KR20200034431A - 지하 구조물 뒤채움용 유동성 채움재 및 이의 제조방법 - Google Patents

지하 구조물 뒤채움용 유동성 채움재 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

지하 구조물 뒤채움용 유동성 채움재 및 이의 제조방법이 제시된다. 일 실시예에 따른 지하 구조물 뒤채움용 유동성 채움재의 제조방법은, 혼합기에 석탄회를 투입하여 예비 혼합하는 단계; 상기 석탄회에 시멘트를 투입하고 교반하여 제1 혼합재를 형성하는 단계; 상기 제1 혼합재에 보조 급결제를 투입하고 교반하여 제2 혼합재를 형성하는 단계; 상기 제2 혼합재에 물과 유동화제를 첨가하고 교반하여 제3 혼합재를 형성하는 단계; 및 상기 제3 혼합재에 메인 급결제를 투입하고 교반하여 경량 유동성 채움재를 형성하는 단계를 포함하고, 상기 경량 유동성 채움재를 이용하여 지하 구조물을 시공할 수 있다.

Description

지하 구조물 뒤채움용 유동성 채움재 및 이의 제조방법{FLOWABLE FILLS FOR A UNDERGROUND STRUCTURAL BACKFILLS AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
아래의 실시예들은 지하 구조물 뒤채움용 유동성 채움재 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 급결제를 이용하여 지하 구조물에 작용하는 하중을 저감하기 위한 뒤채움재의 빠른 시공이 가능한 지하 구조물 뒤채움용 유동성 채움재 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
터널과 같은 지하 구조물은 시공 과정 또는 이를 유지 관리하는 과정에서 콘크리트 라이닝(lining)과 지반 사이에 공동부가 형성되며, 상기 배면 공동부로 인하여 지하 구조물에 국부적으로 응력집중이 발생되어 라이닝의 크랙, 누수, 변형 등 지하 구조물의 변형이 야기되는 문제점이 있다. 또한, 천연 동굴이나 폐광산과 같이 자연적 또는 인위적으로 발생된 지하 공동에 의해 지표 침하 등 지상 구조물에 심각한 피해가 발생하는 문제점이 있다.
이에 대한 대책으로, 채움재를 이용하여 지하 구조물에 존재하는 공동부를 채움으로써 구조물에 미치는 지반 하중을 구조물 전체에 균등하게 분포시키며, 구조물과 지반을 일체화하고 구조물의 아칭 효과(arching effect)를 극대화하기 위한 시도들이 계속되었다.
상기 채움재로는 모르타르이나 시멘트 밀크에 공기를 주입하여 양호한 유동성을 가지는 에어 모르타르/에어 밀크 채움재, 고분자계 약액의 일종인 발포우레탄 채움재, 겔타입 조절이 가능한 물유리계 및 고분자계 시멘트의 일종인 폴리머 시멘트계 채움재 등이 사용될 수 있다. 그러나, 상기의 채움재들은 시공 과정에서 별도의 다짐 공정을 수행해야 하는 번거로움이 있으며, 다짐의 정도에 따라 지반의 강도가 불균일하고 원형관을 포함하는 구조물의 경우 다짐 공정을 제대로 수행하기 어려워 침하 발생 등 구조물에 위험이 발생할 가능성이 상존하는 문제점이 있다.
한국공개특허 10-2011-0045862호
실시예들은 지하 구조물 뒤채움용 유동성 채움재 및 이의 제조방법에 관하여 기술하며, 보다 구체적으로 급결제를 이용하여 지하 구조물에 작용하는 하중을 저감하기 위한 뒤채움재의 빠른 시공이 가능한 기술을 제공한다.
실시예들은 석탄회와 급결제를 혼합하여 신속하게 시공을 완료할 수 있으며, 일정한 범위의 유동성을 가져 별도의 다짐 공정이 불필요하고, 소정의 강도를 발현할 수 있어 재굴착이 용이한 지하 구조물 뒤채움용 유동성 채움재 및 이의 제조방법을 제공하는데 있다.
일 실시예에 따른 지하 구조물 뒤채움용 유동성 채움재의 제조방법은, 혼합기에 석탄회를 투입하여 예비 혼합하는 단계; 상기 석탄회에 시멘트를 투입하고 교반하여 제1 혼합재를 형성하는 단계; 상기 제1 혼합재에 보조 급결제를 투입하고 교반하여 제2 혼합재를 형성하는 단계; 상기 제2 혼합재에 물과 유동화제를 첨가하고 교반하여 제3 혼합재를 형성하는 단계; 및 상기 제3 혼합재에 메인 급결제를 투입하고 교반하여 경량 유동성 채움재를 형성하는 단계를 포함하고, 상기 경량 유동성 채움재를 이용하여 지하 구조물을 시공할 수 있다.
여기서, 상기 석탄회는, 건식 저회 및 비회를 포함할 수 있다.
또한, 상기 혼합기에 석탄회를 투입하여 예비 혼합하기 이전에, 가공을 통해 건식 저회의 입도 선별을 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 가공을 통해 건식 저회의 입도 선별을 수행하는 단계는, 상기 건식 저회의 입도를 5mm 이하로 선별할 수 있다.
상기 혼합기에 석탄회를 투입하여 예비 혼합하는 시간은 1분 이내이고, 상기 석탄회에 시멘트를 투입하고 교반하여 제1 혼합재를 형성하는 시간은 4분 이내이며, 상기 제1 혼합재에 보조 급결제를 투입하고 교반하여 제2 혼합재를 형성하는 시간은 상기 2분 이내이고, 상기 제2 혼합재에 물과 유동화제를 첨가하고 교반하여 제3 혼합재를 형성하는 시간은 3분 이내이며, 상기 제3 혼합재에 메인 급결제를 투입하고 교반하여 경량 유동성 채움재를 형성하는 시간은 2분 이내일 수 있다.
