KR101212196B1 - 준설토용 고화제 및 이를 이용한 토양개량제 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 준설토용 고화제 및 이를 이용한 토양개량제에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 시멘트, 생석회, 석고의 혼합으로 조성되는 무기질 고화제에 알루미나 분말을 일정량 첨가하여 조성되는 준설토 개량에 사용하는 고화제를 기본 고화제로 하여,
상기 기본 고화제에 바텀애쉬(Bottom ash); 사질토와 양질토의 혼합토; 변성아크릴계, 수산화나트륨(NaOH), 에스테르계 계면활성제, 기타물질 등을 혼합, 가열하여 반응시킨 경화촉진제; 중 선택되는 어느 1종을 첨가하여 조성되는 준설토용 고화제 및 이용한 토양개량제에 관한 것이다.
상기 기본 고화제에 바텀애쉬(Bottom ash); 사질토와 양질토의 혼합토; 변성아크릴계, 수산화나트륨(NaOH), 에스테르계 계면활성제, 기타물질 등을 혼합, 가열하여 반응시킨 경화촉진제; 중 선택되는 어느 1종을 첨가하여 조성되는 준설토용 고화제 및 이용한 토양개량제에 관한 것이다.
Description
본 발명은 토양구성의 대부분이 미립토사로 되어 있어, 식생 및 건설용 성토재로 사용이 곤란한 강, 하천, 호소, 해양 준설토를 개량하여 건축?토목공사의 성토재?보조기층재?도로기층재?식생재 및 매립시설의 복토용 등으로 이용하기 위한 것으로서,
시멘트, 생석회, 석고의 혼합으로 조성되는 무기질 고화제에 알루미나 분말을 일정량 첨가하여 조성되는 준설토 개량에 사용하는 고화제를 기본 고화제로 하여, 상기 기본 고화제에 바텀애쉬(Bottom ash); 사질토와 양질토의 혼합토; 변성아크릴계, 수산화나트륨(NaOH), 에스테르계 계면활성제, 기타물질 등을 혼합, 가열하여 반응시킨 경화촉진제; 중 선택되는 어느 1종을 첨가하여 조성되는 준설토용 고화제 및 이를 이용한 토양개량제에 관한 것이다.
매년 하천?호소 퇴적물의 준설과 항만 건설 및 유지를 위한 해양 퇴적물의 준설이 활발히 수행되고 있으며, 국내의 준설사업은 골재채취를 위한 준설과 하천정비의 목적으로 퇴적토 및 저수조를 준설하거나 유기물, 영양염류, 중금속 등으로 오염된 퇴적물을 준설하여 수질의 개선하기 위한 목적으로 이루어졌다.
수질개선을 위한 준설 예로 1993~1994년 한강의 퇴적물 526,000㎥을 준설하였으며, 울산 태화강에서는 1999~2000년 561,310㎥의 오니토를 준설하였다.
이외에도 하천?호소의 퇴적은 각 지자체에서 활발히 진행되고 있으며, 환경부는 2012년 25일 전국 200개가 넘는 오염하천에 대해 매년 10개 내외의 오염 하천을 선정해 3~5년간 개선 사업을 지원한다는 계획을 발표한 만큼 하천?호소에 대한 준설량은 꾸준히 증가할 것으로 보인다.
농림부의 2003년 자료에 준설물질을 객?복토용으로 사용할 때, 유기물 함량이 낮은 준설물질은 토양을 개량하여 사용할 수 있으며, 시멘트 등 무기물을 이용하여 세립질의 퇴적물을 고화처리 함으로써 골재와 성토재료로 준설물질을 사용할 수 있는 것으로 나타났다. 이외에도 저수지 진입로, 비포장 농도 조성 용도로 농촌 지역에 발생하는 준설물질을 다양하게 활용할 수 있을 것으로 전망하고 있으며, 한편 농업기반공사 2005년 자료에는 농어촌 저수지의 준설토를 객?복토에 이용했을 때의 작물 영향에 대한 연구도 진행되었다.
작물 생육 피해 한계농도와 토양환경보전법 기준을 만족하는 준설토를 이용하여 벼 생육 실험을 진행한 결과 준설토에서 재배한 벼의 완전미율 (외관상 품위척도)과 단백질 함량이 일반 농경지에서 수확한 벼와 비슷한 것으로 나타났으며 이와 같은 결과를 토대로 농어촌 공사에서는 2009년부터 "친환경 재활용 기법을 이용한 저수지 퇴적물처리 시범사업"을 진행하고 있다.
하천?호소 퇴적물의 준설에 비해서는 항만 건설 및 유지를 위한 해양 퇴적물의 준설이 더 활발히 수행되고 있다. 14개 주요 항만에서 2000년부터 2005년까지 약 3억㎥의 해양퇴적물이 준설 되었으며, 준설물질의 대부분은 호안매립(81%)되었고, 나머지가 토목공사에 재활용되거나 해양투기(9%) 되었다.
국토해양부는 2010년 2월 모든 준설토사를 "폐기물"로 규정한 현행규정에 대해 깨끗한 준설토사에 대해서는 활용이 가능하도록 하기 위하여 [해양환경관리법 시행규칙 일부 개정안]을 발표하였다. 개정안에는 '①해양시설 등에서 발생하는 폐기물 중에서 유효한 활용이 가능한 수저 준설토사는 폐기물로 보지 아니할 수 있다. ②유효한 활용이 가능하며 폐기물로 보지 아니하는 수저 준설토사의 용도 및 오염도 기준은 국토해양부 장관이 정하여 고시한다.' 는 조항이 추가되어 수저 준설토사의 유효활용 기준이 마련되었다.
그러나 골재 채취를 위한 준설을 제외하고는 대부분의 준설 물질은 응집?침전 후 탈수한 다음 대부분 육상에 단순 매립되고 있으며, 오염된 준설 퇴적물 또한 폐기물 관리법상의 유해물질 함유 기준을 초과하는 경우 지정 폐기물로 분류되어 대부분 매립되고 있는 실정이나, 준설물질을 매립할 수 있는 부지가 부족하다는 문제가 당면해 있다. 그리고 준설물질의 육상매립과정에서 침출수가 발생하거나 악취와 벌레가 발생하여 주민들의 민원을 야기하는 것도 큰 문제이다. 또한 런던협약 및 의정서에 따라 2012년부터 해양 투기도 중단해야 하는 상황이다. 이를 반영하듯 항만 준설토를 매립지 조성에 활용하는 방안이 활발하게 연구되고 있다.
한편 4 대강 사업의 경우 준설 전에 하저 퇴적물 시료를 채취?분석하여 토양오염우려 기준을 초과하는 경우에는 오니토로 분류하여 폐기물처리하고 기준치 이내의 토양에 한해 선별하여 골재로 활용하거나 공공사업 성토재 및 농경지 리모델링에 사용하도록 되어있다.
상기와 같이 각종 준설사업에서 발생하는 준설물질은 꾸준한 증가추세에 있으나, 지금까지는 관련법에서 폐기물로 분류하여 단순 매립하거나 해양투기로 처리해왔다. 그러나 점차 준설물질을 자원으로 인식하고 활용해야 한다는 인식이 보편화하면서 관련법도 점차 정비 중에 있다.
그럼에도 이를 활용하기 위한 구체적인 방법에 대한 연구는 아직 미진한 형편으로, 준설물질을 개량하여 재활용할 수 있는 유효하고 실천가능한 방안이 절실히 요구되는 상황이다.
상기의 준설물질 재활용에 대한 당면과제 외에, 석탄 화력발전소에서 발생하는 산업부산물인 바텀애쉬는 발생량이 2008년도 약 140만 톤으로 재활용량은 40만 톤으로 약 28%의 재활용률을 나타내고 있으며, 나머지는 회처리장에 매립하고 있는 실정이고, 늘어나는 전력수요에 비례해서 부산물인 석탄회도 향후 점차 증가할 것으로 예상된다.
그러나 회처리장의 잔존수명이 임박한 지역이 존재하고 이에 따른 회처리장의 추가확보가 환경문제 등으로 어려워 안정적인 발전설비의 운영에 어려움을 겪고 있는 실정으로 부산물의 처리방안의 확립이 시급한 실정이다.
상기 플라이애쉬(Fly ash)는 정제공정을 통한 일정 품질의 확보로 콘크리트용 혼화제로서 재활용되고 있으나, 바텀애쉬는 발생원별 품질편차가 상이하여 고품질의 건설재료(콘크리트용 잔골재, 기층?보조기층용 골재)로서 단독 사용하는 데에는 한계가 있다.
