KR20200124592A - 겔타임 조절이 용이한 시멘트 광물계 친환경 그라우트 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 시멘트 광물계 지반 공사용 그라우트 조성물에 관한 것으로, 용탈성, 경화후 강도 및 내구성 등 그라우트 조성물의 기본 특성에 대한 유의한 변동을 수반하지 않으면서도 액상 그라우트 조성물의 겔타임(gel time)을 간편하고 정밀하게 조절하고, 시멘트 현탁액의 재료분리를 억제함과 동시에, 산업 부산물을 활용하여 경화된 주입재의 강도 및 내식성을 확보할 수 있도록 한 것이다.
그라우트 조성물의 겔타임을 용이하게 조절할 수 있는 본 발명을 통하여, 그라우트 조성물의 지반내 침투 영역을 정밀하게 조절할 수 있으며, 이로써 시공 정도(精度)를 확보하고, 불필요한 자재 손실을 방지함과 동시에, 장, 단기 재료 용탈을 억제하여 환경오염을 방지할 수 있다.

Description

겔타임 조절이 용이한 시멘트 광물계 친환경 그라우트 조성물{GEL TIME VARIABLE CEMENT MINERAL ECO-FRIENDLY GROUT COMPOSITION}
본 발명은 시멘트 광물계 지반 공사용 그라우트 조성물에 관한 것으로, 용탈성, 경화후 강도 및 내구성 등 그라우트 조성물의 기본 특성에 대한 유의한 변동을 수반하지 않으면서도 액상 그라우트 조성물의 겔타임(gel time)을 간편하고 정밀하게 조절하고, 시멘트 현탁액의 재료분리를 억제함과 동시에, 산업 부산물을 활용하여 경화된 주입재의 강도 및 내식성을 확보할 수 있도록 한 것이다.
주교(注膠)로도 불리는 그라우팅(grouting)은 벤토나이트(bentonite), 물유리, 시멘트, 아스팔트 또는 각종 수지계 화합물 등의 액상 충전재를 지반 또는 건축물의 균열에 주입하여 경화를 유도함으로써, 지반 또는 구조체를 보강하거나 지하수의 유동을 차단하는 기법을 말한다.
건설 산업에 있어서 그라우팅은 구조물 기초 또는 배후 지반에 대한 보강 내지 개질은 물론 지하수 유출 억제 또는 지하수위의 인위적 조정 등 다양한 분야에 활용되고 있는데, 시공목적에 따라 지수 그라우팅, 지반개량 그라우팅, 충전 그라우팅, 보강 그라우팅 등으로 구분될 수 있고, 그라우트재(grout材)의 주입장소에 따라 공동 그라우팅, 균열 그라우팅, 공극(孔隙) 그라우팅 등으로 분류될 수 있다.
이렇듯, 그라우팅은 적용 목적 및 대상에 따라 다양하게 분류될 수 있으나 기본적인 기작(機作)은 액상 주입재가 시공 대상물 내부에 침투된 후 비로소 경화되어 소기의 강도를 발현하는 것으로, 시공상 요구되는 주요 특성으로는 경화전 유동성, 경화속도, 용탈성(溶脫性), 경화후 강도 및 내식성 등을 들 수 있다.
우선, 경화전 유동성은 액상 주입재로서의 유동성으로서 유동성이 부족할 경우 액상 주입재의 지반내 토립자간 공극 또는 절리를 통한 원활한 침투가 곤란함은 물론 주입 관로를 통한 주입 자체에도 상당한 애로점이 초래될 수 밖에 없는 바, 주입재에 가소제 등을 첨가함으로써 유동성을 부여 내지 향상시키는 등의 처리를 가하고 있다.
경화속도 즉, 액상 주입재가 경화되어 저유동성 반액반고체(半液半固體)인 겔(gel) 내지 경화체로 변이하는 속도는 보강 및 차수 효과의 발현 자체는 물론 시공 영역의 설정 등에 있어서 주요한 요인으로 작용하는 것으로서, 특히 그라우팅 시공의 특성상 지반내 주입된 액상 주입재의 침투, 확산 및 상태 변이에 대한 육안 확인이 불가능한 바, 액상 주입재가 겔화(gel化)되는데 소요되는 시간인 겔타임(gel time)은 주입재의 초기 유실량 추정 및 침투 영역 조절에 있어서 핵심 요소로 활용된다.
이 밖에도 용탈성, 강도 및 내식성 등의 특성은 경화중 또는 경화후 주입재의 물리적 특성 및 내구성을 결정하는 특성으로서, 지하수 유동 또는 염수(鹽水) 영향에 대한 대처에 있어서 뿐 아니라, 재시공 주기를 결정함에 있어서도 중요한 요소로 고려된다.
