KR102678045B1 - 환경 친화적 심층혼합공법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 굴착장비를 설계심도까지 지중에 관입하는 관입단계와, 상기 굴착장비를 다시 인발하는 인발단계와, 상기 관입단계 또는 인발단계 중 적어도 하나의 단계에서 고화제를 주입하여 굴착된 지반의 토양과 혼합하는 믹싱단계와, 상기 믹싱단계에서 주입 및 혼합된 상기 고화제가 경화되면서 연약지반을 보강하는 구조체가 형성되는 양생단계를 포함하는 심층혼합공법에 있어서, 상기 믹싱단계에서 주입되는 고화제는 산업 현장에서 발생되는 산업 부산물 61~80중량%와, 조강시멘트 5~15중량%와, 강도를 향상시키며 pH를 저감시키는 기능성 첨가제 5~20중량%와, 황산염 자극 및 포졸란 반응을 유도하여 다량의 수화생성물을 생성시켜 치밀한 구조의 경화체가 되도록 하는 자극제 1~5중량%를 포함하되, 단위 개량면적당 부상토의 발생량을 줄일 수 있고, 급결에 의해 작업성이 저하되거나 조기강도의 발현이 지체되는 것을 방지할 수 있도록 물시멘트비(W/C)가 중량비로 50~70%로 배합되어 주입되는 것을 특징으로 하는 환경 친화적 심층혼합공법을 개시한다.
Description
본 발명은 굴착장비를 설계심도까지 지중에 관입하는 관입단계와, 상기 굴착장비를 다시 인발하는 인발단계와, 상기 관입단계 또는 인발단계 중 적어도 하나의 단계에서 고화제를 주입하여 굴착된 지반의 토양과 혼합하는 믹싱단계와, 상기 믹싱단계에서 주입 및 혼합된 상기 고화제가 경화되면서 연약지반을 보강하는 구조체가 형성되는 양생단계를 포함하는 심층혼합공법에 있어서, 상기 믹싱단계에서 주입되는 고화제는 산업 현장에서 발생되는 산업 부산물 61~80중량%와, 조강시멘트 5~15중량%와, 강도를 향상시키며 pH를 저감시키는 기능성 첨가제 5~20중량%와, 황산염 자극 및 포졸란 반응을 유도하여 다량의 수화생성물을 생성시켜 치밀한 구조의 경화체가 되도록 하는 자극제 1~5중량%를 포함하되, 단위 개량면적당 부상토의 발생량을 줄일 수 있고, 급결에 의해 작업성이 저하되거나 조기강도의 발현이 지체되는 것을 방지할 수 있도록 물시멘트비(W/C)가 중량비로 50~70%로 배합되어 주입되는 것을 특징으로 하는 환경 친화적 심층혼합공법에 관한 것이다.
일반적으로 해안습지나 하천, 호수, 항만 등의 간척 또는 준설매립지와 같은 연약한 점토나 실트질 또는 고유기질토로 이루어져 있는 연약지반은 고함수비이고, 일축압축강도가 작아서 상부에 구조물을 시공할 경우 안정과 침하에 문제를 일으키기 때문에 다양한 방법으로 지반의 공학적인 성질을 개선시켜야만 한다.
연약지반 개량시 대규모 연약지반에서는 연직 배수재를 이용한 샌드 드레인 공법, 또는 페이퍼 드레인 공법 등이 주로 이용되어 왔는데, 이러한 공법은 시공기간이 장시간 소요되며, 시공후 안정성 확보가 용이하지 못하고 깊은 심도의 연약지반에는 적용하기 곤란하다는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 개선하기 위해 1990년대부터 시멘트를 주로한 분말상태 또는 현탁액상태의 화학적 안정재를 원위치 지반에 투입 혼합하여 연약점성토 지반을 주상 또는 괴상으로 전면적으로 개량하는 심층혼합처리공법이 주로 이용되고 있다.
심층혼합공법(Deep Cement Mixing, DCM)이라 함은 석회, 시멘트 등을 주원료로 하는 안정제(고화제, 경화제)와 지중의 연약지반을 혼합하여 화학적으로 고체화시켜 연약지반을 개량하기 위한 기술로서, 특히, 연약지반의 토양과 안정제가 혼합되면서 발생하는 수화반응 또는 포졸란(Pozzolan) 반응을 통해서 에트린자이트의 생성을 활성화하여 물리적, 화학적으로 고형화된 지중구조체를 형성함으로써 연약지반을 강화시키는 공법이다.
이러한, 심층혼합공법은 크게 관입 분출식과 인발 분출식으로 구분될 수 있으며, 관입분출식은 하부방향으로 안정제가 분사될 수 있도록 분사통로를 형성한 오거 케이싱을 지중에 관입하는 공정과, 상기 오거 케이싱의 회전으로 관입과 동시에 안정제를 주입하면서 연약지반과 혼합하는 공정과, 설계 심도까지 관입한 오거 케이싱을 회전시켜 상부방향으로 인발하면서 동시에 연약지반과 안정제를 혼합하는 공정으로 이루어진다. 반면에 인발 분출식은 하부방향으로 안정제가 분사될 수 있도록 분사통로를 형성한 오거 케이싱을 지중에 관입하는 공정과, 설계 심도까지 관입한 오거 케이싱을 회전시켜 상부방향으로 인발하는 공정과, 상기 오거 케이싱의 인발과 동시에 안정제를 주입하면서 연약지반과 혼합하는 공정으로 이루어진다.
한편, 종래에는 심층혼합처리공법(SCW:Soil Cement Wall, DCM : Deep Cement Mixing, DSP : Deep Soil Mixing Pile, DSM : Deep Soil Mixing 등)에서 연약지반의 개량을 위한 고화제로서 시멘트와 벤토나이트를 혼합한 고화제가 주로 사용되었다.
시멘트의 경우 수화하면서 수축을 하는 특성 때문에 차수 목적을 위하여 벤토나이트를 사용하는데, 상기 벤토나이트는 국내에 천연자원으로 부존하지 않는 광물로서 전량 수입에 의존하고 있는 고가의 재료이며 염분과 접촉하면 그 팽윤도가 현저히 떨어져 차수성이 크게 저하되는 문제점이 있어 해상 심층혼합공법용으로는 적절하지 않다는 지적이 있었다.
또한, 시멘트의 경우 주원료인 석회석을 채광하여 1,450℃의 고온에서 소성하여 제조되기 때문에 석회석의 탈탄산 과정에서 온실가스의 주원인인 다량의 CO2 가스가 발생하여 대기환경에 치명적인 문제점이 있었으며, pH가 12 이상에 달할 정도로 강한 알칼리이기 때문에 환경오염원으로 작용하여 토양 및 지하수를 오염시키는 문제점이 있었다.
뿐만 아니라, 종래의 심층혼합공법은 해상 오염, 육상 오염 등 환경오염이 수반된다는 문제점이 있었다. 예를 들어, 지반 개량을 위해 교반기로 해저면을 천공 교반할 때 부상토가 발생하게 되는데, 이러한 부상토로 인해 인근 양식장 등이 오염되고, 특히 어류나 김 등 양식장에 큰 피해가 발생하게 되었다. 또한, 종래의 연약지반 사이에 투수층이 존재하는 경우 투수층으로 고화제가 유출되어 오염물질의 확산이 일어나게 되고, 또한 구근이 형성되지 않아 지반 교반효과가 현저히 떨어지게 되고, 주변의 토양 및 지하수를 오염시키는 문제점이 있었다.
