KR102036654B1 - 아미노알코올계 첨가제를 함유한 지반차수 및 지반보강용 그라우트 조성물 및 이를 이용한 시공방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지반차수 및 지반보강을 위한 그라우트 조성물 및 이의 시공방법에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 아미노알코올계 첨가제를 함유한 지반차수 및 지반보강용 그라우트 조성물은 급결성을 부여하는 급결제 조성물과 물을 혼합한 A 타입 슬러리와, 상기 A 타입 슬러리와 혼합되며 시멘트를 주된 성분으로 하는 분체조성물과 물을 혼합한 B 타입 슬러리를 포함하고, 상기 급결제 조성물은 상기 급결제 조성물의 100중량부에 대하여, 비표면적 5,000 ~ 6,500cm²/g 내외이며 Al₂O₃ 함량이 32% 이상인 아윈계 칼슘설퍼알루미네이트 38∼68중량부, 비정질의 C12A7 입자 표면에서 에트린가이트를 생성하기 위한 석고 7∼15중량부, 응집 촉진을 위한 알루미늄염과 소석회로 구성된 무기응집제 5∼10중량부, 상기 무기응집제의 성능을 높여서 효과를 증대시키기 위한 응집보조제 2∼5중량부, 경화속도를 조절하기 위한 지연제 0∼0.3중량부, 및 급결 후 발생되는 블리딩을 방지하기 위한 침강방지제 0.5∼2중량부를 포함한다. 따라서, 겔타임이 빠르고 겔화 조절도 용이하며, 특히 해수에 대한 저항성이 커서 안정적 경화가 이루어지며, 금속의 부식을 방지할 수 있다.

Description

아미노알코올계 첨가제를 함유한 지반차수 및 지반보강용 그라우트 조성물 및 이를 이용한 시공방법{Grout composition for ground water and ground reinforcement containing amino-alcohol based additives and construction method using The same}

본 발명은 지반차수 및 지반보강을 위한 그라우트 조성물 및 이의 시공방법에 관한 것이다.

최근 선진화된 국내외에서는 자국내 산업의 발전과 이에 도시집중화 현상으로 인해 과포화상태의 인구를 지역분권을 토대로 분산화하기 위해 교육, 문화, 교통등의 인프라를 구축하기 위해 노력하고 있다.

이로 인해 건축물, 도로,고속철도, 경전철, 지하철 등 대규모 토목공사 업이 활발히 진행되고, 토목공사는 지반 개량 및 강화가 필수적이며 도로, 고속철도, 경전철, 지하철등의 교통 구간에서의 경제적 타당성에 의해 터널공사는 필수적으로 시행해야 한다.

그러나 일반적으로 강도가 낮거나 지지력이 낮은 지반에서의 굴착 및 터널굴착을 수행하는 경우 또는 지하수 수위가 높아 지하굴착시 지하수 배출에 따른 주변지반의 침하가 예상되거나 연약지반으로 인해 굴착시 지반의 이완영역이 넓은 경우 등은 지하구조물 및 인접구조물의 안정성을 확보하여야 하므로 굴착공법과 병행한 적절한 보조공법 선정이 필수적으로 동반되어야 한다.

또한, 지반구조물의 노후화에 따른 문제는 최근 빈번히 발생하고 있으며, 대심도 도심지 굴착공사와 터널공사 등 시공여건이 어려운 공사가 증가하고 있다.

이에 따라 강도저하, 침하, 누수 및 과다토압 발생에 대처하기 위해 지반에 그라우팅 재료를 주입시켜 지반의 공학적 성질을 증대시키는 그라우팅 공법을 보조공법으로 적용하여 수행한다.

그라우팅 공법은 그라우팅 재료를 지반에 주입 시 효과가 확인되면서 건설공사에 본격적으로 도입되었지만 그라우팅 재료로 사용되는 시멘트의 입자가 굵어 침투주입 영역이 매우 제한적이었다.

이를 해결하기 위해 지반에 용이하게 주입할 수 있는 물유리와 같은 약액계 그라우팅 재료가 한국등록특허공보 제10-1029155호(2011.4.13.공고), 한국등록특허공보 제10-0397249(2003.9.13.공고)에 개시되었으며, 약액계 그라우팅 재료로 사용되는 물유리 용액은 지반으로의 침투성이 시멘트나 벤토나이트에 비해 월등히 높은 그라우팅 재료로써 각광받게 되어, L.W 및 S.G.R 공법을 대표로 하는 물유리계 그라우팅공법은 침투주입 그라우팅이 적용되는 시공현장에 많이 적용한다.

그러나 물유리 용액은 강도가 적고 내구성이 낮으며, 용탈현상 또한 상대적으로 크다는 문제점을 안고 있다.

이러한 문제는 물유리 용액이라는 특성상 차수효과가 크게 나타나지만 장기적인 관점에서 내구성 저하에 따른 차수효과 마저 기대하기 어려워 영구적인 지반보강 및 차수 공법으로는 본질적 문제가 발생한다.

또한, 물유리 용액은 어독성실험 등을 통하여 검증된 바와 같이 용탈된 알카리 이온이 환경적 문제점이 있었다.

