KR102117657B1 - 그라우팅 자동주입 스마트 제어관리시스템 및 이를 이용한 친환경 지반 그라우팅 방법 - Google Patents

그라우팅 자동주입 스마트 제어관리시스템 및 이를 이용한 친환경 지반 그라우팅 방법 Download PDF

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최용기
서광규
이재덕
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Abstract

본 발명은 저온 하의 지반이나 계절 하에서도 용탈방지 특성과 차수성이 우수하고, 지반 내의 수분과 반응하여 지반과의 밀착성능을 증진시켜 장단기적으로 높은 지반강도로 유지할 수 있는 그라우트 조성물, 그라우트를 정량 정압으로 주입하되 압력차를 없애고, 반응속도를 부추겨 그라우트의 품질 유지를 구현할 수 있는 그라우팅 자동 제어 시스템, 그라우트에 섞인 모래와 같은 고형물질과의 마찰로 인하여 밸브시트와 변판의 상호간 마모를 극력 억제하고, 변판에 의한 유로의 폐쇄성도 향상시킬 수 있고, 노즐 분사재료로 모르타르를 사용에 용이하도록 한 주입펌프가 포함된 그라우팅 자동 제어 시스템, 그라우팅 자동 제어 시스템을 이용하여 주입장애물을 만나거나 주입이 완료되기 전에 펌프의 가동을 제어하여 고성능 그라우트 조성물의 주입량을 제어함으로써 차질없이 효과적으로 지반을 보강할 수 있는 지반 그라우팅공법을 제공하려는 것으로, 분말도 4,000~6,000㎠/g의 포틀랜드시멘트 30 ~ 90중량%, 분말도 8,000~10,000 ㎠/g의 고로슬래그 3 ~ 40중량%, 수산화칼슘 Ca(OH2) 0.1 ~ 20중량%, 탄산나트륨(Na2CO3) 0.01 ~ 3중량%, 알루미나시멘트 0.5 ~ 5중량%, 팽윤제 0.5 ~ 5중량%, 미세결정화제 0.1 ~ 5중량%로 이루어지는 무기계 분말된 이루어진 고성능 그라우트 조성물과; 일정한 유량의 그라우트가 지속적으로 유입되어 지반에 대한 주입한계치에 도달하면 설정압력과 설정유량의 10∼20% 범위에서 그라우트의 순간유량을 감소시킬 수 있는 제어 소프트웨어가 탑재되고, 상부밸브는 복귀스프링에 의해 유로를 차단하는 방향으로 쏠리는 역원추형 변판과 모가 난 변좌를 가진 밸브시트로 구성되고, 하부밸브는 변판 대용의 강구와 모가 난 변좌를 가진 밸브시트로 이루어진 밸브로서, 상기 밸브에서 변좌 밀봉용 우레탄 패킹이 배제된 주입펌프를 포함한 그라우팅 자동주입 스마트 제어관리시스템과, 상기 그라우팅 자동주입 스마트 제어관리시스템을 이용하여 지반에 그라우팅하는 지반 그라우팅방법을 특징으로 한다.

Description

그라우팅 자동주입 스마트 제어관리시스템 및 이를 이용한 친환경 지반 그라우팅 방법{grouting automatic injection smart control system and Eco-friendly ground grouting method using the same}
본 발명은 그라우팅 자동주입 스마트 제어관리시스템 및 이를 이용한 친환경 지반 그라우팅 방법에 관한 것으로, 특히 지반 천공홀, 주입 유도용 멘젠튜브나 PVC관, 강관, FRP관 및 유공관을 통해 주입하여 지반에 존재하는 공극 및 절리면에 효과적으로 침투할 수 있는 고성능 그라우트 조성물과, 상기 고성능 그라우트 조성물을 효과적이며 유효하게 적량으로 주입되도록 통제하는 그라우팅 자동주입 스마트 제어관리시스템 및 상기 지반 그라우팅 자동주입 스마트 제어관리시스템을 이용한 친환경 지반 그라우팅 방법에 관한 것이다.
강도와 자립도가 낮고 지하수위가 높아 지하수의 유출에 따른 주변 지반의 침하가 예상되거나 지반의 이완영역이 넓은 연약지반의 안정성 확보에 유효한 그라우트는 저온조건에서도 용탈방지 특성과 차수성이 우수하고, 지반 내의 수분과 반응하여 그라우트와 지반간의 밀착성능을 증진시킴으로써 장단기적으로 지반의 강도증대효과가 발현되어야 한다.
또한, 그라우트는 강도 확보에 의한 장기적 내구성 및 차수성 유지, 용탈현상방지에 의한 토양과 지하수의 오염방지, 동절기의 저온수에도 영향을 받지 않고 설계강도를 얻을 수 있는 유효성분의 선택은 아주 중요하다.
등록특허 제10-0746851호와 공개특허 제10-2011-0057669호처럼 규산소다계 용액을 사용하는 그라우트는 화학반응을 통하여 충분한 겔타임의 확보와 높은 경제성이 강점이지만, 겔화 후 물에 의해 강알칼리 용탈현상이 발생하여 토양 및 지하수를 오염시키고, 겔형태가 약해지는 데다, 수축 균열이 쉽게 발생하여 지반과의 밀착성이 낮아져서 그라우트재로서의 차수성능이 저하된다.
게다가, 동절기에는 그라우트재에 사용하는 수온이 낮아 그라우트재의 겔타임이 길어지고 겔형성의 특성이 저하됨으로써 초기 강도 저하 현상이 발생하여 차수효과를 구현하기 곤란하다.
또, 공개특허 제10-1997-00267999호와 공개특허 제10-2001-0087882호와 같이 규산소다 용액제 그라우트의 단점을 무기결합재로 대체하여 극복한 그라우트도 있다.
전자는 입도를 조절한 칼슘 알루미노 설페이트계 시멘트를 사용한 그라우트이고, 후자는 플라이 애시가 포함된 그라우트인 데, 겔타임 제어 특성이 낮은 게 큰 단점이다.
한편, 그라우팅공법은 건축 구조물, 토목구조물을 구축하는 과정에서 누수방지와 차수 및 지수, 토양강화 및 안정화를 위해 지반의 틈새 또는 굴착된 천공홀로 시멘트와 규산소다계 용액이 주재인 그라우트를 주입하여 보강하는 것으로, LW공법과 SGR공법, 밀크공법 및 MSG공법이 있으며, 저마다 특징이 있지만, 대체로 긴 겔타임으로 인한 용탈현상, 낮은 강도, 차수성 유지곤란, 용탈수로 인한 토양과 지하수의 오염, 수온에 따른 겔타임의 차이 등 개선할 점이 많다.
여기서, 통상의 그라우팅 시스템은 교반기에서 물과 시멘트 분말을 혼합하고 균질하게 교반하여 조성한 주입재를 펌프로 지반에 주입한다.
주입재 주입수단은 주입재를 소정의 유량 및 압력으로 공급하는 펌프와 펌프 구동용 모터 및 모터의 출력 감속용 감속기로 구성되며, 지중에 원활하게 주입재를 주입하여 설계치에 상당하는 주입효과를 얻으려면 주입재의 유량과 압력을 정확히 측정하여 조절해야 한다.
종래에는 주입재의 유량과 압력을 아날로그방식의 적산유량계로 측정하였다.
즉, 작업자가 적산유량계에서 산출한 그래프를 보면서 수동으로 유량 및 압력을 제어하였는 데, 정확성을 기하기 곤란했다.
이 점을 해소하기 위해, 주입재의 압력을 자동으로 제어하는 바이패스 밸브를 설치하고, 모터의 출력을 최대로 설정하여 펌프로 하여금 일정한 압력으로 주입재를 공급하도록 하는 기술이 제안된 바 있다.
즉, 주입재의 압력을 체크하여 압력이 설정된 압력보다 높으면 바이패스 밸브를 열어 주입재를 되돌려 일정한 압력으로 토출되도록 한 그라우팅 자동제어 시스템이 개발된 것이다.
그러나 바이패스 밸브는 주입되던 주입재를 되돌리기 때문에 펌프의 에너지 소모가 많고, 바이패스된 주입재가 다시 교반기로 되돌아가 주입재의 워커빌리티가 낮아지는 게 문제다.
