KR20060082773A - 그라우트재 - Google Patents

Abstract

본 발명은 조합수로서 전해질 이온수를 사용한 그라우트재이면서, 블리딩이나 재료 분리가 거의 없고, 유동성이 좋고 점착성이 우수한 그라우트재를 제공한다.

본 발명에 의한 그라우트재는, 구조물 내 또는 지반 내의 공극, 또는 구조물과 지반의 경계면에 존재하는 공동에 주입 충전하는 그라우트재이며, 시멘트류와 일차 광물 입자와 전해질 이온을 포함한 물을 주성분으로 하는 모르타르에 그라우트 중의 수분에 대하여 황산 반토를 Al₂O₃ 함유 8.1 ％ 환산으로 5 내지 15 용량 ％ 첨가하여 점착성을 부여한 구성으로 한다. 시멘트 중에 포함되는 수산화칼슘 등의 알칼리 성분과 황산 반토에 포함되는 산성 알루미늄염이 반응함으로써, 다량의 물을 포함한 점착성의 수산화알루미늄 겔이 생성되고, 이 겔이 그라우트 중의 수분을 포함하기 때문에 블리딩을 감소시키므로 점착성의 부여에 의해 재료 분리를 방지하고, 유동성이 좋으며 점착성이 우수한 특성을 발휘한다.

그라우트재, 황산 반토, 산성 알루미늄염, 조합수, 전해질 이온수, 주입 충전, 블리딩, 모르타르

Description

그라우트재 {Grouts}

본 발명은 구조물 내 또는 지반 내의 공극, 또는 구조물과 지반의 경계면에 존재하는 공동에 주입 충전하는 그라우트재에 관한 것이다.

종래부터, 구조물 내 또는 지반 내의 공극, 또는 구조물과 지반의 경계면에 존재하는 공동에 주입 충전하는 그라우트재로서, 시멘트와 모래(일차 광물) 및 물(청수)를 포함하는 모르타르가 알려져 있다. 이 모르타르는 입자가 작은 시멘트와 입자가 큰 모래에 물을 첨가한 것으로, 극히 적은 수량의 차이로 성질이 변화한다. 즉, 수량이 적으면 유동성이 나쁘고 압송이 곤란해지며, 반대로 수량이 많아지면 블리딩이 발생하여 재료 분리(부피의 감소)가 발생한다는 결점이 있다.

그래서 이 문제를 해결하기 위해, 점착성을 갖는 벤토나이트를 첨가한 벤토나이트 모르타르가 사용되고 있다. 이 벤토나이트 모르타르는 전해질 이온을 거의 포함하지 않는 수돗물이나 깨끗한 하천 등의 청수를 사용하여 충분히 교반 혼합하면, 팽윤하여 점착성을 발휘하는 성질이 있어 많이 이용되고 있다.

그러나, 벤토나이트는, 조합수로서 수돗물이나 깨끗한 하천 등의 청수가 아닌 이온수를 이용한 경우에는 팽윤성이 현저히 저해되기 때문에 상기와 같은 우수 한 점착성을 발휘시키는 데는 적당하지 않다. 그 때문에, 전해질 이온이 포함되어 있는 등의 이온수는 조합수로서 사용되지 않는 것이 실정이고, 현장에서 전해질 이온을 포함하지 않는 청수가 없는 경우에는 청수를 일부러 먼 곳으로부터 운반하는 것이 필요하게 되어, 시공상에 있어서 매우 제약을 받게 되고, 경제적으로도 여분의 부담이 되어 비용이 높아졌다.

그런데, 현장에서는 조합수로서 전해질 이온을 포함하지 않는 청수는 없더라도 해수, 온천수 등이 근처에 있는 경우가 많이 있고, 이 외에도 석회, 시멘트, 조합 콘크리트(readymixed concrete) 등의 공장 배수, 또는 공사 현장에서 발생한 배수, 또한 믹서 등에서 청수로 제조한 모르타르 그라우트를 사용한 후에, 그 내측에 부착 잔류하고 있는 시멘트분을 수세한 배출액을 배수 처리한다는 방식으로, 현장 부근에는 전해질 이온을 포함하는 물이 다량으로 존재하는 것이 실정이다.

