시멘트 안정화 토사 기층은 고속도로 기층 공사에 널리 사용된다. 특히, 시멘트 안정화 쇄석 기층은 대량의 쇄석 충진재가 필요하다. 한편, 광미 재료는 기계적으로 파쇄된 쇄석 골재와 유사하므로, 따라서, 자력 선별을 거친 광미 쇄석과 광미 모래를 사용하여 시멘트 안정화 광미 혼합물을 제조할 때 쇄석을 대체할 수 있다. 포장 노반에 광미 모래를 사용하면 어느 정도 환경 오염을 줄이고, 광산 자원을 활용하며, 토지 자원을 절약하고, 시공 비용을 절감할 수 있다.

6.1.1 자재 요건

기초 공사를 위해 광미 모래를 안정화할 때 석회, 비산재 또는 시멘트를 사용하는 경우, 모든 자재의 품질은 다음의 요건을 충족해야 한다. 고속도로 노면 기층 시공 기술 사양. 생석회는 제3급 이상의 수화석회에 대한 기술적 요건을 충족해야 하며, 보관 기간은 최대한 단축해야 한다. 보관 기간이 길어질 경우, 덮개를 씌우고 밀봉해야 하며, 필요에 따라 구매하여 사용하는 것이 바람직하다.

(1) 비산재: 플라이애시의 SiO₂, Al₂O₃ 및 Fe₂O₃ 총 함량은 70% 이상이어야 하며, 소각 손실은 20%를 초과하지 않아야 한다; 플라이애시의 비표면적은 가급적 2,500 m²/kg 이상이어야 한다(또는 0.3 mm 체를 통과하는 분량이 90%, 0.075 mm 체를 통과하는 분량이 70%이어야 한다).

(2) 시멘트: 시멘트는 강도 등급 32.5이며 초기 경화 시간이 3시간 이상인 일반 포틀랜드 시멘트, 포틀랜드 고로 슬래그 시멘트 또는 포틀랜드 포졸라나 시멘트여야 한다. 속경화 시멘트, 조기 강도 시멘트, 변질되거나 습기가 찬 시멘트는 사용해서는 안 된다.

(3) 광미 모래: 도로 공사에 사용되는 광미 모래는 일반적으로 경암 선광 과정에서 발생하는 폐자재여야 하며, 깨끗하고 불순물이 없어야 한다. 석회-비산재 또는 시멘트+비산재 또는 석회+비산재 안정화 공정에 사용할 경우, 0.075 mm 미만의 입자 함량은 7%를 초과해서는 안 되며, 시멘트 안정화 공정에 사용할 경우 0.075 mm 미만의 입자 함량은 5%를 초과해서는 안 된다.

(4) 물: 식수를 사용해야 한다.

(5) 재료 조성 비율: 에 명시된 등급 요건을 충족하는 것 외에도, 고속도로 노면 기층 시공 기술 사양, 시멘트 안정화 쇄석 및 광미 모래의 배합 설계는 시멘트 콘크리트 재료 조성 설계 방법을 참조할 수도 있다. 즉, 광미 모래의 배합 비율은 모래 비율법(또는 저시멘트 콘크리트 설계 방법을 참조)에 따라 결정된다. 석회-비산재 안정화 쇄석 및 광미 모래의 경우, 2급 도로 기준에 따라 하층 및 기층의 7일 비압축 강도는 0.6 MPa 이상으로 관리되어야 한다. 포장 기층으로 사용되는 시멘트 안정화 쇄석 및 광미 모래의 경우, 7일 비압밀 압축 강도는 3.0 MPa 이상으로 관리되어야 한다.

6.1.2 시공 과정 및 관리

6.1.2.1 혼합

중앙 플랜트 혼합 작업 시에는 전자 계량 장치가 장착된 전용 안정화 토양 혼합 장비를 사용해야 한다. 혼합 작업 중에는 다음 요건을 준수해야 한다:

