최근 우리나라는 산업화와 현대화 및 인구의 증가와 더불어 과학기술의 발전은 주목할만한 수준에 이르렀다. 특히 과학기술에 의한 급속한 성장으로 인해 부가적으로 쓰레기 매립지의 설치에 대한 부담을 가중시키고 있다. 본 연구는 동결/융해하는 동안 매립층의 거동에 대한 기본적인 지식을 제공하고 문제점을 명백히 규명하는데 있다. 본 연구를 위하여 현장의 매립지와 유사한 기후조건 및 경계조건, 강우조건 등을 재현하는 대형 실내모형장비를 사용하였다. 점토와 시멘트, 무기물 광물을 혼합하여 제작된 고화처리층은 지지력을 목적으로 하는 45cm의 고화토층과 차수를 목적으로 하는 30cm의 불투수층의 $P_A$와 $P_B$층으로 구성되었으며 고화처리층 하부에는 30cm의 지하수 배제층, 상부에는 60cm의 침출수 집배수층으로 설계하였다.
최근 우리나라는 산업화와 현대화 및 인구의 증가와 더불어 과학기술의 발전은 주목할만한 수준에 이르렀다. 특히 과학기술에 의한 급속한 성장으로 인해 부가적으로 쓰레기 매립지의 설치에 대한 부담을 가중시키고 있다. 본 연구는 동결/융해하는 동안 매립층의 거동에 대한 기본적인 지식을 제공하고 문제점을 명백히 규명하는데 있다. 본 연구를 위하여 현장의 매립지와 유사한 기후조건 및 경계조건, 강우조건 등을 재현하는 대형 실내모형장비를 사용하였다. 점토와 시멘트, 무기물 광물을 혼합하여 제작된 고화처리층은 지지력을 목적으로 하는 45cm의 고화토층과 차수를 목적으로 하는 30cm의 불투수층의 $P_A$와 $P_B$층으로 구성되었으며 고화처리층 하부에는 30cm의 지하수 배제층, 상부에는 60cm의 침출수 집배수층으로 설계하였다.
Recently, Korea brings to remarkable levels about industrialization, modernization, population and development of technology. Especially, the rapidly growing from this technology has increased the burden on existing industrial waste landfills. The purpose of this research is to existing knowledge ba...
Recently, Korea brings to remarkable levels about industrialization, modernization, population and development of technology. Especially, the rapidly growing from this technology has increased the burden on existing industrial waste landfills. The purpose of this research is to existing knowledge base of landfill cover liner behavior during periods freeze/thaw. Although these tests have been invaluable in clarifying the problem of freeze/thaw, extending the results of such experimental studies to prototype landfills are questionable. For this investigation, the author utilized a large scale laboratory simulation allowing inclusion of the field depth of the cover systems, layered soil profiles, rainfall simulation, a cold climate and boundary conditions similar to those encountered in the landfill. And the soil materials used stabilized soils (mixed clays, cements, and minerals) instead of clays. The bottom liners are made up of drainage layer (30cm), stabilized layer (75cm), and leach collection layer (60cm). The stabilized layers are made up of supporting layer (45cm) and impermeable layer (30cm) - consisted of $P_A$ and $P_B$ layer.
Recently, Korea brings to remarkable levels about industrialization, modernization, population and development of technology. Especially, the rapidly growing from this technology has increased the burden on existing industrial waste landfills. The purpose of this research is to existing knowledge base of landfill cover liner behavior during periods freeze/thaw. Although these tests have been invaluable in clarifying the problem of freeze/thaw, extending the results of such experimental studies to prototype landfills are questionable. For this investigation, the author utilized a large scale laboratory simulation allowing inclusion of the field depth of the cover systems, layered soil profiles, rainfall simulation, a cold climate and boundary conditions similar to those encountered in the landfill. And the soil materials used stabilized soils (mixed clays, cements, and minerals) instead of clays. The bottom liners are made up of drainage layer (30cm), stabilized layer (75cm), and leach collection layer (60cm). The stabilized layers are made up of supporting layer (45cm) and impermeable layer (30cm) - consisted of $P_A$ and $P_B$ layer.
