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ISSN : 1225-4517(Print)
ISSN : 2287-3503(Online)
Journal of Environmental Science International Vol.27 No.2 pp.75-81
DOI : https://doi.org/10.5322/JESI.2018.27.2.75

Study on the characteristic of liner and cover material by accelerating agent type

Yong-Kwang Cho, Seong-Young Nam, Yong-Mu Lee, Chun-Sik Kim, Shin-Seok Seo, Sung-Hyun Jo, Hyoung-Woo Lee, Ji-Whan Ahn1)*
Technical Center, HANIL CEMENT Co.Ltd., Daejeon 34361, Korea.
1)Center for Carbon Mineralization, Korea Institute of Geosceinces and Mineral Resources (KIGAM), Daejeon, 34132, Korea.
Corresponding author: Ji-Whan Ahn, Center for Carbon Mineralization, Korea Institute of Geosceinces and Mineral Resources (KIGAM), 34132, Korea. +82-42-868-3573ahnjw@kigam.re.kr
20171204 20180131 20180209

Abstract

At present research on mining backfill materials is being carried out to prevent ground subsidence and breaking by underground cavern of exhausted mines. However, backfill materials can cause secondary environmental issues such as ground pollution. To solve these issues, liner and cover materials are constructed before backfill materials constructed, to inhibit toxic substances form moving to the surroundings. Liner and cover materials, however, should have an accelerating performance after construction and when the accelerating performance is degraded, the work efficiency can be lowered, and the construction cost can be increased, by many rebound content. Therefore, this study develops mining liner and cover materials, and evaluates their accelerating performance and physical properties of liner and cover materials by types and content of accelerating agent. In case of aluminate accelerating agent, it is mixed with more than 5% of liner and cover materials(binder/ratio); thus an accelerating performance satisfying Korean Industrial Standards(KS) occurs, and in case of alkali-free accelerating agent, when it is mixed with more than 7%(binder/ratio), accelerating performance satisfying KS occurs. The more the accelerating agent capacity increases, the more compressive strength decreases. In addition, it is confirmed that compressive strength of aluminate accelerating agent is more degraded than compressive strength of the alkali-free accelerating agent. It is also confirmed that drying shrinkage stability of the alkali-free accelerating agent is better than the drying shrinkage stability of the aluminate accelerating agent.


급결제 종류에 따른 광산 차수재의 특성 연구

조 용광, 남 성영, 이 용무, 김 춘식, 서 신석, 조 성현, 이 형우, 안 지환1)*
한일시멘트 테크니컬센터
1)한국지질자원연구원 탄소광물화사업단
    Ministry of Environment
    2016002230004

