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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.7 No.4 pp.101-107
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2016.7.4.101

The Applicability and Strength of Geotextile Tube Structure Injected with Coal Ash and Dredged Soil

Hyeong-Joo Kim1, In-Tae Choi2, Sung-Gil Moon3, Hyeong-Soo Kim4
1Professor, Department of Civil Engineering, Kunsan National University. Kunsan, Korea
2Graduate student, Department of Civil Engineering, Kunsan National University. Kunsan, Korea
3Graduate student, Department of Civil Engineering, Kunsan National University. Kunsan, Korea
4Graduate student, Department of Civil Engineering, Kunsan National University. Kunsan, Korea
Corresponding author: Moon, Sung-Gil, Department of Civil Engineering, Kunsan National University, Kunsan 573-701, South Korea. +82-63-469-4760, +82-63-471-4760, giri@kunsan.ac.kr
November 30, 2016 December 9, 2016 December 10, 2016

Abstract

Coal Ash, a byproduct of coal combustion in power plants, is usually disposed in surface impoundments or wet disposal areas and landfill sites. Toxic substances contained in coal ash which slowly seep into the groundwater and aquifers in nearby impoundments, and which are also dispersed by wind and storm water in landfill sites, lead to serious health and environmental effects. The main focus of this study is to analyze the strength characteristics of the recycled coal ash mixed with dredged soil to test its capabilities from external forces such as in the stacking of geotextile tubes. The SEM and XRF analysis were carried out in order to grasp the grain size and composition of the coal ash and the dredged soil. To find the optimum mixing ratio of the coal ash and dredge soil, the type of deformation and the strength of the different mixtures were obtained by performing a uniaxial compression test. The relationship between the compressive stress and deformation of the uniaxial compression test and the tubular structure formed by injecting the coal ash into geotextile tube was confirmed and the applicability of the geotextile tube reinforced with the recycled and improved fill material is very high.


석탄회와 준설토의 혼합비에 따른 지오텍스타일 튜브 구조체의 강도와 적용성

김 형주1, 최 인태2, 문 성길3, 김 형수4
1군산대학교 토목공학과 교수
2군산대학교 토목환경공학부 박사과정
3군산대학교 토목환경공학부 석사과정
4군산대학교 토목환경공학부 석사과정

초록


    National Research Foundation
    2015R1D1A1 A2062244BK21 Plus

    1.서 론

    최근 산업부산물로 석탄재를 포함한 폐기물은 2014년 기준 1일 약 40만 톤이 발생되고 있다. 그 중 산업 부산물로 화력발전소에서 발생하는 석탄재는 자원의 유효성 증진을 목적으로 재활용을 통한 활용방안이 활성화 되고 있는 추세이다(Kim et al., 2016-a). 이와 같은 산업 폐기물의 하나인 석탄회는 발생상태 및 처 리에 따라서 플라이애시(Fly Ash) 및 바텀애시(Bottom Ash), 신더애시(Cinder Ash)로 구분된다. 과거에는 석 탄회가 전량 매립이 되면서 매립장 부족과 환경피해 등과 같은 문제가 발생하여 이런 문제를 해결하기 위 한 방법으로 재활용 기술개발이 이루어지고 있으며, 주로 경량골재 및 콘크리트 혼화재료로 활용을 위한 방안 등이 연구되고 있다(Lee et. al., 2002; Min et. al., 2001; Park, 2008). 또한 한편 하천 및 강의 하상 유지준설과 해안가 항로수심 확보 시 발생되는 준설 토중 87.1%가 부지매립으로 활용되고 있으며 그 중 외해투기 및 재활용으로 약 12.8%가 처리되고 있다. 준설토 재활용은 주로 인공해변 및 침식방지와 인공 갯벌 조성과 도로 노체, 객토 재료로 사용되고 있다 (Kim et al., 2005; Kim et al., 2015-a).

