표제지

국문요약

목차

제1장 서론 15

1.1. 연구목적 15

1.2. 연구동향 17

1.3. 연구방법 19

제2장 석재산업 및 석분슬러지 21

2.1. 우리나라 지질현황 21

2.1.1. 한반도 지질과 지형특성 21

2.1.2. 암석별 분포지역 및 특성 23

2.1.3. 지역별 암석의 분포 25

2.2. 석재산업 26

2.2.1. 석재산업의 현황 26

2.2.2. 석재산업의 규모 27

2.3. 석분 슬러지 28

2.3.1. 석재 가공 과정 28

2.3.2. 석분슬러지 발생과정 29

2.3.3. 석분슬러지의 기본적 특성 31

2.3.4. 석분슬러지의법적기준 33

2.3.5. 석분슬러지의 유해성 조사 35

제3장 기존이론 39

3.1. 차수재 39

3.1.1. 투수이론 39

3.1.2. 투수계수 결정방법 41

3.1.3. 차수시설 43

3.2. 포장재 46

3.2.1. 소일시멘트의 원리 46

3.2.2. 소일시멘트의 작용 메카니즘 49

3.3. 준설매립재 51

3.3.1. 준설토의 침강특성 51

3.3.2. 자중압밀이론 59

제4장 재료특성 및 실험방법 64

4.1. 재료의 특성 64

4.2. 실험내용 66

4.2.1. 차수재 혼합비 66

4.2.2. 포장재 혼합비 67

4.2.3. 준설매립재 혼합비 68

4.3. 실험방법 69

4.3.1. 차수재 실험 69

4.3.2. 포장재 실험 70

4.3.3. 준설매립재 실험 74

제5장 실험 결과 및 고찰 78

5.1. 개요 78

5.2. 차수재 78

5.2.1. 다짐 특성 78

5.2.2. 지지력 특성 82

5.2.3. 차수 특성 84

5.3. 포장재 88

5.3.1. 석분슬러지 혼합률에 따른 강도특성 88

5.3.2. 시멘트 혼합률에 따른 강도특성 105

5.3.3. 석분슬러지 혼합률에 따른 휨 인장강도특성 110

5.3.4. 시멘트에 따른 강도특성 111

5.3.5. 압축강도와 탄성계수의 관계 112

5.4. 준설매립재 120

5.4.1. 자중압밀실험 120

5.4.2. 석분슬러지 혼합률에 따른 콘 지수 124

5.4.3. 물리적 특성 127

제6장 활용방안 136

6.1. 차수재로서의 활용성 136

6.2. 포장재로서의 활용성 139

6.3. 준설매립재로서의 활용성 142

제7장 결론 148

참고문헌 150

Abstract 154

표 2.1. 재단 톱에 따른 석분슬러지 발생량 31

표 2.2. 유해 물질 함유량 기준 34

표 2.3. 석재 폐수의 물리적 특성 35

표 2.4. 석분슬러지의 성분 조사 36

표 2.5. 석분슬러지의 유해성 용출실험 결과 37

표 3.1. 자중압밀 시점에 대한 정의 및 결정방법 60

표 4.1. 각 재료의 물리적 특성 65

표 4.2. 석분슬러지-벤토나이트-화강토 혼합토의 혼합비 66

표 4.3. 석분슬러지-화강토-보통포틀랜드시멘트 혼합토의 혼합비 67

표 4.4. 석분슬러지-카올리나이트 혼합토의 혼합비 68

표 5.1. 석분슬러지-벤토나이트-화강토 혼합토의 투수계수 86

표 5.2. 기중양생조건에서 보통포틀랜드시멘트 혼합토의 압축강도 100

표 5.3. 기중양생조건에서 고로슬래그시멘트 혼합토의 압축강도 101

표 5.4. 담수양생조건에서 보통포틀랜드시멘트 혼합토의 압축강도 103

표 5.5. 담수양생조건에서 고로슬래그시멘트 혼합토의 압축강도 104

표 5.6. 혼합비에 따른 휨 인장강도 110

표 5.7. 시멘트에 따른 담수양생조건의 압축강도 111

표 5.8. 초기함수비, 석분슬러지 혼합률에 따른 침강압밀계수 123

표 5.9. 석분슬러지 혼합률에 따른 퇴적토의 물리적 특성 128

표 6.1. 석분슬러지-벤토나이트-화강토 혼합토의 투수계수 138

표 6.2. 초기함수비 1200% 퇴적층의 심도별 통일분류 143

