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문제 정의
- 폐타이어 분말의 사용은 폐타이어 분말을 재활용할 뿐만 아니라 단위중량을 조절할 수 있는 장점이 있다. 따라서 본 논문에서는 준설토와 폐타이어 분말을 재활용하기 위하여 경량성이 확보된 폐타이어 혼합경량토를 개발하고자 하였다. 또한 이러한 폐타이어 혼합경량토의 역학적 특성을 개선하기 위하여 저회를 혼합하였다.
- 따라서 본 논문에서는 준설토와 폐타이어 분말을 재활용하기 위하여 경량성이 확보된 폐타이어 혼합경량토를 개발하고자 하였다. 또한 이러한 폐타이어 혼합경량토의 역학적 특성을 개선하기 위하여 저회를 혼합하였다. 폐타이어 분말 함량과 저회의 혼합 유무에 따른 폐타이어 혼합경량토의 역학적 특성을 분석하기 위하여 직접전단시험과 SEM분석 등과 같은 실내시험을 통해 전단특성에 대한 연구를 수행하였다.
가설 설정
- 반면 Fig. 15(b)와 같이 저회가 혼합된 경우에는 다른 재료에 비해 저회와 폐타이어 분말 입자가 상대적으로 크다. 즉 폐타이어 분말-저회 입자간의 억물림이 지배적이다.
제안 방법
- 0으로 나타났다. XRF(X-ray Fluorescence)와 XRD(X-ray Diffractogram)를 통해 저회의 화학적 성분 및 주요결정상을 파악하였다. Table 2는 XRF분석 결과로부터 얻은 저회의 화학적 구성성분을 나타낸 것으로 주요성분이 Silica(SiO2)와 Alumina(Al2O3)로 나타났다.
- 본 연구에서는 삼천포 화력발전소에서 발생한 저회를 이용하였으며, 일관된 시험결과를 얻기 위해 저회를 No. 4체에 통과시켜 자갈크기의 입자를 배제하였다. 저회 비중은 2.
- 산업폐기물을 지반공학적 재료로 재활용하기 위해 준설토, 폐타이어 분말 및 저회를 사용하여 폐타이어 혼합경량토를 제작하였다. 저회가 혼합된 또는 혼합되지 않은 폐타이어 혼합경량토의 전단 특성을 파악하기 위해 직접전단시험과 SEM 분석을 수행하였으며, 실험을 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 수직응력과 전단강도 관계를 통해 Fig. 11과 Fig. 12와 같이 내부마찰각과 점착력을 산출하였다. 저회 비혼합 폐타이어 혼합경량토의 내부마찰각은 25°에서 37°의 범위를 나타내었으며, 저회 혼합 폐타이어 혼합경량토의 내부마찰각은 26°에서 46°의 범위를 나타내었다.
- 산업폐기물을 지반공학적 재료로 재활용하기 위해 준설토, 폐타이어 분말 및 저회를 사용하여 폐타이어 혼합경량토를 제작하였다. 저회가 혼합된 또는 혼합되지 않은 폐타이어 혼합경량토의 전단 특성을 파악하기 위해 직접전단시험과 SEM 분석을 수행하였으며, 실험을 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 준설토 함수비와 시멘트 함량은 각각 140% 및 시멘트 20%이다. 저회의 혼합 유무에 따라 폐타이어 분말 함량을 0%에서 100%까지 25%씩 증가시켜 폐타이어 혼합경량토 공시체를 제작하였다.
- 저회의 혼합 유무와 폐타이어 분말 함량에 따른 폐타이어 혼합경량토의 전단특성을 비교 분석하기 위해 제작된 공시체에 대해 직접전단시험을 수행하였다. 직접전단시험의 수평하중은 최대 4.
- 01mm, 최대 측정 변위량은 20mm까지 가능하다. 전단시 수직응력을 30kPa, 60kPa, 90kPa 및 120kPa로 가한 후 전단시험을 진행하였다. 전단시 전단변형률은 1.
- 이때의 재료별 함량은 건조된 준설토 중량에 대한 비율이다. 준설토 함수비, 시멘트 및 저회의 함량은 단위중량 및 유동특성을 고려한 예비실험 결과를 바탕으로 결정되었다. 준설토 함수비와 시멘트 함량은 각각 140% 및 시멘트 20%이다.
- 또한 이러한 폐타이어 혼합경량토의 역학적 특성을 개선하기 위하여 저회를 혼합하였다. 폐타이어 분말 함량과 저회의 혼합 유무에 따른 폐타이어 혼합경량토의 역학적 특성을 분석하기 위하여 직접전단시험과 SEM분석 등과 같은 실내시험을 통해 전단특성에 대한 연구를 수행하였다.
- 폐타이어 분말 함량에 따른 폐타이어 혼합경량토의 입자구조 및 결합상태를 조사하기 위해 Fig. 6과 같이 SEM 분석을 실시하였다. Fig.
