KR100367688B1 - 포졸란 반응을 이용한, 자가형성 및 자가치유 특성이우수한 폐기물 매립장 복합 차수층 시공방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폐기물 매립장의 기초 지반 위에 침출수 유출 등을 방지하기 위한 복합 차수층을 시공하는 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따라 매립장 바닥면과 법면에 일정 두께의 고화토층을 형성하여 차수벽을 설치하는 방법에 있어서, 고화토 제조의 전 단계로 현장토에 미생물 균주를 접종하여, 현장토의 표면에 대전된 상태로 존재하여 토립자와 시멘트계 광물질 간의 접촉을 방해하고 양자 간의 결합 및 고화를 위한 포졸란 반응(Pozzolanic reaction)을 저해하는 휴민산(humic acid) 등의 유기물질을 단시간 내에 분해제거함으로써, 강도 특성과 투수 특성이 모두 우수한 복합 차수층을 시공할 수 있으며, 본 발명에 따라 시공된 복합 차수층은 손상시 자가형성 및 자가치유할 수 있는 능력이 매우 우수하다.

Description

포졸란 반응을 이용한, 자가형성 및 자가치유 특성이 우수한 폐기물 매립장 복합 차수층 시공방법{CONSTRUCTION OF A BARRIER LAYER HAVING EXCELLENT SELF-SEALING AND SELF-HEALING PROPERTIES IN ORGANIC WASTES-RECLAIMED LANDS VIA POZZOLANIC REACTION}

본 발명은 폐기물 매립장의 기초 지반 위에 침출수 유출 등을 방지하기 위한 복합 차수벽을 시공하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 차수층 형성 재료에미생물 균주를 접종하여 발효시켜 차수벽 형성 토양 내의 휴민산(humic acid) 등을 제거하고난 후 포졸란 반응을 일으킴으로써, 강도 특성과 투수 특성이 모두 우수하고 자가치유 및 자가형성능이 탁월한 복합 차수벽을 시공하는 방법에 관한 것이다.

환경오염원으로 큰 부분을 차지하는 각종 쓰레기 또는 산업 폐기물은 보통 매립장에 매립함으로써 최종 처리되는 경우가 많다. 국내 쓰레기 매립장은 대규모의 부지를 조성할 수 있는 해안의 연약 지반상에 시공되는 경우가 많으며, 이때 연약 지반내에 침출수 집수시설의 설치를 용이하게 하고 지반의 차수효과를 증진시키기 위하여 시멘트계 고화재를 바닥 차수재로서 포설하는 사례가 많이 있다. 또한 내륙에 소재하는 매립장의 경우에도 점토 차수재료를 현장과 인접한 곳에서 구하기 어려운 경우가 많아 시멘트계 고화재를 대체 차수재로 이용하는 경우가 많다. 해안 연약 점토의 경우 매립되는 쓰레기 하중으로 인한 원지반 침하가 발생하게 되며 포설된 고화재의 강성이 연약 지반 점토의 강성보다 큰 관계로 쓰레기 하중을 대부분 고화토 차수층이 받아 여기에 크랙이 발생할 가능성이 크다. 종래의 기술에서 가장 큰 문제점은 건조수축 균열, 시공이음균열 등 균열이 발생하면서 폐기물에 함유되어 있는 오염물질이 매립장으로 유입되는 우수 및 지하수가 폐기물과 접촉한 후 오염물질이 매립장 밖으로 유출되어 지하수 오염 및 토양 오염을 일으키는 것이었다.

종래의 매립장 차수층 고화처리 방법은, 매립장 건설시 발생하는 현장토를 활용하여, 여기에 시멘트, 탄산칼슘 등에 고화제를 혼합한 것을 부어 다짐하여 고화 처리하는 방법 (한국특허공개 99-74738호 참조), 및 현장토에 폐주물사, 플라이애쉬, 폐석회 또는 폐석고 등에 고화제를 혼합한 것을 부어 다층으로 고화 처리하는 방법(한국특허공개 98-2465호 참조) 등이 제시되어 있다.

