KR101564382B1 - 콤팩션 그라우팅 공법용 친환경 모르타르 조성물 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 0.02㎜~13㎜의 입도 분포를 가진 석분 100중량부에 대하여, 고로슬래그 미분말 10~30중량부; 및 활성 마그네시아 성분이 30~40중량%인 페로니켈 슬래그 미분말, 활성마그네시아 성분이 20~35중량%인 경소백운석 미분말, 및 칼슘 옥사이드(Calcium oxide) 함량이 50~75중량%, 설페이트 옥사이드(Sulfate oxide) 함량이 15~30중량%인 석고로 이루어진 그룹 중 선택된 어느 1종 또는 2종 이상의 혼합물인 강도보조재 5~15중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 콤팩션 그라우팅 공법용 친환경 모르타르 조성물에 관한 것이다.
본 발명은 주입재인 저유동성 모르타르에 일반적인 결합재로 사용하는 포틀랜트 시멘트를 사용하지 않고 슬래그미분말 등의 비정질 물질을 알칼리 및 황산염 복합자극을 통해 활성화시켜 강도를 발현하고 동시에 강도보조재에 다량 함유된 활성마그네시아의 흡수, 발열반응과 체적팽창작용을 이용하여 시멘트 모르타르가 양생되면서 수축하는 특성을 보완하여 연약한 지반 개량의 성능을 크게 향상시킬 수 있다.
본 발명은 주입재인 저유동성 모르타르에 일반적인 결합재로 사용하는 포틀랜트 시멘트를 사용하지 않고 슬래그미분말 등의 비정질 물질을 알칼리 및 황산염 복합자극을 통해 활성화시켜 강도를 발현하고 동시에 강도보조재에 다량 함유된 활성마그네시아의 흡수, 발열반응과 체적팽창작용을 이용하여 시멘트 모르타르가 양생되면서 수축하는 특성을 보완하여 연약한 지반 개량의 성능을 크게 향상시킬 수 있다.
Description
본 발명은 고로슬래그 미분말을 주재료로 사용한 콤팩션 그라우팅(Compaction Grouting) 공법용 친환경 모르타르 조성물에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연약지반을 보강하거나 연약한 지반 위의 구조물 침하를 방지하기 위하여, 또는 이미 침하가 이루어져 안전에 위협을 받는 지상 및 지중 구조물 및 설치물 등의 안전을 보장하기 위하여 기초를 보강하는 그라우팅 공법 중 슬럼프가 낮은 저유동성 모르타르를 주입재로 사용하는 콤팩션 그라우팅(Compaction Grouting) 공법용 친환경 모르타르 조성물에 관한 것이다.
일반적으로 재료를 충진해 연약지반을 개량하는 그라우팅 공사는 시멘트 밀크 및 화학 약품을 주입하는 고압분사 주입공법, 약액 주입공법, 굴착지반에 자갈 등 골재를 매입하는 현장타설 골재말뚝 공법, 슬럼프가 낮은 모르타르를 충진하는 콤팩션 그라우팅(Compaction Grouting) 공법 등이 있다.
이 중에서, 수직압 및 수평압과 동하중을 가장 잘 견딘다고 평가되는 콤팩션 그라우팅(Compaction Grouting) 공법이 다수 현장에 적용되고 있는 추세이다.
콤팩션 그라우팅(Compaction Grouting) 공법의 시공은 개량 대상 지반에 소정 심도까지 천공기를 이용해 구멍을 파낸 직후 저유동성 모르타르를 고압펌프를 이용해 주입하면서 인발하는 방법이다.
하지만, 상기 시멘트의 경우 석회석, 점토, 철광석을 원료로 하고 수입 유연탄을 연로로 하여 1,450℃의 고온에서 열분해하여 제조되는 제품으로서 친환경적이지 않다는 문제가 있다. 우리나라의 LCI 데이터베이스에 의하면 시멘트 1톤 생산 시 944㎏의 이산화탄소가 배출된다. 이산화탄소는 지구온난화에 제일 기여도가 큰 물질이며, 각국은 이산화탄소의 발생억제에 총력을 기울이고 있다.
또한, 우리나라는 매년 4,500만톤의 시멘트를 생산하기 위해 약 5,500만톤의 석회석을 채굴하고 있어 우리나라의 백두대간이 훼손됨은 물론 향후 약 35년이면 석회석 매장량이 고갈될 위기에 처해있다.
따라서 막대한 환경부하를 주는 시멘트의 사용량을 최소화하는 친환경 주입재의 개발이 절실히 필요하다. 또한 투수성이 큰 지반이나 지하수가 많은 현장에서는 시멘트의 유실을 고려하여 부배합으로 변경하여 사용하고 있어 과도한 시멘트가 지반에 투입되는 현상을 초래하기도 한다. 또한 시멘트 현탁액 속에 포함된 물이 인근 지반으로 유실될 경우 그 물의 부피에 부가하여 시멘트 자체가 수화하면서 수축되는 현상으로 인해 지반과 개량체 사이에 다른 공극이 발생하게 되거나 개량체가 소정의 기능을 발휘하지 못하는 경우도 발생한다.
