KR20170013429A - 하수관거 충진용 속경형 가소성 뒤채움재 및 이를 이용한 시공방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하수관, 전력케이블 등의 매설공사 및 보수공사, 또는 사면보강 등을 위한 옹벽시공에 사용되는 뒤채움재에 관한 것이다.
본 발명에 따른 뒤채움재는 칼슘알루미네이트계 또는 칼슘설포알루미네이트계 결합재와, 결합재에 의해 결합되는 필러를 포함하는 주재료와, 주재료에 혼합되는 유동화제와, 주재료에 혼합되는 가소제 및 주재료에 혼합되는 경화촉진제를 구비하는 것에 특징이 있다.

Description

하수관거 충진용 속경형 가소성 뒤채움재 및 이를 이용한 시공방법{Rapid hardening and pseudo-plastic backfill material for sewer pipe and Constructing method using the same}

본 발명은 토목 재료에 관한 것으로서, 특히 지반을 굴착하여 형성한 트렌치에 하수관을 설치한 후, 하수관이 설치된 상태에서 굴착된 부분을 메워서 마무리하는데 사용되는 뒤채움재와 이를 이용한 시공방법 관한 것이다.

싱크홀(sink hole)이 이슈화되고 있다.

싱크홀은 지반 내부가 연약해지거나 비어있는 상태에서 상부 지반이 내려앉으면서 생기는 구멍이다. 석회석 지반이 장기간 지하수에 용출되거나, 일정 수위에 머물러 있던 지하수가 급격히 배출되면서 싱크홀이 발생되기도 한다. 이렇게 자연적 현상에 기인한 싱크홀의 경우 지름이 수십 m, 깊이가 백m를 넘는 경우가 발견되기도 한다. 그러나 이런 자연적 현상에 기인한 거대 싱크홀의 경우는 매우 드문 경우이므로 크게 문제가 되지 않으며, 지질학적 연구의 대상이 될 뿐이다.

문제가 되는 것은 도심지, 산업단지 또는 농어촌과 같이 사람이 거주하고 건물이나 시설물이 설치되어 있는 지역에서 발생하는 싱크홀이다. 또한 문제는 도심지 싱크홀이 자연 발생적인 것이 아니라 대부분 토목공사의 부실에 기인한다는 점이다. 즉, 대규모 토목공사에서 지반을 굴착한 후, 지하수 차수 시설에 대한 부실시공이 대표적 원인이다.

소규모 공사의 부실도 싱크홀로 연결된다. 소규모의 싱크홀이라고 해도 도로에 발생하는 경우 심각한 사고로 이어질 수 있기 때문이다. 도심지에는 전력라인, 가스관, 수도관 등 이른바 '라이프 라인'이 복잡하게 매설되어 있다. 이렇게 도심지에 각종 라인을 설치하기 위해서는 굴착을 통한 트렌치 형성, 라인 매설, 트렌치에 대한 뒤채움 작업이 이루어진다. 위 과전들을 수행하는 동안 굴착 장비에 의해 수도관이 파손되는 경우 누수가 발생하여 지반을 약화시킨다. 또한 뒤채움재를 포설한 후 다짐이 부족하거나, 뒤채움재 자체의 물성이 불량한 경우 지반이 약화되어 우수 및 지하수가 침투하게 된다. 우수 및 지하수의 침투로 인한 지반 약화는 지반 침하로 이어져 싱크홀이 발생될 개연성이 커진다.

본 발명은 특히 각종 라이프 라인을 설치하기 위한 트렌치의 뒤채움재에 관한 것이다. 뒤채움재에 요구되는 물성에 대하여 설명한다. 뒤채움재는 앞에서도 설명한 바와 같이 우수나 지하수가 쉽게 침투되지 못해야 할 뿐만 아니라, 일정 크기 이상의 강도가 나와야 트렌치 상부의 도로나 보도 등을 지지할 수 있다. 따라서 기계적 강도가 매우 중요하다. 기계적 강도만을 생각한다면 몰탈이나 콘크리트를 이용하여 뒤채움을 할 수도 있지만, 이 경우 유지관리의 문제가 발생한다. 즉, 누수가 발생하거나 전력라인의 일부가 끊긴 경우 뒤채움재를 걷어 내고 라인에 대한 보수가 이루어져야 하지만, 콘크리트와 같은 뒤채움재를 걷어 내는 것은 현실적으로 쉽지 않기 때문이다. 이에 종래에는 양질의 토사재료를 사용하여 기계 다짐을 실시하였다. 즉, 전통적 전통적으로 관매설 공사에서 되메우기 방법은 트렌치를 굴착한 후 저면에 모래를 깔고 관을 설치하고 토사를 되메우고 다짐하였다. 그러나 이러한 방법은 흙을 다짐하는데 많은 시간과 비용이 소요되며 관하부의 공동이나 작은 틈새를 되메우기 힘들다는 문제가 있었다. 또한 적절한 되메우기 방법에 의해 잘다져진 지반이라도 흙의 크리프 현상이 발생하므로 내부 매설관의 장기 변형이 필연적으로 발생한다. 또한, 교통 소통 및 공사장 주위 주민의 불편해소를 위해서 굴착복구공사는 주로 야간을 이용하여 실시하는데, 이로 인해 공사기간이 절대적으로 부족하여 굴착복구공사의 품질이 저하되는 원인으로 작용한다. 이외에도 기계적 다짐을 하는 과정에서 사고가 유발될 가능성이 높은데, 최근 국내에서 발생된 가스관 유출 및 누수 사고의 원인은 대부분 관매설시 되메움 및 다짐시공의 부실로 발생했음 밝혀진 바 있다.

