KR102144340B1 - 산업부산물을 이용한 고유동-저강도 채움재 조성물 - Google Patents

산업부산물을 이용한 고유동-저강도 채움재 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 산업부산물을 결합재 또는 골재로 이용하여 무다짐 충전이 이루어지는 고유동성과 재굴착이 가능한 저강도가 발현되는 지반 채움재 조성물에 관한 것이다.
전술한 과제 해결을 위해 본 발명은 「결합재, 골재 및 물이 포함되어 조성되되, 단위 결합재량 110~150㎏/㎥, 단위 잔골재량 1,390~1,480㎏/㎥ 및 물-결합재비 300~400wt% 이고, 재령 28일 압축강도 0.3~2.1MPa, 슬럼프 플로우 200~300㎜, 블리딩율 3% 미만 및 투수계수 10-4㎝/sec 이하의 물성이 발현되는 것을 특징으로 하는 고유동-저강도 채움재 조성물」을 제공한다.

Description

산업부산물을 이용한 고유동-저강도 채움재 조성물{High Flow-Low Strength Filler Composition Using Industrial Byproducts}
본 발명은 산업부산물을 결합재 또는 골재로 이용하여 무다짐 충전이 이루어지는 고유동성과 재굴착이 가능한 저강도가 발현되는 지반 채움재 조성물에 관한 것이다.
2012년 인천 지하철 2호선 공사장 함몰 사건, 2014년 석촌 지반침하 사건을 포함하여 싱크홀이 빈번하게 발생하고 있다. 도심에서 발생하는 싱크홀은 주로 지하 매설물의 파손이 원인이 되며, 폐갱 주변 지역에 도심지가 개발되면서 교통하중과 고정하중이 증가하는 순간에 발행하기도 한다. 따라서, 지하구조물의 뒷채움, 폐광 충전, 도로노반 성토, 관로 기초 성토 등의 각종 메움 작업 수요가 증가하고 있다.
기존의 메움 작업은 크게 토사/모래 되메우기 작업과 콘크리트/몰탈 되메우기 작업으로 구분할 수 있다.
토사/모래 되메우기 작업은 다짐 작업을 고려할 때 굴착토를 재활용하기 어려워 양질의 토사/모래를 적용해야 하고, 인력으로 다짐기를 사용하여 성토지반(충전지반)을 다지는 작업이 길어질 수 밖에 없으며, 그렇게 다져진 성토지반(충전지반)의 고른 다짐도를 보증할 수 없고, 물이 침투하여 연약해질 수 있다는 등의 문제가 있다.
콘크리트/몰탈 되메우기 작업은 버림 콘크리트나 몰탈을 사용하더라도 토사/모래에 비해 자재비가 크게 상승할 수 밖에 없어 경제성이 떨어지고, 콘크리트나 몰탈의 강도 발현에 의해 추후 재굴착 작업이 어렵게 되는 등의 문제가 있다.
따라서, 별도의 다짐 작업 없이 지하 공동부에 고르게 충전될 수 있는 높은 유동성과 시공후 지반 재굴착 등에 지장을 주지 않을 만큼 낮은 강도가 발현되며, 대량 사용에 유리한 경제성을 갖는 채움재(CLSM; Controlled Low Strength Material) 개발이 요구된다.
