KR100420472B1 - 동제련 슬래그를 이용한 도로 하부 보강재료 - Google Patents

Abstract

본 발명은 동제련 과정에서 발생되는 부산물인 동제련 슬래그를 그 자체만으로 또는 화강풍화토와 혼합하여 도로의 보조기층이나 동상방지층의 재료로 활용한 동제련 슬래그를 이용한 도로 하부 보강재료에 관한 것으로, 최대입경이 50 mm 이하인 동제련 슬래그로 이루어지며, 포장도로의 동상방지층 상부에 포설된 후 다짐공정에 의해 보조기층을 형성하는 동제련 슬래그를 이용한 도로 하부 보강재료와, 최대입경이 50 mm 이하인 동제련 슬래그 및 화강풍화토의 혼합물로 이루어지며, 포장도로의 동상방지층 상부에 포설되어 흙 다짐시험 방법 KS F 2312 최대건조밀도의 95% 이상의 다짐도로 다져져 보조기층을 형성하는 동제련 슬래그를 이용한 도로 하부 보강재료와, 직경 20 ㎛ 이하인 입자의 함유량이 3% 이하이고, 75 ㎛ (No.200)체를 통과한 입자의 함유량이 15% 이하이고, 최대입경이 100 mm 이하인 동제련 슬래그로 이루어지며, 포장도로의 노상층 상부에 다져져 동상방지층을 형성하는 동제련 슬래그를 이용한 도로 하부 보강재료와, 직경 20 ㎛ 이하인 입자의 함유량이 3% 이하이고, 75 ㎛ (No.200)체를 통과한 입자의 함유량이 15% 이하이고, 최대입경이 100 mm 이하인 동제련 슬래그 및 화강풍화토의 혼합물로 이루어지며, 포장도로의 노상층 상부에 다져져 동상방지층을 형성하는 동제련 슬래그를 이용한 도로 하부 보강재료를 제공한다.

Description

동제련 슬래그를 이용한 도로 하부 보강재료 {MATERIALS FOR REINFORCEMENT OF THE LOWER PART OF ROAD USING COPPER SLAG}

본 발명은 도로 하부 보강재료에 관한 것으로, 보다 상세하게는 동제련 과정에서 발생되는 부산물인 동제련 슬래그를 그 자체만으로 또는 화강풍화토와 혼합하여 도로의 보조기층이나 동상방지층의 재료로 활용한 동제련 슬래그를 이용한 도로 하부 보강재료에 관한 것이다.

일반적으로, 아스팔트 콘크리트 또는 시멘트 콘크리트 구조로 이루어지는 포장도로는 표층의 보호를 위해 각각 소정의 입도 및 강도조건에 부합하는 여러 종류의 하부 보강재료로 구성된 다층구조로 이루어진다.

즉, 도1에 도시된 바와 같이, 종래의 포장도로는 노체(113)의 상부에 토사를 다짐하여 이루어진 노상층(112)과, 상기 노상층(112)의 상부에 자갈 등을 적층 및 다짐하여 이루어진 동상방지층(111)과, 상기 동상방지층(111) 상부에 상기 동상방지층(111)을 이루는 보강재료보다 상대적으로 작은 입도의 부순 자갈 등을 적층하여 형성된 보조기층(103)과, 상기 보조기층(103) 상부에 포설되는 아스팔트 콘크리트 또는 시멘트 콘크리트로 이루어진 표층(101)으로 구성되며, 아스팔트 포장도로의 경우에는 아스팔트 콘크리트의 포설을 위한 기층(102)이 상기 보조기층(103)과표층(101) 사이에 형성된다.

