KR101600840B1 - 버텀애쉬를 골재로 활용한 콤팩션 그라우팅(Compaction Grouting) 공법용 속경형 모르타르 조성물 - Google Patents

버텀애쉬를 골재로 활용한 콤팩션 그라우팅(Compaction Grouting) 공법용 속경형 모르타르 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연약지반을 보강하거나 연약한 지반상의 구조물 침하를 방지하기 위하여, 또는 이미 침하가 이루어져 안전에 위협을 받는 지상 및 지중 구조물 및 설치물 등의 안전을 보장하기 위하여 기초를 보강하는 그라우팅 공법 중 슬럼프가 낮은 저유동성 모르타르를 주입재로 사용하는 콤팩션 그라우팅(Compaction Grouting) 공법용 속경형 모르타르 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 주입재인 저유동성 모르타르에 CSA(Calcium Sulfur Aluminate)를 이용하여 속경성을 부여해서 공기를 단축하고 고칼슘 플라이애시 등의 비정질 물질을 활성화시켜 강도를 발현하고 동시에 고칼슘 플라이애시에 다량 함유된 CaO의 흡수, 발열반응과 체적팽창작용을 이용하여 시멘트 모르타르가 양생되면서 수축하는 특성을 보완하여 연약한 지반 개량의 성능을 크게 향상시키는 콤팩션 그라우팅(Compaction Grouting) 공법용 속경형 모르타르 조성물에 관한 것이다.
본 발명에 의한 콤팩션 그라우팅(Compaction Grouting) 공법용 속경형 모르타르 조성물은 골재로서 버텀애쉬 100중량부에 대하여 고로슬래그 시멘트 10~30중량부, Aluminum oxide 함량이 50% 이상인 CSA(Calcium Sulfur Aluminate) 2~6중량부 및 페트로 코우크스 탈황석고 2~6중량부를 포함한다.

Description

버텀애쉬를 골재로 활용한 콤팩션 그라우팅(Compaction Grouting) 공법용 속경형 모르타르 조성물 {QUICK-SETTING MORTAR COMPOSITION FOR COMPACTION GROUTING PROCESS USING BOTTOM ASH AS AGGREGATE}
본 발명은 연약지반을 보강하거나 연약한 지반상의 구조물 침하를 방지하기 위하여, 또는 이미 침하가 이루어져 안전에 위협을 받는 지상 및 지중 구조물 및 설치물 등의 안전을 보장하기 위하여 기초를 보강하는 그라우팅 공법 중 슬럼프가 낮은 저유동성 모르타르를 주입재로 사용하는 콤팩션 그라우팅(Compaction Grouting) 공법용 속경형 모르타르 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 주입재인 저유동성 모르타르에 CSA(Calcium Sulfur Aluminate)를 이용하여 속경성을 부여해서 공기를 단축하고 고칼슘 플라이애시 등의 비정질 물질을 활성화시켜 강도를 발현하고 동시에 고칼슘 플라이애시에 다량 함유된 CaO의 흡수, 발열반응과 체적팽창작용을 이용하여 시멘트 모르타르가 양생되면서 수축하는 특성을 보완하여 연약한 지반 개량의 성능을 크게 향상시키는 콤팩션 그라우팅(Compaction Grouting) 공법용 속경형 모르타르 조성물 조성물에 관한 것이다.
일반적으로 재료를 충진해 연약지반을 개량하는 그라우팅공사는 시멘트 밀크 및 화학약품을 주입하는 약액주입공법, 굴착지반에 자갈 등 골재를 매입하는 현장타설 골재말뚝 공법, 슬럼프가 낮은 모르타르를 충진하는 콤팩션 그라우팅(Compaction Grouting) 공법 등이 있는데, 수직압 및 수평압과 동하중을 가장 잘 견딘다고 평가되는 콤팩션 그라우팅(Compaction Grouting) 공법이 다수 현장에 적용되고 있는 추세이다.
콤팩션 그라우팅(Compaction Grouting) 공법의 시공은 개량대상 지반에 소정 심도까지 천공기를 이용해 구멍을 파낸 직후 저유동성 모르타르를 고압펌프를 이용해 주입하면서 인발하는 방법으로서, 연약한 지반에 결합재로서 시멘트를 사용하고 골재로 실트질 미립분 및 석분을 사용하고 물을 혼합한 저유동성 모르타르를 충진하는 공법이다.
하지만, 상기 시멘트의 경우 일반적으로 양생 후 28일이 경과해야 소정의 강도가 발현되기 때문에 공사의 기간이 지연될 수 있다.