    최근 준설토사를 충진하여 안정적인 구조체를 조 성하는 토목섬유튜브공법은 설계 및 시공기술에 대 한 연구가 급속도로 진전되고 있다(Cho et al., 1998; Kim et al., 2015-b; 2016-b; 2016-c). 그러나 매년 증 가되고 있는 산업부산물과 준설토는 콘크리트 혼화 재 및 차수재로 활용하는 기술에서 크게 진전되고 있으나, 자연적인 외적조건을 도입하여 환경기준 내 에서 재활용하는 기술은 아직 연구되지 않고 있다. 본 연구는 보다 석탄재와 준설토를 환경 친화적으로 재활용을 위해서, 다짐과 보강등의 물리적인 외적조 건과 토목섬유가 융합하여 하나의 안정적인 구조체 의 강도를 실험적으로 파악하였다. 재료적인 입도성 상을 파악하고자 새만금 준설토와 화력발전소의 석 탄회의 입도구조(Reichert et al., 1995)와 화학적 광물 조성을 전자 현미경 스캔과 XRF 분석을 수행하였 다. 또한 석탄회와 준설토를 혼합하여 다짐에 따른 밀도와 준설토와 석탄재가 혼합 주입된 토목섬유 튜 브 구조체에 대한 압축 강도시험을 수행함으로서 친 수공간 복합 구조체의 재료요소가 되는 재활용 석탄 재의 적용성을 파악하였다. 이러한 연구결과는 환경 기준에 적합하게 산업부산물의 재활용성을 도모하게 되었다.

    2.시험재료의 물리적 특성

    2.1.구성입자의 입도 및 물리적 성질

    본 시험에 사용된 시료는 새만금 준설토와 서천화력 발전소 현장에서 각각 채취한 시료를 실험실로 운반 하여 소정의 용기에 저장하여 사용하였다. 각 시료 에 대한 물리적 특성은 Fig. 1과 Table 1에 나타냈 으며, Fig. 1은 플라이애시에 대한 입도시험 결과로 입경은 #200번체 통과율이 50% 이상이고 비소성 성 질을 나타내고 있어 소성한계시험이 불가능하였다. 따라서 플라이애시는 비소성 실트(Non Plasticty Silt) 이므로 Table 1에서 Silt로 기입하였다. 바텀애시는 #200번체 통과율이 5%미만이고, 또한 균등계수(Cu) 는 1.29이고, 곡률계수(Cc)는 6.67로 입도가 좋은 모 래(SW)이다. 한편 새만금 준설토는 #200번체 통과율 이 26.2% 이고 비 소성 실트로 실트질 모래(SM)로 분류되고 있다(Park, 2011). Fig. 1은 각 시료에 대한 입도시험 결과로 입경은 플라이애시<준설토<바텀애 시 순으로 크며, Table 1은 물리적 성질로 비중(Gs) 은 준설토가 2.705, 바텀애시는 2.269, 플라이애시는 2.161로 바텀애시와 플라이애시는 거의 동일하나 준 설토는 탄소함유량이 많으므로 상대적으로 비중이 매우 크다. 또한 Fig. 2는 전자현미경으로 SEM (Scanning Electron Microscope)에 의해 구성입자의 크 기를 나타내고 있다. 바텀애시는 81~228μm의 입경 크기를 가지고 있으며, 일반적인 흙의 분류기준인 실트(0.074mm)보다는 크고 모래(2mm)보다는 작다. 플라이애시는 31~70μm으로 실트의 입경크기 0.005 ~0.074mm 범위에 속하고 이 보다 다소 작은 미세 립 점토입자의 크기도 포함되고 있다. 준설토는 74.5 ~203μm의 입경으로 구성되어 있으며 플라이애시 보다 크고 바텀애시 보다는 작게 나타나고 있으며 중간정도의 크기이다. 바텀애시는 플라이애시 보다 평균 입경이 2.5배정도 크게 나타나고 있다. 준설토 는 플라이애시와 바텀애시의 중간정도의 입도분포를 나타나고 있다.

    Fig. 3은 XRF에 의해 화학적 주요 구성 광물에 대 한 밀도의 피크(Peak)값을 나타내고 있으며, Fig. 4는 주요 구성광물에 대한 함유량으로 바텀애시 SiO2 함유량은 51.1%, Al2O3는 31.2%, Fe2O3는 6.9%, K2O 는 4.7%, Na2O 는 2.1%로 수용성이 큰 이산화 규소(SiO2)가 51.1%로 주요성분을 차지하고 있다. 준설토의 SiO2 함유량은 74.4%로 주요성분을 차지 하고 있으며, 다음으로 Al2O3가 12.3%이고, Fe2O3, K2O, Na2O 은 4% 이하로 상대적으로 매우 적다. 플라이애시는 SiO2 함유량이 53.6%이고, Al2O3는 27.8%이다. Fe2O3는 7.46%, K2O 는 3.68%, Na2O 는 0.53%로 이산화규소(SiO2)가 53.6%로 주요성분을 차지하고 있다.