상기와 같이 구성된 종래의 포장도로에서 상기 보조기층(103)은 표층(101)을 통해 가해지는 교통하중을 분산시켜 노상에 균일하게 전달하는 중요한 역할을 하는 부분으로서, 충분한 지지력을 갖는 동시에 반복적인 하중에 대한 내구성을 지닌 재료를 설계 두께에 따라 적층시킨 후 충분한 다짐작업을 수행해야 하며, 종래에 사용되는 보조기층(103) 재료로는 막자갈, 철강슬래그, 모래 등과 같은 현장 부근에서 구하기 쉬운 경제적 재료를 사용한다.

또한, 통상적으로 포장도로에서 노면의 온도가 0℃ 이하가 되고, 그 하부층에 0℃ 이상의 습기층이 형성될 때 노면이 동결하는 동상이 발생되어 도로가 동파되는 경우가 자주 발생하게 된다. 상기 동상방지층(111)은 이를 방지하기 위해 형성된 것으로서, 도로 포장의 두께가 도로 부설지역의 동결심도보다 얇을 때 포장층(100) 하부의 동결층까지 투수성이 좋은 양질의 재료를 적층하여 도로 노면을 통한 유입수 등의 배수가 원활히 이루지도록 하고, 지하수위가 상승되었다가 다시 수위가 낮아졌을 때 수분이 남아있지 않도록 함으로써, 기온이 낮은 겨울철에도 도로가 동결로 인한 피해를 받지 않고 제 기능을 유지하도록 하는 것이다.

그러나, 상기한 바와 같은 종래의 포장도로는 상기 보조기층(103) 및 동상방지층(111)의 배수성이 충분하지 못하여 노상지지력의 약화 및 동결에 따른 도로파손이 유발되는 문제점이 있으며, 천연골재의 채취에만 의존하기 때문에 그에 따른 자연 환경의 훼손이 뒤따르는 문제점이 있었다.

한편, 동의 제련과정에서 발생하는 부산물인 동제련 슬래그(copper slag)는순수한 동 1kg을 생산할 시에 약 1.4kg 정도가 발생되며, 국내의 경우 연간 약 60만톤 정도가 발생하고 있다. 더욱이, 앞으로 지속적인 전기동 소비의 증가에 따른 동 생산업체의 설비증설로 동제련 슬래그는 계속 증가할 것으로 예상되는데, 종래에는 이러한 동제련 슬래그를 매립 등의 처리방법에 의해 폐기처분하였기 때문에 그에 따른 처리비용이 소요될 뿐 아니라, 매립지가 확보되어야만 하는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 토양 오염 및 부식의 우려없이 도로 하부 보강재료로서 요구되는 다짐성, 투수성 조건을 충족시키면서도 천연골재의 사용을 경감시키고 동의 제련시에 발생하는 산업부산물을 재활용할 수 있도록 한 동제련 슬래그를 이용한 도로 하부 보강재료를 제공하는 것에 그 목적이 있다.

도1은 종래의 도로 하부 구조를 나타내는 단면도.

도2a는 본 발명에 따른 동제련 슬래그를 이용한 도로 하부 보강재료가 보조기층에 적용된 일실시예를 나타낸 단면도.

도2b는 본 발명에 따른 동제련 슬래그를 이용한 도로 하부 보강재료가 동상방지층에 적용된 일실시예를 나타낸 단면도.

도3은 동제련 슬래그와 화강토의 혼합비에 따른 다짐곡선을 나타낸 그래프.

도4는 동제련 슬래그와 화강토의 혼합비에 따른 투수계수를 나타낸 그래프.

도5는 동제련 슬래그와 화강토의 혼합비 및 온도변화에 따른 부동수분량을 나타낸 그래프.

도6은 동제련 슬래그와 화강토의 혼합비에 따른 동상량을 나타낸 그래프.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

200 : 포장층 201 : 표층

202 : 기층 203a : 보조기층

204a : 동상방지층 205 : 노상층

206 : 노체 210 : 노상

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 최대입경이 50 mm 이하인 동제련 슬래그로 이루어지며, 포장도로의 동상방지층 상부에 포설된 후 다짐공정에 의해 보조기층을 형성하는 동제련 슬래그를 이용한 도로 하부 보강재료를 제공한다.