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문제 정의
그러나 매립지 바닥층의 시공에 있어서 고화처리토를 이용한 표층고화처리층을 바닥층의 재료로 사용하기 위한 역학적인 안전성에 대한 기술적 자료가 전무한 실정이며 고화처리토를 바닥층으로 사용한 겨울철 동상에 대한 연구문헌 및 사례는 쉽게 찾아볼 수 없었다. 따라서 본 조사연구를 통하여 기초적인 자료를 수집하고 겨울철 조건하에 고화처리층의 동결/융해 현상에 대한 바닥층의 안전성 및 동상현상을 검토하여 설계 및 시공에 반영될 수 있도록 하였다. 매립지 현장에서 점성토에 의한 바닥층은 높은 흡착성과 저투수성 확보, 내구성이 길다는 장점이 있지만, 공사관리 및 여름철의 건조수축과 겨울철의 동상에 따른 균열 그리고 강우나 침출수가 유입되면 환경오염을 초래할 수 있으므로 다각적인 통제와 관리를 꾸준히 해야하는 단점이 있다.
본 연구는 동상방지를 위하여 실내에서 7가지 설계 및 현장모형 실험을 통한 동결깊이를 지배하는 인자로서 함수비, 다짐상태, 동결/융해 시간 등에 따른 바닥층의 동결깊이의 변화를 관찰하고 양생포, PVC, 부직포의 사용에 의한 동결깊이의 차이와 변화를 비교하였다.
본 연구에서는 매립지 바닥층에 대한 점토포설의 대안으로 기존의 원지반 점토에 시멘트와 벤토나이트 및 고화재를 혼합한 새로운 고화처리토를 이용하여 안전하고 경제적이며 효율적인 바닥층을 조성하고자 한다. 그러나 매립지 바닥층의 시공에 있어서 고화처리토를 이용한 표층고화처리층을 바닥층의 재료로 사용하기 위한 역학적인 안전성에 대한 기술적 자료가 전무한 실정이며 고화처리토를 바닥층으로 사용한 겨울철 동상에 대한 연구문헌 및 사례는 쉽게 찾아볼 수 없었다.
본 연구에 사용된 고화처리토는 쏘일시멘트와 고화재를 적절히 혼합한 것으로 하부 고화토층은 지지력을 향상시켜 매립하중에 따른 국부적인 침하를 방지하여 균등침하를 유도하고 상부 차수층은 성질이 다른 PA, PB 층에 대하여 반응물질의 화학적인 상호작용에 의한 자가차수기능을 발생시켜 차수기능을 한층 강화하였다. 본 연구에서는 표층 고화처리층에 대하여 다양한 조건을 모사하여 매립지 바닥층의 재료로서 타당성을 규명하고자 한다.
제안 방법
Lysimeter 외벽에는 Thermocouple를 외부에서 삽입할 수 있도록 직경 3mm 정도의 구멍을 뚫었으며 Lysimeter 천장에는 인공강우에 의한 고화처리층의 거동을 비교하기 위하여 35～40mm/hr의 강우강도를 유지하면서 살수할 수 있는 스프링 클러를 설치하였다. 인공강우는 1일 평균 20mm의 강우를 살수하는 것을 기준으로 하였다.
2.2 인공강우
강우조건에 따른 고화처리층의 동결/융해 반복실험에서 바닥층의 거동에 대한 영향인자를 비교하기 위하여 Lysimeter 천장에 설치한 스프링클러를 통하여 인공강우를 살수하였다
.
동결/융해 반복 실험하는 동안 고화처리층의 동결거동과 동결깊이를 관찰하기 위하여 고화처리층에 표7과 같이 Lysimeter의 바닥을 기준으로 각각의 위치에 Thermocouple을 삽입하였다. 대기의 온도는 대기용 Thermocouple을 Lysimeter 천장에 설치하여 동결/융해 반복실험을 하는 동안 대기의 온도를 관찰하였다.
0m)를 제작하여 실험을 실시하였다. 대형 Lysimeter는 동결 시 대기온도를 영하 20℃까지 유지할 수 있도록 설계하였고 외부온도에 의한 내부기온의 상승을 최대한 억제하기 위하여 Lysimeter 벽체 사이에 50mm의 단열재를 삽입하였다. Lysimeter는 동결조건에 따른 원하는 온도를 영하 20℃까지 선택하여 설정할 수 있으며 타이머가 부착되어 동결시간을 자동으로 조절할 수 있고 동결이 완료되면 융해단계로 진행되어 Lysimeter는 자동으로 정지하도록 되어있다.
