KR20070066827A - 그라우트재 - Google Patents

Abstract

본 발명은 높은 강도가 얻어지고, 종래의 지반 주입재와 같이 간단한 설비로 미세한 주입관을 사용하여 시공할 수 있으며, 나아가 저렴한 그라우트재를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 그라우트재는 경화 발현재의 현탁액을 포함하는 A액과, 물 유리와 슬래그의 혼합액을 포함하는 B액을 조합하고, 나아가 A액에서의 경화 발현재 중의 시멘트 및 슬래그와 B액 중의 슬래그의 총합을 특정한 범위로 한정함과 동시에, B액 중의 물 유리가 시공에 필요한 시간 내에는 슬래그와 반응하지 않도록 적게 함으로써, 골재를 사용하지 않고 호모 겔 강도가 5 N/mm² 이상인 높은 강도를 얻을 수 있게 된다. 또한, 물 유리의 사용량을 적게 함으로써 알칼리 용탈에 의한 지반의 오염을 최대한 억제할 수 있고, 내구성을 높일 수 있으며, 비용적으로도 저렴하게 공급할 수 있다.

그라우트재, 경화 발현재, 물 유리

Description

그라우트재{GROUT MATERIAL}

[비특허 문헌] 시바사끼 미쯔히로ㆍ시모다 가즈오ㆍ노가미 아끼오 저서, 「약액 주입 공법의 설계와 시공」, 제10판, 가부시끼 가이샤 산까이도우, 쇼와 58년 4월 30일, p.30-34

[특허 문헌] 일본 특허 공개 (평)7-166163호

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

종래부터 지하 구조물이나 지반 내의 공극, 또는 지하 구조물과 지반의 경계면에 존재하는 공동에 주입 충전하는 그라우트재(지반 주입재)로서 물 유리와 시멘트를 주재료로 한, 이른바 케미컬 그라우트가 사용되고 있으며, 이러한 그라우트재(LW액; Labiles Wasserglas)를 이용한 공법은 통상 LW 공법이라고 불리우고 있다.

이 LW 공법에서는 A액(물 유리)과 B액(시멘트)을 별개로 조합하여 펌프로 압송하고, 주입시에 두가지를 합류시켜 혼합함으로써 겔화할 때까지의 시간(겔 타임) 을 이용하여 그라우트를 토양 입자 간극에 침투시키거나, 또는 지반에 쪼개서 압입시켜 지반의 강화나 지수(止水)를 행하도록 하고 있다.

종래의 기술에서 설명한 LW 공법에서는 통상적으로 A액(JIS 3호 물 유리 250 ℓ, 물 250 ℓ)과 B액(시멘트 250 g, 물 420 ℓ)을 등량으로 주입하고 있으며, 얻어지는 호모 겔 강도는 4 N/mm²(JISR 5201) 정도이다. 이 이상의 겔 강도를 얻기 위해서는 B액 중의 시멘트량을 늘리게 되는데, 물 380 ℓ에 대하여 380 kg(W/C= 100 ％ 정도)이 한계이며, 그 이상으로 하면 유동성을 손상시키게 된다. 또한, 겔 타임이 극단적으로 빨라지고, 사용하는 물 유리가 많아지기 때문에 겔화 직후의 강도가 커져 주입할 수 없게 된다. 이 문제를 해결하기 위해, 시멘트의 일부를 슬래그로 치환하거나, 물 유리의 몰비(2 정도)를 낮추거나, 나아가 물 유리의 양을 늘려 대응하고 있지만, 그래도 얻어지는 호모 겔 강도는 고작 10 N/mm² 정도이다.

또한, 그라우트재만이 겔화하여 고결한 것을 호모 겔이라고 하고, 이에 대하여 그라우트재를 모래에 주입하거나 또는 혼합한 것을 샌드 겔로서 구별하고 있다. 또한, 물 유리는 단일한 화합물이 아니라, Na₂O(산화 소다)와 SiO₂(무수 규산)가 여러가지 비율로 결합된 것이며, 분자식으로는 「Na₂O, nSiO₂(n=몰비)」로 표시된다. 따라서, 물 유리의 몰비는 중량비 「SiO₂/Na₂O」에 1.032(SiO₂와 Na₂O의 분자량의 비)를 곱한 것이 된다.

