KR101990870B1 - 내염해성 토양 고화제 조성물 - Google Patents

내염해성 토양 고화제 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 조성물 총중량에 대하여, 카르보 페라이트(carbo-ferrite)를 포함하는 자기경화성 물질 10~80 중량%: 페트로 코크스 연소재 5~30 중량%; free-CaO 함량이 15 중량% 이상인 유동층상 보일러 석탄회 5~25 중량%; 무수석고, 반수석고 및 이수석고 중에서 선택되는 1종 이상 1~20 중량%; 생석회 및 소석회 중에서 선택되는 1종 이상 1~10 중량%; 및 산화철 3~10 중량%;를 포함하는 내염해성 토양 고화제 조성물을 제공한다. 본 발명의 내염해성 토양 고화제 조성물은 염해에 의해 고화토의 하자가 발생할 수 있는 해안 및 연안 지역에서, 소일시멘트 월 공법, 심층화 처리 공법 또는 표층 고화처리 공법 등에 이용될 수 있다.

Description

내염해성 토양 고화제 조성물{Composite of soil solidification materials with salt resistance property}
본 발명은 내염해성 토양 고화제 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 해안지역 또는 연안지역의 연약지반을 대상으로 내염해성이 우수하며, 초기강도 저하 방지 및 장기강도 안정성을 달성할 수 있는 내염해성 토양 고화제 조성물에 관한 것이다.
일반적으로 연약지반을 보강하기 위해 사용되는 토양 고화제로는 포틀랜드 시멘트 또는 슬래그 시멘트를 들 수 있다. 그러나 이들 고화제는 토양과 혼합할 때, 목적하는 압축 강도를 얻기 위해서 많은 양의 고화제를 사용하여야 한다는 문제가 있다.
상기와 같은 문제를 해결하기 위하여, 최근에는 고로수쇄슬래그 미분말이나 무수석고 또는 알카리 금속염 화합물을 첨가한 고화제가 소개되고 있다. 그러나 이들 고화제도 토양과 혼합시 초기 강도를 충분히 확보하기 어렵고, 장기강도 및 내구성이 저하된다는 단점을 갖는다.
또한, 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여, 알칼리 금속류를 과다 투입하는 방법이 고려되고 있다. 그러나 알칼리 금속류가 과다 투입되는 경우, 유동성 저하로 작업이 어려워지고 장기강도 및 내구성이 저하되기 때문에, 이 경우에도 고화를 위한 물질의 사용량을 증가시켜야 한다.
그러므로, 현재까지 알려져 있는 일반적인 토양 고화제는 초기 및 중장기적으로 강도 상의 문제가 있을 뿐만 아니라, 과다한 양의 사용이 요구된다는 단점을 갖는다. 또한, 과다 사용에 의해 6가 크롬과 같은 중금속이 대량 사용되어 환경적인 문제를 야기할 수 있다는 단점도 갖는다.
한편, 상기와 같은 토양 고화제는 연안지역이나 해안 지역에도 사용되는 경우가 많다. 그러나, 이러한 지역의 토양은 다량의 염분을 함유하고 있을 뿐만 아니라, 해수로부터 지속적으로 염분이 유입되기 때문에, 일반적인 토양 고화제를 사용할 경우, 염분에 의해 고화체가 팽창되어 균열이 유발되거나 부분 파괴 등의 문제가 야기된다. 따라서 일반적인 토양 고화제를 연안지방이나, 해안지역의 토양에 적용하는 것은 바람직하지 않다.
그러므로 일반적인 토양 고화제의 상기와 같은 문제점을 해결함과 동시에, 연안지방이나 해안지역의 토양에도 적용이 가능한 토양 고화제의 개발이 시급한 실정이다.
