비소성 무기결합재를 활용한 콤팩션 그라우팅 공법용 모르타르 조성물(MORTAL AGENT)

(19) 대한민국특허청(KR)
(12) 공개특허공보(A)
(11) 공개번호 10-2015-0066276
(43) 공개일자 2015년06월16일
(51) 국제특허분류(Int. Cl.)
C04B 14/10 (2006.01) C04B 18/06 (2006.01)
C04B 18/14 (2006.01)
(21) 출원번호 10-2013-0151631
(22) 출원일자 2013년12월06일
심사청구일자 2013년12월06일
(71) 출원인
주식회사 씨엠디기술단
전라북도 완주군 삼례읍 삼례로 443, 808호 (우석
대학교 본관)
(72) 발명자
문경주
전북 전주시 덕진구 호성2길 16, 104동 307호 (호
성동1가, 동아아파트)
(74) 대리인
특허법인세원
전체 청구항 수 : 총 4 항
(54) 발명의 명칭 비소성 무기결합재를 활용한 콤팩션 그라우팅 공법용 모르타르 조성물
(57) 요 약
본 발명은 연약지반을 보강하거나 연약한 지반상의 구조물 침하를 방지하기 위하여, 또는 이미 침하가 이루어져
안전에 위협을 받는 지상 및 지중 구조물 및 설치물 등의 안전을 보장하기 위하여 기초를 보강하는 그라우팅 공
법 중 슬럼프가 낮은 저유동성 모르타르를 주입재로 사용하는 콤팩션 그라우팅(Compaction Grouting) 공법용 모
르타르 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 주입재인 저유동성 모르타르를 제조함에 있어 고로슬래그 미분말
등의 비정질 물질을 알칼리 및 황산염 복합자극을 통해 활성화시켜 강도를 발현하고 동시에 CaO의 흡수, 발열반
응과 체적팽창작용을 이용하여 시멘트 모르타르가 양생되면서 수축하는 특성을 보완하여 연약한 지반 개량의 성
능을 크게 향상시키는 비소성 무기결합재를 활용한 콤팩션 그라우팅(Compaction Grouting) 공법용 모르타르 조성
물 조성물에 관한 것이다.
본 발명에 의한 콤팩션 그라우팅공법용 모르타르 조성물은 골재 100중량부에 대하여, 고로슬래그 미분말 10~40중
량부 및 페트로 코우크스 탈황석고 5~30중량부를 포함하며, 상기 골재는 0.02~5.0의 입도분포를 가진 점토성 마
사 또는 실트질 토사로 이루어진 세골재와, 0.08~15의 입도분포를 가진 석분으로 이루어진 조골재를 포함한다.
공개특허 10-2015-0066276
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명 세 서
청구범위
청구항 1
골재 100중량부에 대하여, 고로슬래그 미분말 10~40중량부 및 페트로 코우크스 탈황석고 5~30중량부를
포함하며,
상기 골재는 0.02~5.0의 입도분포를 가진 점토성 마사 또는 실트질 토사로 이루어진 세골재와, 0.08~15의 입도
분포를 가진 석분으로 이루어진 조골재를 포함하는 것을 특징으로 하는 콤팩션 그라우팅공법용 모르타르
조성물.
청구항 2
제1항에 있어서,
체적팽창을 통한 모르타르의 주면 마찰력을 향상시키기 위하여 팽창재가 더 포함되며,
상기 팽창재는 산화칼슘(CaO) 함량이 20% 이상인 로내탈황방식 석탄연소 소각잔재, 바이오매스 소각잔재, 제지
슬러지 소각잔재, RDF 소각잔재, RPF 소각잔재, 전로슬래그 더스트, 무수석고, 생석회 및 경소백운석으로 이루
어진 군에서 선택된 어느 하나이거나 둘 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 콤팩션 그라우팅공법용 모르타르
조성물.
