Evaluation on Water Preventing Ability of Contaminants in Tailings Using Various Covering Materials

다양한 차폐재를 이용한 광물찌꺼기 적치장의 오염물질 차수능력 평가

김남극¹⁾· 정명채¹⁾* · 김영규¹⁾· 김중열²⁾· 김유성²⁾· 이진수³⁾· 박관인³⁾

Evaluation on Water Preventing Ability of Contaminants in Tailings Using Various Covering Materials

Nam Keuk Kim, Myung Chae Jung

Young Kyu Kim, Jungyul Kim, Yoosung Kim, Jin-Soo Lee and Kwan In Park

Abstract :This study examined evaluation on water preventing ability of tailings site from the Sinlim mine using columns filled with various covering materials including clay, bentonite and pozzolan. Size analysis and compaction test(0~20% based on volume) of the tailings were undertaken. A cylinder-typed columns in size of Φ30 cm × 60 cm were filled with the tailings, covering materials and artificial water from bottom to top.

Permeability of the tailings with loamy sand decreased with compaction ratio, whilst hardness increased with the ratio. According to compaction test of the columns, 20% compaction ratio was the best water preventing ability.

At each column, permeability(cm/s) decreased in the order of clay(10^-4 unit) > pozzolan(10^-5 unit) > bentonite(10^-6 unit). Although bentonite with high swelling has relatively higher covering ability, bentonite with low swelling is quite enough to adopt water preventing ability. Consequently, low grade bentonite and pozzolan are excellent in covering materials in the surface of tailings sites.

Key words : Tailings, Covering, Clay, Bentonite, Pozzolan, Permeability

요 약 : 이 연구에서는 칼럼시험을 통해 점토, 벤토나이트 및 포졸란 등 다양한 차폐재의 차폐성능을 평가하고 자 하였다. 신림광산의 광물찌꺼기를 대상으로 입도분석과 부피비로 10%와 20%의 다짐도에 따른 투수성을 시험하였다. 이후, 광물찌꺼기를 Φ30 cm × 60 cm의 원통 아크릴에 채우고 다양한 차폐재를 충진한 후 인공강우 를 활용하여 투수성을 평가하였다. 양질사토(loamy sand)로 분류된 광물찌꺼기의 투수계수는 다짐에 따라 감소 되었으며, 굳기(hardness)는 증가하였다. 차폐재별로 다짐에 따른 투수성을 평가한 결과, 다짐도 20%에서 차수성 이 가장 좋았다. 차폐재별 투수계수(cm/s)는 점토(10^-4 단위) > 포졸란(10^-5 단위) > 벤토나이트혼합토(10^-6 단위) 로 나타났다. 특히 팽윤도에 따라 저/중/고급으로 분류되는 벤토나이트의 차수능력은 고급에서 높았지만 경제성 과 효율성을 고려한다면 저급의 벤토나이트로도 충분한 차수 능력이 확인되었다. 결론적으로 벤토나이트혼합토 와 포졸란이 우수한 광물찌꺼기 적치장의 상부 차폐재로 평가되었다.

주요어 : 광물찌꺼기 적치장, 차폐공법, 점토, 벤토나이트, 포졸란, 투수계수

2011년 7월 26일 접수, 2011년 9월 6일 심사완료 2011년 9월 21일 게재확정

1) 세종대학교 공과대학 에너지자원공학과 2) (주)소암컨설턴트

3) 한국광해관리공단 광해기술연구소

*Corresponding Author(정명채) E-mail; [email protected]

Address; Department of Energy and Mineral Resources Engineering, Sejong University, Seoul, Korea

서 론

국내 광산은 과거 1920～1930년대에 본격적으로 개 발되기 시작하여 1980년대까지 국가의 기간산업으로 많

이 개발되었지만, 광량의 부족과 개발비의 증대로 인해 1990년대 이후에는 개발이 둔화되면서 이들 중에서 약 80%가 휴광 또는 폐광되었다(이평구 등, 2004). 이후 대 부분의 광산폐기물에 적절한 처리없이 방치되어 주변지 역의 토양오염과 광산배수에 의한 수질오염이 가중되었 다. 그동안 환경부, 지식경제부, 농림수산식품부 등 정부 에서 수행한 휴· 폐금속광산 토양오염실태 조사 결과에 의하면, 금 · 은광산 개발로 인해 비소의 오염이 심각한 수준이며, 이외에도 다양한 금속광산 주변 농경지에서 카드뮴, 구리, 납, 아연, 수은 등의 중금속 오염 현상이 확인된 바 있다(Jung and Thornton, 1996; 정명채와 정 문영, 2006; 정명채 등, 2009).

연구논문

휴· 폐광산에 적치된 광물찌꺼기나 폐석 등과 같은 광 산폐기물에는 다양한 종류의 중금속을 함유한 금속광물 들이 일부 포함되어 있다. 이러한 광산폐기물은 산성배 수 및 중금속이 함유된 침출수 발생, 유실에 의한 주변 환경오염, 분진의 비산 등 여러 가지 형태의 광해문제를 발생시킨다. 더불어 광산폐기물에 의한 광산지역의 토양 및 지표수, 지하수 등의 환경오염은 농업, 양식업, 축산 업, 관광업 그리고 토지사용 등에 많은 문제를 초래하여 경제적 손실이 매우 큰 것으로 보고되고 있다(정명채와 정문영, 2006; 환경부, 2007).

