KR102226027B1

KR102226027B1 - 폐패각 친환경 그라우트재 및 지반 그라우팅 공법

Info

Publication number: KR102226027B1
Application number: KR1020200089114A
Authority: KR
Inventors: 문경주; 윤영랑
Original assignee: 주식회사 대웅; 주식회사 세기엔지니어링
Priority date: 2020-07-17
Filing date: 2020-07-17
Publication date: 2021-03-11

Abstract

본 발명은 지반 그라우트재 및 지반 그라우팅 공법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 대부분의 지반보강 공사에서 그라우트재로 사용되는 1종 포틀랜드 시멘트의 사용량을 감소시키기 위하여 폐패각과 제철소 부산물 등의 순환자원을 복합 활용한 지반 그라우트재 및 이를 이용한 그라우트 공법에 관한 것이다.
본 발명에 의한 지반 그라우트재는 입경이 0.01∼10mm로 조정된 폐패각 분말 100중량부에 대하여, 비표면적 3,500cm²/g 이상인 고로슬래그 미분말 10∼1,000중량부와, 제철소 탈황공정에서 부산물로 발생되는 중탄산나트륨 탈황 분진 10∼1,000중량부와, 1종 포틀랜드 시멘트 0.5∼500중량부를 포함한다.

Description

폐패각 친환경 그라우트재 및 지반 그라우팅 공법{SOIL GROUTING MATERIAL AND GROUTION METHOD USING THE SAME}

본 발명은 지반 그라우트재 및 지반 그라우팅 공법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 대부분의 지반보강 공사에서 그라우트재로 사용되는 1종 포틀랜드 시멘트의 사용량을 감소시키기 위하여 폐패각과 제철소 부산물 등의 순환자원을 복합 활용한 지반 그라우트재 및 이를 이용한 그라우트 공법에 관한 것이다.

토목 및 건축 구조물의 사용 중 터널공사 및 증축이나 리모델링, 용도변경, 하중증가 등으로 인해 차수 및 지반 보강이 필요한 경우가 자주 발생하게 된다.

이러한 문제들이 예상되는 지반을 개량하여 어떠한 목적물을 건설하는데 있어 차수 및 보강 등의 안전상의 문제점을 제거하기 위한 수단으로 연약지반 개량공법으로 그라우팅 공법이 이용된다.

그라우팅 시공시 약액 주입공법이란 연약지반 속에 시멘트 액과 같은 주입재를 펌프의 압력으로 주입하여 지반내의 공극이나 균열을 충전시켜 줌으로써 용수의 유출을 막거나, 또는 연약 지층을 뭉쳐 굳게 하여 지반의 붕괴를 억제하게 되며, 주입재로는 시멘트액, 모르타르액, 물유리액과 같은 약액 등이 사용된다.

따라서, 약액주입공법은 원래 유동성을 갖고 있지만 소정 시간 후에 고결시키는 것이 가능한 현택액형 및 용액형 약액을 지반 중에 주입하여 지반의 투수성을 감소시키고, 지반의 강도를 증대시킴으로써 변상방지 등의 복합적인 효과를 기대하는 지반개량 공법 중의 하나다.

일반적으로 사용되는 그라우팅용 약액주입공법에서는 주요 결합재로 시멘트를 사용하는데 시멘트는 지반의 강알칼리 및 6가 크롬에 의한 환경오염을 유발할 수 있고 수화반응 진행 시 과도한 체적 수축이 발생하는 문제점을 내포하고 있다.

특히 시멘트는 6가 크롬을 함유할 수 밖에 없는데 그 이유는 시멘트 킬른은 온도가 낮은 로의 전단부분에는 내화 점토질 벽돌이 사용되며, 온도가 높고 클링커의 마찰에 의한 마모와 반용융 상태의 클링커와 화학반응이 이루어지는 후단부분에는 마그네시아와 크롬이 함유된 마그-크롬질 벽돌이 사용되고 있다. 이 과정에서 이 마그-크롬질 내화벽돌에 함유된 크롬이 클링커가 생성되는 과정 중에 함유되는 것으로 알려지고 있다.

이러한 기존의 시멘트를 그라우팅용 주입재로 사용하는 문제점을 개선하기 위한 몇 가지 기술이 제시되고 있다. 예를 들면, 대한민국 등록특허 제10-0699430호에서는 시멘트를 주재료로 하고 혼화재로 벤토나이트와 분산제 및 지연제를 포함한 그라우트(A액)에 응집제인 황산알루미늄을 첨가해 블리이딩의 발생을 줄이는 기술과, 그라우트(A액)에 벤토나이트와 알루미늄 분말(B액)을 첨가해 알루미늄 분말과 시멘트의 화학작용으로 인한 발포효과를 이용해 팽창성을 부여하는 기술을 제시하였다.

