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문제 정의
- 이러한 반응을 통해 높아진 pH는 중금속을 고 정시키는 역할을 하게 된다. 따라서 본 연구에서는 비산 재와 석회를 첨가재로서 선정하고 포졸란 반응을 하는 두 물질을 고화재에 첨가하여 고화재를 개량하고자 하였다.
- 본 연구에서는 연직차수벽의 심층 혼합 차수 공법에서 원지반 토에 시멘트-비산재-석회를 혼합하여 차수 재로 활용할 수 있는 최적 배합비율을 도출함을 목적으로 하며, 이에 대한 평가방법으로서 토목공학적인 실험 평가와 환경공학적인 실험평가를 수행하였다.
제안 방법
- 각각의 공시체를 28일 양생후 분쇄하여 대표적인 중 금속 Pb, Cr, Cd, Cu, Zn에 대한 고정능을 평가하는 실험을 수행하였다. 대상 중금속의 농도는 100 mg/, 으로 정하였으며, 각각의 배합비에 따라 시료가 높 은 pH를 보이는 특성으로 중금속의 고정이 빠른 시간 에 이루어지므로 시료들의 고정능을 변별하기 위하여 100 의 중금속 용액의 pH를 3으로 고정하였다.
- 였다. 고화재를 비롯한 첨가재(비산재, 석회)의 pH가 모두 높기 때문에 (약 pHll) 중금속의 고정 이 빠른 시 간에 이루어지므로 충분한 반응이 일어나는 시간에서 의 고정능(24시간)을 평가하였다. 중금속 분석은 ICP (Inductively Coupled Plasma Emission Spectroscopy, Shimadzu, ICPs 1000IV모델, Japan)를 이용하여 분석하였다.
- 각각의 공시체를 28일 양생후 분쇄하여 대표적인 중 금속 Pb, Cr, Cd, Cu, Zn에 대한 고정능을 평가하는 실험을 수행하였다. 대상 중금속의 농도는 100 mg/, 으로 정하였으며, 각각의 배합비에 따라 시료가 높 은 pH를 보이는 특성으로 중금속의 고정이 빠른 시간 에 이루어지므로 시료들의 고정능을 변별하기 위하여 100 의 중금속 용액의 pH를 3으로 고정하였다. 분쇄된 혼합차수재는 100ml의 용매에 1g의 비율로 혼 합하였다.
- 5로 조제한 시료에서 일축압축강도와 투수계수기준 을 만족하였다. 더욱이, 실제 시공현장에서도 함수량이 많이 포함된 슬러리가 시공상의 용이함을 도모할 수 있으므로, 본 연구에서는 고화재와 물의 배합비를1:1.5(즉, 혼합차수재의 함수비 24.2%)로 기준하여 실험을 수행하였다.
- 따라서 본 연구에서는 현장토에 첨가되는 고화재의 전체량(13%)에서 첨가재의 비율을 20%~80%로 달리하여 와 같이 시료를 조제하였다.
- 여기서 결정된 최적의 고화재량과 함수비를 기준으로 개량 첨가재(비산재, 석회)를 다양한 비율로 배합된 시료에 대한 압축강도와 투수계수를 측정하여 기준에 적합한 지를 검토한 후 혼합차수재의 적정배합 비율을 도출하였다.
- 원토에 대한 중금속의 흡착능을 알아보기 위해서는 24시간 동안의 충분한 혼합이 필요하므로 원토와 각각 의 배합비에 따른 시료에 대하여 중금속 용액을 24시 간 반응시켜 중금속의 고정능을 비교하였다.<표 5>에 서 알 수 있듯이, 대조군과 case 1~4의 중금속 고정 능력은 거의 유사한 수준이며, 모든 경우에서 원토의고정능력보다는 더 높은 고정능을 보였다.
- 10을 통과한 현장토로서 적정배합비에 따른 각각의 첨 가재를 혼합하여 지름 50mm, 길이 100mm인 원통형 몰드에 3층으로 기포가 발생되지 않게 채워 넣어서 시 료를 성형하였다. 일축압축강도 시료와 같은 방법으로 양생 (7일, 28일)하여 삼축 투수실험을 수행하였다.