전술한 바와 같이, 그라우팅 시공에 있어서는 시공 목적, 지역 및 요구 수명 등을 종합적으로 고려하여 그라우트재 및 주입 방식 등을 결정하게 되는데, 연약지반의 보강 및 지하수 차수 등에 있어서 주로 활용되는 그라우팅 기법으로서 물유리계 그라우트재를 활용한 그라우팅을 들 수 있으며, 관련 종래기술로서 공개특허 제2000-71355호 등을 들 수 있다.
공개특허 제2000-71355호를 비롯한 종래의 물유리계 그라우트재는 물유리 약액과 시멘트 밀크가 혼합되어 주입되는 것으로, 물유리를 구성하는 규산염과 시멘트의 칼슘간의 과도한 급속 반응으로 인하여 물유리 약액과 시멘트 밀크간 충분한 혼합이 이루어지지 않은 상태에서 일부 재료의 과급 경화 및 잔여 재료의 용탈이 초래되는 문제점을 가진다.
이에, 우레탄 등 합성수지를 바인더로 활용하는 그라우트재가 개발되었으나, 이 역시 재료 용탈 현상에 대한 실질적 제어에는 한계가 있을 뿐 아니라 주변 지하수의 오염을 초래하는 심각한 문제를 가진다.
본 발명은 전술한 문제점을 감안하여 창안된 것으로, 시멘트 광물계 그라우트 조성물에 있어서, 무기질약액 40중량% 내지 60중량%와 시멘트현탁액 40중량% 내지 60중량%가 지반내 주입과 동시에 혼합되면서 그라우트 조성물을 형성하되, 상기 무기질약액은 분말제제 40중량% 내지 60중량%와 물 40중량% 내지 60중량%가 혼합되어 조성되고, 상기 분말제제는 칼슘설포알루미네이트와, 칼슘설포알루미네이트와 동량(同量) 내지 2배 중량의 칼슘알루미네이트와, 칼슘설포알루미네이트 중량의 0.8배 내지 1.5배 중량의 알칼리금속탄산염과, 알칼리금속탄산염 중량의 0.2배 내지 0.4배 중량의 알칼리금속알루민산염과, 알칼리금속탄산염 중량의 0.05배 내지 0.1배 중량의 수산화칼륨이 혼합되어 조성되며, 상기 시멘트현탁액은 시멘트와, 시멘트 중량의 0.05배 내지 0.2배 중량의 혼화제와, 혼화제 중량의 0.01배 내지 0.05배 중량의 지연제와, 시멘트 중량의 1.5배 내지 3배 중량의 물이 혼합되어 조성되고, 상기 혼화제는 황산알루미늄 1중량% 내지 10중량%, 무수석고 30중량% 내지 40중량%, 칼슘설포알루미네이트 10중량% 내지 40중량%, 기능성 부산물 20중량% 내지 40중량%가 혼합되어 조성됨을 특징으로 하는 겔타임 조절이 용이한 시멘트 광물계 친환경 그라우트 조성물이다.
또한, 상기 기능성 부산물은 플라이애쉬임을 특징으로 하는 겔타임 조절이 용이한 시멘트 광물계 친환경 그라우트 조성물이고, 상기 기능성 부산물은 플라이애쉬 60중량% 내지 80중량%와 바텀애쉬 20중량% 내지 40중량%가 혼합되어 조성됨을 특징으로 하는 겔타임 조절이 용이한 시멘트 광물계 친환경 그라우트 조성물이다.
또한, 상기 알칼리금속탄산염은 탄산칼슘 또는 탄산마그네슘임을 특징으로 하는 겔타임 조절이 용이한 시멘트 광물계 친환경 그라우트 조성물이며, 상기 알칼리금속알루민산염은 알루민산칼슘 또는 알루민산나트륨임을 특징으로 하는 겔타임 조절이 용이한 시멘트 광물계 친환경 그라우트 조성물이다.
그라우트 조성물의 겔타임을 용이하게 조절할 수 있는 본 발명을 통하여, 그라우트 조성물의 지반내 침투 영역을 정밀하게 조절할 수 있으며, 이로써 시공 정도(精度)를 확보하고, 불필요한 자재 손실을 방지함과 동시에, 장, 단기 재료 용탈을 억제하여 환경오염을 방지할 수 있다.
또한, 시멘트 현탁액의 재료분리를 효과적으로 억제함으로써, 주입재가 경화되어 완성된 지중고화체(地中固化體)의 강도 및 내구성을 제고할 수 있으며, 내식성이 우수하고 경량 소재인 산업 부산물을 혼화제로 적용함으로써, 지중고화체의 수명 및 재시공 주기를 연장하는 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 지연제 혼입량에 따른 겔타임 변동 그래프
본 발명의 상세한 구성을 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 무기질약액과 시멘트현탁액이 각각 별도로 조제된 후, 이들 무기질약액과 시멘트현탁액이 시공 대상 지반에 동시에 주입되면서 혼합되는 2액형 그라우트 조성물로서, 무기질약액 40중량% 내지 60중량%와 시멘트현탁액 40중량% 내지 60중량%가 지반내 최종 주입과 동시에 혼합되면서 그라우트 조성물을 구성하게 된다.
