KR102302868B1 - 모든 지반층에 차수 그라우팅할 수 있는 친환경 그라우팅 약액 제조방법 및 이를 이용한 그라우팅 시공방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 모든 지반층에 차수 그라우팅할 수 있는 친환경 그라우팅 약액 제조방법 및 이를 이용한 그라우팅 시공방법에 관한 것으로서, 모래층이나 자갈층 같이 공극이 큰 지반층에서도 차수작업을 효율적으로 수행하도록 하는데 그 목적이 있다.
이를 위하여 본 발명은, 모래층이나 자갈층과 같은 공극이 큰 지반층을 차수할 때 사용하는 그라우팅 약액의 제조방법에 있어서, (a) 실리카계 부산물을 주성분으로 한 무기계 A약재 분말을 제조하는 단계(S11); (b) 상기 S11 단계에서 제조된 무기계 A약재 분말과, 계면활성제 Hi-FA가 포함된 물을 혼합하여 수중 불분리 타입의 무기계 A약액을 제조하는 단계(S12); (c) 석고계 부산물을 주성분으로 한 석고계 B약재 분말을 제조하는 단계(S13); (d) 상기 S13 단계에서 제조된 석고계 B약재 분말과, 계면활성제(Hi-FA)가 포함된 물을 혼합하여 수중 불분리 타입의 석고계 B약액을 제조하는 단계(S14); (e) 상기 S12 단계에서 제조된 수중 불분리 타입의 무기계 A약액과, 상기 S14 단계에서 제조된 수중 불분리 타입의 석고계 B약액을 혼합하여, 겔 상태의 수중 불분리 칼슘 알루미늄 실리케이트를 제조하는 단계(S14)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

모든 지반층에 차수 그라우팅할 수 있는 친환경 그라우팅 약액 제조방법 및 이를 이용한 그라우팅 시공방법{MANUFACTURING METHOD OF ECO-FRIENDLY GROUTING CHEMICAL LIQUID FOR ALL GROUND STRATA AND CONSTRUCTION METHOD USING THE SAME}

본 발명은 모든 지반층에 차수 그라우팅할 수 있는 친환경 그라우팅 약액 제조방법 및 이를 이용한 그라우팅 시공방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 지반을 천공한 후 차수벽 등을 형성하기 위해 그라우팅을 할 때 사용하는 그라우팅 약액 제조시, 시멘트나 규산나트륨을 사용하지 않음으로써 환경오염을 방지할 수 있고, 일반 그라우팅 공법으로는 차수가 어려운 모래층이나 자갈층과 같이 공극이 큰 지반층에서도 차수 그라우팅 작업을 할 수 있는 친환경 그라우팅 약액 제조방법 및 이를 이용한 그라우팅 시공방법에 관한 것이다.

일반적으로 그라우팅(Grouting)이라 함은, 토목 또는 건축공사에서 누수 방지 또는 토질안정 등을 위하여 지반의 갈라진 틈이나 공동(空洞) 등에 충전재를 주입하는 시공방법을 말한다.

상기한 그라우팅에 의해, 지반속에서 고여있는 물이나 흐르고 있는 물을 차단하여, 기초공사를 원활하게 수행할 수 있고, 연약한 지반을 단단하게 할 수 있다.

상기한 그라우팅에 사용되는 주입재를 그라우트(Grout) 또는 그라우트재라 하는데, 상기 그라우트는 중력이나 펌프를 이용하여 지반의 틈이나 공동에 충전된다.

상기 그라우트의 종류로는, 시멘트, 물, 점토 등을 사용한 시멘트계 그라우트, 철골기초의 충전이나 이음새 부분의 충전 보강용으로 주로 사용되는 철분질계 그라우트, 지수와 토질 안정용에 주로 사용되는 아스팔트계 그라우트, 최근 들어 사용이 증가하고 있는 케미컬 그라우트 등이 있다.

그런데 상기 시멘트계 그라우트는, 시멘트에 포함되어 있는 환경오염물질이 용출되어 지하수를 오염시킨다는 단점이 있다.

또한 상기 케미컬 그라우트는, 시간의 경과에 따라 그라우트의 용탈이 진행되어, 주입된 그라우트가 본래의 기능을 상실하고 지하수를 오염시킬 수 있다는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 개선하기 위하여, 최근에는 상기 케미컬 그라우트를 화학적으로 개질한 약액 그라우트의 사용이 증가하고 있다.

상기한 약액 그라우트는, 산성 실리카졸 약액 그라우트와 중성 실리카졸 약액 그라우트 등으로 분류할 수 있다.

이렇게 약액 그라우트를 사용하여 그라우팅 작업을 시행할 경우에는, 약액과 시멘트 수용액(이하 '시멘트 졸'이라 한다)을 혼합하여 사용한다.

그런데 상기 시멘트 졸 역시 독성이 매우 강하여 지하수를 오염시킨다는 문제가 있다.

