KR102566142B1 - 지반 공동부 충진 재료, 이의 제조 방법 및 이를 이용한 지반 공동부 충진 공법 - Google Patents

Abstract

지반 공동부 충진 재료, 이의 제조 방법 및 이를 이용한 지반 공동부 충진 공법이 개시되며, 상기 지반 공동부 충진 재료는, 물; W/C 조건이 77이상 91이하로 포함되는 시멘트; 분말 형태로 제공되고, 중량비 물 1 기준 0.00063 이상 0.00174 이하로 포함되는 알루미늄; 중량비 물 1 기준 0초과 0.006 이하로 포함되는 벤토나이트; 및 중량비 물 1 기준 0.02 이상 0.03 이하로 포함되는 급결제를 포함한다.

Description

지반 공동부 충진 재료, 이의 제조 방법 및 이를 이용한 지반 공동부 충진 공법{UNDERGROUND CAVITIES FILLING MATERIAL, MANUFACTURING METHOD OF THE SAME AND UNDERGROUND CAVITIES FILLING CONSTRUCTION METHOD USING THE SAME}

본원은 지반 공동부 충진 재료, 이의 제조 방법 및 이를 이용한 지반 공동부 충진 공법에 관한 것이다.

도시화의 진행에 따라 지역 혐오 시설에 포함되는 환경기초시설 및 에너지생산시설의 필요성이 확대되고 있어, 도심지 내 환경기초시설 및 에너지생산시설의 지상 일부 공간을 공원화하고 주민편의시설을 설치하여 주민의 수용성을 확대하고자 노력이 기울여지고 있다. 이에 따라, 최근 도심지 내의 지하공간을 활용하여 환경기초시설 및 에너지생산시설을 설치하고, 주민의 수용성 확대를 위하여 지상 일부 공간을 공원화하고 주민편의시설을 설치하는 사업이 추진되고 있다.

그러나 최근 도심지 내에서 지반 굴착 시 주변 지반의 약화로 인하여 도로함몰 등의 지반침하가 발생한 사례가 보고되고 있다. 이러한 지반침하는 대부분 상하수도관의 손상이 주요한 원인으로 알려져 있으나, 지하 공간 개발 시 발생할 수 있는 지하수위의 하강 또는 지하연속벽 시공 시 벽체 연결부의 불완전한 마감으로 인한 토사의 유출 등으로부터 지반침하가 발생할 가능성이 있다. 특히, 지하 복합플랜트의 시공 시에도 구조물 주변 지반의 약화에 의한 지반 내 공동이 발생할 수 있는데, 이를 테면, 지하 복합플랜트의 시공을 위한 지반 굴착시 구조물 주변 지반이 느슨해지고 지반 내 공동이 발생하는 등의 문제가 발생할 수 있으며, 이를 최소화하기 위하여 적절한 공동 충진 재료 및 이를 활용한 복구 공법이 요구된다.

또한, 지하연속벽 시공 시 벽체 연결부로부터 토사가 유출된 경우 지하연속벽 배면 지반에 공동이 발생할 수 있으며, 공동 발생 시 공동이 지반침하로 발달할 수 있을 뿐만 아니라 벽체에도 변형이 발생할 수 있기 때문에 적합한 충진 재료를 이용하여 신속히 복구할 필요가 있다.

또한, 지하 복합플랜트 주변 지반에 발생한 공동, 지반침하, 지하연속벽 배면 공동 등을 복구하기 위하여 사용하는 충진 재료는 주변 지반 이상의 강도가 요구되며, 높은 유동성과 시공성으로 공동 충진부의 완전한 채움이 가능해야 한다.

이와 같이, 복합플랜트의 지하화를 위하여 설계, 시공 및 유지관리 등 지하 대공간 건설에 적합한 기술 개발이 요구되고 있고, 도로하부 공동, 터널의 콘크리트 라이닝 배면 공동부, 지하연속벽 배면 공동부의 충진, 파이프라인 뒷채움, 폐광산 충진 등 다양한 목적을 해결하기 위하여 유동성 채움재, 유동화처리토, 그라우트 등 다양한 시멘트계 재료가 개발 및 적용되고 있다.

이와 관련된 종래 기술이 공개특허공보 제10-2010-0124088호에 개시되어 있다.

본원은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 빠른 시공 진행을 위해 요구되는 단기 강도, 향후 재굴착을 고려하여 요구되는 장기 강도, 공동부 충진을 위해 요구되는 체적팽창률 등을 확보할 수 있는 지반 공동부 충진 재료, 이의 제조 방법 및 이를 이용한 지반 공동부 충진 공법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

다만, 본원의 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 일 구현예에 따른 지반 공동부 충진 재료는, 물; 중량비(%) 기준인 W/C(Water/Cement) 조건이 77이상 91이하로 포함되는 시멘트; 분말 형태로 제공되고, 중량비 물 1 기준 0.00063 이상 0.00174 이하로 포함되는 알루미늄; 중량비 물 1 기준 0초과 0.006 이하로 포함되는 벤토나이트; 및 중량비 물 1 기준 0.02 이상 0.03 이하로 포함되는 급결제를 포함할 수 있다.

본원의 일 구현예에 따른 지반 공동부 충진 재료 제조 방법은, 상기 시멘트, 상기 알루미늄, 상기 벤토나이트를 건배합하여 건배합한 재료를 제조하는 단계; 상기 물을 상기 건배합한 재료에 투입하고 배합하여 시멘트 페이스트를 제조하는 단계; 상기 시멘트 페이스트에 상기 급결제를 투입하고 배합하는 단계를 포함할 수 있다.

본원의 일 구현예에 따른 지반 공동부 충진 공법은, 본원의 일 구현예에 따른 지반 공동부 충진 재료를 이용한 공법으로서, 상기 지반 공동부 충진 재료의 제조 이후, 상기 알루미늄의 발포 시작 시간 및 상기 급결제에 의한 유동성 감소를 고려하여, 미리 설정된 시간 이내에 상기 지반 공동부 충진 재료의 상기 지반 공동부에 대한 충진이 시작되어 진행될 수 있다.

상술한 과제 해결 수단은 단지 예시적인 것으로서, 본원을 제한하려는 의도로 해석되지 않아야 한다. 상술한 예시적인 실시예 외에도, 도면 및 발명의 상세한 설명에 추가적인 실시예가 존재할 수 있다.

전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 지반 공동부 충진 재료는 체적팽창률을 40% 이상 100% 이하로 확보하고, 단기 강도로 1일 강도를 200 kPa 이상 확보하며, 장기 강도로 28일 강도를 1000kPa 이상 2500kPa 이하로 확보하고, 플로우 값을 200 mm 이상으로 확보할 수 있고, 최종 블리딩률을 5% 이상 10% 이하로 확보할 수 있다. 이에 따라, 효과적으로 신속하고 완전한 공동부 충진이 이루어질 수 있고, 상기 단기 강도 값으로 공동 충진 후의 신속한 개방이 이루어질 수 있고, 상기 장기 강도 값으로 추후 재굴착이 가능한 지반 공동부 충진 재료, 이의 제조 방법 및 이를 이용한 지반 공동부 충진 공법이 제공될 수 있다.