이러한 문제점들을 해결하기 위한 방법 중 하나가 유동성 뒤채움재인데, 선진국에서는 건설 발생토를 재활용하여 잔토처리 비용을 줄이고, 충분한 유동성을 확보하여 고화하는 특성을 가진 친환경적인 슬러리 재료를 사용한 되채움 기술이 주목받고 있으며, 국내에서도 플라이애시, 해양준설토를 사용한 유동성 뒤채움재 개발 및 적용에 관한 연구 등이 진행된 사례가 있다.

유동성 뒤채움재(Controlled low strength materials : CLSM)는 포틀랜드 시멘트, 모래, 물, 재활용재료 등으로 구성된 자기수평능력(self-leveling)과 자기 다짐성(self-compacting)을 가진 재료로 초기에는 높은 유동성을 갖게 되며 차후에 시멘트 양생으로 원하는 강도까지 강도를 증진시킬 수 있다는 이점이 있다. CLSM은 콘크리트와 토사의 중간성질을 보이며 다짐된 충전재를 대신해 자기 수평 및 다짐 능력을 가진 충전 재료로 고려되고 있어 동결융해, 표면침식, 유해한 화학물질의 침입 등이 고려되지 않고 설계된다. 장기압축강도에서도 콘크리트보다 매우 낮은 0.34~2.06MPa으로 나타나지만 지지력 면을 보자면 잘 다져진 토사가 0.34~0.69MPa인 것으로 봐서 강도가 비슷하다고 할 수 있다. CLSM은 장소적 제약이 적어 여러 가지용도로 사용될 뿐만 아니라 타설 후 양생을 통해 바로 다음 시공이 가능하다. 또한, 배합비에 따라 강도 조절이 가능하며 기존에 다짐 등에 의한 강도 조절에 비해 재료의 강도가 전체적으로 균일한 특징을 가지고 있다.

하지만, 기존의 CLSM은 주 재료로 플라이애쉬와 소량의 시멘트를 사용하여 양생에 수 일 내지 수 주의 기간이 필요하다는 단점과, 지하수 유출에 의한 희석, CLSM을 트렌치에 주입시 지반의 간극을 통해 재료가 유실되는 등의 문제가 지적되고 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 조기강도가 높게 발현되어 시공성이 용이하고 공기가 단축시킬 수 있지만, 장기강도는 적정한 수준에서 발현되어 유지보수가 용이하며, 재료유실 방지를 위한 가소성 및 수중불분리성을 갖추어 트렌치 백필재로서 최적의 성능을 발현할 수 있는 하수관거 뒤채움재를 제공하는데 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 시설물 충진용 뒤채움재는, 칼슘알루미네이트계 또는 칼슘설포알루미네이트계 결합재와, 상기 결합재에 의해 결합되는 필러를 포함하는 주재료와, 상기 주재료에 혼합되는 유동화제와, 상기 주재료에 혼합되는 가소제 및 상기 주재료에 혼합되는 경화촉진제를 구비하는 것에 특징이 있다.

본 발명의 일 실시예에서 상기 필러는 플라이애시와 시설물 공사 현장에서 굴착에 의해 발생하는 현장토 중 어느 하나 또는 이들을 혼합한 것을 사용할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 가소제는 아크릴계 증점제이며 특히 크릴산 나트륨 중합체, 메타아크릴산 나트륨 중합체, 아크릴 아마이드 중합체, 가수분해된 아크릴로 니트릴 중합체, 아크릴산 메타아크릴산 공중합체, 아크릴산 아크릴 아마이드 공중합체 중 어느 하나 또는 이들을 혼합한 폴리머 수지를 사용할 수 있다.

또한 본 발명에서 칼슘알루미네이트계 또는 칼슘설포알루미네이트계 결합재는 상기 주재료 전체 중 5~20 중량%의 범위로 배합가능하며, 상기 경화촉진제는 칼슘하이드록사이드로서 주재료 대비 0.1~2 질량%의 범위로 배합하여 사용할 수 있다고, 상기 가소제는 주재료 대비 0.1~3 질량%의 범위로 배합할 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 시설물 시공방법은, 지반을 굴착하여 오목하게 트렌치를 형성하는 단계, 상기 트렌치에 하수관을 포함하는 시설물을 설치하는 단계 및 상기한 조성의 뒤채움재를 상기 트렌치에 충진하여 상기 트렌치를 메우는 단계를 구비한다. 본 발명에서 상기 뒤채움재를 충진할 때 상기 뒤채움재에 진동을 가하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 시설물 충진용 뒤채움재는 칼슘알루미네이트계 또는 칼슘설포알루미네이트계 물질을 바인더로 사용함으로써 일정 수준 이상의 강도가 조기에 발현됨으로써 공사기간이 감축된다는 이점이 있다. 더욱이, 칼슘알루미네이트계 또는 칼슘설포알루미네이트계 물질을 사용함으로써 장기강도가 상대적으로 낮게 발현되는 바, 하수관거의 유지보수에 용이하다는 이점이 있다.

