KR102117557B1 - 조기 고강도 발현이 가능한 터널보강용 일액형 그라우트 조성물 및 이를 이용한 터널 그라우팅 보강공법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 CSA(Calcium Sulfo-Aluminate) 30 내지 40 중량%, 3종시멘트 20 내지 30 중량%, 석고 15 내지 25 중량%, 알루미늄실리케이트 10 내지 20 중량%, 소석회 1 내지 10 중량%, 플라이애쉬 1 내지 10 중량%, 칼슘 알루미네이트 혼합물 1 내지 10 중량%, 수산화 알루미늄 0.5 내지 5 중량%, 비정질 실리카 0.5 내지 5 중량%, 유동화제 0.1 내지 1 중량%, 경화촉진제 0.1 내지 1 중량% 및 지연제 0.1 내지 1 중량%를 포함하고; 상기 칼슘 알루미네이트 혼합물은 2개의 알루미늄 산화물(Al2O3)에 대해 하나의 칼슘 산화물(CaO)을 포함하는 결정형 칼슘 디알루미네이트(CA2), 7개의 알루미늄 산화물(Al2O3)에 대해 12개의 칼슘 산화물(CaO)을 포함하는 비정질형 도데카칼슘 헵타알루미네이트(C12A7), 및 산화칼슘(CaO)이 1: 0.8 내지 1.2: 0.3 내지 0.6 중량비율로 포함된 것이고, 상기 유동화제는 폴리카르본산계, 나프탈렌 설폰산염계 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것이고, 상기 경화촉진제는 리튬카보네이트, 탄산나트륨, 황산마그네슘, 황산칼륨, 염화칼슘 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것이고, 상기 지연제는 구연산, 붕산, 타르타르산 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 포함하여, 속경성과 조기 고강도 발현이 가능한 터널보강용 일액형 그라우트 조성물 및 이를 이용한 터널 그라우팅 보강공법에 관한 것이다.

Description

조기 고강도 발현이 가능한 터널보강용 일액형 그라우트 조성물 및 이를 이용한 터널 그라우팅 보강공법{ONE COMPONENT GROUT COMPOSITION ENABLING EARLY HIGH STRENGTH DEVELOPMENT AND TUNNEL GROUTING REINFORCEMENT METHOD USING THE SAME}
본 발명은 속경성과 높은 조기 고강도 발현이 가능한 터널보강용 일액형 그라우트 조성물 및 이를 이용한 터널 그라우팅 보강공법에 관한 것이다.
일반적으로 터널보강공법의 하나인 강관다단 그라우팅 공법은 소구경 파이프 루프(Pipe Roof)공법에서 발전된 것으로서 터널 Crown부에 천공 후 구조용 강관을 일정간격(일반적 500mm)으로 설치하고 주입재를 주입하여 지반과 강관이 일체가 되게 함으로써 강관의 Beam 작용을 유발, 일종의 아칭효과를 형성, 지반보강효과와 그라우팅에 의한 차수효과를 동시에 얻는 방법이다.
이러한 강관다단 그라우팅 공법이 도 1 및 도 2에 도시되어 있다. 도 1은 전체 공정과 함께 터널의 길이방향의 단면을 도시한 것이다. 도 2는 터널이 막장면을 바라보는 방향에서 촬영한 사진이다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 강관다단 그라우팅 공법은 굴착 예정인 터널 막장면에서 천공을 수행한다. 예컨대, 도 2에 도시된 바와 같이, 아치형 터널의 경우 아치(크라운부)를 따라 연속적으로 천공을 수행한다. 천공이 수행된 지반은 터널 형성 후 터널의 전방 영역이 된다. 천공 각도는 대략 5 내지 10도 정도로 형성한다. 천공 후에는 다수의 분사공이 형성되어 있는 강관을 천공홀에 삽입하고 실재(seal material) 주입관을 설치한 후, 천공홀 전단을 밀폐하는 코킹 작업을 수행한다. 천공홀이 밀폐되면 천공홀 내벽과 강관 사이의 공간에 실재를 주입하여 겔 상태로 경화시킨다. 이후 강관을 통해 그라우트재(주입재)를 가압하여 공급하면, 주입재는 실재를 통과한 후 지반으로 주입되어 지반 내 균열을 메우고 지반을 일체화시켜 강도를 강화시킨다. 그라우트재가 경화되면 막장면을 기계굴착 또는 발파굴착을 수행한다. 지반 보강을 수행하였는 바, 굴착 과정에서 천정이 붕괴되는 등의 원치 않는 사고를 방지할 수 있고, 굴착설계에 따른 안정적 굴착작업이 가능하다.
강관다단 보강은 터널의 진행방향을 따라 연속적으로 수행되며, 강관은 대략 12m 정도를 사용하는데, 강관 설치시 길이방향을 따라 일부가 겹치게 설치하므로, 최종적으로 강관이 설치된 모습은 도 3에 도시된 바와 같다.
상기한 강관다단 그라우팅 공법을 적용하는데 있어서 가장 큰 난제 중 하나는 공기의 단축에 관한 것이다. 위에서 설명하였듯이 강관다단 그라우팅 공법에서는 지반에 주입된 그라우트재가 경화된 후에 터널 굴착이 가능하기 때문에 경화 속도가 느리면 공기가 지연될 수밖에 없다. 일반적인 양생기준으로 그라우트재를 주입한 후 약 24 시간 내외의 양생을 하도록 되어 있다. 그 밖에 실내시험 등을 통해 적정 경화시간이 확인된 경우 배합비를 변경할 수 있으며, 압축강도가 2MPa 이상의 강도확보 후 후속공정(발파)을 진행토록 하는 기준이 적용되고 있다.
