KR101607062B1

KR101607062B1 - 액상형 지반 그라우트재 및 이를 이용한 그라우팅 시공방법

Info

Publication number: KR101607062B1
Application number: KR1020150129069A
Authority: KR
Inventors: 박인준; 성은민
Original assignee: 박인준; 성은민
Priority date: 2015-09-11
Filing date: 2015-09-11
Publication date: 2016-04-11

Abstract

본 발명은 지반 또는 수변 구조물의 그라우팅 시공방법 및 이에 사용되는 그라우트재에 관한 것이다.
본 발명에 따른 그라우팅 시공법은 지반 또는 돌을 쌓아 올려 축조되는 수변 구조물 내부의 공극을 충전하여 물의 침투를 방지하고 강도를 보강하기 위한 것으로서, 지반 또는 수변 구조물을 천공하여 천공홀을 형성하고 천공홀을 통해 그라우트재를 주입하되,
그라우트재는 지반의 또는 수변 구조물 내부의 공극에 주입되어 강도 보강 및 차수를 위하여 시멘트혼합물과 아크릴폴리머혼합물이 혼합되고, 시멘트혼합물은 수경성의 강도발현재, 속경재, 촉진재 및 물이 혼합되어 이루어지며, 아크릴폴리머혼합물은 아크릴폴리머, 촉진제와 물이 혼합되어 이루어져, 그라우트재는 pH가 7 이상에서 칙소성이 부여되는 것에 특징이 있다.

Description

액상형 지반 그라우트재 및 이를 이용한 그라우팅 시공방법{Grout for filling pore space in ground and Method for grouting using the same}

본 발명은 토목 재료에 관한 것으로서, 특히 해안이나 수변과 같이 투수성이 높은 지역의 지반 또는 제방과 같은 구조물의 공극에 주입되어 차수 또는 보강 기능을 하는 액상형 그라우트재 및 이를 이용한 그라우팅 시공방법에 관한 것이다.

투수성이 높은 지반이나 구조물은 일반적으로 모래 및 자갈로 이루어진다. 이러한 지반에 그라우팅 시공을 하는 경우 높은 투수량에 의해 시공 과정에서 여러가지 문제가 나타난다. 예컨대 모래와 자갈로 이루어진 투수 계수가 높은 지반에 지하수가 유동하는 경우, 위 지반을 보강하기 위하여 그라우트재를 주입하면 그라우트재는 경화되기 전에 지하수와 함께 이동되어 유실된다. 또한, 해안 또는 강가의 제방이나 둑과 같은 인공구조물 등은 돌(사석이나 전석)을 쌓아 올려서 만들어지므로 돌과 돌 사이에 공극이 매우 크게 형성된다. 차수를 위해서는 돌들 사이의 공극을 메워야 한다. 종래에는 시멘트 또는 시멘트와 규산계급결재를 혼합하여 공극에 주입하고 고화시킴으로써 공극을 폐쇄하는 고화방법이 가장 많이 사용되었다.

그런데, 종래의 고화방법을 사용하면, 투수 계수가 높은 지반에 지하수 유동량이 많은 경우 액체 상태로 지반에 주입된 시멘트 슬러리가 고화 전에 지하수에 의해 유실되어 시공이 어려웠다. 뿐만 아니라 시멘트 슬러리의 유실은 주변의 수계나 토양을 오염시켜 문제가 된다. 또한 시멘트 슬러리의 유실까지는 아니어도 시멘트 슬러리가 지하수에 희석되어 고화가 잘 일어나지 않아 시공의 품질이 저하되는문제도 나타난다.

이러한 문제를 해결하기 위하여 LW공법, JSP공법, CGS공법 및 SGR공법 등이 제시되었으나, 대안으로서는 한계를 보이고 있다.

SGR(Space Grouting Rocket System) 공법은 급결과 완결을 나타내는 첨가재를 교차 사용하여 투수량이 높은 지반에 효과적으로 차수 성능을 확보할 수 있는 공법으로, 그라우트 시공시 주입 로드 선단에서 Rocket이라는 분사장치가 돌출하여 그라우팅 재료의 혼합성능을 향상시키고 지반내 침투율을 향상시키는 방식이다. SGR 공법은 LW 공법에 비해 급결 성능 및 지반 내 침투성능이 향상되었으나 급결재로 사용되는 규산칼슘에 의해 강도발현이 현저히 저하되고 장기적으로는 규산성분의 용출현상에 의해 그라우팅 경화체의 용탈로 인해 내구성이 현저하게 저하되는 단점이 있다.

LW(Labilies Wasserglass) 공법은 규산나트륨 수용액과 시멘트 혼합액를 지중에 주입하고, 두 약액이 지중에서 혼합되어 규산칼슘수화물을 급격하게 형성함으로써 주입재료가 급결되는 것을 이용하여 긴급 차수가 가능한 공법을 말한다. 그러나 LW 공법은 수중에서 주입재료 경화체의 용탈에 의한 체적변화로 인해 매년 재시공이 필요한 문제가 있으며, 특히 동절기 공사에서는 경화가 잘 이루어지지 않는 문제점이 있다.

