KR102113733B1

KR102113733B1 - 해상용 고화제 조성물을 이용한 심층혼합공법

Info

Publication number: KR102113733B1
Application number: KR1020190072781A
Authority: KR
Inventors: 한지은; 오경희; 곽금옥
Original assignee: 에코엔텍주식회사
Priority date: 2019-06-19
Filing date: 2019-06-19
Publication date: 2020-05-21

Abstract

본 발명은 pH의 저감효과를 통해 해양 오염을 방지할 수 있으며, 지반의 균열에 의한 유실을 방지할 수 있고, 휨강도와, 압축강도, 잔류강도의 향상효과를 기대할 수 있는 해상용 고화제 조성물을 이용한 심층혼합공법을 개시한다.

Description

해상용 고화제 조성물을 이용한 심층혼합공법{DEEP SOIL MIXING METHOD USING SOLIDIFYING COMPOSITION}

본 발명은 굴착장비를 설계심도까지 지중에 관입하는 관입단계와, 상기 굴착장비를 다시 인발하는 인발단계와, 상기 관입단계 또는 인발단계 중 적어도 하나의 단계에서 해상용 고화제 조성물을 주입하여 굴착된 지반의 토양과 혼합하는 믹싱단계와, 상기 믹싱단계에서 주입 및 혼합된 상기 고화제 조성물이 경화되는 양생단계를 포함하는 심층혼합공법에 있어서, 상기 해상용 고화제 조성물은 산업부산물을 원료로 하여 제조되는 에코시멘트 및 PVA 또는 PP 재질의 섬유보강제를 혼합교반하여 조성되는 것을 특징으로 하는 해상용 고화제 조성물을 이용한 심층혼합공법에 관한 것이다.

일반적으로 심층혼합공법(Deep Cement Mixing, DCM)은 석회, 시멘트 등을 주원료로 하는 안정제(고화제, 경화제)와 지중의 연약지반을 혼합하여 화학적으로 고체화시켜 연약지반을 개량하기 위한 것이다. 특히, 연약지반의 토양과 안정제가 혼합되면서 발생하는 수화반응 또는 포졸란(Pozzolan) 반응을 통해서 에트린자이트의 생성을 활성화하여 물리적, 화학적으로 고형화된 지중구조체를 형성함으로써 연약지반을 강화시키게 된다.

이러한 심층혼합공법은 1976년부터 일본 운수성 항만기술연구소에 의해서 개발연구가 추진되었으며, 1970년대에는 석회석, 시멘트 등의 안정제를 이용한 공법이 실용화되어 현재 국내에서 연약지반을 개량하기 위한 방안으로 널리 시공되고 있다.

상기한 심층혼합공법은 관입 분출식과 인발 분출식으로 나누어지는데, 관입 분출식은 하부방향으로 안정제가 분사될 수 있도록 분사통로를 형성한 오거 케이싱을 지중에 관입하는 공정과, 상기 오거 케이싱의 회전으로 관입과 동시에 안정제를 주입하면서 연약지반과 혼합하는 공정과, 설계 심도까지 관입한 상기 오거 케이싱을 역회전시켜 상부방향으로 인발하면서 동시에 연약지반과 안정제를 혼합하는 공정으로 이루어진다.

그리고 인발 분출식은 하부방향으로 안정제가 분사될 수 있도록 분사통로를 형성한 오거 케이싱을 지중에 관입하는 공정과, 설계 심도까지 관입한 오거 케이싱을 역회전시켜 상부방향으로 인발하는 공정과, 상기 오거 케이싱의 인발과 동시에 안정제를 주입하면서 연약지반과 혼합하는 공정으로 이루어진다.

상기한 바와 같은 심층혼합공법에서 사용되는 안정제는 시멘트계 그라우트재인데, 이 시멘트계 그라우트재로 인한 많은 문제점이 발생하고 있다.

무엇보다도 시멘트계 그라우트재는 환경오염원으로 작용하고 있다. 즉,지중에 주입된 그라우트재는 경화되기 전에 지하수와 접촉되면서 재료 유출이 발생하여 토양 및 지하수를 오염시킬 뿐만 아니라, 알카리화 된 블리딩수 유출에 의해서도 오염이 발생한다. 또한, 그라우트재가 경화된 후에도 지하수와 접촉되면서 계속적으로 중금속이 용출되므로 지하 수계 및 토양을 오염시킨다.

