1. 서 론
2. 실험과정
2.1 바이오폴리머(Bio-polymer) 혼합시료
2.2 동결-융해 셀
2.3 탄성파 측정 시스템
2.4 실험과정
3. 실험결과
3.1 전단파 신호
3.2 압축파 신호
4. 토의 및 분석
4.1 융해 시의 바이오폴리머 함량 영향
4.2 동결 시의 바이오폴리머 함량 영향
4.3 반복 동결-융해 영향
5. 요약 및 결론
1. 서 론
최근 지반공학 분야에서는 시멘트와 같은 화학계열 지반재료를 대체하기 위한 연구가 증가하고 있다. 대부분의 지반처리 과정에서 시멘트를 활용해 왔지만, 시멘트를 생산하는 과정에서 시멘트 1톤 생산 시 이산화탄소를 약 0.9톤 발생시키며 시멘트 산업은 국내 전체 온실가스 배출량의 10%를 차지한다. 또한 시멘트는 토양 pH의 증가로 인한 생물학적 유기체에 악영향을 미치게 하거나, 흙-시멘트 혼합물은 이전 상태로 복원되기 어렵기 때문에 홍수 및 수질 오염 유발 등 다양한 환경문제를 야기한다(Chang et al., 2016). 이와 같이 지반공학 분야에서의 시멘트 사용은 기후변화 문제를 악화시키는 원인 중 하나로, 지속 가능한 건설 재료를 찾는 것이 중요한 과제이다.
지반공학에서는 지반을 강화하는 새로운 재료로서 생체고분자 물질인 바이오폴리머(Bio-polymer)를 활용하고 있다(Babatunde et al., 2023; Cho et al., 2024). 바이오폴리머는 천연물질에서 추출되거나 미생물에 의해서 생산될 수 있는 친환경적인 물질로, 기존의 화학적 지반 처리 재료에 비해 환경적인 장점이 있다. 바이오폴리머는 배양 및 추출 과정으로 인공적 생산이 가능하며, 오래전부터 다양한 산업에서 안정제, 결합제, 응집제 등으로 활용되어 왔다. 특히 식품과 석유 산업, 농업 등에서 활용도가 크며 최근에는 지반공학 분야에서도 중요한 재료로서 등장하고 있다. Chang et al.(2020)에 따르면 Agar gum 및 Guar gum은 식품 증점제, 안정제, 유화제에 효과를 보이며, Dextran은 진흙 첨가제 및 토양 안정제로 사용되며 모래의 표면 침식 및 저항성을 향상시킨다. 또한 Beta-glucan과 Xantan gum은 건설 및 지질 공학적 특성을 개선하며, Scleroglucan은 화장품 응용 분야에서 증점제로 활용된다. Curdlan은 식품 산업, 생물 의학 및 제약 산업, 화장품 산업에서 일반적으로 사용되는 겔화제이며, 최근에는 지질 공학 분야에서 Polycan을 새롭고 친환경적인 토양 바인더로 사용하려는 시도가 있다.
바이오폴리머는 흙 중량비 기준 약 0.5~1%의 소량 처리로도 강도 증진 효과를 보인다는 장점이 있다(Kim et al., 2024). 바이오폴리머 혼합 화강풍화토를 대상으로 일축압축강도 시험을 시행한 선행연구에 따르면 소량의 바이오폴리머 처리로 시멘트 10%와 대등한 강도 증진 효과를 볼 수 있다(Chang et al., 2016). 그러나 함량을 단순히 증가시킬수록 동일하게 강도 증진 효과도 증가하는 것이 아닌 바이오폴리머의 종류에 따라 그 최적 조건이 있는 것으로 나타났다(Chang and Cho, 2019; Chang et al., 2021). 이는 바이오폴리머의 종류와 농도, 적용 환경에 따라 그 효과가 달라지는 것을 의미하는데 바이오폴리머를 활용한 지반 강도 증진에서 중요한 요소들이다. 바이오폴리머는 자연에서 생분해되기 때문에 기존의 합성재료와 비교할 때 환경적 부담이 크게 줄어들며, 지속가능한 지반 재료로서 적합하다. Chang et al.(2020)에 따르면 친환경 흙 도로 재료로서 바이오폴리머가 사용될 수 있다는 가능성이 입증되었다. 바이오폴리머를 처리한 흙 도로가 대기 조건에서 안정적인 거동을 보여 현장에서 실제로 적용 가능한 정도의 강도를 보였다. 이는 바이오폴리머가 단순히 실험실 환경 즉, 국소적인 지역에서 적용가능한 재료가 아닌 실제 광범위한 현장에서도 효과적인 지반 강화 재료로서 활용될 수 있다는 것을 시사한다.
