1. 서 론
우리나라의 경우 1970년부터 급격한 경제성장과 산업화를 이룩함에 따라 안정적인 전력공급을 통해 시민들이 편리한 생활을 유지할 수 있도록 많은 화력발전소를 건설하였다. 대부분의 화력발전의 경우, 유연탄(Bituminous coal)과 같은 고품위탄을 연료원으로 사용하기 때문에 자원 채취에 따른 환경문제가 야기되고 있다. 최근에는 환경 문제를 해결하기 위해 저품위탄인 아역청탄(Subbituminous coal)을 사용할 수 있으며, 연료의 종류, 수분 함유량 등의 재료에 의한 영향이 적고, 고유황탄(High-sulfur coal), 고형연료(SRF, Solid refuse fuel) 등 다양한 가연성 물질을 연료로 활용이 가능한 순환 유동층 보일러 연소방식의 화력발전소 설치가 증가하고 있다(Woo, 2015). 그러나 순환 유동층 보일러의 연소과정에서 발생하는 비산회(Fly ash)의 경우, 기존의 고품위탄을 사용하여 발생한 비산회와 비교하여 유리 석회(Free CaO)와 삼산화황(SO3)의 함량이 높으며, 국내의 표준산업규격(KS L 5405)에 제시된 기준을 충족하지 못하는 문제로 인하여 재활용에 어려움을 겪고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 순환 유동층 보일러의 연소재를 철강 제조과정에서 산업부산물로 발생하고 있는 고로슬래그의 알칼리 활성화 반응의 자극제로 활용한 시멘트 대비 동등 이상의 성능을 나타내어 지반의 안정성을 확보할 수 있는 새로운 심층혼합공법용 지반안정재를 개발하였다(Seo et al., 2018). 그러나 개발된 지반안정재는 흙의 종류와 굴패각 함유율 등 현장의 조건으로 인해 압축강도의 발현이 다르게 나타나므로 지반안정재를 적용하고자 하는 경우에는 현장의 흙에 대해 배합시험을 실시하여 공학적 안정성의 확보가 가능한 단위안정재량(Unit weight of binder, γB)을 결정하는 것이 필요하다. 이러한 문제를 해결하고자 실내시험을 통해 부산, 여수, 인천지역에서 채취한 점토와 지반안정재를 혼합한 재료에 대해 배합시험을 실시하여 설계기준강도를 토대로 안정성의 확보가 가능한 단위안정재량(γB)을 산출할 수 있는 식을 도출하였다(Seo, et al., 2019). 본 연구에서는 새만금 지역을 대상으로 연약지반을 개량하기 위해 순환자원 활용 지반안정재를 사용하여 실내 배합시험을 실시하였고, 시험결과를 분석하여 기존의 연구에서 도출된 단위안정재량(γB)과 일축압축강도(qu)의 상관관계를 비교하였다. 또한 현장에서의 시험시공 결과를 분석하여 순환자원 활용 지반안정재에 대한 현장에서의 안정성을 평가하였다.
