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문제 정의
- 본 연구에서 순환유동층 보일러 플라이 애시를 고로슬래그의 알칼리 활성화 자극제로 활용한 그라우팅 결합재New Grouting Binder, NGB)와 고몰비 규산나트륨(High molar ratio sodium silicate) 및 콜로이드 규산(Colloid silica)를 혼합한 그라우팅 주입재료에 대한, 노후저수지 보수･보강공법의 적용 가능성에 대한 검토한 결과는 다음과 같다.
- 이러한 공학적･환경적 문제로 본 연구에서는 순환유동층 보일러 플라이 애시를 고로슬래그의 알칼리 활성화 자극제로 활용한 그라우팅 주입재(New Grouting Binder , NGB)와 고몰비규산나트륨(High molar ratio sodium silicate) 및 콜로이드 규산(Colloid silica)를 혼합한 주입재에 대하여, 겔타임, 호모겔 강도, 내해수성 시험 및 환경 안정성 평가를 실시하여, 주입재로서의 공학적･환경적 특성을 규명하고, 이를 통해 보통 포틀랜드 시멘트 및 기존 노후 저수지 보강공법의 대체 가능성을 검토하였다.
제안 방법
- NGB와 고몰비 규산나트륨 및 콜로이드 규산을 혼합한 그라우팅 결합재의 성능을 확인하고, 현장적용을 위한 기초자료를 확보하기 위해 반응재인 B액의 재료에 NGB와 OPC를 적용하여 겔타임(Gel-time) 측정 시험을 수행하였다. 고몰비 규산나트륨과 콜로이드 규산, NGB와 OPC에 대한 배합비를 Table 3에 나타내었고, 사용수는 20±3℃를 사용하였다.
- NGB와 콜로이드 규산 적용 시료의 환경적 안정성을 비교하기 위하여 OPC와 규산소다 3호를 적용한 시료와 같이 어류 급성 독성시험을 진행하였다. 시험방법은 ‘Fish, Acute Toxicity Test’16)기준을 적용하였다.
- 호모겔 압축강도 시험의 배합비는 다음의 Table 4와 같이 고몰비 규산나트륨, 콜로이드 규산, 규산소다3호, NGB, OPC등을 사용하였으며, 호모겔 압축강도 시험시료의 제작은 동일한 조건에서 각각의 호모겔 시료(5㎝×5㎝×5㎝)를 Table 6과 같이 제작하고, 제작한 시료는 몰드와 같이 수중양생을 실시하였다. 그리고, 양생 일자별로 탈형 후 KS F 2405 : 201012) 시험규준에 만족하도록 만능시험기를 이용하여, 호모겔 압축강도를 측정하였다. 시험결과 콜로이트 실리카를 사용시 NGB를 적용한 시료의 압축강도가 동일 양생일수에서 큰 것으로 나타났다.
- 내해수성 시험은 OPC와 NGB를 B액의 결합재로 사용하고, 고몰비 규산나트륨 및 콜로이드 규산을 A액으로 사용하여, 기존의 규산소다 3호 용액과 OPC를 사용한 시료와 비교(Table 5)하였으며, 큐빅형(5×5×5cm)으로 제작하였다.
- 본 연구에 사용된 NGB는 이러한 점에 착안하여 화력발전에 사용되는 순환유동층 보일러에서 발생하는 플라이 애쉬를 대량으로 재활용한 제품으로 화학조성 성분을 엑스선 형광 분석(XRF, X-ray fluorescence)을 통해 분석하였으며, OPC와 비교하여 Table 1에 나타내었고, 고로슬래그 미분말의 알칼리 활성화반응에 대한 모식도를 Fig. 1에 나타내었다.
- 이러한 겔화의 정도는 콜로이드 규산의 종류와 농도, 온도, pH에 따라 다르게 발생한다. 본 연구에서는 고몰비 규산나트륨과의 NGB와 반응하여 강도발현이 우수하고 내구성 있는 고결체를 유도할 수 있도록 구형도와 입자분산성이 우수한 콜로이드 규산을 사용하였다(Fig 2).
- 시험방법은 ‘Fish, Acute Toxicity Test’16)기준을 적용하였다. 시험방법은 같은 환경에서 사육한 송사리를 10마리씩 무처리 수조와 해당 시료를 넣은 수조 2개에 넣어 비교시험을 진행하였으며, 최종 96시간까지 시험을 진행하여 송사리의 개체수 및 중량 변화를 측정하였다. 시험결과 OPC의 경우 어류 급성독성시험을 실시한 결과 48 시간 치사율은 0 %, 96시간 치사율은 30 %로 나타났으며, NGB의 어류(송사리, Oryziaslatipes) 급성독성시험을 실시한 결과 48, 96시간 모두 치사율은 0 %로 나타났다.
