KR20100130470A

KR20100130470A - 석탄회를 이용한 연약지반 말뚝시공용 밀크주입재 조성물

Info

Publication number: KR20100130470A
Application number: KR20090049185A
Authority: KR
Inventors: 권종길
Original assignee: 권종길
Priority date: 2009-06-03
Filing date: 2009-06-03
Publication date: 2010-12-13

Abstract

본 발명은 연약지반 말뚝시공시 말뚝과 지반의 공극에 채워지는 밀크주입재 조성물에 있어서, 상기 조성물은 시멘트와 석탄회가 혼합된 분말로 이루어지는 것을 특징으로 하는 석탄회를 이용한 연약지반 말뚝시공용 밀크주입재 조성물에 관한 것으로,

상기와 같은 연약지반 말뚝시공용 밀크주입재 조성물을 통해 말뚝시공시 초기 강도가 발현되도록 하고, 말뚝과 조성물 또는 지반과 조성물의 상호 결합력을 증대시켜 장기 양생시 압축강도가 증가될 수 있도록 하여주며, 열병합발전소에서 생성되는 석탄회와 같이 다량의 미연탄소와 다량의 산화칼슘이 포함된 석탄회도 재활용 가능토록 하여 환경오염을 방지한다.

열병합 발전소, 석탄회, 시멘트, 슬래그

Description

석탄회를 이용한 연약지반 말뚝시공용 밀크주입재 조성물{composition for soft ground construction pile using ash}

본 발명은 석탄회를 이용한 연약지반 말뚝시공용 밀크주입재 조성물에 관한 것으로, 보다 자세하게는 다량의 미연탄소를 함유한 석탄회를 재활용하여 말뚝과 지반사이의 공극을 채워 지내력을 증강시킬 수 있는 석탄회를 이용한 연약지반 말뚝시공용 밀크주입재 조성물에 관한 것이다.

말뚝시공은 구조물, 아파트, 대형빌딩, 연약지반, 도로, 철도 등 하중을 많이 받는 곳에 실시되는 기초 토목 공사 방법 중의 하나로, 특히 해안 및 내륙의 연약지반을 활용하기 위하여 사용된다.

이러한 말뚝시공 방법은 다양하다. 말뚝시공에 주로 사용되는 공법은 지반에 구멍을 파고 말뚝을 심는 방법으로 지반과 말뚝의 공간에 순수 시멘트 또는 벤토나이트를 배합한 분말에 물을 혼합하여 제조된 혼합물을 충진하여 지반에 고정시키는 매입말뚝공법이다. 이러한 매입말뚝공법은 지반과 말뚝의 견고한 지내력을 발휘할 수 있다.

이외에도 말뚝에 직접 타격을 가하여 심는 타입공법이 있는데, 이는 항타시 진동, 소음, 매연 발생으로 인하여 민원발생이 많기 때문에 임해지역과 같은 특수한 지역에서만 실행되고 있다.

한편, 석탄회는 석탄 화력발전소에서 미분탄을 연소후, 부산물로 발생되는 회(재)를 말하는 것으로, 국내에서 생성되는 석탄회는 크게 2종류로 분류된다.

첫째는 일반 화력발전소처럼 연소온도가 1100~1300℃의 높은 온도에서 역청탄을 원탄으로 사용하여 생성되는 F급 석탄회이고, 둘째는 열병합 발전소 석탄회로서 유동층 연소보일러 시스템을 이용하여 연소온도가 900℃이하에서 역청탄, 갈탄을 원탄으로 사용하고, 석회석 분말을 첨가재로 사용하여 생성되는 C급 석탄회이다.

이러한 석탄회는 환경오염에 원인이 될 수 있는 것으로, 국내의 경우 연간 약 3백만톤에 이르는 석탄회 주로 매립지에 매립하여 폐기처분하는 등 재활용률이 약 40%정도에 그치고 있어 최근에는 더 많은 양의 석탄회를 재활용하기 위한 다양한 노력이 시도되고 있다.

