KR102435537B1 - 실리카-졸 상을 형성하는 친환경 그라우트재 제조방법 및 이를 이용한 그라우팅 시공방법 - Google Patents

실리카-졸 상을 형성하는 친환경 그라우트재 제조방법 및 이를 이용한 그라우팅 시공방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 실리카-졸 상을 형성하는 친환경 그라우트재 제조방법 및 이를 이용한 그라우팅 시공방법에 관한 것으로서, 그라우트재 제조시 비위험물질인 저농도 염산을 사용함으로써 안정적이고 친환경적인 그라우트재를 제조할 수 있고, 그라우트재 제조비용을 낮추는데 그 목적이 있다.
이를 위하여 본 발명은, (a) 메타규산나트륨(Na2SiO3)에 공정수를 첨가하여 이규산나트륨(Na2Si2O5)을 제조하는 단계(S11), (b) 상기 S11 단계에서 제조된 이규산나트륨(Na2Si2O5)에 공정수를 첨가하여 규산나트륨 수용액을 제조하는 단계(S12), (c) 상기 S12 단계에서 제조된 규산나트륨 수용액에 저농도 염산을 첨가하여 실리카-졸(Silica-Sol) 상이 형성된 A약액을 제조하는 단계(S13), (d) 일반시멘트에 강도강화제로써 석고계 물질을 혼합하여 강도강화용 시멘트를 제조하는 단계(S21), (e) 상기 S21 단계에서 제조된 강도강화용 시멘트에 공정수를 혼합하고 교반하여 강도강화용 시멘트 수용액을 제조하는 단계(S22), (f) 상기 S22 단계에서 제조된 강도강화용 시멘트 수용액에 겔-타임 조절제를 혼합하여 B약액을 제조하는 단계(S23), (g) 상기 S13 단계에서 제조된 실리카-졸(Silica-Sol) 상이 형성된 A약액과 S23 단계에서 제조된 B약액을 혼합하여 친환경 그라우트재를 제조하는 단계(S33)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

실리카-졸 상을 형성하는 친환경 그라우트재 제조방법 및 이를 이용한 그라우팅 시공방법{ECO-FRIENDLY GROUT MANUFACTURING METHOD FORMING SILICA-SOL PHASE AND GROUTING METHOD USING THE SAME}
본 발명은 토목공사나 건축공사시 지반을 보강하거나 차수벽을 형성하는 데 사용되는 그라우트재 제조방법 및 이를 이용한 그라우팅 시공방법에 관한 것으로서, 가격이 저렴하고 취급이 용이한 비위험물질인 저농도 염산(HCl)을 사용하여 안정적이고 친환경적인 그라우트재를 제조함으로써, 가격 경쟁력을 향상시킬 수 있고, 작업자가 안전한 작업환경에서 작업할 수 있으며, 기존의 차수 그라우팅 장비에도 직접 적용할 수 있고, 압축강도를 향상킬 수 있으며, 탈리현상 및 용출현상으로 인발생되는 문제점을 크게 줄일 수 있는 친환경 그라우트재 제조방법 및 이를 이용한 그라우팅 시공방법에 관한 것이다.
일반적으로 그라우팅(Grouting)이라 함은, 토목공사 또는 건축공사시 누수 방지 또는 토질안정 등을 위하여 지반의 갈라진 틈이나 공동(空洞)에 충전재를 주입하는 시공방법을 말한다.
상기한 그라우팅에 의해, 지반속에 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 한다.
상기 그라우트의 종류로는, 시멘트, 물, 점토 등을 이용하는 시멘트계 그라우트, 철골기초의 충전이나 이음새 부분의 충전 보강용으로 주로 사용되는 철분질계 그라우트, 지수와 토질 안정용에 주로 사용되는 아스팔트계 그라우트, 케미컬 그라우트 등이 있다.
그런데 상기 시멘트계 그라우트는, 시멘트에 포함된 독성물질이 용출되어 토양을 오염시킨다는 단점이 있다.
또한 상기 케미컬 그라우트는, 시간의 경과에 따라 그라우트의 용탈이 진행되어, 주입된 그라우트가 본래의 기능을 상실하고 지하수를 오염시킨다는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 개선하기 위하여, 최근에는 케미컬 그라우트를 화학적으로 개질한 약액(藥液) 그라우트의 사용이 증가하고 있다.
상기한 약액 그라우트는, 산성 실리카졸 약액 그라우트와 중성 실리카졸 약액 그라우트 등으로 분류할 수 있다.
상기 약액 그라우트는, 통상적으로 A약액과 B약액으로 구성되어 있으며, 상기 A약액은 규산나트륨(물유리 3종), B약액은 시멘트가 주로 사용되고 있다.
그런데 규산나트륨과 시멘트를 혼합하여 그라우팅 시공을 하는 방식은, 졸(Sol) 상태의 약액이 겔(Gel) 상태로 되기까지의 시간인 겔-타임(Gel Time)이 매우 길고, 차수 품질이 낮아 적용범위가 한정된다는 단점이 있다.
