Experimental Study on Drainage Characteristics of PET Aggregates

Received 18 April. 2016, Revised 27 May. 2016, Accepted 10 June. 2016

*Corresponding author

Tel: +82-32-438-9328; Fax: +82- 32-435-4947 E-mail address: [email protected] (J. J. Park)

PET 인공골재의 배수특성에 관한 실험적 연구

Experimental Study on Drainage Characteristics of PET Aggregates

신은철 ¹ , 신희수 ² , 김경식 ² , 김기성 ³ , 박정준 ⁴ *

Eun-Chul Shin ¹ , Hui-Su Shin ² , Kyeong-Sig Kim ² , Ki-Sung Kim ³ , Jeong-Jun Park ⁴ *

1

Member, Professor, Dept. of Civil and Environmental Engineering, Incheon National University, 119 Academy-ro, Yeonsu-gu, Incheon, Korea

2

Member, Ph. D. Student, Dept. of Civil and Environ. Engrg., Incheon National University, 119 Academy-ro, Yeonsu-gu, Incheon, Korea

3

Member, Managing Director, UCI Tech Co. Ltd., 313 Inha-ro, Nam-gu, Incheon, Korea

4

Member, Principal Researcher, Incheon Disaster Prevention Research Center, Incheon Natl. Univ., 119 Academy-ro, Yeonsu-gu, Incheon, Korea

ABSTRACT

PET aggregates were produced by mixing heated PET flakes with frictional soils. Using these artificially-made PET aggregates, horizontal drain tests in the laboratory, pilot scale model tests were conducted for the evaluation of the drainage characteristics of PET aggregates. Laboratory horizontal drain tests were conducted under twenty different conditions varying mixing ratios and surcharged pressures. Moreover, by utilizing the aggregates with a mixing ratio producing the lowest variation in terms of permeability against applied load, large scale tests were performed. Reliability of the test results was evaluated from comparison with the results of the laboratory horizontal drain test.

요 지

PET 인공골재의 배수특성 평가를 위하여 실내 수평투수실험, 실대형 수평투수실험을 실시하였다. 실내 수평투수실험은 PET

골재의 생산량에 따라 세 종류의 입도별로 분류하고, 분류된 PET 골재를 정해진 배합비에 의해 20가지로 분류하여 단계별 하중을 재하하면서 실시하였다. 또한 실내 수평투수실험에 의해 분석된 결과를 활용하여 재하하중에 따른 투수계수의 변화경 향이 가장 적은 실험 유형의 배합비로 실대형 수평투수실험을 실시하였고, 실내 수평투수실험 결과와 비교하여 신뢰도를 평가하였다.

Keywords : PET aggregates, Horizontal drain test, Drainage capacity, Permeability, Surcharged pressure

J. Korean Geosynthetics Society Vol.15 No.2 June. 2016 pp. 35 ~ 44

DOI: http://dx.doi.org/10.12814/jkgss.2016.15.2.035 ISSN: 2508-2876(Print) ISSN: 2287-9528(Online)

1. 서 론

합성수지류 제품은 석유화학공업의 발전과 함께 가장 편리 하게 사용되고 있는 유용한 물질중의 하나로 다양한 분야에 서 사용하고 있다. 합성수지 제품으로는 폴리에틸렌(PE), 폴 리프로필렌(PP), 폴리스틸렌(PS), 폴리에틸렌테레프탈레이트 (PET), 폴리비닐클로라이드(PVC), 아크릴론나이트릴부타디

엔스틸렌(ABS) 등이 있다. 특히 PET는 옷, 전기, 전자제품, 음식용기, 자동차, 첨단 의료장비 등 다양한 분야에 활용되고 있으며, 생활수준향상과 소비문화의 변화에 따라 PET의 소비 가 증가하고 있다.

석유화학제품의 사용이 급격히 증가함에 따라 정부에서는

자원의 절약과 재활용 촉진에 관한 법률에 따라 PET를 재활

용 중점관리 품목으로 선정하였다. PET는 종이팩이나 캔 등

과 같이 1회용이므로 사용 후 폐기되어 많은 문제점이 발생하

고 있다. 즉, 중량이 가벼워 겉보기 밀도가 작아져 압축처리를

하지 않으면 수송에 어려움이 있고, 매립처분 시에는 매립지

Table 1. Quality of lightweight aggregate

Classification

Division First, Second Third, Fourth, Fifth

Quality of aggregate Endurance, Fireproof -

Chemical components

Ignition loss

-

＜ 15% (Cinder) Sulfur trioxide (

SO

Calcium oxide( CaO) ＜ 50% (Expansion Slag)

Pernicious ingredients

Normal Clean and not contain harmful substances

Chloride (NaCl) ＜ 0.01%

Organic impurities Pass standard (KS F 2510)

Specific gravity (under dry condition ) ＜ 2.0

Floating particle ratio 10% (If amount of slump is higher than 15cm) Particle size By Korean Architectural Standard

Specification (KASS) By Korean Industrial Standards (KS) Fineness modulus The difference between the sample less than 0.2

Amount of loss by washing test ＜ 10%

의 수명을 단축시키며, 분해하는 데에는 많은 시간이 소요되 어 매립지의 안정화를 저해한다. 2013년도 조사된 폐기물 통 계에 따르면 생활폐기물중에 종이류 41%, 플라스틱류는 24.3% 로서 상당히 많은 양을 차지하고 있다. 그러나 PET의 재활용량은 2008년을 기점으로 매년 감소세를 보이다가 다시 2013 년 자원의 절약과 재활용촉진에 관한 법률이 개정되어 증가율을 보이지만, 유통량에 비해 상당히 적은 양이 재활용 되고 있음을 보고하고 있다(Ministry of environment, 2013;

Han et al., 2012).

