KR101671126B1 - 고분자응집제를 이용한 심층혼합처리공법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 심층혼합공법에 관한 것이다.
본 발명에서는 오거스크류를 이용하여 지반을 천공하고, 굴삭토와 시멘트 안정제를 상호 교반하여 지중에 경화체를 형성한다. 본 발명에서는 독특한 조성의 아크릴폴리머를 시멘트에 혼합하여 시멘트 안정제로 사용하는데 특징이 있다. 독특한 구성의 아크릴폴리머는 시멘트로부터 용출되는 중금속을 흡착하고, 미립자를 응집시키며, 굴삭토와 시멘트의 혼합성능을 향상시킨다.

Description

고분자응집제를 이용한 심층혼합처리공법{DEEP SOIL MIXING METHOD USING POLYMER COAGULANT}

본 발명은 연약지반을 개량하기 위한 공법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 원 지반의 토양과 안정재를 혼합하여 지중에 개량체를 형성함으로써 지반을 보강하는 심층혼합처리공법에 관한 것이다.

심층혼합처리공법은 석회, 시멘트 등을 주원료로 하는 안정재(고화제, 경화제)와 연약지반 내 토양을 혼합하여 화학적으로 경화시킴으로써 연약지반을 개량하기 위한 것이다.

즉, 연약지반의 토양과 안정재가 혼합되면서 발생하는 수화반응 또는 포졸란(Pozzolan) 반응을 통해서 수화물의 생성을 활성화하여 물리적, 화학적으로 고형화된 지중구조체를 형성함으로써 연약지반을 강화시키게 된다.

심층혼합처리공법은 관입 분출식과 인발 분출식으로 나누어지는데, 도 1 및 도 2에 각 공법이 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 관입 분출식은 하부방향으로 안정재가 분사될 수 있도록 분사통로를 형성한 오거 케이싱을 지중에 관입하는 공정과, 오거 케이싱을 관입하면서 안정재를 주입하여 연약지반 내 토양과 혼합하는 공정과, 설계 심도까지 관입한 오거 케이싱을 역회전시켜 상부방향으로 인발하면서 동시에 연약지반 내 토양과 안정재를 혼합하는 공정으로 이루어진다.

그리고 인발 분출식은, 도 2에 도시된 바와 같이, 하부방향으로 안정재가 분사될 수 있도록 분사통로를 형성한 오거 케이싱을 지중에 관입하는 공정과, 설계 심도까지 관입한 오거 케이싱을 역회전시켜 상부방향으로 인발하는 공정과, 상기 오거 케이싱의 인발과 동시에 안정재를 주입하면서 연약지반 내 토양과 혼합하는 공정으로 이루어진다.

상기한 바와 같은 심층혼합처리공법에서는 연약지반 내 토양과 시멘트 안정제가 상호 교반되면서 경화체를 형성하게 되는데, 종래에 사용되는 시멘트 안정제로 인해 많은 문제가 발생하고 있다.

무엇보다도 시멘트 안정제는 환경오염원으로 작용한다. 즉, 지중에 주입된 시멘트 안정제는 경화되기 전에 지하수와 접촉되면서 유출되어 토양 및 지하수를 오염시킨다. 또한 알카리화 된 블리딩 수 유출에 의해서도 오염이 발생한다. 시멘트 안정제가 경화된 후에도 지하수와 접촉되면서 계속적으로 중금속이 용출되므로 지하 수계 및 토양을 오염시킨다. 예컨대 시멘트 안정제는 물과 혼합되어 CaOH2와 같은 강알칼리성의 물질을 생성시키고, Cr6+ 등과 같은 중금속을 용출시킨다.

한편, 심층혼합처리공법은 방파제 등과 같은 수변 구조물의 지반을 강화하기 위한 목적으로 바다나 하천에 적용되는 경우가 많다. 이렇게 바다나 하천의 바닥면에 심층혼합처리공법을 적용하는 경우 수계의 오염이 문제된다. 즉, 토사와 시멘트 안정제가 혼합 및 교반되는 과정에서 미립자들이 바다와 하천에 부유하여 탁도를 심각하게 높힌다. 미세입자들은 환경오염원으로 작용하여 주변 생태계를 교란할 수 있다. 더욱이 탁도가 높아지면 시각적으로도 좋지 않지만, 주변 주민들의 불안감을 유발하여 민원이 제기될 수 있다. 이러한 문제는 심층혼합처리공법에 사용되는 기존의 시멘트 안정제가 미립자들을 응집시키는데 한계를 보이기 때문이다.

