KR20220060602A

KR20220060602A - 순환자원을 다량 이용한 고유동성 phc 말뚝 시공용 주면 고정재

Info

Publication number: KR20220060602A
Application number: KR1020200146090A
Authority: KR
Inventors: 김승일; 한경수; 박정대; 서보성; 문경주; 서세관; 윤성진
Original assignee: 디엘이앤씨 주식회사; 주식회사 씨엠디기술단
Priority date: 2020-11-04
Filing date: 2020-11-04
Publication date: 2022-05-12
Also published as: KR102510283B1

Abstract

본 발명은 순환자원을 다량 이용한 고유동성 PHC 말뚝 시공용 주면 고정재에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 제철소 및 발전소 탈황공정 부산물을 고로슬래그 미분말의 자극제로 대량 활용하여 유동성 및 초기강도 확보가 가능하면서 체적 안정성이 우수한 PHC 말뚝 시공용 주면 고정재 조성물에 관한 것이다.
본 발명에 의한 순환자원을 다량 이용한 고유동성 PHC 말뚝 시공용 주면 고정재는 1종 시멘트 100중량부에 대하여, 고로슬래그 미분말 100∼2,000중량부와, 제철소 탈황공정 중탄산나트륨 반응부산물 50∼2,000중량부와, 제철소 탈황공정 소석회 반응부산물 10∼500중량부와, 순환 유동층 보일러 하부에서 배출되는 바텀애시 50∼5,000중량부를 포함한다.

Description

순환자원을 다량 이용한 고유동성 PHC 말뚝 시공용 주면 고정재{PERIMETER SUPPORTING MATERIAL FOR CONSTRUCTING PHC PILE}

본 발명은 순환자원을 다량 이용한 고유동성 PHC 말뚝 시공용 주면 고정재에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 제철소 및 발전소 탈황공정 부산물을 고로슬래그 미분말의 자극제로 대량 활용하여 유동성 및 초기강도 확보가 가능하면서 체적 안정성이 우수한 PHC 말뚝 시공용 주면 고정재 조성물에 관한 것이다.

최근 건설 현장에서 파일 기초공사시의 소음과 진동 규제 강화 추세에 따라 매입 말뚝 공법의 파일공사가 증가하고 있다.

매입 말뚝 시공은 지반에 오거를 이용해 구멍을 파고 기성 제품인 PHC 말뚝또는 선단 확장형 말뚝을 심는 방법으로서, 지반과 말뚝의 공간에 1종 시멘트 또는 1종 시멘트에 벤토나이트를 첨가한 분말에 물을 혼합하여 제조된 고정액을 충진하여 말뚝의 마찰력 및 지지력을 강화시키는 방법으로 수행된다.

천공 구멍과 말뚝 사이의 고정재는 하중 재하 초기 단계에서 파일의 자립을 위한 고정재 및 말뚝 주면마찰력의 기능을 발휘하는 것이 기본 역할이다.

하지만, 1종 시멘트는 주원료인 석회석을 채광하여 1,450℃의 고온에서 소성하여 제조되는 관계로 석회석의 탈탄산 과정에서 온실가스의 주원인인 다량의 CO₂ 가스가 발생하여 지구온난화의 원인이 된다.

또한 시멘트는 pH가 13 이상에 달할 정도로 강한 알칼리이기 때문에 토양에 사용하였을 경우 바람직하지 않다.

또한, 벤토나이트는 국내에 천연자원으로 부존하지 않는 광물로서 전량 수입에 의존하고 있는 고가의 재료이며 염분과 접촉하면 그 팽윤도가 현저히 떨어져 차수성이 크게 저하되는 문제점이 있다.

최근에는 이러한 기존의 시멘트의 성능을 개선시키기 위해 여러 기술들이 제시되고 있다. 이러한 기술은 1종 시멘트를 주원료로 사용하고 일부를 고로슬래그 및 미분탄 보일러 플라이애시로 치환하고 다양한 고가의 혼화제 및 혼화재(무수석고, 벤토나이트, 칼슘설포알루미네이트, 칼슘알루미네이트 등) 원료를 추가하는 기술이다.

그러므로 제조공정이 매우 복잡하고 생산에 많은 비용이 수반되며, 여러 가지 원료를 동시에 사용해야하기 때문에 원료의 물리 화학적 품질특성 변동에 따른 배합의 선정이 어렵다.

