KR101903462B1 - 급결성 광산 차수재 조성물을 이용한 광산 차수재 시공방법 - Google Patents

급결성 광산 차수재 조성물을 이용한 광산 차수재 시공방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 차수층 형성 대상면을 안정화 시키는 단계(제1단계); 골재, 바인더 및 유동화제를 혼합하여 차수재를 제조하는 단계(제2단계); 상기 차수재에 물을 혼합하고, 바인더 함량 대비 5 내지 8중량%의 급결제를 혼합하여 숏크리트 모르타르를 형성하는 단계(제3단계); 상기 숏크리트 모르타르를 뿜칠장비를 사용하여 차수층 형성 대상면에 타설하여 차수층을 형성하는 단계(제4단계); 및 상기 차수층을 양생하는 단계(제5단계)를 포함하는 급결성 광산 차수재 조성물을 이용한 광산 차수재 시공방법를 포함하는 급결성 광산 차수재 조성물을 이용한 광산 차수재 시공방법을 제공한다.
따라서 휴폐광산에 차수층을 대량으로 타설하고 조기 응결하여 침출수의 유출을 방지함으로써 유해금속 및 유기물질의 이동을 방지할 수 있다.

Description

급결성 광산 차수재 조성물을 이용한 광산 차수재 시공방법{Constructive method of mine liner and cover material having accelerator composite}
본 발명은 급결성 광산 차수재 조성물을 이용하여 휴·폐광산 내부에 차수층을 형성할 수 있는 광산 차수재 시공방법에 관한 것이다.
대한민국 국내에는 가행광산과 휴·폐광산을 합하여 약 5,000개 이상의 광산이 존재하며 이 중 지하 공동이 존재하는 광산은 약 2,000개 이상으로 추정되고 있다.
이러한 광산의 존재로 인해 다양한 환경오염 문제가 제기되고 있다. 광산이 환경적 오염으로 문제가 되기 시작한 1990년대 중반 이후부터 정부의 환경오염정화 정책이 추진되어 왔다.
현재 국내에서 발생하고 있는 폐광산 주변 지역의 오염은 산성광산배수와 침출수 유출 등의 문제가 발생되고 있으며, 지반 침하 등으로 인한 싱크홀 발생으로 인한 안전사고를 유발시킬 수 있다.
폐광산을 안정화시키기 위한 방법으로는 갱내충전법이 있다. 갱내충전법으로는 단순하게 폐석을 단독으로 충전하거나 폐석과 함께 시멘트, 플라이애쉬 등 첨가제를 혼합하여 충전하는 방법으로 구분되고 있으며, 현재 다양한 충전재에 관한 연구가 진행 중에 있다.
그러나 충전재의 경우 토양오염 등 2차적인 환경문제를 일으킬 가능성이 있으며 이러한 문제를 해결하기 위해 충전층에 차수층을 설치하여 유해물질이 주변 환경으로 이동하는 것을 차수층의 두께와 투수속도로 예측되는 기간 동안 지연시키는 역할을 하여 환경적인 문제를 해결하고 있다.
또한 유출된 유해물질을 인위적으로 처리함으로써 주변 환경에 미치는 영향을 최소화하고 차수층 재료가 갖는 유해 금속 및 유기물질의 이동 억제능을 이용하여 2차 방어 효과를 발현하는 역할을 한다.
이러한 차수재를 시공하기 위해서는 타설압에 대한 반발률을 감소시키고 조기 응결을 얻음으로써 리바운드 저감, 지반의 이완을 조기에 억제하기 위해 급결제(accelerator) 사용이 필수적이다.
그러나 급결제를 과량 첨가할 경우 급격한 물성저하를 가져올 수 있으며 소량 첨가할 경우 급결 성능이 떨어지는 문제가 있다.
한편 휴·폐광산에 차수층을 시공하는 방법으로 표면 차수막 공법이 주로 사용되며, 표면 차수막 공법은 휴·폐광산에 불투수층이 존재하지 않으며 투수계수가 큰 경우에 적용이 가능한데, 우선 대상면 표면을 안정화한 이후에 차수재를 도포하는 방법으로 시공된다.
표면 차수막 공법은 차수층을 대량으로 형성하기 유리하나, 차수재의 종류에 따라 균열일 발생하고 시공면에서 분리되는 문제가 있다.
따라서 새로운 급결제 선택 및 급결제 선택에 따라 건설공사 품질시험기준을 만족하는 급결제의 최적 함량의 확인이 매우 시급하며, 숏크리트 모르타르로 제조되어 차수재 조성물을 대량으로 시공할 수 있는 차수재의 시공방법의 표준화 작업이 매우 필요한 실정이다.
