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J. Korean Soc. Hazard Mitig. > Volume 25(6); 2025 > Article
친환경 기초공법에 사용되는 건설오니(슬라임) 개량체의 물리 및 역학 특성

Abstract

During the construction of ground improvement methods such as high-pressure jet grouting and deep mixing in soft ground, cementitious construction sludge (slime) is generated. Although this sludge develops high strength during curing due to its cement-based slurry properties, it is currently disposed of as construction waste, together with other types of sludge (e.g., sewage sludge, wheel-washing sludge, and bentonite mixtures). This practice not only raises environmental concerns, but also leads to increasing social costs. To solve this problem, the objective of this study was to develop an eco-friendly foundation method that utilizes cementitious construction sludge as part of a structural body, rather than treating it solely as waste. To this end, the physical and mechanical properties of sludge specimens were analyzed. Variations in unconfined compressive strength were examined through mix design and strength testing according to the proportions of recycled aggregate and binders. Increasing the recycled aggregate content by 10% resulted in a strength improvement of approximately 155%, whereas a 20% increase resulted in an improvement of approximately 175%. It is concluded that construction sludge generated from ground improvement methods is a viable environmentally friendly and economical alternative for ground structures when properly mixed with recycled aggregates and binders.

요지

연약지반을 대상으로 한 고압분사, 심층혼합공법 등과 같은 지반개량공사 중에 발생하는 건설오니는 시멘트계 슬러리 성상으로 양생에 따라 강도가 커지나 다른 건설오니(하수슬러지, 세륜기슬러지, 벤토나이트 혼합물 등)와 함께 여러 환경문제 등으로 일괄 건설폐기물로 처리되고 있어 환경문제 뿐만 사회적 비용에 대한 문제가 지속적으로 발생된다. 본 연구는 이러한 문제 의식에 기반하여, 시멘트계 건설오니를 폐기물로 처리하지 않고 지반구조체의 일부로 활용할 수 있는 친환경 기초공법을 개발하기 위해 건설오니(슬라임) 시편의 물리 및 역학 특성을 분석하였다. 배합설계를 통해 강도시험을 수행한 결과, 순환골재 및 결합재 비율에 따른 공시체의 일축압축강도 변화를 확인하였다. 순환골재 비율이 10% 증가시 강도는 155%, 20% 증가시 175%로 증가한 결과를 확인할 수 있었다. 지반개량공사 중에 배출되는 건설오니(슬라임)는 순환골재, 결합재를 적정히 배합한다면, 지반구조체로서 친환경 및 경제성에서 충분한 대안으로 사용가능할 것으로 판단된다.