상기 석탄회에 시멘트를 투입하고 교반하여 제1 혼합재를 형성하는 단계는, 상기 석탄회 중 상기 건식 저회보다 상기 비회의 비율이 높아지는 경우 상기 시멘트의 비율이 낮아질 수 있다.
상기 석탄회에 시멘트를 투입하고 교반하여 제1 혼합재를 형성하는 단계는, 상기 석탄회의 비율은 최종 혼합재 대비 50~80 중량%이고, 상기 석탄회에 투입되는 상기 시멘트의 비율은 최종 혼합재 대비 5~15 중량%일 수 있다.
상기 석탄회에 시멘트를 투입하고 교반하여 제1 혼합재를 형성하는 단계는, 상기 석탄회 중 상기 비회보다 상기 건식 저회의 비율이 높아지는 경우 상기 시멘트의 비율이 높아질 수 있다.
상기 제1 혼합재에 보조 급결제를 투입하고 교반하여 제2 혼합재를 형성하는 단계는, 상기 제1 혼합재에 상기 보조 급결제로 생석회(CaO)를 투입하고 교반하여 제2 혼합재를 형성할 수 있다.
상기 제1 혼합재에 보조 급결제를 투입하고 교반하여 제2 혼합재를 형성하는 단계는, 상기 제1 혼합재에 투입되는 상기 보조 급결제의 비율이 낮아지는 경우, 상기 제3 혼합재에 투입되는 상기 메인 급결제의 비율이 높아질 수 있다.
상기 제1 혼합재에 투입되는 상기 보조 급결제의 비율은 최종 혼합재 대비 2~10 중량%이고, 상기 제3 혼합재에 투입되는 상기 메인 급결제의 비율은 최종 혼합재 대비 0.7~1.5 중량%일 수 있다.
상기 제2 혼합재에 물과 유동화제를 첨가하고 교반하여 제3 혼합재를 형성하는 단계는, 상기 제2 혼합재에 첨가되는 상기 유동화제의 비율이 높아지는 경우 상기 물의 비율이 낮아질 수 있다.
상기 제2 혼합재에 첨가되는 상기 유동화제의 비율은 최종 혼합재 대비 0.1~0.3 중량%이고, 상기 물의 비율은 최종 혼합재 대비 30~45 중량%일 수 있다.
상기 제2 혼합재에 물과 유동화제를 첨가하고 교반하여 제3 혼합재를 형성하는 단계는, 상기 제2 혼합재에 상기 물과 나프탈렌계 고성능유동화제를 첨가하고 교반하여 제3 혼합재를 형성할 수 있다.
상기 제3 혼합재에 메인 급결제를 투입하고 교반하여 경량 유동성 채움재를 형성하는 단계는, 상기 제3 혼합재에 알칼리프리계 급결제를 투입하고 교반하여 경량 유동성 채움재를 형성할 수 있다.
실시예들에 따르면 급결제를 이용하여 지하 구조물에 작용하는 하중을 저감하기 위한 뒤채움재의 빠른 시공이 가능한 지하 구조물 뒤채움용 유동성 채움재 및 이의 제조방법을 제공할 수 있다.
실시예들에 따르면 석탄회와 급결제를 혼합하여 신속하게 시공을 완료할 수 있으며, 일정한 범위의 유동성을 가져 별도의 다짐 공정이 불필요하고, 소정의 강도가 발현되어 구조적으로 안정한 지하 구조물을 시공할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 지하 구조물 뒤채움용 유동성 채움재의 제조방법을 나타내는 흐름도이다.
도 2a 내지 도 2c는 일 실시예에 따른 건식 저회와 비회의 배합비에 따른 일축압축강도를 나타내는 그래프들이다.
도 3a 내지 도 3c는 일 실시예에 따른 건식 저회와 비회의 배합비에 따른 플로우값을 나타내는 그래프들이다.
도 4a 내지 도 4c는 일 실시예에 따른 시멘트 첨가 비율에 따른 일축압축강도를 나타내는 그래프들이다.
도 5a 내지 도 5c는 일 실시예에 따른 급결제 첨가 비율에 따른 투수계수를 나타내는 그래프들이다.
도 6a 내지 도 6c는 일 실시예에 따른 급결제 첨가 비율에 따른 단위 중량을 나타내는 그래프들이다.
도 7a 내지 도 7c는 일 실시예에 따른 물의 함량비에 따른 건조수축률을 나타내는 그래프들이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 설명한다. 그러나, 기술되는 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명되는 실시예들에 의하여 한정되는 것은 아니다. 또한, 여러 실시예들은 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 지하 구조물 뒤채움용 유동성 채움재의 제조방법을 나타내는 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 지하 구조물 뒤채움용 유동성 채움재의 제조방법은, 혼합기에 석탄회를 투입하여 예비 혼합하는 단계(120), 석탄회에 시멘트를 투입하고 교반하여 제1 혼합재를 형성하는 단계(130), 제1 혼합재에 보조 급결제를 투입하고 교반하여 제2 혼합재를 형성하는 단계(140), 제2 혼합재에 물과 유동화제를 첨가하고 교반하여 제3 혼합재를 형성하는 단계(150), 및 제3 혼합재에 메인 급결제를 투입하고 교반하여 경량 유동성 채움재를 형성하는 단계(160)를 포함하고, 경량 유동성 채움재를 이용하여 지하 구조물을 시공할 수 있다.
또한, 혼합기에 석탄회를 투입하여 예비 혼합하기 이전에, 가공을 통해 건식 저회의 입도 선별을 수행하는 단계(110)를 더 포함할 수 있다.
실시예들에 따르면 급결제를 이용하여 지하 구조물에 작용하는 하중을 저감하기 위한 뒤채움재의 빠른 시공이 가능한 지하 구조물 뒤채움용 유동성 채움재 및 이의 제조방법을 제공할 수 있다.