또한, 기존의 그라우트재는 유동성이 크며 경화 시간이 길어 지반 및 콘크리트의 균열 부위로 재료가 유출되거나, 충전 부위 이외의 지반 내 공동으로 유출됨으로써 환경오염원으로 작용할 뿐만 아니라, 의도했던 바대로 파일을 형성할 수 없어 파일의 강도 및 내구성에서도 문제가 발생한다.

실제 일본에서는 1991년 그라우팅 첨가제에 의한 우물 오염이 발견되면서 그라우팅 첨가제에 대한 기준 및 지침이 강화된 적이 있으며, 2006년에는 동경외곽순환고속도로 타카오산터널 건설이 환경오염문제로 일시 중단되기도 하였다. 또한 2006년에는 스웨덴에서 그라우팅 첨가제 중 폴리아크릴아미드 잔존량이 문제되어 공사가 중단되었다. 우리나라에서도 2007년 평창 양식장의 송어가 집단폐사하면서 그 원인이 주변의 시멘트 타설공사에 기인한 것으로 지적되기도 하였다.

또한 기존의 그라우트재는 지반에 주입된 후에 탈수 현상과 블리딩이 심하게 나타나 자체의 체적 변화가 크다.

이에 완전한 충전을 위해서는 추가적으로 그라우트재를 주입해야하는 문제점이 있다.

그리고 기존의 시멘트계 그라우트재는 물성 개선을 위해 혼화재 및 첨가재 함량을 높임으로써 파일의 강도가 안정적으로 보장되지 않아 내구성에서도 문제가 있었다.

상기한 바와 같이, 기존의 시멘트계 그라우트재는 환경오염원으로 작용하여 토양 및 지하수를 오염시킬 뿐만 아니라, 내구성도 취약하여 안정성에도 문제가 있는 바, 친환경적이면서도 내구성이 보장되는 그라우트재의 개발이 요청된다.

대한민국 등록특허공보 제10-1267479호(심층혼합처리공법용 고화제 조성물 및 이를 이용한 심층혼합처리방법)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로, 풍하중 및 파압에 의한 반복하중을 위한 압축강도 및 내구성과, 내해수성이 우수하며, 유해물질의 용출을 차단하여 해양 오염을 방지할 수 있는 해상용 고화제 조성물을 이용한 심층혼합공법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 위하여 본 발명은 굴착장비를 설계심도까지 지중에 관입하는 관입단계와, 상기 굴착장비를 다시 인발하는 인발단계와, 상기 관입단계 또는 인발단계 중 적어도 하나의 단계에서 해상용 고화제 조성물을 주입하여 굴착된 지반의 토양과 혼합하는 믹싱단계와, 상기 믹싱단계에서 주입 및 혼합된 상기 고화제 조성물이 경화되는 양생단계를 포함하는 심층혼합공법에 있어서, 상기 해상용 고화제 조성물은 산업부산물을 원료로 하여 제조되는 에코시멘트 및 PVA 또는 PP 재질의 섬유보강제를 혼합교반하여 조성되되, 상기 에코시멘트는 제철소의 선철 제조시 발생되는 고로슬래그 미분말 20~50중량%와, 열병합발전소 및 화력발전소의 연료소각시 발생되는 플라이 애쉬 10~40중량%와, 알루미늄 제강공정에서 발생되는 부산물을 통해 제조되는 강도보강제 10~35중량%와, 황산염 자극 및 포졸란 반응을 유도하기 위한 자극제 1~5중량%를 혼합하여 조성되고, 상기 섬유보강제는 PVA 또는 PP 재질의 섬유를 120~180℃로 5~10분간 열처리한 다음 80~100℃의 물에 15~20분간 침지한 후 상온에서 건조하여 전처리된 것을 사용하며, 상기 해상용 고화제 조성물은 에코시멘트 100중량부에 대하여 상기 전처리된 섬유보강제 0.1~1.5중량부가 혼합교반되어 제조되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서 상기 자극제는 물유리 또는 수산화칼륨인 것을 특징으로 한다.

