[논문]폐타이어 분말을 이용한 혼합경량토의 압축특성 연구

강효섭; 김윤태

폐타이어 분말을 이용한 혼합경량토의 압축특성 연구
Compression Characteristics of Waste Tire Powder-Added Lightweight Soil 원문보기

강효섭 (부경대학교 해양공학과) , 김윤태 (부경대학교 해양공학과)

The purpose of this study was to research on compressibility characteristics of waste tire powder-added lightweight soil(TLS) for recycling dredged soil, bottom ash and waste tire. The TLS used in this experiment consists of dredged soil, cement, waste tire powder and bottom ash. Test specimens were prepared with various content of waste tire powder ranged from 0% to 100% at 25% intervals by the dried weight of dredged soil. Several series of one-dimensional consolidation tests were carried out. Based on the experimental results, as the waste tire powder increased, the swelling index of TLS increased. The compression index and swelling index of the TLS with bottom ash content showed lower value than without bottom ash. Then, compressibility characteristics of TLS were strongly influenced by mixing conditions of waste tire powder content and bottom ash content.

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문제 정의

또한 시공전에 현장에서 직접 발포해야 하는 공간적인 제약이 있다. 따라서 본 연구에서는 경량성을 확보할 수 있는 재료인 폐타이어와 준설토 및 저회를 동시에 재활용할 수 있는 방안을 모색하였다. 김윤태와 강효섭(2008a, 2008b)은 폐타이어 분말을 이용한 폐타이어 혼합경량토를 제작하여 일축압축시험, 탄성파시험 및 실내시험 등을 통하여 역학적 특성에 대한 연구를 수행하였고, 또한 중금속 오염에 대한 환경적 영향에 대한 실험적 연구를 수행한 바 있다.
이러한 폐타이어를 이용할 경우 폐타이어가 가지고 있는 압축성 및 탄성적인 특성파악은 매우 중요하다. 따라서 본 연구에서는 폐타이어 분말이 혼합된 폐타이어 혼합경량토에 대한 압축특성에 대하여 파악하고자 하였다. 이를 위해 압밀시험을 통해 폐타이어 분말의 혼합 함량에 따른 압축특성과 저회의 혼합유무에 따른 폐타이어 혼합경량토의 압축특성을 파악하고자 하였다.
본 연구에서는 폐타이어 분말을 혼합한 폐타이어 혼합경량토를 제작하여, 저회의 혼합유무와 폐타이어 분말 함량에 따른 압축특성을 파악하기 위해 일차원 압밀시험을 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
따라서 본 연구에서는 폐타이어 분말이 혼합된 폐타이어 혼합경량토에 대한 압축특성에 대하여 파악하고자 하였다. 이를 위해 압밀시험을 통해 폐타이어 분말의 혼합 함량에 따른 압축특성과 저회의 혼합유무에 따른 폐타이어 혼합경량토의 압축특성을 파악하고자 하였다.

제안 방법

4 체에 통과시켜 자갈크기의 입자를 배제시켜 이용하였다. 또한 XRF(X-ray Fluorescence)와 XRD(X-ray Diffractogram)를 통해 저회의 화학성분 분석 및 주요 결정상을 파악하였다. 표 2는 XRF 분석 결과로부터 구한 저회의 화학적 성분을 나타낸 것으로 주요성분이 실리카(SiO₂)와 알루미나(Al₂O₃)성분이 크게 함유된 것으로 확인되었다.
저회의 혼합유무와 폐타이어 분말 함량에 따른 압축 특성을 파악하기 위해 표 3과 같이 시험조건 및 배합비율을 달리 적용하였으며, 이때의 재료별 함량은 건조된 준설토 중량을 기준으로 하여 결정되었다. 준설토 초기 함수비, 시멘트 및 저회의 함량은 단위중량 및 유동특성을 고려한 예비시험 결과를 바탕으로 결정되었으며, 저회의 혼합유무에 따라 폐타이어 분말 함량을 0%에서 100%까지 25%씩 증가시켜 폐타이어 혼합경량토 공시체를 제작하였다.
저회의 혼합유무와 폐타이어 분말 함량에 따른 압축특성을 파악하기 위해 일차원 표준압밀시험을 실시하였다. 압밀시험용 공시체는 지름 60mm, 높이 20mm인 압밀링을 이용하여 제작하였다.
저회의 혼합유무와 폐타이어 분말 함량에 따른 압축 특성을 파악하기 위해 표 3과 같이 시험조건 및 배합비율을 달리 적용하였으며, 이때의 재료별 함량은 건조된 준설토 중량을 기준으로 하여 결정되었다. 준설토 초기 함수비, 시멘트 및 저회의 함량은 단위중량 및 유동특성을 고려한 예비시험 결과를 바탕으로 결정되었으며, 저회의 혼합유무에 따라 폐타이어 분말 함량을 0%에서 100%까지 25%씩 증가시켜 폐타이어 혼합경량토 공시체를 제작하였다. 그림 4는 폐타이어 분말 함량에 따른 단위중량을 나타낸다.
그림 6은 압밀시험을 통해 얻어진 폐타이어 혼합경량토의 e - logσ 곡선을 나타내고 있다. 폐타이어 혼합경량토의 간극비를 초기간극비로 나누어 간극비의 변화를 정규화 하였다. 그림 6(a)은 저회가 혼합되지 않은 경우의 e - logσ 곡선을 나타내고 있고, 그림 6(b)은 저회가 혼합된 경우의 e - logσ 곡선을 나타내고 있다.