1. 특허등록 제0805676호 "건설현장 잔토의 재활용이 가능한 고유동성 무다짐 유동화처리토 제조방법" 2. 특허등록 제1356619호 "광산 폐기물 및 친환경고화재를 활용한 저강도, 고유동성 광산 채굴적 충진재 조성물" 3. 특허등록 제1380326호 "저강도 및 초속경성을 갖는 유동화 되메움재용 고화재 조성물" 4. 특허등록 제1380327호 "저알칼리 저강도 및 초속경성을 갖는 유동화 되메움재용 고화재 조성물" 5. 특허등록 제1836372호 "순환유동층 보일러의 이산화탄소가 고정화된 비산재 및 바닥재를 포함하는 광산채움재 조성물" 6. 특허등록 제1903463호 "광산채움재 조성물 및 지반 안정재 조성물" 7. 특허등록 제1931903호 "다량의 free-CaO가 함유된 유동층상 보일러 바텀애시 및 플라이애시를 이용한 폐광산의 중금속 고화용 안정화재 조성물" 8. 특허등록 제1749831호 "레드머드와 미연탄소 고함량 플라이애쉬를 이용한 경량 지오폴리머 경화체 및 그 제조 방법" 9. 특허등록 제1146339호 "무다짐 무진동 기능성 유동화 채움재" 10. 특허 제0398076호 "바텀애쉬를 함유하는 고유동성 충전 조성물 및 이의제조방법" 11. 특허등록 제1788677호 "버텀애쉬를 활용한 고유동 저강도 채움재" 12. 특허등록 제0387105호 "비다짐 무침하 채움재, 그의 제조방법 및 그를 이용한 시공방법" 13. 특허등록 제1115950호 "유동성 뒤채움재 조성물 및 그 제조 방법" 14. 특허등록 제1235797호 "유동성과 재료분리 저항성을 갖는 경량성토재" 15. 특허등록 제1840470호 "중금속 용출이 없는 친환경 지반 그라우트재 및 이를 이용한 지반 그라우팅 공법" 16. 특허등록 제1223161호 "지반 치환용 고유동 저강도 콘크리트 조성물" 17. 특허등록 제0772637호 "지중 송전관로 및 개착식 전력구의 유동화 되메움재용고화재 조성물" 18. 공개특허 제2015-0103513호 "합성 제올라이트가 혼입된 저강도 고유동성 무시멘트 채움재 및 그 제조방법" 19. 특허 제1732118호 "발포성 개구부 채움재 및 시공방법" 20. 공개특허 제2010-0060928호 "석탄회를 첨가한 고유동성 유동화처리토의 제조방법"
본 발명은 아래 열거된 효과들에 의해 지하구조물의 뒷채움, 폐광 충전, 도로노반 성토, 관로 기초 성토 등의 각종 메움 작업에 폭 넓게 적용할 수 있는 채움재 조성물을 제공함에 그 목적이 있다.
1. 무다짐 충전 및 셀프 레벨링이 이루어지는 고유동성
2. 시공 후 재굴착이 용이한 저강도
3. 공정을 단순화하고 및 공기 단축에 기여하는 시공성
4. 친환경성 및 경제성
전술한 과제 해결을 위해 본 발명은 「결합재, 잔골재 및 물이 포함되며, 단위 결합재량 110~150㎏/㎥, 단위 잔골재량 1,390~1,480㎏/㎥ 및 물-결합재비 300~400wt%이고, 상기 잔골재는 폐골재를 기반으로 조성되되, 상기 폐골재의 25~50vol%가 절건밀도 1.8g/㎤ 이상, 흡수율 2.0% 이하인 바텀애시 잔골재로 치환·혼합되어 있어, 재령 28일 압축강도 0.3~2.1MPa, 슬럼프 플로우 200~300㎜, 블리딩율 3% 미만, 투수계수 10-4㎝/sec 이하 및 경화체의 단위용적질량 2,000㎏/㎥ 이하의 물성이 발현되는 것을 특징으로 하는 고유동-저강도 채움재 조성물」을 제공한다.
상기 결합재는 OPC 기반으로 조성되되, 상기 OPC의 50wt% 이하가 플라이애시로 치환·혼합된 것을 적용하거나, 상기 OPC의 70wt% 이하가 순환유동층애시로 치환·혼합된 것을 적용할 수 있다. 또한, 슬래그시멘트 기반으로 조성되되, 상기 슬래그시멘트의 70wt% 이하가 순환유동층애시로 치환·혼합된 것을 적용할 수 있다.
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전술한 본 발명에 따르면 다음의 효과가 있다.
