KR20160072937A

KR20160072937A - 층 분리 주입을 도입한 자갈도상 무교환방식의 급속경화궤도의 시공 방법

Info

Publication number: KR20160072937A
Application number: KR1020140180708A
Authority: KR
Inventors: 이일화; 정영호; 강봉서
Original assignee: 한국철도기술연구원
Priority date: 2014-12-15
Filing date: 2014-12-15
Publication date: 2016-06-24
Also published as: KR101684665B1

Abstract

본 발명은 층 분리 주입을 도입한 자갈도상 무교환방식의 급속경화궤도의 시공 방법에 관한 것으로; 기존 자갈 도상 본연의 자연 상태에서 1차 Polymer 충진재를 선행 주입 충진하는 제1 단계; 상기 제1단계 후, 자갈 도상 상층부에 2차 세라믹 충진재로 주입 충진하는 제2 단계;로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 기존 자갈 도상을 치환하지 않고 자연상태에서 1차 Polymer 주입재를 선행주입 충진후, 비교적 정상입도분포와 공극률 및 공극크기를 가지고 있는 자갈도상 상층부에 상온 경화형 마그네슘-인산염세라믹 2차 충진재로 주입충진시켜 프리팩-콘크리트화 시키는 공법으로서 공정단계를 획기적으로 단축시킴에 따른 공정Cost 및 직간접비용을 대폭 절감할 수 있다.

Description

층 분리 주입을 도입한 자갈도상 무교환방식의 급속경화궤도의 시공 방법 {Construction method for ballast non-exchanged typed rapidly hardening prepacked concrete track using separated layer injection pattern}

본 발명은 층 분리 주입을 도입한 자갈도상 무교환방식의 급속경화궤도의 시공 방법에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 기존 자갈 도상을 GRP 및 PBS 검사법을 통하여 자갈도상 및 하부관입층의 입도분포 및 공극률, 공극크기특성을 조사·분석하여 계획을 수립하고, 그에 부합된 고강도 속경성의 저공극층 주입재인 1차 Polymer 충진재와 고강도 세라믹체인 2차 충진재 사용 계획을 수립하여 하중 및 변이가 안정화된 콘크리트층을 형성하는 새로운 궤도구조 개량 공법에 관한 것이다.

일반적으로 도상(Ballast)은 레일 및 침목을 경유하여 전달된 하중을 넓게 분포시켜 노반에 전달하고, 온도변화에 의한 레일 신축으로 인해 발생될 수 있는 침목의 이동을 도상저항력으로 막아 방지하며, 차량의 진동을 흡수하여 승차감을 좋게 할 뿐만 아니라 빗물 배수를 용이하게 하고 잡초가 자라는 것을 막는 등의 다양한 역할을 수행하는 것이다.

따라서, 상기와 같은 특성을 잘 갖추고 있으면서 구하기 쉬운 자갈이 도상의 재료로 널리 사용되고 있다. 자갈도상 궤도의 구조를 살펴보면 레일이 침목에 체결구에 의해 체결되고, 침목의 하부에는 자갈도상이 깔려있어, 열차가 운행할 때 열차의 하중이 레일에 가해지면 자갈도상은 침목과 함께 하중을 노반으로 골고루 분산시킨다.

이러한 자갈도상 궤도의 구조는 레일에 가해지는 열차의 하중이 노반에 골고루 분포되도록 하는 이점은 있으나, 장시간 사용시 자갈이 깨지거나 마모되어 미립자화되고 토사유입으로 배수가 나빠질 수 있을 뿐만 아니라 이로 인해 굳어지면 탄성을 상실하게 되며, 자갈이 미립자화됨에 따라 마찰력과 충격흡수 등 도상기능이 현저하게 저하되므로 그만큼 열차운행의 안전성을 확보하기 어려울 뿐만 아니라 승차감이 떨어지게 되며, 미립자화된 자갈에 의해 분진이 발생되는 문제점이 있었다.

또한, 이렇게 노후화된 자갈 도상을 바꾸어 주는 데는 많은 인력이 소모되어 유지보수비용이 상당할 뿐만 아니라, 작업을 한다고 하더라도 작업시간이 오래 걸리기 때문에 열차의 운행으로 인해 작업시간을 확보하는데 어려움이 있었다.

한편, 기존 자갈 도상의 콘크리트 슬래브화는 기존 자갈 도상을 철거하고 프리캐스트 콘크리트 슬래브(Precast concrete Slab)를 부설하는 공법, 현장에서 콘크리트를 직접 타설하여 슬래브화 하는 공법이 국내외적으로 표준 기술화 되어있으나, 이들 공법은 공사 기간이 장시간 요구되어 신설 궤도 공사에는 합당하지만 지속적으로 열차 운행이 되고 있는 기존 선로의 경우, 도상 교체 작업이 극히 제한적일 수밖에 없다.

