KR102453347B1 - 자가치유성능이 우수한 지반보강용 친환경 그라우트 조성물과 이를 이용한 시공방법 - Google Patents

자가치유성능이 우수한 지반보강용 친환경 그라우트 조성물과 이를 이용한 시공방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 무기 충전재 10 내지 90 중량%, 고분자 개질제 0.01 내지 30 중량% 및 물 5 내지 80 중량%를 포함하는 일액형 타입의 지반보강용 친환경 그라우트 조성물로서;
상기 무기 충전재는 보통 포틀랜드 시멘트 100 중량부에 대하여, 고로슬래그 미분말 10 내지 50 중량부, 칼슘설포알루미네이트 1 내지 20 중량부, 알루미늄 분말 0.1 내지 10 중량부, 하기 화학식 1로 표시되는 유크립타이트(Eucryptite) 0.1 내지 10 중량부, 질화알루미늄 분말 0.01 내지 5 중량부, 감수제 0.01 내지 5 중량부 및 소포제 0.01 내지 5 중량부를 포함하는 것이고;
상기 고분자 개질제는 폴리 아크릴 아마이드 100 중량부에 대하여, 에틸렌글리콜 디(메트)아크릴레이트 10 내지 30 중량부, 부탄디올디글리시딜에테르(1,4-butandiol diglycidyl ether) 5 내지 25 중량부, 글리세로인산 1 내지 10 중량부 및 풀루란 아세테이트 미립구 0.1 내지 5 중량부를 포함하는 것을 사용함으로써;
연약한 지반 내부의 공동부, 취약부, 균열부 등과 같은 공극을 완전히 충전함과, 동시에 지반에 밀착되어 지반의 안정성 및 공용기간을 확보할 수 있도록 우수한 자가치유성능, 필요수분유지 효과, 팽창성, 강도, 부착성, 내구성, 방수성, 유동성, 주입 시공성 및 침투성능을 구현한 자가치유성능이 우수한 지반보강용 친환경 그라우트 조성물과 이를 이용한 시공방법에 관한 것이다.
[화학식 1]
xLi2O-yAl2O3-zSiO2
상기 식에서,
x, y 및 z는 각각의 혼합 몰비율로서,
x 및 y는 각각 독립적으로 0.9 내지 1.1이고,
z는 1.9 내지 2.1이다.

Description

자가치유성능이 우수한 지반보강용 친환경 그라우트 조성물과 이를 이용한 시공방법{Eco-friendly grout composition for reinforcing ground having excellent self-healing function and construction method using the same}
본 발명은 연약한 지반 내부의 공동부, 취약부, 균열부 등과 같은 공극을 완전히 충전함과, 동시에 지반에 밀착되어 지반의 안정성 및 공용기간을 확보할 수 있도록 우수한 자가치유성능, 필요수분유지 효과, 팽창성, 강도, 부착성, 내구성, 방수성, 유동성, 주입 시공성 및 침투성능을 구현한 자가치유성능이 우수한 지반보강용 친환경 그라우트 조성물과 이를 이용한 시공방법에 관한 것이다.
통상적으로 터널 시공에 있어서 안전하게 터널 굴착을 하기 위해서, 연약한 원지반을 어느 일정 깊이까지 절취한 후 터널 예정선 위에 보강재를 설치하여 안정성을 확보하고 터널을 굴착하게 된다. 즉, 양호한 지반까지 노출하기 위하여는 터널 입구 위의 많은 면적을 일정한 기울기로 절취하고 터널 위 상부면을 안정하게 보강하여야 한다.
터널 시공에 있어 굴착면 상반부 지반 보강을 위해 일반적으로 사용되는 공법이 강관형 보강재를 이용한 강관 그라우팅 공법이다. 이는 연약한 지반에 터널을 굴착하는 경우 널리 채택되는 보강 공법으로, 아직 굴착되지 않은 굴착 예정 지반 주변을 미리 강화하여 굴착 과정에서 지반 붕괴나 변위를 막는데 효과적인 공법이다. 강관 그라우팅을 이용한 터널 보강에 있어서는 일반적으로, 굴착면 상반부 주변을 터널 길이방향으로 천공하고, 천공에 의한 홀 내부에 강관 보강재를 설치하며, 강관 보강재를 통하여 강관 보강재 내부와 강관 보강재와 천공홀 벽면 사이, 그리고 천공홀 벽면 주변의 지반 내부를 가압 그라우팅함으로써 굴착면 상반부를 보강하게 된다.
일반적으로 그라우트 조성물은 시멘트를 사용하여 강도를 발현하는 수화과정에서 수축현상이 발생하여 충분한 강도를 발현하지 못하고, 지반에 밀착되기 어려웠으며, 유동성 또한 낮아 지반의 공극 사이로 충분히 침투되지 못하여 지반보강이 충분히 이루어지지 않거나, 내구성이 충분히 확보되지 않아 공용기간이 단축되는 문제점이 있었다.
이에 종래에는 그라우트 조성물에 팽창성을 부여하여 침투성능을 향상시키고 지반에 밀착시키기 위하여 팽창재로서 벤토나이트를 사용하거나, 발포제로서 알루미늄 분말을 사용해 왔다.
그러나 벤토나이트는 전량 수입에 의존하고 있는 고가의 재료이고, 알루미늄 분말은 발포성능을 최대한 발현하기 위해 높은 분말도를 가진 미립자를 사용해야 하는 특성과 알루미늄의 비중이 낮은 특성 때문에 취급 및 혼합이 곤란한 문제점이 있었다. 또한, 시멘트의 경화가 일어나기 전에 대부분 팽창 반응을 완료함으로써 경화체의 팽창에 기여하기 보다는 지반 내의 국부 취약부나 균열부 등의 약한 개방된 부분으로 밀려나가 그라우트 조성물과 지반과의 밀착이 어렵게 되고, 이로 인하여 인발저항력 향상에 한계가 있었다. 또한, 종래의 그라우트 조성물은 주입을 통한 충전이 완전히 이루어지더라도 블리딩(bleeding) 또는 재료의 분리현상이 쉽게 발생하여 지하수에 의한 희석이나 누출에 의하여 주변 토양을 오염시키거나, 다시 공동이 형성되어 그라우트 조성물의 주입을 재실시하여야 하거나, 시공성 측면에서도 주입관이 막히고 품질 확보가 어려워 터널의 안정성에 영향을 미칠 수 있는 문제점이 여전히 남아 있었다. 또한, 이와같은 문제점은 상기한 터널 강관 그라우팅 뿐만 아니라, 쏘일네일링 그라우팅, 영구앵커 그라우팅, 차수보강 그라우팅, 지반보강 그라우팅 등과 같이 굴착공을 천공한 후 굴착공에 그라우트 조성물을 충전하는 모든 공종에서 발생할 수 있다.
따라서, 우수한 자가치유성능, 팽창성 및 유동성을 부여하여 주입 시공성 및 침투성능을 향상시키고 블리딩(bleeding) 또는 재료의 분리현상 없이 지반의 공극 사이로 충분히 침투되고, 주변 지반의 공극을 완전히 충전함과, 동시에 충분한 강도 및 내구성을 확보하여 지반에 밀착됨으로써, 지반의 안정성 및 공용기간을 확보할 수 있는 지반보강용 친환경 그라우트 조성물과 이를 이용한 시공방법의 개발이 절실한 실정이다.
