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Mechanical Properties of Oil Pollution Sand Due to Changes in the Viscosity of Oil
Mechanical Properties of Oil Pollution Sand Due to Changes in the Viscosity of Oil
The Journal of Engineering Geology. 2015. Dec, 25(4): 577-585
Copyright © 2015, The Korea Society of Engineering Gelology
This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
  • Received : November 24, 2015
  • Accepted : December 23, 2015
  • Published : December 31, 2015
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승서 홍
규진 배
영석 김
kimys@kict.re.kr

Abstract
본 연구에서는 유류로 오염된 모래의 지반공학적 특성에 대하여 분석하였다. 오염물로 사용한 유류는 점도특성을 고려하여 등유, 원유, 자동차 엔진오일을 선정하였고, 모형지반은 주문진 표준사를 사용하였다. 실내시험은 다짐시험, 투수시험, 직접전단시험을 유류의 오염비율에 따라 수행하였다. 투수시험에서 유류의 함유비가 증가할수록 오염되지 않은 지반에 비해 투수계수가 점진적으로 저하되었다. 내부마찰각은 오염되지 않은 지반보다 상대적으로 감소하였다.
Keywords
서 론
지반에서의 유류오염은 여러 가지 경로에 의해 발생 되고 있으며 특히, 지하 저장시설의 파손에 의한 오염이 가장 심하다 (Evgin et al., 1995) . 국내의 경우, 유류저장시설 중에서 약 30% 정도가 파손 또는 부식 등으로 기름이 유출되고 있으며, 비교적 관리체계가 잘되어 있는 미국에서도 전체 지하유류탱크의 약 25% 정도가 누출되는 것으로 조사되었다 (Seoul Newspaper, 2009) . Evgin(1989) 은 유류오염 모래에서의 응력-변형에 관한 실험적 결과를 제시하였다. 그의 연구에 의하면 모래가 유류로 포화되었을 때, 전단강도는 현저하게 감소하고 체적변형은 크게 증가하였다. 또한 축차응력과 축변형으로부터 도출된 초기 접선탄성계수(Initial Tangent Modulus)는 유류가 모래 속에 함유되어 있을 때 현저하게 감소하였다. Hjeldnes et al. (1995) 은 모래 속 유류가 역학적특성을 크게 변화시킴을 실험을 통해 입증하였다. 국내에서는 Shin and Lee (1997)가 모래에 원유를 오염시켜 축조된 모형 사질토 지반의 공학적 특성을 연구한 바 있다.
본 연구에서는 유류오염 모래에 대한 역학적 특성을 다양한 실험을 통해 분석하였다. 사용한 모래는 주문진 표준사이고 유류는 점도가 상이한 원유, 등유, 자동차 엔진오일을 사용하였다. 각각의 실험에서는 유류의 함유비와 지반의 상대밀도를 달리하였다.
실험재료
- 유류특성
시험에 사용한 유류는 오만산 원유(이하 원유), 등유, 자동차 엔진오일(이하 엔진오일)을 선택하였다. 유류의 점도 및 비중특성을 도출하기 위하여 동점도시험과 비중시험을 실시하였다. 이에 대한 결과는 Table 1 과 같다. 동점도시험은 온도의 영향을 감안하여 0, 10, 30, 40℃로 구분하여 수행하였다. Table 1 에서 등유는 원유와 엔진오일의 동점도 값보다 작게 나타났다. 온도 증가에 따른 점도영향을 살펴보면 등유는 온도가 증가할수록 동점도 값이 완만히 감소하였으나, 점도가 높은 원유와 엔진오일의 동점도 값은 등유의 동점도 값보다 상대적으로 크게 감소하였다. 3종류의 유류가 온도가 증가함에 따라 동점도값은 감소하였으며 점도가 높은 유류일수록 온도증가에 따라 동점도 값의 저하가 크게 나타났다.
Kinematic viscosity test results (unit : cSt).
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※cSt : centistoke, cP : centi-poise = 1/100 g/cm-s
- 흙시료
실험에 사용한 모래는 주문진 표준사이며 기본물성결과는 Table 2 에 나타내었다. Table 2 에 의하면 주문진 표준사의 비중(G s )은 2.65, 유효입경(D 10 )은 0.375 mm, 균등계수(C u ) 및 곡률계수(C c )는 각각 1.53과 1.10이며 최대간극비(e max )와 최소간극비(e min )는 0.91과 0.48로 나타났다. 이를 바탕으로 통일분류법(USCS)에 의한 흙의 분류는 입도가 불량한 모래(SP)로 나타났다.
