KR102148949B1 - 환경친화적 지반 강화 토양 고화제를 이용한 토양 고화방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 환경친화적 지반 강화 토양 고화제 조성물에 관한 것이며, 구체적으로는 자연 토양과 조화되는 인체에 무해한 환경 친화적인 지반 강화 토양 고화제 조성물 및 이를 이용한 지반의 고화방법에 관한 것이다.
본 발명은 「생석회, 석회석 및 무수석고 중 어느 하나 이상으로 이루어진 제1성분, 플라이애시 및 고로슬래그 미분말 중 어느 하나 이상으로 이루어진 제2성분 및 규사분, 실리카흄, 견운모, 흑운모 및 메타카올린 중 어느 하나 이상으로 이루어진 제3성분을 포함하는 무기결합재 100중량부; 사과산 또는 구연산 중 어느 하나 이상의 성분으로 이루어진 유기산 80~100중량부; 갑각류 껍데기 미분말 10~30중량부; 염화나트륨 10~20중량부; 및 카제인 1~10중량부; 를 포함하는 환경친화적 지반 강화 토양 고화제 조성물」을 제공한다.

Description

환경친화적 지반 강화 토양 고화제를 이용한 토양 고화방법{Solidifying method of ground using environmentally friendly ground reinforcement soil solidifying composition}

본 발명은 환경친화적 지반 강화 토양 고화제 조성물에 관한 것이며, 구체적으로는 자연 토양과 조화되는 인체에 무해한 환경 친화적인 지반 강화 토양 고화제 조성물 및 이를 이용한 지반의 고화방법에 관한 것이다.

일반적으로 지반의 보강은 흙, 모래 등의 토양에 시멘트와 물을 혼합하여 경화시킴으로써 이루어지는데, 토질이나 목표로 하는 지반 강도를 고려하여 시멘트에 첨가물을 섞은 혼합 토양고화제를 토양에 섞기도 한다.

상기 시멘트계 고화제는 마사토처럼 부식물의 함량이 적고, 토양의 입자가 큰 것을 고화시키는데 유리하지만, 부식물을 많이 포함한 토양이나 입자가 작은 토양, 유분을 포함한 토양은 좀처럼 굳지 않는 문제가 있으며, 또한, 시멘트계 고화제는 중금속등이 함유되어 있어 대량의 시멘트를 사용하여 토질강도를 올리고 있었기 때문에 중금속에 의한 토양오염, pH상승 등에 따른 하천, 지하수 등의 오염을 피할 수 없어 2차 피해의 문제가 있다.

토양의 고화와 관련한 선행기술을 예로 들면 특허문헌1에 석회 0.1 ~ 1.0중량%, 염화칼슘 0.2 ~ 2.0중량%, 황산나트륨, 0.05 ~ 0.5중량%, 리그닌술폰산 0.01 ~ 1.0중량% 및 석고 0.5 ~ 2중량%로 이루어진 제1혼합물과 시멘트 90.0 ~ 97.6중량%, 플라이애시 1.0 ~ 2.5중량% 및 고로 슬래그 0.5 ~ 1.5중량%로 이루어진 제2혼합물을 혼합하여 이루어진 토양고화제를 개시하고 있으며, 특허문헌2에 산화칼슘(CaO) 함량이 35% ~ 70%이고 비표면적이 2,500 ~ 6,000cm²/g인 페트롤 코크스 소각잔재와, 액상화를 방지하고 강도를 발현하기 위하여 고로슬래그 미분말을 포함하는 것을 특징으로 하는 흙 고화재를 개시하고 있고, 특허문헌3에 슬래그 10 ~ 35중량%, 미생물배양액 5 ~ 20중량% 및 잔부로서 pH 12이상의 강알칼리수로 이루어지는 것을 특징으로 하는 슬래그 및 미생물을 이용한 토양고결제를 개시하고 있으며, 특허문헌4에 포틀랜드 시멘트 32 내지 38 중량부, 상기 고로슬래그 47 내지 53 중량부로 구성되고, 상기 첨가물은 황산나트륨 4 내지 6 중량부, 규산나트륨 4 내지 6 중량부, 소석회 4 내지 6 중량부로 구성되는 것을 특징으로 하는 고강도용 토양고화제를 개시하고 있으나 상기 선행기술 들은 고화제의 성분으로 모두 시멘트를 채용하고 있는 점에서 시멘트계 고화제의 문제점을 완전히 해결하지 못한 것으로 보인다.

