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문제 정의
- 본 연구에서는 페로니켈 생산시 발생하는 페로니켈 슬래그 미분말을 지하매설물용 뒤채움재 재료로 재활용하기 위해 최근 국내외에서 많이 사용하고 있는 유동성뒤채움재로의 적용성을 평가하였다. 평가항목은 최적배합설계, 일축압축강도 및 환경성 시험등이다.
- 본 연구의 목적은 주로 도로노반재 및 콘크리트용 잔골재로 사용하기 위해 입도를 조정하는 과정에서 발생하는 FNS 미분말을 이용하여 지하매설물용 유동성 뒤채움재 특성을 평가하여 활용 가능성을 평가하는 것이다. 이를 위해 2가지(모래, 흙) 다른 조합을 이용하여 최적배합비를 결정하였고, 일축압축강도 및 양생에 따른 강도 발현 특성을 평가하였다.
제안 방법
- FNS미분말을 이용하여 혼합한 유동성뒤채움재 시편은 14일 및 28일 양생시간별로 하중 및 변형특성을 측정하였고, Fig. 5 및 Fig. 6에 나타내었다.
- 결정된 최적배합비는 Table 1 및 Table 2와 같고, 중량비율로 결정하였다. 또한, 페로니켈 슬래그 미분말의 사용량에 따른 특성을 비교 분석하기 위하여 최적배합비를 기준으로 시멘트와 페로니켈슬래그 사용량을 다르게 하여 Case A (일반모래) 및 Case B (노상토) 등에 대해 각각 3개의 배합조건에 대한 일축압축강도 등의 시험을 수행하였다.
- 본 연구에서는 일반모래 및 노상토을 주재료 사용하고, 여기에 기존에 사용하는 플라이애쉬 대신 페로니켈 슬래그 미분말, 시멘트, 물 등을 혼합하여 최적배합비를 결정하였다. 결정된 최적배합비는 Table 1 및 Table 2와 같고, 중량비율로 결정하였다.
- 최적배합비를 결정하기 위하여 초기에 시멘트와 현장 발생토사의 양을 고정시키고, 물과 페로니켈슬래그 미분말(플라이애쉬 대용)의 양을 번갈아 늘리면서 퍼짐 특성이 23cm를 만족하는 점들을 구하여 연결한 곡선을 얻을 수 있다. 이 곡선을 이용하여 최소물소요량(Point of Minimum Water Demand, PMWD)을 결정하였다. 이는 일반모래(흙)와 FNS미분말 혼합물이 적절한 유동특성을 가지기 위해 필요한 최소의 물소요량을 의미한다.
- 본 연구의 목적은 주로 도로노반재 및 콘크리트용 잔골재로 사용하기 위해 입도를 조정하는 과정에서 발생하는 FNS 미분말을 이용하여 지하매설물용 유동성 뒤채움재 특성을 평가하여 활용 가능성을 평가하는 것이다. 이를 위해 2가지(모래, 흙) 다른 조합을 이용하여 최적배합비를 결정하였고, 일축압축강도 및 양생에 따른 강도 발현 특성을 평가하였다.
- 일반모래 및 흙에 FNS미분말을 이용하여 유동성뒤채움재를 만들었다. 혼합된 시편은 7일, 14일 및 28일 양생시간별로 일축압축강도를 측정하였다.
- 지하매설물용 유동성 뒤채움재로 적용시 200–700 kPa의 일축압축강도를 가지도록 하는 것이 일반적이고, 본 연구에서는 시료의 목표 강도를 200 kPa 이상으로 정하였고, 경제성을 고려하여 시멘트양이 되도록 적게 포함되도록 하였다.
- 지하매설물용 유동성 뒤채움재로 적용시 200–700 kPa의 일축압축강도를 가지도록 하는 것이 일반적이고, 본 연구에서는 시료의 목표 강도를 200 kPa 이상으로 정하였고, 경제성을 고려하여 시멘트양이 되도록 적게 포함되도록 하였다. 최적배합설계는 유동성과 일축압축강도를 기본특성으로 평가하였다[6]. 유동성 평가를 위해 본 연구에서는Nantung(1993)이 제안한 시험방법을 이용하였다.
- 2%를 이용하였다. 현장에서 발생한 발생토사의 경우 흙 53%, FNS미분말 20%, 시멘트 1.7%, 물 25.3%를 최적배합비로 적용하였다.
