KR20130077380A - 지반 그라우트 및 충전재용 무기 결합재 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 지반 그라우트 및 충전재용 무기 결합재에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 시멘트 15 ~ 25 중량%, 플라이 애쉬(fly ash) 50 ~ 75 중량%, 바이패스 더스트(bypass dust) 9 ~ 20 중량% 및 수용성 폴리머 1 ~ 5 중량%를 혼합하여 지반 그라우트 및 충전재용 무기 결합재를 구성함으로써, 포틀랜드 시멘트의 사용량을 줄여 이산화탄소 발생 등의 환경적인 문제 및 과도한 석회석 채취로 인한 자원고갈 문제 등을 해결할 수 있도록 하며, 아울러, 감소된 포틀랜드 시멘트를 대체하여 사용되는 순환자원으로써, 플라이 애쉬(fly ash), 초미립 형태의 바이패스 더스트(bypass dust)를 적용하고, 여기에 수용성 폴리머를 활성제로 사용함으로써, 소량의 시멘트가 상기와 같이 구성되는 무기 결합재에 의해 더욱 조밀한 구조를 가지게 되고 이로 인해 포틀랜드 시멘트를 주원료(50 중량% 이상 혼합)로 사용한 무기 결합재에 비해 우수한 강도 및 내구성을 구현할 수 있도록 할 뿐만 아니라 또한, 상기와 같이 플라이 애쉬, 바이패스 더스트와 같은 산업폐기물을 재활용함으로써 산업 폐기물에 의한 환경오염을 방지할 수 있는 친환경적인 지반 그라우트 및 충전재용 무기 결합재에 관한 것이다.

Description

지반 그라우트 및 충전재용 무기 결합재{INORGANIC BINDER FOR WEAK GROUND GROUT AND INSERT MATERIAL}
본 발명은 지반 그라우트 및 충전재용 무기 결합재에 관한 것으로, 구체적으로는 포틀랜드 시멘트의 사용량을 최대한 줄이되, 이를 대체하여 사업장 폐기물로 발생하는 순환자원인 플라이 애쉬(fly ash) 및 초미립 형태의 바이패스 더스트(bypass dust)를 적용하고, 여기에 수용성 폴리머를 활성제로 사용한 지반 그라우트 및 충전재용 무기 결합재에 관한 것이다.
일반적으로, 지반 위에 각종 구조물을 건설하고자 할 때, 그 지반의 지형적인 특성상 임해성 점성토, 층적 점성토 등 연약토로 이루어진 연약지반일 경우에는 그 지반을 개량하여 보강하는 작업을 하며, 제방, 쓰레기 매립장 등 차수를 필요로 하는 경우에는 지중에 연직 차수벽을 형성하는 작업을 한다.
상기와 같은 연약지반 개량 및 연직 차수벽 형성을 위한 대표적인 공법으로는 절삭작업에 의한 치환공법, 약액인 고화제를 연약토와 혼합하여 교반하는 심층혼합처리공법 및 토사의 간극을 경화성 물질로 고결시키는 약액주입공법을 들 수 있다.
상기 공법 가운데 저압주입공법의 대표격인 약액주입공법은 '그라우트(grout)'라고도 하며, 기존 고화제인 화공약품 등을 경화재로 사용하여 환경 오염, 주입재료의 용탈 및 재료 분리현상 등으로 인하여 주입재의 내구성 저하 등의 문제를 야기하고 있고, 또한 고압주입공법들의 대표격인 치환공법은 대상지반의 치환작업에 의하여 산업폐기물의 발생으로 환경문제를 발생시키는 문제점이 있다.
