An Experimental Study on Thermal Conductivity of Controlled Low Strength Materials with Coal Ash

지 반 공 학

제32권 제3C호·2012년 5월 pp. 95~104

석탄회를 활용한 CLSM의 열전도도에 관한 실험적 연구

An Experimental Study on Thermal Conductivity of Controlled Low Strength Materials with Coal Ash

이승준*·이종휘**·조현수***·천병식****

Lee, Seung Jun·Lee, Jong Hwi·Cho, Hyun Soo·Chun, Byung Sik

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Abstract

Due to current interest in creation of urban space and urban landscape, more emphasis has been placed on underground space development. With increasing number of underground power cables and its importance, a study of backfill materials for pipe is now imperative. Backfill materials require outstanding thermal characteristics since breakdown of cable insulation can be caused if heat generated from transmission of underground power cables had not been effectively discharged through backfill materials. Also, coal ash, which are industrial by-products, is being produced in high volume every year. Among them, ponded ash (PA) is not recycled and instead, mostly buried. Therefore in this study, thermal conductivity test based on mixture ratio (PA, ponded ash : FA, fly ash) was performed to evaluate the thermal conductivity characteristics of CLSM (controlled low strength materials) with coal ash. The results indicate that the mixture ratio (PA, ponded ash : FA, fly ash) of 80:20, water con- tents of 28~30%, and cement contents of 7~11% showed the highest conductivity at 0.796~0.884W/mK and thus, considered optimal in terms of recycling ponded ash (PA) as well as for maximizing utilization as backfill materials for pipe in under- ground.

Keywords : coal ash, controlled low strength materials (CLSM), underground power cable, thermal conductivity, backfill materials

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요 지

라이프라인의 공간 창출 및 미관 등의 이유로 지하공간의 개발이 활발해짐에 따라 지중하부에 매설되는 관(pipe)은 점차 증가하고 있으며 새로운 재료를 활용한 관거 뒤채움용 CLSM(Controlled Low Strength Materials)에 관한 연구 의 비중은 점점 증가하고 있는 추세에 있다. 그리고 지중송전케이블에서 송전으로 인하여 발생된 열을 뒤채움재가 효과 적으로 방출시키지 않으면 절연파괴에 이를 수 있으므로 뒤채움재는 반드시 우수한 열적 특성을 필요로 한다. 한편, 산업부산물인 석탄회는 매년 상당한 양이 발생되고 있으며, 그 중 매립회(ponded ash, PA)는 재활용되지 못하고 회처 리장에 매립되고 있다. 본 연구에서는 산업폐기물인 석탄회를 활용한 관거 뒤채움용 CLSM의 열전도도 특성을 규명하 기 위하여 배합비에 따른 열전도도(thermal conductivity) 시험을 실시하여 값의 변화를 검토하였다. 시험결과, 배합비 (PA:FA) = 80:20, water contents = 28~30%, cement contents = 7, 9, 11% 에서 0.796~0.884W/mK을 나타냈으며 이는 타 배합비보다 높은 열전도도를 나타내었으며 현재 폐기물로 처리되고 있는 매립회를 대량 유효 활용하는 측면에서 적 합할 뿐 아니라 전력 및 통신 등 관거 뒤채움재로서의 활용이 클 것으로 판단된다.

핵심용어 : 석탄회, CLSM, 지중송전케이블, 열전도도 시험, 관거 뒤채움재

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1. 서 론

현재 우리나라 건설산업은 경량화, 다기능화, 특성화, 경제 성 등을 중점으로 나날이 발전되고 있으며, 이에 따른 신공 법 및 재료 개발에 대한 연구의 당위성은 앞으로 있을 건설 산업의 눈부신 성과에 있어 필연적인 것임을 의미한다. 특히 전력, 통신, 상하수도 등 라이프라인의 공간 창출 증대 및

미관 등이 중요시 되면서 도로 하부나 지하 공간에 대한 개 발과 투자가 두드러지고 있으며 그 결과, 도로 하부에 매설 되는 케이블이 점차 증대되면서 관거 뒤채움재료로 각광받 고 있는 CLSM(Controlled Low Strength Materials)에 관 한 연구는 반드시 필요한 실정에 있다. CLSM은 기존의 모 래 혹은 토사 뒤채움재에 비하여 자기수평능력(Self- leveling), 자기다짐성(Self-Compacting), 유동성(Flowability),

*한양대학교 대학원 건설환경공학과 석사과정 (E-mail : [email protected])

**정회원·한양대학교 대학원 건설환경공학과 박사과정 (E-mail : [email protected])

***정회원·한양대학교 대학원 건설환경공학과 박사과정 (E-mail : [email protected])

****정회원·교신저자· 한양대학교 건설환경공학과 교수 (E-mail : [email protected])

인위적인 강도조절, 시공 후 재굴착 용이성, 품질의 균일, 시공비 절감 등 많은 장점을 가지고 있으며(최남훈, 2004), 근래에는 화력발전소의 산업부산물인 석탄회를 활용한 CLSM 개발이 진행되고 있다(천병식, 2009, 2010, 2011).

