KR20100060928A

KR20100060928A - 석탄회를 첨가한 고유동성 유동화처리토의 제조방법

Info

Publication number: KR20100060928A
Application number: KR20080119733A
Authority: KR
Inventors: 박용대; 한상재; 안동욱; 이규식; 유병선
Original assignee: 주식회사 삼안; 한양대학교 산학협력단
Priority date: 2008-11-28
Filing date: 2008-11-28
Publication date: 2010-06-07

Abstract

본 발명은 건설현장 잔토의 재활용이 가능한 고유동성 무다짐 유동화 처리토에 석탄회를 첨가한 제조방법에 관한 것으로서, 양질의 현장 발생토 공급이 원활하지 못할 경우, 현장 발생토의 대체재료로서 석탄회를 사용하여, 기존의 고유동성 무다짐 유동화 처리토의 문제점을 해결하고자 하였다. 고유동성 무다짐 유동화 처리토는 자기수평능력, 자기다짐, 유동성, 인위적인 강도조절등을 대표적인 특징으로 들 수 있으며, 추가적인 다짐이 필요 없으므로 소음 진동이 적어 주변 환경에 끼치는 영향이 적은 것이 장점이다.

Description

석탄회를 첨가한 고유동성 유동화처리토의 제조방법{A manufacturing method of flowing soil including coal dust}

본 발명은 건설현장 잔토와 석탄회의 재활용이 가능한 고유동성 무다짐 유동화 처리토 공법에 관한 것으로서, 건설현장 잔토의 품질관리가 용이하지 못한 단점을 보완하고 화력발전소 부산물인 석탄회를 건설현장 잔토의 대체재료로 재활용함으로써 발전소 건설에 대한 부정적 인식을 개선할 수 있는 방법이다. 석탄회는 폐기물로 지정되어 매립되고 있으며 우리나라의 경우 전기사용량의 증가로 인해 석탄회 배출량이 향후 2010년에는 연간 800만톤이상 발생할 것으로 추정되고 있다(전력경제신문, 2007).

일반적으로 도시의 지하에 복잡하게 매설되어 있는 전기, 수도, 가스 등의 공급시설, 하수, 전신전화 등의 라이프라인의 신설, 개보수, 유지보수 과정에서 다짐에 의한 뒤채움 작업이 빈번히 반복되어 행하여지고 있는데, 이에 따른 사회적, 기술적, 경제적 문제점은 다음과 같다.

- 뒷채움재의 품질관리 어려움

- 시공방법의 다단계

- 뒷채움재의 다짐시 매설된 관 또는 방수쉬트의 손상

- 원형 매설관의 경우 관주변의 부적절한 다짐

- 협소한 구간의 다짐작업 곤란

- 부적절한 다짐으로 도로의 함몰 및 매설물의 변형, 파손

또한 최근에는 시멘트와 석탄을 연료로 쓰고 있는 화력발전소들로부터 발생되는 석탄회를 뒤채움재료로 시공하는 공법을 활용하였으나, 이러한 공법은 늦은 강도발현, 잔토 처리비용 및 모래수급의 어려움, 높은 pH 등 다양한 문제가 발생한다.

한편, 국내에서 사용되고 있는 연약지반 안정처리재(고화재)는 일반적으로 시멘트계 고화재가 실용화되고 있다. 이는 1930년대 미국에서 흙과 보통 시멘트를 혼합한 소일 시멘트(Soil Cement)가 토질안정 처리재로써 노반재료에 이용되기 시작하였으나 고유기질 토, 점토, 고함수비토에서는 효과가 적고 비경제적이였으며, 연약지반이 많은 일본에서 1960년대에 독자적인 석회계 토질안정제를 개발하였으나 시공 시 수화열이 크고, 위험물로의 취급, 분진발생 등의 단점이 있어 1970년대에 시멘트계 토질안정제(시멘트계 고화재)를 개발하여 지금까지 이용되고 있으며 이를 개선한 여러 가지 토질안정용 고화재가 계속 개발되고 있다.

시멘트계 고화재는 다량의 물을 결합수로서 취하는 에트링가이트(Ettringite)의 생성을 돕고 석고나 포졸란 반응을 진행시키기 위해 슬래그, 석 탄회, 고화성능을 높이는 알루미나 시멘트나 제트 시멘트 또는 그들의 성분을 조정해서 특수한 시멘트로서 용도에 따라 고안하여 배합해서 첨가시키고 있다.