(1) 모든 반입 자재는 배합 비율 설계에 명시된 자재와 일치해야 한다.
(2) 플랜트 혼합 장비에 설치된 모든 계량 장치는 사용 전에 계량 검증을 통해 교정 및 인증을 받아야 한다.
(3) 시험 배합 및 보정은 시공 배합비에 따라 실시하여야 하며, 각 골재 저장통의 배출 비율은 별도의 계량 작업을 통해 결정하여야 한다.
(4) 수분 함량은 현장으로 운반되어 다짐될 때 혼합물의 수분 함량이 최적 수분 함량에 가깝도록 엄격히 관리해야 한다.
(5) 혼합물은 균일해야 하며, 첫 번째 배치의 혼합물은 폐기해야 한다.
(6) 우기 동안 시공 시, 골재를 비로부터 보호하기 위한 조치를 취해야 하며, 혼합물을 운반하는 트럭은 적절히 덮개를 씌워야 한다.
(7) 바람이 많이 불고 건조하며 더운 날씨에는 수분 함량을 즉시 조절해야 한다.
(8) 혼합물을 운반할 차량의 대수는 혼합 설비의 생산 능력과 일치해야 한다.

6.1.2.2 펴 바르기 및 다지기

혼합물을 포설할 때는 안정화된 토양 포설기를 사용해야 한다. 포설 전에 하층을 청소하고 정렬선을 설정해야 한다. 폭을 효과적으로 제어하기 위해, 먼저 기층 양쪽에 느슨한 두께에 따라 폭 30~50cm의 측면 둑을 먼저 쌓을 수 있으며, 5m 간격으로 고도를 측정하고 느슨한 두께에 따라 말뚝을 이용해 강선 기준선을 설치해야 한다. 포설기 1대당 포설 폭은 7m를 초과해서는 안 되며, 두 대의 포설기를 계단식 편대로 배치하여 한 번에 전체 폭을 포설하는 것이 바람직하다. 포설 속도는 일반적으로 분당 2~4m로 조절해야 하며, 균일하고 중단 없는 포설이 이루어지도록 포설기 전방에 충분한 운반 차량을 배치해야 한다. 다짐 작업은 가급적 18t 이상의 진동 롤러와 고무 타이어 롤러를 사용하여 수행해야 하며, 롤러의 수와 다짐 횟수는 시험 구간을 통해 결정하되, 일반적으로 롤러 3대 이상이어야 한다. 다짐 작업은 초기 다짐, 중간 다짐, 최종 다짐의 세 단계로 수행해야 한다. 초기 다짐 시에는 정적 다짐을 사용해야 하며, 롤러는 정지 및 후진을 위해 S자형 경로로 포장기를 따라가며 롤러 폭의 1/2만큼 중첩되어야 한다. 포장 전폭이 다짐되면 1회 통과가 완료된 것으로 간주한다. 일반적으로 6~8회의 압축 통과가 필요하며, 갓길과 기층은 동시에 압축해야 한다. 압축 속도는 일반적으로 1.5~2.5 km/h로 조절해야 한다. 중간 압축 시에는 고무 타이어 롤러를 사용해야 한다. 롤러가 이미 포장이 완료되었거나 압축 작업이 진행 중인 구간에서 U턴을 하거나 급제동하는 것은 엄격히 금지되며, 초기, 중간 및 최종 압축 구역은 엄격히 관리되어야 한다. 이미 형태가 잡혀 최종 경화 시간을 초과한 구간에서 중첩 진동 압축을 수행하는 것은 엄격히 금지된다.

6.1.2.3 양생 및 교통 통제

각 다짐 구역의 다짐 작업이 완료되고 다짐도가 검사를 통과한 후에는 즉시 수분 양생에 착수해야 한다. 석회, 플라이애시 또는 시멘트로 안정화된 광미 모래 기층을 다짐하고 검사를 마친 후, 와이어 브러시나 기타 도구를 사용하여 표면을 거칠게 처리한 다음 양생을 시작해야 한다. 습식 모래 양생이 권장되며, 양생 기간 동안 모래 표면은 촉촉하게 유지되어야 한다. 7일간의 양생 후, 모든 덮개 재료를 완전히 제거해야 한다. 석회, 플라이애시 또는 시멘트로 안정화된 쇄석 및 광미 모래의 경우, 물 뿌리기 트럭을 사용하여 수분 양생을 실시할 수 있으며, 양생 기간 동안 기층 표면을 촉촉하게 유지해야 하며, 수분 양생은 7일간 지속되어야 한다. 표층이 아스팔트 콘크리트인 경우, 수양생 전에 브러싱을 통해 기층의 매끄러운 표면을 거칠게 처리하여 일정한 거칠기를 부여해야 합니다. 이는 프라이머 오일의 침투를 촉진하고 기층과 표층 간의 접착력을 높이며, 노면의 차선 침하를 방지합니다. 프라이머 오일의 침투 효과를 보장하기 위해서는 양생 3~4일 후에 프라이머 오일을 도포하고, 양생 기간이 끝난 후 표층을 시공하여 장시간 햇빛에 노출되어 발생하는 기층의 건조 수축 균열을 줄이는 것이 바람직합니다. 양생 기간 동안 급수차를 제외하고는 중량 차량의 기층 위 통행을 엄격히 금지한다.