1. 서 론

건설산업은 국가 기간산업으로서 중요한 역할을 담당하고 있으나, 동시에 다량의 폐기물을 발생시키는 산업이기도 하다. 특히 지반개량 공사 과정에서 발생하는 건설오니(construction sludge, slime)는 처리 및 처분의 어려움으로 인해 지속적인 환경 문제를 야기하고 있다. 현재 대부분의 건설오니는 매립 또는 위탁 처리 방식으로 관리되고 있으며, 이 과정에서 지하수 및 토양 오염, 탄소 배출 등 부작용이 발생한다. 이에 따라 건설폐기물의 자원화 및 재활용 필요성이 꾸준히 제기하고 있다.
최근 연약지반에 건설되는 인프라 사업이 확대되면서 지반개량 및 기초보강 공사의 수요가 증가하고 있다. 대표적인 공법으로 고압분사공법(jet grouting), 심층혼합공법(deep mixing), 교반공법 등이 있으며, 시공성과 구조적 안정성을 확보할 수 있는 장점이 있어 널리 활용된다. 그러나 이들 공법은 대량의 건설오니를 발생시키는 공통적인 문제를 가지고 있다. 현행 「자원순환 관련 법령(Ministry of Environment, 2025)」은 건설오니 재활용 절차를 규정하고 있으나, 승인 절차와 관리 체계의 복잡성으로 인해 실제 현장에서는 재활용보다는 폐기물 처리로 이어지는 경우가 많다. 이로 인해 처리 비용이 증가하고, 일부 현장에서는 불법 사토로 인한 환경사고가 발생하기도 한다.
지금까지 건설오니 재활용을 위한 다양한 대체공법이 개발되었으나, 대부분 탈수 및 안정화 과정을 거쳐 성토재나 복토재로 활용하는 방식에 국한되어 있다. 행정적 한계와 품질 인증 부재로 인해 실제 재활용률은 여전히 낮은 수준이다. 따라서 건설오니의 자원화를 확대하기 위해서는 제도적⋅행정적 지원이 필요하며, 계획 단계부터 법적⋅행정 절차를 설계자, 시공자, 발주자, 지자체가 체계적으로 반영할 수 있는 환경 조성이 요구된다.
정부는 2025년 1월부터 「순환경제사회 전환 촉진법」을 시행하여 자원의 효율적 이용과 폐기물 발생 억제를 통한 순환이용 촉진을 목표로 하고 있다. 순환경제 사회는 자원 낭비를 최소화하고, 제품의 내구성 향상, 재사용 활성화, 재생자원 이용 확대 등을 지향한다. 그러나 건설오니는 여전히 최종 자원화 비율이 낮고 매립 비중이 높은 산업 부산물이다. 이를 계획 단계에서부터 순환이용 체계로 편입한다면, 장기적으로는 건설오니 발생을 최소화하거나 Zero화할 수 있을 것이다.
이러한 문제의식에 기반하여, 본 연구는 건설오니를 단순 폐기물이 아닌 지반구조체의 일부로 직접 활용할 수 있는 친환경 기초보강 방안을 제안한다. 이는 기존의 재활용(recycling) 또는 재이용(reuse) 개념을 넘어, 폐기물 발생 자체를 억제하고 건설오니를 기초지반으로 전환하는 새로운 공법(Hyun et al., 2021)의 타당성을 실내실험을 통해 검증하는 데 목적이 있다.
건설오니는 입도 분포, 수화 반응성, 점착성 등의 특성을 고려할 때 일정 조건에서는 지반보강재, 기초 충전재, 소일시멘트 재료로 활용 가능성이 존재한다. 특히 시멘트 및 혼합재료와의 배합을 통해 안정성과 지지력을 확보할 수 있으며, 이는 환경 문제 해결뿐 아니라 공사비 절감에도 기여할 수 있다(Sung et al., 2007; Kim and Sung, 2009; Kim et al., 2012). 그러나 하수 슬러지나 세륜 슬러지에 대한 연구는 비교적 활발히 이루어진 반면, 지반안정화 과정에서 발생하는 시멘트계 무기질 건설오니(slime)에 대한 연구는 상대적으로 미진하다. 이는 해당 슬라임이 공정별로 제한된 기간에만 발생하며, 장기간 보관이 어려워 연구용 시료 확보가 쉽지 않기 때문이다. 예를 들어, Jun et al. (2009)은 심층혼합처리공법 현장에서 채취한 슬라임 시료를 대상으로 일축압축강도 시험을 수행하였으며, 개량체 함유율에 따라 DCM 개량체와 유사한 강도를 보이는 것을 확인하였다.
한편, 미국 콘크리트학회(ACI Committee 229, 2013)는 고유동 저강도 재료인 CLSM (controlled low-strength materials)을 제안하였다. 이는 28일 재령 기준 압축강도가 8.3 MPa 이하로 제어되는 되메움 재료로, 산업 부산물 및 폐기물을 다량으로 활용할 수 있으며, 강도를 최소치가 아닌 최대치로 제어하는 특징을 가진다(Liao and Kim, 2020; Fig. 1).
Fig. 1
Range of Strength and Density of CLSM (Liao and Kim, 2020)
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본 연구에서는 고압분사공법, 심층혼합공법, 교반공법 등으로 발생한 건설오니를 기초부 및 말뚝 주변부에 재활용하여 지반개량체로 활용하는 방안을 제시한다. 제안된 개량체는 Piled raft 기초구조물 개념(Poulous, 2001)에 따라 raft 역할을 수행하도록 하였으며, 구조적 일체화와 연속성을 확보하여 지지력 분산 및 침하 저감에 기여한다. 이를 통해 건설오니의 자원화, 매립량 저감, 말뚝 사용량 감소에 따른 시공비 절감, 저탄소 건설 실현에 기여할 수 있다.
따라서 본 논문은 건설오니를 친환경 기초공법의 지반개량체로 재활용하기 위한 기초 연구로서, 실제 지반개량공사 현장(부산광역시 강서구)에서 채취한 건설오니의 활용 가능성을 검토하였다. 이를 위해 다양한 건설오니 개량체의 물리적⋅역학적 특성을 분석하고, 원지반 특성, 결합재 및 순환골재 함유량을 고려한 실내 배합시험을 통해 공학적 성능을 평가하였다.