이에, 이산화탄소를 다량으로 배출하는 시멘트의 소비를 절감할 수 있고, 부상토의 발생량을 줄일 수 있는 방안이 절실히 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로, 시멘트의 소비를 줄여 탄소 배출량을 저감시킬 수 있으며, 부상토의 발생량을 줄일 수 있어 환경 오염을 방지할 수 있는 심층혼합공법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 위하여 본 발명은 굴착장비를 설계심도까지 지중에 관입하는 관입단계와, 상기 굴착장비를 다시 인발하는 인발단계와, 상기 관입단계 또는 인발단계 중 적어도 하나의 단계에서 고화제를 주입하여 굴착된 지반의 토양과 혼합하는 믹싱단계와, 상기 믹싱단계에서 주입 및 혼합된 상기 고화제가 경화되면서 연약지반을 보강하는 구조체가 형성되는 양생단계를 포함하는 심층혼합공법에 있어서, 상기 믹싱단계에서 주입되는 고화제는 제철소의 선철 제조시 발생되는 고로슬래그 미분말 20~40중량%와, 열병합발전소 및 화력발전소의 연료소각시 발생되며 이산화규소(SiO2)와 산화알루미늄(Al2O3) 및 산화제이철(Fe2O3)을 합한 함량이 70% 이상인 플라이 애쉬 10~20중량%와, 제강 전로슬래그 파쇄시 전기집진에 의해 발생되며 산화칼슘을 함유하고 평균 입경이 5~10㎛인 전로슬래그 더스트 10~25중량%와, 리튬이 함유된 광석으로부터 리튬을 회수하는 공정에서 발생되는 리튬 부산물 1~15중량%와, 조강시멘트 5~15중량%와, 강도를 향상시키며 pH를 저감시키는 기능성 첨가제 5~20중량%와, 황산염 자극 및 포졸란 반응을 유도하여 다량의 수화생성물을 생성시켜 치밀한 구조의 경화체가 되도록 하는 자극제 1~5중량%를 포함하되, 단위 개량면적당 부상토의 발생량을 줄일 수 있고, 급결에 의해 작업성이 저하되거나 조기강도의 발현이 지체되는 것을 방지할 수 있도록 물시멘트비(W/C)가 중량비로 50~70%로 배합되어 주입되며, 상기 조강시멘트는 볼밀링에 의해 평균 분말도 5,000~5,500 ㎠/g으로 가공되고, 입경 10㎛ 이하의 고미분말이 5~10wt% 함유된 시멘트이고, 상기 기능성 첨가제는 알루미늄 제강공정에서 발생되는 부산물로 제조되는 것으로서, 전기로슬래그 장입단계와, 가열단계와, 제강슬래그 장입단계와, 생석회 장입단계와, 알루미늄 장입단계를 거친 다음 소정의 반응시간이 경과하면 장입공간 내의 용융물이 외부로 출탕되고, 출탕된 용융물이 공기와 반응하여 굳으면 이를 분말 형태로 제조한 것이며, 상기 자극제는 물유리, 수산화칼륨, 수산화칼슘, 수산화마그네슘, 수산화나트륨, 수산화알루미늄으로 이루어진 군 중에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물이고, 상기 리튬 부산물은 상기 리튬이 함유된 광석을 열처리하는 제1공정과, 상기 열처리된 리튬 광석을 분쇄하는 제2공정과, 상기 분쇄된 리튬 광석에 함유된 리튬 성분을 황산리튬으로 석출하는 제3공정과, 상기 황산리튬을 물에 침출시키는 제4공정과, 고액 분리에 의해 소정의 수분을 함유하는 분말 형태의 리튬 부산물을 선별하는 제5공정과, 상기 분말 형태의 리튬 부산물을 건조시키는 제6공정을 통해 취득되되, 상기 제6공정은 광투과성 재질로 이루어지며 소정 길이를 갖는 건조실의 천장 상부에 길이방향을 따라 설치되는 이송컨베이어를 따라 상기 분말 형태의 리튬 부산물이 이동하면서 태양광에 의해 건조되도록 하여, 피건조물의 건조시 자연에너지를 이용함으로써 탄소발생을 줄일 수 있고 건조 비용을 저감시킬 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.
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또한, 본 발명에 따른 상기 믹싱단계에서 상기 고화제 100중량부에 대하여 페녹시에탄올 0.003~10중량부가 첨가되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 믹싱단계에서 상기 굴착장비의 주입관을 따라 상기 고화제가 주입될 때 고화제의 유동성을 확보하여 펌프의 압송부하를 방지할 수 있도록 혼화제가 더 주입되며, 상기 혼화제는 물 80~90중량%와, 폴리카르복실레이트 폴리머(polycarboxylate polymer) 5~18중량%와, 글루콘산계 지연제 1~5중량%와, 로릴 에테르 황산 나트륨(Sodium Lauryl Ethersulfate) 1~5중량%를 포함하고, 상기 고화제 100중량부에 대하여 0.1~10중량부가 첨가되어 주입되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서 상기 관입단계에서 관입되는 굴착장비는, 구동부의 작동에 의해 회전되며, 지중에 수직으로 삽입되는 소정 길이의 주입관과, 상기 주입관과 직교 방향으로 배치되며 복수개의 비트부재가 마련되어 지면을 굴착하는 것으로, 상기 주입관을 따라 상하 다단으로 복수개로 배치되되 굴착작업 전에 측정되는 지반의 연약층과 지지층 사이의 경계를 중심으로 연약층에 상대적으로 큰 천공홀부를 시공하도록 하부로부터 상부로 갈수록 길게 형성되는 복수개의 굴착부와, 상기 주입관에 상하 다단으로 배치되되 상기 굴착부의 상측에 배치되는 것으로, 주입관과 직교 방향으로 배치되며 상기 굴착부에 의해 분쇄되는 지반을 교반시키면서 보강재와 분쇄된 지반을 혼합시키는 복수개의 교반부 및 상기 주입관이 지중으로 삽입될 때 삽입되는 깊이를 육안으로 확인하여 상기 복수개의 굴착부 중에서 상대적으로 긴 굴착부가 지지층으로 삽입되지 않도록 상기 주입관의 상부 일측에 구비되는 깊이감지부를 포함하여, 상기 연약지반에 천공홀부를 시공할 때에 연약층에는 상대적으로 지름이 큰 천공홀부가 형성되고, 지지층에는 상대적으로 작은 천공홀부가 형성되도록 하여 천공홀부를 따라 지중으로 고화제 조성물이 주입되면서 구근을 형성할 때에 연약층에 상대적으로 지름이 큰 구근을 시공할 수 있고, 반대로 지지층에는 상대적으로 지름이 작은 구근을 시공할 수 있어 고화재가 필요 이상으로 지지층에 주입되는 것을 방지할 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명에 따른 환경 친화적 심층혼합공법은 산업단지 내에서 발생되는 무기계 산업 부산물을 재활용함으로써 자원 순환형 재활용화 체계 구축에 이바지할 수 있으며, 제조단가 및 발생 부산물의 폐기비용을 대폭 절감할 수 있으므로 경제성이 매우 우수하며, 이산화탄소를 다량으로 배출하는 시멘트의 소비를 현저히 절감할 수 있으므로 환경 친화적이다. 또한, 본 발명은 물시멘트비(W/C)가 중량비로 50~70%로 고화제가 배합되어 주입되어, 고화제의 주입량을 줄이면서도 구조체의 강도를 확보할 수 있어 경제적이다.
특히, 본 발명은 기후변화를 위한 국제적인 트렌드에 따라 기존에 사용하던 산업 부산물의 발생량이 감소할 예정으로 대체제가 필요한 상황에서 전기차 시장의 성장 과정에서 다량으로 발생되는 리튬 부산물을 기존 산업 부산물의 대체제로 활용하여 고화제의 원료로 활용할 수 있어 폐기되는 리튬 부산물의 고부가가치 재활용을 가능케 한다.
또한, 믹싱단계에서 혼화제가 첨가되어 윤활성이 향상됨에 따라 펌프의 압송부하를 최소화할 수 있다.
도 1은 심층혼합공법의 공정도.
도 2는 본 발명의 실시에에 따른 고화제의 유효 성분으로 함유되는 전로슬래그 더스트의 입도분석결과.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 리튬 광석으로부터 리튬 부산물이 추출되는 공정도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 고액 분리에 의해 소정의 수분을 함유하는 리튬 분말의 건조를 위한 건조실을 도시한 개략적인 예시도.
도 5 및 6은 본 발명의 실시예에 따라 상기 관입단계에서 관입되는 굴착장비를 도시한 개략적인 예시도.
도 7은 도 5 및 6의 굴착장비에 의해 연약지반에 시공되는 구조체를 도시한 개략적인 예시도.
도 2는 본 발명의 실시에에 따른 고화제의 유효 성분으로 함유되는 전로슬래그 더스트의 입도분석결과.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 리튬 광석으로부터 리튬 부산물이 추출되는 공정도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 고액 분리에 의해 소정의 수분을 함유하는 리튬 분말의 건조를 위한 건조실을 도시한 개략적인 예시도.
도 5 및 6은 본 발명의 실시예에 따라 상기 관입단계에서 관입되는 굴착장비를 도시한 개략적인 예시도.
