KR101592198B1 - 매입말뚝 시공용 속경형 밀크주입재 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 매입말뚝 시공용 밀크주입재에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 매입말뚝 시공용 밀크주입재로 가장 널리 사용되는 1종 보통시멘트를 대체하기 위하여 고로슬래그 미분말에 페트로 코크스 탈황석고, 시멘트 및 팽창제를 이용하여 1종 시멘트와 동등 이상 성능을 발현할 수 있을 뿐만 아니라, 체적 팽창작용을 이용하여 천공 구멍과 매입말뚝 사이에 존재할 수 있는 지하수에 의한 밀크액의 유실을 방지하여 매입 말뚝의 선단지지력 및 주면마찰력을 기존 시멘트 밀크액에 비하여 크게 향상시킬 수 있는 매입말뚝 시공용 밀크주입재에 관한 것이다.
본 발명에 의한 매입말뚝 시공용 밀크주입재는 고로슬래그 미분말 100중량부에 대하여, 칼슘 옥사이드(Calcium oxide) 함량이 50중량% 이상이고 설페이트 옥사이드(Sulfate oxide) 함량이 15중량% 이상인 페트로 코크스 탈황석고 5~200중량부와, 배합수 50~300중량부를 포함한다.

Description

매입말뚝 시공용 속경형 밀크주입재{COMPOSITION FOR SOFT GROUND CONSTRUCTION PILE}
본 발명은 매입말뚝 시공용 밀크주입재에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 매입말뚝 시공용 밀크주입재로 가장 널리 사용되는 1종 보통시멘트를 대체하기 위하여 고로슬래그 시멘트에 페트로 코크스 탈황석고, CSA(Calcium Sulfur Aluminate) 및 팽창제를 이용하여 고로슬래그 시멘트의 단점인 초기 강도를 1종 보통시멘트와 동등 이상 발현할 수 있을 뿐만 아니라, 체적 팽창작용을 이용하여 천공 구멍과 매입말뚝 사이에 존재할 수 있는 지하수에 의한 밀크액의 유실을 방지하여 매입 말뚝의 선단지지력 및 주면마찰력을 기존 시멘트 밀크액에 비하여 크게 향상시킬 수 있는 매입말뚝 시공용 밀크주입재에 관한 것이다.
최근의 건설 현장에 있어서, 파일 기초공사시의 소음과 진동 규제 강화 추세에 따라 매입공법의 파일공사가 증가하고 있다.
매입 말뚝 시공은 지반에 오거를 이용해 구멍을 파고 기성 제품인 PHC 말뚝을 심는 방법으로서, 지반과 말뚝의 공간에 순수 1종 보통시멘트 또는 벤토나이트를 첨가한 분말에 물을 혼합하여 제조된 혼합물을 충진하여 지반에 고정시키는 매입 말뚝공법이다.
천공 구멍과 파일 사이에 밀크주입재는 하중 재하 초기 단계에서 파일의 자립을 위한 채움재 및 파일 주면마찰력의 기능을 발휘하는 것이 기본 역할이다.
하지만, 상기 벤토나이트는 국내에 천연자원으로 부존하지 않는 광물로서 전량 수입에 의존하고 있는 고가의 재료이며 염분과 접촉하면 그 팽윤도가 현저히 떨어져 차수성이 크게 저하되는 문제점이 있어 해안가의 말뚝공사 시공의 경우 소요 성능을 발휘하지 못하는 단점이 있다.
국내에서는 선굴착 매입말뚝 공법이 일본으로부터 1987년부터 도입되면서 물시멘트비(W/C)가 83%인 시멘트 밀크가 주로 사용되었다. 물시멘트비가 83%인 시멘트 밀크는 1.0m3를 만드는데 시멘트 880kg과 물 730kg이 필요하다. 왜냐하면 시멘트의 비중이 3.15가 되므로 이를 체적으로 환산하면 880÷3.15=280ℓ가 되며, 물 730ℓ와 더하면 1,010ℓ즉, 약 1.0m3의 체적이 되기 때문이다. 그러나 이와 같은 배합비를 갖는 시멘트 밀크는 주입하더라도 말뚝 주변지반으로 빠져나가 충진이 되지 않으며, 지하수가 많은 경우에는 희석되어 더욱 빈배합이 되어 지지력이 작아지게 된다. 이에 따라 투수성이 큰 지반이나 지하수가 많은 현장에서는 부배합으로 변경하여 사용하고 있어 과도한 시멘트가 지반에 투입되는 현상을 초래한다.