이에 노후화된 자갈도상을 보수하는 방법으로 자갈 도상에 초속경 시멘트 모르타르를 주입 충진하는 콘크리트 슬래브 공법이 제안된 바 있다. 이는 기존 자갈 도상의 자갈을 굴착하여 회수하는 단계, 회수된 기존 오염 자갈을 건식 혹은 습식으로 자갈 표면을 Cleaning하는 단계, 자갈이 회수된 노반을 다짐하는 단계, 토목 섬유 및 거푸집을 부설하는 단계, 침목을 부설하는 단계, 다시 Cleaning된 자갈을 재포설하는 단계, MTT를 이용하여 자갈층을 다짐하는 단계, 열차를 임시로 약 30일간 교통시켜 도상을 안정화시키는 단계를 거친 후 자갈층에 초속경 시멘트 모르타르를 주입 충진하여 약 2~3시간 기건 양생 후 열차를 개통시키는 공법이다.

그런데, 이같은 종래 자갈 도상에 초속경 시멘트 모르타르를 주입 충진하는 콘크리트 슬래브 공법은 주지하는 바와 같이 기존의 자갈 도상 궤도의 자갈이 열화되어 자갈 마찰 마모 분진 및 노반토 관입에 의한 토상이 자갈 표면에 Orientation 오염됨과 동시에 공극률 감소 및 공극크기가 감소되어 그 상태로는 초속경 시멘트 모르타르 주입 충진성을 확보할 수 없기 때문에 기존 자갈을 굴착 회수하여 건식 혹은 습식으로 자갈 표면의 오염 분진들을 제거시킴으로써 시멘트 모르타르 결합력을 높힘과 동시에 입도 선별에 의한 설계 공극 크기 확보에 의한 충진성 회복을 위하여 기존 오염 자갈을 Cleaning시켜야만 하는 필수 공정이 도입되어야만 한다.

즉, 종래 자갈도상의 급속경화궤도 시공 방법은 시멘트 모르타르의 효과적인 주입 충진성을 구현하기 위하여 오염된 자갈을 굴착, Cleaning하여 재설치 및 도상안정화 과정, 충전과정 등 복잡한 공정과 인력 및 시간소요에 의해 많은 비용이 발생되는 문제점이 있다.

참고문헌 1 : 등록특허 제10-1011502호 참고문헌 2 : 공개특허 제10-2014-0094863호

따라서, 본 발명은 이러한 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 기존 자갈 도상 궤도의 자갈이 열화되어 자갈 마찰 마모 분진 및 노반토 관입 토상이 자갈 표면에 오염되고 이에 따른 공극률 및 공극 크기가 감소되어 있는 기존 자갈 도상체의 자갈층 및 그 하부 구조인 관입층에도 주입 충진이 가능하고 오염된 자갈 표면의 분진 및 토상에도 wetting & bonding이 가능한 Non-Colloidal & Non-Bingham 유동 특성을 갖는 Solution type의 충진재를 1차 충진재로 사용하고, 비교적 정상 입도 분포와 공극크기를 갖고 있는 정상 규격 범주내에 들어있는 자갈층을 Non-Bingham 유동 특성을 갖는 충진재를 2차 충진재로 사용하여 이중으로 충전하여 기존 자갈 도상 궤도 본연의 자연 상태에서 콘크리트 슬래브화가 가능한 자갈 도상 무교환 방식에 의한 프리팩 슬래브 급속경화궤도의 시공 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

이와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은;

기존 자갈 도상 본연의 자연 상태에서 1차 Polymer 충진재를 선행 주입 충진하는 제1 단계; 상기 제1단계 후, 자갈 도상 상층부에 2차 세라믹 충진재로 주입 충진하는 제2 단계;로 구성되는 것을 특징으로 하는 층 분리 주입을 도입한 자갈도상 무교환방식의 급속경화궤도의 시공 방법을 제공한다.

이때, 상기 제1 단계 이전에, 기존 자갈 도상을 GRP 및 PBS기법을 통하여 구조 및 입도 분포를 조사 분석하여 상기 1차 Polymer 충진재와 2차 세라믹 충진재의 충진 두께를 설계하는 제3단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 제1단계는 상기 1차 polymer 충진재로 기존 자갈도상의 하부 구조인 관입층 설계 두께까지 충진시키는 단계이며, 상기 제2단계는 상기 제1단계 후 최대 60분 경과한 후 2차 세라믹 충진재로 자갈층을 충진시키는 단계인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 1차 Polymer 충진재는 Peroxide 화합물을 경화제를 사용하여 상온 Radical 경화가 가능한 Solution type의 Polymer류인 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 Solution type의 Polymer류는 불포화 폴리에스테르 수지, Acryl 수지류 및 이들 에폭시 변성 수지류 중에 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 2차 세라믹 충진재는 마그네슘-인산염계 세라믹 조성물인 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 2차 세라믹 조성물은 물에 의해 수경화가 가능한 조성물인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 기존 자갈 도상을 치환하지 않고 자연상태에서 1차 Polymer 주입재를 선행주입 충진후, 비교적 정상입도분포와 공극률 및 공극크기를 가지고 있는 자갈도상 상층부에 상온 경화형 마그네슘-인산염세라믹 2차 충진재로 주입충진시켜 프리팩-콘크리트화 시키는 공법으로서 공정단계를 획기적으로 단축시킴에 따른 공정Cost 및 직간접비용을 대폭 절감할 수 있다.