본 발명의 출원인은 시멘트계 고화제가 갖는 문제점을 해결하면서 인체에 무해한 환경 친화적이고 부식물을 포함한 자연 토양과 융화하여 경화되게 한 지반 강화 토양 고화 조성물을 조성함으로써 본 발명을 완성하였다.

1. KR100124466 B 2. KR101200282 B 3. KR1020140101627 A 4. KR1020170132581 A

본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 환경친화적 지반 강화 토양 고화제 조성물 및 이를 이용한 토양의 고화방법에 관한 것이며, 보다 상세하게는 연약지반이나 현장 흙을 고결화하여 지반의 강도 및 지지력을 증대시키고 자연 토양과 조화되는 인체에 무해한 환경 친화적인 지반 강화 토양 고화제 조성물 및 이를 이용한 지반의 고화방법의 제공을 목적으로 하는 것이다.

전술한 과제 해결을 위해 본 발명은 「생석회, 석회석 및 무수석고 중 어느 하나 이상으로 이루어진 제1성분, 고로슬래그 미분말을 포함하는 제2성분 및 규사분, 실리카흄, 견운모, 흑운모 및 메타카올린 중 어느 하나 이상으로 이루어진 제3성분을 포함하는 무기결합재 100중량부; 사과산 또는 구연산 중 어느 하나 이상의 성분으로 이루어진 유기산 80~100중량부; 갑각류 껍데기 미분말 10~30중량부; 염화나트륨 10~20중량부; 및 카제인 1~10중량부; 를 포함하는 환경친화적 지반 강화 토양 고화제 조성물」을 제공한다.

상기 무기결합재로는,제1성분 20~30wt%; 제2성분 30~40wt%; 및 제3성분 30~40wt%; 를 포함하여 조성된 것을 적용할 수 있다.

또한 본 발명은 「(a) 상기 토양 고화제 조성물 100중량부 대비 함수비 10~15wt%의 토양 1,000~2,000중량부를 균일하게 혼합한 혼합토 조성 단계; 및 (b) 대상 지반에 상기 혼합토를 포설하고 가압 다짐하는 단계; 를 포함하는 토양 고화방법」을 함께 제공한다.

또한 본 발명은 「상기 (b)단계 실시로 형성된 가압 다짐면 위에, 염도 3.5~4.0wt%의 염수 100중량부, SB 라텍스 20~30중량부, 알파 올레핀 설포네이트 10~20중량부 및 프로필렌글리콜 10~20중량부가 포함되어 조성된 먼지억제제를 살포하는 (c)단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 토양 고화방법」을 함께 제공한다.

본 발명의 지반 내지 토양 고화제 조성물은 인체에 무해한 환경 친화적이면서 부식물을 포함한 자연 토양과 융화하여 경화되며, 중금속에 의한 토양오염, pH상승 등에 따른 하천, 지하수 등의 오염 등 2차 피해가 발생하지 않는 특징 내지 효과를 가지고 있다.

[도 1]은 본 발명에 따른 토양 고화제 조성물 사용 전·후의 토양 상태를 비교하여 나타낸 사진이다.

본 발명은 「생석회, 석회석 및 무수석고 중 어느 하나 이상으로 이루어진 제1성분, 플라이애시 및 고로슬래그 미분말 중 어느 하나 이상으로 이루어진 제2성분 및 규사분, 실리카흄, 견운모, 흑운모 및 메타카올린 중 어느 하나 이상으로 이루어진 제3성분을 포함하는 무기결합재 100중량부; 사과산 또는 구연산 중 어느 하나 이상의 성분으로 이루어진 유기산 80~100중량부; 갑각류 껍데기 미분말 10~30중량부; 염화나트륨 10~20중량부; 및 카제인 1~10중량부; 를 포함하는 환경친화적 지반 강화 토양 고화제 조성물」을 제공한다.

