KR102393015B1 - 빠른 겔화시간을 갖는 복합강관 터널보강용 친환경 실링제 조성물 및 이를 이용한 복합강관 터널보강공법 - Google Patents

빠른 겔화시간을 갖는 복합강관 터널보강용 친환경 실링제 조성물 및 이를 이용한 복합강관 터널보강공법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 물 150 내지 200 부피부(L)에 대하여, 복합강관 터널보강용 친환경 실링제 조성물 100 중량부(kg)를 혼합하여 사용되는 것이고; 상기 복합강관 터널보강용 친환경 실링제 조성물은 칼슘알루미네이트 30 내지 40 중량%, 벤토나이트 10 내지 30 중량%, 시멘트 10 내지 30 중량%, 무수석고 10 내지 30 중량%, 칼슘설포알루미네이트 5 내지 15 중량% 및 황산염 5 내지 15 중량%를 포함하고; 비중이 2.5 내지 3.0인 것이고; 20분 내지 1시간 이내에 겔이 형성되는 빠른 겔화시간을 갖는 것이고; 18 내지 25 mm의 비카트 침 침입도를 갖는 겔화된 형태를 10 내지 20 시간 이상 유지하는 우수한 겔화특성과 함께 빠른 겔화시간을 갖는 복합강관 터널보강용 친환경 실링제 조성물 및 이를 이용한 복합강관 터널보강공법에 관한 것이다.

Description

빠른 겔화시간을 갖는 복합강관 터널보강용 친환경 실링제 조성물 및 이를 이용한 복합강관 터널보강공법{Eco-friendly sealing composition having rapid gelling time for tunnel reinforcement using composite steel pipe and tunnel reinforcement method using composite steel pipe}
본 발명은 우수한 겔화특성과 함께 빠른 겔화시간을 갖는 복합강관 터널보강용 친환경 실링제 조성물 및 이를 이용한 복합강관 터널보강공법에 관한 것이다.
일반적으로 강도가 낮고 자립도가 낮은 지반에서의 터널굴착을 수행하는 경우 또는 지하수위가 높아 지하 굴착 시 지하수 배출에 따른 주변지반의 침하가 예상되거나 연약지반으로 인해 굴착 시 지반의 이완영역이 넓은 경우 등은 지하 구조물 및 인접 구조물의 안전성을 확보하기 위해 굴착공법과 병행하여 적절한 보조공법을 수행하게 되며, 가장 많이 사용되고 있는 공법으로 주입공법을 들 수 있다. 그러나 철도 및 인근 고층건물 등에 의한 상재하중이 큰 경우 또는 투수계수가 낮은 실트, 점토층 또는 점토 씸(seam)층이 협재해 있는 암반에서는 공법의 효용성을 기대하기가 어렵고 특히 기존의 주입공법은 그라우트재가 대부분 저강도이므로 차수효과는 있으나 보강효과는 크게 발휘하지 못하고 있는 실정이다.
이에 복합강관을 이용한 복합강관 그라우팅 공법은 상기한 문제점을 보완하기 위해 개발된 공법으로 차수 및 지반보강을 동시에 얻을 수 있는 효과가 있다. 이때, 상기 복합강관이라 함은 대한민국 등록특허 제10-2079330호에 개시된 바와 같이, 강관 내부에 별도의 강관(스티프너)을 더욱 삽입하여, 보강 효과를 향상시킨 것을 의미한다.
이러한 복합강관을 이용한 복합강관 그라우팅 공법을 더욱 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 굴착 예정인 터널 막장면에서 천공을 수행한다. 예컨대, 도 2에 도시된 바와 같이, 아치형 터널의 경우 아치(크라운부)를 따라 연속적으로 천공을 수행할 수 있다. 천공이 수행된 지반은 터널 형성 후 터널의 배면 영역이 된다. 천공 각도는 대략 5 내지 10도 정도로 형성될 수 있다. 천공 후에는 다수의 분사공이 형성되어 있는 복합강관을 천공홀에 삽입하고 실링제(seal material) 주입관을 설치한다. 다만, 실링제 주입관은 복합강관의 외측에 별도로 설치할 수도 있지만, 실링제를 복합강관을 통해 주입할 수도 있다. 그리고 천공홀 전단을 밀폐하는 코킹 작업을 수행한다. 천공홀이 밀폐되면 천공홀 내벽과 복합강관 사이의 공간에 실링제를 주입하여 겔 상태로 겔화시킨다. 이후 복합강관을 통해 그라우트재를 가압하여 공급하면, 그라우트재는 겔 상태로 겔화된 실링제를 관통하면서 지반으로 주입되어 지반 내 균열을 메우고 지반을 일체화시켜 강도를 강화시킨다. 이후, 그라우트재가 경화되면 막장면을 발파하여 굴착한다. 지반 보강을 수행하였는 바, 발파 과정에서 천정이 붕괴되는 등의 원치 않는 사고를 방지할 수 있고, 발파 설계에 따른 안정적 발파 굴착이 가능해지는 것이다. 이러한 복합강관 그라우팅 공법은 터널의 진행방향을 따라 연속적으로 수행되며, 복합강관은 대략 12m 정도의 길이를 갖는 것을 사용하는데, 복합강관 설치시 길이방향을 따라 일부가 겹치게 설치하므로, 최종적으로 복합강관이 설치된 모습은 도 3에 도시된 바와 같다.
상기한 복합강관 그라우팅 공법을 적용하는데 있어서 가장 큰 기술적 이슈 중 하나는 실링제에 관한 것이다.
실링제는 차수 및 공벽 안정성 확보 기능과 더불어 후속공정인 그라우트의 주입 시 주입이 원활히 이루어질 수 있도록, 충분한 유동성을 보유해야 하고, 주입 후에는 빠른시간 내에 겔화되어 최소한의 강도를 유지하여야 하며, 이러한 겔화 특성을 그라우트의 주입 시까지 보유하여야 한다. 이러한 실링제의 겔화는 유동성이 저하되어 더이상 흐르지 않는 상태를 의미하는 것으로, 이 상태의 실링제는 후속 공정에서 그라우트재를 주입할 때에 그라우트재와 섞이지 않아 그라우트재가 지반으로 원활히 주입될 수 있도록 한다. 만약 실링제의 겔화가 이루어지지 않은 상태에서 그라우트재를 주입하면 실링제와 그라우트재가 혼합되어 그라우트재의 성능이 떨어지고, 주입 압이 원하는 부위로의 집중되지 못하고 천공홀 전체로 소산되어 원하는 주입을 할 수 없게 될 수 있는 문제가 있다. 따라서 그라우트재는 실링제의 겔화 이후 경화가 이루어지기 전까지만 주입이 가능하므로, 실링제는 빠른시간 내에 겔화되어야 함은 물론, 겔화이후 경화에 이르기까지는 충분한 시간을 가져야 한다.
이러한 복합강관 그라우팅 공법에 사용될 수 있는 실링제와 관련하여, 대한민국 등록특허 제10-1907141호 등에서는 시멘트와 벤토나이트를 물에 혼합하는 기술이 개시되었다. 그러나 이러한 기술들은 유동성을 조절하기 위해 물의 함유량을 증가시켜, 겔화시간 및 경화시간이 지연될 뿐만 아니라, 실링제의 블리딩 또는 재료분리에 의하여, 일반적으로 상방으로 경사지게 형성되는 천공홀의 상측에는 물만 남고 하측에 고형분이 모여 2차 공극이 발생하기 쉬운 문제가 남아있는 실정이다.
