1. 서 론

골재를 생산하기 위하여 원암을 분쇄하는 과정에서 발생하는 무기성 슬러지의 입자 크기는 대부분 75 µm 이하 실트 및 점토로 구성되어있다. 화학적으로는 SiO2 및 Al2O3가 주 구성 성분이며 함수율은 보통 20~30 %의 분포를 나타내고 일반적으로 원암과 동일한 화학적 성분으로 구성되며 풍화되어 형성된 주변 토양과 거의 유사한 성분을 갖게 된다.

국내에서는 1990년대 이후 암반을 발파한 후 파편들을 적절한 크기로 파쇄하여 자갈로 사용하기 시작하였으며, 부순 모래는 굵은 골재를 생산하고 남은 암편을 활용하여 생산하며, 이때 생성되는 석분을 모래에서 분리시키기 위하여 물로 세척하는 공정을 수반한다. 이러한 과정에서 현탁상태로 존재하는 석분을 물로부터 분리시키기 위하여 응집제(flocculant)를 이용하여 슬러지를 응집시키며, 하부에 침전되는 슬러지의 응집물은 filter pressure를 이용하여 석분 내의 수분을 압착시켜 탈수시키게 되고 따라서 최종 부산물인 무기성 슬러지는 응집제를 포함하게 된다.

이와 같은 공정을 통해 발생된 무기성 슬러지는 폐기물로 분류되어 재활용되지 못하고 별도의 매립시설에 단순 매립되고 있으며, 이를 재활용하기 위해 다양한 연구들이 수행되어왔다^{(Han et al. 2001; Lee et al. 2010)}.

미활용 되는 각종 산업부산물 및 건설폐기물을 재활용하는 방안으로 최근 유동성 채움재의 적용성에 관한 연구는 다수 수행되어왔으며, 부산물 및 폐기물을 활용한 유동성 채움재의 연구는 현장 발생 굴착토, 화력발전 부산물, 순환골재 등의 재료를 활용한 특성 평가 및 현장적용성에 대한 연구 결과가 보고되고 있다^{(Green and Schmitz 2004; Kim et al. 2013, 2019; Lee et al. 2018; Yoon et al. 2023)}.

유동성 채움재는 고유동 및 자가충전 특성으로 인해 다짐 공정을 수반하지 않고 좁은 굴착폭에 용이하게 적용하여 균질한 다짐성 및 충전성을 확보할 수 있어 하수관 및 구조물용 뒤채움재, 공동충전재로 사용하고자 많은 연구가 수행되고 있다^{(Kim et al. 2007; Nam et al. 2011; Kiyomasa et al. 2013; Le and Nguyen 2016)}.

유동성 채움재에 관한 연구는 미국 및 일본을 중심으로 활발하게 이루어져 왔으며, 노후된 하수관의 비중이 높아 하수관의 결함으로 인한 토사유출 및 지반침하 사례가 빈번히 발생되어 유동성 재료를 활용하여 지하 매설물의 채움재에 관한 연구 및 현장 적용 실적이 증가하고 있다. 미국과 일본의 경우 각종 표준 및 시방서에서 유동성 채움재에 대한 품질기준 및 가이드라인을 제시^{(ACI Committee 229 2005; TMGBC 2009a, 2009b)}하고 있으나, 국내는 아직 이에 관한 규정이 없는 실정이다.

미국의 관련 표준에서는 사용재료, 유동성, 일축압축강도에 관해서 규정하고 있으며, 이와 대조적으로 일본에서는 적용 용도별에 따라 사용재료의 입도, 유동성, 압축강도 및 재료분리 저항성에 대해 세부적으로 규정하고 있다.

본 연구에서는 응집제 사용 및 폐기물로 분류되어 재활용되지 못하는 무기성 슬러지의 유동성 채움재 적용성 검토를 위해 ^{ACI Committe 229 (2005)}의 시험방법을 채택하여 단위결합재량 및 배합 요인에 따른 공학적 특성을 검토하고자 하였으며, 무기성 슬러지를 활용한 유동성 채움재의 환경성을 평가하기 위해 품질성능을 충족시키는 배합조건을 대상으로 국립환경과학원고시 제2023-17에 준하여 폐기물 공정시험을 수행하였다.

2. 실험계획 및 방법

2.2 사용재료

2.2.1 무기성 슬러지

유동성 채움재의 주 사용재료인 무기성 슬러지는 충남에 소재한 J사에서 발생된 것을 사용하였으며, 특성 분석을 위해서 Fig. 1에 나타낸 것과 같이 KS F 2324^{(KATS 2016)}에 준하여 입도, 밀도, 미립분 함량 및 소성지수 등을 평가하였다.