이러한 광산폐기물의 오염도 저감을 위한 다양한 처리 방법이 소개되었으며, 대표적으로 차수재를 사용한 격리

· 저장(containment), 고형화 · 안정화(S/S), 토양세척(soil washing), 식물정화(phytoremediation), 투수성 반응벽체 (PRB)를 이용한 오염물질 제거기술 등이 소개되었으며, 최근에는 건설자재 및 유가금속 회수 등을 포함한 재활 용 분야도 활발히 연구되고 있다(Forstner and Salomons, 1988; 진호일 등, 2000; 안주성 등, 2001; 정문영 등, 2006;

이진수 등, 2008), 그 중 광산폐기물을 주변토양, 지하수, 지표수 및 산성비 등으로부터 차단· 격리시키는 차단 매 립방식은 다른 공법에 비해 경제적이면서도 시공이 용이 하여 가장 많이 시행되고 있으며 다양한 차폐재와 공법 에 대한 연구가 수행된 바 있다(정영욱 등, 2007; 이동길 등, 2008; 임길재 등, 2009; 김태풍 등, 2010). 즉, 차단 매립방법은 폐기물매립장과 유사하게 적치장 주변에 옹 벽, 흙 제방 등의 폐기물 저장시설을 축조하여 저장시설 의 바닥과 상부에 차수시설을 설치하고, 최상층은 복토 와 식재 등의 방법으로 우수 등의 유입이 차단되도록 하 는 방법이다. 이러한 방법은 단기간 내에 폐기물을 차단 매립 함으로써 환경위해요인을 차단할 수 있다는 장점은 있으나, 매립장 부지의 확보 및 토지이용의 제한, 차단 매립재료의 수명이 짧아 일정기간 후에는 다시 차단시설 을 하여야 한다는 등의 단점이 있다(이종민과 이재영, 2001). 또한, 발생되는 침출수에 대해서는 특정한 유해 성분을 흡착/분리/제거하여야 하고, 원천적으로 오염원 이 완전히 제거가 되지 않을 경우, 장기간에 걸쳐 지속적 으로 처리공정을 운용해야하는 문제점이 있다. 이러한 차단매립법과 침출수 처리방법의 단점을 보완하기 위하 여 폐기물에 존재하는 용출성 유해성분을 고온에서 융해 하거나 혹은 여러 가지 방법으로 불용화 처리한 후에 이 들을 차단매립하거나 폐갱도에 저장하여 안정화시키는 방법이 이용되기도 한다.

국외에서는 폐기물 격리를 위한 차폐공법에 대한 다양 한 실험을 실시하여 적정 차폐공법을 선정하는 연구가 수행된 바 있다. 그 중 미국 에너지부(Department of Energy,

USA)의 ALCD Project(Alternative Landfill Cover Demon- stration Project)가 대표적 연구 사례로 국외 차폐공법에 대한 연구는 기존의 표준 차폐공법과 그에 대체할 수 있 는 공법을 상호 비교함으로써 시공비용이 적게 소요되며 차폐능력이 우수한 공법을 선정하는 데 초점을 두고 있 다(Sandia National Laboratories, 2000).

반면에 국내 광물찌꺼기 적치장의 복원을 위해 적용된 차폐공법은 환경부에서 적용하고 있는 유해폐기물에 대 한 차단공법을 그대로 준용하고 있으며 광산 환경오염 실태 및 그에 대한 관리지침에 대한 연구를 진행한 바 있으나 광물찌꺼기에 대한 차폐공법에 대한 기존 폐기물 표준 차폐공법 및 적용 사례만을 열거하였을 뿐 다양한 차폐공법에 대한 실험적 연구를 진행하여 광물찌꺼기 적 치장에 적합한 차폐공법을 제시하지 못하고 있는 실정이 며 차폐공법에 대한 소규모 pilot 현장실험이 수행된 바 있으나(김중열 등, 2008), 아직 광물찌꺼기 적치장에 적 합한 차폐공법 개발을 위한 체계적인 연구가 진행된 바 없다. 특히, 현장 적용성 검증을 위한 차폐재에 성능비교 를 위한 실내 연구는 매우 부족한 실정이다.

그러므로 이 연구에서는 실내 실험을 통하여 광물찌꺼 기의 입도분석, 다짐별 투수 특성을 평가하고, 점토, 벤 토나이트혼합토 및 포졸란 등 다양한 차폐재를 활용한 투수성 평가를 통해 현장 적용성을 평가하고자 한다. 이 러한 연구결과를 토대로 최적의 설계변수를 도출하여 저 비용 고효율의 차폐기술평가를 위한 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

연구 지역

강원도 원주시 신림면에 소재하는 신림광산은 지리좌 표로 경도 128:05:35, 위도 37:14:42에 위치하며 금-은 광상으로 1987년부터 재개발되어 상갱부터 하3갱까지 개설되어 일 30톤 규모의 부유선광장을 가동하였으나, 현재는 휴광 중에 있다.

본 광산부근 일대의 지질은 선캠브리아기의 흑운모 편 마암류, 복운모 화강편마암 및 고생대 석회암 등으로 구 성된다(대한광업진흥공사, 1987; 김세현 등, 1996). 흑운 모편마암류는 광구 전반에 걸쳐 분포하며 이 지역의 기 반을 이루고 있었던 화강편마암, 섬록암, 페그마타이트 의 관입기에 따른 변성정도에 따라 호상편마암, 미그마 타이트질편마암, 화강암질편마암 등으로 구분된다. 복운 모화강편마암은 흑운모편마암류 주변부에 대상분포를 이루고 있으며, 주구성광물은 석영, 정장석, 사장석, 흑 운모, 백운모 등이다. 석회암은 소규모로 분포하고 있으 며, 결정질 및 석회규산염암의 암상을 보인다.