6.1.3 적용 효과

2009년, 허베이성 청더시 롱화현 교통국은 한국선 고속도로 재건설 공사 과정에서 롱화현에 위치한 진구 광업 회사의 철광석 광미(tailings)를 시멘트 안정화 기층용 쇄석의 주원료로 사용했다. 이를 통해 고속도로 기층 공사에 광미의 활용에 성공함으로써 시멘트 소비량을 절감했을 뿐만 아니라 시공 품질도 확보할 수 있었다.

시공 부서는 먼저 광미에 대해 체 분석 시험과 비압밀 압축 강도 시험을 실시했다. 시험 결과, 시멘트 안정화 쇄석의 입도 및 비압밀 압축 강도가 현행 도로 공학 기준의 요건을 충족하는 것으로 나타났으며, 광미 재료는 기층 안정화 재료에 대한 요건을 충족할 수 있는 것으로 확인되었다. 추가 시험을 통해 시멘트 안정화 쇄석의 최적 수분 함량은 5.0%, 최대 건조 밀도는 2.53 g/cm³로 결정되었다. 한-구선 재건설 프로젝트에서 시멘트 안정화 쇄석 기층의 톤당 배합 비율은 시멘트 : 광미 : 물 = 45 : 905 : 50으로 설정되었다. 혼합 노반의 양생 기간이 지난 후 현장 시험 및 코어 시료 시험이 수행되었으며, 모든 시험 결과는 노반 시공 규격을 충족했습니다. 그중 7일 평균 강도는 3152 MPa, 최대 강도는 5120 MPa, 최소 강도는 3143 MPa였습니다. 고속도로가 개통된 후 노면 손상은 발생하지 않았으며, 성능도 양호했고, 성 및 시 품질 감독 부서의 무작위 검사에서도 합격하여 규격 요건을 충족했습니다.

이 프로젝트에서는 32,000톤 이상의 광미 자재를 사용함으로써, 광미 활용을 통해 400,000위안 이상의 자재 비용을 절감하여 상당한 경제적 가치를 창출했다.

2004년부터 2009년까지 허베이성 치안안시 교통국은 퀘안안시 내 5개 농촌 도로 건설 사업에서 광미 모래의 활용에 대한 연구를 수행하였으며, 석회-비산재 안정화 쇄석 기층에서 자갈을 광미 모래로 대체하여 총 23,420m / 268,364m²를 시공하였다. 기층 시험 결과, 강도가 설계 요건을 충족하는 것으로 나타났다.

랴오닝 건축직업대학의 쉬슈아이(Xu Shuai)는 실험 데이터 분석을 통해 도로 건설 자재에 사용되는 모래와 자갈의 일부를 철광석 광미로 대체하는 것의 타당성을 연구했다. 실험에 사용된 원료는 철광석 광미와 석회 모래였다. 철광석 광미는 안산 안스틸(Ansteel)의 치다산(Qidashan) 철광석 광미에서 채취했으며, 수화 석회는 랴오닝성 안산의 롱파(Rongfa) 석회 공장에서 공급받은 3급 석회질 석회였다. 재료 특성에 기초하여 석회 안정화 철광석 광미의 배합 비율을 설계했다. 합리적인 배합 비율을 바탕으로, 혼합물에 대한 다짐 시험, 비압밀 압축 강도 시험, 탄성 계수 시험 및 분할 인장 강도 시험을 실시하였다. 시험 결과, 석회 안정화 철광석 광미에 적합한 원료 비율은 석회 : 철광석 광미 = 30 : 100이며, 최적 수분 함량은 14.89%, 다짐 밀도는 1.928 t/m³인 것으로 나타났다. 모든 시험 지표는 고속도로 노면 기층 시공 기술 규격 (JTJ 034—2000), 노면 기층에 대한 설계 요건을 충족하며, 2급 또는 그 이하 등급 도로의 기층에 적용될 수 있다.