이러한 단점을 보완하기 위하여, 규산나트륨을 사용하는 경우, 황산, 중탄산나트륨 등을 첨가하여 겔-타임을 단축시키기도 한다.
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.
저압식 차수 그라우팅 공법중에, L.W.(Labiles Wasser glass) 그라우팅 공법이 있다.
상기 L.W. 공법은, A약액으로 규산나트륨을 사용하고, B약액으로 시멘트를 사용하며, A약액과 B약액을 별로의 관로를 통해 각각 공급한 후 선단장치에서 혼합 및 반응시켜 지반에 주입한다.
즉 상기 L.W. 공법은, 지중에 시멘트 밀크(Cement Milk)를 먼저 주입하여 지반의 공극을 채우고, L.W액(Water Glass 용액)을 0.3∼0.6N/㎟의 저압으로 주입하여 지반을 고결시킨다.
그런데 상기 L.W 그라우팅 공법은, 겔-타임이 120초 이상 소요되기 때문에, 지하수가 흐르고 있는 환경에서는 차수효과를 얻는데 많은 어려움이 있고, 공사기간이 길어진다는 단점이 있다.
이러한 단점을 해소하기 위해, 겔-타임을 20초 전후로 빠르게 고결화시키는 급결용 그라우트재(급결재)와, 60초 전후로 고결화시키는 완결용 그라우트재(완결재)를 이용한 다양한 그라우팅 공법들이 사용되고 있다.
그 대표적인 공법으로는 S.G.R(Space Grouting Rocket System) 그라우팅 공법이 있으며, 이 공법의 급결재와 완결재의 배합비는 아래의 [표 1] 및 [표 2]와 같다.
S.G.R 그라우팅 공법의 그라우트재 배합비(급결재)
A 약액 B 약액
200ℓ 200ℓ
규산나트륨 100ℓ 시멘트 60kg
SGR(7호) 24kg
물 100ℓ 물 168ℓ
S.G.R 그라우팅 공법의 그라우트재 배합비(완결재)
A 약액 B 약액
200ℓ 200ℓ
규산나트륨 100ℓ 시멘트 60kg
SGR(8호) 24kg
물 100ℓ 물 168ℓ
즉 상기 S.G.R. 그라우팅 공법에서는, A약액 200ℓ중 절반인 100ℓ가 규산나트륨으로 구성된다.
상기 규산나트륨은, 그라우팅 시공 후 지반 속이 건조할 경우, 규산나트륨이 대기중에 있는 이산화탄소(CO2)와 반응하여 탈리현상이 발생하게 된다. 이로써 초기 주입된 주입재의 부피에 부피가 상당히 감소된다는 문제가 있다.
이에 따라 줄어든 부피만큼 지반 속에서 빈 공간이 생기고, 이렇게 발생된 빈 공간은 그라우팅의 품질을 저하시키게 된다.
또한 지반 속에 지하수가 흐르거나 고여있는 경우에는, 주입재에 사용된 규산나트륨의 탈리현상에 의하여, 지반 속의 지하수가 시멘트에 포함된 중금속에 의해 오염된다는 문제가 있다.
또한 상기한 S.G.R. 공법을 포함하는 종래의 그라우팅 공법들은, 규산나트륨을 실리카-졸 상으로 형성시켜 보다 원만한 고결화 및 겔-타임 조절을 위해, 규산나트륨 수용액에 특정 반응물로 황산(H2SO4) 또는 황산계열 물질을 사용하고 있다.
그런데 상기 황산은, 산업안전보건법상 유해·위험물질로 분류되어 있으며, 작업자의 건강 및 안전을 위협하고 그라우팅 장비를 부식시킨다는 문제점이 있다.
또한 황산은 작업자가 다루기 위험하고 인체에도 큰 피해를 입힐 수 있다는 단점이 있다.
또한 주입재의 원료로 황산(H2SO4)을 사용한 그라우트재는, 지반속에 주입 후 지반속을 흐르고 있는 지하수나 고여 있는 지하수를 오염시킨다는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해소하기 위해, 황산 원액 대신 산성물질을 사용하는 경우도 있으나, 이 경우에는 A약액의 제조비용이 크게 증가하게 되는 단점이 있다.
