1. 서 론
2. 산업부산물 기반 무기결합재
3. 산업부산물 기반 기초공법 개발
3.1 현장 요구 성능에 따른 적정 배합비 도출
3.2 산업부산물 기반 기초공법의 현장 성능 평가
4. 결론 및 제언
1. 서 론
전력수요 증가에 따라 전력 생산비용이 비교적 저렴한 화력발전소 건설 및 활용이 증가하고 있으며, 국내 화력발전소에서 발생하는 연소재는 연간 1,000만톤 이상으로 추정되고 있다. 또한 최근 순환유동층(CFBC, Circulating Fluidized Bed Combustor) 보일러 사용이 증가함에 따라 순환유동층 보일러 연소재의 발생도 증가하고 있다.
순환유동층 보일러 연소재 발생량 조사 결과, 2020년 기준 9개 발전소에서 약 200만톤 정도가 발생한 것으로 조사된 바 있고(Lee et al., 2024), Jung and Kim(2022)은 순환유동층 발전소에서 발생하는 연소재를 연간 약 550만톤으로 추정하였다. 순환유동층 보일러는 일반적으로 연소과정에서 석회석을 혼소하여 탈황을 실시하기 때문에, 연소재에 산화칼슘(CaO), 유리 산화칼슘(Free CaO), 삼산화황(SO3) 등의 함유량이 국내 산업기준(KS L 5405)을 상당히 초과한다. 따라서 순환유동층 보일러에서 발생하는 저품위 고칼슘 플라이애시와 바텀애시는 재활용이 저조하고 상당량이 폐기물 처리되고 있다(Seo et al., 2021).
한편, 매년 대량 발생하고 있는 화력발전소 연소재의 발생량 억제 및 재활용률 향상을 위해 정부에서는 ‘자원의 절약과 재활용 촉진에 관한 법률(2021)’을 제정하여 재활용을 적극 권장하고 있고, 실제 미분탄 보일러 연소재의 경우에는 재활용률이 매우 높다. 국내 화력발전소 연소재 재활용 분야는 콘크리트(53%)와 시멘트(13%) 재료로의 활용이 대부분이고, 주로 품질이 좋은 미분탄 보일러 연소재인 저칼슘 플라이애시(F급)를 활용한다(Cho et al., 2016).
지반 개량 및 보강 분야는 콘크리트에 비해 강도 등에 대한 요구 성능 수준이 높지 않은 점에 착안하여, 저품위 고칼슘 플리이애시(C급)를 시멘트 대체 무기결합재의 원료로 재활용하는 연구가 수행된 바 있다(Kim and Mun, 2017; Ham et al., 2021; Seo et al., 2020; Seo et al., 2021; Lee et al., 2023; Lee et al., 2024). 지반분야에서는 시멘트 등의 고화재를 지반 개량이나 보강에 다양하게 활용하고 있으며, 이는 크게 원지반과 고화재를 혼합처리하여 지반을 개량하는 방식과 고화재와 물을 일정비율로 혼합하여 지반에 주입함으로써 원지반을 보강하는 방식으로 구분된다. 지반혼합처리 방식에는 현장 여건에 따라 주로 연약지반 개량을 위한 천층, 중층 및 심층 혼합처리공법, 주열식 벽체를 형성하는 SCW(Soil Cement Wall)공법 등이 적용되고 있다. 고화재를 물과 혼합하여 주입하는 방식은 현장 지반 조건에 따라 물/고화재 비와 주입 압력을 적절히 조절하여 적용해야 하며, 시공방식에 따라 다양한 형태로 개발되어 그라우팅 혹은 약액주입 공법으로 적용되고 있다.
그러나 기존 지반 개량 및 보강 공법으로 적용되고 있는 대표적인 공법인 지반혼합공법(DMM), 고압분사공법(JSP), 저유동 몰탈주입공법(CGS) 등은 현장 적용에 있어 여러 문제점을 내포하고 있다. 지반혼합공법(DMM)의 경우 항만공사에 주로 적용되고 있으며, 조밀하고 단단한 지층에서는 적용이 어려운 단점이 있다. 고압분사 및 저유동몰탈주입 공법의 경우 조밀하고 단단한 지층에서 개량체의 단면적 확보가 용이하지 않다. 한편, 말뚝기초는 암반층을 지지층으로 시공하기 때문에 상부 구조물의 규모에 따라서는 기초지지력을 비경제적으로 과다 설계 및 시공하는 경우 발생한다. 따라서 기존 지반 개량 및 보강 기술의 단점을 보완할 수 있도록, 상부 구조물의 형태나 규모에 따라 효율적으로 적용할 수 있는 기술 개발이 필요하다.