동결/융해 반복 실험하는 동안 고화처리층의 동결거동과 동결깊이를 관찰하기 위하여 고화처리층에 표7과 같이 Lysimeter의 바닥을 기준으로 각각의 위치에 Thermocouple을 삽입하였다. 대기의 온도는 대기용 Thermocouple을 Lysimeter 천장에 설치하여 동결/융해 반복실험을 하는 동안 대기의 온도를 관찰하였다.
동결/융해 실험을 통하여 바닥층에 대한 영향을 관찰하기 위해서 영하 20℃까지 유지하고 현장성에 부합되는 대형 Lysimeter(1.0m×1.5m×2.0m)를 제작하였다. 먼저 직경이 25～40mm인 쇄석으로 지하수 배제층을 3회에 걸쳐 포설하여 충분히 다진 후 상부의 고화토층과 재료를 분리하기 위하여 지하수 배제층 위에 중량이 700g/cm2인 부직포 1장을 포설한후 고화처리층을 포설하여 인력다짐을 실시하였다.
인공강우는 1일 평균 20mm의 강우를 살수하는 것을 기준으로 하였다. 또한 동결시간은 우리나라 기후조건의 3한4온을 고려하여 동결 3일, 융해 3일을 기준으로 실험을 실시하였다.
0m)를 제작하였다. 먼저 직경이 25～40mm인 쇄석으로 지하수 배제층을 3회에 걸쳐 포설하여 충분히 다진 후 상부의 고화토층과 재료를 분리하기 위하여 지하수 배제층 위에 중량이 700g/cm2인 부직포 1장을 포설한후 고화처리층을 포설하여 인력다짐을 실시하였다. 사용된 시료는 최적함수비를 유지하여 질량이 26.
본 연구에서는 최적함수비상태의 바닥층 조건과 인위적으로 강우를 상부에서 투여하여 함수비 조건을 달리한 Closed system을 실시하였다.
실내다짐은 ASTM D-698 규정에서 제시한 표준다짐시험을 실시하여 최대건조단위중량과 최적함수비를 구하였고 모래치환법에 의한 들밀도시험을 실시하여 Lysimeter 실내실험에 대한 상대다짐도를 구하였다. 상대다짐도는 현장의 시공성을 반영하여 대형 Lysimeter를 이용한 실내모형실험의 건조단위중량과 비교하여 산정하였다.
실내다짐은 ASTM D-698 규정에서 제시한 표준다짐시험을 실시하여 최대건조단위중량과 최적함수비를 구하였고 모래치환법에 의한 들밀도시험을 실시하여 Lysimeter 실내실험에 대한 상대다짐도를 구하였다. 상대다짐도는 현장의 시공성을 반영하여 대형 Lysimeter를 이용한 실내모형실험의 건조단위중량과 비교하여 산정하였다.
2kg, 30cm×30cm 인 정방형 철판으로 45cm의 고화토층과 각각 15cm의 차수층인 PA, PB 층, 그리고 60cm의 침출수 집배수층을 인력으로 다짐하였다. 이러한 대형 Lysimeter를 이용한 실험은 실제 현장에서 설계된 전체 165cm의 바닥층을 포설하고 그 위에 Carbon black으로 처리한 1000g/m2의 부직포를 포설하여 동결/융해 실험을 반복적으로 수행하였다.
인공강우는 연평균 강수량을 기준으로 1일 강우량을 20mm로 산정하고 강우강도는 35～40mm/hr 정도 유지할 수 있도록 조정하였고 동결 전에 살수하여 바닥층에 완전히 스며든 후에 실험을 실시하였다.
지하수 배제층과 고화처리층 및 침출수 집배수층을 포설한 후 다음과 같이 강우조건, 양생포, PVC 그리고 부직포를 포설하여 단계별 실험을 수행하였다. 즉,
대상 데이터
고화처리층의 바닥에 삽입한 Thermocouple은 미국의 Cole-Parmer 社에서 제작된 것으로 -250℃～ 1260℃ 까지 측정이 가능한 전선모양의 K-type을 사용하였다. Thermocouple은 용도에 따라 바닥층의 온도를 감지하는 일반용과 대기용으로 구분된다.
먼저 직경이 25～40mm인 쇄석으로 지하수 배제층을 3회에 걸쳐 포설하여 충분히 다진 후 상부의 고화토층과 재료를 분리하기 위하여 지하수 배제층 위에 중량이 700g/cm2인 부직포 1장을 포설한후 고화처리층을 포설하여 인력다짐을 실시하였다. 사용된 시료는 최적함수비를 유지하여 질량이 26.2kg, 30cm×30cm 인 정방형 철판으로 45cm의 고화토층과 각각 15cm의 차수층인 PA, PB 층, 그리고 60cm의 침출수 집배수층을 인력으로 다짐하였다. 이러한 대형 Lysimeter를 이용한 실험은 실제 현장에서 설계된 전체 165cm의 바닥층을 포설하고 그 위에 Carbon black으로 처리한 1000g/m2의 부직포를 포설하여 동결/융해 실험을 반복적으로 수행하였다.
