KR20090070845A

KR20090070845A - 연약지반 보강용 고화재

Info

Publication number: KR20090070845A
Application number: KR20070138986A
Authority: KR
Inventors: 손우흥; 권현오; 황무석
Original assignee: 손우흥; 권현오; 황무석
Priority date: 2007-12-27
Filing date: 2007-12-27
Publication date: 2009-07-01
Also published as: KR100913268B1

Abstract

본 발명은 조강성이 우수하고 중금속 고정화 효과가 뛰어난 연약지반 보강용 고화재에 관한 것으로, CSA계 혼화재 : 5~30중량%, 천연무수석고 : 10~20중량%, 생석회(또는 소석회) : 1~10중량%, 고로슬래그 : 20~50중량%, 감수제 : 0.1~10중량% 및 불규화염 : 0.1~10중량%를 혼합한 것을 특징으로 한다.

고화재, 중금속

Description

연약지반 보강용 고화재 {Hardening Material To Solidify Frail Ground}

본 발명은 연약지반 보강용 고화재에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 조강성이 우수하고 중금속 고정화 효과가 뛰어난 연약지반 보강용 고화재에 관한 것이다.

해안습지나 하천, 호수, 항만 인접지역 또는 준설매립지와 같은 습기가 많은 지역은 대체로 지반이 매우 연약하므로, 그러한 지역에 건축물을 축조하기 위해서는, 먼저 지반 전체를 견고하게 하여 지방의 침하를 방지하고 지지력을 강화시키는 등의 조치를 취해야 한다. 이러한 조치를 취함에 있어서 우선적으로 필요한 것은 연약지반을 응결 경화시키는 것이며, 이를 위하여 많은 종류의 고화재들이 사용되고 있다.

한편, 최근 시멘트에 함유되어 있는 중금속, 특히 6가 크롬의 유해성과 관련하여 많은 논란이 야기되고 있는데, 6가 크롬은 세포 내에 침투하여 암을 유발할 수도 있고, 알레르기성 접촉성 피부염이나 아토피 체질을 악화시키기도 하는 것으로 알려져 있기 때문이다. 시멘트에 함유되어 있는 6가 크롬은 시공 후 시멘트로부터 용출되어 주변 토양이나 지하수 등을 오염시키게 되어 결과적으로 인체에 악영 향을 끼치게 된다.

다른 한편, 함수비가 높고 유기물이나 중금속 화합물이 다량 함유되어 있는 토양의 경우에는, 시멘트가 수화과정에서 액상 중의 칼슘 2가 이온과 신속하게 결합되어 고화에 기여하지 않는 석회염을 생성하고, 이 석회염이 시멘트 입자의 표면을 치밀하게 피복하여 수화반응의 지연 또는 정지시킴으로써, 고화 저해현상이 발생된다. 이 고화저해 현상이 발생되면, 다량의 시멘트를 사용한다 하더라도 목표로 하는 강도를 발현시키기 어렵게 된다.

이러한 이유들로 인하여, 연약지반 보강용 고화재로는 첫째, 연약지반을 응결 경화시키는 것이어야 하고, 둘째, 시멘트에 함유되어 있는 6가 크롬이 용출되지 않도록 하는 것이어야 하고, 셋째, 함수비가 높고 유기물이나 중금속 화합물이 다량 함유되어 있는 토양의 경우에도 시멘트의 고화 저해현상이 발생되지 않도록 하는 것이어야 한다.

종래 사용되던 고화재로는 시멘트에 슬래그와 무수석고를 혼합한 혼합물과 시멘트에 플라이애쉬 및 무수석고를 혼합한 혼합물, 그리고 시멘트에 CSA계 혼합재를 혼합한 혼합물이 있다.

시멘트에 슬래그와 무수석고를 혼합한 혼합물과, 시멘트에 플라이애쉬와 무수석고를 혼합한 혼합물은 모두 저렴한 가격으로 재료를 쉽게 구할 수 있고, 또한 재료들의 배합비에 따라 고강도의 차수벽을 만들 수 있는 등의 장점이 있다. 그러나 이 혼합물들은 경화에 소요되는 시간이 길고, 수축현상이 커서 그라우팅의 고화재로 사용하기에 다소 부적합하며, 흙 포장용으로 사용하면 크랙발생의 위험이 있 다. 뿐만 아니라, 시멘트 등에 함유된 중금속이 용출되지 않도록 이를 고정화하는 효과가 약하다는 문제점이 있다.

