KR101794107B1 - 침상결정형 유기복합체가 함유된 자기치유 조기발현형 시멘트계 조성물 및 이를 이용한 지반 그라우팅 공법 - Google Patents

침상결정형 유기복합체가 함유된 자기치유 조기발현형 시멘트계 조성물 및 이를 이용한 지반 그라우팅 공법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자기치유(자가증식) 특성을 가지는 시멘트계 조성물 및 이를 이용한 지반 그라우팅 공법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 침상결정형 유기복합체의 사용으로 빠른 겔화 특성을 발휘하여 자기치유 생성물이 단기간 내에 빠르게 생성되게 함으로써 조기에 향상된 물리성능과 차수성능을 확보할 수 있도록 한 자기치유 조기발현형 시멘트계 조성물과 이를 바람직하게 이용한 지반 그라우팅 공법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 자기치유 조기발현형 시멘트계 조성물은, 시멘트, 미세결정화제를 포함하는 바인더; 소듐카르복실메틸셀룰로오스, 유기산, 아세트산칼륨을 포함하는 침상결정형 유기복합체; 물을 포함하는 액상제;를 포함하여 조성되되, 상기 바인더 중 미세결정화제는, Al2(SO4)3, AlK(SO4)2 중에서 하나 이상에 의한 수용성 무기질계 겔화재; CaSO4, CaSO4·2H2O, CaSO4·1/2H2O 중 하나 이상과 Na2SO4, K2SO4 중 하나 이상으로 구성된 알카리 설페이트; Na2O 함량이 35중량% 이상인 알루민산나트륨; 실리카퓸, 반응성 실리카 분말 중 하나 이상에 의한 실리카;를 포함하여 구성된 것임을 특징으로 한다.

Description

침상결정형 유기복합체가 함유된 자기치유 조기발현형 시멘트계 조성물 및 이를 이용한 지반 그라우팅 공법{Grout Composition with Early Self-Healing Development Properties and Grouting Method Using the same}
본 발명은 자기치유(자가증식) 특성을 가지는 시멘트계 조성물 및 이를 이용한 지반 그라우팅 공법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 침상결정형 유기복합체의 사용으로 빠른 겔화 특성을 발휘하여 자기치유 생성물이 단기간 내에 빠르게 생성되게 함으로써 조기에 향상된 물리성능과 차수성능을 확보할 수 있도록 한 자기치유 조기발현형 시멘트계 조성물과 이를 바람직하게 이용한 지반 그라우팅 공법에 관한 것이다.
일반적으로 강도가 낮고 자립도가 낮은 지반에서 공사를 수행할 때에는, 지하수위가 높아 지하수 유출에 따른 주변 지반의 침하가 예상되거나 지반의 이완영역이 넓은 경우 등이라면 지반의 안정성을 확보하기 위하여 적절한 보강공법을 적용한다. 이러한 보강공법 중에 가장 많이 사용되고 있는 공법으로는 그라우팅 공법을 들 수 있다.
그라우팅이란 건축, 토목공사시에 누수방지, 차수와 지수, 토양강화 및 안정화를 위해 틈새 또는 주입구 굴착 후 주입재를 주입하는 방법을 말하며, 이에 사용되는 주입재를 그라우트라고 한다. 그라우트는 일반적으로 시멘트와 규산소다계 용액이 사용된다.
시멘트를 그라우트로 사용한 그라우팅 공법으로는 LW(Labiles Wasserglass)공법, SGR(Space Grout Rocket system)공법, 밀크(cement grout)공법, MSG(Micro Silica cement Grouting)공법 등이 대표적으로 적용되고 있으며, 이들 공법의 특징과 문제점을 비교 정리하면 아래 [표 1]과 같다.
Figure 112015028188412-pat00001
규산소다계 용액을 사용한 그라우트는 화학반응을 통한 겔타임(gel-time) 확보 및 경제성 등의 이유로 사용하고 있으며, 대표적인 예로 특허 제10-0746851호, 공개특허 제10-2011-0057669호 등이 있다. 그러나 규산소다계 용액을 사용한 그라우트는 겔화 후 물에 의해 강알칼리 용탈현상이 발생하여 토양 및 지하수 오염 문제와 겔형태가 약해지는 문제가 있고, 수축 균열이 쉽게 발생하여 지반과의 밀착성이 낮아짐으로써 그라우트로서의 차수성능저하 문제가 나타난다. 또한 동절기에는 그라우트에 사용하는 물의 온도가 낮아져 그라우트의 겔타임이 길어지고 겔형성 특성이 떨어짐으로써 초기강도 저하 현상이 발생하고 결국 차수효과 구현이 어렵다는 문제가 있다.
