KR102062879B1

KR102062879B1 - 소일콘을 이용한 흙포장 도로 시공 및 연약지반 개량 공법

Info

Publication number: KR102062879B1
Application number: KR1020190077896A
Authority: KR
Inventors: 조정현
Original assignee: 한일콘(주)
Priority date: 2019-06-28
Filing date: 2019-06-28
Publication date: 2020-01-06

Abstract

본 발명은 현장토를 이용한 친환경 흙포장 도로 시공 및 연약지반 개량 공법에 관한 것으로서, 보다 상세하게 설명하면, 현장토를 주재로 하고 시멘트가 포함된 고화제와 상기 현장토를 혼합시킨 후 소일콘을 살포함으로써, 사용되는 시멘트의 양이 적어 경제적일 뿐만 아니라 시공성이 우수하고, 현장토의 색상을 유지시킬 수 있어 자연 친화적인 소일콘을 이용한 흙포장 도로 시공 및 연약지반 개량 공법에 관한 기술분야가 개시된다.
또한, 본 발명은 상기 고화제에 시멘트를 대체할 수 있는 산업부산물인 고로슬래그 미분말과 플라이애시를 포함시켜 시멘트의 사용량을 더욱더 감소시킬 수 있고, 결과적으로 시멘트 사용량 감소에 따른 CO2 발생량을 저감시켜 친환경 시공을 달성할 수 있는 한편, 시멘트 사용량 감소에 따른 강도 및 내구성 저하를 방지할 수 있는 소일콘을 이용한 흙포장 도로 시공 및 연약지반 개량 공법에 관한 기술분야가 개시된다.

Description

소일콘을 이용한 흙포장 도로 시공 및 연약지반 개량 공법{Soil pavement road construction and soft ground improvement method using Soilcone}

본 발명은 현장토를 이용한 친환경 흙포장 도로 시공 및 연약지반 개량 공법에 관한 것으로서, 보다 상세하게 설명하면, 현장토를 주재로 하고 시멘트가 포함된 고화제와 상기 현장토를 혼합시킨 후 소일콘을 살포함으로써, 사용되는 시멘트의 양이 적어 경제적일 뿐만 아니라 시공성이 우수하고, 현장토의 색상을 유지시킬 수 있어 자연 친화적인 소일콘을 이용한 흙포장 도로 시공 및 연약지반 개량 공법에 관한 기술분야이다.

또한, 본 발명은 상기 고화제에 시멘트를 대체할 수 있는 산업부산물인 고로슬래그 미분말과 플라이애시를 포함시켜 시멘트의 사용량을 더욱더 감소시킬 수 있고, 결과적으로 시멘트 사용량 감소에 따른 CO₂ 발생량을 저감시켜 친환경 시공을 달성할 수 있는 한편, 시멘트 사용량 감소에 따른 강도 및 내구성 저하를 방지할 수 있는 소일콘을 이용한 흙포장 도로 시공 및 연약지반 개량 공법에 관한 기술분야이다.

근래에 들어 세계적으로 친환경 즉, 녹색산업이 주를 이루고 있으며 이는 건축분야에도 영향을 주어 도시사막화의 주범이 되는 아스팔트, 시멘트를 환경친화적인 흙으로 대체하여 도로, 공원, 운동장, 산책로 등을 조성하는 흙포장 시공방법이 많이 시행되고 있다.

상기와 같은 종래의 흙포장 시공방법은 원재료인 흙을 현장에서 쉽게 구할 수 있고, 표면마모에 따른 색바람이 없으며, 흙이 가지는 고유한 색상과 질감을 가지므로 포장표면이 자연친화적일 뿐만 아니라 흙의 기본특성인 원적외선 방출, 통기성 우수, 열전도율이 낮아 쾌적한 보행조건, 특히 장기간 시간이 경과하면 풍화과정을 통해 자연상태로 회귀하는 장점이 있다.

그러나 종래의 흙포장 시공방법은 흙 속에 함유된 유기물중의 부식산(humic acid) 및 펄빅산(fulvic acid)은 시멘트의 수화반응에 의해 생성되는 수산화칼슘과 반응하여 부식산 칼슘을 생성하고 이와 같은 생성물이 수화되지 않은 시멘트 입자를 파괴시켜 시멘트의 수화반응을 저해하므로 보통 콘크리트에 비해 강도가 낮은 단점이 있을 뿐만 아니라 강도, 표면질감, 색상, 투수성, 동결융해정도 등에 대한 흙포장 조성에 필요한 일정한 기준이 없기 때문에 업계에서는 외뢰자와 시공자 간에 불편한점이 많다.

즉, 종래의 흙포장 시공방법은 흙 고유의 특성을 살리다 보면 표층에 있어 강도가 저하되고, 강도를 강화시키기 위해 시멘트의 혼입량을 증가시키는 경우에는 흙포장의 원래 의미가 무색해질 정도로 콘크리트와 동일한 질감을 나타내며, 균일한 품질관리가 어려울 뿐만 아니라 표면마모에 따른 분진발생과 동결융해에 대한 취약성이 흙포장 공법의 가장 큰 단점으로 지적되고 있는 실정이다.

한편, 지구온난화로 인한 각종 자연재해 발생빈도가 증가하고 있는 가운데 세계 각국에서는 지구온난화의 주범인 CO₂의 발생량을 줄이기 위한 다양한 노력들이 이루어지고 있고(P Duxson et al, 2007), 그 중 하나인 대대분의 건설현장에서 일반적으로 사용되는 콘크리트는 포틀랜드 시멘트를 결합재로 사용하고 있는데, 포틀랜드 시멘트는 제조과정에서 대기 중에 많은 양의 이산화탄소를 배출하고 있다.