또한, 자갈도상의 상하층부가 하나의 결합체로 일체화된 프리팩 콘크리트궤도화가 가능해짐에 따라 하중, 전단 및 휨 응력 향상과 변이율 감소가 가능한 이중주입에 의한 자갈도상 무교환방식의 급속경화궤도를 시공할 수 있는 장점이 있다.

즉, 본 발명은 기존 자갈 도상을 콘크리트 슬래브화 하는 종래 급속경화 궤도화 공법이 공정 상 기존 자갈 도상의 자갈을 채굴하여 건식 혹은 습식으로 Cleaning해야 함에 따른 제반 전후 공정이 추가되어 많은 공정 단계 및 이로 인한 공정 시간, 인력 소요가 상승되는 단점과 구현된 콘크리트 슬래브가 그 하부 구조 노반 위에 비결합 상태로 부설된 비결합 Double layer 구조를 갖고 있기 때문에 시간이 경과됨에 따라 비결합 상태인 하부 구조 노반의 지지 강성이 변화될 경우, 상부 구조인 구현된 자갈 도상 콘크리트 슬래브층의 응력 분산 능력이 결여되어 결국 궤도 침하 혹은 궤도 틀림이 발생될 우려가 많은 궤도화 시스템임에 비하여 기존 자갈 도상 본연의 자연 상태에서 Direct로 공극률과 공극크기가 낮은 층에도 주입 충진성이 우수하고 결합 강도가 우수함과 동시에 2시간 이내에 경화 시간을 임의 Control이 가능한 1차 Polymer 주입재를 선행 주입 충진 후, 비교적 정상 입도 분포와 공극률 및 공극크기를 갖고 있는 자갈 도상 상층부에 상온 경화형 마그네슘-인산염 세라믹 2차 충진재로 주입 충진시켜 프리팩 슬래브 궤도화 공법으로서 공정 단계를 획기적으로 단축시킴에 따른 공정 Cost 및 직-간접비용을 획기적으로 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 공법 상 1차 Polymer 주입재가 필연적으로 자갈 도상 상층부 자갈 표면을 Coating하면서 공극률과 공극크기가 낮아진 자갈 도상 하층부 및 그 하부 구조인 관입층까지 주입 충진될 때, 자갈 도상 상층부의 자갈의 경우, 자갈 표면의 분진이 1차 Polymer에 의해 Wetting 결합되어 자갈 표면에 고정화되어 Self-Cleaning 효과와 함께 자갈 상호간 1차 Polymer에 의해 공극을 유지하면서 접점 결합되어 도상 상층부의 자갈간 지지강성이 획기적으로 상승되고 2차 상온 경화형 마그네슘-인산염 세라믹 충진재의 충진성 및 결합력을 상승시켜 종국적으로는 자갈 도상의 상하층부와 관입층이 하나의 결합체로 일체화된 프리팩 슬래브 궤도화가 가능해짐에 따라 하중 응력 분산 및 변이율 감소가 기대된다.

도 1은 본 발명의 기존 자갈 도상층 및 관입층에 대한 GRP 및 PBS기법을 통한 분석결과이다.
도 2는 고속철도용 급속 경화 궤도 표준 설계도이다.
도 3은 PBS기법을 통하여 분석한 자갈 도상층 및 관입층의 자갈 상태이다.
도 4는 기존 자갈 도상층에 대한 입도 분석 결과이다.
도 5는 기존 자갈 도상 하부 구조인 관입층에 대한 입도 분석 결과이다.
도 6은 본 발명의 실시 예1의 Polymer 충진재에 의해 자갈층과 관입층이 일체화된 결과이다.
도 7은 Lab Scale 시물레이션을 위한 기존 자갈 도상 및 관입층 입도 분포 모사를 위한 입도 선별 및 입도 재조합 배합이다.
도 8은 본 발명의 1차 및 2차 충진재에 대한 Curastometer를 이용한 경화도 분석 결과이다.
도 9는 본 발명의 실시예 및 비교 실시예의 Neat-State에서의 압축 강도 변화 결과이다.
도 10은 4.75mm 이하의 세립분이 주종을 이루고 있는 기존 자갈 도상 하부 구조인 관입층에 대한 본 발명의 충진재가 4.75mm 보다 세립체인 3호사 , 5호사 및 쇄석 미분에 대하여 충진 경화된 상태이다.
도 11은 본 발명의 실시 예1에 의한 기존 자갈 도상층과 관입층 시물레이션 Lab Scale층에 대한 자갈간 접점 결합 상태와 Self-Cleaning상태 및 자갈 도상층과 관입층이 일체화된 시험 결과이다.
도 12는 본 발명의 최종 성과물이 Lab Scale 프리팩 슬래브 상태이다.