규산소다 용액을 사용한 그라우트의 문제를 해결하고자 규산소다 용액을 배제하고 무기결합재를 사용한 기술로, 공개특허 제10-1997-00267999호와 공개특허 제10-2001-0087882호가 있다. 공개특허 제10-1997-00267999호는 입도 조절된 칼슘 알루미노 설페이트계 시멘트를 사용한 그라우트에 관한 기술이고, 공개특허 제10-2001-0087882호는 플라이애시를 함유한 그라우트에 관한 기술이다. 그러나 이들 기술 또한 겔타임 제어 특성이 낮고 장단기적으로 물리성능 확보가 어려워 차수효과 구현이 어렵다는 문제가 있다.
위와 같은 종래 지반 그라우트의 문제를 해결하기 위해 본 발명자들에 의해 새로운 그라우트 조성물이 개발되어 특허출원 제10-2014-0135802호로 출원된바 있다. 특허출원 제10-2014-0135802호는 시멘트, 2가 금속 급결제, 팽윤제, 미세결정화제, 규산소다계 용액, 물이 소정 범위로 조성한 그라우트 조성물에 관한 것으로, 내수성 증대와 장단기적인 지반강도 증진 효과와 함께 자기치유(자가증식) 특성이 있다. 하지만 특허출원 제10-2014-0135802호는 장시간에 걸쳐 자기치유 생성물인 미세결정화 물질이 형성되면서 자기치유 특성이 발현되기 때문에 그라우트 시공 후 초기에 타수(방수)특성을 빠르게 구현하는 것이 어렵고 또한 그라우트의 완전 경화 전에 물 유입량이 많으면 차수성능 저하현상이 나타날 수 있다는 단점이 발견되었다.
본 발명은 자기치유 특성을 발현하는 종래 지반 그라우트의 단점을 개선하고자 개발된 것으로서, 빠른 겔화 특성으로 자기치유 생성물을 단기간 내에 빠르게 생성시킬 수 있음으로써 조기에 향상된 물리성능과 차수성능을 발휘할 수 있는 자기치유 조기발현형 시멘트계 조성물을 제공하는데 기술적 과제가 있다.
또한, 본 발명은 자기치유 조기발현형 시멘트계 조성물을 지반주입용 그라우트로 이용한 지반 그라우팅공법으로서, 고무패커, 주머니패커팩, 주입관 등을 통해 중력식주입, 단단가압주입, 다단가압주입 방법 등으로 지반에 주입하는 지반 그라우팅공법을 제공하고자 한다.
상기한 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 시멘트, 미세결정화제를 포함하는 바인더; 소듐카르복실메틸셀룰로오스, 유기산, 아세트산칼륨을 포함하는 침상결정형 유기복합체; 물을 포함하는 액상제;를 포함하여 조성되되, 상기 바인더 중 미세결정화제는, Al2(SO4)3, AlK(SO4)2 중에서 하나 이상에 의한 수용성 무기질계 겔화재; CaSO4, CaSO4·2H2O, CaSO4·1/2H2O 중 하나 이상과 Na2SO4, K2SO4 중 하나 이상으로 구성된 알카리 설페이트; Na2O 함량이 35중량% 이상인 알루민산나트륨; 실리카퓸, 반응성 실리카 분말 중 하나 이상에 의한 실리카;를 포함하여 구성된 것임을 특징으로 하는 침상결정형 유기복합체가 함유된 자기치유 조기발현형 시멘트계 조성물을 제공한다.
더불어 본 발명은 자기치유 조기발현형 시멘트계 조성물을 지반주입용 그라우트로 바람직하게 사용하기 위해, 시멘트 10~20중량부, 2가 금속 급결제 0.5~2.0중량부, 팽윤제 1.5~3.5중량부, 미세결정화제 0.3~2.5중량부를 포함하는 바인더; 소듐카르복실메틸셀룰로오스 0.1~2.5중량부, 유기산 0.1~2.0중량부, 아세트산칼륨 0.1~2.5중량부를 포함하는 침상결정형 유기복합체; 규산소다계 용액 5~10중량부, 물 55~75중량부를 포함하는 액상제;를 포함하여 조성되는 것을 특징으로 하는 침상결정형 유기복합체가 함유된 자기치유 조기발현형 시멘트계 조성물을 제공한다.
나아가 본 발명은 상기한 침상결정형 유기복합체가 함유된 자기치유 조기발현형 시멘트계 조성물을 지반에 주입함으로써 그라우트 용도로 바람직하게 사용하는 것을 특징으로 하는 지반 그라우팅 공법을 제공한다.
본 발명에 따르면 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.
첫째, 침상결정형 유기복합체를 사용함으로써 겔화촉진 및 무기 바인더와의 반응성 향상을 통해 겔화 후 자기치유 생성물이 단기간 내에 빠르게 생성되게 할 수 있으며, 이로써 우수한 자기치유 성능을 조기에 구현할 수 있다. 특히 침상결정형 유기복합체에 의한 자기치유 생성물로 인해 경화체가 밀실해지며 미세크랙에 대한 충전특성으로 인해 겔화 경화체의 물리성능과 차수성능을 향상시킬 수 있다.