그럼에도 불구하고, 전 세계적으로 포틀랜드 시멘트의 제조량을 해마다 증가하고 있는데, 포틀랜드 시멘트 제조과정에서 발생하는 온실가스 배출량은 대기 중에 배출되는 전 세계 온실가스 배출량의 큰 비중을 차지하고 있고, 이와 같이 시멘트는 사회간접자본 건설에 중요한 역할을 해왔음에도 불구하고 최근에는 자연을 파괴하는 재료로서 인식되는 경향이 있다.

특히, 시멘트는 클링커 제조 시 고온(1,450℃) 상태에서 제조될 뿐만 아니라 시멘트 1톤을 생산하는데 07~10톤의 CO₂ 가스를 배출하는 등 전 세계 CO₂ 가스 배출량의 7%를 차지할 정도로 심각하고, 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 시멘트 산업에서 소성온도를 낮추어 생산하거나 플라이애쉬, 고로슬래그 등의 혼합시멘트를 사용하는 등 다양한 방법으로 CO₂를 저감하고자 노력하고 있다.

부가하여 설명하면, CO₂를 저감하기 위한 노력의 일환으로 고로슬래그나 플라이애시 등과 같은 산업부산물을 시멘트에 대해 일부 치환한 콘크리트의 사용이 점차 보편화되고 있으며, 또 다른 노력으로 시멘트와 고로슬래그를 혼입하고 알칼리 활성화제를 사용하여 강도성능을 높인 알칼리 활성 슬래그 결합재에 대한 연구가 국내외로 활발히 진행되고 있다.

상기와 연관하여, 아스팔트 콘크리트와 시멘트 콘크리트 포장은 제조, 운반, 시공 과정에서 탄소배출량이 많은 문제가 있을 뿐만 아니라 태양 복사열의 피해, 자연훼손 등의 문제점이 있어, 앞서 설명된 바와 같이, 현지토를 이용하는 흙포장 시공을 이용한 친환경 시공이 늘어나고 있는 추세이다.

그러나 종래의 흙포장 시공은 자연 상태의 흙에 시멘트와 경화제를 혼합하여 강도를 향상시켜 포설되고 있으며, 강도의 발현은 시멘트의 첨가량에 의존하고 있는 실정이어서 시공시 탄소배출에 의한 이산화탄소의 배출이 불가피한 문제점이 있다.

대한민국 등록특허 제1059188호(2011.08.18)

본 발명은 상술한 종래기술에 따른 문제점을 해결하고자 안출된 기술로서, 흙 즉, 현지토가 주재로 사용되어 자연친화적인 질감을 유지할 수 있고, 시멘트 사용량이 적어 소일콘을 이용하여 경제적이고 시공성이 우수할 뿐만 아니라 시멘트 사용량 감소에 따른 강도 및 내구성 저하를 방지할 수 있는 소일콘을 이용한 흙포장 도로 시공 및 연약지반 개량 공법을 제공하는 것을 주된 목적으로 하는 것이다.

또한, 본 발명은 시멘트를 대체하여 사용할 수 있는 산업부산물인 고로슬래그 미분말과 플라이시를 포함시켜 시멘트의 사용량을 더욱더 감소시킬 수 있어 시멘트 사용량 감소에 따른 시공시의 CO₂ 발생량을 저감시켜 친환경 시공을 달성할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 상기와 같은 소기의 목적을 실현하고자, 흙포장 도로 시공 또는 연약지반 개량을 실시할 현장의 터를 파고 원지반을 다짐하는 제1준비단계와 제1준비단계에서 다짐된 원지반에 골재를 포설하고, 골재층을 다짐하는 제2준비단계와 고화제와 원지반토를 1:9 내지 10의 비율로 혼합하여 혼합토를 제조하는 제3준비단계와 제3준비단계의 혼합토에 원지반토 100중량부에 대하여, 10 내지 20 중량부의 물을 혼합하고, 제2준비단계에서 다짐된 골재층에 살포하는 제1살포단계와 제1살포단계에서 살포된 혼합토에 소일콘과 물을 1:200의 비율로 혼합한 혼합수를 살포하는 제2살포단계와 제2살포단계에서 혼합수가 살포된 혼합토의 마감면을 정리하여 다짐하는 정지작업단계 및 다짐된 혼합토의 표면에 외부의 충격으로부터 압력 또는 긁힘이 발생하지 않도록 보호하여 건조하는 양생단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 소일콘을 이용한 흙포장 도로 시공 및 연약지반 개량 공법을 제시한다.

또한, 본 발명의 상기 고화제는 고로슬래그 미분말 30~80중량부와 플라이애시 15~30중량부와 포틀랜드 시멘트 5~15중량부와 소석회 1~5중량부와 유동화제 1~4.5중량부와 탄산칼슘 15~30중량부 및 석분 7~15중량부을 포함하여 구성되고, 상기 소일콘은 황산나트륨 15~30중량부와 리그닌 2~4중량부와 TEA(Tri-Ethanol-Amine) 2~4중량부와 활성화제 30~45중량부 및 석고 15~30중량부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 상기 활성화제는 나트륨계, 칼슘계, 규산계 중 어느 하나 또는 어느 하나 이상의 혼합물로 이루어지는 것을 특징으로 하고, 바람직하게는 수산화나트륨, 수산화칼륨, 수산화칼슘, 황산칼슘, 칼슘설포알루미네이트, 리튬실리케이트, 폴리실록산 중 어느 하나 또는 어느 하나 이상의 혼합물로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 상기 제2살포단계와 정지작업단계의 사이에는 아민수용액(MEA)을 살포하는 제3살포단계와 제3살포단계에서 아민수용액(MEA)이 살포된 혼합토를 비닐 등으로 밀폐하는 저감단계를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 제시된 본 발명에 의한 소일콘을 이용한 흙포장 도로 시공 및 연약지반 개량 공법은 현지토인 흙을 주재로 사용하여 시멘트의 사용량을 감소시킴으로써, 자연 친화적인 시공을 할 수 있는 효과와, 소일콘을 살포하여 시공함으로써, 경제적이고 시공성이 우수한 효과 및 시멘트 사용량 감소에 따른 강도 및 내구성 저하를 방지할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명은 시멘트를 대체하여 사용될 수 있는 산업부산물을 이용하여 시멘트의 사용량을 대폭 감소시킬 수 있어 더욱더 친환경적이고 탄소 배출량을 저감할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 공법을 개략적으로 나타낸 순서도.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 의한 공법을 개략적으로 나타낸 순서도.

