KR20180134811A - 중금속 용출이 없는 친환경 연약지반 표층혼합처리 및 흙포장 공법 - Google Patents

중금속 용출이 없는 친환경 연약지반 표층혼합처리 및 흙포장 공법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 중금속 용출이 없는 친환경 연약지반 표층혼합처리 및 흙포장 공법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연약지반 표층혼합처리 및 흙포장 공사에서 가장 널리 사용되는 1종 보통시멘트를 대체하기 위하여 순환 유동층 보일러 하부에서 배출되는 바텀애시를 고로수쇄 슬래그 미분말의 자극제로 활용하여 수화반응 및 활성도를 증진시키는 중금속 용출이 없는 친환경 연약지반 표층혼합처리 및 흙포장 공법에 관한 것이다.
본 발명에 의한 연약지반 표층혼합처리 및 흙포장 공법은 1) 고로수쇄 슬래그 미분말과 순환 유동층 보일러 바텀애시를 포함하는 고화재를 제조하는 단계; 2) 토사 100중량부에 대하여 상기 고화재 5~200중량부를 투입하는 단계; 3) 상기 토사와 고화재를 균질하게 혼합하는 단계; 4) 상기 토사와 고화재의 혼합물을 포설 및 다짐하는 단계; 및 5) 상기 토사와 고화재의 혼합물을 양생하는 단계;를 포함한다.

Description

중금속 용출이 없는 친환경 연약지반 표층혼합처리 및 흙포장 공법{SOFT GROUND SURFACE MIXING AND SOIL PAVEMENT PROCESS}
본 발명은 중금속 용출이 없는 친환경 연약지반 표층혼합처리 및 흙포장 공법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연약지반 표층혼합처리 및 흙포장 공사에서 가장 널리 사용되는 1종 보통시멘트를 대체하기 위하여 순환 유동층 보일러 하부에서 배출되는 바텀애시를 고로수쇄 슬래그 미분말의 자극제로 활용하여 수화반응 및 활성도를 증진시키는 중금속 용출이 없는 친환경 연약지반 표층혼합처리 및 흙포장 공법에 관한 것이다.
일반적으로 보도나 공원, 산책로, 아파트 내부 도로 등을 포장함에 있어 시멘트 콘크리트나 아스팔트 콘크리트를 대체할 수 있는 흙포장 공법이 많이 시공되고 있다. 이러한 흙포장은 대부분 시멘트를 결합재로 이용하여 황토, 마사토 등의 흙을 소량 넣고 모래, 자갈 등을 산화철 등의 안료와 혼합하여 사실상 콘크리트 포장공법과 거의 동일한 방법으로 시공으로 이루어진다.
이와 관련되어 대한민국 등록특허 제 1059188호 "친환경 무기산화물 토양안정제를 이용한 흙포장 공법"에는 현장의 토양을 그대로 이용하면서 친환경 무기 산화물인 토양 안정제를 이용한 흙포장 공법에 관한 내용이 개시된다.
구체적으로, 상기 발명은 토양 안정제가 촉매 활동을 하여 현장의 토양에 존재하는 규산염, 알루민산염과 탄산염의 수화 반응을 가속화시켜 현장 토양의 압축 강도를 향상시킬 수 있는 흙포장 공법이 개시된다. 다만, 상기 토양 안정제에는 시멘트가 포함되고, 상기 시멘트 또는 탄산염의 수화 반응시 중금속이 용출되어 환경 오염 문제가 여전히 발생하는 문제가 있었다. 또한 상기 시멘트는 생산 공정의 특성으로 인해 환경 오염의 주범이 되는 문제가 있었다.
대한민국 등록특허 제 0632705호 "흙 고화포장 조성물과 이를 이용한 흙 고화포장공법"에는 마사토 100 중량%, 시멘트 40~50wt%, 슬래그 30~40wt%, 석고 7~10wt%, 칼슘설포알루미네이트(CSA)4~8wt%, 플라이애쉬 3~7wt%로 이루어진 황토파우더 10 내지 15 중량부, 에틸 하이드록시 에틸 셀룰로즈 1 내지 6 중량부, 적색 산화철 1 내지 5 중량부 및, 물 12 내지 15 중량부로 구성되는 흙 고화포장 조성물이 개시되어 있다.
