1. 서 론
2. 시료 및 재료
2.1 시험 시료
2.2 친환경 바인더(Binder)
3. 시험 방법
3.1 시료 배합 및 공시체 제작
3.2 동결-융해 반복시험
3.3 일축압축시험
3.4 직접전단시험
3.5 중공 공시체 기반 유출 시험
4. 시험 결과 및 고찰
4.1 일축압축강도 변화
4.2 전단강도 및 전단강도 정수 변화
4.3 침식 저항성 변화
5. 결 론
1. 서 론
우리나라는 뚜렷한 사계절을 보이는 온대 기후 지역으로, 겨울철 기온이 0℃ 아래로 떨어지면서 지중의 물이 얼고, 해빙기에 다시 녹는 과정을 반복한다. 이러한 동결-융해 작용은 공극 내 수분 상태를 크게 변화시키고, 그 결과 체적 변화와 미세 구조 손상이 누적되어 지반 강도 특성 및 안정성을 악화시킨다. 이로 인해, 사면 및 옹벽 붕괴, 구조물 침식 등 다양한 지반공학적 문제가 발생할 수 있으며, 이러한 문제들을 대처하기 위한 기술적 연구는 필수적이다(Yun et al., 2003).
동결-융해 작용을 포함한 다양한 지반공학적 문제로 인해 약화된 지반의 안정성을 확보하기 위한 보강재료로 시멘트가 가장 오랜 기간 활용되어왔다. 시멘트는 시공성이 우수하고 강도 확보에 있어 탁월하다는 장점이 있지만, 제조 과정에서 막대한 이산화탄소를 배출하고 고 pH 특성을 가져 환경 부담이 크다는 문제점이 있다(Kumar et al., 2025). 이러한 이유로 기존 시멘트계 재료를 대체할 수 있는 친환경 보강재에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.
그 중 생체 고분자 물질인 바이오폴리머는 흙 입자 사이의 binder 역할을 하여 결합력을 높이고 공극을 채워 강도 및 지반의 안정성을 확보하는데 효과적이다(Fatehi et al., 2021). 이러한 바이오폴리머는 인체 및 토양에 무해한 친환경 물질로 여겨지며, 지속 가능한 친환경 건설 재료로 주목받고 있다(Jung, 2018). 바이오폴리머는 유래되는 생명체(미생물, 식물, 동물)에 따라 각기 다른 물리적·화학적 성질을 지니며, 지반 안정성 확보를 위한 친환경 재료로서 다양한 바이오폴리머의 적용성을 평가하는 연구들이 진행되고 있다.
Chang and Cho(2012)는 β-glucan 바이오폴리머를 황토에 혼합하여 양생 온도 및 혼합량에 따른 압축강도를 평가하였으며, Ham et al.(2018)은 Dextran 바이오폴리머를 모래에 적용하여 Erosion Function Apparatus(EFA) 시험을 통해 바이오폴리머 혼합토의 침식 거동을 살펴보았다. Hataf et al.(2018)은 Chitosan 용액을 점토에 혼합하여 압축강도, 전단강도 변화를 분석하였으며, 포화 및 건조 조건에서의 지반 안정성 확보 성능을 비교하였다. Reddy and Varaprasad(2021)는 Xanthan gum을 혼합하여 양생 및 습윤-건조 반복시험을 수행하고 압축강도를 비교하여, Xanthan gum의 양생 조건에 따른 압축강도 특성 변화를 분석하였다. Ryou and Jung(2022)은 Guar gum 용액의 주입시험을 통해, 바이오폴리머 수용액의 점도 및 주입성을 평가하였으며 지반 보강 그라우팅 공법으로서의 적용성을 검토하였다. 또한, Ni et al.(2022)는 홍조류(red algae)에서 추출된 황산화 다당류인 Carrageenan과 단백질계 바이오폴리머인 Casein을 혼합 후 점토질 토양에 적용하여, 단일 재료만 적용하였을 때의 압축강도 변화를 비교 분석하였다. Lee et al.(2023)은 Xanthan gum과 Cr3+간의 교차결합을 통해 습윤 조건에서의 강도와 장기 침수 조건에서의 내구성 변화를 분석하였다. 이처럼 바이오폴리머의 지반 적용성에 대한 연구들은 바이오폴리머의 혼입률, 양생 및 토질 조건에 따른 강도 특성 변화, 침식 저항성 평가, 바이오폴리머 기반 재료간의 교차결합을 통한 내구성 확보 증진 등 다양한 방면으로 이루어지고 있다.