우리나라의 경우, 기온이 연간 평균적으로 약 -15℃~35℃의 기온차를 보이기 때문에 국내 지반은 동결-융해 과정을 고려해야 한다(Kim et al., 2015; Lee et al., 2020). Qi et al.(2008)에 따르면 지반은 동결-융해 주기를 거치며 물리적으로 팽창과 수축을 반복하는 특성을 보이고, 이는 지반의 강도 및 강성의 저하와 구조적 손상으로 지반이 불안정해지거나 침하의 원인이 될 수 있다(Kim et al., 2021). 이에 따라 앞서 언급한 바이오폴리머를 처리한 지반의 경우, 반복적인 동결-융해 과정에서 변화하는 흙과 바이오폴리머의 입자 거동을 분석할 필요성이 대두된다. 하지만, 현재 국내 연구에서는 동결-융해 조건에서의 바이오폴리머를 이용한 지반 강도 및 강성 증진에 관한 연구가 활발히 이루어지지 않고 있으며, 이에 대한 추가적인 연구를 통해 바이오폴리머가 동결-융해 조건에서도 효과적으로 지반의 강도 및 강성을 증진시킬 수 있는지에 대한 실험적 연구가 요구된다.
본 연구에서는 바이오폴리머의 최적 농도를 선정하고 지속적인 동결-융해 조건에 따른 바이오폴리머 입자 거동을 분석하는 것을 주요 목표로 선정한다. 바이오폴리머의 농도는 지반 강화 효과에 큰 영향을 미치기 때문에 최적 농도를 선정하는 것이 중요하며 동결-융해 조건에서 바이오폴리머의 물리적 특성과 입자 거동이 어떻게 변화하는지 분석하여 바이오폴리머의 내구성을 평가한다. 이를 통해 바이오폴리머가 동결-융해 조건에서 어떻게 거동하는지, 그 변화를 어떻게 최적화시킬 수 있을 것인지에 대한 심화적 연구로 나아갈 수 있다. 이는 바이오폴리머를 활용한 지반 강화 공정에 유용한 자료로 제공하며 친환경적이고 지속 가능한 건설 재료로서의 활용 가능성을 높일 것이다.
2. 실험과정
2.1 바이오폴리머(Bio-polymer) 혼합시료
본 연구에서는 인조 규사와 바이오폴리머를 혼합하여 시료를 조성하였으며, 혼합토의 경우 최대 및 최소 간극비가 변화한다(Kim et al., 2022; Kim et al., 2023; Yeo et al., 2023). 실험에 사용된 혼합토의 최대 간극비(emax)와 최소 간극비(emin)는 ASTM에서 규정하는 방법을 이용해 산정하였고, 최대 간극비와 최소 간극비는 다음 Fig. 1과 같다(ASTM D4254; ASTM D4253). Bio-polymer contents(이하 BPC) 0.0에 해당하는 인조 규사는 비중 Gs=2.65, 최대 간극비 emax=0.78, 최소 간극비 emin=0.52 이다. BPC0.5는 비중 Gs=2.61, 최대 간극비 emax=0.76, 최소 간극비 emin=0.52 이며, BPC1.0은 비중 Gs=2.57, 최대 간극비 emax=0.75, 최소 간극비 emin=0.50이다. BPC2.0은 비중 Gs=2.55, 최대 간극비 emax=0.72, 최소 간극비 emin=0.43이고, BPC5.0 비중은 Gs=2.53, 최대 간극비 emax=0.57, 최소 간극비 emin=0.33, BPC10.0은 비중 Gs=2.49, 최대 간극비 emax=0.42, 최소 간극비 emin=0.17이다. 바이오폴리머 함량이 증가할수록 최대 및 최소 간극비가 줄어드는 경향을 보인다. 모래와 같은 조립분과 바이오폴리머와 같은 세립분이 혼합되면 세립분이 조립 입자 사이의 간극을 채워 전체적인 간극비를 줄이기 때문이다(Cubrinovski and Ishihara, 2002). 앞서 구한 최대 및 최소 간극비를 이용해 상대밀도 Dr=60%인 시료를 조성하였고, 포화도는 S=30%로 조성하였다. 시료는 5층으로 나눈 뒤 탬핑(Tamping Rod) 방법을 이용하였으며, 다짐봉의 무게는 294g, 다짐 횟수 50회로 목표 상대밀도에 맞추어 조성하였다.