등록특허 제10-0507896호의 그라우팅 시스템은 현장에 투입된 입도가 굵은 주입재를 현장에서 초미립자로 분쇄하기 위한 현장 미립자화 분쇄장치; 현장 미립자화 분쇄장치에 의해 분쇄된 초미립자의 응집계 분체에 기계적인 전단력을 가해 분산시키기 위한 고속 전단믹서; 고속 전단믹서를 거쳐 공급되는 현탁액형 주입재나 별도 라인으로 공급되는 용액형 주입재를 선택적으로 주입하는 4조형 교반기; 4조형 교반기를 거쳐 공급되는 주입재를 소정의 압력으로 토출하는 주입펌프; 주입펌프에 의해 공급되는 주입재를 지중에 주입하는 스탠드 파이프 피팅즈; 및 스탠드 파이프 피팅즈를 통해 지중에 주입되는 주입재의 주입압력과 주입량 및 주입속도를 미리 설정된 소정의 범위 내에서 자동으로 조절하는 자동 주입관리 시스템이다.
이처럼, 현탁액형과 용액형 주입재를 선택적으로 주입하고, 현장 미립자화 분쇄장치에 의해 그라우팅용으로 투입된 굵은 입도의 현탁액형 주입재를 현장에서 초미립자로 분쇄하고, 그 현장 미립자화 분쇄장치에 의해 분쇄된 초미립자의 응집계 분체를 고속 전단믹서에 의해 분산시키며, 자동 주입관리 시스템으로 지중에 주입되는 주입재의 주입압력, 주입량 및 주입속도가 미리 설정된 소정 범위 내에서 자동 조절되어 주입재의 침투성이 향상되어 주입 효과를 극대화할 수 있는 장점이 있다.
특히, 상기 장치 전체를 트럭이나 트레일러에 탑재하여 이동이 가능한 일괄라인 탑재 시스템으로 구성되어 시공성을 향상시킬 수 있다.
그러나 주입재의 주입압력, 주입량 및 주입속도를 자동으로 조절하는 자동 주입관리 시스템의 구체적 구성이 언급되어 있지 않아 내용이 불분명하다.
등록특허 제10-0625333호의 그라우팅 자동 관리시스템은 각 주입재 공급용 그라우트 믹서를 포함하는 그라우팅 장치에 있어서, 그라우트 믹서로부터 각 주입관을 통해 공급되는 주입재를 외부의 제어에 따라 단계적으로 토출 압력을 변화시켜 펌핑하는 주입펌프, 외부의 제어에 따라 온/오프되어 주입재의 유량을 조절하는 자동밸브, 주입펌프로부터 공급되는 주입재의 압력값을 체크하여 압력값을 디지털 값으로 변환하여 출력하는 전자 압력계, 주입펌프로부터 공급되는 주입재의 유량값을 체크하여 유량값을 디지털 값으로 변환하여 출력하는 전자 유량계, 전자 유량계와 전자 압력계 및 자동밸브와 전기적으로 연결되어 유량계와 압력계의 유량값과 압력값을 디스플레이함과 동시에 유량값 및 압력값과 주입펌프의 토출 압력값을 유무선 통신을 통해 중계하고, 외부로부터 전송되는 자동밸브의 스위칭 신호에 따라 자동밸브를 스위칭하는 PLC 컨트롤러 및 자동 관리 프로그램이 인스톨되고, 자동 관리 프로그램을 통해 PLC 컨트롤러로부터 유무선 통신을 통해 전송되는 유량값 및 압력값을 통해 실시간으로 그라우팅 진행 상황을 디스플레이함과 동시에 유량값 및 압력값을 저장하며, 사용자에 의해 전자 유량계와 압력계의 유량값 및 압력값 및 주입펌프의 토출 압력값이 기설정되면 이들값을 비교하여 비교 결과에 따라 자동밸브를 제어하는 스위칭 신호를 출력하는 노트북 컴퓨터로 구성된다.
이는 현장의 지반조건과 그라우팅 목적에 적합하게 주입압력과 주입량 및 주입속도를 사전에 설정하고, 설정된 범위 내에서 자동으로 조절함으로써 주입효과를 극대화할 수 있고, 실시간으로 그라우팅 주입 현황을 체크하면서 이를 데이터로 저장하고, 저장된 데이터를 바탕으로 각종 결과를 출력할 수 있도록 함으로써 그라우팅 시공조건의 적정성 평가 및 주입 효과 판단이 가능한 효과가 있다.
그러나 주입재의 유량을 조절하는 제어수단으로 주입펌프 및 자동밸브를 이용하기 때문에 회로 내에 추가적인 전자제어 밸브 모듈 및 구동회로를 설치해야 하는 문제점이 있다.
이런 문제점을 해결하기 위해 등록특허 제10-0981007호 그라우팅 시스템 및 그 제어방법이 제안되었다.
이 그라우팅 시스템은 주입재를 혼합하는 교반기; 상기 교반기 일측으로 연결관으로 연결형성되어 상기 혼합된 주입재가 공급되는 주입펌프; 상기 주입펌프 일측에 전기적으로 연결되어 상기 주입펌프를 제어하는 인버터; 상기 주입펌프의 일측에 연결관으로 연결되어 상기 주입펌프에서 공급된 주입재의 유량을 디지털 값으로 산출하는 전자식 유량계; 상기 전자식 유량계 일측에 연결되어 상기 주입펌프에서 제공된 주입재의 압력을 디지털 값으로 산출하는 전자식 압력계; 상기 인버터, 전자식 유량계 및 전자식 압력계와 전기적으로 연결되고, 상기 전자식 유량계와 상기 전자식 압력계에서 각각 산출된 상기 디지털값을 전달받아 아날로그값으로 변환하는 변환모듈기; 상기 전자식 압력계 일측으로 연결관으로 연결되어 상기 주입재를 지중으로 공급하는 주입기; 및 상기 변환모듈기에서 아날로그값으로 변환된 주입재의 유량 및 압력을 그라우팅 진행상황, 상기 전자식 유량계의 디지털 유량값, 상기 전자식 압력계의 디지털 압력값 및 상기 주입펌프의 토출 압력값 중의 하나를 표시하는 디스플레이와, 상기 주입펌프의 토출 유량값 또는 토출 압력값을 실시간으로 설정하는 입력부가 구비된 외부제어기를 포함하고, 상기 외부제어기의 디스플레이는 상기 주입재의 유량 및 압력, 상기 주입재의 총 공급량, 모터의 속도, 유량-압력선도, 그래프 설정 및 루젼 테스트를 표시하는 데이터 표시부와, 상기 데이터 표시부 하단에 압력-유량제어, 프로그램 제어, 모터속도 제어 및 DAQ 모니터링의 입력값을 조절하는 입력표시부 및 상기 데이터 표시부와 상기 입력표시부의 일측에 컨트롤, 게인 및 데이터를 저장하는 제어표시부가 구비되며, 상기 데이터 표시부에 표시되는 루젼 테스트는 상기 루젼 테스트의 실험자료값 및 상기 루젼 테스트의 실험결과값을 입력 및 표시하는 루젼입출력부와, 상기 루젼입출력부 일측 상단에 상기 루젼 테스트의 코드명을 입력하는 코드입력부와, 상기 루젼입출력부 일측하단에 상기 루젼 테스트를 시작하는 시작입력부 및 상기 코드입력부 하단에 상기 루젼 테스트의 실험결과를 보고서로 출력하는 보고서 출력부가 구비되며, 상기 루젼입출력부는 실험자료값을 입력하는 루젼입력부와, 상기 루젼입력부 일측에 상기 루젼 테스트의 결과에 따른 소요시간, 평균압력, 수두, 물 공급량, 유량 및 수압의 결과값을 표시하는 결과표시부와, 상기 결과표시부 일측에 상기 루젼 테스트의 결과에 따른 루젼값을 표시하는 루젼값표시부와, 상기 루젼값표시부 일측에 상기 루젼 테스트의 결과에 따른 압력-유량 선도를 그래프로 표시하는 압력-유량 선도표시부 및 상기 압력-유량 선도표시부 일측에 상기 루젼 테스트의 결과에 따른 루젼선도를 그래프로 표시하는 루젼선도 표시부를 구비한 것이다.