본 발명에 따른 층 분리 주입을 도입한 자갈도상 무교환방식의 급속경화궤도의 시공 방법을 첨부한 도면을 참고로 하여 이하 상세히 기술되는 실시 예에 의하여 그 특징들을 이해할 수 있을 것이다.

이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들은 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

본 발명에 따른 층 분리 주입을 도입한 자갈도상 무교환방식의 급속경화궤도의 시공 방법은 기존 자갈 도상을 프리팩 슬래브화함에 있어서, 기존 자갈 도상을 GRP 및 PBS 검사법을 통하여 자갈도상 및 하부관입층의 입도분포 및 공극률, 공극크기 특성을 조사 분석하여 프리팩 슬래브 궤도 구조 설계를 수립하고, 그에 부합된 고강도 속경성의 저공극층 주입재인 1차 Polymer 충진재와 고강도 세라믹체인 2차 세라믹 충진재 사용 계획을 수립하여 하중 및 변이가 안정화되어 있는 기존 자갈 도상 본연의 자연 상태에서 1차 Polymer 주입재를 선행 주입 충진 후, 비교적 정상 입도 분포와 공극률 및 공극크기를 갖고있는 자갈 도상 상층부에 상온 경화형 마그네슘-인산염 세라믹 2차 충진재로 주입 충진시켜 프리팩 슬래브 궤도를 시공한다.

즉, 본 발명은 기존 자갈 도상을 GRP 및 PBS기법을 통하여 구조 및 입도 분포를 조사 분석하여 상기 1차 Polymer 충진재와 2차 세라믹 충진재의 충진 두께를 설계한 후, 기존 자갈 도상 본연의 자연 상태에서 1차 polymer 충진재로 기존 자갈도상의 하부 구조인 관입층 설계 두께까지 선행 주입 충진하고, 최대 60분 경과한 후 자갈 도상 상층부에 2차 세라믹 충진재로 주입 충진한다.

이때, 상기 1차 Polymer 충진재는 Peroxide 화합물을 경화제를 사용하여 상온 Radical 경화가 가능한 불포화 폴리에스테르 수지, Acryl 수지류 및 이들 에폭시 변성 수지류 등의 Solution type의 Polymer류를 사용하며, 상기 2차 세라믹 충진재는 마그네슘-인산염계 세라믹 조성물을 사용한다. 이때, 상기 마그네슘-인산염계 세라믹 조성물은 물에 의해 수경화가 가능한 조성물임이 바람직하다.

이와 같은 본 발명은 공정 단계를 획기적으로 단축시킴에 따른 공정 Cost 및 직간접비용을 획기적으로 감축할 수 있을 뿐만 아니라, 자갈 도상의 상하층부와 관입층이 하나의 결합체로 일체화된 프리팩 슬래브 궤도화가 가능하여 하중, 전단 및 휨응력 향상 및 변이율 감소가 가능한 기존 자갈 도상 무교환 방식에 의한 프리팩 슬래브를 급속 경화시켜 궤도화를 할수 있다.

이하, 본 발명을 구체적으로 설명한다.

먼저, 선결 수단으로 기존 자갈 도상 구조 해석을 위해 비파괴시험법 중 GRP(Ground Penerating Radar) 검사법과 시추 조사법의 하나인 PBS( Portable-Ballast Sampler) 검사법을 병용해 실시하여 세립분과 일부 관입 토상이 오염된 자갈 도상 하층과 그 하부 구조인 관입층의 입자 분포 및 공극률, 공극 크기, 1차 충진재의 충진 Volume을 조사 산출하고, 비교적 정규 규격 범위내에 해당하는 자갈층의 입자 분포 및 공극률, 공극크기, 2차 충진재의 충진 Volume을 조사 산출하여서 프리팩 슬래브 궤도와 하부 구조층의 구조 설계를 실시한다.

이때, 상기 1차 충진재는 친환경 100% Reactive Polymer로서 상온에서 Redox radical reaction에 의해 2시간 이내 고강도가 발현되고 Non-Colloidal & Non-Bingham 유동 특성을 갖는 Solution type의 Thermoset Polymer로서, 기존 자갈 도상체의 자갈 표면에 Orientation된 입경이 4.75mm 이하인 세립분과 일부 관입층에서 이행된 토상분에 Wetting & bonding력이 우수하고 이들 4.75mm 이하의 세립분과 토상분에 의해 공극률과 공극 크기가 작아진 자갈도상 하층과 그 하부층인 관입층에 주입 충진이 가능함으로서 본 발명의 목적인 기존 자갈 도상을 본연의 자연 상태에서 프리팩 슬래브 궤도화가 가능하다.

