KR102500855B1 - 매립석탄재 기반 긴급복구용 유동성 채움재 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 재활용되지 못하고 매립된 매립석탄재로부터 채움재(CLSM)에 요구되는 용도별 유동성, 충진성, 강도 특성을 충족시키는 최적의 물성을 갖는 매립석탄재를 선택하여 고품위의 매립석탄재 기반 긴급복구용 유동성 채움재를 제공하는 것이며, 시멘트(C) 100㎏/㎥에 대하여 분쇄에 의해 전처리한 0.075㎜체 통과율이 13 ~ 15.5%인 직경 2㎜ 실트질 모래군(SM) 분류의 화력발전소에서 발생되는 플라이애시 및 바텀애시가 혼합된 상태의 석탄재를 재활용하지 못하고 매립한 매립석탄재(PA) 1103 ~ 1077㎏/㎥ 및 물(W) 425 ~ 437.5㎏/㎥를 포함하여 조성되고, 유동율 200 ~ 227mm 및 블리딩율 1.28 ~ 1.63%를 나타내는 관뒤채움용 또는 구조물 뒤채움용의 유동성 채움재인 것으로 이루어진다.
본 발명에 따른 매립석탄재를 활용한 유동성 체움재(CLSM)는 시멘트 결합재만으로 W/C 조정을 통해 적절한 유동성 및 블리딩률을 확보하여 압축강도 등 요구 성능을 충족할 수 있는 특징이 있으며, 활용되지 못하고 매립된 매립석탄재의 재활용률을 최소 90%에서 최대 95%까지 확보하는 효과가 있으므로 산업적 및 친환경적으로 매우 유리한 장점이 있다.
본 발명에 따른 매립석탄재를 활용한 유동성 체움재(CLSM)는 시멘트 결합재만으로 W/C 조정을 통해 적절한 유동성 및 블리딩률을 확보하여 압축강도 등 요구 성능을 충족할 수 있는 특징이 있으며, 활용되지 못하고 매립된 매립석탄재의 재활용률을 최소 90%에서 최대 95%까지 확보하는 효과가 있으므로 산업적 및 친환경적으로 매우 유리한 장점이 있다.
Description
본 발명은 매립석탄재를 활용한 유동성 채움재(CLSM, Controlled Low Strength Materials)에 관한 것이며, 구체적으로는 노후 하수관거의 누수 또는 인근 토목공사 시 지하수 유출에 따른 지하 공동 발생 등에 의한 지반침하 발생 시 지반침하 복구공사에 적용하는 매립석탄재를 활용한 유동성 채움재(CLSM)에 관한 것이다.
유동성 채움재(CLSM, Controlled Low Strength Materials)는 저강도 콘크리트 개념을 지반공학에 적용한 공법으로 미국 콘크리트학회(ACI Committee 229, 1994)에서는 모래, 혼화제, 시멘트, 플라이애시, 물로 구성된 저강도 유동성 채움재로 정의하고 있으며, 자기수평성과 자기다짐성, 유동성과 강도의 조절이 가능하다는 장점이 있지만, 경화시간이 길어 도로와 같이 즉시복구가 필요한 구간에는 적용이 어려운 단점을 가지고 있다.
매립석탄재는 화력발전소에서 발생하는 플라이애시(Fly Ash), 바텀애시(Bottom Ash) 등의 석탄재를 재활용하지 못하고 매립한 석탄재를 의미하며, 상기한 석탄재는 지속적으로 배출되고 있으나 전체 석탄회 발생량 중 약 70%는 재활용되고 나머지는 사회적, 경제적 요인으로 재활용되지 못하고 매립되고 있는 실정이며, 일부 발전소의 경우 80 ~ 90%의 매립비율을 나타내고 있어 매립장이 부족한 상태이며, 해안에 위치 한 매립장의 지리적 특성상 해양 생태계의 환경오염 발생이 우려되어 대량의 재활용이 가능한 용도 개발이 필요하다.