이와 관련된 선행문헌으로는 대한민국 공개특허 제2013-0122162호(공개일: 2013.11.07)에 개시되어 있는 광산 폐기물 및 친환경고화재를 활용한 저강도, 고유동성 광산 채굴적 충진재 조성물 및 대한민국 특허 제0787819호(공고일: 2007.12.21) 고밀도 차수막 형성 및 복원력을 갖는 고강도 차수층시공방법이 있다.
대한민국 공개특허공보 제2013-0122162호(공개일: 2013.11.07) 대한민국 특허 제0787819호(공고일: 2007.12.21)
따라서, 본 발명은 휴·폐광산 침출수의 유출을 방지하기 위하여 차수층을 형성하되, 차수층이 조기 응결될 수 있도록 급결제를 선택하고 정량하여 숏크리트 모르타르를 제조한 이후에 뿜칠 장비를 통하여 시공면에 대량으로 타설하여 차수층을 효율적으로 형성할 수 있는 급결성 광산 차수재 조성물을 이용한 광산 차수재 시공방법을 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제(들)는 이하의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 차수층 형성 대상면을 안정화 시키는 단계(제1단계); 골재, 바인더 및 유동화제를 혼합하여 차수재를 제조하는 단계(제2단계); 상기 차수재에 물을 혼합하고, 바인더 함량 대비 5 내지 8중량%의 급결제를 혼합하여 숏크리트 모르타르를 형성하는 단계(제3단계); 상기 숏크리트 모르타르를 뿜칠장비를 사용하여 차수층 형성 대상면에 타설하여 차수층을 형성하는 단계(제4단계); 및 상기 차수층을 양생하는 단계(제5단계)를 포함하는 급결성 광산 차수재 조성물을 이용한 광산 차수재 시공방법을 제공한다.
또한 상기 차수층 형성 대상면은 휴·폐광산 또한 가행광산의 바닥면 또는 사면일 수 있다.
또한 상기 제 2단계에서 상기 차수재는 골재 60 내지 65 중량%, 바인더 32 내지 37 중량%, 및 유동화제0.01 내지 3 중량%를 혼합할 수 있다.
또한 상기 제2단계에서 상기 급결제는 알루미네이트(aluminate)계 또는 알칼리프리(alkali free)계 급결제일 수 있다.
또한 상기 알루미네이트계 급결제는 초결 시간은 3 내지 5분, 종결 시간은 4 내지 10분 내에 차수재의 결합반응이 완료되고, 상기 알칼리프리계 급결제는 초결 시간이 4 내지 40분, 종결 시간은 9 내지 45분 내에 차수재의 결합반응이 완료될 수 있다.
또한 상기 급결제가 알칼리프리계 급결제인 경우에 차수층의 압축강도가 알루미네이트계 급결제보다 30 내지 40% 증가될 수 있다.
또한 상기 급결제가 알칼리프리계 급결제인 경우에 차수층의 건조수축변화가 알루미네이트계 급결제보다 감소될 수 있다.
또한 상기 제2단계에서 상기 골재는 3회의 단계분리를 통하여 평균 직경 0.15 내지 2 mm 로 조절될 수 있다.
또한 상기 제 2단계에서 상기 바인더는 포틀랜드시멘트(OPC) 51 내지 53 중량%, 슬래그 41 내지 43 중량% 및 칼슘설포알루미네이트(CSA) 5 내지 6 중량% 를 함유할 수 있다.
또한 상기 제2단계에서, 상기 바인더는 포틀랜드시멘트 및 슬래그를 혼합하고, 칼슘설포알루미네이트를 더 첨가하여 혼합될 수 있다.
또한 상기 제3단계에서, 상기 차수재에 대하여 물 비율을 18%(water ratio)로 하여 물을 혼합할 수 있다.
또한 상기 제1단계에서 상기 차수층 형성 대상면을 안정화 한 이후에 지지체 구조물을 삽입하여 설치하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 휴·폐광산 및 가행광산에서 침출수의 유출을 방지하는 차수층을 조기 응결시켜 대량으로 타설할 수 있는 광산 차수재 시공방법을 제공한다.
또한 차수층이 형성되어 유해금속 및 유기물질의 이동을 억제하여 휴·폐광산으로 인한 환경오염을 방지할 수 있다.
또한 타설되는 급결성 광산 차수재 조성물은 급결제를 함유하여 건설공사 품질시험기준에 만족하는 급결성을 나타내어 타설 직후 조기 응결이 가능하고, 압축강도와 건조수축길이의 변화가 품질시험기준에 만족하여 매우 효율적으로 차수재를 대량으로 시공할 수 있다.