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또한, 본 발명에서 상기 믹싱단계에서 관입된 지중의 바닥부터 1/10 높이까지는 에코시멘트 100중량부에 대하여 섬유보강제 1~1.5중량부가 혼합된 해상용 고화제 조성물이 주입되고, 그 이상의 높이부터는 에코시멘트 100중량부에 대하여 0.1~1.5중량부가 혼합된 해상용 고화제 조성물이 주입되는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 본 발명에 따른 해상용 고화제 조성물은 제철소의 선철 제조시 발생되는 고로슬래그 미분말과, 열병합발전소 및 화력발전소의 연료소각시 발생되는 플라이 애쉬와, 알루미늄 제강공정에서 발생되는 부산물을 원료로 하여 제조되는 강도보강제 등 다양한 산업 부산물을 통해 제조되는 에코시멘트를 활용함으로써 이산화탄소를 다량으로 배출하는 시멘트의 소비를 현저히 절감할 수 있으므로 환경 친화적이며 제조단가를 줄일 수 있는 장점이 있다.

또한, 상기 해상용 고화제 조성물의 주입에 따른 pH의 저감효과를 통해 해양 오염을 방지할 수 있으며, 주입시 충전을 위한 충분한 유동성이 확보되면서 주입이 완료된 시점에서는 외압이 해제되므로 유동성이 상실되므로 지반의 균열에 의한 유실이 발생하지 않으며, 이를 통해 2차 주입 등과 같은 보완이 불필요하다. 뿐만 아니라, 수중불분리성이 우수하여 지하수, 해수 또는 하천수에 의한 재료의 희석과 유출, 분리를 방지할 수 있으며, 시멘트나 중금속 등의 용출이 일어나지 않으므로 환경오염 문제가 발생하지 않는다.

또한, 상기 해상용 고화제 조성물은 조기강도 확보 및 장기강도 안전화로 내구성이 뛰어나며 공기를 단축시킬 수 있는 이점이 있다.

또한, 본 발명은 에코시멘트를 구성하는 강도보강제를 통해 휨강도 향상효과를 기대할 수 있으며, 고가의 감수제를 생략함에 따른 비용 절감효과를 기대할 수 있다. 이와 함께, PVA 또는 PP 재질의 섬유보강제를 통해 압축강도, 잔류강도, 휨강도, 휨인성 향상효과를 기대할 수 있고, 특히 상기 섬유보강제의 전처리 과정을 통해 고온의 물에서도 내수성을 확보할 수 있으며, 인장강도가 향상되는 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 심층해양공법의 공정도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 해상용 고화제 조성물의 제조공정도.
도 3 내지 4는 본 발명의 실시예에 따른 섬유보강제의 열처리시 특성을 나타내는 예시도.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 해상용 고화제 조성물을 이용한 심층혼합공법에 대하여 더욱 상세하게 설명하도록 한다.

하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

본 발명에서 심층혼합공법(Deep Cement Mixing, DCM)이라 함은 석회, 시멘트 등을 주원료로 하는 안정제(고화제, 경화제)와 지중의 연약지반을 혼합하여 화학적으로 고체화시켜 연약지반을 개량하는 공법을 말한다. 이러한 심층혼합공법이 적용되는 분야는 다양하며, 예를 들어, 안벽(岸壁), 호안(護岸) 등 해안에 설치될 구조물의 지반을 개량하거나, 육상의 박스 기초에 사용할 수 있다.

한편, 심층혼합공법은 굴착장비를 설계심도까지 지중에 관입하는 관입단계(S1)와, 상기 굴착장비를 다시 인발하는 인발단계(S2)와, 상기 관입단계 또는 인발단계 중 적어도 하나의 단계에서 해상용 고화제 조성물을 주입하여 굴착된 지반의 토양과 혼합하는 믹싱단계(S3)와, 상기 믹싱단계에서 주입 및 혼합된 상기 고화제 조성물이 경화되는 양생단계(S4)를 포함한다.

관입단계는 개량대상이 되는 연약지반에 설계에서 정해진 심도까지 오거 스크류를 관입하는 단계로서, 오거 스크류는 회전하면서 지반을 굴착하여 설계심도까지 관입된다.