또한, 상기 그라우팅 시스템의 제어방법은 외부제어기에 주입재의 목표치압력을 입력하는 단계; 상기 외부제어기에서 상기 입력된 목표치압력과 실제압력을 비교하는 단계; 상기 외부제어기에서 비교된 압력을 PID제어하여 입력될 압력값을 연산하는 단계; 변환모듈기에서 연산된 압력값을 디지털값에서 아날로그값으로 변환하여 인버터에 제공하는 단계; 상기 변환된 압력값을 상기 인버터가 센서리스 벡터방식을 이용하여 주입펌프를 제어하는 단계; 상기 주입펌프가 주입기로 상기 주입재를 공급하는 단계; 상기 주입펌프에서 공급된 상기 주입재의 실제압력을 전자식압력계에서 측정하고, 상기 측정된 실제압력을 증폭하는 단계; 상기 외부제어기에서 상기 주입재 공급의 지속유무를 판단하는 단계를 포함하고, 상기 주입재 공급의 지속유무 판단결과 상기 주입재의 공급이 지속되면, 상기 변환모듈기에서 상기 증폭된 실제압력을 아날로그값에서 디지털값으로 변환하여 상기 변환된 실제압력을 상기 목표치압력과 실제압력을 비교하는 단계로 피드백하는 단계로 진행한다.
그러나 상기한 종래 그라우팅 시스템은 On/Off 밸브를 사용하기 때문에 동작이 민첩하지 않고, 6~7bar 정도의 압력차가 발생하는 등 압력이 일정하게 유지되지 않으며, 반응 속도가 느리기 때문에 그라우트의 품질 유지가 곤란하다.
한편, 지반에 천공된 주입공에 주입 로드와 모니터로 구성된 고압분사장치를 삽입하고 초고압수를 분사하여 확공하면서 그라우트를 주입하여 원주체를 조성해 경화시키거나, 절리면을 메우는 그라우팅이 있고, 이러한 그라우팅에 적합하도록 개발된 주입펌프도 있다(등록특허 10-0699430호, 등록실용신안 제 20-0229210호 참조).
주입펌프는 탱크에 보관 중인 그라우트를 주입로드의 상단에 장착된 스위벨을 통해 주입로드 내로 강제 주입하는 것으로, 펌프 하우징의 유로를 이중으로 개폐하는 상부밸브와 하부밸브를 구비하며, 상부밸브와 하부밸브는 세트를 이루어 여러 세트가 내장될 수도 있다.
세트별 상부 및 하부밸브는 분배장치에 의해 교대로 해당 유로를 개방, 그라우트가 주입되도록 한다.
도 1은 종래 고압펌프용 상부 및 하부밸브를 도시한 구조도이고, 도 2는 복귀스프링이 제외된 상부 및 하부밸브의 일부를 절개한 분해도이다.
이들 도면에 도시된 바와 같이, 종래의 고압펌프용 상부 및 하부밸브는 상부밸브(1)와 하부밸브(2)는 다같이 본체(3)와 밸브시트(4), 변판(5), 변판 복귀스프링(6), 우레탄제 패킹(7)과의 조합체이다.
여기서, 상기 밸브시트(4)의 변판 접촉면(8)은 테이퍼졌고, 상기 변판 접촉면(8)에 가닿는 변판(5)의 접촉면(9)은 변판 접촉면(8)과는 반대방향으로 경사진 테이퍼면이다.
또한, 상기 패킹(7)은 변판(5)에서 그라우트의 통과방향의 반대쪽인 변판(5)의 이면에 장착하여 밸브시트(4)의 테이퍼면에 밀착되도록 함으로써 어떤 요인으로 인하여 변판(5)의 테이퍼면이 밸브시트(4)의 테이퍼면에 밀착되지 않음으로써 발생할 수 있는 그라우트 누설(무단 주입)을 방지하는 것이다.
그리고, 상기 밸브시트(4)와 변판(5)측 테이퍼면 간의 접촉은 접촉면이 일정 부분 겹치는 면접촉형이다.
또한, 상기 변판(5)과 밸브시트(4) 간의 상호 접촉면은 넓을수록 변판(5)이 복귀하여 유로를 차단할 때 이들 사이에 그라우트의 구성물 중에서 입도가 가장 큰 모래가 끼일 개연성이 높다.
이런 경우, 상기 변판(5)의 복귀압력에 의해 변판(5)과 밸브시트(4)의 접촉면 사이에 낀 모래가 곧바로 부서져 가루로 변하더라도 모래 분말의 두께에 상응하는 만큼 미세하나마 유격이 생길 테고, 그 틈으로 해당 밸브를 통한 후속 그라우트의 공급이 재개될 때까지 미세한 입자의 그라우트 또는 그라우트에 함유된 물기가 원치 않게 누설될 수도 있으며, 모래가 부서질 때 밸브시트(4)와 변판(5)의 테이퍼면이 손상될 수 도 있다.
모래에는 모난 잔돌이 섞일 수도 있다.
주입펌프의 높은 압송력에 의해 기준치를 웃도는 입도의 모래나 모난 잔돌이 패킹과 밸브시트 사이를 무리하게 통과하거나 변판이 유로를 폐쇄할 때 그 사이에 끼어 손상시킬 수 있고, 우레탄 패킹(7)에 의한 유로 봉쇄라는 본래의 기능에 차질이 빚어질 수도 있다.
그 때문에 종래의 그라우팅용 주입펌프는 실제로 이런 사유로 인하여 밸브 전체 또는 밸브시트, 변판, 패킹의 교체주기가 짧았다.
공개특허 제10-1997-0267999호 공개특허 제10-2001-0087882호 공개특허 제10-011-0057669호 등록특허 제10-0507896호 등록특허 제10-0625333호 등록특허 제10-0699430호, 등록특허 제10-0746851호 등록특허 제10-0842925호 등록특허 제10-0981007호 등록실용신안 제20-0229210호
이에, 본 발명은 상기한 바와 같은 제문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 저온 하의 지반이나 계절 하에서도 용탈방지 특성과 차수성이 우수하고, 지반 내의 수분과 반응하여 지반과의 밀착성능을 증진시켜 장단기적으로 높은 지반강도로 유지할 수 있는 고성능 그라우트 조성물을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 그라우트를 정량 정압으로 주입하되 압력차를 없애고, 반응속도를 부추겨 그라우트의 품질 유지를 구현할 수 있는 그라우팅 자동주입 스마트 제어관리시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
그리고, 그라우트에 섞인 모래와 같은 고형물질과의 마찰로 인하여 밸브시트와 변판의 상호간 마모를 극력 억제하고, 변판에 의한 유로의 폐쇄성도 향상시킬 수 있고, 노즐 분사재료로 모르타르를 사용에 용이하도록 한 주입펌프가 포함된 그라우팅 자동주입 스마트 제어관리시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
한편, 상기 그라우팅 자동주입 스마트 제어관리시스템을 이용하여 주입장애물을 만나거나 주입이 완료되기 전에 펌프의 가동을 제어하여 고성능 그라우트 조성물의 주입량을 제어함으로써 차질없이 효과적으로 지반을 보강할 수 있도록 한 그라우팅 자동주입 스마트 제어관리시스템을 이용한 친환경 지반 그라우팅 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고성능 그라우트 조성물은 무기계 분말을 이용한 현탁액과 물유리계 및 고분자계 현탁액을 사용한다.
이때, 상기 무기계 분말은 지중에 존재하는 수분과 반응하여 그라우트가 지중에 침투한 후, 그라우트의 주변에 탄산칼슘을 생성하여 용탈현상을 방지함으로써 토양과 지하수의 오염을 방지하는 데 유효하다.
여기서, 상기 무기계 분말은 분말도 4,000~6,000㎠/g의 포틀랜드시멘트 30~90중량%, 분말도 8,000~10,000㎠/g의 고로슬래그 3~40중량%, 수산화칼슘( Ca(OH2)) 0.1~20중량%, 탄산나트륨(Na2CO3) 0.01~3중량%, 알루미나시멘트 0.5~5중량%, 팽윤제 0.5~5중량%, 미세결정화제 0.1~5중량%로 구성된다.