표 6.3. 조건별 압밀계수와 t90(이미지참조) 147

그림 2.1. 대한민국 지질도 22

그림 2.2. 석재 가공 공정 29

그림 2.3. 석분슬러지 발생과정 30

그림 2.4. 폐수처리 공정도 32

그림 2.5. 포천 석분슬러지의 화학적 조성 분석결과 36

그림 3.1. Darcy 실험장치 39

그림 3.2. 정수위 실험장치 모식도 41

그림 3.3. 변수위 실험장치 모식도 42

그림 3.4. 폐기물 관리법 기준에 의한 폐기물 매립지 수평차수재 44

그림 3.5. 2개 층의 탄성지반 하중분산상태 49

그림 3.6. 소일시멘트와 토립자간 반응 메카니즘 50

그림 3.7. 침강퇴적·압밀침강과정의 형태 52

그림 3.8. 구간침강의 전형적인 침강곡선 53

그림 3.9. Yano의 자중압밀 침하량 예측방법 59

그림 3.10. 계면고와 실질토량고의 관계 62

그림 4.1. 각 재료의 입도분포 곡선 65

그림 4.2. 삼축압축실험기 70

그림 4.3. 공시체 제작몰드와 제작된 소일시멘트 71

그림 4.4. 휨 인장 몰드와 공시체 71

그림 4.5. 만능재료실험기 73

그림 4.6. 자중압밀실험기 구성도 74

그림 4.7. 자중압밀실험기 75

그림 4.8. 자중압밀 실험순서 76

그림 5.1. (a) 석분슬러지 함유량에 따른 다짐특성(석분슬러지 0%) 79

그림 5.1. (b) 석분슬러지 함유량에 따른 다짐특성(석분슬러지 5%) 80

그림 5.1. (c) 석분슬러지 함유량에 따른 다짐특성(석분슬러지 10%) 80

그림 5.1. (d) 석분슬러지 함유량에 따른 다짐특성(석분슬러지 15%) 81

그림 5.2. 석분슬러지 함유율에 따른 ydmax의 변화특성(이미지참조) 81

그림 5.3. 최적함수비의 변화 82

그림 5.4. 노상토 지지력비 값의 변화 83

그림 5.5. 팽창비의 변화 84

그림 5.6. 시간에 따른 투수계수의 변화 85

그림 5.7. (a) 투수계수의 변화(석분슬러지) 87

그림 5.7. (b) 투수계수의 변화(벤토나이트) 87

그림 5.8. (a) E-혼합률에 대한 응력-변형률 곡선(E-1 혼합토) 89

그림 5.8. (b) E-혼합률에 대한 응력-변형률 곡선(E-2 혼합토) 89

그림 5.8. (c) E-혼합률에 대한 응력-변형률 곡선(E-3 혼합토) 90

그림 5.8. (d) E-혼합률에 대한 응력-변형률 곡선(E-4 혼합토) 90

그림 5.8. (e) E-혼합률에 대한 응력-변형률 곡선(E-5 혼합토) 91

그림 5.8. (f) E-혼합률에 대한 응력-변형률 곡선(E-6 혼합토) 91

그림 5.8. (g) E-혼합률에 대한 응력-변형률 곡선(E-7 혼합토) 92

그림 5.8. (h) E-혼합률에 대한 응력-변형률 곡선(E-8 혼합토) 92

그림 5.8. (i) E-혼합률에 대한 응력-변형률 곡선(E-9 혼합토) 93

그림 5.8. (j) E-혼합률에 대한 응력-변형률 곡선(E-10 혼합토) 93

그림 5.9. (a) F-혼합률에 대한 응력-변형률 곡선(F-1 혼합토) 94

그림 5.9. (b) F-혼합률에 대한 응력-변형률 곡선(F-2 혼합토) 94

그림 5.9. (c) F-혼합률에 대한 응력-변형률 곡선(F-3 혼합토) 95

그림 5.9. (d) F-혼합률에 대한 응력-변형률 곡선(F-4 혼합토) 95

그림 5.9. (e) F-혼합률에 대한 응력-변형률 곡선(F-5 혼합토) 96

그림 5.9. (f) F-혼합률에 대한 응력-변형률 곡선(F-6 혼합토) 96

그림 5.9. (g) F-혼합률에 대한 응력-변형률 곡선(F-7 혼합토) 97

그림 5.9. (h) F-혼합률에 대한 응력-변형률 곡선(F-8 혼합토) 97

그림 5.9. (i) F-혼합률에 대한 응력-변형률 곡선(F-9 혼합토) 98