한편, LH 전문시방서에서는 「매입말뚝을 박은 후, 생기는 말뚝 주변 공간은 말뚝의 수평저항력과 주면마찰력을 확보하기 위하여 물-결합재비(W/B)가 표준일축압축강도 0.49MPa 이상의 주면 고정액으로 충전하여야 한다. 만약 이 액이 지반속으로 스며들어 주면 고정액의 상면이 침강하면 지속적으로 보충하여야 한다.」라고 명시되어 있다. 즉, 주면고정액의 경우 매우 낮은 일축압축강도를 요구하기 때문에 건설현장에서는 물-결합재비(W/B)를 83% 이상으로 하여도 표준일축강도 0.49MPa 이상은 충분히 확보할 수 있으나 높은 물-결합재비를 갖는 빈배합비의 주면 고정액은 주입하더라도 말뚝 주변지반으로 빠져나가 충진이 되지 않아 지속적으로 주면 고정액을 지속적으로 보충해 주어야 하는 문제점이 발생하게 된다. 이에 따라 투수성이 큰 지반이나 지하수가 많은 현장에서는 물-결합재비(W/B)를 83% 이하의 68%나 59% 등의 부배합으로 변경하여 주면마찰력을 키우는 방법을 사용하고 있어 유동성 확보 및 관이 막히는 현상을 방지하는 것이 매우 중요하다.

사실, 시공성을 무시하고 강도 측면에서만 본다면 주면고정액에 요구되는 일축압축강도에 비하여 너무나 과도한 시멘트가 지반에 투입되고 있는 실정이다. 또한, 시멘트는 지반의 강알칼리 및 육가 크롬에 의한 환경오염을 유발할 수 있고 체적 수축이 발생하여 매입 말뚝의 주면 마찰력이 저하되는 문제점을 내포하고 있다.

최근에는 이러한 기존의 시멘트를 주입재로 사용하는 문제점을 개선하기 위한 몇 가지 기술이 제시되고 있다.

예를 들면, 대한민국 등록특허 제10-1377552호에서는 산화칼슘 함량이 30∼60%인 석탄재 100중량부에 대하여 고로슬래그 미분말 100∼300중량부, 페트롤 코크스 탈황석고 20∼100중량부를 혼합한 시멘트를 사용하지 않은 매입말뚝 시공용 밀크 주입재 기술을 제시하였다.

또한, 대한민국 등록특허 제10-1402877호에서는 고로슬래그 미분말 55∼65중량%와 F급 플라이애시 10∼20중량%와 산화칼슘 함량이 20% 이상인 C급 플라이애시 10∼20 중량%와 탈황석고 2∼5중량% 및 제지슬러지 소각재 10∼20중량%를 혼합한 고로 슬래그를 이용한 친환경 에코 채움재 제조 기술을 제시하였다.

또한, 대한민국 등록 특허 제10-1636277호에서는 경소백운석 미분말 100중량부에 대하여 고로슬래그 미분말 100∼300중량부, 및 수소이온농도(pH) 12∼12.5이고, 칼슘 옥사이드(Calcium oxide) 함량이 65∼75 중량%이고, 설페이트 옥사이드 (Sulfate oxide) 함량이 20∼30 중량%이며, 상기 칼슘 옥사이드와 설페이트 옥사이드를 합한 함량이 95% 이상인 석고 50∼200 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는경소백운석을 활용한 말뚝 주입재 조성물을 제시하였다.

이러한 기술들은 고로슬래그 미분말을 주재료로 사용하고 부원료로 페트로 코크스를 연료로 사용하는 순환 유동층 보일러 노내 탈황 공정의 부산물로 발생되는 탈황석고에 의한 알칼리 및 황산염 자극으로 활성화시키는 알칼리 활성화 슬래그의 이론을 바탕으로 하고, 석탄을 연료로 하는 순환 유동층 보일러 고칼슘 플라이애시 및 경소백운석 등을 팽창재로 활용하는 기술내용이다. 즉, 상기 특허들은 알칼리 활성화 슬래그의 강도발현과 순환 유동층 보일러 고칼슘 플라이애시의 팽창성을 활용하여 말뚝 주면을 경화시키는 기술이라 할 수 있다.

그러나 상기의 기술들은 페트로 코크스 탈황석고 및 고칼슘 플라이애시에 존재하는 Free CaO가 많은 수분을 급격히 흡수하여 초기 유동성이 크게 저하되고 주면 고정액 이송관이 막히는 문제가 종종 발생된다. 또한 초기 강도 발현이 매우 늦어 본항타 시공 등 후속 공정이 늦어져 매입말뚝 주면 고정재로서 현재 상업화되지 못하고 있는 형편이다.

한편, 제철소 소결공정 중 배가스 라인에서 발생하는 SO_X를 제거하기 위해 탈황제로 중탄산나트륨(NaHCO₃)을 사용하며 탈황 처리 후 발생하는 분진은 전량 일반폐기물로 분류되어 매립 처리를 하게 된다. 이로 인한 중탄산나트륨 탈황 분진의 발생 예상량은 매년 약 10만톤에 육박하며, 매립지 부족으로 인한 지속적인 매립 비용의 상승으로 원가 부담이 많은 실정이다.

최근에는 이러한 중탄산나트륨 탈황 분진의 재활용을 위한 몇 가지 기술이 제시되고 있다.