Fig. 1. Photo showing a falling head permeameter.

한편, 광산 활동 당시 사용되어진 폐시설과 폐건물이 방치되어 있었으나 2010년에 한국광해관리공단에서 폐 건물 및 갱구를 포함한 복원사업을 통해 해체되거나 펜 스가 설치되었지만 아직도 일부 광물찌꺼기의 유실이 우 려된다. 이 광산에 대한 기존 연구(환경부, 2007; 정명채 등, 2009)에 따르면, 비소는 광물찌꺼기 적치장 주변의 토양에서 대책기준의 15∼500배 이상으로 검출되었으 며, 아연은 1.5∼6배 이상 초과하였고, 수은 역시 우려기 준을 초과한 바 있다. 특히, 비소의 오염원은 광물찌꺼기 로 알려져 있으며, 주변지역에 확산 우려가 높아 적절한 광해방지대책이 필요한 것으로 보고된 바 있다.

연구 방법

광물찌꺼기와 차폐재의 물리적 특성 분석

광물찌꺼기의 입도분포를 알아보기 위해 입도분석기 (영국 Malvern사의 Mastersizer S)를 이용하였다. 그리 고 광물찌꺼기 1 kg을 완전 건조하여 2 mm 이하(10 mesh)로 체질한 후, Φ8 cm × 24 cm인 원형아크릴 칼럼 을 사용하여 광물찌꺼기 1 kg에 대해 다짐도별 투수시 험 하였다. 즉, 일반적으로 토양의 투수계수 측정에는 정 수위법과 변수위법이 있으며, 정수위 투수계수는 유입부 와 유출부의 수두를 일정하게 유지하면서 투수계수를 측 정하고 변수위는 유입부의 수위변화를 이용하여 투수계 수를 측정하는 것이다. 이 연구에서는 대부분의 투수계 수가 10^-4 cm/s 이하로 낮은 수준이므로 변수위 측정 장 치를 이용하여 투수계수를 측정하였다. 즉, Fig. 1에 도 시된 바와 같이 하부에 주물로 제작된 챔버에 광미와 복 토재를 충진하고 하부에서 상부로 물을 펌핑하여 완전포 화된 이후 상부에서 하부로 일정량이 주입되는 속도로 변수위를 측정하였다. 차폐재 각각의 변수위측정 결과 복토재는 6.08 × 10^-5 cm/s, 저급의 벤토나이트는 6.08 × 10^-7 cm/s로 약 100배의 차이가 나타났다.

한편, 흙의 다짐은 일반적으로 롤링(rolling), 탬핑(tamping) 이나 진동과 같은 역학적인 방법에 의해 수행되며, 공극 을 감소시켜 충전밀도(bulk density)를 증가시킨다. 따라 서 흙의 다짐은 흙의 공극률과 투수계수를 감소시키고, 전단강도와 지지력을 증가시키게 된다. 함수비를 변화시 키면서 흙 시료를 동일한 부피와 에너지로 다져서 함수 비-건조밀도 관계의 다짐곡선을 그려서 최대건조밀도, 최적 함수비를 찾아서 시공현장에 알맞은 다짐함수비의 범위를 구하는 것이 다짐시험의 목적이다. 다짐시험은 자연건조시료를 표준체로 쳐서 최대허용입경을 구한 다 음 100 mm 몰드에 채우고 2.5 kg의 램머를 30 cm 높이 에서 자유 낙하시켜 흙을 다지는 A 방법과 150 mm 몰

드에 4.5 kg의 램머를 45 cm의 높이에서 자유 낙하시켜 다지는 D 방법 등으로 나누어진다. A 방법은 시료를 잘 섞어 칼라 밑판을 붙인 몰드에 3층으로 나누어 25회 다 지고, D 방법은 5층/55회 자유 낙하시키면서 다진 후에 몰드상부의 흙을 깍아 낸 다음 중량을 측정한 후 중량을 용적으로 나누어 습윤 밀도를 구하고 시료의 함수비를 측정하여 건조밀도를 구한다. 이 연구에 적용된 다짐시 험은 KS F 2312(흙의 다짐 시험방법)이다. 즉, 완전 건 조한 신림광산 광물찌꺼기를 다짐시험용 몰드(지름 15 cm)에 넣고 4.5 kg의 램머를 이용하여 45 cm의 높이에 서 낙하시켜 5층으로 나누어 55회씩 다져 시료를 성형 하였다. 실내다짐실험 결과, 신림광산의 광물찌꺼기의 경우 최대건조밀도는 2.014 kg/cm³이고, 최적 함수비는 8.27%인 것으로 나타났다.

차폐재를 활용한 광물찌꺼기 차폐 효능 평가 현재 폐기물매립장에서 차수재로 많이 쓰이는 점토, 벤토나이트혼합토 및 포졸란 등을 차폐재로 선정하여 다 짐도에 따른 배합비별 차수 실험을 수행하였다. Φ30 cm

× 60 cm인 원형아크릴 칼럼을 사용하여 광물찌꺼기 1 kg에 대해 다짐을 하지 않은 시료와 20% 다짐한 시료에 대하여 차수재에 따른 투수성을 평가하였으며 차폐재의 두께는 현장을 고려하여 5 cm로 정하였다. 또한, 실험 종료 후 차폐재 별 굳기의 차이를 알아보기 위하여 ELE 사의 단축압축계(unconfined compressive strength)를 사 용하여 굳기(hardness)를 측정하였다.