비 특허 문헌 1: 일본 국유 철도 시설국·건설국·신간선 건설국편, "토목 공사 표준 시방서" (쇼와 59년 개정판), 제2판, 사단 법인 일본 철도 시설 협회, 쇼와 60년 5월 7일, p. 138-139

비 특허 문헌 2: 시바따 미쯔히로, 시모다 가즈오 저, "최신·약액 주입 공법의 설계와 시공", 제4쇄, 산까이도 출판, 쇼와 63년 7월 30일, p. 22-24

특허 문헌 1: 일본 특허 제3514614호 공보

상기한 바와 같이 해수, 온천수 등이나 공장, 공사 현장 등에서 발생한 배수는 대부분의 경우, 많은 전해질 이온이 포함되어 있기 때문에, 이 상태에서는 벤토 나이트의 팽윤이 저해되어 버리기 때문에, 청수와 동등한 점착성은 얻어지지 않는 것이다. 이 때문에, 모르타르를 제조하는 경우, 별도로 청수로 벤토나이트를 팽윤시킨 후, 모르타르와 혼합하는 방법이 채용되고 있다.

그래서 현장 부근에서 용이하게 입수할 수 있는 상기한 전해질 이온수가 포함되어 있는 물을 조합수로서 사용하는 것이 가능해지면, 비록 청수가 없더라도 블리딩이 거의 없고, 유동성이 좋으며 점착성이 우수한 그라우트재를 제공할 수 있게 되어, 시공 비용이 저감된 주입 방법을 확립할 수 있게 된다.

본 발명은 이러한 배경에 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 부분은 조합수로서 전해질 이온수를 사용한 그라우트재이면서, 블리딩이나 재료 분리가 거의 없고, 유동성이 좋으며 점착성이 우수한 그라우트재를 제공하는 것에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 그라우트재는 구조물 내 또는 지반 내의 공극, 또는 구조물과 지반의 경계면에 존재하는 공동에 주입 충전하는 그라우트재이며, 시멘트류와 일차 광물 입자와 전해질 이온을 포함한 물을 주성분으로 하는 모르타르에 그라우트 중의 수분에 대하여 황산 반토를 Al₂O₃ 함유 8.1 ％ 환산으로 5 내지 15 용량 ％ 첨가하여 점착성을 부여한 것을 특징으로 한다.

<발명을 실시하기 위한 최선의 형태>

본 발명은 벤토나이트 모르타르에 사용되는 점착성 벤토나이트가 이온수(전해질 이온을 포함한 물)에서는 팽윤이 뒤떨어져 사용에 적당하지 않았다는 과제를 황산 반토를 점착제로서 사용함으로써 해결한 것이다.

즉, 이온수에 황산 반토를 첨가한 조합수에 시멘트를 첨가하거나 또는 이온수에 시멘트를 포함시킨 혼합액에 황산 반토를 첨가하는 등의 조합을 행하면, 시멘트 중에 포함되는 수산화칼슘 등의 알칼리 성분과 황산 반토에 포함되는 산성 알루미늄염이 반응함으로써, 다량의 물을 포함한 점착성의 수산화알루미늄 겔이 생성되고, 이 겔은 그라우트 중의 수분을 포함하기 때문에, 블리딩을 감소시키고, 점착성의 부여에 의해 재료 분리를 방지하는 효과를 발휘한다.