이에 본 연구에서는 산업부산물 재활용을 통해 기존 지반 개량 및 보강 기술의 문제점을 개선하여 현장 여건에 유연하게 대체할 수 있는 기술 개발을 목표로, 산업부산물 기반 무기결합재와 현장 타설형 모르타르를 개발하였으며, 시험시공을 통해 현장 적용성을 평가하였다.
2. 산업부산물 기반 무기결합재
산업부산물 기반 무기결합재 개발을 위한 원재료 선별 및 수급 기반 마련을 위해 산업부산물 종류별 발생처에 따른 화학성분 분석을 총 91회 수행한 바 있다(Lee et al., 2025), 본 연구에서는 Fig. 1에 나타낸 Lee et al.(2025)의 화학성분 분석 결과를 기반으로, 시멘트 대체 무기결합재 개발에 적합하고 안정적인 재료 수급이 가능한 산업부산물 및 발생처를 선별하였다.
우선, 산업부산물을 50~70% 적용한 무기결합재 3종을 도출하여 기초 성능을 평가하였다. 본 개발 무기결합재는 보통 포틀랜드 시멘트(OPC) 30~50%, 슬래그분말(SP) 40~50% 및 저품위 고칼슘 플라이애시(HCFA) 20~30% 적용하였으며, 실내 배합시험(W/B비 50%)을 실시하여 OPC 및 SC(슬래그 시멘트)와 비교하였다(Table 1 참조).
Table 1.
Compressive strength of the solidification materials according to curing date
개발 무기결합재에 대한 실내 배합시험 결과, 초기 강도발현은 기존 제품인 OPC 및 SC에 비해 다소 작게 평가되었으나, 지반 그라우팅재료의 요구강도(양생 28일 기준 24.0MPa) 보다는 크게 평가되어 지반분야에서 활용이 가능한 것으로 확인되었다.
개발 무기결합재 1에 대해서는 물리적 특성을 확인하기 위한 분말도, 밀도, 강열감량 및 SO3 함량에 대한 공인시험을 수행하였고, 그 결과를 Table 2에는 정리하였다. 개발 무기결합재는 연소로 내에서 탈황을 실시하는 순환유동층 보일러 연소재를 포함하고 있기 때문에 SO3 함량이 OPC나 SC에 비해 높게 나타나 철근 콘크리트의 혼화재료로는 부적합함을 알 수 있다.
Table 2.
Physical properties result of the solidification materials
| Test item | Unit | Inogarnic Binder 1 |
OPC Standard (KS L 5201) |
SC Staadard (KS L 5210) |
| Blaine | Mg/m3 | 2.83 | - | - |
| Fineness | cm2/g | 4,180 | ≧ 2,800 | ≧ 3,000 |
| SO3 | % | 8.70 | ≦ 3.0 | ≦ 4.0 |
| Loss ignition | % | 2.92 | ≦ 5.0 | ≦ 3.0 |
한편, 개발 무기결합재의 환경 영향성을 확인하기 위해 급성 어독성시험과 폐기물공정시험을 수행하였다. 폐기물공정시험 결과 Table 3에 보인 바와 같이 모든 항목에 대해 폐기물용출기준을 만족하고, 어독성시험 결과 치사한 개체는 없는 것으로 나타나, 개발 무기결합재가 환경에 미치는 영향은 거의 없는 것으로 확인되었다.
Table 3.
