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문제 정의
- 용출실험은 폐기물 공정시험법(환경부, 2000)에 준한 방법을 이용하였으며, 대상시료는 약액의 원재료 및 약액주입재의 고결시편의 양생일수에 따라 용출실험을 실시하였다. 그러나 용출실험만으로는 생태적 독성의 관점에서의 영향을 모두 고려할 수 없으므로 어류 급성독성 시험을 통한 주입재의 유해성을 평가하고자 한다.
- 따라서, 본 연구에서는 재료분야에서 최근의 기술동향인 고강도 · 고내구성 및 환경에 대한 안정성이 높은 주입재료를 주입재 형태별로 현탁액형 및 용액형 주입재의 배합설계를 실시하여 주입목적, 지반조건에 따른 주입효과와 환경적 유해성을 분석 · 검토함으로써 현장적용시 주입설계 기초자료로 제안하고자 한다.
- 본 연구에서는 초미립자시멘트와 약액주입공사 현장에서 사용되고 있는 보통시멘트를 이용하여 사질토의 입도및 다짐상태에 따라 침투성을 비교평가 하고자 한다. 또한 대상시료토, 배합비, 주입압, 투수계수 등 주입조건에 따른 침투거리를 관찰하여 그 관계를 고찰하고 나아가 주입메커니즘을 이해하는 것을 목적으로 한다.
- 본 연구에서는 OECD Test Guideline 및 국립환경연구원 화학물질 유해성 시험방법고시에 따라 약액의 환경영향을 평가하고자 한다(국립환경연구원, 1999). 그러나 어류 급성독성시험은 화학물질의 수서생물에 대한 영향을 평가하기 위한 방법으로 본 연구에서의 주제인 규산나트륨염, 시멘트 등은 화학물질 안전관련 문헌인 MSDS나 각국의 문헌정보에서 환경독성에 대한 보고가 없기 때문에 여기에 대한 독성을 정량적으로 규명하기는 어렵고 어류급성독성시험을 통해 약액의 환경적 영향을 간접적으로 평가할 수 있을 것으로 기대된다(EPA, 1983; 金子, 1996).
- 본 연구에서는 주입재가 가지고 있는 유해성 여부를 평가하기 위해 용출실험을 실시하였다. 용출실험은 폐기물 공정시험법(환경부, 2000)에 준한 방법을 이용하였으며, 대상시료는 약액의 원재료 및 약액주입재의 고결시편의 양생일수에 따라 용출실험을 실시하였다.
- 본 연구에서는 초미립자시멘트와 약액주입공사 현장에서 사용되고 있는 보통시멘트를 이용하여 사질토의 입도및 다짐상태에 따라 침투성을 비교평가 하고자 한다. 또한 대상시료토, 배합비, 주입압, 투수계수 등 주입조건에 따른 침투거리를 관찰하여 그 관계를 고찰하고 나아가 주입메커니즘을 이해하는 것을 목적으로 한다.
- 현탁액형 주입재의 경우 시멘트주입재료의 미분말화를 통하여 침투성이 높여 고강도의 주입효과와 용액형의 경우 침투성은 우수하나 내구성이 떨어지므로 내구성 향상에 초점을 두었다. 실내모형시험을 통한 특성평가를 중심으로서 높은 고결율 및 침투성, 내구성 주입재를 이용한 주입공법에 대한 연구를 수행한다. 이를 위하여 각 주입재의 물리 · 역학적 특성과 화학적 특성 및 입자형상을 파악하고, 작업 성과 침투범위 조정에 필수적인 겔타임을 조절한다.
제안 방법
- 5. 환경영향평가시험은 원재료와 고결시편에 대해 중금속 용출시험과 어류 급성독성 시험을 수행하였다. 용출시험결과 원재료에 대해서 규제기준을 만족하고 있으며, 고결시편에서의 중금속 용출량도 법적기준치를 만족하고 있어 중금속 용출에 대한 안정성을 가지고 있다고 판단된다.