Basic physical properties of Jumoonjin sand.
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Basic physical properties of Jumoonjin sand.
지반공학적 특성
- 다짐특성
유류오염 모래의 다짐특성을 파악하기 위하여 다짐시험을 물로 다진 경우와 등유, 원유, 엔진오일로 다진 경우로 수행하였고 그 결과를 Fig. 1 에 도시하였다. Fig. 1 에서 y축은 최대건조단위중량(γdmax)이고 x축은 모래에 함유된 물과 유류의 함유량을 나타내고 있다. Fig. 1 의 다짐분포곡선을 살펴보면, 물로 다진 경우와 유류로 다짐한 경우에 차이가 나타났으며, 이것은 물과 유류의 점도 특성의 차이로 판단된다. 또한, 점도가 큰 유류일수록 다짐곡선은 좌측상부로 이동하는 경향을 보였다. 동일한 다짐에너지와 함수비의 조건에서 모래의 최대건조밀도는 엔진오일로 다진 모래가 크게 나타났다. 동일 다짐에너지와 함수비에서 최대건조밀도가 크게 나타났다는 것은 이때의 침하량이 더 크게 발생할 수 있으며 지지력도 작게 나타날 수도 있다는 것을 예측할 수 있다. 그리고 최적함유비는 유류로 오염된 시료가 물을 함유하고 있는 모래보다 작게 나왔다.
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Compaction test results.
- 투수특성
모래 함유비를 각각 1, 2, 4, 6%의 중량비로 혼합한후, KSF 2322의 방법에 따라 투수시험을 실시하였다. 다짐도에 따른 투수특성을 비교하기 위하여 상대밀도(Dr)를 각각 느슨한 상태(Dr=45%)와 조밀한 상태(Dr=75%)로 나누어 수행하였다. Fig. 2 Fig. 3 의 결과에 의하면, 등유는 상대밀도 45%와 75%에서 오염되지 않은 모래의 투수계수(k)보다 각각 43.2%와 28.1%로 감소하였다. 또한, 원유는 53.4%와 51.2%, 엔진오일은 55.7%와 68.1%로 감소하였다. 동일한 상대밀도와 함유비 조건에서 점도가 낮은 등유는 상대적으로 점도가 높은 유류보다 투수계수가 작게 감소하나, 점도가 높은 원유나 엔진오일은 상대적으로 크게 감소하였다. 등유는 함유비가 증가할수록 투수계수의 감소는 완만하였고, 원유는 지반이 느슨한 상태(Dr=45%)일 때, 등유와 같은 완만한 감소경향을 나타냈지만, 지반이 조밀한 상태(Dr=75%)에서는 초기 오염상태(wo=1%)부터 투수계수가 급격히 감소하다 이후부터는 완만하게 수렴되었다.
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Permeability test results (Dr=45%).
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Permeability test results (Dr=75%).
유류오염 모래는 오염도가 증가할수록 토립자 사이로 일반수가 통과할 때, 유류로 인해 점차 투수계수가 작아지며 점도가 큰 유류일수록 투수계수는 크게 감소되었다.
엔진오일의 경우 지반의 다짐상태와는 관계없이 투수 계수가 초기 오염상태부터 크게 감소하다가 이후부터는 완만하게 감소하였다. 유류오염 모래는 오염도가 증가할수록 토립자 사이로 일반수가 통과할 때, 유류로 인해 점차 투수계수가 작아지며 점도가 큰 유류일수록 투수계수는 크게 감소되었다. 상기와 같이 유류로 오염된 지반의 투수계수는 유류의 점도에 의해 투수계수가 감소하였으며 점성이 클수록 유속이 저하되는 것을 실험을 통해 확인하였다. 동점도시험에서 알 수 있듯이 유류의 점성은 온도에 따라 매우 민감하게 변한다. 특히, 점성이 높은 유류일수록 온도에 의해 점성의 차가 아주 심하다.
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e 2 Sr r 의 관계곡선으로부터 유류로 오염된 지반의 점도상수( m )를 도출하였으며, 다음과 같은 관계로 나타내었다.
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여기서, Sr :포화도, e :간극비, m :유류오염지반의 점도상수
Fig. 4 에서 상대밀도 45%에서 등유의 점도상수는 1.7이고 원유는 3.2, 엔진오일은 3.8로 나타났다. 또한, Fig. 5 와 같이 상대밀도 75%에서는 등유가 1.8, 원유는 4.2, 엔진오일은 4.6으로 나타났다. 지반의 다짐도가 높고, 유류의 점도가 높을수록 점도상수는 크게 나타났다.
