KR102133769B1

KR102133769B1 - 순환자원을 사용한 급속 시공 유동성채움재 조성물 및 이의 시공방법

Info

Publication number: KR102133769B1
Application number: KR1020200005854A
Authority: KR
Inventors: 홍종현; 김문훈; 박성현; 유정협
Original assignee: 제주국제대학교 산학협력단; 한라환경산업 주식회사; 김문훈
Priority date: 2020-01-16
Filing date: 2020-01-16
Publication date: 2020-07-15

Abstract

본 발명은 종래 유동성 채움재에 사용하는 플라이애쉬나 현장토를 전혀 사용하지 않고 주 골재로 산업부산물을 100% 사용하는 순환자원을 사용한 급속 시공 유동성채움재 조성물 및 이의 시공방법에 관한 것으로, 타설 후 4시간 압축강도가 0.05 MPa 이상 발휘하기 때문에 급속 시공이 가능할 뿐만 아니라, 장기강도도 1.0 MPa (2.1 MPa)를 넘지 않음에 따라 인력 굴착(기계굴착)이 가능한 뒤채움 용도로 적합한 순환자원을 사용한 급속 시공 유동성채움재 조성물 및 이의 시공방법에 관한 것이다.

Description

순환자원을 사용한 급속 시공 유동성채움재 조성물 및 이의 시공방법{fast constructing fluid filler composition using the recycled resource and construction methods thereof}

본 발명은 유동성채움재 조성물 및 이의 시공방법에 관한 것으로 상세하게는 종래 유동성 채움재에 사용하는 플라이애쉬나 현장토를 전혀 사용하지 않고 주 골재로 산업부산물을 100% 사용하는 순환자원을 사용한 급속 시공 유동성채움재 조성물 및 이의 시공방법에 관한 것이다.

또한 본 발명은 타설 후 4시간 압축강도가 0.05 MPa 이상 발휘하기 때문에 급속 시공이 가능할 뿐만 아니라, 장기강도도 1.0 MPa(2.1 MPa)를 넘지 않음에 따라 인력 굴착(기계굴착)이 가능한 뒤채움 용도로 적합한 순환자원을 사용한 급속 시공 유동성채움재 조성물 및 이의 시공방법에 관한 것이다.

일반적으로 지하구조물의 굴착복구 작업에서는 관로나 지하 매설물을 설치한 다음 되메우기를 하고 있고, 전통적인 되메우기 방법은 모래 또는 발생토를 사용하고 있으나, 이러한 전통적인 되메우기 방법은 관의 하부나 작은 틈새와 같은 부분을 다지기 난해하고, 토사의 다짐이 불충분한 경우, 도로의 함몰 및 균열, 구조물 주변 침하, 교대 뒷채움 침하 등이 발생하여 안전 문제 및 경제적 피해가 지속적으로 증가하게 하는 문제를 야기할 수 있다.

또한 종래의 현장에서 발생하는 토사를 채움재로 사용할 경우 토사의 종류에 따라 품질이 일정하지 않는 문제가 있고, 토사를 체가름 해야 하는 문제가 있어서, 현장의 토사를 사용하는 것은 현실성이 없다. 즉, 현장 토사를 활용하는 기술은 일반화된 기술로 진화될 가능성이 거의 없다.

이에 따라 토사를 대체할 수 있는 것으로 유동성채움재가 개발되어 있다.

이러한 유동성채움재는 통상적으로 시멘트, 물, 슬래그 또는 비산재, 모래를 혼합하여 조성되고, 시공 현장의 상황에 따라 혼합비율과 재료를 다양하게 변형이 가능하다.

압축강도는 0.21 - 1.03 MPa 범위(미국레미콘협회 기준임, 우리나라는 기준이 없음)이고, 셀프레벨링과 셀프컴팩팅 기능이 있도록 설계되며, 일반적으로 단단히 다져진 흙의 압축강도는 0.12-0.14 MPa 정도이다.

완제품의 단위중량이 1.12 - 2.32 ton/m³ 범위이나 0.32 ton/m³ 까지도 낮출 수 있다.

이러한 유동성채움재의 장점은,

(1) 신속히 뒤채움 할 수 있다.

(2) 재시공 하자가 발생하지 않는다.

(3) 비와 눈과 같은 대기의 기후에 영향을 적게 받는다.

(4) 종래의 흙다짐에서 발생하는 초기침하 0.3 cm 문제가 없다.

(5) 종래의 흙다짐은 많은 장비와 현장의 공간이 필요하지만, 유동성채움재는 인력 및 저장 공간이 거의 필요 없다.

단점은,

(1) 국내에는 시공사례가 매우 적다.

(2) 초조기강도 4시간 강도가 매우 낮아, 급속 시공 사례가 없다.

(3) 골재의 생산장비, 배합장비, 시공장비와 같은 초기 기계장비 투자비가 높다.

(4) 국내에 설계반영을 위한 시방서, 지침, 규정, 조례와 같은 법제도적 장치가 없어서 사용근거가 미약하다.

이러한 유동성채움재와 관련하여 다양한 기술이 개발되어 있고, 그 예로 특허문헌 1 내지 5가 있다.