차수층 형성 방법은 일정 수준의 압축 강도 및 불투수 특성을 지니는 고화토 층을 차수벽으로 이용하는 방법으로, 상기 종래의 방법은 유기물이 함유된 현장토를 세정없이 그대로 사용하기 때문에 고화처리시 현장토의 토립자와 시멘트간의 고결 반응이 원활히 진행되지 않는다는 것과, 유실과 같은 분리 현상을 초래하여 기온변화에 따라 팽창 및 수축에 의한 균열이 발생한다는 문제점이 있었다. 상기 문제점을 보완하기 위하여 고화토 차수층 위에 합성수지 차수시트를 이용 시트라이닝(sheet lining) 방법을 추가하고 있지만, 이 방법 역시 시공시나 쓰레기 매립시 중기의 주행 등으로 차수시트의 손상이 발생되기 쉽고 손상위치의 발견 및 복구가 어려운 문제점이 있다. 이들 종래의 방법 모두가 연약지반 상에 이용될 경우 필연적으로 발생하는 부등침하에 기인하여 차수층 손상이 유발되며 이 경우 보수는 현실적으로 불가능한 상태이므로 침출수에 의한 매립장 주변 및 지하수가 오염된다. 따라서, 이들 종래의 방법에 의하면 폐기물관리법 처리시설 설치기준의 투수계수(1 ×10-7 cm/sec)를 계속적으로 확보하기에는 여러 가지의 문제점이 있다.

상기 종래기술의 건조과정에 있어서 고화토 표층의 크랙을 방지하기 위하여 여러 가지의 고결 침투액을 사용하는 방법이 시도되었으나 크랙 방지효과가 여전히 충분하지 못했다.

앞에서 설명한 종래의 기술은 일정 수준의 압축강도 및 불투수특성을 지지는 고화토층을 차수층으로 이용하고자 한 것으로, 그 효과를 감안하여 볼 때 고화토층을 두껍게 형성하여야 한다. 따라서, 공사비가 많이 소요될 뿐만 아니라 시공상의 불리한 측면이 있고 특히 압축강도 및 투수계수를 확보하기에는 무리가 있었으며, 현실적으로 통상 사용되고 있는 다짐용 시공장비의 다짐효과를 감안할 때 고화토의 혼합, 포설, 다짐의 과정을 통해서 시설관리 기준의 투수계수를 얻기에는 기술적 개선요인이 많았다.

본 발명자들은 토립자 표면에 대전된 상태로 존재하여 토립자와 시멘트계 광물질 간의 접촉을 방해하고 양자간의 결합 및 수산 반응을 저해하는 휴민산(humicacid)을 미생물 분해에 의해 제거하고 난 후 포졸란 반응을 진행시키는 것에 의해 종래의 방법의 문제점을 해결할 수 있음을 알고, 본 발명을 완성하게 되었다.

본 발명은 기계적 강도는 물론이고 투수계수가 매우 작고 표면 크랙 등이 자가치유되어 침출수의 유출을 완전하게 차단할 수 있는 새로운 쓰레기 매립장 차수벽 설치공법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 복합 차수층 시공 방법에서의 차수층의 형성원리를 보여주는 개념도이고,

도 2는 본 발명에 따라 형성되는 복합 차수층의 단면도이고,

도 3은 본 발명에 따른 복합 차수층 시공 방법에서 자가형성 및 자가치유의 기본개념도를 나타내고,도 4는 본 발명의 방법에 따른 복합차수층 시공 과정을 보여주는 공정도이고,도 5는 본 발명에 사용되는 휴민산 제거용 생물반응기의 한 예의 개략도이다.

본 발명에서는, 상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 매립장 바닥면과 법면에 일정 두께의 고화토층을 형성하여 차수벽을 설치하는 방법에 있어서, 고화토 포설 전에 차수벽 형성용 토양에 미생물 균주를 접종하여, 토양 표면에 대전된 상태로 존재하여 토립자와 시멘트계 광물질 간의 접촉을 방해하고 양자 간의 결합 및 고화를 위한 포졸란 반응을 저해하는 휴민산을 단시간에 분해한 다음, 처리된 토양에 포졸란 반응(pozzolanic reaction)을 일으키는 고화재를 혼합하여 고화토를 얻고, 이를 차수벽 설치 장소에 다층 시공한 후 표층처리 및 양생하는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.

이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

본 발명에 따르면 두 층의 포졸란 반응 차수층 경계면에서 규산칼슘 수화물이 생성되어, 이에 의해 불투수차수막 씰(seal)층이 형성되며, 포졸란 반응에 따라차수층이 초기에 자가형성되고, 시공후 여러요인으로 인해 크랙, 지반침하, 파이핑 현상 등이 발생한 경우 실리카계 무기물과 석회계 무기물이 중심을 이루어 수화반응에 의해 새로운 포졸란반응 물질이 용출되어 크랙 등이 자가치유 복구되어, 침출수 유출이 초기에 차단될 수 있는 새로운 쓰레기 매립장 차수층 설치공법이 제공된다.