본 발명은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 물유리계 그라우팅 공법의 문제점을 극복하면서 우수한 침투성을 목표로 하는 무기질 광물계 재료를 사용한 그라우트 조성물을 제공하여 용탈 및 환경적인 문제에 대처함으로써 반영구적인 차수효과를 기대하며, 해수와 접촉하는 지반에 대해 그라우팅 재료의 내구성 저하 문제를 해결하고 터널굴착 보조공법시 사용되는 강관과 같은 금속의 부식방지를 목적으로 아미노알코올계 첨가제를 사용하여 그 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

상기한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 아미노알코올계 첨가제를 함유한 지반차수 및 지반보강용 그라우트 조성물은 급결성을 부여하는 급결제 조성물과 물을 혼합한 A 타입 슬러리와, 상기 A 타입 슬러리와 혼합되며 시멘트를 주된 성분으로 하는 분체조성물과 물을 혼합한 B 타입 슬러리를 포함하고, 상기 급결제 조성물은 상기 급결제 조성물의 100중량부에 대하여, 비표면적 5,000 ~ 6,500cm2/g 내외이며 Al₂O₃ 함량이 32% 이상인 아윈계 칼슘설퍼알루미네이트 38∼68중량부, 비정질의 C12A7 입자 표면에서 에트린가이트를 생성하기 위한 석고 7∼15중량부, 응집 촉진을 위한 알루미늄염과 소석회로 구성된 무기응집제 5∼10중량부, 상기 무기응집제의 성능을 높여서 효과를 증대시키기 위한 응집보조제 2∼5중량부, 경화속도를 조절하기 위한 지연제 0∼0.3중량부, 및 급결 후 발생되는 블리딩을 방지하기 위한 침강방지제 0.5∼2중량부를 포함한다.

상기 급결제 조성물은 겔타임 및 압축강도를 향상시키도록 상기 급결제 조성물의 100중량부에 대하여, 상기 아윈계 칼슘설퍼알루미네이트를 아토마이징 공법으로 급속 냉각시켜 안정한 유리질을 가지도록 제조되며 비표면적 6,000 ~ 7,000cm2/g 내외의 비정질의 C12A7를 포함하는 급결보조제 17∼28중량부를 더 포함할 수 있다.

상기 석고는 천연무수석고와 알파형 반수석고를 7:3 비율로 혼합한 석고 혼합물일 수 있다.

상기 침강방지제는 흄드실리카와 아타풀가이트 중 어느 하나를 포함할 수 있다.

상기 급결제 조성물은 주입 시 맥동압의 발생을 방지하도록 상기 급결제 조성물의 100중량부에 대하여, 미분말 입자의 자가 응집을 방지하기 위한 분산제 0.5∼1.7중량부를 더 포함할 수 있다.

상기 분체조성물은 상기 분체조성물의 100중량부에 대해, 시멘트 혼합물 97∼99중량부, 및 금속의 부식방지 및 그라우트 조성물의 염해 방지와 탄산염화를 억제 하기 위한 아미노알코올계 첨가제 0.1∼0.5중량부를 포함할 수 있다.

상기 분체조성물은 주입 시 맥동압의 발생을 방지하도록 상기 분체조성물의 100중량부에 대해, 미분말 입자의 자가 응집을 방지하기 위한 분산제 0.9∼2.5중량부를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 아미노알코올계 첨가제를 함유한 지반차수 및 지반보강용 그라우트 조성물을 이용한 시공방법은 상기 A 타입 슬러리와 상기 B 타입 슬러리를 혼합하여 제조되는 급결성 슬러리, 및 상기 급결성 슬러리의 물 혼합량보다는 높은 물의 혼합량을 가져 상기 급결성 슬러리보다는 겔타임이 증가되는 완결성 슬러리를 포함하고, 상기 급결성 슬러리의 A 타입 슬러리와 B 타입 슬러리, 및 상기 완결성 슬러리의 A 타입 슬러리와 B 타입 슬러리를 각각 혼합하도록 4개의 믹서기를 포함하는 믹서장치에서 혼합하는 단계, 상기 급결성 슬러리의 A 타입 슬러리와 B 타입 슬러리를 혼합하여 급결성 슬러리를 제조 후 지반에 주입하는 단계, 및 상기 완결성 슬러리의 A 타입 슬러리와 B 타입 슬러리를 혼합하여 상기 완결성 슬러리를 제조 후 지반에 주입하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 급결성 슬러리와 상기 완결성 슬러리는 교대로 반복하여 지반에 주입할 수 있다.

상기 믹서장치는 상기 급결성 슬러리의 A 타입 슬러리가 혼합되는 제1 믹서기. 상기 급결성 슬러리의 B 타입 슬러리가 혼합되는 제2 믹서기, 상기 완결성 슬러리의 A 타입 슬러리가 혼합되는 제3 믹서기, 상기 완결성 슬러리의 B 타입 슬러리가 혼합되는 제4 믹서기, 상기 제1 믹서기와 상기 제2 믹서기를 연결하며 상기 급결성 슬러리의 A 타입 슬러리와 B 타입 슬러리를 혼합하여 상기 급결성 슬러리를 제조 후 배출하는 급결성 혼합배출관, 상기 제3 믹서기와 상기 제3 믹서기를 연결하며 상기 완결성 슬러리의 A 타입 슬러리와 B 타입 슬러리를 혼합하여 상기 완결성 슬러리를 제조 후 배출하는 완결성 혼합배출관, 및 상기 급결성 혼합배출관 및 상기 완결성 혼합배출관을 통해 상기 급결성 슬러리와 상기 완결성 슬러리를 혼합하여 배출하는 펌프를 포함할 수 있다.

본 발명에 실시예에 따른 그라우트 조성물은 종래의 제품에 비해 상대적으로 저온에서도 겔타임이 빠르고 겔화 조절도 용이하며, 특히 해수에 대한 저항성이 커서 안정적 경화가 이루어지며, 대,소 구경의 강관과 같은 금속에 발생될 수 있는 부식을 방지하여 지지력을 향상시켜 내구성을 증대 시킬 수 있으며, 경화시간을 단축하여 조기 강도를 높여서 후공정과 시간 간극을 줄이고 신속하게 할 수 있어 경제적인 공법이라 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 아미노알코올계 첨가제를 함유한 지반차수 및 지반보강용 그라우트 조성물을 이용한 시공방법을 개략적으로 도시한 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 아미노알코올계 첨가제를 함유한 지반차수 및 지반보강용 그라우트 조성물을 이용한 시공방법에 사용되는 믹서장치를 개략적으로 도시한 구성도이다.