특허문헌 1은 하수관거 충진용 속경성 가소성 뒤채움재 및 이를 이용한 시공방법으로, 칼슘알루미네이트계 결합재 + 물 + 플라이애쉬 + 흙 + 유동화제 + 경화촉진제로 구성된 뒤채움재를 사용하여 속경형 시공방법이고,

특허문헌 2는 버텀애쉬를 활용한 고유동 저강도 채움재로, 토사 + 버텀애쉬 + 시멘트 + 레드머드 + 유동화제 + 물로 구성되고,

특허문헌 3은 폐기물을 활용하는 유동성 경량 하수관용 채움재 조성물 및 이의 제조방법으로, 산업부산물바인더 + 알칼리활성화제 + 흙 + 혼화제 + 혼합수로 구성된 채움재이며, 이는 산업부산물바이더가 슬래그파우더, 제지슬러지파우더, 시멘트킬른더스트 등을 사용하고 있다.

특허문헌 4는 폐석고의 친환경적 재활용 공정 및 이를 이용한 시멘트 응결지연제로, 폐석고와 폐석회를 파쇄하여 0.1 - 5 mm 입도의 파우더를 제조한 후, 시멘트 응결지연제로 활용하는 방법이며,

특허문헌 5는 유동성 복토재 조성물로, 산업폐기물인 저회 + 화강풍화토 + 토양 고결재 + 물로 구성되며, 화력발전소에서 발생된 저회와 실리카와 탄산칼슘으로 제조된 토양고결재의 사용하고 있다.

이러한 종래의 유동성채움재는 주로 플라이애쉬+모래+시멘트를 사용하고 있고 가장 큰 문제점은 양생에 수 일 내지 수 주의 시간이 필요한 것이다.

한편 산업이 발전함에 따라 다양한 산업폐기물과 산업부산물이 발생하고 있으며, 이러한 산업폐기물과 산업부산물은 전량 매립에 의존한다. 문제는 매립지가 부족하기 때문에 육지부의 타 지자체가 운영하는 매립장에 매립하거나 필리핀과 같은 국외로 반출하고 있으나 그 양이 많아 처리에 많은 어려움이 있다.

대한민국 공개특허 제10-2017-0013429호 대한민국 등록특허 제10-1788677호 대한민국 공개특허 제10-2019-0054362호 대한민국 공개특허 제10-2019-0086930호 대한민국 등록특허 제10-2015563호

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 개발된 것으로, 폐석고보드, 폐유리, 폐도자기류, 하수슬러지, 석분, 석분슬러지를 포함하는 산업폐기물과 산업부산물을 활용함에 따라 이들의 처리를 쉽게 할 수 있는 순환자원을 사용한 급속 시공 유동성채움재 조성물 및 이의 시공방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 골재로 산업폐기물과 산업부산물을 100% 사용하는 순환자원을 사용한 급속 시공 유동성채움재 조성물 및 이의 시공방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 타설 후 4시간 압축강도가 0.05 MPa 이상 발휘하기 때문에 급속 시공이 가능할 뿐만 아니라, 장기강도도 1.0 MPa(2.1 MPa)를 넘지 않음에 따라 인력 굴착(기계굴착)이 가능한 뒤채움 용도로 적합한 순환자원을 사용한 급속 시공 유동성채움재 조성물 및 이의 시공방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 해결하기 위한 본 발명에 따른 순환자원을 사용한 급속 시공 유동성채움재 조성물은 유동성채움재 조성물에 있어서, 1차배합물을 시멘트, 물, 골재로 이루어지고, 2차 배합물을 1차배합물, 유동화제, 급결제로 이루어지며, 배합비율은, 단위 체적 기준으로 시멘트 60 내지 300 kg/m³, 물 150 내지 700 kg/m³, 골재(산업부산물 또는 산업폐기물) 600 내지 1600 kg/m³, 유동화제 0.6 내지 30 kg/m³, 급결제 6 - 60 kg/m³이고, 셀프레벨링과 셀프컴팩팅 기능이 있고, 타설 후 3~5시간 경과 후 압축강도가 0.05 MPa 이상 발휘하는 것을 특징으로 한다.

상기 골재는 폐석고보드 분말이고, 입도는 5mm 이하이며, 0.08mm 체눈 통과질량백분율이 30% 미만인 것이 바람직하다.

상기 유동화제는 사용하는 시멘트 질량 기준으로 시멘트의 0.1 내지 10%이고, 상기 급결제는 사용하는 시멘트 질량 기준으로 시멘트의 1 내지 20%인 것이 바람직하다.

상기 골재는 주재료의 질량 대비 50% 범위 이내로 보조재료를 치환하여 사용하되, 보조재료는 스코리아분말, 하수슬러지, 재생잔골재, 폐유리분말, 폐도자기분말, 석분, 석분슬러지, 플라이애쉬, 레드머드 중 적어도 1개인 것이 바람직하다.