본 발명의 무기질약액은 칼슘설포알루미네이트, 칼슘알루미네이트, 알칼리금속탄산염, 알칼리금속알루민산염 및 수산화칼륨으로 구성된 분말제제와 물이 혼합되어 구성되며, 건비빔된 분말제제 40중량% 내지 60중량%와 물 40중량% 내지 60중량%가 혼합되어 무기질약액을 구성하게 된다.
본 발명 그라우트 조성물의 분말제제에 있어서 칼슘설포알루미네이트(Calcium Sulfo Aluminate) 및 칼슘알루미네이트(Calcium Aluminate)는 본 발명 그라우트 조성물의 주입 후 경화시 완전한 수화경화체(水和硬化體)를 형성함으로써 초기 및 장기 용탈이 효과적으로 억제될 수 있으며, 이로써 용탈로 인한 지하수 오염이 방지될 뿐 아니라 완성된 지중고화체의 내구성 및 수명을 확보할 수 있다.
또한, 칼슘설포알루미네이트는 팽창효과를 발휘하여 경화시 수반되는 수축 현상을 보상함으로써, 지반내 그라우트 조성물의 밀실(密實)한 충전을 도모할 수 있으며, 칼슘알루미네이트는 우수한 급결 효과를 발휘하여 전체 그라우트 조성물의 경화 작용 및 초기 강도 발현을 촉진하게 된다.
본 발명 그라우트 조성물의 분말제제에 적용되는 알칼리금속탄산염으로는 탄산칼슘 또는 탄산마그네슘이 적용될 수 있는데, 이들 알칼리금속탄산염은 일종의 필러(filler)로서, 부반응을 야기하지 않으면서도 그라우트 주입재의 밀실특성(密實特性)을 확보하게 된다.
또한, 본 발명의 분말제제에 적용되는 알칼리금속알루민산염으로는 알루민산칼슘 또는 알루민산나트륨이 적용될 수 있으며, 이들 알칼리금속알루민산염은 후술할 시멘트현탁액과의 혼합시 시멘트의 수화반응을 촉진함과 동시에 팽창성을 발휘하여 시멘트의 건조수축을 보상하는 효과를 나타내게 되고, 본 발명의 분말제제에 함유되는 수산화칼륨은 강도증가 및 급결효과를 발현하게 된다.
이러한 본 발명의 분말제제는 상기와 같은 개별 재료를 4,000㎠/g 이상의 분말도로 분쇄한 후, 적정 배합비로 건비빔함으로써 완성되며, 분말제제를 구성하는 각 구성 요소별 적정 배합비는 다음과 같다.
우선, 본 발명의 분말제제 중 칼슘설포알루미네이트의 중량을 기준으로, 칼슘알루미네이트는 칼슘설포알루미네이트와 동량(同量) 내지 2배의 중량이 혼합된다.
즉, 칼슘설포알루미네이트 1kg당, 1kg 내지 2kg의 칼슘알루미네이트가 혼합되는 것으로, 칼슘알루미네이트의 혼합량이 상기 배합비의 범위 미만일 경우 급결효과 및 강도 발현이 부족하게 되고, 칼슘알루미네이트의 혼합량이 상기 배합비의 범위를 초과하면 과급한 경화로 인한 작업성 및 침투능(浸透能) 부족이 초래된다.
탄산칼슘 또는 탄산마그네슘이 적용되는 알칼리금속탄산염은 칼슘설포알루미네이트 중량의 0.8배 내지 1.5배의 중량비로 즉, 칼슘설포알루미네이트 1kg당, 0.8kg 내지 1.5kg의 알칼리금속탄산염이 혼합되는데, 알칼리금속탄산염의 혼합량이 상기 배합비의 범위 미만일 경우 완성된 고화체내 미세기공에 대한 충전이 불충분하게 수행되고, 알칼리금속탄산염의 혼합량이 상기 배합비의 범위를 초과하면 과잉 충전으로 인한 조직 이완 및 강도 등 물성 저하가 야기된다.
알루민산칼슘 또는 알루민산나트륨이 적용되는 알칼리금속알루민산염은 상기 알칼리금속탄산염 중량의 0.2배 내지 0.4배의 중량비 즉, 알칼리금속탄산염 1kg당, 0.2kg 내지 0.4kg의 알칼리금속알루민산염이 혼합되는데, 알칼리금속알루민산염의 혼합량이 상기 배합비의 범위 미만일 경우 후술할 시멘트현탁액과의 혼합시 시멘트 수화반응의 부진 및 시멘트의 건조수축으로 인한 고화체내 공동(空洞) 형성이 초래되고, 알칼리금속알루민산염의 혼합량이 상기 배합비의 범위를 초과하면 과잉 팽창으로 인한 작업성 및 침투능 저하가 초래된다.
