[논문]저회의 입도변화에 따른 CLSM의 공학적특성

이용수; 김태연; 이봉직

doi:10.14481/jkges.2020.21.10.5

저회의 입도변화에 따른 CLSM의 공학적특성
Engineering Characteristics of CLSM with Regard to the Particle Size of Bottom Ash 원문보기

한국지반환경공학회논문집 = Journal of the Korean Geoenvironmental Society, v.21 no.10, 2020년, pp.5 - 10

이용수 (Department of Civil Engineering, Korea National University of Transportation) , 김태연 (Department of Civil Engineering, Korea National University of Transportation) , 이봉직 (Department of Civil Engineering, Korea National University of Transportation)

초록
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해양투기 금지와 같은 여러 환경적 제약으로 인해 산업부산물의 재활용에 대한 요구가 증가함에 따라 이들의 재활용에 대한 다양한 연구가 진행되고 있다. 이 중 석탄회는 화력발전에 따른 산업부산물로 석탄회중 비회의 재활용을 위한 연구는 활발히 진행되어 다방면에서 재활용되는 반면 저회의 경우에는 발생량의 일부분만 2~4mm 또는 2mm 이하의 입도로 1차 가공하여 주로 원예용 및 경량골재 등에 사용되고 대부분은 회처리장에 매립됨에 따라 저회의 활용방안을 모색하기 위한 다양한 연구가 필요한 실정이다. 이에 본 연구에서는 CLSM의 골재로 활용하기 위한 저회의 최적입도와 혼합비를 도출하기 위하여 화강풍화토와 저회의 혼합비, 혼합되는 저회의 입도 및 고결제 첨가율에 따라 제작된 CLSM을 대상으로 유동특성, 강도변화 특성 등을 구명하고, 중금속 검출시험을 수행하여 CLSM 골재로 저회의 활용성을 평가하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

As the demand for the recycling of industrial by-products increases due to various environmental restrictions including the prohibition of ocean disposal, various studies regarding the recycling of industrial by-products are currently being carried out. One of the industrial by-product, coal ash is produced from thermal power generation; studies on the recycling of fly ash have been actively carried out and it is currently recycled in various fields. In the case of bottom ash, however, only a portion of the total amount generated is primarily processed into a particle size of 2~4mm or less than 2mm to be used for gardening purpose and light weight aggregate and so on. The remaining amount is buried at ash disposal sites. Therefore, various studies are needed to develop measures to use bottom ash. This study aimed at identifying the optimal particle size and mixing ratio of bottom ash to be used as CLSM aggregate. To this end, it evaluated the usability of bottom ash as CLSM aggregate, by investigating the flowability and strength change characteristics of CLSM produced with regard to the mixing ratio of weathered granite soil and bottom ash, particle size of bottom ash to be mixed and soil binder addition rate and conducting a heavy metal leaching test.

주제어

표/그림 (14)

그림 Fig. 1. Bottom ash
표 Table 1. CLSM design criteria
표 Table 2. Characteristics of weathered granite soil
표 Table 3. Chemical characteristics of bottom ash
그림 Fig. 2. Grain size distribution curve of bottom ash
그림 Fig. 3. View of flow test (ASTM D 6103, 2004)
표 Table 4. Physical characteristics of bottom ash
표 Table 5. Physical and chemical characteristics of soil binder
표 Table 6. Summary of CLSM mixing design
그림 Fig. 4. Flow test results with regard to the mixing ratio of bottom ash
그림 Fig. 5. Comparison of moisture content required for flowability criteria with regard to the particle size of the bottom
그림 Fig. 6. Uniaxial compression strength with regard to the mixing ratio
그림 Fig. 7. Uniaxial compression strength ratio of CLSM with regard to the particle size of bottom ash (samples cured for 28days)
표 Table 7. Result of heavy metals leaching test

AI 본문요약
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문제 정의

CLSM 골재로 활용하기 위한 저회의 최적 입도와 배합비를 도출하기 위하여 저회와 화강풍화토의 혼합비, 저회의 입도 및 고결제 첨가율에 따른 CLSM 공학적 특성과 사용 후 발생될 수 있는 토양오염 가능성을 평가한 결과는 다음과 같다.
이에 본 연구에서는 CLSM 골재로 저회를 활용하기 위하여 현재 공장에서 가공된 생산품을 대상으로 CLSM 골재에 적합한 저회의 최적입도와 배합비를 도출하기 위하여 화강풍화토와 저회의 혼합비, 혼합되는 저회의 입도 및 고결제의 첨가율에 따라 제작된 CLSM을 대상으로 유동특성, 강도변화 특성 등을 평가하였다. 또한, 중금속 검출시험을 수행하여 CLSM 골재로 저회를 활용 시 발생할 수 있는 토양오염 가능성을 평가하였다.