Leaching tests of heavy metals standard methods for the examination of environmental pollution (wastes)
3. 산업부산물 기반 기초공법 개발
지지력 확보 및 침하량 경감을 위해 기초지반을 보강하는 방법은 크게 지반혼합처리공법, 그라우팅공법, 말뚝공법 등으로 구분할 수 있다. 국내에서 지반보강에 적용되고 있는 대표적인 지반보강공법인 CGS(Compaction Grouting System), JSP(Jumbo Special Pile), DMM(Deep Mixing Method) 등은 적용 가능 지반 조건이 제한 적이고 주로 복합지반 설계법을 적용하여 불안정한 부적절 설계 초래하는 사례가 있다. 한편 말뚝공법은 암반층을 지지층으로 시공하기 때문에 상부 구조물의 규모가 작은 경우에는 비경제적인 설계를 초래한다. 이에 본 연구에서는 기존 기술의 단점을 개선하여, 중저층 구조물기초, 성토지지말뚝, 하천제방 보수/보강 등에 현장 여건 및 요구 성능 수준에 적합하게 적용 가능한 기초공법을 개발하였다. 개발 기초공법은 선천공 실시 후 산업부산물 기반의 고강도 모르타르를 주입하여 균일한 단면의 개량체를 형성할 수 있으며, 이러한 공법 특성을 반영하여 PCF기초공법(Pre-bored Column Foundation with Circulating Resource)으로 명명하였다. 본 연구에서 개발한 PCF기초공법은 선행 연구 결과를 토대로, 산업부산물을 활용하여 시멘트의 70% 및 천연골재의 100%를 대체하는 것을 목표로 설정하였다. 또한, 현장 요구 성능 조건에 따라 적정 배합설계를 통해, 기존 기술 대비 현장 여건에 효율적으로 적용 가능한 특징이 있다.
3.1 현장 요구 성능에 따른 적정 배합비 도출
국내에서 많이 적용되고 있는 DMM, CGS 및 말뚝기초 시장의 일부를 대체하기 위해, 개발 기술의 요구강도 수준을 10, 15 및 20MPa로 설정하였으며, 실내 배합시험을 통해 적정 배합비를 도출하였다. 배합시험에 적용한 산업부산물 원재료는 Lee et al.(2025)이 수행한 산업부산물 발생처별 화학성분 분석 결과를 기반으로 적정 재료를 선정하였다.
PCF기초공법의 압축강도 요구 수준으로 설정한 10, 15 및 20MPa에 해당하는 적정 배합비 도출을 위해 실내 배합시험을 수행하였다. 개발 무기결합재와 순환유동층 보일러 바텀애시(모래 100% 대체)를 1 : 3 및 1 : 4 비율로 혼합하고 물바인더(W/B)비는 30~40%로 설정하여 실내배합시험 시편 제작하였으며, 장기 강도 확인을 위해 양생일 3, 7, 14, 28 및 100일에 대한 압축강도시험을 수행하였다. 동일한 배합의 시편 3개에 대한 압축강도시험을 수행하여 평균한 결과를 Fig. 2에 나타내었다.
실내 배합시료에 대한 압축강도시험 수행 결과, Fig. 2에서 알 수 있는 바와 같이 바텀애시의 혼입량과 W/B비가 작을수록 압축강도가 증가하는 것으로 나타났다. 특히 재령 100일 에서의 압축강도가 재령 28일 압축강도에 비해 14.6~41.3% 크고 그 증가율은 대체로 W/B비가 클수록 높은 것으로 확인되었다. 한편, Fig. 2(a)에서 알 수 있는 바와 같이 무기결합재와 바텀애시의 배합비가 1 : 3 인 경우, 재령 28일 기준 압축강도는 W/B 40, 35 및 30%에서 각각 13.7, 17.8 및 21.2MPa로 평가되어, PCF기초공법의 목표강도 수준을 상회하는 것으로 확인되었다. 반면에, 무기결합재와 바텀애시의 배합비가 1 : 4 인 경우에는, 재령 28일 기준 압축강도는 W/B 40, 35 및 30%에서 각각 10.6, 12.3 및 15.0MPa로 평가되어 목표강도 수준 15 및 20MPa 재료로 사용하기에는 부적합 것으로 평가할 수 있다. 따라서 현장 여건 및 요구 강도수준에 따라 개발 재료의 배합비와 W/B비를 조정하여 현장에 효율적으로 적용할 필요가 있다. 즉, 개발 모르타르는 바텀애시 함유비율이 높을수록 경제적이고 W/B비가 높을수록 현장 시공성이 더 좋은 점을 고려하여 현장 여건에 따라 재료의 배합비와 W/B비를 적절히 조정하여 활용하는 것이 효율적일 것으로 판단된다.
3.2 산업부산물 기반 기초공법의 현장 성능 평가
3.2.1 현장 시험시공 계획
산업부산물 기반 모르타르 재료의 현장 적용성을 평가하기 위한 시험시공을 수행하였다. 유압식 말뚝시공장비를 이용하여 직경 800mm, 깊이 6m 규모로 선천공을 실시한 후, 개발 모르타르 재료를 굴착공 내에 타설하였다. Fig. 2에 보인 실내 배합시험 결과를 토대로 양생 28일 기준 목표강도 10, 15 및 20MPa에 해당하는 배합을 적용하여 총 3공의 PCF기초를 시공하였으며, 시험시공 실시 후, 현장 제작 시료 및 코어채취 시료를 대상으로 양생일에 따른 압축강도 특성을 평가하였다.
