1. 서 론
무역 의존도가 70 % 이상으로 개방형 통상국가인 우리나라의 경우, 국제 물류수송이 매우 중요하기 때문에 2020 항만정책 방향과 추진전략을 통해 4차 산업혁명 기술을 접목한 항만물류의 디지털화 및 지능화를 적극 추진하고, 권역별로 특화된 항만개발을 추진하고 있다. 일반적으로 항만개발은 연약지반이 존재하는 외해에서 이루어지므로 하중으로 인한 침하 및 변형이 크게 발생하여 항만구조물의 파괴를 초래할 수 있다(Kim, 2020). 따라서 연약지반에서의 항만개발이 이루어지는 경우, 과도한 침하 및 변형으로 인한 피해를 최소화하기 위해 모래다짐말뚝(SCP, Sand Compaction Pile)공법, 쇄석다짐말뚝(GCP, Gravel Compaction Pile), 치환공법 등이 적용되었으나, 시공 후의 안정성 확보가 용이하지 못하고, 심도가 깊은 연약지반에서는 적용이 어려운 한계가 있어 연약지반에 직접 개량체를 형성하는 심층혼합공법(DMM, Deep Mixing Method)이 주로 적용되고 있다(Kim et al., 2011). 심층혼합공법은 시멘트로 대표되는 개량재를 원지반의 흙과 혼합하여 화학반응에 의한 입자간 결합력 증대로 지반의 강도 증가, 투수계수 감소 등의 효과를 유도할 수 있으며, 20m 이상의 깊은 심도까지 개량이 가능하며, 경제성과 시공성이 우수한 공법이다(Hong, 2020). 그러나 시멘트의 경우, 제조를 위한 원료 채취, 소성, 제품 생산과정에서 23,990 천톤CO2eq으로, 국내 광물산업의 73.6 %를 차지하는 많은 양의 온실가스를 배출하는 문제가 있어 시멘트를 대체할 수 있는 새로운 재료의 개발 및 사용이 요구되고 있다(Kim, 2019).
이러한 사회적 요구에 따라 산화칼슘(CaO)을 다량 함유하고 있는 재료를 활용하여 시멘트 대체재료를 개발하기 위한 많은 연구가 진행되고 있다. Kim et al.(2007)은 콘크리트에 사용되는 시멘트를 대체하기 위해 반건식 탈황공정에서 발생한 폐석고를 분쇄한 후 사용하는 방법을 제시하였고, Park et al.(2013)은 수산화칼륨(KOH), 수산화칼슘(Ca(OH)2), 수산화나트륨(NaOH)을 고로슬래그 미분말(blast furnace slag powder)의 자극제로 사용하여 시멘트와 유사한 경화반응을 유도하는 방법을 제시하였다. 또한 Nam et al.(2015)은 열병합발전소에서 발생하는 플라이애시(fly ash)와 순환잔골재를 고로슬래그와 혼합함으로써 시멘트를 대체할 수 있는 방법을 제시하였고, Kim et al.(2021)은 이회암 점토(marl clay)와 같은 천연 재료를 포졸란 재료로 사용하는 방법을 제시하였다. 특히 최근에는 탄소중립(carbon neutral)을 달성하기 위한 사회적 노력의 일환으로 순환자원의 재활용 필요성이 높아짐에 따라 다양한 순환자원을 재활용하여 시멘트와 유사한 경화반응을 유도할 수 있는 재료의 개발이 활발하게 이루어지고 있으며, 비탈면 표층 및 연약지반의 안정성 확보를 위해 실제 현장에 적용하는 사례가 증가하고 있다. 이에 따라 본 연구에서는 순환자원을 재활용하여 시멘트와 유사한 경화반응을 유도할 수 있도록 개발된 CMD-SOIL을 심층혼합공법용 지반개량재로 사용하는 경우에 대하여 3곳에서의 적용 결과를 종합적으로 분석하여 현장에서의 적용성과 시멘트의 대체가능성을 판단하고자 하였다.
