KR102138008B1 - 건조 모르타르 조성물 및 이를 이용한 압밀 그라우팅 공법 - Google Patents

건조 모르타르 조성물 및 이를 이용한 압밀 그라우팅 공법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 압밀 그라우팅(Compaction Grouting) 공법용 건조 모르타르 조성물 및 이를 이용한 압밀 그라우팅 공법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 발전소에서 배출되는 폐유동사를 골재로서 사용함으로써 골재를 순환자원으로 대체할 수 있고 현장에서 품질관리가 용이한 압밀 그라우팅 공법용 건조 모르타르 조성물 및 이를 이용한 압밀 그라우팅 공법에 관한 것으로, 활용이 미흡한 발전소 폐유동사를 골재로 대량 활용할 수 있고 건식 포장 형태로 현장에 납품되어 현장에서 물만 부어 사용이 가능하기 때문에 품질관리가 용이한 장점이 있고, 또한 골재를 얻기 위하여 천연자원을 훼손하지 않아도 되는 유리한 효과도 있다.

Description

건조 모르타르 조성물 및 이를 이용한 압밀 그라우팅 공법{MORTAR AGENT AND COMPACTION GROUTING METHOD THEREBY}
본 발명은 압밀 그라우팅(Compaction Grouting) 공법용 건조 모르타르 조성물 및 이를 이용한 압밀 그라우팅 공법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 발전소에서 배출되는 폐유동사를 골재로서 사용함으로써 골재를 순환자원으로 대체할 수 있고 현장에서 품질관리가 용이한 압밀 그라우팅 공법용 건조 모르타르 조성물 및 이를 이용한 압밀 그라우팅 공법에 관한 것이다.
일반적으로 재료를 충진해 연약지반을 개량하는 그라우팅공사는 시멘트 밀크 및 화학약품을 주입하는 약액주입공법, 굴착지반에 자갈 등 골재를 매입하는 현장타설 골재말뚝 공법, 슬럼프가 낮은 모르타르를 충진하는 압밀 그라우팅(Compaction Grouting) 공법 등이 있는데, 수직압 및 수평압과 동하중을 가장 잘 견딘다고 평가되는 압밀 그라우팅(Compaction Grouting) 공법이 다수 현장에 적용되고 있는 추세이다.
압밀 그라우팅(Compaction Grouting) 공법의 시공은 개량대상 지반에 소정 심도까지 천공기를 이용해 구멍을 파낸 직후 저유동성 모르타르를 고압펌프를 이용해 주입하면서 인발하는 방법으로서, 연약한 지반에 결합재로서 1종 시멘트를 사용하고 골재로서 마사토와 석분 등을 사용하여 물과 현장에서 혼합한 저유동성 모르타르를 충진하는 공법이다.
하지만, 상기 시멘트의 경우 석회석, 점토, 철광석을 원료로 하고 수입 유연탄을 연료로하여 1,450℃의 고온에서 열분해하여 제조되는 제품으로서 제조공정상 이산화탄소를 다량 발생시키며, 유한한 천연자원을 다량 소모해서 생산하므로 친환경적이지 않은 문제점을 가지고 있다.
또한, 상기 골재 중 세골재로 사용되는 마사토와 조골재로 사용되는 석분은 천연자원을 훼손하여 인공적으로 제조한 골재로서 친환경적이지 않으며, 연약지반 개량 현장 인근에 골재원이 없는 경우 원재료를 구하기 어려운 측면이 있다.
또한, 저유동 모르타르 압밀 주입재는 소정의 점성과 강도로 지반 보강 효과를 충실히 발현하도록 제조되어야 하므로, 구성 재료가 현장에서 정량 계측되어 투입되어야 한다.
그러나 마사와 석분은 덤프트럭 등을 이용하여 미포장 상태로 현장 반입되므로 정확한 중량으로 투입하는 것에 어려움이 있으며, 상기 재료들이 불균질한 습윤상태로 반입되기 때문에 현장에서 혼합 시 유동성 조절에 어려움이 있었다.