(1) 원지반토의 토성치
토성시험에 사용된 원지반토는 원지반 해성점토로서 점성이 약하고 유기물이 다소 포함된 점성토이다
. 원지반토는 액성한계 22.
현장성에 부합되는 동결조건을 갖추기 위하여 대형 Lysimeter(1.0m×1.5m×2.0m)를 제작하여 실험을 실시하였다. 대형 Lysimeter는 동결 시 대기온도를 영하 20℃까지 유지할 수 있도록 설계하였고 외부온도에 의한 내부기온의 상승을 최대한 억제하기 위하여 Lysimeter 벽체 사이에 50mm의 단열재를 삽입하였다.
성능/효과
(1) 인공강우를 고려한 설계에서 일반적으로 동결깊이가 큰 것으로 나타났다. 이것은 동일한 바닥층의 조건에서 바닥층의 함수비가 증가하면 동결깊이가 커진다는 동결이론에 부합되는 결과이다.
(2) 바닥층에 양생포 또는 양생포+PVC를 포설한 경우에는 포설하지 않은 경우보다 약 60% 이상 동결깊이가 감소하였고 바닥층 전체에 대하여 부직포를 포설한 경우에서는 침출수 집배수층을 쇄석만으로 포설한 설계 보다 바닥층 전체에 걸쳐서 약 2～6 ℃정도 온도가 상승하는 결과를 나타내었다. 이것은 양생포와 PVC를 포설하면 바닥층을 보호하고 보온효과가 발생하여 동결방지에 큰 영향을 주며 완성된 바닥층 상부에 Carbon black 처리한 부직포를 포설한다면 동결에 보다 안전한 효과를 기대 할 수 있다.
(3) 침출수 집배수층을 모래로 포설한 설계는 쇄석보다 바닥층의 평균온도가 더욱 높고 동결속도가 현저하게 지연되는 효과를 나타내고 있다.
침출수 집배수층 위에 Carbon black 처리한 직포를 포설한 Design6의 온도경사는 Design5와 유사한 분포를 나타내고 있으나 온도변화는 Design5와 비교하여 전반적으로 2～6 ℃정도 상부층으로 갈수록 바닥층의 온도가 상승하는 보온효과를 얻을 수 있었다. 그래서 바닥층 포설이 완료된 후 상부 배제층 위에 Carbon black 처리된 부직포를 포설한다면 부직포에 작용하는 보온성에 의해 동결에 의한 동상 방지와 동상에 따른 바닥층의 균열을 최소화하는데 효과가 있는 것으로 나타났다.
또한 Design1과 Design2*의 온도변화는 점선으로 표시된 융해부분과 실선으로 표시된 동결부분이 선형으로 증감하는 것으로 나타났다. 이러한 사실은 온도변화의 중감이 일정하다는 것을 나타낸다.
본 연구에 사용된 고화처리토는 쏘일시멘트와 고화재를 적절히 혼합한 것으로 하부 고화토층은 지지력을 향상시켜 매립하중에 따른 국부적인 침하를 방지하여 균등침하를 유도하고 상부 차수층은 성질이 다른 PA, PB 층에 대하여 반응물질의 화학적인 상호작용에 의한 자가차수기능을 발생시켜 차수기능을 한층 강화하였다. 본 연구에서는 표층 고화처리층에 대하여 다양한 조건을 모사하여 매립지 바닥층의 재료로서 타당성을 규명하고자 한다.
한편, 침출수 집배수층에 대하여 쇄석 대신 모래를 사용한 Design7은 바닥층의 동결깊이와 동상현상이 전혀 나타나지 않았다. 주목할 것은 Design5와 Design6에 비해서 동결속도가 현저하게 지연되는 것으로 나타났다.