또한 상기 골재중 세골재로 사용되는 실트질 미립분과 조골재로 사용되는 석분은 천연자원을 훼손하여 인공적으로 제조한 골재로서 친환경적이지 않으며, 연약지반 개량 현장 인근에 골재원이 없는 경우 원재료를 구하기 어려운 측면이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 모르타르의 결합재인 고로슬래그 시멘트와 CSA(Calcium Sulfur Aluminate)를 이용하여 속경성을 부여하여 공기를 단축하고 고칼슘 플라이애시 등의 비정질 물질을 활성화시켜 강도를 발현하고 동시에 고칼슘 플라이애시에 다량 함유된 CaO의 흡수, 발열반응과 체적팽창작용을 이용하여 천공 구멍과 모르타르 사이에 존재할 수 있는 지하수에 의한 시멘트 페이스트의 유실을 저감하여 그라우팅 모르타르의 선단지지력 및 주면마찰력을 기존 시멘트만을 사용한 모르타르에 비하여 크게 향상시키는 콤팩션 그라우팅(Compaction Grouting) 공법용 속경형 모르타르 조성물을 제공하는 것이다.
또한 천연자원을 훼손하여 인공적으로 제조되는 골재를 산업부산물로 발생하는 버텀애쉬(bottom ash)로 대체하여 친환경적인 모르타르 조성물을 제공할 수 있다.
위와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 의한 콤팩션 그라우팅(Compaction Grouting) 공법용 속경형 모르타르 조성물은 골재로서 버텀애쉬 100중량부에 대하여 고로슬래그 시멘트 10~30중량부, Aluminum oxide 함량이 50% 이상인 CSA(Calcium Sulfur Aluminate) 2~6중량부 및 페트로 코우크스(petro cokes) 탈황석고 2~6중량부를 포함한다.
또한 팽창재가 더 포함되는 것이 바람직하다.
또한 상기 팽창재는 산화칼슘(CaO) 함량이 20% 이상인 로내탈황방식 석탄연소 소각잔재, 바이오매스 소각잔재, 제지슬러지 소각잔재, RDF 소각잔재, RPF 소각잔재, 전로슬래그 더스트, 생석회, 및 경소백운석으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 것이 바람직하다.
또한 상기 팽창재는 상기 버텀애쉬 100중량부에 대하여 2~6중량부 혼입되는 것이 바람직하다.
또한 배합수로서 물을 더 포함하는 것이 바람직하다. 이 물은 염분을 함유하지 않는 것이면 특별히 제한되지 않는다.
또한, 상기 물은 KS F 2402(콘크리트의 슬럼프시험방법)에 따른 모르타르의 슬럼프가 50 내지 70 mm가 되도록 하는 양으로 혼입되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 모르타르의 결합재인 고로슬래그 시멘트와 CSA(Calcium Sulfur Aluminate)를 이용하여 속경성을 부여하여 공기를 단축하고 고칼슘 플라이애시 등의 비정질 물질을 활성화시켜 강도를 발현하고 동시에 고칼슘 플라이애시에 다량 함유된 CaO의 흡수, 발열반응과 체적팽창작용을 이용하여 천공 구멍과 모르타르 사이에 존재할 수 있는 지하수에 의한 시멘트 페이스트의 유실을 저감하여 그라우팅 모르타르의 선단지지력 및 주면마찰력을 기존 시멘트만을 사용한 모르타르에 비하여 크게 향상시키는 콤팩션 그라우팅(Compaction Grouting) 공법용 속경형 모르타르 조성물을 제공하는 효과가 있다.
또한, 천연골재의 사용을 완전히 배제하고 석탄화력발전소에서 산업부산물로 발생하는 버텀애쉬를 재활용하여 환경을 보존하는 효과도 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 특정한 개시 형태에 대해 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명에 의한 콤팩션 그라우팅(Compaction Grouting) 공법용 속경형 모르타르 조성물에 대하여 구체적으로 설명한다.
먼저, 본 발명에 의한 콤팩션 그라우팅(Compaction Grouting) 공법용 속경형 모르타르 조성물의 구성성분 및 작용을 설명한다.
본 발명에 의한 콤팩션 그라우팅(Compaction Grouting) 공법용 속경형 모르타르 조성물은 골재로서 버텀애쉬 100중량부에 대하여 고로슬래그 시멘트 10~30중량부, Aluminum oxide 함량이 50% 이상인 CSA(Calcium Sulfur Aluminate) 2~6중량부 및 페트로 코우크스 탈황석고 2~6중량부를 포함한다.