수산화알루미늄 겔의 생성 농도는 그라우트 중의 수분과 황산 반토 중의 산성 알루미늄염(Al₂O₃)의 함유량(농도)에 의해 결정된다. 즉, 유동성이 좋고 블리딩을 1 내지 3 ％ 이하로 하기 위해서는, 그라우트 중의 수분에 대하여 황산 반토 5 ％ 이상이 필요하다. 한편, 블리딩이 없고 비유동성(무압하에서는 유동하지 않지만 약간의 가압하에서 용이하게 유동화하는 성질을 말함)을 유지하는 황산 반토는 그라우트 중의 수분에 대하여 10 ％ 이상 필요하지만, 유동값이 8 cm가 되는 15 ％를 상한으로 하였다. 이 때문에, 본 발명에서는 그라우트 중에 첨가하는 황산 반토의 양은 그라우트 중의 수분에 대하여 황산 반토를 Al₂O₃ 함유 8.1 ％ 환산으로 5 내지 15 용량 ％의 범위로 하였다.

또한, 본 발명의 그라우트재는 이온수의 물질에 따라서는 이온수와 산성 알루미늄염과의 사이에서 화학 반응을 일으켜 침전물을 포함하는 생성물을 만들거나 pH가 변화하는 경우가 있다. 그러나 이온수와 산성 알루미늄염과의 반응에 의해 생성된 물질은 시멘트의 경화를 저해하는 것이 아니기 때문에, 목적으로 하는 그라우트재를 생성할 수 있음과 동시에, 아교상의 침전물이기 때문에 C.B 그라우트(벤토나이트 그라우트)와 마찬가지로 블리딩이 적고, 유동성이 좋으며 점착성이 풍부한 그라우트재를 얻을 수 있는 것이다.

본 발명에서 사용하는 이온수(전해질 이온을 포함한 물)로서는 해수가 대표적이고, 이것에는 염화나트륨을 주로 하며 그 외에 염화마그네슘 등이 포함되어 있다. 또한, 온천수에는 장소에 따라 나트륨, 칼슘, 마그네슘 등의 다양한 양이온, 또는 염소, 황산, 탄산수소 등의 음이온이 포함되어 있고, 그의 pH도 알칼리성, 중성, 산성으로 다방면에 걸쳐 있다.

한편, 석회 공장의 배수에서는 주로 고알칼리성의 수산화칼슘 이온이 존재하고 있고, 시멘트나 조합 콘크리트 공장, 또는 시멘트를 사용한 공사 현장에서 발생한 배수에서는 소량의 시멘트 입자나 시멘트로부터 용출된 주로 수산화칼슘 등에 의한 알칼리 이온이 포함되어 있다.

또한, 조합수로서 사용할 수 있는 이온수로서는 특별히 한정되지 않고, 물 중에 무기질의 전해질 이온을 포함하고 있는 모든 물을 대상으로 하고, 해수, 온천수 등의 자연계에 존재하는 이온수나, 석회, 시멘트, 조합 콘크리트 공장 등의 공장 배수 및 공사 현장에서 발생하는 배수를 포함하며, 또한 시멘트 밀크의 그라우트 등이며 조합수로서 청수를 사용한 믹서 등에서 그의 용기 내에 부착된 시멘트에 청수를 첨가함으로써 생성되는 시멘트를 포함한 이온도 포함할 수 있다.

본 발명에서 사용하는 황산 반토는 황산알루미늄이라고도 하고, 산성을 나타 내며, 사용할 때에는 용액으로서 사용한다.

본 발명에서 사용하는 시멘트류는 시멘트라고 불리는 것으로 한정되지 않고, 물을 첨가하면 경화되는 것이면, 시멘트와 슬래그의 혼합물, 슬래그와 석회의 혼합물 등도 포함할 수 있다.

또한, 본 발명에서 말하는 일차 광물이란, 암석이 오랜 세월에 걸쳐 물리적 작용만을 받아 토입자화한 것으로, 대표적으로는 모래, 또는 암석, 석회석을 입자로 제조한 것을 들 수 있다.

또한, 본 발명의 그라우트재에는 시멘트류와 일차 광물 입자 이외에, 도토(陶土) 등의 점토 광물(암석이 화학적 작용(풍화)를 받아 분자 구조가 파괴될수록 미립자가 되어 재차 결정화된 것) 및 그 밖의 증량재를 첨가하는 것이 가능하다. 또한, 첨가제로서 기포제, 알루미늄 금속 분말, 지연제, 물 유리와 같은 조기 강도 발현재 등이나 그 밖의 분산재를 목적에 맞게 적절하게 선택하여 사용할 수 있다.