6.2 제방 충진용 광미 모래

광미 모래는 흙둑의 충진재로 사용할 수 있다. 시공에는 측면 벙커 및 트렌치 공법이 채택되는데, 즉 노반 양측에 폭 1.5~2.0m, 높이 30cm 이하이며 각 광미 모래 충진층의 높이와 동일한 흙 제방을 조성하고; 노반의 종방향으로 20m 간격마다 폭 30cm의 배수구를 마련하고, 투수성 자재로 채운 뒤, 광미 모래 노반 공사와 동시에 다짐 작업을 수행한다. 광미 모래를 노반 트렌치에 채움; 광미 모래 충진층의 표면층은 약간 교란되어 느슨해질 수 있다. 각 층을 채우기 전에 물을 뿌려 적셔 주어야 하며, 역방향 시공법을 사용하여 채우기를 수행해야 한다. 광미 모래는 불도저, 모터 그레이더 또는 로더를 사용하여 평탄화 및 정적 다짐을 한 후, 진동 롤러로 다짐해야 한다. 다짐 작업 중에는 수분 함량을 엄격히 관리해야 하며, 일반적으로 최적 수분 함량보다 1~2% 포인트 높게 유지해야 합니다. 수분 함량이 너무 낮으면 롤러가 이동할 수 없고 효과적으로 다짐할 수 없습니다. 광미 모래는 광물 함량과 경도가 다양하므로 다짐 방법도 달라집니다. 분진 함량과 미사 함량이 높은 광미 모래의 경우, 롤러로 직접 다짐할 수 있으며, 분진 함량과 미사 함량이 낮은 광미 모래의 경우, 필요한 다짐 효과를 얻기 위해 롤러를 보조 수단으로 활용하여 물 침전법을 사용할 수 있다. 광미 모래 충진량이 노반 상단면 아래 15~20cm에 도달하면, 점토 함량이 높은 응집성 토사를 사용하여 덮개층을 다짐하고 성형해야 합니다. 일반적으로, 표면의 느슨한 광미 모래는 긁어내어 매끄럽고 다져진 표면을 드러내야 하며, 다짐 정도는 모래 콘법 또는 물주머니법을 통해 측정해야 합니다.

시멘트 콘크리트 포장재에 강 모래 대신 철광석 광미 사용

시멘트와 콘크리트는 중국에서 널리 사용되는 두 가지 주요 포장 재료입니다. 이 재료들은 높은 강도, 우수한 안정성, 내구성, 야간 주행에 유리한 조건 등의 장점을 갖추고 있어 중국 남부 지역에서 광범위하게 채택되고 있습니다. 시멘트 콘크리트 포장에는 대량의 하천 모래가 소모된다. 만약 철광석 광미가 콘크리트 제조 시 하천 모래를 대체할 수 있다면, 이는 중국에서 산업 폐기물(잔여물) 활용에 있어 중대한 돌파구가 될 것이다.

2006년, 안스틸 그룹의 광산 설계 연구소와 안스틸 건설 회사의 프리캐스트 공장은 일반 하천 모래 대신 철광석 광미(tailings)를 사용하여 콘크리트 시험 블록에 대한 실험을 공동으로 실시했다. 철광 찌꺼기 원료는 펑슈이구(Fengshuigou) 찌꺼기 저수지에서 채취했으며, 쇄석은 현지 채석장에서, 시멘트는 C32.5 일반 포틀랜드 슬래그 시멘트를 사용했습니다. 시멘트 : 쇄석 : 철 광미 : 물의 질량 비율은 1 : 2.82 : 1.26 : 0.45였습니다. 기계적 혼합 후, C25 표준 콘크리트 시험 블록 2개 그룹(100 mm × 100 mm × 100 mm, 그룹당 3개 블록)을 제작했다. 28일간의 표준 실험실 양생 후 압축 강도 시험을 실시하였으며, 그 결과는 표 6-1에 제시되어 있다. 표에서 볼 수 있듯이, 콘크리트 강도는 C35 이상을 달성하였다.

표 6-1 강철 광미로 하천 모래를 대체하여 제조한 콘크리트 시험체의 압축 강도 시험 결과