KR20180106675A - Bp 부산물을 활용한 공동 충전용 팽창 슬러지 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 싱크홀, 터널 배면, 폐갱구 등 지하공동부를 그라우팅 공법에 의해 밀실하게 충전하기 위한 팽창 슬러지 조성물에 관한 것으로, 자세하게는 BP 부산물, 제지 애쉬 및 수경성 무기바인더로 구성되어 물과 혼합됨에 따라 셀프레벨링 성능이 발현되어 공동부 틈새까지 충전되며, 경화과정에서 BP 부산물과 제지 애쉬가 반응하여 발포하면서 팽창·경화되어 충전이 곤란한 공동부 폐쇄 상부까지 압밀하여 채워질 뿐만 아니라, 주변의 교란된 토양에 적정량의 팽창압력을 작용시켜 밀실한 충전이 이루어지도록 하는 BP 부산물을 활용한 공동 충전용 팽창 슬러지 조성물에 관한 것이다.

Description

BP 부산물을 활용한 공동 충전용 팽창 슬러지 조성물{EXPANDABLE SLUDGE COMPOSITION FOR FILLING CAVITIES USING PB BYPRODUCT}

본 발명은 싱크홀, 터널 배면, 폐갱구 등 지하공동부를 그라우팅 공법에 의해 밀실하게 충전하기 위한 팽창 슬러지 조성물에 관한 것으로, 자세하게는 BP 부산물, 제지 애쉬 및 수경성 무기바인더로 구성되어 물과 혼합됨에 따라 셀프레벨링 성능이 발현되어 공동부 틈새까지 충전되며, 경화과정에서 BP 부산물과 제지 애쉬가 반응하여 발포하면서 팽창·경화되어 충전이 곤란한 공동부 폐쇄 상부까지 압밀하여 채워질 뿐만 아니라, 주변의 교란된 토양에 적정량의 팽창압력을 작용시켜 밀실한 충전이 이루어지도록 하는 BP 부산물을 활용한 공동 충전용 팽창 슬러지 조성물에 관한 것이다.

그라우팅(Grouting) 공법이란 느슨한 상태의 토립자의 공간이나 깨어지거나 균열된 콘크리트나 암반 등의 틈 사이의 공간을 매울 수 있는 충진제나, 깨어지고 균열된 부분을 접착시킬 수 있는 접착제 등을 강제, 또는 중력을 이용해서 주입시키는 공법을 칭한다. 그라우팅 재료로 통상 시멘트 페이스트를 많이 이용하며 주로 토립자 사이의 공극을 메워 지반을 보강하여 지내력을 확보하거나 사면을 안정시키는 등의 용도로 활용하게 된다.

이를 위해 보통 포틀랜드 시멘트와 팽창성 혼화제, 유동화제 및 세골재 등을 적절히 배합한 무수축 그라우트 조성물과, 압축강도 증진을 목적으로 초미립 층진재나 활성 실리카 등을 첨가하는 방법 등이 알려졌으며, 보통 포틀랜드 시멘트를 주재료로 하는 무수축 그라우트 조성물은 무수축성을 위해 석회계 혹은 칼슘 설포 알루미네이트와 무수석고 및 유리 생석회로 이루어진 CSA계의 팽창재를 사용하는 것이 필수로 이들 팽창재의 특성에 따라 그라우트 조성물의 물성이 크게 영향을 받는다.

이때 석회계 내지 CSA계 팽창재는 빠른 수화활성을 가져 쉽게 풍화하는 등 품질 안정성의 확보가 어렵고 수중 양생일 때에 비해 기중 양생에서 수축보상 및 팽창효과가 저하되는 문제점이 있으며, 팽창재의 과도한 사용이 팽창에 의한 공극의 증대로 인하여 균열 및 강도의 저하 등으로 이어지는 문제가 있다.

