KR20000049543A

KR20000049543A - 터널의 라이닝 배면 공동용 그라우팅 주입재료 제조방법

Info

Publication number: KR20000049543A
Application number: KR1020000018101A
Authority: KR
Inventors: 박상규; 이진용; 조병진; 손희정
Original assignee: 유성용; 동아건설산업 주식회사; 박남서; 대덕공영 주식회사
Priority date: 2000-04-07
Filing date: 2000-04-07
Publication date: 2000-08-05
Also published as: KR100377829B1

Abstract

본 발명은 터널의 라이닝 배면 공동용 그라우팅 주입재료 제조방법에 관한 것으로서, 시멘트 혼합 페이스트 주입재 1㎥를 제조함에 있어서, 시멘트 320㎏／㎥,플라이애쉬 420㎏／㎥, 벤토나이트 101㎏／㎥, 물 672㎏／㎥ 가 배합되며, 혼합재료의 무게비율은 시멘트 38%, 플라이애쉬 50%, 벤토나이트 12% 이며, 혼합재료와 물의 무게비율은 1:0.65∼0.85 로 조성된 그라우팅용 주입재료를 주입함에 따라 터널 시방서상의 백필 그라우트제 기준강도 10㎏/㎠ 이상인 38.4㎏/㎠로 발현하는 시멘트 혼합 페이스트로서의 주입재 기준을 만족하고 최적의 배합비로 블리딩율을 최소화하며, 동시에 시공성을 갖추게 함으로써, 날로 증가되는 터널공사와 노후터널 보수현장에서 효과적으로 사용되는 고품질의 백필 그라우팅 주입재료를 제조할 수 있는 뛰어난 효과가 있다.

Description

터널의 라이닝 배면 공동용 그라우팅 주입재료 제조방법 {Method of making grouting materials to be poured into lining rear cavity of tunnel}

본 발명은 터널의 라이닝 배면 공동용 그라우팅 주입재료 제조방법에 관한 것이다.

보편적으로 터널의 복공 두께는 지형, 지질, 용수상황, 기타 여러 가지 조건을 고려하여 결정되고 있으나, 이것은 터널에 작용하는 토압을 철제 지보공과 라이닝 콘크리트의 아치쿳션으로 지탱한다는 이론에 근거한다.

그러나, 실제 현장에 있어서는 아무리 시공을 잘한다 해도 토압을 터널에 균등하게 작용시킨다는 것은 거의 불가능한 실정이다. 즉, 라이닝 콘크리트는 어떠한 방법으로도 터널의 천단부에 공동을 남기지 않을 수 없는 것이며, 공동이 있다고 하는 것은 라이닝 콘크리트의 배면에 불균등한 토압이 국부적으로 집중하중 작용하면 라이닝 콘크리트의 박리, 균열 등이 생기고 심하면 터널의 붕괴까지 발생할 수 있다.

그러므로, 터널 라이닝의 배면을 완전히 충진한다는 것은 터널의 안전유지에 절대적인 요소인 것이다.

이와 같이 터널 라이닝 배면의 공동을 충진하기 위한 종래의 그라우팅 재료는 시멘트페이스트나 시멘트 몰탈 등을 주입하는 방법을 사용하고 있으나, 완전충진이 이루어지지 않아 상당수의 터널에서 보수가 요구되고 있으며, 노후터널에서는 누수현상이 날로 심해져 붕괴의 위험을 안고 있는 경우도 많다.

따라서, 터널의 안전과 라이닝 보호를 위해서는 적합한 주입재료와 시공방법을 사용하여 터널 라이닝 배면의 공동을 완전히 충진시켜야 한다.

상기 터널 라이닝 배면의 공동을 충진하기 위한 백필 그라우팅에서 가장 중요한 요소는 공동이 완전히 충진되어야 하는 것이며, 동시에 주입 시공성을 확보하는 것이다. 또, 주입을 완전히 하더라도 블리딩(bleeding)이 많이 발생하면 다시 공동이 형성되기 때문에 그라우트 효과를 충분히 발휘할 수 없게 되어 2차 또는 그 이상 주입을 실시하여야 하는 불편이 뒤따른다.

