KR100702417B1 - 지반주입재용 무기결합재 조성물 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지반 그라우팅(grouting) 고강도 및 고내구성 지반주입재용 무기결합재 조성물 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 분말도 8,000~12,000㎠/g인 고로슬래그 미분말 100중량부에 대하여 분말도 8,000~12,000㎠/g인 폐석고와 폐석회로 이루어진 수화반응 활성제 15~40중량부, 알칼리 물질 0.5~10중량% 및 유동화제 분말 1~3중량부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 지반주입재용 무기결합재 조성물 및 그 제조방법에 관한 것이다.

이와 같은 지반주입재용 무기결합재 조성물은 고로슬래그, 폐석고 등의 산업 폐기물을 최대한 활용하여 고강도, 고내구성을 가질 뿐만 아니라 경제성이 우수하여 범용적으로 널리 사용될 수 있는 이점이 있다.

지반 주입재, 무기결합재, 고로슬래그

Description

지반주입재용 무기결합재 조성물 및 그 제조방법{COMPOSITION OF INORGANIC BINDER FOR GROUTING MATERIALS AND MANUFACTURING METHOD THEREBY}

본 발명은 지반 그라우팅(grouting) 고강도 및 고내구성 지반주입재용 무기결합재 조성물 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 분말도 8,000~12,000㎠/g인 고로슬래그 미분말 100중량부에 대하여 분말도 8,000~12,000㎠/g인 폐석고와 폐석회로 이루어진 수화반응 활성제 15~40중량부, 알칼리 물질 0.5~10중량부 및 유동화제 분말 1~3중량부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 지반주입재용 무기결합재 조성물에 관한 것이다.

통상적으로 지반 그라우팅 공사에 사용되고 있는 주입재는 크게 용액형과 현탁액형으로 분류된다.

용액형의 약액으로는 물유리계, Chrome-lignin계, Acryl-amide계, Urethane계 등의 고분자계로 구분되고, 이들 약액은 점성이 낮고 입자가 없어 시멘트로는 기대할 수 없는 협소한 균열 깊숙이까지 주입 충전될 수 있으나, 고분자계 약액은 주입으로 인한 공해문제로 특수한 목적 외에는 거의 쓰이지 않고 있으며, 대부분 물유리계만 사용하고 있는데 이 역시 알칼리 용탈 작용으로 인한 3개월 이상의 장기 재령 강도 약화로 차수효과가 감소되는 특성이 있어 오늘날에는 단독으로 시공되는 경우가 거의 없다.

그리고 현탁액형의 주입재는 다시 시멘트-밀크계, 시멘트-점토계, 점토계 및 아스팔트계로 나뉠 수 있는데, 이 역시 단독으로 시공되는 경우는 적으며 주로 물유리와 시멘트 밀크를 혼합한 방식이 많이 시공되고 있는 실정이다.

일반적으로 시멘트-밀크계에 사용되는 주입재는 분말도가 3,200~3,400㎠/g정도인 보통 포틀랜드 시멘트를 단독으로 사용하는 경우와, 보통시멘트와 벤토나이트를 혼합한 CB(Cement Bentonite) 주입재를 사용하는 경우가 있다. 그러나 보통시멘트나 CB주입재는 평균 입경이 약 15~22㎛(분말도 3,200~3,500㎠/g)정도이며, 이러한 주입재는 실트질을 포함한 사질토나 암반균열 등과 같이 공극이 미세한 지반의 경우 침투성이 떨어져 지반 그라우팅이 잘 이루어지지 않는 문제가 있다.

그리고 일반적으로 사용되고 있는 포틀랜드 시멘트는 실리카, 알루미나 및 석회를 혼합하고, 그 일부가 용융되어 소결된 클링커에 적당량의 석고를 첨가하여 분말화한 것이다. 이러한 시멘트는 클링커 제조를 위해 약 1,450℃의 고온상태에서 용융시켜야만 하기 때문에 대량의 에너지를 소비하게 된다. 뿐만 아니라 시멘트 1톤을 제조하는 데에는 약 700~870㎏의 이산화탄소가 배출되는 것으로 널리 알려져 있다. 이러한 상황에서 교토의정서의 준수 및 시멘트 수요의 증가를 동시에 충족시 키기 위해서는 이산화탄소의 배출이 적거나 거의 없는 시멘트의 개발이 필요하다.