시험시공 위치는 경기도 김포시에 위치하고 시추조사 결과 시험시공 현장의 지층구성은 상부 1~2m 까지 실트질 모래(SM) 매립토층이 존재하고, 그 하부로 N값 3~8의 실트질 모래(SM) 퇴적층 분포하고 있다.
현장 시험시공에 적용한 산업부산물 기반 모르타르는 공장에서 무기결합재와 바텀애시를 1 : 3 비율로 배합하여 현장에 반입하였고, 현장에서는 반입된 모르타르와 적정 배합에 해당하는 물을 혼합한 후 굴착공 내에 타설하였다. 개발 PCF기초공법의 경제성 및 현장 적용성 향상과 효율적인 품질관리를 위해서는 개발 모르타르 재료에 적합한 현장 혼합 및 타설 장비의 개발이 필요하다. 그러나, 본 시험시공은 실내 배합시험에서 나나난 개발 재료의 양생일에 따른 압축강도가 현장 적용시에도 잘 발현되는지 확인하는 것을 주요 목적으로 하였기 때문에, 백호우와 혼합통을 이용하여 재료를 혼합하고 굴착공에 타설하였다.
산업부산물 기반 현장 타설형 모르타르 재료의 현장 적용성을 평가하기 위해 시험시공 재료의 양생일별 압축강도와 코어회수율을 평가하였다. 우선, 현장에서 혼합한 재료를 압축강도 시편으로 제작하여 양생일별 압축강도를 평가하였다. 또한, 시험시공 완료 후 7일 및 30일 경과 후에 시추기를 이용하여 코어를 올케이싱 형태로 채취하고 채취시료의 코어회수 상태와 양생일별 압축강도를 평가하였다.
3.2.2 현장 배합시료에 대한 압축강도시험 결과
현장에서 목표 강도별 적정 물/바인더 비로 혼합한 재료에 대한 양생일별 압축강도를 측정하였다. 현장 혼합시료에 대해 양생일별 압축강도 측정을 위한 시편은 5×5×5cm로 제작하였고, 제작된 현장 혼합시료 시편에 대해 양생일 3, 7, 14, 28 및 56일 별 압축강도를 측정하여 Fig. 3에 나타내었다.
시험시공 현장 혼합재료에 대한 양생일 별 압축강도시험 결과 Fig. 3에서 알 수 있는 바와 같이, 목표강도 10, 15 및 20MPa 시료에 대한 재령 28일 압축강도는 각각 15.1, 19.1 및 23.8MPa로 목표강도를 상회하는 것으로 나타나 개발 재료의 현장 적용성을 확인하였다. 또한, 양생일이 경과할수록 압축강도 증가하며, 양생일 3일에서 목표강도의 66~70%에 해당하는 강도가 발현된다. 양생일 56일 경과 시 압축강도는 28일 압축강도에 비해 대략 4.2~9.9%로 소폭 증가하는 것으로 나타나, Fig. 2에 보인 실내 배합시험 결과와 유사하게 양생 28일 이후에도 압축강도가 증가하는 것을 확인 할 수 있다.
3.2.3 현장 시추 시료에 대한 상태 평가
시험시공 후 7일 및 30일 경과 후 보링장비를 이용하여 현장 코어시료를 채취하여 회수 상태와 양생일에 따른 압축강도를 평가하였다(Fig. 4 참조). 당초 시험시공 7일 및 28일 경과 후 코어채취 예정이었으나, 현장 사정으로 7일 및 30일 경과 후 코어시료를 채취하였다.
시추 시료의 상태를 확인한 결과, 시추 심도까지 대부분의 코어가 채취되었으며, 채취시료에 대해 양생일별 압축강도 측정을 위한 시편을 제작하였다.