이 밖에 본 발명의 분말제제의 미량 첨가물로서 수산화칼륨이 혼합되는데, 수산화칼륨은 상기 알칼리금속탄산염 중량의 0.05배 내지 0.1배의 중량비 즉, 알칼리금속탄산염 1kg당, 0.05kg 내지 0.1kg의 수산화칼륨이 혼합되는 것이 강도증가 및 급결효과 확보에 있어서 바람직하다.
상기와 같은 배합비로 혼합되는 분말제제는 건비빔 형식으로 균질 혼합된 후, 현장에서 사용 직전 물을 혼합 및 교반하여 무기질약액으로 완성된다.
한편, 본 발명 그라우트 조성물을 구성하는 시멘트현탁액은 그 사전적 의미에서와 같이, 시멘트와 물이 혼합되어 구성되는 것으로, 시멘트에는 소량의 혼화제 및 지연제가 첨가될 수 있으며, 이들 혼화제 및 지연제는 시멘트현탁액을 구성하기 위한 시멘트와 물의 혼합 이전에 시멘트에 건비빔 형식으로 균질 혼합된다.
다만, 지연제는 계획 침투능 및 현장 여건 등에 따라 혼입량이 변동되므로, 기 배합된 시멘트 및 혼화제 혼합물에 최종 단계 즉, 시멘트현탁액을 구성하기 위한 배합수의 혼합단계에서 지연제가 혼합되거나, 또는 일단 시멘트, 혼화제 및 물을 혼합하여 시멘트현탁액을 구성한 후, 시멘트현탁액에 지연제를 첨가하는 방식이 적용될 수도 있다.
시멘트현탁액을 구성하기 위한 시멘트 및 물의 혼합에 있어서 혼합비는 혼화제 및 지연제를 제외한 시멘트 중량의 1.5배 내지 3배 중량의 물을 혼합하는 것이 바람직하며, 이로써 충분한 유동성 및 침투능이 부여된 시멘트현탁액이 조성될 수 있다.
시멘트현탁액을 구성하는 시멘트로는 포틀랜드시멘트 등의 통상의 시멘트가 적용될 수 있으며, 시멘트에 혼합되는 혼화제는 시멘트 중량의 0.05배 내지 0.2배 중량의 혼화제가 혼합되는 비율로 혼합되는 것이 바람직하고, 지연제는 혼화제 중량의 0.01배 내지 0.05배의 중량비로 즉, 혼화제 1kg당 0.01kg 내지 0.05kg의 지연제가 혼합되는 비율로 혼합되는 것이 바람직하다.
본 발명의 시멘트현탁액 조제시 시멘트와 혼합되는 혼화제는 황산알루미늄, 무수석고, 칼슘설포알루미네이트 및 분말상 기능성 부산물이 배합되어 구성된다.
상기 혼화제의 구성 요소 중 황산알루미늄과 무수석고는 시멘트의 수화반응을 촉진하는 역할을 수행하는데, 특히 무수석고는 시멘트 현탁액에 불가피하게 형성될 수 밖에 없는 일시적인 과잉수(過剩水)를 고정하여 시멘트 현탁액내 재료분리를 억제하는 역할을 수행한다.
본 발명을 비롯한 시멘트 적용 그라우트 주입재에 있어서 시멘트 현탁액은 유동성 및 침투능의 확보를 위하여 여타의 모르타르 또는 콘크리트에 비하여 월등한 양의 물이 혼합되는 바, 시공 대상 지반에 주입된 후 무기질약액과의 충분한 혼합이 이루어지지 않을 경우 시멘트 현탁액내 시멘트가 물과 분리되는 블리딩(bleeding) 현상이 야기되고, 결국 지반내 고화체가 불충분하게 형성되거나 고화체의 강도가 저하되는 심각한 불량이 초래된다.
이에, 본 발명에서는 상기와 같이 무수석고 등을 무기질약액이 아닌 시멘트현탁액을 구성하는 혼화제에 첨가함으로써, 시멘트 현탁액의 재료분리를 억제하고 완성된 고화체의 강도 및 밀실특성을 확보한다.
혼화제내 혼합되는 칼슘설포알루미네이트 역시 상기 황산알루미늄과 무수석고의 작용과 같은 맥락으로 시멘트 현탁액내 과잉수를 일시적으로 고정하고 시멘트의 수화반응을 촉진함과 동시에, 무기질약액과의 최종 혼합시 경화 작용을 강화, 촉진하는 기능을 수행하는 것으로, 이 또한 무기질약액을 구성하는 분말제제 뿐 아니라 시멘트현탁액을 구성하는 혼화제에도 혼합된다.