도 1은 알루미늄의 발포 과정을 설명하는 개념도로서, (a)는 공기 중의 알루미늄 입자의 개념도이고, (b)는 알칼리 용액에서 알루미늄 산화막 분해 과정의 개념도이며, (c) 는알칼리 용액에서 알루미늄의 반응 과정의 개념도이다.
도 2는 시멘트 및 소듐 벤토나이트의 화학 성분비가 나타난 표이다.
도 3은 본원의 일 실시예에 따른 지반 공동부 충진 재료의 팽창률을 측정하는 실험을 설명하기 위한 팽창률 측정 시험 예시 사진이다.
도 4는 본원의 일 실시예에 따른 지반 공동부 충진 재료의 일축압축강도 및 단위중량 측정 실험을 위한 공시체 제작 과정이 나타난 사진이다.
도 5는 본원의 일 실시예에 따른 지반 공동부 충진 재료의 성능을 확인하기 위한 플로우 시험 과정을 설명하는 개념도이다.
도 6은 본원의 일 실시예에 따른 지반 공동부 충진 재료의 성능을 확인하기 위한 실험에 있어서, 알룸미늄 함량에 따른 본원의 일 실시예에 따른 지반 공동부 충진 재료의 팽창률 그래프이다.
도 7은 본원의 일 실시예에 따른 지반 공동부 충진 재료의 성능을 확인하기 위한 실험에 있어서, 벤토나이트 함량에 따른 본원의 일 실시예에 따른 지반 공동부 충진 재료의 팽창률 그래프이다.
도 8은 본원의 일 실시예에 따른 지반 공동부 충진 재료의 성능을 확인하기 위한 실험에 있어서, 급결제 함량에 따른 본원의 일 실시예에 따른 지반 공동부 충진 재료의 팽창률 그래프이다.
도 9는 본원의 일 실시예에 따른 지반 공동부 충진 재료의 성능을 확인하기 위한 실험에 있어서, 알루미늄 함량에 따른 본원의 일 실시예에 따른 지반 공동부 충진 재료의 1일 일축압축강도를 나타낸 그래프이다.
도 10은 본원의 일 실시예에 따른 지반 공동부 충진 재료의 성능을 확인하기 위한 실험에 있어서, 도 9와 관련하여, 물-시멘트 비에 따른 y절편 값 변화를 나타낸 그래프이다.
도 11은 본원의 일 실시예에 따른 지반 공동부 충진 재료의 성능을 확인하기 위한 실험에 있어서, 300kPa 이상의 1일 일축압축강도를 획득하기 위한 물-시멘트 비 및 알루미늄 함량이 나타난 그래프이다.
도 12는 본원의 일 실시예에 따른 지반 공동부 충진 재료의 성능을 확인하기 위한 실험에 있어서, 알루미늄 함량에 따른 본원의 일 실시예에 따른 지반 공동부 충진 재료의 28일 일축압축강도를 나타낸 그래프이다.
도 13은 원의 일 실시예에 따른 지반 공동부 충진 재료의 성능을 확인하기 위한 실험에 있어서, 도 12와 관련하여, 물-시멘트 비에 따른 y절편 값 변화를 나타낸 그래프이다.
도 14는 본원의 일 실시예에 따른 지반 공동부 충진 재료의 성능을 확인하기 위한 실험에 있어서, 1500kPa 이하의 28일 일축압축강도를 획득하기 위한 물-시멘트 비 및 알루미늄 함량이 나타난 그래프이다.
도 15는 본원의 일 실시예에 따른 지반 공동부 충진 재료의 성능을 확인하기 위한 실험에 있어서, 알루미늄 함량에 따른 본원의 일 실시예에 따른 지반 공동부 충진 재료의 팽창 후 단위중량이 나타난 그래프이다.
도 16은 본원의 일 실시예에 따른 지반 공동부 충진 재료의 성능을 확인하기 위한 실험에 있어서, 벤토나이트 함량에 따른 본원의 일 실시예에 따른 지반 공동부 충진 재료의 1일 일축압축강도가 나타난 그래프이다.
도 17은 본원의 일 실시예에 따른 지반 공동부 충진 재료의 성능을 확인하기 위한 실험에 있어서, 벤토나이트 함량에 따른 본원의 일 실시예에 따른 지반 공동부 충진 재료의 28일 일축압축강도가 나타난 그래프이다.
도 18은 본원의 일 실시예에 따른 지반 공동부 충진 재료의 성능을 확인하기 위한 실험에 있어서, 벤토나이트 함량에 따른 본원의 일 실시예에 따른 지반 공동부 충진 재료의 팽창 후 단위중량이 나타난 그래프이다.
도 19는 본원의 일 실시예에 따른 지반 공동부 충진 재료의 성능을 확인하기 위한 실험에 있어서, 급결제 함량에 따른 본원의 일 실시예에 따른 지반 공동부 충진 재료의 1일 일축압축강도가 나타난 그래프이다.
도 20은 본원의 일 실시예에 따른 지반 공동부 충진 재료의 성능을 확인하기 위한 실험에 있어서, 급결제 함량에 따른 본원의 일 실시예에 따른 지반 공동부 충진 재료의 28일 일축압축강도가 나타난 그래프이다.
도 21은 본원의 일 실시예에 따른 지반 공동부 충진 재료의 성능을 확인하기 위한 실험에 있어서, 급결제 함량에 따른 본원의 일 실시예에 따른 지반 공동부 충진 재료의 단위중량이 나타난 그래프이다.
도 22는 본원의 일 실시예에 따른 지반 공동부 충진 재료의 성능을 확인하기 위한 실험에 있어서, 플로우 시험을 설명하기 위한 플로우 시험 예시 사진이다.
도 23은 본원의 일 실시예에 따른 지반 공동부 충진 재료의 성능을 확인하기 위한 실험에 있어서, 본원의 일 실시예에 따른 지반 공동부 충진 재료의 플로우 값이 나타난 표이다.
도 24는 본원의 일 실시예에 따른 지반 공동부 충진 재료의 성능을 확인하기 위한 실험에 있어서, 본원의 일 실시예에 따른 지반 공동부 충진 재료의 팽창 전 단위 중량이 나타난 표이다.
도 25는 본원의 일 실시예에 따른 지반 공동부 충진 재료의 성능을 확인하기 위한 실험에 있어서, 본원의 일 실시예에 따른 지반 공동부 충진 재료의 양생시간에 따른 팽창률이 나타난 그래프이다.
도 26은 본원의 일 실시예에 따른 지반 공동부 충진 재료의 성능을 확인하기 위한 실험에 있어서, 본원의 일 실시예에 따른 지반 공동부 충진 재료의 양생 시간에 따른 블리딩율이 나타난 그래프이다.
도 27은 본원의 일 실시예에 따른 지반 공동부 충진 재료의 성능을 확인하기 위한 실험에 있어서, 본원의 일 실시예에 따른 지반 공동부 충진 재료의 블리딩 시험을 설명하는 사진이다.
도 28은 본원의 일 실시예에 따른 지반 공동부 충진 재료의 성능을 확인하기 위한 실험에 있어서, 본원의 일 실시예에 따른 지반 공동부 충진 재료의 양생시간에 따른 팽창율이 나타난 그래프이다.
도 29는 본원의 일 실시예에 따른 지반 공동부 충진 재료의 성능을 확인하기 위한 실험에 있어서, 본원의 일 실시예에 따른 지반 공동부 충진 재료의 양생시간에 따른 블리딩율이 나타난 그래프이다.
도 30a 내지 도 30c 각각은 본원의 일 실시예에 따른 지반 공동부 충진 재료의 성능을 확인하기 위한 실험에 있어서, 본원의 일 실시예에 따른 지반 공동부 충진 재료에 따른 시료 1 내지 3 각각의 함량 및 실험 결과가 나타난 표이다.
도 31은 본원의 일 실시예에 따른 지반 공동부 충진 재료의 제조 방법을 설명하기 위한 개념도이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에", "상부에", "상단에", "하에", "하부에", "하단에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

본원은 지반 공동부 충진 재료, 이의 제조 방법 및 이를 이용한 지반 공동부 충진 공법에 관한 것이다.

