[논문]고유동성 채움재 타설장비를 이용한 모형시험

김주형; 조삼덕; 함태규; 도종남; 천병식

문제 정의

본 연구에서는 국내 회처리장에 매립되어 있는 매립회를 효율적으로 사용하기 위한 실내 모형시험장치인 CSP 시스템을 제작하여 매립회와 물 그리고 시멘트량을 조절하여 모형지반을 조성하고 이에 대한 강성변화를 평가하였다. 시멘트를 첨가한 모형지반이 시멘트를 첨가하지 않은 경우에 비해 빠른 속도로 경화가 진행되었으며 192시간 경과 후에는 경화속도가 급격히 감소하는 것으로 나타났다.
그러나 여전히 회처리장에 매립되는 매립회의 양은 계속 증가하고 있어 매립이나 뒷채움재 등과 같은 대규모로 사용할 수 있는 토목용 재료로써의 재료 개발이 매우 필요한 실정이다. 본 연구에서는 매립회에 소량의 시멘트와 물을 혼합하여 초기에는 고함수 고유동성의 슬러리 상태이지만 일정 시간이 경과하면 다짐을 수행한 것과 같이 단단한 지반으로 형성되는 유동화토 (flowable fills 또는 controlled low strength materials)를 개발하고 이를 매립이나 구조물 뒷채움재 등의 건설분야에 대량으로 활용할 수 있는 시공방법을 개발하였다 (천병식 등 2009). 석탄회의 건설분야 활용에 매우 적극적인 미국과 일본에서는 석탄회에 대량의 물을 혼합해 저밀도로 슬러리화 시킨 후 매립 용지까지 압송해 수면으로부터 투척하는 습식방법과, 석탄회를 최적함수비로 조절하여 매립지까지 벨트컨베이어나 트럭으로 운반하여 수면으로부터 투척하는 건식방법을 활용하여 석탄회를 활용한 공유수면 매립을 수행하고 있다.