2.2 동결-융해 셀
Fig. 2와 같이 동결-융해 실험 과정에서 바이오폴리머(Bio-polymer) 혼합토의 전단파 변화 양상을 측정하기 위해 MC 나일론 재질의 동결-융해 셀을 제작하였다. MC 나일론은 탄성파 측정 시스템 간의 불필요한 전기적 신호의 영향을 최소화한다(Kim et al., 2016; Han et al., 2022). 동결-융해 실험 셀의 두께는 25mm로 비교적 두껍게 제작하였는데 이는 반복적인 동결-융해 사이클 동안의 체적 변형을 방지하기 위함이다(Kim et al., 2024). 바닥판은 가로와 세로가 100mm의 정사각형 구조로, 가로 90mm, 세로 80mm의 옆판과 가로 200mm, 세로 80mm의 센서판을 결합한다. 또한 동결-융해 셀을 통해 직접파가 전달되는 것을 방지하기 위해 셀이 맞닿아 있는 부분을 분리하여 결합하는 구조의 셀을 제작하였으며 결합부에는 5mm 두께의 고무판을 넣어 조립하였다. 센서판은 마주보는 구조로, 벤더 엘리먼트(Bender Element)와 피에조 디스크 엘리먼트(Piezo Disk Element)가 중앙부에 한 쌍씩 결합되어 있다.
2.3 탄성파 측정 시스템
시료가 동결과 융해 과정을 반복하는 동안 탄성파의 변화 양상을 측정하기 위해 전단파 및 압축파 측정 트랜스듀서로서 벤더 엘리먼트(Bender Element)와 피에조 디스크 엘리먼트(Piezo Disk Element)를 사용하였다. 전단파 측정 트랜스듀서인 벤더 엘리먼트는 일반적으로 금속판에 대칭으로 압전소자를 붙이고 양 바깥에 니켈 등의 전극이 설치된 트랜스듀서이다. 벤더 엘리먼트는 polying 방향에 따라 직렬 및 병렬 형식으로 구분되며, 직렬 형식은 건조한 모래 지반에서 실험에 많이 적용되어 왔고 병렬 형식은 전해질 용액 속에 조성된 모래나 점토에서 실험을 실시할 경우 용이한데, 이는 벤더 엘리먼트 간 전자기적 간섭 때문에 시험 결과 해석에 어려움이 생길 수 있기 때문이다(Lee and Lee, 2006). 셀의 중앙부에 병렬로 설치된 벤더 엘리먼트의 크기는 길이 8mm, 너비 5mm, 두께 0.6mm이며, 실리콘을 이용해 시료 속으로 3mm가 돌출된 캔틸레버 보(Cantilever Beam) 형태로 부착되어 있다. 벤더 엘리먼트는 낮은 지향성을 보여 토모그래피와 같이 광범위한 방향에서 전단파의 측정이 필요한 경우 효과적이며, 전단파 트랜스듀서로 활용하는 경우 흙과 트랜스듀서의 결합효과가 뛰어나다(Lee and Lee, 2006). 압축파 측정 트랜스듀서인 피에조 디스크 엘리먼트는 한쪽 면에 압전 세라믹 소자가 덮여 있으며, 외부 압력이나 변형에 반응하여 전기 신호를 생성한다. 셀의 중앙부에 설치된 피에조 디스크 엘리먼트의 크기는 금속판 지름 13mm, 압전 소자 지름 10mm이다. 또한 두 트랜스듀서에는 누화현상(Cross-talk)을 예방하기 위해 전도성 페인트인 은(Ag)을 얇게 바른 후 에폭시 이용해 코팅하였다. 누화현상이란 송신 장치와 수신 장치에서 전자기장이 상호작용하여 발생하는 전자기적 결합이며, 이러한 현상으로 입력한 신호와 거의 동시에 별개 신호가 발생하는데 이는 간섭에 의한 신호이기 때문에 정확한 결과 해석에 어려움을 줄 수 있다(Lee and Santamarina, 2005).