한편 그라우트 시공방법으로는, 소량의 규산나트륨과 시멘트를 혼합하여 사용하는 공법이 알려져 있는데, 이는 졸(Sol) 상태의 약액이 겔(Gel) 상태로 되기까지의 시간인 겔 타임(Gel Time)이 매우 느리고, 차수 품질이 낮아 적용범위가 한정된다는 단점이 있다.

이러한 단점을 보완하기 위하여, 급결제로서 황산, 중탄산나트륨 등을 사용하여 겔 타임을 단축시키는 공법이 사용되기도 한다.

또한 규산나트륨(물유리)를 사용하게 되면, 알칼리 용탈현상이 발생하게 되고, 시공 후 부피가 축소된다는 문제점이 있다.

또한 그라우팅 시공방법은, 주입재를 주입하는 방식에 따라 침투주입, 맥상주입, 충전주입, 치환주입 등으로 분류할 수 있다.

상기 침투주입은, 약액 주입공법의 주류를 이루는 방식으로, 주입재를 토립자의 골격을 산란시키지 않고 침투시켜 소정의 겔 타임 경과후 고결되도록 하여 지반을 강화시킨다.

상기 맥상주입은, 지반내 기존 균열이나 주입압 등에 의해 형성된 간극에 주입재를 공급하여 고결화시킨다.

지반이 암반인 경우에는 기존 균열에 주입재를 충전하고, 연약지반인 경우에는 인위적으로 지반에 균열을 형성하고 주입재를 밀어넣어 지반을 강화키킨다.

상기 충전주입은, 주입재를 지반속에 충만시키는 주입 방법으로는, 공동충전주입, 충전주입, 강재압입형(콤팩션 그라우팅), 치환주입 등이 있다.

상기 공동충전주입은 지반내 충전부분이 공동으로 존재하고 있을 경우 적용되고, 상기 충전주입은 지반침하 등에 의해 생긴 건물과 지반의 틈새에 충진재를 그라우팅하는 경우에 적용된다.

상기 강재압입형은, 비유동성의 주입재를 비교적 높은 압력으로 지반에 주입하며 고결제를 괴상 내지는 주상으로 경화시켜 지반 전체가 융기하도록 한다.

상기 치환주입은, 고압분사에 의해 주입범위의 흙을 파쇄시키고 그 부분에 주입재를 충만시켜 지반을 강화한다.

또한 그라우팅 시공방법은, 주입압력에 따라 약액 주입공법과 고압분사 주입공법으로 구분할 수 있다.

일반적으로는 상기 약액 주입공법을 많이 사용하고 있는데, 이 경우 주입압력은 0.1∼3N/㎟의 낮은 압력을 사용한다.

상기 약액주입공법으로는, L.W(Labiles Wasser Glass)공법, S.G.R(Space Grouting Rocket)공법, M.S.G(Micro Silica Grouting)공법 등이 알려져 있다.

상기 L.W(Labiles Wasser Glass)공법은, 시멘트 밀크(Cement Milk) 주입에서 화학적 그라우팅으로 발전되면서 종래의 시멘트 밀크에 규산나트륨(물유리)를 첨가하는 공법이다.

상기 L.W공법은 지반강화와 차수를 목적으로 개발된 것으로, 규산나트륨 용액과 시멘트 현탁액을 혼합하여 지반내에 주입시켜, 먼저 시멘트 입자를 채우고 공극에 규산나트륨을 공급하여 고결화시키는 가장 일반적인 공법이다.

그런데 상기 L.W 공법은, 지반의 공극을 시멘트 입자로 충진시켜 지반의 밀도를 높이는 저압침투공법이어서, 겔타임이 매우 느리고, 시공 후 차수 품질이 낮아 적용범위가 매우 한정되어 있다.

또한 L.W 공법은, 투수계수가 10^-2cm/sec이하의 세사층에서는 주입이 곤란하고, 투수계수가 1 ×10^-3cm/sec이상이어야 적용이 가능하다.

또한 모래지층에서는 적용할 수 없고, 전석층에서는 굴진경이 커져야 되므로 굴착이 어렵고, 주입심도가 얕으며, 간극이 적은 모래층이나 유속의 흐름이 빠른 자갈층과 전석층에서는 주입재의 유실이 심하다는 단점이 있다.

또한 L.W 공법은, 공극이 크거나 함수비가 높은 지층에서는 효과가 불확실하고, 양생시간이 오래걸리며, 규산나트륨을 사용하므로 알칼리 용탈현상이 일어나고, 지하수가 오염된다는 단점이 있다.

상기 S.G.R(Space Grouting Rocket) 공법은, 겔 타임을 조절할 수 있도록 하여 급결재와 완결재로 나누어 주입하는 방식으로, 이중관 주입 롯드로 소정의 깊이까지 천공한 후, 급결재와 완결재를 복합주입하여 지반내 공극을 충진한다.

