KR100418560B1 - 바이오-배리어에 의한 폐기물 매립장의 복합 차수층조성물 및 조성방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 생활 또는 지정폐기물 매립장에서 발생되는 유해 침출수의 지반누출을 최소화할 수 있는 복합 차수층의 조성물 및 조성 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 차수층 조성 현장에서 부수적으로 발생되는 토사 또는 인근에서 반입되는 토사류에 특정 재료를 혼합하여 동결융해 및 건습 작용에 의한 피해를 최소화할 수 있는 상부층(BL-T), 자체팽윤 기능과 함께 미생물 증식 및 바이오-필름(Bio-film) 형성에 의한 토립자 간극폐쇄 및 오염물질 제거 효과가 있는 중간층(BL-M) 및 자체경화에 의한 강도증진 작용이 있는 하부층(BL-L)으로 구성된 안전하고 위생적인 3개층의 복합 차수층의 조성물 및 조성 방법에 관한 것이다. 본 발명의 복합 차수층의 조성물 및 조성 방법으로 제조한 차수층은 작업차량 및 매립폐기물의 하중을 지지할 수 있는 충분한 강도를 발휘하는 동시에 1×10-7cm/sec 이하의 저투수성을 확보할 수 있고, 동결융해에 의한 표면열화방지, 차수층내 미생물에 의한 바이오-배리어(bio-barrier) 형성에 의한 침출수내 오염물질제거 및 투수계수를 저감시킬 수 있으며, 부등침하 등 외부충격에 의한 차수층의 균열손상시에도 그 손상부위에 미생물의 증식 및 새로운 광물질(CaCO3, BaCO3)의 생성에 의하여 손상부위를 상당부분 복원시킬 수 있으므로 유해 침출수의 지반 누출을 최소화하는데 유용하게 사용될 수 있다.
Description
본 발명은 생활 또는 지정폐기물 매립장에서 발생되는 유해 침출수의 지반누출을 최소화할 수 있는 복합 차수층의 조성물 및 조성 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 차수층 조성 현장에서 부수적으로 발생되는 토사 또는 인근에서 반입되는 토사류에 특정 재료를 혼합하여 동결융해 및 건습 작용에 의한 피해를 최소화할 수 있는 상부층(BL-T), 자체팽윤 기능과 함께 미생물 증식 및 바이오-필름(Bio-film) 형성에 의한 토립자 간극폐쇄 및 오염물질 제거 효과가 있는 중간층(BL-M) 및 자체경화에 의한 강도증진 작용이 있는 하부층(BL-L)으로 구성된 안전하고 위생적인 3개층의 복합 차수층의 조성물 및 조성 방법에 관한 것이다.
산업발달의 고도화와 이에 따른 인구의 도시집중으로 인하여 대규모의 산업 및 생활폐기물이 발생하게 되었으며 이들의 처리에 많은 문제점이 발생되고 있다. 국내의 경우 이러한 폐기물을 매립, 소각, 해양투기 및 재활용 등의 방법에 의하여 처리하고 있으나 폐기물의 재활용 및 해양투기율은 무척 낮으며, 소각 처리의 경우 소각만으로는 폐기물의 완전처분이 불가능한 동시에 대기중 2차 오염 물질을 발생시키는 단점이 있어 아직까지는 매립에 의하여 처분되는 비중이 높은 실정이다. 하지만, 매립에 의한 폐기물의 처리시에는 가스와 침출수에 의한 환경오염이 문제가 되고 있으며, 이중 침출수의 지반유출을 방지하기 위한 시설로서 차수층(막)을 설치하게 된다. 이때 이러한 차수층의 주요 기능은 매립 폐기물에 의하여 발생되는 유해물질, 즉 침출수의 지반누출에 의한 환경오염을 방지하기 위한 시설로서 선진 외국에서는 폐기물 매립지 하부차단재가 완벽한 차단능력이 있어 침출수를 완전히 차단시킨다는 개념이 아닌, 침출수 배수시설로의 집수량을 증대시켜 침출수의 확산을 최소화시킨다는 최소기능으로 그 기능을 규정하고 있다. 따라서 이미 선진국에서는 차수층 자체를 이중 또는 다층의 복합 라이너(liner)로 규정하고 있으며 이에 대한 국가별, 지역별 토질특성에 맞는 차수재가 개발되고 있어 국내의 경우도이와 합당하는 연구개발 및 실용화가 필요한 실정이다.
한편, 국내 쓰레기 매립장은 대규모의 부지를 조성할 수 있는 해안의 연약 지반상에 시공되는 경우가 많은데, 이때 연약 지반내에 침출수 집수시설의 설치를 용이하게 하고 지반의 차수 효과를 증진시키기 위하여 시멘트계 고화재를 바닥 차수재로서 포설하는 사례가 많이 있으며, 또한 내륙에 소재하는 매립장의 경우에도 점토 차수재료를 현장과 인접한 곳에서 구하기 어려운 경우가 많아 시멘트계 고화재를 대체 차수재로 이용하는 경우가 많다. 연약지반의 경우 매립되는 쓰레기의 하중으로 인한 원지반 침하가 발생하기 쉬우며 포설된 고화재의 강성이 연약 지반 점토의 강성보다 큰 관계로 쓰레기 하중을 대부분 고화토 차수층이 받아 여기에 크랙이 발생할 가능성이 크다.
차수층 형성 방법은 불투수 특성을 지니는 층을 차수벽으로 이용하는 방법으로 폐기물관리법 처리시설 설치기준의 투수계수(1 ×10-7cm/sec)를 확보하여야 한다. 종래의 매립장 고화처리 방법은 매립장 건설시 발생하는 현장토를 활용하여 여기에 시멘트, 탄산칼슘 등의 고화제를 혼합한 것을 첨가하여 다짐함으로써 고화 처리하는 방법(대한민국 특허공개 제99-74738호), 현장토에 폐주물사, 플라이 애쉬, 폐석회 또는 폐석고 등의 고화제를 혼합한 것을 첨가하여 다층으로 고화처리하는 방법(대한민국 특허공개 제98-2465호), 포졸란 반응을 이용한 매립장 복합 차수층 조성 방법(대한민국 특허공개 제2000-18629호) 등이 제시되어있다. 현재 국내폐기물매립장 차수시설로 이용되는 침출수의 차수시설로는 HDPE 쉬트(sheet)로 대표되는 합성수지 차수재, 점토만을 포설하거나 토사와 시멘트 및 고화재 또는 지반경화제 등을 혼합하여 사용하는 점토류 차수재공법 등이 있으나, HDPE 쉬트는 이음부의 접합처리가 난이하고 기상조건 및 매립하중에 의해 파괴될 수 있으며, 고화토공법은 표면에 균열이 발생하고 대기에 노출시 표면에 열화가 발생하는 문제점이 지적되고 있다. 또한, 혼합토공법은 시공함수비의 조절이 난이하고 시공후 균열이 발생할 수 있으며, 자가형성·자가치유 공법은 연약지반에서 시공시 별도의 지지층이 필요하고 대규모 부등침하 발생시 대책이 미흡하며 대부분의 차수 기능을 생성된 씰(seal) 층에 의존한다는 단점이 있다. 아울러, 상기에서 설명한 종래의 기술은 일정 수준의 압축강도 및 불투수 특성을 지니는 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. 이와 함께 종래의 차수층 기술들은 대부분 법적투수계수 기준치인 1×10-7cm/sec를 만족시키기 위하여 개발된 기술들로서 다양한 국내지반 여건에 따라 신축적으로 대응할 수 없거나 고비용을 들이고서도 그 효과를 신뢰하기 어려운 경우들이 있었다. 특히, 가장 많이 사용되고 있으며 차수효과 측면에서도 신뢰성이 비교적 우수한 벤토나이트 혼합토 공법이나 쉬트 공법의 경우 자체강도가 거의 없는 관계로 양질지반이 아닌 연약지반상에 적용하기 위해서는 별도의 지반처리가 필연적으로 병행되어야 하므로 경제적인 추가부담과 함께 공사기간 연장이 불가피한 상황이다.
