KR20060136325A - 준설토 고화처리 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 준설토 고화처리 방법에 관한 것으로서, 준설토, 고화제 및 석탄재로 이루어지는 혼합물의 반죽을 얻는 단계와; 상기 혼합물의 반죽을 경화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의하여, 처리하기 어려운 준설토와 재활용되지 못하고 매립 처리된 석탄재를 경제적이고 성능이 향상된 물성의 토목재료로 사용가능하게 하므로써, 자원을 재활용하며, 환경보전에 기여할 수 있다.

Description

준설토 고화처리 방법{SOLIDIFICATION METHOD OF DREDGED SOILS}

본 발명은, 준설토 고화처리 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 준설토를 석탄재와 함께 고화처리하여 성토재, 노반재, 도로기층재 및 뒤채움재 등 토목재료로 활용할 수 있는 준설토 고화처리 방법에 관한 것이다.

일반적으로 석탄을 원료로 하여 발전하는 석탄화력발전소는 석탄의 연소효과를 높이기 위해 석탄을 소정의 크기로 분쇄, 즉 미분탄을 제조하여, 미분탄을 보일러에 공급하여 연소시킬 때 발생하는 열을 이용하여 고온 고압의 수증기를 생산한 후, 생산된 수증기를 증기터빈에 공급함으로써, 발전을 하게 된다.

미분탄을 보일러에 공급하면, 미분탄의 10∼20％는 회분이며, 이는 석탄의 연소과정에서 석탄재로 발생된다. 석탄재 중 약 20％는 고온의 연소열에 의해 용융되며 여러 입자가 응결되어 보일러의 하부로 배출되고, 약 80％는 각 입자별로 연소되어 연소가스 흐름에 따라 비산하며 비산된 석탄재는 전기집진기 등과 같은 집진장치에 포집된다.

한편, 보일러의 하부로 배출되는 석탄재는 바닥재(bottom ash)라고 불리우며, 그 입경이 대략 100㎛∼수㎝ 정도로 넓게 분포하고 있으며, 큰 덩어리는 1㎝이 하로 파쇄하여 해수와 함께 매립장으로 이송하여 매립된다. 또한, 보일러로부터 비산하여 전기집진기에서 포집되어 배출되는 석탄재는 비산재(fly ash)라고 불리우며, 이러한 비산재는 그 평균 입경이 대략 20㎛∼60㎛이고, 최대 입경은 100㎛ 이하이며, 바닥재와 함께 매립장으로 이송된다.

현재 국내 발전소별 인근에 매립된 석탄회의 규모는 약 3,000만톤에 이르고 있으며, 향후 경제규모 증가로 인한 발전소 증설은 불가피할 것으로 예상됨에 따라 석탄재 매립량은 폭발적인 증가가 예상된다.

그러나, 매립 석탄재가 일반폐기물로서 재활용이 가능한 재료임에도 불구하고 재활용은 거의 전무한 상태이며, 일부에서 재활용을 시도하고 있으나 매립 석탄재의 재료 특성상 재활용에 어려움이 있어 극히 소량(매립량의 0.03％)이 재활용되고 있다.

이러한 무기물 연소재인 매립 석탄재가 건설재료인 골재 등으로 재활용이 되지 못하는 이유는, 첫째 매립 석탄재 중에 염화물(염분)이 다량 포함되어 있어 콘크리트의 철근을 부식시키기 때문이며, 두 번째는 매립 석탄재의 다공성으로 인한 자체 강도가 약할 뿐 아니라 흡수율이 높아 콘크리트에 골재로 재활용 시 콘크리트의 강도 감소 및 동결 융해에 약한 결점 등으로 콘크리트 골재로서의 재활용은 어려운 실정이다.

따라서, 증가일로에 있는 매립 석탄재의 재활용이 거의 전무한 상태로서 각 발전소에서는 석탄재(대부분 바닥재이고 비산재가 일부 혼합)를 매립장에 매립하고 있는 실정이며, 매립용량의 부족으로 새로운 매립장을 막대한 비용을 들여 건설할 뿐만 아니라 환경관리에 어려움을 겪고 있다.

한편, 항만 개발에 따른 준설 및 하천 준설로 발생하는 준설토가 매년 대량으로 발생하고 있으며 최근까지는 준설토의 대부분을 외해에 해양 투기하는 방법으로 처리하여 왔으나, 1996년 런던덤핑방지협약과 관련 의정서 발효로 해양투기조건 강화 및 직매립 금지협약으로 인해 준설토에 대한 재활용이 시급한 실정이다.