무기성 슬러지의 분석결과는 Table 2와 Fig. 2에 나타낸 것과 같이 75 µm체 통과율 84.4 %, 밀도 2.33 g/cm³로 평가되었으며, 통일분류법에 준하여 분류한 결과 CL군으로 판별되었다.

Fig. 1 Inorganic sludge characteristics test

Fig. 2 Inorganic sludge particle distribution

Table 2 Properties of inorganic sludge

Density (g/cm3)	75 µm passing rate		D10 (mm)		D30 (mm)		D60 (mm)
2.33	84.4		0.006		0.015		0.043
LL (%)		PL (%)		PI		USCS
42		23.2		18.8		CL

Notes: LL=liquid limit, PL=plastic limit, PI=plasticity index, D10, D20, D30=passing rate particle size

2.2.2 결합재

무기성 슬러지를 활용한 유동성 채움재의 특성을 검토하기 위해 사용된 결합재는 국내 A사 보통포틀랜트 시멘트를 사용하였으며, 물리･역학적 특성은 Table 3에 나타낸 것과 같다.

Table 3 Binder properties

Density (g/cm3)	Blaine (cm2/g)	Compressive Strength (MPa)
		3 day	7 day	28 day
2.33	3,400	26.9	39.7	55.9

2.3 실험방법

2.3.1 배합

무기성 슬러지를 활용한 유동성 채움재의 공학적 특성 평가를 위해 주요 실험인자는 Table 4에 나타낸 것과 같이 단위결합재량 및 단위결합재량에 따른 배합성이 확보되는 W/B를 대상으로 실시하였으며, 단위결합재량은 100~160 kg/m³의 범위에서 실시하였다.

배합 방법으로는 ‘무기성 슬러지+배합수’의 구성으로 1분 30초간 교반하여 슬러지의 뭉친 입자를 최소화하고, 결합재를 혼입한 후 1분 30초간 교반을 실시하여 유동성 채움재의 균질성을 확보하고자 하였다.

배합 요인별에 따른 유동성 채움재의 유동성, 재료분리 저항성 및 양생전경, 재령별 압축강도 특성 평가 전경은 Fig. 3에 나타낸 것과 같다.

Table 4 Mix proportion

Unit binder (kg/m3)	W/B (%)	Unit weight (kg/m3)
		Water	Inorganic sludge
100	700	700	625
	725	725	567
	750	750	508
	775	775	450
120	550	660	703
	575	690	633
	600	720	563
	625	750	493
140	500	700	595
	525	735	514
	550	770	432
	575	805	350
160	425	680	627
	450	720	534
	475	760	440
	500	800	347

Fig. 3 Controlled low-strength material (CLSM) characteristics testing

2.3.2 유동성

본 연구에서는 현재 유동성 채움재의 유동성 평가방법으로 가장 널리 사용되고 있는 ^{ASTM D 6103 (2004)} ｢Standard Test Method for Flow Consistency of Controlled Low Strength Material(CLSM)｣에 준하여 직교 2방향으로 측정을 하였다.

2.3.3 재료분리 저항성

유동성 채움재는 고유동성 확보를 위한 혼합수량의 증가로 사용재료 간 밀도 차이에 따라 블리딩수(bleeding water)가 발생할 수 있다.

또한, 본 연구에서 사용된 무기성 슬러지는 생성과정에서 사용된 응집제의 효과로 인해 재료분리 현상이 발생될 가능성이 높아 블리딩 특성에 대한 검토가 필요하며, 평가방법으로는 KS F 2433^{(KATS 2018)} ｢주입 모르타르의 블리딩률 및 팽창률 시험방법｣에 준하여 평가를 수행하였다.

2.3.4 일축압축강도

유동성 채움재의 일축압축강도 측정은 ^{ASTM D 4832 (2002)} ｢Standard Test Method for Preparation and Testing of Controlled Low Strength Material(CLSM) Test Cylinders｣에 준하여 실시하였다. 시험편은 높이와 지름의 비율이 2:1의 실린더 형태인 몰드를 사용하여 높이 100 mm, 지름 50 mm의 공시체를 제작하여 재령에 따른 일축압축강도를 평가하고자 하였으며, 측정장비는 Zwick/Roell사의 50 kN(분해능 0.01 kN) 만능재료시험기를 사용하였다.

3. 실험결과 및 분석

3.1 유동성

현재 유동성 채움재의 유동성에 대한 품질 기준은 미국 및 일본의 각종 표준 및 시방에 규정되어 있다. 본 연구에서는 ‘ACI Committee Report 229’에서 제시하고 있는 ^{ASTM D 6103 (2004)}의 방법으로 평가하였으며, 유동성 채움재는 200 mm 이상의 흐름값을 확보하도록 규정하고 있다.