상기한 바와 같이, 종래의 LW 공법은 물 유리(A액)와 시멘트(B액)를 별개로 조합하는 것을 기본으로 하고 있기 때문에, 이 조합으로는 그 이상의 강도는 얻을 수 없다. 즉, A액을 물 유리, B액를 시멘트로 하고, 물 유리를 시멘트로 경화시킨다는 고정 개념을 갖는 한, 5 내지 10 N/mm²를 초과하는 호모 겔 강도는 얻을 수 없다.

또한, 다량의 물 유리를 사용하여 시멘트의 강도를 높이기 때문에 알칼리 용탈량이 많아지고, 지반의 알칼리 오염이 커진다는 문제가 있다. 즉, 고알칼리성 물 유리의 반응은 고알칼리성 시멘트나 석회와 마찬가지로 물 유리를 겔화시키는 것은 가능하지만, 물 유리 중의 알칼리가 소비되지 않고 전량이 그라우트 중에 남게 된다.

따라서, B액의 물 유리를 펌프로 압송할 수 있고, A액과 충분히 혼합할 수 있을 정도의 점성으로 조정한 것 이외의 조합수를 A액에 넣고, 시멘트의 첨가량을 늘려 높은 강도를 얻는다는 극단적인 비례 주입을 행하는 것도 고려할 수 있지만, 이 방법에는 다음과 같은 문제가 있다. 즉, 극단적인 비례 주입(A액과 B액의 혼합비가 4:1 이하)으로 시공하기 위해서는 성능이 다른 2대의 펌프를 필요로 하고, A액과 B액의 혼합 비율의 차이에 의한 불균일을 일으켜 시공 관리가 어려워진다는 문제가 있다. 또한, 주입시에 A액과 B액을 혼합하여 그라우트재로 할 때, A액과 B액이 동일한 양이면 등량 주입이라고 하고, A액과 B액의 혼합비가 다른 경우를 비례 주입이라고 한다.

한편, 모래 모르타르 그라우트는 시멘트를 늘리면 높은 강도를 얻을 수 있지만, 모래 등의 골재를 포함하고 있고, 또한 그라우트 중에 포함되는 수량이 적기 때문에 유동성이 불량하다. 따라서, 지반 주입재와 같은 간단한 설비로 미세한 주입관(통상, 내경이 31 mm 정도)을 사용하여 주입할 수 없기 때문에 시공적으로 큰 문제가 있다.

본 발명은 이러한 배경을 감안하여 이루어진 것이며, 그 목적으로 하는 바는 높은 강도를 얻을 수 있고, 종래의 지반 주입재와 같이 간단한 설비로 미세한 주입관을 이용하여 시공할 수 있으며, 나아가 저렴한 그라우트재를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 그라우트재는 경화 발현재의 현탁액을 포함하는 A액과, 물 유리와 슬래그의 혼합액을 포함하는 B액의 조합을 포함하며, 1 m³당 하기 (1) 및 (2)의 조건을 충족하고, JISR 5201에 준하여 측정한 호모 겔 강도가 5 N/mm² 이상인 것을 특징으로 한다.

(1) A액에서의 경화 발현재 중의 시멘트 및 슬래그와 B액 중의 슬래그의 총합이 450 kg 이상인 것.

(2) B액 중의 물 유리는 몰비가 JIS 3호품 상당 이상이고, Na₂O 환산으로 1.9 내지 18 kg 함유되어 있는 것.

<발명을 실시하기 위한 최선의 형태>

본 발명의 그라우트재는 종래의 그라우트재와 같이 물 유리를 시멘트 등의 경화 발현재로 경화시키는 것이 아니라, 경화 발현재의 현탁액을 포함하는 A액과, 소량의 물 유리와 슬래그의 혼합액을 조합함으로써 다량의 경화 발현재(B액의 슬래그도 포함함)의 사용을 가능하게 하고, 그에 따라 높은 강도를 얻고자 하는 것이다. 즉, 종래의 B액에 대응하는 A액을 B액의 물 유리로 경화시킨다는 발상이며, 또한 물 유리의 사용 목적은 종래에는 주로 겔 타임을 이용하고 있던 데 대하여, 본 발명에서는 슬래그의 경화, 즉 알칼리 자극 촉진을 이용한 것이며, 시멘트와 동일하게 또는 그에 가까운 조기 경화를 도모한 것이다.