그러나 이 기술에 제시된 벤토나이트 역시 국내에는 부존하지 않는 천연광물로서 전량 수입에 의존하고 있는 고가의 제품이며, 알루미늄 분말은 미립자이며 비중이 가벼운 특성 때문에 취급 중 비산으로 인해 사람이 흡입할 경우 치명적인 손상을 입을 우려가 있어 몰탈 등에 발포제로 사용할 경우에도 방진시설이 구비된 제한된 작업공간에서 취급해야하는 물질이며 비중이 가벼워 물과 혼합한 현탁액 제조 시 벤토나이트와 섞이지 않는 문제점이 발생 할 우려가 있다.

또한 대한민국 등록특허 제 10-0886220호 에서는 그라우트재(A액)로 포틀랜트 시멘트 또는 포틀랜트 시멘트와 고로슬래그 시멘트의 혼합물로 이루어지고, 급결제(B액)은 규산소다와 산성약액을 혼합하여 사용하는 기술을 제시하였다.

이 기술은 급결제로 사용하는 규산소다의 알칼리를 낮추기 위하여 산성용액을 혼합해 중화시키는 것이 기술의 요지이나, 포틀랜트 시멘트와 고로슬래그 시멘트의 혼합비율이 제시되지 않았으며, 시멘트를 주원료로 한다는 점에서 기존기술과의 차별성은 크지 않다고 판단된다.

또한 대한민국 등록특허 제 10-0834923호에서는 그라우팅 주입재로서 시멘트 모르타르를 사용하며, 모르타르는 물 배합비가 65∼70%이고 슬럼프는 5∼8㎝인 기술을 제시하였다. 일반적으로 시멘트 모르타르는 사용 용도가 미장용, 벽바름용, 방통용 등 그 종류가 다양하며 종류에 따라 그 배합조성이 다양한데 그라우트재로서 사용하는 모르타르의 조성이 정확히 제시되지 않아 그 기술의 명확성이 부족하다고 할 수 있다.

또한 대한민국 등록특허 제10-0804807호에서는 알루미네이트를 600∼700℃로 열처리하여 분말도가 4,500∼5,500㎠/g이 되도록 분쇄한 급결 성분 35∼65%, 칼슘 설포알루미네이트 분말 15∼30%, 무수석고 5∼15%, 반수석고 5∼15%, 황토분말 5∼15%, 반응조절제 3∼10%, 계면활성제 0.3∼1.0%로 구성된 급결재 조성물(A)과, 시멘트 미분말 50∼70%, 슬래그 미분말 30∼50%로 구성된 마이크로 시멘트 조성물(B)을 주입하는 기술을 제시하였다.

이 기술에서 제시한 마이크로 시멘트는 일반적으로 분말도가 6,000㎠/g 이상인 제품을 의미하며, 상당히 고가이기는 하나 원지반을 교란하지 않고 균열 부분만 주입하는 약액주입공법에서 미세균열을 충진하는 재료로 사용되는 것이 일반적이다. 또한 급결재(A액)의 경우 사용원료가 7종류이므로 실 사용을 위한 제품 제조상 많은 문제점이 있을 것으로 판단된다.

또한, 대한민국 등록특허 제 10-1402877호에서는 고로슬래그 미분말 55∼65중량%와 F급 플라이애시 10∼20중량%와 산화칼슘 함량이 20% 이상인 C급 플라이애시 10∼20 중량%와 탈황석고 2∼5중량% 및 제지슬러지 소각재 10∼20중량%를 혼합한 고로 슬래그를 이용한 친환경 에코 채움재 제조 기술을 제시하였다.

또한, 대한민국 특허 등록 제 2016-1631467호에서는 비표면적이 3,500∼8,000cm²/g인 고로슬래그 미분말 100중량부에 대하여, 칼슘 옥사이드(Calcium oxide) 함량이 50∼80중량%이고 설페이트 옥사이드(Sulfate oxide) 함량이 10∼40중량%이며 비표면적이 2,000∼8,000cm²/g인 페트로 코크스 연소시 발생되는 탈황 부산물 1∼200중량부와, 시멘트 5∼200중량부를 포함하는 결합재를 액상 규산소다와 함께 주입하는 그라우팅 약액 제조 기술을 제시하였다.

이러한 상기 기술 등은 고로슬래그 미분말을 페트로 코크스 연소 시 발생되는 탈황 공정의 부산물로 발생되는 석고에 의한 알칼리 및 황산염 자극으로 활성화시키는 알칼리 활성화 슬래그의 이론을 바탕으로 하고, 고칼슘 소각재를 팽창재로 활용하는 기술내용이다. 즉, 상기 특허들은 알칼리 활성화 슬래그의 강도발현과 고칼슘 소각재의 팽창성을 활용하여 지반을 조기에 안정시키는 기술이라 할 수 있다.

