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문제 정의
- 본 연구에서는 주물공정에서 발생되는 폐주물사를 가공처리한 방식사를 지하 전력구 및 전력선용 보호관 로 공사의 되메움재료로 사용하는데에 따른 적합성을 분석하고자 물리적, 화학적, 열저항 특성실험을 실시하고 현재 동일공사의 되메움재로 사용하고 있는 강모래 와 그 특성을 비교 분석하였으며, 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
- 본 연구에서는 주물과정에서 발생되는 폐주물사를 가공처리한 방식사를 지하전력 시설물 되메움재료로 적합한지에 대하여 물리적, 화학적실험 및 열저항특성 실험을 수행하고 그 활용 가능성을 분석하였다.
제안 방법
- 방식사의 역학적 안정성을 검토하기 위한 물리적 실험 (입도분석실험, 실내다짐실험(A 다짐), 비중실험, CBR시 험, 직접전단실험)을 실시하였으며, 화학적 특성실험(폐 기물 용출실험, PH시험)을 실시하여 방식사의 유해물질 함유 가능성을 분석하였다. 또한, 전기적 사용 특성인 허용전류량을 산정하기 위해 열저항 특성 실험을 실시 하였고, 방식사의 다짐특성 확인 및 실무자의 시공관리 기준 제시를 위하여 현장 시험다짐을 실시하고, 그 결과 값을 강모래의 다짐특성과 비교하였다.
- 먼저, 발다짐은 체중 68kg의 몸무게를 가진 사람이 ① 10cm씩 총 40cm 두께까지 ② 20cm씩 총 40cm 두께 까지 발다짐을 하는 조건이었다. 또, 발다짐의 조건과 동일하게 10cm씩 총 40cm 두께로 되메움을 실시하고, 매층마다 포화상태가 될 때까지 물을 부은 후 최대 6회 까지 다짐을 실시하는 물다짐+발다짐을 실시하였다 실험 결과, 두 다짐방법 모두 규준다짐도 85%를 넘 지 못하였다
- 방식사의 다짐 시공성을 파악하기 위하여 방식사와 강모래에 대해 현장에서 주로 사용하는 다짐방법(발다 짐, 물다짐+발다짐, 진동plate 다짐, Tire Roller다짐)으 로 시험 다짐을 실시하였다. 이때 다짐도를 판정하는 방법으로 방사능밀도측정기 (Radiation Instrument)가 사 용되었다(사진 2-3).
- 방식사의 역학적 안정성을 검토하기 위한 물리적 실험 (입도분석실험, 실내다짐실험(A 다짐), 비중실험, CBR시 험, 직접전단실험)을 실시하였으며, 화학적 특성실험(폐 기물 용출실험, PH시험)을 실시하여 방식사의 유해물질 함유 가능성을 분석하였다. 또한, 전기적 사용 특성인 허용전류량을 산정하기 위해 열저항 특성 실험을 실시 하였고, 방식사의 다짐특성 확인 및 실무자의 시공관리 기준 제시를 위하여 현장 시험다짐을 실시하고, 그 결과 값을 강모래의 다짐특성과 비교하였다.
- 본 연구에서는 되메움재의 역학적 특성과 관련이 깊 은 다짐도 함수비 등만을 고려하였으며, 다짐도의 효과를 분석하기 위하여 동일한 함수비에 대해 다짐에너지 를 달리하여 3층 10회, 3층 25회, 5층 25회 다짐의 3가지 방법으로 다짐시험을 수행하였다.
대상 데이터
- 실험에 사용된 방식사는 주물공정에서 이용된 폐주 물사를 가공처리한 후, 폐주물사의 표면에 규산소다와 액상의 마그네슘을 합성시켜 생산된 방식사를 이용하 였고, 강모래는 충남 공주시 금강변에서 채취한 재료를 사용하였다.
- 토양의 열저항을 측정하는 방법에는 탐침법, 가열구 (加熱球)매설법, 모의케이블 매설법 등이 있으나, 본 실 험에서는 탐침법을 이용하였다. 실험에 사용된 열저항 시험기는 열원과 열전대를 조합한 선형 열원모델인 원 통형 탐침시험기(Cylindrical Probe)이며, 사용된 몰드의 크기는 직경(4>)이 10.16cm이고 높이(h)가 11.64cm인 원 통형 몰드이다(사진 1).