본 발명에서 사용하는 A액의 경화 발현재는 난용성 알칼리 물질이고, 물을 첨가하면 경화하는 성질을 갖는 것이며, 대표적으로는 시멘트, 시멘트와 슬래그, 슬래그와 석회를 들 수 있다. 이 중 시멘트는 일반적으로 시멘트라고 칭해지는 것이며, 보통 시멘트, 조강 시멘트, 고로(高爐) 시멘트 등이 있다. 또한, 슬래그는 고로 수쇄 슬래그이며, 일반적으로 시판되고 있는 것을 사용한다. 석회는 생석회와 소석회가 있는데, 바람직하게는 소석회로서 일반적으로 시판되고 있는 것을 사용한다.

본 발명의 그라우트재는 B액에 슬래그를 사용하는 것이 최대의 특징이다. 이 슬래그는 A액에서 설명한 슬래그와 동일한 고로 수쇄 슬래그이며, 잠재 수경화성을 갖고, 매우 불안정하며, 알칼리 자극제를 첨가하면 경화하는 성질이 있다. 알칼리 자극제로서 일반적으로는 석회, 시멘트, 가성소다가 있고, 주로 석회와 시멘트가 있다.

또한, 물 유리는 높은 알칼리성(pH 12 전후)을 나타내며, 슬래그를 경화시키 는 것이 알려져 있다(예를 들면, 일본 특허 공개 (평)7-166163호 공보 참조). 즉, 물 유리(Na₂O, nSiO₂)에 물을 첨가하면 가수분해를 일으켜 가성소다(NaOH)를 생성한다. 이 생성된 가성소다를 본 발명에서는 유리 알칼리라고 정의한다.

유리 알칼리는 물 유리의 몰비가 낮을수록, 또한 농도가 높을수록 그라우트 중에 포함되는 양이 많아진다. 이 유리 알칼리가 슬래그의 알칼리 자극제로서 작용하는지의 여부에 대하여 여러가지 실험을 행한 결과, 물 유리의 몰비가 JIS 3호품(Na₂O: 9 내지 10 ％ㆍSiO₂: 28 내지 30 ％) 이상이고, 그라우트 1 m³당 Na₂O 환산으로 20 kg 이하라면, 시공상 필요한 시간 내(반일 정도)에는 슬래그와 반응하지 않는 것이 판명되었다. 그러나, 물 유리는 단독으로는 슬래그와 반응하지 않지만, 슬래그의 알칼리 자극제인 시멘트나 석회와 공존시키면, 알칼리 자극 작용을 현저하게 촉진시키는 성질이 있다는 것도 판명되었다.

그 결과, B액에 물과 슬래그의 혼합액을 사용해도 시공상으로는 아무런 문제가 없으며, A액과 B액이 등량 또는 비례해도 호모 겔 강도 5 N/mm² 이상의 고강도를 얻는 것이 가능하였다.

또한, 물 유리로서는 주로 몰비가 JIS 3호품 이상인 규산소다를 사용하지만, 규산칼리도 마찬가지로 사용할 수 있다.

본 발명의 그라우트재는 지하 구조물 주변의 지반에서 주로 토양 입자의 간극에 침투시키는 경우에는 미립화한 시멘트, 슬래그, 석회를 사용하는 것이 바람직 하다. 또한, 지하 구조물 주위에 발생한 공동을 목적으로 한 경우에는 미립자의 1차 광물이나, 증점제로서 점토 광물 등을 그라우트에 혼입할 수 있는 범위 내에서 사용할 수 있다.

또한, 통상의 그라우트재에 사용되고 있는 분산제, 지연제, 조기 강도 발현제, 에어 발생제(기포제, 알루미늄 분말) 등을 목적에 맞추어 사용할 수 있다.

