Research Article

Journal of the Korean Geosynthetics Society. 30 June 2019. 37-44
https://doi.org/10.12814/jkgss.2019.18.2.037

ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 실내시험

  •   2.1 사용재료

  •   2.2 시험조건

  • 3. 시험결과 및 분석

  •   3.1 부산지역에서 채취한 점토가 혼합된 혼합재료의 실내시험 결과

  •   3.2 여수지역에서 채취한 점토가 혼합된 혼합재료의 실내시험 결과

  •   3.3 인천지역에서 채취한 점토가 혼합된 혼합재료의 실내시험 결과

  •   3.4 단위결합재량 산정 방법 검토

  • 4. 결 론

1. 서 론

우리나라는 1970년대 이후 급격한 경제성장을 이루면서 시민들의 쾌적한 생활의 유지와 안정적인 전력공급을 위해 화력발전소의 건설이 이루어졌다. 기존의 화력발전은 유연탄(Bituminous coal)과 같은 고품위탄을 주 원료로 사용하기 때문에 자원을 지속적으로 채취하여야 하며, 이에 따른 환경적인 문제가 야기되고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 최근에는 저품위탄인 아역청탄(Subbituminous coal)을 사용할 수 있으며, 연료의 종류, 수분 함유량 등의 재료에 의한 영향이 적고, 고유황탄(High-Sulfur coal), 고형연료(SRF, Solid refuse fuel) 등 다양한 가연성 물질을 연료로써 활용이 가능한 순환 유동층 보일러 연소방식의 화력발전소 설치가 증가하고 있다(Woo, 2015). 그러나 순환 유동층 보일러 연소방식을 적용하는 경우, 연소과정에서 발생하는 플라이애쉬(Fly ash)가 기존의 연소방식에 비해 유리 산화칼슘(Free CaO 및 SO3의 함량이 높아, 표준산업규격(KS L 5405)에 제시된 기준을 만족하지 못하는 문제로 인하여 재활용이 어려운 실정이다.

한편 철강분야에서는 선철의 제조과정에서 산업부산물로 고로슬래그가 연간 1,300만톤 이상 발생하고 있다. 고로슬래그의 경우 잠재수경성을 가지고 있어 보통 포틀랜드 시멘트(OPC, Ordinary portland cement)와 혼합하여 고로슬래그 시멘트로 활용되고 있다(Lee, 2017). 최근 시멘트에 포함된 수용성 중금속인 6가 크롬(Cr6+)등의 중금속 용출에 대한 우려가 지속적으로 제기되고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 선행연구에서는 순환 유동층 보일러의 고칼슘 연소재를 고로슬래그의 알칼리 활성화 반응의 자극제로서 대량으로 활용할 수 있으며, 시멘트와 비교하여 동등 이상의 성능을 나타내어 지반의 안정성을 확보할 수 있는 새로운 심층혼합공법용 지반안정재를 개발하였다(Seo et al., 2018). 그러나 개발된 지반안정재를 심층혼합공법(DMM, Deep Mixing Method)에 적용하는 경우, 흙의 종류와 입도분포, 함수비 등의 여러 조건에 따라 압축강도의 발현이 다르게 나타날 수 있다. 이러한 문제로 인하여 실제 현장에서는 지반안정재를 적용하는 경우마다 흙 재료를 채취하고, 실내에서의 배합시험을 통해 지반의 안정성을 확보하기 위해 필요한 단위결합재량(γB, Unit content of binder)을 결정하고 있다. 본 연구에서는 국내에서 심층혼합공법에 지반안정재를 적용하는 경우, 지반의 안정성 확보를 위해 필요한 단위결합재량을 산정할 수 있는 방안을 제시하기 위해 심층혼합공법을 적용하는 부산, 여수, 인천 지역 현장을 대상으로 점토를 채취하고, 실내에서 배합시험을 수행 및 분석하였다.