그리고, 상기 2차 충진재는 상온 경화형 마그네슘-인산염 세라믹(Magnesium-phosphate ceramics)으로서, 상온에서 2시간 이내 이온 화학 반응에 의해 3차원 구조의 고강도 세라믹체인 소위 스트라바이트(Struvite) 구조를 형성하는 메카니즘을 갖고 있으며, 특히 이들 조성물이 이온 화학 반응이 이루지기 때문에, 종래 초속경 시멘트 모르타르가 수화 반응에 의한 Colloidal Gel상의 형성 및 이로 인한 빙햄(Bingham) 유동 특성으로 인하여 자갈 도상에 주입 충진 시 원활하고 효율적이기 위해서 극히 세심한 제반 조건을 Control해야 하는 단점을 해결할 수 있는 Non-Colloidal이면서 Non-Bingham 유동 특성을 갖고 있기 때문에 비교적 정상 입도 분포와 공극 크기를 갖고 있는 기존 자갈 도상 상층부에 주입 충진 공정 관리가 매우 우수하고, 그 경화체가 세라믹 결합체로서 강도가 매우 우수한 프리팩 슬래브 궤도화가 가능하다.

우선 기존 자갈 도상층을 GRP 및 PBS 검사법을 이용해 자갈 도상층 및 하부 관입층에 대한 구조 및 입도 분포를 조사한 결과는 도 1에 도시한 바와 같다.

도 1의 기존 자갈 도상의 구조 및 입도 분포 조사 결과에서와 같이, 기존 자갈 도상은 비교적 정상 입도 관리 규격 범위에 들어있는 자갈 도상층(1)이 24~33cm 범위로 유지되고 있었으며 노반토(5,6)의 관입이 일어난 관입 자갈층(관입층)(2,3,4)이 40~63cm 범위로 형성되어 있었다. 이 같은 사실로부터 기존 자갈 도상의 경우, 소정의 충진재가 효과적으로 주입 충진된다면 도 2의 급속경화궤도 표준구조설계상 침목 하부 슬래브 두께가 25cm로 설계되어야 슬래브화 요구 두께 조건이 유지될 수 있다.

하지만, 슬래브화 필요 충분 두께를 유지하고 있는 비교적 정상 입도 관리 규격 내에 들어있는 기존 자갈 도상층을 세부 분석한 결과 도 3에서와 같이 자갈 표면이 분진 등에 의해서 오염이 심하게 발생되어 있음과 동시에 도 4에서와 같이 입도 최소 관리 규격인 22.4mm 이하 성분이 약 10~30% 가량 존재하기 때문에 종래 초속경 시멘트 모르타르로 주입 충진할 경우, 이들 종래 초속경 시멘트 모르타르의 Colloidal & Bingham 특성으로 인하여 이들 자갈을 채굴하여 건식 혹은 습식으로 Cleaning하지 않고서는 충분한 주입 충진이 구현되지 못하는 상태이다.

한편, 상기와 같이 조사된 관입층 40Cm~63Cm의 경우 세부 분석한 결과 도 5에서와 같이 최소 입도 관리 규격인 22.4mm 이하 성분이 61.25 ~ 67.31%이었으며 이 중 10mm 이하 성분도 40% 이상 함유되어 있었으며, 특히 4mesh(4.75mm)이하의 성분이 24.5% 가량 함유 되어 있기 때문에 종래의 초속경 시멘트 모르타르의 주입 충진은 거의 불가능한 구조이다.

이와 같이 GRP 및 PBS를 통하여 기존 자갈 도상체의 구조 및 입도 분석을 종합해 보면, 종래 초속경 시멘트 모르타르를 충진시켜 기존 자갈 도상을 프리팩 슬래브화 하기 위해서는 결론적으로 표면이 오염되어 있고 입도가 세립화되어 있는 기존 자갈을 굴착하여 건식 혹은 습식으로 Cleaning하여 재포설하지 않으면 소정의 슬래브 요구 강도를 구현할 수 없음을 알 수 있으며, 구현된 프리팩 슬래브의 하부 구조가 하중 및 전단, 인장 응력 분산을 위한 강화노반 구조가 필수적이어야 하는 데 주지하는 바와 같이 조사된 하부 구조의 관입층이 미세한 4mesh(4.75mm) 이하의 세립분과 토상 혼입에 의해 시멘트 결합제로 강화시키기에는 물리 화학적인 결합력 발현이 어려울 뿐만 아니라, 소정의 지지 강성이 발현되기 위한 양생 시간이 필요하여 구조적으로는 종래 초속경 시멘트 모르타르 급속 궤도화 시스템 단독으로는 내구성이 있는 고속 철도용 슬래브 궤도화 기술에 제약적 요소가 있음을 알 수 있었다.