제안 방법

6MPa 이하로 설정하였다. 또한 빠른 경화특성을 만족하기 위해 1일 재령 후 0.14MPa 이상, 재령 7일에서는 0.3MPa 이상으로 설정하였다.
이에 본 연구에서는 CLSM 골재로 저회를 활용하기 위하여 현재 공장에서 가공된 생산품을 대상으로 CLSM 골재에 적합한 저회의 최적입도와 배합비를 도출하기 위하여 화강풍화토와 저회의 혼합비, 혼합되는 저회의 입도 및 고결제의 첨가율에 따라 제작된 CLSM을 대상으로 유동특성, 강도변화 특성 등을 평가하였다. 또한, 중금속 검출시험을 수행하여 CLSM 골재로 저회를 활용 시 발생할 수 있는 토양오염 가능성을 평가하였다.
배합비에 따라 제작된 CLSM을 양생 1일 후 탈형하여 재령일까지 기건양생을 실시하였으며, 시료 제작 시 공시체의 크기에 따른 강도의 영향을 배제하기 위하여 높이 20cm, 내경 10cm인 몰드를 사용하여 제작하였다. 일축압축강도 시험은 1분간 공시체의 높이의 1%의 압축이 일어나도록 재하속도를 2mm/min으로 유지하고 일정 변형률마다 축하중을 측정하면서공시체의 파괴가 발생할 때까지 시험을 실시하였다.
본 연구에서는 미국과 일본의 CLSM의 설계기준을 참고하여 Table 1과 같이 CLSM의 품질기준을 설정하였다. 본 연구에서 활용하고 하는 CLSM의 사용목적이 대부분 관 등과 같은 지하매설물의 되메움재로 사용되는 것을 감안하여 유동성의 경우 ASTM D 6103에 의거한 플로우 값 200mm, 일축압축강도의 경우에는 향후 재굴착을 고려하여 28일의 일축압축강도를 0.6MPa 이하로 설정하였다. 또한 빠른 경화특성을 만족하기 위해 1일 재령 후 0.
본 연구에서는 미국과 일본의 CLSM의 설계기준을 참고하여 Table 1과 같이 CLSM의 품질기준을 설정하였다. 본 연구에서 활용하고 하는 CLSM의 사용목적이 대부분 관 등과 같은 지하매설물의 되메움재로 사용되는 것을 감안하여 유동성의 경우 ASTM D 6103에 의거한 플로우 값 200mm, 일축압축강도의 경우에는 향후 재굴착을 고려하여 28일의 일축압축강도를 0.
비흡수성 판위에 직경 75mm, 높이 150mm의 원통을 올리고 혼합비에 따라 제작한 CLSM을 무다짐으로 채운 후 2∼4초에 걸쳐 원형몰드를 수직으로 올렸을 때 흘러나온 시료의 가장 큰 흐름직경과 직각 방향의 직경을 측정하여 두 지름의 평균값을 플로우 값으로 하였다.
비흡수성 판위에 직경 75mm, 높이 150mm의 원통을 올리고 혼합비에 따라 제작한 CLSM을 무다짐으로 채운 후 2∼4초에 걸쳐 원형몰드를 수직으로 올렸을 때 흘러나온 시료의 가장 큰 흐름직경과 직각 방향의 직경을 측정하여 두 지름의 평균값을 플로우 값으로 하였다. 양 지름의 측정값 차이가 10% 이상인 경우에는 재실험을 실시하였으며, 시험은 함수비를 추가시켜가며 각 함수비에서 3회씩 실시하고 시험 종료 후 시료를 채취하여 함수비를 측정하였다.
배합비에 따라 제작된 CLSM을 양생 1일 후 탈형하여 재령일까지 기건양생을 실시하였으며, 시료 제작 시 공시체의 크기에 따른 강도의 영향을 배제하기 위하여 높이 20cm, 내경 10cm인 몰드를 사용하여 제작하였다. 일축압축강도 시험은 1분간 공시체의 높이의 1%의 압축이 일어나도록 재하속도를 2mm/min으로 유지하고 일정 변형률마다 축하중을 측정하면서공시체의 파괴가 발생할 때까지 시험을 실시하였다.
저회를 골재로 활용한 CLSM의 중금속(As, Cd, Cr, Cu, Ni, Pb, Zn) 검출여부를 파악하기 위해 ICP-MS를 활용하여 분석을 실시하였다. 시료에 포함된 불순물에 의한 간섭 효과를 베제하기 위하여 표준첨가법을 사용하였으며, 측정 시 플라즈마 파워는 2.
저회의 입도변화에 따른 저회 혼합 CLSM의 유동특성을 파악하기 위해 배합비에 따라 제작된 시료에 함수비를 추가시켜 가며 유동성시험을 실시하였으며, 그 결과는 Fig. 4와 같다.
저회의 혼합비와 혼합되는 저회의 입도에 따른 CLSM의 특성을 파악하기 위하여 Table 6과 같이 CLSM을 조성하였으며, 혼합되는 저회의 입도(2mm 이하, 2∼4mm 및 두 가지 저회를 혼합하여 제작한 4mm 이하)와 저회와 화강풍화토의 혼합비(저회 : 화강풍화토(중량비(%)) = 25 : 75, 50: 50, 75 : 25) 및 고결제 첨가율(고결제 첨가량/총 중량(%) = 3, 5, 7)을 주요 변수로 하였다.

