[논문]뒤채움재로 사용된 산업폐기물 유동화 처리토의 강도 및 토압특성

방성택

doi:10.14481/jkges.2021.22.3.5

뒤채움재로 사용된 산업폐기물 유동화 처리토의 강도 및 토압특성
Strength and Earth Pressure Characteristics of Industrial Disposal Flowable Filling Materials Utilizing Backfiller 원문보기

한국지반환경공학회논문집 = Journal of the Korean Geoenvironmental Society, v.22 no.3, 2021년, pp.5 - 13

방성택 (Department of Construction & Disaster Prevention Engineering, Kyungpook National University)

초록
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인구증가와 산업발달로 산업폐기물의 발생량은 매년 증가하고 있으며, 미분된 석탄을 사용하는 화력발전소에서는 석탄의 연소 후에 많은 양의 석탄회가 발생된다. 이 중 비산재(fly ash)는 시멘트 제조 원료 및 콘크리트 혼화재 등으로 재활용되고 있으나, 약 20%는 활용되지 못하고 매립되고 있다. 이러한 많은 양의 석탄회가 지속적으로 매립됨으로 인해 매립지의 포화문제와 토양 및 수질오염 등의 환경오염 문제로 석탄회의 올바른 처리와 재활용 방안의 모색이 필요하다. 최근 지하구조물 공사와 고성토부의 교대 뒷채움 공사 등 장소가 협소하여 다짐작업이 어려운 공사가 증가하고 있으며 특히, 복토 및 뒤채움 작업은 굴착과정 중 자연지반의 교란을 수반하기 때문에 복토에 따른 철저한 다짐관리가 구조물과 지반의 안정에 필수적이다. 그러나 배후지반이 협소하거나 적절한 다짐장비의 부족, 과다짐으로 인한 구조물의 손상 등의 문제로 인하여 다짐관리가 어려운 실정이다. 따라서, 최근에는 다짐작업이 필요하지 않으면서도 적정한 강도를 발휘할 수 있는 유동성 성토재료의 사용이 증가하고 있다. 유동성 성토재료는 주재료인 토사에 물과 시멘트 등의 고화재를 혼합하여 조성된 안정처리토로서 경화되기 전에는 높은 유동성을 지니고 있어 다짐작업이 필요하지 않으며, 경화 후에는 일반 토사에 비해 높은 강도와 지중매설물에 작용하는 토압 감소효과를 얻을 수 있기 때문에 다짐이 곤란한 장소에서의 되메우기나 충전 등에 활용되고 있다. 본 연구에서는 고함수비의 점성토와 산업폐기물인 석탄회를 활용한 유동화 처리토의 사용 가능성을 평가하기 위하여 재료의 유동 특성, 강도, 지지력 특성을 분석하고 지중매설물에 적용 시 토압감소 효과를 규명하고자 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Due to population growth and industrial development, the amount of industrial waste is increasing every year. In particular, in a thermal power plant using finely divided coal, a large amount of coal ash is generated after combustion of the coal. Among them, fly ash is recycled as a raw material for cement production and concrete admixture, but about 20% is not utilized and is landfilled. Due to the continuous reclamation of such a large amount of coal ash, it is required to find a correct treatment and recycling plan for the coal ash due to problems of saturation of the landfill site and environmental damage such as soil and water pollution. In recent years, the use of a fluid embankment material that can exhibit an appropriate strength without requiring a compaction operation is increasing. The fluid embankment material is a stable treated soil formed by mixing solidifying materials such as water and cement with soil, which is the main material, and has high fluidity before hardening, so compaction work is not required. In addition, after hardening, it is used for backfilling or filling in places where compaction is difficult because higher strength and earth pressure reduction effect can be obtained compared to general soil. In this study, the possibility of use of fluidized soil using high water content cohesive soil and coal ash is considered. And it is intended to examine the flow characteristics, strength, and bearing capacity characteristics of the material, and to investigate the effect of reducing the earth pressure when applied to an underground burial.