그러나, 국내에서는 막대하게 발생하는 준설토 처리와 재활용은 초보적인 단계에 머물고 있으며, 대부분 준설토 투기장에 투기하여 처리하고 있는 실정이다.

현재, 일부에서 시도하고 있는 준설토 처리는 대부분 가토재를 혼합하여 압밀함으로써 연약지반 개량을 시도하고 있으나, 가토재의 극심한 부족 및 장기간의 개량 기간이 필요하고 시공 후 안정성 문제로 그 성과는 미미한 실정이다.

또 다른 처리방법은 자연적인 배수 및 인공적인 배수 방법으로 준설토를 개량하는 것으로서, 이 또한 장기간의 개량기간 소요로 인한 해충의 발생 및 안정화 후, 강도 미확보로 인한 안정성 문제로 현재까지 뚜렷한 실효를 거두지 못하고 있는 실정이다.

한편, 국가의 균형발전과 선진국으로의 도약을 위해 정부에서는 연안 신도시 및 항만 건설 등 다양한 국책사업을 계획 및 추진 중에 있으나 극심한 성토재 부족으로 계획에 차질을 빚고 있다. 이를 해결하기 위하여 정부에서는 절토 및 건설 폐기물의 재활용 등을 통해 여러 가지 대책을 강구하고 있으나, 환경 훼손 및 막대한 물류비 등으로 성토재 확보에 어려움을 겪고 있다.

특히, 폐기물을 재활용하여 성토재를 확보하는 방안 중 준설토를 이용하여 성토재로 재활용하는 방안을 고려하고 있으나, 현재의 기술수준으로 볼 때 안정성 문제 및 장기간의 개량기간 소요와 경제성 문제 등으로 재활용에 어려움을 겪고 있다.

이에, 준설토에 고화제를 이용하여 고화처리 후 성토재 등 토목재료로 재활용함에 있어서, 고점성을 해결하기 위해 다량의 물을 사용하여 작업성을 확보하고 있으나, 다량의 비빔수 사용에 따른 고화제 사용량의 증가로 경제적 처리에 어려움을 주고 있을 뿐만 아니라, 타설 후 사용된 다량의 비빔수가 블리딩수로 배출됨으로써 막대한 양의 알카리성 폐수가 발생되는 문제점이 있다. 또한, 준설토에 함유된 유기물과 그 유기물이 부패할 때 발생하는 부식산(휴민산 등)의 영향으로 시멘트계 고화제의 고화반응에 어려움을 주고 있을 뿐만 아니라, 미세한 준설토 입자로 인해 고화체 내의 공기량 감소에 의한 동결 융해 저항성 감소 및 준설토 고화 후 건조수축에 의한 체적감소와 균열 등 여러 가지 문제점이 발생하고 있다.

따라서, 본 출원인은 성토재로 활용하는데 어려움을 겪고 있는 준설토 고화처리에 석탄재를 이용하여, 폐기물인 석탄재와 준설토를 자원으로 재활용하고 극심한 성토재 부족 문제도 해결할 수 있는 준설토 고화처리방법을 개발하기에 이르렀다.

따라서, 본 발명의 목적은, 자원을 재활용하며, 환경보전에 기여할 수 있는 준설토 고화처리 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 준설토 고화처리 방법에 있어서, 준설토, 고화제 및 석탄재로 이루어지는 혼합물의 반죽을 얻는 단계와; 상기 혼합물의 반죽을 경화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 준설토 고화처리 방법을 제공한다.

여기서, 상기 혼합물은 건조기준으로 준설토 37∼92중량％, 고화제 3∼58중량％ 및 석탄재 5∼60중량％로 이루어진 것이 바람직하다.

상기 석탄재의 입자 크기는 비산재와 바닥재에 해당하는 0.02mm∼25mm 범위 내로 하며, 입자가 작은 비산재는 구형이고, 비교적 입자가 큰 바닥재는 비표면적이 준설토에 비해 훨씬 적으며, 또한 단위 체적당 입자수가 적어 석탄재 사용시 입자간 인력 및 마찰력이 감소 효과로 인해 점성이 높은 준설토의 유동성을 증대시킬 수 있게 된다.