JSP(Jumbo Special Pattern) 공법은 시멘트 밀크를 200kgf/cm² 정도의 고압 제트류로 분사 및 회전시켜 지중에 흙과 결합된 소일 시멘트 경화체를 형성하는 공법을 말한다. 수직 및 경사지의 어떠한 지형에서도 시공이 가능하며, 특히 협소한 장소나 기존 구조물의 지반보강 및 교량하부 등의 개량에 적용할 수 있는 장점이 있다. 그러나 이 공법의 경우에도, 지중에 고압분사에 의한 시멘트 혼합액 배토량이 과다하게 증대되어 환경오염원이 될 수 있고, 지반 내에 유수에 의한 그라우트액의 유실이 과다하게 발생된다는 단점이 있다.

CGS(Compaction Grouting System) 공법은 5cm 이하의 낮은 슬럼프 값을 가지는 시멘트혼합물을 지중에 압밀 주입하여 시멘트 경화체를 형성하는 공법으로서, 시멘트 경화체의 압밀에 의한 지반의 강도증가 효과가 있으며, 시멘트 경화체가 지중에 기둥을 형성함으로써 지반 강도 보강이 가능한 장점이 있다. 그러나 이 공법은 지반 강도가 높거나 전석으로 구성된 지반에서는 시멘트혼합물에 의한 압밀 주입이 어렵고, 연약지반에 한정적으로 적용가능하다는 한계가 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 액상의 그라우재에 알칼리 환경하에서 활성화되는 아크릴폴리머 혼합물을 첨가하여 그라우트재에 칙소성(thixotropic)이 부여됨으로써 시공 중 지하수에 의한 재료의 유실을 방지할 수 있어 투수량이 높은 지반에 효과적으로 차수 및 보강공사가 가능한 액상형 그라우트재 및 이를 이용한 그라우팅 시공방법을 제공하는데 그 목적이 있다

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 그라우트재는 지반의 또는 수변 구조물 내부의 공극에 주입되어 강도 보강 및 차수를 위하여 시멘트혼합물과 아크릴폴리머혼합물이 혼합된 것으로서, 상기 시멘트혼합물은 수경성의 강도발현재, 속경재, 촉진재 및 물이 혼합되어 이루어지며, 상기 아크릴폴리머혼합물은 아크릴폴리머, 촉진제와 물이 혼합되어 이루어지며, 상기 시멘트혼합물 50~98 중량부와, 상기 아크릴폴리머혼합물 2~50 중량부의 범위로 배합된다.

그리고, 상기 시멘트혼합물은 강도발현재, 속경재, 촉진제, 발포제, 증점제, 분산제, 소포제 및 물이 혼합되어 이루어지며, 강도발현재 20~65중량%, 속경재 0.01~10중량%, 촉진제 0.01~5중량%, 발포제 0.01~5중량%, 증점제 0.01~1중량%, 분산제 0.01~1중량%, 소포제 0.01~1중량% 및 물 20~65중량%의 비율로 배합될 수 있다.

또한 본 발명에서 상기 속경재는 CA(Calsium Aluminate)와 CSA(Calsium Sulfo aluminate)를 혼합하며, 상기 CA 10~40 중량%와 상기 CSA 60~90 중량%의 범위로 배합된다. 특히, 상기 속경재는 SO₃ 함량이 5~8 중량%의 비율로 포함될 수 있다. 더욱이 그라우트재의 속경성을 향상시키기 위하여, 상기 속경재는 CaSO4를 추가적으로 혼합하여, 상기 속경재는 SO₃ 함량이 23~31중량%의 비율로 포함될 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에서, 상기 아크릴폴리머는 부틸아크릴레이트 5~30중량%, 스타디엔 5~30량%, 에틸아크릴레이트 5~30중량%, 메틸메타크릴레이트 5~30중량%, 아크릴산 0.5~10중량%, 메타크릴산 0.5~10중량%, 유화제 0.05~5중량%, 첨가제 0.05~10중량%의 비율로 배합된다.

그리고 상기 유화제로는 SLES(sodium lauryl ether sulfate), AOS(alpha olefin sulfonate), LAS(linear alkylbenzene sulfonate), CDE, TDE, 및 NP계열의 계면활성제를 단독 또는 2개 이상 혼합될 수 있다.

상기 기타 첨가재로는 카르복실메틸기가 포함된 킬레이트수지를 사용할 수 있다.

본 발명에 따른 상기 그라우트재는 pH 7 이상에서 칙소성이 발현되는 것에 특징이 있다.

한편, 본 발명에 따른 그라우팅 시공방법은, 지반 또는 돌을 쌓아 올려 축조되는 수변 구조물 내부의 공극을 충전하여 차수 및 강도를 보강하기 위한 시공법으로서, 지반 또는 구조물을 천공하여 천공홀을 형성하고 상기 천공홀을 통해 앞에서 설명한 그라우트재를 주입하는 것에 특징이 있다.