- ICP는 시료 도입부, 고주파 전원부, 광원부, 분광부, 연산처리부 및 기록부로 구성되어 있으며, 시료주입은 Auto Sampler를 통해 이루어진다. Cr, Cu, Pb, Cd등의 일반 중금속은 일반중금속용 쳄버로 시료를 분사하여 분석하고, Hg, As는 HGV를 이용하여 수소이온을 발생시켜 수은, 비소용 챔버를 사용하여 분석한다. 분석치는 컴퓨터 자동 처리장치를 통하여 얻을 수 있다.
- KSLT에 의해 전처리한 용출액은 Inductively Coupled Plasma Emission Spectroscopy를 이용하여 분석한다. 본 연구에서 사용된 ICP는 일본 SHIMADZU사의 ICPs 1000Ⅳ모델로 아르곤 가스를 플라즈마 가스로 사용하여 수정발진식 고주파 발생기로부터 발생된 주파수 27.
- 각 주입재의 배합은 위의 비중을 기준으로 계산하였으며, 100cc를 기준으로 A액(50cc)+B액(50cc)=100cc 가 되게 하여 종이컵을 이용해 혼합하여 겔타임을 측정하였고, 점도측정은 A액, B액 각각 5배로 하여(500cc) 혼합 시작 10초 후에 측정하였다. 특히, 여기서 주의할 것은 A액, B액 제조 후 각각 충분한 반응을 위해 5분 정도 정치하고 A액과 B액을 혼합한다.
- 아래 식에 나타낸 바와 같이 상대밀도를 구하여 공극율을 정하였다. 고결성 시험중 스트레이너를 설치하기 전에 고결몰드에 시료를 채우고 중량을 측정하여 단위중량을 구하고, 단위중량과 비중 및 함수비를 이용하여 공극율을 구한다. 시료토의 단위중량은 건조 단위중량을 사용한다.
- 고결시편의 양생일수별 강도실험이 완료된 시편에 대하여 각각의 중금속 용출시험을 실시하였다. 실험결과는 표 13에 나타내었다.
- 고결체의 실제형상은 복잡하여 정확한 체적을 구하는 것이 어려우므로, 고결토의 높이를 5등분하여 각 부분의 반경을 측정하였다. 고결체의 모양을 단순화시켜 높이 10cm 의 5개의 원통으로 나누어, 각 부분의 체적을 각각 구하여 합한 값을 실제 고결된 흙의 체적으로 사용한다.
- 또한 실험조건에서는 용출시간 및 용출액량 등이 결정적인 영향을 미칠 것으로 보인다. 그러나 현재 주입재에 대한 실험조건에 기준이 없기 때문에 폐기물 성분의 자연조건에서 용출을 모사한 폐기물 용출시험 방법을 응용하여 적용하였다. 독성시험은 용출시험을 통한 용출액을 희석하여 사용하였다.
- 이를 위하여 각 주입재의 물리 · 역학적 특성과 화학적 특성 및 입자형상을 파악하고, 작업 성과 침투범위 조정에 필수적인 겔타임을 조절한다. 그리고 각 주입재 시험항목별 실험계획안을 도출하고, 이의 효과적인 적용성을 파악하기 위해 강도시험, 침투성시험, 내구성평가, 지반개량시 고결체로부터 약액성분의 용탈로 인한 주변 토양 및 지하수오염에 대한 환경영향평가를 실시한다.
- 대상토인 굵은모래의 다짐정도를 변화시켜 느슨한 상태, 중간 상태, 조밀한 상태의 세 조건으로 구분하여 시험하였다. 느슨 또는 조밀한 정도는 건조단위중량을 측정하여 결정하였다.