2. 실내시험

2.1 사용재료

2.1.1 연구에 사용된 지반안정재

본 연구에 사용된 심층혼합공법용 지반안정재는 국내 산업기준인 “플라이 애쉬(KS L 5405)”에 제시된 물리·화학적 성능을 만족시키지 못하여 재활용률이 저조한 순환 유동층 보일러의 발전부산물인 고칼슘 연소재를 고로슬래그 미분말의 자극제로 사용한 제품이다. 순환 유동층 보일러에서 발생하는 고칼슘 연소재는 다량의 유리 산화칼슘(Free CaO) 및 삼산화황(SO3)을 포함하고 있어, 고로슬래그의 자극제로 사용하는 경우 Fig. 1에 나타낸 것과 같이 알칼리 활성화 반응을 유도할 수 있고, 흙 재료와 혼합하는 경우 시멘트와 비교하여 동등 이상의 강도를 발현시킬 수 있는 제품이다. Table 1에는 본 연구에 사용된 심층혼합공법용 지반안정재와 현재 심층혼합공법의 지반안정재로 사용되고 있는 고로슬래그 시멘트(Blast furnace slag cement)에 대한 XRF(X-ray fluorescence) 분석결과를 비교하여 나타내었다. 또한 환경적인 안정성을 검토하기 위해 OECD Guideline for the testing of chemicals 기준에 따라 어류에 대한 급성독성시험(Fish, Acute toxicity test)을 실시하였고, 시험결과를 고로슬래그 시멘트(Blast furnace slag cement)에 대한 결과와 비교하여 Table 2에 나타내었다.

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Fig. 1.

Alkali activated reaction of the stabilized soil

Table 1. Chemical constituents of materials

Material Chemical constituents
CaO SiO2 Al2O3 Fe2O3 MgO SO3 Loss
Soil stabilizer 51.80 25.50 10.40 0.72 2.22 7.75 1.61
Blast furnace slag cement 55.60 24.90 9.55 1.63 2.70 3.95 1.67

Table 2. Test result of fish toxicity test

Material Number of death in group fatality rate (%)
3 hr 24 hr 48 hr 72 hr 96 hr
Soil stabilizer 0/10 0/10 0/10 0/10 0/10 0
Blast furnace slag cement 0/10 0/10 0/10 0/10 1/10 10

2.1.2 원지반토의 물리적 특성

심층혼합공법의 경우 시공과정에서 지반안정재와 흙 재료의 혼합이 이루어지며, 이에 따라 강도의 발현이 다르게 나타날 수 있다. 따라서 본 연구에서는 국내의 다양한 흙 재료 중 심층혼합공법을 적용하는 연약지반 내에 대부분 분포하고 있는 점토에 대해 강도의 발현 효과를 검토하고자 부산, 여수, 인천 지역의 점토를 채취하여 사용하였고, Table 3에 사용된 점토의 물리적 특성을 나타내었다.

Table 3. Physical properties of soil

Location Gravity specific Liquid limit (%) Plastic limit (%) Particle size distribution USCS
4.75mm 2.00mm 0.425mm 0.075mm
Busan 2.702 65.1 38.2 100 100 99.6 98.4 CH
Yeosu 2.720 89.88 55.4 99.8 99.3 98.0 95.0 CH
Incheon 2.698 63.6 35.7 100 100 99.8 68.9 CH

2.2 시험조건

2.2.1 시편 제작

시편의 제작은 일정한 물/결합재비(W/B, Water/Binder Ratio)의 심층혼합공법용 지반안정재를 현장에서 채취한 점토와 혼합한 후 직경(D) 5cm, 높이(H) 10cm 크기의 몰드에 혼합재료를 채우고, 스패츌러(Spatula)를 사용하여 몰드 상부의 표면을 정리하였다. 그리고 항온항습기에서 7일, 14일, 28일간 양생을 실시한 후 시료를 추출하여 시편(Specimen) 제작을 완료하였으며, 시편의 제작과정을 정리하여 Fig. 2에 나타내었다.

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Fig. 2.

Making process of specimen (Mixed with soil and pile-filling material)

2.2.2 배합 조건

심층혼합공법의 경우, 통상적으로 지중 설계심도까지 천공하면서, 지반안정재 혼합액을 지반에 분출시켜, 흙과 기계적으로 교반하는 방법이 적용되며, 원지반토의 자연함수비가 40∼200%일 때 결합재 투입량을 100∼500kgf/m3을 일반적으로 주입하고 있다(Park, 2017). 본 연구에서는 각 지역에서 채취한 점토의 특성과 함수비 등을 고려하여 충분한 강도를 발현하고, 설계 강도를 만족할 수 있도록 150∼300kgf/m3으로 단위결합재량(γB)을 결정하였다. 또한 물/결합재비는 현장에서 일반적으로 적용하고 있는 70%와 80%를 적용하였고, 양생일에 따른 강도변화를 파악하기 위해 7일, 14일, 28일간 양생 조건을 적용하였으며, 배합 조건을 정리하여 Table 4에 나타내었다.

