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문제 정의
- 본 연구에서는 고화재로 사용되는 시멘트 활용을 줄이고 제철소에서 발생되는 용선슬래그의 재자원화를 통해 고화재 원료로 활용하고자 용선슬래그 활성물질이 융합된고화재 배합기술개발 및 개발고화재의 물리적 특성, 내구성능 평가, 중금속 용출량 평가 등을 통해 용선슬래그와 활성제 물질을 융합한 친환경 고화재의 역학적 특성에 관한 연구를 수행하였다.
- 기존에 알려진 자극성(활성) 물질은 가성소다(Sodiumhydroxide, NaOH), 규산나트륨(Sodium silicate, Na2SiO3)등이 일반적으로 알려져 있으나 상용성과 경제성 면에서 사용하기에는 어렵다고 판단되며, 환경 친화적이면서 경제성을 갖는 활성제의 개발이 필요하다. 용선슬래그의 사용량이 증가할수록 수화반응성의 저하로 발생되는 강도저하 및 에트린자이트 활성의 부족으로 인한 문제를 극복하기 위하여 일부 급결제로 활용되어지고 있는 Calcium aluminates 미분과 Calcium sulfoaluminate의 혼용 사용으로 초기 수화 반응성을 개선하고 용선슬래그와 표면을 감싸고 반응성을 저해하는 유리막 구조의 활성화를 위한 Acetic acid와 그 외알카리 반응 촉진제 등의 활용 등 수화반응 개선 첨가제들의 최적 배합비를 도출하고자 하였다.
제안 방법
- 개발고화재는 용선슬래그, 보통포틀랜드시멘트 그리고알칼리반응촉진제가 각각 50%, 40%, 그리고 10%의 중량비로 혼합된 고상의 반응성 물질이다. 개발고화재를 혼합률 4, 6, 8, 10, 12%로 변화시켜 가며 현장토와 혼합한 시료의 일축압축강도 및 투수 특성을 분석하였으며, 고화재와 물의 비율은 1:1(고화재:물)로 적용하였고, 각각의 현장토에 따른 배합조건을 Table 3에 정리하였다.
- 고화재 혼합률에 따른 투수성을 알아보기 위해 Φ10×7cm의 투수 시험 몰드 안에 고화재를 혼합한 3종의 원지반토사를 강도실험에서와 같은 조건(혼합비, 다짐)으로 투수 시험용 시험체를 제작하여 사용하였다.
- 고화재 혼합토의 공학적 특성 평가를 위한 공시체는 한국산업규격(KS F 2329)의 공시체 제작방법을 참조하여 제작하였다. 공시체 제작은 고화재와 물 1:1 비율로 배합한 후, 대상토양에 4, 6, 8, 10, 12%를 혼합하여 공시체를 제작하였다. 공시체는 고화재 혼합률, 양생일에 따른 강도특성을 알아보기 위해 일축 압축시험에 적합한 규격(직경5cm 길이 10cm)의 실린더 형태로 제작하였다.
- 이러한 조성의 슬래그는 급결의 특성을 가지게 된다(Jang, 2012). 따라서 용선슬래그의 활성 및 사용성 개선을 위해 주요 구성성분이 SiO2로 이루어져 있는 실리카퓸을 활성화제로 사용하여 수화물의 미세공극을 채워 수화반응을 개선하였다.
- 본 연구는 용선슬래그를 재활용하여 자원 순환 및 고화재의 기능성을 부여하는데 있으며, 용선슬래그의 고화재원료로서의 가능성을 평가하기 위해 물리적 화학적 특성분석 및 압축강도, 유해물질용출시험, 투수계수 시험을 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 용선슬래그의 미세구조를 SEM(Scanning Electron Microscope, Hitachi, Japan, S-4700)을 이용하여 관찰하였다.Fig.