그러나 상기 기술 중 일부는 배합되는 원료의 종류가 5종류 이상이거나, 고가의 약품을 황산염 자극제로 활용하는 등 제조 공정의 복잡성 및 고가의 원재료비 소요 등의 사유로 현재 상업화되지 못하고 있는 형편이다.

한편, 패각(貝殼)은 패류(shellfish, 貝類)의 껍질로 패류를 출하할 때 대부분 제거한 후에 내용물만을 유통이 이루어지고 있고, 패류 집하장 등의 주변에는 이러한 패각이 폐기물로 쌓이게 된다. 이렇게 쌓인 폐패각은 환경오염의 원인이 되고 있다. 이에 따라 폐패각을 재활용하기 위한 다양한 기술이 개발되고 있다.

등록특허 제10-0464666호는 굴패각을 세척하여 염분을 제거하는 단계; 염분이 제거된 굴패각을 분쇄하는 단계; 분쇄된 굴패각을 소정의 입도로 분말화하는 분급단계; 굴패각 분말을 600℃∼900℃의 온도에서 연소시켜 이산화탄소를 제거함으로써 생석회(산화칼슘)를 생성하는 소성단계; 생석회 40∼60중량부, 플라이애쉬 4∼20중량부, 석고를 5∼20중량부, 고로슬래그 40∼60중량부를 배합비로 혼합하는 믹싱단계;를 포함하는 굴패각을 이용한 지반개량형 고화재 제조방법이고,

등록특허 제10-1169563호는 폐석고 분말 50-200중량부, 불가사리 분말 50-200중량부, 패각류 분말 50-100중량부, 및 점토광물 30-70중량부로 이루어진 무기계 폐수처리용 응집조성물이고,

등록특허 제10-1753823호는 굴패각을 열처리하는 단계, 열처리된 굴패각을 분쇄하여 슬러리를 제조하는 단계, 슬러리를 배기가스와 반응시켜 습식 탈황하는 단계, 그리고 습식 탈황 중 침전된 탈황 석고를 회수하는 단계를 포함하고, 열처리 단계는 굴패각을 800 내지 1500 ℃에서 0.25 내지 10 시간 동안 열처리하는 것인 굴패각을 습식 탈황에 이용하여 고품위의 탈황 석고를 생산하는 방법이며,

등록특허 제10-0993223호는 수세 처리된 패각류 등의 원료를 소성로에 투입하여 1300∼ 1500℃의 온도에서 20∼30분 동안 1차 소성하는 단계; 1차 소성된 상기 원료를 분쇄기에 투입하여 분쇄하는 단계; 분쇄된 원료 분말을 분리기에 투입하여 분리하는 단계; 분리된 미분 분말을 입상성형 조립기에 투입하여 고온수를 결착제로 사용하여 입상화 되도록 성형하는 단계; 성형된 입상 사료를 상기 소성로에 투입하여 900∼ 1000℃의 온도에서 10∼20분 동안 2차소성하는 단계; 2차 소성된 상기 입상 사료를 냉각시킨 후 상기 소성로에 재투입하여 900∼1000℃의 온도에서 10∼20분 동안 반복하여 3차 소성하는 단계; 및 3차 소성된 상기 입상 사료를 진동체에 투입하여 체가름하는 단계를 포함하여 이루어지는 패각 재활용 사료의 제조방법이다.

등록특허 제10-2109756호는 패각을 효과적으로 분쇄하여 배연탈황 원료를 생산할 수 있는 패각 분쇄 시스템을 이용하여 분말을 배기가스와 반응시켜 습식 탈황하는 단계 및 습식 탈황 중 침전된 탈황석고를 회수하는 단계를 포함하는 패각 분쇄 시스템 및 이를 이용한 고품위 탈황석고 생산 방법이다.

이와 같이 패각을 재활용하는 다양한 기술이 개발되고 있고, 이렇게 패각을 재활용하기 위해서는 패각을 전처리하는 기술과 기존 현장에서 사용되고 있는 제품 대비 저렴하게 생산할 수 있는 기술이 필요하지만, 전처리 공정 및 제품 제조 비용 시 과도한 비용이 투입되어 폐패각 처리비용에 비하여 재활용 비용이 과도하게 투입되고, 최종 생산된 제품이 기존 제품에 비하여 경제성이 불리하여 현재 상용화 되지 못하고 있는 실정이다.