이에, 본 발명자들은 상기의 문제점들을 최소화하고 매립장 차수층의 기능손상을 방지하며 오염물질의 외부누출에 의한 지하수 및 지반환경 훼손을 최소화하기 위한 차수층 조성 방법을 찾고자 노력한 결과 각기 특정한 기능을 갖는 극히 저투수성의 3층 구조로 조성되며, 각각의 층의 기능은 크게 동결융해 및 건습 작용에 의한 피해를 최소화할 수 있는 상부층(BL-T), 자체팽윤기능과 함께 미생물 증식 및 바이오-필름(Bio-film) 형성에 의한 토립자 간극폐쇄 및 오염물질 제거 효과가 있는 중간층(BL-M) 및 자체경화에 의한 강도증진 작용이 있는 하부층(BL-L)으로 구성된 차수층 조성물 및 조성 방법을 개발하였고, 본 발명의 차수층이 법적투수계수 기준인 1×10-7㎝/sec 이하의 저투수성을 만족하고 매립지 주변 지반환경으로의 침출수 누출을 근본적으로 차단함으로써 위생적이고 안전한 폐기물 매립환경을 조성할 수 있으며, 또한 매립장 토질조건에 따른 유연한 설계가 가능하여 매립장 지반 여건에 가장 적합한 차수층 모델을 제시할 수 있음을 밝힘으로써 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 매립장 차수층의 기능 손상을 방지하며 오염물질의 외부누출에 의한 지하수 및 지반환경 훼손을 최소화하기 위한 폐기물 매립장 차수층의 조성물 및 조성 방법을 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명의 폐기물 매립장 차수층의 단면도를 나타낸 것이고,
도 2는 점성토에서의 동결융해주기에 따른 강도변화를 나타낸 그래프이고,
◆ : 공시체 A, ■ : 공시체 B, ▲ : 공시체 C
도 3은 사질토에서의 동결융해주기에 따른 강도변화를 나타낸 그래프이고,
◆ : 공시체 A, ■ : 공시체 B, ▲ : 공시체 C
도 4는 점성토에서의 동결융해주기에 따른 강도 손실율을 나타낸 그래프이고,
◆ : 공시체 A, ■ : 공시체 B, ▲ : 공시체 C
도 5는 사질토에서의 동결융해주기에 따른 강도 손실율을 나타낸 그래프이고,
◆ : 공시체 A, ■ : 공시체 B, ▲ : 공시체 C
도 6은 점성토에서의 동결융해주기에 따른 중량 손실율을 나타낸 그래프이고,
◆ : 공시체 A, ■ : 공시체 B, ▲ : 공시체 C
도 7은 사질토에서의 동결융해주기에 따른 중량 손실율을 나타낸 그래프이고,
◆ : 공시체 A, ■ : 공시체 B, ▲ : 공시체 C
도 8은 본 발명의 차수층 공시체의 양생일수별 투수계수 변화를 나타내는 그래프이고,
◆ : 점성토 A, ■ : 점성토 B, ▲ : 점성토 C,
× : 사질토 A, ＊ : 사질토 B, ● : 사질토 C
도 9는 본 발명의 차수층 공시체의 양생일수별 일축압축강도 변화를 나타내는 그래프이고,
◆ : 점성토 A, ■ : 점성토 B, ▲ : 점성토 C,
× : 사질토 A, ＊ : 사질토 B, ● : 사질토 C
도 10은 본 발명의 복합차수층에서 형성된 침전층을 보여주는 사진이고,
도 11은도 10의 침전층의 XRD 유형을 보여주는 그래프이고,
Q : 석영, Ca : 방해석, CH : Ca(OH)2,
C-S-H : 칼슘 실리케이트 수화물(calcium silicate hydrate)
도 12는도 10의 침전층의 XRD 유형을 보여주는 그래프이고,
Q : 석영, Ar : 아라고나이트, CH : Ca(OH)2,
C-S-H : 칼슘 실리케이트 수화물
도 13은 펜타곤(Pentagon)-3D 프로그램을 사용한 유한요소법에 의한 해석모형을 나타낸 것이고,
도 14는 펜타곤-3D 프로그램을 사용한 유한요소법에 의한 해석모형을 나타낸 것이고,
도 15는 유한요소법에 의한 연약지반모델의 해석결과 1단 제방축조시 y방향 변위를 나타낸 것이고,
도 16은 유한요소법에 의한 연약지반모델의 해석결과 1단 제방축조시 x방향 변위를 나타낸 것이고,
도 17은 유한요소법에 의한 연약지반모델의 해석결과 1단 제방축조시 전단응력을 나타낸 것이고,
도 18은 유한요소법에 의한 연약지반모델의 해석결과 1단 매립시 y방향 변위를 나타낸 것이고,
도 19는 유한요소법에 의한 연약지반모델의 해석결과 1단 매립시 x방향 변위를 나타낸 것이고,
도 20은 유한요소법에 의한 연약지반모델의 해석결과 1단 매립시 전단응력을 나타낸 것이고,
도 21은 유한요소법에 의한 연약지반모델의 해석결과 2단 매립시 y방향 변위를 나타낸 것이고,
도 22는 유한요소법에 의한 연약지반모델의 해석결과 2단 매립시 x방향 변위를 나타낸 것이고,
도 23은 유한요소법에 의한 연약지반모델의 해석결과 2단 매립시 전단응력을 나타낸 것이고,
도 24는 유한요소법에 의한 연약지반모델의 해석결과 3단 매립시 y방향 변위를 나타낸 것이고,
도 25는 유한요소법에 의한 연약지반모델의 해석결과 3단 매립시 x방향 변위를 나타낸 것이고,
도 26은 유한요소법에 의한 연약지반모델의 해석결과 3단 매립시 전단응력을 나타낸 것이고,
도 27은 유한요소법에 의한 연약지반모델의 해석결과 시공단계별 y방향 변위를 나타낸 그래프이다.
◆ : 1단 제방, ■ : 1단 매립, ▲ : 2단 제방,
× : 2단 매립, ＊ : 3단 제방, ● : 3단 매립
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 상부층, 중간층 및 하부층의 3층 구조로 구성되어 극히 저투수성을 나타내는 폐기물 매립장 차수층의 조성물을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 폐기물 매립장 차수층의 조성 방법을 제공한다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은 상부층, 중간층 및 하부층의 3층 구조로 구성되어 극히 저투수성을 나타내는 폐기물 매립장 차수층의 조성물을 제공한다.
본 발명의 차수층 조성물은,
1) Ca계 무기물, 석고, 소석회 및 그 혼합물로 구성되는 하부층 첨가제;
2) 벤토나이트, Na계 무기물, 미생물, 규조토, 규석 및 그 혼합물로 구성되는 중간층 첨가제; 및
3) 시멘트계 무기물, 반수석고, 이수석고 및 그 혼합물로 구성되는 상부층 첨가제를 포함한다.
본 발명의 폐기물 매립장 차수층은 각기 특정한 기능을 가지는 극히 저투수성의 3층 구조로 조성되며, 각 층의 기능은 크게 자체경화에 의한 강도증진 작용이 있는 하부층(BL-L), 자체팽윤 및 흡착 기능과 함께 미생물 증식 및 바이오-필름(bio-film) 형성에 의한 토립자 간극폐쇄 및 오염물질 제거 효과가 있는 중간층(BL-M) 및 동결융해 및 건습작용에 의한 피해를 최소화할 수 있는 상부층(BL-T)으로 구분된다(도 1참조). 이러한 기능을 만족시키기 위하여 각 층에는 기본재료로서 현장에서 발생하는 흙이나 외부에서 반입되는 토사와 함께 각각 기능과 성능이 다른 3종류의 첨가제를 투입하게 된다.
