2012 년도한국철도학회추계학술대회논문집 KSR2012A169 철도노반재료로서동슬래그 (Copper Slag) 의적용타당성평가 Feasibility Assessment for use to Railway Subsoil material of Copper Slag 박미연 *, 김경민 *, 박재학 *, 이종득 * MiYun Park *, KyungMin Kim *, JaeHak Park *, JongDeuk Lee * Abstract Railway roadbed is for supporting the railway track directly using the original soil structure. Settlement or deformation should not be occurring by the pressure and impact load from the railroad track by the train load. Also, it is not affected by rain and water flow. Recently in the trend of Railway transportation, railway roadbed of the high level of performance specifications for high-speed and High- Weight depending on the requirements. Therefore, this study can be applied to improve the performance of the railway roadbed material and recycling of industrial byproducts of copper slag as a roadbed material was evaluated. So was to identify the characteristics of materials such as copper slag generated by the literature survey process and environmental impact assessment. Applicability as a railroad roadbed material was analyzed to identify the status of the domestic and overseas in the copper slag. Using a roadbed material quality control standard, copper slag is applied in the domestic railway construction and was justified as a roadbed material. Keywords : Railway, Subsoil, Copper Slag, Track, Industrial By-products 초록철도노반은자연지반을가공하여궤도를직접지지하기위한흙구조물로서, 궤도로부터작용되는열차하중에의한압력과충격으로침하되거나변형이되어서는안되며우수와유수의침해를받아서도안된다. 이러한철도노반은최근철도교통의흐름인고속화및고중량화에따른고사양의성능수준을만족하도록요구하고있다. 따라서, 본연구에서는철도노반재료의성능향상과산업부산물의재활용을위한동슬래그의노반재료로서의적용타당성을평가하였다. 이를위해동슬래그의생성과정과환경영향평가등의재료적특성을파악하고국내외적용현황을파악하여노반재료로서의적용성을분석하고국내철도공사시적용되는노반재료의품질관리기준을이용하여재료의타당성을제시하였다. 주요어 : 철도, 노반, 동슬래그, 궤도, 산업부산물 1. 서론 철도노반은궤도를견고하게지지함과동시에하중에대한적정한탄성을부여하여열차의통과하중을흡수하는부분으로서궤도의파손, 틀림등의궤도변형에직접적인영향을미치는매우중요한부분이다. 또한국내철도흐름인고속화에따른고사양의궤도구조와시공재료를요구하고있다. 교신저자 : ( 주 ) 승화기술정책연구소 (momo6238@hanmail.net) * ( 주 ) 승화기술정책연구소
하지만철도공사현장에서는양질의천연골재고갈과석산골재및해사에대한사용규제에의해시공비증가와심각한재료수급부족이라는어려움을겪고있다. 따라서본연구에서는동제련후생성되는부산물인동슬래그 (copper slag) 을이용하여국내철도노반재료로써의적용가능성과타당성을제시하였다. 이를위해동슬래그의생성과정과환경영향평가를통한재료적특성을파악하고동슬래그의국내외적용현황을조사하여철도노반재료로써의적용가능성을제시하였다. 또한국내철도노반재료의품질관리기준과동슬래그의지반공학적특성을비교분석하여지속가능한저탄소녹색재료개발을위한선행연구를실시하였다. 2.1 생성과정 2. 동슬래그의재료적특성분석 동슬래그는동광석을녹여조동 (Anode) 을만들고정련과정을거쳐전기동을생산하는일련의과정에서정광을용제 (Flux) 인규사 (SiO 2 ) 와혼합하여고농도의산소부화공기와반응시키면정광중의 S는산소와결합하여가스상태인 SO 2 로연소되고, 이가스는포집되어황산 (Sulfuric Acid) 으로제조된다. Fe는산화물형태인 FeO로역시산화되어용제인 SiO 2 와결합하여슬래그를형성하고, Cu가주성분인매트 (Matte) 와비중차에의해분리제거된다. 다음그림 Fig 1은동슬래그생성과정의두종류인자용로공정 (Outokumpu Flash Smelting Process) 과연속동제련공정 (Mitsubishi Continuous Copper Smelting Process) 을도시한것이다. (1) Outokumpu Flash Smelting Process (2) Mitsubishi Continuous Copper Smelting Process Fig. 1 Production process of Copper Slag 2.2 제강슬래그의구성성분및지반공학적특성분석 2.2.1 구성성분분석 동슬래그는 KS F 2543에서동슬래그골재의화학성분에대하여골재자체의성분조성과함께고로 ( 高爐 ) 슬래그등과같이화학성분에관한규정을고려하여산화칼슘 (CaO), 전유황 (S), 삼산화유황 (SO 3 ) 및전철 (FeO) 의 4성분에대해서규정하였다. 동의제조에이용되는원료광석은, 동광석 ( 주로황화동광 ) 과규산광 (SiO 2 ) 이다. 원료광석의화학성분은제련조업을위한사전
