1. 서 론
2. 발전부산물을 재활용한 그라우트재의 특성
2.1 경화 메카니즘
2.2 압축강도
2.3 환경적 영향
3. 보강효과 분석
3.1 현장의 개요
3.2 보강방법
3.3 보강효과 분석
4. 결 론
1. 서 론
우리나라는 식량부족문제를 해결하기 위해 광복 이후부터 1970년대 후반까지 아산호, 남양호, 삽교호 등 대규모 저수지를 축조하고, 농업용수 개발을 위해 집중적인 투자를 실시하여 다양한 수리시설물을 구축하였다(Lee, 2014). 현재 우리나라에 농업용수의 공급을 목적으로 건설된 저수지는 총 17,289개소이며, 재활용에 어려움을 겪고 있는 발전부산물을 활용하여 보통 포틀랜드 시멘트와 유사한 경화반응을 유도할 수 있도록 개발된 고화재를 노후 저수지의 그라우트재로 사용하였다. 이를 위해 실내시험을 통한 기본적인 성능 분석과 현장에서의 시험시공 후, 전기비저항탐사, 표준관입시험, 현장투수시험을 실시하고, 보강효과를 분석하였다. 연구결과, 발전부산물을 재활용한 그라우트재의 경우 압축강도는 2.9∼3.2배, 변형계수는 2.3∼3.3배 큰 값을 나타내어 강도적으로 우수하여 보통 포틀랜드 시멘트를 대체하여 사용이 가능한 것으로 분석되었다. 또한 현장에서의 표준관입시험 및 투수시험 결과, 제체의 N값은 1∼2 상승하고, 투수계수는 8.9∼42.5% 수준으로 감소하여 차수 측면에서도 충분한 보강효과를 나타내어 보통 포틀랜드 시멘트의 대체가 가능할 것으로 분석되었다. Keywords : Reinforcement effect analysis, Aging reservoir, Grout material, Power plant byproduct, Recycling 8,833개소(약 51.1%)는 준공년도로부터 75년이 경과되었고, 4,246개소(약 24.5%)는 준공년도로부터 50년이 경과된 것으로 조사되고 있어 노후화가 매우 심각한 상태이다(Ministry of Agriculture, Food and Rural Affairs, 2018).
노후된 저수지는 제체 내부에서의 세굴과 침식으로 인하여 누수 및 비탈면 활동과 같이 안정성에 영향을 미치는 결함이 발생할 가능성이 매우 높다(Lee et al., 2018). 이에 따라 소방방재청을 비롯한 중앙부처에서는 2008년부터 저수지에 대해 일원화된 안전관리체계 및 데이터베이스 시스템을 구축하고, 법률을 제정하는 등 안전관리에 노력을 기울이고 있으나, 재정 능력이 취약한 지방자치단체의 경우에는 전문 관리인력 및 유지관리비용의 부족으로 인하여 체계적인 안전관리가 이루어지지 않고 있다(Shin and Lee, 2012; Song, 2019). 이러한 상황에서 이상기후로 인한 집중강우가 국내에서 반복하여 발생할 경우, 2013년 경주 산대저수지, 2014년 영천 괴연저수지를 비롯하여 2020년 익산 동용저수지의 사례와 같이 노후 저수지에서는 붕괴가 발생하여 많은 재산 및 인명피해로 이어질 수 있다. 이러한 문제를 예방하기 위해 많은 각 지방자치단체에서는 일반적으로 보통 포틀랜드 시멘트(OPC, Ordinary Portland Cement)를 주입재로 사용한 그라우팅공법을 적용하여 노후 저수지를 보강하고 있다(Park et al., 2017). 그러나 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하는 경우, 보통 포틀랜드 시멘트의 주입량, 배합비, 주입압력, 주입시간, 분말도에 따라 그라우팅이 다르게 진행될 가능성이 있고, 제체 내부에 존재하는 물에 의해 용탈될 경우에는 내구성이 저하되는 문제가 발생할 수 있다(Lee et al., 2019). 또한 그라우트재로 사용되고 있는 보통 포틀랜드 시멘트의 경우, 석회석 등 천연자원이 소비되고, 생산과정에서 다량의 온실가스가 발생하는 환경적 문제가 있어 이를 대체할 수 있는 새로운 재료 및 공법의 개발이 요구되고 있다(Park and Oh, 2016; Song and Seo, 2019).