하부층을 제조하기 위한 단계 1의 하부층 첨가제는 자체경화작용에 의한 강도증진과 함께 중간층 첨가제 및 흙속의 점토광물과 반응하여 방해석(calcite) 및 아라고나이트(aragonite) 계열의 비용해성 광물질을 토립자 간극내에서 생성시킬 수 있는 Ca계 무기물, 석고, 소석회 및 그 혼합물을 사용하며 공급자의 품질관리 기준에 의거 제조한다.
또한, 중간층을 제조하기 위한 단계 2의 중간층 첨가제는 팽윤 및 흡착기능과 함께 토양내 미생물 배양을 활성화시킬 수 있는 재료로서 공급자의 품질관리 기준에 의거 제조하며, 벤토나이트, Na계 무기물, 미생물, 규조토, 규석 및 그 혼합물이 사용될 수 있다. 중간층 첨가제는 무포장(bulk) 또는 포장 상태로 사용할 수 있으며, 재료의 변질을 방지할 수 있도록 낮은 습도를 유지하는데 유의하여야 하고 가급적 온도변화가 적은 장소에 보관하여야 한다. 이동시 또는 보관시 포장이 파손되거나 습기에 과다 노출된 경우에는 사용해서는 안되며 제조후 일주일 이내에 사용하여야 하고 14일 이상 지난 제품은 공급자가 품질검사를 실시한 후 이상이 없는 경우에 한하여 사용하여야 한다.
아울러, 상부층을 제조하기 위한 단계 3의 상부층 첨가제는 차수층의 건습 작용에 의한 균열 및 동결융해를 최소화 할 수 있는 재료로서 공급자의 품질관리 기준에 의거 제조하며, 시멘트계 무기물, 반수석고 및 이수석고 또는 그 혼합물이 사용될 수 있다.
각 단계에 있어서 첨가제는 방습이 가능하거나 밀폐된 장소에 보관하여야 하며 무포장(bulk) 또는 포장상태로 사용할 수 있고 일반적인 시멘트 저장기준에 준하여 보관한다. 각 첨가제는 이동시 또는 보관시 포장이 파손되거나 굳어진 상태 혹은 외부 기상조건에 장기간 노출된 경우 사용해서는 안된다.
본 발명에 사용할 첨가제의 적정 배합비는 해당 현장별 흙의 종류 및 상태에 따라 실내 배합 시험을 통해 결정하여야 하며 기본적으로 하기표 1에 기재한 표준배합비 기준을 적용한다.
| 첨가제구분흙종류 | 상부층첨가제 | 중간층첨가제 | 하부층첨가제 |
| 사질토 | 최대건조밀도의5∼15 % | 최대건조밀도의10∼15 % | 최대건조밀도의5∼15 % |
| 점성토 | 최대건조밀도의5∼20 % | 최대건조밀도의10∼20 % | 최대건조밀도의5∼10 % |
본 발명의 차수층을 제조하기 위하여 사용되는 흙은 19 ㎜ 체를 통과하여야하고, 200번체 통과량이 최소 10% 이상 되는 흙을 사용하는 것을 원칙으로 하며 품질을 저하시킬 우려가 있는 이물질이 함유되지 않아야 한다. 또한, 시공에 사용될 흙은 시공전 최소 30일 이전에 실내 다짐시험(KS F 2312)을 실시하여 최대건조밀도 및 최적함수비(OMC)를 결정하여야 하며, 시공중 최적함수비의 ±2% 이내의 함수비를 유지할 수 있도록 관리하여야 한다. 아울러, 흙은 우천시 강우에 노출되지 않도록 보관하여야 하며 급격한 외기 온도 변화가 우려되는 하절기 및 동절기에는 적절한 차단시설을 갖추어야 한다. 시공에 사용될 흙은 최소 2일 사용량을 미리 확보하여 평탄한 장소에 적치하여야 하고 이때 수분의 침투나 직사광선 등 기상작용에 의한 영향을 최소화하여야 한다. 또한, 입도를 조절한 후 저장하여야 하고 일평균 최소 2회 이상 함수비를 검사하여 최적함수비(OMC) 이하로 수분이 손실되는 것을 방지하여야 한다. 일평균 온도변화가 심한 하절기나 동절기에는 시공하지 않는 것을 원칙으로 하며 하절기 시공시 급격한 건조나 온도 상승을 방지하기 위해 직사광선을 피할수 있는 차광시설을 갖추어야 한다.
또한, 본 발명은 상기 폐기물 매립장 차수층의 조성 방법을 제공한다.
본 발명의 차수층 조성 방법은,
1) 자체경화에 의한 강도증진 작용을 하는 하부층을 제조하는 단계;
2) 토립자 간극폐쇄 및 오염물질 제거 효과가 있는 중간층을 제조하는 단계;
3) 동결융해 및 건습작용에 의한 피해를 최소화할 수 있는 상부층을 제조하는 단계 ; 및
4) 상기 단계 1 내지 단계 3의 세 개 층을 적층한 폐기물 매립장 차수층을 제조하는 단계로 구성된다.
단계 1에 있어서, 하부층은 자체 경화에 의한 강도증진 작용을 한다. 하부층 첨가제의 투입량은 실내시험을 통하여 토질 조건에 따라 결정하되, 점성토에서는 최대건조밀도의 5∼10%, 사질토에서는 최대건조밀도의 5∼15%를 투입하는 것을 표준으로 한다. 차수층으로서 갖추어야할 요건으로는 투수계수가 가장 중요한 사항이지만 이와 동시에 지반여건에 따라 상재하중을 튼튼하게 지지하여 침출수의 집배수 관로를 안전하게 유지하는 것이 중요하다. 이는 폐기물에서 발생된 침출수를 신속히 배수시키기 위하여 필요한 사항으로서 본 발명에서는 강도증진을 위한 기본재료로서 석회계 무기재료를 사용하고 있는 바 이 칼슘계 무기물에서 용출되는 Ca2+이온은 화학반응을 통하여 입자를 응집시키는 작용이 있으며, 그 자체에 의하여 자경성을 가지는데 현장에서 최소 5 ㎏/㎝2이상(재령 28일 기준)의 안정적인 강도를 발현하게 된다.
단계 2에 있어서, 중간층은 벤토나이트 및 바이오 필름에 의한 차수층 토립자 간극폐쇄 및 오염물질을 제거하는 기능을 한다. 중간층 첨가제의 투입량은 실내시험을 통한 토질 조건에 따라 결정하되, 점성토에서는 최대건조밀도의 10∼20%, 사질토에서는 최대건조밀도의 10∼25%를 투입하는 것을 표준으로 한다.
기존의 차수층 조성공법 중 흔히 가장 많이 사용되고 있는 혼합토공법의 경우, 높은 소성성과 팽창성, 양이온 교환능력, 흡착력 등이 우수한 벤토나이트류가많이 사용되고 있다. 그러나 국내에서 생산되는 벤토나이트의 경우 광산이 소규모로 존재하고 있으며 그 품질이 균일하지 않을 뿐 아니라 CaO 함량이 2∼5%에 이르는 Ca형 벤토나이트가 대부분이어서 폐기물 매립장의 차수층으로 사용하기에는 적합하지 않다. 이는 Ca계 벤토나이트는 단위입자당 15∼17개의 물분자를 취할 수 있는 반면 Na계 벤토나이트는 50개의 물분자를 취할 수 있어 Na계 벤토나이트가 성능이 뛰어나기 때문이다. 따라서, 이러한 차수 용도의 벤토나이트는 품질이 우수한 외국산을 수입하여 직접 사용하거나 외국산을 국내 원광과 혼합하여 그 물성을 향상시킨 제품을 사용하고 있는데, 이러한 경우 효과면에서는 만족시킬 수 있으나 차수층 조성 원가가 상승하여 경제적인 시공이 어려운 단점이 있었다. 본 발명에서는 국내에서 생산되는 벤토나이트 중 가격이 저렴한 저품위의 칼슘형 벤토나이트를 사용하며, 지중에서 Na-활성(activation)으로 상기 칼슘형 벤토나이트의 물성을 향상시켜 팽윤성을 향상시키는 동시에 자체의 양이온 치환능을 유지시키는데 그 특징이 있다. 이러한 작용은 중간층에 함께 첨가하는 Na계 무기물이 이온화되어 벤토나이트의 Ca 성분과 치환됨으로써 자연스럽게 발생되며 이때 투입되는 Na계 무기물의 양은 벤토나이트 중량의 5 내지 10%가 적당하다.
