KR20180083696A - 그라우팅 약액 조성물 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 규산나트륨을 포함하는 겔화제; 및 시멘트 및 탈황석고를 포함하는 결합재를 포함하고, 상기 탈황석고는 황산칼슘(CaSO4) 50중량% 이상이고, 산화칼슘(CaO) 10중량% 이하이며, 잔부는 수산화칼슘(Ca(OH)2)으로 이루어지는 것인 그라우팅 약액 조성물에 관한 것이다.
본 발명에 따르면 종래의 규산나트륨과 시멘트로만 시공했을 때보다 겔-타임(gel-time)을 단축시킬 수 있으며, 재령 3일 미만에서는 조기 강도가 현저하게 높은 그라우팅 약액 조성물을 제공할 수 있다.
또한, 지하수의 흐름이 높은 곳(모래, 자갈 등)에서는 수중불분리성을 부여하여 재료의 유실이나 분리을 막고, 연약지반의 보강에서는 고강도를 낼 수 있어 시공품질을 획기적으로 높일 수 있다.

Description

그라우팅 약액 조성물 및 이의 제조방법{CHEMICAL COMPOSITION FOR GROUTING AND METHOD FOR PREPARING THE SAME}
본 발명은 그라우팅 약액 조성물 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
문명의 발달에 따라 거대한 건축물뿐만 아니라 도로, 철도와 같은 토목공사, 상하수도, 전력구, 통신구 같은 생활시설물이 도심의 지하나 산 또는 하천을 통과해서 선형의 긴 구조물들의 설치가 점점 늘어나고 있다.
과거에는 이러한 선형의 긴 구조물을 설치할 때에는 개착식 공법을 적용하였는데, 이로 인해 환경훼손, 동물들의 이동통로단절, 교통장애, 민원발생, 각종 장애물의 보호에 한계 등의 문제가 발생하였으며, 비용 또한 급격히 상승하였다.
이에 대한 대안으로 비개착식 공법이 연구되었으며, 지표면에 영향을 미치지 않게 하여 기존 구조물이나 장애물의 하부를 터널식으로 통과하는 공법이 개발되었다.
상기와 같은 터널을 시공하기 위해서는 주변의 지반을 차수나 보강을 통해 안정화 시키고 더 큰 하중에 견딜 수 있도록 그라우팅을 실시해야 한다. 상기 그라우팅이란 지반의 특정한 성질을 목적에 부합하도록 개량하기 위해 개량재를 지층에 주입, 침투 시키는 것으로 정의 된다.
그라우팅의 시초는 19세기 초인 1802년 프랑스의 엔지니어 Charless Berigny가 점토와 석회의 현탁액을 자신이 고안한 Percussion pump를 이용하여 Dieppe 항구의 석벽 보강을 위해 사용한 것으로부터 시작된 것으로 알려져 있다.
그 후 영국에서 포틀랜드 시멘트가 개발되면서 비약적으로 발전하였으며, Marcisambard Brunel은 테임즈 터널의 건설에 최초로 포틀랜드 시멘트를 사용하였고, Runstall 댐의 기초 암반 보강과 갱내의 균열을 봉하기 위해 포틀랜드 시멘트를 주입재로 사용하였다.
1887년 독일의 Jeziorsky는 규산나트륨에 염화칼슘을 반응 촉진제로 첨가하여 겔화시간을 제어하는 Two-shot 방법으로 특허를 취득하였으며, 1909년 Dumont와 Lemaire는 규산나트륨에 산을 반응 촉진제로 첨가하여 고결시키는 방법을 발견하여 주입을 One-shot 방법으로 특허를 취득하였다.
1906년 Francois는 규산소다에 황산알미늄을 반응 촉진제로 첨가하여 겔타임을 제어하였고, 독일의 Hans Jahde 교수는 규산나트륨과 시멘트를 혼합한 현탁액을 지반에 주입하는 방법을 고안한 것이 급결재성을 지닌 그라우트의 효시가 되었다.
현재 널리 사용되고 있는 차수공법인 S.G.R(Space Grouting Rocket) 공법에서는 규산소다와 시멘트, 급결제 또는 완결제를 사용하고 있으나, 모래, 자갈층과 같은 투수성 지반에서는 차수효과가 불량하고 강도가 1～10㎏/㎠ 정도로 매우 낮아 지반 보강 목적으로는 사용하지 않고 있는 실정이다.
정유공장 산업 부산물인 탈황석고는 200메쉬(mesh) 통과분 51.3 중량%, 100∼200메쉬 17중량%, 100메쉬 미통과분 32중량%로, 상기 입자크기의 재료를 바로 사용하게 되면 그라우트 제조 후 교반 속도에 따라 침전현상이 일어나 지반보강용으로 부적합하다.
또한, CaO 함량이 높아 탈황석고/물=1/1 조건에서 30분 후 배합온도가 100℃ 이상 발생하여 지반보강용으로 부적합하다.