또한, 시멘트는 지반의 강알칼리 및 육가 크롬에 의한 환경오염을 유발할 수 있다고 보고되고 있다.
최근에는 콤팩션 그라우팅 공법과 직접적인 관련이 있지는 않으나, 유사한 주입공법 등에서 이러한 기존의 시멘트를 주입재로 사용하는 문제점을 개선하기 위한 몇 가지 기술이 제시되고 있다.
예를 들면, 대한민국 등록특허 제10-0699430호에서는 시멘트를 주재료로 하고 혼화재로 벤토나이트와 분산제 및 지연제를 포함한 그라우트(A액)에 응집제인 황산알루미늄을 첨가해 블리이딩의 발생을 줄이는 기술과, 그라우트(A액)에 벤토나이트와 알루미늄 분말(B액)을 첨가해 알루미늄 분말과 시멘트의 화학작용으로 인한 발포효과를 이용해 팽창성을 부여하는 기술을 제시하였다.
그러나 이 기술에 제시된 벤토나이트 역시 국내에는 부존하지 않는 천연광물로서 전량 수입에 의존하고 있는 고가의 제품이며, 알루미늄 분말은 미립자이며 비중이 가벼운 특성 때문에 취급 중 비산으로 인해 사람이 흡입할 경우 치명적인 손상을 입을 우려가 있어 몰탈 등에 발포제로 사용할 경우에도 방진시설이 구비된 제한된 작업공간에서 취급해야하는 물질이며 비중이 가벼워 물과 혼합한 현탁액 제조 시 벤토나이트와 섞이지 않는 문제점이 발생 할 우려가 있다.
또한 대한민국 등록특허 제 10-0886220호 에서는 그라우트재(A액)로 포틀랜트 시멘트 또는 포틀랜트 시멘트와 고로슬래그 시멘트의 혼합물로 이루어지고, 급결제(B액)은 규산소다와 산성약액을 혼합하여 사용하는 기술을 제시하였다.
이 기술은 급결제로 사용하는 규산소다의 알칼리를 낮추기 위하여 산성용액을 혼합해 중화시키는 것이 기술의 요지이나, 포틀랜트 시멘트와 고로슬래그 시멘트의 혼합비율이 제시되지 않았으며, 시멘트를 주원료로 한다는 점에서 기존기술과의 차별성은 크지 않다고 판단된다.
또한 대한민국 등록특허 제 10-0834923호에서는 그라우팅 주입재로서 모르타르를 사용하며, 모르타르는 물 배합비가 65~70%이고 슬럼프는 5~8㎝인 기술을 제시하였다. 일반적으로 모르타르는 사용 용도가 미장용, 벽바름용, 방통용 등 그 종류가 다양하며 종류에 따라 그 배합조성이 다양한데 그라우트재로서 사용하는 모르타르의 조성이 정확히 제시되지 않아 그 기술의 명확성이 부족하다고 할 수 있다.
또한 대한민국 등록특허 제10-0804807호에서는 알루미나이트를 600~700℃로 열처리하여 분말도가 4,500~5,500㎠/g이 되도록 분쇄한 급결 성분 35~65%, 칼슘 설포알루미네이트 분말 15~30%, 무수석고 5 ~ 15%, 반수석고 5 ~ 15%, 황토분말 5 ~ 15%, 반응조절제 3 ~ 10%, 계면활성제 0.3 ~ 1.0%로 구성된 급결재 조성물(A)과, 시멘트 미분말 50 ~ 70%, 슬래그 미분말 30 ~ 50%로 구성된 마이크로 시멘트 조성물(B)을 주입하는 기술을 제시하였다.
이 기술에서 제시한 마이크로 시멘트는 일반적으로 분말도가 6,000㎠/g 이상인 제품을 의미하며, 상당히 고가이기는 하나 원지반을 교란하지 않고 할열 부분만 주입하는 약액주입공법에서 미세균열을 충진하는 재료로 사용되는 것이 일반적이다. 또한 급결재(A액)의 경우 사용원료가 7종류이므로 실 사용을 위한 제품 제조상 많은 문제점이 있을 것으로 판단된다.
또한, 대한민국 등록특허 제10-1377552호에서는 산화칼슘 함량이 30~60%인 석탄재 100중량부에 대하여 고로슬래그 미분말 100~300중량부, 페트롤코크스 탈황석고 20~100중량부 및 황산염자극제 20~50중량부의 구성비를 가진 주입재에 팽창재를 석탄재 100중량부에 대하여 40~100중량부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시멘트를 사용하지 않은 매입말뚝 시공용 밀크 주입재 기술을 제시하였다.
또한, 대한민국 등록특허 제 10-1402877호 에서는 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 10~20 중량%를 혼합한 고로 슬래그를 이용한 친환경 에코 채움재 제조 기술을 제시하였다.