따라서, 최근들어 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 방안으로, 고화제로 사용되는 화공약품의 사용을 줄이고 고강도와 고내구성의 특성을 발현하는 무기질계열의 지반 그라우트 및 충전재에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
관련 선행기술로써, 대한민국 등록특허공보 제10-0884285호(연약지반 개량용 경화제와 이의 초고압수분사장치 및 이를 이용한 지반개량 공법), 대한민국 등록특허공보 제10-0876222호(연약지반 개량용 기능성 고화재) 및 대한민국 공개특허공보 제10-2004-0014024호(토양 강화 개선재) 등이 있으며, 상기와 같은 종래의 기술들은 통상 포틀랜드 시멘트를 주원료로 한다. 즉, 대한민국 등록특허공보 제10-0884285호의 경우, 포틀랜드 시멘트가 50 중량% 혼합되며, 대한민국 등록특허공보 제10-0876222호의 경우, 포틀랜드 시멘트가 65 중량% 혼합되며, 대한민국 공개특허공보 제10-2004-0014024호의 경우, 포틀랜드 시멘트가 60 중량% 혼합된다.
하지만, 상기와 같이 포틀랜드 시멘트가 주원료(50 중량% 이상 혼합)로 이루어질 경우, 유기질 토양 중의 부식산(humic acid) 및 펄빅산(fulvic acid)이 포틀랜드 시멘트의 수화반응에 의해 생성되는 수산화칼슘과 반응하여 부식산 칼슘 등을 생성하고 이와 같은 생성물이 수화되지 않은 시멘트 입자를 파괴시켜 시멘트의 수화반응을 저해하기 때문에 고화재로서 지반 개량의 효과가 감소되는 문제가 있다.
아울러, 유기질 토양 중의 유기물은 크게 동식물의 유체가 분해되지 않고 남은 정형 유기물과 동식물의 유체가 미생물의 작용으로 분해되어 생성된 무정형 유기물(부식 혹은 부엽토)로 구분되는데, 이것은 갈색 또는 흑갈색을 띠는 물질로서 친수성을 가지며 양이온 흡착 능력이 뛰어난 콜로이드 물질로 일반적으로 입자에 흡착하여 시멘트와 토양 입자의 접촉을 방해하는 문제점이 있다.
한편, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 포틀랜드 시멘트를 모재로 하고, 여기에 높은 단가의 칼슘 설포 알루미네이트계 화합물이나 석고를 다량 첨가하는 시멘트계 고화재가 있지만, 이는 고가의 혼합재로서 그 특성이 발휘되기 위해서는 다량을 첨가하는 것이 요구되기 때문에 비경제적이라 할 수 있으며, 또한 칼슘 설포 알루미네이트계 화합물의 경우에는 보통 포틀랜드 시멘트처럼 고온의 소성과정에 의해 제조되므로 제조과정 중에 이산화탄소를 다량으로 배출하여 환경적으로 문제가 된다.
한편, 상기 문제점과 관련하여, 온실가스 중 55%를 차지하는 이산화탄소(CO2)의 배출량중 약 8%는 시멘트 제조 분야에서 배출되는 것으로 알려져 있다. 특히, 포틀랜드 시멘트는 고온(1,450℃)상태에서 용융시켜야만 생산할 수 있기에 아래 [표 1]에서와 같이, 대량의 에너지를 소비할 뿐만 아니라 1톤의 시멘트를 제조하는 경우 약 1톤의 이산화탄소가 배출될 뿐만 아니라, 도 1에 도시된 바와 같이, 1840년도부터 2000년까지 세계 포틀랜드 시멘트 생산량에 비례하여 대기 중의 이산화탄소 농도가 증가함을 알 수 있다.
항목 환산량


이산화탄소 배출량		 - 탈탄산으로부터의 CO2 : 0.52톤
- 석탄연소로부터의 CO2 : 0.32톤
- 현장 설비를 운전하기 위해
화력발전소에서 생산된 전력 CO2
: 0.1톤 이상
기타 석탄 연소시 발생되는 가스발생 일산화탄소(CO), 황산화물(SOx),
질소산화물(NOx), 미세 먼지 등
필요 열용량 4GJ(Giga Joule)
석탄 소비량 132kg
시멘트 킬른에서 석탄 연소시 발생하는 CO2 주1) 석탄 1톤 연소시 CO2 2,418kg
2,418× 0.132 = 320kg
주1) 시멘트 킬른에서 사용되는 화석 연료인 석탄의 열량은 26GJ/t이며,
CO2 배출계수는 93kg/GJ로 환산
따라서 향후 온실가스 감축은 시멘트 업계의 가장 큰 현안으로 등장할 것이며, 협약이 발효될 경우 한국 시멘트 산업은 시멘트 클링커 생산량을 50% 이상이나 감축해야할 것으로 예견된다.