순환자원을 사용한 급속 시공 유동성채움재 조성물을 사용한 급속 시공 유동성채움재 시공방법은, 채움재 제조 공장에서 믹서기를 이용하여 1차배합물인 시멘트, 물, 골재를 배합하되, 1차배합물의 배합비율을 단위 체적 기준으로 시멘트 60 내지 300 kg/m³, 물 150 내지 700 kg/m³, 골재(산업부산물 또는 산업폐기물) 600 내지 1600 kg/m³로 배합하는 1차배합단계; 1차배합물을 운반하는 단계; 레미콘 믹스트럭을 이용하여 운반된 1차배합물에 2차배합물을 배합하되, 2차배합물은 유동화제, 급결제로 이루어지고, 2차배합물의 배합비율을 단위 체적 기준으로 유동화제 0.6 내지 30 kg/m³, 급결제 6 - 60 kg/m³로 이루어지는 2차배합단계; 현장에 타설하는 타설단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 순환자원을 사용한 급속 시공 유동성채움재 조성물 및 이의 시공방법은 주 골재로 산업부산물을 100% 사용함에 따라 순환자원의 소비를 늘려 순환자원에 의해 발생될 수 있는 환경오염을 방지할 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명은 타설 후 4시간 압축강도가 0.05 MPa 이상 발휘하기 때문에 급속 시공이 가능할 뿐만 아니라, 장기강도도 1.0 MPa(2.1 MPa)를 넘지 않음에 따라 인력 굴착(기계굴착)이 가능하여 채움재 시공 후의 작업성을 높일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 순환자원을 사용한 급속 시공 유동성채움재 조성물 의 시공 과정도
도 2는 본 발명에 따른 순환자원을 사용한 급속 시공 유동성채움재 조성하는 폐석고보드의 입도 분석 그래프
도 3은 본 발명에 따른 순환자원을 사용한 급속 시공 유동성채움재 조성하는 폐석고보드 분말과 스코리아 분말의 사진
도 4는 본 발명에 따른 순환자원을 사용한 급속 시공 유동성채움재 조성물의 블리딩수 측정사진

본 발명은 다양한 변경을 가하여 실시할 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고, 상세한 설명을 통해 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 발명은 주 골재로 산업부산물을 100% 사용함에 따라 산업부산물의 소비를 늘려 산업부산물에 의한 환경오염을 줄이고, 초기 압축강도를 높이며, 장기강도도가 일정 수준 이하가 되게 함에 따라 채움재 시공 후 작업성을 높일 수 있다.

본 발명에 따른 순환자원을 사용한 급속 시공 유동성채움재 조성물은 1차배합물을 시멘트, 물, 골재로 이루어지고, 2차 배합물을 1차배합물, 유동화제, 급결제로 이루어지며, 셀프레벨링과 셀프컴팩팅 기능이 있고, 타설 후 3~5시간 경과 후 압축강도가 0.05 MPa 이상 발휘하는 것을 특징으로 한다.

1차배합물의 배합과정은 공장에서 이루어지고, 시멘트, 물 및 골재를 혼합하여 레미콘 믹스트럭에 담고, 현장으로 운반한다.

2차배합물의 배합과정은 현장에 도착한 레미콘 믹스트럭에 유동화제와 급결제를 투입하여 2차 비빔하여 이루어진다. 이는 유동성과 급결성을 확보하기 위한 것이다.

2차배합물의 물성치는 셀프레벨링 및 셀프컴팩팅 기능이 있어야 하고, 2차배합 후, 1시간 이내 타설 완료되고, 타설 완료된 유동성채움재는 4시간 압축강도가 0.05 MPa 이상이고 28일 압축강도가 1.0 MPa(2.1 MPa) 이하가 된다.

상기와 같이 1차배합물과 2차배합물로 2차에 걸쳐 배합을 하는 이유는 유동성과 급결성을 확보하기 위한 것이다.

즉, 유동성채움재의 유동성과 급결성은 동전의 양면과 같은 정반대 성격으로, 유동성이 크면 급결성이 작아지고, 유동성이 작으면 급결성이 커진다. 따라서, 유동성은 현장에서 시공과정에 30분 미만의 짧은 시간 범위로 유동성을 확보하는 것이고, 유동성 확보를 통해 포설이 완료되면, 그 즉시, 응결이 되고 경화가 진행되어야 한다, 즉, 급결성을 발휘해야 하고, 이에 따라 반듯이 현장에서 2차 배합을 통해 타설하는 순간의 짧은 시간에 유동성을 일으키고, 포설완료 후 즉시, 응결과 경화가 진행되어야 하며, 포설 후 4시간의 측정에서 0.05 MPa 이상의 강도를 확보할 수 있다.

고유동 콘크리트에 사용되는 잔골재는 미립분을 많이 포함하고 있고, 미립분은 굳지 않은 콘크리트 상태에서 배합수의 이동을 구속하는 영향과 고체입자 사이의 접촉과 충돌에 따른 맞물림으로 변형에 저항하는 성질을 갖는다. 따라서, 0.08 mm 미만인 입자는 배합수의 이동을 구속하는 영향이 매우 크기 때문에 별도로 정의하였다. 입자 크기가 0.08 mm 이상인 잔골재에 비하여 0.08 mm 미만의 골재는 높은 흡수량으로 인해 물/시멘트비가 높아지는 단점이 있어서 배합에 특별히 관리를 해야 한다.

