KR102635646B1 - Soil composition for ground reinforcement containing biopolymer and construction method for ground reinforcement using the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 바이오폴리머를 포함하는 지반 강화용 토양 조성물, 이를 포함하는 지반 보강제 및 이를 이용한 지반 강화용 시공방법에 관한 것이다. 구체적으로 본 발명의 지반 강화용 토양 조성물은 일정시간의 양생과정 이후에 일축압축강도가 현저하게 향상되며, 수침되어도 강도의 저하가 발생하지 않는 장점이 있다. 나아가 상기 지반 강화용 토양 조성물을 매설 및 양생하는 과정을 포함하는 시공방법을 통해 보다 뛰어난 지반의 강도 보강의 효과를 나타내는 지반 보강제를 형성할 수 있고, 이를 통해 보다 친환경적인 생물학적 지반보강공법을 제공할 수 있다.The present invention relates to a soil composition for ground strengthening containing a biopolymer, a ground reinforcing agent containing the same, and a construction method for ground strengthening using the same. Specifically, the soil composition for strengthening the ground of the present invention has the advantage that the uniaxial compressive strength is significantly improved after a curing process for a certain period of time, and the strength does not decrease even when submerged in water. Furthermore, through a construction method that includes the process of burying and curing the soil composition for strengthening the ground, it is possible to form a ground reinforcing agent that has a superior effect of reinforcing the strength of the ground, and through this, a more environmentally friendly biological ground strengthening method can be provided. You can.
Description
본 발명은 바이오폴리머를 포함하는 지반 강화용 토양 조성물, 이를 포함하는 지반 보강제 및 이를 이용한 지반 강화용 시공방법에 관한 것이다.The present invention relates to a soil composition for ground strengthening containing a biopolymer, a ground reinforcing agent containing the same, and a construction method for ground strengthening using the same.
세계적으로 폭우 등의 이상 기후의 영향이 커지고 있는데, 이로 인해 지반공학적 재해의 빈도와 피해규모가 점점 증가하고 있다. 일 예로, 폭우로 인하여 흙(지반)의 일부가 유실되거나 지반 상의 건물이 유실되는 등, 물이 닿으면 흙(지반)의 강도를 잃음으로 인해 발생하는 피해를 최소화하고자, 흙의 강도를 보강하여 안정화시키는 지반보강방법에 대한 관심이 증가하고 있다. 일반적으로 다짐공법, 배수공법, 하중공법, 압밀공법, 토목섬유공법 등의 물리적 지반보강공법이나 아스팔트 혼합, 시멘트 처리, 화학약액 주입 등의 화학적 지반보강공법을 이용하는데 주로 시멘트를 이용한 지반보강공법이 이용되고 있다. 하지만 시멘트는 제조시 이산화탄소 배출량을 증가시켜 오히려 이상기후를 촉진하는 악영향을 미치게 된다. 따라서 친환경성, 지속가능성의 측면에서 새로운 지반보강방법에 대하여 연구할 필요가 있다.The impact of abnormal weather such as heavy rain is increasing globally, and as a result, the frequency and scale of damage from geotechnical disasters are increasing. For example, in order to minimize damage caused by loss of strength of the soil (ground) upon contact with water, such as losing part of the soil (ground) or losing a building on the ground due to heavy rain, the strength of the soil is reinforced. Interest in stabilizing ground reinforcement methods is increasing. In general, physical ground reinforcement methods such as compaction method, drainage method, load method, consolidation method, and geotextile method or chemical ground reinforcement methods such as asphalt mixing, cement treatment, and chemical solution injection are used. The ground reinforcement method using cement is mainly used. It is being used. However, cement increases carbon dioxide emissions during manufacturing, which has the negative effect of promoting abnormal climates. Therefore, there is a need to study new ground reinforcement methods in terms of eco-friendliness and sustainability.
한편, 바이오폴리머는 미생물을 외부배양하여 생성한 대사 분비물을 의미한다. 최근에는 상기 시멘트를 이용한 지반보강공법의 문제를 해결하고자 바이오폴리머를 이용하여 흙 입자간의 결합이나 고결화 방법 등의 생물학적 지반보강공법에 대한 연구가 진행되고 있다. 종래의 바이오폴리머 기반 지반보강공법은 건조과정 또는 가열공정 등의 추가적인 공정을 통해서 바이오폴리머-흙 혼합물의 강도를 발현할 수 있으며, 또한 바이오폴리머의 친수성으로 인해 물에 노출 시 바이오폴리머-흙 혼합물의 강도가 상당히 소실되어 수분에 대한 내구성이 보장되지 않는 다는 한계점이 존재한다. 이러한 문제점으로 인해 현장에 적용시 장기적 내구성이 불확실하며 적용 분야가 상당히 제한적이라는 단점이 있다.Meanwhile, biopolymer refers to metabolic secretions produced by externally culturing microorganisms. Recently, in order to solve the problems of the cement-based ground reinforcement method, research is being conducted on biological ground reinforcement methods, such as bonding or solidification methods between soil particles using biopolymers. The conventional biopolymer-based ground reinforcement method can express the strength of the biopolymer-soil mixture through additional processes such as drying or heating, and also allows the biopolymer-soil mixture to deteriorate when exposed to water due to the hydrophilic nature of the biopolymer. There is a limitation in that strength is significantly lost and durability against moisture is not guaranteed. Due to these problems, long-term durability is uncertain when applied in the field and the field of application is quite limited.
따라서, 지반의 건조 과정이나 가열공정 없이 단순한 공정만으로도 강도보강 효과가 뛰어나며, 수침 내구성이 확보된 친환경적인 생물학적 지반보강공법에 대한 연구개발이 절실히 요구되고 있다.Therefore, there is an urgent need for research and development on an eco-friendly biological ground reinforcement method that has an excellent strength reinforcement effect through a simple process without a ground drying or heating process and ensures water immersion durability.
종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 지반의 강도보강 효과가 뛰어나고 수침내구성이 탁월한 토양 조성물 및 이를 포함하는 지반 보강제를 제공하는 것이다.The purpose of the present invention to solve the conventional problems is to provide a soil composition with excellent ground strength reinforcing effect and excellent waterlogging durability, and a ground reinforcing agent containing the same.
본 발명의 또다른 목적은 별도의 가열공정 없이 간단한 공정으로도 지반 강도를 향상시킬 수 있는 지반 강화용 시공방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a construction method for strengthening the ground that can improve the ground strength even with a simple process without a separate heating process.
본 발명자들은 상술한 목적을 달성하기 위하여 끊임없이 연구한 결과, 3가 금속 양이온의 염을 함유하는 가교된 바이오폴리머와 흙을 혼합한 토양 조성물의 경우, 일정시간의 양생과정 이후에 일축압축강도가 현저하게 향상되며, 수침되어도 강도의 저하가 발생하지 않는다는 점과, 상기의 토양 조성물을 매설 및 양생하는 과정을 포함하는 시공방법 및 이를 통해 제조된 지반 보강제를 이용하여 뛰어난 지반의 강도 보강의 효과를 갖는 생물학적 지반보강공법을 제공할 수 있다는 것을 발견하여 본 발명을 완성하였다.As a result of continuous research by the present inventors to achieve the above-mentioned purpose, it was found that in the case of a soil composition mixed with soil and a cross-linked biopolymer containing a salt of a trivalent metal cation, the uniaxial compressive strength was remarkable after a curing process for a certain period of time. There is no decrease in strength even when immersed in water, and it has an excellent effect of reinforcing the strength of the ground by using a construction method including the process of burying and curing the above soil composition and the ground reinforcing agent produced through this method. The present invention was completed by discovering that a biological ground reinforcement method could be provided.
본 발명은 3가 금속 양이온의 염을 함유하는 가교된 바이오폴리머 및 흙을 포함하는 지반 강화용 토양 조성물을 제공한다.The present invention provides a soil composition for ground reinforcement comprising a crosslinked biopolymer and soil containing a salt of a trivalent metal cation.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 바이오폴리머는 3가 금속 양이온에 의해 가교된 다당체를 포함할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the biopolymer may include a polysaccharide crosslinked by a trivalent metal cation.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 3가 금속 양이온은 크롬(Cr3+), 철(Fe3+) 및 알루미늄(Al3+)으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the trivalent metal cation may include any one or two or more selected from the group consisting of chromium (Cr 3+ ), iron (Fe 3+ ), and aluminum (Al 3+ ). there is.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 3가 금속 양이온의 염은 질산크롬을 포함할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the salt of the trivalent metal cation may include chromium nitrate.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 다당체는 카르복실산기를 함유할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the polysaccharide may contain carboxylic acid groups.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 카르복실산기는 측쇄에 결합된 글리코사이드의 잔기에 포함될 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the carboxylic acid group may be included in the residue of the glycoside bound to the side chain.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 다당체는 잔탄검(Xanthan gum)을 포함할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the polysaccharide may include xanthan gum.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 3가 금속 양이온의 염은 상기 다당체 100 중량부에 대하여 5 내지 50 중량부로 포함될 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the salt of the trivalent metal cation may be included in an amount of 5 to 50 parts by weight based on 100 parts by weight of the polysaccharide.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 바이오폴리머는 상기 흙 100 중량부에 대하여 0.5 내지 10 중량부로 포함될 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the biopolymer may be included in an amount of 0.5 to 10 parts by weight based on 100 parts by weight of the soil.