한편, 바이오 필름이란 박테리아가 다공성 매질에 흡착되어 생장하는 동안 주요 성분이 다당류로 구성된 점착성 물질(Slime)인 EPS(Extracellular Polymeric Substances)를 생성하고 상기 점착성 물질이 다른 무기 미립자들과 함께 퇴적되어 형성한 집합체를 말하는데, 낮은 투수성, 큰 비표면적, 강한 친수성 등을 나타내는 것으로 알려져 있다(Taylor, S.W et al,Water Resour., 26, 2161-2169, 1990).본 발명의 중간층은 생물학적 처리 방법에 의한 하·폐수 처리장에서 발생하는 최종 탈수 슬러지 케익을 이용하여 차수층 토양내에서 바이오 필름을 형성시킴으로써 환경오염 방지 및 자원 재활용 측면에서 유용하고, 차수 기능은 물론 장기간에 걸친 침출수의 미세유입시에도 차수층 내에서 침출수의 유해성분을 생물학적으로 처리할 수 있는 기능을 보유하고 있다는 장점이 있다. 즉, 차수층 토양내 미생물 주입에 의하여 토립자 간극내에서 바이오 필름을 조기에 형성하고 일단 형성된 바이오 필름은 투수계수의 감소는 물론 장기간에 걸친 침출수의 미세누출시 또는 부등침하 등의 외적요인에 의하여 침출수의 누출이 있을시에도 생물학적인 방법으로 침출수를 처리함으로써, 오염물질의 정화뿐만 아니라 새로운 바이오 필름 형성에 의하여 손상 부위를 어느 정도 복원할 수 있다. 이러한 바이오 필름이 형성된 차수층은 최종적으로 미생물의 성장으로 인한 간극의 폐쇄로 오염물질 확산방지와 오염물질을 정화시킬수 있는 바이오-배리어(bio-barrier)를 형성하게 된다. 특히 생물학적 환경처리는 유독성 물질로 오염된 토양을 자연적으로 분해시키고 2차적인 오염부산물의 발생이 거의 없어 부가적인 처리가 필요하지 않는다는 큰 장점이 있다.
한편, 일반적인 차수층의 상부층은 조성후 폐기물 매립전까지 햇빛, 대기 등의 기상 상황에 노출되어 있어 주성분이 흙으로 구성된 차수시스템의 표면에 균열이나 열화 및 동상피해 등이 쉽게 발생되는 문제점이 지적되고 있으며 또한 이를 복구하는 데는 많은 비용이 소요되고 이를 방치하였을 경우 전체 차수성능에도 영향을 미치게 된다. 본 발명에서는 이러한 열화, 동결융해 등의 피해를 최소화하기위하여 단계 3의 상부층에 시멘트계 재료를 기본으로 하여 다량의 물과 결합한 광물을 생성하는 반응을 일으키는 첨가제를 흙의 상태에 따라 적절하게 투입함으로써 차수층에 발생할 수 있는 상기 피해를 최소화하고자 하였다. 상부층 첨가제의 투입량은 실내시험을 통한 토질 조건에 따라 결정하되, 점성토에서는 최대건조밀도의 5∼15%, 사질토에서는 최대건조밀도의 5∼20%를 투입하는 것을 표준으로 한다. 시멘트에 물을 첨가하여 혼합하면 C3S, C3A 등의 가수분해에 의하여 C3S나 C3A에서 Ca2+가 방출되고 주변조건이 염기성으로 변하게 되며 염기도가 충분히 높아지면 반응이 일시중지되고 응결준비기에 들어간다. 이때까지의 기간을 유도기라고 하는데 이후 감속도기에 들어가서 수화반응이 활발히 진행된다. 이러한 수화반응은 첨가제의 자경성에 의해 생성된 규산석회수화물 및 다량의 에트린 가이트와 흙중의 점토광물과의 화학반응 결과이다. 이들 작용으로 유발된 팽창성에 의하여 차수층내 흙의 간극을 충분히 충진할 수 있고, 그 결과 열화 및 균열을 방지하여 차수층이 장기간 대기에 노출시에도 수분의 침입을 최소화할 수 있어 동결융해 피해를 방지할 수 있는 밀실화가 이루어진다.
상기 단계 1의 하부층과 단계 2의 중간층은 흙내 점토광물 및 첨가물질 상호간의 화학반응에 의하여 새로운 비용해성 광물질을 차수층 토립자 간극내에서 형성하여 차수성을 증대시킨다. 본 발명에 의한 차수층 조성에 있어 최대목표인 투수성의 저하와 관계되는 메카니즘으로서 벤토나이트와 같은 물질처럼 흙의 공극내에서 수분과 결합하여 자체 팽윤하는 작용 및 미생물에 의한 바이오-배리어 형성과함께 흙내 점토광물과 흙의 차수성을 증대시키기 위하여 투입된 재료상호간의 반응에 의한 불투수성, 불용해성 침전물의 형성이 있다. 이는 층내에 투입되는 칼슘계 무기물에 의하여 조성직후 pH 10∼12의 염기성 조건이 형성되고 상기 칼슘계 무기물이 흙속에 존재하는 CO2및 칼슘형 제오라이트 벤토나이트를 활성시키기 위한 과정에서 투입되는 Na2CO3의 CO3 -성분과 결합하여 탄산화 반응을 일으켜 불용해성 침전물인 CaCO3를 형성함으로써 이루어진다. 또한 이 과정은 다른 카보네이트 미네랄(carbonate mineral)을 형성하는 과정과 복합적으로 발생하게 되어 방해석(calcite) 외에 아라고나이트 그룹(aragonite group)의 광물군인 CaCO3, BaCO3및 SrCO3를 형성할 수 있다.
또한, 본 발명의 차수층을 적용함에 있어서 공시체를 제조할 수 있다. 공시체를 제조하기 위하여, 먼저 처리용 흙에 각층의 첨가제를 표준배합비에 준하여 혼합한 후 그 혼합토의 함수비를 측정하고, 최적함수비(OMC)+2%의 다짐상태를 유지하기 위한 가수량을 결정하여 함수비를 증감시킨다. 공시체 제작시 각 첨가제의 배합비는 다짐시험을 통하여 얻은 토사의 최대건조밀도(Ydmax)에 대해 일정비율로 혼합하는 것을 기준으로 하며 이때 공시체의 다짐시험에서 얻은 최적함수비(OMC)의 습윤측 2% 내외에서 단위수량을 결정하여야 한다. 몰드에 시료를 충진시킬 때에는표준 A 다짐에너지로 환산한 타격에너지(5.625 ㎏/㎝3)를 가하여 다짐을 실시한다. 일축압축강도용 공시체 제작시 3가지 이상의 배합비로 첨가제를 혼합하여 강도발현곡선을 작성하고, 이에 근거하여 목표강도에 가장 적합한 첨가량을 산정한다. 일축압축시험용 공시체는 직경 D = 5 ㎝ 및 높이 H = 10 ㎝, 또는 직경 D = 10 ㎝ 및 높이 H = 20 ㎝로 제작하고 공시체의 수는 3개 이상으로 하며 일축압축시험용 공시체의 양생 온도는 20±3℃로 하며 습윤양생한다. 변수위 투수시험에 이용될 공시체는 직경 10 ㎝, 높이 10 ㎝가 되도록 하며 일축압축강도용 공시체 제작방법 및 양생방법에 준하여 제작한다. 아울러, 현장에서의 각 첨가제의 혼합량은 일축압축강도의 평균치가 차수층의 설계기준강도 및 투수계수를 만족하도록 결정한다. 현장배합량은 작업중 손실율(3∼5%)을 감안하여야 한다.
