플루오르집섬을 이용한 점토의 일축압축강도 특성분석

Analysis of the Unconfined Compressive Strength of Fluorogypsum-based Clay Composite Binders

Article information

J. Korean Soc. Hazard Mitig. 2017;17(6):375-381
Publication date (electronic) : 2017 December 31
doi : https://doi.org/10.9798/KOSHAM.2017.17.6.375
장정연*, 정종원
* Member, Ph.D. Student, Zachry Department of Civil engineering, Texas A&M University
**Corresponding Author, Member, Assistant Professor, School of Civil Engineering, Chungbuk National University (Tel: +82-43-261-2405, Fax: +82-43-275-2377, E-mail: jjung@chungbuk.ac.kr)
Received 2017 September 04; Revised 2017 September 05; Accepted 2017 September 11.

Abstract

도시기반시설의 확충을 위한 연약지반의 활용에 대한 관심이 고조되고 있다. 이에 연약지반이 지닌 취약점을 지속적으로 개선해 나가야 한다. 연약지반을 개량하는 공법으로는 시멘트를 첨가하는 방법이 주로 이용되어 왔다. 하지만, 시멘트를 생산하는 과정에서 생산되는 온실가스 배출을 고려해야 한다. 시멘트보다 온실가스 배출이 적은 산업부산물을 활용하는 연약지반 개량공법이 활용되는 추세이다. 본 연구에서는 많은 산업부산물 중에서, 인체와 환경에 무해한 플루오르집섬(Fluorogypsum, FG)을 시멘트의 대체재로 활용하고자 한다. 카오리나이트(Kaolinite)에 플루오르집섬(FG)과 라임(Lime)을 혼합한 혼합토의 일축압축강도를 측정함으로써, 플루오르집섬(FG)를 활용한 연약지반의 강도특성을 파악하였다. 또한, X선 회절분석(XRD)을 통해 실험재료들의 화학성분을 파악하고, 플루오르집섬(FG)을 활용한 혼합토의 입자 구조 변화를 전자현미경분석(SEM)을 이용하여 분석하였다. 실험결과, 플루오르집섬(FG) 또는 라임(Lime)의 함유량이 커질수록 플루오르집섬(FG)을 포함한 혼합토의 일축압축강도증진을 보였고, 또한 양생기간이 길어질수록 플루오르집섬(FG)을 포함한 혼합토의 일축압축강도가 증진되는 효과를 확인하였다. 따라서, 플루오르집섬(FG)은 연약지반을 개량할 수 있는 재료로 충분히 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

Trans Abstract

The usage of soft ground for the expansion of urban infrastructure has gradually interested. Thus, the vulnerability of soft ground should be constantly improved. One of the soft ground improvement methods is the utilization of industrial by-products that emit less greenhouse gas than a cement. Of the many industrial by-products, Fluorogypsum(FG), harmless to humans and environment, is used as a substitute for a cement. The strength characteristics of the soft grounds using FG were investigated by measuring the unconfined compressive strength of mixed clays that were consisted of FG, lime, and kaolinite. In addition, the chemical compositions of experimental materials was analyzed by XRD, and the change of particle structures of mixed clays was analyzed by electron microscope(SEM). As a result, the strength of the mixed clay was increased as FG or lime content increased, and the effect of increasing the strength of mixed clays was confirmed with longer curing period. Therefore, it is considered that Fluorogypsum(FG) can be fully utilized as a material capable of improving soft grounds.

1. 서론

최근 국토 균형 발전을 위한 대규모 도시기반 시설들의 건설이 급증함에 따라, 연약지반을 포함한 지역의 발전이 불가피해지고 있다. 그러나, 연약지반이 지닌 지반공학적인 취약점들(지반의 부등변위, 저강도, 고압축성, 비효율적인 시공성 등)로 인하여 시공시 많은 어려움을 겪고 있다 (Chemeda et al., 2015; Tilak et al., 2015). 이러한 연약지반을 안정화하는 유용한 공법 중 하나는 기존의 불안정한 흙을 제거하고 안정적인 물질로 대체하는 것이다(Ghobadi et al., 2014). 하지만, 이 공법은 비용 부담이 크기 때문에, 많은 연구자들은 연약지반을 대체하는 대신 개량하는 공법을 제안하고 있다(Ghobadi et al., 2014).