이와 같은 바텀애쉬의 재활용을 극대화시킬 수 있는 방안으로 바텀애쉬 발생지로부터 최대한 인접한 지역에서 활용하는 것이 가장 경제적이고도 유효한 방법이다. 도로용 포장재료의 활용은 매우 바람직한 용도이지만 바텀애쉬의 물리?역학적 특성상 전량 도로용 재료로서 활용하기에는 기존 포장재료로서의 요구조건을 만족시키기 어려운 형편이나 비교적 굵은 입도를 가진 바텀애쉬에 대해서는 보조기층재나 동상방지층으로 사용하기 위한 시도가 다각도로 이루어지고 있으나 입도가 5mm 이하의 잔골재는 재활용이 마땅치 않은 실정으로 이에 대한 처리방안이 요구되는 상황이다.
상기의 문제를 해결하고자, 본 발명에서 제시하고자 하는 준설토용 고화제와 관련하여, 대한민국 등록특허 10-0937209(등록일자 2010년01월08일)의 '친환경 고화제 및 이를 이용한 고화방법', 대한민국 공개특허 10-2005-0010094(공개일자 2005년01월27일)의 '고화토용 세라믹 고화제' 및 대한민국 공개특허 10-2012-0003601(공개일자 2012년01월11일)의 '하수슬러지용 분말 고화제 및 그 제조방법'에서 알루미나 또는 바텀애쉬를 사용하여 고화제를 제조하는 기술에 대해 개시된 바 있다.
상기에 개시된 기술들은 본 발명에서 제시하는 알루미나, 바텀애쉬등을 사용하여 고화제를 제조하고자 한다는 점에 있어 유사성이 있을 수는 있으나, 점토나 실트질로 구성된 토성이 불량한 준설물질을 효과적으로 고화 개량하기에는 부적합하다는 문제를 갖고 있다. 따라서, 이와 같은 문제를 해결하면서, 건축?토목공사의 성토재?보조기층재?도로기층재?식생재 및 매립시설의 복토용 등으로 다양하게 활용 가능한 고화성능을 구현할 수 있도록 하기 위하여 본 발명의 완성에 이르게 되었다.
상기한 바와 같이, 본 발명은 준설과정에서 발생하는 점토나 실트질로 구성된 토성이 불량한 준설물질을 효과적으로 고화 개량하기 위하여, 무기질 고화제에 알루미나, 바텀애쉬, 모래, 변성아크릴계 경화제, 폴리머계 고흡수제 등의 고화보조제를 첨가하여 건축?토목공사의 성토재?보조기층재?도로기층재?식생재 및 매립시설의 복토용 등으로 다양하게 활용 가능한 고화성능을 구현하고, 믹싱하는 과정에서 다양한 고화물질의 혼합을 일괄 처리하여 균일한 고화품질, 시공성 향상 및 원가절감을 구현할 수 있는 준설토용 고화제 및 이를 이용한 토양개량제를 제공하고자 하는 것을 발명의 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하고자,
본 발명은 시멘트 50~90wt%, 생석회 4~30wt%, 석고 4~25wt%의 혼합으로 조성된 무기질 고화제 70~95wt%에 알루미나 분말 5~30wt%를 첨가하여 조성된 준설토 개량에 사용하는 고화제를 기본 고화제로 사용하되,
상기 기본 고화제에 바텀애쉬(Bottom ash)를 더 부가하여 조성하거나,
상기 기본 고화제에 준설시 발생하는 입도가 불량한 사질토 10~90wt%와 양질토 10~90wt%의 혼합으로 조성된 혼합토를 더 부가하여 조성하거나,
상기 기본 고화제에 경화촉진제를 더 부가하여 조성하는 준설토용 고화제를 주요 기술 구성으로 한다.
그리고, 상기 알루미나 분말은 제올라이트를 3~5wt%로 함유하고 있는 것으로서, 800~900℃의 연도관을 통과시켜 탄소성분을 2.0~5.0wt%로 제거한 것이고,
상기 경화촉진제는 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)와, 에틸아크릴레이트, 메틸아크릴레이트, 노말부틸아크릴레이트, 메틸메타크릴레이트(MMA), 2-에틸헥시메타크릴레이트, 노말부틸메타크릴레이트, 라우릴메타크릴레이트(LMA), 이소보닐메타크릴레이트(IBoMA), 이소보닐 아크릴레이트(IBoA), 에틸메타크릴레이트(EMA), 옥틸메타크릴레이트, 글리시딜메타크릴레이트, 노말프로필메타크릴레이트, 2-에틸헥실아크릴레이트, 2-에틸펜틸메타크릴레이트, 부틸메타크릴레이트(BMA), 시클로헥실메타크릴레이트 중 선택되는 어느 2종 이상의 단량체 100중량부와, 벤조일퍼옥사이드(BPO) 또는 2,5-디메틸-2,5-디(벤조일퍼옥시)헥산의 개시제 0.1~2중량부로 조성된 변성아크릴계 35~55wt%;와,
수산화나트륨(NaOH) 10~30wt%;와,
폴리옥시 에틸렌 솔비탄 모노라우린산 에스테르, 폴리옥시 에틸렌 솔비탄 모노팔미틴산 에스테르, 폴리옥시 에틸렌 솔비탄 모노스테아린산 에스테르, 폴리옥시 에틸렌 솔비탄 모노올레인산 에스테르, 폴리옥시 에틸렌 옥시프로필렌 스테아린산 에스테르 중 선택되는 어느 1종 이상의 에스테르계 계면활성제 20~40wt%;와,
소성클레이, 산성백토, 활성백토, 황산바륨, 탄산마그네슘, 탄산칼슘, 산화아연, 무수석고, 모래 중 선택되는 어느 1종 또는 2종 이상의 무기충전재 0.1~5wt%를 혼합하여 70~80℃로 가열하여 반응시켜 조성되는 것임을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 준설토용 고화제는 다음의 나열되는 효과를 갖는다.
첫째. 시멘트, 생석회, 석고(무수, 반수석고)를 주성분으로 하는 무기질 고화제에 알루미나 분말을 일정비율로 첨가함으로써, 고화 후 조기강도 발현 및 토립자의 입단 개선을 할 수 있다.
둘째. 상기 무기질 고화제에 바텀애쉬를 일정비율로 첨가함으로써, 준설토의 압축강도 개선, 통기성, 투수성을 증대시킨다.
셋째. 상기 무기질 고화제에 준설과정에서 발생하는 저 품질의 사질토와 현장주변에서 구입 가능한 양질토를 준설토에 적정량을 투입함으로써, 발주처에서 요구하는 조건 중 고화개량토양의 밀도와 압축강도 및 통기성, 투수성을 개선시킬 수 있다.
넷째. 상기 무기질 고화제에 강도 증진물질을 투입함으로써, 준설토를 고강도의 토양으로 개량할 수 있다는 장점을 갖는다.
다섯째. 상기 무기질 고화제에 고 흡수성 물질을 투입함으로써, 식생토양에 활용할 수 있도록 토양의 투수성과 통기성을 개선할 수 있다.
이외에, 본 발명의 준설토용 고화제의 제조는 고화개량 플랜트에 상기 무기질 고화제에 첨가하는 물성개량의 고화보조제 투입을 위한 설비를 부착함으로써 중앙통제실에서 고화작업과 함께 물성개량의 고화보조제의 투입량을 조정할 수 있으며, 이와 같이 플랜트를 개선함으로써 고화공정을 단순화하여 시공비용을 최소화하고, 생산성 향상 및 균질한 고화품질을 얻을 수 있도록 한다.
또한, 고화 전과정이 1회 믹싱으로 고화개량이 마무리될 수 있으므로, 연속된 고화작업이 가능하여 인건비 및 중장비의 투입을 최소화할 수 있고, 고화제 손실도 최소화할 수 있어 원가절감은 물론 정확한 계량 및 투입을 통하여 일관된 품질의 개량효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 토양개량제 식생 개량 효과를 확인하기 위한 발아용 Dish를 보인 사진.
도 2는 본 발명의 토양개량제 식생 개량 효과를 확인하기 위하여, 콩의 성장을 관찰하는 Pot을 보인 사진.
도 2는 본 발명의 토양개량제 식생 개량 효과를 확인하기 위하여, 콩의 성장을 관찰하는 Pot을 보인 사진.
이하, 상기의 기술 구성에 대한 구체적인 내용을 살펴보고자 한다.
