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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 해안매립공사, 인공섬 건설 등에 대량으로 쓰여지는 토사의 대체재료로서 공학적 특성이 우수한 저강도고유동화재를 제시하며, 모래대신 매립회(pond ash)를 이용하여 매립회, 비회, 시멘트, 물의 혼합물로 CLSM을 개발하였고, 현장적용성을 평가하기 위하여 ○○매립공사현장에서 현장매립실험을 실시하였고, 저강도고유동화재로 매립된 지반의 강도 및 환경적 특성을 분석하였다. 본 연구에서 사용한 매립회는 저회와 비회의 혼합회로서 해수 또는 우수에 노출되었기 때문에 비회가 일정부분 혼합되었다 해도 시멘트 대체효과를 기대할 수 없으며, 잔골재로서만 고려하였다.
- 본 연구에서 수행한 현장실험에서는 실내시험을 통해 개발한 저강도고유동화재가 현장 시공 후 실내시험에서 얻은 결과와 같이 적정한 강도를 갖는지 여부와 시공법에 따라 강도를 증대시킬 수 있는지 여부, 그리고 저강도고유동화재의 주성분인 석탄회의 사용으로 인한 해역 및 토양 오염에 대한 평가를 주목적으로 하였다. 현장실험 위치는 서해안에 위치한 인천 ○○ 공유수면 매립공사현장으로 시공 1개월, 시공 후 약 3개월 동안 지반의 강성 특성과 시공으로 인한 환경 영향 평가를 수행하였다.
- 본 연구에서는 석탄회를 주재료로 하는 저강도고유동화재의 공유수면매립재로서의 현장적용성을 평가하기 위하여 현장실험을 수행하였으며, 매립지반의 강도, 토양 및 해수오염도를 측정하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 지하수 오염도 실험은 저강도고유동화재가 해역에 미치는 영향을 파악하기 위하여 실시되었다. 시험매립지반 주변에서 채취한 해수 [Case 1]과 매립회 지반 [Case 2], 저강도고유동화재 지반 [Case 3], [Case 4]의 중심부 유공관에서 채취한 지하수에 대한 오염도 실험결과를 Table 3으로 나타내었다.
- 토양오염도 평가는 저강도고유동화재가 주변지반에 미치는 영향 또는 이를 이용하여 지반을 조성할 경우의 환경위해성을 파악하기 위하여 실시되었다. 토양오염도 시험결과 중 “pH, Cd, Cu, As, Hg, Pb, Cr6+, Zn, Ni, F”의 검출결과를 Table 2로 표기하였고, 그 외 항목 “유기인 화합물, PCBs, CN, 페놀, 벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 크실렌, TPH, TCE, PCE”은 검출되지 않아 별도로 표시하지 않았다.
제안 방법
- (2010)과 Kim et al.(2010)이 제안한 최소 일축압축강도 500kPa를 만족하는 저강도고유동화재를 현장에 적용하여 시간 경과에 따른 공학적 특성과 환경적 특성을 분석하였다.
- 따라서, 공학적인 성능이 우수하다고 하더라고 환경적으로 유해한 경우에는 실용화가 불가능하다. 따라서, 석탄회에 대한 환경성 평가가 필요하며 시험 매립지반과 주변 지역에서 흙과 해수를 채취하여 환경성 조사를 병행하였다. 이를 위해 토양환경보전법 시행규칙에 의한 토양오염물질 분석과 환경정책기본법 환경기준(해역)에 의한 해수 분석을 수행하였다.
- 본 현장시공에서 사용한 석탄회를 활용한 저강도고유동화재의 환경성을 토양 및 해수에 미치는 영향으로 구분하여 분석하였다. 이는 공유수면매립재로 사용될 경우 저강도고유동화재가 지반을 구성하게 되기 때문이며, 또한 매립공사의 특성상 매립재와 혼합된 물이 바다로 흘러들기 때문이다.
- 본 현장실험에서는 저강도고유동화재의 현장 경화특성을 평가하기 위해 시간 경과에 따라 다양한 현장지반조사 방법을 이용하여 지반의 강성을 평가하였다. 시험 구덩이의 깊이가 2.
- 시간경과에 따른 오염도 변화를 보기 위하여 매립지반 조성한 직후인 3∼7일, 88일∼92일에 토양 및 지하수의 오염도를 분석하였다.