또한, 본 발명자의 선행특허인 대한민국 특허 출원 제 2013-147586호 에서는 고로슬래그 미분말 100중량부에 대하여 페트로 코우크스 탈황석고 5~200중량부와 배합수 50~300중량부를 포함하되, 팽창재가 고로슬래그 미분말 100중량부에 대하여 5~100중량부 더 포함되는 것을 특징으로 하는 기술을 제시하였다.
이러한 상기 기술 등은 고로슬래그 미분말을 탈황 공정의 부산물로 발생되는 석고에 의한 알칼리 및 황산염자극으로 활성화시키는 알칼리 활성화 슬래그의 이론을 바탕으로 하고, 고 칼슘 소각재를 팽창재로 활용하는 기술 내용이다. 즉, 상기 특허들은 알칼리 활성화 슬래그의 강도발현과 고칼슘 소각재의 팽창성을 활용하여 지반을 조기에 안정시키는 기술이라 할 수 있다.
그러나 상기 기술 중 일부는 배합되는 원료의 종류가 5종류 이상이거나, 고가의 약품을 황산염 자극제로 활용하는 등 제조 공정의 복잡성 및 고가의 원재료비 소요 등의 사유로 현재 상업화되지 못하고 있는 형편이다.
이에 본 발명은 상술한 종래 기술에서의 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 모르타르의 결합재인 시멘트를 사용하지 않고 고로슬래그 미분말의 비정질 물질을 알칼리 및 황산염 복합자극을 통해 활성화시켜 강도를 발현하고 동시에 강도보조재에 다량 함유된 활성 마그네시아의 흡수, 발열반응과 체적 팽창작용을 이용하여 시멘트 모르타르가 양생되면서 수축하는 특성을 보완하여 연약한 지반 개량의 성능을 크게 향상시키는 콤팩션 그라우팅(Compaction Grouting) 공법용 친환경 모르타르 조성물을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 콤팩션 그라우팅 공법용 친환경 모르타르 조성물은 골재로서 0.02㎜~13㎜의 입도분포를 가진 석분 100중량부에 대하여, 고로슬래그 미분말 10~30중량부; 및 활성 마그네시아 성분이 30~40중량%인 페로니켈 슬래그 미분말, 활성마그네시아 성분이 20~35중량%인 경소백운석 미분말, 및 칼슘 옥사이드(Calcium oxide) 함량이 50~75중량%, 설페이트 옥사이드(Sulfate oxide) 함량이 15~30중량%인 석고로 이루어진 그룹 중 선택된 어느 1종 또는 2종 이상의 혼합물인 강도보조재 5~15중량부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 석분은 점토성 실트질 토사를 포함하는 것일 수 있다.
상기 석고는 천연 석고, 배연 탈황석고, 페트로 코크스 탈황석고, 및 석탄 코크스 탈황석고로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합물일 수 있다.
상기 조성물은 포틀랜트 시멘트 및 고로슬래그 시멘트 중에서 선택되는 1종 이상의 시멘트를 더 포함할 수 있다.
상기 시멘트는 상기 석분 100중량부에 대하여 20~50중량부로 혼입되는 것일 수 있다.
상기 조성물은 이산화규소(SiO2) 함량이 30~65중량%인 석탄 연소 플라이애시를 더 포함할 수 있다.
상기 석탄 연소 플라이애시는 상기 석분 100중량부에 대하여 10~100중량부로 포함되는 것일 수 있다.
본 발명에 따르면, 모르타르의 결합재인 고로슬래그 미분말에 포함된 유리화된 CaO, SiO2 성분들이 강도보조재에 포함된 알칼리 및 황산염의 자극에 의해 활성화되는 동시에 강도보조재도 활성화되어 강도를 발현하여, 그라우팅 모르타르의 선단 지지력 및 주면 마찰력을 기존 시멘트만을 사용한 모르타르에 비하여 크게 향상시키는 콤팩션 그라우팅(Compaction Grouting) 공법용 친환경 모르타르 조성물을 제공하는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 주입재인 저유동성 모르타르에 일반적인 결합재로 사용하는 포틀랜트 시멘트를 사용하지 않고 슬래그 미분말의 비정질 물질을 알칼리 및 황산염 복합자극을 통해 활성화시켜 강도를 발현하고 동시에 강도보조재에 다량 함유된 활성 마그네시아의 흡수, 발열반응과 체적팽창작용을 이용하여 시멘트 모르타르가 양생되면서 수축하는 특성을 보완하여 연약한 지반 개량의 성능을 크게 향상시킬 수 있다.
도 1은 실시예 2와 비교예에 따른 시료의 재료 분리 정도와 체적변화를 육안으로 검사한 사진이다.
이하에서 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
이하에서 본 발명에 따른 콤팩션 그라우팅(Compaction Grouting) 공법용 친환경 모르타르 조성물의 구성성분 및 작용을 설명한다.
본 발명에 의한 콤팩션 그라우팅 공법용 친환경 모르타르 조성물은 골재로서 0.02㎜~13㎜의 입도분포를 가진 석분 100중량부에 대하여 고로슬래그 미분말 10~30중량부; 및 활성 마그네시아 성분이 30~40중량%인 페로니켈 슬래그 미분말, 활성마그네시아 성분이 20~35중량%인 경소백운석 미분말, 및 칼슘 옥사이드(Calcium oxide) 함량이 50~75중량%, 설페이트 옥사이드(Sulfate oxide) 함량이 15~30중량%인 석고로 이루어진 그룹 중 선택된 어느 1종 또는 2종 이상의 혼합물인 강도보조재 5~15중량부를 포함한다.
