KR102073606B1 - 활성 실리케이트 약액을 이용한 그라우팅 시공방법 - Google Patents

활성 실리케이트 약액을 이용한 그라우팅 시공방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 활성 실리케이트 약액을 이용한 그라우팅 시공방법에 관한 것으로, I) 30~60 부피%의 물유리와 40~70 부피%의 물을 혼합하여 규산소다 수용액을 준비하는 단계; II) 상기 규산소다 수용액과 탄산수를 5:1 내지 10:1의 중량비로 배합하여 활성 실리케이트 약액을 얻는 단계; 및 III) 상기 활성 실리케이트 약액과 시멘트 수용액을 1:1의 부피비로 혼합하여 지반 내로 분사주입 및 겔화시키는 단계;를 포함하는 그라우팅 시공방법을 제공한다.

Description

활성 실리케이트 약액을 이용한 그라우팅 시공방법{Grouting method using activated silicate}
본 발명은 활성 실리케이트 약액을 이용한 그라우팅 시공방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 규산소다와 탄산수의 반응에 의하여 콜로이드 졸 상태의 활성 실리케이트 약액을 얻고, 이를 시멘트 수용액과 혼합하여 지반 내로 분사 주입 및 겔화시키는 그라우팅 시공방법에 관한 것이다.
일반적으로 토목 및 건축공사에 있어서 지하수의 유입 또는 유출을 방지하기 위하여 지하지반의 차수 및 콘크리트 구조물 등의 조인트, 균열부위에 대한 지수를 목적으로 지반에 약액을 주입하는 시공법이 행해지고 있다. 종래에 이러한 지반주입 시공에 사용되는 약액은 크게 페놀수지, 에폭시계, 아크릴아미드계 및 우레탄계 등의 중합성 유기물과 시멘트 밀크 및 규산소다계의 무기물이 주류를 이루고 있다.
특히, 무기물로 가장 많이 사용되는 규산소다계 약액은 중합성 유기물 약액에 비하여 원가가 낮아 시공비를 절감할 수 있다는 장점이 있는 반면, 주입후 시간이 경과함에 따라 자유수 및 흡착수 등에 의해 주입고결제로부터 알칼리 성분들의 용탈 현상이 발생하여 주입재가 유실, 소멸 되는 등 내구성이 약해지거나 지하수의 오염과 같은 환경문제가 제기되었다. 따라서 업계에서는 규산소다계 약액의 개질에 대한 꾸준한 요구가 있었는바, 알칼리 토금속염과의 활성 반응물을 포함하도록 규산소다계 약액을 개질한 콜로이드 졸 상태의 약액이 개발하기도 하였다.
그런데 상기 규산소다계 약액과 알카리 토금속염을 반응시켜 규산소다계 약액을 개질하는 과정에서는 2000rpm 이상의 고속교반장치가 필요하여 에너지 소모가 많으므로 제조공정상 경제성이 떨어지고, 품질 및 작업 안정성이 저하되는 문제점이 있다. 또한, 실제 지반주입을 위한 그라우팅 시공에 있어서는 시멘트 또는 급결제 등의 기타 성분을 대량으로 사용해야 하는 단점도 있다.
그러므로 본 발명자는 규산소다계 그라우팅 시공용 약액 개발을 위하여 연구를 거듭한 결과, 활성 반응물로서 알칼리 토금속염 대신에 탄산수를 사용하여 규산소다와 반응시키는 경우에는 500rpm 이하의 낮은 교반속도에서도 활성 실리케이트가 안정적으로 얻어지므로 에너지 소모가 적어 제조공정상 경제성이 현저히 개선되고, 궁극적으로는 시멘트 수용액과 혼합하여 그라우팅 시공을 수행하는 과정에서 시멘트의 사용량을 크게 줄일 수 있음을 발견하고 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
특허문헌 1. 한국등록특허공보 제10-0370880호 특허문헌 2. 한국등록특허공보 제10-0684185호
따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 활성 실리케이트 약액을 얻는 과정에서 에너지 소모를 줄여 제조공정상 경제성을 현저히 개선할 수 있고, 시멘트 수용액과 혼합하여 그라우팅 시공을 수행하는 과정에서는 시멘트의 사용량을 크게 줄이면서도 알칼리 성분들의 용탈 현상이 발생하지 않아 내구성이 증가하는, 규산소다와 탄산수의 반응에 의하여 얻어지는 활성 실리케이트 약액을 이용한 그라우팅 시공방법을 제공하고자 하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, I) 30~60 부피%의 규산소다와 40~70 부피%의 물을 혼합하여 규산소다 수용액을 준비하는 단계; II) 상기 규산소다 수용액과 탄산수를 5:1 내지 10:1의 중량비로 배합하여 활성 실리케이트 약액을 얻는 단계; 및 III) 상기 활성 실리케이트 약액과 시멘트 수용액을 1:1의 부피비로 혼합하여 지반 내로 분사주입 및 겔화시키는 단계;를 포함하는 그라우팅 시공방법을 제공한다.