2.4 실험과정
본 연구에서는 BPC0.0, BPC0.5, BPC1.0, BPC2.0, BPC5.0, BPC10.0의 각시료를 조성하여 실험용 냉동고에 배치하였다. 냉동고의 설정온도는 -10℃로 설정하였으며, 이를 4시간의 동결시간을 유지하였다. 4시간 동결 후 실험실 상온(약 20℃)에서 20시간동안 융해시간을 유지하였다. Kim et al.(2016)에 따르면 측정된 신호는 포화도와 시료 함량에 관계없이 동결 유지 4시간 이후부터 부동 수분량이 수렴되는 것으로 나타났으며, 이에 4시간의 동결 시간은 동결이 완료되기에 충분하다고 판단하였다. 동결-융해 과정을 반복하는 동안 수분 함량을 유지하기 위해 셀을 랩으로 밀폐시켜 진행하였다. 동결-융해를 반복하는 동안 셀에 부착된 탄성파 트랜스듀서를 통하여 전단파 및 압축파를 측정하였으며, 측정된 탄성파는 신호발생기(Waveform Generator, Agilent 33500B)를 사용해 20Hz, 10Vpp의 Square파의 신호를 발신 벤더 엘리먼트 및 피에조 디스크 엘리먼트에 전달된다. 발신 벤더 엘리먼트 및 피에조 디스크 엘리먼트에 전달된 신호는 전기적 신호에서 물리적 신호로 바뀌고 시료를 통과하여 수신 벤더 엘리먼트 및 피에조 디스크 엘리먼트를 통해 다시 전기적 신호로 전달된다. 수신 센서로 받은 신호를 필터-증폭기(Filter-Amplifier, kronh-hite 3944)를 통해 신호의 증폭 및 잡음을 제거하였다. 필터링 과정을 거친 후 오실로스코프(Osilloscope, DSOX1204A)를 통해 저장된다. 또한 반복 동결-융해에서의 탄성파 변화 양상을 파악하기 위해 총 5번의 사이클을 진행하였다.
3. 실험결과
3.1 전단파 신호
본 연구에서는 동결-융해 셀에 설치된 벤더 엘리먼트를 이용해 전단파의 속도를 구하였으며, 전단파의 이동거리와 전단파의 도착시간을 사용하여 식 (1)과 같이 산정하였다. Ltip-tip은 벤더 엘리먼트의 양 끝단 사이의 거리를 의미하고, ts는 전단파의 초기 도달시간을 뜻한다.
벤더 엘리먼트의 양 끝단 사이의 거리는 90mm이며, 이를 초기 도달시간으로 나누어 전단파 속도를 산정하는데, Lee and Santamarina(2005)에서 다루는 근접장 효과를 고려하여 신호가 처음 변화하는 지점을 전단파의 초기 도달시간으로 하였다. 첫 번째 융해(T1) 후와 동결(F1) 후 BPC0.0, BPC0.5, BPC1.0, BPC2.0, BPC5.0, BPC10.0의 대표적인 전단파 신호를 Fig. 3에 나타냈다. 융해 후 전단파의 속도는 Fig. 3(a)와 같이 BPC0.0보다 BPC0.5에서 속도가 증가하였으며, 이후 BPC1.0에서 감소하고 BPC5.0까지 다시 증가하다가 BPC10.0에서 재감소하는 경향을 보였다. 동결 후 전단파의 속도는 Fig. 3(b)와 같이 BPC0.0에서 BPC1.0까지 속도가 점차 감소하고, BPC2.0에서 속도가 증가하다가 BPC5.0에서 BPC10.0까지 다시 감소하는 것으로 나타났다.