최근에는 바이오폴리머 처리토의 현장 적용성을 검토하기 위해, 동결-융해 반복 작용과 같은 환경 조건에서의 강도 및 내구성 변화에 관한 연구 또한 진행되고 있다. Lee et al.(2022)은 Xanthan gum 기반 바이오폴리머 처리토를 대상으로 건조-습윤 및 동결-융해 반복 조건에서의 압축강도를 평가하였으며, Boziyigit et al.(2023)은 Xanthan gum, Guar gum, Anionic polyacrylamide를 점토에 각각 적용하여 동결–융해 저항성을 평가하기 위해, 재료 종류와 수분 조건에 따라 강도 유지 특성 변화를 확인하였다. Kim et al.(2025)은 Xanthan gum을 규사에 적용하여 동결-융해 작용을 반복한 후 탄성파 특성을 분석하여 바이오폴리머 처리토의 안정성 및 구조적 특성 변화를 분석하였다. 이처럼 바이오폴리머를 적용한 흙의 동결–융해 저항성에 관한 선행연구는 지속적으로 수행되어 왔으나, 사용된 재료는 비교적 제한된 종류의 바이오폴리머에 편중되어 있다. 특히 일부 다당류계 바이오폴리머를 중심으로 동결-융해에 따른 강도 저하 및 내구성 변화가 평가되어 왔으며, 다양한 바이오폴리머 재료군에 대한 적용성 검토는 충분히 이루어지지 않았다. 더불어 연구 대상 역시 점토질 토양이나 표준사 중심으로 구성되어 있어, 실제 우리나라 지반 현장에서 흔히 접하는 화강풍화토에 대한 적용성 검토는 미흡하다.
이에 본 연구는, 단백질계 바이오폴리머인 Sodium caseinate와 Transglutaminase기반 재료로 처리된 화강풍화토에 동결-융해 반복시험을 진행한 후 일축압축강도시험, 직접전단시험, 중공 공시체 기반 유출 시험을 통해 사이클 수, 바이오폴리머 적용 유무에 따른 물리적 특성 변화를 비교 분석하였다. 이를 통해, 종합적으로 바이오폴리머 혼합토의 동결-융해 작용에 대한 저항성 향상 효과를 평가하였다.
2. 시료 및 재료
2.1 시험 시료
우리나라 지반의 2/3 이상은 화강암의 풍화에 의해 형성된 화강풍화토로 이루어져 있으며, 산지, 사면, 도로 등 다양한 토목 구조물의 기초 지반 등 여러 건설 현장에서 쉽게 접할 수 있다(Jeong et al., 1997). 이에 따라 본 연구에서는 국내에서 비교적 쉽게 접할 수 있는 화강풍화토를 대상으로 연구를 진행하였다. 대상 시료에 대해 체분석 시험(ASTM D6913), 비중 시험(ASTM D854), 액·소성한계시험(ASTM D4318), 다짐시험(ASTM D698) 등 진행하여 기본 물성을 파악하였으며, 시험 결과는 Table 1과 같다.
Table 1.
Results of physical property tests for the test soil
| Gs | Cu | Cc | LL (%) | PL (%) | PI | U.S.C.S | γdmax (t/m3) | ωopt (%) |
| 2.59 | 17.64 | 1.79 | 24.48 | 17.40 | 7.08 | SP-SC | 1.89 | 14.85 |
물성 시험 결과 본 연구에 활용한 화강풍화토는 균등계수(Cu) 17.64, 곡률계수(Cc) 1.79, 액성한계(LL) 24.48%, 소성한계(PL) 17.40%로 통일분류법에 따라 점토질 세립분이 약 5% 함유된 입도가 불량한 모래인 것으로 판별되었다.
2.2 친환경 바인더(Binder)
동결-융해 조건에서는 지반 내 간극수의 재분포 및 이동이 반복적으로 발생하며, 이는 구조적 약화와 강도 저하로 이어질 수 있다. 따라서 본 연구는 동결–융해 작용 하에서 간극수 이동을 억제하면서도 결착력과 내수성을 동시에 확보할 수 있는 친환경 바인더를 지반보강 재료로 적용하고자 하였다.
