KR100790373B1

KR100790373B1 - 토양 개량 고화제

Info

Publication number: KR100790373B1
Application number: KR20060072510A
Authority: KR
Inventors: 장경희
Original assignee: 장경희
Priority date: 2006-08-01
Filing date: 2006-08-01
Publication date: 2008-01-02

Abstract

본 발명은 원료로서 800~1000℃에서 소성한 제지슬러지재 40~60wt%에 용광로 슬래그 미세분말 20wt%, 생석회 10~32wt%, 무수석고 3~10wt%를 혼합 균질화시키므로서 제조되는 연약지반의 토양 개량 고화제로서 원료의 대부분을 폐기물을 이용하므로서 환경적인 차원이나 생산단가면에서 큰 잇점이 있고 개량토의 기능에 있어서도 공해유발물질이 없고 중성에 가까워 식물의 식생녹화가 가능하며 또한 고화시간이 빠르고 개량처리가 용이하여 공기를 단축시킬 수 있고 토양의 종류에 제한됨이 없이 대규모로 광범위하게 적용할 수 있는 연약지반의 토양 개량 고화제에 관한 것이다.

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Description

토양 개량 고화제{SOLIDIFYING AGENT FOR IMPROVEMENT OF SOIL}

본 발명은 연약지반, 연못이나 하천 또는 호수, 늪지대에서 나오는 준설토, 그리고 현장에서 발생되는 폐기토중에서 함수율이 높은 점토질의 토양을 개량하여 재이용 가능토록 하는 토양 개량 고화제에 관한 것으로 구체적으로는 800~1000℃에서 소각한 제지슬러지재, 용광로에서 생산되는 슬래그미세분말, 생석회, 무수석고, 미량의 고분자 응집제가 첨가된 푸라이애쉬로 구성된 토양 개량 고화제에 관한 것이다.

종래 토양과 혼합하여 연약한 지반의 안정강화, 불량토의 개질목적으로 사용되는 고화제 또는 경화재로서는 물유리를 염화칼슘, 알민산소오다, 초산, 중크롬산소다 및 규불화소다 등의 경화제로 경화시켜 규산겔로 변화시킨 물유리계 고화제가 있고 리그닌과 중크롬산소다와 같은 경화개시제, 물로 구성되어 있는 크롬리그닌계 토양 개량 고화제가 있으며 모노머와 가교제의 수용액에 개시제 및 촉진재 등을 가하여 중합시키는 아크릴아미드계 고화제가 있고 요소수지 초기축합 수용액을 주입 경화시키는 요소수지계 고화제 그리고 아크릴산칼슘, 친수성 우레탄을 이용한 폴리 우레탄계 고화제들이 있으며 고화의 기능에 있어서도 경화에 의한 고화, 중합에 의한 고화 불용화에 의한 고화 등 차이가 있다. 이와 같은 고화제는 그 성능에 관계없이 대규모의 토양 개량 고화에는 고가의 고화제란 점에서 사용하기가 곤란하다.

특히 연못이나 하천, 또는 호수, 늪, 갯벌 등에서 나오는 준설토나 건설현장에서 발생하는 점토실트질을 많이 함유한 규모가 큰 토양을 고화시킬 때는 시멘트계(포오트란트시멘트) 고화제, 석회계 고화제, 석고계 고화제 등이나 이들의 둘 이상의 조성물로된 고화제를 널리 사용하여 왔다. 그러나 이들은 원료로 사용하는 하수진흙 소각재나 쓰레기 소각재를 고온으로 다시 가열하였기 때문에 연료로서 중유 등이 필요하게 되고 또 다시 가열하는 작업때문에 제조비용이 더 높아진다. 또 제지슬러지를 소각해서 나오는 재의 유효활용으로서 오래전부터 토양 개량제로 사용되어온 실예도 있지만 전술한 바와 같이 다시 소성하는 공정이 필요하므로서 제조원가 상승을 피할 수 없다. 또한 하수진흙 소각재나 쓰레기 소각재, 제지폐기물을 1400~1500℃의 고온으로 태우기 대문에 함유성분중의 크롬이 육가크롬으로 변화한다. 이와 같은 고온에서 소성한 토양 고화제를 사용하면 주변 환경속에 육가크롬이 존재하므로서 환경오염을 피할 수 없게 된다. 또 소각재를 다시 가열하는 공정에서 석고, 기타 성분 예를 들면 C₁₁A₇CaCl₂, C₁₁A₇CaF, CaA 등을 첨가하에 소성되기 때문에 시멘트화는 피할 수 없게 되고 다라서 고화제로서 사용했을 경우는 PH10.5~13까지 높아지고 환경속의 생태계에도 악영향을 미치게 하는 결과를 초래한다.