본 발명은 상술한 지반 강화용 토양 조성물을 포함하는 지반 보강제를 제공할 수 있다.The present invention can provide a ground reinforcement agent containing the above-described soil composition for ground reinforcement.
본 발명은 (S1) 3가 금속 양이온의 염 및 다당체를 혼합하여 가교된 바이오폴리머를 제조하는 단계; (S2) 상기 바이오폴리머 및 흙을 혼합하여 지반 강화용 토양 조성물을 제조하는 단계; (S3) 상기 지반 강화용 토양 조성물을 매설하는 단계; 및 (S4) 상기 매설된 지반 강화용 토양 조성물을 양생하는 단계;를 포함하는 지반 강화용 시공방법을 제공한다.The present invention includes the steps of (S1) preparing a cross-linked biopolymer by mixing a salt of a trivalent metal cation and a polysaccharide; (S2) mixing the biopolymer and soil to prepare a soil composition for strengthening the ground; (S3) burying the soil composition for strengthening the ground; and (S4) curing the buried soil composition for strengthening the ground.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 매설은 주입시공, 스프레이시공, 심층혼합처리시공, 현장 다짐 시공 및 되메움시공 등으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 시공방법에 의해 수행되는 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the burial may be performed by one or more construction methods selected from the group consisting of injection construction, spray construction, deep mixing construction, in-situ compaction construction, and backfill construction. .
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 (S3) 단계에서, 상기 매설은 터널 벽체간 공간에 매설하는 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, in step (S3), the burial may be burial in the space between tunnel walls.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 (S3) 단계에서, 상기 매설은 관로 주변부의 공동에 매설하는 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, in step (S3), the burial may be burial in a cavity around the pipe.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 (S3) 단계에서, 상기 매설은 구조물 내부 커튼 그라우팅 보강재로 매설하는 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, in step (S3), the burial may be burial with curtain grouting reinforcement inside the structure.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 (S3) 단계에서, 상기 매설은 구조물 하단부에 보강재로 매설하는 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, in step (S3), the burial may be burial of a reinforcement material at the lower end of the structure.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 (S3) 단계에서, 상기 매설은 토양 표층부에 매설하는 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, in step (S3), the burial may be burial in the surface layer of the soil.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 (S4) 단계에서, 상기 양생은 12시간 이상 수행하는 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, in step (S4), the curing may be performed for 12 hours or more.
본 발명의 일 실시예에 따라, 양생 전의 지반 강화용 토양 조성물의 일축압축강도(UCS1)에 대한 양생 후의 지반 강화용 토양 조성물의 일축압축강도(UCS2)의 비(UCS2/UCS1)는 3 이상일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the ratio of the uniaxial compressive strength (UCS 2 ) of the soil composition for ground reinforcement after curing to the uniaxial compressive strength (UCS 1 ) of the soil composition for ground reinforcement before curing (UCS 2 / UCS 1 ) may be 3 or more.
본 발명의 일 실시예에 따라, 양생 후의 지반 강화용 토양 조성물을 50일 동안 수침 후 측정한 일축압축강도(UCSw50)는 수침 전에 측정한 일축압축강도(UCSi) 이상(UCSi≤UCSw50)일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the uniaxial compressive strength (UCS w50 ) measured after immersing the cured soil composition for strengthening the ground for 50 days is greater than or equal to the uniaxial compressive strength (UCS i ) measured before immersion (UCS i ≤ UCS w50 ) can be.
본 발명의 지반 강화용 토양 조성물은 3가 금속 양이온의 염을 함유하는 가교된 바이오폴리머를 포함함으로써 점성유체의 하이드로젤을 견고한 가교형태의 하이드로젤로 젤화(gelation)시킬 수 있으며, 이에 따라 건조과정 없이 습윤 상태에서 일정시간의 양생과정 이후에 일축압축강도가 현저하게 향상되며, 수침되어도 강도의 저하가 발생하지 않는 장점이 있다. 나아가 상기 지반 강화용 토양 조성물을 매설 및 양생하는 과정을 포함하는 시공방법을 통해 보다 뛰어난 지반의 강도 보강의 효과를 나타내는 지반 보강제를 형성할 수 있고, 이를 통해 보다 친환경적인 생물학적 지반보강공법을 제공할 수 있다.The soil composition for ground reinforcement of the present invention contains a cross-linked biopolymer containing a salt of a trivalent metal cation, thereby enabling gelation of a viscous fluid hydrogel into a strong cross-linked hydrogel, thereby facilitating the drying process. After curing for a certain period of time in a wet state, the uniaxial compressive strength is significantly improved, and there is an advantage that the strength does not decrease even when immersed in water. Furthermore, through a construction method that includes the process of burying and curing the soil composition for strengthening the ground, it is possible to form a ground reinforcing agent that has a superior effect of reinforcing the strength of the ground, and through this, a more environmentally friendly biological ground strengthening method can be provided. You can.
도 1은 본 발명의 일 실시예의 제조 과정에 따른 바이오폴리머의 형태변화를 대략적으로 도시한 모식도이다.
도 2(a)는 일 실시예에서 잔탄검의 농도 변화에 따른 바이오폴리머의 항복응력을 평가한 그래프이고, 도 2(b)는 잔탄검 대비 질산크롬의 중량비 변화에 따른 바이오폴리머의 항복응력을 평가한 그래프이다.
도 3은 일 실시예에 따라 제조된 바이오폴리머의 경과(측정)시간에 따른 토크값의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 4는 일 실시예에 따라 제조된 지반 강화용 토양 조성물에 대하여 양생시간에 따른 일출압축강도를 측정한 그래프이다.
도 5는 실시예와 비교예를 물에 침지하고 1시간 뒤의 외관 이미지이다.
도 6은 일 실시예에 따라 제조된 지반 강화용 토양 조성물에 대하여 수침 시간에 따른 일축압축강도를 측정한 결과 그래프이다.
도 7(a)는 수침 내구성 평가를 위한 투수실험 장치이고, 도 7(b)는 비교예에 대한 수압조건[kPa]에 따른 투수계수[cm/s] 변화 그래프이고, 도 7(c)는 실시예에 대한 수압조건[kPa]에 따른 투수계수[cm/s] 변화 그래프이다.
도 8은 일 실시예에 따른 지반 강화용 토양 조성물을 매설하는 다양한 방법에 대한 모식도이다.Figure 1 is a schematic diagram schematically showing the change in shape of a biopolymer according to the manufacturing process of an embodiment of the present invention.
Figure 2(a) is a graph evaluating the yield stress of the biopolymer according to the change in concentration of xanthan gum in one example, and Figure 2(b) shows the yield stress of the biopolymer according to the change in the weight ratio of chromium nitrate to xanthan gum. This is an evaluated graph.
Figure 3 is a graph showing the change in torque value according to the elapsed (measurement) time of the biopolymer manufactured according to one embodiment.
Figure 4 is a graph measuring the compressive strength at sunrise according to curing time for a soil composition for strengthening the ground manufactured according to an embodiment.
Figure 5 is an image of the appearance of the examples and comparative examples 1 hour after immersion in water.
Figure 6 is a graph showing the results of measuring the uniaxial compressive strength according to immersion time for a soil composition for strengthening the ground manufactured according to an example.
Figure 7(a) is a permeability test device for evaluating water immersion durability, Figure 7(b) is a graph of change in permeability coefficient [cm/s] according to water pressure conditions [kPa] for a comparative example, and Figure 7(c) is This is a graph of changes in permeability coefficient [cm/s] according to hydraulic pressure conditions [kPa] for the example.
Figure 8 is a schematic diagram of various methods of burying a soil composition for strengthening the ground according to an embodiment.
이하 첨부된 도면들을 포함한 구체예 또는 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 다만 하기 구체예 또는 실시예는 본 발명을 상세히 설명하기 위한 하나의 참조일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 여러 형태로 구현될 수 있다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through specific examples or examples including the attached drawings. However, the following specific examples or examples are only a reference for explaining the present invention in detail, and the present invention is not limited thereto, and may be implemented in various forms.