주제어

표/그림 (14)

표 Table 1. Physical properties of fly ash
표 Table 2. Physical properties of clay
표 Table 3. Physical properties of sand
표 Table 4. Experimental condition (weight ratio)
그림 Fig. 1. A schematic of model testing dvice
그림 Fig. 2. Flow properties of flow fills
그림 Fig. 3. Unconfined compressive strength with variation of stabilizer content
그림 Fig. 4. Unconfined compressive strength with variation of flyash mixing ratio
그림 Fig. 5. Swelling properties with variation of immersion time
그림 Fig. 6. Earth pressure of height for sand
그림 Fig. 7. Vertical earth pressure of height for flowable fill
표 Table 5. CBR value with variation of mixing ratio
그림 Fig. 8. Horizontal earth pressure of height for flowable fill
그림 Fig. 9. Comparison of earth pressure reduction

AI 본문요약
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문제 정의

고함수비의 현장토와 산업폐기물인 플라이애쉬를 이용한 유동화 처리토의 역학적 특성을 규명하고 뒤채움 재료로서의 사용 가능성을 확인하고자 강도실험 및 모형 토압실험을 수행한 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.
본 연구에서는 고화재 및 현장토의 혼합비에 따른 유동화 처리토의 유동성 확인을 위하여 ACI committee 229에서 규정하고 있는 ASTM D 6103(2004) 규정에 의거하여 유동성 시험을 수행하였다. 흐름값 측정 시에는 시료의 중심을 지나는 최소값, 최대값을 측정하여 평균값을 사용하였으며 실험 시 바닥재의 기울임이 유동성에 영향을 미치지 않도록 수평 유지에 주의하였다.
본 연구에서는 뒤채움재로서 건설현장에서 발생하는 고함 수비의 점성토와 산업폐기물인 석탄회를 활용하여 유동화 처리토로서의 사용 가능성을 평가하기 위하여 재료의 유동 특성 및 강도특성, 지지력 특성을 분석하고 지중 매설물에 적용 시 토압감소 효과를 규명하고자 한다.
위한 시험이다. 본 연구에서는 유동화 처리 토에 대한 관입시험을 통하여 플라이애쉬 및 고화재의 혼합비에 따른 CBR값의 범위를 알아보기 위하여 KS F 2320에 의거한 시험을 수행하였다.