대한민국 등록특허 제10-1578416호 대한민국 등록특허 제10-1908533호 대한민국 등록특허 제10-2117557호
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 일 구현예는 경화 후에도 일정 기간 동안 지속적인 팽창이 이루어져 연약한 지반 내부의 공동부, 취약부, 균열부 등과 같은 공극을 완전히 충전함과, 동시에 충분한 강도 및 내구성을 확보하여 지반에 밀착됨으로써, 지반의 안정성 및 공용기간을 확보할 수 있는 자가치유성능이 우수한 지반보강용 친환경 그라우트 조성물과 이를 이용한 시공방법을 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 무기 충전재 10 내지 90 중량%, 고분자 개질제 0.01 내지 30 중량% 및 물 5 내지 80 중량%를 포함하는 일액형 타입의 지반보강용 친환경 그라우트 조성물로서;
상기 무기 충전재는 보통 포틀랜드 시멘트 100 중량부에 대하여, 고로슬래그 미분말 10 내지 50 중량부, 칼슘설포알루미네이트 1 내지 20 중량부, 알루미늄 분말 0.1 내지 10 중량부, 하기 화학식 1로 표시되는 유크립타이트(Eucryptite) 0.1 내지 10 중량부, 질화알루미늄 분말 0.01 내지 5 중량부, 감수제 0.01 내지 5 중량부 및 소포제 0.01 내지 5 중량부를 포함하는 것이고;
상기 고분자 개질제는 폴리 아크릴 아마이드 100 중량부에 대하여, 에틸렌글리콜 디(메트)아크릴레이트 10 내지 30 중량부, 부탄디올디글리시딜에테르(1,4-butandiol diglycidyl ether) 5 내지 25 중량부, 글리세로인산 1 내지 10 중량부 및 풀루란 아세테이트 미립구 0.1 내지 5 중량부를 포함하는 것인 자가치유성능이 우수한 지반보강용 친환경 그라우트 조성물을 제공한다.
[화학식 1]
xLi2O-yAl2O3-zSiO2
상기 식에서,
x, y 및 z는 각각의 혼합 몰비율로서,
x 및 y는 각각 독립적으로 0.9 내지 1.1이고,
z는 1.9 내지 2.1이다.
상기 보통 포틀랜드 시멘트는 SiO2 20 내지 25 중량%, CaO 58 내지 68 중량%, MgO 1 내지 10 중량%, Al2O3 1 내지 10 중량% 및 SO3 1 내지 10 중량%를 함유하는 것이고;
상기 고로슬래그 미분말은 SiO2 30 내지 36 중량%, CaO 38 내지 45 중량%, MgO 0.1 내지 10 중량% 및 Al2O3 12 내지 18 중량%를 함유하는 것이고, 밀도가 2.80 내지 2.95인 것이고, 평균입경은 12 내지 16 μm인 것이고, 비표면적이 4000 내지 6000 cm2/g인 것이고;
상기 유크립타이트(Eucryptite)는 Li2O, Al2O3 및 SiO2을 각각 0.9 내지 1.1: 0.9 내지 1.1: 1.9 내지 2.1 몰비 조성으로 혼합한 뒤, 1000 내지 1400 ℃의 온도에서 열처리하여 합성되는 것이고, 평균입경이 0.1 내지 5 μm인 것일 수 있다.
상기 질화알루미늄 분말은 표면이 유기산 및 하기 화학식 2로 표시되는 티올 화합물로 개질된 것이고;
상기 표면이 유기산 및 하기 화학식 2로 표시되는 티올 화합물로 개질된 질화알루미늄 분말은 에탄올 100 중량부에 대하여, 유기산 0.5 내지 2.5 중량부 및 하기 화학식 2로 표시되는 티올 화합물 1 내지 3 중량부를 혼합하여 혼합 용액을 제조하는 단계; 상기 혼합 용액에 질화알루미늄 분말 15 내지 35 중량부를 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계; 상기 슬러리를 150 내지 200 ℃에서 12 내지 24 시간 동안 열처리하는 단계; 및 상기 열처리된 슬러리를 세척 후 건조하여 표면이 유기산 및 하기 화학식 2로 표시되는 티올 화합물로 개질된 질화알루미늄 분말을 수득하는 단계를 포함하는 방법으로 제조되는 것일 수 있다.
[화학식 2]
Figure 112022019518642-pat00001
상기 풀루란 아세테이트 미립구는 평균입경이 50 내지 100 μm인 것이고;
45 내지 55 ℃의 온도에서 포름아마이드, 피리딘 및 무수아세트산을 4 내지 8: 1 내지 2: 1 내지 2 부피비율로 혼합하여 용해시킨 용액에, 풀루란을 첨가하여 완전히 용해시키고 반응시키는 단계; 상기 반응이 종료된 용액을 물에 떨어뜨려 침전물을 수득하여 정제하는 단계; 및 상기 정제된 최종 반응물을 동결건조하는 단계를 포함하는 방법으로 제조되는 것일 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 일 구현예는 상기 자가치유성능이 우수한 지반보강용 친환경 그라우트 조성물을 이용한 시공방법으로서,
보강하고자 하는 지반에 굴착공을 천공하는 단계; 내부에 그라우트 호스를 갖는 보강수단을, 상기 천공된 굴착공에 삽입한 후, 상기 천공된 굴착공의 입구 측을 밀폐하는 단계; 10 내지 25 ℃의 온도에서 상기 자가치유성능이 우수한 지반보강용 친환경 그라우트 조성물을 주입펌프 및 그라우트 호스를 통하여, 주입시킴으로써, 가압 그라우팅을 수행하는 단계; 및 상기 자가치유성능이 우수한 지반보강용 친환경 그라우트 조성물을 경화시키는 단계를 포함하는 것인 시공방법을 제공한다.
상기 시공방법은 터널 지반보강을 위한 강관 그라우팅 시공방법인 것이고;
상기 강관 그라우팅 시공방법은 보강하고자 하는 터널 굴착면의 굴착선을 따라 굴착공을 천공하는 단계; 내부에 그라우트 호스 및 공기 배출용 에어배출 호스를 갖는 강관을, 상기 천공된 굴착공에 삽입한 후, 상기 천공된 굴착공의 입구 측을 밀폐하는 단계; 10 내지 25 ℃의 온도에서 상기 자가치유성능이 우수한 지반보강용 친환경 그라우트 조성물을 주입펌프 및 그라우트 호스를 통하여, 주입시킴으로써, 가압 그라우팅을 수행하는 단계; 및 상기 자가치유성능이 우수한 지반보강용 친환경 그라우트 조성물을 경화시키는 단계를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 자가치유성능이 우수한 지반보강용 친환경 그라우트 조성물과 이를 이용한 시공방법에 의하면, 우수한 자가치유성능, 필요수분유지 효과, 팽창성, 강도, 부착성, 내구성 및 방수성을 구현할 수 있는 효과가 있다. 또한, 유동성, 주입 시공성 및 침투성능이 향상되고 블리딩(bleeding) 또는 재료의 분리현상 없이 연약한 지반 내부의 공동부, 취약부, 균열부 등과 같은 공극 사이로 충분히 침투되어 균질하고, 밀도 있는 충전이 가능하고, 지하수에 의한 희석이나 누출이 없어 친환경적인 효과가 있다. 또한, 굴착면 등의 변위 억제와 인발 저항력을 극대화하고, 경화 건조시 발생하는 건조 수축을 보상할 수 있으며, 기존의 그라우트 팽창제와는 달리 경화 후에도 일정기간 동안 지속적인 팽창이 이루어져 연약한 지반 내부의 공동부, 취약부, 균열부 등과 같은 공극을 완전히 충전함과, 동시에 지반에 밀착되는 효과가 있다. 이로써, 터널 강관 그라우팅, 쏘일네일링 그라우팅, 영구앵커 그라우팅, 차수보강 그라우팅, 지반보강 그라우팅 등의 시공방법으로 매우 유용하게 적용되어 지반의 안정성 및 공용기간을 확보할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 자가치유성능이 우수한 지반보강용 친환경 그라우트 조성물을 이용한 시공방법에 의한 시공모습의 개략적인 단면도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 자가치유성능이 우수한 지반보강용 친환경 그라우트 조성물을 이용한 시공방법의 개략적인 시공순서를 이미지로 나타낸 것이다.
도 3은 근접병설터널의 필라부에 대한 가압 그라우팅 시공방법의 개략적인 시공순서를 이미지로 나타낸 것이다.