또한, 시공성 측면에서 주입 재료 중 모래 등의 입자가 침강을 일으키면, 즉 재료의 분리현상이 일어나면 주입관이 막히고 그라우팅의 품질 확보가 어려워 터널의 안정성에 영향을 미치게 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 결점이 있는 기존 재료에 새로운 재료를 대체하고 첨가하여 적정 배합비로 블리딩율을 최소화하며, 동시에 시공성을 갖추게 하여 증가되는 터널공사와 노후터널 보수현장에서 사용 가능하고 효과적인 고품질의 백필 그라우팅 주입재료를 제조할 수 있도록 한 터널의 라이닝 배면 공동용 그라우팅 주입재료 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기 목적을 얻기 위한 본 발명의 그라우팅 주입재료 제조방법은 터널 시방서상의 백필 그라우트제 기준강도 10㎏/㎠ 이상인 38.4㎏/㎠로 발현하는 그라우팅 주입재 1㎥를 제조함에 있어서, 시멘트 320㎏／㎥, 플라이애쉬 420㎏／㎥, 벤토나이트 101㎏／㎥, 물 672㎏／㎥ 가 배합되며, 혼합재료의 무게비율은 시멘트 38%, 플라이애쉬 50%, 벤토나이트 12% 이며, 물과 혼합재료의 무게비율은 0.65∼0.85:1 로 조성됨을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 그라우팅용 주입재료 제조방법에 있어서 제조시 구비되는 각 구성성분에 대하여 설명한다.

1) 시멘트

경제성을 고려하여 보통 포틀랜트 시멘트를 사용하였으며, 사용된 보통 시멘트의 화학성분과 물리적 성질은 표 1과 같다.

사용 시멘트 입자의 화학적 성분 및 물리적 성질

성분	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	CaO	MgO	SO₃	Ig. loss	Specificgravity	Specific surfacearea(㎠/g)
함량(%)	20.68	5.16	3.02	62.42	4.71	2.42	1.36	3.15	3,450

2) 플라이애쉬

본 발명의 경제성을 높이기 위해 산업부산물인 플라이애쉬를 혼화재로 사용하였으며, 사용된 플라이애쉬의 물리적 성질 및 화학적 성분은 표 2, 3과 같다.

사용 플라이애쉬의 물리적 성질

비 중	비표면적(㎠/g)	건조수축률(%)	안정도(%)	평균입경(㎛)	시멘트알카리반응(%)
2.15	4,050	0.023	0.02	9.0	0.02

사용 플라이애쉬의 화학적 성분

성분	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	CaO	MgO	SO₃	Na₂O	습분
함량(%)	58.2	25	4.5	2	1.1	0.3	0.8	0.1

3) 벤토나이트

벤토나이트는 본 발명의 제조방법에서 블리딩률을 감소시키기 위해 사용하였으며, 사용된 벤토나이트의 물리적 성질 및 화학적 성분은 표 4, 5와 같다.

사용 벤토나이트의 물리적 성질

비중(g/㎤)	수분(%)	P.H	입도	팽윤도(cc/g)	압축강도(㎏/㎠)	몬모릴로나이트 함유량 (cc/㎎)	점도(sec/500㎎)
0.75∼0.9	10	9-11	-90%/250mesh	6∼7	0.65	0.07	50

사용 벤토나이트의 화학적 성분

성분	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	CaO	MgO	K₂O	lg.Loss
함량(%)	60∼70	12∼22	5%이하	1∼2	1∼2	1	3.5∼4.5

이하, 본 발명의 각 실시예를 상세하게 설명한다.

실시예 1∼4는 기존 시멘트 페이스트 배합인 물:시멘트 무게비 = 1:1을 기준으로 시멘트량의 일부를 플라이애쉬로 대체시켜가며 배합을 한 예이며, 실시예 5∼10은 시멘트량의 일부를 플라이애쉬로 대체하고 벤토나이트를 10∼12% 정도 첨가시켜서 배합을 한 예이다.

또한 물:혼합재료 무게비율도 0.8:1에서 1:1까지 변화시켜가며 배합을 실시하였다.

최적배합 선정을 위한 배합 실시예

배합명	물/혼합재료 비	배합량(㎏/㎥)	Flow(㎝)	블리딩(%)	압축강도(㎏/㎠)
배합명	물/혼합재료 비	W	Flow(㎝)	블리딩(%)	C	FA	Be	7일	28일
실시예 1	1.0	759	759	-	-	57	24.3	85.0	113.0
실시예 2	1.0	728	364	364	-	55	22.9	22.2	44.0
실시예 3	1.0	720	288	432	-	53	17.1	9.5	17.3
실시예 4	1.0	715	214	501	-	61	11.4	4.5	8.2
실시예 5	1.0	732	425	219	88	41	7.1	20.4	38.5
실시예 6	0.9	704	375	313	94	40	5.7	15.9	38.1
실시예 7	0.8	672	320	420	101	29	1.0	18.3	38.4
실시예 8	1.0	733	440	220	73	51	5.7	21.4	43.4
실시예 9	0.9	704	391	313	78	42	7.1	17.6	39.0
실시예 10	0.8	674	337	421	84	38	5.7	13.3	27.0
[주] W:물, C:시멘트, FA:플라이애쉬, Be:벤토나이트

실시예 1

기존에 사용되는 시멘트 페이스트를 배합한 것으로서, 시멘트 759㎏/㎥, 물 759㎏/㎥를 배합하였으며, 물:시멘트 무게비는 1:1이다. 1㎥당 배합량, 시험항목 및 결과는 상기 표 6에 기재되어 있다.