한편 전 세계적으로 환경문제가 대두됨에 따라 태양에너지, 풍력, 수력 등 재생에너지를 활용한 발전이 이루어지고 있다. 그러나 재생에너지를 활용한 발전의 경우, 기존의 발전방식에 비해 전력생산비용이 비싸며, 전력수요의 변화에 대응이 어려운 문제가 있다(Korea Power Exchange, 2019). 이러한 문제로 인해 산업통상자원부가 발표한 제9차 전력수급기본계획에서는 안정적으로 전력을 생산하고, 순간적인 전력수요의 변화에도 대응할 수 있도록 새로운 화력발전소의 건설이 여전히 계획되고 있다(Ministry of Trade, Industry and Energy, 2020). 다양한 화력발전 방식 중 순환유동층 보일러를 사용한 화력발전의 경우, 저렴한 역청탄(subbituminous coal), 고유황탄(high-sulfur coal), 고형연료(SRF, Solid Refuse Fuel)와 같은 물질을 연료로 사용하여 전력단위(kWh)당 실질적 발전비용을 의미하는 균등화 발전비용(LCOE, Levelized Cost Of Electricity)이 매우 저렴하며, 질소산화물(NOx) 및 황산화물(SOx) 등 오염물질의 배출량이 적어 국내에서 활발하게 적용되고 있다(Park and Oh, 2018; LAZARD, 2020). 이로 인해 순환유동층 보일러를 사용하는 국내의 발전소에서만 연평균 110.7만톤의 발전부산물(power plant byproduct)이 지속적으로 발생할 것으로 예상되고 있다(Korea Power Plant Byproduct Recycling Association, 2020). 상기의 발전부산물의 경우, 유리석회(free CaO) 및 삼산화황(SO3)의 함유량이 국내 산업기준(KS L 5405)에 제시된 기준보다 높아 콘크리트를 포함한 건축재료로서의 재활용은 어려운 문제가 있다. 그러나 고로슬래그와의 반응 시 고로슬래그의 잠재수경성을 자극하여 시멘트와 유사한 경화반응을 유도할 수 있는 것으로 알려져 있어, 발전부산물을 재활용하여 시멘트를 대체할 수 있으며, 지반공학분야에서 활용이 가능한 새로운 재료가 개발되고 있다(Park et al., 2020).
이에 따라 본 연구에서는 재활용에 어려움을 겪고 있는 발전부산물을 사용하여 보통 포틀랜드 시멘트와 유사한 경화반응을 유도할 수 있는 고화재를 그라우트재로 활용하여 노후 저수지를 보강하는 방안을 고려하였다. 이를 위해 실내시험을 실시하여 그라우트재의 기본적인 성능 분석하고, 노후 저수지에서 보강 전과 그라우팅 보강 후 7일과 28일이 경과한 상태에서의 전기비저항탐사와 표준관입시험, 현장투수시험을 실시하여 보강효과를 검토하여 보통 포틀랜드 시멘트의 대체 가능성과 현장에서의 사용가능성을 판단하고자 하였다.
2. 발전부산물을 재활용한 그라우트재의 특성
2.1 경화 메카니즘
본 연구에서 사용된 그라우트재는 순환유동층 보일러의 연소과정에서 발생하며, 유리석회 및 삼산화황 함유량이 높은 발전부산물을 고로슬래그의 자극제로 사용하여 고로슬래그의 산화피막(oxidation film)의 제거 및 알칼리 활성화 반응(alkali activated reaction)을 일으키고, 장기간동안 에트링자이트(ettringite)를 생성하여 시멘트와 유사한 경화반응을 유도할 수 있는 재료이다(Seo et al., 2018). Fig. 1에는 발전부산물을 고로슬래그의 자극제로 사용하여 시멘트와 유사한 경화반응을 나타내는 그라우트재의 경화 메카니즘을 나타내었고, Fig. 2에는 에트링자이트의 생성 여부를 확인하기 위해 SEM(Scanning Electron Microscope) 촬영을 실시한 결과를 나타내었다. 그리고 Table 1에는 XRF(X-Ray Fluorescence) 분석을 통해 파악된 그라우트재의 화학적 구성성분을 보통 포틀랜드 시멘트와 비교하여 나타내었다.
Table 1.