아래에서 일 실시예에 따른 지하 구조물 뒤채움용 유동성 채움재의 제조방법의 각 단계에 대해 보다 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 단계(110)에서, 혼합기에 석탄회를 투입하여 예비 혼합하기 이전에, 가공을 통해 건식 저회의 입도 선별을 수행할 수 있다.
일반적으로 석탄회는 석탄이 소각 또는 연소된 후, 남게 되는 부산물로서, 석탄회의 발생 위치에 따라 저회(바텀 애시, Bottom Ash), 비회(플라이 애시, Fly Ash), 신더 애시(Cinder Ash), 이들의 혼합물 등으로 구분할 수 있다.
여기에서, 석탄회는 건식 저회 및 비회를 포함하는 용어로 사용하기로 한다. 건식 저회 및 비회는 채집 장소 및 포졸란 반응의 완료 여부에 따라 구분될 수 있다. 건식 저회는 포졸란 반응이 완료되어 일반적으로 회사장에 버려지는 회를 의미하고, 비회(Fly Ash, 이하 F.A)는 화력발전소에서 석탄이 소각 또는 연소된 후 집진기에서 채취한 것으로, 포졸란 반응이 완료되지 않은 회를 의미한다.
한편, 건식 저회 대신 매립회를 사용하는 경우, 매립회(Pond Ash, 이하 P.A)는 수분을 함유하고 있는 상태라 혼합이 어려울 뿐 아니라, 함수율 또한 파악하기 어렵다. 일반적으로 매립회는 바닷물과 섞여있어 염분 및 수분을 포함하고 있으며 함수율의 파악이 어렵다. 반면, 건식 저회는 염분과 수분을 포함하지 않은 상태이다.
건식 저회는 일반적으로 다양한 크기의 입자들이 섞여 있으므로 혼합기에 석탄회를 투입하여 이전에 가공을 통해 건식 저회의 입도 선별을 수행하는 것이 좋다. 예컨대, 가공을 통해 건식 저회의 입도를 5mm 이하로 선별할 수 있다.
단계(120)에서, 혼합기에 석탄회를 투입하여 예비 혼합할 수 있다.
단계(130)에서, 석탄회에 시멘트를 투입하고 교반하여 제1 혼합재를 형성할 수 있다. 건식 저회와 비회가 혼합된 석탄회만으로는 소정의 강도가 발현되지 못하며, 일정량의 시멘트 첨가가 필요하다.
시멘트는 1종 보통 포틀랜드 시멘트를 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 지하 구조물의 종류 및 용도에 따라 중용열 시멘트, 조강 시멘트, 저열 시멘트 등 다양한 시멘트를 사용할 수 있다.
이 때, 사용되는 석탄회의 비율은 최종 혼합재 대비 50~80 중량%이고, 석탄회에 투입되는 시멘트의 비율은 최종 혼합재 대비 5~15 중량%일 수 있다. 바람직하게는, 석탄회 중 건식 저회의 비율은 최종 혼합재 대비 40.2 중량%이고, 석탄회 중 비회의 비율은 최종 혼합재 대비 11.9 중량%일 수 있으며, 이 때 시멘트의 비율은 최종 혼합재 대비 8.5 중량%일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
석탄회 중 건식 저회보다 비회의 비율이 높아지는 경우 시멘트의 비율이 낮아질 수 있다. 또한, 석탄회 중 비회보다 건식 저회의 비율이 높아지는 경우 시멘트의 비율이 높아질 수 있다.
단계(140)에서, 제1 혼합재에 보조 급결제를 투입하고 교반하여 제2 혼합재를 형성할 수 있다. 예컨대, 제1 혼합재에 보조 급결제로 생석회(CaO)를 투입하고 교반하여 제2 혼합재를 형성할 수 있다.
제1 혼합재에 투입되는 보조 급결제의 비율은 최종 혼합재 대비 2~10 중량%이고, 제3 혼합재에 투입되는 메인 급결제의 비율은 최종 혼합재 대비 0.7~1.5 중량%일 수 있다. 예컨대, 제1 혼합재에 투입되는 보조 급결제의 비율은 최종 혼합재 대비 4.2 중량%이고, 제3 혼합재에 투입되는 메인 급결제의 비율은 최종 혼합재 대비 0.7 중량%일 수 있다. 이 때, 제1 혼합재에 투입되는 보조 급결제의 비율이 낮아지는 경우, 제3 혼합재에 투입되는 메인 급결제의 비율이 높아질 수 있다.
단계(150)에서, 제2 혼합재에 물과 유동화제를 첨가하고 교반하여 제3 혼합재를 형성할 수 있다.
지하 구조물의 뒤채움 용도로 활용하기 위해서는 재굴착이 용이하면서 지하 구조물 뒤채움시 소정의 강도를 발현하는 것이 필요하고, 점성이 크거나 유동성이 작은 상태에서는 채움재를 별도의 다짐장비 없이 구석구석까지 채우는 것이 불가능하므로, 일정 범위의 유동성을 가져야 한다.
제2 혼합재에 첨가되는 유동화제의 비율은 최종 혼합재 대비 0.1~0.3 중량%이고, 물의 비율은 최종 혼합재 대비 30~45 중량%일 수 있다. 예컨대, 유동화제의 비율은 최종 혼합재 대비 0.1 중량%이고, 물의 비율은 최종 혼합재 대비 34.4 중량%일 수 있다. 이 때, 제2 혼합재에 첨가되는 유동화제의 비율이 높아지는 경우 물의 비율이 낮아질 수 있다.
여기서, 유동화제는 나프탈렌계 고성능유동화제일 수 있다. 이에 따라 제2 혼합재에 물과 나프탈렌계 고성능유동화제를 첨가하고 교반하여 제3 혼합재를 형성할 수 있다.
나프탈렌계 고성능유동화제(LIGACE-F(L-F))는 고성능 유동화제로, 나프탈렌을 주성분으로 한 고성능 유동화제로 분산 능력이 뛰어난 제품으로 점착성이 있어 골재 분리가 크게 발생하지 않는다. 또한 공기량 확보 시 동결 융해 저항성이 높고 공기연행제와도 혼화성이 우수하다.