또한 달리 정의되지 않는 한, 모든 기술적 용어 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 당업자 중 하나에 의해 일반적으로 이해되는 의미와 동일한 의미를 갖는다. 본 발명에서 설명에 사용되는 용어는 단지 특정 구체예를 효과적으로 기술하기 위함이고 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다.Additionally, unless otherwise defined, all technical and scientific terms have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the present invention pertains. The terminology used in the description herein is merely to effectively describe specific embodiments and is not intended to limit the invention.
또한 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 사용되는 단수 형태는 문맥에서 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 의도할 수 있다.Additionally, as used in the specification and the appended claims, the singular forms “a,” “an,” and “the” are intended to also include the plural forms, unless the context clearly dictates otherwise.
또한 본 명세서에서 특별한 언급 없이 사용된 단위는 중량을 기준으로 하며, 일 예로 % 또는 비의 단위는 중량% 또는 중량비를 의미하고, 중량%는 달리 정의되지 않는 한 전체 조성물 중 어느 하나의 성분이 조성물 내에서 차지하는 중량%를 의미한다.In addition, units used in this specification without special mention are based on weight, and as an example, units of % or ratio mean weight % or weight ratio, and weight % refers to the composition of any one component of the entire composition unless otherwise defined. It refers to the weight percent occupied within.
또한 본 명세서에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Additionally, in this specification, when a part "includes" a certain element, this means that it may further include other elements rather than excluding other elements, unless specifically stated to the contrary.
또한, 본 명세서에서 사용되는 수치 범위는 하한치와 상한치와 그 범위 내에서의 모든 값, 정의되는 범위의 형태와 폭에서 논리적으로 유도되는 증분, 이중 한정된 모든 값 및 서로 다른 형태로 한정된 수치 범위의 상한 및 하한의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다. 본 발명의 명세서에서 특별한 정의가 없는 한 실험 오차 또는 값의 반올림으로 인해 발생할 가능성이 있는 수치 범위 외의 값 역시 정의된 수치 범위에 포함된다.In addition, the numerical range used in this specification includes the lower limit and upper limit and all values within the range, increments logically derived from the shape and width of the defined range, all double-defined values, and the upper limit of the numerical range defined in different forms. and all possible combinations of lower limits. Unless otherwise specified in the specification of the present invention, values outside the numerical range that may occur due to experimental error or rounding of values are also included in the defined numerical range.
본 발명은 금속 양이온의 염을 함유하는 바이오폴리머 및 흙을 포함하는 지반 강화용 토양 조성물을 제공한다. 구체적으로 상기 금속 양이온은 1가, 2가 또는 3가일 수 있고, 바람직하게 3가의 금속 양이온일 수 있다.The present invention provides a soil composition for ground reinforcement comprising a biopolymer and soil containing a salt of a metal cation. Specifically, the metal cation may be monovalent, divalent, or trivalent, and may preferably be a trivalent metal cation.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 바이오폴리머는 3가 금속 양이온의 염에 의해 가교된 다당체를 포함할 수 있다. 상기 가교된 다당체는 다당체와 3가 금속 양이온의 염을 혼합하여 제조될 수 있다. 상기 다당체는 카르복실산기를 함유할 수 있고, 구체적으로 상기 카르복실산기는 측쇄에 결합된 글리코사이드의 잔기에 포함될 수 있다. 도 1에서 보는 바와 같이, 다당체의 카르복실산기와 3가 금속 양이온의 염의 3가 금속 양이온이 클러스터를 형성한 뒤, 양생과정을 통해 젤화(gelation)되어 연속적인 견고한 가교네트워크를 갖는 가교된 다당체가 형성될 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the biopolymer may include a polysaccharide crosslinked by a salt of a trivalent metal cation. The cross-linked polysaccharide can be prepared by mixing the polysaccharide and a salt of a trivalent metal cation. The polysaccharide may contain a carboxylic acid group, and specifically, the carboxylic acid group may be included in a residue of a glycoside bound to a side chain. As shown in Figure 1, the carboxylic acid group of the polysaccharide and the trivalent metal cation of the salt of the trivalent metal cation form a cluster and are then gelated through a curing process to form a crosslinked polysaccharide with a continuous and strong crosslinking network. can be formed.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 다당체는 베타글루칸(beta-1,3/1,6-glucan), 잔탄검(Xanthan gum), 키토산(Chitosan), 젤란검(Gellan gum), 및 커들란(Curdlan) 및 이들의 유도체 등으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 다당체를 포함할 수 있고, 바람직하게 잔탄검(Xanthan gum)을 포함할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the polysaccharide is beta-1,3/1,6-glucan, xanthan gum, chitosan, gellan gum, and curdlan. It may contain one or more polysaccharides selected from the group consisting of (Curdlan) and their derivatives, and may preferably contain xanthan gum.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 3가 금속 양이온은 크롬(Cr3+) 양이온, 철(Fe3+) 양이온 및 알루미늄(Al3+) 양이온 등으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게 크롬 양이온일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the trivalent metal cation is any one or two or more selected from the group consisting of chromium (Cr 3+ ) cations, iron (Fe 3+ ) cations, and aluminum (Al 3+ ) cations. It may include, and preferably may be a chromium cation.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 3가 금속 양이온의 염은 황산크롬, 염화크롬, 산화크롬, 질산크롬, 수산화크롬 및 탄산크롬 등으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 조합을 포함할 수 있고, 바람직하게 질산크롬을 포함할 수 있다. 상기 3가 금속 양이온의 염이 질산크롬을 포함하는 경우, 물에 대한 용해성이 우수하여 간단한 작업으로도 상기 다당체와 용이하게 가교될 수 있고, 보다 짧은 양생시간으로도 향상된 일축압축강도와 수침내구성을 구현할 수 있다. 나아가 강한 염기성을 나타내 토양환경의 염기화를 야기하는 수산화크롬이나 탄산크롬, 물에 대한 용해성이 낮은 황산크롬 또는 산화크롬, 또는 물에 대한 용해성은 우수하지만 GHS 기준의 유해화학물질인 염화크롬보다는 질산크롬을 사용하는 것이 보다 바람직할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the salt of the trivalent metal cation may include one or a combination of two or more selected from the group consisting of chromium sulfate, chromium chloride, chromium oxide, chromium nitrate, chromium hydroxide, and chromium carbonate. and may preferably include chromium nitrate. When the salt of the trivalent metal cation contains chromium nitrate, it has excellent solubility in water and can be easily cross-linked with the polysaccharide even with a simple operation, and has improved uniaxial compressive strength and water immersion durability even with a shorter curing time. It can be implemented. Furthermore, nitric acid is preferred over chromium hydroxide or chromium carbonate, which is strongly basic and causes alkalinization of the soil environment, chromium sulfate or chromium oxide, which has low solubility in water, or chromium chloride, which has excellent solubility in water but is a hazardous chemical under GHS standards. It may be more desirable to use chrome.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 3가 금속 양이온의 염은 상기 다당체 100 중량부에 대하여 0.1 내지 200 중량부, 구체적으로 1 내지 100 중량부, 보다 구체적으로 5 내지 50 중량부로 포함될 수 있다. 상기 범위를 만족할 경우, 보다 향상된 수침내구성을 나타낼 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the salt of the trivalent metal cation may be included in an amount of 0.1 to 200 parts by weight, specifically 1 to 100 parts by weight, and more specifically 5 to 50 parts by weight, based on 100 parts by weight of the polysaccharide. If the above range is satisfied, more improved water immersion durability can be achieved.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 바이오폴리머는 상기 가교된 다당체가 물과 접촉하여 하이드로젤의 형태로 된 것을 포함할 수 있고, 상기 바이오폴리머 전체 중량에 대하여 상기 가교된 다당체를 0.1 내지 99.9 wt%, 또는 0.5 내지 95 wt%포함할 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the biopolymer may include the cross-linked polysaccharide in the form of a hydrogel in contact with water, and the cross-linked polysaccharide may be added in an amount of 0.1 to 99.9 wt based on the total weight of the biopolymer. %, or 0.5 to 95 wt%.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 바이오폴리머는 건조중량을 기준으로 상기 흙 100 중량부에 대하여 0.1 내지 10 중량부, 구체적으로 0.25 내지 5 중량부, 보다 구체적으로 0.5 내지 3 중량부로 포함될 수 있지만, 이에 제한되지 않으며, 구현하고자 하는 물성에 따라 용이하게 조절될 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the biopolymer may be included in an amount of 0.1 to 10 parts by weight, specifically 0.25 to 5 parts by weight, and more specifically 0.5 to 3 parts by weight, based on dry weight, per 100 parts by weight of the soil. , but is not limited to this and can be easily adjusted depending on the physical properties to be implemented.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 지반 강화용 토양 조성물 전체 중량에 대하여 상기 가교된 다당체를 0.01 내지 10.0 wt%, 좋게는 0.1 내지 5 wt%, 더 좋게는 0.3 내지 3 wt%포함할 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the cross-linked polysaccharide may be included in an amount of 0.01 to 10.0 wt%, preferably 0.1 to 5 wt%, and more preferably 0.3 to 3 wt%, based on the total weight of the soil composition for strengthening the ground. .