한편, 시멘트 그라우팅 용액에 계면활성제계 수중불분리제 3 중량%를 첨가하여 수중불분리 특성을 부여하고 있으나, 겔 타임(그라우트를 혼합한 후 서서히 점성이 증가하면서 마침내 유동성을 상실하고 고화(겔화)할 때까지의 소요시간) 효과는 없는 것으로 알려져 있다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그라우팅 주입재로 투수계수가 큰 지반을 개량하고 높은 초기 강도를 낼 수 있는 배합 조성물과 지하수의 흐름이 있는 곳에서 재료의 분리나 유실이 없이 시공이 가능한 수중불분리성을 갖는 배합 조성물로, 빠른 시간 내에 강도가 발현되어 공사비용 절감과 공사기간을 단축시키는 그라우팅 약액 조성물 및 이의 제조방법을 제공하는 데 있다.
또한, 산업 부산물인 탈황석고를 재활용하여 일부 시멘트 대체제로 사용함으로써, 이산화탄소의 배출을 억제하고, 시공에 소요되는 재료비를 절감할 수 있는 그라우팅 약액 조성물 및 이의 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 규산나트륨을 포함하는 겔화제; 및 시멘트 및 탈황석고를 포함하는 결합재를 포함하고, 상기 탈황석고는 황산칼슘(CaSO4) 50중량% 이상이고, 산화칼슘(CaO) 10중량% 이하이며, 잔부는 수산화칼슘(Ca(OH)2)으로 이루어지는 것인 그라우팅 약액 조성물이 제공된다.
상기 탈황석고가 200메쉬(mesh) 통과분 85 내지 95 중량%, 100 내지 200메쉬 통과분 5 내지 15중량%일 수 있다.
상기 결합재가 시멘트 50 내지 90 중량% 및 탈황석고 10 내지 50%를 포함할 수 있다.
상기 규산나트륨은 SiO2와 Na2O의 몰비가 1:1.5 내지 4.5일 수 있다.
상기 그라우팅 약액 조성물은 증점제 1 내지 5중량%를 더 포함할 수 있다.
상기 증점제가 알킬 암모늄 토실레이트 10 내지 40 중량%, 유화보조제 1 내지 10 중량%, 물 50 내지 89 중량%, pH 조절제 0.01 내지 0.1중량% 및 소포제 0.1 내지 0.5중량%를 포함할 수 있다.
상기 알킬 암모늄 토실레이트는 C12 내지 C18인 알킬기를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 또 하나의 실시예에 따르면, 액상 규산나트륨을 물로 희석시켜 A액을 제조하는 단계; 시멘트 50 내지 90 중량% 및 탈황석고 10 내지 50%를 포함하는 결합재를 제조하는 단계; 상기 결합재에 물을 혼합하여 B액을 제조하는 단계; 및 상기 A액과 B액을 혼합하여 겔(gel)화 시키는 단계;를 포함하며, 상기 탈황석고는 황산칼슘(CaSO4) 50중량% 이상이고, 산화칼슘(CaO) 10중량% 이하이며, 잔부는 수산화칼슘(Ca(OH)2)으로 이루어지는 것인 그라우팅 약액 조성물의 제조방법이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 종래의 규산나트륨과 시멘트로만 시공했을 때보다 겔-타임(gel-time)을 단축시킬 수 있으며, 재령 3일 미만에서는 조기 강도가 현저하게 높은 그라우팅 약액 조성물을 제공할 수 있다.
또한, 지하수의 흐름이 높은 곳(모래, 자갈 등)에서는 수중불분리성을 부여하여 재료의 유실이나 분리를 막고, 연약지반의 보강에서는 고강도를 낼 수 있어 시공품질을 획기적으로 높일 수 있다.
또한, 시멘트의 사용량이 줄어 그 속에 함유되어 있는 각종 중금속의 노출이 저감되고, 시멘트의 생산과정에서 발생하는 이산화탄소를 줄이며, 매립 등의 방법으로 처리하는 부산물을 자원화 하는 효과도 기대할 수 있다.
이하, 다양한 실시예를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 규산나트륨을 포함하는 겔화제; 및 시멘트 및 탈황석고를 포함하는 결합재를 포함하고, 상기 탈황석고는 황산칼슘(CaSO4) 50중량% 이상이고, 산화칼슘(CaO) 10중량% 이하이며, 잔부는 수산화칼슘(Ca(OH)2)으로 이루어지는 것인 그라우팅 약액 조성물이 제공된다.
그라우팅에는 한 개의 믹서에서 모든 재료를 혼합하여 한 개의 주입관(또는 호스)을 이용해 지반에 넣는 1.0 shot 방식과 두 개의 믹서에 서로 다른 특성을 지닌 재료를 각각의 주입관(또는 호스)으로 이송한 후 주입 직전에 두 재료를 혼합하여 지반에 넣는 2.0 shot 방식이 있다.
일반적으로 1.0 shot 방식에서는 지하수의 방해가 없는 지반의 주입재로 시멘트를 사용하고, 지하수가 있는 지반에서는 재료의 유실이나 분리를 방지하기 위해서 증점제로 수중불분리성을 갖는 재료를 사용한다.
2.0shot 방식에서는 지하수의 방해가 없는 지반에서는 겔타임 조절제로 규산나트륨과 결합재로는 시멘트를 사용하고, 지하수가 있는 지반에서는 급결성을 촉진하는 금속염화물을 추가해 수 초~수십 초 이내에 겔-타임이 형성되고 수시간 내에 경화가 이루어지게 한다.