또한, 본 발명의 그라우트재를 조합하는 방법은 특별히 한정되지 않고, 상술한 바와 같이 조합수로서 사용하는 이온수에 황산 반토를 첨가한 후에 시멘트를 첨가하거나 또는 이온수에 시멘트를 첨가한 후에 황산 반토를 첨가하는 것 중 어느 쪽일 수도 있는 것이다.

본 발명의 그라우트재를 사용한 시공 방법은 다음과 같다. 우선, 믹서 등의 혼합기에 있어서 이온수, 황산 반토, 시멘트, 필요에 따라 첨가제를 첨가함으로써, 블리딩이 적고, 유동성이 좋으며 점착성을 갖는 그라우트재를 조합한다. 그리고 그라우트재가 유동상인 경우는 1대의 펌프로 압송하는, 소위 일액성 주입으로 시공 할 수 있다. 또한, 그라우트재가 고점성으로 비유동성일 때에 압송 거리가 긴 경우는 황산 반토를 A액으로 하고 황산 반토를 제외한 재료를 B액으로 하여, 이들을 제각기 압송하여 주입구 부근에서 합류 혼합하는, 소위 이액성 주입으로 시공할 수 있다.

본 발명에 따른 그라우트재는 충전용 그라우트로서, 지반과 구조물의 경계면에 발생한 공동, 예를 들면 이미 설치된 터널 배면의 안쪽, 지하 구조물 배면의 공동, 그 외에 모든 지하에 발생한 공동, 또는 구조물 내의 공동, 그 외에 종래 모르타르가 사용되고 있던 모든 분야에 사용할 수 있다.

이하에, 본 발명의 그라우트재에 대해서 실시예를 들면서 실험 결과를 나타내어 상세히 설명한다.

여기서 행한 실험에서는 시멘트류로서 보통 시멘트, 일차 광물 입자로서 모래(6호 규사)를 사용하고, 황산 반토에는 Al₂O₃ 함유 8.1 ％의 시판품 용액을 사용하였다. 그리고 조합수에는 이하의 표 1에 나타낸 것을 사용하였다.

조합수		적용
청수	수돗물
이온수-1	해수	도쿄만에서 채취
이온수-2	온천수	주)시즈오까 지방의 온천에서 채취
이온수-3	공사 현장 발생 배수	시멘트 그라우트의 배수 (소량의 입자를 포함)

주) 온천 성분: pH 7.7, 양이온-나트륨 873.6 mg/kg, 칼슘 105.9 mg/kg

또한, 본 실험에서는 블리딩률, 유동값 및 일축 압축 강도의 측정을 다음과 같은 방법으로 행하였다.

1) 블리딩률

내경 50 mm, 길이 500 mm의 폴리에틸렌제의 주머니에 바닥부터 약 200 mm까지 모르타르를 넣어 주머니의 상부를 밀폐하고 정치하여, 3 시간 후에 모르타르의 상부에 부유한 블리딩 수량(水量)을 측정하고, 이것을 ％로 표현하였다.

2) 유동값

사방 50 cm의 수평의 아크릴판의 위에, 내경 80 mm, 높이 80 mm의 원통을 놓고, 그 속에 모르타르를 채운 후에 원통을 서서히 끌어 올려, 그 때에 모르타르가 넓어지는 직경을 측정하고, 이것을 cm로 표현하였다. 또한, 그라우트의 성상이 유동값 13 cm 이상을 유동상 그라우트라 칭하고, 13 cm 미만을 비유동상 그라우트라 칭하여 구별하였다.

3) 일축 압축 강도

시험체의 형상은 직경 50 mm, 높이 100 mm의 원통형으로 하였다. 또한, 재령(材齡)은 28일로 하였다.