2. 건설오니(슬라임)을 이용한 친환경 기초공법 개념

건설오니(슬라임)을 재활용한 기초공법은 연약층이 두껍고, 양호한 지지층(암반층)의 출현심도가 깊어 직접기초로는 안정성을 확보하기 어려운 현장에 적용 가능하다. 대표적인 예로 항만 배후부지, 택지, 공장 및 산업단지 부지가 해당된다. 이러한 지역은 교반, 절삭 치환 등 심층 및 중층 연약지반 개량이 요구된다. 특히, 고압분사공법, 심층혼합공법, 교반공법 등은 시공성⋅경제성⋅구조적 안정성을 동시에 확보할 수 있다는 장점이 있다.
본 연구의 개념적 공법은 2.1절에서 전술한 지반개량공법이 전제된 상황을 대상으로 제안되었으며, 이에 대해서는 Fig. 2에 단계별 시공절차를 도식화하였다. 보다 구체적인 세부 사항은 Hyun et al. (2021)의 특허에 기술되어 있다.
Fig. 2
The Proposed Conceptual Method
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현장의 연약층이 두꺼운 경우 일반적으로 직접기초 또는 전면기초의 적용이 곤란하며, 대심도 말뚝기초를 통해 기초 안정성을 확보한다. 그러나 말뚝기초는 경제성 측면에서 불리할 수 있으며, 경우에 따라 표층 연약지반 보강공사를 위한 추가 처리가 요구된다. 이에 본 연구에서 제안하는 친환경 기초공법은 상대적으로 소규모 장비를 활용하여 시공성과 경제성을 높이고, 동시에 기초구조의 안정성을 확보할 수 있는 대안적 방안으로 검토될 수 있다.

2.1 [Step 1] 기초시공을 위한 지반굴착 단계

본 단계에서는 기초 터파기와 지반개량공법 시공 과정에서 발생하는 건설오니(슬라임)를 저장하기 위한 시설을 설치한다. 일반적으로 트렌치 설치를 통한 임시 적치가 가능하며, 필요 시 현장 플랜트, 진공 트럭(Vacuum Truck), 탱크 라인(Tank Line) 등의 설비를 병행할 수 있다. 다만 초기 건설오니는 함수율이 높으므로, 지반 내 침투로 인한 수질 오염을 방지할 수 있는 관리 대책이 필요하다. 또한 상부 구조물의 중요도, 하중 조건, 원지반 특성 및 지하수위 등을 종합적으로 고려하여 개량 말뚝 배치 및 슬래브 계획을 수립한다.

2.2 [Step 2] 연약지반 개량 및 건설오니 생성 단계

개량공법의 시공 위치는 설계 단계에서 기초 형식(일체형/분리형 말뚝두부)에 따라 결정된다. 개량체 직경은 상부 구조물 하중에 따라, 개량심도는 일반적으로 0.8~2.0 m 범위에서 결정된다. 개량체가 경화되기 전, 사전에 준비된 FRP 철근망을 일정 깊이(횡방향 저항 깊이)까지 매입하고 일부를 돌출시켜 이후 Raft 구조와의 연속성을 확보하도록 계획한다.

2.3 [Step 3] 친환경 슬래브 구간 연속화 단계

개량체가 일정 기간 양생된 후 필요 시 추가 터파기를 진행하여 중앙부 친환경 슬래브 구간을 확장한다. 이때 FRP 철근 등을 활용하여 당초 계획된 기초구조와 구조적 연속성을 확보함으로써, 상부 하중에 대해 친환경 Raft 구조체가 일체적으로 거동하도록 한다.