또한 알루미네이트계(aluminate-based accelerator)또는 알칼리프리계(alkali free based accelerator) 급결제를 사용하여 차수재 시공 시에 타설압에 의한 반발률을 감소시키고, 조기응결을 얻어서 리바운드 저감, 지반의 이완을 조기에 억제할 수 있다.
또한 알칼리프리계 급결제를 사용하는 경우에 장기 강도 저하가 크지 않으며, 인체에 대한 알칼리 유출에 따른 유해성이 없어 휴·폐광산뿐만 아니라 가행광산의 차수층 형성에 매우 적합하다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 급결성 광산 차수재 조성물을 이용한 광산 차수재 시공방법의 공정 순서를 나타낸 공정흐름도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 급결성 광산 차수재 조성물을 이용한 광산 차수재 시공방법에 따른 차수층의 압축강도를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 급결성 광산 차수재 조성물을 이용한 광산 차수재 시공방법에 따른 차수층의 압축강도를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 급결성 광산 차수재 조성물을 이용한 광산 차수재 시공방법에 따른 차수층의 길이변화율을 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 급결성 광산 차수재 조성물을 이용한 광산 차수재 시공방법에 따른 차수층의 길이변화율을 나타낸 그래프이다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것을 달성하는 방법은 첨부된 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.
그러나 본 발명은 이하에 개시되는 실시예들에 의해 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기술 등이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그에 관한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 급결성 광산 차수재 조성물을 이용한 광산 차수재 시공방법의 공정 순서를 나타낸 공정흐름도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 급결성 광산 차수재 조성물을 이용한 광산 차수재 시공방법은 차수층 형성 대상면을 안정화 시키는 단계(제1단계); 골재, 바인더 및 유동화제를 혼합하여 차수재를 제조하는 단계(제2단계); 상기 차수재에 물을 혼합하고, 바인더 함량 대비 5 내지 8중량%의 급결제를 혼합하여 숏크리트 모르타르를 형성하는 단계(제3단계); 상기 숏크리트 모르타르를 뿜칠장비를 사용하여 차수층 형성 대상면에 타설하여 차수층을 형성하는 단계(제4단계); 및 상기 차수층을 양생하는 단계(제5단계)를 포함한다.
우선 차수층 형성 대상면을 안정화시킨다(S100).
상기 안정화는 그라인더, 평삭기를 사용하여 표면을 평탄화는 물리적 처리와, 염해 및 중성화를 저항성을 개선시키기 위하여 화학적 처리를 통하여 수행될 수 있다.
상기 차수층 형성 대상면을 안정화 시키는 경우에 차수층의 장기강도가 매우 증가할 수 있다.
상기 차수층 형성 대상면은 휴폐광산 또한 가행광산의 바닥면 또는 사면일 수 있다.
상기 제1단계에서 상기 차수층 형성 대상면을 안정화 한 이후에 지지체 구조물을 삽입하여 설치하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 차수층 형성 대상면이 바닥면인 경우 그대로 차수층을 형성하나, 사면인 경우에 지지체 구조물을 삽입하여 설치하고, 상기 지지체 구조물에 차수층이 결합된 상태로 응결시키는 경우 차수층의 탈락율을 매우 효과적으로 저감시킬 수 있으므로 바람직하다.
이후에 골재, 바인더 및 유동화제를 혼합하되, 상기 바인더 함량 대비 5 내지 8중량%의 급결제를 혼합하여 차수재를 제조한다(S200).
상기 골재는 3회의 단계분리를 통하여 평균 직경 0.15 내지 2 mm 로 조절될 수 있다.
구체적으로 분쇄하는 단계와, 비중선별하는 단계 및 체로 분리하는 과정으로 통하여 평균 직경이 조절된다.
상기 골재의 평균직경이 상기 범위로 조절되는 경우에 숏크리트 모르타르를 효율적으로 형성할 수 있으며, 뿜칠장비의 부하를 감소시켜 타설이 가능하다.
상기 차수재는 골재 60 내지 65 중량%, 바인더 32 내지 37 중량%, 및 유동화제0.01 내지 3 중량%를 혼합할 수 있다.
상기 범위에서 골재 및 바인더를 함유하는 경우에 골재와 바인더의 수화반응을 촉진하여 차수층의 물성을 증가시킬 수 있다.
상기 유동화제를 상기 범위 내에서 함유하는 경우 차수재에 물을 혼합하여 숏크리트 모르타르를 형성하면 흐름성을 증가시키며, 상기 범위를 초과하여 함유하는 경우에는 유동성은 증가시키나, 재료 분리로 인하여 물성이 저하되는 문제가 발생될 수 있다.
상기 차수재에 물을 혼합하고, 바인더 함량 대비 5 내지 8중량%의 급결제를 혼합하여 숏크리트 모르타르를 형성한다(S300).