더욱이 시멘트계 고화제에서는 고결화에 필요한 시간이 5~7일로 길게 되기 때문에 고화제와 진흙이나 이토와 혼합하여 바로 운반할 수 없는 등의 결점이 있다.

본 발명은 종래 토양 개량 고화제의 문제점을 보완한 발명으로서 제지슬러지를 800~1000℃의 비교적 낮은 온도에서 소각 처리하므로서 연료비의 절감과 육가크롬을 생성시키지 않고 또한 PH도 상승시키지 않으므로서 환경적으로도 문제점을 발생시키지 않으며 또한 시멘트계의 결점인 양생시일의 장기화에 따른 문제점을 해소할 수 있고 악취를 발생하지 않는 고화제로서 이를 위한 구체적인 수단으로 소각하여 얻어진 제지슬러지재에 용광로슬래그, 생석회, 무수석고와 소량의 고분자 응집제가 첨가된 프라이애쉬를 첨가시킨 다량의 고화제가 요구되는 대규모의 토양 개량 공사에 적합한 토양 개량 고화제를 제공함에 있다.

본 발명은 종래 토양 개량 고화제의 제조원가 및 기능성의 문제점을 보완한 고화제로서 고화제 원료의 거의 전부를 폐기물로부터 재활용하므로서 경제적인 차원에서 고부가가치를 창출함은 물론 고화제로서의 우수한 기능성을 보장하므로서 엄청난 고화제를 필요로 하는 대규모의 토양 개량 공사에 적합한 토양 개량 고화제에 관한 것으로 이를 구체적으로 설명하면 주원료로서 800~1000℃에서 소성한 제지슬러지재 40wt%~60wt%에 용광로슬래그 미세분말 20wt%, 생석회 10~32wt%, 무수석고 3~10wt%로, 구성된 토양 개량 고화제라 할 수 있다. 이상이 본 발명의 기본이 되는 토양 개량 고화제이고 토양의 종류, 요구되는 물성에 따라 상기 기본 고화제 80~95wt%에 유기고분자 응집제 0.1~1.0wt%를 함유한 프라이애쉬 5~20wt%가 첨가된 토양 개량 고화제가 본 발명 범위에 포함된다.

상기 본 발명에서 사용되는 제지슬러지 소각재, 용광로 슬래그 미세분말 생석회, 무수석고 및 프라이애쉬 각각의 구성성분을 알아보면 표(1)과 같다.

표(1) 고화제 원료의 화학성 분표

원료＼성분	CaO	SiO₂	Fe₂O₃	Al₂O₃	TiO₂	ZnO	P₂O₅	SO₃	MgO	기타
제지슬러지 소각재	27.8	25.2	22.2	12.0	4.39	1.89	1.59	1.24	1.13
용광로 슬래그	42.5	33.5	0.5	14.5	-	-	-	2.0	6.0
소석회	70.0	0.6	0.1	0.4	-	-	-	0.3	0.1
프라이애쉬	0.53	46.91	7.3	44.47				0.99	1.80

참고 : (1) 표(1)중의 숫자단위는 wt%

(2) 각 성분의 백분율의 부족분은 수분 강렬 감량 및 기타이다.

이상에서 제지슬러지 소각재는 제지 공장에서 초지시나 사이징 공정에서 충진제 및 사이징제 처리시 탄산칼슘을 비롯 탈크파우더, 백토 등 기타 무기질 분말이 많이 사용되고 있으며 폐기되는 초지 폐액중에도 펄프와 함께 많은 무기질 성분이 포함되어 있다. 이를 소각하거나 소성하면 종이를 구성하는 펄프나 사이징제로 사용되었든 유기물질은 연소되어 버리고 위의 표(1)에서와 같이 무기질 성분만 남게 되는데 이를 본 발명에서 이용하고 있다.

또한 용광로 슬래그는 제철공장에서 철광석을 용융시킬 때 철광석 내에 함유된 철이외 광물질의 용융고화체로서 이를 미분쇄시킨 것이라 할 수 있으며 프라이애쉬는 화력발전소에서 석탄을 연소했을 때 나오는 부산물이며 다공성이여서 경량이면서 흡수성과 개스흡착성이 강한 물질이다.