Table 1. General properties of bentonite examined in this study

Sample ID Unit LF-12 LF-16 LF-24

Form - Ca-Activated Ca-Activated Natural-Na

Moisture % 8.8 9.6 10.5

Cation exchange capacity meq/100 g 70 92 108

Free swell ml/2 g 12 17 25

Cost ￦/kg 150 200 450

pH 9.5∼10.5

Bulk density about 0.8 (real density≈2.3)

Granularity 200 mesh 80% under size (75 ㎛)

점토

무기물질중의 하나인 점토는 이온교환성 물질로서 전 하가 높은 (Z≥2+) 양이온에 대한 흡착능이 뛰어나며 (80~150 meq/100 g) 각층 사이에 유기물을 잘 흡착시키 는 특성을 가지고 있어 유기 다전해질 리간드와 화학적 인 반응이 활발하다(Grim, 1968; Sowers, 1979). 점토 차수재는 설치지역 인근에 양질의 점토가 존재시 재료의 취득 용이성 및 경제성이 확보되며 고유의 흡착성과 양 이온 교환능력에 의해 침출수 내 오염물질을 자체적으로 정화하지만 기준 투수계수(1×10^-7 cm/s)이하의 성능이 대부분이고 연약지반에 따른 작업성이 떨어지는 단점이 있다(현재혁과 김민길, 2007). 일반적으로 2 ㎛ 이하의 입자를 점토라고 하지만 현장에서 이러한 점토를 확보하 기는 매우 어렵기 때문에 이 연구에서는 현장 적용성을 고려하여 광산 주변에서 획득할 수 있는 양질의 점토질 토양을 이용하여 차수성을 평가하였다. 즉, 신림광상 주변 에서 확보한 현장의 점토질 토양을 이용하여 200 mesh체 (75 ㎛이하)를 통과시켜 활용하였다.

벤토나이트혼합토

벤토나이트는 높은 흡착 능력, 높은 비표면적, 양호한 팽윤성, 그리고 낮은 투수성 때문에 일반 및 산업폐기물 매립장의 차수재로서 뿐만 아니라 특히 방사성 폐기물 처분장의 인공방벽, 즉 완충물질과 뒷채움 물질의 최적 재료로 고려되고 있다(정찬호, 1991). 외국의 경우, 벤토 나이트의 기본적 성질, 광물조성 및 지질광상에 대한 연 구가 많이 수행된 바 있으며, 각 용도별 제반 특성과 양 이온 치환에 따른 특성 변화에 대한 연구뿐만 아니라 차 수 특성에 관한 연구도 활발하게 수행되고 있다(Alther, 1987; Chapuis, 1990; Estornell, 1991).

벤토나이트의 투수계수와 몬모릴로나이트 입자들의 팽윤성과의 상관관계는 일반적으로 판상층들 사이에 결

합된 물분자들의 양 변화 때문이다. 판상층들 사이에 결 합된 물분자들은 공극을 채우고 있는 물과 달리 비유동 성 물로 간주되고 이러한 물의 양이 증가될 때 공극 중 자유롭게 흐르는 물의 상대적인 비는 감소하여 물이 통 과하는 관의 크기가 작아지게 되고 굴곡(tortuosity)이 증 가한다. 즉, 물이 벤토나이트에 첨가되면 표면에 결합된 물의 양이 증가되어 벤토나이트의 팽윤도가 증가되거나 투수계수가 감소한다(Shackelford et al., 2000).

국내 폐기물관리법에 의하면 점토류 라이너의 투수계 수는 1×10^-7 cm/s 이하가 되도록 설치하거나 이와 동등 한 차수효과를 가진 차수시설을 설치하도록 규정하고 있 으나, 투수계수가 1×10^-7 cm/s 이하를 만족하는 양질의 점토를 구하기 쉽지 않아 경제성 면에서도 타당하지 않 으므로 현장 주변의 흙과 혼합한 흙- 벤토나이트 혼합토 로 차수층을 시공하여 투수계수를 저감시키는 방법이 많 이 적용되고 있다(현재혁과 김민길, 2007). 이 연구에서 사용된 벤토나이트는 Volclay Korea사 제품으로서 차수 와 방수를 목적으로 하는 제품으로서 기본적인 물성은 Table 1과 같다. 표에서 보는 바와 같이 양이온교환능력 이 70~100 meq/100 g 정도로 매우 우수하며 자유팽창 (free swell) 역시 12~25 ml/2 g으로 매우 우수한 편이 다. 투수실험은 팽윤도를 기준으로 점토와 벤토나이트를 혼합하여 배합비별 차수능을 평가하였다.

포졸란 공법(소석회 고화기법)

포졸란 공법은 광물찌꺼기에 함유된 실리카와 알루미 나 성분과 소석회를 반응시키는 포졸란 반응을 일으켜 고형화가 발현되도록 하는 것이다. 포졸란 공법을 통한 광물찌꺼기적치장 상부 고형화는 광물찌꺼기적치장 표 면 보호뿐만 아니라 0.075∼4.75 mm 크기의 세립자로 구성되어 있는 광물찌꺼기의 비산 및 집중강우 등에 의 한 우수 침투 등을 방지할 수 있다. 또한, 포졸란은 고형

(a) (b) Fig. 2. Solidified matrices(a) and measurement of compressive strength(b).