본 발명에 따른 쓰레기 매립장의 차수층 시공방법을 본 명세서에 첨부된 도 4를 참조로 하여 보다 상세히 기술한다. 아울러, 본 발명에 따른 복합 차수층 시공 방법에서의 차수층의 형성원리를 보여주는 개념도를 도 1에, 본 발명에 따라 형성되는 복합 차수층의 단면도를 도 2에, 본 발명에 따른 복합 차수층 시공 방법에서 자가형성 및 자가치유의 기본개념도를 도 3에 나타내었다.

(지반토 정리 및 토사의 분쇄 및 선별)

우선, 매립장 건설 지반을 터파기하여 원 지반 위에 바닥면과 법면을 형성한다. 터파기에 의해 생긴 현장토를 선별, 분쇄한 후, 현장에 설치된 고속발효-생물반응기 또는 생분해 베드(bed)에 투입하여 균주와 영양제를 주입한 다음, 교반하면서 송풍하여 미생물이 활성화되도록 최적의 조건을 만들어 방치함으로써 현장토에 포함된 각종 유기물을 단시간 내에 분해시킨다. 분해는 현장 조건에 따라 통상 5 내지 55 ℃ 범위의 온도에서 1 내지 16 시간 동안 수행한다. 현장토가 차단층 형성 재료로 사용하기에 부적절한 경우, 외부에서 적절한 토양을 준비하여 투입, 혼합한 후 처리할 수도 있다.

선별공정은 통상의 공지된 방법에 따라 스크리닝(screening) 또는 스테빌라이저 분쇄 등에 의해 수행된다.

발효-분해 베드에서 차단층 형성 토양에 주입되는 균주는, 기본적으로 본 출원인이 특허권자인 한국 특허 제134204호에 개시된 바와 같은 바실러스속 균주(KHR-10-MX), 셀룰로모나스속 균주(KHR-15-MX) 및 복합균주(KHR-5-MX)로 구성된 군 중에서 선택된 적어도 하나이며, 영양제로는 아미노산, 비타민, 미네랄, 칼슘 등 미생물 균주의 성장에 필요한 영양 성분들을 당분야에 공지된 적절한 범위의 양으로 사용할 수 있다.

토양 중의 유기물에는 생물체와 부식질(humin)이라고 정의되는 물질이 포함되는데, 이 부식질은 식물, 동물과 같은 유기물이 미생물에 의해 분해됨으로서 생성된다. 이 부식질은 주요 성분이 휴민산(humic acid)으로 구성되어 있으며, 휴민산은 토양에 함유된 아민 중 pH 1에서 침전하는 것으로 분자량이 수 천 내지 수 십만 범위에 걸쳐 있으며 폴리헤테로축합체에 히드록시벤젠, 퀴논, 방향족 카복실산, 케톤, 아미노산 등이 결합된 무정형 대분자로 여겨지고 있는 물질로서, 시멘트의 수화반응에 의해 생성되는 수산화칼슘과 반응해서 휴민산칼슘을 생성하고 이러한 생성물이 수화되지 않은 시멘트 입자를 덮어 시멘트의 수화반응을 저해함으로써 이온교환작용으로 토양의 고결화를 막는데 결정적인 영향을 미친다.

따라서, 쓰레기 매립장의 차수층 고결화 방법에 있어서, 이 휴민산의 제거가 매우 중요하며, 본 발명에 따르면 종래 기술에서 해결하지 못한 유기물 제거기술을 이용하여 고결 효과를 개선하고 포졸란 반응에 의해 차수층의 자가형성, 자가치유를 달성한다.

본 발명에 따른 부식질 제거용 미생물 균주의 접종에 의해 토양은 발효, 분해 작용이 일어나게 되며, 이 발효과정에서는 미생물 대사과정(분해작용)을 통하여 토양 중의 탄수화물, 단백질, 지방, 핵산 등이 안정된 저분자 유기물로 분해되며,최종 산물로 안정된 물질인 CO₂, H₂O, NO₃ ^-, SO₄ ^2-, CH₄, H₂S, NH₃등이 형성되며, 그 형성과정은 다음과 같다.

(1) 호기성 분해과정

(2) 혐기성 분해과정

(3) 탄수화물 분해

바실러스 서브틸러스와 같은 미생물은 아밀라제를 분비하여 탄수화물을 분해가 용이한 글루코스 6%, 말토스 30% 및 덱스트린 64% 등으로 분해하며, 형성된 단당류는 박테리아의 먹이가 되어 박테리아 증식의 기본요소가 되며, 박테리아는 단당류를 섭취하고 분열 증식하여 다시 아밀라제를 분비하게 된다. 결국 탄수화물은 미생물에 의해 분해되어 물과 탄산가스로 전환된다.

