1. 서 론
2. 시험 재료 및 시험 방법
2.1 시험 시료
2.2 소수화 처리 방법
2.3 직접전단시험
2.4 소수성 시험
3. 시험 결과 분석
3.1 직접전단시험 결과
3.2 소수성 평가 결과
4. 요약 및 결론
1. 서 론
최근 기후 변화로 인한 집중호우가 빈번해지면서 강우 침투에 의한 사면 붕괴가 주요 사회 문제로 대두되고 있다. 이와 동시에 건설 산업에 필수 재료인 천연 골재는 채취 여건의 악화로 공급이 점차 감소하는 추세이며, 이에 따라 정부는 순환골재 등 대체 골재를 활성화하여 수급 안정을 목표하는 상황이다(국토교통부, 2025). 대체 골재 중 하나인 고로 수재슬래그(이하 고로슬래그)는 화학적 조성이 천연 골재와 유사하여 높은 잠재력을 가진다. 그러나 국내 고로슬래그 재활용은 여전히 시멘트 원료(86.6%)에 크게 편중되어 있으며, 전체 재활용률마저 지속적인 감소 추세를 보이므로(한국철강협회, 2025), 새로운 고부가가치 활용 방안 개발이 시급한 실정이다.
지금까지 국내외에서는 고로슬래그를 지반 재료로 활용하기 위한 연구가 다방면으로 진행되어 왔다. 특히, 국내에서는 슬래그의 역학적 우수성에 주목하여, 옹벽이나 안벽의 뒷채움재로 고로 수쇄슬래그를 적용할 경우, 표준사(Toyoura sand)에 비해 주동토압이 더 작게 발생하여 토압경감 효과가 있음을 모형실험을 통해 확인한 연구가 수행되었다(Baek and Lee, 2006). 또한, 연약지반 개량 시 샌드매트 대체재로 사용하여 기존 모래보다 2배 이상의 지지력을 확보하는 연구도 수행된 바 있다(Park et al., 2012). 해외에서는 더 나아가 고로슬래그에 직접 소수성 처리를 하여 초소수성 분말을 제조하고, 이를 콘크리트에 적용하여 흡수율을 90%까지 낮추는 등 재료의 방수 성능을 극대화하는 연구를 수행하였다(Qu and Yu, 2018). 이처럼 고로슬래그의 역학적 우수성과 활용 가능성이 국내외적으로 입증되었으나, 재료 자체에 소수성을 부여하여 불투수성 차수층의 재료로서 사용되고, 소수성 재료의 역학적 특성(전단강도)과 수리학적 특성(소수성능)에 대한 연구는 아직 미미한 실정이다. 최근 한국의 주문진 표준사, 일본의 Toyoura 표준사와 같은 일반 모래에 대해서는 소수화 처리에 따른 역학적 거동을 규명하려는 연구가 보고된 바 있으나(Han et al., 2025; Zhou et al., 2021), 이러한 연구가 고로슬래그에 적용된 연구사례는 찾기 어려운 실정이다.
따라서, 본 연구에서는 고로 수재슬래그를 소수화처리하여 소수성 지반재료로 제작하였고, 직접전단시험을 통해 역학적 특성과 소수성 평가 시험을 통해 비탈면내의 불투수층의 지반 재료로서의 적용성을 평가하고자 한다. 또한, 소수성 주문진 표준사에 대한 선행 연구 결과와의 정량적 비교평가를 통해 재료별 특성을 명확히 파악하고, 향후 최적의 소수성 지반 재료를 개발하기 위한 핵심적인 기초 데이터를 제시하고자 한다.
2. 시험 재료 및 시험 방법
2.1 시험 시료
본 연구의 대상 시료인 모래질 수재슬래그(granulated blast furnace slag, GBFS)는 2.0mm 체로 입도 조절 후 사용되었다. 입도 조절 시료의 물성치는 비중(Gs) 2.73, 최대 간극비(emax) 1.17, 그리고 최소 간극비(emin) 0.72이고, Fig. 1에서 보인 입도분포곡선을 통해 평균입경(D50)은 0.63mm, 균등계수(Cu)와 곡률계수(Cg)는 각각 2.92와 1.21, 통일분류법상 SP로 분류되었다(Table 1 참조).
Table 1.
