KR20140042155A - Grouting composition having high thermal conductivity and method of construction using the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 지중열교환기용 그라우팅재 조성물에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는 벤토나이트, 알루미나를 포함하는 열전도도가 높은 그라우팅재 조성물에 관한 것이다.The present invention relates to a grouting material composition for a ground heat exchanger, and more particularly, to a grouting material composition having high thermal conductivity including bentonite and alumina.
지열분야에서 사용하는 그라우팅 공법이라 함은 지반에 천공작업을 한 후, 지중열교환기를 매립하고 빈공간에 그라우트재(grout)를 주입하는 것으로, 그라우트재는 지중열교환기와 지반 혹은 암반 사이의 공간을 메워 지중과의 열전달을 촉진하고, 천공내의 지표수 침투, 및 지하수 오염을 방지하는 역할을 하게 된다. 그 과정에서 주입관을 천공내에 설치하고, 그라우트재를 슬러리 형태로 만들어 주입펌프 등을 이용하여 주입하게 된다.The grouting method used in the geothermal field is to dig a ground heat exchanger and inject grout into an empty space after drilling is performed in the ground. It promotes heat transfer to the fruit, and serves to prevent surface water penetration in the perforation and groundwater contamination. In the process, the injection pipe is installed in the perforation, and the grout material is made into a slurry to be injected using an injection pump or the like.
일반적으로 그라우트재로는 벤토나이트계와 시멘트계를 주로 사용하는데, 시멘트계 그라우트재의 경우에는 열전도도는 높으나 주변 환경을 오염시키는 등의 문제점이 있어, 벤토나이트계가 널리 사용되고 있다. 그러나 순수한 벤토나이트는 지반 혹은 암반에 비하여 열전도도가 상당히 낮아, 단독으로 사용할 경우에는 좋은 열효율을 얻을 수 없다. 따라서 열전도도를 높이고자 모래를 첨가물로 사용하는데, 혼합하는 모래입자 크기를 잘못 선정하는 경우에는 벤토나이트와의 비중차이에 의해 분리현상이 일어나 여러 가지 좋지 않은 영향을 미친다. 또한 모래의 표면경도가 매우 높기 때문에, 많은 양을 사용하면 주입펌프의 임펠라를 마모현상을 촉진시켜 장비의 고장을 야기시키는 문제점이 발생한다. In general, as the grout material, bentonite and cement are mainly used. In the case of cement-based grout, the thermal conductivity is high, but there is a problem such as contaminating the surrounding environment. Bentonite is widely used. However, pure bentonite has considerably lower thermal conductivity than ground or rock, and when used alone, good thermal efficiency cannot be obtained. Therefore, to improve thermal conductivity, sand is used as an additive. When the size of sand particles to be mixed is incorrectly selected, separation occurs due to specific gravity difference with bentonite, which causes various adverse effects. In addition, since the surface hardness of the sand is very high, if a large amount is used, the impeller of the injection pump may be accelerated to cause a failure of the equipment.
예를 들어, 한국 공개 특허 제2010-0048807호에서는 규산소다 화합물을 포함하는 그라우팅 조성물을 제공하고 있으나, 이는 경화제의 사용양에 따라서 급결시간 및 완결시간을 얻을 수는 있으나, 열전도도에 대한 효과가 미진하다는 문제점이 있다.For example, Korean Patent Publication No. 2010-0048807 provides a grouting composition comprising a soda silicate compound, which may obtain a quenching time and a completion time depending on the amount of hardener used, but has an effect on thermal conductivity. There is a problem of being incomplete.
따라서 본 발명자들은 상기 문제점들을 해결하기 위하여, 충분한 열전달율을 가지면서도 환경오염의 문제점이 없고, 상용성이 우수하고, 경제성이 있을 뿐만 아니라 시공이 편리한 그라우트재 조성물 및 이를 이용한 그라우팅 공법을 제공하는 것을 목적으로 한다.Therefore, the inventors of the present invention provide a grout material composition and a grouting method using the same, which have a sufficient heat transfer rate, have no problems of environmental pollution, have excellent compatibility, and are economical as well as convenient to solve the above problems. It is done.