석탄회는 매년 상당히 많은 양이 발생되고 있으며, 국내 전력의 65%를 차지하고 있는 화력발전의 경우 국내 10개의 화력발전소에서 연간 약 700~800만톤 이상 부산되며, 석탄 회 재활용률은 2004년 67.9%, 2005년 59.4%, 2006년 67.7%, 2007 년 70.4%, 2008년 67.4%, 2009년 64.2%, 2010 년 84.2%로 현재 회처리장에 매립되어 있는 석탄회의 총량은 2008년 기준으로 약 7,200만톤에 달하는 것으로 추 정된다(환경부, 2008; 천병식, 2011). 그리고 화력발전소에서 부산되고 있는 석탄회는 2007년 약 600여만톤이 발생하였으 며, 2008년 약 760만톤, 2009년 약 835만톤, 2010년 약 840 만톤으로 점점 증가하는 추세에 직면하고 있다. 이처럼 방대한 양의 석탄회가 발생하여 상당한 규모의 회처리장이 필요한 바 그에 따른 투자비용, 환경문제발생, 민원 등으로 인해 회처리장의 확보는 어려울 것으로 보이며(김현숙, 2006), 화력발전소에서 부산되는 석탄회의 매립장 용량이 한 계에 부딪혀 최악의 경우에는 전기 생산을 중단할 수 밖에 없는 위기에 처할 수도 있는 상황에 놓일 수도 있다. 현재 석탄회 중에서 비회(fly ash, FA)는 건설재료로서 재활용되 는 반면에 매립회(ponded ash, PA)는 대부분 재활용 되지 못하고 회처리장에 매립되고 있다(공진영 등, 2010). 또한 석탄회를 매립함에 있어서 환경오염을 초래하고 불필요한 경 비와 시간이 소요되므로 석탄회를 활용한 CLSM의 재료를 개발하여 관거 뒤채움에 적용하는 것이 산업폐기물인 석탄 회를 대량으로 유효 활용할 수 있는 적절한 대안이라 판단 된다.

한편, 지중에 매설되어 있는 전력케이블의 경우, 관 주변 에 송전으로 인한 열이 발생하는데 이를 뒤채움재가 효과적 으로 방출시키지 않으면 열폭주(thermal runaway) 현상이 발생하여 절연파괴에 이를 수 있다(김대홍 등, 2002). 일반 적으로 지중전력케이블의 뒤채움재로 사용하고 있는 모래는 건조시와 습윤시의 열저항의 차가 크며, 공극율 또한 최대 다짐상태에서도 일반토사에 비해 크기 때문에 우수한 열 특 성을 가지는 재료라고 할 수 없다(오기대 등, 2011).

현재 열적 특성에 관한 CLSM의 연구는 모래 대체 재 료로 고로 슬래그, 석분 등의 재료에 대한 연구(김대홍 등, 2002) 및 신재생에너지 분야에서 지중 열교환기의 뒤채움 재로 벤토나이트 및 시멘트계 그라우트 재료에 대해서 열 특성 연구(최항석 등, 2008), 풍화토, 자갈 및 점토 등 굴 착토의 열저항 특성(오기대 등, 2010), 송배전관로 되메움 재로 활용하기 위한 국내 순환골재의 열적 특성 연구(위지 혜 등, 2011) 등이 있다. 석탄회를 활용한 CLSM의 기초 연구 및 역학적 특성은 이미 규명된 바가 있으나(정혁상 등, 2009; 천병식, 2009, 2010, 2011; 김영일 등, 2010;

신웅기 등, 2010; 현호규 등, 2010), 석탄회를 활용한 관 거 뒤채움용 CLSM의 열 특성에 관한 연구는 국내에 전 무한 실정이다.

이에 본 연구에서는, 석탄회를 활용한 관거 뒤채움용 CLSM 의 열전도도를 측정하여 각 영향인자에 관한 열전도도

결과를 검토하여 지중송전케이블의 송전시 발산되는 열을 외 부에 효과적으로 방출시킬 수 있는 우수한 열전도도 값을 가지는 적정 배합비를 도출하고자 한다.

2. 이론적 배경

2.1 열전도도(Thermal Conductivity) 정의

열전도도란 1방향으로 단위길이(m)당 단위온도(K)의 차이 가 존재할 때 이 방향을 따라 이동되는 열량(Watt)의 크기 를 의미한다. 그림 1에 나타낸 바와 같이 열전도도는 두께 d(m) 의 균질한 재료에 양단의 온도가 T

, T

(K) 의 고온과 저온이라고 하면, 고온의 표면의 온도 T

와 저온의 온도 T

일 때 열전도도의 식 는 식 (1)과 같다.