Physical properties of Jumunjin sand and GBFS
2.2 소수화 처리 방법
본 연구에서 소수성 시료는 수재슬래그를 화학적 실란 처리하여 제작하였다. 실란 처리에는 실란계 약품인 Triethoxy-n-octylsilane을 용질로, Isopropyl alcohol을 용매로 하여 1%의 부피비로 혼합한 용액을 사용하였다. 이러한 부피 비율은 선행 연구(Kim et al., 2021)에서 WIH 시험 결과 가장 효율적인 차수 성능을 보이는 농도로 보고된 바 있다. 실란 처리 과정은 준비된 용액에 각 재료를 24시간 동안 완전히 침전시킨 후, 110°C의 건조로에서 24시간 동안 건조하여 입자 표면을 소수화 처리하는 방법을 채택하였다.
2.3 직접전단시험
본 연구에서는 친수성 지반 재료에 대한 소수화 처리가 철강슬래그의 전단강도 특성에 미치는 영향을 정략적으로 평가하기 위해, ASTM D3080(2023) 규정을 준수하여 직접전단시험을 수행하였다. 공시체는 직경 6.0cm, 높이 2.0cm의 전단상자에 3층 정적 다짐으로 건조 상태에서 제작되었다. 선행 연구에서 이용된 주문진사 시료와의 역학적 거동 차이를 일관성 있게 비교평가 하기 위해 동일한 건조밀도(γd=1.48g/cm3)로 공시체를 제작하였으며, 비교군인 주문진사의 상대밀도는 55.3%, 실험군인 수재슬래그의 상대밀도는 Dr=64.6%로 산정되었다. 압밀 단계에서는 친수성 시료에 40, 80, 120, 160kPa, 소수성 시료에 50, 100, 150kPa의 압밀응력을 각각 재하하였다.
압밀 완료 후, 과도한 다이레이턴시 발생 방지를 위한 상하부 전단상자 사이의 간격(opening)은 수재슬래그의 평균입경(D50)=0.63mm를 바탕으로 식 (1)에 의해 산정된 MTP 값인 1.77mm를 모든 시험에 적용하였다(Kim et al., 2021; Kim, 2021). 전단 속도는 안정적인 데이터 확보를 위해 ASTM D3080(2023)이 허용하는 최대 속도(0.5mm/min)보다 보수적인 0.1mm/min을 모든 시험에 동일하게 적용하였다(Han et al., 2025).
2.4 소수성 시험
본 연구에서는 소수화 처리된 수재슬래그의 소수성을 정량적으로 평가하기 위해 물 침투 수두(Water Infiltration Head, WIH), 물방울 침투 시간(Water Drop Penetration Time, WDPT), 그리고 접촉각(Contact Angle) 측정 시험을 수행하였다.
물 침투 수두(WIH) 시험은 흙 표면이 물의 침투 없이 저항할 수 있는 최대 수두를 측정하는 방법으로(Kim et al., 2021), 공시체 표면에 증류수를 서서히 가하여 침투가 시작되는 최초의 물기둥 높이, 즉 수분함입치(Water Entry Value, WEV)를 정량적으로 측정하였다. 물방울 침투 시간(WDPT) 시험은 흙 표면에 50µl의 물방울을 떨어뜨려 완전히 흡수될 때까지의 시간을 측정하여 소수성의 지속성을 평가하는 방법이며, 측정된 시간은 Bisdom et al.(1993)의 기준에 따라 소수성을 분류하였다. 이때 WIH와 WDPT 시험에 사용된 공시체는 직접전단시험과 동일한 조건(건조밀도, γd=1.48g/cm3)으로 제작하여 실험의 일관성을 확보하였다. 접촉각 측정은 고체 표면과 50µl의 액체 방울이 이루는 각(θ)을 직접 측정하는 방법으로, 그 측정각이 90° 이상일 때 소수성으로 판단한다. 시료 표면에 물방울을 위치시킨 후 측면에서 촬영한 이미지를 ImageJ 프로그램(Schneider et al., 2012)을 이용하여 접촉각을 분석하였다. 특히 본 연구에서는 흙 입자의 밀도가 소수성에 미치는 영향을 분석하기 위해 상대밀도를 60%, 80%, 100%로 달리하여 공시체를 제작하였으며, 각 조건에서 7회 측정한 값 중 최대 및 최소값을 제외한 5개 결과의 회귀분석을 통해 대표 접촉각을 결정하였다(Han et al., 2025).
3. 시험 결과 분석
3.1 직접전단시험 결과
본 연구에서는 소수화 처리가 전단강도에 미치는 영향을 선행 연구(Han et al., 2025)의 주문진 표준사에 대한 연구결과와 비교하여 분석하였다. 수재슬래그 역시 주문진사와 동일하게 소수화 처리 후, 최대 전단강도와 다일레이턴시가 감소하는 경향을 보였고, 이는 재료의 종류와 무관하게 소수성 코팅이 입자 간 맞물림 효과를 저감시키는 역학적 메커니즘 특성으로 이해할 수 있다(Bolton, 1986).