화 이후 균열 등이 발생할 경우에도 균열이 물과 반응하 여 다시 고화체를 형성함으로써 경화되어 장기적인 내구 성을 확보할 수 있는 것으로 알려져 있다(이진수 등, 2008). 따라서 다른 차수층들은 시간이 경과함에 따라 균열, 파손 등에 의해 장기적인 내구성을 확보할 수 없으 나 포졸란은 시간이 경과함에 따라 오히려 더욱 경화되 는 특징을 가지고 있어 유지관리 측면에서도 그 효율성 이 높을 것으로 판단된다. 광물찌꺼기 적치장에서 포졸 란을 차수층으로 사용할 수 있다면 광물찌꺼기 자체가 차수재의 주재료로 소석회만을 배합하면 되므로 광물찌 꺼기를 재활용할 수 있어 경제적으로 대단히 효율이 높 은 차폐공법이 될 것으로 판단된다.

이 연구에서는 포졸란공법은 소석회를 사용한 고화법 과 유사한 것이다. 즉, 실내실험을 통해 함수비와 포졸란 배합비에 따른 차수능을 평가하여 소석회의 최적 혼합비 를 도출하고자 하였다. 이진수 등(2008)에 의한 연구결 과를 토대로 하여 고형화 효율이 높은 광물찌꺼기(2 kg)당 소석회를 5 wt.%(0.1 kg), 10 wt.%(0.2 kg), 15 wt.%(0.3 kg)로 균질 혼합하였으며 함수비는 각각 10%, 20%, 30%로 하여 28일간 양생한 후 투수실험을 수행하였다.

또한, 같은 조건 하에서 26℃의 상온에서 공시체를 만들 어 공시체를 7일, 14일, 28일의 양생기간에 따라 강도도 측정하였다. 고화체 성형에 사용된 몰드는 3개의 몰드가 하나로 되어 있는 3연식 큐브 몰드(5 cm × 5 cm × 5 cm) 를 사용하였으며 배합비/함수비별 고화체를 양생하여 총 27개의 큐브 고화체를 양생하였다. 강도측정은 최대하 중 1000 N까지 측정이 가능한 IMADA사의 DS-02모델 로 측정하였으며, 측정된 최대하중을 공시체의 단면적인 25 cm²로 나누어 압축강도를 계산하였으며, 고화체 성 형몰드와 강도실험 사진을 Fig. 2에 나타내었다.

결과 및 고찰

입도분석 결과

광물찌꺼기의 적치에 의한 물리적 특성을 평가하는 방 법으로서 우선적으로 고려해야 하는 것은 광물찌꺼기의 입도 부분이다. 일반적인 광물찌꺼기의 입도는 10∼100

㎛ 전후로서 비교적 미립자이지만 선광 방법에 따라 그 입도에 차이가 있으므로 입도측정이 우선적으로 이루어 져야 한다. 신림광산의 광물찌꺼기 5개 시료를 이용하여 입도분석을 한 결과를 Table 2에 제시하였으며 Fig. 3은 분석한 5개 시료의 평균 입도분포곡선을 나타내었다. 표 와 그림에서 보는 바와 같이 5개 시료의 평균 sand, silt, clay의 함량은 각각 78%, 16%, 6%로서 미국 농무성의 토성구분에 따르면 양질사토(loamy sand)로 분류된다.

실내 다짐도 실험 결과

이 연구에서 적용된 다짐시험은 KS F 2312(흙의 다짐 시험방법)을 이용하였으며, 측정된 함수율과 건조밀도와 의 상관성을 Fig. 4에 도시하였다. 그림에서 보는 바와 같이 광물찌꺼기의 최적 함수비는 11.3%이었으며, 점토, 토양-벤토나이트, 포졸란 및 벤토나이트의 최적함수비는 각각 21.5%, 16%, 12% 및 17.5%로 조사되었다.

광물찌꺼기 다짐 정도에 따른 차수 효능 평가 광물찌꺼기의 다짐별 시간에 따른 인공강우의 침투량 변화를 고찰한 결과, 다짐을 하지 않았을 경우는 인공강 우 유입 후 56분만 침출되어 실험이 종료되었으나 10%

를 다짐한 경우에는 152분, 20%는 390분이 경과한 뒤 침출이 확인되었다. 즉, 다짐하지 않은 경우보다 20% 다 짐한 시료의 침투 시간이 약 7배 정도의 늦었다. 그리고

0.01 0.1 1 10 100 1000 Particle size (um)

4 8 12 16 20

Frequency (wt%)

20 40 60 80 100

Cumulative Undersize (wt%)

Cumulative Undersize Frequency

Fig. 3. Particle size distribution of tailings from the Sinlim mine.

Fig. 4. Results of compactness test for various covering materials.

Table 2. Results showing size analysis of tailings from the Sinlim mine

ID Sand (%) Silt (%) Clay (%) d10 d30 d50 d60 100mesh (<150 ㎛)

200mesh (<75 ㎛)

2∼0.05 mm 0.05∼0.002 mm <0.002 mm ㎛ ㎛ ㎛ ㎛ % %

T1 66 25 9 2.98 36.29 176.27 219.70 44.7 34.8

T2 82 13 5 7.93 166.69 248.05 285.33 26.9 19.2

T3 84 14 2 12.27 165.97 239.48 275.64 26.5 17.2

T4 79 15 6 5.97 138.68 214.58 247.44 32.5 21.9

T5 81 14 5 6.32 136.97 205.51 238.08 32.9 20.5

mean 78 16 6 7.23 133.45 224.36 261.91 32.65 23.27

다짐별 투수 실험을 한 결과 20% 다짐한 시료가 다짐하 지 않은 시료보다 5배 정도 투수능이 낮아졌으며 1차 실 험 보다 시료가 완전히 젖어 포화 상태에서 실험한 2차 때의 투수계수가 낮아지는 것을 볼 수 있었다(Table 3).