제안 방법

고화재 혼합비는 현장토 중량대비 10%로 고정시키고 플라이애쉬 혼합비를 20, 40, 60%로 변화시켜가며 토압을 측정하였다. 유동화 처리토의 타설은 유입부 직경 15cm, 유출부 직경 4cm의 원추형 깔때기를 이용하여 타설 면 상부 5cm의 높이에서 실시하였으며, 각 층별 타설 완료 후 즉시 토압을 측정한 후 바로 다음 단계로 이동하였다.
유동화 처리토의 타설은 유입부 직경 15cm, 유출부 직경 4cm의 원추형 깔때기를 이용하여 타설 면 상부 5cm의 높이에서 실시하였으며, 각 층별 타설 완료 후 즉시 토압을 측정한 후 바로 다음 단계로 이동하였다. 되메움 완료 후 1분간 정치한 후 시간 단계별 토압을 측정하였으며, 1시간이 경과된 후부터는 10분 단위로 2일간 토압을 측정하였다.
본 연구에서는 KS F 2314 규정에 의거하여 현장 발생토와 석탄회의 배합비, 고화재량을 변화시켜 가면서 일축 압축강도 시험을 수행하였다. 시험조건은 현장토와 석탄회를 0, 20, 40, 60%의 비율로 혼합하고 고화재를 현장토 중량대비 8, 10, 12%로 변화시켜 가면서 시료를 제작하였다.
산업폐기물 유동화 처리토의 공학적 특성을 알아보기 위하여 일축압축시험, 유동성시험, C.B.R시험을 수행하였으며 실제 매설구조물에 적용 시 토압감소효과를 평가하기 위하여 모형토조에 의한 토압시험을 수행하였다. 시험조건은 Table 4와 같다.
본 연구에서는 KS F 2314 규정에 의거하여 현장 발생토와 석탄회의 배합비, 고화재량을 변화시켜 가면서 일축 압축강도 시험을 수행하였다. 시험조건은 현장토와 석탄회를 0, 20, 40, 60%의 비율로 혼합하고 고화재를 현장토 중량대비 8, 10, 12%로 변화시켜 가면서 시료를 제작하였다. 시료의 함수비는 유동성 시험으로부터 구한 유동성 확보에 요구되는 최소요구함수량으로 배합하였다.
모형실험을 수행하였다. 실험은 일반 다짐토와 비교하기 위하여 사질토와 플라이애쉬 및 고화재의 배합비를 달리하여 수행하였다. 연구에 사용된 실험장치는 Fig.
유동화 처리토 지반의 경우 다짐이 필요 없으므로 유동성 실험에서 얻어진 최소함수비 범위 안에서 각각의 시료를 배합하였다. 고화재 혼합비는 현장토 중량대비 10%로 고정시키고 플라이애쉬 혼합비를 20, 40, 60%로 변화시켜가며 토압을 측정하였다.
유동화 처리토를 이용하여 실제 구조물에 적용 시 강도증가와 토압감소 효과를 평가하기 위하여 지중매설관을 대상으로 모형실험을 수행하였다. 실험은 일반 다짐토와 비교하기 위하여 사질토와 플라이애쉬 및 고화재의 배합비를 달리하여 수행하였다.
유동화 처리토의 관입시험은 96시간 수침하여 흡수팽창량을 측정한 후 15분간 정치 후 관입량에 다른 하중 강도를 측정하였다. Table 5는 플라이애쉬 혼합비에 따른 CBR값의 결과를 나타내고 있으며 관입량이 증가할수록 관입저항은 증가하며 혼합비에 따라 증가하는 것으로 나타났다.
고화재 혼합비는 현장토 중량대비 10%로 고정시키고 플라이애쉬 혼합비를 20, 40, 60%로 변화시켜가며 토압을 측정하였다. 유동화 처리토의 타설은 유입부 직경 15cm, 유출부 직경 4cm의 원추형 깔때기를 이용하여 타설 면 상부 5cm의 높이에서 실시하였으며, 각 층별 타설 완료 후 즉시 토압을 측정한 후 바로 다음 단계로 이동하였다. 되메움 완료 후 1분간 정치한 후 시간 단계별 토압을 측정하였으며, 1시간이 경과된 후부터는 10분 단위로 2일간 토압을 측정하였다.
유동화 처리토의 토압 특성을 파악하기 위하여 지중 매설관을 대상으로 지반조건을 사질토와 유동화 처리토로 변화시키고 되메움 높이에 따른 수평토압과 수직토압을 측정하였다.
지반조성 시 다짐은 최대건조단위중량의 90%로 실시하였으며, 각 층별로 균일한 조성을 위하여 다짐두께가 5cm 가 되도록 2.5cm씩 2회로 나누어 다짐을 실시하였다.
흐름값 측정 시에는 시료의 중심을 지나는 최소값, 최대값을 측정하여 평균값을 사용하였으며 실험 시 바닥재의 기울임이 유동성에 영향을 미치지 않도록 수평 유지에 주의하였다. 현장토, 석탄회, 고화재량은 각각의 배합조건에 따라 배합시킨 후 함수비만을 변화시켜 퍼짐이 23cm를 만족하는 함수비를 측정하여 이를 최소 요구 함수량으로 결정하였다.

