규산나트륨-시멘트 그라우트의 고결 특성

Abstract

Sodium silicate(No. 3) and ordinary portland cement(OPC) have been used as major chemical grouting materials since 1974. The sodium ion has been pointed out as a cause to the weak durability since it retard the hydration of the OPC particles and it is eluted as unreacted sodium silicate when the homogel is exposed to the underground water. The hardening and development of unconfined compression strength of sodium silicate-cement grouts was studied with various concentration of the sodium silicate, additive of sodium tripolyphosphate(STPP), and the cement slurry preparation method, especially when the wet milling with circulation grinding-mixing(CGM) method was applied to the cement slurry preparation. 12 homogel samples prepared with 3 different concentration of sodium silicate, with/without STPP, and two different cement slurry preparation methods was closely examined by measurement of their unconfined compression strength with time, microstructure, crystalline structure, and application of field test, etc. The unconfined compression strength of sodium silicate-cement homogel was slowly developed so that the unconfined compression strength of homogel of early age (less than 72 hours) is low when molar ratio(MR) of OPC hydrate(Ca(OH)2) to sodium oxide(Na2O) is lower than 1.0. It was assumed that the complex salts(Na2O·3SiO2·CaSO4·H2O) produced by sodium silicate and plaster retard the hydration of OPC. The analysis of curing water confirms that the unconfined compression strength is decreased with increased elution of unreacted sodium silicate from the homogel and the unconfined compression strength is increased with increased elution of sodium hydroxide which is the reaction product of sodium silicate and OPC. However, the homogel prepared with sodium silicate with STPP and OPC revealed fast development of unconfined compression strength of homogel of early age (less than 72hours). It was found that the higher concentration of sodium silicate in the presence of STPP, that is lower MR, the development of unconfined compression strength was even faster. Even though the development of the homogel strength is slow with low molar ratio (MR<1), it may be made fast by applying CGM to make the OPC particles micronized. The effect of micronized cement on the unconfined compression strength development was higher with higher concentration of sodium silicate, that is, the unconfined compression strength development of the homogel with low concentration of sodium silicate was hardly affected by cement slurry preparation method. Based on the evaluation of in-situ application of Just Selected Chemical Grouting Method (JS-CGM) to the construction fields, sand and gravel layer near by the Han River with sodium silicate, STPP, and wet micro cement (WMC) prepared by CGM, the homogel was found to be very effective to reduce the coefficient of permeability K = (1～5)×10-6 cm/s. The mixture of sodium silicate and ordinary portland cement is the economic injection grout material, and further study is required for the complete elution of residual alkali(NaOH) from the homogel and the acceleration of crystallization of ordinary portland cement hydrate.; 1974년 이후 약액그라우팅의 주재료로 사용되고 있는 보통포틀랜드 시멘트와 물유리(3호)는 겔화 반응 후에 물유리(3호)의 나트륨성분이 시멘트입자의 수화를 지연시키고, 지하수와 접촉하면서 시멘트 수화생성물과 반응하지 않은 미반응 규산이 지하수에 용탈되는 특성 때문에 내구성이 빈약하다는 것이 문제점으로 지적되어왔다. 본 논문은 시멘트 슬러리와 물유리(3호) 희석액과의 반응성에 미치는 물유리 농도별 첨가제의 효과와 시멘트 슬러리 제조 시 시멘트 세분화 장치인 순환-분쇄-혼합형의 시멘트 습식 분쇄기가 물유리(3호)-시멘트 겔의 압축강도특성에 미치는 영향에 관한 연구로서 물유리(3호)의 농도별, 첨가제 유/무, 시멘트 슬러리 제조 방법의 변화에 따라 제조된 총 12종의 호모-겔에 대한 압축강도 발현 특성, 결정상, 미세구조 관찰 및 현장주입시험 등에서 규산나트륨-시멘트 그라우트의 고결 특성에 관해서 다음과 같은 연구결과를 도출할 수 있었다. 물유리(3호)-보통포틀랜드 시멘트 겔에서 보통포틀랜드 시멘트의 수화생성물과 산화나트륨과의 몰비가 1.0이하인 경우 초기재령(72시간 이내)에 호모-겔의 압축강도가 고강도로 발현되지 않았다. 이 현상은 물유리(3호)와 보통포틀랜드 시멘트 수화지연제인 석고에 의해 생성된 복염이 보통포틀랜드 시멘트 입자의 수화를 지연시켜 강도 발현이 지연되는 것으로 추정되었다. 규산나트륨-시멘트 그라우트에서는 미반응 규산나트륨의 용탈량이 많으면 압축강도가 감소하고, 반응생성물인 나트륨성분의 용탈량이 많으면 압축강도가 증가한다는 기존의 실험결과와 호모-겔의 양생수 분석결과가 유사한 경향임이 확인되었다. 그러나, 물유리(3호)에 트리폴리인산나트륨을 첨가하여 호모-겔을 제조하면, 물유리(3호)의 농도가 짙은 저몰비인 경우에도 호모-겔의 압축강도가 초기재령(72시간 이내)에 고강도로 발현되는 특성이 있음이 발견되었다. 이것은 트리폴리인산나트륨이 물유리(3호)의 Si 가교구조에는 변화를 주지 않으나, 물유리(3호)의 점도를 저하시키는 효과가 있고, 또한 시멘트 수화지연제로 첨가되어있는 석고를 미립화시켜, 시멘트입자의 결정성장을 촉진시키는 것으로 추정된다. 일반 혼합형의 믹서를 사용하여 보통포틀랜드 시멘트 슬러리를 제조 시 물유리(3호)의 농도가 짙은 저몰비에서는 초기재령(72시간 이내)에 호모-겔의 압축강도가 고강도로 발현되지 않았다. 순환-분쇄-혼합형의 시멘트 습식 분쇄기를 사용하여 보통포틀랜드 시멘트 슬러리를 제조 시 물유리(3호)의 농도가 짙은 저몰비에서도 호모-겔의 압축강도가 초기재령(72시간 이내)에 고강도로 발현되는 특성이 있음이 발견되었다. 이것은 순환-분쇄-혼합형의 시멘트 슬러리 제조방법도 시멘트 입자를 미립화하여 그 수화반응을 촉진시키는 것으로 추정된다. 습식-분쇄 혼합형의 시멘트 습식 분쇄기로 제조된 보통포틀랜드 시멘트를 약액주입공법의 주재료로서 적용하여, 한강 인접 충적층(모래, 자갈층)에서 시험주입을 시행하였다. 시험 주입 후 채취된 시료를 확인한 결과 맥상 및 침투 주입이 양호한 것으로 확인되었다. 투수시험을 실시한 결과, K=(1.0～5.0) ㎝/sec 범위로서 차수성이 양호한 것으로 평가되었다. 물유리(3호)와 보통포틀랜드 시멘트는 가장 경제적인 주입재료이지만 겔화 후에 호모-겔에서 잔류 알카리의 전량 용탈과 보통포틀랜드 시멘트 수화물의 결정생성을 촉진시킬 수 있는 새로운 분야의 지속적인 연구가 계속되기를 바란다.