이를 테면, 지하 복합플랜트의 시공을 위한 지반 굴착 시 구조물 주변 지반이 느슨해지고, 지반 내 공동이 발생하는 등의 문제가 발생할 수 있다. 이러한 공동은 지반함몰 등으로 발전할 수 있으므로 지반 내 공동의 복구를 위한 충진 재료 및 복구공법 개발이 필요할 수 있다. 또한, 지하연속벽의 연결부로부터 토사 유출 시 구조물 배면 지반에 공동이 발생할 수 있으며, 배면 공동에 의하여 주변 지반 또는 구조물의 변형이 발생할 위험성이 있을 수 있다. 따라서, 구조물 배면 공동 발생 시 신속하고 완전한 복구를 위한 충진 재료 및 복구공법 개발이 필요하다. 지반 내 공동 또는 구조물 배면 공동을 충진하기 위해서는 재료의 유동성 및 충진성이 중요할 수 있다. 특히, 지하 복합플랜트 내의 다양한 매설관이 매립되어있는 경우 매설관 주변에서 공동이 발생 시에도 신속하고 완전한 충진이 요구될 수 있다. 높은 유동성의 재료는 좁은 틈새까지 침투 및 충진이 가능하여 공동 충진에 효과적일 수 있다. ACI 229R에서는 ASTM D6103에 따른 시험 결과 플로우값이 200mm이상인 재료를 고유동성의 재료로 정하고 있으며, 재료분리 가능성을 고려하여 300mm가 넘지 않도록 권장하고 있다. 또한, 유동성 채움재는 자기수평성의 특성이 있으므로 비개착 공동 충진 시 공동의 상부의 충진이 어려울 수 있으며, 펌핑을 이용한 그라우트 재료 적용 시에도 공동의 상부 충진에 불리할 수 있다. 이러한 공동 상부의 완전한 충진을 위하여 충진 재료의 주입 후 부피가 팽창함이 바람직하다. 또한, 신속한 공사 진행을 위해, 일정 이상의 단기 강도가 확보되고, 재굴착을 위해 일정 이하의 장기 강도가 확보될 필요가 있으며, 충진 재료 시공 후 주변 매설관 또는 구조물에 작용하는 하중부담을 줄이기 위하여 경량의 재료 개발이 바람직하다. 본원은 이러한 조건들 중 하나 이상을 만족하는 충진 재료를 제공할 수 있다.

먼저, 본원의 일 실시예에 따른 지반 공동부 충진 재료(이하 '본 충진재료'라 함)에 대해 설명한다.

참고로, 본 충진재료는 지반의 공동부를 충진하는데 적용된다. 공동부는 지반에 구축되는 구조체와 이웃하여 형성되는 공동을 포함할 수 있다.

본 충진재료는 도심지 내 지하 복합플랜트 건설 시 발생하는 주변 지반 내 공동을 복구하기 위한 충진 재료로 적용될 수 있다. 본 충진재료는 고유동성 및 팽창성의 특성을 보유하여 복잡한 형상의 공동이 발생하더라도 완전한 충진을 통하여 추후 공동의 재발생 가능성을 최소화할 수 있다. 또한, 도심지 특성을 고려하여 사고 지역의 신속한 복구 및 시공 이후 주변 지반의 재굴착이 용이하도록 하는 목표 강도를 가질 수 있다.

이러한 본 충진재료는, 도심지 내의 지하공간 주변 지반 조건을 고려하여 충진재료는 다짐이 필요없을 정도의 유동성, 다양한 형상의 공동의 충진이 가능하도록 하는 팽창성, 신속 복구 및 재굴착이 용이하도록 하는 소정의 강도를 보유할 필요가 있다. 본 충진재료는, 시멘트를 기반으로 하며, 유동성 및 팽창성을 보유한 충진 재료일 수 있다. 또한, 본 충진재료는 충진 재료의 팽창성을 확보하기 위하여 발포제를 포함할 수 있으며, 본 충진재료의 유실을 최소화하기 위한 점도조절제, 본 충진재료의 응결시간을 조절하기 위한 급결제를 포함할 수 있다.

본 충진재료는, 시멘트로 1종 보통 포틀랜드 시멘트를 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 충진재료에서 물은 20℃ 이상 25℃ 이하의 수돗물일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 특성평가를 위한 본 충진재료의 재료 팽창을 유발하는 발포제는 비표면적이 넓은 플레이크 타입의 알루미늄 분말일 수 있고, 점도 조절제는 벤토나이트, 급결제는 급결성 그라우트재에 널리 사용되는 알칼리프리계 급결제일 수 있다. 이하에서 구체적으로 설명한다.

본 충진재료는, 물을 포함한다. 물은 20℃ 이상 25℃ 이하의 수돗물일 수 있다. 그러나, 물의 조건은 이에 한정되지 않는다.

또한, 본 충진재료는, 시멘트를 포함한다. 시멘트로 1종 보통 포틀랜드 시멘트가 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 시멘트는 중량비(%) 기준인 W/C(Water/Cement) 조건이 77이상 91이하로 포함된다. 바람직하게는, 시멘트는, 중량비(%) 기준인 W/C(Water/Cement) 조건이 77 이상 83이하로 포함될 수 있으며, 보다 바람직하게는, 시멘트는, 중량비(%) 기준인 W/C(Water/Cement) 조건이 80 이상 83이하로 포함될 수 있다.

또한, 본 충진재료는, 알루미늄을 포함한다. 알루미늄은 분말 형태로 제공된다. 알루미늄은 발포제 역할을 할 수 있다. 알루미늄은 비표면적이 넓은 플레이크 타입의 알루미늄 분말로 알칼리 용액과 반응하여 수소 기체를 발생시킬 수 있다. pH가 높은 시멘트 페이스트는 알루미늄과 반응하여 수소 기체를 발생시키고 이는 본 충진재료의 부피 팽창에 기여할 수 있다.

도 1은 알루미늄의 발포 과정을 설명하는 개념도이다. 구체적으로, 도 1의 (a)는 공기 중의 알루미늄 입자를 설명하는 것이고, 도 1의 (b)는 알칼리 용액에서의 알루미늄 산화막 분해 과정을 설명하는 것이며, 도 1의 (c)는 알칼리 용액에서 알루미늄의 반응 과정을 설명하는 것이다.

도 1을 참조하면, 알루미늄은 공기 중에서 산화알루미늄의 막으로 표면이 둘러 쌓여 있기 때문에, 산화알루미늄 막이 분해된 이후에 알루미늄과 시멘트 페이스트의 반응이 시작될 수 있다. 산화알루미늄 역시 강산 또는 강염기 조건에서 분해 반응이 나타나기 때문에 시멘트 페이스트와 접촉 시 분해 반응이 발생하며, 알루미늄이 시멘트 페이스트에 노출되면 수소 기체의 발생 반응이 나타날 수 있다. 발생된 수소 기체의 대부분은 시멘트 페이스트 외부로 빠져나가지만, 일부의 경우 시멘트 페이스트 내부에 존재하여 시멘트 페이스트의 부피를 증가시킬 수 있다. 시멘트 페이스트가 응결된 이후에도 알루미늄과의 반응이 발생할 수 있으나, 응결 이후에는 본 충진재료의 공극 구조가 완성되기 때문에 본 충진재료에 생성된 공극 구조를 따라 발생된 수소 기체가 충진재료의 외부로 유출될 수 있다. 특히, 수소 기체는 분자량이 가장 낮은 기체로 확산속도가 분자량이 작을수록 빠르다는 그레이엄 법칙에 따라 다른 기체에 비해 확산이 빠르게 진행될 수 있다.

또한, 알루미늄은 중량비 물 1 기준 0.00063 이상 0.00174 이하로 포함된다. 바람직하게는, 알루미늄은, 중량비 물 1 기준 0.00063 이상 0.001 이하로 포함될 수 있다.