- 공시체는 고화재 혼합률, 양생일에 따른 강도특성을 알아보기 위해 일축 압축시험에 적합한 규격(직경5cm 길이 10cm)의 실린더 형태로 제작하였다. 이를 위해 PVC관을 이용하였으며 표면의 건조를 막기 위해 필름을 사용하여 대기 중에서 약 24시간 방치 후 수중 양생하였다. 수중양생 시에는 수온의 온도를 20±2°C로 유지하여 온도에 따른 강도변화를 최소화 하였다.
대상 데이터
- 개발고화재는 용선슬래그, 보통포틀랜드시멘트 그리고알칼리반응촉진제가 각각 50%, 40%, 그리고 10%의 중량비로 혼합된 고상의 반응성 물질이다. 개발고화재를 혼합률 4, 6, 8, 10, 12%로 변화시켜 가며 현장토와 혼합한 시료의 일축압축강도 및 투수 특성을 분석하였으며, 고화재와 물의 비율은 1:1(고화재:물)로 적용하였고, 각각의 현장토에 따른 배합조건을 Table 3에 정리하였다.
- 고화재의 주재료인 용선슬래그는 제철소에서 발생되는 용선슬래그 미분말을 수거하는 국내 J업체에서 공급받아 사용하였으며, 용선슬래그에 혼입되어 있는 철 성분을 분리하는 공정을 도입하여 안정적인 품질의 용선슬래그 미분말을 제조하였다.
- 공시체 제작은 고화재와 물 1:1 비율로 배합한 후, 대상토양에 4, 6, 8, 10, 12%를 혼합하여 공시체를 제작하였다. 공시체는 고화재 혼합률, 양생일에 따른 강도특성을 알아보기 위해 일축 압축시험에 적합한 규격(직경5cm 길이 10cm)의 실린더 형태로 제작하였다. 이를 위해 PVC관을 이용하였으며 표면의 건조를 막기 위해 필름을 사용하여 대기 중에서 약 24시간 방치 후 수중 양생하였다.
이론/모형
- 고화재 혼합률에 따른 고화토의 블리딩을 평가하기 위해 KS F 2414에 근거하여 블리딩 시험을 수행하였다.
- 고화재 혼합토의 공학적 특성 평가를 위한 공시체는 한국산업규격(KS F 2329)의 공시체 제작방법을 참조하여 제작하였다. 공시체 제작은 고화재와 물 1:1 비율로 배합한 후, 대상토양에 4, 6, 8, 10, 12%를 혼합하여 공시체를 제작하였다.
- 투수계수는 지반의 내구성능 및 미세구조의 밀실성을 판단할 수 있는 요인으로 압축강도에 비례하여 시간이 지남에 따라 감소하며, 이는 공극률의 감소 및 수화물의 팽창과 관련이 있다. 고화재의 혼합률에 따른 투수성을 평가하기 위해 KS F 2322에 근거하여 투수 시험을 수행하였으며, 혼합토 종류에 따른 투수계수는 Fig. 9과 같다. 그림에서 보는 바와 같이 A type의 혼합토에서 투수계수 값이 최소값을 나타내었고, B type, C type 순으로 낮은 값을보이는 것을 알 수 있다.
- 용선슬래그 고화재에 대하여 원자흡광광도계(AAS) 및 유도결합플라즈마질량분석기(ICP-MS)를 이용하여 폐기물공정시험법에 따라 유해물질 용출시험을 진행하였다.
- 원지반토에 따른 개발고화재의 특성을 파악하기 위해 3가지의 원지반토 시료를 확보하였으며, 개발고화재와 혼합할 대상토의 기본적인 물성을 파악하기 위해 한국산업규격 KS(Korea Industrial Standard) 시험방법을 적용하여 실시하였다. A의 대상토는 75㎛ 체의 통과율이 50%를 초과하는 세립토이며, 모래질의 세립토의 분류에 속하는 것으로 볼 수 있다.
성능/효과
- (1) SEM에 의한 미세구조 관찰결과 용선슬래그는 입자 배열이 매우 불규칙하며 크기가 균일하지 않고 입자표면이거칠고 층상구조를 띄는 부분이 있는 것을 확인하였다.