(1) 여기서, Q는 재료를 통과해서 흐르는 열류(W/m

)

본 시험에서는 열전도도를 측정하는 방법으로 탐침법 (Needle Probe Method) 을 사용하였다. 탐침법은 토사나 시 료에 프로브(Probe)를 삽입하여 열원에 의한 시료 내 열 이 동 특성을 감지하여 열전도도를 측정하는 방법이다. 탐침법 은 다른 방법에 비해 상대적으로 간단하고 휴대가 간편하여 장소에 구애받지 않고 측정할 수 있으며, 측정시간이 비교적 짧은 장점을 가진다. 하지만 시료에 탐침할 경우에는 프로브 의 주변 시료가 교란이 되거나 비정상적인 공극이 생길수도 있어 탐침과의 접촉성이 불량하게 되므로 열전도도 측정 시 오차가 발생하지 않도록 주의해야 한다.

2.2 열전도도(Thermal Conductivity)의 영향인자

열전도도에 영향을 미치는 인자에는 입자의 구성성분이나 크기, 입도분포, 단위중량, 함수비, 온도 등 다양하게 거론 되고 있으며, 특히 건조시에는 수분 이동이 적어 입자들 간 의 접촉성이 낮아 건조영역이 많이 발생하므로 열저항이 더 욱 증대하게 되어 열폭주 현상이 발생할 가능성이 크다(김 대홍 등, 2011). 따라서 뒤채움재가 갖추어야 할 조건으로 는 장기적인 안정성과 함께 공극율을 최소화하여 모래의 결 점을 보완 할 수 있어야 하며 높은 열전도도 값을 가져야 한다.

2.2.1 함수비

함수비는 열전도도 값에 있어 가장 중요한 인자이다. 일반 적으로 흙은 흙 입자와 입자 사이 공극으로 구성되는데 공

λ_p

λ

Q d ⋅

T

– T

--- W m ( ⁄ ⋅ K )

=

그림 1. 열전도도 측정 원리

극은 물과 공기로 채워지며 물이 많이 찰수록 열전도도는 증가한다(백성권 등, 2007). 그리고 습윤한 상태는 건조한 상태보다 훨씬 빠르게 열을 전달한다. 일반적으로 습윤한 콘 크리트의 열전도도는 건조한 콘크리트의 열전도도보다 약 24 배 높다고 알려져 있으며, 이는 물을 통한 열전달이 공기를 통한 열전달보다 약 15배나 빠르게 열을 전달하기 때문이다 ( 김승용, 2011). 김국한 등(2003)은 콘크리트의 함수상태에 따른 열전도도의 변화를 알아보기 위해 완전건조상태와 완 전습윤상태로 열전도도 시험을 실시한 결과, 완전습윤상태의 열전도도가 완전건조상태의 열전도도에 비해 상당히 높다는 것을 알 수 있었다.

2.2.2 입자의 크기, 입도분포 및 잔골재율

입자의 크기, 입도분포 및 잔골재율은 열전도도 값에 영향 을 끼친다. 굵은골재량보다 잔골재량이 많을수록, 입도분포 가 양호할수록, 입자 내 공극이 적어져 입자 간의 접촉면적 을 증가시켜 열전도도가 커지게 된다. 잔골재율이 클수록 입 도분포는 양호하고 입자들이 균질하게 분포되기 때문에 열 이동을 원활하게 하므로 입자의 크기, 입도분포의 상태에 따 라 열전도도 값의 결과에 영향을 끼친다. 실제로 박동천 등 (2007) 은 잔골재량이 많을수록 열전도도는 증가하는 결과를 나타낸 바 있다.

2.2.3 단위중량

입자의 단위중량은 함수비와 함께 열전도도에 있어 중요 한 인자라 할 수 있다. 단위중량이 클수록 강도가 크며 열 전도도 값을 증가하게 하는 경향을 나타낸다. 본 시험에서 단위중량에 크게 영향을 미치는 요소로는 함수비와 시멘트 비라 할 수 있는데, 이영생 등(2004)은 시멘트 함유량이 많을수록, 즉 물·시멘트비가 낮을수록, 열전도율은 뚜렷이 증가하는 경향을 나타내었다.

