1. 서 론
2. 순환토사, 벤토나이트, 폴리머의 물리적 특성
2.1 순환토사의 물리적 특성
2.2 벤토나이트의 물리적 특성
2.3 폴리머재의 물리적 특성
3. 실내실험
3.1 순환토사 혼합차수재 투수시험
3.2 순환토사 혼합차수재 일축압축강도 시험
4. 순환토사 혼합차수재의 혼합비에 따른 결과분석
4.1 순환토사 혼합차수재의 투수특성
4.2 순환토사 혼합차수재의 강도특성
4.3 순환토사 차수재의 적합성 고찰
5. 결 론
1. 서 론
최근 경제적인 매립지 조성을 위해 자연점토를 사용하는 대신 지역 특성에 맞는 재료를 차수재로 활용하려는 연구가 활발히 이루어지고 있다. 폐기물 매립장의 차수시설은 70년대 후반 매립지 하부에 토양과 지하수 오염방지를 위한 수평차수재 포설의 필요성이 제시된 이후 점차 발전되어 왔다. 현재까지 개발된 차수재의 종류는 혼합차수재, 점토차수재, 토목섬유 점토차수재 등 점토를 이용한 차수재가 수십 종에 이르고 있으나 매립지 하부의 바닥차수재는 점토차수재가 가장 기본적으로 활용되고 있다. 따라서 매립장의 건설이 주로 해안매립지역이나 산악지방 위치하여 양질의 점토가 부족한 실정이다.
순환토사는 건설폐토석의 중간처리단계에서 선별된 토사를 의미한다. 순환토사 활용을 위한 기술연구는 기존의 순환골재와 비교하여 거의 전무한 실정으로 최근 개정된 ｢건설폐기물 재활용 촉진에 관한 법률｣에서조차 재활용 용도 등이 건설폐토석과 흡사하게 규정되어 있다.
Kim et al.(2007)은 물리적･화학적 특성, 유해성 및 토양오염도를 분석을 통해 일부 식생인자 개량을 통해 작물재배지역의 객･복토용 재료로 활용하는 방안을 제시하였으며, Lee(2010)는 국내 8개 업체에서 생산되는 순환골재에 대해 환경 기준과 비교하고, 광산지역의 산성배수 처리 중화제로서의 활용성과 석산의 복구재로 활용하는 방안을 연구하였다. Shin et al.(2011)은 건설폐토석의 물리적･화학적 특성분석과 어독성실험 등의 환경적 영향분석을 통해 성토시 지반의 환경에 미치는 영향을 검토하였다.
순환토사는 모래질과 실트질로 구성되므로 차수재로 활용하기 위해서는 차수성능이 우수한 재료와 혼합해야 한다. 폐기물매립시 혼합 차수재는 물과 접촉 시 수분을 흡수하는 팽윤성이 높은 벤토나이트를 주로 사용하고 있다. Lee(2008)는 No. 4 이하의 풍화토를 대상으로 벤토나이트 8% 이상, 고화제 5% 이상일 때 점토차수재 투수계수 기준을 만족하는 것으로 보고하였다. Lee(2012)는 매립회와 벤토나이트를 혼합하여 폐기물 매립장을 위한 법적 차수기준을 만족하는 투수계수를 도출하고 벤토나이트 15% 이상일 때 차수재 기준을 만족한다고 보고하였다. Jeon et al.(2002)은 벤토나이트 팽윤재를 이용하여 증류수, 침출수, 바닷물, 3% NaCl 용액에 대하여 자유팽윤도 측정을 통해 팽윤도가 증류수, 침출수, 바닷물 순으로 감소하는 것을 확인하였다. Yun et al.(2019)은 칼슘벤토나이트-모래 혼합차수재의 투수 및 구조특성 연구에서 칼슘벤토나이트 혼합비가 증가함에 따라 투수계수가 감소하며 40% 이상 혼합시 차수재의 투수계수 조건을 만족한다고 보고하였다. 벤토나이트 외에도 다양한 유기 또는 무기 고분자 물질로 구성된 폴리머 안정화제를 사용함으로써 차수효과를 높일 수 있다. Cho et al.(2018)은 저투수성 광산차수재 제조를 위한 폴리머 혼합 차수재의 투수실험에서 폴리머 함량이 증가할수록 차수성능과 압축강도가 향상된다고 보고하였다. 폴리머 함량이 증가할수록 수밀성이 향상되고, 폴리머 필름이 차수재 수화물을 감싸면서 골재 사이를 강하게 결합하기 때문에 강도가 증가한다고 보고하였다.