상기 목적을 달성하기 위하여,In order to achieve the above object,
본 발명은 벤토나이트, 알루미나를 포함하는 그라우팅재 조성물을 제공한다.The present invention provides a grouting material composition comprising bentonite and alumina.
또한, 본 발명은 상기의 그라우팅재 조성물을 이용한 그라우팅 공법을 제공한다.In addition, the present invention provides a grouting method using the above grouting material composition.
본 발명에 따른 그라우팅재 조성물에 의하면, 충분한 열전도도를 가지면서도 환경오염의 문제점이 없고, 모래에 비해 적은 양을 사용해도 되어 분리현상이나 기기의 마모를 줄일 수 있다는 점에서 상용성 및 경제성이 우수할 뿐만 아니라 시공이 편리하여 특히 지중열교환기용 그라우팅재 조성물로 사용할 수 있는 효과를 제공한다.According to the grouting material composition according to the present invention, there is no problem of environmental pollution while having sufficient thermal conductivity, and it is excellent in compatibility and economical in that it can reduce the separation phenomenon and the wear of the device by using less amount than sand. As well as the construction is convenient, it provides an effect that can be used as a grouting composition for the ground heat exchanger in particular.
도 1은 벤토나이트의 열전도도 개념에 대한 모식도이다.
도 2는 본 발명에 의한 조성물의 열전도도 개념에 대한 모식도이다.
도 3은 실시예 및 비교예에서 측정된 열전도도의 비교 그래프이다.
도 4는 본 발명에서 사용된 벤토나이트의 확대사진이다.
도 5는 본 발명에서 사용된 모래의 확대사진이다.
도 6은 본 발명에서 사용된 알루미나의 확대사진이다.1 is a schematic diagram of the thermal conductivity concept of bentonite.
Figure 2 is a schematic diagram of the thermal conductivity concept of the composition according to the present invention.
3 is a comparative graph of thermal conductivity measured in Examples and Comparative Examples.
4 is an enlarged photograph of bentonite used in the present invention.
5 is an enlarged photograph of the sand used in the present invention.
6 is an enlarged photograph of alumina used in the present invention.
본 발명은 벤토나이트 및 알루미나를 포함하는 그라우팅재 조성물을 제공한다.The present invention provides a grouting material composition comprising bentonite and alumina.
본 발명에 있어서, 상기 벤토나이트는 그라우팅재의 차수 효과를 높이기 위하여 사용된다. 본 발명에 사용되는 벤토나이트는 물과 접촉하면 자체 체적의 10~20배로 팽창하고, 건조상태가 되어 수분이 존재하지 않으면 원래의 체적으로 수축되는 천연점토의 일종으로서, 수분에 의한 겔화 팽창능 때문에 현재 대부분의 대규모 지하건설공사에 방수재로서 사용되고 있다. 상기 벤토나이트는 몬모릴로나이트(montmorillonite)를 주 구성으로 하며, 벤토나이트 내의 몬모릴로나이트의 판상구조 사이에 Na+, Ca2+ 등의 양이온들 중 어느 양이온이 우세하게 존재하느냐에 따라서, 크게 Na계 벤토나이트와 Ca계 벤토나이트로 나뉠 수 있다. 자연 상에서 산출되는 벤토나이트는 주로 Ca계 벤토나이트 형태인데, Ca계 벤토나이트에 비하여 Na계 벤토나이트가 그 점도 및 팽윤도가 월등하기 때문에 Ca계 벤토나이트의 양이온을 Na로 치환시켜 Na계 벤토나이트의 형태로 이용한다. 구체적으로 상기 Ca계 벤토나이트를 채굴한 후, 이를 분쇄한 다음 여기에 Na2CO3 파우더와 혼합한 후, 이를 300~500℃로 열처리하여 Na계 벤토나이트를 만들 수 있다.In the present invention, the bentonite is used to increase the ordering effect of the grouting material. Bentonite used in the present invention is a type of natural clay that expands to 10 to 20 times its volume when in contact with water, and becomes dry and shrinks to its original volume when water is not present. It is used as a waterproof material for most large-scale underground construction work. The bentonite is mainly composed of montmorillonite (montmorillonite), depending on which cation, such as Na + , Ca 2+ predominantly between the plate-like structure of montmorillonite in bentonite, Na-bentonite and Ca-based bentonite Can be divided. The bentonite produced in nature is mainly Ca type bentonite. Since Na type bentonite has higher viscosity and swelling degree than Ca type bentonite, Ca type bentonite cation is substituted with Na and used as Na type bentonite. Specifically, the Ca-based bentonite may be mined, pulverized and then mixed with Na 2 CO 3 powder, followed by heat treatment at 300 to 500 ° C. to form Na-based bentonite.