마지막으로 기존의 심층혼합처리공법에서는 토사와 시멘트 안정제 사이의 혼합율이 낮게 나타나 공법을 통한 지반 개량 또는 지반 강화가 원하는 수준에서 이루어지지 않는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 시멘트 안정제에 고분자응집제를 첨가함으로써, 시멘트 내 중금속 성분이 유출되는 것을 방지하고, 시멘트의 응집력을 향상을 통해 슬라임 발생량을 저감할 뿐만 아니라 시공 과정에서 주변 수계의 탁도가 올라가는 것을 방지할 수 있는 심층혼합처리공법을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한 본 발명에서는 고분자응집제에서 발생되는 미세기포로 인하여 토사(또는 모래)와 시멘트의 혼합성능이 향상되는 심층혼합처리공법을 제공하는데 목적이 있다.

한편, 본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 것이다.

이와 같은 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 심층혼합공법은, 굴착장비를 설계심도까지 지중에 관입하는 관입단계와, 상기 굴착장비를 다시 인발하는 인발단계와, 상기 관입단계 또는 인발단계 중 적어도 하나의 단계에서 시멘트 안정제를 주입하여 굴착된 지반의 토양과 혼합하는 믹싱단계 및 상기 믹싱단계에서 주입 및 혼합된 상기 시멘트 안정제가 경화되는 양생단계를 구비하는 것으로서, 상기 시멘트 안정제는 시멘트와 고분자응집제를 포함하며, 상기 고분자응집제는 아크릴계 단량체와 관능기류 단량체가 중합반응하여 제조되며, 카르복시메틸기를 가지는 아크릴폴리머를 포함하는 것에 특징이 있다.

본 발명에 따르면, 상기 아크릴계 단량체는 에틸아크릴레이트, 부틸아크릴레이트, 스티렌, 메틸메타크릴레이트 중 적어도 하나를 포함하며, 상기 관능기류 단량체는 메타크릴산, 아크릴산, 하이드록시 에틸메타크릴레이트 중 적어도 하나를 포함한다.

또한 상기 중합반응시 기능성 모노머로서, 디아릴프탈레이트 수지(Diallyl phthalate resin)가 더 첨가되는 것이 바람직하다.

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%, 디아릴프탈레이트수지 0.05~10중량%를 반응기에 투입하여 중합할 수 있다.

그리고 상기 고분자응집제는 상기 아크릴폴리머 이외에 소포제와 방부제 및 응결촉진제 중 적어도 어느 하나를 더 포함할 수 있다. 구체적으로 상기 응결촉진제는 황산나트륨, 황산마그네슘, 탄산나트륨, 염화칼슘, 소듐알루미네이트 및 질산나트륨 중 적어도 어느 하나를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에서 상기한 중합반응에 의하여 제조되는 아크릴폴리머는 하기의 [화학식 1]로 특정될 수 있다.

[화학식1]

본 발명의 일 실시예에 따른 시멘트 안정제는 시멘트 90~99.5 중량부와, 고분자응집제 0.5~10 중량부의 범위로 혼합될 수 있다.

본 발명에 따른 심층혼합공법에서는 독특한 조성의 시멘트 안정제를 사용함으로써 많은 이점을 갖는다.

시멘트 안정제에 포함되는 아크릴폴리머는 시멘트로부터 용출되는 중금속을 흡착함으로써 공법을 시행하는 과정에서 중금속이 주변의 수계로 방출되는 것을 방지할 수 있다.

또한 아크릴 폴리머는 시멘트 또는 굴삭토 내 미립자들을 상호 응집시키는데, 특히 수중에서 공법을 수행할 때 미립자들이 수중에 부유함으로써 탁도가 높아지는 것을 방지하며, 배토되는 슬라임양을 줄일 수 있다.

또한 고분자응집제에 포함된 유화제는 굴삭토와 시멘트 안정제가 혼합될 때 미세 기포를 발생시켜 굴삭토와 시멘트 안정제 사이의 혼합율을 증대시킨다.

한편, 여기에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 이하의 명세서에서 기재된 효과 및 그 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급됨을 첨언한다.