1. 재령 28일 압축강도가 0.3~2.1MPa이므로, 경화 후 재굴착이 용이하다.
2. 슬럼프 플로우 200~300㎜의 고유동성으로 진동 다짐 작업 없이 고른 충전이 가능하며, 자기 수평작용(self leveling)으로 수공성이 우수하다.
3. 동일 시공물량 기준으로 버림 콘크리트 또는 몰탈 되메우기 작업에 비해 공사 원가가 절감되고, 양질토 또는 모래 되메우기 작업에 비해 공사 기간이 크게 단축된다.
4. 단위용적질량 2,000㎏/㎥ 이하로 경량화되어, 시공편의성이 향상된다.
5. 블리딩율 3% 미만, 투수계수 10-4㎝/sec 이하로 균열 및 누수를 저감시킨다.
[도 1]은 본 발명의 기술적 위치를 종래기술과 대비하여 나타낸 것이다.
[도 2]는 1종보통포틀랜드시멘트와 플라이애시가 혼합된 결합재를 적용하여 도출되는 본 발명 채움재의 물성 시험결과를 정리한 그래프이다.
[도 3]은 1종보통포틀랜드시멘트와 순환유동층애시가 혼합된 결합재를 적용하여 도출되는 본 발명 채움재의 물성 시험결과를 정리한 그래프이다.
[도 4]는 슬래그시멘트와 순환유동애시가 혼합된 결합재를 적용하여 도출되는 본 발명 채움재의 물성 시험결과를 정리한 그래프이다.
[도 5]는 폐골재 기반으로 바텀애시 치환율에 따른 슬럼프 플로우, 블리딩율, 재령별 압축강도 및 경화체의 단위용적질량 시험결과를 나타낸 그래프이다.
[도 6]은 잔골재의 종류에 따른 동결융해 시험 결과 및 건조습윤 반복시험 결과를 나타낸 그래프이다.
본 발명은 「결합재, 잔골재 및 물이 포함되며, 단위 결합재량 110~150㎏/㎥, 단위 잔골재량 1,390~1,480㎏/㎥ 및 물-결합재비 300~400wt%이고, 상기 잔골재는 폐골재를 기반으로 조성되되, 상기 폐골재의 25~50vol%가 절건밀도 1.8g/㎤ 이상, 흡수율 2.0% 이하인 바텀애시 잔골재로 치환·혼합되어 있어, 재령 28일 압축강도 0.3~2.1MPa, 슬럼프 플로우 200~300㎜, 블리딩율 3% 미만, 투수계수 10-4㎝/sec 이하 및 경화체의 단위용적질량 2,000㎏/㎥ 이하의 물성이 발현되는 것을 특징으로 하는 고유동-저강도 채움재 조성물」을 제공한다.
본 발명은 [도 1]에 도시된 바와 같이, 본 발명은 지하구조물의 뒷채움, 폐광 충전, 도로노반 성토, 관로 기초 성토 등의 각종 메움 작업에 적용되는 종래의 양질토/모래 되메우기 작업과 버림 콘크리트/몰탈 되메우기 작업의 중간 지점에 위치하는 채움재 조성물에 관한 기술로서, 상기 채움재 조성물은 무다짐 충전을 위한 고유동성과 재굴착이 가능토록 하는 저강도 발현 물성을 확보하는 것이 중요하다.
상기 고유동성은 자기 충전 및 자기 수평 작용이 실현되는 슬럼프 플로우 200~300㎜을 목표로 하여 물-결합재비를 300~400wt%로 설정하되, 재료분리가 발생하지 않도록 하고 블리딩율을 3% 미만으로 억제하기 위해 다양한 실험을 통해 결합재 및 골재의 종류와 함량을 도출하였다.
