KR101870697B1 - 지하수 지반용 토양고화재 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지하수층이나 저수지에 인접하여 함수율이 높은 지반에 고강도의 구조물을 형성할 수 있는 지하수 지반용 토양고화재에 관한 것으로, 본 발명에 따른 지하수 지반용 토양고화재는 시멘트 50 내지 55 중량부, 슬래그 45 내지 50 중량부로 구성되는 기본 결합재 및 상기 기본 결합재 100 중량부에 대해 증점제 0.16 내지 0.72 중량부, 유동화제 0.4 내지 0.6 중량부, 안정화제 0.08 내지 0.48 중량부로 조성되는 첨가제로 구성되는 것을 기술적 특징으로 한다.

Description

지하수 지반용 토양고화재 {GROUND HARDENING MATERIAL FOR GROUND WITH GROUNDWATER}

본 발명은 토양고화재에 관한 것으로, 특히 지하수층이나 저수지에 인접하여 함수율이 높은 지반에 고강도의 구조물을 형성할 수 있는 지하수 지반용 토양고화재에 관한 것이다.

건축물이나 교량 기타 지상 구조물을 설치할 때에는 지반의 상태에 따라 차이가 있기는 하나 지반 보강 공사를 먼저 수행하게 된다. 지반의 보강은 일반적으로 흙, 모래 등의 토양에 시멘트와 물을 혼합하여 경화시킴으로써 이루어진다. 그런데 지반에 물이 많이 포함된 고함수 지반의 경우 일반 고화재로는 경화가 어렵고, 고화재가 물에 녹아 지하수 등의 수질을 악화시키는 문제가 있어 고함수 지반의 경우에는 첨가물을 첨가하여 에트린자이트 반응을 유도함으로써 지반의 경도를 강화하는 방법이 일반적으로 쓰이고 있다.

‘특허문헌 1’은 종래의 ‘고함수토의 지반개량형 고화재 조성물’로서, 특허문헌 1에는 알루미노-실리케이트계 산업부산물, 석고계 부산물, 알칼리계 부산물로 구성되는 고함수 지반용 고화재 조성물이 개시되어 있다. 그러나 최근 건물의 고층화 등으로 인해 고강도 지반이 요구되는 상황에서 종래의 고화재 조성물로는 고함수 지반을 충분히 고강도로 형성할 수 없는 문제점이 있다.

KR 10-2005-0081980 A (2005. 8. 22.)

본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 수분 함량이 많은 토질에 고강도의 지반을 형성할 수 있는 토양고화재를 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 지하수 지반용 토양고화재는 시멘트 50 내지 55 중량부, 슬래그 45 내지 50 중량부로 구성되는 기본 결합재 및 상기 기본 결합재 100 중량부에 대해 증점제 0.16 내지 0.72 중량부, 유동화제 0.4 내지 0.6 중량부, 안정화제 0.08 내지 0.48 중량부로 조성되는 첨가제로 구성되는 것을 기술적 특징으로 한다.

본 발명에 따른 지하수 지반용 토양고화재는 지하수 지반 등 수분 함유량이 많아 재료분리 및 재료유실에 의해 일반적인 시멘트계 고화재로 경화시키기 어려운 지반을 경화시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 지하수 지반용 토양고화재의 조성을 찾기 위하여 본 발명자들이 배합한 기본 결합재의 조성
도 2는 도 1의 기본 결합재에 첨가제를 배합하여 측정한 성형 실험한 결과 데이터
도 3은 균열 및 침하가 발생된 실험체의 이미지
도 4는 실험예 5 및 6의 조건에서 고함수 지반의 일축압축강도를 측정한 실험 결과 데이터
도 5는 Mix 5 및 6에 대해 첨가제의 양을 -20%, 0%, 20%로 조절한 실험체의 일축압축강도를 측정한 실험 결과 데이터

이하에서는 본 발명에 따른 지하수 지반용 토양고화재를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명자들은 먼저 시멘트, 슬래그 등으로 구성되는 기본 결합재에 첨가제를 배합하고 본 발명에 따른 지하수 지반용 토양고화재 중 기본 결합재의 최적 조성을 찾기로 했다.

본 발명자들의 경험상 수분이 많은 토질의 경우 기본 결합재 중 시멘트 함량이 50% 이상이 되어야 하는 점을 감안하여, 시멘트를 50 내지 60 중량부로 하고, 나머지 40 내지 50 중량부를 슬래그, 플라이 애시, 탈황석고를 섞어 기본 결합재를 조성했다.