이러한 그라우팅은 주입 재료에 따라 시멘트 주입재(결합재)와 약액 주입재(겔화제)로 구분되며, 이 두 가지 주입재료가 서로 혼합되어 수초에서 수분 사이에 겔화되고 경화되는데, 이것을 총칭해 급결재라 부른다.
급결재 그라우트의 조성물에는 겔화를 일으키는 규산나트륨(물유리, 규산소다, 소디움 실리케이트 등으로도 불림)을 기본으로 하여 결합재인 시멘트와 반응 촉진제로 구성되어 사용되고 있다.
본 발명에서 상기 규산나트륨은, 화학식으로 Na2O 및 SiO2 로 구성되는데, 상기 규산나트륨은 SiO2와 Na2O의 몰비가 1:1.5 내지 4.5인 것이 바람직하다. 몰비가 1.5 미만인 경우 겔타임이 지나치게 길어질 수 있고, 4.5 초과하는 경우 겔타임이 지나치게 짧아질 수 있다
상기 규산나트륨을 포함하는 겔화제는 수용액으로 사용할 수 있다. 이때, 상기 겔화제는 규산나트륨과 물의 중량비가 250 내지 350: 100 내지 430인 것이 바람직하다.
상기 규산나트륨의 중량비는 Na2O가 전체 중량의 5 내지 15%이고, 상기 SiO2는 15 내지 45%이며, 물로 희석되면 그 비율이 변할 수 있음은 당연하다.
상기 규산나트륨은, 실리카(SiO2)와 알칼리 금속(X2O, X는 K,Na,Mg,Ca 등)이 다양한 몰비(molar ratio)로 결합하고 있는 가장 오래되고 친근한 무기질 화합물 중의 하나로서. 일반적으로 구조 내에 일부 물을 함유하고 있기 때문에 X2O-nSiO2-xH2O의(n은 SiO2의 몰수, x는 H2O의 몰수)분자식으로 표현된다.
물에 대한 용해성이 좋아 물유리라고도 불리우며, 상기 물에 용해된 규산나트륨은 실리카 대 알칼리금속의 몰비와 용액의 농도에 따라 다양한 특성을 나타내며 다양한 용도로 사용되고 있다.
겔화의 원리를 살펴보면, 상기 규산나트륨은 단일 화합물은 아니며, SiO2(실리카)와 Na2O(산화나트륨)이 다양한 비율로 결합한 것으로, 분자식으로는 Na2O-nSiO2(n은 몰수)로 나타낸다. n은 몰수로 n = 0.5 ~ 4의 범위가 적합하다.
여기서, n이 1 이하의 것은 결정성 규산나트륨이라 하며, n이 1 이상인 것은 비정질 규산나트륨이라 한다. 상기 규산나트륨은 상기 몰수에 의해 1호, 2호, 3호, 4호로 구분되며, 일반적으로 약액 주입의 겔화제로 사용되는 것은 3호이나 특수한 경우에 2호, 4호가 사용되는 경우도 있다.
상기 규산나트륨이 탈황석고에서 공급되는 Ca2 +와 치환되어 고분자의 중합체 구조를 만들어 겔화가 이루어진다. 보다 구체적으로 규산나트륨의 나트륨(Na)과 탈황석고의 칼슘(Ca)이 치환되어 2가인 칼슘은 사슬구조를 형성할 수 있기에 고분자화가 진행되어 종국에는 겔화가 이루어 진다.
본 발명에서 상기 탈황석고는 황산칼슘(CaSO4) 50중량% 이상이고, 산화칼슘(CaO) 10중량% 이하이며, 잔부는 수산화칼슘(Ca(OH)2)으로 이루어지는 것일 수 있다.
급결성과 조기강도를 부여하는 탈황석고의 조성으로 황산칼슘(CaSO4)은 무수, 반수 및 이수화물도 가능하며, 그 함량이 50 중량% 이상인 것이 바람직하다.
상기 탈황석고의 성분 중 산화칼슘(CaO)의 함량은 10중량% 이하인 것이 바람직하다. 그 이유는 재료의 혼합 과정에서 CaO + H2O → Ca(OH)2로 화학적 변화가 일어나는데 수화에너지(산화물이 수산화물로 바뀔 때 나오는 발열 에너지)가 발생되어 그라우트의 온도를 상승시키는 요인으로 작용하며, 이로 인해 약액 조성물의 특성이 변하게 되는 결정적 원인이 되며 온도가 높으면 그라우트가 즉시 경화되어 작업시간을 확보할 수 없게 된다.
일반적으로 발전소나 원유 정제 과정의 탈황설비에서 부산물로 발생되는 순환자원인 탈황석고의 화학적 성분은 산화칼슘의 비율이 30~50중량% 정도를 차지하므로 이것을 수산화칼슘으로 변환해서 사용하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 탈황석고의 입도는 200메쉬(mesh) 통과분 85 내지 95중량%, 100 내지 200메쉬 통과분 5 내지 15중량% 인 것이 바람직하다.
통상 탈황석고의 평균 입도는 200메쉬 이상이 40~60중량% 200~150메쉬 20~30 중량%, 150메쉬 이하가 20~30중량%이다. 상기 입자크기의 재료를 바로 사용하게 되면 그라우트 제조 후 교반 속도에 따라 침전현상이 일어난다.