실제 현장에서는 공기를 맞추기 위하여 충분한 양생 시간을 확보하지 못하여, 그라우트재 주입 후 24시간 양생시간을 만족하지 못한 상태에서 터널 굴착을 하는 사례도 있는 실정이다. 그라우트재가 충분히 경화하여 지반과 강관이 서로 일체화되지 못한 항태에서 발파 및 굴착이 수행되면, 시공 안전성이 문제될 수 있다.
또한, 중요한 난제 중 다른 하나는 그라우트재 양생 시간의 단축이다. 다른 공정에 비하여 그라우트재의 양생 기간이 공정에서 차지하는 시간이 가장 길기 때문에 이를 개선하는 것이 가장 중요하다. 양생 기간 단축의 핵심은 그라우트재의 물성이다. 현재 적용되고 있는 약 24시간 보다 훨씬 빨리 속결되면서도 적어도 2MPa 이상의 조기 압축강도 발현이 가능한 그라우트재의 개발이 요청된다.
대한민국 특허등록 제10-1530172호 대한민국 특허등록 제10-1919838호
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 일 구현예는 속경성과 높은 조기 고강도 발현이 가능한 터널보강용 일액형 그라우트 조성물을 제공하고자 하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 일 구현예는 상기 본 발명의 일 구현예에 따른 조기 고강도 발현이 가능한 터널보강용 일액형 그라우트 조성물을 이용한 터널 그라우팅 보강공법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다양한 과제들은 이상에서 언급한 과제들에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 구현예는 CSA(Calcium Sulfo-Aluminate) 30 내지 40 중량%, 3종시멘트 20 내지 30 중량%, 석고 15 내지 25 중량%, 알루미늄실리케이트 10 내지 20 중량%, 소석회 1 내지 10 중량%, 플라이애쉬 1 내지 10 중량%, 칼슘 알루미네이트 혼합물 1 내지 10 중량%, 수산화 알루미늄 0.5 내지 5 중량%, 비정질 실리카 0.5 내지 5 중량%, 유동화제 0.1 내지 1 중량%, 경화촉진제 0.1 내지 1 중량% 및 지연제 0.1 내지 1 중량%를 포함하고;
상기 칼슘 알루미네이트 혼합물은 2개의 알루미늄 산화물(Al2O3)에 대해 하나의 칼슘 산화물(CaO)을 포함하는 결정형 칼슘 디알루미네이트(CA2), 7개의 알루미늄 산화물(Al2O3)에 대해 12개의 칼슘 산화물(CaO)을 포함하는 비정질형 도데카칼슘 헵타알루미네이트(C12A7), 및 산화칼슘(CaO)이 1: 0.8 내지 1.2: 0.3 내지 0.6 중량비율로 포함된 것이고,
상기 유동화제는 폴리카르본산계, 나프탈렌 설폰산염계 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것이고,
상기 경화촉진제는 리튬카보네이트, 탄산나트륨, 황산마그네슘, 황산칼륨, 염화칼슘 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것이고,
상기 지연제는 구연산, 붕산, 타르타르산 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 포함하는 것인 조기 고강도 발현이 가능한 터널보강용 일액형 그라우트 조성물을 제공한다.
상기 조기 고강도 발현이 가능한 터널보강용 일액형 그라우트 조성물은 불화아파타이트 0.5 내지 5 중량% 및 6-옥소-2-피페리딘카르본산 0.5 내지 5 중량%를 더 포함하는 것일 수 있다.
상기 불화아파타이트는 베타형 인산삼칼슘과; 퍼플루오로데칼린, 메칠퍼플루오로부틸에텔, 메칠퍼플루오로이소부틸에텔 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 불소화합물을 1: 0.1 내지 1 중량비율로 혼합한 후; 상기 혼합물을 150 내지 170 ℃에서 5 내지 10 분간 유지하여 1단계 열처리한 후, 900 내지 1100℃로 상승시켜 10 내지 15 분간 유지하는 2단계 열처리하여 반응시킨 것을 사용할 수 있다.
상기 알루미늄실리케이트는 무정형이면서 0.9 내지 1.5 cm3/g의 기공 부피를 갖는 것이고; 상기 알루미늄실리케이트는 결정형 알루미노 실리케이트를 용액상으로 분산시킨 후, 산성용액을 첨가하여 3 내지 4의 pH에서 산처리하는 단계; 상기 산처리된 알루미노 실리케이트에 염기성용액을 첨가하여 10 내지 12의 pH에서 네트워크 구조로 겔화(gelation)시키는 단계; 및 상기 겔화된 알루미노 실리케이트를 60 내지 120 ℃의 온도에서 수열합성하여 알루미늄실리케이트 분말을 제조하는 단계를 포함하는 제조방법으로 제조되는 것을 사용할 수 있다.