연약지반의 개량을 위해 시멘트 접합제(Cementing material) 등을 주입하는 공법이 제안되고 있다. 시멘트 접합제로는 시멘트(Cement), 라임(Lime), 아스팔트(Asphalt) 등이 제안되고 있다(Basha et al., 2005). 특히, 시멘트를 활용한 연약지반 개량공법이 가장 활발히 사용되고 있다(Ghobadi et al., 2014; Horpibulsuk et al., 2005). 예를 들어, 점토 지반에 5% 및 8% 시멘트를 주입하였을 때 일축압축 강도가 0.4 MPa와 0.63 MPa로 크게 증가한다(Tang et al., 2007). 하지만, 소량의 시멘트로 크게 강도 증가를 얻을 수 있는 장점에도 불구하고, 시멘트 생산과정에서 배출되는 다량의 온실가스는 지구 온난화에 큰 영향을 끼치고 있는 실정이다.

온실가스 배출의 감소를 위하여, 고로슬래그(Blast furnace slag), 실리카흄(Silica fume), 플라이 애쉬(Fly ash), 또는 플루오르집섬(Fluorogypsum, FG) 등이 시멘트의 대체재로 제안되고 있다(Garg and Pundir 2015; Yan et al., 1999). 이 중 플루오르집섬(Fluorogypsum, FG)은 형석과 황산을 이용하여 플루오린화수소산(Hydrofluoric acid)을 생산하는 과정에서 발생하는 산업부산물의 일종으로 낮은 수경성을 지니고 있다(Yan et al., 1999). 매년 많은 양(예를들어, 미국에서 매년 10만톤 가량 생산)이 생산되는 플루오르집섬(FG)은 인체와 환경에 무해하다고 여겨진다(Tao and Zhang 2005). 또한, 플루오르집섬(FG)은 강도 증가에도 크게 기여한다. 예를들어, 플루오르집섬(FG)에 라임(Lime) 또는 석회석(Limestone)을 혼합한 재료는 높은 강도와 강성을 보여주고 있다(Wu et al., 2010). 그리고, 플루오르집섬(FG)에 GGBFS(a grade 120 granulated ground blast furnace slage)를 섞은 재료는 물에 대한 저항성 및 강도가 증가하고, 부피변화와 팽창에 관한 장기적인 지속성이 강화되는 것으로 알려졌다(Wu et al., 2010). 이러한 장점들로 인해, 플루오르집섬(FG)은 시멘트의 대체재로 크게 각광받고 있는 실정이나, 점토의 강도 증가를 위한 사용 방법에 대한 구체적인 연구가 부족하다. 따라서, 본 연구에서는 플루오르집섬(FG), 라임(Lime), 그리고 카오리나이트(Kaolinite)를 섞은 혼합토의 일축압축강도를 측정하여, 플루오르집섬을 활용한 연약지반개량 특성을 규명하고자 한다.

2. 실험재료 및 실험방법

2.1 실험 재료

본 연구에서 사용된 실험 재료들은 플루오르집섬(FG), 라임(Lime) 그리고 대표적인 점토인 카오리나이트(Kaolinite)이다. Table 1은 XRD를 이용한 플루오르집섬(FG)의 화학적 성분이며, 그 결과를 기존의 연구들과 비교하였다. 본 연구에서 사용된 플루오르집섬(FG)은 기존의 연구들과 같이 많은 양의 CaO 및 SO3를 포함하고 있음을 알 수 있다.

Comparison of Fluorogypsum (FG) with Previous Papers by XRD Analysis

Fig. 1은 X선 회절분석기(PANalytical X-ray Diffractometer)를 이용하여 플루오르집섬(FG), 라임(Lime), 및 카오리나이트(Kaolinite)의 화학적 성분 분포를 나타낸다. 플루오르집섬(FG)에서는 높은 에너지의 집섬(Gypsum, CaSO4⋅2H2O), 안하이드라이트(Anhydrite, CaSO4), 및 무스코바이트(Muscovite)가 관찰되었다. 특히, 상대적으로 잦은 빈도로 높은 에너지의 집섬(Gypsum)이 발견되었다(Fig. 1(a)). 라임(Lime)에서는 칼슘 카보네이트(Calcium Carbonate,CaCO3)와 라임(Slaked lime), 및 낮은 에너지의 카오리나이트(Kaolinite)가 관찰되었다(Fig. 1(b)). 카오리나이트(Kaolinite)에서는 높은 에너지의 순수 카오리나이트(Kaolinite)와 무스코바이트(Muscovite)가 많이 발견되었다(Fig. 1(c)).

