KR20090022342A - 고강도 그라우팅 약액 조성물 및 이를 이용한 시공방법 - Google Patents

고강도 그라우팅 약액 조성물 및 이를 이용한 시공방법 Download PDF

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Abstract

본원은 용액형 또는 현탁액형 그라우팅 약액을 이용하여 고결체의 내구성을 높이도록 제공되는 그라우팅 약액 및 그 시공방법에 관한 것이다.
본원에서 제공되는 그라우팅 시공방법은, 단독의 규산염을 물로 희석시켜 A액으로 사용할 수도 있고, 또는 고속 회전하는 반응기에서 규산염과 2.5~9 w%농도의 황산알루미늄과 50~80 %농도의 황산용액을 혼합하여 실리카 졸을 얻어 A액으로 사용할 수도 있으며; 규산염이나, 시멘트, 수용해성첨가제, 기능성첨가제 중에서 선택되는 물질에 물을 공급하여 B액을 얻으며, 상기에서 얻은 A액과 B액을 혼합하여 겔(gel)화시키는 겔화단계를 포함하여 제공되는 그라우팅 시공방법이 개시된다.
본 발명에 따라 그라우팅 주입재를 제조하고 이를 이용하여 시공 과정 중 규산염을 이용한 실리카 졸의 생성량과 겔화제 및 수용해성첨가제, 기능성첨가제 등의 유입량을 조절하여 용액형 및 현탁액형의 그라우팅 주입재를 동시에 제공할 수 있음은 물론 고강도 그라우팅(grouting) 주입재의 조성물을 제공할 수 있고, 지반강화 분야에 그라우팅 약액으로 널리 활용할 수 있는 우수발명이다.
그라우팅, 용액형, 현탁액형, 실리카 졸, 규산소다, 고결체.

Description

고강도 그라우팅 약액 조성물 및 이를 이용한 시공방법{Manufacture method of high strength grouting components which can automatically control to gel time and construction methods.}
그라우트(grout)란 토목공사에서 누수방지 공사나 토질안정 등을 위하여 지반의 갈라진 틈이나 공동 등에 충전재를 주입하는 일로 그라우팅(grouting)이라고도 하며, 그 주입재를 그라우트 또는 그라우트재라고 한다.
그라우트의 종류는 시공목적에 따라 지수 그라우트, 지반개량 그라우트, 충전 그라우트, 보강 그라우트 등으로 분류할 수 있고, 그라우팅 공법의 종류에는 DRAIN 공법 등 드레인으로 압밀 배수거리 단축을 통한 압밀 강도증가 공법, 동 다짐 공법 등 충격하중 진동하중에 의한 연약지반 압밀 공법, 약액주입공법 등 전기,화학적 고결, 흡인 공법, 치환공법 등 강제 치환 공법, WELL POINT 등 강제 배수에 의한 수위저하 공법, 압성토와 샌드매트를 통한 물의 배수 공법 등이 알려져 있고, .주입 장소에 따라 공동 그라우트, 균열 그라우트, 공극 그라우트 등으로 구분되고 있다.
토목 및 건축 구조물의 사용 중 터널공사 및 증축이나 리모델링, 용도변경, 하중증가 등으로 인해 차수 및 지반보강이 필요한 경우가 자주 발생하게 된다.
예를 들면, 도심지에 위치한 건물의 경우 철거하고 재건축할 경우 주차대수, 용적율, 건폐율 등 관련법규의 강화로 현재 규모의 면적을 재현하는 것이 거의 불가능하게 되므로 앞으로는 기존 건물의 건폐율 등을 그대로 유지하면서 수직증축이나 리모델링을 통한 건물 사용이 늘어날 것으로 예측되기 때문에 증축이나 리모델링 등으로 인해 증가 된 하중을 기존의 기초지반이 수용할 수 없을 경우 지반의 지지력을 향상시키기 위한 지반보강공사는 필수조건이 될 것으로 예측된다.
일반적으로 연약지반이라고 하면 상부구조물을 지지할 수 없는 상태의 지반을 말하며, 예를 들면 연약한 점토, 느슨한 사질토, 유기질토 등이 이에 속하고, 연약한 점성토나 유기질토로 구성된 지반 위에 도로, 교량, 건물 등이 그대로 놓여 진다면 침하량이 과대해지고, 지지력이 부족하여 안전상의 문제가 생기게 된다.
이러한 문제들이 예상되는 연약한 지반을 개량하여 어떠한 목적물을 건설하는데 있어 안전상의 문제점을 제거하기 위한 수단으로 연약지반 개량공법으로 그라우팅 공법이 이용된다.
예를 들면, 도로의 경우 도로를 건설함에 있어 단단한 기초지반을 필요로 하는데 연약지반구간을 피해 건설할 경우 과다한 공사비의 지출이 불가피해짐으로써, 지반을 건설에 필요로 하는 정도의 경도로 끌어올리는 작업이 필요하게 된다.
그라우팅 시공 시 약액 주입공법이란 연약지반 속에 시멘트 액과 같은 주입 제를 펌프의 압력으로 주입하여 지반 내의 공극이나 균열을 충전시켜 줌으로써 용수의 유출을 막거나, 또는 연약 지층을 뭉쳐 굳게 하여 지반의 붕괴를 억제하게 되며, 주입제로는 시멘트액, 모르타르액, 물유리액과 같은 약액 등이 사용된다.