둘째, 무기바인더와의 빠른 반응으로 인해 겔화 및 경화체를 형성하게 되며 자기치유 생성물이 빠르게 나타나므로 기존 그라우트 대비 시공 후 초기 투수저감효과(방수성능)를 향상시킬 수 있다. 특히 물이 유입되는 부분에서부터 침상결정형 유기복합체의 반응에 의해 자기치유 생성물이 빠르게 생성되므로 이후 겔화 및 경화된 그라우트 부위에서 자기치유 물질의 안정적인 생성과 이로 인해 경화체의 물리성능 향상이 가능하다.
셋째, 기존 무기계 겔화촉진제로서는 겔화 및 경화체 형성시간을 단축 한계가 있었으나 침상결정형 유기복합체를 적용함으로써 겔화 및 경화체 형성시간을 단축시킬 수 있다. 다시 말해 기존 무기계 그라우트는 자가치유 생성물이 장기간에 걸쳐 서서히 생성되는 반면에 본 발명은 침상결정형 유기복합체를 사용하여 단기간에 자기치유 생성물이 생성되도록 촉진함으로써 그라우트 시공 후 초기부터 우수한 차수/방수효과가 확보할 수 있다. 나아가 겔화된 그라우트가 완전 경화가 진행됨과 동시에 미세공극이 자기치유 생성물로 충전되므로 그라우트의 강도를 향상시킬 수 있다.
넷째, 빠른 겔화와 자기치유 생성물의 단기간 빠른 생성을 통해 차수성능을 향상시킬 수 있기 때문에 물의 투수를 최소화에 따른 알칼리 용출수의 용탈 방지성능 향상시킬 수 있다. 특히 기존 그라우트는 무기바인더의 경화를 위해 강알칼리의 물유리를 다량 사용하기 때문에 내수성이 약한 물유리의 강알칼리이온이 다량 용출되는 문제가 있었으나, 본 발명은 침상결정형 유기복합체의 사용으로 바인더의 반응성을 향상시켜 겔화를 촉진시킬 수 있기 때문에 겔타임을 짧게 하기 위해 사용하는 물유리의 사용량을 크게 줄일 수 있어 강알칼리이온의 용출수준을 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 시험예에서 실시예와 비교예의 재령별 압축강도를 비교한 그래프이다.
도 2는 본 발명에 따른 시험예에서 실시예와 비교예의 재령별 자기치유 성능을 비교한 그래프이다.
본 발명은 빠른 겔화 특성으로 자기치유 생성물이 단기간 내에 빠르게 생성됨으로써 조기에 향상된 물리성능과 차수성능을 확보할 수 있는 자기치유 조기발현형 시멘트계 조성물에 관한 것으로, 시멘트, 미세결정화제를 포함하는 바인더; 소듐카르복실메틸셀룰로오스, 유기산, 아세트산칼륨을 포함하는 침상결정형 유기복합체; 물을 포함하는 액상제;를 포함하여 조성되는 것을 특징으로 한다. 바인더의 미세결정화제가 자기치유(자가증식) 특성을 발휘하는데, 침상결정형 유기복합체는 반응성 향상을 통해 바인더의 겔화를 촉진하여 미세결정화제에 의한 자기치유 생성물을 단기간 내에 빠르게 생성시키며, 이로써 본 발명의 시멘트계 조성물은 빠른 겔화 특성으로 경화체의 물리성능과 차수성능을 확보할 수 있게 된다.
본 발명은 자기치유 조기발현형 시멘트계 조성물을 모르타르, 콘크리트 등 다양한 용도로 적용할 수 있으며, 다만 본 발명에서는 일실시예로 그라우트 용도로 사용하기 위한 바람직한 조성을 제안한다. 그라우트 조성물은, 시멘트 10~20중량부, 2가 금속 급결제 0.5~2.0중량부, 팽윤제 1.5~3.5중량부, 미세결정화제 0.3~2.5중량부를 포함하는 바인더; 소듐카르복실메틸셀룰로오스 0.1~2.5중량부, 유기산 0.1~2.0중량부, 아세트산칼륨 0.1~2.5중량부를 포함하는 침상결정형 유기복합체; 규산소다계 용액 5~10중량부, 물 55~75중량부를 포함하는 액상제;를 포함하도록 조성한다. 나아가 바인더는 무기광물 반응촉진제 0.2~2.0중량부, 고반응성 무기광물 0.5~2.0중량부, 유동성 제어 첨가제 0.1~0.5중량부 중 하나 이상을 더 포함하고, 침상결정형 유기복합체는 염화칼슘 1.5~2.5중량부, 에틸렌카보네이트 0.1~1.5중량부 중 하나 이상을 더 포함하여 조성할 수 있다.