그리고, 시멘트 혼합물, 분산제, 아미노알코올계 첨가제로 구성된 분체조성물과 물을 미리 설정된 비율로 혼합하여 B 타입 슬러리를 제조한 후 A 타입 슬러리와 B 타입 슬러리를 미리 설정된 비율로 혼합하는 형태로 급결성 슬러리와 완결성 슬러리를 제조하여 지반에 주입할 수 있다.

급결성 슬러리와 완결성 슬러리는 서로 다른 겔타임(gel time, 고화되는 시간)을 가질 수 있으며, 급결성 슬러리의 겔타임보다 완결성 슬러리의 겔타임이 더 길 수 있다.

급결성 슬러리와 완결성 슬러리는 물의 혼합비율을 서로 달리하여 제조될 수 있으며, 완결성 슬러리의 물의 혼합비율이 급결성 슬러리보다 더 높을 수 있다.

또한, 완결성 슬러리는 겔타임이 지연되도록 급경제의 혼합비율이 급결성 슬러리의 혼합비율보다 낮을 수 있다.

예컨대, 완결성 슬러리는 A 타입 슬러리를 제조할 때, 급결성 슬러리의 A 타입 슬러리보다 급결제 조성물의 혼합비율은 낮고 물의 혼합비율은 더 높을 수 있으며, B 타입 슬러리를 제조할 때, 급결성 슬러리의 B 타입 슬러리의 분체조성물의 혼합비율은 낮고 물의 혼합비율은 더 높을 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 아미노알코올계 첨가제를 함유한 지반차수 및 지반보강용 그라우트 조성물의 각 구성에 대해 설명하도록 한다.

본 발명의 실시예에 따른 그라우트 조성물은 A 타입 슬러리를 제조하기 위해 급결제 조성물을 포함할 수 있으며, 급결제 조성물은 신속히 경화될 수 있도록 급경제를 포함하고, 급경제는 비표면적 5,000 ~ 6,500cm²/g 내외이며 Al₂O₃ 함량이 32% 이상인 아윈계 칼슘설퍼알루미네이트일 수 있으며, 급경제는 급결제 조성물 100중량부에 대해, 38∼68중량부를 포함할 수 있다.

여기서, 아윈계 칼슘설퍼알루미네이트로 비표면적이 5,000cm²/g 이하이면 요구하는 급경성이 부족하게 되며 Al₂O₃ 함량이 32% 이하이면 이 또한 요구하는 급경성이 부족함으로 비표면적 5,000 ~ 6,500cm²/g 내외이며 Al₂O₃ 함량이 32% 이상인 아윈계 칼슘설퍼알루미네이트를 사용하며, 급결제 조성물 100중량부에 대해 38중량부 미만이면 요구하는 급경성 및 조기강도 발현이 저하되며 68중량부를 초과하면 제어하기 어려운 급경성으로 인해 조기 및 장기 압축강도가 저하되게 되고 원가 상승으로 비경제적이라 그 배합비를 38~ 68중량부으로 하는 것이 바람직하다.

급결제 조성물은 급경제 단독으로 사용시에는 물/시멘트비가 높은 그라우트 조성물의 특성상 경화가 지연되며 블리딩이 발생하여 체적감소가 발생하게 되기 때문에 체적감소의 발생을 방지하기 위해 급결보조제를 혼합할 수 있다.

급결보조제로는 C12A7(Dodecacalcium hepta-aluminate)을 이용하거나 소성 명반석을 주체로 하는 것이 있으나 실시예에서는 아토마이징 공법으로 급속 냉각시켜 안정한 유리질을 가지며, 비표면적 6,000 ~ 7,000cm²/g 내외의 비정질의 C12A7를 포함하는 급결보조제로 사용하였다.

급결보조제는 급결제 조성물 100중량부에 대해, 17∼28중량부를 포함할 수 있으며, 급결보조제가 17중량부 미만이면 급경제의 급결보조제로서 효과가 미미하며 28중량부를 초과하면 급경성이 너무 빨라서 제어하기 힘들며 초기 및 장기 압축강도 모두 저하되는 현상이 발생되므로 그 배합비를 17∼28중량부으로 하는 것이 바람직하다.

급결제 조성물은 석고를 포함할 수 있으며, 석고는 급경제 및 급결보조제는 시멘트 혼합물과 혼합된 상태에서 Ca2+ 이온(칼슘이온) 및 SO32- 이온(아황산이온)과 결합하여 에트린가이트라는 침상결정의 화합물을 형성하는 반응이기 때문에 이온의 제공하는 핵심적인 역할을 하게 됨으로 필수적으로 혼합되어야 한다.

석고는 광물계 급결제 고정성물 100중량부에 대해, 7∼15중량부를 포함할 수 있으며, 석고는 천연무수석고, 인산무수수석고, 알파형 반수석고, 베타형 반수석고, 이수석고 중에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물로 이루어지되 실시예에서 석고는 천연무수석고와 알파형 반수석고를 7:3 비율로 혼합한 석고 혼합물을 사용하였다.

여기서, 석고 혼합물이 7중량부 미만이면 급경제 및 급결보조제 반응을 자극시키지 못하게 되며 15중량부를 초과하면 경화지연 현상이 발생되므로 그 배합비를 7∼15중량부으로 하는 것이 바람직하다.

그리고, 천연무수석고와 알파형 반수석고는 용해도의 차이에 따라 천연무수석고와 알파형 반수석고를 7:3 비율로 혼합할 경우, 에트린가이트 형성이 가장 빠르게 형성되어 조기강도 발현에 유리하다.

급결제 조성물은 무기응집제를 포함할 수 있으며, 무기응집제는 수중에서 가수분해하여 여러 가지 양전하의 고분자물질이 되고 금속수산화물을 생성한다.

이 과정에서 음전하를 띠고 있는 점토입자나 콜로이드 등의 물질을 전기적으로 중화시키고, 충돌집합하게 만들어 플록(floc)을 형성한다.