합성수지 계통의 특수한 약액을 주입하는 공법에서는 주입약액의 투명도에 따라 용액형과 현탁액형으로 구분하며, 겔화 및 고결시간에 따라 6초에서 10초 내에 겔화 및 고결되는 순결형(Short)과, 60초에서 120초 내에서 겔화 및 고결되는 완결형(mild)으로 구분하고 있다.
순결형(short)의 주입약액인 경우, 빠른 시간 내에 차수가 필요하면서, 지반 강화 및 완결형 약액을 주입할 목적으로 이용되고 있고, 완결(mild)의 주입약액인 경우 모래지반과 같은 미세한 공극 사이로 침투력 및 확산력을 발휘하여 지반을 강화하는 곳에 이용되고 있다.
현재까지 사용하고 있는 용액형 및 현탁액형 그라우팅 약액의 경우,고강도의 그라우팅재를 제공할 수 없다는 단점을 갖고 있었다.
본원은 고결체의 내구성을 높이면서도 작업성이 우수한 시공밥법을 가능케 하며, 농도가 균일한 용액형 및 현탁액형의 그라우팅 약액을 제공하고자 하는 과제를 갖고 시작된 발명이다.
본원은 용액형 또는 현탁액형 그라우팅 약액을 이용하여 고결체의 내구성을 높일 수 있는 그라우팅 시공방법을 제공하고자 하는 과제를 갖는다.
본 발명은 규산염을 이용한 실리카 졸의 생성량과 겔화제 및 첨가제 량을 조절하여 고강도 그라우팅(grouting) 조성물을 제공하고, 그라우팅 겔 타임을 조절할 수 있는 시공방법을 제공하여 연약지반의 형태에 구애받지 않고, 그라우팅 시공 시 많은 인력이 동원되지 않으면서 지반을 보강하거나, 차수벽이나, 보강체 등의 구조물을 균일하고 효율적으로 형성할 수 있는 그라우팅 주입재 및 시공방법을 제공하고자 하는 목적을 갖는다.
상기 목적을 달성하기 위한 그라우팅 시공방법은, 단독의 규산염을 물로 희석시켜 A액으로 사용할 수도 있고, 또는 고속 회전하는 반응기에서 규산염과 2.5~9 w%농도의 황산알루미늄과 50~80 %농도의 황산용액을 혼합하여 실리카 졸을 얻어 A액으로 사용할 수도 있도록 제공되는 단계; 시멘트, 중탄산나트륨, 황산나트륨, 글리옥살, 규산소다 중에서 선택되는 성분에 물을 공급하여 용액 B를 얻는 단계; 용 액 A와 용액 B를 동량으로 혼합 겔(gel)화시키는 겔화단계; 를 포함하여 제공되는 그라우팅 시공방법으로 상기의 목적을 달성할 수 있음을 확인하여 완성된 발명이다.
본원에서 제공되는 기술사상을 더욱 구체적으로 개시하기 위하여 도 1을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 그라우팅 주입재가 요구되는 겔 타임에 따라 실리카 졸을 제조하는 (A)용액 제조단계에서는 규산염(10)과 물 내지는 수 용해성 첨가제(20)가 유체자동유입 제어장치(50)에 의해 유입량이 조절되어 주입되고, 1차 혼합단계(70)에서 균일한 농도로 희석된 규산염 용액을 얻으며, 2차 혼합단계(80)에서는 1차 혼합단계(70)에서 얻은 희석된 규산염 용액과 별도의 라인에서 공급되는 황산알루미늄과 희석된 산 용액(90)이 유체자동유입 제어장치(50)에 의해 유입 혼합됨과 동시에 실리카졸 형성단계(100)에서 실리카졸 수용액(A)를 얻을 수 있다.
강도 증가 및 겔화의 촉진(순결) 내지는 지연(완결)을 이루기 위하여 첨가하는 (B)용액 제조단계에서는 시멘트(30) 내지는 다른 첨가제(40)의 분말상태를 분말 자동유입 제어장치(60)에 의해서 공급되고, 물 내지는 수 용해성 첨가제(20)는 유체자동유입 제어장치(50)에 의해 유입량이 조절되어 주입 혼합되는 현탁액 혼합단계(120)를 거쳐 현탁액(B)를 얻을 수 있다.
상기 실리카 졸 형성단계(100)에서 얻은 실리카 졸 수용액(A)과 현탁액 혼합단계(120)를 거쳐 얻은 현탁액(B)를 혼합하는 (A)+(B) 혼합단계(130), 약액 주입단계(140), 겔화단계(150), 약액 고화단계(160)에 의해 균일한 농도 및 고강도의 현 탁액 그라우팅 조성물 제조방법 및 주입공법이 제공될 수 있다.
본 발명은 그라우팅 주입재가 요구되는 용액형의 순결 내지는 완결을 이루기 위하여 (A)단계가 구분되어 제공될 수 있는바,
완결인 경우 (A)용액 제조단계에서, 규산염(10)과 물 내지는 수 용해성 첨가제(20)가 유체자동유입 제어장치(50)에 의해 유입량이 조절 주입되어 1차 혼합단계(70)에서 균일한 농도로 희석된 규산염 용액을 얻어 완결형 실리카졸 수용액(A)으로 제공될 수 있고,
급결인 경우 (A)용액 제조단계에서, 규산염(10)과 물 내지는 수 용해성 첨가제(20)가 유체자동유입 제어장치(50)에 의해 유입량이 조절 주입되어 1차 혼합단계(70)에서 균일한 농도로 희석된 규산염 용액을 얻고, 1차 혼합단계(70)에서 얻은 희석된 규산염 용액과 별도의 라인에서 공급되는 황산알루미늄과 희석된 산 용액(90)이 유체자동유입 제어장치(50)에 의해 유입되어 2차 혼합단계(80)에서 급결형 실리카졸 수용액(A)으로 제공될 수 있다.
