KR20120067194A - 표층박리 방지를 위해 표면 처리된 흙 포장재 및 그 시공 방법 - Google Patents

Abstract

아크릴 혼합 수분산 폴리머 혼합재료를 사용하여 표면을 처리하여 표면침식 저항성을 향상시킴으로써 우수 등에 의한 흙 포장재의 표층박리 현상을 감소시킬 수 있는, 표층박리 방지를 위해 표면 처리된 흙 포장재 및 그 제조 방법이 제공된다. 표층박리 방지를 위해 표면 처리된 흙 포장재는, 고화대상토; 수분산계 폴리머로서, 고화대상토와 혼합되어 고화대상토를 고화시키는 흙 결합제; 및 아크릴계 폴리머로서, 흙 결합제에 의해 고화되는 고화대상토의 표면에 혼합되어 고화대상토의 표면을 강화하는 표면 강화제를 포함하며, 이때, 아크릴계 폴리머와 수분산계 폴리머의 혼합재료는 각각 10~50 중량%의 비율로 혼합한 액체형 재료로서, 고화대상토 표면에 포설되거나 혼합되는 것을 특징으로 한다.

Description

표층박리 방지를 위해 표면 처리된 흙 포장재 및 그 시공 방법 {Surface- treated soil paving material for preventing surface course stripping, and constructing method for the same}

본 발명은 흙 포장재(Soil paving material)의 표면 처리에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 우수(빗물: Rainwater) 등에 의한 표층박리(Surface course stripping) 현상을 방지할 수 있도록 표면 처리된 흙 포장재 및 그 시공 방법에 관한 것이다.

흙 포장은 기존의 골재 등을 이용한 아스팔트 콘크리트와 콘크리트 포장과는 달리 화강풍화토 등의 주변의 토사에 시멘트 또는 고화제 등을 이용하는 포장을 말한다. 이러한 흙 포장은 비교적 하중이 적게 작용하는 자전거 도로, 주차장, 주택단지내의 도로, 농로, 산책로, 공원광장 등에 적용할 수 있다. 일반적으로, 이러한 흙 포장의 주요재료는 포틀란트 시멘트를 주로 사용하며, 그 외에 각종 첨가제를 사용한다.

예를 들면, 흙-시멘트 혼합토는 시멘트와 흙과 물을 혼합하여 단단하게 만든 것으로, 콘크리트와 같이 강하지는 않으나 지반(地盤)을 다지는 역할을 하며, 도로의 지반이나 수로의 내장용으로 사용된다. 특히, 흙-시멘트(Soil cement)는 노상(路床)이나 노반(路盤)의 흙에 시멘트를 섞어서 안정 처리한 것으로, 시멘트의 혼합량은 5~15% 정도 혼합한다. 이러한 흙시멘트는 흙, 물 및 시멘트계 고화제를 사용재료로 하고, 다짐에 의하여 성형이 되는 구조용 재료로 정의되며, 시멘트의 수화반응으로 혼합물이 경화되어 내구 성능을 가지는 포장 재료이다. 시멘트 혼합량에 따라 소요 강도를 얻을 수 있어 경제적인 동시에 자연 상태의 흙을 주원료로 하는 만큼 자연 친화적이며 주변 환경과 조화를 이룰 수 있는 재료라고 할 수 있다. 비록 비슷한 화학적 과정을 거치지만 흙시멘트는 일반적인 시멘트 콘크리트와 재료의 농도, 시멘트 요구량, 전반적인 공사 과정, 배합, 소요강도에서 차이점이 있다.

이러한 흙시멘트를 이용할 경우, 고화대상토로서 자연토 또는 마사토를 이용하기 때문에 시공비가 경제적이고 시공이 간단하고 신속할 뿐만 아니라 장기간 고화가 지속됨에 따라 강도가 상승을 하게 되고, 산, 알칼리에 대해 강한 내구성을 가지게 된다. 또한, 자연토 색상을 지니고 있고, 태양 복사열을 배제하기 때문에 자연 환경 친화성이 우수하며 현장 흙을 사용함에 따라 자연자원 이용성을 높이고, 퇴화 후 자연토로 환원되어 공해 방지와 환경보전의 이점이 있다.

그러나 이러한 흙시멘트는 기존의 도로포장에 비하여 큰 강도를 가지지 못하기 때문에 흙시멘트의 강도 증진을 위하여 특수한 혼합재료를 이용하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 현재 일본에서는 여러 가지 고화제가 개발되어 사용되고 있으며, 최근에는 국내에서도 몇 가지 제품이 개발되어 사용되고 있다.

도 1은 일반적인 흙 포장재의 표면 박리 현상을 나타내는 사진들이다.

이러한 흙시멘트 혼합 흙 포장의 경우, 도 1의 a) 및 b)에 도시된 바와 같이, 표층박리 현상이 발생하며, 이를 보완하기 위해서는 시멘트 혼합량을 높이거나, 다른 첨가제를 사용하여 고강도로 하는 연구가 대부분이고, 표층처리에 대한 연구는 전무한 상태이다.

