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문제 정의
- 4 체를 통과시킨 시료를 사용하였으며, 단위중량 값을 배합비 별로 일치하게 하여 시험을 실시하였다. 그리고 프로브의 관입으로 인한 입자들의 공극율을 최소화하여 교란을 적게 일으켜 열전도도 값의 영향을 줄 수 있는 오차의 범위를 줄이고자 하였다. 그림 5, 6은 열전도도 측정 시험 및 프로브 삽입 전경을 나타낸 것이다.
- 본 연구에서는 열전도도(thermal conductivity) 시험을 실시 및 분석을 통하여 각 영향인자에 따른 열전도도 결과 값을 검토, 지중송전케이블의 송전시 발산되는 열을 외부에 효과적으로 방출시킬 수 있는 적정 배합비를 도출하고자 하였으며, 그 결과는 아래와 같다.
- 이에 본 연구에서는, 석탄회를 활용한 관거 뒤채움용 CLSM의 열전도도를 측정하여 각 영향인자에 관한 열전도도 결과를 검토하여 지중송전케이블의 송전시 발산되는 열을 외부에 효과적으로 방출시킬 수 있는 우수한 열전도도 값을 가지는 적정 배합비를 도출하고자 한다.
제안 방법
- 2.시간이 경과함에 따른 열전도도 값을 검토하기 위해 재령 7일과 28일에 측정된 열전도도 값을 비교하였다. 재령 7일 보다는 28일에 측정된 열전도도 값이 전체적으로 높은 경향을 나타내었으며, 평균 0.
- 프로브를 삽입하여 열원에 의한 시료 내 열 이동 특성을 감지하여 열전도도 측정을 실시하였다. 공시체의 크기는 직경 D = 100 높이 H = 200, 기건양생을 실시하였으며 재령 7일과 28일 측정하여 열전도도 값을 비교하였다. 본 시험에서는 각 공시체의 시료를 분말로 만들어 No.
- 따라서 초기강도 발현을 위해 시멘트량의 범위를 전체 중량 대비 약 7~11%로 선정하였다. 배합비는 정량적인 결과를 얻기 위하여 PA:FA = 80:20, 60:40, 20:80으로 선정하였고, 예비시험을 실시한 결과를 바탕으로 함수비는 유동성을 고려하여 각각 28%, 29%, 30%으로 하였으며, 표 3은 본 시험의 배합비를 나타낸다. 반면에, 배합비(PA:FA) = 100:0에서는 재료분리현상이 발생하여 공시체 형상이 유지되지 않아 강도 및 열전도도 측정이 불가 하였으며(천병식, 2011), 배합비 (PA:FA) = 0:100에서는 매립되어 가치가 없는 매립회를 많이 활용해야 하는 연구목적에 적합하지 않아 본 배합비에서 제외되었다.
- 배합비에 따른 열전도도 시험 결과 값을 알기위해 배합비에 따른 열전도도 결과를 분석하였다. 열전도도 시험 결과, 배합비(PA:FA) = 80:20에서는 0.
- 공시체의 크기는 직경 D = 100 높이 H = 200, 기건양생을 실시하였으며 재령 7일과 28일 측정하여 열전도도 값을 비교하였다. 본 시험에서는 각 공시체의 시료를 분말로 만들어 No. 4 체를 통과시킨 시료를 사용하였으며, 단위중량 값을 배합비 별로 일치하게 하여 시험을 실시하였다. 그리고 프로브의 관입으로 인한 입자들의 공극율을 최소화하여 교란을 적게 일으켜 열전도도 값의 영향을 줄 수 있는 오차의 범위를 줄이고자 하였다.
- 본 연구에서는 석탄회를 활용한 관거 뒤채움용 CLSM의 매립회와 비회의 상대적인 배합비, 재령, 함수비, 시멘트비에 따른 열전도도 결과 값을 분석 하였다. 열전도도 시험결과, 배합비(PA:FA) = 80:20에서는 0.
- 본 연구에서는 석탄회를 활용한 관거 뒤채움용 CLSM의 열전도도 측정 시험을 실시하였다.
- 본 연구에서는 석탄회를 활용한 관거 뒤채움용 CLSM의 열전도도 측정 시험을 실시하였다. 열전도도 값에 영향을 미치는 인자는 다양하지만 그 중에서도 매립회와 비회의 상대적인 배합비, 재령, 함수비 및 시멘트비에 따른 열전도도 결과 값의 변화를 검토하였다
- 재령에 따른 열전도도 값의 변화를 알기위해, 양생시간에 따른 열전도도 값을 비교하였다. 재령 7일과 28일의 열전 도도 값을 비교하였으며, 재령 7일 보다는 28일에 측정된 열전도도 값이 전체적으로 높은 경향을 나타내었다(그림 8참조).
