1. 서 론
2. 시계열반사계(Time domain reflectometry)
2.1 시계열반사계 측정 체계
2.2 TDR probe의 영향범위
3. 실험구성
4. 실험결과 및 분석
5. 요약 및 결론
1. 서 론
시멘트 그라우트 주입공법은 건설분야에서 일반적으로 이용되는 화학적 지반개량 공법으로 시멘트 약액을 지반 내로 주입하여 간극을 충진, 지반의 공학적 특성을 개선할 수 있는 공법이다. 시멘트 그라우트는 경제성, 사용성 및 거동특성의 예측 가능성 등 장점들로 인하여 지반개량재로서 널리 이용되어 왔으나, 시멘트 생산 시 발생하는 질산화물(Nox)과 이산화탄소(CO2)로 인한 대기오염, 지하수 오염과 동반한 수질오염, 알칼리 이온으로 인한 지반 내 pH 상승 등 다양한 환경적 문제를 야기한다(Berkane et al., 2022). 이에, 시멘트 그라우트로 인한 환경적 문제점을 해결하고자 다양한 친환경 지반개량 재료에 대한 연구가 진행되어 왔다.
대표적인 친환경 지반개량 재료에 해당하는 잔탄검 바이오폴리머는 수용액 상태로 간극 내 주입 및 입자간 결합력을 향상시키나, 해당 결합 매커니즘은 흙 입자의 종류에 따라 서로 상이하다. 잔탄검 바이오폴리머에 의한 흙 입자 결합 매커니즘은 Fig. 1과 같이 양이온 가교결합(Cation bridging)과 잔탄검 매트릭스(Xanthan gum matrix) 형성으로 분류된다. 전기적 극성을 띄는 점토 입자의 경우 양이온 가교결합과 잔탄검 매트릭스 형성 모두를 통한 흙 입자 결합력 증대효과가 발현되는 반면, 사질토와 같이 흙 입자가 전기적으로 중성을 띠는 경우 양이온 가교결합을 통한 흙 입자 결합력 증대효과는 발현되지 않으므로 잔탄검 매트릭스의 형성에 의한 결합력 증대 효과만을 기대할 수 있다(Chang et al., 2015; Moghal and Vydehi, 2021).
상기와 같이 잔탄검 바이오폴리머 수용엑 주입에 의한 흙입자 결합력 증대효과는 점토질 지반에서 극대화될 수 있으므로 해당 잔탄검 바이오폴리머 처리토의 결합력 발현 모니터링과 관련한 기초연구는 주로 점토에 대하여 진행된 반면 사질토를 대상으로 한 모니터링 연구는 미비한 실정이다. 잔탄검 바이오폴리머에 의한 사질토 입자의 결합력 증대효과는 흙입자간 잔탄검 매트릭스를 형성함으로써 발현되며, 잔탄검 매트릭스의 구조적 특성은 간극 내 주입된 잔탄검 바이오폴리머 수용액의 건조도에 지배적인 영향을 받는다(Chen et al., 2019). 따라서, 잔탄검 바이오폴리머 처리된 사질토 지반의 공학적 특성 예측 및 인프라시설로서의 운용 가능 시점을 평가하기 위하여 건조도 평가가 요구된다. 흙의 전기비저항은 흙 입자의 종류 및 간극내 유체, 흙의 표면에 영향을 받으므로, 지반 내 유체분포 조사와 관련된 지구물리탐사 기법에 주로 이용되고 있다(Park et al., 2023). 특히, 흙 입자 및 흙 입자 표면을 통한 전기 전도성이 매우 낮을 것으로 예상되는 사질토의 경우, 흙의 전기비저항은 간극내 유체에 지배적인 영향을 받기 때문에 건조도 평가를 위한 계측 요소로써 활용 가능하다(Kim et al., 2009; Pyo et al., 2018; Ko and Choo, 2023). 흙의 비유전율은 흙을 구성하는 공기, 흙 입자, 물의 체적비(Volume fraction)에 따라 결정되며, 물의 비유전율은 다른 구성요소에 비해 매우 높은 비유전율을 나타내므로 흙의 비유전율 계측값을 바탕으로 해당 흙의 함수상태를 평가할 수 있다(Hong and Lee, 2018; Cho et al., 2024). 또한, 흙에서의 비유전율은 전기비저항과 비교하였을 때 온도로 인한 영향이 매우 낮으므로 온도 측정 및 보상에 한계가 있는 현장 지반에 대하여 보다 높은 정확도의 함수상태 평가가 가능하다(Lee et al., 2018; Hong et al., 2019; Hong et al., 2020).