도 1은 심층혼합처리공법 중 관입 분출식의 개략적 공정 흐름도이다.
도 2는 심층혼합처리공법 중 인발 분출식의 개략적 공정 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 심층혼합처리공법의 개략적 흐름도이다.
도 4는 본 발명에 의하여 형성가능한 시멘트-토사(모래) 혼합 경화체의 횡단면도이다.
도 5는 본 발명에 사용되는 4축 오거 스크류의 개략적 사진이다.
도 6은 중금속 흡착제 주입관에 대한 개략적 도면이다.
도 7은 본 발명에 사용되는 고분자응집제의 중합과정의 개략적 흐름도이다.
도 8은 중합반응기의 개략적 모식도이다.
도 9는 아크릴폴리머의 사슬구조를 개략적으로 표현한 것이다.
도 10은 본 발명에서 사용하는 아크릴폴리머의 pH에 따른 점성변화의 결과를 나타낸 표이다.
도 11은 도 10의 결과를 그래프로 나타낸 것이다.
도 12 표에는 두 번째 실험에 사용한 시멘트 안정제의 조성을 나타내었다.
도 13의 표는 두 번째 실험에서 시멘트 안정제를 수중에 투입하였을 때의 탁도, 중금속 용출량 및 pH의 결과를 나타내었다.
도 14의 사진은 비교예와 본 발명에서 사용하는 시멘트 안정제를 물에 투입한 후의 상태를 촬영한 것이다.
도 15의 표에는 실험에 사용하는 시멘트 안정제(실시예1~5)와 토사의 혼합물의 조성이 나타나 있다.
도 16의 표에는 이 혼합물의 공기량, 1일강도 및 28일 강도를 측정한 결과가 나타나 있다
※※ 첨부된 도면은 본 발명의 기술사상에 대한 이해를 위하여 참조로서 예시된 것임을 밝히며, 그것에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되지는 아니한다.

본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다.

본 발명은 심층혼합처리공법(deep soil mixing method)에 관한 것이며, 특히 이 공법에 사용되는 시멘트 안정제의 조성을 변경하여 공법의 효능을 향상시키는데 특징이 있다.

먼저 도면을 참고하여, 심층혼합처리공법에 대하여 설명한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 심층혼합처리공법의 개략적 흐름도이며, 도 4는 본 발명에 의하여 형성가능한 시멘트-토사(모래) 혼합 경화체의 횡단면도이다. 그리고 도 5는 본 발명에 사용되는 4축 오거 스크류의 개략적 사진이며, 도 6은 고분자응집제 주입관에 대한 개략적 도면이다.

심층혼합처리공법은 다양한 분야에 적용가능하다. 즉, 안벽(岸壁), 호안(護岸) 등 해안에 설치될 구조물의 지반을 개량하거나, 육상의 박스 기초에 사용할 수 있다. 또한 토류벽이나 차수벽에도 적용할 수 있다. 구조체의 형식은 벽식, 접원식 및 말뚝식으로 분류가능하다. 즉, 본 발명에 따른 심층혼합처리공법을 토류벽이나 차수벽에 적용하는 경우 말뚝들을 일렬로 연속적으로 형성시킬 수 있으며, 연약지반 개량에 적용하는 경우 접원식으로 3축 또는 4축의 오거 케이싱을 이용하여 3개 또는 4개의 말뚝(도 4 참고) 조합이 매트릭스 형태로 배치될 수도 있다.

본 발명에서는 말뚝의 배치 목적에 따라 2축, 3축, 4축의 오거 케이싱(오거 스크류)을 사용할 수 있다. 도 5에는 4축 오거 스크류의 사진이 나타나 있다. 4축 오거 스크류는 4개의 축(rod)가 사각형 형태로 배치된 것으로서, 각각의 축은 회전하면서 지반에 관입될 수 있다. 또한 각 축은 중공형으로 형성되며, 각 축의 상부를 통해 시멘트 안정제 등을 공급하면, 각 축의 하단부를 통해 시멘트 안정제는 지반에 주입된다. 그리고 각 축에는 횡방향으로 복수의 날개가 형성되어 시멘트 안정제와 굴삭토를 상호 교반할 수 있다.

본 발명은 상기한 구성으로 이루어진 오거 스크류를 이용하여 수행되며, 구체적인 공정 흐름도는 도 3에 도시되어 있다.

도 3을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 심층혼합처리공법은 관입단계, 믹싱단계, 인발단계 및 양생단계를 구비한다.