또한 강도 증가 및 용액형 내지는 현탁액형 그라우팅 조성물을 제공하기 위한 (B)단계에서, 용액형 타입인 경우 시멘트(30)가 분말 자동유입 제어장치(60)에 의해 공급되면서, 첨가제(40)가 분말 자동유입 제어장치(60)에 의해 공급되고, 물 내지는 수 용해성 첨가제(20)와 혼합되는 혼합단계(120)을 거쳐 용액형 투명용액(B)로 제공될 수 있고, 현탁액 타입인 경우 시멘트(30) 내지는 다른 첨가제(40)의 분말상태를 분말 자동유입 제어장치(60)에 의해서 공급되고, 물 내지는 수 용해성 첨가제(20)와 혼합되는 혼합단계(120)를 거쳐 현탁액형 용액(B)로 제공될 수 있다.
순결 내지는 완결을 이루기 위하여 (A)단계의 수용액과 혼합하는 (A)+(B) 혼합단계(130), 약액 주입단계(140), 겔화단계(150), 약액 고화단계(160)에 의해 겔-타임을 조절하면서 균일한 농도 및 고강도의 용액형 내지는 현탁액 그라우팅 조성물 제조방법 및 주입공법이 제공될 수 있다.
본원의 기술사상을 구체화하기 위한 각론으로 사용원료에 대하여 상술하여 보면, 실리카 졸(A액)을 얻는 단계의 규산염은 일반적으로 국내,외에서 시판되고 있는 액상 규산나트륨(sodium silicate), 액상 규산칼륨(potassuium silicate), 액상 규산리튬(lithiun silicate) 중 어느 1종의 규산염을 사용하여도 무관하나 바람직하게는 액상 규산나트륨 내지는 규산칼륨을 이용하는 것이 유리하며, 더욱 바람직하게는 가격이 저렴한 규산나트륨(1종,4종)을 이용하는 것이 유리한 바, 규산나트륨 중 1종(SiO2/Na2O의 mole ratio: 2.1~2.3)인 경우 점도가 100,000 cps 이상으로 점도가 매우 크기 때문에 규산나트륨의 유입량을 적절히 조절하기가 어렵고, 특히 동절기 시 어름과 같이 고형화될 확률이 높아 작업성이 매우 떨어진다는 단점이 있으며, 규산나트륨 2종(SiO2/Na2O의 mole ratio: 2.4~2.6)인 경우 1종보다 실리카 졸의 량을 더 많이 제공할 수 있으나, 점도가 10,000~50,000 cps로 대체적으로 높기 때문에 2종 역시 정확한 규산염의 유입량을 조절하기 어렵고, 규산나트륨 4종(SiO2/Na2O의 mole ratio: 3.4~3.6)인 경우 많은 량의 실리카 졸을 생성시킬 수 있으며, 점도가 매우 낮아 규산염의 유입량을 조절하기 매우 편리하나, 국내의 수 요처가 대체적으로 낮아 생산을 하지 않기 때문에 구입하기 어려우며, 단가가 비싸다는 단점을 가지고 있으며, 규산나트륨 3종(SiO2/Na2O의 mole ratio: 3.15~3.30)인 경우 점도도 그다지 높지 않으면서 가격이 저렴하고 국내의 규산염 제조업체에서 가장 많이 생산하고 있는 규산염이기 때문에 구입하는데 편리하므로 경제성 및 생산성을 고려할 때 3종의 규산나트륨을 이용하는 것이 가장 바람직하다.
상기 실리카 졸이 형성되는 (A)액의 제조 단계의 규산염과 물 혼합단계에 있어서 순결형(급결; short)인 경우, 물 내지는 수 용해성 첨가제를 100중량부로 기준으로 할 때 규산염을 80 내지는 150 중량부를 혼합하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 90 내지는 130 중량부가 혼합되는 것이 유리하며, 가장 바람직하게는 95 중량부 내지는 120 중량부를 혼합하는 것이 유리한 바 규산염을 90 중량부 이하로 혼합할 경우 완결(mild)의 효과가 나타나기 때문에 순결을 요구하는 그라우팅 주입재에 적절치 않으며, 150 중량부를 초과하여 혼합할 경우 수초 안에 순결효과가 나타나나 주입재의 과잉혼합에 의한 시공단가가 높아질 수 있다는 문제가 있기 때문에 상기 제안한 농도로 혼합하는 것이 적절하다 할 수 있다.