그러나 현재 사용되고 있는 시멘트계 고화재 역시 지역적ㆍ환경적ㆍ지질적 조건에 따라 적용이 제한되고 있으며, 특히 생활 쓰레기 또는 산업 폐기물 매립지의 경우 침출수의 성분에 따른 환경 영향이 충분히 고려되어 있지 않은 실정이다.

또한 환경산업에의 고화재는 중금속 이온의 고정화를 목표로 흡착고용, 난용성화합물의 생성, 중금속의 치환고정, 물리적인 봉침 등의 메카니즘(Mechanism)을 활용하고 있다. 이를 위하여 생석회나 소석회 등의 석회계, 에트링가이트 생성을 위한 칼슘설포알루미네이트(Calcium Sulfo-aluminate, CSA)계 등의 원료와 석고, 슬래그, 석탄회 등의 부재료가 사용이 되고 있다.

우리나라에서는 연약 지반의 분포가 많지는 않으나 최근 산업의 발달, 인구증가 및 경제규모의 확장은 종합적인 국토 개발을 필요로 하게 되었고 또 삼면이 바다로 둘러싸인 해양국가로서 서ㆍ남해안 간척사업, 신공항 개발 등의 국토 개발 뿐만 아니라 환경 친화적인 사업으로서 쓰레기 매립, 상ㆍ하수 및 종말처리장의 슬러지 고화처리 등 상대적으로 열악한 지역의 개발에 필요한 토질안정제의 개발은 불가피한 실정이었다.

그러나, 전술한 종래 토질안정제는 방수성이 거의 없고, 토양입자의 혼합이 잘 안되어서 시공의 안정성이 없었으며, 기온의 영향을 받아 동절기에는 동해가 있어 내구성이 적은 단점을 가지고 있었다.

또한 지반 안정화 공사, 예를 들어 도로 축조 등에 있어서 지반 안정화를 위해 자연에서 채취한 골재를 사용하여 시공하게 되는데, 이와 같은 골재의 사용시 외부로부터 지반 내에 물이 침투함으로써 지반의 강도가 저하되어 지반의 연약화가 이루어져 지반의 내구성이 저하되는 문제점이 있었으며, 자연 골재 채취로 인하여 자연 경관을 훼손하게 되는 문제점이 있었다.

게다가 골재 등의 공사 재료를 원거리에서 운반해오는 경우 공사비가 상승하게 되어 비경제적인 문제점이 있었다.

본 발명에서는 이와 같은 문제를 해결하기 위해 친환경 고화재와 건설현장 잔토 그리고 석탄회를 활용하여 기존 공법이 갖는 경제적, 환경적, 기술적 문제를 보완할 수 있는 공법을 개발하고자 하였다.

상술한 문제를 해결하기 위하여, 현장에서 발생한 건설잔토에 석탄회를 첨가하여 다짐시공이 어려운 구조물의 뒷채움이나, 건축물의 기초, 지하 구조물, 각종 매설물 등에 무다짐으로 신속한 시공성과 빠른 급결성으로 조기교통개방이 가능하도록 하고, 장기강도를 조절하여 재굴착이 가능하도록 하는 방법에 있어서, 채취된 현장토가 통일분류법(USCS)으로 분류하여 SM에 해당할 경우, 현장토와 석탄회와 물과 고화재를 혼합하되,

현장토:석탄회=50:15인 경우, 고화재:물(W/C)=193%~196%

현장토:석탄회=45:20인 경우, 고화재:물(W/C)=195%~197%

현장토:석탄회=40:25인 경우, 고화재:물(W/C)=197%~200%

현장토:석탄회=35:30인 경우, 고화재:물(W/C)=199%~204%

현장토:석탄회=32.5:32.5인 경우, 고화재:물(W/C)=202%~208% 로 하는 유동화 처리토의 제조방법을 제공한다.

상술한 바와 같이, 양질의 현장 발생토 공급이 원활하지 못할 경우, 현장 발 생토의 대체재료로서 석탄회를 사용하여, 기존의 고유동성 무다짐 유동화 처리토의 문제점을 해결할 수 있는 효과가 있다.

그리고 고유동성 무다짐 유동화 처리토는 자기수평능력, 자기다짐, 유동성, 인위적인 강도조절등을 대표적인 특징으로 들 수 있으며, 추가적인 다짐이 필요 없으므로 소음 진동이 적어 주변 환경에 끼치는 영향이 적은 것이 장점이다.