즉, 본 발명의 그라우트 조성물에서는 무수석고 및 칼슘설포알루미네이트 등이 무기질약액에 함유되는 것이 아니라 시멘트현탁액에 함유되거나, 또는 무기질약액 및 시멘트현탁액에 모두 함유되는 것으로서, 이로써 원활한 반응 특성을 확보할 뿐 아니라 경화전 재료분리 등의 불량을 효과적으로 억제할 수 있는 것이다.
다만, 시멘트현탁액에 상기와 같은 경화성 내지 경화 촉진성 재료를 사전 혼합함에 따라 불필요한 선행 반응이 진행될 수 있으나, 본 발명의 혼화제는 시멘트와 건비빔 상태로 조제되어 일체의 반응이 억제된 상태를 유지하다가, 시공 대상 지반에 주입되기 직전 현장에서 물과 혼합되면서 비로소 시멘트현탁액을 형성하게 되는 바, 과도한 선행 반응의 수반 없이 안정적인 작업이 가능하게 된다.
본 발명 시멘트현탁액의 혼화제에 혼합되는 기능성 부산물은 발전 부산물 등 미세 분말상의 산업 부산물로서, 우선 플라이애쉬(fly ash)가 적용될 수 있으며, 플라이애쉬 단독 적용 뿐 아니라, 플라이애쉬와 타 산업 부산물이 혼용될 수도 있다.
플라이애쉬는 우수한 분산성과 내식성을 바탕으로, 완성된 고화체에 경량화 및 내식성 향상 효과를 부여할 수 있다.
한편, 플라이애쉬와 타 산업 부산물이 혼용되는 경우, 플라이애쉬(fly ash) 함유 기능성 부산물은 플라이애쉬와 바텀애쉬(bottom ash)가 혼합되어 구성되는데, 이로써 경량화, 내식성 및 분산성 등 플라이애쉬와 바텀애쉬 본연의 특장점을 십분 활용함과 동시에, 이들 플라이애쉬 및 바텀애쉬가 병용됨으로 인하여 발휘되는 유리한 상승 작용 또한 도모할 수 있다.
플라이애쉬와 바텀애쉬는 석탄 연소에서 발생되는 산업 부산물로서 주로 화력발전소 등 대량의 석탄을 소비하는 시설에서 발생되는데, 이들 모두 연소 후 잔류물이라는 공통점에서 비롯되는 경량 소재로서의 특성을 공유하고는 있으나, 플라이애쉬는 배출가스에서 집진되고 바텀애쉬는 하강물이 수집된다는 점에서 차이점을 가진다.
플라이애쉬의 경우 우수한 경량화 및 내식성 효과를 바탕으로 시멘트 혼화제로서 광범위하게 적용되고 있으며, 주로 경량 콘크리트 및 염해(鹽害) 방지용 콘크리트에 활용되고 있으나, 바텀애쉬는 플라이애쉬에 비하여 활용도가 높지 않으며 일부 콘크리트 제품에 있어서 골재(骨材)로서 활용되는 실정이다.
이는 바텀애쉬가 경량화 및 내식성 등에 있어서 플라이애쉬에 비하여 불리하다는 인식에서 비롯된 것으로, 이로 인하여 동일한 시설에서 동일한 연료를 연소함에 따라 발생된 부산물임에도 불구하고, 플라이애쉬와 달리 바텀애쉬는 시멘트 혼화제로서의 적용이 부진하였다.
그러나, 플라이애쉬와 바텀애쉬를 혼합하여 기능성 부산물로서 혼화제에 혼합함으로써 각각의 장점을 충분히 활용하고 단점을 보완할 수 있다.
플라이애쉬의 장점인 내식성 및 분산성은 상당 분분 입자 구조에서 기인하는 것으로, 플라이애쉬는 석탄이 고온으로 연소되는 과정에서 미립화되고 표면이 부분 용융되면서 윤택한 구형(球形)의 입자 구조를 가지게 되며, 이로써 우수한 내식성이 형성됨과 동시에, 액체내 유동성을 바탕으로 하는 분산성이 부여된다.
특히, 플라이애쉬의 양호한 분산성 및 유동성은 배합된 시멘트 콘크리트의 유동성을 배가하여 작업성(workability)을 증대할 수 있으며, 이로써 배합수를 감량할 수 있어, 결국 완성된 콘크리트의 강도가 향상되는데, 이는 일반적인 시멘트 콘크리트에 있어서는 유효할 수 있으나, 전술한 바와 같이 통상적인 콘크리트에서의 배합수 투입량을 월등하게 상회하는 배합수가 적용되는 그라우트 주입재에서는 실질적인 효과를 기대할 수 없는 것이다.
