KR20140144625A - 심층혼합공법용 고화재 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 심층혼합공법용 고화재 조성물에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고로슬래그 미분말을 주원료로 사용하고 고로슬래그 미분말의 강도발현을 촉진하고 속경성을 부여하기 위하여 자극제로서 페트로 코크스 탈황석고를 복합적으로 활용한 고화재와 배합수(물)에 고화재의 응결을 촉진하는 규산소다를 치환한 심층혼합공법용 고화재 및 조성물에 관한 것이다.
본 발명에 의한 심층혼합교반용 고화재 조성물은 고로슬래그 미분말 100중량부에 대하여 페트로 코크스 탈황석고 20~100중량부와 배합수 50~300중량부를 포함하며, 상기 배합수 100중량부에 대하여 알루미네이트계 급결제를 10 내지 200 중량부가 더 포함되는 것이 바람직하다.

Description

심층혼합공법용 고화재 조성물{SOLIDIFIED AGENT FOR DEEP CEMENT MIXING METHOD}
본 발명은 심층혼합공법용 고화재 조성물에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고로슬래그 미분말을 주원료로 사용하고 고로슬래그 미분말의 강도발현을 촉진하고 속경성을 부여하기 위하여 자극제로서 페트로 코크스 탈황석고를 복합적으로 활용한 고화재와 배합수(물)에 고화재의 응결을 촉진하는 알루미네이트계 급결제를 치환한 심층혼합공법용 고화재 조성물에 관한 것이다.
일반적으로 연약지반을 개량하기 위한 심층혼합공법은 점성토 및 사력토 지반에서 토류벽체를 형성하거나 차수를 위하거나 연약지반을 보강하기 위한 목적으로 시공되는데 일반적으로 시멘트와 벤토나이트를 혼합하여 사용되어 왔다.
이 중 시멘트의 경우 수화하면서 수축을 하는 특성 때문에 차수 목적을 위하여 벤토나이트를 사용하는데 상기 벤토나이트는 국내에 천연자원으로 부존하지 않는 광물로서 전량 수입에 의존하고 있는 고가의 재료이며 염분과 접촉하면 그 팽윤도가 현저히 떨어져 차수성이 크게 저하되는 문제점이 있어 해상 심층혼합공법용으로는 적절하지 않다.
최근에는 시공비를 줄이기 위하여 고로슬래그 시멘트를 심층혼합공법용 고화재로 많이 사용하고 있는 추세이다. 이 고로슬래그 시멘트는 제조사 마다 그 조성이 상이하나, 대략 보통 포틀랜트시멘트 50%, 고로슬래그미분말 45%, 석고 5% 정도의 비율로 생산되고 있다. 고로슬래그 시멘트내에 포함된 고로슬래그미분말은 그 자체로 수화되지 않는 물질이지만 보통포틀랜트시멘트의 주성분인 CaO 화합물 등이 물과 반응하여 CaOH2를 생성하게 되는데 이 CaOH2가 고로슬래그미분말을 자극하여 활성화시키며 이를 잠재수경성의 발현이라 말한다. 고로슬래그시멘트는 이러한 경화특성을 가지고 있기 때문에 빠른 강도발현을 원하는 현장의 특성에 맞지 않으며, 보통포틀랜트시멘트의 경우도 강도를 보증하는 재령을 28일 양생 기준으로 하고 있어 동일한 문제를 가지고 있다고 할 수 있다.
또한 시멘트의 경우 주원료인 석회석을 채광하여 1,450의 고온에서 소성하여 제조되는 관계로 석회석의 탈탄산 과정에서 온실가스의 주원인인 다량의 CO2 가스가 발생하여 대기환경에 치명적인 해를 준다. 또한 시멘트의 경우 pH가 12 이상에 달할 정도로 강한 알칼리이기 때문에 토양에 사용하였을 경우 바람직하지 않다.