도 7은 도 5 및 6의 굴착장비에 의해 연약지반에 시공되는 구조체를 도시한 개략적인 예시도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 경제성과 안정성이 향상된 심층혼합공법에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
본 발명에서 심층혼합공법(Deep Cement Mixing, DCM)이라 함은 고화제를 지중의 연약지반과 혼합하여 화학적으로 고체화시켜 연약지반을 개량하는 공법을 말한다. 이러한 심층혼합공법이 적용되는 분야는 다양하며, 예를 들어, 안벽(岸壁), 호안(護岸) 등 해안에 설치될 구조물의 지반을 개량하거나, 육상의 박스 기초에 사용할 수 있다.
이러한 심층혼합공법은 도 1과 같이 관입단계(S1)와, 인발단계(S2)와, 믹싱단계(S3)와, 양생단계(S4)를 포함한다.
관입단계(S1)는 개량대상이 되는 연약지반에 설계에서 정해진 심도까지 굴착장비(예를 들어 오거 스크류)를 관입하는 단계로서, 굴착장비는 회전하면서 지반을 굴착하여 설계심도까지 관입된다.
인발단계(S2)는 상기 굴착장비를 다시 인발하는 단계이다.
믹싱단계(S3)는 상기 굴착장비의 주입관을 통해 고화제를 주입하여 굴착된 지반의 토양과 혼합하는 단계로서, 상기 고화제는 굴착장비에 따라 관입단계(S1)에서 주입될 수 있고 또는 인발단계(S2)에서 주입될 수도 있다.
양생단계(S4)는 상기 믹싱단계에서 주입 및 혼합된 상기 고화제가 경화되는 단계로서, 고화제와 흙이 혼합되어 슬라임 상태로 되며, 이러한 상태에서 일정 시간이 경과하면(양생단계,S4) 슬라임이 양생되어 연약지반을 보강하는 구조체가 형성된다.
본 발명은 상기의 심층혼합공법에 관한 것으로, 특히 산업단지 내에서 발생되는 무기계 산업 부산물의 재활용에 의해 조성되는 고화제와, 조강시멘트와, 기능성 첨가제 및 자극제를 포함하는 고화제가 상기 믹싱단계에서 주입되는 것을 특징으로 한다.
먼저, 본 발명의 실시예에 따라 상기 믹싱단계에서 주입되는 고화제는 산업 현장에서 발생되는 산업 부산물을 유효 성분으로 포함한다.
여기에서, 산업 부산물이라 함은 고로슬래그 미분말, 플라이 애쉬, 전로슬래그 더스트, 리튬 부산물일 수 있으며, 본 발명의 실시예에 따라 상기 산업 부산물은 전체 조성물 중량에 대하여 61~80중량%가 혼합될 수 있다.
고로슬래그 미분말은 제철공장 선철 제조 시 부산물로 발생하는 고온 용융 상태의 슬래그를 물로 급랭 처리한 후 건조 및 분쇄한 것으로써, 철광석의 불순물이 섞인 암질 산화알미늄(Al2O3)과 화합된 고온에서 용융된 부유물질일 수 있다.
상기 고로슬래그 미분말은 물과 접촉하면 비결정질 피막이 형성되어 스스로 수화반응을 하지 않기 때문에 고로슬래그 미분말을 잠재수경성물질이라 한다. 잠재수경성이 발휘되기 위해서는 비결정질 피막이 파괴되어야 한다.
상기 고로슬래그 미분말은 수화발열속도를 저감시켜주며 장기 강도를 높여주고, 수밀성을 향상시키는 것은 물론 에트링자이트 생성을 도우며 중금속의 고정화, 안정화에 기여한다.
상기 고로슬래그 미분말은 분말도 3,000~10,000㎠/g의 분포를 나타내는데, 통상적으로 4,000㎠/g, 8000㎠/g, 10,000㎠/g 3종류로 분쇄 분급하여 사용하며, 고분말도의 분말이 반응성이 더 좋으나, 분말도가 클수록 에너지 소비가 기하급수적으로 많아져 고가로 된다.
또한, 상기 고로슬래그 미분말은 급랭시켜 유리화한 것이기 때문에 반응성이 높다. 이에, 상기 고로슬래그 미분말은 염기도가 1.7~2.0인 것을 사용하는 것이 바람직하며, 화학적 조성은 SiO2 30~40중량%, Al2O3 10~20중량%, CaO 40~50중량%, MgO 1~10중량%를 포함하는 것이 바람직하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에서 상기 고로슬래그 미분말은 전체 조성물 중량에 대하여 20~40중량%일 수 있다. 만약 고로슬래그 미분말의 함량이 20중량% 이하인 경우 압축강도가 저하될 수 있고, 40중량%를 초과하는 경우 초기 반응 및 응결 시간이 지연되는 등 초기 강도 확보에 어려움이 있으며 경제성이 낮아지게 되고, 타 재료의 사용량이 상대적으로 줄어들게 되므로 전체적인 조화가 무너지게 된다.
다음으로, 상기 플라이 애쉬는 열병합 발전소 및 화력 발전소에서 연료소각시 발생되는 부산물로서, 포졸란 물질로 사용된다. 포졸란 물질은 자체로는 수경성이 없지만 수화반응에 의해 생성된 수산화칼슘(Ca(OH)2)과 플라이 애쉬에 포함된 이산화규소(SiO2)가 반응하여 수화물을 생성하며, 이렇게 하여 생긴 에트링자이트(ettringite, C6AS3H32)라 불리우는 규산칼슘수화물(3CaOAl2O33CaSO43H2O)은 경화체의 조직을 보다 치밀하게 만들어 준다.
본 발명에서 상기 플라이 애쉬는 전체 조성물 중량에 대하여 10~20중량%가 혼합될 수 있다. 만약, 상기 플라이 애쉬가 10중량% 미만으로 혼합되면 에트링자이트 생성이 부족하여 재령 1일째 압축강도가 기대치를 충족하지 못하게 되고, 고로슬래그의 알칼리 활성반응을 충분히 촉진시키지 못하여 장기 재령시 압축강도가 충분히 발현되지 못하는 문제점이 발생될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따라 상기 플라이 애쉬는 열병합발전소 및 화력발전소의 연료소각시 발생되고 이산화규소(SiO2)와 산화알루미늄(Al2O3) 및 산화제이철(Fe2O3)을 합한 함량이 70중량% 이상인 F급 플라이 애쉬 5~10중량%와, 제철소의 소결공정에서 발생되고 산화칼슘(CaO)의 함량이 20중량% 이상인 C급 플라이 애쉬 5~10중량%가 혼합된 것일 수 있다. 여기에서, 만약 상기 F급 플라이 애쉬가 5중량% 미만인 경우에는 탈황부산물과 함께 초기수화반응을 유도할 수 없다는 문제가 있고, 10중량%를 초과하면 팽창효과가 크고 단위수량이 증대 된다는 문제가 발생한다. 또한, 상기 C급 플라이 애쉬가 5중량% 미만인 경우에는 초기강도 조절이 어렵다는 문제가 있고, 10중량%를 초과하면 응결지연 현상이 발생된다는 문제가 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따라 상기 플라이 애쉬는 미분쇄된 것을 사용하는 것이 좋다. 미분쇄된 플라이 애쉬는 미분쇄되지 않은 플라이 애쉬보다 우수한 수화활성 향상효과를 제공하여 고강도성이 나타나게 되며, 볼베어링 효과에 의해 뛰어난 유동성을 제공한다. 일 실시예에 따라 상기 플라이 애쉬는 버티컬 롤러밀, 볼밀 또는 진동밀 등을 사용하여 분쇄된 것일 수 있으며, 비표면적이 3,000~6,000㎠/g이고, 밀도가 1.5 내지 2.8g/㎤인 것을 사용할 수 있다.