다만, 상기 기술에 개시된 조성물은 수화 반응시 강도를 발현하는 CSH와 같은 불용성 물질 외에 수산화칼슘 등과 같은 가용성 물질이 용출될 수 있고, 시멘트에 의해 중금속이 발생될 수 있는 문제가 있었다. 또한, 결속력이 떨어지는 원지반토를 시공시 그대로 사용하지 못하므로 양질의 마사토 또는 점성토가 따로 마련되어야 하는 문제가 있었다.
따라서 주원료를 석회석, 점토, 철광석으로 하며 연료로 석탄을 사용하여 고온에서 열분해하여 제조되는 즉, 천연자원 및 자연훼손이 심각한 제품이며, 제조과정에서 다량의 CO2 가스를 배출하는 제품인 시멘트의 사용량을 최소화 하면서 환경 친화적이며, 내구성이 우수하고, 알칼리 금속염의 용출이 없는 토사와 반응성이 우수한 친환경 고화재의 개발이 반드시 필요하다.
한편, 화력발전소 미분탄 보일러(Pulverized Combustion)에서 배출되는 석탄 연소 부산물 중 약 80%를 차지하고 있는 플라이애시의 경우 약 1,350℃의 고온에서 연소될 때 유리질(비결정질) 성분이 생성되어 포졸란 반응성을 나타내기 때문에 시멘트 및 콘크리트 원료로 무난히 활용되고 있으며, 부산물 발생량의 약 20% 수준인 바텀애시 또한 미분탄 연소시 노벽 등에 부착되어 있다가 자체 무게에 의해 보일러 바닥에 떨어진 석탄재를 의미하는 것으로 약 1,350℃의 고온에서 용융되어 유리질을 다량 함유한 다공질 물질이다. 미분탄 보일러 바텀애시는 입경이 콘크리트용 잔골재 및 굵은골재의 입경과 유사하며 KS F 2534;2009 구조용 경량골재에 포함되어 있어 구조용 경량골재로서 사용할 수 있을 정도의 경량성과 견경성을 가지고 있는 것으로 평가되고 있어 이를 골재로서 활용하고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 또한 최근에는 화력발전소 미분탄 보일러 바텀애시를 초미립자 형태로 미분쇄하여 물리적으로 활성화시킨 후 수산화나트륨 등의 화학약품으로 바텀애시의 유리질 피막을 파괴시켜 지오폴리머 중합반응을 유도하여 강도를 발현시키는 연구가 활발히 진행 중이다.
이와 관련되어 대한민국 등록특허 제1339332호 "바텀애시를 포함하는 결합재"와 대한민국 등록특허 제1410056호 "바텀애시를 포함하는 결합재에 의한 무시멘트 콘크리트"와 대한민국 등록특허 제1366293호 "고로슬래그 및 바텀애시로 구성되는 무시멘트 결합재를 포함하는 콘크리트 조성물, 이를 이용한 침목 및 그 제조방법"에서는 화력발전소 미분탄 보일러 바텀애시를 미분쇄하여 지오폴리머 중합반응을 유도하는 기술이 제시되어 있다.
또한 대한민국 등록특허 제1312562호 "바텀애시를 포함하는 콘크리트용 결합재 조성물"에서는 바텀애시를 진동밀로 6,000~8,000cm2/g으로 미분쇄하여 입자 표면을 물리적으로 활성화 처리하여 시멘트 혼합재로의 사용 가능성을 제시하였다. 상기 특허들은 모두 화력발전소 미분탄 보일러 바텀애시를 활용하고자 한 것이다.
한편, 중소형 열병합 발전소 순환 유동층 보일러(Circulating Fludized Bed Combustion)에서 배출되는 석탄 연소 부산물은 연소 온도가 약 850℃로 낮아 유리질이 전혀 형성되지 못하여 포졸란 반응성은 없다.
또한 순환 유동층 보일러 플라이애시의 경우 미분탄 보일러에서 배출되는 플라이애시에 비해 CaO 및 SO3 함량이 높고 SiO2 함량이 부족하여 재활용이 마땅치 않았으나 KS L 5405;2015 플라이애시 규격이 개정됨에 따라 미분탄 보일러 플라이애시와 일부 혼합하여 사용할 수 있도록 재활용 방안이 마련되었다.
