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문제 정의
- 이러한 폴리머 수지를 차수재에 적용한 연구는 기존의 점토, 벤토나이트 및 지오멤브레인 물질을 차수재에 적용하는 연구에 비해 많이 부족한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 침출수 유출 차단 등의 고기능성 차수재를 제조하기 위해 VAE 분말수지를 차수재에 적용하여 나타나는 결과를 분석하여 최적의 함량을 도출하였다. 또한, 폐기물 매립지에 적용되는 차수재의 특성을 평가하였다.
- 본 연구에서는 폐기물 매립지용 차수재의 내구성 및 수밀성을 향상시키기 위해 VAE 수지를 차수재에 도입 하여 함량에 따른 물성 변화를 고찰하였다. VAE 수지의 함량이 증가 할수록 VAE 입자의 볼 베어링(ball bearing)효과와 수지에 함유된 유화제에 의한 분산성 향상으로 인해 단위 수량이 감소됨을 확인하였다.
제안 방법
- 따라서 차수재의 경우 단위 수량이 중요한 인자로 작용되고 있다. Fig. 1에 차수재의 단위수량 결과를 나타내었으며, 작업성을 위해 flow를 200 mm로 고정한 상태에서 차수재의 단위수량의 변화를 확인하였다. VAE 수지의 함량이 증가할수록 단위수량이 18.
- 따라서 본 연구에서는 침출수 유출 차단 등의 고기능성 차수재를 제조하기 위해 VAE 분말수지를 차수재에 적용하여 나타나는 결과를 분석하여 최적의 함량을 도출하였다. 또한, 폐기물 매립지에 적용되는 차수재의 특성을 평가하였다.
- 차수재의 현장시공은 뿜칠장비로 시공 시 막힘 현상을 차단하기 위해 숏크리트 기준으로 제시되고 있는 흐름성 (flow)과 동일하게 200 mm 기준으로 두고 단위수량 (water ratio)을 확인하였다. 유동성을 향상시키고 단위 수량을 감소시키기 위해 유동화제를 사용하였다. 유동화 제는 일정한 함량을 사용할 경우 유동성을 증가시키지만 과도하게 첨가할 경우 재료 분리로 인한 물성 저하를 가져올 수 있기 때문에 소량 사용하였다.
- 차수재의 경우, 숏크리트 배합과 유사한 경향으로 인해 이를 바탕으로 Table 2와 같이 배합을 설계하였다. 차수재의 현장시공은 뿜칠장비로 시공 시 막힘 현상을 차단하기 위해 숏크리트 기준으로 제시되고 있는 흐름성 (flow)과 동일하게 200 mm 기준으로 두고 단위수량 (water ratio)을 확인하였다. 유동성을 향상시키고 단위 수량을 감소시키기 위해 유동화제를 사용하였다.
- 휨강도와 압축강도를 측정하기 위해 제조된 공시체를 탈형 후, KS F 2477(폴리머 시멘트 모르타르의 강도 시험 방법)에 의거하여 3, 7 및 28일의 간격을 두고 압축강도 측정기(×2000, Montauban, France)를 사용하여 측정하였다.
대상 데이터
- 차수재의 유동성 증가를 통한 작업성을 향상시키기 위해 K사의 polycarbonate (PC)계 고성능 감수제(superplasticizer)를 사용하였다. VAE 분말수지는 액상에서 스프레이 건조를 통해 제조된 것으로 독일 W 사의 것을 사용하였고 물성을 Table 1에 나타내었다.
- 골재는 I지역의 건조 해안사를 사용하였으며, 입도사이즈는 0.15~2 mm 범위의 것들을 분류하여 사용하였다. 바인더로 사용된 1종 포틀랜드 시멘트(OPC)는 H사의 것을 구매하여 사용하였다.
- 공시체는 KSL ISO 679 규정에 의거하여 40×40×160 mm3의 몰드에서 21±4℃의 온도조건에서 양생하여 제조하였다.