본 발명의 모르타르 조성물에서는 골재로서 석분을 사용하는데, 상기 석분은 암석을 쇄석으로 만들면서 발생한 부산물로서 천연골재인 자갈 대용으로 사용될 수 있다. 본 발명에서는 상기 석분을 0.02㎜~13㎜의 입도분포를 가지도록 선별하여 사용하는 데 특징이 있다.
일반적으로 모르타르는 결합재와 잔골재의 배합물을 의미하며, 결합재와 굵은 골재, 잔골재의 배합물을 콘크리트라 칭한다.
콘크리트는 굵은 골재가 포함되므로 연약지반에 기계적으로 한정된 직경의 주입관(주로 80mm 이하의 주입관 사용) 및 주입펌프로 시공되기 때문에 굵은골재가 포함되면 골재간의 마찰력이 증대되어 원활한 주입이 이루어지지 않는다. 따라서 기계적으로 한정된 직경의 주입관(주로 80mm 이하의 주입관 사용) 및 주입펌프로 시공되는 공사의 특성상 골재의 최대크기는 13mm 이하인 것이 바람직하며, 0.2mm 미만인 입도를 가진 경우 골재로서는 너무 미립자이기 때문에 골재로 간주하지 않고 세립 토사로 간주한다.
또한, 본 발명의 골재는 상기 석분에 점토성 실트질 토사를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 점토성 실트질 토사는 점토분과 실트질이 혼합된 세립토사를 의미하며, 이는 상기 석분만으로 이루어진 모르타르에 비해 미립분 토사가 더 포함되므로 모르타르의 주입시 마찰에 의한 저항을 감소시키는 역할을 하여 주입효과를 상승시킬 수 있어 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 모르타르 조성물은 상기 골재인 석분 100중량부에 대하여 고로슬래그 미분말 10~30중량부를 포함한다. 상기 고로슬래그 미분말은 제철소의 고로에서 발생한 슬래그를 물로 급냉시켜 이를 분말화한 것으로, 조성물 내에서 잠재수경성을 발현하여 강도를 확보할 수 있다.
따라서, 상기 고로슬래그 미분말의 함량이 상기 석분 100중량부에 대하여 10중량부 미만 포함될 경우 잠재수경성을 발현하여 강도를 나타내는 물질의 양이 적게 되어 강도가 하락하게 되며, 30중량부를 초과하여 포함될 경우 상대적으로 강도보조재에 비한 양이 많게 되어 강도보조재와 반응하지 못한 잉여량이 남게 되어 역시 강도가 하락되는 문제가 있어 바람직하지 못하다.
또한, 본 발명의 친환경 모르타르 조성물에는 상기 고로슬래그의 강도발현을 보조하는 강도보조재를 포함하는데, 구체적으로는 페로니켈 슬래그 미분말, 경소백운석, 석고로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나이거나 둘 이상의 혼합물일 수 있다.
상기 강도보조재는 활성화된 마그네시아 및 황산염으로 고로슬래그 미분말의 강도발현을 보조하는 동시에 팽창 및 발열하여 지반을 조속히 안정시키며, 또한 스스로도 강도를 발현하는 복합기능을 가진 재료이다.
상기 강도보조재 원료 중 하나인 페로니켈 슬래그 미분말은 페로니켈 제조공정에서 발생되는 부산물로 2014년 현재 우리나라에서 연간 200만톤 발생하는 제조공정이 가동되고 있다. 페로니켈이란 철 80%와 니켈 20%를 함유한 합금철을 일컫는 용어로서, 주로 스테인레스강의 원료로 사용된다. 페로니켈의 원료는 사문암을 모암으로 하는 산화니켈광이며 일반적으로 순수한 니켈의 품위는 원광의 2~3%로 낮은 편이고 1,500℃ 이상의 정련공정을 거쳐 니켈 1톤 생산 시 약 30톤의 페로니켈 슬래그가 발생한다고 알려져 있다.
이 페로니켈 슬래그는 일부를 소결용 원료로 사용하거나 도로용 골재, 코크리트용 골재 등으로 일부 재활용 되고 있으나, 대부분을 매립 등으로 폐기하고 있는 형편이다.
본 발명에 의한 페로니켈 슬래그의 냉각조건은 물에 의해 슬래그를 급냉한 수쇄 페로니켈이며, 사용 재료는 수쇄 급냉 페로니켈 슬래그를 분말화한 것이다. 비정질 물질의 양이 많을수록 화학적 활성도가 크다는 것과 비정질 물질의 양이 많아지기 위해서는 급냉이 필수조건이라는 것은 일반적으로 널리 알려진 사실이다.