2. 실내 배합시험
2.1 사용재료
2.1.1 지반안정재
순환 유동층 보일러의 발전과정에서 발생하는 고칼슘 연소재는 국내 산업기준인 “플라이 애쉬(KS L 5405)”에 제시된 물리･화학적 성능을 만족시키지 못해 재활용에 어려운 문제가 있다. 그러나 고칼슘 연소재는 유리 석회(Free CaO) 및 삼산화황(SO3)을 포함하고 있어, 고로슬래그의 자극제로 사용하는 경우 Fig. 1에 나타낸 것과 같이 알칼리 활성화 반응을 유도할 수 있고, 흙 재료와 혼합하는 경우 시멘트와 비교하여 동등 이상의 강도를 발현할 수 있다. 이러한 특성을 활용하여 본 연구에서는 순환유동층 보일러의 발전부산물로 칼슘의 함유량이 높은 연소재와 고로슬래그 미분말을 이용하여 개발한 심층혼합공법용 지반안정재를 사용하였다. Table 1에는 본 연구에 사용된 심층혼합공법용 지반안정재에 대한 XRF(X-ray fluorescence) 분석결과를 현재 심층혼합공법의 지반안정재로 사용되고 있는 고로슬래그 시멘트(Blast furnace slag cement)와 비교하여 나타내었다. XRF 분석결과, 심층혼합공법용 지반안정재는 고로슬래그 시멘트와 비교하여 산화칼슘(CaO)과 이산화규소(SiO2), 산화알루미늄(Al2O3)등 고로슬래그 시멘트와 거의 유사한 화학조성을 나타내었다. Table 2에는 OECD의 Test Guideline No. 203에 제시된 방법을 사용하여 수행한 어독성 시험결과를 비교하여 나타내었다(OECD, 2019). 어독성 시험결과에서 심층혼합공법용 지반안정재의 치사율은 0%로 나타났고, 치사율 30%를 나타낸 고로슬래그 시멘트보다 환경적 측면에서 안정한 것으로 나타났다.
Table 1. Chemical constituents of materials
| Material | Chemical constituents | ||||||
| CaO | SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | MgO | SO3 | Loss | |
| Soil stabilizer | 51.80 | 25.50 | 10.40 | 0.72 | 2.22 | 7.75 | 1.61 |
| Blast furnace slag cement | 55.60 | 24.90 | 9.55 | 1.63 | 2.70 | 3.95 | 1.67 |
Table 2. Result of fish, acute toxicity test
| Material | Population of asiantic ricefish |
Fatality rate | |||||
| Initial | 3hr | 24hr | 48hr | 72hr | 96hr | ||
| Soil stabilizer | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 | 0% |
| Blast furnace slag cement | 10 | 10 | 10 | 10 | 9 | 7 | 30% |
2.1.2 원지반토
심층혼합공법의 경우, 시공과정에서 오거(Auger)로 지반을 굴착한 후 지반안정재와 흙 재료를 혼합하기 때문에 흙 재료의 종류 및 특성에 따라 압축강도가 다르게 발현될 수 있다. 따라서 여러 위치에서 흙을 채취하여 실내시험을 실시하는 것이 바람직하다. 그러나 본 연구에서는 부산, 여수, 인천지역에서 채취한 점토(Clay)와의 비교검토를 위해 새만금 지역에 전체적으로 분포하고 있는 점토를 채취하여 사용하였고, Table 3에는 사용된 점토의 물리적 특성을 정리하여 나타내었다.
Table 3. Physical properties of soil
| Location |
Gravity specific |
Liquid limit (%) |
Plastic limit (%) | Particle size distribution | USCS | |||
| 4.75mm | 2.00mm | 0.425mm | 0.075mm | |||||
| Saemangeum | 2.670 | 28.4 | 12.3 | 100 | 98.0 | 65.9 | 51.9 | CL |
2.2 시험조건
2.2.1 시편 제작
심층혼합공법에 사용되는 지반안정재를 흙 재료와 혼합하는 경우, 혼합재료의 압축강도는 일반적인 흙 재료와 비교하여 큰 압축강도가 발현되기 때문에 “흙 시멘트의 압축강도 시험방법(KS F 2328(2017))”에 제시된 시험방법을 적용하였다. 이에 따라 본 연구에서는 KS에 제시된 시험방법을 참조하여 새만금 지역에서 채취한 점토를 심층혼합공법용 지반안정재와 혼합한 후 직경(D) 5cm, 높이(H) 10cm 크기의 몰드에 혼합재료를 채우고, A다짐에 해당하는 다짐에너지를 가하여 시편(Specimen)을 제작하였다. 시편을 제작한 후에는 성형칼(Spatula)를 사용하여 몰드 상부의 표면을 정리하였고, 20±3°C의 온도와 95% 이상의 습도를 유지할 수 있는 항온항습기를 사용하여 7일, 14일, 28일간 양생한 후 시료를 추출하여 일축압축시험에 사용하였다.