상기 조기 고강도 발현이 가능한 터널보강용 일액형 그라우트 조성물은 동유(Tung Oil) 0.5 내지 5 중량% 및 송진(Rosin) 0.5 내지 5 중량%의 혼합물을 더 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 다른 일 구현예는 상기 본 발명의 일 구현예에 따른 조기 고강도 발현이 가능한 터널보강용 일액형 그라우트 조성물을 주입하여 강관과 지반을 일체화시켜 지반의 강도를 증대시키는 조기 고강도 발현이 가능한 터널 그라우팅 보강공법으로서,
보강하고자 하는 터널의 지반을 천공하는 단계(S10); 상기 천공으로 강관을 삽입하는 단계(S20); 상기 강관과 천공 사이에 씰링재를 충진하는 단계(S30); 상기 충진된 씰재가 겔화가 되는 단계(S40); 상기 강관으로 천공에 상기 조기 고강도 발현이 가능한 터널보강용 일액형 그라우트 조성물 100 중량부 및 물 95 내지 150 중량부를 배합하여 충진하는 단계(S50); 및 상기 충진된 조기 고강도 발현이 가능한 터널보강용 일액형 그라우트 조성물를 경화시키는 단계(S60);를 포함하는 조기 고강도 발현이 가능한 터널 그라우팅 보강공법을 제공한다.
본 발명의 일 구현예에 따른 조기 고강도 발현이 가능한 터널보강용 일액형 그라우트 조성물은 기존의 일반적인 차수용 주입재의 28일 설계 강도인 2MPa 이상의 호모겔 강도를 2 내지 3시간 이내에 발현함으로써, 매우 빠른 시간 내에 강도를 확보할 수 있는 효과가 있다. 또한, 본 발명의 일 구현예에 따른 조기 고강도 발현이 가능한 터널보강용 일액형 그라우트 조성물은 지반보강효과가 커서 굴착시공의 안전성을 도모할 수 있는 효과가 있다. 더욱이 본 발명의 일 구현예에 따른 조기 고강도 발현이 가능한 터널보강용 일액형 그라우트 조성물은 플로우가 150 mm 이상으로 확보되어 주입성과 작업성이 향상되어 현장 시공이 수월한 효과가 있다.
이에 따라 상기 조기 고강도 발현이 가능한 터널보강용 일액형 그라우트 조성물을 이용한 터널 그라우팅 보강공법은 주입재 주입 후 후속 공정의 진행에 필요한 양생기간을 2 내지 3시간으로 대폭 단축함으로써 공사기간을 크게 단축할 수 있다. 또한, 기존 급결 주입재의 경우 시멘트 현탁액과 급결재액의 2액형 재료를 사용함으로써 각각 여러 대의 믹서 및 펌프가 필요한 데 비해, 본 발명은 각각 한대의 믹서 및 펌프만으로 간편하게 터널 그라우팅 보강을 수행할 수 있어 공사비의 절감이 가능하고, 장비 관리 및 공정관리가 대폭 간소화시킬 수 있는 효과가 있다. 뿐만 아니라, 지반보강효과가 커서 굴착시공의 안전성도 도모할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 터널 보강 그라우팅 공법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 터널 보강 그라우팅 공법이 수행되는 막장면을 촬영한 사진이다.
도 3은 터널의 길이방향을 따라 연속적으로 강관이 설치된 모습을 나타낸 것이다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나 이하의 실시예는 이 기술 분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 구현예는 CSA(Calcium Sulfo-Aluminate) 30 내지 40 중량%, 3종시멘트 20 내지 30 중량%, 석고 15 내지 25 중량%, 알루미늄실리케이트 10 내지 20 중량%, 소석회 1 내지 10 중량%, 플라이애쉬 1 내지 10 중량%, 칼슘 알루미네이트 혼합물 1 내지 10 중량%, 수산화 알루미늄 0.5 내지 5 중량%, 비정질 실리카 0.5 내지 5 중량%, 유동화제 0.1 내지 1 중량%, 경화촉진제 0.1 내지 1 중량% 및 지연제 0.1 내지 1 중량%를 포함하는 것인 조기 고강도 발현이 가능한 터널보강용 일액형 그라우트 조성물을 제공한다.
보다 구체적으로 상기 CSA는 칼슘 설포 알루미네이트로서, 초기강도 향상에 우수한 특성을 발현하고, 경화과정에서 부피변화 및 주입재의 역류를 방지하는 역할을 한다. 이로써 빠른 시간 내에 안정적인 지반 강화 효과를 부여할 수 있는 것이다. 이러한 상기 CSA는 본 발명의 일 구현예에 따른 터널보강용 일액형 그라우트 조성물의 총 중량 대비 30 내지 40 중량% 함유되는 것이 바람직하다. 상기 CSA의 함량이 너무 적으면, 상기한 개선 효과가 미미한 문제점이 있을 수 있고, 상기 CSA의 함량이 너무 많으면, 반응속도가 너무 빨라져 작업시간 확보가 어렵게 되는 문제점이 있을 수 있다.
상기 3종 시멘트는 KS L 5201의 3종(조강)포틀랜드 시멘트의 규격을 만족하는 제품으로서 1종 시멘트의 7일강도가 3일만에 발현되므로 공기단축이 요구되는 공사의 양생비 절감을 통하여 제조원가를 낮출 수 있는 효과가 있다. 특히 상기 CSA와 혼합 사용하여 고강도를 발현하는 특징이 있다. 이러한 상기 3종 시멘트는 본 발명의 일 구현예에 따른 터널보강용 일액형 그라우트 조성물의 총 중량 대비 20 내지 30 중량% 함유되는 것이 바람직하다. 상기 3종 시멘트의 함량이 너무 적으면, 상기한 개선 효과가 미미한 문제점이 있을 수 있고, 상기 3종 시멘트의 함량이 너무 많으면, 작업성 및 가격경쟁력이 저하되는 문제점이 있을 수 있다.
