KR102007912B1

KR102007912B1 - 내진 및 액상화 방지용 그라우트 조성물 및 이를 이용한 그라우팅 공법

Info

Publication number: KR102007912B1
Application number: KR1020190002066A
Authority: KR
Inventors: 장태민
Original assignee: 장태민
Priority date: 2019-01-08
Filing date: 2019-01-08
Publication date: 2019-08-06

Abstract

본 발명은 내진 및 액상화 방지용 그라우트 조성물 및 이를 이용한 그라우팅 공법에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 초미립자 시멘트를 포함하는 고화제와 플라스틱 수지를 배합하여, 높은 침투성 및 유동성을 바탕으로 토립자의 입경이 작은 사질계 지반에까지 주입이 가능하고, 장시간의 겔타임을 유지하면서도 높은 고결강도를 가지므로, 넓은 범위의 연약지반을 균등하게 보강하여 액상화 현상 등을 방지할 수 있다.

Description

내진 및 액상화 방지용 그라우트 조성물 및 이를 이용한 그라우팅 공법{Grout compositions for preventing earthquake and liquefaction and grouting methods using the same}

본 발명은 내진 및 액상화 방지용 그라우트 조성물 및 이를 이용한 그라우팅 공법에 관한 것이다.

그라우팅이란 지반 개량이나 용수의 방지를 위해 땅 속의 공극에 시멘트 풀을 압입하는 공법으로서 지반의 고결화, 지반의 지지력 증가, 투수성 감소, 지반과 구조물과의 일체화 등을 목적으로 사용된다.

일반적으로 연약지반이라고 하면 상부구조물을 지지할 수 없는 상태의 지반을 말하며, 예를 들면 연약한 점토, 느슨한 사질토, 유기질토 등이 이에 속하고 느슨한 사질토는 액상화 현상을 유발하며, 연약한 점성토나 유기질토로 구성된 지반 위에 도로, 교량, 건물 등이 그대로 놓여 진다면 침하량이 높아지고, 지지력이 부족하여 안전상의 문제가 발생하게 되고, 이러한 문제들이 예상되는 연약지반을 개량하여 어떠한 구조물을 건설하는데 있어 안전상의 문제점을 제거하기 위한 수단으로 연약지반 개량공법으로 그라우팅 공법이 많이 이용될 것으로 예측된다.

한편, 그라우팅 공법은 연약 지반 속에 시멘트액, 모르타르액, 물유리액 등과 같은 약액을 주입하여 지반 내 공극이나 균열에 충전시켜 줌으로써 용수 유출을 막거나 연약 지층을 뭉쳐 굳게 함으로써 지반의 붕괴를 억제하는 공법으로, 밀크공법, LW공법, SGR공법, CGS공법 등이 있다. 본 발명은 내진 및 액상화 보강 공법 전반에 이용될 수 있는 그라우트 조성물과 이를 이용하는 그라우팅 공법에 관한 것이다.

대한민국 특허등록공보 제10-0397249호 대한민국 특허등록공보 제10-0433051호

본 발명의 목적은 초미립자 시멘트 및 폴리에테르설폰 수지 등을 포함하고, 장시간의 겔타임과 높은 유동성 및 침투성을 바탕으로 광범위한 연약지반의 내진 및 액상화 방지 등을 위한 그라우트 조성물을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기 그라우트 조성물을 이용한 그라우팅 공법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 이루기 위한 본 발명의 일 측면은 초미립자 시멘트 100 중량부에 대하여, 폴리에테르설폰 수지 4 내지 6 중량부, 유동화제 0.1 내지 0.4 중량부, 증점제 0.01 내지 0.1 중량부를 포함하고, 상기 초미립자 시멘트는 블레인 값 분말도가 8000 내지 15000 ㎠/g이며, 실리케이트 분말과 포틀랜드 시멘트가 1.5:8.5 내지 2:8의 중량비율로 혼합된 것인 그라우트 조성물을 제공한다.

본 발명의 다른 측면은 상기 그라우트 조성물과 물을 0.95 내지 1:1의 중량비로 혼합한 B액을 제조하는 단계; SiO₂와 Na₂O 몰비가 1:1 내지 1.5인 규산나트륨 및 물을 부피비 1:1.5 내지 2로 혼합한 A액을 제조하는 단계; 및 상기 A액과 B액이 1:1 내지 1.2의 부피비로 혼합된 상태로 지반에 침투시켜 그라우팅을 실시하는 단계;를 포함하는 그라우팅 공법을 제공한다.