상기 차수재에 물을 첨가하여 숏크리트 모르타르를 제조한 이후에 시공 직전 급결제를 첨가하여, 숏크리트 모르타르를 제조하고, 차수층 형성 대상면에 타설한 직후에 급속 응결을 시작할 수 있으므로, 조기 응결에 따른 작업시간 제한을 방지하여 매우 효율적으로 차수층을 형성할 수 있다.
상기 급결제는 알루미네이트계(aluminate-based) 또는 알칼리프리(alkali free based)계 급결제일 수 있다.
상기 급결제는 골재, 바인더 및 유동화제를 함유하는 차수재에 물을 혼합한 이후에 바인더 함량에 따라 첨가되어 시공 대상면에 직접 분사하여 차수층을 형성하는 경우에 분사 후 탈락(rebound)을 방지할 수 있다.
상기 알루미네이트계 급결제는 종래 실리케이트계 급결제보다 환경 오염을 유발할 가능성이 낮으며, 포틀랜드시멘트와 반응하여 시멘트에서 용출되는 산화칼슘 및 황산칼슘(CaSO4)성분과 격렬하게 반응하여 침상 형태의 에트링자이트 결정을 생성하고 상기 에트링자이트 결정이 시멘트 또는 골재입자를 결합함으로써 급속한 응결특성을 나타낼 수 있다.
상기 알칼리프리계 급결제는 알칼리 성분이 감소되어 인체에 자극성이 감소되며, 부식성이 감소되어 침출수 또는 누출수로 인한 오염을 방지하여 환경 친화적이다.
특히 상기 알칼리프리계 급결제는 바인더 대비 함량을 조절하는 경우에 직접 분사에 의한 차수층 형성 시 장기 압축강도가 건설공사 품질시험기준에 만족할 수 있다.
상기 알루미네이트계 급결제는 초결 시간은 3 내지 5분, 종결 시간은 4 내지 10분 내에 차수재의 결합반응이 완료되고, 상기 알칼리프리계 급결제는 초결 시간이 4 내지 40분, 종결 시간은 9 내지 45분 내에 차수재의 결합반응이 완료될 수 있다.
급결성능은 차수재 조성물을 직접 분사하여 차수층을 형성하기 위한 중요 요소이다.
급결제의 종류에 따른 급결성능을 확인하면, 상기 바인더 함량 대비 8 중량%의 알루미네이트계 급결제를 함유하는 경우 초결 시간이 3분이고, 5중량%를 함유하는 경우 초결 시간이 5분이다.
8 중량%의 알루미네이트계 급결제를 함유하는 경우 종결 시간이 4분이고, 5중량%를 함유하는 경우 종결 시간이 10분이다.
상기 알루미네이트계 급결제의 경우 바인더 함량 대비 5 중량% 만으로 도 건설공사 품질시험기준(KS F 2782)을 만족할 수 있다.
한편 상기 알칼리프리계 급결제는 초결 시간이 4 내지 40분, 종결 시간 은 9 내지 45분 내에 차수재의 결합반응이 완료된다.
상기 알칼리프리계 급결제는, 상기 바인더 함량 대비 8 중량%로 함유하는 경우 초결 시간이 4분이고, 5중량%로 함유하는 경우에 초결 시간이 40분이다.
상기 바인더 함량 대비 8 중량%로 함유하는 경우 종결 시간이 9분이고, 5중량%로 함유하는 경우에 에서 초결 시간이 45분이다.
상기 알칼리프리계 급결제의 경우 알루미네이트계 급결제와 비교하여 첨가량 대비 급결성능이 감소되나, 바인더 함량 대비 7중량% 이상으로 함유하는 경우 건설공사 품질시험기준을 만족할 수 있다.
상기 급결제가 알칼리프리계 급결제인 경우에 차수층의 압축강도가 알루미네이트계 급결제보다 30 내지 40% 증가될 수 있다.
상기 바인더 함량 대비 동일한 첨가량에서 상기 알킬리프리계 급결제의 압축강도가 알루미네이트계 급결제보다 높은 압축강도를 나타낸다.
특히 장기 내구성의 판단 근거로 재령 28일의 압축강도는 바인더 함량 대비 8중량%의 알루미네이트계 급결제를 함유하는 경우 약 30 Mpa을 유지하나, 바인더 함량 대비 8중량%의 알칼리프리계 급결제를 함유하는 경우에 약 40 Mpa의 압축강도를 나타낼 수 있다.
상기 급결제가 알칼리프리계 급결제인 경우에 차수층의 건조수축변화가 알루미네이트계 급결제보다 감소될 수 있다.