즉, 상대적으로 소량의 물이 배합되는 일반 콘크리트에서는 플라이애쉬의 분산성을 통하여 경화전 콘크리트의 유동성이 향상되고 이로 인하여 소요 배합수량이 저감됨에 따라 장기(長期) 강도의 제고가 가능하지만, 다량의 배합수가 적용되는 그라우트 주입재에서는 플라이애쉬의 분산성이 유동성 과잉 및 재료분리를 초래하고 초기 강도를 저감하는 부작용을 야기할 수 있는 것이다.
이러한 플라이애쉬의 부작용은 혼화제로서 플라이애쉬의 효과가 단기 강도가 아닌 장기 강도에 치중되는 점을 통하여도 확인될 수 있는 것으로, 종래기술에서는 이러한 플라이애쉬의 부작용을 간과한 채, 일반 콘크리트에서의 효과만을 맹신하여 그라우트 주입재의 시멘트현탁액 혼화제로서 플라이애쉬를 단독으로 단순 혼합하는 방식을 답습하고 있는 실정이다.
이에, 본 발명에서는 플라이애쉬의 입자 구조상 특성을 보상 내지 보완하면서도 내식성 및 장기 강도 향상 효과는 유지할 수 있도록 플라이애쉬와 바텀애쉬를 혼합하여 기능성 부산물로서 혼화제에 적용하였으며, 특히 바텀애쉬는 플라이애쉬와 근원 소재가 동일할 뿐 아니라 발생 과정 역시 동일한 바 불필요한 과반응 및 부반응이 일체 야기되지 않고 고도의 안정성을 확보할 수 있다.
전술한 바와 같이 바텀애쉬는 하강물로서 수집되는 것으로 플라이애쉬에 비하여 비교적 큰 입경을 가지며, 윤택한 미세 구형 입자가 형성되는 플라이애쉬와 달리 판상 또는 편상 등 불규칙한 입자 형상을 가지는 바, 플라이애쉬와의 혼합시 과도한 유동성 및 분산성 형성을 억제함과 동시에, 시멘트현탁액을 구성하는 타 입상체(粒狀體)와의 긴밀하고 견고한 결합 구조가 구축된다.
또한, 전술한 바와 같이, 플라이애쉬와 바텀애쉬는 동일한 시설에서 생성되는 부산물인 바, 수급 편의성 역시 용이하게 확보할 수 있다.
다만, 바텀애쉬는 미세 분말상으로 집진되는 플라이애쉬와 달리 조립질(粗粒質) 입상체로서 수집되므로, 혼화제에 혼합되는 기능성 부산물을 구성하기 위하여 플라이애쉬와의 혼합전 미세 분말상으로 분쇄될 필요가 있다.
본 발명의 시멘트현탁액을 구성하는 분말상 재료 즉, 혼화제 및 지연제는 공히 미세 분말상으로 혼합되어 반응성을 확보하게 되며, 전술한 무기질약액의 분말제제에서와 같이, 시멘트현탁액의 혼화제 및 지연제 재료 역시 개별 재료를 4,000㎠/g 이상의 분말도로 분쇄한 후, 적정 배합비로 건비빔하게 된다.
이러한 본 발명 시멘트현탁액에 적용되는 혼화제의 혼합비는 황산알루미늄 1중량% 내지 10중량%, 무수석고 30중량% 내지 40중량%, 칼슘설포알루미네이트 10중량% 내지 40중량%, 기능성 부산물 20중량% 내지 40중량%가 혼합되어 혼화제가 구성되는 비율이 바람직하다.
여기서, 혼화제에 황산알루미늄, 무수석고 및 칼슘설포알루미네이트가 상기 혼합비 미만으로 혼입될 경우 충분한 경화 촉진 및 팽창 효과를 기대할 수 없을 뿐 아니라, 완성된 고화체의 수축에 대한 보상 및 재료 분리 방지에 있어서 실질적인 효과를 기대할 수 없고, 황산알루미늄, 무수석고 및 칼슘설포알루미네이트가 상기 혼합비를 초과하여 혼입될 경우 과급한 경화 및 과대한 팽창으로 인한 작업성 훼손 및 침투능 저하가 초래된다.
기능성 부산물 역시, 혼화제에 상기 혼합비 미만으로 혼입될 경우 유의한 내식성 향상, 경량화 및 재료 분리 방지 효과를 기대할 수 없고, 상기 혼합비를 초과하여 혼입될 경우 시멘트량의 상대적 부족을 야기하여 장, 단기 강도의 저하를 초래할 수 있다.