본 발명의 무기결합재는 3가지 성분군으로 조성된다.

제1성분은 생석회(CaO), 석회석(CaCO₃) 및 무수석고(CaSO₄) 중 어느 하나 이상으로 이루어진 것이다. 이러한 제1성분 물질은 수경성 물질로서 함수량이 많은 토양을 고화시키는데 효과적이며, 본 발명에 따른 고화 조성물은 토양에서 통상적으로 보유하고 있는 수분을 기본으로 하여 고화되는 것으로 이루어진다.

제2성분은 고로슬래그 미분말을 포함하는 분체 조성물이다. 상기 제2성분에는 플라이애시, 바텀애시 등의 애시류 분체를 포함시킬 수 있다.

고로슬래그 미분말은 SiO₂, Al₂O₃, CaO, MgO 등이 주성분으로 구성되어 있다. 고로슬래그 미분말은 물과 접촉시 바로 경화가 일어나지 않으며 자극제의 자극에 의해 경화가 일어나는 잠재수경성을 갖는다. 고로슬래그 미분말이 물과 접촉하게 되면 Ca²⁺ 이온이 용출되어 그 표면에 투과성이 나쁜 부정형의 ASH6 피막이 형성되며 그 피막으로 인해 고로슬래그 미분말 입자 속으로 물이 침투하지 못하며 또한 고로슬래그 미분말 입자의 다른 이온들의 용출이 억제되어 수화반응이 일어나지 않는다. 이때 알칼리성을 띠는 자극제를 첨가하게 되면 OH^- 이온이 고로슬래그 미분말에 흡착되면서 ASH6 피막이 파괴되고, SiO₂, Al₂O₃, CaO, MgO 등의 이온이 용출되어 경화반응이 일어나게 된다. 반응이 시작되면 Ca²⁺와 SiO₂ ^- 이온이 물과 반응하여 CSH 수화물을 형성하게 된다. 본 발명에서는 상기 제1성분이 고로슬래그 미분말의 잠재수경성을 자극하는 알칼리자극제 역할을 함께 수행한다.

제3성분은 규사분, 실리카흄, 견운모, 흑운모 및 메타카올린 중 어느 하나 이상으로 이루어진 것이다. 이러한 제3성분은 상기 제1성분의 수화반응에 의해 생성되는 수산화칼슘과의 포졸란 반응으로 수화물을 생성시킴으로써 전체 조성물의 강도 및 내구성을 향상시켜 준다. 상기 제2성분으로 첨가된 플라이애시도 상기 제3성분과 함께 포졸란 반응에 참여한다.

상기 무기결합재는, 제1성분 20~30wt%; 제2성분 30~40wt%; 및 제3성분 30~40wt%; 를 포함하여 조성하는 것이 바람직하다. 제2성분과 제3성분이 각각 30wt% 미만인 경우에는 제1성분의 상대적으로 과량이 되어 전체적인 강도발현이 충분치 않고, 상기 제2성분과 제3성분이 각각 40wt%를 초과하는 경우에는 제1성분이 상대적으로 소량이 되어 잠재수경성 자극 반응 및 포졸란 반응이 충분히 이루어지지 못하게 된다.

상기 유기산은 사과산 또는 구연산 중 어느 하나 이상의 성분으로 이루어진 것으로서, 토양입자 사이에 균일하게 스며들어 흙 입자를 피복하여 토양병해를 방지하고 또 토양미생물의 영양원으로 작용하여 토양에 미생물을 증가시켜 지반을 고화하는 작용과 함께 비산의 우려가 있는 토양의 표면을 경화하여 풍해를 방지하는 작용을 수행한다.

상기 사과산은 사과, 포도 등 천연과일에 함유되어 있는 것이고, 구연산 역시 과즙 속에 유리상태의 산으로 함유되어 있는 것이므로 상기 사과산과 구연산으로 조성된 유기산은 토양 오염에 대한 우려가 없으며, 이러한 사과산과 구연산의 조성비는 특별히 제한되지 않는다.