2.2.4 온도, 재령

온도나 재령 역시 열전도도 값에 영향을 끼친다. 김국한 등(2003)은 시편의 온도가 증가할수록 열전도율이 줄어드는 경향을 보였는데 이는 시편의 온도가 증가할수록 콘크리트 의 열전달 능력이 떨어지는 것으로 판단하였으며, 이영생 등 (2004) 은 고온으로 갈수록 열전도율은 감소하는 경향을 나타 내었다. 한편, 박동천 등(2007)은 재령의 영향은 현저하지는 않았지만, 시간 경과와 함께 기건양생의 경우에는 약간 저하 하고, 수중양생의 경우에는 약간 증가하였으며, 밀봉양생의 경우에는 거의 변화가 없었는데, 이는 공극 주위의 함수비 증가에 따른 영향이라 판단하였다.

2.3 CLSM(Controlled Low Strength Materials)

CLSM 은 저강도 콘크리트 개념을 지반공학에 적용하여 만들어지는 것으로 유동성 채움재(Flowable fill)라고도 불 리며, 강도조절 채움재(Controlled Strength fill), 다짐조절 채움재(Controlled Density Fill : CDF), 유동성 플라이애쉬 (Flowable ash) 등으로 불린다. CLSM은 기존의 모래 혹 은 토사 뒤채움재에 비하여 자기수평능력(Self-leveling), 자 기다짐성(Self-Compacting), 유동성(Flowability), 인위적인

강도조절, 시공 후 재굴착 용이성, 품질의 균일, 시공비 절 감 등 많은 장점을 가지고 있다. 또한, 충분한 양생이 이루 어진 후에는 모래 혹은 토사로 뒤채움시 보다 동결융해, 침 식, 수축, 외부 하중에 의한 침하 등에서 적응성이 훨씬 뛰 어나다(최남훈, 2004).

3. 시험 재료 및 방법

3.1 시험재료

3.1.1 석탄회

본 연구에서는 영흥화력발전본부에서 부산되는 석탄회를 사용하였다. 석탄회의 대규모 재활용을 위해서는 회처리장에 매립되어 있는 매립회를 그대로 사용하는 것이 바람직하며, 발전에 사용하는 석탄의 종류와 매립시기에 따라 매립된 석 탄회의 물리·화학적 특성이 상이한 것으로 알려져 있다(김 주형 등, 2010). 저회의 경우, 주로 회사장에 매립된 매립회 를 사용하였고, 비회의 경우 재활용률이 낮은 잔사회를 사용 하였다. 즉, 매립되어 가치가 없는 석탄회를 대상으로 하였 으며, 연구에 사용된 영흥화력발전본부의 석탄회를 다량으로 확보하여 입도 분포 및 물리·화학적 특성을 분석해 본 결 과들은 표 1과 그림 2에 각각 나타내었다. 또한 본 시험에 사용된 매립회는 모래와 자갈의 분류기준(통일분류법 기준) 인 4번체(4.75mm)를 통과한 시료들만 사용하였다. 이는 상 대적으로 입도가 큰 미연탄소분이 제거 되면서 통과시키지 않을 때보다 강도가 약 13% 정도 증가하는 것으로 나타났 다(천병식, 2009).

표 1. 매립회와 비회의 물리· 화학적 특성(천병식, 2009) 물리적 특성

비중 L.O.I(%)

매립회 비회 매립회 비회

1.84 2.23 6.78 3.12

화학 성분(%)

성분 매립회 비회 성분 매립회 비회

SiO

50.6 52.8 Al

O

24.7 22.7 Fe

O

11.5 9.28 CaO 5.91 7.43 K

O 1.75 2.33 TiO

1.72 1.55 MgO 0.85 1.17 Na

O 0.37 0.57

그림 2. 매립회와 비회의 입도분포(천병식, 2009)

3.1.2 시멘트

본 연구에서는 도심지의 급속시공이나 긴급공사 시에 조기 강도를 발현시킬 수 있는 조강 포틀랜트 시멘트를 사용하였 다. 도로포장을 해야 하는 경우나 교통을 통제시키고 작업을 시행해야 하는 경우에는 초기강도가 중요한 변수가 된다 (TRB, 2008). 지중에 있는 관거들은 대부분 도로를 따라 지 중에 매설되어 있으므로 시공 시에 작업시간이 짧아야 되는 점을 고려하여 조강 포틀랜트 시멘트를 사용하였다. 표 2는 조강 포틀랜트 시멘트의 특성을 나타낸다.