Fig. 1

XRD Results of Fluorogypsum (FG), Lime, and Kaolinite

2.2 공시체 제작

공시체를 제작하기 위해서 먼저 배합비에 따른 플루오르집섬(15%, 30%), 라임(2%, 5%), 및 카오리나이트(Kaolinite)를 준비하였다. 흙의 다짐시험을 통해 얻어진 최적함수비와 최대건조중량을 기반으로 각각 재료의 중량비를 결정하였다(Jafari and Esna-ashari 2012). 우선 계산된 각 재료의 양과 물을 준비하였다. 세 가지 실험재료가 골고루 섞기 위하여, 재료의 양이 많은 순서대로(카오리나이트(Kaolinite) → 플루오르집섬(FG) → 라임(Lime)) 최소 10여분동안 고르게 섞었다. 잘 섞여진 재료에 물을 조금씩 넣어주면서 혼합된 재료를 고르게 섞어주었다. 직경 76.2 mm인 PVC몰드에 잘 섞여진 재료를 5층으로 나누어 넣고, 각 층마다 304.8 mm의 높이에서 햄머(2.5 kg)를 11회씩 낙하시켜 다졌다. 각 층당 다짐횟수는 표준다짐시험의 다짐에너지(600 kN-m/m3)로 결정되었다(ASTM D698). 시료를 다질때 숙련도에 따른 압축강도의 영향을 최소화하기 위해 한 사람이 다짐을 시행하였다(Kim et al., 2002). 목표 높이인 152.4 mm에 도달할 수 있도록 해머의 무게와 낙하 높이를 최대한 일정하게 유지하며 다짐을 실시하였다. 또한, 공시체의 최소 직경은 기준인 30 mm보다 크게 제작되었다. 직경은 76.2 mm으로 제작되었고, ASTM규정(ASTM D2166)에 따라, 일축압축강도시험에 사용될 공시체의 높이와 직경의 비는 2로 유지되었다.

2.3 실험방법

플루오르집섬(15%, 30%) 및 라임(2%, 5%)의 배합비, 양생기간(7일, 28일)에 따른 일축압축강도 특성 실험을 실시하였다. 플루오르집섬(FG), 라임(Lime), 및 카오리나이트(Kaolinite)에 대하여 배합비와 양생기간에 따라 각 조건에서 3개의 공시체를 제작한 후, 일축압축시험장비(TRI-SCAN 100, Humboldt)를 이용하여 일축압축강도를 측정하였다 (ASTM D2166). 총 측정된 공시체 수는 24개이다.

3. 실험결과 및 고찰

3.1 플루오르집섬(FG) 양에 따른 강도 변화

Fig. 2는 플루오르집섬(FG)의 양에 따른 일축압축강도 변화를 나타낸다. 양생기간 7일 및 28일의 경우 모두 플루오르집섬(FG)의 양이 증가함에 따라 일축압축강도가 증가함을 보여 준다(Fig. 2). 7일간 양생한 시료의 경우, 플루오르집섬(FG)의 양이 15%에서 30%로 증가함에 따라 약 51~126%의 일축압축강도 증가를 보이고 있다(Fig. 2(a)). 이에 반해, 28일간 양생한 경우, 라임(lime)이 2%일 때 플루오르집섬(FG) 15%에서 30%로 증가함에 따라 일축압축강도가 약 18%의 강도증가를 보임에 반해, 라임(lime)이 5%일 때 플루오르집섬(FG) 15%에서 30%로 증가함에 따라 일축압축강도가 약 190% 이상 크게 강도증가를 보인다(Fig. 2(b)). 이러한 실험 결과는 플루오르집섬(FG)-플라이 애쉬(Fly ash)-시멘트(Cement)를 섞은 혼합토에서, 플루오르집섬(FG)의 양이 31~40%인 경우 가장 크게 강도가 나타난 기존의 연구결과와 일치함을 나타낸다(Yan and Yang, 2000).