    비점성토의 구조는 단립구조(낱알구조, Singlegrained structure)와 봉소구조(벌집구조, Honey-combed structure)로 분류되며, 단립구조는 모래나 자갈과 같 은 조립재료가 퇴적(침강)될 때 볼 수 있는 구조로 입자 사이에 인력이나 점착력이 없이 서로 맞물리는 구조이다. 입도분석과 SEM에 의한 스캔 사진을 보 면 준설토와 바텀애시는 단립구조가 우세하여 토립 자의 재배열시 간극비가 감소되어 밀도증가가 된다. 그러나 플라이애시는 원형입자형태 및 봉소구조에 의해 다짐에너지에 의해 입자간의 재배열이 용이하 지 않으므로 체적압축에 의한 밀도증가가 작다고 볼 수 있다.

    2.2.다짐시험

    흙의 다짐시험(KS F 2312; 2011)은 자연 건조시킨 흙을 함수비를 변화시키면서 몰드에서 동일한 에너 지로 다지는 밀도시험으로 함수비 - 건조밀도 관계를 작도하여 최대건조단위중량과 최적함수비를 결정하 기 위한 시험이다. 실험실 최대다짐 건조밀도를 기 준으로 현장에서는 다짐기계를 사용하여 다짐 후 현 장밀도를 측정하고 비교함으로서 시방기준의 소요 다짐도로 관리한다. 본 다짐은 흙의 다짐방법은 D다 짐기준(KS F 2312; 2011)으로 몰드에서 층별 55회 총 5층으로 무게 4.5kg, 자유 낙하고 45cm인 램머 (Rammer)를 사용하여 실시하였다.

    Table 2와 Fig. 5는 본 시험에 사용된 재료로 바텀 애시와 플라이애시 및 새만금 준설토에 대한 다짐시 험결과로 바텀애시와 플라이애시는 최적함수비 약 25%에서 최대건조밀도가 바텀애시는 14.37kN/m3이 고 플라이애시는 12.33kN/m3으로 바텀애시가 미소 하게 크게 나타나고 있다. 이는 상대적으로 바텀애 시가 입경이 크고 양입도(SW)임으로 다짐시 입자간 배열이 용이하여 밀도를 증가시키기 때문이다. 상대 적으로 준설토는 최대 다짐밀도가 16.04kN/m3이고, 최적함수비는 13.5%로 석탄회보다 밀도가 크게 나타 나고 있는 것은 준설토는 비중이 2.71으로 석탄회 2.1에 비해 크고, 입자간 물다짐 슬라이딩 배열이 용 이한 구조를 가지고 있기 때문이다. 또한 최적함수 비도 석탄회 25% 대비 준설토는 13.5%로 비중이 크 므로 상대적으로 입자의 중량도 크게 나타나고 있 다. 석탄회중 바텀애시는 양입도에 의해 표면수에 의해 입자간 배열이 용이하나 플라이애시는 입경이 작고 원형구조로 표면수에 의해 입자간 이동에 영향 을 작게 미치므로 체적비 변화도 상대적으로 작게 나타나고 있다.

    3.압축강도 특성

    3.1.시료제작

    바텀애시와 플라이애시 및 준설토를 소정의 중량배 합비에 따라 교반을 하였다. 교반시료는 준설토 최 적함수비 기준 15%로 성형하고자 물을 가하여 배합 하였다. Fig. 6과 같이 직경 5cm, 높이 10cm가 되는 3연식 청동 몰드에 배합된 시료를 깔때기를 사용하 여 주입하였다. 몰드의 충진높이 10cm를 유지하도록 몰드 상부에 원형 보조 칼라(높이 5cm × 직경 5cm) 로 CBR 하중 재하 봉에 유압 초기 압축 을 전 시료 에 동일하게 가하여 몰드높이 10cm가 되도록 초기 하중강도(500kN/m3)을 재하 한 후 높이를 균등하게 하였다. 피스톤으로 몰드에서 추출한 공시체를 일축 압축강도시험기로 강도시험을 실시하였다(KS F 2314; 2013).