의광석조합에의해대단히안정되어있기때문에발생하는슬래그의화학성분의편차가극히적고안정되어있다. 동슬래그골재의주요화학성분은전철 (FeO) 이 40 ~ 55%, 이산화규소 (SiO 2 ) 가 28 ~ 37% 로서대부분을차지하고있다. 나머지부분은 CaO, Al 2 O 3, MgO가약간씩함유되어있다. 전유황 (S) 의함유량은 0.20 ~ 0.87%, 삼산화유황 (SO 3 ) 의양은 0.2% 이하의수치를나타내고있다. Table 1 Chemical composition of Copper Slag (Unit : %) Type Value CaO S SO 3 FeO NaCl SiO 2 Cu Outokumpu Flash Smelting Mitsubishi Continuous Copper Smelting JIS A 5011-3 Criteria value Average 4.67 0.38 Max~Min 5.44 ~ 4.23 0.56 ~ 0.20 < 0.2 45.19 48.18 ~ 40.43-33.5 0.90 35.0 ~ 32.5 1.31 ~ 0.70 S.D 0.37 0.10 1.83 0.78 0.21 Average 0.95 0.50 52.26 30.65 0.97 Max~Min 1.38 0.87 55.04 31.4 1.28 ~ 0.70 ~ 0.33 < 0.2 ~ 47.68 - ~ 28.8 ~0.83 S.D 0.22 0.13 1.79 0.78 0.15 < 12.0 < 2.0 < 0.5 < 70.0 < 0.03 - - 2.2.2 지반공학적특성분석 동슬래그의지반공학적특성으로비중은자용로의경우 3.78, 연속로의경우 3.44 ~ 3.58로서 2.6 ~ 2.7을나타내는모래또는화강풍화토와비교하여매우큰것으로나타났고, 흡수율은모래 0.9% 에비하여훨씬낮은 0.2 ~ 0.5% 로물에대한안전성이매우우수한것으로나타났다. 다음과같은큰비중은단위면적당자중의증가와그에따른횡압력에대한저항력강화로인해케이슨채움재및도로및철도의뒷채움재료로서상당한이점을가지며, 본연구의적용분야인노반부분에서도열차하중에대한구조적안정성을갖출수있을것으로판단된다. 또한강도정수인내부마찰각과점착력이자용로와연속로가각각 =43 C=0, =43.2 ~ 46 C=0로모래의경우 ( =36 ~ 38 C=0) 보다내부마찰각이크게나타났다. 따라서철도와도로와같은반복적인교통하중에대한고사양의하부구조재료로서큰이점을가지고있는것으로보인다. Outokumpu Flash Smelting Table 2 Physical properties of Copper Slag (Unit : %) Mitsubishi Continuous Copper Smelting Natural Soil Specific gravity 3.78 3.44 ~ 3.58 2.6 ~ 2.7 Absorption 0.2 ~ 0.5 % 0.2 ~ 0.5 % 0.9 % Coefficient of Uniformity, Cu 2.5 2 ~ 2.2 Coefficient of Curvature, Cg 1.0 1.31 ~ 1.39 Pass of #200 0 % 0 % Atterberg Limit NP NP NP Cohesion, C 0 0 0 Internal friction angle, 43 43.2 ~ 46.0 36 ~ 38
2.3 용출시험을통한환경영향성평가 한국철도시설공단에서제시하는철도건설공사전문시방서-노반편에서는산업부산물을쌓기재료로사용전에다지기후물리적성질이적합하고환경영향평가에서승인된후적용하는것을권장하고있다. 따라서 Table 3는용출특성평가를위하여국내에서일반적으로적용되고있는폐기물공정시험법에의한실험결과이다. 이는 폐기물관리법 시행규칙제2조에서정하고있는폐기물분류기준인허용기준에따라동슬래그는 Table 3과같이 Cu가각각 0.39, 0.68ppm으로나타났으며나머지항목에서는검출되지않았다. 따라서동슬래그는모든유해항목에서기준이하로판명되었으며, 또한미국환경유해성평가방식 EP Toxicity Test에의한결과를제시하였다. 용출시험결과, 규제물질로규정하고있는 Pb, Ag, As, Hg, Cd, Cr, Se, Ba 중 Hg, Cd, Cr 등은전혀검출이없었으며, Ag와 Se는 0.03ppm 이하로검출이되었다. 나머지물질도허용기준에비하여매우낮은용출을보이고있어현장적용시환경영향은없을것으로판단된다. Table 3 Leaching test of Steel Slag and natural material (Unit : ppm) Waste Process Test Extraction Procedure Toxicity Test Type Criteria Value Outokumpu Mitsubishi Type Criteria Value Outokumpu Pb 3.0 0.08 0.09 Pb 5.0 0.1 Cu 3.0 0.39 0.68 Ag 5.0 tr. As 1.5 ND ND As 5.0 0.01 Hg 0.005 ND ND Hg 2.0 ND Cd 0.3 Tr.