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문제 정의
- 미국 환경보호청에서는 차수재의 경우 투수계수 1×10-7cm/sec 이하를 요구하고 있으며(US EPA, 1986), 국내에서도 이를 기준으로 하고 있다. 따라서, 본 실험에서는 매립지의 차수재로서 하수슬러지 소각재의 이용가능성을 파악하기 위하여 하수슬러지 소각재에 벤토나이트와 소석회의 혼합비를 변화시켜가면서 변수위투수시험을 실시하여 차수재의 투수계수가 1×10-7cm/sec 이하가 되는 첨가재의 혼합비와 시간경과에 따른 투수계수변화를 검토하였다.
- 본 연구는 하수처리장에서 하수슬러지를 소각한 후 발생하는 하수슬러지 소각재의 활용 가능성을 연구하고자 각종 물성시험을 실시하여 하수슬러지 소각재의 특성을 규명하였으며, 하수슬러지 소각재 혼합차수재에 대한 투수특성을 분석하여 차수재로서의 활용방안을 검토하였고, 또한 하수슬러지 소각재를 첨가한 점토벽돌을 제작하여 건설재료로서의 활용방안을 연구하였다.
- 실험은 현재 건설시장에 출하되고 있는 점토벽돌의 제품에 하수슬러지 소각재를 점토의 일부로 치환하여 제조한 점토벽돌에 대하여 품질 특성을 파악하고자 하였다. 점토 벽돌의 제작 과정은 충북 진천군 덕산면 소재 S 기업의 제품 배합설계를 기준으로 기존의 점토벽돌 시료에 대하여 하수슬러지 소각재를 5, 10, 15, 20, 25, 30%까지 치환하여 제품을 생산하였고, 표 1은 점토벽돌 시험체의 제작에 사용된 1m3당 중량 배합을 나타낸 것이다.
- 또한, 폐기물을 발생 단계에서부터 억제하기 위해 오는 2011년의 폐기물 발생량을 추정 발생량보다 12% 줄이도록 하고, 매립이나 소각에 의해 처분되는 폐기물을 2000년 대비 20% 감축할 계획에 있다. 이와 함께 폐기물 매립 시설을 새롭게 설치하는 것이 어려운 우리나라의 여건을 감안하여 소각을 거쳐 매립하는 폐기물의 비중을 2000년 현재 13%에서 2011년에는 30%까지 늘린다는 목표다. 이를 위해 오는 2011년까지 1조 1천억원의 예산을 투입, 전국적으로 90여개의 소각시설을 새로 설치하는 한편 2000년 현재 47%에 이르는 매립률을 2011년에는 17%로 낮춰 매립시설의 수명을 연장시킨다는 방침을 가지고 있다.
제안 방법
- 하수슬러지 소각재의 토질공학적 특성을 알아보기 위하여 시료의 기본물성시험인 함수비, 비중, 아터버그한계, 입도분석시험을 수행하였으며, 역학적 물성시험으로서는 다짐시험, 압밀특성에 관한 물성 및 기대효과를 예측하기 위한 압밀시험, 토공재료로서 적절한 투수계수를 측정하기 위한 변수위투수시험, 흙의 강도정수를 결정하기 위한 일축압축시험, 노상토의 강도, 압축성 등을 알아보기 위한 노상토 지지력시험, 그리고 하수슬러지 소각재의 전단특성을 파악하기 위하여 삼축압축시험을 실시하였다. 또한, 하수슬러지 소각재의 유해물질 함유량을 파악하기 위하여 폐기물공정 시험법에 의한 용출시험을 실시하였다.
- 본 연구에서 강도특성은 일축압축시험을 통하여 규명하였으며, 일축압축시험은 최적 다짐상태로 3개의 공시체를 제작하여 실시하였다. 그림 6에 나타낸 것과 같이 하수슬러지 소각재에 대한 일축압축시험 결과 응력과 변형률의 관계는 파괴가 발생하기 직전의 변형률까지 거의 비례적인 관계를 나타내었다.
- 본 연구에서는 하수 슬러지를 소각하여 발생하는 하수슬러지 소각재에 대하여 기본 및 역학적 물성시험을 실시하여 하수슬러지 소각재의 지반공학적 특성을 분석하였고, 하수슬러지 소각재 혼합차수재에 대한 투수특성을 분석하여 차수재로서의 활용방안을 검토하였으며, 또한, 점토 벽돌재로서 이용성을 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 투수계수는 시간경과에 따라 감소하므로 본 연구에서 투수계수는 시간경과에 따른 투수계수 변화를 측정하여 일정한 값으로 수렴할 때의 값으로 하였으며, 수렴하지 않는 경우에는 경과시간 15일에서 측정한 값으로 하였다. 그 결과 그림 16과 같이 벤토나이트와 소석회의 혼합비가 증가함에 따라 투수계수가 감소하는 경향을 나타내었다.
