본 연구는 동제련슬래그를 지반개량재로써 활용하기 위하여 배수에 대한 적용가능성을 평가한 것이다. 모래말뚝의 모래 대체재로써의 동제련슬래그 활용방안을 검토하였고, 동제련슬래그의 재료특성, 동제련슬래그말뚝이 설치된 복합지반에서의 압밀배수 특성, 배수 필터재로써의 특성 등을 파악하였다. 연구결과, 동제련슬래그는 일반적으로 쓰여지는 모래와 유사한 연직배수효과를 나타내었으므로, 모래말뚝의 모래 대체재로써의 적용은 충분히 가능할 것으로 판단된다. 더욱, 분사현상에 대한 안정성 및 입자 유실에 대한 내적안정성을 검토한 결과, 일반적인 사질토에 비해 한계동수경사가 크게 나타나고, 내적안정성이 우수하게 평가되었다. 따라서 동제련슬래그는 지반조건에 따라 배수 필터기능을 충분히 발휘할 수 있으며, 내적으로도 안정된 배수 필터재로써 사용이 가능한 것으로 판단된다.
본 연구는 동제련슬래그를 지반개량재로써 활용하기 위하여 배수에 대한 적용가능성을 평가한 것이다. 모래말뚝의 모래 대체재로써의 동제련슬래그 활용방안을 검토하였고, 동제련슬래그의 재료특성, 동제련슬래그말뚝이 설치된 복합지반에서의 압밀배수 특성, 배수 필터재로써의 특성 등을 파악하였다. 연구결과, 동제련슬래그는 일반적으로 쓰여지는 모래와 유사한 연직배수효과를 나타내었으므로, 모래말뚝의 모래 대체재로써의 적용은 충분히 가능할 것으로 판단된다. 더욱, 분사현상에 대한 안정성 및 입자 유실에 대한 내적안정성을 검토한 결과, 일반적인 사질토에 비해 한계동수경사가 크게 나타나고, 내적안정성이 우수하게 평가되었다. 따라서 동제련슬래그는 지반조건에 따라 배수 필터기능을 충분히 발휘할 수 있으며, 내적으로도 안정된 배수 필터재로써 사용이 가능한 것으로 판단된다.
This study is about the applicability of copper slag as the ground improvement material. By the geo-technical characteristics of the copper slag and by the effect of consolidation and under drainage condition, it is proved that the copper slag can be used for ground improvement material as substitut...
This study is about the applicability of copper slag as the ground improvement material. By the geo-technical characteristics of the copper slag and by the effect of consolidation and under drainage condition, it is proved that the copper slag can be used for ground improvement material as substitution for sand. As a result of laboratory tests, it was shown that the permeability of the copper slag was similar to that of sands under the vertical drainage condition. In addition, the copper slag showed higher critical hydraulic gradient than that of sand under up-ward vertical flow state. The copper slag has potential safety against piping and it has internal stability of particles. The conclusion is that the copper slag is suitable for drainage and filter material.
This study is about the applicability of copper slag as the ground improvement material. By the geo-technical characteristics of the copper slag and by the effect of consolidation and under drainage condition, it is proved that the copper slag can be used for ground improvement material as substitution for sand. As a result of laboratory tests, it was shown that the permeability of the copper slag was similar to that of sands under the vertical drainage condition. In addition, the copper slag showed higher critical hydraulic gradient than that of sand under up-ward vertical flow state. The copper slag has potential safety against piping and it has internal stability of particles. The conclusion is that the copper slag is suitable for drainage and filter material.
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문제 정의
본 실험에서는 정수위 투수시험기를 이용하여 동수경사에 따른 투수계수 산정과 분사현상 발생여부를 육안으로 확인하였다. 시험은 동제련슬래그를 진동을 가하여 조밀하 게 다짐하였고, 한번 분사현상이 발생되고 느슨해진 상태에서, 다시 분사현상시험을 실시하였다.