이러한 재활용기술의 한계성을 극복하고, PET의 재활용률 을 높이기 위해서는 대량소비성과 부가가치성을 동시에 충족시 킬 수 있는 건설재료로의 사용이 절실하다. 따라서 본 연구에서 는 PET를 건설재료중 배수재로 활용하기 위하여 생활폐기물로 재활용되던 PET를 흙 입자와 부착처리 공정을 통해 용융접합 골재로 제작하여, 건설재료로의 활용가능성에 대해 제시하였다.

폐 PET의 재활용 방안으로 PET와 흙을 결합하여 합성수 지와 흙의 성질을 동시에 가진, 가볍고 형상이 크게 변하지 않으며 뛰어난 배수성능을 갖는 배수재로서 다양한 배수구조 물로의 활용을 위하여 PET 골재의 기본적인 물리 및 역학적 특성에 대한 분석과 하중에 따른 배수능력을 실내 및 실대형 수평투수실험을 통하여 분석하였다.

2. 인공경량골재 2.1 개요

최근 구조물 크기가 대형화되고 고층 건물이 증가하는 등 구조물 자체의 자중이 증가하고 있어 자중을 감소시키기 위한 연구가 국내외에서 활발히 진행되고 있다. 특히 경량골재는

구조물의 자중을 감소시켜 경량 콘크리트를 제조하는데 사용 하고 있으나, 경량 콘크리트의 성능은 골재의 물리적 특성에 크게 좌우되므로 안정성 확보와 철저한 품질관리가 필요하다.

경량골재는 천연경량골재, 인공경량골재, 공업부산물 등이 있 으며, 천연자원 보존에 대한 요구가 커짐에 따라 인공경량골 재에 연구 개발이 증가하고 있다. 인공경량골재는 주로 석탄 회, 하수 슬러지, 폐플라스틱 등 다양한 산업부산물을 활용하 여 제조함으로써 환경보전 측면에서도 장점이 있다고 할 수 있다(Shin, 2013).

현재 인공골재는 구조용과 단열용으로 구분되어 제조되고 있으며, 일반적으로 경량이기 때문에 인공경량골재로 지칭하 고 있다. 인공골재의 종류에는 구조용과 단열, 내화, 흡음이 주목적인 비구조용으로 분류할 수 있으며, 경량골재의 경우에 는 생산과정에 의해 인공경량골재, 부산경량골재, 천연경량골 재 등으로 분류할 수 있다(Kim, 2010). 콘크리트 표준시방서 에 의하면 경량골재는 팽창성 혈암, 팽창성 점토, 플라이애시 등을 주원료로 하여 공장에서 제조, 소성하여 깨끗하고, 강하 고, 내구적이며, 적당한 입도 및 단위질량을 가져야 하고, 콘크 리트 및 강재에 나쁜 영향을 주는 유해물질을 함유해서는 안 되며, 품질의 변동이 작은 것으로 정의하고 있다(KCI, 2009).

한국표준규격에서는 화산암, 경석, 응회암 등 자연 상태로

경량인 것을 천연 경량골재, 고로 슬래그, 점토, 규조토, 석탄

재, 점판암 등을 원료로 하여 소성, 팽창시킨 것을 인공 경량

골재로 규정하고 있다. 일본규격에서는 석탄재, 고로 슬래그

등 기타 공업 부산물로서 산출되는 경량골재를 묶어서 부산

물 경량골재로 분류하고 있다(Kang, 2012). 경량골재의 입도

기준은 KS F 2534의 규정에 따르며, 굵은 골재의 최대치수

는 공사시방에 따르지만, 시방서에 규정한 바가 없을 때는 골

재 최대치수 20mm로 표준시방서에 정의되어 있다(KCI,

2009). Table 1 은 각각 경량골재의 비중, 입도, 품질기준을 나타낸 것이다.

2.2 폐 PET의 활용

PET 는 2가 알코올과 테레프탈산(p-HOOC(C

H

)COOH) 의 에스테르를 적어도 85% 함유하는 합성고분자로부터 제조 된 섬유를 말한다. 과거에는 비닐이라는 소재가 플라스틱을 대표하는 말이었으나, 최근에는 PET가 우리 생활 여러 방면 으로 침투하여 PET가 플라스틱을 대표하는 소재가 됐다.