- 15~2 mm 범위의 것들을 분류하여 사용하였다. 바인더로 사용된 1종 포틀랜드 시멘트(OPC)는 H사의 것을 구매하여 사용하였다. 슬래그는 P지역에서 생산 되는 고로슬래그를 사용하였다.
- 바인더로 사용된 1종 포틀랜드 시멘트(OPC)는 H사의 것을 구매하여 사용하였다. 슬래그는 P지역에서 생산 되는 고로슬래그를 사용하였다. 플라이애쉬는 P지역의 미분탄화력발전소에서 발생되는 플라이애쉬를 정제 후 사용하였다.
- 플라이애쉬는 P지역의 미분탄화력발전소에서 발생되는 플라이애쉬를 정제 후 사용하였다. 차수재의 유동성 증가를 통한 작업성을 향상시키기 위해 K사의 polycarbonate (PC)계 고성능 감수제(superplasticizer)를 사용하였다. VAE 분말수지는 액상에서 스프레이 건조를 통해 제조된 것으로 독일 W 사의 것을 사용하였고 물성을 Table 1에 나타내었다.
- 슬래그는 P지역에서 생산 되는 고로슬래그를 사용하였다. 플라이애쉬는 P지역의 미분탄화력발전소에서 발생되는 플라이애쉬를 정제 후 사용하였다. 차수재의 유동성 증가를 통한 작업성을 향상시키기 위해 K사의 polycarbonate (PC)계 고성능 감수제(superplasticizer)를 사용하였다.
이론/모형
- 차수재의 차수성능을 확인하기 위해 투수계수는 공시체 내부로 물이 일정한 수위차로 침투되는 속도로 측정하여 시료의 투수성을 살펴보는 방법으로 KS F 2322(흙의 투수계수 시험방법) 중에 변수위 투수법을 이용하여 측정하였다(Lee et al., 2016).
- 공기량 측정방법은 KS F 2409(굳지 않은 콘크리트의 단위용적중량 및 공기량 시험방법)에 준하여 측정하였다. 차수재의 휨강도, 압축강도 및 흡수율을 측정하기 위해 다음과 같이 공시체를 제작하였다.
- 유동화 제는 일정한 함량을 사용할 경우 유동성을 증가시키지만 과도하게 첨가할 경우 재료 분리로 인한 물성 저하를 가져올 수 있기 때문에 소량 사용하였다. 시료의 혼합방법은 KS L ISO 679규정에 의거하여 모르타르 혼합기를 통해 차수재와 물을 1분 동안 혼합하여 차수재를 제조하였다.
- 휨강도와 압축강도를 측정하기 위해 제조된 공시체를 탈형 후, KS F 2477(폴리머 시멘트 모르타르의 강도 시험 방법)에 의거하여 3, 7 및 28일의 간격을 두고 압축강도 측정기(×2000, Montauban, France)를 사용하여 측정하였다. 흡수율은 KS F 2476 규격에 의거하여 측정하였다. 공시체를 28일 동안 양생한 후 건조기에서 80℃의 온도조건 에서 24시간 건조하였다.
성능/효과
- 공기량 특성의 경우, VAE 수지가 증가 할수록 동결융해 저항성은 향상되나 연행공기 발생량이 증가하므로 내구성이 다소 저하 될 것으로 판단된다. 3, 7 및 28일의 간격을 두고 휨 및 압축강도를 측정한 결과, 차수재 계면에 형성되는 VAE의 막 형성과 시멘트의 수화반응 사이의 속도차이로 인해 3일 차에는 휨강도가 함량에 따라 감소하나, 7일 및 28일 차에는 함량에 따라 휨 강도가 증가하였다. 압축 강도의 경우, VAE 수지 함량이 증가할수록 VAE의 필름 형성률이 증가하여 수화생성물의 결정성장을 억제하여 감소하는 결과를 나타내었다.