[선행기술문헌]
대한민국 특허등록 제10-0857916호
본 발명은, 종래기술의 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로서,
초기 및 중장기적으로 우수한 강도를 발현하며 내염해성이 우수하여, 일반적인 토양 고화제로서 뿐만 아니라, 해안지역 또는 연안지역의 연약지반에도 적용될 수 있는 내염해성 토양 고화제 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은
조성물 총중량에 대하여,
카르보 페라이트(carbo-ferrite)를 포함하는 자기경화성 물질 10~80 중량%:
페트로 코크스 연소재 5~30 중량%;
free-CaO 함량이 15 중량% 이상인 유동층상 보일러 석탄회 5~25 중량%;
무수석고, 반수석고 및 이수석고 중에서 선택되는 1종 이상 1~20 중량%;
생석회 및 소석회 중에서 선택되는 1종 이상 1~10 중량%; 및
산화철 3~10 중량%;를 포함하는 내염해성 토양 고화제 조성물을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 카르보 페라이트는 CaCO3 5~15 중량% 및 Fe2O3 3~20 중량%를 함유하는 물질일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 페트로 코크스 연소재는 CaO 30~45 중량%, CaSO4 30~55 중량%, 및 SiO2와 Al2O3의 합 15~25 중량%를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 내염해성 토양 고화제 조성물은 연약지반 처리 공법에 사용될 수 있으며, 특히, 연안 지역이나 해안 지역의 연약지반 처리 공법에 유용하게 사용될 수 있다.
본 발명의 내염해성 토양 고화제 조성물은 카르보 페라이트(carbo-ferrite)를 포함하는 자기경화성 물질, 페트로 코크스 연소재, 석고, 및 free-CaO 함량이 15 중량% 이상인 유동층상 보일러 석탄회를 포함함으로써 장기 강도를 충분히 발현하며, 생석회 또는 소석회에 의해 초기 강도를 충분히 발현하며, 카르보 페라이트와 산화철에 의해 우수한 내염해성을 발현함으로써, 토양의 고화제로서 매우 유용하게 사용될 수 있다.
특히, 일반적인 연약지반 처리 공법뿐만 아니라, 연안 지역이나 해안 지역의 연약지반 처리 공법에 매우 유용하게 사용될 수 있다.
이하 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은 조성물 총중량에 대하여,
카르보 페라이트(carbo-ferrite)를 포함하는 자기경화성 물질 10~80 중량%:
페트로 코크스 연소재 5~30 중량%;
free-CaO 함량이 15 중량% 이상인 유동층상 보일러 석탄회 5~25 중량%;
무수석고, 반수석고 및 이수석고 중에서 선택되는 1종 이상 1~20 중량%;
생석회 및 소석회 중에서 선택되는 1종 이상 1~10 중량%; 및
산화철 3~10 중량%;를 포함하는 내염해성 토양 고화제 조성물에 관한 것이다.
본 발명의 토양 고화제 조성물에 포함되는 상기 카르보 페라이트(carbo-ferrite)를 포함하는 자기경화성 물질로는 이 분야에 공지된 자기경화성이 있는 물질이 제한 없이 사용될 수 있으나, 반드시 카르보 페라이트가 함유되어 있는 물질만 사용이 가능하다.
상기 카르보 페라이트는 CaCO3 5~15 중량% 및 Fe2O3 3~20 중량%을 함유하고 있는 물질을 의미한다.
상기 카르보 페라이트는 토양 고화제 조성물 중에서 석고와 함께 반응하여 에트링자이트(3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O)와 카르보 페라이트 수화물(3CaO·Fe2O3·3CaCO3·12H2O)을 생성할 수 있는 재료이다. 상기 카르보 페라이트 수화물은 본 발명의 토양 고화제 조성물에서 압축강도 향상 및 내염해성 향상에 기여한다.
상기 카르보 페라이트(carbo-ferrite)를 포함하는 자기경화성 물질은 카르보 페라이트를 30~100 중량%로 포함하는 물질이 사용될 수 있다. 구체적으로, 상기 카르보 페라이트를 포함하는 자기경화성 물질로는 카르보 페라이트(carbo-ferrite) 자체가 사용될 수 있으며, Fe2O3, CaCO3, 및 CaO가 함유되어 있는 유동층상 보일러 석탄회, 자철광 분말, 석회석 등이 사용될 수 있다.
상기 카르보 페라이트를 포함하는 자기경화성 물질은 토양 고화제 조성물 총 중량에 대하여 10~80 중량%로 포함될 수 있으며, 더욱 바람직하게는 40~65 중량%로 포함될 수 있다.
상기 카르보 페라이트를 포함하는 자기경화성 물질이 10 중량% 미만으로 포함되는 경우에는 목적하는 압축강도 및 내염해성을 얻기 어려우며, 80 중량%를 초과하는 경우에는 빠른 경화성으로 인하여 토양의 경화성을 지나치게 빠르게 하기 때문에 바람직하지 않다.
