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문제 정의
- 본 연구는 이러한 기조하에 진행되는 백두산 화산재의 친환경적 건설재료로의 활용을 위한 기초적 연구로서, 화산재, 시멘트 및 메타카올린의 혼합률에 따른 혼합토 블록의 휨강도 특성의 분석을 통해 최적의 배합비율을 결정한 후, 이러한 배합비율로 제작한 화산재-시멘트 혼합토 블록 및 결합재를 사용하지 않은 케이지형 화산재 블록에 유용미생물을 적용한 후 오염수내에 침적시켜 수질환경에 미치는 영향을 중점 검토하였으며, 추후 이 블록이 하천의 호안용 구조물로 적용될 수 있도록 하기 위한 공학적·환경학적 기초자료를 제공하고자 하였다.
- 본 연구는 화산재의 친환경적 건설재료로의 활용을 위한 기초적 연구로서, 백두산 및 한라산 화산재, 시멘트 및 메타카올린의 혼합율에 따른 혼합토의 휨강도 특성의 분석을 통해 최적의 배합비율을 결정한 후, 이러한 배합비율로 제작한 화산재시멘트 혼합토 블록 및 결합재를 사용하지 않은 케이지형 화산재 블록에 유용미생물을 적용한 후 오염수내에 침적시켜 수질 정화 특성을 규명하고자 하였으며, 본 연구를 통해 얻어진 결론은 다음과 같다.
제안 방법
- 화산재-시멘트 혼합토의 배합설계는 Onoue (2012)의 연구를 참고하여, Table 5에 나타낸 바와 같이 최적 배합 조건을 찾기위해 Case별로 중량비를 설정하여 혼합한 후, 일정량의 혼합시료를 채취하여 공시체를 조성하였다. 본 연구에서는 2종의 화산재 (백두산 및 한라산)에 대하여 화산재의 혼합비율 (4종) 및 메타카올린 혼합여부 (2종)를 고려하여 총 16개 Case에 대하여 실험을 실시하였다.
- 화산재-시멘트 혼합토의 배합설계는 Onoue (2012)의 연구를 참고하여, Table 5에 나타낸 바와 같이 최적 배합 조건을 찾기위해 Case별로 중량비를 설정하여 혼합한 후, 일정량의 혼합시료를 채취하여 공시체를 조성하였다. 본 연구에서는 2종의 화산재 (백두산 및 한라산)에 대하여 화산재의 혼합비율 (4종) 및 메타카올린 혼합여부 (2종)를 고려하여 총 16개 Case에 대하여 실험을 실시하였다. Lee et al.
- (2012)의 연구결과에 따르면, 메타카올린은 시멘트 입자 및 골재 사이의 공극을 충진시켜 경화체의 조직을 치밀하게 한다. 따라서, 본 연구에서는 바인더로서 시멘트 중량의 10 %의 메타카올린을 첨가하였다.
- (2011)의 연구를 참고하여 20×20×5 cm의 몰드에 재료를 투입하고 다짐을 실시하여 블록형 공시체를 제작하였다. 이러한 공시체의 재령에 따른 강도 특성을 규명하기 위하여 재령 3일, 7일, 28일 동안 양생을 실시하였다. Fig.
- 7일간 양생 후 유용미생물을 적용한 블록의 수질정화 효과 분석을 위하여, 각 처리구별 블록 수침 후 0일, 7일, 28일 단위로 시료를 채취하였으며, Table 6에 나타낸 바와 같이 SS, BOD, CODMn, T-N, T-P, pH의 6개 항목을 수질오염공정시험법에 준하여 분석하였다. Fig.
- 이와 같은 실험결과에 근거하여, 본 연구에서는 화산재와 시멘트를 3.5:1로 혼합하고 시멘트 중량의 1/10에 해당하는 메타카올린을 추가혼합하는 조합을 최적의 배합비율로 결정하였으며, 이를 수질정화용 화산재-시멘트 혼합토 블록의 제작에 적용하였다. 또한, 대조군인 자갈-시멘트 혼합토 블록의 제작에도 본 배합비율을 적용하였다.
- 5:1로 혼합하고 시멘트 중량의 1/10에 해당하는 메타카올린을 추가혼합하는 조합을 최적의 배합비율로 결정하였으며, 이를 수질정화용 화산재-시멘트 혼합토 블록의 제작에 적용하였다. 또한, 대조군인 자갈-시멘트 혼합토 블록의 제작에도 본 배합비율을 적용하였다.
