Shear Properties of Bottom Ash-Crumb Rubber Mixture Reinforced with Waste Fishing Net Using Triaxial Test

Soon-Jang Kwon; Yun-Tae Kim

doi:10.7843/kgs.2013.29.9.81

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Journal of the Korean Geotechnical Society. 30 September 2013. 81-91
https://doi.org/10.7843/kgs.2013.29.9.81

Shear Properties of Bottom Ash-Crumb Rubber Mixture Reinforced with Waste Fishing Net Using Triaxial Test

삼축압축시험에 의한 폐어망 보강 저회-폐타이어 혼합토의 전단특성

Soon-Jang Kwon¹

Yun-Tae Kim²

권 순장¹

김 윤태²

¹Graduate Student, Dept. of Ocean Engrg., Pukyong National Univ

²Associate Prof., Dept. of Ocean Engrg., Pukyong National Univ.

¹부경대학교 해양공학과 석사과정

²부경대학교 해양공학과 부교수

^{교신저자.}^{Corresponding Author.}

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ABSTRACT

This paper investigates the shear properties of bottom ash-crumb rubber mixture reinforced with waste fishing net. Mixtures used in this experiment were prepared at 2 different percentages of crumb rubber (2 mm～10 mm) content (i.e., 0%, 50% by weight of the dry bottom ash). In this study several series of triaxial tests were carried out on the six different specimens : unreinforced bottom ash, reinforced bottom ash with 1 or 2 layers, unreinforced mixture, reinforced mixture with 1 or 2 layers. The experimental results indicated that the shear properties of bottom ash-crumb rubber mixture were strongly influenced by reinforcing layer of waste fishing net and crumb rubber addition. It is shown that the internal friction angle of bottom ash-crumb rubber mixture decrease with addition of crumb rubber due to the compression properties of crumb rubber. However, the internal friction angle of the mixture increased with an increase in reinforcing layer due to interlocking effect and friction between mixture and waste fishing net.

Keywords

Waste fishing net

Crumb rubber

Bottom ash

Interlocking

Recycling

본 연구에서는 폐어망 보강과 폐타이어 분말 혼합에 따른 저회-폐타이어 혼합토의 전단특성을 고찰하였다. 실험에 사용된 저회-폐타이어 혼합토는 저회와 폐타이어 분말(입경 2mm～10mm)의 무게비를 각각 1:0 및 1:0.5로 구성하였으며, 준비된 저회-폐타이어 혼합토에 폐어망 보강 시 층수를 달리하여 보강함으로써 6종류의 시편(무보강 저회, 1층 혹은 2층 보강된 저회, 무보강 혼합토, 1층 혹은 2층 보강된 혼합토)을 준비하였다. 삼축압축시험을 수행한 결과 저회-폐타이어 혼합토의 전단특성은 폐어망 보강 층수와 폐타이어 분말 혼합에 크게 의존하는 것을 알 수 있다. 저회에 폐타이어 분말을 혼합하면 폐타이어 분말 자체의 압축적인 특성에 의해 내부마찰각은 감소한다. 그러나 폐어망 보강 층수가 증가함에 따라 저회-폐타이어 혼합토의 내부마찰각은 증가한다. 이것은 폐어망과 저회-폐타이어 혼합토 입자간의 마찰 및 억물림 효과에 기인하는 것으로 판단된다.

MAIN

1. 서 론
2. 폐어망 보강 저회-폐타이어 혼합토
3. 혼합재료 및 실험방법
3.1 재료 특성
3.2 삼축압축시험
4. 실험결과 및 분석
4.1 폐어망 보강 효과
4.2 폐타이어 분말 혼합 효과
4.3 전단강도 정수
5. 결 론