- 이 때 발생하는 연행공기는 동결융해에 대한 저항성을 증가시켜 주지만 과다한 연행공기의 발생은 오히려 내구성을 감소시킬 수 있다(Mai and Cotterell, 1986). Fig. 2에 공기량 측정결과를 나타내었으며, VAE 수지 함량이 증가할수록 공기량은 3.2% ~ 7.2%까지 증가한 결과를 확인하였다. 이러한 결과는 일반적으로 폴리머 시멘트 모르타르의 공기량은 폴리머-시멘트 비가 증가할수록 높아지는 것으로 알려져 있는 연구결과와 동일한 것으로 나타났다 (Han and Chang, 2015).
- 투수계수 또한 VAE 수지가 차수재 내부의 공극을 채워줌으로 인해 낮은 투수 특성이 발현되고 차수성능이 향상된 것으로 판단된다. VAE 수지 함량에 따른 경향성을 종합적으로 검토해보았을 때, VAE 수지가 4 wt% 함량일 때 최적의 물성을 발현하는 것으로 판단되었다. 기존에 사용되던 무기물과 비교하였을 때 VAE 수지는 현장 적용시 비교적 간단한 방법으로 제조될 수 있으며, 차수재의 중요 특성인 내구성 및 수밀 성의 향상에도 기여하기 때문에, 향후 차수재의 성능 향상에 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.
- 5는 차수재를 48시간동안 수중침지 후의 흡수율을 나타내었으며, 일정 함량 이상까지는 VAE 수지 함량이 증가할수록 흡수율이 낮은 것을 확인하였다. VAE 수지를 혼입하지 않은 P-P의 흡수율은 3.8%로 나타난 반면 P-5의 경우는 흡수율이 1.9%로 줄어든 것을 확인하였다. 따라서 VAE 수지를 혼입할 경우, 흡수율이 거의 50%까지 감소하는 효과를 나타내었다.
- 본 연구에서는 폐기물 매립지용 차수재의 내구성 및 수밀성을 향상시키기 위해 VAE 수지를 차수재에 도입 하여 함량에 따른 물성 변화를 고찰하였다. VAE 수지의 함량이 증가 할수록 VAE 입자의 볼 베어링(ball bearing)효과와 수지에 함유된 유화제에 의한 분산성 향상으로 인해 단위 수량이 감소됨을 확인하였다. 공기량 특성의 경우, VAE 수지가 증가 할수록 동결융해 저항성은 향상되나 연행공기 발생량이 증가하므로 내구성이 다소 저하 될 것으로 판단된다.
- 1에 차수재의 단위수량 결과를 나타내었으며, 작업성을 위해 flow를 200 mm로 고정한 상태에서 차수재의 단위수량의 변화를 확인하였다. VAE 수지의 함량이 증가할수록 단위수량이 18.1%에서 15.6%까지 감소하는 것을 확인하였다. 이러한 결과는 VAE 수지의 혼입량이 증가할수록 구형의 VAE 수지의 입자들의 볼 베어링(ball bearing)효과와 VAE 수지에 함유되어 있는 유화제가 다량의 미세공기를 발생시켜 시멘트 입자들의 분산을 용이하게 만들기 때문으로 판단된다.
- 이러한 결과는 일반적으로 폴리머 시멘트 모르타르의 공기량은 폴리머-시멘트 비가 증가할수록 높아지는 것으로 알려져 있는 연구결과와 동일한 것으로 나타났다 (Han and Chang, 2015). 따라서 VAE 수지 함량이 증가할수록 동결융해 저항성은 향상되지만, 내구성은 다소 저하될 것으로 판단된다.
- 9%로 줄어든 것을 확인하였다. 따라서 VAE 수지를 혼입할 경우, 흡수율이 거의 50%까지 감소하는 효과를 나타내었다. 이러한 결과는 VAE 수지의 유화제 성분으로 단위수량이 감소하게 되면서 수분의 증발로 인해 발생되는 내부공극을 감소시켜 발생된 결과로 보여진다.