대상 데이터

모델박스의 제원은 높이 300mm, 가로 280mm, 세로 180mm이며, 두께 1cm의 투명아크릴판을 이용하여 제작하였다. 매설암거는 외경 38mm, 내경 32mm, 길이 175mm 의 모형 파이프를 사용하였으며 토조내 유동화처리토의 압력과 다짐에 있어서 충분한 강성을 발휘할 수 있도록 제작하였다.
1에 나타나 있는 것과 같이 모형박스, 연직토압과 수평토압을 측정할 수 있는 토압계, 모형 매설관, EPS bedding재로 구성되어 있다. 모델박스의 제원은 높이 300mm, 가로 280mm, 세로 180mm이며, 두께 1cm의 투명아크릴판을 이용하여 제작하였다. 매설암거는 외경 38mm, 내경 32mm, 길이 175mm 의 모형 파이프를 사용하였으며 토조내 유동화처리토의 압력과 다짐에 있어서 충분한 강성을 발휘할 수 있도록 제작하였다.
본 연구에 사용된 고화재는 준설점토와 같이 자연함수 비가 매우 높은 흙을 빠른 시간내에 고화시켜 뒤채움재 및 성토 재 등으로 재활용할 목적으로 사용하고 있으며 탄산칼슘(#)과 실리카(#)로 구성되어 있다. 고화재를 사용한 뒤채움 재료의 환경에 대한 영향을 평가하기 위하여 pH특성시험을 수행한 결과 pH값이 7.
본 연구에 사용된 현장발생토는 충남 ○○천 하구의 바다와 접한 바닥에서 채취한 것으로서 Table 2는 현장토의 물리적인 특성을 보여주고 있으며 비중 2.53, 액성한계 33.8%, 소성한계는 27.3%, 자연함수비는 43.18%로 나타났다.
본 연구에서는 ○○화력발전소에서 발생된 비회를 사용하였으며 물리적인 성질은 Table 1과 같다.
따라서 팽창률을 통하여 히빙현상, 동상 및 연화 현상의 영향을 간접적으로 알 수 있다. 시험을 위한 공시체는 CBR 몰드에 현장토 중량대비 고화재 10%, 플라이애쉬를 20, 40, 60%로 변화시켜 제작한 후 시험을 수행하였다.
실험은 일반 다짐토와 비교하기 위하여 사질토와 플라이애쉬 및 고화재의 배합비를 달리하여 수행하였다. 연구에 사용된 실험장치는 Fig. 1에 나타나 있는 것과 같이 모형박스, 연직토압과 수평토압을 측정할 수 있는 토압계, 모형 매설관, EPS bedding재로 구성되어 있다. 모델박스의 제원은 높이 300mm, 가로 280mm, 세로 180mm이며, 두께 1cm의 투명아크릴판을 이용하여 제작하였다.

