2.1 석탄저회 물리적 특성

본 연구에서 사용한 석탄저회는 Fig. 1과 같은 프로세스를 이용하여 국내 N발전의 Y화력발전소에서 건식공정으로 배출되는 석탄저회로 Fig. 2와 같은 흰색과 흑색을 대표색으로 가지며 건조밀도 1.35 g/cm3, 흡수율 9.28 %, pH 7.4~8.1, 염화물 함량 0인 물리적 특성을 가지고 있다. Table 1은 본 연구에서 사용한 건식저회와 기존 연구에 사용되어 보고되어진 석탄저회의 물리적 특성을 비교한 표를 나타낸다. 건식공정 이전 생산된 습식공정 석탄저회와 물리적 특성을 비교 시 밀도는 약 0.4~0.9 g/cm3 감소하였으며, 바닷물 이송공정을 거치지 않아 건식공정으로 생산된 석탄저회는 염화물함량이 0인 것으로 나타났다. 건식 석탄저회는 다공성으로 내부에 많은 공극을 함유하고 있어 흡수율이 약 9 % 이상으로 높으며, pH는 습식과 건식 대부분 7.0~8.7 사이로 중성에서 약산성을 나타낸다.

* Korea Environment Institute

** National Institute of Environmental Research

*** Kong-ju National University

**** Korean Recycled Construction Resource Institute

2.2 석탄저회 화학적 특성

2.2.1 XRF 화학성분 분석

Fig. 4는 석탄저회 10 mm 이하 화학조성, Fig. 5는 석탄저회 10 mm 이상 입도별 화학조성을 나타낸 것이다. 잔골재의 경우 총 분석 원소 함량이 60.6 %이며, 나머지 약 39.4 %는 CH로 이루어진 물질로 구성되어져 있다. 대부분 SiO2(27.9 %)로 이루어져 있으며, Al2O3(11.3 %), Fe2O3(9.5 %), CaO(7.0 %), Na2O(1.1 %) 등으로 화학조성이 구성되어져 있다.

굵은 골재의 경우 총 분석 원소 함량이 54.7 %이며, 나머지 약 45.3 %는 CH로 이루어진 물질로 구성되어져 있으며, 대부분 SiO2(28.7 %)로 이루어져 있으며, Al2O(10.1 %), Fe2O (8.4 %), CaO(3.5 %), K2O(1.0 %) 등으로 구성되어져 있다. 건식 석탄저회 물리･화학적 특성 분석결과 석탄저회를 단순한 체분리나 거친 파쇄를 할 경우에는 입도가 매우 불량하고 입형이 거칠어 건설산업용 콘크리트와 같은 골재로 사용하기에 매우 부적합하지만, 성토 및 도로 등에 적합한 특성을 갖는 기능성 골재화는 가능할 것으로 판단된다.

2.2.2 EDS 화학성분 분석

Table 2는 석탄저회의 연소상 및 용융상의 부분의 주요 화학성분을 분석한 결과 SiO2, Al2O3, Fe2O4, CaO로 나타났으며, 이는 비회로 불리는 플라이애시(fly ash)와 유사한 화학적 특성을 나타낸다. 또한 일반 토양의 화학조성과 유사한 조성 비율을 나타내고 있다.

2.2.3 유해물질 용출 분석

Table 3은 금속류 함량 분석 실험 결과이다. 대상 시험지역의 석탄저회로 인한 금속류 함량 분석을 통해 토양환경보전법상의 토양오염우려기준(1･2･3 지역)과 분석하였다(ME 2018). 대상 시험지역에서 발생된 석탄저회와 관련하여 대부분이 금속류 함량 미만으로 나타났다. 보통 비소(As)와 6가크롬(Cr6+)은 토양오염기준에서 1지역 기준치의 50 %를 초과하는 경우가 많아 관리가 필요한 항목임에도 금회 실험결과에서는 검출이 되지 않았다. 금회 실험결과 낮은 금속류 함량을 나타내고 있어 토양오염기준 측면에서 양호하다고 판단되며, 해당 연구에서 채취한 토양 시료의 금속류 함양 농도와 비교･분석하였을 때 통계적으로 차이를 보이지 않았다.

