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KR101583257B1 - 싱크홀 방지용 경량 성토재 - Google Patents

싱크홀 방지용 경량 성토재 Download PDF

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KR101583257B1
KR101583257B1 KR1020140183519A KR20140183519A KR101583257B1 KR 101583257 B1 KR101583257 B1 KR 101583257B1 KR 1020140183519 A KR1020140183519 A KR 1020140183519A KR 20140183519 A KR20140183519 A KR 20140183519A KR 101583257 B1 KR101583257 B1 KR 101583257B1
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South Korea
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unit
embankment
weight
amount
preventing
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양근혁
윤인구
심재일
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지엘기술주식회사
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Abstract

본 발명은 지중에 매립되는 지하구조물의 뒷채움을 위한 싱크홀 방지용 경량 성토재에 관한 것으로, 더욱 바람직하게는 지하구조물인 하수관거로 성토재의 다짐 불량으로 생기는 부등침하 발생 및 하수관거 주변에 생성되는 공동에 의해 형성되는 싱크홀을 방지할 수 있는 싱크홀 방지용 경량 성토재에 대한 것이다.
본 발명은 지중에 매립되는 지하구조물의 뒷채움을 위한 싱크홀 방지용 경량 성토재에 관한 것으로, 상기 성토재는 결합재, 물 및 재활용토사를 포함하여 구성되고, 상기 결합재는 시멘트 20~30중량%, 플라이애시 10~20중량% 및 고로슬래그 50~70중량%로 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

싱크홀 방지용 경량 성토재{Lightweight soil for preventing sinkhole}
본 발명은 지중에 매립되는 지하구조물의 뒷채움을 위한 싱크홀 방지용 경량 성토재에 관한 것으로, 더욱 바람직하게는 지하구조물인 하수관거 주변에 성토재의 다짐 불량으로 생기는 부등침하 발생 및 하수관거 주변에 생성되는 공동에 의해 형성되는 싱크홀을 방지할 수 있는 싱크홀 방지용 경량 성토재에 대한 것이다.
종래 지하구조물의 뒷채움에 사용되는 성토재는 주로 흙을 사용하고 있다. 이는 기존에 있던 흙을 이용하여 다시 뒷채움 하는 것이라 경제적으로 이득이지만, 다짐하는 시간이 오래 걸리고, 충분한 다짐 시간을 거치기 않으면 일정 시간이 경과된 후 체적이 감소하여 부등침하가 발생될 수 있다.
특히 하수관거 같은 지하구조물은 부등침하에 의해 하수관거 연결부가 변형되어 누수가 발생될 수 있으며, 상기 누수로 인하여 하수관거 주변 뒷채움재가 유실되어 주변에 싱크홀이 발생될 수 있다.
따라서 이러한 문제점을 해결하고자 시멘트 성토재를 사용는 시도가 있다.
그러나 시멘트 성토재의 결합재로 사용되는 시멘트는 생산과정에서 다량의 에너지 소비 및 CO2 배출에 의한 환경오염 등의 문제점이 있다.
최근 탄소 저감형, 친환경 등의 환경적인 문제에 대한 관심이 높아지면서, 건설사, 레미콘사 등에서도 시멘트를 소량으로 사용하기 위한 다양한 노력이 있다.
일반적으로 시멘트의 주원료는 석회석(CaCO2)인데, 시멘트 제조시 석회석을 소성하는 소성과정을 거치게 된다. 이 과정에서 대량의 CO2가 발생하는데, 통상 시멘트 1톤 생산시 0.7~0.9톤의 CO2가 발생하며, 국내 시멘트산업에서 배출되는 CO2 양은 국내 CO2 총 배출량의 약 6~8%에 이를 정도로 많은 양을 차지하고 있다.
또한, 시멘트 성토재는 강도가 과도하게 강하여 지하구조물 유지 보수 관리시 해체가 어려우며, 해체시 지하구조물의 손상이 우려된다.
아울러 시멘트 성토재의 결합재인 시멘트를 줄이기 위해 산업 부산물인 고로슬래그 또는 플라이애시를 혼합하여 사용기도 한다.
그러나 이 방법은 시멘트 성토재의 배합설계가 체계적이지 않고 경험에 의존한 현장 배합과 타설이 이루어지고 있어 콘크리트의 품질이 불균질하여, 품질 저하에 따른 기포의 소포로 인한 압축강도의 저하 및 체적의 감소 등의 문제점이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 본 발명은 지하구조물의 뒷채움을 위한 성토재의 결합재로 시멘트, 플라이애시 및 고로슬래그를 사용하여 시멘트의 사용량을 줄이고 환경 친화적인 싱크홀 방지용 경량 성토재를 제공하고자 한다.