2.4 [Step 4] 건설오니 개량체를 이용한 친환경 슬래브 타설

지반개량공법 시공 시 발생한 건설오니는 별도의 저장시설에 보관된 후, 사전에 계획된 배합설계를 통해 고화⋅안정화 처리된다. 이후 소정의 강도를 확보한 건설오니 혼합재는 슬러리 상태로 플랜트 배관 또는 펌프카를 이용해 현장에 타설된다.

2.5 [Step 5] 버림 콘크리트 타설 및 본 구조물 시공

최종 단계는 일반 기초구조물 시공과 동일하다. 기초 버림 콘크리트 타설 후, 일체형 구조의 경우 말뚝두부 보강을 수행하고, 이어 기초 철근 배근 및 콘크리트 타설을 진행한다.

3. 건설오니(슬라임) 개량체의 물리 및 역학 특성 분석

3.1 실내 배합시험에 따른 역학적 특성 분석

3.1.1 실내 배합시험 개요

고압분사 지반개량공사 현장에서 채취한 건설오니 슬라임 시료(Fig. 3)를 이용하여 실내 배합 특성에 따라 개량체의 물리 및 강도 특성을 확인하고자 한다. 압축강도 평가는 KS L 5105 (수경성 시멘트 모르타르의 압축강도 시험방법)를 준용하여 수행하였다. 대규모 현장에서는 경제성 등을 검토하여 플랜트 설비 등을 통해 일정 소요강도의 슬러리계 CLSM 재료 생산이 가능할 것으로 판단된다. 상대적으로 작은 규모에서는 현장 또는 실내배합시험을 통해 소요강도를 얻을 수 있다. 지반개량공사시 발생하는 건설오니를 지반구조체로 재활용하고, 시멘트계 및 혼화제로 구성된 결합재와 순환골재 첨가에 따른 최적의 개량효과를 얻기 위해, 다양한 배합비율을 가지는 공시체를 제작하였다. 공시체의 크기는 50 mm × 50 mm × 50 mm 큐브형이다. 양생 7, 14, 28일에 따른 일축압축강도시험을 실시하였다. 이에 따라, 물/결합재의 비율(W/B = water-to-binder ratio) 및 순환골재 함량에 따른 개량된 건설오니 개량체에 대해 강도 변화를 검토하였다.
Fig. 3
On-Site Construction Sludge (Jet-G)
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3.1.2 시험시료에 대한 물성 특성

시험에 사용된 시료는 총 4가지이다(Fig. 4). 제안공법과 유사하게 구현하기 위해 현장에서 굴착한 상부 (a) 원지반 흙, 일반 흙보다 강도증진 효과가 기대되는 (b) 순환골재(recycled aggregate, RA), 현장에서 채취한 건조된 (c) 건설오니(슬라임)시료 및 제조업체(전남 광양 P사)에서 제공받은 (d) 결합재(binder, B)이다. 사용된 결합재의 경우 시멘트 및 석회계 재료의 사용을 최소화한 무기결합재로서, 고로슬래그 및 고칼슘 플라이애쉬 등의 비결정질 물질이 주재료이다. 또한, 본 고화재내에는 CaO의 구성 비율이 높아 물과 반응시 Ca(OH)2가 되며, 이때 약 2배로 체적이 팽창한다. 일반적으로 포틀랜드 시멘트를 연약지반 고화재나 Soil Cement로 사용하게 되면 경화하면서 체적 수축 현상이 일어나기 때문에 벤토나이트 등의 혼화재의 첨가가 필요하지만 본 결합재는 체적팽창성이 있어 별도 첨가가 필요치 않다.
Fig. 4
Test Specimens
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시험에 사용된 시료의 기본물성은 Table 1과 같으며, 입도분포곡선은 Fig. 5와 같다. 건조된 건설오니의 경우 비중이 2.23 정도로 분석되었으며, 고무망치로 쉽게 분쇄되었다. 부분적으로 입자들이 응집, 경화가 된 부분이 섞여 있어 일부 직경이 다소 큰 상태로 시험에 사용되었다. USCS 입도분석 결과 원지반 흙은 SW, 순환골재와 건조된 건설오니는 SW-SC로 분석되었다.
Table 1
Results of Sieve Analysis
Devision Sieve Analysis Data (% Passing) Cu Cg Gs
Sieve Size
4.75 2.00 0.85 0.425 0.250 0.106 0.075
On-situ Ground Soil 85.8 68.3 44.9 25.1 13.8 10.0 3.0 15.0 1.7 2.64
Recycled Aggregate 98.0 72.0 45.0 9.0 7.0 6.0 5.1 2.6 0.7 2.65
Construction Sludge (dried) 60.0 40.5 28.8 17.2 12.7 9.0 6.5 25.0 0.8 2.23
Fig. 5
Particle Size Distribution Curves
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3.1.3 모르타르 배합시험 및 강도시험 결과