- (2) X-선 회절분석 결과 주 결정상이 Ca12Al14O33(C12A7),Ca3Al2(OH)12, 2CaO‧SiO2(C2S)임을 확인하였고, 고화재 원료 적용에 있어 수화반응시 에트린자이트가 생성됨에 따라 지반안정성 및 강도증대 효과가 있다.
- (3) 용선슬래그가 주 재료인 고화재와 현장토를 혼합한 시료의 압축강도는 고화재 혼합률에 따라 차이를 보이는 것을 확인하였고, 28일 압축강도의 경우에는 고화재 첨가량에 따라 개발고화재의 압축강도가 증가하는 것으로 나타났다. 이는 원재료의 슬래그 반응성으로 28일 후 잠재 수경성 반응이 일어나면서 강도가 증가하였다.
- (4) 투수계수시험 결과, 고화재와 현장토를 혼합한 시료의 투수계수는 고화재 혼합률에 따라 차이를 보이는 것을 확인하였고, 고화재 혼합률이 증가함에 따라 감소하기 시작하여 12%일 때 투수계수는 최소값을 나타내었다. 이는 원재료의 슬래그 반응성으로 고화재 혼합률이 증가할수록 수화물의 부피 팽창으로 인해내부조직이 치밀화 되고 고화재 미세입자들의 간극충진에 의한 것으로 판단된다.
- (5) 유해물질용출시험 결과, 6가 크롬을 제외한 나머지 항목에서는 중금속이 검출되지 않았으며, 6가 크롬의 경우에도 지정폐기물에 함유된 유해물질 함유기준을 만족하는 값으로 현장 시공 시 용선슬래그를 재활용한 고화재에 의한 주변 토양이나 지하수의 오염 가능성은 없을 것으로 판단된다.
- (6) 용선슬래그의 고화재 원료로서의 가능성을 평가하기 위해 3종의 원지반 토사와 개발고화재를 혼합하여 압축강도와 투수시험을 진행한 결과, 개발고화재의 혼합률이12% 일 때 28일 압축강도는 각각 0.93, 0.96, 1.3MPa으로 본 연구 개발 고화재의 소요 강도 값인 1MPa를 만족하였으며, 투수계수는 각각 4.1×10-8, 7.0×10-7, 1.7×10-7cm/sec을 나타내었다.
- 양생기간이 같은 경우에 고화재의 혼합률이 증가함에 따라 압축강도가 대부분 증가하는 경향을 보이지만, 3일, 7일 초기재령에서 혼합률 8% 이후부터는 강도가 감소하거나 고화재 혼합률에 관계없이 강도의 변화가 나타나지 않았다. 28일 압축강도의 경우에는 고화재 첨가량에 따라 개발고화재의 압축강도가 증가하는 것으로 나타났으며, 혼합토의 종류에 따라 압축강도 값은 차이를 보이지만 고화재 혼합률이 증가할수록 압축강도가 증가하는 경향을 보이는 것을 확인하였다. 이는 원재료의 슬래그 반응성으로 28일 후 잠재 수경성 반응이 일어나면서 강도가 증가된 것으로 판단되며, 개발고화재는 3종류의 원지반 토사를 이용하여 제작된 공시체를 통해 압축강도 시험을 수행한 결과 원지반 토사에 따라 압축강도의 값은 미미한 차이를 보이며, 고화재 혼합률이12%인 고화체의 양생일 28일 압축강도의 값이 각각 0.
- 개발고화재는 3종류의 원지반 토사를 이용하여 투수 시험을 수행한 결과 원지반 토사에 따라 투수계수의 값은 차이를 보이지만, 고화재 혼합률 12%에서 각각 4.1×10-8, 7.0×10-7,1.7×10-7 cm/sec로 최소값을 나타내었다.