그 중의 하나는 석탄회를 레미콘 혼화재로 사용하는 것으로, 이를 통해 강도증가, 부식방지, 비용절감 등 많은 경제적 이점이 발생하고, 폐기되는 폐자원을 재활용함으로 에너지 절약 및 환경오염을 방지할 수 있었다.

그 일환으로 일반 화력발전소에서 발생하는 F급석탄회와 같이 순수 역청탄만을 연소하여 발생하는 석탄회의 경우에는 산화칼슘(CaO) 함량이 1~5%이하이고, 미연탄소도 5%이하이며, 역청탄이 미분상태에서 고온 직화 연소되기 때문에 중공구형 상태의 입자를 갖는 석탄회로 생성되어 상기 구형의 입자가 볼베어링역할을 하는 등 레미콘 혼화재로 사용하는데 문제가 없었다.

반면, 열병합 발전소에서 생성되는 C급 석탄회와 같은 경우에는 낮은 온도에서 연소되기 때문에 불규칙한 입형이고 대부분 결정질로 구성되어 있으며, 산화칼슘(CaO)의 함량이 20%이상으로 매우 높고, 미연탄소 함량도 5~15% 정도로 매우 높은편이다.

이와 같은 C급 석탄회는 산화칼슘의 함량이 20%이상으로 높기 때문에 시멘트와 유사한 특성을 갖고, 수경성을 발현하여 초기 강도 발현에 큰 강점을 갖고 있음에도 불구하고, 상기 C급 석탄회에 포함된 다량의 미연탄소가 콘크리트의 양을 줄이고 내구성을 향상시키기 위해 사용되는 감수제를 흡수하기 때문에 고강도 콘크리트 레미콘 혼화재로서의 사용이 부적합하다는 문제점이 있었다.

이에 열병합 발전소에서 생성되는 석탄회와 같이 고함량의 미연탄소 및 산화칼슘을 포함하는 석탄회를 재활용하기 위해 감수제를 필요로 하지 않는 연약지반 말뚝시공용 조성물로 석탄회를 이용하는 방법을 연구한 결과, 본 발명을 완성하였다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은,

고함량의 미연탄소를 갖는 석탄회를 재활용하여 연약지반 말뚝시공시 말뚝을 지반에 고정시키기 위한 충진재로 사용가능한 석탄회를 이용한 연약지반 말뚝시공용 밀크주입재 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 연약지반 말뚝시공시 충분한 압축강도를 갖도록 하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 보다 향상된 압축강도를 갖도록 하는데 있다.

연약지반 말뚝시공시 말뚝과 지반의 공극에 채워지는 밀크주입재 조성물에 있어서,

상기 조성물은 시멘트와 석탄회가 혼합된 분말로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 분말은 시멘트 100중량부에 대하여 석탄회 5~45중량부가 혼합되어 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 석탄회는 산화칼슘(CaO)이 15~35중량% 함유된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 분말은 시멘트 100중량부에 대하여 슬래그 5~30중량부가 더 첨가되어 혼합된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 분말은 비표면적 기준 2200~5000㎠/g 분말도를 갖는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 연약지반 말뚝시공용 밀크주입재 조성물은 말뚝시공시 말뚝과 지반 사이에 발생하는 공극에 채워짐에 따라 수경성이 발현되어 초기강도발현에 이점이 있으며, 말뚝과 조성물 또는 지반과 조성물의 상호 결합력을 증대시켜 장기 양생시 압축강도가 증가될 수 있도록 하고, 열병합발전소에서 생성되는 석탄회와 같이 다량의 미연탄소와 다량의 산화칼슘이 포함된 석탄회도 재활용 가능토록 하여 환경오염을 방지함은 물론, 석탄회의 사용으로 시멘트의 사용량이 감소될 수 있어 경제적이라는 효과가 있다.

