KR101645586B1

KR101645586B1 - 초조강형 그라우트 조성물 및 이를 이용한 조기인장 그라우팅 공법

Info

Publication number: KR101645586B1
Application number: KR1020160041624A
Authority: KR
Inventors: 안상욱; 이정우; 최은영
Original assignee: 에스에스씨산업(주); 주식회사 인트켐; 최은영
Priority date: 2016-04-05
Filing date: 2016-04-05
Publication date: 2016-08-09

Abstract

본 발명은 초단기내에 높은 압축강도 성능을 발현하는 초조강형 그라우트 조성물과, 이러한 그라우트 조성물을 혼합수와 적절히 배합한 후 어스앵커 등 인장 그라우트 공법에 적용할 때 인장재의 인장가능 시간을 단축함으로써 공기단축과 공사비절감을 이끌 수 있는 조기인장 그라우팅 공법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 초조강형 그라우트 조성물은, 마이크로시멘트 50~93중량%, 알루미네이트 칼슘화합물 2~10중량%, CSA(Calcium Sulfo-Aluminate) 1~10중량%, 석고 0.2~5중량%, 탄산칼슘 0.5~4중량%, 수산화칼슘 0.18~7중량%, 자기치유혼합제 3~10중량%, 탄산리튬 0.01~2중량%, 나프탈렌계 유동화제 0.1~2중량%, 알루미늄파우더 0.0005~0.003중량%를 포함하여 조성되되, 마이크로시멘트는 분말도 8000cm2/g 이상, 평균입경4~7micron을 가지는 분체이고, 알루미네이트 칼슘화합물은 비표면적이 5500~6500cm2/g인 급결성의 비정질 C12A7계 분체이며, 자기치유혼합제는 무기광물반응촉진제, 팽윤제, 고반응성무기광물, 탄산반응필러를 포함하여 조성된 것임을 특징으로 한다. 이러한 초조강형 그라우트 조성물을 혼합수에 배합한 그라우트 재료는 단기간 내에 높은 압축강도 성능 구현이 가능하므로 어스앵커 등의 비탈면 및 가시설 보강공법 또는 PC공법에 적용할 때 조기인장이 가능해져 공기단축, 공사비 절감, 작업성 향상을 이끌 수 있다.

Description

초조강형 그라우트 조성물 및 이를 이용한 조기인장 그라우팅 공법{Super-high-early-strength Dry-grout Composition and Early-tensile Type Grouting Method Using the Same}

본 발명은 초단기내에 높은 압축강도 성능을 발현하는 초조강형 그라우트 조성물과, 이러한 그라우트 조성물을 혼합수와 적절히 배합한 후 어스앵커 등 인장 그라우트 공법에 적용할 때 인장재의 인장가능 시간을 단축함으로써 공기단축과 공사비절감을 이끌 수 있는 조기인장 그라우팅 공법에 관한 것이다.

근래에는 토목공사 및 건축공사에서 어스앵커 또는 PC(prestressed concrete)부재 등을 적용한 공법 사용이 늘고 있다. 어스앵커공법은 비탈면보강, 구조물 지지, 터널보강, 교각기초보강 등에 적용되며, 그 외 PC공법은 구조물 보강 등에 적용된다. 이러한 공법에는 어스앵커, PC강선, PC강봉, 이형철근, FRP 등의 인장재 또는 보강재를 삽입한 다음 그 주위를 메워주고 서로 간의 부착특성을 유지시켜 주기 위해 주입 형태의 그라우팅 작업이 수반된다.

현재 일반적인 그라우트 재료는 시멘트 몰탈에 조강형 혼화재를 혼합하여 사용하는 것이 대표적인데, 보통 인장재 또는 보강재를 삽입하여 그라우트를 주입한 후 1~7일 경과시부터 인장가능한 강도를 가진다. 그런데 어스앵커 등의 비탈명 및 가시설 보강공법 또는 PC 공법에서 공기단축과 시공비절감을 위해서는 그라우트 재료의 인장가능한 시간 단축이 필요하다. 하지만 기존 그라우트 재료는 시멘트의 반응 소요시간이 있기 때문에 인장가능 시간을 단축하는데 한계가 있다.