Chemical constituents of grout material
| Material | Chemical constituents | |||||
| CaO | SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | MgO | SO3 | |
| Grout material | 51.80 | 25.50 | 10.40 | 0.72 | 2.22 | 7.75 |
| OPC | 67.30 | 16.40 | 3.69 | 3.82 | 2.52 | 3.88 |
2.2 압축강도
발전부산물을 재활용한 그라우트재에 대하여 양생 3일과 7일, 14일, 28일에서의 압축강도를 보통 포틀랜드 시멘트와 비교하여 Table 2에 나타내었다. 압축강도를 측정하기 위해 시편(specimen)은 국내의 시험방법(KS L 5105)에 제시된 방법을 사용하여 50mm의 큐브(cube) 형태로 제작하였고, 30kN의 압축력을 측정할 수 있는 압축시험기를 사용하여 측정하였다.
Table 2.
Compressive strength of grout material
시험결과, 그라우트재의 평균 압축강도는 양생 3일에서 2.10MPa, 양생 7일에서 2.66MPa, 양생 28일에서 5.18MPa로 보통 포틀랜드 시멘트와 비교할 때 약 1.15∼1.28배 큰 압축강도를 나타내어 보통 포틀랜드 시멘트 보다 강도적으로 우수한 것으로 분석되었다.
2.3 환경적 영향
노후 저수지에 발전부산물을 재활용한 그라우트재를 시공하는 경우, 주변 지반에 미치는 환경적 영향을 검토하기 위해 토양오염공정시험(Soil Environment Conservation Act No. 2017-22)에 제시된 시험을 실시하였다. Table 3에는 그라우트재에 대한 토양오염공정시험의 결과를 보통 포틀랜드 시멘트 및 국내 기준과 비교하여 나타내었다.
토양오염공정시험 결과, 그라우트재는 니켈(Ni)을 제외한 모든 중금속의 함유량이 보통 포틀랜드 시멘트와 비교하여 적고, 국내 기준보다 이하를 나타내었다. 따라서 그라우트재의 경우 보통 포틀랜드 시멘트와 비교할 때 주변 지반에 미치는 환경적 영향은 매우 미미하며, 보통 포틀랜드 시멘트를 대체하여 사용이 가능할 것으로 분석되었다.
Table 3.
Comparison of chemical element with domestic criteria and OPC
3. 보강효과 분석
3.1 현장의 개요
발전부산물을 재활용한 그라우트재의 보강효과를 검토하기 위해 전라북도 고창군 아산면 일원에 위치하고 있으며, 준공년도는 1945년 이전으로 약 75년 이상 경과된 것으로 조사된 저수지에 시험시공을 실시하였다. 시험시공이 이루어진 저수지에 대하여 지반조사를 실시한 결과, 제체를 구성하고 있는 점토질 모래(SC)와 점토질 실트(ML)의 경우 N값이 4 이하로 매우 연약한 상태이며, 노후화로 인하여 제체에서 누수가 발생하고 있는 것으로 조사되었다. Table 4에는 노후 저수지에 대한 제원을 나타내었고, Fig. 3에는 해당 노후 저수지의 위치와 전경, 누수 현황을 포함한 보강 전 상황을 나타내었다. Fig. 4에는 해당 노후 저수지에 대한 지반조사 결과를 나타내었다.
Table 4.
Specification of aging reservoir
|
Year of construction |
Basin area (m2) |
Total capacity (1×103m3) |
Useful capacity (1×103m3) |
Length (m) |
Height (m) |
Coef. of permeability (m/sec) |
| 1945 | 180,000 | 13.10 | 13.10 | 75.0 | 7.2 | 6.84×10-6∼1.09×10-7 |
3.2 보강방법
본 연구에서는 누수가 발생하고 있는 노후 저수지를 확실하게 보강하기 위해 직경(D) 2m, 중심간 간격(C.T.C, Center To Center) 2m를 적용하여 2열로 천공한 후, Fig. 5에 나타낸 것과 같이 전열의 보강이 완료된 후 후열을 보강하는 순서로 그라우팅을 실시하였다. 또한 저수지 내에 국부적인 포화대가 발달해있는 저수지의 경우, 과도한 주입압력으로 그라우팅이 이루어진다면 지중에서의 할렬파괴 및 지표면에서의 융기가 발생할 가능성이 있다(Park and Lim, 2016). 따라서 본 연구에서는 이를 방지하기 위해 상대적으로 낮은 주입압력인 10.8kPa을 적용하였다. Table 5에는 노후 저수지를 보강한 방법에 대하여 나타내었고, Fig. 6에는 그라우트재를 사용하여 노후 저수지를 보강하는 과정을 정리하여 나타내었다.