대상 데이터
- 폐타이어 분말은 C사에서 제조한 타이어 분말로서 상온에서 절단 분쇄된 타이어 조각을 동결조(Freezer, −120℃)에 투입하여 유리온도(Tg = −68℃) 이하에서 동결 분쇄한 것이다. 본 연구에 사용된 폐타이어 분말 사진은 Fig. 2와 같다. 50배 확대한 SEM 사진을 통해 폐타이어 조각이 모난 형상을 가지고 있다는 것을 알 수 있다.
- 본 연구에서 사용된 준설토는 부산신항 배후부지에서 채취된 것으로 기본적인 물리적 특성은 실내 물성시험을 통해 파악되었다. 준설토 물성시험 결과는 Table 1과 같으며, 통일분류법(USCS)으로 분류하면 CL로 나타났다.
- Federal Highway Administration(1998)은 폐타이어 형태와 입경크기에 따라 Shredded tire, Chipped tire, Ground rubber 및 Crumb rubber 로 분류하고 있다. 본 연구에서 이용한 폐타이어 종류는 Crumb rubber에 해당된다.
- 또한 시공전에 현장에서 직접 발포해야 하는 공간적 제약도 따르고 있다. 본 연구에서는 경량 혼합토의 경량성 확보를 위해 필수적인 기포를 대체하기 위하여 경량성 재료인 폐타이어 분말을 사용하였다. 폐타이어 분말의 사용은 폐타이어 분말을 재활용할 뿐만 아니라 단위중량을 조절할 수 있는 장점이 있다.
- 준설토 물성시험 결과는 Table 1과 같으며, 통일분류법(USCS)으로 분류하면 CL로 나타났다. 준설토는 No. 200 체 통과율이 81.2%로 점토성분에 실트가 함유된 실트질 점토이다.
- 직접전단시험을 수행하기 위한 전단시험용 시편은 Fig. 4와 같이 직육면체 형태(100cm×100cm×60cm)로 제작되었다.
이론/모형
- 여기서 dH는 연직변위, dD는 수평변위이다. 이와 같이 본 연구에선 Taylor(1948)가 제안한 마찰계수 산출법을 통해 Fig. 14와 같이 마찰계수를 구하였다. 전체적으로 저회가 포함된 경우가 포함되지 않은 경우보다 더 큰 마찰계수를 가진다.
성능/효과
- (1) 폐타이어 혼합경량토의 단위중량은 저회가 포함된 경우에는 15kN/m3~12kN/m3, 저회가 혼합되지 않은 경우에는 14kN/m3~11kN/m3의 범위이다. 동일한 폐타이어 함량에서 저회가 혼합됨에 따라 단위중량이 약 1kN/m3 증가하였다.
- (2) 저회에 포함된 화학적 성분으로 인한 포졸란 반응과 저회의 마찰 및 억물림 특성 때문에 저회 혼합 폐타이어 혼합경량토가 저회 비혼합 폐타이어 혼합경량토보다 더 큰 전단강도 및 전단강도 정수를 가진다. 저회 비혼합 폐타이어 혼합경량토보다 저회 혼합 폐타이어 혼합경량토의 전단강도는 약 1.
- (3) SEM 분석을 통한 폐타이어 혼합경량토의 입자구조를 살펴보면, 폐타이어 분말 함량이 증가함에 따라 침상모양의 포졸란 반응 생성물은 뚜렷이 나타나지 않으며, 입자구조가 치밀하지 않는 것으로 나타났다. 폐타이어 분말 혼합은 시멘트와 저회의 고화작용 및 화학적 결합을 저해하는 것으로 판단된다.
- (4) 폐타이어 분말 함량이 증가함에 따라 잔류응력비는 증가한다. 이를 통해 폐타이어 분말은 혼합경량토의 거동을 연성적으로 개선하는데 도움을 주는 것으로 판단된다.
- (5) 저회 비혼합 폐타이어 혼합경량토의 내부마찰각은 25°~37°범위이며, 저회 혼합 폐타이어 혼합경량토의 내부마찰각은 26°~46° 범위이다.
- 아직까지 저회에 대한 재활용 비율이 낮을 뿐만 아니라, 저회의 재활용 방안에 대한 연구도 미미한 수준이다. 그러나 저회를 재활용할 경우, 저회에 포함된 화학적 구성성분에 의한 포졸란 반응으로 인해 보강효과 뿐만 아니라 장기적으로 내구성 증대에도 도움을 주는 것으로 나타났다. Fig.
- 저회가 혼합되지 않은 경우 폐타이어 분말 함량에 따른 단위중량은 약 14kN/m3에서 11kN/m3의 범위를 보이고 있고, 저회가 혼합된 경우에는 단위중량이 약 15kN/m3에서 12kN/m3로 선형적으로 감소한다. 동일한 폐타이어 함량에서 저회의 혼합 유무에 따라 약 1kN/m3의 단위중량 차이를 보이며, 폐타이어 분말 함량이 0%에서 100%로 증가함에 따라 단위중량이 약 20% 정도 감소하는 것으로 나타났다.