또한, 시멘트, 플라이애시 및 고로슬래그로 구성된 결합재, 물 및 재활용토사를 포함하여 구성된 성토재에 기포제를 더 첨가하기 때문에, 지하구조물의 유지 보수 관리를 위한 성토재 해체를 보다 쉽게 하고 체적의 변형을 최소화 할 수 있는 싱크홀 방지용 경량 성토재를 제공하고자 한다.
아울러 콘크리트 품질의 불균질 및 품질 저하를 방지하기 위하여 실내실험결과의 회귀분석을 통해 성토재의 체계적인 배합설계를 이용한 싱크홀 방지용 경량 성토재를 제공하고자 한다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 바람직한 실시예에 따른 본 발명은 지중에 매립되는 지하구조물의 뒷채움을 위한 싱크홀 방지용 경량 성토재에 관한 것으로, 상기 성토재는 결합재, 물 및 재활용토사를 포함하여 구성되고, 상기 결합재는 시멘트 20~30중량%, 플라이애시 10~20중량% 및 고로슬래그 50~70중량%로 구성되며, 단위결합재량, 단위수량 및 단위재활용토사량은 하기 수학식에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 싱크홀 방지용 경량 성토재를 제공한다.
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[수학식]
Figure 112014123381793-pat00001
여기서, Bunit: 단위결합재량(㎏/m3), Wunit: 단위수량(㎏/m3), Dunit: 단위재활용토사량(㎏/m3), fck: 콘크리트 압축강도(MPa), ρc: 성토재 소요겉보기비중, S/B: 재활용토사-결합재비(중량비)이다.
다른 바람직한 실시예에 따른 본 발명에서 상기 성토재에는 기포제가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 싱크홀 방지용 경량 성토재를 제공한다.
다른 바람직한 실시예에 따른 본 발명에서 상기 재활용토사는 함수율이 38~42%인 것을 특징으로 하는 싱크홀 방지용 경량 성토재를 제공한다.
다른 바람직한 실시예에 따른 본 발명에서 물-결합재비(중량비)는 25~32.5%인 것을 특징으로 하는 싱크홀 방지용 경량 성토재를 제공한다.
다른 바람직한 실시예에 따른 본 발명에서 상기 성토재에는 폴리카르본산계열의 고성능 감수제가 포함되는 것을 특징으로 하는 싱크홀 방지용 경량 성토재를 제공한다.
다른 바람직한 실시예에 따른 본 발명에서 상기 지하구조물은 하수관거로 성토재가 상기 하수관거의 위치를 고정하는 것을 특징으로 하는 싱크홀 방지용 경량 성토재를 제공한다.
본 발명에 의하면 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 시멘트의 사용량을 줄이기 때문에 시멘트 제조시 발생되는 CO2 배출량을 저감시킬 수 있어 환경 친화적이다.
둘째, 지하구조물의 유지 및 보수 관리시 성토재의 해체가 어렵지 않으며, 해체시 지하구조물에 생기는 손상을 최소화할 수 있다.
셋째, 잔 골재 또는 굵은 골재 체적을 기포제로 대체한 경량의 성토재로 뒷채움하기 때문에 지하구조물의 하중 부담을 최소화할 수 있다.
넷째, 실내실험결과의 회귀분석을 통해 성토재의 체계적인 배합설계를 제공하기 때문에 균질한 품질을 기대할 수 있다.
다섯째, 체계적인 배합설계로 배합한 균질한 품질의 성토재를 사용하기 때문에 뒷채움재의 다짐 불량으로 발생되는 부등침하 및 하수관거 주변에 공동(空洞)이 형성되어 발생하는 싱크홀을 방지할 수 있다.
여섯째, 잔 골재 및 굵은 골재의 체적을 준설토, 건설잔토 등의 재활용토사로 대체하여 비용 및 환경 문제를 해결할 수 있다.
도 1은 본 발명의 싱크홀 방지용 경량 성토재의 배합설계 프로세스를 도시하는 설계도이다.
도 2는 본 발명의 싱크홀 방지용 경량 성토재를 적용한 지하구조물을 도시하는 단면도이다.
도 3은 도 2의 다른 실시예를 도시하는 예시도이다.