한편 인장가능 시간 단축을 위해서 결합재의 함량을 증가시키거나 혼입수의 함량을 감축시키는 방법을 고려해 볼 수 있는데, 이 방법들은 그라우트로서의 주입성능을 떨어뜨리기 때문에 제한적이다. 어스앵커 그라우트 조성물 관련 선행특허로는 특허 제10-1328402호, 특허 제10-1487750호 등이 있다.

본 발명은 기존 그라우트 재료의 단점을 개선하고 개발된 것으로서, 그라우트 주입 재료로서의 유동성과 팽창특성을 유지하면서도 초단기내에 높은 압축강도 성능을 발현하여 인장가능 시간을 단축시킬 수 있는 새로운 초조강형 그라우트 조성물을 제공하는데 기술적 과제가 있다.

또한 본 발명은 새로운 초조강형 그라우트 조성물을 바람직하게 이용하여 공기단축 및 공사비절감을 실현하는 조기인장 그라우팅 공법을 제공하고자 한다.

상기한 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 마이크로시멘트 50~93중량%, 알루미네이트 칼슘화합물 2~10중량%, CSA(Calcium Sulfo-Aluminate) 1~10중량%, 석고 0.2~5중량%, 탄산칼슘 0.5~4중량%, 수산화칼슘 0.18~7중량%, 자기치유혼합제 3~10중량%, 탄산리튬 0.01~2중량%, 나프탈렌계 유동화제 0.1~2중량%, 알루미늄파우더 0.0005~0.003중량%를 포함하여 조성되되, 마이크로시멘트는 분말도 8000cm2/g 이상, 평균입경4~7micron을 가지는 분체이고, 알루미네이트 칼슘화합물은 비표면적이 5500~6500cm2/g인 급결성의 비정질 C12A7계 분체이며, 자기치유혼합제는 무기광물반응촉진제, 팽윤제, 고반응성무기광물, 탄산반응필러를 포함하여 조성된 것임을 특징으로 초조강형 그라우트 조성물을 제공한다.

또한 본 발명은 상기한 초조강형 그라우트 조성물을 이용한 방법으로, 구멍 또는 홈에 어스앵커, PC강선, PC강봉, 이형철근, FRP 등의 인장재 또는 보강재를 삽입 설치한 후, 초조강형 그라우트 조성물을 혼합수에 배합한 그라우트 재료를 주입한 다음, 12시간 이상 경과한 후에 인장재 또는 보강재를 인장하는 것을 특징으로 하는 조기인장 그라우팅 공법을 제공한다.

본 발명에 따르면 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.

첫째, 본 발명의 그라우트 조성물은 초기강도 발현에 유리한 마이크로시멘트를 비롯하여 급결성능을 발휘하는 알루미네이트 칼슘화합물, 석고 등을 결합재로 사용함으로써, 혼합수와 반응할 때 초기에 에트린자이트 시멘트 수화물을 단기간 내에 빨리 생성시킬 수 있어 단기간 내에 높은 압축강도 성능발현을 구현할 수 있다.

둘째, 본 발명의 그라우트 조성물을 혼합수와 배합한 그라우트 재료는 단기간 내에 높은 압축강도 성능 구현이 가능하므로 어스앵커 등의 비탈면 및 가시설 보강공법, PC공법 등에 유리하게 적용할 수 있다. 즉 그라우트 시공시에 기존 재료보다 짧은 경과시간 후 인장이 가능해지며, 이로써 공기단축, 공사비 절감, 작업성 향상을 이끌 수 있다.

셋째, 조기인장 가능한 강도확보와 함께 중장기강도(1일, 3일, 7일, 28일) 성능면에서도 우수한 특성이 구현되기 때문에 유리하다.