PET 수지는 일반적으로 용융상태를 말하며, 폴리에스테르섬 유, 폴리에스테르필름, Bottle용 고체상태의 수지, 엔지니어 링 플라스틱 등의 원료로도 사용된다. PET는 결정성이 크고 용융점이 높아 섬유로써 뿐만 아니라 필름, 병, 사출형 재료 등에도 사용되고 있다. 특히, 병으로 사용되는 PET의 특성으 로는 무게가 가볍고 강도가 커서 깨지지 않으며, 우수한 투명 성, 기체내 투과성, 내약품성 등과 내용물의 높은 품질유지성 으로 인한 식품의 위생성과 안전성 등이 인정되고 있다.

PET 를 재활용하는 방법에는 크게 두 가지 방법이 있다.

물리적 재활용은 폴리에스터 클립이나 플레이크 형태로 이용 하는 것이고, 화학적 재활용은 화학반응을 통하여 폴리에스 터 원료를 회수하는 것이다. 그 중 화학적 재활용이 경제적, 환경적으로 가장 바람직한 방법으로 알려져 있다. 사용 후 버 려지는 폐 폴리에스터를 다시 화학 원료화하는 것은 경제적 일 뿐 아니라, 환경적인 측면에서 매우 중요하다. PET는 화 학반응에 의해서 단량체로 분해되고 생성된 단량체는 PET 제조의 원료물질로 재사용 될 수 있다. 분해에 의해 생성된 단량체들은 최초의 고분자 합성에 이용되는 단량체와 동등한 성질을 갖는다. 따라서 분해로 얻은 단량체로 제조된 PET와 순수 모노머로부터 생성된 PET의 성질과 품질은 같을 것으 로 기대된다. 이러한 이유로, 폐 PET는 분해되어 원료물질을 회수하고 회수된 원료는 다시 조합되어 수지의 성질을 잃지 않은 고분자로 합성되어 시장에 유통된다(Han et al., 2012).

경량콘크리트용 잔골재의 활용을 위해 PET 골재를 재활용 한 실험적 연구가 수행된 바 있다. 즉, 폐 PET병을 재활용하여 콘크리트용 경량골재를 제조하였으며, 경량골재의 품질을 보다 향상시키기 위하여 산업부산물인 고로슬래그 미분말을 사용하 였다(Choi et al., 2002). PET병은 가열, 가압 또는 이 두 가지 에 의해서 성형이 가능한 가소성 물질이므로, 열적 재활용 시스 템을 통한 재활용이 가능하다. 또한, 실내 동상실험을 통한 재 활용 PET 골재 혼합토의 동상민감성 분석과 동결 온도에서 재

활용 PET 혼합골재를 뒤채움재로 사용한 상수도관의 변형 분 석 등 PET를 성형하여 골재의 동상효과를 입증한 연구가 진행 되었다(Shin et al., 2013; Shin et al., 2014; Kim, 2014).

우리나라는 대부분 모암이 화산암으로서 천연경량골재의 자원은 양적 및 입지조건으로 보아 그 분포가 넓지 못하며, 팽창혈암 또는 팽창점토의 부존자원도 열악하다. 그러나 국내 에서도 점차적으로 골재자원의 고갈 및 무분별한 골재채취로 환경훼손에 대한 인식이 증가하고 있어 각종 건축 및 토목구 조물에 대한 인공경량골재의 적용 필요성에 대한 인식이 높아 지고 있다. 또한, 대량으로 발생하는 석탄회, 제지슬러지, 쓰 레기소각재, 폐수 슬러지 등과 같은 산업폐기물을 원료로 저 비용으로 인공경량골재를 제조하려는 연구가 활발히 진행중 에 있다. 각종 폐기물을 이용한 인공경량골재에 대한 연구는 전 세계적으로 활발히 이루어져 왔으며, 그 중에서도 석탄회 를 이용한 경량골재 제조기술에 대한 연구는 약 40년 전부터 시작되어 구조용·비구조용 경량골재로 상용화되어 시판되고 있다(CERIK, 2010).

인공경량골재 제조기술의 경우, 미국, 일본 등 선진국은 오 랜 기술 축적을 통해 다양한 분야에서 실용화된 기술을 갖고 있으나, 폐기물을 이용한 인공골재 제조기술에 있어서는 주 로 석탄회를 이용한 인공경량골재 제조기술만이 실용화되어 있고, 그 외의 다른 폐기물을 이용한 경량골재 제조기술의 실 용화는 거의 보고되고 있지 않다.

기존의 인공경량골재의 경우 팽창혈암과 팽창점토 등의 부존 자원을 필요로 하는 반면, 폐기물을 이용한 인공골재의 제조에 는 이러한 특정 자원을 필요로 하지 않으므로, 인공경량 골재의 부존자원이 빈약한 국내 실정에서는 향후 예상되는 골재자원의 고갈과 경량골재 수요에 대비하여 각종 폐기물을 이용한 경량골 재 제조기술의 개발이 시급히 요구되며, 이의 실용화를 통해서 폐기물의 재활용과 기술 경쟁력을 제고 할 수 있을 것이다.