또한 고로슬래그 시멘트는 1종 보통시멘트에 비하여 저열, 장기 고강도, 고유동, 내산성, 내염화물 등 우수한 품질과 경제성을 갖고 있으나 반면에 응결지연, 초기강도 저감, 건조수축 증대 등 문제점을 내포하고 있어서 매입말뚝을 시공하는 건설현장에서는 1종 보통시멘트만을 사용하고 있는 실정이다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 고로슬래그 시멘트의 단점을 극복하고자 페트로 코크스 탈황석고가 고로슬래그 시멘트에 포함된 고로슬래그 미분말을 알칼리 및 황산염 자극에 의해 활성화시켜 고로슬래그 시멘트의 단점인 초기 강도를 1종 보통시멘트와 동등 이상 발현할 수 있고, CSA(Calcium Sulfur Aluminate) 및 팽창제를 이용하여 속경성 및 체적 팽창작용을 이용하여 천공 구멍과 매입말뚝 사이에 존재할 수 있는 지하수에 의한 밀크액의 유실을 방지하여 매입 말뚝의 선단지지력 및 주면마찰력을 기존 시멘트 밀크액에 비하여 크게 향상시킬 수 있는 매입말뚝 시공용 밀크주입재를 제공함에 있다.
위와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 의한 매입말뚝 시공용 밀크주입재는 고로슬래그 시멘트 100중량부에 대하여, 칼슘 옥사이드(Calcium oxide) 함량이 50중량% 이상이고 설페이트 옥사이드(Sulfate oxide) 함량이 15중량% 이상인 페트로 코크스 탈황석고 5~100중량부와, 배합수 50~300중량부를 포함한다.
또한 속경성을 부여하기 고로슬래그 시멘트 100중량부에 대하여 CSA(Calcium Sulfur Aluminate) 5~100중량부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한 체적팽창을 통한 매입말뚝의 주면 마찰력을 향상시키기 위하여 팽창재가 더 포함되는 것이 바람직하다.
또한 상기 팽창재는 칼슘 옥사이드(Calcium oxide) 함량이 20중량% 이상인 석탄재, 바이오매스 소각잔재, 제지슬러지소각잔재, RDF 소각잔재, RPF 소각잔재, 제강 슬래그 미분말, KR더스트, KR슬래그 분진, 생석회 및 경소백운석으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나이거나 둘 이상의 혼합물인 것이 바람직하다.
또한 상기 팽창재는 고로슬래그 시멘트 100중량부에 대하여 5~100중량부 혼입되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 고로슬래그 시멘트에 포함된 고로슬래그 미분말을 알칼리 및 황산염 자극에 의해 활성화시켜 고로슬래그 시멘트의 단점인 초기 강도를 1종 보통시멘트와 동등 이상 발현할 수 있고, CSA(Calcium Sulfur Aluminate) 및 팽창제를 이용하여 속경성 및 체적 팽창작용을 이용하여 천공 구멍과 매입말뚝 사이에 존재할 수 있는 지하수에 의한 밀크액의 유실을 방지하여 매입 말뚝의 선단지지력 및 주면마찰력을 기존 1종 보통시멘트 밀크액에 비하여 크게 향상시키는 효과가 있다.
이하, 본 발명에 의한 매입 말뚝 시공용 밀크주입재에 대하여 구체적으로 설명한다.
먼저, 본 발명에 의한 매입 말뚝 시공용 밀크주입재의 구성성분 및 작용을 설명한다.
본 발명에 의한 매입 말뚝 시공용 속경성 밀크주입재는 고로슬래그 시멘트 100중량부에 대하여 칼슘 옥사이드(Calcium oxide) 함량이 50% 이상, 설페이트 옥사이드(Sulfate oxide) 함량이 15% 이상인 페트로 코크스 탈황석고 5~100중량부와, 배합수 50~300중량부를 포함한다.