아울러, 현재 연간 6,000만 톤에 달하는 시멘트 클링커를 생산하기 위해서 약 7,000만 톤의 석회석이 채굴되고 있다. 현재 우리나라의 석회석 매장량은 약 40억 톤에 불과한 데 이대로 가면 50년이 채 못가서 고갈될 상황이며, 이렇게 막대한 양의 석회석이 백두대간의 정상에서부터 층층이 계단식으로 깎여져 노천채굴 방식으로 채광된 결과, 수려한 자연경관이 황량하게 훼손되었음은 물론 수자원의 원천마저 고갈되고 있는 실정이다.
: 대한민국 등록특허공보 제10-0884285호 "연약지반 개량용 경화제와 이의 초고압수분사장치 및 이를 이용한 지반개량 공법" : 대한민국 등록특허공보 제10-0876222호 "연약지반 개량용 기능성 고화재" : 대한민국 공개특허공보 제10-2004-0014024호 "토양 강화 개선재"
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 포틀랜드 시멘트의 사용량을 최대한 줄이되, 이를 대체하여 사업장 폐기물로 발생하는 순환자원을 사용하여 지반 그라우트 및 충전재용 무기 결합재를 제조함으로써, 포틀랜드 시멘트의 사용량을 줄여 이산화탄소 발생 등의 환경적인 문제 및 과도한 석회석 채취로 인한 자원고갈 문제 등을 해결할 수 있도록 하는 지반 그라우트 및 충전재용 무기 결합재를 제공함을 과제로 한다.
아울러, 감소된 포틀랜드 시멘트를 대체하여 사용되는 순환자원으로써, 플라이 애쉬(fly ash), 초미립 형태의 바이패스 더스트(bypass dust)를 적용하고, 여기에 수용성 폴리머를 활성제로 사용함으로써, 소량의 시멘트가 상기와 같이 구성되는 무기 결합재에 의해 더욱 조밀한 구조를 가지게 되고 이로 인해 포틀랜드 시멘트를 주원료(50 중량% 이상 혼합)로 사용한 무기 결합재에 비해 우수한 강도 및 내구성을 구현할 수 있도록 하는 지반 그라우트 및 충전재용 무기 결합재를 제공함을 다른 과제로 한다.
또한, 상기와 같이 플라이 애쉬, 바이패스 더스트와 같은 산업폐기물을 재활용함으로써 산업 폐기물에 의한 환경오염을 방지할 수 있는 친환경적인 지반 그라우트 및 충전재용 무기 결합재를 제공함을 또 다른 과제로 한다.
본 발명은 지반 그라우트 및 충전재용 무기 결합재에 있어서, 시멘트 15 ~ 25 중량%, 플라이 애쉬(fly ash) 50 ~ 75 중량%, 바이패스 더스트(bypass dust) 9 ~ 20 중량% 및 수용성 폴리머 1 ~ 5 중량%로 이루어지는 것을 특징으로 하는 지반 그라우트 및 충전재용 무기 결합재를 과제의 해결 수단으로 한다.
한편, 상기 플라이애쉬는 4000∼5000㎠/g의 분말도를 가지는 것이 바람직하다.