대한민국 등록특허 제10-0699430호 대한민국 등록특허 제10-0886220호 대한민국 등록특허 제10-0834923호 대한민국 등록특허 제10-0804807호 대한민국 등록특허 제10-1402877호 대한민국 특허출원 제10-1631467호 대한민국 등록특허 제10-0464666호 대한민국 등록특허 제10-1169563호 대한민국 등록특허 제10-1753823호 대한민국 등록특허 제10-0993223호 대한민국 등록특허 제10-2109756호

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 연약지반 보강을 위한 그라우팅 공사에서 가장 널리 사용되는 1종 보통시멘트를 대체하기 위하여 폐패각과 제철소에서 발생되는 순환자원을 복합적으로 활용하여 연약지반 보강을 위한 그라우팅 공사에서 가장 널리 사용되는 1종 보통시멘트를 대체하여 중금속 용출이 없는 친환경 지반 그라우트재 및 이를 이용한 그라우팅 공법을 제공함에 있다.

위와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 의한 지반 그라우트재는 입경이 0.01∼10mm로 조정된 폐패각 분말 100중량부에 대하여, 비표면적 3,500cm²/g 이상인 고로슬래그 미분말 10∼1,000중량부와, 제철소 탈황공정에서 부산물로 발생되는 중탄산나트륨 탈황 분진 10∼1,000중량부와, 1종 포틀랜드 시멘트 0.5∼500중량부를 포함한다.

또한 상기 폐패각 분말 100중량부에 대하여, 발열제를 0.5∼500중량부 더 포함하며, 상기 발열제는 생석회, 경소 백운석 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물인 것이 바람직하다.

또한 상기 폐패각 분말 100중량부에 대하여, CaO 함량이 20중량% 이상인 팽창재를 0.5∼500중량부 더 포함하며, 상기 팽창재는 석유 코크스 연소 잔재물, 석탄 연소 잔재물, 제지슬러지 소각 잔재물, 고형연료 연소 잔재물 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물인 것이 바람직하다.

또한 유동성을 증진시키기 위하여 상기 폐패각 분말 100중량부에 대하여 액상 및 분말형 유동화제 0.01∼20중량부를 더 포함할 수 있다.

또한 수중 분리를 방지하기 위하여 상기 폐패각 분말 100중량부에 대하여 수중 불분리제 0.01∼20중량부를 더 포함할 수 있다.

또한 기공을 형성시키기 위하여 상기 폐패각 분말 100중량부에 대하여 기포제 또는 발포제 0.01∼20중량부를 더 포함할 수 있다.

또한 본 발명에 의한 지반 그라우트 공법은 1) 폐패각 분말, 고로슬래그 미분말, 제철소 중탄산나트륨 탈황 분진, 1종 포틀랜드 시멘트를 포함하는 지반 그라우트재를 제조하는 단계; 2) 상기 그라우트재 100중량부에 대하여 물을 50∼500중량부 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계; 3) 상기에서 제조된 상기 슬러리를 주입하여 공극을 충진 시키거나 토사와 혼합하는 단계; 4) 상기 충진된 슬러리 및 혼합토를 양생하는 단계;를 포함한다.

본 발명에 따르면, 폐패각 및 제철소 부산물을 등의 순환자원을 활용할 수 있고, 그로 인해 연약지반 그라우팅 공사에서 가장 널리 사용되는 1종 보통시멘트를 대체할 수 있는 효과가 있다.

이하, 본 발명에 의한 폐패각을 활용한 중금속 용출이 없는 친환경 지반 그라우트재 및 이를 이용한 지반 그라우팅 공법에 대하여 구체적으로 설명한다.

본 발명에 의한 친환경 지반 그라우투재는 입경이 0.01∼10mm로 조정된 폐패각 분말 100중량부에 대하여, 비표면적 3,500cm²/g 이상인 고로슬래그 미분말 10∼1,000중량부와, 제철소 탈황공정에서 부산물로 발생되는 중탄산나트륨 탈황 분진 0.1∼1,000중량부와, 1종 포틀랜드 시멘트 0.5∼500중량부를 포함한다.

상기 폐패각은 굴, 조개, 전복 등의 패류 채취 후 남는 껍데기로 패각에는 염분, 유기물 등이 일부 존재하지만 이를 제거하기 위해서는 많은 양의 물과 에너지가 필요하기 때문에 본 발명에서는 별도의 염분 및 유기물 제거 공정 없이 분쇄 과정만 거쳐 바로 사용하는 것이 바람직하다. 철근 콘크리트 등에 폐패각이 혼입될 경우에는 염분 및 유기물이 존재할 경우 철근 부식 및 강도 저하가 크게 일어날 수 있지만, 일반적으로 지중에 투입되는 그라우트재는 지반 공극을 충진시키거나 토사와 혼합하여 요구되는 강도가 대부분 3MPa 이하로 콘크리트 요구강도의 1/10 이하 수준의 저강도이며, 어차피 지중 토사 중에는 염분 및 유기물이 존재하는 경우가 많아 폐패각의 염분 및 유기물에 함유에 따른 큰 영향을 받지 않기 때문에 활용이 가능한 것이다.