- 10은 고화재 혼합율에 따른 투수 특성을 나타낸 그래프이다. 고화재의 혼합률에 따른 투수계수 값은 혼합률의 증가에 따라 감소하는 경향을 보이는 것을 확인하였다. 개발고화재는 3종류의 원지반 토사를 이용하여 투수 시험을 수행한 결과 원지반 토사에 따라 투수계수의 값은 차이를 보이지만, 고화재 혼합률 12%에서 각각 4.
- 7은 혼합토 종류에 따른 일축압축강도 특성을 혼합율 별로 나타낸 그래프이다. 그림에서 알 수 있듯이 A type의 혼합토의 경우에서 최대값을 보이며, 고화재 혼합율이 증가함에 따라 강도도 증가하는 것을 확인하였고, B type과 C type의 강도의 값은 A type에 비해 낮은 강도를 나타내었다. 본 연구의 개발고화재는 A type과 같은 실트질 점토인 “CL-ML” 계열의 흙에 적용할 경우 모래계열의 흙보다 강도의 발현율이 높을 것으로 판단된다.
- 또한 기존 연구 결과에서 보고된 제강슬래그와 시멘트 고화재의 유해물질 용출시험 결과에 비해 유해물질 용출량이 적은 것으로 나타났다. 따라서 본 연구에서 개발된 고화재는 현장시공 후에도 주변토양이나 지하수의 오염 가능성이 없을 것으로 판단된다.
- 6가 크롬 항목에서 미소량 검출되었지만 함유기준을 만족하였으며, 나머지 항목에서는 중금속이 용출되지 않았다. 또한 기존 연구 결과에서 보고된 제강슬래그와 시멘트 고화재의 유해물질 용출시험 결과에 비해 유해물질 용출량이 적은 것으로 나타났다. 따라서 본 연구에서 개발된 고화재는 현장시공 후에도 주변토양이나 지하수의 오염 가능성이 없을 것으로 판단된다.
- 그림에서 나타내는 바와 같이 재령일이 증가할수록 압축강도의 값이 증가하는 것을 알수 있다. 또한 대상토의 종류에 따라 강도의 차이를 보이지만 대상토의 종류에 관계없이 재령일에 따라 강도가 증가하는 패턴을 보였다.
- 본 연구의 개발고화재는 A type과 같은 실트질 점토인 “CL-ML” 계열의 흙에 적용할 경우 모래계열의 흙보다 강도의 발현율이 높을 것으로 판단된다.
- 시험재료의 소성특성을 파악하기 위하여 액성한계, 소성한계 시험을 실시하였으며, 대상토는 점성토의 성분이 포함되어 소성지수가 각각 6.7, 5.8, 5.0으로 나타났다. 토질 기본 물성시험 결과 및 입도분포 곡선은 Table 2 및 Fig.
- 8은 고화재 혼합률에 따른 혼합토 별 고화체의 압축강도 발현율을 나타낸 것이다. 양생기간이 같은 경우에 고화재의 혼합률이 증가함에 따라 압축강도가 대부분 증가하는 경향을 보이지만, 3일, 7일 초기재령에서 혼합률 8% 이후부터는 강도가 감소하거나 고화재 혼합률에 관계없이 강도의 변화가 나타나지 않았다. 28일 압축강도의 경우에는 고화재 첨가량에 따라 개발고화재의 압축강도가 증가하는 것으로 나타났으며, 혼합토의 종류에 따라 압축강도 값은 차이를 보이지만 고화재 혼합률이 증가할수록 압축강도가 증가하는 경향을 보이는 것을 확인하였다.
- 앞의 용선슬래그의 화학분석 결과에서는 고로슬래그와 전혀 다른 조성, 즉 다량의 Fe 이온 성분이 함유됨으로서 물리적 특성 면에서 차이가 있음을 알수 있다. 용선슬래그의 주요 결정상은 X선 회절 분석 결과주로 Ca12Al14O33(C12A7), Ca3Al2(OH)12, 2CaO‧SiO2(C2S)임을 확인할 수 있었다. 용선슬래그는 고화재 원료 적용에 있어 수화반응시 에트린자이트가 생성됨에 따라 지반안정성 및 강도증대 효과를 얻을 수 있을 것으로 판단된다.