한국 등록특허 제10-2313674(2021. 10. 19. 공고) 한국 등록특허 제10-2255382(2021. 05. 21. 공고)
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 그라우트재 제조시 비위험물질인 저농도 염산을 사용함으로써 안정적이고 친환경적인 그라우트재를 제조할 수 있도록 하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 그라우트재 제조시 위험물질인 황산을 사용을 배제함으로써, 작업자가 안전하게 그라우트재를 제조할 수 있고, 환경 오염을 줄이는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 그라우트재 제조비용을 낮출 수 있고, 작업자가 용이하게 겔-타임을 조절할 수 잇도록 하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 지반 속에 지하수가 흐르거나 물이 고여 있는 경우에도 차수벽을 용이하게 형성할 수 있도록 하는 데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 친환경 그라우트재 제조방법은, (a) 메타규산나트륨(Na2SiO3)에 공정수를 첨가하여 이규산나트륨(Na2Si2O5)을 제조하는 단계(S11), (b) 상기 S11 단계에서 제조된 이규산나트륨(Na2Si2O5)에 공정수를 첨가하여 규산나트륨 수용액을 제조하는 단계(S12), (c) 상기 S12 단계에서 제조된 규산나트륨 수용액에 저농도 염산을 첨가하여 실리카-졸(Silica-Sol) 상이 형성된 A약액을 제조하는 단계(S13), (d) 일반시멘트에 강도강화제로써 석고계 물질을 혼합하여 강도강화용 시멘트를 제조하는 단계(S21), (e) 상기 S21 단계에서 제조된 강도강화용 시멘트에 공정수를 혼합하고 교반하여 강도강화용 시멘트 수용액을 제조하는 단계(S22), (f) 상기 S22 단계에서 제조된 강도강화용 시멘트 수용액에 겔-타임 조절제를 혼합하여 B약액을 제조하는 단계(S23), (g) 상기 S13 단계에서 제조된 실리카-졸(Silica-Sol) 상이 형성된 A약액과 S23 단계에서 제조된 B약액을 혼합하여 친환경 그라우트재를 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 S11 단계에서, 메타규산나트륨(Na2SiO3)과 공정수의 혼합비율은, 부피비로 1 : 0.4 ∼ 1 : 0.6인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 S12 단계에서, 상기 이규산나트륨(Na2Si2O5)과 공정수의 혼합비율은, 부피비로 1 : 2 ∼ 1 : 3인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 S13 단계에서, 상기 규산나트륨 수용액과 저농도 염산의 혼합비 율은, 부피비로 1 : 0.03 ∼ 1 : 0.1인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 S21 단계에서, 상기 저농도 염산의 질량농도는, 3 ~ 8%인 것을 특징으로 한다.
또한 일반시멘트와 강도강화제와의 혼합비율은, 중량비로 1 : 0.2 ∼ 1 : 0.4인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 강도강화제는, 석고계 물질로 소석회(Ca(OH)2), 생석회(CaO), 석회석(CaCO3), 산업부산물인 탈황석고 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 S22 단계에서, 강도강화용 시멘트와 공정수의 혼합비율은, 중량비로 1 : 1.5 ∼ 1 : 2인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 S23 단계에서, 강도강화용 시멘트 수용액과 겔-타임 조절제의 혼합비율은, 중량비로 1 : 0.05 ∼ 1 : 0.1인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 겔-타임 조절제는, 인산(H3PO4), 구연산(C6H8O7), 저농도 염산(HCl) 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
그리고 본 발명에 따른 그라우팅 시공방법은, (g) 상기 S13 단계에서 제조된 A약액을 저압식 차수 그라우팅 주입장치의 제1 주입펌프에 의해 A약액 주입관에 공급하는 단계, (h) 상기 S23 단계에서 제조된 B약액을 저압식 차수 그라우팅 주입장치의 제2 주입펌프에 의해 B약액 주입관에 공급하는 단계, (i) A약액 주입관과 B약액 주입관이 한곳으로 모아지는 선단장치에서 상기 A약액과 B약액을 혼합하는 단계, (j) 상기 선단장치에서 혼합된 A약액과 B약액이 순간적으로 반응하여 실리케이트 졸-겔 상태의 그라우트재가 되도록 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 A약액과 B약액의 공급비율은, 부피비로 1 : 1인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 그라우트재 제조시 위험물질인 황산을 사용하지 않고 비위험물질인 질량농도 3~8%의 저농도 염산을 사용함으로써, 작업자가 안전하게 그라우트재를 제조할 수 있는 효과가 있다.
또한 그라우트재 제조시 비위험물질인 저농도 염산을 사용함으로써, 안정적이고 친환경적인 그라우트재를 제조할 수 있는 효과가 있다.
특히 작업자가 유해 작업환경에 노출되는 것을 방지함으로써, 작업자의 건강과 안전을 확보할 수 있는 효과가 있다.
또한 가격이 고가인 규산나트륨의 사용량을 약 절반 정도로 줄일 수 있으므로, 그라우트재 제조비용을 낮출 수 있는 효과가 있다.
또한 규산나트륨의 사용량을 약 절반 정도로 줄일 수 있으므로, 탈리현상에 의해 지반 속에 빈 공간이 형성되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한 작업자가 겔-타임을 쉽게 조절할 수 있고, 기존의 차수 그라우팅 장비에도 직접 적용할 수 있도록 하는 효과가 있다.
또한 일반시멘트에 강도강화제를 첨가함으로써, 그라우트재를 지반 속에 주입한 후 약해질 수 있는 주입재의 강도를 크게 증가 시킬 수 있는 효과가 있다.
