KR20160147286A - 고압분사 지반개량공법용 그라우트 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 0.045㎜(45㎛) 체 잔분이 10% 미만으로 검사 판정되거나, 분쇄 분급된 고로슬래그 미분말 100중량부에 대하여 0.045㎜(45㎛) 체 잔분이 10% 미만으로 검사 판정되거나, 분쇄 분급된 강도보조재 50~100중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 고압분사 지반개량공법용 그라우트 조성물에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 고로슬래그 미분말의 유리화된 CaO, SiO2 성분들이 강도보조재 성분인 활성마그네시아와 황산염에 의한 복합자극에 활성화되어 1종 보통시멘트와 동등 이상의 강도를 발현할 수 있다. 본 발명은 울산광역시와 울산테크노파크의 기업부설연구소·연구전담부서 설립 유도 기술개발지원사업의 결과로 출원된 것이다.

Description

고압분사 지반개량공법용 그라우트 조성물{GROUNTING COMPOSITION FOR HIGH PRESSURE INJECTION SOIL SOLIDIFICATION METHOD}
본 발명은 고로슬래그 미분말을 주재료로 사용한 고압분사 지반개량공법용 친환경 그라우트 조성물에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 시멘트를 사용하지 않고, 고로슬래그 미분말을 주재료로 사용하고 경소백운석 등의 강도보조재를 활용하여, 고압분사 지반개량공법의 그라우팅 주입재로 가장 널리 사용되는 1종 보통 포틀랜트 시멘트를 대체할 수 있는 고압분사 지반개량공법용 친환경 그라우트 조성물에 관한 것이다.
고압분사 지반개량공법은 공기나 물의 힘으로 지반을 절삭하여 그라우트재를 고속으로 분사함으로써 그 절삭부분의 토사와 치환하거나, 토사와 혼합함으로써 계획하는 방향이나 범위 내에 고결체를 형성하는 공법이다. 고압분사 지반개량공법은 개량이 필요한 특정 지층에 대해서만 시공할 수 있다는 장점이 있고, 기존 시공된 구조물 또는 하부에 밀착시켜 개량이 가능하다.
또한, 기 형상되어 있는 할열 지반에 그라우트재를 주입하는 일반적인 약액 주입 공법과는 달리 인공적으로 지반의 간극을 생성하며, 생성된 간극에 그라우트재를 주입하기 때문에 보통의 약액주입공법같이 인근 건물이나 지하 매설물에 영향을 미치는 일이 거의 없다. 또한 고압분사 지반개량공법은 적용 대상 지반이 한정적인 슬러리 주입공법이나, 약액주입공법, 컴팩션 그라우팅공법 등과는 다르게 투수성이 낮은 점토 지반에서부터 투수성이 매우 큰 모래, 자갈 지반에서도 개량이 가능하여 널리 적용되고 있는 공법이다.
다음 도 1은 일반적인 고압분사 지반개량공법의 시공순서를 나타낸 것으로 이를 참조하면, 장비를 이용해 선 굴착을 한 후, 대상범위의 지반을 시멘트 현탁액이나, 공기 또는 물을 병행하여 고압으로 분사하면서 교반을 하는 동시에 로트를 회전시키면서 끌어올리는(인발) 공정을 수행하며 원주형 개량체를 지중에 형성하는 공법이다.
이러한 고압분사 지반개량공법은 사용 장비, 분사압력, 시공방법의 차이에 의해 여러 공법이 개발되어 있으며, CCP 공법, 제트 그라우팅공법, JSP 공법, RJP공법, SIG 공법, SRC 공법, CJP 공법, DCC 공법 등이 일반적으로 알려져 있다.
이들 공법은 사용 그라우트재의 종류 및 주입방법, 굴착 방법, 주입관의 다중구조 및 주입위치 등에 따라 약간의 차이는 있으나, 다음 도 1과 같이 로트를 일정한 속도로 회전 상승시키면서 주입관의 하단에 위치한 노즐로 그라우트재를 고압으로 분사하여 원주형의 개량체를 형성시킨다는 원칙은 동일하다.
한편, 로트 및 주입관의 구조에 따라 고압분사 지반개량공법을 분류한다면, 다음 도 2에서와 같이 a)단관 고압분사공법, b)2중관 주입공법, c)3중관 주입공법으로 분류된다.
즉, 굴착 및 교반 로트의 구조가 단관이냐 2중관이냐 3중관이냐에 따라서 공법이 분류되는데, 도 2의 a)와 같이 단관 주입공법은 200kgf/㎠ 정도의 고압으로 시멘트 현탁액을 분사하여 지반을 굴착 및 교반 혼합하여 지중에 직경 300~500㎜의 원주형 개량체를 형성하는 공법으로서, CCP(Chemical Churning Pile) 공법이 대표적이다.
도 2의 b)는 2중관 주입공법으로서 단관주입공법에 공기(Air Jet) 또는 절삭수(水)를 부가하여 분사하여 개량체를 조성하는 공법이다. 이중관 주입공법은 단관 주입공법에 비해 절삭수 또는 고압의 공기를 병행하여 사용하기 때문에 절삭력이 상대적으로 높아 개량체의 직경이 직경 800 ~ 1,200㎜ 정도이며, 주입하는 시멘트 현탁액과 원지반의 흙이 균일하게 혼합되어 보다 효율적인 시공이 가능하다. 대표적인 공법은 J.S.P (Jumbo Special Pattern) 공법으로서 1970년대 말 우리나라에 처음 도입된 이후로 현재까지 가장 많이 시공되고 있는 일반적인 공법이다.
