KR101919838B1 - 터널보강 그라우팅용 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 시멘트, 고로슬래그분말, 벤토나이트, 소석회를 포함하는 씰재; 시멘트, 탄산나트륨, 소석회, 생석회, 실리카흄을 포함하는 본주입재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 터널보강 그라우팅용 조성물에 관한 것이다.

Description

터널보강 그라우팅용 조성물{Composition for tunnel reinforcement grouting}

본 발명은 조기에 겔화가 이루어져 공기를 단축시킬 수 있고, 조기경화에 따른 균열에 대한 저항성을 향상시키며, 재료분리에 대한 저항성을 향상시키고, 수축에 대한 보상성을 향상시킬 수 있는 터널보강 그라우팅용 조성물에 관한 것이다.

일반적으로 터널보강공법의 하나인 강관다단 그라우팅 공법은 소구경 파이프 루프(Pipe Roof)공법에서 발전된 것으로서 터널 Crown부에 천공 후 구조용 강관을 일정간격(일반적 500mm)으로 설치하고 주입재를 주입하여 지반과 강관이 일체가 되게 함으로써 강관의 Beam 작용을 유발, 일종의 아칭효과를 형성, 지반보강효과와 그라우팅에 의한 차수효과를 동시에 얻는 방법이다.

공법의 원리는 다공질 강관을 지반 속에 삽입하고 지반조건에 따라 주입길이를 조정하여 단계별로 그라우트를 주입하는 싱글패커(Single Packer)방식이다. 주입재로서는 시멘트 밀크를 주재료로 이용하지만 지반조건과 용수유입상태에 따라 화학약재(Chemical Grout)를 혼합, 병용하여 주입한다.

한편 연약지반이나 토피가 적은 굴착면의 안정 및 붕괴방지를 위한 강관다단 그라우팅 공법은 씰재 및 주입재의 품질관리에 따라 안정성이 좌우될 수 있다.

종래 강관다단 그라우팅 공법에 적용되는 조성물에 대한 기술의 예로 대한민국 특허등록 제 1530172호에서는 시멘트 100중량부를 기준으로, 물 20 내지 60중량부; 수축저감제 0.01 내지 5중량부; 칼슘설포알루미네이트 10 내지 30중량부; 플라이 애시 10 내지 50중량부; 증점제 0.1 내지 10중량부; 및 고성능 감수제 1 내지 5중량부를 포함하는 그라우트재 조성물을 제시하고 있으며, 이러한 그라우트 조성물에 의해 재료분리를 억제하여 블리딩수의 발생을 방지하며, 고유동성을 유지하여 작업성을 높이고, 그라우팅 시공시 충진성능을 확보하여 전체구조물의 내구수명을 확보할 수 있도록 하는 기술이 제시되고 있다.

그런데 상기 기술들에서는 본주입재에 대한 기술만 있을 뿐이고 선주입 되는 씰재에 대한 기술이 없는 바, 상기 씰재는 주입 후 겔화시간이 너무 짧으면 겔화되지 않아 후주입 되는 본주입재가 지반으로 원활하게 침투 되지 못하는 문제 역류의 문제가 있으며, 겔화시간이 너무 길면 경화가 과다하게 되어 본주입재의 주입을 방해하는 요인으로 작용하는 문제가 있다.

대한민국 특허등록 제1530172호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 적정시간에 겔화의 진행으로 본주입재의 주입을 제한하지 않으면서 천공홀의 공벽붕괴 및 주입재의 역류 방지효율을 높이는 씰재의 조성을 제시하고, 이에 더하여 조기경화에 따른 균열에 대한 저항성을 향상시키며, 재료분리에 대한 저항성을 향상시키고, 수축에 대한 보상성을 향상시킬 수 있는 터널보강 그라우팅용 조성물을 제공하고자 함이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 터널보강 그라우팅용 조성물(이하 "본 발명의 조성물"이라함)은 시멘트, 고로슬래그분말, 벤토나이트, 소석회를 포함하는 씰재; 시멘트, 탄산나트륨, 소석회, 생석회, 실리카흄을 포함하는 본주입재;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

하나의 예로 상기 씰재에는 포졸란계 초미분말, 분말 증점제, 분말유동화제, 조기강도 증진제, 흡착제, 경화제, 보습제, 응결조절제가 포함되는 것을 특징으로 한다.