규산염과 물 내지는 수 용해성 첨가제의 혼합단계는 특별한 제한이 없으며, 액상규산염이 물에 균일한 농도로 희석되면 가능하다 할 수 있으며, 이를 위해 고속회전 반응기의 회전봉의 속도가 25 내지는 150 rpm이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 35 내지는 120 rpm으로, 가장 바람직하게는 50 내지는 85 rpm으로 혼합하는 것이 유리한 바 25 rpm의 회전속도로 교반 할 경우 균일한 규산염의 제공하기 위하 여 다소 시간이 걸리기 때문에 작업의 능률이 떨어진다는 단점이 있으며, 120 rpm 이상의 회전속도로 혼합할 경우 매우 짧은 시간에도 균일한 농도로 희석이 된다는 장점을 가지고 있으나 고속 회전에 의한 와류에 의하여 많은 유입량을 혼합하기 어려우며, 희석된 규산염 용액이 혼합장치 밖으로 유출될 가능성이 높기 때문에 적절한 혼합속도를 유지하는 것이 바람직하다.
규산염과 물 혼합단계를 통하여 제공되는 희석된 규산염과 황산알루미늄 공급에 의해 실리카 졸이 형성된다.
이 때 실리카졸을 형성하기 위한 고속회전 혼합장치의 하우징 및 임펠러는 내산성이 우수한 스테인레스-304 내지는, 스테인레스-316 내지는, 스테인레스-316L 중 어떠한 1종의 재질로 구성된 금속을 사용하면 무관하다 할 것이며, 액상규산염이 산과 반응하여 고열이 발생하는바 고속회전을 위한 장치의 하우징에 냉각수를 공급해 주는 것이 유리하며, 회전속도는 가능한 한 빠른 것이 좋으며, 바람직하게는 250 내지는 2,500 rpm이 유리하며, 더욱 바람직하게는 500 내지는 2,000 rpm이 유리하고 가장 바람직하게는 1,000 내지는 2,000 rpm이 유리한바 회전속도가 250 rpm 이하일 경우 실리카가 형성됨과 동시에 곧바로 겔화가 될 뿐만 아니라 실리카졸의 입자크기가 커지기 때문에 겔-화 단계에서 강도가 저하될 수 있는 우려를 배제할 수 없으며, 2,500 rpm 이상의 회전속도일 경우 미립자의 실리카 졸을 제조하는데 더욱 효과적일 수 있으나 회전속도가 높을수록 반응기의 가격이 매우 높아지기 때문에 가능한 한 1,000 내지는 2,000 rpm의 회전속도가 적합하다.
고속회전단계에 유입되는 황산알루미늄은 특별한 제한이 없으며, 가능한 한 가격이 저렴하면서 수질환경을 최소화하며, 작업성이 우수한 것이면 가능하다 할 수 있으며, 황산알루미늄에 무기산 내지는 유기산을 혼합하여 사용하면 더욱 고강도의 그라우팅 조성물을 얻을 수 있다.
이때 사용되는 유기산 내지는 무기산 중 어떠한 산을 사용하여도 무관하나 유기산인 경우 무기산보다 고가이기 때문에 무기산을 이용하는 것이 유리하다.
무기산(Inorganic acid)인 경우 진한 내지는 희석된 황산, 질산, 염산, 불산, 인산 중에 선택되어지는 1종 내지는 1종 이상의 무기산을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 진한 내지는 희석된 황산, 질산, 염산을 사용하는 것이 유리하며, 가장 바람직하게는 50 내지는 80 %의 희석황산을 황산알루미늄의 중량을 100중량부로 기준으로 할 때 300~750부를 첨가하여 사용하는 것이 유리한바, 질산 및 염산인 경우 희석된 규산염과 고속회전단계에서 반응하여 실리카 졸 형성이 원활하게 일어나지만 산 공급 시 끓는 점이 낮아 대기 중에 휘발되어 질산 및 염산 냄새로 인하여 작업자의 건강에 위해를 가져올 수 있는 문제점이 있으며, 불산인 경우 실리카 졸이 형성되나 곧바로 규산염에 포함된 실리카(SiO2)와 불산(HF)와 반응하여 SiF4가 형성됨과 동시에 대기에 방출되므로 최종적인 실리카 졸의 제조효과가 삭감될 수 있으며, 인산인 경우 끓는 점이 매우 높아 호흡에 의한 인체의 피해가 거의 없고 작업자의 부주의에 의해 신체에 위해를 가져다 줄 위험이 다른 산(acid)보다 적지만 인산에 의한 부영양화의 수질오염을 가져다 줄 우려가 있으며, 특히 그라우팅 주입재의 겔 타임을 컨트롤 할 수 없다는 문제점을 갖고 있으며, 황산인 경우 가격 이 매우 저가이면서 산도(acidity)도 높기 때문에 희석된 규산염과 반응할 때 실리카 졸의 생성속도 및 생성률을 극대화할 수 있기 때문에 황산을 이용하는 것이 유리하다.
또한, 진한황산은 물이나 알칼리와 반응할 경우 매우 높은 고열이 발생하여 작업자에 매우 위험하기 때문에 이를 위하여 희석된 황산을 사용하는 것이 가장 유리하다.
유기산(Organic acid)인 경우 물에 용해되면서 무기산과 같이 수질환경에 문제를 발생치 않으며, 가격이 저렴하면서 희석된 규산염과 반응하여 생산성이 높은 실리카졸을 만들 수 있는 유기산이면 어떠한 것이라도 사용하여도 무관하며, 초산(acetic acid), 젖산(latic acid), 주석산(tataric acid), 사과산(maleic acid), 구연산(citric acid), 호박산(succinic acid), 타닌산(tanic acid), 설파민산(sulfamic acid) 중 1종 내지는 그 이상을 혼합하여 사용할 수 있으며, 바람직하게는 설파민산, 초산, 젖산, 구연산, 타닌산을 사용하는 것이 유리하며, 더욱 바람직하게는 초산 내지는 구연산이 유리하며, 가장 바람직하게는 구연산을 사용하는 것이 유리한 바, 구연산 이외에는 유기산 특유의 냄새가 발생하거나 수질오염을 발생시킬 수 있기 때문에 산업현장에서 가장 많이 사용하고 있는 가격이 저렴한 구연산을 이용하는 것이 유리하다.