대상 데이터

실험에 사용된 고결제는 다공성 실리카(SiO₂)와 탄산칼슘(CaCO₃)을 배합하여 제작된 재료로 일반적인 시멘트에 비해 pH지수가 낮고 초기강도의 발현이 우수하며, 용출시험 시 고결제가 포함하고 있는 납(P_b)과 시안(CN)이외의 유해물질이 검출되지 않는다는 장점이 있다(Oh et al., 2016).
실험에 사용된 저회는 영흥화력발전소에서 발생한 산업부산물로 현재 저회의 재활용을 위해 공장에서 생산되고 있는 가공품인 입도 2∼4mm, 2mm 이하의 두 가지 저회와 이들 두 가지를 혼합하여 제작한 입도 4mm 이하 등 3가지 입도를 대상으로 실험을 실시하였다.

이론/모형

배합비에 따른 CLSM의 유동특성을 파악하기 위하여 ASTMD 6103(2004)에 의거하여 시험을 실시하였다. 비흡수성 판위에 직경 75mm, 높이 150mm의 원통을 올리고 혼합비에 따라 제작한 CLSM을 무다짐으로 채운 후 2∼4초에 걸쳐 원형몰드를 수직으로 올렸을 때 흘러나온 시료의 가장 큰 흐름직경과 직각 방향의 직경을 측정하여 두 지름의 평균값을 플로우 값으로 하였다.
저회를 골재로 활용한 CLSM의 중금속(As, Cd, Cr, Cu, Ni, Pb, Zn) 검출여부를 파악하기 위해 ICP-MS를 활용하여 분석을 실시하였다. 시료에 포함된 불순물에 의한 간섭 효과를 베제하기 위하여 표준첨가법을 사용하였으며, 측정 시 플라즈마 파워는 2.0kW, 냉각수 유속은 15L/mim, 분무 가스 유속은 1.0L/min, 압력은 22kPa로 고정시킨 후 분석을 실시하였다(Koh et al., 2010).