- 하수슬러지 소각재에 대한 압밀특성을 구하기 위하여 표준다짐시험결과 최적 다짐상태에서 표준압밀시험을 실시하였다. 그림 5는 압밀시험 결과 하수슬러지 소각재의 e-logp 곡선을 나타낸 것으로 하수슬러지 소각재의 압축지수는 0.
- 하수슬러지 소각재의 전단특성과 강도정수를 파악하기 위하여 최적 다짐상태에서 0.5, 1.0, 1.5kgf/cm2의 구속 압력하에서 비압밀비배수 삼축압축시험을 실시하였다. 그림 7은 하수슬러지 소각재에 대한 삼축압축시험 결과 축차응력과 축변형률의 관계를 나타낸 것으로 최대축차응력은 약 3～5%의 축변형률에서 발생하며, 구속압력이 증가할수록 최대축차응력이 발생하는 축변형률이 증가하며, 파괴 이후 변형연화현상이 발생하였다.
- 본 실험에 사용된 하수슬러지 소각재는 ○○면에 위치한 ○○시 환경사업소에서 채취한 시료를 사용하였다. 하수슬러지 소각재의 토질공학적 특성을 알아보기 위하여 시료의 기본물성시험인 함수비, 비중, 아터버그한계, 입도분석시험을 수행하였으며, 역학적 물성시험으로서는 다짐시험, 압밀특성에 관한 물성 및 기대효과를 예측하기 위한 압밀시험, 토공재료로서 적절한 투수계수를 측정하기 위한 변수위투수시험, 흙의 강도정수를 결정하기 위한 일축압축시험, 노상토의 강도, 압축성 등을 알아보기 위한 노상토 지지력시험, 그리고 하수슬러지 소각재의 전단특성을 파악하기 위하여 삼축압축시험을 실시하였다. 또한, 하수슬러지 소각재의 유해물질 함유량을 파악하기 위하여 폐기물공정 시험법에 의한 용출시험을 실시하였다.
- 하수슬러지 소각재의 투수특성을 파악하기 위하여 최적 다짐상태와 최대건조단위 중량의 95%에 대응하는 건조측, 습윤측 함수비 조건하에서 투수시험을 실시하였다. 그 결과 그림 10에 나타낸 것과 같이 시료의 투수계수는 함수비의 증가에 따라 감소하며, 최대건조단위중량의 95%에 해당하는 습윤측 함수비에서 최소투수계수를 나타내었다.
- 혼합차수재의 투수시험을 위한 투수몰드제작을 위하여 각각의 혼합비에 따른 표준다짐시험을 실시하여 최대건조단위중량과 최적함수비를 구하였으며, 그 결과를 그림 12와 그림 13에 나타내었다. 그림 12는 혼합비에 따른 최대건조단위중량의 변화를 도시한 것으로 벤토나이트와 소석회의 혼합비가 증가함에 따라 최대건조단위중량은 증가함을 알 수 있다.
- 제작된 점토벽돌의 품질을 평가하기 위하여 KS L 4201의 규정에 의거하여 압축강도와 흡수율시험을 실시하였다. 흡수율 시험은 24시간 침수시켜 흡수율을 구하는 방법을 선택하였다. 표 2는 KS L 4201에 규정된 점토벽돌의 품질기준을 나타낸 것이다.
대상 데이터
- 본 실험에 사용된 하수슬러지 소각재는 ○○면에 위치한 ○○시 환경사업소에서 채취한 시료를 사용하였다. 하수슬러지 소각재의 토질공학적 특성을 알아보기 위하여 시료의 기본물성시험인 함수비, 비중, 아터버그한계, 입도분석시험을 수행하였으며, 역학적 물성시험으로서는 다짐시험, 압밀특성에 관한 물성 및 기대효과를 예측하기 위한 압밀시험, 토공재료로서 적절한 투수계수를 측정하기 위한 변수위투수시험, 흙의 강도정수를 결정하기 위한 일축압축시험, 노상토의 강도, 압축성 등을 알아보기 위한 노상토 지지력시험, 그리고 하수슬러지 소각재의 전단특성을 파악하기 위하여 삼축압축시험을 실시하였다.