본 연구는 폐기물 재활용 확대방안의 일환으로 순환토사를 이용한 차수재를 개발하기 위해, 순환토사와 벤토나이트-폴리머의 적정 혼합비에 따른 투수특성과 일축압축특성을 분석함으로써 폐기물 매립지 차수재로 활용 가능함을 확인하였다.
2. 순환토사, 벤토나이트, 폴리머의 물리적 특성
2.1 순환토사의 물리적 특성
이 연구에서는 건설폐기물에서 발생하는 순환토사를 폐기물매립지 차수재로 활용하기 위해 건설폐토석을 분리･선별 및 배출하는 시설에서 채취한 순환토사를 이용하여 물리적 특성을 시험하였다. 흙의 입도분석은 KS F 2302에 따라 시료의 가적통과율과 입경에 따른 입도분포특성을 확인하였으며, 통일분류법에 따라 토성을 확인하였다. 시험토사는 200번체 통과율이 1.88%로 세립분이 5% 미만이며 입도가 불량한 모래질 흙인 SP로 분류되었다. KS F 2312에 따라 다짐특성을 확인하였으며, 동일한 시료를 이용하여 투수시험 및 일축압축강도 시험용 시료를 제작하였다. Table 1은 순환토사의 물리적 특성시험 결과이며, 시료의 입도분포특성 및 다짐특성은 Fig. 1과 같다.
Table 1. Physical properties of recycled soil
2.2 벤토나이트의 물리적 특성
벤토나이트는 몬모릴로나이트계의 팽창성 3층판 구조로 이루어진 점토로서 층간에 결합된 이온의 종류에 따라 나트륨계, 칼슘계로 구분된다. 일반적인 벤토나이트의 특성은 팽창성, 수화성, 면모성, 분산성, 시간에 따른 강도증가 특성을 가지고 있다. 벤토나이트의 결정 입자는 판상의 형태로, 입자들은 음극으로 대전되어 있으나 수분환경 하에 놓이게 되면 물분자와 양이온결합에 의해 수화되며 이러한 수화력에 의해 벤토나이트의 체적은 팽창하게 된다. 완전 건조상태와 완전 수화상태의 벤토나이트의 체적은 10배에서 15배까지 큰 차이를 보이는데, 칼슘 이온을 포함하고 있는 몬모릴로나이트 입자는 나트륨 이온을 포함하고 있는 입자에 비해 면모화의 성향이 강하여 팽창성이 작다.
나트륨벤토나이트는 물과 접촉시 단위 층간격이 칼슘벤토나이트의 7배 이상 팽윤하기 때문에 주로 혼합차수재로 사용한다. 본 연구에서는 차수성능이 우수한 나트륨벤토나이트를 사용하였으며 사용한 시료는 자체무게의 5배까지 물을 흡수하며 포화된 경우 본 체적보다 약 12∼15배 정도 팽창하는 특성을 보인다. 시료의 액성한계는 209%, 소성지수는 175%인 CH로 분석되었다. 벤토나이트의 물리적 특성은 Table 2와 같다.
Table 2. Physical properties of bentonite
| Specific gravity |
Liquid limit (%) |
Plastic index (%) |
Effective diameter (mm) |
Percent finer (#200 sieve) | Ph | USCS |
| 2.5 | 209 | 175 | 0.027 | 84 | 9.4 | CH |
2.3 폴리머재의 물리적 특성
폴리머(polymer)란 같은 종류의 분자개체가 반복적으로 많은 수가 연결되어 이루어진 분자구조로서 기본단위가 반복 연결된 분자라는 의미로 중합체라고도 하며, 단순히 많은 수의 원자가 결합된 큰 분자와는 다른 의미를 가진다. 차수용 폴리머는 에폭시(epoxy), 스티렌(styrene), 라텍스(latex), 에틸비닐아세테이트(ethylene vinyl acetate, EVA) 등이 활용된다. 본 연구에서는 EVA수지 계열의 폴리머를 사용하였으며 물리적 특성은 Table 3과 같다. Fig. 2는 폴리머의 미세구조분석(SEM) 결과이며, 골재의 계면에서 형성되는 필름이 내부공극을 채워 수밀성을 향상되는 특징을 가진다.