(0.01) ND Cd 1.0 ND Cr 1.5 ND ND Cr 5.0 ND CN 1.0 ND ND Se 1.0 tr. TCE - ND ND Ba 100 0.053 PCE - ND ND - ND : No Detected 3.1 국내적용사례 3. 동슬래그의국내외적용사례분석 국내에서동슬래그를생산하고있는기업은 LS-Nikko로연간 70만톤정도를시멘트의가철재와샌드블라스팅 (Sand Blasting) 재, 콘크리트및시멘트잔골재, 지반개량재, 케이슨채움재료등으로사용하고있다. 특히 LS-Ferrosand라는모델명으로케이슨채움재용동슬래그를생산하고있다. 3.2 국외적용사례 일본은 1997년 JIS A 5011-3 콘크리트용동슬래그골재 의규격을제정하였다. 여기에는자용로공법, 반사로공법및연속제련공법등을적용하고있는데, 동슬래그의적용분야로는
시멘트원료, 지반재량재, 노반재료, 샌드블라팅재, 주택자재, 토목공사자재, 콘크리트용잔골재등을제시하고있다. 특히매립용골재로서는투수성이우수하여배수가좋지않은부분의배수재로활용할수있고, 국내와동일하게비중이크다는점을이용하여케이슨채움재로써활용성을언급하고있다. 또한독일의경우는연간 45만톤의서냉슬래그를슬래그스톤형태로제조하여생산하고있으며독일및유럽지역대부분의토목공사에이용하고있다. 공법표준규격인 DIN-4301 토목및건축용철및비철계슬래그에동슬래그의토건용활용에대한규정이제정되어있으며, 슬래그스톤에대한규격또한포함하고있다. 4. 동슬래그의철도노반재료적용타당성분석 4.1 물리적특성분석을통한적용성검토 국내철도전문시방서에서제시하는노반의품질규정은자갈궤도와콘크리트궤도와분류하여제시하고있으며입도규정, 수정CBR 값과소성지수를고려하도록되어있으며두궤도타입모두다짐도는흙노반공히 A다짐또는 D다짐기준으로 90% 이상의다짐도를확보하도록요구하고있다. 이는노반분니방생과진동이나강우에대해안정하며철도하중을지지할수있는강도를가지는재료를선별하여적용하도록하며함수비가높아소요의다짐도가얻어질수없는재료는사용하지못하도록규제하고있다. Table 4 Standard requirement for the Substructure according to Korea Rail network authority Unit Standard Method Ballast Track Concrete Slab Track Upper Subsoil Bottom Subsoil Upper Subsoil Bottom Subsoil Maxium dimension mm KS F 2302 < 100 < 300 < 100 < 300 Modified CBR > 10 >2.5 > 10 >2.5 Pass of 5mm % KS F 2302 25 ~ 100-25 ~ 100 25~100 Pass of 0.08mm % KS F 2302 0 ~ 25-0 ~ 25 0 ~ 25 Plasticity Index KS F 2303 > 10 - > 10 > 10 Compaction % KS F 2312 > 95 > 90 > 95 > 90 동슬래그의물리적특성분석결과 (Table 2) 와국내철도품질관리기준 (Table 4) 을비교한결과노반재료로서갖추어야항목으로열차하중을견딜수있는지지력과배수불량으로인한수압증가및동결로인한지반연약화가우려되는재료는되도록사양하고있다. 따라서본연구에서제시하고자는하는동슬래그의경우국내외적용사례분석에서제시된바와같이투수성이좋아배수에강하며, 비중및전단강도가천연골재에비해양호한값을나타내고있어물리적특성분석결과철도노반재료로적합할것으로판단된다. 4.2 입상학적재료특성분석을위한입도분석 철도설계기준에서제시하는흙노반재료의입도는특정크기의체의통과율과최대입경
크기를제시하여터널및사면굴착으로얻어진골재를선별하여적용도록하고있다. 따라서품질관리기준으로제시하고있는 5mm, 0.08mm 체의통과율과현재생산되는자용로와연속로의입도범위를이용하여동슬래그의입도규격만족여부를판단하였다. 분석결과국내철도노반재료의품질기준에서제시하는 5mm체의통과기준과 0.08mm 체의통과기준을만족하고있으며, 특히 0.08mm 부분에서 0% 의입도를보이고있어일반철도의강화노반두께기준에서배수층 15cm를별도로시공하도록하는공정을제외할수있을것으로판단되어시공비절감및공기단축에도탁월한효과를나타낼것으로판단된다. Fig. 2 Particle size analysis for Copper Slag and Korea Railway Subsoil 3. 결론현철도는과중한교통하중에대해궤도안정성과사용편의성을위한고사양의하부구조를요구하고있다. 이러한변화에따른하부재료의성능개선과지속가능한저탄소녹색재료개발을위해동제련과정에서생산되는동슬래그의철도공사시노반재료로서의가능성을제시하기위해본연구에서는문헌조사를통한성분분석과환경영향성평가, 국내철도노반의품질관리기준과동슬래그의물리적특성을비교분석하였다. 그결과천연재료에비해비중및강도정수가양호하여적용시궤도안정성에이점을보이며, 입도비교분석결과설계기준을모두만족하는것으로나타나노반재료로서합리적으로판단된다. 추후현장적용성시험을통해실질적재료개발을위한연구를진행할예정이다. 참고문헌 [1] 지석원 (2001) 동슬래그잔골재를사용한콘크리트의특성에관한연구, 박사학위논문, 건국대학교일반대학원