청구항 3
제2항에 있어서,
상기 팽창재는 상기 골재 100중량부에 대하여 2~30중량부 혼입되는 것을 특징으로 하는 콤팩션 그라우팅공법용
모르타르 조성물.
청구항 4
제1항에 있어서,
초기 강도 향상시키기 위하여 상기 골재 100중량부에 대하여 시멘트 2~30중량부를 더 포함하는 것을 특징으로
하는 콤팩션 그라우팅공법용 모르타르 조성물.
발명의 설명
기 술 분 야
본 발명은 연약지반을 보강하거나 연약한 지반상의 구조물 침하를 방지하기 위하여, 또는 이미 침하가 이루어져[0001]
안전에 위협을 받는 지상 및 지중 구조물 및 설치물 등의 안전을 보장하기 위하여 기초를 보강하는 그라우팅 공
법 중 슬럼프가 낮은 저유동성 모르타르를 주입재로 사용하는 콤팩션 그라우팅(Compaction Grouting) 공법용 모
르타르 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 주입재인 저유동성 모르타르를 제조함에 있어 고로슬래그 미분
말 등의 비정질 물질을 알칼리 및 황산염 복합자극을 통해 활성화시켜 강도를 발현하고 동시에 CaO의 흡수, 발
열반응과 체적팽창작용을 이용하여 시멘트 모르타르가 양생되면서 수축하는 특성을 보완하여 연약한 지반 개량
의 성능을 크게 향상시키는 비소성 무기결합재를 활용한 콤팩션 그라우팅(Compaction Grouting) 공법용 모르타
르 조성물 조성물에 관한 것이다.
배 경 기 술
공개특허 10-2015-0066276
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일반적으로 재료를 충진해 연약지반을 개량하는 그라우팅공사는 시멘트 밀크 및 화학약품을 주입하는 약액주입[0002]
공법, 굴착지반에 자갈 등 골재를 매입하는 현장타설 골재말뚝 공법, 슬럼프가 낮은 모르타르를 충진하는 콤팩
션 그라우팅(Compaction Grouting) 공법 등이 있는데, 수직압 및 수평압과 동하중을 가장 잘 견딘다고 평가되는
콤팩션 그라우팅(Compaction Grouting) 공법이 다수 현장에 적용되고 있는 추세이다.
콤팩션 그라우팅(Compaction Grouting) 공법의 시공은 개량대상 지반에 소정 심도까지 천공기를 이용해 구멍을[0003]
파낸 직후 저유동성 모르타르를 고압펌프를 이용해 주입하면서 인발하는 방법으로서, 연약한 지반에 결합재로서
1종 시멘트를 사용하고 골재와 물을 혼합한 저유동성 모르타르를 충진하는 공법이다.
하지만, 상기 시멘트의 경우 석회석, 점토, 철광석을 원료로 하고 수입 유연탄을 연로로하여 1,450의 고온에서[0004]
열분해하여 제조되는 제품으로서 제조공정상 이산화탄소를 다량 발생시키며, 유한한 천연자원을 다량 소모해서
생산하므로 친환경적이지 않은 문제점을 가지고 있다.
발명의 내용
해결하려는 과제
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 고로슬래그 미분말 등의 비정질 물질을 알칼리[0005]
및 황산염 복합자극을 통해 활성화시켜 강도를 발현하고 동시에 CaO의 흡수, 발열반응과 체적팽창작용을 이용하
여 모르타르가 양생되면서 수축하는 특성을 보완하여 연약한 지반 개량의 성능을 크게 향상시키는 비소성 무기
결합재를 활용한 콤팩션 그라우팅(Compaction Grouting) 공법용 모르타르 조성물 조성물을 제공하는 것이다.
과제의 해결 수단
위와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 의한 콤팩션 그라우팅공법용 모르타르 조성물은 골재 100[0006]
중량부에 대하여, 고로슬래그 미분말 10~40중량부 및 페트로 코우크스 탈황석고 5~30중량부를 포함하며, 상기
골재는 0.02~5.0의 입도분포를 가진 점토성 마사 또는 실트질 토사로 이루어진 세골재와, 0.08~15의 입도분포를
가진 석분으로 이루어진 조골재를 포함한다.