- 실험은 현재 건설시장에 출하되고 있는 점토벽돌의 제품에 하수슬러지 소각재를 점토의 일부로 치환하여 제조한 점토벽돌에 대하여 품질 특성을 파악하고자 하였다. 점토 벽돌의 제작 과정은 충북 진천군 덕산면 소재 S 기업의 제품 배합설계를 기준으로 기존의 점토벽돌 시료에 대하여 하수슬러지 소각재를 5, 10, 15, 20, 25, 30%까지 치환하여 제품을 생산하였고, 표 1은 점토벽돌 시험체의 제작에 사용된 1m3당 중량 배합을 나타낸 것이다.
이론/모형
- 제작된 점토벽돌의 품질을 평가하기 위하여 KS L 4201의 규정에 의거하여 압축강도와 흡수율시험을 실시하였다. 흡수율 시험은 24시간 침수시켜 흡수율을 구하는 방법을 선택하였다.
- 하수슬러지 소각재를 혼합하여 제작한 점토벽돌에 대한 품질평가를 위해 KS L 4201의 규정에 의거하여 압축강도시험과 흡수율 시험을 실시하였으며, 그 결과를 각각 그림17과 그림 18에 나타내었다. 그림 17로부터 점토와 규사토로 이루어진 원토에 대한 하수슬러지 소각재의 치환률이 5%(CS-1)인 점토벽돌의 압축강도는 248kgf/cm2으로 1종 점토벽돌의 압축강도 기준인 210kgf/cm2 이상을 만족하고 있으며, 치환률이 10%인 CS-2의 압축강도는 156kgf/cm2로 3종 점토 벽돌의 압축강도 기준(110kgf/cm2 이상)을 만족하고 있다.
성능/효과
- 1. 하수슬러지 소각재의 최대건조단위중량은 일반 토사에 비해 작게 나타나 경량 성토재로서 활용가능성이 있다고 판단된다. 또한, 수정 CBR값만을 기준으로 할 때 하수슬러지 소각재는 토공재료의 품질기준을 만족하고 있으며, 공시체 제작직후 하수슬러지 소각재의 일축압축강도는 복토재의 일축압축강도 기준을 만족하는 것으로 평가되었다.
- 2. 하수슬러지 소각재 혼합차수재에 대한 다짐시험결과 벤토나이트와 소석회의 혼합비가 증가함에 따라 최대건조단위중량은 증가하였으며, 최적함수비는 감소하였다. 용출시험결과 하수슬러지 소각재는 폐기물공정 시험법에서 제시하는 유해성 중금속이 기준치 이하로 나타남으로서 토공재로 활용시 중금속에 의한 문제는 없을 것으로 판단된다.
- 3. 하수슬러지 소각재 혼합차수재에 대한 투수시험 결과 벤토나이트와 소석회의 혼합비가 증가할수록, 시간 경과에 따라 투수계수는 감소하였다. 벤토나이트를 혼합하는 경우 차수재 기준을 만족하는 혼합비는 20% 정도로 나타났으며, 소석회의 경우 30% 정도로 평가되었다.
- 점토벽돌에 대한 품질시험 결과 하수슬러지 소각재의 치환률이 증가함에 따라 압축강도는 감소하고, 흡수율은 증가하는 것으로 나타났다. 3종 점토벽돌의 품질기준을 만족하는 하수슬러지 소각재의 최대 치환률은 약 15%이며, 2종 벽돌의 품질기준을 만족하는 하수슬러지 소각재의 치환률은 9% 정도로 하수슬러지 소각재를 점토벽돌 재료로 재활용하는 경우 최대 치환률은 15% 정도라고 판단된다.
- 4. 점토벽돌에 대한 품질시험결과 하수슬러지 소각재의 치환률이 15%인 경우 압축강도는 118kgf/cm2로 3종 점토벽돌의 압축강도 기준(110kgf/cm2 이상)을 만족하고 있으며, 2종 벽돌의 품질기준(압축강도 160kgf/cm2 이상, 흡수율 13%이하)을 만족하는 하수슬러지 소각재의 치환률은 약 9% 정도로 나타났다. 즉, 하수슬러지 소각재를 점토벽돌 재료로 재활용하는 경우 최대 치환률은 15% 정도로 분석되었다.
- 투수계수는 시간경과에 따라 감소하므로 본 연구에서 투수계수는 시간경과에 따른 투수계수 변화를 측정하여 일정한 값으로 수렴할 때의 값으로 하였으며, 수렴하지 않는 경우에는 경과시간 15일에서 측정한 값으로 하였다. 그 결과 그림 16과 같이 벤토나이트와 소석회의 혼합비가 증가함에 따라 투수계수가 감소하는 경향을 나타내었다. 그림 16으로부터 하수슬러지 소각재에 벤토나이트를 혼합한 경우 혼합비에 따른 최소투수계수는 각각 7.