이하, 바람직한 실시예에 따라 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은 지중에 매립되는 지하구조물의 뒷채움을 위한 싱크홀 방지용 경량 성토재에 관한 것으로, 상기 성토재는 결합재, 물 및 재활용토사를 포함하여 구성되고, 상기 결합재는 시멘트 20~30중량%, 플라이애시 10~20중량% 및 고로슬래그 50~70중량%로 구성된다.
본 발명에서는 체적이 변하지 않고, 토압을 효과적으로 지지하여 사용 중 변형을 최소화하면서도 유지 보수 관리 시 쉽게 해체할 수 있을 정도의 강도를 지닌 성토재를 제공하기 위해 산업 부산물인 고로슬래그 및 플라이애시를 사용하여 종래 시멘트 결합재의 시멘트를 다량 치환한 결합재로 사용하고 있다.
또한, 잔 골재 및 굵은 골재의 체적을 요구되는 체적을 유지하면서도 처리 비용이 소요되는 준설토, 건설잔토 등의 재활용토사로 재활용하여 비용 및 환경 문제를 해결할 수 있다.
일반적으로 포틀랜드 시멘트는 주성분이 주로 산화칼슘(CaO), 실리카(SiO2) 및 산화알루미늄(Al2O3)으로 구성되며, 대략 3,300㎠/g 전후의 높은 분말도를 가지고 있다.
상기 시멘트는 20~30중량% 사용하는 것이 바람직한데, 일반적으로 시멘트는 혼화재를 치환하여 사용할 경우 최소 20중량% 이상 사용되어야 치환된 혼화재의 활성화가 가능하며, 30중량% 이상 사용하게 되면 압축강도가 강하여 지하구조물 유지 보수 관리시 해체가 어렵고, 해체시 지하구조물에 손상을 입힐 수 있다.
플라이애시는 석탄이나 중유 등을 연소했을 때에 생성되는 미세한 입자의 재료로, 주성분은 실리카(SiO2), 산화알루미늄(Al2O3) 및 유리질이며 구형에 가까운 입자이다.
상기 플라이애시는 혼화재로서 사용될 수 있는 물질 중에서 저렴한 것으로서 경제적이며, 입자가 구형이어서 콘크리트 혼합시 볼베어링 효과에 따른 유동성을 향상시킬 수 있다.
상기 플라이애시는 10~20중량% 사용하는 것이 바람직한데, 플라이애시가 10중량% 미만이면 플라이애시의 성능을 발휘하기에 너무 미비한 양이고, 20중량% 이상이면 압축강도가 너무 약해져 성토재의 성능을 발휘하기 힘들다.
고로슬래그는 제철 공업의 용광로에서 철광석, 석회석, 코크스 등을 원료로하여 세철을 제조할 때 얻어지는 부산물로 철광석 중에 불순물로서 포함되는 암석류가 석회와 화합하여 생긴 것이다.
상기 고로슬래그는 종래 포틀랜드 시멘트의 석회석 성분인 수산화칼슘(CaO)을 대체할 수 있는 재료로, 비경질의 유리상이 다량 포함되어 있으며, 이러한 비경질 상은 알칼리성 물질과 접촉하여 반응이 용이하게 일어나는 잠재수경성 물질이다.
상기 고로슬래그는 50~70중량% 사용하는 것이 바람직한데, 고로슬래그가 50중량% 미만이면 고로슬래그의 성능을 발휘하기에 너무 미비한 양이고, 70중량% 이상이면 압축강도의 저하로 성토재의 기능을 기대하기 어렵다.
도 1은 본 발명의 싱크홀 방지용 경량 성토재의 배합설계 프로세스를 도시하는 설계도이다.
종래 경량 기포 콘크리트 등은 체계적인 배합 설계 없이 경험에 의존한 현장 배합에 따라 배합되어 왔기 때문에 균질한 품질을 기대할 수 없을 뿐만 아니라 부실 공사를 초래할 수도 있다.
그러나 본발명에서는 실내실험결과의 회귀분석을 통해 최적의 배합설계식을 이용하여 균질한 품질의 경량 성토재를 배합할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 단위결합재량, 단위수량 및 단위재활용토사량은 하기 수학식에 의해 결정될 수 있다.
[수학식]
Figure 112014123381793-pat00002
여기서, Bunit: 단위결합재량(㎏/m3), Wunit: 단위수량(㎏/m3), Dunit: 단위재활용토사량(㎏/m3), fck: 콘크리트 압축강도(MPa), ρc: 성토재 소요겉보기비중, S/B: 재활용토사-결합재비(중량비)이다.