또한, 고강도를 실현하기 위해 초속경 시멘트를 사용하거나, 칼슘 알루미네이트(3CaO·Al2O3) 함량을 높인 시멘트를 사용하기도 하나 작업시간이 매우 짧아 국소 부위의 충진, 보수 등에 그 사용범위가 한정되어 있다.

또한, 벤토나이트 등과 같은 일부 주원료의 가격이 비쌀 뿐만 아니라, 균일하게 분산 및 체적팽창하기 어려워 공극 충진 효과가 저하와 지반침하를 위한 적절한 강도를 얻을 수 없는 문제가 있었다.

한국공개특허 제10-1638084호(2016.07.04)

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 지하 공동부 등에 주입완료 후 경화과정 중 5% 이상 체적팽창하여 폐쇄상부 등 미주입부까지 밀실하게 충전할 수 있고 공동부 주변의 교란된 토양을 압밀함으로써 지반을 더욱 강화시키는 BP 부산물을 활용한 공동 충전용 팽창 슬러지 조성물을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 주입된 충전제가 경화되어 소정의 강도를 발현(일축 압축강도 0.2~2.0MPa)함으로써 지반침하 등을 방지하면서도 강도가 과도하게 높지 않아 재굴착 등이 용이한 BP 부산물을 활용한 공동 충전용 팽창 슬러지 조성물을 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 위해 본 발명은 BP 부산물과 제지애쉬로 구성된 무기팽창제 100 중량부에 대하여, 수경성무기바인더 20 내지 100 중량부를 혼합하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이때 상기 BP 부산물은 수산화나트륨 성분이 8wt% 이상이며, 전체 무기팽창제에 대하여 10 ~ 50%로 함유되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 수경성무기바인더는 보통 포틀랜드 시멘트, 슬래그 시멘트, 플라이애쉬 시멘트, 고로슬래그 미분말, 플라이애쉬, 탈황석고로 이루어진 군으로부터 단독 또는 혼합 사용되는 것이 바람직하다.

본 발명의 팽창 슬러지는 유동성이 우수하여 공동부 구석구석까지 용이하게 채워질 뿐 아니라, 경화과정 중 발포시 체적을 팽창하며 미 주입부분에도 완전한 충진이 이루어질 수 있다.

특히 슬러지가 경화되면서 체적 팽창하여 공동부 주변의 교란된 토양을 밀실하게 다져주고, 주입된 슬러지가 다져진 흙 이상의 강도를 발현하여 지반침하를 방지할 수 있으며, 경화된 슬러지의 강도가 과도하게 높지 않아 향후 재굴착 작업 등이 용이하다.

또한, 무기물로만 구성되어 친환경적이며 산업부산물을 대량 활용하여 경제적이며, 황토색의 BP 부산물을 사용함으로 지반과 유사한 색상 발현이 가능하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명 BP 부산물을 활용한 공동 충전용 팽창 슬러지 조성물의 구성을 구체적으로 설명한다.

본 발명은 BP 부산물과 제지애쉬로 구성된 무기팽창제 100 중량부에 대하여, 수경성무기바인더 20 내지 100 중량부를 혼합하여 이루어지게 된다. 이때 상기 BP 부산물은 수산화나트륨 성분이 8wt% 이상으로 전체 무기팽창제에 대하여 10 ~ 50%로 함유된다.

이때 BP 부산물이란, 보오크사이트로부터 베이어프로세스법에 의해 산화알루미늄, 수산화알루미늄을 추출한 후 발생하는 부산물로, 적색 또는 황토색을 발현하여 적니 또는 레드머드라 불리며, 일반적으로 평균 입자크기가 10㎛ 이하의 미분이다. 제조과정 특성상 최대 50 중량% 이하의 수분과 5 ~ 13 중량%의 수산화나트륨(NaOH) 잔재물을 함유하고 있다.