본 발명자들은 본 발명의 차수층 조성 방법의 바람직한 실시예로서 공시체를 제조하였고 공시체에 대한 동결융해 시험, 차수성 시험, 강도 시험 및 펜타곤(Pentagon)-3D에 의한 안정성 시험을 실시하였다.
먼저, 본 발명자들은 기상, 건습 작용 등에 의한 열화(균열 등) 및 이로 인한 동결융해 피해를 최소화할 수 있는 본 발명의 차수층의 성능을 규명하기 위하여 바이오-라이너의 상부층에 대하여 동결융해 시험을 실시하였다. 그 결과, 바이오-라이너 상부층(BL-T)은 동결융해에 대한 강도 및 내구성에 있어서 안전성을 충분히 확보하고 있음을 확인하였다(표 4내지표 9및도 2내지도 7참조).
또한, 본 발명에서는 공시체 제작후 하루 동안 항온항습상태에서 양생한 후 3, 7, 14, 28일 간격으로 투수시험결과를 측정하였다. 그 결과, 점성토 및 사질토 공시체 모두 28일 경과후 법적 투수계수인 1×10-7㎝/sec 이하의 투수율을 보여 차수성의 기준을 만족함을 확인하였다(표 11및도 8참조).
또한, 자체경화에 의한 조기 및 장기강도의 발현과 이때의 적정배합비를 결정하기 위하여 바이오-라이너의 하부층에 대하여 강도 시험을 실시하였다. 그 결과, 10%의 하부층 첨가제를 혼합한 각 점성토 및 사질토 공시체에 있어 양생 7일후 8.34 ㎏/㎝2, 11.35 ㎏/㎝2강도를 나타냈으며 이후 지속적으로 강도가 증가하여 양생 28일의 일축압축강도는 각 15.12 ㎏/㎝2및 17.36 ㎏/㎝2을 나타내어 안정적인 강도증진 효과가 있음을 확인하였다.
본 차수층의 주요 특징 중의 하나는 차수 성능을 증진시킴과 동시에 토립자의 점토성 광물과 첨가제들간의 이온해리 및 결합에 의하여 차수층 토립자 간극내에 새로운 비용해성 광물질을 형성시키는데 있다. 이는 차수층의 생성과 동시에 흙속에 포함된 수분을 매개로 하여 진행되며 침출수 또는 수분의 미세침투시 칼슘계 무기물층 경계면에 생성되거나 시공전후에 발생된 미세균열 사이에 발생하는 것으로서 이를 확인하기 위하여 투수시험이 종료된 공시체에서 채취한, 복합차수층에서 형성된 광물질층(도 10참조)에 대한 X-선 회절분석(X-ray diffraction, XRD)분석을 실시하였다.
그 결과, 시료의 차수성을 증대시키는 것으로 판단되는 침전물층은 방해석(calcite)과 석영류(quartz) 및 아라고나이트(aragonite) 등으로 판명되었다(도 11및도 12).
본 발명자들은 개발된 바이오-라이너 공법의 연약지반에 대한 현장적용성 검토를 위하여, 실제 매립장 차수층 시공시 매립장 모델의 거동에 사용하고 있는 펜타곤-3D 프로그램을 이용한 수치해석을 실시하였다.
그 결과, 매립장 하부의 연약지반층의 영향으로 제방축조와 폐기물 매립단계가 반복됨에 따라 제방축조시는 제방하부에 주위보다 큰 변형과 응력이 발생하고 매립작업이 진행되면서 침하와 응력이 분산되는 과정이 이어지며, 이후 폐기물 매립이 진행됨에 따라 연약지반층에 소성영역의 증가로 인하여 변위가 증가하는 모습을 확인하였다. 시공단계에 따른 연약지반층 상부의 차수층(Bio-Liner)은 최대 약 31 ㎝까지의 연직방향침하를 나타내었다(도 27참조). 일반적으로 구조물의 침하량이 구조물의 중요성과 구조물의 성능에 영향을 주는 경우 그 한계값을 설정하고 위험요소를 검토하게 되지만 매립장의 경우 일반적 구조물의 한계침하량 보다 큰 침하를 나타내더라 하더라도 매립장의 용도에 비추어 볼 때 침하량의 절대값 보다는 부등침하의 영향검토가 더 큰 중요성을 갖게 된다. 따라서, 3단 제방 축조시부터 차수층(Bio-Liner)의 침하량 불균형이 시작되지만 부등침하의 발생은 가능성이낮은 것으로 분석되었다. 그러나 부등침하에 따른 지반내 응력 불균형, 차수층(Bio-barrier)의 파손 등이 우려되는 경우 실제 시공시 과도하거나 집중적인 응력을 발생시키지 않는 매립장 관리를 이행하도록 하여 차수층(Bio-Liner)의 성능을 저하시키는 상황을 발생시키지 않도록 해야할 것으로 판단된다(도 15내지도 26참조).
상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 차수층 조성 방법은 벤토나이트의 팽윤성, 차수층내 미생물의 바이오-배리어(bio-barrier) 형성에 의한 토립자 공극폐쇄 및 첨가제간의 상호반응에 의한 새로운 비용해성 광물질의 형성 등 각기 다른 세가지 메카니즘을 통한 차수시스템을 구현하여 종래의 공법보다 완벽한 차수기능을 확보하였으며, 이와 같은 차수층의 기본 품질확보 이외에도 미생물 증식에 의한 바이오-배리어 형성과 이로 인한 오염물질 제거 및 자체기능에 의한 하부지반처리 등 다양한 기능과 안전성을 갖춘 고기능의 차수층 조성 방법이다.
이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명한다.
단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1> 실험대상 흙의 기본물성 측정
본 발명의 차수층 조성 방법의 성능은 조성되는 각 층의 특징별로 상이하게나타날 수 있으나, 전 차수층에 있어 법적 기준치인 천만분의 일(1×10-7cm/sec) 이하의 투수계수를 보장하는 범위 이상으로 조성되는 것을 목표로하며 동결융해에 대한 저항성, 차수성, 미생물 증식에 의한 간극폐쇄와 오염물질 제거기능, 새로운 비용해성 광물질의 차수층 토립자 간극내 생성을 통한 차수성 확보를 특징으로 하므로, 이러한 차수층의 복합 기능을 규명하기 위하여 각층 또는 전층에 대하여 다양한 실험을 실시하였으며 이를 수행하기 위한 선행사항으로서 기본재료인 흙에 대한 물성시험 및 역학시험을 실시하였다. 시험에 사용된 흙은 통일분류법상 CL 계열과 SM 계열에 속하는 점성토와 사질토(화강토)를 사용하였다.
점성토와 사질토에 대한 물성을 하기표 2에 나타내었다.
| 항목 | 점성토 | 사질토 | 시험방법 |
| 비중(Gs) | 2.61 | 2.68 | KS F 2308 |
| 액성한계(LL) | 36.33 | N.P | KS F 2303 |
| 소성한계(PL) | 18.24 | N.P | KS F 2304 |
| 최대건조밀도(γdmax) t/m3) | 1.72 | 1.87 | KS F 2312 |
| 최적함수비(O.M.C) | 18.23 | 14.80 | KS F 2312 |
<실시예 2> 바이오-라이너에 대한 동결융해 시험
본 발명자들은 기상, 건습 작용 등에 의한 열화(균열 등) 및 이로인한 동결융해 피해를 최소화할 수 있는 본 발명의 차수층 조성 방법의 성능을 규명하기 위하여 바이오-라이너의 상부층에 대하여 하기와 같은 동결융해 시험을 실시하였다. 동결융해 저항성을 측정하기 위한 국내규정으로는 다져진 흙시멘트 혼합물의 동결융해시험방법(KS F 2332)과 급속동결융해에 대한 콘크리트의 저항시험방법(KS F 2456)이 있으며 이 규정을 정리하면 하기표 3에 나타낸 바와 같다.