이에, 대한민국 등록특허 제10-1697964호, 대한민국 등록특허 제10-2008226호 등에서는 겔화시간 단축 및 경화를 강화하기 위하여 규산나트륨과 같은 겔화제와, 반응 촉진제 및 급결재를 혼합하는 기술이 개시되었다. 그러나 이러한 기술들은 실링제의 겔화시간이 단축됨에 따라 실링제의 경화시간도 매우 단축되어, 주입된 그라우트가 역류되는 문제가 발생하였고, 뿐만 아니라, 상기 규산소다의 사용은 장기적으로 지하수에 의하여 용탈되어 주변 수계에 영향을 미치는 문제가 있었다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 대한민국 등록특허 제10-0804807호 등에서는 규산소다를 배제한 기술이 개시되었다. 그러나 이러한 기술들은 시멘트의 사용량이 60 내지 70 중량%를 차지하여 유해성분인 6가크롬(Cr6+)이 발생할 여지가 높은 문제가 남아있는 실정이다.
대한민국 등록특허 제10-0804807호 대한민국 등록특허 제10-1697964호 대한민국 등록특허 제10-1907141호 대한민국 등록특허 제10-2008226호
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 일 구현예는 빠른 겔화시간으로 겔화된 형태를 유지하여 후속공정인 그라우트의 주입이 원활하게 이루어질 수 있고, 블리딩 및 재료분리 현상을 방지할 수 있으며, 유해성분인 6가크롬(Cr6+) 등의 유해성분이 검출되지 않는 빠른 겔화시간을 갖는 복합강관 터널보강용 친환경 실링제 조성물을 제공하고자 하는 것이다.
또한, 상기 빠른 겔화시간을 갖는 복합강관 터널보강용 친환경 실링제 조성물을 이용한 복합강관 터널보강공법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다양한 과제들은 이상에서 언급한 과제들에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 구현예는 물 150 내지 200 부피부(L)에 대하여, 복합강관 터널보강용 친환경 실링제 조성물 100 중량부(kg)를 혼합하여 사용되는 것이고; 상기 복합강관 터널보강용 친환경 실링제 조성물은 칼슘알루미네이트 30 내지 40 중량%, 벤토나이트 10 내지 30 중량%, 시멘트 10 내지 30 중량%, 무수석고 10 내지 30 중량%, 칼슘설포알루미네이트 5 내지 15 중량% 및 황산염 5 내지 15 중량%를 포함하고; 비중이 2.5 내지 3.0인 것이고; 20분 내지 1시간 이내에 겔이 형성되는 빠른 겔화시간을 갖는 것이고; 18 내지 25 mm의 비카트 침 침입도를 갖는 겔화된 형태를 10 내지 20 시간 이상 유지하는 것인 빠른 겔화시간을 갖는 복합강관 터널보강용 친환경 실링제 조성물을 제공한다.
상기 벤토나이트는 표면을 산 처리한 것이고; 상기 산 처리는 1,600 내지 2,300 cm2/g의 분말도를 갖는 벤토나이트를 100 내지 150 ℃에서 건조하고, 상기 건조된 벤토나이트 100 중량부를 30 내지 50 %농도의 산용액 100 내지 200 중량부와 60 내지 90 ℃에서 반응시킨 후, 여과 및 수세하고, 100 내지 150 ℃에서 건조시킴으로써 수행되는 것이고; 상기 산용액은 질산, 염산, 황산 및 이들의 혼합산으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 사용할 수 있다.
상기 무수석고는 6,000 내지 8,000 cm2/g의 분말도를 갖는 것이고; 상기 황산염은 황산알루미늄, 황산마그네슘, 황산암모늄, 황산나트륨, 황산칼륨 및 이들의 혼합 황산염으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 사용할 수 있다.
상기 복합강관 터널보강용 친환경 실링제 조성물은 알칼리 팽윤성 에멀젼 수지 1 내지 10 중량% 및 천연 오일 0.1 내지 5 중량%를 더 포함하는 것이고; 상기 알칼리 팽윤성 에멀젼 수지는 스티렌, 비닐톨루엔, 메틸스티렌, 에틸렌, 부타디엔, 비닐아세테이트, 비닐클로라이드, 비닐리덴클로라이드, 아크릴로니트릴, 알킬아크릴레이트, 알킬메타크릴레이트 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 구조 단량체 100 중량부; 아크릴산, 메타크릴산, 크로톤산, 이타콘산, 푸마르산, 말레인산, 모노알킬말레이트, 모노알킬푸말레이트, 모노알킬이타코네이트, 비닐벤조산 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 산 단량체 10 내지 100 중량부; 및 아릴아크릴레이트, 아릴메타크릴레이트, 에틸렌글리콜디메타크릴레이트, 에틸렌글리콜디아크릴레이트, 1,6-헥산디올디아크릴레이트, 1,6-헥산디올디메타크릴레이트, 디아릴프탈레이트, 트리프로필렌글리콜디메타크릴레이트, 트리메틸올프로판트리메타크릴레이트 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 가교 단량체 0.01 내지 10 중량부의 가교 단량체를 반응시킨 것이고; 상기 천연 오일은 아보카도 오일(avocado oil), 캐스터 오일(castor oil), 카놀라 오일(canola oil), 차이니즈 우드 오일(Chinese wood oil), 커피 오일(coffee oil), 면실유 또는 면 오일(cotton seed or cotton oil), 콘 오일(corn oil), 점 오일(germ oil), 재패니즈 우드 오일(Japanese wood oil), 호호바 오일(jojoba oil), 카야 오일(kaya oil), 린씨드 오일(linseed oil), 마카다미아 넛 오일(macadamia nut oil), 올리브 오일(olive oil), 피넛 오일(peanut oil), 퍼릴라 오일(perilla oil), 퍼식 오일(persic oil), 유채꽃 오일(rapeseed oil), 미강유(rice bran oil), 참깨씨 오일(sesame seed oil), 홍화씨 오일(safflower oil), 동백 오일(sasanqua oil), 해바라기 오일(sunflower oil), 대두유(soybean oil), 차 오일(tea seed oil), 동백 오일(tsubaki oil), 밀배아유(wheat germ oil), 올리브퍼머유(olive pomace oil), 녹차씨유(green tea seed oil), 님 오일(neem oil), 윌넛오일(walnut oil), 달맞이꽃 오일(evening primrose oil), 라놀린유(lanolin (wool fat)oil), 카렌듈라 오일(calendula oil), 로즈힙 오일(rosehip seed oil), 코코넛 오일(coconut oil), 마이즈 오일(maize Oil), 머스타드 오일(mustard oil), 쿠쿠이넛 오일(kukui nut oil), 타마누 오일(tamanu oil), 팜올레인유(palm plein oil), 바바수 오일(babassu oil), 팜유(palm oil), 보라지 오일(borage oil), 팜커널유(palm kernel oil), 살구씨 오일(apricot kernel oil), 포도씨 오일(grapeseed oil), 포피시드 오일(poppyseed oil), 아르간 오일(argan oil), 아마씨유(flaxseed oil), 아몬드 오일(almond oil), 헤이즐넛 오일(hazelnut oil), 헴프시드 오일(hemp seed oil), 호박씨 오일(pumpkinseed oil), 트리글리세롤(triglycerol), 글리세릴 트리옥타노에이트(glyceryl trioctanoate), 글리세릴 트리이소팔미테이트(glyceryl triisopalmitate), 피쉬 오일(fish oils), 청어유(herring oil), 연어유(salmon oil), 정어리 오일(sardine oil), 상어 간 오일(shark liver oil), 고래오일(whale oil), 난황유(egg yolk oil), 돈지(lard oil), 밍크유(mink oil), 우각유(neatsfoot oil), 동물 수지(tallow oil), 거북 오일(turtle oil), 에뮤 오일(EMU oil), 타조 오일(ostrich oil) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 사용할 수 있다.