또한, 굳기 실험 결과에서도 다짐을 할수록 굳기는 약 30 배 정도 높았다. 이러한 결과를 종합하여 보면 현장에서 광물찌꺼기적치장에 차폐공법 설계 시 다짐을 충분히 해 주는 것이 차수에 매우 효과적이라 판단된다.

점토의 차수효능 평가 실험 결과

점토를 차폐재로 선정하여 다짐도에 따른 차수능 실험 한 결과는 Table 4와 같다. 포화 이후 다짐하지 않은 시 료는 투수계수가 3.83×10^-4 cm/s, 다짐을 20%한 시료는 2.94×10^-4 cm/s의 값을 나타내었다. 위에서 기술한 다짐 도에 따른 투수시험 결과와 같이 다짐을 하였을 때가 투 수계수가 낮아지는 것을 알 수 있었으나 투수시험 시 점 토를 충분히 다짐하지 않고 실험하여 투수계수가 일부 높 게 나타난 것으로 판단된다. 또한 굳기를 10회 반복 측정 하여 평균한 결과 0.7 kgf/cm²로 낮은 값을 나타내었다.

벤토나이트의 차수효능 평가 실험 결과

벤토나이트혼합토를 차폐재로 선정하여 다짐도와 배 합비에 따른 차수 실험 결과를 Table 5에 제시하였다.

벤토나이트 저급(LF-12)을 사용하여 실험한 결과를 보 면 다짐을 실시하고 벤토나이트 15%를 배합한 시료는 인공강우 주입 후에 인공강우가 하부로 내려가지 못하고 증발산(특히 증발)에 의해 수위가 낮아지면서 실험이 종 료되어 이 연구에서 측정할 수 있는 투수계수의 최소값 인 4.86×10^-6 cm/s로 나타났다. 벤토나이트 중급(LF-16) 과 고급(LF-24)을 사용한 시료의 결과를 종합적으로 살 펴보면 다짐도에 상관없이 벤토나이트를 많이 배합할수 록 낮은 투수계수를 나타냄을 알 수 있었다. 이러한 현상

Table 3. Hardness and permeability of tailings with and without compaction

Compaction ratio based on volume %

without 10% 20%

hardness (kgf/cm²) 0.13 0.75 4.2

permeability (cm/s)

air-dried 8.47×10^-3 3.46×10^-3 1.00×10^-3

water-saturated 4.46×10^-3 2.25×10^-3 0.78×10^-3

Table 4. Permeability of clay liner material with and without compaction

Conditions Permeability (cm/s)

Without compaction

air-dried 8.91×10^-4

water-saturated 3.83×10^-4

20%

compaction

air-dried 6.31×10^-4

water-saturated 2.94×10^-4

Table 5. The permeability(cm/s) of various bentonite liner with mixing ratio, compaction ratio and water saturation

Conditions Mixing ratio with bentonite

5 wt.% 10 wt.% 15 wt.%

LF-12

Without compaction air-dried 4.57×10^-4 3.45×10^-4 1.84×10^-4 water-saturated 7.45×10^-5 9.23×10^-6 4.56×10^-6 20% compaction air-dried 2.56×10^-4 1.45×10^-4 9.67×10^-4 water-saturated 1.88×10^-5 4.86×10^-6* 4.86×10^-6*

LF-16

Without compaction air-dried 9.12×10^-5 2.28×10^-5 1.19×10^-5 water-saturated 6.98×10^-5 6.03×10^-6 4.94×10^-6 20% compaction air-dried 7.88×10^-5 2.75×10^-5 9.76×10^-6 water-saturated 1.24×10^-5 4.86×10^-6* 4.86×10^-6*

LF-24

Without compaction air-dried 6.77×10^-5 1.92×10^-5 1.13×10^-5 water-saturated 4.84×10^-5 4.88×10^-6 4.94×10^-6 20% compaction air-dried 5.56×10^-5 9.90×10^-6 8.78×10^-6 water-saturated 6.78×10^-6 4.86×10^-6* 4.86×10^-6*

* : Limit of permeability measurement in this study

Table 6. Hardness of bentonite liner with mixing ratio Type Mixing ratio with bentonite

5 wt.% 10 wt.% 15 wt.%

Hardness (kgf/cm²)

LF-12 0.5 0.4 0.3

LF-16 0.6 0.5 0.3

LF-24 0.6 0.5 0.3

은 벤토나이트와 물이 반응하여 부피가 팽창하기 때문이 며, 팽윤도가 높은 벤토나이트를 사용할 때 투수계수가 감소하는 것은 벤토나이트의 팽창정도가 클수록 공극 메 움 현상이 커져서 차수층의 투수계수가 감소되기 때문이 다(이종민과 이재영, 2001). 따라서 벤토나이트혼합토의 경우 실제 현장적용 시 벤토나이트를 증가시켜 배합하는 것이 효과적임을 알 수 있었다. 위의 결과를 토대로 팽윤 도 종류별 재료비의 경제성을 비교해 보면 벤토나이트의 품질이 좋을수록 투수계수도 낮아지지만, 저급 벤토나이 트(LF-12)를 15% 배합하여 실험한 결과와 중급(LF-16), 고급(LF-24)을 15% 배합한 결과를 서로 비교하면 재료 단가는 3배로서 큰 차이가 나지만 투수계수는 큰 차이를 보이지 않기 때문에 고가의 벤토나이트를 사용하는 것보

다는 적정한 팽윤도를 갖는 저가의 벤토나이트로 시공하 는 것이 적절할 것으로 판단된다.