또한 본 발명에 따른 뒤채움재는 가소성이 부여되어 지하의 균열이 있는 경우에도 뒤채움재 충진시 재료유실이 방지된다는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 뒤채움재는 가소제 및 첨가제를 사용함으로써 수중불분리성을 가지는 바, 하수관 매설공사시 지하수가 유입되는 경우에도 물/재료 비율을 일정하게 유지할 수 있어 물성이 설계수준으로 보장된다는 이점이 있다.

도 1은 하수관이 트렌치에 설치되어 지중에 매설된 상태를 설명하기 위한 종단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 뒤채움재의 실험에 사용된 호바트 믹서의 사진이다.
도 3은 본 발명에 따른 뒤채움재의 플로우 실험 상황을 찍은 사진이다.
도 4는 본 발명에 따른 뒤채움재의 압축강도 실험에 사용된 장비 사진이다.
도 5 내지 도 7은 각각 본 발명에 따른 뒤채움재 배합 실험의 1단계 내지 3단계의 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8은 내지 도 9는 1단계 내지 3단계 실험을 통해 얻은 최적 배합비에 따른 뒤채움재의 물/재료비와 가소제 첨가량에 따른 물성 실험 결과를 나타낸 그래프로서, 도 8의 그래프는 플로우 테스트의 결과이며, 도 9의 그래프는 압축강도 실험의 결과이다.

본 발명은 하수관의 매설 및 보수에 사용되는 뒤채움재에 관한 것이다. 본 발명에 따른 뒤채움재는 주로 하수관의 매설에 사용되는 것이지만, 이에 한정되는 것은 아니며 상수관, 전력케이블, 가스공급관 등 지하에 매설되는 다양한 라이프라인의 매설 및 보수공사에 모두 사용될 수 있다. 또한 본 발명에 따른 뒤채움재는 라이프라인의 매설 및 보수 공사 이외에도, 사면보강용 옹벽의 뒤채움재 등 다양한 용도로 사용가능하다. 이하에서는 하수관 매설을 예로 들어 본 발명에 대하여 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 하수관이 트렌치에 설치되어 지중에 매설된 상태를 설명하기 위한 종단면도이다. 도 1을 참고하면, 지반(g)을 오목하게 굴착하여 트렌치(T)를 형성하고, 트렌치의 바닥 부분(K)을 시멘트, 콘크리트 등 강성이 큰 재료를 타설한 후, 하수관(S)을 설치하고 뒤채움재(B)로 트렌치(T)를 충진한다. 트렌치(T)의 상부에는 도로포장층(미도시) 등이 형성될 수 있다.

본 발명은 하수관 매립 및 보수 공사에 사용되는 뒤채움재로서, 타설 후 수 시간 내에 일정 수준 이상의 조기강도가 보장되어 공기를 단축시킬 수 있으며, 장기강도는 상기한 조기강도와 거의 차이가 없어 유지보수가 용이한 뒤채움재를 제공한다. 또한, 가소성이 부여되어 뒤채움재 시공시 재료가 지반의 균열을 통해 유실되는 것을 방지할 수 있는 뒤채움재를 제공한다. 또한, 본 발명에 따른 뒤채움재 는 수중불분리성이 우수하여 하수관 매설공사시 유입되는 지하수가 혼입되어 물/재료비가 변경됨으로써 뒤채움 물성이 저하되는 것을 방지할 수 있다.

상기한 기능과 목적을 가지는 본 발명에 따른 뒤채움재는 필러(filler)와, 필러를 상호 결합시켜주는 결합재로서 칼슘알루미네이트계 또는 칼슘설포알루미네이트계 바인더를 포함한다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 필러와 칼슘알루미네이트계 또는 칼슘설포알루미네이트계 바인더를 합하여 주재료라고 칭한다. 그리고 본 발명에서는 주재료의 뒤채움재로서의 기능을 보완하기 위한 첨가제와 혼화제를 더 포함할 수 있다.

먼저 필러는 현장 굴착시 발생하는 토사 또는 플라이애쉬가 사용될 수 있다. 필러는 시멘트 분야에서 말하는 '골재'의 개념으로 이해될 수 있다. 본 실시예에서는 필러로서 현장에서 굴착된 현장토 또는 플라이애시를 사용하며, 이 외에도 시멘트 분야에서 골재로 기능할 수 있는 다른 재료들도 사용될 수 있다.

필러들을 상호 일체화시키기 위한 결합재로서 본 발명에서는 칼슘알루미네이트계 또는 칼슘설포알루미네이트계 물질을 사용한다. 예컨대, 칼슘알루미네이트계는 C₁₂A₇, C₃A, CA 등의 물질, 칼슘설포알루미네이트계는 C₄A₃S 등의 물질을 사용할 수 있다.

기존의 뒤채움재는 칼슘실리케이트계 물질을 바인더로 사용하는 것이 일반적이었지만, 본 발명에서는 칼슘알루미네이트계 또는 칼슘설포알루미네이트계 바인더를 사용한다는 점에 중요한 특징이 있다. 자세히 설명한다.

칼슘실리케이트계 물질(보통의 시멘트)은 아래의 반응식(1) 및 (2)와 같은 형태의 수화반응을 통해 경화되면서 강도가 발현된다.