상기 버텀애쉬는 석탄화력발전소에서 터빈을 돌리기 위한 증기를 생산하기 위하여 유연탄을 연소하는 과정에서 발생하는 부산물의 일종이다. 석탄을 완전히 연소하여도 잔분으로 남는 것을 회분(Ash)이라고 하며, 현재 국내에서 사용하는 수입 유연탄의 경우 석탄 중량의 5~15%정도 회분이 포함되어 있다.
한편, 석탄재는 플라이애시와 버텀애쉬로 나뉘어지는데, 국내 화력발전소의 석탄재는 2012년 현재 약 1,100만톤 가량이 발생되며 석탄재의 10~15% 정도가 버텀애쉬로 발생한다. 상기 플라이애시는 주성분이 이산화규소이며, 고온에서 활성화되고 미립의 분체형태이기 때문에 포졸란 반응성을 이용한 콘크리트 혼화재료 또는 시멘트 제조공정중 규산질 원료로 거의 발생 전량이 재활용 되고 있다. 그러나 버텀애쉬는 회분(Ash)이 고온에서 용융 응집된 발생 공정상의 특성 때문에 플라이애시에 비해 상당히 큰 입경을 가지며, 재활용이 어려워 각 발전소에서는 대단히 큰 규모의 연못(Pond)을 만들어 이를 매립하고 있는 실정이다. 그러나 버텀애쉬 역시 주성분이 이산화규소이며, 모래 정도의 입경을 가진 안정적인 물질로서 고온에서 용융된 특성상 그 강도도 천연골재에 준하는 특성을 가지고 있다.
본 발명에서는 이렇게 재활용되지 못하고 있는 버텀애쉬를 천연골재를 대체하는 용도로 사용하는 것이다.
본 발명에서 상기 버텀애쉬의 입도분포는 KS L 2526 및 2527에 준하며, 10mm 이상의 굵은 골재가 포함될 때는 모르타르의 작업성이 저하되며, 0.2mm미만의 잔골재가 포함될때는 골재표면적의 증가로 강도가 저하되기 때문에 0.2 내지 10 mm의 입도 분포를 갖는 것이 바람직하다.
또한 체적팽창을 통한 모르타르 조성물 주면 마찰력을 향상시키기 위하여 팽창재가 더 포함되는 것이 바람직하다.
또한 상기 팽창재는 산화칼슘(CaO) 함량이 20% 이상인 로내탈황방식 석탄연소 소각잔재, 바이오매스 소각잔재, 제지슬러지 소각잔재, RDF 소각잔재, RPF 소각잔재, 전로슬래그 더스트, 생석회, 및 경소백운석으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 것이 바람직하다.
또한 상기 팽창재는 상기 버텀애쉬 100중량부에 대하여 2~6중량부 혼입되는 것이 바람직하고, 2~4 중량부가 더 바람직하다.
또한 산화칼슘(CaO) 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 산화칼슘(CaO) 함량이 5% 이하로 콘크리트 혼화재료로 재활용됨에도 불구하고, 위와 같이 산화칼슘이 다량 함유된 석탄재 및 소각잔재들은 흡수, 발열 및 팽창 특성이 있어 콘크리트 혼화재료로 활용이 불가능하다.
따라서 본 발명은 통상적으로 콘크리트 혼화재료로 활용할 수 없는 소각잔재들은 팽창재로 이용하는 것이다.
본 발명에서 결합재의 주원료로 쓰이는 고로슬래그시멘트는 1종시멘트에 고로슬래그미분말 및 소량의 석고를 첨가하여 한국공업규격(KS)에 따라 제조된 제품으로 1종 시멘트에 비해 재령 28일 이후의 장기강도가 탁월하다. 이 고로슬래그 시멘트는 골재로서 버텀애쉬 100중량부에 대하여 10~30 중량부 포함되는 것이 바람직하고, 10~20중량부가 더 바람직하다. 10중량부 미만이면 결합재의 양이 적어 소정의 강도를 발현할 수 없으며, 30중량부를 초과하여 혼입될 경우 결합재의 양이 과다하여 필요 이상의 강도가 발현되어 경제적인 시공을 보장 할 수 없다.
초속경시멘트 또는 알루미나시멘트라고 일반적으로 불리우는 CSA(Calcium Sulfur Aluminate)는 상기 버텀애쉬 100중량부에 대하여 2~6중량부가 포함되는 것이 바람직하고, 2~4중량부가 더 바람직하다. 2 중량부 미만이면 모르타르 주입재의 양생이 속경성을 갖기에 부족하며, 6중량부 이상이면 양생시간이 너무 단축되어 시공에 소요되는 충분한 시간 이전에 모르타르가 굳어져 원활한 시공이 이루어 질 수 없게 된다.