하나의 예로 상기 씰재에는 코코넛 오일지방산과 소듐하이알루로네이트 혼합물이 포함되는 것을 특징으로 한다.

하나의 예로 상기 포졸란계 초미분말에는 열병합 플라이애시가 포함되는 것을 특징으로 한다.

하나의 예로 상기 본주입재에는 포졸란계 초미분말, 분말 유동화제, 조기강도 증진제, 흡착제, 경화제, 응결 조절제가 포함되는 것을 특징으로 한다.

하나의 예로 상기 본주입재에는 카보나이트라이드가 포함되는 것을 특징으로 한다.

앞서 설명한 바와 같이, 본 발명의 조성물은 터널보강 그라우팅 공법에 적용되어 조기에 겔화가 이루어져 공기를 단축시킬 수 있고, 조기경화에 따른 균열에 대한 저항성을 향상시키며, 재료분리에 대한 저항성을 향상시키고, 수축에 대한 보상성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

아래에서는 본 발명에 따른 양호한 실시 예를 상세히 설명한다.

본 발명의 조성물은 시멘트, 고로슬래그분말, 벤토나이트, 소석회를 포함하는 씰재; 시멘트, 탄산나트륨, 소석회, 생석회, 실리카흄을 포함하는 본주입재;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

즉 본 발명은 강관다단 그라우팅 공법 등 터널보강 그라우팅 공법에 적용되되 적정시간에 겔화의 진행으로 본주입재의 주입을 방해하지 않으면서 천공홀의 공벽붕괴 및 주입재의 역류 방지효율을 높이는 씰재와, 밀실한 페이스트 조성 등에 의해 최소 2MPa 이상의 호모겔 강도를 확보할 수 있는 본주입재로 구성되어 공기를 단축하면서 터널 발파시 충분한 안전성을 확보할 수 있도록 하는 것이다.

상기 씰재는 그라우팅 작업시 천공과 강관 사이에 선주입 되는 구성으로 상기에서 언급한 바와 같이 천공홀의 공벽붕괴 및 주입재의 역류를 방지하기 위한 것이다.

상기 씰재에 있어 소석회는 경화촉진제로서 기능을 하는 것으로 소석회는 특별히 한정되지는 않으며 예로 생석회(산화칼슘 : CaO)를 소화시킨 것(주성분은 수산화칼슘)이 사용될 수 있다.

상기 벤토나이트는 수축보상제로서 기능을 하는 것으로, 천공에 주입된 씰재의 수축에 의해 상기에서 언급한 씰재의 기능발현이 제어되는 것을 방지하기 위한 것이다. 상기 벤토나이트의 경우 물과 반응하여 부피가 팽창함에 의해 수축보상의 기능이 발현되도록 하는 것이다.

이에 더하여 칼슘설포알루미네이트(Calcium Sulfo-aluminate: CSA)가 첨가될 수 있는데 칼슘설포알루미네이트는 경화과정에서 부피변화를 방지하기 위한 것이다.

또한 비메탈계 가스발생제가 첨가될 수도 있는데 비메탈계 가스발생제는 상기 씰재 충진 후 경화과정에서 수축을 방지하기 위하여 팽창제 역할을 하도록 하는 것으로 활성이 없는 가스를 발생시키기 위한 것이다.

상기 본주입재는 그라우팅 작업시 상기 씰재가 주입된 후 상기 씰재의 겔화가 이루어진 상태에서 상기 강관을 통해 천공으로 주입되어 지반을 강화하기 위한 것이다.

