KR20000073533A

KR20000073533A - 고강도 흙포장 첨가재 조성물 및 그 조성물을 토양에 첨가하여

Info

Publication number: KR20000073533A
Application number: KR1019990016867A
Authority: KR
Inventors: 김승곤
Original assignee: 김승곤
Priority date: 1999-05-11
Filing date: 1999-05-11
Publication date: 2000-12-05

Abstract

칼슘페로알루미네이트계 광물을 주성분으로 하는 속경성 클링커에 시멘트(포틀랜드 시멘트, 알루미나 시멘트, 백시멘트 및 기타 시멘트), 석회(생석회, 소석회), 석고(이수석고, 반수석고, 무수석고, 천연석고, 화학석고 등), 반응 촉진제를 첨가한 속경성 고강도 흙포장 첨가재 조성물이 개시되어 있다. 또한, 상기 첨가재 조성물을 토양에 첨가하여 시공되는 흙포장 도로 및 구조물이 개시되어 있다. 상기 고강도 흙포장 첨가재 조성물은 칼슘페로알루미네이트계 광물을 주성분으로 하는 클링커 분말 20 내지 45중량%, 시멘트 10 내지 30중량%, 석회 10 내지 30중량%, 석고 10 내지 35중량%, 명반 0.1 내지 5.0중량%로 구성된다. 이러한 구성의 고강도 흙포장 첨가재 조성물은 대부분의 토양에 적용할 수 있으며, 고함수의 토양에 적용하는 것도 가능하다. 또한, 상기 고강도 흙포장 첨가재 조성물은 속경화하므로 시공후 개통시간이 단축되며, 150∼550kg/㎠의 고강도를 얻을 수 있어 고내구성의 포장재료로 사용이 가능하다.

Description

고강도 흙포장 첨가재 조성물 및 그 조성물을 토양에 첨가하여 시공되는 흙포장 도로 및 구조물{High strength pave additive composition and pave road and building constructed using the composition}

본 발명은 고강도 흙포장 첨가재 조성물 및 그 조성물을 토양에 첨가하여 시공되는 흙포장 도로 및 구조물에 관한 것으로서, 특히

칼슘페로알루미네이트(calcium ferro-aluminate)계 광물을 주성분으로 하는 속경성 클링커에 시멘트(포틀랜드 시멘트, 알루미나 시멘트, 백시멘트, 및 기타 시멘트), 석회(생석회, 소석회), 석고(이수석고, 반수석고, 무수석고, 천연석고, 화학석고등) 반응촉진제를 첨가하여 고강도 및 속경특성을 갖는 고강도 흙포장 첨가재 조성물 및 그 조성물을 토양에 첨가하여 시공되는 흙포장 도로 및 구조물에 관한 것이다.

기존에 차, 보도를 포장할때 사용하는 재료의 하나로서 콘크리트가 이용되고 있으나, 기존의 콘크리트 제품은 압축강도에 비해 휨강도 및 휨인성이 상대적으로 낮아 많은 문제점이 발생된다. 또한, 콘크리트에서는 인체에 유해한 가스가 지속적으로 방출되며, 폐콘크리트 포장 폐기물은 자연회귀가 거의 불가능하여 폐기물처리 비용이 많이 소요되고 있다. 또한, 차, 보도에 적용할 경우 포장하부의 지하수 감소에 따른 지반 침하현상이 발생되며, 태양광선의 난반사에 따른 시야저해와 운전자의 피로에 따른 안전사고의 위험이 상존하고 있다.

이러한 콘크리트 포장재의 대안으로서 고화재를 토양과 혼합하여 일정수준(10kg/㎠) 이상의 일축압축강도를 얻는 방법이 제안되었으며, 이러한 종래의 고화재로서 시멘트 석회계나 흡수성 고분자계 등의 고화재가 사용되고 있다. 하기의 내용은 종래의 고화재를 사용한 토양 콘크리트의 수화반응 메카니즘이다.