또한 주입재의 강도를 높이기 위하여 환경오염을 유발시키는 일반시멘트를 추가하지 않아도 되는 효과가 있다.
또한 용출현상으로 인해 발생하는 문제점을 해결할 수 있는 효과가 있다.
또한 지반 속에 지하수가 흐르거나 물이 고여 있는 경우에도 차수벽을 용이하게 형성할 수 있는 효과가 있다.
도 1은, 본 발명에 따른 친환경 그라우트재 제조과정을 나타낸 흐름도.
도 2 내지 4는, 본 발명에 따른 친환경 그라우트재의 압축강도 실험사진.
이하 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다.
<A약액의 제조>
본 발명에 따른 A약액 제조방법은, 도 1에 도시된 바와 같이, (a) 메타규산나트륨(Na2SiO3)에 공정수를 첨가하여 이규산나트륨(Na2Si2O5)을 제조하는 단계(S11), (b) 상기 S11 단계에서 제조된 이규산나트륨(Na2Si2O5)에 공정수를 첨가하여 규산나트륨 수용액을 제조하는 단계(S12), (c) 상기 S12 단계에서 제조된 규산나트륨 수용액에 저농도 염산을 첨가하여 실리카-졸(Silica-Sol) 상이 형성된 A약액을 제조하는 단계(S13)를 포함하여 이루어진다.
상기 S11 단계에서, 상기 메타규산나트륨(Na2SiO3)과 공정수의 혼합비율은 부피비로 1 : 0.4 ∼ 1 : 0.6인 것이 바람직하다.
상기 메타규산나트륨(Na2SiO3)에 대한 공정수의 혼합비율이 1 : 0.4 미만이 되면, 공정수의 양이 부족하여 이규산나트륨의 생성이 방해를 받게된다.
또한 메타규산나트륨(Na2SiO3)에 대한 공정수의 혼합비율이 1 : 0.6을 초과하게 되면, 생성물인 이규산나트륨 용액의 농도가 너무 낮아지게 된다.
이때의 화학식은 아래와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112022056158115-pat00001
또한 상기 S12 단계에서, 이규산나트륨(Na2Si2O5)과 공정수의 혼합비율은, 부피비로 1 : 2 ∼ 1 : 3인 것이 바람직하다.
상기 이규산나트륨(Na2Si2O5)에 대한 공정수의 혼합비율이 1 : 2 미만이 되면, 공정수의 양이 부족하여 A약액을 주입장치로 주입하는데 어려움이 있다.
또한 상기 이규산나트륨(Na2Si2O5)에 대한 공정수의 혼합비율이 1 : 3을 초과하게 되면, 생성물인 규산나트륨 용액의 농도가 너무 낮아지게 된다.
이때의 화학식은 아래와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112022056158115-pat00002
또한 상기 S13 단계에서, 규산나트륨 수용액과 저농도 염산의 혼합비율은 1 : 0.03 ∼ 1 : 0.1인 것이 바람직하다.
상기 규산나트륨 수용액에 대한 저농도 염산의 혼합비율이 1 : 0.03 미만이 되면, 저농도 염산의 양이 부족하여 실리카-졸 상의 형성이 미약하게 되고 겔-타임이 길어지게 된다.
또한 상기 규산나트륨 수용액에 대한 저농도 염산의 혼합비율이 1 : 0.1을 초과하게 되면, 저농도 염산이 너무 많아져 실리카-졸 상태를 벗어나 겔화 또는 고결화 현상이 발생하게 된다. 이로써 A약액을 지반속으로 주입하기가 불가능하게 된다.
이때의 화학식은 아래와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112022056158115-pat00003
여기서 상기 저농도 염산은, 비위험물질로 분유되는 질량농도 3 ~ 8%(v/v)인 것이 바람직하다.
산업안전보건기준에 관한 규칙 별표 1에 의하면, 농도가 20% 이하인 염산은 위험물질로 분류되지 않는다.
본 발명에서는 질량농도가 3 ~ 8%인 저농도 염산을 사용하므로, 작업자가 안전하게 그라우트재를 제조할 수 있다.
또한 저농도 염산을 사용함으로써, 그라우트재 주입장비가 부식되는 것을 방지할 수 있고, 그라우트 시공의 효율성도 향상시킬 수가 있다.
대표적인 차수 그라우팅 공법인 S.G.R(Space Grouting Rocket System) 공법은, 그라우트재 전량이 400ℓ일 경우, 100ℓ의 규산나트륨이 사용되고 있다.
또한 현장에서 많이 사용되고 있는 A.S.G(Activated Silicate Grouting) 공법은, 그라우트재 전량이 400ℓ 일 경우, 90ℓ의 규산나트륨이 사용되고 있다.
이에 비해 본 발명은, 그라우트재 전량이 400ℓ 일 경우, 50ℓ의 규산나트륨이 사용된다.