한편 차수재 시공 후 재령 28일의 길이변화율을 확인하여, 급결제 함유 광산 차수재 조성물의 시공 후 장기 내구성을 판단할 수 있다.
알루미네이트계 급결제를 바인더 대비 8 중량%로 함유하는 경우 급결제를 포함하지 않은 차수층과 비교하여 -0.413%의 건조수축변화를 나타내나, 알칼리프리계 급결제를 바인더 대비 8중량%로 함유하는 경우에는 급결제를 포함하는 않은 차수층과 비교하여 -0.145% 건조수축변화를 나타내어 알칼리프리계 급결제가 알루미네이트계 급결제보다 건조수축변화에 있어서 매우 유리하다.
상기 바인더는 포틀랜드시멘트(OPC) 51 내지 53 중량%, 슬래그 41 내지 43 중량% 및 칼슘설포알루미네이트(CSA) 5 내지 6 중량%를 함유한다.
상기 바인더는 포틀랜드시멘트 및 슬래그를 혼합하고, 칼슘설포알루미네이트를 더 첨가하여 혼합될 수 있다.
구제적으로 상기 슬래그는 고로 슬래그이며 고로 슬래그는 선철을 제조할 때 대량으로 배출되는 슬래그이므로, 고로 슬래그를 이용하는 경우에 재활용이 어려운 고로슬래그를 함께 처리할 수 있는 장점이 있다.
상기 포틀랜드시멘트와 슬래그의 함량 비율 내에서 고로 슬래그를 재활용하여 바인더를 제조할 수 있으며, 상기 범위 내에서 혼합되는 경우 포틀랜드시멘트가 슬래그의 분화 팽창성을 막을 수 있다.
상기 칼슘설포알루미네이트를 상기 범위 내로 첨가하는 경우에 포틀랜드시멘트 및 슬래그 내의 금속을 안정화시켜 슬래그를 차수재 조성물의 바인더로 활용할 수 있으며, 반응 초기에 에트링자이트 수화물을 생성하여 숏크리트 모르타르가 분사된 이후에 건조수축을 방지할 수 있다.
한편 상기 차수재에 대하여 물 비율을 18%(water ratio)로 하여 물을 혼합할 수 있다.
상기 물 비율로 혼합하지 않은 경우에 차수재 현장 시공 시 뿜칠 장비에 막힘이 발생할 수 있다.
상기 숏크리트 모르타르를 뿜칠장비를 사용하여 차수층 형성 대상면에 타설하여 차수층을 형성한다(S400).
상기 분사구의 직경에서 물 비율 18%로 조절하여 숏크리트 모르타르를 형성할 수 있으며, 분사구 직경이 변화되는 경우에는 물 비율 또한 변화될 수 있다.
상기 차수층을 양생한다(S500).
상기 양생을 통하여 조기 응결된 차수층뿐만 아니라 재령 28일 이후의 차수층의 장기 압축강도가 증가될 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1: 숏크리트 모르타르 제조 및 시공
골재는 I지역의 건조 해안사를 이용하였으며, 입도사이즈는 0.15 ~ 2mm를 size별로 3단계로 분류하여 사용하였다. 포틀랜드시멘트와 CSA(Calcium Sulfo-Aluminate)는 H사의 것을 사용하였으며, 슬래그(Slag_는 P지역의 고로 슬래그(Blast Furnace Slag)를 사용하였다.
차수재의 작업성 및 유동성을 향상시키기 위해 Polycarbonate(PC계) 유동화제(superplasticizer)를 C사의 것을 사용하였다. 급결제는 S사의 알루미네트계 급결제와 알칼리프리계 급결제를 사용였으며 급결제의 특성은 하기 표 1에 나타내었다.
종류 비중(25 ℃) pH(25 ℃) 고체 함유량 (%)
알루미네이트계 급결제 1.46 13.44 44.70
알칼리프리계 급결제 1.36 2.65 40.30
차수재의 경우 숏크리트 배합과 유사한 경향으로 인해 이를 바탕으로 하기 표 2와 같이 배합을 설계하였다.
바인더
골재 포트랜드시멘트(OPC) 칼슘설포알루미네이트(CSA) 슬래그 유동화제
함량 64.0 18.9 2.1 15.0 0.05
차수재 현장 시공시 뿜칠장비에 막힘 현상을 차단하기 위해 흐름(flow)은 200 mm를 기준으로 두고 물 비율을 확인하였으며, 적정 물비율로 18%(W/R)를 선정하였다.
유동화제는 흐름성을 용이하게 하기 위해 사용하였다. 유동화제 특성은 차수재의 입자들의 분산을 용이하게 만들기 때문에 유동성이 증가되지만 일정 함량 이상 첨가하게 될 경우 재료분리로 인해 물성저하를 가져 올 수 있기 때문에 정량 사용하였다.