본 발명에서는 현장에서 발생되는 건설현장 잔토를 재활용하고, 화력발전소의 부산물로 폐기물로 지정된 석탄회를 사용하여 다짐이 용이하지 못한 구조물의 뒷채움이나, 건축의 기초, 지하구조물, 각종 매설물 등에 무다짐으로 시공할 수 있는 무다짐 고유동성 유동화 처리토를 제조하기 위해, 통일분류법(USCS)으로 분류하여 SM에 해당하는 시료와 석탄회를 각각 50:15, 45:20, 40:25, 35:30, 32.5:32.5의 5가지 조건으로 혼합하여 각 혼합시료에 따른 최적의 W/C(물/고화재비)를 도출하고자 강도특성, 유동성, 재료분리특성을 실내실험을 통해 정량적으로 파악하고자 하였다. 이러한 실내실험을 통해 현장토와 석탄회의 혼합비에 대한 W/C의 범위를 선정하였다.

잘 알려진 분류법으로는 통일분류법, AASHTO분류법, CAA분류법 등이 있으며, 본 발명에서는 통일분류법을 사용하여 현장토를 분류하였다. 통일분류법은 공학이나 지질학분야에서 흙을 입자의 크기와 입도분포, 소성성 등의 기준으로 분류하는 체계이다. 미국 공병대에서 비행장 활주로 공사중 흙의 종류를 판정하기 위해 사용 하기 시작하였으며, 흙의 입도와 아터버그 한계(흙의 상이 바뀔때의 함수비)를 기준으로 흙을 구별하고, 흙의 종류를 로마자 2개의 조합으로 표현하며 그 의미를 나타낸다. 표 1에 통일분류법에 의한 흙의 공학적 분류 방법을 제시하였다.

표 1. 통일분류법에 의한 흙의 공학적 분류 방법 (KS F 2324)

본 발명에서는 국외의 연구 사례와 기존에 실시한 실내실험의 결과를 기준으로 표 2와 같이 대상시료, 강도, 유동성, 블리딩율을 고려하여 목표기준값을 결정하였다.

표 2. 본 발명의 목표기준값

현장에서 발생한 건설잔토에 석탄회를 첨가하여 다짐시공이 어려운 구조물의 뒷채움이나, 건축물의 기초, 지하 구조물, 각종 매설물 등에 무다짐으로 신속한 시공성과 빠른 급결성으로 조기교통개방이 가능하도록 하고, 장기강도를 조절하여 재굴착이 가능하도록 하는 방법에 있어서, 채취된 시료가 통일분류법(USCS)으로 분류하여 SM에 해당할 경우, SM과 석탄회의 혼합비율에 따른 무다짐 유동화 처리토의 제조방법은 다음과 같다(표 3).

현장토:석탄회=50:15인 경우, 고화재:물(W/C)=193%~196%

현장토:석탄회=45:20인 경우, 고화재:물(W/C)=195%~197%

현장토:석탄회=40:25인 경우, 고화재:물(W/C)=197%~200%

현장토:석탄회=35:30인 경우, 고화재:물(W/C)=199%~204%

현장토:석탄회=32.5:32.5인 경우, 고화재:물(W/C)=202%~208%

표 3. 각 시료에 따른 최적 배합비

목표 배합비를 (1)과 같이 나타내면, 현장에서 바로 배합하여 사용하기 위해서는 건조 전의 현장토와 석탄회의 함수비에 따라 (2)~(4)와 같이 현장토와 석탄회 그리고 물의 양을 조절하여야 한다.

S+A+W+C=100% (1)

여기서, S:건조된 현장토의 질량비(%)

A:건조된 석탄회의 질량비(%)

W:물의 질량비(%)

C:고화재의 질량비(%),

Sf=S+(S*(X/100)) (2)

Af=A+(A*(Y/100)) (3)

Wf=W-(S*(X/100))-(A*(Y/100)) (4)

여기서, Sf=현장토(습윤상태)의 질량비(%)

Af=석탄회(습윤상태)의 질량비(%)

Wf:Sf와 Af에 따른 물의 질량비(%)

X:현장토의 건조 전 함수비(%)

Y:석탄회의 건조 전 함수비(%)

최종적으로 습윤상태의 현장토와 석탄회를 사용하여 목표로 한 (1)의 배합비를 맞추기 위해서 (5)의 배합으로 배합을 한다.