그러나 순환 유동층 보일러 바텀애시는 골재로서의 활용 방안도 미분탄 보일러 바텀애시에 비해 입경이 고운 모래크기로 매우 작고 다공성이 없어 미분탄 보일러 바텀애시와 같이 경량골재로서 활용이 곤란하여 전량 매립 처리되고 있는 실정이다. 더욱이, 최근 열병합 발전소 순환 유동층 보일러 플라이애시나 화력 발전소 미분탄 보일러 바텀애시에 관한 연구자료는 일부 보고되고 있으나 순환 유동층 보일러 바텀애시에 관한 연구 자료는 현재까지 보고 보고된바가 없다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 연약지반 표층혼합처리 및 흙포장 공사에서 가장 널리 사용되는 1종 보통시멘트를 대체하기 위하여 순환 유동층 보일러 하부에서 배출되는 바텀애시를 고로수쇄 슬래그 미분말의 자극제로 활용하여 수화반응 및 활성도를 증진시키는 중금속 용출이 없는 친환경 연약지반 표층혼합처리 및 흙포장 공법을 제공함에 있다.
위와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 의한 연약지반 표층혼합처리 및 흙포장 공법은 1) 고로수쇄 슬래그 미분말과 순환 유동층 보일러 바텀애시를 포함하는 고화재를 제조하는 단계; 2) 토사 100중량부에 대하여 상기 고화재 5~200중량부를 투입하는 단계; 3) 상기 토사와 고화재를 균질하게 혼합하는 단계; 4) 상기 토사와 고화재의 혼합물을 포설 및 다짐하는 단계; 및 5) 상기 토사와 고화재의 혼합물을 양생하는 단계;를 포함한다.
또한 상기 1)단계는 상기 고로수쇄 슬래그 미분말 100중량부에 대하여, 상기 순환 유동층 보일러 바텀애시 5~700중량부를 포함하여 상기 고화재를 제조하며, 상기 순환 유동층 보일러 바텀애시는 CaO 함량이 15~75중량%이고 SO3 함량이 3~30중량%인 것이 바람직하다.
또한 상기 1)단계에서 상기 고화재는 상기 고로수쇄 슬래그 미분말 100중량부에 대하여, CaO 함량이 10~55중량%인 순환 유동층 보일러 플라이애시를 0.5~400중량부 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한 상기 1)단계에서 상기 고화재는 고로수쇄 슬래그 미분말 100중량부에 대하여, 황산염 자극제를 0.5~400중량부 더 포함하며, 상기 황산염 자극제는 천연 무수석고, 페트로 코크스 탈황석고, 제철소에서 배출되는 망초 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한 상기 1)단계에서 상기 고화재는 고로수쇄 슬래그 미분말 100중량부에 대하여, 시멘트를 0.5~200중량부 더 포함하며, 상기 시멘트는 1종 시멘트, 3종 시멘트, CSA(Calcium Sulfur Aluminate), 고로슬래그 시멘트, 플라이애시 시멘트 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 연약지반 표층혼합처리 및 흙포장 공사에서 가장 널리 사용되는 1종 보통시멘트를 바텀애시와 고로수쇄 슬래그 미분말 등 산업부산물로 대체할 수 있는 효과가 있다.
특히, 순환 유동층 보일러 하부에서 배출되는 바텀애시를 고로수쇄 슬래그 미분말의 자극제로 활용하여 수화반응 및 활성도를 증진시킴으로써 중금속 용출이 없는 친환경 연약지반 표층혼합처리 및 흙포장 공법을 제공할 수 있다.
이하, 본 발명에 의한 중금속 용출이 없는 친환경 연약지반 표층혼합처리 및 흙포장 공법에 대하여 구체적으로 설명한다.
본 발명에 의한 연약지반 표층혼합처리 및 흙포장 공법은 1) 고로수쇄 슬래그 미분말과 순환 유동층 보일러 바텀애시를 포함하는 친환경 고화재를 제조하는 단계; 2) 토사 100중량부에 대하여 상기 고화재 5~200중량부를 투입하는 단계; 3) 상기 토사와 고화재를 균질하게 혼합하는 단계; 4) 상기 토사와 고화재의 혼합물을 포설 및 다짐하는 단계; 5) 상기 토사와 고화재의 혼합물을 양생하는 단계;를 포함한다.