Table 5.
Reinforcement method of aging reservoir
|
Row of hole |
Diameter (m) |
C.T.C (m) |
Depth (m) |
Injection pressure (kPa) |
Injection material |
Unit weight of binder (kN/m3) |
Water/Binder (%) |
| 2 | 2 | 2 | 8.67 (Mean) | 10.8 | Grout material | 7.43 | 100% |
3.3 보강효과 분석
발전부산물을 재활용한 그라우트재를 사용하여 노후 저수지를 보강하는 경우, 보강효과를 분석하기 위해 댐마루에서의 전기비저항탐사(electrical resistivity surveys), 표준관입시험(SPT, Standard Penetration Test), 현장투수시험(field permeability test)을 실시하였다. Fig. 7에는 그라우팅 보강 전, 그라우팅 보강 후 7일 경과, 그라우팅 보강 후 28일 경과한 상태에서의 전기비저항탐사 결과를 나타내었다.
Fig. 7(a)는 그라우팅으로 보강하기 이전의 전기비저항 분포를 나타낸 그림이다. 그림에서 연암(soft rock)의 경계선(borderline)을 기준으로 상부지반은 81.8∼323ohm･m의 전기비저항 분포를 나타내었고, 제체 중심부(No. 1+10∼ No. 2+14)에는 81.8∼104ohm･m의 전기비저항 분포를 나타내는 포화대가 존재하는 것으로 분석되었다. 그러나 하부지반의 경우, 좌･우측에서는 상대적으로 높은 전기비저항을 나타내었고, 중앙부에서는 200ohm･m 이하의 낮은 전기비저항을 나타내었다. 이는 연암의 경우, 종류, 간극률, 두께 등에 따라 차이가 있으나 400ohm･m 이상의 높은 전기비저항을 나타내야 하나, 상부지반에 존재하는 포화대로 인하여 중앙부 전기비저항이 영향을 받아 낮은 전기비저항을 나타낸 것으로 판단된다(Choi et al., 2013).
Fig. 7(b)는 그라우팅 보강 후 7일이 경과한 상태에서의 전기비저항 분포를 나타낸 그림이다. 그림에서 전기비저항 분포는 상부지반의 경우 76.8∼274ohm･m, 하부지반의 경우 116∼1,217ohm･m의 분포인 것으로 나타나 그라우팅 보강 이전과 비교하여 전기비저항의 큰 변화는 관찰되지 않았다. 이러한 이유로는 그라우트재의 경우 일반적으로 시공 후 10일이 경과한 이후에 90∼120ohm･m의 범위내에서 전기비저항이 안정되기 때문이며, 시공이 이루어진 부분에서는 전체적으로 균등한 전기비저항을 나타내고 있어 시공이 균질하게 이루어진 것으로 분석되었다(Rural Research Institute, 2003). 이러한 결과는 그라우팅 보강 후 28일이 경과한 상태에서의 전기비저항 분포를 나타낸 Fig. 7(c)에서도 동일하게 관찰되었다.
Fig. 8은 심도별 전기비저항의 변화를 판단하기 위해 각 시추공(BH-1∼3)에서의 전기비저항 값의 변화를 정리하여 나타낸 것이다. 그림에서 전기비저항의 변화는 심도에 따라 차이가 있으나, 그라우팅 보강이 이루어진 심도 1.5∼ 9.0m에서의 전기비저항은 그라우트재로 인하여 110∼287ohm･m의 균등한 전기비저항 분포를 나타내었으며, 보강 후 28일이 경과된 상태에서도 동등하게 유지하는 것으로 분석되었다. 이러한 내용을 토대로 판단할 때, 발전부산물을 재활용한 그라우트재의 경우, 노후 저수지에 주입된 이후 주변 지반으로 용출되지 않고 형태를 유지하고 있어 보강재로서 역할을 충분히 수행할 수 있는 것으로 판단된다.