성능/효과

(1) 유동화 처리토의 강도시험 결과 플라이애쉬 및 고화 재의혼합비가 증가할수록 일축압축 강도가 증가하는 것을 알 수 있었으며 강도증가율은 고화재의 혼합비가 10%인 경우 123.9∼204.8%, 20%인 경우 109.2∼132.2%로 나타나 고화재의 혼합비가 증가할수록 강도는 개선되지만 과다한 고화재의 투입은 강도증가 효과가 크지 않음을 알 수 있었다. 또한 배합비에 따른 최대 강도는 0.
(2) 수침 시 팽창특성은 플라이애쉬의 혼합비가 증가할수록 침하율은 감소하는 것으로 나타났으며 유동화 처리토의팽창량은 1% 이하로서 뒤채움재 사용기준에 적합한 것으로 나타났다. 또한 수침 후 지지력은 구조물 뒤채움 재의 CBR 기준치인 10%를 상회하는 것으로 나타나 침수에 따른 지지력은 양호한 것으로 나타났다.
(3) 모형토조 실험 결과 플라이애쉬의 혼합비에 따른 토압은 연직토압의 경우 1.1∼1.3배, 수평토압은 1.3∼3.3배 증가 하는 것을 알 수 있었으며 동일한 플라이애쉬 혼합비에서 연직토압과 수평토압의 차이는 수평토압이 최대 2.6배 큰 것을 알 수 있었는데 이는 유동화 처리토의 고유동성으로 인한 것으로 판단된다.
(4) 유동성 처리토 지반의 토압은 사질토 지반에 비하여 수평토압은 최대 80%, 연직토압은 약 54% 정도의 토압 경감 효과가 있는 것을 알 수 있었다.
Fig. 4는 플라이애쉬의 혼합비에 따른 강도특성을 나타낸 것으로서 플라이애쉬의 혼합비가 증가할수록 일축 압도 강도도 증가하는 것을 알 수 있으며 본 연구에서 설정한 기준강도인 0.7MPa 이하를 모두 만족하는 것으로 나타났다. 따라서 산업폐기물인 석탄회와 현장토를 활용한 유동화 처리토는 저강도의 유동성 성토재료로서 사용이 가능한 것으로 나타났다.
Fig. 9는 사질토 지반과 유동화 처리토 지반의 수렴토압을 비교한 것으로서 유동화 처리토의 경우 사질토 지반의 경우보다 모두 작은 값으로 수렴되는 것으로 나타났으며플라이애쉬의 혼합비가 60%의 경우 수평토압은 모래지반의 경우보다 80%의 토압경감 효과를 보였으며 연직 토압 또한 모래지반의 약 54% 정도로 토압이 감소되는 것으로 나타났다.
그림에 나타나듯이 고화재의 혼합비가 증가하수록 일축압축 강도가 증가하는 것을 알 수 있으며 고화재의 혼합비 10% 이후로 강도증가율이 감소하는 것을 알 수 있었다. 고화재 혼합비가 증가할수록 강도증가율은 123.9∼204.8%, 109.2∼132.2%로 나타나 고화재의 혼합비가 증가할수록 강도는 개선되지만 과다한 고화재의 투입은 강도증가 효과가 크지 않음을 알 수 있다.
89%로 가장 큰 CBR값를 나타내었다. 따라서 CBR 값는 플라이애쉬의 혼합비에 의한 영향을 받는 것으로 생각되며 시방서 기준에서 구조물 뒤채움재의 CBR값 기준치를 10 이상으로 규정하는 것으로 볼 때 본 연구에 사용된 유동화 처리토는 모두 이 기준을 만족하는 것으로 나타났다.
7MPa 이하를 모두 만족하는 것으로 나타났다. 따라서 산업폐기물인 석탄회와 현장토를 활용한 유동화 처리토는 저강도의 유동성 성토재료로서 사용이 가능한 것으로 나타났다.
또한 유동 곡선 상부의 플라이애쉬 혼합비가 많은 영역은 점성이 크기 때문에 균질한 혼합을 위해서는 많은 시간이 소요되므로 실제 구조물에 적용 시 공기가 증가되거나 특수한 장비가 필요하기 때문에 적합하지 않다. 따라서, 본 연구에서 사용된 현장토와 플라이애쉬를 활용한 재료의 유동성을 확보하기 위해서는 각 배합비에 따라 유동곡선의 우측 영역 내의배합비가 적절한 것으로 판단된다.
3배 증가하는 것을 알 수 있었다. 또한 동일한 플라이애쉬 혼합비에서 연직토압과 수평토압의 차이는 수평토압이 최대 2.6배 큰 것을 알 수 있었는데 이는 유동화 처리토의 고유동성으로 인한 것으로 판단되며 이와 같은 경향은 되메움의 높이가 클수록 더욱 뚜렷해지는 것으로 나타났다.