유동성 채움재(CLSM)와 관련한 선행기술로 특허문헌 1에는 시멘트 200kg/㎥, 벤토나이트 19kg/㎥, 물 847kg/㎥, 규산소다 64kg/㎥, 안정제 1.2kg/㎥를 고정으로 배합하되, 석고는 전체중량 대비 3 내지 8중량%로 배합하고, 칼슘설포알루미네이트(CSA)는 전체중량 대비 3 내지 8중량%로 배합하여 겔타임을 조절하며, 폴리사카라이드계열의 증점제는 전체중량 대비 0.01 내지 0.08중량%로 배합하고, 트리에탄올아민은 전체 중량대비 0.1 내지 0.8중량%로 배합하여 유동성을 확보하면서도 초기강도가 확보되도록 하는 것을 특징으로 하는 뒷채움재 조성물을 개시하고 있으나 매립석탄재의 재활용 기술과는 관련이 없다.
그리고 플라이애시(Fly Ash), 바텀애시(Bottom Ash) 등의 석탄재의 재활용과 관련한 기술은 다양하게 존재하므로 생략하고, 유동성 채움재(CLSM)와 관련하여 매립석탄재의 재활용에 관한 선행기술을 예로 들면, 특허문헌 2에 토사, 플라이 애쉬, 고무 분말 또는 분쇄물, 시멘트, 정수 슬러지를 포함하며, 상기 토사는 뒤채움재 전체 중량 대비 40 ~ 44중량부이며, 상기 플라이애쉬는 20중량부이고, 상기 고무분말 또는 분쇄물은 0 초과 5 이하 중량부이며, 상기 시멘트는 10중량부이며, 상기 뒤채움재 조성물은 뒤채움재 조성물 전체 중량대비 26중량부의 물과 혼합되는 것을 특징으로 하는 유동성 뒤채움재 조성물을 개시하고 있으며, 또 특허문헌 3에 산화칼슘(CaO) 함량이 35중량% ~ 70중량%이고, 비표면적이 2,500 ~ 6,000㎠/g의 제지슬러지 소각잔재 100중량부에 대하여, 고로슬래그 미분말 80 ~ 150중량부 및 페트롤코우크스 탈황석고 40~100중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 유동화 되메움재용 고화재를 개시하고 있다.
본 발명의 발명자는 재활용되지 못하고 매립된 매립석탄재로부터 채움재(CLSM)에 요구되는 용도별 유동성, 충진성, 강도 특성을 충족시키는 최적의 물성을 갖는 매립석탄재를 선택함으로써 고품위의 채움재(CLSM)를 확보하고, 본 발명을 완성하였다.
본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 노후 하수관거의 누수 또는 인근 토목공사 시 지하수 유출에 따른 지하공동 발생 등에 의한 지반침하 발생 시 지반침하 복구공사에 적용하는 매립석탄재를 활용한 유동성 채움재(CLSM)의 제공에 관한 것이다.
보다 상세하게는 재활용되지 못하고 매립된 매립석탄재로부터 채움재(CLSM)에 요구되는 용도별 유동성, 충진성, 강도 특성을 충족시키는 최적의 물성을 갖는 매립석탄재를 선택하여 고품위의 매립석탄재 기반 긴급복구용 유동성 채움재를 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다.
본 발명에 따른 과제의 해결수단으로 매립석탄재 기반 긴급복구용 유동성 채움재는 시멘트와 분쇄에 의해 전처리한 일정 입도범위를 갖는 실트질 모래의 매립석탄재가 일정 %의 W/C로 조성되게 물을 포함하는 것으로 이루어진다.
본 발명의 매립석탄재 기반 긴급복구용 유동성 채움재에 따른 일 실시형태는 시멘트(C) 100㎏/㎥에 대하여 분쇄에 의해 전처리한 0.075㎜체 통과율이 13 ~ 15.5%인 직경 2㎜ 실트질 모래군(SM) 분류의 화력발전소에서 발생되는 플라이애시 및 바텀애시가 혼합된 상태의 석탄재를 재활용하지 못하고 매립한 매립석탄재(PA) 1103 ~ 1077㎏/㎥ 및 물(W) 425 ~ 437.5㎏/㎥를 포함하여 조성되고, 유동율 200 ~ 227mm 및 블리딩율 1.28 ~ 1.63%를 나타내는 관뒤채움용 또는 구조물 뒤채움용의 유동성 채움재인 것으로 이루어진다.