본 발명은 현장토를 이용한 친환경 흙포장 도로 시공 및 연약지반 개량 공법에 관한 것으로서, 보다 상세하게 설명하면, 현장토를 주재로 하되, 시멘트가 포함된 고화제와 상기 현장토를 혼합시킨 후 소일콘을 살포함으로써, 시멘트의 사용량을 감소시킬 수 있고, 이에 따라 수화반응시 강도를 발현하는 CSH와 같은 불용성 물질 외에 수산화칼슘 등과 같은 가용성 물질이 용출되는 문제점과 중금속이 발생될 수 있는 문제를 해결할 수 있어 경제적이고 시공성이 우수할 뿐만 아니라 자연 친화적인 흙포장 도로 시공 및 연약지반 개량 공법에 관한 기술이다.

또한, 본 발명은 시멘트를 대체하여 사용할 수 있는 산업부산물인 고로슬래그 미분말과 플라이애시를 사용하여 시멘트 사용량을 대폭 감소시킴으로써, 시멘트 사용량 감소에 따른 CO₂ 발생량을 저감시켜 친환경 시공을 달성할 수 있을 뿐만 아니라 조기강도를 발현 및 목표 강도를 실현가능하며, 장기적 안정성이 뛰어나 내구성은 물론이고 내후성, 보수성이 우수한 소일콘을 이용한 흙포장 도로 시공 및 연약지반 개량 공법에 관한 기술이다.

상기와 같은 본 발명을 달성하기 위한 구성은 흙포장 도로 시공 또는 연약지반 개량을 실시할 현장의 터를 파고 원지반을 다짐하는 제1준비단계(S10);와 제1준비단계(S10)에서 다짐된 원지반에 골재를 포설하고, 골재층을 다짐하는 제2준비단계(S20);와 고화제와 원지반토를 1:9 내지 10의 비율로 혼합하여 혼합토를 제조하는 제3준비단계(S30);와 제3준비단계(S30)의 혼합토에 원지반토 100중량부에 대하여, 10 내지 20 중량부의 물을 혼합하고, 제2준비단계(S20)에서 다짐된 골재층에 살포하는 제1살포단계(S40);와 제1살포단계(S40)에서 살포된 혼합토에 소일콘과 물을 1:200의 비율로 혼합한 혼합수를 살포하는 제2살포단계(S50);와 제2살포단계(S50)에서 혼합수가 살포된 혼합토의 마감면을 정리하여 다짐하는 정지작업단계(S60); 및 다짐된 혼합토의 표면에 외부의 충격으로부터 압력 또는 긁힘이 발생하지 않도록 보호하여 건조하는 양생단계(S70);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 상기 고화제는 고로슬래그 미분말 30~80중량부;와 플라이애시 15~30중량부;와 포틀랜드 시멘트 5~15중량부;와 소석회 1~5중량부;와 유동화제 1~4.5중량부;와 탄산칼슘 15~30중량부; 및 석분 7~15중량부;을 포함하여 구성되고, 상기 소일콘은 황산나트륨 15~30중량부;와 리그닌 2~4중량부;와 TEA(Tri-Ethanol-Amine) 2~4중량부;와 활성화제 30~45중량부; 및 석고 15~30중량부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 상기 제2살포단계(S50)와 정지작업단계(S60)의 사이에는 아민수용액(MEA)을 살포하는 제3살포단계(S52);와 제3살포단계(S52)에서 아민수용액(MEA)이 살포된 혼합토를 비닐 등으로 밀폐하는 저감단계(S54);를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

먼저, 본 발명의 제1준비단계(S10)는 흙포장 도로 시공 또는 연약지반 개량을 실시할 현장의 터를 파고 원지반을 다짐하는 것으로서, 원지반 다짐시 원지반 표면을 잘 골라 물이 고이지 않도록 이물질을 제거한 뒤에 전동 로울러로 밀실하게 다져 다짐밀로 95% 이상의 노상 마무리면이 계획고에서 ±3㎝이상 벗어나지 않도록 하는 것이 바람직하다.

다음으로, 본 발명의 제2준비단계(S20)는 상기 제1준비단계(S10)에서 다짐된 원지반에 골재를 포설하고, 골재층을 다짐하는 것으로서, 다짐된 골재층은 공사용 차량의 왕래시 훼손 및 골재의 탈락 등이 발생되지 않도록 하는 것이 바람직하다.

다음으로, 본 발명의 제3준비단계(S30)는 고화제와 상기 제1준비단계(S10)에서 현장의 터를 파낸 원지반토를 1:9 내지 10의 비율로 혼합하여 혼합토를 제조하는 것으로서, 상기 원지반토에 상기 고화제가 고루 분포되도록 하여 이후에 수화반응에 의한 강도가 형성될 수 있도록 한다.

이때, 상기 고화제는 고로슬래그 미분말 30~80중량부와, 플라이애시 15~30중량부와, 포틀랜드 시멘트 5~15중량부와, 소석회 1~5중량부 및 유동화제1~4.5중량부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 고로슬래그 미분말은 용광로에서 선철이 생산될 때 발생된 용융상태인 물질로, 여기에 물을 분사하여 급냉시킨 것을 고로수슬래그라 하고, 고로수슬래그를 일정 분말도로 분쇄하거나 석로를 첨가한 것을 고로슬래그 미분말이라 한다.