이에 본 발명에서는, 입도가 4mesh(4.75mm) 이하인 세립분에 대해서도 충분하게 주입 충진이 가능하고 본 발명의 목적에 부합되도록 충진 후 2~3시간 이내 열차 교통이 가능할 정도의 강도인 10 Mpa 이상의 압축 강도 발현이 가능한 Non-Colloidal & Non-Bingham 유동 특성을 갖는 초속경성 Solution type의 Polymer를 1차 충진재로 사용함으로써 상기 자갈 도상 구조의 22.4mm이하 성분이 약 10 ~ 30%가량 함유된 비교적 정상 입도 관리 규격 범위에 들어있는 24 ~ 33 cm두께의 자갈층의 자갈 표면 오염 분진을 자갈 표면에 Wetting & Bonding시키면서 이들 자갈 간 상호 접점을 견고하게 결합시키면서 그 하부 구조인 4.75mm 이하 세립분이 많은 관입층에 주입 충진하여 도 6에서와 같이 견고한 자갈 도상과 관입층을 일체화시켰다.

이에 따르면, 1차 주입재를 사용하여 자갈 표면의 분진 등이 자갈 표면에 Wetting & Bonding되어 Self-Cleaning되고 자갈간 상호 접점 결합이 형성된 비교적 정상 입도 관리 규격 범위 내에 들어있는 자갈층에 2차 충진재로 상온 경화형 마그네슘-인산염 세라믹체를 사용하여 프리팩 슬래브화를 실시하였다.

본 발명의 성능 평가는 자갈 도상의 주입재 충진 이후 열차 교통을 위한 최소 강도 발현 시간 관리 규격인 3시간 이내로 초속경성이 가능한 지 여부를 Curastometer를 통하여 실시하였으며 아울러, 충진재 단독 상태(Neat-State)에 대하여 시간 경과에 따른 압축 강도 발현 추이 분석을 실시하였다.

또한, 본 발명의 목적에 부합성을 확인하기 위하여 자갈간 마찰 마모에 의해 평균 입경이 22.4mm이하인 하한 Spec-off 세립분 과 입도가 4.75 mm 이하인 3호 규사(평균 입경 = 3mm) ,5호 규사(평균 입경 = 1.5mm), 쇄석 미분(평균 입경 = 0.6mm)에 대하여 충진재의 충진 성능을 평가하였다.

그리고, 본 발명의 목적에 부합성 여부를 확인하기 위하여 기존 자갈 도상체의 GRP 및 PBS 검사기법을 통하여 조사된 자갈층, 관입층의 입도 분포를 Lab. Scale로 구현하기 위하여 각각의 입도를 선별 하여 기존 자갈 도상체의 자갈층 및 관입층의 입도 분포에 유사하도록 도 7과 같이 재배합시켜 시물레이션 노후 도상층 과 합성 관입층을 각각 제조한 후, Φ=100mm, h=200 mm인 원통형 Mold에 합성 관입층을 70mm로 하고 시물레이션 노후 자갈 도상층을 130mm되게 포설하여 Lab. Scale 시뮬레이션 시험을 실시하였다.

이하에서는 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

< 실시 예 1 >

본 발명의 1차 Polymer 충진재는 100% Reactive Acrylic solution Resin ( Sigma STI Co.) 주제 100 Parts 와 Redox Catalyst (Sigma STI Co.) 0.2~0.8 Parts, Radical 경화제인 Benzoyl Peroxide (AKZONOBEL) 2~10 Parts를 별도로 분리된 Package로 준비한 후, 작업 시 Redox Catalyst를 100% Reactive Acrylic solution Resin에 투입하여 약30초간 균질 혼합 후, 이어서 Radical 경화제인 Benzoyl Peroxide를 투입하여 약 60초간 균질 혼합하여 1차 충진재로 사용하였다.

< 실시 예 2 >

본 발명의 2차 세라믹 충진재는 Magnesium-Phosphate Ceramic Powder Binder(Sigma STI Co.) 100 Parts 와 배합수 20~40 parts를 준비한 후, 작업시 고속 믹서를 통하여 약 2~3분간 균질 혼합하여 2차 충진재로 사용하였다.

< 비교 실시 예 1>

기존의 초속경성 시멘트 모르타르(쌍용양회) 100 Parts에 배합수 19~25 Parts를 준비한 후, 작업 시 고속믹서를 통하여 약 2~3분간 균질 혼합하여 비교 실시 충진재로 사용하였다.