성능/효과

(1) 저회의 입도변화에 따른 저회 혼합 CLSM의 유동성 시험 결과, 혼합된 저회의 입도가 2∼4mm인 경우 BA25WGS75를 제외한 나머지 배합비에서 재료분리로 인해 CLSM으로 조성이 되지 않았다.
(2) 동일한 저회 혼합비에서 혼합되는 저회의 입도가 4mm 이하인 경우가 2mm 이하인 경우에 비해 더욱 큰 압축 강도를 보였다. 따라서 혼합된 저회의 입도가 4mm 이하인 경우가 2mm 이하인 경우보다 적은 고결제 첨가량으로 소요강도를 발휘할 수 있어 경제적으로 유리하나, 혼합공정이 추가됨으로 현장여건에 따라 적절한 입도를 선택하여 사용해야 할 것으로 판단된다.
(3) 강도발현 범위, 저회의 재활용량 및 고결제의 첨가율 등을 고려 할 때, CLSM으로 활용하기 위한 저회와 화강풍화토의 최적혼합비는 중량비 기준으로 50 : 50이며, 혼합되는 저회의 입도가 4mm 이하인 경우 고결제 5%, 2mm 이하인 경우에는 7%를 혼합하는 것이 가장 적합하다고 판단된다.
(4) 중금속 검출시험을 실시하여 최적배합비로 제작된 CLSM 사용 후 발생할 수 있는 오염가능성을 평가한 결과, 모든 항목에서 기준치 이내인 것으로 나타났다
다음으로 일축압축강도 평가결과는 혼합된 저회의 입도가 4mm 이하인 경우 대부분 재령 1일 기준강도를 만족하였으나, 재령 7일에서 저회의 혼합비가 75%인 모든 경우와 저회의 혼합비가 50%인 일부 경우에서 강도기준을 만족하지 못하는 것으로 나타났다. 또한, 재령 28일에서 고결제 첨가율 5∼7%인 일부 경우에서 기준 최대 강도인 0.
따라서 2∼4mm 입도를 갖는 저회를 CLSM 의 골재로 활용한 경우 저회의 혼합비를 25% 이하로 설정 하여 활용할 수 있으나, 다른 입도의 저회를 활용한 경우에 비해 저회의 사용량이 현저히 작아짐으로 저회의 재활용률을 높이기 위해서는 다른 입도의 저회를 사용하는 것이 더욱 적합하다고 판단된다.
따라서 저회의 입도가 2∼4mm 인 경우에는 CLSM의 골재로 사용이 적합하지 않은 것으로 판단된다. 또한, 모든 경우에서 저회의 혼합비가 75%이상인 경우 유동성에 대한 품질관리가 어려워 CLSM 으로 활용하기에 적합하지 않을 것으로 나타났다.
또한, 재령 28일에서 고결제 첨가율 5∼7%인 일부 경우에서 기준 최대 강도인 0.6MPa를 상회하는 결과를 보였다.
6MPa를 상회하는 결과를 보였다. 또한, 저회의 입도가 2mm 이하인 경우에서는 고결제 첨가율이 3%인 모든 경우와 첨가율이 5%인 일부에서 재령 1일 기준강도를 만족하지 않는 것으로 나타났으며, 재령 7일에서는 고결제 첨가율 5%인 모든 경우에서 기준강도를 만족하지 못하는 것으로 나타났다.
또한, 혼합되는 고결제의 첨가율이 증가함에 따라 모든 경우에서 일축압축강도는 증가하는 것으로 나타났다. 이러한 강도증가는 혼합되는 저회의 입도가 2mm 이하인 경우보다 4mm 이하인 경우에서 더욱 크게 나타났으며, 저회의 혼합비가 낮을수록 더욱 뚜렷하게 나타났다.
또한, 혼합되는 저회의 입도와 관계없이 모든 경우에서 저회의 혼합비가 증가할 수 록 유동성 기준을 만족하기 위한 함수비는 증가하였으나, 저회의 혼합비가 75%인 경우 함수비 증가에 따른 플로우값이 일정한 경향을 보이지 않았다. 따라서 저회의 혼합율이 75%인 경우 저회의 입도와 무관하게 유동성에 대한 품질관리가 어려워 CLSM으로 활용하기에 적합하지 않음을 알 수 있다.
이상의 결과와 저회의 재활용량 등을 고려할 때 저회를 골재로 활용한 CLSM으로 최적 배합비는 저회와 화강풍화토의 혼합비를 50 : 50(중량비)으로 하며, 혼합되는 저회의 입도가 4mm 이하인 경우 고결제 5%, 2mm 이하인 경우 7%를 혼합하는 것이 적합하다고 판단된다.
6에 도시된 바와 같이 일축압축강도는 저회의 입도와 무관하게 저회의 혼합비가 증가함에 따라 저하되는 것으로 나타났으며, 재령일에 따른 강도증가폭도 저하되는 것으로 나타났다. 특히 저회의 혼합비가 증가함에 따라 재령 초기인 재령 7일까지의 강도증가가 현저히 저하되는 경향을 보였으며, 혼합되는 저회의 입도가 4mm 이하인 경우가 2mm 이하인 경우보다 더욱 큰 강도저하를 보였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	CLSM은 모래나 토사를 이용한 채움재에 비해 어떤 성질이 장점인가?	CLSM은 위와 같은 문제를 해결할 수 있는 공법으로 모래나 토사를 이용한 채움재에 비해 자기수평성(Self-leveling), 자기다짐성(Self-compacted), 유동성(Flowability), 강도조절, 시공 후 재굴착 및 공기의 단축 등 많은 장점이 있다(ACI 229, 2005).
	미국에서 CLSM의 유동성에 대한 설계 기준은 어느정도인가?	1MPa 이하로 설정하고 있다(ACI comittee 229, 2005). 유동성에 대한 설계기준은 ASTM D 6103에 의거한 플로우 값으로 정하고 있으며, 보통 150∼200mm 값의 범위에 있고, 저유동의 경우 150mm 이하, 고유동의 경우 200mm 이상으로 기준으로 하고 있다.
	저회의 활용방안을 연구할 필요가 있는 이유는?	해양투기 금지와 같은 여러 환경적 제약으로 인해 산업부산물의 재활용에 대한 요구가 증가함에 따라 이들의 재활용에 대한 다양한 연구가 진행되고 있다. 이 중 석탄회는 화력발전에 따른 산업부산물로 석탄회중 비회의 재활용을 위한 연구는 활발히 진행되어 다방면에서 재활용되는 반면 저회의 경우에는 발생량의 일부분만 2~4mm 또는 2mm 이하의 입도로 1차 가공하여 주로 원예용 및 경량골재 등에 사용되고 대부분은 회처리장에 매립됨에 따라 저회의 활용방안을 모색하기 위한 다양한 연구가 필요한 실정이다. 이에 본 연구에서는 CLSM의 골재로 활용하기 위한 저회의 최적입도와 혼합비를 도출하기 위하여 화강풍화토와 저회의 혼합비, 혼합되는 저회의 입도 및 고결제 첨가율에 따라 제작된 CLSM을 대상으로 유동특성, 강도변화 특성 등을 구명하고, 중금속 검출시험을 수행하여 CLSM 골재로 저회의 활용성을 평가하였다.