또한 상기 페트로 코우크스 탈황석고는 반응초기에 고로슬래그시멘트 중의 슬래그와 반응하여 에트린가이트를 다량 생성해주고 재령이 경과함에 따라 비정질 물질인 슬래그 및 석탄재를 활성화시켜 강도를 발현해주는 자극제 역할을 하는 물질로서 소각로에서 폐기물로 발생하기 때문에 동등한 성능을 발휘하는 천연 무수석고나 소성에 의한 탈수과정을 거쳐야하는 인산석고 등에 비해서 경제성이 월등하다.
페트로 코우크스 탈황석고는 상기 버텀애쉬 100중량부에 대하여, 2~6중량부 포함되는 것이 바람직하고, 2~4중량부가 더 바람직하다. 2중량부 미만이면 CaO 성분과 석고 성분을 동시에 함유하고 있는 알칼리 및 황산염 복합 자극제로서 그 효과가 미비하고, 6중량부를 초과하면 슬래그 및 석탄재와 반응하지 못한 잉여량이 존재하여 오히려 강도가 저하될 우려가 있다.
또한 주입 모르타르의 주면마찰력을 향상시키기 위하여 팽창재가 더 포함되는 것이 바람직하다.
상기 팽창재는 산화칼슘(CaO) 함량이 20% 이상인 로내탈황방식 석탄연소 소각잔재, 바이오매스 소각잔재, 제지슬러지 소각잔재, RDF 소각잔재, RPF 소각잔재, 전로슬래그 더스트, 생석회, 및 경소백운석으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 것이 바람직하고 상기 버텀애쉬 100 중량부에 대하여 2~6중량부 혼입되는 것이 바람직하고, 2~4 중량부가 더 바람직하다.
상기 팽창재의 혼입량이 2중량부 미만이면 매입 말뚝의 주면 마찰력을 향상시키기 위하여 팽창 효과가 미비하고, 6중량부를 초과하면 팽창 효과는 증가하나 경화체를 구성하는 시멘트질 물질이 상대적으로 부족하여 강도가 저하 될 수 있다.
또한 상기 재료들을 원활히 혼합하고 결합재의 수화반응을 유도하며, 소정의 모르타르 반죽질기를 유지하기 위한 배합수로서 물이 포함된다. 이 물은 염분을 함유하지 않은 물이면 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 염분을 함유하지 않은 지하수, 지표수, 상수도수, 공업용수로 이루어진 군들 가운데서 선택된 하나 이상인 것이 바람직하다.
또한 상기 물은 KS F 2402(콘크리트의 슬럼프시험방법)에 따른 모르타르의 슬럼프가 50 내지 70 mm가 되도록 하는 양으로 혼입되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 상기 물은 상기 버텀애쉬 100중량부에 대하여 2~3 중량부 혼입되는 것이 바람직하다. 물이 상기 슬럼프 50 mm 미만이 되도록 양이면 모르타르의 반죽질기가 너무 되게 되어 모르타르 제조과정에서 충분히 혼합되지 않고 공정중에 고착될 가능성이 많아지며, 슬럼프 70 mm 초과가 되도록 하는 양으로 과다 혼입하게 되면 모르타르의 반죽질기가 너무 질게 되어 물 시멘트비가 높아지고 소정의 강도를 발현 할 수 없게 된다.
또한, 상기 조성물은 포틀랜드 시멘트, 플라이애쉬 또는 이들 둘 다를 포함하지 않는 것이 바람직하다.
이하에서 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예들이 기술되어질 것이다. 또한 이하의 실시예들은 본 발명을 예증하기 위한 것으로서 본 발명의 범위를 국한하는 것으로 이해되어져서는 아니 된다.
실시예
먼저, 골재로서 0.02㎜~10㎜의 입도분포를 가진 버텀애쉬 100중량부에 대하여 고로슬래그 시멘트 11중량부, Aluminum oxide 함량이 50% 이상인 CSA(Calcium Sulfur Aluminate) 3중량부, 페트로 코우크스 탈황석고 3중량부, 팽창재 3중량부 및 배합수 2.5중량부를 강제식 믹서로 균질하게 혼합하여 속경성 모르타르 혼합물을 제조하였다.
다음으로 제조된 시료를 이용하여 슬럼프 시험을 실시하였고, 압축강도 측정용 공시체를 제작하여 재령별 압축강도를 측정하였다.