또한 체적팽창을 통한 모르타르의 주면 마찰력을 향상시키기 위하여 팽창재가 더 포함되며, 상기 팽창재는 산화[0007]
칼슘(CaO) 함량이 20% 이상인 로내탈황방식 석탄연소 소각잔재, 바이오매스 소각잔재, 제지슬러지 소각잔재,
RDF 소각잔재, RPF 소각잔재, 전로슬래그 더스트, 무수석고, 생석회 및 경소백운석으로 이루어진 군에서 선택된
어느 하나이거나 둘 이상의 혼합물인 것이 바람직하다.
또한 상기 팽창재는 상기 골재 100중량부에 대하여 2~30중량부 혼입되는 것이 바람직하다. [0008]
또한 초기 강도 향상시키기 위하여 상기 골재 100중량부에 대하여 시멘트 2~30중량부를 더 포함하는 것이 바람[0009]
직하다.
발명의 효과
발명에 따르면, 모르타르의 결합재인 고로슬래그 미분말 등의 비정질 물질을 페트로 코우크스 탈황석고에 포함[0010]
된 황산염과 CaO에 의한 알칼리 복합자극을 유도해 활성화시켜 강도를 발현하고 동시에 CaO의 흡수, 발열반응과
체적팽창작용을 이용하여 천공 구멍과 모르타르 사이에 존재할 수 있는 지하수에 의한 시멘트 페이스트의 유실
을 저감하여 그라우팅 모르타르의 선단지지력 및 주면마찰력을 기존 시멘트만을 사용한 모르타르에 비하여 크게
향상되는 효과가 있다.
발명을 실시하기 위한 구체적인 내용
이하, 본 발명에 의한 콤팩션 그라우팅(Compaction Grouting) 공법용 모르타르 조성물에 대하여 구체적으로 설[0011]
명한다.
공개특허 10-2015-0066276
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먼저, 본 발명에 의한 콤팩션 그라우팅(Compaction Grouting) 공법용 모르타르 조성물의 구성성분 및 작용을 설[0012]
명한다.
본 발명에 의한 콤팩션 그라우팅(Compaction Grouting) 공법용 속경형 모르타르 조성물은 세골재로서 0.02~5.0[0013]
의 입도분포를 가진 점토성 마사 또는 실트질 토사에 조골재로서 0.08~15의 입도분포를 가진 석분을 골재로 구
성하고, 상기 골재 100중량부에 대하여 고로슬래그 미분말 10~40중량부, 페트로 코우크스 탈황석고 5~30중량부
를 포함한다. 상기 골재는 세골재 30~70중량%와, 조골재 30~70중량%로 구성된다.
또한 체적팽창을 통한 모르타르 조성물 주면 마찰력을 향상시키기 위하여 팽창재가 더 포함되는 것이 바람직하[0014]
다.
또한 상기 팽창재는 산화칼슘(CaO) 함량이 20% 이상인 로내탈황방식 석탄연소 소각잔재, 바이오매스 소각잔재,[0015]
제지슬러지 소각잔재, RDF 소각잔재, RPF 소각잔재, 전로슬래그 더스트, 무수석고, 생석회 및 경소백운석으로
이루어진 군에서 선택된 어느 하나이거나 둘 이상의 혼합물인 것이 바람직하다.
또한 상기 팽창재는 상기 골재 100중량부에 대하여 2~30중량부 혼입되는 것이 바람직하다. [0016]
또한 산화칼슘(CaO) 함량이 20% 이상인 팽창재는 물과 반응하여 흡수, 발열 및 팽창하여 수산화칼슘이 된다. 이[0017]
에 대한 반응식은 아래와 같다.