Table 3. Physical properties of polymer
| Solid type | Ash content (%) | Particle size (µm) | Specific gravity | Appearance |
| powder | 9±2 | 400 | 1.0 | white |
3. 실내실험
3.1 순환토사 혼합차수재 투수시험
본 연구에서는 혼합차수재의 투수계수가 1.0×10-7cm/sec을 만족하는 적정 혼합비를 확인하기 위하여 순환토사-벤토나이트 혼합토의 혼합비별 투수시험과 순환토사-벤토나이트-폴리머 혼합토의 혼합비별 투수시험을 실시하였다. 투수몰드는 직경 10cm, 높이 15cm인 원통형 몰드를 사용하였으며, 누수를 방지하기 위하여 고무링과 그리스(grease)를 도포하여 몰드와 공시체 사이의 공극을 최소화하였다. 시험에 적용한 투수시험몰드와 변수위투수시험장치는 Fig. 3에 나타낸 바와 같다.
몰드의 상부 주입구와 배수구를 통해 물의 주입과 배수를 할 수 있도록 1차적으로 200kPa의 공기압을 주입하여 공시체 내의 기포를 제거하였고, 2차적으로 물의 주입과 배수를 반복함으로써 기포를 제거하고 시료를 포화시켰다. 일반 해성점토-벤토나이트를 이용한 선행시험을 바탕으로 순환토사-벤토나이트 혼합시료의 벤토나이트 비율을 정하였으며 혼합비는 4%, 5%, 6%, 8% 비율로 시험을 진행하였다. 순환토사-벤토나이트-폴리머 혼합시료는 순환토사-벤토나이트 혼합시료의 투수시험 결과를 바탕으로 벤토나이트 4%와 벤토나이트 중량대비 폴리머 4%, 6%, 7% (전체 중량의 0.16%, 0.24%, 0.28%)를 혼합하여 투수시험을 진행하였다. 투수시험 시료의 중량비에 따른 혼합비는 Table 4와 같다.
Table 4. Mixing ratio of specimen for permeability test
(unit : % by weight)
시료 제조 시 함수비는 다짐시험으로부터 얻은 순환토사의 최적함수비보다 2% 높은 16.44% 비율을 사용하였으며, 투수시험 몰드에 소형다짐봉으로 시료를 직접 다져 균질하게 조성하였다. 시료의 유실을 방지하기 위해 시료 상하부에 각각 철망(0.425mm, 40번체)과 다공판, 여과지를 설치하였고, 상･하부에 고무링 체결과 그리스를 도포하여 물과 시료의 유실을 방지하고 공극을 최소화하였다. 몰드 조성 후 혼합된 시료를 포화시키기 위해 몰드에 공기압을 가한 상태로 24시간 이상 수침시킨 후 시험을 진행하였다.