도 2는 종래의 기술에 따른 흙 포장재를 설명하기 위한 도면이다.

도 2를 참조하면, 종래의 기술에 따른 흙 포장재(10)는 고화대상토(11)에 시멘트 또는 고화제(12)를 일정한 비율로 혼합하여 시멘트 또는 고화제(12)를 고화대상토(11)에 무게비 약 15% 이상 정도를 넣어서 물(13)과 되게 혼합하여 전압 다짐하는 방법을 사용할 수 있다. 종래의 기술에 따른 흙 포장재(10)는 단지 일축압축강도만 강조한 기술이기 때문에 표면 처리에 대한 기술은 아직 없는 상태이다.

종래의 기술에 따른 흙 포장재(10)가 흙시멘트 혼합재료로 형성될 경우, 흙(11)과 시멘트 또는 고화제 혼합재료(12)로 시멘트 함량을 15% 이상으로 첨가하여 사용하는데 동결융해에 약하다는 문제점이 있다. 종래의 기술에 따른 흙 포장재(10)는 콘크리트와 유사한 특성을 지니고 있으며, 예를 들면, 시멘트(12) 함량을 15% 이하로 첨가할 경우, 우수(빗물)에 의해 침식되거나 또는 표면이 떨어지는 표층박리 현상이 발생한다는 문제점이 있다. 이에 따라 흙시멘트 혼합재료를 흙 포장으로 장기간 사용하기 어렵다는 문제점이 있다.

1) 대한민국 등록특허번호 제10-0954341호(출원일: 2009년 05월 28일), 발명의 명칭: "흙포장용 조성물 및 이를 이용한 흙포장 시공방법" 2) 대한민국 등록특허번호 제10-0951032호(출원일: 2008년 06월 09일), 발명의 명칭: "폴리머 시멘트 콘크리트의 원리를 이용한 흙-폴리머-시멘트 콘크리트 조성물" 3) 대한민국 등록특허번호 제10-0784359호(출원일: 2006년 04월 17일), 발명의 명칭: "지표면 물성 증진용 수지조성물 및 그 시공방법" 4) 대한민국 등록특허번호 제10-0359266호(출원일: 2001년 06월 09일), 발명의 명칭: "에코지반 조성방법" 5) 대한민국 공개특허번호 제2002-0075985호(공개일: 2002년 10월 09일), 발명의 명칭: "고화토 공법에 의한 도로 표면층 시공방법"

전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 우수(Rainwater) 등에 의한 표층박리 현상을 감소시킬 수 있도록 아크릴 혼합 수분산계 폴리머 혼합재료를 사용하여 표면을 처리한 흙 포장재 및 그 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.

전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 흙 포장재의 일축압축강도를 향상시킬 수 있고, 흙 포장재의 동결융해 및 내구성을 향상시킬 수 있도록 표면을 처리한 흙 포장재 및 그 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.

전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명에 따른 표층박리 방지를 위해 표면 처리된 흙 포장재는, 고화대상토; 수분산계 폴리머로서, 상기 고화대상토와 혼합되어 상기 고화대상토를 고화시키는 흙(석분 포함) 결합제; 및 아크릴계 폴리머로서, 상기 흙 결합제에 의해 고화되는 고화대상토의 표면에 혼합되어 상기 고화대상토의 표면을 강화하는 표면 강화제를 포함하여 구성된다.

여기서, 상기 아크릴계 폴리머와 상기 수분산계 폴리머의 혼합재료는 각각 10~50 중량%의 비율로 혼합한 액체형 재료로서, 상기 고화대상토 표면에 포설되거나 혼합될 수 있다.

여기서, 상기 표면 강화제인 아크릴계 폴리머는 메틸아크릴레이트, 에틸아크릴레이트, 이소부틸아크리레이트, 메틸메타클릴레이트, 에티메타클릴레이트 및 아크릴로니트릴로 성분들의 화합물로 이루어질 수 있다.

여기서, 상기 아크릴계 폴리머는 35~41의 고형분 함량(%), 7~91의 pH(25℃), 40~50의 표면장력(dyne/cm) 및 20~60의 점도(cps)의 물성을 갖는 아크릴 에멀젼일 수 있다.

여기서, 상기 흙 결합제인 수분산계 폴리머는 Tg(Glass Transition Temperature) 및 MFFT(Minimum Film Formation Temperature)가 0~10℃인 SB(Styrene-Butadiene) 라텍스일 수 있다.

한편, 전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 다른 수단으로서, 본 발명에 따른 표층박리 방지를 위해 표면 처리된 흙 포장재의 시공 방법은, a) 수분산계 폴리머를 흙 결합제로 하여 고화대상토를 고화시켜 수분산계 폴리머 흙 포장재를 형성하는 단계; 및 b) 표면 처리된 흙 포장재를 상기 수분산계 폴리머 흙 포장재 상에 포설 또는 혼합하는 단계를 포함하되, 상기 b) 단계의 표면 처리된 흙 포장재는, 아크릴계 폴리머와 수분산계 폴리머가 각각 10~50 중량%의 비율로 혼합한 혼합재료가 고화대상토 표면에 포설되거나 혼합되어 형성되는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 수분산계 폴리머는 상기 고화대상토와 혼합되어 상기 고화대상토를 고화시키는 흙 결합제이고, 상기 아크릴계 폴리머는 상기 흙 결합제에 의해 고화되는 고화대상토의 표면에 혼합되어 상기 고화대상토의 표면을 강화하는 표면 강화제일 수 있다.