이러한 요구 성능을 만족하기 위한 바이오폴리머로 우유 단백질에서 추출된 카제인(Casein)을 기반으로 하는 카제인 나트륨(Sodium Caseinate)을 활용하였다. 카제인 나트륨은 카제인에 수산화나트륨(NaOH)을 반응시켜 카제인의 고 pH 조건 의존적 거동을 완화하여 친환경성을 확보한 바이오폴리머로, 열적 안정성과 유화 및 결착 특성을 갖는다. 한편 카제인 나트륨은 수용액에서 분산성이 우수하나, 수분 노출 조건에서 용해 거동이 나타날 경우 내수성 측면의 취약성이 발생할 수 있다. Kim(2021)은 이러한 카제인 나트륨의 내수성 저하 가능성을 보완하기 위한 첨가제로, 단백질 내부에서 가교결합을 유도하는 효소인 Transglutaminase(Tgase)를 제안하고 지반 보강재로 적용하였다. Tgase는 단백질 내 글루타민(Glutamine) 잔기와 라이신(Lysine) 잔기 사이에 교차결합을 형성함으로써 결합력을 증가시키는 역할을 하며(Fig. 1), 식품 산업에서도 햄, 소시지 스테이크 등의 결착제로 활용되는 것으로 알려져 있다. Kim(2021)은 사질토에 카제인 나트륨과 Tgase를 적용한 실험에서 강도 및 내수성 증진에 있어 카제인 나트륨 7%와 Tgase 5% 혼합비가 효과적임을 제시하였다. 따라서, 본 연구에서는 동결-융해 과정에서의 간극수 이동 억제와 강도 및 내수성 증진을 목표로, 선행 연구결과(Kim, 2021)를 근거로 화강풍화토에 카제인 나트륨 7%, Tgase 5%를 혼합 적용하여 실험을 수행하였다.
3. 시험 방법
3.1 시료 배합 및 공시체 제작
바이오폴리머 수용액 상태로 시료와 혼합할 경우 하이드로겔의 점성에 의해 재료가 부분적으로 응집되어 시료의 불균질성이 발생하여 실험 결과에 영향을 미칠 수 있다고 판단하였다. 이러한 영향을 최소화하기 위해 본 연구에서는 친환경 바인딩 재료와 시료를 건식 혼합한 후에 적정량의 물을 혼합하는 방식을 택하였다. 혼합 과정에서는 재료 및 시료의 충분한 혼합을 위해 믹서를 사용하였다.
먼저 카제인 나트륨, Tgase, 화강풍화토 시료를 전자저울을 통해 계량한 후 믹서를 이용하여 일정 시간동안 건식 혼합하였다. 이후 적정량의 물을 단계적으로 나누어 혼합함으로써, 시료 전반에 수분이 고르게 분포하도록 하였다. 이 과정에서 카제인 나트륨은 혼합과 동시에 점진적으로 겔화되어 결착 성능이 발현되도록 유도하였다. 시료 혼합의 전반적인 절차는 Fig. 2와 같으며, 시료 조성의 걸린 시간은 대략 5분 정도로 분포하였다.
공시체 제작 시 트리머 성형이나 다층 다짐 방식은 공시체 교란 또는 층간 경계면에서의 밀도 불균형 및 구조적 불균질성을 야기할 가능성이 있다. 이에 본 연구에서는 시료 전 구간을 한 번에 다진 후 유압잭을 통해 공시체를 추출할 수 있는 몰드를 특별히 제작하여 활용하였다. Fig. 3은 일축압축시험용, 전단시험용, 중공 공시체용 몰드와 이를 통해 제작되는 공시체의 형상을 표현하였다. Fig. 3c 몰드의 경우 가운데 강봉이 삽입된 구조로 강봉을 먼저 추출한 후 공시체 전체를 추출하여 공시체 중심부에 중공부가 형성되도록 설계한 몰드이다. 이를 통해 제작된 Fig. 3f와 같은 중공 공시체는 침식 저항성 평가 시험에 활용하였다.
각 공시체의 배합비는 Table 2에 정리하였다. 모든 공시체의 함수비는 다짐시험 결과에 따른 최적 함수비 15%로 제조하였다. 이는 동결–융해 작용을 충분히 발현시킴과 동시에 공시체의 다짐도를 안정적으로 확보하기 위해 설정하였다.
Table 2.