- 또한 차수재에 첨가된 유동화제는 입자주변의 전기적 반발력을 발생시켜 차수재 및 모르타르에 입자 분산을 용이하게 하여 단위수량을 감소시킨다고 보고되어 있다(Jo and Hyung, 2013). 따라서 VAE 수지와 유동화제의 시너지효과로 인해, 본 연구와 같이 flow를 일정하게 고정할 경우, 단위수량을 감소시킬 수 있을 것으로 판단된다.
- 압축강도는 휨강도와 반대로 28일경과 후에 P-P는 33.2 MPa인 것을 확인하였으며, P-5는 23.4 MPa로 감소한 것을 확인하였다. 이러한 결과는 시멘트 수화과정 에서 자체강도를 가지고 있지 않은 VAE 폴리머 필름의 형성율 증가로 인해 수화반응을 방해하여 생긴 결과로 판단된다(Yoshihiko and Ohama, 1995).
- 흡수율은 VAE 수지의 유화제 성분으로 인해 단위수량이 감소함에 따라 수분증발에 의해 발생되는 내부 공극의 감소 및 시멘트와 골재 사이의 공간에 고분자 필름이 형성되어 함량에 따라 소폭 감소하는 특성을 보였다. 투수계수 또한 VAE 수지가 차수재 내부의 공극을 채워줌으로 인해 낮은 투수 특성이 발현되고 차수성능이 향상된 것으로 판단된다. VAE 수지 함량에 따른 경향성을 종합적으로 검토해보았을 때, VAE 수지가 4 wt% 함량일 때 최적의 물성을 발현하는 것으로 판단되었다.
- 5 MPa로 감소한 것을 확인하였다. 하지만 7일 이후부터는 VAE 수지를 혼입하지 않은 P-P 보다 VAE 수지 함량이 증가할수록 휨강도가 상승하였고 28일 후에는 P-P의 강도는 8.9 MPa인 것을 확인 하였으나 P-5에서는 10.6 MPa까지 상승한 것을 나타났다. 이러한 결과는 차수재에 VAE 수지를 혼입할 경우, 차수재 계면에 형성되는 폴리머 막이 시멘트의 수화반응보다 늦어지면서 발생한 경화속도 차이에 의한 결과로 판단된다.
- 압축 강도의 경우, VAE 수지 함량이 증가할수록 VAE의 필름 형성률이 증가하여 수화생성물의 결정성장을 억제하여 감소하는 결과를 나타내었다. 흡수율은 VAE 수지의 유화제 성분으로 인해 단위수량이 감소함에 따라 수분증발에 의해 발생되는 내부 공극의 감소 및 시멘트와 골재 사이의 공간에 고분자 필름이 형성되어 함량에 따라 소폭 감소하는 특성을 보였다. 투수계수 또한 VAE 수지가 차수재 내부의 공극을 채워줌으로 인해 낮은 투수 특성이 발현되고 차수성능이 향상된 것으로 판단된다.
후속연구
- VAE 수지 함량에 따른 경향성을 종합적으로 검토해보았을 때, VAE 수지가 4 wt% 함량일 때 최적의 물성을 발현하는 것으로 판단되었다. 기존에 사용되던 무기물과 비교하였을 때 VAE 수지는 현장 적용시 비교적 간단한 방법으로 제조될 수 있으며, 차수재의 중요 특성인 내구성 및 수밀 성의 향상에도 기여하기 때문에, 향후 차수재의 성능 향상에 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.
- 본 연구에서는 기준을 만족하는 재료(10-9cm/s)에 VAE 수지를 첨가하여 투수계수가 10–11 cm/s 에 근접하는 아주 높은 수밀성을 나타내어 매립지 주변의 환경오염을 보다 억제할 수 있을 것으로 기대된다.
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