- 그러나, 방식사는 열저항율이 함수비 증가에 따라 서서히 감소하다가 함수비 12%에 이르러 강모래와 비슷한 값을 보이는 것으로 나타났다. 한편, 두재료 모두 함수비 12% 이상에서는 열저항율의 변동이 거의 없고, 포화도 70% 이상이 되어 실험 이 불가능하여 본 연구에서는 함수비 12%까지를 비교 대상으로 하였다.
이론/모형
- 다짐방법은 반복법/건조법에 의한 “A” 다짐방법을 실시하였다. 시험 결과, 방식 사의 최대 건조밀도는 1.
- 토양의 열저항을 측정하는 방법에는 탐침법, 가열구 (加熱球)매설법, 모의케이블 매설법 등이 있으나, 본 실 험에서는 탐침법을 이용하였다. 실험에 사용된 열저항 시험기는 열원과 열전대를 조합한 선형 열원모델인 원 통형 탐침시험기(Cylindrical Probe)이며, 사용된 몰드의 크기는 직경(4>)이 10.
- 전선의 단면적에 대응하여 안전하게 흘릴 수 있는 전류의 한도를 허용전류라고 한다. 허용전류 계산은 식 (1)의 IEC (International Electrotechnical Commission) 287규격을 따르며 본 검토에서 사용된 해석조건은 정 상상태의 관로포설(1공1조) 조건으로 케이블에서 상시 허용전류를 산정하였다.
성능/효과
- (1) 방식사는 흙의 분류상 입도분포가 불량한 모래질(SP)성질을 갖고 있으며, 실내다짐 결과 최대건조 밀도 1.649g/cm3, 최적함수비 17.4%으로 강모래의 성질과 매우 비슷한 형태를 보이고 있다.
- (3) 방식사에 대한 폐기물용출 실험분석 결과, 납(Pb), 구리(Cu), 기름성분 등만이 기준치 이하로 검출되었 을 뿐, 나머지 시험항목에 대해서는 유해성분이 전 혀 검출되지 않아 방식사를 되메움재로 활용함에 환 경적 유해성은 적은 것으로 판단된다. 또한, 방식사 의 PH값은 실험결과 10.
- (4) 전력설비는 열을 발생하기 때문에 되메움재의 열방 산 효과가 우수해서, 허용전류 측면에서 유리해야 한다. 이를 위해서는, 다짐도가 높아야 하며 함수비 변화에 따른 열저항율의 변동폭이 작아야 유리하다.
- (6) 이상과 같이 일련의 실험을 통한 분석 결과, 방식사 는 지하 전력설비 되메움재로서 물리적 기준에 적합 하며, 화학적으로 유해성이 적은 것으로 판단되나, 허용전류 측면에서는 함수비 변화에 따른 열저항율 의 변동폭이 커서 강모래에 비해 불리하다. 따라서, 토양의 열저항율과 무관한 콘크리트 Box로 차폐된 전력구에서는 되메움재로 사용할 수 있는 것으로 판 단되며, 전력선용 보호관로의 되메움재로 사용하기 에는 부적합하고 향후, 활용성을 높이기 위해서는 열 저항율에 대한 저감방안 등이 연구되어야 할 것이다.
- 계산결과, 방 식사와 강모래 모두 함수비가 증가할수록 허용전류가 증가하였고, 토양의 열저항율이 증가할수록 허용전류가 감소하는 경향을 보이고 있다(표 5와 그림 6). 또한, 방 식사는 강모래에 비해 함수비。~ 12% 범위내에서 허용 전류가 3-26% 정도 작게 산출되었으며, 특히, 일반적 모래의 자연 습윤 상태인 함수비 5% 구간에서는 약 20% 정도 허용전류가 작은 것으로 나타났다.