도 1은 본 발명에 따른 지하수 지반용 토양고화재의 조성을 찾기 위하여 본 발명자들이 배합한 기본 결합재의 조성이고, 도 2는 도 1의 기본 결합재에 첨가제를 배합하여 측정한 성형 실험한 결과 데이터이다.

본 발명에 따른 토질개선용 토양고화재는 시멘트, 슬래그 등으로 구성되는 기본 결합재 및 증점제, 유동화제, 안정화제로 구성되는 첨가제로 조성된다.

증점제는 토양고화재에 점성을 부여하기 위한 첨가물이다. 고함수 지반(예를 들면, 지하수 지반)에서는 지반에 존재하는 지반수가 경화를 방지(재료유실 현상, 고함수에 따른 고화재 경화미비현상)하므로 증점제가 필수 구성요소이다. 증점제는 셀룰로스계 수용성 고분자, 아크릴계 수용성 고분자, 바이오 폴리머, 글리콜계 수용성 고분자 및 무기증점제 중 하나 또는 둘 이상이 혼합되어 조성될 수 있다.

유동화제는 시멘트 입자 간의 응집작용을 억제하여 시공연도(workability)를 부여하기 위하여 첨가되는 물질로서, 멜라민설폰산포름알데히드 고축합물염계, 나프탈렌설폰산포름알데히드 고축합물염계, 계량리그닌설폰산염계 물질이 있다.

안정화제는 본 발명에 따른 지하수 지반용 토양고화재가 토양과 섞였을 때 흙 입자와 지하수 지반용 토양고화재 입자가 분리되지 않도록 하기 위하여 첨가되는 물질로서, 폴리사카라이드가 대표적이고 본 발명자들의 이하의 실험에서도 폴리사카라이드를 사용했다.

소포제는 지반 내 기포 발생을 억제할 필요가 있는 경우 첨가될 수 있는 물질이다. 기본 결합재에 증점제를 첨가할 경우 화학반응에 의해 다량의 기포가 발생되는데 이러한 기포는 작업성을 높이는 장점이 있으나, 강도발현에 악영향을 미치기 때문에 지반을 목표 강도로 형성할 수 있는 범위 내에서 제한적으로 사용될 필요가 있다.

(실험예 1) 시멘트 60 중량부, 슬래그 40 중량부로 기본 결합재를 구성(Mix 1)하고, 기본 결합재 100 중량부에 대해 증점제 0.4 내지 1 중량부, 유동화제 0.5 중량부, 소포제 0.3 중량부, 안정화제 0.1 중량부를 첨가제로 배합하여 고함수 지반을 성형 실험한 결과 첨가제의 모든 조성(실험 1 내지 4)에 대해 도 3과 같은 균열 및 침하가 발생되는 것을 확인했다. 따라서 시멘트 60 중량부, 슬래그 40 중량부로 조성되는 기본 결합재는 후보에서 제외했다. 한편, Mix 1로 실험을 하면서 본 발명자들은 증점제 함량이 높은 경우 경화도가 낮아지는 경향이 발생되는 것을 관찰했고, 이후의 실험에서는 증점제의 함량을 줄이는 선택(증점제 1 중량부 실험을 배제)을 했다.

(실험예 2) 시멘트 50 중량부, 슬래그 40 중량부, 플라이 애시 10 중량부로 기본 결합재를 구성(Mix 2)하고, 기본 결합재 100 중량부에 대해 증점제 0.4 내지 0.8 중량부, 유동화제 0.5 중량부, 안정화제 0.1 중량부, 소포제 0 내지 0.3 중량부를 첨가제로 배합하여 고함수 지반을 성형 실험한 결과 첨가제의 모든 조성(실험 5 내지 7)에 대해 균열 및 침하가 발생되는 것을 확인했고, 플라이 애시의 첨가는 고함수 지반의 경화에 큰 영향을 주지 않는 것으로 판단했다. 그리고 시멘트 50 중량부, 슬래그 40 중량부, 플라이 애시 10 중량부로 조성되는 기본 결합재는 후보에서 제외했다.