2C₃S + 6H → C₃S₂H₃ + 3Ca(OH)₂ ... 반응식(1)

2C₂S + 4H → C₃S₂H₃ + Ca(OH)₂ ... 반응식(2)

보통 시멘트계 재료는 물과 반응하여 새로운 광물을 형성하는 수화과정을 거쳐 굳게 된다. 기존의 CLSM도 이러한 시멘트의 수화반응과, 시멘트 수화 과정에서 발생하는 다량의 소석회와 비정질 실리카인 플라이애쉬 사이의 포졸란 반응에 의해 적정 강도의 경화체를 얻게 된다. 그러나 시멘트의 수화반응 중 강도발현에 주로 기여하는 C₃S 및 C₂S 등의 칼슘실리케이트계 광물의 수화는 수 일에서 수 주의 시간이 걸리며 천천히 일어나는 특징이 있다. 따라서 타설 후 수 시간 정도에서의 조기강도가 뒤채움재에서 요구되는 0.13MPa 이상으로 발현되지 않는다. 그러나 수화반응이 지속적으로 이어지면서 10일 이상의 재령에서의 장기강도는 높게 발현된다. 교량, 건축물, 포장을 위한 재료에서는 장기강도가 높게 나타나는 것은 장점이지만, 뒤채움재에서는 조기강도가 낮고 장기강도가 높은 것은 큰 약점으로 작용한다. 즉, 조기강도가 낮으면 양생 시간이 오래 걸리게 되므로 공기가 늘어나게 되며 이에 따라 교통통제 등의 민원이 발생할 수 있다. 또한 장기강도가 높게 나오면, 관로의 보수공사시 뒤채움재를 걷어내는데 어려움이 따른다. 이러한 문제로 인하여, 종래에는 칼슘실리케이트계 바인더를 사용하되, 첨가량을 감소시키는 등의 보완방법을 사용하고 있으나 뒤채움재에 요구되는 물성이 부족해지는 문제가 생겼다.

본 발명에서는 칼슘알루미네이트계 또는 칼슘설포알루미네이트계 바인더를 사용함으로써 이러한 문제를 모두 해결한다.

CA + H → CAH₁₀ ... 반응식(3)

C₁₂A₇ + H → C₂AH₈ + AH₃ ... 반응식(4)

C₄A₃ + 8CH₂ + 6CH + 74H 3C₆A₃H₃₂ ... 반응식(5)

위의 반응식(3) 및 (4)는 비정질 칼슘알루미네이트계 바인더의 수화반응을 나타낸 것이다. 식(5)는 칼슘설포알루미네이트계 바인더의 수화반응을 나타낸 것이다. 위 수화반응은 급격하게 이루어지므로 조기강도가 높게 발현된다. 따라서 장기강도는 조기강도보다 약간 오르는 수준에서 머무르게 된다. 칼슘실리케이트계 바인더와 비교할 때 칼슘알루미네이트계 또는 칼슘설포알루미네이트계 바인더는 장기강도가 더 약하지만, 뒤채움재에서는 장점으로 작용하는 것이다.

본 발명에서 필러와 칼슘알루미네이트계 바인더가 혼합된 주재료 전체에 대하여 칼슘알루미네이트계 또는 칼슘설포알루미네이트계 바인더는 5~20중량%의 범위로 배합된다. 이러한 배합비는 뒤채움재의 물성을 만족시키기 위한 수많은 실험을 통해 도출된 것이며, 실험에 대해서는 뒤에서 설명하기로 한다.

한편, 본 발명에서는 비정질 칼슘알루미네이트계 또는 칼슘설포알루미네이트계 바인더의 장점을 살리되, 뒤채움재로서의 기능을 강화하기 위하여 첨가제와 혼화제를 사용한다. 본 발명에서 첨가제로는 유동화제를 혼합시키며, 혼화제로서 가소제와 경화촉진제를 사용한다. 첨가제와 혼화제는 설명의 편의를 위해 구분한 것이며, 모두 주재료의 물성을 강화 및 보완하기 위한 것이다.

본 발명에서 첨가제로서 유동화제를 사용한다. 하수관 트렌치 뒤채움 작업을 위해서는 뒤채움재 페이스트가 일정 수준 이상의 유동성, 즉 플로우 테스트 정치상태에서 100mm 이상, 진동상태에서 200mm 이상의 플로우값이 보장되도록 할 필요가 있다. 위 기준치는 규정에서 정해진 값은 아니며 본 발명의 연구진에서 원활한 뒤채움 시공을 위해서 제시하는 값이다. 유동화제로는 나프탈렌계, 멜라닌계, 폴리칼본산계 또는 리그닌계 유동화제가 사용될 수 있으며, 이들은 공지의 재료이므로 자세한 설명은 생략하기로 한다. 유동화제는 주재료의 중량 대비 0.1~2%의 범위로 배합할 수 있다.

또한 본 발명에서 첨가제로 가소제가 사용된다. 뒤채움재에 가소제를 사용하여 가소성(pseudo-plastic)을 부여한다. 가소성은 외력이 가해지는 경우 변형되지만, 외력이 해제되면 그 상태를 유지하는 성질을 말한다. 종래기술에서도 설명하였지만, 하수관은 지하에 매설되며, 지하공간에는 균열과 지하수라는 두 가지 조건이 상존한다. 즉, 뒤채움재를 충진할 때 지하공간에 균열이 있는 경우 유동성이 높은 뒤채움재는 균열을 통해 소실되기 때문에 재료유실의 문제가 크게 나타난다. 이에 본 발명에서는 주재료에 가소제를 혼합하여 가소성을 부여함으로써 재료유실을 방지한다. 가소제를 주재료에 혼합하여 사용하는 경우, 뒤채움재를 충진시 진동을 함께 부여하면 유동성이 유지되어 작업성이 유지된다. 반대로 진동을 해제하면 그 상태로 형태가 유지되므로 지반의 균열을 통해 재료가 소실되는 것을 방지할 수 있다.