또한 종래에는 골재를 얻기 위하여 천연자원을 훼손해야 하는 문제가 있었다.
특허출원 제10-2010-57366호 특허출원 제10-2010-33929호 특허출원 제10-2014-0036802호 특허출원 제10-2012-0119770호 특허출원 제10-2014-0036763호
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 발전소에서 폐유동사를 골재로서 사용하여 골재를 순환자원으로 대체할 수 있는 건조 모르타르 조성물 및 이를 이용한 압밀 그라우팅 공법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 현장에서 물만 부어 사용이 가능하여 품질관리가 용이한 압밀 그라우팅 공법용 건조 모르타르 조성물 및 이를 이용한 압밀 그라우팅 공법을 제공함에 있다.
위와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 의한 압밀 그라우팅 공법용 건조 모르타르 조성물은 0.01∼10mm 입도로 조정된 발전소 폐유동사 100중량부에 대하여, 고로슬래그 미분말 5∼300중량부; 및 1종 포틀랜드 시멘트 1∼100중량부;를 포함한다.
또한 상기 발전소 폐유동사 100중량부에 대하여, 석고 5∼100중량부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한 상기 석고는 천연 무수석고, 페트로 코크스 탈황석고, 인산석고 및 불산 석고 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한 상기 발전소 폐유동사 100중량부에 대하여, 플라이애시 5∼200중량부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한 상기 플라이애시는 석탄, 고형연료, 유기성 슬러지 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 연료로 하는 발전소에서 배출된 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 압밀 그라우팅 공법은 (1) 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 의한 압밀 그라우팅 공법용 건조 모르타르를 제조하는 단계; (2) 상기 압밀 그라우팅 공법용 건조 모르타르에 물을 투입 후 혼합하여 습식 모르타르를 제조하는 단계; (3) 주입관을 지반에 근입하는 단계; 및 (4) 주입펌프로 상기 습식 모르타르를 주입관을 통해 지반 내에 주입하여 구근을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따르면, 활용이 미흡한 발전소 폐유동사를 골재로 대량 활용할 수 있고 건식 포장 형태로 현장에 납품되어 현장에서 물만 부어 사용이 가능하기 때문에 품질관리가 용이한 장점이 있다.
또한 골재를 얻기 위하여 천연자원을 훼손하지 않아도 되는 유리한 효과도 있다.
이하, 본 발명에 의한 압밀 그라우팅 공법용 건조 모르타르 조성물 및 이를 이용한 압밀 그라우팅 공법에 대하여 구체적으로 설명한다.
본 발명에 의한 압밀 그라우팅 공법용 건조 모르타르 조성물은 0.01∼10mm 입도를 갖는 보일러 폐유동사 100중량부에 대하여 고로슬래그 미분말 5∼300중량부 및 1종 포틀랜드 시멘트 1∼100중량부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 폐유동사는 석탄, 일반고형연료(SRF, Solid Refuse Fuel), 바이오고형연료(BIO-SRF, Biomass-Solid Refuse Fuel), 유기성 슬러지로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 연료로 사용하는 발전소에서 배출된다.
발생하는 회분의 영향으로 유동층 연소기 및 가스화기내에서 유동사의 표면 융점이 저하되어 융착에 의한 응집이 진행된다. 이는 연료 중 알카리 성분, 주로 칼륨과 나트륨이 응집작용의 원인으로 작용하며, 또한 유동사의 실리카 성분과 함께 저융점 규산염을 형성함으로써 응집반응을 일으키는 것으로 확인된다.
회분이 형성하는 용융점은 연료에 따라 다르며, 주로 칼륨 및 나트륨 등의 알칼리 성분을 다량 함유한 고형연료로부터 형성된 재는 비교적 낮은 용용온도를 갖는다. 즉, 연료에 알칼리계 저비점 금속이 존재하는 경우 보일러 내 응집현상이 발생한다. 이러한 응집현상은 슬래깅과 파울링 현상을 유도하여 보일러의 열전달 효율을 감소시키는 것으로 알려져 있다.