1. 서 론

해양폐기물은 해양환경 오염, 어업자원 감소, 선박의 안전항해 위협, 해양관광 저해 등 여러 가지 피해를 유발한다. 이는 국제적인 현상으로 국가 간 해양폐기물 문제 해결을 위한 국제사회의 공동노력이 강화되고 있다. 우리나라 정부와 지자체도 해양폐기물 문제 해결을 위해 여러 가지 정책수단을 사용하고 있으나 해양폐기물 문제는 더욱 악화되고 있는 실정이다(채동렬, 2012). 이러한 해양폐기물 중 특히 어민들이 고의 또는 부주의로 버리는 폐어망(waste fishing net, WFN)은 큰 문제를 야기한다. 지난 1993년 292명이 사망한 서해훼리호 침몰사건은 프로펠러에 폐어망이 얽힌 것이 원인이 되었다(Cho, 2006). 또한 Takehama(1990)는 일본 보험료 지급통계를 기반으로 해양폐기물로 인해 발생한 어선사고의 손실액이 1985년 가격기준으로 66억엔, 전체 일본 어업생산고의 0.3%에 해당된다고 보고하였다. 산업발달 및 경제성장에 따라 해상뿐만 아니라 육상에서도 산업폐기물의 발생량이 증가하고 있다. 매년 자동차수가 증가함에 따라 폐타이어 발생량이 증가되고 있는 추세이다. 또한 화력발전소에서는 산업부산물로 석탄회가 발생되며, 석탄회는 비회(fly ash)와 저회(bottom ash, BA)로 구성되어 있다. 비회는 시멘트 원료나 콘크리트 혼화재로 널리 재활용되고 있으나, 전체 석탄회량의 약 15%에서 20%를 차지하는 저회는 단순 매립되고 있는 실정으로 재활용 비율이 낮다. 이러한 산업폐기물의 처리로 인해 상당한 비용이 소모되고 있으며 매립을 위한 매립부지 확보로 인해 사회적･환경적 문제를 야기하고 있다. 따라서 폐어망, 저회 및 폐타이어와 같은 산업폐기물을 지반공학적 재료로 재활용할 경우 매립공간 문제 해결, 부지확보 문제 해결 등과 같은 환경적 측면에서 장점이 있다. 또한 건설 재료비 절감과 같은 수백억원 이상의 국가 예산을 절약하는 효과를 기대할 수 있다. 이와 같이 사회적으로 산업폐기물 재활용에 대한 중요성은 나날이 부각되고 있으며 폐어망, 저회 및 폐타이어를 보강토 옹벽 뒤채움재, 도로 성토재, 교량 뒤채움재 등 지반공학적 재료로서 활용하기 위한 연구가 필요한 실정이다.

저회를 지반공학적 재료로 재활용하기 위한 선행 연구를 살펴보면, Chun and Koh(1992)와 Chun et al.(1992)은 비회와 저회를 적정비로 혼합하고 다짐한 석탄회를 도로 성토 및 노상재로서 도로 축조에 활용하고자 연구하였다. Lee and Kang(2000)은 건설재료로서 석탄회에 대한 토질공학적 특성에 대한 연구를 수행하였으며, Do et al.(2009)은 저회를 콘크리트 혼화재로 사용하기 위하여 저회 혼합토 콘크리트의 강도특성을 규명하였다. 또한 공학적 성질이 모래와 유사한 저회를 선정하여 모래 대체 재료로서 쇄석과 저회 혼합재료에 관한 압축특성을 규명하는 연구(Kuk et al., 2009) 등이 있으나, 지반공학적 재료로서 저회 적용성에 대한 평가는 아직 제한적인 상황이다.

폐타이어에 대한 선행 연구를 살펴보면, 옹벽 뒤채움재, 도로 성토재 등으로 재활용하기 위해 모래와 폐타이어를 혼합하여 모래-폐타이어에 대한 역학적 특성을 연구하였다(Youwai and Bergado 2003; Zornberg et al., 2004; Ghazavi and Sakhi 2005a; 2005b; Lok and Yu, 2006). 또한 Kim and Kang(2008a; 2008b; 2011)은 폐타이어, 저회 및 준설토를 혼합한 유동성 뒤채움재인 폐타이어 혼합경량토에 대한 실험적 연구를 수행함으로써 혼합경량토의 유동 특성 및 역학적 특성을 분석하였다. Lee et al.(2009)은 저회-폐타이어 혼합토에 대하여 현장다짐시험과 실대형 성토 모형실험을 수행하여 침하, 토압, 지지력, 진동저감 효과 등을 평가하였다. 이러한 폐타이어-저회 혼합토는 일반 토사와 비교하여 경량화된 재료이므로 옹벽 뒤채움재 등으로 사용 시 토압을 저감할 수 있고, 압축성 지반에서 침하를 경감할 수 있는 장점이 있다.