도 1은 본 발명의 시험예에 대한 시험결과로서 성형 후 경과시간에 따른 압축강도를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 시험예에 대한 시험결과로서 투수기간에 다른 자기치유 특성을 나타낸 그래프이다.

본 발명은 초단기내에 높은 압축강도 성능을 발현하는 초조강형 그라우트 조성물에 관한 것으로, 반응 초기에 에트린자이트 수화물의 단기간내 생성 경화를 통해 우수한 강도성능 구현이 가능하도록 마이크로시멘트, 알루미네이트 칼슘화합물 등을 포함하여 구성한다는데 특징이 있다. 본 발명의 그라우트 조성물은 혼합수를 배합하기 전의 분체 조성물을 의미한다. 구체적으로 본 발명에 따른 그라우트 조성물은 마이크로시멘트 50~93중량%, 알루미네이트 칼슘화합물 2~10중량%, CSA(Calcium Sulfo-Aluminate) 1~10중량%, 석고 0.2~5중량%, 탄산칼슘 0.5~4중량%, 수산화칼슘 0.18~7중량%, 자기치유혼합제 3~10중량%, 탄산리튬 0.01~2중량%, 나프탈렌계 유동화제 0.1~2중량%, 알루미늄파우더 0.0005~0.003중량%를 포함하여 조성된다.

마이크로시멘트는 초미립자화한 시멘트로서 초기강도 향상에 우수한 특성을 발현한다. 분말도 8000cm2/g 이상, 평균입경 4~7micron 범위를 가지는 것이 바람직하다. 마이크로시멘트는 50~93중량%로 사용하는데, 50중량% 미만이면 초기강도 확보가 어렵고 93중량% 초과하면 급격한 경화로 인한 초기유동성 확보가 어렵다.

알루미네이트 칼슘화합물은 슬래그를 안정화공법을 통해 만든 것으로, 비표면적 5500~6500cm2/g인 급결성의 비정질C12A7계 분체이다. CaO와 Al2O3의 함량을 극대화하여 반응성을 향상시킨 분체인 것이다. 알루미네이트 칼슘화합물은 2~10중량% 사용하는데, 2중량% 미만이면 조기강도 확보를 위한 초기경화특성이 떨어지며, 10중량% 초과하면 혼합 후 짧은 작업시간으로 인한 작업성 저하가 문제된다.

CSA(Calcium Sulfo-Aluminate)는 알루미네이트 칼슘화합물과 함께 초기 반응성 향상을 위한 급결제이다. CSA는 1~10중량% 사용한다. 1중량% 미만이면 초기 경화특성이 낮아져 초기강도 확보가 어려우며, 10중량% 초과하면 시멘트 수화물 생성 전에 경화특성을 발현하여 시멘트에 의한 강도발현 특성을 떨어뜨린다.

석고는 초기 물리성능과 빠른 초결특성 확보를 위한 재료가 되며, 0.2~5중량%로 사용한다. 0.2중량% 미만이면 초기강도 특성 발현이 낮으며, 5중량% 초과하면 급격한 경화로 인해 작업특성 저하 문제가 발생한다.

탄산칼슘은 필러로서 그라우트의 밀실특성 향상을 위한 재료가 되는데, 0.5~4중량% 범위로 사용한다. 0.5중량% 미만이면 경화체의 미세기공 충전특성이 낮으며, 4중량% 초과하면 과도한 필러로 인한 물리성능 등에 저하 문제가 발생한다.

수산화칼슘은 알칼리 자극제로서 경화를 촉진하기 위한 재료가 되며, 0.18~7중량% 사용한다. 0.18중량% 미만이면 초기강도 확보를 위한 강도성능 충족이 어려우며, 7중량% 초과하면 물과 혼합 후 빠른 겔형성으로 인해 작업성을 떨어뜨린다.