상기 오거 스크류가 설계심도까지 관입되면 오거 스크류를 인발하는 인발단계를 수행하는데, 인발단계와 함께 믹싱단계도 함께 수행된다. 즉, 오거 스크류를 인발하면서, 오거 스크류 내측을 통해 해상용 고화제 조성물을 고압 또는 저압으로 주입하고 원 지반에서 굴착된 흙과 상호 혼합시킨다.

오거 스크류의 인발이 완료되면 해상용 고화제 조성물과 흙이 혼합된 슬라임 상태로 되며, 이러한 상태에서 일정 시간이 경과하면(양생단계) 슬라임이 양생되어 연약지반을 보강하는 구조체가 형성된다.

본 발명은 상기와 같이 관입단계와, 인발단계와, 믹싱단계와, 양생단계를 포함하는 심층혼합공법에 있어서, 관입단계 또는 인발단계 중 적어도 하나의 단계에서 해상용 고화제 조성물을 주입하여 굴착된 지반의 토양과 혼합하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 해상용 고화제 조성물의 제조방법은 에코 시멘트 제조단계(S1)와, 섬유보강제 전처리 단계(S2)와, 해상용 고화제 조성물 제조단계(S3)를 포함한다.

상기 에코시멘트 제조단계(S1)는 고로슬래그 미분말과, 플라이 애쉬와, 강도보강제와, 자극제를 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계로서, 바람직하게는 고로슬래그 미분말 20~50중량%와, 플라이 애쉬 10~40중량%와, 강도보강제 10~35중량%와, 자극제 1~5중량%를 혼합하는 단계이다.

상기 고로슬래그 미분말은 제철공장 선철 제조 시 발생되는 산업부산물로 철광석의 불순물이 섞인 암질 산화알미늄(Al₂O₃)과 화합된 고온에서 용융된 부유물질로서, 에트링자이트 생성을 도우며 중금속의 고정화, 안정화에 기여한다. 고로슬래그 미분말의 양은 전체 조성물 중량에 대하여 20~50중량%인 것이 바람직한데, 20중량% 이하인 경우 압축강도가 저하될 염려가 있고, 50중량%를 초과하는 경우 초기 반응 및 응결 시간이 지연되는 등 초기 강도 확보에 어려움이 있고 경제성이 낮아지며, 타 재료의 사용량이 줄어들어 전체적인 조화가 무너지게 된다.

플라이 애쉬는 열병합 발전소 및 화력 발전소에서 연료소각시 발생되는 부산물로서, 전체 조성물 중량에 대하여 10~40중량%가 혼합된다.

바람직하게는, 상기 플라이 애쉬는 열병합발전소 및 화력발전소의 연료소각시 발생되고 이산화규소(SiO₂)와 산화알루미늄(Al₂O₃) 및 산화제이철(Fe₂O₃)을 합한 함량이 70중량% 이상인 F급 플라이 애쉬와, 제철소의 소결공정에서 발생되고 산화칼슘(CaO)의 함량이 20중량% 이상인 C급 플라이 애쉬를 사용하며, 상기 F급 플라이 애쉬 5~20중량%가 혼합되고, C급 플라이 애쉬 5~20중량%가 혼합된다. 상기 F급 플라이 애쉬가 5중량% 미만인 경우에는 탈황부산물과 함께 초기수화반응을 유도할 수 없다는 문제가 있고, 20중량%를 초과하면 팽창효과가 크고 단위수량이 증대 된다는 문제가 발생한다. 또한, 상기 C급 플라이 애쉬가 5중량% 미만인 경우에는 초기강도 조절이 어렵다는 문제가 있고, 20중량%를 초과하면 응결지연 현상이 발생된다는 문제가 있다.

상기 플라이 애쉬는 포졸란 물질로 사용되는데, 이러한 포졸란 물질은 자체로는 수경성이 없지만 수화반응에 의해 생성된 수산화칼슘(Ca(OH)₂)과 플라이애쉬에 포함된 이산화규소(SiO₂)가 반응하여 수화물을 생성하며, 이렇게 하여 생긴 에트린가이트(Ettringitte)라 불리우는 규산칼슘수화물(3CaOAl₂O₃3CaSO₄3H₂O)은 경화체의 조직을 보다 치밀하게 만들어 준다.