한편, 벤토나이트혼합토의 굳기측정 결과(Table 6), 모 두 0.5 kgf/cm² 내외의 값을 나타내며 이는 광물찌꺼기 의 다짐을 하지 않은 시료와 10% 다짐을 한 시료의 중 간값을 가진다. 벤토나이트혼합토는 물과 반응하면 소성

Table 7. Result of maximum load(kgf) and uniaxial compressive strength (kgf/cm² or kPa) of solidified matrices Conditions 7 days curing 14 days curing 28 days curing Mixing ratio

with slaked lime Water content kgf kgf/cm² kPa kgf kgf/cm² kPa kgf kgf/cm² kPa

5 wt%

10% 35.6 1.42 142 36.8 1.47 147 52.5 2.10 210

20% 24.2 0.97 97 34.3 1.37 137 83.3 3.33 333

30% 15.6 0.62 62 21.4 0.86 86 61.6 2.46 246

10 wt%

10% 18.3 0.73 73 32.0 1.28 128 40.5 1.62 162

20% 31.3 1.25 125 35.8 1.43 143 84.1 3.36 336

30% 13.0 0.52 52 15.7 0.63 63 56.0 2.24 224

15 wt%

10% 16.5 0.66 66 27.8 1.11 111 40.0 1.60 160

20% 38.9 1.56 156 43.3 1.73 173 84.4 3.38 338

30% 17.2 0.69 69 16.4 0.66 66 63.0 2.52 252

상태로 존재하며, 질감은 찰흙과 비슷하여 굳기가 낮게 측정된 것으로 판단된다.

포졸란 공법(소석회 고화기법)의 차수효능 평가 실험 결과 광물찌꺼기에 물과 소석회비를 다르게 하여 7일, 14 일, 28일의 양생기간에 따른 강도를 측정하였으며 그 결 과를 Table 7에 제시하였다. 강도실험 결과 소석회비와 함수비가 높을수록 강도가 낮았으나 양생기간이 증가함 에 따라 강도가 증가되었으며, 대부분의 고화체에서 28 일간 양생한 경우가 7일간 양생한 것보다 2배 이상 증가 하였다. 또한, 소석회 배합비와 관계없이 함수비 20%일 때 강도가 가장 높았다. 이러한 고화체 강도의 증가는 광 물찌꺼기 중의 유해물질이 소석회와의 수화반응에 의한 화학적 치환작용에 의해 효과적으로 고정됨을 보여준다.

오염물과 고화체를 혼합하여 양생한 고화체의 오염물 용 출량과 압축강도 사이에는 반비례 관계가 성립하는 것으 로 알려져 있으며, 일반적으로 고화체의 강도가 높을수 록 고화체로부터의 용출은 낮아지는 것으로 보고되어있 다(Poon, 1989). 28일 양생한 고화체의 일축압축강도가 현행 폐기물관리법에서 규정하고 있는 차단형 매립시설 의 내부막의 압축강도 기준인 2.1 kgf/cm²를 대부분 만 족하여 고화체로서의 강도는 적절한 것으로 나타났다.

포졸란을 칼럼에 28일 양생한 후 소석회의 배합비와 함수비에 따른 차수능을 알아보기 위해 투수시험을 실시 한 결과를 Table 8에 제시하였다. 소석회가 5 wt.% 혼합 된 칼럼에서는 포졸란이 양생하는 과정에서 칼럼벽면의 공극을 채우지 못하는 문제점으로 지적되고 있는 수로현 상(channeling)과 벽면효과(wall effect)가 발생하여 다른 칼럼에 비하여 투수계수가 높게 나타났다. 소석회의 배

합비가 높고, 함수비는 20%인 시료가 인공강우 주입 후 에 인공강우가 하부로 내려가지 못하고 증발산(특히 증 발)에 의해 수위가 낮아지면서 실험이 종료되었다. 소석 회의 배합비가 증가할수록 투수계수는 낮아졌으며 소석 회 배합비 10 wt.%, 함수비 20%일 때와 소석회 배합비 15 wt.%, 함수비 20% 이상인 시료에서 투수계수가 가 장 낮았다. 또한, 고화체의 강도도 차단형 매립시설의 내 부막 압축강도 기준을 만족하였다. 이러한 결과를 종합 하여 현장 시공시 경제성을 검토하면 소석회 10 wt.%, 함수비 20%일 때가 가장 경제적이라 판단된다.

차폐재 종합 특성 평가

차폐재별 투수시험결과를 종합하여 Fig. 5에 도시하였 다. 그림에서 보는 바와 같이 점토의 경우 다짐하지 않은 시료의 투수계수는 3.83×10^-4 cm/s, 다짐을 20%한 시료 는 2.94×10^-4 cm/s를 나타내었으며 광물찌꺼기를 차폐재 없이 투수시험한 결과와 큰 차이를 보이지 않았으나 투 수시험 시 점토를 충분히 다지지 않고 실험하여 투수계 수가 높게 나타난 것으로 판단된다.

벤토나이트혼합토의 경우 벤토나이트를 10 wt.%, 15 wt.% 배합하였을 때 인공강우가 하부로 내려가지 못하 고 증발산(특히 증발)에 의해 수위가 낮아지면서 실험이 종료되어 현 실험의 최소 측정값인 4.86×10^-6 cm/s로서 매립장 차수재 투수계수 기준에 근접한 결과를 나타냈 다. 광물찌꺼기의 다짐도에 상관없이 벤토나이트의 배합 비 및 팽윤도가 증가할수록 투수계수가 감소하였다.