물론 교반 속도를 높여 침전을 예방할 수는 있으나, 주입을 위해 이송관을 지날 때 결국은 주입관에 쌓이게 돼 그라우트의 이송을 방해하고, 압력을 높여 이송관이 파손될 수 있을 뿐만 아니라, 지반 속으로 주입이 원활하게 이루어지지 않으므로 지반보강 효과도 기대할 수 없다.
그러나 입자크기를 너무 낮추면 작업성과 주입성은 좋아지나 재료비의 상승을 가져오는 요인이 되므로 과도하게 입자크기를 낮게 할 필요는 없다.
따라서, 입자크기의 선별이나 분쇄 공정을 거친 후 공정에 영향을 주지 않는 수준인 200메쉬(mesh) 통과분 85 내지 95중량%, 100 내지 200메쉬 통과분 5 내지 15중량%로 포함되는 것이 바람직하다.
상기 탈황석고의 분쇄방법은 특별하게 한정하는 것은 아니며, 예를 들어 레몬드 밀, 볼밀, 진동 밀 및 버티칼 밀 중에서 선택된 1종 이상의 분쇄기로 수행될 수 있다.
상기 결합재는 시멘트 50 내지 90 중량% 및 탈황석고 10 내지 50%를 포함할 수 있으며, 바람직하게는 시멘트 75 내지 85 중량% 및 탈황석고 15 내지 25 중량%를 포함할 수 있다.
상기 시멘트와 탈황석고의 혼합 비율에 따라 겔-타임과 조기강도의 변화가 나타나며, 시멘트 50 내지 90 중량% 및 탈황석고 10 내지 50%를 포함할 때 조강성이 있는 재료적 가치가 있다.
상기 시멘트의 종류는 특별하게 한정하는 것은 아니며, 예를 들어 포틀랜드 시멘트, 고로 슬래그 시멘트 및 플라이애쉬 시멘트 중에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다.
한편, 지하수의 흐름이 있는 현장에서는 수중불분리성이 중요한 품질 기준이 되고 있다. 본 발명에서는 수중불분리성을 위해 계면활성제계 증점제를 포함할 수 있다.
수중불분리성의 기능을 갖는 재료의 효시는 1974년 독일에서 개발되었으며 점성이 있는 고분자를 첨가하여 그라우트에 높은 점성을 부여하여 재료의 분리나 유실을 방지하였다.
이러한 점성을 갖는 고분자로는 셀룰로스 에테르계와 아크릴계의 수용성 고분자와 같은 분말형 증점제를 들 수 있다. 그러나, 이러한 분말형 증점제는 그라우트와 혼합되어 증점이 이루어질 때까지 많은 시간이 필요하고, 긴 시간의 교반으로 인해 기포가 발생하며 유동성이 부족하다. 따라서, 고분자계 증점제를 사용할 때는 유동화제와 소포제를 추가로 혼합 사용하였다.
본 발명은 증점제로 물에 대한 친화력이 좋고, 점탄성을 갖는 계면활성제계 증점제를 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 계면활성제계 증점제를 그라우트에 혼합하면 수 초 후에 증점을 일으킬 수 있으며, 유동화제나 소포제를 별도로 추가하지 않아도 그 기능을 유지할 수 있어 보다 바람직하다.
이러한 계면활성제계 증점제는 알킬 암모늄 토실레이트를 포함하는 것이 보다 바람직하다. 상기 알킬 암모늄 토실레이트는 C12 내지 C18인 알킬기를 포함하는 것일 수 있다.
상기 증점제는 알킬 암모늄 토실레이트와 함께 유화보조제, pH 조절제 및 소포제를 더 포함할 수 있다. 이들을 포함하는 경우에는 상기 알킬암모늄 트실레이트 10 내지 40 중량%, 유화보조제 1 내지 10 중량%, 물 50 내지 89 중량%, pH 조절제 0.01 내지 0.1중량% 및 소포제 0.1 내지 0.5중량%의 함량을 가질 수 있다.
상기 알킬 암모늄 토실레이트 함량이 10 중량% 미만이면, 증점 효과가 나타나지 않을 수 있고, 40 중량% 초과하면 제품 제조시 페이스트상이 되어 분리가 발생하여 균질한 제품의 제조가 어려울 수 있다.
상기 유화보조제는 특별하게 한정하는 것은 아니며 예를 들어 글리콜에테르류, 글리콜류 및 알코올류 등을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 글리콜에테르류를 사용할 수 있다. 상기 유화보조제는 1 내지 10 중량%로 포함되는 것이 바람직하며 1 중량% 미만이면, 유화 효과가 나타나지 않을 수 있고, 10 중량% 초과하면 제품 가격이 상승하여 가격 경쟁력이 저하될 수 있다.
또한 본 발명에서 사용되는 pH 조절제는 금속염화물 및 금속수산화물 등을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 수산화칼륨을 사용할 수 있다.
상기 소포제는 비이온실리콘류 및 약 음이온 실리콘류 등을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 비이온 실리콘 에멀젼을 사용할 수 있다.