상기 강도보강제는 휨강도를 향상시키고, 토양(지반)의 오염을 방지하기 위한 것으로, 알루미늄 제강공정에서 발생되는 부산물을 통해 제조된다.

여기에서, 알루미늄 제강공정이라 함은 전기로슬래그 장입단계와, 가열단계와, 제강슬래그 장입단계와, 생석회 장입단계와, 알루미늄 장입단계를 포함하여 구성되는 공지된 공정으로서, 먼저, 전기로슬래그 장입단계는 전기로슬래그가 용융상태로 장입공간에 장입되는 단계로서, 장입 충격에 의해 내화물이 파손되는 것을 방지할 수 있도록 용융상태로 장입된다.

다음으로, 가열단계는 전기로슬래그의 장입이 완료된 후 전류를 인가하여 전기로슬래그를 가열하는 단계로서, 바람직하게는 전기로슬래그는 1400~1500℃로 가열될 수 있다. 이는 후술할 제강슬래그(SC)의 용융온도가 약 1350℃이기 때문이다.

다음으로, 제강슬래그 장입단계는 전기로슬래그의 온도가 목표 가열온도에 도달하면 장입공간으로 제강슬래그가 장입되는 단계로서, 상기 제강슬래그는 연속주조공정에서 회수된 연속주조슬래그일 수 있다.

다음으로, 상기 생석회 장입단계와 알루미늄 장입단계는 제강슬래그의 장입이 완료된 후 장입공간에 생석회(CaO), 알루미늄이 각각 장입되는 단계로서, 생석회 장입단계와 알루미늄 장입단계를 통해 본 발명에 따른 강도보강제의 산화칼슘(CaO)과, 산화알루미늄(Al₂O₃)의 함량이 증가할 수 있다.

이와 같이 전기로슬래그 장입단계와, 가열단계와, 제강슬래그 장입단계와, 생석회 장입단계와, 알루미늄 장입단계를 거친 다음 소정의 반응시간이 경과하면 장입공간 내의 용융물이 외부로 출탕되는데, 이와 같이 출탕된 용융물이 공기와 반응하여 굳으면 이를 분말 형태로 제조한 것이 본 발명에 따른 강도보강제이다.

하기의 표 1은 본 발명의 실시예에 따른 강도보강제의 화학성분을 나타내는 표이다.

(중량%)

CaO	SO₃	Al₂O₃	MgO	SiO₂	Fe₂O₃	SrO
54.16	32.09	13.22	0.273	0.17	0.0628	0.0242

일반적으로 고화제는 강알칼리성을 띄는데, 이러한 강알칼리성의 고화제는 중금속이 용출되는 문제점이 수반되고, 토양 오염의 원인이 될 수 있다. 이러한 문제점을 방지하기 위하여 본 발명은 강알칼리성의 고화제에 상기의 화학성분을 갖는 강도보강제가 혼합되면서 pH저감효과를 제공하여 해양의 오염을 방지할 수 있다.

뿐만 아니라, 고로슬래그 미분말과, 플라이 애쉬와, 강도보강제 및 자극제를 혼합하는 과정에서 중화열이 발생되는데, 이 중화열이 식으면서 탈수반응을 일으켜 초기 반응속도가 증가하므로 초기 경화시간이 현저히 단축되면서 강도가 증진되는 효과가 있다.

종래에 개시된 고화제 중에서 폴리카르복실산을 주성분으로 하는 감수제가 포함되는 고화제는 초기 강도가 발현되고, 경화시간이 현저히 단축되는 장점이 있으나, 고가의 구매비용이 발생되는 문제점이 있었다. 이에 반하여, 본 발명에 따른 강도보강제는 중화열에 의한 탈수반응을 통해 초기 반응속도가 증가하면서 경화시간이 단축되므로 기존의 감수제의 대체제로 사용될 수 있으며, 고가의 감수제를 생략할 수 있으므로 비용이 현저히 절감되는 장점이 있다.