- 003 W/mK의 정밀도 범위를 가진다. 측정값의 정확성을 높이기 위해 물을 측정하여 캘리브레이션을 한 후, 시험을 실시하였으며 두 번 이상 열전도도 값을 측정하여 열전도도 값에 신뢰성을 더하였다
- 본 연구에서 열전도도 시험은 ASTM D5334(Standardtest method for determination of thermal conductivity of soil and soft rock by thermal needle probe procedure)에 의거하여 실시하였다. 프로브를 삽입하여 열원에 의한 시료 내 열 이동 특성을 감지하여 열전도도 측정을 실시하였다. 공시체의 크기는 직경 D = 100 높이 H = 200, 기건양생을 실시하였으며 재령 7일과 28일 측정하여 열전도도 값을 비교하였다.
대상 데이터
- 즉, 매립되어 가치가 없는 석탄회를 대상으로 하였으며, 연구에 사용된 영흥화력발전본부의 석탄회를 다량으로 확보하여 입도 분포 및 물리·화학적 특성을 분석해 본 결과들은 표 1과 그림 2에 각각 나타내었다. 또한 본 시험에 사용된 매립회는 모래와 자갈의 분류기준(통일분류법 기준)인 4번체(4.75mm)를 통과한 시료들만 사용하였다. 이는 상대적으로 입도가 큰 미연탄소분이 제거 되면서 통과시키지 않을 때보다 강도가 약 13% 정도 증가하는 것으로 나타났다(천병식, 2009).
- 본 연구에서는 도심지의 급속시공이나 긴급공사 시에 조기 강도를 발현시킬 수 있는 조강 포틀랜트 시멘트를 사용하였다. 도로포장을 해야 하는 경우나 교통을 통제시키고 작업을 시행해야 하는 경우에는 초기강도가 중요한 변수가 된다(TRB, 2008).
- 본 연구에서는 영흥화력발전본부에서 부산되는 석탄회를 사용하였다. 석탄회의 대규모 재활용을 위해서는 회처리장에 매립되어 있는 매립회를 그대로 사용하는 것이 바람직하며, 발전에 사용하는 석탄의 종류와 매립시기에 따라 매립된 석탄회의 물리·화학적 특성이 상이한 것으로 알려져 있다(김주형 등, 2010).
- 즉, 매립되어 가치가 없는 석탄회를 대상으로 하였으며, 연구에 사용된 영흥화력발전본부의 석탄회를 다량으로 확보하여 입도 분포 및 물리·화학적 특성을 분석해 본 결과들은 표 1과 그림 2에 각각 나타내었다.
- 도로포장을 해야 하는 경우나 교통을 통제시키고 작업을 시행해야 하는 경우에는 초기강도가 중요한 변수가 된다(TRB, 2008). 지중에 있는 관거들은 대부분 도로를 따라 지중에 매설되어 있으므로 시공 시에 작업시간이 짧아야 되는 점을 고려하여 조강 포틀랜트 시멘트를 사용하였다. 표 2는 조강 포틀랜트 시멘트의 특성을 나타낸다.
이론/모형
- 본 시험에서는 열전도도를 측정하는 방법으로 탐침법(Needle Probe Method)을 사용하였다. 탐침법은 토사나 시료에 프로브(Probe)를 삽입하여 열원에 의한 시료 내 열 이동 특성을 감지하여 열전도도를 측정하는 방법이다.
- 본 연구에서 열전도도 시험은 ASTM D5334(Standardtest method for determination of thermal conductivity of soil and soft rock by thermal needle probe procedure)에 의거하여 실시하였다. 프로브를 삽입하여 열원에 의한 시료 내 열 이동 특성을 감지하여 열전도도 측정을 실시하였다.
- 본 연구에서는 열전도도를 측정하기 위한 시험기기로 ISOMET 2104를 사용하였다. 본 시험기기는 조작이 간편하며 15~20분 이내로 열전도도를 측정할 수 있다.
성능/효과
- 1.가장 높은 열전도도 값을 가지는 배합비는 PA:FA = 80:20, w = 28%, c = 7%로 열전도도 값은 0.884W/mK이며, 전체적으로 배합비 PA:FA = 80:20에서 높은 열전도도 값이 측정되었다. 매립회가 많을수록 높은 열전도도 값을 나타냈으며, 현재 회처리장에 매립되어지는 매립회의 양이 점차 증대되고 있는 현실에서 볼 때, 폐기물로 처리되고 있는 석탄회의 재활용 측면에서 긍정적인 결과로 판단된다.