상기 본주입재는 최소 2MPa 이상의 호모겔 강도가 발현되어야 하는 바, 시멘트에 더하여 탄산나트륨이 포함되도록 하는데 상기 탄산나트륨은 조기에 강도를 발현하기 위해 사용되는 경화촉진제로서 기능을 한다.

또한 생석회 및 소석회의 경우도 경화촉진제로서 기능을 하는 것이다.

상기 본주입재에는 실리카흄이 첨가되는데 실리카흄의 첨가에 의해 밀실한 페이스트가 형성되도록 하여 강도발현을 도모하고 선주입된 씰재와의 부착력을 향상시키기 위한 것이다.

상기 실리카흄은 SiO_22, Al₂O₃, Fe₂O₃등의 성분을 주로 제공하며, 상기 소석회 및 상기 생석회는 CaCO₃, CaO, Ca(OH)₂ 등의 성분을 제공하여 칼슘실리케이트 수화물(CSH) 및 칼슘알루미네이트 수화물(CAH) 등을 생성하는 수화반응이 일어나게 해준다.

또한 상기 씰재에는 상기에서 언급한 조성외에도 포졸란계 초미분말, 수축보상제, 분말유동화제, 조기강도 증진제, 분말 증점제, 흡착제, 경화제, 보습제, 응결조절제가 더 포함되는 것을 특징으로 한다.

상기 포졸란계 초미분말은 메타카올린 등 그 종류를 한정하지 않으며 상기 씰재에 혼입되어 미세공극에 충진되어 치밀한 페이스트가 유지되도록 하여 적정의 강도가 발현되도록 하는 것이다.

상기 포졸란계 초미분말은 포졸란 반응을 일으키는 반응 메커니즘을 갖는 것으로서, 평균 입경이 기존 1㎛ 정도보다 더 미세하여 에트링자이트 및 M-S-H의 수화물 생성이 감소함과 더불어 내부 조직이 치밀해지도록 하는 것이다.

상기 분말유동화제는 고유동성을 발현시키고 첨가될 물의 양을 최소화시키기 위한 것으로 천공의 간극에 씰재가 밀실하게 충진이 이루어지도록 하기 위한 것이다.

상기 흡착제는 천공의 표면에 상기 씰재의 부착력을 향상시키기 위한 것으로 그 종류를 한정하지 않으며 예로 아민계수지가 적용될 수 있는데 상기 아민계수지는 천공과 씰재의 부착성을 향상시킴으로써 부착성 저하에 의한 들뜸부분의 생성을 제어하기 위한 것이다.

상기 보습제는 조기경화에 따른 균열 등을 제어하고 겔화유지력을 높이기 위한 것으로 상기 보습제의 경우도 그 종류를 한정하지 않으며 예로 징크스테아레이트가 사용될 수 있는데, 상기 징크스테아레이트(스테아린산 아연, zinc stearate)은 수화반응에 따라 생기는 가용성의 수산화칼슘(Ca(OH)₂)과 반응을 하여 수산기에 지방산기가 결합하여 발수성이 큰 고급지방산 칼슘을 생성하며, 발수성이 뛰어나므로 페이스트 내에 모세관에 의한 수분의 흡수를 감소시키는 작용을 한다.

바람직하게 상기 씰재는 시멘트 100중량부에 대해 포졸란계 초미분말 20 내지 50중량부, 수축보상제 20 내지 50중량부, 분말 유동화제 10 내지 20중량부, 조기강도 증진제 50 내지 150중량부, 분말 증점제 0.1 내지 1중량부, 흡착제 20 내지 50중량부, 고로슬래그분말 50 내지 150중량부, 경화제 10 내지 20중량부, 보습제 10 내지 20중량부, 응결 조절제 10 내지 20중량부를 포함하는 것이 바람직하다.

