KR101627675B1 - 소일 네일링 공법용 팽창성 그라우트 조성물 - Google Patents

소일 네일링 공법용 팽창성 그라우트 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 소일 네일링 공법용(soil-nailing method) 팽창성 그라우트 조성물에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 토목공사 중 연약지반인 경사면이나 터파기 굴착면의 균열이나 무너짐을 방지하기위한 목적으로 시공할 시 사용되는 그라우트재에 관한 것으로서, 제철소 탈황공정 부산물로 발생하는 폐수산화칼슘과 탈황분진 및 고칼슘 소각재(C급 플라이애쉬) 등을 복합적으로 활용해 슬래그미분말의 잠재수경성을 활성화시켜 고결강도를 발현하며, 소각잔재에 다량 함유된 CaO의 발열반응과 체적팽창작용을 이용하여 토양의 간극수를 제거하고 함수율을 저감하여 소일네일링의 소기의 목적을 달성케 하는 팽창성 그라우트 조성물에 관한 것이다.
본 발명에 의한 소일 네일링용 팽창성 그라우트 조성물은 고로슬래그 시멘트 100중량부에 대하여, 발전소 탈황공정 부산물인 폐 수산화칼슘 20~50중량부를 포함한다.

Description

소일 네일링 공법용 팽창성 그라우트 조성물{Expansive Grout Composition for Soil-Nailing Method}
본 발명은 소일 네일링 공법용(soil-nailing method) 팽창성 그라우트 조성물에 관한 것이다. 보다 상세하게는 본 발명은 토목공사 중 연약지반인 경사면이나 터파기 굴착면의 균열이나 무너짐을 방지하기위한 목적으로 시공할 때 사용되는 소일 네일링 공법용 팽창성 그라우트 조성물에 관한 것으로서, 1종 포틀랜트 시멘트를 주원료로 사용하고 팽창재로 벤토나이트 또는 발포제로서 알루미늄 분말을 사용하는 기존의 그라우트를 대체하는 목적으로 고안되었다.
일반적으로 터파기, 흙막이, 철도 및 도로에 인접한 자연 및 인공 사면의 보강, 지하구조물 및 터널 등과 같은 토목 관련 시설물 축조에 필요한 굴착 지보체계 및 기존 옹벽의 보수 또는 옹벽을 설치하는 공사에 사용되는 소일네일링(soil-nailing method)은 지반의 붕괴와 균열이 쉽게 일어날 수 있는 토사나 토사와 암벽이 혼조된 연약지반인 경우, 굴착면이나 주변의 인접한 지반이 균열되고 무너지는 현상이 발생되는 위험을 예방하기 위한 안전조치로서 시공된다.
즉, 소일네일링이란 비탈면이나 터파기 굴착면을 자립할 수 있는 안정높이로 굴착함과 동시에 숏크리트(shotcrete; 뿜어붙이기 콘크리트)로 표면보호면을 시공하고 굴착배면을 천공하여 철근이나 와이어등의 인장응력, 전단응력 및 휨모멘트에 저항 할 수 있는 네일(nail)을 삽입한 후, 그라우팅하여 보강토체를 조성함으로써 연약지반의 전단 저항력을 향상시켜 굴착한 연약지반에서 발생할 수 있는 균열이나 붕괴 등의 문제점을 해결하는 것이다.
소일네일링의 시공방법을 살펴보면, 지정된 굴착심도 만큼 굴착하여 원 지반이 자립하는지 확인된 후, 굴착 즉시 원 지반의 이완을 막기 위해 굴착면에 숏크리트를 타설한다. 이후, 요구되는 심도까지 천공기를 사용해 굴착하고 천공된 앵커공 내부에 네일을 삽입한다. 이렇게 네일이 삽입된 앵커공 내부에 보강콘크리트로 그라우팅 함으로써, 원지반과의 절개면 또는 사면의 부착력이 향상되도록 하는 것이다.