도 2의 c)는 3중관 주입공법을 도식화한 것으로서, 단관 및 이중관 주입공법과는 달리 선행공정으로 절삭수와 고압의 압축공기를 사용하여 원지반을 절삭시킴과 동시에 시멘트 현탁액을 충진시키는 공법이다. 삼중관 주입공법은 단관 및 이중관 주입공법과 비교하여 개량체의 직경이 더 넓고 더 높은 강도로 연약지반을 개량 할 수 있으며, 대표적인 공법으로는 R.J.P (Rodin Jet Pile) 공법이 있다.
한편, 공법에 따른 기능상의 차이점을 살펴보면 기존의 고압분사 지반개량공법의 문제점인 고압분사 주입으로 인한 주변지반 융기문제와 분출수로 인한 원지반의 연약화를 예방하기 위하여 절삭된 연약토를 배출시키고 공동을 그라우트재 만으로 충진하는 공법(예 : SIG 공법), 절삭된 연약토를 고액 분리하여 토사를 주입재로 재활용해 슬라임의 발생을 대폭 줄인 공법(예 : SRC공법) 등이 있다.
상기 도 2와 같은 고압분사 장비에 의한 구분 및 기능상의 구분에도 불구하고 모든 고압분사 지반개량공법에서 대부분 사용하는 그라우트재는 시멘트 현탁액과 급결재로서 규산소다 용액이다. 어떤 경우는 시멘트 현탁액만을 주입하기도 하고, 긴급차수나 급결(긴급한 겔 형성)을 요하는 현장에서는 시멘트 현탁액과 규산소다 용액을 동시에 사용하기도 하며, 현장의 여건에 따라 순결(시멘트)과 급결(시멘트+규산소다)을 번갈아 주입하는 경우도 있다.
잘 알려진 바와 같이 상기 시멘트는 석회석, 철광석, 점토, 규석 등을 원료로 하고 수입 유연탄을 연료로 하여 1,450℃의 고온에서 소성하여 제조하고 있는 제품으로서 환경 친화적인 재료가 아니라는 문제가 있다. 우리나라의 LCI 데이터베이스에 의하면 시멘트 1톤 생산 시 944㎏의 이산화탄소가 배출된다. 이산화탄소는 지구온난화에 제일 기여도가 큰 물질이며, 각국은 이산화탄소의 발생억제에 총력을 기울이고 있다.
또한, 우리나라는 매년 4,500만 톤의 시멘트를 생산하기 위해 약 5,500만 톤의 석회석을 채굴하고 있어 우리나라의 백두대간이 훼손됨은 물론 향후 약 35년이면 석회석 매장량이 고갈될 위기에 처해 있다.
따라서 막대한 환경부하를 주는 시멘트의 사용량을 최소화하는 친환경 주입재의 개발이 절실히 필요하다. 또한 투수성이 큰 지반이나 지하수가 많은 현장에서는 시멘트의 유실을 고려하여 부배합으로 변경하여 사용하고 있어 과도한 시멘트가 지반에 투입되는 현상을 초래하기도 한다. 또한 시멘트 현탁액 속에 포함된 물이 인근 지반으로 유실될 경우 그 물의 부피에 부가하여 시멘트 자체가 수화하면서 수축되는 현상으로 인해 지반과 개량체 사이에 다른 공극이 발생하게 되거나 개량체가 소정의 기능을 발휘하지 못하는 경우도 발생한다.
또한, 시멘트는 지반의 강알칼리 및 육가 크롬에 의한 환경오염을 유발할 수 있다고 보고되고 있다.
최근에는 이러한 기존의 시멘트를 주입재로 사용하는 문제점을 개선하기 위한 몇가지 기술이 제시되고 있다.
예를 들면, 대한민국 등록특허 제10-0699430호에서는 시멘트를 주재료로 하고 혼화재로 벤토나이트와 분산제 및 지연제를 포함한 그라우트(A액)에 응집제인 황산알루미늄을 첨가해 블리이딩의 발생을 줄이는 기술과, 그라우트(A액)에 벤토나이트와 알루미늄 분말(B액)을 첨가해 알루미늄 분말과 시멘트의 화학작용으로 인한 발포효과를 이용해 팽창성을 부여하는 기술을 제시하였다.
그러나 이 기술에 제시된 벤토나이트 역시 국내에는 부존하지 않는 천연광물로서 전량 수입에 의존하고 있는 고가의 제품이며, 알루미늄 분말은 미립자이며 비중이 가벼운 특성 때문에 취급 중 비산으로 인해 사람이 흡입할 경우 치명적인 손상을 입을 우려가 있어 몰탈 등에 발포제로 사용할 경우에도 방진시설이 구비된 제한된 작업공간에서 취급해야하는 물질이며 비중이 가벼워 물과 혼합한 현탁액 제조 시 벤토나이트와 섞이지 않는 문제점이 발생할 우려가 있다.
또한 대한민국 등록특허 제 10-0886220호에서는 그라우트재(A액)로 포틀랜트 시멘트 또는 포틀랜트 시멘트와 고로슬래그 시멘트의 혼합물로 이루어지고, 급결제(B액)은 규산소다와 산성 약액을 혼합하여 사용하는 기술을 제시하였다.