본 연구에서는 시계열반사계(Time domain reflectometry, TDR)를 사용하여 잔탄검 바이오폴리머 처리 사질토의 건조도-비유전율의 상관관계를 수립하였다. TDR신호 수집을 위하여 5전극 TDR프로브가 설치된 셀을 제작하였으며, 5전극 TDR 셀로부터 평가된 겉보기 비유전율을 바탕으로 실제 비유전율을 도출하기 위한 보정시험을 진행하였다. 보정시험 후, 잔탄검 수용액이 주입된 사질토의 건조 과정에 따라 시료 무게 기반 건조량 및 TDR 신호를 수집하였으며, 해당 결과들을 바탕으로 잔탄검 바이오폴리머 처리토의 건조도-비유전율 상관관계를 수립하였다. 본 논문에서는 TDR 측정 시스템 및 본 연구에서 제작된 TDR 셀을 소개하며, 잔탄검 바이오폴리머 처리 사질토의 건조도-비유전율 상관관계를 수립하기 위한 실험 구성 및 과정, 결과 및 분석 내용을 다룬다.
2. 시계열반사계(Time domain reflectometry)
2.1 시계열반사계 측정 체계
시계열반사계(Time domain reflectometry, TDR)는 도파관(waveguide)를 따라 전파하는 유도전자기파의 전파속도를 이용하여 주변 매질의 비유전율을 평가하는 계측기기로, 해당 TDR 측정 시스템은 Fig. 2와 같이 TDR unit과 동축케이블 및 TDR probe로 구성된다. TDR unit으로부터 발생하여 도파관(동축케이블 및 TDR probe)을 따라 전파하는 유도전자기파는 TDR probe 구간 전파 시 전극간 전기장을 형성하는 바 TDR probe 구간에서 유도전자기파의 속도는 등전위선이 밀집된 영역 내 매질의 전자기적 특성에 영향을 받는다. 또한, 도파관을 따라 전파하는 유도전자기파의 에너지는 Fig. 3과 같이 전파경로상 전자기적 임피던스가 급격히 변화하는 TDR probe의 두부와 선단부에서 일부 반사된다. 그러므로 해당 반사시점 차이(Δt)는 TDR probe 구간 내 왕복 전파시간에 해당하며, Δt와 TDR probe 주변부 매질간 상관관계는 식 (1)과 같이 표현할 수 있다.
여기서, 2L은 TDR probe 구간 내 왕복 전파 거리를 의미하며, c는 진공에서 전자기파의 전파속도(c = 2.998×108m/s), εr은 TDR probe 주변부 매질의 비유전율을 의미한다. 따라서, 해당 관계식을 이용하여 TDR probe 구간 내 유도전자기파의 왕복 전파시간을 바탕으로 대상 매질의 비유전율을 평가할 수 있다. 흙의 경우, 각 구성요소(공기, 흙 입자, 물)의 비유전율은 각각 1, 4~6, 81로, 물의 비유전율이 다른 구성요소와 비교할 때 매우 높은 비유전율을 가지므로 흙의 비유전율은 체적함수비에 지배적인 영향을 받는다(Topp et al., 1980). 이러한 이유로, 지반공학 분야에서 TDR 시스템은 대상 흙의 체적함수비 평가에 주로 이용되어왔다.
2.2 TDR probe의 영향범위
TDR probe 구간에서 전파하는 유도전자기파의 전파속도는 등전위선이 밀집된 영역 내 매질의 비유전율에 영향을 받으며, 해당 등전위선은 TDR probe를 구성하는 전극의 개수와 배치에 따라 상이하게 형성된다(Jones et al., 2002; Hong and Lee, 2018). 흙의 함수상태 평가에 보편적으로 사용되는 3전극 표준 TDR probe의 경우 Fig. 4(a)에 나타난 바와 같이 타원형의 국부적인 샘플링 영역을 제공하며, 해당 측정 영역에서 높은 정확도의 함수상태를 평가할 수 있다. 그러나, 샘플링 영역보다 흙 시료의 비균질 영역이 큰 경우 TDR probe 설치 위치에 따라 상이한 비유전율이 측정될 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 전극의 간격을 증가시켜 샘플링 영역을 확대함으로써 비균질 영역을 포함하도록 TDR probe를 구성할 수 있으며, Fig. 4(b)와 같이 전극의 개수를 증가시킴으로써 샘플링 영역을 원형에 가깝게 하여 실내실험에 이용되는 셀 내부를 모두 전기장 영향범위 내에 포함하도록 TDR probe를 구성할 수 있다(Jones et al., 2002).