- 폐기물 용출실험법에 따라 중금속 용출시험을 수행하였다. 증류수의 pH를 5.8~6.3으로 조정하여 고형 물과 용매의 비가 1 : 10인 혼합액을 만들어서, 상온 상압하에서 6시간 동안 진탕한 후에 상징액중 중금속 의 농도를 ICP를 이용하여 분석하였다.
- 첨가재의 배합비율을 달리한 시료 각각을 7일, 14 일, 28일의 양생일수에 따른 일축압축강도 특성 및 투 수능의 변화 특성을 평가하기 위한 실험을 수행하였다.
- 10을 통과한 시료만을 사용하였다. 최적배합수비 결정실험, 첨가재의 최적 배합율 결정실험에 사용된 모든 공시체는 물성분석을 수행한 현장토시료와 고화재 및 첨가재를 혼합 용기속에 넣고 혼합기를 시동하여 골고루 혼합한 다음 슬러리 형태의 혼합물 을 한 변의 길이가 50mm인 큐빅몰드에 3층으로 채워 넣어서 준비하였는데, 몰드주위를 나무망치로 가볍게 타격하여 발생된 기포를 충분히 제거하였다. 이렇게 성 형된 공시체는 항온항습기에서 2일간 보관된 뒤, 몰드 를 탈영시키고 일정 일수만큼 양생(7일, 14일, 28일) 하여 일축압축강도 실험용 시료로 사용하였다.
- 토목공학적 인 실험평가 방법으로서 , 심층 혼합 차수 공법을 적용하는 건설현장에서 일반적으로 사용하고 있는 고화재 (시멘트) 배합비를 토대로 압축강도 및 투수 계수를 측정하여 배합비율과 함수비를 산정하였다. 여기서 결정된 최적의 고화재량과 함수비를 기준으로 개량 첨가재(비산재, 석회)를 다양한 비율로 배합된 시료에 대한 압축강도와 투수계수를 측정하여 기준에 적합한 지를 검토한 후 혼합차수재의 적정배합 비율을 도출하였다.
- 현장에서 4분법으로 채취한 현장토의 함수비를 측정 하고 자연 풍건시킨 후 기본적인 물성을 조사하였다. 비중시험은 No.
- 현장토 고화재, 첨가재(비산재, 석회)가 혼합된 차수 재가 환경에 미칠 수 있는 위해성을 평가하기 위하여 폐기물 용출실험법에 따라 중금속 용출시험을 수행하였다. 증류수의 pH를 5.
- 현장토에 대한 고화재의 최적 배합비를 결정하기 위해 고화재 첨가량이 각각 중량 배합비로 16%, 13% 그리고 10%로 하여 공시체를 제작하여 28일 양생후 투수계수시험을 하였다.
- 현장토의 기초 테스트(현장토 물성분석)로 비중시험(KS F2308), 액성/소성한계시험(KS F2303 / KSF2304), 최대건조밀도 및 최적함수량(O.M.C.)를 구 하였다.
- 환경공학적인 실험평가 방법으로서는, 적절한 배합비로 형성된 혼합차수재에 대한 중금속 고정능을 평가함과 동시에 혼합차수재료로서 사용된 현장토, 시멘트, 비산재 및 석회에 대한 위해성 평가를 위해 폐기물관리법상에 준한 용출실험을 실시하였다.
- 회분식 흡착실험은 대표적인 중금속 Pb, Zn, Cd,Cu을 대상으로 개량 고화재에 대한 흡착능을 평가하 였다. 고화재를 비롯한 첨가재(비산재, 석회)의 pH가 모두 높기 때문에 (약 pHll) 중금속의 고정 이 빠른 시 간에 이루어지므로 충분한 반응이 일어나는 시간에서 의 고정능(24시간)을 평가하였다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 고화재는 상품화되어 심층혼합 차수 공법 건설현장에서 일반적으로 사용하고 있는 국내S사의 지반개량용 특수시멘트로서, 보통 포틀랜트 시 멘트보다 강도가 높으며 해수 및 중금속에 대한 화학적 안정성이 크다. 보통 포틀랜트 시멘트와 본 연구에 사용된 특수시멘트의 주요화학적 조성비의 차이를<표 1>에 나타내었다.