- 3.시멘트비와 함수비의 증감에 따른 열전도도 값은 일관된 경향을 나타내지 않았는데 이는 함수비와 시멘트의 시험조건이 2~4% 이내로 크게 차이가 나지 않아 열전도도 결과 값에 크게 영향을 주지 않는 것이라 판단된다. 그리고 열전도도는 온도차에 의한 물질의 열전달 정도를 나타내는 물성 값으로서, 같은 종류의 물질이라도 작은 영향인자 즉, 프로브의 관입으로 인한 토사 내 수분 이동 및 재배치, 프로브를 중심으로 한 설치 및 셋팅 상의 오류, 다짐상태, 및 주위 환경적인 요인 등이 시험 결과에 영향을 미칠 수 있으므로 추가적인 시험 실시가 필요하다고 판단된다.
- 4.본 연구에서 개발된 관로 뒤채움용 CLSM의 열전도도는 배합비 PA:FA = 80:20, w = 28~30%, c = 7, 9, 11%에서 0.796~0.884W/mK로 나타내었으며 이는 표준사(0.248W/mK)에 비해 약 3배 이상으로 측정되는 바, 일반적으로 관로 뒤채움재로 쓰여지는 모래를 대신하여 석탄회를 활용한 CLSM을 전력 및 통신 등의 관거 뒤채움용으로의 활용성이 클 것으로 사료된다. 더하여, 석탄회를 활용한 관거 채움용 CLSM의 재굴착시, 폐기처분 되지 않고 굴착잔토로서 재활용이 가능할 것이라 사료된다.
- 119W/mK 만큼 차이나지만, 이는 상대적인 수치로서 크게 높거나 낮음을 판별한다는 것은 어렵다고 판단된다. 그리고 일축압축강도 측정 결과 재령 7일차 강도가 재령 28일차 강도의 70%까지 발현되는 것처럼 열전도도 결과 값도 마찬가지로 재령 7일과 28일의 값의 차이가 크게 나타나지 않는다고 판단된다. 이는 시간이 경과함에 따른 고화작용이 원인인 것으로 사료된다.
- 표 6은 본 시험에 앞서 측정된 단일재료의 열전도도 값을 나타낸 것이며, 표 7은 문헌으로 발표된 일반적인 열전도도 값의 사례를 예시한 것이다. 그리고 함수비와 시멘트비에 따른 열전도도 결과는 함수비 28~30%일 경우에는 함수비 차이가 2% 이내로 크지 않아본 시험의 열전도도 값에는 큰 영향을 주지 않는 것으로 판단되며, 시멘트비 역시 상기와 같은 이유로 열전도도 값에는큰 영향을 미치지 않는 것으로 판단된다. 열전도도의 영향인 강도와 단위중량 결과 값은 시멘트비와 함수비의 크기와 직접적인 관계를 가지나, 본 연구에서는 함수비와 시멘트비의 배합 차이가 크지 않는 점에 비춰봤을때 일반적인 경향을 가지지 않아 함수비와 시멘트비에 따른 열전도도의 추가시험이 필요하다고 판단된다.
- 248W/mK)에 비해 약 3배 이상으로 측정되는 바에 의하여 일반적으로 지중송전케이블 뒤채움재나 CLSM의잔골재 등으로 사용되고 있는 모래를 대신 할 수 있으며 모래보다 우수한 열 특성을 가진다고 판단된다. 따라서 상기와 같은 이유로 본 연구에서 제시하고자 하는 높은 열전 도도 값을 가지는 적정 배합비는 PA:FA = 80:20, water contents = 28~30%, cement contents = 7, 9, 11%로 판단된다.
- 매립회가 많을수록 높은 열전도도 값을 나타냈으며, 현재 회처리장에 매립되어지는 매립회의 양이 점차 증대되고 있는 현실에서 볼 때, 폐기물로 처리되고 있는 석탄회의 재활용 측면에서 긍정적인 결과로 판단된다. 따라서 석탄회를 활용한 관거 뒤채움용 CLSM의 열전도도 결과에 따른 적정 배합비는 PA:FA = 80:20라 판단된다.
- 884W/mK의 열전도도 값과 비교 시, 함수량의 차이가 열전도도에 크게 영향을 끼치는 요인임을 알 수 있다(표 5참조). 따라서 함수비가 증가할수록 입자의 밀도가 커지고, 공극이 감소되어 열전도도 값이 커지는 경향을 나타내는 것으로 판단되며, 시멘트비 역시 7~11%일 경우에 함수비 결과와 동일하게 큰 차이가 나지 않는데 이 또한 함수비 결과와 동일한 이유로 사료된다.
