KR102413054B1 - 토양 침투성이 높은 콜로이달 실리카를 함유하는 그라우팅 조성물을 이용한 그라우팅 시공방법 - Google Patents

토양 침투성이 높은 콜로이달 실리카를 함유하는 그라우팅 조성물을 이용한 그라우팅 시공방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 토양 침투성이 높은 콜로이달 실리카를 함유하는 그라우팅 조성물 및 이를 이용한 시공방법 것으로 그라우팅 과정에서 내구성 증가와 용탈방지를 위해 콜로이달 실리카를 필요로 할 때 환경친화적인 콜로이달 실리카를 사용하되, 표면장력을 최소화시킬 수 있는 계면활성제를 함께 포함시켜 지반에 타설된 그라우팅 약제들이 지반과 우수한 침투력으로 인하여 최종 생성된 고결체에서 용탈현상이 발생하지 않으면서 내구성을 높임은 물론 그라우팅 작업이 우수하고, 인체 및 지반환경에 저촉이 되지 않도록 함과 동시에 용액형 또는 현탁액형 그라우팅 약액을 이용하여 고결체의 내구성을 높이고, 용탈이 발생하지 않으면서 겔-타임을 조절할 수 있는 그라우팅 공법에서 콜로이달 실리카 용액에 계면활성제가 포함된 실리카 졸 용액을 만들고, 만들어진 실리카 졸 용액의 생성량과 겔화제 및 첨가제의 양을 조절하여 용탈현상이 발생하지 않는 고강도용 그라우팅 조성물을 제조하고, 이 그라우팅 조성물을 이용하여 그라우팅 겔 타임을 조절함으로써 연약지반의 형태에 구애받지 않고, 그라우팅 시공 시 많은 인력이 동원되지 않으면서 지반을 보강하거나, 차수벽이나, 보강체 등의 구조물을 균일하고 효율적으로 형성할 수 있도록 한 것이다.

Description

토양 침투성이 높은 콜로이달 실리카를 함유하는 그라우팅 조성물을 이용한 그라우팅 시공방법{Grouting composition containing colloidal silica with high permeability into the soil and construction method using the same}
본 발명은 토양 침투성이 높은 콜로이달 실리카를 함유하는 그라우팅 조성물을 이용한 그라우팅 시공방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 지반 개량이나 용수(湧水)의 방지를 위해 지반의 공극에 약액을 공급하여 지반의 고결화, 지반의 지지력 증가, 투수성 감소, 지반과 구조물과의 일체화를 위한 그라우팅(Grouting) 과정 중 콜로이달 실리카(또는 실리카 졸)가 포함되는 그라우팅 조성물에 있어서, 인체 및 지반환경에 해롭지 않고, 표면장력을 최소화하기 위한 콜로이달 실리카가 포함되는 그라우팅 조성물의 기술구성에 의해 지반의 미세한 공극까지 우수한 침투력 증가로 인해 지반과 그라우팅 조성물과의 결합력 증가로 그라우팅 경화체의 내구성 증가와 용탈방지를 위한 콜로이달 실리카가 함유되는 그라우팅 조성물의 제조방법 및 표면장력 최소화로 구성되는 실리카 졸과 첨가제의 유입량을 조절하여 겔 타임을 조절할 수 있는 그라우팅 시공방법에 관한 것이다.
그라우팅(Grouting)은 연약지반을 위한 지반의 고결화, 지반의 지지력 증가, 투수성 감소, 지반과 구조물과의 일체화 등을 목적으로 기초지반이나 구조물 주변 및 구조물 자체 내부로 각종 시멘트, 모르타르, 약제 등의 그라우트를 주입하는 것이다.
흙 속의 공극이나 암반의 균열에 주입제를 넣어 지수벽을 만들 목적으로 설치하는 커튼 그라우팅, 콘크리트 댐과 같은 구조물과 기초 암반과의 일체화, 기초 암반의 변형성과 강도 등을 개량할 목적으로 실시하는 컨솔리데이션 그라우팅 등이 있으며, 그라우트는 지반이나 암반 등에 그라우팅을 할 때 사용하는 재료로 시멘트, 점토, 벤토나이트, 아스팔트의 용액, 약액 등으로 이루어진다.
일반적으로 그라우팅과 관련한 연약지반이라고 하면 상부구조물을 지지할 수 없는 상태의 지반을 말하며, 예를 들면 연약한 점토, 느슨한 사질토, 유기질토 등이 이에 속하고 연약한 점성토나 유기질토로 구성된 지반 위에 도로, 교량, 건물 등이 그대로 놓여 진다면 침하량이 과대해지고, 지지력이 부족하여 안전상의 문제가 발생하게 되므로 이러한 문제들이 예상되는 연약지반을 개량하여 어떠한 목적물을 건설하는데 있어 안전상의 문제점을 제거하기 위한 수단으로 연약지반 개량공법으로 그라우팅 공법이 많이 이용될 것으로 예측된다.
또한, 도로를 건설함에 있어 단단한 기초지반을 필요로 한데 연약지반구간을 피해 건설할 경우 과다한 공사비의 지출이 불가피해지는 경우 지반을 건설에 필요로 하는 정도의 강도를 갖도록 경도를 끌어올리는 작업이 필요하게 된다. 그러나 상기와 같은 종래의 용액형 또는 현탁액형 그라우팅 약액의 경우 콜로이달 실리카의 조성물에 있어서, 대부분 나트륨이 다량 함유된 규산소다류의 규산염이 사용되고 있으며, 그라우팅 고결체의 내구성 향상 및 용탈 방지를 위해 콜로이달 실리카를 제조하기 위해서 액상규산나트륨과 인체 및 지반 환경에 유해한 약품을 사용(한국특허등록 제10-1209218호)함에 따라 그라우팅 약제를 타설을 위한 준비과정 중 작업자의 건강상 위해를 가져다 줄 수 있는 큰 문제점이 있으며, 최종 고결체에 다량 잔존하게 되는 나트륨(Na)은 지하에 포함된 수분과 반응하여 고결체 밖으로 빠져나오는 용탈 현상이 발생하여 고결체 체적 감소에 따라 방수역할을 제공할 수 없을 뿐 아니라 추후 높은 강도의 고결체를 훼손시키는 원인이 될 수 있다. 또한 그라우팅 약제들은 대부분 표면장력이 큰 물에 용해된 약제를 사용함에 따라 지반에 타설되는 약제들이 지반의 미세한 공극까지 침투해 들어가지 못하고, 단순히 지반과 접하는 표면에 그라우팅 약제들이 고결됨에 따라 결합력 저하에 따른 고결체의 내구성이 크게 떨어질 뿐만 아니라 누수의 원인이 될 수 있다는 문제점이 있다.
따라서 그라우팅 공법에 의해 지하에 타설된 그라우팅 고결체가 지반환경에 문제가 발생하지 않고, 그라우팅 약제의 준비과정 중 위해 물질로부터의 신체적 피해를 입지 않으면서 내구성이 우수하고, 용탈 및 누수가 발생하지 않는 그라우팅 공법을 제공하기 위해서는 인체 및 지반환경에 해로운 부산물 내지는 약품이 함유되지 않고, 표면장력을 최소화하기 위한 콜로이달 실리카가 포함되는 그라우팅 조성물이 구성되어져야 하며, 환경친화적이며 표면장력 최소화로 구성되는 실리카 졸 및 첨가제의 유입량을 조절하여 겔 타임을 조절할 수 있는 그라우팅 시공방법에 의해 지금까지 콜로이달 실리카(실리카 졸)를 이용한 그라우팅 공법의 문제점을 해결할 수 있다.