3. PET 인공골재의 특성 3.1 PET 인공골재 제조

생활폐기물로 분류되는 PET 조각을 재활용하여 골재를 만

들기 위해서는 소정의 생산과정을 필요로 한다. Fig. 1은

PET 조각과 토사를 혼합하여 PET골재로 제작되는 과정을

나타낸 것이다. Fig. 1(a)는 세척하지 않고 바로 분쇄한 재활

용 PET 조각을 나타낸 것으로 크기는 직경 0.5cm∼1.5cm로

PET 조각의 형상과 크기가 다양하다. Fig. 1(b)는 PET 골재

Table 3. Physical characteristics of PET Aggregate

the sieve Particle Size

(mm) Retained

amount(kg) Specific gravity

Unit weight (

kNm

Coefficient of

permeability(

cmsec

resistance( ° ) Note

Original - 100 1.88 8.575 58.45

≤#4 9.52 ∼ 4.75 20 1.81 6.321

 × 

#4∼#8 4.75 ∼ 2.36 39 1.92 7.428

 × 

#8< < 2.36 412.17 8.360

 × 

FM 4.52 80,408

kNm

(a) Recyclable PET base material (b) PET aggregate production equipment (c) Mixing PET and sand (PET coating)

(d) Harden at ordinary temperature (e) No. 4 sieve pass aggregate (f) No. 20 sieve pass aggregate Fig. 1. Manufacturing process of the PET aggregates

Table 2. Physical characteristics of the silica sand

gravity (



Coefficient of uniformity

(



Coefficient of curvature

(



Dry unit weight

(



(cm/sec) USCS

 m ax   m in 

Molding Sand No.7 2.62 1.87 1.09 16.17 12.25 2.286×10^-28 SP

생산 장비에 재활용 PET 조각을 넣기 전 모래를 넣고 가열시 키는 것을 나타낸 것이며, Fig. 1(c)는 가열된 모래와 PET 조각을 혼합하는 과정을 나타낸 것이다. 이렇게 제작된 PET 골재는 Fig. 1(d)의 과정을 거쳐 서서히 상온에서 굳어지게 되며, 굳어진 PET 골재는 체가름을 통해 Fig. 1(e)와 (f)와 같이 다양한 크기로 분류된다.

PET 인공골재의 공학적 특성을 파악하기 위해서 인공골재 제조시 사용되는 혼합토사의 물리적 특성 시험을 한국산업규 격에 의거하여 수행하였다. 이 시험에서 PET와 혼합하기 위 해 사용된 흙 시료는 입경이 0.1mm 이하의 연미색을 띄고 있는 규사모래이며, Table 2는 공학적 특성을 요약한 것이다.

사용 흙 시료는 200체 통과량이 10% 미만, 균등계수와 곡률 계수는 각각 1.87, 1.09이고, 통일분류법에 의하여 빈입도모 래(SP)로 분류되며 일반적인 모래의 특성을 나타낸다.

3.2 PET 인공골재의 공학적 특성

인공골재로 사용하기 위해 제작한 PET 골재는 Kim(2014), Shin et al.(2013), Shin et al.(2014) 등에 의하여 흙의 동상민 감성 개선, 옹벽의 토압저감에 관한 연구에 사용된 골재와 같 은 방법으로 제조하였으며, 이에 본 연구에서는 PET 인공골 재의 물리 및 역학적 특성시험을 수행하였다.

열을 가하여 PET와 흙을 이용하여 PET 골재를 제작하면,

다양한 PET 조각크기의 특성상 여러 종류의 크기로 PET 골

재가 만들어지게 된다. 제작한 PET 골재의 체가름 분석을 위

하여 사용한 체의 치수는 9.52mm, 4.75mm, 2.36mm,

1.18mm, 0.6mm, 0.355mm, 0.150mm 로써 KS F 2523에서

규정한 굵은 골재의 체가름 시험방법을 이용하였다. 이 시험

은 PET 골재의 입도, 조립률, 최대치수 등을 파악하기 위하여

필요하며 골재의 품질관리 및 구성 비율을 결정하는 데에 중

요한 자료가 된다. PET 골재의 60%, 30%, 10%의 통과입경

Fig. 2. Horizontal drainage experimental device under loading 은 각각 3.25mm, 1.54mm, 0.798mm로 산정하여 균등계수와

곡률계수를 구해보면, 각각 4.07, 1.09로 자갈의 기준으로 균 등계수는 4보다 크고, 곡률계수는 1과 3사이에 값을 나타내었 다. 또한 조립률은 4.52를 나타내어 2.3∼3.1의 범위를 가지 는 잔골재의 조립률과 6∼8의 값을 가지는 굵은 골재의 조립 률 사이의 값을 갖는다.

Table 3 은 PET 골재의 공학적 특성을 요약한 것으로, PET 골재의 작업성과 중량을 고려하여 세 가지로 분류하였다. 제 작된 PET 골재는 총중량 100kg 중 4.75mm 이상, 4.75mm

~2.36mm, 2.36mm 이하의 골재의 크기로 분류하였으며 각 각 A 형태, B 형태, C 형태로 명명하였으며, 중량비는 2 :

4 : 4 이다.