- 약액을 주입하는데 있어 주입대상이 되는 지반의 성질을 파악하는 것은 공법의 선정 및 주입재, 주입량 결정 등에큰 영향을 미친다. 대상지반토질의 비중, 입도분포, 단위중량(공극율) 및 투수계수 등을 조사하여 약액주입시험의 기본 자료로 사용한다. 대상 토질의 종류 및 공극율은 약액을 지중에 주입하는데 있어 매우 중요한 요소이므로 정확히 파악하여야 한다.
- 대상토인 굵은모래의 다짐정도를 변화시켜 느슨한 상태, 중간 상태, 조밀한 상태의 세 조건으로 구분하여 시험하였다. 느슨 또는 조밀한 정도는 건조단위중량을 측정하여 결정하였다.
- 물과 물유리의 배합비가 1:1인 A액과 물/시멘트비가 200%인 B액을 부피비로 1:1로 혼합하여 2액 1공정으로 주입하여 고결된 시료토인 고결체의 일축압축강도시험을 수행하였다.
- 본 시험에서는 튜브샘플 방법을 응용한 얇은 관에 의한 흙의 시료채취방법으로써, 고결체의 코어를 채취하기 위해 고결성 시험을 수행한 아크릴 몰드에 튜브를 박아서 일정시간이 지난 후 튜브를 빼어 코어를 채취하여 시험을 하였다.
- KSLT에 의해 전처리한 용출액은 Inductively Coupled Plasma Emission Spectroscopy를 이용하여 분석한다. 본 연구에서 사용된 ICP는 일본 SHIMADZU사의 ICPs 1000Ⅳ모델로 아르곤 가스를 플라즈마 가스로 사용하여 수정발진식 고주파 발생기로부터 발생된 주파수 27.13MHz 영역에서 유도코일에 의하여 플라즈마를 발생시켜 시료를 분석한다.
- 본 연구에서는 대형 주입몰드를 만들어 현장조건과 유사하게 시험할 수 있도록 하였다. 몰드의 내경은 480mm, 높이 500mm로서 주입 후 고결체의 형상을 정확히 파악할수 있다.
- 본 절에서는 주입재로서 사용하고 있는 초미립자시멘트와 보통시멘트의 물리·화학적 특성과 입도분포 및 형상을 분석하였다.
- 본 절에서는 현탁액형(규산소다 3호 + 초미립자시멘트, 보통시멘트), 용액형 주입재에 대한 겔타임을 조정하였다. 겔타임은 A액과 B액을 1:1로 교반할 때 고결시간을 측정 하는 것으로써 주입재의 작업성 및 침투범위 조정에 필수 적인 물리적 특성이다.
- 시료의 조제가 끝난 혼합액을 상온, 상압에서 진탕 횟수가 매분당 약 200회, 진폭이 약 4～5cm의 진탕기를 사용하여 6시간 연속 진탕한 다음 1.0㎛의 유리섬유 여지로 여과하고 여과액을 전처리하여 중금속 검출 시험용 검액으로 한다.
- 용출액의 적정 희석율을 결정하기 위해서 예비시험을 실시하였다. 예비시험을 통한 적정 희석배수범위를 3, 5, 10으로 결정하였다.
- 실내모형시험을 통한 특성평가를 중심으로서 높은 고결율 및 침투성, 내구성 주입재를 이용한 주입공법에 대한 연구를 수행한다. 이를 위하여 각 주입재의 물리 · 역학적 특성과 화학적 특성 및 입자형상을 파악하고, 작업 성과 침투범위 조정에 필수적인 겔타임을 조절한다. 그리고 각 주입재 시험항목별 실험계획안을 도출하고, 이의 효과적인 적용성을 파악하기 위해 강도시험, 침투성시험, 내구성평가, 지반개량시 고결체로부터 약액성분의 용탈로 인한 주변 토양 및 지하수오염에 대한 환경영향평가를 실시한다.
- 주입압은 주입되는 약액을 주입할 때 가하는 압력으로 1.0, 1.5, 2kg/cm2로 가하였다.