대상 데이터

본 연구에 사용된 준설토는 부산신항 배후부지에서 채취된 것으로 기본적인 물리적 특성은 실내 물성 시험을 통해 파악하였다. 준설토 물성결과는 표 1과 같으며, 비중은 2.
Federal Highway Administration(1998)은 폐타이어의 형태와 입경크기에 따라 Shredded tire, Chipped tire, Ground rubber 및 Crumb rubber로 분류하고 있다. 본 연구에서 이용한 폐타이어 종류는 Crumb rubber에 해당된다.
저회의 혼합유무와 폐타이어 분말 함량에 따른 압축특성을 파악하기 위해 일차원 표준압밀시험을 실시하였다. 압밀시험용 공시체는 지름 60mm, 높이 20mm인 압밀링을 이용하여 제작하였다. 그림 5는 본 연구에 사용된 표준압밀시험기의 개념도로서 변위와 간극수압의 측정이 가능하고 자료는 자동적으로 컴퓨터에 저장되고 측정할 수 있다.

성능/효과

(1) 폐타이어 분말 함량이 증가함에 따라 폐타이어 혼합경량토의 e - logσ 곡선은 하향으로 이동하며, 간극비 변화폭이 커지는 것으로 나타났다.
(2) 폐타이어 혼합경량토의 압축지수는 저회가 혼합되지 않은 경우가 혼합된 경우에 비해 전체적으로 약 3.5배 큰 값을 나타내었다. 저회의 조립질적인 입자의 특성과 저회 속에 포함된 실리카 성분의 화학적 반응으로 인해 압축특성개선에 영향을 주는 것으로 나타났다.
(3) 폐타이어 혼합경량토의 팽창지수는 일반적인 점토에 비해 작은 값을 나타내었으며, 폐타이어 분말 함량이 증가함에 따라 선형적으로 증가하는 경향을 나타내었다. 또한 저회가 혼합되지 않은 폐타이어 혼합경량토가 혼합된 경우에 비해 약 50% 큰 팽창지수를 나타내었다.
(4) 폐타이어 혼합경량토의 투수계수는 저회가 미혼합된 폐타이어 혼합경량토가 혼합된 경우에 비해 약 40% 큰 투수계수를 갖는 것으로 나타났다.
아울러 통항로 확보를 위한 항로 유지준설과 오염해역의 환경복원을 위한 청소준설로 인하여 준설토는 지속적으로 발생량이 증가할 것으로 예상된다. 또한 산업의 고도 성장과 국민 경제생활의 향상과 더불어 자동차수는 매년 증가하고 있으며, 이에 따라 우리나라에서는 매년 약 2000만본의 타이어가 발생되어 약 70%가 회수되고 있는 것으로 나타났다. 회수된 폐타이어의 70%가 재활용 되고 있으나, 회수나 처리되지 못한 폐타이어들은 환경적인 사회문제를 야기하고 있다.
또한 저회가 혼합되지 않은 경우 e - logσ 곡선의 간극비의 변화폭이 저회가 혼합된 경우 보다 더 크게 나타났다.
(3) 폐타이어 혼합경량토의 팽창지수는 일반적인 점토에 비해 작은 값을 나타내었으며, 폐타이어 분말 함량이 증가함에 따라 선형적으로 증가하는 경향을 나타내었다. 또한 저회가 혼합되지 않은 폐타이어 혼합경량토가 혼합된 경우에 비해 약 50% 큰 팽창지수를 나타내었다.
또한 저회가 혼합되지 않은 경우가 혼합된 경우에 비해 평균적으로 약 50% 큰 값을 나타내고 있다. 이와 같은 결과는 폐타이어 분말 혼합 함량이 팽창지수에 영향을 주는 것으로 나타났으며, 저회의 혼합으로 인해 폐타이어 혼합경량토의 팽창거동을 억제하는 효과를 가져다주는 것으로 나타났다.
이와 같이 폐타이어 혼합경량토의 e - logσ 곡선을 통해 폐타이어 분말 함량과 저회의 혼합유무에 따라 압축특성에 영향을 주고 있음을 확인할 수 있다.
저회가 혼합된 폐타이어 혼합경량토의 단위중량은 폐타이어 분말의 함량에 따라 약 15kN/m³∼12kN/m³의 범위를 나타내고 있고, 저회가 혼합되지 않은 경우에는 약 14kN/m³∼11kN/m³로 선형적으로 감소한다. 저회 혼합유무에 따라 약 1kN/m³의 단위중량 차이를 보이며, 폐타이어 분말 함량이 0%에서 100%로 증가함에 따라 약 20%의 단위중량이 감소하는 것으로 나타났다.