일반적인 지반재료는 전단, 인장 및 활동파괴에 취약하지만 토목섬유 등과 같은 보강재를 지반재료에 삽입함으로써 전단강도를 증가시킬 수 있다(Vidal, 1969; Prabakar and Sridhar, 2002; Kaniraj and Gayathri, 2003; Yetimoglu and Salbas, 2003; Park and Tan, 2005; Yetimoglue et al., 2005; Zhang et al., 2006, 2008; Long et al., 2007; Sawwaf, 2007; Kim et al., 2008; Ashis et al., 2009; Chandrasekaran et al, 1989; Krishnaswamy and Isaac, 1994; Haeri et al., 2000; Venkatappa et al., 2005). Latha et al.(2007)은 보강재를 포설하였을 경우 주로 흙과 보강재 사이의 마찰과 억물림이 작용하여 전단강도가 증가된다고 보고하였다. 대부분의 선행연구에서 사용된 지반보강재는 지오그리드, 지오텍스타일 등과 같은 토목섬유이다. 그러나 폐타이어-저회 혼합토에 보강재로서 폐어망을 삽입하여 보강토 옹벽 뒤채움재로 활용하기 위한 연구는 아직 미진한 실정이다. 따라서 폐어망을 지반보강재로 재활용하기 위해선 지오그리드처럼 지반에 포설한 후 역학적 실험을 통해 폐어망의 강도증진 효과에 대한 연구가 필요하다. 폐어망을 토목섬유 보강재로 재활용하기 위해 Kwon and Kim(2012)이 수행한 선행연구에서는 직접전단시험을 통해 폐어망 보강 폐타이어-저회 혼합토의 전단특성을 파악하였다. 직접전단시험은 시험원리가 비교적 간단하고 장비의 조작이 간편하여 전단강도를 비교적 간단히 측정할 수 있는 장점이 있는 반면, 수평전단 시 Tilting 현상이 발생할 수 있으며, 유한요소해석 시 필요한 응력-변형 특성을 완전히 구할 수 없는 단점이 있다. 그리고 파괴면이 미리 결정됨에 따라 강도가 큰 부분이 파괴면에 포함되어 있으면 결과적으로 전단강도가 과대 산정될 수 있다(Seo et al., 2009). 따라서 본 연구에서는 직접전단시험에서 나타난 단점을 보완하기 위해 저회-폐타이어 혼합토를 대상으로 삼축압축시험을 수행하여 폐어망 보강에 따른 역학적 특성과 폐타이어 분말 혼합에 따른 영향을 파악하고자 하였다. 삼축압축시험 결과를 바탕으로 폐어망 보강 저회-폐타이어 혼합토의 전단강도 정수 및 응력-변형 거동 특성을 분석하였다.

(a) Before loading (b) After loading

Fig. 1. Mechanism of waste fishing net-reinforced mixture (Kwon et al., 2012)

2. 폐어망 보강 저회-폐타이어 혼합토

폐어망 보강 저회-폐타이어 혼합토는 저회-폐타이어 혼합토에 지반의 전단, 인장 및 활동파괴와 같은 지반구조물의 안정성을 증가시키기 위하여 폐어망을 보강 재료로 삽입하여 제작되었다. Fig. 1은 외부하중 작용 시 폐어망 보강 저회-폐타이어 혼합토의 거동 메카니즘을 나타낸다. 하중 작용 전에는 Fig. 1(a)와 같이 저회와 폐타이어 분말이 혼합된 혼합토에 폐어망을 보강한 형태로 구성되어 있고 폐타이어 분말로 인하여 재료의 경량성이 확보된다. 또한 폐어망의 재활용성을 높이고 혼합토의 전단, 인장 및 활동파괴 대한 취약점을 개선시키기 위하여 폐어망을 보강한 형태이다. 외부 하중 작용 시 Fig. 1(b)와 같이 흙 입자의 상대적인 움직임으로 인해 폐어망에 인장응력이 유발됨으로써 폐어망 보강 혼합토의 전단강도를 증가시키는 보강효과를 발휘하게 된다. 또한 혼합토의 입자와 폐어망 표면 사이에 마찰(friction)과 억물림(interlocking)이 작용하여 전단강도가 증가된다(Kwon et al., 2012).

이러한 개념을 바탕으로 폐어망 보강 저회-폐타이어 혼합토는 무보강 혼합토가 가진 전단, 인장 및 활동파괴에 대한 취약성을 개선시킬 수 있고, 최대강도 이후 발생하는 취성파괴를 감소시킬 뿐만 아니라, 충격 및 균열에 대한 저항성 증대에도 효과적일 것이라 판단된다. 따라서 폐어망, 저회 및 폐타이어를 보강토 옹벽 뒤채움재, 도로 성토재, 교량 뒤채움재 등으로 적극적 재활용될 수 있을 것으로 기대된다.