CaO + H₂O → Ca(OH)₂

Ca(OH)2 + SiO₂→ CSH : 토양에 실리카가 존재하는 경우

Ca(OH)₂+ Al₂O₃→ CAH : 토양에 알루미나가 존재하는 경우

그러나, 이러한 종래의 고화재는 칼슘이온의 응집현상, 수화반응 및 장기 재령에서의 낮은 강도발현, 특히 함수비가 높은 토양의 경우, 고화재가 흡수하여 결합할 수 있는 물의 양이 작기 때문에 그 효과가 급격히 감소하는 문제점이 있다. 또한, 흡수성 고분자에 의한 고화는 물의 침투에 의한 지반의 연약화가 심하고 강도 발현에는 큰 역할을 할 수 없는 단점을 가지고 있어서 고강도나 속경 특성을 필요로 하는 토양을 이용한 도로 포장 등에는 사용할 수 없는 문제점이 있었다. 그외에, 시멘트나 고화재의 함량을 높이는 것은 백화발생의 근원을 제공함과 아울러 흙이 가지고 있는 장점이 상대적으로 퇴색되는 단점이 있다.

따라서, 본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 도로 포장용으로 이용될 수 있는 강도 및 속경 특성을 갖는 고강도 흙포장 첨가재 조성물을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 고강도 흙포장 첨가재 조성물을 토양에 첨가하여 시공되는 환경친화적이고 인간에게 이로운 흙포장 도로 및 구조물을 제공하는 것이다.

상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 고강도 흙포장 첨가재 조성물은 칼슘페로알루미네이트계 광물을 주성분으로 하는 클링커 분말 20내지 45중량%, 시멘트 10 내지 30중량%, 석회 10 내지 30중량%, 석고 10 내지 35중량%, 명반 0.1 내지 5.0중량%로 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 고강도 흙포장 첨가재 조성물은 소정의 수분을 함유한 사질토 또는 점성 사질토와 상기 사질토 또는 점성사질토에 배합수와 함께 균질하게 혼합되며, 칼슘페로알루미네이트계 광물을 주성분으로 하는 클링커 분말 20 내지 45중량%, 시멘트 10 내지 30 중량%, 석회 10 내지 30 중량%, 석고 10 내지 35 중량%, 명반 0.1 내지 5.0 중량%로 구성되는 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 고강도 흙포장 첨가재의 시공법에 대한 흐름도를 나타낸 것이다.

이하, 본 발명에 따른 첨부도면을 참조하여 고강도 흙포장 첨가재 조성물 및 그 시공법의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 고강도 흙포장 첨가재 조성물은 칼슘페로알루미네이트계 광물, 시멘트(포틀랜드 시멘트, 알루미나 시멘트, 백 시멘트 및 기타 시멘트), 석회(생석회, 소석회), 석고(이수석고, 반수석고, 무수석고, 천연석고, 화학석고 등), 명반으로 구성되는 바, 각각의 구성 성분의 특성 및 작용은 다음과 같다.

본 발명에 따른 칼슘페로알루미네이트계 광물은 C₄AF 성분을 60 중량% 이상을 함유하는 클링커이다. 이 칼슘페로알루미네이트 광물은 수화시에 시멘트, 석회 및 석고와 반응함으로써 에트링자이트 또는 모노설페이트를 형성하여 본 발명의 고강도 흙포장 첨가재 조성물이 속경성을 갖게 한다. 이 수화물은 결합수가 많고, 고강도 특성을 가지며, 유기물의 존재하에서도 생성되는 특성을 갖기 때문에 본 발명에 특히 적합하다. 칼슘페로알루미네이트계 광물의 분말 입도는 블레인 비표면적으로 3000∼8000 ㎠/g 이 가능하며, 4500±500 ㎠/g이 가장 바람직하다. 이러한 블레인 비표면적은 초기의 반응속도에 영향을 미치는 요소로서, 비표면적이 높을수록 빠른 반응속도를 나타낸다.

본 발명에 사용하는 무수석고는 반수석고나 가용성 무수석고와 비교하여 용해속도가 느리기 때문에 칼슘페로알루미네이트계 광물과의 반응성에 적합하고, 고강도 및 고화된 토양의 안정성에 기여한다. 이 무수석고는 칼슘페로알루미네이트계 광물, 석회와 반응하여 에트링자이트를 형성하는 바, 그 배합량은 칼슘페로알루미네이트계 광물, 석회의 양에 의해서 결정되며, 바람직하게는 칼슘페로알루미네이트계 광물/무수석고 중량비가 1 이상 3 이하로 하며, 2.5±0.1 이 가장 좋다. 이 칼슘페로알루미네이트계 광물/무수석고 비는 장기 재령에서의 안정성(치수 안정성) 및 내구성에 영향을 미치며, 고강도를 발현하는 데 큰 기여를 한다. 본 발명에 사용한 무수석고는 II형 천연 무수석고이며, 분말도는 블레인 비표면적으로 3000∼8000 ㎠/g 이다.