본 발명에 따른 준설토용 고화제는 시멘트, 생석회, 및 석고(무수석고 또는 반수석고)의 혼합으로 조성된 무기질 고화제에 알루미나 분말을 첨가하여 조성된 것을 그대로 사용하거나,
또는 상기 무기질 고화제에 알루미나 분말을 첨가하여 조성된 것을 기본 고화제로 하여, 여기에 준설토의 압축강도 개선, 통기성, 투수성을 향상시키거나; 고화 개량토양의 밀도를 개선하거나; 고강도의 토양으로 개선하거나; 식생토양에 활용할 수 있도록 토양의 투수성과 통기성을 개선하는; 고화 개량물질을 부가하여 조성된 것을 준설토용 고화제로 사용한다.
즉, 본 발명에 따른 준설토용 고화제는 상기 기본 고화제를 그대로 사용하거나(실시예 1),
준설토의 압축강도 개선, 통기성, 투수성을 향상시키기 위하여, 상기 기본 고화제에 바텀애쉬(Bottom ash)를 첨가하여 조성하거나(실시예 2),
준설토의 밀도, 압축강도 및 통기성, 투수성을 향상시키기 위하여, 상기 기본 고화제에 준설시 발생하는 입도가 불량한 사질토와 양질토의 혼합으로 조성된 혼합토를 첨가하여 조성하거나(실시예 3),
준설토의 강도를 증가시키기 위하여, 상기 기본 고화제에 변성아크릴계, 수산화나트륨(NaOH), 에스테르계 계면활성제, 무기충전재를 혼합, 가열하여 반응시킨 경화촉진제를 첨가하여 조성한다(실시예 4).
상기 실시예 1에 따른 기술 구성은,
시멘트 50~90wt%, 생석회 4~30wt%, 석고 4~25wt%의 혼합으로 조성된 무기질 고화제 70~95wt%에 알루미나 분말 5~30wt%를 첨가하여 조성된 준설토 개량에 사용하는 고화제로서,
상기 알루미나 분말은 제올라이트를 3~5wt%로 함유하고 있는 것으로서, 800~900℃의 연도관을 통과시켜 탄소성분을 2.0~5.0wt%로 제거한 것임을 특징으로 한다.
상기 실시예 2에 따른 기술 구성은,
상기 실시예 1의 준설토 개량에 사용하는 고화제에 바텀애쉬(Bottom ash)가 더 부가하여 조성하되, 상기 준설토 개량에 사용하는 고화제의 전체 중량에 대해 10~50wt%로 첨가하는 것임을 특징으로 한다.
상기 실시예 3에 따른 기술 구성은,
상기 실시예 1의 준설토 개량에 사용하는 고화제에 사질토 10~90wt%와 양질토 10~90wt%의 혼합으로 조성된 혼합토를 더 부가하여 조성하되, 상기 준설토 개량에 사용하는 고화제의 전체 중량에 대해 1~50wt%로 첨가하는 것임을 특징으로 한다.
그리고, 상기 실시예 4에 따른 기술 구성은,
준설토 개량에 사용하는 고화제는 경화촉진제가 더 부가되어 조성되되, 상기 준설토 개량에 사용하는 고화제의 전체 중량에 대해 0.1~2.0wt%로 첨가하여 조성하는 것으로서,
상기 경화촉진제는 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)와, 에틸아크릴레이트, 메틸아크릴레이트, 노말부틸아크릴레이트, 메틸메타크릴레이트(MMA), 2-에틸헥시메타크릴레이트, 노말부틸메타크릴레이트, 라우릴메타크릴레이트(LMA), 이소보닐메타크릴레이트(IBoMA), 이소보닐 아크릴레이트(IBoA), 에틸메타크릴레이트(EMA), 옥틸메타크릴레이트, 글리시딜메타크릴레이트, 노말프로필메타크릴레이트, 2-에틸헥실아크릴레이트, 2-에틸펜틸메타크릴레이트, 부틸메타크릴레이트(BMA), 시클로헥실메타크릴레이트 중 선택되는 어느 2종 이상의 단량체 100중량부와, 벤조일퍼옥사이드(BPO) 또는 2,5-디메틸-2,5-디(벤조일퍼옥시)헥산의 개시제 0.1~2중량부로 조성된 변성아크릴계 35~55wt%;와,
수산화나트륨(NaOH) 10~30wt%;와,
폴리옥시 에틸렌 솔비탄 모노라우린산 에스테르, 폴리옥시 에틸렌 솔비탄 모노팔미틴산 에스테르, 폴리옥시 에틸렌 솔비탄 모노스테아린산 에스테르, 폴리옥시 에틸렌 솔비탄 모노올레인산 에스테르, 폴리옥시 에틸렌 옥시프로필렌 스테아린산 에스테르 중 선택되는 어느 1종 이상의 에스테르계 계면활성제 20~40wt%;와,
소성클레이, 산성백토, 활성백토, 황산바륨, 탄산마그네슘, 탄산칼슘, 산화아연, 무수석고, 모래 중 선택되는 어느 1종 또는 2종 이상의 무기충전재 0.1~5wt%를 혼합하여 70~80℃로 가열하여 반응시켜 조성되는 것임을 특징으로 한다.
그리고, 상기 실시예 1 내지 실시예 4 중 선택되는 어느 1의 준설토용 고화제 전체중량에 대해 폴리아크릴산 폴리머의 고흡수성 물질 0.01~0.5wt%를 첨가함으로써, 준설토를 식생에 적합한 토양으로 개량시킬 수 있는 토양개량제를 조성하게 된다.
이때, 폴리아크릴산 폴리머의 고흡수성 물질은 모노머 아크릴산(Acrylic acid)에 농도가 20wt%인 수산화나트륨(NaOH) 수용액을 투입하여 중화도가 50wt%가 되도록 한 후, 여기에 가교제 N,N'-메틸렌비스아크릴아미드(N,N'-methylenebisacrylamide)가 모노머 아크릴산의 전체 중량에 대해 0.05~0.3wt%가 되도록 첨가한 후, 농도가 1.5wt%인 개시제의 K2S2O8를 투입하여 65~75℃에서 3~5시간 동안 중합하여 조성된 것임을 특징으로 한다.
이하, 실시예에 따른 준설토용 고화제 및 토양개량제에 대해 살펴보고자 한다.
이하, 실시예에 따른 준설토용 고화제 및 토양개량제에 대해 살펴보고자 한다.
상기한 바와 같이, 실시예 1에 따른 준설토용 고화제는 시멘트, 생석회, 및 석고(무수석고 또는 반수석고)의 혼합으로 조성된 무기질 고화제에 알루미나 분말을 첨가하여 조성된 것으로서,
보다 구체적으로는 시멘트 85wt%, 생석회 7wt%, 석고 8wt%의 혼합으로 조성된 무기질 고화제 85wt%에 알루미나 분말 15wt%를 첨가하여 조성한다.
상기 알루미나 분말은 상기한 바와 같이,
제올라이트를 3~5wt%로 함유하고 있는 것으로서, 800~900℃의 연도관을 통과시켜 탄소성분을 2.0~5.0wt%로 제거한 것으로서, 다공성 물질로서 고화물의 강도에 영향을 주게 된다.
종래 대규모 준설시 미세한 토립자가 가라앉지 않고 수중에 부유하면서 해상 생물에 악영향을 끼치는 것을 최소화하기 위하여, 준설시 부유 토립자의 침강을 촉진하는 물질과 침강시킨 초고함수 슬러지의 운반을 용이하게 하기 위한 응집제를 첨가하는 것이 일반적인 추세이다. 그러나 이러한 물질을 첨가하게 되는 경우에는 고화개량시 초기 강도 발현을 억제하는 문제가 발생하게 된다.
이러한 조건에서도 준설토를 건설현장에서 요구하는 다양한 일축 압축강도를 확보하고, 고함수 준설토양에서 조기 강도를 구현하기 위하여 알루미나 분말을 사용한다.
이는 수화반응이 시작되고 3~14분이 경과한 후 진행되는 포졸란 반응으로 인하여 용출된 알루미나의 Si 이온과 Al 이온이 공극 내의 세공액에 포함된 Ca 이온과 반응하여 C-S-H갤 및 칼슘알루미늄수화물을 형성하여 고화토양의 조직을 더욱 치밀하게 만들기 때문이다.
이와 같이, 압축강도, 준설토양에서의 조기 강도 구현을 위해 사용하는 알루미나 분말의 사용량이 5wt% 미만인 경우에는 알루미나 분말의 사용에 따른 효과를 기대하기 어렵고, 30wt%를 초과하게 되는 경우에는 고화 비용의 상승으로 인하여 현장에서 사용하기가 어려워 실용화가 어렵다는 문제가 있으므로, 상기 알루미나 분말의 사용량은 무기질 고화제에 대해 5~30wt%의 범위 내로 한정하는 것이 바람직하다.