Fig. 2

Effect of Fluorogypsum Contents on Unconfined Compresive Strength of Fluorogypsum(FG)-lime-kaolinite Composites

3.2 라임(Lime)의 양에 따른 강도 변화

Fig. 3은 라임(Lime)의 양에 따른 일축압축강도 변화를 나타낸다. 15%의 플루오르집섬(FG)을 포함하고 7일간 양생된 혼합토의 경우, 라임(Lime)의 양이 증가함에 따라 일축압축강도가 증가하였지만, 플루오르집섬(FG)의 양이 30%일 경우에는 라임(Lime)의 양이 증가함에도 불구하고 일축압축강도가 다소 감소하는 경향을 보인다(Fig. 3(a)). 이에 반해, 28일간 양생된 혼합토는 플루오르집섬(FG)의 양에 관계없이, 라임(Lime)의 양이 증가함에 따라 일축압축강도가 크게 증가한다(Fig. 3(b)). 또한, 28일간 양생한 플루오르집섬(FG)의 양이 30%인 혼합토의 일축압축강도는 라임(Lime)의 양이 2%에서 5%로 증가함에 따라 약 2배정도 증가한다(Fig. 3(b)). 이러한 일축압축강도 증가는 라임(Lime)양의 증가에 따른 시멘트 함량이 증가하고, 또한 C-S-H와 Ca(OH)2가 충분히 생성되었기 때문이다. 이러한 결과는 기존의 라임(Lime)을 활용한 강도실험의 결과와 유사하게 나타나고 있다(Kim and Kang, 2010; Yan and Yang, 2000). 또한, 플라이 애쉬(Fly ash)- 라임(Lime)-모래의 혼합토를 30일동안 양생시켰을 때, 라임(Lime)의 양이 증가할수록 강도가 증가하는 기존의 실험 결과와도 일치한다(Abu-Farsakh et al., 2015; Karim et al., 2017). 따라서, 라임(Lime)의 양이 증가함에 따른 일축압축강도 증가는 신뢰할 만한 결과라고 여겨진다.

Fig. 3

Effect of Lime Contents on Unconfined Compresive Strength of Fluorogypsum(FG)-lime-kaolinite Composites

3.3 양생기간에 따른 강도 변화

Fig. 4는 양생기간에 따른 일축압축강도 변화를 나타낸다. 라임(Lime)의 양이 2%인 경우에는 양생기간에 따른 일축압축 강도의 증감은 미비한 편이다. 예를 들어, 플루오르집섬(FG, 15%)-라임(Lime, 2%) 혼합토의 일축압축강도는 양생기간의 증가함에도, 일축압축강도는 오히려 23% 감소함을 보였고, 플루오르집섬(FG, 30%)-라임(Lime, 2%) 혼합토는 강도의 증감이 거의 미비하다(Fig. 4(a)). 하지만, 라임(Lime)의 양이 5%인 경우에는 양생기간이 증가함에 따라 일축압축강도의 증가도 확연히 나타난다. 예를 들어, 플루오르집섬(FG, 15%)-라임(Lime, 5%) 혼합토의 일축압축강도는 양생기간이 7일에서 28일로 증가함에 따라 103%의 일축압축강도 증가를 보이고, 플루오르집섬(FG, 30%)-라임(Lime, 5%) 혼합토의 일축압축강도는 약 71% 증가한다. 이는 라임의 양이 늘어남에 따라 라임(Lime)의 주된 화학적 성분인 산화칼슘(CaO)의 양이 증가하고, 포졸란 반응(Pozzolanic reaction)이 촉진되어 대량의 C-S-H 또는 C-A-H가 생성된 결과이다(Karim et al., 2017).