- 일반모래 및 흙에 FNS미분말을 이용하여 유동성뒤채움재를 만들었다. 혼합된 시편은 7일, 14일 및 28일 양생시간별로 일축압축강도를 측정하였다. 측정된 시험결과는 Fig.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 FNS 미분말 구성성분은 주로 CaO(5.2%), MgO(27.8%), S(0.1%), FeO(7.57%),Fe(0.7%), SiO2(55.6%) 등이다. 구성성분의 대부분은 이산화규소와 산화마그네슘이 차지하고 있다.
- 본 연구에 사용된 FNS 미분말은 기존의 페로니켈 생산과정에서 발생하는 페로니켈 슬래그를 잔골재로 사용하기 위해 분쇄하는 과정에서 Fig.1 과 같이 생산된다. 이렇게 생산된 미분말의 분말도는 3,050 cm2/g 정도이고, 메카노케미칼 작용에 따라 FNS와는 달리 물과 반응을 하게 되고, 24시간 이내에 경화가 진행된다.
- 양생시간별 일축압축강도의 변화는 모든 조건에서 증가하였고, 특히, Case B3에서 효과가 큰 것으로 나타났다. 본 연구에 사용된 현장발생토의 경우200번체 통과 시료의 일부가 점토광물로 구성되어 있어서, 시멘트 사용량에 따른 강도 발현효과가 일반모래에 비해 좀더 명확하게 나타난 것으로 판단된다.
- 본 연구에 사용된 흙은 천안시 인근의 도로공사 현장에서 발생한 굴착잔토이다. 흙의 지반공학적 분류로는 SP이고, 밀도는 2.
- 기존의 유동성 뒤채움재는 주로 모래 또는 흙을 주성분으로 유동성 및 장기강도 발현을 위해 플라이애쉬와시멘트, 및 물 등을 주재료로 이용하였다. 본 연구에서는플라이애쉬 대용으로 100% 폐기되고 있는 FNS미분말을 이용하였다. 최적배합비는 모래를 이용한 혼합물의 경우 중량비 기준으로 모래 58.
이론/모형
- FNS 미분말의 환경유해성 평가를 위해 KS L ISO18575 (KS A 0094) 시험방법을 이용하였다[3][4]. 시험온도는 20도 및 습도는 30% 수준을 유지하였다.
- 최적배합설계는 유동성과 일축압축강도를 기본특성으로 평가하였다[6]. 유동성 평가를 위해 본 연구에서는Nantung(1993)이 제안한 시험방법을 이용하였다. Fig.
성능/효과
- 2 MPa 범위에서 측정되었다. FNS미분말의 환경유해성 평가를 위한 용출시험결과, 환경에 유해한 물질의 용출은 없는 것으로 나타났다.
- Kim (2013)은 FNS 잔골재를 적용한 콘크리트 개발을 위해 FNS 잔골재의 성능 평가 및 강도별 FNS 적용 콘크리트 기초성능평가를 실시하였다. 검토결과, 일반강도, 고강도, 초고강도 배합 모두 혼합비율이 40% 이상일 경우 점성이 증가하며 작업성이 불량해지는 것으로 나타났다. 따라서 입도 및 입형 보정이 필요할 것으로 판단되며, FNS의 흡수율이 낮기 때문에 혼합비율이 높아질수록 요구 단위수량이 줄어드는 것으로 판단된다고 하였다[5].
- Choi 등은 FNS 중 괴재슬래그를 활용한 콘크리트의 시공지침을 개발하기 위해서 괴재슬래그를 혼입한 콘크리트의 특성을 평가하였다[1]. 그 결과, 괴재슬래그 혼입률이 증가할수록 소요 슬럼프를 얻기 위한 혼화제의 첨가량이 증가되어 괴재슬래그 혼입한 콘크리트의 작업성이 다소 저하되는 것으로 나타났으나, 탄성계수는 기준 콘크리트의 90% 이상으로 나타나 잔골재의 대체 재료로 FNS 괴재슬래그의 사용 가능성이 기대된다고 하였다.