상기 석고는 결합수에 따라 이수석고, 반수석고, 무수석고로 구분되는 석고의 종류 중에서 무수석고를 사용하여, 침상형구조인 에트린자이트(AFt상, C3A·3CaSO4·32H2O)를 생성하여 시멘트의 조직을 치밀하게 하여 내구성 증진 및 강도증진 효과를 나타낸다. 다만 과량의 석고 사용은 시멘트의 응결을 지연하여 초기 반응을 억제하기 때문에 사용량에 한계를 갖는 단점이 있으나, 본 발명의 일 구현예에 따른 터널보강용 일액형 그라우트 조성물은 높은 초기 반응성으로 인하여 석고의 응결지연 효과를 상쇄시켜 기존 시멘트에 비해 많은 양의 석고를 사용할 수 있으며, 이는 초기강도 및 장기강도 증진 뿐 아니라, 조직의 치밀화로 고내구성의 발현이 가능하게 한다. 이러한 상기 석고는 본 발명의 일 구현예에 따른 터널보강용 일액형 그라우트 조성물의 총 중량 대비 15 내지 25 중량% 함유되는 것이 바람직하다. 상기 석고의 함량이 너무 적으면, 에트린자이트의 생성이 적어져 치밀한 조직형성이 어려운 문제점이 있을 수 있고, 상기 석고의 함량이 너무 많으면, 과량의 에트린자이트 생성에 의한 팽창균열 및 응결지연을 유발하는 문제점이 있을 수 있다.
상기 알루미늄실리케이트는 본 발명의 일 구현예에 따른 터널보강용 일액형 그라우트 조성물의 자가 응집을 방지하고, 경화 후 균열을 방지할 수 있는 역할을 한다. 이러한 상기 알루미늄실리케이트는 본 발명의 일 구현예에 따른 터널보강용 일액형 그라우트 조성물의 총 중량 대비 10 내지 20 중량% 함유되는 것이 바람직하다. 상기 알루미늄실리케이트의 함량이 너무 적으면, 상기한 개선 효과가 미미한 문제점이 있을 수 있고, 상기 알루미늄실리케이트의 함량이 너무 많으면, 경화 후 강도가 저하되는 문제점이 있을 수 있다.
특히, 상기 알루미늄실리케이트는 무정형이고, 0.9 내지 1.5 cm3/g의 기공 부피의 다공성 구조를 갖는 것을 사용하여, 매우 빠른 시간 내에 강도를 확보하면서도, 에트린자이트 생성에 의한 팽창 및 건조과정에서의 수축과 같은 경화과정에서의 부피변화에 쿠션 역할을 수행함으로써, 상기한 효과를 더욱 개선할 수 있는 효과가 있다.
보다 구체적으로 상기 알루미늄실리케이트는 결정형 알루미노 실리케이트를 용액상으로 분산시킨 후, 산성용액을 첨가하여 3 내지 4의 pH에서 산처리하는 단계; 상기 산처리된 알루미노 실리케이트에 염기성용액을 첨가하여 10 내지 12의 pH에서 네트워크 구조로 겔화(gelation)시키는 단계; 및 상기 겔화된 알루미노 실리케이트를 60 내지 120 ℃의 온도에서 수열합성하여 알루미늄실리케이트 분말을 제조하는 단계를 포함하는 제조방법으로 제조되는 것을 사용하여 상기한 효과을 더욱 개선할 수 있다.
이때, 상기 결정형 알루미늄실리케이트는 결정형 제올라이트인 것이 바람직하며, 상기 결정형 제올라이트로는 제올라이트 4A, 제올라이트 13X, 제올라이트 Y, 제올라이트 ZSM-5 등을 사용할 수 있다. 또한, 상기 산처리는 상기 알루미늄실리케이트의 알루미늄 및 실리콘 원소의 결합을 약화시켜 알루미늄실리케이트 화합물의 결정구조를 약화 및 파괴시키기 위한 것으로, 상기 산처리를 위해 질산, 염산, 황산 등의 산성용액을 사용할 수 있다. 또한, 상기 염기성 용액으로서 수산화나트륨 수용액을 사용할 수 있다.
상기 소석회는 경화시간을 단축시켜 급결성능을 더욱 향상시킬 수 있는 역할을 한다. 이러한 상기 소석회는 본 발명의 일 구현예에 따른 터널보강용 일액형 그라우트 조성물의 총 중량 대비 1 내지 10 중량% 함유되는 것이 바람직하다. 상기 소석회의 함량이 너무 적으면, 상기한 개선 효과가 미미한 문제점이 있을 수 있고, 상기 소석회의 함량이 너무 많으면, 경화 후 강도가 저하되는 문제점이 있을 수 있다.
상기 플라이애쉬는 열병합발전소 등에서 발생되는 산업부산물로서, 초기강도 향상에 우수한 특성을 발현하고, 과팽창을 방지하는 역할을 한다. 특히, 상기 플라이애쉬는 화력발전소에서 발생·정제되는 F급 플라이애쉬(KS L 5405) 및 고칼슘(High-Free CaO) 플라이애쉬를 2: 1 중량비율로 혼합한 것을 사용하여, 상기한 효과를 더욱 개선할 수 있다. 이러한 상기 플라이애쉬는 본 발명의 일 구현예에 따른 터널보강용 일액형 그라우트 조성물의 총 중량 대비 1 내지 10 중량% 함유되는 것이 바람직하다. 상기 플라이애쉬의 함량이 너무 적으면, 상기한 개선 효과가 미미한 문제점이 있을 수 있고, 상기 플라이애쉬의 함량이 너무 많으면, 점성을 증가시켜 유동성이 저하되는 문제점이 있을 수 있다.