또한, 속경성을 부여하기 고로슬래그 시멘트 100중량부에 대하여 CSA(Calcium Sulfur Aluminate) 5~100중량부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한 체적팽창을 통한 매입말뚝의 주면 마찰력을 향상시키기 위하여 팽창재가 더 포함되는 것이 바람직하다.
상기 팽창재는 칼슘 옥사이드(Calcium oxide) 함량이 20% 이상인 석탄재, 바이오매스 소각잔재, 제지슬러지소각잔재, RDF 소각잔재, RPF 소각잔재, 제강 슬래그 분진, 제강 분진, KR더스트, KR슬래그 분진, 생석회 및 경소백운석으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나이거나 둘 이상의 혼합물인 것이 바람직하다.
또한 상기 팽창재는 고로슬래그시멘트 100중량부에 대하여 5~100중량부 혼입되는 것이 바람직하다.
본 발명에서 주원료로 쓰이는 고로슬래그 시멘트는 1종시멘트에 고로슬래그미분말 및 소량의 석고를 첨가하여 한국공업규격(KS)에 따라 제조된 제품으로 1종 보통시멘트에 비하여 저열, 장기 고강도, 고유동, 내산성, 내염화물 등 우수한 품질과 경제성을 갖고 있으나 반면에 응결지연, 초기강도 저감, 건조수축 증대 등 문제점을 내포하고 있어서 매입말뚝을 시공하는 건설현장에서는 1종 보통시멘트만을 사용하고 있는 실정이다.
또한 상기 페트로 코크스 탈황석고는 고로슬래그시멘트 중의 슬래그 미분말의 산성피막을 알칼리 및 황산염 복합 자극에 의해 단시간내에 파괴하여 슬래그 내부에서 이온 방출을 가속화시키고 이들과 반응하여 수화초기에 에트린가이트를 다량 생성해주고 재령이 경과함에 따라 칼슘실리케이트 수화물을 생성해 강도를 발현해주는 자극제 및 결합재의 동시 역할을 하는 물질이다. 페트로 코크스와 석회석을 혼소하는 유동층 보일러에서 탈황 공정 부산물로 발생하기 때문에 생석회, 무수석고 성분을 함유한 물질이며 경제성이 매우 우수하다.
페트로 코크스 탈황석고는 고로슬래그시멘트 100중량부에 대하여, 5~100중량부 포함되는 것이 바람직하다. 5중량부 미만이면 생석회 성분과 석고 성분을 동시에 함유하고 있는 알칼리 및 황산염 복합 자극제로서 그 효과가 미비하고, 100중량부를 초과하면 슬래그와 반응하지 못한 잉여량이 존재하여 오히려 강도가 저하될 우려가 있다.
상기 배합수는 지하수, 상수도수, 공업용수 및 해수 등 시멘트 응결에 이상을 주지 않는 일반적인 물로서 분말인 시멘트를 슬러리로 만들어 배관을 통한 이송을 용이하게 하는 용도로 사용된다.
상기 배합수는 고로슬래그 시멘트 100중량부에 대하여 50~300중량부를 혼입되는 것이 바람직하다. 50중량부 미만이면 유동성이 부족하여 밀크액 이송이 어렵고 300중량부를 초과하면 강도가 크게 저하하게 된다.
초속경시멘트 또는 팽창 시멘트라고 일반적으로 불리우는 CSA(Calcium Sulfur Aluminate)는 고로슬래그 시멘트 100중량부에 대하여 5~100중량부가 포함되는 것이 바람직하다. 5 중량부 미만이면 밀크주입재의 양생이 속경성을 갖기에 부족하며, 100중량부 이상이면 시공 및 양생시간이 너무 단축되어 매입말뚝 주변의 대상지반에 충분히 침투하지 못할 우려가 있다.
또한 매입 말뚝의 주면마찰력을 향상시키기 위하여 팽창재가 더 포함되는 것이 바람직하다.
상기 팽창재는 칼슘 옥사이드(Calcium oxide) 함량이 20% 이상인 석탄재, 바이오매스 소각잔재, 제지슬러지소각잔재, RDF 소각잔재, RPF 소각잔재, 제강 슬래그 분진, 제강 분진, KR더스트, KR슬래그 분진, 생석회 및 경소백운석으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나이거나 둘 이상의 혼합물인 것이 바람직하다.