여기서, 상기 아크릴계 폴리머는 35~41의 고형분 함량(%), 7~91의 pH(25℃), 40~50의 표면장력(dyne/cm) 및 20~60의 점도(cps)의 물성을 갖는 아크릴 에멀젼일 수 있다.

여기서, 상기 수분산계 폴리머는 Tg(Glass Transition Temperature) 및 MFFT(Minimum Film Formation Temperature)가 0~10℃인 SB(Styrene-Butadiene) 라텍스일 수 있다.

본 발명에 따르면, 아크릴 혼합 수분산 폴리머 혼합재료를 사용하여 표면을 처리하여 표면침식 저항성을 향상시킴으로써 우수(Rainwater) 등에 의한 흙 포장재의 표층박리 현상을 감소시킬 수 있다.

본 발명에 따르면, 아크릴 혼합 수분산 폴리머 혼합재료에 무기계 첨가제(나트륨계열 포함)를 혼합함으로써 흙 포장재의 일축압축강도를 향상시킬 수 있고, 흙 포장재의 동결융해 및 내구성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 일반적인 흙 포장재의 표면 박리 현상을 나타내는 사진들이다.
도 2는 종래의 기술에 따른 흙 포장재를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 표층박리 방지를 위해 표면 처리된 흙 포장재를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 표층박리 방지를 위해 아크릴 혼합 수분산 폴리머 혼합재료로 표면 처리된 흙 포장재를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 표층박리 방지를 위해 표면 처리된 흙 포장재의 침식도 시험 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 표층박리 방지를 위해 표면 처리된 흙 포장재의 일축압축강도 시험 시편 및 시험 장비를 예시하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 표층박리 방지를 위해 표면 처리된 흙 포장재의 간접인장강도 측정 방법을 설명하기 위한 도면이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

본 발명의 실시예로서, 아크릴계 폴리머와 수분산계 폴리머의 재료를 혼합하여 조성한 재료를 흙 포장 표면에 포설 또는 혼합하여 표면침식 저항성을 증진시킬 수 있는 흙 포장재 및 그 시공 방법이 제공되고, 또한, 필요 하중을 지지할 수 있는 강도 및 내구성을 지닌 흙 포장재 및 그 시공 방법이 제공된다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 표층박리 방지를 위해 표면 처리된 흙 포장재를 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 표층박리 방지를 위해 아크릴 혼합 수분산 폴리머 혼합재료로 표면 처리된 흙 포장재를 설명하기 위한 도면이다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 흙 포장재는 크게 수분산계 폴리머 흙 포장재(110) 및 표면 처리된 흙 포장재(120)로 이루어지며, 상기 수분산계 폴리머 흙 포장재(110)는 고화대상토(111), 흙 결합제(112) 및 물(113)을 포함하며, 상기 표면 처리된 흙 포장재(120)는 고화대상토(121), 흙 결합제(112) 및 표면 강화제(113)를 포함하며, 이때, 상기 흙 결합제(112, 122)는 수분산계 폴리머, 구체적으로 SB(Styrene-Butadiene) 라텍스일 수 있고, 상기 표면 강화제(113)는 아크릴계 폴리머, 구체적으로, 아크릴 에멀젼일 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 흙 포장재는 수분산계 폴리머 흙 포장재(110) 상에 표면 처리된 흙 포장재(120)를 포설 또는 혼합하게 형태로 시공될 수 있다. 즉, 수분산계 폴리머를 흙 결합제(112)로 하여 고화대상토(111)를 고화시켜 수분산계 폴리머 흙 포장재(110)를 형성하고, 이후, 표면 처리된 흙 포장재(120)를 상기 수분산계 폴리머 흙 포장재(110) 상에 포설 또는 혼합하되, 이때, 상기 표면 처리된 흙 포장재(120)는, 아크릴계 폴리머(123)와 수분산계 폴리머(122)가 각각 10~50 중량%의 비율로 혼합한 혼합재료가 고화대상토(121) 표면에 포설되거나 혼합된다.

여기서, 상기 고화대상토(122, 121)는 자연토나 마사토일 수 있다. 또한, 상기 흙 결합제(112, 122)는 흙 고화제인 수분산계 폴리머로서, 상기 고화대상토(121)를 고화시킨다.

또한, 표면 강화제(123)는 아크릴계 폴리머로서, 상기 흙 결합제(122)에 의해 고화되는 고화대상토(121)의 표면을 강화하게 된다. 이때, 표면 강화제(123)는 아크릴 에멀젼인 것이 바람직하다.