다음 표 1에 본 발명에서 사용되는 페로니켈 슬래그 미분말의 화학적 조성을 %로 나타내었다.
| 함량(%) | 화학 조성 | |||||
| SiO2 | MgO | CaO | Al2O3 | T-Fe | T-Ni | |
| Fe-Ni 슬래그 | 52.4 | 35.6 | 0.9 | 1.6 | 4.6 | 0.03 |
상기 표 1을 참조하면, 페로니켈 슬래그 미분말의 주요 화학 성분은 유리화된 SiO2와 MgO이다. 잘 알려진 바와 같이 SiO2는 활성화하여 강도가 발현하는 속도가 CaO나 Al2O3에 비하여 늦게 개시된다. 또한 MgO는 물과 반응하며 Mg(OH)2로 전이되면서 팽창하는 물질이다. 시멘트에서는 MgO의 함량을 제한하고 있는 것도 팽창성 때문이라 알려져 있다.
따라서, 본 발명에서는 팽창성을 구현하고 알칼리 자극을 통한 고로슬래그 미분말의 강도보조재 역할을 하기 위하여, 페로니켈 슬래그 미분말에 포함된 MgO의 함량은 30중량% 이상, 바람직하게는 32~40중량%인 것이다. 페로니켈 슬래그의 주성분은 활성마그네시아와 이산화규소이며, 이 두성분이 85% 이상이고 나머지 불순물로 간주되는 것이 철 성분과 산화알루미늄 성분이다.
따라서 페로니켈 슬래그 미분말에 포함된 활성마그네시아 성분이 30중량% 미만을 포함하게 되면 팽창이 충분하지 않을 우려가 있으며, 40 중량%를 초과하는 원료의 경우에는 시멘트와 반응해서 칼슘 실리케이트 수화물을 형성하는 이산화규소(SiO2) 성분이 상대적으로 적게 된다는 의미로 강도하락의 우려가 있어 바람직하지 못하다.
본 발명에서는 이러한 페로니켈 슬래그 미분말의 유리화된 SiO2에 의한 강도발현 및 활성 마그네시아에 의한 발열, 팽창하는 특성을 이용하여 고로슬래그 미분말의 강도발현을 보조하는 재료 겸 스스로 강도를 발현하는 복합기능 재료로 활용하는 데 특징이 있다.
또한, 본 발명의 강도보조재 원료 중 하나인 경소백운석은 백운석을 비교적 낮은 온도에서 하소하여 생산한 물질이다. 아래의 하소 온도에 따른 흡열반응(반응식 1)과 같이 600~800℃의 온도에서 MgCO3가 먼저 탈탄산되어 반응성이 높은 비정질 상태의 활성마그네시아로 전이되며, 800~1000℃의 온도에서 CaCO3가 탈탄산되어 반응성이 높은 산화칼슘으로 전이된다.
(반응식 1)
600~800℃ : CaMg(CO3)2 = CaCO3 + MgO + CO2↑
800~1000℃ : CaCO3 + MgO = CaO + MgO + CO2↑
또한, 본 발명에 따른 경소백운석 미분말의 화학적 조성은 다음 표 2와 같다.
| 성분(%) | SiO2 | MgO | CaO | Al2O3 | Fe2O3 | SO3 |
| 경소백운석 (Light Burned Dolomite) |
4.3 | 30.6 | 52.3 | 3.7 | 1.8 | 0.7 |
이 경소백운석의 활성 마그네시아는 다음 반응식 2와 같이, 초기 반응성이 매우 강한 비정질(Amorphous) 상태로 존재하기 때문에 시멘트와 혼합되어 물과 수화 반응하면 결정질의 Brucite를 형성한다.
(반응식 2)
위의 수화 반응식과 같이 수화 초기에는 다량의 Brucite(Mg(OH)2) 겔이 형성되면서 많은 양의 과잉수분을 결정수로서 가두어 두며, 이는 시멘트의 수화초기에 생성되는 ettringite와 같은 공극 수화물의 비율을 상대적으로 줄이는 결과가 되어 치밀한 조직을 형성하고 그 결과 압축강도 상승에 기여한다.
본 발명에 따른 경소백운석 미분말이 강도보조재 및 강도를 스스로 발현하는 복합재료로 역할을 하기 위하여 경소백운석에 포함된 활성마그네시아(MgO)의 함량은 20중량% 이상, 바람직하게는 25~35중량% 인 것이 바람직하다. 경소백운석의 주성분은 활성마그네시아와 산화칼슘이며, 이 두성분이 80% 이상이고 나머지 불순물로 간주되는 것이 이산화규소, 산화철 성분과 산화알루미늄 성분이다.
따라서 본 발명에 따른 경소백운석 미분말 내 활성마그네시아 성분이 20중량% 미만을 포함하게 되면 팽창이 충분하지 않을 우려가 있으며, 35 중량%를 초과하는 원료의 경우에는 물과 반응해서 수산화칼슘 (CaOH2)을 형성하는 산화칼슘 성분이 상대적으로 적게 되어 자극효과의 부족에 따른 강도하락의 우려가 있어 바람직하지 못하다.