- 따라서 본 연구에서는 저회와 비회가 혼합된 매립회를 잔골재로 간주하여 사용하였다. 시멘트량을 최소로 줄이기 위하여 별도로 비회를 사용하였다. 또한, 매립회는 해수와 혼합하여 매립되고 매립장 내로 해수가 드나들기 때문에 발전소에서 갓 부산된 석탄회보다는 매립회의 pH가 다소 낮으며, 해수의 오염도가 매립회의 오염도에도 영향을 미칠 수 있다.
- 본 현장실험에서는 저강도고유동화재의 현장 경화특성을 평가하기 위해 시간 경과에 따라 다양한 현장지반조사 방법을 이용하여 지반의 강성을 평가하였다. 시험 구덩이의 깊이가 2.0m에 달해 표층의 강성을 측정할 수 있는 동적콘관입시험(DCP) 뿐만 아니라 최근 도로 노상의 다짐도를 측정하는데 사용하기 시작한 동평판재하시험(LFWD), 그리고 지반의 연속적인 강성을 측정하기 위해 표준관입시험(SPT)와 콘관입시험(CPT)도 함께 수행하였다.
- 저강도고유동화재에 대한 보다 정확한 강성평가를 위해 지반의 동적탄성계수 평가를 통해 지반의 강성을 편리하게 평가하는 동평판재하시험을 추가로 수행하였다. Fig.
- 샘플링은 각 Case 별로 매립지반의 중심부에서 실시되었다. 지하수의 경우 각 Case의 중심부에 유공관을 설치하고 유공관 내의 지하수를 채취하여 지하수오염분석에 사용하였고, 토양의 경우 각 Case의 중심부에 설치된 유공관 주변에서 실시하였다.
- 11에 나타내었다. 표준관입시험은 상부 표층을 굴착하여 지표면에서 50cm 하부부터 표준관입시험을 수행하였다. 표준관입시험 결과를 보면, 지표면 50cm 심도에서는 앞서 표층에서 수행한 시험 결과와 같이 배출관을 이동해 가면서 시공한 [Case 4]의 지반이 매우 단단하게 굳어 있으며, 18일 경과 후에는 N값이 28 정도의 값을 갖는 것을 확인할 수 있었다.
대상 데이터
- (2010), Kim et al.(2010)이 제안한 것과 같이 최적 배합비인 매립회 45.5%, 비회 19.5%, 물 31.8%, 시멘트 3.2%를 사용하였다.
- 요컨대 한번 해수와 접촉한 비회는 포졸란 반응을 기대하기 어렵기 때문에 매립회 속에 비회가 포함되어 있어도 시멘트 혼화제로서의 역할은 기대하기 어렵다. 따라서 본 연구에서는 저회와 비회가 혼합된 매립회를 잔골재로 간주하여 사용하였다. 시멘트량을 최소로 줄이기 위하여 별도로 비회를 사용하였다.
- 본 연구에서 사용한 LFWD는 독일에서 개발된 “Light Drop Weight Tester ZFG2000”로 10kg 추를 재하판에 자유낙하시켜 변위량(δc)을 측정하고 이를 식 (2)을 이용한 소프트웨어를 통해 동평판재하시험의 탄성 계수(ELFWD, MPa)로 나타낸다.
- 본 연구에서 수행한 현장실험에서는 실내시험을 통해 개발한 저강도고유동화재가 현장 시공 후 실내시험에서 얻은 결과와 같이 적정한 강도를 갖는지 여부와 시공법에 따라 강도를 증대시킬 수 있는지 여부, 그리고 저강도고유동화재의 주성분인 석탄회의 사용으로 인한 해역 및 토양 오염에 대한 평가를 주목적으로 하였다. 현장실험 위치는 서해안에 위치한 인천 ○○ 공유수면 매립공사현장으로 시공 1개월, 시공 후 약 3개월 동안 지반의 강성 특성과 시공으로 인한 환경 영향 평가를 수행하였다. Fig.
- 현장실험에 굴착한 시험 구덩이의 크기는 8m×4m×2m 로 총 3개의 시험구덩이를 굴착하였다.