시료의 혼합방법은 KS L ISO 670의 규정방법에 따라 모르타르 혼합기를 통해 1분 동안 혼합하였다.
차수재를 제조하고 물을 혼합한 이후에 타설 직전에 급결제를 첨가하되, 하기 표 3에 따라 숏크리트 모르타르를 제조하여 차수층 형성 대상면을 상정하여 1 X 1m 규모로 타설하여 차수층을 형성하였다.
종류 바인더/비율(binder/ratio)
알루미네이트계 급결제 0% 5% 6% 7% 8%
알칼리프리계 급결제
실험예 1: 차수층 급결성능 평가
급결 성능을 확인하기 위해 자동응결측정기(EL38, UK)를 사용하였으며 분당 1회씩 측정하여 차수재의 초결(initial set), 종결(final set)을 확인하였다.
급결제 함량 0% 5% 6% 7% 8%
급결성능 초결 종결 초결 종결 초결 종결 초결 종결 초결 종결
알루미네이트계 270 290 5 10 4 6 4 5 3 4
알칼리프리계 270 290 40 45 20 26 5 11 4 9
상기 표 4는 급결제 함량 및 종류에 따른 성능평가를 나타낸 것이다.
차수재의 급결 성능은 KS F 2782기준에 의거하여 초결은 5분, 종결은 15분 이내에 발현되어야 한다. 이러한 급결 성능이 요구되는 이유는 굴착면을 침식으로부터 보호하고, 리바운드 함량 저감을 통한 효율적인 시공과 후속작업이 원활히 진행될 수 있도록 지내력을 증대시키기 위함이다.
알루미네트계 급결제와 알칼리프리계 급결제의 성능을 비교한 결과 알루미네이트계 급결제의 급결 성능이 더 우수한 것을 확인하였다. 알루미네이트계 급결제의 경우 5% 이상만 사용하여도 KS기준을 충족하는 결과를 확보할 수 있었으나, 알칼리프리계 급결제의 경우 7% 이상 사용하여야 KS기준을 충족할 수 있는 결과를 확보할 수 있었다.
알루미네이트계 급결제의 경우 Na2O와 Al2O3가 약 1.3 ~ 1.6 몰비로 구성되어 있으며, NaOH와 Al(OH)3로 분해하여 NaOH가 칼슘 실리케이드상의 수화를 촉진시킨다.
이때 생성된 수산화칼슘과 Al(OH)3와 반응하여 Ca-Al-H2계 수화물을 생성시켜 급결성이 발현된다
또한 알칼리 자극제로서 C3A와 반응을 촉진시켜 급결성이 발현되는 것으로 확인되었다. 알칼리프리계 급결제의 경우 황산알루미늄이 주원료로 구성되어있으며, 알루미늄 성분과 황산염이 3CaO·Al2O3(C3A)와 반응하여 다량 에트링자이트(ettringite) 침상결정이 초기에 생성되기 때문에 급결성을 발현한다.
하지만 알칼리프리계 급결제의 경우에는 알루미네트계 급결제 대비 자극제로서 C3A와 반응 속도가 상대적으로 저하되어 급결 성능이 저하되는 것으로 확인되었다.
또한 알루미네이트계 급결제의 경우 6% 이상부터는 급결 시간 단축이 저하되고, 알칼리 프리계의 경우 7%부터 급결 시간 단축이 저하되는 것을 확인할 수 있는데 이러한 이유는 차수재의 알칼리 자극제가 일정함량 이상 증가할 경우 증가된 성분은 더 이상의 자극제로서 역할을 크게 하지 못하고 평형을 이뤄 생긴 결과이다.
실험예 2: 차수층 압축강도 특성
압축강도는 압축강도 측정기(X2000, Montauban, France)를 사용하였으며, 제작된 시험체를 KS L ISO 679에 의거하여 재령 1, 3, 7, 28일의 압축강도를 측정하였다.
일반적으로 모르타르에 급결제를 혼합한 배합의 경우 혼합하지 않은 동일한 배합의 시편보다 압축강도가 감소한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 급결성 광산 차수재 조성물을 이용한 광산 차수재 시공방법에 따른 차수층의 압축강도를 나타낸 그래프이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 급결성 광산 차수재 조성물을 이용한 광산 차수재 시공방법에 따른 차수층의 압축강도를 나타낸 그래프이다.
도 2 및 도3을 참조하면, 급결제를 혼합한 배합 모두 혼합하지 않은 배합 대비 압축강도가 감소한 것을 확인하였으며, 급결제 혼합량이 증가할수록 압축강도는 감소한 것을 확인하였다.