석고 역시 천연석고와 화학석고가 있으며 석고는 이수석고(CaSO₄ㆍ2H₂O), 반수석고(CaSO₄ㆍ½H₂O)와 무수석고(CaSO₄)가 있으며 본 발명 고화제에서는 성분 조성이 용이하고 불순물이 적은 화학석고의 무수석고를 사용한다.

이상과 같은 원료로서 본 발명 토양 개량 고화제를 제조하게 되는데 전술한 조성비로서 조성하되 비표면적을 크게 하기 위하여 200메쉬 보다 적은 미세분말로 균질화시키면 본 발명 개량 고화제를 제조하게 된다.

전술한 기본 고화제는 비교적 수분이 적은 토양에 광범위하게 적용되지만 기본 고화제에 소량의 유기응집제가 첨가된 프라이애쉬가 첨가되는 토양 개량 고화제는 수분함량이 많은 토양이나 많은 량의 토양입자가 수중에 분산현탁되어 있는 습지대, 갯벌지대에서 우선 수중에 있는 많은 량의 토양입자를 응집시켜 침강시킨 다음 물을 제거하고 남은 토양을 개량시켜 고화시킴에 극히 효과적이라 할 수 있다.

상기 본 발명 고화제에 사용되는 원료의 작용과 기능을 살펴보면 우선 제지소각재(잔사)는 소각온도를 800~1000℃에서 소각처리되므로서 시멘트화는 거의 일어나지 않고 부분적인 일부 소성반응이 일어나며 펄프 등을 포함한 유기질 사이징제가 연소되어 일부의 탄소(재)를 남기게 되고 산화크롬성분이 포함되어 있어도 육가크롬으로 변화되지 않은 상태라 할 수 있다.

토양 개량을 위하여 물을 첨가시 일어나는 반응은 표(1)의 성분표에서 성분비가 큰 것으로 소석회, 실리카, 알루미나, 산화철 등을 들 수 있으며 이들 성분중 C₃S, C₂S, C₃A, C₄AF는 반응성이 매우 좋은 무수화물(Anhydride)로 물과 반응하여 용해도가 낮은 수화물(hydrate)을 만든다.

여기서 각 성분의 반응으로서 C₃S는 물과 반응하면 Ca-O 결합이 끊어져 Ca²⁺이 수용액에 녹아서 과포화상태에 이르면 수산화칼슘 결정이 석출되고 남은 [SiO₄]^4-은 물과 반응해서 [Si(OH)₆]^2-와 같은 모양의 수소규산 이온으로 용해하고 중합해서 C₃S 알갱이 주위에 수화실리카겔을 만든다. 이 겔이 Ca² ⁺과 결합해서 규산칼슘수화물(C-S-H) 결정이 석출된다.

또한 C₃A(3CaOㆍA₂O₃)는 매우 빠른 속도로 물과 반응하며 열을 발생한다. 이때 생성되는 수화물은 육각 관상의 칼슘알루미네이트 수화물로 C₄AH₁₀와 C₂AH₈의 혼합물이며 이는 시간이 감에 따라 안전한 입방정계의 알루미네이트 수화물로 된다.

한편 본 발명 토양 개량 고화제의 조성물로 첨가되는 석고는 상기 C₃A의 반응을 억제한다. 이것은 복염인 칼슘 슬포알루미네이트(Calcium sulpo-aluminate) 수화물이 C₃A의 표면에 만들어져 물과 C₃A의 반응을 방해하기 때문이다. 이 수화물은 염기성에 안정하고 물에 녹지 않는 화합물로 고황산염의 형과 저황산염의 형의 2종류가 있다. C₃A-석고-물이 반응하여 피표면적이 큰 고황산염이 만들어지고 석고가 다 소비되면 고황산염의 형이 C₃A와 반응하여 저황산염이 된다. 또한 개량토를 이용하는 과정에 개량토가 급격하게 굳어지면 작업성이 크게 나빠지므로 경화시간을 지연시키므로서 작업성을 향상시킬 수 있으며 장기강도의 발현목적으로 사용된다.

그리고 고로 슬랙은 물과 반응하여 직접 경화하는 성질을 가지지 않지만 타원료 특히 소성된 제지슬러지재 존재하에서는 잠재수경성을 나타내게 된다. 고로 시멘트는 수화열이 낮고 화학적 저항성이 큰 특징이 있으며 고로 슬래그내에 존재하고 있는 상태는 β-C₂S-Ca₂Mg Si₂O₇-CaAl(SiAlO₇)의 고용체가 주된 화합물이다.