본 발명에서 사용하는 벤토나이트로는 특별한 종류의 제한은 없으며, 그라우팅 공법에 사용하는 벤토나이트라면 본 발명에 사용할 수 있다.
The bentonite used in the present invention is not particularly limited, and any bentonite used in the grouting method can be used in the present invention.
본 발명에 있어서, 상기 알루미나는 열전도도를 상승시키기 위하여 사용된다. 도 1에서와 같이 벤토나이트만을 그라우팅재 조성물로 사용하는 경우에는 열전도도가 낮다는 문제가 있는데 반하여, 도 2에서와 같이 알루미나를 사용하는 경우에는 열전도도가 높은 알루미나 사이에서 열전도도의 향상이 일어나게 된다. 본 발명에 사용되는 알루미나의 종류는 특별히 한정되지는 않으나 평균입경이 10~1000㎛인 것이 바람직하다. 상기 알루미나의 평균입경이 10㎛ 미만인 경우에는 그라우팅재 조성물의 점도가 상승하는 문제가 있으며, 상기 알루미나의 평균입경이 1000㎛를 넘는 경우에는 혼합물을 물과 섞어 슬러리를 만들었을 때, 벤토나이트와의 비중차이에 의하여 분리현상이 일어나는 문제가 있다.In the present invention, the alumina is used to increase the thermal conductivity. When only bentonite is used as the grouting material composition as shown in FIG. 1, the thermal conductivity is low. On the other hand, when alumina is used as shown in FIG. 2, thermal conductivity is improved between aluminas having high thermal conductivity. . Although the kind of alumina used for this invention is not specifically limited, It is preferable that average particle diameter is 10-1000 micrometers. When the average particle diameter of the alumina is less than 10 μm, the viscosity of the grouting material composition is increased. When the average particle diameter of the alumina is more than 1000 μm, when the mixture is mixed with water to form a slurry, specific gravity with bentonite There is a problem that separation occurs due to the difference.
상기 알루미나는 상기 벤토나이트에 대하여 10중량% 내지 500중량%를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 알루미나의 함유량이 상기 벤토나이트의 10중량% 이하인 경우에는 종래의 모래 등을 사용한 경우에 비하여 열전도도의 상승이 떨어지는 문제가 있으며 상기 벤토나이트의 500중량% 이상인 경우에는 첨가에 따른 열전도도의 향상이 없어 경제성이 떨어질 뿐만 아니라, 차수효과가 떨어져 현실적으로 의미가 없다.
The alumina preferably contains 10 wt% to 500 wt% with respect to the bentonite. When the content of the alumina is less than 10% by weight of the bentonite, there is a problem that the increase in thermal conductivity is lower than that of the conventional sand or the like. When the content of the alumina is 500% by weight or more of the bentonite, there is no improvement in thermal conductivity due to the addition. Not only is it economically inferior, but its ordering effect is practically meaningless.
본 발명에 있어서, 상기 벤토나이트 및 알루미나를 포함하는 그라우팅재 조성물은 모래를 더 포함할 수 있다.In the present invention, the grouting material composition comprising bentonite and alumina may further include sand.