시멘트에 CSA계 혼화재를 혼합한 혼합물은, 타 혼합물에 비하여 응결에 소요되는 시간이 짧아 작업성과 시공성이 향상된다는 장점이 있으나, CSA계 혼화재의 가격이 고가이어서 전체적으로 단가가 상승되는 문제점이 있다. 그리고 이 혼합물 역시 수축현상이 커서 지반용 그라우팅의 고화재로 사용하는데 다소 문제가 있으며, 또한 시멘트 등에 함유된 중금속이 용출되지 않도록 이를 고정화하는 효과가 약하다는 문제점이 있다.

본 발명은 앞서본 종래 기술들의 결점을 해소하기 위하여 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 연약지반을 빠른 시간에 응결 경화시킬 수 있고, 시멘트에 함유되어 있는 6가 크롬이 용출되지 않도록 하고, 나아가 함수비가 높고 유기물이나 중금속 화합물이 다량 함유되어 있는 토양의 경우에도 시멘트의 고화 저해현상이 발생되지 않도록 하는 고화재를 제공하는 것이다.

본 발명은 CSA계 혼화재, 천연무수석고, 생석회(또는 소석회), 고로 슬래그, 감수제 및 불규화염을 하기의 비율로 배합한 것을 특징으로 한다.

재료명	CSA계 혼화재	무수석고	생석회 (소석회)	고로 슬래그	감수제	불규화염
비율 (중량%)	5~30	10~20	1~10	20~50	0.1~10	0.1~10

CSA계 혼화재는 에트링자이트 생성을 촉진시켜며 중금속을 고정화하는 역할을 하는 것이다. 본 발명에 있어서 CSA계 혼화재는 Al₂O₃성분이 30~38% 함유된 클린커를 분말도 약 4000~5500㎠/g가 되도록 분쇄한 것을 사용하여야 한다. 분말도가 4000㎠/g 이하의 경우에는 경화속도가 늦어져 에트링자이트의 생성이 신속하게 이루어지지 못하여 조강성능이 떨어지며, 분말도가 5500㎠/g 이상이 될 경우에는 초기 응결속도가 빨라져 작업성이 떨어지며, 또한 주입성능의 떨어져 토양입자의 수밀화, 고정화가 미흡해지고, 그로 인하여 장기적으로 강도 저하를 나타낼 수 있다. 이 CSA계 혼화재를 5중량% 이하로 사용하면 에트링자이트 생성이 충분하지 않고, 30중량% 이상으로 사용하면 비용이 상승될 뿐만 아니라 오히려 강도가 약해질 염려가 있다.

본 발명에 있어서 무수석고는 CSA계 혼화재의 수화물을 견고하게 하며 시멘트 경화체의 수축을 방지하는 역할을 한다. 무수석고는 반수석고나 이수석고와 비교하여 용해속도가 느리기 때문에 CSA계 혼화재와의 반응에 적합하다. 무수석고는 CSA계 혼화재, 생석회(또는 소석회)와 반응하여 에트링자이트를 생성하는 것이므로, 무수석고의 사용량은 CSA계 혼화재 또는 생석회(또는 소석회)의 양에 의해서 결정된다. 본 발명에 있어서 무수석고의 사용량은 10~20중량%인데, CSA계 혼화재/무수석고의 중량비가 1.5~2.5의 범위가 되도록 하여야 하며, 바람직하게는 1.6±0.1로 하는 것이 좋다. 이 CSA계 혼화재/무수석고의 비는 장기 재령에서의 안정성(치수안정성) 및 내구성에 영향을 미치며, 고강도를 발현하는데 큰 기여를 한다.