2. 사용 재료
본 연구에서 심층혼합공법용 지반개량재로 사용된 CMD-SOIL은 황화합물(SOx) 및 질소화합물(NOx) 등의 환경오염물질의 유발이 적은 순환유동층 보일러(circulating fluidized bed boiler)에서 발생한 플라이애시를 고로슬래그의 알칼리 자극제(alkali activator)로 사용한 고화재이다(Seo et al., 2020). 이를 통해 Fig. 1에 나타낸 것과 같이 고로슬래그 표면에 존재하는 산화피막(oxidation film)을 제거하고, 순환자원에 포함된 산화칼슘(CaO)이 SiO4-, Al(OH)4-와 반응하도록 유도함으로써 하여 Fig. 2에서와 같이 칼슘 실리케이트 수화물(C-S-H, Calcium-Silicate- Hydrate) 및 에트링자이트(ettringite)를 생성할 수 있어 시멘트와 유사한 경화반응을 유도할 수 있다. 또한 흙 재료와 혼합하는 경우, 시멘트와 동등한 수준의 압축강도를 발현할 수 있어 지반개량을 목적으로 다양하게 활용되고 있다. Table 1에는 CMD-SOIL의 XRF(X-Ray Fluorescence) 분석 결과를 국내에서 심층혼합공법용 지반개량재로 주로 사용되고 있는 보통 포틀랜드 시멘트(OPC, Ordinary Portland Cement)와 고로슬래그 시멘트(SC, Slag Cement)와 비교하여 나타내었다. 그리고 Table 2에는 CMD-SOIL의 폐기물공정시험 결과를 나타내었고, Table 3에는 OECD Guideline for the testing of chemicals에 제시된 방법을 준용하여 수행된 어독성 시험(fish, toxicity test)의 결과를 나타내었다. 시험결과, CMD-SOIL 경우 중금속 용출은 거의 이루어지지 않아 국내 환경기준을 모두 만족하며, 96시간 동안 진행된 어독성 시험에서도 생존율은 100%를 나타내는 환경친화적 제품이다.
Table 1.
Chemical constituents of CMD-SOIL
| Material | Chemical constituents | |||||
| CaO | SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | MgO | SO3 | |
| CMD-SOIL | 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 |
| SC | 55.60 | 24.90 | 9.55 | 1.63 | 2.70 | 3.95 |
Table 2.
Result of Korea standard leaching test (NIER, 2017)
Table 3.
Result of fish, toxicity test (OECD, 2019)
| Material | Number of death in group |
Survival rate (%) | pH | |||||
| Initial | 12 hr | 24 hr | 48 hr | 96 hr | Initial | 96 hr | ||
| CMD-SOIL | 0/10 | 0/10 | 0/10 | 0/10 | 0/10 | 100 | 7.09 | 7.26 |
3. 현장적용 및 결과 분석
3.1 현장적용 조건
3.1.1 현장적용 위치
CMD-SOIL의 현장적용은 전라북도 내의 새만금 지역(site 1), 전라남도 완도군 노화도 일원(site 2), 경상남도 창원시 진해구 일원(site 3), 총 3개소에서 진행되었다. Fig. 2에는 현장적용이 이루어진 위치를 나타내었고, Fig. 3에는 각 위치에서의 지반조사 결과를 토대로 파악된 지층 조건을 나타내었다.
지반조사 결과, site 1의 경우 연경도가 중간 정도인 모래질 흙과 점토 사이에 불규칙적으로 연약지반이 존재하고 있는 것으로 조사되었고, site 2의 경우 대부분의 심도에서 N치가 10 이상인 풍화토 상부에 연약한 퇴적층이 최대 11.3m의 두께로 존재하는 것으로 조사되었으며, site 3의 경우 점토와 모래가 혼재된 지층 상부에 연약한 점토층이 최대 32.4m의 두께로 존재하는 것으로 조사되었다. 따라서 해당 위치에서 소규모 어항, 방파제와 같은 항만구조물의 건설이 진행될 경우, 연약지반에서의 침하 및 변형이 발생하여 항만구조물의 안정성에 영향을 끼칠 것으로 예상됨에 따라 심층혼합공법의 적용이 고려되었다.
3.1.2 현장적용 방법
본 연구에서의 현장적용은 공장에서 생산된 CMD- SOIL을 벌크(bulk) 트레일러로 운송한 후, 바지(barge)선에 설치된 사일로(silo)에 저장하고, 이를 시공위치에서 대기하고 있는 심층혼합공법용 시공장비 내에 준비된 플랜트(plant)까지 이송한 후, 4축 장비(D = 1,200mm)를 사용하여 물/결합재비(W/B, Water/Binder) 80%의 상태로 원위치에서의 교반 및 시공을 완료하였다. Fig. 5에는 현장적용 과정을 정리하여 나타내었다.