최근에는 이러한 기존의 시멘트를 고화재로 사용하는 문제점을 개선하기 위한 여러 기술들이 제시되고 있다. 예를 들면 국내 등록특허 10-0845248에서는 고로슬래그시멘트에 생석회와 무수석고를 혼합한 후 분말도를 향상시키기 위한 목적으로 진동밀을 이용하여 분쇄를 하고 이 분쇄물에 유동성 및 침투성을 향상시키기 위한 폴리카르본산계 혼화제 0.1% ~ 0.5%중량부를 다시 혼합하는 기술을 제안하였다. 그러나 이 방법은 1차로 생산된 제품을 구매한 후 진동밀 이라는 거대한 장치를 가지고 다시 분쇄하여야 하는 공정이 필요하고 더욱이, 분쇄물에 폴리카르본산계 혼화제 0.1% ~ 0.5%중량부를 다시 혼합하는 기술을 제시 하였으나, 현재의 기술로 분체에 0.1~0.5%의 원료를 고르게 혼합할 수 있는 상용화 기술은 없는 상태로서 매우 많은 비용이 들어가며, 기술적으로도 상용화되기 어려운 비 합리적인 방법이라 할 수 있다.
국내 등록특허 제10-0374122호에서는 시멘트 100중량부에 대하여 5내지 40중량부의 석고와 5내지 30중량부의 석회와 20내지 200중량부의 2가지 입도(15내지 30 50내지 60중량부, 3내지 8 40내지 50중량부)를 갖는 포졸란물질과 계면활성제를 포함하는 기술을 제시 하였다. 그러나 이 방법은 시멘트를 주원료로 한다는데 본 기술과 차이점이 있으며, 특히 포졸란 물질을 15내지 30, 3내지 8의 입도로 분리하는 것이 현존하는 기술로서 가능한 것인지 의문을 갖지 않을 수 없다.
국내등록특허 10-0553732에서는 평균입경이 10~15인 알루미노-실리케이트계 산업부산물 70~80 중량부, 평균입경이 20~30인 석고계부산물 10~25 중량부 및 알칼리계 부산물 5~10 중량부를 포함하는 고화재를 제시하였다. 그러나 이 기술 역시 주원료인 알루미노-실리케이트계 산업부산물의 평균입경이 커서 롤러밀, 볼밀, 진동밀 등을 이용하여 분쇄하여 입도를 조정한다고 발명의 구성 및 작용에서 설명하고 있다. 또한 국내등록특허 10-0431797의 경우도 고로슬래그, 석고, 수산화나트륨, 황산알루미늄, 생석회 또는 소석회, 석회석, 조경제를 혼합한 후 다시 분쇄하는 비소성시멘트 제조방법을 제시하고 있다.
이러한 기술은 시멘트 대신 고로슬래그 및 플라이애시를 주재료로 한 변형 기술로서 포졸란반응 및 에트링가이트 형성을 향상시키기 위하여 알칼리 자극제 및 황산염자극제를 다양한 원료 또는 배합원료로 추가하는 기술이다. 그러므로 제조공정이 매우 복잡하고 원료의 전처리에 많은 비용이 수반되며, 여러 가지 원료를 동시에 사용해야 하기 때문에 원료의 물리 화학적 품질특성 변동에 따른 배합의 선정이 어려워 상용화되기에는 어려운 측면이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 고로슬래그 미분말을 주원료로 사용하고 자극제로서 페트로 코크스 탈황석고를 복합적으로 활용해 고로슬래그 미분말의 잠재수경성을 활성화시켜 고결강도를 발현하는 심층혼합교반용 고화재 조성물을 제공함에 있다.
또한 팽창재에 다량 함유된 CaO가 지하수 및 해수(H2O)와 반응하며 Ca(OH)2로 전환되면서 발생하는 발열반응 및 체적팽창작용을 이용하여 토양의 간극수를 제거하고 함수율을 저감하여 토양을 조속히 안정시키는 심층혼합공법용 고화재 조성물을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 고화재의 슬러리를 제조할 때 사용되는 배합수(물)에 고화재의 응결을 촉진하는 알루미네이트계 급결제를 치환하여 강도를 조기에 발현케 하고, 토양을 조속히 안정시켜 가시설 공사의 공기를 단축시킬 수 있는 심층혼합공법용 고화재 조성물을 제공함에 있다.
위와 같은 기술적 과제를 하기 위하여 본 발명에 의한 심층혼합교반용 고화재 조성물은 고로슬래그 미분말 100중량부에 대하여 페트로 코크스 탈황석고 20~100중량부와 배합수 50~300중량부를 포함하며, 상기 배합수 100중량부에 대하여 알루미네이트계 급결제를 10 내지 200 중량부가 더 포함되는 것이 바람직하다.