3.1.3 배합비

본 시험에서 배합비를 선정하기에 앞서 선행 연구 결과, 석탄회 만으로는 관거 뒤채움용 CLSM의 자경성 및 소정의 일축압축강도가 발현되지 못하여 시멘트 첨가가 필요한 것 으로 나타났다(천병식, 2009). 또한 시멘트를 사용할 경우 초기 강도는 기대값보다 낮게 나타났고 비회의 첨가가 늘어 날수록 초기강도는 반비례하여 감소하였다. 따라서 초기강도 발현을 위해 시멘트량의 범위를 전체 중량 대비 약 7~11%

로 선정하였다. 배합비는 정량적인 결과를 얻기 위하여 PA:FA = 80:20, 60:40, 20:80 으로 선정하였고, 예비시험을 실시한 결과를 바탕으로 함수비는 유동성을 고려하여 각각 28%, 29%, 30% 으로 하였으며, 표 3은 본 시험의 배합비 를 나타낸다. 반면에, 배합비(PA:FA) = 100:0에서는 재료분 리현상이 발생하여 공시체 형상이 유지되지 않아 강도 및 열전도도 측정이 불가 하였으며(천병식, 2011), 배합비

(PA:FA) = 0:100 에서는 매립되어 가치가 없는 매립회를 많 이 활용해야 하는 연구목적에 적합하지 않아 본 배합비에서 제외되었다.

3.2 시험기기 및 방법 3.2.1 시험기기

본 연구에서는 열전도도를 측정하기 위한 시험기기로 ISOMET 2104 를 사용하였다. 본 시험기기는 조작이 간편하 며 15~20분 이내로 열전도도를 측정할 수 있다. 본 시험기 기의 구성은 본체와 프로브 등으로 구성되어 있으며(그림 3, 4 참조), 본 시험기기는 0.015~6 W/mK의 측정 범위 및 5%+0.001~5%+0.003 W/mK 의 정밀도 범위를 가진다. 측정 값의 정확성을 높이기 위해 물을 측정하여 캘리브레이션을 한 후, 시험을 실시하였으며 두 번 이상 열전도도 값을 측 정하여 열전도도 값에 신뢰성을 더하였다.

3.2.2 시험방법

본 연구에서 열전도도 시험은 ASTM D5334(Standard 표 2. 조강 포틀랜트 시멘트의 특성(천병식, 2011)

Fineness (m

/kg)

Stability (%)

Compressive Strength (MPa) 3days 7days 28days 330 이상 0.8 20.0 이상 32.5 이상 47.5 이상 initial setting time (min) 45 이상

final setting time (hr) 10 이하

표 3. 배합비 선정 only

PA:FA Mixture

함 수 비 28% 함 수 비 29% 함 수 비 30%

시멘트비

7% 시멘트비

9% 시멘트비

11% 시멘트비

7% 시멘트비

9% 시멘트비

11% 시멘트비

7% 시멘트비

9% 시멘트비

11%

80:20

PA 42.1 42.1 42.1 42.10 42.10 42.10 42.1 42.1 42.1

FA 10.5 10.5 10.5 10.50 10.50 10.50 10.5 10.5 10.5

Water 23.8 23.8 23.8 24.70 24.70 24.70 25.5 25.5 25.5

Cement 6.0 7.7 9.4 5.95 7.70 9.40 6.0 7.7 9.4

Total 82.4 84.1 85.8 83.3 85.0 86.7 84.1 85.8 87.5

60:40

PA 31.6 31.6 31.6 31.6 31.6 31.6 31.6 31.6 31.6

FA 21.0 21.0 21.0 21.0 21.0 21.0 21.0 21.0 21.0

Water 23.8 23.8 23.8 24.7 24.7 24.7 25.5 25.5 25.5

Cement 6.0 7.7 9.4 6.0 7.7 9.4 6.0 7.7 9.4

Total 82.4 84.1 85.8 83.3 85.0 86.7 84.1 85.8 87.5

20:80

PA 10.5 10.5 10.5 10.5 10.5 10.5 10.5 10.5 10.5

FA 42.1 42.1 42.1 42.1 42.1 42.1 42.1 42.1 42.1

Water 23.8 23.8 23.8 24.7 24.7 24.7 25.5 25.5 25.5

Cement 6.0 7.7 9.4 6.0 7.7 9.4 6.0 7.7 9.4

Total 82.4 84.1 85.8 83.3 85.0 86.7 84.1 85.8 87.5

그림 3. 열전도도 측정 프로브

test method for determination of thermal conductivity of soil and soft rock by thermal needle probe procedure) 에 의거하여 실시하였다. 프로브를 삽입하여 열원에 의한 시료 내 열 이동 특성을 감지하여 열전도도 측정을 실시하였다.

공시체의 크기는 직경 D = 100 높이 H = 200, 기건양생을 실시하였으며 재령 7일과 28일 측정하여 열전도도 값을 비 교하였다. 본 시험에서는 각 공시체의 시료를 분말로 만들어 No. 4 체를 통과시킨 시료를 사용하였으며, 단위중량 값을 배합비 별로 일치하게 하여 시험을 실시하였다. 그리고 프로 브의 관입으로 인한 입자들의 공극율을 최소화하여 교란을 적게 일으켜 열전도도 값의 영향을 줄 수 있는 오차의 범위 를 줄이고자 하였다. 그림 5, 6은 열전도도 측정 시험 및 프로브 삽입 전경을 나타낸 것이다.