이러한 유기산이 토양에 혼입된 상태에서 수분을 공급받으면 상기 유기산이 토양 입자에 코팅되면서 토양 입자간의 결합력이 떨어진다. 이 상태에서 전압에 의한 압밀이 가속되어 토양이 단단하게 굳게 되므로 연약지반을 개량하여 지지력을 향상시키는 효과를 얻을 수 있게 된다.

또한, 상기 유기산에 의해 굳은 지표면은 그 질감이 부드러우며, 표면 온도 상승이 억제되고, 지표면의 미생물이 증가하게 된다.

이러한 유기산은 상기 무기결합재 100중량부 대비 80~100중량부 혼합하는 것이 적정하다. 상기 유기산이 상기 무기결합재 100중량부 대비 80중량부 미만인 경우에는 토양 입자 코팅 효과가 충분치 않으며, 무기결합재의 100중량부 대비 100중량부를 초과하는 경우에는 상기 결합재 각 성분의 반응 작용에 필요한 수분이 부족할 수 있다.

상기 갑각류 껍데기 미분말은 게, 새우 등의 껍데기를 분말상으로 분쇄한 것이다. 이러한 갑각류 껍데기 미분말에 함유되어 있는 키토산은 갑각류 외골격 및 소정 균류의 세포벽 구조 성분인 키틴의 탈아세틸화 키틴형태로 천연 고분자 다당류이며, 상업적으로 쉽게 입수될 수 있다. 또한, 키토산은 물 여과시 중금속 응집제로 사용되며 포름알데히드 및 악취를 흡착하는 것으로 알려져 있다.

이에 따라 상기 갑각류 껍데기 미분말은 토양의 유기성분과 친화성이 좋아, 전술한 사과산 및 구연산과 병용함으로써 토양의 병해방지 및 토양의 응고작용을 보다 원활하게 하여 보다 상승된 토양 응고작용을 나타낸다.

상기 갑각류 껍데기 미분말은 상기 무기결합재 100중량부 대비 10~30중량부 첨가하는 것이 적정하다. 상기 갑각류 껍데기 미분말이 상기 무기결합재 100중량부 대비 10중량부 미만인 경우에는 전술한 키토산, 키틴 등의 작용·효과가 충분치 않게 되며, 무기결합재 100중량부 대비 30중량부를 초과하는 경우에는 항균성능 및 항미생물 성능이 과도하여 유용한 토양미생물을 사멸시키게 될 우려가 있다.

상기 염화나트륨은 토양 입자가 전하에 의해 연결되는 것을 단절시키고, 또한 염화나트륨 자체가 동결 온도를 낮추는 작용을 하므로 결과적으로 지반의 압밀 성능을 향상시키고, 잡초의 번식을 억제시킬 수 있다.

상기 염화나트륨은 무기결합재 100중량부 대비 염화나트륨 10~20중량부 첨가하는 것이 적정하다. 상기 염화나트륨이 상기 무기결합재 100중량부 대비 10중량부 미만인 경우에는 전술한 지반 압밀 성능 향상 효과가 충분치 않게 되고, 20중량부를 초과하는 경우에는 유용한 토양미생물을 사멸시키게 될 우려가 있다.

상기 카제인은 미량의 당을 함유하는 인단백질의 하나로 젖단백질의 주성분이며, 건락소라고도 한다. pH 4.6부근에서는 물에 용해되지 않으며 이 성질로 인해 탈지우유를 약산성으로 했을 때 침전물이 생성된다. 또, 약전에 기재되어 있는 카제인은 100℃에서 건조시킨 것의 질소 함유량이 15.2~16.0%로 규정되어 있다. 이러한 카제인은 영양제, 에멀젼으로 소화력 시험, 마사지 크림 등에 사용된다.

이러한 카제인은 토양과 배합시 전체적인 유동성과 점착력을 증대시켜 토양으로부터 먼지의 비산을 억제하고 토양의 강도 발현에 기여하는 특징을 갖는다. 또한 석회와 반응하는 특성이 있어 상기 결합재의 제1성분으로 첨가된 석회 성분 중 물 또는 고로슬래그 미분말과 미반응한 물질과 반응하여 백화 현상을 제어하고 토양의 알칼리성을 낮춘다.