- 88gf/cm3으로 혼합 전에 비해 11% 정도 증가하는 것으로 나타났다. 그림 13은 혼합비에 따른 최적함수비의 변화를 나타낸 것으로 혼합비가 증가할수록 최적함수비는 감소한다는 것을 알 수 있으며, 혼합비가 6:4에서 벤토나이트와 소석회를 혼합한 경우 최적함수비는 각각 62.0%와 60.4%로 혼합 전에 비해 각각 17.1%와 19.3% 정도 감소하는 것으로 나타났다.
- 51(박성영 등, 1998)에 비해서는 55% 정도 작은 값을 나타내고 있으므로 하수슬러지 소각재의 압축성은 비교적 적다고 판단된다. 또한, e-logp 곡선으로부터 재하단계 동안의 간극비 변화량의 비는 12.1%로 일반적인 연약점토에 비해 작은 값을 나타내었다.
- 01×10-8cm/sec로 즉, 하수슬러지 소각재에 소석회를 혼합하는 경우 차수재 기준을 만족하는 소석회의 혼합비는 약 30% 정도로 나타났다. 또한, 그림 16으로부터 벤토나이트를 혼합하는 경우 20%의 혼합비까지 투수계수 감소효과가 크며, 그 이후의 혼합비에서는 투수계수 감소효과가 저하되는 것으로 나타났다.
- 하수슬러지 소각재의 최대건조단위중량은 일반 토사에 비해 작게 나타나 경량 성토재로서 활용가능성이 있다고 판단된다. 또한, 수정 CBR값만을 기준으로 할 때 하수슬러지 소각재는 토공재료의 품질기준을 만족하고 있으며, 공시체 제작직후 하수슬러지 소각재의 일축압축강도는 복토재의 일축압축강도 기준을 만족하는 것으로 평가되었다.
- 하수슬러지 소각재 혼합차수재에 대한 투수시험 결과 벤토나이트와 소석회의 혼합비가 증가할수록, 시간 경과에 따라 투수계수는 감소하였다. 벤토나이트를 혼합하는 경우 차수재 기준을 만족하는 혼합비는 20% 정도로 나타났으며, 소석회의 경우 30% 정도로 평가되었다.
- 하수슬러지 소각재 혼합차수재에 대한 다짐시험결과 벤토나이트와 소석회의 혼합비가 증가함에 따라 최대건조단위중량은 증가하였으며, 최적함수비는 감소하였다. 용출시험결과 하수슬러지 소각재는 폐기물공정 시험법에서 제시하는 유해성 중금속이 기준치 이하로 나타남으로서 토공재로 활용시 중금속에 의한 문제는 없을 것으로 판단된다.
- 그림 9는 노상토 지지력 시험결과 하수슬러지 소각재에 대한 CBR과 건조단위중량과의 관계를 나타낸 것이다. 이로부터 4일 수침 후의 하수슬러지 소각재의 최대건조단위 중량의 95%에 대응하는 수정 CBR값은 14.3%로 도로공사 표준시방서(1986)에 규정되어 있는 토공용재료의 품질기준(하부노상 5이상, 상부노상 10이상)을 만족하는 높은 CBR 값을 갖고 있기 때문에 도로의 성토에 사용 가능할 것으로 여겨진다. 이러한 분석은 수정 CBR 값만을 기준으로 살펴본 것이므로 실제 시공가능성을 위해서는 내구성, 동상성에 관한 검토가 추가적으로 이루어져야 할 것으로 판단된다.
- 한편, 하수슬러지 소각재의 치환률이 20% 이상인 경우에는 흡수율이 17% 이상으로 품질기준을 초과하는 것으로 나타났다. 이상과 같이 하수슬러지 소각재의 치환률에 따른 점토벽돌에 대한 품질평가시험 결과 하수슬러지 소각재의 치환률이 5%인 경우 압축강도와 흡수율은 1종 점토벽돌 기준을 만족하고 있으며, 치환률이 10%인 경우에는 3종 점토벽돌 기준을 만족하는 것으로 나타났다.
- 점토벽돌에 대한 품질시험 결과 하수슬러지 소각재의 치환률이 증가함에 따라 압축강도는 감소하고, 흡수율은 증가하는 것으로 나타났다. 3종 점토벽돌의 품질기준을 만족하는 하수슬러지 소각재의 최대 치환률은 약 15%이며, 2종 벽돌의 품질기준을 만족하는 하수슬러지 소각재의 치환률은 9% 정도로 하수슬러지 소각재를 점토벽돌 재료로 재활용하는 경우 최대 치환률은 15% 정도라고 판단된다.