상기 저강도는 재령 28일 압축강도 기준으로, 인력으로 가할 수 있는 압력인 50psi를 지지할 수 있는 0.3MPa 이상, 기계에 의해 가해지는 압력 300psi에 의해 파손되어 기계 굴착이 가능한 2.1MPa 이하 범위에서 발현되도록 설정하였다. 전술한 바와 같은 300~400wt% 범위의 물-결합재비, 이에 맞물린 단위 결합재량 110~150㎏/㎥ 수준의 소량의 결합재 및 굵은골재를 배제한 잔골재(입경 5㎜ 이하 골재)만의 적용 등으로 인해 압축강도가 낮게 발현된다.
또한, 본 발명에서는 상기 결합재 및 골재로 적용할 수 있는 산업부산물의 적합성을 검토하였다. 특히 화력발전소 부산물인 플라이애시 및 바텀애시, 열병합발전소 부산물인 순환유동층애시, 채석장, 시공 현장의 굴착 공사 등에서 발생한 폐골재 등의 활용 방안을 집중 검토하였다.
상기 플라이애시(Fly ash, 이하 'FA')는 화력발전소 보일러의 연소 가스로부터 집진기로 채취한 애시로, 포졸란(pozzolan) 물질이다. 알루미나(Al2O3)와 실리카(SiO2)가 주성분이며, 이들은 OPC의 수화반응으로 생성되는 수산화칼슘과 화합한다.
아래 [표 1]은 1종보통포틀랜드시멘트(이하, 'OPC')와 FA의 중량비를 9:1 내지 1:9로 조성한 결합재를 적용하고, 단위수량을 440㎏/㎥으로 정량화한 상태에서 물-결합재비에 맞추어 결합재량을 조절하고, 잔골재량을 적정범위에서 조절한 시험예들의 배합을 나타낸 것이다. 잔골재로는 전량 폐골재를 적용하였다.
Figure 112019107644310-pat00001
아래 [표 2]는 위 [표 1]의 각 시험예들의 슬럼프 플로우, 재령별 압축강도 및 블리딩율 시험 결과를 정리하여 나타낸 것이다.
Figure 112019107644310-pat00002
모든 실시예에서 슬럼프 플로우 200~300㎜ 및 블리딩율 3% 미만은 충족되었으나, 플라이애시 치환율이 50wt%를 초과하는 실시예(O3F7, O1F9)에서는 모든 물-결합재비에서 재령 28일 강도가 0.3MPa에 이르지 못하였다([도 2] 참조).
이에 본 발명의 결합재에는 OPC 기반으로 조성되되, 상기 OPC의 50wt% 이하를 플라이애시로 치환·혼합한 것을 적용할 수 있다.
한편, 상기 순환유동층애시는 순환유동층 보일러에서 채취한 애시로, Free CaO와 SO3 등의 성분이 다량 함유되어 있어 통상적으로는 초기발열 및 반응 생성물에 의한 부피팽창 등으로 경화체의 균열이 문제된다. 그러나 본 발명은 결합재량이 적고 물-결합재비가 높아 위의 부피팽창 등의 문제가 없으며, 오히려 본 발명 채움재의 경화가 촉진된다.
아래 [표 3]은 OPC와 순환유동층애시(Circulating fluidized bed combustion ash, 이하 'CA')의 중량비를 9:1 내지 1:9로 조성한 결합재를 적용하고, 나머지 조건은 위의 [표 1]과 동일하게 설정한 시험예들을 나타낸 것이다.
Figure 112019107644310-pat00003
아래 [표 4]는 위 [표 2]의 각 시험예들의 슬럼프 플로우 및 재령별 압축강도 시험 결과를 정리하여 나타낸 것이다.
Figure 112019107644310-pat00004
모든 실시예에서 슬럼프 플로우 200~300㎜ 및 및 블리딩율 3% 미만은 충족되었으며, CA 치환율이 70wt%에 이르기까지 모든 물-결합재비에서 재령 28일 강도가 0.3MPa을 초과하였다([도 3] 참조).