현탁액 그라우팅 주입재로 이용되어 고강도의 그라우팅재를 이루기 위해 그라우팅 용액 B에 선택적으로 이용되는 시멘트는 지반의 형태나 특성에 따라 선택되어 사용된다.
시멘트는 포틀랜드계 시멘트에 속하는 보통 포틀랜드 시멘트, 중용열 포틀랜드 시멘트, 조강 포틀랜드 시멘트, 내황산염 포틀랜드 시멘트, 백색 포틀랜드 시멘트, 유정시멘트, 콜로이드 시멘트 내지는 혼합시멘트에 속하는 고로 시멘트, Fly ash 시멘트, 실리카 시멘트, 초저발열 시멘트, 지열정 시멘트, RCCP 용 시멘트 내지는 알루미나 시멘트 내지는 초속결 시멘트 내지는 GRC용 저알칼리 시멘트 1종 단독 내지는 1종 이상의 시멘트를 혼합하여 사용할 수 있으며, 일반적 지반강화를 위한 현탁액 주입재를 제공하기 위해서는 비표면적이 3,000~3,500 cm2/g인 포틀랜드계 시멘트를 이용하는 것이 유리하며, 초기강도를 높이기 위해서는 비표면적이 4,000~4,600 cm2/g인 조강포틀랜드 시멘트 내지는 비표면적이 약 6,000 이상 cm2/g인 초조강포틀랜드 시멘트를, 1년 이상의 장기강도를 발현하면서 치밀한 경화체 조직을 얻기 위해서는 중용열 포틀랜드 시멘트를, 황산염 침입에 대한 저항성을 높이기 위해서는 내황산염 포틀랜드 시멘트를, 장기강도의 발현성을 높이면서 내해수성, 화학적 저항성을 높이고, 알칼리와 반응성을 최소화하기 위해서는 고로시멘트를, 건조수축을 줄이고, 수화열을 작게하면서 장기 강도를 크게 하기 위해서는 플라이에쉬(fly ash) 시멘트를 사용하는 것이 유리하다.
일반적인 그라우팅 주입재를 제공하기 위해서는 별도의 첨가제를 사용하지 않는 것도 가능하나, 단독으로 사용하는 현탁액 그라우팅 주입재보다 높은 강도를 제공하기 위하여 첨가제를 혼합하는 것이 유리하다.
상기 첨가제는 벤토나이트, 고로슬래그 분말, 플라이에쉬(fly ash), 흄실리 카(fume silica), 산화마그네슘, 수산화마그네슘, 산화아연, 산화알루미늄, 황산칼륨, 황산칼슘, 탄산칼슘, 보락스(sodium borate) 중 어느 1종 내지는 1종 이상이 선택되어 사용될 수 있고, 상기 시멘트 중량에 대하여 2.5 내지는 35 중량부가 첨가되어질 수 있으며, 바람직하게는 3.5 내지는 30 중량부를 첨가하는 것이 유리하고, 더욱 바람직하게는 5.0 내지는 30 중량부가 포함되는 것이 유리하며, 가장 바람직하게는 7.5 내지는 20 중량부를 첨가하는 것이 유리한 바, 첨가제가 시멘트 대비 2.5 중량비 이하로 첨가될 경우 시멘트 단독으로 사용하는 현탁액의 물성과 유사하기 때문에 첨가제에 의한 물성향상의 영향이 그다지 높지 않으며, 35 중량부 이상이 첨가될 경우 시멘트 량이 상대적으로 적은 량 포함되므로 오히려 강도 저하의 우려가 있기 때문에 상기 제안한 적절한 량을 첨가해야 유리하다.
물 내지는 수 용해성 첨가제은 분말 자동유입 제어장치에서 공급되는 시멘트 내지는 첨가제를 희석하면서 유동성 및 균질성을 제공하기 위하여 사용될 수 있다.
물 단독이나 탄산염(carbonate) 내지는 중탄산염(bicarbonate)을 용해하여 제공할 수 있고, 용액형과 현탁액형의 그라우팅 주입재를 제조하기 위해서 첨가되는 것이 유리하며, 이 때 사용하는 탄산염 내지는 중탄산염은 용액(A)의 제조단계에서 제조된 실리카 졸과 반응하여 겔 타임이 조절되도록 작용할 수 있다.
물 내지는 수 용해성 첨가제(20)는 탄산나트륨, 탄산칼륨, 탄산암모늄, 중탄산나트륨, 중탄산칼륨, 중탄산암모늄 중 1종 이상이 용액(A)의 제조단계에서 규산염을 기준으로 할 때 5 내지는 80 중량부가 첨가될 수 있으며, 순결형 그라우팅 주입재일 경우 바람직하게는 20 중량부 내지는 80 중량부를 용해하는 것이 유리하며, 더욱 바람직하게는 30 중량부 내지는 65 중량부가 유리하고, 가장 바람직하게는 35 내지는 60 중량부가 유리한 바, 20 중량부 이하로 용해할 경우 실리카졸 형성 단계(100)에서 형성된 실리카졸과 반응하여 겔화가 늦게 나타나기 때문에 순결형에 적합지 않으며, 80 중량부 이상을 용해할 경우 탄산염은 별다른 문제가 발생치 않으나 중탄산나트륨이 용해도가 크기 않기 때문에 불용성이 될 확률이 매우 높아 상기 제안한 적정량을 용해하는 것이 유리하다.