본 연구는 배수재로써 동제련슬래그를 활용하는 방안을 검토하고 적합성을 평가하기 위해 토질시험 및 실내모형시험을 실시하였다. 토질시험을 통해 모래와 동제련슬래그의 재료특성을 비교·분석하고, 실내모형시험에서는 점토지반을 대상으로 하여 모래말뚝, 동제련슬래그말뚝을 형성하여, 각각 점토지반과 모래말뚝, 동제련슬래그말뚝이 받는 지반침하와 간극수압을 측정하여 비교·분석하였다.
본 연구에서는 모래말뚝의 모래 대체재로써 동제련슬래그의 활용방안연구를 위하여, 동제련슬래그의 재료특성, 동제련슬래그말뚝이 설치된 복합지반에서의 압밀배수 특 성, 배수·필터재로써의 특성 등에 대하여 검토하였으며, 그 결과를 요약정리하면 다음과 같다.
가설 설정
쌍곡선법에서는 압밀침하와 시간의 관계는 쌍곡선적인 선형을 따른다는 것으로 가정하며, 그 관계는 식 1과 같다.
제안 방법
토질시험을 통해 모래와 동제련슬래그의 재료특성을 비교·분석하고, 실내모형시험에서는 점토지반을 대상으로 하여 모래말뚝, 동제련슬래그말뚝을 형성하여, 각각 점토지반과 모래말뚝, 동제련슬래그말뚝이 받는 지반침하와 간극수압을 측정하여 비교·분석하였다. 또한, 배수·필터재로써의 내적안정성과 분사현상에 대한 안정성 검토를 실시하였다.
모래 대체재료로써의 동제련슬래그의 적합성을 평가하기 위하여, 토질실험들의 결과를 토대로 물리적·역학적 특성을 분석하였다.
본 실험에서는 정수위 투수시험기를 이용하여 동수경사에 따른 투수계수 산정과 분사현상 발생여부를 육안으로 확인하였다. 시험은 동제련슬래그를 진동을 가하여 조밀하 게 다짐하였고, 한번 분사현상이 발생되고 느슨해진 상태에서, 다시 분사현상시험을 실시하였다. 시험결과, 느슨한 상태에서 한계동수경사값이 자용로, 연속로인 경우 각각 1.
실내모형실험은 모래말뚝의 모래 대체재로써 동제련슬래그말뚝이 설치된 지반의 배수특성을 파악하기 위하여 높이(H)와 직경(D)이 50㎝×50㎝인 모형토조(그림 3참조) 를 이용한 압밀시험으로 실시하였다. 하중재하장치는 유압잭을 사용하도록 고안·제작되었으나, 소형 베인 전단시험기를 이용하여 재성형된 점토지반의 비배수 전단강도를 측정한 결과 약 5kPa로 매우 연약하여 무게추에 의한 정재하시험을 실시하였다.
하중재하장치는 유압잭을 사용하도록 고안·제작되었으나, 소형 베인 전단시험기를 이용하여 재성형된 점토지반의 비배수 전단강도를 측정한 결과 약 5kPa로 매우 연약하여 무게추에 의한 정재하시험을 실시하였다. 압밀실험에서 중요한 물성치인 압축지수(Cc)값을 알아내기 위하여 다단계의 압밀하중을 재하하는 것이 필요하나, 실내 시험장치의 제약성으로 인한 재 하하중의 한계로 인하여 압밀하중은 5kPa, 10kPa 2단계로 재하하였다. 직경은 6㎝, 길이는 40㎝의 모래다짐말뚝과 동제련슬래그다짐말뚝을 설치하기 위하여 직경 6㎝관을 미리 모형토조에 설치하고, 관을 조금씩 인발하는 동시에, 모래 또는 동제련슬래그를 넣고 진동을 가하면서 설치하여 타설된 모래 또는 동제련슬래그가 조밀해지도록 하였다.
(1985, 1986)은 작은 흙입자가 내부간극속에서 유출되지 않고, 구속할 수 있는 입자의 크기는 약 4배의 입자크기를 가진다고 하였다(그림 8a). 이것을 바탕으로 배수필터재의 내적안정성을 평가하기 위하여 아래와 같은 조건을 제안을 하였고 입도분포가 양호(균등계수, Cu>3)할 경우 통과백분율 F<20%범위에서 적용하며, 입도분포가 불량(균등계수, Cu<3)할 경우 통과백분율 F<30%에 대해서 고려한다.