본 발명에 의하면, 초미립자 시멘트를 포함하는 고화제와 플라스틱 수지를 배합하여, 높은 침투성 및 유동성을 바탕으로 토립자의 입경이 작은 사질계 지반에까지 주입이 가능하고, 장시간의 겔타임을 유지하면서도 높은 고결강도를 가지므로, 넓은 범위의 연약지반을 균등하게 보강하여 액상화 현상 등을 방지할 수 있다.

이하에서, 본 발명의 여러 측면 및 다양한 구현예에 대해 더욱 구체적으로 설명한다.

본 발명은 사질계 지반의 내진 및 액상화 현상을 방지하기 위해 특화된 그라우트 조성물에 관한 것으로, 초미립자 시멘트 및 폴리에테르설폰 수지의 배합으로, 높은 압축강도를 가짐과 동시에 높은 유동성과 침투성을 바탕으로 넓은 범위의 지반을 보강할 수 있다.

본 발명의 일 측면은 초미립자 시멘트 100 중량부에 대하여, 폴리에테르설폰 수지 4 내지 6 중량부, 유동화제 0.1 내지 0.4 중량부, 증점제 0.01 내지 0.1 중량부를 포함하고, 상기 초미립자 시멘트는 블레인 값 분말도가 8000 내지 15000 ㎠/g이며, 실리케이트 분말과 포틀랜드 시멘트가 1.5:8.5 내지 2:8의 중량비율로 혼합된 것인 그라우트 조성물을 제공한다.

상기 포틀랜드 시멘트는 KS에 규정된 보통 포틀랜드 1종~5종 시멘트를 사용할 수 있다. 상기 초미립자 시멘트는 유리질의 비금속인 실리케이트를 급냉시켜 분말화하고, 이를 상기 포틀랜드 시멘트와 1:9 내지 1.5:8.5의 중량비율로 혼합하여 제조된 것일 수 있다. 상기 실리케이트 분말과 포틀랜드 시멘트의 혼합 비율을 조절함으로써 경화속도를 조정할 수 있다. 상기 조성비 범위를 유지하는 것이 광범위한 침투 주입에 요구되는 장시간의 겔타임을 보유할 수 있다는 점에서 바람직하다. 상기 초미립자 시멘트는 블레인 값 분말도가 8000 ㎠/g 이상인 것을 사용하는 것이 바람직한데, 토립자의 입경이 작은 지반에까지 원활한 침투주입을 위함이다. 다만 분말도 값이 더욱 높은 시멘트를 사용할 경우 작업성과 주입성은 향상되나 재료비의 상승을 가져오는 요인이 될 수 있기 때문에 분말도 값이 과도하게 높은 시멘트를 사용할 필요는 없다.

상기 폴리에테르설폰 수지는 높은 기계적 특성을 가지고 우수한 유동특성과 가공성을 가지는 플라스틱으로, 상기 초미립자 시멘트와 혼합되어 연약지반 개량 특히 사질계 지반의 내진 및 액상화 방지하는데 탁월한 효과를 보인다. 폴리에테르설폰 수지는 펠렛 또는 분말 형태로 사용될 수 있다. 폴리에테르설폰 수지가 상기 범위 미만으로 포함되는 경우, 사질계 지반을 강화하여 액상화 현상을 방지하고, 내진 특성을 부여하기에 충분치 못하며, 상기 범위를 초과할 경우, 더 이상의 지반 강화 효과는 기대하기 어렵고, 유동성이 감소하여 높은 침투성을 달성할 수 없으며, 고가의 폴리에테르설폰의 사용량이 증가하여 경제적이지 못하다.

상기 폴리에테르설폰 수지는 직경이 1 내지 10 ㎛, 길이가 0.1 내지 1 인치인 유리섬유가 25 내지 35 wt% 포함될 수 있는데, 충격강도가 더욱 향상되고 시멘트와의 혼합에서 폴리에테르설폰 수지의 응집이 방지될 수 있다는 유리한 효과를 가진다.

상기 유동화제는 높은 감수력으로 작업성을 향상시키고 시멘트 입자와 입자 사이의 반발력을 높여주는 효과가 있다. 본 발명의 그라우트 조성물은 폴리에테르설폰 수지를 포함하여 유동성이 감소하여 원활한 시공이 어려울 수 있기 때문에, 적절한 유동화제를 사용하는 것이 중요하다. 상기 유동화제는 CeO₂가 포함되는 것이 바람직한데, CeO₂를 포함하지 않는 경우, 폴리에테르설폰의 혼합에 의해 발현되는 강한 압축강도의 효과가 나타나지 못하기 때문이다. 또한, 초미립자 시멘트 입자와 폴리에테르설폰의 균일한 혼합을 유도할 수 있어, 최종적으로 균일한 지반 보강이 가능하도록 한다. 상기 유동화제는 보다 바람직하게, SiO₂ 45.5±2 wt%, CaO 36.1±2 wt%, CeO₂ 8.0±1 wt%, SO₃ 7.1±1 wt%, Al₂O₃ 3.3±1 wt%의 조성으로 사용될 수 있다. 상기 조성으로 사용될 경우, 폴리에테르설폰의 혼합에 의한 압축강도 향상의 효과 및 유동화제의 사용량을 최소 범위로 사용할 수 있어 경제적인 효과를 기대할 수 있다.