또한, 본 충진재료는, 벤토나이트를 포함한다. 벤토나이트는 점도조절제 역할을 할 수 있다. 점도조절제는 본 충진재료의 점성을 증대시켜 부피 팽창 시 발포제에 의하여 발생하는 수소 기체를 본 충진재료 내부에 잡아둘 수 있는 확률을 높이기 위하여 사용하며, 본 충진재료에서는, 점도 조절을 위하여 벤토나이트를 포함할 수 있다. 벤토나이트는 예를 들어 소듐 벤토나이트일 수 있다. 벤토나이트는 물을 흡수하여 부피가 팽창하며, 부피가 팽창하는 성질을 이용하여 지반 주변에 존재하는 공극이나 크랙을 막는데 사용할 수 있다. 본 충진재료는 지반 내 발생한 공동에 충진재료 투입 시 공극 또는 크랙에 의하여 충진재료의 유출이 최소한으로 발생할 수 있도록 하여 충진재의 부피 팽창의 효율을 증대할 수 있다.

참고로, 도 2는 시멘트 및 소듐 벤토나이트의 화학 성분비가 도시된 표이다.

벤토나이트는 중량비 물 1 기준 0초과 0.006 이하로 포함된다. 바람직하게는, 벤토나이트는 중량비 물 1 기준 0.001 이상 0.005 이하로 포함될 수 있다.

또한, 본 충진재료는 급결제를 포함한다. 급결제는 알칼리프리계 급결제로, 급결성 그라우트재에 널리 사용되는 재료일 수 있다. 급결제는 시멘트 페이스트의 응결을 촉진시키며, 응결 시간을 조절함으로써 부피 팽창이 발생할 수 있는 시간을 조절하며, 이에 따라 조기강도 또는 장기강도에도 영향을 미칠 수 있다. 급결제는 탈황석고, SIO₂ 및 알루미네이트 중 하나 이상을 포함할 수 있다.

알루미늄 분말이 시멘트 페이스트와 반응하여 발생하는 부피 팽창의 정도는 알루미늄의 반응성에 주로 영향을 받지만, 알루미늄과 시멘트 페이스트의 특성에 의하여 두 재료의 반응에도 불구하고 부피 팽창이 발생할 수 있는 시기가 존재할 수 있다. 알루미늄의 경우 공기 중에서 산화알루미늄 막으로 둘러 쌓여 있기 때문에 산화알루미늄 막이 분해된 이후에 알루미늄과 시멘트 페이스트의 반응이 시작될 수 있다. 또한, 시멘트 페이스트의 응결이 시작되면 충진재의 내부 공극 구조가 결정되기 때문에 추가적으로 생성되는 기체에 의한 부피 팽창은 기대하기 어려우며, 내부 공극 구조가 결정된 이후에 발생하는 수소 기체는 충진재료의 공극 구조를 따라 외부로 유출될 수 있다. 따라서, 충진재의 부피 팽창은 알루미늄을 둘러싼 산화막이 분해되는 시간과 시멘트 페이스트의 응결 이전의 시간 사이에서 발생할 수 있으며, 급결제를 이용하여 시멘트 페이스트의 응결 시간을 조절함으로써 충진재료의 팽창률과 강도 등의 특성을 조절할 수 있다.

급결제는 중량비 물 1 기준 0.02 이상 0.03 이하로 포함된다. 바람직하게, 급결제는, 중량비 물 1 기준 0.02 이상 0.025 이하로 포함될 수 있다.

이하에서는, 본 충진재료의 성능을 실험을 통해 설명한다. 다만, 본원이 이하의 실험에 의하여 제한되는 것은 아니다.

본 충진재료의 성능을 확인하기 위해, 팽창률 측정 실험, 일축압축강도 및 단위중량 측정 실험, 유동성 실험, 팽창 전 단위중량 측정 실험, 블리딩 실험을 수행하였다.

팽창률 측정 실험은, 지반 내 공동 발생 시 다양한 형상의 공동에 대하여 대응할 수 있도록 공동 내부에 충진재료의 투입 후 충진재료가 팽창함으로써 공동의 완전한 충진을 목표로 한다. 최근 널리 이용되고 있는 GPR 탐사 등의 비파괴 시험방법을 통하여 공동의 형상 및 크기를 예측한 다면, 공동 충진재료의 팽창률을 고려하여 충진재료의 배합 물량을 예상할 수 있을 것으로 기대할 수 있다.

도 3을 참조하면, 본원은, 본 충진재료의 팽창률 측정을 위하여 눈금이 표시된 투명한 튜브에 배합된 본 충진재료를 15mL 이상 ~ 20mL 이하만큼 채우고 팽창이 완료되는 것을 관찰하였다. 이후 팽창이 완료되었을 때 도달한 튜브의 눈금을 측정하여 충진재료의 팽창 후 최종 부피를 측정하였다. 측정된 최종 부피와 최초 부피로부터 다양한 종류의 배합비에 대한 팽창률을 산정하였으며, 반복성을 고려하여 8개 이상의 튜브에 충진재료를 투입하여 팽창률을 산정하였다.

일축압축강도 및 단위중량 측정 실험은, 시멘트계 재료의 경우 양생이 진행되면서 소정의 강도가 발현되며, 사용 목적에 따라 재료의 목표 강도를 선정할 필요가 있을수 있다. 일본의 경우 매설관의 뒷채움에 충진재료를 사용한 이후 후속 공사 또는 도로 교통을 정상적으로 복원하기 위해서는 충진재료의 일축압축강도가 최소 130kPa 이상 발현되어야한다고 규정하고 있다 (PWRI: Public Works Research Institute, 2007). 또한, ACI 229R (1999)에 따르면 상하수관거 시공 시 뒷채움에 주로 사용되는 시멘트계 재료인 유동성 채움재(controlled low-strength material, CLSM)의 일축압축강도가 약 2.1MPa 이하일 때 기계장비를 이용한 굴착이 용이하다고 제시하였다.

도 4를 참조하면, 본원의 실험은 다양한 배합비의 충진재료에 대한 일축압축강도를 평가하기 위하여 ASTM D4832(2016)을 따라 직경 50mm, 높이 100mm인 실린더 형태의 공시체를 제작하였다. 충진재료를 배합 후 직경이 50mm이고 높이가 100mm 이상인 준비된 몰드에 투입하여 약 1일간 양생한다. 1일간 양생하는 동안 충진재료는 팽창하므로 몰드의 윗면으로 팽창한 충진재료를 고르게 하고 몰드로부터 탈형한다. 탈형된 공시체의 높이를 100mm에 맞춰 트리밍하여 일축압축강도를 위한 공시체를 제작하였다. 제작된 공시체를 이용하여 양생 1, 3, 7, 14, 28일 경과 후 일축압축강도를 측정하였으며, 일축압축강도시험 전 공시체의 무게를 측정하여 시료의 단위중량을 산정하였다. 일축압축강도시험은 하중 용량이 직경 50mm 공시체에 대하여 약 10MPa까지 허용 가능한 장비를 사용하였으며, 1mm/min의 하중 재하 속도로 실험을 수행하였다.

유동성 실험과 관련하여, 유동성은 공동 충진재료에 있어 가장 중요한 특성 중 하나로 충진재료의 충진성 확보를 위하여 필수적이다. ACI 229R (1999)에 따르면 충진성을 확보하기 위한 유동성 채움재의 고유동성의 기준을 ASTM D6103(2017)에 따른 시험 방법을 이용하여 획득한 충진재료의 플로우값이 200mm 이상이 되도록 권장하고 있다. 단, 300mm를 초과하는 경우에는 재료 분리의 가능성이 높기 때문에 지양하고 있으므로 블리딩 시험과 같은 재료 분리를 평가하는 시험으로부터 재료 분리 가능성을 검토할 필요가 있다.

도 5를 참조하면, ASTM D6103(2017)에서 규정하는 플로우 시험 방법은 다음과 같다. 수밀성 금속제 판 위에 양 끝단이 뚫려있는 내경 75mm, 높이 150mm의 플로우 몰드를 올려두고, 플로우 몰드의 내부에 배합된 충진재료를 투입할 수 있다. 플로우 몰드에 충진재료를 가득 채운 이후 플로우 몰드를 수직으로 들어올렸을 때, 넓게 퍼진 충진재료의 가장 긴 직경과 그에 수직한 직경을 측정하여 두 값의 평균 값이 해당 충진재료의 플로우 값으로 정해질 수 있다.