바인더에서 시멘트는 수화반응에 의한 겔을 형성하고, 강도 등 물리성능을 확보하는 재료가 된다. 시멘트는 10~20중량부 사용하는 것이 바람직한데, 10중량부 미만이면 물리성능이 부족하고, 20중량부 초과하면 현탁액 상태에서 경화가 발생하여 작업성이 부족하기 쉽다. 시멘트는 분말도 4,000~8,000㎤/g 범위를 갖는 보통포틀랜드시멘트, 고로슬래그시멘트, 플라이애시시멘트, 포틀랜드포졸란시멘트, 초조강시멘트, 초속경시멘트, 팽창성수경시멘트 중 하나 이상을 선택하면 적당하다.
바인더에서 2가 금속 급결제는 규산소다계 용액과 혼합시에 겔형성을 위한 재료로, 혼합비에 따라 겔형성 시간과 겔특성 제어가 가능하다. 2가 금속 급결제는 0.5~2.0중량부 사용하는 것이 바람직한데, 0.5중량부 미만이면 겔타임 저하 및 강도 특성 부족의 우려가 있고, 2.0중량부 초과하면 겔타임이 너무 짧아 지반주입 작업성이 떨어진다. 2가 금속 급결제는 마그네슘염(MgCO3, MgCl2, MgHPO4·3H2O, Mg(NO3)2, MgSO4, (CH3COO)2Mg 등)과 칼슘염(CaCO3, CaSO4, Ca3(PO4)2, Ca(NO3)2, (CH3COO)Ca 등) 중에서 하나 이상을 선택하여 사용하면 적당하다. 2가 금속 급결제는 전하량이 낮아 규산소다계 용액과 반응할 때 결합력이 강하며 이에 따라 내수성이 향상되어 수분에 의한 강알칼리이온 용탈특성이 낮아진다. 규산소다계 용액과의 효과적인 반응을 위해 [규산소다계 용액 중 SiO2/2가 금속 급결제]의 구성비는 2.9~59.2 molratio 범위내가 바람직하며, 더욱 적당하게는 5.4 molratio이다.
바인더에서 팽윤제는 현탁액 상태에서 겔화 형성시에 수분을 흡수하여 팽윤상태를 유지함으로써 수분배출/증발로 인한 수축현상 저감을 위한 재료가 된다. 팽윤제는 1.5~3.5중량부 사용하는 것이 바람직하며, 1.5중량부 미만이면 수축저감 효과가 낮고, 3.5중량부 초과하면 현택액의 점성이 높아 작업성이 떨어진다. 팽윤제는 수산화알루미늄, 수산화마그네슘 중에서 하나 이상으로 구성하면 적당한데, 수산화알루미늄, 수산화마그네슘은 반응형 판상 무기물로 수분과 반응하여 판상구조가 팽창하는 구조를 가지고 열분해에 의해서만 수축된다.
바인더에서 미세결정화제는 그라우트 경화체와 지반 사이 또는 그라우트 경화체의 미세간격에 미세결정을 형성하면서 충전됨으로써 자기치유(자가증식) 특성을 발휘하며, 이를 통해 그라우트와 지반간 밀착성을 향상시키는 재료가 된다. 미세결정화제는 0.3~2.5중량부 사용하는 것이 바람직하며, 0.3중량부 미만이면 미세결정 형성 특성이 낮아 충전 특성이 떨어지고, 2.5중량부 초과하면 그라우트 경화체의 물리성능 저하를 초래한다. 미세결정화제는, 특허 제10-1303622호에 따른 자기치유(자가증식) 특성의 혼화재를 사용한다. 다시 말해, Al2(SO4)3, AlK(SO4)2 중에서 하나 이상에 의한 수용성 무기질계 겔화재; CaSO4, CaSO4·2H2O, CaSO4·1/2H2O 중 하나 이상과 Na2SO4, K2SO4 중 하나 이상으로 구성된 알카리 설페이트; Na2O 함량이 35중량% 이상인 알루민산나트륨; 실리카퓸, 반응성 실리카 분말 중 하나 이상에 의한 실리카;를 포함하도록 구성하는 것이다. 특히 수용성 무기질계 겔화재 5~25중량%, 알카리 설페이트 5~45중량%, 알루민산나트륨 5~25중량%, 수용성 실리카 25~85중량%로 조성하는 것이 바람직하다.
바인더에서 무기광물 반응촉진제는 시멘트의 수화반응을 촉진하기 위함인데, 알루민산나트륨, 탄산리튬 중 하나 이상으로 구성하면 적당하다. 무기광물 반응촉진제는 0.2~2.0중량부 사용하는 것이 바람직하며, 0.2중량부 미만이면 수화반응 촉진 특성이 낮고 2.0중량부 초과하면 시멘트 수화반응에 의한 경화로 겔 형태가 부족하다.