이러한 욕구를 충족시키기 위하여 시멘트 산업에 있어서 슬래그와 같은 산업부산물의 활용을 높이는 방안이 활발히 연구되었고, 그 결과 대한민국 등록특허공보 제41405호 및 일본국 특허공보 제2530658호 등이 제안된 바 있다.

먼저, 대한민국 등록특허공보 제41405호는 분말도가 9,000~12,000㎠/g인 초미립자 시멘트 40~85중량%; 분말도가 9,000~12,000㎠/g인 고로 슬래그 10~55중량%; 플라이애시, 유리 슬래그, 폐유리 분말, 무수 석고, 실리카흄 그룹 중 선택된 1종 이상의 부원료를 2~10중량%; 유동화제 분말 1.5~2.5중량%를 포함하여 이루어진 초미립자 시멘트계 주입재 조성물에 관한 것으로서, 분말도가 높아 미세 공극의 주입이 가능하여 그라우팅이나 구조물 보수공사에서 우수한 성능을 발휘할 수 있으나, 여전히 제조시 이산화탄소를 대량 방출하는 시멘트를 주 원재료로 사용하고, 또한 시멘트의 사용에 따라 산에 침식이 매우 용이한 수산화칼슘이 생성되어 내산성이 좋지 않고 또한, 수산화칼슘이 해수 중의 SO₄ ^{2 -}, Mg^{2 +}이온과 반응하여 경화체의 조직구조가 연화되는 등 내화학성이 좋지 못하여 사용용도에 제한이 있는 문제가 있다.

그리고 일본국 특허공보 제2530658호는 입경 15μ이하의 알칼리 수경성분말, 알칼리 금속염 및 알칼리토류 금속수산화물로 이루어지고, 알칼리 수경성 지반주입재와 물과의 혼합비가 100~1000중량%인 것을 특징으로 하는 알칼리 수경성 지반주 입재에 관한 것으로서, 산성토양, 온천지대 및 황산염 등에 대한 주입·침투성 및 내구성이 우수한 이점이 있으나, 알칼리 수경성분말의 수화반응 활성제로서 고가인 알칼리 금속염 및 알칼리토류 금속수산화물을 사용함으로써 경제성이 낮아 범용적 사용할 수 없는 문제가 있다.

이와 같은 종래의 지반 주입재의 문제점을 극복하고자 하는 본 발명은 고로슬래그, 폐석고 등의 산업 폐기물을 최대한 활용하여 고강도, 고내구성을 가질 뿐만 아니라 경제성이 우수하여 범용적으로 널리 사용될 수 있는 지반주입재용 무기결합재 조성물 및 그 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 안출된 본 발명은 분말도 8,000~12,000㎠/g인 고로슬래그 미분말 100중량부에 대하여 분말도 8,000~12,000㎠/g인 폐석고와 폐석회로 이루어진 수화반응 활성제 15~40중량부, 알칼리 물질 0.5~10중량부 및 유동화제 분말 1~3중량부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 지반주입재용 무기결합재 조성물을 제공한다.

특히, 상기 수화반응 활성제는 폐석고 10~30중량부, 폐석회 5~10중량부로 이루어지는 것이 바람직하다.

또한, 폐석고를 가열하여 무수석고로 전이시킨 후 분쇄 및 분급과정을 거쳐 분말도 8,000~12,000㎠/g의 미분말을 준비하는 단계;

고로슬래그 및 폐석회를 각각 분쇄 및 분급과정을 거쳐 분말도 8,000~12,000㎠/g의 미분말을 준비하는 단계;

상기 고로슬래그 미분말 100중량부, 상기 폐석고 미분말 10~30중량부, 폐석회 5~10중량부, 알칼리 물질 0.5~10중량부 및 유동화제 분말 1~3중량부를 혼합하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 지반주입재용 무기결합재 조성물의 제조방법을 제공한다.