한편, 본 연구에서 측정된 친수성 수재슬래그의 내부마찰각은 ϕ=45.3°로, 유사한 재료를 다룬 선행 연구와 비교했을 때 높은 신뢰도를 보이는 것으로 나타났다. Maghool et al.(2020)은 수재슬래그를 대상으로 하여 건조밀도 γd=1.55g/cm3(상대밀도, Dr=95%) 조건에서 직접전단시험과 압밀 배수 삼축압축시험(CD)을 진행하였고, 각각 ϕ=44°와 42°의 내부마찰각을 얻었다(Table 2 참고). 이는 본 연구의 측정값이 기존 연구 결과 범위에 있으며, 직접전단시험의 내부마찰각은 삼축압축시험의 내부마찰각보다 2°~8° 정도 크게 측정될 수 있으므로 실험 결과는 타당함을 알 수 있다(Dev et al., 2016). 이처럼 수재슬래그가 주문진사와 같은 자연 모래에 비해 월등히 높은 내부마찰각을 보이는 것은 Fig. 2에 SEM 사진에서 관찰되듯이, 파쇄 공정을 거친 입자의 형태와 거친 표면으로 인한 입자 간 맞물림 효과가 극대화되었기 때문으로 판단된다.
Table 2.
Results of cohesion and internal friction angle for wettable GBFS
| Dry density, γd (g/cm3) | Test type | c (kPa) | ϕ (°) | Reference |
| 1.48 | Direct shear test | 0 | 45.3 | This study |
| 1.55 | Direct shear test | 0.8 | 44.0 | Maghool et al., 2020 |
| Triaxial compression test (CD) | 1.1 | 42.0 |
각 재료의 소수화 처리에 따른 내부마찰각 변화를 요약하면 Table 3과 같다. Table 3에서 두 재료는 모두 소수화 처리 후 약 20%의 강도 감소율을 나타낸다. 그러나 각 재료의 초기 강도와 처리 후 강도를 비교하면 원재료의 내부마찰각이 ϕ=45.3°로 높은 수재슬래그는 강도 저하 후에도 최종 내부마찰각이 ϕ=36.4°로 나타났다. 이 수치는 소수성 수재슬래그의 전단강도가 조밀한 상태의 자연 모래 정도의 수준이며, 앞서 비교되었던 소수성 주문진사보다 높을 뿐만 아니라, 도로옹벽 표준도(국토해양부, 2008)의 기초지반 토질 조건인 ϕ=35° 이상을 만족한다. 이는 수재슬래그를 이용한 불투수성 지반 재료가 소수화 처리에 따른 강도 저하 문제를 효과적으로 극복할 수 있는 우수한 공학적 이용 가치를 입증하는 결과로서 이해될 수 있다.
Table 3.
Results of cohesion and internal friction angle for wettable and non-wettable GBFS
| Material | Wettability | c (kPa) | ϕ (°) | Strength reduction rate, (%) |
| Jumunjin sand | Wettable | 0 | 40.3 | 19.9 |
| Non-wettable | 0 | 32.3 | ||
| GBFS | Wettable | 0 | 45.3 | 19.6 |
| Non-wettable | 0 | 36.4 |
3.2 소수성 평가 결과
앞서의 WIH시험과 WDPT시험으로부터, 소수화 처리된 수재슬래그는 WIH=9.04cmH2O, WDPT > 3600초를 기록하여 높은 물 침투 저항성을 확보하였다(Fig. 4 참조). 이는 선행 연구(Han et al., 2025)의 주문진사와 비교 시 WIH 값은 다소 낮은 수치이나, 두 재료 모두 WDPT 시험에서는 ‘극한 소수성(Extremely water repellent)’ 등급을 만족하여 우수한 방수 지속성을 나타냈다. 특히 본 연구에서는 Kim et al.(2021)을 참고하여 상대밀도에 따른 접촉각 변화를 추가적으로 확인하였다. 이때 소수화 처리한 수재슬래그는 상대밀도가 60%에서 100%로 증가함에 따라 접촉각(θ)이 122.7°에서 134.5°로 증가하는 경향을 보였다. 이는 다짐도가 증가할수록 소수성이 강하게 발현된다는 기존 연구결과와 일치한다(Kim et al., 2021). 선행 연구와 동일한 상대밀도(Dr=55.3%) 조건일 경우, 수재슬래그의 접촉각은 118.8°로 산정되었으며 주문진사의 접촉각인 134.6°와 약 16°의 차이가 발생하였다. 같은 상대밀도에서 이러한 접촉각의 차이가 발생하는 이유는 Fig. 1에서 확인할 수 있듯 지반 재료의 입경 차이에서 기인한 것으로 보인다.
