1. 서 론
2. 소수화 처리 용액의 최적의 혼합비에 관한 검토
2.1 시험 시료 및 소수화 처리 공정
2.2 WIH시험에 의한 차수성 평가
3. 재사용 실란 용액을 사용한 소수성 지반재료의 차수성 검토
3.1 재사용 실란 용액을 사용한 지반재료의 소수화 처리
3.2 재사용 실란 용액에 의한 지반재료의 소수성 평가
3.3 실험 결과
4. 직접전단시험
4.1 시험 장비
4.2 시험 조건 및 방법
4.3 시험 결과 및 고찰
5. 결 론
1. 서 론
사면 안정성은 흙의 단위중량, 내부마찰각, 사면 경사각, 그리고 강우지속시간과 같은 다양한 요인에 의해 영향을 받으며, 특히 강우지속시간은 사면 안정성에 지배적인 영향을 미치는 요소로 알려져 있다(Samuel and Heshmati, 2024). 사면 표층부로 강우가 침투할 경우, 이는 지반의 전단강도 저하를 유발하게 되며, 결과적으로 저항력보다 활동력이 증가할 경우 사면파괴로 이어질 수 있다(Stead and Wolter, 2015). 우리나라는 국토의 약 70%가 산지로 구성된 산림 국가로서, 여름철 집중호우에 따른 사면파괴가 빈번하게 발생하는 특성을 보인다(Lee et al., 2014). 이와 같은 사면 붕괴를 방지하기 위해 표층부로의 강우 침투를 억제하는 다양한 공법이 적용되고 있으나, 지오셀 및 지오신세틱 클레이 라이너와 같은 기존 토목섬유 기반 공법은 시공 과정 및 장기 사용 시 재료 손상에 따른 성능 저하 문제가 보고되고 있다. Feng et al.(2024)는 지오셀과 충전재 간 계면 전단거동 실험을 통해 두 재료 간 마찰로 인해 입자 및 지오셀의 파손이 발생함을 확인하였으며, Mazzieri and Pasqualini(2000)는 지오신세틱 클레이 라이너가 시공 중 손상될 경우 벤토나이트 손실과 함께 자가 치유 기능이 저하되어 투수계수가 증가하는 문제를 보고하였다.
한편, 소수성 지반재료는 강우 침투를 억제하여 지반의 포화 진행을 지연시키고, 간극수압 상승을 완화함으로써 사면 안정성 확보에 기여할 수 있는 대안적 방법으로 주목받고 있다(Kim and Kato, 2025). 그러나 지반재료의 소수화 처리 과정에서 입자 표면 특성 변화에 의해 전단강도가 감소하는 경향이 나타나며, 이는 오히려 사면 안정성 저하 요인으로 작용할 수 있다. 따라서 소수성 지반재료의 적용을 위해서는 차수성 향상 효과와 전단강도 감소 특성을 정량적으로 평가하고, 사면 내 불투수층 재료로서의 적용 가능성을 종합적으로 검토할 필요가 있다(Han et al., 2025).
소수성 지반재료와 관련한 선행연구로서, Kim et al.(2021)은 Triethoxy silane과 Isopropyl alcohol을 혼합한 용액을 이용하여 친수성 시료에 소수화 처리를 수행하였으며, Water infiltration head(WIH) 시험, Water drop penetration time(WDPT) 시험, Contact angle measurement(CAM) 시험 등 다양한 소수성 및 차수성 평가를 통해 처리된 시료의 차수재로서의 성능을 정량적으로 분석하였다. 또한 Park et al.(2023)은 주문진 표준사를 대상으로 세립토 함유율을 변수로 설정하여 접촉각 시험 및 물침투 시험을 수행한 결과, 세립토 함유율이 감소할수록 소수성 특성이 향상됨을 확인하였다. 더불어 Park et al.(2022)은 다양한 조건에서 소수화 처리된 토립자 표면의 분광 특성을 분석하고 함수비 변화에 따른 영향을 검토하였으며, 함수비 증가에 따라 최대 분광반사율이 수분의 영향을 크게 받는다는 결과를 제시하였다. 이와 같이 기존 연구들은 주로 소수성 발현 특성, 차수 성능 및 표면 물리·화학적 특성에 초점을 두고 수행되어 왔으나, 소수성 지반재료를 실제 지반공학적 재료로 활용하기 위한 실란 용액의 최적화 및 전단강도 특성과 같은 공학적 거동에 대한 기초 연구는 상대적으로 부족한 실정이다.