3.2 순환토사 혼합차수재 일축압축강도 시험
차수층의 압축강도는 폐기물관리법에 규정되어 있지 않으나, 최종차단층의 시공 단계에서 중장비의 작업을 위한 주행성을 확보할 수 있는 충분한 일축압축강도가 요구된다(Lee, 2018). 일축압축강도시험용 시료는 표준 다짐 에너지에 준한 에너지 값에 따라 다짐도 90% 이상을 유지하였으며, 다짐시험에서 얻은 최적함수비보다 2% 습윤 측에서 제작하였다. 이론적으로 투수계수가 최적함수비일 때 최소가 되어야 하나, 최적함수비를 중심으로 건조 측은 면모화(flocculated) 되어 상대적으로 큰 간극이 형성되는 반면, 습윤 측은 분산(dispersed)된 구조형태를 보이므로 간극의 크기가 더 작아 투수계수는 습윤 측에서 최소가 된다(Das, 2010). 순환토사 혼합토의 투수시험 시료를 기준으로 KS F 2314의 규정에 따라, 직경과 높이를 1:2 비율로 맞추어 성형된 시료를 0일, 7일, 14일, 21일, 28일간 습윤 양생하여 공시체 3개를 한 세트로 하여 일축압축강도를 측정하였다. 순환토사-벤토나이트 혼합시료는 벤토나이트를 중량비 0%, 4%, 6%, 8% 혼합하여 수행하였다. 순환토사-벤토나이트-폴리머 혼합시료는 투수계수를 만족하는 혼합비율을 토대로 벤토나이트 4%에 대해 벤토나이트 중량대비 폴리머 4%, 5%, 6%, 7%(전체중량의 0.16%, 0.20%, 0.24%, 0.28%) 비율로 혼합시료를 제작하였다. 일축압축시험을 진행한 혼합비는 Table 5와 같으며, 중량비에 따라 제작된 공시체는 Fig. 4와 같다.
Table 5. Mixing ratio of specimen for unconfined compression test
(unit : % by weight)
현장시험을 통해 혼합토의 개량효과를 직접 측정할 경우, 개량의 정도는 혼합토 간극 내의 결합재 농도, 혼합토 표면 또는 간극 내에서의 결합재 분포양상이나 혼합정도에 따라 다르게 나타날 수 있다. 또한, 동일한 혼합토라 할지라도 시공방법에 따라 다른 역학적 성질을 나타낼 수 있기에 실내시험으로 혼합토의 강도를 판단하였다.
일축압축강도시험 방법은 변형률 제어법을 사용하였다. 시험의 재하속도는 1mm/min이며, 시험 중 하중이 급격히 감소하거나 변형률이 공시체 높이의 15%에 도달한 후 1분 경과 후에 종료하였다. 공시체의 몰드는 내경이 5cm, 높이 10cm인 원형을 사용하였으며 각 혼합비에 따라 순환토사, 벤토나이트, 폴리머를 혼합한 후 최적함수비의 2% 습윤 측으로 배합하여 다짐율 90% 이상이 되도록 다짐을 하였다. 일축압축강도 측정은 최대 5kN의 하중용량을 가지는 디지털 압축시험기를 사용하였다. Fig. 5는 시험 전후의 공시체 전경을 나타낸 것이다.
4. 순환토사 혼합차수재의 혼합비에 따른 결과분석
4.1 순환토사 혼합차수재의 투수특성
4.1.1 순환토사-벤토나이트 혼합비에 따른 투수특성
순환토사-벤토나이트 혼합토의 경우 벤토나이트를 중량비 4%, 5%, 6%, 8%로 혼합비를 증가시켜가며 투수시험을 진행하였다. 투수계수가 습윤측 함수비 16.44%에서 1.35×10-2cm/sec인 순환토사에 대하여 벤토나이트를 혼합하였으며 제작된 공시체는 수침시켜 완전 포화를 유도하였다. 순환토사-벤토나이트의 혼합비에 따른 투수시험 결과, 벤토나이트 혼합비 8%를 제외하고 나머지 시료의 투수성능은 폐기물 매립장에서 요구하는 투수기준을 만족하지 못하는 것으로 나타났다. 따라서 순환토사와 벤토나이트만을 이용할 경우 투수계수 기준을 만족시키기 위해서는 최소 8% 이상의 벤토나이트가 소요될 것으로 예상된다.
4.1.2 순환토사-벤토나이트-폴리머 혼합비에 따른 투수특성
순환토사에 대하여 벤토나이트 4%를 혼합한 시료는 변수두투수시험 결과 4.63×10-7cm/sec으로 폐기물 매립지 차수층 기준에 만족하지 못하였다. 폴리머를 추가하였을 경우 벤토나이트 혼합비 4%에 폴리머의 중량비 0.28% 이상에서 투수계수 기준을 만족하는 것으로 나타났다. Table 6은 혼합비에 따른 변수위 투수시험 결과를 나타낸다. Fig. 6은 벤토나이트와 폴리머 혼합비에 따른 순환토사 혼합차수재의 투수특성을 나타낸다.