2.2.2 배합 조건
심층혼합공법의 경우, 통상적으로 지중 설계심도까지 교반기를 관입한 후 인발시 지반안정재 혼합액을 지반에 분출시켜 흙과 기계적으로 교반하는 방법이 적용되며, 원지반토의 자연함수비가 40∼200%일 때 안정재 투입량을 100∼500kg/m3을 일반적으로 주입하고 있다(Park, 2017). 본 연구에서는 새만금 지역에서 채취한 점토의 물리적 특성과 함수비를 고려하여 실내 배합강도인 2,500kPa 이상을 확보할 수 있도록 단위안정재량(γB)을 150∼230kg/m3으로 적용하였다. 또한 물/안정재비(Water/Binder, W/B)는 현장에서 일반적으로 적용하고 있는 70%와 80%를 적용하였고, 양생일에 따른 강도변화를 파악하기 위해 7일, 14일, 28일간 양생 조건을 적용하였다. 재료의 혼합에는 현장에서 채취한 pH 8.2, 염분농도 23.2%의 해수를 사용하였다. Table 4에는 배합 조건을 정리하여 나타내었다.
Table 4. Mixing condition of materials
| Location | Soil | Water |
Unit weight of binder (kg/m3) |
Water/Binder (%) |
Curing time (Days) | ||
| Type | Moisture Content (%) | pH | Salinity (%) | ||||
| Saemangeum | Clay | 30, 40 | 8.2 | 23.2 | 150, 170, 200, 230 | 70, 80 | 7, 14, 28 |
3. 시험결과 및 분석
3.1 실내시험 결과
새만금 지역에서 채취한 점토를 상기의 Table 3에 나타낸 것과 같은 배합 조건으로 심층혼합공법용 지반안정재를 혼합한 후 양생 7일, 14일, 28일에 대한 일축압축시험을 실시하였고, Table 5와 Fig. 2∼3에는 시험을 통해 얻어진 일축압축강도(qu, Uniaxial compressive strength)를 정리하여 나타내었다.
Table 5. Test result of uniaxial compressive strength
Table 4와 Fig. 2∼3에 나타낸 일축압축강도를 분석한 결과, 양생 28일을 기준으로 모든 함수비(ω)와 물/안정재비 조건에서 실내 배합강도인 2,500kPa 이상의 일축압축강도를 확보하기 위해서는 지반안정재를 200kg/m3 이상 적용하여야 하는 것으로 나타났다. 또한 지반안정재를 새만금 지역의 점토와 혼합한 경우 물/안정재비(W/B)가 70%가 적용된 개량토의 압축강도가 물/안정재비(W/B) 80%가 적용된 개량토에 비해 평균적으로 7∼10% 큰 것으로 분석되었다. 이러한 결과는 부산, 여수, 인천지역에서 채취한 흙 재료를 지반안정재와 혼합한 경우에 대해 일축압축강도를 측정한 결과, 평균적으로 5∼10%를 나타내었던 기존의 연구결과(Seo et al., 2019)와 유사한 결과를 보이는 것으로 나타났다.
3.2 기존 연구와의 비교 검토
부산, 여수, 인천지역에서 채취한 점토를 순환자원 활용 지반안정재와 혼합하여 현장에 적용하는 경우, 지반안정재의 적정 투입량을 결정하기 위해 단위안정재량(γB)과 양생 28일에 해당하는 일축압축강도(qu)의 상관관계를 도출한 기존의 연구결과(Seo et al., 2019)를 본 연구결과와 비교하여 Fig. 4∼5에 나타내었다.