본 발명의 다른 일 구현예는 상기 빠른 겔화시간을 갖는 복합강관 터널보강용 친환경 실링제 조성물을 이용한 복합강관 터널보강공법에 관한 것으로, 상기 복합강관 터널보강공법은 (a)지반에 천공홀을 형성하고, 상기 천공홀에 복합강관을 삽입설치한 후, 상기 강관과 천공홀 사이를 코킹하는 단계; (b)상기 복합강관과 천공홀 사이에 상기 빠른 겔화시간을 갖는 복합강관 터널보강용 친환경 실링제 조성물을 주입 및 겔화시키는 단계; (c)상기 복합강관을 통해 그라우트재를 주입하여, 상기 그라우트재가 상기 빠른 겔화시간을 갖는 복합강관 터널보강용 친환경 실링제 조성물을 통해 지반에 주입 및 경화되는 단계를 포함하고; 상기 복합강관은 원형 탄소강관의 내부에, 각형 강관이 삽입되어 보강되는 구조를 갖는 것인 복합강관 터널보강공법을 제공한다.
본 발명의 일 구현예에 따른 빠른 겔화시간을 갖는 복합강관 터널보강용 친환경 실링제 조성물은 20분 내지 1시간 이내에 겔이 형성되어 빠른 겔화시간을 갖고, 18 내지 25 mm의 비카트 침 침입도를 갖는 겔화된 형태를 10 내지 20 시간 이상 유지하여 강관과 공벽사이의 충진을 유지할 수 있는 충분한 팽윤효과와 우수한 겔화특성을 갖는다. 따라서 후속공정인 그라우트의 주입이 신속하고 원활하게 이루어질 수 있고, 주입압력에 의한 강관의 인발, 천공홀의 붕괴 및 역류를 방지할 수 있는 효과가 있다. 또한, 상기 빠른 겔화시간을 갖는 복합강관 터널보강용 친환경 실링제 조성물은 블리딩 및 재료분리 현상을 방지할 수 있으며, 유해성분인 6가크롬(Cr6+) 뿐만 아니라, 납, 비소, 수은 등의 유해성분이 검출되지 않는 친환경적이 효과가 있다.
이에 따라 상기 빠른 겔화시간을 갖는 복합강관 터널보강용 친환경 실링제 조성물을 이용한 복합강관 터널보강공법은 종래 방법에 비해 공사기간의 단축 및 비용 절감 효과가 있어 경제성 및 시공성이 매우 우수한 효과가 있다.
도 1은 복합강관 그라우팅 공법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 복합강관 그라우팅 공법이 수행되는 막장면을 촬영한 이미지이다.
도 3은 터널의 길이방향을 따라 연속적으로 복합강관이 설치된 모습을 나타낸 것이다.
도 4는 시험예에서 사용된 비카트 침 시험장치를 촬영한 이미지이다.
도 5는 실시예 3(30 min이내) 및 비교예 2(10hr 이후)의 시험편들의 겔화상태를 관찰한 결과 이미지이다.
도 6은 실시예 3 및 비교예 2의 재료분리 결과를 나타낸 이미지이다.
도 7은 실시예 3의 시험편에 대한 중금속 용출량을 측정한 시험성적서의 이미지이다.
이하, 본 발명의 구현예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명의 일 구현예는 물 150 내지 200 부피부(L)에 대하여, 복합강관 터널보강용 친환경 실링제 조성물 100 중량부(kg)를 혼합하여 사용되는 것이고; 상기 복합강관 터널보강용 친환경 실링제 조성물은 칼슘알루미네이트 30 내지 40 중량%, 벤토나이트 10 내지 30 중량%, 시멘트 10 내지 30 중량%, 무수석고 10 내지 30 중량%, 칼슘설포알루미네이트 5 내지 15 중량% 및 황산염 5 내지 15 중량%를 포함하고; 비중이 2.5 내지 3.0인 것이고; 20분 내지 1시간 이내에 겔이 형성되는 빠른 겔화시간을 갖는 것이고; 18 내지 25 mm의 비카트 침 침입도를 갖는 겔화된 형태를 10 내지 20 시간 이상 유지하는 것인 빠른 겔화시간을 갖는 복합강관 터널보강용 친환경 실링제 조성물을 제공한다.
종래 기술에서 지적된 바와 같이 실링제에 규산소다를 포함하는 경우 빠른 겔화시간을 얻을 수는 있지만 경화속도도 매우 빨라져, 본 그라우트재를 주입할 경우 그라우트재가 역류되는 문제가 발생하였다. 그러나 본 발명의 일 구현예에 따른 빠른 겔화시간을 갖는 복합강관 터널보강용 친환경 실링제 조성물은 20분 내지 1시간 이내에 겔이 형성되어 빠른 겔화시간을 가지면서도, 18 내지 25 mm의 비카트 침 침입도를 갖는 겔화된 형태를 10 내지 20 시간 이상 유지하여 강관과 공벽사이의 충진을 유지할 수 있는 충분한 팽윤효과와 우수한 겔화특성을 갖는 효과가 있다. 이는 종래의 실링제가 겔화되기까지 약 20시간 이상 걸리는 것과 비교하여, 획기적으로 개선된 효과이다.
따라서 후속공정인 그라우트의 주입이 신속하고 원활하게 이루어질 수 있고, 주입압력에 의한 강관의 인발, 천공홀의 붕괴 및 역류를 방지할 수 있는 효과가 있다. 또한, 상기 빠른 겔화시간을 갖는 복합강관 터널보강용 친환경 실링제 조성물은 블리딩 및 재료분리 현상을 방지할 수 있으며, 유해성분인 6가크롬(Cr6+) 뿐만 아니라, 납, 비소, 수은 등의 유해성분이 검출되지 않는 친환경적이 효과가 있다.
이에 따라 상기 빠른 겔화시간을 갖는 복합강관 터널보강용 친환경 실링제 조성물을 이용한 복합강관 터널보강공법은 종래 방법에 비해 공사기간의 단축 및 비용 절감 효과가 있어 경제성 및 시공성이 매우 우수한 효과가 있다.
상기 칼슘알루미네이트는 시멘트 수화물에 의한 입자구속에 걸리는 시간을 단축하기 위해 사용된 주요 바인더로서, 시멘트의 초기강도를 발현하여, 빠른 겔화시간을 구현할 수 있는 역할을 한다. 이러한 칼슘알루미네이트의 강도발현에 기여하는 주요 반응식은 다음과 같다.
CA + 10H → CAH10
C12A7 + 51H → 6C2AH8 + AH3
이러한 상기 칼슘알루미네이트는 상기 빠른 겔화시간을 갖는 복합강관 터널보강용 친환경 실링제 조성물에 30 내지 40 중량%의 함량으로 함유되는 것이 바람직하다. 상기 칼슘알루미네이트의 함량이 너무 적은 경우에는 겔화시간이 너무 지연되어 후속공정인 그라우트의 주입을 원활이 수행할 수 없어, 공사기간이 지연될 수 있는 문제점이 있고, 상기 칼슘알루미네이트의 함량이 너무 많은 경우에는 겔화시간은 단축되나, 실링제의 경화시간도 단축됨에 따라 후속공정인 그라우트의 주입시, 그라우트재가 역류될 수 있는 문제점이 있다.
상기 벤토나이트는 운모와 같은 결정구조를 하는 단사정계에 속하는 광물인 몬모릴로나이트가 주로 들어있는 점토를 가리킨다. 상기 벤토나이트는 물과 반응하면 8 내지 20배의 물을 흡수할 수 있으며, 체적으로 30배까지 팽윤이 가능하다. 상기 벤토나이트의 팽윤은 물 분자 표면에 존재하는 양이온과 몬모릴로나이트 광물의 입자표면에서의 양이온 교환 특성으로, 물 분자가 점토광물 표면에 부착하면서 발생한다. 상기 벤토나이트는 상기와 같이 팽윤하면서 주입되는 강관의 외측과 천공홀 사이를 충진하게 된다. 이러한 상기 팽윤된 벤토나이트는 시멘트에 의하여, 점도가 상승하긴 하지만 계속 유동성을 가지고 있으며 흐름이 정지된 겔 상태를 만들 수 있는 것이다. 즉, 시멘트 수화물이 벤토나이트 입자사이에 침전하여 구속하면서 흐름정지가 이루어지며, 지속적인 시멘트의 수화를 통해 응결하여 최종적으로 경화하게 되는 것이다.