압밀실험에서 중요한 물성치인 압축지수(Cc)값을 알아내기 위하여 다단계의 압밀하중을 재하하는 것이 필요하나, 실내 시험장치의 제약성으로 인한 재 하하중의 한계로 인하여 압밀하중은 5kPa, 10kPa 2단계로 재하하였다. 직경은 6㎝, 길이는 40㎝의 모래다짐말뚝과 동제련슬래그다짐말뚝을 설치하기 위하여 직경 6㎝관을 미리 모형토조에 설치하고, 관을 조금씩 인발하는 동시에, 모래 또는 동제련슬래그를 넣고 진동을 가하면서 설치하여 타설된 모래 또는 동제련슬래그가 조밀해지도록 하였다.
본 연구는 배수재로써 동제련슬래그를 활용하는 방안을 검토하고 적합성을 평가하기 위해 토질시험 및 실내모형시험을 실시하였다. 토질시험을 통해 모래와 동제련슬래그의 재료특성을 비교·분석하고, 실내모형시험에서는 점토지반을 대상으로 하여 모래말뚝, 동제련슬래그말뚝을 형성하여, 각각 점토지반과 모래말뚝, 동제련슬래그말뚝이 받는 지반침하와 간극수압을 측정하여 비교·분석하였다. 또한, 배수·필터재로써의 내적안정성과 분사현상에 대한 안정성 검토를 실시하였다.
실내모형실험은 모래말뚝의 모래 대체재로써 동제련슬래그말뚝이 설치된 지반의 배수특성을 파악하기 위하여 높이(H)와 직경(D)이 50㎝×50㎝인 모형토조(그림 3참조) 를 이용한 압밀시험으로 실시하였다. 하중재하장치는 유압잭을 사용하도록 고안·제작되었으나, 소형 베인 전단시험기를 이용하여 재성형된 점토지반의 비배수 전단강도를 측정한 결과 약 5kPa로 매우 연약하여 무게추에 의한 정재하시험을 실시하였다. 압밀실험에서 중요한 물성치인 압축지수(Cc)값을 알아내기 위하여 다단계의 압밀하중을 재하하는 것이 필요하나, 실내 시험장치의 제약성으로 인한 재 하하중의 한계로 인하여 압밀하중은 5kPa, 10kPa 2단계로 재하하였다.
대상 데이터
본 실험에서 사용된 점토는 김해점토를 교란 형태로 채취하여 사용하였으며, 액성한계 83%, 소성지수 52%, 200번체 통과량이 약 93%로써 통일분류상 CH로 판정되었다. 점토시료는 현장함수비(약 85%)상태에서 재성형되었다.
이론/모형
침하결과분석은 현장 침하분석시 널리 이용되고 있는 쌍곡선법(Hyperbolic Method)을 이용하였다. Tan 등(1991)은 실내실험데이터와 현장데이터를 통한 쌍곡선 방법이 Terzaghi 1차원 압밀모델과 Barron의 연직배수압밀 모델뿐만 아니라 불균등한 점토, 모래 혼합지반에도 적용 가능하다고 하였고, Sridharan & Parakash(1985)는 쌍곡선법이 Taylor의 t법과 Casagrande의 Log t방법보다 압밀계수를 더 쉽게 추정할 수 있다는 것을 보였다.
성능/효과
1. 비중과 단위중량이 큰 동제련슬래그의 재료 특성과 투수계수를 평가한 결과 배수재로써 적합하고, 내부마찰각이 모래보다 크게 나타나 모래말뚝의 모래 대체재로써의 적용은 충분히 가능할 것으로 판단된다.