또한 생성된 고화토의 함수율을 급속히 저감하고 체적팽창을 통한 토양의 간극수를 제거하기 위하여 팽창재가 더 포함되는 것이 바람직하다.
또한 상기 팽창재는 노내탈황방식 유동층보일러에서 발생하는 고칼슘 플라이애시, 바이오매스 소각잔재, 제지슬러지소각잔재, KR더스트, KR슬래그 미분말, 생석회 및 경소백운석으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나이거나 둘 이상의 혼합물인 것이 바람직하다.
또한 상기 알루미네이트계 급결제는 Na-알루미네이트계(Sodium Aluminate, NaAlO2) 또는 K-알루미네이트계(Potassium Aluminate, KAlO2) 중 어느 하나인 것이 바람직하다.
또한 상기 팽창재는 상기 고로슬래그 미분말 100중량부에 대하여, 40~200중량부 혼입되는 것이 바람직하다.
또한 고화재의 분산을 촉진하고 고화재 슬러리의 이송을 원활히 하기 위한 유동화제가 더 포함되며, 상기 유동화제는 고화재 100중량부에 대하여 0.2~20중량부 혼합되고, 상기 유동화제는 나프탈렌계, 멜라민계, 리그닌계, 폴리카본산계 중 선택된 어느 하나이거나 둘 이상의 혼합물인 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 육상 및 해상 심층혼합공법에 있어서 대상지반의 흙을 주원료로 사용하고 고화재는 통상적인 고로슬래그 미분말과 페트로 코크스 탈황석고를 활용하며, 이에 부가적으로 응결을 촉진시키는 알칼리 자극제로서 알루미네이트계 급결제 용액을 배합수에 치환하고, 유동성을 강화하고 물시멘트비를 낮추어 고결강도를 향상시키는 유동화제를 첨가하여 조기에 강도를 발현하여 가시설공사의 공기를 단축시키는 효과가 있다.
이하, 본 발명에 의한 심층혼합교반용 고화재 및 조성물에 대하여 구체적으로 설명한다.
먼저, 본 발명에 의한 심층혼합교반용 고화재 조성물의 구성성분 및 작용을 설명한다.
본 발명에 의한 심층혼합교반용 고화재 조성물은 고로슬래그 미분말 100중량부에 대하여, 페트로 코크스 탈황석고 20~100중량부를 포함한다.
상기 페트로 코크스 탈황석고는 페트로 코크스를 원료로 하는 보일러에서 노내 탈황을 위해 석회석을 혼소하는 과정에서 페트로 코크스에 포함되어있는 황성분과 석회석이 고온에서 탈탄산된 CaO 성분이 반응하여 생성된 분진과 같은 입자상 석고 물질로서 pH가 11.5이상의 강알칼리 물질이며, 포함된 황산염과 생석회 성분에 의해 황산염 및 알칼리 복합 자극을 받아 고로슬래그 미분말이 활성화되어 잠재수경성 반응을 개시하여 고결강도를 발현한다.
상기 팽창재는 노내탈황방식 유동층 보일러에서 발생하는 고칼슘 플라이애시와, 바이오매스 소각잔재와, 제지슬러지소각잔재와, KR더스트, KR슬래그 미분말과 생석회와 경소백운석 중 어느 하나 이상으로 구성된다.
상기 팽창재 중 고칼슘 플라이애시, 바이오매스 소각잔재, 제지슬러지소각잔재는 노내탈황방식 유동층보일러에서 발생하는 연소재 및 분진이다.
또한 상기 팽창재 중 KR더스트 및 KR슬래그 미분말은 제철소의 제강 및 정련의 공정 중 교반기(Impeller)를 용선 중에 담가서 이를 회전시켜 탈황 제(생석회, 돌로마이트)를 혼합하여 탈황 반응을 촉진시키는 KR (Kanvara Reactor) 탈황방법에 의한 탈황공정 시 집진된 부산물로, CaO 함량이 50~60중량%에 pH 11.8~12.9의 강알칼리성 물질이다.
또한 상기 팽창재 중 생석회 및 경소백운석은 시중에서 유통되는 일반적인 제품이면 사용 가능하다.
상기 팽창재는 상기 고로슬래그 미분말 100중량부에 대하여, 40~200중량부 혼입되는 것이 바람직하다.
