1. 서 론

우리나라 전국토의 약 25%정도 석재가 매장되어 있으며 추정매장량은 70억톤으로 가채년한은 약 160년이다. 최근 석․골재 자원의 수요가 점점 증가함에 따라 제주도에는 현무암을 가공 생산하는 석재공장들이 수십개소에 이르고 있다. 채석장에서 원석을 채취하고 건축석재, 쇄석골재 등으로 가공하는 과정에서 원석의 약 60% 정도가 폐석이나 석분슬러지로 손실되고 있다(Ministry of Commerce, Industry and Energy, 2000). 이 중에서 폐석의 일부만이 도로포장용 쇄석골재로 활용되고 있으며(Kim and Song, 2007), 대부분의 석분슬러지는 석재의 가공이나 파쇄공정에서 분말형태로 물에 혼입되어 슬러지 탱크에 침전되게 된다. 이러한 석분슬러지가 방류되거나 살포되면 지표나 지중의 공극이 메워져 지표수의 지중침투, 지하수의 흐름, 공기의 소통이 원활하게 이루어지지 않아 생태계에 악영향을 끼치게 된다. 폐기물관리법(Waste Control Act, 2003)에서 석분슬러지는 산업폐기물로 분류되어 있으므로 채석장 개발이후 석분슬러지를 현장주변의 원지반토와 혼합하여 복구토로 주로 활용하고 있다(Song et al., 2012).

최근 국내에서는 석재산업에서 폐기물로 처리되고 있는 석분슬러지로 인하여 야기되는 문제점을 개선하고, 환경오염문제를 해결하기 위하여 석분슬러지를 각종 건설재료로서 재활용 하고자하는 방안이 모색되고 있다(Ministry of Commerce, Industry and Energy, 2000; Korea Aggregates Association, 2006). Kim and Song(2007)은 석분토와 원지반토를 혼합하여 도로 보조기층재로 활용하기 위한 연구를 수행하였으며, Suh et al.(1995)은 석분토와 시멘트를 혼합하여 도로용 포장재로 활용하기 위한 연구를 수행한 바 있다. 그리고 Ma et al.(2004)은 석분토를 그라우팅 재료와 혼합하여 터널의 공동부 충진재로서 활용하기 위한 연구를 수행한 바 있다.

본 연구에서는 제주도 내에서 발생되는 현무암 석분슬러지를 차수용 재료로 재활용하기 위하여 현무암 석분슬러지와 현장토을 교반하여 각 혼합비별 투수계수를 측정하고, 석분슬러지 함량에 따른 토층 내에서의 투수계수 변화를 조사하고자 한다.

2. 현무암 석분슬러지 및 현장토의 공학적 특성

본 연구에서는 제주도의 현무암 석분슬러지와 채석장 인근의 현장토에 대한 공학적 특성을 조사하기 위하여 각종 토질시험을 수행하였으며, 실험방법은 한국산업규격(KS) 기준을 준용하였다. Table 1은 제주도 현무암 석분슬러지와 인근 현장토의 각종 토질시험결과를 나타낸 것이다.

현무암 석분슬러지의 입도분포곡선은 Fig. 1에 도시하였으며, 석분슬러지 입자의 직경은 대부분 0.1mm 이하인 것으로 나타났다. 현무암 석분슬러지의 비중은 2.97로서 일반적인 토사에 비해 크게 나타났으며, 액성한계는 22.7%, 소성한계는 17.9%이며, 소성지수는 4.7로 소성이 작다. 현무암 석분슬러지의 다짐곡선은 Fig. 2에 도시하였다. 그림에서 보는 바와 같이 최적함수비는 21.6%, 최대건조단위중량은 1.65g/cm³으로 나타났다. 한편 현무암 석분슬러지는 흙과 다르므로 토질의 분류기준을 적용하기는 어려우나 통일분류법(USCS)에 의하여 분류하면 무기질의 실트 및 매우 가는 모래인 ML과 소성이 보통이하인 무기질 점토인 CL과 유사한 것으로 나타났다.