Table 2와 같이 4가지 시료에 대해 순환골재(RA), 물/결합재 비율(W/B)이 강도에 미치는 영향을 파악하기 총 5가지 Case에 대해 배합시험을 시행하였다. 배합설계의 전반적인 전제조건으로 건설오니(30%)와 물(15%)의 비율은 고정하였다. 나머지 결합재 및 순환골재 비율을 각각 증가시키면서 상대적인 강도변화를 검토하였다. Case A~C에서는 순환골재 비율이 강도에 미치는 영향을 파악하기 위해 0~20%까지, Case C~E에서는 결합재 비율이 강도에 미치는 영향을 파악하기 위해 15~35%까지 증가하였다(W/B = 100%~43% 감소).
Table 2
Case-Specific Mixing Conditions
Case (OS) On-situ Ground soil (RA) Recycled Aggregate Construction Sludge (dried) (CB) Cementitious Binder Water Total
A 40 (533 g) - 30 (400 g) 15 (200 g) 15 (200 g) 100 (1,333 g)
B 30 (400 g) 10 (133 g) 30 (400 g) 15 (200 g) 15 (200 g) 100 (1,333 g)
C 20 (267 g) 20 (267 g) 30 (400 g) 15 (200 g) 15 (200 g) 100 (1,333 g)
D 15 (200 g) 15 (200 g) 30 (400 g) 25 (333 g) 15 (200 g) 100 (1,333 g)
E 10 (133 g) 10 (133 g) 30 (400 g) 35 (467 g) 15 (200 g) 100 (1,333 g)
50 mm × 50 mm × 50 mm 큐브형 공시체를 제작하여 양생일(7, 14, 28일)에 따른 일축압축강도시험을 실시하였다(Fig. 6). 각 시험에 전체시료의 체적은 비중을 통해 무게비로 환산하면 여유있게 약 1,333 g 정도 소요되는 것으로 계산되어 각 Case별 시험시료의 수량을 산정하였다.
Fig. 6
Uniaxial Compression Test
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각 Case 별 양생기간에 해당되는 일축압축강도 시험결과는 Fig. 7에 표현하였다. 우선, 양생기간이 증가할수록 모든 Case에서 일축압축강도는 증가되는 것으로 검토되었다. 이는 수화반응에 따라 시멘트 입자와 물의 반응에 따른 Ca(OH)2 결합과 C-S-H 조직 형성으로 점차 조직이 치밀해지고 내부 공극이 감소되면서 강도가 향상되는 것으로 판단된다. 순환골재를 함유한 경우에도 추가적인 수화 생성물 부착, 결합 및 내부 미세공극 채움 효과로 인해 강도가 증진되는 것을 알 수 있다. 특히, Case B, C의 경우는 양생기간 14일 이후에도 기울기가 증가하는 경향을 보였으며, 28일 강도 기준으로 CLSM 상한 강도기준(8.3 MPa)을 초과하였다.
Fig. 7
Variation of UCS with Curing Period