또한, 시멘트 및 석탄회가 적절한 중량비로 혼합되어 말뚝시공시 초기 강도 및 말뚝의 강도가 충분히 증진될 수 있어 종래 시멘트로만 이루어진 조성물을 사용할 때와 유사한 압축강도를 갖을 수 있어 견고한 지내력을 발휘할 수 있다는 효과가 있다.

또한, 슬래그가 더 첨가되어 말뚝시공시 압축강도가 더욱 증가되는 효과가 있다.

이하, 본 발명에 대하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 연약지반 말뚝시공용 밀크주입재 조성물은 매입말뚝공법시 지반과 말뚝사이의 공극에 채워져 지내력을 증강시키기 위한 것으로, 연약지반 말뚝시공시 말뚝과 지반의 공극에 채워지는 밀크주입재 조성물에 있어서, 상기 조성물은 시멘트와 석탄회가 혼합된 분말로 이루어진다.

여기서 상기 시멘트는 물과 반응하여 고형물을 결합시키는 대표적인 결합재로서, 말뚝의 강도를 증진하는 동시에 압밀기능을 갖는다. 이러한 시멘트는 통상의 말뚝시공용 조성물로 사용되는 공지의 시멘트가 모두 사용가능하다.

상기 석탄회는 산화규소(SiO₂), 산화칼슘(CaO), 산화알류미늄(Al₂O₃) 등의 화학성분을 포함하고 있는 것으로, 시멘트와 혼합된 상태에서 수화반응을 하는 경우 산화칼슘에 따른 잠재 수경성으로 초기 강도가 발현될 수 있다.

이러한 석탄회는 화력발전소나 열병합발전소 등에서 발생하는 석탄회가 모두 사용가능하나, 열병합 발전소에서 생성되는 석탄회를 사용하는 것이 보다 바람직하다.

열병합 발전소에서 생성되는 석탄회는 5~15%의 미연탄소를 포함하고 있고, 유연탄을 주원료로 하여 연소하되 연소시 석회석 분말을 첨가하기 때문에 생성된 석탄회의 화학성분 중에 산화칼슘이 다량 함유되어 있어 시멘트와 유사한 특성을 갖고, 수경성을 통해 초기강도를 발현한다. 이는 석탄회의 성분 중 하나인 산화칼슘이 다량 함유됨에 따른 것으로, 상기 분말을 물과 혼합하여 사용시 물과 경화반응을 일으켜 초기 양생시 수경성을 발현하는 것은 물론, 장기 양생시에도 시멘트의 반응생성물인 수산화칼슘을 지속적으로 공급해주도록 하여 조성물과 지반 또는 조 성물과 말뚝의 상호 결합력이 증대되도록 한다.

보다 구체적으로 상기 석탄회는 산화칼슘(CaO)이 15~35중량% 함유된 것이 바람직하다. 만약 산화칼슘이 15% 미만으로 함유된 경우 그 함유량이 적어 수화반응으로 인한 잠재수경성의 발현이 미미할 수 있고, 산화칼슘이 35중량% 초과하여 함유된 경우 추후 말뚝시공시 경화가 지나치게 빨라 작업이 용이하지 않을 수 있다.

상기와 같이 시멘트와 석탄회가 혼합된 분말로 이루어진 본 발명에 따른 연약지반 말뚝시공용 밀크주입재 조성물은 물과 배합하여 혼합교반 한 뒤, 말뚝시공시 말뚝과 지반 사이에 발생하는 공극에 채워짐에 따라 수경성이 발현되어 초기강도발현에 이점이 있으며, 말뚝과 조성물 또는 지반과 조성물의 상호 결합력을 증대시켜 장기 양생시 압축강도가 증가될 수 있도록 하고, 열병합발전소에서 생성되는 석탄회와 같이 다량의 미연탄소와 다량의 산화칼슘이 포함된 석탄회도 재활용 가능토록 하여 환경오염을 방지함은 물론, 석탄회의 사용으로 시멘트의 사용량이 감소될 수 있어 경제적이다.