이하 본 발명의 지반주입재용 무기결합재 조성물에 대하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 지반주입재용 무기결합재 조성물은 분말도 8,000~12,000㎠/g인 고로슬래그 미분말 100중량부에 대하여 분말도 8,000~12,000㎠/g인 폐석고와 폐석회로 이루어진 수화반응 활성제 15~40중량부, 알칼리 물질 0.5~10중량부 및 유동화제 분말 1~3중량부로 이루어진다.

먼저, 상기 고로슬래그는 용광로에서 철광석으로부터 선철을 만들 때 생기는 슬래그를 급랭하여 얻어지는 산업부산물로서, 포틀랜드 시멘트에 비하여 수화열이 낮고 장기강도가 높으며 내화학성이 우수하다. 이러한 상기 고로슬래그의 분말도는 8,000~12,000㎠/g이 바람직하고, 이는 분말도가 8,000㎠/g미만인 경우 초기 및 장기재령에 있어 고강도를 발현시킬 수 없고, 지반의 미세 공극 중에 주입이 곤란한 문제가 있어 8,000㎠/g 이상이면 족하다. 그리고 분말도가 12,000㎠/g 초과하는 경우 주입성이 우수하고 고강도를 발현할 수 있으나 분쇄비용이 증가하기 때문에 12,000㎠/g 이하로 분쇄하는 것이 좋다.

그리고 수화반응 활성제는 고로슬래그의 입자 표면에 형성된 불투수성 산성피막을 파괴, 즉 고로슬래그의 불규칙적인 3차원 쇄상결합을 절단하여 망상구조체 내부에 포위되어 있던 Ca^{2 +}, Mg^{2 +}, Al^{3 +} 등의 수식이온들을 용출시켜 수화반응이 진행되도록 활성화하는 물질로서, 폐석고 및 폐석회를 고로슬래그 100중량부에 대하여 15~40중량부를 사용한다.

폐석고 및 폐석회의 함량이 고로슬래그 100중량부에 대하여 15중량부 미만인 경우 산성피막을 파괴하여 수식이온을 용출시키는 능력이 저하되어 강도가 저하되고, 40중량부 초과하는 경우 고로슬래그 미분말과 반응하지 못한 폐석고 및 폐석회에 의하여 강도가 저하되는 문제가 있어 부적합하다.

특히 폐석고는 고로슬래그의 주요 수화반응 활성화제 역할을 하는 SO₃ ^{2 -}이온을 방출하여 산성피막을 파괴하는 역할과 동시에 내부에서 용출되는 물질과 반응하여 수화물을 생성하는 역할을 하고, 고로슬래그 100중량부에 대하여 10~30중량부를 사용하는 것이 바람직하고, 이는 폐석고의 함량이 10중량부 미만인 경우 슬래그의 산성피막을 파괴하여 수식이온을 용출시키는 능력이 저하되고, 특히 슬래그 내부의 알루미나 성분과 반응하여 Calcium Sulphur Aluminate(3CaO·Al₂O₃·3CaSO₄·32H₂O), ettringite)를 다량 생성시키지 못하고 침상의 에트링가이트에 의한 네트워크 메트릭스를 제대로 형성시키지 못하여 강도가 감소하고, 30중량부 초과할 경우 고로슬래그와 반응하지 못한 여분의 수화반응 활성화제 성분인 폐석고가 수화생성물 사이에 응집상태로 존재하면서 이들의 결합력을 약화시키기 때문에 오히려 강도를 저하시키는 문제가 있기 때문이다.

이와 같은 폐석고의 경우 전처리 과정이 필요한데 이수석고 상태의 것을 습식비중선별에 의하여 중화처리 및 중금속 등을 제거하여 형성된 정제 이수석고를 고형화한 후 450℃이상의 온도로 가열하여 무수석고로 전이시키고, 이 무수석고를 분쇄 및 분급하여 초미립화한다.

이러한 폐석고의 분말도는 고로슬래그의 분말도와 같이 8,000~12,000㎠/g이 바람직하다.