또한 본 발명의 강도보조재에 포함되는 상기 석고는 상기 고로슬래그 미분말 및 페로니켈 슬래그 미분말의 산성피막을 알칼리 및 황산염 복합 자극에 의해 단시간 내에 파괴하여 슬래그 내부에서 이온 방출을 가속화시키고 이들과 반응하여 수화초기에 에트린가이트를 다량 생성해주고 재령이 경과함에 따라 각종 수화물을 생성해 강도를 발현해주는 자극제 및 결합재의 동시 역할을 하는 물질이다.
이러한 기능을 수행하는 석고는 수소이온농도(pH) 12 이상, 바람직하기로는 12~12.5의 알칼리를 띄도록 하는 것이 고로슬래그 미분말의 산성 피막을 알칼리 및 황산염 복합 자극시켜 단시간에 파괴시켜 원하는 효과를 얻을 수 있어 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 석고는 석고 내 칼슘 옥사이드(Calcium oxide) 함량이 50중량% 이상, 바람직하기로는 65~75중량%이고, 설페이트 옥사이드(Sulfate oxide) 함량이 15중량% 이상, 바람직하기로는 20~30중량%인 것이다. 일반적으로 품위가 높은 석고의 순도는 칼슘옥사이드 함량과 설페이트 옥사이드 함량이 95% 이상인 것을 의미한다. 석고에 포한된 이산화규소, 산화제이철, 산화알루미늄 등은 불순물로 간주된다.
따라서 석고 내 칼슘 옥사이드(Calcium oxide) 함량이 50중량% 미만이면 알칼리 자극 효과가 충분치 못해 강도발현이 지연될 수 있으며, 석고 내 칼슘 옥사이드(Calcium oxide) 함량이 75중량%를 초과하게 되면 석고 내의 상대적인 설페이드 옥사이드 함량이 낮게 되어 황산염 자극 효과가 줄어들게 된다.
마찬가지 이유로 석고 내 설페이드 옥사이드 함량이 15중량% 미만이면 황산염 자극 효과가 충분치 않아 강도발현이 지연될 수 있으며, 설페이드 옥사이드 함량이 30중량%를 초과하면 석고내의 상대적인 칼슘 옥사이드함량이 낮게 되어 알칼리 자극효과가 줄어들게 된다.
상기 특징을 가지는 본 발명의 석고의 구체 예로는, 천연 석고, 배연탈황석고, 페트로 코크스 탈황석고, 및 석탄 코크스 탈황석고로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합물일 수 있다.
상기 구성을 가지는 본 발명의 강도보조재는 상기 석분 100중량부에 대하여 5~15중량부 포함되는 것이 바람직하다. 상기 강도보조재가 5중량부 미만 포함되면 고로슬래그를 자극하여 강도를 발현시키고 스스로도 강도를 발현하는 물질의 양이 적게 되어 소정의 강도를 발현 할 수 없으며, 15중량부를 초과하여 혼입되면 상대적으로 강도보조재의 양이 너무 많게 되어 역시 강도하락의 우려가 있다.
또한, 본 발명에 따른 친환경 모르타르 조성물은 공기를 단축시키기 위한 목적으로 조기강도를 구현하기 위한 선택적 목적으로 일반적으로 시중에서 수득이 가능한 KS(한국산업규격)인증 제품인 시멘트를 더 포함할 수 있다. 시멘트는 고로슬래그 미분말 등 유리화된 물질과는 달리 물과 즉시 수화 반응하여 고결 강도를 발현하는 물질이다. 따라서 조기 강도의 발현이 필요한 현장에 선택적으로 포함되어 사용될 수 있다.
상기 시멘트는 포틀랜트 시멘트 및 고로슬래그 시멘트 중에서 선택되는 어느 하나이거나 둘 이상의 혼합물일 수 있다. 상기 시멘트는 상기 석분 100중량부에 대하여 20~50중량부로 포함될 수 있다. 상기 시멘트가 고로슬래그 미분말 100중량부에 대하여 20중량부 미만 포함될 경우 수화반응 물질이 적게 되어 원하는 조강성을 발현할 수 없으며, 50중량부를 초과하여 혼입될 경우 조강성은 나타나나, 상대적으로 비싼 물질이 많이 포함되어 경제성이 저하된다.
또한, 본 발명에 따른 친환경 모르타르 조성물은 유동성 개선과 장기강도 증진을 위한 선택적 목적으로 포졸란 활성을 나타내는 플라이애시가 더 포함될 수 있다.
상기 플라이애시는 포졸란 활성을 나타내는 이산화규소 함량이 30중량% 이상, 바람직하기로는 45~65중량%인 석탄연소 플라이애시인 것이 포졸란 활성 발현을 위해 바람직하다. 우리나라의 산업규격(KS)에서는 콘크리트의 혼화재로 사용되는 플라이애시의 이산화규소 함량은 50% 이상으로 규정(KS L 5405)하고 있는데 토목용 고화재로의 사용목적에는 적합한 플라이애시 중의 이산화규소 성분은 45중량% 이상이면 충분하다. 또한, 이산화규소 성분이 65 중량%를 초과하는 플라이애시는 연료로 사용하는 석탄에 포함된 여러 성분 등의 특성 상 발생하지 않는다.