보다 구체적으로 상기 분말은 시멘트 100중량부에 대하여 석탄회 5~45중량부가 혼합되어 이루어진 것이 바람직하다.

이는 본 발명에 따른 연약지반 말뚝시공용 밀크주입재 조성물을 사용하여 말뚝시공을 할 경우 종래 시멘트만을 사용할 때와 동일 또는 유사한 압축강도를 갖도록 하기 위한 최적의 범위로, 만약 상기 석탄회가 시멘트 100중량부에 대하여 5중 량부 미만으로 혼합되는 경우, 석탄회에 포함된 화학성분에 의한 초기 강도 발현이 이루어지지 않을 수 있고, 상기 시멘트 100중량부에 대하여 45중량부를 초과하는 경우 상기 분말에 포함되는 시멘트의 혼합비율이 줄어들게 되어 말뚝의 강도증진효과가 미미하게 나타날 수 있기 때문이다.

따라서 상기와 같은 적절한 중량비율로 혼합된 분말로 이루어진 조성물을 말뚝시공시 초기 강도 및 말뚝의 강도가 충분히 증진될 수 있어 종래 시멘트로만 이루어진 조성물을 사용할 때와 유사한 압축강도를 갖을 수 있어 견고한 지내력을 발휘할 수 있다.

한편, 상기 분말은 시멘트 100중량부에 대하여 슬래그 5~30중량부가 더 첨가되어 혼합된 것이 보다 바람직하다.

상기 슬래그는 제철산업의 부산물로, 시멘트와의 반응을 통해 지반의 압밀 메카니즘에 상응하여 지속적인 강도 증진 효과를 이루는 것이다. 이러한 슬래그는 시멘트 및 석탄회와 함께 적절한 중량비율로 혼합됨에 따라 말뚝시공시 압축강도가 더욱 증가될 수 있도록 하여준다.

이러한 슬래그는 시멘트 100중량부에 대하여 5중량부 미만으로 첨가되면 그 첨가량이 지나치게 적어 강도 증진효과가 미미하고, 상기 슬래그가 30중량부를 초과하면 오히려 지내력을 저하시킬 수 있으므로 상기 첨가량 범위내에서 첨가되는 것이 바람직하다.

아울러 상기 분말은 비표면적 기준 2200~5000㎠/g 분말도를 갖는 것이 보다 바람직하다.

즉, 분말을 이루는 시멘트, 석탄회, 슬래그 각각의 분말도가 2200~5000㎠/g 인 것으로, 만약 상기 분말도가 2200㎠/g 미만이면 조분의 양이 많아지게 되어 물과 혼합교반시 사용되는 물의 양이 적어지고, 초기 경화시간이 길어지는 등 작업성이 떨어진다. 반대로 상기 분말도가 5000㎠/g을 초과하면 미분이 많아 물과 혼합교반시 사용되는 물의 양이 많아지게 되며, 초기경화시간이 매우 빨라질 수 있다.

따라서 상기 분말의 분말도가 상기 범위에 들수 있도록 롤러 밀, 볼 밀, 진동 밀 등과 같은 분쇄작업을 수행하는 것이 바람직하다.

상기와 같은 본 발명에 따른 연약지반 말뚝시공용 밀크주입재 조성물은 물과 일정 중량비로 혼합교반하여 슬러리 상태로 제조한 상태에서 말뚝과 지반 공극에 충진하여 사용하는 것이다. 이때 물의 양은 압송펌프를 이용하여 이송이 가능할 정도록 하며 이송거리가 짧은 경우에는 점성을 높게 이송거리가 긴 경우에는 점성을 낮추는 등 이송 및 작업의 편의에 따라 조절하여 배합한다.