종래의 콜로이달 실리카가 포함된 그라우팅 조성물 및 이를 이용한 시공방법의 문제점을 해결하기 위한 기술을 살펴보면 다음과 같다.
한국특허출원 제10-2020-0123592호에서는 겔 형성 후에도 유동성 유지가 가능하여 다량의 누수가 있거나 공동부위에 물이 많이 차 있는 경우 또는 유수(흐르는 물)지역에도 유리하게 적용할 수 있는 가소성 그라우트 약액 조성물과 이를 이용한 가소성 그라우트팅 공법을 제시하고 있다.
한국공개특허 제10-2020-0051352호에서는 일 실시예에 따른 CIP벽체후면 차수용 그라우팅공법은 다수의 벽체로 구성된 CIP 벽체의 후면 지반에 다수의 천공홀을 형성하는 천공홀 형성단계와; 상기 천공홀에 케이싱을 삽입하고 상기 케이싱 내에 주입관을 설치하는 주입관 설치단계와;상기 주입관을 통해 시멘트밀크로 이루어진 제1그라우팅재를 저압으로 주입하는 제1그라우팅재 주입단계와; 상기 지반의 공극에 침투된 제1그라우팅재의 표면에 피복되도록 제1그라우팅재 주입 후 연이어 제2그라우팅재를 주입하는 제2그라우팅재 주입단계;를 포함하는 CIP(Cast-In place Pile) 벽체후면 차수용 그라우팅공법을 제시하고 있다.
한국특허출원 제10-2020-0041522호에서는 기존 특허등록 제10-0681272호에 개시된 지반개량재의 성분 개선을 통한 고결시간의 조절과 압축강도가 증가되어질 수 있도록 하여 침수를 억제함과 함께 지반 보강효율이 극대화되도록 하기 위한 그라우트 주입재 제조방법, 이에 의해 제조된 그라우트 주입재 및 이를 이용한 그라우팅 시공방법을 제시하고 있다.
한국특허출원 제10-2020-0016728호에서는 주입재의 양생시간을 단축시키고 초기 강도 발현이 빠르며 친환경성을 갖는 강관다단 친환경 속경성 그라우팅용 조성물을 제시하고 있다.
한국특허출원 제10-2019-0085742호에서는 30~60 부피%의 물유리와 40~70 부피%의 물을 혼합하여 규산소다 수용액을 준비하는 단계; II) 상기 규산소다 수용액과 탄산수를 5:1 내지 10:1의 중량비로 배합하여 활성 실리케이트 약액을 얻는 단계; 및 III) 상기 활성 실리케이트 약액과 시멘트 수용액을 1:1의 부피비로 혼합하여 지반 내로 분사주입 및 겔화시키는 단계;를 포함하는 그라우팅 시공방법을 제시하고 있다.
한국특허출원 제10-2017-0165818호에서는 경량 무기 결합재 10∼80중량%, 잔골재 10∼80중량%, 성능 개선제 0.01∼20중량% 및 물 1∼50중량%를 포함하며, 성능 개선제는 에틸렌 초산 비닐 공중합체 75∼99중량%, 스티렌 염화 비닐 공중합체 0.1∼20중량%, 메틸메타크릴레이트-염화비닐리덴 공중합체 0.1∼20중량%, 폴리아릴설폰 0.1∼20중량% 및 라우릴 아크릴레이트 0.01∼15중량%를 포함하고, 잔골재는 입경이 0.01~2mm범위를 가지는 실리카질 규사 50~99중량% 및 버텀애시 1~50중량%로 이루어지고, 경량 무기 결합재는 분말도가 3,500~8,000cm2/g인 미립도 시멘트 20∼90중량%, 칼슘 알루미네이트 1∼20중량%, 고로슬래그 0.1∼20중량%, 메타카올린 0.1∼20중량%, 천매암 분말 0.1~20중량%, 석고 0.1∼15중량%, 알루민산 칼슘 0.1∼10중량%, 제올라이트 0.1∼10중량%, 부석 0.001∼10중량% 및 지연제 0.01∼10중량%를 포함하는, 내구성 및 자기 치유성 경량 그라우트재 조성물 및 이를 이용한 그라우팅 시공방법을 제시하고 있다.
한국특허출원 제10-2015-0020804호에서는 양이온교환수지를 이용하여 나트륨(Na) 성분을 제거하거나 최소화한 실리카 졸의 생성량과 겔화제 및 첨가제의 유입량을 조절할 수 있는 유체유입 제어장치와 자동유입 개폐장치를 이용한 그라우팅의 겔타임을 자동 조절할 수 있는 용탈방지용 고강도 그라우팅(Grouting) 조성물의 제조방법 및 이를 이용한 시공방법을 제시하고 있다.
한국공개특허 제10-2014-0099101호에서는 지열히트펌프 설치 시 그라우팅 공정에 사용되는 그라우팅 재료에 들어가는 실리카를 유리 제조 공정의 부산물을 이용한 그라우팅 실리카 제조방법을 제시하고 있다.
상기한 종래의 방법들은 모두 내구성 및 용탈방지용 그라우팅을 위하여 종래의 액상 규산나트륨을 고속으로 회전하는 산성 용액에 공급하여 만들어지는 그라우팅용 실리카 졸 제조과정 중 산(Acid) 공급에 따른 인체의 위험성 및 지반 환경의 피해가 있으며,
액상규산나트륨(Sodium silicate)과 산(Acid)이 혼합될 때 부산물로 발생되는 황산나트륨이 그라우팅 고결체에 다량 포함되어 있어 지하에 존재하는 수분과 접촉하면서 고결체 밖으로 용출되어 용탈현상에 의한 고결체의 체적 감소에 따라 방수역할을 제공할 수 없음은 물론,
고결체의 적절한 강도를 발현시킬 수 없을 뿐만 아니라 그라우팅 조성물들이 표면장력이 매우 높은 물에 용해된 상태로 타설됨에 따라 지반의 미세한 공극까지 지반에 타설되는 약제들이 지반의 미세한 공극까지 침투해 들어가지 못하고, 단순히 지반과 접하는 표면에 그라우팅 약제들이 고결됨에 따라 결합력 저하에 따른 고결체의 내구성이 크게 떨어지고 누수의 원인이 될 수 있는 문제점을 해결하기에는 역부족이었다.
본 발명은 상기와 같은 제반문제점을 감안하여 안출한 것으로, 그라우팅 과정에서 내구성 증가와 용탈방지를 위해 콜로이달 실리카를 필요로 할 때 환경친화적인 콜로이달 실리카를 사용하되, 표면장력을 최소화시킬 수 있는 계면활성제를 함께 포함시켜 지반에 타설된 그라우팅 약제들이 지반과 우수한 침투력으로 인하여 최종 생성된 고결체에서 용탈현상이 발생하지 않으면서 내구성을 높임은 물론 그라우팅 작업이 우수하고, 인체 및 지반환경에 저촉이 되지 않도록 함은 물론,
용액형 또는 현탁액형 그라우팅 약액을 이용하여 고결체의 내구성을 높이고, 용탈이 발생하지 않으면서 겔-타임을 조절할 수 있는 그라우팅 공법에서 콜로이달 실리카 용액에 계면활성제가 포함된 실리카 졸 용액을 만들고, 만들어진 실리카 졸 용액의 생성량과 겔화제 및 첨가제의 양을 조절하여 용탈현상이 발생하지 않는 고강도용 그라우팅 조성물을 제조하고,
이 그라우팅 조성물을 이용하여 그라우팅 겔 타임을 조절할 수 있는 시공방법을 제공하여 연약지반의 형태에 구애받지 않고, 그라우팅 시공 시 많은 인력이 동원되지 않으면서 지반을 보강하거나, 차수벽이나, 보강체 등의 구조물을 균일하고 효율적으로 형성할 수 있는 그라우팅 시공방법을 제공하고자 함에 그 목적을 둔 것이다.