특히, 상기 벤토나이트는 표면을 산 처리한 것을 사용하여, 빠른 겔화시간을 가지면서도, 겔화된 형태를 장시간 동안 유지할 수 있는 효과가 있다. 이는 벤토나이트의 단위 중량당, 흡착되는 수분의 양이 매우 증가하여, 더욱 큰 부피로 팽윤함에 따라, 벤토나이트 입자사이에 침전하는 시멘트 수화물이 더욱 많아진 것에 기인한 것으로 판단된다.
이때, 상기 산 처리는 당분야에서 일반적으로 알려진 광물의 표면처리방법에 의하여 수행될 수 있는 바, 그 방법을 특별히 한정하지 않는다.
다만, 상기 벤토나이트의 표면을 산 처리하는 방법에 대하여 보다 바람직한 예를 들면, 1,600 내지 2,300 cm2/g의 분말도를 갖는 벤토나이트를 100 내지 150 ℃에서 건조하고, 상기 건조된 벤토나이트 100 중량부를 30 내지 50 %농도의 산용액 100 내지 200 중량부와 60 내지 90 ℃에서 반응시킨 후, 여과 및 수세하고, 100 내지 150 ℃에서 건조시킴으로써 수행되는 것일 수 있다. 이로써, 상기한 효과를 더욱 향상시킬 수 있다. 이때, 상기 산용액은 질산, 염산, 황산 및 이들의 혼합산으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 사용할 수 있다. 보다 바람직한 산용액은 황산을 사용하여, 벤토나이트의 표면에 황산염을 일부 잔류시키고, 상기 황산염은 시멘트 수화물의 생성을 촉진시켜 겔화시간을 더욱 단축시킬 수 있는 효과가 있다.
이러한 상기 벤토나이트는 상기 빠른 겔화시간을 갖는 복합강관 터널보강용 친환경 실링제 조성물에 10 내지 30 중량%의 함량으로 함유되는 것이 바람직하다. 상기 벤토나이트의 함량이 너무 적은 경우에는 충분한 팽윤 및 겔화 현상이 발현되지 않아, 강관과 공벽사이의 충진을 충분히 유지할 수 없거나, 시멘트 페이스트와 물이 분리되고, 수화반응에 참여하지 않은 물이 비교적 가벼운 재료를 수반하여 위쪽으로 이동함으로써, 실링제 조성물을 구성하는 재료들이 각각 분리되는 블리딩 현상이 발생할 수 있는 문제점이 있고, 상기 벤토나이트의 함량이 너무 많은 경우에는 점도가 너무 높아져 작업성이 저하되거나, 가격경쟁력이 저하될 수 있는 문제점이 있다.
상기 시멘트는 포틀랜트 시멘트를 사용하는 것이 바람직하다. 시멘트는 물과의 반응에 의해 Ca(OH)2의 생성량을 증진시키는 역할을 하며, 장기강도를 향상시키는 역할을 한다. 이러한 상기 시멘트는 상기 빠른 겔화시간을 갖는 복합강관 터널보강용 친환경 실링제 조성물에 10 내지 30 중량%의 함량으로 함유되는 것이 바람직하다. 상기 시멘트의 함량이 너무 적은 경우에는 상기 빠른 겔화시간을 갖는 복합강관 터널보강용 친환경 실링제 조성물이 경화된 후 강도가 저하될 수 있는 문제점이 있고, 상기 시멘트의 함량이 너무 많은 경우에는 초기 겔화시간이 너무 지연되어 후속공정인 그라우트의 주입을 원활이 수행할 수 없어, 공사기간이 지연되거나, 유해성분인 6가크롬(Cr6+)의 함량이 상승하여 친환경적이지 못한 문제점이 있다.
상기 무수석고는 칼슘알루미네이트, 시멘트 및 칼슘설포알루미네이트와 반응하여 다량의 에트링자이트를 생성함으로써 시멘트의 초기강도를 발현하여, 빠른 겔화시간을 구현할 수 있는 역할을 한다. 상기 무수석고는 6,000 내지 8,000 cm2/g의 분말도를 갖는 것을 사용하려 상기한 효과를 더욱 개선할 수 있다. 이러한 상기 무수석고는 상기 빠른 겔화시간을 갖는 복합강관 터널보강용 친환경 실링제 조성물에 10 내지 30 중량%의 함량으로 함유되는 것이 바람직하다. 상기 무수석고의 함량이 너무 적은 경우에는 겔화시간이 너무 지연되어 후속공정인 그라우트의 주입을 원활이 수행할 수 없어, 공사기간이 지연될 수 있는 문제점이 있고, 상기 무수석고의 함량이 너무 많은 경우에는 겔화시간은 단축되나, 실링제의 경화시간도 단축됨에 따라 후속공정인 그라우트의 주입시, 그라우트재가 역류될 수 있는 문제점이 있다.
상기 칼슘설포알루미네이트는 칼슘알루미네이트, 시멘트 및 무수석고와 반응하여 다량의 에트링자이트를 생성함으로써 시멘트의 초기강도를 발현하여, 빠른 겔화시간을 구현할 수 있는 역할을 한다. 상기 칼슘설포알루미네이트는 상기 빠른 겔화시간을 갖는 복합강관 터널보강용 친환경 실링제 조성물에 5 내지 15 중량%의 함량으로 함유되는 것이 바람직하다. 상기 칼슘설포알루미네이트의 함량이 너무 적은 경우에는 겔화시간이 너무 지연되어 후속공정인 그라우트의 주입을 원활이 수행할 수 없어, 공사기간이 지연될 수 있는 문제점이 있고, 상기 칼슘설포알루미네이트의 함량이 너무 많은 경우에는 겔화시간은 단축되나, 실링제의 경화시간도 단축됨에 따라 후속공정인 그라우트의 주입시, 그라우트재가 역류될 수 있는 문제점이 있다.
상기 황산염은 SO4 2- 이온을 제공하여, 상기 칼슘알루미네이트, 시멘트, 칼슘설포알루미네이트 및 무수석고가 반응하여 다량의 에트링자이트를 생성함으로써 시멘트의 초기강도를 발현하여, 빠른 겔화시간을 구현할 수 있는 역할을 한다. 이러한 상기 황산염은 황산알루미늄, 황산마그네슘, 황산암모늄, 황산나트륨, 황산칼륨 및 이들의 혼합 황산염으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 사용할 수 있다. 보다 바람직하기로는 황산알루미늄 및 황산암모늄을 1: 2 중량비율로 혼합한 것을 사용하여 상기한 효과를 더욱 개선할 수 있다. 상기 황산염은 상기 빠른 겔화시간을 갖는 복합강관 터널보강용 친환경 실링제 조성물에 5 내지 15 중량%의 함량으로 함유되는 것이 바람직하다. 상기 황산염의 함량이 너무 적은 경우에는 겔화시간이 너무 지연되어 후속공정인 그라우트의 주입을 원활이 수행할 수 없어, 공사기간이 지연될 수 있는 문제점이 있고, 상기 황산염의 함량이 너무 많은 경우에는 겔화시간은 단축되나, 실링제의 경화시간도 단축됨에 따라 후속공정인 그라우트의 주입시, 그라우트재가 역류될 수 있는 문제점이 있다.
또한, 상기 복합강관 터널보강용 친환경 실링제 조성물은 알칼리 팽윤성 에멀젼 수지 1 내지 10 중량% 및 천연 오일 0.1 내지 5 중량%를 더 포함하여, 빠른 겔화시간을 가지면서도, 18 내지 25 mm의 비카트 침 침입도를 갖는 겔화된 형태를 더욱 장시간 동안 유지하여 강관과 공벽사이의 충진을 유지할 수 있는 충분한 팽윤효과와 우수한 겔화특성을 갖는 효과가 있다.