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순환골재(RA) 함유량에 대한 강도변화를 확인하기 위하여 순환골재 비율을 원지반 흙 비율과 각각 상대적으로 0~20% 범위내에서 조정하여 일축압축강도 시험을 수행하였다(Table 2에서 Case A, B, C 조건). Fig. 8은 순환골재 함유량에 따른 일축압축강도 변화를 나타낸다. 순환골재 비율이 10% 증가시 평균 28일 강도는 155% (5.55 MPa→8.64 MPa), 20% 증가시 평균 28일 강도는 175% (5.55 MPa→9.71 MPa) 증가됨을 알 수 있다. 이 결과는 최근 정부의 순환골재 품질기준 정립과 장려사업에 따라 순환골재의 전반적인 품질향상에 따른 결과로 판단된다. 한정된 시험결과이지만 본 결합재와의 포졸란반응에서도 효과적임을 확인할 수 있었다. 참고로, Ministry of Land, Infrastructure and Transport (2021)에서 콘크리트용 설계기준강도는 최대 27 MPa까지 허용되어, 향후 순환골재가 다양한 건설폐기물 재활용 분야에 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
Fig. 8
Variation of UCS with Recycled Aggregate Content (%)
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또한, Case C~E에서는 물/결합재의 비율(W/B)을 100%, 60%, 43%로 변화시켜가며 강도를 측정하였다. Fig. 9는 물/결합재의 비율에 따른 일축압축강도를 비교한 그래프이다. 일반적으로 결합재 함량이 커지고 W/B가 작아질수록 강도가 증가되어야 하나(Kim et al., 2003) 오히려 감소한 결과를 보였다. 이러한 결과는 배합과정에서 결합재(B) 비율이 커질수록(→Case-E) 결합재 내의 벤토나이트 성분이 수분을 급격히 흡수하는 체적팽창 특성에 따라, 시험과정 내내 결합재간의 뭉침 현상이 발생하여 시멘트 입자의 분산저하 현상이 발생하였다. 결국은 워커빌리티가 급격히 악화되는 현상으로 충분한 유동성을 확보하지 못한 부분이 강도 저하의 원인으로 판단된다. W/B가 저감되는 상태에서, 재료의 고강도 및 일정 수준 이상의 유동성을 확보하기 위해서는 어느 정도 고성능 감수제의 사용이 필요하나(Park et al., 2015) 본 시험에서는 이를 반영하지 못했다. 이 부분은 결과적으로, 불완전한 양생과 강도 발현에 큰 영향을 미친 것으로 판단된다. 참고로, Park et al. (2015)은 고성능 감수제를 통해 고로슬래그 미분말과 플라이애쉬 등의 결합재가 사용된 W/B 30%~21% 모르타르 배합시험을 통하여 최대 103 MPa 강도를 구현한 연구를 수행하였다. 결합재 비율이 커질수록 배합 문제와 유동성 저하로 강도 발현에는 오히려 악영향을 미칠 수 있으므로, W/B 비율을 저감할 때에는 목표 강도에 따른 감수제의 사용을 고려하거나, 사전에 해당 강도에 대한 적정 W/B 혼합비율에 대한 검토가 필요할 것으로 판단된다.
Fig. 9
Variation of UCS with W/B (%)
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제한적인 조건의 실험결과이지만, 본 실험결과를 통해 지반개량공사 현장 고압분사공법을 통해 발생된 건설오니(슬라임)는 현장 원지반, 순환골재 및 결합재와의 적정 배합을 통해 요구 강도 수준의 품질을 확보할 수 있음을 확인하였다. 또한 일정 규모 이상에서는 CLSM 개념의 표준화 플랜트 운영으로 강도 품질관리와 현장 환경관리가 효율화될 가능성이 크다.