본 발명은 투수량이 많은 지반에 시멘트 혼합액과 알칼리 환경하에서 활성화되는 아크릴폴리머 혼합액을 혼합하여 주입함으로써, 그라우트재의 겔화 시간을 단축시키고 용탈 등의 체적변화가 발생하지 않으며 향상된 차수 성능을 확보할 수 있다는 이점이 있다.

또한 본 발명에 따른 그라우트재는 지하수 상에서 재료분리 저항성이 향상되어 그라우트 시공에 따른 환경오염이 없고, 시공 후 반영구적인 내구성을 확보할 수 있다는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수변 구조물 그라우팅 시공법의 개략적 흐름도이다.
도 2는 그라우팅 시공법을 설명하기 위한 개략적 도면이다.
도 3은 주입형태를 설명하기 위한 개략적인 도면이다.
도 4는 주입관과 보조주입관을 설명하기 위한 개략적 도면이다.
도 5는 고흡수성수지 SAM(Super Absorbency Material)의 화학구조를 나타낸 도면이다.
도 6은 카르복실기를 포함하는 킬레이트수지의 화학구조를 나타낸 도면이다.
도 7은 아크릴폴리머의 품질 기준을 나타내는 표이다.
도 8 및 도 9는 아크릴폴리머의 알칼리 환경하에서 활성시키는 배합 및 결과를 나타낸 표이다.
도 10은 아크릴폴리머 사용량에 따른 시멘트혼합물의 성능 실험에서 사용한 시료의 조성표 및 결과이다.
도 11은 아크릴폴리머 혼합물에 조강제 물질을 변화시켜 시험한 조성표 및 결과이다.
도 12는 시멘트혼합물의 조성 변경을 통한 그라우트재의 성능 실험에 사용한 시료의 조성표이다.
도 13은 도 12에 제시된 시료의 실험 결과가 나타난 표이다.

본 발명은 공극률과 투수성이 높은 지반 또는 제방과 같은 수변 구조물 내부의 공극을 충전하여 강도를 보강하고 차수 성능을 향상시키기 위한 그라우트재 및 이 그라우트재를 이용한 그라우팅 시공방법에 관한 것이다.

여기서, '수변 구조물'이란 해안이나 강가의 제방이나 둑, 해안의 연약지반을 보강하기 위해 돌을 매립하여 쌓아 올린 구조물 등을 포함하여 수변에 위치하면서 돌을 쌓아 올려 내부에 공극이 많이 형성되는 모든 구조물을 의미한다.

특히, 본 발명은 액상형 그라우트재에 칙소성을 부여하기 위한 방법과 이를 이용한 친환경 그라우트팅 시공법에 관한 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참고하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 칙소성이 부여된 액상형 지반 그라우트재 및 이를 이용한 그라우팅 주입 시공방법에 대하여 더욱 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 지반내 그라우팅 시공법(이하, '그라우팅 시공법'이라 한다)의 개략적 흐름도이며, 도 2는 그라우팅 시공법을 설명하기 위한 개략적 도면이며, 도 3은 그라우트 주입을 위한 팩커의 설치방법을 설치하기 위한 개략적인 도면이며, 도 4는 시멘트혼합액과 아크릴폴리머혼합액의 합류부를(주입관과 보조주입관) 설명하기 위한 개략적 도면이다.

도 1 내지 도 4을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 그라우팅 시공법(100)은 수변 구조물(10)에 천공을 함으로써 시작된다. 천공은 스크류(미도시) 등을 이용하여 지반(10)에 대하여 보통은 수직한 방향으로 천공홀(20)을 형성한다. 다만, 시공(10)의 조건에 따라 경사지거나 수평한 방향으로 천공할 수도 있다.

천공홀(20)을 형성한 후에는 주입관(30)을 천공홀(30)에 삽입한다. 주입관(30)에는 중공형으로 형성되며 하단부 및/또는 상단부에는 다수의 분사공(31)이 형성되어 있다. 그리고 주입관(30)의 상부에는 보조주입관(40)이 연결된다. 주입관(30)과 보조주입관(40)에는 각각 공급탱크, 펌프, 압력계 및 유량계 등 주입장비(미도시)가 연결된다.

주입관(30)을 통해서 시멘트혼합물이 주입되며, 보조주입관(40)을 통해서 아크릴폴리머혼합물이 주입된다. 주입관(30)과 보조주입관(40)이 만나는 지점에서 시멘트혼합물과 아크릴폴리머혼합물이 혼합되어 그라우트재가 형성된다. 후술하겠지만, 아크릴폴리머혼합물은 시멘트혼합물 대비 2~50중량%의 비율로 배합되므로 주입관(30)을 통해 유입되는 시멘트혼합물에 비하여 유량이 현저히 작으므로, 시멘트혼합물과 동일한 유동 속도로 보조주입관(40)을 통해 유동되는 경우, 압력의 차이로 인하여 시멘트혼합물이 오히려 보조주입관(30)으로 역류되는 현상이 발생할 수 있다.