3. 실험구성
점성이 높은 잔탄검 바이오폴리머 수용액의 경우 흙시료에 대한 주입 중 국부적인 다짐 및 이완현상을 야기할 수 있으므로 대상 시료의 합리적인 비유전율 평가를 위하여 시료 전체에 대한 샘플링영역 형성이 요구된다. 본 연구에서는 잔탄검 바이오폴리머 처리된 사질토의 건조과정에 따른 TDR 신호 수집을 위하여 Fig. 5와 같이 5전극 TDR probe가 설치된 셀을 제작하였다. 셀의 몸통부는 아크릴 재료를 이용하여 내경 64mm, 높이 70mm의 원통형으로 제작하였으며, 샐 내부에 설치된 5전극 TDR probe를 구성하는 각 전극 길이는 70mm, 전극간 간격은 25mm로 설정하였다. 동축케이블을 이용하여 TDR unit과 5전극 TDR probe를 연결하였으며, 각 측정단계별 수집된 TDR 신호는 64회 중첩하여 외부 불규칙 잡음의 영향을 최소화하였다.
본 연구에서는 셀 내부에 조성되는 시료를 TDR 샘플링 영역 내에 포함하고자 5전극 TDR probe를 적용하였다. 그러나, 해당 샘플링 영역이 시료의 영역을 초과하여 셀의 몸통부를 일부 포함하는 경우 TDR 셀로부터 평가된 비유전율은 셀 내부에 조성된 흙시료만의 비유전율로 판단하기에 한계가 있으므로 TDR 셀로부터 흙 시료의 실제 비유전율을 도출하기 위한 보정시험을 선행하였다. 공기, 증류수, 체적함수비 0~35%로 조성된 사질토에 대하여 표준 TDR probe와 5전극 TDR probe를 이용하여 측정한 TDR 신호를 각각 Fig. 6(a)와 Fig. 6(b)에 도시하였다.
Fig. 6의 TDR 신호로부터 유도전자기파의 왕복 전파시간을 결정, 비유전율을 평가하였으며, 각각의 TDR probe로부터 도출된 비유전율을 체적함수비에 따라 Fig. 7에 도시하였다. 대상 시료의 체적함수비는 표준 TDR probe 및 5전극 TDR probe로부터 평가된 비유전율에 대하여 상관관계(R2) 0.998 이상인 3차식으로 나타났으나 동일한 함수상태의 시료에 대하여 서로 다른 비유전율 값을 나타내었다. 이는 각각의 TDR probe 샘플링 범위 및 샘플링 범위 내 포함되는 대상체가 서로 상이한 것에 기인하는 것으로 판단된다.
동일한 대상체에 대하여 5-electrode TDR probe로부터 평가된 겉보기 비유전율(εr(a))과 3-electrode TDR probe로부터 평가된 비유전율(εr)의 상관관계를 Fig. 8에 나타내었다. 본 보정시험에서 이용된 3-electrode TDR probe는 표준화된 TDR probe로, 이를 이용하여 평가된 비유전율은 대상 시료의 실제 비유전율로 예상되는 바, 식 (2)를 이용하여 TDR 셀 기반 실제 비유전율을 도출할 수 있다.