바인더에서 고반응성 무기광물은 발열반응을 통해 시멘트의 수화경화 반응을 향상시키기 위한 재료가 되는데, 알루미나시멘트와 산화칼슘 중 하나 이상으로 구성하면 적당하다. 고반응성 무기광물은 0.5~2.5중량부 사용하는 것이 바람직하며, 0.5중량부 미만이면 수화반응 향상 정도가 떨어지고 2.5중량부 초과하면 급격한 발열반응에 의한 겔형성의 우려가 있다.
바인더에서 유동성 제어 첨가제는 겔화 형성에 도움이 되고 액상(물, 규산소다계 용액)과 혼합시에 분체가 침하되어 재료분리가 되는 것을 방지하기 위함이며, 증점제, 유동화제, 잔탄검, 구아검 중 하나 이상으로 구성하면 적당하다. 유동성 제어 첨가제는 0.1~1.0중량부 사용하는 것이 바람직하며, 0.1중량부 미만이면 분체 침하 방지효과가 미미하고 1.0중량부 초과하면 점성이 높아 이송 작업성이 떨어진다.
침상결정형 유기복합체에서 소듐카르복실메틸셀룰로오스는 알칼리 조건하에서 Ca(바인더의 시멘트 및/또는 미세결정화제에서 공급됨)와 반응하여 침상결정형 생성물을 형성한다. 특히 소듐카르복실셀룰로오스는 용해되어 미세한 부유형태의 유기섬유를 형성하게 되는데, 이러한 유기섬유는 미세한 침상결정 입자가 부착되어 점차적으로 침상형태가 길어지게 하지만 초기에 형성된 후 점차적으로 소멸되거나 건조되어 경화체의 물리성능 저하에는 영향을 미치지 않는다. 소듐카르복실메틸셀룰로오스는 0.1~2.5중량부를 사용하는 것이 바람직한데, 0.1중량부 미만이면 침상결정 생성이 낮아 충전특성이 저하되고, 2.5중량부 초과하면 혼합 교반시 입자가 엉겨 분산성이 낮아진다. 소듐카르복실메틸셀룰로오스는 점도(1% sol'n) 50~300cps, pH(1% sol'n) 6.5~8.5, 입도(80mesh 통과분) 95% 이상인 것이 바람직하다.
침상결정형 유기복합체에서 유기산은 침상형결정 생성물의 형성 및 제어를 통해 그라우트와 결정생성물 간의 밀착성을 향상시킨다. 다시 말해 유기산은 칼슘(Ca2+)이온의 용출을 촉진하는 효과가 있는데, 이를 통해 칼슘이온이 소듐카르복실셀룰로오스와 반응하여 탄산칼슘으로 형성되고 이렇게 형성된 탄산칼슘이 침상형태를 가지면서 생성되도록 하는데 영향을 준다. 유기산은 0.1~2.0중량부 사용하는 것이 바람직하며, 0.1중량부 미만이면 침상결정물 생성을 저하시키고 2.0중량부 초과하면 유기산의 과량으로 인해 그라우트의 물성을 저하시킨다. 유기산은 카르복실기(-COOH)를 가지는 말산과 무수구연산 중 하나 이상으로 구성하면 적당하다.
침상결정형 유기복합체에서 아세트산칼륨은 침상결정 생성물 반응에 필요한 조건제어를 통해 결정생성물의 형성에 최적화한다. 칼륨이온(K+) 자체가 반응 후 경화시간을 지연하는 효과가 있는데, 특히 그라우트의 겔화에 있어서 겔화형성 후 칼륨이온에 의해 경화체 내에 존재하는 에틸렌카보네이트 입자와 물유리 겔화제가 급격하게 경화되는 것을 방지하여 형성된 침상결정이 지속적으로 형성되도록 유지해 주는 역할을 한다. 아세트산칼륨은 0.1~2.5중량부가 바람직하며, 0.1중량부 미만이면 침상결정물 생성저하로 차수(방수)특성이 낮게되고, 2.5중량부 초과하면 칼륨이온에 의해 물유리의 겔화가 지연된다. 아세트산칼륨은 백색 용해성 결정분말로, pH(5% sol'n) 7.5~9.0, 건조손실(150℃ 2hrs) 1.0%이하, 불용해분 0.005% 이하이면 적당하다.