이 기술은 급결제로 사용하는 규산소다의 알칼리를 낮추기 위하여 산성용액을 혼합해 중화시키는 것이 기술의 요지이나, 포틀랜트 시멘트와 고로슬래그 시멘트의 혼합비율이 제시되지 않았으며, 시멘트를 주원료로 한다는 점에서 기존기술과의 차별성은 크지 않다고 판단된다.
또한 대한민국 등록특허 제 10-0834923호에서는 그라우팅 주입재로서 모르타르를 사용하며, 모르타르는 물 배합비가 65~70%이고 슬럼프는 5~8㎝인 기술을 제시하였다. 일반적으로 모르타르는 사용 용도가 미장용, 벽바름용, 방통용 등 그 종류가 다양하며 종류에 따라 그 배합조성이 다양한데 그라우트재로서 사용하는 모르타르의 조성이 정확히 제시되지 않아 그 기술의 명확성이 부족하다고 할 수 있다.
또한 대한민국 등록특허 제10-0804807호에서는 알루미나이트를 600~700℃로 열처리하여 분말도가 4,500~5,500㎠/g이 되도록 분쇄한 급결 성분 35~65%, 칼슘 설포알루미네이트 분말 15~30%, 무수석고 5 ~ 15%, 반수 석고 5 ~ 15%, 황토분말 5 ~ 15%, 반응조절제 3 ~ 10%, 계면활성제 0.3 ~ 1.0%로 구성된 급결재 조성물(A)과, 시멘트 미분말 50 ~ 70%, 슬래그 미분말 30 ~ 50%로 구성된 마이크로 시멘트 조성물(B)을 주입하는 기술을 제시하였다.
이 기술에서 제시한 마이크로 시멘트는 일반적으로 분말도가 6,000㎠/g 이상인 제품을 의미하며, 상당히 고가이기는 하나 원지반을 교란하지 않고 할열 부분만 주입하는 약액 주입공법에서 미세균열을 충진하는 재료로 사용되는 것이 일반적이다. 또한 급결재(A액)의 경우 사용원료가 7종류이므로 실 사용을 위한 제품 제조상 많은 문제점이 있을 것으로 판단된다.
또한, 대한민국 등록특허 제10-1377552호에서는 산화칼슘 함량이 30~60%인 석탄재 100중량부에 대하여 고로슬래그 미분말 100~300중량부, 페트롤코크스 탈황석고 20~100중량부 및 황산염자극제 20~50중량부의 구성비를 가진 주입재에 팽창재를 석탄재 100중량부에 대하여 40~100중량부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시멘트를 사용하지 않은 매입말뚝 시공용 밀크 주입재 기술을 제시하였다.
또한, 대한민국 등록특허 제 10-1402877호에서는 고로슬래그 미분말 55~65중량%와 F급 플라이애시 10~20중량%와 산화칼슘 함량이 20% 이상인 C급 플라이애시 10~20 중량%와 탈황석고 2~5중량% 및 제지 슬러지 소각재 10~20 중량%를 혼합한 고로 슬래그를 이용한 친환경 에코 채움재 제조 기술을 제시하였다.
또한, 본 발명자의 선행특허인 대한민국 특허 출원 제 2013-147586호에서는 고로슬래그 미분말 100중량부에 대하여 페트로 코우크스 탈황석고 5~200중량부와 배합수 50~300중량부를 포함하되, 팽창재가 고로슬래그 미분말 100중량부에 대하여 5~100중량부 더 포함되는 것을 특징으로 하는 기술을 제시하였다.
이러한 상기 기술 등은 고로슬래그 미분말을 탈황 공정의 부산물로 발생되는 석고에 의한 알칼리 및 황산염자극으로 활성화시키는 알칼리 활성화 슬래그의 이론을 바탕으로 하고, 고 칼슘 소각재를 팽창재로 활용하는 기술 내용이다. 즉, 상기 특허들은 알칼리 활성화 슬래그의 강도발현과 고칼슘 소각재의 팽창성을 활용하여 지반을 조기에 안정시키는 기술이라 할 수 있다.
그러나 상기 기술 중 일부는 배합되는 원료의 종류가 5종류 이상이거나, 고가의 약품을 황산염 자극제로 활용하는 등 제조 공정의 복잡성 및 고가의 원재료비 소요 등의 사유로 현재 상업화되지 못하고 있는 형편이다.
대한민국 등록특허 제10-0699430호 대한민국 등록특허 제10-0886220호 대한민국 등록특허 제 10-0834923호 대한민국 등록특허 제10-0804807호 대한민국 등록특허 제10-1377552호 대한민국 등록특허 제10-1402877호 대한민국 특허출원 제 2013-147586호
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 시멘트를 사용하지 않고, 고로슬래그 미분말을 그라우트 조성물의 주재료로 활용하고 경소백운석 등 강도보조재를 활용하여, 종래 1종 보통시멘트를 고압분사 지반개량공법의 그라우트재로 사용한 것과 동등 이상의 강도를 발현할 수 있는 고압분사 지반개량공법용 그라우트 조성물을 제공하는 데 있다.