상기 폐패각 분말은 탄산칼슘 성분이 90% 이상이며 본 발명의 그라우트재에서는 충진재 및 골재 역할을 수행할 수 있다. 상기 폐패각 분말은 입경이 0.01∼10mm로 조정되는 것이 바람직하다. 입경이 0.01mm 미만일 경우 분쇄비용이 과도하게 상승되어 경제성이 불리하고 입경이 10mm 초과할 경우 이송관이 막힐 우려가 있다.

상기 고로슬래그 미분말은 제철 고로 공정에서 부산물로 발생하는 고온 용융상태의 슬래그를 물로 급냉 처리한 부산물이다. 고로슬래그 미분말은 물과 접촉하면 비결정질 피막이 형성되어 스스로 수화반응을 하지 않기 때문에 고로슬래그 미분말을 잠재수경성물질이라 한다. 잠재수경성이 발휘되기 위해서는 비결정질 피막이 파괴되어야 한다. 고로슬래그 미분말은 비표면적 3,500cm²/g 이상의 일반적으로 시중에서 유통되는 제품이면 사용이 가능하다. 상기 고로슬래그 미분말은 폐패각 분말 100중량부에 대하여, 10∼1,000중량부 혼합되는 것이 바람직한데, 10중량부 미만일 경우 소요 강도 발현이 어렵고 1,000중량부 초과일 경우 상대적으로 폐패각 혼입율이 줄어들어 폐패각의 재활용율이 크게 저하된다.

상기 중탄산나트륨 탈황분진은 제철소의 소결 탈황 공정에서 배출되는 부산물로서, 중탄산나트륨을 배기가스 중에 투입하여 반응시키고 황화물 형태의 반응 결과물을 포집 수거하여 폐기 처분하는 것으로 이루어진다. 또한 중금속 용출을 억제하기 위해 활성탄을 중탄산나트륨과 같이 투입할 수도 있다.

화학식 1

2NaHCO₃(탈황제) + SO₂ + 1/2O₂ → Na₂SO₄(폐기물) + 2CO₂ + H₂O

탈황공정은 주어진 배기가스 온도에서 한정된 시간 내에 신속히 반응을 완결하여야 하는데, 중탄산나트륨은 95℃의 비교적 낮은 온도에서부터 탄산나트륨으로 열분해 되기 때문에 최적의 탈황제로 사용되고 있다.

화학식 2

2NaHCO₃ → Na₂CO₃ + CO₂ + H₂O

이러한 탈황공정에서 중탄산나트륨의 분말도가 높을수록 배기가스 중의 황 성분과의 반응 속도를 상승시킴과 더불어 배기가스 중의 유해한 중금속류들을 유효하게 흡착하여 대기 중으로 배출되는 배기가스를 청정하게 유지 관리하는 것이 가능해진다.

중탄산나트륨 탈황 분진은 상기와 같은 적정 반응을 통해 배출되었을 때 고로슬래그 미분말의 자극제로 활용이 가능하며 이때 중탄산나트륨 탈황 분진은 탄산나트륨 2∼40중량%, 황산나트륨 50∼88중량% 및 염화나트륨 1∼10중량%를 포함하는 것이 바람직하다.

그러나 상기와 같이 중탄산나트륨 탈황 분진은 고로슬래그 미분말의 자극제로 활용은 가능하나 염소 성분이 존재하여 철근과 같이 사용되는 레미콘 재료로는 활용이 어려울 뿐만 아니라 나트륨 성분이 높아 알칼리 골재 반응을 억제하기 위한 포틀랜드 시멘트의 나트륨 성분 총량 제한(Con'c 1㎥당 Na₂O 당량 3.0kg 이하) 때문에 골재가 사용되는 콘크리트용 결합재로는 사용이 어려운 실정이다.

상기 중탄산나트륨 탈황분진은 폐패각 분말 100중량부에 대하여 10∼1,000중량부 혼합되는 것이 바람직한데, 10중량부 미만일 경우 소요 강도 발현이 어렵고 1,000중량부 초과일 경우 상대적으로 폐패각 혼입율이 줄어들어 폐패각의 재활용율이 크게 저하된다. 본 발명의 중탄산나트륨 탈황 분진은 고로슬래그 미분말 혼입량 대비 약 1/2∼2 수준에서 자극제로서 강도 발현이 용이하다.

상기 1종 포틀랜드 시멘트는 고로슬래그 미분말의 알칼리 자극과 초기강도를 증진시키기 위해 사용된다. 상기 1종 포틀랜드 시멘트는 시중에서 일반적으로 유통되는 KS 제품이면 이용 가능하다. 상기 시멘트는 폐패각 분말 100중량부에 대하여 0.5∼500중량부 혼합되는 것이 바람직한데, 0.5중량부 미만일 경우 그 효과가 발휘되지 못하고 500중량부 초과일 경우 상대적으로 초기강도는 상승되나 육가 크롬 등 유해성분이 용출될 수 있고 경제성 또한 부족하다.