또한 칼슘 옥사이드(Calcium oxide) 함량이 20% 이상인 팽창재는 물과 반응하여 흡수, 발열 및 팽창하여 수산화칼슘이 된다. 이에 대한 반응식은 아래와 같다.
CaO+ H2O->Ca(OH)2+15.6kcal mol-1
통상 별도의 탈황장치를 구비한 화력발전소에서 배출되는 석탄재는 칼슘 옥사이드(Calcium oxide) 함량이 5% 이하로 콘크리트 혼화재료로 재활용됨에도 불구하고, 위와 같이 칼슘 옥사이드(Calcium oxide) 성분이 다량 함유된 석탄재, 소각잔재, 제강 슬래그 분진, 제강 분진, KR더스트, KR슬래그 분진 등은 흡수, 발열 및 팽창 특성이 있어 콘크리트 혼화재료로 활용이 불가능하다.
따라서 본 발명은 통상적으로 콘크리트 혼화재료로 활용할 수 없는 산업 부산물을 팽창재로 이용하는 것이다.
또한 상기 팽창재 중 생석회 및 경소백운석은 시중에서 유통되는 일반적인 제품이면 사용 가능하다.
상기 팽창재의 혼입량이 5중량부 미만이면 매입 말뚝의 주면 마찰력을 향상시키기 위하여 팽창 효과가 미비하고, 100중량부를 초과하면 팽창 효과는 증가하나 경화체를 구성하는 시멘트질 물질이 상대적으로 부족하여 강도가 저하 될 수 있다.
이하에서 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예들이 기술되어질 것이다. 또한 이하의 실시예들은 본 발명을 예증하기 위한 것으로서 본 발명의 범위를 국한하는 것으로 이해되어져서는 아니된다.
실시예
먼저, 고로슬래그시멘트 100중량부에 대하여, 페트로 코크스 탈황석고 30중량부, CSA(Calcium Sulfur Aluminate) 50중량부 및 팽창재 60중량부를 균일하게 혼합하여 매입 말뚝 주입용 결합재를 제조하였다.
다음으로 주입용 결합재에 물바인더비(W/B) 83%가 되도록 물을 첨가하여 강제식 믹서로 충분히 혼합하여 밀크액을 제조하였다.
다음으로 실제 시공시 천공 구멍의 매입 말뚝 주면 흙이 무너져 밀크액에 혼입되는 것을 고려하여 밀크액 중량비로 점성토 흙을 50%, 60%, 70%, 100% 혼입하여 유동성을 측정하였고, 밀크액 중량비로 점성토 흙을 70% 혼입한 압축강도 공시체를 제작하여 재령에 따른 압축강도를 측정하였다.
비교예 (1종 보통시멘트)
먼저, 1종 시멘트에 대하여 물바인더비(W/B) 83%가 되도록 물을 첨가하여 강제식 믹서로 충분히 혼합하여 밀크액을 제조하였다.
다음으로 실제 시공시 천공 구멍의 매입 말뚝 주면 흙이 무너져 밀크액에 혼입되는 것을 고려하여 밀크액 중량비로 점성토 흙을 50%, 60%, 70%, 100% 혼입하여 유동성을 측정하였고, 밀크액 중량비로 점성토 흙을 70% 혼입한 압축강도 공시체를 제작하여 재령에 따른 재령에 따른 압축강도를 실시예와 비교 측정하였다.
매입 말뚝 시공용 밀크 주입재의 성능시험방법 및 결과
아래 표 1에 나타낸 바와 같이 플로우 시험은 KS F 2594, 압축강도시험은 KS F 2343방법에 의해 실시하였다.