본 발명의 실시예에 따른 표면 처리된 흙 포장재(120)는 아크릴계 폴리머와 수분산계 폴리머 재료를 각각 10~50 중량%의 비율 혼합한 액체형 재료가 상기 고화대상토(121) 표면에 포설 또는 혼합됨으로써 흙 포장재의 표면침식 저항성을 증가시킬 수 있는데, 이하, 본 발명의 실시예에 따른 표면 처리된 흙 포장재(120)에 대해 구체적으로 설명한다.

먼저, 폴리머(Polymer)는 석유화학 공정의 추출물로서, 모노머, 유화제 및 중합개시제를 반응기에서 반응시켜 폴리머로 만든 것으로, 상기 폴리머는 모노머, 유화제 및 중합개시제의 종류에 따라 그 종류가 다양할 수 있다. 일반 콘크리트와 방수재료의 혼화제로는 우레탄계, 에폭시계 등이 널리 쓰이고 있다. 하지만 토양에 사용되는 폴리머는 토양이 가지는 수분이 많은 영향을 주게 되므로 수용성이 적합하며, 바람직하게는 내후성을 갖는 아크릴계 폴리머인 아크릴계 라텍스를 사용하는 것이 적합하다.

이러한 아크릴계 라텍스는 상당히 뛰어난 내후성을 갖고 있지만, 피착제와의 결합력이 SB(Styrene-Butadiene) 라텍스보다 떨어지지만, 내후성이 요구되는 특수한 분야에 주로 사용되고 있다. 상기 아크릴계 라텍스는 아크릴 에멀젼(Acrylic emulsion) 형태로 제공되는데, 상기 아크릴 에멀젼은 원래 메타아크릴산 에스테르와 아크릴산 에스테르의 공중합체 라텍스를 가리킨다. 그러나 최근에는 그 의미가 확대되어 경질성분 모노머가 메타아크릴산 에스테르 이외의 것일지라도 연질성분 모노머로서 아크릴산 에스테르가 공중합되어 있으면 아크릴계 라텍스라 칭한다. 구체적으로, 넓은 의미에서 아크릴계 라텍스의 경질성분 모노머로는 methyl metacrylate(MMA), 에칠(EA), 부칠(BA) 또는 옥칠(2-ethylhexyl) acrylate(EHA)가 사용되며, 안정성 부여를 목적으로 하는 불포화 카르복실산으로는 acrylic acid(AA), metacrylic acid(MAA) 또는 itaconic acid(IA)가 사용된다.

이러한 아크릴계 라텍스, 특히, 100% 아크릴계 폴리머인 아크릴 에멀젼은 내후성이 뛰어나 장기간 실외에서 햇볕을 쬐어도 심하게 열화되거나 변색되지 않는다는 큰 특징을 갖고 있다. 또한, 고급 아크릴레이트(acrylate)와의 공중합체는 내수성 및 내알칼리성이 우수하지만 가격이 고가이기 때문에, 가격적인 면을 고려하여 경제적으로 개량시킨 것이 스타이렌-아크릴 공중합체이다. 하지만, 스타이렌을 경질성분 모노머로 선택하면 내수성 및 내알카리성은 향상되지만, 자외선에 노출되면 황변을 일으키는 경향이 있다.

이러한 아크릴 에멀젼은 상압의 유화 중합으로 제조된다. 이때, 유화제로는 음(-)이온 활성제 또는 음이온/비이온 혼합활성제 어느 것을 사용하여도 유화중합은 원활히 진행될 수 있다. 즉, 비이온 활성제 단독의 유화 중합은 적절한 수-유상 밸런스(Hydrophilic-Lipophilic Balance: HLB) 선택이 상당히 어렵기 때문에 음이온 활성제 또는 음이온/비이온 혼합활성제를 사용한다. 여기서, 상기 HLB는 계면활성제의 친수기와 소수기의 성질 및 양의 비율에 의해 변동하는 지표를 말한다.

이와 같이 생성되는 아크릴 에멀젼의 입자경 및 입자경 분포는 유화제뿐만 아니라 중합 방법에 의해서도 조절할 수 있다. 예를 들면, 아크릴 에멀젼을 형성하기 위한 모노머(Monomer)는 악취성이 많기 때문에 미량의 모노머가 남아 있어도 나중에 취급에 있어서 문제가 된다. 따라서 유화 중합이 종료된 후에 소량의 레독스(redox)계 중합개시제를 첨가하거나 또는 감압 증해(Cooking) 등에 의해서 미량의 모노머를 제거하는 것이 바람직하다.

이러한 아크릴계 폴리머의 최대 특성은 우수한 내후성이다. 예를 들면, 아크릴계 라텍스 필름의 인장강도는 폭로시간과 함께 변화하지만, 그 상승은 가교 구조의 생성을 의미한다. 이러한 아크릴계 폴리머는 메틸아크릴레이트, 에틸아크릴레이트, 이소부틸아크리레이트, 메틸메타클릴레이트, 에티메타클릴레이트 및 아크릴로니트릴로 성분의 화합물로 이루어질 수 있다.