예를 들면, 대한민국 등록특허 제10-1840470호에서는 고로슬래그 미분말 100중량부에 대하여 CaO 함량이 15∼70중량%이고 SO₃ 함량이 3∼30중량%인 유동층 보일러 바텀애시 0.5∼1,000중량부와 CaO 함량이 15∼60중량%이고 SO₃ 함량이 3∼20중량%인 유동층 보일러 플라이애시 0.5∼1,000중량부와 Na₂O 함량이 10∼50중량%이고 SO₃ 함량이 10∼50중량%인 제철소 탈황공정에서 부산물로 발생되는 망초 0.1∼500중량부를 포함하는 중금속 용출이 없는 친환경 지반 그라우트재 기술을 제시하였다.

상기 기술은 초미립분 형태의 노내탈황 방식 고칼슘 플라이애시에 존재하는 Free CaO가 많은 수분을 급격히 흡수하여 유동성이 크게 저하되고 동시에 Free CaO 성분에 의한 발열 및 팽창현상이 발생하여 이송관이 막히는 문제가 종종 발생하여 현재 매입말뚝 주면 고정재로서 상업화되지 못하고 있는 형편이다.

또한, 대한민국 공개특허 2016-0047101에서는 고로슬래그 100중량부에 대하여, CaO 함량이 61∼85중량%인 석유 코크스 연소재 10∼500중량부와, Na₂O 함량이 10∼50중량%이고 SO₃ 함량이 10∼50중량%인 제철소 소결공정 또는 유리 제조 공정에서 부산물로 발생되는 황산나트륨 0.1∼50중량부를 포함하는 결합재 조성물을 제시하였다.

상기 기술은 고로슬래그 미분말과 석유 코크스 연소재(탈황석고)가 주재료이고 제철소 및 유리 제조 공정에서 부산물로 발생하는 황산나트륨을 소량 사용하기 때문에 경제성이 부족하고 초기강도 발현이 늦은 문제점이 있다. 또한 상기 석유 코크스 연소재가 많은 수분을 급격히 흡수하여 유동성이 크게 저하되고 동시에 Free CaO 성분에 의한 발열 및 팽창현상이 발생하여 이송관이 막히는 문제가 종종 발생하여 현재 매입말뚝 주면 고정재로서 상업화되지 못하고 있는 형편이다.

본 발명에서는 상기 인용특허들에서 사용했던 Free CaO가 높아 밀크액 이송 중 막힘현상 발생 및 강도 부족 등의 문제점이 있는 노내 탈황 부산물인 페트로 코크스 탈황석고 및 고칼슘 플라이애시를 원천적으로 배제하고, 유동성이 우수한 제철소 탈황공정 반응 부산물과 순환 유동층 보일러 바텀애시를 고로슬래그 미분말의 자극제로 대량 활용하여 유동성 및 초기 강도 확보가 가능하면서 체적 안정성이 우수한 특징을 발휘할 수 있는 차별성이 있다.

등록특허 제10-1377552호 등록특허 제10-1402877호 등록특허 제10-1636277호 등록특허 제10-1840470호 공개특허 2016-0047101

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 제철소 및 발전소 탈황공정 부산물을 고로슬래그 미분말의 자극제로 대량 활용하여 유동성 및 초기 강도 확보가 가능하면서 체적 안정성이 우수한 PHC 말뚝 시공용 주면 고정재를 제공함에 있다.

위와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 의한 순환자원을 다량 이용한 고유동성 PHC 말뚝 시공용 주면 고정재는 1종 시멘트 100중량부에 대하여, 고로슬래그 미분말 100∼2,000중량부와, 제철소 탈황공정 중탄산나트륨 반응부산물 50∼2,000중량부와, 제철소 탈황공정 소석회 반응부산물 10∼500중량부와, 순환 유동층 보일러 하부에서 배출되는 바텀애시 50∼5,000중량부를 포함한다.

또한, 상기 1종 시멘트 100중량부에 대하여 0.01∼5mm로 입도가 조정된 폐패각 10∼5,000중량부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 1종 시멘트 100중량부에 알칼리 자극제가 1∼100중량부 더 포함되고, 상기 알칼리 자극제는 수산화칼슘, 수산화마그네슘, 수산화칼륨, 수산화나트륨, 수산화알루미늄 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 1종 시멘트 100중량부에 대하여 고형연료 플라이애시가 10∼500중량부 더 포함되고, 상기 고형연료 플라이애시는 일반 고형연료(SRF, Solid Refuse Fuel), 바이오고형연료(BIO-SRF, Biomass-Solid Refuse Fuel)를 연소하는 발전시설에서 배출되는 것을 특징으로 한다.