침상결정형 유기복합체에서 염화칼슘은 그라우트의 겔화반응시간 제어와 물리성능 향상에 기여하고, 에틸렌카보네이트는 물유리의 겔화촉진을 통해 그라우트의 물리성능과 침상결정 생성물과의 밀착성을 향상시킨다. 다시 말해 염화칼슘과 에틸렌카보네이트는 겔화 후 강도발현을 위해 급격하게 경화되기보다는 겔화 후 시멘트 바인더에 의해 경화된 시험체내에 분산되어 겔화된 입자형태로 존재하게 되는데, 이렇게 겔화된 입자형태는 주변에서 조기반응하여 급격하게 형성되는 침상결정이 겔화된 입자부위에서 생성 충전되면서 경화체의 물리성능 향상을 가능케 하며, 또한 침상결정이 조기에 생성되면서 연속적으로 침상형태를 가질 수 있도록 잡아주는 밀착성능을 나타내게 한다. 염화칼륨은 1.5~2.5중량부가 바람직하며, 1.5중량부 미만이면 그라우트 겔화 시간 단축을 저하시키고, 2.5중량부 초과하면 물유리와 급격하게 반응하여 부분 겔화를 발생시킨다. 염화칼륨은 백색분말로, 비중 1.9~2.15, pH(5% sol'n) 4.5~8.5인 것을 사용한다. 에틸렌카보네이트는 0.1~1.5중량부가 바람직하며, 0.1중량부 미만이면 그라우트의 겔화촉진 효과가 낮고, 1.5중량부 초과하면 부분적으로 빠른 겔화반응으로 인해 그라우트의 물성이 안정적이지 못하다. 에틸렌카보네이트는 밀도 1.30~1.35g/㎤, 용해도 214g/L, 녹는점 35~38℃, 끓는점 243~260℃인 것을 사용한다
액상제에서 규산소다계 용액은 2가 금속 급결제와 반응하여 짧은 시간 내에 겔화를 형성함으로써 초기 차수성능과 장기적인 물리성능을 확보할 수 있도록 하는 재료가 된다. 규산소다계 용액은 5~10중량부 사용하며, 5중량부 미만이면 겔타임이 길어지고 겔의 경화가 늦어 물리성능이 낮고 30중량부 초과하면 2가 금속 급결제와 미반응한 잔존물이 용탈되어 토양 및 지하수오염 영향을 미칠 우려가 있다. 또한 반응성을 고려할 때 규산소다계 용액은 SiO2/Na2O 몰비가 2.5 이상이며, 고형분 30% 이상인 것이 유리하다.
액상제에서 물은 분체의 분산과 겔화 반응 이온의 해리를 통한 겔화 형성 반응을 위한 재료가 되는데, 55~75중량부 사용한다. 55중량부 미만이면 현탁액의 이송/주입을 위한 작업성이 떨어지고, 75중량부 초과하면 겔타임이 저하하고 그라우트의 물리성능이 저하한다.
위와 같은 구성의 그라우트 조성물은 지반에 주입되면 차수성 증대와 지반강도 증진 효과. 자기치유(자가증식) 특성 등 고성능을 발휘하기 때문에 지반 그라우팅 공법에 유리하게 적용할 수 있다. 지반 그라우팅 공법은 고무패커, 주머니패커팩, 주입관 등을 통해 중력식주입, 단단가압주입, 다단가압주입 방법 등 통상의 방법에 따라 실시하면 된다.
한편 그라우트 조성물은 혼합/주입하는 방법을 다양하게 구성하여 그라우팅 공법을 구현할 수 있다. 가령 분체(바인더, 침상결정형 유기복합체)와 물(일부)을 1차 혼합하고, 규산소다계 용액과 물(나머지)을 2차로 혼합한 후, 1차 혼합물과 2차 혼합물을 혼합하면서 주입한다. 또는 분체와 물(전부)을 혼합한 후 여기에 규산소다계 용액을 다시 혼합하면서 주입한다. 또는 분체와 물(일부)을 혼합한 후 주입하면서 규산소다계 용액 또는 물(나머지)을 투입혼합하여 주입하고 계속해서 나머지 규산소다계 용액 또는 물(나머지)을 투입혼합하여 주입한다. 또는 분체와 물(전부)을 혼합하여 지반에 주입한 후 규산소다계 용액을 주입한다. 또는 규산소다계 용액을 1차로 지반에 주입한 후 분체와 물(나머지)을 혼합한 혼합물을 2차로 주입한다.
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 조성
아래 [표 2] 및 [표 3]과 같은 조성으로 그라우트를 조성하였다.
그라우트 조성
구분 실시예1 실시예2 실시예3 비교예 비고
바인더 보통 포틀랜드
시멘트		 17 14 14 16 분말도 3,300~3,500㎤/g
무기광물
반응촉진제		 0.6 0.4 0.4 0.6 sodium aluminate(Na2O+Al2O3:92%이상, bulk density 0.40~0.70g/㎠)
고반응성무기광물 1.2 1.2 1.1 1.3 calcium oxide(CaO함량 85%이상, Lg loss 3.3%, 비중 3.3)
2가금속급결제 1.2 1.0 0.9 1.1 MgHPO4:Ca3(PO4)2=4:1중량비로 혼합.