이러한 아크릴계 폴리머를 단독 바인더로 사용할 경우, 점도가 너무 묽어서 사용이 곤란할 수 있으므로 아크릴산을 중합할 때, 아크릴 에멀젼에 알칼리를 넣어 pH를 높여주면 점도가 향상된다. 이러한 형태의 에멀젼은 바인더로서 섬유나 분체 그리고 도료용 등으로 널리 사용된다. 다른 방법으로는 모노머 중에서 분자량이 큰 것을 다량 넣어주고 중합도를 조절하면, 완전히 굳지 않고 점성의 폴리머가 되기 때문에, 건조 후에 점착성의 폴리머를 만들 수 있어서 점착용으로 사용될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예에 따른 흙 포장에서는 단독 바인더의 역할과 토양입자 피막 효과, 고화재의 경화 수축 방지를 위해 후자인 방법을 택하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 흙 입자 결합제(122)는 흙 입자간 결합력이 우수한 수분산계 폴리머인 SB 라텍스를 사용하며, 예를 들면, Tg(Glass Transition Temperature)가 약 -11~9℃인 물리적 성질을 가지는 SB 라텍스를 사용하며, 이때, SB 라텍스는 다음의 표 1에 도시된 바와 같은 물성을 갖는다.

이러한 SB 라텍스는 우윳빛을 띠는 액체 상태로서 콜로이드 같은 작은 구형 0.5~5㎛의 직경)의 유기체 폴리머 입자가 물속에 분산되어 있는 것을 말하며, 표면은 계면활성제로 코팅되어 물속에서 부유하는 상태로 존재한다. 이러한 SB 라텍스는 폴리머의 조성에 따라 그 특성이 달라지는데, 일반적으로 스티렌-부타디엔(Styrene-Butadiene), 폴리비닐 클로라이드(Polyvinyl Chloride), 에칠렌-비닐아세이트 에멀젼(Ethylene-Vinyl Acetate Emulsion), 폴리비닐 아세테이트(Polyvinyl-acetates) 등으로 적절하게 합성 제조할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 표면 강화제(123)는 흙 포장재 표면의 흙 입자의 탈리를 방지하기 위한 것으로, 전술한 바와 같이, 내후성이 우수한 아크릴 에멀젼을 사용하며 다음의 표 2에 도시된 바와 같은 물성을 갖는다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 흙 포장에 있어서, 아크릴계 폴리머는 토양의 함수율에 따라 그 양을 조절하여 사용할 수 있으며, 이때, 흙 포장 작업의 일반적인 함수 비율은 고화제, 첨가제 등을 포함하여 흙 중량의 10~15%에 맞추게 되므로, 아크릴계 폴리머 또한 그 사용량을 고정하여 사용할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 흙 포장의 경우, 1 ㎥의 마사토, 250 kg의 고화제, 15kg의 아크릴계 폴리머, 및 함수율에 따라 흙 중량의 10~15%로 조정되는 물을 사용할 수 있지만, 이에 국한되는 것은 아니다.

본 발명의 실시예에 따른 흙 포장재에서, 고화대상토(121), 수분산계 폴리머 고화제(122), 아크릴 에멀젼(123)이 혼합되면, 물에 의한 수화반응이 진행됨과 동시에 토양 입자 사이에 고밀도 충진화가 진행된다. 이로 인하여 입자의 변형 융착이 일어나게 되고, 이후, 토양 입자를 감싸며 단립화가 형성되면서 강도와 탄성이 증가하고, 고화제에 의한 경화 수축을 방지하게 된다. 따라서 본 발명의 실시예에 따른 흙 포장재에 폴리머 피막이 형성되기 때문에, 동결융해 저항성이 향상되고, 이에 따라 기존의 흙 포장에 비해 침식 저항성이 월등히 향상된다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 표면 처리된 흙 포장재는, 일축압축강도를 이상 향상시킬 수 있도록 무기계 첨가제를 혼합할 수도 있다.

결국, 본 발명의 실시예에 따른 흙 포장재는, 이하의 실험예에서 후술되는 바와 같이, 아크릴계 폴리머와 수분산계 폴리머 재료를 각각 일정한 비율로 혼합한 액체형 재료를 흙 포장 표면에 포설 또는 혼합함으로써, 표면침식 저항성을 15% 이상 증진시킬 수 있고, 또한, 무기계 첨가제를 혼합하여 일축압축강도를 100kgf/㎠ 이상 향상시킬 수 있으며, 동결융해 내구성을 20% 이상 향상시킬 수 있게 된다.

실험예

이하, 도 5 내지 도 8을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 표층박리 방지를 위해 표면 처리된 흙 포장재에 대한 실험예를 설명하기로 한다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 표층박리의 방지를 위해 표면 처리된 흙 포장재는 표층박리 현상을 제어하기 위하여 침식도 시험을 실시하여 표층처리에 대한 특성을 분석하고, 선정된 배합비율에 대하여 일축압축강도, 간접인장강도 및 동결융해시험을 실시하였다.

침식도 시험

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 표층박리 방지를 위해 표면 처리된 흙 포장재의 침식도 시험 방법을 설명하기 위한 도면이다.

흙 포장재의 침식도와 관련된 시험은 그 시험 규격이 정해져 있지 않지만, 본 발명의 실험예에서 침식도를 평가할 수 있는 실험 방법을 다음과 같이 적용하였다.