그리고 폐석회는 탄산칼슘, 소석회, 염화칼슘, 염화나트륨, 석영 등 다양한 무기계성분으로 구성되어 있고, OH-이온의 방출에 의한 고로슬래그 입자의 산성피막 파괴와 동시에 염소이온에 의한 강도 촉진효과 및 기타 물질은 충전작용을 하고, 고로슬래그 100중량부에 대하여 5~10중량부를 사용하는 것이 바람직하다.

이는 폐석회의 함량이 5중량부 미만인 경우 고로슬래그의 산성피막을 파괴하여 수식이온을 용출시키는 능력이 저하되어 OH-이온의 방출량이 부족하여 강도발현이 매우 미비하게 되고, 10중량부 초과할 경우 고로슬래그 미분말과 반응하지 못한 폐석회의 입자성분이 많아져 강도가 저하되기 때문이다.

이러한 폐석회의 분말도는 고로슬래그의 분말도와 같이 8,000~12,000㎠/g이 바람직하다.

다음으로, 알칼리 물질은 고로슬래그 미분말의 수화활성도를 더욱 높여 수화반응을 촉진시키기 위한 것으로서, 고로슬래그 100중량부에 대하여 0.5~10중량부 사용하는 것이 바람직하다. 알칼리 물질을 0.5중량부 미만으로 사용할 경우 고로슬래그의 산성피막을 초기에 강하게 파괴할 수 없어 초기에 강도발현이 미약하고, 10중량부를 초과할 경우 경화속도가 너무 빨라 미세공극까지 본 발명의 조성물이 침투하기 어려운 문제가 있다.

알칼리 물질로서는 알칼리 금속염, 알칼리 토류 금속수산화물을 사용하고, 알칼리 금속염으로서 NaOH, LiCO₃, Na₂SiO₃ 등을 사용할 수 있고, 알칼리 토류 금속수산화물로서 Ca(OH)₂ 등을 사용할 수 있다.

그리고 유동화제 분말은 본 발명의 원재료가 초미립자이기 때문에 현탁액이 되었을시 점도를 낮춰 주입이 용이하도록 하기 위한 것으로서, 고로슬래그 100중량부에 대하여 1~3중량부를 사용하는 것이 좋다.

이와 같은 본 발명의 지반주입재용 무기결합재 조성물은 먼저 폐석고를 가열하여 무수석고로 전이시킨 후 분쇄 및 분급과정을 거쳐 분말도 8,000~12,000㎠/g의 미분말을 준비하고, 또한 고로슬래그 및 폐석회를 각각 분쇄 및 분급과정을 거쳐 분말도 8,000~12,000㎠/g의 미분말을 준비한다.

그리고 상기 고로슬래그 미분말 100중량부, 상기 폐석고 미분말 10~30중량부, 폐석회 5~10중량부, 알칼리 물질 0.5~10중량부 및 유동화제 분말 1~3중량부를 균일하게 혼합하여 지반주입재용 무기결합재 조성물을 제조한다.

이하, 본 발명의 지반주입재용 무기결합재 조성물을 실시예를 들어 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같고, 본 발명의 권리범위는 하기의 실시예에 한정되는 것은 아니다.

[실시예 1]

폐석고를 60℃에서 건조하여 이수석고화하여 습식비중선별에 의해 중화처리 및 중금속 등을 제거하여 정제 이수석고를 고형화한 후 600℃에서 50분간 가열하여 무수석고로 전이시켰고, 무수석고로 전이된 폐석고를 볼밀 분쇄기를 이용하여 분말도 9,000㎠/g로 미분쇄하여 폐석고 미분말을 얻었다.

그리고 K제철소에서 발생된 고로슬래그와, 폐석회를 각각 볼밀 분쇄기를 이용하여 분말도 9,000㎠/g으로 미분쇄하여 고로슬래그 미분말과 폐석회 미분말을 얻었다.

이와 같이 제조된 분말도 9,000㎠/g인 고로슬래그 미분말 100중량부에 대하여 분말도 9,000㎠/g인 폐석고 미분말 25중량부, 분말도 9,000㎠/g인 폐석회 미분말 8중량부, 알칼리 물질 중 하나인 수산화칼슘 5중량부 및 유동화제 미분말 1.5중량부를 균일하게 혼합하여 지반주입재용 무기결합재 조성물을 완성하였다.

