KR20040034640A - 지반 보강용 무기질 재료를 이용한 고압취부성토 공법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 도로 개설을 하거나 택지 등을 조성하는 토목 분야에서 지반 및 토양(이하 '지반'이라고 통칭함)을 안정화시키기 위한 고압취부성토 공법에 관한 것으로, 무기질재료와 물의 수화반응을 이용하여 공극을 다량 생성시켜 투수성 및 통기성을 좋게하며, 토양에 산소공급을 충분하게 해 줌으로써 식물체 생장을 가능하게 하고, 토양의 사멸을 방지할 수 있게 된다.

Description

지반 보강용 무기질 재료를 이용한 고압취부성토 공법 {Earth banking method of construction to sprinkle and attach by high tention that use a base reinforcement inorganic material}

본 발명은 도로 개설을 하거나 택지 등을 조성하는 토목 분야에서 지반 및 토양(이하 '지반'이라고 통칭함)을 안정화시키기 위한 고압취부성토 공법에 관한 것이다.

더욱 상세하게는 수화학 광물을 이용하여 양호한 보수성과 토양 통기성을 갖춘 지반보강용 무기질 재료를 제조하고, 이를 이용하여 지반 및 토양을 안정화 시킬수 있도록 하는 고압취부성토 공법을 제공하려는 것이다.

종래에는 연약 지반이나 토양을 개량하기 위하여 토목공사를 실시할 때에 대표적인 재료로 시멘트계와 석고·석회계를 사용하는 것으로 알려져 있다.

시멘트계 재료는 고강도로 유지시킬 수 있고 슬러리화에 의한 시공이 가능하며 사질토에서도 고화가 우수한 장점이 있으나, 고화 후에는 투수성이 불량하고 따라서 식생이 불가능할 뿐만 아니라, 고화 후에는 다시 굴삭하여 원 상태로 복귀시킬 수 없는 문제점이 있었다.

반면 석고·석회계 재료는 유기 토양과 점성토에서 경화반응이 용이하고 재료가 저가인 장점이 있으나, 오랜 기간 동안 강도가 유지되기 어렵고 급발열에 대한 위험성이 있었다. 또한 시멘트계와는 달리 사질토에서 고화 자체가 용이하지 않았으며, 시멘트계와 함께 고화된 후에는 투수성이 떨어져서 식생이 불가능할 뿐만 아니라 재 굴삭하여 원상태로 복귀시킬 수 없는 문제점이 있었다.

특히, 상기와 같은 종래의 재료들은 단순히 광물입자를 인위적으로 결합하여 고체화시켜 버리기 때문에 공극이 존재하지 않게 되고 그로 인하여 통기성이 거의 없었을 뿐만 아니라 계절별 온도변화에 의해 균열이 쉽게 발생하였으며, 결국에는 고체의 산업폐기물을 대량으로 양산시키게 되는 폐단이 있었다.

또, 상기의 재료들은 고화과정을 거치는 과정에서 고화팽창이나 고화수축열에 의한 미세균열이 원천적으로 발생하였고, 더군다나 재료 자체의 고화로 인하여 지반과의 일체성과 점착성이 현저히 떨어져 자중에 의해 탈락하는 등의 문제점이 발생하였다.

또한, 공극이 없을 뿐만 아니라 시멘트와 석회 및 합성수지 등을 사용함으로서 산성도를 극단적으로 높아지게 하여 식물체가 전혀 생존할 수 없었으며, 단순 결합된 처리면으로 인해 하부 토양을 밀폐상태로 덮어주게 되므로 하부 토양에 산소가 공급되지 못하여 토양이 사멸하게 되는 등 자연환경에 막대한 악영향을 주게 되는 문제가 있었다.

상기와 같은 문제점들을 고려하여 제안된 것으로는 일본특허등록 제2935408호 "녹화·토양안정화용 무기질재료, 그것을 이용한 후층기재종자취부공법 또는 토양안정화방법"이 알려져 있다.

이는 플라이애쉬(Fly Ash)에 시멘트(Cement), MS, 산화알루미늄(Al₂O₃)을 첨가 혼합하여서 된 무기질 재료와 이를 이용한 공법으로써, 기존의 산성도를 높여주는 재료의 사용을 배제하여 습기가 많은 토양에 효과가 있다.