C₆H₁₂O₆--------→ 6CO₂+ 6H₂O + 685.5 kcal

(4) 단백질 분해

바실러스 서브틸러스 및 바실러스 폴리믹사와 같은 미생물은 단백질분해효소(protease)를 분비하여 단백질을 아미노산으로 변화시키고, 변환된아미노산은 상기 미생물을 증식시킨다. 결국 단백질은 미생물에 의해 분해되어 물, 탄산가스 및 암모니아 가스를 생성한다.

(5) 지방질 분해

로도슈도모나스 속과 바실러스 리체니포미스와 같은 미생물은 지방질 분해효소인 리파제(lipase)를 분비하여 지방분을 알콜과 지방산으로 분해하며, 이들은 다시 상기 미생물의 먹이가 된다. 결국 지방질은 미생물에 의해 분해되어 물과 탄산가스로 된다.

RO-OCR + H₂O ---→ ROH + R-COOH ---→ H₂O + CO₂

(6) 셀룰로스의 분해

트리코더마 비리드와 같은 미생물은 셀룰라제 효소를 강하게 분비하며, 이 셀룰라제 효소는 고분자 탄수화물 구조인 셀룰로즈(섬유질)의 비결정형 부분의 분자 구조를 공격하고 연결을 절단함으로써 분해가능한 단당류로 전환시킨다. 이 단당류는 미생물에 의해 가수분해되고 탄소의 대부분은 부식되어 남게 된다.

(7) 황화수소 가스의 분해

오토트로픽 박테리아류인 베기아토아세와 같은 미생물은 황화수소 가스를SO₄로 변환시키므로 이 미생물에 의해 황화수소 가스의 악취가 제거될 수 있다.

H₂S + H₂O ---→ H₂↑+ H₂SO₄

(8) 암모니아의 분해

니트로박터, 슈도모나스와 같은 미생물에 의해 암모니아는 NO₂로 변환되어, 암모니아의 악취 및 자극성이 제거될 수 있다.

(고화토 제조)

본 발명에 따르면, 이어서, 상기와 같이 미생물에 의해 정화된 토양에 고화재를 투입하고, 혼합 교반하여 고화토를 수득한다. 여기서 시멘트계 고화제의 고화과정을 요약하면, 다량의 에트린자이드를 생성하고 에드린자이드는 다량의 물을 결합수로 해서 함수비를 저하시키는 동시에 토립자의 이동을 구속하고 시멘트 결합이 용이한 상태를 만든다. 따라서 수산화칼슘, 규산칼슘 등에서 방출하는 Ca 는 토립자를 응집시킨다. 토립자는 응집, 고결화해서 사질토에 가까운 액상을 나타내고 규산칼슘의 수화물의 생성에 의해 강도가 상승하게 된다. 장기 재령에서는 흙에 포함되어 있는 SiO₂, Al₂O₃등의 가용성분이 Ca(OH)₂와 불용성의 수화물을 생성해서 경화된다. 이것을 포졸란 반응이라 한다.

고화재로는 당 분야에 포졸란 반응을 일으킬 수 있다고 공지된 것이면 어느 것이나 사용할 수 있다. 예를 들면, 강도 증진용 시멘트, 투수 저감용 벤토나이트, 반응차수층 형성을 위한 석회계 첨가제, 실리카계 첨가제 및 플라이애쉬 혼합물을 고화재 성분으로 사용할 수 있다.

상기 고화토의 조성은, 예를 들면 현장토(육상점토, 해성점토 등) 100부에 대해, 시멘트 10 내지 15 중량부, 벤토나이트 10 내지 15 중량부 및 생석회와 같은 석회계 첨가제 3 내지 5 중량부를 혼합 교반한 다음, 플라이 애쉬(fly ash)와 같은 분말상 고화제 3 내지 5 중량부를 첨가할 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.

혼합교반은 교반장치 또는 스테빌라이저(stabilizer)를 이용하여 수행할 수 있으며, 생성된 고화토의 최적 함수율은 13 내지 17% 정도가 적합하다. 현장 조건에 따라 상기 시멘트, 벤토나이트, 생석회, 포졸란제 등은 다양한 양으로 사용할 수 있으며, 2층 차수벽 형성시 하부 반응차수층은 생석회가 주되고 상부 반응차수층은 산화규소 성분이 주가 되도록 조성한다.