보다 구체적으로, 상기 복합강관 터널보강용 친환경 실링제 조성물은 시간이 경과할수록 시멘트의 수화반응에 의해 Ca(OH)2의 생성량이 증가되어 알칼리성의 성질을 띄게 된다. 이러한 알칼리화에 의해 상기한 알칼리 팽윤성 에멀젼 수지가 팽윤되고, 이는 상기 물에 의해 팽윤된 벤토나이트의 팽윤된 상태를 더욱 지속시켜 겔화상태를 더욱 오랜시간 유지할 수 있는 것이다. 또한, 상기 복합강관 터널보강용 친환경 실링제 조성물이 경화된 후에는 경화강도를 더욱 강화시킬 수 있는 효과가 있는 것이다. 상기 알칼리 팽윤성 에멀젼 수지는 상기 빠른 겔화시간을 갖는 복합강관 터널보강용 친환경 실링제 조성물에 1 내지 10 중량%의 함량으로 함유되는 것이 바람직하다. 상기 알칼리 팽윤성 에멀젼 수지의 함량이 너무 적은 경우에는 상기한 효과가 미흡할 수 있는 문제점이 있고, 상기 알칼리 팽윤성 에멀젼 수지의 함량이 너무 많은 경우에는 실링제의 점도가 너무 증가하여, 작업성이 저하될 수 있는 문제점이 있다.
상기 알칼리 팽윤성 에멀젼 수지는 알칼리화에 의해 팽윤되는 성질을 갖는 에멀젼 수지라면 그 종류를 특별히 한정하지 않는다.
다만, 보다 바람직한 예를 들면, 스티렌, 비닐톨루엔, 메틸스티렌, 에틸렌, 부타디엔, 비닐아세테이트, 비닐클로라이드, 비닐리덴클로라이드, 아크릴로니트릴, 알킬아크릴레이트, 알킬메타크릴레이트 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 구조 단량체 100 중량부; 아크릴산, 메타크릴산, 크로톤산, 이타콘산, 푸마르산, 말레인산, 모노알킬말레이트, 모노알킬푸말레이트, 모노알킬이타코네이트, 비닐벤조산 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 산 단량체 10 내지 100 중량부; 및 아릴아크릴레이트, 아릴메타크릴레이트, 에틸렌글리콜디메타크릴레이트, 에틸렌글리콜디아크릴레이트, 1,6-헥산디올디아크릴레이트, 1,6-헥산디올디메타크릴레이트, 디아릴프탈레이트, 트리프로필렌글리콜디메타크릴레이트, 트리메틸올프로판트리메타크릴레이트 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 가교 단량체 0.01 내지 10 중량부의 가교 단량체를 반응시킨 것을 사용할 수 있다.
더욱 바람직하기로는 스티렌, 비닐리덴클로라이드, 아크릴로니트릴 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 구조 단량체 100 중량부; 아크릴산, 메타크릴산, 말레인산, 비닐벤조산 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 산 단량체 10 내지 50 중량부; 및 에틸렌글리콜디메타크릴레이트, 에틸렌글리콜디아크릴레이트, 1,6-헥산디올디아크릴레이트, 1,6-헥산디올디메타크릴레이트, 트리프로필렌글리콜디메타크릴레이트 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 가교 단량체 0.01 내지 10 중량부의 가교 단량체를 반응시켜, 유리전이 온도가 50 내지 100 ℃가 되도록 제조된 것을 사용하여, 상기한 효과를 더욱 개선할 수 있다.
또한, 상기 천연 오일은 벤토나이트의 표면에 흡착된 물 입자의 표면에 존재하여 상기 물 입자를 가두어, 물 입자가 증발되거나 벤토나이트 입자 사이에서 빠져나가는 것을 방지하여, 블리딩 및 재료분리 현상을 효과적으로 방지하는 역할을 수행한다. 상기 천연 오일은 상기 빠른 겔화시간을 갖는 복합강관 터널보강용 친환경 실링제 조성물에 0.1 내지 5 중량%의 함량으로 함유되는 것이 바람직하다. 상기 천연 오일의 함량이 너무 적은 경우에는 상기한 효과가 미흡할 수 있는 문제점이 있고, 상기 천연 오일의 함량이 너무 많은 경우에는 시멘트의 수화반응을 방해하여 오히려 겔화시간이 지연될 수 있는 문제점이 있다.
보다구체적인 상기 천연 오일은 아보카도 오일(avocado oil), 캐스터 오일(castor oil), 카놀라 오일(canola oil), 차이니즈 우드 오일(Chinese wood oil), 커피 오일(coffee oil), 면실유 또는 면 오일(cotton seed or cotton oil), 콘 오일(corn oil), 점 오일(germ oil), 재패니즈 우드 오일(Japanese wood oil), 호호바 오일(jojoba oil), 카야 오일(kaya oil), 린씨드 오일(linseed oil), 마카다미아 넛 오일(macadamia nut oil), 올리브 오일(olive oil), 피넛 오일(peanut oil), 퍼릴라 오일(perilla oil), 퍼식 오일(persic oil), 유채꽃 오일(rapeseed oil), 미강유(rice bran oil), 참깨씨 오일(sesame seed oil), 홍화씨 오일(safflower oil), 동백 오일(sasanqua oil), 해바라기 오일(sunflower oil), 대두유(soybean oil), 차 오일(tea seed oil), 동백 오일(tsubaki oil), 밀배아유(wheat germ oil), 올리브퍼머유(olive pomace oil), 녹차씨유(green tea seed oil), 님 오일(neem oil), 윌넛오일(walnut oil), 달맞이꽃 오일(evening primrose oil), 라놀린유(lanolin (wool fat)oil), 카렌듈라 오일(calendula oil), 로즈힙 오일(rosehip seed oil), 코코넛 오일(coconut oil), 마이즈 오일(maize Oil), 머스타드 오일(mustard oil), 쿠쿠이넛 오일(kukui nut oil), 타마누 오일(tamanu oil), 팜올레인유(palm plein oil), 바바수 오일(babassu oil), 팜유(palm oil), 보라지 오일(borage oil), 팜커널유(palm kernel oil), 살구씨 오일(apricot kernel oil), 포도씨 오일(grapeseed oil), 포피시드 오일(poppyseed oil), 아르간 오일(argan oil), 아마씨유(flaxseed oil), 아몬드 오일(almond oil), 헤이즐넛 오일(hazelnut oil), 헴프시드 오일(hemp seed oil), 호박씨 오일(pumpkinseed oil), 트리글리세롤(triglycerol), 글리세릴 트리옥타노에이트(glyceryl trioctanoate), 글리세릴 트리이소팔미테이트(glyceryl triisopalmitate), 피쉬 오일(fish oils), 청어유(herring oil), 연어유(salmon oil), 정어리 오일(sardine oil), 상어 간 오일(shark liver oil), 고래오일(whale oil), 난황유(egg yolk oil), 돈지(lard oil), 밍크유(mink oil), 우각유(neatsfoot oil), 동물 수지(tallow oil), 거북 오일(turtle oil), 에뮤 오일(EMU oil), 타조 오일(ostrich oil) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 사용할 수 있다. 더욱 바람직하기로는 달맞이꽃 오일을 사용하는 경우, 블리딩 및 재료분리 현상을 더욱 효과적으로 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 상기 복합강관 터널보강용 친환경 실링제 조성물은 히알루론산 염 0.1 내지 5 중량%를 더욱 더 포함하여, 빠른 겔화시간을 가지면서도, 상기 겔화된 형태를 더욱 더 장시간 동안 유지하여 강관과 공벽사이의 충진을 유지할 수 있는 충분한 팽윤효과와 우수한 겔화특성을 갖는 효과가 있다. 상기 복합강관 터널보강용 친환경 실링제 조성물은 시간이 경과할수록 시멘트의 수화반응에 의해 Ca(OH)2의 생성량이 증가되어 알칼리성의 성질을 띄게 된다. 이러한 알칼리화에 의해 상기한 히알루론산이 하이드로겔화되고, 이는 상기 복합강관 터널보강용 친환경 실링제 조성물의 겔화상태를 더욱 오랜시간 유지할 수 있는 것이다. 또한, 상기 복합강관 터널보강용 친환경 실링제 조성물이 경화된 후에는 경화강도를 더욱 강화시킬 수 있는 효과가 있는 것이다. 상기 히알루론산 염은 상기 빠른 겔화시간을 갖는 복합강관 터널보강용 친환경 실링제 조성물에 0.1 내지 5 중량%의 함량으로 함유되는 것이 바람직하다. 상기 히알루론산 염의 함량이 너무 적은 경우에는 상기한 효과가 미흡할 수 있는 문제점이 있고, 상기 히알루론산 염의 함량이 너무 많은 경우에는 시멘트의 수화반응을 방해하여 오히려 겔화시간이 지연될 수 있는 문제점이 있다.