따라서, 유동층 내 알칼리 금속에 의한 응집이 발생한 후 주기적인 정비를 진행하지 않으면, 최종적으로 비유동화가 발생하고 공정 운전이 중단되는 현상이 발생한다.
따라서 폐유동사 표면은 나트륨 및 칼륨 성분이 함유된 저융점 규산염 형태로 존재한다. 나트륨, 칼륨 화합물은 고로슬래그 미분말 및 시멘트와 반응시 급결을 일으킬 수 있어 1∼2시간 정도의 이동시간 필요한 레미콘 등의 골재로는 활용이 어렵지만 현장에서 발로 물만 부어 지중에 주입하는 그라우팅재의 골재로서는 급결을 일으킬 수 있는 매우 탁월한 효과를 발휘할 수 있다.
또한, 발전소 폐유동사는 융착 현상이 발생하여 배출되기 때문에 응집된 큰 덩어리 형태로도 존재할 수 있지만 입도를 0.01∼10mm로 조정할 경우 기존 압밀 그라우팅 공법에 사용되는 마사토나 석분을 대체할 수 있는 골재 기능을 수행할 수 있다.
상기 고로슬래그 미분말은 한국공업규격(KS)에 따라 제조된 제품으로 시중에서 유통되는 통상적인 제품을 사용한다. 고로슬래그 미분말은 발전소 폐유동사 100중량부에 대하여 5∼300 중량부 포함되는 것이 바람직하다. 5중량부 미만이면 소정의 강도를 발현할 수 없으며, 300중량부를 초과하여 혼입될 경우에는 골재로서 작용하는 폐유동사의 양이 상대적으로 감소하여 작업성이 확보되지 않는다.
상기 1종 포틀랜드 시멘트는 초기강도를 증진시키기 위하여 시중에서 유통되는 일반적인 제품을 사용하면 된다. 시멘트는 발전소 폐유동사 100중량부에 대하여 1∼100중량부 포함되는 것이 바람직하다. 1중량부 미만이면 초기 강도를 발현할 수 없으며, 100중량부를 초과하여 혼입될 경우에는 경제성이 불합리하고 6가 크롬 등이 용출될 수 있어 친환경적이지 못하다.
또한 강도를 증진시키기 위해 상기 발전소 폐유동사 100중량부에 대하여, 석고 5∼100중량부 더 포함한다. 상기 석고는 천연 무수석고, 페트로 코크스 탈황석고, 인산석고 및 불산 부산석고 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물이다. 상기 석고는 CaO 함량이 30∼70중량%이고 SO3 함량이 10∼60중량%을 포함한다. 상기 석고는 발전소 폐유동사 100중량부에 대하여 5∼100중량부 혼합되는 것이 바람직한데, 5중량부 미만일 경우 그 효과가 발휘되지 못하고 100중량부 초과일 경우 고로슬래그미분말과 반응하지 못한 석고 성분이 다량 존재하여 오히려 강도를 크게 저하시킨다.
또한, 상기 발전소 폐유동사 100중량부에 대하여 플라이애시 5∼200중량부를 더 포함하는 것이 바람직하다. 상기 플라이애시는 석탄, 고형연료, 유기성 슬러지 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 연료로 하는 발전소에서 배출된 것이 바람직하다. 플라이애시는 모르타르 내부에 존재하는 잉여수량 흡착 및 점성을 증가하는 역할을 수행하여 재료분리를 억제할 수 있다. 또한 고운 미분말 형태의 플라이애시 혼입에 의해 모르타르의 배관 이송 시 폐유동사의 마찰에 의해 배관 마모를 감소시킬 수 있는 장점이 있다.
상기 플라이애시는 발전소 폐유동사 100중량부에 대하여 5∼200중량부를 더 포함하는 것이 바람직하다. 5중량부 미만일 경우 그 효과가 발휘되지 못하고 200중량부를 초과할 경우 상대적으로 분체량이 증가하여 유동성이 급격하게 저하된다.