제안 방법

앞서 언급한 시험재료를 매립용 또는 뒷채움재용으로 사용하기 위해 각 재료들을 섞는 혼합장치와 섞인 재료들을 원하는 위치까지 이송하여 타설할 수 있는 펌프 등으로 구성한 장치 Coal ash Slurry Placement (CSP) 시스템을 제작하였다. 1회 혼합 가능량은 약 1m³정도로 비회, 저회, 시멘트와 물을 공급하기 위한 스크류 타입의 공급장치도 함께 제작하였다. 재료 혼합 장치의 혼합날개는 리본 형태이며 부식 및 강성에 충분히 견딜 수 있는 구조로 제작하였다.
또한 재료의 유동성을 원활하게 하기 위해 실내시험에서 최적으로 평가했던 약 32%의 물을 첨가한 모형지반과 약 44%의 물을 첨가한 모형지반 등 총 4가지 경우에 대해 그림 5에 나타낸 것과 같은 Φ800mm의 실내시험용 고무 토조에 모형지반을 조성하였다.
콘트롤러에서는 호퍼에 담겨져 있는 각 재료를 혼합장치에 자동적으로 공급할 수 있도록 하였으며, 혼합장치에는 공급된 재료의 무게가 혼합기 하부에 설치된 무게 측정장치를 통해 콘트롤러에 표시하도록 하였다. 또한 혼합장치의 운행 속도를 자유자재로 조절할 수 있도록 하였다. 그림 4는 실내시험용 CSP 시스템을 나타낸 것이다.
또한 혼합장치하부에는 혼합물의 무게를 측정할 수 있는 측정장치를 장착하여 혼합물을 정량공급 할 수 있다. 또한, 재료 공급장치, 혼합장치 그리고 펌프의 정확한 동작을 제어하기 위해 전자식 콘트롤러를 제작하였다. 콘트롤러에서는 호퍼에 담겨져 있는 각 재료를 혼합장치에 자동적으로 공급할 수 있도록 하였으며, 혼합장치에는 공급된 재료의 무게가 혼합기 하부에 설치된 무게 측정장치를 통해 콘트롤러에 표시하도록 하였다.
이 경우 초기에는 매우 높은 유동성을 가지지만 일정시간이 경과하면 다짐이 필요 없을 정도의 단단한 지반이 형성되는 유동화 지반이 형성된다. 본 실내모형시험에서는 이 결과를 근거로 하여 표 2에 나타낸 것과 같이 시멘트를 첨가하지 않은 실내모형시험용 지반과 시멘트를 1.4% 첨가한 두 종류의 모형지반을 조성하였다. 또한 재료의 유동성을 원활하게 하기 위해 실내시험에서 최적으로 평가했던 약 32%의 물을 첨가한 모형지반과 약 44%의 물을 첨가한 모형지반 등 총 4가지 경우에 대해 그림 5에 나타낸 것과 같은 Φ800mm의 실내시험용 고무 토조에 모형지반을 조성하였다.
앞서 언급한 시험재료를 매립용 또는 뒷채움재용으로 사용하기 위해 각 재료들을 섞는 혼합장치와 섞인 재료들을 원하는 위치까지 이송하여 타설할 수 있는 펌프 등으로 구성한 장치 Coal ash Slurry Placement (CSP) 시스템을 제작하였다. 1회 혼합 가능량은 약 1m³정도로 비회, 저회, 시멘트와 물을 공급하기 위한 스크류 타입의 공급장치도 함께 제작하였다.
우선 실내 모형시험에서 조성한 모든 지반에 대해서 그림 6에 나타낸 동적콘관입(Dynamic Cone Penetration, DCP) 시험을 경과시간에 따라 각각 2회씩 실시하였으며, 그 결과를 그림 6에 나타내었다. 그림 6에서 보면 지반조성 초기에는 지반이 매우 연약해 자중관입으로 콘관입저항값 측정이 불가능 하였으나, 시멘트 함량비가 1.
1회 혼합 가능량은 약 1m³정도로 비회, 저회, 시멘트와 물을 공급하기 위한 스크류 타입의 공급장치도 함께 제작하였다. 재료 혼합 장치의 혼합날개는 리본 형태이며 부식 및 강성에 충분히 견딜 수 있는 구조로 제작하였다. 혼합장치는 날개의 속도를 조절 할 수 있고, 회전속도의 표시 및 회전에 따른 부하를 측정할 수 있도록 각각의 센서를 부착하였다.
또한, 재료 공급장치, 혼합장치 그리고 펌프의 정확한 동작을 제어하기 위해 전자식 콘트롤러를 제작하였다. 콘트롤러에서는 호퍼에 담겨져 있는 각 재료를 혼합장치에 자동적으로 공급할 수 있도록 하였으며, 혼합장치에는 공급된 재료의 무게가 혼합기 하부에 설치된 무게 측정장치를 통해 콘트롤러에 표시하도록 하였다. 또한 혼합장치의 운행 속도를 자유자재로 조절할 수 있도록 하였다.

대상 데이터

본 실내모형시험에서 조성한 모형 지반에 대한 압축강도를 간접적으로 평가하기 위해 동적콘관입시험을 위한 Φ400mm×500mm의 소형모형지반과 일축압축강도 시험을 위한 Φ100mm×200mm 크기의 공시체를 제작하였다.