상기 칼슘 알루미네이트 혼합물은 상기 석고와 혼합하여 물과 혼합되면 반응하여 에트린자이트를 생성하고, 이로써 시멘트의 조직을 치밀하게 하여 내구성 증진 및 강도증진 효과를 나타낸다. 특히, 상기 칼슘 알루미네이트 혼합물은 2개의 알루미늄 산화물(Al2O3)에 대해 하나의 칼슘 산화물(CaO)을 포함하는 결정형 칼슘 디알루미네이트(CA2), 7개의 알루미늄 산화물(Al2O3)에 대해 12개의 칼슘 산화물(CaO)을 포함하는 비정질형 도데카칼슘 헵타알루미네이트(C12A7), 및 산화칼슘(CaO)이 1: 0.8 내지 1.2: 0.3 내지 0.6 중량비율로 포함하여, 비정질형 도데카칼슘 헵타알루미네이트(C12A7) 및 산화칼슘(CaO)의 초기강도 증진 효과와 결정형 칼슘 디알루미네이트(CA2)의 장기강도 증진 효과를 더욱 개선할 수 있는 효과가 있다. 뿐만 아니라, 반응시간을 적절히 조절함으로써, 작업이 용이하고, 조직의 치밀화를 유도하여 연약지반의 고강도의 발현이 가능한 효과가 있다. 이러한 상기 칼슘 알루미네이트 혼합물은 본 발명의 일 구현예에 따른 터널보강용 일액형 그라우트 조성물의 총 중량 대비 1 내지 10 중량% 함유되는 것이 바람직하다. 상기 칼슘 알루미네이트 혼합물의 함량이 너무 적으면, 상기한 개선 효과가 미미한 문제점이 있을 수 있고, 상기 칼슘 알루미네이트 혼합물의 함량이 너무 많으면, 팽창균열을 유발하는 문제점이 있을 수 있다.
상기 수산화 알루미늄은 시멘트의 수산화칼슘과 반응을 하여 칼슘알루미늄-하이드로옥사이드(C3AH6)를 생성하고, 생성된 칼슘알루미늄수화물은 비표면적이 큰 다공성의 수화물로서, 조기경화에 따른 균열을 제어하고 겔화유지력을 높이는 역할을 한다. 이러한 상기 수산화 알루미늄은 본 발명의 일 구현예에 따른 터널보강용 일액형 그라우트 조성물의 총 중량 대비 0.5 내지 5 중량% 함유되는 것이 바람직하다. 상기 수산화 알루미늄의 함량이 너무 적으면, 상기한 개선 효과가 미미한 문제점이 있을 수 있고, 상기 수산화 알루미늄의 함량이 너무 많으면, 점성을 증가시켜 유동성이 저하되는 문제점이 있을 수 있다.
특히, 상기 수산화 알루미늄은 평균직경 250 내지 500nm인 분말인 것을 사용하여, 본 발명의 일 구현예에 따른 터널보강용 일액형 그라우트 조성물의 유동성을 보다 용이하게 확보할 수 있는 효과가 있다.
보다 구체적으로 상기 수산화 알루미늄은 알루미늄 금속을 수용액 중에서 온도 15 내지 35℃로 유지하며 산을 고체 상태의 Al이 Al3+ 이온 용액이 될 때까지 첨가하는 단계, 상기 혼합용액에 (OH)-의 알칼리 용액을 첨가하여 pH 7 내지 14로 조절하여 Al3+ 이온을 Al(OH)3 고체분말로 침강 분리하는 단계 및 여과를 거쳐 큰 나노 미터(nano meter) 입자부터 작은 나노미터(nano meter) 입자를 선택적으로 분리하여 건조기에서 건조하는 단계를 포함하는 제조방법에 의하여 제조되는 것을 사용하여 상기한 효과를 더욱 개선할 수 있다. 이 때, 산 및 염기는 당분야에서 일반적으로 사용되는 것으로 그 종류를 특별히 한정하지 않으나, 예를들어, 상기 산은 질산, 염산, 황산 등의 산성용액을 사용할 수 있고, 상기 염기는 수산화나트륨 수용액을 사용할 수 있다.
상기 비정질 실리카는 물과 시멘트 입자 사이의 간격을 메워 점성을 낮추고, 경화 후 물리적인 공극을 충전하는 역할을 한다. 이러한 상기 비정질 실리카는 본 발명의 일 구현예에 따른 터널보강용 일액형 그라우트 조성물의 총 중량 대비 0.5 내지 5 중량% 함유되는 것이 바람직하다. 상기 비정질 실리카의 함량이 너무 적으면, 상기한 개선 효과가 미미한 문제점이 있을 수 있고, 상기 비정질 실리카의 함량이 너무 많으면, 제조원가가 상승하여 가격경쟁력이 저하되는 문제점이 있을 수 있다.
상기 유동화제는 본 발명의 일 구현예에 따른 터널보강용 일액형 그라우트 조성물의 유동성을 개선하여, 강관에 용이하게 주입되어 특성을 발휘할 수 있도록 한다. 이러한 상기 유동화제는 폴리카르본산계, 나프탈렌 설폰산염계 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 유동화제는 본 발명의 일 구현예에 따른 터널보강용 일액형 그라우트 조성물의 총 중량 대비 0.1 내지 1 중량% 함유되는 것이 바람직하다. 상기 유동화제의 함량이 너무 적으면, 상기한 개선 효과가 미미한 문제점이 있을 수 있고, 상기 유동화제의 함량이 너무 많으면, 과도한 유동화제로 인해 초기강도 특성 향상을 저해하는 문제점이 있을 수 있다.