다음으로, 하기의 표 1은 전로슬래그 더스트의 화학성분(중량%)을 나타내는 표이고, 표 2는 전로슬래그 더스트의 중금속 용출실험 결과이다.
| 산화칼슘 (CaO) |
이산화규소 (SiO2) |
산화제2철 (Fe2O3) |
삼산화황 (SO3) |
산화알루미늄(Al2O3) | 산화마그네슘(MgO) | 산화망간(MnO) |
| 60.7 | 16.4 | 12.2 | 5.1 | 2.6 | 2.1 | 0.5 |
| 납 | 구리 | 비소 | 수은 | 카드뮴 | 6가크롬 | 시안 |
| 불검출 | 불검출 | 불검출 | 불검출 | 불검출 | 불검출 | 불검출 |
전로슬래그 더스트는 제강 전로슬래그 파쇄시 전기집진에 의해 발생하는 초미립 형태의 분진으로서, 표 1과 같이 다량의 산화칼슘을 함유하고 있어 수화반응으로 인한 체적팽창을 유도할 수 있고, 수화반응시 발생되는 수화열에 의한 자체건조가 가능하다.
또한, 전로슬래그 더스트의 평균 입경은 5~10㎛로 초미립자의 형태로서 침투성이 우수하여 초미립자 지반주입재로서의 고침투 특성이 있어서, 유리석회(free CaO) 성분을 다량 함유함에 따라 비정질물질의 자극제로서 사용할 수 있다.
이러한 특징을 갖는 전로슬래그 더스트는 전체 조성물 중량에 대하여 10~25중량%인 것이 바람직하다. 전로슬래그 더스트는 분말도가 측정이 안될 정도로 미립자로써, 재료로 사용될 경우 물과 접촉하는 표면적이 넓어 물을 상당히 흡수하여 자연함수비가 높은 곳(뻘, 점토등)에 가수를 하지 않고 분말로 사용 시 물을 흡수하는 용도로 사용되면 상당한 효과를 볼 수 있으나, 시멘트밀크액으로 사용 될 경우 물시멘트비가 높아야 교반이 되므로 강도발현에 좋지 않은 영향이 미칠 수 있다
리튬(Lithium)은 알칼리 금속에 속하는 화학 원소로, 기호는 Li이고 원자 번호는 3이다. 상기 리튬은 하이브리드 및 전기자동차, 휴대폰, 노트북PC와 같은 이동용 전자기기에 사용되는 이차전지 원료, 차세대 핵융합 발전원료 등으로 사용될 수 있는 전략적인 금속자원으로서, 향후 차세대 핵융합 발전의 연료로도 활용 가능하여 국가가 전략적으로 관리하는 금속자원이다.
특히, 배터리 산업의 핵심원료인 수산화리튬(LiOH)은 산소와의 반응성이 큰 리튬(Li) 이온을 산화물 형태로 바꾼 것으로, 탄산리튬(Li2CO3)과 함께 이차전치 양극재용 활물질로 사용되고 있으며, 탄산리튬이 노트북과 휴대폰용 배터리에 사용되는 반면, 수산화리튬은 고용량 전기차 배터리용으로 사용되고 있다.
이러한 리튬은 리튬 광석 내 약 2~3% 정도 함유되어 있어, 리튬 추출 후 상당량의 맥석(脈石)이 남게 된다. 국내 모 기업은 연간 31만 5천ton의 리튬 광석을 확보하였고, 해당 연료를 이용해 연간 4만 3천ton 규모의 수산화리튬을 생산할 수 있다고 발표한 바 있다. 이는 배터리 물량으로 환산하였을 때 전치가 100만대를 생산할 수 있는 규모이다. 전기차 시장의 성장에 따라 리튬 정광(精鑛)으로부터 리튬을 추출하는 기술은 국내,외에서 활성화 되어 활발하게 개발 중이다.
한편, 전술한 사례와 같이 연간 31만 5천ton의 리튬 광석으로부터 연간 4만 3천ton의 수산화리튬이 생산되면 약 27만ton의 리튬 부산물이 발생되는데, 이러한 리튬 부산물을 재활용할 수 있는 기술(사례)은 미흡한 실정이다.
특히, 이산화탄소 순 배출량 0을 목표로 하는 '파리협정', 그리고 기업이 사용하는 전력 100%를 재생에너지로 충당하겠다는 'RE100 캠페인' 등 기후변화를 위한 국제적인 트렌드에 따라 기존에 사용하던 산업 부산물의 발생량이 감소할 예정으로 방안이 필요한 상황에서 전기차 시장의 성장 과정에서 다량으로 발생되는 리튬 부산물을 기존 산업 부산물의 대체제로 활용할 경우 제조단가를 대폭 절감하면서 산업 부산물의 폐기 비용을 줄일 수 있으므로, 경제적이며 친환경적이라 할 수 있을 것이다.
본 발명에서 리튬이 함유된 광석은 휘석군에 속하는 스포듀민(spodumene, Li2O Al2O3 4SiO2, LiAl2Si2O6) 또는 운모군에 속하는 레피돌라이트(lepidolite, KLiAl(OH,F)2Al(SiO4)3), 페탈라이트(petalite, LiAl(Si2O5)2로 이루어진 군에서 선택되는 하나일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따라 리튬을 회수하는 공정은 도 3과 같이 상기 리튬이 함유된 광석을 열처리하는 제1공정과, 상기 열처리된 광석을 분쇄하는 제2공정과, 상기 분쇄된 광석에 함유된 리튬 성분을 황산리튬으로 석출하는 제3공정과, 상기 황산리튬을 물에 침출시키는 제4공정과, 고액 분리에 의해 소정의 수분을 함유하는 분말 형태의 리튬 부산물을 선별하는 제5공정과, 상기 분말 형태의 리튬 부산물을 건조시키는 제6공정을 통해 취득될 수 있다.
예를 들어, 리튬이 함유된 스포듀민(spodumene, LiAlSi2O6)에 함유된 치밀한 형태의 α상으로 존재하는 리튬을 β상으로 전이시키는 열처리 및 분쇄 공정 후, 황산 배소 공정에 의해 광석의 Li+ 이온자리에 황산으로부터 해리된 H+이온으로 이온교환 되고, 이온 교환된 Li+이온이 해리된 SO4 2- 이온과 결합하고, 석출반응이 진행되어 황산리튬(Li2SO4)으로 석출될 수 있다. 이후, 수침출 공정에서 수용성인 석출 황산리튬은 물에 침출되는 반면, 스포듀민의 나머지 구성성분인 Al2O3와 SiO2는 알루미노실리케이트(Al2O3 4SiO2, AlSi2O6)의 고체 화합물 형태로 잔류하게 되며, 잔류된 고체 화합물을 분말 형태의 리튬 부산물로 선별할 수 있다. 여기에서, 상기 알루미노실리케이트(Al2O3 4SiO2, AlSi2O6)는 리튬 부산물 100중량%에 대하여 80중량% 이상 포함되는 것이 바람직하다. 상기 알루미노실리케이트 화합물은 잠재 수경성을 발현시키는 물질로서, 함량이 너무 적으면 잠재 수경성 발현이 어렵고, 적절한 강도를 확보할 수 없다.
한편, 상기 잔류된 리튬 분말은 소정의 수분을 함유하기 때문에 별도 건조 공정을 거치게 되는데, 상기 건조 공정은 도 4에 도시된 건조실 내부에서 실시될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 고액 분리에 의해 소정의 수분을 함유하는 리튬 분말의 건조를 위한 건조실을 도시한 개략적인 예시도로서, 상기 건조실(100)은 피건조물, 즉 소정의 수분이 함유된 상기 리튬 분말이 수용되며 밀폐 또는 일부 개방된 공간으로서, 벽체와 천장이 광투과성 재질(예를 들어 유리)로 이루어져, 태양광이 원활하게 투과될 수 있고, 보온성을 확보하여 건조실 내부의 열이 외부로 방출되는 양이 최소화되도록 할 수 있다.
상기 건조실(100)의 형상은 다양하게 이루어질 수 있으나, 다량의 피건조물이 후술할 이송컨베이어를 따라 이동하는 동안 건조실 내부에서 보다 장시간 체류하면서 태양광에 조사되는 시간을 확보할 수 있도록 소정 폭과 길이를 갖는 대략 직육면체의 형상으로 이루어질 수 있다.
상기 이송컨베이어(110)는 상기 건조실의 천장 상부에 길이방향을 따라 설치되어 일측에서 타측으로 피건조물을 이송하는 장치로서, 컨베이어벨트, 체인 등 통상의 형태로 이루어질 수 있으며, 상기 건조실의 내부에서 허용 가능한 범위 내에서 충분한 폭을 갖을 수 있다. 도면에는 도시하지 않았으나, 상기 이송컨베이어(110)는 필요에 따라 상하로 복수개의 단으로 마련될 수 있으며, 이 경우 상부의 이송컨베이어를 따라 이송된 피건조물은 그 하부의 이송컨베이어로 투입 가능하게 구성되어, 건조실 내부에서 피건조물이 보다 길게 체류하도록 하여 건조 효율을 증대시킬 수도 있을 것이다.