무기응집제는 급결제 조성물 100중량부에 대해, 5∼10중량부가 혼합될 수 있으며, 무기응집제의 대표적인 것으로는 알루미늄염, 철염, 소석회 등이 있다.

알루미늄염으로는 알루민산 나트륨, 황산알루미늄, 폴리염화알루미늄(PAC)이 있으며 철염으로는 황산철(Ⅱ), 염소화녹반등이 있으며, 무기응집제는 알루미늄염, 철염 및 소석회 중에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물로 이루어질 수 있다.

실시예서 무기응집제는 소석회와 알루민산 나트륨이 6:4 비율로 혼합된 것을 사용하되 5중량부 미만이면 플록이 형성되지 않으며 10중량부를 초과하면 그라우트 조성물의 경화를 지연시키게 되므로 그 배합비를 5∼10중량부으로 하는 것이 바람직하다.

여기서, 소석회가 알루민산 나트륨에 비해 원가가 저렴하며 알루민산 나트륨의 혼합 비율이 상승하면 그라우트 조성물의 응집은 다소 빠르나, 강도의 저하가 발생되기 때문에 경제성과 물성의 최적의 상태를 위해 소석회와 알루민산 나트륨을 6:4로 혼합하는 것이 바람직하다.

급결제 조성물은 응집보조제를 포함할 수 있으며, 응집보조제는 무기응집제의 성능을 높여서 효과를 증대시킬 수 있다.

응집보조제로는 pH 조정용 알칼리제가 사용될 수 있으며, pH 조정용 알카리제는 소다회, 가성 소다 등을 포함할 수 있다. 일반적으로 사용되는 응집보조제의 무기계로는 앞에서 말한 것 외에 벤토나이트, 활성 규산, 시멘트 더스트, 플라이애시가 있고, 유기계로는 고분자로서 양이온성인 폴리아크릴아민, 폴리에틸렌아민, 음이온성인 폴리아크릴산 등이 있다.

응집보조제는 급결제 조성물 100중량부에 대해, 2∼5중량부를 포함할 수 있으며, 상기한 무기계 또는 유기계 중에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 혼합하여 사용하되 실시예에서는 무기계인 소다회와 유기계인 음이온성 폴리아크릴산을 pH 조절을 위해 단독 또는 병행 사용하였다.

여기서, 응집보조제의 혼합량이 2중량부 미만이면 무기응집제의 효과를 증대시키기에는 부족하였으며 5중량부를 초과하면 무기응집제의 효과를 증대시킬수는 있으나 압축강도 저하로 그라우트 조성물의 경화체 내구성이 반감되므로 그 배합비를 2∼5중량부으로 하는 것이 바람직하다.

급결제 조성물은 분산제를 포함할 수 있으며, 급결제 조성물은 비표면적이 낮은 미분말을 그라우트 조성물로 사용하게 되므로 물과 혼합시 자가응집이 발생하게 되어서 지반 주입시 그라우트 조성물의 주입율이 현저하게 준다.

이에 따라 분산제는 그라우트 조성물의 비표면적을 낮추는 효과와도 같은 물성을 나타내었으며, 분산제로는 나프탈렌계, 멜라민계, 폴리카르본산계 등의 분산제 중에서 하나를 선택하여 단독으로 사용하거나 두 종류 또는 그 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.

분산제는 급결제 조성물 100중량부에 대해, 0.5∼1.7중량부가 혼합될 수 있으며, 분산제가 0.5중량부 미만으로 혼합되면 미분말의 분산효과를 기대 할 수 없으며 1.7중량부를 초과하면 재료분리가 발생되고 침강이 쉽게 일어나게 되어서 펌핑시 맥동이 발생하게 되어 주입성능이 떨어지게 되므로 그 배합비를 0.5∼1.7중량부으로 하는 것이 바람직하다.

급결제 조성물은 지연제를 포함할 수 있으며, 지연제는 시멘트 수화물의 생성을 억제하는 기능이 있어 경화시간을 자유롭게 조절하며 주석산, 글루콘산, 구연산, 옥시카본산계 화합물, 당류 중에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물로 이루어지되, 시공온도가 영상 10℃ 이하이면 지연제를 사용하지 않으며 시공온도가 영상 10℃ 이상이면 지연제를 사용할 수 있다.

지연제는 급결제 조성물 100중량부 당, 0.1 ~ 0.3중량부를 포함할 수 있으며, 지연재는 시멘트 수화반응이 지연되어 겔타임, 및 압축강도 등의 물성이 저하되므로 0.3중량부를 초과하여 사용해서는 안되기 때문에 배합비를 0.1 ~ 0.3중량부로 하는 것이 바람직하다.

급결제 조성물은 침강방지제를 포함할 수 있으며, 침강방지제로는 흄드실리카(Fumed silica), 아타풀가이트(attapulgite), 벤토나이트, 일라이트, 제올라이트 중 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물로 이루어질 수 있다.

여기서, 물/시멘트비가 높은 그라우트 조성물의 특성상 급결제를 믹서기내에서 물과 혼합시 일정시간이 지나면 재료가 침강하게 되는데 이것을 펌핑하게 되면 맥동 현상이 발생하게 된다.

이에 따라 침강방지제는 급결제 조성물이 믹서기 내에서 일정시간 동안의 정치시에 재료분리 현상을 억제하는 효과가 있다.

침강방지제는 급결제 조성물 100중량부에 대해, 0.5 ~ 2중량부로 혼합될 수 있으며, 실시예에서 침강방지제로는 흄드실리카와 아타풀가이트를 단독 또는 혼합하여 사용하였다.

흄드실리카는 하얀 색의 매우 가벼운 분말로 무정형의 이산화규소이며 기본입자가 극히 작고 구형의 형태이며 넓은 표면적과 특유의 표면 특성, 그리고 고순도의 규소화합물로 평균직경은 7 ~ 40 nm의 크기를 가지고 있으며, 염화실란이 산소와 수소로 형성된 1000℃ 이상의 불꽃 내에서 가수분해되어 생성된다.