- 휨강도는 KS F 2408 (콘크리트의 휨강도시험 방법)에 준하여 재령 3일, 7일, 28일에 20×20×5cm인 블록을 일축압축시험기에 지지 롤러 및 재하 롤러를 장착한 후 1 mm/min의 속도로 하중을 재하하여 측정하였다.
- 화산재-시멘트 혼합토 블록의 휨강도 특성의 고찰을 위하여, Kim et al. (2011)의 연구를 참고하여 20×20×5 cm의 몰드에 재료를 투입하고 다짐을 실시하여 블록형 공시체를 제작하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 2 mm 이상의 입경을 가진 백두산 화산재 (중국 수입), 한라산 화산재 (제주시 한림읍 채취), 최대치수 40 mm 미만의 골재용 자갈, 시멘트, 메타카올린 등을 시료로 사용하였다. Fig.
- 3에 나타내었다. 케이지형 화산재 블록은 화산재-시멘트 혼합토 블록과 동일한 체적 (V＝2,000 cm3 )으로 제작하였다.
- 5에 유용미생물을 적용한 블록의 오염수내 수침 장면을 나타내었다. 본 실험에서 오염수는 〇〇대학교 〇〇지 물을 시료로서 사용하였으며, 오염수의 양은 48L로 설정하였다.
성능/효과
- 08로 나타나, 통일분류법에 의해 GW (입도분포가 양호한 자갈)로 분류된다. 대조군으로 사용되는 골재용 자갈 또한 #4체 통과량이 50 % 미만이며, 균등계수와 곡률계수가 각각 3.65, 0.96으로 나타나, 통일분류법상 GP (입도분포가 불량한 자갈)로 구분되었다. 화학적 조성에서, 백두산 및 한라산 화산재는 세부적으로 다소 차이는 있으나, SiO2의 함량이 가장 큰 것으로 나타났다.
- 96으로 나타나, 통일분류법상 GP (입도분포가 불량한 자갈)로 구분되었다. 화학적 조성에서, 백두산 및 한라산 화산재는 세부적으로 다소 차이는 있으나, SiO2의 함량이 가장 큰 것으로 나타났다.
- 6(a)). 백두산 화산재와 시멘트를 3.5:1로 혼합한 경우의 28일 휨강도가 0.18 MPa이나, 혼합비율을 4.0:1, 4.5:1, 5.0:1과 같이 화산재의 양을 증가시킬수록 혼합토의 휨강도는 각각 0.11, 0.10, 0.10 MPa로서 저하됨을 알 수 있다. 또한, 한라산 화산재와 시멘트를 3.
- 따라서, 혼합체의 강도증진을 위해 전술한 바와 같이 본 연구에서는 시멘트 중량의 1/10에 해당하는 메타카올린을 추가혼합하여 휨강도에 미치는 영향을 분석하였고, 이 경우 화산재-시멘트 혼합토의 휨강도가 모든 혼합률에서 증가하는 것으로 나타났다(Fig. 5(b), Fig.
- 6(b)). 이를 정량적으로 고찰하면 화산재-시멘트 혼합토의 28일 휨강도는 화산재:시멘트의 혼합율이 3.5:1, 4.0:1, 4.5:1, 5.0:1에 대하여 백두산 화산재가 각각 2.00배, 1.73배, 1.50배, 1.10배 증가하는 것으로 나타났으며, 한라산 화산재의 경우 각각 1.56배, 1.44배, 1.00배, 1.00배 증가하는 것으로 나타나, 메타카올린 혼합에 따른 휨강도의 증가비율은 화산재 혼합률의 증가에 따라 감소하는 경향을 나타내었다.
- 각 처리구별 초기 유입수의 농도는 SS 3.5 mg/L, BOD 1.0 mg/L, COD 3.2 mg/L, T-N 7.91 mg/L, T-P 0.37 mg/L, pH 7.9로 측정되었다. 0일, 7일, 28일이 경과된 후 농도범위는 시멘트 혼합토 블록의 경우 SS: 0.