이에 본 발명에서는 보조주입관(30)의 단부를 나팔관 형태로 형성하였다. 즉, 보조주입관(30)의 단부는 유체가 유동되는 단면적이 약간 좁아졌다가 다시 넓어지게 하였다. 단면적이 갑자기 좁아진 영역을 지나면서 아크릴폴리머의 속도는 증가하게 되므로 시멘트혼합물의 압력에 밀리지 않고 시멘트혼합물에 혼입될 수 있다. 또한 보조주입관(30)의 최단부는 나팔 형태로 퍼지는 형상이므로 아크릴폴리머가 넓게 분사되어 시멘트혼합물에 고르게 혼합되도록 하였다. 보조주입관(30)의 단부 형상을 상기한 바와 같은 나팔관으로 형성하면서, 주입압력을 가능한 적게 하면서도 시멘트혼합물이 역류되는 것을 막고, 아크릴폴리머가 시멘트혼합물에 고르게 혼합될 수 있다.

상기한 바와 같이, 천공홀(20)에 주입관(30)을 설치한 후에는 시멘트혼합물 및 아크릴폴리머혼합물이 혼합된 그라우트재를 지반(10)에 주입하여 지반(10) 내부의 공극(p)을 충전한다. 본 발명에 따른 그라우트재는 주입 후 수 초에서 수십 초 이내(1~90초)에 겔화되어 차수 효과를 얻을 수 있으며, 일정 시간 경과 후 고화됨으로써 지반보강 효과가 나타난다.

그라우트재의 주입은 지반주입 계획(100)에 따라 일정 간격으로 계속 행하여 지반 전체에 걸쳐 공극을 폐쇄시킨다. 본 발명에서는 환경에 유해하지 않으며, 내구성과 강도가 강하며, 시공 도중 유실을 최소화할 수 있는 그라우트재를 사용하는데 특징이 있다. 이하에서는 본 발명에 따라 칙소성이 부여된 친환경 그라우트재(이하 '그라우트재'라 한다)에 대하여 자세히 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 그라우트재는 시멘트 혼합물과 아크릴폴리머혼합물에 의해 형성된다. 시멘트혼합물은 물, 강도발현재, 속경재, 촉진제, 발포제, 증점제, 분산제 및 소포제를 포함하여 이루어지는데, 구체적으로는 물 20~65중량%, 강도발현재 20~65중량%, 속경재 0.01~10중량%, 촉진제 0.01~5중량%, 발포제 0.01~5중량%, 증점제 0.01~1중량%, 분산제 0.01~1중량%, 소포제 0.01~1중량%의 비율로 배합된다.

물은 상수도, 공업용수, 하천수, 저수지수 및 해수 중 하나를 사용할 수 있다. 그러나, 물 중에 시멘트의 응결에 방해가 되는 유해물질 및 유기불순물 등(유기물, 인, 산 등)을 함유한 물은 사용하지 말아야 한다.

강도발현재는 그라우트재의 장기적인 강도를 발현함으로써 시공 후 보강효과를 발현하는 기능을 수행하며 물과 수화반응(Hydration)을 통해 C-S-H gel 및 C-S-A gel을 생성하고 경화하게 된다. 강도발현재로는 포틀랜드시멘트, 슬래그혼입시멘트 또는 플라이애쉬혼입시멘트 중 어느 하나 또는 두 개 이상을 혼합하여 사용될 수 있다. 슬래그혼입시멘트는 슬래그파우더와 시멘트가 혼합된 것인데, 혼합비율은 시멘트 30~70 중량부, 슬래그파우더가 30~70중량부의 범위로 배합할 수 있다.

플라이애쉬혼입시멘트는 시멘트와 플라이애쉬가 혼합된 것인데, 시멘트 50~95 중량부, 플라이애쉬 5~50 중량부로 배합할 수 있다.

특히 슬래그파우더와 플라이애쉬는 SiO₂함량이 각각 30중량%이상과 50중량%이상의 것으로써 Ca(OH)₂와 결합하여 C-S-H Gel의 생성을 촉진하여 그라우트의 Gel화를 단축시킬 수 있다.

속경재는 그라우트 현탁액 중의 유리석회(Ca(OH)₂)와 반응하여 에트린자이트(Ettringite; 3CaOAl₂O₃3CaSO₄32H₂O)를 생성시키고 그라우트의 겔화 후 초기강도를 발현시키는 역할을 한다. 지반 주입용 그라우트재는 지반에 주입하는 동안에는 경화되지 않고 주입완료 후 급격하게 겔화 및 경화되어야만 긴급한 차수 성능을 확보 할 수 있다. 따라서 그라우트의 속경성을 확보하기 위해서는 초기의 에트린자이트 생성을 급격하게 증대시키면서도 주입압력 하에서는 경화되지 않아야 하는 특징을 갖도록 하는 것이 중요하다. 이러한 기능을 발현하는 속경재는 각 재료의 구성 성분중 Al₂O₃의 함량이 30%이상인 것으로 보크사이트와 석회석을 전기로에서 소성하여 얻을 수 있다. 제조방식에 따라 2가지 종류가 있으며, 그 하나는 소성 직후 수중 투입하여 급냉 방식으로 제조된 유리질의 혼합물을 분쇄하여 제조된 것(Armorphous Calcium Aluminate; CA)과 소성후 공기중에서 서냉 방식으로 제조된 후 분쇄시 일정량의 석고를 혼입하여 제조된 것(Calcium Sulfo Aluminate; CSA)로 구분된다. 본 발명에서 속경재는 5,000cm²/g 이상의 분말도를 갖는 것을 사용하였다. 본 발명에서는 기초시험을 통해 CA와 CSA를 혼합하여 사용하는 것으로 결정하였으며, 이 때 CA는 10~40중량%, CAS는 60중량~90중량%로 배합하는 경우 속경재 내 총 SO₃함량이 5~8중량%로 유지함으로써, CA 또는 CSA를 단독으로 사용하는 경우에 비하여 훨씬 효과적이다.