3.2 건설오니 화학적 특성 분석

3.2.1 개량 전, 후 미세구조 및 응집 특성 분석(SEM)

개량 전 건설오니 및 개량 후 개량체의 시료 파단면에 대한 주사전자현미경(SEM) 시험을 통해 미세구조 및 응집 특성에 대해 분석하였다. 전자주사현미경은 전자기렌즈가 전기가 통하는 시편의 표면에 전자빔 Spot이 주사(scanning)할 때 발생하는 여러 형태의 radiation 중 가장 표면에 가까운 영역에서 발생하는 이차 전자(secondary electron)를 이용하여 영상을 출력하는 장비이다. 텅스텐 필라멘트를 사용하는 일반 주사전자현미경에 비해 전계방사형 주사전자현미경은 분해 능력이 뛰어나므로, 관찰이 어려운 시료나 생물 시료 등에 주로 이용된다. 본 연구에서는 지반개량공사에서 채취한 건설오니와 배합설계를 통해 성형한 Case C 시료(원지반 : 순환골재 : 건설오니 : 고화제 : 물 = 20 : 20 : 30 : 15 : 15) 파단면에 대해 주사전자현미경 관찰을 수행하였다. Case C는 개량 후 시험시료 중에서 일축압축강도 결과가 가장 큰 경우이다. 본 연구에서 추천하고자 하는 배합조건임에 따라 화학조성 분석 대표시험에 적정할 것으로 판단하였다. 시험은 입자의 형태, 응집상태, 분말의 형태(morphology) 등에 대해 분석하였으며, 개량 전 건설오니 및 개량 후 개량체의 고배율(100 nm) 및 저배율(1 μm) 분석 영상은 Fig. 10과 같다.
Fig. 10
SEM Analysis Before and After Stabilization
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개량 전 건설오니 및 개량 후 개량체에서 공통적으로 벌집(honeycomb) 형상의 C-S-H (calcium silicate hydrate)가 나타나는 것을 확인할 수 있다. 이 부분은 포졸란 반응으로 Ca(OH)2와 결합으로 생성된 것으로 판단된다. 그리고 개량 후의 영상에서는 막대상 분말과 응집체가 보다 특징적으로 확인이 되고 있다. 이 응집체는 시멘트 경화체 중 형성될 수 있는 에트링가이트 수화물(ettringite, 3CaO⋅Al2O3⋅3CaSO4⋅32H2O)일 가능성이 높다. 그러나, 에트링가이트에 어떠한 상이 응집되어 사진에서와 같은 응집체를 형성하였는지에 대해서는 더 구체적인 미세구조적 연구와 현장에서 추가되는 첨가제에 대한 연구가 향후 필요할 것으로 판단된다.

3.2.2 개량된 건설오니 화학성분 분석(EDS)

개량된 건설오니 화학조성을 분석하기 위해서는 X선 에너지(또는 파장)와 세기를 검출하여야 한다. 본 연구에서는 반도체 소자를 이용하여 X선 에너지를 검출하는 에너지분산 X선 분광분석(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy, EDS) 방법을 통해 분석하였다(Fig. 11). 이 방법은 파장 분산 X선 분광분석(WDS)보다 뒤늦게 개발되었으나 짧은 시간 내에 X선을 한꺼번에 검출할 수 있다는 장점이 있다. 다만, 에너지 분해능이 140 eV 내외로 커서 피크 중첩이 심하고, 그에 따라 원소 식별에 제약이 있으며, 스펙트럼상 이탈 피크, 합 피크 등 착란 효과가 많아 원소 식별에 혼란 소재가 있어 정량 분석보다는 정성 분석에 널리 사용된다. 포졸란(pozzolan)은 Ca(OH)2와 상온에서 서서히 반응하여 불용성의 화합물을 만드는 이산화규소(SiO2)를 주성분으로 하는 물질임에 따라 대표적인 포졸란의 화학성분은 이산화규소(SiO2), 산화알루미늄(Al2O3), CaO, Fe2O3이다. 이중 포졸란 활성화에 기여하는 성분은 SiO2, Al2O3이다. 포졸란의 Silica는 Ca(OH)2와 결합하여 C-S-H를 형성하게 된다(Fig. 12). 또한 포졸란을 시멘트와 결합한 경우 수화반응시 생성된 Ca(OH)2와 반응하게 되어 수화된 시멘트 개량체에 있어서 C-S-H 비율이 증가한다. EDS 화학조성 분석 결과(Table 3, C 노출 기준) 이산화규소(SiO2)가 주성분이며, 이외 규산칼슘(CaSiO3), 산화알루미늄(Al2O3) 성분이 우세한 것으로 분석되었다.
Fig. 11
EDS Electron Image and Spectrum (Case C)
kosham-2025-25-6-345-g011.jpg
Fig. 12
Schematic of Hydration/Pozzolanic Reaction (Kim and Sung, 2009)
kosham-2025-25-6-345-g012.jpg
Table 3
Chemical Composition of Case C (EDS, Qualitative)
Ele. Line k-Ratio Wt% At.% St. Name
C K 0.48 42.94 55.48 C Vit
O K 0.22 35.6 34.53 SiO2
Na K 0.00 0.32 0.22 Albite
Mg K 0.01 0.34 0.21 MgO
Al K 0.05 2.18 1.25 Al2O3
Si K 0.15 6.2 3.43 SiO2
S K 0.03 1.09 0.53 FeS2
K K 0.01 0.3 0.12 KBr
Ca K 0.30 10.67 4.13 CaSiO3
Fe K 0.01 0.28 0.08 Fe
Cu L 0.00 0.08 0.02 Cu
Zn L 0.00 0 0 Zn
Total - - 100 100 -