단위결합재량 및 W/B에 따른 유동성 평가결과는 Table 5 및 Fig. 4, Fig. 5에 나타낸 것과 같으며, W/B값이 증가함에 따라 유동성은 증가하는 경향을 나타내었다.

단위결합재량 100 kg/m³의 조건에서는 W/B 725 % 이상에서 유동성을 충족하는 것으로 나타났으며, 120 kg/m³은 W/B 600 % 이상, 140 kg/m³는 525 % 이상, 160 kg/m³은 475 % 이상의 조건에서 요구되는 유동성을 확보할 수 있는 것으로 나타났다.

단위결합재량이 증가함에 따라 유동성을 확보하는 W/B 값은 감소하는 경향을 나타내었으며, 이와 같은 결과는 유동성 채움재 속의 고형분 함량에 기인한 것으로 판단된다.

Fig. 6은 고형분 함량(S+B)에 다른 유동성을 분석한 결과를 나타낸 것이며, (S+B)/W 값이 증가함에 따라 유동성은 감소하는 경향을 나타낸 것으로 분석되었다. 또한 최소 유동성을 확보하는 조건은 단위결합재량에 따른 차이는 있지만 약 0.9 이하의 조건에서 200 mm 이상의 유동성을 확보할 수 있는 것으로 나타났다.

Table 5 Controlled low-strength material (CLSM) test results

Unit binder (kg/m3)	W/B (%)	Test results
		Flow (mm)	Bleeding (%)	UCS (7 day)	UCS (28 day)
100	700	174.5	1.54	0.18	0.39
	725	264.0	2.04	0.12	0.34
	750	322.5	3.42	0.10	0.16
	775	549.0	5.68	0.06	0.13
120	550	134.5	1.68	0.24	0.35
	575	158.5	2.21	0.22	0.34
	600	208.5	3.69	0.18	0.28
	625	240.0	6.44	0.14	0.22
140	500	171.5	1.64	0.34	0.52
	525	257.5	6.26	0.20	0.29
	550	287.5	9.35	0.21	0.27
	575	332.0	13.38	0.12	0.23
160	425	82.5	-	1.07	1.40
	450	184.0	0.21	0.56	0.79
	475	236.0	1.40	0.34	0.52
	500	295.5	2.04	0.27	0.38

Fig. 4 Flow and bleeding (binder 100-120 kg/m3)

Fig. 5 Flow and bleeding (binder 140-160 kg/m3)

Fig. 6 Flow analysis by (S+B)/W

3.2 재료분리 저항성

미국 ‘ACI Committee Report 229’에서는 유동성 채움재에 대한 재료분리 저항성에 대해 별도로 품질관리 지침을 제안하고 있지는 않지만, 일본 동경도 건설국의 ｢토목재료사양서｣ 및 ｢하수도 미보급 해소기술 이용가이드(안)_유동화처리토의 관로 시공 이용편｣^{(TMGBC 2009a, 2009b)}에서는 유동성 채움재의 적용 용도별에 따라 블리딩률에 대한 규정을 제시하고 있으며, 용도에 따라 1~3 % 미만의 품질 규정을 적용하고 있다.

배합 요인별에 따른 블리딩 특성은 Table 5 및 Fig. 4, Fig. 5에 나타낸 것과 같으며, 유동성과 동일한 경향으로 W/B 값이 증가함에 따라 블링수 발생량은 증가하는 것으로 확인되었다. 본 연구에서 적용한 배합 조건을 대상으로 3 % 이하의 재료분리 저항성을 충족시키는 배합은 단위결합재량 조건별 상이하게 나타났으며, 이와 같은 결과는 단위결합재량 변화에 따라 유동성 채움재 속의 고형분 함량에 기인한 것으로 판단된다.

Fig. 7은 (S+B)/W의 조건별 블리딩률을 나타낸 것으로 (S+ B)/W의 값이 감소함에 따라 재료분리 현상은 증가하는 것으로 확인되었다.

Fig. 7 Bleeding rate analysis by (S+B)/W

3.3 일축압축강도

무기성 슬러지의 유동성 채움재 적용을 위해서는 앞서 분석한 유동성 및 재료분리 저항성 이외에 압축강도를 확보해야 한다. 본 연구에서 단위결합재 조건별 W/B를 변화시켜 압축강도를 측정한 결과는 Fig. 8 및 Fig. 9와 같으며, W/B 값이 증가함에 따라 압축강도는 감소하는 경향을 나타내었다.