상기 BP 부산물의 수산화나트륨 성분이 8wt.% 미만이거나, 또는 무기팽창제 100 중량부 중 10 중량부 미만이 사용되면 기포발생 효과가 미미해 팽창성을 부여하기 곤란하다. 또한, BP 부산물의 사용량이 무기팽창제 100 중량부 중 50 중량부를 초과하면 기포발생의 근원물질인 제지 애쉬량이 저감되어 팽창효과가 미미하다.

또한, 제지 애쉬는 제지 공장에서 사용된 후 소각된 것이 사용될 수 있으며, 특별히 한정되지 않지만, 바람직하게는 폐기물로 처리되어 왔던 제지공장 슬러지를 500 내지 1,300℃ 정도의 온도에서 열처리하여 얻은 애쉬를 분말도가 블레인(blaine) 비표면적으로 4,000 내지 12,000cm2/g 정도가 되도록 분쇄한 것을 사용할 수 있다.

또한, 상기 수경성무기바인더가 20 중량부 미만이면, 경화완료 후 팽창충전제의 강도가 낮아 재유실의 우려가 있으며, 수경성무기바인더가 100 중량부를 초과하게 되면, 경화된 팽창충전제의 강도가 과도해져 향후 재굴착이 어려워지며, 경제성이 저하되므로, 본 발명에서 수경성무기바인더의 적정 사용량은 35~70 중량부가 된다.

또한, 본 발명의 팽창 슬러지 조성물은 분체 제조공정에서 프리믹스된 분체제품을 사용하는 것이 바람직하며, 시공현장에서 물과 교반한 후 그라우팅 장비로 주입하고, 이때 혼합비율은 팽창충전슬러지 100 중량부에 대하여 물 80 ~ 150 중량부를 사용하는 것이 바람직하다.

이때, 배합수(물)이 80 중량부 미만이면, 유동성이 낮아 주입작업이 곤란할 뿐만 아니라, 미세 공동부까지의 충전작업이 불가하고, 150 중량부를 초과하게 되면 교반 및 주입과정 중 재료분리가 과도하게 발생할 우려가 있으며, 주입된 팽창충전제가 소정의 강도를 확보하지 못하게 된다.

상기 수경성무기바인더는 보통 포틀랜드 시멘트, 슬래그 시멘트, 플라이애쉬 시멘트, 고로슬래그 미분말, 플라이에쉬, 탈황석고로 이루어진 군으로부터 단독 또는 혼합 사용하게 된다.

상기 보통 포틀랜드 시멘트는 주성분으로서 실리카, 알루미늄, 산화철 및 석회를 포함한 원료를 적당한 비율로 혼합하여 그것을 소성하여 얻은 클링커에 적량의 석고를 가하여 분말로 가장 널리 쓰여지고 있는 시멘트이다.

상기 슬래그 시멘트는 광석을 정제하고 남은 물질(slag)을 시멘트와 약 1 대 1 비율로 섞은 제품이다. 레미콘의 원료로 사용되며 가격이 일반 시멘트에 비해 10% 정도 저렴해서 시멘트를 대체할 수 있는 소재로 각광받고 있다. 슬래그 시멘트는 장기강도가 높고, 수화(水和)열이 낮으며 화학적 저항성·내해수성·내열성·방수성 및 안정도가 우수하다는 장점이 있다.

상기 플라이애쉬 시멘트는 포틀랜드 시멘트와 플라이 에쉬를 혼합한 것으로, 플라이 에쉬의 양에 따라 A종(5~10%), B 종(10~20%), C 종(20~30%)이 있다. 단위 수량을 감소시키는 효과나 수화열을 저감할 수 있다.

상기 고로슬래그 미분말은 제철 공업의 용광로에서 철광석, 석회석, 코크스 등을 원료로 하여 세철을 제조할 때 얻어지는 부산물로 철광석 중에 불순물로서 포함되는 암석류가 석회와 화합하여 생긴 것으로 급랭 분쇄된 염기 1.4도 이상의 것은 그 잠재 수경성을 이용하여 고로 시멘트의 제조에 쓰인다.