Specimen mix proportions
3.2 동결-융해 반복시험
지반의 동결-융해 작용은 수분의 공급 여부에 따라 폐합(closed) 조건과 개방(open) 조건으로 구분하였다. 폐합 조건은 동결이 진행되는 동안 외부로부터의 수분 공급이 차단되어, 지반 내부 수분만으로 동결과 융해과정이 이루어지는 조건을 의미한다. 반대로 개방 조건은 동결 과정에서 외부 수분이 지속적으로 유입되는 상태로, 이때 수분 이동이 활발해지면서 ice lens의 발달이 촉진되고 동결 영향이 상대적으로 크게 나타날 수 있다(Konrad and Morgenstern, 1980).
본 연구에서는 동결-융해 작용에 의한 바이오폴리머 혼합토의 뚜렷한 물리적 특성 변화를 살펴보고자, 충분한 동결-융해 작용을 유도하기 위해 개방 조건에서 시험을 진행하였다. 수분의 공급 방식은 상대 습도의 과포화에 의한 방법으로 설정하여 융해 시 상대습도를 100±5%로 유지하도록 하였다. 동결-융해 반복시험의 온도 및 시간 조건은 Soil-Cement 동결-융해 시험법인 ASTM D560을 참고하여 설정하였으며, 시험 조건은 Table 3과 같다.
Table 3.
Freeze-thaw test conditions
| Type | Freezing (Temperature/ Duration) | Thawing (Temperature/ Relative humidity/ Duration) |
| Open system | -20±5°C/ 24hr | 20±5°C/ 100±5%/ 24hr |
3.3 일축압축시험
본 연구에서는 동결-융해 작용을 받은 흙 공시체의 바이오폴리머 유무에 따른 압축강도 특성을 비교·평가하기 위해 KS F 2314 및 ASTM D2166을 준용하여 일축압축시험을 수행하였다. 직경 50mm, 높이 100mm의 원주형 공시체를 제작한 후 공시체 내 수분의 균질화 및 일정 강도 확보를 위해 24시간 양생을 실시하였다. 양생 조건은 바이오폴리머 처리토의 강도 발현이 양생 상대습도의 영향을 받으며, 특히 바이오폴리머 처리 모래의 경우 약 40%의 상대습도 조건에서 높은 강도를 나타내는 것으로 보고된 바 있다(Feng et al., 2024). 이에 본 연구에서는 양생 조건을 온도 20±5℃, 상대습도 40±5%로 설정하였다. 양생이 진행된 공시체는 3.2절에 제시한 조건에 따라 동결-융해 반복시험을 수행하였다. 반복 횟수는 0, 1, 3, 5, 7, 10, 20, 30회로 설정하여 초기 사이클과 장기 사이클에서의 압축강도 변화를 확인하고자 하였다. 동결-융해 반복이 완료된 공시체는 일축압축시험기를 이용하여 압축강도를 평가하였다. 하중 재하 속도는 1mm/min으로 설정하였으며, 공시체가 파괴되는 시점의 최대 하중을 측정하였다.
3.4 직접전단시험
본 연구는 동결-융해 반복 횟수, 바이오폴리머 적용에 따른 전단강도 및 전단강도 정수의 변화를 분석하고자 KS F 2343 및 ASTM D3080을 준용하여 직접전단시험을 수행하였다. 직경 60mm, 높이 25mm의 공시체를 제작하여 24시간 양생 후 동결-융해 반복 시험을 진행하였다. 전단시험 공시체의 동결-융해 반복 횟수는 0, 1, 3, 5, 7, 10회로 설정하였다. 전단강도 측정은 직접전단시험기를 이용하여 수직응력 1, 2, 3kg/cm2로 재하하고 수평변위 0.5mm/min의 일정한 속도로 가하여 파괴 시 전단응력을 측정하였다.
3.5 중공 공시체 기반 유출 시험
동결–융해가 반복되는 환경에서는 간극수의 상변화에 따른 체적 변동이 누적되어 토체의 공극 구조가 변화할 수 있으며, 그 결과 입자 간 결속이 약화되고 지반이 느슨해지는 경향을 보인다. 이러한 미세구조의 변화는 강도 저하뿐 아니라 토립자의 이탈을 용이하게 만들어, 침식에 대한 저항 능력을 감소시키는 요인으로 작용한다. 본 연구는 동결–융해 반복에 따른 침식 거동의 변화를 정량적으로 비교하고, 바이오폴리머 혼합이 토립자 유실을 얼마나 억제하는지 확인하기 위해 중공 공시체를 활용한 유출 시험을 수행하였다.
