KR20010039089A

KR20010039089A - 고함수비 흙-시멘트 성토재용 교반기

Info

Publication number: KR20010039089A
Application number: KR1019990047323A
Authority: KR
Inventors: 김현태
Original assignee: 문동신; 농어촌진흥공사
Priority date: 1999-10-28
Filing date: 1999-10-28
Publication date: 2001-05-15
Also published as: KR100341453B1

Abstract

본 발명은 간척지토처럼 함수율이 높은 연약지반토를 현장에서 신속하고 유효하게 성토재료로 사용할 수 있게 하는 데 필요한 고함수비 흙-시멘트 성토재용 교반기를 제공하기 위한 것으로서, 프레임(1) 위에 흙 호퍼(2)와 시멘트 호퍼(15)를 탑재하고, 흙 호퍼(2)의 저부에는 교반용 실린더(3)를 배치하며, 실린더(3) 내에는 조각날개(9)를 나선상으로 부착한 교반 스크류(8) 한 쌍을 조각날개(9)가 서로 엇갈려 돌게 설치하고, 흙 호퍼(2)의 구배면 안쪽에는 흙을 긁어내리는 흙 투하장치(10)를 설치하며, 시멘트 호퍼(15)의 저부에서 양쪽 교반 스크류(8) 사이에는 시멘트 공급기(16)를 설치하여 교반 스크류(8) 및 흙 투하장치(10)와 동기하도록 구성한 것이다.

Description

고함수비 흙-시멘트 성토재용 교반기{Soil- cement mixer for wet fills}

본 발명은 간척지토처럼 함수율이 높은 연약지반토를 현장에서 신속하고 유효하게 성토재료로 사용할 수 있게 하기 위한 고함수비 흙-시멘트 성토재용 교반기에 관한 것이다.

도로의 개설이나 확장에 있어서의 보조기층공사의 보조기층재, 해안이나 간척지 제방공사 등의 사면보호공사에 있어서의 성토재를 조성하는 데 쓰이는 흙-시멘트는 양질토나 지질토를 적당히 건조시켜 함수비를 낮춘 흙에 적량의 시멘트를 혼합하는 것으로서, 일축압축강도는 대략 5㎏/㎠ 이상의 고강도 흙-시멘트이다.

도로공사나 제방공사현장에서 멀지 않은 곳에 흙채취장이 있는 경우에는 흙의 운송시간이 짧으므로 단가결정과 공기준수에 문제가 생길 소지가 적지만 흙채취장이 공사현장에서 원거리에 위치하여 운송비가 차지하는 비율이 높은 경우에는 문제가 심각해진다.

더구나 환경에 대한 관심이 고조되고 있는 현실정하에서는 환경을 해칠 가능성이 있는 예정공사에 대한 민원성 반발이 우려되어 현장 부근의 야산을 흙채취장으로 개발하는 것을 어렵게 한다.

이런 저런 사정을 고려할 때, 현장 부근에서 저비용으로 조달할 수 있는 저가치 고함수비의 간척지토와 같은 흙을 도로의 보조기층재나 제방 등의 성토재료로 활용할 수 있는 길이 있다면 성토재료의 조달편의와 비용절감, 공기내 완성도 증대는 물론 더 나아가서는 환경보호적 관점에서도 여간 바람직한 일이 아닐 것이다.

그러나 해성점토처럼 함수율이 아주 높은 흙은 점성과 흙입자 사이의 공간을 점유하고 있는 물기가 시멘트와의 뒤섞임을 방해한다. 통상의 나선익을 가진 교반익을 이용하여 교반 배출하면 묽은 떡가래처럼 압출되고 그러면서도 시멘트가 대체로 나선형 띠를 이루거나 어느 위에 뭉쳐 있어서 교반물이라고는 말하기 곤란한 비정상적인 교반물로 되기 십상이다.

이 때문에 통상의 교반기로는 고함수비 해성점토와 시멘트를 잘 섞어서 저강도의 성토재료로 가공할 수가 없다.

본 발명은 간척지토와 같은 함수비가 높은 연약지반토를 저가의 훌륭한 성토재료로 활용하기 위한 교반기를 제공하려는 것이다.