- 본 시험에서 배합비를 선정하기에 앞서 선행 연구 결과, 석탄회 만으로는 관거 뒤채움용 CLSM의 자경성 및 소정의 일축압축강도가 발현되지 못하여 시멘트 첨가가 필요한 것으로 나타났다(천병식, 2009). 또한 시멘트를 사용할 경우 초기 강도는 기대값보다 낮게 나타났고 비회의 첨가가 늘어날수록 초기강도는 반비례하여 감소하였다. 따라서 초기강도 발현을 위해 시멘트량의 범위를 전체 중량 대비 약 7~11%로 선정하였다.
- 884W/mK이며, 전체적으로 배합비 PA:FA = 80:20에서 높은 열전도도 값이 측정되었다. 매립회가 많을수록 높은 열전도도 값을 나타냈으며, 현재 회처리장에 매립되어지는 매립회의 양이 점차 증대되고 있는 현실에서 볼 때, 폐기물로 처리되고 있는 석탄회의 재활용 측면에서 긍정적인 결과로 판단된다. 따라서 석탄회를 활용한 관거 뒤채움용 CLSM의 열전도도 결과에 따른 적정 배합비는 PA:FA = 80:20라 판단된다.
- 함수비와 시멘트비에 따른 열전도도 값을 비교하였으며, 그 결과는 그림 9, 10과 같다. 본 시험에서는 함수비와 시멘트비의 증감에 따른 열전도도 값은 일관된 경향을 나타내지 않았으며 결과 값에 큰 영향을 주지 않는 것으로 나타났다. 앞서 서술한 바와 같이 함수비는 열전도도에 있어 가장 중요한 영향인자로 알려져 있지만, 함수비 28~30%일 경우에는 함수비 차이가 2% 이내로 크게 차이가 나지 않아 열전도도 값에는 큰 영향을 주지 않는 것으로 판단된다.
- 본 연구에서 개발된 관로 뒤채움용 CLSM의 열전도도는 표준사(0.248W/mK)에 비해 약 3배 이상으로 측정되는 바에 의하여 일반적으로 지중송전케이블 뒤채움재나 CLSM의잔골재 등으로 사용되고 있는 모래를 대신 할 수 있으며 모래보다 우수한 열 특성을 가진다고 판단된다. 따라서 상기와 같은 이유로 본 연구에서 제시하고자 하는 높은 열전 도도 값을 가지는 적정 배합비는 PA:FA = 80:20, water contents = 28~30%, cement contents = 7, 9, 11%로 판단된다.
- 502W/mK로 측정되었다. 상기의 시험 결과를 종합해 볼 때, 가장 높은 열전도도 값을 가지는 배합비는 PA(ponded ash):FA(fly ash) = 80:20, water contents = 28%, cement contents = 7%로 열전도도 값은 0.884W/ mK이며 전체적으로 배합비(PA:FA) = 80:20에서 타 배합비 보다 높은 열전도도 값이 측정되었다. 즉 매립회의 양이 많을수록 높은 열전도도 결과를 나타내었으며, 현재 회처리장에 매립되어지는 매립회의 양이 점차 증대되고 있는 현실과 현재 폐기물로 처리되는 석탄회의 재활용 측면에서볼 때 긍정적인 결과라 판단된다.
- 배합비에 따른 열전도도 시험 결과 값을 알기위해 배합비에 따른 열전도도 결과를 분석하였다. 열전도도 시험 결과, 배합비(PA:FA) = 80:20에서는 0.796~0.884W/mK, 배합비(PA:FA) = 60:40에서는 0.607~0.682W/mK, 배합비 (PA:FA) = 20:80에서는 0.444~0.502W/mK로서 매립회 비율이 작을수록 열전도도 값은 감소하는 경향을 나타내었다. 표 4는 열전도도 시험결과 값을 나타낸 것이고, 그림 7은 배합비에 따른 열전도도 측정 결과를 나타낸 것으로 매립회 양이 많을수록 높은 열전도도 값을 가지는 경향을 나타내었다.