골재가 미분이 너무 많으면 물의 흡수량이 높아지고, 시멘트 사용량이 높아지며, 경제성에 불리하다.

특히, 폐석고보드 분말은 화학성분 중에서 SO3 함량이 60%를 넘으며, 보통포틀랜드 시멘트의 SO3 함량이 3% 미만으로 규정하는 것은, SO3가 시멘트의 응결지연 역할을 하기 때문이다. 따라서, 폐석고보드 분말은 SO3 함량이 60% 이상의 과도한 함량으로 인해 시멘트 응결지연이 발생할 수 있고, 이에 따라 폐석고보드 분말이 미립할 수록 응결지연 영향으로 인해, 타설 후 4시간 강도가 0.05 MPa 이상 발휘하기는 불리하다.

한편, 폐석고보드 분말의 입자가 너무 크게 되면, 예를 들어 5 mm 이상의 골재치수가 많아지면 골재 사이의 공극이 커서, 타설 후 4시간 강도가 0.05 MPa 이상 발휘하기는 불가능하다. 이에 따라 폐석고보드 분말의 입도 범위를 5mm 이하이며, 0.08mm 체눈 통과질량백분율이 30% 미만으로 조절하여 타설 후 4시간 강도가 0.05 MPa 이상 발휘되게 하였다.

상기 폐석고보드 분말은 폐석고보드를 파쇄 및 선별하고, 폐종이를 분리한 후 체에 걸러 만들어진다.

상기 폐석고보드 분말을 100% 사용한 유동성채움재를 조성할 때의 문제는 폐석고보드가 SO3 함량이 많아서 조기 강도 지연현상이 있는 문제가 있다. 이에 따라 폐석고보드 분말의 사용량을 줄여주게 되면 조기 강도 확보에 유리하다, 따라서, 스코리아 분말을 최대 50%비율로 대체하여 사용하게 되면 폐석고보드의 SO3 함량이 줄어들게 되어 조기 강도 발현에 유리할 뿐만 아니라, 폐석고보드 분말과 스코리아 분말은 혼합이 잘된다.

따라서, 폐석고보드 분말을 100% 사용하는 것이 바람직하고, 조기 강도 확보를 위해서, 스코리아 분말을 부분적으로 치환하여 사용하는 것도 바람직하다.

급속 시공 유동성채움재의 경우, 종래의 콘크리트 또는 일반적인 유동성채움채와 달리, 본 발명의 유동성채움재는 타설 후 4시간의 초조기 강도를 발현하기 위해서는 혼화재료의 사용이 필수적이다.

2차배합물에 사용하는 혼화재료로는 유동화제와 급결제가 있다.

상기 유동화제는 셀프레벨링과 셀프컴팩팅 기능을 할 뿐만 아니라 유동성을 20분에서 30분 정도로 지연시켜주는 지연제 역할을 담당한다.

상기 급결제는 분말형과 액상형이 있는데, 액상형 급결제는 실리케이트계 급결제, 알루미네이트계 급결제, 알카리프리계 급결제 등이 있다. 사용량은 시멘트질량의 1% - 20% 범위로 사용한다.

타설 후 4시간 강도가 0.05 MPa 이상 발휘하도록 시멘트의 응결을 촉진한다.

사용비율의 조정은 현장 여건에 따라 달라지는데, 매우 신속한 시공이 필요한 경우에는 사용량이 많아진다. 특히, 대기의 온도에 따라 사용량이 달라지는데, 계절에 따라 대기의 온도가 영하에서 영상 30도 이상 달라지기 때문에 대기온도가 시멘트의 응결에 큰 영향을 주고, 이에 따라 혼화재료의 사용범위는 대기 온도와 현장 여건에 따라 달리 사용하며, 대기온도가 낮을수록 사용량이 증가한다.

상기 유동화제와 급결제는 상반되는 반대 개념으로, 유동성이 크면 급결이 지연되고, 유동성이 작으면 급결이 빨라진다. 이에 따라 현장에서 시공에 적합한 유동성을 확보하기 위해서는 유동화제를 투입하고 최대 30분정도 유동성을 확보하면 된다. 즉, 유동성채움재를 타설하는 순간에만 유동성이 있으면 되기 때문에, 아주 짧은 시간에만 유동성이 있고, 이 사이에 타설이 완료되고, 타설이 완료된 후, 즉시 응결이 시작되고 경화가 시작되어야 한다.

따라서, 현장에서 유동화제를 통해서 30분 내외의 짧은 시간 동안 유동성이 확보되고, 타설 후에는 즉시 응결이 시작되기 위해서는 급결제가 필요하다.

유동화제의 역할을 유동성채움재의 타설 순간에 아주 짧은 시간동안에 유동성을 확보하는 역할을 한다.

상기 유동화제 또는 고성능AE감수제를 사용할 수 있다.

유동화제는 분산능력이 뛰어나고 골재분리가 적고, 동결융해 저항 및 공기연행제와도 혼화성이 우수한 나프탈렌계 고성능 유동화제 또는 폴리카르복실산계 고성능 유동화제를 사용한다.