그림 5.9. (j) F-혼합률에 대한 응력-변형률 곡선(F-10 혼합토) 98

그림 5.10. 기중양생에서 보통포틀랜드시멘트 혼합토의 재령일에 따른 압축강도 100

그림 5.11. 기중양생에서 고로슬래그시멘트 혼합토의 재령일에 따른 압축강도 101

그림 5.12. 담수양생에서 보통포틀랜드시멘트 혼합토의 재령일에 따른 압축강도 103

그림 5.13. 담수양생에서 고로슬래그시멘트 혼합토의 재령일에 따른 압축강도 104

그림 5.14. (a) 양생조건과 양생기간에 따른 압축강도변화(시멘트의 혼합률 5%) 106

그림 5.14. (b) 양생조건과 양생기간에 따른 압축강도변화(시멘트의 혼합률 10%) 106

그림 5.14. (c) 양생조건과 양생기간에 따른 압축강도변화(시멘트의 혼합률 15%) 107

그림 5.15. (a) 양생조건과 양생기간에 따른 압축강도변화(시멘트의 혼합률 5%) 108

그림 5.15. (b) 양생조건과 양생기간에 따른 압축강도변화(시멘트의 혼합률 10%) 108

그림 5.15. (c) 양생조건과 양생기간에 따른 압축강도변화(시멘트의 혼합률 15%) 109

그림 5.16. (a) 양생방법에 따른 압축강도와 탄성계수의 관계(보통포틀랜드 시멘트) 113

그림 5.16. (b) 양생방법에 따른 압축강도와 탄성계수의 관계(고로슬래그 시멘트) 113

그림 5.17. (a) 양생기간에 따른 압축강도와 탄성계수의 관계(보통포틀랜드 시멘트) 115

그림 5.17. (b) 양생기간에 따른 압축강도와 탄성계수의 관계(고로슬래그 시멘트) 115

그림 5.18. (a) 시멘트 혼합률에 따른 압축강도와 탄성계수의 관계(보통포틀랜드 시멘트) 117

그림 5.18. (b) 시멘트 혼합률에 따른 압축강도와 탄성계수의 관계(고로슬래그 시멘트) 117

그림 5.19. (a) 석분슬러지-화강토 혼합률에 따른 압축강도와 탄성계수의 관계 (보통포틀랜드 시멘트) 119

그림 5.19. (b) 석분슬러지-화강토 혼합률에 따른 압축강도와 탄성계수의 관계 (고로슬래그 시멘트) 119

그림 5.20. (a) 시간에 따른 계면고 변화(G-1 혼합토) 121

그림 5.20. (b) 시간에 따른 계면고 변화(G-2 혼합토) 121

그림 5.20. (c) 시간에 따른 계면고 변화(G-3 혼합토) 122

그림 5.20. (d) 시간에 따른 계면고 변화(G-4 혼합토) 122

그림 5.21. (a) 석분슬러지 혼합률에 따른 콘 관입심도(G-1 혼합토) 125

그림 5.21. (b) 석분슬러지 혼합률에 따른 콘 관입심도(G-2 혼합토) 125

그림 5.21. (c) 석분슬러지 혼합률에 따른 콘 관입심도(G-3 혼합토) 126

그림 5.21. (d) 석분슬러지 혼합률에 따른 콘 관입심도(G-4 혼합토) 126

그림 5.22. (a) 석분슬러지 혼합률에 따른 함수비(G-2 혼합토) 129

그림 5.22. (b) 석분슬러지 혼합률에 따른 함수비(G-3 혼합토) 129

그림 5.22. (c) 석분슬러지 혼합률에 따른 함수비(G-4 혼합토) 130

그림 5.23. (a) 석분슬러지 혼합률에 따른 심도별 입도분포곡선 (G-1 혼합토) 130

그림 5.23. (b) 석분슬러지 혼합률에 따른 심도별 입도분포곡선 (G-2 초기함수비 400%) 131

그림 5.23. (c) 석분슬러지 혼합률에 따른 심도별 입도분포곡선 (G-2 초기함수비 800%) 131

그림 5.23. (d) 석분슬러지 혼합률에 따른 심도별 입도분포곡선 (G-2 초기함수비 1200%) 132

그림 5.23. (e) 석분슬러지 혼합률에 따른 심도별 입도분포곡선 (G-3 초기함수비 400%) 132

그림 5.23. (f) 석분슬러지 혼합률에 따른 심도별 입도분포곡선 (G-3 초기함수비 800%) 133

그림 5.23. (g) 석분슬러지 혼합률에 따른 심도별 입도분포곡선 (G-3 초기함수비 1200%) 133