즉 규산나트륨계를 주입재로 사용하는 이중관(외관+내관) 타입의 복합 주입 공법으로, 특수 선단장치(Rocket)를 이용하여 지반에 형성시킨 유도공간을 통해 급결성과 완결성의 주입재를 중저압으로 복합주입한다.

상기 급결주입재는 지반내 대공극을 선 충진하여 후속으로 주입되는 완결주입재가 주입범위 밖으로 유실되는 것을 방지하고, 완결주입재는 겔화되기 전까지 액상을 유지하면서 미세공극으로 침투하여 지반내 공극을 충진한다.

상기 S.G.R 공법은, 유도공간을 형성하여 균일한 작업효과를 얻을 수 있고, 지반융기를 방지할 수 있으며, 주입압력이 적어 지반교란이 적다는 장점이 있다.

그리고 주입관의 회전이 없으므로, 급결주입재의 패킹 효과로 인해 대상지반내 한정 주입을 기대할 수 있고, 겔 타임의 조절이 가능하다는 장점이 있다.

그러나 S.G.R 공법은, 겔타임을 조절하기 위하여 황산 등을 사용하기 때문에 환경오염의 문제가 있고, 규산나트륨으로 인하여 발생되는 용탈현상 및 시공 후 부피 축소 현상이 발생하게 되는 단점이 있다.

또한 시멘트를 사용하기 때문에 시멘트 중의 중금속이 용출되어 지하수를 오염시키고, 실트질 점토층에서는 그라우팅이 불확실하며, 주입심도 40m 이상의 사력층에서는 주입효과가 저하된다는 단점이 있다.

또한 S.G.R 공법은, 저압, 저속주입으로 주입시간이 비교적 많이 소요되고, 장비가 비교적 복잡하며, 토류벽으로서의 강도를 기대하기 어렵고, 외력에 대한 저항력이 부족하여 장기간의 차수 및 지반보강용으로 부적합하다는 단점이 있다.

상기 M.S.G(Micro Silica Grouting) 공법은, 주입재와 주입장치를 동시에 개량한 공법으로서, 최대입경 10㎛ 이하의 마이크로 복합 실리카계 주입재를 사용하여, 침투성, 강도, 내구성 등을 향상시킨 친환경 저압침투주입공법이다.

상기 M.S.G 공법은, 사질지반 또는 지반특성이 다양한 복수 지층에 적용이 가능하고, 흙막이배면 차수, 파이핑 방지, 기초지반 보강, 건물기초 언더피닝(Underpinning), 성토부 및 제방기초 등 다양한 분야에 적용할 수 있다는 장점이 있다.

또한, 저압침투주입방식으로 지반교란이 없이 원 지반조건을 유지할 수 있고, 장비의 소형화로 작업면적의 확보가 쉬우며, 침투주입효과가 양호하고, 지하수에 의한 용탈 억제로 내구성이 우수하다는 장점이 있다.

그러나 M.S.G 공법은, 국내 시공사례가 적고, 주입재료가 고가이며, 규산나트륨(물유리)를 사용하므로 알칼리 용탈현상이 일어날 수 있으며, 장기적인 강도 발현이 어렵다는 단점이 있다.

아래의 [표 1]은, 상기한 L.W 공법, S.G.R 공법, M.S.G 공법을 간단히 비교한 것이다.

L.W, S.G.R, M.S.G 그라우팅 공법의 비교.

구 분		L.W 공법	S.G.R 공법	M.S.G 공법
적용토질		사질토	사질토+점성토	사질토+점성토
주입방식		Double Packer Sleeve	2중관	2중관/Double Packer Sleeve
주입압력		1∼2 N/㎟	0.1∼1 N/㎟	0.4∼0.8 N/㎟
1step 장		0.5∼1.0 m	0.5 m	0.33 m
개량체		Φ 0.8∼1.2 m	Φ 0.8∼1.2 m	Φ 0.8∼1.2 m
개량체 강도		1∼2 N/㎟	0∼2 N/㎟	1∼3 N/㎟
경화제	A 액	물+규산나트륨	물+규산나트륨	물+규산나트륨
	B1 액	시멘트 현탁액	시멘트+약재(급결)+물	M.S.G(급결)+물
	B2 액	-	시멘트+약재(완결)+물	M.S.G(완결)+물

위 [표 1]에서 알 수 있듯이, L.W 공법, S.G.R 공법, M.S.G 공법은 적용토질이 사질토 또는 사질토와 점성토에 한정되고 있다.

즉 상기한 종래의 그라우팅 공법은, 공극이 큰 모래층이나 모래자갈층에 적용할 경우, 약간의 물의 유속에 의해서도 주입재가 씻겨 내려가기 때문에 주입재의 손실양이 매우 크고, 경우에 따라서는 그라우팅 시공이 불가능하게 된다는 문제점이 있다.

또한 상기한 종래의 그라우팅 방식은, 규산나트륨물유리을 그라우트 약재의 원료로 사용함으로써 알칼리 용탈현상이 일어나게 되고, 시간이 경과함에 따라 부피가 크게 감소된다는 문제점이 있다.