또한, 상기 폐패각 분말 100중량부에 대하여, 발열제를 0.5∼500중량부 더 포함하며, 상기 발열제는 생석회, 경소 백운석 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물인 것을 바람직하다. 상기 발열제는 물과 반응 시 100℃ 이상 고온의 열을 발생시켜 폐패각 및 지중 토사에 존재할 수 있는 수분과 유기물을 급속히 안정화 시키는 역할과 고로슬래그 미분말의 자극제 역할을 동시에 수행할 수 있다.

상기 발열제는 폐패각 분말 100중량부에 대하여 0.5∼500중량부 혼합되는 것이 바람직한데, 0.5중량부 미만일 경우 그 효과가 발휘되지 못하고 500중량부 초과일 경우 수화열이 과도하게 발생하여 오히려 강도 발현이 크게 저하될 수 있다.

또한, 상기 폐패각 분말 100중량부에 대하여, CaO 함량이 20중량% 이상인 팽창재를 0.5∼500중량부 더 포함하며, 상기 팽창재는 석유 코크스 연소 잔재물, 석탄 연소 잔재물, 제지슬러지 소각 잔재물, 고형연료 연소 잔재물 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물인 것이 바람직하다.

상기 팽창재는 그라우트재 내부에 존재하는 잉여수량 흡착 및 점성을 증가하는 역할을 수행하여 재료분리를 억제할 수 있다. 또한 그라우트재의 배관 이송 시 굴패각 분말의 마찰에 의해 배관 마모를 감소시킬 수 있는 장점이 있다. 또한 상기 팽창재는 물과 접촉 시 팽창을 일으킬 수 있어 주변 지반의 압밀에 의한 강도를 증진시키는 역할을 수행한다. 상기 팽창재는 폐패각 100중량부에 대하여 0.5중량부 미만일 경우 그 효과가 발휘되지 못하고 500중량부를 초과할 경우 상대적으로 수분을 다량 흡수하여 유동성이 급격하게 저하하고 팽창이 과도해질 수 있다.

또한 유동성을 증진시키기 위하여 액상 및 분말형 유동화제를 더 포함하는 것이 바람직하다. 유동화제는 나프탈렌계, 멜라민계, 아민계, 리그닌계, 폴리 카르본산계로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나이거나 둘 이상의 혼합물이 바람직하다. 상기 유동화제는 폐패각 분말 100중량부에 대하여 0.01∼20중량부 혼입되는 것이 바람직한데 0.01 중량부 미만일 경우 유동성 개선 효과가 없으며 20중량부를 초과할 경우 유동성이 과도하게 개선되어 재료분리가 일어날 수 있고 경제성이 부족하다.

또한 수중 분리를 방지하기 위하여 수중 불분리제를 더 포함하는 것이 바람직하다. 수중 불분리제는 하이드록시프로필 메틸셀룰로오스(HYDROXY PROPYL METHYL CELLULOSE, HPMC), 하이드록시 에틸셀룰로오스(HYDROXY ETHYL CELLULOSE, HEC), 카르복시메틸 셀룰로오스(CARBOXY METHYL CELLULOSE, CMC), 에틸 하이드록시틸 셀룰로오즈(ETHYL HYDROXY ETHYL CELLULOSE, EHEC), 폴리 아크릴계, 다당체(POLY SACCARIDE), 하이드 록시에틸 메틸셀룰로오스(HYDROXY ETHYL METHYL CELLULOSE, HEMC), 폴리 에틸렌 옥시드(POLY ETHYLENE OXIDE, PEO)계, 에틸렌 비닐 아세테이트(ETHYLENE VINYL ACETATE, EVA)계로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나이거나 둘 이상의 혼합물을 것이 바람직하다. 상기 수중 불분리제는 상기 폐패각 분말 100중량부에 대하여 0.1∼20중량부 혼입되는 것이 바람직한데 0.01 중량부 미만일 경우 수중 불분리 개선 효과가 없으며 20중량부를 초과할 경우 점성이 과도해져서 시공이 어렵게 된다.

또한 기공을 형성시키기 위하여 기포제 또는 발포제를 더 포함하는 것이 바람직하다. 기포제 및 발포제를 더 첨가하여 잔골재, 굵은 골재 등의 체적을 대체하면서도 경량화하여 하부 구조물의 하중 부담을 최소화할 수 있다. 기포제는 콘크리트에 사용되는 기포제로 국내에서 일반적으로 사용되는 동물성 및 식물성 기포제나 알루미늄 분말과 같은 발포제를 사용할 수 있다. 상기 기포제 및 발포제는 상기 폐패각 분말 100중량부에 대하여 0.01∼20중량부 혼입되는 것이 바람직한데 0.01 중량부 미만일 경우 기공 발생 효과가 없으며 20중량부를 초과할 경우 기공이 과도하게 발생되어 작업이 곤란하고 경제성이 부족하다.