또한, 유동성을 증진시키기 위하여 상기 1종 시멘트 100중량부에 대하여 액상 및 분말형 유동화제 0.01∼20중량부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 수중 분리를 방지하기 위하여 상기 1종 시멘트 100중량부에 대하여 수중 불분리제 0.01∼20중량부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 활용이 미흡한 제철소 및 발전소 탈황공정 반응 부산물을 고로슬래그 미분말의 자극제로 대량 활용하여 유동성 및 초기 강도 확보가 가능하면서 체적 안정성이 우수한 매입 말뚝 시공용 주면 고정재를 제공할 수 있다.

또한 기존 매입 말뚝 시공용 주면 고정재로 사용되는 1종 포틀랜드 시멘트를 대체할 수 있어 1종 포틀랜드 시멘트 사용량 절감에 따른 생산원가 절감은 물론 천연자원 및 에너지 고갈 문제와 이산화탄소 배출에 의한 환경오염 문제를 동시에 해결할 수 있다.

이하, 본 발명에 의한 순환자원을 다량 이용한 고유동성 PHC 말뚝 시공용 주면 고정재에 대하여 구체적으로 설명한다.

본 발명에 의한 순환자원을 다량 이용한 고유동성 PHC 말뚝 시공용 주면 고정재는 1종 시멘트 100중량부에 대하여, 고로슬래그 미분말 100∼2,000중량부와, 제철소 탈황공정 중탄산나트륨 반응부산물 50∼2,000중량부와, 제철소 탈황공정 소석회 반응부산물 10∼500중량부와, 순환 유동층 보일러 하부에서 배출되는 바텀애시 50∼5,000중량부를 포함한다.

상기 1종 시멘트는 초기 강도를 확보할 있으나 6가 크롬 등의 용출에 의한 지반 환경이 오염될 수 있고 제조과정에서 막대한 천연자원과 화석연료를 소비하는 단점을 가지기 때문에 초기 강도 확보 차원에서 그 사용량을 최대한 감소시키는 것이 유리하다 할 수 있다.

상기 고로슬래그 미분말은 제철 고로 공정에서 부산물로 발생하는 고온 용융상태의 슬래그를 물로 급냉 처리한 부산물이다. 고로슬래그 미분말은 물과 접촉하면 비결정질 피막이 형성되어 스스로 수화반응을 하지 않기 때문에 고로슬래그 미분말을 잠재수경성물질이라 한다. 잠재수경성이 발휘되기 위해서는 비결정질 피막이 파괴되어야 한다.

상기 고로슬래그 미분말은 0.045㎜(45㎛) 체 잔분이 10% 미만으로 검사 판정되거나, 분쇄 분급된 것이며, 물에 의해 슬래그를 급냉시킨 수쇄 급냉 고로 슬래그를 분말화하여 사용한다. 상기 고로슬래그 미분말이 0.045㎜(45㎛) 체 잔분이 10% 미만으로 이루어져 있어 입자의 활성도가 향상됨으로써 잠재수경성이 발휘될 수 있는 이점이 있다.

상기 고로슬래그 미분말은 1종 시멘트 100중량부에 대하여 100∼2,000중량부가 혼입되는 것이 바람직하다. 고로슬래그 미분말이 100중량부 미만일 경우 상대적으로 1종 시멘트의 사용량이 증가하여 초기강도는 증가하나 6가크롬이 용출될 수 있고 경제성이 불리하다. 반대로 2,000중량부 초과일 경우 초기강도가 급격히 저하되고 수화반응을 개시하지 못한 슬래그의 잉여량이 존재하게 된다.

상기 제철소 탈황공정 중탄산나트륨 반응 부산물은 제철소에서 철광석을 고로에 투입하기 전에 소결광을 제조하게 되는데, 이때 발생하는 가스 내 황산화물(SOx)을 포집하기 위하여 고분말의 중탄산나트륨(NaHCO₃)를 투입하게 된다. 중탄산나트륨 반응 부산물은 탈황 반응을 거쳐 최종적으로 주성분이 Na₂SO₄이고 염소이온을 일부 함유하는 분진 형태로 배출된다.

(반응식 1)