이에 따라 모래층이나 자갈층과 같이 공극이 큰 지반층에서 흐르는 물을 차수 할 수 있는 그라우팅 약액 및 그라우팅 공법의 개발이 요구되고 있다.

한국등록특허 제10-2073606호(2020. 2. 7. 공고) 한국등록특허 제10-1450506호(2014. 10. 13. 공고)

본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 모든 지반층에 차수 그라우팅을 할 수 있는 친환경 그라우팅 약액 제조방법 및 이를 이용한 그라우팅 시공방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은, 모래층이나 자갈층 같이 공극이 큰 지반층에서도 차수작업을 효율적으로 수행하도록 하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 수중 불분리 타입의 무기계 A약액과 석고계 B약액이 지반층에 도달한 후에도 수중 불분리 특성을 그대로 유지하도록 하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 그라우팅 약액 제조시 규산나트륨의 사용을 배제함으로써 알칼리 용탈현상을 방지하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 그라우팅 약액 제조시 시멘트를 사용하지 않도록 하여, 시멘트의 독성에 의한 환경오염을 방지하는데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 그라우팅 약액 제조방법은, 모래층이나 자갈층과 같이 공극이 큰 지반층을 차수할 때 사용하는 그라우팅 약액의 제조방법에 있어서, (a) 실리카계 부산물을 포함하는 무기계 A약재 분말을 제조하는 단계(S11); (b) 상기 S11 단계에서 제조된 무기계 A약재 분말과, 계면활성제 Hi-FA가 포함된 물을 혼합하여 수중 불분리 타입의 무기계 A약액을 제조하는 단계(S12); (c) 석고계 부산물을 포함하는 석고계 B약재 분말을 제조하는 단계(S13); (d) 상기 S13 단계에서 제조된 석고계 B약재 분말과, 계면활성제 Hi-FA가 포함된 물을 혼합하여 수중 불분리 타입의 석고계 B약액을 제조하는 단계(S14); (e) 상기 S12 단계에서 제조된 수중 불분리 타입의 무기계 A약액과, 상기 S14 단계에서 제조된 수중 불분리 타입의 석고계 B약액을 혼합하여, 겔 상태의 수중 불분리 칼슘 알루미늄 실리케이트를 제조하는 단계(S14)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 S11 단계에서, 상기 실리카계 부산물은, 제강과정에서 부산물로 생성하는 슬래그로서, 전기로재, 평로재, 고로재, 전로재 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

또한 상기 S11 단계에서, 실리카계 부산물: 30~80 중량%, CSA(Calcium Sulfate Aluminium): 10∼50 중량%, 탄산나트륨: 2∼25 중량%를 혼합하여 무기계 A약재 분말을 제조하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 S12 단계에서, 무기계 A약재 분말 20∼60 중량%를 계면활성제 Hi-FA가 1~5% 포함된 물 40∼80 중량%와 혼합하여 수중 불분리 타입의 무기계 A약액을 제조하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 S13 단계에서, 상기 석고계 부산물은, 탈황석고, 인산석고, 소석고, 경석고, 설화석고, 섬유석고, 투석고, 무수석고, 반수석고, 이수석고 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

또한 상기 S13 단계에서, 석고계 부산물: 20∼90 중량%, 플라이 애쉬: 10∼80 중량%를 혼합하여 석고계 B약재 분말을 제조하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 S14 단계에서, 석고계 B약재 분말 20∼60 중량%를 계면활성제 Hi-FA가 1~5% 포함된 물 40∼80 중량%와 혼합하여 수중 불분리 타입의 석고계 B약액을 제조하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 S12 단계에서 제조된 수중 불분리 타입의 무기계 A약액과, 상기 S14 단계에서 제조된 수중 불분리 타입의 석고계 B약액을 부피비 1:1로 혼합하여, 겔 상태의 수중 불분리 칼슘 알루미늄 실리케이트를 제조하는 제조하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 제1 실시예에 따른 그라우팅 시공방법은, 수중 불분리 타입의 무기계 A약액과, 수중 불분리 타입의 석고계 B약액을 각각 별도의 공급관을 통해 공급하고, 상기 2개의 공급관이 합쳐지는 선단장치에서 상기 A약액과 B약액을 혼합하여 겔 상태의 수중 불분리 타입의 칼슘 알루미늄 실리케이트를 제조한 후, 상기 수중 불분리 타입의 칼슘 알루미늄 실리케이트를 그라우팅 장비에 의해 모래층이나 자갈층과 같이 공극이 큰 지반층에 공급하는 것을 특징으로 한다.