또한 CA와 CSA혼합물의 속경성을 더욱 향상시키기 위한 방법으로 무수석고(CaSO₄)를 CA 및 CSA혼합물 대비 40~70중량%로 첨가하여 SO₃함량을 23.9~30.8중량%로 함으로써 그라우트 혼합 초기 Ettringite의 생성량을 급격하게 증가시킬 수 있고, 속경성을 더욱 향상 시킬 수 있다. 이렇게 생성된 Ettringite는 그라우트 주입시공 동안에는 액체와 같이 유동하다 주입이 완료된 직후 강도발현재에서 생성된 CSH겔과 결합하여 그라우트의 겔화 및 경화를 촉진한다. 상기의 CaSO₄는 5,00cm²/g 이상의 분말를 갖는 것으로 Ⅱ형-무수석고, 철강공정에서 발생되는 탈황석고 및 정유정재공정에서 발생되는 정유애쉬 등을 단독 또는 2개 이상을 조합하여 사용할 수 있다.

상기의 촉진재는 소석회분말(Ca(OH)₂), 과소생석회계 혼합물인 "DENKA #20"(제품명), 정유 정재공정시 발생되는 정유애쉬, 황산알루미늄, 포름산칼슘 등을 단독 또는 2개 이상을 조합하여 사용할 수 있다. 소석회와 DENKA #20, 정유애쉬 및 포름산칼슘은 시멘트혼합물 상에서 유리된 Ca(OH)₂ 량을 증대시키고 또한 황산알류미늄은 황산염과 알루미늄염의 포화도를 증대시켜 CSH겔 및 CSA겔의 생성을 급격하게 촉진시킨다.

발포제는 시멘트혼합물과 반응하여 기포를 발생시키는 것으로써 AOS(Alpha Olefin Sulfonate)분말과 알루미늄파우더(Al₂O₃)분말 및 아조다이카본아마이드 (Azodicarbonamide, C₂H₄N₄O₂)을 단독 또는 2개 이상 조합하여 사용할 수 있다. AOS는 시멘트혼합물과의 물리적인 교반에 의해 기포를 발생시켜 혼합물의 체적을 증가시키고, 알루미늄파우더는 강알칼리환경에서 반응하여 기포를 발생시킴으로써 혼합물의 체적을 증가시키고 경화체의 수축을 방지한다. 또한 아조다이카본아마이드는 알칼리금속이온(Ca, Na 등)과 반응하여 질소가스를 발생시켜 혼합물의 체적팽창효과 및 수축방지효과를 나타낸다.

분산재는 시멘트혼합물에서 물과 혼합되는 미분말의 flocking현상을 방지하고 수분산 효과를 증대시키기 위한 것으로 혼합물의 점성이 감소되고 시멘트의 수화율이 증대되어 그라우트의 강도를 증가시키는 효과가 있다. 상기 분산재는 나프탈렌설폰산분말, 리그닌설포산분말 및 폴리카본산분말을 사용할 수 있다. 특히 본 발명에서는 예비시험을 통해 나프탈렌설폰산분말이 가장 효과적이라는 것을 확인하였다.

본 발명에서 증점제는 고흡수성수지(Super Absorbency Material; SAM)로서 도 5에 도시된 화학구조로 대표되는 고흡수성수지 및/또는 셀룰로스(cellulose)를 사용할 수 있다. 이들은 자기 무게보다 수십에서 수백 배의 물을 흡수하는 특성이 있으며, 전분이나 셀룰로스에 아크릴로나이트릴을 그래프트 혼성중합시킨 것과 아크릴산과 비닐알코올의 블록혼성중합체 등이 가루형태나 섬유모양으로 되어있는 것을 사용한다.

한편, 아크릴폴리머혼합물은 그라우트에서 2~50중량%의 비율로 사용된다.

본 실시예에서 아크릴폴리머혼합물은 구체적으로는 물 60~99.8중량%, 아크릴폴리머 0.2~40중량%, 촉진제 0.05~10중량%의 비율로 포함하며, 선택적으로 소포제와 방부제 0.05~1중량%를 포함한다. 소포제와 방부제의 경우 실시예에 따라 혼합되지 않을 수도 있지만, 첨가되는 것이 바람직하다.