위와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 의한 고압분사 주입공법용 그라우트 조성물은 0.045㎜(45㎛) 체 잔분이 10% 미만으로 검사 판정되거나, 분쇄 분급된 고로슬래그 미분말 100중량부에 대하여 0.045㎜(45㎛) 체 잔분이 10% 미만으로 검사 판정되거나, 분쇄 분급된 강도보조재 50~100중량부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 강도보조재는 활성마그네시아 성분이 30~40중량%이며, 0.045㎜(45㎛) 체 잔분이 10% 미만으로 검사 판정되거나, 분쇄 분급된 페로니켈 슬래그 미분말; 활성마그네시아 성분이 20~35중량%이며, 0.045㎜(45㎛) 체 잔분이 10% 미만으로 검사 판정되거나, 분쇄 분급된 경소백운석 미분말; 및 칼슘 옥사이드(Calcium oxide) 함량이 50~75중량%, 설페이트 옥사이드(Sulfate oxide) 함량이 15~30중량%이며, 0.045㎜(45㎛) 체 잔분이 10% 미만으로 검사 판정되거나, 분쇄 분급된 석고로 이루어진 그룹 중 선택된 어느 하나이거나 둘 이상의 혼합물일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 고압분사 지반개량공법용 그라우트 조성물은 포틀랜트 시멘트 및 고로슬래그 시멘트 중에서 선택되는 1종 이상의 45㎛ 체 잔분이 10% 미만으로 검사 판정되거나, 분쇄 분급된 시멘트를 더 포함할 수 있다.
상기 시멘트는 고로슬래그 미분말 100중량부에 대하여 50 ~ 100중량부로 포함되는 것이 바람직하다.
또한 본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 상기 고압분사 지반개량공법용 그라우트 조성물은 이산화규소(SiO2) 함량이 30~65중량%이며, 45㎛ 체 잔분이 10% 미만으로 검사 판정되거나, 분쇄 분급된 석탄 연소 플라이애시를 더 포함할 수 있다.
상기 플라이애시는 고로슬래그 미분말 100중량부에 대하여 10 ~ 100중량부로 포함될 수 있다.
본 발명에 따르면, 고로슬래그 미분말에 포함된 유리화된 CaO, SiO2 성분들이 강도보조재에 포함된 알칼리 및 황산염의 자극에 의해 활성화되는 동시에 강도 보조재도 활성화 되어 강도를 발현하여, 1종 보통시멘트만을 고압분사주입공법용 그라우트재로 사용할 때와 동등 이상의 강도를 발현할 수 있어 친환경적인 그라우트재를 활용한 고압분사 주입공법의 시공이 가능하다.
도 1은 일반적인 고압분사 지반개량공법의 시공순서를 나타낸 개요도이고,
도 2는 로트 및 주입관의 구조에 따라 고압분사 주입(JET GROUTING)공법을 분류한 도면이다.
이하에서 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
본 발명은 고압분사 지반개량공법에 사용되는 고로슬래그 미분말을 주재료로 사용한 친환경 그라우트 조성물에 관한 것으로, 이하에서 친환경 그라우트재 조성물에 포함되는 각 구성 성분 및 작용을 설명한다.
일반적으로 사용되는 보통 포틀랜드 시멘트와 고로슬래그 시멘트는 입자의 크기를 비표면적(blaine 방법)으로 관리하나 제조공정상 조립분의 함유를 통제하기 위하여 제품 중 0.045㎜(45㎛)체 잔분을 10±1%의 범위로 관리하고 있다. 이는 분말도가 강도의 발현 즉 활성도 지수에 중요한 영향을 미치기 때문이다. 따라서 소정의 목적을 달성하기 위하여는 각 재료의 입도는 명확히 관리되어야 한다.
본 발명에서도 원료 입자의 분말도가 매우 중요하다. 입자가 큰 조립분이 분말 속에 많이 포함되면 강도의 발현시기가 지연(활성도 지수가 낮아지게)되어 원하는 시기에 원하는 강도를 얻을 수 없다. 그러나 분말을 제조하는 공장의 공정운영에 따라 각 원료의 분말도가 편차가 많으며, 이를 일정하게 조정하는 것이 매우 중요하다. 따라서, 본 발명의 조성물에 포함되는 각 구성 성분들도 상기 입자 크기를 만족해야 함은 자명한 사실이다.
본 발명에 따른 고압분사 주입공법용 그라우트 조성물은 0.045㎜(45㎛) 체 잔분이 10% 미만으로 검사 판정되거나, 분쇄 분급된 고로슬래그 미분말 100중량부에 대하여 0.045㎜(45㎛) 체 잔분이 10% 미만으로 검사 판정되거나, 분쇄 분급된 강도보조재 50~100중량부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 그라우트 조성물의 주재료는 고로슬래그 미분말이며, 이는 제철소의 고로에서 발생한 슬래그를 물로 급냉시켜 이를 분말화한 것이다. 본 발명에서는 이러한 고로슬래그 미분말을 주원료로 사용함으로써, 고로슬래그에 포함된 유리화된 CaO, SiO2 성분들이 강도보조재에 포함된 알칼리 및 황산염의 자극에 의해 활성화된다. 따라서, 시멘트를 포함하지 않고도, 시멘트를 사용하는 것과 동등 또는 그 이상의 강도를 발현할 수 있는 효과를 가진다.
또한, 본 발명에 따른 그라우트 조성물에는 포함되는 상기 강도보조재는 활성화된 마그네시아 및 황산염으로 고로슬래그 미분말의 강도발현을 보조하는 동시에 팽창 및 발열하여 지반을 조속히 안정시키며, 또한 스스로도 강도를 발현하는 복합기능을 가진 재료이다. 본 발명의 강도보조재에 포함되는 원료 역시 45㎛ 체 잔분이 10% 미만으로 검사 판정되거나 분쇄 분급된 것이어야 한다.