상기 반죽의 혼합물 함량은 건조기준으로 이루어진 것이며 이 건조혼합 고형물에 소정의 물을 가하여 타설에 필요한 유동성 확보와 고화에 필요한 수화반응이 일어나도록 한다. 이 때, 가하는 물의 양은 사용하는 준설토의 액성한계 값에 따라 달라지며 액성한계 값이 45％ 이하인 경우 상기 혼합물 중량에 대해 35∼60％ 중량의 물을 더 가하고, 액성한계 값이 45％ 이상인 경우 상기 혼합물 중량에 대해 55∼100％ 중량의 물을 더 가하여 혼합하는 것이 바람직하다.

상기 고화제는 시멘트와 고로슬래그 시멘트와 소석회와 석고 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.

상기 석탄재는 석탄화력 발전소에서 발생하는 바닥재와, 석탄화력 발전소에서 발생하는 비산재가 혼합된 바닥재와, 폐기물 소각시 발생하는 바닥재 중 적어도 어느 하나로 이루어질 수 있다.

이하에서는 본 발명에 따른 준설토 고화처리방법에 대해 상세히 설명하기로 한다. 한편, 이후 기재되는 ％는 중량％ 기준임을 미리 밝혀둔다.

먼저, 고화제 3∼58중량％, 준설토 37∼92중량％, 석탄재 5∼60중량％를 혼합하여 혼합물의 반죽을 얻는다.

여기서, 준설토는 해성점토, 상하수슬러지, 하천 및 호소 등의 준설작업에서 발생하는 것 중 적어도 어느 하나인 것이 바람직하다. 또한, 상기 혼합물 중 준설토와 석탄재는 통상적으로 수분이 함유되어 있으나 혼합율은 건조기준으로 하는 것이 바람직하다.

고화제는 시멘트, 고로슬래그 시멘트, 소석회, 석고 중 어느 하나로 이루어진다.

석탄재는 준설토의 고화처리 시 압축강도를 증가시키며, 최종적으로 고화되는 혼합물의 응결시간을 단축하고, 혼합물의 공기량을 증가시켜 동결 융해 저항성을 증가시키며 건조 수축을 저감시키는 역할을 한다. 석탄재는 입자 크기가 0.02mm∼25mm 범위 내인 것이 바람직하며, 이에 입자가 작은 비산재는 구형이고, 비교적 입자가 큰 바닥재는 비표면적이 준설토에 비해 훨씬 적으며, 또한 단위 체적당 입자수가 적어 석탄재 사용시 입자간 인력 및 마찰력이 감소 효과로 인해 점성이 높은 준설토의 유동성을 증대시킬 수 있게 된다. 특히 석탄재는, 석탄화력 발전소에서 발생하는 바닥재(bottom ash)와, 석탄화력발전소에서 발생하는 비산재(fly ash)가 혼합된 바닥재와, 폐기물 소각시 발생하는 바닥재 중 적어도 어느 하나로 이루어지는 것이 바람직하다.

또한, 반죽은 사용준설토의 액성한계 값이 45％ 이하인 경우 상기혼합물 중량에 대해 35∼60％ 중량의 물을 더 가하고, 액성한계 값이 45％ 이상인 경우 상기혼합물 중량에 대해 55∼100％ 중량의 물을 더 가하여 혼합하여 이루어짐으로써, 석탄재를 혼합하지 않았을 때 보다 혼합하여 고화처리 시 물 사용량의 대폭적인 절감으로 시멘트에 대한 물의 비율을 감소시켜 경화되는 혼합물의 강도를 증진시킬 수 있으며, 경화처리 후 블리딩에 의해 발생하는 잉여 비빔수의 감소로 이어져, 강 알카리인 블리딩수의 처리가 경감될 수 있게 된다.

다음, 혼합물의 반죽을 경화함으로써, 준설토를 고화처리할 수 있게 된다. 여기서, 혼합물의 반죽을 타설하여 양생하거나, 소정의 형틀에 부어 소정의 형상으로 경화시킬 수도 있다.

한편, 이하에서는 본원발명의 요지를 명확히 하기 위해, 본 발명에 따른 준설토 고화처리 방법에 의해 제조되는 혼합물에 대한 각종 실험 결과에 대해 설명하기로 한다.

먼저, 준설토, 고화제인 시멘트, 석탄재의 혼합율에 따른 유동성의 상관관계, 즉 ＜표1＞과 같이 각 시료의 석탄재 혼합율에 따른 굳지 않은 상태의 혼합물의 유동성(플로우) 증가 추이를 도시한 실험데이터가 아래에 개시되어 있다.