먼저, 1단계)인 상기 연약지반 표층혼합처리 및 흙포장 공법용 친환경 고화재의 구성성분 및 작용을 구체적으로 설명한다.
상기 고화재는 고로수쇄 슬래그 미분말 100중량부에 대하여, CaO 함량이 15~75중량%이고 SO3 함량이 3~30중량%인 순환 유동층 보일러 바텀애시 5~700중량부를 포함한다.
상기 고로수쇄 슬래그는 제철 고로 공정에서 부산물로 발생하는 고온 용융상태의 슬래그를 물로 급냉 처리한 부산물이다. 고로수쇄 슬래그 미분말은 물과 접촉하면 비결정질 피막이 형성되어 스스로 수화반응을 하지 않기 때문에 고로수쇄 슬래그 미분말을 잠재수경성물질이라 한다. 잠재수경성이 발휘되기 위해서는 비결정질 피막이 파괴되어야 한다. 고로수쇄 슬래그 미분말은 비표면적 3,000cm2/g 이상의 일반적으로 시중에서 유통되는 제품이면 사용이 가능하다.
상기 순환 유동층 보일러 바텀애시는 석탄을 주연료로 하는 순환 유동층 보일러에서 석회석과 혼소하여 로내 탈황하는 방식의 보일러 하부에서 발생한다. 순환 유동층 보일러의 탈황공정은 연소실 내에 석회석을 주입하여 연료와 함께 연소시켜 연소가스 중의 인산화황과 석회석이 로내에서 반응하여 연소가스 중의 황은 제거되고 무수석고가 생성되며, 황과 반응하지 않은 석회석은 탈탄산되어 생석회 성분으로 전이되어 배출된다. 특히, 순환 유동층 보일러 바텀애시는 약 850℃의 온도에서 연소되어 유리질 성분이 없기 때문에 포졸란 반응을 일으킬 수는 없지만 상부에서 집진되는 플라이애시에 비해 CaO 및 CaSO4 성분이 더 높게 함유되어 있으며 고로수쇄 슬래그 미분말의 자극제로서 더 탁월한 조성을 가지고 있다고 할 수 있다. 따라서, pH가 11.5 이상의 강알칼리 물질이며 고로수쇄 슬래그 미분말과 같이 활용될 경우 자극제로서 역할을 수행할 수 있는 성질을 가지고 있다.
통상의 고로수쇄 슬래그 미분말에 물을 투입하게 되면, 표면에 비결정질 피막이 형성되어, 내부의 Ca2 +, Al3+ 등의 용출이 이루어지지 않는다. 그러나, 순환 유동층 보일러 바텀애시를 혼입 후 물을 투입하게 되면, 바텀애시가 함유하고 있는 CaO 성분이 물과 반응하여 Ca(OH)2로 변환되어 생성된 OH-와 탈황 과정 중 생성된 SO4 2-성분이 고로수쇄 슬래그 미분말의 비결정질 피막을 파괴하여 Ca2 +, Al3 + 등의 용출이 용이하게 되고, 용출 이온들이 CaO-SiO2-H2O계 수화물 등을 생성하게 됨으로써 경화를 빠르게 촉진하고, 잉여 황산화물은 침상형의 구조를 가지는 에트린가이트 수화생성물(3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O)을 생성시킴으로써 수화체 내부의 조직을 치밀화하여 경화체의 압축강도를 향상시킬 수 있다. 상기 바텀애시는 일반적으로 5mm 이하의 입경을 가지고 있는데 시멘트, 슬래그 및 플라이애시 등에 비하여 입경이 매우 크기 때문에 점토 등이 다량 함유된 토사와 혼합 시 흙의 상태를 물리적으로 개선할 수 있다. 또한 입경이 큼에도 불구하고 그 자체로서 고로수쇄 슬래그의 자극효과가 있기 때문에 자극제 및 잔골재로서 동시 역할을 수행할 수 있어 물과 혼합 시 페이스트 및 모르타르로서 바로 활용이 가능하다. 하지만 고로수쇄 슬래그의 자극 효과를 더욱 더 향상시키기 위해 1mm 이하로 분급 및 분쇄하여 사용하는 것이 바람직하다.