- Table 2는 XRF분석 결과로부터 얻은 저회의 화학적 구성성분을 나타낸 것으로 주요성분이 Silica(SiO2)와 Alumina(Al2O3)로 나타났다. 또한 XRD분석 결과로부터 얻은 주요결정상은 Quartz(SiO2)와 Mullite(Al2O3․2SiO2)로 나타났다. 저회의 특성은 연소되는 석탄의 종류와 연소조건 등에 의존하며 같은 발전소에서 발생한 저회라도 발생한 시간이 다르면 성분이 다른 특징이 있다 (Kumar et al.
- 수직응력이 증가할수록 전단강도는 증가하는 것으로 나타났다. 또한 수직응력이 30kPa에서 120kPa로 증가함에 따라 저회 비혼합 폐타이어 혼합경량토에 대한 평균 전단강도는 92kPa에서 139kPa로 증가하였고, 저회 혼합 폐타이어 혼합경량토의 평균 전단강도는 126kPa에서 191kPa의 범위를 나타내었다.
- 두 경우 모두 폐타이어 분말 함량이 증가함에 따라 전단강도는 약간씩 감소하는 경향을 나타내고 있으며, 동일한 폐타이어 분말 함량에서 수직응력이 증가함에 따라 전단강도는 증가하는 경향을 나타내고 있다. 또한 저회 혼합 폐타이어 혼합경량토가 저회 비혼합 폐타이어 혼합경량토보다 더 큰 전단강도를 나타냄으로써 저회가 전단강도 증진에 도움이 됨을 알 수 있다.
- 저회 비혼합 폐타이어 혼합경량토의 내부마찰각은 25°에서 37°의 범위를 나타내었으며, 저회 혼합 폐타이어 혼합경량토의 내부마찰각은 26°에서 46°의 범위를 나타내었다. 또한 폐타이어 분말 함량이 25%일 때 가장 높은 내부마찰각을 나타내었으며, 이후 폐타이어 분말의 함량이 증가함에 따라 감소하는 경향을 나타내고 있다. 이와 같은 결과는 폐타이어 분말 함량이 증가함에 따라 시멘트의 고화작용 및 저회의 화학적 결속력이 저하되기 때문인 것으로 판단된다.
- 일반적으로 폐타이어 혼합경량토는 직접전단시험에서 팽창거동을 한다. 수직응력과 폐타이어 분말 함량이 각각 증가함에 따라 전단시 최대팽창 변위량은 감소하는 경향을 나타내고 있고, 저회가 혼합된 경우가 혼합되지 않은 경우에 비해 더 큰 팽창변위량을 나타내었다. 일반적으로 변형은 개개의 입자의 변형, 부서짐, 미끄러짐 및 구름 작용에 의한 상대적 변형에 의해 발생된다.
- 10은 저회의 혼합 유무에 대한 폐타이어 혼합경량토의 전단시험결과로서 수직응력에 대한 전단강도 관계를 나타낸 것이다. 수직응력이 증가할수록 전단강도는 증가하는 것으로 나타났다. 또한 수직응력이 30kPa에서 120kPa로 증가함에 따라 저회 비혼합 폐타이어 혼합경량토에 대한 평균 전단강도는 92kPa에서 139kPa로 증가하였고, 저회 혼합 폐타이어 혼합경량토의 평균 전단강도는 126kPa에서 191kPa의 범위를 나타내었다.
- 0mm로서 균질한 입도분포를 나타낸다. 저회의 혼합과 폐타이어 분말 함량이 증가함에 따라 200번체 통과량이 감소하는 것으로 나타났다. 또한 저회가 포함되지 않은 경우(BAi 0%)의 입도분포곡선은 결손 입도분포를 나타내고 있다.
- 준설토 함수비, 시멘트 및 저회의 함량은 단위중량 및 유동특성을 고려한 예비실험 결과를 바탕으로 결정되었다. 준설토 함수비와 시멘트 함량은 각각 140% 및 시멘트 20%이다. 저회의 혼합 유무에 따라 폐타이어 분말 함량을 0%에서 100%까지 25%씩 증가시켜 폐타이어 혼합경량토 공시체를 제작하였다.
- 일반적으로 변형은 개개의 입자의 변형, 부서짐, 미끄러짐 및 구름 작용에 의한 상대적 변형에 의해 발생된다. 폐타이어 분말이 가지고 있는 압축적인 성질로 인해 전단시 입자사이의 구름 작용이 억제되어 폐타이어 분말 함량이 증가함에 따라 팽창변위가 감소되는 결과를 나타내었다. 이와 반대로 저회가 가지고 있는 굵은 입자의 억물림(Interlocking) 특성으로 인해 저회가 혼합된 경우가 저회가 혼합되지 않은 경우 보다 전단시 더 큰 팽창 변위를 보였다.
- 13는 폐타이어 분말의 함량과 수직응력에 따른 잔류응력비를 나타낸 것으로서 저회가 혼합되지 않은 경우와 혼합된 경우 모두 폐타이어 함량과 수직응력이 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내고 있다. 폐타이어 혼합경량토의 잔류응력비 결과를 통해 폐타이어 분말은 혼합경량토의 거동을 연성적으로 개선하는데 도움을 주는 것으로 판단된다. 잔류응력비의 범위는 저회가 혼합되지 않은 경우에는 0.
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