상기한 매립석탄재 기반 긴급복구용 유동성 채움재의 조성을 시멘트의 중량에 대하여 물의 중량비율 및 채움재의 유동성과 관련하여 표현하면 W/C 400 ~ 438% 및 (PA+C)/W 2.69 ~ 3.13으로 조성되며, 여기서 W는 물, C는 시멘트이고, PA는 분쇄에 의해 전처리한 0.075㎜체 통과율이 13 ~ 15.5%인 직경 2㎜ 실트질 모래군(SM) 분류의 매립석탄재이다.
본 발명에 따른 상기 매립석탄재는 한국동서발전 당진화력발전소 등에서 발생되는 플라이애시(Fly Ash), 바텀애시(Bottom Ash) 또는 플라이애시와 바텀애시가 혼합된 상태의 석탄재를 재활용하지 못하고 매립한 석탄재를 의미한다.
본 발명에서는 상기 매립석탄재를 활용한 것으로 유동성 채움재에 따른 적절한 입도를 갖도록 분쇄 등을 통한 전처리 공정 후 0.075㎜체 통과율이 13 ~ 15.5%인 직경 2㎜ 실트질 모래군(SM) 분류의 매립석탄재(PA)로 선정하는 것으로 이루어진다.
상기 본 발명에 따른 실트질 모래군(SM) 분류의 매립석탄재(PA)의 입도는 유동성 및 재료분리 저항성 등의 특성에 영향을 미치며, 관 뒤채움용 , 구조물 뒤채움용 유동성 채움재 및 공동 채움용 유동성 채움재 등의 용도에 따라 적절한 유동성 및 재료분리 저항성 등의 특성을 위하여 시멘트(C) 및 물(W)과 일정하게 배합되는 것으로 이루어진다.
본 발명에 따른 매립석탄재를 활용한 유동성 채움재(CLSM)는 시멘트 결합재만으로 W/C 조정을 통해 적절한 유동성 및 블리딩률을 확보하여 압축강도 등 요구 성능을 충족할 수 있는 특징이 있으며, 활용되지 못하고 매립된 매립석탄재의 재활용률을 최소 90%에서 최대 95%까지 확보하는 효과가 있으므로 산업적 및 친환경적으로 매우 유리한 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 매립석탄재 기반 긴급복구용 유동성 채움재 설비 구성도
도 2는 본 발명에 따른 매립석탄재 기반 긴급복구용 유동성 채움재의 실시예 2 및 실시예 3의 제조 공정도
도 2는 본 발명에 따른 매립석탄재 기반 긴급복구용 유동성 채움재의 실시예 2 및 실시예 3의 제조 공정도
이하에서는 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용과 <실시예> 및 <시험예> 등을 통하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하겠으며, 아래 기재에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 매립석탄재 기반 긴급복구용 유동성 채움재를 위하여 도 1에 도시한 바와 같이 설비가 구성된다.
도 1은 유동성 채움재의 일반적인 구성도이므로 자세한 설명을 생략한다.
본 발명의 매립석탄재 기반 긴급복구용 유동성 채움재는 시멘트(C) 100㎏/㎥에 대하여 분쇄에 의해 전처리한 0.075㎜체 통과율이 13 ~ 15.5%인 직경 2㎜ 실트질 모래군(SM) 분류의 매립석탄재(PA) 1070 ~ 1155㎏/㎥ 및 물(W) 400 ~ 438㎏/㎥를 포함하여 조성되는 것으로 이루어진다.
