[논문]Bottom Ash의 물리.역학적특성에 대한 실험적 연구

윤원섭; 조철현; 박상준; 김종국; 채영수

Bottom Ash의 물리.역학적특성에 대한 실험적 연구
Experimental Study on Physical and Mechanical Properties of Bottom Ash 원문보기

윤원섭 (수원대학교 토목공학과) , 조철현 (보강 엔지니어링) , 박상준 (수원대학교 토목공학과) , 김종국 (한국건설품질시험원 지반공학센타) , 채영수 (수원대학교 토목공학과)

An elementary particle of bottom ash is similar to fine sand. so which expected from replace expensive sand. Especially, If using for improvement of soft ground, It will need of study about strength, permeability and environment of the bottom ash. In this study, the bottom ash operate of physical quality, direct shear test and triaxial compression test so analyze and compare with standard sand.

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문제 정의

본 논문에서는 시료의 물리·역학적인 측면에서 시험결과를 분석하였으며 환경적인 문제점이 발생되는 부분에 대해서는 배제하였다.
본 연구에서는 bottom ash의 물성시험 및 역학시험을 통한 bottom ash의 물리·역학적 특성과 표준사에 대한 물성 및 역학특성을 비교하여 물리·역학적 측면에서 건설재료로써 가능한지 bottom ash의 재료특성을 비교·분석하고자 한다.

가설 설정

1) 천연골재보다 작지만 어느 정도 골재로서의 필요한 경도를 가진다.
2) 다공질의 재료로 비중이 낮다.

제안 방법

Bottom ash와 표준사의 물리적 특성을 비교하기 위한 물성시험을 실시하였다. 시험 항목은 위에서 언급한 바와 같이 입도, 비중, 액·소성시험을 실시하였다.
Bottom ash와 표준사의 역학적 특성을 직접전단시험과 삼축시험을 통해 비교·분석하였다.
Bottom ash의 입도 및 비중, 액·소성시험의 물성시험을 실시하고 직접전단시험 및 삼축압축시험을 통한 역학적 특성을 분석하였다.
또한 표준사의 입도 및 비중, 액·소성시험과 직접전단시험을 실시하였다.
본 연구에서는 화력발전소에서 발생되는 석탄회인 bottom ash를 이용하여 연약지반 등의 건설재료인 모래의 대체 재료로서 평가하기위해 표준사와 물리·역학적 특성을 실내시험을 통해 비교·분석하였으며 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
시험 항목은 위에서 언급한 바와 같이 입도, 비중, 액·소성시험을 실시하였다.
위와 같은 특성을 갖는 bottom ash와 입도가 대체적으로 고른 표준사의 특성을 분석하였다. Bottom ash의 입도 및 비중, 액·소성시험의 물성시험을 실시하고 직접전단시험 및 삼축압축시험을 통한 역학적 특성을 분석하였다.

데이터처리

표준사의 삼축압축시험 결과는 기존의 연구결과와 비교·분석하였다.

성능/효과

1. Bottom ash는 입도가 양호한 모래 혹은 실트질 모래(SW-SM)의 성격을 가지며 비중은 1.87의 값을 보여 표준사에 비해 입도는 양호하며 비중값은 비교적 낮게 평가되었다.
2. Bottom ash는 비중이 작고 입도분포가 양호하여 투수성이 우수할 것으로 판단되므로 연약지반개량 시 단위중량과 입도분포에 따른 투수성을 고려한 경우 지반의 개량 효과가 클 것으로 판단된다.
3. Bottom ash에 대해 직접전단시험과 삼축압축시험의 역학적 시험을 실시한 결과 표준사의 강도보다 작은 것으로 판단되었으며 이는 시험방법의 차이와 bottom ash라는 시료의 특성상 충분한 다짐이 이루어지지 않은 결과로 판단된다.
Bottom ash의 물리·역학적 특성을 분석하기 위해 실시한 물성시험과 직접전단시험과 삼축압축시험 결과 표준사에 비해 강도가 작은 것으로 판단되었으며 입도시험 및 비중시험 결과 표준사에 비해 입도분포는 bottom ash가 양호하였으며 입도분포결과 투수성이 양호할 것으로 판단되므로 연약지반의 개량의 목적으로 사용은 충분히 고려할 수 있을 것으로 사료된다.
Bottom ash의 입도분포결과 SW와 SM의 이중적인 성격을 갖는 것으로 나타났으며 bottom ash는 비중의 값이 표준사에 비해 0.78정도로 값이 많이 작았다. Bottom ash는 비중의 값이 작아 단위중량의 값이 작고 입도분포는 양호하여 투수성이 우수할 것으로 판단되므로 연약지반의 개량 효과가 클 것으로 사료된다.
그림 3은 bottom ash와 표준사의 입도분포 곡선이다. 물성시험결과 bottom ash는 입도가 양호한 모래 혹은 실트질 모래(SW-SM)의 성격을 갖는 것으로 나타났으며 발전소에서 채취할 당시의 함수비는 1.39%였다. 액성시험과 소성시험의 결과는 비소성(NP)로 판단되었으며 비중은 1.
육안으로 관찰한 결과 입도는 대략 사질토의 성격을 가지며 화력발전소에서 발생된 시료로 재가 일부 함유되어 있었다. 시험 시 물에 시료가 녹지는 않았으나 채취하는 과정에서 함유된 재와 기름이 물에 뜨는 것이 확인되었다. 본 논문에서는 시료의 물리·역학적인 측면에서 시험결과를 분석하였으며 환경적인 문제점이 발생되는 부분에 대해서는 배제하였다.
시험결과에 따르면 구속압에 따라 조밀한 모래의 마찰각은 39.92°~47.59°의 범위에서 강도특성을 보였으며 느슨한 모래의 경우의 마찰각은 35.7°~43.69°의 범위의 강도특성을 보였다.
39%였다. 액성시험과 소성시험의 결과는 비소성(NP)로 판단되었으며 비중은 1.87로 다소 작은 값을 보였다. 입도분포곡선으로 구한 균등계수(C_u)는 1.
05의 값으로 나타났다. 표준사의 시험결과 입도가 불량한 모래(SP)로 입도분포가 분석되었고, 액성시험 및 소성시험은 비소성(NP)로 판단되었으며, 비중은 2.65의 값을 보였다. 입도분포곡선을 통한 균등계수(C_u)는 1.