작은 입자의 흄드실리카는 혼합물 내에서 3차원적인 구조 결합을 형성하는데, 이러한 네트워크 구조는 혼합물의 점도를 증가시키는 작용을 한다. 이 구조에 전단력이 작용하면 실리카 상호간의 결합이 쉽게 끊어져서 액체 상태의 졸과 같은 상태로 변하여 흐름성을 나타내며 전단력이 멈추면 얼마간의 시간이 지나서 다시 네트워크 구조를 형성하여 유동성이 없어진다.

아타풀가이트는 마그네슘, 알루미늄의 염기성 함수 규산염 광물로 수성암 중의 휘석, 각섬석에서 변질되어 생성하며 염호 지역에서 몬모릴론석으로부터 생성한다. 또는 몬모릴론 석화 작용을 받은 섬장암에 포켓상 혹은 맥상으로 산출한다. 화학성분은 주로 SiO₂(49.57%), Al₂O₃(9.44%) 및 MgO(8.81%)로 구성되며, 길이 1.5 - 2micron, 굵기 3nm인 막대기형의 입자로 양 끝단은 + charge를, 측면은 - charge를 띠고 있으며, 분산되면 입자가 상호 결합, 그물구조를 형성하여 점도를 형성한다.

응력이 없는 상태에서는 고점도를 나타내고 응력이 있는 상태에서는 점도가 급격히 저하되고 다시 응력을 제거하면 가역적으로 점도가 증가하는 성질을 있으며 pH, 온도 및 경시 변화에 따른 점도 등 물성의 변화가 거의 없는 것이 특징이다.

실시예에서는 침강방지제로서 흄드실리카와 아타풀가이트의 고유 성질을 이용하여 급결성 혼합물이 믹서기내에서 일정시간 정치시 침강이 발생되지 않을 정도의 점도를 부여하기 때문에 그라우트 조성물의 펌핑시에는 점도를 상실하고 유동성이 향상되는 요변특성으로 지반에 원활한 주입이 되도록 하였다.

한편, 침강방지제가 급결제 조성물에 대비하여 0.5중량부 미만이면 요변특성을 부여 할 없으며 2중량부를 초과하면 급격한 점도 상승으로 유동성이 상실되어 펌핑이 불가하므로 그 배합비를 0.5 ~ 2중량부로 하는 것이 바람직하다.

이와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 급결제 조성물은 미리 설정된 비율로 물과 혼합하여 A 타입 슬러리를 제조할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 그라우트 조성물은 급결제 조성물은 B 타입 슬러리를 제조하기 위한 분체조성물을 포함할 수 있으며, 분체조성물은 시멘트 혼합물을 포함할 수 있다.

시멘트 혼합물은 지반의 토질에 따라 포틀랜드시멘트, 조강시멘트, 마이크로 시멘트, 슬래그시멘트, 플라이애쉬시멘트 중에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물로 이루어지되 시멘트 혼합물은 분체조성물 100중량부 당, 97∼99중량부를 혼합하는 것이 바람직하다.

분체조성물은 분산제를 포함할 수 있으며, 예컨대, 그라우트 조성물은 비표면적이 낮은 미분말이 사용되기 때문에 물과 혼합시 자가응집이 발생하게 되어서 지반 주입시 그라우트 조성물의 주입율이 현저하게 준다.

이를 방지하기 위해 분산제를 첨가하여 그라우트 조성물의 비표면적을 낮추는 효과와도 같은 물성을 가질 수 있으며, 분산제로는 나프탈렌계, 멜라민계, 폴리카르본산계 중 어느 하나를 선택하거나, 둘 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.

분산제는 분체조성물 100중량부 당, 0.9∼2.5중량부를 혼합할 수 있는데, 분산제가 0.9중량부 미만으로 혼합되면, 미분말의 분산효과를 기대 할 수 없으며 2.5중량부를 초과하면, 재료분리가 발생되고 침강이 쉽게 일어나게 되어서 그라우트 조성물의 펌핑시 맥동이 발생하게 됨에 따라 주입성능이 떨어지게 되므로 그 배합비를 0.9∼2.5중량부으로 하는 것이 바람직하다.

분체조성물은 아미노알코올(Aminoalcohol)계 첨가제를 포함할 수 있다. 아미노알코올계 첨가제는 그라우트 조성물이 경화된 경화체의 염해 방지와 탄산염화를 억제하는 효과가 있으며 금속(예컨대, 강관)의 부식을 방지하는 효과가 있다.

예를 들어, 아미노알코올계 첨가제는 경화체의 내구성 증대와 터널보조공법인 강관다단 그라우팅 공법에서 사용되는 대,소 구경의 강관의 부식을 방지하기 위해 사용될 수 있다.

일반적으로 부식을 방지하기 위해서는 방청제가 첨가되었는데, 방청제는 양극반응(산화작용)을 방지하기 위하여 아질산염 계열의 무기계 방청제가 많이 사용 되어 왔다.

그러나 무기계 방청제는 미국 및 유럽 등지에서 EEC(유럽경제공동체)규제에 크롬산 아연, 스트론듐 등과 함께 발암성분 함유물로 표시하고 기준치가 1%를 초과할 경우 규제물 또는 독물로서 표시를 하는 등 이미 그 사용이 금지되어 있다.

이를 대체하기 위해 실시예에서는 아미노알코올계 첨가제를 사용하였으며, 아미노알코올계 첨가제는 유기분자가 경화체내로 흡수, 기화작용을 통하여 침투되어 강관의 표면에 단분자막을 형성함으로써 방청성능을 실현할 수 있다.

또한, 아미노알코올계 첨가제는 애노드부 및 캐소드부 모두에서 반응하는 양극반응형(+/-)부식방식제로써 잠재 부식 원인물의 양극에 모두 작용함으로써 방청제의 사용량을 획기적으로 줄이고도 뛰어난 방청성능을 발휘할 수 있다.