더 세부적으로는, 상기 알루미나의 첨가량은 토양을 구성하는 성분비, 입도, 함수율 등을 고려하여 결정하는 것이 바람직하다.
상기한 바와 같이, 실시예 2에 따른 준설토용 고화제는 무기질 고화제에 알루미나 분말을 첨가하여 조성된 준설토 개량에 사용하는 고화제에 바텀애쉬(Bottom ash)를 첨가하여 조성된 것으로서,
보다 구체적으로는, 바텀애쉬(Bottom ash)를 준설토 개량에 사용하는 고화제에 첨가하되, 준설토의 전체 중량에 대해 10~50wt%로 첨가하여 준설토용 고화제를 조성한다.
고화개량토의 탈수케익 토립자 표면은 대전 된 이온의 상호 반발작용으로 토입자가 서로 뭉쳐지지 못하고 밀실히 퍼져있어 통기, 통수성이 대단히 불량하여 잉여수가 쉽게 외부로 배출되지 못하게 된다.
고화과정은 수화반응에 의한 수분감소와 화학반응 잉여수가 개량체 외부로 배출되면서 고함수의 탈수케익이 경화되는 과정이 초기에 원활히 진행되어야만 사토 등 차량운반이 쉬워지므로, 고화개량에서 잉여수가 쉽게 배출될 수 있는 조건을 조성해 주는 것이 매우 중요한 요구조건이다.
즉, 탈수케익에 초기 함수비를 떨어뜨리고 통수성을 개선하기 위하여, 바텀애쉬를 첨가함으로써 다공질인 바텀애쉬가 수분을 흡수하여 함수율을 감소시키고, 통기?통수성능을 개선시켜 수분배출을 도와 조기강도 발현에 기여하며, 일축 압축강도를 증대시키게 된다.
상기 바텀애쉬(Bottom ash)는 Al2O3 27.5wt%, SiO2 50.9wt%, CaO 1.0wt%, Fe2O3 5.03wt%, Na2O 0.33wt%, MgO 1.0wt%, T2O5 0.12wt%, K2O 3.46wt%, TiO2 1.50wt%, Ig.loss 8.9wt%의 화학성분 구성을 갖는 것으로서,
체통과 무게 백분율(%)이 10mm 100%, No.4(5.00mm) 95~100%, No.8(2.50mm) 80~100%, No.16(1.20mm) 50~85%, No.30(0.60mm) 25~60%, No.50(0.30mm) 10~30%, No.100(0.15mm) 2~10%인 것을 사용한다.
상기 바텀애쉬(Bottom ash)는 비중이 2.1이며, 흡수율이 2.0인 것으로서, 통기성, 투수성 높다.
상기 바텀애쉬(Bottom ash)의 입도별 형태는 No. 100체를 통과한 Bottom ash의 경우 구형입자이나, No. 50체를 통과한 것들은 구형의 입자들이 용융되어 결합된 형태를 유지하게 되기 때문에, 이러한 입자들이 결합하면서 결합된 입자와 입자 사이에 다량의 공극이 분포되게 된다.
상기 바텀애쉬는 플랜트에서 허용하는 굵은 골재의 최대 입도 이하로 사용하는 것이 바람직하기 때문에, 플랜트에서의 균질한 배합을 위해서는 바텀애쉬의 입도가 5mm이하를 유지하도록 하는 것이 시공성과 균질한 품질 확보에 유리하다.
이외에 플랜트를 적용하지 않고 백호우형 스테빌라이져를 사용하는 고화공법에서는 입도 50mm 이상의 바텀애쉬도 사용 가능하다.
상기 바텀애쉬의 첨가량이 10wt% 미만인 경우에는 준설토의 압축강도 개선, 통기성, 투수성 향상의 기능성이 떨어질 수 있고, 50wt%를 초과하게 되는 경우에는 경제성이 떨어져 실용화 가능성이 없고, 또한 고화개량토의 pH가 증가하는 문제가 발생하기 때문에, 상기 바텀애쉬의 첨가량은 준설토의 전체 중량에 대해 10~50wt%로 첨가하는 것이 바람직하다.
상기한 바와 같이, 실시예 3에 따른 준설토용 고화제는 무기질 고화제에 알루미나 분말을 첨가하여 조성된 준설토 개량에 사용하는 고화제에 준설시 발생하는 입도가 불량한 사질토 10~90wt%와 양질토 10~90wt%의 혼합으로 조성된 혼합토를 첨가하여 조성된 것으로서,
보다 구체적으로는, 혼합토를 준설토 개량에 사용하는 고화제의 전체 중량에 대해 10~60wt%로 첨가하여 조성한다.
흙의 종류는 다양할 것이나 강이나 바다와 같은 지역의 지층은 모래질 흙에 실트나 점토와 같은 세립분이 많이 포함되어 있는 경우가 다수 존재한다. 이와 같이 사질토 흙에 실트나 점토와 같은 세립분이 포함되어 있을 경우 세립분의 영향으로 파괴강도와 강성도 역시 많은 변화를 보이게 된다.
본 발명에서는 준설시 발생하는 입도가 불량한 사질토의 실트 함량을 조사하여, 실트 함유량이 낮은 경우 추가로 투입하여 실트함유량이 5~30wt%으로 조설된 인 사질토를 사용한다.
이때 추가로 투입하는 실트는 비중(Specific gravity) 2.640이고, 체통과 무게 백분율(%)이 #4(%) 100, #200(%) 100인 것을 사용한다.
상기 실트의 함유율이 증가할수록 점착력의 증가와 내부마찰각의 감소에 세립분 함유율의 영향이 작용되어 전단강도에 영향을 미치게 된다.
상기 혼합토의 첨가량이 10wt% 미만인 경우에는 밀도,압축강도,통기성,투수성 개선 등의 기대효과가 미미하고, 60wt%를 초과하게 되는 경우에는 고화개량공사의 필요성에 의문이 제기될 수 있으므로, 상기 혼합토의 사용량은 준설토 개량에 사용하는 고화제의 전체 중량에 대해 1~60wt%의 범위 내로 한정하는 것이 바람직하다.
보다 세부적으로는, 첨가량은 탈수과정을 거친 준설토의 토질에 맞춰 결정한다.
상기 혼합토를 사용하여 고화제를 제조하게 되는 경우에는, 고화개량토의 밀도, 압축강도 및 통기성, 투수성 증대시킬 수 있다.
일반적으로 준설토는 통기성이 불량하고, 대부분 실트 또는 점토로 이루어져 있어 밀도가 매우 낮다. 준설과정에서 부유 미세 토를 침전시켜 탈수과정을 거친 준설토의 건조 밀도는 보통 05~0.8ton/㎥이고 고화과정을 거친후에도 0.8~1.0ton/㎥으로, 일반적인 성토재에서 요구하는 최소 밀도(1.5kg/㎥)를 충족하기 어렵다.
따라서, 밀도의 확보가 요구되는 경우에는 현장 근처의 양질토 또는 준설에서 발생하는 입도가 불량하여 시장성이 떨어지는 모래 등의 사질토를 준설토 개량에 사용하는 고화제에 첨가하게 되면 고화개량토의 밀도, 압축강도 및 통기성, 투수성 증대시킬 수 있게 된다.
이와 같이 혼합토를 이용하게 되면, 바텀애쉬를 사용할 때 얻을 수 있는 효과 외에 고화개량토의 밀도를 개선하여 주기 때문에, 발주처의 요구 조건을 충족시켜 줄 수 있다는 장점을 갖는다.
그리고, 상기 혼합토는 준설시 발생하는 입도가 불량한 사질토를 재활용함으로써, 사토비용의 절감 효과를 기대할 수 있다.
이외에, 바텀애쉬를 고화제에 사용하는 경우의 단점으로 여겨지는, 공사현장으로부터 바텀애쉬(화력발전소)의 발생지가 멀리 떨어져 있을 경우 발생하는 운반비로 인한 경제성의 하락으로 현장 적용이 어렵다는 문제를 해소해 줄 수 있는 대체제로서 입도가 불량한 사질토와 현장 인근의 양질토의 혼합토를 사용할 수 있다는 장점을 갖는다.