아크릴폴리머는 중금속 흡착기능을 가지는 카르복시메틸기를 포함하여 이루어지며, 예컨대 도 6에 도시된 화학구조를 가지는 것을 사용할 수 있다. 본 실시예에서 사용하는 아크릴폴리머는 금속이온과 두 자리 이상의 다양한 리간드가 배위한 화합물로서, 수용액 중에 존재하는 금속이온을 게나 새우 등 갑각류의 집게발로 잡은 것 같은 모양을 하며, 시멘트혼합물과 같이 액체의 pH가 7 이상으로 상승되는 환경에서는 폴리머가 활성화되어 액체의 점성이 증가하는 특징이 있다.

본 발명에서 아크릴폴리머는 부틸아크릴레이트 5~30중량%, 스타디엔 5~30량%, 에틸아크릴레이트 5~30중량%, 메틸메타크릴레이트 5~30중량%, 아크릴산 0.5~10중량%, 메타크릴산 0.5~10중량%, 유화제 0.05~5중량%, 첨가제 0.05~10중량%의 비율로 배합할 수 있다.

특히, 본 발명에서 사용하는 아크릴폴리머는 독특한 분자구조에 의하여 그라우트재에 칙소성을 부여하게 된다. 즉, 본 아크릴폴리머의 대략 수만에서 수십만 몰의 분자량을 갖는 합성물로 구성되는데, 폴리머의 주쇄는 부틸아크릴레이트, 스타디엔, 에틸아크릴레이트, 메틸메타크릴레이트 중 적어도 하나로 이루어지며, 말단기에는 산(아크릴산 및 메타크릴산)이 결합된다. 말단에 붙어있는 산은 대략 pH 3 정도이다. 주변의 pH가 3~7 정도까지는 말단에 붙어있는 산이 안정한 상태로 존재하지만, pH 7 이상에서는 이른바 액상의 이온화경향을 나타낸다. 즉, 산이 중화되면서 분파가 팽창(swelling) 및 얽힘(entanglement) 현상이 나타나면서, 그라우트재의 점성이 올라간다. 다르게 표현하면, 아크릴폴리머 상태에서는 안정하지만, 그라우트재의 시멘트가 수화되면서 주변 환경이 강알카리성을 띠면 산이 중화되면서 아크릴폴리머의 얽힘과 팽창 현상이 나타나므로 그라우트재의 점성이 급격히 증가되는 것이다. 본 발명에서는 시멘트가 수화되면서 알카리성을 띨 때 아크릴폴리머의 점성이 증가되는 것을 이용하여, 그라우트재에 칙소성을 부여한 것이다.

유화제로는 SLES(sodium lauryl ether sulfate), AOS(alpha olefin sulfonate), LAS(linear alkylbenzene sulfonate), CDE, TDE, 및 NP계열의 계면활성제를 단독 또는 2개 이상 조합하여 사용할 수 있다. 또한 첨가제로는 카르복실메틸기가 포함된 킬레이트수지 또는 다양한 종류의 킬레이트 수지 등을 단독 또는 2개 이상을 조합하여 사용할 수 있다.

도 7에는 본 발명에 따른 아크릴폴리머의 품질기준이 제시되어 있다. 도 7의 조건을 만족하는 본 발명에 따른 그라우팅재는 토립자 공극사이에 침투되고 주입 완료 직후 주입재에 시멘트에 의하여 pH가 상승되면 칙소성이 발생되어 지반의 접착력이 증대되어 토립자 공극의 폐쇄에 의한 차수성능이 실현되고 또한 그라우팅 시공 중 재료가 지하수에 의해 유실되는 것을 최소화할 수 있다.

아크릴폴리머 혼합물에 혼합되는 촉진제는 아크릴폴리머혼합물과 시멘트혼합물의 혼합 후 응결을 촉진하고 강도를 증가시키기 위해 사용하며, 황산나트륨, 황산마그네슘, 탄산나트륨, 염화칼슘, 쇼듐알루미네이트 및 질산나트륨 등을 단독 또는 2개 이상 혼합하여 사용할 수 있다.

상기한 바와 같은 재료들을 혼합하여 제조하는 그라우트재에 대한 실험을 수행하였다. 실험은 2가지로 진행되었는데, 첫 번째 실험은 아크릴폴리머 조성물에 가성소다를 투입하여 점성을 증가시키면서 성능을 검증하였으며, 두 번째 실험에서는 아크릴 폴리머와 시멘트혼합물의 조성을 변경하면서 배합하여 그라우트의 성능을 검증하였다.

도 8에는 본 발명에서 사용하는 아크릴폴리머의 특성이 나타나 있다.

첫 번째 실험인 아크릴폴리머의 조성 변경을 통한 그라우트재의 성능 실험에 사용한 시료의 조성과 pH 및 점성에 대한 결과를 도 9에 나타나 있으며, 도 10에는 불리딩량과 유동성에 대한 실험결과를 표시하였다.