상기 바텀애시는 CaO 함량이 15~70중량%이 바람직하다. 15중량% 미만이면 CaCO3, CaSO4의 화합물 형태로 존재하는 CaO 함량 약 10중량% 정도를 제외하면 순수 CaO 그 자체 형태로 존재하는 CaO 함량이 부족하다. 즉, 순수 CaO가 물과 반응하여 Ca(OH)2로 변환되어 생성된 OH- 이온량이 부족하기 때문에 고로수쇄 슬래그 미분말의 비결정질 피막을 단시간 내에 파괴하기가 어려워 초기 강도가 크게 저하된다. 또한 바텀애시에 존재하는 순수 CaO는 물과 반응하여 흡수, 발열 및 팽창하여 Ca(OH)2이 될 때 반응식은 아래와 같으며 이때 체적이 약 1.99배 팽창한다.
CaO+ H2O->Ca(OH)2+15.6kcal mol-1
따라서 순수 CaO 성분은 물과 반응하여 수산화칼슘으로 전이 후 고로수쇄 슬래그 미분말의 알칼리 자극제 역할도 수행하지만 발열에 의한 온도상승으로 고로 수재 슬래그 미분말의 수화반응 촉진, 경화체의 체적 수축을 보상하는 효과와 중성화 방지 역할 등도 동시에 발휘하게 된다. 반대로 CaO 함량이 70중량% 초과이면 순수 CaO 형태로 존재하는 CaO 함량이 과도하여 수분을 과도하게 흡수하고 발열 및 팽창이 과도하게 발생하여 균열을 야기시킬 수 있다. 따라서 바텀애시 중에서 반드시 원료 입고 전 화학적 정량 분석을 실시하여 CaO 함량이 15~70중량%인 것을 사용해야 한다.
상기 바텀애시는 SO3 함량이 3~30중량%이 바람직하다. 3중량% 미만이면 슬래그를 자극할 수 있는 SO3 함량이 부족하여 강도발현이 어렵고, 30%를 초과하면 잉여량의 슬래그와 반응하지 못한 SO3 함량이 존재하여 오히려 강도가 저하될 수 있다. 화학조성물을 분석하여 상기 범위 내에 바텀애시를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 바텀애시는 고로수쇄 슬래그 미분말 100중량부에 대하여, 5~700중량부 혼합되는 것이 바람직한데, 5중량부 미만일 경우 그 효과가 발휘되지 못하고 700중량부 초과일 경우 상대적으로 슬래그 함량이 줄어들고 자극제 성분이 과다하여 강도가 크게 저하하게 된다.
또한, 상기 고화재는 고로수쇄 슬래그 미분말 100중량부에 대하여, 순환 유동층 보일러 플라이애시를 0.5~400중량부 더 포함한다. 상기 순환 유동층 보일러 플라이애시는 CaO 함량이 10~55중량%인 순환 유동층 보일러 집진설비에서 배출되는 것이 바람직하다. 상기 순환 유동층 보일러 플라이애시는 석탄재, 제지 슬러지 연소재, 고형 연료 연소재, 바이오매스 연소재 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 사용할 수 있다.
상기 순환 유동층 플라이애시는 고로수쇄 슬래그의 자극제 역할과 토양 중에 존재하는 수분을 급속히 흡수하여 토사 입자를 단립화시켜 물리적으로 개선하는 역할 및 수축을 방지하는 역활을 동시 수행한다.
상기 순환 유동층 보일러 플라이애시는 고로수쇄 슬래그 미분말 100중량부에 대하여 0.5~400중량부 혼합되는 것이 바람직한데, 0.5중량부 미만일 경우 그 효과가 발휘되지 못하고 400중량부 초과일 경우 상대적으로 고로수쇄 슬래그 미분말의 양이 상대적으로 감소하여 잠재수경성이 저하되고 상대적으로 물을 급격하게 다량 흡수하여 유동성이 저하될 수 있다.