따라서 본 연구에서는 Han et al.(2025)의 연구에서 제시된 바와 같이 주문진 표준사를 대상으로 소수화 처리 시 소수성 발현과 동시에 전단강도 저하가 발생한다는 선행 결과를 바탕으로, 실란 용액의 최적의 혼합비 도출과 재사용 가능성에 대해 체계적으로 검토하였다. 본 연구에서 ‘최적의 혼합비’란 차수 성능을 확보하면서도 실란 사용량을 최소화하여 성능과 경제성을 동시에 고려한 혼합 조건으로 정의하였다. 이를 통해 Triethoxy silane 기반 소수화 처리 공정의 경제성을 향상시키고, 국내 표준사를 활용한 최적 혼합 조건을 제시함으로써 소수성 지반재료의 제작 공정 최적화에 기여하고자 한다.
2. 소수화 처리 용액의 최적의 혼합비에 관한 검토
2.1 시험 시료 및 소수화 처리 공정
사면 표층부에서는 산불 등의 자연적 요인에 의해 비균질한 유기물이 형성되면서 일시적인 방수 효과가 나타날 수 있다. 그러나 이러한 유기물은 시간 경과에 따라 강우 및 풍화 작용에 의해 제거되며, 이에 따라 방수 효과는 점차 소멸되는 것으로 보고되고 있다(Jiménez-Pinilla et al., 2016). 반면, 친수성 지반재료를 인위적으로 소수화 처리할 경우, 흙 입자 표면에 균질한 유기물 코팅층을 형성할 수 있어 보다 안정적인 소수성 특성을 구현할 수 있다.
모래와 같은 입상재료의 소수화 처리는 일반적으로 입자 표면에 유기 실란 화합물을 코팅하여 표면 에너지를 감소시키는 방식으로 수행되며, 대표적으로 Triethoxy silane 및 Methylsilane 계열 화합물이 널리 활용되고 있다. 이러한 실란화 처리 방법은 비교적 간단한 공정으로 균질한 표면 개질이 가능하다는 장점이 있어 실내 실험뿐만 아니라 현장 적용 연구에서도 폭넓게 사용되고 있다(Kim et al., 2021; Capel-Sanchez et al., 2004). 더불어, 실란화 처리 공정은 용액 혼합비, 용매의 종류, 반응 시간 및 건조 조건 등에 따라 다양한 방식으로 수행될 수 있으며, 나노입자 기능화(Truong et al., 2010), 토립자 표면 개질(Kim et al., 2021), 소수성 실리카 제조(Capel-Sanchez et al., 2004) 등 다양한 재료 및 공정 조건에서 그 적용성이 검토되어 왔다. 이러한 선행연구들은 실란화 처리가 재료 표면의 화학적 구조를 변화시켜 소수성 발현에 효과적임을 보여주고 있으나, 지반재료의 공학적 특성과 경제성을 동시에 고려한 최적화 연구는 여전히 제한적인 실정이다. 이에 본 연구에서는 Kim et al.(2021)의 연구를 기반으로, 친수성 시료의 소수화 처리를 위한 방법으로 Triethoxy silane을 활용한 실란화 공정을 채택하였다. 해당 공정은 Triethoxy silane을 용질로, Isopropyl alcohol을 용매로 사용하여 친수성 시료의 표면에 유기 코팅층을 형성하는 방식으로 구성된다.
본 연구에 사용된 친수성 시료는 화학적 특성이 일정한 주문진 표준사이며, 물성시험 결과는 Table 1에, 입도분포곡선은 Fig. 1에 제시하였다. 소수화 처리 공정은 다음과 같은 절차로 수행되었다. 먼저, 물로 씻긴 주문진 표준사를 110℃로 유지된 오븐에서 24시간 이상 건조하였다. 이후, Triethoxy silane과 Isopropyl alcohol을 설정된 부피비에 따라 혼합하여 실란 용액을 제조하였다. 다음으로, 실험실 온도(20~24℃) 조건에서 건조된 주문진 표준사와 실란 용액을 용기에 투입하고 충분히 혼합한 후, 밀봉 상태로 24시간 보관하였다. 이 과정에서 실란의 가수분해 반응이 진행되며, 모래 입자 표면과의 화학적 결합이 형성되고 Si–O–Si 네트워크 구조가 구축된다.