본 발명의 토양 고화제 조성물에 포함되는 페트로 코크스 연소재는 CaO 30~45 중량%, CaSO4 30~55 중량%, 및 SiO2와 Al2O3의 합 15~25 중량%를 포함한다.
상기 페트로 코크스 연소재는 카르보 페라이트와 반응하여 에트링자이트(3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O)와 카르보 페라이트 수화물(3CaO·Fe2O3·3CaCO3·12H2O)을 생성함으로서 장기 압축강도 발현에 기여한다.
상기 페트로 코크스 연소재는 토양 고화제 조성물 총 중량에 대하여 5~30 중량%로 포함될 수 있으며, 10~25 중량%로 포함되는 것이 더욱 바람직하다.
상기 페트로 코크스 연소재가 5 중량% 미만으로 포함되는 경우에는 목적하는 압축강도 및 내염해성을 얻기 어려우며, 30 중량%를 초과하는 경우에는 페트로 코크스 연소재에 함유되어 있는 CaO 성분이 지나치게 많아지게 되므로 팽창 균열이 발생하기 때문에 바람직하지 않다.
본 발명의 토양 고화제 조성물에 포함되는 free-CaO 함량이 15 중량% 이상인 유동층상 보일러 석탄회는 초기에 연약지반의 고화를 촉진시키는 역할을 수행하며, 특히 함수율이 높은 토양의 수분과 급격히 반응하여 초기 수화 및 고화를 촉진한다.
상기 free-CaO의 함량은 일반적인 화학조성상 나타나는 CaO의 함량이 아니라, 별도로 분리되어 CaO 상태로 존재하는 산화칼슘(CaO)을 의미한다. 즉, 광물에서 CaO는 free-CaO 형태와 CaSO4 같이 CaO가 다른 원자와 화합물을 이루고 있는 형태로 존재하는데, 이 분야에서 CaO의 조성은 상기 2가지 형태의 CaO를 모두 포함하는 형태로 기술되는 것이 일반적이다. 그러나 본 발명에서 free-CaO는 화합물에 일부구성요소로 포함되어 있는 CaO(예: CaSO4에 포함되어 있는 CaO)를 제외한 것을 의미한다.
상기 free-CaO는 물과의 혼합에 의해 수화(slake) 반응이 잘 진행되게 하고, 알루미나와 반응하여 칼슘알루미네이트 화합물을 생성시키고, 상기 생성된 칼슘알루미네이트 화합물이 중금속이온과 결합하여 고화시키는 역할을 한다. 상기 free-CaO는 15 ~ 45 중량%로 포함될 수 있으며, 15 중량% 미만으로 포함되는 경우 알루미나 성분과의 반응에 의하여 생성되는 칼슘 알루미네이트 생성량이 적어 중금속 이온 고정화가 약해지며, 45 중량%를 초과하는 경우에는 칼슘 알루미네이트 생성량은 많아서 중금속 이온의 고정화에는 유리하지만 빠른 경화속도로 인하여 작업성이 떨어지는 단점이 있다.
상기 유동층상 보일러 석탄회는 토양 고화제 조성물 총 중량에 대하여 5~25 중량%로 포함될 수 있으며, 10~20 중량%로 포함되는 것이 더욱 바람직하다.
상기 유동층상 보일러 석탄회가 5 중량% 미만으로 포함되는 경우에는 목적하는 초기 수화 및 고화 촉진 효과가 얻어지기 어려우며, 25 중량%를 초과하는 경우에는 유동층상 보일러 석탄회에 함유되어 있는 free-CaO 량의 증가로 팽창 균열을 발생시킬 수 있기 때문에 바람직하지 않다.
본 발명의 토양 고화제 조성물에 포함되는 무수석고, 반수석고 및 이수석고 중에서 선택되는 1종 이상의 석고는 카르보 페라이트와 반응하여 수화 초기에 연약지반의 압축강도 발현 및 내염해성 향상에 기여하는 에트링자이트(3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O)의 생성을 보조하는 역할을 수행한다. 상기 석고들 중에서 특히, 무수석고가 내염해성 향상 효과가 우수하므로 바람직하게 사용될 수 있다.
상기 무수석고, 반수석고 및 이수석고 중에서 선택되는 1종 이상은 토양 고화제 조성물 총 중량에 대하여 1~20 중량%로 포함될 수 있으며, 3~7 중량%로 포함되는 것이 더욱 바람직하다.