본 발명의 관입단계에서는, 도 2의 첫 번째에서 세 번째 그림까지 도시된 바와 같이, 개량대상이 되는 연약지반에 설계에서 정해진 심도까지 오거 스크류를 관입한다. 오거 스크류는 회전하면서 지반을 굴착하여 설계심도까지 관입된다. 상기한 바와 같이, 4개의 원형 말뚝이 상호 접해 있는 형태의 접원식 구조체를 형성하기 위해서는 오거 스크류도, 도 5에 도시된 바와 같은 4축 오거 스크류가 사용된다.

상기한 4축 오거 스크류가 설계심도까지 관입되면 오거 스크류를 인발하는 인발단계를 수행한다. 믹싱단계는 관입 분출식 또는 인발 분출식을 행하는지에 따라 달라진다. 즉, 관입 분출식을 택하는 경우 관입단계에서 시멘트 안정제를 함께 주입하여 믹싱하지만, 인발 분출식을 택하는 경우 인발단계에서 믹싱하게 된다. 물론 관입단계와 인발단계에서 모두 시멘트 안정제를 주입하여 굴삭토와 교반할 수도 있다 즉, 본 발명에서 믹싱단계는 관입단계와 인발단계 중 적어도 어느 하나의 단계에서 수행될 수 있으며, 두 개의 단계에서 모두 수행될 수도 있다.

본 발명에서는 믹싱단계에서 시멘트 안정제를 공급한다. 뒤에서 자세하게 설명하겠지만, 시멘트 안정제는 시멘트와 고분자응집제로 이루어진다. 시멘트 는 공급관(미도시)에 의하여 로드의 내부 주입로로 유입되고, 고분자응집제의 경우, 도 6에 도시된 바와 같이, 별도의 주입관을 통해 축의 내부 주입로로 이송된다. 특히, 본 발명에서는 고분자응집제를 공급하기 위한 주입관에 고압의 압축공기를 공급할 수 있는 에어 공급관이 부착되며, 에어공급관에는 모터나 펌프가 연결되어 추진력을 제공한다.

액상의 고분자응집제를 주입관에 공급하고 고압의 압축공기를 불어 넣으면, 고분자응집제는 압축공기에 의해 로드(축)의 내부(상단부 또는 하단부)로 연행되는 구조이다. 특히 본 실시예에서는 고분자응집제 주입관은 로드의 하단부로 연결되는 구조로 이루어져 있으며, 압축공기는 1~5kgf/cm2의 압력으로 분출된다. 그리고 고분자응집제 주입관에는 역류방지밸브가 마련되어 고분자응집제가 역류되는 것을 방지한다.

지중에 시멘트 안정재(고분자응집제와 시멘트)가 주입되면 이들은 지반 내에서 굴삭토와 함께 교반되어 혼합물을 형성한다. 시멘트 안정제는 굴삭토 100 중량부에 대하여 10~35 중량부의 비율로 주입할 수 있다.

오거 스크류의 인발이 완료되면 시멘트 안정제와 토사의 혼합물(슬라임)이 일정 시간 경과(양생단계) 후 양생되어 연약지반을 보강하는 구조체가 형성된다.

본 발명은 심층혼합처리공법에 사용되는 시멘트 안정제의 조성에 특징이 있다. 이에 대하여 더욱 상세히 설명한다.

앞에서 잠깐 언급한 바와 같이, 시멘트 안정제는 시멘트와 고분자응집제로 이루어진다. 시멘트 안정제에서 시멘트는 90~99.5 중량부, 고분자응집제는 0.5~10 중량부의 비율로 배합된다.

시멘트는 다양한 종류가 사용될 수 있는데, 예컨대 보통 포틀랜드 시멘트, 슬래그 시멘트, 포졸란 시멘트 중 어느 하나 또는 이들을 혼합한 것이 사용될 수 있다.

고분자응집제는 아크릴폴리머와 첨가제로 이루어진다. 아크릴폴리머는 화학적 중합반응에 의하여 제조된다.

본 발명에서 사용하는 아크릴폴리머는 아크릴계 단량체와 관능기류 단량체 및 기능성 단량체가 중합반응되어 고분자 폴리머로 제조되며, 말단에 카르복시메틸기가 형성된다.

아크릴계 단량체는 에틸아크릴레이트, 부틸아크릴레이트, 스티렌, 메틸메타크릴레이트 중 적어도 하나를 사용한다. 관능기류 단량체는 메타크릴산, 아크릴산, 하이드록시 에틸메타아크릴레이트 중 적어도 하나를 사용한다. 그리고 기능성 단량체가 더 첨가될 수 있으며, 구체적으로 디아릴프탈레이트 수지, 3-methacryloxypropyl-trimethoxy silane, 3-mercaptopropyl trimethoxy silane를 사용할 수 있다.