이러한 상기 히알루론산 염은 히알루론산 칼륨, 히알루론산 칼슘, 히알루론산 마그네슘, 히알루론산 테트라부틸암모늄 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 사용할 수 있다. 더욱 바람직하기로는 히알루론산 칼슘 및 히알루론산 마그네슘을 1: 1 중량비율로 혼합하여 사용하는 경우, 시멘트의 수화반응을 더욱 촉진시켜, 더욱 빠른 겔화시간을 부여할 수 있는 효과가 있다.
이러한 상기 빠른 겔화시간을 갖는 복합강관 터널보강용 친환경 실링제 조성물은 비중이 2.5 내지 3.0인 것으로, 블리딩 및 재료분리 현상을 매우 우수하게 방지할 수 있다.
또한, 상기 빠른 겔화시간을 갖는 복합강관 터널보강용 친환경 실링제 조성물은 상기 빠른 겔화시간을 갖는 복합강관 터널보강용 친환경 실링제 조성물 100 중량부(kg)에 대하여, 물 150 내지 200 부피부(L)를 혼합하여 사용함으로써, 충분한 팽윤효과와 가장 적절한 압축강도 및 겔화 시간 등의 우수한 겔화특성을 갖는 것이다.
본 발명의 다른 일 구현예는 상기 빠른 겔화시간을 갖는 복합강관 터널보강용 친환경 실링제 조성물을 이용한 복합강관 터널보강공법을 제공한다.
상기 복합강관 터널보강공법은 (a)지반에 천공홀을 형성하고, 상기 천공홀에 복합강관을 삽입설치한 후, 상기 강관과 천공홀 사이를 코킹하는 단계; (b)상기 복합강관과 천공홀 사이에 상기 빠른 겔화시간을 갖는 복합강관 터널보강용 친환경 실링제 조성물을 주입 및 겔화시키는 단계; (c)상기 복합강관을 통해 그라우트재를 주입하여, 상기 그라우트재가 상기 빠른 겔화시간을 갖는 복합강관 터널보강용 친환경 실링제 조성물을 통해 지반에 주입 및 경화되는 단계를 포함할 수 있다. 이러한 복합강관 그라우팅 공법을 설명하기 위한 도면은 도 1에 나타내었다. 또한, 복합강관 그라우팅 공법이 수행되는 막장면을 촬영한 이미지는 도 2에 도시한 바와 같다.
이때, 상기 복합강관은 원형 탄소강관의 내부에, 각형 강관이 삽입되어 보강되는 구조를 갖는 것을 사용할 수 있다.
보다 구체적으로 상기 복합강관 삽입을 위한 천공은 천공기를 이용하며, 수평시공이 가장 효과적이나 갱구부 및 확대 지보재를 설치하는 경우를 제외하고는 터널의 진행 방향으로 약 13°내외 방향의 경사공을 천공한다. 천공 시, 터널 막장 전단부의 지질상황을 파악하기 위해 슬라임(slime)을 채취, 지질상태를 파악하며 지하수 유출 시 토사가 섞여 나오면 바로 복합강관을 삽입한 후, 코킹을 실시하여 누수를 방지한다.
상기 천공 작업이 완료되면 천공된 공내에 복합강관을 삽입한다. 이때 복합강관의 손상을 방지하고 그라우트재의 역류를 방지하기 위해 고무밴딩을 실시할 수 있다. 또한 천공 후, 장시간이 지나면 공벽이 붕괴되어 삽입이 되지 않으므로 풍화토에서는 즉시, 풍화암에서는 20분 이내에 복합강관을 삽입한다.
상기 복합강관 삽입이 완료되면 코킹(caulking)작업을 수행한다. 천공완료 후, 지하수의 누수 및 토사의 유출을 방지하기 위해 즉시 굴진공에 복합강관을 삽입한 후, 코킹 작업을 수행하는데, 코킹재는 주입시 20kg/cm2 압력 이상으로 주입되므로 강도가 40kg/cm2 이상의 강도를 가지는 재질이어야 하며 경화시간이 짧아 누수시에도 충분한 효과를 발휘할 수 있도록 급결성을 가지며 충분한 강도를 갖는 것을 사용하는 것이 바람직하다.
이후 상기 복합강관과 천공홀 사이에 상기 빠른 겔화시간을 갖는 복합강관 터널보강용 친환경 실링제 조성물을 주입 및 겔화시킨다. 상기 복합강관과 천공홀 사이의 공간을 막기 위하여 강관과 공벽사이에 주입호스를 이용하여 실링제를 투입한다. 이때 실링제는 본 발명의 일 구현예에 따른 빠른 겔화시간을 갖는 복합강관 터널보강용 친환경 실링제 조성물을 사용한다. 상기 실링제 주입 시, 복합강관과 천공홀 사이를 완전히 밀폐시켜야 하며 실링제의 고결 강도는 그라우트재가 널리 퍼져갈 수 있도록 너무 높지 않아야 하며, 부피가 팽창하여 공간을 남기지 않도록 해야 한다. 이러한 측면에서 본 발명의 실링제용 조성물은 주입 후, 빠르게 20분 내지 1시간 이내에 겔이 형성되어 빠른 겔화시간을 갖고, 18 내지 25 mm의 비카트 침 침입도를 갖는 겔화된 형태를 10 내지 20 시간 이상 유지하여 그라우트재가 널리 퍼져갈 수 있다. 이로써, 실링작업이 완료되면 그라우트재의 원활한 주입 및 주입 효과의 극대화를 위해 삽입된 강관내에 일정 간격으로 패커(packer)를 설치하고 선정된 그라우트재를 주입할 수 있다. 보통 패커 설치간격은 지반의 투수계수, 암반의 절리특성 등을 고려하여 결정하도록 조절할 수 있고, 특히 용출수의 영향이 있는 경우는 주입구간을 세분화하여 차수효율을 증대시킨다. 상기 사용할 수 있는 패커로는 mechanical rubber packer, hydraulic packer, air packer 등이 있다.