상기 카제인은 상기 무기결합재 100중량부 대비 1~10중량부 첨가하는 것이 적정하다. 상기 카제인이 상기 무기결합재 100중량부 대비 1중량부 미만인 경우에는 전술한 유동성 및 점착력 증대 효과가 미미하게 되며, 10중량부를 초과하는 경우에는 유동성이 과도하게 높아져 토양 입자의 압밀 효과에 부정적 영향을 미칠 수 있다.

또한 본 발명은 「(a) 전술한 토양 고화제 조성물 100중량부 대비 함수비 10~15wt%의 토양 1,000~2,000중량부를 균일하게 혼합한 혼합토 조성 단계; 및 (b) 대상 지반에 상기 혼합토를 포설하고 가압 다짐하는 단계; 를 포함하는 토양 고화방법」을 함께 제공한다.

상기 (a)단계에서의 토양은 시공 대상 지반에서 채취한 현장 토사로서, 황토, 점토, 마사토, 사질토 중 어느 하나 이상으로 조성할 수 있다. 토양의 종류, 채취 장소, 흙 입자의 입도, 압축강도, 흡수율 등에 따라 상기 토양 고화제 조성물의 혼합 비율을 달리 정할 수 있으나, 전술한 토양 고화제 조성물의 적정 성능 발현을 위해서는, 토양 고화제 조성물 100중량부 대비 토양 1,000~2,000중량부 범위 내에서 혼합하는 것이 바람직하다.

본 발명에서 제시된 토양의 함수비 10~15wt%는 습기를 머금고 있는 통상 수준의 토양 함수비로서, 토양에 대한 사전 작업 없이 곧바로 상기 토양 고화제 조성물과의 혼합 작업을 실시할 수 있으나, 상기 토양 고화제 조성물의 양이 상대적으로 많은 경우에는 일정량의 물을 살포하면서 본 (a)단계를 진행시킬 수 있다.

상기 (b)단계는 대상 지반에 상기 혼합토를 포설하고 가압 다짐하는 단계이다. 상기 혼합토의 포설 및 가압 다짐 작업에는 그레이더, 불도저, 롤러, 램머, 콤팩터 등의 건설장비를 활용할 수 있다.

한편, 상기 (b)단계 실시로 형성된 가압 다짐면 위에는, 염도 3.5~4.0wt%의 염수 100중량부, SB 라텍스 20~30중량부, 알파 올레핀 설포네이트 10~20중량부 및 프로필렌글리콜 10~20중량부가 포함되어 조성된 먼지억제제를 살포하는 (c)단계를 추가로 실시할 수 있다.

본 (c)단계에서 살포되는 먼지억제제는 염수, SB 라텍스, 알파 올레핀 설포네이트 및 프로필렌글리콜이 포함되어 조성된 것이다.

염도 3.5~4.0wt%는 바닷물의 염도에 해당하므로 본 (c)단계에 적용되는 염수로는 바닷물을 적용할 수 있다. 상기 먼지억제제는 이러한 염수를 기반으로 제조된다.

상기 SB(Styrene-Butadiene) 라텍스는 무기질 재료와의 혼화성이 우수하여 콘크리트의 방수성, 내충격성 및 강도 향상을 위한 첨가제로 활용된다. 본 발명에서는 상기 SB 라텍스가 상기 (a)단계 및 (b)단계를 거쳐 포설된 혼합토 내의 무기결합재와의 점착되어 토양 표면을 보호하고 토양으로부터의 먼지 비산을 억제시킨다. SB 라텍스에 의한 효과 및 경제성을 고려하여 상기 염수 100중량부 대비 20~30중량부 혼합시키는 것이 적정하다.