＜표1 혼합물 혼합비, 준설토 액성한계 34.6％＞

상기의 준설토 액성한계란 준설토가 액상에서 고상으로 전환되는 시점의 함수비를 말하며 준설토 발생원에 따라 상당한 차이가 있다. 준설토의 액성한계가 증가할수록 소정의 유동성을 얻기 위해서 더 많은 비빔수가 필요한 것이 일반적인 사실이다. ＜표1＞에서는 액성한계 34.6％의 준설토로 시험하였다. 액성한계 34.6％의 의미는 함수비가 34.6％ 이상일 때 액체의 거동을 나타내는 준설토를 말한다.

＜표1＞에 개시된 각 시료의 경화 시, 유동성 확보에 필요한 물은 중량비로 100:65(혼합물:물)로 동일하게 혼합하여 반죽한 다음, 양쪽 입구가 개방된 직경 80mm, 높이 80mm의 플로우 측정기에 채운 후 측정기를 제거했을 경우 시료의 퍼짐 정도를 측정하였다.

유동성에 필요한 물의 양의 산정은 준설토와 고화제만을 사용한 사전 배합시험을 통하여 타설작업에 필요한 적정유동성인 플로우 20±2㎝를 기준했을 때 소요 되는 물의 양으로 산정하였다.

＜표2 플로우 측정결과＞

＜그래프1 플로우 측정결과＞

상기 ＜그래프1＞에서 석탄재 혼합율 증가에 따라 플로우가 증가하고 있으나, 석탄재 혼합율 50％ 이상에서는 플로우가 감소하고 있음을 보여 준다. 이것은 유동성 향상을 위한 석탄재 혼합율이 50∼60％ 정도가 한계인 것을 나타내며, 준설토 고화처리를 이용해 혼합물의 반죽을 타설함에 있어서 석탄재를 혼합했을 경우 적정 유동성인 플로우 20±2㎝를 훨씬 상회하는 것으로 나타나, 석탄재를 혼합할 경우 비빔수로서 물의 양은 감소할 것으로 예상된다.

따라서, 최대의 유동성을 확보하기 위한 석탄재 혼합율은 35∼50％ 정도임에 따라, 석탄재 혼합율을 40％로 조정하여 혼합물을 성토재로서 타설하는 데 필요한 플로우 20±2cm를 확보하기 위해 필요한 물의 양을 시멘트 사용량별로 성토재 1㎥를 기준으로 산출한 실험데이터가 아래에 도시되어 있다.

＜표3 플로우 20±2cm를 확보하는데 필요한 물의 양, 성토재 1㎥기준, 고화제+준설토 100％, 준설토 액성한계 33.6％＞

＜표4 플로우 20±2cm를 확보하는데 필요한 물의 양, 성토재 1㎥기준, 고화제+준설토 60％ 석탄재 40％ 혼합, 준설토 액성한계 33.6％＞

상기 시험에서 석탄재 혼합의 경우 동일한 유동성 확보에 필요한 물의 양이 준설토만 사용한 경우보다 현저하게 감소하고 있음이 나타나고 있으며, 이는 혼합물의 반죽에 필요한 물의 양을 감소시킴으로써 고화제(시멘트)량을 절감할 수 있는 근거로 작용할 수 있다. 상기 ＜표3＞과 ＜표4＞의 데이터를 혼합물(시멘트+준설토+석탄재) 대비 물사용량의 비로 정리해 보면 다음과 같다.

＜표5 굳지 않은 혼합물의 반죽 1㎥ 중 혼합물 대비 물사용량의 비 준설토 액성한계 33.6％＞

상기 ＜표5＞의 자료에서 액성한계 33.6％인 준설토만 사용한 시료의 경우 혼합물 반죽의 경화작업성 확보에 필요한 플로우 20±2cm를 확보하기 위해 물/혼합물 비가 65∼70％정도로 나타난 반면, 총 고형분의 40％를 석탄재로 혼합하여 시험한 경우 47.8∼50％정도로 나타나고 있다. 혼합물 반죽 1㎥ 중 시멘트 사용량 증감에 따라 다소 차이는 있었으나 대략적으로 17.2∼20％ 정도의 물 사용량이 감소됨을 알 수 있다.

또한, 준설토 종류에 따른 결과값을 얻기 위해 상기와 동일한 방법으로 액상 한계 59.6％의 준설토를 사용하여 시험하였다.