그밖에 플라이애쉬는 주로 실리카와 산화알루미늄의 함량이 많은 유리질상태의 물질로 구성되어 있고 토양 개량 공사에서 혼합시 유동성을 주기 때문에 작업성이 향상되며 초기 강도는 떨어지고 경화도 늦어지나 후기 강도가 양호하다. 후기 강도가 양호한 이유는 프라이애쉬의 포졸란 반응에 기인한다고 할 수 있으며 이를 첨가하므로서 개량 토양에서 얻어지는 효과는 작업성과 안정성을 개선하고 압축강도와 인장강도를 증대시키며 또한 방수효과를 증대시킬 수 있고 수화염감소와 블리이딩(Bleeding)의 감소로 강도가 증가된다.

또한 비중이 적은 편이고 흡수성이 크며 개스 등의 흡착성이 좋다. 이로 인해 토양의 함수비율이 지나치게 높거나 토양 미세입자의 심한 현탁성 수질인 경우에는 소량이 첨가된 유기고분자 물질과 함께 현탁성 물질을 응집침강시킨 상태에서 물을 제거할 수 있는 한 제거한 상태에서 프라이애쉬가 첨가된 토양 개량 고화제를 사용하게 된다.

그밖에 생성회의 첨가는 본 고화제에 함유된 구성성분에 있어서 산화칼슘의 부족분을 보충하는 것으로 되어 있다.

이상에서는 본 발명 고화제의 구성성분의 개별적인 기능과 작용을 언급하고 있지만 전체적인 고화제의 특징을 알아보면 우선 본 발명에 의한 고화제는 ①무해한 원료를 사용하므로서 환경면에서 안전하게 시공할 수 있으며 ②산업폐기물을 원료로 하기 때문에 재활용 차원에서 사회적, 경제적인 상승효과가 크다. ③종래 화학응고재에 비해서 원료비가 엄청나게 싸고 대규모의 토양 개량 시공에 사용할 수 있으며 ④토양 개량 시공시 특수한 혼합설비가 필요없고 포크레인 등의 범용 중기로 작업이 가능하고 ⑤PH치가 중성고화제 대상토와 혼합했을 때 빠른 단계에서 PH가 중성에 가깝게 된다. ⑥고화 후 토양의 기능을 가지므로 식생이 가능하여 녹화가 가능하며 ⑦고화시간이 빠르고 초기에 개량토로서 유효하게 작용하는 장점을 들 수 있다.

상기 본 발명 토양 개량 고화제의 성능 및 효과를 더욱 분명하게 하기 위하여 연구과정에서 실시한 실시예를 들기로 한다.

실시예(1)

원료로서 800~1000℃에서 소성한 제지슬러지 55wt%, 용광로 슬래그 미세분말 20wt%, 생석회 15wt%, 무수석고 10wt%을 혼합하여 균질화시켜 본 발명 토양 개량 고화제를 제조하였다.

이상의 토양 개량 고화제를 이용하여 하수도관 매설현장에서 발생하는 건설폐기 잔토를 개량한 결과를 표(2)로 나타내었다.

표(2) 하수도관 매설공사에 따른 잔토 개량 결과표

＼배합량(wt%)	0(개량전)	8.0	10.0	12.0	14.0
함수비(%)	42.0	26.3	25.3	21.4	20.9
습윤밀도(%)	-	1.918	1.929	1.933	1.941
건조밀도(g/㎤)	-	1.518	1.540	1.592	1.606
CBR(%)	1.0	15.7	20.5	24.1	26.0

상기 시험결과에서 본 발명 토양 고화제를 12wt% 배합한 결과 CBR치에 있어서 24.1%로 개량하게 되고 또한 다시 진흙화가 일어나지 않았다. 침수에 인한 흡수팽창시험에 있어서도 8.0~14.0%에서 팽창비는 0이었다.

시험방법은 (JIS A1211)에 의하여 행하였다.

토질은 실트 및 점토에서 구성되는 점토질토양이다.

상기 실시예(1)을 행함에 있어 실내에서 예비관찰을 했는데, 개량전의 토양은 PH6.8로 중성, 함수비 42%, 비중 1.79, 외관은 녹회색의 점토질로 판단되었다.

개량후의 PH는 48시간 경과후 PH8.4이고 3주후에는 PH7.0이였다. 또 고화제를 혼합할때도 이취 등은 발생하지 않고 반응 종료시까지 이취는 발생하지 않았다.