CaO H2O->Ca(OH)2 15.6kcal mol
-1
[0018]
통상 별도의 탈황장치를 구비한 화력발전소에서 배출되는 석탄재는 산화칼슘(CaO) 함량이 5% 이하로 콘크리트[0019]
혼화재료로 재활용됨에도 불구하고, 위와 같이 산화칼슘이 다량 함유된 석탄재 및 소각잔재들은 흡수, 발열 및
팽창 특성이 있어 콘크리트 혼화재료로 활용이 불가능하다.
따라서 본 발명은 통상적으로 콘크리트 혼화재료로 활용할 수 없는 소각잔재들은 팽창재로 이용하는 것이다. [0020]
본 발명에서 결합재의 주원료로 쓰이는 고로슬래그 미분말은 한국공업규격(KS)에 따라 제조된 제품으로 시중에[0021]
서 유통되는 일반적인 제품을 사용한다.
고로슬래그 미분말은 세골재로서 0.02~5.0의 입도분포를 가진 점토성 마사 또는 실트질 토사에 조골재로서[0022]
0.08~15의 입도분포를 가진 석분으로 구성된 골재 100중량부에 대하여 10~40 중량부 포함되는 것이 바람직하다.
10중량부 미만이면 결합재의 양이 적어 소정의 강도를 발현할 수 없으며, 40중량부를 초과하여 혼입될 경우에는
강도는 큰 폭으로 증가하나 상대적으로 골재량이 적어져 경제성이 부족하다.
또한 상기 페트로 코우크스 탈황석고는 반응초기에 고로슬래그 미분말과 반응하여 에트린가이트를 다량 생성해[0023]
주고 재령이 경과함에 따라 비정질 물질인 고로슬래그를 활성화시켜 강도를 발현해주는 자극제 역할을 하는 물
질로서 페트로 코우크스를 연료로 하는 유동층 보일러에서 미립분의 소간잔재 형태의 폐기물로 발생하기 때문에
동등한 성능을 발휘하는 천연 무수석고나 소성에 의한 탈수, 중화 및 분쇄과정을 거쳐야하는 인산석고 등에 비
해서 경제성이 월등하다.
페트로 코우크스 탈황석고는 상기 골재 100중량부에 대하여, 5~30중량부 포함되는 것이 바람직하다. 5중량부 미[0024]
만이면 CaO 성분과 석고 성분을 동시에 함유하고 있는 알칼리 및 황산염 복합 자극제로서 그 효과가 미비하고,
30중량부를 초과하면 고로슬래그와 반응하지 못한 잉여량이 존재하여 오히려 강도가 저하될 우려가 있다.
또한 주입 모르타르의 주면마찰력을 향상시키기 위하여 팽창재가 더 포함되는 것이 바람직하다. [0025]
상기 팽창재는 산화칼슘(CaO) 함량이 20% 이상인 로내탈황방식 석탄연소 소각잔재, 바이오매스 소각잔재, 제지[0026]
슬러지 소각잔재, RDF 소각잔재, RPF 소각잔재, 전로슬래그 더스트 및 무수석고, 생석회, 경소백운석으로 이루
어진 군에서 선택된 어느 하나이거나 둘 이상의 혼합물인 것이 바람직하고 상기 골재 100 중량부에 대하여 2~30
중량부 혼입되는 것이 바람직하다.
상기 팽창재의 혼입량이 2중량부 미만이면 매입 말뚝의 주면 마찰력을 향상시키기 위하여 팽창 효과가[0027]
미비하고, 30중량부를 초과하면 팽창 효과는 증가하나 경화체를 구성하는 시멘트질 물질이 상대적으로 부족하여
강도가 저하 될 수 있다.
또한 초기 강도 향상시키기 위하여 시멘트가 더 포함되는 것이 바람직하다. 상기 시멘트는 1종 시멘트, 3종 시[0028]
멘트, 고로슬래그 시멘트, 플라이애시 시멘트, 삼성분계 시멘트, 사성분계 시멘트로 이루어진 군에서 선택된 어
공개특허 10-2015-0066276
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느 하나이거나 둘 이상의 혼합물인 것이 바람직하며 상기 시멘트는 상기 골재 100중량부에 대하여 2~30중량부
혼입되는 것이 바람직하다.