2.2.4 매립시설 침출수 배출 허용기준 분석

해당 실험에서는 석탄회가 보관되어 있는 사일로를 매립시설로 가정하고 평년 강수량과 국지성 집중 호우 및 태풍 등의 다량의 강수를 포함하여 강수로 인해 주변 토양, 하천 그리고 해양으로 침출될 가능성을 예상할 수 있으므로 그 배출허용기준과 용출 농도를 한국 폐기물 용출시험방법(KLP)과 컬럼식 용출시험(column test)을 시험방법으로 채택하여 침출수 배출 정도를 파악하였다. Column test는 원통형의 용기에 시험하고자 하는 매질을 채우고 하단에서부터 유체를 흘려보내는 시험 방법으로 매질의 투수성, 용출, 흡착 등의 시험에 활용되는 시험방법이다. 침출수 발생에 대한 우려 가능성과 반대로 return pond 시설의 활용, 차수시트 보호공법을 통해 주변 지역 및 해역으로의 배출되는 것을 차단하는 경우도 있다. 우리나라의 경우 ｢환경분야 시험･검사 등에 관한 법률｣ 제6조에 따른 “폐기물공정시험기준(환경부고시 제2004-31호, 2014.03.05.)”에 의해 고체 상태의 처리 기준 적합 여부는 공정시험기준의 규정에 의하여 시험･판정하며 용출시험 결과에 따라 특정 유해 산업폐기물 여부를 판단하고 있다. 용출시험은 크게 회분식 용출시험(batch test)과 column test으로 구분할 수 있으며 시험 시간의 제약을 고려하여 우리나라에서는 대부분 회분식 용출시험을 채택하고 있다(ME 2016).

금회 연구에서는 KLP와 column test를 활용하여 ｢매립시설 침출수의 오염물질배출 허용기준｣(ME 2014)과 비교하여 분석하였다. 매립시설 침출수의 오염물질 배출허용기준의 지역 구분은(청정지역, 가지역, 나지역) 수질환경보전법 시행규칙 별표 5 제1호 가목에 의하여 환경부 장관이 고시하는 지역 구분이다.

Table 4와 같이 KLP와 column test를 두 방식 모두에서 기준치 이하의 결과값을 제시하고 있다. 석탄저회에서는 배출허용기준과 관련하여 유출시험 결과값들이 함량에서 불검출(N.D.) 또는 극미량 함유하고 있는 것으로 나타나 함류량이 매우 낮은 것으로 분석되었다. 본 연구에서 석탄저회의 유해물질 함량실험에 대한 결과들을 ｢토양오염우려기준, 토양환경보전법 시행규칙(제1조의 5, 014.04.30)｣(ME 2014)과 비교분석해 보면 해당 기준을 초과하는 경우는 나타나지 않았다. 또한 유해물질 유출실험에 대한 결과 또한 전반적으로 유해물질 유출로 인한 오염가능성은 거의 없는 것으로 분석되나 청정지역, 근해 그리고 상수원지역 인근에서 석탄회가 발생했을 경우 비산재의 유출로 인해 오염이 될 우려가 있으므로 상수원보호 구역과 같은 심각한 환경적 문제 유발의 가능성이 높은 지역에 대해서는 사용에 제한을 두는 것이 필요할 것으로 보인다.

3.1 실험계획

석탄저회를 성토재로 활용하기 위해서는 다짐 특성이 만족되어야 한다. 석탄저회는 일반적으로 보통 성토용 흙에 비하여 공극이 많고, 밀도가 낮으며, 골재 자체의 강성이 부족하여 일정량의 양질토와 혼합하여 사용하여야 한다. 혼합토로 사용하는 흙은 다양한 종류가 있을 수 있으며 그 분류는 구조물 기초 설계기준(MOLIT 2010)에서 규정하고 있다. 따라서 본 실험에서는 Table 5와 같이 실험인자로는 골재 종류와 치환율로 선정하여 성토용 골재로 사용가능성을 검토하였다.

3.2 사용재료 및 실험방법

흙의 구분은 No.200번체 통과량을 기준으로 조립토, 세립토로 구분하며, No.4 체를 통과하고 No.200 체에 남은 흙의 양으로 자갈질과 모래질로 구분한다. 혼합한 양질토 중 Type-1은 No.200 통과양 5.2 %로 자갈질 흙으로 5≤No.200체통과량≤12 %인 골재를 사용하였으며 흙의 공학적 분류 방법으로 볼 때 GW-GM에 해당한다. 또한 Type-2는 No.200을 통과양 13.4 \%로 모래질 흙으로 5≤No.200체 통과량≤12 %인 SW-SC인 골재를 사용하였으며 Table 6은 사용 골재의 물리적 특성을 나타낸다(MOLIT 2008; MOLIT 2009; MOLIT 2012).