〈중조 탈황 반응〉

중탄산나트륨 반응 부산물은 Fe, Ca 등 유용성분 부족으로 제철소 내 공정 재활용이 불가능하며, 매립처리 외에는 적절한 처리방안이 없는 상황이다. 하지만 매립처리 역시 2018년도부터 시행된 자원순환기본법의 영향으로 처분부담금이 발생하고, 위탁매립처리비 또한 급격히 동반상승하고 있는 실정이다. 따라서 중조 탈황 분진의 매립량 저감을 위해 대체처리 방안이 필요한 상황이다. 하지만 중탄산나트륨 반응 부산물의 경우 물과 반응시 Na⁺ 및 SO4^2-로 용해되어 높은 pH를 유지시킴과 더불어 알칼리 및 황산염 복합 자극을 유도하므로 고로슬래그 미분말의 수화반응을 초기에 급격히 촉진할 수 있다. 또한 물에 쉽게 용해되는 성질이 있고 free CaO 성분이 없어 물과 혼합 시 유동성이 개선되는 효과가 있다. 또한 분진 형태로 발생하기 때문에 파·분쇄와 같은 별도 가공 없이 바로 사용 가능한 장점이 있다. 따라서 제철소 탈황공정 중탄산나트륨 반응 부산물은 고로슬래그 미분말의 반응 자극제로서 활용 할 수 있는 가능성이 있다. 또한 염소가 함유되어 있는 물질이기 때문에 염소이온(Cl^-)은 고로슬래그 미분말 및 시멘트의 수화반응을 촉진하는 특성을 가지고 있어 동절기에 초기강도를 요구하는 현장에서 일반적으로 사용되는 염화칼슘 및 염화나트륨 등을 대체할 수 있다. 상기 중탄산나트륨 반응 부산물은 상기 1종시멘트 100중량부에 100∼2,000중량부를 사용하는 것이 바람직하다. 100중량 미만일 경우 급결 및 유동성 개선 효과가 미비하며 2,000중량부 초과일 경우 상대적으로 강도가 크게 저하되고 백화현상이 발생할 수 있다.

상기 제철소 탈황공정 소석회 반응부산물은 제철소 등의 고로에서 생산된 용선 중에 함유된 황(S)을 제거하기 위하여, 용선 상부에 고분말 석회 등의 탈황 부원료를 투입한 후 교반함으로써, 황과 상기 탈황 부원료의 반응을 도모하여 용선 중에 함유된 황을 제거하고 있다. 이러한 탈황처리 과정에서 반응부산물이 발생된다. 상기 제철소 탈황공정 소석회 반응부산물은 주성분이 Ca(OH)₂ 및 CaSO₄, CaCO₃ 및 CaCl₂로 구성되어 있으며 pH가 11.5 이상의 강알칼리 물질이며 free CaO 성분이 없어 물과 혼합 시 유동성을 개선시키는 효과가 있다. 또한, 상기 중탄산나트륨 반응부산물 중 Na⁺ 성분이 물에 쉽게 용해되어 경화체가 물과 장시간 접촉 시 용탈 현상이 발생할 수 있는데 소석회 반응부산물은 이러한 용탈현상을 억제하는 기능을 발휘하며 시멘트 및 고로슬래그 미분말과 같이 활용될 경우 자극제 및 촉진제로서 동시 역할을 수행할 수 있는 성질을 가지고 있다. 상기 소석회 반응부산물은 1종 시멘트 100중량부에 대하여 10∼500중량부 혼합되는 것이 바람직한데, 10중량부 미만일 경우 그 효과가 발휘되지 못하고 500중량부 초과일 경우 상대적으로 1종 시멘트의 함량이 적어져 초기 강도 발현이 어렵게 된다.

또한, 상기 순환 유동층 보일러 하부에서 배출되는 바텀애시는 페트로 코크스, 석탄, 일반 고형연료 및 바이오 고형연료 등을 단독 또는 혼합 연소하는 순환 유동층 보일러에서 석회석과 혼소하여 로내 탈황하는 방식의 보일러 하부에서 발생한다. 순환 유동층 보일러의 탈황공정은 연소실 내에 석회석을 주입하여 연료와 함께 연소시켜 연소가스 중의 인산화황과 석회석이 로내에서 반응하여 연소가스 중의 황은 제거되고 무수석고가 생성되며, 황과 반응하지 않은 석회석은 탈탄산되어 생석회 성분으로 전이되어 배출된다. 특히, 순환 유동층 보일러 바텀애시는 약 850℃의 온도에서 연소되어 유리질 성분이 없기 때문에 포졸란 반응을 일으킬 수는 없지만 상부에서 집진되는 플라이애시에 비해 CaO 및 CaSO₄ 성분이 더 높게 함유되어 있으며 시멘트 및 고로슬래그 미분말의 자극제로서 더 탁월한 조성을 가지고 있다고 할 수 있다. 그러나 상부에서 포집되는 플라이애시와 달리 입경이 크고 비중이 무거워 물과 혼합 시 유동성을 오히려 개선시키며 시멘트 및 고로슬래그 미분말의 수화반응을 촉진시킬 수 있다. 또한, 외관이 미세한 분체입자가 아닌 거친 모래 형태이기 때문에 주면 고정재 원료로 적용 시 PHC 말뚝과의 부착력을 키워 주면마찰력을 크게 향상시킬 수 있다.

상기 바텀애시는 1종 시멘트 100중량부에 대하여, 50∼5,000중량부 혼합되는 것이 바람직한데, 50중량부 미만일 경우 그 효과가 발휘되지 못하고 5,000중량부 초과일 경우 상대적으로 슬래그 함량이 줄어들고 자극제 성분이 과다하여 강도가 크게 저하하게 된다.