도 4는 내부에 그라우트 호스 및 공기 배출용 에어배출 호스를 갖는 강관이 천공된 굴착공에 삽입된 개략적인 단면도를 나타낸 것이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 실시예 1에 따라 배합된 자가치유성능이 우수한 지반보강용 친환경 그라우트 조성물에 대한 성능평가 결과를 나타낸 시험성적서를 나타낸 것이다.
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 무기 충전재 10 내지 90 중량%, 고분자 개질제 0.01 내지 30 중량% 및 물 5 내지 80 중량%를 포함하는 일액형 타입의 지반보강용 친환경 그라우트 조성물로서;
상기 무기 충전재는 보통 포틀랜드 시멘트 100 중량부에 대하여, 고로슬래그 미분말 10 내지 50 중량부, 칼슘설포알루미네이트 1 내지 20 중량부, 알루미늄 분말 0.1 내지 10 중량부, 하기 화학식 1로 표시되는 유크립타이트(Eucryptite) 0.1 내지 10 중량부, 질화알루미늄 분말 0.01 내지 5 중량부, 감수제 0.01 내지 5 중량부 및 소포제 0.01 내지 5 중량부를 포함하는 것이고;
상기 고분자 개질제는 폴리 아크릴 아마이드 100 중량부에 대하여, 에틸렌글리콜 디(메트)아크릴레이트 10 내지 30 중량부, 부탄디올디글리시딜에테르(1,4-butandiol diglycidyl ether) 5 내지 25 중량부, 글리세로인산 1 내지 10 중량부 및 풀루란 아세테이트 미립구 0.1 내지 5 중량부를 포함하는 것인 자가치유성능이 우수한 지반보강용 친환경 그라우트 조성물을 제공한다.
[화학식 1]
xLi2O-yAl2O3-zSiO2
상기 식에서,
x, y 및 z는 각각의 혼합 몰비율로서,
x 및 y는 각각 독립적으로 0.9 내지 1.1이고,
z는 1.9 내지 2.1이다.
이러한 본 발명의 일 구현예에 따른 자가치유성능이 우수한 지반보강용 친환경 그라우트 조성물과 이를 이용한 시공방법에 의하면, 우수한 자가치유성능, 필요수분유지 효과, 팽창성, 강도, 부착성, 내구성 및 방수성을 구현할 수 있는 효과가 있다. 또한, 유동성, 주입 시공성 및 침투성능이 향상되고 블리딩(bleeding) 또는 재료의 분리현상 없이 연약한 지반 내부의 공동부, 취약부, 균열부 등과 같은 공극 사이로 충분히 침투되어 균질하고, 밀도 있는 충전이 가능하고, 지하수에 의한 희석이나 누출이 없어 친환경적인 효과가 있다. 또한, 굴착면 등의 변위 억제와 인발 저항력을 극대화하고, 경화 건조시 발생하는 건조 수축을 보상할 수 있으며, 기존의 그라우트 팽창제와는 달리 경화 후에도 일정기간 동안 지속적인 팽창이 이루어져 연약한 지반 내부의 공동부, 취약부, 균열부 등과 같은 공극을 완전히 충전함과, 동시에 지반에 밀착되는 효과가 있다. 이로써, 터널 강관 그라우팅, 쏘일네일링 그라우팅, 영구앵커 그라우팅, 차수보강 그라우팅, 지반보강 그라우팅 등의 시공방법으로 매우 유용하게 적용되어 지반의 안정성 및 공용기간을 확보할 수 있는 효과가 있다.
보다 구체적으로, 본 발명의 일 구현예에 따른 자가치유성능이 우수한 지반보강용 친환경 그라우트 조성물은 일액형 타입의 지반보강용 친환경 그라우트 조성물로서, 무기 충전재 10 내지 90 중량%, 고분자 개질제 0.01 내지 30 중량% 및 물 5 내지 80 중량%를 포함한다.
상기 무기 충전재는 강도, 경화특성, 자가치유성능, 필요수분유지 효과, 팽창성, 내구성 등을 개선하는 기능을 한다. 이러한 상기 무기 충전재는 본 발명의 일 구현예에 따른 자가치유성능이 우수한 지반보강용 친환경 그라우트 조성물에 10 내지 90 중량% 범위로 함유되는 것이 바람직하다. 상기 무기 충전재의 함량이 너무 적은 경우에는 상기한 개선효과가 미흡할 수 있는 문제점이 있고, 상기 무기 충전재의 함량이 너무 많은 경우에는 오히려 유동성 및 침투성능이 저하되거나, 가격경쟁력이 저하될 수 있는 문제점이 있다.
이러한 상기 무기 충전재는 보통 포틀랜드 시멘트 100 중량부에 대하여, 고로슬래그 미분말 10 내지 50 중량부, 칼슘설포알루미네이트 1 내지 20 중량부, 알루미늄 분말 0.1 내지 10 중량부, 하기 화학식 1로 표시되는 유크립타이트(Eucryptite) 0.1 내지 10 중량부, 질화알루미늄 분말 0.01 내지 5 중량부, 감수제 0.01 내지 5 중량부 및 소포제 0.01 내지 5 중량부를 포함하는 것을 바람직하게 사용할 수 있다.
[화학식 1]
xLi2O-yAl2O3-zSiO2
상기 식에서,
x, y 및 z는 각각의 혼합 몰비율로서,
x 및 y는 각각 독립적으로 0.9 내지 1.1이고,
z는 1.9 내지 2.1이다.
보다 구체적으로, 상기 보통 포틀랜드 시멘트는 물과 반응하여, 포졸란 반응을 일으키는 결합제로서, 경화후, 우수한 강도를 발현하여, 지반을 강화시키는 기능을 한다.
이러한 상기 보통 포틀랜드 시멘트는 KS에 규정된 것을 사용하는 것이 바람직하며, 일반 시중에서 유통되는 보통 포틀랜드 시멘트를 사용할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 보통 포틀랜드 시멘트는 SiO2 20 내지 25 중량%, CaO 58 내지 68 중량%, MgO 1 내지 10 중량%, Al2O3 1 내지 10 중량% 및 SO3 1 내지 10 중량%를 함유하는 것이고, 밀도가 2.95 내지 3.30인 것을 사용함으로써, 상기한 효과를 더욱 개선할 수 있다.
이하, 상기 무기 충전재를 구성하는 다른 구성성분들의 함량은 상기 보통 포틀랜드 시멘트 100 중량부를 기준으로 한다.
상기 고로슬래그 미분말은 잠재수경성 및 포졸란 반응의 무기질계 미분말로서, 수화조직을 치밀하게 하여, 경화 후, 장기강도를 증진시키고, 화학저항성과 내구성을 증대시키는 기능을 한다.
이러한 상기 고로슬래그 미분말은 SiO2 30 내지 36 중량%, CaO 38 내지 45 중량%, MgO 0.1 내지 10 중량% 및 Al2O3 12 내지 18 중량%를 함유하는 것이고, 밀도가 2.80 내지 2.95인 것이고, 평균입경은 12 내지 16 μm인 것이고, 비표면적이 4000 내지 6000 cm2/g인 것을 사용함으로써, 상기한 효과를 더욱 개선할 수 있다.
상기 고로슬래그 미분말은 상기 보통 포틀랜드 시멘트 100 중량부에 대하여, 10 내지 50 중량부 범위로 함유되는 것이 바람직하다. 상기 고로슬래그 미분말의 함량이 너무 적은 경우에는 상기한 개선효과가 미흡할 수 있는 문제점이 있고, 상기 고로슬래그 미분말의 함량이 너무 많은 경우에는 초기강도 발현이 저하되어 작업시간이 지연될 수 있는 문제점이 있다.
상기 칼슘설포알루미네이트는 물과 접촉할 경우 순식간에 반응하여 에트린가이트(Ettringite) 수화물을 생성함으로써, 고강도, 팽창성 및 속경성을 향상시키는 기능을 한다.