상기 증점제는 세틸트리메틸안모늄프로미드 14.3±1 wt%, 메틸셀룰로오스 7.2±1 wt%, 물 78.4±2 wt%, pH 조절제 0.1±0.05 wt%을 포함할 수 있다. 상기 증점제는 재료분리 방지를 위한 목적으로 사용되며, 상기 초미립자 시멘트 100 중량부에 대하여 0.1 내지 2 중량부 포함되는 것이 적정하다. 상기 범위를 초과할 경우 점도가 지나치게 증가하여 충분한 유동성이 확보될 수 없어 작업성이 떨어지며, 상기 범위 미만의 경우, 재료 분리 방지 특성이 미흡할 수 있다. 상기 증점제는 세틸트리메틸암모늄프로미드를 14.3±1 wt% 포함하도록 사용하는 것이 바람직하다. 세틸트리메틸암모늄프로미드는 물에 잘 녹으며, 메틸셀룰로오스가 그라우트와 혼합하여 발생할 수 있는 문제점을 해결할 수 있다. 일반적으로 셀룰로오스 등의 고분자를 포함하는 증점제는 그라우트재와 혼합 후 증점이 이루어질 때까지 많은 시간이 요구되고, 기포가 발생하며, 유동성이 부족한 문제점이 있어 소포제와 유동화제 등이 추가로 사용되어야 했다. 그러나 세틸트리메틸암모늄프로미드가 사용될 경우, 증점이 이루어지는 시간을 단축하고, 기포 발생을 억제하며 유동성이 부여할 수 있어서, 소포제 및 유동화제를 추가로 사용해야하는 문제점을 해결할 수 있음을 확인하였다. 상기 pH 조절제는 금속 염화물 및 금속수산화물 등을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 수산화칼륨이 사용될 수 있다.

본 발명의 다른 측면은 상기 그라우트 조성물과 물을 0.95 내지 1:1의 중량비로 혼합한 B액을 제조하는 단계; SiO₂와 Na₂O 몰비가 1:1 내지 1.5인 규산나트륨 및 물을 부피비 1:1.5 내지 2로 혼합한 A액을 제조하는 단계; 및 상기 A액과 B액이 1:1 내지 1.2의 부피비로 혼합된 상태로 지반에 침투시켜 그라우팅을 실시하는 단계;를 포함하는 그라우팅 공법을 제공한다. 상기 B액 제조에 사용되는 그라우트 조성물과 물은 0.95 내지 1:1의 중량비로 혼합하여 사용하는 것이 조성물의 적절한 혼합 및 적정 점도 확보 면에서 유리하며, 주입재의 균등한 주입으로 지반의 균등한 보강이 가능하다. A액의 제조에 사용되는 규산나트륨은 적정 겔타임을 유지하는 측면에서 SiO₂와 Na₂O의 몰비는 1:1 내지 1.5, 바람직하게는 1:1로 사용될 수 있으며, 규산나트륨과 물은 1:1.5 내지 2의 부피비로 혼합하여 사용할 수 있다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나, 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않고, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.

실시예 1

실리케이트를 급냉시켜 분말화하고, 이를 다시 포틀랜드 시멘트와 2:8의 중량비율로 혼합하여 초미립자 시멘트를 제조하였다. 여기서 블레인 값 분말도는 8000 내지 15000 ㎠/g을 갖도록 하였다. 상기 초미립자 시멘트 100 중량부에 대하여, 폴리에테르설폰 수지 5 중량부, 유동화제 0.3 중량부, 증점제 0.05 중량부를 혼합하였다.

이때, 폴리에테르설폰 수지는 직경이 1 내지 10 ㎛, 길이가 0.1 내지 1 인치인 유리섬유를 30 wt% 포함한 것을 사용하였고, 유동화제는 SiO₂ 45.5 wt%, CaO 36.1 wt%, CeO₂ 8.0 wt%, SO₃ 7.1 wt%, Al₂O₃ 3.3 wt%의 조성으로 사용되었으며, 증점제는 세틸트리메틸안모늄프로미드 14.3 wt%, 메틸셀룰로오스 7.2 wt%, 물 78.4 wt%, pH 조절제(수산화칼륨) 0.1 wt%의 조성으로 사용되었다.