3.2 압축파 신호
피에조 디스크 엘리먼트로 얻은 신호 또한 전단파와 동일한 방법으로 압축파의 속도를 구하며, 식 (2)로 산정한다. Ltip-tip은 피에조 디스크 엘리먼트의 양 끝단 사이의 거리를 의미하고, tp는 압축파의 초기 도달시간을 뜻한다.
피에조 디스크 엘리먼트의 양 끝단 사이의 거리는 90mm이며, 이를 초기 도달시간으로 나누어 압축파 속도를 산정하는데, 전단파의 속도 산정 방법과 동일하게 Lee and Santamarina(2005)에서 다루는 근접장 효과를 고려하여 신호가 처음 변화하는 지점을 압축파의 초기 도달시간으로 하였다. 첫 번째 융해(T1) 후와 동결(F1) 후 BPC0.0, BPC0.5, BPC1.0, BPC2.0, BPC5.0, BPC10.0의 대표적인 압축파 신호를 Fig. 4에 나타냈다. 융해 후 압축파의 속도는 Fig. 4(a)와 같이 BPC0.0보다 BPC1.0에서 속도가 증가하였으며, 이후 BPC5.0에서 감소하고 BPC10.0에서 재증가하는 경향을 보였다. 동결 후 압축파의 속도는 Fig. 4(b)와 같이 BPC0.0보다 BPC0.5에서 속도가 감소하고, BPC1.0에서 속도가 증가했다가 BPC5.0까지 속도가 점차 감소하고 BPC10.0에서 다시 증가하는 것으로 나타났다.
4. 토의 및 분석
4.1 융해 시의 바이오폴리머 함량 영향
5번의 융해 사이클의 BPC0.0, BPC0.5, BPC1.0, BPC2.0, BPC5.0, BPC10.0 전단파 속도 및 압축파 속도를 Fig. 5에 나타냈다. 융해 사이클에서 전단파 속도는 BPC0.0보다 BPC0.5에서 속도가 증가하였다. 이는 바이오폴리머와 물이 혼합되면 수소와 분자간 결합을 통해 모래 입자 표면에 흡수된 하이드로겔이 형성되어 토양의 강도 및 탄성계수가 증가하며 강도 및 강성의 증진으로 전단파 속도가 증가하는 것으로 판단된다(Lemboye and Almajed, 2023). BPC0.5에서 BPC1.0으로 바이오폴리머 함량이 증가했음에도 전단파 속도가 감소하는 경향이 보이는데, 이는 잔탄검(Xantan gum) 바이오폴리머의 친수성 특징에서 비롯되며, 바이오폴리머가 수분을 흡수하여 토양의 점성을 증가시키고 시료 내 수분이 토양 입자 사이의 기공을 채워 각 입자 간의 결합을 더 유연하게 하기 때문에 전단파가 시료를 통과하며 더 많은 에너지를 흡수하는 것으로 판단된다(Bagheri et al., 2023). 이후 BPC5.0까지 함량이 증가할수록 전단파 속도가 재증가하는 경향을 나타내는데, 전반적으로 바이오폴리머 함량이 증가할수록 토양의 강도 및 강성 증진에 효과적이며, Arabani et al.(2024)에 따르면 토양에 0.25~5%의 잔탄검 바이오폴리머를 첨가하면 토양의 강성을 개선한다. BPC5.0보다 BPC10.0에는 전단파 속도가 다시 감소하는 경향을 보였다. 바이오폴리머의 과도한 농도는 더욱 흡수성 있는 겔 형태가 되어 강도를 잃고 입자 간의 결합을 방해하여 전체적인 강성을 저하시켜 5% 이상의 농도에서는 토양 구조가 과도한 점착성으로 인해 불안정해지고 이로 인해 전단파 속도가 감소한 것으로 판단된다(Lee et al., 2017). 융해 사이클에서 압축파 속도는 BPC0.0보다 BPC1.0까지 속도가 증가하였다. 