상기 해결하고자하는 과제에 기재된 목적을 달성하기 위한 본 발명의 토양 침투성이 높은 콜로이달 실리카를 함유하는 그라우팅 조성물을 이용한 그라우팅 시공방법은 기본적으로 순결(금결)인 경우 5~13초의 시간 내에 겔화(Gelation)가 일어나고, 완결인 경우 50~90초의 시간내에 겔화가 일어날 수 있도록 실리카 졸 용액과 물 내지는 수용해성 첨가제가 유체 자동유입 제어장치에 의해 유입량이 조절되어 주입되고 실리카 졸 용액과 물 내지는 수용해성 첨가제가 실리카 졸 용액과 물 혼합단계에서 균일한 농도로 희석되고,
계면활성제 공급단계에서 표면 장력을 최소화시킬 수 있는 계면활성제를 공급하여 고침투성 실리카 졸 형성단계에 의해 표면장력 및 나트륨(Na) 함량이 최소화된 실리카졸이 포함된 고침투성 실리카졸 수용액(A)을 제조하는 단계와;
강도증가와 급결 또는 완결도를 조절하기 위해 위하여 분말상태인 시멘트 내지는 첨가제를 분말 자동유입 제어장치에 의해 정량으로 공급하되 분말 자동주입 개폐장치로 시멘트 내지는 첨가제를 공급 및 차단하도록 하면서 물 내지는 수용해성 첨가제가 유체 자동유입 제어장치에 의해 유입량이 조절되면서 주입되어 시멘트와 첨가제의 혼합단계에 의해 현탁형으로서 강도증가와 급결 또는 완결도를 조절하기 위한 그라우팅 용액(B)을 제조하는 단계와;
상기 표면장력 및 나트륨(Na) 함량이 최소화된 실리카졸이 포함된 고침투성 실리카졸 수용액(A)과 상기 현탁형으로서 강도증가와 급결 또는 완결도를 조절하기 위한 그라우팅 용액(B)이 균일하게 혼합되어 침투력이 우수한 실리카 졸이 포함된 그라우팅 조성물인 그라우팅 혼합약액을 얻는 그라우팅 약액 혼합단계와;
상기 그라우팅 약액 혼합단계에서 얻어진 그라우팅 혼합약액을 그라우팅을 요구하는 지반에 투입하는 그라우팅 약액 주입단계와;
상기 그라우팅 혼합약액이 지반에 투입된 채로 굳기 시작하는 겔화단계와;
상기 겔화단계를 거쳐 경화가 진행되며, 완전히 경화체가 형성되는 고화단계를 포함하여 이루어지는 것에 그 특징이 있는 것이다.
본 발명은 내구성 향상 및 용탈방지를 위한 주요 핵심 성분인 실리카 졸(Silica sol) 성분을 인체 및 지반환경에 해로운 부산물 내지는 약품이 함유되지 않고, 표면장력을 최소화하기 위해 계면활성제가 공급하여 표면장력 및 나트륨(Na) 함량이 최소화된 실리카졸이 포함된 고침투성 실리카졸 수용액(A)을 제조하고 이를 이용하여 지반에 시공하는 과정 중 표면장력이 최소화된 지반 고침투성 실리카 졸 및 첨가제의 유입량을 조절하여 용액형 및 현탁액형의 그라우팅 주입재에 동시에 제공할 수 있음은 물론 겔타임(Gel time)이 순결(Rapid setting)과 완결(Slow setting)이 적절한 시간에 제공되면서 지반의 미세한 공극까지 주입재의 조성물이 세밀하게 침투해 들어감으로서 용탈이 발생하지 않고, 고강도의 고결체를 형성시킬 수 있음에 따라 기업의 기술경쟁력 확보는 물론 광범위한 지반강화 분야에 널리 활용할 수 있는 효과가 있는 매우 획기적인 발명이다.
도 1은 본 발명에 따른 지반 고침투성인 실리카 졸이 포함된 그라우팅 약액의 제조공정 및 이를 이용한 그라우팅 공정 개략도이다.
본 발명의 기술사상을 구현하기 위한 발명의 실시내용을 실시예로 기재하기에 앞서, 본 출원의 명세서나 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 될 것이며, 본원의 보호범위는 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 할 것이며, 본 명세서에 기재된 예시는 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 할 것이다.
본 발명은 그라우팅 공법의 내구성 향상 및 용탈방지를 위한 주요 핵심 성분인 실리카 졸(Silica sol) 성분을 인체 및 지반환경에 해로운 부산물 내지는 약품이 함유되지 않고, 표면장력을 최소화하기 위해 계면활성제가 포함된 실리카 졸(콜로이달 실리카)이 구성되는 그라우팅 조성물에 의해 지반의 미세한 공극까지 우수한 침투력 증가로 인해 지반과 그라우팅 조성물과의 결합력 증가로 그라우팅 경화체의 내구성 증가와 용탈방지를 위한 콜로이달 실리카가 함유되는 그라우팅 조성물 및 환경친화적이면서 표면장력 최소화로 구성되는 실리카 졸과 첨가제의 유입량을 조절하여 겔 타임을 조절할 수 있는 그라우팅 시공방법을 제공하고자 함에 있는 것으로,
상기 표면장력을 최소화하기 위하여 계면활성제가 포함된 실리카 졸 용액은 10 나노미터 내지는 100 나노미터 크기의 입자로 구성되고, 실리카 졸 용액을 이산화규소(SiO2)로 100 중량부로 기준으로 할 때 계면활성제가 0.1 내지는 1.5 중량부 포함되고, 소포제가 0.01 내지는 0.50 중량부 포함되는 것이 바람직하다.
또한, 실리카 졸 용액의 표면장력을 낮추어주기 위하여 구성되는 계면활성제는 실리카 졸 용액의 표면장력을 낮출 수 있고, 수중에 분산된 나노미터 크기의 이산화규소(SiO2)가 계면활성제에 의해 응결 및 석출이 발생하지 않는다면 특별한 제한이 없이 어떠한 계면활성제라도 사용할 수 있다. 본 발명의 그라우팅 약액의 지반 침투력을 극대화하기 위한 계면활성제는 음이온성, 양이온성, 양쪽성, 비이온성 계면활성제 모두 사용할 수 있으며, 가장 바람직하게는 수중에 분산된 실리카 졸이 음이온을 띠고 있음에 따라 어떠한 조건에서라도 실리카 졸이 수중에서 장기간 분산력을 발휘하기 위해서는 실리카 졸의 전하와 동일한 음이온계면활성제를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 음이온성 계면활성제는 친수성기로 음이온 전하를 갖는 것으로서 수중에서 친수기 부분이 음이온으로 해리되며, 세정작용 및 기포 형성작용이 우수하며, 상기 양이온성 계면활성제는 친수성기로 양이온 전하를 갖는 것으로서, 음이온 계면활성제와는 반대의 구조를 가지고 있어 역성 비누라 칭하고 있으며, 상기 양쪽성 계면활성제는 양이온 전하와 음이온 전하를 한 분자 내에 함께 가지고 있으며, 양이온은 산성 영역에서 음이온은 알칼리성 영역에서 해리가 되는 특징을 가지고 있고, 상기 비이온성 계면활성제는 비이온성 계면활성제는 친수성기가 전하를 띄지 않으나 분자 내에 여러 개의 극성기를 가지고 있어 물과의 친화성이 자유롭다는 특징을 가지고 있는 바, 본원의 지반에 대한 실리카 졸의 높은 침투력을 제공하기 위한 계면활성제 중 음이온계면활성제는 카르복실산염, 술폰산염, 황산에스테르염, 인산에스테르염, 포스폰산염으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 음이온계면활성제를 선택하여 사용할 수 있으며, 상기 양이온계면활성제는 아민염, 4차 암모늄염, 포스포늄염, 술포늄염으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 양이온 계면활성제를 선택하여 사용할 수 있고, 상기 양쪽성 계면활성제는 카복실기 내지는 설폰기를 함유하며 양이온으로는 오로지 4차 암모늄 형태의 질소기를 함유하는 염으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 양쪽성계면활성제를 선택하여 사용할 수 있으며, 상기 비이온계면활성제는 지방산 모노글리세린 에스테르, 지방산 폴리글리콜에스테르, 지방산 소르비탄에스테르, 지방산 자당에스테르, 지방산 알칸올아미드, 폴리에틸렌 글리콜 축합형 비이온 계면 활성제로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 비이온계면활성제를 선택하여 사용할 수 있다.