도면을 참고하여, 상기한 아크릴폴리머의 중합과정을 간략하게 설명한다.

도 7은 본 발명에 사용되는 고분자응집제의 중합과정의 개략적 흐름도이며, 도 8은 중합반응기의 개략적 모식도이다.

도 7 및 도 8을 참고하면, 먼저, 반응조에 이온교환수(물)와 유화제를 투입한 후 교반하면서 80℃까지 승온 시킨다. 유화제로는 PPAE(Polyoxyethylene Polyoxypropylene Alkyl Ether), SLES(sodium lauryl ether sulfate), AOS(alpha olefin sulfonate), LAS(linear alkylbenzene sulfonate), DBSA(Sodium Dodecyl benzene Sulfonate), CDE, TDE, 및 NP계열의 계면활성제를 단독 또는 2개 이상 조합하여 사용할 수 있다. 유화제의 일부는 중합반응에 참여하여 화학구조를 형성하지만, 대부분은 중합에 의해 형성되는 폴리머들이 서로 얽히는 것을 방지하는 역할을 한다.

그리고, 혼합조에 위 유화제 중 1개 내지 2개 이상 조합하여 이온교환수에 용해시켜 교반하면서 투입후, 아크릴계 단량체 (에틸아크릴레이트, 부틸아크릴레이트, 스티렌, 스타디엔, 메틸메타크릴레이트 등)를 혼합조에 투입한다. 이어서 관능기류 단량체(메타크릴산, 아크릴산, 하이드록시 에틸메타아크릴레이트 등)와 기능성 단량체(디아릴프탈레이트 수지, 선택적 투입)를 투입하여 프리에멀젼 상태를 형성한다.

혼합조로부터 프리에멀젼의 5~10%를 반응조에 공급하고, 개시제(APS, KPS, SPS 등)를 이온교환수에 용해시켜 반응조에 투입한다.

이후 대략 3시간에 걸쳐 혼합조로부터 나머지 프리에멀젼을 반응조로 균일하게 드로핑하면서 반응온도를 82~83℃로 유지시킨다. 드로핑이 완료된 후 온도를 82~83℃ 유지하면서 대략 30분 정도 유지시켜 숙성한다.

1차 숙성 완료 후 다시 혼합조에서 물, 유화제 및 아크릴계 단량체와 관능기류 단량체를 투입하여 프리에멀젼을 형성한다. 그리고 반응조에 개시제(APS, KPS, SPS 등)를 투입한다. 혼합조로부터 대략 30분에 걸쳐 프리에멀젼을 반응조에 드로핑방식으로 투입하면서 반응온도를 82~83℃로 유지시킨다.

개시제의 드로핑 완료후 대략 1시간 동안 82℃로 유지하여 2차 숙성시킨다. 최종적으로 반응물을 냉각시켜 50℃ 이하로 형성한 상태에서 암모니아 및 소포제, 방부제를 선택적으로 투입후 20분간 교반하여 완료한다.

본 발명의 일 예에서는 상기한 중합반응을 위하여, 아크릴계 단량체로서 부틸아크릴레이트 5~30중량%, 스타디엔 5~30중량%, 메틸메타크릴레이트 5~30중량%를 투입하였고, 관능기류 단량체로서 에틸아크릴레이트 5~30중량%, 아크릴산 0.5~10중량%, 메타크릴산 0.5~10중량%를 투입하였다. 그리고 기능성 단량체로서 디아릴프탈레이트수지 0.05~10중량%를, 유화제 0.05~5중량%를 공급하였다.

상기한 바와 같은 중합반응에 의하여 아크릴계 단량체, 관능기류 단량체 및 디아릴프탈레이트 단량체는 서로 얽히면서 폴리머를 형성하게 된다. 이들 단량체가 반응하여 폴리머를 형성하는데 있어서 디아릴프탈레이트 수지가 얽힘 현상을 매개하는 것으로 파악된다. 최종적으로 형성되는 아크릴폴리머는 아래의 [화학식 1]로 표현할 수 있다.

[화학식1]

본 발명에 의해 합성되는 아크릴폴리머는 대략 수만에서 수십만 몰의 분자량을 갖는 합성물로, 폴리머의 주쇄는 부틸아크릴 레이트, 스타디엔, 에틸아크릴레이트, 메틸메타크릴레이트 중 적어도 하나로 이루어지며, 말단기에는 산(아크릴산 및 메타크릴산)이 결합된다. 위 아크릴폴리머는 위 화학식 1 및 도 9에 도시된 바와 같이 말단에 배치되는 COOH와 OH 작용기가 시멘트 또는 토사의 미립자 양이온을 상호 흡착함으로써 길게 얽혀있는 사슬 구조를 형성한다.