Table 1.
Physical properties of Jumunjin sand
이후, 반응 후 잔류하는 실란 용액은 별도의 용기에 분리하여 보관하였으며, 실란화 처리된 젖은 시료는 110℃의 오븐에서 24시간 추가 건조를 수행하였다. 이 과정에서 용매인 Isopropyl alcohol은 주로 증발에 의해 제거되며, 동시에 가수분해된 실란 성분은 입자 표면에 흡착된 상태에서 축합반응(condensation reaction)을 통해 Si–O–Si 결합 구조로 전환되어 보다 안정한 화학적 결합을 형성한다. 즉, 건조 과정은 단순한 물리적 용매 제거에 그치지 않고, 실란 분자의 화학적 구조가 변화하여 입자 표면에 고정되는 과정으로 작용한다(i.e., Si–OH + Si–OH → Si–O–Si + H2O). 이러한 과정을 통해 표면 소수성 코팅이 완성된다. 실란화 공정을 통해 제조된 소수성 시료는 입자 표면이 균질하게 개질되며, 그 표면 화학 구조는 Fig. 3과 같다(Kim et al., 2021).
2.2 WIH시험에 의한 차수성 평가
Kim et al.(2021)에 의해 제안된 Water infiltration head(WIH) 시험은 재료의 차수 성능을 정량적으로 평가하기 위한 시험 방법으로, 본 연구에서는 실란화 처리를 통해 제작된 소수성 주문진 표준사를 대상으로 차수성 평가를 수행하였다. 시험 준비는 다음과 같이 진행되었다. 먼저, 직경 49 mm, 높이 200 mm의 실린더에 노건조 상태의 소수성 주문진 표준사를 이용하여 공시체를 제작하였다. 공시체는 건조밀도 1.48 g/cm3를 만족하도록 3층으로 나누어 다짐하였으며, 최종 공시체의 크기는 직경 49 mm, 높이 50 mm로 조성되었다. 완성된 공시체의 형상은 Fig. 4(a)에 나타내었다.
공시체 제작 이후, 스포이드를 이용하여 증류수를 공시체 상부에 50 mL/hr의 일정한 투하 속도로 반복적으로 주입하였다. 시험은 침투 양상을 관찰하면서 포함된 입자의 평균 입경(D50)의 약 2배에 해당하는 1 mm 깊이까지 침투가 발생하는 시점의 수두를 측정하는 방식으로 수행되었으며, 해당 시점에서의 수두를 WIH 값으로 정의하고 시험을 종료하였다. 측정된 수두가 클수록 물의 침투가 지연되었음을 의미하며, 이는 시료의 소수성 및 차수 성능이 우수함을 나타낸다. 한편, 높은 소수성 조건에서는 공시체 내부로의 침투가 제한됨에 따라 실린더와 공시체 사이의 계면 공극을 통해 우회 침투가 발생하는 현상이 Fig. 4(b)에서 확인된다(Kim et al., 2021; Han et al., 2025).
본 연구에서는 소수화 처리 시 요구되는 실란 용액의 최적의 혼합비를 도출하기 위하여, 혼합 부피비 0.5%, 0.75%, 1.0%, 2.0%, 5.0%, 10.0% 조건에서 제작된 소수성 주문진 표준사를 대상으로 WIH 시험을 수행하였다. 각 혼합비에 따른 Triethoxy silane(용질) 및 Isopropyl alcohol(용매)의 조성은 Table 2에 제시하였으며, 시험 결과는 Fig. 5에 나타내었다. 시험 결과, 혼합비 0.5% 및 0.75% 구간에서는 유사한 수준의 차수 성능을 보였으나, 1.0%에서 WIH 값이 증가하여 가장 우수한 차수성을 나타내었다. 반면, 혼합비 2.0% 이상에서는 WIH 값이 감소하는 경향이 확인되었다. 이러한 결과를 바탕으로, 본 연구에서는 혼합비가 높을수록 실란 용액의 제작비용이 증가하기 때문에, 소수성과 경제성이 극대화되는 WIHavg = 10.24 cmH2O를 나타낸 혼합비 1.0%를 최적의 혼합비로 선정하였다. 한편, 시험 결과의 신뢰성과 대표성을 확보하기 위해 각 조건별 시료에 대해 7회 반복 시험을 수행하였으며, 극단값(outlier)의 영향을 배제하기 위하여 최대값과 최소값을 제외한 후 평균값을 산정하였다.