상기 소포제는 실리카 졸 용액의 표면장력을 최소화하기 위해 계면활성제가 포함된 그라우팅 약액을 사용함에 있어서, 기포의 발생을 방지하기 위한 목적으로 사용하고 있으며, 이를 위한 소포제는 실리콘, 파라핀, 미네랄오일로 이루어진 군으로부터 선택되어지는 어느 하나 이상의 소포제를 사용할 수 있다.
본 발명은 최종 그라우팅 고결체의 용탈을 방지하면서 겔화(Gelation)와 그라우팅 고결체의 강도를 증가의 역할을 제공하는 고침투성 실리카졸 수용액(A)을 제조하는 단계에서 나트륨(Na)의 농도가 최소화된 실리카 졸 용액에 계면활성제 공급에 의해 표면장력이 최소화된 용액을 얻고, 상기 용액이 유체자동유입장치에 의해 유입량이 주입되거나 차단되도록 제어되는 단계와, 추가적인 강도증가 및 겔화의 촉진과 지연을 제공하기 위하여 첨가되는 그라우팅 용액(B)을 제조하는 단계에서 시멘트나 기타 첨가제가 분말상태로 자동개폐 장치에 의해 유입량이 조절 또는 차단되는 구조로 용액형 내지는 현탁액형의 그라우팅 주입약재가 제공되어 물과 혼합되는 단계와, 상기 단계에서 얻어진 표면장력 및 나트륨(Na) 함량이 최소화된 실리카졸이 포함된 고침투성 실리카졸 수용액(A)과 상기 현탁형으로서 강도증가와 급결 또는 완결도를 조절하기 위한 그라우팅 용액(B)이 동량으로 균일하게 섞어 혼합되어 그라우트 혼합약액을 얻는 그라우팅 약액 혼합단계와 상기 약재가 필요한 현장의 지반에 주입되어 겔 타입이 자동조절될 수 있는 겔화단계 및 고결단계를 거쳐 고강도의 그라우트를 제공하고자 하는 기술사상의 발명이다.
본 발명에서 적용되는 그라우팅 시공방법은 나트륨(Na)의 함량이 존재하지 않거나 또는 최소화된 단량체의 실리카 졸 용액을 제공하기 위한 수단으로 나트륨(Na)과 규소(Si)가 주성분인 액상 규산나트륨(Na2SiO3)을 사용하지 않고, 순수 실리카 졸 용액에 계면활성제가 포함된 고침투성 실리카졸 수용액(A)을 제조하는 단계와; 시멘트, 중탄산나트륨, 규산소다, 첨가제 중에서 선택되는 성분에 물이 공급되어 현탁형으로서 강도증가와 급결 또는 완결도를 조절하기 위한 그라우팅 용액(B)을 제조하는 단계와; 상기 공정을 통하여 얻은 고침투성 실리카졸 수용액(A)과 그라우팅 용액(B)을 동량으로 혼합시켜서 겔(gel)화시키는 겔화단계; 를 포함하여 이루어지는 그라우팅 시공방법으로 상기의 목적을 달성할 수 있다.
본 발명은 고침투성 실리카 졸 용액이 포함된 용액형 또는 현탁액형 그라우팅 약액을 이용하여 고결체의 용탈방지 및 내구성을 높이도록 제공되는 그라우팅 시공방법에서, (A)용액 제조단계에서 순수 실리카 졸 및 계면활성제와 물을 포함하는 용해성 첨가제가 유체자동유입 제어장치에 의해 유입량이 조절되어 주입되고, 순수 실리카졸과 물의 혼합단계에 균일한 농도로 실리카 졸이 희석되어지고, 계면활성제 공급단계에 의해 나트륨의 농도가 최소화된 실리카졸 용액을 만들어 고침투성 실리카졸 수용액(A)을 얻는 단계와, 강도증가와 급결 또는 완결도를 조절하기 위한 그라우팅 용액(B) 제조단계에서 시멘트 내지는 첨가제의 분말상태를 분말 자동유입 제어장치에 의해 정량으로 공급시켜 그라우팅 용액(B)을 얻는 단계와, 상기 공정을 통하여 얻은 고침투성 실리카졸 수용액(A)과 그라우팅 용액(B)을 동량으로 균일하게 혼합시켜 침투력이 우수한 실리카 졸이 포함된 그라우팅 조성물인 그라우팅 혼합약액을 얻는 그라우팅 약액 혼합단계와, 상기 그라우팅 혼합약액을 그라우팅을 요구하는 지반에 투입하는 그라우팅 약액 주입단계와 상기 그라우팅 약액이 투입된 부위에서 3차원적 거대 네트워크를 형성하며, 일정한 형상으로 굳기 시작하는 겔화 단계와 상기 겔화단계를 거쳐 경화가 진행되며 완전히 경화체가 형성되는 고화단계를 포함하여 이루어지는 구성의 용탈 방지용 고강도 그라우팅 시공공법이 개시된다.
본 발명의 그라우팅 시공공법에서 상기 고침투성 실리카졸 수용액(A)을 제조하는 단계에서 사용되는 실리카 졸 용액은 최종 그라우팅 고결체가 물에 용해되거나 지반환경에 유해한 부산물이 만들어져 지반에 존재하는 물과 접촉하면서 용탈이 발생되지 않거나, 실리카 졸을 제조하기 위한 경제적 비용을 최소화하기 위하여 시판되는 실리카 졸 용액을 구성하도록록 적용될 수 있다.
또한, 상기 강도증가와 급결 또는 완결도를 조절하기 위한 그라우팅 용액(B)을 제조하는 단계에서 사용되는 첨가제는 벤토나이트, 고로슬래그 분말, 플라이에쉬(fly ash), 흄실리카(fume silica), 산화마그네슘, 수산화마그네슘, 산화아연, 산화알루미늄, 황산칼륨, 황산칼슘, 탄산칼슘, 보락스(sodium borate) 중 1종 이상이 선택되어 시멘트의 중량이 100중량부 기준일 때 2.5~35.0 중량부 범위로 첨가되어 적용될 수 있다.
본 발명은 그라우팅 시공에서 지반 침투력이 우수한 실리카 졸이 포함된 약액으로 이용되어 고결체의 용탈방지 및 내구성을 높이도록 제공되는 그라우팅 약액이 (A)용액 제조단계에서 순수 실리카 졸과 물을 포함한 용해성 첨가제가 유체자동유입 제어장치에 의해 유입량이 조절되어 주입되고 실리카 졸과 용해성 첨가제가 혼합단계에서 균일한 농도로 희석되고, 계면활성제의 공급단계에 의해 나트륨(Na)의 농도가 최소화된 실리카졸 용액으로 지반 고침투성 실리카졸 수용액(A)을 얻는 단계와, 강도증가와 급결 또는 완결도를 조절하기 위한 그라우팅 (B)용액 제조단계에서 시멘트 내지는 첨가제의 분말상태를 분말 자동유입 제어장치에 의해 정량으로 공급되어 용액(B)을 얻는 단계와, 상기 A용액과 B용액이 동량 비율로 혼합되어 그라우팅 혼합약액로 제공되는 단계를 거쳐 얻어진 약액을 이용하여 환경 유해성 부산물이 만들어지지 않고, 그라우팅 공법이 적용된 고결체의 용탈을 방지하며, 고결체의 내구성을 높이는 기능에 사용하고자 하는 기술사상의 발명이다.