- 주입은 하향주입으로써 주입시 상향부분에 초기의 주입 압에 대해 시료의 파괴를 방지하기 위해 철망을 씌워 침투성 시험을 수행하였다.
- 채취된 고결체는 원형몰드 직경 5cm×높이 10cm으로써, 재령 7일, 28일에 대하여 일축압축시험(KS F 2314) 을 통해 일축압축강도를 구하였으며, 전단파괴속도는 0.5mm/min으로 하였다.
- 한 농도당 8마리를 처리하였고, 시험물질이 휘발성이 아니기 때문에 시험기간 중 시험용액을 교환하지 않는 지수식 시험(Static test)을 하였다. 광주기는 사육시와 마찬가지로 16시간(light), 8시간(dark)로 하고 시험기간 중에 먹이를 공급하지 않았다.
대상 데이터
- ICP는 시료 도입부, 고주파 전원부, 광원부, 분광부, 연산처리부 및 기록부로 구성되어 있으며, 시료주입은 Auto Sampler를 통해 이루어진다. Cr, Cu, Pb, Cd등의 일반 중금속은 일반중금속용 쳄버로 시료를 분사하여 분석하고, Hg, As는 HGV를 이용하여 수소이온을 발생시켜 수은, 비소용 챔버를 사용하여 분석한다.
- 고결성 시험의 대상토는 건조상태에서 시행하였으며 포화도는 0%이다.
- 본 연구에서 사용된 용액형 주입재는 물유리와 산성반응 제이다. 물유리는 국내 현장에서 사용되고 있는 3호를 사용하였다. 물유리는 규사와 소다회 또는 규사와 가성소다를 원료로 해서 만들어지는 규산(SiO2)과 알칼리(Na2O)가 결합된 유리로서 Na2O · nSiO2로 나타낸다.
- 본 시험에서는 대상시료토는 굵은모래, 중간모래를 사용하여, 공극율에 따른 3가지 조건에 대해서 수행하였다. 각각 조건에서 일정한 공극율을 맞추기 위해 오차의 범위 1～2% 사이로 하였다.
- 본 연구에서 사용된 용액형 주입재는 물유리와 산성반응 제이다. 물유리는 국내 현장에서 사용되고 있는 3호를 사용하였다.
- 주입대상토는 굵은모래, 중간모래, 가는모래를 선정하였으며, 현재 수행중인 주입대상토는 굵은모래로서 입도분포및 기본 물성시험은 표 7, 8에 나타낸 바와 같다.
이론/모형
- 본 연구에서는 주입재가 가지고 있는 유해성 여부를 평가하기 위해 용출실험을 실시하였다. 용출실험은 폐기물 공정시험법(환경부, 2000)에 준한 방법을 이용하였으며, 대상시료는 약액의 원재료 및 약액주입재의 고결시편의 양생일수에 따라 용출실험을 실시하였다. 그러나 용출실험만으로는 생태적 독성의 관점에서의 영향을 모두 고려할 수 없으므로 어류 급성독성 시험을 통한 주입재의 유해성을 평가하고자 한다.
- 표준용출시험법인 폐기물 공정시험방법에 의한 용출시험(KSLT: Korea Standard Leaching Test)을 다음과 같이 실시하였다.
성능/효과
- 1. 강도발현과 장기적인 내구성을 고려할 때 용액형 주입재보다 현탁액형 주입재가 우수함을 알 수 있었다. 현탁액형 주입재에서도 초미립자시멘트가 보통시멘트보다 우수함을 나타냄으로 고성능 주입재로서 적합하다고 판단된다.
- 2. 침투성 시험결과, 주입재별로는 현탁액형 주입재와 용액형 주입재가 높은 침투성을 발휘하였다. 사용재료에 따라서 초미립자시멘트가 보통시멘트보다 높은 침투성을 나타내었다.