    1.서 론

    국내에는 가행광산과 휴·폐광산을 합하여 약 5,000 개 이상의 광산이 존재하며 이 중 지하 공동이 존재하 는 광산은 약 2,000개 이상으로 추정되고 있다(Kim and park, 2015). 이러한 광산의 존재로 인해 다양한 환경오염 문제가 제기되고 있다. 광산이 환경적 오염 으로 문제가 되기 시작한 1990년대 중반 이후부터 정 부의 환경오염정화 정책이 추진되어 왔다(Kong et al., 2010). 현재 국내에서 발생하고 있는 폐광산 주변 지 역의 오염은 산성광산배수와 침출수 유출 등의 문제 가 발생되고 있으며, 지반 침하 등으로 인한 싱크홀 발 생으로 인한 안전사고를 유발시킬 수 있다(Gray et al.,1977). 폐광산을 안정화시키기 위한 방법으로는 갱내충전법이 있다. 갱내충전법으로는 단순하게 폐석 을 단독으로 충전하거나 폐석과 함께 시멘트, 플라이 애쉬 등 첨가제를 혼합하여 충전하는 방법으로 구분 되고 있으며, 현재 다양한 충전재에 관한 연구가 진행 중에 있다(Han et al.,2016). 그러나 충전재의 경우 토 양오염 등 2차적인 환경문제를 일으킬 가능성이 있으 며 이러한 문제를 해결하기 위해 충전층에 차수층을 설치하여 유해물질이 주변 환경으로 이동하는 것을 차수층의 두께와 투수속도로 예측되는 기간 동안 지 연시키는 역할을 하여 환경적인 문제를 해결하고 있 다. 또한 유출된 유해물질을 인위적으로 처리함으로 써 주변 환경에 미치는 영향을 최소화하고 차수층 재 료가 갖는 유해 금속 및 유기물질의 이동 억제능을 이 용하여 2차 방어 효과를 발현하는 역할을 한다(Chang et al.,2007). 이러한 차수재를 시공하기 위해서는 타 설압에 대한 반발률을 감소시키고 조기 응결을 얻음 으로써 리바운드 저감, 지반의 이완을 조기에 억제하 기 위해 급결제(accelerating agent) 사용이 필수적이 다(Lee et al., 2005). 한편 급결제를 과량 첨가할 경우 급격한 물성저하를 가져올 수 있으며 소량 첨가할 경 우 급결 성능이 떨어지기 때문에 급결제의 함량 조절 및 급결제 선정이 무엇보다 중요한 요소로 작용되고 있다(Jeon et al., 2012). 급결제의 종류에는 실리케이 트계(silicate based accelerator), 알루미네이트계 (aluminate -based accelerator), 알칼리프리계(alkali free based accelerator)가 사용되고 있다. 하지만 실리 케이트 급결제는 낮은 초기 강도와 장기강도의 저하, 인체에 대한 유해성을 가지고 있으며, 알루미네이트 계급결제의 경우에도 피부 자극 및 화상의 위험성을 가지고 있지만 현재 터널, 상하수도 등의 시공 현장에 서 많이 활용되고 있다. 반면 알칼리프리계급결제의 경우 황산알루미늄을 주성분으로 하는 급결제로서 장 기강도 저하가 크지 않고 인체의 자극성이 적어 친환 경 제품으로 각광 받고 있다. 이러한 급결제 사용은 점 차 증가하는 추세이나 급결제를 사용한 제품의 표준 화에 대한 연구는 열악한 상태이다(Shin et al., 2005). 따라서 본 연구에서는 광산 차수재 배합을 설계하고 급결제의 종류 및 함량에 의한 차수재의 급결 성능과 물성에 대해 기초특성 평가를 실시하였다.

    2.실험재료 및 방법

    2.1.실험 재료

    골재는 I지역의 건조 해안사를 이용하였으며, 강도 보강제로서 효율성을 발현하기 위해 입도사이즈별로 세사(0.15~0.71 mm), 중사(0.71~2.00 mm), 왕사(2.00 ~4.75 mm)로 분류하여 사용하였다. 포틀랜드시멘트 와 CSA(Calcium Sulfo-Aluminate)는 H사의 것을 사 용하였으며, Slag는 P지역의 Blast Furnace Slag를 사 용하였다. 차수재의 작업성 및 유동성을 향상시키기 위해 Polycarbonate (PC계) 유동화제(superplasticizer) 를 C사의 것을 사용하였다. 급결제는 S사의 알루미네 트계급결제와 알칼리프리계급결제를 사용였으며 급 결제의 특성은 Table 1에 나타내었다. 두 급결제 사이 에 pH 값의 차이가 나타는 것을 확인할 수 있는데 이 는 급결제의 주 원료인 수산화칼슘과 황산알루미늄 (황산염)이 용해되면 각각 알칼리, 산성의 수소이온농 도를 나타내기 때문이다.