성능/효과

반면에 시멘트를 첨가하지 않은 case 2와 case 4 모형지반에서는 시멘트를 첨가한 모형지반에 비해 더 오랜 기간 동안 자중관입으로 콘관입저항값을 측정하지 못하였으며, 모형지반 조성 후 1,440시간이 경과한 이후에 동적콘관입시험을 비로소 수행할 수 있었다. case 2와 case 4 지반에서는 2,300시간이 경과된 후 약 60mm/blow 정도의 콘관입저항력이 측정이 되었는데, 이는 시멘트 함량비 1.4%가 혼합되어 있는 모형지반의 경우 120시간이 경과된 이후의 지반 강성과 유사한 것으로 나타나, 시멘트 혼합 여부에 따라 지반 경화 속도에 상당한 차이가 있음을 확인할 수 있었다.
4%인 case 1과 case 3의 모형지반에서는 지반조성 후 약 63시간 후에는 콘관입저항값이 약 250mm/blow, 192시간 경과 후에는 콘관입저항값이 55mm/blow 측정되어 시간이 경화 함에 따라 지반의 강도가 증가하는 것으로 나타났다. 또한, 지반의 함수비가 각각 44%와 32%인 case 1과 case 3의 모형지반의 콘관입저항력은 비슷하게 나타나, 일정한 범위 내의 함수비 변화는 지반의 강성에 크게 영향을 미치지 않은 것으로 나타났다. 특히, 192시간이 경과한 후에는 콘관입저항력이 증가하는 양상이 급격히 감소하는 것으로 나타나, 시멘트 첨가로 인한 고결현상은 초기 8일에 모두 발휘되는 것으로 나타나났다.
시멘트를 첨가한 모형지반이 시멘트를 첨가하지 않은 경우에 비해 빠른 속도로 경화가 진행되었으며 192시간 경과 후에는 경화속도가 급격히 감소하는 것으로 나타났다. 모형지반 조성시 전체 중량의 30～45% 사이의 물의 양 변화는 지반의 강성 변화에 큰 영향을 끼치지는 않는 것으로 나타났다. 추후에는 지반 조성 초기에 큰 지반강성의 크기를 얻을 수 있도록 시멘트량을 증가시키는 등의 다양한 영향인자에 대한 시험을 수행하여 고유동성 채움재 활용성을 정량적으로 평가하는 것이 필요할 것으로 판단된다.
20t/m³정도까지 얻을 수 있으며 최대건조밀도의 83%에 해당하는 것으로 나타났다. 습식법으로 매립한 지반의 표준관입시험 결과인 N값은 0~25로 분산정도가 매우 심하며, N값이 0일 때가 압도적으로 많은 것으로 관측되었다. 일본에서는 습식방법에 대한 매립 모형시험을 통해 7m 높이에서 2.
본 연구에서는 국내 회처리장에 매립되어 있는 매립회를 효율적으로 사용하기 위한 실내 모형시험장치인 CSP 시스템을 제작하여 매립회와 물 그리고 시멘트량을 조절하여 모형지반을 조성하고 이에 대한 강성변화를 평가하였다. 시멘트를 첨가한 모형지반이 시멘트를 첨가하지 않은 경우에 비해 빠른 속도로 경화가 진행되었으며 192시간 경과 후에는 경화속도가 급격히 감소하는 것으로 나타났다. 모형지반 조성시 전체 중량의 30～45% 사이의 물의 양 변화는 지반의 강성 변화에 큰 영향을 끼치지는 않는 것으로 나타났다.
그림 8에서 보면 일축압축강도와 콘관입저항력과의 관계에는 일정한 관계가 있음을 알 수 있으며, 500kPa의 일축압축강도는 콘관입저항력 20mm/blow정도로 나타낼 수 있음을 알 수 있다. 실제로 본 모형시험에서 case 1과 case 3 모형지반에서 500kPa의 일축압축강도에 도달하기 위해서는 약 1,440시간 (60일)정도가 필요한 것으로 나타났으며, 지반경화 속도가 급속히 저하되는 192시간(8일) 경과시에 일축압축 강도는 약 100kPa정도인 것으로 나타났다.
25mm 정도인 것으로 판단되었으며, 표 1에는 이를 근거로 저회와 비회를 분류한 결과를 나타내었다. 저회와 비회의 혼합비율은 매립위치 및 매립 층에 따라 달라지는데, 표준관입시험을 수행한 No.3과 No.4은 발전소 운용 초기에 발생한 석탄회를 매립한 지역으로 당시에는 비회의 재활용 비율이 높지 않아 매립 하부 또는 상부에 모두 비회의 매립비율이 저회보다 월등히 높은 것을 확인할 수 있었다. 반면에, 비교적 최근에 석탄회를 매립되고 있는 지역인 No.
또한, 지반의 함수비가 각각 44%와 32%인 case 1과 case 3의 모형지반의 콘관입저항력은 비슷하게 나타나, 일정한 범위 내의 함수비 변화는 지반의 강성에 크게 영향을 미치지 않은 것으로 나타났다. 특히, 192시간이 경과한 후에는 콘관입저항력이 증가하는 양상이 급격히 감소하는 것으로 나타나, 시멘트 첨가로 인한 고결현상은 초기 8일에 모두 발휘되는 것으로 나타나났다. 반면에 시멘트를 첨가하지 않은 case 2와 case 4 모형지반에서는 시멘트를 첨가한 모형지반에 비해 더 오랜 기간 동안 자중관입으로 콘관입저항값을 측정하지 못하였으며, 모형지반 조성 후 1,440시간이 경과한 이후에 동적콘관입시험을 비로소 수행할 수 있었다.