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Constant viscosity results (Dr=45%).
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Constant viscosity results (Dr=75%).
- 전단특성
직접전단시험 시료의 크기는 직경이 60 mm, 높이가 20 mm이며 요구되는 소정의 상대밀도에 따라 시료를 준비하였다. 모래지반의 간극사이를 원유로 채워졌을 때 모래의 내부마찰각과 전단강도-변형에 어떠한 영향을 미치는가를 연구하기 위하여 유류의 함유비는 투수시험과 동일한 조건으로 하였고, 수직응력은 0.32, 0.63, 0.83 kg/cm 2 으로 나누어 수행하였다. 시험결과는 Table 3 에 정리하였다. Table 3 의 결과를 살펴보면 유류 오염 모래는 오염되지 않은 모래에 비해 전단강도가 감소하였다. 유류의 특성에 따라 모래의 전단강도는 다르게 감소하였으며 대체적으로 점성이 작은 등유의 최대전단응력이 작게 감소하였고, 점성이 큰 원유와 엔진오일의 최대전단응력은 크게 감소하였다. 또한 유류의 함유량이 증가 할수록 전단강도는 점진적으로 감소하였다. Fig. 6 은 수직응력 0.32 kg/cm 2 일 때의 유류오염 모래의 전단응력-전단변위 관계를 도시한 곡선이다.
Results of direct shear tests.
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Results of direct shear tests.
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Shear stress - the horizontal displacement relationship (vertical stress=0.32 kg/cm2, Dr=45%, 75%).
Table 4 에서 체적변화-전단변위의 결과에서 등유의 경우, 전체적으로 체적변화가 팽창(+)상태를 나타내었다. 또한, 상대밀도가 높을수록 체적변위도 비례하여 팽창하고 있음을 알수 있었다. 원유와 엔진오일은 상대밀도가 작고 수직응력이 작을수록 체적이 압축(-)상태로 나타났으며 수직응력이 증가할수록 팽창(+)상태를 보이고 있었다. 함유비가 증가할수록 체적변위는 대체적으로 팽창(+)상태에서 압축(-)상태로 변화하였다. Fig. 7 은 수직응력 0.32 kg/cm 2 일 때의 유류오염 모래의 체적변화-전단변위 관계를 도시한 곡선이다.
Changes in the volume of the oil content and relative density.
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Changes in the volume of the oil content and relative density.
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Volume displacement curve of the engine oil (vertical stress=0.32 kg/cm2, Dr=45%, 75%).
Fig. 8 Table 5 는 상대밀도 45%와 75%에서 함유비의 변화에 의한 오염된 모래의 내부마찰각 변화를 나타낸 것이다. Fig. 8 (a)에서 지반이 느슨한 상태(D r =45%)일 때, 등유는 함유비 증가에 따라 내부마찰각이 35.8 o ~30.2 o 으로 감소하였고, 오염되지 않은 모래보다 최대 15.6% 감소하였다. 원유는 35.8 o ~28.5 o 로 나타났고, 내부마찰각의 감소가 최대 19.3%로 나타났다. 엔진오일은 35.8 o ~28.9 o 로 최대 21.2%가 감소하였다. Fig. 8 (b)에서 지반이 조밀한 상태(Dr=75%)에서 내부마찰각의 감소경향은 3종류의 유류가 지반이 느슨한 상태와 비슷한 경향을 나타냈으나 내부마찰각의 감소는 더 크게 발생하였다(2.1 o ~5.3 o ). 특히, 엔진오일은 41.8 o 에서 28.9 o 로 상대적으로 가장 크게 감소되었다. 동일한 상대밀도에서 내부마찰각은 유류의 함유비가 증가하고 점도가 높을수록 내부마찰각은 크게 감소되었다. 실제 현장에서 점도가 높은 유류가 토양에 유입되면 흙의 내부마찰각은 크게 감소하여 지반의 역학적 성질을 저하시키며, 궁극적으로 구조물의 안정에도 문제가 될 것으로 판단된다.
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Internal friction angle change curve.
Changes in the volume of the oil content and relative density.
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Changes in the volume of the oil content and relative density.
결 론
본 연구에서는 유류로 오염된 모래의 지반공학적인 특성을 규명하고자 다짐시험, 투수시험, 직접전단시험을 유류의 오염비율에 따라 수행하였다. 이를 바탕으로 도출된 주요 결과는 다음과 같다.
  • (1) 오염물로 사용한 유류의 점도특성에서 등유는 원유와 엔진오일에 비해 작게 나타났다. 등유는 온도가 증가할수록 동점도가 작게 감소하였으나 원유와 엔진오일은 크게 감소하였다. 점도가 높은 유류일수록 온도에 따라 점도값이 크게 변화하였다.