본 발명에 따른 결합재인 상기 시멘트(C)는 보통 포틀랜드 시멘트로서 KS L 5201의 기준에 적합한 것을 사용하며 시멘트의 물성은 아래 [표 1]에 나타내었다.
| 밀도 (g/㎤) |
분말도 (㎠/g) |
안정도 (㎜) |
응결시간(min) | 압축강도(MPa) | |||
| 초결 | 종결 | 3일 | 7일 | 28일 | |||
| 3.14 | 3400 | 0.50 | 210 | 335 | 26.9 | 39.7 | 55.9 |
본 발명에 따른 매립석탄재는 한국동서발전 당진화력발전소에서 발생되는 매립석탄재를 활용한 것이며, 매립석탄재에 대한 원소 분석결과(XRF 정량분석)를 아래 [표 2]에 나타내었다.
| SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | CaO | MgO | K2O | Na2O | TiO2 | MnO | P2O5 | LOI |
| 46.9 | 15.4 | 15.6 | 4.8 | 2.0 | 1.2 | 0.8 | 0.8 | 0.3 | 2.8 | 9.7 |
매립석탄재는 매립지의 채취 장소에 따라 특성 및 입도 등에 차이가 있으며, 매립지에서 채취한 매립석탄재를 그대로 혼합하여 최대한 균질한 상태로 하여도 유동성 채움재(CLSM)에 적합한 물성을 갖는 입도를 얻을 수 없으므로 분쇄 등을 통한 전처리 공정을 수행할 필요가 있다.
본 발명에 따른 유동성 채움재의 물 배합은 유동성 및 재료분리 저항성 특성에 적합하도록 시멘트(C) 100㎏/㎥에 대하여 400 ~ 438㎏/㎥로 조성하는 것으로 이루어지며, 이에 따라 W/C가 400 ~ 438% 및 (PA+C)/W가 2.69 ~ 3.13로 조성된다.
상기에서 W는 물, C는 시멘트이고, PA는 분쇄에 의해 전처리한 0.075㎜체 통과율이 13 ~ 15.5%인 직경 2㎜ 실트질 모래군(SM) 분류의 매립석탄재이다.
본 발명에 따른 매립석탄재는 다수의 매립지에서 채취한 매립석탄재를 혼합하여 최대한 균질한 상태에서 분쇄에 의해 전처리한 0.075㎜체 통과율이 13 ~ 15.5%인 직경 2㎜ 실트질 모래군(SM) 분류의 매립석탄재(PA)를 조성하는 것으로 이루어진다.
상기 매립석탄재는 입도의 분포가 조립질일 경우 재료분리 발생 가능성이 높으며, 미립분 함량이 낮을수록 재료분리, 블리딩 발생률이 높아지므로 분쇄에 의해 전처리한 0.075㎜체 통과율이 13 ~ 15.5%인 직경 2㎜ 실트질 모래군(SM) 분류의 매립석탄재를 조성하는 것이 본 발명의 특징 중 하나이다.
본 발명에 따른 상기 유동성 채움재는 관 뒤채움용, 구조물 뒤채움용 및 공동 채움용 등에 적용되며, 최적의 배합비율은 시멘트(C) 100㎏/㎥에 대하여 분쇄에 의해 전처리한 0.075㎜체 통과율이 13 ~ 15.5%인 직경 2㎜ 실트질모래군(SM) 분류의 매립석탄재(PA) 1077㎏/㎥ 및 물(W) 437.5㎏/㎥로 조성된다.
일반적으로 유동성 채움재에 대하여 요구되는 특성은 국내외의 기준에 차이가 있으나 공통적으로 유동성, 재료분리 저항성, 다짐성 및 재굴착성에 대하여 규정하고 있다.
본 발명에서는 아래 [표 3]에 나타낸 유동성 채움재의 요구 성능을 목표로 하여 유동성 채움재(CLSM)를 조성하였다.
아래 [표 3]에서 제시된 목표치는 일반적으로 ACI-229R에서 규정하고 있는 품질관리 수준이며, 블리딩률의 경우 ACI-229R에서 규정하고 있지는 않지만 외국(일본)에서 유동성 채움재의 용도별 적용시 적용하고 있는 품질기준치이며, 일축압축강도는 관 뒤채움의 경우 재굴착성 확보를 위해 ACI-229R에서 규정하고 있는 1.4MPa 이하를 제시한 것이고, 나머지 0.3MPa 이상은 유동성 채움재로서 요구되는 최소 강도치를 목표로 하였으며, 매립석탄재 활용률은 {PA/(PA+C)}X100을 적용한 수치이다.
| 구분 | 단위 | 관 뒤채움 | 구조물 뒤채움 | 공동 채움 |
| 유동성 | ㎜ | 200이상 | 200이상 | 300이상 |
| 블리딩률 | % | 3미만 | 1미만 | 3미만 |
| 일축 압축강도 | MPa | 03 ~ 1.4 | 0.3이상 | 0.3이상 |
| V-lot 유하시간 | sec | 55이내 | ||
| 매립석탄재 활용률 | % | 80이상 | ||
<실시예 1>
석탄재 매립지의 여러 장소에서 채취한 매립석탄재를 혼합하여 최대한 균질한 상태로 하여 입도 처리 전, 후(분쇄 전, 후)의 매립석탄재를 준비하였다.