그리고 본 발명의 제2 실시예에 따른 그라우팅 약액의 제조방법은, 모래층이나 자갈층과 같이 공극이 큰 지반층 이외의 지반층을 차수할 때 사용하는 그라우팅 약액의 제조방법에 있어서, (a) 실리카계 부산물을 포함하는 무기계 A약재 분말을 제조하는 단계(S21); (b) 상기 S21 단계에서 제조된 무기계 A약재 분말을 물에 녹여 액상의 무기계 A약액을 제조하는 단계(S22); (c) 석고계 부산물을 포함하는 석고계 B약재 분말을 제조하는 단계(S23); (d) 상기 S23 단계에서 제조된 석고계 B약재 분말을 물에 녹여 액상의 석고계 B약액을 제조하는 단계(S24); (e) 상기 무기계 A약액과 석고계 B약액을 혼합 반응시켜 실리카 알루미늄 졸을 제조하는 단계(S25); (f) 상기 S25 단계에서 제조된 실리카 알루미늄 졸을 칼슘이온과 반응시켜 칼슘 알루미늄 실리케이트 겔을 제조하는 단계(S26)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 제2 실시예에 따른 그라우팅 시공방법은, 액상의 무기계 A약액과, 액상의 석고계 B약액을 각각 별도의 공급관을 통해 공급하고, 상기 2개의 공급관이 합쳐지는 선단장치에서 무기계 A약액과 석고계 B약액을 혼합하여 실리카 알루미늄 졸을 제조한 후, 상기 실리카 알루미늄 졸을 칼슘이온과 반응시켜 제조되는 칼슘 알루미늄 실리케이트 겔을 그라우팅 장비에 의해 모래층이나 자갈층과 같이 공극이 큰 지반층 이외의 지반층에 공급하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 수중 불분리 타입의 무기계 A약액과 석고계 B약액에 의해, 겔 상태의 수중 불분리 칼슘 알루미늄 실리케이트를 제조할 수 있는 효과가 있다.

또한 그라우팅 시공시 수중 불분리 타입의 무기계 A약액과 석고계 B약액이 각각의 이동관을 통하여 이동한 후 최종 선단장치에서 혼합되어 지반층에 공급되므로, 지반층에 도달 한 후에도 수중 불분리 특성이 그대로 유지되도록 하는 효과가 있다.

이로써 모든 지반층에 대하여 그라우팅 시공이 가능하게 되고, 특히 물이 흐르는 모래층이나 자갈층과 같이 공극이 큰 지반층에서도 약액이 퍼지지 않도록 하는 효과가 있다.

또한 지하수가 흐르는 지반 뿐만 아니라 해수지역에서도 완벽한 그라우팅 작업이 가능하게 되는 효과가 있다.

또한 그라우팅 약액 제조시 규산나트륨을 사용하지 않으므로, 알칼리 용탈현상을 방지할 수 있고, 시간이 경과함에 따라 부피가 감소되는 현상을 방지할 수 있는 효과가 있다.

또한 규산나트륨보다 약 10배 저렴한 실리카계 부산물을 사용함으로써, 제조비용을 대폭 절감할 수 있는 효과가 있다.

또한 그라우팅 약액 제조시 시멘트를 사용하지 않음으로써, 시멘트의 독성에 의한 환경오염을 방지할 수 있는 효과가 있다.

또한 제강작업시 발생하는 슬래그와 연소과정에서 발생하는 플라이 애쉬를 이용하여 그라우팅 약액을 제조함으로써, 시멘트를 사용하는 경우에 비해 약 5배 정도 재료비를 절감할 수 있는 효과가 있다.

또한 시멘트의 분말도 2,500㎠/g보다 높은 분말도 6,000㎠/g이상의 석고계 부산물을 사용하므로, 침투력을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한 현장에 따라 적합한 겔 타임을 조절하여 사용할 수 있고, 압축강도와 투수계수, 내구성이 우수한 그라우팅 약액을 제조할 수 있는 효과가 있다.

도 1은, 본 발명의 제1 실시예에 따른 친환경 그라우팅 약액의 제조방법을 간략하게 나타낸 도면.
도 2는, 본 발명의 제1 실시예에 따른 친환경 그라우팅 시공방법을 간략하게 나타낸 도면.
도 3은, 본 발명의 제2 실시예에 따른 친환경 그라우팅 약액의 제조방법을 간략하게 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 친환경 그라우팅 시공방법을 간략하게 나타낸 도면.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다.

<제1 실시예>

도 1 및 도 2는, 본 발명의 제1 실시예를 나타낸 것이다.

본 발명의 제1 실시예는, 모래층이나 자갈층과 같이 공극이 큰 지반층에 그라우팅 시공을 하기 위한 것이다. 먼저 그라우팅 약액의 제조방법을 도 1을 참조하여 설명한다.

<무기계 A약재 분말 제조(S11)>

무기계 A약재 분말은, 실리카계 부산물을 주성분으로 하여 제조한다.

상기 실리카계 부산물은, 제철소 등에서 제강(製鋼)작업시 발생하는 슬래그로서, 전기로재, 평로재, 고로재, 전로재 중 어느 하나를 포함하여 구성된다.

그리고 상기 실리카계 부산물 30~80 중량%, CSA(Calcium Sulfate Aluminium) 10∼50 중량%, 탄산나트륨 2∼25 중량%를 혼합하여 무기계 A약재 분말을 제조한다(S11).