4. 시험 결과 및 고찰

4.1 시험 결과

본 연구에서는 석탄회를 활용한 관거 뒤채움용 CLSM의 열전도도 측정 시험을 실시하였다. 열전도도 값에 영향을 미 치는 인자는 다양하지만 그 중에서도 매립회와 비회의 상대 적인 배합비, 재령, 함수비 및 시멘트비에 따른 열전도도 결 과 값의 변화를 검토하였다.

4.1.1 배합비에 따른 열전도도 결과

배합비에 따른 열전도도 시험 결과 값을 알기위해 배합

비에 따른 열전도도 결과를 분석하였다. 열전도도 시험 결 과, 배합비(PA:FA) = 80:20에서는 0.796~0.884W/mK, 배 합비(PA:FA) = 60:40에서는 0.607~0.682W/mK, 배합비 (PA:FA) = 20:80 에서는 0.444~0.502W/mK로서 매립회 비 율이 작을수록 열전도도 값은 감소하는 경향을 나타내었다.

표 4는 열전도도 시험결과 값을 나타낸 것이고, 그림 7은 배합비에 따른 열전도도 측정 결과를 나타낸 것으로 매립 회 양이 많을수록 높은 열전도도 값을 가지는 경향을 나타 내었다.

4.1.2 재령에 따른 열전도도 결과

재령에 따른 열전도도 값의 변화를 알기위해, 양생시간에 따른 열전도도 값을 비교하였다. 재령 7일과 28일의 열전 도도 값을 비교하였으며, 재령 7일 보다는 28일에 측정된 열전도도 값이 전체적으로 높은 경향을 나타내었다(그림 8 참조). 전체 배합비에서 재령 7일차와 28일의 열전도도 값 의 차이는 평균 0.034W/mK이고 최대 0.119W/mK 만큼 차이나지만, 이는 상대적인 수치로서 크게 높거나 낮음을 판별한다는 것은 어렵다고 판단된다. 그리고 일축압축강도 측정 결과 재령 7일차 강도가 재령 28일차 강도의 70%까 지 발현되는 것처럼 열전도도 결과 값도 마찬가지로 재령 7 일과 28일의 값의 차이가 크게 나타나지 않는다고 판단된 다. 이는 시간이 경과함에 따른 고화작용이 원인인 것으로 사료된다.

그림 4. 열전도도 시험 측정기기

그림 5. 프로브 삽입 전경

그림 6. 열전도도 측정 시험 전경

그림 7. 배합비(PA:FA=80:20~20:80)에 따른 열전도도 시험

결과

그림 8. 재령에 따른 열전도도 시험 결과

표 5. 열전도도 시험 결과 - 건조 (단위 : W/mK)

구분 함 수 비 28% 함 수 비 29% 함 수 비 30%

PA : FA 시멘트비 7%

시멘트비 9%

시멘트비 11%

시멘트비 7%

시멘트비 9%

시멘트비 11%

시멘트비 7%

시멘트비 9%

시멘트비 11%

80 : 20 0.145 0.152 0.149 0.136 0.162 0.155 0.146 0.152 0.155 60 : 40 0.144 0.147 0.152 0.158 0.176 0.161 0.130 0.156 0.158 20 : 80 0.149 0.141 0.147 0.154 0.153 0.155 0.158 0.157 0.161

표 4. 열전도도 시험 결과 (단위 : W/mK)

구 분 함 수 비 28% 함 수 비 29% 함 수 비 30%

only

PA : FA 일수 시멘트비

7% 시멘트비

9% 시멘트비

11% 시멘트비

7% 시멘트비

9% 시멘트비

11% 시멘트비

7% 시멘트비

9% 시멘트비

11%

80 : 20 7 0.873 0.765 0.786 0.744 0.830 0.737 0.824 0.746 0.758

28 0.884 0.819 0.822 0.812 0.876 0.825 0.845 0.796 0.810

60 : 40 7 0.639 0.605 0.615 0.605 0.622 0.636 0.612 0.642 0.660

28 0.679 0.611 0.619 0.607 0.624 0.677 0.620 0.654 0.682

20 : 80 7 0.432 0.446 0.445 0.425 0.413 0.436 0.474 0.477 0.488

28 0.467 0.462 0.444 0.496 0.448 0.451 0.498 0.489 0.502

4.1.3 함수비 및 시멘트비에 따른 열전도도 결과

함수비와 시멘트비에 따른 열전도도 값을 비교하였으며, 그 결과는 그림 9, 10과 같다. 본 시험에서는 함수비와 시멘트 비의 증감에 따른 열전도도 값은 일관된 경향을 나타내지 않았으며 결과 값에 큰 영향을 주지 않는 것으로 나타났다.