상기와 같은 고로슬래그 미분말은 분말도에 따라 1급, 2급, 3급으로 구분하고, 현재 국내에서 생산되고 있는 고로슬래그 미분말은 KS F 2563에서 정하고 있으며, 이산화규소, 산화알루미늄, 산화칼슘, 산화마그네슘의 4성분이 주성분으로 96~97%를 점유하고 있고 이외에 소량의 산화망간, 산화철, 황 및 알칼리 등을 함유하고 있으며 이러한 조성성분은 시멘트와 거의 유사하다.

부가하여, 고로슬래그의 화학조성은 철강공업에서 사용되는 원재료의 성분, 노의 종류 및 공정에 따라 상당한 범위에서 변화하나 철저한 품질관리 체제하에서 고로슬래그는 SiO₂ 30~36%, Al₂O₃ 12~18%, Fe₂O₃ 0.25~0.35%, CaO 38~45%, MgO 10.0이하, SO₃ 4.0이하, LOI 3.0이하와 같은 성분함유량을 가지도록 생산되고 있다. 이때, 본 발명에서는 시멘트 대체 결합재로서 분말도가 4000~6000cm²/g인 고로슬래그 미분말 3종을 사용하는 것이 바람직하다.

상기와 같은 고로슬래그 미분말은 고화제에 30~80중량부로 함유되는 것이 바람직한데, 일반적으로 고로슬래그 미분말은 플라이애시에 미치지 못하지만 어느 정도의 수화열 저감효과를 가지며, 잠재수경성에 의해 플라이애시 보다 우수한 강도발현을 하므로, 함유량이 30중량부 미만일 경우, 결합재 중 시멘트의 수화반응에 의한 과도한 수화발열에 의해 콘크리트의 내외부 온도차가 증가하여 온도균열이 발생할 수 있어 흙포장 도로 또는 개량된 연약지반(이하, "개량층"이라 한다.)의 안정성이 저하될 수 있는 문제점이 있고, 함유량이 80중량부를 초과하는 경우, 개량층 의 초기강도 발현 저하로 인한 시공 상에 문제가 발생할 뿐만 아니라 개량층의 타설시 외부온도가 높을 경우 고로슬래그 미분말의 특성상 고온에서 급격한 수화반응을 일으켜 개량층 내부온도를 급격하게 상승시키는 작용을 할 수 있는 문제점이 있으므로 상기와 같은 범위로 함유되는 것이 바람직하다.

상기 플라이애시는 화력발전소 미분탄 보일러(Pulverized Combustion)에서 배출되는 석탄 연소 부산물 중 약 80%를 차지하고 있고, 약 1,350℃의 고온에서 연소될 때 유리질(비결정질) 성분이 생성되어 포졸란 반응성을 나타내기 때문에 시멘트 및 콘크리트 원료로 무난히 활용되고 있다.

부가하여 설명하면, 국내의 플라이애시 품질관리는 KS L 5405에 제시되어 있는 1종과 2종을 사용하고 있고, 특히 2종 플라이애시를 주로 사용하고 있으며, 1종 플라이애시의 경우 생산단가 상승 등으로 인한 특수목적으로 소량생산되고 있는 실정이므로 본 발명에서는 플라이애시 2종을 사용하는 것이 바람직하다.

아울러, 플라이애시의 화학조성은 SiO₂ 56.0%, Al₂O₃ 24.8%, Fe₂O₃ 5.5%, CaO 2.9%, MgO 0.8, SO₃ 0.3, LOI 3.2와 같은 성분함유량을 가지고, 이와 같이 산화규소와 산화알루미나의 함유량이 80% 이상으로 반응성 산화물을 다량 함유하고 있으며, 이 성분들은 알칼리 활성제와 함께 혼입되어 고온양생으로 Al-Si 중합반응이 발생하여 콘크리트의 강도를 발현시키는 기능을 한다.

또한, 플라이애시는 고화제에 15~30중량부로 함유되는 것이 바람직한데, 일반적으로 플라이애시는 그 자체로는 수경성이 없으나, 실리카 성분이 석회와 시멘트의 수화생성물인 수산화칼슘과 서서히 반응하여 안정된 불용성화합물을 생성하여 경화하는 성질이 있으므로, 개량층의 수화열 감소 효과 및 장기강도 발현을 위해 본 발명에서 제시한 사용범위를 벗어나지 않는 것이 바람직하다.

덧붙여 설명하면, 본 발명은 고로슬래그 미분말의 첨가량을 늘려 조기강도가 발현되도록 하면서 고로슬래그 사용에 따른 유동성 저하의 문제를 유동화제의 첨가에 의해 해결하고, 조기강도 발현에 따른 수화열을 플라이애시와 함께 사용함에 따라 저발열의 기능과 더불어 강도 및 내구성이 발현되도록 하는 것을 특징으로 한다.

한편, 고로슬래그 미분말과 플라이애시의 입자표면에는 치밀한 불투수성 피막인 유리질 피막이 형성되어 있는데, 이러한 피막으로 둘러싸여진 고로슬래그 미분말과 플라이애쉬는 자체적으로 반응성이 없으므로, 이하에서 자세히 설명될 소일콘에 포함되는 활성화제에 의해 유리질 피막을 파괴하여 내부 반응성 물질을 활성화시킨다.

이때, 상기 고화제는 고로슬래그 미분말과 플라이애시가 잠재수경성과 포졸란 반응성을 적절히 일으킬 수 있도록 상기와 같은 활성화제 뿐만 아니라 알칼리 자극제인 소석회 또는 생석회(CaO)와 포틀랜드 시멘트를 포함하는 것을 특징으로 한다.