기존의 연구에서 단위안정재량(γB)과 일축압축강도(qu)의 상관관계는 물/안정재비(W/B)가 70%인 경우, γB=(108.93+0.0284qu)±35, 물/안정재비(W/B)가 80%인 경우, γB=(122.93+0.0270qu)±40인 것으로 도출되었다. 이러한 관계에 본 연구에서 실내시험을 통해 얻어진 단위안정재량(γB)에 대한 일축압축강도(qu)를 적용한 결과, 동일한 단위안정재량을 적용한 다른 지역의 시험결과와 비교하여 작은 일축압축강도를 나타내었으나, 부산, 여수, 인천지역에서의 연구를 통해 도출된 단위안정재량(γB)과 일축압축강도(qu)에 대한 상관관계를 모두 만족하는 것으로 나타났다.
3.3 현장에서의 시험시공
3.3.1 현장의 위치
순환자원 활용 지반안정재를 실제 현장에 적용하는 경우, 지반안정재가 현장의 흙 재료와 충분히 반응하고, 충분한 압축강도의 발현이 이루어지는 지 확인하기 위해 현장에서의 시험시공을 실시하였다. 해당 현장은 전라북도내 새만금 지역에서의 OO건설공사 현장으로 구조물 하부의 안정성을 확보하기 위해 심층혼합공법(DMM, Deep mixing method)의 재료로 순환자원 활용 지반안정재를 2곳의 지역(Site 1, 2)에 적용한 현장이고, Fig. 6에는 해당지역의 위치와 지층 조건을 나타내었다.
3.3.2 시험시공 조건
일반적으로 보통 포틀랜드시멘트(OPC, Ordinary portland cement)와 고로슬래그 시멘트를 심층혼합공법에 적용하는 경우, 지중에 설치되는 개량체는 균질한 강도를 가진 기둥(Column)으로 가정하고, 실내 배합시험에서의 일축압축강도(qur)에 대한 현장에서의 일축압축강도(quf)의 비(λ)는 동일한 것으로 가정한다. 그러나 현장에서는 실제의 시공에서는 사용되는 시공기계 및 중첩의 영향으로 인해 균질하지 않은 개량체가 형성될 수 있다(Ministry of oceans and fisheries, 2017). 기존의 연구결과에 따르면 심층혼합공법을 적용한 현장에 대해 실내 배합강도와 현장강도의 비(λ)를 분석한 결과 0.29∼0.85의 범위를 보이는 것으로 나타났고, 일본의 경우에는 0.5∼1.0의 범위를 보이는 것으로 나타났다(Jeong et al., 2008; Kitamzume and terashi, 2013). 이에 따라 실내 배합시험에서의 일축압축강도와 현장에서의 일축압축강도의 비(λ)는 2/3를 적용할 것을 제시하였다(Coastal Development Institute of Technology, 1999). 따라서 본 연구에서는 실내 배합강도와 현장강도의 비(λ)를 실내 배합강도는 2,500kPa의 68%에 해당하는 1,700kPa을 해당 현장의 기준강도로 적용하였다. 현장의 기준강도를 토대로 부산, 여수, 인천지역에 대해 실시하였던 기존의 연구(Seo et al., 2019)에서 도출된 단위안정재량(γB)과 일축압축강도(qu)와의 상관관계를 통해 단위안정재량을 산정한 결과, 물/안정재비(W/B)가 70%인 경우, 157.2±35kg/m3, 물/안정재비(W/B)가 80%인 경우 168.8±40kg/m3을 적용하여야 한다. 그러나 시공현장에서는 단위안정재량(γB)은 주변지역에서의 시공사례 및 지층 조건, 흙 재료의 물리적 특성, 현장에서의 시공시 교란으로 인한 영향 등 다양한 조건으로 인하여 구조물의 안정성이 저하될 것을 우려하여 설계과정에서 구조물의 안정성을 최대한 확보할 수 있도록 230kg/m3으로 일괄 적용하였고, 물/안정재비(W/B)는 80%만을 적용하였다. Table 6에는 현장에 적용된 조건을 정리하여 나타내었다.