실시예 2

실시예 1의 배합비 중 시멘트량의 50%를 플라이애쉬로 대체하여 배합을 실시하였다. 1㎥당 배합량, 시험항목 및 결과는 상기 표 6에 기재되어 있다.

실시예 3

실시예 1의 배합비 중 시멘트량의 60%를 플라이애쉬로 대체하였으며, 벤토나이트는 첨가하지 않고 배합을 실시하였다. 1㎥당 배합량, 시험항목 및 결과는 표 6에 기재하였다.

실시예 4

실시예 3의 배합비 중 플라이애쉬 대체율을 60%에서 70%로 증가시켜 배합을 실시하였다. 1㎥당 배합량, 시험항목 및 결과는 표 6에 기재되어 있다.

실시예 5

실시예 1의 배합비 중 시멘트의 30%를 플라이애쉬로 대체하고 12%를 벤토나이트로 대체하여 배합을 실시하였다. 1㎥당 배합량, 시험항목 및 결과는 표 6에 기재되어 있다.

실시예 6

실시예 5의 배합비 중 플라이애쉬의 시멘트 대체율을 30%에서 40%로 변화시켰으며, 물:혼합재료의 무게비는 0.9:1로 배합하였다. 1㎥당 배합량, 시험항목 및 결과는 표 6에 기재되어 있다.

실시예 7

실시예 6의 배합비 중 플라이애쉬의 대체율을 40%에서 50%로 증가시켰으며, 물:혼합재료의 무게비는 0.8:1로 조정하여 배합하였다. 1㎥당 배합량, 시험항목 및 결과는 표 6에 기재되어 있다.

실시예 8

실시예 5의 배합비 중 벤토나이트의 시멘트 대체율을 12%에서 10%로 감소시켜 배합을 실시하였으며, 물:혼합재료의 무게비는 1:1을 적용하였다. 1㎥당 배합량, 시험항목 및 결과는 표 6에 기재되어 있다.

실시예 9

실시예 8의 배합비 중 플라이애쉬의 시멘트 대체율을 30%에서 40%로 증가시키고 물:혼합재료의 무게비는 1:1에서 0.9:1로 감소시켜 배합을 실시하였으며, 벤토나이트량은 실시예 8에서와 같이 10%를 적용하였다. 1㎥당 배합량, 시험항목 및 결과는 표 6에 기재되어 있다.

실시예 10

실시예 9의 배합비 중 플라이애쉬의 시멘트 대체율을 40%에서 50%로 증가시키고 물:혼합재료의 무게비는 0.9:1에서 0.8:1로 감소시켜 배합을 실시하였으며, 벤토나이트량은 실시예 9에서와 같이 10%를 적용하였다. 1㎥당 배합량, 시험항목 및 결과는 표 6에 기재되어 있다.

상기 각 실시예 들에 대한 실험내역 및 모형실험에 대하여 기술하면 아래와 같다.

1) 플로우 시험

플로우치는 내경 80㎜, 높이 80㎜인 놋쇠제 실린더를 이용하여 측정하였다.

플로우 값은 임의의 유동성이 확보되었는가를 확인하는 것이다. 시험은 JIS A 313-1922 "에어모르터 및 에어밀크의 시험방법" 1. 콘시스텐시 시험방법, 1.2 실린더법을 기초로 시험을 실시했으며, 측정치는 표 6과 같다.

상기 10회에 걸친 실시예를 통해 플로우치를 측정한 결과, 10회의 배합 모두에서 그라우팅 주입에 충분한 유동성을 확인할 수 있었으며, 물:시멘트의 무게비가 증가함에 따라 높은 값의 플로우치를 보였으며 플라이애쉬 대체량에는 큰 영향이 없는 것으로 나타났다.

2) 블리딩율 시험

블리딩율 측정은 KS F 2433 "주입 모르터의 블리딩율 및 팽창율 시험방법"에 의해 실시하였다. 기존 시멘트 페이스트 배합인 상기 실시예 1 에서는 블리딩율이 24.3% 로서 매우 높게 나타났으며, 벤토나이트 대체율이 높을수록 또한, 물/혼합재료 비가 낮을수록 블리딩율이 양호하게 나타났다.