채취 시료를 살펴보면, Fig. 4에서 알 수 있는 바와 같이 상부 1m 내외의 시료가 상대적으로 많이 절단된 상태로 추출되었고, 또한 대부분의 시추공 채취 시료에서 부분적으로 절단되거나 느슨한 상태가 확인된다. 이는 금번 시험시공에서는 백호우를 이용하여 타설하여 시추공에 개발 재료가 충분히 밀실하게 채워지지 않았기 때문으로 판단된다. 따라서 개발 PCF기초공법의 경제성 및 시공성 향상과 효율적인 품질관리를 위해서는 후속연구를 통해 전용 혼합 및 타설 장비 개발이 필요할 것으로 판단된다.
3.2.4 현장 채취시료에 대한 압축강도시험 결과
시험시공 완료 후 7일 및 30일 경과 시점에서 현장 채취한 시료를 대상으로 양생일별 압축강도시험을 수행하였다. 시공 깊이에 따른 양생일별 강도 특성을 평가하기 위해, 시공 심도 3m를 기준으로 상·하부로 구분하여 압축강도시험을 수행하였고, 제작 가능 시편의 개수를 고려하여 압축강도시험을 각각 2회씩 수행한 후 평균값을 산출하였다.
현장 시험시공 7일 경과 후 채취 시료에 대한 양생일별 압축강도시험 결과, Fig. 5에 나타낸 바와 같이, 양생일이 증가할수록 압축강도도 증가하고 28일 경과 후에도 56일 경과 시까지 강도가 증가한다. 또한 모든 목표 강도 수준에 대해 28일 경과시 압축강도가 목표 강도를 상회하는 것으로 나타나 개발 산업부산물 기반 모르타르의 현장 적용성을 확인할 수 있다. 한편, 상부에서 채취한 시료에 비해 하부 채취시료의 압축강도가 더 큰 것으로 나타났다. 이는 백호우를 이용해 중력식으로 재료를 타설하여 심도가 깊어질수록 보다 밀실하게 다져졌기 때문으로 판단되며, 보다 효율적인 품질관리를 위해서는 전용 타설장비 개발이 필요함을 의미한다.
현장 시험시공 30일 경과 후 채취 시료에 대한 양생일별 압축강도시험 결과는 Fig. 6에 나타내었다. 양생일 34 및 56 일 시료에 대해 압축강도시험 수행 결과, 양생일 7일에 시추한 시료의 경우와 마찬가지로, 28일 경과 후에도 56일 경과 시까지 강도 증가가 나타난다. 또한 모든 목표 강도 수준에 대해 압축강도가 목표 강도를 상회하는 것으로 나타나 개발 재료의 현장 적용성을 확인할 수 있다. 30일 경과 후 채취 시료에 대한 양생일별 압축강도도 상부 채취 시료에 비해 하부 채취 시료가 압축강도가 큰 것으로 확인 되었다.
4. 결론 및 제언
본 연구에서는 저활용 산업부산물의 재활용 방안 마련을 위해 산업부산물 기반 지반보강용 모르타르를 개발하였으며, 실내 및 현장 실험을 통해 기초 성능을 평가하였다. 연구결과 얻은 결론은 다음과 같다.
1. 산업부산물 종류별 발생처에 따른 화학성분 분석 결과를 기반으로, 산업부산물을 50~70% 적용한 무기결합재 3종을 도출하여 기초 성능을 평가하였고, 실내 배합시험과 환경 유해성 평가를 통해 지반분야에 고화재로 활용 가능함을 확인하였다.
2. 산업부산물을 70% 적용한 무기결합재와 골재 대체재료로 순환유동층보일러 바텀애시를 혼합한 모르타르에 대해 실내 배합시험을 수행하여, 현장 여건 및 요구강도 수준에 따른 적정 배합설계 방안을 제시하였다.
3. 산업부산물 기반 현장 타설형 모르타르의 목표강도 수준을 각각 10, 15 및 20MPa로 설정하여 직경 800mm, 길이 6m 규모로 현장 시험시공을 실시하고, 현장 배합시료 및 코어채취시료에 대한 양생일별 압축강도를 평가함으로써, 개발 재료의 현장 적용성을 확인하였다.
4. 기존 지반보강공법과 말뚝기초 시장의 일부를 효과적으로 대체하기 위해, 현장 요구 성능 수준에 따라 효율적으로 적용 가능한 기초공법을 개발하였다. 개발 기초공법은 선천공 실시 후 산업부산물 기반의 고강도 모르타르를 주입하여 균일한 단면의 개량체를 형성할 수 있어, 중저층 구조물기초, 성토지지말뚝, 하천제방 보강 등에 효과적으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