본 발명은 간척지토와 같은 고함수비 점질토에 소량의 시멘트를 혼합하고 이것을 흙에 시멘트가 잘 섞이게 교반하여 강도가 낮고 굳은 형태, 즉 딱딱한 잔 흙덩어리상으로 배출시켜 그대로 곧장 성토재료가 되도록 교반 배출되도록 하기 위하여, 한 쌍으로 이뤄지는 교반 스크류의 나선형 날개를 조각날개로 하고, 이들 교반 스크류가 상대측 교반 스크류를 향하여 회전할 때 각 교반 스크류의 조각날개들이 쏟아져 내리는 흙을 쌍가위질하듯이 잘게 썰고 이때 시멘트 공급기에 의하여 소량씩 공급되는 시멘트가 썰어진 흙 사이로 묻어 들어가서 뒤섞이게 하는 동작이 반복되는 동안 투입당시보다도 한층 딱딱해진 잔 흙덩어리로 변한 후 배출되게 하여 그대로 성토재료로 사용할 수 있게 한 흙-시멘트 성토재용 교반기를 주된 특징으로 한다.

도 1은 본 발명에 의한 고함수비 흙-시멘트 성토재용 교반기의 정면도

도 2는 동 측면도

도 3은 도 2의 A-A선 단면도

도 4는 교반 스크류의 부분생략 평면도

도 5는 교반기에서 배출된 흙-시멘트의 상태도

＜도면의 주요 부분에 부호의 설명＞

1 : 프레임 2 : 흙 호퍼

3 : 실린더 8 : 교반 스크류

9 : 조각날개 10 : 흙 투하장치

15 : 시멘트 호퍼 16 : 시멘트 공급기

고함수비 간척지반토에 시멘트 또는 시멘트계 고화재를 혼합 처리하면 흙의 전단강도가 크게 증가하고 압축성은 크게 감소되어 성토재로 사용이 가능하다는 사실이 본 발명자의 연구결과 얻어낸 결론이다. 즉, 고함수비 해성점토를 기재로 하여 0.5∼2㎏/㎠ 의 저강도 성토재료를 얻으려면 시멘트는 2∼10무게%가 가장 바람직하다.

흙-시멘트의 성토재료로서의 소요강도중 성토단면 시공을 위한 소요강도에 있어서, 고함수비의 연약지반토를 성토재료로 활용하기 위해서는 성토 시공 중에 발생하는 사면활동파괴현상이 일어나지 않도록 충분한 전단강도를 가진 흙으로 개량하는 필요성에 근거하여 밝혀 낸 아주 귀중한 연구결과에 바탕을 둔 것이다.

그리고 연약지반 위에서 2m 이하의 낮은 성토고에서는 안전율 1.2를 기준으로 할 때 비배수전단강도가 c_u=0.2㎏/㎠ 이면 성토가 가능하고 성토고가 10m인 경우에는 c_u=1.2㎏/㎠ 정도로 높은 강도가 요구된다.

따라서 연약지반 위에 고함수비의 연약지반토를 성토재료로 이용하기 위하여는 시멘트 혼합처리 등의 개량공법으로 비배수전단강도 c_u=0.2∼1.2㎏/㎠을 갖는 성토재료로 개량하는 것이 필요하다.

또, 성토단면에 차량의 통행을 위하여는 소요의 지지력비를 갖는 성토재료로 성토해야 하며, 이에 따라 고함수비의 연약지반토에 시멘트를 혼합 처리하여 차량주행을 위한 성토재료로 사용하기 위하여는 소요의 지지력비를 갖도록 개량해야 한 다.

도로공사표준시방서 205-2항에 도로 노상로의 소요지지력비는 수정 CBR=10%이상, 보조기층은 도로공사표준시방서 602-2항에 수정 CBR=30% 이상으로 규정하고 있다.

이 기준을 인용하면 성토공사중에 CBR=10% 이상이면 차량주행이 가능하고, 성토완료 후 간이포장개념의 공사용 도로로서는 CBR=30% 이상의 강도를 갖는 성토재료로 개량하는 것은 필수적이다.

상기의 제반 조건에 맞게 간척지에서 손쉽게 구할 수 있는 고함수비 해성 점토를 성토재료로 사용할 수 있게 하기 위한 교반기는 이렇게 구성되어 있다.

도 1에서, 프레임(1) 위에는 흙을 일시적으로 저장하는 흙 호퍼(2)를 탑재하고, 흙 호퍼(2)에 저장된 흙이 중력과 흙 투하장치(10)에 의해 아래로 쏟아져 내려 모이게 되는 흙 호퍼(2)의 저부에는 교반용 실린더(3)를 배치한다.

실린더(3)의 하부에 위치한 교반용 실린더(3)의 앞쪽에 횡방향으로 나란히 설치된 스크류축(4)은 교반 스크류용이며, 실린더(3) 밖으로 노출된 스크류축(4)의 끝에는 이들을 맞물려 돌리기 위한 기어(5)를 설치하고, 흙 호퍼(2)의 하반부를 이루는 대칭 구배면을 따라 위 아래쪽에 흙 투하장치(10)용 회전축(6)을 설치하고 체인 스프로켓을 고정축끼움하여 체인(20)을 걸어서 동기하게 한다.