  • (2) 다짐시험에서 물로 다진 경우와 유류를 이용하여 다짐시험을 한 경우에 차이가 나타났으며 이것은 물과 유류의 특성차이에 의한 것으로 보인다. 실험결과, 점도가 큰 유류로 다진 모래가 상대적으로 점도가 낮은 등유로 다진 모래에 비하여 침하가 더 크게 발생하였으며 이것은 점도가 큰 원유와 엔진오일이 물과 점도가 낮은 등유에 비해 구조물의 안정에 나쁜 영향을 미칠 것으로 판단된다.
  • (3) 투수시험에서 등유의 투수계수는 상대밀도(Dr) 45%와 75%에서 오염되지 않은 모래의 투수계수보다 각각 43.2%와 28.1%로 감소하였다. 또한, 원유는 53.4%와 51.2%로 줄어들었고, 엔진오일은 55.7%와 68.1%로 가장 크게 감소하였다. 동일한 상대밀도와 함유비 조건에서 점도가 낮은 등유는 상대적으로 점도가 높은 유류보다 투수계수가 작게 감소하나, 점도가 높은 원유나 엔진오일은 투수계수가 크게 감소하였다.
  • (4) k(sr)/k(sr=0)와 e2sr의 관계곡선으로부터 유류로 오염된 지반의 점도상수(m)를 도출하였으며, 상대밀도 45%에서의 등유는 1.7이고, 원유는 3.2로, 엔진오일은 3.8로 나타났다. 또한, 상대밀도 75%에서의 점도상수는 등유가 1.8이고 원유와 엔진오일은 각각 4.2와 4.6으로 나타났다. 지반상태가 단단하고 유류의 점도가 높을수록 점도상수는 크게 나타났으며 유류의 점도값과 같은 경향을 나타내고 있었다.
  • (5) 직접전단시험결과, 내부마찰각의 변화는 최소 5.6o에서 최대 12.9o로 감소하였다. 점도가 낮은 등유의 경우, 내부마찰각은 5.5o와 7.7o로 감소하였으나, 점도가 큰 엔진오일의 감소는 7.6o와 12.9o로 크게 발생하였다. 유류로 인한 영향은 상대밀도가 높을수록 내부마찰각과 맞물림(Interlocking)현상의 감소폭이 크게 나타났으나 오염도가 증가함에 따라 체적팽창(Dilatancy)현상은 상대밀도가 낮고 함유비가 증가함에 따라 점차 압축현상으로 변화한다. 이러한 현상은 상대밀도가 감소하는 효과와 같다. 만약 현장에서 점도가 높은 유류가 유입되면 흙의 내부마찰각은 크게 감소되어 지지력을 저하시키는 결과를 야기하여 구조물의 안정에도 나쁜 영향을 미칠것이다.
Acknowledgements
본 연구는 국토교통부 플랜트연구사업(오일샌드 모듈플랜트 지반평가 및 급속시공기술 개발)의 연구비 지원에 의해 수행되었습니다. 또한, 다양한 기술검토 의견 등을 해 주신 인천대학교 신은철 교수님에게 감사를 드립니다.
BIO
홍승서
한국건설기술연구원 지반연구소
10223 경기도 고양시 일산서구 시민대로 1190
Tel: 031-910-0403
E-mail: sshong@kict.re.kr
배규진
한국건설기술연구원 지반연구소
10223 경기도 고양시 일산서구 시민대로 1190
Tel: 031-910-0212
E-mail: gjbae@kict.re.kr
김영석
한국건설기술연구원 지반연구소
10223 경기도 고양시 일산서구 시민대로 1190
Tel: 031-910-0371
E-mail: kimys@kict.re.kr
References
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Seoul Newspaper Retrieved form
Evgin E. , Boulon M. , Das B. M. Finite Element Analysis of a Model Scale Footing on Clean and Oil Contaminated Sands The Proceedings of the Second International Offshore and Polar Engineering Conference The Netherlands 1995, 11-16 June 517 - 521
Evgin E. 1989 Effect of an oil spill on soil properties Proceeding 8th International Confrence, Offshore Mechanics and Arctic Engineering, American Society of Mechanical Engineering Hague March 1989 715 - 720
Hjeldnes E. I. , Bretvik S. K. , Skoglund K. A. 1995 An Experimental Study of Oil Contamination Spreading in SandGeoenvironment 2000, Geotechnical Special Publication ASCE 46 (1) 373 - 387