(규산소다계용액 중 SiO2)/(2가금속급결제)=5.4molratio
반응형판상팽윤제 1.9 0.9 1.7 1.9 magnesium hydroxide(Mg(OH)2 함량 97%, 평균입경 6~12micron)
미세결정화제 1.0 1.0 0.9 1.0 particle size 200mesh, 비중 3.2±0.03
유동성제어 첨가제 0.3 0.2 0.2 0.3 잔탄검(particle size 80mesh, 점도(1%KCl) 1,200~1,600cps, pH 5.5~8. loss on drying 6~14%
침상
결정형
유기
복합체		 소듐카르복실메틸셀룰로오스 0.82 1.56 2.07 0 점도(1% sol'n) 80cps, pH(1% sol'n) 7.1, 입도(80mesh 통과분) 98.2%
염화칼슘 1.68 2.55 2.40 0 비중 2.05, pH(5% sol'n) 6.8
유기산 0.55 0.70 0.81 0 말산(녹는점 127~132℃,비중 1.66)
아세트산칼륨 0.58 0.64 1.00 0 pH(1% sol'n) 8.0, 건조손실(150℃ 2hrs) 0.2%, 불용해분 0.002%
에틸렌카보네이트 0.27 0.35 0.52 0 밀도 1.32g/㎤, 용해도 214g/L, 녹는점 35~38℃, 끓는점 243~260℃
액상제 규산소다계열 5.9 6.5 6.0 12.8 규산소다용액(비중 1.38이상, SiO2/Na2O몰비 3.1~3.4, 물불용분 0.2%이하
물 67 69 68 65 일반용수(14~15℃)
계 100 100 100 100 -
2. 그라우트 조성물의 특성
위 [표 2]에 따른 조성의 그라우트 조성물에 대하여 겔타임, 압축강도, 용탈성능, 자기치유(자가증식) 성능을 조사하였다. 겔타임은 바인더, 침상결정형유기복합체, 액상제를 혼합 교반한 후 유동성이 정지되는 시간으로 측정하였다. 압축강도는 성형 후 항온항습조건에서 1,3,7일 양생일 별로 측정하였다. 자기치유성능은 시험체 상하부를 0.3~0.5mm 간격의 관통부를 가지도록 성형하여 항온항습조건에서 1일간 양생한 후 성형된 간격부위를 통해 물을 지속적으로 투수한 상태에서 투수 경과 1,3,7일차별로 초기 투수량 대비 투수량감소율(%)로 확인하였다. 용탈성능은 1일 양생한 시험체에 대해 물에 48hrs 침지 경과한 후 물에 존재하는 규소(Si)농도를 측정하여 평가하였는데, 규소농도가 높을수록 용탈현상에 의한 오염영향과 물리성능 저하가 큰 것으로 볼 수 있다. 그 결과 아래 [표 3] 및 도 1,2와 같이 나타냈다.
그라우트 조성물의 특성
구 분 실시예1 실시예2 실시예3 비교예
겔타임(초) 18 21 16 35
압축강도(㎫) 1일차 1.82 1.91 1.87 1.40
3일차 2.31 2.23 2.12 1.57
7일차 2.51 2.34 2.40 1.62
자기치유성능(%)
(투수량감소율)		 1일차 60.5 62.2 63.1 3.7
3일차 72.2 74.0 73.7 16.8
7일차 85.0 83.6 84.6 27.7
용탈특성(ppm) 5이하 5이하 5이하 10이하
위 [표 4]에서 보는 바와 같이, 겔타임은 침상결정형유기복합체가 적용된 실시예1~3에서 비교예에 비해 짧은 겔타임을 나타냈으며, 이를 통해 실시예1~3이 차수(방수)용도의 그라우트 용도로 더 적합한 것으로 본다.
압축강도는 실시예1~3 모두 지반 그라우트 용도로 우수한 성능을 가지는 것으로 나타냈다. 다만 침상결정형 유기복합체를 사용하지 않은 비교예는 실시예 1~3에 비해 상대적으로 낮은 압축강도가 확인되었으며, 이는 실시예1~3은 자기치유 생성물이 초기에 빠르게 생성되어 미세공극 충전과 지반과의 밀착성이 향상된 반면에 비교예는 자기치유 생성물의 생성이 느리게 진행되어 재령일 경과에 따른 압축강도 발현이 늦은 것 때문으로 본다.