부가하여 설명하면, 알칼리 자극제는 pH 13 이상을 나타내는 NaOH와 KOH를 방출하는 수산화물, 규화물, 알루미난염 등의 강알칼리가 잠재수경성이나 포졸란 반응성을 일으키는데 효과적이나 이들은 반응이 급격하게 일어날 수 있어 이후에 자세히 설명될 제2살포단계(S50)에서 소일콘에 포함되 살포되는 것이 바람직하고, 알칼리 골재 반응성이 잠재되어 있는 골재를 사용하는 경우에는 개량층의 내구성에 문제를 일으킬 수 있으므로 본 발명의 고화제에는 반응 속도를 조절할 수 있고 알칼리 골재 반응 위험성이 없는 자극제로서 Ca(OH)₂를 방출하는 자극제를 사용하는 것이 바람직하다.

즉, 상기 고화제는 Ca(OH)₂를 방출하는 자극제로써 석회석을 소성한 생석회(CaO), 상기 생석회를 소화 처리하여 제조한 소석회(Ca(OH)₂)를 사용하며, 칼슘실리케이트계 광물이 포함된 포틀랜드 시멘트도 알칼리 자극제로 함께 사용하는 것을 특징으로 한다. 다만, 본 발명에서는 상기 고화제에 생석회나 소석회도 포틀랜드 시멘트처럼 제조 과정에서 이산화탄소를 배출하며 포틀랜드 시멘트보다 고가이므로 포틀랜드 시멘트를 알칼리 자극제로 주로 사용하였다.

상기와 같은 포틀랜드 시멘트와 소석회는 고화제에 각각 5~15중량부, 1~5중량부로 함유되는 것이 바람직한데, 앞서 설명된 바와 같이, 고로슬래그 미분말과 플라이애시가 잠재수경성과 포졸란 반응성을 적절히 일으켜 개량층이 장기적 안정성을 가질 수 있도록 본 발명에서 제시한 사용범위를 벗어나지 않는 것이 바람직하다.

상기와 연관하여, 상기 고화제는 탄산칼슘 15~30중량와 석분 7~15중량부를 더 포함하여 구성될 수 있는데, 상기 탄산칼슘과 석분은 충진제 기능을 수행하여 개량층의 내구성을 확보할 수 있도록 하는 효과를 실현케 한다.

즉, 상기 탄산칼슘과 석분은 개량층의 내구성을 추가적으로 확보할 수 있도록 함으로써, 현지토를 주재로 하는 상기 개량층의 내구성을 확보할 수 있도록 하고, 상기 고화제는 상기 탄산칼슘과 석분에 의해 내구성을 원활하게 확보할 수 있도록 증점제를 더 포함하여 구성될 수 있다.

이때, 상기 증점제로서는 히드록실프로필메틸셀룰로오즈계 고점성분말을 사용하는 것이 바람직한데, 일반적인 증점제를 사용하는 경우 타 조성들과 교반되어 혼합되는 과정에서 조기에 증점효과가 발생되어 조성간의 충분한 교반이 이루어지지 않아 물성의 균일성이 확보되지 않을 수 있으므로, 상기 히드록실프로필메틸셀룰로오즈계 고점성분말을 사용하는 것이 바람직하고, 상기 히드록실프로필메틸셀룰로오즈계 고점성분말은 고화제에 1~3중량부로 함유되는 것이 바람직하다.

부가하여 설명하면, 상기 히드록실프로필메틸셀룰로오즈계 고점성분말은 일반 메틸셀롤로오즈(MC)와 달리 메틸셀롤로오즈(MC)에 수용성 고분자를 도입한 것으로, 조성물의 혼합 시 즉각적인 증점효과가 나타나지 않고, 수용성 고분자가 용해된 이후에 메틸셀롤로오즈(MC)가 증점효과를 나타내기 때문에 증점효과가 나타나는 시기가 다소 지연된다.

즉, 히드록실프로필메틸셀룰로오즈계 고점성분말은 고화제 조성간의 혼합이 균일하게 이루어질 수 있도록 교반시간을 제공하게 되며, 본 발명의 고화제 조성이 충분히 혼합된 후에 점성이 발현되어 성형성을 극대화시키면서도 물성의 균일성을 이뤄 내구성이 강화되도록 하는 것이다.

다음으로, 제1살포단계(S40)는 상기 제3준비단계(S30)에서 혼합된 고화제와 원지반토 즉, 혼합토에 원지반토 100중량부에 대하여, 10 내지 20 중량부의 물(H₂O)을 혼합하고, 상기 제2준비단계(S20)에서 다짐된 골재층에 살포하는 것으로서, 물이 혼합됨으로써, 앞서 설명된 고화제의 수화반응이 일어날 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.

다음으로, 제2살포단계(S50)는 상기 제1살포단계(S40)에서 살포된 혼합토에 소일콘과 물을 1:200의 비율로 혼합한 혼합수를 살포하는 것으로서, 앞서 설명된 고화제의 수화반응이 더욱더 안정적이고 원활하게 이루어지도록하는 것을 특징으로 한다.

구체적으로, 상기 소일콘은 황산나트륨 15~30중량부와, 리그닌 2~4중량부와, TEA(Tri-Ethanol-Amine) 2~4중량부 및 활성화제 30~45중량부를 포함하여 구성됨으로써, 원지반토 즉, 현지토에 고루 혼합된 고화제의 수화반응이 원활하게 이루질 수 있도록 할 뿐만 아니라 내후성 및 내구성이 증대되도록 하는 효과를 실현케 한다.

특히, 상기 소일콘은 물과 1:200의 비율로 혼합됨으로써, 안정성이 확보된 상태에서 시공이 가능하여 시공성이 우수할 뿐만 아니라 살포된 혼합토에 원활하게 침투되도록 하여 더욱더 시공성이 향상되도록 하는 효과를 실현케 한다.

상기 황산나트륨은 고화제의 점성 조절 및 건조성을 개선하기 위하여 사용되고, 특히 상기 소일콘에 많은 물이 혼합됨으로써, 이후의 양생과정에서 개량층의 조기강도를 촉진하도록 하는 효과를 실현케 하며, 상기 소일콘에 15~30중량부로 함유되는 것이 바람직한데, 15중량부 미만으로 함유되면 개량층의 점성이 낮아져 치밀한 내부조직 형성이 어려워지고, 30중량부를 초과하면 이후에 설명될 석고와 함께 건조성을 개선하나 개량층의 점도가 너무 높아져 작업성이 저하되는 문제가 있어 상기와 같은 범위로 함유되는 것이 바람직하다.