또한 완결형인 경우 5 내지는 20 중량부를 용해하는 것이 유리하며, 더욱 바람직하게는 5.5 내지는 15 중량부가 유리하며, 더욱 바람직하게는 7.0 내지는 13 중량부가 유리하며, 가장 바람직하게는 9.0 내지는 11 중량부가 유리한 바, 5 중량부 이하로 용해할 경우 완결의 효과를 발휘할 수 있으나 겔-타임을 콘트롤하기가 매우 힘들며, 20 중량부 이상을 용해할 경우 순결형의 그라우팅 주입재가 만들어질 확률이 높기 때문에 상기 제안한 적정량을 용해하는 것이 유리하다.
상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따라 그라우팅 주입재를 제조하고 이를 이용하여 시공 과정 중 규산염을 이용한 실리카 졸의 생성량과 겔화제 및 첨가제의 유입량을 조절하고 용액형 및 현탁액형의 그라우팅 주입재에 동시 제공할 수 있음은 물론 고강도 그라우팅(grouting) 주입재의 조성물을 제조할 수 있기 때문에 기업의 경쟁력을 확보할 수 있으며, 지반강화 분야에 널리 활용할 수 있게 된다.
이하에서 개시되는 실시 예는 본원의 기술사상의 일부 구현수단을 명확히 제공하기 위한 하나의 수단에 불과하며, 본 발명의 기술사상이 이 실시예에 한정되는 것이 아님은 자명하다.
실시 예 1.(현탁액형 순결형 그라우팅 주입재)
규산나트륨 3호 90 리터를 물 100 리터를 첨가하여 희석하고, 콘트롤시스템을 갖는 고속 회전하는 반응기에 7 %농도의 황산알루미늄 10리터와 70 %농도의 황산 10 리터의 혼합용액을 공급하여 200 리터의 실리카 용액 A를 제조하였다.
따로 시멘트 180 kg을 측량 한 후 물을 공급하여 혼합기로 균일하게 혼합하면서 200 리터의 B용액을 제조하였다.
A용액과 B용액이 섞이게 하는 혼합단계를 거치자마자 겔 타임을 측정하였으며, 겔 화 후 물성을 측정하였으며, 3회 측정한 결과의 평균치를 구하고자 하였다.
실시 예 2. (용액형 순결형 그라우팅 주입재)
규산나트륨 3호 90 리터를 물 100 리터를 첨가하여 희석하고, 콘트롤시스템을 갖는 고속 회전반응기에 7 %농도의 황산알루미늄 10리터와 70 %농도의 황산 10 리터의 혼합용액 공급하여 200 리터의 실리카 용액 A를 제조하였다.
따로 중탄산나트륨 35 kg을 측량하고 나머지 물로 채운 후 용해하여 200 리터의 B용액을 제조하였다.
A용액과 B용액이 섞이게 하는 혼합단계를 거치자마자 겔 타임을 측정하였으며, 겔 화 후 물성을 측정하였으며, 3회 측정한 결과의 평균치를 구하였다.
실시 예 3.(현탁액형 완결형 그라우팅 주입재)
규산나트륨 3호 50 리터를 물 150 리터를 첨가하고 이를 희석하여 물 145 리터를 첨가하여 희석하고, 이곳에 콘트롤 시스템에 의하여 고속회전하는 반응기에 7 %농도의 황산알루미늄 10리터와 50 %농도의 황산 5 리터의 혼합용액을 공급하여(삭제) 200 리터의 실리카 용액 A를 제조하였다.
따로 시멘트 40 kg과 중탄산나트륨 4 kg을 측량 한 후 물을 공급하여 혼합기로 균일하게 혼합하면서 200 리터의 B용액을 제조하였다.
A용액과 B용액이 섞이게 하는 혼합단계를 거치자마자 겔 타임을 측정하였으며, 겔 화 후 물성을 측정하였으며, 3회 측정한 결과의 평균치를 구하였다.
실시 예 4.(용액형 완결형 그라우팅 주입재)
규산나트륨 3호 50 리터를 물 150리터를 가하고 희석하여 물 140 리터를 첨가하여 희석하고, 이곳에 콘트롤 시스템에 의하여 고속회전하는 반응기에 7 %농도의 황산알루미늄 10리터와 50 %농도의 황산 5 리터를 공급하고 나머지 물을 채워서 200 리터의 실리카 용액 A를 제조하였다.
따로 중탄산나트륨 5 kg을 측량하고 나머지 물로 채운 후 용해하여 200 리터의 B용액을 제조하였다.
A용액과 B용액이 섞이게 하는 혼합단계를 거치자마자 겔-타임을 측정하였으며, 겔화 후 물성을 측정하였으며, 3회 측정한 결과의 평균치를 구하였다.
