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문제 정의
- 또한 최근 들어 석산개발 및 석재가공으로 인해 발생되는 다량의 석분이 산업폐기물로 지정되어 처리되고 있어 이에 대한 적절한 활용방안의 연구가 절실하다. 따라서 본 연구에서는 이러한 석분의 적절한 활용방안을 검토하기 위해 화강풍화토에 석분과 벤토나이트와 같은 세립분을 혼합했을 경우 이 시료의 동적특성에 대한 연구를 진행하였다.
- 본 연구는 김찬기 등(2008)에 의해서 기 연구된 화강토와 석분 그리고 벤토나이트를 다양하게 혼합했을 경우 인공호수 및 쓰레기 매립장등의 차수공사 등에 이러한 재료의 활용방안에 대한 연구의 일환이며 시험재료 및 시료의 배합조건 그리고 다짐조건이 동일한 상태에서 석분과 벤토나이트와 같은 세립분이 증가할 경우 흙의 동적거동 특성을 연구한 것이다. 이를 위해 포천지역에서 채취한 화강풍화토에 대해 중량백분율로 0%, 5%, 10%, 15%의 석분을 각각 혼합하고, 여기에 벤토나이트를 0%, 5%, 10%, 15%를 각각 다시 혼합하는 배합조건으로 다짐특성 및 토사공진주실험 등을 통해 본 혼합시료의 동적특성 및 건설재료의 활용가능성을 연구하였다.
제안 방법
- 공진주시험의 기본원리는 원통형의 시편에 진동수를 바꿔가면서 비틂을 가하여 그림 2에서와 같이 1차 모드의 공진주파수(fr)와 진동의 크기(Ar)를 구한 후, 실험기의 특성 및 공시체의 크기, 공시체의 무게를 이용하여 전단파속도(Vs), 전단탄성계수(G) 및 전단변형율(γ)을 구하는 동적인 시험방법으로 다음과 같은 방법으로 그 결과를 얻는다.
- 본 연구는 김찬기 등(2008)에 의해서 기 연구된 화강토와 석분 그리고 벤토나이트를 다양하게 혼합했을 경우 인공호수 및 쓰레기 매립장등의 차수공사 등에 이러한 재료의 활용방안에 대한 연구의 일환이며 시험재료 및 시료의 배합조건 그리고 다짐조건이 동일한 상태에서 석분과 벤토나이트와 같은 세립분이 증가할 경우 흙의 동적거동 특성을 연구한 것이다. 이를 위해 포천지역에서 채취한 화강풍화토에 대해 중량백분율로 0%, 5%, 10%, 15%의 석분을 각각 혼합하고, 여기에 벤토나이트를 0%, 5%, 10%, 15%를 각각 다시 혼합하는 배합조건으로 다짐특성 및 토사공진주실험 등을 통해 본 혼합시료의 동적특성 및 건설재료의 활용가능성을 연구하였다.
- 연구에 사용된 공진주실험기는 그림 1과 같이 Stokoe식 실험기로서 경계조건으로는 공시체의 바닥을 고정시키고 코일-자석 시스템을 이용한 가진시스템(drive system)을 시험시편의 상부와 연결하여 지반재료에 비틂력을 재하하고 비틂력에 의한 공시체의 거동은 가진판에 부착된 가속도계(accelerometer)를 이용하여 측정한다.
- 석분은 석재 가공 중 나오는 부산물로서 유해성은 없지만, 적절한 활용방안이 없어서 산업폐기물로써 버려지고 있는 포천지역 석재공장에서 발생된 석분 슬러지를 사용하였다. 포천지역 석분의 화학적 조성성분은 XRD 분석기를 통해 석분 슬러지의 성분조사를 실시하였으며 그 결과는 표 1과 같고 규소와 알루미늄이 주성분으로 나타났다. 또한 표 2는 본 연구에 사용된 각 시료의 물리적 특성을 나타낸 것이며, 그림 3은 각 시료에 대한 입도분석 결과이다.
- 본 연구에서 수행한 공진주 시험조건은 표 3과 같이 화강풍화토에 대해 중량백분율로 0%, 5%, 10%, 15%의 석분을 각각 혼합하고, 여기에 벤토나이트를 0%, 5%, 10%, 15%를 각각 다시 혼합하는 배합조건으로 하였다. 화강풍화토 시료는 입자의 크기가 시험에 미치는 영향을 줄이기 위해 4.
- 본 연구에서 수행한 공진주 시험조건은 표 3과 같이 화강풍화토에 대해 중량백분율로 0%, 5%, 10%, 15%의 석분을 각각 혼합하고, 여기에 벤토나이트를 0%, 5%, 10%, 15%를 각각 다시 혼합하는 배합조건으로 하였다. 화강풍화토 시료는 입자의 크기가 시험에 미치는 영향을 줄이기 위해 4.75mm의 체로 시료를 걸러낸 후 노건조시킨 다음 최적함수비 상태의 흙을 만들고 각 시험조건별로 시료를 고르게 혼합하였다. 공시체 제작은 먼저 표준다짐시험법(D 다짐)으로 최적함수비와 최대건조단위중량을 구하고 이 값을 기준으로 함수비는 최적함수비를 사용하고 단위 중량은 최대건조단위중량의 95%의 값을 사용하여 과소다짐법으로 공시체를 제작하였다.