Table 6. Coefficient of permeability due to mixing ratio of specimen
4.2 순환토사 혼합차수재의 강도특성
4.2.1 순환토사-벤토나이트 혼합토의 강도특성
순환토사에 벤토나이트 4%, 6%, 8%를 혼합한 시료의 시간경과에 따른 일축압축강도 특성을 분석하였다. 재령 0일, 7일, 14일, 21일, 28일 경과 후 강도 변화를 관찰하였다.
시간 경과에 따른 벤토나이트 혼합시료의 일축압축강도는 증가하는 경향을 보인다. 이에 반해 시간경과에 따른 시료의 함수비는 강도증가와 비례하여 감소하는 특성을 보인다. 따라서 시료의 강도증가는 함수비 감소로 인해 발생하는 현상으로 판단된다.
벤토나이트 혼합비 증가에 따른 일축압축강도는 감소하는 경향을 보인다. 다만, 벤토나이트를 혼합하지 않은 시료의 경우 강도가 가장 낮게 나타났다. 이는 습윤측 다짐으로 인해 초기 함수비가 높기 때문인 것으로 판단된다. 순환토사, 벤토나이트를 혼합한 공시체의 재령일에 따른 함수비와 일축압축강도의 변화는 Fig. 7과 같다.
4.2.2 순환토사-벤토나이트-폴리머 혼합토의 강도특성
순환토사에 벤토나이트 4%를 혼합한 시료에 대해 벤토나이트 중량대비 폴리머 4%, 5%, 6%, 7%를 추가하여 시간경과에 따른 일축압축강도 특성을 분석하였다. 폴리머를 혼합한 경우 629.59∼690.90kPa 범위에서 강도발현이 이루어졌다. 재령 28일 강도 기준으로 벤토나이트 혼합 공시체 보다 강도가 약 2.1% 증가하는 것으로 나타났다. 재령일에 따른 혼합시료의 일축압축강도 변화는 Table 7과 같다.
Table 7. Unconfined strength of RSBT by curing day
폴리머를 추가한 경우 함수비 감소량과 관계없이 재령 7일 이후부터 강도는 일정한 상태를 유지하는 것으로 나타났다. 강도증가는 폴리머 필름형성에 의한 수밀성 향상에 기인한 것으로 판단된다. 순환토사, 벤토나이트, 폴리머를 혼합한 공시체의 재령일에 따른 함수비와 일축압축강도의 변화는 Fig. 8과 같다.
4.3 순환토사 차수재의 적합성 고찰
순환토사에 벤토나이트를 중량 비율 4%, 5%, 6%, 8%인 순환토사-벤토나이트 혼합시료의 투수시험 결과, 벤토나이트의 비율이 증가할수록 투수계수가 낮아지는 경향을 확인하였다. 벤토나이트만을 사용하여 순환토사를 폐기물 매립지 차수재로 사용할 경우 벤토나이트는 8% 이상의 중량비로 혼합하여야 기준을 만족하는 것으로 나타났다. 해성점토의 경우 3% 혼합시 투수계수 기준을 만족하는데 비해 순환토사는 2.6배 이상의 벤토나이트가 필요한 것으로 나타났다. 한편 순환토사에 벤토나이트 4%를 혼합할 경우 근소한 차이로 차수기준을 만족하지 못하나 소량의 폴리머를 추가한 경우 투수계수 기준을 만족하며, 순환토사-벤토나이트 시료에 비해 벤토나이트의 양을 50% 이상 줄일 수 있는 것으로 나타났다.
일축압축강도의 경우 중장비 작업을 위한 주행성을 확보를 위해서는 재령 28일 기준으로 상부층은 500kPa, 하부층은 1000kPa 이상을 갖추어야 한다. 본 연구에서는 상부층 500kPa을 기준으로 적용하여 순환토사 혼합차수재의 일축압축강도 적합성을 판단하였다.