본 발명의 그라우트재를 이용한 시공 방법은 특별히 한정되는 것이 아니며, 주입 부분에 맞추어 선택하여 행한다. 예를 들면, 지하 구조물의 설치 장소가 얕은 곳(터널도 포함함)에서는 그라우트 홀, 또는 간단한 방법으로 주입관을 설치하여 주입한다. 또한, 지하 구조물의 설치 장소가 깊은 곳, 예를 들면 기초 말뚝 등에서는 종래의 지반 주입재와 마찬가지로 로트관(단관 또는 이중관)으로 목적하는 위치까지 착공하고, 그 로트관을 그대로 주입관에 사용하여 그라우트를 주입 또는 충전하는 방법으로 행한다.

본 발명의 그라우트재를 주입할 때에는 A액과 B액을 별도로 조합한 후, 등량 또는 목적하는 강도에 맞추어 가능한 범위의 비례로 압송하여, 목적으로 하는 주입 부분에 이르는 도중에서 합류 혼합시킨다.

이하, 본 발명의 그라우트재에 대하여 실험 결과를 나타내어 상세하게 설명한다.

여기서 행한 실험에서는 시멘트로서 보통 시멘트, 슬래그로서 디ㆍ시(주)의 세라멘트를 사용하고, 석회(소석회)는 특1호품, 물 유리는 JIS 3호품(Na₂O: 9.52 ％ ㆍSiO₂: 29.50 ％, 몰비 3.10, 비중 1.43)을 사용하였다. 또한, 물 유리 1 ℓ당 Na₂O는 0.136 kg이다.

<실험-1>

본 실험-1은 슬래그와 물 유리 및 석회의 관계를 밝히기 위해 행한 것이며, 하기 표 1에 실험 결과를 나타내었다.

실험 No.1-1, 1-2는 슬래그에 물 유리를 첨가한 경우에 알칼리 자극제로서 작용하는지의 여부를 확인하기 위해, 각 시료의 점성 변화를 본 것이다. 구체적으로는 깔때기형 점도계(상부 내경 109 mm, 높이 총 길이 251 mm, 하부 유출구 내경 4.8 mm)를 사용하여 시험액 500 cc의 유출 시간을 측정하는 방법으로 행하였다.

실험 No.1-1, 1-2에서는 모두 1일 이내에는 점성 변화가 거의 보이지 않았다. 이러한 점으로부터 그라우트 1 m³당 몰비가 JIS 3호품 상당 이상이고, Na₂O 환산으로 20 kg 이하에서는 물 유리의 알칼리 자극제로서의 효과는 전혀 없다는 것을 확인할 수 있었다.

이어서, 실험 No.2는 슬래그에 알칼리 자극제로서 알려져 있는 석회를 첨가한 경우의 경화 발현 시간과, 28일 후의 일축 압축 강도를 측정한 것이다. 슬래그의 경화 판정은 슬래그에는 경화 개시보다 약간 늦게 암청색으로 발색하는 특유의 성질이 있다는 것을 이용하여, 이 발색까지의 일수로서 확인하였다. 또한, 일축 압축 강도는 JISR 5201에 준하여 공시체를 제조하고, 습윤 상태에서 양생한 것을 측정하였다.

실험 No.2에서는 시간의 경과와 함께 점성이 증가하지만, 슬래그가 경화할 때까지의 일수가 5일로 느리고, 28일 후의 일축 압축 강도는 8.33 N/mm²였다.

실험 No.3은 슬래그에 석회와 물 유리를 첨가한 경우의 경화 발현 시간과, 28일 후의 일축 압축 강도를 측정한 것이다. 이 실험 No.3에서는 물 유리와 석회가 겔화 반응을 일으켜 점성이 극단적으로 증대하고, 슬래그는 1.5일만에 경화하며, 28일 후의 일축 압축 강도도 16.47 N/mm²로 대폭 증대하였다.

따라서, 실험-1의 결과로부터 물 유리는 단독으로는 슬래그의 알칼리 자극제로서의 경화가 전혀 없지만, 석회와 병용함으로써 슬래그의 경화가 극단적으로 빨라진다는 것을 알 수 있었다. 또한, 물 유리는 슬래그의 알칼리 자극 촉진 효과가 현저함과 동시에, 강도 증대에 크게 기여한다는 것도 알았다.

<실험-2>

본 실험-2는 본 발명의 그라우트재를 검증하기 위해 행한 것이며, 하기 표 2에 그 실험 결과를 실시예, 비교예로서 나타내었다.