< 성능 시험 실시 예1 >

본 시험은 초속경성 가능 여부를 파악하기 위하여 실시예1 과 2에 대하여 경화 시간을 분석하는 Curastometer를 이용하여 경화 시간을 실시하였다.

위 표 1의 시험 결과 요약표 및 도 8에서와 같이, 본 발명의 실시 예1 및 실시 예2의 Neat State의 경우 완전 3차원 경화 구조를 발현하는 경화 시간이 30 ~ 40분으로서 매우 우수한 강도 발현 시간을 갖고 있었으며, 이를 이용한 Concrete state에서 약 10 ~ 20분 늦어지는 것은 자갈의 비열에 의한 여기 Energy 발현 지연이 이루어졌기 때문이지만 최종 경화 시간이 약 60분 이내로서 본 발명의 목적인 3시간 이내에 열차 교통이 가능함을 알 수 있었다.

< 성능 시험 실시 예2 >

본 시험은 실시 예1, 실시 예 2 및 비교 실시 예1에 대한 Neat State에서의 열차 개통에 필요한 시공 후 3시간 이내에서의 실질적인 압축강도 발현 추이 분석을 실시하였다.

위 표 2의 시험 결과 요약표 및 도 9에서와 같이 본 발명의 실시 예1의 경우 시공 후 1시간 경과 후에도 압축 강도가 약 18 Mpa이상 발현 되었으며, 3시간 경과 시 약 19.8 Mpa로서 열차 개통에 필요한 5 Mpa의 강도 이상이 발현됨을 알 수 있었다. 이는 실시 예1의 1차 충진재가 상온 Radical Chemical경화 Polymer 시스템이기 때문으로 판단된다.

또한, 본 발명의 실시 예2의 경우에는 시공 후 2시간 경과 후 13.34 Mpa 강도가 발현되었으며 3시간 경과 시 약 15 Mpa강도가 발현되어 열차 개통에 필요한 3시간 이내에 충분한 강도 발현이 가능한 것을 알 수 있었다.

그러나, 종래의 초속경 시멘트 모르타르인 비교실시 예1의 경우 Neat State에서는 시공 후 3시간에 압축강도가 약 8 Mpa 발현되어 열차 개통이 가능하지만 보다 안정적인 10Mpa강도가 발현되는 데는 약 24시간 이상이 필요할 것으로 판단된다.

< 성능 시험 실시 예3 >

본 시험은 본 발명 목적인 자갈간 마찰 마모에 의해 22.4 mm이하 하한 Spec-Off의 세립분이 10~30% 함유된 기존 자갈 도상체 하층 과 토상 관입에 의해 보다 세립화 되어 충진재의 충진이 불가능한 관입층에 대한 본 발명의 실시 예1, 실시 예2 및 비교 실시 예1의 충진 슬래브 궤도화 성능을 평가하기 위하여 실시하였으며, 앞에서 기술한 바와 같이 세립의 기준 입경인 4.75 mm이하의 규사 및 쇄석 미분을 대상으로 Lab. Scale로 실시하였다.

위 표 3의 시험 결과 요약표에서 확인되는 바와 같이, Colloidal & Bingham 흐름성을 갖는 종래 초속경 시멘트 모르타르인 비교실시 예1의 경우, 기존 자갈 도상층에 약 10~30% 함유된 평균 입경이 10~22.4mm인 하한 Spec-off 쇄석에 대해서도 충진 경화가 발현되지 않았으며, 관입층의 세립분인 4.75 mm 이하의 3호사 이하에서는 거의 충진이 되지 않았음을 알 수 있었다.

또한, 본 발명의 2차 세라믹 충진재는 평균 입경이 10~22.4 mm인 하한 Spec-off 쇄석에 대해서는 완전한 충진 경화체를 발현하였으나, 4.75 mm 이하인 3호사 이하에서는 비교 실시예1과 같이 거의 충진이 되지 않았음을 알 수 있었다. 이 같은 사실로 판단하건데 본 발명의 목적상, 2차 충진재로 도입한 본 발명의 2차 세라믹 충진재는 10~22.4mm 하한 Spec-off 쇄석인 10~30% 혼입된 기존 자갈 도상층 상태에서도 충진 성능을 발휘 할 수 있을 것으로 판단되었다.

한편, 본 발명의 1차 Polymer 충진재의 경우, 도 10에서와 같이 평균 입경이 0.6 mm 이하인 쇄석 미분부터 관입층 세립분 입경인 4.75 mm 까지도 충분하게 완전 충진 경화체를 발현하고 있었으며, 이는 Solution type의 상온 Radical polymer가 본 발명의 목적인 기존 자갈 도상체 뿐만 아니라 관입층까지도 충진 경화체를 발현할 수 있음을 알 수 있었다.