    2.2.실험 방법

    차수재의 경우 숏크리트 배합과 유사한 경향으로 인해 이를 바탕으로 Table 2와 같이 배합을 설계하였 다. 차수재 현장 시공시 뿜칠장비에 막힘 현상을 차단 하기 위해 flow는 200 mm를 기준으로 두고 물 비율 을 확인하였으며, 적정 물비율로 18%(W/R)를 선정하 였다. 유동화제는 흐름성을 용이하게 하기 위해 사용 하였다. 유동화제 특성은 차수재의 입자들의 분산을 용이하게 만들기 때문에 유동성이 증가되지만 일정 함량 이상 첨가하게 될 경우 재료분리로 인해 물성저 하를 가져 올 수 있기 때문에 정량 사용하였다. 시료의 혼합방법은 KS L ISO 670의 규정방법에 따라 모르타 르 혼합기를 통해 1분 동안 혼합하였다. 제조된 차수 재는 Table 3에 나타내었듯이 바인더 함량 대비 0, 5, 6, 7, 8% 급결제를 종류별로 혼합하여 공시체를 제작 하였다. 실리케이트계급결제는 환경적 문제와 인체에 유해성이 상대적으로 심해 사용이 제재되고 있어 제 외하였다.

    2.3.분석방법

    급결 성능을 확인하기 위해 자동응결측정기(EL38, UK)를 사용하였으며 분당 1회씩 측정하여 차수재의 초결(initial set), 종결(final set)을 확인하였다. 길이변 화율은 제작된 시험체를 KSF2424 기준에 의거하여 콘택트 스트레인게이지(293-252, Japan)를 통해 탈형 후 3, 7, 14, 21, 28일 기준으로 측정하여 건조수축변 화 및 팽창성을 확인하였다. 압축강도는 압축강도 측 정기(X2000, Montauban, France)를 사용하였으며, 제작된 시험체를 KS L ISO 679에 의거하여 재령 1, 3, 7, 28일의 압축강도를 측정하였다. 흡수율은 KS F2476에 의거하여 실시하였다. 먼저 28일 동안 양생 한 공시체를 건조기에서 80℃ 의 온도조건에서 24시 간 건조하였다. 건조기에서 꺼낸 공시체의 최소 중량 을 측정하고 20℃ 의 수중에서 48시간 동안 침지한 후 중량을 측정한 다음 (1)식으로 계산하였다.

    흡수율 = W b W a W a × 100
    (1)

    여기서

    • Wa: 수중침지전의 공시체의 중량(g)

    • Wb: 각 수중침지 시간의 공시체의 중량(g)

    3.결과 및 토론

    3.1.급결 성능 평가

    차수재의 급결 성능은 KS L 2782기준에 의거하여 초결은 5분, 종결은 15분 이내에 발현되어야 한다고 제시하고 있다. 이러한 급결 성능이 요구되는 이유는 굴착면을 침식으로부터 보호하고, 리바운드 함량 저 감을 통한 효율적인 시공과 후속작업이 원활히 진행 될 수 있도록 지내력을 증대시키기 위함이다(Jeon et al., 2012). 따라서 급결제 함량 및 종류에 따른 성능평 가를 Table 4에 나타내었다. 알루미네트계급결제와 알칼리프리계급결제의 성능을 비교한 결과 알루미네 이트계급결제의 급결 성능이 더 우수한 것을 확인하 였다. 알루미네이트계 급결제의 경우 5% 이상만 사용 하여도 KS기준을 충족하는 결과를 확보할 수 있었으 나, 알칼리 프리계급결제의 경우 7% 이상 사용하여야 KS기준을 충족할 수 있는 결과를 확보할 수 있었다. 알루미네이트계급결제의 경우 Na2O와 Al2O3가 약 1.3 ~ 1.6 몰비로 구성되어 있으며, NaOH와 Al(OH)3 로 분해하여 NaOH가 칼슘 실리케이드상의 수화를 촉 진시킨다. 이때 생성된 수산화칼슘과 Al(OH)3와 반응 하여 Ca-Al-H2계 수화물을 생성시켜 급결성이 발현 된다고 보고되고 있다.(Palglia et al., 2001) 또한 알칼 리 자극제로서 C3A와 반응을 촉진시켜 급결성이 발현 되는 것으로 판단된다. 알칼리프리계급결제의 경우 수산화칼슘과, 황산알루미늄이 주원료로 구성되어있 으며, 알루미늄 성분과 황산염이 3CaO·Al2O3(C3A)와 반응하여 다량의 ettringite 침상결정이 초기에 생성되 기 때문에 급결성을 발현한다고 보고되고 있다.(Heo et al., 2005) 하지만 알칼리프리계의 경우에는 알루미 네트급결제 대비 자극제로서 C3A와 반응 속도가 상대 적으로 저하되어 급결 성능이 저하되는 것으로 판단 된다. 또한 알루미네이트급결제의 경우 6% 이상부터 는 급결 시간 단축이 저하되고, 알칼리 프리계의 경우 7%부터 급결시간 단축이 저하되는 것을 확인할 수 있 는데 이러한 이유는 차수재의 알칼리 자극제가 일정 함량 이상 증가할 경우 증가된 성분은 더 이상의 자극 제로서 역할을 크게 하지 못하고 평형을 이뤄 생긴 결 과로 판단된다.