이러한 나프탈렌계 고성능유동화제는 단위수량의 변화 없이도 높은 유동성을 발휘하고, 건조수축을 적게 하고 균열의 감소효과가 있으며, 유동화 전후에 공기량은 거의 변화하지 않는다.
이 때, 나프탈렌계 고성능유동화제의 시험배합 후 적절성을 검토하고, 동결시에는 완전히 녹여 성능 확인 후 사용할 수 있다. 과다 사용시 골재분리를 초래할 수 있으며, 폴리카르복실산계 혼화제와의 혼용을 하지 않는 것이 바람직하다.
단계(160)에서, 제3 혼합재에 메인 급결제를 투입하고 교반하여 경량 유동성 채움재를 형성함으로써, 경량 유동성 채움재를 이용하여 지하 구조물을 시공할 수 있다.
여기서, 메인 급결제는 알칼리프리계 급결제를 사용할 수 있으며, 제3 혼합재에 알칼리프리계 급결제를 투입하고 교반하여 경량 유동성 채움재를 형성할 수 있다.
알칼리프리계 급결제(ATTACK-L(LS))는, 저독성으로 인체에 영향이 적으며, 분진 발생이 적고 우수한 급결 성능을 발휘할 수 있다. 또한 알칼리프리계 급결제는 리바운드율이 낮으며, 시공면이 균일하다.
지하 구조물 뒤채움용 유동성 채움재의 제조 시, 혼합기에 석탄회를 투입하여 예비 혼합하는 시간은 1분 이내이고, 석탄회에 시멘트를 투입하고 교반하여 제1 혼합재를 형성하는 시간은 4분 이내이며, 제1 혼합재에 보조 급결제를 투입하고 교반하여 제2 혼합재를 형성하는 시간은 2분 이내이고, 제2 혼합재에 물과 유동화제를 첨가하고 교반하여 제3 혼합재를 형성하는 시간은 3분 이내이며, 제3 혼합재에 메인 급결제를 투입하고 교반하여 경량 유동성 채움재를 형성하는 시간은 2분 이내일 수 있다.
보다 구체적으로 설명하면, 혼합기에 석탄회를 투입하여 1분 이내의 교반 시간 동안 예비 혼합하고, 예비 혼합 후, 계속하여 혼합하면서 석탄회에 시멘트를 투입하고 4분 이내의 교반 시간 동안 교반하여 제1 혼합재를 형성할 수 있다. 제1 혼합재를 형성 후, 계속 교반하면서 제1 혼합재에 보조 급결제를 투입하고 2분 이내의 교반 시간 동안 교반하여 제2 혼합재를 형성하고, 제2 혼합재를 형성 후, 계속 교반하면서 제2 혼합재에 물 및 유동화제를 첨가하고 3분 이내의 교반 시간 동안 교반하고, 계속 교반하면서 제3 혼합재에 메인 급결제를 투입하고 2분 이내의 교반 시간 동안 교반하여 경량 유동성 채움재를 형성할 수 있다.
본 발명에 의한 유동성 채움재는 석탄회 50 내지 80 중량%, 시멘트 5 내지 15 중량%, 메인 급결제 0.7 내지 1.5 중량%, 보조 급결제 2 내지 10 중량%, 유동화제 0.1 내지 0.3 중량% 및 물 30 내지 45 중량%를 포함하며, 일정한 범위의 유동성을 가져 별도의 다짐 공정이 불필요하고, 소정의 강도를 발현할 수 있어 재굴착이 용이할 뿐만 아니라, 메인 급결제 및 보조 급결제를 첨가하여 신속하게 시공을 완료할 수 있다.
다음 표는 지하 구조물 뒤채움용 유동성 채움재의 배합비를 나타낸다.
Figure pat00001
여기서, 다음 표는 지하 구조물 뒤채움용 유동성 채움재의 바람직한 배합비를 나타낸다.
Figure pat00002
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해 바람직한 실험 예(example)를 제시한다. 다만, 하기의 실험 예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실험 예에 의해 한정되는 것은 아니다.
<실험 재료 및 배합비>
가. 실험 재료
본 실험에서는 영흥 화력발전본부에서 부산된 석탄회를 사용하였다. 건식 저회(Bottom Ash, B.A)를 주로 사용하였고, 비회(Fly Ash, F.A)의 경우 재활용률이 낮은 잔사회를 사용하였다. 일반적으로, 건식 저회는 탄종별, 산지별, 연소 방식별, 저장 방법별, 이송 수단별로 공학적 성질이 달라 성분이 불균질한 바, 공학적 성질을 표준화한 상태에서 시험을 수행하기 위해 체 분석을 통하여 크기가 4.75mm(No. 체) 이하인 건식 저회만을 사용하였다. 한편, 시멘트는 1종 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였으며, 급결제(메인 급결제)는 알칼리프리계 급결제를 사용하였다. 보조 급결제는 생석회(CaO)를 사용하고, 유동화제는 나프탈렌계 고성능유동화제를 사용하였다. 실험에 사용한 석탄회, 시멘트 및 급결제의 물리적, 화학적 특성은 하기의 표와 같다.
석탄회의 물리적, 화학적 특성
Figure pat00003
시멘트의 물리적 특성
Figure pat00004
나. 배합비
지하 구조물에 작용하는 하중을 저감시키기 위한 뒤채움재를 개발하기 위해, 급결제와 석탄회(건식 저회 및 저회), 시멘트를 배합하였다. 구체적으로, 시멘트량의 범위를 전체 중량 대비 약 4.8 ~ 9 중량%로 선정하였고, 2% 단위로 증가시켜 3가지 경우의 시멘트량으로 구분하였다. 건식 저회(B.A) 또는 비회(F.A)의 증가에 따른 영향을 파악하기 위해 건식 저회와 비회의 배합비는 상대적인 중량비 100 : 0, 70 : 30, 50 : 50, 30 : 70, 0 : 100의 5가지 경우로 분류하였다.