[실시예 2]

실시예 1과 달리 분말도 9,000㎠/g인 고로슬래그 미분말 100중량부에 대하여 분말도 9,000㎠/g인 폐석고 미분말 30중량부, 분말도 9,000㎠/g인 폐석회 미분말 5중량부, 수산화칼슘 0.5중량부 및 유동화제 미분말 3중량부를 균일하게 혼합하여 실시예 2인 지반주입재용 무기결합재 조성물을 완성하였다.

[실시예 3]

실시예 1과 달리 분말도 9,000㎠/g인 고로슬래그 미분말 100중량부에 대하여 분말도 9,000㎠/g인 폐석고 미분말 20중량부, 분말도 9,000㎠/g인 폐석회 미분말 10중량부, 수산화칼슘 2중량부 및 유동화제 미분말 1중량부를 균일하게 혼합하여 실시예 3인 지반주입재용 무기결합재 조성물을 완성하였다.

[실시예 4]

실시예 1과 달리 분말도 9,000㎠/g인 고로슬래그 미분말 100중량부에 대하여 분말도 9,000㎠/g인 폐석고 미분말 15중량부, 분말도 9,000㎠/g인 폐석회 미분말 7 중량부, 수산화칼슘 10중량부 및 유동화제 미분말 2중량부를 균일하게 혼합하여 실시예 4인 지반주입재용 무기결합재 조성물을 완성하였다.

[실시예 5]

실시예 1과 달리 분말도 9,000㎠/g인 고로슬래그 미분말 100중량부에 대하여 분말도 9,000㎠/g인 폐석고 미분말 10중량부, 분말도 9,000㎠/g인 폐석회 미분말 6중량부, 수산화칼슘 7중량부 및 유동화제 미분말 1중량부를 균일하게 혼합하여 실시예 5인 지반주입재용 무기결합재 조성물을 완성하였다.

[비교예 1]

그리고 실시예 3과 달리 폐석고 미분말을 고로슬래그 미분말 100중량부에 대하여 40중량부를 혼합하여 비교예 1의 지반주입재용 무기결합재 조성물을 완성하였다.

[비교예 2]

또한, 실시예 2와 달리 폐석회 미분말을 고로슬래그 미분말 100중량부에 대하여 15중량부를 혼합하여 비교예 2의 지반주입재용 무기결합재 조성물을 완성하였다.

이와 같이 완성된 실시예 1 내지 실시예 5 및 비교예 1, 2의 지반주입재용 무기결합재의 조성물과 물을 각각 혼합하여 페이스트를 제조한 후 이를 5×5×5cm 인 몰드에 타설하여 시험체를 제작한 후 1일, 3일, 7일, 28일 경과 후 각각 압축강도를 KS L 5105(수경성 시멘트 모르타르의 압축 강도 시험 방법)에 의거하여 측정하였으며, 그 결과는 표 1과 같다. 이때 물과, 실시예 1 내지 실시예 5, 비교예 1, 2의 지반주입재용 무기결합재 조성물의 W/C를 50%로 하여 혼합하였다.

[표 1]압축강도 시험결과

위 실시예 1 내지 5의 시험체의 압축강도가 비교예 1, 2의 시험체의 압축강도에 비하여 월등히 높았으며, 이는 비교예 1 및 2의 경우 폐석고 미분말 및 폐석회 미분말이 적정량 혼합되지 못하여 고로슬래그와 반응하지 못한 여분의 폐석고 및 폐석회가 수화생성물 사이에 응집상태로 존재하면서 이들의 결합력을 약화시켰기 때문이라 여겨진다.

그리고 본 발명의 지반주입재용 무기결합재 조성물의 내구성을 평가하기 위하여 보통 시멘트를 이용하여 형성한 경화체와 실시예 1 내지 실시예 5를 이용하여 형성한 시험체에 대한 내산성 실험 및 내해수성 실험을 하였다.