상기 슬래그(Slag)는 광재(鑛滓)라고도 하며, 일반적으로 용광로, 큐폴라(Cupola) 등에서 광석이나 금속을 녹일 때, 용제(溶劑)나 비금속 물질, 금속 산화물 등이 쇳물 위에 뜨거나 찌꺼기로 남는 것을 말한다.

일반적으로 제강 과정에서는, 석회석을 철광석과 같이 투입하여 광석 속에 있는 불필요한 성분을 녹기 쉬운 화합물로 만든 다음 슬래그 형태로 제거한다.

상기 석회석을 철광석과 같이 투입하는 것은, 노(爐)속에서 발생하는 산화칼슘이 철광석에 있는 이산화규소(SiO₂)와 결합하여, 녹는점이 낮고 녹은 선철(銑鐵)보다 비중이 낮은 혼합물이 생성되도록 하기 위함이다.

따라서 슬래그는, 융점이 낮아야 하고 금속보다 비중이 가벼워 위로 떠올라 분리가 잘 되어야 하며, 지금(地金) 속의 불순물을 잘 녹여 제거할 수 있도록 충분한 양이 공급되어야 한다.

상기 슬래그는, 사용하는 로의 종류에 따라 전기로재(電氣爐滓), 평로재(平爐滓), 고로재(高爐滓), 전로재(轉爐滓) 등으로 구분된다.

또한 금속의 종류에 따라, 구리재, 강철재 등으로 구분할 수 있고, 성분에 따라 규산이 들어가는 규산재와 비규산재로 구분할 수 있다.

상기 슬래그 중에서 고로재는, 이산화규소(SiO₂)가 주원료인 철광석을 용광로에 녹일 경우 생성되는 것으로, 위로 뜨는 슬래그를 식힌 후 잘게 부수어 사용한다.

상기 고로재는, SiO₂가 약 30%로서, 시멘트와 잘 반응하고, 물과 바로 반응하지 않고 약 한달 후에 반응한다는 특성이 있다.

이는 고로재 주위를 보호 필름이 둘러싸고 있어 수화반응을 저해하기 때문인데, 이에 따라 콘크리트의 Ca(OH)₂에 OH^-를 자극제로 사용하여 보호필름을 파괴함으로써 고로재의 수화반응이 일어나도록 하는 것이 필요하다.

그런데 고로재에 상기 OH^-이온을 첨가하게 되면 콘크리트의 염기성이 낮아져 철근 보호력이 약해지므로, OH^- 이온을 미리 첨가하는 것이 바람직하다.

또한 상기 고로재는 발열량이 시멘트보다 적다는 특성이 있으며, 상기한 특성을 이용하여 고로재를 시멘트 대용으로 사용할 수가 있다.

<수중 불분리 타입의 무기계 A 약액 제조(S12)>

무기계 A약재 분말의 제조가 완료되면, 무기계 A약재 분말 20∼40 중량%를 계면활성제 Hi-FA((High Performance & Multi Functional Agent) 1~5%가 포함된 물 60∼80 중량%와 혼합하여, 수중에서 분리되지 않는(수중 불분리) 무기계 A약액을 제조한다(S12).

상기 Hi-FA는 레올러지(Reology) 특성을 제어하는 그라우팅 개질제 조성물로서, 상기 레올러지 특성은 물질이 용해나 용융 등으로 액상으로 되었을 때 고분자 물질 또는 고분자 용액이 어떻게 움직이는지를 나타낸다.

<석고계 B약재 분말 제조(S13)>

석고계 B약재 분말은, 석고계 부산물을 주성분으로 하여 제조한다.

상기 석고계 부산물은, 탈황석고, 인산석고, 소석고, 경석고, 설화석고, 섬유석고, 투석고, 무수석고, 반수석고, 이수석고 중 어느 하나를 포함하여 구성된다.

그리고 상기 석고계 부산물 20∼90 중량%, 플라이 애쉬(Fly Ash) 10∼80 중량%를 혼합하여 석고계 B약재 분말을 제조한다(S13).

상기 플라이 애쉬는, 연료의 연소에 의해 발생하는 재 중에서 연소가스 중에 부유하여 배가스와 함께 이동하는 입자를 의미한다.

상기 플라이 애쉬는 화력발전소에서 많이 발생하게 되며, 공기중에 부유하는 재를 포집하여 사용한다.

상기 플라이 애쉬는, 주성분이 SiO₂ 이어서 시멘트와 잘 반응하고, 경제적이며, Ca(OH)₂와 반응하여 C-S-H를 생성하고, 속이 빈 구형으로서 입자가 작다는 특성이 있다.

<수중 불분리 타입의 석고계 B약액 제조(S14)>

석고계 B약재 분말의 제조가 완료되면, 무기계 B약재 분말 20∼60 중량%를 계면활성제 Hi-FA 1~5%가 포함된 물 40∼80 중량%와 혼합하여 수중 불분리 타입의 석고계 B약액을 제조한다(S14).