- 조사하였다. 비중시험은 No. 10체를 통과한 시료를 사용하고, 액성 한계 및 소성한계는 No.40체를 통과한 시료를 이용하 여 시험을 실시하였다. 시료의 기본적 물성을<표 2> 에 나타내었다.
- 시험에 사용된 현장토는 우리나라에 일반적으로 분포되어 있으며, 매립장이 주로 설치되는 산간지역에 널리 분포하고 있는 토양으로서, 일반적으로 투수 계수가 커서 오염물질의 이동이 용이한 원지반토 중에서 선정하였는데, 경기도 Y지역에서 채취한 사질토를 대 상 시료로 사용하였다.
- 최적배합수비 결정실험, 첨가재의 최적 배합율 결정실험에 사용된 모든 공시체는 물성분석을 수행한 현장토시료와 고화재 및 첨가재를 혼합 용기속에 넣고 혼합기를 시동하여 골고루 혼합한 다음 슬러리 형태의 혼합물 을 한 변의 길이가 50mm인 큐빅몰드에 3층으로 채워 넣어서 준비하였는데, 몰드주위를 나무망치로 가볍게 타격하여 발생된 기포를 충분히 제거하였다. 이렇게 성 형된 공시체는 항온항습기에서 2일간 보관된 뒤, 몰드 를 탈영시키고 일정 일수만큼 양생(7일, 14일, 28일) 하여 일축압축강도 실험용 시료로 사용하였다.
- 일축압축강도 실험은 시료에 따른 실험오차를 줄이기 위해 표준망체 No. 10을 통과한 시료만을 사용하였다. 최적배합수비 결정실험, 첨가재의 최적 배합율 결정실험에 사용된 모든 공시체는 물성분석을 수행한 현장토시료와 고화재 및 첨가재를 혼합 용기속에 넣고 혼합기를 시동하여 골고루 혼합한 다음 슬러리 형태의 혼합물 을 한 변의 길이가 50mm인 큐빅몰드에 3층으로 채워 넣어서 준비하였는데, 몰드주위를 나무망치로 가볍게 타격하여 발생된 기포를 충분히 제거하였다.
- 현장토를 고화처리하여 오염물질의 이동을 차단하기 위한 혼합차수재의 사용재료는 고화재와 더불어 첨가재로 비산재와 석회를 선정하였다. 문헌 연구를 통하여 투수계수를 최대로 감소시킬 수 있는 비산재와 석 회의 최적 배합비는 70: 30으로 고찰되었다.
이론/모형
- 고화재를 비롯한 첨가재(비산재, 석회)의 pH가 모두 높기 때문에 (약 pHll) 중금속의 고정 이 빠른 시 간에 이루어지므로 충분한 반응이 일어나는 시간에서 의 고정능(24시간)을 평가하였다. 중금속 분석은 ICP (Inductively Coupled Plasma Emission Spectroscopy, Shimadzu, ICPs 1000IV모델, Japan)를 이용하여 분석하였다.
성능/효과
- 고화재 (시멘트)는 자체의 높은 pH 특성으로 인하여 중금속을 수화물 형태로서 고정하므로 중금속 제거율이 높은 경향을 나타내고 있으며, 비산재와 석회가 첨가된 시료 또한 첨가재의 높은 pH로 인하여 중금속을 잘 고정할 수 있음을 중금속 고정 능력 평가 실험에서 알 수 있었다.
- 고화재 (시멘트)를 개량하기 위한 재료로서 비산 재와 석회를 선정하여 강도와 투수능 및 중금속 고정 능을 평가한 결과, 고화재(시멘트)대신에 비산재와 석회 (비산재 : 석회=70 : 30)를 20~40% 정도 첨가하여 사용 한다면 강도의 기준을 만족하는 범위에서 더 낮은 투수 계수 저감 효과를 기대할 수 있다.