이러한 상기 칼슘설포알루미네이트는 분말도가 5,000 내지 8,000 ㎠/g인 것을 사용함으로써, 상기한 효과를 더욱 개선할 수 있다.
상기 칼슘설포알루미네이트는 상기 보통 포틀랜드 시멘트 100 중량부에 대하여, 1 내지 20 중량부 범위로 함유되는 것이 바람직하다. 상기 칼슘설포알루미네이트의 함량이 너무 적은 경우에는 상기한 개선효과가 미흡할 수 있는 문제점이 있고, 상기 칼슘설포알루미네이트의 함량이 너무 많은 경우에는 경화속도가 지나치게 빨라져 오히려 주입시공성을 저하시킬 수 있는 문제점이 있다.
상기 알루미늄 분말은 강도, 내식성, 내마모성 및 내화성을 개선하고, 팽창성, 유동성, 주입 시공성 및 침투성능을 향상시키는 기능을 한다.
이러한 상기 알루미늄 분말은 평균입경이 1 내지 15 μm인 것을 바람직하게 사용할 수 있다.
또한, 상기 알루미늄 분말은 표면을 불소계 고분자 용액을 이용하여 산화방지처리한 것을 사용함으로써, 상기한 효과를 더욱 개선할 수 있다. 특히, 내식성, 내수성을 매우 개선할 수 있는 효과가 있다.
보다 구체적으로, 상기 표면을 불소계 고분자 용액을 이용하여 산화방지처리한 알루미늄 분말은 알루미늄 분말을 염기 용액에 넣고 교반하여 알루미늄 분말 표면에 산화막을 제거하는 산화막 제거 단계; 상기 산화막이 제거된 알루미늄 분말을 함유하는 염기 용액에, 불소계 고분자 용액을 첨가하고, 교반 및 반응시켜, 알루미늄 분말의 표면을 불소계 고분자로 개질함으로써, 산화방지처리하는 단계; 및 상기 산화방지처리된 알루미늄 분말을 함유하는 불소계 고분자 용액을 여과 및 세척함으로써, 산화방지처리가 완료된 알루미늄 분말을 수득하는 단계;를 포함하는 방법으로 준비되는 것일 수 있다.
이때, 상기 염기 용액은 pH 10 내지 13인 염기 용액을 사용할 수 있다. 이러한 상기 염기 용액의 비제한적인 예를들면, 수산화나트륨(NaOH) 용액, 수산화칼륨(KOH) 용액, 수산화루비듐(RbOH) 용액, 암모니아(NH4OH) 용액 및 이들의 혼합 용액으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 사용할 수 있다.
또한, 상기 불소계 고분자 용액은 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF)와 같은 불소계 고분자를, 디메틸포름아마이드(DMF), 디메틸설폭사이드(DMSO) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 용매를 30 내지 70 중량% 농도의 수용액에 혼합한 것을 바람직하게 사용할 수 있다.
이때, 상기 불소계 고분자 용액의 불소계 고분자는 상기 투입된 알루미늄 분말 100 중량부에 대하여, 10 내지 25 중량부의 함량으로 상기 불소계 고분자 용액에 혼합되는 것이 바람직하다.
상기 알루미늄 분말은 상기 보통 포틀랜드 시멘트 100 중량부에 대하여, 0.1 내지 10 중량부 범위로 함유되는 것이 바람직하다. 상기 알루미늄 분말의 함량이 너무 적은 경우에는 상기한 개선효과가 미흡할 수 있는 문제점이 있고, 상기 알루미늄 분말의 함량이 너무 많은 경우에는 초기강도 구현이 지나치게 지연되거나, 가격경쟁력이 저하될 수 있는 문제점이 있다.
상기 화학식 1로 표시되는 유크립타이트(Eucryptite)는 강도, 자가치유성능, 내구성, 화학적 안정성, 열적 안정성, 유동성, 주입 시공성 및 침투성능을 향상시키는 기능을 한다.
이러한 상기 유크립타이트(Eucryptite)는 Li2O, Al2O3 및 SiO2을 각각 0.9 내지 1.1: 0.9 내지 1.1: 1.9 내지 2.1 몰비 조성으로 혼합한 뒤, 1000 내지 1400 ℃의 온도에서 열처리하여 합성되는 것이고, 평균입경이 0.1 내지 5 μm인 것을 사용함으로써, 상기한 효과를 더욱 개선할 수 있다.
상기 화학식 1로 표시되는 유크립타이트(Eucryptite)는 상기 보통 포틀랜드 시멘트 100 중량부에 대하여, 0.1 내지 10 중량부 범위로 함유되는 것이 바람직하다. 상기 화학식 1로 표시되는 유크립타이트(Eucryptite)의 함량이 너무 적은 경우에는 상기한 개선효과가 미흡할 수 있는 문제점이 있고, 상기 화학식 1로 표시되는 유크립타이트(Eucryptite)의 함량이 너무 많은 경우에는 초기강도 구현이 지나치게 지연되거나, 가격경쟁력이 저하될 수 있는 문제점이 있다.
상기 질화알루미늄 분말은 강도, 자가치유성능, 필요수분유지 성능, 내구성, 화학적 안정성, 열적 안정성, 내수성, 유동성, 주입 시공성 및 침투성능을 향상시키는 기능을 한다.
이러한 상기 질화알루미늄 분말은 표면이 유기산 및 하기 화학식 2로 표시되는 티올 화합물로 개질된 것을 사용함으로써, 상기한 효과를 더욱 개선할 수 있다. 특히, 자가치유성능이 매우 개선되는 효과가 있다.
상기 표면이 유기산 및 하기 화학식 2로 표시되는 티올 화합물로 개질된 질화알루미늄 분말은 에탄올 100 중량부에 대하여, 유기산 0.5 내지 2.5 중량부 및 하기 화학식 2로 표시되는 티올 화합물 1 내지 3 중량부를 혼합하여 혼합 용액을 제조하는 단계; 상기 혼합 용액에 질화알루미늄 분말 15 내지 35 중량부를 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계; 상기 슬러리를 150 내지 200 ℃에서 12 내지 24 시간 동안 열처리하는 단계; 및 상기 열처리된 슬러리를 세척 후 건조하여 표면이 유기산 및 하기 화학식 2로 표시되는 티올 화합물로 개질된 질화알루미늄 분말을 수득하는 단계를 포함하는 방법으로 제조되는 것일 수 있다.
[화학식 2]
Figure 112022019518642-pat00002
이때, 상기 유기산은 옥살산(Oxalic Acid), 말론산(Malonic Acid), 세바식산(Sebacic Acid), 시트르산(Citric Acid), 타르타르산(Tartaric Acid), 말산(Malic Acid), 아세트산(Acetic Acid) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 바람직하게 사용할 수 있다.
상기 질화알루미늄 분말은 상기 보통 포틀랜드 시멘트 100 중량부에 대하여, 0.01 내지 5 중량부 범위로 함유되는 것이 바람직하다. 상기 질화알루미늄 분말의 함량이 너무 적은 경우에는 상기한 개선효과가 미흡할 수 있는 문제점이 있고, 상기 질화알루미늄 분말의 함량이 너무 많은 경우에는 가격경쟁력이 저하될 수 있는 문제점이 있다.
상기 감수제는 조성물의 물-시멘트비를 감소시키고, 셀프 레벨링성을 향상시켜 강도 및 내구성을 개선하는 기능을 한다.
이러한 상기 감수제는 당분야에서 통상적으로 사용되는 것으로 그 종류를 특별히 제한하지 않으나, 비제한적인 예를 들면, 폴리카본산계, 멜라민계, 나프탈렌계 감수제 등을 사용할 수 있다.