석회는 포졸란 반응에 의한 수화물을 생성하여 강도 발현에 기여한다. 이중 생석회는 초기에 발열반응을 나타내며, 수산화칼슘을 형성함으로써 토양의 함수비를 저감시켜 초기 강도 확보와 함께 건조 수축에 의한 균열 방지에 도움을 주는 구성요소이므로, 소석회보다는 생석회를 사용하는 것이 보다 더 유리하다.

명반은 칼슘페로알루미네이트계 광물과의 수화반응을 경화가 되는 시점 이후에서부터 촉진시키는 것과 더불어 토양으로부터 장기적으로 용출되는 실리카(SiO₂), 알루미나(Al₂O₃)의 성분의 용출 속도를 촉진시킴으로써 포졸란 반응을 앞당기고, 특히 초기 재령에서의 고강도에 기여한다.

이상과 같은 특성을 갖는 본 발명의 고강도 흙포장 첨가재 조성물 성분의 구성비는 칼슘페로알루미네이트계 광물을 주성분으로 하는 클링커 분말 20 내지 45중량%, 시멘트 10 내지 30 중량%, 석회 10 내지 30 중량%, 석고 10 내지 35 중량%, 명반 0.1 내지 5.0 중량%가 바람직하다.

상기의 구성성분을 갖는 본 발명의 고강도 흙포장 첨가재 조성물에서 발생되는 특징적인 반응은 에트링자이트의 생성, 토양과의 포졸란 반응과 토양 입자의 응집 반응이다.

에트링자이트는 다량의 수분을 결합수로 가지고 있기 때문에 물비를 저하시켜 토양입자의 이동을 구속하고 결합이 가능한 상태로 만든다. 본 발명의 첨가재에서는 명반을 포함하고 있기 때문에 다량의 에트링자이트의 생성이 촉진된다.

명반의 첨가는 에트링자이트의 생성을 촉진시킬 뿐만 아니라, 토양과의 포졸란 반응을 앞당겨, 속경화, 고강도화가 가능하게 하고, 시멘트, 석회로부터 용출된 초기의 다량의 칼슘이온은 토양입자를 응집시킨다.

다음으로 본 발명에 의한 고강도 흙포장 첨가재 조성물의 구성 및 작용을 설명한다.

본 발명에 따른 고강도 흙포장 첨가재 조성물은 흙에 배합수가 함께 혼합되어 속경성, 고강도의 구조체를 구성하게 된다.

본 발명의 고강도 흙포장 첨가재 조성물의 사용량은 고화 대상 토양의 특성, 고화처리 후의 요구 강도 등에 따라서 결정되지만, 일반적으로 처리 토양의 1㎥ 당에 80∼250 kg이 적당하다.

본 발명의 고강도 흙포장 첨가재 조성물을 첨가 혼합하는 방법에는 특별한 제한은 없지만, 각 성분을 미리 혼합하여 대상 토양에 첨가 혼합하는 일반적인 방법이 사용되며 균질하게 혼합되어야 한다.

본 발명에 따른 고강도 흙포장 첨가재 조성물을 사용할 경우, 처리 대상 토양의 유동성, 산모래 재생율을 동시에 향상시키기 위한 목적으로 고성능 감수제, 유동화제 등을 병용할 수 있다.

본 발명의 고강도 흙포장 첨가재 조성물의 주원료인 흙은 조립토(粗立土)계열이 유리하고, 이 중에서도 모래 및 모래진흙 계열이 특히 우수한 특성을 나타내며, 이러한 흙은 주변에서 비교적 용이하게 채취할 수 있는 재료이다. 그러나 유기 토양이나 반응성을 가진 토양은 본 발명에 따른 고강도 흙포장 첨가재 조성물의 특성에 적합하지 않으므로 배제된다. 토양입자의 크기는 일반적인 토양의 경우 No. 200체를 통과한 양이 5∼35% 내외의 범위가 적합하고, No. 4체를 통과하는 양이 55% 내외인 것이 성능발현에 가장 유리하다. 굵은 골재가 사용될 수도 있는데, 이 경우 최대 골재 치수는 13mm이하로 제한되는 것이 좋다.