이후 상기 복합강관을 통해 그라우트재를 주입하여, 상기 그라우트재가 상기 빠른 겔화시간을 갖는 복합강관 터널보강용 친환경 실링제 조성물을 통해 지반에 주입 및 경화될 수 있다. 상기 그라우트재는 본 발명의 빠른 겔화시간을 갖는 복합강관 터널보강용 친환경 실링제 조성물을 투입한 후, 20분 내지 1시간이 지난 후에 주입할 수 있다. 또한, 주입 압력은 주변의 상재하중을 고려하여 결정한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에서는 터널 굴착전 고강도 원형 탄소강관의 내부에, 각형 강관이 삽입되어 보강된 복합강관을 전방에 우산살형태로 배열설치하고 그라우팅재를 지반에 가압 주입하여 복합강관과 주변지반을 일체화시켜 빔아치(beam arch)를 형성하여 상재하중과 변위를 분산시켜 낙반 및 여굴을 효과적으로 방지하였다. 또한 프리그라우팅과 파이프루프공법을 합체한 공법으로 1공종으로 차수와 보강효과의 두 가지 효과를 도출할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 빠른 겔화시간을 갖는 복합강관 터널보강용 친환경 실링제 조성물은 20분 내지 1시간 이내에 겔이 형성되어 빠른 겔화시간을 갖고, 18 내지 25 mm의 비카트 침 침입도를 갖는 겔화된 형태를 10 내지 20 시간 이상 유지하여 강관과 공벽사이의 충진을 유지할 수 있는 충분한 팽윤효과와 우수한 겔화특성을 갖는다. 따라서 후속공정인 그라우트의 주입이 신속하고 원활하게 이루어질 수 있고, 주입압력에 의한 강관의 인발, 천공홀의 붕괴 및 역류를 방지할 수 있는 효과가 있다. 또한, 상기 빠른 겔화시간을 갖는 복합강관 터널보강용 친환경 실링제 조성물은 블리딩 및 재료분리 현상을 방지할 수 있으며, 유해성분인 6가크롬(Cr6+) 뿐만 아니라, 납, 비소, 수은 등의 유해성분이 검출되지 않는 친환경적이 효과가 있다.
이에 따라 상기 빠른 겔화시간을 갖는 복합강관 터널보강용 친환경 실링제 조성물을 이용한 복합강관 터널보강공법은 종래 방법에 비해 공사기간의 단축 및 비용 절감 효과가 있어 경제성 및 시공성이 매우 우수한 효과가 있다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
<실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 2>
하기 표 1에 나타낸 바와 같은 성분 및 함량 범위로 혼합하여 복합강관 터널보강용 친환경 실링제 조성물을 제조하였다.
이때, 하기 무수석고는 약6,580 cm2/g의 분말도를 갖는 것을 사용하였다.
또한, 하기 벤토나이트는 약 2,150 cm2/g의 분말도를 갖는 벤토나이트를 약 110 ℃에서 건조하고, 상기 건조된 벤토나이트 100 중량부를 35 %농도의 황산용액 150 중량부와 약70 ℃에서 반응시킨 후, 여과 및 수세하고, 약 110 ℃에서 건조시킴으로써 표면을 산 처리한 것을 사용하였다.
또한, 하기 황산염은 황산알루미늄 및 황산암모늄을 1: 2 중량비율로 혼합한 것을 사용하였다.
또한, 하기 알칼리 팽윤성 에멀젼 수지는 스티렌 100 중량부; 메타크릴산 15 중량부; 비닐벤조산 10 중량부; 및 트리프로필렌글리콜디메타크릴레이트 7 중량부의 가교 단량체를 반응시킨 것을 사용하였다.
또한, 하기 히알루론산 염은 히알루론산 칼슘 및 히알루론산 마그네슘을 1: 1 중량비율로 혼합한 것을 사용하였다.
구분(중량%) 실시예 1 실시예 2 실시예 3 비교예 1 비교예 2
복합강관 터널보강용 친환경 실링제 조성물
(100kg)		 칼슘알루미네이트 33 39 31 - 10
벤토나이트 20 17 23 24 15
시멘트 17 12 11 76 50
무수석고 14 13 12 - 5
칼슘설포알루미네이트 9 7 10 - 20
황산염 7 6 9 - -
알칼리 팽윤성 에멀젼 수지 - 4 3 - -
달맞이꽃 오일 - 2 0.5 - -
히알루론산 염 - - 0.5 - -
물(L) 200 200 200 345 200
<시험예>
상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 2의 시험편들의 물성 즉, 비카트침 침입도, 재료분리 및 중금속 용출량에 대하여 아래와 같은 방법으로 평가하였다.
1) 비카트 침 침입도
상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 2의 시험편들을 성형한 후, 습기함에 30분 동안 방치하였다. 이후, KS L 5108(수경성 시멘트 응결시험)에 의거하여, 도 4에 나타낸 바와 같은 비카트 침 시험장치에서 지름 5 mm의 비카트 침을 이용하여, 1 시간 단위로 비카트 침 침입도를 측정하였고, 그 결과는 하기 표 2에 나타내었다. 또한, 실시예 3(30 min이내) 및 비교예 2(10hr 이후)의 시험편들의 겔화상태를 확인하기 위하여 육안으로 확인이 가능한 유리용기에 상기 시험편들을 주입하고 90 °로 기울여 관찰한 결과 이미지를 도 5에 나타내었다.
Elapsed time after mixing 실시예 1 실시예 2 실시예 3 비교예 1 비교예 2
30 min 겔화됨 겔화됨 겔화됨 겔화되지 않음 겔화되지 않음
1hr 50mm 이상 50mm 이상 50mm 이상 겔화되지 않음 겔화되지 않음
5hr 30mm 45mm 41mm 겔화되지 않음 겔화되지 않음
10hr 19mm 36mm 32mm 겔화되지 않음 겔화되지 않음
15hr 4mm 28mm 23mm 겔화되지 않음 겔화됨
20hr 1mm 22mm 20mm 겔화됨 50mm 이상
25hr 1mm 15mm 10mm 50mm 이상 50mm 이상
30hr End of measurement 4mm 2mm 50mm 이상 45mm
35hr - 3mm 1mm 47mm 39mm
40hr - 1mm 1mm 41mm 34mm
일반적으로 실링제 조성물은 시간이 경과할수록 경화가 진행됨에 따라 비카트 침의 침입도가 감소하게 된다.
상기 표 2에 나타난 바와 같이, 실시예 1 내지 3의 경우에는 30 분 이내에 겔화가 형성되어 1시간 이후에 비카트 침 침입도는 모두 20 mm 이상의 측정치를 나타내었다, 또한, 18 내지 25 mm의 비카트 침 침입도를 갖는 겔화된 형태를 10 내지 20 시간 이상 동안 유지할 수 있는 것을 확인할 수 있었다. 그러나 비교예 1 및 2의 경우에는 대부분이 15시간 이후까지 겔화가 진행되지 아니하여 비카트침 침입도의 측정이 불가하였다. 또한 20시간 이후에 겔화가 진행되어 비카트침 침입도의 측정이 가능하나, 대부분 40 mm 이상의 측정값을 나타내었다.
또한, 도 5에 나타난 바와 같이, 실시예 3의 경우에는 30분 이내에 흐름정지 상태인 겔화 상태로 되는 것을 확인할 수 있었다. 그러나 비교예 2의 경우에는 약 10시간이 지나서야 흐름이 정지하는 겔화 상태가 되는 것을 확인할 수 있었다.
2) 재료분리
블리딩 현상에 의해 재료의 분리상태를 확인하기 위하여 육안으로 확인이 가능한 유리용기에 상기 시험편을 주입하고, 24 시간 경과 후에 육안으로 시험편의 재료분리 상태를 확인한 후, 그 결과를 표 3에 나타내었다. 또한, 실시예 3 및 비교예 2의 재료분리 결과 이미지를 도 6에 나타내었다.
실시예 1 실시예 2 실시예 3 비교예 1 비교예 2
재료분리 여부 재료분리 × 재료분리 × 재료분리 × 재료분리 O 재료분리 O
상기 표 3 및 도 6에 나타난 바와 같이, 실시예 1 내지 3의 경우에는 재료의 분리(블리딩)가 전혀 발생하지 않았으나 비교예 1 및 2의 경우에는 재료의 분리(블리딩)가 발생한 것을 확인할 수 있었다.
3) 중금속 용출량 측정
실시예 3의 시험편에 대하여, 2017 폐기물공정시험기준에 따라, 유해성분인 6가크롬(Cr6+) 및 중금속 등의 용출량을 측정하였고, 그 시험성적 결과는 도 7에 나타내었다.