이때 사용되는 보강콘크리트는 공사의 목적에 부합되게 가시설용으로는 낮은 강도의 흙 콘크리트가 선택될 수 있고 또는 반영구적인 벽체가 형성되도록 시멘트 철근콘크리트가 시공 될 수 있는 것이다.
본 발명에 의한 소일 네일링용 팽창성 그라우트 조성물은 가시설용 흙콘크리트 및 시멘트 철근콘크리트에 사용되는 시멘트를 완전히 대체하며, 또한 보강콘크리트 시공 후 2차 그라우팅에 사용하는 시멘트 밀크까지 완전히 대체하며 팽창성 까지 부여하여 원지반과의 부착력을 강화시켜 완벽한 시공을 보장하는 그라우트 조성물에 관한 것이다.
일반적으로 기존의 팽창성 그라우트는 시멘트와 벤토나이트를 혼합하여 사용하거나 시멘트와 알루미늄 분말을 혼합한 제품을 사용해 왔다.
시멘트의 경우 강도를 발현하는 수화과정에서 수축을 하는 특성 때문에 팽창성을 부여하기 위하여 팽창재로서 벤토나이트를 사용하거나, 발포제로서 알루미늄 분말을 사용해 왔는데, 상기 벤토나이트는 국내에 천연자원으로 부존하지 않는 광물로서 전량 수입에 의존하고 있는 고가의 재료이며, 알루미늄 분말은 발포성능을 최대한 발현하기 위해 높은 분말도를 가진 미립자를 사용해야 하는 특성과 알루미늄의 비중이 낮은 특성 때문에 취급 및 혼합이 곤란하며 이 역시 상당히 고가의 제품이다.
본 발명은 상술한 선행기술의 제반 문제점을 보완하여 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 가시설용 흙콘크리트 및 시멘트 철근콘크리트에 사용되는 시멘트를 완전히 대체하며, 또한 보강콘크리트 시공 후 2차 그라우팅에 사용하는 시멘트 밀크까지 완전히 대체하며 팽창성까지 부여하여 원지반과의 부착력을 강화시켜 완벽한 시공을 보장하는 그라우트 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
위와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 고로슬래그 시멘트를 주원료로 사용하고 팽창재로서 제철소 탈황공정 부산물로 발생하는 폐수산화칼슘과 코우크스 탈황 석고를 복합적으로 활용해 고로슬래그 시멘트의 수화반응 및 잠재수경성을 활성화시켜 고결강도를 발현하며, 폐수산화칼슘과 탈황분진에 다량 함유된 CaO와 토양의 지하수(H2O)가 반응하며 CaOH2로 전환되며 발생하는 발열반응 및 체적팽창작용을 이용하여 토양의 간극수를 제거하고 함수율을 저감하여 토양을 조속히 안정시키는 소일네일링용 팽창성 그라우트 조성물을 제공한다.
본 발명에 따르면, 토양을 조속히 안정화시킬 수 있고 높은 강도를 발현할 수 있는 소일 네일링 공법용 팽창성 그라우트 조성물이 제공된다. 또한, 본 발명에 따르면 염소를 함유하는 킬른 바이패스 더스트를 사용함으로써 시공시 시멘트의 수화를 촉진하여 조기 강도를 높일 수 있다.
이하, 본 발명에 의한 소일 네일링 공법용 팽창성 그라우트 조성물에 대하여 구체적으로 설명한다.
본 발명에 의한 소일 네일링 공법용 팽창성 그라우트 조성물은 고로슬래그 시멘트 전체 중량에 대해 30~70 중량%의 고로슬래그, 25~65 중량%의 포틀랜드 시멘트 및 잔량의 석고를 포함하고 SO3 함량이 4.5% 이하인 고로슬래그 시멘트 100중량부에 대하여, 폐수산화칼슘 20~50중량부, 및 코우크스(cokes) 탈황 석고 20~50중량부를 포함한다.