상기 배합수는 지하수, 상수도수, 공업용수 및 해수 등 시멘트 응결에 이상을 주지 않는 일반적인 물로서 분말인 시멘트를 슬러리로 만들어 배관을 통한 이송을 용이하게 하고 대상지반과의 혼합을 원활하게 하는 용도로 사용된다.
상기 배합수는 고로슬래그 미분말 100중량부에 대하여 50~300중량부를 혼입되는 것이 바람직하다.
또한 상기 배합수에는 시멘트의 응결을 촉진하기 위한 목적으로 알루미네이트계 급결제 용액이 치환되는 것이 바람직하다. 알루미네이트계 급결제는 용액형과 분말형이 유통되고 있는데, 배합수와 신속하고 용이하게 용해되기 위하여 용액형을 사용하는 것이 바람직하다.
또한 상기 알루미네이트계 급결제 용액은 상기 배합수 100중량부에 대하여 10~200 중량부 혼입되는 것이 바람직하다.
또한 상기 고화재의 분산을 촉진하고 배관을 통한 고화재 슬러리의 장거리 이송을 원활히 하기 위해 유동화제가 더 포함되는 것이 바람직하다.
통상 유동화제는 유동성을 향상시키기 때문에 동일한 작업성을 유지하기 위한 단위 배합수량을 감소시키는 역할을 수행한다. 따라서 배합수와 고화재의 양을 비율로 나타낸 물/고화재비가 낮아지므로 강도를 상향하는 효과도 누릴 수 있는 것이다.
상기 유동화제는 물에 쉽게 용해되기 때문에 분말형태로도 사용이 가능하며, 용액형을 사용할 수도 있다. 용액형은 고형분율이 50%라 가정하면, 분말형에 비해 2배의 투입량을 필요로 한다. 상기 유동화제는 나프탈렌계, 멜라민계, 리그닌계, 폴리카본산계 중 선택된 어느 하나이거나 둘 이상의 혼합물인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 유동화제는 분말 기준으로 고화재 100중량부에 대하여 0.2~20 중량부 혼합되는 것이 바람직하다.
이하에서 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예들이 기술되어질 것이다. 또한 이하의 실시예들은 본 발명을 예증하기 위한 것으로서 본 발명의 범위를 국한하는 것으로 이해 되어져서는 안된다.
비교예
먼저, 해양준설토 100중량부에 대하여, 슬래그 시멘트 15중량부, 배합수 12중량부를 강제식 믹서로 충분히 혼합하여 고화재를 제조하고 9개의 공시체를 제작하여 이를 20에서 양생하여 재령 3일, 7일, 28일 강도를 측정하였다.
실시예 1
해양준설토 100중량부에 대하여, 고화재 15중량부, 배합수 12중량부, 알루미네이트계 급결제 용액 5중량부와 상기 고화재 100중량부에 대하여 유동화제 분말 5중량부를 첨가하여 강제식 믹서로 충분히 혼합하였다. 상기 고화재는 고로슬래그 미분말 100중량부에 대해서 페트로 코크스 탈황석고 20중량부와 제지 슬러지 소각재 100중량부로 구성하였다. 이를 이용하여 9개의 공시체를 제작하여 이를 20에서 양생하여 재령 3일, 7일, 28일 강도를 측정하였다.
실시예 2
해양준설토 100중량부에 대하여, 고화재 15중량부, 배합수 12중량부, 알루미네이트계 급결제 용액 10중량부와 상기 고화재 100중량부에 대하여 유동화제 분말 5중량부를 첨가하여 강제식 믹서로 충분히 혼합하였다. 상기 고화재는 고로슬래그 미분말 100중량부에 대해서 페트로 코크스 탈황석고 50중량부와 고칼슘 플라이애시 70중량부로 구성하였다. 이를 이용하여 9개의 공시체를 제작하여 이를 20에서 양생하여 재령 3일, 7일, 28일 강도를 측정하였다.
실시예 3
해양준설토 100중량부에 대하여, 고화재 15중량부, 배합수 12중량부, 알루미네이트계 급결제 용액 15중량부와 상기 고화재 100중량부에 대하여 유동화제 분말 5중량부를 첨가하여 강제식 믹서로 충분히 혼합하였다. 상기 고화재는 고로슬래그 미분말 100중량부에 대해서 페트로 코크스 탈황석고 30중량부와 생석회 50중량부로 구성하였다. 이를 이용하여 9개의 공시체를 제작하여 이를 20에서 양생하여 재령 3일, 7일, 28일 강도를 측정하였다.