상기한 바와 같이 아크릴폴리머를 중합하고, 이 아크릴폴리머에 첨가제를 혼합하여 최종적으로 고분자응집제를 만든다.

첨가제로는 응결촉진제와 소포제 및 방부제를 사용할 수 있다. 첨가제는 고분자응집제 전체에서 5~30 중량%로 혼합될 수 있다.

응결촉진제는 시멘트와 굴삭토의 혼합물의 경화를 촉진하고 강도를 증대시키는 기능을 하며, 황산나트륨, 황산마그네슘, 탄산나트륨, 염화칼슘, 소듐알루미네이트 및 질산나트륨 중 적어도 어느 하나 또는 이들을 혼합하여 사용한다.

상기한 조성으로 이루어진 고분자응집제는 시멘트와 함께 지중의 토사와 혼합되어 경화체를 형성하여 지반을 보강하는데, 3가지 기능을 수행한다.

첫 째, 시멘트 내 중금속을 흡착하여 주변의 수계나 지중으로 유출되는 것을 방지한다.

둘 째, 시멘트 미립자를 응집시킴으로써 미립자들이 주변 수계로 방출되는 것을 방지하며, 배토되는 슬라임량을 줄이는 역할을 한다.

셋 째, 시멘트의 유동성을 향상시켜 시멘트와 토사(모래) 사이의 혼합성능을 향상시킨다.

본 발명에서 사용하는 고분자응집제는 독특한 분자구조에 의하여 슬라임의 미립자를 응집한다. 아크릴폴리머의 말단에 붙어있는 산(pH3)은 주변의 pH가 3~7 정도까지는 안정한 상태로 존재하지만, pH 7 이상에서는 이른바 액상의 이온화경향을 나타낸다. 즉, 산이 중화되면서 팽창(swelling) 및 얽힘(entanglement) 현상이 발생하며 시멘트 미립자를 응집시킬 수 있다. 보다 구체적으로, 시멘트에 의하여 주변 환경이 알카리성을 띠면, 아크릴폴리머가 활성화되어 시멘트 혼합물에 존재하는 양이온 물질과 배위결합함으로써 이온화된 미립자를 흡착 또는 응집시킨다.

시멘트에는 크롬, 카드뮴, 납, 수은 등의 중금속이 포함되어 있다. 시멘트로부터 용출된 중금속이 고분자응집제에 전기적으로 흡착됨으로써 주변의 수계나 지중으로 방출되는 것을 방지한다. 또한 아크릴폴리머의 얽힘 현상은 중금속 이외의 시멘트 미립자들을 동일한 작용에 의하여 상호 응집시킨다.

고분자응집제의 시멘트의 미립자 응집효과는 특히 강이나 바다의 바닥면에 경화체를 형성하는 경우에 더욱 큰 의미를 갖는다. 방파제 등의 수변구조물을 형성하기 위하여 하부의 지반을 보강하는 공사는 오거스크류를 수중을 통해 해저 지반으로 관입시켜 수행한다. 이 과정에서 시멘트와 굴삭토가 혼합되어 혼합물이 형성되고 미립자가 발생하는데 기존에는 미립자들이 시멘트 안정제에 흡착되지 못하고 수중으로 부유하면서 수질이 현저하게 탁해지는 현상이 발생하였다. 미립자들은 주변의 수계로 퍼져나가 오염원으로 작용할 뿐만 아니라, 주변 거주자들의 민원의 대상이 되었다. 본 발명에서는 시멘트와 토사의 미립자들이 고분자 응집제에 흡착 및 응집됨으로써 수중으로 부유물이 방출되는 것을 최소화할 수 있어 공사 중 수질이 탁해지는 현상을 해소할 수 있다.