상기 무수석고, 반수석고 및 이수석고 중에서 선택되는 1종 이상이 1 중량% 미만으로 포함되는 경우에는 에트링자이트(3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O)의 생성 촉진 효과가 얻어지기 어려우며, 20 중량%를 초과하는 경우에는 에트링자이트 생성량의 증가로 팽창균열이 발생할 수 있기 때문에 바람직하지 않다.
본 발명의 토양 고화제 조성물에 포함되는 생석회 및 소석회 중에서 선택되는 1종 이상은 초기에 연약지반의 고화를 촉진시키는 역할을 수행하며, 특히 함수율이 높은 토양의 수분과 급격히 반응하여 초기 수화 및 고화를 촉진한다.
상기 생석회 및 소석회 중에서 선택되는 1종 이상은 토양 고화제 조성물 총 중량에 대하여 1~10 중량%로 포함될 수 있으며, 3~7 중량%로 포함되는 것이 더욱 바람직하다.
상기 생석회 및 소석회 중에서 선택되는 1종 이상이 1 중량% 미만으로 포함되는 경우에는 목적하는 초기 수화 및 고화 촉진 효과가 얻어지기 어려우며, 10 중량%를 초과하는 경우에는 팽창균열이 발생할 수 있기 때문에 바람직하지 않다.
본 발명의 토양 고화제 조성물에 포함되는 산화철은 카르보 페라이트 수화물(3CaO·Fe2O3·3CaCO3·12H2O)의 생성을 보조함으로서 장기 압축강도 발현 및 내염해성 향상에 기여한다.
상기 산화철은 토양 고화제 조성물 총 중량에 대하여 3~10 중량%로 포함될 수 있으며, 4~7 중량%로 포함되는 것이 더욱 바람직하다.
상기 산화철이 3 중량% 미만으로 포함되는 경우에는 카르보 페라이트 수화물(3CaO·Fe2O3·3CaCO3·12H2O)의 생성 촉진 효과를 얻기 어려우며, 10 중량%를 초과하는 경우에는 지나치게 많은 카르보 페라이트의 생성으로 장기 고화 안정성이 낮아질 수 있기 때문에 바람직하지 않다.
본 발명의 토양 고화제 조성물에는 상술한 성분 이외에 이 분야에서 통상적으로 사용되는 다른 구성 요소가 더 첨가될 수 있다. 예를 들어, 카르보 페라이트 물질 또는 생석회의 발열반응이나, 점성에 대하여 유동성을 향상시키기 위한 유동제가 투입될 수 있다. 상기 유동제는 본 발명의 내염해성 토양 고화제 조성물의 기본적인 성질이 변하지 않는 범위 내에서 소량 투입되는 것이 바람직하다. 상기 유동제로는, 예를 들어, 나프탈린 설폰산계 화합물, 폴리카르본산계 등이 사용될 수 있다.
본 발명의 내염해성 토양 고화제 조성물은 여러 형태의 연약지반 처리 공법에 사용될 수 있다. 예를 들면, 연약 지반의 표층에 고화제 조성물을 혼합하여 안정화 처리를 하여 중장비의 트래피커빌리티(trafficability)를 확보하거나, 성토 기초를 형성하거나, 도로 노상부의 개량 등을 수행하는 표층 혼합 처리 공법에도 적용할 수 있다. 또한, 본 발명의 토양 고화제 조성물은 지반에 원위치 혼합하여 연약 지반을 주상, 망상 또는 전면적으로 개량하는 심층 혼합 처리 공법 등에도 적용할 수 있다.
특히, 본 발명의 내염해성 토양 고화제 조성물은 염해에 의해 고화토의 하자가 발생할 수 있는 해안 및 연안 지역에서, 소일시멘트 월 공법, 심층화 처리 공법 또는 표층 고화처리 공법 등에 이용될 수 있다.
상기와 같은 공법 자체는 현재 널리 시행되고 있는 것이어서 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
이하에서, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나, 하기의 실시예는 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다. 하기의 실시예는 본 발명의 범위 내에서 당업자에 의해 적절히 수정, 변경될 수 있다.
실시예 1~4 및 비교예 1~2: 내염해성 토양 고화제 조성물의 제조
하기 표 1에 기재된 성분들을 해당 조성비로 혼합하여 내염해성 토양 고화제 조성물을 제조하였다.