- 본 연구에서는 석탄회를 활용한 관거 뒤채움용 CLSM의 매립회와 비회의 상대적인 배합비, 재령, 함수비, 시멘트비에 따른 열전도도 결과 값을 분석 하였다. 열전도도 시험결과, 배합비(PA:FA) = 80:20에서는 0.796~0.884W/mK, 배합비 (PA:FA) = 60:40에서는 0.607~0.682W/mK, 배합비(PA:FA) = 20:80에서는 0.444~0.502W/mK로 측정되었다. 상기의 시험 결과를 종합해 볼 때, 가장 높은 열전도도 값을 가지는 배합비는 PA(ponded ash):FA(fly ash) = 80:20, water contents = 28%, cement contents = 7%로 열전도도 값은 0.
- 재령에 따른 열전도도 값의 변화를 알기위해, 양생시간에 따른 열전도도 값을 비교하였다. 재령 7일과 28일의 열전 도도 값을 비교하였으며, 재령 7일 보다는 28일에 측정된 열전도도 값이 전체적으로 높은 경향을 나타내었다(그림 8참조). 전체 배합비에서 재령 7일차와 28일의 열전도도 값의 차이는 평균 0.
- 884W/ mK이며 전체적으로 배합비(PA:FA) = 80:20에서 타 배합비 보다 높은 열전도도 값이 측정되었다. 즉 매립회의 양이 많을수록 높은 열전도도 결과를 나타내었으며, 현재 회처리장에 매립되어지는 매립회의 양이 점차 증대되고 있는 현실과 현재 폐기물로 처리되는 석탄회의 재활용 측면에서볼 때 긍정적인 결과라 판단된다.
후속연구
- 이는 상대적인 수치로서 크게 높거나 낮음을 판별한다는 것은 어렵다고 할 수 있지만, 전반적으로 시간의 경과함에 따른 열전도도 값은 증가하는 경향을 나타냈다고 할 수 있다. 그리고 본 시험에서는 재령 28일차에 대한 연구까지 진행되었으나, 향후 현장여건을 고려한 연구를 위해서는 장기적 관점에서 재령에 따른 열전도도의 경향을 파악할 필요가 있을 것이라 사료된다.
- 시멘트비와 함수비의 증감에 따른 열전도도 값은 일관된 경향을 나타내지 않았는데 이는 함수비와 시멘트의 시험조건이 2~4% 이내로 크게 차이가 나지 않아 열전도도 결과 값에 크게 영향을 주지 않는 것이라 판단된다. 그리고 열전도도는 온도차에 의한 물질의 열전달 정도를 나타내는 물성 값으로서, 같은 종류의 물질이라도 작은 영향인자 즉, 프로브의 관입으로 인한 토사 내 수분 이동 및 재배치, 프로브를 중심으로 한 설치 및 셋팅 상의 오류, 다짐상태, 및 주위 환경적인 요인 등이 시험 결과에 영향을 미칠 수 있으므로 추가적인 시험 실시가 필요하다고 판단된다. 하지만 건조시 측정된 열전도도 값은 0.
- 248W/mK)에 비해 약 3배 이상으로 측정되는 바, 일반적으로 관로 뒤채움재로 쓰여지는 모래를 대신하여 석탄회를 활용한 CLSM을 전력 및 통신 등의 관거 뒤채움용으로의 활용성이 클 것으로 사료된다. 더하여, 석탄회를 활용한 관거 채움용 CLSM의 재굴착시, 폐기처분 되지 않고 굴착잔토로서 재활용이 가능할 것이라 사료된다.
- 현재 석탄회 중에서 비회(fly ash, FA)는 건설재료로서 재활용되는 반면에 매립회(ponded ash, PA)는 대부분 재활용 되지 못하고 회처리장에 매립되고 있다(공진영 등, 2010). 또한 석탄회를 매립함에 있어서 환경오염을 초래하고 불필요한 경비와 시간이 소요되므로 석탄회를 활용한 CLSM의 재료를 개발하여 관거 뒤채움에 적용하는 것이 산업폐기물인 석탄회를 대량으로 유효 활용할 수 있는 적절한 대안이라 판단된다.
- 그리고 함수비와 시멘트비에 따른 열전도도 결과는 함수비 28~30%일 경우에는 함수비 차이가 2% 이내로 크지 않아본 시험의 열전도도 값에는 큰 영향을 주지 않는 것으로 판단되며, 시멘트비 역시 상기와 같은 이유로 열전도도 값에는큰 영향을 미치지 않는 것으로 판단된다. 열전도도의 영향인 강도와 단위중량 결과 값은 시멘트비와 함수비의 크기와 직접적인 관계를 가지나, 본 연구에서는 함수비와 시멘트비의 배합 차이가 크지 않는 점에 비춰봤을때 일반적인 경향을 가지지 않아 함수비와 시멘트비에 따른 열전도도의 추가시험이 필요하다고 판단된다.
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