또한, 본 발명에서 상기 강도보강제는 전체 조성물 중량에 대하여 10~35중량%가 혼합되는데, 10중량% 미만으로 혼합되면 성분 함량 미달로 인해 강도보강제를 통한 작용효과를 기대할 수 없고, 35중량%를 초과하면 고화제의 산성이 강해지면서 물성이 짙어지는 현상이 발생하여 경화가 현저히 저하되는 문제점이 있고, 이로 인해 강도가 저하되는 문제점이 있다.

상기 자극제는 황산염 자극 및 포졸란 반응을 유도하여 다량의 수화생성물을 생성시켜 치밀한 구조의 경화체가 되도록 하는 것으로, 물유리 또는 수산화칼륨을 사용할 수 있다. 이러한 자극제는 전체 조성물 중량에 대하여 1~5중량%가 혼합되는데, 1중량% 미만으로 혼합되면 소량이어서 자극제로서의 역할을 수행할 수 없고, 5중량%를 초과할 경우 급속한 초기반응으로 작업성이 저하되는 문제점이 발생된다.

상기와 같이 본 발명은 다양한 산업 부산물을 통해 제조되는 에코시멘트를 활용함으로써 이산화탄소를 다량으로 배출하는 시멘트의 소비를 절감할 수 있으므로 해양 오염을 방지할 수 있으며, 제조단가를 현저히 줄일 수 있는 장점이 있다.

다음으로, 섬유보강제 전처리 단계(S2)는 PVA(Polyvinyl alcohol) 또는 PP(Poly-Propylene) 섬유보강제를 열처리한 다음 물에 침지한 후 건조하는 단계로서, 바람직하게는 상기 섬유보강제를 120~180℃로 5~10분간 열처리한 다음 80~100℃의 물에 15~30분간 침지한 후 상온에서 건조한다.

상기 섬유보강제는 본 발명에 따라 제조되는 고화제의 잔류강도, 휨강도, 휨인성을 증가시키기 위해 투입되는 것으로, 바람직하게는 휨성능 개선 효과를 위해 PVA 섬유를 사용하는 것이 좋으며, 길이가 길수록 휨성능 개선에 효율적일 수 있다.

도 3은 PVA 섬유가 열처리 후 물에서 겔화율을 가짐을 나타내고, 도 4는 PVA 섬유의 열처리 온도가 높을수록 인장강도가 증가함을 나타내는 것으로, PVA 섬유의 경우 강도가 우수하고 가공성이 좋은 장점이 있으나, 상대적으로 내수성이 좋지 않은 단점이 있고, 특히 물의 온도가 높으면 강도가 급격히 저하되는 성질이 있다. 이러한 PVA 섬유를 열처리하게 되면 고온의 물에서도 내수성을 갖게 되며, 열처리 온도가 증가할수록 인장강도가 증가하게 된다. 따라서, 상기 섬유보강제를 120~180℃로 5~10분간 열처리하는 것이 바람직하다.

또한, 고분자는 사슬모양의 긴 고분자의 일부가 일정방향으로 규칙적으로 배열되는 부분이 생기는 것을 결정화한다고 하는데, 이 경우 분자간의 결합강도가 강해지는 특징을 갖는다. PVA 섬유를 열처리하면 결정화도가 30%에서 48%로 향상되는 효과가 있으며, 전처리는 결정화도를 높이고 결정의 크기도 커지게 하는 효과를 나타내게 한다.

또한, 열처리 후 상온에서 약 15~30분간 건조과정을 거치는데 이를 통해 표면에 부착된 물을 제거하고 실온으로 온도를 낮춤으로써 후속 작업의 적용을 용이하게 함으로써 고화재 조성물을 제조하는 단계에서의 처리를 용이하게 하고, 혼합물의 온도 변화에 따른 추가적인 반응 등이 발생하지 않도록 할 수 있다.