가소제는 다양한 재료가 사용될 수 있는데, 본 실시예에서는 아크릴계 증점제 또는 셀룰로오스계 증점제를 사용할 수 있다. 특히, 아크릴산 나트륨 중합체, 메타아크릴산 나트륨 중합체, 아크릴 아마이드 중합체, 가수분해된 아크릴로 니트릴 중합체, 아크릴산 메타아크릴산 공중합체, 아크릴산 아크릴 아마이드 공중합체를 주성분으로 하는 폴리머 수지 중 어느 하나 또는 이들을 조합하여 사용할 수 있다. 그리고 가소제는 주재료의 중량 대비 0.1~3%의 범위로 배합될 수 있다.

또한 가소제를 사용하는 경우 수중불분리성이 향상되어 물/재료 배합비를 일정하게 유지할 수 있는 장점이 있다. 지하공간에는 언제나 지하수가 유입될 개연성이 있으며, 이에 따라 재료와 물의 배합비가 설계수준과 변경됨으로써 뒤채움재의 물성에 영향을 주게 된다. 가소제는 증점 작용을 하여 물이 재료에 유입되는 것을 막으므로, 뒤채움재의 성능이 일정하게 유지될 수 있다. 또한, 주재료가 지하수에 혼입되어 유실되는 경우 주변 생태계에 영향을 미칠 수 있는 바, 가소제는 친환경적 시공을 가능하게 한다.

다만, 가소제를 첨가하는 경우 유동성의 조절을 통해 재료유실을 막는 측면에서는 이점이 있지만, 경화속도가 저하되는 현상이 발생할 수 있다. 즉, 가소제는 뒤채움재의 페이스트 내 물(반응의 차원으로 보면 '자유수'라고 함)의 이동을 저하시키기 때문에, 수화반응이 느리게 일어나는 것이다. 이에 본 발명에서는 경화촉진제를 사용하여, 가소제를 사용함으로 인해 발생할 수 있는 경화지연의 문제를 해결한다. 본 실시예에서 경화촉진제로는 소듐카보네이트, 소듐바이카보네이트, 칼슘하이드록사이드, 소듐설페이트, 리튬카보네이트 중 어느 하나 또는 이들을 조합하여 사용할 수 있다. 경화촉진제는 주재료의 중량 대비 0.1~2%의 범위로 배합한다.

상기한 바와 같이, 주재료와 첨가제 및 혼합제를 사용한 전체 재료에 물을 혼합하여 페이스트를 형성한 후, 하수관이 설치되어 있는 트렌치에 뒤채움재 페이스트를 충진하게 되는데, 전체 재료에 대한 물의 비(W/M)는 55~100%로 하였다.

이하, 본 발명에서 각 재료의 배합비를 선정하게 된 실험과정에 대해서 상세히 설명하기로 한다.

1. 재료

본 실험에서는 국내산 플라이애시 및 칼슘알루미네이트계 바인더를 사용하였였다. 플라이애시의 물리화학적 특성은 아래의 표 1에, 칼슘알루미네이트계 결합재의 물리화학적 특성은 표 2에 나타내었다. 유동화제(Add)는 나프탈렌계 유동화제를 사용하였고, 경화촉진제는 시약급으로 소듐카보네이트(Acc1), 칼슘하이드록사이드(Acc2) 및 소듐설페이트(Acc3)를 사용하였다. 가소제는 국내 J社 제품으로 아크릴산 나트륨 중합체와 아크릴 아마이드 중합체를 사용하였다.

플라이애시의 화학 조성(%)									물성
SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO	SO3	Na2O	K2O	LOI	비표면적 (㎠/g)	밀도 (kg/㎥)
58.42	18.42	7.89	47.40	7.38	1.80	0.05	0.28	2.41	3426	2.36

CA 결합재의 화학 조성(%)									물성
SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO	SO3	Na2O	K2O	LOI	비표면적 (㎠/g)	밀도 (kg/㎥)
13.48	35.17	1.49	51.64	8.40	1.94	0.06	0.14	-	6593	3.00

2 실험방법

실험은 총 3단계에 걸쳐서 진행되었으며, 배합비와 첨가제를 변경해 가면서 플로우 테스트와 4시간 압축강도를 측정하였다.