본 발명을 토양 콘크리트용 첨가재로 사용하는 경우, 무수석고는 Ⅱ형 무수석고를 사용하여야 하며, 이때 무수석고의 분말도는 블레인 비표면적으로 3,500~5,000㎠/g이어야 한다. 무수석고가 3500㎠/g 이하의 분말도를 가지면 장기팽창의 우려가 있으며, 5000㎠/g 이상의 분말도를 가지면 석고가 지연제 역할을 하여 경화속도가 떨어진다.

생석회(또는 소석회)와 고로슬래그는 잠재수경성과 포졸란 반응에 의해 수화물을 생성하여 강도 발현에 기여하는 것이다. 앞서 언급하였듯이, 생석회(또는 소석회)는 CSA계 혼화재 및 무수석고와 반응하여 에트링자이트를 생성하는 것이므로, 생석회(또는 소석회)의 사용량은 CSA계 혼화재 또는 무수석고의 양에 의해서 결정된다. 본 발명에 있어서 생석회(또는 소석회)의 사용량은 1~10 중량%로 하여야 하며, CSA계 혼화재에 대하여 중량비로 1/5내지 1/3의 범위에서 사용하는 것이 바람직하다.

한편, 생석회는 초기에 반응하여 발열하며, 수산화칼슘을 형성함으로써 토양의 함수비를 저감시켜 초기 강도 확보와 함께 건조 수축에 의한 균열방지에 도움을 주는 구성요소이므로, 특히 습기가 많은 지역에 있어서는 소석회 보다는 생석회를 사용하는 것이 보다 유리하다.

고로슬래그는 에트링자이트 생성을 도우며 중금속의 고정화, 안정화에 기여한다. 본 발명에 있어서 고로슬래그의 사용량은 20~50중량%이어야 하는데, 20중량% 이하로 사용하는 경우에는 압축강도가 저하될 염려가 있으며, 50중량% 이상으로 사용하는 경우에는 타 재료의 사용량이 줄어들어 전체적인 조화가 무너지게 된다. 고 래슬래그의 분말도는 5000㎠/g 이상이어야 하나, 7000㎠/g 이상의 것을 사용하는 것이 바람직하다. 고로슬래그의 분말도가 5000㎠/g 이하의 경우에는 강도증진의 효과가 떨어지고 잠재수경성의 속도가 크게 저하된다.

불규화염은 시멘트 및 CSA계 혼화재의 경화를 촉진시켜 중금속 고정화 반응을 활발하게 하는 역할을 하는 것이다. 본 발명에 있어서 불규화염은 CSA계 혼화재와의 수화반응을 고화체의 형성 시점이후에서부터 촉진시키고 또한 토양으로부터 장기적으로 용출되는 실리카(SiO₂), 알루미나(Al₂O₃) 성분의 용출 속도를 촉진시킴으로써 포졸란 반응을 앞당기게 함으로써, 특히 초기 재령에서의 고강도에 기여한다. 본 발명에 있어서 불규화염의 사용량은 0.1~10중량%이어야 한다. 그러나 불규화염은 CSA계 혼화재와의 반응을 전제로 사용되는 것이므로, 그 구체적인 사용량은 CSA계 혼화재의 사용량에 의하여 정해지게 될 것이다. 즉, 본 발명에 있어서 불규화염으로 K₂SiF₆, MgSiF₆, NaSiF₆ 중 어느 하나를 사용하면 되나, 이 중 K₂SiF₆의 효과가 가장 높은 것으로 나타났다.

감수제는 시멘트와 타 혼합재의 유동성을 높여 작업성을 높일 뿐만 아니라, 이들이 흙 입자 사이에 침투되는 침투율을 높여 견고한 경화체를 얻는데 도움을 준다. 본 발명에 있어서 감수제는 0.1~10중량% 사용하여야 하는데, 그 구체적인 사용량은 타 재료들의 전체 배합비 등을 감안하여 정해야 한다.

위에서 보듯이, 본 발명은 CSA계 혼화재 : 5~30중량%, 천연무수석고 : 10~20중량%, 생석회(또는 소석회) : 1~10중량%, 고로슬래그 : 20~50중량%, 감수제 : 0.1~10중량% 및 불규화염 : 0.1~10중량%를 혼합한 것을 특징으로 하는 것으로, 이러한 조성에 의하여 조강성이 우수하고 중금속 고정화 효과가 뛰어난 연약지반 보강용 고화재를 제공하는 것이다.