상기 플라이애시는 석분 100중량부에 대하여 20~50중량부 혼입되는 것이 바람직하다. 상기 플라이애시가 석분 100중량부에 대하여 20중량부 미만 혼입되면 플라이애시의 특성인 구형입자에 따른 유동성개선 효과가 발휘되지 않으며, 포졸란 활성물질이 상대적으로 적게 되어 장기강도 증진에 기여할 수 없다. 상기 플라이애시가 석분 100중량부에 대하여 50중량부를 초과하여 혼입될 경우 유동성은 많이 개선되나 장기강도를 개선하는 포졸란활성 물질이 상대적으로 많게 되어 초기강도가 하락하여 바람직하지 못하다.
본 발명에 따른 콤팩션 그라우팅 공법용 친환경 모르타르 조성물은 상기 각 구성 성분들을 소정의 혼합비로 배합함으로써 제조될 수 있다.
또한 상기 재료들을 원활히 혼합하고 결합재의 수화반응을 유도하며, 소정의 모르타르 반죽질기(슬럼프 50~70㎜)를 유지하기 위한 배합수로서 물이 포함된다. 그러나, 모르타르 조성물과 물의 혼합비율은 지반조건 및 골재의 표면수율 등에 따라 다양하게 달라지고 통상적으로 당업자가 실시 가능한 것이므로 구체적인 수치로 한정하지는 않는다.
이하에서 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예들이 기술되어질 것이다. 또한 이하의 실시예들은 본 발명을 예증하기 위한 것으로서 본 발명의 범위를 국한하는 것으로 이해되어져서는 아니 된다.
실시예
1~3
먼저, 점토성 실트질 토사를 포함하고 0.02㎜~13㎜의 입도분포를 가진 석분 100중량부에 대하여 다음 표 3과 같은 경소백운석 미분말과 강도보조재를 포함하는 모르타르 조성물을 제조하였다.
또한, 각 모르타르 조성물을 시공에 적정한 반죽질기인 슬럼프 40~80mm의 범위에 들도록 물 15 중량부를 첨가하고 강제식 믹서로 균질하게 혼합하여 모르타르 혼합물을 제조하였다.
| 시료 (함량:중량부) |
석분 (입도분포,mm) |
고로슬래그 미분말 |
강도보조재 | ||
| 페로니켈 슬래그 미분말 | 경소백운석 미분말 | 석고 | |||
| 실시예 1 | 0.02~0.13 | 10 | 3(1) | 2(3) | |
| 실시예 2 | 0.02~0.13 | 16 | 6(2) | 6(5) | |
| 실시예 3 | 0.02~0.13 | 28 | 8(4) | 7(6) | |
| (1),(2)는 활성 마그네시아 성분이 각각 30, 40중량%인 페로니켈 슬래그 미분말이고, (3),(4)는 활성마그네시아 성분이 각각 25, 35중량%인 경소백운석 미분말이고, (5),(6)은 칼슘 옥사이드 함량이 각각 55, 70중량%, 설페이트 옥사이드 함량이 20, 30중량%인 탈황 석고임. |
|||||
비교예
(
OPC
)
먼저, 석분 100중량부에 대하여 1종 포틀랜트 시멘트 28중량부 및 15 중량부의 배합수를 강제식 믹서로 균질하게 혼합하여 모르타르 혼합물을 제조하였다.
다음으로 제조된 시료를 이용하여 슬럼프 시험을 실시하였고, 압축강도 측정용 공시체를 제작하여 재령별 압축강도를 측정하였다.
실험예
1 :
콤팩션
그라우팅 공법용 주입 모르타르의 특성측정
상기 제조된 각 시료를 이용하여 다음 표 4의 방법에 따라 슬럼프 시험과 압축강도 측정용 공시체를 제작하여 재령별 압축강도를 측정하였으며, 그 결과를 다음 표 5에 나타내었다.
| 실험 | 방법 | 명칭 |
| 슬럼프 플로우 | KS F 2402 | 콘크리트의 슬럼프 시험방법 |
| 압축강도 | KS F 2405 | 콘크리트의 압축강도 시험방법 |
| 재료분리 정도 | 육안검사 | |
| 체적변화 | 육안검사 |
| 구분 | 슬럼프(㎜) | 압축강도(MPa) | ||
| 재령 3일 | 재령 7일 | 재령 28일 | ||
| 실시예 1 | 75 | 3.1 | 9.8 | 15.2 |
| 실시예 2 | 70 | 12.6 | 21.7 | 29.4 |
| 실시예 3 | 60 | 16.9 | 30.4 | 35.7 |
| 비교예 | 75 | 13.5 | 20.4 | 25.6 |
상기 표 5의 결과를 참조하면, 실시예 2와 비교예의 단위 결합재(본 발명 실시예 2의 고로슬래그 미분말과 석고를 합한 함량과 비교예의 시멘트 함량을 의미함) 중량과 배합수의 중량, 그리고 골재의 중량이 동일함에도 불구하고 실시예의 모르타르 조성물의 슬럼프가 좀 낮게 나타났다. 이는 시멘트에 비해 질량이 낮은 고로슬래그 미분말, 경소백운석, 페트로 코우크스 탈황석고가 혼입된 결합재의 단위 분체량이 많아진 결과로 해석될 수 있다.