상기 I) 단계의 규산소다는 실리카(SiO2) 대 나트륨 산화물(Na2O)의 몰비가 3:1인 것을 특징으로 한다.
상기 II) 단계에서 규산소다 수용액과 탄산수의 배합은 200~500rpm의 속도로 교반하는 것을 특징으로 한다.
상기 III) 단계의 시멘트 수용액은 급결제로서 5~15 중량%의 중탄산나트륨을 더욱 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따라 규산소다와 탄산수의 반응에 의하여 콜로이드 졸 상태의 활성 실리케이트 약액을 얻는 과정에서 에너지 소모를 줄여 제조공정상 경제성을 현저히 개선할 수 있고, 시멘트 수용액과 혼합하여 그라우팅 시공을 수행하는 과정에서는 시멘트의 사용량을 크게 줄이면서도 알칼리 성분들의 용탈 현상이 발생하지 않아 내구성이 증가한다. 또한, 본 발명의 그라우팅 시공방법에 의해서는 겔 타임이 단축되고, 압축강도 내지 투수계수 등의 공학적 특성도 우수하다.
도 1은 본 발명에 따라 규산소다와 탄산수의 반응에 의하여 얻어지는 활성 실리케이트 약액을 이용한 그라우팅 시공방법의 공정도.
이하에서는 본 발명에 따른 규산소다와 탄산수의 반응에 의하여 얻어지는 활성 실리케이트 약액을 이용한 그라우팅 시공방법에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 I) 30~60 부피%의 규산소다와 40~70 부피%의 물을 혼합하여 규산소다 수용액을 준비하는 단계; II) 상기 규산소다 수용액과 탄산수를 5:1 내지 10:1의 중량비로 배합하여 활성 실리케이트 약액을 얻는 단계; 및 III) 상기 활성 실리케이트 약액과 시멘트 수용액을 1:1의 부피비로 혼합하여 지반 내로 분사주입 및 겔화시키는 단계;를 포함하는 그라우팅 시공방법을 제공한다. 도 1에 본 발명에 따라 규산소다와 탄산수의 반응에 의하여 얻어지는 활성 실리케이트 약액을 이용한 그라우팅 시공방법의 공정도를 간략히 나타내었다.
일반적으로 그라우팅은 건설공사에서 지반의 갈라진 틈이나 공동, 공극 등에 압력을 이용하여 충전재를 주입하는 것으로, 굴착공사 시 누수방지와 불안정한 지반의 보강을 위하여 광범위하게 적용되고 있다. 종래 이러한 그라우팅 주입재료로는 규산소다계 약액이 주로 사용되어 왔다. 그러나 규산소다계 약액은 지반주입 고결 후 시간이 경과함에 따라 지반토양 내의 흡착수 및 자유수에 의해 주입고결체로부터 용탈이 서서히 진행되어 종국에는 주입재가 전부 용탈되는 현상이 발생함으로써 내구성이 약한 문제점을 가지고 있다. 또한, 상기 주입효과 상실에 따른 안전 문제는 물론 이로 인한 지하수 오염도 상존하고 있다. 게다가 규산소다계 약액은 지반주입시 많은 양의 지하수에 의해 희석될 경우 겔화 시간이 지연되어 원하는 주입효과를 얻지 못하는 경우가 있고, 고결이 안되어 유실하는 경우도 있다.