또한, 본 발명은 최대입경이 50 mm 이하인 동제련 슬래그 및 화강풍화토의 혼합물로 이루어지며, 포장도로의 동상방지층 상부에 포설되어 흙 다짐시험 방법KS F 2312 최대건조밀도의 95% 이상의 다짐도로 다져져 보조기층을 형성하는 동제련 슬래그를 이용한 도로 하부 보강재료를 제공한다.

또한, 본 발명은 직경 20 ㎛ 이하인 입자의 함유량이 3% 이하이고, 75 ㎛ (No.200)체를 통과한 입자의 함유량이 15% 이하이고, 최대입경이 100 mm 이하인 동제련 슬래그로 이루어지며, 포장도로의 노상층 상부에 다져져 동상방지층을 형성하는 동제련 슬래그를 이용한 도로 하부 보강재료를 제공한다.

또한, 본 발명은 직경 20 ㎛ 이하인 입자의 함유량이 3% 이하이고, 75 ㎛ (No.200)체를 통과한 입자의 함유량이 15% 이하이고, 최대입경이 100 mm 이하인 동제련 슬래그 및 화강풍화토의 혼합물로 이루어지며, 포장도로의 노상층 상부에 다져져 동상방지층을 형성하는 동제련 슬래그를 이용한 도로 하부 보강재료를 제공한다.

상술한 목적, 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.

도2a 및 도2b는 본 발명에 따른 동제련 슬래그를 이용한 도로 하부 보강재료의 사용상태를 도시한 것으로, 도2a는 보조기층이 동제련 슬래그로 이루어진 포장도로의 단면구조를 나타내고, 도2b는 동상방지층이 동제련 슬래그로 이루어진 포장도로의 단면구조를 나타낸다.

즉, 본 실시예에서는, 도2a에 도시한 바와 같이 동제련 슬래그를 동상방지층(204a)의 상부에 포설한 후 소정의 다짐공정을 수행하여 보조기층(203a)을 형성하거나, 도2b에 도시한 바와 같이 동제련 슬래그를 포장도로의 노상층(205)의 상부에 포설한 후 다짐공정을 통해 동상방지층(204b)을 형성한다.

여기서, 도2a의 보조기층(203a)을 이루는 동제련 슬래그의 경우에는 입도가 크면 시공관리가 어려우므로 최대입경은 50 mm 로 하는 것이 바람직하고, 수정 CBR을 구할 때 사용하는 다짐도는 KS F 2312(흙의 다짐시험 방법) 최대건조밀도의 95% 이상으로 한다. 상기 보조기층(203a)은 표층(201)을 통해 가해지는 교통하중을 분산시켜 노상에 균일하게 전달하는 지지재로서의 주기능 이외에도 기층(202) 내로 세립 토사가 침입되는 것을 방지하고, 동결작용에 따른 손상을 최소화하고, 포장층(200)의 내부 및 하부층에 침투수가 고이는 것을 방지하며, 시공장비를 위한 작업로를 제공하는 역할을 하게 된다.

또한, 도2b의 동상방지층(204b)을 이루는 동제련 슬래그는 최대입경이 100 mm 이하로 이루어지되, 투수성을 증진시켜 빙막의 형성을 방지하기 위해 직경 20 ㎛ 이하인 입자의 함유량이 3% 이하이고, 75 ㎛ (No.200)체를 통과한 입자의 함유량이 15% 이하인 조건을 만족하도록 이루어진다.