한편, 고분자응집제에는 상기한 바와 같이 유화제와 유동화제가 포함된다. 유화제와 유동화제는 시멘트와 굴삭토의 혼합 성능을 향상시킨다. 시멘트 안정제가 토사와 교반될 때, 유화제에서 발생되는 직경 10~1000μm 정도의 미세기포(air bubble)는 시멘트와 고분자응집제 및 굴삭토 사이에서 볼베이링 작용을 하여 이들의 혼합 성능을 향상시킨다. 혼합성능이 향상되면 혼합물이 균질하게 배합되어 경화체 전체에 걸쳐 물성이 일정하게 형성되는 이점이 있다. 또한 혼합성능이 향상되면 혼합에 참여하지 못한 잉여재료의 양이 줄어들어 오거스크류를 인발시 슬라임(잉여재료) 배출량을 줄일 수 있다.

본 발명의 연구진은 상기한 시멘트 안정제에 대한 실험을 수행하였다. 실험은 2가지로 진행되었는데, 첫 번째 실험은 아크릴폴리머 조성물에 가성소다를 투입하여 pH를 증가시키면서 아크릴폴리머의 점성 변화를 검증하였다. 두 번째 실험에서는 고분자응집제와 시멘트혼합물의 조성을 변경하면서 배합하여 혼합물의 성능(탁도, 중금속 용출량, pH변화)을 검증하였다.

첫 번째 실험인 아크릴폴리머의 pH에 따른 점성변화의 결과를 도 10의 표 및 도 11의 그래프에 나타내었다.

도 10의 표 및 도 11의 그래프를 참고하면, 가성소다의 첨가량을 0에서 최대 2.3%로 증대시킴에 따라 pH도 증가하였다. 주목할 점은 pH가 7.5이상으로 증가할 때 점도가 급격하게 상승한다는 점이다. pH5에서 점도가 42cps였지만, pH7.5에서 650cps로 10배 이상 급등하였고, pH9.5에서는 4,050cps로 증대하였다. pH가 12.3에서 점도가 4,660cps까지 최고치로 증가하였다. 다만, 가성소다량을 더욱 증가시켜 pH가 13.2에 이르렀을 때에는 점도가 4,280cps로 오히려 감소하는 결과를 나타내고 있다. 위 실험에 의하면 본 발명에서 사용하는 아크릴폴리머는 pH7 이상에서 점도가 급격하게 향상되는 것을 확인할 수 있다.

두 번째 실험에 사용한 시멘트 안정제의 조성이도 12의 표에 나타내었다. 두 번째 실험에서 고분자응집제에는 촉진제는 혼합하지 않았다. 도 13에는 각 조성에 따른 시멘트 안정제를 수중에 투입하였을 때의 탁도, 중금속 용출량 및 pH의 결과를 나타내었다.

도 13의 표를 참고하면, 일반 시멘트 안정제를 사용한 비교예의 경우 시멘트 안정제를 투입한 즉시 pH가 13.4까지 증가하여 시멘트로부터 알카리성분이 유출되었지만, 본 발명에 따른 시멘트 안정제(시료1~시료5)에서는 고분자응집제를 사용함에 따라 pH가 급격하게 증가하지 않고 일정 수준으로 유지되는 것을 확인하였다. 그러나 시료5와 같이 고분자응집제의 사용량이 너무 증가할 경우 오히려 pH가 증가하였다.

또한 물의 탁도에서도 비교예의 경우 860으로 매우 높게 나타났지만, 시료1~시료5에서는 대략 100 이하로 낮은 탁도를 보여 고분자응집제의 미립자 응집효과를 검증하였다. 도 14의 사진은 비교예와 본 발명에서 사용하는 시멘트 안정제를 물에 투입한 후의 상태를 촬영한 것이다. 비교예의 경우 시멘트 안정제가 바로 풀려서 물이 탁해지지만, 본 발명에 따른 시료의 경우 시멘트 미립자들이 물에 풀리지 않고 응집되어 물이 원래의 상태를 유지하는 것을 확인할 수 있다. 다만 탁도 실험에서도 고분자응집제의 배합량을 가장 높힌 시료5의 경우 오히려 시료 4에 비하여 탁도가 더 증가하는 것으로 나타났다.

중금속의 용출과 관련하여서도 고분자응집제를 사용하지 않을 경우의 비교예에서는 Cr6+의 용출량이 7.9ppm으로 다량 검출되었다. 반면에, 고분자응집제를 사용한 시멘트 안정제(시료1~5)에서는 6가 크롬이 전혀 검출되지 않았다.

앞의 실험결과를 참고하면, 고분자응집제의 배합량이 시멘트에 대하여 6중량% 이상이면 오히려 성능 이 저감되므로, 시료1~4와 같이 시멘트에 대하여 0.1~4 중량%의 배합비가 경제성과 성능에 있어서 최적의 배합비라고 볼 수 있다.