또한 강도를 증진시키기 위해 상기 고로수쇄 슬래그 미분말 100중량부에 대하여, 황산염 자극제를 0.5~400중량부 더 포함하며 천연 무수석고, 페트로 코크스 탈황석고, 제철소에서 배출되는 망초 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 더 포함하는 것이 바람직하다. 상기 황산염 자극제는 고로수쇄 슬래그 미분말 100중량부에 대하여 0.5~400중량부 혼합되는 것이 바람직한데, 0.5중량부 미만일 경우 그 효과가 발휘되지 못하고 400중량부 초과일 경우 슬래그와 반응하지 못한 황산염 성분이 다량 존재하여 오히려 강도를 크게 저하시킨다.
또한 초기강도를 증진시키기 위해 상기 고로수쇄 슬래그 미분말 100중량부에 대하여, 시멘트를 0.5~200중량부 더 포함하며, 상기 시멘트는 1종 시멘트, 3종 시멘트, 초조강 시멘트, CSA(Calcium Sulfur Aluminate), 고로슬래그 시멘트, 플라이애시 시멘트 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 더 포함하는 것이 바람직하다. 상기 시멘트는 고로수쇄 슬래그 미분말 100중량부에 대하여 0.5~200중량부 혼합되는 것이 바람직한데, 0.5중량부 미만일 경우 그 효과가 발휘되지 못하고 200중량부 초과일 경우 상대적으로 초기강도는 상승되나 육가 크롬 등 유해성분이 용출될 수 있고 경제성 또한 부족하다.
이하에서는 본 발명에 의한 연약지반 표층혼합처리 및 흙포장 공법에 대하여 설명한다.
상기 2)단계에서는 토사 100중량부에 대하여 상기 고화재 5~200중량부를 투입하는 단계로서 현장 토사의 종류, 함수비, 유기물 등의 이물질 함유량 등을 고려하여 외부에서 공급된 토사나 잔골재 및 굵은골재 등을 혼합하여 사용할 수도 있다. 또한 현장의 토사의 상태에 따라 고화재의 투입비를 조절할 수 있는데 토사 100중량부에 대하여 5~200중량부를 투입하는 것이 바람직하다. 고화재가 5중량부 미만으로 투입될 때에는 소정의 강도를 발현하기 어려우며 200중량부를 초과하여 투입될 경우 강도는 크게 증가하나 비산 먼지가 과도하게 발생하며 경제성 또한 부족하다.
상기 3)단계에서는 토사와 고화재를 균질하게 혼합하는 단계로서 토사의 함수비에 따라 건식혼합 방식이나 물을 추가 투입하여 습식혼합을 현장상황에 맞게 선택하여 기계적으로 충분히 혼합 될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
상기 4)단계에서는 상기 토사와 고화재의 혼합물을 포설 및 다짐하는 단계로서 건식혼합 했을 경우에는 수화반응이 충분히 발현되도록 추가로 수분을 공급할 수도 있다.
상기 5)단계에서는 토사와 고화재의 혼합물을 양생하는 단계로서 경화가 충분히 이루어지기 전에는 외부 충격을 주어서는 안 되며 상온양생 또는 보온양생을 충분히 실시한 후 사람이나 장비가 진입하는 것이 바람직하다.
이하에서 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예들이 기술되어질 것이다. 또한 이하의 실시예들은 본 발명을 예증하기 위한 것으로서 본 발명의 범위를 국한하는 것으로 이해되어져서는 아니된다.
비교예
천연토사 100중량부에 대하여 1종 시멘트 30중량부를 투입한 후 건식혼합을 실시하였다. 이후 30중량부의 물을 추가 투입하여 다시 습식혼합을 실시하여 균질한 혼합물을 제조한 후 Ø10cm×20cm 크기의 공시체 9개를 제작하여 이를 20℃에서 양생하여 재령 3일, 7일, 28일 강도를 측정하였다.
실시예 1
먼저, 상기 비교예의 1종 시멘트를 대신하여 비표면적이 4,360cm2/g인 고로수쇄 슬래그 미분말 100중량부에 대하여, 분쇄처리하여 비표면적이 2,160cm2/g이며 CaO 함량이 46.7중량%, SO3 함량이 16.8중량%인 석탄 연소 순환 유동층 보일러 바텀애시 80중량부를 균질하게 혼합하여 고화재를 제조하였다.