바람직하게는, 상기 소일 네일링 공법용 팽창성 그라우트 조성물은 상기 고로슬래그 시멘트에 대하여, 폐수산화칼슘 30 내지 45 중량부 및 코우크스 탈황 석고 30 내지 45 중량부를 포함할 수 있다.
상기 고로슬래그 시멘트는 고로슬래그 시멘트 전체 중량에 대해 30~70 중량%, 바람직하게는 60~70 중량%의 고로슬래그, 25~65 중량%, 바람직하게는 25~35 중량%의 포틀랜드 시멘트 및 잔량의 석고를 포함하고 SO3 함량이 4.5% 이하인 것이다. 상기 고로슬래그 시멘트 중의 상기 고로슬래그는 최소 분말도가 3,000 ㎠/g, 바람직하게는 3,500 ㎠/g이고, 상기 SO3 함량이 2.0~4.5%인 것을 사용하는 것이 초기 활성도의 측면에서 바람직하다. 또한, 상기 고로슬래그 시멘트 중의 상기 석고는 후술하는 탈황 석고 이외의 석고, 예를 들어 무수 석고를 의미 한다.
상기 폐수산화칼슘은 제철소 탈황공정 부산물로 발생하는 것으로서, CaOH2가 주성분인 물질이다. 또한 상기 폐수산화칼슘은 분진과 같은 입자상의 형태를 가지고 있으며, 바람직하게는 최소 분말도가 5,000㎠/g인 미립자 형태를 사용할 수 있다. 이 폐수산화칼슘은 pH가 11.5 이상인 강알칼리 물질로서 이 분진에 포함된 강알칼리가 고로슬래그 시멘트 중의 고로슬래그를 조기에 자극하여 고로슬래그의 잠재수경성을 신속히 나타내게 한다. 이 폐수산화칼슘이 고로슬래 그시멘트 100중량부에 대하여 20중량부 미만 혼입될 경우 고로슬래그 시멘트중의 슬래그분말을 충분히 자극하지 못하여 소정의 강도를 발현할 수 없으며, 50중량부 초과 혼입될 경우 반응을 위한 고로슬래그의 양이 상대적으로 부족하게 되어 강도가 하락 할 우려가 있다.
상기 탈황 석고는 석탄계 코우크스 및 석유계 코우크스를 원료로 하는 보일러에서 노내 탈황을 위해 석회석을 혼소하는 과정에서 연료인 코우크스에 포함되어있는 황 성분과 석회석이 고온에서 탈탄산 된 CaO 성분이 반응하여 생성된 분진과 같은 입자상 석고 물질로서 pH가 11.5이상의 강알칼리 물질이다. 이 석고에 포함된 황산염과 높은 pH가 황산염자극 및 pH에 따른 알칼리 자극을 고로슬래그 시멘트중의 고로슬래그에 가하게 되면 고로슬래그가 조기에 활성화되어 잠재수경성 반응을 개시하여 고결강도를 발현한다. 이 탈황석고가 고로슬래그시멘트 100중량부에 대하여 20중량부 미만 혼입될 경우 고로슬래그 시멘트중의 슬래그를 충분히 자극하지 못하여 소정의 강도를 발현할 수 없으며, 50중량부 초과 혼입될 경우 반응을 위한 슬래그분말의 양이 상대적으로 부족하게 되어 강도가 하락 할 우려가 있다.
또한, 본 발명의 상기 조성물은 혼합된 고화토 및 콘크리트의 함수율을 급속히 저감하고 체적팽창을 통한 토양의 마찰력을 증대하기 위하여 벤토나이트 및 알루미늄 분말을 대체하는 팽창재를 더 포함되는 것이 바람직하다. 상기 팽창재는 플라이애시 및 시멘트 킬른 바이패스 더스트를 포함하고, 여기서, 상기 시멘트 킬른 바이패스 더스트는 염소를 포함하는 것일 수 있다.