상기 리그닌은 식물세포벽의 중엽층과 1차 세포벽에 많이 분포하는 고분자 화합물로 셀룰로우즈(cellulose) 및 헤미셀룰로우즈(hemicellulose)와 함께 식물세포벽을 구성하는 성분 중의 하나이다. 리그닌의 화학구조는 명확하지 않으나 C18H24O11과 C40H45O18 사이라고 추정되고 벤젠고리에 탄소 3개가 붙은 페닌프로판형의 탄소골격으로 되어 있고, 이것들이 서로 곁사슬과 곁사슬, 벤젠고리와 곁사슬로 결합된 나뭇가지 모양의 구조로 분자량 5만 이상의 중합체인 것으로 알려져 있다[C R Yin, D I Seo, S T Lee, and Y S Jin, Korean Society of Env Eng, 22, 2197 (2000)].

이러한 리그닌은 셀룰로우즈 다음으로 풍부한 유기물이지만 연료로 쓰이는 것을 제외하고는 거의 산업에 사용되지 못하고 있는 실정이며, 펄프공업의 부산물로 다량 발생하고 분해가 쉽지 않기 때문에 환경오염 문제가 되고 있지만, 본 발명에서는 리그닌을 첨가함으로써 고화제의 결합력을 증대시켜 블록의 강도를 크게 향상시킬 수 있다. 또한, 유해한 시멘트의 양을 줄임과 동시에 펄프공업의 부산물인 리그닌을 재활용할 수 있어 친환경적이다는 장점을 갖는 특징이 있다.

상기와 같은 리그닌은 상기 소일콘에 2~4중량부로 함유되는 것이 바람직한데, 2중량부 미만으로 첨가되면 고화제의 결합력을 증대시켜 개량층의 내구성 확보가 어려울 수 있고, 4중량부를 초과하여 첨가되면 내구성의 확보는 용이하나 개량층이 자연적으로 분해가 어려워 오히려 환경오염을 초래할 수 있는 문제점이 있어, 상기와 같은 범위로 함유되는 것이 바람직하다.

상기 TEA(Tri-Ethanol-Amine)는 개량층의 장기강도 향상 및 동결융해에 대한 저항성을 증진시킬 수 있도록 하는 효과를 실현케 하고, 상기 소일콘에 2~4중량부로 함유되는 것이 바람직한데, 2중량부 미만으로 함유되면 동결융해에 대한 저항성이 부족하게 되며, 4중량부를 초과하여 함유되면 고화제의 응결 지연효과를 초래하여 강도가 저하될 수 있으므로, 상기와 같은 범위로 함유되는 것이 바람직하다.

아울러, 상기 소일콘은 석고 15~30중량부를 더 포함하여 구성될 수 있는데, 상기 석고는 앞서 설명된 황산나트륨과 같이 응결조절제로 사용되어 조기강도를 촉진하고 개량층의 내구성을 증가시키는 역할을 하고, 당업계에서 통상적으로 사용하는 화학석고, 천연석고, 탈황석고 등 종류에 한정하지 않으나, 바람직하게는 탈황석고를 사용하는 것이 바람직하다. 이때, 상기 탈황석고는 석유 정제과정이나 열병합발전소 및 화력발전소에서 부수적으로 생성되는 것으로 탈황과정을 거쳐 생산되는 것을 말한다.

부가하여 설명하면, 상기 탈황석고는 강열감량(Ig loss)이 5 내지 30%이며, 산화칼슘(CaO) 20 내지 60 중량%, 산화마그네슘(MgO) 1 내지 5 중량%, 이산화규소(SiO₂) 0.1 내지 5 중량%, 삼산화이알루미늄(Al₂O₃) 0.1 내지 3 중량%, 삼산화황(SO₃) 20 내지 60 중량%, 삼산화이철(Fe₂O₃) 01 내지 3중량%, 산화칼륨(K₂O) 0.01 내지 0.3 중량%, 바나듐(V) 0.01 내지 0.3 중량%를 포함하여 이루어진 것이 좋다.

또한, 본 발명에서는 탈황석고를 단독으로 사용할 수 있으나 화학, 천연석고에서 선택되는 어느 하나를 단독으로 사용하거나, 이들의 혼합물을 사용할 수 있다. 바람직하게는 화학석고, 천연석고 및 탈황석고를 혼합한 혼합물의 형태로 사용하는 것이 좋으며, 더욱 바람직하게는 탈황석고 : 화학석고 : 천연석고가 1 : 1 내지 2 :1 내지 2 중량비로 혼합하는 것이 콘크리트 조성물의 초기 강도 증진에 기여할 수 있어 좋다. 이때, 탈황석고의 경우 첨가량이 늘어나도 초기응결강도에 변화를 주지 않으나 2 중량부 이상 포함되는 경우 종결이 지연되며 28일 강도 증진율이 매우 저조하므로 상기 중량비로 첨가하는 것이 바람직하다.

아울러, 상기 석고 또는 석고 혼합물은 상기 소일콘에 15~30중량부로 함유되는 것이 바람직한데, 15중량부 미만으로 함유되면 앞서 설명된 황산나트륨과 같이 개량층의 점성이 낮아져 치밀한 내부조직 형성이 어려워지고, 함유량이 증가할 수록 응결지연 효과는 증가하나 30중량부를 초과하면 상기 황산나트륨과 함께 건조성 개선이 유리하나 개량층의 점도가 너무 높아져 작업성 저하 및 초기에 대량 생성된 수화물들로 인해 장기 강도에 기여하는 칼슘수화물의 충진 및 성장을 방해하여 결과적으로 장기강도가 저하되므로 상기와 같은 범위로 함유되는 것이 바람직하다.