실험 No.1 내지 8은 A액의 슬래그와 석회를 일정하게 하고, B액의 물 유리의 양을 변화시킨 경우에 대하여 경화 발현 시간과 28일 후의 일축 압축 강도를 측정한 것이다. 이들의 실험 결과를 보면, 물 유리가 적은 실험 No.1에서는 경화 발현 시간이 4일로 시멘트에 비하여 매우 느리고, 물 유리가 증가함에 따라 경화가 촉진되며, 실험 No.7, 8에서는 극단적으로 빨라져 0.5일 이내에 경화하였다. 또한, 일축 압축 강도도 물 유리가 증가함에 따라 강해져, 실험 No.7에서 거의 최대가 되었다.

따라서, 실험 No.1 내지 8의 결과로부터, 본 발명에서는 슬래그의 경화 일수가 3일 이내이고, 강도가 거의 최대를 나타내는 범위, 즉 그라우트재 1 m³당 유리 알칼리(물 유리로부터의 Na₂O)가 1.9 kg(실험 No.2) 내지 18 kg(실험 No.7)인 범위로 하였다. 그 이상의 유리 알칼리의 사용은 지반의 알칼리 오염의 증대로 연결되고, 내구성을 잃는 원인도 되며, 나아가 재료비가 비싸지는 것 등을 고려하여 상한을 정하였다.

또한, 유리 알칼리가 적으면 슬래그의 알칼리 자극 촉진 효과를 그다지 기대할 수 없기 때문에, 이러한 관점에서도 본 발명에서는 유리 알칼리가 그라우트재 1 m³당 Na₂O 환산으로 1.9 kg 미만인 경우를 제외하였다.

호모 겔 강도에 대해서는, 본 발명의 목표치인 5 N/mm² 이상을 얻기 위해서는 A액에서의 경화 발현재 중의 시멘트 및 슬래그와 B액 중의 슬래그의 총합이 그라우트재 1 m³당 450 kg 이상인 것이 실험 No.9 내지 17에 의해 확인되었으며, 본 발명의 범위로 하였다. 또한, 석회의 사용에 대해서는 A액의 경화 발현재의 종류나 양에 의해 크게 상이하기 때문에, 본 발명에서는 범위를 특정하지 않았다.

이상, 본 발명의 실시 형태에 대하여 상세하게 설명했지만, 본 발명에 의한 그라우트재는 상기 실시 형태로 전혀 한정되는 것이 아니며, 당연히 본 발명의 취지를 이탈하지 않는 범위에서 여러가지 변경이 가능하다.

본 발명의 그라우트재는 경화 발현재의 현탁액을 포함하는 A액과, 물 유리와 슬래그의 혼합액을 포함하는 B액을 조합하고, 나아가 A액에서의 경화 발현재 중의 시멘트 및 슬래그와 B액 중의 슬래그의 총합을 특정한 범위로 한정함과 동시에, B 액 중의 물 유리가 시공에 필요한 시간 내에는 슬래그와 반응하지 않도록 적게 함으로써, 골재를 사용하지 않고 호모 겔 강도가 5 N/mm² 이상인 높은 강도를 얻을 수 있다. 또한, 물 유리의 사용량을 적게 함으로써 알칼리 용탈에 의한 지반의 오염을 최대한 억제할 수 있고, 내구성을 높일 수 있으며, 비용적으로도 저렴하게 공급할 수 있다.

Claims (1)

1. 경화 발현재의 현탁액을 포함하는 A액과, 물 유리와 슬래그의 혼합액을 포함하는 B액의 조합을 포함하며, 1 m³당 하기 (1) 및 (2)의 조건을 충족하고, JISR 5201에 준하여 측정한 호모 겔 강도가 5 N/mm² 이상인 것을 특징으로 하는 그라우트재.

   (1) A액에서의 경화 발현재 중의 시멘트 및 슬래그와 B액 중의 슬래그의 총합이 450 kg 이상인 것.

   (2) B액 중의 물 유리는 몰비가 JIS 3호품 상당 이상이고, Na₂O 환산으로 1.9 내지 18 kg 함유되어 있는 것.