3. 혼합재료 및 실험방법

3.1 재료 특성

어망은 크게 폴리에틸렌(Polyethylene : PE), 폴리에스테르(Polyester : PET) 그리고 나일론(Nylon)의 재질로 구분된다. Photo 1은 본 논문에서 사용한 폴리에스테르 계열의 폐어망으로 부산 영도구에서 발생한 것이다. 폐어망의 재질분석을 위해 한국섬유개발연구원(KTDI)에서 섬유분석시험을 수행하였다. Table 1은 폐어망의 물리적 특성을 나타내고 있다. 폐어망은 PET 재질로 구성되었으며, 폐어망의 망목(mesh size)은 20mm×20mm이다. 또한 폐어망이 보강재로서 역할을 할 수 있는지를 판단하기 위해 폐어망에 대한 광폭인장실험을 수행하였다. 인장시험은 한국의류시험연구원(KATRI)에 있는 광폭인장시험기를 사용하였으며 폐어망의 인장응력-인장변형 거동은 Fig. 2와 같다. 폐어망의 최대인장강도 평균값은 41.71kN/m이며 파단 시 평균신장률은 31.4%로 나타났다. 폐어망의 인장특성을 토목섬유 보강재로서 많이 사용되고 있는 지오그리드의 인장특성과 비교하였을 때 폐어망의 변형률은 지오그리드 보다 높게 나타났다. 변형률 10%에 해당하는 인장강도는 지오그리드의 약 1/2배의 인장강도를 나타냈다. 이는 지오그리드에 비해 낮은 수준이나 보강재로서의 기능은 충분히 발휘할 것으로 판단된다.


Photo 1. Waste Fishing Net (WFN)

Table 1. Material properties of waste fishing net
Parameter	Waste Fishing Net (WFN)
Material	Polyester (PET)
Mass per unit area	675 g/m²
Thickness	2 mm
Aperture (width☓width)	20 mm×20 mm
Knot	Knotless
Average tensile strength	41.71 kN/m
Average tensile strength at 10% elongation	12.14 kN/m
Average elongation at failure	31.4%

Fig. 2. Tensile stress-strain curves of waste fishing net and geogrid

Photo 2. Bottom ash (BA)

Photo 2는 삼천포 화력발전소에서 발생한 저회로서 균등한 공시체 제작을 위해 No.4체를 통과시켜 자갈크기의 입자를 배제하였다. Table 2는 입도분포시험, 다짐시험, 비중시험 및 X-선 분석을 통해 구한 저회의 물리적 특성을 나타내고 있다. 저회의 비중은 2.0이고, 유효입경(D10)은 0.12mm이다. 저회의 균등계수는 11.25, 곡률계수는 1.14로 비교적 양호한 입도분포를 가진 모래와 유사한 특성을 나타내었다. 다짐시험을 통해 구한 저회의 최적함수비는 15.3%, 최대 건조단위중량은 10.5kN/m³으로 나타났다. 또한 XRF(X-ray Fluorescence)와 XRD(X-ray Diffractogram)을 통하여 저회의 화학적 성분 및 주요결정상을 분석하였다. Table 2는 XRF 분석 결과로부터 구한 저회의 화학적 성분을 나타낸 것으로 실리카(SiO2)와 알루미나(Al2O3) 성분이 많이 함유되었다. XRD 분석 결과로부터 얻은 저회의 주요결정상은 Quartz(SiO2)와 Mullite (Al2O3･2SiO2)로 나타났다(Kim et al., 2008).