한편 현장토의 입도분포곡선은 Fig. 1에 석분슬러지의 입도분포곡선과 함께 도시하였다. 그림에서 보는 바와 같이 현장토 입자의 직경은 대부분 10-0.1mm 사이에 존재하는 것으로 나타났다. 현장토의 비중은 2.67로서 일반적인 토사의 비중을 갖는 것으로 나타났으며, 액성한계는 40.0%, 소성한계는 22.7%이며, 소성지수는 17.3이다. 현장토의 다짐곡선은 석분슬러지의 다짐곡선과 함께 Fig. 2에 도시하였다. 그림에서 보는 바와 같이 현장토의 다짐곡선은 석분슬러지의 다짐곡선의 상부에 위치하고 있으며, 최적함수비는 더 작고 최대건조단위중량은 더 큰 것으로 나타났다. 현장토의 최적함수비는 19.0%, 최대건조단위중량은 1.73g/cm³으로 나타났다. 한편 현장토의 경우 토질의 분류기준인 통일분류법(USCS)에 의하여 분류하면 입도분포가 좋은 모래인 SW로 분류되는 것으로 나타났다.

현무암 석분슬러지의 화학적 특성을 살펴보면 pH는 약 8.67로 나타나 약알카리성을 띠고 주성분은 ++가 78.39%로 주종을 이루고 있는 것으로 나타났다.  및 는 경화과정 중에 형성되는와 반응하여 터버모라이트(tobermorite : ․․)를 형성하며, 의 경우 와 반응하여 ․․를 형성하며 석고와 반응하여 에트린가이트(ettringite)를 형성하는 포졸란 반응을 일으킨다.

3. 투수시험 장치 및 시험방법

석분슬러지 혼합토는 현무암 석분슬러지와 인근 지역에서 채취된 현장토를 혼합하여 제작하였다. Table 2는 본 연구에서 적용된 석분슬러지지 혼합토의 혼합비를 나타낸 것이다. 혼합토 제작시 석분슬러지의 혼합비는 중량대비 0%, 10%, 20%, 40%, 60%, 80%, 100%로 하여 시험편을 제작하였다.

혼합토의 경우 최적의 다짐조건과 현장토의 상대밀도를 고려하여 투수시험을 위한 시료를 제작하였다. 투수시험을 위한 시료를 제작하기 위하여 준비한 시료를 충분히 포화시킨 후 배수구가 달린 덮개로 물이 새어나지 않도록 O-ring을 끼워 넣어 볼트로 고정시켰다. 그리고 변수위 투수시험방법을 적용하여 투수계수를 측정하였다. 석분슬러지 혼합토의 투수시험을 위하여 다짐시험장치를 활용하여 별도의 투수시험몰드를 제작하였다. Fig. 3은 별도로 제작된 투수시험몰드의 모식도를 나타낸 것으로, 몰드 내에서 시료의 포화가 가능하고 투수시험도중 시료의 상부에 모래 및 하부에 다공질판을 두어 세립토가 빠져나가지 않도록 고안하였다. 그리고 Fig. 4는 제작된 투수시험몰드를 나타낸 것으로 표준다짐시험 몰드와 동일한 규격으로 제작하였으며, 소정의 단위중량과 함수비로 투수시험용 시료를 직접 다짐으로서 시험체를 성형할 수 있도록 설계하였다.

4. 시험결과 및 분석

4.1 최적다짐조건에서 석분슬러지 혼합토의 투수특성

석분슬러지 혼합토의 투수특성을 조사하기 위하여 최적의 다짐조건에서 석분슬러지의 혼합비에 따른 투수계수를 측정하였다. 먼저 최적의 다짐조건에서 석분슬러지 혼합비에 따른 최적함수비와 최대건조단위중량을 비교하였다. Fig. 5는 석분슬러지 혼합비에 따른 최대건조단위중량을 나타낸 것이고, Fig. 6은 석분슬러지 혼합비에 따른 최적함수비를 나타낸 것이다. 그림에서 보는 바와 같이 석분슬러지의 혼합비가 증가함에 따라 혼합토의 최대건조단위중량은 증가하는 것으로 나타났으며, 혼합토의 최적함수비는 감소하는 것으로 나타났다. 이는 현장토에 세립토가 우세한 석분슬러지가 혼합됨에 따라 혼합토의 입도분포가 양호해지고 이로 인하여 혼합토의 다짐정도가 향상되는 것으로 판단된다.