＜표6 굳지 않은 혼합물의 반죽 1㎥ 중 혼합물 대비 물사용량의 비, 준설토 액성한계 59.5％＞

상기 ＜표6＞의 자료에서 액성한계 59.5％인 준설토만 사용한 시료의 경우 혼합물 반죽의 경화작업성 확보에 필요한 플로우 20±2cm를 확보하기 위해 물/혼합물 비가 104.4∼110.0％ 정도로 나타난 반면, 총 고형분의 40％를 석탄재로 혼합하여 시험한 경우 77.0∼80.0％ 정도로 나타나고 있다. 혼합물 반죽 1㎥ 중 시멘트 사용량 증감에 따라 다소 차이는 있었으나 대략적으로 27.4∼30％ 정도의 물/혼합물 사용비율이 감소됨을 알 수 있다.

이것은 준설토의 액성한계 값이 증가함에 따라 소정의 유동성을 확보하기 위한 물/혼합물 사용비가 석탄재 혼합 유무에 관계없이 증가함을 알 수 있으나, 석탄재를 혼합하지 않았을 경우보다 혼합한 경우가 물/혼합물 사용비가 감소하는 현상 은 준설토 액상한계 값에 관계없이 동일하게 나타남을 알 수 있다.

따라서, 준설토 종류에 따른 액성한계 차이에 따라 물/혼합물 사용비는 달라져야 하며, 고형물의 혼합기준을 준설토 37∼92중량％, 고화제 3∼58중량％ 및 석탄재 5∼60중량％로 혼합할 경우, 준설토의 액성한계값이 45％ 이하인 준설토를 사용할 경우 혼합물에 대한 물 사용비는 35∼60중량％로, 준설토의 액성한계값이 45％ 이상일 경우에는 혼합물에 대한 물 사용비율은 55∼100중량％로 하는 것이 바람직하다.

이는 준설토를 고화처리하여 성토재로 이용함에 있어서 석탄재를 혼합함에 따라 석탄재 무혼합에 비해 고화처리 시 물 사용량의 대폭적인 절감으로 시멘트에 대한 물의 비율을 감소시켜 경화되는 혼합물의 강도를 증진시킬 수 있으며, 성토처리 후 블리딩에 의해 발생하는 잉여 비빔수의 감소로 이어져, 강 알카리인 블리딩수의 처리가 경감될 수 있다.

이에, 혼합물 1㎥ 당 물 사용량 감소에 의한 혼합물의 강도증진을 확인하기 위해 ＜표3＞과 ＜표4＞의 배합표를 기준으로 직경 100mm, 높이 200mm 공시체를 제작하여 20±2℃에서 7일, 28일간 습윤 양생하여 압축강도를 측정한 시험결과가 아래에 도시되어 있다.

＜표7 압축강도 측정결과＞

＜그래프2 압축강도 측정결과, 28일 기준＞

＜표8 준설토100％ 사용대비 석탄재40％ 혼합 시료 압축강도 증진율＞

상기 압축강도 시험에서 혼합물 1㎥당 시멘트 혼합량의 증감에 따라 다소 차이를 보이고 있으나, 각 시멘트 사용량 별 압축강도 증가율이 약 150∼260％ 증가하고 있다. 이는 준설토를 고화처리하여 성토재로 활용하는데 있어서 가장 큰 걸림돌인 고화제 사용량을 대폭적으로 절감하여, 준설토 고화처리에 있어서 석탄재를 이용하여 경제적으로 처리할 수 있어, 자원 재활용 및 자연환경 훼손없이 경화된 혼합물을 확보할 수 있어 대규모 국책사업 지연 방지 및 국토의 환경보존과 자원 재활용이란 일석삼조의 효과를 거둘 수 있다.

또한, 준설토에 석탄재를 혼합하여 성토재로 재활용함에 있어서 준설토만 고화하였을 경우보다 석탄재를 준설토에 혼합 사용하였을 경우 응결속도가 현저하게 증가되어 타설작업 시 장비의 진입시기를 앞당길 수 있어 공사기간의 단축으로 인한 막대한 경제적 이익을 얻을 수 있다.

이에, 이러한 응결속도의 차이를 확인하기 위해 ＜표9＞와 같이 혼합물 1㎥ 당 170kg의 시멘트를 사용하고 석탄재를 치환하지 않은 시료와, 석탄재를 40％ 치환한 시료를 동일한 슬럼프로 20±2cm로 배합 후 관입저항을 측정한 결과가 아래에 도시되어 있다.