상기 증점제는 1 내지 5 중량%로 포함되는 것이 바람직하며, 상기 증점제를 포함하는 그라우팅 약액 조성물은 지반에 주입 후 30~60분이 경과하면 겔화가 일어나므로, 따라서 그라우팅 작업 시간을 확보할 수 있다. 나아가, 지반에 주입 후 겔화가 일어난 후에는 유동성이 상실되어 재료가 한정된 공간에 머무르게 할 수 있다.
또한, 증점제를 첨가하면 해수나 담수에서 3.0%의 희석액으로 1,000 ~ 10,000 mPa.s의 점도(20℃)를 갖도록 할 수 있다. 이에 따라 그라우트의 점도가 상승하여 물속에서 재료의 분리나 희석을 방지할 수 있다.
본 발명의 다른 또 하나의 실시예에 따르면, 액상 규산나트륨을 물로 희석시켜 A액을 제조하는 단계; 시멘트 50 내지 90 중량% 및 탈황석고 10 내지 50%를 포함하는 결합재를 제조하는 단계; 상기 결합재에 물을 혼합하여 B액을 제조하는 단계; 및 상기 A액과 B액을 혼합하여 겔(gel)화 시키는 단계;를 포함하며, 상기 탈황석고는 황산칼슘(CaSO4) 50중량% 이상이고, 산화칼슘(CaO) 10중량% 이하이며, 잔부는 수산화칼슘(Ca(OH)2)으로 이루어지는 것인 그라우팅 약액 조성물의 제조방법이 제공된다.
한편, 본 발명의 그라우팅 약액 조성물의 성분 및 함량에 대한 설명은 상기에서 설명한 바와 같으므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.
상기와 같이 본 발명에 따른 그라우팅 약액 조성물은 차수와 지반 보강을 위한 그라우팅 주입재, 네일 또는 앵커, 락볼트를 고정하기 위한 그라우팅 주입재, 세미쉴드로 터널을 굴착할 때 전면에 존재하는 사석들을 주변 토양과 고강도로 일체화를 시키기 위한 그라우팅 주입재 및 굴진이나 굴착 후의 배면을 충진하는 뒷채움재등 다양한 용도로 사용될 수 있다.
이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예
실시예 1: 2.0 shot 방식에서 시멘트와 탈황석고의 함량에 따른 초기 강도 측정
시멘트와 탈황석고의 중량비를 변화시키고 하기 표 3에 나타난 조성으로 그라우팅 약액 조성물을 제조하여, 강도를 측정하였다.
No A액 B액 강도(㎏/㎠) 겔-타임
(초)
규산
나트륨
(g)		 물
(g)		 결합재총량
(g)		 시멘트와
탈황석고의
비율(%)		 물
(g)		 4시간 1일 3일 7일
1 350 250 500 90:10 350 42.1 48.4 53.6 56.1 15
2 350 250 500 80:20 350 44.8 63.7 69.8 74.8 16
3 350 250 500 70:30 350 43.5 57.1 66.8 71.3 28
4 350 250 500 60:40 350 42.6 55.4 56.3 66.7 25
5 350 250 500 50:50 350 39.9 44.0 49.4 54.2 22
6 350 250 500 100:0 350 1.8 22.7 48.2 101.0 55
7 350 250 430 90:10 364 10.9 15.3 29.6 50.4 14
8 350 250 430 80:20 364 37.8 55.2 58.1 60.8 15
9 350 250 430 70:30 364 28.4 46.8 49.8 56.0 27
10 350 250 430 60:40 364 24.2 45.9 49.1 51.4 24
11 350 250 430 50:50 364 20.4 36.0 38.3 42.8 21
12 350 250 430 100:0 364 1.2 8.0 44.7 97.2 54
13 350 250 380 90:10 380 11.2 14.3 22.5 79.8 34
14 350 250 380 80:20 380 29.6 36.4 41.5 43.1 31
15 350 250 380 70:30 380 25.4 32.3 39.9 41.0 28
16 350 250 380 60:40 380 23.6 28.6 36.7 40.8 26
17 350 250 380 50:50 380 22.8 23.8 33.1 39.6 19
18 350 250 380 100:0 380 1.6 12.8 29.8 51.8 60
표 1을 참조하면, 탈황석고를 포함하는 No. 1 내지 5, 7 내지 11 및 13 내지 17은 재령 3일 강도까지는 탈황석고가 혼합된 시편에서 시멘트만 사용한 시편에 비해서 현저히 높고, 재령 7일 이후부터는 시멘트만 사용한 경우가 높게 나타났으며, 탈황석고의 혼합비율은 중량비로 20%에서 가장 높은 강도가 발현되었다.
반면, 탈황석고를 포함하지 않는 No. 6, 12 및 18의 강도는 재령 3일 이후에 급격히 상승하는 현상이 나타났으나 재령 3일 이전에는 강도발현이 더디게 나타나는 것을 확인할 수 있다.
실시예 2: 2.0 shot 방식에서 탈황석고의 조성비율에 따른 그라우트의 온도 변화 측정
탈황석고의 조성비율을 변화시키고, 하기 표 2와 같은 조성으로 그라우팅 약액 조성물을 제조하여, 그라우트의 온도 변화를 측정하였다.