이하에서는 본 발명이 구현되는 일 실시 양태를 도 1을 참조하여 설명한다.
본 발명은 그라우팅 주입재가 요구되는 구조체의 내구성 향상 및 겔타임(Gel time)에 따라 실리카 졸을 제조하는 실리카졸 수용액(A) 제조단계에서, 순결(급결)인 경우 5~13초의 시간 내에 겔화(Gelation)이 일어나고, 완결인 경우 50~90초의 시간 내에 겔화가 일어날 수 있도록 실리카 졸 용액(10)과 물 내지는 수용해성 첨가제(20)가 유체자동유입 제어장치(50)에 의해 유입량이 조절되어 주입되고, 실리카 졸 용액과 물 혼합단계(70)에 의해 균일한 농도로 희석되며, 계면활성제 공급단계(80)에서 표면장력을 최소화시킬 수 있는 계면활성제가 공급되어 고침투성 실리카 졸 형성단계(100)에 의해 표면장력 및 나트륨(Na) 함량이 최소화된 실리카졸이 포함된 고침투성 실리카졸 수용액(A)이 제조될 수 있다.
또한, 본 발명에서는 강도의 추가적인 증가와 겔화의 촉진(순결) 내지는 지연(완결)을 이루기 위한 그라우팅 용액(B) 제조단계에서, 시멘트(30) 내지는 첨가제(40)의 분말상태를 분말 자동유입 제어장치(60)에 의해서 공급되고, 분말 자동주입 개폐장치(90)에 의해 분말상태의 시멘트 내지는 첨가제의 분말상태를 공급하거나 차단하도록 기능하며 물 내지는 수용해성 첨가제(20)가 유체자동유입 제어장치(50)에 의해 유입량이 조절되어 주입되어 선택적으로 시멘트와 첨가제의 혼합단계(110)에 의해 현탁형으로서 강도증가와 급결 또는 완결도를 조절하기 위한 그라우팅 용액(B)이 제조될 수 있다.
그리고 상기 고침투성 실리카 졸 형성단계(100)를 거쳐 제조된 표면장력 및 나트륨(Na) 함량이 최소화된 실리카졸이 포함된 고침투성 실리카졸 수용액(A)과
상기 시멘트와 첨가제의 혼합단계(110)를 거쳐 제조된 현탁형으로서 강도증가와 급결 또는 완결도를 조절하기 위한 그라우팅 용액(B)을 균일하게 혼합하여 침투력이 우수한 실리카 졸이 포함된 그라우팅 조성물인 그라우팅 혼합약액을 얻는 그라우팅 약액 혼합단계(120)를 거친 후,
상기 그라우팅 약액 혼합단계(120)에서 얻어진 그라우팅 혼합약액을 그라우팅을 요구하는 지반에 투입하는 그라우팅 약액 주입단계(130)와,
지반에 타설된 상기 그라우팅 혼합약액이 지반에 투입된 채로 굳기 시작하는 겔화단계(140)와,
상기 겔화단계(140)에 의해 경화가 시작하여 완전히 경화체가 형성되는 최종 고화단계(150)를 이루도록 투명한 용액형 고침투성 실리카졸 수용액(A) 내지는 불투명한 현탁액의 그라우팅 용액(B)가 제공되면서 순결 및 완결의 겔타임이 이루어지고, 최종 그라우팅 경화체가 용탈이 발생하지 않으면서 높은 내구성이 제공될 수 있도록 이루어진다.
본 발명의 기술사상을 구체화하기 위한 각론으로 사용 원료에 대하여 상술하여 보면,
표면장력 및 나트륨(Na) 함량이 최소화된 실리카졸이 포함된 고침투성 실리카졸 수용액(A)을 제조하는 단계는,
최종 그라우팅의 고화단계(150)의 경화체 내부에 수중 용해성 부산물이 다량 존재할 경우 지반의 물과 반응하여 용출 및 용탈이 발생되어 경화체가 수축으로 인한 지반과의 결합력이 떨어지고, 내구성이 크게 저하됨은 물로 환경 유해성 물질이 지반 수로를 오염시킬 수 있음에 따라 실리카 졸을 제공하기 위해 나트륨(Na) 성분이 다량 존재하는 액상규산나트륨보다는 나트륨이 소량 함유된 수중 분산된 순수 실리카 졸 용액을 선택하는 것이 바람직하며, 상기 실리카 졸은 실리카(SiO2)의 크기가 10 내지는 100 nm 크기로 이루어지고, 수중에 20 중량% 내지는 40 중량% 포함된 실리카 졸 원액을 그라우팅 공법에 따라 적당한 농도로 희석, 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 고침투성 실리카졸 수용액(A)을 제조하는 단계의 실리카 졸 용 액과 물 혼합단계(70)에 있어서 실리카 졸 용액(10)은 순결형(급결; short) 및 완결형(지연: Slow) 모두 물 내지는 수 용해성 첨가제(20)를 100중량부로 기준으로 할 때 30 내지는 110 중량부로 희석, 혼합하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 45 내지는 80 중량부가 혼합되는 것이 유리하며, 가장 바람직하게는 55 중량부 내지는 65 중량부를 혼합하는 것이 유리한 바 실리카 졸 용액(10)을 30 중량부 이하로 혼합할 경우 완결(mild)의 효과가 나타나기 때문에 순결을 요구하는 그라우팅 주입재에 적절치 않으며, 110 중량부를 초과하여 혼합할 경우 수초 안에 순결효과가 나타나나 주입재의 과잉혼합에 의한 시공단가가 높아질 수 있다는 문제가 있기 때문에 상기 제안한 농도로 혼합하는 것이 적절하다 할 수 있다.
종래의 방법에서는 하기의 반응식 1과 같이 고속으로 교반되는 산(Acid) 용액의 분위기에서 액상 규산나트륨을 공급함에 따라 고속교반 및 산 공급 과정 중 인체에 위해를 가할 수 있다는 문제점이 있을 뿐만 아니라 산(Acid)의 공급 및 이에 따른 부산물의 용탈에 의한 그라우팅 고화물의 용탈에 따른 지반 환경오염 및 내구성이 크게 떨어진다는 문제점이 있으며, 하기 반응식 2와 같이 나트륨이 다량 존재하는 액상 규산나트륨을 양이온교환수지를 이용한 이온교환 방법에 의해 순수한 실리카 졸 용액을 제조할 수 있다는 장점을 가지고 있으나, 양이온교환수지가 포함된 시스템을 설치하는데 경비가 많이 필요함은 물론 이온교환 능력이 사라질 때 염산(HCl)을 이용한 재생 과정이 많은 시간과 인력이 필요함에 따라 긴급을 요하는 현장에서 한계를 가지고 있음에 따라 가능한 시판되는 실리카 졸 용액을 구입, 사용하는 것이 바람직하다.