내산성 실험은 28일 재령의 시험체 및 경화체를 ASTM C 267, 579에 준하여 실시하였다. 즉 양생된 실시예 1 내지 실시예 5의 시험체 및 보통 시멘트의 경화체의 표면 물기를 습포를 이용하여 제거한 후 중량을 측정하고, H₂SO₄, HCl의 5%와 10% 수용액에 각각 침적하였고, 내산성의 비교는 28일, 56일, 90일, 180일 기간 동안 침적시킨 시편을 꺼내어 흐르는 물속에서 부드러운 솔로 표면을 닦아내어 훼손된 표면부분을 제거하였으며, 표면의 물기를 습포를 이용해 제거한 후 중량을 측정하고, 침적에 의한 중량 감소율을 산출하였고, 중량 감소율을 하기의 식에 의하여 계산하였으며, 그 결과는 표 2와 같다.

[표 2]내산성 실험결과

위의 내산성 실험결과에서 확인되는 바와 같이 실시예 1 내지 실시예 5의 시험체의 경우 보통 시멘트의 경화체에 비하여 높은 내산성을 지니고 있으며, 특히 HCl에 대한 중량감소율이 점차 증가하였으나 침지 재령 90일 이후에는 더 이상 중 량이 감소하지 않거나 미소만큼 감소하여 HCl에 대한 내산성이 매우 우수하였고, 또한, HCl에 비하여 H₂SO₄에 대한 중량감소율이 상대적으로 컸으나 보통시멘트의 경화체에 비하여 현저하게 중량감소율이 적은 것을 확인할 수 있어 전반적으로 보통시멘트의 경화체에 비하여 매우 월등한 내산성을 발휘하였다.

그리고 내해수성 실험은 ASTM D 1141에 준하여 2배 농도 인공해수를 제조하여, 제조된 인공해수에 실시예 1 내지 실시예 5의 시험체 및 보통 시멘트의 경화체를 각각 침지하여 28일, 90일, 180일, 360일 각 재령에서의 압축강도 및 휨강도를 KS L 5105(수경성 시멘트 모르타르의 압축 강도 시험 방법)에 의하여 측정하였고, 그 결과를 표 3으로 나타냈다.

[표 3]내해수성 실험결과

인공해수에 의한 내해수성 실험에서 알 수 있는 바와 같이 실시예 1 내지 실시예 5의 시험체의 경우 침지 재령 28일 이후 침지 재령 360일까지 점차적으로 강도가 증가한 반면 보통시멘트의 경화체의 경우 침지 재령 90일에서 해수 중의 유해이온에 의한 침식에 의하여 압축강도가 점차 감소하였다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 시멘트를 사용하지 않고 고로슬래그 미분말을 주원료로 사용함으로써, 내산성, 내화학성이 우수할 뿐만 아니라 고로슬래그의 수화반응 활성제로서 환경문제를 야기하고 저가인 폐석고 및 폐석회를 사용하여 산업폐기물의 재활용 측면에서 매우 효과적이고, 또한 저비용으로 제조할 수 있어 범용적으로 널리 이용될 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 분말도 8,000~12,000㎠/g인 고로슬래그 미분말 100중량부에 대하여 분말도 8,000~12,000㎠/g인 폐석고와 폐석회로 이루어진 수화반응 활성제 15~40중량부, 알칼리 물질 0.5~10중량부 및 유동화제 분말 1~3중량부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 지반주입재용 무기결합재 조성물.
2. 제1항에 있어서, 상기 수화반응 활성제는 폐석고 10~30중량부, 폐석회 5~10중량부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 지반주입재용 무기결합재 조성물.
3. 폐석고를 가열하여 무수석고로 전이시킨 후 분쇄 및 분급과정을 거쳐 분말도 8,000~12,000㎠/g의 미분말을 준비하는 단계;

   고로슬래그 및 폐석회를 각각 분쇄 및 분급과정을 거쳐 분말도 8,000~12,000㎠/g의 미분말을 준비하는 단계;

   상기 고로슬래그 미분말 100중량부, 상기 폐석고 미분말 10~30중량부, 폐석회 5~10중량부, 알칼리 물질 0.5~10중량부 및 유동화제 분말 1~3중량부를 혼합하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 지반주입재용 무기결합재 조성물의 제조방법.