사용량은 시멘트질량의 0.1%-10% 범위로 사용한다.

유동화제는 물의 사용량을 감소하고, 공기량을 증가시키며 특히, 시멘트의 응결을 지연시켜주는 역할을 한다.

현장에서 유동화제를 사용하면 최소 10분에서 30분 정도의 응결지연시간을 주게 된다. 급결제의 반응을 10분에서 30분 정도 늦추기 위해서 유동화제는 응결지연제 역할을 증가시킨 것을 사용한다. 따라서, 현장에서 2단계 비빔을 통해 유동성을 높인 경우 유동성의 지속시간이 10분에서 30분 정도를 유지하게 된다.

통상적으로 시멘트의 정상적인 응결은 초결과 종결시간을 거치고, 기후와 환경적인 조건에 따라 다르지만 일반적으로 시멘트의 초결은 1시간에서 3시간 정도 시간이 필요하고, 종결은 최대 10시간 까지의 시간이 필요하다.

이러한 통상의 정상응결을 이상응결 즉, 급격하게 가소성을 잃고 굳는 급결(flash setting) 상태로 만들어야 하고, 가용성 알루미나 성분이 많은 혼화재를 함유하고 있을 때 발생하는 현상으로, 혼화재로 급결제의 혼입에 따른 응결속도를 조절한다.

급결성과 경화속도를 빠르게 하기 위해서, 첫 번째로 입도조정을 하는 것으로, 골재의 입도를 0.08mm 통과량을 30% 미만으로 줄인다.

두 번째 조건은 물-시멘트비를 줄이는 것으로, 사용되는 물의 사용량을 유동화제를 사용하여 최소한의 범위로 줄인다.

세 번째 조건은 혼화제로 급결제를 사용하여 신속한 응결과 경화가 이루어지게 하는 것으로, 급결제를 사용하여 초결과 종결속도는 30분 이내로 최대한 빠르게 응결을 하고, 이어서 경화가 되도록 해야 4시간 및 1일 초기 강도가 확보하게 된다.

시공과정에서는 유동성이 있도록 타설 완료된 후에는, 비닐을 이용하여 덮어서 지열과 자체 수화열을 이용하여 온도를 높여준다, 온도가 높아지면, 응결과 경화가 촉진되어서 강도가 조기에 발현된다.

상기한 바와 같이 조성된 본 발명의 유동성채움재의 배합비율은 단위 체적 기준으로 시멘트 60 내지 300 kg/m³, 물 150 내지 700 kg/m³, 골재(산업부산물 또는 산업폐기물) 600 내지 1600 kg/m³, 유동화제 0.6 내지 30 kg/m³, 급결제 6 - 60 kg/m³인 것이 바람직하다.

또한 상기 골재는 주재료의 질량 대비 50% 범위 이내로 보조재료를 치환하여 사용하되, 보조재료는 스코리아분말, 하수슬러지, 재생잔골재, 폐유리분말, 폐도자기분말, 석분, 석분슬러지, 플라이애쉬, 레드머드 중 적어도 1개가 사용될 수 있다.

상기 보조재료는 반듯이 밀도가 2.5 g/㎤ 이하의 경량골재라야 한다. 만약 모래와 같이 밀도가 2.6 g/㎤ 이상 되면, 폐석고보드분말의 밀도가 2.1 g/㎤이라서 재료분리가 쉽게 발생된다. 따라서, 보조재료는 밀도가 2.5 g/㎤ 이하의 재료이어야 한다.

상기 보조재료는 상기한 바와 같이 다양한 것이 있으나, 바람직하게는 제주 스코리아(Scoria) 분말을 사용 한 것이고, 그 이유는 제주에서는 석산을 개발하게 되면 표층이 스코리아 층인데, 일정부분 스코리아가 산업부산물로 발생한다. 문제는 스코리아는 경량골재에 해당되어 일반적인 콘크리트 재료로는 사용하지 못한다. 건자재에 사용하는 경우에도 타일 제조에 일부분 사용한 사례가 있으나 높은 흡수율로 인하여 건자재에도 부적합하다. 따라서, 주 사용 용도가 조경용 골재로 사용하거나 화장품 원료로 사용한다. 발생량에 비하여 사용처가 매우 적고 대부분 매립에 이용되는 산업부산물에 해당된다.

한편, 스코리아 분말은 밀도가 2.05 g/㎤로 주 재료인 폐석고보드 분말과 밀도가 거의 같아서 재료분리 현상이 발생하지 않는 장점이 있고, 불순물이 적은 장점이 있다. 따라서, 폐석고보드 분말의 일정 부분을 대체하여 사용하면 초기 강도 확보에 매우 큰 장점이 있다.

그 이유는 폐석고보드 분말은 시멘트의 화학반응 지연제 역할을 하는 SO3 성분이 많은데 비하여 제주 스코리아 분말은 SO3 성분이 거의 없기 때문에 일정 부분 대체하여 사용한다면, 초기 강도 발현에 매우 효과적이다. 본 발명에 사용된 제주 스코리아 분말은 밀도가 2.05 g/㎤이고 적색의 스코리아 분말을 사용하였다. 시멘트와 혼합이 되면 따뜻한 흙질감을 나타내는 장점이 있다.