이는 전단파 속도와 동일하게 바이오폴리머가 물과 혼합되면 수소와 분자간 결합을 통해 모래 입자 표면에 흡수된 하이드로겔이 형성되어 토양의 강도 및 탄성계수가 증가하며 강도 및 강성의 증진으로 압축파 속도가 증가하는 것으로 판단된다(Lemboye and Almajed, 2023). BPC1.0에서 BPC2.0으로 바이오폴리머 함량이 증가했음에도 압축파 속도가 감소하는 경향이 보이는데, 이는 잔탄검(Xantan gum) 바이오폴리머의 친수성 특징에서 비롯되며, 바이오폴리머가 수분을 흡수하여 토양의 점성을 증가시키고 시료 내 수분이 토양 입자 사이의 기공을 채워 각 입자 간의 결합을 더 유연하게 하기 때문에 압축파가 시료를 통과하며 더 많은 에너지를 흡수하는 것으로 판단된다(Bagheri et al., 2023). Byun et al.(2012)에 따르면 횡파인 전단파는 입자 간의 변형에 민감하게 반응하는 반면, 종파인 압축파는 밀도와 탄성에 영향을 받기 때문에 전단파와 압축파의 물리적 특성에 따라 각기 다른 구간에서 속도 변화가 나타나는 것으로 판단된다. 이후 BPC10.0까지 함량이 증가할수록 압축파 속도가 증가하는 경향을 나타내는데, 바이오폴리머와 물의 겔 네트워크 형성으로 토양의 강성이 전반적으로 증진되는 것이다. 전단파의 경우 이 고농도의 겔 구조가 토양을 유연하게 해 속도가 감소하는 반면, 압축파는 오히려 겔 네트워크가 토양의 압축 저항력을 크게 해 압축파의 속도는 증가하는 것으로 판단된다(Salonen, 2014).
4.2 동결 시의 바이오폴리머 함량 영향
5번의 동결 사이클의 BPC0.0, BPC0.5, BPC1.0, BPC2.0, BPC5.0, BPC10.0 전단파 및 압축파 신호 Fig. 6에 나타냈다. 동결 사이클에서 전단파 속도는 융해 사이클과 반대로 BPC0.0보다 BPC1.0까지 속도가 감소하였다. 이는 수분과 결합해 겔을 형성하는 잔탄검 바이오폴리머의 성질이 동결로 인해 수분이 부족하여 낮은 농도에서는 토양 입자에 고르게 분포하지 못해 충분히 강한 결합을 형성하지 못하고 이로 인해 전반적인 강성이 불안해져 전단파 속도가 감소한 것으로 판단된다(Pydi et al., 2024). 이후 BPC1.0보다 BPC5.0까지 증가하는 경향이 보였다. 이는 전반적으로 바이오폴리머 함량이 증가할수록 토양의 강도 및 강성 증진에 효과적이며, Arabani et al.(2024)에 따르면 토양에 0.25~5%의 잔탄검 바이오폴리머를 첨가하면 토양의 강성을 개선한다. BPC5.0보다 BPC10.0은 속도가 감소하는 경향을 보이는데, 이는 바이오폴리머의 과도한 농도가 입자 간 결합을 방해하고 과도한 점착성이 토양 구조를 불안정하게 하여 전단파 속도가 감소한 것으로 판단된다(Lee et al., 2017). 동결 사이클에서 압축파 속도는 BPC0.0보다 BPC0.5에서 속도가 감소하였다. 이는 Dubey et al.(2024)에 따르면 초기 잔탄검의 처리로 겔 구조를 형성한 상태에서 동결로 인해 겔 구조가 경직화되어 압축파에 대한 저항이 큰 것으로 나타났다. 또한 겔의 구조가 얼음의 형성으로 인해 부분적으로 파괴되어 압축파의 전달에 영향을 미친 것으로 판단된다(Sujatha et al., 2021). 이후 BPC0.5보다 BPC1.0에서 속도가 증가하였는데, 잔탄검 바이오폴리머의 농도를 높일수록 겔은 더 단단하게 형성되고 이 겔 구조는 얼음 결정 사이에서 더 밀접하게 결합되며 이로 인해 얼음 결정 구조가 고정되고 겔의 강도와 응집력이 증가해 압축파가 얼음과 겔을 따라 전파되는데 방해가 적어 압축파의 속도가 증가한 것으로 판단된다(Dubey et al., 2024). BPC1.0보다 BPC2.0에서 속도는 다시 감소하는 경향을 보이며, 이는 잔탄검 바이오폴리머는 동결 전에 이미 겔 구조를 형성하고 동결이 된 이후 토양 내 얼음은 다공성 구조를 만드는데, 이 틈 사이에서 압축파가 손실되며, 저농도의 잔탄검은 이러한 구조적 변화를 완전히 보완하지 못할 수 있어 압축파가 감소한 것으로 판단된다(Dubey et al., 2024). BPC2.0에서 BPC10.0까지 압축파의 속도는 다시 증가하는 경향을 보인다. 