상기 경화촉진제는 본 발명의 일 구현예에 따른 터널보강용 일액형 그라우트 조성물의 경화를 더욱 촉진하여, 물과 혼합 후 빠른 겔형성으로 초기강도를 확보하는 역할을 수행한다. 이러한 상기 경화촉진제는 리튬카보네이트, 탄산나트륨, 황산마그네슘, 황산칼륨, 염화칼슘 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 경화촉진제는 본 발명의 일 구현예에 따른 터널보강용 일액형 그라우트 조성물의 총 중량 대비 0.1 내지 1 중량% 함유되는 것이 바람직하다. 상기 경화촉진제의 함량이 너무 적으면, 상기한 개선 효과가 미미한 문제점이 있을 수 있고, 상기 경화촉진제의 함량이 너무 많으면, 급격한 경화로 인해 시멘트 수화반응이 낮아져 강도특성이 저하되는 문제점이 있을 수 있다.
상기 지연제는 일정 시간 동안 작업성을 확보하기 위해 급격하게 경화되는 것을 지연하기 위하여 사용될 수 있다. 이러한 상기 지연제는 구연산, 붕산, 타르타르산 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 지연제는 본 발명의 일 구현예에 따른 터널보강용 일액형 그라우트 조성물의 총 중량 대비 0.1 내지 1 중량% 함유되는 것이 바람직하다. 상기 지연제의 함량이 너무 적으면, 상기한 개선 효과가 미미한 문제점이 있을 수 있고, 상기 지연제의 함량이 너무 많으면, 시멘트 수화반응이 지연되어 겔타임, 및 압축강도 등의 물성이 저하되는 문제점이 있을 수 있다.
또한, 상기 본 발명의 일 구현예에 따른 조기 고강도 발현이 가능한 터널보강용 일액형 그라우트 조성물은 불화아파타이트 0.5 내지 5 중량% 및 6-옥소-2-피페리딘카르본산 0.5 내지 5 중량%를 더 포함하여, 플로우를 더욱 확보하여, 주입성과 작업성이 향상되면서, 조기 고강도 발현이 가능한 효과를 얻을 수 있다.
이때, 상기 불화아파타이트는 베타형 인산삼칼슘과; 퍼플루오로데칼린, 메칠퍼플루오로부틸에텔, 메칠퍼플루오로이소부틸에텔 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 불소화합물을 1: 0.1 내지 1 중량비율로 혼합한 후; 상기 혼합물을 150 내지 170 ℃에서 5 내지 10 분간 유지하여 1단계 열처리한 후, 900 내지 1100℃로 상승시켜 10 내지 15 분간 유지하는 2단계 열처리하여 반응시킨 것과 6-옥소-2-피페리딘카르본산을 1: 1 중량비율로 혼합한 것을 사용하여 상기한 효과를 더욱 개선할 수 있다.
또한, 상기 본 발명의 일 구현예에 따른 조기 고강도 발현이 가능한 터널보강용 일액형 그라우트 조성물은 동유(Tung Oil) 0.5 내지 5 중량% 및 송진(Rosin) 0.5 내지 5 중량%의 혼합물을 더 포함하여, 조기경화에 따른 균열을 제어하고 겔화유지력을 더욱 높일 수 있는 효과가 있다.
이러한 상기 본 발명의 일 구현예에 따른 조기 고강도 발현이 가능한 터널보강용 일액형 그라우트 조성물은 물과 배합하여 강관을 통해 지반에 주입될 수 있고, 강관과 지반을 일체화시켜 지반의 강도를 증대시킬 수 있는 효과가 있다. 보다 구체적으로 상기 주입은 상기 본 발명의 일 구현예에 따른 조기 고강도 발현이 가능한 터널보강용 일액형 그라우트 조성물 100 중량부 및 물 95 내지 150 중량부를 고속 교반기에 배합하여 수행될 수 있다.
본 발명의 다른 일 구현예는 상기 본 발명의 일 구현예에 따른 조기 고강도 발현이 가능한 터널보강용 일액형 그라우트 조성물을 주입하여 강관과 지반을 일체화시켜 지반의 강도를 증대시키는 조기 고강도 발현이 가능한 터널 그라우팅 보강공법을 제공한다.
보다 구체적으로, 상기 조기 고강도 발현이 가능한 터널 그라우팅 보강공법은 보강하고자 하는 터널의 지반을 천공하는 단계(S10); 상기 천공으로 강관을 삽입하는 단계(S20); 상기 강관과 천공 사이에 씰링재를 충진하는 단계(S30); 상기 충진된 씰재가 겔화가 되는 단계(S40); 상기 강관으로 천공에 상기 조기 고강도 발현이 가능한 터널보강용 일액형 그라우트 조성물 100 중량부 및 물 95 내지 150 중량부를 배합하여 충진하는 단계(S50); 및 상기 충진된 조기 고강도 발현이 가능한 터널보강용 일액형 그라우트 조성물를 경화시키는 단계(S60);를 포함한다.
본 발명의 일 구현예에 따른 조기 고강도 발현이 가능한 터널보강용 일액형 그라우트 조성물은 기존의 일반적인 차수용 주입재의 28일 설계 강도인 2MPa 이상의 호모겔 강도를 2 내지 3시간 이내에 발현함으로써, 매우 빠른 시간 내에 강도를 확보할 수 있는 효과가 있다. 또한, 본 발명의 일 구현예에 따른 조기 고강도 발현이 가능한 터널보강용 일액형 그라우트 조성물은 지반보강효과가 커서 굴착시공의 안전성을 도모할 수 있는 효과가 있다. 더욱이 본 발명의 일 구현예에 따른 조기 고강도 발현이 가능한 터널보강용 일액형 그라우트 조성물은 플로우가 150 mm 이상으로 확보되어 주입성과 작업성이 향상되어 현장 시공이 수월한 효과가 있다.