본 발명에서 사용하는 모래로는 특별한 종류의 제한은 없으며, 그라우팅 공법에 사용하는 모래라면 본 발명에 사용할 수 있다. 본 발명의 그라우팅재 조성물에 가격이 저렴한 모래를 더 포함하게 되면, 본 발명의 그라우팅재 조성물의 벤토나이트 및 알루미나와 함께 그라우팅재 조성물로 사용할 수 있으며, 경제성을 향상시키면서도 효과도 어느 정도 나타낼 수 있다는 장점이 있다.The sand used in the present invention is not particularly limited, and any sand used in the grouting method can be used in the present invention. When the grouting material composition of the present invention further includes inexpensive sand, it can be used as the grouting material composition together with bentonite and alumina of the grouting material composition of the present invention, and the economical efficiency can be improved to some extent. have.
본 발명에 있어서, 상기 모래는 상기 벤토나이트에 대하여 10중량% 내지 500중량%를 포함하는 것이 바람직하다.
In the present invention, the sand preferably contains 10% by weight to 500% by weight based on the bentonite.
본 발명의 그라우팅재 조성물을 그라우팅 공법에 사용하는 경우에, 알루미나와 벤토나이트, 또는 알루미나, 모래와 벤토나이트를 균일하게 섞어주기 위하여 물을 넣어 사용할 수 있다.When the grouting material composition of the present invention is used in a grouting method, water may be used to uniformly mix alumina and bentonite, or alumina, sand and bentonite.
상기 물을 넣는 경우, 그라우팅재 조성물 총합계에 대하여, 10중량% 내지 90중량%의 범위에서 사용하여, 천공에 주입하기 위한 작업성이 좋은 값을 택할 수 있다.
When the said water is added, it can use in the range of 10 weight%-90 weight% with respect to the total amount of grouting material composition, and can select the value with the good workability for injecting into a hole.
이하, 실시예 및 시험예를 들어 본 발명을 보다 구체적으로 설명하지만, 이들은 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 이들에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, although an Example and a test example are given and this invention is demonstrated more concretely, these are for illustrating this invention, and the scope of the present invention is not limited by these.
실시예1Example 1
내지 To
실시예5Example 5
, ,
비교예Comparative Example
1 내지 7: 1 to 7:
그라우팅재의Grouting material
제조 Produce
하기의 표 1의 기재와 같이 각각 혼합하여 실시예 1 내지 실시예 5 및 비교예 1 내지 비교예 7의 그라우팅재 조성물을 제조하였다. 본 발명의 그라우팅재의 제조에 있어서, 알루미나는 Saint Gobain사의 E111H제품(평균입경: 35.70㎛)을 사용하였고, 모래는 미국 CETCO사의 지열전용 제품(평균입경: 103.1㎛)을 사용하였고, 벤토나이트는 동사의 High TC Geothermal Grout제품을 사용하였다.
The grouting material compositions of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 7 were prepared by mixing as described in Table 1 below. In the preparation of the grouting material of the present invention, alumina was used as E111H product of Saint Gobain (average particle diameter: 35.70㎛), sand was used as geothermal product (average particle diameter: 103.1㎛) of CETCO, USA, and bentonite High TC Geothermal Grout was used.
실험예 1: 열전도도의 측정Experimental Example 1 Measurement of Thermal Conductivity
상기 제조된 실시예 1 내지 실시예 5 및 비교예 1 내지 비교예 7의 그라우팅재 조성물의 열전도도를 도 7에 기재된 Huksenux사의 TP02 열전도도 측정기를 이용하여 측정하였다. Huksenux사의 TP02 System은 비정상 탐침법을 적용하여 토사와 같은 입상체 시료의 열저항을 측정한다. 도 7의 탐침 (TP02)은 시료와 접촉하는 부분의 길이는 150mm이며 직경은 1.5mm의 제원이다. 탐침 재질은 스테인리스강이며 탐침 안에 2개의 열전대 접점(4, 5)이 용접되어 있고, 이 중 탐침의 선단부분에 열전대(5)는 시료의 초기온도를 측정하고 열선부의 열전대(4)는 열선의 표면온도를 측정한다. 측정 원리는 외부에서 열(q)을 공급하여 도 7의 열선 부분이 가열되기 시작하면 2개의 열전대가 동시에 온도를 측정하기 시작한다. 열선에 공급되는 열은 탐침을 따라 상대적으로 저온인 선단부로 향하게 되며, 열선 주변에 접촉하고 있는 토양 입자에 의해 열손실이 일어나면서 선단부에 도달한다. 이때 두 열전대에서 온도를 측정함으로서 최종적으로 시간에 따른 열손실은 흙의 종류 및 특성에 따라 달라지며 시간경과에 따른 두 점의 온도차 그리고 공급열량을 이용하여 시료의 열전도도를 산정한다.