알루미네이트 급결제를 혼합한 경우 혼합하지 않은 차수재 대비 41.6~ 48.9% 감소한 결과를 확인하였으며, 알칼리프리계 급결제를 혼합한 경우에는 20.6~37.2% 감소한 결과를 확인하였다.
이러한 결과는 급결제가 강도 증진에 큰 기여를 하는 칼슘실리케이트(Calcium silicate; C2S, C3S)의 수화 반응에 영향을 미치기 때문이다.
즉 알루미네이트계 급결제의 경우 초기의 과량의 수산화칼슘 생성으로 강도 증진에 기여하는 C2S 또는 C3S에 의해 생성되는 C-S-H겔 성장에 악영향을 주기 때문으로 판단된다.
알칼리프리계 급결제의 경우 알칼리 성분과 수산화칼슘(Ca(OH)2)이 반응하여 차수재 경화체 중의 수용성 NaOH 양이 증가되거나 OPC 성분 중 알루미네이트와 반응하여 생성되는 알루미나-실리카-겔의 침전을 촉진하여 결과적으로 수화반응을 방해하여 초기강도가 감소되는 것으로 확인되었다.
하지만 알루미네이트계 급결제 대비 자체 황산염의 지속적인 공급과 반응 단계에서 가소(plasticity)상태를 유지하기 때문에 C-S-H겔 성장에 상대적으로 악영향이 미치지 않기 때문에 강도가 알루미네이트계 급결제를 혼합하였을 경우보다 높은 것으로 확인되었다.
실험예 3: 차수층 건조수축 특성
길이변화율은 제작된 시험체를 KS F 2424 기준에 의거하여 콘택트 스트레인게이지(293-252, Japan)를 통해 탈형 후 3, 7, 14, 21, 28일 기준으로 측정하여 건조수축변화 및 팽창성을 확인하였다.
길이변화율은 차수재를 시공할 경우 건조수축변화가 일어남에 따라 균열이 발생될 경우 차수재로서의 기능이 저하될 우려가 있기 때문에 확인하였다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 급결성 광산 차수재 조성물을 이용한 광산 차수재 시공방법에 따른 차수층의 길이변화율을 나타낸 그래프이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 급결성 광산 차수재 조성물을 이용한 광산 차수재 시공방법에 따른 차수층의 길이변화율을 나타낸 그래프이다.
도 4 및 도5를 참조하면, 급결제를 혼합한 배합의 경우 혼합하지 않은 동일한 배합의 시편보다 건조수축변화가 크게 발생하였다.
급결제를 혼합하지 않은 차수재의 경우 28일 기준으로 -0.097% 건조수축변화가 일어났으나, 알루미네이트계 급결제의 경우 5%만 혼합하여도 -0.228%의 건조수축변화가 발생하였으며, 8% 혼합한 경우에는 -0.413%의 건조수축변화가 발생하였다.
하지만 알칼리프리계 급결제의 경우 5% 혼합할 경우 -0.113% 건조수축변화가 발생하였으며, 8% 혼합한 경우에도 -0.145%의 건조수축변화가 발생하여 알루미네이트계 급결제 대비 건조수축안정성이 우수한 것을 확인하였다.
상기 결과는 급결성능 평가에서 언급한 바와 같이 급결제가 자극제로서 차수재의 C3A와 반응을 촉진시켜 수화반응으로 인한 건조수축변화가 발생된 것으로 확인되었다.
또한 차수재의 급결성을 발현하기 위해서 수분 증발이 빠르게 일어나고 이로 인해 공극률 증가로 건조수축저항성이 낮은 것으로 판단된다.
알루미네트계 급결제 대비 알칼리프리계 급결제의 경우 건조수축저항성이 우수한 이유는 알칼리프리계의 경우 알루미네이트 급결제 대비 자극제로서 차수재의 C3A의 반응속도가 상대적으로 저하되어 생긴 결과로 확인되었다.
따라서, 본 발명에 따른 급결성 광산 차수재 조성물을 이용한 광산 차수재 시공방법에 따르면, 광산 차수재 배합을 설계하고 급결제의 종류 및 함량에 의한 차수재의 급결 성능과 물성을 확인하여 휴폐광산에 차수층을 대량으로 타설할 수 있다.
급결제의 성능 평가 결과 알칼리 자극제의 역할로 인해 급결성을 발현할 수 있었으며, 알루미네이트계 급결제의 경우 차수재에 5% 이상만 혼합하여도 KS기준을 만족하는 결과 값을 확보할 수 있었으나, 알칼리프리계의 경우 7% 이상 혼합하여야 KS기준을 만족하는 것을 확인하였다.