순환토사-벤토나이트 혼합시료의 일축압축강도는 28일 재령 기준으로 모두 순환토사만을 사용하였을 때 보다 강도가 높게 나타났다. 순환토사-벤토나이트-폴리머 혼합시료의 일축압축강도는 28일 재령 기준으로 폴리머의 함량이 높아질수록 강도가 증가하는 경향을 보이다가 일정 이상의 비율을 넘어서면 다시 강도가 저하하는 경향을 보였다. 벤토나이트 중량대비 폴리머 6%, 7%, 5%, 4%, 0%의 순서로 높은 강도를 보였으며, 폐기물 매립지 시방서 기준 500kPa은 0%를 제외하고 모두 기준을 만족하였다.
실험결과 순환토사 차수재가 폐기물매립장 차수층의 투수계수 기준과 일축압축강도 기준을 만족하기 위해서는 최소한 벤토나이트 4%, 폴리머 0.28% 이상을 혼합해야 하는 것으로 나타났다. 따라서 순환토사를 차수재로 이용할 시 벤토나이트와 폴리머의 최소 사용량을 확인함으로써 향후 경제적인 혼합비 도출이 가능할 것으로 판단된다. 순환토사의 벤토나이트, 폴리머 혼합비에 따른 차수재 적용성에 관한 결과는 Table 8과 같다.
Table 8. Applicability of recycled soil with mixing ratio of bentonite and polymer
5. 결 론
본 연구에서는 경제적인 매립지 조성을 위해 점토를 대신하여 순환토사를 폐기물매립장 차수재로 활용하는 방안을 실험적으로 도출하였다. 벤토나이트와 폴리머를 혼합하여 경제적인 최적의 중량비율을 도출하기 위해 투수시험, 압축강도시험에 따른 순환토사 차수재의 특성을 분석하였다. 순환토사 혼합차수재의 차수시설 적용에 따른 최적의 혼합비에 대한 결론은 다음과 같다.
(1) 순환토사는 건설폐기물에서 선별된 토사로서 대부분 입도분포가 고른 모래질과 실트질 모래로 배출된다. 따라서 폐기물 매립장 차수재로 활용하기 위해서는 차수성능이 우수한 재료를 혼합하여 차수층 투수계수 기준인 1.0×10-7cm/sec과 시방기준인 일축압축강도 500kPa을 동시에 만족하여야 하며, 이를 충족할 때 일반토사보다 효과적인 차수재로 활용이 가능하다.
(2) 투수계수가 습윤측 함수비 16.44%에서 1.35×10-2cm/sec인 순환토사에 대하여 벤토나이트 혼합비에 따른 투수시험 결과 벤토나이트는 중량비 8% 이상 혼합해야 투수계수 기준을 만족하는 것으로 나타났다. 해성점토의 경우 벤토나이트를 3% 이상 혼합할 때 투수계수 기준을 만족하므로 순환토사를 차수재로 이용시 기존방식에 비해 많은 양의 벤토나이트가 소요되는 것으로 나타났다.
(3) 최적의 혼합비 도출을 위해 순환토사와 벤토나이트 4%를 혼합한 재료를 대상으로 폴리머 혼합비 증가에 따른 투수계수와 일축압축강도를 확인한 결과, 폴리머 혼합비 0.28%에서 투수계수는 5.90×10-8cm/sec, 일축압축강도는 670.57kPa로 투수계수 기준과 일축압축강도 기준을 만족하였다. 따라서 폴리머 혼합시 벤토나이트 사용량을 2배 이상 감소시킬 수 있는 것으로 나타났다.
(4) 순환토사-벤토나이트 혼합차수재는 벤토나이트 함량이 증가할수록 강도가 감소하는 경향을 보이며, 시간경과에 따라 서서히 강도가 증가하였다. 즉 함수비의 감소에 따라 강도가 증가하는 경향을 보인다. 반면 순환토사-벤토나이트-폴리머 혼합차수재의 경우 폴리머 혼합비가 증가함에 따라 강도는 함수비 감소속도보다 빠르게 증가하였다. 따라서 폴리머 혼합시 벤토나이트에 비해 투수계수조건과 강도조건을 효과적으로 만족시킬 수 있을 것으로 판단된다.