도 5를 참조하면, 일정한 높이에서 일정 시간동안 정해진 양의 물을 공시체 위에 떨어뜨려 공시체가 침식되는 양을 정량함으로써 침식도를 평가하는 방법이 사용되었다. 이 실험에서는 모든 공시체에 대해 90㎝ 높이에서 1,500㎖의 물을 1시간에 걸쳐 똑같이 떨어뜨렸다. 예를 들면, 물 방울 수는 20방울/㎖이므로, 클램프를 조절하여 챔버에 떨어지는 방울수를 다음의 수학식 1과 같이 8.3방울/sec로 정확하게 고정시킨다.

이와 같이 챔버에 떨어지는 방울수가 고정되면, 튜브를 통해서 공시체에 떨어지는 물의 양도 고정된다. 물이 떨어지는 아래쪽에는 공시체가 완전히 들어갈 수 있을 정도 크기의 비커(5ℓ)를 세척하여 완전 건조시킨 후 놓아두고, 그 안쪽에 공시체를 받혀줄 작은 크기의 비커를 역시 세척하여 완전 건조 시킨 후 뒤집어 놓는다. 이때, 공시체를 받혀줄 작은 비커의 역할은 1,500㎖의 물이 다 떨어졌을 때, 공시체가 물에 잠기지 않도록 하는 것이다. 그러나 너무 크게 되면 공시체에 떨어진 물이 큰 비커 밖으로 튀어나가므로 이를 고려하여 적당한 크기의 비커(250㎖)를 놓아둔다. 물이 다 떨어진 후에는 물에 젖은 공시체가 다시 건조해지기 전에 물로 인해 파인 부분을 물 50㎖를 부어 헹궈준다. 이때, 헹궈주는 물로 인해 공시체가 파손되지 않도록 주의하고, 헹궈준 물은 튜브를 통해 떨어져 큰 비커에 모아진 물과 함께 모아 부유물질량을 측정한다. 이때, 물의 양은 위에서 떨어진 1,500㎖이므로 모두 같게 된다. 부유물질량을 측정할 때는 큰 비커와 작은 비커에 묻어 있는 고형물도 깨끗이 헹궈내어 함께 측정한다. 이렇게 측정된 부유물질량(㎎/ℓ)을 비교함으로써, 각 공시체의 침식도를 평가할 수 있다.

여기서, 침식도 실험에 사용될 공시체는 후술할 도 6의 일축압축강도 시험에 사용되는 공시체와 같은 방법으로 제작하고, 각각 1일, 3일, 7일의 재령일이 지난 뒤 위, 아래 모두 4㎝씩 절단하여 가운데 6㎝만을 시료로 사용했다.

결국, 본 발명의 실시예에 따른 표층박리 방지를 위해 표면 처리된 흙 포장재는, 표면 처리되지 않은 흙 포장재에 비해 약 15% 정도의 표면침식 저항성이 향상되었다.

일축압축강도 시험

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 표층박리 방지를 위해 표면 처리된 흙 포장재의 일축압축강도 시험 시편 및 시험 장비를 예시하는 도면이다.

도 6을 참조하면, 일축압축강도 특성은 흙의 일축압축시험방법(KS F 2314)으로 시험을 실시하였다. 이 실험은 구속압을 받지 않는 상태에서 자립하는 시험체의 일방향 일축압축강도를 구하게 된다. 시험 시편(시험체)의 모양은, 도 6의 a)에 도시된 바와 같이, 원기둥으로 하고, 지름은 10㎝, 높이 15㎝로 제작하였으며, 측정장비는 Instron 8521S로 실시하였다. 일축압축강도 시험장비는, 도 6의 b)에 도시된 바와 같이, 변형 제어식 압축장치, 하중계 및 변위계로 구성될 수 있다.

구체적으로, 일축압축강도 측정은 시험체의 20%까지 압축변형을 주었으며, 압축재하를 위하여 일정 속도를 유지한다. 시험체의 최대압축력의 ㅁ1% 허용오차에서 압축력을 측정할 수 있도록 하였다. 시험체의 높이의 ㅁ0.1% 허용오차에서 압축량을 측정할 수 있도록 하였으며, 변위계는 측정범위가 20㎜ 이상이며, 최소눈금이 1/100㎜인 변위계를 사용하였다. 또한, 변위계 및 하중계는 매분 1%의 압축변형이 발생하는 비율로 실시하였다.

따라서 압축 중에 압축량

와 압축력 P를 측정하고, 압축력의 최대값의 2/3 정도로 감소하거나 압축변형이 20%에 도달하면 압축을 종료하였다. 이에 따라 시험체의 일축압축 변형은 다음의 수학식 2에 따라 산정하였다.

여기서,

는 시험체의 압축변형(%)을 나타내고,

는 압축량을 나타내며,

는 초기 시험체의 높이(㎝)를 나타낸다.

다음으로, 압축변형이

일 때의 압축응력은 다음의 수학식 3에 따라 산정하였다.