하지만, 이는 건조에 매우 취약하고, 주 원료로 플라이애쉬를 사용하므로 대기가 건조할 경우에는 수분 발산성이 크게 되어 표층부를 개량시키고자 할 때에는 많은 문제가 발생되며, 특히 일본의 주요 토양인 화산회토에 적합하게 만들어진 토양 보강재이기 때문에 마사토가 대부분인 국내 토양에는 적합하지 않고 적용하여 사용할 수 없는 문제가 있었다.

또한 일반적으로 암비탈면 녹화시공을 실시할 때 사용되는 공법으로는 뿜어붙이기 녹화공법이 알려져 있는데, 이는 녹화용토, 종자, 비료, 혼화재(토양개량제, 양생제, 촉진제, 단립화재, 토양유기고결재)등의 혼합물을 물과 혼합시킨 후 보강재인 철망 등이 설치된 대상 비탈면에 소정의 두께로 뿜어 붙여 녹화시키는 공법이다.

이와 같은 뿜어붙이기 녹화공법은 건조 경화 반응형 단립화제(물질)를 사용하여 건조·경화되어 안정화시키는데 48~72 시간(2~3 일)정도의 많은 시간(기간)이 소요되므로 이 시간(기간) 내에 강우가 있을 경우에는 취부재료가 유실되는 등의 문제가 발생하였고, 또한 단립형성을 위해 사용하는 별도의 단립화제(물질)의 배합비율에 따라 단립이 불균일하게 형성되었으며, 표면경도지(신중식경도계에 의한 측정)가 30이 넘어 충분한 강우가 있어야 시공면의 수분 흡수에 의한 연화로 발아가 되므로 발아까지 많은 기간이 소요되는 등의 문제가 있었다. 또한 고가의 각종 혼화재를 사용하므로 경제적이지 못하였고, 얇은 층을 요구하는 시공에서는 피막이 불안정하게 유지될 뿐만 아니라 발아가 불량해지는 현상이 발생하였으며, 시공면의 균열과 시공 중에는 적은 양의 우수에 의해서도 세굴(가는 구멍)이 많이 발생하는 등 시행에 많은 어려움이 있었다.

암비탈면에 실시하던 기존의 암보호 공법은 암반면이나 암탈락 공간 공동화와 같은 대상지반의 위에 철망을 덮고 시멘트몰탈을 취부하도록 하는 숏크리트공법 (시멘트몰탈 취부공법)을 실시해 왔으나 이는 주위환경의 미관을 해치는 문제가 발생하였고, 주변의 토압이나 풍화작용에 의해 시공된 시멘트몰탈이 탈락하는 등의 문제가 발생하였다.

본 발명은 상기의 문제점들을 해소 할 수 있도록 개선된 고압취부성토 공법을 제공하려는 것이다.

본 발명은 무기질재료와 물의 수화반응에 의해 미세한 공극이 다량으로 생성시켜 투수성 및 통기성이 뛰어나게 하고, 토양에는 산소가 충분히 공급되어지도록 하여 식물체의 생장이 가능하도록 하여, 토양의 사멸을 방지할 수 있도록 된 수화합광물을 이용한 고압취부성토 공법을 제공하려는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 상기 공극에 의해 경도와 강도가 적절하게 유지되도록 하여 줌으로써 계절에 따라 온도가 변화하더라도 균열의 발생을 억제할 수 있도록 된 수화합광물을 이용한 고압취부성토 공법을 제공하려는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 우리나라의 일반적인 토양인 마사토질과 구성성분이 동일·유사한 무기질 재료를 사용하여 국내토양에 적합하고, 종래와 같이 산성도를 높여주는 재료를 배제시킬 수 있도록 된 수화합광물을 이용한 지반보강용 무기질재료 및 이를 이용한 고압취부성토 공법을 제공하려는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 무기질재료와 지반 내 수분의 수화반응을 이용하여 지반과의 일체성과 밀착성(점착성)을 높여줌으로써 어떤 비탈면에도 고압취부성토가 가능하도록 된 수화합광물을 이용한 고압취부성토 공법을 제공하려는데 있다.

본 발명의 상기 및 기타 목적과 특징은 다음의 상세한 설명에 의해 더욱 명확하게 이해할 수 있을 것이다.