2%로 나타나 고화재의 혼합비가 증가할수록 강도는 개선되지만 과다한 고화재의 투입은 강도증가 효과가 크지 않음을 알 수 있었다. 또한 배합비에 따른 최대 강도는 0.68MPa로 나타나 뒤채움 후 재굴착이 가능한 0.7MPa 이하의 강도 조건을 모두 만족하는 것으로 나타났다.
나타났다. 또한 수침 후 지지력은 구조물 뒤채움 재의 CBR 기준치인 10%를 상회하는 것으로 나타나 침수에 따른 지지력은 양호한 것으로 나타났다.
6은 사질토 지반의 되메움 높이에 따른 연직 토압 및 수평토압 특성을 나타낸 것이다. 모형실험결과와 이론상의 정지토압을 비교하여 본 결과 되메움 높이에 따라 토압이 최대 1.8배 증가하였으며 실험에 의한 연직토압이 이론상의 토압보다 약 1.6배 크게 나타났다. 이러한 경향은 지반조성 시 90%의 다짐도를 얻기 위하여 실시한 다짐으로 인하여 토압이 증가한 것으로 판단된다.
시간이 경과됨에 따라서 배합량에 따라서 차이는 있지만 연직 및 수평토압은 모두 되메움 완료 후 6시간까지는 감소를 하다가 1일 경과 시까지 증가를 하였으며 2일이경과되면서 일정 토압으로 수렴하는 것으로 나타났다.
5는 흡수팽창시험 결과를 나타내고 있다. 시험결과 팽창률은 부(負)의 값을 보이는데 이는 수침 초기에 상재하중에 의한 수축으로 판단되며 현장토와 플라이애쉬의 배합비에 따라 약간의 차이를 보였으며 플라이애쉬의 혼합비가 증가할수록 침하가 덜 일어나는 것을 알 수 있었다. 또한 모든 경우에 있어서 24시간 이후에 수축팽창의 변화는 일어나지 않는 것으로 나타났다.
그림에 나타나듯이 되메움 높이와 플라이애쉬의 혼합비가 증가함에 따라 연직토압 및 수평토압이 증가하는 것을 알 수 있다. 연직 토압의 경우 되메움 높이에 따라 최대 4.6배, 수평토압의 경우 최대 6.3배 증가하는 것을 알 수 있었으며 플라이애쉬의 혼합비에 따른 토압은 연직토압의 경우 1.1∼1.3배, 수평토압은 1.3∼3.3배 증가하는 것을 알 수 있었다. 또한 동일한 플라이애쉬 혼합비에서 연직토압과 수평토압의 차이는 수평토압이 최대 2.
002%로 나타나 플라이애쉬의 혼합비가 증가할수록 침하율은 감소하는 것으로 나타났다. 일반적으로 팽창량이 1% 이하인 경우 노상재료로서 양호한 것으로 알려져 있는 것을 감안하다면 모든 시험에 있어서 유동화 처리토의팽창량은 성토재 사용기준에 만족하는 것으로 나타났다.
또한 모든 경우에 있어서 24시간 이후에 수축팽창의 변화는 일어나지 않는 것으로 나타났다. 침하율은 고화재의 혼합비를 10%로 고정시키고 플라이애쉬의 혼합비를 20, 40, 60%로 변화시켜가며 실험한 결과 혼합비 20%의 경우가 0.04 9%, 40%의 경우가 0.02%, 60%의 경우가 0.002%로 나타나 플라이애쉬의 혼합비가 증가할수록 침하율은 감소하는 것으로 나타났다. 일반적으로 팽창량이 1% 이하인 경우 노상재료로서 양호한 것으로 알려져 있는 것을 감안하다면 모든 시험에 있어서 유동화 처리토의팽창량은 성토재 사용기준에 만족하는 것으로 나타났다.
시험을 수행하였다. 흐름값 측정 시에는 시료의 중심을 지나는 최소값, 최대값을 측정하여 평균값을 사용하였으며 실험 시 바닥재의 기울임이 유동성에 영향을 미치지 않도록 수평 유지에 주의하였다. 현장토, 석탄회, 고화재량은 각각의 배합조건에 따라 배합시킨 후 함수비만을 변화시켜 퍼짐이 23cm를 만족하는 함수비를 측정하여 이를 최소 요구 함수량으로 결정하였다.

참고문헌 (11)

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저자의 다른 논문 :

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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