또한, 팽창 전 단위중량 측정 실험과 관련하여, 일반적으로 굴착공사에 의하여 발생하는 지반 내 공동은 지하수위보다 위에 존재하기 때문에 팽창 전 슬러리 상태인 충진재료의 단위중량에 큰 영향을 미치지 않는다. 다만, 지하수위보다 아래에 공동이 발생하여 공동 내부에 수위가 존재하는 경우 충진재료 투입 시 공동의 충진을 위해서는 수위의 단위중량보다 투입하는 충진재료의 단위중량이 클 필요가 있다.

팽창 전 단위중량을 측정하는 방법은 KS F 2409(2016)에 따라 수행하였다. 내경 140mm, 높이 130mm인 금속제 용기를 이용하며, 배합된 슬러리 상태의 충진재료를 해당 용기에 가득 채운 후 수밀성의 평평한 판으로 덮을수 있다. 이때, 수밀성 판과 충진재료 사이에 기포가 존재하지 않음이 바람직하다. 수밀성 판을 덮었을 때 용기 주변으로 흘러나온 충진재료를 깨끗이 닦고 용기와 판의 무게를 함께 측정하였다. 이때 측정된 무게로부터 용기 내에 존재하는 충진재료의 무게를 산정하고 이로부터 충진재료의 팽창 전 단위중량을 산정할 수 있다.

또한, 블리딩 실험과 관련하여, 블리딩 실험은 시멘트계 재료의 재료분리 가능성을 평가하는 실험으로 물과 시멘트 페이스트가 분리되는 것을 측정하는 실험일 수 있다. 상하수관거의 뒷채움에 주로 사용되는 유동성 채움재(CLSM)의 경우 규정된 별도의 시험방법은 존재하지 않으나, 연구용으로는 콘크리트의 블리딩 시험 방법(ASTM C232, 2020)을 차용하여 재료 분리 가능성을 평가할 수 있다. 그러나 본 충진재료의 경우 초기 양생과정에서 팽창이 발생하므로, 콘크리트에 대한 블리딩 시험 방법은 적절하지 않을 수 있다. 따라서 본 충진재료와 유사한 특성을 가지는 재료 중 fresh mixed grout에 대한 블리딩 시험 방법(ASTM C940)을 차용하여 재료분리 가능성을 평가하였다.

ASTM C940(2016)에 따른 본 충진재료의 블리딩 시험 방법은 다음과 같다. 1000mL의 매스 실린더 내에 배합한 그라우트재를 약 800mL만큼 채운 후 블리딩수가 증발되지 않도록 매스 실린더 상부를 봉인한다. 이후 양생 시간이 지남에 따라 처음 60분 동안 15분 간격으로 블리딩수와 그라우트재의 상부 표면의 높이를 기록한다. 이후에는 1시간 간격으로 높이를 기록하며 더 이상 팽창이나 블리딩이 발생하지 않을 때까지 지속한다. 최종적으로는 발생한 블리딩수를 별도의 25mL 매스 실린더에 옮겨 부피를 측정한다. 각각의 측정 간격에서의 블리딩률은 해당 시기에서 측정한 블리딩수와 그라우트재의 높이차를 초기 부피로 나눈 것으로 산정하며, 최종 블리딩률은 최후에 따로 옮겨 담은 블리딩수의 부피를 초기 부피로 나눈 것으로 산정한다.

본 충진재료의 경우 40 ~ 100%의 부피 팽창률을 목표로 하기 때문에 매스 실린더의 용량이 초과되지 않도록 하기 위하여 매스 실린더에 500mL의 본 충진재료를 투입하여 블리딩수 및 그라우트재의 상부 높이를 측정하였다. 또한, 부피 팽창이 양생 초기 약 3시간 동안 발생하므로 기존의 규정보다 좁은 시간 간격으로 높이 값을 측정하였다.

본 충진재료의 팽창률 측정 실험 결과는 다음과 같을 수 있다.

참고로 본원에 있어서, 본 충진재료의 각 재료의 함량은 물의 비율을 1이라고 할 때의 중량비일 수 있다.

먼저, 벤토나이트와 급결제의 함량을 각각 0.003, 0.02로 고정하여, 알루미늄 함량 또는 물-시멘트 비가 충진재료의 팽창률에 미치는 영향을 평가하였다.

5가지 물-시멘트 비에 대하여 알루미늄 함량에 따른 팽창률 경향은 도 6과 같다. 도 6의 본 충진재료의 팽창률은 물-시멘트 비에 관계없이 알루미늄 함량이 증가함에 따라 선형적으로 증가하는 관계를 보이며, 결정계수가 0.95로 매우 강한 상관성을 갖는다. 이는 알루미늄 함량이 증가하면 수소 기체의 발생량이 증가하여 부피 팽창에 기여하는 기체의 양도 증가하기 때문으로 보인다. 따라서, 벤토나이트, 급결제의 함량이 각각 0.003, 0.02인 경우, 목표로 하는 팽창률인 40% 이상 100% 이하를 획득하기 위해서는 물-시멘트 비에 상관없이 알루미늄 함량이 0.00063~0.00174의 범위에서 결정되어야 할 수 있다.

또한, 벤토나이트의 함량에 따른 팽창률을 고려하여 보면, 급결제 함량을 0.02로 고정한 후 동일한 물-시멘트 비와 알루미늄 함량에서 벤토나이트 함량에 따라 충진재료의 팽창률이 도 7에 도시되어 있다.

또한, 급결제 함량에 따른 팽창률을 고려하여 보면, 물-시멘트 비, 알루미늄 함량과 벤토나이트 함량 모두를 고정한 후 급결제 함량을 조절한 충진재료의 팽창률이 도 8에 도시되었다. 물-시멘트 비는 83%, 알루미늄 함량과 벤토나이트 함량은 각각 0.001, 0.003으로 고정한 후 급결제의 함량을 0.02에서 0.03으로 조절하였다. 급결제 함량이 증가함에 따라 팽창률은 감소하였으며, 이는 충진재료의 응결시간이 짧아져 충진재료의 내부 공극이 완성되는 시간이 촉진되므로 알루미늄 분말의 반응에 의하여 발생한 수소 기체가 부피 팽창에 기여할 수 있는 시간 또한 감소하여 충진재료의 부피 팽창 정도가 감소하는 것으로 보인다.

또한, 일축압축강도 및 단위중량 측정 실험과 관련하여, 이하에서는 다양한 배합비에 대하여 일축압축강도 실험을 수행하였으며, 획득한 결과로부터 물-시멘트 비, 알루미늄 함량, 벤토나이트 함량, 급결제 함량에 따른 1일, 28일 압축강도의 경향성을 설명한다. 각 배합재료의 함량은 물의 비율을 1이라고 할 때의 중량비로 나타내었다.

먼저, 알루미늄 함량 및 물-시멘트 비에 따른 1일, 28일 일축압축강도 및 단위중량에 관해 말하자면, 알루미늄과 물-시멘트 비 이외에 벤토나이트와 급결제의 함량을 각각 0.003, 0.02로 고정하여 알루미늄 함량 또는 물-시멘트 비가 충진재료의 1일, 28일 일축압축강도 및 단위중량에 미치는 영향을 평가하고자 하였다.