따라서 상기 규산소다계 약액 주입공법의 문제점을 해결하고자 규산소다를 화학적으로 변성, 개질하여 그 특성을 향상시킨 실리카졸 등의 약액을 개발하여 내구성, 수질오염 등에서 많은 문제점을 개선시킨 것으로 알려지고 있으나, 실제로 적용하는데 있어 기술적, 경제적, 작업상의 문제점이 있어 온전히 시행하지 못하고 있는 실정이다. 이러한 개질 규산소다계 약액은 크게 산성 실리카졸과 중성 실리카졸로 분류할 수 있는데, 전자는 물유리를 황산 등의 과량의 산성제를 사용하여 준안정상태의 실리카졸 수용액을 적절한 제조 플랜트로 현장에서 제조하는 방법으로 현장 제조원료로서 황산 등 위험물질을 취급하기 때문에 문제점이 있다. 반면, 후자는 규산소다를 특정한 산성제로 전처리한 후 이온교환수지 또는 멤브레인 필터 등에 의해 부산물을 제거, 농축하는 방법으로 제조공정이 복잡하여 별도의 공장에서 제조, 공급하는 문제점이 있는 등 성능은 보다 좋아 졌지만 경제성이 떨어지는 단점이 있다.
한편, 본 발명자도 상술한 통상적인 규산소다계 약액 주입공법의 문제점을 해결하기 위하여, 이미 오래 전에 알칼리 토금속염과의 활성 반응물을 포함하도록 규산소다계 약액을 개질한 콜로이드 졸 상태의 활성 실리케이트 약액을 개발한 바 있다. 그러나 이러한 활성 실리케이트 약액을 제조하는 과정에서는 2000rpm 이상의 고속교반장치가 필요하여 에너지 소모가 많으므로 제조공정상 경제성이 떨어지고, 품질 및 작업 안정성이 저하되는 문제점이 있었다. 또한, 실제 지반주입을 위한 그라우팅 시공에 있어서는 시멘트 또는 급결제 등의 기타 성분을 대량으로 사용해야 하는 단점도 있었다.
그러므로 본 발명에서는, 그라우팅 시공업계의 요구에 주목하여 에너지 소모가 적어 제조공정상 경제성이 우수한 활성 실리케이트 약액을 개발하기 위하여 꾸준히 노력한 결과, 활성 반응물로서 탄산수를 사용함으로써 매우 적은 에너지 사용으로도 규산소다와의 반응에 의하여 활성 실리케이트 약액을 제조할 수 있었으며, 이러한 해결수단이 본 발명의 핵심적인 기술적 특징이라 할 수 있다.
본 발명에서 사용하는 탄산수는 탄산가스(이산화탄소)가 물에 녹아 있는 것으로(CO2+H2O↔H2CO3), 탄산가스의 농도가 적어도 1000ppm 이상인 것을 사용함으로써 탄산이온(CO3 2-)과 규산소다와의 원활한 반응을 통하여 콜로이드 상의 규산 올리고머(졸 상태)인 활성 실리케이트를 얻을 수 있다.
먼저, 본 발명에 따른 그라우팅 시공방법을 위해서는 I) 단계로서 30~60 부피%의 규산소다와 40~70 부피%의 물을 혼합하여 규산소다 수용액을 준비한다. 이때, 규산소다 수용액에서 규산소다의 농도가 30 부피% 미만이면 고형분 함량이 낮아 품질 저하가 야기될 수 있고, 60 부피%를 초과하면 고형분은 높아지나 제조과정 중에 쉽게 겔화 되어 제조공정을 조절하기 어려운 경향이 있다.
일반적으로 규산소다(Na2SiO3)는 탄산나트륨(Na2CO3)과 실리카(SiO2)를 반응시켜 얻어지는 것으로서(Na2CO3 + SiO2 → Na2SiO3 + CO2), 규산소다(Na2SiO3)를 구성하는 실리카(SiO2) 대 나트륨 산화물(Na2O)의 몰비에 따라 다양한 성질을 나타내는 것으로 알려져 있는데, 본 발명에서는 실리카(SiO2) 대 나트륨 산화물(Na2O)의 몰비가 3:1인 규산소다를 사용하는 것이 궁극적으로 그라우팅 시공 시 고품질의 고결체를 얻을 수 있어 바람직하다.