도 3은 폐석고보드 분말과 스코리아 분말의 사진이다.

실시예

실험 개요

(1) 실험 목표

(압축강도 기준)

타설 후 4시간 압축강도가 0.05 MPa 이상(보행이 가능한 정도)

타설 후 1일 강도가 0.15 MPa 이상 (차량통행 가능한 정도)

타설 후 28일 강도가 1.0 MPa(2.1 MPa) 이하(인력(기계)에 의한 재굴착이 가능한 정도)

(유동성 기준)

200mm이상(200mm이상을 고유동성으로 정의함)

(150mm이하 저유동성, 150~200mm 중간유동성, 200mm 이상 고유동성)

(블리딩률 기준)

3% 이하(3 % 이상은 재료분리 현상 발생)

강도와 유동성 및 블리딩률을 모두 만족하는 폐석고보드 미분말을 사용한 CLSM 배합비

(2) 시험 방법(유동성채움재에 대한 국내 기준이 없어서 국내외 기준에 준하여 시험함)

(유동성 시험)

ASTM D 6103 : Standard Test Method for Flow Consistency of Controlled Low Strength Materials에 준하여 실시함

(블리딩률 시험)

KS F2433 : 주입 모르타르의 블리딩률 및 팽창률 시험방법에 준하여 시험합

(압축강도 시험)

KS L 5105 : 수경성 시멘트 모르타르의 압축 강도 시험 방법에 준하여 실시함

(배합)

1. 폐석고보드 분말의 균질한 분포를 위해 물+폐석고보드 분말의 혼합을 1분 30초(30초 저속+1분 고속)간 프리믹싱한 후 시멘트를 첨가하여 1분 30초(30초 저속 + 1분 고속)간 혼합

2. 유동화제 및 급결제는 별도로 투입한 후 1분 30초(30초 저속 + 1분 고속)간 혼합

(3) 재료분석

① (페석고보드 분말)

폐석고보드 분말 특성을 분석하기 위하여 한국산업표준에 따라 평가를 실시하였다.

폐석고보드 분말은 화학분석 결과 응결 반응에 기여하는 CaO 함량이 28.8%로 나타났으나, SO3 함량이 65.2%로 응결지연 영향이 상당히 높을 것으로 판단함

콘크리트용 모래의 품질기준은 밀도 2.5 g/㎤ 이상, 흡수율 3% 이하, 0.08mm 통과율 5% 이하인데, 폐석고보드 분말의 품질은 콘크리트용 잔골재의 품질기준과는 완전히 상이한 것을 알 수 있다.

폐석고보드 분말은 KS F 2324 「흙의 공학적 분류 방법」에 따라 분류한 결과 실트질 모래(SM)으로 분류 되었으며, 0.08mm 통과율이 37.1%로 나타나 미립분 함량이 높은 것으로 측정됨. 폐석고보드 분말의 연경도(consistency)는 비소성(N.P)으로 측정되었다. 0.08mm 통과 미립분의 함량에 따라서 흙의 공학적 성질이 크게 달라진다. 폐석고보드 분말은 0.08mm 통과율이 37.1%로 비표면적이 매우 크고 흡수량도 매우 커서 조기강도 발현 및 고유동성 확보에 치명적인 단점이 된다. 따라서, 해결방법으로 폐석고보드 분말 제조시에 0.08mm 통과량을 대폭 낮추어야 할 필요가 있다.

② (시멘트)

폐석고보드 분말의 응결성을 확보하기 위해 결합재로 보통포틀랜드시멘트(OPC)를 사용하였으며, 물리적 화학적 특성은 표 4와 같음. CaO가 61.7%로 응결에 관여하고, SiO2가 2.1%로 장기강도에 관여하며, 응결지연 영향을 주는 SO3 는 2%로 구성됨.

③ (보조재료 스코리아분말)

(4) 실험 자료

실험 목표는 유동성채움재 타설 후 4시간 압축강도가 0.05 MPa(보행가능 시) 이상, 1일 압축강도 0.15 MPa(교통개방 시) 이상이고, 28일 장기압축강도가 1.0 MPa (2.1 MPa)(기계굴착) 이하 인 배합임.

유동성채움재 타설시에는 고유동성을 유지하도록 물의 량과 유동화제의 사용량을 결정하는 것임

① 기본배합(단위 : kg/m³)

기본배합은 보통시멘트+물+폐석고보드분말을 혼합하여 단위체적당의 비율을 나타낸 것이다. 강도와 유동성 및 블리딩률이 확보되는 시멘트, 물, 폐석고보드 분말의 비율을 나타낸 것이다. 이 기본배합은 4시간 압축강도는 측정이 불가능 하고 1일 압축강도 기준도 만족하지 못한다.

이러한 기본배합을 기준으로 초속경시멘트, 유동화제와 급결제를 사용하여 물의 비율을 줄여서 초기 4시간 강도를 확보하는 비율을 알고자 하였다.