<일축압축강도 실험>
지하 구조물 뒤채움재는 지하 구조물 보수 등의 이유로 향후 재굴착을 해야 하는 경우가 발생할 수 있으므로 재굴착이 용이하여야 한다. 일축압축강도는 이러한 재굴착의 가능 여부를 판단할 수 있는 기준이 된다. 재굴착이 용이한 지하 구조물 뒤채움용 유동성 채움재의 강도 기준은 국외의 경우 0.35 내지 0.70MPa(50～100psi)[ASTM(2002)] 또는 1.05MPa 이하[Amon(1990)]의 값을 제시하고 있다. 한편, 국내의 경우 재굴착의 강도 기준에 대해 별도로 제시된 바가 없으나, 다만 현장 타설용 콘크리트에 대해 약 0.8MPa이상(비중별 상이)으로 규정하고 있다[KS F 4039]. 또한, 콘크리트가 지하 구조물의 뒤채움재로 사용되는 경우 0.1 내지 1MPa[건설교통부(1996), 재령 28일 강도 기준] 또는 0.3MPa[한국도로공사(2001)] 이상으로 규정하고 있다. 따라서, 상기 선행 연구결과를 바탕으로 본 발명의 기준 일축압축강도는 재굴착이 용이하면서 지하 구조물 뒤채움시 소정의 강도가 발현될 수 있는 범위를 0.8 내지 1.2MPa로 설정하여 실험을 실시하였다.
본 실험 방법은 ASTM D 4832-02에 의거하여 실시하였다. 유동성 채움재를 배합한 후 슬러리 상태로 공시체에 주입하여
Figure pat00005
100mmX200mm의 공시체를 배합비별로 각각 15개씩 제작하였다. 완성된 공시체는 72시간 동안 초기양생을 실시한 후 탈형하여
Figure pat00006
의 수조에서 수중양생을 실시하였으며, 재령별 3일, 7일, 14일, 28일로 3개의 공시체의 일축압축강도를 측정하였다. 재하 하중 용량이 3톤인 변위제어 방식의 만능재료시험기를 이용하였으며, 재하 속도는 1mm/min로 설정하였다.
<플로우(flow) 실험>
플로우 실험은 유동성 채움재의 유동성(flowability)을 파악하기 위한 실험으로서 트렌치, 옹벽, 교대 등 지하 구조물의 뒤채움용으로 사용 가능한지 여부를 판단하는 기준이 된다. 유동성 채움재가 지하 구조물의 뒤채움용으로 사용되기 위해서는 트렌치 바닥면 또는 벽체를 따라 소정의 길이만큼 흘러야 한다.
따라서, 점성이 크거나 유동성이 작은 상태에서는 채움재를 별도의 다짐장비 없이 구석구석까지 채우는 것이 불가능하다. 지하 구조물의 뒤채움재로 활용하기 위한 경량 유동성 채움재의 적정한 플로우값의 범위로, 고유동성의 기준으로 8in(20cm)이상을 제시하고 있다[미국 콘크리트 학회(American Concrete Institute, ACI committe 229 report(1994))]. 따라서, 본 실험에서는 플로우값의 고유동성 기준을 20cm 이상으로 선정하였다.
본 실험 방법은 ASTM D 6103에 의거하여 실시하였다. 시료를 믹싱기로 혼합시킨 후, 5분 이내에 직경 75mm, 높이 150mm의 원형실린더에 채우고, 높이 30cm까지 24초에 걸쳐 실린더를 상승시켜 퍼진 시료의 최대 반경과 이에 수직한 반경을 측정하여 평균을 산출하였다. 측정 횟수는 1회로 하고, 플로우 양 지름의 측정 차이가 5cm 이상인 경우는 재실험하였다.
<투수계수 실험>
삼축투수 실험은 각 배합조건별로 투수 시험을 실시하여 지하 구조물 뒤채움 용도에 적합한 이상적인 배합비를 도출하기 위하여 시행된다. 차수성의 확보를 위하여 그 범위를 불투성의 판단 기준인 10-4cm/sec 이하로 설정하였다. 투수계수 실험은 ASTM D 5084-90의 유연벽 투수시험(flexible wall permeameter test)방법에 준하여 실시하였다. 본 실험 방법은 삼축압축실험기를 이용하여 수행되었다. 제작한 공시체를 멤브레인으로 씌운 다음, 고무링으로 상부 및 하부 캡과 멤브레인을 고정시키고, 공시체와 시험기 내벽 사이를 물로 채웠다. 물이 하부에서 상부로 이동할 수 있도록 압력조절 장치에 연결시키고, 동수경사를 구속압과 주입압을 조절하여 고정한 다음 실험을 실시하였다.
<단위 중량 실험>
단위 중량 실험은 유동성 채움재의 기본적인 물리적 성질로서, 경량성 여부를 판단하는데 중요한 기준이다. 지지력 산정, 다짐 정도, 최적 배합비를 파악하는데 사용하며, 배합 설계시 이를 고려한다.
지하 구조물 뒤채움용 콘크리트의 단위 중량을 약 4 내지 14kN/m3 [토목공법사전편집위원회(1988), 건설교통부(1997)]로 제시하고 있으며, KS 규격에서는 현장타설용 기포 콘크리트에 대해 종류(품)에 따라 차이가 있으나, 대략 3.9kN/m3이상으로 규정하고 있다[KS F 4039]. 이를 바탕으로 본 발명에서는 우기시 양압에 의한 히빙(heaving) 현상을 방지할 수 있는 범위와, 경화 후 함수비 증발에 의한 단위 중량 감소를 고려하여 약 12 내지 15kN/m3을 기준으로 선정하였다.