- 75mm의 체로 시료를 걸러낸 후 노건조시킨 다음 최적함수비 상태의 흙을 만들고 각 시험조건별로 시료를 고르게 혼합하였다. 공시체 제작은 먼저 표준다짐시험법(D 다짐)으로 최적함수비와 최대건조단위중량을 구하고 이 값을 기준으로 함수비는 최적함수비를 사용하고 단위 중량은 최대건조단위중량의 95%의 값을 사용하여 과소다짐법으로 공시체를 제작하였다. 공시체의 크기는 직경 50mm, 높이 100mm의 원통형이며 공진주시험에 사용된 구속응력은 각각 50, 100, 200kPa의 단계로 나누어 각각의 시료에 대해 압밀과정을 거친 후 전단시험을 실시하였다.
- 공시체 제작은 먼저 표준다짐시험법(D 다짐)으로 최적함수비와 최대건조단위중량을 구하고 이 값을 기준으로 함수비는 최적함수비를 사용하고 단위 중량은 최대건조단위중량의 95%의 값을 사용하여 과소다짐법으로 공시체를 제작하였다. 공시체의 크기는 직경 50mm, 높이 100mm의 원통형이며 공진주시험에 사용된 구속응력은 각각 50, 100, 200kPa의 단계로 나누어 각각의 시료에 대해 압밀과정을 거친 후 전단시험을 실시하였다.
- 화강풍화토에 석분과 벤토나이트를 일정 중량비로 혼합한 뒤 표준다짐시험(D다짐)을 실시하였으며 그 시험 결과는 그림 4와 같다. 그림 4는 표 2에서와 같이 화강풍화토에 석분함유량이 0%인 A그룹과 석분함유량이 5%인 B그룹 그리고 석분함유량이 각각 10%, 15%인 C, D구릅에 대한 다짐시험 결과를 나타낸 것이다.
- 화강풍화토에 석분 및 벤토나이트가 혼합된 시료의 동적 거동특성을 고찰하기 위하여 토사공진주시험을 통해 각 시료별 전단탄성계수 및 감쇠비 특성에 대하여 비교 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
대상 데이터
- 연구에서 사용된 화강풍화토는 경기도 포천지역에서 채취하였으며 벤토나이트는 DY-100S를 사용하였다. 석분은 석재 가공 중 나오는 부산물로서 유해성은 없지만, 적절한 활용방안이 없어서 산업폐기물로써 버려지고 있는 포천지역 석재공장에서 발생된 석분 슬러지를 사용하였다.
- 연구에서 사용된 화강풍화토는 경기도 포천지역에서 채취하였으며 벤토나이트는 DY-100S를 사용하였다. 석분은 석재 가공 중 나오는 부산물로서 유해성은 없지만, 적절한 활용방안이 없어서 산업폐기물로써 버려지고 있는 포천지역 석재공장에서 발생된 석분 슬러지를 사용하였다. 포천지역 석분의 화학적 조성성분은 XRD 분석기를 통해 석분 슬러지의 성분조사를 실시하였으며 그 결과는 표 1과 같고 규소와 알루미늄이 주성분으로 나타났다.
성능/효과
- 또한 그림 5는 그림 4의 실험결과를 석분과 벤토나이트 함유량에 따른 최대건조단위중량 변화를 분석하여 나타낸 것이다. 실험결과에 의하면 석분의 함량이 증가할수록 최대건조단위중량은 현저히 감소하다가 석분의 함유량이 5% 이후부터는 석분의 함유량에 관계없이 최대건조단위중량은 일정한 양상을 보이고 있다. 또한 벤토나이트 함유량이 많아질수록 최대건조단위중량은 감소하고 최적함수비는 증가하는 경향을 보이고 있다.
- 실험결과에 의하면 석분의 함량이 증가할수록 최대건조단위중량은 현저히 감소하다가 석분의 함유량이 5% 이후부터는 석분의 함유량에 관계없이 최대건조단위중량은 일정한 양상을 보이고 있다. 또한 벤토나이트 함유량이 많아질수록 최대건조단위중량은 감소하고 최적함수비는 증가하는 경향을 보이고 있다.
- (a)의 실험결과에 의하면 전단탄성계수는 벤토나이트 함유량이 작을수록 감소하는 경향을 보이고 있으며, 전단변형율은 2×10-4%∼4×10-4% 이하에서 대략 전단탄성계수가 거의 일정한 값을 유지하는데 이 범위의 전단변형율에서 흙이 탄성거동을 하고 있는 것을 알 수 있다.
- (b)의 실험결과에 의하면 낮은 전단변형율 상태에서는 감쇠비 변화가 크지 않지만 4×10-4%이상의 전단변형율에서는 감쇠비가 점차로 증가하고 있으며 쌍곡선모델(hyperbolic model)과 비교적 잘 일치하고 있음을 보였다.