Photo 3의 폐타이어 분말(crumb rubber, CR)은 상온에서 절단된 폐타이어 조각을 동결조(Freezer,-120oC)에 투입하여 유리온도(Tg=-68oC) 이하에서 동결, 분쇄하여 철심과 섬유질이 제거된 분말이다. Fig. 3은 폐타이어 분말과 저회의 입도분포곡선을 나타내고 있다. 입도분포곡선을 통해 구한 폐타이어 분말의 입경 분포는 2mm～10mm이며, 유효입경(D10)은 2.16mm이다. 표준다짐시험을 실시하여 폐타이어 분말의 건조단위중량을 측정하였다. 내경 100mm, 높이 127.3mm의 표준몰드에 시료를 3층으로 넣고 각 층마다 2.5kgf의 해머를 30cm의 높이에서 25회씩 떨어뜨려 다짐하는 방법을 사용하였다. 표준다짐시험으로 얻어진 폐타이어 분말의 건조단위중량은 6.55kN/m³으로 나타났다. Epps(1994)는 다짐된 폐타이어 조각의 단위중량 범위는 3.16kN/m³에서 7.11kN/m³이라고 보고하였다. Fig. 4는 여러 연구자들에 의해 보고된 폐타이어의 유효입경에 따른 건조단위중량을 나타내고 있다. 대부분 4.8kN/m³에서 6.6kN/m³의 범위에 존재한다. 폐타이어의 건조단위중량은 유효입경과 관계없이 거의 일정한 것으로 나타났다. 본 연구에서 사용한 폐타이어 분말의 건조단위중량은 Epps(1994)의 실험결과 값과 Fig. 4의 여러 연구자들에 의해 얻어진 값의 범위 안에 포함되어 있음을 알 수 있다.

Photo 3. Crumb rubber (CR)

Fig. 3. Particle-size distribution curves of bottom ash and crumb rubber

Fig. 4. Dry unit weight of crumb rubber (Kim and Kang, 2010)

Table 2. Physical properties of bottom ash
Specific gravity	Gs	2.0
Sieve analysis	D10 (mm)	0.12
	D30 (mm)	0.43
	D60 (mm)	1.35
	Uniformity coefficient (Cu)	11.25
	Coefficient of gradation (Cc)	1.14
Compaction test	Optimum moisture content ()	15.3%
Compaction test	Maximum dry unit weight ()	10.5 kN/m³
X-ray analysis (XRF, XRD)	Main constituent (content)	SiO2 (52.7%), Al2O3 (19.3%)
X-ray analysis (XRF, XRD)	Main crystallographic	Quartz, Mullite

3.2 삼축압축시험

폐어망 보강 층수에 따른 저회-폐타이어 혼합토의 전단강도 특성을 파악하기 위해 저회-폐타이어 혼합토를 조성하여 Fig. 5에 나타낸 형식으로 폐어망을 보강하여 삼축압축시험을 수행하였다. 저회-폐타이어 혼합토에 폐어망을 1층 또는 2층으로 보강하였다. 또한 폐어망 보강에 따른 역학적 특성을 비교하기 위해 무보강 공시체도 제작하였다. Table 3은 시험에 사용된 무보강 및 폐어망 보강 저회-폐타이어 혼합토의 배합 및 시험조건이다. 저회-폐타이어 혼합토는 건조된 저회와 폐타이어를 무게비로 1:0 혹은 1:0.5로 혼합하였다. 삼축압축시험 시 각 시료의 초기 조건을 동일하게 유지하기 위해 초기 상대밀도를 일정하게 유지하여 시험에 대한 일관성을 확보하였다. 무보강 및 폐어망 보강 저회-폐타이어 혼합토의 초기 상대밀도는 각각 95%로 설정하였다. 상대밀도는 저회-폐타이어 혼합토의 최대 건조단위중량과 최소 건조단위중량을 바탕으로 산정되었다.

Table 3. Mixing condition of bottom ash (BA)-crumb rubber (CR) mixtures reinforced with waste fishing net (WFN)
Specimen type		Mixing ratio (BA : CR)	ϒdmax (kN/m³)	ϒdmin (kN/m³)		ϒd (kN/m³)	Relative density (Dr, %)
Unreinforced BA		1 : 0	10.90	8.32		10.73	95
Reinforced BA with WFN 1 layer
Reinforced BA with WFN 2 layers
Unreinforced BA-CR mixture		1 : 0.5	9.35	7.39		9.23
Reinforced BA-CR mixture with WFN 1 layer
Reinforced BA-CR mixture with WFN 2 layers


Unreinforced	1 Layer				2 Layers
Fig. 5. Specimen for triaxial test

삼축압축시험을 위해 높이 100mm×직경 50mm인 원주형 공시체를 제작하였다. 저회-폐타이어의 혼합비율 및 폐어망의 보강 층수에 따라 제작된 공시체에 50kPa, 100kPa, 200kPa의 구속압력을 작용시킨 상태에서 KS F2346에 제시된 방법으로 삼축압축시험을 수행하였다. 이때 재하속도는 공시체 높이를 기준으로 분당 압축량을 공시체 높이의 1%인 1mm/min의 속도로 재하하고, 배수상태에서 시험을 수행하였다.