| 규정 | KS F 2332 | KS F 2456 |
| 시험명 | 다져진 흙 시멘트 혼합물의 동결융해 시험방법 | 급속동결 융해에 대한 콘크리트의 저항시험방법 |
| 1 Cycle기준 | 동결 -23℃ 24시간융해 21℃ 23시간 | 동결 : -18℃ 1∼2시간융해 : 4℃ 1∼2시간 |
| 시험개시 | 양생 7일후 | 양생 14일후 |
| 평가방법 | 공시체의 손실량공시체의 함수비변화공시체의 부피변화(팽창 및 수축) | 상대 동탄성계수내구성지수강도 |
| 비고 | A방법 :수중급속동결 수중융해B방법 :공기중 급속동결 수중융해 |
동결융해시험용 공시체는 KS F-2312 표준 A 다짐에너지 5.625 ㎏·㎝/㎝3를 기준으로 환산하여 직경 5 ㎝, 높이 10 ㎝의 크기로 제작하여 24시간 동안 실내에서 습윤 상태로 양생시켰으며, 24시간 후에 몰드를 탈형하고 온도가 20±3℃로 유지되는 수조에서 동결융해 실험전까지 수중양생하였다.
동결융해시험은 각 첨가제 배합비별 동결융해에 의한 효과를 보기 위한 것으로서 첨가제 배합은 흙의 최대건조밀도에 대하여 6, 9, 12%로 3%씩 증가시켜 실험을 실시하였으며 KS F 2456방법에 의한 수중급속동결 수중융해 방법에 의하여 실시하였고 각 Cycle당 강도손실율 및 중량손실율을 측정하였다. 실험은 각각 점성토와 사질토를 사용하여 첨가제를 각각 배합하여 14일간 양생시킨 공시체 A, 공시체 B 및 공시체 C를 사용하여 실시하였으며, 그 결과를 하기표 4내지표 9에 나타내었고표 4내지표 9에서 확인한 동결융해실험에 따른 결과를 동결융해실험 회수에 대한 공시체별 일축압축강도의 손실과 손실율 및 중량손실율로 구분하여도 2내지도 7에 나타내었다.
| Cycle | γt(t/m3) | 강도(㎏/cm2) | 중량(g) | ||||
| 시험전 | 시험후 | 손실율(%) | 실험전 | 실험후 | 손실율(%) | ||
| 0 | 1.746 | 13.24 | 0 | 342.56 | 0 | ||
| 1 | 1.791 | 14.20 | +7.25 | 351.42 | +2.59 | ||
| 2 | 1.774 | 13.60 | +2.72 | 348.24 | +1.66 | ||
| 4 | 1.759 | 14.65 | +10.65 | 345.15 | +0.76 | ||
| 8 | 1.786 | 14.46 | +9.21 | 350.43 | +2.30 | ||
| 16 | 1.757 | 16.50 | +24.62 | 344.78 | +0.65 | ||
| 32 | 1.749 | 13.88 | +4.83 | 343.15 | +0.17 | ||
| 50 | 1.730 | 12.67 | -4.31 | 339.54 | -0.88 |
| Cycle | γt(t/m3) | 강도(㎏/cm2) | 중량(g) | ||||
| 시험전 | 시험후 | 손실율(%) | 실험전 | 실험후 | 손실율(%) | ||
| 0 | 1.903 | 16.78 | 0 | 373.56 | 0 | ||
| 1 | 1.909 | 17.56 | +4.65 | 374.61 | +0.28 | ||
| 2 | 1.870 | 17.35 | +3.40 | 366.98 | -1.76 | ||
| 4 | 1.885 | 16.57 | -1.25 | 369.87 | -0.99 | ||
| 8 | 1.898 | 17.05 | +1.61 | 372.55 | -0.27 | ||
| 16 | 1.816 | 16.33 | -2.68 | 356.34 | -4.61 | ||
| 32 | 1.829 | 16.47 | -1.85 | 358.97 | -3.91 | ||
| 50 | 1.808 | 16.57 | -1.25 | 354.79 | -5.02 |
| Cycle | γt(t/m3) | 강도(kg/cm2) | 중량(g) | ||||
| 시험전 | 시험후 | 손실율(%) | 실험전 | 실험후 | 손실율(%) | ||
| 0 | 1.750 | 15.20 | 0 | 343.48 | 0 | ||
| 1 | 1.766 | 16.34 | +7.50 | 346.52 | +0.89 | ||
| 2 | 1.763 | 15.87 | +4.41 | 346.05 | +0.75 | ||
| 4 | 1.776 | 14.22 | -6.45 | 348.62 | +1.50 | ||
| 8 | 1.787 | 16.84 | +10.79 | 350.69 | +2.10 | ||
| 16 | 1.772 | 15.67 | +3.09 | 347.85 | +1.29 | ||
| 32 | 1.745 | 14.35 | -5.59 | 342.51 | -0.28 | ||
| 50 | 1.759 | 14.68 | -3.42 | 345.26 | +0.52 |
| Cycle | γt(t/m3) | 강도(㎏/cm2) | 중량(g) | ||||
| 시험전 | 시험후 | 손실율(%) | 실험전 | 실험후 | 손실율(%) | ||
| 0 | 1.898 | 21.65 | 0 | 372.44 | 0 | ||
| 1 | 1.917 | 22.36 | +3.28 | 376.21 | +1.01 | ||
| 2 | 1.913 | 21.05 | -2.77 | 375.42 | +0.80 | ||
| 4 | 1.879 | 20.79 | -3.97 | 368.69 | -1.01 | ||
| 8 | 1.868 | 19.47 | -10.07 | 366.54 | -1.58 | ||
| 16 | 1.887 | 19.75 | -8.78 | 370.42 | -0.52 | ||
| 32 | 1.893 | 20.21 | -6.65 | 371.58 | -0.23 | ||
| 50 | 1.874 | 19.83 | -8.41 | 367.74 | -1.26 |
| Cycle | γt(t/m3) | 강도(kg/cm2) | 중량(g) | ||||
| 시험전 | 시험후 | 손실율(%) | 실험전 | 실험후 | 손실율(%) | ||
| 0 | 1.788 | 16.85 | 0 | 350.87 | 0 | ||
| 1 | 1.794 | 17.21 | +2.14 | 352.14 | +0.36 | ||
| 2 | 1.805 | 17.45 | +3.56 | 354.27 | +0.97 | ||
| 4 | 1.812 | 16.32 | -3.15 | 355.64 | +1.36 | ||
| 8 | 1.779 | 16.21 | -3.80 | 349.15 | -0.49 | ||
| 16 | 1.802 | 17.05 | +1.19 | 353.69 | +0.80 | ||
| 32 | 1.797 | 17.25 | +2.37 | 352.58 | +0.49 | ||
| 50 | 1.815 | 16.64 | -1.25 | 356.21 | +1.52 |
| Cycle | γt(t/m3) | 강도(kg/cm2) | 중량(g) | ||||
| 시험전 | 시험후 | 손실율(%) | 실험전 | 실험후 | 손실율(%) | ||
| 0 | 1.917 | 23.22 | 0 | 376.28 | 0 | ||
| 1 | 1.904 | 23.28 | +0.26 | 373.57 | -0.72 | ||
| 2 | 1.911 | 24.01 | +3.40 | 375.06 | -0.32 | ||
| 4 | 1.897 | 22.56 | -2.84 | 372.32 | -1.05 | ||
| 8 | 1.909 | 21.76 | -6.29 | 374.68 | -0.43 | ||
| 16 | 1.930 | 22.13 | -4.69 | 378.71 | +0.65 | ||
| 32 | 1.883 | 21.33 | -8.14 | 369.53 | -1.79 | ||
| 50 | 1.846 | 22.42 | -3.45 | 362.24 | -3.73 |
그 결과, 상기표 4내지표 9및도 2내지도 7에서 알 수 있는 바와 같이 바이오-라이너의 상부층에 대한 동결융해시험 결과를 크게 점성토 및 사질토에 대한 결과로 구분하여 이를 각 첨가제 배합비별로 구분하면, 점성토 공시체에 있어 3%, 6%, 9%의 첨가제를 배합한 공시체 A, 공시체 B 및 공시체 C의 시험결과 강도손실율은 각각 -4.31%∼+24.62%, -6.45∼+10.79% 및 -3.80∼+3.56%로 나타났으며 이에 따른 중량손실율은 각각 0.88∼+2.59%, -0.28∼+2.10% 및 -0.49∼+1.52로 나타났다. 또한 사질토 공시체에 있어 공시체 A, 공시체 B 및 공시체 C의 시험결과 강도손실율은 각각 -1.85∼+4.65%, -10.07∼+3.28% 및 -8.14∼+3.40%로 나타났으며 이에 따른 중량손실율은 각각 0.88∼+2.59%, -0.28∼+2.10% 및 -0.49∼+1.52로 나타났다. 상기의 결과로부터, 바이오-라이너 상부층(BL-T)은 동결융해에 대한 강도 및 내구성에 있어서 안전성을 충분히 확보하고 있음을 확인하였다.