3. 재사용 실란 용액을 사용한 소수성 지반재료의 차수성 검토
3.1 재사용 실란 용액을 사용한 지반재료의 소수화 처리
친수성 시료의 표면에 유기물을 코팅하여 소수성을 부여하는 실란 용액은 소수성 재료의 표면 특성 연구에 널리 활용되는 재료이다(Capel-Sanchez et al., 2004). 그러나 실란 용액은 비교적 고비용의 화학물질로, 실내 실험을 넘어 현장 적용을 위해서는 경제성 확보가 중요한 과제로 제시된다. 실란 용액의 경제성과 관련하여 Wei et al.(2015)은 다양한 화학제품을 대상으로 실험실 규모와 대량 구매 조건에서의 단가 변화를 분석하였으며, 선형 회귀 분석 결과 구매 규모가 증가함에 따라 단위 가격이 감소하는 경향이 있음을 보고하였다. 이는 실란 용액을 반복적으로 활용할 수 있을 경우, 재료 비용 절감을 통한 공정의 경제성 향상이 가능함을 시사한다.
이에 본 연구에서는 실란 용액의 재사용 가능성을 검토하기 위하여 재사용 실란 용액을 활용한 소수화 처리 공정을 적용하였다. 재사용 실란 용액의 생성 과정은 다음과 같다. 먼저, 혼합 부피비 1.0%의 실란 용액을 제조한 후, 110℃에서 건조된 주문진 표준사와 혼합하여 밀봉 상태로 실험실 온도(20~24℃)에서 24시간 반응시킨다. 이후, 반응이 완료된 시료로부터 소수화 처리된 표준사를 분리하고 잔여 실란 용액을 회수하였다. 이때 회수된 용액을 재사용 실란 용액으로 정의하였다.
본 연구에서 초기 실란 용액은 Triethoxy silane, 8.8 g과 Isopropyl alcohol, 781 g을 혼합하여 제조하였으며, 총 사용량은 약 790 g이었다. 소수화 처리 후 회수된 실란 용액은 추가적인 용질 및 용매의 보충 없이 다음 단계의 소수화 처리에 전량 사용하였다. 초기 실란 용액 사용 후의 평균 회수량은 약 500 g으로 나타났으며, 이는 초기 사용량 대비 약 63.3%의 회수율에 해당한다.
한편, SRN 1~4 조건은 각 재사용 단계에서 회수된 실란 용액을 전량 다음 단계에 사용하는 방식으로 제작하였다. 즉, SRN 1은 초기 실란 용액 사용 후 회수된 용액을 사용하였고, SRN 2~4는 직전 단계에서 여러 번 진행된 소수화 작업들로부터 회수된 용액을 모아 1회분 약 790 g에 맞춰 재사용하였다. 따라서, 각 재사용 단계의 투입량은 같음에도 회수 과정에서 발생하는 변동에 따라 근소한 차이가 있으나, 본 연구에서는 회수된 실란 용액을 별도의 성분 보충 없이 전량 재사용하는 조건을 동일하게 적용하였다.
3.2 재사용 실란 용액에 의한 지반재료의 소수성 평가
본 연구에서는 재사용 실란 용액을 적용하여 제작된 소수성 주문진 표준사를 대상으로 Water drop penetration time(WDPT) 시험, Contact angle measurement(CAM) 시험, 그리고 Water infiltration head(WIH) 시험을 수행하여 소수성 및 차수 특성을 평가하였다. 특히, 차수 성능은 WIH 시험 결과를 중심으로 분석하였다.