아미노알코올계 첨가제로는 DMEA(Dimethylethanolamine), DEEA(Diethylethanolamine)가 있다.

아미노알코올계 첨가제는 분체조성물 100중량부 당, 0.1∼0.5중량부가 혼합될 수 있으며, 아미노알코올계 첨가제가 0.1중량부 미만으로 첨가되면 내구성 증대와 부식방지 효과를 볼 수 없으며 0.5중량부를 초과하면, 요구 수준 이상의 효과를 볼 수가 없고 고가의 재료로 경제성 또한 떨어지게 되므로 그 배합비를 0.1∼0.5중량부으로 하는 것이 바람직하다.

이와 같이 구성된 분체조성물은 미리 설정된 비율로 물과 혼합하면 B 타입 슬러리를 제조할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 아미노알코올계 첨가제를 함유한 지반차수 및 지반보강용 그라우트 조성물은 A 타입 슬러리와 B 타입 슬러리를 혼합하여 제조될 수 있다.

출원인은 발명의 효과를 입증하기 위해 아래의 [표 1]와 같이, A 타입 슬러리에서 급결제 조성물의 혼합되는 혼합물들의 배합비율을 달리하거나, 혼합되는 구성을 하나씩 제외하여 비교예 1 내지 비교예 5를 설정하고, [표 2]와 같은 결과를 얻을 수 있었다.

상기 결과에 의하면 급결보조제를 사용한 실시예1과 급결보조제를 사용하지 않은 비교예1의 물성을 비교해보면 겔타임에서는 비교예1의 겔화가 지연됨을 알수가 있다. 이는 물/시멘트비가 상대적으로 높은 그라우트 조성물에서는 급경제 단독으로는 겔타임 단축이 어렵다는 것을 보여주는 결과이다.

그러나 압축강도에서는 비교예1이 실시예1보다 다소 우수하게 나타나게 되었다. 이는 급경제 단독으로 사용시에는 급결보조제를 함꼐 사용시보다는 반응할 수 있는 물의 공급이 원활하기 때문이다.

무기응집제와 응집보조제를 함께 혼합한 실시예1은 무기응집제를 단독 사용한 비교예2보다 겔타임과 블리딩율에서 유리하게 작용하였다. 이는 무기응집제 단독으로는 요구하는 겔타임 단축이 어렵다는 결과이다. 실시예1)에서의 응집보조제는 pH를 조절하여 겔타임 단축하는 효과가 있다.

분산제를 혼합한 실시예1은 미세한 분말로 이루어진 급결제의 조성물이 물과 혼합시 자가 응집을 억제하는 효과 있어 겔타임 단축, 압축강도 상승, 블리딩율 저감하는 결과가 나타났다.

침강방지제를 혼합한 실시예1은 혼합후 1시간 정치시 블리딩이 거의 발생하지 않았으며 비교예4와 블리딩율에서 차이가 남을 알 수가 있었다. 또한 전체적인 블리딩율을 비교해보면 블리딩율 감소를 위해서는 실시예1과 같이 응집보조제, 분산제, 침강방지제를 같이 사용할 때 더 좋은 결과가 나타났다.

아미노알코올계 첨가제를 사용하지 않은 비교예5의 방청율이 목표치 95%이하인 89%로 나타났으며 실시예1을 비롯하여 비교예1,2,4에서도 목표치를 달성하였으나 비교예3은 다소 목표치에 미달하였다. 이는 분산제의 미사용이 아미노알코올계 첨가제의 효과를 따라 주지 못 한 결과이다.

시공할 때에도 실시예1 비교예1,2,5에서는 주입을 위한 펌핑시 맥동이 없이 원활한 주입성능을 보였으나 분산제 미사용의 비교예3과 침강방지제 미사용의 비교예5에서는 펌핑시 맥동이 발생하여 주입성능이 불안정하였다. 이에 따라 주입성능 향상을 위해서는 실시예1과 같이 분산제 사용과 침강방지제 사용이 필요하다는 것을 알 수 있다.

또한, 출원인은 급결제 조성물의 혼합비율에 따른 특성을 파악하기 위해 [표 3]와 같이 비교예를 제작하고, 그 결과를 [표 4]에 나타내었다.

상기 결과에 의하면 급결성 슬러리 및 완결성 슬러리의 물리적 성질을 향상 시키기 위해서는 급결제 조성물의 사용량을 증가 시켜야 요구되는 물성을 만족 시킬 수 있었다.

또한 주입후 4시간 압축강도 및 1일 압축강도는 급결성 슬러리 및 완결성 슬러리에서는 측정불가 하였으나, 급결제 조성물과 분체조성물의 함유량이 상대적으로 높은 조기 경화형 슬러리는 요구강도에 만족하였다. 이는 조기 경화형 슬러리는 긴급공사 또는 공기를 단축 할 목적으로 사용할 수 있으나, 범용적으로 사용하기에는 시공비 상승으로 경제적이지 못한 단점이 있다.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 아미노알코올계 첨가제를 함유한 지반차수 및 지반보강용 그라우트 조성물을 이용한 시공방법을 설명한다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 아미노알코올계 첨가제를 함유한 지반차수 및 지반보강용 그라우트 조성물을 이용한 시공방법은 급결성 슬러리를 제조하기 위한 A 타입 슬러리와 B 타입 슬러리, 그리고, 완결성 슬러리를 제조하기 위한 A 타입 슬러리와 B 타입 슬러리를 각각 믹서장치(100)에서 혼합할 수 있다(S10).

믹서장치(100)에서 급결성 슬러리를 제조하기 위한 A 타입 슬러리와 B 타입 슬러리가 각각 혼합되면, A 타입 슬러리와 B 타입 슬러리를 혼합하여 급결성 슬러리를 제조한 후 지반에 주입할 수 있다(S20).