또한, 상기 1종 시멘트 100중량부에 대하여 0.01∼5mm로 입도가 조정된 폐패각 10∼5,000중량부를 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 폐패각은 굴, 조개, 전복 등의 패류 채취 후 남는 껍데기로 패각에는 염분, 유기물 등이 일부 존재하지만 이를 제거하기 위해서는 많은 양의 물과 에너지가 필요하기 때문에 본 발명에서는 별도의 염분 및 유기물 제거 공정 없이 분쇄 과정만 거쳐 바로 사용하는 것이 바람직하다. 철근 콘크리트 등에 폐패각이 혼입될 경우에는 염분 및 유기물이 존재할 경우 철근 부식 및 강도 저하가 크게 일어날 수 있지만, 어차피 PHC 말뚝을 근입하기 위해 천공한 주변 토사 중에는 염분 및 유기물이 존재하는 경우가 많아 폐패각의 염분 및 유기물에 함유에 따른 큰 영향을 받지 않기 때문에 활용이 가능한 것이다.

상기 폐패각 분말은 탄산칼슘 성분이 90% 이상이며 본 발명의 PHC 말뚝 주면 고정재에서는 충진재 및 골재 역할을 수행할 수 있다. 상기 폐패각 분말은 입경이 0.01∼10mm로 조정되는 것이 바람직하다. 입경이 0.01mm 미만일 경우 분쇄비용이 과도하게 상승되어 경제성이 불리하고 입경이 5mm 초과할 경우 이송관이 막힐 우려가 있다. 또한 폐패각 분말은 표면이 매끈한 조개 파면이기 때문에 유동성을 증진시키는 역할도 수행할 수 있으며 PHC 말뚝과의 부착력을 키워 주면마찰력을 크게 향상시킬 수 있다. 상기 폐패각 분말은 1종 시멘트 100중량부에 대하여, 10∼5,000중량부 혼합되는 것이 바람직한데, 10중량부 미만일 경우 그 효과가 발휘되지 못하고 5,000중량부 초과일 경우 상대적으로 결합재 성분이 부족하여 강도가 크게 저하하게 된다.

또한, 상기 1종 시멘트 100중량부에 대하여 알칼리 자극제가 1∼100중량부 더 포함되고, 상기 알칼리 자극제는 수산화칼슘, 수산화마그네슘, 수산화칼륨, 수산화나트륨, 수산화알루미늄 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 더 포함하는 것이 바람직하다. 상기 알칼리 자극제는 공업용 제품으로 순도 80% 이상의 것이면 사용 가능하며, 상기 주면 고정재의 초기 강도를 향상 시킬 수 있는 역할을 수행한다. 또한 free CaO가 없이 물과 미리 반응한 수산화(OH^-) 이온 형태이기 때문에 유동성에 악영향을 끼치지 않은 장점이 있다. 상기 알칼리 자극제는 1종 시멘트 100중량부에 대하여, 1∼100중량부 혼합되는 것이 바람직한데, 1중량부 미만일 경우 그 효과가 발휘되지 못하고 100중량부 초과일 경우 시멘트 및 고로슬래그 미분말과 반응하지 못한 자극제 성분이 존재하여 오히려 강도가 저하되고 경제성 측면에서도 불리하다.

또한, 상기 1종 시멘트 100중량부에 대하여 고형연료 플라이애시를 50∼2,000중량부 더 포함하는 것이 바람직하다. 상기 고형연료 플라이애시는 일반 고형연료(SRF, Solid Refuse Fuel), 바이오 고형연료(BIO-SRF, Biomass-Solid Refuse Fuel)를 연소하는 발전시설에서 배출되는 것이 바람직하다. 상기 고형연료는 석탄 및 페트로 코크스와 달리 황성분이 적어 별도로 석회석을 투입하여 혼합 연소하지 않기 때문에 플라이애시에 free CaO 성분이 없어 수분을 과도하게 흡수하는 성질이 없어 주면고정재에 혼입될 시 유동성이 양호하다. 또한, 고형연료 연소재는 염소 성분을 일부 함유하고 있어 초기 강도 증진에 효과적이다. 상기 고형연료 플라이애시는 1종 시멘트 100중량부에 대하여 10∼500중량부 혼합되는 것이 바람직한데, 10중량부 미만일 경우 그 효과가 발휘되지 못하고 500중량부 초과일 경우 상대적으로 강도가 크게 저하하게 된다.

또한, 상기 1종 시멘트 100중량부에 대하여 유동성을 증진시키기 위하여 액상 및 분말형 유동화제를 0.01∼20중량부 더 포함하는 것이 바람직하다. 유동화제는 나프탈렌계, 멜라민계, 아민계, 리그닌계, 폴리 카르본산계로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나이거나 둘 이상의 혼합물이 바람직하다. 0.01 중량부 미만일 경우 유동성 개선 효과가 없으며 20중량부를 초과할 경우 유동성이 과도하게 개선되어 재료분리가 일어날 수 있고 경제성이 부족하다.