- 28일 압축강도의 경우에는 고화재 첨가량에 따라 개발고화재의 압축강도가 증가하는 것으로 나타났으며, 혼합토의 종류에 따라 압축강도 값은 차이를 보이지만 고화재 혼합률이 증가할수록 압축강도가 증가하는 경향을 보이는 것을 확인하였다. 이는 원재료의 슬래그 반응성으로 28일 후 잠재 수경성 반응이 일어나면서 강도가 증가된 것으로 판단되며, 개발고화재는 3종류의 원지반 토사를 이용하여 제작된 공시체를 통해 압축강도 시험을 수행한 결과 원지반 토사에 따라 압축강도의 값은 미미한 차이를 보이며, 고화재 혼합률이12%인 고화체의 양생일 28일 압축강도의 값이 각각 0.93,0.96, 1.3MPa의 값으로 본 연구 개발 고화재의 소요강도값인 1MPa에 만족하는 값을 나타내어 다양한 원지반 토사에 대한 고화재로서의 적용 가능성을 확인하였다
- 7×10-7cm/sec을 나타내었다. 이를 통해 다양한 원지반 토사에 대한 고화재로서의 적용 가능성을 확인하였고, 유해물질용출시험 결과 지정폐기물에 함유된 유해물질 함유기준에 만족하는 값을 나타내어 지반개량공사의 표층처리공법용 고화재의 원료로서 재활용 가능성을 확인할 수 있었다. 본 연구 논문은 용선슬래그를 재활용한 고화재를 개발하여 기초물성시험 및 유해성 평가를 통해 개발고화재에 대한 고화재 원료로서의 적용 가능성에 관한 연구논문이며, 추후 연구를 통해 개발고화재의 변형특성(탄성계수 등)이나 물-시멘트 비에 따른 강도 특성에 대한 분석이 이루어져야 할 것으로 판단된다.
- 혼합토의 종류별로 투수계수의 값은 차이를 보이지만, 고화토의 투수 기준치인 1×10-6cm/sec값을 만족하는 것으로 보아 본 연구에서 개발한 용선슬래그를 원료로 하는 고화재는 혼합토의 종류에 관계없이 연약지반 개량에 적용하는데 있어 충분한 투수 특성을 보이는 것으로 판단된다.
후속연구
- 이를 통해 다양한 원지반 토사에 대한 고화재로서의 적용 가능성을 확인하였고, 유해물질용출시험 결과 지정폐기물에 함유된 유해물질 함유기준에 만족하는 값을 나타내어 지반개량공사의 표층처리공법용 고화재의 원료로서 재활용 가능성을 확인할 수 있었다. 본 연구 논문은 용선슬래그를 재활용한 고화재를 개발하여 기초물성시험 및 유해성 평가를 통해 개발고화재에 대한 고화재 원료로서의 적용 가능성에 관한 연구논문이며, 추후 연구를 통해 개발고화재의 변형특성(탄성계수 등)이나 물-시멘트 비에 따른 강도 특성에 대한 분석이 이루어져야 할 것으로 판단된다.
- (2013)은 페로니켈슬래그의 공학적 특성을 분석하였고, 소형 및 대형 모형토조를 제작하여 페로니켈슬래그 매립시 주변토양에 미치는 환경적 영향 평가를 통해 향후 천연골재대체재로의 활용가능성을 제시하였다. 이와 같이 산업부산물의 재활용에 대한 연구는 활발히 진행되고 있으며, 고화재 원료로서 활용될 경우 자원의 재활용뿐만 아니라 경제적, 환경적,공학적 측면에서도 매우 유용할 것으로 판단되며 이에 대한 연구는 지속적으로 진행되어야 한다.
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