또한, 상기 건조실의 내부 또는 외부의 일측에는 수분이 함유된 리튬 분말이 저장되는 제1저장호퍼(120)가 마련되고, 상기 제1저장호퍼의 일측에는 내부의 리튬 분말을 상기 건조실의 이송컨베이어로 투입시키기 위한 투입라인(130)이 마련되며, 상기 건조실의 내부 또는 외부의 타측에는 건조된 리튬 분말의 배출을 위한 배출라인(140) 및 배출라인에 의해 배출되는 건조된 리튬 분말이 저장되는 제2저장호퍼(150)가 마련된다. 또한, 상기 제1저장호퍼와 제2저장호퍼를 상호 연통되게 연결하는 순환라인(미도시)이 구비되어, 제2저장호퍼의 피건조물이 기준치보다 높게 수분을 함유하는 경우 제1저장호퍼로 재투입하여 추가적으로 피건조물의 건조가 이루어지도록 할 수도 있다.
또한, 상기 건조실(100)의 외부에는 건조실 측으로 태양광을 반사시키기 위한 반사수단(미도시)이 더 설치될 수도 있다. 예를 들어 건조실의 측면에 반사효율이 우수한 재질(예를 들어 유리, 금속 등)의 반사수단이 설치되어, 건조실의 측면으로 태양광이 반사되도록 함으로써 음영지역을 최소화하면서 건조효율을 확보할 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 피건조물을 건조시키는 공정시 전기에너지의 사용을 최소화하면서 자연에너지를 활용함으로써 탄소발생을 줄일 수 있고 건조 비용을 줄일 수 있으므로, 환경 친화적이며 경제성이 우수하다.
이러한 건조 공정을 통한 리튬 부산물은 수분 함량이 3% 이하일 수 있으며, 전체 조성물 중량에 대하여 1~15중량%가 혼합될 수 있다. 전술한 바와 같이 리튬 부산물은 전기차 시장의 성장에 따라 다량으로 발생되는 산업 부산물로서 기존의 산업 부산물을 대체할 수 있는 대체제인 바 상대적으로 수급이 어려울 수 있는 타 산업 부산물의 사용량을 줄일 수 있도록 기준치 범위 내에서 다량으로 혼합될 수 있다.
다음으로, 상기 조강시멘트 볼밀링에 의해 평균 분말도 5,000~5,500 ㎠/g으로 가공되고, 입경 10㎛ 이하의 고미분말이 5~10wt% 함유된 시멘트일 수 있다. 버티컬 밀링의 경우 시멘트 입자를 평균 분말도 5,000~5,500㎠/g이 되도록 분쇄하더라도 분말의 입형은 세장비가 대체적으로 높게 나타나며, 그러한 입형은 수화반응 및 유동성에 불리하게 작용하므로, 볼밀링 방식으로 가공하는 것이 바람직하다. 또한, 볼밀링 시 버티컬 밀링에 비해 분말의 입도 분포가 넓게 나타나 평균 분말도가 동일한 수준이더라도 입경 10㎛ 이하의 고미분말 수득율을 높일 수 있다. 이에 따라 본 발명에서는 상기 입경 10㎛ 이하의 고미분말이 상기 조강시멘트의 5~15중량% 함유되도록 하여, 상기 고미분말이 조강성 발현을 위한 씨드(seed) 역할을 수행토록 하는 것이 바람직하다.
상기 기능성 첨가제는 연약지반을 보강하기 위해 형성된 구조체의 강도를 향상시키고, 토양(지반)의 오염을 방지하기 위해 혼합될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따라 상기 기능성 첨가제는 알루미늄 제강공정에서 발생되는 부산물을 통해 제조될 수 있으며, 여기에서, 알루미늄 제강공정은 전기로슬래그 장입단계와, 가열단계와, 제강슬래그 장입단계와, 생석회 장입단계와, 알루미늄 장입단계를 포함하는 공정일 수 있다.
먼저, 상기 전기로슬래그 장입단계는 전기로슬래그가 용융상태로 장입공간에 장입되는 단계로서, 장입 충격에 의해 내화물이 파손되는 것을 방지할 수 있도록 용융상태로 장입될 수 있다.
다음으로, 상기 가열단계는 전기로슬래그의 장입이 완료된 후 전류를 인가하여 전기로슬래그를 가열하는 단계로서, 전기로슬래그는 1400~1500℃로 가열될 수 있다. 이는 후술할 제강슬래그(SC)의 용융온도가 약 1350℃이기 때문이다.
다음으로, 제강슬래그 장입단계는 전기로슬래그의 온도가 목표 가열온도에 도달하면 장입공간으로 제강슬래그가 장입되는 단계로서, 상기 제강슬래그는 연속주조공정에서 회수된 연속주조슬래그일 수 있다.
다음으로, 상기 생석회 장입단계와 알루미늄 장입단계는 제강슬래그의 장입이 완료된 후 장입공간에 생석회(CaO) 및 알루미늄이 각각 장입되는 단계로서, 생석회 장입단계와 알루미늄 장입단계를 통해 본 발명에 따른 기능성 첨가제의 산화칼슘(CaO)과, 산화알루미늄(Al2O3)의 함량이 증가할 수 있다.
이와 같이 전기로슬래그 장입단계와, 가열단계와, 제강슬래그 장입단계와, 생석회 장입단계와, 알루미늄 장입단계를 거친 다음 소정의 반응시간이 경과하면 장입공간 내의 용융물이 외부로 출탕되는데, 이와 같이 출탕된 용융물이 공기와 반응하여 굳으면 이를 분말 형태로 제조한 것이 본 발명에 따른 기능성 첨가제이다.
하기의 표 3은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 기능성 첨가제의 화학성분(단위: 중량%)을 나타내는 표이다.
| CaO | SO3 | Al2O3 | MgO | SiO2 | Fe2O3 | SrO |
| 54.16 | 32.09 | 13.22 | 0.273 | 0.17 | 0.0628 | 0.0242 |
종래 기술에 따른 심층혼합공법에서 사용되던 고화제는 강알칼리의 성질을 띄었는데, 이러한 강알칼리성의 고화제는 중금속이 용출되는 문제점이 수반되고, 토양 오염의 원인이 될 수 있다. 이러한 문제점을 방지하기 위하여 본 발명은 강알칼리성의 고화제에 상기의 화학성분을 갖는 기능성 첨가제가 혼합되면서 pH저감효과를 제공하여 해양의 오염을 방지할 수 있다.
또한, 상기 고로슬래그 미분말, 플라이 애쉬, 전로슬래그 더스트, 리튬 부산물이 기능성 첨가제와 혼합되는 과정에서 중화열이 발생하게 되는데, 이 중화열이 식으면서 탈수반응을 일으켜 초기 반응속도가 증가하므로 초기 경화시간이 현저히 단축되면서 구조체의 강도가 증진되게 된다.
이러한 작용효과를 갖는 상기 기능성 첨가제는 전체 조성물 중량에 대하여 5~20중량%가 혼합될 수 있다. 만약, 상기 기능성 첨가제가 5중량% 미만으로 혼합되면 성분 함량 미달로 인해 구조체의 휨강도 향상효과, pH저감효과, 초기 반응속도 증가에 의한 경화시간 단축효과 등 전술한 다양한 작용효과를 기대할 수 없으며, 20중량%를 초과하면 고화제의 산성이 강해지면서 물성이 짙어지는 현상이 발생하여 구조체의 경화가 현저히 저하되고, 이로 인해 강도가 저하되는 문제점이 있을 수 있으므로 바람직하지 않다.
다음으로, 상기 자극제는 황산염 자극 및 포졸란 반응을 유도하여 다량의 수화생성물을 생성시켜 치밀한 구조의 경화체가 되도록 하는 것으로, 물유리, 수산화칼륨, 수산화칼슘, 수산화마그네슘, 수산화나트륨, 수산화알루미늄 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물일 수 있다. 이러한 자극제는 전체 조성물 중량에 대하여 1~5중량%가 혼합되는데, 1중량% 미만으로 혼합되면 소량이어서 자극제로서의 역할을 수행할 수 없고, 5중량%를 초과할 경우 급속한 초기반응으로 작업성이 저하되는 문제점이 발생될 수 있다.