- 4m 까지 상승하였기 때문인 것으로 판단된다. 현장실험은 공유수면 매립현장에서 이루어졌으며 호안 외측은 바다이며 호안 내측은 해수가 갇혀 있었기 때문에 약 2m 깊이의 시험구덩이를 굴착하였을 때 바닥면에서 해수가 스며드는 현상이 관찰되었다. 밀물과 썰물의 수위차에 의하여 실제 해수를 포함한 지하수위는 약 1.
이론/모형
- 본 연구에서 사용한 재료로 조성된 지반의 환경위해성은 ‘토양환경보전법 시행규칙(환경부, 2012)’에서 정한 “토양오염우려기준”을 적용하였고 실험방법은 국내토양공정시험법에 따라 분석하였다.
- 따라서, 석탄회에 대한 환경성 평가가 필요하며 시험 매립지반과 주변 지역에서 흙과 해수를 채취하여 환경성 조사를 병행하였다. 이를 위해 토양환경보전법 시행규칙에 의한 토양오염물질 분석과 환경정책기본법 환경기준(해역)에 의한 해수 분석을 수행하였다.
- 해수에 미치는 영향은 지하수가 현장실험지반을 통과하여 바다로 흘러가거나 또는 그 반대의 조건을 산정하여 ‘환경정책기본법 시행령 환경기준 (환경부, 2009)’에서 정한 “해역”에 대한 기준을 적용하였고 “해양공정 시험방법”과 “먹는물수질공정시험방법”에 따라 분석을 실시하였다.
성능/효과
- (1) 표층부분에서는 시공 후 약 6일 정도면 목표 일축압축강도인 500kPa정도의 강도가 발현되는 것을 확인하였다.
- (2) 유동화재의 배출관의 위치에 따라 지반의 강성이 차이를 나타내고 있으며 배출관이 위치한 곳과 배출관에서 약 2m 정도 떨어진 위치와의 동탄성계수차이는 약 30～60% 이상의 차이가 나 시공법에 의해서 지반의 강성에 상당한 영향을 미치는 것으로 나타났다
- (3) 석탄회와 석탄회를 주재료로 하는 저강도고유동화재에 토양오염도 및 해수오염도를 평가한 결과 pH 값은 매립 초기에는 다소 높지만 90일 경과 후에는 8.5∼9.0 이내로 안정화되었다.
- (4) 토양 및 지하수 오염도를 평가한 결과 원지반 주변 해수의 COD, 총질소, 총인 검사결과가 법적기준치 뿐 아니라 석탄회 및 저강도고유동화재 매립지반의 지하수보다 더 높은 값이 측정되었고, 매립지반의 지하수의 COD, 총질소, 총인 검사결과도 법적 기준치를 초과하는 것으로 나타났다. 이는 매립회가 매립될 때 해수와 같이 혼합되어 운송되며, 매립장 내에서도 해수가 드나들기 때문에 석탄회가 해수의 영향을 받은 것으로 판단된다.
- (5) 석탄회를 주재료로 하는 저강도고유동화재가 토양 및 해수에 미치는 오염도를 평가한 결과 pH를 제외하고 토양환경보전법과 환경정책기본법에서 요구하는 시험항목의 기준을 모두 만족하는 것으로 나타났다. pH의 경우도 지하수법에서 정하는 공업용수 기준(pH 5.
- 비록 [Case 3]이 [Case 4]에 비해 시공이 더 빨랐지만, 동적콘관입시험 결과를 보면 중앙부에서는 두 지역이 비슷한 콘관입률을 보이고 있으며 중앙을 중심으로 좌측부와 우측부에서는 [Case 3] 지역에서 측정한 콘관입률이 더 [Case 4] 지역에서 측정한 콘관입률에 비해 더 크게 나타나 [Case 3]이 더 작은 강성을 나타내고 있음을 확인할 수 있었다. 따라서 배출관의 위치 이동에 따른 시공방법의 차이도 지반강성크기에 상당한 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다.
- 값이 2MPa 정도 차이를 나타내고 있음을 확인하였다. 또한 표준관입시험 결과에서도 나타나 있듯이 심도 1.4m 전후로 콘관입저항력은 급격히 감소하고 있는 것을 확인할 수 있었다. 이와 같은 현상의 가장 큰 원인으로는 해수에 포함된 염류에 의한 시멘트 수화물의 열화현상 때문인 것으로 판단된다.