자기치유 성능은 실시예1~3에서 투수경과 1일차부터 높게 나타난 것을 확인하였는데, 이는 투수시에 시험체의 내부 간격부분에서 자기치유 생성물이 빠르게 생성 충전됨으로써 차수(방수)효과가 향상된 것 때문으로 파악된다. 반면에 비교예는 자기치유 성능이 실시예에 비해 크게 낮을 것으로 나타났는데, 이에 따라 침상결정형 유기복합체를 사용하지 않은 배합에서는 자기치유 물질이 초기에 빠르게 생성되지 않아 초기 대비 투수량 저감율이 크지 않은 것으로 볼 수 있다. 또한 초기 투수량이 높으면 투수되는 물에 의해 서서히 생성되는 자기치유 생성물이 충분히 생성 충전되지 못하게 되는데, 이 때문에 비교예는 자기치유 성능이 크게 저하된 것으로도 볼 수 있다.
용탈특성은 비교예에 비해 실시예1~3에서 더 낮은 것으로 확인되었으며, 이는 실시예1~3의 시험체가 비교예 시험체보다 자기치유 생성물이 더 빠르게 생성 충전되고 더 빠른 경화특성으로 인해 투수량 감소에 따른 것으로 본다. 용탈성능이 높을수록 시험체에서 용탈되는 알칼리이온에 의해 주변 지하수오염과 지반오염에 영향이 큰 것으로 볼 수 있으므로, 비교예에 비해 실시예1~3이 오염에 안전하다고 할 수 있다.

Claims (6)

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  2. 시멘트 10~20중량부, 2가 금속 급결제 0.5~2.0중량부, 팽윤제 1.5~3.5중량부, 미세결정화제 0.3~2.5중량부를 포함하는 바인더;
    소듐카르복실메틸셀룰로오스 0.1~2.5중량부, 유기산 0.1~2.0중량부, 아세트산칼륨 0.1~2.5중량부를 포함하는 침상결정형 유기복합체;
    규산소다계 용액 5~10중량부, 물 55~75중량부를 포함하는 액상제;
    를 포함하여 그라우트용으로 조성되되,
    상기 바인더 중 미세결정화제는,
    Al2(SO4)3, AlK(SO4)2 중에서 하나 이상에 의한 수용성 무기질계 겔화재; CaSO4, CaSO4·2H2O, CaSO4·1/2H2O 중 하나 이상과 Na2SO4, K2SO4 중 하나 이상으로 구성된 알카리 설페이트; Na2O 함량이 35중량% 이상인 알루민산나트륨; 실리카퓸, 반응성 실리카 분말 중 하나 이상에 의한 실리카;를 포함하여 구성된 것임을 특징으로 하는 침상결정형 유기복합체가 함유된 자기치유 조기발현형 시멘트계 조성물.
  3. 제2항에서,
    상기 바인더는, 분말도 4,000~8,000㎤/g 범위를 갖는 보통포틀랜드시멘트, 고로슬래그시멘트, 플라이애시시멘트, 포틀랜드포졸란시멘트, 초조강시멘트, 초속경시멘트, 팽창성수경시멘트 중 하나 이상에 의한 시멘트, 마그네슘염과 칼슘염 중 하나 이상에 의한 2가 금속 급결제, 수산화알루미늄과 수산화마그네슘 중 하나 이상에 의한 팽윤제를 이용하며,
    상기 액상제 중 규산소다계 용액은, SiO2/Na2O 몰비가 2.5 이상이면서 고형분 30중량% 이상을 포함하는 것이며,
    상기 액상제의 규산소다계 용액 중 SiO2와 상기 바인더 중 2가 금속 급결제의 몰비가 2.9~59.2인 것임을 특징으로 하는 침상결정형 유기복합체가 함유된 자기치유 조기발현형 시멘트계 조성물.
  4. 제2항에서,
    상기 바인더는, 무기광물 반응촉진제 0.2~2.0중량부, 고반응성 무기광물 0.5~2.5중량부, 유동성 제어 첨가제 0.1~1.0중량부 중 하나 이상을 더 포함하고,
    상기 침상결정형 유기복합체는, 염화칼슘 1.5~2.5중량부, 에틸렌카보네이트 0.1~1.5중량부 중 하나 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 침상결정형 유기복합체가 함유된 자기치유 조기발현형 시멘트계 조성물.
  5. 제4항에서,
    상기 바인더는, 알루민산나트륨과 탄산리튬 중 하나 이상에 의한 무기광물 반응촉진제, 알루미나 시멘트와 산화칼슘 중 하나 이상에 의한 고반응성 무기광물, 증점제, 유동화제, 잔탄검, 구아검 중 하나 이상에 의한 유동성 제어 첨가제를 이용하는 것을 특징으로 하는 침상결정형 유기복합체가 함유된 자기치유 조기발현형 시멘트계 조성물.
  6. 제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 침상결정형 유기복합체가 함유된 자기치유 조기발현형 시멘트계 조성물을 지반에 주입하는 것을 특징으로 하는 지반 그라우팅 공법.
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