- 60×10-8cm/sec로 나타났다. 즉, 하수슬러지 소각재에 벤토나이트를 혼합하는 경우 차수재기준을 만족하는 벤토나이트의 혼합비는 약 20% 정도로 나타났으며, 이는 하수슬러지 소각재를 차수재로 사용하는 경우 혼합비의 기준치로 사용가능성이 있다고 생각된다. 한편, 하수슬러지 소각재에 소석회를 혼합한 경우 혼합비에 따른 최소투수계수는 각각 9.
- 하수슬러지 소각재에 대한 다짐시험결과 그림 3과 그림4에 나타낸 바와 같이 최대건조단위중량은 A다짐의 경우에 0.792gf/cm3을 나타내고 있으며, D다짐 결과 최대건조단위중량은 각각 0.870gf/cm3으로 나타났다. 이와 같이 다짐한 하수슬러지 소각재의 경량성은 원지반이 연약층일 경우 원지반의 침하와 관련하여 볼 때 그리고, 구조물의 뒷채움재로 사용할 경우 토압면에서 볼 때 일반토공재에 비하여 양호한 특성을 갖는다고 할 수 있다.
- 5배 정도의 큰 강도를 나타내었다. 하수슬러지 소각재에 대한 일축압축시험 결과 복토재의 일축압축강도 기준(0.5kgf/cm2)을 만족하고 있는 것으로 평가되었다.
- 하수슬러지 소각재의 액성한계는 99.5%이고, 소성지수는 23.8%로 그림 2의 소성도에 나타낸 것과 같이 하수슬러지 소각재는 액성한계 50% 이상인 B-line 이상과 A-line 이하에 분포하고 있어 소성적 성질이 크다는 것을 알 수 있다. 표 3은 하수슬러지 소각재에 대한 기본물성시험 결과를 나타낸 것이다.
- 이와 같이 다짐한 하수슬러지 소각재의 경량성은 원지반이 연약층일 경우 원지반의 침하와 관련하여 볼 때 그리고, 구조물의 뒷채움재로 사용할 경우 토압면에서 볼 때 일반토공재에 비하여 양호한 특성을 갖는다고 할 수 있다. 한편, 표준다짐시험결과 하수슬러지 소각재의 최적함수비는 74.8%로 나타났으며, 수정다짐시험에서는 66.5%로 표준다짐시험결과에 비해 8.3% 정도 작게 평가되었다.
- 즉, 하수슬러지 소각재에 벤토나이트를 혼합하는 경우 차수재기준을 만족하는 벤토나이트의 혼합비는 약 20% 정도로 나타났으며, 이는 하수슬러지 소각재를 차수재로 사용하는 경우 혼합비의 기준치로 사용가능성이 있다고 생각된다. 한편, 하수슬러지 소각재에 소석회를 혼합한 경우 혼합비에 따른 최소투수계수는 각각 9.11×10-7, 4.03×10-7, 9.95×10-8, 6.01×10-8cm/sec로 즉, 하수슬러지 소각재에 소석회를 혼합하는 경우 차수재 기준을 만족하는 소석회의 혼합비는 약 30% 정도로 나타났다. 또한, 그림 16으로부터 벤토나이트를 혼합하는 경우 20%의 혼합비까지 투수계수 감소효과가 크며, 그 이후의 혼합비에서는 투수계수 감소효과가 저하되는 것으로 나타났다.
- 43%로 3종 점토벽돌의 기준을 만족하고 있다. 한편, 하수슬러지 소각재의 치환률이 20% 이상인 경우에는 흡수율이 17% 이상으로 품질기준을 초과하는 것으로 나타났다. 이상과 같이 하수슬러지 소각재의 치환률에 따른 점토벽돌에 대한 품질평가시험 결과 하수슬러지 소각재의 치환률이 5%인 경우 압축강도와 흡수율은 1종 점토벽돌 기준을 만족하고 있으며, 치환률이 10%인 경우에는 3종 점토벽돌 기준을 만족하는 것으로 나타났다.
후속연구
- 3%로 도로공사 표준시방서(1986)에 규정되어 있는 토공용재료의 품질기준(하부노상 5이상, 상부노상 10이상)을 만족하는 높은 CBR 값을 갖고 있기 때문에 도로의 성토에 사용 가능할 것으로 여겨진다. 이러한 분석은 수정 CBR 값만을 기준으로 살펴본 것이므로 실제 시공가능성을 위해서는 내구성, 동상성에 관한 검토가 추가적으로 이루어져야 할 것으로 판단된다.
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