먼저, WDPT 시험은 소수성 지반재료의 침투 저항 특성을 평가하기 위한 방법으로, 마이크로 피펫을 이용하여 페트리 접시에 준비된 공시체 상부에 증류수 50 μL를 투하한 후, 물방울이 완전히 침투될 때까지 소요되는 시간을 측정하였다(Fig. 6). 일반적으로 침투 시간이 길수록 높은 소수성을 나타내며, 소수성의 정도는 Bisdom(1993)이 제안한 기준(Table 3)에 따라 분류된다. 공시체는 기건조 상태의 소수성 주문진 표준사를 이용하여 직경 69 mm, 높이 13 mm의 페트리 접시에 건조밀도 1.48 g/cm3를 만족하도록 정적 다짐 방식으로 제작하였다. 각 시료에 대해 3회 반복 시험을 수행하여 결과의 신뢰성을 확보하였다.
Table 3.
Hydrophobicity classification for WDPT (Bisdom, 1993)
다음으로, CAM 시험은 시료 표면의 젖음성(wettability)을 정량적으로 평가하기 위한 방법으로, 마이크로 피펫을 이용하여 공시체 표면에 증류수 50 μL를 투하한 직후 물방울 형상을 촬영하고, 이를 기반으로 접촉각을 산정하였다(Fig. 7(a)). 촬영된 이미지는 ‘Image J’ 프로그램을 이용하여 8-bit 이미지로 변환한 후, 물방울과 시료 표면 사이의 접촉각을 Fig. 7(b)와 같이 측정하였다. 일반적으로 접촉각이 90° 이상일 경우 소수성으로 간주되며, 각도가 증가할수록 소수성이 강화되는 것으로 평가된다(Law, 2014). CAM 시험용 공시체는 WDPT 시험과 동일한 조건으로 제작하였으며, 데이터의 대표성을 확보하기 위해 각 시료에 대해 7회 반복 측정 후 최대값과 최소값을 제외한 5개 데이터의 평균값을 사용하였다.
끝으로, WIH 시험은 앞서 제시된 방법에 따라 수행되었으며, 실험은 약 21℃의 온도와 45%의 상대습도 조건에서 실시되었다. WIH 시험 결과를 통해 재사용 실란 용액 적용에 따른 차수 성능 변화를 종합적으로 분석하였다.
3.3 실험 결과
본 연구에서는 고비용 재료인 실란 용액의 경제성 확보를 목적으로, 실란 용액을 1~4회 재사용하여 제작한 소수성 주문진 표준사를 대상으로 WDPT 시험, CAM 시험 및 WIH 시험을 수행하여 소수성 및 차수 성능 변화를 평가하였다.
먼저, WDPT 시험 결과에 따르면 실란 용액 재사용 횟수(Solution reuse number, SRN)에 관계없이 모든 시료에서 침투 시간이 3600초 이상으로 나타났으며, 이는 Bisdom et al.(1993)이 제시한 분류 기준에 따라 극한 소수성(Extremely water repellent)에 해당한다. 이러한 결과는 실란 용액의 반복 사용에도 불구하고 시료 표면의 소수성 특성이 지속적으로 유지됨을 의미한다.
CAM 시험 결과에서도 유사한 경향이 확인되었다. 재사용 0~4회 조건에서 모든 시료의 접촉각은 90°를 상회하였으며, 평균적으로 130° 이상의 값을 나타내어 높은 수준의 소수성을 유지하는 것으로 나타났다(Fig. 8). 이는 실란 용액의 재사용에 따른 표면 에너지 변화가 제한적이며, 입자 표면에 형성된 실록산(Si–O–Si) 네트워크 구조가 안정적으로 유지됨을 시사한다.