- 9로 측정되었다. 0일, 7일, 28일이 경과된 후 농도범위는 시멘트 혼합토 블록의 경우 SS: 0.3～6.7 mg/L, BOD: 1.0～6.1 mg/L, COD: 3.2～21.8 mg/L, T-N: 3.94～7.91 mg/L, T-P:0.03～0.37 mg/L, pH: 7.9～11.5의 변화를 나타내었으며, 케이지형 블록의 경우에는 SS: 0.2～4.0 mg/L, BOD: 1.0～4.8 mg/L, COD: 3.2～9.8 mg/L, T-N: 5.48～7.91 mg/L, T-P:0.07～0.37 mg/L, pH: 7.0～8.5의 변화를 나타내었다.
- 부유물질인 SS (Suspended solid)는 수중에 현탁되어 있는 불용성 물질로, 28일 경과시의 농도는 백두산 화산재-시멘트 혼합토 블록 및 한라산 화산재-시멘트 혼합토 블록에서 각각 91 % 및 37 %의 제거효율을 보였으나, 자갈-시멘트 혼합토 블록에서는 제거효과가 나타나지 않았다. 또한, 케이지형 블록에서도 백두산 화산재 블록 및 한라산 화산재 블록이 각각 94 % 및 77 %의 제거효율을 보였으나 자갈 블록에서는 제거효과가 확인되지 않았다.
- 부유물질인 SS (Suspended solid)는 수중에 현탁되어 있는 불용성 물질로, 28일 경과시의 농도는 백두산 화산재-시멘트 혼합토 블록 및 한라산 화산재-시멘트 혼합토 블록에서 각각 91 % 및 37 %의 제거효율을 보였으나, 자갈-시멘트 혼합토 블록에서는 제거효과가 나타나지 않았다. 또한, 케이지형 블록에서도 백두산 화산재 블록 및 한라산 화산재 블록이 각각 94 % 및 77 %의 제거효율을 보였으나 자갈 블록에서는 제거효과가 확인되지 않았다.
- 생물화학적 산소요구량인 BOD 및 화학적 산소요구량인 COD 는 시멘트 혼합토 블록 및 케이지형 블록에서 전체적으로 7일 경과시 증가하였다가 28일이 경과하면서 감소하는 경향을 나타내고 있으나, 뚜렷한 제거효과는 확인되지 않았다.
- 총질소 (T-N)는 초기 유입수 농도가 7.91 mg/L이었으나, 28일 경과후 백두산 화산재-시멘트 혼합토 블록과 한라산 화산재-시멘트 혼합토 블록에서 각각 4.88 mg/L 및 4.80 mg/L로 감소하여 제거효과를 확인할 수 있었으며, 자갈-시멘트 혼합토 블록에서도 3.94 mg/L로 감소하여 제거에 기여하는 것으로 나타났다. 또한 케이지형 블록에서도 백두산 화산재 블록 및 한라산 화산재 블록에서 각각 6.
- 94 mg/L로 감소하여 제거에 기여하는 것으로 나타났다. 또한 케이지형 블록에서도 백두산 화산재 블록 및 한라산 화산재 블록에서 각각 6.40 mg/L 및 5.90 mg/L로 감소하여 제거효과가 확인되었으며, 자갈 블록도 5.48 mg/L로 감소하여 제거에 기여하는 결과를 보였다.
- 총인 (T-P)은 28일 경과시 백두산 화산재-시멘트 혼합토 블록 및 한라산 화산재-시멘트 혼합토 블록에서 모두 92 %의 높은 제거효율을 보였으며, 자갈-시멘트 혼합토 블록에서는 81 %의 효율로 제거되었다. 그리고, 케이지형 블록에서도 백두산 화산재 블록 및 한라산 화산재 블록이 각각 78 % 및 68 %의 높은 제거효율을 나타내었으며, 자갈 블록에서도 81 %의 효율로 제거되어 화산재 블록과 유사한 제거효율을 나타내었다.
- 총인 (T-P)은 28일 경과시 백두산 화산재-시멘트 혼합토 블록 및 한라산 화산재-시멘트 혼합토 블록에서 모두 92 %의 높은 제거효율을 보였으며, 자갈-시멘트 혼합토 블록에서는 81 %의 효율로 제거되었다. 그리고, 케이지형 블록에서도 백두산 화산재 블록 및 한라산 화산재 블록이 각각 78 % 및 68 %의 높은 제거효율을 나타내었으며, 자갈 블록에서도 81 %의 효율로 제거되어 화산재 블록과 유사한 제거효율을 나타내었다.