② 초속경시멘트를 사용하고 + 물의 사용량을 대폭 줄인 경우(단위 : kg)

물의 사용량을 대폭 줄이고 초속경시멘트와 유동화제를 사용하는 경우에 4시간 강도 측정이 가능하였다. RC150A00 시편이 0.072 MPa 이고, RC150A02 시편이 0.084 MPa 로 측정되었다. RC150A02 시편에 사용된 유동화제는 시멘트질량의 2%를 사용한 것이다.

유동화제는 고성능의 AE감수제조강형을 사용하였는데, 물의 사용량이 대폭 줄어드는 경우에는 4시간 강도가 확보되었다. 물의 사용량이 최소가 되도록 하는 것이 중요하다.

③대조구 1(단위 : kg)

대조구로 주 소재로 모래를 사용하였다.

4시간 압축강도가 RC50W300 시편이 0.104 MPa 이고, RC50W250 시편이 0.136 MPa로 측정되었다. 강도 기준을 만족하고 있지만 아래 그림 2와 같이 블리딩수가 대량 발생하였다. 그 이유는 모래의 밀도가 2.6 g/㎤이기 때문에 물과 모래의 높은 밀도 차이로 인해 콘크리트 타설 후에 재료분리가 발생하는 치명적인 문제가 나타났다.

대조구를 통해서 알 수 있는 것은 모래는 높은 밀도에 의해 유동성채움재로 부적합하다는 것이다.

④ 대조구 2(단위 : kg)

모래를 주 재료로 사용하고 급결제를 사용하는 경우이다.

보통포틀랜드시멘트를 사용하고 급결제를 사용하는 경우에는 사용되는 시멘트의 량이 적기 때문에 4시간 강도가 나오지 않는다.

1일 압축강도를 측정한 결과는 C50A10 시편이 0.038 MPa 이고, C50A20 시편이 0.044 MPa 로 측정되었다.

기준강도인 0.05 MPa 미만으로 나타났으며, 블리딩수가 증가하여 재료분리현상이 나타났다. 급결제와 유동화제가 반응을 하기 위해서는 일정량 이상의 시멘트를 사용해야 하지만, 만약 시멘트의 사용량을 늘리게 된다면, 장기 강도가 높아져서 인력굴착이 불가능한 문제가 발생된다.

따라서, 모래를 사용하는 경우에는 오히려 유동성채움재로 부적합하다.

도 4 (a)에 도시한 바와 같이, 주 재료로 모래를 100% 사용한 경우, 물과 모래의 큰 밀도 차이로 인해 상단에는 물 하단에는 모래로 재료분리가 발생하는 현상이 발생한다.

⑤ 보통시멘트를 사용하고 + 급결제를 사용하는 경우(단위 : kg)

보통포틀랜드시멘트를 사용하고 급결제를 사용하였다.

급결제의 역할이 초기에 시멘트의 화학반응을 촉진하여 초기 4시간 이내에 시멘트의 응결과 경화를 발현하는 것이다. 급결제를 충분하게 공급하는 경우, 시멘트의 초기 화학반응이 빨라져서 4시간 강도 확보가 가능하였다.

4시간 압축강도 측정 결과는 C150W500 시편이 0.064 MPa 이고, C150W450 시편이 0.096 MPa 로 나타났다.

4시간 기준을 충분히 만족하는 것으로 나타났다.

유동성시험과 블리딩률시험도 기준치를 만족하는 것으로 나타났다.

⑥ 시멘트와 급결제의 사용량을 증가시킨 경우(단위 : kg)

보통포틀랜드시멘트를 사용하고 급결제를 변화시킨 경우에는 4시간 압축강도강도가 C200A10 시편이 0.072 MPa 이고, C200A20 시편이 0.172 MPa로 나타났다. 4시간 후 교통개방이 충분히 가능한 정도의 강도를 나타내었다.

유동성시험 결과도 만족을 하고 도 4의 (b)와 같이 블리딩수도 전혀 발생되지 않고 재료분리 현상도 없다는 것을 알 수 있다.

⑦ 폐석고보드분말의 입도를 조정한 경우(단위 : kg)

보통포틀랜드시멘트를 사용하고 폐석고보드분말의 입도를 조정한 경우, C150WG36 시편에서 (38%)는 0.08mm 통과량이 38% 인 시료를 사용한 것이고, C150WG19 시편에서 (19%)는 0.08mm 통과량이 19% 인 시료를 사용한 것이다.

4시간 압축강도가 C150WG38 시편이 0.144 MPa 이고, C150WG19 시편이 0.156 MPa로 나타났다. 4시간 후 교통개방이 충분히 가능한 정도의 강도를 나타내었다.

입도를 조정한 경우 초기 강도 발현에 유리한 것을 알 수 있다.

상기의 시험 결과로 판단하건데, 시멘트와 폐석고보드분말의 비율이 1 대 5에서 7의 범위이고 물의 비율도 1 대 2에서 4의 범위이며, 시멘트의 응결 경화작용이 초기에 발생하도록 급결제를 충분히 공급하면 보행가능 강도인 0.05 MPa 이상 발휘하는 것으로 나타났다. 상기의 배합비율을 기준으로 단위체적당의 질량을 계산하면 된다.