한편, 수재슬래그의 WIH 평균값을 Modified Kovács model(Aubertin et al., 2003)에 기반하여 Kim et al.(2021)이 제안한 이론식 (2)의 WIH 이론값인 6.71cm와 비교해 보면, 약 2.3cm의 차이를 보인다. 이는 WIH의 이론값의 주요 변수인 형상 계수가 입자의 모양과 밀접한 관련이 있기 때문으로 판단된다. 주문진사가 구형에 가까운 것과 달리, 파쇄 공정을 거친 수재슬래그의 경우 Fig. 2와 같이 불균일한 입형을 가진다. Kovács(1981)에 따르면 형상계수(α)는 입자의 형상에 따라 6에서 18 사이의 값을 가질 수 있는데, 구형에 가까운 재료에 적용되는 6보다 더 큰 형상계수를 적용할 경우 이론값은 측정값에 근사하게 된다. 따라서 수재슬래그의 각진 입형을 고려할 때 더 큰 형상계수를 적용하는 것이 타당하며 이는 재료의 물리적 특성에 맞는 형상계수 선정이 중요함을 시사한다.
Table 4.
Classification of water repellency for Hydrophobic GBFS (Bisdom, 1993)
Table 5.
Results of Contact angle measurement tests for Hydrophobic GBFS
4. 요약 및 결론
본 연구에서는 산업부산물인 수재슬래그(GBFS)에 소수성을 부여하여, 비탈면의 강우 침투를 막는 불투수성 차수층으로 활용하는 것을 목표로 하였다. 이를 위해 소수성 수재슬래그의 공학적 특성을 평가하고, 선행 연구인 소수성 주문진 표준사의 결과와 비교 분석하였다. 실험을 통해 도출된 주요 결론은 다음과 같다.
(1) 소수화 처리된 수재슬래그에 대한 소수성 시험으로부터, 건조밀도 γd=1.48g/cm3일 때 약 0.9kPa의 수압에 저항할 수 있는 (WIH=9.04cmH2O) 높은 물 침투 저항성을 보였다. 이는 선행연구에서 건조밀도 γd=1.48g/cm3인 주문진사의 WIH=10.24cmH2O보다 다소 낮은 값을 나타내었다. 또한 동일 상대밀도 조건(Dr=55.3%)에서 주문진사와 수재슬러그의 접촉각(θ)은 각각 134.6°과 118.8°로 나타났으며, WDPT시험으로부터 ‘극한 소수성’ 등급(WDPT >3600초)의 방수 지속성을 확보함으로써, 불투수성 차수층으로서 충분한 수리적 성능을 가진다는 것을 입증하였다.
(2) 역학적 특성을 파악하기 위한 직접전단시험으로부터, 소수성 처리에 따른 강도 감소율은 약 20%로 주문진사와 유사하게 나타났으나, 친수성 원재료의 초기 내부마찰각이 ϕ=45.3°로서 월등히 높기때문에, 최종 내부마찰각 역시 ϕ=36.4°라는 높은 결과가 얻어졌다. 이는 현재 적용되는 도로옹벽 표준도의 기초지반 토질 조건의 내부마찰각 기준인 ϕ=35°를 상회하는 수치로, 소수화 처리로 인한 소수성 재료의 본질적 문제인 강도 저하에도 불구하고, 지반 재료로써 활용이 가능한 수준의 역학적 안정성이 확보됨을 확인하였다.
(3) 결론적으로, 소수성 수재슬래그는 충분한 차수 성능을 제공하면서도 강도 저하 문제를 극복할 가능성을 보여주었다. 이는 일반적인 지반 재료의 한계를 뛰어넘는 우수한 특성이며, 소수성 수재슬래그가 자연 모래의 단순한 대체재를 넘어, 구조적 안정성과 기능성을 모두 향상시키는 고성능 차수층 재료로서 그 가치가 매우 높다고 판단된다.
본 연구는 소수성 수재슬래그의 수리적·역학적 성능을 입증하는 데 중점을 두었다. 다만, 향후 실제 현장 적용성을 확보하기 위해서는 재료의 장기 내구성(동결-융해, 코팅 마모 등) 평가와 더불어, 슬래그 용출 등에 따른 잠재적 환경영향에 대한 면밀한 검토가 필요할 것으로 판단된다.