- 그 결과, FNS의 니켈은 광석 성분인 니켈산화물 형태로 존재하여 안정적이고, 불용성으로 인해 용출되지 않음을 토양지하수 학회 연구보고 결과에서 발표되었으며, 용출 실험결과 유해물질이 검출되지 않아 사업장 일반폐기물로 허가를 받았다[3][4]. 또한 니켈 용출에 의하여 주변지역 토양을 오염시킬 우려가 없음으로성토재, 보조기층재 등으로 활용해도 법적인 문제가 없다는 검토 결과를 받았다. 하지만 FNS가 매립지에 사용되어질 경우 지하수에 따른 환경오염 평가 및 강우량에 따른 지하수 오염 평가, FNS가 주변지반에 미치는 환경오염 평가, 해수 및 담수에 의한 환경오염 평가 등 다양한 변수를 고려해야 함으로 매립에 의한 환경성 평가를 실시해야 할 것으로 판단된다.
- 18로 측정되었다. 또한, 200번체 통과량은 1.51%로 미분이 상대적으로 적은 흙으로 판정되었다.
- 전체적으로 양생시간에 따라 일축압축강도가 증가하는 경향을 보이고 있다. 또한, 일반모래를 주재료로 이용한 유동성뒤채움재의 일축압축강도가 흙을 주재료로 이용한 혼합재료에 비해 상대적으로 크게 나타났다.
- 40 MPa 수준으로 평가되었다. 실험결과로부터 Case A3 정도면 FNS미분말과 시멘트혼합비율 가장 적정한 것으로 판단되었다. 흙을 주재료로 이용한 Case B의 경우도 Case A와 전체적으로 유사한 경향을 나타냈고, Case B1이 적정한 것으로 나타났다.
- 2 MPa 범위에서 측정되었다. 양생시간별 일축압축강도의 변화는 모든 조건에서 증가하였고, 특히, Case B3에서 효과가 큰 것으로 나타났다. 본 연구에 사용된 현장발생토의 경우200번체 통과 시료의 일부가 점토광물로 구성되어 있어서, 시멘트 사용량에 따른 강도 발현효과가 일반모래에 비해 좀더 명확하게 나타난 것으로 판단된다.
- 39 MPa 정도로 가장 크게 나타났다. 양생시간에 따른 강도발현은 Case A3에서 좀더 크게 나타났고, 기본조건인 Case A1의 강도발현효과는 상대적으로 적은 것으로 나타났다. 이는 FNS미분말을 이용한 유동성 뒤채움재의 강도특성이 비교적 적은 1.
- 전체적으로 시멘트 사용량이 많고, 최대강도가 클수록 strain이 작게 발생하였다. 모래를 이용한 혼합물의 경우 파괴시 강도가 명확하게 나타났고, 흙을 이용한 혼합물의 경우 14일 양생시 파괴형상이 점성토의 시험결과와 유사한 경향을 나타내었다.
- 본 연구에 사용된 흙은 천안시 인근의 도로공사 현장에서 발생한 굴착잔토이다. 흙의 지반공학적 분류로는 SP이고, 밀도는 2.7 정도로 측정되었다. 지반공학에서 사용하는 10%, 30% 및 60% 통과시 입자의 크기는 각각 0.
후속연구
- 양생시간에 따른 강도발현은 Case A3에서 좀더 크게 나타났고, 기본조건인 Case A1의 강도발현효과는 상대적으로 적은 것으로 나타났다. 이는 FNS미분말을 이용한 유동성 뒤채움재의 강도특성이 비교적 적은 1.8%에서 2.8% 범위에서 사용이 가능한 것을 의미하고,향후 경제성 분석을 통해 적정한 시멘트사용량을 결정할 수 있을 것이다.
- 다만, 흙을 이용한 혼합물의 경우 14일 양생시에는 연약한 점성토 거동을 보이다가, 28일 양생시에는 단단한 점성토 형태의 거동특성을 보여주고 있다. 이는 현장에서 발생한 흙을 이용하는 경우 양생초기에 하중이 크지 않으므로, 도로포장 등 상층부 시공시 적정 강도를 확인하는 것이 바람직할 것이다.
- 또한 니켈 용출에 의하여 주변지역 토양을 오염시킬 우려가 없음으로성토재, 보조기층재 등으로 활용해도 법적인 문제가 없다는 검토 결과를 받았다. 하지만 FNS가 매립지에 사용되어질 경우 지하수에 따른 환경오염 평가 및 강우량에 따른 지하수 오염 평가, FNS가 주변지반에 미치는 환경오염 평가, 해수 및 담수에 의한 환경오염 평가 등 다양한 변수를 고려해야 함으로 매립에 의한 환경성 평가를 실시해야 할 것으로 판단된다.
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