앞서 서술한 바와 같이 함수비는 열전도도에 있어 가장 중 요한 영향인자로 알려져 있지만, 함수비 28~30%일 경우에는 함수비 차이가 2% 이내로 크게 차이가 나지 않아 열전도도 값에는 큰 영향을 주지 않는 것으로 판단된다. 하지만, 습윤 과 건조시의 열전도도 값을 비교해 보면 건조시의 열전도도 값은 0.1~0.2W/mK로서 배합비(PA:FA) = 80:20에서 0.796~

0.884W/mK 의 열전도도 값과 비교 시, 함수량의 차이가 열 전도도에 크게 영향을 끼치는 요인임을 알 수 있다(표 5 참조). 따라서 함수비가 증가할수록 입자의 밀도가 커지고, 공극이 감소되어 열전도도 값이 커지는 경향을 나타내는 것 으로 판단되며, 시멘트비 역시 7~11%일 경우에 함수비 결 과와 동일하게 큰 차이가 나지 않는데 이 또한 함수비 결과 와 동일한 이유로 사료된다.

4.2 고 찰

본 연구에서는 석탄회를 활용한 관거 뒤채움용 CLSM의 매립회와 비회의 상대적인 배합비, 재령, 함수비, 시멘트비에

따른 열전도도 결과 값을 분석 하였다. 열전도도 시험결과, 배합비(PA:FA) = 80:20에서는 0.796~0.884W/mK, 배합비 (PA:FA) = 60:40 에서는 0.607~0.682W/mK, 배합비(PA:FA)

= 20:80 에서는 0.444~0.502W/mK로 측정되었다. 상기의 시 험 결과를 종합해 볼 때, 가장 높은 열전도도 값을 가지는 배 합비는 PA(ponded ash):FA(fly ash) = 80:20, water contents

= 28%, cement contents = 7% 로 열전도도 값은 0.884W/

mK 이며 전체적으로 배합비(PA:FA) = 80:20에서 타 배합비 보다 높은 열전도도 값이 측정되었다. 즉 매립회의 양이 많을수록 높은 열전도도 결과를 나타내었으며, 현재 회처 리장에 매립되어지는 매립회의 양이 점차 증대되고 있는 현실과 현재 폐기물로 처리되는 석탄회의 재활용 측면에서 볼 때 긍정적인 결과라 판단된다. 그리고 일반적인 현장발 생토 열전도 비율은 0.5W/mK, 콘크리트는 0.5~0.6W/mK 정도로 알려져 있으며(박용대, 2008), Coal Ash Concrete 의 열전도도 값은 0.201~0.652W/mK로 발표된 바 있다 (Narantuya Batmunkh et al., 2009). 표 6은 본 시험에 앞서 측정된 단일재료의 열전도도 값을 나타낸 것이며, 표 7 은 문헌으로 발표된 일반적인 열전도도 값의 사례를 예시 한 것이다.

그리고 함수비와 시멘트비에 따른 열전도도 결과는 함수비 28~30% 일 경우에는 함수비 차이가 2% 이내로 크지 않아

그림 9. 함수비에 따른 시멘트비에 대한 열전도도 결과

본 시험의 열전도도 값에는 큰 영향을 주지 않는 것으로 판 단되며, 시멘트비 역시 상기와 같은 이유로 열전도도 값에는 큰 영향을 미치지 않는 것으로 판단된다. 열전도도의 영향인 강도와 단위중량 결과 값은 시멘트비와 함수비의 크기와 직 접적인 관계를 가지나, 본 연구에서는 함수비와 시멘트비의 배합 차이가 크지 않는 점에 비춰봤을때 일반적인 경향을 가지지 않아 함수비와 시멘트비에 따른 열전도도의 추가시 험이 필요하다고 판단된다.

본 연구에서 개발된 관로 뒤채움용 CLSM의 열전도도는 표준사(0.248W/mK)에 비해 약 3배 이상으로 측정되는 바 에 의하여 일반적으로 지중송전케이블 뒤채움재나 CLSM의 잔골재 등으로 사용되고 있는 모래를 대신 할 수 있으며 모래보다 우수한 열 특성을 가진다고 판단된다. 따라서 상 기와 같은 이유로 본 연구에서 제시하고자 하는 높은 열전 도도 값을 가지는 적정 배합비는 PA:FA = 80:20, water contents = 28~30%, cement contents = 7, 9, 11% 로 판단 된다.

5. 결 론

본 연구에서는 열전도도(thermal conductivity) 시험을 실 시 및 분석을 통하여 각 영향인자에 따른 열전도도 결과 값 을 검토, 지중송전케이블의 송전시 발산되는 열을 외부에 효 과적으로 방출시킬 수 있는 적정 배합비를 도출하고자 하였 으며, 그 결과는 아래와 같다.