자기치유혼합제는 자기치유특성 발현을 위한 재료가 된다. 시공면에 대해 크랙 등의 미세틈새가 발생하는 경우 자기치유 미세결정입자를 생성, 미세간격을 충전 치유하도록 함으로써 그라우트면의 물리성능 저감 완화와 수분이나 염화물이온의 침투를 방지하고자 한 것이다. 자기치유혼합제는 3~10중량% 사용하는데, 3중량% 미만이면 자기치유특성 발현이 어렵고 10중량% 초과하면 물과 혼합될 때 유동성이 낮아져 작업성 저하 문제가 나타난다. 자기치유혼합제는 무기광물반응촉진제 76~93중량%, 팽윤제 3~7중량%, 고반응성무기광물 3~10중량%, 탄산반응필러 1~7중량%를 포함하여 조성한다.

자기치유혼합제에서 무기광물반응촉진제는 소듐알루미네이트 76~93중량% 사용하는 것이 바람직하며, 76중량% 미만이면 무기광물반응촉진제로서의 반응성이 낮아 자기치유특성 발현이 어렵고 93중량% 초과하면 과도하게 빠른 반응성으로 인해 작업시간이 짧아지는 문제가 나타나게 된다. 팽윤제로는 탈크 3~7중량% 사용하는데, 3중량% 미만이면 수분흡수팽윤특성 확보가 어렵고 7중량% 초과하면 과도한 수분흡수로 인해 혼합작업 특성 저하문제가 나타난다. 고반응성무기광물은 산화칼슘 3~10중량% 사용하는데, 3중량% 미만이면 자기치유혼합제로서의 적합한 반응속도 확보에 어려움이 있고 10중량% 초과하면 초기 수분과 반응 시 발열로 인해 급격한 경화진행되어 물리성능과 작업성능 확보가 어렵게 된다. 탄산반응필러로는 탄산마그네슘을 1~7중량% 사용하며, 1중량% 미만이면 반응필러로서의 역할이 부족하게 되고 7중량% 초과하면 과도한 필러 함량으로 인해 물리성능 확보가 어렵게 된다.

탄산리튬은 응결촉진제로서 0.01~2중량% 사용하는데, 0.01중량% 미만이면 경화촉진 효과부여가 어렵고 2중량% 초과하면 급격한 경화로 인해 시멘트 수화반응이 낮아져 강도특성이 낮아질 우려가 있다.

유동화제로서 0.1~2중량% 사용하는데, 0.11중량% 미만이면 그라우트 재료의 유동성 부족으로 주입재로서의 사용이 어렵게 되고 2중량% 초과하면 과도한 유동화제로 인해 초기강도 특성 향상에 저하를 준다. 유동화제로는 나프탈렌계 유동화제를 채택하면 적당하다.

알루미늄파우더는 팽창제로서 0.0005~0.003중량% 사용한다. 0.0005중량% 미만이면 팽창특성 저하로 충전성능이 낮아지고, 0.003중량% 초과하면 과다한 팽창으로 인해 크랙을 발생시킬 우려가 있다.

이상 살펴본 그라우트 조성물은 혼합수와 적절히 혼합하면 주입 가능한 그라우트 재료가 된다. 혼합수는 통상의 그라우트 재료와 마찬가지 배합비로 배합하면 되는데, 가령 물결합재비 45% 수준이다. 이렇게 배합된 그라우트 재료는 어스앵커 등의 비탈면 및 가시설 보강공법 내지 PC공법에 적용하는데, 어스앵커, PC강선, PC강봉, 이형철근, FRP 등의 인장재 내지 보강재를 삽입 설치한 후 그라우트 재료를 주입하여 일정 시간 경과한 후 인장재를 인장하는 것이다. 아래 시험예에서 확인되는 바와 같이 본 발명에 따른 그라우트 재료는 12시간 경과후에도 충분한 압축강도를 발현하기 때문에 인장가능 시간을 단축시킬 수 있다. 이로써 인장재의 조기인장을 통해 공기단축, 공사비절감 등을 이끌 수 있다.