상기 강도보조재는 활성 마그네시아 성분이 30~40중량%이며, 0.045㎜(45㎛) 체 잔분이 10% 미만으로 검사 판정되거나, 분쇄 분급된 페로니켈 슬래그 미분말; 활성마그네시아 성분이 20~35중량%이며, 0.045㎜(45㎛) 체 잔분이 10% 미만으로 검사 판정되거나, 분쇄 분급된 경소백운석 미분말; 및 칼슘 옥사이드(Calcium oxide) 함량이 50~75중량%, 설페이트 옥사이드(Sulfate oxide) 함량이 15~30중량%이며, 0.045㎜(45㎛) 체 잔분이 10% 미만으로 검사 판정되거나, 분쇄 분급된 석고로 이루어진 그룹 중 선택된 어느 하나이거나 둘 이상의 혼합물일 수 있다.
상기 강도보조재 원료 중 하나인 페로니켈 슬래그 미분말은 페로니켈 제조공정에서 발생되는 부산물로 2014년 현재 우리나라에서 연간 200만톤 발생하는 제조공정이 가동되고 있다. 페로니켈이란 철 80%와 니켈 20%를 함유한 합금철을 일컫는 용어로서, 주로 스테인레스강의 원료로 사용된다. 페로니켈의 원료는 사문암을 모암으로 하는 산화니켈광이며 일반적으로 순수한 니켈의 품위는 원광의 2~3%로 낮은 편이고 1,500℃ 이상의 정련공정을 거쳐 니켈 1톤 생산 시 약 30톤의 페로니켈 슬래그가 발생한다고 알려져 있다.
이 페로니켈 슬래그는 일부를 소결용 원료로 사용하거나 도로용 골재, 코크리트용 골재 등으로 일부 재활용 되고 있으나, 대부분을 매립 등으로 폐기하고 있는 형편이다.
본 발명에 의한 페로니켈 슬래그의 냉각조건은 물에 의해 슬래그를 급냉한 수쇄 페로니켈이며, 사용 재료는 수쇄 급냉 페로니켈 슬래그를 분말화한 것이다. 비정질 물질의 양이 많을수록 화학적 활성도가 크다는 것과 비정질 물질의 양이 많아지기 위해서는 급냉이 필수조건이라는 것은 일반적으로 널리 알려진 사실이다.
다음 표 1에 본 발명에서 사용되는 페로니켈 슬래그 미분말의 화학적 조성을 %로 나타내었다.
함량(%) 화학 조성
SiO2 MgO CaO Al2O3 T-Fe T-Ni
Fe-Ni 슬래그 52.4 35.6 0.9 1.6 4.6 0.03
상기 표 1을 참조하면, 페로니켈 슬래그 미분말의 주요 화학 성분은 유리화된 SiO2와 MgO이다. 잘 알려진 바와 같이 SiO2는 활성화하여 강도가 발현하는 속도가 CaO나 Al2O3에 비하여 늦게 개시된다. 또한 MgO는 물과 반응하며 Mg(OH)2로 전이되면서 팽창하는 물질이다. 시멘트에서는 MgO의 함량을 제한하고 있는 것도 팽창성 때문이라 알려져 있다.
따라서, 본 발명에서는 팽창성을 구현하고 알칼리 자극을 통한 고로슬래그 미분말의 강도보조재 역할을 하기 위하여, 페로니켈 슬래그 미분말에 포함된 MgO의 함량은 30중량% 이상, 바람직하게는 32 ~ 40 중량% 인 것이 바람직하다. 페로니켈 슬래그의 주성분은 활성마그네시아와 이산화규소이며, 이 두성분이 85% 이상이고 나머지 불순물로 간주되는 것이 철 성분과 산화알루미늄 성분이다.
따라서 페로니켈 슬래그 미분말에 포함된 활성마그네시아 성분이 30중량% 미만을 포함하게 되면 팽창이 충분하지 않을 우려가 있으며, 40 중량%를 초과하는 원료의 경우에는 시멘트와 반응해서 칼슘 실리케이트 수화물을 형성하는 이산화규소(SiO2) 성분이 상대적으로 적게 된다는 의미로 강도하락의 우려가 있어 바람직하지 못하다.
본 발명에서는 이러한 페로니켈 슬래그 미분말의 유리화된 SiO2에 의한 강도발현 및 활성 마그네시아에 의한 발열, 팽창하는 특성을 이용하여 고로슬래그 미분말의 강도발현을 보조하는 재료 겸 스스로 강도를 발현하는 복합기능 재료로 활용하는 데 특징이 있다.
또한, 본 발명의 강도보조재 원료 중 하나인 경소백운석은 백운석을 비교적 낮은 온도에서 하소하여 생산한 물질이다. 아래의 하소온도에 따른 흡열반응(반응식 1)과 같이 600 ~ 800℃의 온도에서 MgCO3가 먼저 탈탄산되어 반응성이 높은 비정질 상태의 활성마그네시아로 전이되며, 800 ~ 1000℃의 온도에서 CaCO3가 탈탄산되어 반응성이 높은 산화칼슘으로 전이된다.
(반응식 1)
600~800℃ : CaMg(CO3)2 = CaCO3 + MgO + CO2↑
800~1000℃ : CaCO3 + MgO = CaO + MgO + CO2↑
또한, 본 발명에 따른 경소백운석 미분말의 화학적 조성은 다음 표 2와 같다.