상기 감수제는 상기 보통 포틀랜드 시멘트 100 중량부에 대하여, 0.01 내지 5 중량부 범위로 함유되는 것이 바람직하다. 상기 감수제의 함량이 너무 적은 경우에는 상기한 개선효과가 미흡할 수 있는 문제점이 있고, 상기 감수제의 함량이 너무 많은 경우에는 오히려 강도성능이 저하될 수 있는 문제점이 있다.
상기 소포제는 조성물의 연행공기의 발생으로 인한 공기량의 증가를 감소시키는 기능을 한다.
이러한 상기 소포제는 당분야에서 통상적으로 사용되는 것으로 그 종류를 특별히 제한하지 않으나, 비제한적인 예를들면, 폴리에테르계, 실리콘계, 에틸알콜계, 에틸렌 글리콜계 등을 사용할 수 있다.
상기 소포제는 상기 보통 포틀랜드 시멘트 100 중량부에 대하여, 0.01 내지 5 중량부 범위로 함유되는 것이 바람직하다. 상기 소포제의 함량이 너무 적은 경우에는 상기한 개선효과가 미흡할 수 있는 문제점이 있고, 상기 소포제의 함량이 너무 많은 경우에는 오히려 강도 및 내구성능이 저하될 수 있는 문제점이 있다.
한편, 상기 고분자 개질제는 자가치유성능, 필요수분유지 효과, 유동성, 주입 시공성 및 침투성능, 부착성, 내구성, 방수성 등을 개선하는 기능을 한다. 이러한 상기 고분자 개질제는 본 발명의 일 구현예에 따른 자가치유성능이 우수한 지반보강용 친환경 그라우트 조성물에 0.01 내지 30 중량% 범위로 함유되는 것이 바람직하다. 상기 고분자 개질제의 함량이 너무 적은 경우에는 상기한 개선효과가 미흡할 수 있는 문제점이 있고, 상기 고분자 개질제의 함량이 너무 많은 경우에는 오히려 경화속도 및 강도성능이 저하되거나, 가격경쟁력이 저하될 수 있는 문제점이 있다.
이러한 상기 고분자 개질제는 폴리 아크릴 아마이드 100 중량부에 대하여, 에틸렌글리콜 디(메트)아크릴레이트 10 내지 30 중량부, 부탄디올디글리시딜에테르(1,4-butandiol diglycidyl ether) 5 내지 25 중량부, 글리세로인산 1 내지 10 중량부 및 풀루란 아세테이트 미립구 0.1 내지 5 중량부를 포함하는 것을 바람직하게 사용할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 폴리 아크릴 아마이드는 자가치유성능, 필요수분유지 효과, 유동성, 부착성, 강도, 내구성, 방수성 등을 개선하는 기능을 한다.
이러한 상기 폴리 아크릴 아마이드는 평균입경이 0.5 내지 5 μm인 것이고, 유리전이온도(Tg)는 -15 내지 -1 ℃인 것이고, 25 ℃에서 10 중량% 농도로 제조된 폴리 아크릴 아마이드 수용액의 pH는 9 내지 10 범위인 것을 사용함으로써, 상기한 효과를 더욱 개선할 수 있다.
이하, 상기 고분자 개질제를 구성하는 다른 구성성분들의 함량은 상기 폴리 아크릴 아마이드 100 중량부를 기준으로 한다.
상기 에틸렌글리콜 디(메트)아크릴레이트는 부착성, 강도, 방수성, 블리딩(bleeding) 또는 재료분리 방지성능을 개선하는 기능을 한다.
상기 에틸렌글리콜 디(메트)아크릴레이트는 상기 폴리 아크릴 아마이드 100 중량부에 대하여, 10 내지 30 중량부 범위로 함유되는 것이 바람직하다. 상기 에틸렌글리콜 디(메트)아크릴레이트의 함량이 너무 적은 경우에는 상기한 개선효과가 미흡할 수 있는 문제점이 있고, 상기 에틸렌글리콜 디(메트)아크릴레이트의 함량이 너무 많은 경우에는 가격경쟁력이 저하될 수 있는 문제점이 있다.
상기 부탄디올디글리시딜에테르(1,4-butandiol diglycidyl ether)는 부착성, 강도, 내수성, 방수성, 블리딩(bleeding) 또는 재료분리 방지성능을 개선하는 기능을 한다.
상기 부탄디올디글리시딜에테르(1,4-butandiol diglycidyl ether)는 상기 폴리 아크릴 아마이드 100 중량부에 대하여, 5 내지 25 중량부 범위로 함유되는 것이 바람직하다. 상기 부탄디올디글리시딜에테르의 함량이 너무 적은 경우에는 상기한 개선효과가 미흡할 수 있는 문제점이 있고, 상기 부탄디올디글리시딜에테르의 함량이 너무 많은 경우에는 가격경쟁력이 저하될 수 있는 문제점이 있다.
상기 글리세로인산은 자가치유성능, 필요수분유지 효과, 유동성, 강도, 내구성을 개선하는 기능을 한다.
상기 글리세로인산은 상기 폴리 아크릴 아마이드 100 중량부에 대하여, 1 내지 10 중량부 범위로 함유되는 것이 바람직하다. 상기 글리세로인산의 함량이 너무 적은 경우에는 상기한 개선효과가 미흡할 수 있는 문제점이 있고, 상기 글리세로인산의 함량이 너무 많은 경우에는 경화속도가 지나치게 지연되거나, 가격경쟁력이 저하될 수 있는 문제점이 있다.
상기 풀루란 아세테이트 미립구는 자가치유성능, 필요수분유지 효과, 유동성, 내구성을 개선하는 기능을 한다.
이러한 상기 풀루란 아세테이트 미립구는 45 내지 55 ℃의 온도에서 포름아마이드, 피리딘 및 무수아세트산을 4 내지 8: 1 내지 2: 1 내지 2 부피비율로 혼합하여 용해시킨 용액에, 풀루란을 첨가하여 완전히 용해시키고 반응시키는 단계; 상기 반응이 종료된 용액을 물에 떨어뜨려 침전물을 수득하여 정제하는 단계; 및 상기 정제된 최종 반응물을 동결건조하는 단계를 포함하는 방법으로 제조되어, 평균입경이 50 내지 100 μm인 것을 바람직하게 사용할 수 있다.
상기 풀루란 아세테이트 미립구는 상기 폴리 아크릴 아마이드 100 중량부에 대하여, 0.1 내지 5 중량부 범위로 함유되는 것이 바람직하다. 상기 풀루란 아세테이트 미립구의 함량이 너무 적은 경우에는 상기한 개선효과가 미흡할 수 있는 문제점이 있고, 상기 풀루란 아세테이트 미립구의 함량이 너무 많은 경우에는 경화속도가 지나치게 지연되거나, 가격경쟁력이 저하될 수 있는 문제점이 있다.
또한, 본 발명의 다른 일 구현예는 상기 자가치유성능이 우수한 지반보강용 친환경 그라우트 조성물을 이용한 시공방법으로서,
보강하고자 하는 지반에 굴착공을 천공하는 단계; 내부에 그라우트 호스를 갖는 보강수단을 상기 천공된 굴착공에 삽입한 후, 상기 천공된 굴착공의 입구 측을 밀폐하는 단계; 10 내지 25 ℃의 온도에서 상기 자가치유성능이 우수한 지반보강용 친환경 그라우트 조성물을 주입펌프 및 그라우트 호스를 통하여 주입시킴으로써, 가압 그라우팅을 수행하는 단계; 및 상기 자가치유성능이 우수한 지반보강용 친환경 그라우트 조성물을 경화시키는 단계를 포함하는 것인 시공방법을 제공한다.