상기 알파 올레핀 설포네이트는 음이온 계면활성제로서, 상기 먼지억제제를 분무식 또는 거품식으로 살포할 수 있도록 하며, 이는 대상물(토양)을 촉촉하게 할 뿐 상기 알파 올레핀 설포네이트에 의한 토양 물성의 변화는 발생하지 않는다. 상기 알파 올레핀 설포네이트는 전술한 효과 및 과량 사용시의 과도한 거품 발생 문제 등을 고려하여 상기 염수 100중량부 대비 10~20중량부 혼합시키는 것이 적정하다.

상기 프로필렌글리콜은 피막제로 적용되는 것이며, 상기 프로필렌글리콜에는 에틸알코올, 글리세린, 셀룰로오스에테르, 실리카졸, 액상규산나트륨, 액상규산캄륨, 리튬실리케이트, 액상폴리비닐알코올 및 액상변성아크릴레이트 중 어느 하나 이상을 혼합시켜 본 발명에 적용할 수 있다. 상기 프로필렌글리콜은 피막 효과 및 경제성을 고려하여 상기 염수 100중량부 대비 10~20중량부 혼합시키는 것이 적정하다.

아래에서는 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기로 한다. 다만 본 발명은 아래에서 설명하는 실시예에 의해 제한되지 않는다.

<실시예 1>

함수비 15wt%인 점성의 토양 2,000㎏에 대해 아래 [표 1]에 나타낸 조성 및 비율로 배합한 본 발명에 따른 토양 고화제 조성물 2㎏을 배합하여 교반하고, 롤러로 다짐한 후 2개월 자연 양생에 의해 압밀 구조의 개량 지반을 얻었으며, 본 발명 적용 전·후의 토양 상태를 비교하여 나타낸 사진을 [도 1]에 나타내었다.

[도 1]에 나타난 바와 같이 본 발명에 따른 토양 고화제 조성물을 지반 중에 첨가하여 고화시킨 압밀토에는 간극이 적고 토양 고화제에 의한 겔이 토입자 사이에서 밀도를 향상시키는 것을 확인할 수 있다.

<실시 예 2 및 실시 예 3>

함수비 12wt%인 고유기질토 2,000㎏에 대해, 아래 [표 2]에 나타낸 조성 및 비율로 배합한 본 발명에 따른 토양 고화제 조성물 1.5㎏을 배합하여 교반하고, 롤러로 다져 압밀 구조의 개량 지반을 얻었으며 고화된 토양의 압축강도를 측정하고 그 결과를 [표 2]에 함께 나타내었다.

해당없음

Claims (4)

1. 삭제
2. 삭제
3. 생석회, 석회석 및 무수석고 중 어느 하나 이상으로 이루어진 제1성분, 고로슬래그 미분말을 포함하는 제2성분 및 규사분, 실리카흄, 견운모, 흑운모 및 메타카올린 중 어느 하나 이상으로 이루어진 제3성분을 포함하는 무기결합재 100중량부; 사과산 또는 구연산 중 어느 하나 이상의 성분으로 이루어진 유기산 80~100중량부; 갑각류 껍데기 미분말 10~30중량부; 염화나트륨 10~20중량부; 및 카제인 1~10중량부; 를 포함하는 토양 고화제 조성물을 이용하는 토양 고화방법으로서,
   (a) 상기 토양 고화제 조성물 100중량부 대비 함수비 10~15wt%의 토양 1,000~2,000중량부를 균일하게 혼합한 혼합토 조성 단계;
   (b) 대상 지반에 상기 혼합토를 포설하고 가압 다짐하는 단계; 및
   (c) 상기 (b)단계 실시로 형성된 가압 다짐면 위에, 염도 3.5~4.0wt%의 염수 100중량부, SB 라텍스 20~30중량부, 알파 올레핀 설포네이트 10~20중량부 및 프로필렌글리콜 10~20중량부가 포함되어 조성된 먼지억제제를 살포하는 단계; 를 포함하는 토양 고화방법.
   
4. 제3항에서,
   상기 무기결합재는 상기 제1성분 20~30wt%; 상기 제2성분 30~40wt%; 및 상기 제3성분 30~40wt%를 포함하여 조성된 것을 특징으로 하는 토양 고화방법.

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