도 7에 나타난 바와 같이, 실시예 3의 시험편에서는 유해성분인 6가크롬(Cr6+) 뿐만 아니라, 납, 비소, 수은 등의 중금속이 검출되지 않은 것을 확인할 수 있었다. 이를 통해 본 발명의 일 구현예에 따른 빠른 겔화시간을 갖는 복합강관 터널보강용 친환경 실링제 조성물은 매우 친환경적인 것을 확인할 수 있었다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모두 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모두 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (5)

  1. 물 150 내지 200 부피부(L)에 대하여, 복합강관 터널보강용 친환경 실링제 조성물 100 중량부(kg)를 혼합하여 사용되는 것이고;
    상기 복합강관 터널보강용 친환경 실링제 조성물은 칼슘알루미네이트 30 내지 40 중량%, 벤토나이트 10 내지 30 중량%, 시멘트 10 내지 30 중량%, 무수석고 10 내지 30 중량%, 칼슘설포알루미네이트 5 내지 15 중량% 및 황산염 5 내지 15 중량%를 포함하고;
    비중이 2.5 내지 3.0인 것이고;
    20분 내지 1시간 이내에 겔이 형성되는 빠른 겔화시간을 갖는 것이고;
    18 내지 25 mm의 비카트 침 침입도를 갖는 겔화된 형태를 10 내지 20 시간 이상 유지하는 것이고;
    상기 벤토나이트는 표면을 산 처리한 것이고;
    상기 산 처리는 1,600 내지 2,300 cm2/g의 분말도를 갖는 벤토나이트를 100 내지 150 ℃에서 건조하고, 상기 건조된 벤토나이트 100 중량부를 30 내지 50 %농도의 산용액 100 내지 200 중량부와 60 내지 90 ℃에서 반응시킨 후, 여과 및 수세하고, 100 내지 150 ℃에서 건조시킴으로써 수행되는 것이고;
    상기 산 용액은 질산, 염산, 황산 및 이들의 혼합산으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 빠른 겔화시간을 갖는 복합강관 터널보강용 친환경 실링제 조성물.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 무수석고는 6,000 내지 8,000 cm2/g의 분말도를 갖는 것이고;
    상기 황산염은 황산알루미늄, 황산마그네슘, 황산암모늄, 황산나트륨, 황산칼륨 및 이들의 혼합 황산염으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 빠른 겔화시간을 갖는 복합강관 터널보강용 친환경 실링제 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복합강관 터널보강용 친환경 실링제 조성물은
    알칼리 팽윤성 에멀젼 수지 1 내지 10 중량% 및 천연 오일 0.1 내지 5 중량%를 더 포함하는 것이고;
    상기 알칼리 팽윤성 에멀젼 수지는 스티렌, 비닐톨루엔, 메틸스티렌, 에틸렌, 부타디엔, 비닐아세테이트, 비닐클로라이드, 비닐리덴클로라이드, 아크릴로니트릴, 알킬아크릴레이트, 알킬메타크릴레이트 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 구조 단량체 100 중량부,
    아크릴산, 메타크릴산, 크로톤산, 이타콘산, 푸마르산, 말레인산, 모노알킬말레이트, 모노알킬푸말레이트, 모노알킬이타코네이트, 비닐벤조산 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 산 단량체 10 내지 100 중량부, 및
    아릴아크릴레이트, 아릴메타크릴레이트, 에틸렌글리콜디메타크릴레이트, 에틸렌글리콜디아크릴레이트, 1,6-헥산디올디아크릴레이트, 1,6-헥산디올디메타크릴레이트, 디아릴프탈레이트, 트리프로필렌글리콜디메타크릴레이트, 트리메틸올프로판트리메타크릴레이트 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 가교 단량체 0.01 내지 10 중량부의 가교 단량체를 반응시킨 것이고;
    상기 천연 오일은 아보카도 오일(avocado oil), 캐스터 오일(castor oil), 카놀라 오일(canola oil), 차이니즈 우드 오일(Chinese wood oil), 커피 오일(coffee oil), 면실유 또는 면 오일(cotton seed or cotton oil), 콘 오일(corn oil), 점 오일(germ oil), 재패니즈 우드 오일(Japanese wood oil), 호호바 오일(jojoba oil), 카야 오일(kaya oil), 린씨드 오일(linseed oil), 마카다미아 넛 오일(macadamia nut oil), 올리브 오일(olive oil), 피넛 오일(peanut oil), 퍼릴라 오일(perilla oil), 퍼식 오일(persic oil), 유채꽃 오일(rapeseed oil), 미강유(rice bran oil), 참깨씨 오일(sesame seed oil), 홍화씨 오일(safflower oil), 동백 오일(sasanqua oil), 해바라기 오일(sunflower oil), 대두유(soybean oil), 차 오일(tea seed oil), 동백 오일(tsubaki oil), 밀배아유(wheat germ oil), 올리브퍼머유(olive pomace oil), 녹차씨유(green tea seed oil), 님 오일(neem oil), 윌넛오일(walnut oil), 달맞이꽃 오일(evening primrose oil), 라놀린유(lanolin (wool fat)oil), 카렌듈라 오일(calendula oil), 로즈힙 오일(rosehip seed oil), 코코넛 오일(coconut oil), 마이즈 오일(maize Oil), 머스타드 오일(mustard oil), 쿠쿠이넛 오일(kukui nut oil), 타마누 오일(tamanu oil), 팜올레인유(palm plein oil), 바바수 오일(babassu oil), 팜유(palm oil), 보라지 오일(borage oil), 팜커널유(palm kernel oil), 살구씨 오일(apricot kernel oil), 포도씨 오일(grapeseed oil), 포피시드 오일(poppyseed oil), 아르간 오일(argan oil), 아마씨유(flaxseed oil), 아몬드 오일(almond oil), 헤이즐넛 오일(hazelnut oil), 헴프시드 오일(hemp seed oil), 호박씨 오일(pumpkinseed oil), 트리글리세롤(triglycerol), 글리세릴 트리옥타노에이트(glyceryl trioctanoate), 글리세릴 트리이소팔미테이트(glyceryl triisopalmitate), 피쉬 오일(fish oils), 청어유(herring oil), 연어유(salmon oil), 정어리 오일(sardine oil), 상어 간 오일(shark liver oil), 고래오일(whale oil), 난황유(egg yolk oil), 돈지(lard oil), 밍크유(mink oil), 우각유(neatsfoot oil), 동물 수지(tallow oil), 거북 오일(turtle oil), 에뮤 오일(EMU oil), 타조 오일(ostrich oil) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 빠른 겔화시간을 갖는 복합강관 터널보강용 친환경 실링제 조성물.
  5. 제1항, 제3항 내지 제4항 중에서 선택되는 어느 한 항에 따른 빠른 겔화시간을 갖는 복합강관 터널보강용 친환경 실링제 조성물을 이용한 복합강관 터널보강공법에 관한 것으로,
    상기 복합강관 터널보강공법은
    (a)지반에 천공홀을 형성하고, 상기 천공홀에 복합강관을 삽입설치한 후, 상기 강관과 천공홀 사이를 코킹하는 단계;
    (b)상기 복합강관과 천공홀 사이에 상기 빠른 겔화시간을 갖는 복합강관 터널보강용 친환경 실링제 조성물을 주입 및 겔화시키는 단계;
    (c)상기 복합강관을 통해 그라우트재를 주입하여, 상기 그라우트재가 상기 빠른 겔화시간을 갖는 복합강관 터널보강용 친환경 실링제 조성물을 통해 지반에 주입 및 경화되는 단계를 포함하고;
    상기 복합강관은 원형 탄소강관의 내부에, 각형 강관이 삽입되어 보강되는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 복합강관 터널보강공법.
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