아울러, 상기 수용성 폴리머는, 폴리아크릴산염, 셀롤로오스, 폴리비닐알코올 또는 폴리아크릴아마이 중에서 1 종 이상을 선택, 병용하여 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명은 포틀랜드 시멘트의 사용량을 최대한 줄이되, 이를 대체하여 사업장 폐기물로 발생하는 순환자원을 사용하여 지반 그라우트 및 충전재용 무기 결합재를 제조함으로써, 포틀랜드 시멘트의 사용량을 줄여 이산화탄소 발생 등의 환경적인 문제 및 과도한 석회석 채취로 인한 자원고갈 문제를 해결할 수 있는 장점이 있다.
아울러, 감소된 포틀랜드 시멘트를 대체하여 사용되는 순환자원으로써, 플라이 애쉬(fly ash), 초미립 형태의 바이패스 더스트(bypass dust)를 적용하고, 여기에 수용성 폴리머를 활성제로 사용함으로써, 소량의 시멘트가 상기와 같이 구성되는 무기 결합재에 의해 더욱 조밀한 구조를 가지게 되고 이로 인해 포틀랜드 시멘트를 주원료(50 중량% 이상 혼합)로 사용한 무기 결합재에 비해 우수한 강도 및 내구성을 구현할 수 있도록 하는 장점이 있다.
또한, 상기와 같이 플라이 애쉬, 바이패스 더스트와 같은 산업폐기물을 재활용함으로써 산업 폐기물에 의한 환경오염을 방지할 수 있는 친환경적인 장점이 있다.
도 1은 세계 포틀랜드 시멘트 생산량과 대기 중의 이산화탄소 농도의 관계를 나타낸 그래프
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 지반 그라우트 및 충전재용 무기 결합재의 일축압축시험 결과를 설명하기 위한 사진
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하며, 지반 그라우트 및 충전재용 무기 결합재 제조분야의 종사자들이 용이하게 알 수 있는 구성 및 작용에 대한 언급은 간략히 하거나 생략하였다.
본 발명의 일 실시예에 따른 지반 그라우트 및 충전재용 무기 결합재는 시멘트 15 ~ 25 중량%, 플라이 애쉬(fly ash) 50 ~ 75 중량%, 바이패스 더스트(bypass dust) 9 ~ 20 중량% 및 수용성 폴리머 1 ~ 5 중량%로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 사용되는 시멘트는 통상적으로 지반 그라우트 및 충전재용 무기 결합재에 사용되는 포틀랜드 시멘트, 조강 시멘트 등의 시멘트를 적용할 수 있지만, 그 사용량은 25 중량% 이하, 바람직하게는 15 ~ 25 중량%을 사용한다.
상기 시멘트의 사용량이 15 중량% 미만일 경우, 지반 그라우트 및 충전재용 무기 결합재가 조성되지 못할 우려가 있으며, 25 중량%를 초과할 경우, 고화재로서 지반 개량의 효과가 감소되고, 시멘트와 토양 입자의 접촉이 방지되며, 시멘트 생산 시, 이산화탄소를 다량으로 배출하여 환경적으로 문제가 될 뿐만 아니라, 석회석 등의 자원을 고갈시키는 문제가 있다.
본 발명에서 사용되는 플라이 애쉬는, 상기 감소된 시멘트를 대체하여, 종래 시멘트의 과도한 사용에 따른 이산화탄소 발생 등의 환경적인 문제 및 과도한 석회석 채취로 인한 자원고갈 문제를 해결할 뿐만 아니라, 상기 최소한으로 첨가되는 시멘트의 공극을 메워 무기 결합재의 강도 및 내구성을 향상시키기 위한 것으로, 통상 화력 발전소 등의 연소 보일러에서 미분탄을 연료로 사용하여 1400℃ 정도의 고온연소 과정에서 배출되는 폐가스 중에 포함된 석탄재를 집진기에 의해 회수한다.
이때, 상기 플라이 애쉬의 사용량은 50 ~ 75 중량%가 바람직하며, 50중량% 미만일 경우, 플라이 애쉬에 의한 시멘트 사용량의 감소, 수밀성의 향상과 같은 장점을 구현하지 못하게 되며, 50 중량%를 초과할 경우, 장기 재령에서는 그 강도가 현저하게 증가하나, 초기 재령에서의 초기 강도가 떨어지는 문제점이 있다.