일반적으로 그라우팅이 이루어지는 지반의 경우 그라우트재로 인하여 점착력의 증가로 인해 전단강도가 증가하며, 이로 인해 N값도 증가하는 것으로 알려지고 있다(Kim and Jang, 2011). 그러나 표준관입시험(SPT)의 경우, 동일한 현장에서도 위치에 따라 오차가 발생할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 위치에 따른 오차를 줄이기 위해 그라우트 주입공으로부터 0.5m 이격된 곳에서 표준관입시험을 실시하였으며, 표준관입시험에 따른 심도별 N치의 변화를 Fig. 9에 나타내었다.
그림에서 그라우팅 보강 이전의 N값은 0∼5로 매우 느슨한 상태를 나타내었다. 그러나 그라우팅 보강 후 28일이 경과한 상태에서는 N값은 1∼6으로 보강 이전과 비교하여 전체적으로 N치가 1∼2 상승한 것으로 분석되어 전체적으로 노후 저수지의 보강이 이루어지는 것으로 나타났다.
Table 6은 물을 주입한 후 수두의 변화를 측정하는 주입법(falling head method)에 의해 투수계수(k, coefficient of permeability)를 측정하는 현장투수시험 결과를 각 심도별로 정리하여 나타낸 것이다. 일반적으로 그라우팅 이후의 투수계수는 1.0×10-6∼1.0×10-7m/sec의 범위를 나타내는 것으로 알려져 있다(Barton, 2007; You et al., 2012). 현장투수시험 결과, 그라우팅으로 보강된 이후에서의 투수계수는 모두 1.0×10-6∼1.0×10-7m/sec의 범위 이내의 값을 나타내었으며, 보강 이전의 투수계수와 비교하여 8.9∼42.5% 수준으로 감소하는 것으로 나타나 차수 측면에서도 충분한 보강이 이루어지는 것으로 분석되었다. 그러나 그라우트재의 경우, 시간이 경과함에 따라 열화반응에 따른 보강효과의 저하가 발생할 수 있으므로 이에 대한 분석이 추가로 이루어진다면 많은 노후 저수지를 보강함에 있어 발전부산물을 재활용한 그라우트재를 사용할 수 있을 것으로 판단된다.
Table 6.
Result of field permeability test in aging reservoir
4. 결 론
본 연구에서는 재활용에 어려움을 겪고 있는 발전부산물을 재활용하여 보통 포틀랜드 시멘트와 유사한 경화반응을 유도할 수 있도록 개발된 고화재를 그라우트재로 활용하는 경우, 보통 포틀랜드 시멘트의 대체 가능성 및 현장에서의 사용가능성을 판단하기 위해 실내시험을 실시하여 기본적인 성능 분석하였다. 그리고 발전부산물을 재활용한 그라우트재를 사용하여 노후 저수지를 보강하고, 전기비저항탐사 및 표준관입시험, 현장투수시험을 실시하여 보강효과를 검토하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
(1) 발전부산물을 재활용한 그라우트재에 대하여 실내시험을 실시한 결과, 그라우트재의 양생 7일 기준 압축강도의 경우 보통 포틀랜드 시멘트와 비교하여 약 2.9∼ 3.2배, 변형계수의 경우 약 2.3∼3.3배 큰 값을 나타내어 강도적으로 우수하며, 중금속 함유량도 국내 기준을 만족하는 것으로 분석되어 현재 그라우트재로 사용되고 있는 보통 포틀랜드 시멘트를 대체하여 사용이 가능할 것으로 판단된다.
(2) 노후 저수지에서 시험시공을 발전부산물을 재활용한 그라우트재를 시험시공하고 전기비저항탐사를 실시한 결과, 그라우팅 보강 후 7일이 경과한 상태에서의 전기비저항은 시공 전과 비교할 때 균등한 값을 나타내었고, 28일이 경과한 상태에서도 동등한 전기비저항을 나타내어 주변 지반으로 용출되지 않고 노후 저수지의 보강재로써 역할을 수행할 수 있는 것으로 판단된다.
(3) 현장에서의 표준관입시험 및 투수시험 결과, 발전부산물을 재활용한 그라우트재를 사용하여 노후 저수지를 보강하는 경우 N값은 1∼2 상승하고, 투수계수는 8.9∼42.5% 수준으로 감소하여 차수 측면에서도 충분한 보강효과를 나타내므로 노후 저수지를 보강하기 위한 그라우트재로써 보통 포틀랜드 시멘트를 대체 및 사용이 가능할 것으로 판단된다.