먼저, 본 발명에 따른 지반 보강용 무기질 재료의 기본적 구성을 살펴본다. 본 발명은 시멘트, 실리카, 산화알루미늄(Al₂O₃)이 포함된 기존의 지반보강용 재료에 무수석고(CaSO₄), 시멘트, 산화알루미늄(Al₂O₃), 실리카(SiO₂), 탄산칼륨(K₂CO₃)을 첨가시켜 주는 것이 주지적인 특징이다.

특히, 무수석고(CaSO₄)는 10~50 wt%, 시멘트는 10~30 wt%, 산화알루미늄은 10~30 wt%, 실리카(SiO₂)는 5~30 wt%, 탄산칼륨(K₂CO₃)은 1~10 wt%를 첨가함을 그 특징으로 한다.

무수석고(CaSO₄)는 미세 분말이 물에 콜로이드상으로 분산된 상태를 유지하게 되는데, 물과 화합하여 수화반응을 일으키고 모노에드린가이트, 규산칼슘수화물 등 광물성 수화반응물로 경화되어지며, 시멘트와 포졸란 반응을 활성화시켜 유동성에 큰 영향을 줄 뿐만 아니라 알칼리성으로 산성화되어진 토양을 중화시키는 등 토양의 물성 개선에 영향을 주면서 다른 무기화합물과 화합하게 되며, 통상적으로 10~50 wt%를 혼합시켜 주는 것이 가장 바람직하다.

시멘트는 본 발명에서 물과 반응하여 수화물로 경화되고, 규산석회 수화반응과 포졸란 반응을 활성화시켜 에드린가이트(3CaO·Al₂O₃+3CaSO₄·32H₂O)를 생성시킬 뿐만 아니라 식생기반재의 강도를 유지시켜주는 역할을 하게 되며, 10~30 wt%를 첨가시켜 주는 것이 가장 바람직하다.

산화알루미늄(Al₂O₃)은 본 발명에 따른 각 성분을 혼합할 때에 물에 용해되어 전해질로 되면서 콜로이드상으로 분산되는 각 성분들의 사이에서 알루미늄의 중축합이온에 의해 고분자체로 되어 토양입자를 결속시켜주는 역할을 하게 되며, 일반적으로 10~30 wt%를 첨가시켜 주는 것이 가장 바람직하다.

실리카(SiO₂)는 물과 만나면 결정화 분산되어서 각 성분이 수화반응하여 단립화 될 때에 단립의 가운데에 위치하여 단립의 강도를 높여주는 역할을 하게 되며 일반적으로 1~10 wt%를 혼합시켜 주는 것이 바람직하다.

탄산칼륨(K₂CO₃)은 난용성 규산을 유효화시켜 토양이 산성화되는 것을 방지하면서 규산칼리를 비료화 하여주는 역할을 하게 되며, 일반적으로 1~10 wt%를 혼합시켜 주는 것이 가장 바람직하다.

이와 같은 본 발명에 따른 각 무기질 재료들은 우리나라 전면적의 3분의 2를 차지하는 화강암대의 풍화토인 마사질토양의 주요 구성 성분인 규산(SiO₂)과 산화알루미늄(Al₂O₃)과는 동일한 친화적 구성원소로 이루어져 있으며, 무기질 재료들의 혼합에 의해 수화합반응과 내수성 단립화 및 적정강도가 유지되는 특성을 갖게 된다.

상기에서 무기질 재료의 혼합율이 제시한 비율 이하일 경우에는 그 효능이 저하될 우려가 있고, 반면에 제시 비율 이상일 경우에는 과다작용에 의해 고강도와 경도가 불필요하게 증가하여 환경에 부적합할 뿐만 아니라 고비용으로 인해 비경제적이므로 제시한 비율로 혼합시켜주는 것이 가장 바람직하다.

또 각각의 무기질 재료가 혼합될 때 수화반응이 발생하면서 대상지반 및 토양의 미세 흙입자를 결합하는 침상의 결정을 형성하고 다공질 공극을 형성하여 각입자가 접착 경화하여 단체화 되지 않고 입자표면을 에워싸는 에드린가이트 형성에 의한 수화합물 다수 입자간 공극에 충진이 이루어지면서 복잡한 다공질 단립으로 되어 그 자체의 경도와 강도를 유지시켜주는 특징을 갖게 된다.

따라서 완성된 단립은 강도와 일정 경도가 유지되는 다공질로 되어 토양 중의 수분을 함유하게 되므로 통기성과 보수성이 우수한 단립효과를 영구적으로 지속시켜주게 된다.