Fig. 4

Effect of Curing Time on Unconfined Compresive Strength of Fluorogypsum(FG)-lime-kaolinite Composites

3.4 X-ray Diffraction (XRD)

플루오르집섬(FG), 라임(Lime), 및 카오리나이트(Kaolinite)의 성분 분석과 각각의 배합비로 만들어진 혼합토의 성분 분석을 위하여, XRD(PANalytical EMpyrean XRD) 실험을 수행하였다. Table 2는 리트벨트 방법(Rietveld method)으로 해석하여 얻어진 XRD 실험 결과이다(Young 1993). XRD 실험결과를 통하여 플루오르집섬(FG) 또는 라임(Lime)의 증감 여부에 따른 고결물질(Calcium silicate hydrate (C-S-H), Calcium aluminate hydrate(C-A-H))의 양을 직접적으로 판단하기에는 어려움이 있으나, 각 화학성분의 양을 파악함으로써 고결물질의 생성반응의 양을 예측할 수는 있다(Abu-Farsakh et al., 2015; Karim et al., 2017).

Chemical Compositions of Fluorogypsum, Lime, Kaolinite, and FG-Lime-Kaolinite Composites by XRD Analysis Based on Rietvled Method (Young 1993)

3.5 Scanning Electron Microscope(SEM)

플루오르집섬(FG)-라임(Lime)-카오리나이트(Kaolinite) 혼합토의 일축압축강도 특성을 시각적으로 분석하기 위하여 SEM 장비(JSM-6610 LV SEM)를 이용하여 플루오르집섬(FG)을 포함한 혼합토의 입자구조 이미지를 얻었다(Fig. 5). 플루오르집섬(15%, 30%) 및 라임(2%, 5%)의 배합비로 이루어진 혼합토를 7일간의 양생시킨 후 샘플을 채취하여, SEM을 통하여 5000배 확대한 입자들의 형상을 이미지를 얻은 후 분석하였다.

Fig. 5

SEM Images of Fluorogypsum(FG)-lime-kaolinite Composites

Figs. 5(a)(b)는 플루오르집섬(15%)-라임(2%) 및 플루오르집섬(15%)-라임(5%) 혼합토를 7일 양생한 시료의 5000배율 SEM 이미지이다. 라임(Lime)의 양이 5%일 때, 2%에 비하여 보다 많은 공극들이 발견된다. 이러한 많은 공극이 Fig. 3(a)에서 라임(Lime)의 양이 증가함에도 불구하고 일축압축강도가 감소한 원인으로 판단된다.

Figs. 5(c)(d)는 플루오르집섬(30%)-라임(2%) 및 플루오르집섬(30%)-라임(5%) 혼합토를 7일 양생한 시료의 5000배율 SEM 이미지이다. Fig. 5(d)의 플루오르집섬(30%)-라임(5%) 혼합토 SEM 이미지는 플루오르집섬(30%)-라임(2%) 혼합토에 비해 라임(Lime) 및 카오리나이트(Kaolinite)의 활발한 화학반응에 의해 입자들이 서로 더 잘 엉켜있는 모습을 보인다. 이는 기존의 문헌에서의 연구결과와도 비슷하게 나타난다(Bell, 1996). 이러한 라임(Lime) 및 카오리나이트(Kaolinite)의 반응은 혼합토의 일축압축강도가 크게 나오는데 기여한 것으로 판단된다(Fig. 2(a)).

4. 결론

본 연구에서는 산업부산물의 일종인 플루오르집섬(FG)을 대표적인 점토인 카오리나이트(Kaolinite)에 라임(Lime)과 함께 혼합하여 만들어진 플루오르집섬(FG)를 포함한 혼합토의 일축압축강도 특성을 파악하고자 하였다. 플루오르집섬(FG)과 라임(Lime)의 양에 따른 플루오르집섬(FG)를 포함한 혼합토의 강도 변화를 연구하였고, 양생기간에 따른 일축압축강도 변화를 규명했다. 본 연구에서의 요약 및 결론은 다음과 같다.

  • (1) 플루오르집섬(FG)의 양이 15%에서 30%로 증가함에 따라, 일축압축강도는 증가하였다. 이는 양생기간이 길수록, 라임(Lime)의 양이 클수록 더 크게 나타났다.

  • (2) 플루오르집섬(FG)의 양이 15%인 7일간 양생된 혼합토의 경우는 라임(Lime)의 양이 증가할수록 일축압축강도가 감소하였다. 하지만, 28일간 양생된 혼합토의 경우는, 라임(Lime)의 양이 2%에서 5%로 증가함에 따라 플루오르집섬(FG)의 양(15%, 30%)에 관계없이 항상 일축압축강도가 증가했다.