상기 시멘트의 혼입량이 2중량부 미만이면 초기 강도 증진 효과가 미비하고, 30중량부를 초과하면 초기 강도는[0029]
증가하나 경제성이 부족하다.
또한 상기 재료들을 원활히 혼합하고 결합재의 수화반응을 유도하며, 소정의 모르타르 반죽질기(슬럼프 30~10[0030]
0)를 유지하기 위한 배합수로서 물이 포함된다. 이 물은 해수, 지하수, 지표수, 상수도수, 공업용수로 이루어진
군들 가운데서 선택된 어느 하나이거나 둘 이상의 혼합물인 것이 바람직하다.
또한 상기 물은 상기 골재 100중량부에 대하여 2~50중량부 혼입되는 것이 바람직하다. 물이 2중량부 미만이면[0031]
모르타르의 반죽질기가 너무 되게 되어 모르타르 제조과정에서 충분히 혼합되지 않고 공정중에 고착될 가능성이
많아지며, 50중량부를 초과하여 과다 혼입하게 되면 모르타르의 반죽질기가 너무 질게 되어 물결합재비가 높아
지고 소정의 강도를 발현 할 수 없게 된다.
이하에서 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예들이 기술되어질 것이다. 또한 이하의 실시예들은 본 발명을 예[0032]
증하기 위한 것으로서 본 발명의 범위를 국한하는 것으로 이해되어져서는 아니 된다.
실시예 1 [0033]
먼저, 컴팩션 그라우팅공법 표준시방서에 따라 세골재로서 0.02~0.15의 입도분포를 가진 점토성 실트질 토사에[0034]
조골재로서 0.08~10의 입도분포를 가진 석분을 골재로 구성하고, 상기 골재 100중량부에 대하여 고로슬래그 미
분말 12중량부, 페트로 코우크스 탈황석고 7중량부, 팽창재로서 로내탈황방식 석탄연소 소각잔재 3중량부 및 배
합수 6중량부를 강제식 믹서로 균질하게 혼합하여 모르타르 혼합물을 제조하였다. 상기 골재는 실트질 토사 50
중량%와, 석분 50중량%로 구성된다.
다음으로 제조된 시료를 이용하여 슬럼프 시험을 실시하였고, 압축강도 측정용 공시체를 제작하여 재령별 압축[0035]
강도를 측정하였다.
실시예 2 [0036]
먼저, 컴팩션 그라우팅공법 표준시방서에 따라 세골재로서 0.02~0.15의 입도분포를 가진 점토성 실트질 토사 50[0037]
중량%에 조골재로서 0.08~10의 입도분포를 가진 석분 50중량%를 골재로 구성하고, 상기 골재 100중량부에 대하
여 고로슬래그 미분말 10중량부, 페트로 코우크스 탈황석고 6중량부, 로내탈황방식 석탄연소 소각잔재 3중량부,
1종 시멘트 3중량부 및 배합수 6중량부를 강제식 믹서로 균질하게 혼합하여 모르타르 혼합물을 제조하였다.
다음으로 제조된 시료를 이용하여 슬럼프 시험을 실시하였고, 압축강도 측정용 공시체를 제작하여 재령별 압축[0038]
강도를 측정하였다.
비교예 (OPC)[0039]
먼저, 컴팩션 그라우팅공법 표준시방서에 따라 세골재로서 0.02~0.15의 입도분포를 가진 점토성 실트질 토사 50[0040]
중량%에 조골재로서 0.08~10의 입도분포를 가진 석분 50중량%를 골재로 구성하고, 상기 골재 100중량부에 대하
여 1종 포틀랜트 시멘트 22중량부 및 배합수 6중량부를 강제식 믹서로 균질하게 혼합하여 모르타르 혼합물을 제
조하였다.