<시험예 1>
상기 <실시예 1>에서 준비한 입도 처리 전, 후(분쇄 전, 후)의 매립석탄재에 대하여 각각 물성을 분석하고, 결과를 아래 [표 4]로 나타내었으며, 밀도는 입도 처리 전, 후(분쇄 전, 후)의 매립석탄재 각각이 2.03g/㎤으로 동일한 수준으로 나타났다.
| 구분 | 0.075㎜ 통과율(%) |
D10 (㎜) |
D30 (㎜) |
D60 (㎜) |
액성한계 (%) |
소성한계(%) | 소성지수(Pl) | USCS |
| 분쇄 전 | 7.08 | 0.118 | 0.294 | 1.143 | NP | NP | NP | SP |
| 분쇄 후 | 13.1 | 0.034 | 0.147 | 0.386 | NP | NP | NP | SM |
상기 [표 4]에 나타난 바와 같이 매립지에서 채취한 매립석탄재의 입도 처리(분쇄) 전, 후를 비교하면, 동등한 수준의 밀도를 나타내면서도 입도 처리를 하지 않은(분쇄전) 매립석탄재 대비 입도 처리 한(분쇄후) 매립석탄재의 0.075mm 통과율이 약 1.9배 향상하여 13.1% 정도의 통과율을 나타내었다.
그리고 상기 [표 4]에 나타난 바와 같이 상기 액·소성한계 시험은 KS F 2303에 준하여 시험을 실시하였으며 그 결과 입도 처리(분쇄) 전, 후에 다같이 시험불가(Non-Plastic)로 판정되었으며, 평가결과를 토대로 KS F 2324에 따라 공학적 분류를 실시한 결과 입도 처리 전(분쇄 전)의 매립석탄재는 입도분포가 불량한 모래(SP)군으로 분류되었고 입도 처리 후(분쇄 후)의 매립석탄재는 저소성 실트질 모래군(SM)으로 분류되었다.
<실시예 2> 및 <실시예 3>
도 2는 실시예 2 및 실시예 3에 의한 본 발명인 매립석탄재 기반 긴급복구용 유동성 채움재 제조 공정도를 나타내는 것으로서, [도 2]를 참조하여 상세하게 설명한다.
상기 <실시예 1>의 입도 처리하여(분쇄 후) 얻은 실트질 모래군(SM)의 매립석탄재를 아래 [표 5]에 나타낸 바와같이 배합하여 본 발명에 따른 유동성 채움재를 조성하였다.
유동성 채움재의 믹싱은 매립석탄재의 분산성 및 혼합물의 균질성 확보를 위하여 물과 석탄재를 믹서에 투입한 후 2분(저속 30초+고속 90초) 동안 믹싱을 실시하고 이에 시멘트를 첨가하여 1분 30초(저속 30초+고속 60초) 동안 혼합하여 제조하였으며, 혼합에 사용된 믹서는 시멘트 모르타르의 혼합물에 사용되는 것으로 H사의 용량 40Quart의 믹서를 사용하였다.
| 구분 | W/C(%) | (PA+C)/W | 단위 무게(㎏/㎥) | ||
| 시멘트(C) | 물(W) | 매립석탄재(PA) | |||
| 실시예 1 | 425 | 2.83 | 100 | 425 | 1103 |
| 실시예 2 | 437.5 | 2.69 | 437.5 | 1077 | |
<시험예 2>상기 <실시예 2> 및 <실시예 3>에서 제조한 본 발명에 따른 유동성 채움재(CLSM)에 대하여 아래와 같은 방법으로 성능을 시험하고 그 결과를 아래 [표 6]로 나타내었다.