여기서, A₀은 (πD₀ ²)/4로 주어지고,

는 압축응력, P는 압축변형이

일 때, 시험체에 작용된 압축력을 각각 나타낸다. 이때, A₀은 초기 시험체의 단면적이고, D₀은 초기 시험체의 지름을 각각 나타낸다.

결국, 본 발명의 실시예에 따른 표층박리 방지를 위해 표면 처리된 흙 포장재는, 표면 처리되지 않은 흙 포장재에 비해 100kgf/㎠ 이상의 일축압축강도가 향상되었다.

간접인장강도 시험

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 표층박리 방지를 위해 표면 처리된 흙 포장재의 간접인장강도 측정 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 7을 참조하면, 간접인장강도 시험은 KS F 2376에 따라 수행되고, 회복탄성계수 시험을 위하여 필요로 하는 공시체의 파괴 하중에 따른 간접인장강도를 구하기 위하여 적용한다.

시험기는 하중 주파수, 지속 시간, 일정 수준의 하중으로 하중진동을 가할 수 있다. 이 장치는 변형량 0.25㎛의 수평 변형을 측정할 수 있으며, 시험 전에 하중이 측정, 기록되거나 정확하게 보정되어야 한다. 기록 장치는 최소한 1.0㎐까지의 하중 주파수의 기록이 가능하여야 한다. 이때, 하중은 하중 측정에 대하여 규정된 사항에 적합한 전자 로드셀로 측정한다. 상기 공시체의 공칭 반지름과 동일한 곡률 반지름을 갖는 오목한 표면을 가진 금속재 막대를 사용하여 공시체에 하중을 가한다.

이때, 공시체는 일반적으로 지름 100㎜ 또는 150㎜로 하였고, 금속 막대의 폭은 이러한 공시체에 대하여 각각 13㎜ 또는 19㎜이며. 금속 막대의 모서리는 시험기 공시체가 파손되지 않도록 연마하여 둥글게 만들었다.

도 7에 도시된 시험장치를 사용하는 시험 방법은 먼저, 공시체를 온도 조절 장치에 넣고 정해진 시험 온도로 맞춘다. 여기서, 온도가 표시되지 않고 실제 온도를 알 수 없으면, 시험하기 전에 공시체를 규정 온도에서 최소 6시간 이상 보관해야 한다. 하중 거치 장치에 공시체를 거시시키고, 금속 막대를 시료의 지름을 지나는 연직면의 중심에 맞춘다. 필요에 따라 전자 측정 장치로 조절하거나 또는 균형을 잡아야 한다. 이때, 간접 인장 시험의 재하 속도는 25℃에서 50㎜/min의 속도로 한다. 정해진 재하 속도로 하중을 주어 공시체가 파괴될 때까지의 최대 하중을 측정한다.

따라서 간접인장강도의 계산은 시험을 통해 구한 파괴 하중값을 이용하여 다음의 수학식 4와 같이 계산하였다.

여기서,

= 간접인장강도(MPa)를 나타내고, P는 작용 하중(N)을 나타내며, h는 공시체 높이(㎜)를 나타내고, D는 공시체 지름(㎜)을 각각 나타낸다.

이때, 간접인장강도 시험장치는 Instron사의 8509 만능재하시험기로서, 응력 및 변형제어가 자동적으로 조절되며, 최대 재하시의 축하중은 10ton이다. 본 발명의 실시예에서는 변형률 제어 방식으로 분당 50.8㎜의 축방향 변형을 주어 간접인장강도 시험을 실시하였다.

결국, 본 발명의 실시예에 따른 표층박리 방지를 위해 표면 처리된 흙 포장재는, 표면 처리되지 않은 흙 포장재에 비해 30% 이상의 간접인장강도가 향상되었다.

동결융해 시험( Freezing and Thawing Test )

동결융해 시험은 다짐시험에 의해 만들어진 공시체를 동결 및 융해를 반복하여 흙 포장재 손실량, 함수량의 변화, 부피의 변화(팽창과 수축)를 측정하였다. 실험은 공시체의 편차를 줄이기 위하여 선회다짐기를 이용하여 공시체를 제작하였다. 동결은 -20℃에서 24시간, 융해는 21℃에서 23시간 수행하였고, 흡수 팰트지 대신 부직포를 이용하였다. 이러한 동결융해 과정을 거친 공시체에 대해서는 Instron 사의 8509 만능재하시험기를 이용하여 50.8㎜/분의 속도로 시험을 실시하였다.

따라서 공시체의 부피와 함수량의 변화 및 흙 포장재 손실량의 계산은 다음과 같다.

먼저, 제1 공시체를 성형할 때의 부피와 성형 후의 부피 차이를 처음 부피에 대한 백분율로 계산하였다. 다음으로, 제1 공시체를 성형할 때의 함수량과 성형 후의 함수량은 건조 공시체 질량의 백분율로 계산하였다. 즉, 시험기간 중 수분산계 폴리머와 흙이 작용하는 물과 (105ㅁ5)℃의 공시체에 남아 있는 물에 대하여 제2 공시체의 수정 노 건조 질량은 다음 수학식 5에 따라 계산하였다.