상기와 같이 얻어지는 본 발명에 따른 지반 보강용 무기질 재료는 과포화된 연약지반이나 불량토에 소정량을 투여 혼합한 후 다져주어서 안정된 지반과 양질의 토사로 전환시켜 주도록 하는 토양개량작업을 시행하는데 사용되어진다.

본 발명에 따른 상기 지반보강용 무기질 재료와 이를 이용한 고압취부성토공법 및 취부녹화공법은 다음의 실시예와 시공예에 의해 더욱 명확하게 이해할 수 있을 것이다.

<실시예 1>

무수석고(CaSO₄)(여천석고社 제조) 40 wt%

시멘트(포트랜드시멘트)(현대시멘트社 제조) 30 wt%

산화알루미늄(Al₂O₃)(국내산) 14 wt%

실리카(SiO₂)(노르웨이산) 15 wt%

탄산칼륨(K₂CO₃)(국내산) 1 wt%

씩을 혼합하여 본 발명에 따른 지반 개량용 무기질재료를 제조하였다.

[시공예 1]

상기 실시예 1에 의해 제조된 지반 개량용 무기질 재료 18000 ㎏(토사중량비 5 %)와 굴삭기에 의해 뻘 상태의 연약토지반 길이 20 m, 폭 7 m, 깊이 1.5 m(210 ㎥)로 굴삭된 연약토를 잘 혼합하여 굴삭된 웅덩이에 되메우고 굴삭기 트랙으로 다짐을 실시하였다. 시공을 실시할 때에는 굴삭기의 주행이 조금 곤란하였으나 한시간이 경과한 후에는 주행을 원활하게 실시할 수 있도록 안정되었으며, 시공 다음날(12 시간경과 후) 살펴본 바 주변의 양질 토사 즉, 로라로 다짐된 지반과 거의 동일한 상태로 되었음을 확인할 수 있었다.

[시공예 2]

풍화암 비탈면에서 전체 수직고 70 m 중 30 m 지점에 폭 5~8 m, 깊이 평균 2.5 m, 약 120 ㎥의 암 결리 탈락에 의해 발생된 공동의 도로비탈면 붕락지를 장마지기 직전에 일반 마사토양 1 ㎥당 지반개량용 무기질재료를 토사중량비 5 %씩을 투입하여 충분히 혼합한 후 아리바 기기를 이용하여 압송된 혼합물에 적정의 물을 가하면서 고압으로 뿜어붙이기(취부)를 연속적으로 실시하여 충진성토(120 ㎥)을 완료하였다. 시공과정과 시공을 완료한 후에는 충진성토의 탈락이나 유실이 전혀 발생하지 않았고, 대상지에 취부된 개량토사는 바로 수화합반응과 내수성 단립형성 및 경화반응에 의해 안정되면서 주위 바탕과 일체화 상태로 접착, 충진되었으며, 시공 3일 후부터 장마비가 내리기 시작하였으나 처짐, 균열, 유실등의 현상은 전혀 나타나지 않았을 뿐만 아니라 장마 후에는 더욱 견고한 상태를 유지하고 있음을 확인하였으며, 동절기(겨울)에 확인한 바에도 동상현상과 표면 변화의 흔적을 전혀 발견할 수 없었으며, 식물이 발아하여 생육되고 있음을 확인할 수 있었다.

이 결과 본 발명에 의해 주변의 추가 훼손을 없애고 식물생육까지 이루어져 원 상태로의 안정적이고 친환경적으로 복구시킬 수 있음을 확인할 수 있었다.

<실시예 2>

무수석고(CaSO₄)(여천석고社 제조) 57 wt%

시멘트(포트랜드시멘트)(현대시멘트社 제조) 14 wt%

산화알루미늄(Al₂O₃)(국내산) 5.7 wt%

실리카(SiO₂)(노르웨이산) 21.4 wt%

탄산칼륨(K₂CO₃)(국내산) 1.42 wt%

씩을 혼합하여 본 발명에 따른 지반 개량용 무기질재료를 제조하였다.

[시공예 3]

또한 별도의 삼림토(산지 산림내 토양과 유사하게 맞춘 토양)을 다음과 같이 제조하였는데, 선별 마사토 3 ㎥, 토탄 200 ㎏, 유기질 비료 100 ㎏, 복합비료 20 ㎏, 숯가루 10 ㎏을 혼합하여 삼림토양을 제조하였다.