- 내해수성 시험은 OPC와 NGB를 B액의 결합재로 사용하고, 고몰비 규산나트륨 및 콜로이드 규산을 A액으로 사용하여, 기존의 규산소다 3호 용액과 OPC를 사용한 시료와 비교(Table 5)하였으며, 큐빅형(5×5×5cm)으로 제작하였다. 시험방법은 담수에서 10일 양생한 후 5배농도로 제작한 인공해수(ASTM D 1141 기준준용)13)에 침지하여, 해수침지7일, 14일에 KSF 2405 : 2010 시험규준에 만족하도록, 만능시험기를 이용하여 압축강도를 측정하여 내해수성을 평가하였다. 시험결과 수중 양생 3일에는 OPC적용 시료가 큰 압축강도를 나타났으나, 양생 7일 후 부터는 NGB시료가 큰 압축강도를 나타냈다.
대상 데이터
- 3인 3종이 사용되고 있으며, 3종보다 높은 몰비를 갖는 규산나트륨을 고몰비 규산나트륨이라고 한다. 본 연구에서는 NGB와의 반응성과 겔타임(Gel- time)의 조정이 용이한 정도까지 나트륨이온(Na+)의 수준을 낮춘 고몰비 규산나트륨(High molar ratio sodium silicate)을 사용하였다. Table 2에 본 연구에 사용된 고몰비 규산나트륨을 기존의 규산나트륨과 비교하여 나타내었다.
- 호모겔 압축강도 시험의 배합비는 다음의 Table 4와 같이 고몰비 규산나트륨, 콜로이드 규산, 규산소다3호, NGB, OPC등을 사용하였으며, 호모겔 압축강도 시험시료의 제작은 동일한 조건에서 각각의 호모겔 시료(5㎝×5㎝×5㎝)를 Table 6과 같이 제작하고, 제작한 시료는 몰드와 같이 수중양생을 실시하였다.
이론/모형
- NGB의 환경성 검증을 위해 토양오염공정시험기준14)을 적용하여, 검증을 실시하였으며, OPC도 같이 비교분석을 실시하였다. 토양오염공정시험결과(Table 7) NGB는 우려기준 1지역(농경지, 주거용지, 어린이 놀이시설등)에 만족하는 결과로 나타났으며, OPC의 경우 우려기준 1지역에 만족하지 못하는 것으로 나타나, 순환자원 활용 그라우팅 결합재가 OPC보다 환경 친화적인 것으로 판단된다.
- 시험방법은 ‘Fish, Acute Toxicity Test’16)기준을 적용하였다.
성능/효과
- (1) NGB와 고몰비 규산나트륨, 콜로이드 규산을 사용한 주입재료의 겔타임은 기존의 OPC에 비해 약 2배정도 증가하는 것으로 나타났으나, 관련기준에 만족하는 것으로 나타나 현장적용이 가능할 것으로 판단된다.
- (2) 호모겔 강도시험결과 콜로이트 실리카, 고몰비 규산 나트륨 및 NGB를 적용한 시료의 압축강도가 동일 양생일수에서 큰 것으로 나타났으며, 또한 규산소다 3호와 비교한 결과 역시 압축강도가 큰 것으로 나타나, 고몰비 규산나트륨과 콜로이드 실리카를 혼합하여 NGB와 혼합시 강도측면에서 우수한 것으로 나타났다.
- (3) 내해수성 시험결과 NGB 및 콜로이드 실리카를 사용한 시료가 OPC, 규산소다 3호을 사용한 기존 공법보다 내해수성이 우수한 것으로 나타났다.
- (4) 토양오염공정시험결과 NGB는 우려기준1지역에 만족하는 결과로 나타났으며, OPC의 경우 우려기준 1지역에 만족하지 못하는 것으로 나타나, 순환자원 활용 그라우팅 주입재가 OPC보다 환경 친화적인 것으로 판단되며, 또한 폐기물공정시험을 통한 중금속용출에 대한 검토 결과 역시 관련기준을 만족하는 것으로 나타났다.
- (5) 급성어류독성시험 결과 OPC의 경우 48 시간 치사율은 0%, 96 시간 치사율은 30 %로 나타났으며, NGB의 경우 48, 96시간 모두 치사율은 0 %로 나타나 환경 안정성이 기존 주입재인 OPC보다 우수한 것으로 판단된다.
- ), NGB와 콜로이드 실리카를 사용한 시료의 경우 일부 시료에서 부서짐이 발생(Fig. 12.)하였으나, 부서진 정도가 OPC의 경우보다 양호하며, 압축시험이 가능하였다.
- NGB의 환경성 검증을 위해 폐기물공정시험기준15)을 적용하여, 검증을 실시하였으며, 폐기물공정시험결과(Table 8) NGB는 지정폐기물에 함유된 유해물질 기준에 미치지 못하는 것으로 나타나 환경적으로 안정적인 것으로 판단된다.
- 내해수성 시험결과 NGB 및 콜로이트 실리카를 사용한 시료의 해수침지 14일의 강도가 수중 양생 10일 강도에 약 48%인 것으로 나타나, NGB 및 콜로이드 실리카를 사용한 시료가 OPC, 규산소다 3호을 사용한 기존 공법보다 내해수성이 우수한 것으로 판단된다.