즉 본 발명은, S.G.R. 공법보다 규산나트륨의 사용량을 50% 절감할 수 있고, A.S.G. 공법보다 규산나트륨의 사용량을 40% 절감할 수 있다.
이로써 고가인 규산나트륨의 사용량을 대폭 줄일 수 있으므로, 그라우트재 제조비용을 크게 절감할 수 있고 가격 경쟁력을 확보할 수 있다.
한편 실리카계열의 그라우트재를 사용하는 차수 그라우팅 공법에서는, 시공 후 주입된 주입재로 인하여 탈리현상이 발생하게 된다.
상기한 탈리현상은 지반에 악영향을 미치게 되는데, 특히 지반속에 지하수가 흐르거나 고여 있는 경우, 지반속의 지하수가 중금속에 의해 오염될 수 있다.
또한 지반속에 지하수가 없는 건조한 경우에는, 상기 탈리현상에 의해 지반속으로 주입된 주입재의 부피가 시간이 경과함에 따라 줄어들어 빈 공간을 형성하게 되는 문제가 있다.
이에 비해 본 발명은, 탈리현상을 발생시키는 규산나트륨의 사용량을 대폭 줄임으로써, 위와 같은 문제점을 최소화할 수 있다.
<B약액의 제조>
본 발명에 따른 B약액 제조방법은, 도 1에 도시된 바와 같이, (d) 일반시멘트에 강도강화제로써 석고계 물질을 혼합하여 강도강화용 시멘트를 제조하는 단계(S21), (e) 상기 S21 단계에서 제조된 강도강화용 시멘트에 공정수를 혼합하고 교반하여 강도강화용 시멘트 수용액을 제조하는 단계(S22), (f) 상기 S22 단계에서 제조된 강도강화용 시멘트 수용액에 겔-타임 조절제를 혼합하여 B약액을 제조하는 단계(S23)를 포함하여 이루어진다.
상기 S21 단계에서, 일반시멘트와 강도강화제의 혼합비율은, 중량비로 1 : 0.2 ∼ 1 : 0.4인 것이 바람직하다.
상기 일반시멘트에 대한 강도강화제의 혼합비율이 1 : 0.2 미만이 되면, 주입후 주입재의 강도가 낮아 차수벽의 형성에 어려움이 있다.
또한 상기 일반시멘트에 대한 강도강화제의 혼합비율이 1 : 0.4를 초과하게 되면, 강도는 향상되나 겔타임이 예상치보다 빨라져 주입작업에 어려움이 있다.
여기서 상기 강도강화제는, 석고계 물질로 소석회(Ca(OH)2), 생석회(CaO), 석회석(CaCO3), 산업부산물인 탈황석고 중 어느 하나인 것이 바람직하다.
본 발명은, 일반시멘트에 석고계 물질을 혼합하여 강도강화용 시멘트를 제조함으로써, 일반시멘트만 사용하여 제조된 그라우트재보다 강도를 향상시킬 수가 있다.
상기 S22 단계에서, 강도강화용 시멘트와 공정수의 혼합비율은, 중량비로 1 : 1.5 ∼ 1 : 2인 것이 바람직하다.
상기 강도강화용 시멘트에 대한 공정수의 혼합비율이 1 : 1.5미만이 되면, B약액을 주입관을 통해 주입하는데 어려움이 있다.
또한 강도강화용 시멘트에 대한 공정수의 혼합비율이 1 : 1.2를 초과하게 되면, 공정수의 양이 너무 많아져 주입후 주입재의 강도가 저하된다.
그리고 상기 S23 단계에서, 강도강화용 시멘트 수용액과 겔-타임 조절제의 혼합비율은, 중량비로 1 : 0.05 ∼ 1 : 0.1인 것이 바람직하다.
상기 강도강화용 시멘트 수용액에 대한 겔-타임 조절제의 혼합비율이 1 : 0.05 미만이 되면, 겔-타임이 예상치보다 길어지게 되어 주입작업에 어려움이 있다.
또한 강도강화용 시멘트 수용액에 대한 겔-타임 조절제의 혼합비율이 1 : 0.1을 초과하게 되면, 겔-타임이 너무 짧아지게 되어 주입작업에 어려움이 있다.
여기서 상기 겔-타임 조절제는, 인산(H3PO4), 구연산(C6H8O7), 저농도 염산(HCl) 중 어느 하나인 것이 바람직하다.
<친환경 그라우트재의 제조>
본 발명에 따른 친환경 그라우트재는, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 S13 단계에서 제조된 실리카-졸(Silica-Sol) 상이 형성된 A약액과, 상기 S23 단계에서 제조된 B약액을 혼합하여 제조한다.