  • (3) 양생기간이 길어질수록 전반적으로 강도 증가 양상을 보이고 있으나, 플루오르집섬(30%)-라임(2%)을 포함한 혼합토의 일축압축강도 증가는 다소 미비하게 나타났다.

  • (4) XRD 분석을 통하여 플루오르집섬(FG)의 양이 증가함에 따라 CaO의 비율이 증가함을 알 수 있으나, 라임(Lime)의 양이 증가함에 따른 CaO 양의 변화를 파악하기 어렵다.

  • (5) SEM 이미지로부터 플루오르집섬(FG)을 포함한 혼합토 표면에서의 입자구조 변화와 공극 변화를 관찰하여, 각 실험조건에서의 일축압축강도 변화를 설명할 수 있었다.

본 연구결과로부터 산업부산물인 플루오르집섬(FG)의 양이 증가할 경우에 연약지반의 강도 증가 및 공극 감소 효과를 기대할 수 있음을 확인하였다. 하지만, 본 연구에서 사용된 플루오르집섬(FG)과 라임(Lime)의 양과 양생기간은 극히 제한된 조건만을 다루었기 때문에, 플루오르집섬(FG)의 전반적인 특성을 파악하기 위해서는 다양한 배합비 및 양생기간에서의 추가적인 연구가 필요하다고 판단된다. 또한, 연약지반을 카오리나이트로만으로 한정하였기에, 대표적인 다른 점토들을 선택하여 연구할 필요가 있다고 판단된다.

감사의 글

본 연구는 2017학년도 충북대학교 학술연구지원사업의 연구비 지원에 의해 연구되었음. 이에 깊은 감사를 드립니다.

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Article information Continued

Table 1

Comparison of Fluorogypsum (FG) with Previous Papers by XRD Analysis

Composition [%] Current study Xuquan et al. (2016) Yan & Yang (2000) Singh & Garg (1999) Yan & You (1998)
CaO 25.58 39.27 38.19 40.44 42.53
SiO2 11.97 0.58 1.84 0.67 1.29
Al2O3 5.24 0.16 0.41 - 0.27
MgO 1.25 - 0.13 - 0.09
SO3 36.52 56.70 52.15 56.00 46.42
Fe2O3 - 0.14 0.31 - 0.38
TiO2 - - 0.02 - -
K2O 2.54 0.05 0.12 - -
CaF2 - 1.45 4.3 - -
CO2 - - - - -
H2O 16.90 - - - -

Fig. 1

XRD Results of Fluorogypsum (FG), Lime, and Kaolinite

Fig. 2

Effect of Fluorogypsum Contents on Unconfined Compresive Strength of Fluorogypsum(FG)-lime-kaolinite Composites

Fig. 3

Effect of Lime Contents on Unconfined Compresive Strength of Fluorogypsum(FG)-lime-kaolinite Composites

Fig. 4

Effect of Curing Time on Unconfined Compresive Strength of Fluorogypsum(FG)-lime-kaolinite Composites

Table 2

Chemical Compositions of Fluorogypsum, Lime, Kaolinite, and FG-Lime-Kaolinite Composites by XRD Analysis Based on Rietvled Method (Young 1993)

Composition [%] Fluorogypsum Lime Kaolinite FG 15% Lime 2% FG 30% Lime 2% FG 15% Lime 5% FG 30% Lime 5%
CaO 25.58 47.83 - 16.98 19.29 15.26 22.07
SiO2 11.97 10.24 49.07 23.48 22.08 28.67 18.83
Al2O3 5.24 8.69 34.47 18.92 16.68 21.66 14.00
MgO 1.25 - 1.82 - - - -
SO3 36.52 - - 19.01 23.99 16.07 26.97
K2O 2.54 - 3.69 - - - -
CO2 - 25.06 - 0.88 1.32 2.2 1.76
H2O 16.9 8.18 10.95 20.73 16.64 16.13 17.38

Fig. 5

SEM Images of Fluorogypsum(FG)-lime-kaolinite Composites