- 방식사와 강모래의 허용전류를 비교하기 위하여 식 (1)에서 모든 조건은 표 5과 같이 동일하게 사용하고 관로 주변의 되메움재에 대한 토양의 열저항(, ”)만 실험값을 이용하여 외부열 저항( T4 )과 허용전류( /)를 계산하였다. 계산결과, 방 식사와 강모래 모두 함수비가 증가할수록 허용전류가 증가하였고, 토양의 열저항율이 증가할수록 허용전류가 감소하는 경향을 보이고 있다(표 5와 그림 6). 또한, 방 식사는 강모래에 비해 함수비。~ 12% 범위내에서 허용 전류가 3-26% 정도 작게 산출되었으며, 특히, 일반적 모래의 자연 습윤 상태인 함수비 5% 구간에서는 약 20% 정도 허용전류가 작은 것으로 나타났다.
- 강모래의 경우 함수비 5% 이상에서 열저항율의 변동폭이 감소하기 시작하여 함수비 6% 이상의 범위에서는 안정화되는 경향을 보여주고 있다. 그러나, 방식사는 열저항율이 함수비 증가에 따라 서서히 감소하다가 함수비 12%에 이르러 강모래와 비슷한 값을 보이는 것으로 나타났다. 한편, 두재료 모두 함수비 12% 이상에서는 열저항율의 변동이 거의 없고, 포화도 70% 이상이 되어 실험 이 불가능하여 본 연구에서는 함수비 12%까지를 비교 대상으로 하였다.
- 또한 다짐도 의 영향을 살펴보면, 낮은 함수비(0~2%) 구간에서는 다짐도가 높을수록 열저항율이 크게 감소하며, 상대적으로 높은 함수비(5% 이상)에서는 그 변화가 적게 나타나는 것을 알 수 있다. 따라서, 건조측보다는 습윤측에서 열저항율이 1/2 이하로 크게 감소하므로, 되메움재의 시공관리 측면에서는 다짐도 보다는 적정 함수비 유지 가 열저항율 감소에 유리함을 알 수 있다.
- 먼저, 발다짐은 체중 68kg의 몸무게를 가진 사람이 ① 10cm씩 총 40cm 두께까지 ② 20cm씩 총 40cm 두께 까지 발다짐을 하는 조건이었다. 또, 발다짐의 조건과 동일하게 10cm씩 총 40cm 두께로 되메움을 실시하고, 매층마다 포화상태가 될 때까지 물을 부은 후 최대 6회 까지 다짐을 실시하는 물다짐+발다짐을 실시하였다 실험 결과, 두 다짐방법 모두 규준다짐도 85%를 넘 지 못하였다
- 실험결과 그림 3, 4에서와 같이 방식사와 강모래의 공통적인 특징으로 낮은 함수비(0~2%)에서 열저항율 이 상대적으로 크게 나타나고 있으나, 함수비가 5% 이 상일 때는 그 크기가 작게 나타나고 있다. 또한 다짐도 의 영향을 살펴보면, 낮은 함수비(0~2%) 구간에서는 다짐도가 높을수록 열저항율이 크게 감소하며, 상대적으로 높은 함수비(5% 이상)에서는 그 변화가 적게 나타나는 것을 알 수 있다. 따라서, 건조측보다는 습윤측에서 열저항율이 1/2 이하로 크게 감소하므로, 되메움재의 시공관리 측면에서는 다짐도 보다는 적정 함수비 유지 가 열저항율 감소에 유리함을 알 수 있다.
- (3) 방식사에 대한 폐기물용출 실험분석 결과, 납(Pb), 구리(Cu), 기름성분 등만이 기준치 이하로 검출되었 을 뿐, 나머지 시험항목에 대해서는 유해성분이 전 혀 검출되지 않아 방식사를 되메움재로 활용함에 환 경적 유해성은 적은 것으로 판단된다. 또한, 방식사 의 PH값은 실험결과 10.6으로 부식성에 대해서도 안전한 것으로 분석되었다.
- 분석 결과, 방식사에서는 납(Pb), 구리(Cu), 기름성분 등만이 기준치 이하로 검출되었을 뿐, 그 이외의 항목에 서는 유해성분이 전혀 검출되지 않아 환경적 유해성이 적은 것으로 분석되었다(표 4).