도 9의 표를 참고하면, 본 실험에서는 본 발명에 따른 아크릴폴리머에 가성소다를 0~2.3%로 변화시켜가며 첨가하여 아크릴폴리머의 pH변화와 점도를 측정하였다. 가성소다의 첨가량이 증가함에 따라 pH도 증가하였으며, 아크릴폴리머의 pH가 7.5이상으로 증가하면서 점도는 급격하게 상승하여 pH가 12.3에서 점도가 4,660cps까지 최고치로 증가하였으며 가성소다량을 증가시켜 pH가 13.2일때는 4,280으로 감소하는 결과를 나타내고 있다.

도 10의 결과를 참고하면, 시멘트혼합물과 아크릴폴리머혼합물의 혼합비율을 변경하면서 블리딩량과 유동거리를 측정하였다. 시멘트혼합물은 단순하게 OPC에 물을 1:1로 배합하였으며 다른 혼화제나 혼합재는 첨가하지 않았고, 비교예의 경우 본 발명에 따른 시료인 아크릴폴리머 사용량을 실시예1~8에서와 같이 변경하여 첨가하였다. 상기한 조성을 가지는 비교예 및 실시예들에 대하여 블리딩과 유동성을 측정하였다. 블리딩은 시료를 유리 비이커에 준비하고 2시간 이후의 블리딩 발생량을 측정하였다. 아크릴폴리머를 사용하지 않은 비교예의 경우 블리딩량이 48.5g로 총 혼합물 체적의 약 37%의 블리딩이 발생되었으며, 실시예1과 2에서는 10.3g, 2.2g 그리고 실시예3~5에서는 블리딩이 발생되지 않았다. 또한, 사용량이 증가하는 실시예6~8의 경우는 블리딩량 3.5g, 6.7g 및 12.5g으로 다시 증가하는 것으로 나타났다.

유동성은 직경 50mm, 높이 50mm의 철재 슬럼프콘 시험기을 이용하여 시료의 퍼지는 거리를 측정하였다. 시험결과 비교예에서는 칙소성이 발생되지 않아 225mm의 유동거리가 측정되었고 아크릴폴리머를 사용하는 실시예에서 사용량이 증가됨에 따라 유동거리가 매우 크게 감소된 것을 알 수 있었다. 또한 폴리머 사용량이 한계점을 넘어서 증가하는 실시예7~8은 다시 유동거리가 증가하였다. 본 시험결과에 의해 아크릴폴리머의 사용에 따라 시멘트혼합물의 유동성은 감소되고 혼합물에 칙소성이 증가한다는 것이 명확하게 나타났다. 상기 결과는 블리딩량의 발생과 비례하여 증가하는 것으로 나타났다.

한편, 아크릴폴리머혼합물에 시멘트의 수화를 촉진시키기 위한 촉진제를 사용하여 1축 압축강도와 블리딩량을 측정하기 위함 실험을 수행하였다. 도 11에는 혼합물의 조성과 실험결과를 함께 나타내었다. 도 11의 표를 참고하면, 블리딩량은 시료제작 후 2시간 이후에 측정하였으며, 측정결과 비교예에 비하여 촉진제를 사용한 배합에서 블리딩량 현저히 감소하였으나, 실시예 6과 실시예 8에서는 비교예보다 증가하는 예외적인 결과가 나타났다. 압축강도는 시료성형 후 1일 이후에 측정하였으며, 그 결과 비교예에서는 시멘트가 경화되지 않아 강도측정이 불가능 하였다. 그러나 촉진제를 사용한 모든 배합에서는 응결이 촉진되어 강도가 발현되었으며, 특히 실시예1과 실시예5에서는 매우 높은 강도를 나타내고 있고, 반면에 실시예4와 여러종류의 촉진제를 사용한 실시예 8에서는 상대적으로 낮은 강도를 발현하였다.

한편, 또 다른 실험에서 아크릴폴리머는 조성을 변경시키지 않고 모든 비교예 및 실시예에 동일하게 사용하였고, 실시예에서는 속경재, 촉진재, 발포제, 증점제를 각각 사용하여 비교예와의 특성을 비교하였다. 도 12의 표에는 비교예와 실시예의 조성이 나타나 있으며, 도 13의 표에는 실험 결과를 나타내었다.

도 13의 실험 결과를 참고하면, 1축압축강도는 KSF5105에 따라 가로세로50mm, 높이 50mm의 시료를 제작한 후, 1일, 3일, 7일 28일 재령에서의 강도를 측정하였다. 강도확인결과 비교예에서는 재령 1일에 응결지연에 따른 강도측정이 불가능하였고, 모든 실시예는 2.6~3.4Mpa의 강도가 발현되어 매우 향상된 효과를 확인할 수 있었다. 그리고, 재령 28일의 강도결과에서는 비교예가 3.6MPa이고 실시예는 5.6~7.3MPa로써 각각 156%~203%의 강도증진효과를 나타내었다. 실시예에서의 강도증가는 속경재와 촉진제의 사용에 따른 영향이 가장 큰 것으로 나타났으며, 증점제를 사용한 실시예4서 가장 크게 발현되었다. 이것은 비교예~실시예3에서 나타난 체적수축에 따른 내부응력의 발생이 실시예4에서는 상대적으로 적게 발생된 결과라고 판단된다.