그림 9는 폐타이어 혼합경량토의 압밀시험을 통해 얻어진 저회의 혼합유무와 압밀하중에 따른 투수계수를 나타내고 있다. 저회가 혼합되지 않은 경우가 혼합된 폐타이어 혼합경량토에 비해 투수계수는 전체적으로 약 40% 큰 투수계수 값을 갖는 것으로 나타났다. 이와 같이 조립질인 저회가 포함된 폐타이어 혼합토의 투수계수가 더 작게 나타난 이유는 폐타이어 혼합경량토의 간극이 저회의 화학적 반응 즉, 포졸란 반응으로 인해 저회가 포함되지 않은 경우보다 더 견고해졌기 때문인 것으로 판단된다.
5배 큰 값을 나타내었다. 저회의 조립질적인 입자의 특성과 저회 속에 포함된 실리카 성분의 화학적 반응으로 인해 압축특성개선에 영향을 주는 것으로 나타났다.
5배 큰 압축지수를 갖는 것으로 나타났다. 저회의 혼합이 압축특성 개선에 영향을 주는 것으로 나타났으며, 이는 저회의 조립질적인 입자의 특성과 저회 속에 포함된 실리카(SiO₂) 성분의 화학적 반응으로 인해 압축특성 개선에 영향을 주는 것으로 판단된다.
본 연구에 사용된 준설토는 부산신항 배후부지에서 채취된 것으로 기본적인 물리적 특성은 실내 물성 시험을 통해 파악하였다. 준설토 물성결과는 표 1과 같으며, 비중은 2.62로 통일분류법(USCS)으로 분류하면 CL로 나타났다. 그림 1의 입도분석 결과에서 보듯이 준설토 시료는 No.
또한 XRF(X-ray Fluorescence)와 XRD(X-ray Diffractogram)를 통해 저회의 화학성분 분석 및 주요 결정상을 파악하였다. 표 2는 XRF 분석 결과로부터 구한 저회의 화학적 성분을 나타낸 것으로 주요성분이 실리카(SiO₂)와 알루미나(Al₂O₃)성분이 크게 함유된 것으로 확인되었다. 또한 그림 2와 같이 XRD분석 결과로부터 얻은 주요결정상은 Quartz(SiO2)와 Mullite(Al2O3 · 2SiO2)로 나타났다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

산업폐기물에 대해 선진국 중심으로 관심이 증대되는 부분은?

최근 전세계적으로 환경적, 사회적으로 문제가 되고 있는 산업폐기물을 지반공학적 재료로 재활용하기 위한 관심이 선진국을 중심으로 증대되고 있는 추세이다. 따라서 국내에서도 천연골재의 부족과 가격상승으로 인해 산업폐기물을 재활용할 수 있는 연구가 절실히 요구되고 있는 실정이다.

산업폐기물을 재활용할 수 있는 연구가 국내에서도 절실한 이유는?

최근 전세계적으로 환경적, 사회적으로 문제가 되고 있는 산업폐기물을 지반공학적 재료로 재활용하기 위한 관심이 선진국을 중심으로 증대되고 있는 추세이다. 따라서 국내에서도 천연골재의 부족과 가격상승으로 인해 산업폐기물을 재활용할 수 있는 연구가 절실히 요구되고 있는 실정이다. 특히 준설토와 폐타이어, 석탄회 등은 발생량이 매년 증가하고 있다.

매년 발생량이 증가하는 산업폐기물은?

따라서 국내에서도 천연골재의 부족과 가격상승으로 인해 산업폐기물을 재활용할 수 있는 연구가 절실히 요구되고 있는 실정이다. 특히 준설토와 폐타이어, 석탄회 등은 발생량이 매년 증가하고 있다. 폐타이어는 경량성토재로 활용될 수 있으며, 석탄회는 강도보강 측면에서 지반공학적 재료로 활용 가능성이 입증되었다(Pierce과 Blackwell, 2003; Cetin 등, 2006; 김윤태 등, 2007).

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