성분(%) SiO2 MgO CaO Al2O3 Fe2O3 SO3
경소백운석
(Light Burned Dolomite)		 4.3 30.6 52.3 3.7 1.8 0.7
이 경소백운석의 활성 마그네시아는 다음 반응식 2와 같이, 초기 반응성이 매우 강한 비정질(Amorphous) 상태로 존재하기 때문에 시멘트와 혼합되어 물과 수화 반응하면 결정질의 Brucite를 형성한다.
(반응식 2)
Figure pat00001
위의 수화 반응식과 같이 수화 초기에는 다량의 Brucite(Mg(OH)2) 겔이 형성되면서 많은 양의 과잉수분을 결정수로서 가두어 두며, 이는 시멘트의 수화초기에 생성되는 ettringite와 같은 공극 수화물의 비율을 상대적으로 줄이는 결과가 되어 치밀한 조직을 형성하고 그 결과 압축강도 상승에 기여한다.
본 발명에 따른 경소백운석 미분말이 강도보조재 및 강도를 스스로 발현하는 복합재료로 역할을 하기 위하여 경소백운석에 포함된 활성마그네시아(MgO)의 함량은 20중량% 이상, 바람직하게는 25 ~ 35 중량% 인 것이 바람직하다. 경소백운석의 주성분은 활성마그네시아와 산화칼슘이며, 이 두성분이 80% 이상이고 나머지 불순물로 간주되는 것이 이산화규소, 산화철 성분과 산화알루미늄 성분이다.
따라서 본 발명에 따른 경소백운석 미분말 내 활성마그네시아 성분이 20중량% 미만을 포함하게 되면 팽창이 충분하지 않을 우려가 있으며, 35 중량%를 초과하는 원료의 경우에는 물과 반응해서 수산화칼슘 (CaOH2)을 형성하는 산화칼슘 성분이 상대적으로 적게 되어 자극효과의 부족에 따른 강도하락의 우려가 있어 바람직하지 못하다.
또한 본 발명의 강도보조재에 포함되는 상기 석고는 상기 고로슬래그 미분말 및 페로니켈 슬래그 미분말의 산성피막을 알칼리 및 황산염 복합 자극에 의해 단시간 내에 파괴하여 슬래그 내부에서 이온 방출을 가속화시키고 이들과 반응하여 수화초기에 에트린가이트를 다량 생성해주고 재령이 경과함에 따라 각종 수화물을 생성해 강도를 발현해주는 자극제 및 결합재의 동시 역할을 하는 물질이다.
이러한 기능을 수행하는 석고는 수소이온농도(pH) 12 이상, 바람직하기로는 12 ~ 12.5의 알칼리를 띄도록 하는 것이 고로슬래그 미분말의 산성 피막을 알칼리 및 황산염 복합 자극시켜 단시간에 파괴시켜 원하는 효과를 얻을 수 있어 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 석고는 석고 내 칼슘 옥사이드(Calcium oxide) 함량이 50중량% 이상, 바람직하기로는 65 ~ 75 중량%이고, 설페이트 옥사이드(Sulfate oxide) 함량이 15중량% 이상, 바람직하기로는 20 ~ 30 중량%인 것이다. 일반적으로 품위가 높은 석고의 순도는 칼슘옥사이드 함량과 설페이트 옥사이드 함량이 95% 이상인 것을 의미한다. 석고에 포한된 이산화규소, 산화제이철, 산화알루미늄 등은 불순물로 간주된다.
따라서 석고 내 칼슘 옥사이드(Calcium oxide) 함량이 50중량% 미만이면 알칼리 자극 효과가 충분치 못해 강도발현이 지연될 수 있으며, 석고 내 칼슘 옥사이드(Calcium oxide) 함량이 75중량%를 초과하게 되면 석고 내의 상대적인 설페이드 옥사이드 함량이 낮게 되어 황산염 자극 효과가 줄어들게 된다.
마찬가지 이유로 석고 내 설페이드 옥사이드 함량이 15중량% 미만이면 황산염 자극 효과가 충분치 않아 강도발현이 지연될 수 있으며, 설페이드 옥사이드 함량이 30중량%를 초과하면 석고내의 상대적인 칼슘 옥사이드함량이 낮게 되어 알칼리 자극효과가 줄어들게 된다.
상기 특징을 가지는 본 발명의 석고의 구체 예로는, 천연 석고, 배연탈황석고, 페트로 코크스 탈황석고, 및 석탄 코크스 탈황석고로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합물일 수 있다.
상기 구성을 가지는 본 발명의 강도보조재는 상기 고로슬래그 미분말 100중량부에 대하여 50 ~ 100 중량부로 포함되는 것이 바람직하다. 50중량부 미만 포함되면 고로슬래그를 자극하여 강도를 발현시키고 스스로도 강도를 발현하는 물질의 양이 적게 되어 소정의 강도를 발현 할 수 없으며, 100중량부를 초과하여 혼입되면 상대적으로 강도보조재의 양이 너무 많게 되어 역시 강도하락의 우려가 있다.
또한, 본 발명에 따른 그라우트 조성물에는 공기를 단축시키기고 조기 강도를 구현하기 위한 선택적 목적으로 일반적으로 시중에서 수득이 가능한 KS(한국산업규격)인증제품 시멘트를 더 포함할 수 있다. 상기 시멘트 역시 KS 인증제품으로 제조공장에서 45㎛ 체 잔분이 10% 미만으로 관리하여 제조되고 있는 것이어야 한다.