각각 분류된 PET 골재는 일반적인 석영질 모래가 나타내는 비중보다 작게 나타났고, 단위중량의 경우 조립토나 세립토가 나타내는 단위중량(19~20kN/m

) 보다 50% 이상 가벼운 것으 로 도출되어 입자가 작아질수록 비중과 단위중량은 증가하고, 투수계수는 감소하는 경향을 나타내었다.

또한, PET 골재의 입자의 크기를 고려하여 30cm×30cm 크기의 대형직접전단시험을 수행한 결과, 4.75mm 잔류골재 의 마찰저항각은 47.51

, 4.75mm ∼2.36mm 잔류골재의 마찰 저항각은 58.38

, 2.36mm 통과골재의 마찰저항각은 24.18

, PET 골재 제조시설에 의해 생산된 원골재는 58.45

로 측정되 었으며, 마찰저항각은 여러 영향인자 중에서 입자 형상이 가 장 큰 영향이 있음을 알 수 있다.

4. 실내 수평투수실험에 의한 PET 인공골재의 배수 특성

4.1 실험 장치 및 방법

하중을 재하 할 수 있는 실내 수평투수 실험장치를 이용하 여 PET 골재의 배수능력을 평가하였다. 배수능력을 측정할 수 있는 실험방법중 ASTM D 4716(87) 방법은 수평배수재가 지반 내에 타설될 때 상재하중과 가압시간에 따른 통수능력을 파악하기 위한 장치이다. 따라서, Fig. 2에서와 같이 ASTM D 4716 에 준하는 수평배수실험 장치를 제작하여 재하하중에 따른 골재의 배수특성을 파악하였다.

제작된 실험장치는 단계별 하중 재하에 따른 PET 골재의 투수계수를 측정하는 장치로서 아크릴과 PC로 제작하여 하중 에 따른 실험장치의 변위를 최소화 하였으며, 장치 내 PET 골재를 채우고 다진 후 PC로 제작된 캡퍼를 덮어 누수를 방지

하고 캡퍼 상부에는 하중 재하판을 설치하여 단계별 하중이 작용할 수 있도록 하였다.

실험장치내 물의 흐름을 원활하게 하기 위하여 유입부분과 유출부분에 철망을 설치하여 혼합골재시료가 유출되지 않도 록 하였다. 유입부분의 수조의 높이는 40cm로 수두차를 유지 하기 위하여 높이별 10cm 간격으로 직경 1cm의 구멍을 세 곳에 천공하여 밸브를 설치하였다. 유출부분의 수조의 높이는 20cm 로 높이별 10cm, 5cm 간격으로 3개씩 총 9개의 구멍 ( 직경 1cm)을 뚫어 밸브를 설치하여 수두차를 유지할 수 있도 록 하였다. 또한 지속하중으로 인한 입자의 재배열이 충분히 일어날 수 있도록 시간을 충분히 조절하여 정확한 통수량을 측정하였으며, 이 값을 이용하여 수평투수계수를 산정하였다.

PET 골재의 생산되는 중량비는 4.75mm 잔류량 : 4.75mm

∼2.36mm 잔류량 : 2.36mm 통과량으로 그 비율은 각각 2 : 4 : 4 가 되고, 4.75mm 잔류량을 A-type, 4.75mm∼2.36mm 잔류량을 B-type, 2.36mm 통과량을 C-type으로 구분하였다.

현장적용을 위한 PET 골재의 배수특성을 분석하기 위하여

세 가지 유형으로 분류하였고, 배수재로의 적용 시 입도 분포

는 다를 수 있기 때문에 세 가지 유형의 PET 골재를 재배합하

여 수평배수 시험을 실시하였다. 즉, A-type, B-type, C-type

PET 골재의 배합비를 Table 4와 같이 20가지 유형으로 분류

하고 각각의 유형에 따라 시험을 실시하였다.

Table 4. Mixing ratio for each test specimen for PET aggregates

Test No. Mixing ratio (A : B : C) Test No. Mixing ratio (A : B : C)

CASE-1 8 : 2 : 0 CASE-11 4 : 0 : 6

CASE-2 8 : 1 : 1 CASE-12 2 : 8 : 0

CASE-3 8 : 0 : 2 CASE-13 2 : 6 : 2

CASE-4 6 : 4 : 0 CASE-14 2 : 4 : 4

CASE-5 6 : 2 : 2 CASE-15 2 : 2 : 6

CASE-6 6 : 0 : 4 CASE-16 2 : 0 : 8

CASE-7 4 : 6 : 0 CASE-17 10 : 0 : 0

CASE-8 4 : 5 : 1 CASE-18 0 : 10 : 0

CASE-9 4 : 3 : 3 CASE-19 0 : 0 : 10

CASE-10 4 : 1 : 5 CASE-20 Sand (Quartz)

(a) Unloading

(b) Loading

Fig. 3. Variation of permeability under loading conditions 4.2 실험결과 및 분석

4.2.1 하중에 따른 투수성능

재활용 PET와 흙 시료(규사)의 열용융 접합을 통하여 생 산된 PET 혼합골재는 일반적으로 입도가 다양한 흙 시료에 비하여 크기나 형태가 불규칙하기 때문에 간극에 따른 투수 성능의 변화가 크다. 이에 PET 골재를 배수재 및 투수재료로 사용할 경우, 일반화 되지 않은 투수특성으로 인하여 배수재 에 대한 적절한 설계 및 시공의 난해함이 발생할 수 있다. 따 라서 PET 골재의 특성을 정형화 하고자 입자조건에 따라 체 분석을 통하여 분류된 대입자(A Type), 중입자(B Type), 소 입자(C Type)를 적절한 조건으로 배합하여 하중조건에 따른 투수 특성을 분석하였다.