비교예 1

상기 실시예 1과 동일한 방법으로 그라우트 조성물을 제조하되, 폴리에테르설폰 수지를 제외하였다.

비교예 2

상기 실시예 1과 동일한 방법으로 그라우트 조성물을 제조하되, 유동화제는 49.8 wt%, CaO 38.2 wt%, SO₃ 8.5 wt%, Al₂O₃ 3.5 wt%의 조성으로 사용하였다.

비교예 3

상기 실시예 1과 동일한 방법으로 그라우트 조성물을 제조하되, 초미립자 시멘트를 1종 보통시멘트 100 중량부로 대신하였다.

실험예

상기 실시예 및 비교예에서 제조한 그라우트 조성물에 물을 0.95:1의 중량비로 투입 및 교반하여, 그라우트용 B액을 제조하였다. SiO₂와 Na₂O 몰비가 1:1인 규산나트륨과 물을 1:2의 부피비로 혼합하여 그라우트용 A액을 제조한 후, 상기 제조한 그라우트용 B액과 혼합하여 그라우트재를 제조하였다.

상기 제조된 그라우트재의 플로우값, 겔 타임 및 압축강도를 측정하여 하기 표 3에 나타내었다. 플로우값은 KS F 2402에 의거하여 측정하였으며, 압축강도시험은 KS F 2405 압축강도 시험방법에 의거하여 경화 24 시간 경과시점에서 측정하였다.

	플로우값 (mm)	겔 타임 (초)	압축강도 (kgf/㎠)
실시예 1	531	94	68.3
비교예 1	545	79	53.7
비교예 2	428	76	59.8
비교예 3	452	60	51.4

상기 표 1의 실험 결과를 살펴보면, 실시예 1의 경우 플로우 값 531 mm, 겔 타임 94초, 압축강도 68.3 kgf/㎠의 값을 가져, 장시간의 겔타임을 가지고, 높은 유동성 및 압축강도를 가짐을 확인할 수 있었다.

이에 반해, 폴리에테르설폰 수지를 사용하지 않은 비교예 1의 경우 플로우 값은 우수하나, 압축강도가 현저하게 감소하였으며, CeO₂를 조성에서 제외한 유동화제를 사용한 비교예 2의 경우 실시예 1과 양호한 압축강도를 가졌으나, 플로우 값이 급격하게 낮아지는 문제가 있었다. 초미립자 시멘트 대신 1종 보통시멘트를 사용한 비교예 3의 경우, 플로우 값이 감소하고 겔타임이 급격하게 줄어들어 넓은 범위의 지반에 침투하기에 부적합한 문제가 있음을 확인하였다.

그러므로 본 발명에 따르면, 본 발명의 그라우트재 조성물로 제조한 그라우트재는 높은 침투성 및 유동성을 바탕으로 토립자의 입경이 작은 지반에까지 주입이 가능하고, 장시간의 겔타임을 유지하면서도 높은 고결강도를 가지므로, 넓은 범위의 연약지반을 개량하여 액상화 현상 등을 방지할 수 있음을 확인하였다.

전술한 실시예 및 비교예는 본 발명을 설명하기 위한 예시로서, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양하게 변형하여 본 발명을 실시하는 것이 가능할 것이므로, 본 발명의 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims

초미립자 시멘트 100 중량부에 대하여, 폴리에테르설폰 수지 4 내지 6 중량부, 유동화제 0.1 내지 0.4 중량부, 증점제 0.01 내지 0.1 중량부를 포함하고,
상기 초미립자 시멘트는 블레인 값 분말도가 8000 내지 15000 ㎠/g이며, 실리케이트 분말과 포틀랜드 시멘트가 1.5:8.5 내지 2:8의 중량비율로 혼합된 것인 그라우트 조성물.
제1항에 있어서,
상기 폴리에테르설폰 수지는 직경이 1 내지 10 ㎛, 길이가 0.1 내지 1 인치인 유리섬유가 25 내지 35 wt%를 포함하는 것을 특징으로 하는 그라우트 조성물.
제1항에 있어서,
상기 유동화제는 SiO₂ 45.5±2 wt%, CaO 36.1±2 wt%, CeO₂ 8.0±1 wt%, SO₃ 7.1±1 wt%, Al₂O₃ 3.3±1 wt%의 조성으로 사용되는 것을 특징으로 하는 그라우트 조성물.
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