Table 4. Mixing condition of materials

Binder material Location Soil Moisture content (%) Unit weight of binder
(kgf/m3)
Water/Binder (%) Curing time (Days)
Soil stabilizer Busan Clay 75, 95 200, 230, 250 70, 80 7, 14, 28
Yeosu Clay 55, 85 200, 230, 250
Incheon Clay 60 200, 250, 300
Blast furnace slag cement Same condition as stabilized soil

3. 시험결과 및 분석

부산, 여수, 인천 지역에서 채취한 점토와 심층혼합공법용 지반안정재를 혼합하여 각 재령일(7일, 14일, 28일)에 대한 일축압축강도(qu, Uniaxial compression strength)를 측정하였고, 그 결과를 종합하여 Table 5에 나타내었다.

Table 5. Test result of uniaxial compression strength

Location Unit content
of binder
(kgf/m3)
Moisture
Content
(%)
Uniaxial Compression Strength (kPa)
Stabilized soil Blast furnace slag cement
7 days 14 days 28 days 7 days 14 days 28 days
W/B
70%
W/B
80%
W/B
70%
W/B
80%
W/B
70%
W/B
80%
W/B
70%
W/B
80%
W/B
70%
W/B
80%
W/B
70%
W/B
80%
Busan 200 75 2,364 2,252 3,238 3,082 4,049 3,796 2,281 2,147 3,085 2,927 3,815 3,612
95 2,130 2,018 2,955 2,793 3,587 3,335 2,087 2,001 2,820 2,688 3,468 3,220
230 75 2,659 2,502 3,680 3,501 4,299 4,090 2,544 2,450 3,522 3,403 4,231 4,077
95 2,443 2,303 3,537 3,385 4,082 3,771 2,378 2,228 3,321 3,188 3,903 3,673
250 75 2,775 2,646 3,887 3,707 4,536 4,399 2,733 2,660 3,742 3,584 4,480 4,307
95 2,723 2,594 3,743 3,636 4,305 4,096 2,654 2,568 3,550 3,383 4,219 4,033
Yeosu 200 55 2,109 2,084 3,517 2,891 4,575 4,511 2,109 1,992 2,812 2,764 4,380 4,201
85 1,709 1,666 2,809 2,800 3,278 3,151 1,593 1,505 2,537 2,727 3,204 3,217
230 55 2,594 2,477 4,049 3,445 5,150 4,991 2,453 2,240 3,309 2,982 4,535 4,437
85 2,334 2,119 3,207 2,918 3,539 3,355 1,814 1,772 2,750 2,741 3,454 3,368
250 55 2,884 2,761 4,394 4,293 5,372 5,203 2,689 2,642 3,790 3,543 4,948 4,698
85 2,647 2,349 3,504 3,431 3,937 3,729 2,302 2,008 3,111 2,762 3,716 3,450
Incheon 200 60 2,139 1,916 2,928 2,543 3,673 3,297 2,641 2,401 3,331 2,401 4,173 3,730
250 60 2,995 2,697 3,689 3,323 4,661 4,377 3,617 3,350 3,962 3,350 5,335 4,924
300 60 3,875 3,475 4,793 4,444 5,605 5,190 4,522 4,211 5,654 5,058 6,361 5,867

3.1 부산지역에서 채취한 점토가 혼합된 혼합재료의 실내시험 결과

부산지역의 경우, 고함수비 상태의 점토가 분포하고 있는 것으로 조사되었고, 상부구조물에 대한 지반의 안정성을 확보하기 위해 심층혼합공법(DMM) 개량토의 설계기준강도는 3,000kPa이 설정되었다. 본 연구에서는 설계기준강도를 만족할 수 있도록 200kgf/m3, 230kgf/m3, 250kgf/m3의 단위결합재량(γB)을 적용하여 실내시험을 실시하였고, 시험결과를 Figs. 3∼4에 고로슬래그 시멘트와 비교하여 나타내었다. 시험결과, 개발된 심층혼합공법용 지반안정재를 부산지역의 점토와 혼합한 경우, 재령 28일에서 함수비와 물/결합재비(W/B), 단위결합재량(γB)을 다르게 적용한 모든 상태에서 설계기준강도인 3,000kPa에 비해 높은 압축강도를 보이는 것으로 나타났고, 고로슬래그 시멘트를 혼합한 경우와 비교하여 높은 일축압축강도를 나타내었다.

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Fig. 3.

Test result of uniaxial compression strength (Busan, W/B=70%)

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Fig. 4.