상기 시공방법은 연약한 지반의 보강을 위한 시공방법으로서, 당분야에서 연약한 지반의 보강을 위하여 통상적으로 사용하는 모든 공법에 적용될 수 있다. 이러한 연약한 지반의 보강을 위한 시공방법의 비제한적인 예를들면, 터널 강관 그라우팅, 쏘일네일링 그라우팅, 영구앵커 그라우팅, 차수보강 그라우팅, 지반보강 그라우팅 등의 시공방법으로 매우 유용하게 적용될 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 시공방법이 터널 지반보강을 위한 강관 그라우팅 시공방법인 경우, 상기 강관 그라우팅 시공방법은 보강하고자 하는 터널 굴착면의 굴착선을 따라 굴착공을 천공하는 단계; 내부에 그라우트 호스 및 공기 배출용 에어배출 호스를 갖는 강관을, 상기 천공된 굴착공에 삽입한 후, 상기 천공된 굴착공의 입구 측을 밀폐하는 단계; 10 내지 25 ℃의 온도에서 상기 자가치유성능이 우수한 지반보강용 친환경 그라우트 조성물을 주입펌프 및 그라우트 호스를 통하여 주입시킴으로써, 가압 그라우팅을 수행하는 단계; 및 상기 자가치유성능이 우수한 지반보강용 친환경 그라우트 조성물을 경화시키는 단계를 포함하는 것일 수 있다.
이러한 상기 터널 지반보강을 위한 강관 그라우팅 시공방법에 의한 시공모습의 개략적인 단면도를 도 1에 도시하였다.
보다 구체적으로, 상기 보강하고자 하는 터널 굴착면의 굴착선을 따라 굴착공을 천공하는 단계;는 상기 보강하고자 하는 터널 굴착면 상반부의 굴착선이 터널 진행방향을 기준으로 15°이하의 각도를 갖도록 복수의 굴착공을 천공함으로써 수행되는 것일 수 있다.
또한, 상기 굴착공은 강관설치 위치보다 1 내지 2 막장 앞에서 선천공하는 것이 바람직하다. 이로써, 강관의 설치시기(격자지보재 설치 후 강관설치) 및 설치각도(15°이하)에 대한 시방규정을 준수할 수 있고, 별도의 실링공정이 불필요하여, 공정축소 및 실링재의 양생시간 불필요에 따른 공사기간 단축이 가능하여 공사비를 절감할 수 있는 효과가 있다. 이러한 선천공에 의한 가압 그라우팅 시공방법의 개략적인 시공순서를 도 2에 나타내었다.
한편, 보강하고자 하는 터널이 근접병설터널인 경우, 이들 병설터널의 필라부에도 상기 시공방법은 매우 바람직하게 적용될 수 있다. 이때, 상기 근접병설터널은 두 개 이상의 근접한 터널이 병렬로 형성된 것으로, 일반적으로 근접한 선행터널과 후행터널을 일컫는다. 이때, 상기 보강하고자 하는 터널 굴착면의 굴착선을 따라 굴착공을 천공하는 단계;는 선행터널 굴착면 측면부의 굴착선을 따라 후행터널 방향으로 복수의 굴착공을 천공함으로써 필라부를 형성하는 것일 수 있다. 이러한 근접병설터널의 필라부에 대한 가압 그라우팅 시공방법의 개략적인 시공순서를 도 3에 나타내었다.
이후, 내부에 그라우트 호스 및 공기 배출용 에어배출 호스를 갖는 강관을, 상기 천공된 굴착공에 삽입한다. 이때, 상기 내부에 그라우트 호스 및 공기 배출용 에어배출 호스를 갖는 강관이 천공된 굴착공에 삽입된 개략적인 단면도를 도 4에 도시하였다. 다만, 이는 일 예로서 제시되는 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
만약, 천공하고자 하는 지반이 지나치게 연약한 경우와 같이, 굴착공의 천공이 매우 어려운 경우에는 굴착공을 천공하는 단계 및 강관의 삽입 설치를 동시에 수행하는 직천공 방식이 사용될 수 있다.
또한, 상기 천공된 굴착공의 입구 측을 밀폐하는 단계는 천공된 굴착공의 입구로부터 강관의 말단부(도 4에 도시된 홀채움 구간에 해당)까지 통상의 밀폐용 충전재료로 충전하거나; 천공된 굴착공 입구 측, 강관의 외벽과 천공된 굴착공의 내벽 사이를 코킹함으로써 수행될 수 있다. 상기 밀폐용 충전재료의 충전 및 코킹은 모두 수행될 수 있다. 이로써, 상기 자가치유성능이 우수한 지반보강용 친환경 그라우트 조성물의 역류를 효과적으로 방지할 수 있는 것이다. 상기 밀폐용 충전재료는 최대압력 4.0 MPa 이상을 지지할 수 있는 것을 사용하는 것이 바람직하다.
이후, 10 내지 25 ℃의 온도에서 상기 자가치유성능이 우수한 지반보강용 친환경 그라우트 조성물을 주입펌프 및 그라우트 호스를 통하여 주입시킴으로써, 가압 그라우팅을 수행하는 단계;를 수행한다.
상기 자가치유성능이 우수한 지반보강용 친환경 그라우트 조성물은 10 내지 25 ℃의 온도 조건에서 무기 충전재 10 내지 90 중량%, 고분자 개질제 0.01 내지 30 중량% 및 물 5 내지 80 중량%를 혼합한 이후, 30 내지 90분 이내에 주입펌프 및 그라우트 호스를 통하여, 강관 내부로 주입함으로써, 가압 그라우팅을 수행하는 것이 바람직하다.
이러한 본 발명의 일 구현예에 따른 자가치유성능이 우수한 지반보강용 친환경 그라우트 조성물과 이를 이용한 시공방법에 의하면, 우수한 자가치유성능, 필요수분유지 효과, 팽창성, 강도, 부착성, 내구성 및 방수성을 구현할 수 있는 효과가 있다. 또한, 유동성, 주입 시공성 및 침투성능이 향상되고 블리딩(bleeding) 또는 재료의 분리현상 없이 연약한 지반 내부의 공동부, 취약부, 균열부 등과 같은 공극 사이로 충분히 침투되어 균질하고, 밀도 있는 충전이 가능하고, 지하수에 의한 희석이나 누출이 없어 친환경적인 효과가 있다. 또한, 굴착면 등의 변위 억제와 인발 저항력을 극대화하고, 경화 건조시 발생하는 건조 수축을 보상할 수 있으며, 기존의 그라우트 팽창제와는 달리 경화 후에도 일정 기간 동안 지속적인 팽창이 이루어져 연약한 지반 내부의 공동부, 취약부, 균열부 등과 같은 공극을 완전히 충전함과, 동시에 지반에 밀착되는 효과가 있다. 이로써, 터널 강관 그라우팅, 쏘일네일링 그라우팅, 영구앵커 그라우팅, 차수보강 그라우팅, 지반보강 그라우팅 등의 시공방법으로 매우 유용하게 적용되어 지반의 안정성 및 공용기간을 확보할 수 있는 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.
<제조예 1>
통상의 알루미늄 분말의 준비
평균입경이 5 μm인 알루미늄 분말을 준비하였다. 상기의 알루미늄 분말은 자연 상태에서 표면에 약 5.3 nm의 산화 알루미늄층이 존재한다.
<제조예 2>
표면을 불소계 고분자 용액을 이용하여 산화방지처리한 알루미늄 분말의 준비
평균입경이 5 μm인 알루미늄 분말을 준비하였다.
한편, 염기 용액으로서, pH 12인 수산화나트륨(NaOH) 수용액에, 상기 준비된 알루미늄 분말 100 중량부를 넣고 교반하여 알루미늄 분말 표면에서 산화막을 제거하였다. 이와는 별도로, 불소계 고분자 용액으로서, 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF) 20 중량부를 60 중량% 농도의 디메틸설폭사이드(DMSO) 수용액과 혼합하여 준비하였다. 이후, 상기 산화막이 제거된 알루미늄 분말을 함유하는 수산화나트륨(NaOH) 수용액에, 상기 별도로 준비된 불소계 고분자 용액을 첨가하고, 교반 및 반응시켜, 알루미늄 분말의 표면을 PVDF로 개질함으로써, 산화방지 처리하였다. 이후, 상기 PVDF로 산화방지처리된 알루미늄 분말을 함유하는 불소계 고분자 용액을 여과 및 세척함으로써, 5 μm의 알루미늄 코어의 표면에, 약 0.1 μm 두께의 PVDF 층이 형성되어 산화방지처리가 완료된 알루미늄 분말을 수득하였다.