그림 5.23. (h) 석분슬러지 혼합률에 따른 심도별 입도분포곡선 (G-4 초기함수비 400%) 134

그림 5.23. (i) 석분슬러지 혼합률에 따른 심도별 입도분포곡선(G-4 초기함수비 800%) 134

그림 5.23. (j) 석분슬러지 혼합률에 따른 심도별 입도분포곡선(G-4 초기함수비 1200%) 135

그림 6.1. 석분슬러지 함유율에 따른 ydmax의 변화특성(이미지참조) 136

그림 6.2. 시간에 따른 투수계수의 변화 137

그림 6.3. 석분슬러지 함유량에 따른 투수계수의 변화 138

그림 6.4. 석분슬러지 함유량에 따른 노상토 지지력비 값의 변화 140

그림 6.5. 석분슬러지 함유량에 따른 팽창비의 변화 141

그림 6.6. 초기 함수비에 따른 침강속도 143

그림 6.7. 석분슬러지 함유량에 따른 e-logP곡선 144

그림 6.8. 석분슬러지 함유량에 따른 압밀계수 Cv의 변화(이미지참조) 145

그림 6.9. 석분슬러지 함유량에 따른 체적변화계수 mv의 변화(이미지참조) 146

그림 6.10. 석분슬러지 함유량에 따른 시간-침하 곡선 146

석재 가공과정 중 발생되는 석분슬러지는 적절한 활용방안이 없어 산업폐기물로 지정 처리되고 있다. 석분슬러지는 석재의 가공과정에서 발생된 유해성 없는 자연 재료로서 활용방안만 마련되면 언제든지 자원으로 재활용이 가능하다. 그러므로 석분슬러지의 특성을 조사 분석하고 실험을 통한 자료를 바탕으로 활용가능한 방안을 모색하고 이를 활성화하여 자원의 재활용 및 환경문제를 동시에 해결하고 경제적 이익도 확보할 수 있는 방안을 제시하고자 한다.

본 연구는 석분슬러지를 재활용하여 고갈되어가는 천연골재의 대체 자원으로 활용하고자 석분슬러지의 혼합비를 달리하여 벤토나이트와 화강토를 혼합한 혼합토를 일련의 투수시험, 다짐시험, 지지력비시험 등을 통하여 산지의 사방댐, 인공호수 및 매립지 등의 차수시설용 건설재료로서 활용성을 검토하였다. 그 결과 차수재로서의 투수계수 규정을 충족하는 혼합토의 혼합비는 벤토나이트 10%이상을 함유하고 석분슬러지 혼합률이 10%이내일 경우가 적합한 것으로 나타났다.

석분슬러지에 화강토와 시멘트를 혼합한 소일시멘트 공시체를 제작하여 압축강도 및 휨 인장강도시험을 실시하고 강도특성을 분석하여 공원 산책로, 자전거도로 등과 같이 포장재로의 활용가능성을 검토하였다. 보통포틀랜드 시멘트 또는 고로슬래그 시멘트를 혼합한 공시체의 압축강도는 담수양생조건에서 석분슬러지 및 시멘트의 혼합률이 많아질수록 높은 강도가 발현되었으며 이 경우 석분슬러지의 혼합률이 전체 중량비의 50%를 넘지 않아야 한다.

석분슬러지를 혼합한 소일시멘트의 휨강도는 압축강도의 1.25∼1.67배로 나타났고 지지력비는 6.64∼11.33사이의 값을 나타내므로 공원의 산책로와 같은 큰 하중이 가해지지 않는 도로포장에는 주변토사와 혼합하여 사용함으로서 자연친화적인 질감과 색감의 조화를 이룰 수 있어서 매우 유용할 것으로 판단된다.

석분슬러지에 카올리나이트를 혼합한 혼합토를 초기함수비 조건을 달리하고 자중 압밀실험기로 투기실험을 실시하여 석분슬러지의 혼합률에 따른 침강특성과 압밀특성을 분석하여 준설매립재로서의 활용성을 검토하였다. 혼합토의 침강속도는 석분슬러지의 혼합률과 초기함수비의 증가에 따라 침강압밀계수가 증가하였고 콘 지수도 증가하였으며 석분슬러지의 혼합률이 증가할수록 실트질 점토와 유사한 압밀특성을 보이고 있다. 퇴적층의 함수비 변화는 상층부의 함수비가 중, 하층의 함수비보다 크게 나타났으며 석분슬러지의 혼합률이 많을수록 함수비는 감소하였다. 그러므로 점성토를 준설투기 하는 지역에서는 준설투기 시 석분슬러지를 혼합함으로서 압밀속도를 빠르게 유도할 수 있는 장점과 더불어 자원재활용으로 인한 경제적 이익을 얻을 수 있을 것으로 판단된다.