한편 Fig. 7은 각각의 석분슬러지 혼합비에서 최적의 다짐조건으로 시료를 성형한 후 제작된 투수시험장치를 이용하여 투수계수를 측정한 결과이며, 각 혼합비에서의 간극비를 함께 도시하였다. 그림에서 보는 바와 같이 석분슬러지 혼합비가 증가함에 따라 혼합토의 투수계수는 감소하다가 다시 증가하는 경향을 보이는 것으로 나타났다. 특히 석분슬러지의 혼합비가 60%인 경우 가장 낮은 투수계수를 갖는 것으로 나타났다. 이때 다짐시험결과를 토대로 산정된 간극비의 경우 석분슬러지의 혼합비가 40%에서 60%사이에 낮은 것으로 나타났다. 이러한 결과는 석분슬러지의 혼합비가 40%에서 60%사이일 경우 다짐이 잘 된다는 것을 의미하며, 이때 혼합토의 투수계수도 작다는 것을 나타낸다. 따라서 석분슬러지를 차수용 재료로 재활용하기 위해서는 석분슬러지의 혼합비를 혼합토의 60% 내외에서 조절하는 것이 바람직하다. 

4.2 현장조건에서 석분슬러지 혼합토의 투수특성

현장토를 채취한 위치에서의 현장 밀도시험을 수행하고 현장에서와 동일한 조건인 상대밀도 90%를 갖도록 시료를 조성하여 투수시험을 실시하였다. Fig. 8은 각각의 석분슬러지 혼합비에서 현장조건인 상대밀도 90%로 시료를 성형한 후 제작된 투수시험장치를 이용하여 투수계수를 측정한 결과이다. 그림에서 보는 바와 같이 석분슬러지 혼합비가 증가함에 따라 혼합토의 투수계수는 감소하는 경향을 보이는 것으로 나타났다. 특히 석분슬러지 혼합비가 20%이하까지 투수계수가 급격하게 감소하며, 이후 비교적 완만하게 감소하는 것으로 나타났다. 그리고 석분슬러지 혼합비가 혼합토의 60%일 경우 가장 낮은 투수계수를 갖는 것으로 나타났다. 이는 최적의 다짐조건으로 석분슬러지 혼합토를 성형한 경우와 동일한 결과를 보이며, 석분슬러지를 차수용 재료로 재활용하기 위해서는 석분슬러지의 혼합비를 60%로 선정함이 바람직하다. 그러나 폐기물 관리법상에서 차수재료의 투수계수는 1×10^-7cm/sec이므로 이를 만족시키기 위해서는 시멘트 등의 추가적인 혼합이 필요할 것으로 판단된다.

5. 결론

본 연구에서는 제주도 내에서 발생되는 현무암 석분슬러지를 차수용 재료로 재활용하기 위하여 현무암 석분슬러지와 현장토를 교반하여 각 혼합비별 투수계수를 측정하고, 최적의 석분슬러지 혼합비를 선정하였다. 이에 대한 측정결과 및 분석내용을 정리하면 다음과 같다.

(1)현무암 석분슬러지의 입경은 대부분 0.1mm 이하이고, 비중은 2.97로서 일반적인 토사에 비해 크며, 토질의 분류기준인 통일분류법(USCS)을 적용하면 ML 및 CL과 유사하다. 그리고 현장토의 입경은 0.1-10mm 사이에 존재하고, 비중은 2.67이며 통일분류법(USCS)을 적용하여 분류하면 SW에 해당한다.

(2)석분슬러지 및 현장토에 대한 다짐시험결과, 현장토의 다짐곡선은 석분슬러지의 다짐곡선 상부에 위치하고 있으며, 최적함수비는 더 작고 최대건조단위중량은 더 큼을 알 수 있다.

(3)석분슬러지 혼합비에 따른 혼합토의 최적 다짐조건에서 석분슬러지 혼합비에 따른 혼합토의 투수계수를 측정한 결과 석분슬러지 혼합비가 증가함에 따라 혼합토의 투수계수는 감소하다가 다시 증가하는 경향을 보이며, 석분슬러지의 혼합비가 60%인 경우 가장 낮은 투수계수를 갖는다.

(4)현장에서와 동일한 조건인 상대밀도 90%에서 석분슬러지 혼합비에 따른 혼합토의 투수계수를 측정한 결과 석분슬러지 혼합비가 증가함에 따라 혼합토의 투수계수는 감소하는 경향을 보이며, 석분슬러지 혼합비가 60%일 경우 가장 낮은 투수계수를 갖는다.

(5)석분슬러지 혼합비에 따른 혼합토의 투수계수를 측정한 결과를 토대로 석분슬러지를 차수용 재료로 재활용하기 위한 석분슬러지의 최적 혼합비는 60%임을 알 수 있다. 그러나 석분슬러지의 혼합비가 60%인 혼합토는 차수재료의 투수계수인 1×10^-7cm/sec를 만족시키지 못하므로 시멘트 등의 추가적인 혼합이 필요할 것으로 판단된다.