이하 본 발명에 의한 공법의 단계에 대해 설명한다.
(1) 상기 방식으로 압밀 그라우팅 공법용 건조 모르타르를 제조하는 단계; (2) 상기 압밀 그라우팅 공법용 건조 모르타르에 물을 투입 후 혼합하여 습식 모르타르를 제조하는 단계; (3) 주입관을 지반에 근입하는 단계; 및 (4) 주입펌프로 상기 습식 모르타르를 주입관을 통해 지반 내에 주입하여 구근을 형성하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 (1)단계에서는 공장에서 각 원료들을 정량 혼합하여 건조 모르타르 형태로 제품을 생산하여 현장에 지대, 톤백 또는 벌크 형태의 포장 단위로 공급한다. (2)단계에서는 공장에서 제조하여 공급된 건조 모르타르에 물을 투입 후 혼합하여 습식 모르타를 제조한다. 따라서 종래 공법과 같이 현장에서 골재로서 마사토 및 석분을 별도 혼합할 필요가 없이 현장에서 물만 투입 후 사용이 가능하여 공기 단축 및 품질 관리가 용이하다 할 수 있다.
이하에서 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예들이 기술되어질 것이다. 또한 이하의 실시예들은 본 발명을 예증하기 위한 것으로서 본 발명의 범위를 국한하는 것으로 이해되어져서는 아니된다.
비교예
먼저, 압밀 그라우팅공법 표준시방서에 따라 세골재로서 0.02㎜∼1.5㎜의 입도분포를 가진 점토성 실트질 토사 50중량부에 조골재로서 1.5㎜∼10㎜의 입도분포를 가진 석분 50중량부를 골재로 구성하고, 상기 골재 100중량부에 대하여 1종 포틀랜드 시멘트 30중량부, 물 12중량부를 강제식 믹서로 균질하게 혼합하여 모르타르 혼합물을 제조하였다.
다음으로 제조된 시료를 이용하여 슬럼프 시험을 실시하였고, 압축강도 측정용 공시체를 제작하여 재령별 압축강도를 측정하였다.
실시예 1
먼저, 골재로서 0.01㎜∼10㎜의 입도분포를 가진 발전소 폐유동사 100중량부에 대하여 고로슬래그 미분말 20중량부, 1종 포틀랜드 시멘트 10 중량부를 분체 리본 믹서로 균질하게 혼합하여 건조 모르타르 혼합물을 제조하였다.
상기 건조 모르타르 혼합물에 물을 12중량부 혼합하여 강제식 믹서로 혼합하여 습식 모르타르를 제조하였고, 다음으로 제조된 시료를 이용하여 슬럼프 시험을 실시하였고, 압축강도 측정용 공시체를 제작하여 재령별 압축강도를 측정하였다.
실시예 2
먼저, 골재로서 0.02㎜∼5㎜의 입도분포를 가진 폐유동사 100중량부에 대하여 고로슬래그 미분말 20중량부, 1종 포틀랜드 시멘트 10 중량부, 천연 무수석고 5중량부, 플라이애시 5중량부를 분체 리본 믹서로 균질하게 혼합하여 건조 모르타르 혼합물을 제조하였다.
상기 건조 모르타르 혼합물에 물을 12중량부 혼합하여 강제식 믹서로 혼합하여 습식 모르타르를 제조하였고, 다음으로 제조된 시료를 이용하여 슬럼프 시험을 실시하였고, 압축강도 측정용 공시체를 제작하여 재령별 압축강도를 측정하였다.
압밀 그라우팅 공법용 주입 모르타르의 성능시험방법 및 결과
아래 표 1에 나타낸 바와 같이 슬럼프 시험은 KS F 2402(콘크리트의 슬럼프시험방법), 압축강도시험은 KS F 2405(콘크리트의 압축강도시험방법)에 의해 실시하였다.