2. 실내 모형실험에 의한 복합지반의 압밀배수 특성을 분석하였을 때, 동제련슬래그를 사용한 모형지반의 연직배수효과가 모래말뚝이 설치된 지반보다 다소 우수하게 나타나 동제련슬래그다짐말뚝의 연직배수효과가 우수하다고 판단된다.
3. 분사현상 발생여부 및 입자 유실에 대한 내적안정성을 평가한 결과, 대상 토질조건에 따라 배수·필터기능을 충분히 발휘할 수 있으며, 내적으로도 안정한 배수·필터재로써 사용이 가능한 것으로 판단된다.
동제련슬래그의 입도분포는 균등하며, 물의 흐름이 발생하는 곳에서 내부 입자유출은 발생하지 않는 것으로 나타났으며, 분사현상에 대한 저항도 매우 큰 것으로 나타났다. 비중이 큰 동제련슬래그를 분사현상이 우려되는 상황에서 배수재나, 압성토재료로 사용한다면, 일반적인 조립질 흙을 사용하는 것보다 더욱 효과가 뛰어날 것으로 판단된다.
200체 통과분이 거의 0%로서 압밀 촉진을 위한 배수재로써의 적합한 입도분포특성을 가지고 있다. 또한, 통일분류법에 의해 동제련슬래그를 분류하면, 입도분포가 균등한 SP로 분류되며, 액·소성 시험 결과는 모든 시료가 비소성(NP)으로 나타나 재료적 특성은 양호한 것으로 평가된다.
시험은 동제련슬래그를 진동을 가하여 조밀하 게 다짐하였고, 한번 분사현상이 발생되고 느슨해진 상태에서, 다시 분사현상시험을 실시하였다. 시험결과, 느슨한 상태에서 한계동수경사값이 자용로, 연속로인 경우 각각 1.36, 1.50으로 나타나 일반적인 사질토의 한계동수경사값이 1인 것보다 크다. 동제련슬래그의 분사현상에 대한 안정성을 한계동수경사(ic)값이 이론식에 의한 값보다 크게 나타나다.
압밀침하 측정결과 전체 침하량은 점토, 동제련슬래그 연속로, 모래, 동제련슬래그 자용로 순으로 나타났으며, 특히 모래다짐말뚝과 동제련슬래그 자용로의 침하경향은 매 우 유사한 양상을 나타내었다. 여기서는 연속로 동제련슬래그의 침하량이 예상 밖으로 낮게 나타났고, 이는 내부마찰각이 큰 연속로 동제련슬래그말뚝이 지반 지지력향상에 기여하여 침하량이 적게 나타난 것으로 판단된다.
연직배수재가 설치된 모형에서 24시간동안 측정된 침하비율은 배수재가 설치되지 않은 지반에 비하여 약 15%이상의 초기압밀침하를 촉진시키는 것으로 나타났으며, 동제련슬래그를 연직배수재로 사용하였을 경우 대체적으로 모래보다 다소 우수하게 나타났다. 이는 투수성이 양호하며 모래보다 큰 내부마찰각을 가진 동제련슬래그를 모래 대신 지반개량을 위한 배수재나 Compaction Pile에 적용함으로써 복합지반의 지지력증대 효과뿐만 아니라 연직배수재로써 우수한 성능을 기대 할 수 있음을 보여준다.
A, B시료는 불안정(Unstable)한 상태이며 C, D시료는 입자유출에 대한 배수재의 내적안정성(Internal Stability)이 있음을 말한다. 이 방법을 동제련슬래그에 적용한 결과, 그림 9과 같이 H/F 기준선 위로 나타나므로, 동제련슬래그가 배수재로써 내적안정조건을 만족하는 것으로 나타났다.
정수위투수시험결과 자용로인 경우 0.18cm/sec, 연속로인 경우 0.3cm/sec로서 비교적 큰 값을 나타냄으로써, 표 1에서 동제련슬래그의 투수계수가 1×10-3cm/sec이상으로 나타나므로 배수재로써의 기준을 만족하여 적합한 것으로 평가되었다.