여기서, A는 110℃로 건조한 후의 노 건조 질량(g)이고, B는 공시체에 남은 물의 백분율 + 100을 나타낸다.

수학식 5에서 제2 공시체에 (105ㅁ5)℃ 건조 후에 남은 물 분량의 백분율은 제1 공시체에 남은 물의 분량과 같다고 볼 수 있다. 공시체의 처음 노 건조 질량의 백분율로 나타낸 제2 공시체의 흙 포장재 손실량은 다음 수학식 6과 같이 계산되었다.

여기서, A는 처음에 계산된 노 건조 질량에서 최종 수정된 노 건조 질량을 뺀 값이고, B는 처음에 계산된 노 건조 질량을 나타낸다.

결국, 본 발명의 실시예에 따른 표층박리 방지를 위해 표면 처리된 흙 포장재는, 표면 처리되지 않은 흙 포장재에 비해 20% 이상의 내구성이 향상되었다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

110: 수분산계 폴리머 흙 포장재
111: 고화대상토
112: 흙 결합제(수분산계 폴리머)
113: 물
120: 표면 처리된 흙 포장재
121: 고화대상토
122: 흙(석분 포함) 결합제(수분산계 폴리머)
123: 표면 강화제(아크릴 에멀젼)

Claims (9)

1. 고화대상토;
   수분산계 폴리머로서, 상기 고화대상토와 혼합되어 상기 고화대상토를 고화시키는 흙(석분 포함) 결합제; 및 아크릴계 폴리머로서, 상기 흙 결합제에 의해 고화되는 고화대상토의 표면에 혼합되어 상기 고화대상토의 표면을 강화하는 표면 강화제를 포함하는 표층박리 방지를 위해 표면 처리된 흙 포장재.
2. 제1항에 있어서,
   상기 아크릴계 폴리머와 상기 수분산계 폴리머의 혼합재료는 각각 10~50 중량%의 비율로 혼합한 액체형 재료로서, 상기 고화대상토 표면에 포설되거나 혼합되는 것을 특징으로 하는 표층박리 방지를 위해 표면 처리된 흙 포장재.
3. 제1항에 있어서,
   상기 표면 강화제인 아크릴계 폴리머는 메틸아크릴레이트, 에틸아크릴레이트, 이소부틸아크리레이트, 메틸메타클릴레이트, 에티메타클릴레이트 및 아크릴로니트릴로 성분들의 화합물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 표층박리 방지를 위해 표면 처리된 흙 포장재.
4. 제3항에 있어서,
   상기 아크릴계 폴리머는 45~46의 고형분 함량(%), 7~91의 pH(25℃), 40~50의 표면장력(dyne/cm) 및 200~500의 점도(cps)의 물성을 갖는 아크릴 에멀젼인 것을 특징으로 하는 표층박리 방지를 위해 표면 처리된 흙 포장재.
5. 제1항에 있어서,
   상기 흙 결합제인 수분산계 폴리머는 Tg(Glass Transition Temperature) 및 MFFT(Minimum Film Formation Temperature)가 0~10℃인 SB(Styrene-Butadiene) 라텍스인 것을 특징으로 하는 표층박리 방지를 위해 표면 처리된 흙 포장재.
6. a) 수분산계 폴리머를 흙 결합제로 하여 고화대상토를 고화시켜 수분산계 폴리머 흙 포장재를 형성하는 단계; 및
   b) 표면 처리된 흙 포장재를 상기 수분산계 폴리머 흙 포장재 상에 포설 또는 혼합하는 단계를 포함하되,
   상기 b) 단계의 표면 처리된 흙 포장재는, 아크릴계 폴리머와 수분산계 폴리머가 각각 10~50 중량%의 비율로 혼합한 혼합재료가 고화대상토 표면에 포설되거나 혼합되어 형성되는 것을 특징으로 하는 표층박리 방지를 위해 표면 처리된 흙 포장재의 시공 방법.
7. 제1항에 있어서,
   상기 수분산계 폴리머는 상기 고화대상토와 혼합되어 상기 고화대상토를 고화시키는 흙 결합제이고, 상기 아크릴계 폴리머는 상기 흙 결합제에 의해 고화되는 고화대상토의 표면에 혼합되어 상기 고화대상토의 표면을 강화하는 표면 강화제인 것을 특징으로 하는 표층박리 방지를 위해 표면 처리된 흙 포장재의 시공 방법.
8. 제7항에 있어서,
   상기 아크릴계 폴리머는 35~41의 고형분 함량(%), 7~91의 pH(25℃), 40~50의 표면장력(dyne/cm) 및 20~60의 점도(cps)의 물성을 갖는 아크릴 에멀젼인 것을 특징으로 하는 표층박리 방지를 위해 표면 처리된 흙 포장재의 시공 방법.
9. 제7항에 있어서,
   상기 수분산계 폴리머는 Tg(Glass Transition Temperature)가 -11~9℃인 SB(Styrene-Butadiene) 라텍스인 것을 특징으로 하는 표층박리 방지를 위해 표면 처리된 흙 포장재의 시공 방법.

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