＜표9 시멘트사용량 170kg/㎥, 슬럼프 20±2cm 기준 혼합물 배합표, 준설토 액성한계 33.6％＞

＜표10 관입저항 측정결과＞

＜그래프3 관입저항 측정결과＞

상기와 같이 관입저항 측정결과 석탄재를 준설토에 혼합할 경우 응결속도가 획기적으로 빨라짐을 알 수 있으며, 이로 인하여 후속공정 진행을 위한 건설장비의 조기진입 가능 등으로 연약지반 개량공법의 최대 결점인 장기간의 공사기간을 대폭적으로 단축할 수 있어 준설토 고화처리 시 고화제(시멘트)의 절감과 더불어 경제적 처리의 또 하나의 요소로 들 수 있다.

이와 같이, 대폭적인 압축강도 및 관입저항 값의 증가 이유로 첫째, 석탄재 혼합으로 인한 유동성 증가로 물 사용량 감소에 따른 혼합물 중 시멘트 농도증가에 기인하며, 둘째, 분말도가 높은 준설토를 상대적으로 입경이 큰 석탄재로 대체함으로써 혼합물 전체 표면적 감소에 따른 결합대상 면적감소와, 증가 이유의 가장 큰 원인을 제공하는 세 번째 이유로는 대부분 준설토에 포함되어 있는 유기물 및 그 유기물이 부패하여 생성된 부식산(후민산 등)이 고화제(시멘트)와 착화합물을 만들어 시멘트의 고화작용을 방해하여 압축강도 감소원인으로 작용하였으나, 준설토와 석탄재를 혼합하였을 경우 석탄재의 다공성이 활성탄 같은 역할로(특히 미연탄소분은 활성탄 성질과 유사함) 유기물 및 부식산을 흡착하여 혼합물 용액 내에 부식산의 농도를 감소시킬 뿐만 아니라, 석탄재는 약 1,450℃의 고온에서 연소되었기 때문에 유기물이 거의 없어 준설토에 석탄재를 치환한 양만큼 혼합물 전체 유기물 및 부식산 함량이 감소하게 되어 혼합물의 고화 방해정도를 경감시킬 수 있다.

또한, 준설토를 고화처리하여 성토재로 활용함에 있어서 준설토의 미세한 입자 구성으로 고형물 내 공기량 부족으로 동결 융해에 의한 동상 가능성이 높다. 이에 대한 대책으로 고가의 화학혼화제인 공기연행제(AE제)를 첨가하여 해결하고 있지만 고화처리의 경제성을 감소시키는 요인으로 작용하고 있다. 이러한 결점 또한 석탄재의 혼합사용을 통하여 동결 융해에 의한 동상의 피해를 감소시킬 수 있다. 이를 입증하기 위해 ＜표11＞과 같이 배합하여 혼합물 내 공기량을 측정한 데이터가 도시되어 있다.

＜표11 공기량 측정결과＞

＜그래프4 공기량 측정결과＞

상기 공기량 측정결과에서 석탄재를 혼합 사용한 시료의 경우 혼합물 내 공기량 증가율이 석탄재를 사용하지 않은 시료에 비해 185.7％가 증가되었음을 알 수 있다. 이는 혼합물 내의 공기량 증가로 인해 경화 후 토목재료로 사용 시, 혼합물 내에 포함된 연행공기가 동결 융해에 의한 수축 및 팽창에 대한 완충작용을 획기적으로 개선할 수 있음을 알 수 있으며, 인위적인 공기연행제의 첨가 없이도 동결 융해에 의한 저항성을 높일 수 있어 경제적인 고화처리를 가능하게 한다.

또한, 준설토만을 고화처리하여 경화된 혼합물을 성토재로 사용하였을 경우 건조에 의한 수축으로 약 9％정도의 체적감소로 장기간 사용 시 성토재의 균열 및 지반침하의 우려가 있어, 이를 해결하기 위한 방법으로 비교적 가격이 비싼 팽창재인 석고 등을 혼합하여 해결하고 있다.

그러나, 준설토와 석탄재를 혼합 사용하면 발전소 석탄재 매립처리의 이송수단으로 시용하고 있는 해수중의 염분과 해성점토인 준설토 중의 염분이 석탄재의 활성실리카 성분과 반응하여 소듐실리케이트 화합물을 만들어 팽창하면서 경화된 혼합물의 공극을 채워 성토재의 강도를 강화시킬 뿐만 아니라, 경화된 혼합물의 건조수축을 보상하여 성토 후 지반침하 및 균열을 억제 할 수 있다.