이하에서는 시험예에 의거하여 본 발명을 상세히 살펴본다. 다만, 아래의 시험예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위가 이로써 한정되는 것은 아니다.

[시험예] 그라우트 조성물의 특성

1. 그라우트 조성물

아래 [표 1]와 같은 재료 구성으로 그라우트 조성물을 준비하였으며, 그라우트 조성물에서 자기치유혼합제는 아래 [표 1]과 간은 조성으로 준비하여 적용하였다.

그라우트 조성물(중량%)

구성성분	실시예1	실시예2	실시예3	비교예1	비교예2	비고
보통 포틀랜트 시멘트	-	-	-	78	-	분말도 3,300~3,500cm2/g
마이크로 시멘트	68	76	79	-	78	분말도8640cm2/g, 평균입경6.32micron
알루미네이트 칼슘화합물	8	9	6	9	-	밀도2.95g/cm3, 비표면적 6380cm2/g, CaO함량 42%, Al2O3함량 25.8%, SiO2함량 19.6%
CSA	8	3	2	6	8	비중2.88, 비표면적 2400cm2/g, CaO 함량 54%
석고	3.5	1.5	1.2	2.6	3.5	비중2.96, 용해도 0.209g/100cc
탄산칼슘	3	2.3	1	1.8	2.1	입자크기1.2~2.0micron, iol absorption 87.7%, CaCO3함량 99%
수산화칼슘	3.7	2	1	1	1	CaO함량74%, 입도 #200 mesh 통과분 97.1%
자기치유 혼합제	4	5	8	0	4.9	[표 2]
탄산리튬	1.7	0.2	0.2	0.7	1.3	비중2.1, 용해도 1.3g/100cc, pH 11.2(1%용액 기준)
나프랄렌계 유동화제	0.1	1	1.6	0.9	1.2	가비중0.7g/cc, pH 8.4, SO4함유농도 2.3%
알루미늄 파우더	0.0015	0.0015	0.0015	0.0015	0.0015	비중2.7, 융점 660도, 은백색 인편상
소계	100	100	100	100	100	알루미늄파우더는 함유량이 작아 소계에서 제외함

자기치유혼합제 조성물(중량%)

구분	성분	함량	비고
무기광물반응촉진제	소듐알루미네이트	86	sodium aluminate(Na2O+Al2O3:92%이상, bulk density 0.40~0.70g/㎠)
팽윤제	탈크	4	SiO2함량46.1%, 평균입경 15미크론, oil absorption 30g/100g, 밀도 0.65g/cm3, pH 9~9.5
고반응성무기광물	산화칼슘	5	CaO함량 85%이상, Lg loss 3.3%, 비중 3.3
탄산반응필러	탄산마그네슘	5	CaO 함량 43%max, loss of ignite 54~58%, bulk density max 0.12%, 150mesh 불통과분 max 0.025%
소계		100

2. 그라우트 특성

위의 [표 1]의 조성에 따른 그라우트 조성물을 물결합재비(W/B) 45중량%로 하여 주입 가능한 그라우트 재료로 준비하고, 이에 대해 압축강도, 유하시간, 팽창율, 블리딩율, 염화물량, 자기치유 특성 등의 시험을 실시하였다. 압축강도는 KS F 2426-'10에 따라 시험하였고, 유하시간은 KS F 2432-'04에 따라 시험하였으며, 팽창율과 블리딩율은 KS F 2433-'11에 따라 시험하였으며, 염화물량은 KS F 2713-'02에 따라 시험하였다. 자기치유 특성은 투수시험에 따른 투수율로 평가하였는데, 할렬된 투수시험용 시험체에 투수용기를 끼워 넣고 투수용기와 시험체 연결면을 실링한 다음 실링된 투수시험용 콘크리트 시험체 상부에 일정한 높이(12cm, 수압 1.2Kpa)의 물을 투수하되 투수 시험의 시작과 함께 일정한 시간동안 지속적으로 시험체 상부의 물 높이를 유지하면서 투수한 후 재령에 따라 시험체를 통과하여 투수된 물의 양을 일정한 시간(5분)동안 측정하는 방법으로 투수시험을 실시하여 평가하였다(특허 제10-1303622호 참조). 이와 같은 시험에 따른 결과는 아래 [표 3] 및 도 1, 2와 같이 나타냈다.