< 성능 시험 실시 예4 >

본 시험은 기존 자갈 도상 및 관입층을 Lab Scale로 시물레이션하기 위하여 도 7과 같이 입도를 선별하여 재조합한 시물레이션 도상층을 130mm, 합성 관입층을 70mm 포설한 Mold에 실시 예1, 실시예2 및 비교실시 예1을 주입 충진하고 ,또한 본 발명의 충진시스템인 실시 예1 충진재를 1차 충진재로 먼저 선충진 후, 실시 예2의 충진재로 2차 충진을 실시하여 본 발명 충진 시스템 성능을 평가하여 본 발명의 적합성을 판단하였다.

위 표 4의 시험 결과 요약표에서 확인되는 바와 같이, 기존 자갈 도상 입도 분포를 시물레이션한 Lab Scale에서의 충진 시험 결과, 비교 실시 예1의 경우 도상층에도 충분한 충진이 발현되지 못하였으며, 자갈 도상 하부층이하 관입층까지 거의 충진이 발현되지 못하였지만, 본 발명의 Non-Colloidal 이온 반응 메커니즘을 갖는 세라믹 충진재는 도상층에 완벽하게 충진됨을 알 수 있었고 본 발명의 실시예1의 경우 도상층의 22.4mm~10mm 세립분 및 관입층까지 완벽하게 충진 경화됨과 동시에 도상층 자갈 표면을 Coating경화시켜 분진 등을 도 11에서와 같이 Self-Cleaning 시킴과 동시에 도상층 자갈 서로를 접점 경화시키면서 관입층까지 경화체로 연결되기 때문에 자갈 도상층과 관입층을 일체화시키는 부가 기능을 하고 있음이 확인되었다.

결론적으로, 도 12와 같이 실시 예1과 실시 예2를 병용 운영하는 본 발명의 시스템인 경우, 본 발명의 목적인 기존 자갈 도상을 본연의 자연상태에서 3시간 이내에 15 Mpa이상의 강도를 발현하면서 충진 경화가 가능하기 때문에 기존 자갈 도상의 프리팩 슬래브 궤도화 공정이 대폭 단축됨과 동시에 자갈층과 관입층을 일체화시켜 전체 프리팩 슬래브층의 두께를 40 cm이상 구현이 가능해 하중, 전단 및 휨응력 강화에 의한 변이 최소화에 기여할 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형 가능한 것으로, 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

1: 도상층 2: 상부관입층
3: 중앙관입층 4: 하부관입층
5: 노반 1층 6: 노반 2층

Claims

기존 자갈 도상 본연의 자연 상태에서 1차 Polymer 충진재를 선행 주입 충진하는 제1 단계; 상기 제1단계 후, 자갈 도상 상층부에 2차 세라믹 충진재로 주입 충진하는 제2 단계;로 구성되는 것을 특징으로 하는 층 분리 주입을 도입한 자갈도상 무교환방식의 급속경화궤도의 시공 방법.
제 1항에 있어서,
상기 제1 단계 이전에, 기존 자갈 도상을 GRP 및 PBS기법을 통하여 구조 및 입도 분포를 조사 분석하여 상기 1차 Polymer 충진재와 2차 세라믹 충진재의 충진 두께를 설계하는 제3단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 층 분리 주입을 도입한 자갈도상 무교환방식의 급속경화궤도의 시공 방법.
제 1항에 있어서,
상기 제1단계는 상기 1차 polymer 충진재로 기존 자갈도상의 하부 구조인 관입층 설계 두께까지 충진시키는 단계이며,
상기 제2단계는 상기 제1단계 후 최대 60분 경과한 후 2차 세라믹 충진재로 자갈층을 충진시키는 단계인 것을 특징으로 하는 층 분리 주입을 도입한 자갈도상 무교환방식의 급속경화궤도의 시공 방법.
제 1항에 있어서,
상기 1차 Polymer 충진재는 Peroxide 화합물을 경화제를 사용하여 상온 Radical 경화가 가능한 Solution type의 Polymer류인 것을 특징으로 하는 층 분리 주입을 도입한 자갈도상 무교환방식의 급속경화궤도의 시공 방법.
제 4항에 있어서,
상기 Solution type의 Polymer류는 불포화 폴리에스테르 수지, Acryl 수지류 및 이들 에폭시 변성 수지류 중에 어느 하나인 것을 특징으로 하는 층 분리 주입을 도입한 자갈도상 무교환방식의 급속경화궤도의 시공 방법.
제 1항에 있어서,
상기 2차 세라믹 충진재는 마그네슘-인산염계 세라믹 조성물인 것을 특징으로 하는 층 분리 주입을 도입한 자갈도상 무교환방식의 급속경화궤도의 시공 방법.
제 6항에 있어서,
상기 2차 세라믹 조성물은 물에 의해 수경화가 가능한 조성물인 것을 특징으로 하는 층 분리 주입을 도입한 자갈도상 무교환방식의 급속경화궤도의 시공 방법.