Na2SiO3 + (고속교반)H2SO4 → SiO2(실리카 졸)+Na2SO4(부산물: 용탈원인 및 내구성 악화 원인물질) + H2O(용탈)--------------------------<반응식 1>
Na2SiO3 + R-SO3H로 이루어지는 양이온교환수지 →R-SO3Na + SiO2(실리카 졸)-----------------------------------------------------<반응식 2>
따라서 본 발명에서 적용되는 공법은 상기와 같은 문제점을 야기하는 나트륨(Na)성분을 최소화하여 최종 고결체의 용탈 방지 및 부산물 발생에 의한 지반 환경오염을 방지하기 위하여 시판되는 순수한 실리카 졸 용액(10)을 사용하게 되는 부분에 그 특징이 있다.
또한 본 발명에서 현탁액 그라우팅 주입재로 이용되어 고강도의 그라우팅재를 이루기 위해 그라우팅 용액(B)에 선택적으로 이용되는 시멘트는 지반의 형태나 특성에 따라 다양한 종류 중에서 선택되어 사용될 수 있다.
상기 시멘트는 포틀랜드계 시멘트에 속하는 보통 포틀랜드 시멘트, 중용열 포틀랜드 시멘트, 조강 포틀랜드 시멘트, 내황산염 포틀랜드 시멘트, 백색 포틀랜드 시멘트, 유정시멘트, 콜로이드 시멘트 내지는 혼합시멘트에 속하는 고로 시멘트, Fly ash 시멘트, 실리카 시멘트, 초저발열 시멘트, 지열정 시멘트, RCCP 용 시멘트 내지는 알루미나 시멘트 내지는 초속결 시멘트 내지는 GRC용 저알칼리 시멘트 1종 단독 내지는 1종 이상의 시멘트가 선택되어지고, 그라우팅 용액(B) 제조단계에서 물을 100중량부로 기준으로 할 때 50 내지는 150 중량부를 희석하여 사용할 수 있으며, 일반적 지반강화를 위한 현탁액 주입재를 제공하기 위해서는 비표면적이 3,000~3,500 cm2 /g인 포틀랜드계 시멘트를 이용하는 것이 유리하며, 초기강도를 높이기 위해서는 비표면적이 4,000~4,600 cm2/g인 조강포틀랜드 시멘트 내지는 비표면적이 약 6,000 이상 cm2/g인 초조강포틀랜드 시멘트를, 1년 이상의 장기강도를 발현하면서 치밀한 경화체 조직을 얻기 위해서는 중용열 포틀랜드 시멘트를, 황산염 침입에 대한 저항성을 높이기 위해서는 내황산염 포틀랜드 시멘트를, 장기강도의 발현성을 높이면서 내해수성, 화학적 저항성을 높이고, 알칼리와 반응성을 최소화하기 위해서는 고로시멘트를, 건조수축을 줄이고, 수화열을 작게하면서 장기 강도를 크게 하기 위해서는 플라이에쉬(fly ash) 시멘트를 사용할 수 있다.
일반적인 그라우팅 주입재를 제공하기 위해서는 별도의 첨가제(40)를 사용하지 않는 것도 가능하나, 단독으로 사용하는 현탁액 그라우팅 주입재보다 높은 강도를 제공하기 위하여 첨가제(40)를 혼합하는 것이 유리한 바, 본 발명에서 사용가능한 첨가제(40)는 벤토나이트, 고로슬래그 분말, 플라이에쉬(fly ash), 흄실리카(fume silica), 산화마그네슘, 수산화마그네슘, 산화아연, 산화알루미늄, 황산칼륨, 황산칼슘, 탄산칼슘, 보락스(sodium borate) 중 1종 이상이 선택되어 사용될 수 있고, 상기 시멘트(30) 중량에 대하여 2.5 ~ 35 중량부가 첨가되어 사용될 수 있으며, 바람직하게는 3.5 ~ 30 중량부를 첨가하는 것이 유리하고, 더욱 바람직하게는 5.0 ~ 30 중량부가 포함되는 것이 유리하며, 가장 바람직하게는 7.5 ~ 20 중량부를 첨가하는 것이 유리한바, 첨가제(40)가 시멘트(30) 대비 2.5 중량비 이하로 첨가될 경우 시멘트(30) 단독으로 사용하는 현탁액의 물성과 유사하기 때문에 첨가제(40)에 의한 물성향상의 영향이 그다지 높지 않으며, 35 중량부 이상이 첨가될 경우 시멘트(30)량이 상대적으로 적은 양 포함되므로 오히려 강도 저하의 우려가 있기 때문에 상기 제안한 적절한 양을 첨가해야 유리하다.
물 내지는 수 용해성 첨가제(20)는 분말 자동유입 제어장치(60)에서 공급되는 시멘트(30) 내지는 첨가제(40)를 희석하면서 유동성 및 균질성을 제공하기 위하여 사용될 수 있는바, 단독으로 물만 사용되거나 또는 탄산염(carbonate) 내지는 중탄산염(bicarbonate)을 물에 용해하여 사용할 수 있고, 용액형과 현탁액형의 그라우팅 주입재의 지반여건 사용처의 기초지질 여건에 따라 제조하여 첨가되는 것이 유리하며, 이 때 사용하는 탄산염 내지는 중탄산염은 고침투성 실리카졸 수용액(A)의 제조단계에서 제조된 실리카 졸과 반응하여 겔 타임이 조절되도록 작용하게 된다.
도 1에서 제시되는 물 내지는 수용해성 첨가제(20)는 탄산나트륨, 탄산칼륨, 탄산암모늄, 중탄산나트륨, 중탄산칼륨, 중탄산암모늄, 글리옥살 중 1종 이상이 용액(A)의 제조단계에서 실리카 졸을 100 중량부 기준으로 할 때 5 ~ 80 중량부가 첨가될 수 있으며, 순결형 그라우팅 주입재일 경우 바람직하게는 20 ~ 80 중량부를 용해하는 것이 유리하며, 더욱 바람직하게는 30 ~ 65 중량부가 유리하고, 가장 바람직하게는 35 ~ 60 중량부가 유리한 바, 20 중량부 이하로 용해할 경우 고침투성 실리카졸 형성단계(100)에서 형성된 실리카졸과 반응하여 겔화가 늦게 나타나기 때문에 순결형에 적합지 않으며, 80 중량부 이상을 용해할 경우 탄산염은 별다른 문제가 발생치 않으나 중탄산나트륨이 용해도가 크기 않기 때문에 불용성이 될 확률이 매우 높아 상기 제안한 적정량을 용해하는 것이 유리하고, 완결형인 경우 5 ~20 중량부를 용해하는 것이 유리하며, 더욱 바람직하게는 5.5 ~ 15 중량부가 유리하며, 더욱 바람직하게는 7.0 ~ 13 중량부가 유리하며, 가장 바람직하게는 9.0 ~ 11 중량부가 유리한 바, 5 중량부 이하로 용해할 경우 완결의 효과를 발휘할 수 있으나 겔-타임을 조절하기가 매우 힘들며, 20 중량부 이상을 용해할 경우 순결형의 그라우팅 주입재가 만들어질 확률이 높기 때문에 상기 제안한 적절량을 용해하는 것이 유리하다.
이하, 본 발명을 다음의 실시 예에 의하여 본원의 기술사상이 적용되는 예를 상세하게 설명하고자 한다.
실시 예 1(현탁액형 순결형 그라우팅 주입재)
물을 100중량부로 기준으로 할 때 실리카 졸을 ㈜에스켐텍의 콜로이달 실리카 SS-SOL 100(고형분: 30 %, 90~100 nm)을 이용하여 50 중량부를 공급하고, 이케이켐텍(주)의 설폰산계열의 음이온계면활성제(ASCOⓡ1416) 0.09 중량부와 ㈜청산켐텍의 실리콘 타입의 소포제(CA-210) 0.05 중량부를 공급하여 고침투성 실리카졸 수용액(A)을 제조하였다.