- 유동성
ASTM D 6103에 준하여 실시하였으며, 세부 시험방법으로는 높이 150±2mm, 내경 76±3mm인 실린더를 플레이트에 놓은 후 혼합된 유동성 채움재를 스쿠프를 사용하여 채워 넣고 실린더를 들어 올려 퍼진 시료의 직교 2방향 지름을 측정하여 평가하였다.
- 블리딩률
재료분리 저항성 평가를 위하여 KS F 2433「주입 모르타르의 블리딩률 및 팽창률 시험방법」으로 평가를 실시하였으며 세부적으로는 유동성 채움재 혼합 후 시료를 지름 5cm, 길이 50cm 이상의 비닐에 공기가 혼입되지 않도록 채우고 물을 넣은 메스실린더에 투입하여 유동성 채움재의 초기 체적을 구한다. 그 후 3시간 및 20시간 방치 후 상부로 분리된 블리딩수의 체적을 측정하여 초기 시료 체적에 대한 비율로 블리딩률을 산출하였다.
- 일축 압축강도
KS F 2405「콘크리트 압축강도 시험방법」에 준하여 시험편은 높이와 지름의 비율이 2:1의 실린더 형태인 몰드를 사용하여 높이 100mm, 지름 50mm의 공시체를 제작하여 평가하였다.
-V-lot 유하시간
V-lot 유하시간 측정은 KS F 2432「주입 모르타르의 컨시스턴시 시험방법」에 준하여 평가를 실시하였다.
| 구분 | 유동성 (㎜) |
블리딩률 (%) |
V-lot 유하시간 (초) | 매립석탄재활용률(%) | 일축 압축강도(MPa) | |
| 재령 7일 | 재령 28일 | |||||
| 실시예1 | 200.0 | 1.28 | 54 | 91.7 | 0.61 | 1.42 |
| 실시예2 | 227.0 | 1.63 | 52 | 91.5 | 0.55 | 1.20 |
상기 [표 5]에 나타난 바와 같이 유동성 채움재(CLSM)의 성능이 목표치를 초과하고 있으며, <실시예 2>의 W/C 437.5% 조건에서는 관 뒤채움용 유동성 채움재에 특히 적합한 배합조건을 확보할 수 있는 것을 알 수 있다.
상기한 결과로부터 본 발명에 따른 매립석탄재 기반 긴급복구용 유동성 채움재가 우수한 품질의 채움재로써 산업적으로 유용하고 또 매립석탄재의 활용률도 약 92%인 것을 알 수 있으므로 친환경적으로 매우 유리한 것을 확인할 수가 있다.
Claims (5)
- 시멘트(C) 100㎏/㎥에 대하여 분쇄에 의해 전처리한 0.075㎜체 통과율이 13 ~ 15.5%인 직경 2㎜ 실트질 모래군(SM) 분류의 화력발전소에서 발생되는 플라이애시 및 바텀애시가 혼합된 상태의 석탄재를 재활용하지 못하고 매립한 매립석탄재(PA) 1103 ~ 1077㎏/㎥ 및 물(W) 425 ~ 437.5㎏/㎥를 포함하여 조성되고, 유동율 200 ~ 227mm 및 블리딩율 1.28 ~ 1.63%를 나타내는 관뒤채움용 또는 구조물 뒤채움용의 유동성 채움재인 것을 특징으로 하는 매립석탄재 기반 긴급복구용 유동성 채움재.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 청구항 1에 있어서, 상기 매립석탄재 기반 긴급복구용 유동성 채움재는 물과 석탄재를 믹서에 투입한 후 저속 30초+고속 90초로 하여 2분 동안 믹싱을 실시하고 이에 시멘트를 첨가하여 저속 30초+고속 60초로 하여 1분 30초 동안 혼합하여 제조하는 것을 특징으로 하는 매립석탄재 기반 긴급복구용 유동성 채움재.
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| KR1020220120886A KR102500855B1 (ko) | 2022-09-23 | 2022-09-23 | 매립석탄재 기반 긴급복구용 유동성 채움재 |
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