본 발명은 연약지반을 보다 빠른 시간에 응결 경화시킬 수 있고, 시멘트에 함유되어 있는 6가 크롬이 용출되지 않도록 하고, 나아가 함수비가 높고 유기물이나 중금속 화합물이 다량 함유되어 있는 토양의 경우에도 시멘트의 고화 저해현상이 발생되지 않도록 하는 효과를 가진 것이며, 종래의 CSA계 고화재와 비교할 때, 그 가격이 저렴하여 경제성이 높은 매우 유익한 것이다.

발명의 실시를 위한 구체적인 내용

이하, 실시예에 의거 본 발명을 설명한다.

본 실시예는 본 발명의 고화재 조성물과 종래 고화재들의 효과를 대비하기 위하여 행해진 것이다.

먼저, CSA계 혼화제 30중량%, 무수석고 20중량%, 생석회 중량5%, 고로 슬래그 40중량%, 감수제 3중량%, 불규화염(K₂SiF₆) 2중량%를 혼합하여 본 발명의 고화재를 제조하였다.

그리고 본 발명의 고화재를 시멘트와 혼합함에 있어서, 각각 시멘트 500㎏을 전제로 하여, 이 시멘트의 25㎏을 본 발명의 고화재로 대체한 것을 실시예 1로 정 하고, 이 시멘트의 50㎏을 본 발명의 고화재로 대체한 것은 실시예 2로 정하고, 이 시멘트의 75㎏을 본 발명의 고화재로 대체한 것을 실시예 3으로 정하고, 이 시멘트의 100㎏을 본 발명의 고화재로 대체한 것을 실시예 4로 정하였다.

본 발명과 비교하기 위한 종래 기술로서, 시멘트 500㎏만을 사용하는 것을 비교예 1로 정하고, 시멘트 250㎏에 고로슬래그 250㎏을 혼합한 것을 비교예 2로 정하고, 시멘트 250㎏에 플라이애쉬 250㎏을 혼합한 것을 비교예 3으로 정하였다.

그리고 CSA계 혼화재만을 사용한 것의 효과를 살피기 위하여, 각각 시멘트 500㎏을 전제로 하여, 이 시멘트의 25㎏을 CSA계 혼화재로 대체한 것을 비교예 4-1로 정하고, 이 시멘트의 50㎏을 CSA계 혼화재로 대체한 것은 비교예 4-2로 정하고, 이 시멘트의 75㎏을 CSA계 혼화재로 대체한 것을 비교예 4-3으로 정하고, 이 시멘트의 100㎏을 CSA계 혼화재로 대체한 것을 비교예 4-4로 정하였다.

각 실시예 및 각 비교예의 재료에 각각에 대하여 일반 마사토(함수율 6%) 1000㎏과 물 250㎏을 혼합하여 경화체를 만들었다. 그리고 각각의 경화체에 대하여 3일 후 및 28일 후 압축강도를 측정하고, 한편으로 각각에 대하여 폐기물 공정시험법에 의거 유해중금속의 용출시험을 하였다.

하기 표1은 각 실시예 및 각 비교예에 대한 압축강도 측정치를 표시한 것으로, 표2는 각 실시예 및 각 비교예에 대한 유해중금속 용출시험의 측정치를 표시한 것이다.

(표 1)

	시멘트	슬래그	플라이애쉬	CSA계혼합재	본 발명 고화재	흙	물	압축강도(MPa)
	시멘트	슬래그	플라이애쉬	CSA계혼합재	본 발명 고화재	흙	물	3일	28일
비교예1	500					1000	250	6.5	12.4
비교예2	250	250				1000	250	4.9	11.5
비교예3	250		250			1000	250	5.1	12.1
비교예4-1	475			25		1000	250	5.9	13.6
비교예4-2	450			50		1000	250	8.4	15.7
비교예4-3	425			75		1000	250	10.2	16.0
비교예4-4	400			100		1000	250	13.4	15.4
실시예1	475				25	1000	250	7.5	15.2
실시예2	450				50	1000	250	10.1	16.9
실시예3	425				75	1000	250	13.8	18.1
실시예4	400				100	1000	250	15.4	18.5