<그라우팅 시공방법>
본 발명에 따른 그라우팅 시공방법은, 도 1에 도시된 바와 같이, (g) 상기 S13 단계에서 제조된 A약액을 저압식 차수 그라우팅 주입장치의 제1 주입펌프에 의해 A약액 주입관에 공급하는 단계, (h) 상기 S23 단계에서 제조된 B약액을 저압식 차수 그라우팅 주입장치의 제2 주입펌프에 의해 B약액 주입관에 공급하는 단계, (i) A약액 주입관과 B약액 주입관이 한곳으로 모아지는 선단장치에서 상기 A약액과 B약액을 혼합하는 단계, (j) 상기 선단장치에서 혼합된 A약액과 B약액이 순간적으로 반응하여 실리케이트 졸-겔 상태의 그라우트재가 되도록 하는 단계를 포함하여 이루어진다.
상기 S33 단계에서 공급되는 A약액과 B약액은, 부피비 1 : 1로 공급하는 것이 바람직하다.
A약액과 B약액의 반응에 의해 칼슘 실리케이트가 겔화되는 화학식은 아래와 같다.
Figure 112022056158115-pat00004
위와 같이 제조된 실리카-졸 상이 형성된 그라우트재 A약액과 결합재 역할을 하는 B약액은, 일반적으로 사용하는 저압식 차수 그라우팅 주입장치를 이용하여 주입된다.
즉 상기 A약액과 B약액은, 각각의 A약액 주입펌프와 B약액 주입펌프에 의하여 각각 주입되고, 그라우팅 주입장치 끝부분인 선단장치에서 서로 혼합된다.
상기 선단장치에서는, 실리카-졸이 형성된 그라우트재 A약액과 결합재 역할을 하는 B약액이 혼합되어 에트린자이트(Ettringite)가 형성되면서 고결화가 일어나게 된다.
상기와 같은 혼합 반응된 A약액과 B약액은, 지반속으로 침투되어 지반 속 지하수가 흐르거나 고여 있는 환경에서도 강도가 높은 차수벽을 형성하게 된다.
이때의 반응 메카니즘은 아래의 화학식으로 나타낼 수 있다.
Figure 112022056158115-pat00005
이하 본 발명에 따라 제조된 그라우트재와 비교예의 시험결과를 설명한다.
<실시예 1>
본 발명의 실시예 1은, 규산나트륨과 공정수를 부피비 50 : 129의 비율로 혼합하여 규산나트륨 수용액을 제조하였다.
이어서 상기 규산나트륨 수용액과 저농도 염산(8% v/v)을 부피비 179 : 21의 비율로 혼합하여, 실리카-졸(Silica-Sol) 상태의 A약액을 제조하였다.
한편, 일반시멘트와 강도강화제를 중량비 80 : 20의 비율로 혼합하여 강도강화용 시멘트를 제조하였다.
이어서 상기 강도강화용 시멘트와 공정수를 중량비 100 : 150의 비율로 혼합하여 강도강화용 시멘트 수용액을 제조하였다.
이어서 강도강화용 시멘트 수용액과 겔타임 조절제를 중량비 250 : 18의 비율로 혼합하여 B약액을 제조하였다.
최종적으로 상기 A약액과 B약액을 부피비로 1 : 1의 비율로 혼합하여 실시예 1의 그라우트재를 제조하였다.
<비교예 1>
비교예 1은, 규산나트륨과 공정수를 부피비 50 : 150의 비율로 혼합하여 규산나트륨 수용액을 제조한 후 A약액을 제조하였다.
한편, 시멘트와 공정수를 중량비 100 : 168의 비율로 혼합하여 강도강화용 시멘트 수용액을 제조한 후 B약액을 제조하였다.
최종적으로 상기 A약액과 B약액을 부피비 1 : 1의 비율로 혼합하여 비교예 1의 그라우트재를 제조하였다.
<비교예 2>
비교예 2는, 규산나트륨과 공정수를 부피비 50 : 129의 비율로 혼합하여 규산나트륨 수용액을 제조하였다.
이어서 상기 규산나트륨 수용액과 저농도 염산(8% v/v)을 부피비 179 : 21의 비율로 혼합하여, 실리카-졸(Silica-Sol) 상태의 A약액을 제조하였다.
한편, 시멘트와 공정수를 중량비 100 : 168의 비율로 혼합하여 강도강화용 시멘트 수용액을 제조한 후 B약액을 제조하였다.
최종적으로 상기 A약액과 B약액을 부피비 1 : 1의 비율로 혼합하여 비교예 2의 그라우트재를 제조하였다.
<비교예 3>
비교예 3은, 규산나트륨과 공정수를 부피비 50 : 150의 비율로 혼합하여 규산나트륨 수용액을 제조한 후 A약액을 제조하였다.
한편, 상기 시멘트와 공정수를 중량비 100 : 150의 비율로 혼합하여 시멘트 수용액을 제조하였다.
이어서 시멘트 수용액과 겔타임 조절제를 중량비 250 : 18의 비율로 혼합하여 B약액을 제조하였다.
최종적으로 상기 A약액과 B약액을 부피비 1 : 1의 비율로 혼합하여 비교예 3의 그라우트재를 제조하였다.