중공 공시체는 제작 후 반복 횟수는 0, 1, 3, 5, 7, 10회로 동결–융해 반복시험을 진행하였다. 동결–융해를 마친 공시체는 시험 전 질량을 계측한 뒤 유출 시험 장치에 장착하였다. 장치 하부에는 200번 체를 설치하여 유실된 토립자의 양을 측정하였고, 상부에서는 1.5m/s의 일정 유속으로 물을 공급하였다. 유실량 측정은 1분 간격으로 체를 교체하여 수행하였으며, 시험 종료 후 각 체에 모인 흙을 105±5℃ 조건에서 약 24시간 건조한 뒤 건조 질량을 측정하여 시간 구간별 유실량을 산정하였다.
4. 시험 결과 및 고찰
4.1 일축압축강도 변화
일축압축시험 결과는 Fig. 8, 9에 정리하였다. 동결-융해 작용이 발생하지 않은 0cycle에서의 바이오폴리머를 적용하지 않은 공시체(BP/X)의 압축강도는 1.00MPa, 바이오폴리머를 적용한 공시체(BP/O)는 2.34MPa로 측정되었으며, 바이오폴리머 혼합에 의해 약 2.3배 압축강도가 크게 증가한 것을 확인할 수 있었다.
동결-융해 작용 반복 횟수에 따른 강도 변화를 살펴보면, BP/X의 경우 반복 횟수 1회에서 0.76MPa로 급격히 저하된 후, 3~7회 구간에서는 0.74~0.69MPa 범위로 완만하게 감소하였다. 10~30회 구간에서는 0.59~0.56MPa 수준으로 저하되며 변화 폭이 점차 줄어드는 경향을 보였으며, 30회 기준 강도는 0회 대비 약 44%로 감소하였다.
BP/O의 경우 반복 횟수 1회에서 강도가 2.52MPa로 소폭 증가하였고, 7회까지는 동결-융해 반복 횟수가 증가함에도 불구하고 강도가 지속적으로 향상되는 양상을 보였다. 이후 압축 강도가 다소 감소하는 경향을 보였으나, 전 구간에서 약 3.6MPa 내외의 높은 강도 수준을 유지하였으며, 반복 횟수 30회 기준 초기 0회 대비 압축강도가 약 53% 증가하는 것으로 확인된다.
Fig. 9는 동결-융해 반복 횟수를 소요 일수로 환산하여 양생 공시체와 비교한 결과이다. BP/X는 모든 구간에서 동결-융해 작용이 발생한 공시체 압축강도는 양생 공시체 보다 낮은 값을 보이며, 2일(동결-융해 1회) 기준으로 동결-융해 공시체의 압축강도가 양생 공시체 대비 약 33%로 감소하였다.
BP/O는 7일(동결-융해 3회)까지 동결-융해 공시체가 양생 공시체와 유사한 강도 증가 경향을 보였으나, 15일(동결-융해 7회) 이후부터는 다소 낮은 강도 수준을 나타냈다.
압축강도 결과를 종합하면, BP/O는 BP/X 대비 초기 강도가 크게 발현되었으며 동결-융해 반복 이후에도 상대적으로 높은 강도 수준이 유지되었다.
이러한 결과는 Kim(2021)의 연구에서 보고된 바 있는 카제인 나트륨과 Tgase 가교 결합체의 높은 내수성이 동결-융해 작용 중 발생하는 공극 내 수분의 이동을 억제였기 때문이라 판단된다. 또한, Fig. 9에서의 결과와 같이 카제인 나트륨과 Tgase 사이의 가교 결합 반응은 시간이 지남에 따라 지속적으로 발생하며, 꾸준히 강도를 상승시킨다. 이러한 결과에 기인하여, 카제인 나트륨과 Tgase간의 가교 결합 반응이 저온 환경에서도 시간 경과함에 따라 여전히 지속되면서, 동결-융해 작용 발생 중에도 흙 입자 간의 바인딩 효과가 추가적으로 발현되었기 때문으로 판단된다. 본 연구에서는 이러한 결과들을 통해 카제인 나트륨-Tgase 기반의 바이오폴리머가 화강풍화토에서 동결-융해로 인한 강도 저하를 완화하고, 반복 작용 하에서의 장기적인 안정성 확보할 수 있음을 확인하였다.