한편, WIH 시험 결과에서는 실란 용액 재사용에 따른 차수 성능의 일부 감소가 관찰되었다. 실란 용액을 재사용하지 않은 경우 WIH 값은 10.24 cmH2O로 나타났으며, 재사용 실란 용액을 사용한 시료의 경우 평균 약 9.8% 감소한 WIHavg 값을 보였다(Fig. 9). 이는 용액 재사용 과정에서 일부 유효 실란 성분의 소모 또는 반응 부산물의 축적에 의해 코팅 효율이 다소 저하된 결과로 해석된다. 그러나, WIH 값의 감소율이 약 10% 이내에 머무르는 점을 고려할 때, 재사용 실란 용액을 적용한 경우에도 초기 성능 대비 차수 성능의 저하는 크지 않은 것으로 판단된다. 세 시험 결과를 종합하면, 실란 용액의 재사용에도 우수한 차수성을 유지할 수 있음을 확인할 수 있다. 실란 용액은 최대 4회까지 재사용하더라도 소수성 및 차수 성능을 일정 수준 이상 유지할 수 있으며, 이는 소수성 지반재료 제작 공정의 경제성을 크게 향상시킬 수 있음을 의미한다.
4. 직접전단시험
본 연구에서는 친수성 시료인 주문진 표준사와 재사용 실란 용액을 적용하여 제작된 소수성 주문진 표준사의 전단강도 특성을 비교·평가하기 위하여 전단시험을 수행하였다. 전단강도는 지반재료의 공학적 특성을 평가하는 주요 지표로, 실내시험으로는 직접전단시험과 삼축압축시험이, 현장시험으로는 베인전단시험 등이 일반적으로 활용된다.
이 중 직접전단시험은 삼축압축시험에 비해 시험 장비 및 절차가 간단하며, 비교적 짧은 시간 내에 전단강도를 측정할 수 있는 장점을 가진다. 특히, 동일 조건에서의 재료 간 상대적 강도 비교 및 거동 분석에 효과적인 방법으로 평가된다. 이에 본 연구에서는 소수화 처리에 따른 전단강도 변화 특성을 정량적으로 분석하기 위해 직접전단시험을 채택하였다.
4.1 시험 장비
본 연구에 사용된 직접전단시험 장치는 Fig. 10에 나타낸 바와 같으며, Shibuya et al.(1997)가 제안한 전단상자와 하중재하장치의 고정 조건에 따른 분류(Type A, B, C) 중 Type C에 해당한다. Type C 장치는 상부 전단상자와 하중재하장치가 분리된 구조를 가지며, 하중 재하 플레이트는 피스톤과 일체화되어 고정되어 있다. 이러한 구조적 특성으로 인해 전단 과정에서 플레이트에 의한 불필요한 회전 모멘트가 발생하지 않으며, 이에 따라 수직 및 수평 변위 측정의 정확도를 향상시킬 수 있는 장점을 가진다(Kim et al., 2012).
4.2 시험 조건 및 방법
본 연구에서는 실란 코팅에 따른 전단강도 변화 여부를 정량적으로 평가하기 위하여 직접전단시험을 수행하였다. 시험은 ASTM D3080(2011) 규정을 준수하여 수행되었으며, 전단속도는 0.1 mm/min으로 설정하였다. 공시체는 건조밀도 1.48 g/cm3 조건으로 제작하였으며, 친수성 및 소수성 주문진 표준사의 상대밀도는 동일하게 64.6%로 조성하였다.
직접전단시험에서 발생할 수 있는 다일레이턴시(dilatancy) 영향을 최소화하기 위하여, 상부 전단상자와 하부 전단상자 사이에 오프닝(opening)을 적용하였다. 오프닝 크기는 식 (1)을 이용하여 산정하였으며, 본 연구에서는 Mtp = 1.74 mm로 결정하였다. 선행연구에 따르면 해당 오프닝 조건은 전단 시 시료의 유출을 유발하지 않으면서 다일레이턴시를 효과적으로 억제할 수 있는 것으로 보고되어 있다(Kim et al., 2021).
시험은 다음과 같은 절차로 수행되었다. 먼저, 직경 60 mm, 높이 20 mm의 공시체를 건조밀도 1.48 g/cm3 조건에서 3층 정적 다짐으로 제작하였다. 이후, 일정 수직응력을 가하여 압밀 과정을 수행하였으며, 적용된 수직응력은 친수성 주문진 표준사의 경우, 40, 80, 120, 160 kPa, 소수성 주문진 표준사의 경우, 50, 100, 150 kPa로 설정하였다. 압밀이 완료된 후, 산정된 오프닝(Mtp = 1.74 mm)을 적용하여 시험 준비를 완료하였다. 본 시험에서는 상·하부 전단상자 사이를 파괴면으로 가정하고, 상부 전단상자를 고정한 상태에서 하부 전단상자를 수평 방향으로 이동시켜 전단을 유도하였다. 전단은 설정된 전단속도 0.1 mm/min으로 수행되었으며, 공시체가 상·하부 경계면에서 파괴되도록 하였다.