먼저, 5가지 물-시멘트 비에 대하여 알루미늄 함량에 따른 1일 일축압축강도의 경향이 도 9에 도시되었다. 1일 일축압축강도는 팽창률과는 다르게 알루미늄 함량이 증가할수록 선형적으로 감소하는 경향을 나타냈으며, 물-시멘트 비에 대해서도 변화하는 양상을 나타냈다. 1일 압축강도가 변화하는 기울기는 모든 물-시멘트 비에서 동일하게 나타났으며 y절편의 값에 따라 물-시멘트 비의 영향이 관찰되었다. 이에 y절편의 값을 물-시멘트 비에 따라 도 10에 나타내었으며, 실험을 수행한 구간에서 물-시멘트 비가 증가함에 따라 선형적으로 감소하는 경향이 나타났다. 따라서, 물-시멘트 비와 알루미늄의 함량을 바탕으로 목표 강도인 300kPa 이상을 만족하는 범위를 도 11과 같이 나타낼 수 있다.

77~87%(77% 이상 87% 이하)의 범위의 물-시멘트 비에 대하여 알루미늄 함량에 따른 28일 일축압축강도의 경향을 도 12에 나타내었다. 28일 일축압축강도는 1일 일축압축강도와 마찬가지로 알루미늄 함량이 증가할수록 선형적으로 감소하는 경향을 나타냈으며, 물-시멘트 비에 대해서도 변화하는 양상을 나타냈다. 28일 압축강도가 변화하는 기울기는 모든 물-시멘트 비에서 동일하게 나타났으며 y절편의 값에 따라 물-시멘트 비의 영향이 관찰되었다. 이에 y절편의 값을 물-시멘트 비에 따라 도 13에 나타내었으며, 실험을 수행한 구간에서 물-시멘트 비가 증가함에 따라 선형적으로 감소하는 경향이 나타났다. 따라서, 물-시멘트 비와 알루미늄의 함량을 바탕으로 목표 강도인 1500kPa 이하를 만족하는 범위를 그림 도 14와 같이 나타낼 수 있다. 77~91%의 범위의 물-시멘트 비에 대하여 알루미늄 함량에 따른 단위중량의 경향을 도 15에 나타내었다. 팽창 후의 단위중량는 팽창률과 유사하게 물-시멘트 비에 의한 영향은 미미한 것으로 평가되었으며, 알루미늄 함량이 증가할수록 선형적으로 감소하는 경향을 나타내었다. 이는 알루미늄 함량이 증가하면 수소 기체의 발생량 증가로 인한 부피 팽창 증가로 인하여 시료의 단위중량이 감소하는 것일 수 있다. 따라서, 벤토나이트, 급결제의 함량이 각각 0.003, 0.02인 경우, 목표로 하는 팽창 후 단위중량인 6.8~10.7kN/m3를 획득하기 위해서는 물-시멘트 비에 상관없이 알루미늄 함량이 0.00055~0.00181의 범위에서 결정됨이 바람직하다.

또한, 벤토나이트 함량에 따른 1일, 28일 일축압축강도 및 단위중량과 관련하여, 본 충진재료의 급결제 함량을 0.02로 고정한 후 동일한 물-시멘트 비와 알루미늄 함량에서 벤토나이트 함량에 따라 충진재료의 1일, 28일 일축압축강도 측정 값이 도 16 및 도 17에 도시되어 있다. 도 16 및 도 17을 참조하면, 두 가지 양생일자의 일축압축강도는 모두 벤토나이트 함량에 대하여 유의미한 경향성을 갖지 않는 것을 확인할 수 있다.

급결제 함량을 0.02로 고정한 후 동일한 물-시멘트 비와 알루미늄 함량에서 벤토나이트 함량에 따라 충진재료의 단위중량은 도 18에 도시되었다. 각각의 배합비에서 벤토나이트 함량에 따라 대체로 유사한 팽창률이 산정되었으며, 물-시멘트 비에 의한 팽창률의 변화는 나타나지 않았으나, 알루미늄 함량에 따라 단위중량이 감소하는 것으로 나타났다.

또한, 급결제 함량에 따른 1일, 28일 일축압축강도 및 단위중량과 관련하여, 물-시멘트 비, 알루미늄 함량과 벤토나이트 함량 모두를 고정한 후 급결제 함량을 조절한 충진재료의 1일, 28일 일축압축강도 및 단위중량을 각각 도 19 내지 도 21에 도시하였다. 물-시멘트 비는 83%, 알루미늄 함량과 벤토나이트 함량은 각각 0.001, 0.003으로 고정한 후 급결제의 함량을 0.02에서 0.03으로 조절하였다. 도 19 및 도 20에 나타난 1일 및 28일 일축압축강도는 급결제 함량이 증가함에 따라 감소하였으며 점진적으로 수렴하였다. 도 21에 나타난 단위중량은 급결제 함량이 증가함에 따라 증가하였으며, 이는 급결제 함량 증가 시 팽창이 발생할 수 있는 시간을 줄이기 때문일 수 있다.

또한, 본 충진재료의 성능을 확인하기 위해 유동성 실험이 수행되었다. 참고로, 도 22에는 유동성 시험(플로우 시험)의 예시 사진이 도시되었다.

본 충진재료의 유동성을 평가하기 위하여 두 가지 배합비에 대한 플로우 시험을 각각 5회씩 수행하여 도 23에 나타내었다. 본원에서 유동성에 대한 목표 기준은 플로우값 200mm 이상으로 실험을 수행한 충진재료의 플로우값은 500~600mm 범위 내에 있으므로 월등히 좋은 유동성을 갖는다고 판단할 수 있다.

팽창 전 단위중량 측정 실험과 관련하여, 본원은 본 충진재료의 팽창 전 단위중량을 평가하기 위하여 두 가지 배합비에 대한 실험을 수행하였으며 그 결과를 도 24의 표에 도시하였다. 팽창 전 단위중량 측정 실험의 경우 충진재료의 배합 이후 빠른 시간 내에 이루어져야 하기 때문에 알루미늄의 수소 기체 생성반응을 기대하기 어려우며, 알루미늄 분말, 벤토나이트, 급결제는 물, 시멘트에 비하여 소량이 첨가되므로 팽창 전 단위중량은 물-시멘트 비의 영향을 가장 크게 받는다고 볼 수 있다. 따라서, 도 24의 표에 나타난 두 배합비 중 물-시멘트 비가 낮은 배합비에서 더 높은 단위중량이 산정되는 것을 볼 수 있으며, 이는 본원에서 목표로 하는 단위중량 10.7kN/m3 이상의 조건을 만족시키는 것으로 나타났다.

또한, 블리딩 실험과 관련하여, 본 충진재료는 플로우값이 500mm 이상으로 재료분리에 취약할 가능성이 높다. 따라서 블리딩 실험을 통한 재료불리 가능성의 평가는 필수적이다. 블리딩 실험은 앞서 플로우 시험에 사용했던 두 가지 배합비를 사용하였다. 먼저, W/C=77%, Al=0.0014, Bent=0.001, Acc=0.02인 본 충진재료에 대하여 3회 실험을 수행하였으며, 양생기간 중의 팽창률과 블리딩률을 각각 도 25 및 도 26에 도시하였다. 해당 본 충진재료는 양생기간이 약 100분에 도달하였을 때, 공극 구조가 무너져 팽창률이 급격히 감소하였으며, 이후 다시 팽창하여 최종 팽창률이 52~77%(평균 61.4%)만큼 도달하였다. 블리딩률은 양생기간 중 약 4~6%의 블리딩이 관찰되었으며, 최종 블리딩률은 5~10%(평균 7.8%)로 측정되었다.

또한, 도 27 내지 도 29를 참조하면, W/C=83%, Al=0.0011, Bent=0.004, Acc=0.022인 본 충진재료에 대하여 1회 실험을 수행하였다. 이 배합비의 본 충진재료는 양생 시작 후 약 70분이 경과되었을 때 팽창이 시작되었으며, 약 150분까지 팽창이 진행되어 약 46%의 팽창률을 획득하였다. 또한, 팽창 중에 약 70~90분에서 약 2%의 블리딩이 발생하였으나 팽창이 지속되며 블리딩이 감소하여 최종 블리딩률은 0%로 산정되었다. 이 배합비의 경우 앞선 배합비에 비하여 물-시멘트 비가 높고 알루미늄 함량이 낮아 부피 팽창이 지연되고, 최종 팽창률도 낮게 나타났다. 또한, 벤토나이트 함량과 급결제 함량이 높아 부피 팽창이 발생할 수 있는 시간도 짧다. 그러나 블리딩 측면에서는 구조 형성이 빠르게 진행되어 유리한 것으로 나타났다.