상기한 바와 같이, 실시예 4에 따른 준설토용 고화제는 무기질 고화제에 변성아크릴계 35~55wt%와, 수산화나트륨(NaOH) 10~30wt%와, 계면활성제 20~40wt%와, 무기충전재 0.1~5wt%를 혼합한 후 70~80℃로 가열하여 반응시킨 경화촉진제를 첨가하여 조성된 것으로서,
보다 구체적으로는, 경화촉진제를 준설토 개량에 사용하는 고화제의 전체 중량에 대해 0.1~2.0wt%로 첨가하여 조성하여, 고화개량토의 강도를 증가시켜 준다.
상기 준설토 개량에 사용하는 고화제만을 투입하여 고화한 결과물로부터 10kg/㎠ 이상의 압축강도가 요구되는 경우에는 상기 준설토 개량에 사용하는 고화제를 다량 투입해야만 요구되는 강도를 구현할 수 있게 된다.
그러나, 이와 같은 경우에는 고화제의 수화반응 및 탄산반응으로 수산화칼슘[Ca(OH)2]을 생성하는 과정에서 고화 결과물의 토성 pH가 증가하여 염기성 토양으로 변하는 문제가 있으며, 고단위의 시멘트를 사용할 경우, 근래의 시멘트는 제조과정에서 산업폐기물의 재활용도가 높아 고화개량 이후 유해한 환경물질의 용출이 우려되고, 고화토양의 pH가 식생토양으로 활용이 어려울 정도의 염기성 토양(강알칼리)화 할 우려가 있는데, 이러한 강 알칼리토양을 성토재나 매립재로 재활용할 경우 암모니아(NH3) 냄새로 인하여 고화제 사용에 대한 거부감을 주고, 또한 민원이 발생할 수 있을 뿐만 아니라 차후 식생토양으로의 개량에 많은 비용을 추가 투입해야 하는 부작용이 생긴다.
따라서, 상기의 부작용을 없애면서 요구되는 강도를 구현하기 위하여, 본 발명에서는 상기 준설토 개량에 사용하는 고화제에 경화촉진제를 첨가하여 준설토용 고화제를 조성한다.
상기 경화촉진제는 고화시키기 전의 준설토의 함수비에 따라 원액 그대로 사용하거나 또는 물에 희석하여 사용한다.
예를 들어, 고화 전 준설토의 함수비가 50% 이하인 경우에는 상기 경화촉진제를 물에 희석하여 사용하되, 경화촉진제의 전체 중량의 10~15배에 달하는 물에 희석하여 사용한다.
그리고, 준설토의 함수비가 100% 이상인 경우에는 경화촉진제를 희석하지 않는 그대로 사용한다.
만일, 준설토의 함수비에 맞춰 경화촉진제를 희석하여 사용하지 않는 경우에는, 고화개량토가 건조되면서 균열이 발생하는 부작용이 발생할 수 있으므로 적정량의 물에 희석하여 사용하는 것이 바람직하다. 보다 구체적인 희석비율과 투입량은 준설토의 함수비와 요구강도에 따라 배합실험을 통하여 조정하여 사용한다.
상기 경화촉진제의 첨가량이 0.1wt% 미만인 경우에는 고화개량토의 요구되는 강도를 맞추기 어렵고, 2.5w%를 초과하게 되는 경우에는 가격상승으로 인한 실용성이 떨어지므로, 상기 경화촉진제의 첨가량은 준설토 개량에 사용하는 고화제의 전체 중량에 대해 0.1~2.5wt%의 범위 내로 한정하는 것이 바람직하다.
다음으로는, 상기 실시예 1 내지 실시예 4 중 선택되는 어느 1의 준설토용 고화제에 폴리아크릴산 폴리머의 고흡수성 물질을 첨가하여 조성되는 토양개량제에 대해 살펴보고자 한다.
상기 토양개량제는 폴리아크릴산 폴리머의 고흡수성 물질을 사용함으로써 준설토를 식생에 적합한 토양으로 개량하게 된다.
준설토를 개량하여 식생에 적합한 토양으로 사용하기 위해서는 수화반응, 탄산반응, 포졸란 반응 등의 화학적 고결 효과에만 의존하는 기존의 무기질계 고화방법으로는 식생에 필요한 토성 구성비인 고상 50%, 액상 25%, 기상 25%의 토성을 기대할 수 없어, 고화 개량된 준설점토를 식생 용도로 활용하는데 제한을 받는다.
이를 위해서는 화학적인 개량과 함께 통기, 통수 성능 등 물리적인 개량이 요구된다. 대부분의 식물은 토양의 물 보유 능력에 따라 생산성이 증대되며 식물이 생존하는데 필요한 자양분과 수분은 흙을 통하여 공급된다. 생산성을 높이기 위해서는 보수력과 배수성능뿐만 아니라 토입자의 구성이 떼알구조로 이루진 것이 뿌리의 생장에 적합하다.
고화개량이 적용되는 토양은 대부분 실트 또는 점토질 등의 미세한 토입자가 표면에 대전된 이온의 영향으로 서로 반발하는 상태에서 밀실하게 채워져 있는 성상으로 이루어져 있으며, 보수성능이 좋은 반면 배수, 통기성이 불량하고 뿌리의 생장에 적합하지 않은 성상으로, 표면이 건조 상태에서는 싹이 뚫고 나오지 못하여 발아가 잘 이루어지지 않는 등 전반적으로 식물의 생장에 적합하지 못한 토양이다.
이렇게 생산성이 낮은 토양에 합성수지가 주성분인 폴리머 입자로 중량비 150~400배를 흡수하는 고흡수제를 첨가하면, 관개(灌漑) 후 고흡수제가 수분을 흡수하면서 토양의 용적이 증가했다가, 토양이 건조해지는 과정에서 흡수된 수분을 서서히 배출하면서 토양의 급격한 건조를 방지하고, 흡수제가 수축한 부피만큼 토양내 공극이 발생하면서 토양의 통기성과 보비력이 향상되는 등 식생환경을 물리적으로 개선하는 효과를 부여하게 된다.
상기 폴리아크릴산 폴리머의 고흡수성 물질의 첨가량은 준설토의 토성 및 재배 식물의 종류에 따라 달라지기는 하나, 0.01~0.5wt%의 범위 내로 첨가하는 것이 바람직하다.
이때 그 첨가량이 0.01wt% 미만인 경우에는 토양에서는 뚜렷이 개선된 효과가 나타나지 않았으며, 0.5wt%를 초과하게 되는 경우에는 자재 가격이 비교적 고가이므로 경제적인 면에서 활용성이 떨어지므로, 첨가량은 0.01~0.5wt%의 범위 내로 한정하는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명에 따른 준설토용 고화제, 토양개량제의 시험예에 대해 살펴보고자 한다.
[시험예]
[시료준비]
낙동강 살리기 **공구의 준설토 중 자체중량으로 침전되지 않는 부유토사에 침전제(PAC)를 사용하여 침전시킨 후 탈수기(유동판 농축기)를 통과한 미세토로 구성된 준설토를 채집하여 하기 표 1의 시험항목, 시험방법에 따라 시험 측정한 후 그 결과를 나타내었다.
(※ 상기 표 1과 관련하여, 준설토는 탈수과정을 거쳤음에도 함수비는 236%(함수률 70.24%)인 고함수 준설토이며, 입도는 #40(0.42mm) 통과량이 78.8%, #200(0.074mm) 통과량이 61.1%로 점토질 입자로 구성되어 있음.)
[실시예 2에 따른 고화제의 고화개량 효과 확인]
가. 공시체 제작
공시체 제작에 사용되는 실시예 1과 실시예 2 및 실시예 3에서 사용한 고화제는 일반 포틀랜트 시멘트를 준설토 중량의 8wt%와, 시멘트를 제외한 고화제의 상세 성분비율이 SiO2 4.12%, Fe2O3 0.76%, CaO 60.07%, MgO 0.76%, SO3 14.9%, K2O 0.04%, 감열감량 10.52%, Al2O3 10.19%인 고화제를 준설토 중량의 8wt%로 하여 준설토와 교반하여 공시체를 제작하였다.
실시예 2에 따른 고화제의 고화개량 성능을 실시예 1의 고화제와 비교하기 위하여, 준설토에 실시예 1의 고화제만을 투입한 공시체와(준설토:고화제=100:12)(비교예1),
실시예 1에 따른 고화제에 바텀애쉬를 준설토 양의 30wt%로 투입한 공시체(준설토:고화제:바텀애쉬=70:12:30)(시험예 1),
실시예 1에 따른 고화제에 바텀애쉬를 준설토 양의 50wt%로 투입한 공시체(준설토:고화제:바텀애쉬=50:12:50)(시험예 2)를 지름 75mm, 높이 150mm의 크기로 각각 12개를 제작한 후 일축압축강도, 건조밀도, 함수비 변화를 측정하였다.