배합수는 기름, 산, 유기물 등 이물질이 혼입되어 흙 경화체의 품질에 영향을 주어서는 안되며, 일반적으로 음용수로 사용가능한 수질의 배합수가 바람직하다.

본 발명에 따른 고강도 흙포장 첨가재 조성물의 강도발현 메카니즘은 토양 자체의 개량 효과, 첨가물에 기인한 수화반응, 토양의 가용성분과 첨가물의 반응 3단계로 분류되는 바, 고강도 흙포장 첨가재 조성물을 사용한 토양 콘크리트의 강도발현 메카니즘을 살펴본다.

종래의 고화재를 혼입하여 토양 강도를 증진시키는 공법은 흙에 대한 물성개량과 포졸란 반응에 의한 경화가 전부이므로 충분한 강도를 얻을 수 없는 반면, 본 발명의 고강도 흙포장 첨가재 조성물을 첨가하면 이러한 종래의 강도증진 메카니즘은 물론, 함수비 저하, 이온교환 중단, 소성지수 저감, 수화물 생성경화, 에트링자이트 생성으로 인한 토양입자 구속(토양의 네트워킹) 등 각종 화학적, 물리적 반응을 통해 획기적인 강도증진을 달성할 수 있게 된다.

하기 내용은 본 발명에 따른 고강도 흙포장 첨가재 조성물의 수화반응 메카니즘을 나타낸 것이다.

C₃S, C₂S + H₂O → CSH + Ca(OH)₂

C₃A, C₄AF + H₂O → CSH + Ca(OH)₂

Ca(OH)₂+ SiO₂→ CSH : 토양에 실리카가 존재하는 경우

Ca(OH)₂+ Al₂O₃→ CAH : 토양에 알루미나가 존재하는 경우

C₄AF + 6CaSO₄+ 2Ca(OH)₂+ 62H₂O

→ C₃A·3CaSO₄·32H₂O + C₃F·3CaSO₄·32H₂O

에트링자이트 생성, 토양의 함수비 저감효과

CaO + H₂O → Ca(OH)₂+ 15.6 kcal/mol

토양의 함수비 저감효과

다음으로 본 발명에 따른 고강도 흙포장 첨가재 조성물의 시공 방법을 설명한다.

본 발명에 따른 토양 콘크리트의 시공법에 대한 흐름도를 도 1에 나타내었다.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 고강도 흙포장 첨가재 조성물은 자연상태의 노상 위에 표층으로서 시공되거나, 보조기층이 필요한 경우 노상 위에 보조기층을 시공하고 그 위에 본 발명에 따른 고강도 흙포장 첨가재 조성물을 시공한다. 노상이란 포장의 두께를 결정하는 기초가 되는 흙의 구분으로 통상 포장 밑 약 1m의 층을 말하며, 보조기층이란 자연상태를 최대한 보장하기 위한 안정된 흙의 층으로서, 균등하고 영구적인 지지력을 제공하여야 하고, 노상 반력계수를 증대시켜야 하며 동결융해에 대한 손상도 극소화되어야 한다. 노상면과 보조기층에 대한 시공은 일반적인 공사와 동일하며, 고강도 흙포장 첨가재 조성물은 인력 또는 휘니셔로 포설하고 포설전 기층면에 적정량의 물을 살포하여 표층과의 분리현상이 생기지 않도록 한다. 사질토의 재료일 경우 혼화제를 스프레이식으로 살포하여도 되나 점성 사질토일 경우 균질한 혼합을 위하여 믹서를 사용한다. 토양의 적정 수분량은 12%내외가 바람직하다.

다음으로 본 발명에 따른 고강도 흙포장 첨가재 조성물의 바람직한 실시예를 설명한다.

본 발명에 있어서 바람직한 실시예에 의한 고강도 흙포장 첨가재 조성물의 배합비는 다음의 표 1과 같다.