유동성 채움재 기술을 상용화하고 있는 미국의 경우 최소 압축강도는 0.3 MPa 이상으로 규정하고 있으며, 유동성 채움재의 현장 적용 시 노반재 포설 등의 후속공정 도입을 위해 최소 재령 7일에서 0.3 MPa 이상을 확보하는 것이 실효성이 있을 것으로 판단된다. 본 실험에서 적용한 배합 조건에서는 단위결합재량 160 kg/m³ 및 W/B 425~475 %의 배합조건에서 확보 가능한 것으로 나타났다.

또한, 유동성 채움재의 관 뒤채움용으로 적용할 때 추후 재굴착이 필요할 경우를 대비해 최종 강도에 대한 상한치를 규정하고 있으며, 19 mm 이하의 골재가 함유된 유동성 채움재의 경우 1.4 MPa 이하, 플라이애시 등의 미립분으로 이루어진 유동성 채움재의 경우 2.1 MPa까지 재굴착성을 확보하는 것으로 명시하고 있어 본 실험에서는 미립분으로 구성된 무기성 슬러지를 적용하여 2.1 MPa를 상한치로 적용하여도 무방할 것으로 판단된다. 재령 28일 압축강도 결과를 검토해보면 단위결합재량이 가장 높은 160 kg/m³의 조건에서 최대 1.4 MPa의 압축강도를 발현하는 것으로 나타났다.

Fig. 8 Compressive strength (binder 100-120 kg/m3)

Fig. 9 Compressive strength (binder 140-160 kg/m3)

4. 결 론

무기성 슬러지를 활용한 유동성 채움재의 단위결합재량 및 W/B의 조건에 따른 물리･역학적 특성을 검토한 결과는 다음과 같다.

1) 유동성 채움재의 적용을 위한 무기성 슬러지의 특성 분석을 위해 KS F 2324^{(KATS 2016)}에 따라 실시한 결과 75 µm 통과율 84.4 % 수준의 미립분으로 구성된 것으로 나타났으며, 공학적 분류 결과 저소성 점토질(CL)로 분류되었다.

2) 단위결합재량 및 W/B의 조건에 따라 유동성을 측정한 결과 W/B 값이 증가할수록 유동성이 증가하였으며, ‘ACI Committe 229(2005)’에서 규정하고 있는 최소 유동성을 확보하는 배합은 단위결합재량 조건 별 상이한 것으로 나타났다. 이와 같은 결과는 (S+B)/W의 조건에 기인한 것으로 판단되며, 약 0.9 이하의 조건에서 최소 유동성을 확보할 수 있다.

3) 배합요인에 따른 블리딩 특성은 유동성과 동일한 경향으로 W/B 값이 증가함에 따라 블리딩률은 증가하는 것으로 나타났으며, (S+B)/W의 값이 감소함에 따라 블리딩률은 증가하는 것으로 나타났다.

4) 배합요인에 따른 압축강도 특성은 W/B 값이 증가할수록 발현되는 압축강도가 감소하였으며, 유동성 채움재의 최소 요구강도인 0.3 MPa을 재령 7일에서 확보하는 배합은 단위결합재량 160 kg/m³ 및 W/B 425~475 %의 조건으로 확인되었다. 본 연구에서 적용된 배합 조건 중 유동성과 재료분리 저항성, 압축강도를 동시에 충족시키는 배합 조건은 단위결합재량 160 kg/m³ 및 W/B 475 %의 조건으로 도출되었다.

5) 유동성 및 재료분리저항성, 압축강도의 성능을 충족시키는 배합조건을 대상으로 국립환경과학원고시 제2023-17에 준하여 폐기물 공정시험을 실시한 결과 기준치를 모두 충족시키는 것으로 나타났다.

6) 무기성 슬러지를 활용한 유동성 채움재는 기존 굴착토, 산업부산물 등을 활용한 유동성 채움재^{(Lee et al. 2010, 2018; Kim et al. 2019)} 또는 관련 표준에서 요구하는 역학적 특성을 충족시키기 위한 단위결합재량이 상대적으로 높은 것으로 나타났으며, 이와 같은 결과는 무기성 슬러지의 응집제에 기인한 것으로 판단된다.

7) 무기성 슬러지의 발생 공정에서 사용되는 응집제의 양에 대한 품질관리가 이루어진다면 응집제 사용에 따른 유동성 채움재의 품질특성 변화를 최소화 할 수 있을 것으로 판단되며, 후속적인 연구를 통해 무기성 슬러지의 활용성을 향상 시킬 수 있을 것으로 판단된다.