No A액 B액 그라우트
온도
(℃)		 비 고
규산
나트륨
(g)		 물
(g)		 결합재
총량
(g)		 결합재 혼합 내용 물
(g)
시멘트와
탈황석고
비율(%)		 탈황석고의
조성 비율
(%)
19 350 250 430 70:30 50:50:0 364 31.7 비교예
20 350 250 430 70:30 50:40:10 364 29.4 비교예
21 350 250 430 70:30 50:30:20 364 27.0 비교예
22 350 250 430 70:30 50:20:30 364 24.7 비교예
23 350 250 430 70:30 50:10:40 364 22.3 발명예
24 350 250 430 70:30 50:0:50 364 20.1 발명예
25 350 250 380 80:20 50:50:0 380 26.4 비교예
26 350 250 380 80:20 50:40:10 380 25.1 비교예
27 350 250 380 80:20 50:30:20 380 23.8 비교예
28 350 250 380 80:20 50:20:30 380 21.6 발명예
29 350 250 380 80:20 50:10:40 380 20.8 발명예
30 350 250 380 50:50 50:50:0 380 34.4 비교예
31 350 250 380 50:50 50:40:10 380 31.5 비교예
32 350 250 380 50:50 50:30:20 380 28.6 비교예
33 350 250 380 50:50 50:20:30 380 25.8 비교예
34 350 250 380 50:50 50:10:40 380 22.9 발명예
35 300 300 330 70:30 50:50:0 364 37.5 비교예
36 300 300 430 70:30 50:0:50 364 20.3 발명예
37 250 350 380 50:50 50:50:0 380 34.2 비교예
38 250 350 380 50:50 50:0:50 380 20.3 발명예
39 350 250 430 100:0 - 364 20.1 비교예
40 350 250 380 100:0 - 380 20.3 비교예
41 300 300 380 100:0 - 364 20.2 비교예
※ 탈황석고의 조성 비율은 CaSO4 : CaO : Ca(OH)2
일반적으로 그라우트 시공에 있어 온도가 너무 높으면 양생과정에서 팽창에 의한 균열이 발생하고, 너무 낮으면 양생이 되지 않으므로 그라우트의 시공 기준은 5 ~34℃로 규정하고 있다.
상기 표 2를 참조하면, 산화칼슘(CaO)의 함량에 따라 그라우트의 온도가 변화하고, 시멘트만을 사용했을 경우 W/C(water/cement의 무게 중량 비율)에 따른 변화는 거의 없고 그라우트(B액 + 물)에 사용되는 물의 온도에만 의존하는 것을 확인할 수 있다.
또한, 본 발명의 시멘트와 본원발명에 따른 탈황석고의 함량비를 모두 만족하는 No.23, 24, 28, 29, 34, 36 및 38의 그라우팅 약액 조성물은 그라우트의 온도변화가 크지 않음을 확인할 수 있다.
실시예 3: 2.0 shot 방식에서 탈황석고의 입자크기에 따른 그라우트의 침전비율 측정
탈황석고의 입자크기를 변화시키고 하기 표 3에 나타난 조성으로 그라우팅 약액 조성물을 제조하여, 그라우트의 침전비율을 측정하였다.
No A액 B액 그라우트
침전비율
(%)		 비 고
규산
나트륨
(g)		 물
(g)		 결합재
총량
(g)		 결합재 혼합내용 (g) 물
(g)
시멘트와
탈황석고의
비율(%)		 탈황석고
입자
(mesh)
42 350 250 430 70:30 100 364 35.6 비교예
43 350 250 430 70:30 150 364 30.3 비교예
44 350 250 430 70:30 200 364 3.8 발명예
45 350 250 430 70:30 250 364 2.2 발명예
46 350 250 380 80:20 100 380 37.4 비교예
47 350 250 380 80:20 150 380 30.0 비교예
48 350 250 380 80:20 200 380 3.9 발명예
49 350 250 380 80:20 250 380 3.2 발명예
50 350 250 380 50:50 100 380 57.6 비교예
51 350 250 380 50:50 150 380 53.9 비교예
52 350 250 380 50:50 200 380 4.7 발명예
53 350 250 380 50:50 250 380 3.9 발명예
54 300 300 430 70:30 200 364 4.3 발명예
55 300 300 430 70:30 200 364 4.8 발명예
56 300 300 380 80:20 200 380 4.0 발명예
57 250 350 380 80:20 200 500 3.8 발명예
58 350 250 430 100:0 - 364 3.2 비교예
59 350 250 380 100:0 - 380 3.8 비교예
60 300 300 430 100:0 - 364 3.3 비교예
61 300 300 430 100:0 - 380 3.5 비교예
62 250 350 430 100:0 - 500 4.6 비교예
그라우트는 미세한 분말 재료를 물에 분산시킨 약액으로 그 입자크기에 따라 시공성이나 지반의 침투성이 결정된다. 특히 그라우트를 주입하는 호스가 작게는 10㎜~25㎜ 사이를 주로 사용하므로 재료로 사용되는 입자크기의 품질관리는 매우 중요하다.
상기 표 3을 참조하면, 또한, 본 발명의 따른 시멘트와 탈황석고의 함량비를 만족하고 탈황석고의 입자크기가 200mesh 이하가 되는 No. 44, 45, 48, 49 및 52 내지 57의 그라우팅 약액 조성물은 현재 일반적으로 사용되는 시멘트의 침전율과 비슷하여, 주입하는 호스의 막힘 현상 없이 원활하게 작업할 수 있는 입자크기가 됨을 확인할 수 있다.