<비교예 4>
비교예 4는, 규산나트륨과 공정수를 부피비 50 : 129의 비율로 혼합하여 규산나트륨 수용액을 제조하였다.
이어서 상기 규산나트륨 수용액과 저농도 염산(8% v/v)을 부피비 179 : 21의 비율로 혼합하여, 실리카-졸(Silica-Sol) 상태의 A약액을 제조하였다.
한편, 일반시멘트와 강도강화제를 중량비 80 : 20의 비율로 혼합하여 강도강화용 시멘트를 제조하였다.
이어서 상기 강도강화용 시멘트와 공정수를 중량비 100 : 168의 비율로 혼합하여 강도강화용 시멘트 수용액을 제조한 후 B약액을 제조하였다.
최종적으로 상기 A약액과 B약액을 부피비 1 : 1의 비율로 혼합하여 비교예 4의 그라우트재를 제조하였다.
<비교예 5>
비교예 5는, 규산나트륨과 공정수를 부피비 50 : 150의 비율로 혼합하여 규산나트륨 수용액을 제조한 후 A약액을 제조하였다.
한편, 일반시멘트와 강도강화제를 중량비 80 : 20의 비율로 혼합하여 강도강화용 시멘트를 제조하였다.
이어서 상기 강도강화용 시멘트와 공정수를 중량비 100 : 168의 비율로 혼합하여 강도강화용 시멘트 수용액을 제조한 후 B약액을 제조하였다.
최종적으로 상기 A약액과 B약액을 부피비 1 : 1의 비율로 혼합하여 비교예 5의 그라우트재를 제조하였다.
<비교예 6>
비교예 6은, 규산나트륨과 공정수를 부피비 50 : 150의 비율로 혼합하여 규산나트륨 수용액을 제조한 후 A약액을 제조하였다.
한편, 상기 시멘트와 공정수를 중량비 100 : 150의 비율로 혼합하여 시멘트 수용액을 제조하였다.
이어서 시멘트 수용액과 겔타임 조절제를 중량비 250 : 18의 비율로 혼합하여 B약액을 제조하였다.
최종적으로 상기 A약액과 B약액을 부피비 1 : 1의 비율로 혼합하여 비교예 6의 그라우트재를 제조하였다.
<비교예 7>
비교예 7은, 규산나트륨과 공정수를 부피비로 50 : 150의 비율로 혼합하여 규산나트륨 수용액을 제조한 후 A약액을 제조하였다.
한편, 일반시멘트와 강도강화제를 중량비 80 : 20의 비율로 혼합하여 강도강화용 시멘트를 제조하였다.
이어서 상기 강도강화용 시멘트와 공정수를 중량비 100 : 150의 비율로 혼합하여 강도강화용 시멘트 수용액을 제조하였다.
이어서 강도강화용 시멘트 수용액과 겔타임 조절제를 중량비 250 : 18의 비율로 혼합하여 B약액을 제조하였다.
최종적으로 상기 A약액과 B약액을 부피비로 1 : 1의 비율로 혼합하여 비교예7의 그라우트재를 제조하였다.
위와 같이 제조된 본 발명의 실시예 1과 비교예 1 내지 7의 그라우트재에 대하여 겔-타임을 측정하였으며, 아래의 [표 3]은 그 시험결과를 나타낸 것이다.
본 발명의 실시예 1과 비교예 1 내지 7의 겔-타임 시험결과
시험항목 실시예1 비교예1 비교예2 비교예3 비교예4 비교예5 비교예6 비교예7
겔타임
(sec)		 18 250 140 130 45 220 180 120
위 [표 3]에서 알 수 있듯이, 본 발명의 실시예 1은 강도강화제를 첨가하지 않은 비교예 1, 2, 3, 6과 비교하여 겔-타임이 훨씬 짧았다.
또한 본 발명의 실시예 1은, 겔-타임 조절제를 사용하지 않은 비교예 1, 2, 4, 5 보다 겔타임이 훨씬 짧았다.
또한 본 발명에 따른 실시예 1은, 저농도 염산을 사용하지 않은 비교예 1, 5, 6, 7과 비교할 때 겔-타임이 훨씬 짧았다.
즉 저농도 염산으로 규산나트륨 수용액을 실리카-졸 상으로 만든 A약액에 겔타임 조절제를 적용한 본 발명의 실시예 1은, 비교예에 비해 겔-타임을 현저하게 단축시킬 수 있음을 알 수 있다.
또한 본 발명의 실시예 1과 비교예 1 내지 7에 대하여 압축강도를 시험하였다. 압축강도 시험은 KS L 5105에 규정된 수경성 시멘트 모르타르의 압축강도 시험방법에 따라 수행하였다.
도 4 내지 6은 압축강도 시험사진을 나타낸 것이고, 아래의 [표 4]는 압축강도 시험결과를 나타낸 것이다.