실험 방법 비고
슬럼프 플로우 KS F 2594 슬럼프 플로우 시험방법
압축강도 KS F 2343 일축압축강도시험방법
재료분리 정도 육안검사
체적변화 육안검사
(1) 플로우 시험 결과
밀크 주입재의 유동성 변화를 관찰한 결과 전반적으로 흙의 혼입율이 증가함에 따라 유동성은 감소하는 특성을 보였다. 표 2 를 참조하면, 실시예는 비교예인 1종 보통시멘트에 비하여 유동성이 약간 저하되는 경향을 보였다. 이는 팽창재가 추가 혼입되어 산화칼슘 성분이 물과 접촉시 흡수, 발열 및 팽창 작용에 의해 유동성이 저하된 것으로 판단된다. 그러나 밀크 주입재의 경우 주입관의 이송 저하 및 막힘 현상이 없는 상태에서 오히려 유동성 저하는 재료분리 저항성 측면과 사질토 등의 공극이 큰 지반에서는 유리하게 작용할 수 있다.
플로우 측정 결과
흙 중량비(%) 0 50 60 70 100
실시예
플로우(cm)		 59 38 27 23 20
비교예
플로우(cm)		 68 42 40 36 31
(2) 일축압축강도의 변화
표 3에 실시예 및 비교예의 흙 혼입에 따른 일축압축강도 실험결과를 나타내었다.
아래의 표 3 과 같이 실시예의 경우 비교예인 1종 보통시멘트에 비하여 초기 강도가 상당히 높게 발현되었으며, 이는 CSA(Calcium Sulfur Aluminate)의 혼입에 따른 효과이다. 또한 7일 및 28일 강도역시 실시예가 비교예인 1종 시멘트에 비하여 우수하게 발현하는 결과를 보였다. 이는 페트로 코크스의 황산염 및 알칼리 자극에 의해 고로슬래그 시멘트 중의 슬래그와 팽창재의 비정질 물질이 지속적으로 수화물을 만들어낸 결과로 판단된다.
압축강도 측정결과
재령 3일 7일 28일
흙 중량비(%) 70% 70% 70%
실시예
압축강도(MPa)		 16.8 21.4 28.4
비교예
압축강도(MPa)		 10.2 15.1 17.3
상기 표 3에서 알 수 있는바와 같이 동일한 양의 밀크 주입량을 사용하였을 시 실시예의 압축강도가 우수하게 나타난바, 실제 현장 적용 시 단위 결합재량을 감소 하여도 1종 보통시멘트와 동일한 강도를 발현할 수 있어 경제적인 시공을 보장 할 수 있을 것이라 판단된다.
(3) 기타
실시예와 비교예 모두 재료분리는 발생하지 않아 현장 시공성을 보장 할 수 있었으며, 체적 변화를 육안으로 관찰한 결과, 12시간 후, 실시예는 팽창성에 의해 수축 발생량을 보상하고도 체적이 증가하였으나, 비교예는 체적 수축이 발생함을 육안으로 확인할 수 있었다.

Claims (5)

  1. 고로슬래그 시멘트 100중량부에 대하여, 칼슘 옥사이드(Calcium oxide) 함량이 50중량% 이상이고 설페이트 옥사이드(Sulfate oxide) 함량이 15중량% 이상인 페트로 코크스 탈황석고 5~100중량부와, 배합수 50~300중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 매입말뚝 시공용 밀크주입재.
  2. 제1항에 있어서,
    속경성을 부여하기 고로슬래그 시멘트 100중량부에 대하여 CSA(Calcium Sulfur Aluminate) 5~100중량부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 매입말뚝 시공용 밀크주입재.
  3. 제2항에 있어서,
    체적팽창을 통한 매입말뚝의 주면 마찰력을 향상시키기 위하여 팽창재가 더 포함되고,
    상기 팽창재는 칼슘 옥사이드(Calcium oxide) 함량이 20중량% 이상인 석탄재, 바이오매스 소각잔재, 제지슬러지소각잔재, RDF(Refuse Derived Fuel) 소각잔재, RPF(Refuse Plastic Fuel) 소각잔재, 제강 슬래그 분진, 제강 분진, KR(Kanvara Reactor)더스트, KR(Kanvara Reactor)슬래그 분진, 생석회 및 경소백운석으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나이거나 둘 이상의 혼합물이며,
    상기 팽창재는 고로슬래그 미분말 100중량부에 대하여 5~100중량부 혼입되는 것을 특징으로 하는 매입말뚝 시공용 밀크주입재.
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