표준A다짐 최대건조단위중량을 기준으로 직접전단시험을 실시한 결과, 동제련슬래그 강도정수는 자용로인 경우 ø=43°, C=0로 나타났으며, 연속로인 경우ø=46°, C=0로 측정되어 실내실험에서 사용한 모래의 경우(ø =36°, C=0)보다 내부마찰각이 크게 나타났다.
표준A다짐시험결과 자용로인 경우 최대건조밀도 23.5 kN/㎥ 최적함수비 7.46%, 연속로인 경우 최대건조밀도 21.3 kN/㎥, 최적함수비 6%로 나타났다. 일반성토재료인 화강풍화토의 경우 최대건조밀도 13.
후속연구
4. 동제련슬래그의 토목공사에서의 폭넓은 적용을 위해서는, 우선 동제련슬래그의 공학적 특성을 파악하고 많은 실내모형시험 및 현장시험시공이 실시되어 다양한 현장 여건이 충분히 반영되어 조사·검토되어야 한다.
동제련슬래그의 입도분포는 균등하며, 물의 흐름이 발생하는 곳에서 내부 입자유출은 발생하지 않는 것으로 나타났으며, 분사현상에 대한 저항도 매우 큰 것으로 나타났다. 비중이 큰 동제련슬래그를 분사현상이 우려되는 상황에서 배수재나, 압성토재료로 사용한다면, 일반적인 조립질 흙을 사용하는 것보다 더욱 효과가 뛰어날 것으로 판단된다.
연직배수재가 설치된 모형에서 24시간동안 측정된 침하비율은 배수재가 설치되지 않은 지반에 비하여 약 15%이상의 초기압밀침하를 촉진시키는 것으로 나타났으며, 동제련슬래그를 연직배수재로 사용하였을 경우 대체적으로 모래보다 다소 우수하게 나타났다. 이는 투수성이 양호하며 모래보다 큰 내부마찰각을 가진 동제련슬래그를 모래 대신 지반개량을 위한 배수재나 Compaction Pile에 적용함으로써 복합지반의 지지력증대 효과뿐만 아니라 연직배수재로써 우수한 성능을 기대 할 수 있음을 보여준다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
동제련슬래그은 현재 어떻게 사용되고 있는가?
건설 골재 난 및 환경에 대한 관심이 높아지면서 국내에서도 석탄회, 광재, 제강슬래그, 동제련슬래그 등 각종 부산물의 재활용과 그에 따른 기술개발에 대한 연구가 활발 히 진행되고 있다. 동제련 과정에서 발생되는 동제련슬래그는 국내에서 연간 70여만톤에 이르고 있으며 시멘트제조용 가철제 및 수리 조선소에서 선박의 녹을 제거하는 샌드블라스팅용 등으로 주로 사용되고 있으며, 이외에도 벽돌, 경계석, 인터로킹블럭, 적벽돌, 레미콘용 골재 등으로 한정되어 쓰이고 있다. 우리나라에서 생산되는 동제련슬래 그는 조립상태로 생산되며 입도범위가 0.
동제련슬래그의 성분은 어떻게 되는가?
동제련슬래그는 동의 제련 후 남은 철분과 석회석, 규석이 결합하여 생성된 물질을 용융상태에서 고압수에 의해 급냉, 수쇄하여 세립화한 것으로, 화학적 조성은 Fe가 약 40%, SiO2가 30% 정도이며, 약 1～5% 정도의 CaO, 미량의 Cu 등을 포함하고 있다. 국내에서 발생하는 동제련슬래그는 수쇄(급냉) 슬래그이다.
연속동제련공정은 자용로공정과 어떠한 차이점이 있는가?
연속동제련공정(Mitsubishi Continuous CopperSmelting process)은 건조한 정광과 산소부화 공기를 Top Blow Lance로 투입하는 방식을 적용하며 Launder를 통한 용탕의 연속 이동과 자용로공정에 의해 P-S Converter(전로)를 제거하여 환경문제해결과 간단한 물류이송을 가능하게 하였다. 자용로공정과의 차이점은 제련과정중 동광석과 규사외에 석회석을 투입한다는 점이다(한국건설기술연구원, 2000).
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