상기 플라이에쉬는 미분탄을 연소하는 보일러의 연도 가스로부터 집진기로 채취한 석탄재를 의미하는 것으로서, 구상인 입자 크기는 시멘트와 같은 정도이고, 알루미나와 실리카가 주성분이다. 특정 양태로 플라이 애쉬는 미분쇄한 플라이 애쉬를 사용할 수 있는바, 미분쇄한 플라이 애쉬는 미분쇄하지 않은 플라이 애쉬를 사용하는 것보다 향상된 고강도성 및/또는 유동성을 제공한다.

상기 탈황석고는 공장의 탈황 과정에서 부산물로 생성되는 석고 물질을 의미하며, 이러한 재료들은 경제적이면서도 본 발명의 공동 충전용 팽창 슬러지 조성물을 구성함에 뛰어난 물성을 얻을 수 있다.

<실시예 및 비교예>

실험을 위한 재료의 배합사항은 다음의 [표 1]과 같다.

구 분			실시예-1	실시예-2	비교예-1	비 고
배합 사항	BP 부산물		15	18	-	NaOH 9.7wt.%(KC(주))
	제지에쉬		55	52	55	전주페이퍼
	수경성 바인더	OPC	30	20	45	1종 보통시멘트
		탈황석고	-	10	-	㈜유버스
	(소계)		100	100	100
	배합수		100	100	100	수돗물

(실험과정)

교반은 15리터 강제식 믹서를 사용하였으며, 배합사항별로 혼합된 분체를 믹서에 투입후 물을 첨가하였고, 3분간 교반을 실시하였다.

유동성은 Table Flow 값으로 평가하였으며, 실험치는 무 타격시의 측정값을 의미한다.

체적팽창률은 500cc 메스실린더로 측정하였으며, (측정시간별 부피 ÷ 최초 투입부피)×100%으로 환산하여 표기하였다.

시험 및 분석결과는 다음의 [표 2]와 같다.

유동성 (mm)		247	239	249	Table Flow 값
체적 팽창률 (%)	1시간	5.1	8.0	0.0	메스실린더 사용
	2시간	7.8	9.7	0.0
	4시간	9.6	13.2	0.1
압축 강도 (MPa)	1일	0.4	0.3	8.7	10×10×10cm 큐브몰드 사용
	7일	0.7	0.7	14.5
	28일	1.1	1.0	18.9
종합평가		매우 우수	매우 우수	불량

상기 [표 2]와 같이 실시예 1 및 실시예 2는 충분한 유동성을 발현하면서 주입 후 1 ~ 4시간 이내에 5% 이상 체적팽창이 발생하였고, 압축강도는 목표치인 0.2~2.0MPa 범위에 만족하는 것으로 확인되었다. 반면, 비교예 1은 팽창률이 매우 미미할 뿐 아니라, 재굴착이 곤란한 정도의 높은 강도를 발현하는 것으로 나타나고 있다.

본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시 예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.

Claims (3)

1. BP 부산물과 제지애쉬로 구성된 무기팽창제 100 중량부에 대하여, 수경성무기바인더 20 내지 100 중량부를 혼합하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 BP 부산물을 활용한 공동 충전용 팽창 슬러지 조성물.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 BP 부산물은 수산화나트륨 성분이 8wt% 이상이며, 전체 무기팽창제에 대하여 10 ~ 50%로 함유되는 것을 특징으로 하는 BP 부산물을 활용한 공동 충전용 팽창 슬러지 조성물.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 수경성무기바인더는 보통 포틀랜드 시멘트, 슬래그 시멘트, 플라이애쉬 시멘트, 고로슬래그 미분말, 플라이에쉬, 탈황석고로 이루어진 군으로부터 단독 또는 혼합 사용되는 것을 특징으로 하는 BP 부산물을 활용한 공동 충전용 팽창 슬러지 조성물.