상기 활성화제는 결합재 구성으로 고로슬래그, 플라이애시 기타 산업부산물을 활성화 시킬 수 있는 것으로서, 산업부산물의 결합재 내에 SiO₂와 Al₂O₃ 등과 같이 중합반응이 가능한 구성요소를 갖는 결합재 구성에만 적용이 가능한 것을 특징으로 하고, 나트륨계, 칼슘계, 규산계 중 어느 하나 또는 어느 하나 이상의 혼합물로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

부가하여 설명하면, 일반적으로 중합반응은 Si-Al 함유 광물질이 NaOH 또는 KOH와 반응하는 것으로, 플라이애시는 SiO₂와 Al₂O₃의 함유율이 비교적 높아 중합반응으로 활성화시킬 수 있는 결합재이나 플라이애시를 사용한 경우에는 유리(glassy) 피막이 형성되어 있기 때문에 이 피막을 파괴시켜 플라이애시의 반응을 촉진시키기 위해서는 pH 13 이상 매우 높은 알칼리 환경이나 고온양생 또는 기타방법 등이 필요하다.

종래의 기술에서는 대부분 고온양생으로 플라이애시의 유리피막을 파괴시켜 중합반응을 유도하였으나, 본 발명에서는 고로슬래그 미분말이 다량으로 배합되므로, 고로슬래그의 구성 성분 중에 SiO₂, Al₂O₃, 특히 CaO(일반적으로 고로슬래그는 40% 이상 함유)이 다량으로 함유되어있기 때문에 상온에서 수화반응 및 중합반응을 하여 Ca(OH)₂ 등 강알칼리성 물질을 생성하여 플라이애시의 유리피막이 파괴되어 플라이애시가 혼합되어 있더라도 상온에서 중합반응이 발생하여 강도가 크게 발현되는 것으로 분석된다.

구체적으로, 상기 활성화제는 수산화나트륨, 수산화칼륨, 수산화칼슘, 황산칼슘, 칼슘설포알루미네이트, 리튬실리케이트, 폴리실록실산 중 어느 하나 또는 어느 하나 이상의 혼합물로 이루어지는 것이 바람직하다.

다음으로, 본 발명의 정지작업단계(S60)는 상기 제2살포단계(S50)에서 소일콘이 포함된 혼합수가 살포된 혼합토의 마감면을 정리하여 다짐하는 것으로서, 상기 혼합수를 살포한 후 2~6시간 사이에 정리하여 다짐하는 것을 특징으로 하고, 통상적으로 하절기에는 약 2시간, 동절기에는 6시간으로 하는 것이 바람직하다.

다음으로, 본 발명의 양생단계(S70)는 상기 정지작업단계(S60) 이후 다짐된 혼합토의 표면에 외부의 충격으로부터 압력 또는 긁힘이 발생하지 않도록 비닐 또는 보호프레임 등을 설치해 보호하여 건조하는 것으로서, 온도 21℃이상에서 72시간 내지 96시간 동안 자연 건조 양생함이 바람직하고, 주변 환경의 여건 및 대기의 온도조건과 기후의 조건 및 원지반토의 입도에 따라 양생시간은 12시간 단위로 증가될 수 있으며, 결과적으로 현장 조건에 맞춰 적절한 양생작업이 실시되도록 하는 것이 가장 바람직하다.

아울러, 본 발명의 양생단계(S70)는 양생 전, 보행 또는 차량의 이동을 일체 제한하며 인위적건조, 온도변화, 하중, 충격, 우천 등의 외부 영향을 받지 않도록 보호하는 것이 바람직하고, 이후에 설명될 제3살포단계(S52)와 저감단계(S54)가 포함되는 경우에는 상기 저감단계(S54) 이후의 혼합토의 표면이 안정적으로 양생되도록 함은 자명할 것이다.

상기와 연관하여, 본 발명은 상기 제2살포단계(S50)와 정지작업단계(S60) 사이에 아민수용액(MEA)을 살포하는 제3살포단계(S52)와 상기 제3살포단계(S52)에서 아민수용액(MEA)이 살포된 혼합토를 비닐 등으로 밀폐하는 저감단계(S54)를 더 포함하여 구성될 수 있는데, 상기 제3살포단계(S52)와 저감단계(S54)는 고화제의 반응시 발생되는 이산화탄소를 저감시키기 위한 것으로, 상기 발생되는 이산화탄소를 고정시켜 대기 중의 이산화탄소의 농도를 감소시키는 것을 특징으로 한다.

보다 상세하게 설명하면, 상기 아민수용액(MEA)은 제2살포단계(S50) 이후의 혼합토의 표면에 살포되어 발생되는 이산화탄소를 흡수함으로써, 이온화 아민수용액이 되고, 즉, 상기 이혼화 아민수용액은 이산화탄소가 고정된 아민수용액(MEA)을 의미한다.

상기 아민수용액(MEA)은 1차 아민(Monoethanolamin)으로 농도는 아민수용액(MEA) 중량에 대한 아민의 중량을 비율로 환산한 수치이고, 본 발명에서는 농도 20~30%의 아민수용액(MEA)이 사용되나, 이는 예시적 사항으로 주변 환경에 따른 반응 요건을 고려하여 다양하게 변경실시 가능함은 자명할 것이다.

부가하여 설명하면, 아민수용액(MEA)이 이산화탄소를 흡수하는 반응은 아래의 화학식 1과 같고,

이상에서와 같은 화학반응식을 통해 아민수용액(MEA)은 화학적 흡수를 통해 이온화된 이산화탄소가 고정되도록 하며, 아민수용액(MEA)의 이산화탄소 흡수는 상온 및 상압에서 이루어지되, 상기 저감단계(S54)에서 밀봉되어 흡수가 원활하게 이루어지도록 한다.