그라우트 재료의 특성

구분		실시예1	실시예2	실시예3	비교예1	비교예2
성형 후 경과시간별 압축강도 (Mpa)	6hr	4.8	5	5.3	1.2	2.8
	12hr	22.8	22.4	23.7	3.4	6.7
	24hr	29.7	28.6	30	8.9	14.9
	3ays	38.8	40.2	39.5	13.7	18.7
	7days	44.8	48.4	47.2	14.7	22.2
유하시간(초)		9	9	8	8	8
팽창율(%)		3.4	3.3	3.8	3.5	3.2
블리딩율(%)		0	0	0	1.1	0
염화물량(kg/m3)		0.037	0.035	0.035	0.47	0.39
자기치유(%)	0일	0	0	0	0	0
	1일	43	52	56	3.4	24.5
	3일	60	64	62	6.2	27.4
	7일	74	70	79	12	26.7
	14일	80	73.5	78	12.5	37.7

압축강도는 양생하면서 경과시간별 강도로 측정하였는데, 그 결과 비교예1,2에 비해 실시예1~3에서 모두 현저히 향상된 압축강도 성능을 확인할 수 있었다. 특히 실시예1~3에서 12시간 경과 후의 압축강도가 인장재의 인장가능 강도인 20Mpa를 초과하는 것으로 확인되었다.

유화시간, 팽창율, 블리딩율은 마이크로시멘트와 자기치유혼합제, 알루미네이트 칼슘화합물을 사용하지 않은 비교예1,2와 이들 모두를 사용한 실시예1~3에서 유사한 결과를 나타냈다. 이에 따라 마이크로시멘트, 자기치유혼합제, 알루미네이트 칼슘화합물을 사용하여도 작업특성과 내구특성에 큰 영향을 미치지 않는다고 할 수 있다.

염화물량과 자기치유 특성은 비교예에 비해 실시예가 모두 우수한 결과를 나타냈는데, 이로부터 본 발명에 따른 그라우트 재료가 내구성이 우수하게 발현된다고 할 수 있다.

Claims

삭제
마이크로시멘트 50~93중량%, 알루미네이트 칼슘화합물 2~10중량%, CSA(Calcium Sulfo-Aluminate) 1~10중량%, 석고 0.2~5중량%, 탄산칼슘 0.5~4중량%, 수산화칼슘 0.18~7중량%, 자기치유혼합제 3~10중량%, 탄산리튬 0.01~2중량%, 나프탈렌계 유동화제 0.1~2중량%, 알루미늄파우더 0.0005~0.003중량%를 포함하여 조성되되,
상기 마이크로시멘트는, 분말도 8000cm2/g 이상, 평균입경4~7micron을 가지는 분체이며,
상기 알루미네이트 칼슘화합물은, 비표면적이 5500~6500cm2/g인 급결성의 비정질 C12A7계 분체이며,
상기 자기치유혼합제는, 소듐알루미네이트 76~93중량%, 탈크 3~7중량%, 산화칼슘 3~10중량%, 탄산마그네슘 1~7중량%를 포함하여 조성된 것임을 특징으로 초조강형 그라우트 조성물.
제2항에 따른 초조강형 그라우트 조성물을 이용한 방법으로,
구멍 또는 홈에 인장재를 삽입 설치한 후, 초조강형 그라우트 조성물을 혼합수에 배합한 그라우트 재료를 주입한 다음, 12시간 이상 경과한 후에 인장재를 인장하는 것을 특징으로 하는 조기인장 그라우팅 공법.
제3항에서,
상기 인장재는 어스앵커, PC강선, PC강봉, 이형철근, FRP 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 조기인장 그라우팅 공법.