4. 결 론

연약지반을 대상으로 한 고압분사, 심층혼합공법, 교반공법 등은 시공성과 구조적 안정성을 확보할 수 있는 장점이 있어 널리 활용되고 있으나 이들 공법의 공통적인 문제점은 대량의 건설오니(슬라임, construction sludge)를 발생시킨다는 점이다. 건설오니는 통상적으로 폐기물로 분류되어 막대한 처리비용, 불법 사토, 환경오염 유발 등의 문제가 빈번히 발생한다. 그러나, 건설오니는 입도 분포, 수화 반응성, 점착성 등의 특성을 고려할 때, 일정한 조건 하에서 지반보강재, 기초 충전재, 소일시멘트 재료 등으로 재활용될 수 있는 가능성이 존재한다. 특히 시멘트나 혼합재료와의 배합을 통해 재료적 안정성과 지지력을 확보할 수 있으며, 이를 기반으로 한 공법 개발은 환경 문제 해결은 물론 공사비 절감에도 기여할 수 있다.
본 연구는 고압분사, 심층혼합, 교반공법 등 연약지반 개량 과정에서 대량으로 발생하는 건설오니(슬라임, construction sludge)를 폐기물이 아닌 지반 구조체의 일부로 직접 활용하는 친환경 기초보강 개념을 제시하고, 실내 배합⋅강도 평가를 통해 그 타당성을 검토하였다. 주요 결론은 다음과 같다.
건설오니를 포함한 개량토 특성을 파악하기 위해 4가지 시료의 배합설계 결과에 대해 순환골재, 결합재 비율이 강도에 어떻게 영향을 미치는 일축압축강도 시험을 통해 확인하였다. 순환골재 비율이 10% 증가시 28일 평균 강도는 155% (5.55 MPa→8.64 MPa), 20% 증가시 175% (5.55 MPa→9.71 MPa)로 증가하였다. 이 결과는 순환골재가 일반 흙에 비해 강도 측면에서 우수하고 결합재와의 포졸란 반응에도 효과적임에 따라 건설폐기물 재활용에 적극적으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
결합재 비율을 비교한 Case C~E를 결과를 살펴보면, 결합재 비율이 증가할수록 강도 증진 효과는 크지 않았다. 오히려, 결합재 비율이 15%, 25%, 35%로 증가할수록 강도는 감소하였다. 결합재 비율이 커질수록 배합 문제와 유동성 저하로 강도 발현에는 오히려 악영향을 미칠 수 있으므로 사전에 적정 혼합비율에 대한 검토와 감수제 적용에 대한 검토가 필요한 것으로 판단된다.
제한적인 조건에서의 실험 결과이지만, 본 실험결과를 통해 현장 고압분사공법으로 발생된 건설오니(슬라임)는 현장 원지반 흙, 순환골재, 결합재를 사용하여 적절한 배합으로 재활용한다면 소요강도 품질을 확보할 수 있는 것으로 확인되었다. 본 연구의 확장을 위해서는 다양한 조건의 건설환경에서 성상별 건설오니(슬라임)에 대한 시험자료 및 분석과 개량 효과 발현을 위한 품질관리 기준 정립, 그리고 현장 실증시험 등이 필요할 것으로 판단된다.

감사의 글

이 성과는 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구(RS-2024-00347170)이며, 이에 감사드립니다.

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