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 흙은 건조중량을 기준으로 상기 바이오폴리머 제조시 사용한 다당체 1 중량부를 기준으로 10 내지 500중량부, 구체적으로 50 내지 400중량부로 투입할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the soil may be added in an amount of 10 to 500 parts by weight, specifically 50 to 400 parts by weight, based on 1 part by weight of the polysaccharide used in producing the biopolymer, based on dry weight.
본 발명은 상술한 지반 강화용 토양 조성물을 포함하는 지반 보강제를 제공할 수 있다. 본 발명의 지반 강화용 토양 조성물을 일정 시간동안 양생하여 일축압축강도와 수침내구성이 현저히 향상된 지반 보강제를 형성할 수 있다.The present invention can provide a ground reinforcement agent containing the above-described soil composition for ground reinforcement. By curing the soil composition for ground reinforcement of the present invention for a certain period of time, a ground reinforcement agent with significantly improved uniaxial compressive strength and waterlogging durability can be formed.
본 발명은 (S1) 3가 금속 양이온의 염 및 다당체를 혼합하여 바이오폴리머를 제조하는 단계; (S2) 상기 바이오폴리머 및 흙을 혼합하여 지반 강화용 토양 조성물을 제조하는 단계; (S3) 상기 지반 강화용 토양 조성물을 매설하는 단계; 및 (S4) 상기 매설된 지반 강화용 토양 조성물을 양생하는 단계;를 포함하는 지반 강화용 시공방법을 제공한다.The present invention includes the steps of (S1) preparing a biopolymer by mixing a salt of a trivalent metal cation and a polysaccharide; (S2) mixing the biopolymer and soil to prepare a soil composition for strengthening the ground; (S3) burying the soil composition for strengthening the ground; and (S4) curing the buried soil composition for strengthening the ground.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 바이오폴리머는 물과 다당체를 포함하는 다당체 수용액에 3가 금속 양이온의 염과 물을 포함하는 3가 금속 양이온의 염 수용액을 혼합하여 가교된 단랑체를 제조할 수 있다. 구체적으로 상기 다당체 수용액은 물 100 중량부에 대하여 다당체를 0.1 내지 15 중량부, 구체적으로 0.5 내지 10 중량부, 보다 구체적으로 1 내지 7 중량부 포함할 수 있고, 상기 다당체 수용액은 하이드로젤 상태일 수 있다. 또한, 상기 3가 금속 양이온의 염 수용액은 3가 금속 양이온의 염을 0.1 내지 20몰%, 구체적으로 1 내지 15몰%포함할 수 있다. 또한, 상기 3가 금속 양이온의 염 수용액은 NaCl 등의 알칼리 금속염을 더 포함할 수 있다. 상기 수용성 이온결합 화합물은 상기 다당체 수용액과 3가 금속 양이온의 염 수용액 혼합시, 다당체 주변에 이온형태로 존재하여 다당체 간의 결합/뭉침을 방해하고, 이를 통해 3가 금속 양이온의 염과 다당체의 가교결합을 촉진해주어 보다 높은 함량의 가교된 단랑체를 갖는 바이오폴리머를 제조할 수 있다. 상기 다당체와 3가 금속 양이온의 염에 대한 구체적인 화합물의 예와 설명은 상술한 바와 동일하므로 생략한다. According to one embodiment of the present invention, the biopolymer is prepared by mixing a polysaccharide aqueous solution containing water and a polysaccharide with a salt of a trivalent metal cation and an aqueous solution of a salt of a trivalent metal cation containing water. You can. Specifically, the polysaccharide aqueous solution may include 0.1 to 15 parts by weight, specifically 0.5 to 10 parts by weight, and more specifically 1 to 7 parts by weight of polysaccharide based on 100 parts by weight of water, and the polysaccharide aqueous solution may be in a hydrogel state. there is. Additionally, the aqueous salt solution of the trivalent metal cation may contain 0.1 to 20 mol%, specifically 1 to 15 mol%, of the salt of the trivalent metal cation. Additionally, the aqueous salt solution of the trivalent metal cation may further include an alkali metal salt such as NaCl. When the water-soluble ionic bonding compound is mixed with the polysaccharide aqueous solution and the trivalent metal cation salt aqueous solution, it exists in the form of ions around the polysaccharide and prevents bonding/aggregation between polysaccharides, thereby crosslinking the salt of the trivalent metal cation and the polysaccharide. It is possible to produce biopolymers with a higher content of cross-linked monomers. Examples and descriptions of specific compounds for salts of the polysaccharide and trivalent metal cation are the same as described above and are therefore omitted.
본 발명의 일 실시예에 따라, 도 1에서 보는 바와 같이, 상기 다당체 수용액과 3가 금속 양이온의 염 수용액을 혼합하여 가교된 다당체를 형성할 수 있고, 이를 통해 가교된 다당체를 0.1 내지 99.9 wt%, 좋게는 0.5 내지 95 wt% 포함하는 하이드로젤 형태의 바이오폴리머를 제조할 수 있다. 여기서 상기 다당체 수용액의 다당체 대 상기 3가 금속 양이온의 염 수용액의 3가 금속 양이온의 염의 중량비는 100: 0.1 내지 200, 구체적으로 100: 1 내지 100, 보다 구체적으로 100: 5 내지 50일 수 있고, 상기 범위를 만족할 경우, 보다 향상된 수침내구성을 가질 수 있다.According to one embodiment of the present invention, as shown in FIG. 1, a cross-linked polysaccharide can be formed by mixing the polysaccharide aqueous solution with an aqueous salt solution of a trivalent metal cation, and through this, the cross-linked polysaccharide is added at an amount of 0.1 to 99.9 wt%. , preferably containing 0.5 to 95 wt%, can be produced in the form of a hydrogel. Here, the weight ratio of the polysaccharide in the polysaccharide aqueous solution to the salt of the trivalent metal cation in the aqueous solution of the salt of the trivalent metal cation may be 100: 0.1 to 200, specifically 100: 1 to 100, and more specifically 100: 5 to 50, If the above range is satisfied, improved water immersion durability can be achieved.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 바이오폴리머 및 흙을 혼합하여 지반 강화용 토양 조성물을 제조할 수 있고, 통상의 혼합방법에 따라 제조할 수 있다. 또한, 시공 방법에 따라 혼합과 매설을 동시에 수행하거나, 바이오폴리머 및 흙을 매설한 뒤 혼합하는 것일 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 상기 흙은 건조중량을 기준으로 바이오폴리머 1 중량부에 대하여 10 내지 1000 중량부, 구체적으로 20 내지 400 중량부, 보다 구체적으로 50 내지 200 중량부 또는 50 내지 100 중량부로 투입할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, a soil composition for ground strengthening can be prepared by mixing the biopolymer and soil, and can be prepared according to a conventional mixing method. Additionally, depending on the construction method, mixing and burial may be performed simultaneously, or the biopolymer and soil may be buried and then mixed, but is not limited thereto. The soil can be added in an amount of 10 to 1000 parts by weight, specifically 20 to 400 parts by weight, more specifically 50 to 200 parts by weight, or 50 to 100 parts by weight, based on dry weight, per 1 part by weight of biopolymer.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 매설은 주입시공, 스프레이시공, 심층혼합처리시공, 현장 다짐 시공 및 되메움시공 등으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 시공방법에 의해 수행되는 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the burial may be performed by one or more construction methods selected from the group consisting of injection construction, spray construction, deep mixing construction, in-situ compaction construction, and backfill construction. .
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 (S3) 단계에서, 상기 매설은 토양 표층부, 터널 벽체간 공간, 관로 주변부의 공동, 또는 구조물 하단부에 매설하는 것일 수 있고, 또는 구조물 내부 커튼 그라우팅 보강재로 매설하는 것일 수 있다. 이와 관련된 설명은 도 8 (i) 내지 (ⅳ)와 후술하는 바과 동일하다.According to an embodiment of the present invention, in the step (S3), the burial may be buried in the surface layer of the soil, in the space between tunnel walls, in a cavity around the pipe, or at the bottom of the structure, or as a curtain grouting reinforcement inside the structure. It may be. The description related to this is the same as in FIGS. 8 (i) to (iv) and described later.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 (S4) 단계에서, 상기 양생은 별도의 가열, pH 조절, 온도 조절 등의 추가공정이 필요하지 않다는 장점이 있다. 구체적으로 상기 양생은 1시간 이상, 좋게는 12시간 이상 더 좋게는 3일 이상 수행하는 것일 수 있고, 후술하는 일축압축강도를 만족하는 한, 양생시간에 대한 상한은 제한되지 않지만, 50일 이내일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, in step (S4), the curing has the advantage of not requiring additional processes such as separate heating, pH control, and temperature control. Specifically, the curing may be performed for more than 1 hour, preferably 12 hours or more, and more preferably 3 days or more. There is no upper limit to the curing time as long as it satisfies the uniaxial compressive strength described later, but it should be less than 50 days. You can.