체적변화율은 조성물 배합특성에 따른 블리딩 발생에 의한 초기체적변화량과 경화 후 건조에 의한 체적변화량의 총 합을 알 수 있는 데이터이다. 비교예 1은 6.5%의 수축이 측정되었으며 속경재와 촉진제를 사용한 경우 각각 3.0%와 1.2%가 나타났고, 발표제와 증점제를 추가로 사용한 경우에서는 모두 0%의 체적변화율이 측정되었다. 이것은 발표제에 의한 체적수축 보상효과의 결과로 판단된다.

블리딩량의 측정결과 비교예는 15g이 발생되었고, 실시예에서는 불리딩량의 상당한 저하가 나타났다. 특히 증점제를 사용하는 실시예4에서는 블리딩이 발생되지 않는 우수한 특성을 보여주었다.

이상의 실험결과에서 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 그라우트재는 아크릴폴리머혼합물과 함께 시멘트혼합물에 속경재, 촉진제, 발포제, 증점제 등을 사용한 결과 강도, 체적변화율, 블리딩량에서 모두 우수한 성능을 나타냈다. 위의 실험결과에 비추어 보면, 본 발명에 따른 그라우트재는 차수 및 지반보강 등을 위한 재료로서 최적의 성능을 보유하고 있음을 확인할 수 있다.

100 ... 그라우팅 시공법 10 ... 수변 구조물
20 ... 천공홀 30 ... 주입관
40 ... 보조 주입관 s ... 사석, 전석
p ... 공극 g ... 그라우트재

Claims

지반의 또는 수변 구조물 내부의 공극에 주입되어 강도 보강 및 차수를 위하여 시멘트혼합물과 아크릴폴리머혼합물이 혼합된 그라우트재로서,
상기 시멘트혼합물은 상호 혼합되는 수경성의 강도발현재, 속경재, CSH(calcium silicate hydrate)겔 및 CSA(calcium sulfo aluminate)겔의 생성을 촉진하는 촉진재 및 물을 포함하며,
상기 아크릴폴리머혼합물은 상호 혼합되는 아크릴폴리머, 상기 아크릴폴리머와 시멘트혼합물의 응결을 촉진시키는 촉진제와 물을 포함하며,
상기 시멘트혼합물 50~98 중량부와, 상기 아크릴폴리머혼합물 2~50 중량부의 범위로 배합되어,
pH 7 이상에서 칙소성(thixotropy)이 발현되는 것을 특징으로 하는 칙소성이 부여된 그라우트재.
제1항에 있어서,
상기 시멘트혼합물은 상기 강도발현재, 속경재, 촉진재, 물 이외에 발포제, 증점제, 분산제, 소포제를 더 포함하며,
강도발현재 20~65중량%, 속경재 0.01~10중량%, 촉진재 0.01~5중량%, 발포제 0.01~5중량%, 증점제 0.01~1중량%, 분산제 0.01~1중량%, 소포제 0.01~1중량% 및 물 20~65중량%의 비율로 배합되는 것을 특징으로 하는 칙소성이 부여된 그라우트재.
제2항에 있어서,
상기 속경재는 CA(Calcium Aluminate)와 CSA(Calcium Sulfo aluminate)를 혼합하며,
상기 CA 10~40 중량%와 상기 CSA 60~90 중량%의 범위로 배합되는 것을 특징으로 하는 칙소성이 부여된 그라우트재.
제2항에 있어서,
상기 속경재는 SO₃ 함량이 5~8 중량%의 비율로 포함되는 것을 특징으로 하는 칙소성이 부여된 그라우트재.
제2항에 있어서,
상기 속경재는 CaSO₄를 추가적으로 혼합하여,
상기 속경재는 SO₃ 함량이 23~31중량%의 비율로 포함되는 것을 특징으로 하는 칙소성이 부여된 그라우트재.
제1항에 있어서,
상기 아크릴폴리머는 부틸아크릴레이트 5~30중량%, 스타디엔 5~30중량%, 에틸아크릴레이트 5~30중량%, 메틸메타크릴레이트 5~30중량%, 아크릴산 0.5~10중량%, 메타크릴산 0.5~10중량%, 유화제 0.05~5중량%, 킬레이트 수지를 포함하는 첨가제 0.05~10중량%의 비율로 배합되는 것을 특징으로 하는 칙소성이 부여된 그라우트재.
제6항에 있어서,
상기 유화제로는 SLES(sodium lauryl ether sulfate), AOS(alpha olefin sulfonate), LAS(linear alkylbenzene sulfonate) 및 NP(nonylphenol)계열의 계면활성제를 단독 또는 2개 이상 혼합된 것을 특징으로 하는 칙소성이 부여된 그라우트재.
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지반 또는 돌을 쌓아 올려 축조되는 수변 구조물 내부의 공극을 충전하여 차수 및 강도를 보강하기 위한 시공법으로서,
상기 지반 또는 구조물을 천공하여 천공홀을 형성하고 상기 천공홀을 통해 그라우트재를 주입하되,
상기 그라우트재는 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 하나에 기재된 그라우트재인 것을 특징으로 하는 그라우팅 시공방법.