한편, 도2a의 보조기층(203a) 및 도2b의 동상방지층(204b)는 각각 동제련 슬래그와 화강풍화토를 소정 비율로 혼합하여 이루어질 수도 있다. 이때, 동제련 슬래그만을 이용했을 경우와 마찬가지로, 보조기층(203a)은 최대입경이 50 mm 이하인 동제련 슬래그 및 화강풍화토의 혼합물로 이루어지며, 흙 다짐시험 방법 KS F 2312 최대건조밀도의 95% 이상의 다짐도로 다져진다. 또한, 동상방지층(204b)은 직경 20 ㎛ 이하인 입자의 함유량이 3% 이하이고, 75 ㎛ (No.200)체를 통과한 입자의 함유량이 15% 이하이며, 최대입경이 100 mm 이하인 동제련 슬래그 및 화강풍화토의 혼합물로 이루어진다.

상기한 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 동제련 슬래그를 이용한 도로 하부 보강재료에 의한 포장도로의 시공과정은 통상의 포장도로 건설공정과 동일하므로 그 설명은 생략한다.

한편, 본 발명의 주요 구성요소인 동제련 슬래그는 동제련 공장의 연속동제련 공정에서 동광석 중 철분과 규석의 결합에 의해 생성되는데, 일반적으로 철분 43w%∼47w%, 규산질 25w%∼30w%, 소량의 산화칼슘, 산화마그네슘 및 산화알루미늄으로 구성되며, 철분의 함유량에 따라 2.8∼3.8 정도의 비중을 갖는다. 또한, 용융상태에서 고압수를 사용하여 급냉, 수쇄하여 세립화한 것이므로 입자가 균일하고 안정된 상태를 갖는 비동결 재료로서, 그 입자의 크기는 대략 0.3mm ∼ 5.0mm 의 입도 분포에 집중되어 있고, 일반적인 모래의 범위에서 구분하면 중간 모래에 가깝다.

이러한 동제련 슬래그의 도로 하부 보강재료로서의 적합성을 검증하기 위해 실시한 시험들의 결과를 도3 내지 도6의 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도3은 동제련 슬래그와 화강풍화토를 혼합하는 방법으로 현장에서 다짐작업을 수행했을 때 예상되는 단위중량을 알아보기 위한 다짐시험(KS F 2312) 결과를 나타낸 그래프로서, 도시한 바와 동제련 슬래그의 혼합비가 높을수록 다짐효과가 좋은 것으로 나타났다.

도4는 동제련 슬래그와 화강풍화토의 혼합비에 따른 투수시험(KS F 2322) 결과를 나타낸 그래프로서, 도시한 바와 같이 동제련 슬래그의 혼합비율이 높을수록 투수계수가 증가하는 경향을 보여 동제련 슬래그를 많이 혼합할수록 투수성도 좋아지는 것으로 나타났다.

도5 및 도6은 동제련 슬래그의 동상방지 효과를 검증하기 위한 시험결과를 나타낸 것인데, 도5는 TDR(time domain reflectometry) 이라는 시험장비를 이용하여 냉각된 공기가 지반 내로 침투할 때 얼지 않고 남아있는 부동수분량을 측정한 결과를 나타낸 그래프로서, 동제련 슬래그의 혼합비가 높을수록 부동수분량 (unfrozen water content)이 감소한 것으로 나타났으며, 영국의 TRRL (transportation and road research laboratory) 에서 제안한 동상시험기를 이용하여 동상성을 판정한 결과 도6에 도시한 바와 같이 동제련 슬래그의 혼합비가 높을수록 동상량이 감소하는 결과를 보였다.

상기한 바와 같이, 동제련 슬래그의 혼합비율이 높을수록 다짐효과, 투수성 등이 우수해지는 것으로 나타났다. 따라서, 이러한 동제련 슬래그와 화강풍화토를 도로공사 표준시방서 보조기층, 동상방지층의 재료 표준입도 기준에 맞게 중량비로 혼합하여 사용한다면 기존의 보조기층에 사용하는 모래, 막자갈 등이나 동상방지층에 사용하는 모래나 자갈 등에 대하여 더 우수한 효과를 갖는 대체재로 활용할 수 있다.

한편, 표1은 동제련 슬래그의 토양오염 가능성을 평가하기 위해 폐기물 공정 시험법에 의한 용출시험을 실시한 결과를 나타낸다.