또한 실시예(1)에서 고화처리를 한 건설폐기 잔토를 분석한 결과 표(3)과 같이 육가크롬을 비롯하여 그 이외의 환경유해 물질이 검출되지 않았다.

표(3) 개량토의 환경유해물질 분석결과표

계량의 대상	계량의 결과	계량의 방법
카드뮴	불검출	JIS K0102
총시안	불검출	JIS K0102
납	불검출	JIS K0102
육가크롬	불검출	JIS K0102
비소	불검출	JIS K0102
총수은	불검출	S46 환경청고시제 59호 부표3
아루키루수은	불검출	S46 환경청고시제 59호 및 S49환경청고시제 64호 부표 4 및 부표4
PCB	불검출	S46환경청고시제 59호 부표5
디크로로메탄	불검출	JIS K0125
사염화탄소	불검출	JIS K0125
1,2-디크로로에탄	불검출	JIS K0125
1,1-디크로로에티렌	불검출	JIS K0125
1,1,1-트리크로로에탄	불검출	JIS K0125
1,1,2-트리크로로에탄	불검출	JIS K0125
트리크로로에치렌	불검출	JIS K0125
테트라크로로에치렌	불검출	JIS K0125

실시예(2)

실시예(1)에서 제조된 토양 개량 고화제로서 농지개발 사방언제의 개조공사에 따른 진흙에 사용하여 고화한 상황을 표(4)에 나타내었다.

표(4) 농지 개량 사방언제 진흙을 개량한 결과표

검사항목＼배합비(%)	10%	12%	15%
시험방법	압축다짐	압축다짐	압축다짐
자연함수비(%)	46.2	40.5	42.7
습윤밀도(g/㎤)	1.658	1.711	1.685
건조밀도(g/㎤)	1.134	1.218	1.181
팽창비	0.26	0.41	0.40
관입시험후함수비(%)	47.6	42.3	44.4
평균 CBR(%)	17.5	26.0	41.4

상기 시험결과 해당 진흙의 중량에 대해 토양 고화제를 중량비로 12% 첨가 조건에서 2시간 후에는 고화된 진흙 위에 철판을 깔고 0.6㎡ 용량의 포크레인이 그 위에 올라가서 작업이 가능하게 될 정도의 진흙 개량 효과를 보았다.

이것은 제지슬러지재의 흡수 효과와 무수석고 및 생성회가 혼합직후부터 효과를 발현했기 때문으로 판단된다.

또한 그 이후에도 토양 개량 건설현장을 계속 관찰하였는데 토양 개량 후에 내린 비에 의하여 둑의 수위도 상승하였고 이로 인해 개량된 진흙에 많은 량의 물이 침투되었다고 생각되는데 재진 흙화는 일어나지 않았다. 이는 성분 중의 용광로 슬래그가 잠정 수경성에 의해 서서히 반응하여 재진흙화를 막기 위해 충분한 고화 강도가 발생하였다고 판단된다.

또한 토양 개량후의 CBR치가 20% 이상이면 건설잔토 및 무기질 진흙을 재이용함이 충분히 가능하다고 본다.

본 발명에 의한 토양 개량 고화제는 원료의 대부분이 폐기물이여서 환경적인 차원은 물론 고화제의 단가면에서 큰 잇점이 있고 또한 기능적으로도 공해 유발물질이 없고 개량토가 중성에 가까워 식생녹화가 가능하며 또한 고화시간이 빠르고 처리능력을 크게 증가시키므로서 공기를 단축시킬 수 있으며 토양의 종류에 관계없이 대규모로 광범위하게 적용할 수 있는 연약지반의 토양 개량 고화제라 할 수 있다.

Claims

800~1000℃에서 소성한 제지슬러지재 40~60wt%에 용광로 슬래그 미세분말 20wt%, 생석회 10~32wt%, 무수석고 3~10wt% 첨가 혼합하여 균질화시킨 토양 개량 고화제.
800~1000℃에서 소성한 제지슬러지재 40~60wt%에 용광로 슬래그 미세분말 20wt%, 생석회 10~32wt%, 무수석고 3~10wt%의 혼합물로된 기본고화제 80~95wt%에 프라이애쉬 5~20wt%를 첨가시킨 토양 개량 고화제.
청구항 2에 있어서 프라이애쉬 5~20wt%에는 유기고분자 응집제 0.1~1.0wt%가 첨가되어 있음을 특징으로 하는 토양 개량 고화제.