그리고, 완결성 슬러리를 제조하기 위한 A 타입 슬러리와 B 타입 슬러리가 각각 혼합되면, A 타입 슬러리와 B 타입 슬러리를 혼합하여 완결성 슬러리를 제조한 후 지반에 주입할 수 있다(S30).

급결성 슬러리와 완결성 슬러리를 지반에 주입할 때에는 급결성 슬러리와 완결성 슬러리를 교대로 반복적으로 주입하여 그라우트 조성물이 지반에 침투하는 침투성을 향상시켜 경화체가 지반을 견고히 지지할 수 있다(S40).

도 2에 도시된 바와 같이, 믹서장치(100)는 제1 내지 제4 믹싱기(N1,N2,N3,N4)가 일렬 횡대로 배열될 수 있으며, 제1 믹싱기(N1)에는 급결성 슬러리를 제조하기 위한 A 타입 슬러리가 수용되어 혼합되며, 제2 믹싱기(N2)에는 급결성 슬러리를 제조하기 위한 B 타입 슬러리가 수용되어 혼합될 수 있다.

제3 믹싱기(N3)에는 완결성 슬러리를 제조하기 위한 A 타입 슬러리가 수용되어 혼합되며, 제4 믹싱기(N4)에는 완결성 슬러리를 제조하기 위한 B 타입 슬러리가 수용되어 혼합될 수 있다.

여기서, 제1 믹싱기(N1)와 제3 믹싱기(N3)에 수용되는 A 타입 슬러리는 급결제 조성물을 미리 혼합한 뒤 물과 함께 수용되어 혼합되거나, 급결제 조성물을 구성하는 각 구성물을 개별적으로 수용하여 급결제 조성물을 제조하면서 물과 함께 혼합되는 형태로 A 타입 슬러리를 제조할 수 있다.

제2 믹싱기(N2)와 제4 믹싱기(N4)에 수용되는 B 타입 슬러리는 분체조성물을 미리 혼합하여 뒤 물과 함께 수용되어 혼합되거나, 분체조성물을 구성하는 각 구성물을 개별적으로 수용하여 분체조성물을 제조하면서 물과 함께 혼합되는 형태로 B 타입 슬러리를 제조할 수 있다.

제1 내지 제4 믹싱기(N1,N2,N3,N4)는 A 타입 슬러리와 B 타입 슬러리를 수용한 상태에서 원통이 회전하며 혼합하거나, 내부에 교반날개가 설치되어 교반날개의 회전에 의해 혼합하도록 구성될 수도 있다.

믹서장치(110)는 급결성 혼합배관(110)과 완결성 혼합배관(130), 및 펌프(150)를 포함할 수 있다.

급결성 혼합배관(110)은 제1 믹싱기(N1)와 제2 믹싱기(N2)를 연결하여 제1 믹싱기(N1)에서 혼합된 A 타입 슬러리와 제2 믹싱기(N2)에서 혼합된 B 타입 슬러리를 혼합하여 급결성 슬러리를 제조 후 배출할 수 있다.

완결성 혼합배관(130)은 제3 믹싱기(N3)와 제4 믹싱기(N4)를 연결하여 제3 믹싱기(N3)에서 혼합된 A 타입 슬러리와 제4 믹싱기(N4)에서 혼합된 B 타입 슬러리를 혼합하여 완결성 슬러리를 제조 후 배출할 수 있다.

펌프(150)는 급결성 혼합배관(110) 또는 완결성 혼합배관(130)에서 제조된 급결성 슬러리와 완결성 슬러리를 지반에 주입되도록 강제적으로 토출할 수 있다.

펌프(150)는 급결성 혼합배관(110) 또는 완결성 혼합배관(130)에 각각 설치될 수 있다.

한편, 펌프(150)는 급결성 혼합배관(110)을 통해 급결성 슬러리를 지반에 주입 후 완결성 혼합배관(130)을 통해 완결성 슬러리가 지반에 주입되도록 급결성 혼합배관(110)과 완결성 혼합배관(130)을 통해 급결성 슬러리와 완결성 슬러리를 교대하여 반복적으로 지반에 주입하도록 작동할 수 있다.

여기서, 급결성 슬러리와 완결성 슬러리를 한번에 주입하면, 둘이 혼합되면서, 급결성 슬러리와 완결성 슬러리의 겔타임이 동일해지지만, 급결성 슬러리와 완결성 슬러리를 교대로 반복적으로 주입할 경우에는 겔타임이 서로 다르기 때문에 그라우트 조성물이 지반에 침투성을 향상시켜 경화체의 내구성을 향상시킬 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시예에 따른 아미노알코올계 첨가제를 함유한 지반차수 및 지반보강용 그라우트 조성물 및 이를 이용한 시공방법은 저온에서도 겔타임이 빠르고 물의 배합비율에 따라 겔화조절이 용이하며, 특히 해수에 대한 저항성이 커서 해수와 근접한 지반에서도 안정적 경화가 이루어지며, 대,소 구경의 강관과 같은 금속에 발생될 수 있는 부식을 방지하여 지지력을 향상시켜 내구성을 증대 시킬 수 있을 뿐만 아니라, 경화시간을 단축하여 조기 강도를 높여서 후공정과 시간 간극을 줄임으로써, 후공정을 신속하게 진행할 수 있는 효과가 있다.

이상에서는 본 발명의 실시예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 아니하며 본 발명의 실시예로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 용이하게 변경되어 균등한 것으로 인정되는 범위의 모든 변경 및 수정을 포함한다.