전단 과정에서 발생하는 수평 변위는 상부에 설치된 다이얼 게이지를 통해 측정하였으며, 시험은 공시체 직경의 10%에 해당하는 수평 변위(6 mm)에 도달할 때 종료하였다.
4.3 시험 결과 및 고찰
본 연구에서는 입도 분포가 균일하고 표면 화학 구조가 일정한 친수성 주문진 표준사와 재사용 실란 용액을 적용하여 제작된 소수성 주문진 표준사의 전단강도 특성을 직접전단시험을 통해 정량적으로 평가하였다.
시험 결과, 친수성 주문진 표준사의 점착력은 0 kPa, 내부마찰각은 ϕ = 41.4°로 나타났다(Fig. 11). 반면, 초기 실란 용액을 사용하여 제작된 소수성 주문진 표준사의 내부마찰각은 ϕ = 31.7°로 확인되었으며, 실란 용액을 1~4회 재사용한 경우 각각 ϕ = 34.1°, 32.3°, 32.4°, 32.3°로 나타났다(Table 4). 이러한 결과를 종합하면, 소수화 처리에 의해 내부마찰각이 감소하는 경향이 나타나며, 친수성 시료 대비 약 23% 감소한 것으로 확인되었다(Figs. 12 & 13). 한편, 재사용 실란 용액을 적용한 경우에도 내부마찰각은 평균적으로 약 ϕ = 32° 수준을 유지하였으며, 재사용 횟수 증가에 따른 추가적인 강도 저하는 거의 발생하지 않는 것으로 나타났다. 이는 실란 용액의 재사용이 전단강도 특성에 미치는 영향이 제한적임을 의미한다.
Table 4.
Changes in internal friction angle according to the solution reuse number
| Wettability | Reuse No. | Internal friction angle, ϕ (°) |
| Wettable | N/A | 41.4 |
| Hydrophobic | 0 | 31.7 |
| 1 | 34.1 | |
| 2 | 32.3 | |
| 3 | 32.4 | |
| 4 | 32.3 |
한편, 소수화 처리에 따른 내부마찰각 감소는 입자 표면에 형성된 소수성 코팅층이 윤활 작용을 유도하여 입자 간 마찰 저항을 감소시키고, 결과적으로 입자 간 맞물림(interlocking)을 약화시키기 때문으로 해석된다. 또한 Fig. 12에 나타난 수평변위(dh)–수직변위(dv) 관계를 살펴보면, 친수성 시료는 전단이 진행됨에 따라 수직변위(dv)의 최대치 범위가 0.35~0.45 mm로서 뚜렷한 체적팽창(dilatancy)을 나타낸 반면, 소수성 시료(i.e., SRN 0~4)는 상대적으로 작은 수직팽창량, 즉 수직변위(dv)의 최대치 범위 0.10~0.30 mm를 보였다. 이는 실란 코팅에 의해 입자 표면의 마찰 및 맞물림 효과가 감소하면서 입자의 재배열이 용이해졌기 때문으로 판단된다. 일반적으로 조밀한 사질토의 전단강도는 다일레이턴시와 밀접한 관계를 가지므로, 소수화 처리에 따른 팽창 거동 감소는 내부마찰각 감소의 주요 원인으로 해석할 수 있다. 실제로 친수성 시료의 내부마찰각은 41.4°인 반면 소수성 시료는 평균 약 32°로 감소하여 약 23%의 저하가 확인되었으며, 이는 Fig. 12에서 관찰된 다일레이턴시 감소 경향과 일치하는 결과로 이해될 수 있다.