잔탄검 바이오폴리머 수용액이 주입된 사질토의 건조과정에 따른 비유전율을 평가하기 위하여 TDR 셀 내부에 노건조한 주문진 표준사를 건조밀도 1.55g/cm3가 되도록 조성 후, 중량농도가 0.75%인 잔탄검 바이오폴리머 수용액을 주입하였다. 이 때, 높은 점성 특성을 갖는 잔탄검 바이오폴리머 수용액 주입에 의한 과도한 침투수력 발생 및 공기주머니 형성을 방지하기 위하여 TDR 셀 상부에 별도의 주입구를 마련하여 하 방향 주입을 유도하였으며, TDR 셀 하부에 배출구를 구성하여 잔탄검 바이오폴리머 수용액 주입 중 간극 내 공기가 원활히 배출될 수 있도록 하였다. 잔탄검 바이오폴리머 수용액 주입 완료 후 20℃의 온도에서 1시간 동안 안정화를 진행하였으며, 건조로를 사용하여 40℃의 온도에서 건조를 진행하였다. 건조과정에 따른 TDR 신호는 24시간 간격으로 수집되었으며, 동시에 TDR 셀 전체 무게를 측정하여 건조시간에 따른 무게 기반 건조도를 관찰하였다.
4. 실험결과 및 분석
잔탄검 바이오폴리머 처리 사질토의 건조과정에 따른 무게 기반 건조도를 Fig. 9(a)에 도시하였으며, 해당 건조도가 0%, 2.8%, 11%, 23%, 42%, 57%, 73%, 87% 및 100%일 때의 TDR 신호를 Fig. 9(b)에 도시하였다. 대상 시료의 건조도는 건조 시간에 따라 증가하여 약 744시간 건조시점에서 완전 건조상태를 나타내었으며, 건조과정이 진행됨에 따라 TDR probe에서의 전자기파의 왕복 전파시간이 감소함을 확인하였다.
TDR 신호로부터 결정된 유도전자기파의 왕복전파시간을 이용하여 겉보기 비유전율을 계산 및 식 (2)를 이용하여 대상 시료의 건조과정에 따른 비유전율을 평가하였으며, 주문진 표준사 간극 내 주입된 잔단검 바이오폴리머 수용액의 건조도와 비유전율의 상관관계를 Fig. 10에 나타내었다. 잔탄검 바이오폴리머 처리 사질토의 건조도(φ)는 식 (3)과 같이 비유전율의 2차함수 형태로 표현되었으며, 결정계수(R2)가 0.996인 높은 상관관계를 나타내었다.
그러므로, 잔탄검 바이오폴리머 처리 사질토의 결합력 발현에 주요한 영향을 미치는 건조도는 비유전율에 기반하여 높은 신뢰도로 평가될 수 있을 것이라 판단된다.
5. 요약 및 결론
사질토에 대한 잔탄검 바이오폴리머 수용액 주입 시 흙입자간 결합력 증대효과는 잔탄검 매트릭스 형성에 기인하며, 잔탄검 매트릭스의 구조적 특성은 간극 내 잔탄검 바이오폴리머 수용액의 건조도에 지배적인 영향을 받는다. 본 연구에서는 전자기적 물성을 바탕으로 잔탄검 바이오폴리머 처리 사질토의 건조과정을 예측하고자 5전극 TDR probe가 설치된 셀을 제작, TDR 측정 시스템을 이용하였다. 해당 셀 내부에 노건조된 사질토를 조성한 후 중량농도 0.75%의 잔탄검 바이오폴리머 수용액을 주입하여 포화하였으며, 건조시간에 따른 중량기반 건조도 및 TDR 신호를 수집하였다.
실험 결과, 중량기반 건조도는 건조시간이 경과함에 따라 증가하여 744시간 시점에서 완전건조 상태를 나타내었으며, TDR probe 구간을 전파하는 유도전자기파의 왕복 전파시간과 비유전율은 감소 및 건조 완료시점에서 수렴하였다. 본 실험으로부터 측정된 잔탄검 바이오폴리머 처리 사질토의 건조도는 비유전율의 2차 함수 형태로 표현되었으며, 해당 상관관계의 결정계수(R2)는 0.996으로 계산되었다. 그러므로 잔탄검 바이오폴리머 처리 사질토의 건조과정 및 결합력 발현과정을 목적으로 하는 모니터링에서 비유전율은 주요 물성으로서 이용될 수 있을 것이라 판단된다. 또한, 해당 비유전율은 전자기적 방법을 이용하는 지구물리탐사 기법의 주요 입력 값으로, 본 연구의 결과는 향후 바이오폴리머 처리 지반의 현장평가에 활용될 수 있을 것이라 기대된다.