(포설, 다짐 및 두께 측정)상기 고화재-혼합된 정화토양, 즉 고화토를 시공 장소로 운반, 포설하고, 롤러(roller)로 다짐 작업을 수행한다. 이 때, 하부 반응차수층(lower reactive barrier)과 상부 반응차수층(upper reactive barrier)의 두 개의 층 혹은 그 이상의 층으로 설계 두께에 도달할 때까지 겹층 포설시공하며, 매 포설 완료 후 다짐 작업을 수행한다. 다짐 작업은, 고화토 포설 후 중장비 진동 롤러 또는 다짐판으로 종횡방향 또는 법면부의 좌우, 상하로 동시 계속적으로 전압 다짐을 실시함으로써 수행한다. 이때 레벨(level)을 비치하여 다짐 지반의 고저를 계측 확인하여 계획 지반 높이 및 시공 두께를 유지하도록 한다.

이 과정에서 고화토의 포졸란 반응이 이루어지며 지반의 압축강도가 증가되면서 차수층이 형성된다. 즉, 상기와 같이 포설된 상하부 차수층의 접촉면, 즉 계면에서는 비용해성 반응생성물을 형성하는 고결 반응이 일어나 차수층의 자가형성을 가능하게 하는데, 상기 반응생성물은 계면에서 이음매가 없는 연속적인 불투수층의 차수층을 형성하여 결과적으로 침출수와 오염물질의 이동을 차단하게 하고, 이러한 원리에 의해 생성된 차수층은, 외적인 요인에 의해 차수층이 손상된다 하더라도 두 개의 반응층이 새로이 접촉되어 다시 비용해성 반응생성물을 형성함으로써짧은 시간 내에 손상된 차수층이 자가치유될 수 있도록 해준다.

본 발명에서 이용하는 토양의 포졸란 반응에 대해 보다 상세히 설명하면, 현장토의 조립분을 구성하고 있는 광물인 석영, 장석, 운모 등의 광물로부터 분리된 결정체 또는 비결정체의 속에 포함된 실리카 및 알루미네이트 성분들이, 고화재로서 첨가된 석회와 흡착, 이온교환 및 포졸란 반응을 일으켜 규산석회 및 알루민산석회 수화물을 형성하여 토립자의 고결작용과 시멘트 처리토의 강도발현에 중요한 역할을 하며, 수화반응으로 인한 간극수 내의 pH 값의 증가로 고화제와의 결합이 촉진되어 시공 후 재령이 진행함에 따라 비교적 장기간에 걸쳐 규산칼슘, 케레나이트 수화물을 생성, 에트린자이드 등과의 결합으로 장기적으로 안정 고화되어 비표면적이 증대(1,000,000-500,000 cm/g)하여 인공 제올라이트의 작용을 하는 고화체가 된다. 또, 고화토는 서서히 경화되어 가면서 다양한 침착성 물질을 생성(자가형성)하여 씰(seal)층을 형성, 침출수 유출방지 역할을 한다. 이를 포졸란 반응이라 하며, 메카니즘은 다음 반응식과 같다.

Ca(OH)₂--→ Ca⁺⁺+ 2(OH)^-

Ca⁺⁺+ 2(OH)^-+ SiO₂(점토 실리카) -→ CaO.SiO₂.H₂O

Ca⁺⁺+ 2(OH)^-+ Al₂O₃(점토 알루미나) -→ CaO.Al₂O₃.H₂O

즉, 시멘트계 고화제에 의한 고화 과정에서는, 다량의 에트린자이트가 생성되며, 이 에트린자이트는 다량의 물을 결합수로 해서 함수비를 저하시키는 동시에토립자의 이동을 구속하고 시멘트 결합이 용이한 상태로 만든다. 수산화칼슘, 규산칼슘 등에서 방출하는 칼슘 이온은 토립자를 응집시킨다. 따라서 토립자는 응집, 고결화되어 사질토에 가까운 액상을 나타낸다. 규산칼슘 수화물의 생성에 의해 강도가 상승한다. 장기 재령에서는 토양에 포함되어 있는 실리카, 알루미나 등의 가용 성분이 수산화칼슘과 불용성의 수화물을 형성하여 경화된다.

고화제의 각 성분이 산화되어 토립자를 노출시켜 시멘트의 주성분인 칼슘의 작용이 직접 토립자와 토립자를 단립 고화시키게 된다. 이러한 조건은 모두 시멘트의 효과를 감소시키는 작용을 하게 된다. 따라서 시멘트 처리토에 있어서, 시멘트와 현장토간의 반응 과정 및 반응생성물의 종류는 함유 점토 광물에 의해 상당히 다르게 되므로 점성토를 대상으로 하는 경우에는 이를 충분히 이해하여야 한다.