⑧ 보조재료를 스코리아 분말을 사용하는 경우(단위 : kg)

4시간 초기 강도 확보를 위해서 보조재료로 스코리아 분말을 사용하는 경우의 4시간 압축강도는 C150A10 시편이 0.056 MPa 이고, C150A20 시편이 0.156 MPa 로 측정되었다. 교통개방이 충분히 가능한 정도의 결과를 나타내었으며, 보조재료를 사용하여 시너지 효과가 있는 것을 알 수 있다.

유동성시험도 만족을 하고, 도 4의 (c)와 같이 블리딩수도 전혀 발생하지 않으며, 색상도 따뜻한 흙질감을 나타내어 현장 주변의 흙질감과 동일하고 현장 주변의 흙의 밀도와도 유사한 장점이 있다.

(5) 대표 배합 시험결과

보통시멘트와 급결제를 사용하는 경우, 배합표 C150W450 및 보조재료를 스코리아 분말을 사용하는 경우 배합표 C150A20 대한 시험 결과는 다음과 같다.

(6) 실험 결론

종전의 유동성채움재로 사용하는 모래와 흙에 대해서, 모래는 밀도가 2.6 g/㎤으로 높다. 배합에는 아무런 문제가 없으나, 운송과 타설과정에 높은 밀도 차이로 인해서, 모래는 하단으로 물은 상단으로 재료분리가 발생하는 문제가 있다. 재료적인 문제이기 때문에 해결하기 어렵다.

흙을 주 재료로 사용하는 경우에는 현장토의 종류와 특징이 다 달라서, 일정한 품질의 유동성채움재를 만들 수 없다. 특히, 현장에서 체가름을 통해 재료를 선별해야 하는데, 현장 여건상 불가능하다. 흙을 사용하는 것은 실용화가 안된다.

폐석고보드 분말을 사용하는 경우, 밀도가 2.1 g/㎤로 적당하고 유동성 확보 및 강도 발현에도 효과적이라, 특히, 장기강도가 1.0 MPa(2.1 MPa)(기계굴착) 이하가 유지되기 때문에, 저강도 유동성채움재로 적합한 재료이다.

보조재료로 스코리아 분말을 사용하는 경우 시너지 효과가 있어서, 더욱 우수한 품질을 나타내었다. 밀도와 색상도 현장토와 유사하여 경관 친화적이다.

시공이 완료된 후에는 유동성콘크리트의 밀도가 주변의 흙다짐 밀도와 유사한 장점으로 인해 주변 흙과 유동성채움재의 밀도 차이가 없는 연속성이 있는 장점이 있다.

Claims

유동성채움재 조성물에 있어서,
1차배합물은 시멘트, 물, 골재로 이루어지고,
2차배합물은 1차배합물, 유동화제, 급결제로 이루어지며,
셀프레벨링과 셀프컴팩팅 기능이 있고, 타설 후 3~5시간 경과 후 압축강도가 0.05 MPa 이상 발휘하고,
조성물의 배합비율은, 단위 체적 기준으로 시멘트 60 내지 300 kg/m³, 물 150 내지 700 kg/m³, 골재 600 내지 1600 kg/m³, 유동화제 0.6 내지 30 kg/m³, 급결제 6 - 60 kg/m³이며,
상기 골재는 폐석고보드 분말이고, 입도는 5mm 이하이며, 0.08mm 체눈 통과질량백분율이 30% 미만이며,
상기 유동화제는 사용하는 시멘트 질량 기준으로 시멘트의 0.1 내지 10%이고,
상기 급결제는 사용하는 시멘트 질량 기준으로 시멘트의 1 내지 20%이며,
상기 골재는 주재료의 질량 대비 50% 범위 이내로 보조재료를 치환하여 사용하되, 보조재료는 스코리아분말, 하수슬러지, 재생잔골재, 폐유리분말, 폐도자기분말, 석분, 석분슬러지, 플라이애쉬, 레드머드 중 적어도 1개인 것을 특징으로 하는 순환자원을 사용한 급속 시공 유동성채움재 조성물.
삭제
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삭제
삭제
제1항의 조성물로 이루어진 순환자원을 사용한 급속 시공 유동성채움재 시공방법에 있어서,
채움재 제조 공장에서 믹서기를 이용하여 1차배합물인 시멘트, 물, 골재를 배합하되, 1차배합물의 배합비율을 단위 체적 기준으로 시멘트 60 내지 300 kg/m³, 물 150 내지 700 kg/m³, 골재 600 내지 1600 kg/m³로 배합하는 1차배합단계;
1차배합물을 운반하는 단계;
레미콘이나 믹스트럭을 이용하여 운반된 1차배합물에 2차배합물을 배합하되, 2차배합물은 유동화제, 급결제로 이루어지고, 2차배합물의 배합비율을 단위 체적 기준으로 유동화제 0.6 내지 30 kg/m³, 급결제 6 - 60 kg/m³로 이루어지는 2차배합단계;
현장에 타설하는 타설단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 순환자원을 사용한 급속 시공 유동성채움재 시공 방법.