Note) Gmax, γ, Wab, FM is maximum aggregate size, specific gravity, water absorption of aggregates, fineness modulus of aggregates, respectively

시험에 사용한 석탄저회는 국내 N발전의 Y화력발전소에서 건식공정으로 배출되는 것으로 10 mm 미만 발생분과 10 mm 이상 발생분을 채취하였다. 채취한 석탄저회는 10 mm 미만:10 mm 이상 골재로 분류한 후 7:3의 용적비로 혼합하여 석탄저회 100 % 시료를 제작하였다. 제작한 석탄저회를 양질토 종류에 따라 혼합비율별로 혼합하여 24시간 건조 후 입도, 밀도, 흡수율, 다짐 특성 등 지반공학적 특성을 평가하였으며, Fig. 6은 시료사진을 나타낸다.

3.3 실험결과

Table 7은 석탄저회와 양질토를 혼합하여 지반공학적 특성을 나타낸 것이다. 사용한 양질토 종류와 치환율에 따라 특성을 달리하고 있으며, 특히 자갈질 토양을 혼합한 경우 최적함수비에 따른 지지력계수(CBR) 측정이 불가한 특성을 나타냈다.

3.3.1 골재별 혼입률에 따른 함수비 변화

흙의 함수비 시험은 다짐할 흙에 대한 함수비의 적정성 여부를 알기 위한 것으로 KS F 2306(KATS 2015)의 시험방법에 따라 시험을 실시한다. 일반적으로 공극이 높은 재료 일수록 함수비가 높아질 수 있으며, 반대로 조직이 치밀하고 표면이 유리질로 형성될 경우 수분의 침투가 어려워 함수비는 낮아질 수 있다. 이러한 현상은 흡수율과 연계될 수 있다. 공극이 많다는 것은 물이 들어가서 존재할 수 있는 공간이 많아질 수 있는 특성을 가지고 있다(Fig. 7). 현미경을 통한 공극 분석을 실시한 결과 석탄저회는 전체적인 공극이 다양하게 분포되어 있으나 일반 자갈질 골재의 경우는 표면 공극이 존재하지 않아 상대적으로 비표면적은 작아지고 수분을 흡수/보유할 수 있는 환경은 낮아진다(Kil et al. 2007). GW-GM 골재와 혼합비율이 증가할수록 함수비는 점차 낮아졌으나 SW-SC 골재는 높은 함수율을 나타냈으며 특히 석탄저회 50 %와 모래질 흙 50 %를 혼합한 B50S50 시료가 가장 높은 함수율을 나타냈다(Fig. 8). 이는 높은 공극량을 가지는 석탄저회와 점토나 실트를 포함한 골재를 혼합 시 적정 비율에서 가장 높은 함수율을 가지는 것으로 판단된다.

3.3.2 골재별 혼입률에 따른 입도 변화

Fig. 9는 골재 종류별 혼입률에 따른 입도분포를 나타낸 것으로 흙입자의 크기가 분포하는 상태를 중량백분율로 표시하여 흙을 분류하거나 성토재료로서의 적합여부를 판단하기 위함으로, KS F 2302(KATS 2017)의 시험방법에 따른다. 성토재료로서의 골재의 입형 및 입도는 매우 중요한 의미를 가진다. 결국 골재 입도 분포가 성토재로서 다짐에 영향을 줄 수 있기 때문이다. 입자의 크기가 큰 것부터 작은 것 까지 고르게 분포되어 있으면 다짐이 우수하여 성토재로서의 물리적 특성이 우수할 수 있는 장점이 있다(Kim et al. 2005). 석탄저회는 호칭 37.5 mm 체까지 100 % 통과하였으며, 전체적으로 도로공사용 입도분포기준보다 약간 굵은 분포를 가지는 것으로 나타났고, 도로공사용 입도분포 내에 있는 자갈질 흙인 GW-GM 골재와 모래질 흙인 SW-SC 골재 모두 혼합 비율이 높아질수록 석탄저회 100 \%인 시료와 비교 시 전체적인 입도는 작아지는 경향을 보이고 있다. 하지만 자갈질 흙인 GW-GM 골재를 사용할 경우 모래질 흙인 SW-SC 골재에 비해 입형이 크고 미립분양이