실시 예 5(용액형 순결형 그라우팅 주입재)
규산나트륨 3호 90 리터를 물 100 리터를 첨가하여 희석하고, 이곳에 콘트롤 시스템에 의하여 고속회전하는 반응기에 설파민산 30 kg과 황산 10 리터의 혼합용액을 공급하여 200 리터의 실리카 용액 A를 제조하였다.
따로 규산나트륨 3호 40 리터와 글리옥살 30 리터를 측량한 후 물을 공급하여 혼합기로 균일하게 혼합하면서 200 리터의 B용액을 제조하였다.
A용액과 B용액이 섞이게 하는 혼합단계를 거치자마자 겔 타임을 측정하였으며, 겔 화 후 물성을 측정하였으며, 3회 측정한 결과의 평균치를 구하고자 하였다.
비교 예 1
A의 실리카 용액을 제조하기 위한 7 %농도의 황산알루미늄 10리터와 70 %농도의 황산 10 리터의 혼합용액을 공급하지 않은 것을 제외하고는 실시 예 1과 동일하게 수행하였다.
비교 예 2
실리카용액 A를 제조하기 위한 7 %농도의 황산알루미늄 10리터와 70 %농도의 황산 10 리터의 혼합용액을 공급하지 않은 것을 제외하고는 실시 예 2와 동일하게 수행하였다.
비교 예 3
B용액을 제조하기 위하여 중탄산나트륨을 공급하지 않을 것을 제외하고는 실시 예 3과 동일하게 수행하였다.
비교 예 4
B용액을 제조하기 위한 중탄산나트륨 공급을 하지 않은 것을 제외하고는 실시 예 4와 동일하게 수행하였다.
비교 예 5
A용액을 제조하기 위한 설파민산과 황산을 공급하지 않고, B용액을 제조하기 위한 글리옥사을 공급하지 않은 것을 제외하고는 실시 예 5와 동일한 방법으로 수행하였다.
상기 실시예에 따른 조성비에 따라 겔-타임과 1개월 후에 용탈 발생현황을 측정한 결과 표1의 결과를 얻었다.
[표 1]
Samples Gel time(sec) 압축강도(kg/cm2) 1달 경과 후의 용탈현상
실시 예 1 8.8 26 전혀없음
실시 예 2 9.2 1.4 매우소량
실시 예 3 58 25 전혀없음
실시 예 4 56 1.5 매우소량
실시 예 5 7.9 1.5 전혀없음
비교 예 1 26분 14 소량발생
비교 예 2 14분 0.24 많이발생
비교 예 3 24 13 많이발생
비교 예 4 측정안됨 측정안됨 측정안됨
비교 예 5 측정안됨 측정안됨 측정안됨
비고1:상기 겔타임 결과 중 측정안됨은 1시간 이내에 겔이 형성되지 않음을 의미함. 비고2:상기 Gel time,압축강도 및 1달 경과 후의 용탈현상은 겔이 형성되지 않는 용액으로 측정 불가함.
또한 상기 실시예에 따른 조성비에 따라 시공 후 1개월 후에 압축강도를 실험한 결과를 비교하여 보면, 실시예 1~5에서 제공되는 경화된 압축강도는 현탁액형인 경우 약 25~ 26kg/cm2 정도로 발현되고, 용액형인 경우 약 1.4~1.5kg/cm2 정도로 매우 크게 발현됨에 비하여, 비교예 1~5에서 제공되는 경화된 압축강도는 현택액인 경우 13~14 kg/cm2 정도로 약하게 발현되고, 용액형인 경우 겔화가 되지 않아 전 혀 측정할 수 없거나, 0.24 kg/cm2 정도로 매우 약하게 발현됨을 알 수 있었다.
따라서 경화된 주변의 연약지반이 급속개량되면서 연약지반이 개량된 복합지반으로 형성되어, 지반침하 감소 효과 및 지지력 확보 능력이 매우 빨리 향상될 수 있음을 확인할 수 있었다.
상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따라 수용성의 규산염을 주원료하고, 겔-타임을 조절할 수 있는 황산알루미늄과 산 용액에 의해 형성된 투명한 실리카 조성물 을 얻을 수 있고, 불용성의 시멘트를 혼합하여 속결의 용액형 내지는 현탁액형을 제조할 수 있었으며, 황산알루미늄과 산 용액을 포함하지 않고 수용성의 제3의 첨가제를 공급하는 경우 완결 용액형 주입재를 얻을 수 있으며, 불용성인 시멘트에 수용성의 제3의 첨가제를 공급하여 완결 현탁액형 주입재를 얻어 겔 타임을 자유롭게 조절될 수 있는 고강도의 그라우팅 주입재를 제조할 수 있음을 확인할 수 있었다.
특히 종래의 속결 내지는 완결의 용액형 그라우팅 주입재인 경우 겔이 형성된 후 장시간 경과하면 겔화된 성형체가 서서히 수축하면서 겔 화성형체에 포함된 수분이 밖으로 빠져나오는 용탈현상이 매우 심하게 일어났으며, 이로 인한 속결 내지는 완결의 용액형 그라우팅을 사용할 경우 누수의 원인이 되고, 탄력이 없어지고 강도가 저하되는 문제점을 가졌던 점에 비하여, 본 발명에 의한 글리옥살을 첨가하므로서, 겔화 후 그라우팅 성형체의 용탈이 거의 발생치 않을 뿐만 아니라 탄력이 우수하여 종래의 속결 내지는 완결의 용액형 그라우팅 주입제의 문제점을 충분히 극복할 수 있음을 확인할 수 있었다.