(표층 처리 및 양생)

이어서, 고화토 층, 즉 상부 반응차수층의 표면에 함침 강화액을 분무하거나 도포하여 표층 처리하여 표층 강화 차수막을 형성한 다음, 이를 양생하여 쓰레기 매립장의 차수층을 시공을 완성할 수 있다.

함침 강화액은 규산소다(sodium silicate) 또는 합성 고분자 수지 분산액을 물에 1:1 내지 3의 부피비로 희석한 것으로, 고화토 층의 표면 1 m²당 0.1 내지 0.5 ℓ의 양으로 분무법 등에 의해 살포하며, 양생 시간동안 고화토 층의 표면으로부터 일정 깊이까지 함침액이 침투되어 고결되므로 차수층의 크랙방지 효과와 차수효과를 동시에 제공할 수 있다. 상기 합성 고분자 수지 분산액은 우레탄 수지와 같은 합성 수지와 분산제를 포함하는 것들을 이용할 수 있다.

상기 표층의 손상 위치 및 침출수의 누수 상태를 모니터링하기 위해서 본 출원인의 특허출원 제98-10399호에 기술된 누수 검지 시스템을 시공할 수도 있다.

양생은 상온, 예를 들면 18 내지 24 ℃ 범위의 온도에서 약 25 내지 30 일간 수행하는 수중양생법, 노출면에 가마니, 마포, 모래 등을 물에 적셔 덮거나 살수하는 습윤 양생, 공기 중에 그대로 방치시켜 양생하는 기건양생, 아스팔트 유제, 비닐 유제 등으로 표면에 불투수성 막을 만들어 수분 증발을 막는 막 양생, 단기간에 조기 강도를 얻고자 고온, 고습, 고압의 증기로 양생하는 증기 양생, 100 내지 220 V의 전류를 48시간 동안 송전하여 전기저항에 의해 발생하는 열을 이용하여 양생하는 전기 양생 등의 다양한 방법에 의해 실시할 수 있으며, 이 중에서 습윤 양생법이 특히 적합하다.

이하 실시예에 의해 본 발명을 보다 상세히 설명하나, 이들이 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다.

실 시 예

(시험 방법)

다짐 시험: KS F 2312에 따름

강도 시험: KS F 2314에 의거한 일축 압축강도 시험 (강도 시험 시료는 가습기를 사용하여 습도 95% 이상인 상태로 하여 양생하여 7일 및 28일 후의 강도를 측정)

투수 시험: KS F 2322에 의거하여 강성벽시험기(rigid wall permeater)를 사용한 변수위 투수시험(variable permeability test)에 의해 대기압 하에서 수행 (강도 및 투수 시험 시료는 다짐 시험의 결과로부터 밀도는 최대 건조밀도의 95%, 함수비는 최적 함수비에 2%를 더한 함수비로 하여 제작)

자가형성 및 자가치유 시험: 차수벽에 크랙이나 공동이 발생했을 때 상이한 성분을 함유한 두 개의 수평 또는 수직 차수층이 서로 화학반응을 일으켜 손상된 차수층을 자가치유하고 본래의 투수 특성과 강도 특성에 가까운 치유능력이 있는지를 검토함. 자가치유는 시험 조각에 인위적인 작은 구멍(직경 약 3 cm)의 공동을 만들어 차수능이 회복되는 것을 조사함.

(사용 재료)

국내 지역 중에서 지역적 위치를 고려하여, 대전 지역에서 육상 점토를 채취하고 당진 지역에서 해성 점토를 채취하여 각각 차수층 형성 기본 토양으로 사용하였다.

채취된 시료에 대해 각각의 특성을 시험하였으며, 그 결과를 하기 표 1 및 표 2에 나타내었다.

항목	해성 점토
비중	2.583
자연함수비(%)	40.3
연경도 시험	액성한계(%)	24.41
	소성한계(%)	20.73
습윤단위중량(g/cm3)	2.05
최대건조단위중량(g/cm3)	2.783
최적함수비(%)	19.5
*1.5 내지 2 m에서 채취

항목	육상 점토
비중	2.65
자연함수비(%)	19.8
연경도 시험	액성한계(%)	33.95
	소성한계(%)	21.15
습윤단위중량(g/cm3)	2.03
최대건조단위중량(g/cm3)	1.883
최적함수비(%)	18.0
* 1.5-2 m 깊이에서 채취

(실험 공정)