3.2 현장 배합시험 결과
심층혼합공법의 경우, 흙과 지반개량재를 원위치에서 물리적으로 교반하여 수화반응 및 포졸란 반응에 의한 인공적인 결합력을 유도함으로써 지반의 강도 및 강성을 증가시키는 것이 기본 원리이기 때문에 현장의 시공조건에서도 실내배합시험과 동일한 수준의 강도가 얻어지는지 확인하는 것이 필요하다(Kang et al., 2009). 따라서 본 연구에서는 각 현장의 요구에 따라 단위부피당 CMD-SOIL의 투입량 200kg/m3, 230kg/m3, 250kg/m3, 270kg/m3을 적용한 현장에서의 배합시험을 진행하였다. 이를 위해 Fig. 6에 나타낸 것과 같이 유압샘플러를 사용하여 원위치에서 흙과 CMD-SOIL이 혼합된 재료를 채취하고, 직경(D) 5cm, 높이(H) 10cm의 시편으로 제작하여 각 배합별 압축강도를 확인하였다. Fig. 7과 Table 4에는 각 위치에서의 배합별, 양생일별 평균 압축강도 측정결과를 정리하여 나타내었다.
Table 4.
Mixing test result of CMD-SOIL in the field
일반적으로 해상에서의 심층혼합공법을 적용하는 경우, 설계기준강도는 실내에서의 배합시험을 통해 측정된 압축강도의 2/3 수준을 적용하며, 국내에서는 2.0∼2.3MPa을 보편적으로 적용하고 있다(Kang, 2020; Hwang et al., 2014). 현장에서의 배합시험 결과, CMD-SOIL의 압축강도는 양생 28일을 기준으로 2.92∼5.27 MPa을 나타내었고, 각 현장의 설계기준강도(1.7∼2.0 MPa) 대비 1.46∼2.64 배 높은 수준을 나타내어 항만구조물의 안정성 확보에 요구되는 충분한 강도를 발현하는 것으로 분석되었다. 또한 양생일에 따른 압축강도의 증가 경향을 판단하기 위해 양생 7일에서의 압축강도에 대한 양생 28일에서의 압축강도의 비를 산정하였고, 결과를 정리하여 Fig. 8에 나타내었다. 그림에서 CMD-SOIL의 압축강도 증가는 약 2.022 배로 고로슬래그 시멘트(slag cement)의 1.882배와 비교하여 큰 것으로 나타나 장기적인 압축강도의 확보 측면에서도 유리한 것으로 분석되었다(Ko et al., 2016).
3.3 현장 적용결과
CMD-SOIL의 적용결과를 평가하기 위해 Fig. 9와 같이 각 현장에서 시공이 완료된 시점으로부터 28일 후, 현장관리자가 임의로 설정한 채취심도에 대해 회전 수세식 방식의 시추기를 사용하여 확인보링을 실시하였다. 이를 통해 각 심도별 CMD-SOIL의 시편을 채취하고, 압축강도를 측정하였다. Table 5에는 채취한 시편의 압축강도를 현장 배합시험 결과와 비교하여 나타내었고, Fig. 10에는 각 현장에서의 채취심도별 압축강도를 나타내었다.
Table 5.
Compressive strength of CMD-SOIL in the field
확인보링을 통해 각 현장에서 채취한 CMD-SOIL의 시편에 대한 압축강도를 측정한 결과, 현장에서의 기준강도와 비교하여 site 1의 경우 약 1.92∼3.97 배, site 2의 경우 약 1.67∼5.03 배, site 3의 경우 약 1.2∼1.39 배 높은 압축강도를 나타내었다. 이러한 결과를 토대로 판단할 때 CMD-SOIL의 경우 다양한 지층조건에서도 항만구조물의 안정성 확보를 위해 요구되는 압축강도의 발현이 가능하므로 심층혼합공법용 지반개량재로의 활용은 가능한 것으로 판단된다. Fig. 11에는 국내 및 일본에서의 심층혼합공법의 적용결과와 본 연구에서의 결과를 비교하여 나타내었다. 연구결과에 따르면 일본에서의 포틀랜드 시멘트(portland cement)와 고로슬래그 시멘트(slag cement)를 사용한 심층혼합공법의 적용결과, 실내 배합시험을 통해 산정된 설계기준강도에 대한 현장에서의 압축강도의 비(λ)는 1.0을 나타내나, 국내의 경우 2/3 수준을 나타내는 것으로 조사되었다(Jeong et al., 2008; Ko et al., 2016). 그러나 본 연구에서는 CMD-SOIL의 적용에 따른 가장 위험한 상태를 검토하고자 실내 배합시험에서 산정된 설계기준강도(site 1의 경우 2.995 MPa, site 2의 경우 2.585 MPa, site 3의 경우 4.090 MPa)에 대한 각 현장의 최소 압축강도의 비(λ)를 산정하여 검토하였다. 검토결과, site 1의 경우 1.10, site 2의 경우 1.29, site 3의 경우 0.59로 현장에 따라 차이를 나타내었다. 그러나 시멘트를 사용한 기존의 연구결과와 비교할 때 큰 차이를 나타내지 않아 재료로 인한 적용성의 차이는 없는 것으로 판단된다. 따라서 심층혼합공법으로 형성된 개량체의 압축강도에 영향을 미치는 흙의 종류, 패각의 존재 여부, 염분 함유량 등에 대한 추가적인 검토가 이루어진다면 시멘트를 대체하여 CMD-SOIL을 심층혼합공법용 지반개량재로써 충분히 사용할 수 있을 것으로 판단된다.