또한, 본 발명 시멘트현탁액 혼화제에 있어서 기능성 부산물을 구성하는 플라이애쉬 및 바텀애쉬는 플라이애쉬 60중량% 내지 80중량%와 바텀애쉬 20중량% 내지 40중량%가 혼합되어 구성되는 것이 바람직하며, 이는 기능성 부산물내 플라이애쉬의 우세 기조를 유지하여 내식성 및 경량성 등의 장점을 최대한 유지한 상태에서, 적정량의 바텀애쉬를 첨가함으로써 과도한 분산성을 제어할 수 있도록 하기 위함으로, 상기 혼합비 미만의 바텀애쉬가 첨가되는 경우 유의한 분산성 제어 효과를 기대할 수 없으며, 상기 혼합비를 초과하는 바텀애쉬가 첨가되면 플라이애쉬 특유의 경량성 및 유동성이 훼손될 수 있다.
한편, 본 발명의 시멘트현탁액 조제시 시멘트 및 혼화제와 혼합되는 지연제는 응결을 지연하여 그라우팅 작업 중 주입재의 유동성 및 침투능을 확보할 수 있도록 하는 것으로, 분말상 구연산 또는 분말상 주석산이 적용되며, 그라우트 주입재의 계획 침투 범위와, 배합수의 수온(水溫) 등 현장 여건을 고려하여 혼합량을 증감하게 된다.
즉, 시멘트현탁액에 첨가되는 구연산 등 지연제의 혼합량을 증대할수록 그라우트 조성물의 겔타임(gel time)이 지연되는 것으로, 전술한 바와 같이 본 발명에서는 무수석고 및 칼슘설포알루미네이트 등 경화 촉진 및 과잉수 고정 기능성 재료가 시멘트현탁액에 구연산과 함께 혼합됨에도 불구하고, 불필요한 과반응 및 부반응을 억제하는 무수석고 및 칼슘설포알루미네이트의 상호작용과, 이들 무수석고 및 칼슘설포알루미네이트의 혼화제내 함량이 적정 수준으로 설정, 관리됨에 따라, 지연제에 의한 응결 지연효과를 유지할 수 있을 뿐 아니라, 겔타임 지연 효과가 지연제의 혼합량을 추종하는 경향성 또한 확고하게 유지될 수 있다.
이러한 지연제의 혼합비는 전술한 혼화제 중량의 1중량% 내지 5중량%의 범위 내에서 적용될 수 있으며, 지연제의 혼합량이 감소될수록 겔타임이 단축되어 그라우트 주입재에 순결성이 부여되고, 지연제의 혼합량이 증대될수록 겔타임이 연장되어 그라우트 주입재에 완결성이 부여된다.
이하의 실시예에서는 상기 지연제의 혼합량을 혼화제 중량의 1중량% 내지 5중량%에 이르는 구간에 대하여 단계적으로 변화시킴에 따라, 겔타임의 변동을 측정한 것으로, 이로써 전술한 바와 같은 응결성 소재의 시멘트현탁액용 혼화제 적용, 플라이애쉬 및 바텀애쉬 복합 기능성 부산물의 적용 등 본 발명의 특징적 구성에도 불구하고 겔타임의 지연 효과가 지연제의 혼합량을 추종하는 경향성을 확인한다.
이러한 지연제 혼합량에 따른 겔타임 지연 효과의 경향성은 그라우트 주입재 조성물의 실제 현장 적용에 있어서 매우 중요한 특성으로서, 이를 통하여 주입재의 초기 유실량 추정 및 침투 영역 조절이 가능하게 된다.
무기질약액의 분말제제 조제
분말도 4,000㎠/g으로 분쇄된 칼슘설포알루미네이트 1,000g, 분말도 4,000㎠/g으로 분쇄된 칼슘알루미네이트 1,500g, 분말도 4,000㎠/g으로 분쇄된 탄산칼슘 1,000kg, 분말도 4,000㎠/g으로 분쇄된 알루민산칼슘 300kg 및 분말도 4,000㎠/g으로 분쇄된 수산화칼륨 80g을 건식, 균질 혼합하여 3,880g의 분말제제를 조제하였다.
혼화제 조제
플라이애쉬 50g과 분말도 4,000㎠/g으로 분쇄된 바텀애쉬 20g을 건식, 균질 혼합하여 70g의 기능성 부산물을 조제하였다.
이후, 황산알루미늄 10g, 무수석고 70g, 칼슘설포알루미네이트 50g 및 상기 기능성 부산물 70g을 건식, 균질 혼합하여 200g의 혼화제를 조제하였다.
무기질약액 조성
상기 분말제제 2,000g과 20℃의 물 2,000g을 교반, 혼합하여 4,000g의 무기질 약액을 형성한다.
시멘트현탁액 조성
우선, 포틀랜드 시멘트 200g과 상기 혼화제 30g과 구연산 0.3g 및 20℃의 물 400g을 교반 혼합하여 630.3g의 제1형 시멘트현탁액을 형성한다.
또한, 포틀랜드 시멘트 200g과 상기 혼화제 30g과 구연산 0.6g 및 20℃의 물 400g을 교반 혼합하여 630.6g의 제2형 시멘트현탁액을 형성한다.