본 발명의 일 실시예에 따라, 양생 전의 지반 강화용 토양 조성물의 일축압축강도(UCS1)에 대한 양생 후의 지반 강화용 토양 조성물의 일축압축강도(UCS2)의 비(UCS2/UCS1)는 3 이상, 좋게는 10 이상 일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the ratio of the uniaxial compressive strength (UCS 2 ) of the soil composition for ground reinforcement after curing to the uniaxial compressive strength (UCS 1 ) of the soil composition for ground reinforcement before curing (UCS 2 / UCS 1 ) It can be 3 or more, preferably 10 or more.
본 발명의 일 실시예에 따라, 양생 후의 지반 강화용 토양 조성물의 일축압축강도(UCS2)는 100 kPa 이상, 또는 100 내지 1,000 kPa, 좋게는 200 내지 1,000 kPa일 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.According to one embodiment of the present invention, the uniaxial compressive strength (UCS 2 ) of the soil composition for strengthening the ground after curing may be 100 kPa or more, or 100 to 1,000 kPa, preferably 200 to 1,000 kPa, but is not limited thereto.
본 발명의 일 실시예에 따라, 양생 후의 지반 강화용 토양 조성물을 7일, 또는 50일, 또는 100일 동안 수침 후 측정한 일축압축강도(UCSw50)는 수침 전에 측정한 일축압축강도(UCSi) 이상(UCSi≤UCSw50)일 수 있다. 다시말해, 일 실시예에 따른 지반 강화용 토양 조성물은 수침 후에도 일축압축강도가 저하되지 않아 뛰어난 수침내구성을 구현할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the uniaxial compressive strength (UCS w50 ) measured after immersing the cured soil composition for strengthening the ground for 7, 50, or 100 days is the uniaxial compressive strength (UCS i ) measured before immersion. ) or more (UCS i ≤UCS w50 ). In other words, the soil composition for strengthening the ground according to one embodiment has excellent water immersion durability because the uniaxial compressive strength does not decrease even after water immersion.
이하 실시예 및 비교예를 바탕으로 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 다만 하기 실시예 및 비교예는 본 발명을 더욱 상세히 설명하기 위한 하나의 예시일 뿐, 본 발명이 하기 실시예 및 비교예에 의해 제한되는 것은 아니다.The present invention will be described in more detail below based on examples and comparative examples. However, the following Examples and Comparative Examples are only one example to explain the present invention in more detail, and the present invention is not limited by the following Examples and Comparative Examples.
[물성평가방법][Physical property evaluation method]
1) 항복응력(yield stress)[Pa] : 베인컵 회전형 레오미터를 이용해 느린 전단속도(0.05/s)로 전단 변형을 가해주었을 때 베인 스핀들에 작용하는 토크값으로부터 항복응력을 추정하였다. 구체적으로 하기 계산식을 통해 추정하였다.(Dzuy and Boger, 1985) 1) Yield stress [Pa]: Yield stress was estimated from the torque value acting on the vane spindle when shear strain was applied at a slow shear rate (0.05/s) using a vane cup rotational rheometer. Specifically, it was estimated using the following calculation formula (Dzuy and Boger, 1985).
나아가 상기 항복응력이 클수록 바이오폴리머의 강도가 높다고 평가하였다.Furthermore, it was evaluated that the greater the yield stress, the higher the strength of the biopolymer.
[계산식][formula]
= 항복응력(yield stress) = yield stress
H, D = 베인컵의 높이 및 직경H, D = Height and diameter of vane cup
T = 최대 토크(maximum torque)T = maximum torque
2) 일축압축강도(Unconfined Compressive Strength, UCS) : ASTM D2166 또는 KS F2314에 의거하여 일축압축강도를 측정하였다.2) Unconfined Compressive Strength (UCS): Uniaxial compressive strength was measured according to ASTM D2166 or KS F2314.
[실시예 및 비교예][Examples and Comparative Examples]
물 100 중량부에 대하여 잔탄검 파우더(Sigma-Aldrich)를 각 1.25 중량부, 2.5 중량부, 5.0 중량부[제1변수:잔탄검의 농도]로 포함하는 잔탄검 수용액을 제조하였다. An aqueous solution of xanthan gum was prepared containing 1.25 parts by weight, 2.5 parts by weight, and 5.0 parts by weight of xanthan gum powder (Sigma-Aldrich) with respect to 100 parts by weight of water [ first variable : concentration of xanthan gum].
이어서 질산크롬:물:NaCl=1:9:1의 몰비를 만족하는 3가 크롬염 수용액을 제조하였다. 제조된 잔탄검 수용액과 3가 크롬염 수용액을 일정 중량비로 투입하고 핸드믹서로 20000rpm의 교반속도로 30초간 혼합하여 하이드로 형태의 바이오폴리머를 제조하였다. 이때, 상기 잔탄검 수용액의 잔탄검 파우더 대 상기 3가 크롬염 수용액의 질산크롬의 중량비[제2변수:잔탄검 대비 질산크롬의 중량비]가 100 : 15, 30, 60, 100를 만족하도록 혼합하였다. Next, a trivalent chromium salt aqueous solution satisfying the molar ratio of chromium nitrate:water:NaCl=1:9:1 was prepared. The prepared xanthan gum aqueous solution and the trivalent chromium salt aqueous solution were added at a certain weight ratio and mixed with a hand mixer at a stirring speed of 20000 rpm for 30 seconds to prepare a hydro-type biopolymer. At this time, the weight ratio of the xanthan gum powder in the xanthan gum aqueous solution to the chromium nitrate in the trivalent chromium salt aqueous solution [ second variable : weight ratio of chromium nitrate to xanthan gum] was mixed so as to satisfy 100:15, 30, 60, 100. .
마지막으로, 준비된 사질토에 상기 바이오폴리머를 투입 및 혼합하여 지반 강화용 토양 조성물을 제조하였다. 사질토 투입량은 1변수:잔탄검의 농도에 따라 조절하였다. 구체적으로 잔탄검의 농도가 1.25 중량부인 경우 상기 잔탄검 수용액의 잔탄검 파우더 1 중량부에 대하여 사질토 400 중량부를 만족하도록, 잔탄검의 농도가 2.5 중량부인 경우 상기 잔탄검 수용액의 잔탄검 파우더 1 중량부에 대하여 사질토 200 중량부를 만족하도록, 잔탄검의 농도가 5 중량부인 경우 상기 잔탄검 수용액의 잔탄검 파우더 1 중량부에 대하여 사질토 100 중량부를 만족하도록, 바이오폴리머를 투입하였다.Finally, the biopolymer was added and mixed into the prepared sandy soil to prepare a soil composition for strengthening the ground. The amount of sandy soil input was adjusted according to the concentration of one variable : xanthan gum. Specifically, when the concentration of xanthan gum is 1.25 parts by weight, 1 part by weight of xanthan gum powder in the xanthan gum aqueous solution satisfies 400 parts by weight of sandy soil, and when the concentration of xanthan gum is 2.5 parts by weight, 1 part by weight of xanthan gum powder in the xanthan gum aqueous solution. The biopolymer was added to satisfy 200 parts by weight of sandy soil, and when the concentration of xanthan gum was 5 parts by weight, 100 parts by weight of sandy soil per 1 part by weight of xanthan gum powder in the xanthan gum aqueous solution.
일정 틀에 상기 토양 조성물을 넣고 일정기간(0, 0.25, 0.5, 1, 2, 4, 7일) 동안 양생과정[제3변수:양생시간]을 거쳐 최종적으로 일 실시예에 따른 지반 강화용 토양 조성물(지반 보강제)를 제조하였다.The soil composition is placed in a certain frame and undergoes a curing process [ third variable : curing time] for a certain period of time (0, 0.25, 0.5, 1, 2, 4, 7 days), and finally, soil for strengthening the ground according to one embodiment. A composition (ground reinforcement agent) was prepared.