(실험예 3) 시멘트 50 중량부, 슬래그 40 중량부, 플라이 애시 5 중량부, 탈황석고 5 중량부로 기본 결합재를 구성(Mix 3)하고, 기본 결합재 100 중량부에 대해 증점제 0.4 내지 0.8 중량부, 유동화제 0.5 중량부, 안정화제 0.1 중량부, 소포제 0 내지 0.3 중량부를 첨가제로 배합하여 고함수 지반을 성형 실험한 결과 첨가제의 모든 조성(실험 8 내지 10)에 대해 균열 및 침하가 발생되는 것을 확인했고, 시멘트 50 중량부, 슬래그 40 중량부, 플라이 애시 5 중량부, 탈황석고 5 중량부로 조성되는 기본 결합재는 후보에서 제외했다.

실험예 3은 탈황석고의 배합이 고함수 지반의 경화에 영향을 주는지를 살펴보기 위한 것으로, 탈황석고와 플라이 애시를 각각 5 중량부씩 배합한 것이다.

(실험예 4) 시멘트 50 중량부, 슬래그 40 중량부, 탈황석고 10 중량부로 기본 결합재를 구성(Mix 4)하고, 기본 결합재 100 중량부에 대해 증점제 0.4 내지 0.8 중량부, 유동화제 0.5 중량부, 안정화제 0.1 중량부, 소포제 0 내지 0.3 중량부를 첨가제로 배합하여 고함수 지반을 성형 실험한 결과 첨가제의 모든 조성(실험 11 내지 13)에 대해 균열 및 침하가 발생되는 것을 확인했고, 시멘트 50 중량부, 슬래그 40 중량부, 탈황석고 10 중량부로 조성되는 기본 결합재는 후보에서 제외했다.

실험예 4는 실험예 3에서 탈황석고의 비율을 더 높인 것으로, 실험예 2 내지 4를 통해 본 발명자들은 탈황석고와 플라이 애시의 혼합 여부 및 혼합비가 고함수 지반의 경화에 큰 영향을 주지 않는 것으로 판단했다.

한편, Mix 2 내지 4로 실험을 하면서 본 발명자들은 증점제 함량이 여전히 높다고 판단했고, 이후의 실험에서는 증점제의 함량을 더욱 줄이는 선택(증점제가 0.2 내지 0.6 중량부 포함되도록 함)을 했다.

(실험예 5) 시멘트 55 중량부, 슬래그 45 중량부로 기본 결합재를 구성(Mix 5)하고, 기본 결합재 100 중량부에 대해 증점제 0.2 내지 0.6 중량부, 유동화제 0.5 중량부, 안정화제 0.1 중량부, 소포제 0 내지 0.3 중량부를 첨가제로 배합하여 고함수 지반을 성형 실험한 결과 첨가제의 모든 조성(실험 14 내지 16)에 대해 지반이 적절히 성형되는 것을 확인했고, 시멘트 55 중량부, 슬래그 45 중량부로 조성되는 기본 결합재를 후보로 채택했다.

(실험예 6) 시멘트 50 중량부, 슬래그 50 중량부로 기본 결합재를 구성(Mix 6)하고, 기본 결합재 100 중량부에 대해 증점제 0.2 내지 0.6 중량부, 유동화제 0.5 중량부, 안정화제 0.1 중량부, 소포제 0 내지 0.3 중량부를 첨가제로 배합하여 고함수 지반을 성형 실험한 결과 첨가제의 모든 조성(실험 17 내지 19)에 대해 지반이 적절히 성형되는 것을 확인했고, 시멘트 50 중량부, 슬래그 50 중량부로 조성되는 기본 결합재를 후보로 채택했다.

(실험예 7) 다음으로 기본 결합재와 첨가재로 구성되는 본 발명에 따른 지하수 지반용 토양고화재를 w/c 100인 조건, 즉 물 500g에 실험용 고화재 500g의 비율로 혼합하여 재령 일차에 따른 일축압축강도를 측정했다. 도 4는 실험예 5 및 6의 조건에서 고함수 지반의 일축압축강도를 측정한 실험 결과 데이터이다. 편의상 첨가제의 조성이 동일한 실험은 하나의 칼럼에 표시했다. 즉, 실험 14와 17은 증점제 0.6, 유동화제 0.5, 안정화제 0.1, 소포제 0.3으로 첨가제의 조성이 동일하므로 하나의 칼럼에 표시했고, 실험 15와 18, 실험 16과 19에 대해서도 같은 방식으로 하나의 칼럼에 표시했다.