별도로 시멘트 190 kg과 시멘트 첨가제인 골로슬래그 10 kg을 첨가하고, 수 용해성 첨가제인 중탄산나트륨((주)삼전순약) 40 kg을 측량한 후 혼합하면서 그라우팅 용액(B) 용액을 제조하고, 상기 고침투성 실리카졸 수용액(A)과 그라우팅 용액(B)이 섞이게 하는 혼합단계를 거치자 마자 겔타임을 확인하였으며, 겔화 후 물성을 확인하였다.
실시 예 2(용액형 순결형 그라우팅 주입재)
물을 100중량부로 기준으로 할 때 실리카 졸을 ㈜에스켐텍의 콜로이달 실리카 SS-SOL 30E(고형분: 30 %, 10~20 nm)를 이용하여 95 중량부를 공급하고, 이케이켐텍(주)의 설폰산계열의 음이온계면활성제(ASCOⓡ1416) 0.85 중량부와 ㈜청산켐텍의 실리콘 타입의 소포제(CA-210) 0.1 중량부를 공급하여 고침투성 실리카졸 수용액(A)을 제조하였다.
별도로 중탄산나트륨(NaHCO3, 삼전순약) 40 kg을 측량하고, 나머지 물로 채운 후 용해하여 200리터의 그라우팅 용액(B)을 제조하고, 상기 고침투성 실리카졸 수용액(A)과 그라우팅 용액(B)이 섞이게 하는 혼합단계를 거치자 마자 겔타임을 확인하였으며, 겔화 후 물성을 확인하였다.
실시 예 3(현탁액형 완결형 그라우팅 주입재)
물을 100중량부로 기준으로 할 때 실리카 졸을 ㈜에스켐텍의 콜로이달 실리카 SS-SOL 100(고형분: 30 %, 90~100 nm)을 이용하여 50 중량부를 공급하고, 에이케이켐텍(주)의 4.5 % 알카놀 아마이드 계열의 비이온계면활성제(ASCOⓡCDE(S)) 0.5 중량부와 ㈜청산켐텍의 실리콘 타입의 소포제(CA-210) 0.01 중량부를 공급하여 고침투성 실리카졸 수용액(A)을 제조하였다.
별도로 시멘트 40 kg과 중탄산나트륨 4 kg을 측량한 후 물을 공급하여 혼합기로 균일하게 혼합하면서 200리터의 그라우팅 용액(B)을 제조하였다.
상기 고침투성 실리카졸 수용액(A)과 그라우팅 용액(B)이 섞이게 하는 혼합단계를 거치자 마자 겔 타임을 측정하였으면 겔화 후 물성을 측정하였다.
실시 예 4(용액형 완결형 그라우팅 주입재)
물을 100중량부로 기준으로 할 때 실리카 졸을 ㈜에스켐텍의 콜로이달 실리카 SS-SOL 30E(고형분: 30 %, 10~20 nm)를 이용하여 80 중량부를 공급하고, 에이케이켐텍(주)의 4.5 % 알카놀 아마이드 계열의 비이온계면활성제(ASCOⓡCDE(S)) 0.3 중량부와 ㈜청산켐텍의 실리콘 타입의 소포제(CA-210) 0.01 중량부를 공급하여 고침투성 실리카졸 수용액(A)을 제조하였다.
별도로 중탄산나트륨 5 kg을 측량하고, 나머지 물로 채운 후 용해하여 200리터의 그라우팅 용액(B)을 제조하고, 상기 고침투성 실리카졸 수용액(A)과 그라우팅 용액(B)이 섞이게 하는 혼합단계를 거치자마자 겔타임을 측정하였으며, 겔화 후 물성을 측정하였다.
비교 예 1~4
실시 예 1~4에서 콜로이달 실리카에 해당되는 ㈜에스켐텍의 규산나트륨 3호를 측량한 후 70 % 농도의 황산 용액을 고속회전하는 반응기에 공급하여 콜로이달 실리카 A용액을 제조하고, 계면활성제를 공급하지 않은 것을 제외하고 실시 예 1~4와 동일하게 수행하였다.
비교 예 1~4 및 실시 예 1~4에 대한 겔타임과 1달 경과한 후 용탈현상 및 샌드겔 압축강도를 확인하였으며, 따로 비교 예 1~4 및 실시 예 1~4에서 준비된 콜로이달 실리카 A용액에 대한 지반 침투성을 확인하기 위하여 투명한 1리터의 메스실리더에 토양을 충진한 다음 메스실린더 상부로 주입한 다음 정확히 1분이 경과했을 때의 콜로이달 실리카 A용액이 토양으로 침투해 들어간 깊이를 확인하였다.
상기 비교 예 1~4 및 실시 예 1~4에 대한 결과를 표 1에 나타냈다.
구분 Gel time(sec) 1개월 경화 후의 용탈현상 샌드겔 압축강도(28일)
(kg/cm2)		 침투깊이
(cm)
실시 예 1 9.3 전혀 없음 측정불가(매우 우수) 45
실시 예 2 8.4 전혀 없음 29～32 47
실시 예 3 56 전혀 없음 측정불가(매우 우수) 46
실시 예 4 59 전혀 없음 29～32 48
비교 예 1 12 약간 발생 18～22 28
비교 예 2 9.2 대량 발생 측정불가(불량, 취성존재) 30
비교 예 3 52 약간 발생 18～22 26
비교 예 4 62 대량 발생 측정불가(불량, 취성존재) 24
표 1에서 나타낸 바와 같이 그라우팅의 내구성 향상 및 용탈 방지를 위해 필요한 콜로이달 실리카(실리카 졸 용액)를 제공하기 위해서, 비교 예 1~4의 종래의 실리카 졸 제조방법과 같이 황산용액을 고속교반하는 과정 중 액상규산나트륨을 공급하여 만들어진 실리카 졸 용액 및 표면장력을 최소화하기 위하여 계면활성제를 첨가하지 않은 그라우팅 약재로 사용한 경우 그라우팅 급결 및 완결 모두 용탈이 대량 발생함을 확인하였으며, 이에 따른 압축강도로 현저히 저조함을 나타냈으며, 지반에 대한 침투력을 확인한 결과 콜로이달 실리카 A용액을 메스실린더 상부에 공급한 후 1분 경과했을 때 콜로이달 실리카 A용액이 토양으로 침투한 깊이는 24~30 cm를 나타냈다. 반면, 실시 예 1~4와 같이 나트륨(Na) 함량이 최소화되면서 표면장력을 최소화하기 위하여 계면활성제가 공급된 실리카 졸 용액을 그라우팅 약재로 공급될 경우 용탈방지 및 우수한 압축강도를 나타냈으며, 이에 대한 고침투성 실리카졸 수용액(A)의 토양 침투 깊이가 45~48 cm로 지반 침투효과가 매우 우수함을 나타냈다.