또한 상기 씰재에는 코코넛 오일지방산과 소듐하이알루로네이트 혼합물이 포함되도록 하는 예가 제시된다.

상기 코코넛 오일지방산은 상기 씰재의 충진시 조기에 겔화가 되는 것을 방지하는 것으로 상온에서 겔화를 지연시켜 천공 표면의 간극으로 밀실한 충진이 이루어지도록 하는 것이다.

이와 같이 코코넛 오일지방산이 첨가되도록 하는 이유는 소석회 등의 첨가에 의해 조기강도가 확보되도록 함에 따라 조기에 겔화가 이루어지는 경우 천공 표면의 간극으로 밀실한 충진이 이루어지지 않아 들뜸부분 등이 형성되는 것을 방지하고자 하는 것이다.

그런데 코코넛 오일지방산만을 첨가하는 경우는 겔화지연에 의해 공기가 지연될 수 있고 씰재가 충분히 겔화가 이루어지지 않은 상태에서 본주입재가 주입될 수 있으며 특히 재료분리의 문제를 유발할 수 있다.

이에 코코넛 오일지방산에 소듐하이알루로네이트가 첨가된 혼합물이 상기 씰재에 첨가되도록 하는 것이다.

상기 소듐하이알루로네이트는 N-아세틸-D-글루코사민과 글루쿠로닉산의 결합으로 얻은 천연의 뮤코폴리사카라이드로서 끈적거리는 점액질의 유동성 물질로 코코넛 오일지방산에 의해 겔화를 지연시키면서도 조성들간을 가교함으로써 재료분리를 방지토록 하는 것이며 상기 보습제에 더하여 페이스트에 수분을 유지시킴에 의해 겔화유지력을 높이도록 하는 것이다.

바람직하게 코코넛 오일지방산과 소듐하이알루로네이트 혼합물은 중량비로 (70 내지 80):(30 내지 20)으로 혼합되는 것이 타당하다.

바람직하게 상기 코코넛 오일지방산과 소듐하이알루로네이트 혼합물은 시멘트 100중량부에 대해 1 내지 10중량부가 배합되는 것이 타당하다.

한편 상기 씰재에는 고로슬래그분말이 첨가되는데 상기 고로슬래그분말의 첨가에 의해 상기에서 언급한 바는 없으나 상기 씰재에는 고로슬래그분말의 활성을 위한 화학적활성화제가 첨가되어야 하는데 이러한 화학적활성화제의 첨가없이도 고로슬래그분말의 활성이 발현되도록 하기 위해 상기 포졸란계 초미분말에는 열병합 플라이애시가 포함되도록 하는 예가 제시된다.

중소규모의 열병합 발전소에서 질산화물의 배출을 최소화하기 위하여 연소온도를 비교적 저온인 850℃ 정도로 유지하고, 암모니아를 분무하는 등의 방법을 채택하고 있다.

이러한 까닭으로 열병합 발전과정에서 화력발전소에서 발생·정제되는 F급 플라이애시(KS L 5405)와는 매우 상이한 화학적 특성을 가지는 고칼슘 플라이애시가 발생되는데 이를 열병합 플라이애시라고 한다. 상기 열병합 플라이애시는 다량의 Free CaO(유리석회)를 포함하고 있는데, 상기 열병합 플라이애시에 포함된 Free CaO는 수산화칼슘(Ca(OH)2)을 생성하게 되고, 수산화칼슘에서 방출되는 Ca2+이온은 고로슬래그분말에 포함되어 있는 규산염(SiO2)이나 알루민산염(Al2O3)과 반응하여 칼슘실리케이트 수화물(CSH) 및 칼슘알루미네이트 수화물(CAH) 등을 생성함으로써 경화되도록 하는 것이다.

즉 열병합플라이애시와 고로슬래그분말이 수화반응 메커니즘을 나타내며 별도의 화학적 활성화제의 사용이 필요가 없게 되는 것이다.