따라서 본 발명의 고강도 그라우팅 조성물 및 이를 이용한 시공방법에 따라 연약지반의 형태나 토질의 종류에 따라 용액형 내지는 현탁액형의 그라우팅 주입재를 속결 및 완결의 원하는 겔-타임으로 조절할 수 있으며, 고강도의 그라우팅 조성물을 제공할 수 있기 때문에 기업의 경쟁력은 물론 지반강화 분야에 널리 활용할 수 있게 될 것이 기대된다.
도 1은 본 발명에 따른 그라우팅 조성물의 제조공정 개략도
********** 도면의 주요 부호에 대한 설명 **********
10: 규산염 20: 물 내지는 수 용해성 첨가제
30: 시멘트 40: 첨가제
50: 유체 자동유입 제어장치 60: 분말 자동유입 제어장치
70: 규산염과 물 혼합단계 80: 고속회전단계
90: 제3의 첨가제나 유,무기산 공급 100: 실리카 졸 형성단계
110: 자동주입 개폐장치 120: 시멘트 내지는 첨가제 혼합단계
130: A+B 혼합단계 140: 약액 주입단계
150: 겔화단계 160: 약액 고화단계

Claims (7)

  1. 용액형 또는 현탁액형 그라우팅 약액을 이용하여 고결체의 내구성을 높이도록 제공되는 그라우팅 시공방법에 있어서,
    단독의 규산염을 물로 희석시켜 A액을 얻거나, 또는 고속 회전하는 반응기에서 규산염과 2.5~9 w% 농도의 황산알루미늄과 50~80 %농도의 황산용액을 혼합하여 실리카 졸 A액을 얻는 단계;
    규산염이나, 시멘트, 수용해성첨가제, 기능성첨가제 중에서 선택되는 물질에 물을 공급하여 B액을 얻는 단계;
    상기 A액과 B액을 혼합하여 겔(gel)화시키는 겔화단계;
    를 포함하여 제공되는 것을 특징으로 하는 그라우팅 시공방법.
  2. 제1항에 있어서,
    실리카 졸 A액을 얻는 단계에서, 2.5~9 w% 황산알루미늄의 중량을 100중량부로 기준으로 할 때 50~80 %농도의 황산용액 300~750 중량부를 첨가하여 사용하는 것을 특징으로 하는 그라우팅 시공방법.
  3. 그라우팅 시공에 용액형 또는 현탁액형 약액으로 이용되어 고결체의 내구성을 높이도록 제공되는 그라우팅 약액 조성물에 있어서,
    단독의 규산염과 물로 희석되어 지는 희석된 규산염액을 A액으로 이용하거 나, 실리카 졸(A액)을 얻어 이용하되 실리카 졸(A액)은 고속 회전하는 반응기에서 규산염과 2.5~9 w%농도의 황산알루미늄과 50~80 %농도의 황산용액을 혼합하여 A액을 얻고, 규산염이나 시멘트, 수용해성첨가제 및 기능성첨가제 중에서 선택되는 성분에 물을 공급하여 B액을 얻으며, 상기에서 얻은 A액과 B액을 혼합하여 겔(gel)화시키도록 제공되는 그라우팅 약액 조성물.
  4. 제3항에 있어서,
    규산염을 이용하여 실리카 졸(A액)을 얻는 단계에서, 규산염은 액상규산나트륨, 액상규산칼륨, 액상규산리튬, 액상알루미늄 실리콘산나트륨 중에서 1종 이상을 선택하여 사용되는 것을 특징으로 하는 그라우팅 약액 조성물.
  5. 제3항에 있어서,
    B액을 얻는 단계에서 사용되는 시멘트는 포틀랜드계 시멘트에 속하는 보통 포틀랜드 시멘트, 중용열 포틀랜드 시멘트, 조강 포틀랜드 시멘트, 내황산염 포틀랜드 시멘트, 백색 포틀랜드 시멘트, 유정시멘트, 콜로이드 시멘트 내지는 혼합시멘트에 속하는 고로 시멘트, Fly ash 시멘트, 실리카 시멘트, 초저발열 시멘트, 지열정 시멘트, RCCP 용 시멘트 내지는 알루미나 시멘트 내지는 초속결 시멘트 내지는 GRC용 저알칼리 시멘트 중에서 1종 이상이 선택되어 사용되는 것을 특징으로 하는 그라우팅 약액 조성물.
  6. 제3항에 있어서,
    B액을 얻는 단계에서 사용되는 수용해성 첨가제는 탄산나트륨, 탄산칼륨, 탄산암모늄, 중탄산나트륨, 중탄산칼륨, 중탄산암모늄, 글리옥살 중에서 1종 이상이 선택되어 제공되는 것을 특징으로 하는 그라우팅 약액 조성물
  7. 제3항에 있어서,
    B액을 얻는 단계에서 사용되는 기능성첨가제는 벤토나이트, 고로슬래그 분말, 플라이에쉬(fly ash), 흄실리카(fume silica), 산화마그네슘, 수산화마그네슘, 산화아연, 산화알루미늄, 황산칼륨, 황산칼슘, 탄산칼슘, 보락스(sodium borate) 중에서 1종 이상이 선택되어 제공되는 것을 특징으로 하는 그라우팅 약액 조성물
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