도 2의 사진에 나타난 바와 같이, 호바트 혼합기를 사용하여 플라이애시와 칼슘알루미네이트 결합재 및 물을 혼합하여 페이스트를 만들었다. 즉, 용기에 물을 붓고 칼슘알루미네이트와 플라이애시를 투입한다. 그리고 저속으로 혼합기를 40초 동안 작동시킨다. 혼합기의 작동을 멈추고 20초 동안 비트로 용기의 바닥과 벽에 부착된 모든 페이스트를 떼어내면서 손비빔을 실시한다. 그 후, 가소제를 투입하여 20초간 손비빔을 하여 혼합을 완료하였다. 페이스트의 테이블 플로우 시험(flow test)은 KS L 5111의 규정을 만족하는 장비(도 3 참고)로 시행하였다. 압축강도 시험용 시편은 페이스트의 테이블 플로우를 측정한 다음 50×50×50mm의 각주형 시험체 틀에 넣어 KS L 5105 규정에 의거하여 제작하였다. 페이스트의 압축강도는 제작한 시편을 21℃로 설정된 항온항습 챔버에서 4시간 동안 양생하여 도 4에 도시된 3000kN UTM을 사용하여 측정하였다.

3. 실험결과

(1) 1단계 실험결과

1단계 실험은 주재료, 즉 필러(플라이애시)와 칼슘알루미네이트계 바인더의 배합비를 결정하기 위한 것이었다. 아래의 표 3은 1단계 실험의 최종 배합사항을 나타낸 것이며, 표 4 및 도 5의 그래프는 실험결과를 나타낸 것이다.

CA substitution (%)	W/M (%)	weight(g)
		W	FA	CA	Additive	Plascticizer
5	55	550	950	50	10	10
10		550	900	100	10	6
15		550	850	150	10	5
20		550	800	200	10	4

CA substitution (%)	Table flow(mm)		4hr Compressive Strength(MPa)
	Steady	Vibrated
5	102	225	Not hardened.
10	102	210
15	102	205
20	107	245

위의 표 4는 모든 실험데이터를 다 기재한 것이 아니며, 기준값을 만족하지 못하고 무의미한 데이터는 삭제한 상태로 나타낸 것이다(이하의 실험에서도 동일). 표 4 및 도 5의 그래프에 나타난 실험 결과를 살펴보면, CA 치환율(주재료 대비 CA의 중량비)이 5~20%에서 정치 상태의 플로우값이 100mm 이상으로 기준값을 만족하는 것으로 나타났다. 그리고 진동 상태에서의 플로우값도 200mm 이상으로 기준값을 넘어 양호하게 나타났다. 그리고 CA 치환율이 증가함에 따라 테이블 플로우의 정치 조건을 만족하는데 사용되는 가소제량은 감소하는 것으로 나타났다. 이는 CA 주성분인 C₁₂A₇이 유동성에 관여하는 자유수와 급격하게 반응하여 자유수의 양을 감소시키면서 결합재에 흡착한 다음 결합재를 응집시킨 결과로 사료된다. 따라서 물분자와 수소결합을 통해 일시적으로 자유수의 작용을 억제시켜 유동성 상실을 유도하는 가소제의 양이 상대적으로 감소될 수 있다. 테이블 플로우는 표 3의 모든 배합범위에서 양호하였지만, 모든 배합 범위에서 페이스트가 4시간 후 경화가 되지 않았는 바, 상기한 배합으로는 뒤채움재로서 적합하지 않은 것으로 나타났다.

(2) 2단계 실험결과

1단계 실험에서는 CA의 치환율이 중심이었고, CA 치환율은 주재료의 질량 대비 5~20%의 수준에서는 유동성을 만족하는 것으로 나타났다. 이에 2단계 실험에서는 주재료의 배합비를 고정시키고, 1단계 실험시 배합에서 나타난 조기 압축강도의 문제를 해결하고자 경화촉진제의 종류와 배합비를 변경하여 실험을 수행하였다. 표 5는 2단계 실험의 최종 배합사항을 나타낸 것이다. 그리고 표 6 및 도 6의 그래프는 2단계 실험의 테이블 플로 및 4hr 압축강도 시험결과를 나타낸 것이다.

Accelerator		W/M (%)	weight(g)
No.	함량(%)		W	FA	CA	Add.	Plst.	Acc.
-	0	55	550	900	100	10	10	0
Acc. 1	0.5							5
	1.0							10
Acc. 2	0.5							5
	1.0							10
Acc. 3	0.5							5
	1.0							10

Accelerator		Table Flow		4hr. Compressive Strength(MPa)
No.	Dosage(%)	Steady	Vibrated
-	0	115	250↑	Not hardened
Acc. 1	0.5	114	225	Not hardened
	1.0	170	250↑	Not hardened
Acc. 2	0.5	100	140	Not hardened
	1.0	100	192	0.66
Acc. 3	0.5	110	225	Not hardened
	1.0	Plasticizer is not working		Not hardened

촉진제1(소듐카보네이트)을 사용하는 경우 플레인 배합(촉진제 없는 비교군)과 동일한 가소제량을 사용하면 주재료의 질량 대비 0.5% 첨가시 정치 테이블 플로우는 플레인과 동일하게 나타났으나, 1.0% 첨가시 정치 테이블 플로우는 플레인에 비해 급격하게 증가하는 것으로 나타났다. 그러나 촉진제1의 첨가율에 관계없이 4hr에 경화가 되지 않는 것으로 나타났다.

촉진제3을 사용하는 경우 0.5% 첨가시 플레인과 동일한 정치 테이블 플로우를 만족시키기 위해서는 가소제의 사용량을 2배로 증가시켜야 하는 것으로 나타났고, 1.0% 첨가 2배의 가소제를 사용해도 유동성을 상실시키는 작용이 없는 것으로 나타났다. 그리고 촉진제3의 첨가율에 관계없이 4hr에 경화가 되지 않는 것으로 나타났다.