낮아 GW-GM 골재 50 % 이상 혼합 시 입도기준에 적합한 것으로 나타났으며 SW-SC 골재의 경우 모든 시료가 입도기준에 적합한 것으로 나타났다. 이는 모래질 흙인 SW-SC 골재는 No.200을 통과양 13.4 %로 이상으로 No.200 통과양 5.2 %인 자갈질 흙으로 분류되는 GW-GM 골재에 비해 미립분이 많아 입도가 비교적 크고 공극이 다량 분포된 석탄저회와 혼합 시 최밀입도이론에 근접한 결과로 나타난 것을 판단된다.

3.3.3 골재별 혼입률에 따른 밀도 및 흡수율 변화

Figs. 10과 11은 골재 종류별 혼입률에 따른 밀도와 흡수율 변화를 나타낸 것이다. 골재의 밀도는 재료 자체 물질의 특성과 골재 내에 포함된 공극의 크기에 따라 결정된다(Kim 2006). 석탄저회는 Figs. 10, 11에서 보는 바와 같이 골재 내에 다양한 공극이 존재하여 전체적인 소재의 질량을 낮게 유지하는 특성을 보인다. 이러한 특성은 흡수율과 연관성을 가질 수 있는데 결국 밀도가 높아진다는 것은 소재 내의 공극의 함량이 작아져서 흡수율이 점차 낮아진다는 것과 연계할 수 있다. 석탄저회의 밀도는 1.35 g/cm3이며 일반 골재는 2.69 g/cm3 일반적으로 콘크리트용 골재의 밀도가 2.5 g/cm3 임을 고려할 때 본 실험에서 사용한 자갈질 흙인 GW-GM 골재의 밀도는 2.42 g/cm3, SW-SC 골재는 2.14 g/cm3로 석탄저회보다 높은 밀도와 낮은 흡수율을 갖는 골재를 혼입한 경우 높은 밀도와 낮은 흡수율을 나타냈으며 혼입률이 증가할수록 뚜렷한 경향을 나타냈다. 또한 GW-GM 골재를 혼입한 시험체가 SW-SC 골재를 혼입한 시험체보다 높은 밀도와 낮은 흡수율을 나타냈으며 이는 GW-GM 골재가 SW-SC 골재보다 높은 물성치를 나타낸 결과에 기인한 것으로 판단된다.

3.3.4 골재별 혼입률에 따른 마모율 변화

일반 조골재의 40톤 파쇄치는 25~35 %로 석탄저회는 가압 시 경도가 낮은 부분은 쉽게 부서지나 경도가 높은 입자가 저항하여 부서지기 어려운 상태로 된다. 로스엔젤스 마모손실율의 범위는 강도가 높은 경우 22.4 %, 낮은 경우 41.4 %를 나타내고 있다. ASTM C 33(2014)에 의하면 골재는 로스엔젤스 마모 손실율이 50 %를 넘지 않으면 콘크리트 제품에 사용될 수 있다고 되어 있으며, 도로공사용 골재의 경우에는 40 %로 규정하고 있다(Park and Kim 2003). Fig. 12에서 석탄저회 단일 사용은 마모율이 61.3 %로서 사용이 불가하나 일반 양질토와 혼합 시 혼압비율에 따라 마모율 차이를 나타낸다. 자갈질 흙인 GW-GM 골재를 50 % 혼합 시 25.1 %, 70 % 혼합 시 27.8 %, 모래질 흙인 SW-SC 골재를 50 % 혼합 시 33.4 %, 70 % 혼합 시 5.7 % 마모율을 나타내어 5:5 이상 비율로 혼합하여 사용 시 40 % 이하 기준을 만족할 것으로 판단된다.

일반적으로 경도가 낮아 마모하기 쉬운 물질과 높은 경도로 마모율이 높은 물질을 혼합할 경우 높은경도를 갖는 물질 혼입률이 높아질수록 마모저항성 또한 높아지지만 본 실험에서는 혼입률이 50 %에서 70 %로 높아질 경우 마모율은 커지는 결과를 나타내었다. 이는 석탄저회를 대체한 자갈질 흙인 GW-GM 골재와 모래질 흙인 SW-SC 골재 혼입량에 대한 변화로 전체적으로 공극이 다양하게 분포되고 낮은 경도를 갖는 석탄저회와 혼입시 적정 혼입양에 따라 마모저하성이 변화하는 것으로 판단되며 이는 추후 추가 실험을 통해 그 특성을 규명할 필요가 있다.