    3.2.압축강도 특성

    일반적으로 모르타르에 급결제를 혼합한 배합의 경우 혼합하지 않은 동일한 배합의 시편보다 압축강 도가 감소한다고 보고되고 있다(Shin et al., 2005). Fig.1(A)는 차수재에 알루미네이트 급결제를 혼합한 압축강도를 나타내었으며, Fig.1(B)는 차수재에 알칼 리프리계 급결제를 혼합한 압축강도를 나타내었다. 급결제를 혼합한 배합 모두 혼합하지 않은 배합 대비 압축강도가 감소한 것을 확인하였으며, 급결제 혼합 량이 증가할수록 압축강도는 감소한 것을 확인하였 다. 알루미네이트 급결제를 혼합한 경우 혼합하지 않 은 차수재 대비 41.6~ 48.9% 감소한 결과를 확인하였 으며, 알칼리프리계 급결제를 혼합한 경우에는 20.6~37.2% 감소한 결과를 확인하였다. 이러한 결과 는 급결제가 강도 증진에 큰 기여를 하는 Calcium silicate(C2S, C3S)의 수화 반응에 영향을 미치기 때문 으로 판단된다. 즉 알루미네이트계급결제의 경우 초 기의 과량의 수산화칼슘 생성으로 강도 증진에 기여 하는 C2S 또는 C3S에 의해 생성되는 C-S-H겔 성장에 악영향을 주기 때문으로 판단된다. 알칼리프리계의 경우 알칼리 성분과 수산화칼슘(Ca(OH)2)이 반응하 여 차수재 경화체 중의 수용성 NaOH 양이 증가되거 나 OPC 성분 중 알루미네이트와 반응하여 생성되는 알루미나-실리카-겔의 침전을 촉진하여 결과적으로 수화반응을 방해하여 초기강도가 감소되는 것으로 판 단된다. 하지만 알루미네이트급결제 대비 자체 황산 염의 지속적인 공급과 반응 단계에서 가소(plasticity) 상태를 유지하기 때문에 C-S-H겔 성장에 상대적으로 악영향이 미치지 않기 때문에 강도가 알루미네트 급 결제를 혼합하였을 경우보다 높은 것으로 판단된다.