촉진제2를 사용한 경우 플레인 배합과 동일한 가소제량을 사용하면 0.5% 첨가시 정치 테이블 플로우는 플레인에 비해 작게 나타났고, 1.0% 첨가시 가소제량을 대폭 감소시켜도 정치 테이블 플로우가 플레인에 비해 작게 나타났다. 촉진제2를 1.0%c 사용한 배합에서만 유일하게 4hr에 강도를 발현하는 것으로 나타났으며, 그 값도 기준값이 0.13MPa을 크게 상회하는 것으로 나타났다.

(3) 3단계 실험결과

3단계 실험에서는 2단계 실험결과를 바탕으로 CA 치환율을 2개로 고정하고, 촉진제2의 함량을 세분화하여 실험을 수행하였다. 표 7은 3단계 실험의 최종 배합사항을 나타낸 것이다. 표 8은 3단계 실험의 테이블 플로우 및 4hr, 7일 압축강도 시험결과를 나타낸 것이고, 도 7은 위 시험결과를 그래프로 나타낸 것이다.

CA substitution (%)	Acc.2 Dosage (%)	W/M (%)	weight(%)
			W	FA	CA	Add.	Acc.2	Plst.
5	0.0	55	550	950	50	10	0	10
	0.2						2	8
	0.4						4	12
	0.6						6	4
	0.8						8	4
	1.0						10	4
10	0.0			900	100		0	8
	0.2						2	7
	0.4						4	6
	0.6						6	5
	0.8						8	4
	1.0						10	3

CA substitution (%)	Acc. 2 Dosage (%)	Table flow(mm)		Compressive strength(MPa)
		Steady	Vibrated	4 hr	7 day	28 day
5	0.0	105	183	Not hardened in 4 hr.
	0.2	105	178
	0.4	105	180
	0.6	107	222
	0.8	107	218
	1.0	108	193
10	0.0	110	230
	0.2	107	175
	0.4	106	178
	0.6	105	180	0.53	0.65
	0.8	105	182	0.54	0.66
	1.0	105	203	0.57	0.70

실험결과를 살펴보면, CA 사용량에 관계없이 촉진제2 첨가율이 증가할수록 테이블 플로의 정치 조건을 만족하는데 사용되는 가소제량은 감소하는 것으로 나타났다. 이는 촉진제2가 하수관거 뒤채움용 속경성 결합재의 반응성을 향상시킨 것에 기인한 결과로 사료된다. 압축강도는 CA 10% 치환하고 촉진제2를 최소 0.6% 이상 첨가한 배합에서 재령 4시간에 급격히 경화되는 것으로 나타났다.

(4) 소결

조기강도 발현을 위한 속경성, 재료유실 방지를 하는 가소성, 좁은 공간에도 쉬운 보수가 가능하도록 하는 유동성, 수중시공을 위한 수중불분리성을 갖춘 하수관거 뒤채움용 속경성 결합재의 최적배합을 도출하기 위하여 위와 같이 실험을 진행하였고, 그 결과로 하수관거 뒤채움용 속경성 결합재의 최적 배합을 표 9와 같이 도출하였다.

weight(g)
FA	CA	Add.	Acc.2
900	100	10	6

그리고 상기한 최적 배합비를 결정한 후, 이 배합비에서 가소제의 양을 결정하기 위한 추가 실험을 진행하였다. 표 10은 실험의 최종 배합사항을 나타낸 것이다. 그리고 표 11은 속경성 결합재 특성 파악 실험의 테이블 플로우 시험결과를 나타낸 것이며, 도 8은 시험결과를 그래프로 나타낸 것이다. 또한 표 12 및 도 9의 그래프는 실험의 압축강도를 나타낸 것이다.

W/M (%)	weight(g)
	W	FA	CA	Add.	Acc.2	Plst.
55	550	900	100	10	6	4.0
60	600					4.5
65	650					5.0
70	700					5.5
80	800					6.0
90	900					7.5
100	1000					8.5

W/M (%)	table flow(mm)
	steady	Vibrated
55	106	193
60	106	192
65	107	191
70	106	199
80	108	216
90	106	218
100	113	250↑

W/M (%)	Compressive strength(MPa)
	4hr	7 day	28 day
55	0.56	0.73	0.86
60	0.64	0.66	0.83
65	0.56	0.58	0.65
70	0.55	0.56	0.58
80	0.20	0.23	0.27
90	0.20	0.23	0.27
100	0.20	0.24	0.23

실험결과를 살펴보면, W/M이 높아질수록 가소제의 첨가량은 증가하는 것으로 나타났다. 재령 4시간 압축강도는 W/M 70% 이하에서 0.55~0.64MPa 범위로 나타났고, W/M 80% 이상에서는 0.20MPa 정도로 나타났다. 재령 7일 압축강도는 W/M 70% 이하에서 0.55~0.73MPa 범위로 나타났고, W/M 80% 이상에서는 0.23~0.24MPa 정도로 나타났다. 이상의 결과로 판단했을 때, 속경성 결합재 페이스트의 W/M을 100% 까지 증가시켜도 가소제 첨가량을 적절히 조정하여 사용하면 요구성능을 만족시키면서 경제성 또한 확보할 수 있을 것으로 사료된다.

위에서 설명한 뒤채움재를 이용하여 하수관거 시공하는 방법을 간략하게 설명한다.