이어서 II) 단계에서는 상기 규산소다 수용액과 탄산수를 5:1 내지 10:1의 중량비로 배합하여 활성 실리케이트 약액을 얻는바, 규산소다 수용액과 반응하는 활성 반응물로서 탄산수를 사용함으로써 콜로이드 상의 규산 올리고머(졸 상태)인 활성 실리케이트를 생성한다. 이렇게 활성 반응물로서 탄산수를 사용하여 얻어지는 활성 실리케이트는 종래 알카리 토금속염을 사용하여 얻어지는 활성 실리케이트에 비하여 고분자량의 실리케이트 올리고머가 얻어지기 때문에 추후 시멘트 수용액과 혼합하여 경화시킬 때 우수한 물성을 갖는 고결체가 만들어지고 이에 따라 시멘트의 사용량을 크게 줄일 수 있어 원가절감의 효과가 있다.
또한, 상기 규산소다 수용액과 탄산수의 배합비는 중량비로 5:1 내지 10:1이 바람직한데, 규산소다 수용액의 배합비가 5 미만이면 엉기는 현상이 초래될 수 있고, 10을 초과하면 최종 생성물의 활성화가 완전히 이루어지지 않는 경향이 있다.
아울러 상기 II) 단계에서 규산소다 수용액과 탄산수를 배합할 때, 200~500rpm의 교반속도만으로도 활성 실리케이트를 안정적으로 얻을 수 있는데, 이는 종래 물유리 수용액과 알칼리 토금속염을 배합하여 활성 실리케이트를 얻기 위해서는 2000rpm 이상의 고속교반기를 사용하여야 했던 것과 비교하면 에너지 소모량을 크게 줄임으로써 전체 제조공정 상의 생산원가를 현저히 낮출 수 있다.
다만, 규산소다 수용액과 탄산수의 배합 시 교반속도가 200rpm의 미만이면 높은 분자량의 규산 올리고머 생성이 어렵고, 교반속도가 500rpm을 초과하면 종래에 비하여 원가절감의 효과가 크지 않을 수 있으므로 200~500rpm의 교반속도 범위가 바람직하다.
마지막으로 상기 III) 단계에서는 II) 단계에서 얻은 활성 실리케이트 약액과 시멘트 수용액을 1:1의 부피비로 혼합하여 지반 내로 분사주입 및 겔화시킨다. 규산소다와 탄산수의 반응에 의하여 생성된 중간체로서 졸 상태의 규산 올리고머(활성 실리케이트)가 시멘트 수용액과 반응함으로써, 졸 상태의 규산 올리고머들이 망목상 구조를 갖는 겔 상태의 고분자량 중합체로 전환되는 것이다.
또한, 본 발명에서는 상기 III) 단계의 시멘트 수용액에 종래와 같이 급결제로서 5~15 중량%의 중탄산나트륨을 더욱 포함시킴으로써 겔화 시간을 크게 줄일 수도 있다.
이하 구체적인 실시예 및 비교예를 상세히 서술한다.
(실시예 1)
교반조에 규산소다[실리카(SiO2) 대 나트륨 산화물(Na2O)의 몰비가 3:1인 것] 50 부피%와 물 50 부피%를 혼합하여 규산소다 수용액을 준비하였다. 이어서 상기 규산소다 수용액과 탄산가스 농도 1000ppm의 탄산수(5:1의 중량비)를 200rpm의 교반속도로 배합하여 활성 실리케이트 약액을 얻었다. 다음으로 상기 활성 실리케이트 약액과 시멘트 수용액(시멘트 50 중량% 및 물 50 중량%로 이루어짐)을 1:1의 부피비로 혼합하여 겔화시킴으로써 활성 실리케이트 겔을 제조하였다.
(실시예 2)
상기 실시예 1에 따라 얻어진 활성 실리케이트 약액과 급결제를 포함하는 시멘트 수용액(시멘트 30 중량%, 중탄산나트륨 10 중량% 및 물 60 중량%로 이루어짐)을 1:1의 부피비로 혼합하여 겔화시킴으로써 활성 실리케이트 겔을 제조하였다.
(비교예 1)
교반조에서 규산소다[실리카(SiO2) 대 나트륨 산화물(Na2O)의 몰비가 3:1인 것] 50 부피%와 물 50 부피%를 혼합하여 준비한 규산소다 수용액과 시멘트 수용액(시멘트 50 중량% 및 물 50 중량%로 이루어짐)을 1:1의 부피비로 혼합, 겔화시켜 규산소다 겔을 제조하였다.