따라서, 이를 확인하기 위하여 ＜표12＞와 같이 동일한 시멘트량을 기준으로 준설토와 석탄재의 함량을 변화시켜 직경 10mm, 높이 20mm인 공시체를 제작한 다음 150일간 20±2℃에서 습윤 양생 후 팽창 정도를 시험하였다.

＜표12 석탄재 혼합율에 균열시험 배합표, 성토재 1㎥ 기준, 준설토 액성한계 33.6％＞

시험한 결과, 석탄재의 혼합율이 50％까지는 공시체의 균열이 나타나지 않았으며 60％에서는 균열이 나타났다. 이는 석탄재의 과다한 혼합은 해성점토 및 석탄재에 함유된 염분이 석탄재의 활성실리카와 반응하여 소듐실리케이트 화합물을 과다하게 발생시켜 공시체에 균열의 원인을 제공한 것으로 추정되어, 준설토 단독으로 고화처리 시의 결점인 건조수축을 보상하고 균열을 방지하는 석탄재의 적정 혼합율은 석탄재 중량/(시멘트중량＋준설토중량＋석탄재중량)×100의 식으로 계산하여 60％이하가 적정함을 알 수 있다.

이상의 시험을 통해 알 수 있는 바와 같이, 기존 준설토를 고화하여 토목재료로서 성토재로 재활용함에 있어, 대부분 점토질의 고 점성인 준설토 타설 작업에 필요한 작업성 확보를 위해 다량의 물이 소요되어 성토재 내에 시멘트 농도를 감소시킴으로써, 성토재의 압축강도 발현에 저해요소가 될 뿐만 아니라, 준설토에 함유되어 있는 유기물과 유기물 부식시 발생하는 부식산 등이 고화제 수화반응시 용출된 Ca++ 이온 등과 착화화합물을 만들어 고화제 주위를 둘러싸며 고화제의 수화반응을 방해하기 때문에 소정의 강도를 확보하는데 어려움이 있다. 이를 해결하기 위한 방법으로 준설토 고화시 일정량의 석탄재를 혼합하여 사용함으로써, 기존의 방법보다 성토재 단위 ㎥당 소량의 물을 사용하고도 목표 유동성을 만족할 수 있어 고화반응물 중의 시멘트 농도를 높일 수 있으며, 준설토에 함유되어 있는 유기물은 석탄재의 흡착기능을 이용하여 유기물을 흡착하여 고화 반응물 비빔수 내의 유기물 농도를 감소시킬 뿐만 아니라, 석탄재 특성상 유기물 함량이 거의 없어 혼합율에 따라 성토재 전체의 유기물 함량이 저감되어 고화제의 수화반응 저해요소를 경감시켜 성토재의 압축강도를 획기적으로 증진시킬 수 있으며, 성토재 내 연행공기량을 증가시켜 동결 융해 저항성을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 소듐실리케이트 화합물을 이용하여 성토재의 건조수축을 보상하며, 고화 후 블리딩수의 저감으로 강 알카리 의 폐수발생을 경감시킬 수 있다.

따라서, 상기 시험결과를 고려해 볼 때 석탄재를 혼합하여 준설토 고화처리시 석탄재의 혼합율은 석탄재 중량/(시멘트중량＋준설토중량＋석탄재중량)×100의 식으로 계산하여 5∼60％가 적당하다. 그 이유로 하한선 5％이상으로 치환 혼합하였을 경우 유동성의 증진효과가 가시적으로 나타나며, 상한선 60％이상 치환 혼합율에서 유동성 증진 효과가 상대적으로 감소하고 있을 뿐만 아니라 소듐실리케이트 수화물의 과도한 발생에 의한 팽창으로 고화 성토재 균열이 시작되기 때문이다.

그리고, 석탄재 혼합에 따른 유동성 증진으로 인해 고화처리시 물 사용량은 물중량/(시멘트중량＋준설토중량＋석탄재 중량)×100의 식으로 계산하여 사용 준설토 액성한계 값이 45％ 이하일 경우 35∼60％로 하고, 액성한계 값이 45％ 이상일 경우에는 55∼100％가 바람직하다.

또한, 준설토를 고화처리하여 성토재로 활용 시 석탄재를 혼합 사용함으로써, 고형물 대비 사용 물비를 약 15∼20％ 줄일 수 있기 때문에 성토완료 직후 비빔수로 사용한 물의 침출량이 대폭적으로 줄어들게 되어 시멘트 용해수인 강알카리의 폐수가 대폭적으로 감소하게 되어 환경 친화적인 공법으로 작업을 가능하게 할 수 있다.