나. 측정
제작된 공시체를 1일, 3일, 7일, 양생 후 KS F 2405에 따라 시험기의 강성 가압판의 상하 압축면을 청소하고 제작된 공시체의 중심축이 가압판의 중심과 일치하도록 놓은 후 공시체에 충격을 주지 않도록 일정한 속도로 하중을 가하 압축강도를 측정하였다. 압축응력은 매초 2~3kgf/㎠이 증가 되도록 하였으며, 공시체가 급격한 변형을 시작한 후에는 하중을 가하는 속도의 조정을 중지하고 하중을 계속 가하여 일축압축강도를 측정한 후 파쇄된 시료로 건조밀도와 함수비를 측정하였다. 측정한 결과는 다음의 표 2에 제시된 바와 같다.
다. 결 과
■ 함수비
바텀애쉬가 포함되지 않은 시료(비교예1)의 함수비는 배합 1일 경과 후 185%, 3일 경과 후 160.9%, 7일 경과 후 102%로 꾸준히 저감되나, 바텀애쉬가 30% 포함된 시료(시험예1)는 1일 경과후 63.2%, 3일, 7일 경과 후에는 각각 63%, 65.4%이고, 바텀애쉬가 50% 포함된 시료는(시험예2) 1일 경과 후 39.1%, 3일, 7일 경과 후에는 각각 39.2, 40.5%로, 바텀애쉬가 포함된 시료는 모두 1일 경과까지 급격히 함수비가 저감되나 그 이후에는 변화가 거의 없고, 오히려 약간 증가하는 경향을 나타났다.
이는 다공질인 바텀애쉬의 영향으로 고화토에 통기, 통수 성능이 급격히 개선되면서 고화토의 잉여수가 24시간 이내에 급격히 배출되는 반면 24시간 이후에는 바텀애쉬가 흡수한 수분이 쉽게 배출되지 못하고 남아 있으며, 오히려 시일이 경과하면서 대기중의 수분을 미량 흡수하기 때문이다.
■ 일축압축강도
바텀애쉬가 포함되지 않은 비교예1 시료의 일축압축강도는 1일 경과후에는 0.06 kg/㎠, 3일, 7일 경과후에는 각각 0.21kg/㎠, 0.65kg/㎠으로 시일 경과에 따라 급격히 개선되는 것으로 나타났으나, 7일 경과 후에도 장비 이동할 수 있는 정도의 Trafficability를 확보할 만큼의 강도에는 미치지 못한 반면, 시험예 1과 시험예 2는 7일 경과 후에 각각 3.24kg/㎠, 6.63kg/㎠의 일축압축강도가 발현되었다.
이와 같이, 바텀애쉬가 포함된 고화토에서 강도발현이 좋게 나타나는 이유중에 하나는 상기한 바와 같이 바텀애쉬의 통기, 통수성 향상의 영향으로 잉여수가 조속히 배출된 반면 바텀애쉬가 흡수한 수분은 쉽게 배출되지 않고 남아서 수화반응에 소요되는 수분을 지속적이고 충분히 공급해주기 때문이다.
그리고, 사토 매립 후 현장에서 나타내는 발현 강도는 실내시험의 1/2~1/5로 알려져 있으나 보통은 1/2~1/3의 적용이 가능하며, 1/3을 적용할 경우 바텀애쉬가 50% 포함된 시험예2 시료는 7일 경과 후에 트럭장비가 진입할 수 있는 Trafficability(허용지지력 qu=0.5~0.8kg/㎠)를 확보할 수 있는 것으로 나타났다.
■ 건조밀도
바텀애쉬가 포함되지 않은 비교예1 시료의 일축압축강도는 1일 경과 후에는 0.463g/㎤, 7일경과 후에는 0.65g/㎤로 함수률 감소에 비례하여 서서히 증가한 반면, 바텀애쉬가 포함된 시험예1, 시험예2 시료는 1일 경과후에 0.877g/㎤, 1.12g/㎤로 개선된 밀도가 다시 7일 경과 후에도 0.861g/㎤, 1.108g/㎤로 변화되는 함수률과 연동하는 값을 나타내고 있다. 따라서 고화개량토의 건조밀도 개선은 배합되는 개량제의 단위중량 및 함수률 변화와 밀접한 관련이 있는 것을 알 수 있다.
이상의 결과 고화 개량토에 혼입된 다공질의 바텀애쉬는 배합 후 고화개량토의 통기성과 통수성을 현저히 높혀, 배합 24시간 이내에 고함수의 탈수케익에 포함된 잉여수분을 신속히 배출, 제거할 수 있도록 함에 따라 고화토의 조기 강도발현에 기여하여 고화개량토를 사용한 토질의 Trafficability를 조기에 확보할 수 있도록 작용하는 것을 확인하였다.
[실시예 3에 따른 고화제의 고화개량 효과 확인]
가. 공시체 제작
상기 실시예 2에 따른 고화제의 고화개량 효과 확인을 위해 공시체를 제작하는 과정 및 고화제의 성분 및 투입량은 동일하나, 실시예 3에서는 실시예 2의 고화에서 사용한 바텀애쉬 대신에 준설과정에서 발생한 토사가 포함된 저질의 모래를 현장에서 무작위로 추출하여 준설토에 투입 배합하여 공시체를 제작하였다. 현장에서 무작위로 채집한 저질모래를 표3의 시험항목, 시험방법에 따라 시험 측정한 후 그 결과를 나타내었다.
상기 실시예 3에 따른 고화제의 고화개량 성능을 비교 예시하기 위하여 상기 실시예 2와 동일하게 실시예 1에 따른 고화제만을 투입한 공시체와(준설토:고화제=100:12)(비교예1),
실시예 1에 따른 고화제에 저질모래를 준설토 양의 20wt%로 투입한 공시체(준설토:고화제:저질모래=80:12:20)(시험예 3),
실시예 1에 따른 고화제에 저질모래를 준설토 양의 30wt%로 투입한 공시체(준설토:고화제:저질모래=70:12:30)(시험예 4),
실시예 1에 따른 고화제에 저질모래를 준설토 양의 40wt%로 투입한 공시체(준설토:고화제:저질모래=60:12:40)(시험예 5)를 지름 75mm, 높이 150mm의 크기로 각각 12개를 제작한 후 일축압축강도, 건조밀도, 함수비 변화를 측정하였다.
나. 측 정
실시예 3의 고화성능 측정방법은 상기 실시예 2에 따른 고화제의 고화개량 효과 확인을 위한 일축압축강도, 건조밀도와 함수비를 측정하였다. 측정한 결과는 다음의 표 4에 나타내었다.
다. 결 과
■ 함수비
저질모래가 포함되지 않은 시료(비교예1)의 함수비는 실시예2에서 살펴본 바와 같이 배합후 시일경과에 따라 꾸준히 감소추세를 보였다. 저질모래20% 포함된 시료(시험예3)에서는 1일 경과후 102.9%, 3일, 5일, 7일 경과 후에는 각각 72.2%, 35.4%, 27.6%이고, 저질모래가 30% 포함된 시료(시험예4)에서는 1일 경과 후 83.2%, 3일, 5일, 7일 경과 후에는 각각 59%, 26.3%, 19.6%로, 저질모래가 40% 포함된 시료(시험예5)에서는 1일 경과 후 68.3%, 3일, 5일, 7일 경과 후에는 각각 48.3%, 20.7%, 13.4%로 함수비가 저감되는 것으로 나타났다.
실시예 2의 바텀애쉬를 투입한 시료에서 배합 24시간 이내에 급격히 함수비가 감소한 이후에는 수분 감소가 멈춘것과는 다른 양상으로, 이는 모래성분이 바텀애쉬보다는 통기, 통수성능은 떨어지나 수분을 흡수하지 않기 때문에 수분배출이 비교적 양호하고 지속적으로 진행되었다.
■ 일축압축강도
저질모래가 포함되지 않은 시료(비교예1)의 일축압축강도는 실시예2에서 살펴본 바와 같이 조기에 Trafficability를 확보에는 부족하지만 배합후 시일경과에 따라 꾸준히 증가되는 것을 나타낸다.
저질모래가 포함된 시험편(시험예3~시험예5)에서도 24시간 이내의 압축강도 발현은 미미한 반면 배합 이후 꾸준하고 지속적으로 강도가 증가되어 7일 경과후에 각각 2.12kg/㎠, 2.26kg/㎠, 2.58kg/㎠의 일축 압축강도를 나타내고 있다.