배합설계를 위한 입력값은 전체 성토재의 소요겉보기비중(ρc ) 및 재활용토사-결합재비(중량비)(S/B)로 한다.
상기 수학식은 이 두 가지 입력값만으로도 단위결합재량(Bunit), 단위수량(Wunit), 단위재활용토사량(Dunit)을 간단하면서도 정확하게 결정할 수 있다.
상기 입력값에 의해 콘크리트의 압축강도(fck)를 예측할 수 있고, 상기 예측된 콘크리트 압축강도(fck)에 의해 단위결합재량(Bunit)을 결정할 수 있으며, 상기 단위결합재량(Bunit)에 의해 단위수량(Wunit)을 결정할 수 있다.
또한, 단위결합재량(Bunit)과 재활용토사-결합재비(중량비)(S/B)에 의해 단위재활용토사량(Dunit)을 결정지을 수 있다.
한편, 상기 수학식을 이용한 배합설계의 검증을 위한 실험을 다음과 같이 실행하였다.
상기 배합설계를 통해 설계한 싱크홀 방지용 경량 성토재의 배합상세 및 이를 기반으로 진행된 실험결과는 [표 1]에 나타내었다.
Input 배합 설계 실험결과 오차율(%)
소요겉보기비중 재활용토사-결합재비(중량비) 설계압축강도(㎫) 배합상세(㎏/㎥) 겉보기비중 압축강도(㎫) 겉보기비중 압축강도(㎫)
단위결합재량 단위수량 단위재활용토사량 기포량(ℓ)
0.7 3 0.36 225.5 73.3 676.6 470.8 0.71 0.36 1.4 0.8
1 3 1.22 307.1 99.8 921.4 279.3 1.05 1.30 5.0 6.4
1.3 3 3.02 385.5 125.3 1156.5 95.4 1.36 3.50 4.6 15.8
0.7 5 0.21 147.3 41.9 736.5 490.8 0.68 0.23 2.9 9.0
1 5 0.79 208.5 67.8 1042.4 279.3 1.00 0.83 0.0 14.9
1.3 5 1.79 269.2 87.5 1346.0 69.4 1.30 1.81 0.0 1.4
0.7 7 0.15 108.8 35.4 761.8 502.9 0.75 0.17 7.1 11.9
1 7 0.51 158.4 51.5 1108.9 276.4 1.03 0.57 3.0 11.6
1.3 7 1.26 208.8 67.9 1461.6 46.3 1.31 1.22 0.8 3.4
평균 오차율(%) 2.8 8.4
표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 성토재의 소요겉보기비중 및 재활용토사-결합재비(중량비)의 목표치를 표 1에서와 같이 선정한 후 상기 수학식을 통해 배합설계를 설계할 수 있다.
상기 배합설계를 통한 실제 실험결과와 목표치로 선정한 성토재의 소요겉보기비중 및 설계압축강도를 비교하여 보면 매우 유사한 값을 확인할 수 있다.
특히, 겉보기비중은 평균 오차율이 2.8%로 상당히 낮은 것을 확인할 수 있고, 압축강도는 겉보기비중보다는 평균 오차율이 다소 높지만 평균 오차율이 8.4%로 10% 미만의 낮은 수치를 확인할 수 있다. 이러한 결과는 상기 배합설계식이 매우 정확하다는 것을 입증한다.
상기 성토재에는 기포제가 더 포함될 수 있다.
본 발명에서는 성토재에 기포제를 더 첨가하여 잔 골재, 굵은 골재 등의 체적을 대체하면서도 경량화하여 지하구조물의 하중 부담을 최소화하였다.
또한, 기포제 조절에 따라 투수성이 필요한 경우 연속공극이 형성되도록 하고, 불투수성이 필요한 경우 단일공극이 형성되도록 할 수도 있다.
상기 기포제는 콘크리트에 사용되는 기포제로 국내에서 일반적으로 사용되는 동물성 및 식물성 기포제를 사용할 수 있으며, 희석시켜 사용하는 것이 바람직하고 희석된 기포는 기포 발생기를 통해 약 6bar의 기압으로 발포시켜 사용하는 것이 바람직하다.
상기 재활용토사는 함수율이 38~42%인 것이 바람직하다.