후속연구

Bottom ash 석탄재는 국내 10개 화력발전소에서 연간 약 600만톤이 발생하며, 약 58%인 350만톤은 시멘트 대체제로 사용하고 나머지 약 250만톤(42%)은 인근 매립장에 매립 처리해왔다. Bottom ash의 경우 입자가 모래와 비슷하여 최근 원자재 수급이 어려운 모래의 대체재로 사용이 가능할 것으로 판단되어지며 특히 연약지반의 개량에 사용될 경우 bottom ash의 강도 및 배수능력, 환경 등의 특성에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
마찰각의 값이 입도분포결과와 비교했을 때 일반적인 사질토의 강도값에 비해 비교적 작게 발생되었다. 이는 시험 시 완전 건조된 bottom ash를 사용함으로서 충분하게 시료의 다짐이 되지 않고 구속압이 충분하지 않아 발생된 현상으로 보이며 추후에 충분한 다짐을 통해 추가적인 시험을 실시할 필요가 있을 것으로 판단되었다. 표준사의 직접전단시험 결과는 마찰각 28.
이상에서와 같이 화력발전소에서 발생되는 석탄회의 폐기에 따른 경제적인 손실은 큰 것으로 판단되며 매립에 따른 추가 비용을 줄이고 연약지반의 개량 등에 석탄회를 사용한다면 경제적인 이익이 클 것으로 추정된다.
4°로 나타났다. 표준사의 경우도 역시 완전 건조된 상태에서의 표준사를 시료로 사용하므로써 구속압이 크지 않아 시료가 쉽게 교란되고 다짐이 충분하지 않은 상태에서의 시험결과로 기존의 연구 결과와 비교 시 이러한 상황을 고려해야할 것으로 판단된다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

현재 모래를 대체할 수 있는 연약지반개량공법으로는 무엇이 많이 사용되고 있는가?

이러한 원자재 수급의 어려움을 극복하기위해 모래를 대체할 수 있는 대체 재료의 개발이 절실한 것으로 판단된다. 현재 모래를 대체할 수 있는 연약지반개량공법으로는 최근 토목섬유를 이용한 플라스틱 보드 드레인(plastic board drain, PBD) 등의 연직배수재(PVD)가 많이 사용되고 있으나 실제 지반에 타설되는 배수재가 토립자와 결합되어 구멍막힘현상(clogging)과 굴곡이나 휘어짐 등의 변형이 발생할 수 있고, 맨드렐(mandrel)의 타입으로 주변지반의 교란영역이 형성하게 되어 압밀을 지연시키는 요인으로 작용하는 문제점이 발생하여 모래의 대체 재료의 수급이 절실한 실정이다. 이러한 모래의 대체 재료로는 화력발전소에서 발생되는 유·무연탄을 1600°C로 연소한 후 발생되는 비산재(플라이애시, fly ash)와 바닥재(바텀애시, bottom ash)의 석탄회가 있다.

Bottom ash가 모래의 대체제로 사용이 가능할 것으로 판단되어지는 이유는?

Bottom ash 석탄재는 국내 10개 화력발전소에서 연간 약 600만톤이 발생하며, 약 58%인 350만톤은 시멘트 대체제로 사용하고 나머지 약 250만톤(42%)은 인근 매립장에 매립 처리해왔다. Bottom ash의 경우 입자가 모래와 비슷하여 최근 원자재 수급이 어려운 모래의 대체재로 사용이 가능할 것으로 판단되어지며 특히 연약지반의 개량에 사용될 경우 bottom ash의 강도 및 배수능력, 환경 등의 특성에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다.

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