4. 결 론
본 연구에서는 탄소중립을 달성하기 위한 사회적 노력의 일환으로 재활용 필요성이 높아지고 있는 순환자원을 재활용하여 시멘트와 유사한 경화반응을 유도할 수 있는 CMD-SOIL을 심층혼합공법용 지반개량재로 사용하는 경우에 대하여 현장에서의 적용성을 평가하고, 시멘트의 대체 가능성을 판단하기 위해 전라북도 내의 새만금 지역, 전라남도 완도군 노화도 일원, 경상남도 창원시 진해구 일원, 총 3개소에 적용하고, 현장에서의 배합시험과 확인보링을 통한 압축강도 측정 및 적용결과의 분석을 통해 다음과 같은 결론을 도출하였다.
(1) CMD-SOIL을 심층혼합공법용 지반개량재로 사용하기 위해 현장의 원위치에서 배합시험을 실시한 결과, 28일간 양생한 상태에서의 압축강도는 site 1의 경우 3.16∼3.66MPa, site 2의 경우 5.13∼5.27MPa, site 3의 경우 2.92∼3.85MPa로 각 현장의 설계기준강도인 1.7∼2.0MPa 대비 1.46∼2.64배 높은 압축강도를 나타내어 항만구조물의 안정성 확보에 요구되는 압축강도의 확보가 가능한 것으로 분석되었다.
(2) 현장에서의 배합시험을 통해 산정된 CMD-SOIL의 양생 7일에 대한 양생 28일에서의 압축강도의 비는 2.022로 고로슬래그 시멘트의 1.882와 비교할 때 큰 것으로 나타나 장기적인 측면에서 항만구조물의 안정성 확보에 시멘트보다 유리한 것으로 분석되었다.
(3) 각 현장에서 CMD-SOIL을 사용하여 시공한 후 28일이 경과한 시점에 확인보링을 실시하여 압축강도를 측정한 결과, CMD-SOIL의 압축강도는 설계기준 강도와 비교하여 site 1의 경우 약 1.92∼3.97배, site 2의 경우 약 1.67∼3.06배, site 3의 경우 약 1.2∼1.39배 높은 압축강도를 나타내어 다양한 지층조건에서도 설계강도 이상의 압축강도 발현이 가능한 것으로 확인되어 심층혼합공법용 지반개량재로써의 활용은 가능한 것으로 판단된다.
(4) CMD-SOIL에 대하여 실내 배합시험에서 산정된 설계기준강도를 기준으로 현장에서의 압축강도의 비(λ)를 산정한 결과, site 1의 경우 1.10, site 2의 경우 1.29, site 3의 경우 0.59로 현장에 따라 차이가 있으나 시멘트를 사용한 기존의 연구결과와 비교할 때 유사한 결과를 나타내어 현장에서의 재료로 인한 적용성의 차이는 없을 것으로 판단된다.
(5) 심층혼합공법을 통해 형성된 개량체의 경우, 흙의 종류, 패각의 존재 여부, 염분 함유량 등 다양한 현장 요인에 따라 압축강도의 발현이 변화하므로, 이에 대한 추가적인 검토가 이루어진다면 시멘트를 대체하여 CMD-SOIL을 심층혼합공법용 지반개량재로 사용할 수 있을 것으로 판단된다.