3.3.5 골재별 혼입률에 따른 다짐특성

Table 8은 석탄저회와 양질토를 혼합하여 다짐특성을 나타낸 것이다. 골재 종류 혼합비별 석탄저회의 다짐 시험결과를 비교하면, 석탄저회를 100 % 사용한 시험체와 자갈질 흙인 GW-GM 골재를 혼입한 시험체는 다짐특성이 나타나지 않았다. 즉 자갈질 흙인 GW-GM 골재를 혼합한 시험체의 담지시험을 실시한 결과 수분의 함침이 되지 않고 상부에 물이 노출되는 현상이 발생하였다. 일반적으로 다짐을 통한 최적 함수비를 도출하지만, 이러한 과정에서 물이 양이 과다할 경우 상부에 혼합한 물이 노출되는 경우가 있을 수 있다(Kim and Lee 2010). 즉 자갈질 흙인 GW-GM 골재와 석탄저회를 혼합한 배합은 Fig. 13과 같이 함수비가 모자랄 경우 다짐이 되질 않으며, 적정 함수비로 예측하고 투입한 경우도 물이 상부에 노출되는 현상이 나타났다.

모래질 흙인 SW-SC 골재와 석탄저회를 혼입한 실험체는 실트질 모래 특성을 가지고 있기 때문에 혼합비율이 증가할수록 잔입자의 함유량이 증가하여 다짐특성 관찰이 가능하였다. 다짐 시험을 통한 최대건조밀도 및 최적함수비 시험결과, 최대건조밀도의 범위는 1.410~1.779 g/cm3로 나타났으며, 이때 최적 함수비는 11.1~14 % 범위 내로 나타났다. B30S70 시험체의 γdmax는 1.690 t/m3, B50S50 시험체는 1.535 t/m3, B70S30 시험체는 1.340 t/m3로 일반 도로 성토재로 사용되는 화강토의 γdmax:1.85~1.92 t/m3보다는 작은 값을 나타내었다. 이와 같이 다짐한 석탄회의 경량성은 원지반이 연약층일 경우 지반변형(침하)에 관련해서 우수한 다짐성질을 갖고 있다고 볼 수 있으며 더욱 구조물의 뒷채움재로 사용할 경우 토압면에서 보아 매우 우수한 성질을 갖고 있다고 볼 수 있다.

모래질 흙인 SW-SC 골재를 석턴저회와 혼입한 시험체의 다짐특성을 살펴보면 최대건조밀도의 범위는 1.410~1.779 g/cm3로 나타났으며, 이때 최적 함수비는 11.1~14 % 범위 내로 나타났다. 이를 바탕으로 노상토지지력 값을 산출한 결과 석탄저회가 가장 적은 배합(3:7)이 23.5로 가장 낮게 나타났으며, 동일한 체적을 혼합한 배합이 25.9, 혼합토보다 석탄저회가 더 많이 들어간 배합의 노상토 지지력값이 더 높게 나타났다. 최대건조 밀도값이 낮은 배합이 오히려 높은 결과를 나타내고 있다.

Figs. 14, 15는 다짐을 위한 최적 함수비 산출을 위한 곡선을 나타낸 것으로 자갈질 흙인 GW-GM 골재를 석탄저회와 혼입한 경우 최적함수비 도출을 할 수 없었으며 모래질 흙인 SW-SC 골재를 사용한 배합에서 최적 함수비가 도출된 것을 볼 수 있다. 따라서 함수비를 높일 수 있는 혼합토의 선정이 중요할 것으로 판단된다.

이러한 결과로 석탄저회와 모래질 흙인 SW-SC 골재 또는 실트질이나 점토질 토질재료를 혼합 이용 할 경우 도로용 부재 중 보조기층을 제외한 모든 용도에 활용할 수 있는 지지력 값을 얻을 수 있는 것으로 나타났다. 또한 자갈질 흙인 GW-GM 골재와 같은 특성을 갖는 토질재료는 석탄저회가 갖는 특성으로 인하여 사용에 주의가 필요할 것으로 판단된다.