물-결합재비를 300%로 설정한 경우는 CA 치환율이 90wt%인 실시예(O1C9)도 재령 28일 강도가 0.3MPa을 초과하나, 물-결합재비 300~400% 범위를 전체적으로 고려할 때 본 발명의 결합재에는 OPC 기반으로 조성되되, 상기 OPC의 70wt% 이하를 CA로 치환·혼합한 것을 적용하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 CA가 슬래그의 잠재수경성을 활성화시키는 점을 고려하여 아래 [표 5]와 같이 고로슬래그 미분말(이하 'GGBS')과 CA의 중량비를 9:1 내지 1:9로 조성한 결합재를 적용하고, 나머지 조건은 위의 [표 1]과 동일하게 설정한 시험예들에 대한 슬럼프 플로우 및 재령별 압축강도를 측정하였으나, 아래 [표 6]에 나타난 바와 같이 모든 시험예에서 블리딩율 3%를 초과하고 재령 28일 압축강도가 0.3MPa을 넘지 못해 상기 GGBS 기반의 결합재는 본 발명에 부적절한 것으로 판단된다.
Figure 112019107644310-pat00005
Figure 112019107644310-pat00006
다만, 아래 [표 7]과 같이 슬래그 시멘트(이하 'SC')와 CA의 중량비를 9:1 내지 1:9로 조성한 결합재를 적용하고 나머지 조건은 위의 [표 1]과 동일하게 설정한 시험예들에 대한 슬럼프 플로우, 재령별 압축강도 및 블리딩율 측정 결과, [표 8]에 나타난 바와 같이 모든 시험예에서 슬럼프 플로우 200~300㎜ 및 블리딩율 3% 미만이 충족되고, 순환유동층애시 치환율이 70wt%에 이르기까지 물-결합재비에서 재령 28일 강도가 0.3MPa을 초과하였다([도 4] 참조).
Figure 112019107644310-pat00007
Figure 112019107644310-pat00008
이에 본 발명의 상기 결합재에는 슬래그시멘트 기반으로 조성되되, 상기 슬래그시멘트의 70wt% 이하가 순환유동층애시로 치환·혼합된 것을 적용할 수 있다.
한편, 건식 바텀애시는 외측 단면부가 오픈셀(Open cell)의 다공질 구조로 형성되어 있어 경량이면서 흡수율이 높고 경도가 강하고 물리적 특성이 우수해 성토재, 보조기층, 뒷채움재 등의 골재로 활용가능하다. 이에 본 발명에서는 바텀애시 잔골재 적용을 위한 시험을 실시하였다.
KS F 4570에서는 "프리캐스트 콘크리트용 바텀애시 잔골재"의 물성을 절건밀도 1.5g/㎤ 이상, 흡수율 10% 이하로 규정하고 있으나, 본 발명의 각 시험에 적용된 바텀애시 잔골재는 보령 화력발전소에서 수득한 것으로서, 절건밀도가 1.86g/㎤으로 높고, 흡수율은 1.93%로 매우 낮다.
Figure 112019107644310-pat00009
다만, 위와 같은 바텀애시 잔골재의 과량 사용은 슬럼프 플로우 저하의 원인이 되므로 본 발명에서는 폐골재를 기반으로 적용하되, 상기 폐골재를 바텀애시 잔골재로 치환할 수 있는 범위를 시험을 통해 도출하였다.
아래 [표 10]은 폐골재를 기반으로 바텀애시 잔골재를 25~75vol% 치환 적용한 시험예들의 배합표이다.
Figure 112019107644310-pat00010
[도 5]는 폐골재 기반으로 바텀애시 치환율에 따른 시험예별로 (a) 슬럼프 플로우, (b) 블리딩율, (c) 재령별 압축강도 및 (d) 경화체의 단위용적질량 시험결과를 나타낸 그래프이다.
[도 5]에 도시된 바와 같이 위 [표 10]에 나타난 모든 시험예에서 블리딩율 3% 미만, 재령 28일 압축강도 0.3~2.1MPa 기준이 충족되며, 단위용적질량은 2,000㎏/㎥ 이하로 나타났다. 상기 단위용적질량은 바텀애시 잔골재 치환율이 높을수록 작아짐을 알 수 있다.