실시예 1.
제철소의 선철 제조시 발생되는 고로슬래그 미분말 40중량%와, 열병합발전소 및 화력발전소의 연료소각시 발생되며 이산화규소(SiO2)와 산화알루미늄(Al2O3) 및 산화제이철(Fe2O3)을 합한 함량이 70% 이상인 플라이 애쉬 13중량%와, 제강 전로슬래그 파쇄시 전기집진에 의해 발생되며 산화칼슘을 함유하고 평균 입경이 5~10㎛인 전로슬래그 더스트 20중량%와, 리튬이 함유된 광석으로부터 리튬을 회수하는 공정에서 발생되는 리튬 부산물 2중량%와, 조강시멘트 10중량%와, 기능성 첨가제 12중량%와, 자극제로서 수산화칼륨(KOH) 3중량%를 혼합하여 본 발명의 일실시예에 따른 고화제를 조성하였다.
다음으로, 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 상기 고화제는 물시멘트비(W/C)가 중량비로 50~70%로 배합되어 타설되는 것이 바람직하다.
상기 고화제는 조기강도를 확보하는 것도 중요하지만, 현장 타설에 있어서 급결은 작업성의 저하로 이어질 수 있고, 압송부하로 인한 펌핑 장비의 파손을 초래할 수 있으므로 적절한 조성관계를 갖도록 하는 것이 우선적으로 고려되어야 한다.
만약, 물/시멘트비가 중량비로 50% 미만으로 배합되면 급결과 재료의 혼합이 어려운 단점이 있고, 70% 이상으로 배합되어 주입되면 상대적으로 물의 양이 많아지면서 조기강도의 발현이 지체되는 문제점이 발생될 수 있다.
따라서, 상기 고화제는 물시멘트비(W/C)가 중량비로 50~70%로 배합되어 타설되는 것이 좋다.
다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따라 상기 믹싱단계에서 페녹시에탄올이 고화제와 함께 주입될 수 있다.
하기의 화학식 1의 페녹시에탄올(phenoxyethanol)은 무색의 점성 액체로서, 1가 알코올로 분류되며, 분쇄능의 향상효과를 위해 첨가된다.
상기 페녹시에탄올은 고로슬래그와 원활한 혼합이 이루어지도록 잔골재 형태의 고로슬래그를 미분말 형태로 분쇄하는 과정에서 첨가되어 혼합될 수 있으며, 우수한 압축강도를 확보하여 시공성을 향상시킬 수 있도록 10~30분간 분쇄하는 것이 바람직하다.
더욱 바람직하게는, 고로슬래그의 분쇄 시작단계에서 페녹시에탄올이 첨가되어 혼합, 교반되는 시간이 충분히 확보되도록 하는 것이 좋다.
또한, 상기 페녹시에탄올은 혼합시 분쇄효율 향상효과를 위하여 밀도는 1,100kg/㎥이며 분자량은 138.1638g/㏖인 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 페녹시에탄올은 고화제 100중량부에 대하여 0.003 내지 10 중량부가 첨가되는 것이 바람직하다. 만약, 상기 페녹시에탄올이 0.003중량부 미만으로 첨가되면 함량미달로 인해 분쇄촉진효과를 충분히 발휘할 수 없고 초기강도가 저하될 수 있으며, 10중량부를 초과하면 분쇄촉진의 향상 효과가 높지 않아 비효율적, 비경제적일 수 있으며, 분말의 응집현상이 발생하여 분쇄성능 저하의 문제점이 발생될 수 있으므로 바람직하지 않다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따라 상기 믹싱단계에서 페녹시에탄올과 이소프로필아민이 합성된 고분자가 고화제와 함께 주입될 수 있다.
하기의 화학식 2의 이소프로필아민은 약염기이며, 암모니아 냄새가 나는 투명한 무색 액체이다.
상기 이소프로필아민은 고로슬래그 유리질 피막의 형성 자체를 억제하며, 반응속도를 늦추고, 기형성된 피막에 결합하여 워터채널을 형성하는 작용을 통해 압축강도를 향상시키며, 치밀화된 조직을 형성하여 내구성을 향상시키는 효과를 제공한다.
한편, 상기 이소프로필아민은 공기 중에 폭발 위험이 있으므로, 상기 고분자는 상기 페녹시에탄올과 이소프로필아민이 9~9.9:0.1~1의 몰비로 20~50℃에서 산촉매를 통해 합성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 고분자는 상기 고화제 100중량부에 대하여 0.002~9중량부가 첨가될 수 있다. 만약, 상기 고분자의 함량이 0.002중량부 미만인 경우 함량 미달로 인해 압축강도 향상효과를 기대할 수 없으며, 응결지연에 따라 시공성 이 저하될 수 있고, 이로 인해 공기가 늘어나는 문제점이 발생될 수 있다. 또한, 9중량부를 초과하게 되면 초기균열 발생, 장기강도 저하 등의 문제점이 발생될 수 있으므로 바람직하지 않다.
실시예 2.
실시예 1의 고화제 100중량부에 대하여 페녹시에탄올 5중량부를 첨가한 후 30분간 혼합, 분쇄하였다.
실시예 3.
페녹시에탄올과 이소프로필아민이 6:4의 몰비로 30℃에서 산촉매를 통해 합성된 고분자를 조성하였다. 이후, 실시예 1의 고화제 100중량부에 대하여 상기 고분자 3중량부를 첨가하였다.
다음으로, 도 5 및 6은 본 발명의 실시예에 따른 굴착장비(300)를 도시한 개략적인 예시도이고, 도 7은 상기 굴착장비를 통해 연약지반에 시공되는 구조체를 도시한 개략적인 예시도이다.
본 발명의 실시예에 따른 굴착장비(300)는 상기 고화제가 주입할 때 필요 이상으로 주입되는 것을 방지하기 위한 장비로서, 주입관(310), 상기 주입관과 직교 방향으로 배치되는 굴착부(320) 및 교반부(330), 상기 주입관의 상부 일측에 구비되는 깊이감지부(340)를 포함할 수 있다.
먼저, 상기 주입관(310)은 구동부(미도시)의 작동에 의해 회전되며, 지중에 수직으로 삽입되는 소정 길이의 관체로서, 본 실시예의 주입관(310)를 중장비의 구동부에 연결되도록 설치하여 지면으로부터 지중으로 천공홀부를 성형하고, 주입관(310)를 통해 상기 고화제를 주입하여 연약지반 내부에 구조체를 형성한다.
상기 굴착부(320)는 복수개의 비트부재(324)가 마련되어 지면을 굴착하는 것으로, 상기 주입관(310)을 따라 상하 다단으로 복수개로 배치되되 굴착작업 전에 측정되는 연약지반의 연약층(210)과 지지층(200) 사이의 경계를 중심으로 연약층에 상대적으로 큰 천공홀부를 시공하도록 하부로부터 상부로 갈수록 길게(크게) 형성되며, 상기 굴착부(320) 중에 상대적으로 큰 굴착부(320)가 지지층(200)으로 삽입되지 않도록 깊이감지부(340)를 확인하면서 주입관(310)이 삽입되는 깊이를 조절하여 천공작업을 진행하게 된다.
본 발명의 일실시예에 따라 상기 굴착부(320)는 주입관(310)의 하단부에 구비되고 비트부재(324)가 설치되는 제1굴착대(321)와, 상기 주입관에서 제1굴착대의 상측으로 배치되고 비트부재(324)가 설치되며 제1굴착대보다 긴 길이를 갖는 제2굴착대(322)와, 상기 주입관에서 제2굴착대의 상측으로 배치되고 비트부재(324)가 설치되며 제2굴착대보다 긴 길이를 갖는 제3굴착대(323)를 포함할 수 있다.
상기 교반부(330)는 상기 주입관(310)과 직교 방향으로 배치되며, 상기 주입관(310)에 상하 다단으로 배치되되 굴착부(320)보다 높게 배치되어 상기 굴착부에 의해 분쇄되는 지반을 교반시키면서 고화제와 분쇄된 지반을 혼합시키는 기능을 제공한다.