- 표준관입시험 결과를 보면, 지표면 50cm 심도에서는 앞서 표층에서 수행한 시험 결과와 같이 배출관을 이동해 가면서 시공한 [Case 4]의 지반이 매우 단단하게 굳어 있으며, 18일 경과 후에는 N값이 28 정도의 값을 갖는 것을 확인할 수 있었다. 반면에 배출관을 시험 구덩이 중앙에 거치한 후 시공한 [Case 3]의 경우에는 위치별로 N값은 10～21 정도의 값을 나타내고 있으며 기존 다짐이 수행된 원지반과 유사한 N값을 나타내고 있음을 확인할 수 있었다.
- [Case 3]과 [Case 4]에 대한 동적콘관입시험은 동일한 일정으로 수행하였으나, 시공은 2일의 시간차가 있어 경화 소요기간은 [Case 3]이 [Case 4]에 비해 2일 더 길다. 비록 [Case 3]이 [Case 4]에 비해 시공이 더 빨랐지만, 동적콘관입시험 결과를 보면 중앙부에서는 두 지역이 비슷한 콘관입률을 보이고 있으며 중앙을 중심으로 좌측부와 우측부에서는 [Case 3] 지역에서 측정한 콘관입률이 더 [Case 4] 지역에서 측정한 콘관입률에 비해 더 크게 나타나 [Case 3]이 더 작은 강성을 나타내고 있음을 확인할 수 있었다. 따라서 배출관의 위치 이동에 따른 시공방법의 차이도 지반강성크기에 상당한 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다.
- 상기 결과를 종합해 보면 석탄회를 주재료로 하는 저강도고유동화재에 토양오염도 및 해수오염도를 평가한 결과 pH를 제외하고 토양환경보전법(환경부, 2012)과 환경정책기본법(환경부, 2009)에서 정한 기준치를 만족하는 것으로 나타났다. pH의 경우 환경정책기본법에서 정한 8.
- 6에 도시한 [Case 3] 지역에 시험결과를 중앙부와 좌우측부로 구분하여 배출관 위치에 다른 영향을 나타내었다. 시간 경과 및 위치별에 따라 다소 차이는 있으나, 대체적으로 배출관이 위치한 중앙부분에서 수행한 동적콘관입시험의 콘관입률이 주위보다 더 작게 나타나 중앙부분이 더 단단한 강성을 가지는 것으로 나타났다. 이와 같은 사실은 배출관을 일정하게 이동하여 저강도고유동화재를 시공한 [Case 4] 지역에서도 동일하게 나타난다
- 시험매립지반 주변에서 채취한 해수 [Case 1]과 매립회 지반 [Case 2], 저강도고유동화재 지반 [Case 3], [Case 4]의 중심부 유공관에서 채취한 지하수에 대한 오염도 실험결과를 Table 3으로 나타내었다. 실험결과를 환경정책기본법 환경기준(환경부, 2009)에서 정한 법적기준과 비교하여 기준치를 초과하는 항목은 pH, COD, 총질소(TN), 총인(TP) 항목으로 나타났다.
- 심도 1.0m 지점에서는 표층에 비해 N 값 증가 양상은 감소하는 것으로 나타났으며 [Case 3]의 경우에는 약 70여일이 지난 후에도 뚜렷한 N값 증가 양상은 확인할 수 없었다. 그러나 [Case 4]의 경우에는 시공시 18일 경과시에는 N값이 12로 측정되었으나 70일 경과된 시점에서는 N값이 26으로 증가하는 양상을 확인할 수 있어 배출관을 이동하면서 시공하는 방법이 그렇지 않은 경우에 비해 더 높은 표준관입시험 결과를 나타내고 있는 것을 확인할 수 있었다.
- 반면에, [Case 4]지역에서 시공 후 7일째에 측정한 동탄성계수는 [Case 3]지역에서 시공 후 9일째에 측정한 동탄성계수에 비해 중앙부에서는 29%, 좌측부에서는 36% 그리고 우측부에서는 180% 이상의 큰 값을 나타내고 있으며, 이와 같은 현상은 시공 후 약 70여일이 지나 측정한 결과에서도 잘 나타나 있다. 이상과 같은 결과로 판단하면 석탄회를 주재료로 제작한 저강도고 유동화재의 배합비 뿐만 아니라 시공방법도 조성한 지반의 강성에 매우 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있다.