실험 방법 명칭
슬럼프 플로우 KS F 2402 콘크리트의 슬럼프 시험방법
압축강도 KS F 2405 콘크리트의 압축강도 시험방법
재료분리 정도 육안검사
체적변화 육안검사
(1) 슬럼프 시험 결과
실시예와 비교예의 슬럼프를 측정한 결과를 표 2에 나타내었다. 실시예와 비교예의 단위 결합재 중량과 배합수의 중량, 그리고 골재의 중량이 동일함에도 불구하고 실시예의 모르타르 조성물의 슬럼프가 높게 나타났다. 이는 동일 슬럼프를 내기 위해 단위 수량 절감이 가능하다는 것을 의미하므로 종래 공법에서 사용된 마사토 및 석분에 비해 순환 유동층 보일러 바텀애시를 사용한 경우 강도 향상 및 수축 저감에 효과적임을 나타낸다.
실시예 1에 천연 무수석고와 미분탄 보일러 플라이애시를 사용한 실시예 2의 경우 실시예 1에 비해 슬럼프는 약간 더 높게 나타나 미분탄 보일러 플라이애시의 사용은 유동성 개선에 더욱 효과적임을 알 수 있다.
슬럼프 및 압축강도 측정 결과
구분 슬럼프(㎜) 압축강도(MPa)
재령 3일 재령 7일 재령 28일
비교예 45 10.7 17.3 22.9
실시예 1 50 13.8 23.6 29.1
실시예 2 60 11.3 26.1 30.3
(2) 일축압축강도 시험성과
표 2에 실시예 및 비교예의 일축압축강도 실험결과를 나타내었다.
상기의 표 2와 같이 실시예 1 및 2의 경우 비교예에 비하여 초기 및 장기 강도 모두 높게 발현되었으며, 이는 발전소 폐유동사가 기존 압밀 그라우팅 공법에 사용되는 석분이나 마사토에 비해 강도 발현에 유리하다는 것을 의미한다.
(3) 기타
실시예와 비교예 모두 모르타르 혼합 후 재료분리는 발생하지 않아 현장 시공성을 보장 할 수 있었으며, 압축강도 공시체를 제작하여 캐핑(capping) 하기 전 체적 변화를 육안으로 관찰한 결과, 1일 경과후 시간 후 실시예는 팽창성에 의해 수축 발생량을 보상하고도 체적이 증가하였으나, 비교예는 체적 수축이 발생함을 육안으로 확인할 수 있었다.

Claims (6)

  1. 0.01∼10mm 입도로 조정된 발전소 폐유동사 100중량부에 대하여,
    고로슬래그 미분말 5∼300중량부;
    1종 포틀랜드 시멘트 1∼100중량부; 및
    플라이애시 5∼200중량부;를 포함하며,
    상기 발전소 폐유동사는 석탄, 일반고형연료(SRF, Solid Refuse Fuel), 바이오고형연료(BIO-SRF, Biomass-Solid Refuse Fuel), 유기성 슬러지로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 연료로 사용하는 발전소에서 배출되고,
    상기 발전소 폐유동사의 표면은 나트륨 및 칼륨 성분이 함유된 저융점 규산염 형태로 존재하고,
    상기 플라이애시는 석탄, 고형연료, 유기성 슬러지 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 연료로 사용하는 발전소에서 배출된 것을 특징으로 하는 압밀 그라우팅 공법용 건조 모르타르 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 발전소 폐유동사 100중량부에 대하여, 석고 5∼100중량부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압밀 그라우팅 공법용 건조 모르타르 조성물.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 석고는 천연 무수석고, 페트로 코크스 탈황석고, 인산석고 및 불산 석고 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압밀 그라우팅 공법용 건조 모르타르 조성물.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. (1) 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 의한 압밀 그라우팅 공법용 건조 모르타르를 제조하는 단계;
    (2) 상기 압밀 그라우팅 공법용 건조 모르타르에 물을 투입 후 혼합하여 습식 모르타르를 제조하는 단계;
    (3) 주입관을 지반에 근입하는 단계; 및
    (4) 주입펌프로 상기 습식 모르타르를 주입관을 통해 지반 내에 주입하여 구근을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 압밀 그라우팅 공법.
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