재활용토사의 함수율이 38% 미만일 경우 콘크리트 타설시 기포의 소포를 유도하여 체적 감소를 발생시킬 수 있으며, 42% 이상일 경우 단위 수량의 증가로 인해 압축강도의 저하를 발생시킬 수 있다.
물-결합재비(중량비)는 25~32.5%인 것이 바람직하다.
일반적인 경량 기포 콘크리트는 물-결합재비(중량비)를 50% 이상을 사용하고 있는데, 본 발명에서는 플라이애시 및 고로슬래그의 다량 치환으로 압축강도를 확보하기 위해 물-결합재비(중량비)를 32.5% 이하로 한다.
하지만, 물-결합재비(중량비)가 25% 미만인 경우에는 결합재의 결합력이 감소될 수 있다.
상기 성토재에는 폴리카르본산계열의 고성능 감수제가 포함될 수 있다.
상기 고성능 감수제는 시멘트 입자 표면에 흡착하여 입자들끼리 상호 반력을 일으키므로, 응집된 입자가 분산되어 시멘트 입자의 유동을 증가시키기 때문에 감수 효과로 인한 강도의 균질을 가능하게 한다.
일실시예로, 물-결합재비(중량비) 32.5% 및 재활용토사 함수율 40%일때 고성능 감수재는 1.75% 첨가하는 것이 바람직하다.
도 2는 본 발명의 싱크홀 방지용 경량 성토재를 적용한 지하구조물을 도시하는 단면도이고, 도 3은 도 2의 다른 실시예를 도시하는 예시도이다.
상기 지하구조물은 하수관거(30)로 성토재(10)가 상기 하수관거(30)의 위치를 고정시킬 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 싱크홀 방지용 경량 성토재(10)는 시멘트, 플라이애시 및 고로슬래그로 구성되는 결합재에 기포제, 고성능 감수제 등의 첨가제를 더 첨가하여 지반(20)과 하수관거(30) 사이를 메워주기 때문에 하수관거(30)의 위치를 고정시킬 뿐만 아니라, 성토재(10)의 유실을 방지할 수 있어 지반(20)이 가라앉아 생기는 싱크홀을 방지할 수 있다.
또한, 상기 성토재(10)는 경량이기 때문에 하수관거(30)에 전달되는 하중이 약해 하수관거(30)의 수명을 연장시킬 수 있다.
상기 싱크홀 방지용 경량 성토재(10)의 다른 실시예로 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 성토재(10)는 하수관거(30) 하단에만 시공하여 하수관거(30)의 높이 및 위치를 균등하게 고정시킬 수도 있다.
10: 싱크홀 방지용 경량 성토재
20: 지반
30: 하수관거

Claims (7)

  1. 지중에 매립되는 지하구조물의 뒷채움을 위한 싱크홀 방지용 경량 성토재에 관한 것으로,
    상기 성토재(10)는 결합재, 물 및 재활용토사를 포함하여 구성되고,
    상기 결합재는 시멘트 20~30중량%, 플라이애시 10~20중량% 및 고로슬래그 50~70중량%로 구성되며,
    단위결합재량, 단위수량 및 단위재활용토사량은 하기 수학식에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 싱크홀 방지용 경량 성토재.
    [수학식]
    Figure 112015111964002-pat00003

    여기서, Bunit: 단위결합재량(㎏/m3), Wunit: 단위수량(㎏/m3), Dunit: 단위재활용토사량(㎏/m3), fck: 콘크리트 압축강도(MPa), ρc: 성토재 소요겉보기비중, S/B: 재활용토사-결합재비(중량비)이다.
  2. 삭제
  3. 제1항에서,
    상기 성토재(10)에는 기포제가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 싱크홀 방지용 경량 성토재.
  4. 제1항에서,
    상기 재활용토사는 함수율이 38~42%인 것을 특징으로 하는 싱크홀 방지용 경량 성토재.
  5. 제1항에서,
    물-결합재비(중량비)는 25~32.5%인 것을 특징으로 하는 싱크홀 방지용 경량 성토재.
  6. 제1항에서,
    상기 성토재(10)에는 폴리카르본산계열의 고성능 감수제가 포함되는 것을 특징으로 하는 싱크홀 방지용 경량 성토재.
  7. 제1항에서,
    상기 지하구조물은 하수관거(30)로 성토재(10)가 상기 하수관거(30)의 위치를 고정하는 것을 특징으로 하는 싱크홀 방지용 경량 성토재.
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