[논문]도로용 보조기층재로서 골재석산 폐석분의 물리적 및 공학적 특성

김경수; 송영석

문제 정의

본 연구는 국내의 대표적인 쇄석골재 생산업체들로부터 발생된 폐석분과 인근지역 원지반토를 채취한 후 실험실에서 배합조건을 달리하여 각종 토질시험을 실시하여 물리적 및 공학적 특성을 규명하였다. 또한, 폐석분과 원지반토를 배합한 혼합토의 특성개량을 통한 도로용 보조기층재로서 폐석분의 재활용 가능성을 검토하였다.
폐석분은 쇄석골재와 비교하여 입도조건만 미세립의 형태를 갖기 때문에 지화학적인 측면에서 상품화되는 골재와 크게 다를 바가 없으나 폐기물관리법에서 산업폐기물로 분류되고 있으며 별도의 처리나 재활용이 매우 미흡하다. 본 연구는 국내의 대표적인 쇄석골재 생산업체들로부터 발생된 폐석분과 인근지역 원지반토를 채취한 후 실험실에서 배합조건을 달리하여 각종 토질시험을 실시하여 물리적 및 공학적 특성을 규명하였다. 또한, 폐석분과 원지반토를 배합한 혼합토의 특성개량을 통한 도로용 보조기층재로서 폐석분의 재활용 가능성을 검토하였다.

제안 방법

국내 대표적 6개 채석장을 선정하여 석산별로 폐석분과 원지반토를 각각 200kg 정도씩 채취하여 폐석분, 원지반토 및 이를 배합한 혼합토에 대해 비중, 함수비, 입도, 액성한계, 소성한계, 다짐, CBR 및 전단강도시험를 실시하였다. 시험방법은 KS의 관련규정에 따라 시험하였으며, 특히 전단강도는 다짐시험에 의한 최적함수비조건에서 직접전단시험을 실시하였다.
및 아세아의 혼합토만을 대표적으로 나타내었다. 시험은 다짐시험에 의한 최적함수비 및 최대건조단위 중량 조건에서 실시하였다. 표에서 보는 바와 같이 2개소 모두 페석분의 배합 비율이 높을수록 점착력은 증가하고 내부마찰각이 감소하는 경향성을 보였으며, 혼합비율 25%인 경우가 가장 큰 전단강도를 가지는 것으로 분석되었다.
혼합토는 각 석산별로 폐석분과 원지반토를 중량비로 기준하여 5개 시료(100%: 0%, 75%: 25%, 50%: 50%, 25%: 75% 및 0%: 100%)로 구분하여 시험하였다.

이론/모형

CBR 및 전단강도시험를 실시하였다. 시험방법은 KS의 관련규정에 따라 시험하였으며, 특히 전단강도는 다짐시험에 의한 최적함수비조건에서 직접전단시험을 실시하였다. 각 시료별 폐석분과 원지반토의 물성시험 결과는 표 1과 같다.