<실시예 3> 바이오-라이너에 대한 차수성 시험
차수시설의 차수성을 측정하는 실험으로서는 정수두 및 변수두 투수시험방법과 삼축투수시험 등이 있으나 본 발명에서는 변수두 투수시험방법을 사용하여 공시체의 투수계수를 결정하였다. 시험에는 하기표 10에 기재한 조건으로 각기 층 두께를 달리한 3층으로 구성되는 복합공시체를 세가지 조건으로 제작하여 사용하였다.
| 구분 | 첨가제 배합비(%)(흙의 γdmax의 중량비) | 두께(cm) | ||
| A | B | C | ||
| 상부층 | 10% | 2 | 2 | 3 |
| 중간층 | 15% | 4 | 5 | 4 |
| 하부층 | 12% | 4 | 3 | 3 |
시험은 공시체 제작후 하루 동안 항온항습상태에서 양생한 후 3, 7, 14, 28일 간격으로 투수시험결과를 측정하였고 그 결과를 하기표 11및도 8에 나타내었다.
| 공시체명 | 투수계수(㎝/sec) | ||||
| k3 | k7 | k14 | k28 | ||
| A | 점성토 | 7.43×10-6 | 6.11×10-7 | 3.32×10-7 | 8.54×10-8 |
| 사질토 | 8.54×10-6 | 2.54×10-6 | 5.27×10-7 | 9.30×10-8 | |
| B | 점성토 | 7.12×10-6 | 3.25×10-7 | 2.06×10-7 | 7.55×10-8 |
| 사질토 | 7.64×10-6 | 5.24×10-7 | 4.36×10-7 | 9.13×10-8 | |
| C | 점성토 | 8.31×10-6 | 5.38×10-7 | 4.56×10-7 | 9.36×10-8 |
| 사질토 | 8.61×10-6 | 6.03×10-7 | 4.88×10-7 | 9.57×10-8 |
그 결과,표 11및도 8에 나타난 바와 같이 점성토 및 사질토 공시체 모두 28일 경과후 법적 투수계수인 1×10-7㎝/sec 이하의 투수율을 보여 차수성의 기준을 만족함을 확인하였다.
<실시예 4> 바이오-라이너의 강도 시험
자체경화에 의한 조기 및 장기강도의 발현과 이때의 적정배합비를 결정하기 위하여 바이오-라이너의 하부층에 대하여 강도 시험을 실시하였다. 실험에 사용된 공시체 제작에 있어서 첨가제는 각 흙의 최대건조밀도(γmax)에 대하여 10, 15 및 20%를 첨가하였으며, 실험용 공시체는 직경 5 ㎝ 높이 10 ㎝의 원통형으로서 PVC 파이프내에 잘 충진되도록 다져서 제작한 후 항온항습상태로 양생하였고 3, 7, 14,28일 재령일수별 일축압축강도를 시험하였으며, 그 결과를 하기표 12및도 9에 나타내었다.
| 공시체명 | 첨가제배합비(시료 γdmax당) | 양생일수별 강도(㎏/㎝2) | |||||
| % | ㎏/m3 | 3 | 7 | 14 | 28 | ||
| A | 사질토 | 10 | 103.2 | 5.87 | 11.35 | 15.67 | 17.36 |
| 점성토 | 10 | 112.2 | 3.67 | 8.34 | 12.36 | 15.12 | |
| B | 사질토 | 15 | 137.6 | 7.58 | 13.47 | 19.94 | 25.67 |
| 점성토 | 15 | 149.6 | 4.89 | 10.74 | 14.09 | 17.38 | |
| C | 사질토 | 20 | 172.0 | 8.51 | 16.47 | 22.42 | 26.18 |
| 점성토 | 20 | 187.0 | 6.25 | 12.36 | 17.07 | 20.45 |
그 결과, 10%의 하부층 첨가제를 혼합한 각 점성토 및 사질토 공시체에 있어 양생 7일후 8.34 ㎏/㎝2, 11.35 ㎏/㎝2강도를 나타냈으며 이후 지속적으로 강도가 증가하여 양생 28일의 일축압축강도는 각 15.12 ㎏/㎝2및 17.36 ㎏/㎝2을 나타내어 안정적인 강도증진 효과가 있음을 확인하였다.
<실시예 5> 비용해성 광물질생성 확인
본 차수층 조성 방법의 주요 특징 중의 하나는 차수 성능을 증진시킴과 동시에 토립자의 점토성 광물과 첨가제료들간의 이온해리 및 결합에 의한 새로운 비용해성 광물질이 차수층 토립자 간극내에 생성되는데 있다. 이는 차수층의 생성과동시에 흙속에 포함된 수분을 매개로 하여 진행되며 침출수 또는 수분의 미세침투시 칼슘계 무기물층 경계면에 생성되거나 시공전후에 발생된 미세균열 사이에 발생하는 것으로서 이를 확인하기 위하여 투수시험이 종료된 공시체에서 채취한, 복합차수층에서 형성된 광물질층(도 10참조)에 대한 X-선 회절분석(X-ray diffraction, XRD)분석을 실시하였다.
본 발명자들은 X-선 회절분석을 하기 위하여, 전처리 과정으로 건조된 시료를 알루미나 몰타르를 이용하여 80 메쉬(mesh) 이하로 미분쇄하였고 XRF 시편은 950℃에서 태운 시료와 디리튬테트라보레이트(dilithium tetraborate, Li2B4O7)를 1:5의 비율로 혼합하여 1,200℃에서 용융시켜 제조한 얇은 유리 시료판(glass bead)을 사용하였다. 먼저, 시료중 침전물 형성 부분을 채취하여 200번체(74㎚) 이하로 파분쇄하였고 X-선 회절분석을 하기 전에 110℃에서 1시간동안 가온하여 흡착수를 증발시켰으며 분말법으로 마운팅(mounting)을 실시하였다. 본 발명에서는 X선 회절분석기(X-ray diffractometer)로 RAD-C형 모델 40371(일본 Rikaku사)을 사용하였고 시험에 사용한 X선은 파장이 1.54Å인 Cu Kα선을 사용하였다.
그 결과, 시료의 차수성을 증대시키는 것으로 판단되는 광물질층은 방해석(calcite)과 석영류(quartz) 및 아라고나이트(aragonite) 등으로 판명되었다(도 11및도 12).
<실시예 6> 펜타곤(Pentagon)-3D에 의한 바이오-라이너의 안정성 검토
본 발명자들은 개발된 바이오-라이너 공법의 연약지반에 대한 현장적용성 검토를 위하여, 실제 매립장 차수층 시공시 매립장 모델의 거동에 사용하고 있는 펜타곤-3D 프로그램을 이용한 수치해석을 실시하였다.