실시예 1과 비교예 1 내지 7의 압축강도 시험결과
시험항목 실시예1 비교예1 비교예2 비교예3 비교예4 비교예5 비교예6 비교예7
압축강도
(kg/㎠)		 23 9.5 3.5 10.5 31 12 2.4 13
위 [표 4]에서 알 수 있듯이, 본 발명의 실시예 1은 강도강화제를 사용하지 않은 비교예 1, 2, 3, 6에 비해 매우 높은 압축강도를 나타냄을 알 수 있다.
본 발명에 따른 그라우트재에 의하면, 강산성 물질인 황산을 사용하지 않고 농도 3 ~ 8%의 저농도 염산을 사용함으로써, 안정적이고 친환경적인 그라우트재를 제조할 수가 있다.
또한 작업자가 유해 작업환경에 노출되는 것을 방지할 수 있으므로 작업자가 안전하게 작업할 수 있다.
또한 그라우팅 장비의 부식도 방지할 수 있고, 취급이 안전하고 용이하므로 그라우트재 제조효율도 높일 수가 있다.
또한 고가인 규산나트륨의 사용량을 크게 줄일 수 있으므로 그라우트재 제조원가를 대폭 절감할 수 있다.
또한 규산나트륨의 사용량을 줄일 수 있으므로, 지반 속으로 주입재를 주입한 후 발생되는 탈리현상을 줄일 수가 있다.
이로써 지반 속에 지하수가 흐르고 있는 경우 지하수의 오염을 최소화할 수 있고, 지반 속에 지하수가 흐르지 않는 경우 부피 축소현상에 의해 지반 속에 빈 공간이 형성되는 것을 최대한 줄일 수 있다.
또한 일반시멘트에 강도강화제를 적용함으로써, 지반 속에 주입된 후 약해질 수 있는 주입재의 강도를 크게 증가시킬 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것으로서 본 발명의 범위는 상기한 실시예에만 한정되지 아니한다. 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위를 벗어남이 없이 다향한 변경 및 수정이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (12)

  1. 실리카-졸 상을 형성하는 친환경 그라우트재의 제조방법에 있어서,
    (a) 메타규산나트륨(Na2SiO3)에 공정수를 첨가하여 이규산나트륨(Na2Si2O5)을 제조하는 단계(S11),
    (b) 상기 S11 단계에서 제조된 이규산나트륨(Na2Si2O5)에 공정수를 첨가하여 규산나트륨 수용액을 제조하는 단계(S12),
    (c) 상기 S12 단계에서 제조된 규산나트륨 수용액에 저농도 염산을 첨가하여 실리카-졸(Silica-Sol) 상이 형성된 A약액을 제조하는 단계(S13),
    (d) 일반시멘트에 강도강화제로써 석고계 물질을 혼합하여 강도강화용 시멘트를 제조하는 단계(S21),
    (e) 상기 S21 단계에서 제조된 강도강화용 시멘트에 공정수를 혼합하고 교반하여 강도강화용 시멘트 수용액을 제조하는 단계(S22),
    (f) 상기 S22 단계에서 제조된 강도강화용 시멘트 수용액에 겔-타임 조절제를 혼합하여 B약액을 제조하는 단계(S23),
    (g) 상기 S13 단계에서 제조된 실리카-졸(Silica-Sol) 상이 형성된 A약액과 S23 단계에서 제조된 B약액을 혼합하여 친환경 그라우트재를 제조하는 단계(S33)를 포함하고,
    상기 S11 단계에서,
    메타규산나트륨(Na2SiO3)과 공정수의 혼합비율은, 부피비로 1 : 0.4 ∼ 1 : 0.6이며,
    상기 S12 단계에서,
    상기 이규산나트륨(Na2Si2O5)과 공정수의 혼합비율은, 부피비로 1 : 2 ∼ 1 : 3이고,
    상기 S13 단계에서,
    상기 규산나트륨 수용액과 저농도 염산의 혼합비율은, 부피비로 1 : 0.03 ∼ 1 : 0.1이며,
    상기 저농도 염산의 질량농도는, 3 ~ 8%이고,
    상기 S21 단계에서,
    일반시멘트와 강도강화제와의 혼합비율은, 중량비로 1 : 0.2 ∼ 1 : 0.4이며,
    상기 강도강화제는, 석고계 물질로 소석회(Ca(OH)2), 생석회(CaO), 석회석(CaCO3), 산업부산물인 탈황석고 중 어느 하나이고,
    상기 S22 단계에서,
    강도강화용 시멘트와 공정수의 혼합비율은, 중량비로 1 : 1.5 ∼ 1 : 2이며,
    상기 S23 단계에서,
    강도강화용 시멘트 수용액과 겔-타임 조절제의 혼합비율은, 중량비로 1 : 0.05 ∼ 1 : 0.1이고,
    상기 겔-타임 조절제는,
    인산(H3PO4), 구연산(C6H8O7), 저농도 염산(HCl) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 친환경 그라우트재 제조방법.
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