이는 바이오폴리머와 물을 섞으면 수소와 분자간 결합을 통해 모래 입자 표면에 흡수된 하이드로겔이 형성되며 이로 인해 겔 네트워크가 형성되며 전단파의 경우 이 고농도의 겔 구조가 토양을 유연하게 해 속도가 감소하는 반면, 압축파는 오히려 겔 네트워크가 토양의 압축 저항력을 크게 해 압축파의 속도는 증가하는 것으로 판단된다(Salonen, 2014).
4.3 반복 동결-융해 영향
반복 동결-융해 사이클의 thawed1, thawed2, thawed3 및 frozen1, frozen2, frozen3의 전단파 및 압축파 신호를 Fig. 7에 나타냈다. 반복 융해 사이클의 전단파 속도는 Fig. 7(a)과 같으며, BPC0.0의 경우 융해 사이클이 진행될수록 전단파 속도가 감소하는 경향이 있는데 이는 반복 동결-융해로 인해 내부 결속력이 약화하는 것으로 판단된다(Yoo and Jang, 2014). 반면에, 바이오폴리머 처리된 BPC0.5, BPC1.0, BPC2.0, BPC5.0, BPC10.의 경우 동결-융해 영향으로 다소 감소하는 경향이 있지만 처리되지 않은 토양에 비해 그 변화가 경미하다. 이는 바이오폴리머가 물질 내부에서 겔 형태를 형성해 미세한 구조적 안정성을 제공해 강성이 증가한 것으로 판단된다(Arabani et al., 2024). Fig. 7(b)는 반복 동결 사이클에서 전단파의 속도를 나타낸 것으로, BPC0.0의 경우 전단파의 속도가 동결 사이클에서 감소한다. 이는 얼음 결정이 형성되는 동안 구조적 결함이 발생하여 강성이 저하된 것으로 판단된다(Pydi et al., 2024). 하지만 바이오폴리머 처리된 BPC0.5, BPC1.0, BPC2.0, BPC5.0, BPC10.0의 경우 상대적으로 일정하거나 증가하는 경향을 보인다. 이는 바이오폴리머가 얼음 구조 성장 과정에서 결합제로 작용하고 그로 인해 미세 구조 안정성을 높인 것으로 판단된다(Lemboye and Almajed, 2023). 반복 융해 사이클의 압축파 속도는 Fig. 7(c)와 같이 나타냈다. BPC0.0의 경우 동결-융해가 반복됨에 따라 압축파의 속도가 감소하며, 이는 융해로 인해 시료 내부의 결속력이 약화되고 다공성이 증가한 것으로 판단된다(Dubey et al., 2024). 바이오폴리머 처리된 BPC0.5, BPC1.0, BPC2.0, BPC5.0, BPC10.0의 경우 압축파의 속도가 경미하게 감소하다가 증가하는 경향이 있는데 이는 바이오폴리머가 물질의 밀도를 높이고 미세기공을 채워 강성을 증진시킨 것으로 판단된다(Salonen, 2014). Fig. 7(d)는 반복 동결 사이클에서 압축파 속도를 나타낸 것이다. BPC0.0의 경우 압축파 속도는 동결이 반복되면서 압축파가 다소 증가하는 경향이 있는데, 이는 얼음 형성으로 인해 밀도가 증가했기 때문이다. BPC0.5, BPC1.0, BPC2.0, BPC5.0, BPC10.0의 경우 압축파의 속도는 상대적으로 증가하며 특히, 적정 농도 범위인 BPC0.25~BPC5.0에 포함되는 BPC1.0에서 가장 두드러지게 보인다(Arabani et al., 2024). 이는 바이오폴리머가 얼음의 미세구조 형성을 안정화하였기 때문으로 판단된다(Lemboye and Almajed, 2023).