Sf+Af+Wf+C=100% (5)

본 발명은 현장에서 발생한 건설잔토와 석탄회를 혼합한 시료에 물과 고화재를 섞어 무다짐 고유동성 유동화 처리토를 개발한 것이다. 무다짐 고유동성 유동화 처리토의 대표적인 특징은 자기수평능력, 자기다짐, 유동성, 인위적인 강도조절을 들 수 있으며, 이에 따라 추가적인 다짐작업이 필요 없으므로 소음 및 진동이 적어 주변 환경에 끼치는 영향이 적다는 특징을 가지고 있다. 또한 현장에서 발생한 건설잔토를 직접 사용하여 현장에서 생산이 가능하기 때문에 시공속도가 빠르고 품질관리가 용이하다. 특히 국내의 지하매설관의 시공은 주로 모래를 이용하여 시공하고 있는데, 지하매설관의 경우 그 형상이 주로 원형이기 때문에 관의 하단부가 채워지지 않아 부실시공의 문제가 주로 발생한다. 현재에는 이러한 문제점을 개선하기 위한 방책으로 물다짐 공법을 이용하고 있으나, 다짐을 하는 동안 관 주변의 변형 및 파손의 우려가 있어 2차적인 문제점을 유발할 수 있다. 하지만 유동성 처리토를 이용할 경우, 자기다짐성과 높은 유동성으로 인해 기존 뒤채움재의 문제점을 충분히 해결할 수 있다.

석탄회는 재생 자원의 유효 이용 및 천연 골재 부족, 매립 용량이 부족한 현실에 대한 대응을 목적으로 일부 선진국에서는 석탄회의 이용에 대한 연구가 개시되었고, 시멘트 원료, 시멘트 혼화재 등의 시멘트 분야와 경량 골재, 시멘트 2차제품 등의 건축분야 그리고 충진재, 노반재 등의 토목 분야로 광범위하게 확대되고 있다. 그러나 국내 발생의 경우 석탄회의 대부분이 회처리장에 매립되고 있는 실정으로 차후 처리장의 안정적인 확보보다는 근본적으로 석탄회의 대규모 물량을 소화할 수 있는 재활용분야의 개발이 시급한 실정이지만 현재까지 이에 대한 활용성이 저조하였다. 석탄회는 발생경로가 확실하고, 그 성상이 균질하며 단위중량이 작고, 내부마찰각이 크기 때문에 공학적으로 매우 양질의 재료라고 할 수 있다. 그러므로 화력발전소의 부산물인 석탄회를 건설 현장 발생토의 대체재료로 재활용함으로써 발전소 건설에 대한 부정적 인식을 개선할 수 있고, 골재 수급이 점점 어려워지는 현실에서 대체 재료로 사용함으로서 골재 비용을 절감할 수 있다는 장점이 있다.

본 공법을 통해 기대할 수 있는 장점을 구체적으로 제시하면 다음과 같다.

첫째, 건설 현장발생토를 100% 모두 재사용할 수 없기 때문에, 현장에서 사용할 수 있는 건설 현장발생토가 제한적인 경우 대체재료로서 석탄회를 사용하므로 추가적인 골재의 구입등의 비용을 절감할 수 있다.

둘째, 다짐을 하지 않아도 되기 때문에 시공절차의 단순화가 가능하고, 조기 강도 발현이 좋고 장기 강도의 조절이 가능하기 때문에 시공기간 단축과 재굴착에 유리하다.

셋째, 현장에서 발생되는 굴착토를 재활용하고, 폐기물로 지정되어 매립되고 있는 석탄회를 재활용하여 사토 및 석탄회의 처리비용을 통한 경제적 이익을 기대할 수 있으며, 폐기물을 재활용함에 따른 친환경적 영향도 기대할 수 있다.

Claims

현장에서 발생한 건설잔토에 석탄회를 첨가하여 다짐시공이 어려운 구조물의 뒷채움이나, 건축물의 기초, 지하 구조물, 각종 매설물 등에 무다짐으로 신속한 시공성과 빠른 급결성으로 조기교통개방이 가능하도록 하고, 장기강도를 조절하여 재굴착이 가능하도록 하는 방법에 있어서, 채취된 현장토가 통일분류법(USCS)으로 분류하여 SM에 해당할 경우, 현장토와 석탄회와 물과 고화재를 혼합하되,

현장토:석탄회=50:15인 경우, 고화재:물(W/C)=193%~196%

현장토:석탄회=45:20인 경우, 고화재:물(W/C)=195%~197%

현장토:석탄회=40:25인 경우, 고화재:물(W/C)=197%~200%

현장토:석탄회=35:30인 경우, 고화재:물(W/C)=199%~204%

현장토:석탄회=32.5:32.5인 경우, 고화재:물(W/C)=202%~208%

로 하는 유동화 처리토의 제조방법.