그래서 바닥층 전체에 대하여 동결/융해 반복횟수를 증가하더라도 동결이나 융해시 바닥층 전체의 동결깊이와 거동에 따른 영향인자의 변화가 거의 없었다. 침출수 집배수층 위에 Carbon black 처리한 직포를 포설한 Design6의 온도경사는 Design5와 유사한 분포를 나타내고 있으나 온도변화는 Design5와 비교하여 전반적으로 2～6 ℃정도 상부층으로 갈수록 바닥층의 온도가 상승하는 보온효과를 얻을 수 있었다. 그래서 바닥층 포설이 완료된 후 상부 배제층 위에 Carbon black 처리된 부직포를 포설한다면 부직포에 작용하는 보온성에 의해 동결에 의한 동상 방지와 동상에 따른 바닥층의 균열을 최소화하는데 효과가 있는 것으로 나타났다.
후속연구
앞에서 서술한 결론으로 보아 바닥층 시공 시 고화처리층만을 시공 후 겨울철을 보낸다면 겨울철 현장시공에서 동결에 의한 피해가 우려되며 바닥층의 보온을 위하여 바닥층에 양생포를 포설하거나 또는 강우나 강설에 대비하여 양생포와 PVC를 병행하여 포설한다면 동결깊이를 최대한 억제하는데 도움을 줄 수 있으리라 사료된다. 그러나 근본적인 고화처리층의 동상방지 대책으로 60cm의 침출수 집배수층과 Carbon black 처리한 부직포를 포설한 후 겨울철을 보내는 것이 바닥층 보호에 더욱 효과적이며 침출수 집배수층을 모래로 포설한다면 좋은 효과를 기대할 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
매립지 바닥층에 대한 점토포설의 대안으로 제안된 것은?
본 연구에서는 매립지 바닥층에 대한 점토포설의 대안으로 기존의 원지반 점토에 시멘트와 벤토나이트 및 고화재를 혼합한 새로운 고화처리토를 이용하여 안전하고 경제적이며 효율적인 바닥층을 조성하고자 한다. 그러나 매립지 바닥층의 시공에 있어서 고화처리토를 이용한 표층고화처리층을 바닥층의 재료로 사용하기 위한 역학적인 안전성에 대한 기술적 자료가 전무한 실정이며 고화처리토를 바닥층으로 사용한 겨울철 동상에 대한 연구문헌 및 사례는 쉽게 찾아볼 수 없었다.
차수층이 가지는 장점은?
차수층은 그림 1과 같이 두 개 이상의 상이한 물질을 포함하는 반응차수층을 서로 접촉시켜 불투수층인 생성차수층을 형성시키는 기능으로 접촉면 사이에 불투수층의 생성막이 형성되어 침출수에 대한 차단효과를 갖게 되며 차수층이 국부적으로 파괴되더라도 두 층간의 접촉에 따른 새로운 화학반응에 의하여 자가적으로 새로운 차수층이 생성되는 장점을 갖는다. 자가형성 및 자가치유 과정에 가장 큰 역할을 하는 반응차수층의 화학물질은 SiO2와 소량의 Mg성분을 포함한 실리카겔 무기물인 PA 층과 Ca(OH)2 가 주종을 이루는 칼슘계 무기물인 PB 층으로 이루어진다.
함수비, 다짐상태, 동결/융해 시간 등에 따른 바닥층의 동결깊이의 변화 및 양생포, PVC, 부직포의 사용에 의한 동결깊이의 차이와 변화에 대한 비교연구의 결과는?
(1) 인공강우를 고려한 설계에서 일반적으로 동결깊이가 큰 것으로 나타났다. 이것은 동일한 바닥층의 조건에서 바닥층의 함수비가 증가하면 동결깊이가 커진다는 동결이론에 부합되는 결과이다.
(2) 바닥층에 양생포 또는 양생포+PVC를 포설한 경우에는 포설하지 않은 경우보다 약 60% 이상 동결깊이가 감소하였고 바닥층 전체에 대하여 부직포를 포설한 경우에서는 침출수 집배수층을 쇄석만으로 포설한 설계 보다 바닥층 전체에 걸쳐서 약 2～6 ℃정도 온도가 상승하는 결과를 나타내었다. 이것은 양생포와 PVC를 포설하면 바닥층을 보호하고 보온효과가 발생하여 동결방지에 큰 영향을 주며 완성된 바닥층 상부에 Carbon black 처리한 부직포를 포설한다면 동결에 보다 안전한 효과를 기대 할 수 있다.
(3) 침출수 집배수층을 모래로 포설한 설계는 쇄석보다 바닥층의 평균온도가 더욱 높고 동결속도가 현저하게 지연되는 효과를 나타내고 있다.
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