<제조예 3>
유크립타이트(Eucryptite)의 준비
Li2O, Al2O3 및 SiO2을 각각 0.97: 1.04: 2.09 몰비 조성으로 혼합한 뒤, 500 ℃의 온도에서 열처리하여 합성함으로써, 평균입경이 4.5 μm인 유크립타이트를 준비하였다.
<제조예 4>
유크립타이트(Eucryptite)의 준비
Li2O, Al2O3 및 SiO2을 각각 0.97: 1.04: 2.09 몰비 조성으로 혼합한 뒤, 1300 ℃의 온도에서 열처리하여 합성함으로써, 평균입경이 3.8 μm인 유크립타이트를 준비하였다.
<제조예 5>
표면이 유기산으로 개질된 질화알루미늄 분말의 준비
에탄올 100 중량부에 대하여, 옥살산 1.8 중량부를 혼합하여 혼합 용액을 제조하였다. 상기 혼합 용액에 통상의 질화알루미늄 분말 25 중량부를 혼합하여 슬러리를 제조하였다. 상기 슬러리를 170 ℃에서 24 시간 동안 열처리한 이후, 상기 열처리된 슬러리를 세척 후 건조함으로써, 표면이 유기산으로 개질된 질화알루미늄 분말을 준비하였다.
<제조예 6>
표면이 유기산 및 하기 화학식 2로 표시되는 티올 화합물로 개질된 질화알루미늄 분말의 준비
에탄올 100 중량부에 대하여, 옥살산 1.8 중량부를 및 하기 화학식 2로 표시되는 티올 화합물 2.2 중량부를 혼합하여 혼합 용액을 제조하였다. 상기 혼합 용액에 통상의 질화알루미늄 분말 25 중량부를 혼합하여 슬러리를 제조하였다.
상기 슬러리를 170 ℃에서 24 시간 동안 열처리한 이후, 상기 열처리된 슬러리를 세척 후 건조함으로써, 표면이 유기산 및 하기 화학식 2로 표시되는 티올 화합물로 개질된 질화알루미늄 분말을 준비하였다.
[화학식 2]
Figure 112022019518642-pat00003
<제조예 7>
풀루란 아세테이트 미립구의 준비
50 ℃의 온도에서 포름아마이드, 피리딘 및 무수아세트산을 7: 1.5: 1.5 부피비율로 혼합하여 용해시킨 용액에, 풀루란(분자량 100,000 Da, Tokyo Chemical Industry)을 첨가하여 완전히 용해시키고 24시간 동안 반응시켰다. 상기 반응이 종료된 용액을 물에 떨어뜨려 한 방울씩 떨어 뜨려 침전물을 수득하여 정제한 이후, 최종 반응물을 동결건조하여, 평균입경이 72 μm인 풀루란 아세테이트 미립구를 준비하였다.
<실시예 및 비교예>
하기 표 1에 나타낸 바와 같은 성분 및 함량 범위로 혼합하여 자가치유성능이 우수한 지반보강용 친환경 그라우트 조성물 및 비교용 조성물을 제조하였다.
구분(중량%) 실시예1 실시예2 실시예3 비교예1 비교예2
물 28 28 28 30 28
무기 충전재 67 67 67 70 67
(중량부) 보통 포틀랜드 시멘트(1) 100 100 100 100 100
고로슬래그 미분말 (2) 48 48 48 48 48
칼슘설포알루미네이트 (3) 8 8 8 8 8
알루미늄 분말 3
[제조예1]		 3
[제조예1]		 3
[제조예2]		 3
[제조예1]		 3
[제조예1]
유크립타이트[화학식 1-1] 3
[제조예3]		 3
[제조예4]		 3
[제조예4]		 - -
질화알루미늄 분말 1.3
[통상의 질화알루미늄 분말]		 1.3
[제조예5]		 1.3
[제조예6]		 - -
폴리카본산계 감수제 0.07 0.07 0.07 0.07 0.07
실리콘계 소포제 0.07 0.07 0.07 0.07 0.07
고분자 개질제 5 5 5 - 5
(중량부) 폴리 아크릴 아마이드 (4) 100 100 100 - 100
에틸렌글리콜 디(메트)아크릴레이트 27 27 27 - -
부탄디올디글리시딜에테르(1,4-butandiol diglycidyl ether) 17 17 17 - 17
글리세로인산 4.5 4.5 4.5 - -
풀루란 아세테이트 미립구[제조예7] 1.5 1.5 1.5 - -
(1) 보통 포틀랜드 시멘트는 SiO2 21.09 중량%, CaO 63.85 중량%, MgO 3.32 중량%, Al2O3 4.84 중량% 및 SO3 3.09 중량%를 함유하는 것이고, 밀도가 3.15인 것을 사용함.

(2) 고로슬래그 미분말은 SiO2 34.26 중량%, CaO 41.08 중량%, MgO 5.36 중량% 및 Al2O3 15.18 중량%를 함유하는 것이고, 밀도가 2.91인 것이고, 평균입경은 14.85 μm인 것이고, 비표면적이 4570 cm2/g인 것을 사용함.

(3) 칼슘설포알루미네이트는 분말도가 5,710 ㎠/g인 것을 사용함.

(4) 폴리 아크릴 아마이드는 평균입경이 1.7 μm인 것이고, 유리전이온도(Tg)는 -10 ℃인 것이고, 25 ℃에서 10 중량% 농도로 제조된 폴리 아크릴 아마이드 수용액의 pH는 9.5인 것을 사용함.

[화학식 1-1]
xLi2O-yAl2O3-zSiO2
상기 식에서,
x, y 및 z는 각각의 혼합 몰비율로서,
x는 0.97, y는 1.04, z는 2.09이다.
아래의 시험예들은 상기에 개시한 본 발명에 따른 실시예 1 내지 실시예 3의 특성을 보다 용이하게 파악할 수 있도록 본 발명에 따른 실시예들과 비교예 1 및 비교예 2의 특성을 비교한 실험결과들을 나타낸 것이다.
<시험예>
성능평가
상기 실시예 1 내지 실시예 3에 따라 배합된 자가치유성능이 우수한 지반보강용 친환경 그라우트 조성물 및 비교예 1 내지 비교예 2에 따라 배합된 비교용 조성물에 대하여, KS F 4044(수경성 시멘트 무수축 그라우트)에 의한 유하시간, 플로, 응결시간, 블리딩률, 압축강도, 팽창높이 및 염화물량을 측정하였고, KS F 2476(폴리머 시멘트 모르타르의 시험 방법)의 흡수율 시험 방법에 따라 흡수율을 측정하였으며, 자가치유성능을 평가하여, 그 결과를 하기 표 2, 도 5 및 도 6에 나타내었다.
이때, 상기 자가치유성능을 평가하기 위하여, 상기 실시예 1 내지 실시예 3에 따라 배합된 자가치유성능이 우수한 지반보강용 친환경 그라우트 조성물 및 비교예 1 내지 비교예 2에 따라 배합된 비교용 조성물을 5×5×5 cm의 시험체 제작용 틀에 주입 후, 경화 및 양생시켜, 시험체를 제작하였다. 상기 제작된 각각의 시험체에 대하여, 최대 압축 하중의 85%의 압축 하중으로 미리 하중을 준 이후, 수중 양생하였고, 균열 직후(5일), 28일, 56일 및 84일 후의 압축강도 회복률을 측정함으로써, 자가치유성능을 평가하였다.