100: 믹서장치 110: 급결성 혼합배관
130: 완결성 혼합배관 150: 펌프
N1: 제1 믹싱기 N2: 제2 믹싱기
N3: 제3 믹싱기 N4: 제4 믹싱기

Claims (10)

1. 급결성을 부여하는 급결제 조성물과 물을 혼합한 A 타입 슬러리와,
   상기 A 타입 슬러리와 혼합되며 시멘트를 포함하는 분체조성물과 물을 혼합한 B 타입 슬러리를 포함하고,
   상기 급결제 조성물은
   상기 급결제 조성물의 100중량부에 대하여,
   비표면적 5,000 ~ 6,500cm2/g 내외이며 Al₂O₃ 함량이 32% 이상인 아윈계 칼슘설퍼알루미네이트 38∼68중량부,
   비정질의 C12A7(Dodecacalcium hepta-aluminate) 입자 표면에서 에트린가이트를 생성하기 위한 석고 7∼15중량부,
   응집 촉진을 위한 알루미늄염과 소석회로 구성된 무기응집제 5∼10중량부,
   상기 무기응집제의 성능을 높여서 효과를 증대시키기 위한 응집보조제 2∼5중량부,
   경화속도를 조절하기 위한 지연제 0.1∼0.3중량부, 및
   급결 후 발생되는 블리딩을 방지하기 위한 침강방지제 0.5∼2중량부를 포함하고,
   상기 급결제 조성물은 겔타임 및 압축강도를 향상시키도록 상기 급결제 조성물의 100중량부에 대하여, 상기 아윈계 칼슘설퍼알루미네이트를 아토마이징 공법으로 급속 냉각시켜 안정한 유리질을 가지도록 제조되며 비표면적 6,000 ~ 7,000cm2/g 내외의 비정질의 C12A7(Dodecacalcium hepta-aluminate)를 포함하는 급결보조제 17∼28중량부를 더 포함하고,
   상기 급결제 조성물은 주입 시 맥동압의 발생을 방지하도록 상기 급결제 조성물의 100중량부에 대하여, 미분말 입자의 자가 응집을 방지하기 위한 분산제 0.5∼1.7중량부를 더 포함하며,
   상기 분체조성물은 상기 분체조성물의 100중량부에 대해, 시멘트 혼합물 97∼99중량부, 및 금속의 부식방지 및 그라우트 조성물의 염해 방지와 탄산염화를 억제 하기 위한 아미노알코올계 첨가제 0.1∼0.5중량부를 포함하고,
   상기 분체조성물은 주입 시 맥동압의 발생을 방지하도록 상기 분체조성물의 100중량부에 대해, 미분말 입자의 자가 응집을 방지하기 위한 분산제 0.9∼2.5중량부를 더 포함하며,
   상기 A 타입 슬러리와 상기 B 타입 슬러리를 혼합하여 제조되는 급결성 슬러리, 및 상기 급결성 슬러리의 물 혼합량보다는 높은 물의 혼합량을 가져 상기 급결성 슬러리보다는 겔타임이 증가되는 완결성 슬러리를 포함하는 것을 특징으로 하는 아미노알코올계 첨가제를 함유한 지반차수 및 지반보강용 그라우트 조성물.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 석고는
   천연무수석고와 알파형 반수석고를 7:3 비율로 혼합한 석고 혼합물인 것을 특징으로 하는 아미노알코올계 첨가제를 함유한 지반차수 및 지반보강용 그라우트 조성물.
4. 제1항에 있어서,
   상기 침강방지제는
   흄드실리카와 아타풀가이트 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 아미노알코올계 첨가제를 함유한 지반차수 및 지반보강용 그라우트 조성물.
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 제1항에 기재된 아미노알코올계 첨가제를 함유한 지반차수 및 지반보강용 그라우트 조성물을 이용한 시공방법은
   상기 급결성 슬러리의 A 타입 슬러리와 B 타입 슬러리, 및 상기 완결성 슬러리의 A 타입 슬러리와 B 타입 슬러리를 각각 혼합하도록 4개의 믹서기를 포함하는 믹서장치에서 혼합하는 단계,
   상기 급결성 슬러리의 A 타입 슬러리와 B 타입 슬러리를 혼합하여 급결성 슬러리를 제조 후 지반에 주입하는 단계, 및
   상기 완결성 슬러리의 A 타입 슬러리와 B 타입 슬러리를 혼합하여 상기 완결성 슬러리를 제조 후 지반에 주입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 아미노알코올계 첨가제를 함유한 지반차수 및 지반보강용 그라우트 조성물을 이용한 시공방법.
9. 제8항에 있어서,
   상기 완결성 슬러리를 제조 후 지반에 주입하는 단계 이후,
   상기 급결성 슬러리와 상기 완결성 슬러리는 교대로 반복하여 지반에 주입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 아미노알코올계 첨가제를 함유한 지반차수 및 지반보강용 그라우트 조성물을 이용한 시공방법.
10. 제8항에 있어서,
    상기 믹서장치는
    상기 급결성 슬러리의 A 타입 슬러리가 혼합되는 제1 믹서기.
    상기 급결성 슬러리의 B 타입 슬러리가 혼합되는 제2 믹서기,
    상기 완결성 슬러리의 A 타입 슬러리가 혼합되는 제3 믹서기,
    상기 완결성 슬러리의 B 타입 슬러리가 혼합되는 제4 믹서기,
    상기 제1 믹서기와 상기 제2 믹서기를 연결하며 상기 급결성 슬러리의 A 타입 슬러리와 B 타입 슬러리를 혼합하여 상기 급결성 슬러리를 제조 후 배출하는 급결성 혼합배출관,
    상기 제3 믹서기와 상기 제3 믹서기를 연결하며 상기 완결성 슬러리의 A 타입 슬러리와 B 타입 슬러리를 혼합하여 상기 완결성 슬러리를 제조 후 배출하는 완결성 혼합배출관, 및
    상기 급결성 혼합배출관 및 상기 완결성 혼합배출관을 통해 상기 급결성 슬러리와 상기 완결성 슬러리를 혼합하여 배출하는 펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 아미노알코올계 첨가제를 함유한 지반차수 및 지반보강용 그라우트 조성물을 이용한 시공방법.

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