4. 실험결과 및 분석

Fig. 6. Deviator stress-axial strain curves of bottom ash at confining stress of 200 kPa

4.1 폐어망 보강 효과

Fig. 6은 구속압력 200kPa 하에서 무보강 저회(Unrein-forced BA) 및 폐어망 보강 저회(Reinforced BA with WFN)의 삼축압축시험 결과를 나타낸다. 이 결과에서 알 수 있듯이 무보강 저회의 경우 변형률이 증가함에 따라 축차응력이 증가하다가 첨두응력(peak stress)에 도달한 후 감소하는 변형율 완화(strain softening)를 가진다. 그러나 저회에 폐어망을 1층으로 보강하였을 때에는 첨두응력을 지난 후에 축변형률이 증가함에 따라 축차응력이 증가하는 경향을 나타낸다. 폐어망을 2층으로 보강하였을 때에는 축변형률이 커짐에 따라 축차응력이 보다 크게 증가하였다. 이러한 취성파괴의 감소는 폐어망 보강 공시체가 하중을 받을 경우 Fig. 1(b)와 같이 저회 입자의 상대적인 움직임으로 인해 폐어망에 인장응력이 유발되고 입자와 폐어망 표면 사이에 마찰과 억물림이 작용하여 폐어망 보강 저회의 강도가 증진된 것으로 사료된다. 이러한 폐어망 보강에 따른 응력-변형 거동특성은 Photo 4와 같은 공시체의 파괴형상에서도 잘 나타낸다. 무보강 저회 공시체의 경우(Unreinforced) 전단파괴면을 따라 파괴됨을 보였다. 폐어망이 1층으로 보강된 경우(1 layer) 중앙부분에 위치한 폐어망 자체의 인장저항으로 인해 윗부분이 약간 불룩해지는 벌징 형태(bulging type)의 거동을 보인다. 폐어망이 2층으로 보강된 경우(2 layers) 폐어망의 인장저항력이 커짐에 따라 축차응력이 Fig. 6과 같이 증가하게 되며, 윗부분과 폐어망 사이의 중앙부분이 불룩해지는 벌징 형태의 거동을 나타냈다. 이와 같이 폐어망 보강에 따라 저회의 거동특성은 달라짐을 알 수 있으며 폐어망 보강이 전단특성에 긍정적인 영향을 주는 것으로 판단된다.

Photo 4. Failure characteristics of bottom ash specimen

Fig. 7은 구속압력 200kPa 하에서 무보강 저회-폐타이어 혼합토(Unreinforced BA-CR mixture) 및 폐어망 보강 저회-폐타이어 혼합토(Reinforced BA-CR mixture)의 응력-변형곡선을 나타낸다. 무보강 저회-폐타이어 혼합토의 경우 폐타이어가 혼합됨에 따라 폐타이어의 압축성에 의해 축차응력은 증가하다가 수렴하는 특성을 가진다. 그러나 폐어망을 보강하면 축차응력은 계속 증가한다. 폐어망을 2층으로 보강(Reinforced BA-CR mixture with WFN 2 layers)한 경우가 1층으로 보강(Reinforced BA-CR mixture with WFN 1 layer)한 경우보다 축변형률에 따른 축차응력의 증가가 더 크다. 폐어망 보강 층수가 커짐에 따라 전단특성 개선 효과가 커짐을 알 수 있다.

Fig. 7. Deviator stress-axial strain curves for bottom ash-crumb rubber mixture with different reinforcing layers

4.2 폐타이어 분말 혼합 효과

Fig. 8은 폐타이어 분말 혼합 유무에 따른 혼합토의 삼축압축시험 결과를 나타낸다. 폐타이어 혼합 유무에 따른 응력-변형곡선을 비교해 보면 폐타이어 분말이 혼합됨에 따라 응력-변형곡선에서 뚜렷한 첨두응력을 나타내지 않고 축변형률이 증가함에 따라 축차응력이 계속 증가하는 경향을 가짐을 알 수 있다. 그리고 폐어망 2층 보강 저회와 저회-폐타이어 혼합토(Reinforced BA with WFN 2 layers vs. Reinforced BA-CR mixture with WFN 2 layers)의 응력-변형곡선을 비교해보면 폐타이어 분말이 혼합됨에 따라 일정한 변형률에서 축차응력은 감소하는 경향을 나타낸다. 이는 폐타이어 분말 혼합으로 인한 강도 감소를 나타낸다. 타이어 조각 또는 분말은 압축성이 크고 연성이 큰 재료이기 때문에 이러한 경향을 나타낸다. Zornberg et al.(2004)은 타이어 조각-모래 혼합토의 거동 연구에서 이와 비슷한 결과를 나타냈고, Kim and Kang(2010)도 폐타이어-저회 혼합토의 거동 연구에서 이와 비슷한 결과를 보고 하였다.