그 이유는 플라이애쉬 자체의 반응성이 낮으므로 초기 재령에서는 강도가 낮게 발현되나 장기 재령에서는 상기 플라이애쉬가 레미콘 중의 물에 용해되어 있는 수산화칼슘과 서서히 화합하여 불용성의 안정한 규산칼슘수화물 등을 생성(포졸란 반응)하기 때문이다.
한편, 상기 플라이 애쉬는 정재 분쇄처리하여 4000 ~ 5000㎠/g의 분말도를 갖도록 가공한 것을 사용하는 것이 바람직하며, 분말도가 4000㎠/g 미만일 경우, 그 이하의 분말도를 가지는 플라이 애쉬보다 수밀성 향상효과가 미비해지는 문제점이 있으며, 5000㎠/g를 초과할 경우, 사용량을 필수적으로 증가시켜야하는 문제점이 있다.
본 발명에서 사용되는 바이패스 더스트는, 상기 플라이 애쉬와 더불어 상기 감소된 시멘트를 대체하여, 종래 시멘트의 과도한 사용에 따른 이산화탄소 발생 등의 환경적인 문제 및 과도한 석회석 채취로 인한 자원고갈 문제를 해결할 뿐만 아니라, 상기 최소한으로 첨가되는 시멘트의 공극을 메워 무기 결합재의 강도 및 내구성을 향상시키기 위한 것으로, 통상 시멘트 킬른(소성로)의 인렛(inlet) 부위에 설치되어, 시멘트 킬른으로부터 발생되는 휘발성 물질을 주로 포집하는 집진기(bypass precipitator)로부터 발생되는 먼지를 말하며, 발생량은 시멘트 생산량의 약 7 ~ 10% 정도이다.
한편, 상기 바이패스 더스트는 다량의 알칼리 및 염화물을 함유하는 6,000 ~ 10,000㎠/g의 초미립자 물질로서, 일반 시멘트와 같이 경화 성질을 가지며, 슬래그의 알칼리 자극제 역할을 할 수 있으며, 특히, 상기 바이패스 더스트에 함유된 염화물 성분은 플라이 애쉬의 수화반응을 촉진시켜 그 강도를 향상시킬 수 있다.
이때, 상기 바이패스 더스트의 사용량은 9 ~ 20 중량%가 바람직하며, 9중량% 미만일 경우, 바이패스 더스트에 의한 시멘트 사용량의 감소, 수밀성의 향상과 같은 장점을 구현하지 못하게 되며, 20 중량%를 초과할 경우, 상기 플라이 애쉬의 사용량이 감소함에 따라, 바이패스 더스트의 사용량 증가 대비 강도 및 내구성의 향상이 미비하게 되는 문제점이 있다.
상기 수용성 폴리머는, 무기 결합재의 작업성 개선, 응집성 및 보수성 향상, 내구성 향상 등을 위해 첨가하는 것으로, 폴리아크릴산염, 셀롤로오스, 폴리비닐알코올 또는 폴리아크릴아마이 중에서 1 종 이상을 선택, 병용하여 사용할 수 있다.
구체적으로는 계면 활성 작용에 의해 무기 결합재의 점도를 조절하여 작업성을 개선할 수 있으며, 얇은 폴리머 필름의 형성에 기인한 밀봉 효과에 의한 응집성 및 보수성의 향상도 기대할 수 있다.
아울러, 상기 폴리아크릴산염은 점도를 조절하는 역할 이외에, 경화 시, 각 조성물 사이의 공극을 밀봉하는 역할하여, 불순물의 침투를 억제하고 이로 인해 내구성을 향상시킬 수 있다.