<실험 1>

이 실험에서는 표 1에 나타낸 바와 같은 청수와 이온수를 조합수로 하고, 이것에 벤토나이트를 첨가함과 동시에 일정량의 시멘트와 모래를 첨가하여 그라우트재를 제조하고, 각각에 대하여 블리딩률, 유동값 및 일축 압축 강도의 측정을 행하여 표 2의 결과를 얻었다.

상기한 실험 결과에 의하면, 조합수로서 청수를 사용한 경우, 실용적으로 사용 가능한 블리딩률 3 ％ 이하로 하기 위해서 요구되는 벤토나이트는 그라우트 1 ㎥당 40 kg이었다. 그런데, 조합수로서 이온수를 사용한 경우에는, 청수와 동일한 양의 벤토나이트 40 kg을 첨가한 경우에서의 블리딩률은 비교예 2(이온수-1)에서 19.6 ％, 비교예 4(이온수-2)에서 11.3 ％, 비교예 6(이온수-3)에서도 11.6 ％로 매우 커져 팽윤 정도를 낮게 하므로, 이온수가 벤토나이트의 팽윤을 저해하고 있다 는 것이 분명하다.

또한, 조합수로서 이온수를 사용한 경우는 조합수가 청수의 경우와 동일한 블리딩으로 만들기 위한 벤토나이트량이 조합수를 청수로 하는 경우의 1.55 내지 3.13배이므로, 벤토나이트의 사용량을 많이 할 필요가 있다는 것을 나타내고 있다.

또한, 그라우트재의 유동성을 나타내는 유동값은 블리딩률이 동일하다면, 대체로 동일한 정도의 값을 나타내고, 마찬가지로 시멘트량이 동일하기 때문에, 일축 압축 강도도 대체로 동일한 값을 나타내고 있다.

<실험 2>

이 실험에서는 조합수로서 사용하는 표 1의 청수와 이온수에 각각 황산 반토를 첨가하고 있다. 그리고 이 조합수에 일정량의 시멘트와 모래를 첨가하여 그라우트재를 제조하고, 각각에 대하여 실험 1과 마찬가지로 블리딩률, 유동값 및 일축 압축 강도의 측정을 행하여 표 3의 결과를 얻었다. 또한 표 3에 나타내는 실시예 1 내지 11에서는 "이온수→시멘트→일차 광물 입자 →황산 반토"의 순서로 투입하고, 실시예 12의 경우에만 "이온수→황산 반토→시멘트→1차 광물 입자"의 순서로 투입하였다.

이 실험 결과에서는 이온수의 경우만으로도, 황산 반토의 양이 약 5 ％로 적은 상황이면서, 조합수로서 청수를 사용한 표 2의 비교예 1과 거의 동일한 블리딩률이 계측되고 있다 (실시예 1, 7, 10). 이것은 동일한 양의 벤토나이트를 사용한 경우에 있어서, 이온수를 조합수로 하고 있는 쪽이 조합수에 청수를 사용한 경우보다도 블리딩을 크게 하여 점착력이 약해지고 있는 것과는 대조적으로, 황산 반토를 첨가한 조합수를 사용한 경우는 상기와는 반대의 경향이 되어, 이온수를 조합수로 하고 있는 쪽이 조합수로서 청수를 사용한 경우보다도 블리딩을 작게 하여 점착력이 강해져 있고, 점착성을 요구하는 그라우트재로서는 황산 반토를 첨가한 조합수를 사용함으로써 매우 유리한 성질이 나타난다는 것을 알 수 있다.

또한, 그라우트 중의 수분에 대하여 황산 반토가 적으면 블리딩률은 커지고, 블리딩률을 3 ％ 이하로 유지하기 위해서는 황산 반토가 약 5 ％ 이상 필요하다는 것을 알 수 있다. 그리고 그라우트의 성상은 유동상(유동값 13 cm 이상)을 나타내고 있다.

또한, 황산 반토의 양이 많아지면, 즉 수분에 대하여 용량이 10 ％ 이상이 되면 생성되는 수산화알루미늄의 양도 많아지고 점착력이 증대하여, 그라우트의 성상은 유동상으로부터 비유동상(유동값 13 cm 이하)로 변질하고 있다는 것을 알 수 있다.