- 그림 10은 벤토나이트 함유량에 따른 감쇠비 변화곡선을 나타낸 것으로서 그림에서와 같이 석분함유량이 없는 경우(그림 10(a))는 벤토나이트 함유량 증가와 관계없이 감쇠비 변화는 거의 나타나지 않았지만 석분함유량이 점점 증가하고 벤토나이트 함유량이 증가하면 감쇠비는 점진적으로 증가하는 양상을 나타내었다. 또한 가장 큰 최소 감쇠비는 석분함유량이 15%이고 벤토나이트 함유량이 15%인 경우로 나타났다. 이는 화강풍화토에 세립분 함유량이 제일 큰 경우에 해당하며 재료가 점토질에 가까울수록 감쇠비가 가장 커지는 경향과 일치한다.
- (2) 전단변형율은 2×10-4%∼4×10-4%이하에서 대략 전단탄성계수가 거의 일정한 값을 보이고 있으며 감쇠비는 쌍곡선모델과 비교적 잘 일치하고 있다.
- (1) 혼합시료의 다짐실험결과는 석분의 함유량이 증가할수록 최대건조단위중량은 감소하다가 5% 이후부터는 석분의 함유량에 관계없이 최대건조단위중량은 거의 일정한 양상을 보였다. 또한 벤토나이트 함유량이 많아질수록 최대건조단위중량은 감소하고 최적함수비는 증가하는 경향을 나타내었다.
- (1) 혼합시료의 다짐실험결과는 석분의 함유량이 증가할수록 최대건조단위중량은 감소하다가 5% 이후부터는 석분의 함유량에 관계없이 최대건조단위중량은 거의 일정한 양상을 보였다. 또한 벤토나이트 함유량이 많아질수록 최대건조단위중량은 감소하고 최적함수비는 증가하는 경향을 나타내었다.
- (3) 감쇠비는 화강풍화토에 석분만을 점점 증가시킨 경우 점진적으로 감소해 가고 벤토나이트만을 점진적으로 증가시킨 경우는 감쇠비 변화에 큰 차이를 보이지 않았다. 그리고 구속압이 증가하면 전단탄성계수는 비례 관계로 증가하지만 감쇠비는 구속압이 증가하면 전단탄성계수와 반대로 감소해가는 양상을 보였다.
- (3) 감쇠비는 화강풍화토에 석분만을 점점 증가시킨 경우 점진적으로 감소해 가고 벤토나이트만을 점진적으로 증가시킨 경우는 감쇠비 변화에 큰 차이를 보이지 않았다. 그리고 구속압이 증가하면 전단탄성계수는 비례 관계로 증가하지만 감쇠비는 구속압이 증가하면 전단탄성계수와 반대로 감소해가는 양상을 보였다.
- (4) 최대전단탄성계수 및 최소감쇠비는 화강풍화토에 석분과 벤토나이트 함유량이 각각 5%에서 10% 내에 존재할 때 이며, 이 값은 화강풍화토 만으로 실험한 값과 거의 일치한다. 따라서 이 범위 내에서 화강풍화토에 벤토나이트와 석분을 혼합한다면 이 혼합토 시료도 동적거동을 받는 지반재료로서의 활용이 가능할 것으로 판단된다.
- 이는 석분 및 벤토나이트인 세립분이 10%이상 함유할 경우 강도 저하 현상이 크게 나타나고 있음을 보여준다. 이상의 시험 결과는 그림 7의 석분함유량별 전단탄성계수의 특성과 거의 유사한 거동양상을 보였다.
후속연구
- (4) 최대전단탄성계수 및 최소감쇠비는 화강풍화토에 석분과 벤토나이트 함유량이 각각 5%에서 10% 내에 존재할 때 이며, 이 값은 화강풍화토 만으로 실험한 값과 거의 일치한다. 따라서 이 범위 내에서 화강풍화토에 벤토나이트와 석분을 혼합한다면 이 혼합토 시료도 동적거동을 받는 지반재료로서의 활용이 가능할 것으로 판단된다.
- 본 논문은 석분과 벤토나이트를 화강풍화토에 혼합하여 시험을 수행하였기 때문에 석분 혹은 벤토나이트가 전단탄성계수 및 감쇠비 관계에 어떠한 영향을 나타내었는지에 대하여 정량적이고 구체적인 분석에는 어려운 한계가 있고 더불어 최적의 석분 및 벤토나이트 함량을 찾기 위해서 본 실험에서 적용된 배합조건은 매우 부족한 것으로 판단됩니다. 따라서 향후 다양한 조건에서의 추가적인 연구 및 분석이 필요하다.
- 본 논문은 석분과 벤토나이트를 화강풍화토에 혼합하여 시험을 수행하였기 때문에 석분 혹은 벤토나이트가 전단탄성계수 및 감쇠비 관계에 어떠한 영향을 나타내었는지에 대하여 정량적이고 구체적인 분석에는 어려운 한계가 있고 더불어 최적의 석분 및 벤토나이트 함량을 찾기 위해서 본 실험에서 적용된 배합조건은 매우 부족한 것으로 판단됩니다. 따라서 향후 다양한 조건에서의 추가적인 연구 및 분석이 필요하다.
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