이와 같이, 석탄화력 발전소에서 발생하는 매립석탄재를 준설토(건조기준)와 고화제 합산중량 대비 5∼60％중량 이하로 혼합할 경우, 고점도인 준설토의 유동성 개선으로 비빔수의 대폭적인 감소로 인해 동일 압축강도에서 성토재 단위 부피당 시멘트 사용량의 절감으로 준설토를 이용한 성토재의 경제성을 증대시킬 수 있으 며, 작업 시 발생하는 막대한 양의 알카리성 폐수 발생도 감소시킬 수 있다.

또한, 준설토의 유기물 및 부식산을 다공질인 석탄재에 흡착시켜 혼합물 내의 유기물 농도 저감 및 유기물 함량이 거의 없는 석탄재를 준설토와 혼합함으로써, 혼합율에 상당한 단위 부피당 혼합물 내 유기물을 저감시켜 고화반응을 촉진할 수 있다.

그리고, 석탄재 혼합사용으로 혼합물 내의 공기량을 증가시켜 동결 융해 저항성을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 준설토와 석탄재에 포함된 염분과 석탄재의 활성실리카의 반응으로 생성하는 소듐실리케이트 화합물의 팽창성으로 고화 토목재료의 건조수축을 보상하여 경제적이고 친환경적일뿐만 아니라 물성이 향상된 토목재료로 활용가능하게 함으로써, 처리 곤란한 준설토와 석탄화력발전소 매립재 등을 효과적으로 처리할 수 있을 뿐만 아니라, 성토재 확보를 위한 절토 등으로 자연환경 훼손을 감소시킬 수 있으며, 준설토 고화처리 시 환경부하를 줄일 수 있는 방법을 제공하는 것이다.

따라서, 매년 막대하게 발생하는 준설토의 처리방법 중 고화처리를 통하여 성토재 등과 같은 토목재료로 재활용함에 있어, 과대한 고화제 및 비빔수 사용에 의한 경제적 부담으로 원활한 처리가 이루어지지 않았으나, 석탄화력발전소로부터 배출된 석탄재를 혼합 사용함으로써 사용 물비를 감소할 수 있어, 동일 목표강도 준설토 고화시 단위 부피당 고화제 사용량을 절감할 수 있으며, 현장 적용 시 혼합물 반죽 타설 후 폐수 발생량도 대폭적으로 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 경화된 혼합물 내 유기물의 함량을 감소시켜 고화반응을 촉진하고, 응결속도를 증가시켜 공 사기간을 단축시킬 수 있을 뿐만 아니라, 동결 융해 저항성이 향상되고 건조수축율이 저감된 토목재료로 활용할 수 있는 친환경적인 공법을 제공할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 처리하기 어려운 준설토와 재활용되지 못하고 매립 처리된 석탄재를 경제적이고 성능이 향상된 물성의 토목재료로 사용가능하게 함으로써, 자원을 재활용하며, 환경보전에 기여할 수 있는 준설토 고화처리 방법이 제공된다.

Claims (6)

1. 준설토 고화처리 방법에 있어서,

   준설토, 고화제 및 석탄재로 이루어지는 혼합물의 반죽을 얻는 단계와;

   상기 혼합물의 반죽을 경화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 준설토 고화처리 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 혼합물은 건조기준으로 준설토 37∼92중량％, 고화제 3∼58중량％ 및 석탄재 5∼60중량％로 이루어진 것을 특징으로 하는 준설토 고화처리 방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 석탄재의 입자 크기는 0.02mm∼25mm 범위 내인 것을 특징으로 하는 준설토 고화처리 방법.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 반죽은 상기 혼합물에 대해 액성한계 값이 45％이하인 준설토를 사용한 경우 35∼60％ 중량의 물을 혼합하여 이루어지고, 액성한계 값이 45％이상의 준설토를 사용한 경우 55∼100％ 중량의 물을 혼합하여 이루어진 것을 특징으로 하는 준설토 고화처리 방법.
5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 고화제는 시멘트와 고로슬래그 시멘트와 소석회와 석고 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 준설토 고화처리 방법.
6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 석탄재는 석탄화력 발전소에서 발생하는 바닥재와, 석탄화력발전소에서 발생하는 비산재가 혼합된 바닥재와, 폐기물 소각시 발생하는 바닥재 중 적어도 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 준설토 고화처리 방법.