그러나 바텀애시 잔골재가 50vol% 치환 적용된 경우까지는 슬럼프 플로우가 200㎜를 상회하지만, 75vol% 치환 적용된 경우 슬럼프 플로우값이 급격히 저하된 것이 확인된다. 따라서, 본 발명의 잔골재는 폐골재를 기반으로 조성되되, 경화체의 경량화를 위해 상기 폐골재의 50vol% 이하가 바텀애시 잔골재로 치환·혼합된 것을 적용할 수 있다.
잔골재에 바텀애시를 혼입한 경우의 내구성 파악을 위해 위의 [표 10]에 나타난 결합재량(SC 55㎏/㎥, CA 55㎏/㎥), 단위수량(440㎏/㎥) 조건을 동일하게 한 상태에서 1) 잔골재 전량(1459㎏/㎥)을 폐골재로 적용한 실시예(PL), 2) 잔골재 40vol%를 바텀애시로 치환한 실시예(B40), 3) 잔골재 25vol%를 순환잔골재로 치환한 실시예(R25) 및 4) 잔골재 25vol%를 석분으로 치환한 실시예(D25)에 대해, 삼축압 투수시험, 동결융해 시험 및 건조습윤 반복시험을 실시하였다.
상기 B40, R25, D25의 내구성을 비교한 이유는 이들의 재령 28일 압축강도가 약 0.6MPa로 유사하게 나타나기 때문이다.
아래, [표 11]은 삼축압 투수시험 결과를 정리한 것이다. B40는 R25와 함께 투수계수가 가장 작게 나타나, 관로 기초 등 누수 방지가 필요한 지역에 유리하게 적용할 수 있을 것으로 판단된다.
Figure 112019107644310-pat00011
[도 6]에 나타난 동결융해 시험 결과와 건조습윤반복 시험 결과를 통해서도 B40의 내구성이 가장 우수함을 확인할 수 있다.
이상에서 본 발명에 관하여 구체적인 실시예와 함께 상세하게 설명하였다. 그러나 위의 실시 예에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 요지를 벗어남이 없는 범위에서 수정 또는 변형될 수 있다. 따라서 본 발명의 청구범위는 이와 같은 수정 또는 변형을 포함한다.
해당없음

Claims (5)

  1. 결합재, 잔골재 및 물이 포함되며,
    단위 결합재량 110~150㎏/㎥, 단위 잔골재량 1,390~1,480㎏/㎥ 및 물-결합재비 300~400wt%이고,
    상기 잔골재는 폐골재를 기반으로 조성되되, 상기 폐골재의 25~50vol%가 절건밀도 1.8g/㎤ 이상, 흡수율 2.0% 이하인 바텀애시 잔골재로 치환·혼합되어 있어,
    재령 28일 압축강도 0.3~2.1MPa, 슬럼프 플로우 200~300㎜, 블리딩율 3% 미만, 투수계수 10-4㎝/sec 이하 및 경화체의 단위용적질량 2,000㎏/㎥ 이하의 물성이 발현되는 것을 특징으로 하는 고유동-저강도 채움재 조성물.
  2. 제1항에서,
    상기 결합재는 OPC 기반으로 조성되되, 상기 OPC의 50wt% 이하가 플라이애시로 치환·혼합된 것을 특징으로 하는 고유동-저강도 채움재 조성물.
  3. 제1항에서,
    상기 결합재는 OPC 기반으로 조성되되, 상기 OPC의 70wt% 이하가 순환유동층애시로 치환·혼합된 것을 특징으로 하는 고유동-저강도 채움재 조성물.
  4. 제1항에서,
    상기 결합재는 슬래그시멘트 기반으로 조성되되, 상기 슬래그시멘트의 70wt% 이하가 순환유동층애시로 치환·혼합된 것을 특징으로 하는 고유동-저강도 채움재 조성물.
  5. 삭제
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