(표 2)

구 분	중금속 용출량 (mg/L)
구 분	Hg	Cd	Cr+6	As	Pd	Cu
비교예1	불검출	0.05	0.16	0.14	0.13	0.82
비교예2	불검출	0.02	0.14	0.11	0.10	0.22
비교예3	불검출	0.04	0.13	0.13	0.11	0.16
비교예4-1	불검출	0.02	0.10	0.11	0.07	0.11
비교예4-2	불검출	0.018	0.08	0.11	불검출	0.09
비교예4-3	불검출	0.005	0.05	불검출	불검출	불검출
비교예4-4	불검출	불검출	0.01	불검출	불검출	불검출
실시예1	불검출	0.01	0.05	0.02	불검출	0.09
실시예2	불검출	0.005	0.01	불검출	불검출	불검출
실시예3	불검출	불검출	불검출	불검출	불검출	불검출
실시예4	불검출	불검출	불검출	불검출	불검출	불검출

표1에서 보듯이, 비교예 1 내지 3과 비교할 때, 본 발명의 고화재를 사용한 경우 압축강도가 현저히 상승되었다. 그리고 CSA계 혼화재만을 사용한 경우에 비교하더라도, 동일한 양을 사용하였을 때 본 발명의 고화재를 사용한 것의 압축강도가 현저히 높았다.

구체적으로 살피면, CSA계 혼화재 100㎏을 사용한 경우의 압축강도는 3일째 13.4MPa, 28일째 15.4MPa 이었음에 반하여, 본 발명의 고화재를 75㎏ 사용한 경우 의 압축강도가 3일째 13.8MPa, 28일째 18.1MPa 로서 모두 높았다. CSA계 혼화재의 가격이 본 발명의 고화재의 가격에 비하여 매우 고가임을 고려할 때, 본 발명은 경제적으로 매우 유익한 것이라 하겠다.

한편, 표2에서 보면, 본 발명의 고화재를 75㎏ 이상 투입한 경우에는 유해중금속이 전혀 용출되지 않았음에 반하여, 비교예들의 경우에는 그 어느 것도 6가 크롬의 용출을 완전히 저지하지 못하였다. 따라서 본 발명은 종래 기술들에 비하여 중금속 용출 저지성에 있어서도 매우 우수한 것이다. 특히 6가 크롬의 위해성이 강조되고 있음을 고려할 때, 6가 크롬의 용출을 완전히 저지할 수 있다는 점만으로도 본 발명은 매우 유익한 것이라 하겠다.

Claims

CSA계 혼화재 : 5~30중량%, 천연무수석고 : 10~20중량%, 생석회(또는 소석회) : 1~10중량%, 고로슬래그 : 20~50중량%, 감수제 : 0.1~10중량% 및 불규화염 : 0.1~10중량%를 혼합한 것을 특징으로 하는 연약지반 보강용 고화재.
제1항에 있어서, 상기 CSA계 혼화재는 Al₂O₃성분을 30~38% 함유하는 클린커를 분말도 약 4000~5500㎠/g가 되도록 분쇄한 것임을 특징으로 하는 연약지반 보강용 고화재.
제1항에 있어서, 상기 CSA계 혼화재와 상기 무수석고의 중량비가 1.5~2.5의 범위인 것을 특징으로 하는 연약지반 보강용 고화재.
제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 CSA계 혼화재와 상기 무수석고의 중량비가 1.6±0.1의 범위인 것을 특징으로 하는 연약지반 보강용 고화재.
제1항에 있어서, 상기 고래슬래그의 분말도는 5000㎠/g 인 것을 특징으로 하는 연약지반 보강용 고화재.
제1항에 있어서, 상기 무수석고의 분말도는 블레인 비표면적으로 3,500~5,000㎠/g인 것을 특징으로 하는 연약지반 보강용 고화재.
제1항에 있어서, 상기 불규화염은 K₂SiF₆, MgSiF₆, NaSiF₆ 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 연약지반 보강용 고화재.