참고문헌 (9)

ACI Committee 229 (2005), Controlled low strength materials (CLSM), American Concrete Insitute, 229R-2, pp. 1-12.
ASTM D 6103 (2004), Standard test method for flow consistency of controlled low strength material (CLSM), West conshohocken, PA, pp. 1-3.
Japan Civil Engineering Research Institute (2007), Technical Notes of Fluidization Surplus Soil.
Kang, S. H., Ryu, Y. S. and Han, J. G. (2019), "Tunnel filling method using rapid hardening high flow CLSM (Controlled Low Strength Material)", Magazine of the Korea Concrete Institute, Vol. 31, No. 5, pp. 48-56 (In Korean).
Koh, T. H., Lee, S. G., Shin, M. H., Kim, B. S., Lee, J. K. and Lee, T. Y. (2010), "Evaluation for contents of contaminants and leaching characteristics of bottom ash", Journal of the Korean Geo-Environmental Society, Vol. 11, No. 6, pp. 77-83 (In Korean).
Lin, D. F., Luo, H. L., Wang, H. Y. and Hung, M. J. (2007), "Successful application of CLSM on a weak pavement base/ subgrade for heavy truck traffic", Jounal of Performance of Constructed Facilities, Vol. 21, No. 1, pp. 70-77.

상세보기
Oh, S. W., Kim, H. S., Bang, S. T. and JO, H. D. (2016), "Evaluation on the effect of soil pavement mixsing friendlysoil binder", Annual Conference of Korean Geo-Environmental Society, Vol. 17, No. 3, pp. 18-25 (In Korean).
Park, G. H., Kim, T. Y., Lee, Y. S. and Lee, B. J. (2019a), "Engineering characteristics of CLSM using bottom ash and ecofriendly soil binder", Journal of the Korean Geo-Environmental Society, Vol. 20, No. 5, pp. 23-29 (In Korea).

상세보기
Park, J. J., Lee, I. H., Shin, E. C. and Hong, G. W. (2019b), "A study on unconfined compressive strength of CLSM with paper sludge ash", Jornal of Korean Geosynthetics Society, Vol. 18, No. 4, pp. 253-262 (In Korea).

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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