비교예1 비교예2 실시예1 실시예2 실시예3 실시예4
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슬래그 시멘트 - 100 - - - -
카르보페라이트 - - 60 55 50 45
페트로코크스 연소재 - - 15 20 20 20
유동층상 보일러 석탄회(free-CaO 23중량%) - - 10 10 15 20
무수석고 - - 5 5 5 5
생석회 - - 5 5 0 0
소석회 - - 0 0 5 5
산화철 - - 5 5 5 5
합계 - - 100 100 100 100
(단위: 중량%)
시험예 1: 내염해성 토양 고화제 조성물의 물성 평가
상기 실시예 및 비교예에서 제조된 내염해성 토양 고화제 조성물을 토양과 배합한 후, 기건상태로 양생하여, 토양 고화제 조성물의 물성을 평가하고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
물성 평가를 위하여 동해안 연안 지역의 토양을 사용하였으며, 시험 방법은 다음과 같았다:
[사용 토양]
- 점성토: 함수비 85%, 1,700g/l
- 사질토: 함수비 52%, 1,800g/l
[시험 항목 및 측정 방법]
- 일축 압축강도(KSF 2426): 1, 3, 7, 28, 60일
- 유동성: KSL 5111 방식으로 측정
- 내염해성:
토양 고화제 조성물을 사용한 고화체를 28일 동안 기건상태로 양생한 후, NaCl 5% 수용액에 다시 28일 동안 침지한 후, 압축강도를 비교하여 내 염해성을 평가하였다.
토양종류 고화제 사용량(g/L) W/B
(%)		 압축강도(MPa) 내염해성
(MPa)		 유동성
(mm)
1일 7일 28일 60일
비교예1 점성토 300 100 1.2 6.5 23.7 29.9 20.5 185
사질토 300 100 1.7 8.3 25.3 31.7 22.1 192
비교예2 점성토 300 100 0.7 5.8 25.1 30.1 18.6 191
사질토 300 100 1.3 7.4 28.1 32.1 20.1 197
실시예1 점성토 300 100 1.3 7.2 24.8 32.2 26.1 192
사질토 300 100 1.9 8.5 27.9 34.4 27.9 199
실시예2 점성토 300 100 1.3 6.9 25.1 31.5 26.7 199
사질토 300 100 1.8 8.1 27.6 32.7 28.4 197
실시예3 점성토 300 100 1.1 6.5 24.7 30.8 25.1 202
사질토 300 100 1.6 7.9 26.3 32.1 28.2 199
실시예4 점성토 300 100 1.2 6.6 24.3 31.0 26.7 204
사질토 300 100 1.6 7.9 26.9 33.2 28.2 201
상기 표 2로부터 확인되는 바와 같이, 본 발명의 실시예 1 내지 4의 내염해성 토양 고화제는 비교예 1 및 비교예 2와 비교하여 초기 및 장기적으로 우수한 고화 특성 및 유동성을 나타내며, 특히 매우 뛰어난 내염해성을 갖는 것을 알 수 있다.

Claims (5)

  1. 조성물 총중량에 대하여,
    CaCO3 5~15 중량% 및 Fe2O3 3~20 중량%를 함유한 카르보 페라이트(carbo-ferrite)를 30~100 중량%로 포함하는 자기경화성 물질 10~80 중량%:
    페트로 코크스 연소재 5~30 중량%;
    free-CaO 함량이 15 중량% 이상인 유동층상 보일러 석탄회 5~25 중량%;
    무수석고, 반수석고 및 이수석고 중에서 선택되는 1종 이상 1~20 중량%;
    생석회 및 소석회 중에서 선택되는 1종 이상 1~10 중량%; 및
    산화철 3~10 중량%;를 포함하는 내염해성 토양 고화제 조성물.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 페트로 코크스 연소재는 CaO 30~45 중량%, CaSO4 30~55 중량%, 및 SiO2와 Al2O3의 합 15~25 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 내염해성 토양 고화제 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 내염해성 토양 고화제 조성물은 연약지반 처리 공법에 사용되는 것을 특징으로 하는 내염해성 토양 고화제 조성물.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 내염해성 토양 고화제 조성물은 연안 지역이나 해안 지역의 연약지반 처리 공법에 사용되는 것을 특징으로 하는 내염해성 토양 고화제 조성물.
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