상기 시멘트는 포틀랜트 시멘트와 고로슬래그시멘트로 이루어진 그룹 중 선택된 어느 하나이거나 둘이상의 혼합물 일 수 있으며, 상기 고로슬래그 미분말 100중량부에 대하여 50 ~ 100 중량부로 포함될 수 있다. 상기 시멘트가 고로슬래그 미분말 100중량부에 대하여 50중량부 미만 포함될 경우 수화반응 물질이 적게되어 원하는 조강성을 발현할 수 없으며, 100중량부를 초과하여 혼입될 경우 조강성은 나타나나, 상대적으로 비싼 물질이 많이 포함되어 경제성이 저하된다.
또한, 본 발명에 따른 그라우트 조성물에는 유동성 개선과 장기강도 증진을 위한 선택적 목적으로 포졸란 활성을 나타내는 플라이애시가 더 포함될 수 있다.
상기 플라이애시는 45㎛ 체 잔분이 10% 미만으로 검사 판정되거나, 분쇄 분급된 것이어야 하며, 고로슬래그 미분말 100중량부에 대하여 10 ~ 100중량부 혼입되는 것이 바람직하다.
상기 플라이애시는 포졸란 활성을 나타내는 이산화규소 함량이 30중량% 이상, 바람직하기로는 45 ~ 65중량%인 석탄연소 플라이애시인 것이 포졸란 활성 발현을 위해 바람직하다. 우리나라의 산업규격(KS)에서는 콘크리트의 혼화재로 사용되는 플라이애시의 이산화규소 함량은 50% 이상으로 규정(KS L 5405)하고 있는데 토목용 고화재로의 사용목적에는 적합한 플라이애시 중의 이산화규소 성분은 45중량% 이상이면 충분하다. 또한, 이산화규소 성분이 65 중량%를 초과하는 플라이애시는 연료로 사용하는 석탄에 포함된 여러 성분 등의 특성 상 발생하지 않는다.
상기 플라이애시는 45㎛ 체 잔분이 10% 미만으로 검사 판정되거나 분쇄 분급된 것이어야 하며, 고로슬래그 미분말 100중량부에 대하여 10 ~ 100중량부 혼입되는 것이 바람직하다. 상기 플라이애시가 고로 슬래그 미분말 100중량부에 대하여 10중량부 미만 혼입되면 플라이애시의 특성인 구형입자에 따른 유동성개선 효과가 발휘되지 않으며, 포졸란 활성물질이 상대적으로 적게 되어 장기강도 증진에 기여할 수 없다. 상기 플라이애시가 고로 슬래그 미분말 100중량부에 대하여 100중량부 이상 혼입될 경우 유동성은 많이 개선되나 장기강도를 개선하는 포졸란활성 물질이 상대적으로 많게 되어 초기강도가 하락한다.
본 발명에 따른 고압분사 지반개량공법용 그라우트 조성물은 상기 각 구성 성분들을 소정의 혼합비로 배합함으로써 제조될 수 있다.
또한, 상기 고압분사 지반개량공법용 그라우트 조성물에 물을 혼합하여 물/바인더 비율(W/B ratio)이 사용하는 용도에 맞도록 그 농도를 조절하여 물을 첨가한 다음, 충분히 혼합하여 주입액을 제조하여 사용할 수 있다. 그라우트 조성물과 물의 혼합비율은 지반조건 등에 따라 다양하게 달라지고 통상적으로 당업자가 실시 가능한 것이므로 구체적인 수치로 한정하지는 않는다.
또한, 별도로 필요한 경우, 본 발명의 그라우트 현탁액(A)액에 부가하여 통상적인 규산소다 용액 등을 급결제(B)로 사용 할수 있으며, 급결제의 사용량과 혼합비율 등은 통상적으로 당업자가 실시 가능한 것 이므로 구체적인 수치로 한정하지 않는다.
이하 본 발명에 따른 친환경 그라우트 조성물을 활용한 고압분사 지반개량공법에 대하여 설명한다.
본 발명에 따른 고압분사 지반개량공법은 시공 예정인 지중 개량체의 용적을 산정하고 기준 주입량을 산정하는 단계; 고압분사 연약지반 개량장치를 이용하여 계획된 심도와 계획된 각도로 우선 굴착하는 단계; 압축공기와 절삭수를 회전 분사하며 인발하는 동시에 지반을 굴착하고 슬라임을 배출하는 단계; 및 로트 하부에 구비된 주입구를 통해 상기 그라우트 조성물을 분사하여 개량체를 형성하는 단계를 거쳐 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 친환경 그라우트재를 활용한 고압분사 지반개량공법은 현장의 여건에 적합한 고압분사 지반개량 장비를 다양하게 선택할 수 있으며, 부상토(슬라임)의 배출 및 재활용 여부, 2중관 장비의 사용 및 3중관 장비의 사용, 경화제의 사용여부 및 배합비율 등은 통상적으로 당업자가 실시 가능한 것 이므로 구체적으로 규정하지 않는다.
이하에서 본 발명에 따른 그라우트재의 바람직한 실시예 및 비교예들이 기술되어질 것이다. 또한 이하의 실시예들은 본 발명을 예증하기 위한 것으로서 본 발명의 범위를 국한하는 것으로 이해되어져서는 아니된다.