비교예 (OPC)
먼저, 골재로서 0.02㎜~10㎜의 입도분포를 가진 버텀애쉬 골재 100중량부에 대하여 1종 포틀랜트 시멘트 20중량부 및 배합수 2.5중량부를 강제식 믹서로 균질하게 혼합하여 모르타르 혼합물을 제조하였다.
다음으로 제조된 시료를 이용하여 슬럼프 시험을 실시하였고, 압축강도 측정용 공시체를 제작하여 재령별 압축강도를 측정하였다.
콤팩션 그라우팅 공법용 주입 모르타르의 성능시험방법 및 결과
아래 표 1에 나타낸 바와 같이 슬럼프 시험은 KS F 2402(콘크리트의 슬럼프시험방법), 압축강도시험은 KS F 2405(콘크리트의 압축강도시험방법)에 의해 실시하였다.
실험 방법 명칭
슬럼프 플로우 KS F 2402 콘크리트의 슬럼프 시험방법
압축강도 KS F 2405 콘크리트의 압축강도 시험방법
재료분리 정도 육안검사
체적변화 육안검사
(1) 슬럼프 시험 결과
실시예와 비교예의 슬럼프를 측정한 결과를 표 2에 나타내었다. 실시예와 비교예의 단위 결합재 중량과 배합수의 중량, 그리고 골재의 중량이 동일함에도 불구하고 실시예의 모르타르 조성물의 슬럼프가 좀 낮게 나타났다. 이는 시멘트에 비해 질량이 낮은 소각재, 페트로 코우크스 탈황석고 등이 혼입된 결합재의 단위 분체량이 많아진 결과로 해석될 수 있다. 또한, 이는 팽창재가 추가 혼입되어 팽창재 속의 산화칼슘 성분이 물과 접촉시 흡수, 발열 및 팽창 작용에 의해 유동성이 저하된 것으로 판단된다.
슬럼프 및 압축강도 측정 결과
구분 슬럼프(㎜) 압축강도(MPa)
재령 3일 재령 7일 재령 28일
실시예 65 16.2 22.3 28.7
비교예 70 12.3 19.8 23.2
(2) 일축압축강도 시험성과
표 2에 실시예 및 비교예의 일축압축강도 실험결과를 나타내었다.
상기의 표 2와 같이 실시예의 경우 비교예인 1종 시멘트에 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 코우크스의 황산염 및 알칼리 자극에 의해 고로슬래그 시멘트 중의 슬래그와 팽창재의 비정질물질이 지속적으로 수화물을 만들어낸 결과로 판단된다. 또한 실시예에서 사용한 버텀애쉬 골재가 천연골재와 비교해서 모르타르 조성물화 하였을 경우 강도측면에서 불리하지 않다는 것을 보여준다.
또한, 상기 표에서 알 수 있는바와 같이 동일한 양의 결합재를 사용하였을 시 실시예의 압축강도가 우수하게 나타난바, 동일한 결합재 량으로 시공하였을 경우 공기단축이 가능함을 추정 할 수 있었으며, 단위 결합재량을 감소 하여도 1종 시멘트와 동일한 강도를 발현할 수 있어 경제적인 시공을 보장 할 수 있을 것이라 판단된다.
(3) 기타
실시예와 비교예 모두 모르타르 혼합 후 재료분리는 발생하지 않아 현장 시공성을 보장 할 수 있었으며, 압축강도 공시체를 제작하여 캐핑(capping) 하기 전 체적 변화를 육안으로 관찰한 결과, 1일 경과후 시간 후 실시예는 팽창성에 의해 수축 발생량을 보상하고도 체적이 증가하였으나, 비교예는 체적 수축이 발생함을 육안으로 확인할 수 있었다.

Claims (7)

  1. 골재 100중량부에 대하여 고로슬래그 시멘트 10~30중량부, Aluminum oxide 함량이 50% 이상인 CSA(Calcium Sulfur Aluminate) 2~6중량부, 페트로 코우크스 탈황석고 2~6중량부 및 팽창재 2~6중량부를 포함하며,
    상기 골재는 0.02~10mm의 입도분포를 갖는 버텀애쉬이고,
    상기 팽창재는 산화칼슘(CaO) 함량이 20% 이상인 로내탈황방식 석탄연소 소각재, 바이오매스 소각잔재, 제지슬러지 소각잔재, RDF 소각잔재, RPF 소각잔재, 전로슬래그 더스트, 생석회, 및 경소백운석으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 콤팩션 그라우팅공법용 속경성 모르타르 조성물.

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