Fig. 3 은 대입자의 혼합률 20%, 40%, 60%, 80%에 대한 중 입자 및 소입자의 혼합률의 변화에 따른 투수계수를 나타낸 것 이다. 즉, Fig. 3의 B type은 대입자를 제외한 나머지 부분이 중입자가 차지하는 비중이 높은 분류군(Case 1, 4, 7, 8, 12, 14), C type 은 소입자가 차지하는 비중이 높은 분류군(Case 3, 6, 10, 11, 15, 16), B 와 C type은 중입자와 소립자가 1:1의 비로 혼합되어 있는 경우(Case 2, 5, 9, 14)를 나타낸 것이다.

Fig. 3(a) 는 하중을 재하하기전의 투수계수를 나타낸 것이 고, Fig. 3(b)는 단계하중을 주어 최종적으로 65kPa의 하중을 재하하고 안정된 후의 투수계수를 나타낸 것이다. 하중 재하 전과 재하 후의 모든 경우에서 대입자의 혼입률이 높을수록 투수계수가 증가하고, 중입자(B ype)의 혼합률이 큰 경우, 중 입자와 소립자의 혼합률이 1 : 1인 경우, 소립자(C type)의 혼 합률이 큰 경우의 순으로 투수계수의 크기가 다르게 나타났 다. 재하 전과 재하 후의 평균 투수계수 변화율은 중입자의 혼합률이 큰 경우에는 22.04%, 혼합률이 1 : 1인 경우에는 18.63%, 소입자의 혼합률이 큰 경우에는 13.33%로 단계하

중에 따라 투수계수에 가장 영향을 적게 미치는 경우는 소입 자의 혼합률이 높을 경우 인 것으로 나타났다.

Fig. 4 와 Table 5는 하중재하 전과 재하 후의 투수계수와 각각의 경우에 대하여 투수계수의 감소율을 나타낸 것이다.

대입자가 80%, 60%, 40%, 20% 혼합된 경우에 투수계수의

감소율은 각각 12.85%, 12.86%, 12.00%, 11.55%로 나타나

대입자의 혼합율이 적어질수록 투수계수의 변화가 작은 것으

로 나타났다. 또한 대입자가 80%, 60%, 40%, 20% 혼합되

고, 대입자를 제외한 나머지 부분에 대하여 중입자와 소입자

Fig. 4. Reduction ratio of permeability under loading conditions

Table 5. Reduction ratio of permeability under loading conditions

Coeff. of permeability

(ml/sec) Reduction ratio Test No.

Coeff. of permeability

(ml/sec) Reduction ratio

Unload Loading Unload Loading

Case 1 1.78 1.519 14.663 Case 9 1.073 1.033 3.728

Case 2 1.327 1.186 10.626 Case 10 0.448 0.334 25.446

Case 3 0.814 0.706 13.268 Case 11 0.592 0.519 12.331

Case 4 1.298 1.125 13.328 Case 12 1.098 1.024 6.740

Case 5 1.011 0.905 10.485 Case 13 0.711 0.631 11.252

Case 6 1.150 0.980 14.783 Case 14 0.798 0.730 8.521

Case 7 1.278 1.167 8.686 Case 15 0.134 0.114 14.925

Case 8 1.039 0.937 9.817 Case 16 0.098 0.082 16.327

가 1:1의 비로 동일한 중량비로 혼합된 경우의 투수계수 변화 율은 중입자나 소입자의 혼합률이 큰 경우보다 투수계수의 감소율은 작게 나타난 것으로 나타났다(Case 3, 5, 9, 14).

특히 Case 9의 경우, 투수계수의 감소율은 3.72%로 현저 하게 작게 나타났다. 이는 PET 골재 적용시 하중에 의한 물 이 통수되는 간극의 변화가 가장 작음을 의미하며, 하중에 변 화에 대하여 상부를 지지하고 통수시키는 배수층의 변화가 작아 외부요인에 의한 변화에 대하여 가장 안정적 구조임을 나타낸 것이다.

4.2.2 하중에 따른 간극의 변화 분석

흙 시료 및 PET 골재의 간극은 물이 흐르는 경로로 투수계 수의 증가 및 감소에 가장 중요한 영향인자이다. 특히 PET 골재의 경우 입자의 크기나 형태가 불규칙하여 동일한 시료에 도 간극의 형태 및 비율이 상이하다. 따라서 일반적인 상태에 서의 간극과 하중재하시의 투수계수가 일정해지는 시점의 간 극을 산정하였다. Fig. 4는 간극의 감소율에 대한 투수계수의

감소율을 나타낸 것으로, 간극비의 감소율 e

은 초기간 극(e

) 과 하중단계에서의 간극비(e) 차이로 나타내었다.