다음으로, 상기 해상용 고화제 조성물 제조단계(S3)는 에코시멘트와 전처리된 섬유보강제를 혼합하는 단계로서, 바람직하게는 에코시멘트 100중량부에 대하여 전처리된 섬유보강제 0.1~1.5중량부가 혼합되며, 바람직하게는, 에코시멘트와 전처리된 섬유보강제가 충분히 교반되면서 혼합될 수 있도록 교반기에서 20~70rpm으로 5~15분간 혼합교반하여 해상용 고화제 조성물이 제조된다. 이후, 상기 해상용 고화제 조성물에서 기포를 제거할 수 있도록 충격다짐과 진동판을 이용한 진동다짐을 실시할 수 있다. 만약, 상기 에코시멘트 100중량부에 대하여 섬유보강제가 0.1 중량부 미만으로 혼합되면 잔류강도, 휨강도, 휨인성이 좋지 못하며, 1.5중량부를 초과하는 경우 상대적으로 해상용 고화제 조성물의 균열강도가 약해지는 문제점이 발생된다.

하기의 표 2는 종래 기술에 따른 고화제 조성물(이하 "비교대상" 으로 부르도록 함) 및 본 발명의 실시예에 따른 해상용 고화제 조성물의 압축강도를 실험한 결과이다.

표 2에서 비교대상은 고로슬래그 미분말 50중량%와, 전로슬래그 더스트 30중량%와, 플라이 애쉬 10중량%와, 천연무수석고 8중량%와, 탈황부산물 2중량%로 구성되며, 본 발명에 따른 해상용 고화제 조성물은 고로슬래그 미분말 50중량%와, 플라이 애쉬 34중량%와, 강도보강제 12중량%와, 자극제 4중량%를 혼합하여 제조된 혼합물 100중량부에 대하여 PVA섬유 1중량부를 혼합하여 제조되었다. 여기에서, 상기 PVA섬유는 180℃로 10분간 열처리한 다음 100℃ 물에 15분간 침지한 후 상온에서 30분간 건조하여 전처리되었다.

(MPa)

	3일 압축강도	7일 압축강도	28일 압축강도	시험방법
비교대상 고화제	24.6	32.3	58.3	KSL L 5201:2016(준용)
본 발명의 고화제	29.1	37.9	59.4	KSL L 5201:2016(준용)

표 2와 같이 종래 기술에 따른 비교대상 고화제의 3일 압축강도는 24.6MPa, 7일 압축강도는 32.3MPa, 28일 압축강도는 58.3MPa인 반면에, 본 발명의 실시예에 따라 강도보강제를 포함하는 고화제는 3일 압축강도는 29.1MPa, 7일 압축강도는 37.9MPa, 28일 압축강도는 59.4MPa로서, 초기 강도가 발현됨은 물론 제품의 강도 성능이 현저히 향상되는 것을 알 수 있다.

다음으로, 본 발명은 상기 믹싱단계에서 관입된 지중의 바닥부터 1/10 높이까지는 에코시멘트 100중량부에 대하여 섬유보강제 1~1.5중량부가 혼합된 해상용 고화제 조성물이 주입되고, 그 이상의 높이부터는 에코시멘트 100중량부에 대하여 0.1~1.5중량부가 혼합된 해상용 고화제 조성물이 주입될 수 있다.

여기에서, 상기 섬유보강제는 상술한 전처리공정을 거친 PVA 또는 PP섬유를 사용하는 것이 바람직하다.

상기 믹싱단계에서 에코시멘트에 섬유보강제가 혼합되면 고화제 조성물 내부 결합력이 증대되어 균열의 발생을 억제할 수 있고, 강도가 증진되는 효과를 기대할 수 있다.

또한, 상기 믹싱단계에서 관입된 지중의 바닥부터 1/10 높이까지는 에코시멘트 100중량부에 대하여 섬유보강제 1~1.5중량부가 혼합된 해상용 고화제 조성물이 주입하여 하부 지지층의 압축강도가 더욱 향상되도록 하고, 그 이상의 높이부터는 에코시멘트 100중량부에 대하여 0.1~1.5중량부가 혼합된 해상용 고화제 조성물을 주입하여 인장강도와 휨강도를 향상시킬 수 있고 시공비용을 절감하는 효과를 기대할 수 있다.