    3.3.길이변화 특성

    길이변화율은 차수재를 시공할 경우 건조수축변화 가 일어남에 따라 균열이 발생될 경우 차수재로서의 기능이 저하될 우려가 있기 때문에 측정하였다(Yang et al., 2013). Fig.2(A)는 차수재에 알루미네이트계급 결제를 혼합한 길이변화율을 나타내었으며, Fig.2(B) 는 차수재에 알칼리프리계급결제를 혼합한 길이변화 율을 나타내었다. 급결제를 혼합한 배합의 경우 혼합 하지 않은 동일한 배합의 시편보다 건조수축변화가 크게 발생하였다. 급결제를 혼합하지 않은 차수재의 경우 28일 기준으로 -0.097% 건조수축변화가 일어났 으나, 알루미네이트계급결재의 경우 5%만 혼합하여 도 -0.228%의 건조수축변화가 발생하였으며, 8% 혼 합한 경우에는 -0.413%의 건조수축변화가 발생하였 다. 하지만 알칼리프리계급결제의 경우 5% 혼합할 경 우 -0.113% 건조수축변화가 발생하였으며, 8% 혼합 한 경우에도 -0.145%의 건조수축변화가 발생하여 알 루미네이트급결제 대비 건조수축안정성이 우수한 것 을 확인하였다. 이러한 결과는 급결성능평가에서 언 급한바와 같이 급결제가 자극제로서 차수재의 C3A와 반응을 촉진시켜 수화반응으로 인한 건조수축변화가 발생된 것으로 판단된다. 또한 차수재의 급결성을 발 현하기 위해서 수분 증발이 빠르게 일어나고 이로 인 해 공극률 증가로 건조수축저항성이 낮은 것으로 판 단된다(Cho et al., 2017). 알루미네트급결제 대비 알 칼리프리계 급결제의 경우 건조수축저항성이 우수한 이유는 알칼리프리계의 경우 알루미네이트 급결제 대 비 자극제로서 차수재의 C3A의 반응속도가 상대적으 로 저하되어 생긴 결과로 판단된다.

    3.4.흡수율 측정

    차수재의 경우, 겔 공극, 기포에 의한 공극과 모세관 공극, 삼투압 작용 등에 의해 수분이 침투하게 된다. 차수재의 내부로 침투되는 수분의 경우 각종 유해물 질을 포함하고 있어 차수재에 그대로 침투될 경우 토 양오염 등의 환경오염을 유발할 수 있다. 따라서 차수 재에 있어서 흡수율은 차수성능을 가늠할 수 있는 중 요한 인자로 알려져 있다.(Jo and Hyung, 2013) Fig.3(A)는 알루미네이트계급결제를 혼합한 차수재 의 흡수율을 나타낸 것이며, Fig.3(B)는 알칼리프리 계급결제를 혼합한 차수재의 흡수율을 나타낸 것이 다. 측정결과 급결제를 혼합하지 않은 차수재의 흡수 율은 3.4%인 것을 확인하였다. 알루미네이트계급결 제를 혼합한 차수재의 경우에는 최대 7.7%로 기존대 비 흡수율이 증가하여 차수성능이 저하되는 것을 확 인하였다. 반면 알칼리프리계급결제를 혼합한 차수재 의 경우에는 최대 흡수율이 최대 6.2%로 알루미네이 트계 급결제 대비 상대적으로 차수성능이 우수한 것 을 확인하였다. 이러한 결과는 길이변화특성 결과 분 석에서도 언급하였듯이 급결제가 급결 성능을 발현하 기 위해 차수재의 수분 증발이 빠르게 일어나고 이로 인해 공극률이 증가함에 따라 흡수율이 급결제를 혼 입할수록 높아진 것으로 판단된다. 따라서 급결 성능 이 우수한 알루미네이트계급결제의 경우 수분 증발이 알칼리프리계 대비 빠르게 일어나고 이로 인해 공극 률 또한 알칼리프리계급결제 대비 증가하여 흡수율이 높은 것으로 판단된다.

    4.결 론

    본 연구에서는 광산 차수재 배합을 설계하고 급결 제의 종류 및 함량에 의한 차수재의 급결 성능과 물성 에 대해 기초특성 평가를 실시하였다.