Fig. 5 에서 대입자의 함유율이 80%인 경우에 간극비의 감 소율은 최대 25% 정도로 나타났으며, 간극비의 감소율과 상 관없이 소입자를 다수 함유하여 비교적 입자의 유동 가능성이 큰 Case 3에서 간극비의 변화가 가장 크게 나타났다. 대입자 의 함유율이 60%인 경우에 간극비의 감소율은 최대 15% 정 도로 나타났고, 중입자와 소입자들이 균일하게 혼합된 Case 5 의 경우에는 간극의 감소가 뚜렷하였다. 대입자의 함유율이 40% 인 경우에는 소입자가 비교적 많이 혼합된 경우보다 중입 자가 비교적 많이 혼합된 경우가 간극비의 감소율이 커짐에 따라 투수계수 또한 작아지는 경향을 나타내었다. 특히 중입자 와 소입자의 혼합율이 동등한 Case 9의 경우에서는 간극의 변화율과 투수계수의 변화율이 가장 낮게 나타났다. 대입자의 함유율이 20%인 경우, 대입자의 함유율이 40%인 경우와 투 수계수 및 간극의 감소율에 대한 경향이 비슷하게 나타났으며, 중입자와 소입자를 동등하게 혼합한 경우에서 가장 작은 투수 계수 감소율과 간극비의 감소율을 나타냈었으나 Case 9에 비 하여 투수계수의 감소율은 큰 것으로 나타났다.

전체적으로 대입자 함유율이 40%이하일 경우, 중입자와

소입자의 혼합율이 균일한 경우에 간극의 감소와 투수계수의

감소율이 모두 현저하게 작아짐을 알 수 있다. 이는 상부에

하중이 작용하더라도 배수층내의 투수의 흐름의 변화가 작고

간극비의 변화 또한 작아져 하중에 대하여 가장 유리한 조건

이 될 수 있음을 알 수 있다. 따라서 도출된 실내투수시험결과

를 이용하여 실대형 수평투수실험에 적용하기 위한 최적의 배

합조건은 Case 9의 조건으로 판단하였다.

Fig. 5. Variation of permeability under loading conditions

Fig. 6. View of large-scale pilot test set-up for drainage capacity

5. 실대형 수평투수실험에 의한 PET 인공골재의 배수특성

5.1 실험 장치 및 방법

실대형 수평투수실험은 PET 골재를 포설하여 투수층을 구 성한 상태로서 상부에 축조된 구조물이나 식생 등에 지속하 중이 재하된 경우를 고려하여 전체 투수층의 투수성능을 파악 하기 위하여 실시하였다. Fig. 6에 도시된 대형 실험장치는 150cm×70cm×110cm 규격으로 양쪽 끝단에서 20cm 이격하 여 철망이 설치되어 유출부분과 유입부분을 형성하였고, 수두 차를 유지하기 위하여 밸브도 바닥부터 높이별로 3개가 설치 하였다. 골재가 채워지는 부분의 규격은 110cm×70cm×30cm 이고, PET골재를 15cm 채워 다진 후 간극수압계의 주변을 모래로 덮고 다시 거즈로 둘러싸서 간극수압계를 설치하였다.

그 상부에 PET골재를 15cm 채워 다진 후 토압계를 설치하였 으며, 실내실험에서 사용한 누수방지를 위한 캡퍼 대신 점토 를 20cm 채움하여 다진 후 차수를 실시하였다. 그리고 구성된 지반체 상부에 80cm×70cm×1.5T의 합판을 중앙에 직경 30cm 의 구멍을 뚫어 설치하였고, 30cm의 구멍안에 재하판을 설치하여 하중을 재하 할 수 있도록 하였다.

실험장치의 양쪽 끝단에서 20cm 이격되어 설치된 철망에

는 은박테이프와 실리콘을 사용하여 PET 골재 채움을 한 높

이 위로 유출부분과 유입부분에 수두차를 유지할 수 있도록

하고 차수가 가능하도록 설치하였다. PET 골재는 투수계수

(a) Earth pressure

(b) Pore water pressure

Fig. 7. Variation of earth pressure and pore water pressure from center line of drainage layer

가 크기 때문에 3개의 밸브만으로는 수두차를 유지할 수 없어 수중펌프(80 L/min)를 작동하여 계량된 용기(50 L∼100 L) 에 통수된 물을 받아 통수량을 측정하여 투수계수를 산정하 였다.

PET 골재 채움 상부에 중앙부분에서 종방향으로 10cm씩 이격하여 토압계를 설치하였고 단계별 하중 재하 시 토압의 거동을 분석하였다. PET 골재 채움을 한 15cm 높이에는 종 방향으로 5개의 간극수압계를 지그재그로 설치하여 하중 재 하 시 간극수압의 변화를 측정하여 배수특성을 분석하였다.

즉, 배수특성을 분석하기 위하여 실대형 수평투수 실험장치에 토압계 5개, 간극수압계 5개, 변위측정계(LVDT) 3개를 설치 하였다.