<겔 상태의 수중 불분리 타입 칼슘 알루미늄 실리케이트 제조(S15)>

상기 S12 단계에서 제조된 수중 불분리 타입의 무기계 A약액과 상기 S14 단계에서 제조된 수중 불분리 타입의 석고계 B약액을 부피비 1:1로 혼합하여 겔 상태의 수중 불분리 타입 칼슘 알루미늄 실리케이트(Calcium (Aluminium Silicate)를 제조한다(S15).

이렇게 제조된 겔 상태의 수중 불분리 타입 칼슘 알루미늄 실리케이트는, 그라우팅 장비로 공급되어 모래층이나 자갈층과 같이 공극이 큰 지반층에 차수벽 등을 형성하는데 사용된다.

다음으로 본 발명의 제1 실시예에 따른 그라우팅 시공방법에 대하여 설명한다.

먼저 수중 불분리 타입의 무기계 A약액을 전용 공급관을 통해 선단장치(도시 생략)까지 이송시키고, 수중 불분리 타입의 석고계 B약액을 전용 공급관을 통해 선단장치까지 이송시킨다.

이어서 상기 2약액이 만나는 선단장치에서 수중 불분리 타입의 무기계 A약액과 석고계 B약액을 혼합하여, 겔 상태의 수중 불분리 칼슘 알루미늄 실리케이트를 제조한다.

이어서 상기 수중 불분리 타입 칼슘 알루미늄 실리케이트를 그라우팅 장비로 공급하여 지반에 그라우팅 시공을 한다.

상기한 방식에 의해, 약액이 지반층에 도달한 후에도 수중 불분리 특성이 그대로 유지되도록 할 수 있다.

특히 물이 흐르는 모래층이나 자갈층과 같은 공극이 커다란 지반층에서도 약액이 퍼지지 않도록 함과 동시에, 급결재 또는 완결재의 성능이 발휘되도록 할 수 있다.

또한 물이 흐르는 지반층에서도 차수작업을 원활하게 수행할 수가 있다.

<제2 실시예>

도 3 및 도 4는, 본 발명의 제2 실시예를 나타낸 것이다.

본 발명의 제2 실시예는, 모래층이나 자갈층과 같이 공극이 커다란 지반층 이외의 지반에 그라우팅 시공을 하기 위한 것이다. 먼저 그라우팅 약액의 제조방법을 도 3을 참조하여 설명한다.

<무기계 A약재 분말 제조(S21)>

무기계 A약재 분말은, 실리카계 부산물을 주성분으로 하여 제조한다.

상기 실리카계 부산물은, 제철소 등에서 제강(製鋼)작업시 발생하는 슬래그로서, 전기로재, 평로재, 고로재, 전로재 중 어느 하나를 포함하여 구성된다.

그리고 상기 실리카계 부산물 40~70 중량%, CSA(Calcium Sulfate Aluminium) 20∼50 중량%, 탄산나트륨 2∼10 중량%를 혼합하여 무기계 A약재 분말을 제조한다(S21).

<무기계 A 약액 제조(S22)>

무기계 A약재 분말의 제조가 완료되면, 무기계 A약재 분말 20∼40 중량%를 물 60∼80 중량%에 녹여 액상의 무기계 A약액을 제조한다(S22).

상기 무기계 A약재 분말은 물과 반응하여 이산화규소(SiO₂)와 알루미늄이온(Al³⁺)과 나트륨이온(Na⁺) 등으로 이온화되고, 알루미늄 실리케이트(Aluminium Silicate)로 제조된다.

<석고계 B약재 분말 제조(S23)>

석고계 B약재 분말은, 석고계 부산물을 주성분으로 하여 제조한다.

상기 석고계 부산물은, 탈황석고, 인산석고, 소석고, 경석고, 설화석고, 섬유석고, 투석고, 무수석고, 반수석고, 이수석고 중 어느 하나를 포함하여 구성된다.

그리고 상기 석고계 부산물 20∼90 중량%, 플라이 애쉬(Fly Ash) 10∼80 중량%를 혼합하여 석고계 B약재 분말을 제조한다(S23).

<석고계 B약액 제조(S24)>

석고계 B약재 분말의 제조가 완료되면, 상기 석고계 B약재 분말 20∼60 중량%를 물 40∼80 중량%에 녹여 액상의 석고계 B약액을 제조한다(S24).

상기 무기계 B약재 분말은 물과 반응하여 칼슘이온(Ca²⁺)과 수산이온(OH^-)과 황산이온(SO₄ ^2-) 등으로 이온화되어 석고계 B약액이 제조된다.

<실리카 알루미늄 졸 제조(S25)>

무기계 A약액과 석고계 B약액이 각각 제조되면, 이를 부피비 1:1로 혼합하여 실리카 알루미늄 졸(Silica Aluminium Sol)을 제조한다.