포졸란의 경우 칼럼에 28일 양생한 후, 투수 시험한 결 과 소석회의 배합비가 높고 함수비는 20%인 시료가 벤 토나이트 15 wt.% 배합하였을 때와 같이 인공강우가 하

Table 8. Permeability of solidified materials by pozzolan after 28 days' curing time

Mixing ratio with slaked lime (wt.%) Conditions Water content (%) Permeability (cm/s)

5 wt.%

air-dried

10 1.96×10^-4

20 1.02×10^-4

30 1.23×10^-4

water-saturated

10 0.94×10^-4

20 0.87×10^-4

30 0.65×10^-4

10 wt.%

air-dried

10 1.84×10^-4

20 4.86×10^-6*

30 1.31×10^-5

water-saturated

10 2.08×10^-4

20 4.86×10^-6*

30 0.58×10^-5

15 wt.%

air-dried

10 0.73×10^-4

20 4.86×10^-6*

30 4.86×10^-6*

water-saturated

10 0.65×10^-4

20 4.86×10^-6*

30 4.86×10^-6*

* : Limit of permeability measurement in this study

Fig. 5. Comparison of permeability with various covering materials.

부로 내려가지 못하고 증발에 의해 수위가 낮아지면서 실험이 종료되었다.

결 론

이 연구에서는 신림광산의 광물찌꺼기를 대상으로 광 물찌꺼기적치장에 차폐공법을 적용하기위해 점토, 벤토

나이트혼합토 및 포졸란을 차폐재로 이용하여 현장 적용 성을 평가하기 위한 실내 실험을 수행하였으며, 그 결과 는 다음과 같다.

1. 광물찌꺼기의 입도분석 결과 sand, silt, clay가 각각 78%, 16%, 6%로 양질사토에 해당되며 투수계수는 10^-3~10^-4 cm/s 전후였다.

2. 광물찌꺼기의 다짐도 시험 결과, 다짐하지 않은 시 료에 비해 20%를 다짐한 시료의 포화시간이 약 5배 이 상 길었으며 굳기도 약 30배 정도 높았다. 따라서 현장 에서 광물찌꺼기적치장에 차폐공법 설계 시 다짐을 충분 히 해주는 것이 효과적이라 판단된다.

3. 차폐재의 투수시험결과 점토 자체만으로는 매립장 차수재의 투수계수 기준인 1×10^-7 cm/s 이하를 만족하지 못하였으나 벤토나이트혼합토의 경우 차수기준에 근사 한 값을 나타냈으며 벤토나이트의 배합비 및 팽윤도가 증가함에 따라 투수계수는 낮아졌으나 경제적 측면을 고 려하면 저급의 벤토나이트가 적절한 차폐재로 판단된다.

4. 포졸란의 투수시험 결과, 배합비가 높고 함수비가 20%인 칼럼에서 낮은 투수계수를 나타냈으며, 고화체의 강도 역시 배합비 및 양생기간이 증가할수록 높은 경향 을 보였다. 특히, 양생기간이 28일 경과한 고화체는 폐기 물관리법에서 규정하고 있는 차단형 매립시설의 내부막 의 압축강도 기준인 2.1 kgf/cm²를 만족하는 것으로 나 타나 고화체로서 적절한 것으로 나타났다.

5. 차폐재의 투수시험 결과를 종합하면, 벤토나이트혼 합토와 포졸란을 이용한 차폐재가 환경부의 폐기물 매립 장 차수기준에 근접한 것으로 나타났다. 다만, 포졸란을 차폐재로 이용할 경우 광물찌꺼기와의 양생기간이 필요 하므로 다른 차폐재에 비해 시공기간이 길다는 단점이 있다. 그러므로 현장의 시공비나 시공기간을 고려하면 팽윤도가 낮은 저가의 벤토나이트를 사용하는 것이 가장 효율적이라 판단된다.

사 사

이 연구는 한국광해관리공단의 연구과제인 “광물찌꺼 기 차폐공법 개발”의 일환으로 수행되었으며, 이에 감사 드립니다.

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정 명 채

1989년 서울대학교 공과대학 자원공학과 공학사

1991년 서울대학교 대학원 자원공학과 공학석사

1995년 영국 런던대학교 임페리얼대학 PhD

현재 세종대학교 에너지자원공학과 교수 (E-mail; [email protected])

김 중 열

1971년 서울대학교 공과대학 자원공학과 공학사

1980년 서베를린대학교 공과대학 물리 탐사 공학사

1983년 서베를린대학교 공과대학 물리 탐사 공학박사

현재 (주)소암컨설턴트 대표이사 (E-mail; [email protected])

이 진 수

현재 한국광해관리공단 광해기술연구소 파트장 (本 學會誌 第47券 第6号 參照)

박 관 인

2004년 인하대학교 자원공학과 공학사 2006년 서울대학교 지구환경시스템공학부

공학석사

현재 한국광해관리공단 광해기술연구소 전임연구원 (E-mail; [email protected])

김 남 극

2008년 세명대학교 자원환경공학과 공학사 2010년 세종대학교 대학원 지구환경과학과

이학석사

현재 벽산엔지니어링 지반사업부 (E-mail; [email protected])

김 영 규

2003년 세명대학교 자원환경공학과 공학사

2006년 세명대학교 자원환경공학과 공학석사

2010년 세종대학교 지구환경과학과 박사과정 수료

현재 한국광물자원공사 남북사업팀 (E-mail; [email protected])

김 유 성

1984년 서울대학교 공과대학 자원공학과 공학사

1986년 서울대학교 대학원 자원공학과 공학석사

1992년 서울대학교 대학원 자원공학과 공학박사

현재 (주)소암컨설턴트 이사 (E-mail; [email protected])

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