1. 가장 높은 열전도도 값을 가지는 배합비는 PA:FA = 80:20, w = 28%, c = 7% 로 열전도도 값은 0.884W/mK이며, 전체 적으로 배합비 PA:FA = 80:20에서 높은 열전도도 값이 측 정되었다. 매립회가 많을수록 높은 열전도도 값을 나타냈 으며, 현재 회처리장에 매립되어지는 매립회의 양이 점차 증대되고 있는 현실에서 볼 때, 폐기물로 처리되고 있는 석탄회의 재활용 측면에서 긍정적인 결과로 판단된다. 따 라서 석탄회를 활용한 관거 뒤채움용 CLSM의 열전도도 결과에 따른 적정 배합비는 PA:FA = 80:20라 판단된다.

2. 시간이 경과함에 따른 열전도도 값을 검토하기 위해 재령 7 일과 28일에 측정된 열전도도 값을 비교하였다. 재령 7일 보다는 28일에 측정된 열전도도 값이 전체적으로 높은 경 향을 나타내었으며, 평균 0.034W/mK 최대 0.119W/mK 만큼 차이가 났다. 이는 상대적인 수치로서 크게 높거나 낮음을 판별한다는 것은 어렵다고 할 수 있지만, 전반적으 그림 10. 시멘트비에 따른 함수비에 대한 열전도도 결과

표 6. 열전도도 시험 결과 - 단일재료(단위 : W/mK) (PA, ponded ash) 매립회 비회

(FA, fly ash) 조강 포틀랜트

시멘트 주문진

표준사

0.331 0.171 0.145 0.248

로 시간의 경과함에 따른 열전도도 값은 증가하는 경향을 나타냈다고 할 수 있다. 그리고 본 시험에서는 재령 28일 차에 대한 연구까지 진행되었으나, 향후 현장여건을 고려 한 연구를 위해서는 장기적 관점에서 재령에 따른 열전도 도의 경향을 파악할 필요가 있을 것이라 사료된다.

3. 시멘트비와 함수비의 증감에 따른 열전도도 값은 일관된 경향을 나타내지 않았는데 이는 함수비와 시멘트의 시험조 건이 2~4% 이내로 크게 차이가 나지 않아 열전도도 결 과 값에 크게 영향을 주지 않는 것이라 판단된다. 그리고 열전도도는 온도차에 의한 물질의 열전달 정도를 나타내는 물성 값으로서, 같은 종류의 물질이라도 작은 영향인자 즉, 프로브의 관입으로 인한 토사 내 수분 이동 및 재배치, 프로브를 중심으로 한 설치 및 셋팅 상의 오류, 다짐상태, 및 주위 환경적인 요인 등이 시험 결과에 영향을 미칠 수 있으므로 추가적인 시험 실시가 필요하다고 판단된다. 하지 만 건조시 측정된 열전도도 값은 0.1~0.2W/mK로 나타났 으며, 이는 타 배합비와 비교 하였을 때 열전도도에 있어 함수량의 차이가 중요한 영향인자 임을 확인할 수 있다.

4. 본 연구에서 개발된 관로 뒤채움용 CLSM의 열전도도는

배합비 PA:FA = 80:20, w = 28~30%, c = 7, 9, 11%에서 0.796~0.884W/mK 로 나타내었으며 이는 표준사(0.248W/

mK) 에 비해 약 3배 이상으로 측정되는 바, 일반적으로 관로 뒤채움재로 쓰여지는 모래를 대신하여 석탄회를 활용 한 CLSM을 전력 및 통신 등의 관거 뒤채움용으로의 활 용성이 클 것으로 사료된다. 더하여, 석탄회를 활용한 관 거 채움용 CLSM의 재굴착시, 폐기처분 되지 않고 굴착잔 토로서 재활용이 가능할 것이라 사료된다.

감사의 글

본 연구는 2011년도 지식경제부의 재원으로 한국에너지 기 술평가원(KETEP)의 지원을 받아 수행한 연구과제입니다(No.

20091020100060, 석탄회를 활용한 경량 유동성채움재 (Flowable Fill) 제조공정 개발). 이에 깊은 감사를 드립니다.

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벤토나이트(20%) + 인조규사, 천연규사, 모래, 석회암(분말) : 0.7746~0.8673W/mK 벤토나이트(30%) + 인조규사, 천연규사, 모래, 석회암(분말) : 0.7962~0.8673W/mK ( 지중 열교환기 전열성능 향상을 위한 뒤채움재(grouting material)조성에 관한 연구)

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( 접수일: 2011.11.14/심사일: 2011.12.9/심사완료일: 2012.4.6)