본 실험 방법은 KS F 4039에 의거하여 실시하였으며, 미경화 상태의 유동성 채움재를 1000ml 비커에 담아 남은 부분을 수평으로 제거한 후, 비커 질량을 제외한 질량을 측정하였다. 측정된 질량을 비커의 체적으로 나눠 단위 중량을 측정하였다.
<건조수축 실험>
건조수축 실험은 급결제를 혼합한 유동성 채움재의 체적 변화로 인한 건조수축의 영향을 평가하는 것이다. 일반적으로, 지반에서 발생하는 침하량은 자중에 의한 침하와 건조수축에 의한 침하로 분류할 수 있는 바, 건조수축에 의한 침하량이 미치는 영향이 크고, 지반의 강도 저하를 야기하므로, 건조수축 실험은 지하 구조물 뒤채움용으로 활용할 수 있는지 여부를 평가하는 중요한 요소 중 하나이다.
국내에서 생산되는 콘크리트를 활용한 재료의 경우, 건조수축량 기준은 약 0.2~0.45 중량%이다. 이를 참조하여, 적정한 건조수축량을 가지는 재료의 배합비를 산정할 필요가 있다.
본 실험 방법은 KS F 2424 규정의 모르타르 및 콘크리트의 길이 변화 시험방법에 의거하여 실시하였으며, 양생 일주일 후부터는 일주일에 한 번씩 길이 변화를 측정하였다.
건식 저회와 비회의 최적 배합비
도 2a 내지 도 2c는 건식 저회와 비회의 배합비에 따른 일축압축강도를 나타내는 그래프들이다.
도 2a 내지 도 2c를 참조하면, 목표치인 0.8 내지 1.2MPa을 만족하는 경우는 급결제비와 함수비에 관계없이 건식 저회와 비회의 혼합비율(B.A : F.A)이 70 : 30인 경우와, 50 : 50인 경우에서 나타났다. 그 밖에도, 건식 저회와 비회의 혼합비율(B.A : F.A) 30 : 70에서는 급결제비 0.5 중량%, 함수비 26.5 중량%, 시멘트비 7 중량%인 경우, 0 : 100에서는 급결제비 1.0 중량%, 함수비 26.5 중량%, 28 중량%, 시멘트비 5 중량%, 7 중량%인 경우 등에서 확인할 수 있다. 여기에서, 급결제비는 앞에서 언급한 메인 급결제의 중량비를 의미할 수 있다.
이 중에서도, 기준 일축압축강도(재령 28일 기준 0.8 내지 1.2MPa)를 만족하며 시멘트량과 급결제비를 최소화하고, 비회(F.A)에 비해 재활용되지 않는 건식 저회(B.A)량이 가장 큰 경우를 최적배합비로 고려할 때, 석탄회 65 중량% 중 건식 저회와 비회의 혼합비율 70(45 중량%): 30(20 중량%), 시멘트 5 중량%, 급결제비 1.5 중량%, 함수비 28 중량% 인 배합 조건(기준 일축압축강도 0.82MPa)이 재굴착의 용이성 및 소정의 강도 발현에 최적 배합비인 것을 알 수 있다.
도 3a 내지 도 3c는 건식 저회와 비회의 배합비에 따른 플로우값을 나타내는 그래프들이다.
도 3a 내지 도 3c를 참조하면, 급결제비 1.0 중량%, 0.5 중량%인 경우에는 건식 저회와 비회의 혼합비율과 무관하게 플로우값이 기준값인 20cm를 초과하였으며, 급결제비 1.5 중량%인 경우는, 건식 저회와 비회의 혼합비율이 50 : 50, 30 : 70, 0 : 100일 때, 기준값을 만족하였다. 또한 급결제비 1.5 중량%, B.A : F.A=70 : 30 인 경우는 함수비 29.5 중량%인 경우와 함수비 28 중량%, 시멘트비 5 중량%인 경우에 기준값을 만족하였다.
전반적인 경향은 건식 저회와 비회를 혼합하여 사용한 경우가 건식 저회 또는 비회만을 사용한 경우보다 플로우값이 컸으며, 건식 저회만을 사용한 경우는 기준값에 미달하였다. 건식 저회와 비회를 혼합하는 경우도 비회의 상대적인 비율이 더 큰 B.A : F.A = 30 : 70인 경우가 B.A : F.A = 50 : 50인 경우에 비해 전반적으로 더 크거나 동일하게 나타남을 확인할 수 있다. 이는 비회 입자가 건식 저회에 비해 상대적으로 작아서 믹싱(mixing)이 용이하기 때문인 것으로 판단된다.
이에 비해 다공성인 건식 저회만을 사용하는 경우, 소량의 시멘트를 첨가하는 것만으로 적정한 플로우값을 얻을 수 없는 것으로 나타났다. 또한, 비회만을 사용하는 경우에도 점성이 지나치게 커서 끈끈한 상태이므로, 건식 저회를 혼합하여 사용하는 경우보다 플로우값이 작은 것을 확인할 수 있다.
상기와 같이 석탄회를 구성하는 건식 저회와 비회의 일축압축강도 및 플로우값을 비교하였을 때, 양자의 조건을 만족하며, 지하 구조물 뒤채움재로 활용할 수 있는 유동성 채움재의 건식 저회와 비회의 최적 배합비는 30 : 70 내지 70 : 30 인 것을 알 수 있다.
시멘트의 최적 배합비
도 4a 내지 도 4c는 시멘트 첨가 비율에 따른 일축압축강도를 나타내는 그래프들이다.
도 4a 내지 도 4c를 참조하면, 지하 구조물 뒤채움 용도로 유동성 채움재를 활용하기 위한 최적 배합비를 산정하기 위하여 각 구성요소를 배합하여 예비시험을 실시한 결과, 건식 저회와 비회가 혼합된 석탄회 만으로는 소정의 일축압축강도가 발현되지 못하여 일정량의 시멘트 첨가가 필요한 것으로 나타났다. 그러나, 자원 재활용의 효율성과 경제성을 고려하여 시멘트량의 첨가는 최소화하는 것이 바람직하다.