상기 실시예 1∼10에서 블리딩율을 측정한 결과, 그라우팅 주입에 필요한 유동성을 확보하고 터널 시방기준 이상의 일축압축강도를 발현할 수 있는 배합은 물:혼합재료 0무게비가 0.8:1, 플라이애쉬 대체율 50%, 벤토나이트 대체율 12%인 배합에서 블리딩율이 1% 정도로 가장 양호한 시험결과가 나타났다.

벤토나이트 함유량에 따른 블리딩율의 변화

3) 일축압축강도 시험

5×5×5㎝ 시편을 각각의 배합비에 따라 강제식 믹서를 사용하여 7일 강도와 28일 강도를 각각 3개씩 제작하였다. 또한, 양생은 20±3℃의 항온수조에서 습윤양생을 실시하였으며, 표면을 마감한 후 U.T.M.을 이용하여 압축강도 시험을 실시하였다.

이 실험에서는 시멘트량이 증가할수록 또, 물:혼합재료 무게비가 감소할수록 일축압축강도가 증가하는 것으로 측정되었으나, 터널 시방기준 이상의 충분한 강도를 발현하고 경제성을 고려하여 플라이애쉬 대체율을 조정해 실험을 한 결과, 물:혼합재료의 무게비는 0.8:1, 플라이애쉬 대체율은 50% 인 배합이 상기 실시예를 통해 가장 적합한 것으로 나타났다.

상기 실시예 7의 배합에서 28일 강도가 38.1㎏/㎠으로서 시방기준인 10㎏/㎠보다 3배 이상의 충분한 강도를 보였으며, 플라이애쉬의 50% 대체로 기존재료에 비해 경제성을 확보하였다.

플라이애쉬 함유량과 일축압축강도와의 관계

4) 투수시험

플라이애쉬와 벤토나이트를 첨가한 그라우팅 재료의 투수계수는 일반 콘크리트에 비해 상대적으로 큰 값을 가지므로 토질시험법(KS F2322)에 의해 투수계수를 측정했다.

상기 측정치는 실시예 7의 경우 5.57×10^-7㎝/sec정도의 비교적 양호한 값을 나타내고 있다.

5) 모형실험

기존 재료와 본 발명에 따른 재료의 주입실험을 통해 재료의 효과를 검증할 목적으로, 상기 실시예 1의 기존 시멘트 페이스트 배합과 실시예 7의 본 발명재료 배합을 터널 공동 모형을 제작하여 그라우팅을 실시하였다.

상기 모형의 규격은 모형체 반지름 : 43㎝, 모형체 길이 : 105㎝, 모형체 부피 : 0.3049㎥ 이며, 그라우팅 장비의 제원은 주입호수 길이 : 40m, 주입호수 직경 : 15㎜, 믹서용량 : 200ℓ, 1회 최대 믹싱량 : 180ℓ, 믹서 RPM : 73 이다.

상기 실시예 1의 기존 시멘트 페이스트 주입실험 결과, 블리딩이 24.5% 발생하였으며, 실시예 7에서 본 발명의 재료 주입실험 결과, 블리딩률이 1% 이하로 거의 발생하지 않았다.

이와 같은 모형실험의 배합비는 표 6에서의 실시예 1 및 7의 배합을 적용하였다.

본 발명은 상기와 같은 실시예를 통해 터널 시방서상의 백필 그라우트제 기준강도 10㎏/㎠ 이상인 38.4㎏/㎠로 발현하는 시멘트 혼합 페이스트로서의 주입재 기준을 만족하고 최적의 배합비로 블리딩율을 최소화하며, 동시에 시공성을 갖추게 하므로써 날로 증가되는 터널공사와 노후터널 보수현장에서 효과적으로 사용되는 고품질의 백필 그라우팅 주입재료를 제조할 수 있는 뛰어난 효과가 있다.

Claims

시멘트 38%, 플라이애쉬 50%, 벤토나이트 12% 의 무게비로 구성된 혼합재료와 물의 무게비율은 1:0.65∼0.85 로 조성됨을 특징으로 한 터널의 라이닝 배면 공동용 그라우팅 주입재료 제조방법.
제 1 항에 있어서, 혼합재료와 물의 1:0.65∼0.85 무게비율에 의한 그라우팅 주입재 1㎥를 제조시 시멘트 320㎏／㎥, 플라이애쉬 420㎏／㎥, 벤토나이트 101㎏／㎥, 물 672㎏／㎥ 가 배합됨을 특징으로 한 터널의 라이닝 배면 공동용 그라우팅 주입재료 제조방법.