(비교예 2)
상기 실시예 1의 탄산수 대신에 황산 마그네슘 수용액(황산 마그네슘 10 중량% 및 물 90 중량%로 이루어짐)을 사용하고 2000rpm의 교반속도로 배합하여 활성 실리케이트 약액을 얻은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 활성 실리케이트 겔을 제조하였다.
상기 실시예 1, 2 및 비교예 1, 2에 따라 얻어진 겔화물의 겔 타임, 일축압축강도(KSF 2314), 투수계수(KSF 2322), 알칼리 성분 용출량(원자흡광도법)을 측정하고 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다(일축압축강도, 투수계수 및 알칼리 용출량은 28일 양생 후 측정한 결과임).
시험항목 실시예 1 실시예 2 비교예 1 비교예 2
겔 타임(sec) 35 10 60 45
일축압축강도(kg/cm2) 31.2 14.1 18.5 26.2
투수계수 K(cm/sec) 4.1 x 10-8 3.2 x 10-8 1.7 x 10-7 3.6 x 10-8
알칼리 용출량(mg/l) 2.5 2.7 32.6 6.7
상기 표 1에서 보는 바와 같이, 본 발명의 실시예 1로부터 제조된 활성 실리케이트 겔은 비교예 1의 통상적인 규산소다 겔에 비하여 겔화 시간이 30% 이상 단축됨을 알 수 있고, 특히 실시예 2에 따라 급결제를 포함하는 경우에는 80% 이상 단축됨을 알 수 있다. 특히, 종래 활성 실리케이트 약액을 얻는 과정에서 알칼리 토금속염인 황산 마그네슘 수용액을 사용하는 경우에 비해서도 겔화 시간이 20% 이상 단축됨을 알 수 있다.
또한, 일축압축강도 및 투수계수 등의 물성 지표에서도 현저히 개선된 특성을 나타냄을 알 수 있는데, 이는 활성 반응물로서 탄산수를 사용하여 얻어지는 활성 실리케이트는 종래 알카리 토금속염을 사용하여 얻어지는 활성 실리케이트에 비하여 고분자량의 실리케이트 올리고머가 얻어지므로 시멘트 수용액과 혼합하여 경화시킬 때 견고하고 치밀한 조직의 겔이 형성되기 때문인 것으로 해석된다.
또한, 지하수에 의해서 일어날 수 있는 알칼리 용출량(Na+ 이온 검출)을 측정한 결과, 통상적인 규산소다 겔의 1/10 수준으로 현저히 감소함을 알 수 있으며, 비교예 2의 종래 활성 실리케이트 약액을 얻는 과정에서 알칼리 토금속염인 황산 마그네슘 수용액을 사용하는 경우에 비해서도 약 70% 이상 알칼리 용출량이 감소함을 확인할 수 있다.
아울러 본 발명의 실시예 1, 2에서는 규산소다 수용액과 탄산수를 200rpm의 교반속도로 배합하여 활성 실리케이트 약액을 얻기 때문에, 비교예 2의 규산소다 수용액과 황산 마그네슘 수용액을 2000rpm의 교반속도로 배합하여 활성 실리케이트 약액을 얻는 공정에 비하여 전력 소모를 크게 줄여 50% 이상의 에너지 절감 효과를 거둘 수 있었다.

Claims (4)

  1. I) 30~60 부피%의 규산소다와 40~70 부피%의 물을 혼합하여 규산소다 수용액을 준비하는 단계;
    II) 상기 규산소다 수용액과 탄산수를 5:1 내지 10:1의 중량비로 배합하여 활성 실리케이트 약액을 얻는 단계; 및
    III) 상기 활성 실리케이트 약액과 시멘트 수용액을 1:1의 부피비로 혼합하여 지반 내로 분사주입 및 겔화시키는 단계;를 포함하는 그라우팅 시공방법으로서,
    상기 I) 단계의 규산소다는 실리카(SiO2) 대 나트륨 산화물(Na2O)의 몰비가 3:1이고,
    상기 II) 단계의 규산소다 수용액과 탄산수의 배합은 200~500rpm의 속도로 교반하는 것을 특징으로 하는 그라우팅 시공방법.
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