또한, 상기 1종 시멘트 100중량부에 대하여 수중 분리를 방지하기 위하여 수중 불분리제를 0.01∼20중량부 더 포함하는 것이 바람직하다. 수중 불분리제는 하이드록시프로필 메틸셀룰로오스(HYDROXY PROPYL METHYL CELLULOSE, HPMC), 하이드록시 에틸셀룰로오스(HYDROXY ETHYL CELLULOSE, HEC), 카르복시메틸 셀룰로오스(CARBOXY METHYL CELLULOSE, CMC), 에틸 하이드록시틸 셀룰로오즈(ETHYL HYDROXY ETHYL CELLULOSE, EHEC), 폴리 아크릴계, 다당체(POLY SACCARIDE), 하이드 록시에틸 메틸셀룰로오스(HYDROXY ETHYL METHYL CELLULOSE, HEMC), 폴리 에틸렌 옥시드(POLY ETHYLENE OXIDE, PEO)계, 에틸렌 비닐 아세테이트(ETHYLENE VINYL ACETATE, EVA)계로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나이거나 둘 이상의 혼합물을 것이 바람직하다. 0.01 중량부 미만일 경우 수중 불분리 개선 효과가 없으며 20중량부를 초과할 경우 점성이 과도해져서 시공이 어렵게 된다.

이하에서 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예들이 기술되어질 것이다. 또한 이하의 실시예들은 본 발명을 예증하기 위한 것으로서 본 발명의 범위를 국한하는 것으로 이해되어져서는 안 된다.

아래 표 1에 본 발명에 의한 실시예 1∼4의 주면 고정재 배합비와 1종 포틀랜드 시멘트만을 사용한 비교예1과 페트로 코크스 탈황석고 및 고칼슘 플라이애시를 사용한 비교예 2 및 비교예3의 배합비를 나타내었다. 물/결합재비는 최근 주면 마찰력을 향상시키기 위하여 현장에서 많이 쓰이는 68%로 수행하였다.

아래 표 2는 주면 고정재의 성능시험항목 및 방법을 나타내었다.

구 분	1종 시멘트	고로 슬래그 미분말	중탄산 나트륨 반응 부산물	수산화 칼슘 반응 부산물	순환 유동층 보일러 바텀애시	굴패각 분말	수산화 칼슘	고형연료 플라이 애시	페트로 코크스 탈황 석고	순환 유동층 보일러 플라이 애시
비교예 1	100
비교예 2		40	5						55
비교예 3		40							30	30
실시예 1	10	40	15	15	20
실시예 2	10	40	10	10	15	10
실시예 3	10	42.5	15	10	20		2.5
실시예 4	10	40	10	10	20			10

실험	방법	비고
슬럼프 플로우	KS F 2594	슬럼프 플로우 시험방법
압축강도	KS F 2343	일축압축강도 시험방법

구분	슬럼프 플로우 (cm)	압축강도(MPa)
구분	슬럼프 플로우 (cm)	3일	7일	28일
비교예 1	40	13.23	23.23	29.34
비교예 2	21	2.31	4.06	10.03
비교예 3	18	3.89	5.43	9.25
실시예 1	49	10.31	19.89	27.78
실시예 2	45	7.33	13.43	20.23
실시예 3	49	13.32	19.11	26.78
실시예 4	47	11.69	17.73	24.89

(1) 슬럼프 플로우 시험 결과

주면 고정재의 유동성 변화를 관찰한 결과 표 3과 같이, 1종 시멘트를 사용한 비교예 1은 40cm를 나타내었고, 실시예 1, 2, 3 및 실시예 4는 45∼49cm로 비교예 1에 비해 매우 양호한 유동성을 나타내었다. 이는 사용되는 모든 재료가 free CaO 성분이 없고 입자 표면이 매끈한 형태를 가져 물을 다량 흡수하지 않는 성질을 가졌기 때문이다. 따라서, PHC 말뚝 주면고정재로 사용 시 초기 유동성 저하로 인한 이송관 막힘 현상 등이 없이 양호하게 지중에 주입이 가능할 것으로 판단된다.

그러나 순환 유동층 보일러 노내 탈황 공정에서 배출되는 원료인 페트로 코크스 탈황석고, 고칼슘 플라이애시를 주요 자극제 및 팽창재로 사용한 비교예 2, 3에서는 전반적으로 본 발명에 의한 주면 고정재에 비해 초기 유동성이 약 25cm 이상 급격하게 저하되는 것을 확인할 수 있었다. 이는 상기 원료들이 비표면적이 높고 표면이 거칠어 물을 흡수하기 용이하고 Free CaO 성분에 의해 흡수, 발열 및 팽창 성질을 보였기 때문이다. 이와 같이 물과 혼합 시 유동성이 급격히 저하될 경우 밀크액 이송관이 막히는 문제가 종종 발생되어 PHC 말뚝 주면 고정재로서 현재 상업화되지 못하고 있는 형편이다.