상기 팽윤제는 벤토나이트와 흡수성 폴리머 중의 1종 이상이고, 미세결정화제는 Al2(SO4)3, AlK(SO4)2 중에서 하나 이상에 의한 수용성 무기질계 겔화재 5∼25중량%에 CaSO4, CaSO4ㆍ2H2O, CaSO4ㆍ1/2H2O 중의 1종과 Na2SO4, K2SO4 중에서 선택된 1종 이상으로 구성된 알카리 설페이트 5~45중량%; Na2O 함량이 35중량% 이상인 알루민산 나트륨 5~25중량%; 실리카흄, 반응성 실리카 분말 중의 1종 이상으로 이루어지는 실리카 25~85중량%로 구성된다.
또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 그라우팅 자동주입 스마트 제어관리시스템은 2종 이상의 주입재를 혼합하는 그라우트 믹서; 상기 그라우트 믹서로부터 각 주입관을 통해 공급되는 주입재를 입력순서와 수치에 따라 토출 압력을 변화시켜 펌핑하는 주입펌프; 외부 제어로 주입재의 유량을 조절하는 자동밸브; 상기 주입펌프의 주입재 토출압력값을 체크하여 출력하는 압력계; 상기 주입펌프의 주입재 토출 유량값을 체크하여 출력하는 유량계; 상기 유량계와 압력계 및 자동밸브에 전기적으로 연결되어 유량값 및 압력값을 디스플레이함과 동시에 유량값 및 압력값과 주입펌프의 토출 압력값을 유무선으로 중계하고, 외부로부터 전송되는 자동밸브의 스위칭 신호에 따라 자동밸브를 스위칭하는 PLC 컨트롤러; 및 자동 관리 프로그램; 상기 자동 관리 프로그램을 통해 전송되는 유량값 및 압력값으로 실시간 그라우팅 진행 상황을 디스플레이함과 동시에 유량값 및 압력값을 저장하며, 사용자에 의해 유량계와 압력계의 유량값 및 압력값 및 주입펌프의 토출 압력값이 기설정되면 이들 값을 비교하고 그 결과에 따라 자동밸브를 제어하는 스위칭 신호를 출력하는 컴퓨터로 구성되고,
일정한 유량의 그라우트가 지속적으로 유입되어 지반에 대한 주입한계치에 도달하면 설정압력과 설정유량의 10∼20% 범위에서 그라우트의 순간유량을 감소시킬 수 있는 제어프로그램이 포함된 그라우팅 자동주입 스마트 제어관리시스템으로 달성할 수 있다.
또한, 밸브에서 밸브시트 밀봉용 우레탄제 패킹을 배제하여 부품을 감축하고, 상부밸브는 역원추형 변판과 모가 난 변좌를 가진 밸브시트로 하여 점접촉형으로 대체하며, 하부밸브는 변판 대용의 강구와 모가 난 변좌를 가진 밸브시트로 이루어진 주입펌프를 가진 그라우팅 자동주입 스마트 제어관리시스템으로 달성할 수 있다.
그리고, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 그라우팅 자동주입 스마트 제어관리시스템을 이용한 친환경 지반 그라우팅 방법은 주입펌프가 포함된 그라우팅 자동주입 스마트 제어관리시스템을 운용하여 고성능 그라우트 조성물을 정량 정압으로 주입하여 효과적으로 지반을 강화하는 친환경 지반 그라우팅 방법으로 달성할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 그라우팅 자동주입 스마트 제어관리시스템 및 이를 이용한 친환경 지반 그라우팅 방법은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 본 발명에 따른 고성능 그라우트 조성물은 무기계 시멘트 용액의 수화반응에 경화가 진행되므로 겔형태가 소실되거나 강알칼리이온이 용탈되지 않음으로써 토양과 지하수를 오염시킬 우려가 없고 그라우트 경화체의 형태와 강도성능유지 특성도 강화된다.
또, 미세결정화제를 포함하므로 겔형성 경화 후 그라우트 경화체와 지반 사이 또는 그라우트 경화체 내부의 미세간격에 미세결정이 형성되면서 충전되므로 자기치유(자가증식) 특성이 발휘되며, 이에 따라 본 발명에 따른 고성능 그라우트 조성물로 그라우팅하면 지반 내에서 차수효과가 지속적으로 발현되고, 지반과 그라우트 경화체 사이의 밀착성도 향상되면서 내구성이 증대된다.
또한, 본 발명에 따른 고성능 그라우트 조성물은 팽윤제가 포함되므로 겔형성 후 그라우트의 수축현상이 최소화돼 차수효과가 크고 치수안정성 또한 우수하다.
둘째, 본 발명에 따른 그라우팅 자동주입 스마트 제어관리시스템은 일정한 유량의 그라우트가 지속적으로 유입되어 지반에 대한 주입한계치에 도달하면 설정압력과 설정유량의 10∼20% 범위에서 그라우트의 순간유량을 감소시킬 수 있는 제어프로그램이 포함된 그라우팅 자동주입 스마트 제어관리시스템은 그라우트의 과잉 주입으로 인한 지반 파괴를 예방할 수 있고, 펌프와 모터의 과부하도 피할 수 있어서 이들 요소를 보호하는 데 유효하며, 그라우트 주입장치의 이탈로 인한 작업자의 안전사고 예방과 함께, 그라우트의 낭비도 방지할 수 있다.
여기서, 상기 주입펌프는 변판 또는 강구에 의해 유로가 닫히는 밸브시트는 변판 또는 강구가 점접촉하므로 변판과 밸브시트의 사면끼리 비교적 넓은 폭으로 면접촉하여 유로를 닫던 종래의 고압펌프용 밸브에 비해 유로를 일시 차단할 때 변판 또는 강구와 밸브시트 사이에 그라우트재의 모래가 끼일 가능성이 매우 작고, 그 결과 사이에 찡긴 모래 때문에 변판 또는 강구와 각 밸브시트가 손상될 우려가 현저히 줄고, 변판 또는 강구와 밸브시트의 교체주기, 밸브의 교체빈도도 대폭 줄어든다.
나아가, 주입펌프는 우레탄 시트가 배제되어도 변판 또는 강구와 밸브시트간의 점접촉에 의한 유로의 차단역할 수행에 전혀 지장이 없고, 오히려 부품수 감축에 따른 밸브의 제작경제성 개선에 보탬이 된다.
셋째, 본 발명에 따른 그라우팅 자동주입 스마트 제어관리시스템을 이용한 친환경 지반 그라우팅 방법은 그라우팅 자동주입 스마트 제어관리시스템을 운용하여 고성능 그라우트 조성물을 정량 정압으로 주입하는 친환경 지반 그라우팅 방법은 종래의 지반 그라우팅방법에 비해 더욱 효과적으로 단시간에 지반을 강화할 수 있다.
도 1은 종래 주입펌프용 상부 및 하부밸브를 도시한 구조도,
도 2는 복귀스프링을 제외한 상부 및 하부밸브의 일부를 절개 도시한 분해도,
도 3은 본 발명에 따른 그라우팅 자동 주입 제어관리시스템을 도시한 개념도,
도 4는 본 발명에 따른 주입펌프의 부분 절개를 도시한 정면도,
도 5는 도 4의 밸브시트를 도시한 단면도.
이하, 본 발명을 첨부한 예시도면을 참조하여 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명에 따른 고성능 그라우트 조성물은 무기계 분말을 이용한 현탁액과 물유리계 및 고분자계 현탁액을 사용한다.
이때, 상기 무기계 분말은 지중에 존재하는 수분과 반응하여 그라우트가 지중에 침투한 그라우트의 주변에 탄산칼슘을 생성하여 용탈현상을 방지함으로써 토양과 지하수의 오염을 방지하는 데 유효하다.
여기서, 상기 무기계 분말은 분말도 4,000~6,000㎠/g의 포틀랜드시멘트 30~90중량%, 분말도 8,000~10,000㎠/g의 고로슬래그 3~40중량%, 수산화칼슘(Ca(OH2)) 0.1~20중량%, 탄산나트륨(Na2CO3) 0.01~3중량%, 알루미나시멘트 0.5~5중량%, 팽윤제 0.5~5중량%, 미세결정화제 0.1~5중량%로 구성된다.