한편, 상기 제2살포단계(S50) 이후 즉, 소일콘이 포함된 혼합수를 살포한 혼합토의 표면에서는 상기 혼합수에 포함되는 다량의 물에 고화제에 포함되는 고로슬래그 미분말과 플라이애시 및 포틀랜드 시멘트가 잔존하게 되므로 이온화 칼슘을 포함하는 이온화수가 획득된다. 이때, 상기 이온화수는 물리적인 교반을 통해 이온화된 칼슘이 용이하게 용출되나 본 발명에서는 이를 고려하지 않고 제1살포단계(S40)에서 교반될 때 이온화수가 획득된다.

이후, 저감단계(S54)에서는 상기 이온화수와 아민수용액(MEA)이 결합 및 반응되어 침전물이 생성되고, 이 과정은 이온화된 이산화탄소를 흡수한 아민수용액(MEA)과 이온화 칼슘을 포함하는 이온화수가 결합되면서 화학적 반응을 통해 액상탄산화가 이루어지는 단계로, 화학적 침전물인 탄산칼슘이 생성되게 되며, 액상탄산화 과정은 아래의 화학식 2와 같다.

이상의 액상탄산화 과정을 통해 탄산칼슘은 화학식 2에 나타난 바와 같이, 고체의 형태로 형성됨에 따라 개량층의 내구성을 추가적으로 확보할 수 있도록 함으로써, 자연친화적인 공법을 실현케 할 뿐만 아니라 현지토를 주재로 하는 상기 개량층의 내구성을 추가적으로 확보할 수 있도록 하는 효과를 실현케 한다.

아울러, 이산화탄소와 이온화 칼슘의 반응을 최적화하기 위해 이산화탄소를 흡수한 이온화 아민수용액(MEA)과 이온화 칼슘을 포함하는 이온화수는 1 대 2 내지 5의 비율로 혼합되는 것이 바람직한데, 이는 예시적 사항으로 아민수용액이 흡수한 이산화탄소와 이온화수에 포함된 이온화 칼슘의 정도에 따라 비율을 달리할 수 있음은 자명할 것이다.

이때, 이산화탄소와 이온화 칼슘이 반응되는 시간을 촉진시키기 위하여 이산화탄소와 이온화 칼슘이 반응하기 좋은 온도를 조성하는 별도의 장비나 방법을 사용하여도 무방하나, 장비를 이용하는 경우 혼합토의 표면이 안전하게 보호되지 못할 수 있으므로 장비사용은 자제하는 것이 바람직하고, 저감단계(S54)는 당업자의 판단에 따라 다양하게 저감시간을 충분히 부여하는 것이 바람직하나, 일예로 1~3시간 가량 부여할 수 있으며, 주변 환경 즉, 온도 및 습도 등을 고려하여 다양하게 변경하여 부여할 수 있음은 자명할 것이다.

상기는 본 발명의 바람직한 실시예를 참고로 설명하였으며, 상기의 실시예에 한정되지 아니하고, 상기의 실시예를 통해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변경으로 실시할 수 있는 것이다.

S10 : 제1준비단계
S20 : 제2준비단계
S30 : 제3준비단계
S40 : 제1살포단계
S50 : 제2살포단계
S52 : 제3살포단계
S54 : 저감단계
S60 : 정지작업단계
S70 : 양생단계

Claims

흙포장 도로 시공 또는 연약지반 개량을 실시할 현장의 터를 파고 원지반을 다짐하는 제1준비단계(S10);와
제1준비단계(S10)에서 다짐된 원지반에 골재를 포설하고, 골재층을 다짐하는 제2준비단계(S20);와
고화제와 원지반토를 1:9 내지 10의 비율로 혼합하여 혼합토를 제조하는 제3준비단계(S30);와
제3준비단계(S30)의 혼합토에 원지반토 100중량부에 대하여, 10 내지 20 중량부의 물을 혼합하고, 제2준비단계(S20)에서 다짐된 골재층에 살포하는 제1살포단계(S40);와
제1살포단계(S40)에서 살포된 혼합토에 소일콘과 물을 1:200의 비율로 혼합한 혼합수를 살포하는 제2살포단계(S50);와
제2살포단계(S50) 이후의 혼합토의 표면에 아민수용액(MEA)을 살포하는 제3살포단계(S52);과
제3살포단계(S52)에서 아민수용액(MEA)이 살포된 혼합토를 비닐로 밀폐하는 저감단계(S54);와
제2살포단계(S50)에서 혼합수가 살포된 혼합토의 마감면을 정리하여 다짐하는 정지작업단계(S60); 및
다짐된 혼합토의 표면에 외부의 충격으로부터 압력 또는 긁힘이 발생하지 않도록 보호하여 건조하는 양생단계(S70);를 포함하여 구성되고,
상기 고화제는
고로슬래그 미분말 30~80중량부;와 플라이애시 15~30중량부;와 포틀랜드 시멘트 5~15중량부;와 소석회 1~5중량부;와 유동화제1~4.5중량부;와
탄산칼슘 15~30중량부; 및 석분 7~15중량부;를 포함하여 구성되며,
상기 소일콘은
황산나트륨 15~30중량부;와 리그닌 2~4중량부;와 TEA(Tri-Ethanol-Amine) 2~4중량부;와 활성화제 30~45중량부; 및
석고 15~30중량부;를 포함하여 구성되고,
상기 활성화제는
수산화나트륨, 수산화칼륨, 수산화칼슘, 황산칼슘, 칼슘설포알루미네이트, 리튬실리케이트, 폴리실록산 중 어느 하나 또는 어느 하나 이상의 혼합물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 한편,
상기 고화제는
상기 탄산칼슘과 석분에 의해 내구성을 원활하게 확보할 수 있도록 히드록실프로필메틸셀룰로오즈계 고점성분말 1~3중량부;를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 소일콘을 이용한 흙포장 도로 시공 및 연약지반 개량 공법.
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