(2) 일축압축강도 시험 결과

본 발명의 실시예 1∼4는 1종 시멘트를 사용한 비교예 1의 70∼95% 수준의 강도 발현이 가능함을 확인할 수 있어 양호한 결과를 나타내었다.

그러나 비교예 2∼3의 경우 LH 전문시방서 기성말뚝 주면 고정재의 일축압축강도 기준인 0.49MPa(28일 기준)를 만족은 하나 주면 고정재에 비해 매우 높은 일축압축강도를 요구하는 선단 근고재(한국도로공사 시방 기준 28일 20MPa, W/B 70% 이하)에는 만족하지 못한 것으로 나타났다. 또한 일반적으로 현장에서는 초기에 강도가 발현되어 PHC 말뚝을 재빨리 고정시켜 주어야하기 때문에 현장에서 요구되는 초기강도 발현 부족으로 현장 적용이 어려울 것으로 판단된다.

따라서, 본 발명의 PHC 말뚝 주면 고정재는 Free CaO 성분이 전혀 없고 유동성 및 초기 강도 확보가 가능하면서 체적 안정성이 우수한 매입 말뚝 시공용 주면 고정재를 제공할 수 있고, 선단 근고 및 주면 고정재로 가장 널리 사용되는 1종 보통시멘트를 대체하거나 그 사용량을 최소화할 수 있다. 또한 시멘트 사용량 절감에 따른 생산원가 절감은 물론 천연자원 및 에너지 고갈 문제와 이산화탄소 배출에 의한 환경오염 문제를 동시에 해결할 수 있다.

Claims

1종 시멘트 100중량부에 대하여,
고로슬래그 미분말 100∼2,000중량부와,
제철소 탈황공정 중탄산나트륨 반응부산물 50∼2,000중량부와,
제철소 탈황공정 소석회 반응부산물 10∼500중량부와,
바텀애시 50∼5,000중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 말뚝 시공용 주면 고정재.

제1항에 있어서,
상기 1종 시멘트 100중량부에 대하여 0.01∼5mm로 입도가 조정된 폐패각 10∼5,000중량부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 말뚝 시공용 주면 고정재.

제1항에 있어서,
상기 1종 시멘트 100중량부에 대하여 알칼리 자극제가 1∼100중량부를 더 포함하고,
상기 알칼리 자극제는 수산화칼슘, 수산화마그네슘, 수산화칼륨, 수산화나트륨, 수산화알루미늄 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 말뚝 시공용 주면 고정재.

제1항에 있어서,
상기 1종 시멘트 100중량부에 대하여 고형연료 플라이애시 10∼500중량부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 말뚝 시공용 주면 고정재.

제4항에 있어서,
상기 고형연료 플라이애시는 일반 고형연료(SRF, Solid Refuse Fuel), 바이오고형연료(BIO-SRF, Biomass-Solid Refuse Fuel)를 연소하는 발전시설에서 배출되는 것을 특징으로 하는 말뚝 시공용 주면 고정재.

제1항에 있어서,
유동성을 증진시키기 위하여 상기 1종 시멘트 100중량부에 대하여 액상 및 분말형 유동화제 0.01∼20중량부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 말뚝 시공용 주면 고정재.

제6항에 있어서,
상기 유동화제는 나프탈렌계, 멜라민계, 아민계, 리그닌계, 폴리 카르본산계로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나이거나 둘 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 말뚝 시공용 주면 고정재.

제1항에 있어서,
수중 분리를 방지하기 위하여 상기 1종 시멘트 100중량부에 대하여 수중 불분리제 0.01∼20중량부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 말뚝 시공용 주면 고정재.

제8항에 있어서,
상기 수중 불분리제는 하이드록시프로필 메틸셀룰로오스(HYDROXY PROPYL METHYL CELLULOSE, HPMC), 하이드록시 에틸셀룰로오스(HYDROXY ETHYL CELLULOSE, HEC), 카르복시메틸 셀룰로오스(CARBOXY METHYL CELLULOSE, CMC), 에틸 하이드록시틸 셀룰로오즈(ETHYL HYDROXY ETHYL CELLULOSE, EHEC), 폴리 아크릴계, 다당체(POLY SACCARIDE), 하이드 록시에틸 메틸셀룰로오스(HYDROXY ETHYL METHYL CELLULOSE, HEMC), 폴리 에틸렌 옥시드(POLY ETHYLENE OXIDE, PEO)계, 에틸렌 비닐 아세테이트(ETHYLENE VINYL ACETATE, EVA)계로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나이거나 둘 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 말뚝 시공용 주면 고정재.

제1항에 있어서,
상기 바텀애시는 순환 유동층 보일러 하부에서 배출되는 것을 특징으로 하는 말뚝 시공용 주면 고정재.