Fig. 8. Effect of crumb rubber addition into mixture

Table 4. Result of triaxial compression test of unreinforced and reinforced bottom ash-crumb rubber mixture with different layers
Specimen type	Cohesion (kPa)	Angle of internal friction
Unreinfroced BA	32.1	36.76o
Reinforced BA with WFN 1 layer	35.8	39.58o
Reinforced BA with WFN 2 layers	43.7	42.56o
Unreinfroced BA-CR mixture	25.0	33.58o
Reinforced BA-CR mixture with WFN 1 layer	32.6	36.16o
Reinforced BA-CR mixture with WFN 2 layers	37.9	38.87o

Fig. 9. The p-q diagrams for bottom ash with different waste fishing net layers

Fig. 10. The p-q diagrams for bottom ash-crumb rubber mixture with different waste fishing net layers

4.3 전단강도 정수

Fig. 8과 같은 응력-변형 곡선에서 첨두응력 또는 축변형률 15%에 대응하는 축차응력을 이용하여 전단강도 정수를 산정하였다. Fig. 9는 폐어망 보강에 따른 저회의 p-q도를 나타낸다. 여기서 p=(σ1+σ3)/2이며, q=(σ1-σ3)/2이다. Fig. 9 혹은 Table 4와 같이 폐어망 보강 층수가 증가(0→1→2)함에 따라 저회의 내부마찰각은 36.76o에서 42.56o로 증가하였다. 이것으로부터 폐어망 보강 층수가 증가함에 따라 입자와 폐어망 사이의 마찰과 억물림 작용이 증가하여 전단강도가 증가한다는 것을 알 수 있다. Fig. 10은 폐어망 보강에 따른 저회-폐타이어 혼합토의 p-q도를 나타낸다. 저회-폐타이어 혼합토의 경우에도 폐어망 보강 층수가 증가(0→1→2)됨에 따라 폐어망과 입자간의 마찰과 억물림 효과에 의해 전단강도가 증가하였다. Table 4는 삼축압축시험을 통해 구한 무보강 및 폐어망 보강 저회-폐타이어 혼합토의 전단강도 정수를 나타낸 것으로 폐어망 보강 층수에 따라 전단강도 정수를 정리하였다.

Fig. 11. Variation of angle of internal friction of bottom ash- crumb rubber mixture with different layers

(a) Bottom ash reinforced with waste fishing net

(b) Bottom ash-crumb rubber mixture reinforced with waste fishing net

Fig. 12. Angle of internal friction for bottom ash-crumb rubber mixture

폐어망 보강 층수와 폐타이어 분말 혼합에 따른 전단강도 정수를 비교하기 위해 Fig. 11에 폐어망 보강 층수 및 폐타이어 분말 함량에 따른 내부마찰각의 변화를 각각 나타내었다. 폐어망 보강 층수가 증가함에 따라 내부마찰각은 비례해서 증가한다. 그러나 저회에 폐타이어 분말이 혼합되면 혼합되지 않았을 때 보다 내부마찰각은 3.15o∼3.69o 정도 더 작게 나타난다. 폐타이어 분말이 혼합됨에 따라 저회 입자사이에 있는 폐타이어 분말의 압축적인 성질로 인해 저회간의 억물림 작용을 방해하는 역할을 하여 전단특성에 부정적인 영향을 주는 것으로 판단된다(Kim and Kang, 2010). 폐타이어 분말을 혼합하면 혼합토의 경량성은 확보되지만 전단강도는 감소한다. 그러나 폐어망을 보강하면 저회-폐타이어 혼합토의 전단강도를 증진시킬 수 있다.

저회 및 저회-폐타이어 혼합토에 폐어망을 보강하였을 경우 내부마찰각의 증가를 Fig. 12에 나타내었다. 폐어망 보강에 따른 내부마찰각의 증가를 아래의 식 (1)과 (2)와 같이 나타내었다.