고화재의 시험방법 및 결과
아래 표 1에 나타낸 바와 같이 투수계수는 KS F 2322 변수위투수시험법에 따라 실시하고 압축강도시험은 KS F 2343 일축압축강도 시험방법에 의해 실시하였다.
실험 방법 비고
투수계수 KS F 2322 변수위 투수시험방법
압축강도 KS F 2343 일축압축강도시험방법
(1) 투수계수
7일동안 20℃에서 양생한 고화재 공시체의 투수계수 시험성과를 표 2에 나타내었다. 표 2에서 알 수 있는 바와 같이 모든 성과가 불투수층을 구성하여 만족할 만한 결과를 도출하였으며, 비교예보다 본 발명에 의한 실시예의 투수계수가 낮은 것을 알 수 있으며, 이는 비교예의 시멘트 고화재의 경우 수화반응시 발생하는 체적수축과 고화재에 함유된 수분이 증발 또는 수화되면서 상대적으로 투수계수가 크고, 본 발명에 따른 고화재의 경우 단위수량의 저감 및 급결작용에 의한 조기 고결반응으로 상대적으로 낮은 투수성능을 보이는 것으로 판단된다.
구분 투수계수
(cm/sec)		 압축강도 3일
(kgf/cm2)		 압축강도 7일
(kgf/cm2)		 압축강도 28일
(kgf/cm2)
비교예 4.28 × 10-6 6.8 15.5 28.2
실시예1 5.61 × 10-7 8.9 22.8 35.5
실시예2 4.63 × 10-7 12.5 25.8 36.3
실시예3 4.25 × 10-7 13.7 32.3 41.7
(2) 일축압축강도의 변화
표 2에 비교예 및 실시예 1 그리고 실시예 2 와 실시예 3의 일축압축강도를 나타내었다. 이를 통해 알 수 있는 바와 같이, 조기재령인 3일 7일에서 알루미네이트계 급결제 용액으로 배합수를 치환한 경우 그 치환율이 높을수록 많은 강도가 발현된 것을 알 수 있으며, 실시예 2는 양생 7일에 25.8kgf/cm2 실시예 3의 경우 양생 7일에 32.3 kgf/cm2로 강도발현이 나타나 DCM(Deep Cement Mixng) 공사 시방서의 재령 28일 실내 배합 기준강도인 26 kgf/cm2에 거의 근접하거나 상회하는 것으로 나타나, 본 발명의 고화재가 조기에 강도를 발현하여 가시설공사의 공기를 단축시키는 효과가 있음을 알 수 있었다.

Claims (6)

  1. 고로슬래그 미분말 100중량부에 대하여 페트로 코크스 탈황석고 20~100중량부와 배합수 50~300중량부를 포함하며,
    상기 배합수 100중량부에 대하여 알루미네이트계 급결제를 10 내지 200 중량부가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 것을 심층혼합교반용 고화재 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    생성된 고화토의 함수율을 급속히 저감하고 체적팽창을 통한 토양의 간극수를 제거하기 위하여 팽창재가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 심층혼합교반용 고화재 조성물.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 팽창재는 노내탈황방식 유동층보일러에서 발생하는 고칼슘 플라이애시, 바이오매스 소각잔재, 제지슬러지소각잔재, KR더스트, KR슬래그 미분말, 생석회 및 경소백운석으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나이거나 둘 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 심층혼합교반용 고화재 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 알루미네이트계 급결제는 Na-알루미네이트계(Sodium Aluminate, NaAlO2) 또는 K-알루미네이트계(Potassium Aluminate, KAlO2) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 심층혼합교반용 고화재 조성물.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 팽창재는 상기 고로슬래그 미분말 100중량부에 대하여, 40~200중량부 혼입되는 것을 특징으로 하는 심층혼합교반용 고화재 조성물.
  6. 제1항에 있어서,
    고화재의 분산을 촉진하고 고화재 슬러리의 이송을 원활히 하기 위한 유동화제가 더 포함되며, 상기 유동화제는 고화재 100중량부에 대하여 0.2~20중량부 혼합되고, 상기 유동화제는 나프탈렌계, 멜라민계, 리그닌계, 폴리카본산계 중 선택된 어느 하나이거나 둘 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 심층혼합교반용 고화재 조성물.
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