실내시험과 현장 발현 강도의 오차범위(1/2~1/3)을 감안하여도 트럭 장비가 진입할 수 있을 만큼의 Trafficability(허용지지력 qu=0.5~0.8kg/cm2)는 확보하는 것을 나타냈으며, 양생시간이 조금 더 주어지는 조건이라면 고화제와 모래의 배합 비율 조정을 통하여 덤프트럭 접지압인 6kg/㎠의 강도 발현도 충분히 가능할 것으로 판단된다.
■ 건조밀도
저질모래가 포함되지 않은 시료(비교예1)의 건조밀도는 실시예 2에서 살펴본 바와 같이 함수률 감소에 비례하여 서서히 증가하였고, 바텀애쉬가 포함된 시험예1, 시험예 2 시료에서는 배합이후 시일이 경과 되더라도 건조밀도는 개선되지 않은 반면,
저질모래가 포함된 시험편시험편(시험예3~시험예5)에서는 1일 경과의 건조밀도 값이 각각 0.699g/㎤, 0.804g/㎤, 0.918g/㎤ 이었고, 시간 경과에 따라 함수비가 감소되는 것에 비례하여 꾸준히 증가하고, 7일 경과후에는 1.068g/㎤, 1.138g/㎤, 1.219g/㎤로 증가하였다.
최적함수비가 15% 내외로 추정되는 점을 감안할 때 7일 이후에 더 이상의 밀도증가는 없을 것으로 판단되며, 시험예3~시험예5를 통하여 저질모래(또는 주변 토사)의 첨가량 변화를 통하여 소정의 밀도 개선효과를 확인하였다.
이상의 결과 고화 개량토에 혼입된 모래 또는 양질 토사는 배합 후 고화개량토의 통기성과 통수성을 개선시키고, 배합 후 기간 경과에 따라 탈수케익에 포함된 잉여수분을 지속적이고 꾸준히 배출, 제거하여 고화토의 강도발현뿐만 아니라, 투입되는 모래 등의 양 조절을 통하여 밀도의 개선 효과를 확인하였다.
[실시예 4에 따른 고화제의 고화개량 효과 확인]
[시료준비]
실시예 4에 따른 고화제의 고화개량 효과 확인을 시료는 실시예2 및 실시예3에서 사용한 시료와 동일하나 다만 고강도의 압축강도를 얻기 위한 실험임을 감안하여 236%인 함수비를 100%로 조정하여 사용하였다.
가. 공시체 제작
공시체 제작에 사용되는 실시예 4의 고화제는 일반 포틀랜트 시멘트를 준설토 중량의 3wt%와, 시멘트를 제외한 고화제의 상세 성분비율이 실시예2 및 실시예3에서 사용한 고화제와 동일한 고화제를 준설토 중량의 3wt%를 준설토와 교반하여 공시체를 제작하였다.
상기 실시예 4에 따른 고화제의 고화개량 성능을 실시예 3의 고화제와 비교하기 위하여, 준설토에 실시예 1의 고화제만을 투입한 공시체와(비교예2),
실시예 1에 따른 고화제에 경화제를 준설토 양의 0.3wt%로 투입한 공시체(준설토:고화제:경화제=100:6:0.3)(시험예 6),
실시예 4에 따른 고화제에 경화제를 준설토 양의 0.7wt%로 투입한 공시체(준설토:고화제:경화제=100:6:0.7)(시험예 7),
실시예 4에 따른 고화제에 경화제를 준설토 양의 1.0wt%로 투입한 공시체(준설토:고화제:경화제=100:6:1.0)(시험예 8)를 지름 75mm, 높이 150mm의 크기로 각각 12개를 제작한 후 일축압축강도, 건조밀도, 함수비 변화를 측정하였다.
나. 측정
실시예 4의 고화성능 측정방법은 상기 실시예 2 및 실시예 3에 따른 고화제의 고화개량 효과 확인을 위한 측정 방법과 동일한 방법으로 일축압축강도, 건조밀도와 함수비를 측정하였다. 측정한 결과는 다음의 표 5에 나타내었다.
다. 결 과
■ 함수비
경화제가 포함되지 않은 시료(비교예2)의 함수비는 배합 1일 경과후 89.6%이고 7일경과 후에는 61.3%로 시일경과에 따라 꾸준히 감소추세를 보였다. 경화제가 포함된 시료(시험예 6~시험예 8)에서는 1일 경과 후 각각 90.2%, 92.4%, 95.3%로 경화제가 포함되지 않은 시료보다 오히려 높게 나타났으며 경화제가 포함된 시료 일수록 높은 값을 나타냈고, 함수비는 시일이 경과함에 따라 전체적으로 저감되기는 하나 동일한 양상을 보였으며, 7일 경과후에는 각각 71.2%, 72.2%, 74.4%의 값이 나타났다.
■ 일축압축강도
경화제가 포함되지 않은 시료(비교예2)의 일축 압축강도는 1일 경과 후에는 0.16kg/㎠이고 시일일 경과에 꾸준히 증가하여 7일경과 후에는 0.93kg/㎠를 나타냈으며, 경화제가 포함된 시료(시험예 6 ~ 시험예 8)에서는 1일경과 후에 각각 0.15kg/㎠, 0.14kg/㎠, 0.12kg/㎠로 경화제가 포함되지 않은 시료보다 오히려 낮게 나타났으나, 시일이 경과함에 따라 경화제가 포함된 시료에서 높은 증가를 나타내며 7일 경과후에는 각각 3.43kg/㎠, 5.03kg/㎠, 6.62kg/㎠로 비교적 높을 강도를 구현하였다.
실내시험과 현장 발현 강도의 오차범위(1/2~1/3)을 감안하여도 트럭 장비가 진입 할 수 있는 지내력인 qu=0.5~0.8kg/㎠를 거뜬히 확보하는 것으로 나타났으며, 경화제의 투입비율 조정하여 사토 현장의 요구 강도 조건에 따라 다양한 강도를 구현할 수는 있으나 경화제의 가격이 비교적 고가인 점을 감안하여 현장 여건에 적합한 배합설계가 요구된다.
■ 건조밀도
경화제가 포함되지 않은 시료(비교예2)에 비해 경화제가 투입된 시료 (시험 예6 ~시험예 8)가 오히려 건조밀도가 낮게 나타났다. 이는 고화토의 강도 발현과정에서 토양에 포함된 수분의 배출을 지연시킴에 따라 건조밀도가 증가가 억제되는 것으로 판단된다.
이상의 결과 고화 개량토에 혼입된 경화제는 배합 후 고화토에 포함되는 수분의 배출을 지연시키고 시멘트,석회,석고 등의 고화제를 투입량을 줄이면서 고강도의 개량효과를 구현할 수 있는 역할을 하는 반면, 통기성과 통수성, 건조밀도의 개선효과는 미미한 것으로 판단된다.
이하에서는, 본 발명의 실시예 1 내지 4에 제시된 고화제에 폴리아크릴산 폴리머의 고흡수성 물질을 투입하여 조성되는 토양개량제의 식생 개량 효과를 살펴보고자 한다.
[토양개량제의 식생 개량 효과]
[시료준비]
상기 낙동강 살리기**공구 준설토 탈수케익에 상기 실시예1의 고화제를 실시예2~실시예3에 따른 고화개량 효과 확인시험에서와 같은 성분 및 배합량(시멘트4wt% + 고화제 8wt%)을 투입하고, 실시예3에 따른 고화개량 효과 확인시험에서 사용한 저질모래를 50wt%를 투입, 교반 고화처리 하였다. 배합을 완료한 고화토에 폴리아크릴산 폴리머의 고흡수성 물질을 각각 0wt%, 0.05wt%, 0.1wt% 추가 투입하여 교반하였다.
가. 콩의 발아
도 1에 도시된 바와 같이, 콩은 PVC 발아용 Dish에서 3일간 발아시킨다.
나. 파종포트 이식
콩의 성장을 관찰하기 위하여, 도 2에 도시된 바와 같이 Pot를 준비하였다. 그리고, 각각의 Pot에 준비된 발아된 콩을 파종하여 하기의 표 6와 같은 조건에서 실험을 진행하였다.
다. 실내관리
콩의 발아를 위한 실내관리를 다음과 같이 한다.
① 고화 처리토와 고흡수성 물질을 혼합한 토양에서의 통의 성장을 30일간 관찰한다.