(1)

(2)

여기서, 과 은 각각 무보강 저회 및 저회-폐타이어 혼합토의 내부마찰각을 나타내며 은 폐어망 보강으로 인해 증가된 내부마찰각을 나타낸다. 과 은 폐어망 보강으로 증가된 저회 및 저회-폐타이어 혼합토의 내부마찰각을 각각 의미한다. Fig. 12(a)와 12(b)의 폐어망 보강에 따른 내부마찰각 증가를 비교해보면 폐어망을 1층으로 보강 시(1 Layer) 내부마찰각 증가량은 각각 2.82o 및 2.58o이며 2층으로 보강 시(2 Layers) 내부마찰각 증가량은 각각 5.8o 및 5.29o이다. 폐어망 보강에 따른 저회 및 저회-폐타이어 혼합토의 내부마찰각 증가량은 비슷하게 나타났다. 내부마찰각의 증가는 전단강도의 증가를 의미한다. 이것은 폐어망의 보강 층수가 증가함에 따라 폐어망과 혼합토간의 마찰 및 억물림 작용이 비례하여 증가하기 때문이다. 이처럼 폐어망으로 보강된 저회 및 저회-폐타이어 혼합토의 전단특성은 폐어망의 보강 층수에 의존하고 있음을 알 수 있다.

폐어망으로 보강된 저회 및 저회-폐타이어 혼합토의 전단강도 정수와 응력-변형 곡선을 종합해 볼 때 폐타이어 분말의 혼합은 전단강도에 부정적인 영향을 주고 있으나, 폐어망 보강은 저회-폐타이어 혼합토의 전단강도에 긍정적인 영향을 주고 있음을 알 수 있다. 본 연구의 폐어망 보강 저회 및 폐어망 보강 저회-폐타이어 혼합토는 보강토 옹벽의 뒷채움재, 교량 뒷채움재, 도로 성토재 등으로 사용될 수 있으나, 추후 현장 검증이 필요하다.

5. 결 론

본 논문에서는 산업폐기물인 폐어망, 저회 및 폐타이어를 지반공학적 재료로 재활용하기 위하여 폐어망 보강과 폐타이어 분말 혼합에 따른 저회 및 저회-폐타이어 혼합토의 역학적 특성을 분석하였다. 이를 위해 폐타이어 분말을 다르게 배합한 혼합토에 폐어망을 보강(1층∼2층)하여 삼축압축시험을 수행하였다. 시험결과로부터 얻은 결론은 다음과 같다.

(1)삼축압축시험 결과로부터 저회-폐타이어 혼합토의 전단특성은 폐어망 보강 층수와 폐타이어 분말 혼합에 크게 의존하는 것을 알 수 있다.

(2)무보강 저회는 첨두응력을 가진 후 변형률 완화를 나타내는 응력-변형 곡선을 보였으나, 폐어망이 보강된 경우 변형률이 증가함에 따라 축차응력이 증가하는 경향을 가진다. 이것은 폐어망에 인장력이 유발되고 저회 입자와 폐어망 표면 사이에 마찰과 억물림이 작용하기 때문이며, 이것 때문에 폐어망 보강 저회의 강도가 증가하였다.

(3)삼축압축시험 결과, 저회-폐타이어 혼합토의 내부마찰각은 저회 자체의 내부마찰각 보다 3.2o에서 3.7o 정도 작게 나타났다. 폐타이어 분말은 자체의 압축적인 성질로 인해 저회 입자사이의 억물림 작용을 방해하는 역할을 하여 전단특성에 부정적인 영향을 주는 것으로 판단된다. 폐타이어 분말을 혼합하면 혼합토의 경량성은 확보되지만 전단강도는 감소한다.

(4)폐어망 보강 층수가 증가함에 따라 저회 및 저회-폐타이어 혼합토의 내부마찰각은 증가하는 경향을 나타낸다. 이것은 폐어망 보강 층수가 증가할수록 입자와 폐어망 사이의 마찰 및 억물림 효과가 증가하기 때문이며, 폐어망 보강은 전단강도 및 내부마찰각 증가에 긍정적인 영향을 주는 것으로 판단된다.

Acknowledgements

이 논문은 부경대학교 자율창의학술연구비(2013년)에 의하여 연구되었으며 이에 깊은 감사를 드립니다.

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Journal of the Korean Geotechnical Society ISSN:1229-2427(Print) 2288-646X(Online) 한국지반공학회 논문집

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Shear Properties of Bottom Ash-Crumb Rubber Mixture Reinforced with Waste Fishing Net Using Triaxial Test

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MAIN

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