- 수소이온농도 (pH)는 화산재-시멘트 블록 및 자갈-시멘트 블록에서 7일 경과시 증가하였으나, 이후 28일 경과시까지 감소하는 경향을 나타내었으며, 케이지형 화산재 블록 및 자갈 블록에서는 큰 변화를 나타내지 않았다. 따라서, 시멘트 혼합토 블록의 결합재로 사용되는 시멘트가 pH를 증가시키는 요인으로 판단된다.
- 이상의 결과를 종합해 보면, 시멘트 혼합토 블록 및 케이지형 블록은 총질소 (T-N), 총인 (T-P)의 제거효율이 우수한 것으로 나타났다. Pierre et al.
- 7 m2/g으로 제시하였으며, 대조군인 자갈에 비하여 상대적으로 큰 비표면적을 갖는 화산재의 특성으로 인해 흡착에 의한 부유물질 (SS)의 제거효율이 우수한 것으로 평가되었다. 또한, 실험 결과로부터 시멘트를 결합재로 사용한 화산재-시멘트 혼합토 블록의 경우 pH의 증가요인이 될 수 있으므로, 생물에의 영향성 등 pH의 영향을 크게 받는 개소에 대해서는 케이지형 블록을 수질정화용 블록으로 적용하는 것이 바람직하다고 사료된다.
- 1. 화산재-시멘트 혼합토의 화산재 혼합률이 증가할수록 휨강도가 감소하는 경향을 나타내었다. 이는 화산재의 혼합율이 높아질수록 화산재가 시멘트와 반응하지 못하고 경화체 내부에 그대로 존재하며 시멘트의 수화반응을 방해하기 때문으로 판단된다.
- 이는 화산재의 혼합율이 높아질수록 화산재가 시멘트와 반응하지 못하고 경화체 내부에 그대로 존재하며 시멘트의 수화반응을 방해하기 때문으로 판단된다. 화산재 재활용 촉진 및 강도 증진을 위해 시멘트 중량의 1/10에 해당하는 메타카올린을 추가혼합하여 압축강도 및 휨강도에 미치는 영향을 분석한 결과, 화산재-시멘트 혼합토의 압축 강도가 모든 혼합률에서 증가하는 것으로 나타나, 추가적인 바인더의 혼합을 통해 화산재 혼합토의 강도증진이 가능함을 확인하였으며, 화산재와 시멘트를 3.5:1로 혼합하고 시멘트 중량의 1/10에 해당하는 메타카올린을 추가혼합하는 조합이 최적의 배합비율로 판단된다.
- 2. 유용미생물이 함유된 수질정화용 화산재-시멘트 혼합토 블록 및 케이지형 화산재 블록을 오염수에 침적하는 경우, 28일 경과 후의 총질소 (T-N), 총인 (T-P)의 제거효율이 높은 것으로 평가되었으며, 비표면적이 큰 화산재의 특성에 의해 흡착에 의한 부유물질 (SS) 제거효과가 우수한 것으로 나타나, 화산재-시멘트 혼합토 블록 및 케이지형 화산재 블록은 수질정화에 기여하는 것으로 판단된다. 또한, 시멘트를 결합재로 사용한 화산재-시멘트 혼합토 블록의 경우 pH의 증가요인이 될 수 있으므로, 생물에의 영향성 등 pH의 영향을 크게 받는 개소에 대해서는 케이지형 블록을 수질정화용 블록으로 적용하는 것이 바람직하다고 사료된다.
- 유용미생물이 함유된 수질정화용 화산재-시멘트 혼합토 블록 및 케이지형 화산재 블록을 오염수에 침적하는 경우, 28일 경과 후의 총질소 (T-N), 총인 (T-P)의 제거효율이 높은 것으로 평가되었으며, 비표면적이 큰 화산재의 특성에 의해 흡착에 의한 부유물질 (SS) 제거효과가 우수한 것으로 나타나, 화산재-시멘트 혼합토 블록 및 케이지형 화산재 블록은 수질정화에 기여하는 것으로 판단된다. 또한, 시멘트를 결합재로 사용한 화산재-시멘트 혼합토 블록의 경우 pH의 증가요인이 될 수 있으므로, 생물에의 영향성 등 pH의 영향을 크게 받는 개소에 대해서는 케이지형 블록을 수질정화용 블록으로 적용하는 것이 바람직하다고 사료된다.
후속연구
- 본 실험결과는 28일 동안의 단일 실험에 대한 고찰로서, 향후 현장 적용시험 등 심화연구를 통해 화산재를 이용한 수질정화 블록의 성능을 추가적으로 검증할 필요가 있다.
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