이를 천연토사 100중량부에 대하여 상기 고화재 30중량부를 투입한 후 건식혼합을 실시하였다. 이후 30중량부의 물을 추가 투입하여 다시 습식혼합을 실시하여 균질한 혼합물을 제조한 후 Ø10cm×20cm 크기의 공시체 9개를 제작하여 이를 20℃에서 양생하여 재령 3일, 7일, 28일 강도를 측정하였다.
실시예 2
먼저, 상기 비교예의 1종 시멘트를 대신하여 비표면적이 4,360cm2/g인 고로수쇄 슬래그 미분말 100중량부에 대하여, 분쇄처리하여 비표면적이 2,160cm2/g이며 CaO 함량이 46.7중량%, SO3 함량이 16.8중량%인 석탄 연소 순환 유동층 보일러 바텀애시 80중량부, 비표면적이 3,820cm2/g이며 석탄 연소 순환 유동층 보일러 집진설비에서 배출되는 CaO 함량이 36.5중량%, SO3 함량이 9.2중량%인 순환 유동층 보일러 플라이애시 30중량부를 균질하게 혼합하여 고화재를 제조하였다.
이를 천연토사 100중량부에 대하여 상기 고화재 30중량부를 투입한 후 건식혼합을 실시하였다. 이후 30중량부의 물을 추가 투입하여 다시 습식혼합을 실시하여 균질한 혼합물을 제조한 후 Ø10cm×20cm 크기의 공시체 9개를 제작하여 이를 20℃에서 양생하여 재령 3일, 7일, 28일 강도를 측정하였다.
실시예 3
상기 비교예의 1종 시멘트를 대신하여 비표면적이 4,360cm2/g인 고로수쇄 슬래그 미분말 100중량부에 대하여, 분쇄처리하여 비표면적이 2,160cm2/g이며 CaO 함량이 46.7중량%, SO3 함량이 16.8중량%인 석탄 연소 순환 유동층 보일러 바텀애시 50중량부, 천연 무수석고 20중량부, 1종 시멘트 30중량부를 균질하게 혼합하여 결합재를 제조하였다.
이를 천연토사 100중량부에 대하여 상기 고화재 30중량부를 투입한 후 건식혼합을 실시하였다. 이후 20중량부의 물을 추가 투입하여 다시 습식혼합을 실시하여 균질한 혼합물을 제조한 후 Ø10cm×20cm 크기의 공시체 9개를 제작하여 이를 20℃에서 양생하여 재령 3일, 7일, 28일 강도를 측정하였다.
공시체의 시험방법 및 결과
아래 표 1에 나타낸 바와 같이 압축강도시험은 KS F 2343 일축압축강도 시험방법에 의해 실시하였다. 중금속 용출시험은 28일 압축강도 측정 후 일부를 채취하여 실시하였다.
실험 방법 비고
압축강도 KS F 2343 일축압축강도시험방법
중금속 용출 폐기물공정시험기준 중금속 용출시험방법
구분 압축강도 3일
(MPa)		 압축강도 7일
(MPa)		 압축강도 28일
(MPa)
비교예 3.72 6.56 8.87
실시예1 3.76 6.64 8.98
실시예2 3.86 7.18 9.37
실시예3 4.12 8.17 10.92
(1) 일축압축강도의 변화
표 1에 비교예 및 실시예 1, 실시예 2 와 실시예 3의 일축압축강도를 나타내었다. 이를 통해 알 수 있는 바와 같이, 고로수쇄 슬래그 미분말과 순환 유동층 보일러 바텀애시를 사용한 실시예 1은 1종 시멘트를 사용한 비교예 1과 거의 동등한 강도를 발현하였으며, 순환 유동층 보일러 플라이애시가 더 포함된 실시예 2와 천연 무수석고 및 1종 시멘트가 더 포함된 실시예 3은 모든 재령에서 1종 시멘트만을 사용한 비교예에 비해 더욱 높은 강도를 발현함을 확인할 수 있다. 따라서, 본 발명의 친환경 고화재가 연약지반 표층혼합처리 및 흙포장 공법에 사용되는 1종 시멘트를 대체할 수 있는 성능 발휘가 가능함을 알 수 있었다.