이하에서는 본 발명에 의한 지반 그라우팅 공법에 대하여 설명한다.

지반 그라우트 공법은 1) 상기 폐패각 분말, 고로슬래그 미분말, 중탄산나트륨 탈황분진, 1종 포틀랜드 시멘트를 포함하는 지반 그라우트재를 제조하는 단계; 2) 상기 그라우트재 100중량부에 대하여 물을 50∼500중량부 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계; 3) 상기 슬러리를 주입하여 공극을 충진 시키거나 토사와 혼합하는 단계; 4) 상기 충진된 슬러리 및 혼합토를 양생하는 단계;를 포함한다.

상기 3)단계에서 토출되는 슬러리는 항상 일정한 양이 정상적으로 분출되도록 유지하여야 하며 선단부에 구근을 형성시켜야 하거나 미세 공극까지 침투를 요구하는 현장은 고압으로 압밀하여 주입하고, 관거 뒷채움재나 싱크홀과 같이 단순 공극을 채워주는 현장일 경우 저압으로 주입하는 것이 바람직하다. 슬러리와 현장 토사와 혼합을 하는 경우에는 균질한 혼합이 이루어질 수 있도록 토사의 N값에 따라 오우거의 회전속도를 조절해야 하며 회전시간을 최소 1분 이상을 주는 것이 바람직하다.

상기 4)단계에서는 지반 그라우트재를 양생하는 단계로서 경화가 충분히 이루어지기 전에는 외부 충격을 주어서는 안 되며 상온양생 또는 보온양생을 충분히 실시하는 것이 바람직하다.

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 (결합제: 1종 포틀랜드 시멘트, 세골재:점토성 실트질 토사, 조골재: 석분)

먼저, 압밀그라우팅 공법에서 일반적으로 사용되는 그라우트재 배합으로 결합재로서 1종 포틀랜드 시멘트 100중량부에 대하여 세골재로서 0.02㎜∼1.5㎜의 입도분포를 가진 점토성 실트질 토사 150중량부에 조골재로서 1.5㎜∼10㎜의 입도분포를 가진 석분 150중량부를 골재로 구성하고, 상기 그라우트재 전체 혼합물에 대하여 물 80중량부를 강제식 믹서로 균질하게 혼합하여 슬러리를 제조하였다.

다음으로 제조된 시료를 이용하여 압축강도 측정용 공시체를 제작하여 재령별 압축강도를 측정하였다.

실시예 1

먼저, 0.01㎜∼10㎜의 입도분포를 가진 패패각 분말 100중량부에 대하여 고로슬래그 미분말 60중량부, 중탄산나트륨 탈황분진 30중량부, 1종 포틀랜드 시멘트 10중량부로 그라우트재를 구성하고, 상기 그라우트재 전체 혼합물에 대하여 물 80중량부를 강제식 믹서로 균질하게 혼합하여 슬러리를 제조하였다.

실시예 2

먼저, 0.01㎜∼10㎜의 입도분포를 가진 패패각 분말 100중량부에 대하여 고로슬래그 미분말 60중량부, 중탄산나트륨 탈황분진 30중량부, 1종 포틀랜드 시멘트 5중량부, 생석회 5중량부로 그라우트재를 구성하고, 상기 그라우트재 전체 혼합물에 대하여 물 80중량부를 강제식 믹서로 균질하게 혼합하여 슬러리를 제조하였다.

실시예 3

먼저, 0.01㎜∼10㎜의 입도분포를 가진 패패각 분말 100중량부에 대하여 고로슬래그 미분말 50중량부, 중탄산나트륨 탈황분진 30중량부, 1종 포틀랜드 시멘트 10중량부, 생석회 5중량부, 제지슬러지 연소재 5중량부로 그라우트재를 구성하고, 상기 그라우트재 전체 혼합물에 대하여 물 80중량부를 강제식 믹서로 균질하게 혼합하여 슬러리를 제조하였다.

공시체의 시험방법 및 결과

아래 표 1에 나타낸 바와 같이 압축강도시험은 KS F 2343 일축압축강도 시험방법에 의해 실시하였다. 중금속 용출시험은 28일 압축강도 측정 후 일부를 채취하여 실시하였다.