또한, 비교예로 3가 크롬염 수용액을 투입하지 않고 순수 잔탄검 수용액(잔탄검의 농도=5.0 중량부)을 이용하여 토양 조성물(잔탄검 파우더 1 중량부에 대하여 사질토 100 중량부)을 제조하였다.In addition, as a comparative example, a soil composition (100 parts by weight of sandy soil per 1 part by weight of xanthan gum powder) was prepared using pure xanthan gum aqueous solution (concentration of xanthan gum = 5.0 parts by weight) without adding an aqueous solution of trivalent chromium salt. .
도 1에 제조 과정에 따른 바이오폴리머의 형태변화를 대략적으로 도시한 모식도를 도시하였다. 도 1에서 보는 바와 같이, 약한 젤 상태의 잔탄검 수용액에 3가 크롬염 수용액을 투입한 일 실시예에 따른 토양 조성물은 클러스터를 형성하고, 이후의 양생과정을 거쳐 견고한 교차결합(가교)젤 네트워크를 형성하게 된다.Figure 1 shows a schematic diagram roughly showing the change in shape of biopolymer according to the manufacturing process. As shown in Figure 1, the soil composition according to one embodiment in which a trivalent chromium salt aqueous solution is added to a weak gel-like xanthan gum aqueous solution forms clusters, and through the subsequent curing process, a strong cross-linked gel network is formed. is formed.
도 2 (a)에 제1변수인 잔탄검의 농도 변화에 따른 바이오폴리머의 항복응력을 평가한 그래프(잔탄검 대비 질산크롬의 중량비=100 : 30)를 도시하였고, 도 2 (b)에 제2변수인 잔탄검 대비 질산크롬의 중량비 변화에 따른 바이오폴리머의 항복응력을 평가한 그래프(잔탄검의 농도=5중량부)를 도시하였다. 이때, 도 2(a), 및 (b)의 항복응력은 바이오폴리머가 제조된지 10분 이내에 측정한 값이다. 도 2를 통해 상기 제1변수(잔탄검의 농도)와 제2변수(잔탄검 대비 질산크롬의 중량비)가 증가함에 따라 바이오폴리머의 강도도 증가함을 알 수 있다.Figure 2 (a) shows a graph evaluating the yield stress of the biopolymer according to the change in the concentration of xanthan gum, which is the first variable (weight ratio of chromium nitrate to xanthan gum = 100:30), and Figure 2 (b) shows the yield stress of the biopolymer according to the change in concentration of xanthan gum. A graph evaluating the yield stress of the biopolymer according to the change in the weight ratio of chromium nitrate to the two variables, xanthan gum (concentration of xanthan gum = 5 parts by weight) is shown. At this time, the yield stress in Figures 2(a) and (b) is a value measured within 10 minutes after the biopolymer was manufactured. Through Figure 2, it can be seen that as the first variable (concentration of xanthan gum) and the second variable (weight ratio of chromium nitrate to xanthan gum) increase, the strength of the biopolymer also increases.
도 3에 바이오폴리머가 제조된지 0h, 1h, 2h, 6h 12h, 24h 시간이 경과된 샘플들에 대하여, 측정시간에 따른 토크값의 변화를 나타낸 그래프를 도시하였다.(측정방법은 상기의 항복응력 측정방법과 동일하다.) 도 3을 통해 바이오폴리머는 혼합 직후 유체에 가까운 거동을 보이지만, 방치시간(양생시간)이 증가함에 따라 점탄특성이 감소하고 Elastic-Brittle특성이 증가하여, 바이오폴리머가 견고해짐을 확인하였다. 이때, 샘플의 잔탄검의 농도는 5중량부, 잔탄검 대비 질산크롬의 중량비는 100 : 30였다.Figure 3 shows a graph showing the change in torque value according to the measurement time for samples 0h, 1h, 2h, 6h, 12h, and 24h after the biopolymer was manufactured. (The measurement method is the yield stress above. (Same as the measurement method.) Through Figure 3, the biopolymer shows a behavior close to a fluid immediately after mixing, but as the leaving time (curing time) increases, the viscoelastic properties decrease and the elastic-brittle properties increase, making the biopolymer strong. It was confirmed that it was broken. At this time, the concentration of xanthan gum in the sample was 5 parts by weight, and the weight ratio of chromium nitrate to xanthan gum was 100:30.
도 4에 제2변수[잔탄검 대비 질산크롬의 중량비]를 변화시켜 제조한 지반 강화용 토양 조성물에 대하여 양생시간에 따른 일출압축강도를 측정한 그래프를 도시하였다. 도 4를 통해 일 실시예에 따른 지반 강화용 토양 조성물은 양생시간에 따라 일축압축강도가 비선형적으로 증가하는 경향을 보이며, 또한, 최소 양생시간 12시간 이후에는 모든 샘플들이, 그라우팅을 통한 차수벽 설계기준에서 요구되는 1일 재령 일축압축강도인 100kPa를 만족함을 확인하였다.Figure 4 shows a graph measuring the compressive strength at sunrise according to curing time for a soil composition for ground reinforcement prepared by changing the second variable [weight ratio of chromium nitrate to xanthan gum]. 4, the soil composition for ground reinforcement according to one embodiment shows a tendency for the uniaxial compressive strength to increase non-linearly according to the curing time, and in addition, after the minimum curing time of 12 hours, all samples were used to design a water barrier through grouting. It was confirmed that the 1-day uniaxial compressive strength of 100 kPa required by the standard was satisfied.
이하, 실시예에서 제1변수인 잔탄검의 농도가 a, 제2변수인 잔탄검 대비 질산크롬의 중량비가 100:b, 제3변수인 양생시간이 c(시간(hour)이면 ch, 일(day)이면 cd)인 지반 강화용 토양 조성물을 실시예a-b-c(h 또는 d)로 표기한다.Hereinafter, in the examples, the concentration of xanthan gum, which is the first variable, is a, the weight ratio of chromium nitrate to xanthan gum, which is the second variable, is 100:b, and the curing time, which is the third variable, is c (ch for hours, days ( day), the soil composition for strengthening the ground of cd) is indicated as example abc (h or d) .
[평가예] 수침내구성 평가[Evaluation example] Water immersion durability evaluation
상기 실시예 중 잔탄검의 농도가 5중량부, 잔탄검 대비 질산크롬의 중량비가 100 : 30, 양생시간 0.5시간인 샘플(실시예5-30-0.5h)과 비교예를 물에 침지하고 1시간 뒤의 외관 이미지를 도 5에 도시하였다. 도 5에서 보는 바와 같이, 비교예는 수침 후 하이드로젤이 팽윤되어 샘플의 교란 및 파괴가 발생하였지만, 실시예5-30-0.5h는 수침 후에도 외형을 유지하였다. 또한, 일 실시예에 따른 지반 강화용 토양 조성물(잔탄검의 농도가 5중량부, 양생시간 0.5시간; 실시예5-b(15, 30, 60, 100)-0.5h)에 대하여, 수침 시간(0일, 7일, 14일, 28일, 50일, 100일)에 따른 일축압축강도를 측정한 결과를 도 6에 도시하였다. Among the above examples, the sample (Example 5-30-0.5h) with a concentration of xanthan gum of 5 parts by weight, a weight ratio of chromium nitrate to xanthan gum of 100:30, and a curing time of 0.5 hours (Example 5-30-0.5h ) and the comparative example were immersed in water and 1. The exterior image after time is shown in Figure 5. As shown in Figure 5, in the comparative example, the hydrogel swelled after immersion, causing disturbance and destruction of the sample, but Example 5-30-0.5h maintained its appearance even after immersion. In addition, for the soil composition for ground strengthening according to an example (the concentration of xanthan gum is 5 parts by weight, curing time 0.5 hours; Example 5-b (15, 30, 60, 100) - 0.5h ), the immersion time The results of measuring the uniaxial compressive strength for (0 days, 7 days, 14 days, 28 days, 50 days, and 100 days) are shown in Figure 6.
도 5 및 6을 통해 일 실시예에 따른 지반 강화용 토양 조성물의 경우, 수침되어도 종래의 지반과 달리 형상이 파괴되지 않으며, 수침 후 측정한 일축압축강도(UCSw)가 수침 전에 측정한 일축압축강도(UCSi) 이상(UCSi≤UCSw), 다시 말해, 수침되어도 강도저하가 발생하지 않고, 오히려 강도가 증가하였다는 점과 특히 잔탄검 대비 질산크롬의 중량비가 100 : 10 내지 50일 경우, 보다 향상된 일축압축강도를 나타냄을 확인하였다. 다만, 실시예5-100-0.5h의 경우, 과도한 가교결합으로 인하여 탈수현상이 일어나 수침 후의 약간의 강도저하가 발생하였다.5 and 6, in the case of the soil composition for strengthening the ground according to an embodiment, unlike the conventional ground, the shape is not destroyed even if submerged, and the uniaxial compressive strength (UCS w ) measured after submerging is greater than the uniaxial compression measured before submerging. Strength (UCS i ) or higher (UCS i ≤UCS w ), in other words, even when immersed in water, strength does not decrease, but rather strength increases, especially when the weight ratio of chromium nitrate to xanthan gum is 100:10 to 50. , it was confirmed that it exhibited improved uniaxial compressive strength. However, in the case of Example 5-100-0.5h , dehydration occurred due to excessive crosslinking, resulting in a slight decrease in strength after immersion.