(3) 중금속 용출 실험
KSLT
6가크롬 구리 수은 카드뮴 납 비소
허용기준 1.5 3.0 0.005 0.3 3.0 1.5
비교예 1 0.843 0.247 불검출 0.159 0.245 0.133
실시예 1 불검출 불검출 불검출 0.008 불검출 불검출
실시예 2 불검출 불검출 불검출 불검출 불검출 불검출
실시예 3 불검출 불검출 불검출 불검출 불검출 불검출
상기 표 3의 중금속 용출실험결과를 보면 비교예의 경우 허용기준치에는 만족하는 것으로 나타나지만 6가 크롬의 경우 기준치의 50%를 상회하는 양이 용출되었다. 그러나 본 발명의 실시예는 모두 6가 크롬 뿐만 아니라 모든 중금속이 불검출되었다.
따라서 본 발명의 연약지반 표층혼합처리 및 흙포장 공법은 순환 유동층 보일러에서 대량 발생되는 산업부산물을 고로수쇄 슬래그 미분말의 자극제로 활용하여 강도를 발현시킴으로써 건설공사에서 가장 널리 사용되는 1종 보통시멘트를 대체하거나 그 사용량을 최소화할 수 있다. 또한 시멘트 사용량 절감에 따른 생산원가 절감은 물론 천연자원 및 에너지 고갈 문제와 이산화탄소 배출, 유해 중금속 용출에 의한 환경오염 문제를 동시에 해결할 수 있는 친환경 공법이다.

Claims (4)

1) 고로수쇄 슬래그 미분말과 순환 유동층 보일러 바텀애시를 포함하는 고화재를 제조하는 단계;
2) 토사 100중량부에 대하여 상기 고화재 5~200중량부를 투입하는 단계;
3) 상기 토사와 고화재를 균질하게 혼합하는 단계;
4) 상기 토사와 고화재의 혼합물을 포설 및 다짐하는 단계; 및
5) 상기 토사와 고화재의 혼합물을 양생하는 단계;를 포함하며,
상기 고화재는 상기 고로수쇄 슬래그 미분말 100중량부에 대하여, 상기 순환 유동층 보일러 바텀애시 5~700중량부를 포함하고,
상기 순환 유동층 보일러 바텀애시는 CaO 함량이 15~75중량%이고 SO3 함량이 3~30중량%인 것을 특징으로 하는 연약지반 표층혼합처리 및 흙포장 공법.
제1항에 있어서,
상기 1)단계에서 상기 고화재는 상기 고로수쇄 슬래그 미분말 100중량부에 대하여, CaO 함량이 10~55중량%인 순환 유동층 보일러 플라이애시를 0.5~400중량부 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연약지반 표층혼합처리 및 흙포장 공법.
제2항에 있어서,
상기 1)단계에서 상기 고화재는 고로수쇄 슬래그 미분말 100중량부에 대하여, 황산염 자극제를 0.5~400중량부 더 포함하며,
상기 황산염 자극제는 천연 무수석고, 페트로 코크스 탈황석고, 제철소에서 배출되는 망초 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연약지반 표층혼합처리 및 흙포장 공법.
제2항에 있어서,
상기 1)단계에서 상기 고화재는 고로수쇄 슬래그 미분말 100중량부에 대하여, 시멘트를 0.5~200중량부 더 포함하며,
상기 시멘트는 1종 시멘트, 3종 시멘트, CSA(Calcium Sulfur Aluminate), 고로슬래그 시멘트, 플라이애시 시멘트 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연약지반 표층혼합처리 및 흙포장 공법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN113121134A (zh) * 2021-04-13 2021-07-16 武汉理工大学 一种膨胀土固化剂及应用
KR20210116110A (ko) * 2020-03-17 2021-09-27 조선대학교산학협력단 갑오징어뼈를 포함하는 중금속 오염 토양 안정화제
KR20230035965A (ko) * 2021-09-06 2023-03-14 전북대학교산학협력단 SRF(Solid Refuse Fuel) 및 석탄재 혼합물을 재활용한 식생이 가능한 지반개량재

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