알루미네이트계 급결제의 경우 급결 성능은 우수하지만 물성 저하가 알칼리프리계 급결제 대비 크게 발생하는 것을 확인하였다. 따라서 차수재에 급결제를 혼합할 경우 급결 성능 확보와 물성 안정성을 위해서는 알칼리 프리계 급결제를 7% 혼합할 경우 급결제 및 함량을 최적으로 조절할 수 있다.
지금까지 본 발명에 따른 급결성 광산 차수재 조성물을 이용한 광산 차수재 시공방법에 관한 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 실시 변형이 가능함은 자명하다.
그러므로 본 발명의 범위에는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
즉, 전술된 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술될 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 그 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (12)

  1. 차수층 형성 대상면을 안정화 시키는 단계(제1단계);
    골재, 바인더 및 유동화제를 혼합하여 차수재를 제조하는 단계(제2단계);
    상기 차수재에 물을 혼합하고, 바인더 함량 대비 5 내지 8중량%의 급결제를 혼합하여 숏크리트 모르타르를 형성하는 단계(제3단계);
    상기 숏크리트 모르타르를 뿜칠장비를 사용하여 차수층 형성 대상면에 타설하여 차수층을 형성하는 단계(제4단계); 및 상기 차수층을 양생하는 단계(제5단계)를 포함하되,
    상기 차수재는 골재 60 내지 65 중량%, 바인더 32 내지 37 중량%, 및 유동화제 0.01 내지 3 중량%를 혼합하여 제조되고,
    상기 바인더는 알루미네이트(aluminate)계 급결제 5 내지 8 중량%를 함유하고 30 내지 35 MPa의 압축강도 및 -0.228% 내지 -0.413%의 건조수축변화를 나타내고 또는,
    알칼리프리(alkali free)계 급결제 7 내지 8 중량%로 함유하고 35 내지 43 Mpa의 압축강도 및 -0.125% 내지 -0.145%의 건조수축변화를 나타내어 건설공사 품질시험기준을 만족하는 것을 특징으로 하는 급결성 광산 차수재 조성물을 이용한 광산 차수재 시공방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 차수층 형성 대상면은 휴·폐광산 또한 가행광산의 바닥면 또는 사면인 것을 특징으로 하는 급결성 광산 차수재 조성물을 이용한 광산 차수재 시공방법.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 알루미네이트계 급결제는 초결 시간은 3 내지 5분, 종결 시간은 4 내지 10분 내에 차수재의 결합반응이 완료되고,
    상기 알칼리프리계 급결제는 초결 시간이 4 내지 40분, 종결 시간은 9 내지 45분 내에 차수재의 결합반응이 완료되는 것을 특징으로 하는 급결성 광산 차수재 조성물을 이용한 광산 차수재 시공방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 급결제가 알칼리프리계 급결제인 경우에 차수층의 압축강도가 알루미네이트계 급결제보다 30 내지 40% 증가되는 것을 특징으로 하는 급결성 광산 차수재 조성물을 이용한 광산 차수재 시공방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 급결제가 알칼리프리계 급결제인 경우에 차수층의 건조수축변화가 알루미네이트계 급결제보다 감소된 것을 특징으로 하는 급결성 광산 차수재 조성물을 이용한 광산 차수재 시공방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제2단계에서
    상기 골재는 3회의 단계분리를 통하여 평균 직경 0.15 내지 2 mm 로 조절되는 것을 특징으로 하는 급결성 광산 차수재 조성물을 이용한 광산 차수재 시공방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제 2단계에서
    상기 바인더는 포틀랜드시멘트(OPC) 51 내지 53 중량%, 슬래그 41 내지 43 중량% 및 알루미네이트계 급결제인 칼슘설포알루미네이트(CSA) 5 내지 6 중량%를 함유하는 것을 특징으로 하는 급결성 광산 차수재 조성물을 이용한 광산 차수재 시공방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제2단계에서,
    상기 바인더는 포틀랜드시멘트 및 슬래그를 혼합하고,
    칼슘설포알루미네이트를 더 첨가하여 혼합된 것을 특징으로 하는 급결성 광산 차수재 조성물을 이용한 광산 차수재 시공방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제3단계에서,
    상기 차수재에 대하여 물 비율을 중량기준 18%(water ratio)로 하여 물을 혼합하는 것을 특징으로 하는 급결성 광산 차수재 조성물을 이용한 광산 차수재 시공방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제1단계에서
    상기 차수층 형성 대상면을 안정화 한 이후에 지지체 구조물을 삽입하여 설치하는 단계를 더 포함하는 급결성 광산 차수재 조성물을 이용한 광산 차수재 시공방법.
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