상기 포틀랜드시멘트는 수화반응에 의한 겔을 형성하고, 강도 등 물리성능을 확보하는 데 필요하며, 그라우트 1㎥에 대하여 10~20kg가 바람직한데, 10kg 미만이면 물리적 성능이 부족하고, 20kg 초과하면 현탁액 상태에서 경화가 일어나 작업성이 저하되기 쉽다.
상기 팽윤제는 벤토나이트와 흡수성 폴리머 중의 1종 이상으로 구성되고, 미세결정화제는 Al2(SO4)3, AlK(SO4)2 중에서 하나 이상에 의한 수용성 무기질계 겔화재 5∼25중량%에 CaSO4, CaSO4ㆍ2H2O, CaSO4ㆍ1/2H2O 중의 1종과 Na2SO4, K2SO4 중에서 선택된 1종 이상으로 구성된 알카리 설페이트 5~45중량%; Na2O 함량이 35중량% 이상인 알루민산 나트륨 5~25중량%; 실리카흄, 반응성 실리카 분말 중의 1종 이상으로 이루어지는 실리카 25~85중량%로 구성된다.
상기 미세결정화제는 그라우트 경화체와 지반 사이 또는 그라우트 경화체의 미세간격에 미세결정을 형성하여 그라우트와 지반간 밀착성을 향상시키는 것으로, 그라우트 1㎥에 대하여 0.3~2.5kg이 바람직하며, 0.3kg미만이면 미세결정형성 특성이 낮아 충전 특성이 떨어지고, 2.5kg을 초과하면 그라우트 경화체의 물리성능 저하를 초래한다.
한편, 상기 미세결정화제에 시멘트의 수화반응 촉진을 위해서라면 무기광물 반응촉진제를 추가하고, 발열반응을 통해 시멘트의 수화경화 반응을 향상시키기 위해서는 고반응성 무기광물을 추가하며, 겔화 형성에 도움이 되고 액상(물, 규산소다계 용액)과 혼합할 때 분체의 침강으로 인해 재료가 분리가 되는 것을 방지하기 위해 유동성 제어 첨가제를 추가할 수 있다.
여기서, 상기 무기광물 반응촉진제는 그라우트 1㎥에 대하여 0.2~2.0kg이 바람직하며, 0.2kg 미만이면 수화반응 촉진 특성이 낮고 2.0kg 초과하면 시멘트 수화반응에 의한 경화로 겔 형태가 부족하다.
또한, 상기 무기광물 반응촉진제로는 알루민산 나트륨, 탄산리튬 중 하나 이상이다.
그리고, 상기 고반응성 무기광물은 그라우트 1㎥에 대하여 0.5~2.5kg이 바람직하며, 0.5kg 미만이면 수화반응 향상 정도가 떨어지고 2.5kg 초과하면 급격한 발열반응에 의한 조기 겔형성의 우려가 있다.
여기서, 상기 고반응성 무기광물은 알루미나시멘트와 산화칼슘중의 1종 이상이다.
한편, 상기 유동성 제어 첨가제는 그라우트 1㎥에 대하여 0.1~1.0kg이 바람직하며, 0.1kg 미만이면 분체 침하 방지효과가 미미하고 1.0kg을 초과하면 점성이 높아 이송 작업성이 떨어진다.
또한, 상기 유동성 제어 첨가제는 증점제, 유동화제, 잔탄검, 구아검 중 하나 이상이 적당하다.
상기 고성능 그라우트 조성물은 무기광물 반응촉진제 0.2~2.0kg/㎥, 고반응성 무기광물 0.5~2.5kg/㎥, 유동성 제어첨가제 0.1~1.0kg/㎥ 중의 1종 이상을 더 포함할 수 있다.
이하, 상기한 바와 같은 고성능 그라우트 조성물을 이용한 그라우팅 자동주입 스마트 제어관리시스템에 대해 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 그라우팅 자동 주입 제어관리시스템을 도시한 개념도 이다.
이 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 그라우팅 자동주입 스마트 제어관리시스템은 시멘트 사일로(A)와 고성능 그라우트 조성물(B), 그라우트 믹서(C)와 주입펌프(D), 유량/유압측정기(E), 펌프자동제어부(F)와 PC(G) 및 주입장치(H)로 구성된다.
여기서, 상기 그라우트 믹서(C)는 시멘트와 주입재를 적정비율로 투입하여 혼합하는 혼합조(I)와, 상기 혼합조(I)에서 혼합된 고성능 그라우트 조성물(B)을 일시 저장하는 저장조(J)를 구비한다.
또한, 상기 주입펌프(D)에 하달되는 가동신호에 따라 저장조(J)에 보관 중인 고성능 그라우트 조성물(B)이 토출되어 주입장치(H)로 공급되어 지반으로 주입된다.
특히, 상기 저장조(J)의 내부에는 초음파 발생기를 부착하여 진동을 발생시킴으로써, 무기계 분말의 분산성 및 지중 침투성을 높여 그라우팅 효과를 증가시키며, 작업 후 저장조에 침전되어 부착될 수 있는 무기계 분말을 감소시켜 환경폐기물 발생 등을 저감시키는 기능을 한다.
여기서, 상기 주입펌프(D)의 가동과 정지 및 토출량은 PC(G)에 설치된 소프트웨어로 제어되며, PC(G)의 제어프로그램에는 펌프의 기동과 정지 및 유량/유압측정기(E)로부터 전달되는 계측 정보를 입수한 펌프자동제어부(F)에 의한 주입펌프(D)의 토출량 조절, 주입재가 2액인 경우 각 주입재의 유량과 유압을 동시적으로 함께 체크하여 그라우팅 속도를 제어하는 기능이 포함되어 있다.
특히, 본 발명에 따른 그라우팅 자동주입 스마트 제어관리시스템은 운영체계인 소프트웨어에 일정한 유량의 그라우트가 지속적으로 유입되어 지반에 대한 주입한계치에 도달하면 설정압력과 설정유량의 10∼20% 범위에서 그라우트의 순간유량을 감소시킬 수 있는 제어프로그램으로 구성된다.
여기서, 상기 고성능 그라우트 조성물을 그라우팅 중에 주입공 내에 장애물이 존재하여 그라우트의 지속 주입을 방해받거나, 그라우트의 주입 종료 시점이 임박하였음에도 그라우트가 계속해서 정량/정압으로 주입되면 그라우트가 과잉 주입될 것이 자명한 사실이다.
만약에 그와 같이되면 지반이 파괴될 수 있고, 펌프와 모터에 과부하가 걸려 손상될 수도 있으며, 주입관마저 파손될 수 있어 지반 붕괴와 함께 인근에서 그라우팅작업을 수행 중인 작업자의 안전사고도 우려된다.
이와 같이, 예상치 못한 돌발적인 그라우트 주입 장애사태에 직면할 경우에는 자동으로 이에 대비할 수 있는 운용프로그램을 부가하여 주입재의 과잉주입을 사전에 차단하는 것은 정상적인 그라우팅에 있어서 대단히 중요하다.
나아가, 2종의 그라우트를 사용함으로써 그라우트의 경화가 가속되거나, 그라우트의 이송이 일시적으로 중지된 경우에는 그라우트 이송관 내부에 그라우트가 경화되어 그라우트 이송관 및 주입장치(H)의 내부 청소와 점검과정이 불가피한 데, 주입재의 1차적인 주입목표에 도달한 후 주입장치(H)를 이동 설치하는 과정에서, 또는 주입장애에 직면했을 때 한시적으로 그라우트의 토출유량을 최소화하는 것은 그라우팅장치의 안정적 운용과 그라우팅의 효율과 질적 측면에서 대단히 중요하다할 수 있다.
이에, 본 발명에 따른 그라우팅 자동주입 스마트 제어관리시스템은 특수한 구조의 주입펌프(D)를 사용하여 그라우팅 효율을 높이는 것이다.
즉, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 주입펌프(D)는 상부밸브(10)와 하부밸브(20)로 구성된 밸브(10)를 구비한 점이 특징이다.