실험	방법	비고
압축강도	KS F 2343	일축압축강도시험방법
중금속 용출	폐기물공정시험기준	중금속 용출시험방법

구분	압축강도 3일 (MPa)	압축강도 7일 (MPa)	압축강도 28일 (MPa)
비교예	3.4	6.7	10.9
실시예1	4.8	7.6	12.4
실시예2	5.8	7.0	11.2
실시예3	5.2	8.3	13.1

(1) 일축압축강도의 변화

표 2에 비교예 및 실시예 1, 실시예 2 와 실시예 3의 일축압축강도를 나타내었다. 이를 통해 알 수 있는 바와 같이, 폐패각 분말, 고로슬래그 미분말, 중탄산나트륨 탈황분진 및 1종 포틀랜드 시멘트를 사용한 실시예 1은 1종 포틀랜드 시멘트와 점토성 실트질 토사 석분을 사용한 비교예 1에 비해 동등 이상의 강도를 발현하였으며, 생석회가 더 포함된 실시예 2는 비교예 1과 비교하여 3일재령에서 높은 강도를 발현하다가 7일 이후 재령은 유사한 강도를 발현하였다.

제지 슬러지 소각재가 더 포함된 실시예 3은 모든 재령에서 1종 시멘트만을 사용한 비교예에 비해 모든 재령에서 더욱 높은 강도를 발현함을 확인할 수 있다. 따라서, 본 발명의 친환경 그라우트재가 지반 그라우팅 공법에 사용되는 1종 시멘트를 대체할 수 있는 성능 발휘가 가능함을 알 수 있었다.

(3) 중금속 용출 실험

	KSLT
	6가크롬	구리	수은	카드뮴	납	비소	시안
허용기준	1.5	3.0	0.005	0.3	3.0	1.5	1.0
비교예 1	0.813	0.676	불검출	불검출	불검출	불검출	불검출
실시예 1	불검출	불검출	불검출	불검출	불검출	불검출	불검출
실시예 2	불검출	불검출	불검출	불검출	불검출	불검출	불검출
실시예 3	불검출	0.134	불검출	불검출	불검출	불검출	불검출

상기 표 3의 중금속 용출실험결과를 보면 비교예의 경우 허용기준치에는 만족하는 것으로 나타나지만 6가 크롬의 경우 기준치의 50%를 상회하는 양이 용출되었다. 그러나 본 발명의 실시예는 모두 6가 크롬 뿐만 아니라 거의 모든 중금속이 불검출되었다. 이는 본 발명의 사용되는 그라우트재가 천연재료인 폐패각 및 제철소 부산물로서 환경적으로 매우 안정적이기 때문이다.

따라서 본 발명의 폐패각을 활용한 지반 그라우트재 및 이를 이용한 지반 그라우팅 공법은 활용이 미흡한 폐패각과 제철소 부산물을 동시에 다량 활용할 수 있으며 지반보강 공사에서 그라우트재로 가장 널리 사용되는 1종 보통시멘트를 대체하거나 그 사용량을 최소화할 수 있다. 또한 시멘트 사용량 절감에 따른 생산원가 절감은 물론 천연자원 및 에너지 고갈 문제와 이산화탄소 배출, 유해 중금속 용출에 의한 환경오염 문제를 동시에 해결할 수 있는 친환경 그라우트재 및 그라우팅 공법이다.

Claims

입경이 0.01∼1mm로 조정되고 염분 및 유기물이 제거되지 않은 폐패각 분말 100중량부에 대하여,
비표면적 3,500cm²/g 이상인 고로슬래그 미분말 10∼1,000중량부와,
제철소 탈황공정에서 부산물로 발생되는 중탄산나트륨 탈황 분진 10∼1,000중량부와,
1종 포틀랜드 시멘트 0.5∼500중량부를 포함하며,
상기 중탄산나트륨 탈황 분진은 탄산나트륨 2∼40중량%, 황산나트륨 50∼88중량% 및 염화나트륨 1∼10중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 지반 그라우트재.
제1항에 있어서,
상기 폐패각 분말 100중량부에 대하여, CaO 함량이 20중량% 이상인 팽창재를 0.5∼500중량부 더 포함하며,
상기 팽창재는 석유 코크스 연소 잔재물, 석탄 연소 잔재물, 제지슬러지 소각 잔재물, 고형연료 연소 잔재물 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 지반 그라우트재.
제1항에 있어서,
기공을 형성시키기 위하여 상기 폐패각 분말 100중량부에 대하여 기포제 또는 발포제 0.01∼20중량부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지반 그라우트재.
1) 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 의한 지반 그라우트재를 제조하는 단계;
2) 상기 그라우트재 100중량부에 대하여 물을 50∼500중량부 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계;
3) 상기 슬러리를 제조하는 단계에서 제조된 상기 슬러리를 주입하여 공극을 충진 시키거나 토사와 혼합하는 단계; 및
4) 상기 충진된 슬러리 및 혼합토를 양생하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 지반 그라우팅 공법.