상기 팽창재는 상기 고로슬래그 시멘트 100중량부에 대하여, 30~80중량부, 바람직하게는 30~60 중량부의 양으로 혼입될 수 있다. 또한, 상기 팽창재 중에서 상기 시멘트 킬른 바이패스 더스트 및 상기 플라이애시는 1:1의 중량비로 포함될 수 있다.
상기 시멘트 킬른 바이패스 더스트는 시멘트 제조공정에서 농축되는 염소이온을 더 이상 순환시키지 못하고 바이패스 시킨다고 붙여진 명칭으로 킬른 더스트로 부르기도 한다. 이 바이패스 더스트는 킬른내 부양하는 매우 초미립자인 물질로서 많은 염소이온을 함유하고 있다. 따라서 건축용으로 사용하면 염소에 의한 철근부식을 일으킬 수 있으며, Free CaO 성분을 다량함유하고 있어 콘크리트의 팽창을 일으키기 때문에 건축용으로는 사용할 수 없는 물질이다. 그러나 이러한 염소성분은 시멘트의 수화를 촉진하여 조기 강도를 높이는 효과가 있으며, 다량함유된 Free CaO 성분은 응결하면서 많은 체적팽창을 일으키기 때문에 소일 네일링 공법용 팽창재로 활용하기에는 좋은 재료이다.
또한, 상기 플라이애시는 통상의 플라이애시 중 어느 것일 수 있으나, 바람직하게는 노내탈황방식 석탄연소보일러에서 발생하는, 산화칼슘 함량이 20% 이상인 고칼슘 플라이애시일 수 있다. 노내탈황방식 석탄연소보일러에서 발생하는 고칼슘 플라이애시는 석탄에 포함된 황성분의 대기배출을 방지하기 위하여 석탄과 석회석을 혼합 연소하는 과정에서 발생된다. 이 고칼슘 플라이애시에 다량 함유된 산화칼슘은 물과 반응하여 흡수, 발열 및 팽창하여 수산화칼슘이 되는데 이때 부피의 팽창은 산화칼슘 량의 약 1.99배가 된다. 이에 대한 반응식은 아래와 같다.
CaO+ H2O->Ca(OH)2+15.6kcal mol-1
또한 상기 플라이애시는 상기 고로슬래그 시멘트 100중량부에 대하여 30~80중량부 혼입되는 것이 바람직하다. 이 C급 플라이애시가 30중량부 미만 혼입되면 플라이애시에 포함된 CaO가 팽창하는 양이 충분치 않아 팽창성 그라우트의 목적을 달성할 수 없으며, 80 중량부 초과 혼입될 경우 슬래그 시멘트 등 강도를 발현하는 물질의 양이 상대적으로 부족하여 강도가 하락할 우려가 있다.
이하에서 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예들이 기술되어질 것이다. 또한 이하의 실시예들은 본 발명을 예증하기 위한 것으로서 본 발명의 범위를 국한하는 것으로 이해되어져서는 안된다 .
실시예
먼저, 고로슬래그시멘트 전체 중량에 대해 50 중량%의 고로슬래그, 45 중량%의 포틀랜드 시멘트 및 5 중량%의 석고를 포함하고, SO3 함량이 4.2%인 고로슬래그시멘트 100중량부에 대하여 폐수산화칼슘 30 중량부 및 석유계 코우크스 탈황 석고 30중량부와 팽창재로서 산화칼슘 함량이 43%인 H 열병합발전소(전남 여수소재) 발생 플라이애시 및 S사(강원도 영월소재) 시멘트 킬른 바이패스더스트를 1:1:1의 비율로 동량 균질하게 혼합하여 소일 네일링 공법용 팽창성 그라우트 조성물을 제조하였다.
상기 제조된 조성물 100중량부에 대하여 모래 250중량부를 첨가하고 물을 100중량부를 더해 혼합하여 모르타르 시료를 제조하였다.
상기 제조된 모르타르 시료를 이용하여 압축강도 측정용 공시체를 제작하여, 체적 수축을 평가 하였으며, 재령별 압축강도를 측정하였다.