상기 상부밸브(20)는 복귀스프링(25)에 의해 유로(24)를 차단하는 방향으로 쏠리는 역원추형 변판(21)과 모가 난 변좌(23)를 가진 밸브시트(22)로 구성되고, 하부밸브(20)는 변판 대용의 강구(31)와 모가 난 변좌(33)를 가진 밸브시트(32)로 구성된다.
상기 상부밸브(20)는 역원추형 변판(21)이 모가 난 밸브시트(22)의 변좌(23)에 점접촉되고, 하부밸브(20)는 변판 대용의 강구(31)가 모가 난 밸브시트(32)의 변좌(33)에 점접촉되며, 상부밸브(20)와 하부밸브(30)에서 변좌 밀봉용 우레탄 패킹이 배제된 것이다.
또, 상기 하부밸브(30)는 복귀스프링(35)에 의해 항상 유로(34)를 차단하는 방향으로 쏠리는 강구(31)와, 변좌(33)가 유로(34)에 대하여 직각 또는 직각에 가까운 둔각이나 예각으로 된 밸브시트(32)로 구성되고, 유로 밀봉용 우레탄 패킹은 배제된 구조이다.
상기 밸브시트(22, 32)의 변좌(23, 33)가 모가 났으니 역원추형 변판(21)이든 강구(31)든 유로(24, 34)를 차단한 상태는 늘 점접촉이다.
평면상으론 단선의 원접촉이다.
이는 종래 원형띠 모양의 면접촉형 밸브와는 양상이 전혀 다르다.
상기 밸브시트(20, 30)의 변좌(23, 33)에 역원추형 변판(21)이나 강구(31)가 점접촉하여 유로(24, 34)를 차단하는 구조에서는 상기 유로(24, 34)가 차단될 때 변좌(23, 33)와 역원추형 변판(21) 또는 강구(31)와의 사이에 모래가 잔류하는 경우 그 모래는 역원추형 변판(21) 또는 강구(31)의 복귀압력에 밀려 유로(24, 34) 밖으로 곧장 튕겨나가든지 유로(24, 34) 속으로 밀려 들어간다.
그래서 변판(21) 또는 강구(31)와변좌(23, 33) 사이에 모래가 끼일 개연성이 거의 없다.
설령, 변판(21) 또는 강구(31)와 변좌(23, 33) 사이에 모래가 끼더라도 모가 난 변좌(23, 33)의 영향으로 쉽게 깨지거나 부서져서 유로(24, 34)의 밖으로 튕겨나가거나 안으로는 밀려 들어간다.
그래서, 모래가 끼이는 현상 때문에 역원추형 변판(21)이나 강구(31) 및 변좌(23, 33)는 긁힘, 찍힘 등의 손상을 입을 우려가 거의 없고, 역원추형 변판(21) 또는 강구(31)와 변좌(23, 33) 사이에 모래가 끼여 눌린 두께로 인해 우려되는 유격도 없어 그라우트의 무단 누출현상이 극력 억제되거나 방지된다.
상기 강구(33)의 경우에는 그라우트가 유로(24, 34)를 통과할 때마다 여닫히기를 반복하는 동안 그라우트와의 마찰, 가동 중인 주입펌프(D)의 진동에 의해 구면방향으로 미동하여 자세가 바뀌므로 어느 구면이 변좌(33)에 접촉하든 유로 차단기능에는 변함이 없다.
여기서, 역원추형 변판(21)의 경우에는 그라우트가 유로(24, 34)를 통과할 때마다 여닫히기를 반복하는 동안에 그라우트와의 마찰, 가동 중인 주입펌프(D)의 진동 때문에 원주방향으로 미동하지만 변좌(23)에 대한 접촉이 완벽해 유로를 차단하는 기능을 차질없이 수행하게 된다.
이와 같이, 역원추형 변판(21) 또는 강구(31)에 의해 유로(24, 34)가 차단되는 밸브시트(22, 32)는 역원추형 변판(21) 또는 강구(31)가 역원추형 변판(21) 또는 강구(31)와 밸브시트(22, 32)의 테이면끼리 비교적 넓은 폭으로 면접촉하여 유로(24, 34)를 차단하던 종래의 주입펌프와는 달리 유로(24, 34)를 차단할 때 역원추형 변판(21) 또는 강구(31)와 밸브시트(22, 32) 사이에 그라우트에 섞인 모래나 모가 난 잔돌이 끼여 눌릴 가능성이 거의 없고, 끼여 눌린 모래로 인한 유격도 발생하기 않는다.
또한, 상기 상부밸브(20)와 하부밸브(30)에서 교체주기가 짧은 소모품인 우레탄 패킹은 비록 부품 한 개가 사라지는 것에 불과하지만 주입펌프의 조립성과 제작성에 도움이 되고, 잦은 교체로 인한 유지보수비용절감과 함께 교체작업시간도 생략되는 실익도 있다.
상기한 바와 같은 구성으로 이루어진 본 발명에 따른 주입펌프에는 각각의 구성요소에 이산화티탄 조성물을 도포할 수도 있다.
이산화티탄 조성물은 Ti[OCH(Cl3)2]4와, (CH3)2 CHOH로 제조한 TiO2졸(sol) 57㏖/ℓ, C8H20O4Si와 (CH3)CHOH로 제조된 SiO2졸(sol) 44㏖/ℓ, Zn(C2H3O2)2로부터 제조한 ZnO졸(sol) 50㏖/ℓ에 Ag, Zn, Cu 중에서 선택된 1종 이상의 금속이온을 담지하여, 이를 중량대비 TiO2졸(sol) 50%, SiO2졸(sol) 40%, ZnO졸(sol) 8%와 Ag, Zn, Cu 중에서 선택된 1종 이상의 금속이온 2%의 비율로 복합 처리한 것이다.
주입펌프(D)의 구성요소에 이산화티탄 조성물를 도포함으로써 열화 방지와, 막강도, 내구성, 가시광 투과율, 이산화티탄 조성물 활성의 저하 등의 문제가 사라지는 동시에 1회 코팅만으로 이산화티탄 조성물막을 형성하므로 간단하고 비용이 저렴하면서도, 이산화티탄 조성물 활성 결정성이 우수한 이산화티탄(TiO2) 초미립자를 형성하고, Ag, Zn, Cu 중 1종 이상의 금속이온을 담지함으로써 자외선의 조사에 의해 가전자대에서 여기되어 전도대로 여기한 전자들이 가전자대의 정공에 빠른 시간 내에 재결합되는 것을 억제하여 광화학 반응의 활성점을 최대로 지속시킴으로써, 적은 양의 자외선 에너지량에서의 광화학반응이 충분하고, 금속이온에 의한 악취물질의 분해와 미생물의 살균 메커니즘에 의해 더욱 우수한 방어효과 효과를 구현할 수 있다.
상기한 바와 같은 구성으로 이루어진 본 발명에 따른 그라우팅 자동주입 스마트 제어관리시스템은 주입펌프(D)에서 역원추형 변판(21) 또는 강구(31)에 의해 유로가 닫히는 밸브시트(32)는 역원추형 변판(21) 또는 강구(31)가 점접촉하므로 역원추형 변판(21)과 밸브시트(32)의 사면끼리 비교적 넓은 폭으로 면접촉하여 유로를 닫던 종래의 주입펌프용 밸브에 비해 유로를 일시 차단할 때 역원추형 변판(21) 또는 강구(31)와 밸브시트(32) 사이에 그라우트재의 모래가 끼일 가능성이 매우 작고, 그 결과 사이에 찡긴 모래 때문에 역원추형 변판(21) 또는 강구(31)와 각 밸브시트(32)가 손상될 우려가 현저히 줄고, 역원추형 변판(21) 또는 강구(31)와 밸브시트(32)의 교체주기, 밸브의 교체빈도도 대폭 줄어들고, 주입펌프(D)는 우레탄 시트가 배제되어도 역원추형 변판(21) 또는 강구(31)와 밸브시트(32)간의 점접촉에 의한 유로의 차단 역할에 전혀 지장이 없고, 오히려 부품수 감축에 따른 밸브의 제작경제성도 개선된다.