이때, 상기 수용성 폴리머의 사용량은 수용성 폴리머 1 ~ 5 중량%가 바람직하며, 1 중량% 미만일 경우, 상기와 같은 효과를 구현할 수 없으며, 5 중량%를 초과할 경우, 사용량 대비 그 효과의 향상이 미비하게 되는 문제점이 있다.
이하, 본 발명을 아래의 실시예를 통해 상세히 설명하지만, 실시예에 의해 반드시 한정하는 것은 아니다.
1. 지반 그라우트 및 충전재용 무기 결합재
(실시예 1)
시멘트 15 중량%, 플라이 애쉬(fly ash) 75 중량%, 바이패스 더스트(bypass dust) 9 중량% 및 수용성 폴리머 1 중량%를 혼합하여 지반 그라우트 및 충전재용 무기 결합재를 제조하였다.
(실시예 2)
시멘트 25 중량%, 플라이 애쉬(fly ash) 50 중량%, 바이패스 더스트(bypass dust) 20 중량% 및 수용성 폴리머 5 중량%를 혼합하여 지반 그라우트 및 충전재용 무기 결합재를 제조하였다.
(비교예 1)
포틀랜드 시멘트 60 중량%, 생석회 5 중량%, 모래 15 중량% 및 해수 20 중량%를 혼합하여 지반 그라우트 및 충전재용 무기 결합재를 제조하였다.
2. 지반 그라우트 및 충전재용 무기 결합재의 평가
상기 실시예 1, 2 및 비교예 1, 2에 따른 무기 결합재를 적용한 지반의 흙을 채취하여 한국공업규격 KS F 2314(흙의 일축압축시험)에 의하여 일축압축강도를 측정하였으며, 그 결과를 아래의 [표 2]에 나타내었다.
일축압축강도 MPa
재령 3일 재령 7일 재령 28일
실시예 1 2.5 4.0 6.0
실시예 2 2.7 4.2 6.5
비교예 1 1.0 2.0 3.0
측정결과, 상기 [표 2]에서와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1, 2가 비교예 1보다 일축압축강도가 월등히 우수함을 알 수 있으며, 이는 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에서 사용된 플라이 애쉬, 바이패스 더스트가 시멘트의 공극을 매워 강도 및 내구성을 향상시킨 것으로 판단된다.
따라서, 본 발명은 포틀랜드 시멘트의 사용량을 줄여 이산화탄소 발생 등의 환경적인 문제 및 과도한 석회석 채취로 인한 자원고갈 문제를 해결할 수 있을 뿐만 아니라 산업폐기물을 재활용함으로써 산업 폐기물에 의한 환경오염을 방지할 수 있어 친환경적이면서도 종래 포틀랜드 시멘트를 주원료(50 중량% 이상 혼합)로 사용한 무기 결합재에 비해 우수한 강도 및 내구성을 구현할 수 있음을 알 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 지반 그라우트 및 충전재용 무기 결합재의 우수성이 입증되었지만 본 발명은 상기의 구성에 의해서만 반드시 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다.
A : 일반적인 포틀랜드 시멘트
B : 순환자원 혼입 후의 시멘트

Claims (3)

  1. 지반 그라우트 및 충전재용 무기 결합재에 있어서,
    시멘트 15 ~ 25 중량%, 플라이 애쉬(fly ash) 50 ~ 75 중량%, 바이패스 더스트(bypass dust) 9 ~ 20 중량% 및 수용성 폴리머 1 ~ 5 중량%로 이루어지는 것을 특징으로 하는 지반 그라우트 및 충전재용 무기 결합재
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 플라이애쉬는
    4000 ~ 5000㎠/g의 분말도를 가지는 것을 특징으로 하는 지반 그라우트 및 충전재용 무기 결합재
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 수용성 폴리머는,
    폴리아크릴산염, 셀롤로오스, 폴리비닐알코올 또는 폴리아크릴아마이 중에서 1 종 이상을 선택, 병용하여 사용하는 것을 특징으로 하는 지반 그라우트 및 충전재용 무기 결합재
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