Test result of uniaxial compression strength (Busan, W/B=80%)

3.2 여수지역에서 채취한 점토가 혼합된 혼합재료의 실내시험 결과

여수지역의 경우, 부산지역과 마찬가지로 고함수비 상태의 점토가 분포하고 있는 것으로 조사되었고, 현장의 지층 조건과 상부구조물 조건을 고려하여 심층혼합공법(DMM) 개량토의 설계기준강도는 3,400kPa이 설정되었다. 여수지역에서도 설계기준강도를 충분히 만족할 수 있도록 200kgf/m3, 230kgf/m3, 250kgf/m3의 단위결합재량(γB)을 적용하여 실내시험을 실시하였고, 시험결과를 Figs. 5∼6에 고로슬래그 시멘트와 비교하여 나타내었다. 시험결과, 원지반토의 함수비 55%인 상태에서는 함수비와 물/결합재비(W/B), 단위결합재량(γB)을 다르게 적용한 모든 경우에서 재령 28일의 일축압축강도가 설계기준강도 이상을 나타내었고, 개발된 심층혼합공법용 지반안정재를 사용한 경우가 고로슬래그 시멘트를 사용한 경우에 비해 높은 일축압축강도를 보이는 것으로 나타났다. 또한 재료의 일축압축강도(qu)는 부산지역의 점토가 혼합된 경우와 비교하여 유사한 값을 보이는 것으로 나타났으나 설계기준강도가 부산지역에 비해 높게 설정되어 함수비 85%인 상태에서는 개발된 심층혼합공법용 지반안정재와 고로슬래그 모두 단위결합재량(γB) 250kgf/m3을 적용한 경우에서만 설계기준강도 이상의 일축압축강도를 보이는 것으로 나타났고, 단위결합재량(γB) 200kgf/m3과 230kgf/m3에서는 설계기준강도를 만족시키지 못하는 것으로 나타났다.

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Fig. 5.

Test result of uniaxial compression strength (Yeosu, W/B=70%)

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Fig. 6.

Test result of uniaxial compression strength (Yeosu, W/B=80%)

3.3 인천지역에서 채취한 점토가 혼합된 혼합재료의 실내시험 결과

인천지역의 경우, 채취한 점토에 대해 물리적 시험을 실시한 결과에서 굴패각(Oyster shell)이 일부 지층에 함유되어 있는 것으로 분석되었다. 일반적으로 굴패각이 함유되어 있는 지반에 대해 심층혼합공법을 적용하는 경우에는 공극의 발생으로 개량체의 강도가 저하될 수 있다. 이러한 영향을 고려하여 본 연구에서는 설계기준강도인 3,300kPa 이상의 강도를 발현할 수 있도록 200kgf/m3, 250kgf/m3, 300kgf/m3의 단위결합재량(γB)을 적용하여 실내시험을 실시하였고, 시험결과를 Figs. 7∼8에 고로슬래그 시멘트의 시험결과와 비교하여 나타내었다.

시험결과, 개발된 심층혼합공법용 지반안정재와 고로슬래그 시멘트를 사용한 경우 재령 28일에서 설계기준강도보다 높은 일축압축강도를 보이는 것으로 나타났다. 그러나 개발된 심층혼합공법용 지반안정재의 일축압축강도가 고로슬래그 시멘트의 일축압축강도에 비해 높은 것으로 나타난 부산지역과 여수지역에서의 시험결과와는 다르게 모든 경우에서 고로슬래그 시멘트를 사용한 경우의 일축압축강도가 높은 것으로 나타났다. 이러한 결과는 개발된 심층혼합공법용 지반안정재를 사용한 경우에 굴패각 함유량이 고로슬래그 시멘트를 사용한 경우에 비해 높은 것으로 인해 발생한 것으로 판단되며, 굴패각의 함유량에 따른 실내에서의 배합시험을 추가적으로 실시하고 분석결과에 대해 검증할 계획이다.

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Fig. 7.

Test result of uniaxial compression strength (Incheon, W/B=70%)

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Fig. 8.

Test result of uniaxial compression strength (Incheon, W/B=80%)

3.4 단위결합재량 산정 방법 검토

상기에서와 같이 개발된 지반안정재를 현장의 점토와 혼합하는 경우, 점토의 종류에 따라 다른 일축압축강도가 발현됨에 따라 현장에서 지반의 안정성을 확보하기 위해서는 실내시험을 통해 설계기준강도 이상을 나타낼 수 있는 단위결합재량(γB, Unit content of binder)을 결정하여야 한다. 본 연구에서는 실험결과를 토대로 국내의 현장에서 설계기준강도에 따라 일반적으로 필요한 단위결합재량(γB)을 산출할 수 있도록 각 현장의 시험결과를 종합하여 정리하였고, Figs. 9∼10에 나타내었다.