또한, 개량형 주입펌프(D)가 포함된 그라우팅 자동주입 스마트 제어관리시스템을 이용한 그라우팅공법은 밸브에 스위벨, 모니터, 주입로드 등으로 구성된 주입장치(H)를 연결하면 각 장치간에 유기적으로 연동하여 지반에 존재하는 공극 및 절리면에 효과적으로 그라우팅하여 지반을 강화할 수 있다.
이하, 상기한 바와 같은 구성으로 이루어진 본 발명에 따른 그라우팅 자동주입 스마트 제어관리시스템을 이용한 친환경 지반 그라우팅 방법에 대해 설명한다.
본 발명에 따른 그라우팅 자동주입 스마트 제어관리시스템을 이용한 친환경 지반 그라우팅 방법은 분말도 4,000~6,000㎠/g의 포틀랜드시멘트 30~90중량%, 분말도 8,000~10,000㎠/g의 고로슬래그 3~40중량%, 수산화칼슘 Ca(OH2) 0.1~20중량%, 탄산나트륨(Na2CO3) 0.01~3중량%, 알루미나시멘트 0.5~5중량%, 팽윤제 0.5~5중량%, 미세결정화제 0.1~5중량%로 이루어지는 무기계 분말과; 상기 팽윤제는 벤토나이트와 흡수성 폴리머 중의 1종 이상이고; 상기 미세결정화제는 Al2(SO4)3, AlK(SO4)2 중에서 선택된 수용성 무기질계 겔화재 5∼25 중량%에 CaSO4ㆍ2H2O, CaSO4ㆍ1/2H2O 중의 1종과 Na2SO4, K2SO4 중에서 선택된 1종 이상으로 구성된 알카리 설페이트 5~45중량%; Na2O 함량이 35중량% 이상인 알루민산 나트륨 5~25중량%; 실리카흄, 반응성 실리카 분말 중의 1종 이상으로 이루어지는 실리카 25~85중량%;를 포함한 고성능 그라우트 조성물을 2종 이상의 주입재를 혼합하는 그라우트 믹서(C); 상기 그라우트 믹서(C)로부터 각 주입관을 통해 공급되는 주입재를 입력순서와 수치에 따라 토출 압력을 변화시켜 펌핑하는 주입펌프(D); 외부 제어로 주입재의 유량을 조절하는 자동밸브; 상기 주입펌프(D)의 주입재 토출압력값을 체크하여 출력하는 압력계; 상기 주입펌프(D)의 주입재 토출 유량값을 체크하여 출력하는 유량계; 상기 유량계와 압력계 및 자동밸브에 전기적으로 연결되어 유량값 및 압력값을 디스플레이함과 동시에 유량값 및 압력값과 주입펌프의 토출 압력값을 유무선으로 중계하고, 외부로부터 전송되는 자동밸브의 스위칭 신호에 따라 자동밸브를 스위칭하는 PLC 컨트롤러; 및 자동 관리 프로그램; 상기 자동 관리 프로그램을 통해 전송되는 유량값 및 압력값으로 실시간 그라우팅 진행 상황을 디스플레이함과 동시에 유량값 및 압력값을 저장하며, 사용자에 의해 유량계와 압력계의 유량값 및 압력값 및 주입펌프의 토출 압력값이 기설정되면 이들 값을 비교하고 그 결과에 따라 자동밸브를 제어하는 스위칭 신호를 출력하는 컴퓨터로 구성되고, 유량의 그라우트가 지속적으로 유입되어 지반에 대한 주입한계치에 도달하면 설정압력과 설정유량의 10∼20% 범위에서 그라우트의 순간유량을 감소시킬 수 있는 제어 소프트웨어가 탑재된 것을 특징으로 하는 그라우팅 자동주입 스마트 제어관리시스템으로 지반에 주그라우트를 주입하는 것이다.
상기한 바와 같은 구성으로 이루어진 본 발명에 따른 그라우팅 자동주입 스마트 제어관리시스템을 이용한 친환경 지반 그라우팅 방법은 그라우팅 자동주입 스마트 제어관리시스템을 운용하여 고성능 그라우트 조성물을 정량 정압으로 주입하는 친환경 지반 그라우팅 방법은 종래의 지반 그라우팅방법에 비해 더욱 효과적으로 단시간에 지반을 강화할 수 있다.
본 발명의 상세한 설명에 기재된 실시예는 예시적인 것으로, 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 범위는 첨부된 특허청구범위에 명확히 기재되었고, 본 특허청구범위에 기재된 구성요소와 등가물로 유추되는 단순한 설계변경, 부가조건 등은 모두 본 발명에 포함되는 것으로 이해해야 할 것이다.
A: 시멘트 사일로 B: 고성능 그라우트 조성물
C: 그라우트 믹서 D: 주입펌프
E: 유량/유압측정기 F: 펌프자동제어부
G: PC H: 주입장치
I: 혼합조 J: 저장조
10: 밸브 20: 상부밸브
21: 역원추형 변판 22: 밸브시트
23: 변좌 30: 하부밸브
31: 강구 32: 밸브시트
33: 변좌

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  5. 분말도 4,000~6,000㎠/g의 포틀랜드시멘트 30~90중량%, 분말도 8,000~10,000㎠/g의 고로슬래그 3~40중량%, 수산화칼슘 Ca(OH2) 0.1~20중량%, 탄산나트륨(Na2CO3) 0.01~3중량%, 알루미나시멘트 0.5~5중량%, 팽윤제 0.5~5중량%, 미세결정화제 0.1~5중량%로 이루어지는 무기계 분말과; 상기 팽윤제는 벤토나이트와 흡수성 폴리머 중의 1종 이상이고; 상기 미세결정화제는 Al2(SO4)3, AlK(SO4)2 중에서 선택된 수용성 무기질계 겔화재 5～25중량%에 CaSO4ㅇ2H2O, CaSO4ㅇ1/2H2O 중의 1종과 Na2SO4, K2SO4 중에서 선택된 1종 이상으로 구성된 알카리 설페이트 5~45중량%; Na2O 함량이 35중량% 이상인 알루민산 나트륨 5~25중량%; 실리카흄, 반응성 실리카 분말 중의 1종 이상으로 이루어지는 실리카 25~85중량%로 구성되고, 상기 포틀랜드시멘트는 그라우트 1㎥에 대하여 10~20kg으로 구성되며, 상기 팽윤제는 벤토나이트와 흡수성 폴리머 중의 1종 이상인 것이며, 상기 미세결정화제는 Al2(SO4)3, AlK(SO4)2 중에서 선택된 수용성 무기질계 겔화재 5～25중량%에 CaSO4ㅇ2H2O, CaSO4ㅇ1/2H2O 중의 1종과 Na2SO4, K2SO4 중에서 선택된 1종 이상으로 구성된 알카리 설페이트 5~45중량%; Na2O 함량이 35중량% 이상인 알루민산 나트륨 5~25중량%; 실리카흄, 반응성 실리카 분말 중의 1종 이상으로 이루어지는 실리카 25~85중량%로 구성된 고성능 그라우트 조성물 중에서 2종 이상의 주입재를 혼합하는 그라우트 믹서; 상기 그라우트 믹서로부터 각 주입관을 통해 공급되는 주입재를 입력순서와 수치에 따라 토출 압력을 변화시켜 펌핑하는 주입펌프; 외부 제어로 주입재의 유량을 조절하는 자동밸브; 상기 주입펌프의 주입재 토출압력값을 체크하여 출력하는 압력계; 상기 주입펌프의 주입재 토출 유량값을 체크하여 출력하는 유량계; 상기 유량계와 압력계 및 자동밸브에 전기적으로 연결되어 유량값 및 압력값을 디스플레이함과 동시에 유량값 및 압력값과 주입펌프의 토출 압력값을 유무선으로 중계하고, 외부로부터 전송되는 자동밸브의 스위칭 신호에 따라 자동밸브를 스위칭하는 PLC 컨트롤러; 및 자동 관리 프로그램; 상기 자동 관리 프로그램을 통해 전송되는 유량값 및 압력값으로 실시간 그라우팅 진행 상황을 디스플레이함과 동시에 유량값 및 압력값을 저장하며, 사용자에 의해 유량계와 압력계의 유량값 및 압력값 및 주입펌프의 토출 압력값이 기설정되면 이들 값을 비교하고 그 결과에 따라 자동밸브를 제어하는 스위칭 신호를 출력하는 컴퓨터로 구성되고, 상기 유량의 그라우트가 지속적으로 유입되어 지반에 대한 주입한계치에 도달하면 설정압력과 설정유량의 10～20% 범위에서 그라우트의 순간유량을 감소시킬 수 있는 제어 소프트웨어가 탑재되며, 상기 주입펌프는 상부밸브와 하부밸브로 구성되고, 상기 상부밸브는 복귀스프링에 의해 유로를 차단하는 방향으로 쏠리는 역원추형 변판과 모가 난 변좌를 가진 밸브시트로 형성되고, 상기 하부밸브는 변판 대용의 강구와 모가 난 변좌를 가진 밸브시트로 형성되며, 상기 상부밸브는 역원추형 변판이 모가 난 밸브시트의 변좌에 점접촉되며, 상기 하부밸브는 변판 대용의 강구가 모가 난 밸브시트의 변좌에 점접촉되며, 상기 상부밸브는 복귀스프링에 의해 유로를 차단하는 방향으로 쏠리는 역원추형 변판과 모가 난 변좌가 유로에 대하여 직각 또는 직각에 가까운 둔각이나 예각으로 된 밸브시트로 구성되며, 상기 하부밸브는 복귀스프링에 의해 항상 유로를 차단하는 방향으로 쏠리는 변판 대용의 강구와 모가 난 변좌가 유로에 대하여 직각 또는 직각에 가까운 둔각이나 예각으로 된 밸브시트로 구성되며, 상기 상부밸브 밸브시트의 변좌와 하부밸브 밸브시트의 변좌가 모가 났으니 역원추형 변판 또는 강구 또는 유로를 차단한 상태는 항상 점점촉되며, 상기 상부밸브 밸브시트의 변좌와 하부밸브 밸브시트의 변좌에 역원추형 변판이나 강구가 점접촉으로 유로를 차단하는 구조에서는 상기 유로가 차단될 때 변좌와 역원추형 변판 또는 강구와의 사이에 모래가 잔류하는 경우 상기 모래는 역원추형 변판 또는 강구의 복귀압력에 밀려 유로 밖으로 튕겨나가거나 유로 안으로 밀려 들어가도록 구성됨을 특징으로 하는 그라우팅 자동주입 스마트 제어관리시스템.