이에 따라 상기 조기 고강도 발현이 가능한 터널보강용 일액형 그라우트 조성물을 이용한 터널 그라우팅 보강공법은 주입재 주입 후 후속 공정의 진행에 필요한 양생기간을 2 내지 3시간으로 대폭 단축함으로써 공사기간을 크게 단축할 수 있다. 또한, 기존 급결 주입재의 경우 시멘트 현탁액과 급결재액의 2액형 재료를 사용함으로써 각각 여러 대의 믹서 및 펌프가 필요한 데 비해, 본 발명은 각각 한대의 믹서 및 펌프만으로 간편하게 터널 그라우팅 보강을 수행할 수 있어 공사비의 절감이 가능하고, 장비 관리 및 공정관리가 대폭 간소화시킬 수 있는 효과가 있다. 뿐만 아니라, 지반보강효과가 커서 굴착시공의 안전성도 도모할 수 있는 효과가 있다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
<실시예 1 내지 3>
하기 표 1에 나타낸 바와 같은 성분 및 함량을 혼합하여, 조기 고강도 발현이 가능한 터널보강용 일액형 그라우트 조성물을 제조하였다.
이때, 칼슘 알루미네이트 혼합물은 2개의 알루미늄 산화물(Al2O3)에 대해 하나의 칼슘 산화물(CaO)을 포함하는 결정형 칼슘 디알루미네이트(CA2), 7개의 알루미늄 산화물(Al2O3)에 대해 12개의 칼슘 산화물(CaO)을 포함하는 비정질형 도데카칼슘 헵타알루미네이트(C12A7), 및 산화칼슘(CaO)이 1: 1: 0.5 중량비율로 혼합한 것을 사용하였다.
또한, 유동화제는 폴리카르본산계 및 나프탈렌 설폰산염계 유동화제를 1: 1중량비율로 혼합한 것을 사용하였고; 경화촉진제는 리튬카보네이트, 탄산나트륨, 황산마그네슘, 황산칼륨 및 염화칼슘을 1: 1: 1: 1: 1중량비율로 혼합한 것을 사용하였고; 지연제는 구연산을 사용하였다.
또한, 알루미늄실리케이트는 무정형이면서 약 1.4 cm3/g의 기공 부피를 갖는 것으로서, 상기 알루미늄실리케이트는 제올라이트 ZSM-5를 용액상으로 분산시킨 후, 황산을 첨가하여 약 3의 pH에서 산처리하는 단계; 상기 산처리된 알루미노 실리케이트에 수산화 나트륨을 첨가하여 약 11의 pH에서 네트워크 구조로 겔화(gelation)시키는 단계; 및 상기 겔화된 알루미노 실리케이트를 70 ℃의 온도에서 수열합성하여 알루미늄실리케이트 분말을 제조하는 단계를 포함하는 제조방법으로 제조된 것을 사용하였다.
또한, 수산화 알루미늄은 평균직경 약 289 nm인 분말인 것으로서, 상기 수산화 알루미늄은 알루미늄 금속을 수용액 중에서 온도 25℃로 유지하며 염산을 첨가하여 고체 상태의 Al이 Al3+ 이온 용액이 되도록 용해시키는 단계, 상기 혼합용액에 수산화나트륨을 첨가하여 pH 8로 조절하여 Al3+ 이온을 Al(OH)3 고체분말로 침강 분리하는 단계 및 여과 후, 건조기에서 건조하는 단계를 포함하는 제조방법에 의하여 제조된 것을 사용하였다.
또한, 불화아파타이트는 베타형 인산삼칼슘과; 퍼플루오로데칼린을 1: 0.5 중량비율로 혼합한 후; 상기 혼합물을 약 170 ℃에서 5 분간 유지하여 1단계 열처리한 후, 약 1000℃로 상승시켜 15 분간 유지하는 2단계 열처리하여 반응시킨 것을 사용하였다.
<비교예>
하기 표 1에 나타낸 바와 같은 성분 및 함량을 혼합하여, 일액형 그라우트 조성물을 제조하였다.
이때, 칼슘 알루미네이트 혼합물로서, 7개의 알루미늄 산화물(Al2O3)에 대해 12개의 칼슘 산화물(CaO)을 포함하는 비정질형 도데카칼슘 헵타알루미네이트(C12A7)을 사용하였다.
또한, 유동화제는 폴리카르본산계 및 나프탈렌 설폰산염계 유동화제를 1: 1중량비율로 혼합한 것을 사용하였고; 지연제는 구연산을 사용하였다.
Figure 112020048846646-pat00001
<시험예 1>
상기 실시예 1 내지 3 및 비교예에서 제조된 일액형 그라우트 조성물 100 중량부를 물 120 중량부와 고속 교반기에 배합하여 주입재를 제조하였으며, 이들에 대한 유동성(플로우), 겔타임 및 압축강도를 측정하여, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
이때, 상기 유동성(플로우)은 JIS A 313-1922 "에어모르터 및 에어밀크의 시험방법"에 준하여 실시하였고, 겔타임은 주입재가 더 이상 유동하지 않고, 주입재가 들어있는 용기를 기울여도 흘러나오지 않는 시간을 나타내며, 압축강도는 KS L ISO 679의 시멘트 강도시험 방법에 준하여 실시하였다.