또한, 포틀랜드 시멘트 200g과 상기 혼화제 30g과 구연산 0.9g 및 20℃의 물 400g을 교반 혼합하여 630.9g의 제3형 시멘트현탁액을 형성한다.
또한, 포틀랜드 시멘트 200g과 상기 혼화제 30g과 구연산 1.2g 및 20℃의 물 400g을 교반 혼합하여 631.2g의 제4형 시멘트현탁액을 형성한다.
또한, 포틀랜드 시멘트 200g과 상기 혼화제 30g과 구연산 1.5g 및 20℃의 물 400g을 교반 혼합하여 631.5g의 제5형 시멘트현탁액을 형성한다.
그라우트 조성물 형성 및 겔타임 측정
상기 무기질약액 100g과 제1형 시멘트현탁액 100g을 각각 별도의 용기에 적재한 후, 일측 용기에 적재된 무기질약액 또는 제1형 시멘트현탁액을 타측 용기로 투입하여 혼합함과 동시에, 시간 측정을 개시하고, 무기질약액 및 시멘트현탁액 혼합물을 일측 용기에서 타측 용기로 반복하여 이동시키면서 시간 측정을 지속하다가, 무기질약액 및 시멘트현탁액 혼합물의 유동성이 소실되어 용기간 즉각적 이동이 정지되면 시간 측정을 중지하여, 무기질약액 및 시멘트현탁액 혼합물이 겔화되는데 경과된 시간을 측정한다.
이러한 과정을 무기질약액 100g과 제2형 시멘트현탁액 100g 혼합물, 무기질약액 100g과 제3형 시멘트현탁액 100g 혼합물, 무기질약액 100g과 제4형 시멘트현탁액 100g 혼합물 및 무기질약액 100g과 제5형 시멘트현탁액 100g 혼합물에 대하여 동일하게 수행한다.
제1형 내지 제5형 시멘트현탁액에 대한 상기 겔타임 측정은 각각의 시멘트현탁액에 대하여 5회씩 실시하여 평균치를 산출하였으며, 그 결과는 다음의 표 1 및 첨부된 도 1과 같다.
구연산 혼합량에 따른 겔타임 변화
구 분 혼화제 대비 구연산 첨가량 겔타임(초)
제1형 시멘트현탁액 1중량% 8±03
제2형 시멘트현탁액 2중량% 15±04
제3형 시멘트현탁액 3중량% 27±09
제4형 시멘트현탁액 4중량% 57±12
제5형 시멘트현탁액 5중량% 112±21
상기 표 1 및 첨부된 도 1을 통하여 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명 그라우트 조성물의 겔타임이 지연제인 구연산의 혼합량을 추종하고 있음을 확인할 수 있다.
또한, 전술한 바와 같이, 본 발명에서는 응결성 소재가 시멘트현탁액용 혼화제에 첨가될 뿐 아니라, 다양한 산업 부산물이 복합 적용되었음에도 불구하고 겔타임의 정밀하고 안정적인 통제가 가능함을 확인할 수 있다.

Claims (1)

  1. 무기질약액과 시멘트현탁액이 각각 별도로 조제된 후, 무기질약액과 시멘트현탁액이 시공 대상 지반에 동시에 주입되면서 혼합되는 2액형 시멘트 광물계 그라우트 조성물에 있어서,
    무기질약액 40중량% 내지 60중량%와 시멘트현탁액 40중량% 내지 60중량%가 지반내 주입과 동시에 혼합되면서 그라우트 조성물을 형성하되,
    상기 무기질약액은 분말제제 40중량% 내지 60중량%와 물 40중량% 내지 60중량%가 혼합되어 조성되고;
    상기 분말제제는 칼슘설포알루미네이트와, 칼슘설포알루미네이트와 동량(同量) 내지 2배 중량의 칼슘알루미네이트와, 칼슘설포알루미네이트 중량의 0.8배 내지 1.5배 중량의 탄산마그네슘과, 탄산마그네슘 중량의 0.2배 내지 0.4배 중량의 알루민산나트륨과, 탄산마그네슘 중량의 0.05배 내지 0.1배 중량의 수산화칼륨이 혼합되어 조성되며;
    상기 시멘트현탁액은 시멘트와, 시멘트 중량의 0.05배 내지 0.2배 중량의 혼화제와, 혼화제 중량의 0.01배 내지 0.05배 중량의 구연산과, 시멘트 중량의 1.5배 내지 3배 중량의 물이 혼합되어 조성되고;
    상기 혼화제는 황산알루미늄 1중량% 내지 10중량%, 무수석고 30중량% 내지 40중량%, 칼슘설포알루미네이트 10중량% 내지 40중량%, 플라이애쉬 20중량% 내지 40중량%가 혼합되어 조성됨을 특징으로 하는 겔타임 조절이 용이한 시멘트 광물계 친환경 그라우트 조성물.
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