보다 구체적인 수침 내구성 평가를 위하여 도 7 (a)와 같은 투수실험 장치를 설치하고, 양생시간이 0.5시간인 지반 강화용 토양 조성물에 대하여 수압조건[kPa]에 따른 투수계수[cm/s]를 측정하여 수침 내구성을 평가하였다. 그 결과 그래프를 도 7 (b)과 도 7 (c)에 도시하였다. 도 7 (b)은 비교예에 대한, 도 7 (c)는 실시예에 대한 수압조건[kPa]에 따른 투수계수[cm/s] 변화 그래프이다. For a more specific evaluation of water immersion durability, a permeability test device as shown in Figure 7 (a) was installed, and the permeability coefficient [cm/s] was measured according to the water pressure condition [kPa] for the soil composition for strengthening the ground with a curing time of 0.5 hours. Thus, water immersion durability was evaluated. The resulting graphs are shown in Figures 7(b) and 7(c). Figure 7 (b) is a graph of the change in permeability coefficient [cm/s] according to hydraulic pressure conditions [kPa] for the comparative example, and Figure 7 (c) is a graph of the change in permeability coefficient [cm/s] for the example.
구체적으로 도 7 (b)는 상술한 비교예와 순수 잔탄검 수용액의 잔탄검의 농도를 다르게 하였다는 점을 제외하고 동일하게 제조한 토양 조성물의 수압조건[kPa]에 따른 투수계수[cm/s] 변화를 나타내었다. 다시말해, 잔탄검의 농도를 1.25 중량부, 2.5 중량부, 3.75 중량부, 5.0 중량부로 하였으며, 차례로 비교예1.25-0-0.5h, 비교예2.5-0-0.5h, 비교예3.75-0-0.5h, 비교예5.0-0-0.5h로 표시하였다. Specifically, Figure 7 (b) shows the permeability coefficient [cm/s] according to the hydraulic pressure condition [kPa] of the soil composition prepared in the same way as the above-mentioned comparative example except that the concentration of xanthan gum in the pure xanthan gum aqueous solution was different. ] It indicated a change. In other words, the concentration of xanthan gum was 1.25 parts by weight, 2.5 parts by weight, 3.75 parts by weight, and 5.0 parts by weight, and in that order, Comparative Example 1.25-0-0.5h , Comparative Example 2.5-0-0.5h , and Comparative Example 3.75-0- It was indicated as 0.5h and Comparative Example 5.0-0-0.5h .
또한, 도 7 (c)는 잔탄검의 농도가 각 1.25중량부, 2.5 중량부, 5.0중량부이고, 잔탄검 대비 질산크롬의 중량비가 100:30이고, 양생시간 0.5시간인 실시예, 다시말해 실시예1.25-30-0.5h, 실시예2.5-30-0.5h, 실시예5.0-30-0.5h의 수압조건[kPa]에 따른 투수계수[cm/s] 변화를 나타내었다.In addition, Figure 7 (c) shows an example in which the concentration of xanthan gum is 1.25 parts by weight, 2.5 parts by weight, and 5.0 parts by weight, the weight ratio of chromium nitrate to xanthan gum is 100:30, and the curing time is 0.5 hours. Changes in permeability coefficient [cm/s] according to water pressure conditions [kPa] of Example 1.25-30-0.5h , Example 2.5-30-0.5h , and Example 5.0-30-0.5h were shown.
도 7 (b) 및 (c)에서 보는 바와 같이, 비교예들은 수압이 증가할수록 하이드로젤의 Wash-out 발생으로 인해 투수계수는 급격히 상승하였으며 그 값이 무처리 모래(순수 사질토)의 투수계수 값에 가까워지는 경향을 나타낸 반면, 실시예들의 경우, 더 높은 수압까지 저항하며 투수계수가 소폭 상승하다가 약 10-5 cm/s의 잔류 투수계수 값에 수렴하였다. 이를 통해 일 실시예에 따른 지반 강화용 토양 조성물은 종래 지반에 비하여 더 높은 수압에서 내구성이 우수하다는 점을 확인하였다.As shown in Figures 7 (b) and (c), in the comparative examples, as the water pressure increased, the permeability coefficient rapidly increased due to wash-out of the hydrogel, and the value was similar to the permeability coefficient value of untreated sand (pure sandy soil). On the other hand, in the case of the examples, the permeability coefficient slightly increased while resisting higher water pressure and then converged to a residual permeability coefficient value of about 10 -5 cm/s. Through this, it was confirmed that the soil composition for strengthening the ground according to one embodiment has excellent durability under higher water pressure compared to the conventional ground.
도 8 (i) 내지 (ⅵ)에서 보는 바와 같이, 일 실시예에 따른 지반 강화용 토양 조성물을 매설하는 단계를 포함하는 시공방법을 통해 지반을 강화할 수 있다. 구체적으로 (i)는 토양 표층부에 지반 강화용 토양 조성물을 매설하여 얕은 기초 주변의 지반을 보강하는 방법으로, 주입(Injection)시공이나 심층혼합처리(Deep mixing)시공방법 등을 사용할 수 있고, 지반의 강도가 향상되며 지반지진효과 저감을 통한 기초의 변위 억제 제어의 효과가 있다. As shown in Figures 8 (i) to (vi), the ground can be strengthened through a construction method including the step of burying a soil composition for strengthening the ground according to an embodiment. Specifically, (i) is a method of reinforcing the ground around a shallow foundation by burying a ground strengthening soil composition in the surface layer of the soil. Injection construction or deep mixing construction methods can be used, and the ground reinforcement method can be used. The strength of the system is improved and it has the effect of suppressing and controlling the displacement of the foundation by reducing ground seismic effects.
(ⅱ)는 하수관등 관로 주변부나 관로 주변부의 공동에 지반 강화용 토양 조성물을 매설하여 지반을 보강하는 방법으로, 주입(Injection)시공이나 되메움(In-situ mixing and compaction (backfill)) 시공방법 등을 사용할 수 있고, 관로 안정성이 향상되며 공동 채움을 통한 싱크홀 방지의 효과가 있다.(ⅱ) is a method of reinforcing the ground by burying a ground strengthening soil composition in the area around pipes such as sewer pipes or in the cavity around the pipe, using injection construction or in-situ mixing and compaction (backfill) construction methods. etc. can be used, pipe stability is improved, and there is an effect of preventing sinkholes by filling cavities.
(ⅲ)은 제방과 같은 수리 구조물 내부에 수침 내구성이 우수한 지반 강화용 토양 조성물을 매설하여 커튼 그라우팅 보강재로서 지반을 보강하는 방법으로, 주입(Injection)시공이나 심층혼합처리(Deep mixing)시공방법 등을 사용할 수 있고, 지지력이 향상되어 제방의 붕괴가 억제될 수 있고 수위상승에 따른 구조물 내 침투나 내부 파이핑 억제 등의 효과가 있다.(ⅲ) is a method of reinforcing the ground as a curtain grouting reinforcement by burying a ground strengthening soil composition with excellent waterlogging durability inside hydraulic structures such as embankments, such as injection construction or deep mixing construction methods. can be used, and the collapse of the embankment can be suppressed by improving the bearing capacity, and has effects such as suppressing penetration into the structure or internal piping due to the rise in water level.
(ⅳ) 하천 제방구조물 등의 구조물 하단부에 지반 강화용 토양 조성물을 보강재로 매설하여 배수통문 등의 경계부의 지반을 보강하는 방법으로, 주입(Injection)시공방법 등을 사용할 수 있고, 경계부 지반의 강도와 수침내구성이 향상되어 내부침식이 억제되는 효과가 있다.(iv) This is a method of reinforcing the ground at the boundary of a drain gate, etc. by burying a ground strengthening soil composition as a reinforcing material at the lower part of a structure such as a river embankment structure. Injection construction methods can be used, and the strength of the ground at the boundary is possible. It has the effect of suppressing internal erosion by improving water immersion durability.