Figs. 9∼10을 통해 개발된 심층혼합공법용 지반안정재를 각 현장에서 채취한 점토와 다양한 단위결합재량(γB)으로 혼합하고, 일축압축강도를 측정하여 단위결합재량(γB)과 일축압축강도(qu)의 상관관계를 검토한 결과, 물/결합재비(W/B)가 70%인 경우, γB=(108.93+0.0284qu)±35, 물/결합재비(W/B)가 80%인 경우, γB=(122.93+0.0270qu)±40의 관계가 있는 것으로 도출되었다. 또한 물/결합재비(W/B)의 영향을 비교하여 검토한 결과, 물/결합재비(W/B)가 70%를 적용한 경우, 80%를 적용한 경우에 비해 단위결합재량(γB)의 오차가 작은 것으로 나타났고, 동일한 일축압축강도를 발현시키기 위해서는 적은 양의 단위결합재량(γB)을 적용할 수 있는 것으로 나타났다.

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Fig. 9.

Relationship between qu and γB (W/B=70%)

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Fig. 10.

Relationship between qu and γB (W/B=80%)

4. 결 론

본 연구에서는 부산, 여수, 인천지역에서 채취한 점토를 선행연구에서 개발한 심층혼합공법용 지반안정재와 고로슬래그 시멘트를 다양한 단위결합재량(γB)을 적용하여 혼합하고, 시편을 제작하여 일축압축강도를 측정하는 실내시험을 수행하였으며, 시험결과의 분석을 통해 다음과 같은 결론을 도출하였다.

(1) 심층혼합공법용 지반안정재와 고로슬래그 시멘트를 부산, 여수지역의 점토와 혼합한 후 실내시험을 통해 일축압축강도를 측정한 결과, 심층혼합공법용 지반안정재를 혼합한 재료의 일축압축강도가 상대적으로 높은 것으로 나타나 심층혼합공법의 지반안정재로 개발된 지반안정재가 강도확보 측면에서 유리한 것으로 나타났다.

(2) 심층혼합공법용 지반안정재와 고로슬래그 시멘트를 굴패각이 함유된 인천지역의 점토와 혼합한 후 실내시험을 통해 일축압축강도를 측정한 결과, 굴패각이 포함된 경우 고로슬래그 시멘트를 혼합한 점토의 일축압축강도가 심층혼합공법용 지반안정재를 혼합한 점토의 일축압축강도에 비해 높은 것으로 나타났으나 이러한 결과는 실내시험에 사용된 점토에 포함된 굴패각의 함유량이 영향을 미친 것으로 판단되며, 굴패각의 함유량에 따른 지반안정재의 강도발현 효과에 대해 추가적인 검토가 필요할 것으로 판단된다.

(3) 실내시험 결과를 종합하여 단위결합재량(γB)과 일축압축강도(qu)와의 상관관계를 검토한 결과, 물/결합재비(W/B)가 70%인 경우, γB=(108.93+0.0284qu)±35, 물/결합재비(W/B)가 80%인 경우, γB= (122.93+0.0270qu)±40의 관계가 있는 것으로 도출되어 심층혼합공법에 개발된 지반안정재를 사용하는 경우 현장에서 요구하는 설계기준강도를 토대로 지반의 안정성을 확보할 수 있는 단위결합재량을 산출할 수 있을 것으로 판단된다.

Acknowledgements

This subject is supported by Korea Ministry of Environment (MOE) as “The advancement of scientific research and technological development in environmental science program (2016000150003)”

References

1
KS L 5405 (2016), “Fly Ash”, Korea Standards Association.
2
Lee, D. Y. (2017) “Improving Quality of High Volume Blast Furnace Slag Mortar by Desulfurized Gypsum Refining Methods and Substitution Ratios”, Doctor Thesis, Cheongju University.
3
Park, C. S. (2017), “Stability Improvement Effect of Quay Wall Foundation Ground using DCM Lift Injection Method”, Doctor Thesis, Incheon National University.
4
Seo, S. G., Kim, Y. S., Lim, Y. H and Cho, D. S. (2018), “Performance Evaluation of Pile-Filling Material using High Calcium Ash by Field Loading Test”, Journal of the Korean Geotechnical Society, Vol.34, No.6, pp.17-24.
5
Woo, Y. Y. (2015) “Characteristics and Evaluation of Circulating Fluidized Bed Boiler Ash”, Doctor Thesis, Kunsan National University.
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