- 시험결과 OPC의 경우 어류 급성독성시험을 실시한 결과 48 시간 치사율은 0 %, 96시간 치사율은 30 %로 나타났으며, NGB의 어류(송사리, Oryziaslatipes) 급성독성시험을 실시한 결과 48, 96시간 모두 치사율은 0 %로 나타났다. 따라서 어류의 급성독성시험 결과 순환자원 활용 그라우팅 결합재의 환경안정성이 기존의 OPC보다 안정적인 것으로 판단된다.
- 4에서와 같이 칼슘(Ca2+)과 알루미늄(Al3+) 이온이 규산(SiO)과 결합하게 되어 강도발현이 우수하고 내구성이 우수한 고결체의 유도가 가능하다. 또한 고몰비 규산나트륨과 콜로이드 규산의 혼합은 SiO2와 Na2O 함량의 평균몰비를 높이게 되어 알칼리 용출에 대한 안정성을 확보할 수 있고, 얇은 그물 형태의 3차원 실리케이트 네트워크를 보강하는 역할을 함으로써 물리적 충격에 의한 내구성을 향상시킬 수 있다.
- 시험결과 콜로이트 실리카를 사용시 NGB를 적용한 시료의 압축강도가 동일 양생일수에서 큰 것으로 나타났다. 또한 기존 그라우팅인 급결재인 규산소다 3호와 비교한 결과 W/B=120, 140%에서 양생 7일시 압축강도가 큰 것으로 나타나, 고몰비 규산나트륨과 콜로이드 실리카를 혼합하여 NGB와 혼합시 기존 그라우팅 공법인 규산소다 3호 및 OPC를 사용한 것 보다 큰 압축강도를 확보할 수 있는 것으로 판단된다.
- 시험결과 NGB를 사용한 경우의 겔타임은 60.67초, OPC를 사용한 경우의 겔타임은 30.54초인 것으로 나타나 약 2배가량 긴 것으로 나타났으나, 국토교통부 “가설공사표준시방서 시공편.
- 시험방법은 같은 환경에서 사육한 송사리를 10마리씩 무처리 수조와 해당 시료를 넣은 수조 2개에 넣어 비교시험을 진행하였으며, 최종 96시간까지 시험을 진행하여 송사리의 개체수 및 중량 변화를 측정하였다. 시험결과 OPC의 경우 어류 급성독성시험을 실시한 결과 48 시간 치사율은 0 %, 96시간 치사율은 30 %로 나타났으며, NGB의 어류(송사리, Oryziaslatipes) 급성독성시험을 실시한 결과 48, 96시간 모두 치사율은 0 %로 나타났다. 따라서 어류의 급성독성시험 결과 순환자원 활용 그라우팅 결합재의 환경안정성이 기존의 OPC보다 안정적인 것으로 판단된다.
- 시험방법은 담수에서 10일 양생한 후 5배농도로 제작한 인공해수(ASTM D 1141 기준준용)13)에 침지하여, 해수침지7일, 14일에 KSF 2405 : 2010 시험규준에 만족하도록, 만능시험기를 이용하여 압축강도를 측정하여 내해수성을 평가하였다. 시험결과 수중 양생 3일에는 OPC적용 시료가 큰 압축강도를 나타났으나, 양생 7일 후 부터는 NGB시료가 큰 압축강도를 나타냈다. 그리고 해수침지 14일 경과후 OPC의 경우 시료가 부서져 압축강도시험을 진행할 수 없었으며(Fig.
- 그리고, 양생 일자별로 탈형 후 KS F 2405 : 201012) 시험규준에 만족하도록 만능시험기를 이용하여, 호모겔 압축강도를 측정하였다. 시험결과 콜로이트 실리카를 사용시 NGB를 적용한 시료의 압축강도가 동일 양생일수에서 큰 것으로 나타났다. 또한 기존 그라우팅인 급결재인 규산소다 3호와 비교한 결과 W/B=120, 140%에서 양생 7일시 압축강도가 큰 것으로 나타나, 고몰비 규산나트륨과 콜로이드 실리카를 혼합하여 NGB와 혼합시 기존 그라우팅 공법인 규산소다 3호 및 OPC를 사용한 것 보다 큰 압축강도를 확보할 수 있는 것으로 판단된다.
- 을 적용하여, 검증을 실시하였으며, OPC도 같이 비교분석을 실시하였다. 토양오염공정시험결과(Table 7) NGB는 우려기준 1지역(농경지, 주거용지, 어린이 놀이시설등)에 만족하는 결과로 나타났으며, OPC의 경우 우려기준 1지역에 만족하지 못하는 것으로 나타나, 순환자원 활용 그라우팅 결합재가 OPC보다 환경 친화적인 것으로 판단된다.
후속연구
- 본 연구의 결과는 노후저수지 보수･보강공법에 적용하는 약액주입공법에 사용하는 OPC를 대체하는 순환자원을 활용한 환경 친화적 결합재에 대한 실내시험결과로 노후저수지 보수･보강공법 적용에 적합한 것으로 나타났으며, 이에 따라 실제 현장에서 현장 적용성 및 성능 검증 등의 현장 적용 시험이 추가적으로 반드시 필요하다고 판단된다.
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