실시예 4: 1.0 shot 방식에서 탈황석고의 조성비율에 따른 그라우트의 온도 변화 및 팽창성 측정
1.0 shot의 실시예로 탈황석고의 조성비율을 변화시키고, 증점제를 첨가하여 하기 표 4에 나타난 조성으로 그라우팅 약액 조성물을 제조하고, 그라우트 온도 및 팽창성을 측정하였다.
No 결합재
총량(g)		 결합재 혼합내용(g) 물(g) 증점제
(g)		 그라우트
온도()		 팽창성 비 고
시멘트와 탈황석고
비율(%)		 탈황석고의
조성비율(%)
63 100 90:10 50:50:0 50 1.5 23 없음 비교예
64 100 90:10 50:40:10 50 1.5 23 없음 비교예
65 100 90:10 50:30:20 50 1.5 22 없음 비교예
66 100 90:10 50:20:30 50 1.5 22 없음 비교예
67 100 90:10 50:10:40 50 1.5 21 없음 발명예
68 100 90:10 50:5:45 50 1.5 20 없음 발명예
69 100 90:10 50:0:50 50 1.5 20 없음 발명예
70 100 80:20 50:50:0 60 1.8 26 팽창 비교예
71 100 80:20 50:40:10 60 1.8 25 팽창 비교예
72 100 80:20 50:30:20 60 1.8 25 팽창 비교예
73 100 80:20 50:20:30 60 1.8 24 없음 비교예
74 100 80:20 50:10:40 60 1.8 22 없음 발명예
75 100 80:20 50:5:45 60 1.8 21 없음 발명예
76 100 80:20 50:0:50 60 1.8 20 없음 발명예
77 100 70:30 50:50:0 70 2.1 28 팽창 비교예
78 100 70:30 50:40:10 70 2.1 27 팽창 비교예
79 100 70:30 50:30:20 70 2.1 26 팽창 비교예
80 100 70:30 50:20:30 70 2.1 25 팽창 비교예
81 100 70:30 50:10:40 70 2.1 22 없음 발명예
82 100 70:30 50:5:45 70 2.1 21 없음 발명예
83 100 70:30 50:0:50 70 2.1 20 없음 발명예
84 100 60:40 50:50:0 80 2.4 26 팽창 비교예
85 100 60:40 50:40:10 80 2.4 25 팽창 비교예
86 100 60:40 50:30:20 80 2.4 24 팽창 비교예
87 100 60:40 50:20:30 80 2.4 23 팽창 비교예
88 100 60:40 50:10:40 80 2.4 22 없음 발명예
89 100 60:40 50:5:45 80 2.4 21 없음 발명예
90 100 60:40 50:0:50 80 2.4 20 없음 발명예
91 100 50:50 50:50:0 90 2.7 29 팽창 비교예
92 100 50:50 50:40:10 90 2.7 27 팽창 비교예
93 100 50:50 50:30:20 90 2.7 25 팽창 비교예
94 100 50:50 50:20:30 90 2.7 24 팽창 비교예
95 100 50:50 50:10:40 90 2.7 22 없음 발명예
96 100 50:50 50:5:45 90 2.7 21 없음 발명예
97 100 50:50 50:0:50 90 2.7 20 없음 발명예
98 100 100:0 - 50 1.5 20 없음 비교예
99 100 100:0 - 60 1.8 20 없음 비교예
100 100 100:0 - 70 2.1 20 없음 비교예
101 100 100:0 - 80 2.4 20 없음 비교예
102 100 100:0 - 90 2.7 20 없음 비교예
103 100 100:0 - 100 3.0 20 없음 비교예
※ 탈황석고의 조성 비율은 CaSO4 : CaO : Ca(OH)2
상기 표 4를 참조하면, 본 발명의 시멘트와 탈황석고의 함량비 및 탈황석고의 함량비를 모두 만족하는 No. 67 내지 69, 74 내지 76, 81 내지 83, 88 내지 90, 95 내지 97의 그라우팅 약액 조성물은 그라우트의 온도변화가 크지 않고 팽창성도 없음을 확인할 수 있다.
실시예 5: 1.0 shot 방식에서 시멘트와 탈황석고의 함량에 따른 강도측정
1.0 shot의 실시예로 시멘트와 탈황석고의 함량을 변화시키고, 증점제를 첨가하여 하기 표 5에 나타난 조성으로 그라우팅 약액 조성물을 제조하고, 강도를 측정하였다.