- 3. 고결성 시험결과, 침투성이 높은 주입재에서 보다 높은 고결율을 나타냈으며 현탁액형과 용액형 주입재가 높은 고결성을 나타내었다. 초미립자시멘트가 고결율에서도 용액형주입재와 비슷한 결율을 나타내므로 주입재의 특성을 고려했을 때 초미립자시멘트가 고성능주입재로 적절한 것으로 판단된다.
- 4. 고결체의 일축압축강도시험결과 호모겔 강도에서 나타나는 경향과 거의 유사하였으며, 재령일이 지날수록 강도의 증가가 크지 않음을 알 수 있었다. 또한 압력이나주입대상지반의 공극율과 관계를 보면 주입압이 높아질 수록 침투주입보다는 맥상주입에 가까운 형상을 나타내 었다.
- 대상시료토에 대한 입도분석을 수행한 결과, 표 7과 같은 입도분포로 나타났으며 입도조성이 균등함을 알 수 있다.
- 고결체의 일축압축강도시험결과 호모겔 강도에서 나타나는 경향과 거의 유사하였으며, 재령일이 지날수록 강도의 증가가 크지 않음을 알 수 있었다. 또한 압력이나주입대상지반의 공극율과 관계를 보면 주입압이 높아질 수록 침투주입보다는 맥상주입에 가까운 형상을 나타내 었다. 따라서 주입목적 및 지반조건에 따라 적절한 겔 타임과 주입압을 조절하여 실제 시공에 적용하여야 할 것이다.
- 시멘트계 주입재의 염기도는 수화활성도를 나타내는 지표로서 염기도가 클수록 수화활성이 크기 때문에 주입경화재로서 유리하다. 본 시험에서 사용된 시멘트계주입재는 염기도가 규정치 1.4보다 매우 큰 염기도를 갖기 때문에 주입경화재로서 적합하다고 판단된다.
- 주입재의 원재료에 대한 KSLT법을 이용하여 중금속 용출시험을 수행한 결과를 표 12에 나타내었다. 본 연구에서 선정한 주입재 원료의 중금속 함량은 규제기준을 만족하고 있음을 알 수 있었다. 이는 주입재를 지반에 주입시 중금속 용출에 대한 안정성을 어느 정도 가지고 있다고 판단된다.
- 침투성 시험결과, 주입재별로는 현탁액형 주입재와 용액형 주입재가 높은 침투성을 발휘하였다. 사용재료에 따라서 초미립자시멘트가 보통시멘트보다 높은 침투성을 나타내었다.
- 시험결과, 주입재의 이동거리의 차이가 나타났으며, 대상시료토가 느슨한 상태일수록 주입압의 변화에 따라 이동 거리, 고결율이 민감하게 변화하였다. 주입형상의 경우, 주 입관 주위로 구 모양의 고결체가 형성되었다.
- 용출시험결과 원재료에 대해서 규제기준을 만족하고 있으며, 고결시편에서의 중금속 용출량도 법적기준치를 만족하고 있어 중금속 용출에 대한 안정성을 가지고 있다고 판단된다. 어류 급성독성시험결과 대체적으로 현탁액에 비해 용액형 주입재의 독성이 작은 것으로 나타났으며, pH의 영향이 공시어 치사에 가장 결정적인 역할을 한것으로 판단되어진다.
- 환경영향평가시험은 원재료와 고결시편에 대해 중금속 용출시험과 어류 급성독성 시험을 수행하였다. 용출시험결과 원재료에 대해서 규제기준을 만족하고 있으며, 고결시편에서의 중금속 용출량도 법적기준치를 만족하고 있어 중금속 용출에 대한 안정성을 가지고 있다고 판단된다. 어류 급성독성시험결과 대체적으로 현탁액에 비해 용액형 주입재의 독성이 작은 것으로 나타났으며, pH의 영향이 공시어 치사에 가장 결정적인 역할을 한것으로 판단되어진다.