    3.2.압축강도 시험결과 및 분석

    바텀애시와 플라이애시 및 준설토의 배합 비율은 0%~100%까지 25%씩 비율별로 증가시키고, 혼합하 여 성형 제작된 시료를 대상으로 일축압축시험을 실 시하였다(KS F 2314; 2013). 일반적으로 흙의 비배수 일축압축 재하속도는 공시체 높이가 10cm일 때 공 시체의 1% 압축변형이 생기는 비율인 1mm/min으로 하지만 본시험에서는 석탄회의 자체강도가 일반적인 토사강도보다 크므로 재하속도를 증가시켰다. 따라 서 공시체 높이의 3% 압축변형이 생기는 비율인 3mm/min의 일정한 속도로 파괴 시까지 재하하게 되 었다. Table 3은 준설토-플라이애시-바텀애시 혼합 비율에 따라 제작된 시료의 배합비율과 압축강도 시 험 결과 등을 표시하고 있다. 또한 Table 3은 석탄회 (바텀애시와 플라이애시)와 준설토의 배합 Case별로 일축압축강도의 최대치를 나타내었으며, Fig. 7은 플 라이애시는 함유율이 증가되면서 최대 100%(Case E) 의 경우, 최대 일축압축강도가 41.2kPa까지 증가되고 있다. 플라이애시(50%)+바텀애시(50%)를 혼합한 Case M의 경우에는 최대일축압축강도가 53.9kPa까지 증가되고 있다. 플라이애시는 입경이 준설토와 석탄 회에 비해 상대적으로 작은 미세립 입자로 조립토와 혼합시에는 공극충진 효과가 크기 때문이다.

    폐기물관리법상 부피기준으로 석탄회를 50%이하 로 혼합하여 사용하는 기준을 고려하여, 본 연구에 서는 준설토를 바텀애시와 플라이애시를 최대 5:5로 혼합하여 강도증가를 파악하였다. Table 3에서 Case C와 G, K는 석탄회가 모두 최대 50%이하이다. Case C는 준설토 50%와 플라이애시 50%를 혼합시 최대 일축압축강도는 21.6kPa이고, Case G는 준설토 50% 와 바텀애시 50%로 혼합시 최대 일축압축강도는 23.5kPa이다. Case A와 G에서 일축압축강도는 다소 바텀애시가 크지만 거의 유사한 값을 얻고 있다. 이 는 혼합시에 공극을 채워서 밀도를 증가 시키는 충 진 효과가 동일하기 때문이다. 또한 Case K는 플라 이애시 25%와 바텀애시 25%를 혼합하였다. Case C 와 G와 근접한 일축압축강도를 나타내고 있다. 최종 적으로 준설토 50%와 석탄회 50%를 혼합하여 활용 하는 경우 압축강도는 21.6~23.5kPa 범위에 수렴하 고 있으며 최대 압축강도의 변화 범위가 상대적으로 작다. 따라서 플라이애시나 바텀애시 중 어느 한쪽 의 함유율이 50%이하인 경우에는 유사한 강도를 나 타내고 있다. 그러나 플라이애시와 바텀애시 함유량 이 증가할수록 압축강도는 크게 증가되고 있으며 50% 이상 활용 시에 더욱 크게 증가되고 있으나, 용 출수 등의 환경기준 제약에 의해 활용성이 상대적으 로 낮다.

    4.지오텍스타일 튜브 구조체의 압축강도

    4.1.바텀애시 주입 튜브 구조체 제작

    본 실험은 Table 4와 같이 석탄회를 토목섬유 튜브 에 주입하여 지오텍스타일 구조체의 조성재료 재활 용하는 경우를 고려하여 건조된 석탄회와 준설토를 물을 가해 함수비 15%로 교반하였다. 충진 지오텍스 타일 튜브는 PET 재질로 판형 지오텍스타일을 봉합 하여 제작하였으며 인장력은 200kN/m이다. 봉합된 원주형 튜브의 직경과 높이는 일축압축시험과 마찬 가지로 1:2로 설정하고자 직경 20cm, 높이 40cm의 토목섬유 구조체가 되도록 재단하였다. 재단된 토목 섬유 지오텍스타일 튜브는 플라스틱 내부에 씌워서 Table 4와 같이 준설토 대비 바텀애시를 0%, 50%, 75% 비율로 주입하면서 D다짐에 의해 공시체를 제 작하였다. 제작된 공시체는 만능압축강도시험기 (UTM)에 의해 8mm/min의 일정한 속도로 재하에 의 해 변형율에 따른 압축강도를 측정하였다. 여기서 대형일축압축 재하속도는 공시체 높이가 40cm이고 직경 20cm를 고려하고 공시체의 다짐강도증가를 고 려하여 소형 일측압축강도 재하속도 3%보다 낮은 2% 변형속도가 되는 8mm/min의 속도로 재하 하였 다.