본 발명의 일실시예에 따라 상기 교반부(330)는 상기 주입관(310)에 설치된 제1굴착대(321)와 제2굴착대(322)의 사이에 설치되며 상기 제1굴착대(321)에 의해 분쇄되는 지반 및 상기 주입관(310)에서 토출되는 고화제를 혼합시키는 제1교반대(331)와, 상기 주입관(310)에 설치된 제2굴착대(322)와 제3굴착대(323) 사이에 설치되며 상기 제2굴착대(322)에 의해 분쇄되는 지반 및 상기 주입관(310)에서 토출되는 고화제를 혼합시키는 제2교반대(332)와, 상기 주입관(310)에 설치된 제3굴착대의 상측에 설치되며 상기 제3굴착대(323)에 의해 분쇄되는 지반 및 상기 주입관(310)에서 토출되는 고화제를 혼합시키는 제3교반대(333)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따라, 지반검사를 통해 지지층(200), 연약층(210), 초연약층(220) 등으로 지반 내부의 구조를 확인하여 제1굴착대(321) 내지 제3굴착대(323)와, 제1교반대(331) 내지 제3교반대(333)를 주입관(310)에 설치하고, 천공작업을 진행하여 도 7과 같이 지지층(200), 연약층(210) 및 초연약층(220)에 단계적으로 지름이 큰 천공홀부를 시공할 수 있다. 물론, 지반 내부의 구조가 연약층과 지지층으로만 구성되는 경우 제3굴착대(323) 및 제3교반대(333)의 설치를 생략할 수도 있다.
한편, 상기 굴착부(320) 및 교반부(330)를 설치할 때에는 지지층(200), 연약층(210) 및 초연약층(220)이 각각 시작되는 깊이를 측정하여 주입관(310)에 제1굴착대(321) 내지 제3굴착대(323)의 위치와, 제1교반대(331) 내지 제3교반대(333)의 위치를 결정하여 설치하게 되는데, 이때, 작업자가 주입관(310)를 필요 이상으로 삽입시키는 오작업을 방지할 수 있도록 본 발명에 따른 굴착장비(300)는 상기 주입관의 상부 일측에 깊이감지부(340)가 설치될 수 있다.
상기 깊이감지부(340)는 상기 주입관(310)이 지중으로 삽입될 때 삽입되는 깊이를 육안으로 확인하여 상기 복수개의 굴착부 중에서 상대적으로 긴 굴착부가 지지층으로 삽입되는 것을 방지하기 위한 것으로, 상기 주입관에 구비되는 복수 개의 결합홈부(312) 중 어느 하나에 안착되는 제1결합링(341)과, 상기 주입관에 고정되도록 상기 제1결합링과 결합되는 제2결합링(342)과, 상기 제1결합링 및 상기 제2결합링으로부터 돌출되는 표시바(343)를 포함할 수 있다.
여기에서, 상기 표시바(343)는 굴착작업이 시작되기 전에 위치를 결정하여 설치하되, 상기 표시바가 설치되는 위치는 연약층의 깊이와 지지층에 형성되는 천공홀의 깊이를 합하여 삽입 깊이를 결정하여 상기 주입관의 하단으로부터 삽입 깊이만큼 상측으로 이동한 위치인 것이 바람직하다.
이에 따라, 작업자가 상기 주입관(310)를 지면으로부터 지중으로 삽입시키는 천공작업이 개시된 후에 상기 표시바(343)가 지면까지 하강하여 지중으로 삽입되기 직전에 천공작업을 중단하고, 상기 주입관(310)를 통해 고화제를 주입한다. 이때, 상기 주입관(310)로부터 토출되는 고화제는 상기 교반부(330)에 의해 분쇄된 토양과 혼합되면서 경화되어 구조체로 형성된다.
또한, 본 발명의 실시예에 따라 상기 깊이감지부(340)는 상기 표시바(343)가 지중으로 삽입될 때에 표시바(343)와 지면이 간섭되는 것을 방지하는 간섭방지부(350)를 더 포함할 수 있으며, 주입관(310)이 지중으로 삽입되거나 지면으로 인출될 때 표시바(343)가 변형되거나 파손되는 것을 방지할 수 있다.
도 6을 참조하면, 상기 간섭방지부(350)는 상기 표시바(343)의 중앙부에 설치되는 힌지축(351)과, 상기 힌지축(351)에 설치되고 표시바(343)를 일측 방향으로 회전시키도록 탄성력을 제공하는 탄성부재(352)를 포함할 수 있다.
여기에서, 상기 표시바(343)는, 2개 이상 복수 개의 바가 회전 가능하게 연결되어 이루어지고, 복수 개의 바를 회전가능하게 연결하는 연결부위에 힌지축(351)이 설치되며, 각각의 힌지축(351)에 토션스프링으로 이루어지는 탄성부재(352)가 설치되어 외측 단부에 설치되는 바를 하측, 상측 또는 상하측으로 회전시키는 탄성력을 제공하게 된다.
또한, 상기 제1결합링(341)과 제2결합링(342)의 양단부에는 측 방향으로 돌출되는 연장부위가 형성되고, 서로 대향되게 배치되는 연장부위의 하단에는 표시바(343)의 회전운동을 제한하는 스토퍼가 형성되고, 표시바(343)의 외벽에는 토션스프링의 단부가 지지되는 걸림돌기(343a)가 형성되므로 토션스프링의 양단부는 걸림돌기(343a)와 스토퍼에 의해 지지되면서 표시바(343)를 스토퍼 방향으로 회전시키는 탄성력을 제공하게 된다.
따라서, 주입관(310)이 지중으로 삽입될 때에 천공홀의 입구와 표시바(343)가 간섭될 때에 토션스프링이 압축되면서 표시바(343)가 역방향으로 회전되므로 표시바(343)가 상측으로 회전되면서 천공홀부와 간섭되는 것을 방지할 수 있게 된다.
이후에, 천공작업이 완료되어 주입관(310)을 지면 외측으로 배출시키면 탄성부재(352)의 복원력에 의해 표시바(343)가 원상태로 복귀된다.
본 발명은 상기 관입단계에서 전술한 굴착장비(300)가 관입되어, 천공홀부를 시공할 때 연약층에 지지층 대비 상대적으로 지름이 큰 구근을 시공함으로써 고화제가 필요 이상으로 지지층에 주입되는 것을 방지할 수 있으며, 이와 같이 적정량의 고화제만을 주입함으로써 부상토의 발생량을 줄일 수 있으므로 환경, 특히 해양의 오염을 방지할 수 있다.
상기와 같은 본 발명에 따른 심층혼합공법은 산업단지 내에서 발생되는 다량의 무기계 산업 부산물을 고화제의 원료로 재활용함으로써 자원 순환형 재활용화 체계 구축에 이바지할 수 있으며, 제조단가 및 발생 부산물의 폐기비용을 대폭 절감할 수 있으므로 경제성이 매우 우수하고, 적정 물/시멘트비로 고화제를 주입함으로써 부상토의 발생량을 줄일 수 있어 환경 친화적인 것으로, 당업자로서는 본 발명의 사상 및 범주를 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명의 설명을 고려하여 충분히 변경, 변환, 치환 및 대체할 수 있을 것이고, 상술한 실시예에만 한정되지는 않는다.