먼저, 하수관이 설치될 위치에서 지반을 굴착하여 오목한 형상의 트렌치를 형성한다. 그리고 트렌치의 바닥부분을 콘크리트 등의 강성이 강한 재료를 타설하여 바닥부를 시공한다. 이후 하수관을 설치한 후, 본 발명에 따른 뒤채움재를 트렌치에 충진한다. 물론 하수관은 뒤채움재에 의하여 매설된다. 특히, 뒤채움재를 충진할 때에는 바이브레이터를 이용하여 진동을 부여하면 뒤채움재의 유동성이 상승되어 뒤채움재 충진 작업의 작업성이 향상된다. 또한, 진동을 멈추면 뒤채움재는 유동성이 저하되어 지반에 균열이 있는 경우라고 하여도 뒤채움재가 균열을 통해 유실되는 문제를 방지할 수 있다. 더욱이, 본 발명에 따른 뒤채움재는 수중불분리성이 우수하여 지하수가 존재하는 조건에서 물/재료의 배합비를 일정하게 유지할 수 있어, 경화 후의 뒤채움재의 강성이 원하는 수준으로 발현될 수 있다는 이점이 있다.

무엇보다도 본 발명에 따른 뒤채움재를 이용한 하수관거 공사의 가장 큰 장점은 공기가 단축된다는 점이다. 즉, 본 발명에 따른 뒤채움재는 초기에 강도가 급격하게 상승하는 바, 예컨대 도로 하부에 하수관을 매설하는 경우에도 차량 통제 기간을 단축시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 뒤채움재를 이용하여 시공된 하수관거는 유지보수에 있어서도 장점이 있다. 즉, 하수관거를 보수하기 위해서는 경화된 뒤채움재를 걷어 내야 하는데, 장기강도가 초기강도와 큰 차이가 없어 뒤채움재를 걷어내는데 용이하다. 그리고 하수관을 매설할 때와 마찬가지로 유지보수가 끝난 후 다시 뒤채움을 할 때에는 강도가 초기에 발현되는 바 차량통제 등 민원을 최소화할 수 있다.

T ... 트렌치 S ... 하수관 B ... 뒤채움재

Claims (11)

1. 칼슘알루미네이트계 또는 칼슘설포알루미네이트계 결합재와, 상기 결합재에 의해 결합되는 필러를 포함하는 주재료와, 상기 주재료에 혼합되는 유동화제와, 상기 주재료에 혼합되는 가소제 및 상기 주재료에 혼합되는 경화촉진제를 구비하는 것을 특징으로 하는 시설물 충진용 뒤채움재.
2. 제1항에 있어서,
   상기 필러는 플라이애시와 시설물 공사 현장에서 굴착에 의해 발생하는 현장토 중 어느 하나 또는 이들을 혼합한 것을 특징으로 하는 시설물 충진용 뒤채움재.
3. 제1항에 있어서,
   상기 가소제는 아크릴계 증점제인 것을 특징으로 하는 시설물 충진용 뒤채움재.
4. 제3항에 있어서,
   상기 아크릴계 증점제는 아크릴산 나트륨 중합체, 메타아크릴산 나트륨 중합체, 아크릴 아마이드 중합체, 가수분해된 아크릴로 니트릴 중합체, 아크릴산 메타아크릴산 공중합체, 아크릴산 아크릴 아마이드 공중합체 중 어느 하나 또는 이들을 혼합한 폴리머 수지인 것을 특징으로 하는 시설물 충진용 뒤채움재.
5. 제1항에 있어서,
   상기 경화촉진제는 칼슘하이드록사이드인 것을 특징으로 하는 시설물 충진용 뒤채움재.
6. 제1항에 있어서,
   상기 칼슘알루미네이트계 또는 칼슘설포알루미네이트계 결합재는 상기 주재료 전체 중 5~20 중량%의 범위로 배합되는 것을 특징으로 하는 시설물 충진용 뒤채움재.
7. 제1항에 있어서,
   상기 유동화제 및 경화촉진제는 주재료 대비 0.1~2 질량%의 범위로 배합되는 것을 특징으로 하는 시설물 충진용 뒤채움재.
8. 제1항에 있어서,
   상기 가소제는 주재료 대비 0.1~3 질량%의 범위로 배합되는 것을 특징으로 하는 시설물 충진용 뒤채움재.
9. 제1항에 있어서,
   상기 칼슘알루미네이트계 또는 칼슘설포알루미네이트계 결합재는 상기 주재료 전체 중 10~20 중량%로 배합되며, 상기 경화촉진제는 칼슘하이드록사이드로서 상기 주재료 대비 0.6~1.0 질량%의 비율로 배합되는 것을 특징으로 하는 시설물 충진용 뒤채움재.
10. 지반을 굴착하여 오목하게 트렌치를 형성하는 단계;
    상기 트렌치에 하수관을 포함하는 시설물을 설치하는 단계; 및
    상기 시설물을 포함한 상태로 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 하나에 기재된 뒤채움재를 상기 트렌치에 충진하여 상기 트렌치를 메우는 단계;를 구비하는 것을 특징으로 하는 시설물 시공방법.
11. 제10항에 있어서,
    상기 뒤채움재를 충진할 때 상기 뒤채움재에 진동을 가하는 것을 특징으로 하는 시설물 시공방법.

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