시멘트비에 따른 일축압축강도의 변화를 살펴보기 위해 급결제비를 고정시킨 후, 시멘트비를 증가시켜 실험을 수행하였다. 시멘트비가 약 5%에서 7%로 증가함에 따라 일축압축강도는 급결제비 1.5%일 경우 약 100 내지 1100kPa, 급결제비 1.0%일 경우 약 380 내지 1100kPa, 급결제비 0.5%일 경우 약 200 내지 800kPa 증가하였다. 따라서, 평균적으로 시멘트비를 2% 증가시킬 때마다 일축압축강도는 약 10 내지 800kPa 정도 증가함을 확인할 수 있다.
따라서, 시멘트비는 중량 대비 높은 값을 가질수록 소정의 일축압축강도를 발현하는 데 유리하나, 자원의 재활용의 효율성과 경제성을 고려하였을 때, 최적의 시멘트 배합비는 5 내지 10 중량% 인 것이 바람직하다.
급결제의 최적 배합비
도 5a 내지 도 5c는 급결제 첨가 비율에 따른 투수계수를 나타내는 그래프들이다.
도 5a 내지 도 5c를 참조하면, 급결제비 1.5 중량%, 함수비 29.5 중량%, 시멘트 9.0 중량%, 건식 저회와 비회의 혼합비 100 : 0일 때 1.18×E-6로 가장 낮게 나타나고 있고, 급결제비 0.5 중량%, 함수비 26.5 중량%이고 시멘트 5 중량%, 건식 저회와 비회의 혼합비 100 : 0일 때 1.17×E-3로 가장 높게 나타나고 있어 함수비, 시멘트비, 건식 저회와 저회의 비에 따라 일반적인 풍화토의 투수계수 범위에서 점토의 투수계수 범위까지 다양하게 나타남을 확인할 수 있다. 또한, 급결제비의 영향을 살펴보기 위해 함수비를 고정 시킨 후, 급결제를 첨가하여 중량비를 약 0.5% 내지 1.5% 범위 내에서 증가시키는 경우, 급결제의 혼합이 0.5%에서 1.5%로 증가함에 따라 공시체의 투수계수도 이에 따라 증가함을 확인할 수 있다. 이를 통해 급결제가 다량 혼합될수록 투수성이 증가한다는 것을 알 수 있다.
그러나, 지하 구조물의 뒤채움 용도로 활용하기 위해서는 물을 차단하는 성질을 확보하여야 한다. 따라서, 이를 위하여 그 범위를 불투성의 판단 기준인 10-4cm/sec 이하로 설정하였는 바, 급결제비가 3 중량% 이내인 경우 상기 조건을 만족함을 확인할 수 있다.
도 6a 내지 도 6c는 급결제 첨가 비율에 따른 단위 중량을 나타내는 그래프들이다.
도 6a 내지 도 6c를 참조하면, 급결제 첨가 비율(0.5, 1.0, 1.5%)에 따른 기포 슬러리(slurry)의 단위 중량을 측정하는 경우, 급결제비가 0.5%에서 1.5%로 증가함에 따라 단위 중량은 1 내지 2kN/m3 감소하는 경향을 나타내며, 이를 통해 급결제가 다량 혼합될수록 단위 중량은 감소한다는 것을 확인할 수 있다.
그러나, 지하 구조물의 뒤채움 용도로 활용하기 위하여 우기시 양압에 의한 히빙(heaving) 현상을 방지할 수 있는 범위와, 경화 후 함수비 증발에 의한 단위 중량 감소를 고려하여 약 12 내지 15kN/m3 을 기준으로 설정하였는 바, 건식 저회와 비회의 혼합비율이 30 : 70 내지 70 : 30 인 경우, 단위중량은 11.7 내지 15.6kN/m3 내의 값을 가져 기준값을 만족하는 것을 확인할 수 있다.
상기와 같이 급결제에 따른 투수계수 및 단위 중량값을 비교하였을 때, 양자의 조건을 만족하며, 지하 구조물 뒤채움재로 활용할 수 있는 급결제의 최적 배합비는 최종 혼합재 대비 0.7 내지 1.5 중량%의 범위인 것을 알 수 있다.
물의 최적 배합비
도 7a 내지 도 7c는 물의 함량비에 따른 건조수축률을 나타내는 그래프들이다.