다음으로 제조된 시료를 이용하여 슬럼프 시험을 실시하였고, 압축강도 측정용 공시체를 제작하여 재령별 압축[0041]
강도를 측정하였다.
콤팩션 그라우팅 공법용 주입 모르타르의 성능시험방법 및 결과[0042]
아래 표 1에 나타낸 바와 같이 슬럼프 시험은 KS F 2402(콘크리트의 슬럼프시험방법), 압축강도시험은 KS F[0043]
2405(콘크리트의 압축강도시험방법)에 의해 실시하였다.
공개특허 10-2015-0066276
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표 1
실험[0044] 방법 명칭
슬럼프 플로우 KS F 2402 콘크리트의 슬럼프 시험방법
압축강도 KS F 2405 콘크리트의 압축강도 시험방법
재료분리 정도 육안검사
체적변화 육안검사
(1) 슬럼프 시험 결과[0045]
실시예와 비교예의 슬럼프를 측정한 결과를 표 2에 나타내었다. 실시예와 비교예의 단위 결합재 중량과 배합수[0046]
의 중량, 그리고 골재의 중량이 동일함에도 불구하고 실시예의 모르타르 조성물의 슬럼프가 좀 낮게 나타났다.
이는 시멘트에 비해 질량이 낮은 소각재, 페트로 코우크스 탈황석고 등이 혼입된 결합재의 단위 분체량이 많아
진 결과로 해석될 수 있다. 또한, 이는 팽창재가 추가 혼입되어 팽창재 속의 산화칼슘 성분이 물과 접촉시
흡수, 발열 및 팽창 작용에 의해 유동성이 저하된 것으로 판단된다.
표 2
슬럼프 및 압축강도 측정 결과[0047]
구분 슬럼프(mm) 압축강도(MPa)
재령 3일 재령 7일 재령 28일
실시예 1 55 10.1 18.4 24.8
실시예 2 57 11.8 19.1 23.8
비교예 70 12.3 19.8 23.2
(2) 일축압축강도 시험성과[0048]
표 2에 실시예 및 비교예의 일축압축강도 실험결과를 나타내었다. [0049]
상기의 표 2와 같이 실시예 1의 경우 비교예인 1종 시멘트에 비하여 초기 강도가 비교적 낮게 발현되었으며, 이[0050]
는 1종시멘트의 수화반응보다는 고로슬래그 미분말의 잠재수경성 반응이 조금 늦게 개시되는 특성 때문인 것으
로 판단된다.
실시예 2의 경우 비교예인 1종 시멘트와 거의 동등 수준의 초기 강도를 발현 하였으며, 이는 1종 시멘트가 혼입[0051]
되어 초기 강도 보상 효과를 발휘하기 때문인 것으로 판단된다.
한편, 재령 7일 강도에서는 실시예 1 및 실시예 2 모두 비교예인 1종 시멘트에 비하여 거의 동등하였으며, 28일[0052]
강도에서는 더 우수한 강도를 발현하는 결과를 보였다. 이는 페트로 코우크스의 황산염 및 알칼리 자극과 더불
어 팽창재의 CaO에 의한 자극이 복합화 되어 고로슬래그 미분말이 지속적으로 수화물을 만들어낸 결과로 판단된
다.
(3) 기타[0053]
실시예 1 및 실시예 2 및 비교예 모두 모르타르 혼합 후 재료분리는 발생하지 않아 현장 시공성을 보장 할 수[0054]
있었으며, 압축강도 공시체를 제작하여 캐핑(capping) 하기 전 체적 변화를 육안으로 관찰한 결과, 1일 경과후
시간 후 실시예 1 및 실시예 2는 팽창성에 의해 수축 발생량을 보상하고도 체적이 증가하였으나, 비교예는 체적
수축이 발생함을 육안으로 확인할 수 있었다.
공개특허 10-2015-0066276
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