- 않은 고화재 (시멘트)13%를 혼합한 시료이다. 그 래프에서 보는 바와 같이 고화재의 량이 줄어들수록 강도가 감소함을 알 수 있으나, 모든 경우의 배합비에서 기준치의 강도보다는 높은 강도를 보임을 알 수 있었다. case 1의 경우는 강도 저하가 크게 나타나지 않 았으며, case 2의 경우는 약 40% 정도의 강도 저하가 관찰되었다.
- 대조군은 고화재 자체의 높은 pH 특성으로 인하여 중금속을 수화물 형태로서 고정하므로 중금속 제거율이 높은 경향을 나타내고 있으며, 비산재와 석회가 첨 가된 시료 또한 첨가재와 고화재의 높은 pH로 인하여 중금속을 잘 고정할 수 있음을 중금속 고정 능력 평가실험에서 알 수 있었다. 혼합차수재가 환경에 미치는 위해성을 중금속에 준하여 평가하기 위하여 폐기물 공정시험법에 준하는 용출실험 결과, 중금속 용출특성은 현장토 및 첨가재의 중금속 용출농도는 규제치 이하였으며, 이들을 혼합하여 만든 혼합차수재 역시 위해 할 정도의 중금속이 용출되지 않았다.
- 비산재와 석회를 선정하였다. 문헌 연구를 통하여 투수계수를 최대로 감소시킬 수 있는 비산재와 석 회의 최적 배합비는 70: 30으로 고찰되었다. 따라서 본 연구에서는 현장토에 첨가되는 고화재의 전체량(13%)에서 첨가재의 비율을 20%~80%로 달리하여 <표 4>와 같이 시료를 조제하였다.
- 배합안을 기준으로 투수계수 측정 실험을 한 결과, 에서 알 수 있듯이 고화재가 16%와 13% 배합 된 시료에서 기준을 만족하는 결과를 얻을 수 있었는데, 현장토에 대한 고화재의 최적 배합비율은 투수계 수의 기준만족여부와 경제성을 고려하여 13%로 정하 여 모든 실험을 수행하였다.
- 심층혼합차수공법 공사현장에서 고화재와 물의 배합 비를 1 : 1로 하여 슬러리 주입시 시공상의 어려움이 발생하게 되는데, 이를 개선하기 위하여 고화재와 물의 배합비를 달리하여 시료를 성형한 후, 일축 압축강도와 투수계수 측정 실험을 통하여 고화재와 물의 최 적 배합비를 산정한 결과 고화재와 물의 배합비를 1 : 1.5로 조제한 시료에서 일축압축강도와 투수계수기준 을 만족하였다. 더욱이, 실제 시공현장에서도 함수량이 많이 포함된 슬러리가 시공상의 용이함을 도모할 수 있으므로, 본 연구에서는 고화재와 물의 배합비를1:1.
- 간 반응시켜 중금속의 고정능을 비교하였다.<표 5>에 서 알 수 있듯이, 대조군과 case 1~4의 중금속 고정 능력은 거의 유사한 수준이며, 모든 경우에서 원토의고정능력보다는 더 높은 고정능을 보였다.
- 현장토에 대한 다짐특성을 파악하기 위해 표준다짐 시험법 (A다짐법)에 준하여 다짐시험을 실시한 결과, 현장토의 최대건조단위중량은 1.94t/m3 이며, 이때의 최적함수비는 약 12% 인 것으로 나타났다.
- 알 수 있었다. 혼합차수재가 환경에 미치는 위해성을 중금속에 준하여 평가하기 위하여 폐기물 공정시험법에 준하는 용출실험 결과, 중금속 용출특성은 현장토 및 첨가재의 중금속 용출농도는 규제치 이하였으며, 이들을 혼합하여 만든 혼합차수재 역시 위해 할 정도의 중금속이 용출되지 않았다.
후속연구
- 이에 더하여, 폐기물인 비산재를 활용하므로 자원을 절약함과 동시에 재활용의한 방안으로 고려 될 수 있을 것이며, 첨가재의 활용에 따라 고화재의 사용을 줄일 수 있기 때문에 공사비도 절감될 수 있을 것으로 기대된다.
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