비교예
보통 포틀랜드시멘트 100중량부에 대하여 팽창제로서 벤토나이트를 3중량부 첨가한 소일 네일링 공법용 팽창성 그라우트 조성물을 제조하고, 상기 실시예와 같이 모르타르 시료를 제조하였다. 상기 제조된 시료를 이용하여 압축강도 측정용 공시체를 제작하여, 체적수축을 평가하였으며, 재령별 압축강도를 측정하였다.
성능시험 방법 및 결과
아래 슬럼프 시험 및 압축강도 시험은 아래 표 1에 나타낸 바와 같이체적수축의 경우는 성형된 압축강도 공시체를 재령 7일 경과 후 육안으로 관찰하고 아르키메데스의 원리를 이용한 부피를 측정하였으며, 압축강도 시험은 KS F 2405(콘크리트의 압축강도 시험방법)에 의해 실시하였다.
실험 방법 명칭
체적수축 육안검사 및 부피측정 육안측정 및 시험체를 물에 침수시켜 배제되는 물의 양을 측정(아르키메데스의 원리)
압축강도 KS F 2405 콘크리트의 압축강도 시험방법
아래 표 2에 실시예와 비교예의 시험 결과를 나타내었다.
구분 체적수축 압축강도(MPa)
재령 7일 재령 28일
실시예 없음, 0.8% 14.6 28.7
비교예 없음, 0.7% 증가 16.9 26.3
상기 표 2에서 보는 바와 같이, 실시예에서 비교예와 단위 결합재 중량과 배합수의 중량, 그리고 골재의 중량이 동일하였으며, 팽창성광물인 벤토나니트가 포함되지 않았음에도 불구하고 체적수축이 전혀 일어나지 않았으며, 실시예와 비교하여도 체적의 팽창이 비슷하게 나타났다. 이는 본 발명의 그라우트조성물 산화칼슘 성분이 물과 접촉시 흡수, 발열 및 팽창 작용에 의해 팽창성이 발현된 것으로 판단된다.
압축강도의 경우 실시예의 경우 비교예에 비하여 초기 강도가 다소 낮게 발현되었으나 28일 강도에서는 실시예가 비교예에 비하여 다소 높게 발현하는 결과를 보였다. 이는 시멘트에 비해서 잠재수경성의 발현이 다소 늦게 개시되는 본 발명 조성물의 특성에 기인한 것으로 판단되며, 14 MPa의 초기강도 정도면 충분한 시공 소요강도를 만족한다 할 수 있다.

Claims (6)

  1. 고로슬래그 시멘트 전체 중량에 대해 50~70 중량%의 고로슬래그 미분말, 25~45 중량%의 포틀랜드 시멘트 및 잔량의 석고를 포함하고 SO3 함량이 2.0% ~ 4.5% 이하인 고로슬래그 시멘트 100 중량부에 대하여,
    폐수산화칼슘 30~45중량부, 코우크스 탈황 석고 30~45 중량부, 및 팽창재 30~60 중량부를 포함하고,
    상기 팽창재는 플라이애시 및 시멘트 킬른 바이패스 더스트로 이루어지고,
    상기 플라이애시는 노내탈황방식 석탄연소보일러에서 발생하는 산화칼슘 함량이 20% 이상인 고칼슘 플라이애시이고,
    상기 시멘트 킬른 바이패스 더스트 및 상기 플라이애시는 1:1의 중량비이고,
    모래를 포함하는 비(非)해양 지반에 대한 소일 네일링 공법에 사용하는 것을 특징으로 하는, 팽창성 그라우트 조성물.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 고로슬래그 시멘트 중의 상기 고로슬래그는 최소 분말도가 3,000 ㎠/g이고, 상기 폐수산화칼슘은 최소 분말도가 5,000㎠/g인 것을 특징으로 하는 팽창성 그라우트 조성물.
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