정리하면, 도 6을 참조하면, 팽창률 40~100%를 획득하기 위해, 알루미늄 함량은 0.00063이상 0.00174 이하일 수 있고(이 때, 벤토나이트 0.003, 급결제 0.02일 수 있음), 도 9를 참조하면, 1일 압축강도(1일 일축압축강도) 측면에서, 팽창 역할을 하는 Al의 함량이 증가하면 강도가 낮아질 수 있기 때문에, 본 충진재료가 1일 일축압축강도를 200kPa 이상, 보다 바람직하게는, 300kPa 이상을 확보하도록, 알루미늄의 함량은 0.00063이상 0.001 이하로 설정됨이 바람직하다.

또한, 도 19 및 도 20을 참조하면, 급결제는 1일 일축압축강도 200kPa 이상 확보하고, 28일 일축압축강도1000 이상 2500kPa 이하가 확보되도록, 0.02 이상 0.03 이하로 설정될 수 있고, 보다 바람직하게는 0.02 이상 0.025 이하로 설정될 수 있으며, 보다 바람직하게는 1일 일축압축강도 300kPa 이상 확보하고, 28일 일축압축강도1000 이상 2000kPa 이하가 확보되도록, 0.02로 설정될 수 있다.

또한, 도 9를 참조하면, 1일 일축압축강도 200kPa 이상을 확보하도록, 물-시멘트비 W/C는 77% 이상 91% 이하로 설정될 수 있고, 보다 바람직하게는, 1일 일축압축강도 300kPa 이상을 확보하도록, 물-시멘트비 W/C는 77% 이상 83% 이하로 설정될 수 있다. 또한, 또한, 알루미늄이 0.00063 이상 0.001 이하로 포함되는 구간에서28일 일축압축강도 2500kPa 이하도 확보되도록, 물-시멘트비 W/C는80% 이상 83% 이하로 설정될 수 있다. 보다 바람직하게는, 2100kPa 이하가 되도록, 물-시멘트비 W/C는83%로 설정될 수 있다. 즉, 도 12를 참조하면, 28일 일축압축강도 2100kPa 이하도 확보되도록, 물-시멘트비 W/C는83%로 설정될 수 있다.

또한, 벤토나이트는, 0 초과 0.006 이하, 바람직하게는, 0.001~0.005, 보다 바람직하게는0.003으로 설정될 수 있다.

정리하면, 본원은 충진재료의 6가지 성능에 대하여 모두 만족시키는 배합비를 도출하기 위하여 각각의 배합재료에 따른 팽창률, 1일 및 28일 일축압축강도 등을 평가하였으며, 어떤 배합재료가 각각의 성능에 어떠한 영향을 미치는지 관찰하였다. 충진재료의 팽창률에 가장 큰 영향을 주는 배합재료는 부피 팽창에 기여하는 알루미늄 분말이었으며, 급결제 또한 응결시간을 조절하여 충진재료의 부피팽창을 저감시키는 역할을 하는 것으로 나타났다. 일축압축강도의 경우도 마찬가지로 물-시멘트 비와 알루미늄 분말의 증가에 따라 감소하였으며, 급결제 함량 또한 일축압축강도를 낮추는데 역할을 하는 것으로 나타났다. 또한, 팽창률, 1일 및 28일 일축압축강도를 예측하는데 있어 벤토나이트의 함량에 따른 경향성이 나타나지는 않았으나, 벤토나이트와 급결제 함량의 조절은 필수적이며, 이를 고려하여, 본원은 각 성분의 함량을 설정하였다.

본 충진재료는, 체적팽창률 40% 이상 100% 이하로 확보할 수 있다.

또한, 일본의 기준에 따르면 차량 교통 개방을 위하여 요구되는 최소한의 강도는 130kPa를 요구하고, CLSM은 이를 고려하여 4~12시간의 강도를 130kPa이상이 되도록 설정하며, ACI 229R에 따르면 향후 재굴착을 고려하여 장기 강도의 값이 2100kPa이하가 될 것을 권장, 일반적으로, 향후 재굴착 가능성을 고려하여 CLSM과 발포성 충진 재료의 28일 또는 그 이상의 양생일에서 측정한 일축압축강도를 2100kPa이하로 설정될 수 있는데, 본 충진재료는 차량 교통 개방을 조속히 가능하게 하되, 초기 양생 과정 중 부피의 팽창이 발생한다는 점을 고려하여, 단기 강도로 1일 200 kPa 이상, 보다 바람직하게는, 300kPa이상으로 설정하고, 28일 강도는 향후 재굴착 가능성을 고려하여 1000kPa 이상 2500kPa 이하, 바람직하게는, 1000kPa 이상 2100kPa이하, 보다 바람직하게는 1000~1500kPa이하를 목표로 할 수 있다.

또한, 본 충진재료는 플로우 값 200 mm 이상을 확보할 수 있고, 최종 블리딩률은 5% 이상 10% 이하(평균 7.8%)로 확보할 수 있다.

참고로 본 충진재료는 발포 충진재일 수 있는데, 그라우트 느낌일 수 있다. 배합 재료는 전술한 바와 같이, 시멘트(OPC), 벤토나이트(Bent), 알루미늄 분말(Al)(알칼리와 만나면 반응, 약 10분 후부터 발포 시작, 가급적 분말 재료와 함께 배합), 급결제(Acc), 물(Water)를 포함할 수 있다. 또한, 유동성은 ASTM D0103 기준 플로우 750 mm일수 있고(거의 물과 같은 수준), 슬러리 단위 중량은 1.3~1.5kg/L일 수 있으며, 약 10분 후 발포 시작하여 30-3시간 후 팽창 종료(초결)될 수 있다.

또한, 참고로, 도 30a 내지 도 30c에 본 충진재료에 따른 시료 1 내지 3 각각의 함량 및 위 실험 내용에 따른 평가 결과가 도시되어 있다. 본 충진재료는 도 30a 내지 도 30c를 통해서도 뒷받침 될 수 있다.

이하에서는, 본원의 일 실시예에 따른 지반 공동부 충진 재료 제조 방법(이하 '본 제조 방법'이라 함)에 대해 설명한다. 다만, 본 제조 방법(본 배합 방법)은, 전술한 본 충진재료를 제조하는 것으로서, 전술한 본 충진재료와 동일하거나 상응하는 기술적 특징 및 구성을 공유한다. 따라서, 본 충진재료에서 설명한 내용과 중복되는 설명은 간략히 하거나 생략한다.

본 제조 방법은, 시멘트, 알루미늄, 벤토나이트를 건배합하여 건배합한 재료를 제조하는 단계(제1 단계)를 포함한다.

또한, 본 제조 방법은, 물을 건배합한 재료에 투입하고 배합하여 시멘트 페이스트를 제조하는 단계(제2 단계)를 포함한다.

또한, 본 제조 방법은, 시멘트 페이스트에 급결제를 투입하고 배합하는 단계(제3 단계)를 포함한다.

이러한 본 제조 방법은 다음과 같이 수행될 수 있다.