바람직하게 포졸란계 초미분말에는 열병합 플라이애시가 전체중량 대비 30 내지 60중량부가 포함되도록 하는 것이 타당하다.

한편 상기 본주입재의 경우에도 상기에서 언급한 조성외에 포졸란계 초미분말, 분말 유동화제, 조기강도 증진제, 흡착제, 경화제, 응결 조절제가 포함되도록 하는데 이러한 첨가제 조성들은 상기 씰재에서 언급한 바와 동일한 기능이 발현되도록 하는 것으로 그 상세 설명은 생략한다.

바람직하게 상기 본주입재에는 시멘트 100중량부에 대해 포졸란계 초미분말 100 내지 300중량부, 탄산나트륨 100 내지 150중량부, 분말 유동화제 1 내지 10중량부, 조기강도 증진제 200 내지 600중량부, 흡착제 50 내지 150중량부, 경화제 100 내지 300중량부, 소석회 20 내지 150중량부, 생석회 20 내지 150중량부, 응결 조절제 20 내지 50중량부, 실리카흄 50 내지 150중량부가 포함되도록 배합되는 것이 타당하다.

또한 상기 본주입재에는 카보나이트라이드가 더 첨가되도록 하는데 이는 본주입재와 씰재 접합부에 공극이 발생되어 상기 공극으로 공기, 수분 등의 유입을 방지토록 하기 위한 것이다.

이러한 공극은 페이스트의 알카리 성분과 금속성분 등이 반응하여 수소가스를 발생시켜 수소고용 능력이 과포화 되면 본주입재 경화과정에서 수소가 페이스트 조직 외부로 방출되면서 본주입재의 페이스트 표면에 공극, 균열 등이 형성됨에 기인한 것이다.

이렇게 발생된 공극은 향후적으로 표면공극을 통한 공기, 수분의 유입으로 내부균열을 초래하여 경화된 본주입재의 강도를 저하시키는 요인으로서 작용하게 되는 것이다.

이에 상기 본주입재에는 카보나이트라이드가 더 첨가되도록 하는 것인데 상기 카보나이트라이드는 경화과정 등에서 발생되는 수소를 흡수하여 수소의 방출에 의해 형성되는 미세균열, 공극을 제어토록 하는 것이다.

바람직하게 상기 본주입재에는 시멘트 100중량부에 대해 카보나이트라이드 20 내지 50중량부가 배합되는 것이 타당하다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않음은 물론이며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 기술적 지식을 가진 자에 의해 상기 기재된 내용으로부터 다양한 수정 및 변형이 가능할 수 있음은 물론이다.

Claims (6)

1. 시멘트, 고로슬래그분말, 벤토나이트, 소석회를 포함하는 씰재; 및 시멘트, 탄산나트륨, 소석회, 생석회, 실리카흄을 포함하는 본주입재;를 포함하고,
   상기 씰재에는 포졸란계 초미분말, 분말 증점제, 분말유동화제, 조기강도 증진제, 흡착제, 경화제, 보습제, 응결조절제가 포함되는 것을 특징으로 하는 터널보강그라우팅용 조성물.
   
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,
   상기 씰재에는 코코넛 오일지방산과 소듐하이알루로네이트 혼합물이 포함되는 것을 특징으로 하는 터널보강 그라우팅용 조성물.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 포졸란계 초미분말에는 열병합 플라이애시가 포함되는 것을 특징으로 하는 터널보강 그라우팅용 조성물.
   
5. 제 1항에 있어서,
   상기 본주입재에는 포졸란계 초미분말, 분말 유동화제, 조기강도 증진제, 흡착제, 경화제, 응결 조절제가 포함되는 것을 특징으로 하는 터널보강 그라우팅용 조성물.
   
6. 제 5항에 있어서,
   상기 본주입재에는 카보나이트라이드가 포함되는 것을 특징으로 하는 터널보강 그라우팅용 조성물.