차단층 형성 토양 재료로부터 다음과 같이하여 차단층을 형성하였다. 상기 토양 시료를 도 5에 도시한 바와 같은 고속발효-생물반응기 (100: 반응기 드럼, 101: 온도조절기, 102: 회전조절기, 103: 세라믹 히터, 104: 산기관, 105: 균주 및 영양제 투입구, 106: 배출가스 라인, 107: 송풍기, 108: 유량계, 109: 필터, 110: 세정기, 111: 흡착여과탑)에 투입하고, 여기에, 대한민국 특허 제134204호에 기재된 복합 균주(KHR-5-MX)를 분말 형태로 토양 1 m²당 10 내지 15 g 넣고 아미노산, 비타민, 미네랄, 칼슘 등이 포함된 영양제를 20 내지 30 g 투입한 다음 교반 혼합하면서 상온에서 1시간 동안 방치하였다.

이어서, 생물학적 정화처리된 상기 토양에, 시멘트 10 내지 15중량% 및 벤토나이트 10 중량%, 생석회 3 중량% 및 플라이 애쉬 3 중량%를 혼합한 후 교반하고,물을 혼합하여 혼합토의 함수율을 17%로 조정하였다.

차단층 형성용 고화토가 만들어지면 원 지반을 요철이 없도록 수평으로 정지 작업한 후 바닥면과 법면에 고화토를 포설하였다. 이때, 포설 두께는 1회에 25 내지 30 cm로 하며, 2층을 포설하였으며, 매 포설 완료 후 롤러로 전압 다짐 작업을 수행하였다. 이 과정에서 고화토의 포졸란 반응이 이루어지며 지반의 압축강도가 증가되면서 차수층이 형성되었다.

상기에서 형성된 2층의 차수층의 구성성분은 다음 표 3과 같다.

본 발명에 따른 자가치유 차수층의 구성성분(KS L5120에 의해 분석)

조성 물질	조성비율(중량%)
	상부반응차수층	하부반응차수층
K2O	3 ±2	-
CaO	15 ±5	70 ±15
SiO2	55 ±15	2 ±1.5
MgO	2 ±2	2 ±1
Na2O	5 ±4	-
Al2O3	5 ±2	1 ±0.5
Fe2O3	1 ±0.5	1 ±0.5
SO3	3.5 ±1.5	-
강열감량 성분	5 ±3	15 ±5
기타	5.5 ±3	9 ±2

이상과 같이, 본 발명에 따른 차수층은 하부층에 생석회 성분이 84.6% 이상 함유되어 있고, 상부층에 산화규소 성분이 62% 정도 함유되어 있어, 이들간의 화학적 반응에 의해 차수층이 자가치유될 수 있다.

본 발명에 따라 형성된 차수층에 대해, 당진군의 기존 매립지에서 생성된 침출수(원자흡광광도계로 측정시 Cl^-5,500 ppm, Na⁺1,452 ppm, K⁺80 ppm, ca⁺⁺548 ppm)를 이용하여 상술한 투수시험을 실시하였으며, 수득된 투수계수값을 각각 하기 표 4a 및 표 4b에 나타내었다.

투수시간(분)	투수량(cm3)	Q(cm3/분)	투수계수(cm/sec)
600	2.8	0.0207	1.49 ×10-7
600	7.7	0.0195	1.40 ×10-7
600	2.0	0.0143	1.03 ×10-7
600	2.1	0.0127	9.12 ×10-7
600	1.4	0.0112	8.04 ×10-7
600	1.7	0.0103	7.38 ×10-7
900	3.0	0.0092	6.63 ×10-7
900	1.0	0.0065	4.63 ×10-7
900	0.4	0.0035	2.50 ×10-7
900	0.6	0.0016	1.18 ×10-7
900	0.3	0.0013	9.49 ×10-7
900	0.3	0.0012	8.45 ×10-7

상기 표 4에서 알 수 있듯이, 투수계수의 진행상태와 씰층 형성의 진행을 분석한 결과를 살펴보면, 초기의 투수계수는 매립시설 차수재 설치기준인 1 ×10^-7cm/sec와 근사한 1.49 ×10^-7을 나타내었으며, 시간이 흐름에 따라 점차적으로 투수 계수가 감소하였다. 측정 3일 후에는 0.3 mm 정도의 씰 층이 형성되었고, 투수계수가 9.12 ×10^-8cm/sec로 감소하였다. 초기에 투수계수의 감소 폭은 시간이 흐른 10일 경의 투수계수 변화 폭보다 작게 나타났는데, 이는 시료의 간극이 반응형성된 수산화칼슘 화합물에 의하여 메워져 CaO가 형성된 씰 층을 통과하는데 걸리는 시간이 초기에 비해 오래 걸리고, 반응이 일어날 수 있는 시간이 길어졌기 때문이다. 투수계수는 시간에 비례하여 지속적으로 감소하는 경향을 보였다.