구분 실시예1 실시예2 실시예3 비교예1 비교예2
유하시간(sec) 31 29 29 34 30
플로(mm) 315 332 338 284 303
응결시간
(hr:min)		 초결 2:10 2:04 2:09 2:45 2:30
종결 3:20 3:24 3:25 4:10 3:50
블리딩률(%) 0 0 0 0.3 0.2
압축강도(MPa) 1일 10.2 10.9 11.4 8.5 9.3
3일 16.2 17.3 18.1 13.7 15.9
7일 24.4 25.8 28.4 19.5 22.0
28일 37.0 39.1 42.3 28.3 31.5
팽창높이(%) 1일 0.1 0 0 -0.05 0.2
3일 0.1 0.1 0.1 -0.07 0.3
7일 0.1 0.1 0.1 -0.08 0.3
28일 0.2 0.2 0.1 -0.12 0.5
염화물량(kg/m3) 0.085 0.064 0.055 0.120 0.108
흡수율(%) 2.1 1.8 1.2 7.8 5.3
자가치유성능(%) 5일 21.3 23.4 24.8 11.8 14.5
28일 32.2 32.8 34.5 24.6 27.1
56일 38.9 39.7 40.8 28.9 31.4
84일 42.9 43.2 43.5 35.8 38.6
상기 표 2에 나타난 바와 같이, 상기 실시예 1 내지 실시예 3에 따라 배합된 자가치유성능이 우수한 지반보강용 친환경 그라우트 조성물은 비교예 1 내지 비교예 2에 따라 배합된 비교용 조성물과 비교하여 우수한 성능을 나타내는 것을 알 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 (6)

  1. 무기 충전재 10 내지 90 중량%, 고분자 개질제 0.01 내지 30 중량% 및 물 5 내지 80 중량%를 포함하는 일액형 타입의 지반보강용 친환경 그라우트 조성물로서;
    상기 무기 충전재는
    보통 포틀랜드 시멘트 100 중량부에 대하여, 고로슬래그 미분말 10 내지 50 중량부, 칼슘설포알루미네이트 1 내지 20 중량부, 알루미늄 분말 0.1 내지 10 중량부, 하기 화학식 1로 표시되는 유크립타이트(Eucryptite) 0.1 내지 10 중량부, 질화알루미늄 분말 0.01 내지 5 중량부, 감수제 0.01 내지 5 중량부 및 소포제 0.01 내지 5 중량부를 포함하는 것이고;
    상기 고분자 개질제는
    폴리 아크릴 아마이드 100 중량부에 대하여, 에틸렌글리콜 디(메트)아크릴레이트 10 내지 30 중량부, 부탄디올디글리시딜에테르(1,4-butandiol diglycidyl ether) 5 내지 25 중량부, 글리세로인산 1 내지 10 중량부 및 풀루란 아세테이트 미립구 0.1 내지 5 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 자가치유성능이 우수한 지반보강용 친환경 그라우트 조성물.
    [화학식 1]
    xLi2O-yAl2O3-zSiO2
    상기 식에서,
    x, y 및 z는 각각의 혼합 몰비율로서,
    x 및 y는 각각 독립적으로 0.9 내지 1.1이고,
    z는 1.9 내지 2.1이다.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 보통 포틀랜드 시멘트는 SiO2 20 내지 25 중량%, CaO 58 내지 68 중량%, MgO 1 내지 10 중량%, Al2O3 1 내지 10 중량% 및 SO3 1 내지 10 중량%를 함유하는 것이고;
    상기 고로슬래그 미분말은 SiO2 30 내지 36 중량%, CaO 38 내지 45 중량%, MgO 0.1 내지 10 중량% 및 Al2O3 12 내지 18 중량%를 함유하는 것이고, 밀도가 2.80 내지 2.95인 것이고, 평균입경은 12 내지 16 μm인 것이고, 비표면적이 4000 내지 6000 cm2/g인 것이고;
    상기 유크립타이트(Eucryptite)는 Li2O, Al2O3 및 SiO2을 각각 0.9 내지 1.1: 0.9 내지 1.1: 1.9 내지 2.1 몰비 조성으로 혼합한 뒤, 1000 내지 1400 ℃의 온도에서 열처리하여 합성되는 것이고, 평균입경이 0.1 내지 5 μm인 것을 특징으로 하는 자가치유성능이 우수한 지반보강용 친환경 그라우트 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 질화알루미늄 분말은 표면이 유기산 및 하기 화학식 2로 표시되는 티올 화합물로 개질된 것이고;
    상기 표면이 유기산 및 하기 화학식 2로 표시되는 티올 화합물로 개질된 질화알루미늄 분말은 에탄올 100 중량부에 대하여, 유기산 0.5 내지 2.5 중량부 및 하기 화학식 2로 표시되는 티올 화합물 1 내지 3 중량부를 혼합하여 혼합 용액을 제조하는 단계; 상기 혼합 용액에 질화알루미늄 분말 15 내지 35 중량부를 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계; 상기 슬러리를 150 내지 200 ℃에서 12 내지 24 시간 동안 열처리하는 단계; 및 상기 열처리된 슬러리를 세척 후 건조하여 표면이 유기산 및 하기 화학식 2로 표시되는 티올 화합물로 개질된 질화알루미늄 분말을 수득하는 단계를 포함하는 방법으로 제조되는 것을 특징으로 하는 자가치유성능이 우수한 지반보강용 친환경 그라우트 조성물.
    [화학식 2]
    Figure 112022019518642-pat00004

  4. 제1항에 있어서,
    상기 풀루란 아세테이트 미립구는 평균입경이 50 내지 100 μm인 것이고;
    45 내지 55 ℃의 온도에서 포름아마이드, 피리딘 및 무수아세트산을 4 내지 8: 1 내지 2: 1 내지 2 부피비율로 혼합하여 용해시킨 용액에, 풀루란을 첨가하여 완전히 용해시키고 반응시키는 단계; 상기 반응이 종료된 용액을 물에 떨어뜨려 침전물을 수득하여 정제하는 단계; 및 상기 정제된 최종 반응물을 동결건조하는 단계를 포함하는 방법으로 제조되는 것을 특징으로 하는 자가치유성능이 우수한 지반보강용 친환경 그라우트 조성물.
  5. 제1항 내지 제4항 중에서 선택되는 어느 한항에 따른 자가치유성능이 우수한 지반보강용 친환경 그라우트 조성물을 이용한 시공방법으로서,
    보강하고자 하는 지반에 굴착공을 천공하는 단계; 내부에 그라우트 호스를 갖는 보강수단을 상기 천공된 굴착공에 삽입한 후, 상기 천공된 굴착공의 입구 측을 밀폐하는 단계; 10 내지 25 ℃의 온도에서 상기 자가치유성능이 우수한 지반보강용 친환경 그라우트 조성물을 주입펌프 및 그라우트 호스를 통하여 주입시킴으로써, 가압 그라우팅을 수행하는 단계; 및 상기 자가치유성능이 우수한 지반보강용 친환경 그라우트 조성물을 경화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 시공방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 시공방법은 터널 지반보강을 위한 강관 그라우팅 시공방법인 것이고;
    상기 강관 그라우팅 시공방법은
    보강하고자 하는 터널 굴착면의 굴착선을 따라 굴착공을 천공하고, 내부에 그라우트 호스 및 공기 배출용 에어배출 호스를 갖는 강관을 상기 천공된 굴착공에 삽입한 후, 상기 천공된 굴착공의 입구 측을 밀폐하는 단계 또는 굴착공 천공과 동시에 강관 삽입 설치하는 직천공 방식 단계;
    10 내지 25 ℃의 온도에서 상기 자가치유성능이 우수한 지반보강용 친환경 그라우트 조성물을 주입펌프 및 그라우트 호스를 통하여 주입시킴으로써, 가압 그라우팅을 수행하는 단계; 및 상기 자가치유성능이 우수한 지반보강용 친환경 그라우트 조성물을 경화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 시공방법.
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