시험항목	유해성판정기준 (mg/ℓ)	실험결과 (mg/ℓ)
납	3.0	검출안됨
카드뮴	0.3	검출안됨
구리	3.0	0.39
비소	1.5	검출안됨
시안	1.0	검출안됨
수은	0.005	검출안됨
6가 크롬	1.5	검출안됨
트리클로로에틸렌	0.3	검출안됨
테트라클로로에틸렌	0.1	검출안됨
유기인화합물	1.0	검출안됨

표1에 나타내어진 바와 같이, 용출시험결과 구리만이 0.39 mg/ℓ가 검출되었을 뿐, 다른 항목의 오염물질은 검출되지 않았으므로, 모든 오염물질 함유량이 기준치 이하인 것으로 나타났다. 또한, 부식성과 식생공에 미치는 정도를 알아보기 위해 용출시액의 pH 값을 측정한 결과, pH값이 6.84로 나타나 거의 중성에 가까운 것으로 나타났다.

따라서, 동제련 슬래그는 환경유해성이 없는 것으로 판단되며, 도로의 경우에는 비교적 비중이 큰 동제련 슬래그의 사용에 따른 구조적 문제가 미미하므로, 화강풍화토와의 혼합비를 최대한 높여 보다 우수한 특성을 갖는 보조기층이나 동상방지층의 재료로 사용될 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

상기한 바와 같은 본 발명에 따르면, 동제련 슬래그 또는 동제련 슬래그와 화강풍화토의 혼합골재를 도로 하부 보강재료로 사용함으로써, 보조기층 재료로 사용할 경우에는 투수성이 우수하여 배수불량으로 인한 노상 지지력 저하를 감소시킬 수 있고, 포장층의 내부 또는 그 하부층에 침투수가 고이는 것을 방지할 수 있으며, 동상방지층 재료로 사용할 경우에는 동상방지효과가 높아 동절기의 동결현상에 따른 도로 파손을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 동제련 슬래그를 기존의 천연골재의 대체재로 사용할 수 있어 골재 채취로 인한 자연환경의 훼손을 방지하고, 동제련 과정에서 발생하는 폐기물을 유용하게 처리하여 매립에 따른 국토 이용 효율의 저하 및 비용발생을 방지할 수 있게 되는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 최대입경이 50 mm 이하인 동제련 슬래그로 이루어지며, 포장도로의 동상방지층 상부에 포설된 후 다짐공정에 의해 보조기층을 형성하는 동제련 슬래그를 이용한 도로 하부 보강재료.
2. 제1항에 있어서,

   상기 보조기층은

   상기 동제련 슬래그에 최대입경이 50 mm 이하인 화강풍화토를 혼합한 혼합물로 이루어지되, 상기 포장도로의 동상방지층 상부에 포설되어 흙 다짐시험 방법 KS F 2312 최대건조밀도의 95% 이상의 다짐도로 다져져 형성하는

   동제련 슬래그를 이용한 도로 하부 보강재료.
3. 직경 20㎛ 이하인 입자의 함유량이 3% 이하이고, 75㎛(No.200)체를 통과한 입자의 함유량이 15% 이하이고, 최대입경이 100mm 이하인 동제련 슬래그로 이루어지며, 포장도로의 노상층 상부에 다져져 동상방지층을 형성하는 동제련 슬래그를 이용한 도로 하부 보강재료.
4. 제3항에 있어서,

   상기 동상방지층은

   상기 동제련 슬래그에 직경 20㎛ 이하인 입자의 함유량이 3% 이하이고, 75㎛ (No.200)체를 통과한 입자의 함유량이 15% 이하이고, 최대입경이 100mm 이하인 화강풍화토를 혼합한 혼합물로 이루어지되, 상기 포장도로의 노상층 상부에 다져져 동상방지층을 형성하는

   동제련 슬래그를 이용한 도로 하부 보강재료.