또한, 압축강도의 결과를 참조하면, 실시예 2의 경우 단위 결합재량이 비교예와 동일하나, 비교예인 1종 시멘트에 비하여 초기 강도가 비교적 낮게 발현되었으며, 이는 1종시 멘트의 수화반응보다는 고로슬래그 미분말의 잠재수경성 반응이 조금 늦게 개시되는 특성 때문인 것으로 판단된다. 한편, 재령 7일 강도에서는 실시예가 비교예인 1종 시멘트에 비하여 거의 동등하였으며, 28일 강도에서는 더 우수한 강도를 발현하는 결과를 보였다. 이는 강도보조재의 황산염 및 알칼리 자극에 의해 고로슬래그 미분말과 강도보조재에 포함된 활성마그네시아 등 비정질물질이 지속적으로 수화물을 만들어낸 결과로 판단된다. 또한 실시예 1의 경우 단위 결합재량이 15중량부로서 비교예의 28중량부에 비해 현저히 적었으나 비교적 만족할만한 강도를 발현하였으며, 실시예 3의 경우 단위 결합재 량이 비교예에 비해 많은 관계로 높은 강도를 발현하였다.
실험예
2 :
재료분리정도
및 체적변화 확인
상기 실시예 2에 따라 제조된 재료와 비교예의 재료를 재료 분리 정도와 체적변화는 육안검사를 실시하였으며, 그 결과를 다음 도 1에 나타내었다.
다음 도 1을 참조하면, 실시예 2와 비교예 모두 모르타르 혼합 후 재료분리는 발생하지 않아 현장 시공성을 보장할 수 있음을 확인하였다.
또한, 결합재 페이스트를 동일한 용기에 양생시켜 체적 변화를 육안으로 관찰한 결과, 1일 경과 후 시간 후 실시예는 팽창성에 의해 수축 발생량을 보상하고도 체적이 증가하였으나, 비교예는 체적 수축이 발생함을 육안으로 확인할 수 있었다.
Claims (7)
- 0.02㎜~13㎜의 입도 분포를 가지는 굵은 골재와 잔골재의 혼합물로 구성되며, 점토성 실트질 토사를 포함하는 석분 100중량부에 대하여,
고로슬래그 미분말 10~30중량부; 및
활성 마그네시아 성분이 30~40중량%인 페로니켈 슬래그 미분말, 활성마그네시아 성분이 20~35중량%인 경소백운석 미분말, 및 칼슘 옥사이드(Calcium oxide) 함량이 50~75중량%, 설페이트 옥사이드(Sulfate oxide) 함량이 15~30중량%인 석고로 이루어진 그룹 중 선택된 어느 1종 또는 2종 이상의 혼합물인 강도보조재 5~15중량부를 포함하고,
상기 강도 보조재는 상기 페로니켈 슬래그 미분말 및 상기 경소백운석 미분말 중 어느 하나를 포함하는, 콤팩션 그라우팅 공법용 친환경 모르타르 조성물. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 석고는 천연 석고, 배연 탈황석고, 페트로 코크스 탈황석고, 및 석탄 코크스 탈황석고로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합물인 것인 콤팩션 그라우팅 공법용 친환경 모르타르 조성물. - 제 1 항에 있어서,
상기 조성물은 포틀랜트 시멘트 및 고로슬래그 시멘트 중에서 선택되는 1종 이상의 시멘트를 더 포함하는 것인 콤팩션 그라우팅 공법용 친환경 모르타르 조성물. - 제 4 항에 있어서,
상기 시멘트는 상기 석분 100중량부에 대하여 20~50중량부로 혼입되는 것을 특징으로 하는 콤팩션 그라우팅 공법용 친환경 모르타르 조성물. - 제 1 항에 있어서,
상기 조성물은 이산화규소(SiO2) 함량이 30~65중량%인 석탄 연소 플라이애시를 더 포함하는 것인 콤팩션 그라우팅 공법용 친환경 모르타르 조성물. - 제 6 항에 있어서,
상기 석탄 연소 플라이애시는 상기 석분 100중량부에 대하여 10~100중량부로 포함되는 것인 콤팩션 그라우팅공법용 친환경 모르타르 조성물.
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| KR101962249B1 (ko) * | 2018-10-30 | 2019-03-26 | 주식회사 한강이앤씨 | 산업부산물을 활용한 친환경 내황산염 모르타르 조성물 및 이를 이용한 콘크리트 단면복구시공공법 |
| CN119143448A (zh) * | 2024-09-25 | 2024-12-17 | 旭辰矿业科技发展(徐州)有限公司 | 一种轻质充填材料及其制备方法和使用方法 |
-
2015
- 2015-04-16 KR KR1020150053816A patent/KR101564382B1/ko active Active
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