100 : 건조실
110 : 이송컨베이어
120 : 제1저장호퍼
130 : 투입라인
140 : 배출라인
150 : 제2저장호퍼
200 : 지지층
210 : 연약층
220 : 초연약층
300 : 굴착장비
310 : 주입관
320 : 굴착부
330 : 교반부
340 : 깊이감지부
350 : 간섭방지부
110 : 이송컨베이어
120 : 제1저장호퍼
130 : 투입라인
140 : 배출라인
150 : 제2저장호퍼
200 : 지지층
210 : 연약층
220 : 초연약층
300 : 굴착장비
310 : 주입관
320 : 굴착부
330 : 교반부
340 : 깊이감지부
350 : 간섭방지부
Claims (6)
- 굴착장비를 설계심도까지 지중에 관입하는 관입단계와, 상기 굴착장비를 다시 인발하는 인발단계와, 상기 관입단계 또는 인발단계 중 적어도 하나의 단계에서 고화제를 주입하여 굴착된 지반의 토양과 혼합하는 믹싱단계와, 상기 믹싱단계에서 주입 및 혼합된 상기 고화제가 경화되면서 연약지반을 보강하는 구조체가 형성되는 양생단계를 포함하는 심층혼합공법에 있어서,
상기 믹싱단계에서 주입되는 고화제는 제철소의 선철 제조시 발생되는 고로슬래그 미분말 20~40중량%와, 열병합발전소 및 화력발전소의 연료소각시 발생되며 이산화규소(SiO2)와 산화알루미늄(Al2O3) 및 산화제이철(Fe2O3)을 합한 함량이 70% 이상인 플라이 애쉬 10~20중량%와, 제강 전로슬래그 파쇄시 전기집진에 의해 발생되며 산화칼슘을 함유하고 평균 입경이 5~10㎛인 전로슬래그 더스트 10~25중량%와, 리튬이 함유된 광석으로부터 리튬을 회수하는 공정에서 발생되는 리튬 부산물 1~15중량%와, 조강시멘트 5~15중량%와, 강도를 향상시키며 pH를 저감시키는 기능성 첨가제 5~20중량%와, 황산염 자극 및 포졸란 반응을 유도하여 다량의 수화생성물을 생성시켜 치밀한 구조의 경화체가 되도록 하는 자극제 1~5중량%를 포함하되,
단위 개량면적당 부상토의 발생량을 줄일 수 있고, 급결에 의해 작업성이 저하되거나 조기강도의 발현이 지체되는 것을 방지할 수 있도록 물시멘트비(W/C)가 중량비로 50~70%로 배합되어 주입되며,
상기 조강시멘트는 볼밀링에 의해 평균 분말도 5,000~5,500 ㎠/g으로 가공되고, 입경 10㎛ 이하의 고미분말이 5~10wt% 함유된 시멘트이고,
상기 기능성 첨가제는 알루미늄 제강공정에서 발생되는 부산물로 제조되는 것으로서, 전기로슬래그 장입단계와, 가열단계와, 제강슬래그 장입단계와, 생석회 장입단계와, 알루미늄 장입단계를 거친 다음 소정의 반응시간이 경과하면 장입공간 내의 용융물이 외부로 출탕되고, 출탕된 용융물이 공기와 반응하여 굳으면 이를 분말 형태로 제조한 것이며,
상기 자극제는 물유리, 수산화칼륨, 수산화칼슘, 수산화마그네슘, 수산화나트륨, 수산화알루미늄으로 이루어진 군 중에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물이고,
상기 리튬 부산물은 상기 리튬이 함유된 광석을 열처리하는 제1공정과, 상기 열처리된 리튬 광석을 분쇄하는 제2공정과, 상기 분쇄된 리튬 광석에 함유된 리튬 성분을 황산리튬으로 석출하는 제3공정과, 상기 황산리튬을 물에 침출시키는 제4공정과, 고액 분리에 의해 소정의 수분을 함유하는 분말 형태의 리튬 부산물을 선별하는 제5공정과, 상기 분말 형태의 리튬 부산물을 건조시키는 제6공정을 통해 취득되되,
상기 제6공정은 광투과성 재질로 이루어지며 소정 길이를 갖는 건조실의 천장 상부에 길이방향을 따라 설치되는 이송컨베이어를 따라 상기 분말 형태의 리튬 부산물이 이동하면서 태양광에 의해 건조되도록 하여, 피건조물의 건조시 자연에너지를 이용함으로써 탄소발생을 줄일 수 있고 건조 비용을 저감시킬 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 환경 친화적 심층혼합공법.
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 믹싱단계에서 상기 고화제 100중량부에 대하여 페녹시에탄올 0.003~10중량부가 첨가되는 것을 특징으로 하는 환경 친화적 심층혼합공법.
- 제1항에 있어서,
상기 믹싱단계에서 상기 굴착장비의 주입관을 따라 상기 고화제가 주입될 때 고화제의 유동성을 확보하여 펌프의 압송부하를 방지할 수 있도록 혼화제가 더 주입되며,
상기 혼화제는 물 80~90중량%와, 폴리카르복실레이트 폴리머(polycarboxylate polymer) 5~18중량%와, 글루콘산계 지연제 1~5중량%와, 로릴 에테르 황산 나트륨(Sodium Lauryl Ethersulfate) 1~5중량%를 포함하고,
상기 고화제 100중량부에 대하여 0.1~10중량부가 첨가되어 주입되는 것을 특징으로 하는 환경 친화적 심층혼합공법.
- 제1항에 있어서,
상기 관입단계에서 관입되는 굴착장비는,
구동부의 작동에 의해 회전되며, 지중에 수직으로 삽입되는 소정 길이의 주입관과,
상기 주입관과 직교 방향으로 배치되며 복수개의 비트부재가 마련되어 지면을 굴착하는 것으로, 상기 주입관을 따라 상하 다단으로 복수개로 배치되되 굴착작업 전에 측정되는 지반의 연약층과 지지층 사이의 경계를 중심으로 연약층에 상대적으로 큰 천공홀부를 시공하도록 하부로부터 상부로 갈수록 길게 형성되는 복수개의 굴착부와,
상기 주입관에 상하 다단으로 배치되되 상기 굴착부의 상측에 배치되는 것으로, 주입관과 직교 방향으로 배치되며 상기 굴착부에 의해 분쇄되는 지반을 교반시키면서 보강재와 분쇄된 지반을 혼합시키는 복수개의 교반부 및
상기 주입관이 지중으로 삽입될 때 삽입되는 깊이를 육안으로 확인하여 상기 복수개의 굴착부 중에서 상대적으로 긴 굴착부가 지지층으로 삽입되지 않도록 상기 주입관의 상부 일측에 구비되는 깊이감지부를 포함하여,
상기 연약지반에 천공홀부를 시공할 때에 연약층에는 상대적으로 지름이 큰 천공홀부가 형성되고, 지지층에는 상대적으로 작은 천공홀부가 형성되도록 하여 천공홀부를 따라 지중으로 고화제 조성물이 주입되면서 구근을 형성할 때에 연약층에 상대적으로 지름이 큰 구근을 시공할 수 있고, 반대로 지지층에는 상대적으로 지름이 작은 구근을 시공할 수 있어 고화재가 필요 이상으로 지지층에 주입되는 것을 방지할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 환경 친화적 심층혼합공법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020230188530A KR102678045B1 (ko) | 2023-12-21 | 2023-12-21 | 환경 친화적 심층혼합공법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020230188530A KR102678045B1 (ko) | 2023-12-21 | 2023-12-21 | 환경 친화적 심층혼합공법 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| KR102678045B1 true KR102678045B1 (ko) | 2024-06-26 |
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| KR1020230188530A KR102678045B1 (ko) | 2023-12-21 | 2023-12-21 | 환경 친화적 심층혼합공법 |
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Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101267479B1 (ko) | 2012-09-13 | 2013-05-31 | 주영에스티에스(주) | 심층혼합처리공법용 고화재 조성물 및 이를 이용한 심층혼합처리방법 |
| KR20130122171A (ko) * | 2012-04-30 | 2013-11-07 | 주식회사 씨엠디기술단 | 저알칼리 저강도 및 초속경성을 갖는 유동화 되메움재용 고화재 조성물 |
| KR20150054723A (ko) * | 2012-05-25 | 2015-05-20 | 스키너스 주식회사 | 복합 기초구조물 및 그 시공방법 |
| KR102504628B1 (ko) * | 2022-09-28 | 2023-03-03 | 에코엔텍주식회사 | 연약지반 보강을 위한 구조체의 강도 모니터링 기능을 포함하는 심층혼합공법 |
-
2023
- 2023-12-21 KR KR1020230188530A patent/KR102678045B1/ko active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| KR20130122171A (ko) * | 2012-04-30 | 2013-11-07 | 주식회사 씨엠디기술단 | 저알칼리 저강도 및 초속경성을 갖는 유동화 되메움재용 고화재 조성물 |
| KR20150054723A (ko) * | 2012-05-25 | 2015-05-20 | 스키너스 주식회사 | 복합 기초구조물 및 그 시공방법 |
| KR101267479B1 (ko) | 2012-09-13 | 2013-05-31 | 주영에스티에스(주) | 심층혼합처리공법용 고화재 조성물 및 이를 이용한 심층혼합처리방법 |
| KR102504628B1 (ko) * | 2022-09-28 | 2023-03-03 | 에코엔텍주식회사 | 연약지반 보강을 위한 구조체의 강도 모니터링 기능을 포함하는 심층혼합공법 |
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