Mix 5, 6은 재령 7일 차에서 모두 종래의 ‘고함수토의 지반개량형 고화재 조성물’의 재령 7일 차에 비해 높은 일축압축강도를 보였으므로, 본 발명자들은 시멘트 50 내지 55 중량부, 슬래그 45 내지 50 중량부를 기본 결합재의 바람직한 조성으로 결정했다(특허문헌 1에는 재령 7일 차까지만 일축압축강도가 기재되어 있어 재령 28일차의 압축강도는 비교할 수 없다).

(실험예 8) 다음으로 토양 배합 실험을 지하수 지반의 흙과, 물, 실험용 고화재의 중량비 4:1:1인 조건에서 수행했다. 도 5는 Mix 5 및 6에 대해 첨가제의 양을 -20%, 0%, 20%로 조절한 실험체의 일축압축강도를 측정한 실험 결과 데이터로, 가령 실험 14의 경우 저첨가(-20%)는 증점제 0.48 중량부, 유동화제 0.4중량부, 안정화제 0.08 중량부, 소포제 0.24 중량부인 실험체를 측정한 것이고, 기본은 증점제 0.6 중량부, 유동화제 0.5 중량부, 안정화제 0.1 중량부, 소포제 0.3 중량부인 실험체를 측정한 것이며, 고첨가(+20%)는 증점제 0.72 중량부, 유동화제 0.6중량부, 안정화제 0.12 중량부, 소포제 0.36 중량부인 실험체를 측정한 것이다(다른 실험도 저첨가, 기본, 고첨가가 각 첨가물의 양을 -20%, 0%, 20%로 한 것인 점은 동일하다).

본 발명자들은 실험예 8에서 재령 28일차 일축압축강도가 최저 2.894MPa(실험 15의 기본)에서 최고 6.345MPa(실험 19의 기본)로 고함수 지반을 상당히 높은 강도로 경화시킬 수 있음을 확인했고, 실험 14 내지 19의 저첨가, 기본, 고첨가 케이스가 모두 본 발명에 따른 지하수 지반용 토양고화재의 조성으로 적합한 것으로 판단했다. 일축압축강도가 약 3 내지 6MPa인 지반의 경우, 건설장비 진입로로 활용하거나, 파일드라이브 장비를 이용한 공사(예를 들면, 연약지반개량 공사)에 활용될 수 있는 정도로 일반적인 건설공사를 하는데에는 충분한 강도의 지반이다.

이상의 실험에서 본 발명자들은 시멘트 50 내지 55 중량부, 슬래그 45 내지 50 중량부로 구성되는 기본 결합재에, 기본 결합재를 100 중량부로 보았을 때 증점제 0.16 중량부 내지 0.72 중량부, 유동화제 0.4 내지 0.6 중량부, 안정화제 0.08 내지 0.48 중량부로 구성되는 첨가제가 배합된 것을 본 발명에 따른 지하수 지반용 토양고화재의 최적 조성으로 도출했다. 그리고 소포제는 기포 발생 상황에 따라 첨가될 수 있는데, 첨가되는 경우 기본 결합재를 100 중량부로 보았을 때 소포제 0.24 내지 0.36 중량부가 더 부가되는 것이 바람직하다.

Claims (5)

1. 시멘트 50 내지 55 중량부, 슬래그 45 내지 50 중량부로 구성되는 기본 결합재 및
   상기 기본 결합재 100 중량부에 대해 증점제 0.16 내지 0.72 중량부, 유동화제 0.4 내지 0.6 중량부, 안정화제 0.08 내지 0.48 중량부로 조성되는 첨가제로 구성되는 것을 특징으로 하는 지하수 지반용 토양고화재.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 첨가제에 상기 기본 결합재 100 중량부에 대해 0.24 내지 0.36 중량부의 소포제가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 지하수 지반용 토양고화재.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 증점제는 셀룰로스계 수용성 고분자, 아크릴계 수용성 고분자, 바이오 폴리머, 글리콜계 수용성 고분자 및 무기증점제 중 어느 하나 또는 둘 이상이 혼합된 것을 특징으로 하는 지하수 지반용 토양고화재.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 유동화제가 멜라민설폰산포름알데히드 고축합물염계, 나프탈렌설폰산포름알데히드 고축합물염계, 계량리그닌설폰산염계 물질 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 지하수 지반용 토양고화재.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 안정화제가 폴리사카라이드인 것을 특징으로 하는 지하수 지반용 토양고화재.

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