이하 본 발명에 따른 연약지반 말뚝시공용 밀크주입재 조성물에 대하여 하기 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명하기로 하며, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시되는 것일 뿐, 본 발명이 하기 실시예로 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1>

시멘트 85kg, 석탄회 15kg을 혼합한 분말 조성물을 직경 15cm, 높이 30cm의 원통형의 시편으로 제작하여 3일, 7일, 28일 및 90일간 양생하였다. 여기서 상기 시멘트와 석탄회는 각각 비표면적 기준 3800㎠/g의 분말도를 갖는 것을 사용하였으며, 상기 석탄회의 성분조성은 하기 표 1과 같았다.

<실시예 2>

시멘트 80kg, 석탄회 10kg과 슬래그 20kg을 혼합한 분말 조성물을 직경 15cm, 높이 30cm의 원통형의 시편으로 제작하여 3일, 7일, 28일 및 90일간 양생하였다. 여기서 상기 시멘트, 석탄회 및 슬래그는 각각 비표면적 기준 3800㎠/g의 분말도를 갖는 것을 사용하였으며, 상기 석탄회의 성분조성은 하기 표 1과 같았다.

구분	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	CaO	MgO	SO₃	그외 미연탄소
석탄회	32.9%	13.8%	10.8%	27.8%	1.32%	5.88%	7.5%

<비교예 1>

비표면적 기준 3800㎠/g의 분말도를 갖는 시멘트 100kg을 3일, 7일, 28일 및 90일간 양생하였다. 여기서 양생된 시편은 직경 15cm, 높이 30cm의 원통형이다.

<실험예 1>

상기 실시예 1, 2 및 비교예 1에서 양생된 샘플의 압축강도를 측정하여 하기 표 2에 나타내었다. 여기서 압축강도의 단위는 kg/㎠이다.

구분	3일	7일	28일	90일
실시예 1	162	247	364	491
실시예 2	166	251	367	494
비교예 1	169	253	366	492

상기 표 2를 통해 확인할 수 있듯이 수경성 물질인 CaO를 다량함유하고 있는 석탄회가 혼합된 실시예 1, 2는 시멘트만을 사용하는 비교예 1과 초기 양생에서 활성도가 유사하였고, 양생기간이 길어질수록 압축강도가 증가되는 것을 알 수 있었으며, 실시예 1의 경우보다는 슬래그가 혼합된 실시예 2의 경우에 압축강도가 더 증가됨을 알 수 있었다.

상기 실험을 통해 본 발명에 따른 연약지반 말뚝시공용 밀크주입재 조성물은 건설 현장에서 요구되는 설계지내력인 10~150kg/㎠ 이상인 494 kg/㎠의 압축강도를 갖음으로 건설 현장에서 충분히 활용가능함을 알 수 있다.

Claims

연약지반 말뚝시공시 말뚝과 지반의 공극에 채워지는 밀크주입재 조성물에 있어서,

상기 조성물은 시멘트와 석탄회가 혼합된 분말로 이루어지는 것을 특징으로 하는 석탄회를 이용한 연약지반 말뚝시공용 밀크주입재 조성물.
청구항 1에 있어서,

상기 분말은 시멘트 100중량부에 대하여 석탄회 5~45중량부가 혼합되어 이루어진 것을 특징으로 하는 석탄회를 이용한 연약지반 말뚝시공용 밀크주입재 조성물.
청구항 1 또는 2에 있어서,

상기 석탄회는 산화칼슘(CaO)이 15~35중량% 함유된 것을 특징으로 하는 석탄회를 이용한 연약지반 말뚝시공용 밀크주입재 조성물.
청구항 3에 있어서,

상기 분말은 시멘트 100중량부에 대하여 슬래그 5~30중량부가 더 첨가되어 혼합된 것을 특징으로 하는 연약지반 말뚝 시공용 밀크주입재 조성물.
청구항 4에 있어서,

상기 분말은 비표면적 기준 2200~5000㎠/g 분말도를 갖는 것을 특징으로 하는 석탄회를 이용한 연약지반 말뚝시공용 밀크주입재 조성물.