상기 지반 개량용 무기질 재료와 삼림토양을 이용하여 현장경사 1:1인 견질 마사토 비탈면 약 150 ㎡, 동일 현장 1:0.7 경사의 리핑안 비탈면 50 ㎡, 계 200 ㎡의 법면에 취부 시공을 실시하였다.

시공은 습식취부기(탱크용량 4,000 ℓ)를 동원하여 탱크의 내부에 물 1,500 ℓ와 삼림토 및 무기질재료를 먼저 투입하고 초목본 종자도 투입 혼합하여 걸죽한 곤죽 상태로 반죽된 혼합물을 얻었으며, 이 혼합물을 비탈면에 취부 실시하였다.

취부를 실시할 때 원활하게 접착되었는데, 두께는 1 회(1 탱크용량) 2 ㎝로 120 ㎡, 2 회째 3 cm로 50 ㎡, 3 회째는 5㎝로 30㎡를 취부하였으나 모두 잘 접착되었으며 시공을 완료한 후 1 회째 실시분은 이미 3 시간이 경과되었을 때 수화합반응에 의한 내수성고차단립화로 경화가 충분히 진행된 상태를 확인할 수 있었고,익일 아침 전체 취부면에 통상의 살수기를 이용하여 살수를 실시하였으나 취부면의 유실현상이 전혀 발생되지 않았다.

표면 건조에 단립경화가 충분히 진행된 5 일 후에는 산중식 경도계 측정치 24로 확인되었고 시공 3 주 후 전체면에서 고른 상태의 종자 발아생육을 확인할 수 있었다.

상기와 같은 실제 시공예들에서 볼 수 있는 바와 같이 본 발명에 따른 지반 개량용 무기질 재료는 수화반응성 재료의 혼합으로 구성되어 각 재료 성분의 빠른 수화반응에 의하여 에드린가이트와 모노에드린가이트형성 등의 수화합반응물이 빨리 생성되어 이것이 토양입자를 감싼 상태의 내수성 단립이 형성되고 형성되는 단립은 침상결정으로 복잡한 그물(net)상의 단립이 되어 그 자체의 경도와 강도를 유지하므로 통기성과 보수성이 확보되며, 이 단립은 영구적으로 지속되는 이점과 수화반응 성분자체가 칼리비료화 되는 특성도 있어 친환경적일 뿐만 아니라 동시에 경제성도 있음을 확인할 수 있다.

따라서 우리나라 국토의 3분의 2를 차지하는 편마암질 풍화마사토양의 훼손된 비탈면과 산성화 되어 가는 토양을 개량시킬 수 있고 이질감 없는 친환경적인 녹화도 시행할 수 있게 된다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따른 지반 보강용 무기질재료 및 이를 이용한 고압취부성토 공법은 무기질재료와 물의 수화반응을 이용하여 공극을 다량 생성시켜 투수성 및 통기성이 뛰어나게 하므로, 토양에 산소공급을 충분히 하여 식물체 생장을 가능하게 하고, 토양의 사멸을 방지할 수 있게 된다.

또한 본 발명은 우리나라 토양과 동일한 무기질 재료를 그 주된 성분으로 하기 때문에 기존의 토양을 산성화시키는 재료의 사용을 배제할 수 있게 된다.

또한 본 발명은 공극을 다량 형성하여 줌으로써 경도와 강도를 적절히 유지하여 줄 수 있고 따라서 계절에 따른 온도 변화에 의해 생기는 균열을 억제할 수 있게 된다.

Claims (2)

1. 지반 보강용 무기질 재료를 이용한 고압취부성토 공법에 있어서,

   지반 보강용 무기질 재료와 일반 토사를 혼합하고, 이 혼합물에 소량의 물을 가해 통상의 고압취부성토 공법에 의해 고압으로 대상지만에 뿜어 붙여 주도록 출진성토나 필복하는 것을 특징으로 하는 지반 보강용 무기질 재료를 이용한 고압취부성토 공법.
2. 제 1항에 있어서,

   일반 토사와 지반 보강용 무기질 재료와의 혼합비율은 일반 토사 97-80 wt%와 지반 보강용 무기질 재료 3~20 wt%로 혼합하는 것을 특징으로 하는 지반 보강용 무기질 재료를 이용한 고압취부성토 공법.