본 충진재료가 실내 배합시, 도 31을 참조하면, 본 제조 방법은, 먼저, 시멘트, 알루미늄, 벤토나이트를 건배합할 수 있다. 이때, 믹서기 등을 사용하지 않고 배합이 이루어질 수 있다. 또한, 이 때, 알루미늄 분말이 많이 날리기 때문에 주의가 필요할 수 있다. 이후, 본 제조 방법은 3/4 정도의 물에 건배합한 재료를 투입하여 믹서기 또는 핸드드릴로 배합할 수 있다. 또한, 남은 1/4의 물을 이용하여 용기에 붙어있는 알루미늄 분말을 투입할 수 있다. 이는, 알루미늄 분말을 용기에 담고 이를 사용하였을 때 알루미늄이 벽면에 다량 부착되어 있을 수 있기 때문이다. 또한, 알루미늄 분말이 물에 잘 뜨기 때문에 건배합이 잘 안되었을 경우 시멘트 페이스트와 잘 섞이지 않기 때문일 수 있다. 이 후, 본 제조 방법은, 배합된 시멘트 페이스트에 최종적으로 급결제를 투입 후 약 1-2분간 배합할 수 있다.

또한, 본 충진재료가 현장 배합시, 도 31을 참조하면, 본 제조 방법은 분말 재료(예를 들면, 시멘트, 알루미늄, 벤토나이트를 포함할 수 있음)를 건배합하고, 물과 건배합된 분말 재료를 배합할 수 있으며(시멘트 페이스트 형성), 이후, 급결제를 투입할 수 있다. 이때, 알루미늄 분말이 잘 날리기 때문에 배합기에 투입시 주의가 필요하며, 분말 재료 건배합시 낮은 속도의 배합이 필요할 수 있다. 또한, 물과 분말 재료를 배합할 때는 높은 속도의 배합이 필요할 수 있다. 이는 낮은 속도의 배합시 알루미늄 분말이 분리될 수 있기 때문이다. 또한, 분말 재료의 건배합이 충분하지 않아 알루미늄이 잘 섞이지 않은 경우 알루미늄 분말이 날릴 수 있다. 또한, 공동에 본 충진재료 투입 직전에 급결제와 시멘트 페이스테를 배할할 필요가 있다. 급결제의 투입 후 단기간에 충진재료의 유동성 및 팽창성이 급격히 감소할 가능성이 있으므로 가능한 마지막 단계에서 배합하는 것이 필요할 수 있다.

이하에서는, 본원의 일 실시예에 따른 지반 공동부 충진 공법(이하 '본 공법'이라 함)에 대해 설명한다. 다만, 본 공법(본 시공 방법)은, 전술한 본 충진재료를 이용하여 지반 공동부를 충진 시공하는 것으로서, 전술한 본 충진재료와 동일하거나 상응하는 기술적 특징 및 구성을 공유한다. 따라서, 본 충진재료에서 설명한 내용과 중복되는 설명은 간략히 하거나 생략한다.

본 공법은, 전술한 본 충진재료의 제조 이후, 알루미늄의 발포 시작 시간, 급결제에 의한 유동성 감소를 고려하여, 미리 설정된 시간 이내에 본 충진재료의 지반 공동부에 대한 충진이 시작될 수 있다.

구체적으로, 본 충진재료의 현장 시공은, 천공이 완료된 이후 본 충진재료가 주입될 필요가 있다. 또한, 발포제(알루미늄)의 발포 시작 시간은 배합후 약 30분 후 발포를 시작한다. 이를 고려하면, 물과 분말 재료의 배합 이후 30분 내로 본 충진재료의 투입이 시작될 필요가 있다.

이후, 본 공법은, 투입시 장비 내부에서 본 충진재료가 팽창할 수 있으므로, 내부에서 발생하는 수소 기체의 유출이 자유롭게 할 수 있다(가급적 밀폐되지 않게 할 필요가 있을 수 있음). 또한, 급결제에 의해 본 충진재료의 유동성이 감소될 수 있기 때문에, 급결제와 혼합시 가급적 빠른 시간 내로 투입이 완료될 필요가 있다. 또한, 모든 재료를 한번에 배한한 후 공동으로 투입하는 경우 장비 내부에서 굳어버릴 가능성이 있고, 공동 내 본 충진재료 투입 중 혼합하는 경우 혼합되는 비율이 달라질 수 있다. 이를 고려하면, 공동 내 본 충진재료 투입 직전에 본 충진재료가 배합되는 것이 가장 바람직하다.

또한, 급결제 배합시, 시멘트 페이스트의 응결 시간이 단축되어 본 충진재료의 팽창이 발생하는 시간이 단축되므로, 이를 고려하여 배합 이후 빠른 시간 내로 본 충진재료의 공동 내 투입이 완료될 필요가 있을 수 있다.

또한, 초기에는 유동성이 매우 높기 때문에 별도의 압력 없이 흐름에 의해 주입이 가능하다.

이러한 점들을 고려하면, 미리 설정된 시간은, 본 충진재료의 제조 과정에서의 물과 알루미늄이 배합된 시간을 기준으로 알루미늄의 발포가 시작되는 시간으로 설정될 필요가 있다. 다시 말해, 본 공법은, 본 충진재료의 제조 이후, 물과 알루미늄이 배합 이후 30분 이내에 가능한 빨리 본 충진재료의 지반 공동부에 대한 충진을 시작하여 진행할 수 있다. 다만, 상황에 따라 미리 설정된 시간은 30분에 한정되지 않는다.

또한, 참고로, 급결제 함량에 따라 유동성 감소 속도가 빨라질 수 있는데, 이 점도 고려될 수 있다.

전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (9)

1. 지반의 공동부를 충진하는 재료에 있어서,
   물;
   중량비(%) 기준인 W/C(Water/Cement) 조건이 77이상 91이하로 포함되는 시멘트;
   분말 형태로 제공되고, 중량비 물 1 기준 0.00063 이상 0.00174 이하로 포함되는 알루미늄;
   중량비 물 1 기준 0 초과 0.006 이하로 포함되는 벤토나이트; 및
   중량비 물 1 기준 0.02 이상 0.03 이하로 포함되는 급결제를 포함하는, 지반 공동부 충진 재료.
2. 제1항에 있어서,
   상기 공동부는 상기 지반에 구축되는 구조체와 이웃하여 형성되는 공동을 포함하는 것인, 지반 공동부 충진 재료.
3. 제1항에 있어서,
   상기 알루미늄은, 중량비 물 1 기준 0.00063 이상 0.001 이하로 포함되는 것인, 지반 공동부 충진 재료.
4. 제3항에 있어서,
   상기 시멘트는, 중량비(%) 기준인 W/C(Water/Cement) 조건이 77 이상 83이하로 포함되는 것인, 지반 공동부 충진 재료.
5. 제4항에 있어서,
   상기 시멘트는, 중량비(%) 기준인 W/C(Water/Cement) 조건이 80 이상 83이하로 포함되는 것인, 지반 공동부 충진 재료.
6. 제5항에 있어서,
   상기 급결제는, 중량비 물 1 기준 0.02 이상 0.025 이하로 포함되는 것인, 지반 공동부 충진 재료.
7. 제6항에 있어서,
   상기 벤토나이트는 중량비 물 1 기준 0.001 이상 0.005 이하로 포함되는 것인, 지반 공동부 충진 재료.
8. 제1항에 따른 지반 공동부 충진 재료 제조 방법으로서,
   상기 시멘트, 상기 알루미늄, 상기 벤토나이트를 건배합하여 건배합한 재료를 제조하는 단계;
   상기 물을 상기 건배합한 재료에 투입하고 배합하여 시멘트 페이스트를 제조하는 단계; 및
   상기 시멘트 페이스트에 상기 급결제를 투입하고 배합하는 단계를 포함하는, 지반 공동부 충진 재료 제조 방법.
9. 제1항에 따른 지반 공동부 충진 재료를 이용한 지반 공동부 충진 공법으로서,
   상기 지반 공동부 충진 재료의 제조 이후, 상기 알루미늄의 발포 시작 시간 및 상기 급결제에 의한 유동성 감소를 고려하여, 미리 설정된 시간 이내에 상기 지반 공동부 충진 재료의 상기 지반 공동부에 대한 충진이 시작되어 진행되는, 지반 공동부 충진 공법.

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