  6. 분말도 4,000~6,000㎠/g의 포틀랜드시멘트 30~90중량%, 분말도 8,000~10,000㎠/g의 고로슬래그 3~40중량%, 수산화칼슘 Ca(OH2) 0.1~20중량%, 탄산나트륨(Na2CO3) 0.01~3중량%, 알루미나시멘트 0.5~5중량%, 팽윤제 0.5~5중량%, 미세결정화제 0.1~5중량%로 이루어지는 무기계 분말과; 상기 팽윤제는 벤토나이트와 흡수성 폴리머 중의 1종 이상이고; 상기 미세결정화제는 Al2(SO4)3, AlK(SO4)2 중에서 선택된 수용성 무기질계 겔화재 5～25중량%에 CaSO4ㅇ2H2O, CaSO4ㅇ1/2H2O 중의 1종과 Na2SO4, K2SO4 중에서 선택된 1종 이상으로 구성된 알카리 설페이트 5~45중량%; Na2O 함량이 35중량% 이상인 알루민산 나트륨 5~25중량%; 실리카흄, 반응성 실리카 분말 중의 1종 이상으로 이루어지는 실리카 25~85중량%로 구성되고, 상기 포틀랜드시멘트는 그라우트 1㎥에 대하여 10~20kg으로 구성되며, 상기 팽윤제는 벤토나이트와 흡수성 폴리머 중의 1종 이상인 것이며, 상기 미세결정화제는 Al2(SO4)3, AlK(SO4)2 중에서 선택된 수용성 무기질계 겔화재 5～25중량%에 CaSO4ㅇ2H2O, CaSO4ㅇ1/2H2O 중의 1종과 Na2SO4, K2SO4 중에서 선택된 1종 이상으로 구성된 알카리 설페이트 5~45중량%; Na2O 함량이 35중량% 이상인 알루민산 나트륨 5~25중량%; 실리카흄, 반응성 실리카 분말 중의 1종 이상으로 이루어지는 실리카 25~85중량%로 구성된 고성능 그라우트 조성물 중에서 2종 이상의 주입재를 혼합하는 그라우트 믹서; 상기 그라우트 믹서로부터 각 주입관을 통해 공급되는 주입재를 입력순서와 수치에 따라 토출 압력을 변화시켜 펌핑하는 주입펌프; 외부 제어로 주입재의 유량을 조절하는 자동밸브; 상기 주입펌프의 주입재 토출압력값을 체크하여 출력하는 압력계; 상기 주입펌프의 주입재 토출 유량값을 체크하여 출력하는 유량계; 상기 유량계와 압력계 및 자동밸브에 전기적으로 연결되어 유량값 및 압력값을 디스플레이함과 동시에 유량값 및 압력값과 주입펌프의 토출 압력값을 유무선으로 중계하고, 외부로부터 전송되는 자동밸브의 스위칭 신호에 따라 자동밸브를 스위칭하는 PLC 컨트롤러; 및 자동 관리 프로그램; 상기 자동 관리 프로그램을 통해 전송되는 유량값 및 압력값으로 실시간 그라우팅 진행 상황을 디스플레이함과 동시에 유량값 및 압력값을 저장하며, 사용자에 의해 유량계와 압력계의 유량값 및 압력값 및 주입펌프의 토출 압력값이 기설정되면 이들 값을 비교하고 그 결과에 따라 자동밸브를 제어하는 스위칭 신호를 출력하는 컴퓨터로 구성되고, 상기 유량의 그라우트가 지속적으로 유입되어 지반에 대한 주입한계치에 도달하면 설정압력과 설정유량의 10～20% 범위에서 그라우트의 순간유량을 감소시킬 수 있는 제어 소프트웨어가 탑재되며, 상기 주입펌프는 상부밸브와 하부밸브로 구성되고, 상기 상부밸브는 복귀스프링에 의해 유로를 차단하는 방향으로 쏠리는 역원추형 변판과 모가 난 변좌를 가진 밸브시트로 형성되고, 상기 하부밸브는 변판 대용의 강구와 모가 난 변좌를 가진 밸브시트로 형성되며, 상기 상부밸브는 역원추형 변판이 모가 난 밸브시트의 변좌에 점접촉되며, 상기 하부밸브는 변판 대용의 강구가 모가 난 밸브시트의 변좌에 점접촉되며, 상기 상부밸브는 복귀스프링에 의해 유로를 차단하는 방향으로 쏠리는 역원추형 변판과 모가 난 변좌가 유로에 대하여 직각 또는 직각에 가까운 둔각이나 예각으로 된 밸브시트로 구성되며, 상기 하부밸브는 복귀스프링에 의해 항상 유로를 차단하는 방향으로 쏠리는 변판 대용의 강구와 모가 난 변좌가 유로에 대하여 직각 또는 직각에 가까운 둔각이나 예각으로 된 밸브시트로 구성되며, 상기 상부밸브 밸브시트의 변좌와 하부밸브 밸브시트의 변좌가 모가 났으니 역원추형 변판 또는 강구 또는 유로를 차단한 상태는 항상 점점촉되며, 상기 상부밸브 밸브시트의 변좌와 하부밸브 밸브시트의 변좌에 역원추형 변판이나 강구가 점접촉으로 유로를 차단하는 구조에서는 상기 유로가 차단될 때 변좌와 역원추형 변판 또는 강구와의 사이에 모래가 잔류하는 경우 상기 모래는 역원추형 변판 또는 강구의 복귀압력에 밀려 유로 밖으로 튕겨나가거나 유로 안으로 밀려 들어가도록 구성된 그라우팅 자동주입 스마트 제어관리시스템으로 지반에 주그라우트를 주입하는 것을 특징으로 하는 친환경 지반 그라우팅 방법.
KR1020190119777A 2019-09-27 2019-09-27 그라우팅 자동주입 스마트 제어관리시스템 및 이를 이용한 친환경 지반 그라우팅 방법 KR102117657B1 (ko)

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