성능/효과

1. CBRe 폐석분과 원지반토의 배합비에 따라 달라지고 페석분 혼합비율이 낮을수록 최적 함수비는 감소되고 최대건조단위중량은 증가되는데, 페석분 혼합비율 25%인 경우의 혼합토가 CBR이 크게 향상됨으로써 지지력이 최대로 증가된다.
2. 모든 혼합토가 최적 다짐조건에서 내부마찰각 29° 이상으로 비교적 양호하며, 최적 전단 강도를 재현하기 위해서는 페석분 혼합비율을 25~50%로 조절함이 좋다.
3. 도로 노상재료로서 혼합토의 적합성을 검토한 결과 노상의 상부 Im까지의 품질기준에는 다소 미흡하나 페석분 25%와 원지반토 75% 비율의 혼합토는 노상하부 60cm용 노상 재료로서 적합한 것으로 평가되었다.
4. 페석분이 산업폐기물로 분류되고 있으나 페석분을 적당한 배합비로 원지반토와 혼합하여 물성과 공학특성을 개량함으로써 효율적 재활용이 가능하다.
액성한계는 페석분의 혼합비율이 낮을수록 약간 증가하는 경향을 보이나 그 증가량은 매우 작고 소성지수는 혼합비율이 다름에도 변화가 거의 없다. 균등계수는 페석분 혼합비율과 대체로 비례하나 혼합비율 50~75%일 때 가장 크며, 곡률계수는 혼합비율 25%일 경우 최대로 증가되는것으로 나타났다. 한편, 유효경은 페석분의 혼합비율이 낮을수록 전반적으로 증가되는 반 비례적 관계를 보였다.
075mm 체통과율은 모두 적합하나 소성지수 및 CBR값은 조건에 미흡하였다. 그러나 페석분 배합비율이 25%인 혼합토는 노상의 하부 60cm의 품질기준에 모두 적합한 것으로 나타났다(표 3). 따라서 배합비율을 달리한 여러 혼합토 중에서 페석분 25%와 원지반토 75%의 비율로 섞은 혼합토의 경우 도로 노상하부 60cm의 재료로 적합하여 도로용재로 사용이 가능한 것으로 평가되었다.
도로용 재료 중 노상재료로는 한국도로공사 표준시방서에 품질기준을 규정하고 있다(도로설계요령, 1976; 도로설계실무편람, 1996), 5가지 배합조건들 중 개량효과가 큰 2가지 배합비율 (페석분과 원지반토 비율이 50%:50% 및 25%:75%)인 경우의 혼합토를 대상으로 도로 노상 재료로서 적합성을 검토한 결과, 노상의 상부 Im까지의 품질기준을 적용하였을 경우 최대치수, 4.75mm체통과율 및 0.075mm 체통과율은 모두 적합하나 소성지수 및 CBR값은 조건에 미흡하였다. 그러나 페석분 배합비율이 25%인 혼합토는 노상의 하부 60cm의 품질기준에 모두 적합한 것으로 나타났다(표 3).
그러나 페석분 배합비율이 25%인 혼합토는 노상의 하부 60cm의 품질기준에 모두 적합한 것으로 나타났다(표 3). 따라서 배합비율을 달리한 여러 혼합토 중에서 페석분 25%와 원지반토 75%의 비율로 섞은 혼합토의 경우 도로 노상하부 60cm의 재료로 적합하여 도로용재로 사용이 가능한 것으로 평가되었다.
한편, 유효경은 페석분의 혼합비율이 낮을수록 전반적으로 증가되는 반 비례적 관계를 보였다. 페석분 혼합비율과 최적함수비는 전반적으로 비례적인 경향성을 보이는데, 페석분의 혼합비율이 25%인 경우 10.1 ~14.8%의 범위로서 평균 13.43%로 나타난 반면, 최대건조단위 중량은 페석분의 혼합비율과 반비례적 관계로서 혼합비율이 25%인 경우 최대건조단위 중량이 1.80~2.02t/nf로서 평균 1.90t/nf로 나타났다. 한편, CBRe 페석분 혼합비율이 낮을수록 증가되는 경향성을 보이며, 혼합비율이 25%인 경우 5.
시험은 다짐시험에 의한 최적함수비 및 최대건조단위 중량 조건에서 실시하였다. 표에서 보는 바와 같이 2개소 모두 페석분의 배합 비율이 높을수록 점착력은 증가하고 내부마찰각이 감소하는 경향성을 보였으며, 혼합비율 25%인 경우가 가장 큰 전단강도를 가지는 것으로 분석되었다.
90t/nf로 나타났다. 한편, CBRe 페석분 혼합비율이 낮을수록 증가되는 경향성을 보이며, 혼합비율이 25%인 경우 5.1 ~6.0%로서 평균 5.45%인 것으로 나타나 일정한 범위에서는 페석분의 혼합비율이 감소됨에 따라 혼합토의 CBR이 전반적으로증가되는 경향성을 보였다(그림 1). 이처럼 원지반토를 혼합할 경우 페석분의 개량효과가 있는 것으로 분석되었다.
균등계수는 페석분 혼합비율과 대체로 비례하나 혼합비율 50~75%일 때 가장 크며, 곡률계수는 혼합비율 25%일 경우 최대로 증가되는것으로 나타났다. 한편, 유효경은 페석분의 혼합비율이 낮을수록 전반적으로 증가되는 반 비례적 관계를 보였다. 페석분 혼합비율과 최적함수비는 전반적으로 비례적인 경향성을 보이는데, 페석분의 혼합비율이 25%인 경우 10.

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