후속연구

모형지반 조성시 전체 중량의 30～45% 사이의 물의 양 변화는 지반의 강성 변화에 큰 영향을 끼치지는 않는 것으로 나타났다. 추후에는 지반 조성 초기에 큰 지반강성의 크기를 얻을 수 있도록 시멘트량을 증가시키는 등의 다양한 영향인자에 대한 시험을 수행하여 고유동성 채움재 활용성을 정량적으로 평가하는 것이 필요할 것으로 판단된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	실내 모형시험장치인 CSP 시스템을 제작한 이유는?	본 연구에서는 국내 회처리장에 매립되어 있는 매립회를 효율적으로 사용하기 위한 실내 모형시험장치인 CSP 시스템을 제작하여 매립회와 물 그리고 시멘트량을 조절하여 모형지반을 조성하고 이에 대한 강성변화를 평가하였다. 시멘트를 첨가한 모형지반이 시멘트를 첨가하지 않은 경우에 비해 빠른 속도로 경화가 진행되었으며 192시간 경과 후에는 경화속도가 급격히 감소하는 것으로 나타났다.
	CSP 시스템을 제작하여 평가하고자 한 것은?	본 연구에서는 국내 회처리장에 매립되어 있는 매립회를 효율적으로 사용하기 위한 실내 모형시험장치인 CSP 시스템을 제작하여 매립회와 물 그리고 시멘트량을 조절하여 모형지반을 조성하고 이에 대한 강성변화를 평가하였다. 시멘트를 첨가한 모형지반이 시멘트를 첨가하지 않은 경우에 비해 빠른 속도로 경화가 진행되었으며 192시간 경과 후에는 경화속도가 급격히 감소하는 것으로 나타났다.
	우리나라의 경우에는 1990년대 후반까지만 해도 석탄회를 폐기물로 인식하여 폐기에 상당한 비용이 들었지만 최근에는 어떠한가?	미국, 일본 등의 선진국에서는 화력발전소에서 배출되는 석탄회 재활용의 역사가 매우 오래되었으나, 우리나라의 경우에는 1990년대 후반까지만 해도 석탄회를 폐기물로 인식하여 폐기에 상당한 비용이 들었다. 그러나 국내에서도 최근 석탄회 재활용에 대한 꾸준한 노력으로 시멘트의 혼화재료, 비료, 성토 및 복토재료, 경량성 골재 및 복토재 등의 다양한 용도로 개발하여 사용하기 시작하였다. 그러나 여전히 회처리장에 매립되는 매립회의 양은 계속 증가하고 있어 매립이나 뒷채움재 등과 같은 대규모로 사용할 수 있는 토목용 재료로써의 재료 개발이 매우 필요한 실정이다.

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