- 다짐방법은 반복법/건조법에 의한 “A” 다짐방법을 실시하였다. 시험 결과, 방식 사의 최대 건조밀도는 1.649g/㎤ 이고, 강모래의 최대건조밀도는 L620g/㎤로 나 타났으며 이때의 최적함수비는 17.4%와 18.6%로 나타나 두 재료가 비슷한 다짐특성 갖고 있는 것으로 나타났 다(표 2).
- 지중전력설비의 되메움재가 허용전류 측면에서 유리 한특성을 갖기 위해서는 장기적인 열적 안정성이 확보되 어야 하는데, 이를 위해서는 되메움재의 열저항율 변동폭 이 작아야 유리하다. 실험결과 방식사와 강모래가 어느 정도 열적 안정성을 갖기 위해서는 약 5% 이상의 함수비 유지가 필요함을 알 수 있으며, 방식사의 건조(함수비 0%)시 열저항율(359.70℃-cm/W)이 습윤(함.수비 12%)시 의 열저항율(59.00℃-cm/W)보다 약 6배 큰 값을 보이는 것을 볼 때 방식사가 강모래에 비해 열저항율의 변동폭이 크口-룬, 허용전류 측면에서는 불리하다고 판단된다
- 진동 Plate다짐의 경우는 한번에 층 두께를 30cm로 되메움하고 다짐을 실시하였다. 실험결과, 모래는 1회 다짐에서 85%규준을 만족하였으며, 방식사는 4회 다짐 에서 85%규준을 만족하는 것으로 나타났다.
- 실험결과, 방식사에서 측정된 PH의 값은 10.6으로 부 식에 대해 안전한 것으로 측정되었다.
- 실험결과, 방식사의 수정 CBR값은 18.7%, 강모래의 값은 17.9%로 모두 기준치(5% 이상)를 만족하는 것으로 나타났으며, 두 재료 모두 비슷한 CBR특성을 갖고 있는 것으로 나타났다(그림 2).
- 실험결과, 표 3에서처럼 두 재료가 비슷한 내부마찰 각(0)및 점착력(C)을 갖고 있는 것으로 나타났다(표 3).
- 이상과 같이 폐주물사에 대한 국내의 연구 활동은 주로 물리적특성(전단강도 함수비, CBR, 밀도, 다짐도 등) 과 화학적 특성(방식효과)에 대한 연구를 다루고 있을 뿐, 지하전력 시설물과 밀접한 관계가 있는 재료의 열저 항 특성에 대해서는 연구된 바가 없는 것으로 나타났다.
- 타이어 진동롤러(5ton)의 경우는 층 두께 30cm로 되 메움을 실시하고 다짐을 실시한 결과, 모래는 1회 다짐 에서 85%규준을 만족하였으며, 방식사는 2회 다짐에서 85%규준을 만족하는 것으로 나타났다(표 6).
- 함수비의 영향을 자세히 살펴보면, 그림 5에서와 같이 두 재료 모두 열저항율이 급격히 감소하는 범위가 함수 비 0~5%의 범위로 나타났으며, 그 변동폭은 방식사가 강모래에 비해 더 크게 나타났다. 강모래의 경우 함수비 5% 이상에서 열저항율의 변동폭이 감소하기 시작하여 함수비 6% 이상의 범위에서는 안정화되는 경향을 보여주고 있다.
후속연구
- (6) 이상과 같이 일련의 실험을 통한 분석 결과, 방식사 는 지하 전력설비 되메움재로서 물리적 기준에 적합 하며, 화학적으로 유해성이 적은 것으로 판단되나, 허용전류 측면에서는 함수비 변화에 따른 열저항율 의 변동폭이 커서 강모래에 비해 불리하다. 따라서, 토양의 열저항율과 무관한 콘크리트 Box로 차폐된 전력구에서는 되메움재로 사용할 수 있는 것으로 판 단되며, 전력선용 보호관로의 되메움재로 사용하기 에는 부적합하고 향후, 활용성을 높이기 위해서는 열 저항율에 대한 저감방안 등이 연구되어야 할 것이다.
- 이러한 산업폐기물의 일종인 방식사를 자원 재활용 차원에서 지하전력시설물 되메움재료로 활용할 수 있 다면 새로운 자원의 발생원으로 경제적 가치를 얻을 수 있을 것이다
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