The thermal conductivity of the grouting material compositions of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 7 prepared above were measured using a TP02 thermal conductivity meter manufactured by Huksenux of FIG. 7. Huksenux's TP02 System uses an abnormal probe method to measure the thermal resistance of particulate samples such as earth and sand. The probe TP02 of FIG. 7 has a length of 150 mm and a diameter of 1.5 mm. The material of the probe is stainless steel and two thermocouple contacts (4, 5) are welded in the probe. Among them, the thermocouple (5) measures the initial temperature of the sample and the thermocouple (4) of the hot wire part of the hot wire Measure the surface temperature. The measurement principle is that when the heat wire portion of Fig. 7 starts to be heated by supplying heat q from the outside, the two thermocouples start to measure the temperature at the same time. The heat supplied to the hot wire is directed to the relatively cold tip along the probe, reaching the tip with heat loss caused by soil particles in contact with the hot wire. At this time, by measuring the temperature in the two thermocouples, the heat loss over time depends on the type and characteristics of the soil, and the thermal conductivity of the sample is calculated by using the temperature difference between two points and the heat supply.
상기 측정된 열전도도는 하기 표 2 및 도 2에 나타내었다.
The measured thermal conductivity is shown in Table 2 and FIG. 2.
상기 표 2 및 도 2에서 본 바와 같이, 그라우팅재 조성물에 알루미나와 벤토나이트를 포함하는 실시예 1 내지 8의 열전도도가 기존의 모래와 벤토나이트만을 포함하는 그라우팅재 조성물에 비하여 열전도도가 훨씬 높다는 것을 알 수 있었다. 또한, 비교예 7의 열전도도가 낮은 것으로부터, 알루미나의 함량이 벤토나이트의 10중량% 이상 포함되어야 충분한 열전도도를 갖는다는 것을 알 수 있으며, 500중량%를 넘어가는 경우에는 증가에 따른 열전도도의 효과 증가가 거의 없었다.
As seen in Table 2 and FIG. 2, it is understood that the thermal conductivity of Examples 1 to 8 including alumina and bentonite in the grouting material composition is much higher than that of the grouting material composition containing only sand and bentonite. Could. In addition, since the thermal conductivity of Comparative Example 7 is low, it can be seen that the alumina content is sufficient to include 10 wt% or more of bentonite to have sufficient thermal conductivity, and when it exceeds 500 wt%, the thermal conductivity increases with increase. There was little increase in effect.
1: 표준온도센서(Pt1000)
2: 히터
3: 고온센서
4: 저온센서
5: 손잡이
6: 몸체1: Standard temperature sensor (Pt1000)
2: heater
3: high temperature sensor
4: low temperature sensor
5: handle
6: body
Claims (4)
상기 알루미나는 상기 벤토나이트에 대하여 10 중량% 내지 500중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 그라우팅재 조성물.Alumina and bentonite,
The alumina is a grouting composition, characterized in that it comprises 10 to 500% by weight relative to the bentonite.
상기 알루미나는 평균입경이 10~1000㎛인 것을 특징으로 하는 그라우팅재 조성물.The method according to claim 1,
The alumina is a grouting material composition, characterized in that the average particle diameter of 10 ~ 1000㎛.
상기 벤토나이트에 대하여 10 중량% 내지 500중량%의 모래를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 그라우팅재 조성물.The method according to claim 1,
Grouting material composition, characterized in that it further comprises 10% to 500% by weight of sand relative to the bentonite.
10중량% 내지 90중량%의 물을 넣어 사용하는 것을 특징으로 하는 그라우팅 공법.Regarding the total amount of the grouting material composition of claim 1 or 3,
A grouting method, characterized in that 10 to 90% by weight of water is used to put.
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