    Fig. 8은 준설토와 바텀애시의 혼합비에 따른 토 목섬유 일축압축실험 결과를 나타낸 것이다. 바텀애 시에 비해 상대적으로 다짐 건조밀도가 큰 준설토의 함유량이 많을수록 변형율 대비 일축압축강도가 크 게 나타나고 있으며 바텀애시 함유량이 증가할수록 압축강도는 감소하고 있고 상대적으로 연직압축변위 는 크게 나타나고 있다. 전반적으로 100% 준설토의 최대 일축압축강도(qu)는 2.859MPa이다. 바텀애시가 75%까지 증가시 최대 일축압축강도(qu)는 2.66MPa 로 미소한 정도의 작게 나타나고 있다. 그러나 Table 3에서는 준설토 100%의 일축압축강도는 12.7kPa에서 바텀애시 함유량이 75%까지 증가시 30.4kPa까지 증 가되나 지오텍스타일에 의해 인장 보강된 튜브 구조 체에서는 충진 재료별 압축강도와 변형율의 차이는 약 9%정도로 지오텍스타일 보강시 인장력 발휘에 의해 보강효과는 매우 크다. 지오텍스타일 보강에 의한 압축강도 최대치를 보면 바텀애시 75% 충진시 튜브 구조체는 무 보강시보다 약 87배의 측방 보강 효과를 나타나고 있어, 토목섬유의 활용시 석탄재 주입 복합 구조체는 강도가 크게 증가되므로 안정적 인 구조체임을 알 수 있다. Fig. 9.

    5.결 론

    본 연구에서는 석탄회를 보다 환경 친화적으로 손쉽 게 재활용을 위해 자연적인 조건에 의해 퇴적된 준 설토를 석탄회와 혼합하여 다짐과 지오텍스타일 보 강 등의 물리적 하중조건에 의한 강도발생 특성을 실험적으로 파악하였다. 연구결과를 요약하면 아래 와 같다.

    1. 통일분류법(USCS)에 의해 입도분석결과 바텀애 시는 입도가 좋은 모래(SW), 플라이애시는 비소성 실트(Silt), 준설토는 실트질 모래(SM)로 분류되고 있 으며 입경은 플라이애시<준설토<바텀애시 순으로 크다. SEM 분석결과 입경크기가 플라이애시는 31~ 70μm, 준설토는 74.5~203μm, 바텀애시는 81~228 μm 순으로 크다.

    2. XRF분석에 의한 주요 구성광물 중 준설토와 바텀애시 및 플라이애시의 SiO2의 함유량은 각각 74.4%, 51.1%, 31.2% 순으로 분포되고 있다.

    3. 바텀애시와 플라이애시 및 준설토에 대한 다짐시 험결과로 최대건조밀도는 준설토가 가장 크고 바텀 애시와 플라이애시는 유사하다. 또한 준설토를 기준 으로 바텀애시와 플라이애시를 배합한 결과 준설토 50%대비 석탄회를 각각 환경기준을 고려한 함유율 이 최대 50%까지 증가시 발생하는 압축강도는 최대 21.6~23.5kPa범위이다.

    4. 준설토와 바텀애시가 다짐 충진된 토목섬유 튜 브 구조체의 압축강도는 준설토 100% 충진시 최대 압축강도 2.88MPa이고 준설토와 바텀애시 각각 50% 충진시 최대 압축강도는 2.78MPa로 유사한 피크 값 을 나타나고 있다. 따라서 주입재료의 비율 보다 지 오텍스타일은 인장보강 효과가 탁월함으로 복합구조 체로 그 적용성이 매우 크다.

    ACKNOWLEDGMENTS

    본 논문은 2015년도 교육부의 재원으로 한국연구재단 의 지원을 받아 수행된 기초연구사업(No. 2015R1D1A1 A2062244) 및 2016년도 교육·인력양성사 업(BK21플러스)이며, 연구비 지원에 감사드립니다.

    Figure

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    Particle Size Distributions

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    Features of Particle Size by Scanning Electron Microscope(SEM)

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    Intensity and Degree of Elements in The Samples

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    Concentration of Chemical Compound in Samples

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    Relationships of Water Contents and Dry Unit Weight

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    Preparation of Sample

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    Compressive Strength of Different Mixing Ratio

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    Compressive Strength and Strain by Mixing Ratio of Dredged Soil and Bottom Ash

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    Experimental Set-up

    Table

    Physical Properties for Samples

    Compaction Test Results of Samples

    Compressive Strength by Mixing Ratio

    Geotextile Properties and Mixing Conditions

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