5.2 실험결과

배수층 상부에 하중이나 충격이 발생하면 PET 골재 배수 층은 입자의 재배열과 압축에 의해 간극수의 거동에 변화가 발생한다. 실대형 수평투수실험을 통하여 상부에 발생하는 압 력과 간극수의 거동과의 비교를 통해 실제 현장에서 발생가 능한 배수층의 간극수압과 토압의 경향을 판단하였다.

Fig. 7 은 하중의 증가에 따른 토압 분포와 간극수압의 변화 를 나타낸 것이다. 중심부는 하중이 증가함에 따라 일정한 비 율로 토압이 증가하는 경향을 나타내었으며, 240kPa의 하중 재하시 급격하게 증가량이 감소하였다. 유입부의 토압은 하중 의 증가 경향은 일정하지 않으나, 하중의 증가에 따라 압축력 을 받아 하부투수층의 간극이 감소함을 보였다. 유출부의 경 우 토압은 감소 경향이 나타나며 하중이 증가함에 따라 더욱 뚜렷해졌다.

토압의 경향과 유사하게 하중이 증가할수록 중심부에서의 간극수압도 증가 경향이 뚜렷하며, 유입부의 경우는 증가하고 유출부의 경우에는 감소하는 경향을 나타내었다. 이는 배수층 설치 현장의 경우 상부의 영구 및 장기 설치 구조물의 존재 및 차량 등의 이동에 따른 충격하중에 의해 배수층 골재의 재 배열 및 압축이 발생할 수 있음을 나타내고, 유입부와 유출부 의 위치에 따라 압력과 간극수압의 상이함을 나타낸 것이다.

토압과 간극수압의 분석을 통하여 중심부 인근 배수부의 경우에는 간극수압이 증가하고, 중심부의 경우에는 간극수압 이 감소됨을 알 수 있다. 이 결과를 통한 가장 이상적인 PET 골재의 배수방법은 중심부는 PET 골재의 배합비의 변화로 배수성능을 증가시키고, 유출부는 토피의 강도증가를 통한 압 축력을 증가시키는 것이다. 이는 중심부에서 작용하는 하중에

의하여 배수층의 PET 골재층의 입자가 재배열 되고 압축됨 에 따라 중심부를 기점으로 주변의 지반을 융기시키게 되어 토압과 간극수압 또한 작아지는 것으로 판단된다.

실험에 사용된 배합골재의 경우, 상부의 하중에 대한 하중 의 분산력이 우수하여 배수층 중심부는 하중의 전달률이 10% ∼3% 내외로 나타나 배수층의 간극 감소에 영향을 끼치 는 하중은 미세하게 나타났다. 또한, PET 골재의 저항성과 하중재하 인근의 팽창력으로 인한 간극의 증가로 인해 일정 한 토피의 복토가 있을 시 재하하중의 증가로 인한 배수성능 의 저하는 미미할 것으로 판단된다.

6. 결 론

PET 와 흙 시료의 열용융 혼합을 통해 생산된 PET 골재를

인공지반의 배수재로 활용하기 위하여 골재의 물리 및 역학

적 특성시험과 실내 수평투수실험, 실대형 수평투수실험을 수

행하였다. 이에 다음과 같은 결론을 도출하였다.

(1) 실내투수시험결과로 PET 골재의 물리적 특성과 투수계 수와의 상관성을 분석한 결과, 통과질량 백분율 60%에 해당하는 입경과 상재하중은 선형비례관계에 있으며 상 재하중이 커질수록 투수계수는 감소하는 것을 알 수 있 었다. 그러나 상부의 하중을 분산시키는 효과가 크므로 배수층 중심부로 하중의 전달률이 작고 이로 인해 입자 의 재배열 및 압축 효과가 매우 작은 것으로 나타났다.

(2) PET 골재의 배수특성을 분석하기 위하여 입경별로 분 류하였고 분류된 PET 골재를 대입자 배합비를 기준으 로 20가지의 배합비로 시료를 나누어 분석한 결과, 대입 자의 배합비가 클수록 투수성능이 우수하고, 하중에 의 한 투수계수 변화 경향이 뚜렷하며, 대·중·소 세 가지 입경의 배합비가 같아질수록 하중에 의한 투수계수 변 화 경향이 작게 나타났다.

(3) 대입자의 함유량이 유사 할 경우에는 중입자와 소입자 의 배합이 5 : 5 일 때 간극의 변화량이 작게 나타났으 며, 입자간 배열이 균질하여 하중에 대한 침하저항력이 크다. 이로 인해 간극의 변화도 미세하여 투수계수의 변 화도 작게 나타났다.

(4) 실대형 수평투수시험의 결과, 단위하중이 일정한 곳에 가해지면 하중이 가해지는 부분의 간극수압은 작아지고 유출부의 간극수압은 커지는 경향을 보였다. 또한, 압력 과 간극수압의 분석을 통하여 중심부의 경우 배합비의 변화를 통한 배수성능의 증가가 필요하고 유출부의 경 우 토피의 강도 증가를 통한 압축력 증가가 필요하다.

Acknowledgement

This research was supported by a Grant from Incheon National University Research(INU) in 2014.

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