그리고 점착력(비유동상의 강도)의 정도는 황산 반토의 양이 많아질수록 강해지는 경향을 나타내지만, 본 발명에서는 유동값 8 cm 정도를 상한으로 하고 있다. 즉, 본 발명에서는 그라우트 중의 수분에 대하여 황산 반토의 사용량은 5 내지 15 용량 ％의 범위로 하고 있다.

또한, 각 실시예가 나타내는 블리딩률의 차이는 이온수에 포함되는 성분이나 그의 양 및 황산 반토와의 반응 생성물인 침전물에 따라 좌우되지만, 어떻게 해도 조합수로서 이온수를 사용한 경우 쪽이 조합수로서 청수를 사용한 경우보다도 적은 황산 반토의 양에서 동일한 블리딩률을 얻는다는 것이 명확하게 나타나고 있다.

또한, 유동값에 대해서는 블리딩률이 동일하면, 거의 동일한 정도로 되어 있고, 마찬가지로 그의 일축 압축 강도도 시멘트량이 동일하기 때문에, 대체로 동일한 값을 나타낸다는 것을 확인할 수 있다.

한편, "이온수→시멘트→일차 광물 입자→황산 반토"와 "이온수→황산 반토→시멘트→일차 광물 입자"와 같은 투입 순서에 대해서 그의 영향을 보면, 시멘트가 먼저인 실시예 11과 황산 반토가 먼저인 실시예 12에서 나타난 바와 같이, 블리딩률에는 투입 순서에 의해 큰 차이가 발생하지 않는다는 것을 알 수 있다.

상기한 실험 결과가 나타낸 바와 같이, 본 발명에 의한 그라우트재는 시멘트류와 일차 광물 입자와 전해질 이온을 포함한 물을 주성분으로 하는 모르타르에 그라우트 중의 수분에 대하여 황산 반토를 Al₂O₃ 함유 8.1 ％ 환산으로 5 내지 15 용량％ 첨가함으로써, 조합수로서 청수를 사용하는 경우와 마찬가지로 블리딩이 거의 없음에도 불구하고, 저점성이고 유동성이 좋으며 점착성이 우수한 특성을 발휘하고 있다.

이상, 본 발명의 실시 형태에 대해서 상세히 설명하였지만, 본 발명에 의한 그라우트재는 상기 실시 형태에 전혀 한정되지 않고, 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에서 다양한 변경이 가능한 것은 당연하다.

본 발명의 그라우트재는 조합수에 이온수를 사용한 경우에도, 시멘트 중에 포함되는 수산화칼슘 등의 알칼리 성분과 황산 반토에 포함되는 산성 알루미늄염이 반응함으로써, 다량의 물을 포함한 점착성의 수산화알루미늄 겔이 생성되어, 그 겔이 그라우트 중의 수분을 포함하기 때문에, 블리딩을 감소시키고 점착성의 부여에 의해 재료 분리를 방지함으로써, 블리딩이나 재료 분리가 거의 없음에도 불구하고, 유동성이 좋고 점착성이 우수한 특성을 발휘할 수 있다. 따라서, 시공 현장에서 비록 청수가 없더라도, 현장 부근에 대량으로 있는 전해질 이온을 포함하고 있는 물을 사용할 수 있으며, 이에 따라 시공 비용의 저감을 도모할 수 있다.

Claims (1)

1. 구조물 내 또는 지반 내의 공극, 또는 구조물과 지반의 경계면에 존재하는 공동에 주입 충전하는 그라우트재이며, 시멘트류와 일차 광물 입자와 전해질 이온을 포함한 물을 주성분으로 하는 모르타르에 그라우트 중의 수분에 대하여 황산 반토를 Al₂O₃ 함유 8.1 ％ 환산으로 5 내지 15 용량％ 첨가하여 점착성을 부여한 것을 특징으로 하는 그라우트재.