- 위의 실험결과를 보면 주입재 고결시편에서의 중금속의 용출량은 법적기준치를 만족하고 있다. 일정하지는 않지만 양생일수가 길어짐에 따라 중금속의 용출량은 약간 감소되어지는 경향이 있으며, 약액 자체가 중금속을 고정하는 부분으로 볼 수 있겠다.
- 침투성 시험 결과, 공극율에 따른 조건에 따라 느슨한 상태일 때, 주입압이 높을 때 침투주입이 비교적 양호하였으며, 주입형상은 상향부분은 대체적으로 균일하게 분포되어 시료전체에 퍼지며, 다소 깊어질수록 중심쪽으로 집중되는 형상을 나타내었다. 초미립자시멘트는 대부분의 사질층에서 침투주입이 가능한 반면, 보통시멘트는 굵은모래에서 조차 원활히 침투주입이 잘 되지 않았으며 중간모래에서는 거의 침투주입이 일어나지 않고 overflow현상이 발생하였다.
- 본 시험에서와 같이 20kg/cm2 이상 고강도가 얻어질 경우에는 차수목적과 지반보강 효과를 동시에 발휘할 수 있다. 특히 침투성이 좋은 초미립자시멘트를 이용한 LW공법이 종전의 LW공법보다 개선된 공법으로 발전할 수 있을 것으로 판단된다.
후속연구
- 본 연구에서는 OECD Test Guideline 및 국립환경연구원 화학물질 유해성 시험방법고시에 따라 약액의 환경영향을 평가하고자 한다(국립환경연구원, 1999). 그러나 어류 급성독성시험은 화학물질의 수서생물에 대한 영향을 평가하기 위한 방법으로 본 연구에서의 주제인 규산나트륨염, 시멘트 등은 화학물질 안전관련 문헌인 MSDS나 각국의 문헌정보에서 환경독성에 대한 보고가 없기 때문에 여기에 대한 독성을 정량적으로 규명하기는 어렵고 어류급성독성시험을 통해 약액의 환경적 영향을 간접적으로 평가할 수 있을 것으로 기대된다(EPA, 1983; 金子, 1996).
- 그러나 현탁액형 주입재의 경우, 자체가 고알칼리성이므로 용출액의 pH가 중금속의 용출량에 영향을 줄 수 있기 때문에 향후 연구에서 자체의 pH의 변화를 고려하여 분석이 필요하겠다. 용출실험이 가지고 있는 제한사항으로서 환경조건을 최대한 고려하여 용출조건을 설정한다고 하지만 분석대상시료 및 주변환경에 대한 영향이 크고, 또한 폐기물의 유해성을 판단하기 위한 시험기준이므로 법적 기준을 만족시킬 수는 있어도 용출실험만으로 환경 유해성을 판단한다는 것은 무리가 있다고 본다.
- 최근 약액의 사용범위가 확대되면서, 인구가 밀집된 도심구간에서의 지하철건설과 같이 장기간에 걸친 대형공사뿐 아니라 매립지와 같은 오염원의 차단을 목적으로 하는 이용 등 여러 분야에서 응용되고 사용되어지고 있지만 지하수나 주변 토양에 미치는 영향이나 오염물질과의 반응으로 인한 추가적인 오염의 발생은 전혀 고려되어지고 있지 않은 실정이다. 그러므로, 지반 중으로의 침투성이 크고 강 도발현성과 내구성이 뛰어나며 환경오염성이 없는 무공해성 주입재를 개발하고, 지반주입공법을 실시하는 목적과 지질조건에 따른 적절한 주입재를 선정할 수 있는 기준이 마련된다면 주입공법의 시공에 많은 도움이 되리라 판단된다.
- 또한 압력이나주입대상지반의 공극율과 관계를 보면 주입압이 높아질 수록 침투주입보다는 맥상주입에 가까운 형상을 나타내 었다. 따라서 주입목적 및 지반조건에 따라 적절한 겔 타임과 주입압을 조절하여 실제 시공에 적용하여야 할 것이다.
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