- 그러나 석탄회를 주재료로 하는 저강도고유동화재 매립지역인 [Case 3]에서는 시공 후 1일 경과 후의 측정한 동적콘관입시험 결과가 석탄회를 다짐없이 덤핑한 [Case 2]와 비슷한 결과를 나타내었으나, 시간이 경과함에 따라 콘관입률은 급격히 감소하여 약 3일 정도 경과 후에는 원지반과 같은 효과를 나타내고 있다. 이후에도 경화 현상은 계속 발생하여 약 6일정도 후면 모형시험에서 도출한 결과인 일축압축강도 500kPa에 해당하는 콘관입율 20mm/blow 이하의 값을 가지게 되는 것으로 나타났다.
- pH는 [Case 2], [Case 3], [Case 4] 모든 시험매립 지반의 지하수가 기준치를 초과하였으며, 특히, [Case 3]의 경우에는 초기 pH는 다소 큰 값을 나타내고 있으나 90일 경과 후에는 pH 값이 다소 안정화 되는 양상을 나타내고 있다. 타설완료 후 7일 경과된 시점과 90일 경과시점에서 저강도고유동화재 내부에서 채취한 해수의 화학적 산소요구량(COD)과 총질소와 총인은 시험시공 주변에서 채취한 해수에서 측정된 화학적 산소요구량, 총질소, 총인의 값과 유사한 값을 가지는 것으로 나타났다. 즉, COD, 총질소, 총인 항목에서 기준치보다 높은 값이 측정되었으나, 시험매립지반 주변 해수 [Case 1] 의 COD, 총질소, 총인이 각각 기준치뿐 아니라 [Case 2], [Case 3], [Case 4]보다 높기 때문에 이를 저강도고유동화재의 영향이라고 결론지을 수 없다.
- 91로 감소하였다. 타설완료 후 초기에 높은 알칼리성을 보이다 pH가 감소하여 약알칼리성이 나타난 요인으로 해수에 의한 중화와 열화현상이 가장 가능성이 높은 것으로 판단된다. 3.
- 표준관입시험은 상부 표층을 굴착하여 지표면에서 50cm 하부부터 표준관입시험을 수행하였다. 표준관입시험 결과를 보면, 지표면 50cm 심도에서는 앞서 표층에서 수행한 시험 결과와 같이 배출관을 이동해 가면서 시공한 [Case 4]의 지반이 매우 단단하게 굳어 있으며, 18일 경과 후에는 N값이 28 정도의 값을 갖는 것을 확인할 수 있었다. 반면에 배출관을 시험 구덩이 중앙에 거치한 후 시공한 [Case 3]의 경우에는 위치별로 N값은 10～21 정도의 값을 나타내고 있으며 기존 다짐이 수행된 원지반과 유사한 N값을 나타내고 있음을 확인할 수 있었다.
후속연구
- pH의 경우도 지하수법에서 정하는 공업용수 기준(pH 5.0∼9.0)은 만족하였기 때문에 석탄회 및 이를 활용한 저강도고유동화재 매립지반의 지하수를 공업용수로 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
- 화력발전소 가동 초기부터 매립되어 오던 석탄회 매립장이 용량 한계에 부딪혀 일부 발전소에서는 최악의 경우 전기 생산을 중단할 수 밖에 없는 위기에 처할 수도 있는 상황에 놓이게 되었다. 따라서 폐기되고 있는 석탄회를 해안매립공사에 일부라도 활용하게 된다면 건설재료난 해소는 물론 산업폐기물의 유효이용 및 회사장의 규모 축소로 인한 국토의 효율적 이용과 환경보호 등의 효과를 거둘 수 있을 것으로 기대된다.
- 본 연구에서 사용한 매립회는 저회와 비회의 혼합회로서 해수 또는 우수에 노출되었기 때문에 비회가 일정부분 혼합되었다 해도 시멘트 대체효과를 기대할 수 없으며, 잔골재로서만 고려하였다. 본 연구를 통하여 회처리장에 매립되어지는 석탄회를 건설재료로 활용함으로써 환경보존 및 국토의 효율적 활용이 기대되어진다.
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