Table 6. Condition of field test
| Location | Soil | Criteria strength (kPa) | Unit weight of binder (kg/m3) | Water/Binder (%) | Curing time (Days) |
| Saemangeum | Clay | 1,700 | 230 | 80 | 28 |
현장적용이 이루어진 후에는 Fig. 7에 나타낸 것과 같이 양생 28일에 보링(Boring)을 실시하여 시편을 채취하고, 일축압축시험을 실시하여 순환자원 활용 지반안정재가 혼합된 개량토의 강도발현 여부를 확인하였다.
3.3.3 시험시공 결과
현장에서 시추(Boring)를 통해 채취한 시편에 대해 일축압축시험을 실시한 결과를 Table 7에 정리하여 나타내었고, Fig. 8에는 실내 배합시험 결과와 비교하여 나타내었다.
시험결과, 현장에서 채취한 모든 시편의 일축압축강도(qu)는 3,280∼6,750kPa로 현장의 기준강도인 1,700kPa보다 약 1.93∼3.97배 큰 값을 나타내어 기준을 만족하였다. 그리고 함수비(ω) 40%, 물/안정재비(W/B) 80%의 경우에 대해 실내 배합시험을 수행한 결과인 2,995kPa과 비교하여 약 1.10∼2.25배 큰 값을 나타내었고, 개량심도가 깊어질수록 일축압축강도는 전반적으로 증가하는 경향을 보여 심층에서의 강도증가 효과가 우수한 것으로 나타났다. 이를 토대로 판단할 때 주변지역에서의 시공사례 및 지층 조건, 흙 재료의 물리적 특성, 현장에서의 시공시 교란으로 인한 영향 등 다양한 조건을 고려하지 않고, 심층혼합공법의 안정재로 주로 사용되고 있는 고로슬래그 시멘트와 같이 실내 배합강도와 현장강도의 비(λ)를 1.0으로 적용하는 경우에서도 강도 측면에서 구조물의 안정성을 충분히 확보할 수 있는 것으로 분석되었다.
Table 7. Test result of uniaxial compressive strength in the field
4. 결 론
본 연구에서는 새만금 지역에서 채취한 점토에 대해 실내시험을 실시하여 부산, 여수, 인천지역에서 채취한 점토에 대해 실내시험을 실시하여 도출한 단위안정재량(γB)과 일축압축강도(qu)에 대한 상관관계를 비교하였고, 현장에서의 시험시공 결과를 분석하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
(1) 순환자원 활용 지반안정재를 새만금 지역에서 채취한 점토와 혼합한 후 실내 배합시험을 실시하여 일축압축강도(qu)를 측정한 결과, 물/안정재비(W/B)가 70%인 경우의 일축압축강도는 물/안정재비가 80%인 경우에 비교하여 7∼10% 큰 것으로 나타났고, 이는 5∼10%의 차이를 나타내었던 부산, 여수, 인천지역에서 수행한 연구결과와 비교하여 유사한 결과를 보이는 것으로 나타났다.
(2) 실내시험 결과를 부산, 여수, 인천지역에서 채취한 점토에 대하여 도출한 단위안정재량(γB)과 일축압축강도(qu)의 상관관계를 비교검토한 결과, 모든 물/안정재비(W/B)에서 도출된 단위안정재량(γB)과 일축압축강도(qu)의 상관관계를 만족하는 것으로 나타났다.
(3) 순환자원 활용 지반안정재에 대해 현장에서 시험시공을 실시한 후 시편을 채취하여 분석한 결과, 일축압축강도는 현장의 기준강도에 비해 1.93∼3.97배, 실내 배합시험을 통해 얻어진 일축압축강도에 비해 1.10∼2.25배 큰 값을 나타내어 국내의 일반적인 설계사례에서와 같이 실내 배합강도와 현장강도의 비(λ)를 1.0으로 적용하여도 구조물의 안정성을 충분히 확보할 수 있을 것으로 판단된다.