실시예
0.045㎜(45㎛) 체 잔분이 10% 미만으로 검사 판정된 고로슬래그 미분말 100중량부에 대하여, 강도보조재로서 칼슘 옥사이드(Calcium oxide) 함량이 65중량%, 설페이트 옥사이드(Sulfate oxide) 함량이 20중량%이며, 0.045㎜(45㎛) 체 잔분이 10% 미만으로 검사 판정된 페트로 코우크스 탈황 석고와 활성마그네시아 성분이 30중량%이며, 0.045㎜(45㎛) 체 잔분이 10% 미만으로 검사 판정된 경소백운석 미분말을 1:1로 혼합한 시료 70중량부를 균일하게 혼합하여 그라우트 조성물(고화재)을 제조하였다.
다음으로 물/고화재 비(W/B ratio)가 120%가 되도록 물을 첨가하여 강제식 믹서로 충분히 혼합하여 그라우트 주입액을 제조하였다.
다음으로 실제 시공 시 그라우트 주입액이 천공 홀의 흙 및 재활용된 슬라임과 혼합되는 것을 고려하여 주입액 중량비로 사질이 혼합된 점성토 흙을 50%, 70%, 100% 혼입한 압축강도 공시체를 제작하여 재령에 따른 압축강도를 측정하였다.
비교예 : 1종 보통 포틀랜트 시멘트 사용 예
먼저, 그라우트 주입재로서 1종 포틀랜트 시멘트를 사용하고, 물/고화재 비(W/B ratio)가 120%가 되도록 물을 첨가하여 강제식 믹서로 충분히 혼합하여 그라우트 주입액을 제조하였다.
다음으로 실제 시공시 그라우트 주입액이 천공 홀의 흙 및 재활용된 슬라임과 혼합되는 것을 고려하여 주입액 중량비로 사질이 혼합된 점성토 흙을 50%, 70%, 100% 혼입한 압축강도 공시체를 제작하여 재령에 따른 압축강도를 실시예와 비교 측정하였다.
실험예 : 일축 압축강도시험 방법 및 결과
압축강도시험은 KS F 2343(흙 시멘트의 일축압축강도 시험방법)에 따라 실시하였으며 다음 표 3에 실시예 및 비교예의 흙 혼입 비율에 따른 재령별 일축압축강도 실험결과를 나타내었다.
재령 3일 7일 28일
흙 중량비(%) 50 70 100 50 70 100 50 70 100
실시예
압축강도(MPa)		 10.1 9.1 8.7 16.3 13.8 12.1 24.7 21.8 19.4
비교예
압축강도(MPa)		 12.5 11.7 8.9 15.5 13.2 12.7 20.4 20.1 18.0
상기 표 3을 참조하면, 실시예의 경우 비교예인 1종 시멘트에 비하여 3일 강도는 약간 떨어지는 수준이었으나 시간이 지남에 따라, 특히 28일 강도는 상당히 높게 발현되었다. 이는 고로슬래그 미분말이 알칼리 자극을 받아 잠재 수경성이 비교적 늦게 개시되는 결과이다. 즉, 강도보조재의 알칼리 및 황산염 복합자극에 의해 고로 슬래그 미분말의 비정질 물질이 지속적으로 수화물을 만들어내었으며, 강도보조재 역시 스스로도 강도를 발현한 결과로 판단된다.

Claims (6)

  1. 0.045㎜(45㎛) 체 잔분이 10% 미만으로 검사 판정되거나, 분쇄 분급된 고로슬래그 미분말 100중량부에 대하여
    0.045㎜(45㎛) 체 잔분이 10% 미만으로 검사 판정되거나, 분쇄 분급된 강도보조재 50~100중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 고압분사 지반개량공법용 그라우트 조성물.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 강도보조재는 활성마그네시아 성분이 30~40중량%이며, 0.045㎜(45㎛) 체 잔분이 10% 미만으로 검사 판정되거나, 분쇄 분급된 페로니켈 슬래그 미분말;
    활성마그네시아 성분이 20~35중량%이며, 0.045㎜(45㎛) 체 잔분이 10% 미만으로 검사 판정되거나, 분쇄 분급된 경소백운석 미분말; 및
    칼슘 옥사이드(Calcium oxide) 함량이 50~75중량%, 설페이트 옥사이드(Sulfate oxide) 함량이 15~30중량%이며, 0.045㎜(45㎛) 체 잔분이 10% 미만으로 검사 판정되거나, 분쇄 분급된 석고
    로 이루어진 그룹 중 선택된 어느 하나이거나 둘 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 고압분사 지반개량공법용 그라우트 조성물.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 고압분사 지반개량공법용 그라우트 조성물은 포틀랜트 시멘트 및 고로슬래그 시멘트 중에서 선택되는 1종 이상의 45㎛ 체 잔분이 10% 미만으로 검사 판정되거나, 분쇄 분급된 시멘트를 더 포함하는 것인 고압분사 지반개량공법용 그라우트 조성물.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 시멘트는 고로슬래그 미분말 100중량부에 대하여 50 ~ 100중량부로 포함되는 것을 특징으로 하는 고압분사 지반개량공법용 그라우트 조성물.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 고압분사 지반개량공법용 그라우트 조성물은 이산화규소(SiO2) 함량이 30~65중량%이며, 45㎛ 체 잔분이 10% 미만으로 검사 판정되거나, 분쇄 분급된 석탄 연소 플라이애시를 더 포함하는 것인 고압분사 지반개량공법용 그라우트 조성물.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 플라이애시는 고로슬래그 미분말 100중량부에 대하여 10 ~ 100중량부로 포함되는 것을 특징으로 하는 고압분사 지반개량공법용 그라우트 조성물.
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