기어(5)의 외측 스크류축(4) 단에는 종동 풀리(19)를 장착하여 별도의 경운기나 발동기측 구동풀리에 벨트를 걸어서 동력을 이어받을 수 있게 한다.

또, 흙 호퍼(2)의 앞면 중앙에는 시멘트 호퍼(15)를 설치하고, 시멘트 호퍼(15)의 하부에서 양쪽 교반 스크류축(5) 사이의 윗쪽에는 시멘트 공급기용 스크류축(17)을 설치하고 그 축단에는 종동 풀리(18)를 장착한다. 이 종동 풀리(18)는 체인 스프로켓으로 갈음할 수도 있다.

흙 호퍼(2)의 우측에 자리잡고 있는 감속기(7)이다. 이 감속기(7)는 경운기용 엔진이나 발동기의 동력을 벨트(21. 체인 스프로켓의 경우에는 체인)로 이어받아 저속으로 감속시킨 후 시멘트 스크류축(17)의 종동 풀리(18)에 전달하는 것이다. 이와 함께 프레임(1)의 앞쪽에는 조향륜(14)을 그리고 후위에는 후륜(14a)을 부착하여 이동편의를 도모한다.

도 2에서, 실린더(3)는 흙 호퍼(2) 보다도 길게 하여 그 속에서 흙과 시멘트와의 교반이 충분히 이뤄질 수 있도록 하며, 배출단쪽으로 약간의 구배를 줘서 교반물의 배출을 돕는다.

도 3에서, 실린더(3) 내에는 한 쌍의 교반 스크류(8)를 설치한다. 도 4와 더불어 교반 스크류(8)에 대하여 자세히 설명하자면, 스크류축(4)에 부착된 나선익은 일정한 길이로 짼 조각날개(9)로 하고, 양측 조각날개(9)가 상당부분 겹치게 근접 배치한다.

이렇게 교반 스크류(8)의 날개를 조각날개(9)로 한 것은 실린더(3)로 유입된 고함수비의 해성 점토가 모든 조각날개(9)의 선단 모서리에 의해 교대로 쌍가위질 당하여 작은 흙덩어리로 바뀌고, 이 과정에서 별도로 투입되는 시멘트가 가위질 당한 잔 흙덩어리의 표면에 묻어 들어가서 계속되는 쌍가위질과 동시에 일어나는 교반작용에 의하여 마치 반죽되듯이 교반되어 단단한 잔 흙덩어리로 배출되게 된다.

통상의 나선익을 가진 교반익을 이용하여 고함수비 해성 점토를 교반하여 배출하면 시멘트가 어느 한 부위에 몰려 있다든지 혹은 띠줄을 이루듯 편중되는 등 시멘트가 골고루 혼합되지 않고 묽은 떡가래처럼 되어 나오기 때문에 배출 즉시 성토재료로 사용할 수가 없다.

한편, 흙 호퍼(2)의 하반부에는 그 구배에 맞춰 흙 투하장치(10)를 설치한다. 흙 투하장치(10)는 일종의 동력식 흙긁게이다. 함수율이 낮고 점성이 높은 해성 점토일수록, 호퍼(2)내의 흙 저장량이 많을수록 저들끼리 뭉쳐져서 실린더(3)로 제때 원활히 유입되지 않는 경향이 있는데, 이것을 그대로 방치하면 흙-시멘트 성토재료의 생산에 막대한 지장이 있다.

흙 투하장치(10)는 바로 이같은 우려를 불식시키기 위한 것이다. 투하장치(10)는 각 위치에서 위아래 체인 스프로켓(11)에 무한궤도형 체인(12)을 두르고 체인(12)의 한 두 곳에 긁게봉(13)을 부착한 것이다. 체인(12)은 도 4의 화살표방향으로 선회하도록 동력을 건다. 긁게봉(13)이 흙 호퍼(2)의 구배면을 스치듯 지나갈 때마다 흙 호퍼(2)의 바닥 흙을 긁어서 실린더(3)로 유입되도록 강제하고 상위구간을 지날 적에는 위쪽의 흙을 무너뜨려서 흙 호퍼(2)의 구배면 및 투입구쪽으로 주저앉게 하는 역할을 한다.

이와 같이 구성된 본 발명의 교반기를 운용하는 요령은 다음과 같다. 이 교반기를 도로현장이나 제방축조현장으로 운반하고 흙 호퍼(2)에는 고함수비 해성 점토와 같은 연약지반토를 수납하고 시멘트 호퍼(15)에는 시멘트를 수납한 상태에서 교반 스크류(8)와 흙 투하장치(10) 및 시멘트 공급기(16)를 가동한다.

