 위한 그라우팅 (B)용액 제조단계에서 시멘트(30) 및 중탄산나트륨, 벤토나이트, 고로슬래그 분말, 플라이에쉬(fly ash), 흄실리카(fume silica), 산화마그네슘, 수산화마그네슘, 산화아연, 산화알루미늄, 황산칼륨, 황산칼슘, 탄산칼슘, 보락스(sodium borate) 중에서 선택되는 첨가제(40)가 자동유입제어장치(60)에 의해 정량으로 공급되어 용액(B)을 얻는 단계와
    상기 A용액과 B용액이 균일하게 혼합하여 그라우팅 혼합약액(120)을 얻는 단계와;
    상기 그라우팅 혼합약액(120)을 그라우팅을 요하는 지반에 투입하는 그라우팅 약액 주입단계(130)와;
    상기 그라우팅 약액이 투입된 부위에서 3차원적 거대네트워크를 형성하며 일정한 형상으로 굳기 시작하는 겔화 단계(140)와;
    상기 겔화단계를 거쳐 경화가 진행되며 완전히 경화체가 형성되는 고화단계(150)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 용탈 방지용 고강도 그라우팅 시공방법.
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