도 7a 내지 도 7c를 참조하면, 건식 저회와 비회의 혼합 비율(B.A : F.A)이 50 : 50인 경우 건조수축률이 0.29 내지 0.47%로 건조수축량 기준을 만족시키는 것으로 나타났다. 기포비와 시멘트비 조건이 동일할 경우, 함수비 기준인 26.5%, 28%, 29.5% 중 함수비 26.5%의 조건일 때, 건조수축률이 작은 값을 가진다는 것을 확인할 수 있다. 이를 통해 유동성 채움재를 구성하는 타 요소들의 적절한 배합비가 설정된 상태인 경우, 보다 작은 함수비가 건조수축률을 감소시키는 요인임을 알 수 있다. 따라서, 지하 구조물 뒤채움 용도로 활용하기 위한 유동성 채움재에 포함되는 물의 함량은 20 내지 28 중량%인 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 유동성 채움재는 석탄회 50 내지 80 중량%, 시멘트 5 내지 15 중량%, 메인 급결제 0.7 내지 1.5 중량%, 보조 급결제 2 내지 10 중량%, 유동화제 0.1 내지 0.3 중량% 및 물 30 내지 45 중량%를 포함하며, 일정한 범위의 유동성을 가져 별도의 다짐 공정이 불필요하고, 소정의 강도를 발현할 수 있어 재굴착이 용이할 뿐만 아니라, 메인 급결제 및 보조 급결제를 첨가하여 신속하게 시공을 완료할 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (15)

  1. 혼합기에 석탄회를 투입하여 예비 혼합하는 단계;
    상기 석탄회에 시멘트를 투입하고 교반하여 제1 혼합재를 형성하는 단계;
    상기 제1 혼합재에 보조 급결제를 투입하고 교반하여 제2 혼합재를 형성하는 단계;
    상기 제2 혼합재에 물과 유동화제를 첨가하고 교반하여 제3 혼합재를 형성하는 단계; 및
    상기 제3 혼합재에 메인 급결제를 투입하고 교반하여 경량 유동성 채움재를 형성하는 단계
    를 포함하고,
    상기 경량 유동성 채움재를 이용하여 지하 구조물을 시공하는, 지하 구조물 뒤채움용 유동성 채움재의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 석탄회는,
    건식 저회 및 비회를 포함하는 것
    을 특징으로 하는, 지하 구조물 뒤채움용 유동성 채움재의 제조방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 혼합기에 석탄회를 투입하여 예비 혼합하기 이전에, 가공을 통해 건식 저회의 입도 선별을 수행하는 단계
    를 더 포함하는, 지하 구조물 뒤채움용 유동성 채움재의 제조방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 가공을 통해 건식 저회의 입도 선별을 수행하는 단계는,
    상기 건식 저회의 입도를 5mm 이하로 선별하는 것
    을 특징으로 하는, 지하 구조물 뒤채움용 유동성 채움재의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 혼합기에 석탄회를 투입하여 예비 혼합하는 시간은 1분 이내이고, 상기 석탄회에 시멘트를 투입하고 교반하여 제1 혼합재를 형성하는 시간은 4분 이내이며, 상기 제1 혼합재에 보조 급결제를 투입하고 교반하여 제2 혼합재를 형성하는 시간은 상기 2분 이내이고, 상기 제2 혼합재에 물과 유동화제를 첨가하고 교반하여 제3 혼합재를 형성하는 시간은 3분 이내이며, 상기 제3 혼합재에 메인 급결제를 투입하고 교반하여 경량 유동성 채움재를 형성하는 시간은 2분 이내인 것
    을 특징으로 하는, 지하 구조물 뒤채움용 유동성 채움재의 제조방법.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 석탄회에 시멘트를 투입하고 교반하여 제1 혼합재를 형성하는 단계는,
    상기 석탄회 중 상기 건식 저회보다 상기 비회의 비율이 높아지는 경우 상기 시멘트의 비율이 낮아지는 것
    을 특징으로 하는, 지하 구조물 뒤채움용 유동성 채움재의 제조방법.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 석탄회에 시멘트를 투입하고 교반하여 제1 혼합재를 형성하는 단계는,
    상기 석탄회의 비율은 최종 혼합재 대비 50~80 중량%이고, 상기 석탄회에 투입되는 상기 시멘트의 비율은 최종 혼합재 대비 5~15 중량%인 것
    을 특징으로 하는, 지하 구조물 뒤채움용 유동성 채움재의 제조방법.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 석탄회에 시멘트를 투입하고 교반하여 제1 혼합재를 형성하는 단계는,
    상기 석탄회 중 상기 비회보다 상기 건식 저회의 비율이 높아지는 경우 상기 시멘트의 비율이 높아지는 것
    을 특징으로 하는, 지하 구조물 뒤채움용 유동성 채움재의 제조방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 혼합재에 보조 급결제를 투입하고 교반하여 제2 혼합재를 형성하는 단계는,
    상기 제1 혼합재에 상기 보조 급결제로 생석회(CaO)를 투입하고 교반하여 제2 혼합재를 형성하는 것
    을 특징으로 하는, 지하 구조물 뒤채움용 유동성 채움재의 제조방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 혼합재에 보조 급결제를 투입하고 교반하여 제2 혼합재를 형성하는 단계는,
    상기 제1 혼합재에 투입되는 상기 보조 급결제의 비율이 낮아지는 경우, 상기 제3 혼합재에 투입되는 상기 메인 급결제의 비율이 높아지는 것
    을 특징으로 하는, 지하 구조물 뒤채움용 유동성 채움재의 제조방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 혼합재에 투입되는 상기 보조 급결제의 비율은 최종 혼합재 대비 2~10 중량%이고, 상기 제3 혼합재에 투입되는 상기 메인 급결제의 비율은 최종 혼합재 대비 0.7~1.5 중량%인 것
    을 특징으로 하는, 지하 구조물 뒤채움용 유동성 채움재의 제조방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제2 혼합재에 물과 유동화제를 첨가하고 교반하여 제3 혼합재를 형성하는 단계는,
    상기 제2 혼합재에 첨가되는 상기 유동화제의 비율이 높아지는 경우 상기 물의 비율이 낮아지는 것
    을 특징으로 하는, 지하 구조물 뒤채움용 유동성 채움재의 제조방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제2 혼합재에 첨가되는 상기 유동화제의 비율은 최종 혼합재 대비 0.1~0.3 중량%이고, 상기 물의 비율은 최종 혼합재 대비 30~45 중량%인 것
    을 특징으로 하는, 지하 구조물 뒤채움용 유동성 채움재의 제조방법.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 제2 혼합재에 물과 유동화제를 첨가하고 교반하여 제3 혼합재를 형성하는 단계는,
    상기 제2 혼합재에 상기 물과 나프탈렌계 고성능유동화제를 첨가하고 교반하여 제3 혼합재를 형성하는 것
    을 특징으로 하는, 지하 구조물 뒤채움용 유동성 채움재의 제조방법.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 제3 혼합재에 메인 급결제를 투입하고 교반하여 경량 유동성 채움재를 형성하는 단계는,
    상기 제3 혼합재에 알칼리프리계 급결제를 투입하고 교반하여 경량 유동성 채움재를 형성하는 것
    을 특징으로 하는, 지하 구조물 뒤채움용 유동성 채움재의 제조방법.
KR1020180114199A 2018-09-21 2018-09-21 지하 구조물 뒤채움용 유동성 채움재 및 이의 제조방법 KR102125233B1 (ko)

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