교반 스크류(8)는 실린더(3)로 유입된 흙을 쌍가위질하여 잔 흙덩어리로 만들고 시멘트 공급기(16)는 흙의 2∼5무게%에 상당하는 시멘트를 공급하여 잔 흙덩어리에 묻게 한다. 이 작업은 실린더(3)의 배출단까지 계속된다.

실린더(3)를 빠져 나오는 흙-시멘트 교반물은 도 5에 예시한 것처럼 시멘트가 묻어 단단해진 잔 흙덩어리(a)로 변한다.

참고로, 성토재료로 활용할 흙의 함수비별로 시멘트의 첨가량별 개량효과를 확인하기 위하여 흙의 함수비별, 시멘트함량별 일축 압축시험, CBR 시험 및 삼축 압축시험을 실시하고, 압축성의 개량을 확인하기 위하여 압밀시험을 실시한 결과, 현장함수비 59%, 일축 압축강도 q_u=0.04㎏/㎠의 흙에 시멘트 3%를 첨가하면 성토재료로 쓰기에 충분한 일축 압축강도 q_u=1.1㎏/㎠ 를 얻을 수 있고, 양생일수가 경과하면서 강도가 증가되며, 고함수비 해성점토에 일반 시멘트를 혼합 처리한 혼합처리토의 일축압축강도면에서는 시멘트 함량이 높을수록 강도가 증가하는 것으로 나타났다.

또, 무처리 고함수비 해성점토의 일축압축강도는 q_u=0.04㎏/㎠으로 강도가 매우 낮은 데 대하여 시멘트를 3무게% 혼합한 경우에는 q_u=1㎏/㎠, 5무게%의 시멘트를 혼합한 경우에는 q_u=3㎏/㎠ 으로 강도증가가 두드러졌다. 이것은 성토재료의 소요강도 q_u=0.4∼1㎏/㎠ 와 비교하면 아주 높은 강도이다.

각 조건별 강도증가특성을 보면 고함수비 흙에서는 적은 배합비(흙의 건중량비 2%) 에서는 전혀 강도증가효과가 없으나 강도증가효과가 나타나기 시작하는 배합비에서는 시멘트 첨가량에 거의 직선적으로 비례하여 일축압축강도가 증가한다는 사실도 확인된 바 있다.

시멘트 혼합처리토의 차량통행가능성을 확인하기 위하여 시멘트처리 후 7일간 수침양생조건에서 CBR관입시험을 실시한 바에 따르면 해성점토를 최적함수비 ω=25%의 조건으로 CBR시험용 몰드에 5층, 각 층별로 25회와 55회로 다지고 4일간 수침 후 CBR 관입시험결과, CBR=2.5∼5.5%의 값을 갖는 무처리 고함수비 흙(해성점토)은 도로노상용 성토재료로서는 사용하기 곤란하지만 함수비 ω=25%의 해성점토를 시멘트와 혼합처리하고 이것을 각 층별로 25회씩 다지고 7일간 수침 양생한 후 CBR시험한 결과에 의하면 무처리토는 CBR=2.5%였으나 시멘트 5%가 혼합된 해성점토는 CBR=36%, 시멘트 10%가 혼합된 해성점토는 CBR=77%로 나타났다. 이렇듯 시멘트처리토는 도로의 노상용 성토재료로 충분히 사용할 수 있음이 확인된 바도 있다.

이상 설명한 바와 같이 함수율이 높아서 그 자체로는 도저히 성토재료로 사용할 수 없는 것으로 인식돼 온 간척지토에 2∼10무게%의 시멘트만 섞어서 가위질하듯이 교반되게 한 본 발명의 교반기를 이용하면 전단강도가 0.5∼2㎏/㎠로서 산토에 버금가는 강도의 성토재료를 경제적이며 능률적으로, 특히 시공현장에서 손쉽게 가공해 작업에 투입할 수 있다.

Claims

프레임(1) 위에 흙 호퍼(2)와 시멘트 호퍼(15)를 탑재하고, 흙 호퍼(2)의 저부에는 교반용 실린더(3)를 배치하며, 실린더(3) 내에는 조각날개(9)를 나선상으로 부착한 교반 스크류(8) 한 쌍을 조각날개(9)가 서로 엇갈려 돌게 설치하고, 흙 호퍼(2)의 구배면 안쪽에는 흙을 긁어내리는 흙 투하장치(10)를 설치하며, 시멘트 호퍼(15)의 저부에서 양쪽 교반 스크류(8) 사이에는 시멘트 공급기(16)를 설치하여 교반 스크류(8) 및 흙 투하장치(10)와 동기하도록 구성한 것을 특징으로 하는 고함수비 흙-시멘트 성토재용 교반기.