한편, 도 15의 표에는 실험에 사용하는 시멘트 안정제(실시예1~5)와 토사의 혼합조성이 나타나 있고, 도 16의 표에는 이 혼합물의 공기량, 1일강도 및 28일 강도를 측정한 결과가 나타나 있다. 기존 시멘트 혼합물을 사용한 비교예에서는 블리딩과 체적침하가 발생되고, 공기량이 발현되지 않는 특성(혼합시 갖힌 공기량)을 나타낸다.

그러나 본 발명에 따른 시멘트 안정제를 사용한실시예에서는 고분자응집제의 사용으로 미세기포가 발생하여 공기량이 증가하는 것을 알 수 있다. 고분자 응집제의 사용량이 증가할 때 공기량도 함께 증가하는 경향을 보인다.

또한 촉진제를 사용하지 않은 비교예와 실시예 1~3은 1일 및 28일 강도가 상대적으로 낮은 경향을 보이고 있지만, 촉진제를 사용한 실시예4~5에서는 1일 및 28일 강도가 비교예에 비해서 약 1일 140%와 167%를 발현하였으며, 28일 113%와 91%를 발현하여, 촉진제 사용으로 혼합토의 초기강도가 증가하는 것을 확인하였다.

이상의 실험에서 나타난 바와 같이, 본 발명에서는 고분자응집제를 시멘트혼합물에 첨가함으로써, 중금속 용출이 발생되지 않아 환경오염으로부터 자유로울 뿐만 아니라, 시멘트혼합물 중의 미립분을 응집시켜 공사현장 주변의 수역이 혼탁해지는 것을 최소화할 수 있다는 것을 확인하였다.

또한 고분자응집제와 시멘트혼합물 및 토사의 혼합시에 미세기포가 발생됨으로써 시멘트혼합물, 고분자응집제 및 토사의 혼합성능이 향상되고, 오거 스크류의 관입 및 인발을 위한 미세기포의 볼베어링작용으로 심층혼합공사가 용이해진다.

더불어 시공이 완료된 후에는 혼합토의 점성이 증가하여 혼합물이 지하수에 의해 유실되거나 체적감소가 일어나지 않으므로 사용되는 시멘트혼합물량을 감소할수 있으며 내구성과 강도가 보장된다는 이점이 있다.

본 발명의 보호범위가 이상에서 명시적으로 설명한 실시예의 기재와 표현에 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 자명한 변경이나 치환으로 말미암아 본 발명이 보호범위가 제한될 수도 없음을 다시 한 번 첨언한다.

Claims (8)

1. 굴착장비를 설계심도까지 지중에 관입하는 관입단계와, 상기 굴착장비를 다시 인발하는 인발단계와, 상기 관입단계 또는 인발단계 중 적어도 하나의 단계에서 시멘트 안정제를 주입하여 굴착된 지반의 토양과 혼합하는 믹싱단계 및 상기 믹싱단계에서 주입 및 혼합된 상기 시멘트 안정제가 경화되는 양생단계를 구비하는 공법으로서,
   상기 시멘트 안정제는 시멘트와 고분자응집제를 포함하며,
   상기 고분자응집제는 아크릴계 단량체와 관능기류 단량체가 중합반응하여 제조되며, 카르복시메틸기를 가지는 아크릴폴리머를 포함하며,
   상기 중합반응시 기능성 모노머로서, 디아릴프탈레이트 수지(Diallyl phthalate resin)가 더 첨가되고,
   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%, 디아릴프탈레이트수지 0.05~10중량%를 반응기에 투입하여 중합된 것을 특징으로 하는 심층혼합처리공법.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 고분자응집제는 상기 아크릴폴리머 이외에 소포제와 방부제 및 응결촉진제 중 적어도 어느 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 심층혼합처리공법.
6. 제5항에 있어서,
   상기 응결촉진제는 황산나트륨, 황산마그네슘, 탄산나트륨, 염화칼슘, 소듐알루미네이트 및 질산나트륨 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 심층혼합처리공법.
7. 제1항에 있어서,
   

   

   
   [화학식1]
   상기 아크릴폴리머는 상기 [화학식 1]로 특정되는 물질인 것을 특징으로 하는 심층혼합처리공법.
8. 제1항에 있어서,
   상기 시멘트 안정제는 시멘트 90~99.5 중량부와, 고분자응집제 0.5~10 중량부의 범위로 혼합되는 것을 특징으로 하는 심층혼합처리공법.

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