    • 1. 급결제의 성능 평가 결과 알칼리 자극제의 역할 로 인해 급결성을 발현할 수 있었으며, 알루미네이트 급결제의 경우 차수재에 5% 이상만 혼합하여도 KS기 준을 만족하는 결과 값을 확보할 수 있었으나, 알칼리 프리계의 경우 7% 이상 혼합하여야 KS기준을 만족하 는 결과를 확보할 수 있었다.

    • 2. 차수재의 압축강도 측정 결과 강도증진에 큰 기 여를 하는 Calcium silicate (C2S, C3S) 수화반응 영향 으로 인해 급결제 혼합량이 증가할수록 압축강도는 감소한 것을 확인하였다. 알루미네이트급결제를 혼합 한 경우 혼합하지 않은 차수재 대비 41.6~ 48.9% 감 소한 결과를 확인하였으며, 알칼리프리계급결제를 혼 합한 경우에는 20.6~37.2% 감소한 결과를 확인하였 다.

    • 3. 차수재의 길이변화율 측정결과 급결제를 혼합한 배합의 경우 혼합하지 않은 동일한 배합의 시편보다 건조수축변화가 크게 발생하였다. 급결재를 혼합하지 않은 차수재의 경우 28일 기준으로 -0.097% 건조수축 변화가 발생하였다. 알루미네이트급결재의 경우 5% 만 혼합하여도 -0.228%의 건조수축변화가 발생하였 으며, 8% 혼합한 경우에는 -0.413%의 건조수축변화 가 발생하였다. 한편 알칼리프리계 급결재의 경우 5% 혼합할 경우 -0.113% 건조수축변화가 발생하였으며, 8% 혼합한 경우에도 -0.145%의 건조수축변화가 발 생하여 알루미네이트급결제 대비 건조수축안정성이 우수한 것을 확인하였다.

    • 4. 본 연구 결과를 통해 알루미네이트 급결제의 경 우 급결 성능은 우수하지만 물성 저하가 알칼리프리 계 급결제 대비 크게 발생하는 것을 확인하였다. 따라 서 차수재에 급결제를 혼합할 경우 급결 성능 확보와 물성 안정성을 위해서는 알칼리 프리계 급결제를 7% 혼합할 경우 적절한 함량이 될 것으로 판단된다

    • 5. 흡수율 측정결과 급결제를 혼합하지 않은 차수 재의 경우 3.4%인 것을 확인하였으며, 알루미네이트 계급결제를 혼합한 차수재의 경우에는 흡수율이 최대 7.7% 로 기존 대비 차수성능이 저하되는 것을 확인하 였다. 반면 알칼리프리계급결제를 혼합한 차수재의 경우에는 최대 흡수율이 최대 6.2%로 알루미네이트 계 급결제 대비 상대적으로 차수성능이 우수한 것을 확인하였다. 이러한 결과는 급결제 적용한 차수재 및 모르타르 배합 설계 및 표준화하는데 있어 기초 연구 자료로서 활용 가능할 것으로 판단된다.

    감사의 글

    본 논문은 환경부 글로벌탑 환경기술개발사업 중 유용자원 재활용 기술개발 사업(과제번호: 20160022 30004)의 지원에 의하여 연구되었으며 이에 감사드립 니다.

    Figure

    JESI-27-75_F1.gif

    Compressive Strength of aluminate based accelerator in liner and cover materials (A) and alkali free based accelerator in liner and cover materials(B).

    JESI-27-75_F2.gif

    Length change ratio of aluminate based accelerator in liner and cover materials (A) and alkali free based accelerator in liner and cover materials(B).

    JESI-27-75_F3.gif

    Water absorption of aluminate based accelerator in liner and cover materials (A) and alkali free based accelerator in liner and cover materials(B).

    Table

    Characteristic of accelerating agent type

    Compositions of liner and cover material

    Content of liner and cover materials

    Setting time evaluation of liner and cover materials [unit/min]

    Reference

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