따라서 본 발명의 토양 침투성이 높은 콜로이달 실리카를 함유하는 그라우팅 조성물 및 이를 이용한 시공방법을 통하여 연약지반의 형태나 토질의 종류에 따라 용액형 내지는 현탁액형의 그라우팅 주입재를 속결 및 완결의 겔타임을 조절할 수 있으며, 그라우팅 약재의 지반 침투력이 높아 용탈방지 및 고강도의 그라우팅 조성물을 제공할 수 있기 때문에 기업의 경쟁력은 물론 지반강화 분야에 널리 활용할 수 있는 기술로 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
10: 실리카 졸 용액 20: 물 내지는 수용해성 첨가제
30: 시멘트 40: 첨가제
50: 유체 자동유입 제어장치 60: 분말 자동 유입장치
70: 실리카 졸 용액과 물 혼합단계 80: 계면활성제 공급단계
90: 분말 자동주입 개폐단계 100: 고침투성 실리카 졸 형성단계
110: 시멘트와 첨가제의 혼합단계 120: (A)+(B) 그라우팅 약액 혼합단계
130: 그라우팅 약액 주입단계 140: 겔화단계
150: 고화단계

Claims (7)

  1. 순결(급결)인 경우 5~13초의 시간 내에 겔화(Gelation)가 일어나고, 완결인 경우 50~90초의 시간내에 겔화가 일어날 수 있도록 실리카 졸 용액(10)과 물 내지는 수용해성 첨가제(20)가 유체 자동유입 제어장치(50)에 의해 유입량이 조절되어 주입되고 실리카 졸 용액(10)과 물 내지는 수용해성 첨가제(20)가 실리카 졸 용액과 물 혼합단계(70)에서 균일한 농도로 희석되고,
    계면활성제 공급단계(80)에서 표면 장력을 최소화시킬 수 있는 계면활성제를 공급하여 고침투성 실리카 졸 형성단계(100)에 의해 표면장력 및 나트륨(Na) 함량이 최소화된 실리카졸이 포함된 고침투성 실리카졸 수용액(A)을 제조하는 단계와;
    강도증가와 급결 또는 완결도를 조절하기 위해 위하여 분말상태인 시멘트(30) 내지는 첨가제(40)를 분말 자동유입 제어장치(60)에 의해 정량으로 공급하되 분말 자동주입 개폐장치(90)로 시멘트(30) 내지는 첨가제(40)를 공급 및 차단하도록 하면서 물 내지는 수용해성 첨가제(20)가 유체 자동유입 제어장치(50)에 의해 유입량이 조절되면서 주입되어 시멘트와 첨가제의 혼합단계(110)에 의해 현탁형으로서 강도증가와 급결 또는 완결도를 조절하기 위한 그라우팅 용액(B)을 제조하는 단계와;
    상기 표면장력 및 나트륨(Na) 함량이 최소화된 실리카졸이 포함된 고침투성 실리카졸 수용액(A)과 상기 현탁형으로서 강도증가와 급결 또는 완결도를 조절하기 위한 그라우팅 용액(B)이 균일하게 혼합되어 침투력이 우수한 실리카 졸이 포함된 그라우팅 조성물인 그라우팅 혼합약액을 얻는 그라우팅 약액 혼합단계(120)와;
    상기 그라우팅 약액 혼합단계(120)에서 얻어진 그라우팅 혼합약액을 그라우팅을 요구하는 지반에 투입하는 그라우팅 약액 주입단계(130)와;
    지반에 타설된 그라우팅 혼합약액이 지반에 투입된 채로 굳기 시작하는 겔화단계(140)와;
    상기 겔화단계(140)를 거쳐 경화가 진행되며, 완전히 경화체가 형성되는 고화단계(150)를 포함하여 이루어지되,
    상기 고침투성 실리카졸 수용액(A)을 얻는 단계에서 사용되는 수용해성 첨가제는 탄산나트륨, 탄산칼륨, 탄산암모늄, 중탄산나트륨, 중탄산칼륨, 중탄산암모늄, 글리옥살 중 1종 이상이 고침투성 실리카졸 수용액(A)의 제조단계에서 실리카 졸을 100 중량부 기준으로 할 때 5 ~ 80 중량부가 포함되는 것을 특징으로 하는 토양 침투성이 높은 콜로이달 실리카를 함유하는 그라우팅 조성물을 이용한 그라우팅 시공방법.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 그라우팅 용액(B)을 얻는 단계에서 사용되는 첨가제는 벤토나이트, 고로슬래그분말, 플라이에쉬(fly ash), 흄실리카(fume silica), 산화마그네슘, 수산화마그네슘, 산화아연, 산화알루미늄, 황산칼륨, 황산칼슘, 탄산칼슘, 보락스(sodium borate) 중 1종 이상이 선택되어 시멘트의 중량이 100중량부 기준일 때 2.5~35.0 중량부 범위로 첨가되어 적용되는 것을 특징으로 하는 토양 침투성이 높은 콜로이달 실리카를 함유하는 그라우팅 조성물을 이용한 그라우팅 시공방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 그라우팅 용액(B)을 얻는 단계에서 사용되는 시멘트는 포틀랜드계 시멘트에 속하는 보통 포틀랜드 시멘트, 중용열 포틀랜드 시멘트, 조강 포틀랜드 시멘트, 내황산염 포틀랜드 시멘트, 백색 포틀랜드 시멘트, 유정시멘트, 콜로이드 시멘트 내지는 혼합시멘트에 속하는 고로 시멘트, Fly ash 시멘트, 실리카 시멘트, 초저발열 시멘트, 지열정 시멘트, RCCP 용 시멘트 내지는 알루미나 시멘트 내지는 초속결 시멘트 내지는 GRC용 저알칼리 시멘트 1종 단독 내지는 1종 이상의 시멘트가 선택되어지고 물을 100중량부로 기준으로 할 때 50 내지는 150 중량부를 희석하여 사용되는 것을 특징으로 하는 토양 침투성이 높은 콜로이달 실리카를 함유하는 그라우팅 조성물을 이용한 그라우팅 시공방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 고침투성 실리카졸 수용액(A)을 얻는 단계에서 사용되는 실리카 졸 용액은 10 내지는 100 nm 크기로 이루어지고, 수중에 20 중량% 내지는 40 중량% 포함된 실리카 졸 원액을 그라우팅 공법에 따라 물 내지는 수 용해성 첨가제를 100중량부로 기준으로 할 때 30 내지는 110 중량부로 희석, 혼합되는 것을 특징으로 하는 토양 침투성이 높은 콜로이달 실리카를 함유하는 그라우팅 조성물을 이용한 그라우팅 시공방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 고침투성 실리카졸 수용액(A)을 얻는 계면활성제 공급단계(80)에서 사용되는 계면활성제는 카르복실산염, 술폰산염, 황산에스테르염, 인산에스테르염, 포스폰산염으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 음이온계면활성제 내지는,
    아민염, 4차 암모늄염, 포스포늄염, 술포늄염으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 양이온 계면활성제 내지는,
    카복실기 내지는 설폰기를 함유하며, 양이온으로는 오로지 4차 암모늄 형태의 질소기를 함유하는 염으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 양쪽성 계면활성제 내지는,
    지방산 모노글리세린 에스테르, 지방산 폴리글리콜에스테르, 지방산 소르비탄에스테르, 지방산 자당에스테르, 지방산 알칸올아미드, 폴리에틸렌 글리콜 축합형 비이온 계면 활성제로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 비이온계면활성제가 선택되어지고, 실리카 졸로 구성되는 이산화규소(SiO2)를 100 중량부로 기준으로 할 때 0.1 내지는 1.5 중량부 포함되어지는 것을 특징으로 하는 토양 침투성이 높은 콜로이달 실리카를 함유하는 그라우팅 조성물을 이용한 그라우팅 시공방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 고침투성 실리카졸 수용액(A)을 얻는 계면활성제 공급단계(80)에서 거품 방지를 위해 사용되는 소포제는 실리콘, 파라핀, 미네랄오일로 이루어진 군으로부터 선택되어지는 어느 하나 이상의 소포제가 선택되어지고, 실리카 졸로 구성되는 이산화규소(SiO2)를 100 중량부로 기준으로 할 때 0.01 내지는 0.50 중량부 포함되어지는 것을 특징으로 하는 토양 침투성이 높은 콜로이달 실리카를 함유하는 그라우팅 조성물을 이용한 그라우팅 시공방법.
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