5. 요약 및 결론
본 논문에서는 반복 동결-융해 과정에서 바이오폴리머 함량에 따라 변화하는 탄성파의 변화를 파악하기 위해 각 시료를 BPC0.0, BPC0.5, BPC1.0, BPC2.0, BPC5.0, BPC10.0으로 조성하고 5번의 동결-융해 과정을 반복하며 탄성파 신호를 측정하였다. 시료를 동결시키기 위해 MC 나일론 재질의 동결용 셀을 제작하였으며 동결 시 체적변화를 방지하기 위해 비교적 두껍게 제작하였다. 또한 셀을 통한 직접파를 최소화하기 위해 분리형 셀을 제작한 뒤 결합부에 고무판을 넣어 조립하였으며, 센서판은 마주보는 구조로 전단파 트랜스듀서인 벤더 엘리먼트와 압축파 트랜스듀서인 피에조 디스크 엘리먼트가 중앙부에 설치하였다. 냉동고의 설정온도는 -10℃이며, 이를 4시간 동결 후 실험실 상온(약 20℃)에서 20시간동안 융해시간을 유지하였다. 동결-융해를 반복하는 동안 셀에 부착된 탄성파 트랜스듀서를 통하여 전단파 및 압축파를 측정하였다. 본 연구를 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.
(1) 융해 사이클에서 바이오폴리머의 함량에 따라 전단파 속도, 압축파 속도가 변화한다. 초기 농도에는 전단파와 압축파 속도가 증가하지만 특정 농도 이상에서는 과도한 농도로 인해 속도가 감소하는 경향을 보인다. 바이오폴리머의 농도가 높을수록 토양 강도와 강성 증가에 효과적이지만 적정 농도 이하 또는 이상의 농도 에서는 강성이 저하된다.
(2) 동결 사이클에서 전단파와 압축파의 속도는 낮은 농도에서 감소하다가 일정 농도 이상에서는 증가하는 경향을 보인다. 특히 BPC0.5~BPC5.0 사이일 때, 전단파 및 압축파가 증가하며, 과도한 농도에서는 감소한다. 이는 잔탄검 바이오폴리머가 수분을 흡수하고 점성을 증가시켜 영향을 미침을 의미한다.
(3) 반복 동결-융해 사이클에서 전단파와 압축파 속도는 BPC0.0에서 감소하는 경향을 보이는 반면, 바이오폴리머가 처리된 BPC0.5~BPC10.0의 경우 토양의 안정성이 증가하여 그 변화가 경미하다. 바이오폴리머가 얼음 구조에서 결합제로 작용하여 미세구조의 안정성을 높이는 것으로 나타났다.
(4) 반복 동결- 융해 과정에서 바이오폴리머 함량에 따른 탄성파 신호의 변화를 관찰한 결과, 바이오폴리머의 농도가 0.5~5.0 사이 범위일 때 바이오폴리머의 강도 및 강성 증진 효과가 가장 크게 나타났으며, 그 이하 또는 이상의 농도에서는 오히려 토양을 유연하게 해 그 효과가 저하되는 것으로 나타났다.
(5) 반복 동결-융해의 영향으로 전단파와 압축파의 속도가 감소하거나 유지되는 것으로 나타났다. 바이오폴리머 적정 농도 범위인 BPC2.0 및 BPC5.0의 경우 높은 전단파 및 압축파 속도를 나타내며, 속도를 유지하는 경향을 보였다. 이를 통해 기존 연구에서는 진행하지 않은 바이오폴리머의 반복 동결-융해 영향을 파악할 수 있으며, 이는 바이오폴리머가 동결-융해 현장 조건에서 지반 강화 재료로서 적용 가능성이 기대된다.