즉 알루미늄 실리케이트(Aluminium Silicate)로 제조된 무기계 A약액과, 칼슘이온(Ca2+)과 수산이온(OH-)과 황산이온(SO42-) 등으로 이온화된 석고계 B약액을 부피비 1 : 1 혼합하여 실리카 알루미늄 졸을 제조한다.

<칼슘 알루미늄 실리케이트 제조(S26)>

실리카 알루미늄 졸의 제조가 완료되면, 칼슘이온(Ca²⁺)과 반응시켜 겔(Gel) 상태의 칼슘 알루미늄 실리케이트를 제조한다.

이렇게 제조된 겔 상태의 칼슘 알루미늄 실리케이트는, 그라우팅 장비로 공급되어 모래층이나 자갈층과 같이 공극이 큰 지반층 이외의 지반층에 차수벽 등을 형성하는데 사용된다.

그 이외의 사항은 상기한 제1 실시예의 경우와 동일하므로 중복된 설명은 생략하기로 한다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것으로서 본 발명의 범위는 상기한 특정 실시예에 한정되지 아니한다. 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위를 벗어남이 없이 다양한 변경 및 수정이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (19)

1. 모래층이나 자갈층과 같이 공극이 큰 지반층을 차수할 때 사용하는 그라우팅 약액의 제조방법에 있어서,
   (a) 실리카계 부산물을 포함하는 무기계 A약재 분말을 제조하는 단계(S11);
   (b) 상기 S11 단계에서 제조된 무기계 A약재 분말과, 계면활성제(Hi-FA)가 포함된 물을 혼합하여 수중 불분리 타입의 무기계 A약액을 제조하는 단계(S12);
   (c) 석고계 부산물을 포함하는 석고계 B약재 분말을 제조하는 단계(S13);
   (d) 상기 S13 단계에서 제조된 석고계 B약재 분말과, 계면활성제 Hi-FA가 포함된 물을 혼합하여 수중 불분리 타입의 석고계 B약액을 제조하는 단계(S14);
   (e) 상기 S12 단계에서 제조된 수중 불분리 타입의 무기계 A약액과, 상기 S14 단계에서 제조된 수중 불분리 타입의 석고계 B약액을 혼합하여, 겔 상태의 수중 불분리 칼슘 알루미늄 실리케이트(Calcium Aluminium Silicate)를 제조하는 단계(S15)를 포함하고,
   상기 S11 단계에서, 상기 실리카계 부산물은,
   제강과정에서 부산물로 생성하는 슬래그로서, 전기로재, 평로재, 고로재, 전로재 중 어느 하나이며,
   상기 S11 단계에서, 실리카계 부산물 30~80 중량%, CSA(Calcium Sulfate Aluminium) 10∼50 중량%, 탄산나트륨 2∼25 중량%를 혼합하여 무기계 A약재 분말을 제조하고,
   상기 S12 단계에서, 무기계 A약재 분말 20∼60 중량%를 계면활성제 Hi-FA가 1~5% 포함된 물 40∼80 중량%와 혼합하여, 수중 불분리 타입의 무기계 A약액을 제조하며,
   상기 S13 단계에서, 상기 석고계 부산물은,
   탈황석고, 인산석고, 소석고, 경석고, 설화석고, 섬유석고, 투석고, 무수석고, 반수석고, 이수석고 중 어느 하나이고,
   상기 S13 단계에서, 석고계 부산물 20∼90 중량%, 플라이 애쉬 10∼80 중량%를 혼합하여 석고계 B약재 분말을 제조하며,
   상기 S14 단계에서, 석고계 B약재 분말 20∼60 중량%를 계면활성제 Hi-FA가 1~5% 포함된 물 40∼80 중량%와 혼합하여, 수중 불분리 타입의 석고계 B약액을 제조하고,
   상기 S12 단계에서 제조된 수중 불분리 타입의 무기계 A약액과, 상기 S14 단계에서 제조된 수중 불분리 타입의 석고계 B약액을 부피비 1:1로 혼합하여, 겔 상태의 수중 불분리 칼슘 알루미늄 실리케이트를 제조하는 것을 특징으로 하는 친환경 그라우팅 약액 제조방법.
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9. 제 1 항에 의해 제조된 그라우팅 약액을 이용하여 그라우팅 시공을 하는 방법에 있어서,
   수중 불분리 타입의 무기계 A약액과, 수중 불분리 타입의 석고계 B약액을 각각 별도의 공급관을 통해 공급하고,
   상기 2개의 공급관이 합쳐지는 선단장치에서 상기 A약액과 B약액을 혼합하여 겔 상태의 수중 불분리 타입의 칼슘 알루미늄 실리케이트를 제조한 후,
   상기 수중 불분리 타입의 칼슘 알루미늄 실리케이트를 그라우팅 장비에 의해 모래층이나 자갈층과 같이 공극이 큰 지반층에 공급하는 것을 특징으로 하는 친환경 그라우팅 시공방법.
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