② 고화처리토에 저질모래 50wt% 고흡수성 입자와 고흡수성 분말을 각각 중량비를 달리하여 혼합한 시료를 각각의 포트에 옮긴다.
③ 파종에 사용한 콩은 발아를 시킨 콩을 사용하며 각각의 포트에 3개씩 파종한다.(뿌리의 평균 길이 0.5~1.0cm, 줄기의 평균 길이 1.5~2.0cm)
④ 최초 콩을 포트에 파종 후 물 20㎖를 공급하고, 이후에는 3일에 1회 10㎖를 공급한다.
⑤ 실내온도는 27℃를 유지한다(조명은 실내 자연채광).
⑥ 모든 시료는 3회 반복, 실험을 진행하여 평균치를 취한다.
라. 측 정
성장 과정은 육안으로 관찰한 후 사진으로 남기며, Pot당 콩의 생장상태(콩의 개수, 성장길이)를 측정한다.
마. 결 과
① 포트당 콩의 성장 개수
고흡수 입자가 포함되지 않은 포트(0 SPA)에 파종한 콩 중 3개만 성장하였고, 고흡수 입자 중 0,05% 혼합 처리포트(0.05 SPA)는 6개, 고흡수입자 0.1% 처리포트(0.1 SPA)에서는 8개가 성장하였다.
② 줄기와 뿌리의 성장
각 포트별 줄기 및 뿌리의 평균 성장 길이는 아래의 표7과 같다
무처리포트(0 SPA)에서 파종한 콩의 줄기의 평균 길이는 14.5cm이고, 뿌리의 평균길이는 7.6cm이고, 고흡수 입자 중 0,05% 혼합 처리포트(0.05 SPA)에서 콩의 줄기의 평균 길이는 20.9cm이고, 뿌리의 평균길이는 6.7cm, 고흡수 입자 0.1% 처리포트(0.1 SPA) 콩의 줄기의 평균 길이는 25.7cm이고, 뿌리의 평균길이는 8.8cm가 성장하였다.
이상에서 보이는 실험의 결과, 준설토에 별도의 양분을 공급하지 않은 상태에서 고흡수 입자를 준설토 투입하면서 토질의 통기성과 보수성능의 향상을 기대하였고, 이를 확인하기 위하여 수분의 공급을 비교적 식물 생장에 부족한 량이라고 생각하고, 3일 마다 1회 10㎖로 공급한 후 식생 상태를 관찰하였다.
실험결과 고흡수성 수지가 포함된 실험포트에서 생장율과 줄기의 성장길이가 높게 나타난 것은 고흡수성 수지의 보수력에 기인하는 것으로 판단된다. 다만 토성을 면밀히 분석하여 생장에서 요구되는 영양분 공급을 병행한다면 더 나은 생장결과를 얻을 것으로 추정된다.
0.1% 이상의 배합효과의 시험을 하지 않은 이유는 고흡수성 물질의 시장가격을 감안할 때 0.1%이상을 혼합할 경우에는 전체 개량 비용이 양질토를 반입하여 친환하는 비용보다 훨씬 높아 현실적으로 적용될 가능성이 없다고 판단되었기 때문이다.
본 발명에 따른 준설토용 고화제 및 이를 이용한 토양개량제는 개량된 플랜 적용을 통하여 고화개량 품질을 확보하고, 일관작업에 의한 생산성증가로 경제적인 이득을 얻을 수 있으며, 기본고화제로 일반적인 무기질 고화제에 알루미나를 첨가한것을 사용하여 고함수 준설토 고화시 조기강도를 발현시키고, 바텀애쉬를 고화에 사용하여 고화성능을 개선함은 물론 산업부산물을 효과적으로 재활용하여 자연환경 개선에 기여할 수 있고, 준설과정에서 발생하는 모래를 고화에 활용하면 고화성능을 개선하면서 사토 운반비용의 절감이 가능하며, 강도증진물질 및 고흡수성물질을 투입한 토양개량을 통하여 개량 이후의 토양의 활용성을 확대하여 고화개량의 적용 범위를 확대시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있기 때문에 산업상 이용 가능성이 크다.
Claims (5)
- 시멘트 50~90wt%, 생석회 4~30wt%, 석고 4~25wt%의 혼합으로 조성된 무기질 고화제 70~95wt%에 알루미나 분말 5~30wt%를 첨가하여 조성된 준설토 개량에 사용하는 고화제로서,
상기 알루미나 분말은 제올라이트를 3~5wt%로 함유하고 있는 것으로서, 800~900℃의 연도관을 통과시켜 탄소성분을 2.0~5.0wt%로 제거한 것임을 특징으로 하는 준설토용 고화제.
- 청구항 1에 있어서,
준설토 개량에 사용하는 고화제는 바텀애쉬(Bottom ash)가 더 부가되어 조성되되, 상기 준설토 개량에 사용하는 고화제의 전체 중량에 대해 10~50wt%로 첨가하는 것임을 특징으로 하는 준설토용 고화제.
- 청구항 1에 있어서,
준설토 개량에 사용하는 고화제는 사질토 10~90wt%와 양질토 10~90wt%의 혼합으로 조성된 혼합토가 더 부가되어 조성되되, 상기 준설토 개량에 사용하는 고화제의 전체 중량에 대해 1~50wt%로 첨가하는 것으로서,
상기 사질토는 비중(Specific gravity) 2.640이고, 실트 함유량이 5~30wt%인 실트질 사질토임을 특징으로 하는 준설토용 고화제.
- 청구항 1에 있어서,
준설토 개량에 사용하는 고화제는 경화촉진제가 더 부가되어 조성되되, 상기 준설토 개량에 사용하는 고화제의 전체 중량에 대해 0.1~2.0wt%로 첨가하여 조성하는 것으로서,
상기 경화촉진제는 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)와, 에틸아크릴레이트, 메틸아크릴레이트, 노말부틸아크릴레이트, 메틸메타크릴레이트(MMA), 2-에틸헥시메타크릴레이트, 노말부틸메타크릴레이트, 라우릴메타크릴레이트(LMA), 이소보닐메타크릴레이트(IBoMA), 이소보닐 아크릴레이트(IBoA), 에틸메타크릴레이트(EMA), 옥틸메타크릴레이트, 글리시딜메타크릴레이트, 노말프로필메타크릴레이트, 2-에틸헥실아크릴레이트, 2-에틸펜틸메타크릴레이트, 부틸메타크릴레이트(BMA), 시클로헥실메타크릴레이트 중 선택되는 어느 2종 이상의 단량체 100중량부와, 벤조일퍼옥사이드(BPO) 또는 2,5-디메틸-2,5-디(벤조일퍼옥시)헥산의 개시제 0.1~2중량부로 조성된 변성아크릴계 35~55wt%;와,
수산화나트륨(NaOH) 10~30wt%;와,
폴리옥시 에틸렌 솔비탄 모노라우린산 에스테르, 폴리옥시 에틸렌 솔비탄 모노팔미틴산 에스테르, 폴리옥시 에틸렌 솔비탄 모노스테아린산 에스테르, 폴리옥시 에틸렌 솔비탄 모노올레인산 에스테르, 폴리옥시 에틸렌 옥시프로필렌 스테아린산 에스테르 중 선택되는 어느 1종 이상의 에스테르계 계면활성제 20~40wt%;와,
소성클레이, 산성백토, 활성백토, 황산바륨, 탄산마그네슘, 탄산칼슘, 산화아연, 무수석고, 모래 중 선택되는 어느 1종 또는 2종 이상의 무기충전재 0.1~5wt%를 혼합하여 70~80℃로 가열하여 반응시켜 조성되는 것임을 특징으로 하는 준설토용 고화제.
- 청구항 1 내지 청구항 4 중 선택되는 어느 한 항의 준설토용 고화제 전체중량에 대해 폴리아크릴산 폴리머의 고흡수성 물질 0.01~0.5wt%를 첨가 조성하여 준설토를 식생에 적합한 토양으로 개량하는 것으로서,
상기 폴리아크릴산 폴리머의 고흡수성 물질은 모노머 아크릴산(Acrylic acid)에 농도가 20wt%인 수산화나트륨(NaOH) 수용액을 투입하여 중화도가 50wt%가 되도록 한 후,
가교제 N,N'-메틸렌비스아크릴아미드(N,N'-methylenebisacrylamide)를 모노머아크릴산의 전체 중량에 대해 0.05~0.3wt%가 되도록 첨가한 다음,
농도가 1.5wt%인 개시제의 K2S2O8를 투입하여 65~75℃에서 3~5시간 동안 중합하여 조성된 것임을 특징으로 하는 토양개량제.
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