상기와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제조되는 해상용 고화제 조성물을 주입하면 pH의 저감효과를 통해 해양 오염을 방지할 수 있으며, 주입시 충전을 위한 충분한 유동성이 확보되면서 주입이 완료된 시점에서는 외압이 해제되므로 유동성이 상실되므로 지반의 균열에 의한 유실이 발생하지 않으며, 이를 통해 2차 주입 등과 같은 보완이 불필요하다. 뿐만 아니라, 수중불분리성이 우수하여 지하수, 해수 또는 하천수에 의한 재료의 희석과 유출, 분리를 방지할 수 있으며, 시멘트나 중금속 등의 용출이 일어나지 않으므로 환경오염 문제가 발생하지 않는다.

실시예.

고로슬래그 미분말 45중량%와, 플라이 애쉬 35중량%와, 강도보강제 15중량%와, 자극제 5중량%를 혼합하여 에코시멘트를 제조하였다.

여기에서, 강도보강제는 산화칼슘(CaO) 54.16중량%와, 삼산화황(SO₃) 32.09중량%와, 산화알루미늄(Al₂O₃) 13.22중량%와, 산화마그네슘(MgO) 0.273중량%와, 이산화규소(SiO₂) 0.17중량%와, 산화철(Fe₂O₃) 0.0628중량%와, 산화스트론튬(SrO) 0.0242중량%로 구성되는 강도보강제를 혼합하였다.

다음으로, PVA 섬유를 180℃로 10분간 열처리한 다음 100℃의 물에 15분간 침지한 후 상온에서 30분간 건조한 다음 상기 에코시멘트 100중량부에 대하여 전처리된 PVA 섬유 1중량부를 혼합하여 해상용 고화제 조성물을 조성하였다.

이후, 상기 해상용 고화제 조성물을 오거 스크류의 인발 과정에서 오거 스크류 내측을 통해 주입하여 원 지반에서 굴착된 흙과 상호 혼합시킨 다음 양생하여 연약지반을 보강하였다.

Claims

굴착장비를 설계심도까지 지중에 관입하는 관입단계와, 상기 굴착장비를 다시 인발하는 인발단계와, 상기 관입단계 또는 인발단계 중 적어도 하나의 단계에서 해상용 고화제 조성물을 주입하여 굴착된 지반의 토양과 혼합하는 믹싱단계와, 상기 믹싱단계에서 주입 및 혼합된 상기 고화제 조성물이 경화되는 양생단계를 포함하는 심층혼합공법에 있어서,
상기 해상용 고화제 조성물은 산업부산물을 원료로 하여 제조되는 에코시멘트 및 PVA 또는 PP 재질의 섬유보강제를 혼합교반하여 조성되되,
상기 에코시멘트는 제철소의 선철 제조시 발생되는 고로슬래그 미분말 20~50중량%와, 열병합발전소 및 화력발전소의 연료소각시 발생되는 플라이 애쉬 10~40중량%와, 알루미늄 제강공정에서 발생되는 부산물을 통해 제조되는 강도보강제 10~35중량%와, 황산염 자극 및 포졸란 반응을 유도하기 위한 자극제 1~5중량%를 혼합하여 조성되고,
상기 섬유보강제는 PVA 또는 PP 재질의 섬유를 120~180℃로 5~10분간 열처리한 다음 80~100℃의 물에 15~20분간 침지한 후 상온에서 건조하여 전처리된 것을 사용하며,
상기 해상용 고화제 조성물은 에코시멘트 100중량부에 대하여 상기 전처리된 섬유보강제 0.1~1.5중량부가 혼합교반되어 제조되는 것을 특징으로 하는 해상용 고화제 조성물을 이용한 심층혼합공법.
제1항에 있어서, 상기 자극제는 물유리 또는 수산화칼륨인 것을 특징으로 하는 해상용 고화제 조성물을 이용한 심층혼합공법.
삭제
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 믹싱단계에서 관입된 지중의 바닥부터 1/10 높이까지는 에코시멘트 100중량부에 대하여 섬유보강제 1~1.5중량부가 혼합된 해상용 고화제 조성물이 주입되고, 그 이상의 높이부터는 에코시멘트 100중량부에 대하여 0.1~1.5중량부가 혼합된 해상용 고화제 조성물이 주입되는 것을 특징으로 하는 해상용 고화제 조성물을 이용한 심층혼합공법.