본 연구에서 도출된 소수성 주문진 표준사의 내부마찰각은 약 ϕ = 32°로 KCS 11 80 10에서 제시하는 뒤채움재의 기준 내부마찰각(ϕ = 30°) 대비 약 10% 높은 수준을 나타낸다. 이는 소수화 처리에 따른 강도 감소에도 불구하고, 해당 재료가 구조적 안정성을 요구하는 지반공학적 적용(예: 차수층 또는 뒤채움재)에서 충분한 전단강도를 확보할 수 있음을 시사한다.
5. 결 론
강우에 의한 사면의 얕은 파괴를 방지 및 저감하기 위해 기존에 적용되어 온 토목섬유 기반 공법의 한계 및 잠재적 문제점을 선행연구를 통해 확인하였다. 이에 본 연구에서는 시공 중 손상 가능성이 낮고 재료 간 계면이 존재하지 않는 반영구적인 특성을 지닌 소수성 지반재료의 적용 가능성을 검토하기 위한 기초 연구를 수행하였다. 이를 위해 화학적 표면구조가 균질한 주문진 표준사를 활용하여 소수화 처리 공정의 최적화 및 실란 용액의 재사용 가능성을 평가하였으며, 소수화 처리에 따른 전단강도 특성 변화를 직접전단시험을 통해 분석하였다. 본 연구로부터 도출된 주요 결론은 다음과 같다.
(1) 고비용 재료인 실란 용액의 효율적 활용을 위해 최적 혼합 부피비를 도출하고자 하였으며, 혼합 부피비 0.5, 0.75, 1.0, 2.0, 5.0, 10.0% 조건에서 제작된 시료에 대해 WIH 시험을 수행하였다. 시험 결과, 소수성과 제작비에 대한 경제성을 근거로 혼합 부피비 1.0%에서 WIHavg = 10.24 cmH2O로 가장 우수한 차수 성능을 나타내었으며, 이를 최적의 혼합비로 선정하였다.
(2) 실란 용액의 재사용 가능성을 평가한 결과, 재사용 횟수(SRN)에 관계없이 WDPT는 모두 3600초 이상으로 나타나 극한 소수성을 유지하였으며, CAM 시험에서도 모든 시료가 90° 이상의 접촉각을 나타내어 높은 소수성을 지속적으로 확보하는 것으로 확인되었다. 한편, WIH 시험 결과에서는 최초 재사용 시 약 9.8%의 차수 성능 감소가 발생하였으나, 이후 추가적인 재사용 과정에서도 성능 저하는 제한적으로 나타났다. 이는 실란 용액의 반복 사용에도 불구하고 소수성 및 차수 성능이 일정 수준 이상 유지됨을 의미한다.
(3) 소수화 처리에 따른 전단강도 특성을 분석한 결과, 친수성 주문진 표준사의 내부마찰각(ϕ = 41.4°) 대비 소수성 시료의 내부마찰각은 약 23% 감소한 것으로 나타났다. 그러나 재사용 실란 용액을 적용한 경우에도 내부마찰각은 평균 약 ϕ = 32° 수준을 유지하였으며, 재사용 횟수 증가에 따른 추가적인 강도 감소는 발생하지 않는 것을 확인하였다. 이러한 결과는 소수성 코팅에 따른 표면 윤활 효과로 인해 입자 간 마찰 저항 및 다일레이턴시가 감소한 데 기인하는 것으로 판단된다.
(4) 이상의 결과를 종합하면, 소수성 지반재료는 강우 침투 억제를 통한 차수 성능 확보와 더불어 공학적 기준을 만족하는 전단강도를 유지하는 것으로 확인되었다. 예를 들어, 사면 표층부에 얇은 차수층 형태로 시공하거나, 기존 사면 표면에 소수화 처리 재료를 포설 또는 도포하는 방법으로 적용할 수 있으며, 이를 통해 강우 침투를 억제하여 사면 안정성 향상을 기대할 수 있다. 특히, 실란 용액의 반복 사용에도 불구하고 성능 저하가 제한적임을 고려할 때, 소수성 지반재료는 사면 내 불투수층 등 지반공학적 적용 재료로서 충분한 가능성을 갖는 것으로 판단된다.
끝으로, 향후 연구에서는 소수성 코팅층의 장기 내구성 평가를 위해 자외선 노출 및 광열화에 따른 소수성 및 공학적 특성 변화에 대한 추가적인 검토가 필요할 것으로 사료된다.