(ⅴ) 터널 굴착시 라이닝이나 터널 벽체간 공간(공동)에 지반 강화용 토양 조성물을 매설하여 지반을 보강하는 방법으로, 주입(Injection)시공방법 등을 사용할 수 있고, 공동 채움 및 차수효과를 통한 터널 내 지하수 유입 방지의 효과가 있다.(v) When excavating a tunnel, it is a method of reinforcing the ground by burying a ground strengthening soil composition in the lining or the space (cavity) between tunnel walls. Injection construction methods can be used, and through cavity filling and water blocking effects. It is effective in preventing groundwater inflow into the tunnel.
(ⅵ) 성토, 절토 사면(slope) 표층부에 지반 강화용 토양 조성물을 매설하여 지반을 보강하는 방법으로, 주입(Injection)시공, 스프레이 시공방법 등을 사용할 수 있고, 지반의 강도와 수침 내구성이 향상되어 호우로 인한 사면 붕괴, 표면 침식이 억제되는 효과가 있다.(ⅵ) This is a method of reinforcing the ground by burying a ground strengthening soil composition in the surface layer of the fill and cut slopes. Injection construction and spray construction methods can be used, and the strength of the ground and waterlogging durability are improved. This has the effect of suppressing slope collapse and surface erosion caused by heavy rain.
이를 통해, 일 실시예에 따른 지반 강화용 토양 조성물은 가열 등의 까다로운 공정 없이도 일축압축강도와 수침내구성이 매우 탁월하다는 점과, 나아가 상기의 지반 강화용 토양 조성물을 매설, 양생하는 시공방법을 통해 지반의 강도보강 효과가 뛰어난 지반 보강제를 형성함으로써 공정이 단순한 친환경적인 생물학적 지반보강공법을 제공할 수 있음을 확인하였다. Through this, the soil composition for ground strengthening according to one embodiment has excellent uniaxial compressive strength and waterlogging durability even without difficult processes such as heating, and further, through the construction method of burying and curing the soil composition for ground strengthening. It was confirmed that an eco-friendly biological ground reinforcement method with a simple process can be provided by forming a ground reinforcement agent with excellent ground strength reinforcement effect.
이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. As described above, the present invention has been described with specific details and limited embodiments, but these are provided only to facilitate a more general understanding of the present invention, and the present invention is not limited to the above embodiments, and the field to which the present invention belongs is not limited to the above embodiments. Those skilled in the art can make various modifications and variations from this description.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.Accordingly, the spirit of the present invention should not be limited to the described embodiments, and the scope of the patent claims described below as well as all modifications that are equivalent or equivalent to the scope of this patent claim shall fall within the scope of the spirit of the present invention. .
Claims (20)
상기 바이오폴리머는 3가 금속 양이온에 의해 가교된 다당체를 포함하며,
상기 3가 금속 양이온은 크롬(Cr3+) 양이온을 포함하고,
상기 다당체는 카르복실산기를 함유하는 지반 강화용 토양 조성물.Biopolymers and soils containing salts of trivalent metal cations,
The biopolymer includes a polysaccharide crosslinked by trivalent metal cations,
The trivalent metal cation includes chromium (Cr3+) cation,
The polysaccharide is a soil composition for strengthening the ground containing a carboxylic acid group.
상기 3가 금속 양이온은 철(Fe3+) 및 알루미늄(Al3+)으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 더 포함하는 지반 강화용 토양 조성물.According to clause 1,
The trivalent metal cation is a soil composition for strengthening the ground further comprising one or two or more selected from the group consisting of iron (Fe 3+ ) and aluminum (Al 3+ ).
상기 3가 금속 양이온의 염은 질산크롬을 포함하는 지반 강화용 토양 조성물.According to clause 1,
The salt of the trivalent metal cation is a soil composition for strengthening ground containing chromium nitrate.
상기 카르복실산기는 측쇄에 결합된 글리코사이드의 잔기에 포함되는 지반 강화용 토양 조성물.According to clause 1,
A soil composition for ground strengthening wherein the carboxylic acid group is contained in a residue of a glycoside bound to a side chain.
상기 다당체는 잔탄검(Xanthan gum)을 포함하는 지반 강화용 토양 조성물.According to clause 1,
The polysaccharide is a soil composition for strengthening ground containing xanthan gum.
상기 3가 금속 양이온의 염은 상기 다당체 100 중량부에 대하여 5 내지 50 중량부로 포함되는 지반 강화용 토양 조성물.According to clause 1,
The salt of the trivalent metal cation is contained in an amount of 5 to 50 parts by weight based on 100 parts by weight of the polysaccharide.
상기 바이오폴리머는 건조중량을 기준으로 상기 흙 100 중량부에 대하여 0.1 내지 10 중량부로 포함되는 지반 강화용 토양 조성물.According to clause 1,
The biopolymer is a soil composition for strengthening ground, wherein the biopolymer is included in an amount of 0.1 to 10 parts by weight per 100 parts by weight of the soil based on dry weight.
(S2) 상기 바이오폴리머 및 흙을 혼합하여 지반 강화용 토양 조성물을 제조하는 단계;
(S3) 상기 지반 강화용 토양 조성물을 매설하는 단계; 및
(S4) 상기 매설된 지반 강화용 토양 조성물을 양생하는 단계;를 포함하고,
상기 바이오폴리머는 3가 금속 양이온에 의해 가교된 다당체를 포함하며,
상기 3가 금속 양이온은 크롬(Cr3+) 양이온을 포함하고,
상기 다당체는 카르복실산기를 함유하는 지반 강화용 시공방법.(S1) preparing a biopolymer by mixing a salt of a trivalent metal cation and a polysaccharide;
(S2) mixing the biopolymer and soil to prepare a soil composition for strengthening the ground;
(S3) burying the soil composition for strengthening the ground; and
(S4) curing the buried soil composition for strengthening the ground,
The biopolymer includes a polysaccharide crosslinked by trivalent metal cations,
The trivalent metal cation includes chromium (Cr3+) cation,
The polysaccharide is a construction method for strengthening ground containing a carboxylic acid group.
상기 매설은 주입시공, 스프레이시공, 심층혼합처리(Deep mixing)시공, 현장 다짐 시공(In-situ compaction) 및 되메움시공으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 시공방법에 의해 수행되는 것인 지반 강화용 시공방법.According to clause 11,
The burial is performed by one or more construction methods selected from the group consisting of injection construction, spray construction, deep mixing construction, in-situ compaction, and backfill construction. Construction method for reinforcement.
상기 (S3) 단계에서, 상기 매설은 터널 벽체간 공간에 매설하는 것인 지반 강화용 시공방법.According to clause 11,
In the step (S3), the construction method for strengthening the ground is buried in the space between tunnel walls.
상기 (S3) 단계에서, 상기 매설은 관로 주변부의 공동에 매설하는 것인 지반 강화용 시공방법.According to claim 11,
In the step (S3), the construction method for strengthening the ground is buried in a cavity around the pipe.
상기 (S3) 단계에서, 상기 매설은 구조물 내부 커튼 그라우팅 보강재로 매설하는 것인 지반 강화용 시공방법.According to clause 11,
In the step (S3), the construction method for strengthening the ground is buried with curtain grouting reinforcement inside the structure.
상기 (S3) 단계에서, 상기 매설은 구조물 하단부에 보강재로 매설하는 것인 지반 강화용 시공방법.According to clause 11,
In the step (S3), the construction method for strengthening the ground is to bury reinforcing material at the lower end of the structure.
상기 (S3) 단계에서, 상기 매설은 토양 표층부에 매설하는 것인 지반 강화용 시공방법.According to clause 11,
In the step (S3), the construction method for strengthening the ground is buried in the surface layer of the soil.
상기 (S4) 단계에서, 상기 양생은 12시간 이상 수행하는 것인 지반 강화용 시공방법.According to clause 11,
In the step (S4), the curing is performed for more than 12 hours.
양생 전의 지반 강화용 토양 조성물의 일축압축강도(UCS1)에 대한 양생 후의 지반 강화용 토양 조성물의 일축압축강도(UCS2)의 비(UCS2/UCS1)는 3 이상인 지반 강화용 시공방법.According to clause 11,
A construction method for ground reinforcement in which the ratio (UCS 2 /UCS 1 ) of the uniaxial compressive strength (UCS 2 ) of the soil composition for ground reinforcement after curing to the uniaxial compressive strength (UCS 1 ) of the soil composition for ground reinforcement before curing is 3 or more.
양생 후의 지반 강화용 토양 조성물을 50일 동안 수침 후 측정한 일축압축강도(UCSw50)는 수침 전에 측정한 일축압축강도(UCSi) 이상(UCSi≤UCSw50)인 지반 강화용 시공방법.According to clause 11,
A construction method for ground strengthening where the uniaxial compressive strength (UCS w50 ) measured after immersing the cured soil composition for immersion in water for 50 days is greater than or equal to the uniaxial compressive strength (UCS i ) measured before immersion (UCS i ≤UCS w50 ).
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