[표 1] 고강도 흙포장 첨가재 조성물의 배합비

(단위 : 중량%)

본 발명의 고강도 흙포장 첨가재 조성물의 바람직한 실시예에서 대상 토양은 28%의 함수비를 가진 사질토(砂質土)와 48%의 함수비를 가진 점성사질토(粘性砂質土)를 사용한다.

본 발명에 따른 고강도 흙포장 첨가재 조성물의 성능을 비교하기 위하여 비교예 1에서는 첨가재로서 보통 포틀랜드 시멘트를 단독으로 사용하고, 비교예 2에서는 첨가재로서 흡수성 고분자계 고화재를 사용한다. 본 발명의 고강도 흙포장 첨가재 조성물에서 대상 토양 1㎥당 사용되는 첨가재의 첨가량은 다음의 표 2와 같다.

[표 2] 대상 토양 1㎥당 첨가재의 첨가량

(단위 : ㎏)

본 발명에 따른 고강도 흙포장 첨가재 조성물의 실시예 1, 2 및 비교예의 강도측정을 위하여 상기의 첨가량에 따른 첨가재와 대상 토양을 혼합기를 이용하여 혼합한 다음 일정 형상을 갖는 틀에 투입하여 공시체를 제작하고, 상대습도 95% 이상, 온도 20±3℃의 양생조건에서 양생을 행한다. 1일 측정을 제외하고는 측정일 1일 전에 물에 침지한 후 꺼내어 표면의 물기를 제거하고 휨강도와 일축압축강도를 측정한 결과가 아래의 표 3과 같다.

[표 3] 강도 측정 결과

휨 강도(kgf/㎠)

압축강도 (㎏f/㎠)

상기한 구성의 본 발명의 고강도 흙포장 첨가재 조성물은 다음의 다양한 효과를 가진다.

1. 본 발명에 따른 고강도 흙포장 첨가재 조성물은 광범위한 토양에 적용할 수 있으며, 특히 고함수의 토양에도 적용 가능하다.

2. 본 발명에 따른 고강도 흙포장 첨가재 조성물은 초기 재령에 있어서 속경화하며, 장기적으로 150∼550kg/㎠의 고강도를 얻을 수 있다.

3. 첨가재를 적게 사용하여도 안정적인 고강도를 얻을 수 있다.

4. 본 발명에 따른 고강도 흙포장 첨가재를 사용한 조성물은 기존의 콘크리트의 최대 단점인 취성, 즉 압축강도에 비해 휨강도, 휨인성을 대폭 증진시킬 수 있다.

5. 동결융해 저항성이 탁월하므로 장기공용성 측면에서 유리하다.

6. 전 단면에 걸쳐 동일한 색상을 띄므로 표면마모에 따른 색바램 현상이 발생되지 않으며, 자연색에 가까운 노면 상태를 유지하므로 태양광선의 난반사에 따른 시야 저해 등의 문제가 발생하지 않는다.

7. 고강도 흙포장 첨가재 조성물은 환경 친화적인 특성을 나타내며 시공될 경우 인체에 유익한 원적외선을 방출하여 보행자의 건강을 증진시키며, 폐기할 경우 오랜 기간이 경과하면 풍화과정 등을 통해 자연상태로 회귀가 가능하여 폐기물 처리비용이 절감된다.

8. 차·보도 적용시 포장하부의 지하수 감소에 따른 지반침하 현상을 억제하여 보행시 물고임이나 미끄러짐을 방지하는 효과를 발휘한다.

9. 동절기 표면동결현상이 상대적으로 저감되어 공용수명 증진효과를 가지며, 하절기에는 아스팔트나 콘크리트와 달리 열의 흡수나 전도특성이 상대적으로 낮아서 도로손상에 의한 주행성 악화가 크게 저감된다.

상술한 내용은 본 발명을 좀 더 구체적으로 설명하기 위한 것이지, 이러한 내용이 본 발명의 범주를 한정하는 것은 아니다.

Claims

칼슘페로알루미네이트계 광물을 주성분으로 하는 클링커 분말 20 내지 45중량%, 시멘트 10 내지 30중량%, 석회 10 내지 30중량%, 석고 10 내지 35중량%, 명반 0.1 내지 5.0중량%로 구성되는 것을 특징으로 하는 고강도 흙포장 첨가재 조성물.
상기 제 1항의 첨가재 조성물을 토양에 첨가하여 시공되는 흙포장 도로 및 구조물.