유한요소 해석프로그램을 사용한 수치해석 모델은 매립용량 약 15,000m3정도를 가지며 평균 15 m정도의 매립고를 가지는 매립장을 기준으로 하여 폐기물 1단 매립고를 5 m로 정하여 총 3단을 고려하였다. 전체 매립장 영역 중에서 균등한 하중의 재하가 예상되는 중심 부분은 매립장 외곽부에 비하여 차수층(Bio-Liner)의 위험 요소가 상대적으로 적다고 볼 수 있으므로 본 발명자들은 매립장 외곽부를 중점적인 수치해석의 범위로 설정하였다.
하기표 13에 기재한 지반물성치를 토대로 제작된 유한요소 해석모형을도 13및도 14에 나타내었다.
| 구분 | 층두께(m) | 단위중량(t/m3) | 내부마찰각(ø) | 점착력(㎏/㎝2) | 탄성계수(㎏/㎝2) | 포아손비 |
| 제방성토재 | - | 1.85 | 25 | 0.2 | 200 | 0.3 |
| 폐기물층 | - | 1.1 | 25 | 0 | 60 | 0.3 |
| Bio-Liner | 1 | 2.3 | 0 | 5 | 765 | 0.3 |
| 퇴적층 | 20 | 1.90 | 0 | 0.5 | 90 | 0.3 |
| 모래+풍화토층 | 5 | 1.90 | 30 | 0 | 200 | 0.3 |
| 풍화암+연암층 | 5 | 2.30 | 30 | 1.0 | 19000 | 0.25 |
| 경암층 | 10 | 2.50 | 35 | 1.5 | 60000 | 0.2 |
상기 유한요소법에 의한 연약지반모델의 해석 결과를도 15내지도 26에 나타내었다.도 15내지도 17,도 18내지도 20,도 21내지도 23및도 24내지도 26는 각각 1단 제방 축조단계, 1단 폐기물 매립단계, 2단 폐기물 매립단계 및 3단 폐기물 매립단계의 y방향(연직방향)변위, x방향 변위 및 전단응력을 나타낸다. 각 단계의 해석결과에서 나타나듯이 매립장 하부의 연약지반층의 영향으로 제방축조와 폐기물 매립단계가 반복됨에 따라 제방축조시는 제방하부에 주위보다 큰 변형과 응력이 발생하고 매립작업이 진행되면서 침하와 응력이 분산되는 과정이 이어지며, 이후 폐기물 매립이 진행됨에 따라 연약지반층에 소성영역의 증가로 인하여 변위가 증가하는 모습을 확인하였다.
시공단계에 따른 연약지반층 상부의 차수층(Bio-Liner)은도 27에 나타낸 바와 같이 최대 약 31 cm까지의 연직방향침하를 나타내었다. 일반적으로 구조물의 침하량이 구조물의 중요성과 구조물의 성능에 영향을 주는 경우 그 한계값을 설정하고 위험요소를 검토하게 되지만 매립장의 경우 일반적 구조물의 한계침하량보다 큰 침하를 나타내더라 하더라도 매립장의 용도에 비추어 볼 때 침하량의 절대값보다는 부등침하의 영향검토가 더 큰 중요성을 갖게 되므로,도 23에 나타난 해석 결과에 따른 시공단계별 차수층(Bio-Liner)의 침하량 변화를 검토해 볼 경우 3단제방 축조시부터 차수층(Bio-Liner)의 침하량 불균형이 시작되지만 부등침하의 발생은 가능성이 낮은 것으로 분석되었다. 그러나 부등침하에 따른 지반내 응력 불균형, 차수층(Bio-barrier)의 파손 등이 우려되는 경우 실제 시공시 과도하거나 집중적인 응력을 발생시키지 않는 매립장 관리를 이행하도록하여 차수층(Bio-Liner)의 성능을 저하시키는 상황을 발생시키지 않도록 해야할 것으로 판단된다.
상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 차수층 조성 방법은 기존 공법에 비해 상대적으로 높은 강도를 발휘하는 동시에 1×10-7cm/sec 이하의 저투수성, 동결융해에 의한 표면열화방지, 차수층내 미생물에 의한 바이오-배리어(bio-barrier) 형성에 의한 침출수내 오염물질제거 및 투수계수의 저감에 뛰어난 효과가 있고 생물학적 처리 공법으로 처리하는 하·폐수 처리장에서 발생하는 최종탈수 슬러지 케익을 미생물재료로 사용함으로써 환경오염 방지 및 자원 재활용 측면에서 유용하므로 유해 침출수의 지반 누출을 최소화할 수 있는 차수층 조성 방법으로 유용하게 사용될 수 있다.
Claims (11)
1) Ca계 무기물, 석고, 소석회 및 그 혼합물을 첨가제로 포함하는 것을 특징으로 하는 하부층을 제조하는 단계;
2) 벤토나이트, Na계 무기물, 미생물, 규조토, 규석 및 그 혼합물을 첨가제로 포함하는 것을 특징으로 하는 중간층을 제조하는 단계;
3) 시멘트계 무기물, 반수석고, 이수석고 및 그 혼합물을 첨가제로 포함하는 것을 특징으로 하는 상부층을 제조하는 단계; 및
4) 상기 단계 1 내지 단계 3에서 제조된 하부층, 중간층 및 상부층을 적층하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 차수층 조성 방법.
제 1항에 있어서, 단계 1의 하부층은 자체경화에 의한 강도증진 작용을 하는 것을 특징으로 하는 차수층 조성 방법.
제 1항에 있어서, 단계 1의 하부층 첨가제의 투입량은 점성토에서는 최대건조밀도의 5∼10%, 사질토에서는 최대건조밀도의 5∼15%를 투입하는 것을 특징으로 하는 차수층 조성 방법.
제 1항에 있어서, 단계 2의 중간층은 토립자 간극폐쇄 및 오염물질 제거 효과 작용을 하는 것을 특징으로 하는 차수층 조성 방법.
제 1항에 있어서, 단계 2의 중간층 첨가제의 투입량은 점성토에서는 최대건조밀도의 10∼20%, 사질토에서는 최대건조밀도의 10∼25%를 투입하는 것을 특징으로 하는 차수층 조성 방법.
제 1항에 있어서, 단계 2의 미생물은 생물학적 처리 공법으로 처리하는 하·폐수 처리장에서 발생하는 슬러지 및 최종탈수 슬러지 케익을 미생물 재료로 사용하는 것을 특징으로 하는 차수층 조성 방법.
제 1항에 있어서, 단계 2의 미생물은 차수층 토양 간극내에서 바이오 필름을 형성시켜 차수 기능과 함께 차수층내에서 침출수의 유해성분을 생물학적으로 처리하는 것을 특징으로 하는 차수층 조성 방법.
제 1항에 있어서, 단계 3의 상부층은 동결융해 및 건습작용에 의한 피해를 최소화하는 작용을 하는 것을 특징으로 하는 차수층 조성 방법.
제 1항에 있어서, 단계 3의 상부층 첨가제의 투입량은 점성토에서는 최대건조밀도의 5∼15%, 사질토에서는 최대건조밀도의 5∼20%를 투입하는 것을 특징으로 하는 차수층 조성 방법.
1) Ca계 무기물, 석고, 소석회 및 그 혼합물로 구성되는 하부층 첨가제;
2) 벤토나이트, Na계 무기물, 미생물, 규조토, 규석 및 그 혼합물로 구성되는 중간층 첨가제; 및
3) 시멘트계 무기물, 반수석고, 이수석고 및 그 혼합물로 구성되는 상부층 첨가제를 포함하는 차수층 조성물.
제 1항의 조성 방법에 의해 제조된 생활 또는 지정폐기물 매립장에서 발생되는 유해 침출수의 지반누출을 최소화할 수 있는 복합 차수층.
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| KR20190127260A (ko) * | 2018-05-04 | 2019-11-13 | 한국과학기술원 | 토착 미생물의 생자극과 미립자 주입의 연계를 통한 수변 구조물의 누수 보강 방법 |
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