Figure 112020048846646-pat00002
상기 표 2에서 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명의 실시예 1 내지 3에 따른 조기 고강도 발현이 가능한 터널보강용 일액형 그라우트 조성물은 비교예와 비교하여, 플로우가 150 mm 이상으로 확보되어 주입성과 작업성이 향상된 것을 확인할 수 있었다.
또한, 본 발명의 실시예 1 내지 3에 따른 조기 고강도 발현이 가능한 터널보강용 일액형 그라우트 조성물은 비교예와 비교하여, 겔타임이 비슷한 수준이거나 단축되었으며, 압축강도가 매우 증가한 것을 확인할 수 있었다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모두 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모두 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (6)

  1. CSA(Calcium Sulfo-Aluminate) 30 내지 40 중량%, 3종시멘트 20 내지 30 중량%, 석고 15 내지 25 중량%, 알루미늄실리케이트 10 내지 20 중량%, 소석회 1 내지 10 중량%, 플라이애쉬 1 내지 10 중량%, 칼슘 알루미네이트 혼합물 1 내지 10 중량%, 수산화 알루미늄 0.5 내지 5 중량%, 비정질 실리카 0.5 내지 5 중량%, 유동화제 0.1 내지 1 중량%, 경화촉진제 0.1 내지 1 중량% 및 지연제 0.1 내지 1 중량%를 포함하고;
    상기 칼슘 알루미네이트 혼합물은 2개의 알루미늄 산화물(Al2O3)에 대해 하나의 칼슘 산화물(CaO)을 포함하는 결정형 칼슘 디알루미네이트(CA2), 7개의 알루미늄 산화물(Al2O3)에 대해 12개의 칼슘 산화물(CaO)을 포함하는 비정질형 도데카칼슘 헵타알루미네이트(C12A7), 및 산화칼슘(CaO)이 1: 0.8 내지 1.2: 0.3 내지 0.6 중량비율로 포함된 것이고,
    상기 유동화제는 폴리카르본산계, 나프탈렌 설폰산염계 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것이고,
    상기 경화촉진제는 리튬카보네이트, 탄산나트륨, 황산마그네슘, 황산칼륨, 염화칼슘 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것이고,
    상기 지연제는 구연산, 붕산, 타르타르산 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 포함하는 것이고,
    상기 알루미늄실리케이트는 무정형이면서 0.9 내지 1.5 cm3/g의 기공 부피를 갖는 것이고,
    상기 알루미늄실리케이트는 결정형 알루미노 실리케이트를 용액상으로 분산시킨 후, 산성용액을 첨가하여 3 내지 4의 pH에서 산처리하는 단계; 상기 산처리된 알루미노 실리케이트에 염기성용액을 첨가하여 10 내지 12의 pH에서 네트워크 구조로 겔화(gelation)시키는 단계; 및 상기 겔화된 알루미노 실리케이트를 60 내지 120 ℃의 온도에서 수열합성하여 알루미늄실리케이트 분말을 제조하는 단계를 포함하는 제조방법으로 제조되는 것을 특징으로 하는 조기 고강도 발현이 가능한 터널보강용 일액형 그라우트 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 조기 고강도 발현이 가능한 터널보강용 일액형 그라우트 조성물은 불화아파타이트 0.5 내지 5 중량% 및 6-옥소-2-피페리딘카르본산 0.5 내지 5 중량%를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 조기 고강도 발현이 가능한 터널보강용 일액형 그라우트 조성물.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 불화아파타이트는 베타형 인산삼칼슘과; 퍼플루오로데칼린, 메칠퍼플루오로부틸에텔, 메칠퍼플루오로이소부틸에텔 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 불소화합물을 1: 0.1 내지 1 중량비율로 혼합한 후; 상기 혼합물을 150 내지 170 ℃에서 5 내지 10 분간 유지하여 1단계 열처리한 후, 900 내지 1100℃로 상승시켜 10 내지 15 분간 유지하는 2단계 열처리하여 반응시킨 것을 특징으로 하는 조기 고강도 발현이 가능한 터널보강용 일액형 그라우트 조성물.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 조기 고강도 발현이 가능한 터널보강용 일액형 그라우트 조성물은 동유(Tung Oil) 0.5 내지 5 중량% 및 송진(Rosin) 0.5 내지 5 중량%의 혼합물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 조기 고강도 발현이 가능한 터널보강용 일액형 그라우트 조성물.
  6. 제1항 내지 제3항, 제5항 중에서 선택된 어느 한 항에 따른 조기 고강도 발현이 가능한 터널보강용 일액형 그라우트 조성물을 주입하여 강관과 지반을 일체화시켜 지반의 강도를 증대시키는 조기 고강도 발현이 가능한 터널 그라우팅 보강공법으로서,
    보강하고자 하는 터널의 지반을 천공하는 단계(S10);
    상기 천공으로 강관을 삽입하는 단계(S20);
    상기 강관과 천공 사이에 씰링재를 충진하는 단계(S30);
    상기 충진된 씰재가 겔화가 되는 단계(S40);
    상기 강관으로 천공에 상기 조기 고강도 발현이 가능한 터널보강용 일액형 그라우트 조성물 100 중량부 및 물 95 내지 150 중량부를 배합하여 충진하는 단계(S50); 및
    상기 충진된 조기 고강도 발현이 가능한 터널보강용 일액형 그라우트 조성물를 경화시키는 단계(S60);를 포함하는 것을 특징으로 하는 조기 고강도 발현이 가능한 터널 그라우팅 보강공법.
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