No 결합재
총량
(g)		 탈황석고(g) 물(g) 증점제
(g)		 강도(kg/㎠, 일)
시멘트와
탈황석고비율(%)		 탈황석고의
조성비율(%)
1 3 7 28
104 100 90:10 50:5:45 50 1.5 42 135 245 285
105 100 80:20 50:5:45 50 1.5 65 140 240 250
106 100 70:30 50:5:45 50 1.5 50 120 220 210
107 100 60:40 50:5:45 50 1.5 40 110 210 200
108 100 50:50 50:5:45 50 1.5 35 100 150 160
109 100 90:10 50:5:45 60 1.8 50 110 230 240
110 100 80:20 50:5:45 60 1.8 70 120 220 225
111 100 70:30 50:5:45 60 1.8 63 115 220 230
112 100 60:40 50:5:45 60 1.8 85 110 215 220
113 100 50:50 50:5:45 60 1.8 75 105 210 215
114 100 90:10 50:5:45 70 2.1 35 85 155 180
115 100 80:20 50:5:45 70 2.1 50 90 160 170
116 100 70:30 50:5:45 70 2.1 41 80 138 153
117 100 60:40 50:5:45 70 2.1 33 70 118 137
118 100 50:50 50:5:45 70 2.1 30 65 98 125
119 100 90:10 50:5:45 80 2.4 32 50 120 169
120 100 80:20 50:5:45 80 2.4 38 60 125 155
121 100 70:30 50:5:45 80 2.4 30 50 75 120
122 100 60:40 50:5:45 80 2.4 25 45 70 110
123 100 50:50 50:5:45 80 2.4 23 34 65 90
124 100 90:10 50:5:45 90 2.7 23 46 87 105
125 100 80:20 50:5:45 90 2.7 25 50 90 103
126 100 70:30 50:5:45 90 2.7 20 38 78 98
127 100 60:40 50:5:45 90 2.7 14 27 69 90
128 100 90:10 50:5:45 100 3.0 18 39 60 90
129 100 80:20 50:5:45 100 3.0 20 45 55 81
130 100 70:30 50:5:45 100 3.0 10 15 43 54
2.0 shot 방식의 초기강도 측정과 같이 본 발명의 시멘트와 탈황석고의 중량비, 탈황석고의 함량을 모두 만족하는 경우 우수한 초기강도를 나타내는 것을 확인할 수 있다.
실시예 6: 1.0 shot 방식에서 시멘트와 탈황석고의 함량, 규산나트륨 및 증점제의 함량에 따른 겔타임 측정
1.0 shot의 실시예로 시멘트와 탈황석고의 중량비, 증점제 및 규산나트륨 사용량을 변화시키고 하기 표 6에 나타난 조성으로 그라우팅 약액 조성물을 제조하고, 수중불분리 현상 및 겔타임을 관찰하였다.
No W/C
 증점제
(g)		 규산나트륨
(g)		 수중
불분리		 겔타임
(분)
131 50 1.5 2 O 45～60분
132 50 2.0 2 O 45～60분
133 50 2.5 2 O 45～60분
134 50 1.5 3 O 30～45분
135 50 2.0 3 O 30～45분
136 50 2.5 3 O 30～45분
137 75 2.25 7 O 30～60 분
138 75 3.0 7 O 30～60 분
139 75 3.75 7 O 30～60 분
140 100 3.0 9 O 30～60 분
141 100 4.0 9 O 30～60 분
142 100 5.0 9 O 30～60 분
상기 표 6을 참조하면, 본 발명에 따른 그라우팅 약액 조성물은 수중불분리 현상이 일어나는 것을 확인할 수 있다. 또한, 30~60분의 겔타임을 가지는 것을 확인할 수 있으며 이를 통해 작업 시간을 확보할 수 있음을 알 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.

Claims (8)

  1. 규산나트륨을 포함하는 겔화제; 및
    시멘트 및 탈황석고를 포함하는 결합재를 포함하고,
    상기 탈황석고는 황산칼슘(CaSO4) 50중량% 이상이고, 산화칼슘(CaO) 10중량% 이하이며, 잔부는 수산화칼슘(Ca(OH)2)으로 이루어지는 것인 그라우팅 약액 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탈황석고가 200메쉬(mesh) 통과분 85 내지 95 중량 %, 100 내지 200메쉬 통과분 5 내지 15 중량% 인 것을 특징으로 하는 그라우팅 약액 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 결합재가 시멘트 50 내지 90 중량% 및 탈황석고 10 내지 50%를 포함하는 것을 특징으로 하는 그라우팅 약액 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 규산나트륨은 SiO2와 Na2O의 몰비가 1:1.5 내지 4.5인 것을 특징으로 하는 그라우팅 약액 조성물.
  5. 제1항에 있어서,
    증점제 1 내지 5중량%를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 그라우팅 약액 조성물.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 증점제가 알킬 암모늄 토실레이트 10 내지 40 중량%, 유화보조제 1 내지 10 중량%, 물 50 내지 89 중량%, pH 조절제 0.01 내지 0.1중량% 및 소포제 0.1 내지 0.5중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 그라우팅 약액 조성물.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 알킬 암모늄 토실레이트는 C12 내지 C18인 알킬기를 포함하는 것을 특징으로 하는 그라우팅 약액 조성물.
  8. 액상 규산나트륨을 물로 희석시켜 A액을 제조하는 단계;
    시멘트 50 내지 90 중량% 및 탈황석고 10 내지 50%를 포함하는 결합재를 제조하는 단계;
    상기 결합재에 물을 혼합하여 B액을 제조하는 단계; 및
    상기 A액과 B액을 혼합하여 겔(gel)화 시키는 단계;를 포함하며,
    상기 탈황석고는 황산칼슘(CaSO4) 50중량% 이상이고, 산화칼슘(CaO) 10중량% 이하이며, 잔부는 수산화칼슘(Ca(OH)2)으로 이루어지는 것인 그라우팅 약액 조성물의 제조방법.
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