또한, 본 발명의 자가형성, 자가치유 공법 특징인 자가치유능을 평가하고 씰층의 파괴가 없는 상태의 투수계수에 대한 회복정도를 확인분석하고자, 상기 투수시험 시료와 조건이 같은 차수층 시료에 6mm 직경의 구멍을 뚫은 후 시간 경과에 따른 투수계수의 변화를 측정하였으며, 그 결과는 다음 표 5와 같다.

시간	투수계수(cm/sec)
4일 후	2.16 ×10-6
20일 후	1.98 ×10-7

상기 표 5에서 알 수 있듯이, 구멍을 뚫은 초기(4일 후)에는 투수량이 급격히 증가하는 경향을 보였으나 점차 지속적으로 감소하여 20일 후에는 투수계수가 크게 감소하여 자가치유가 진행되었음을 알 수 있다. 20일 후의 투수계수 값은 크랙이 없는 상태의 91.1% 정도까지 회복된 상태이어서, 본 발명의 쓰레기 매립장 차수층 시공법이 차수층 손상에 있어서의 자가치유능이 탁월함을 보여준다.

(비교예)

상기 실시예의 차수벽 형성 공정에서, 본 발명에 따른 생물학적 정화처리 토양을 사용하지 않고 미처리된 일반 육상 점토를 사용하여 차수층을 형성한 후 상술한 투수계수 및 일축 압축강도를 측정한 결과를 본 발명에 따라 정화처리된 토양을사용한 경우와 비교하여 하기 표 6에 나타내었다.

시료명	투수계수(cm/sec)(7일 후)	일축 압축강도(kg/cm2)
		7일후	28일 후
생물학적 정화처리 육상점토	상부반응차수층	8.593 ×10-8	4.703	8.621
	하부반응차수층	8.321 ×10-8	4.333	8.251
일반육상점토	상부반응차수층	1.021 ×10-7	2.703	5.259
	하부반응차수층	1.011 ×10-6	2.166	5.345

상기 표 6으로부터, 본 발명에 따라 생물학적으로 정화된 토양을 차수층에 사용하는 경우 미처리된 토양을 사용하는 경우에 비해 형성된 차수층의 투수 계수값이 훨씬 작고 압축강도가 높음을 알 수 있다.

본 발명에 따라 폐기물 매립장의 차수층 시공시 고화토 재료에 미생물 균주를 접종하여 발효/분해시켜 차수층 재료 토양 내의 휴민산(humic acid) 등을 제거한 후 포졸란 반응에 의해 차수층을 형성시키면 자가형성 및 자가치유능이 우수한 차수층을 시공할 수 있다.

Claims (7)

1. 포졸란 반응을 이용한 자가형성 및 자가치유 특성이 우수한 폐기물 매립장 복합 차수층 시공 방법에 있어서,

   매립장의 지반토 운반 정리하는 공정과; 토사 분쇄 및 선별 공정과; 휴민산(humic acid) 제거 생물반응에 있어서, 신균주 Bacillus khr-10-mx(KCTC 8533P), Celluomonas khr-15-mx(KCTC 8534P), 복합균주 khr-5-mx(KCTC 0078BP) 로 구성된 군 중에서 선택된 적어도 하나 이상의 것을 토양 1㎥당 100∼1,000mg/l를 접종하고, 영양미네랄을 투입 우점적 활성화로부터 생물반응 및 휴민산 제거 공정과; 상기 처리된 토양 100중량%에 대해, 시멘트계 고화제 10∼15중량%, 석회계 고화제 3∼5중량%, 실리카계 고화제 3∼10중량%, 플라이 애쉬 3∼6중량%, 보조제 4∼10중량%로 고화제 배합 공정과; 함수비 조정 및 혼합 공정과; 개량토 운반 포설 및 반응 차수층 계획고 조정 공정과; 다짐 및 두께측정 공정과; 양생 및 표층처리 공정과; 치수시트 포설 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 자가형성/자가치유 기능을 가진 복합 차수층 시공 방법
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5. 제1항에 있어서, 차수층을 다층으로 시공하고 하부반응차수층(lower reactive barrier)은 고화제가 생석회를 주성분으로 하고, 상부반응차수층(upper reactive barrier)은 산화규소를 주성분으로 하여 계면부에 씰(seal)층의 생성차수층을 형성하도록 하는 것을 특징으로 하는 자가형성/자가치유(self-sealing/self-healing) 복합 차수층 시공 방법
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