4.2 전단강도 및 전단강도 정수 변화
직접전단시험 결과(Fig. 10) 바이오폴리머를 적용하지 않은 공시체(BP/X)는 동결-융해 반복이 증가할수록 전단강도가 전반적으로 저하되는 경향을 보였다. 수직응력 조건에 관계없이 감소 양상이 확인되었으며, 특히 수직응력 3kg/cm2 조건에서 전단강도 저하가 크게 나타났으며, 반복 횟수 5회에서는 0회 대비 전단강도가 약 절반 수준까지 감소되었다.
반면 BP/O는 동결-융해 초기 구간에서 전단강도가 상승하고 이후 큰 저하 없이 높은 수준을 유지하는 양상을 나타냈다. 모든 수직응력(1, 2, 3kg/cm2)에서 반복 횟수 0회 대비 3~5회까지 전단강도가 증가하였고, 7~10회에서도 유사한 전단강도 값을 유지하다. 동일 반복 횟수에서 BP/O는 BP/X보다 높은 전단강도를 나타냈으며, 초기에는 약 1.3~1.5배 수준이지만 반복이 누적될수록 격차가 확대되어 반복 횟수 10회에서는 최대 약 3.9배까지 차이를 보였다.
BP/O의 전단강도 향상 효율은 수직응력 조건에 따라 상이한 경향을 보였다. 수직응력 1kg/cm2 조건에서는 동결-융해 반복 횟수 1~5회에 비교적 큰 증가율이 나타났는데, 이는 낮은 응력 수준에서 바이오폴리머에 의한 입자 간 바인딩 효과가 상대적으로 크게 반영되었기 때문으로 판단된다. 반면 수직응력 3kg/cm2 조건에서는 동결-융해 반복 횟수 1~3회를 제외하면 증가율이 크지 않거나 5~10회에는 감소하는 경향이 나타났으며, 이는 높은 응력 조건에서 전단저항이 입자 간 마찰 및 맞물림 거동에 더 크게 지배되고, 반복 동결-융해로 약화된 바인딩 효과의 상대적 기여도가 감소하였기 때문으로 해석된다.
일반적인 흙의 경우 동결-융해 작용이 반복될수록 전단강도가 감소하는 반면, 바이오폴리머 혼합은 동결-융해 반복 조건에서 전단저항 저하를 억제할 뿐 아니라, 일정 구간에서는 오히려 전단강도를 증가시키는 것을 알 수 있다. 이는 동결-융해 작용 중에도 바이오폴리머의 바인딩 반응이 지속되어, 동결에 의한 지반의 구조적 취약성을 효과적으로 보강하였기 때문으로 판단된다.
Fig. 11~12는 전단강도 정수 내부마찰각과 점착력의 변화를 초기 내부마찰각(φ0)과 초기 점착력값(c0)으로 정량화한 그래프이다. 내부마찰각은 BP/X와 BP/O 모두에서 반복 횟수 10회 기준 초기 대비 감소하는 경향이 확인되었으나, 반복 횟수 증가에 따라 증가와 감소가 반복적으로 나타나는 비선형 거동을 보여 내부마찰각의 변화는 동결-융해 반복과의 뚜렷한 상관성을 보이지 않는 것으로 판단된다.
반면 점착력은 두 조건에서 뚜렷하게 상반된 양상을 보인다. BP/X 조건에서 c/c0는 전 구간에서 1 미만으로 나타났으며, 동결-융해 초기부터 낮은 수준으로 떨어져 반복 횟수 3~5회에서 약 0.29정도까지 감소하였다. 이후에도 점착력을 일부 회복하였으나 여전히 초기 대비 약 30~50% 수준의 낮은 범위에 머물렀다. 이에 비해 BP/O는 점착력이 동결-융해 반복 횟수 증가와 함께 크게 증가하는 양상을 보였으며, 반복 횟수 10회에서는 약 3배까지 증가하였다.
동결-융해 반복에 따른 전단강도 정수의 변화는 내부마찰각보다 점착력과의 상관성이 더 크게 나타났으며, 바이오폴리머를 혼합할 경우 동결-융해 작용 중에도 반응이 지속되어 점착력의 저하를 억제할 뿐만 아니라 이를 크게 증가시키는 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과는 동결-융해 반복에 의한 극한 환경 조건에서도 바이오폴리머가 흙 입자 사이에서 바인더로서의 역할을 충분히 수행하고 있음을 보여준다.
4.3 침식 저항성 변화
유출 시험 결과(Fig. 13), 바이오폴리머를 적용하지 않은 공시체(BP/X)는 모든 동결–융해 조건에서 시험 시작 후 최대 5분 이내에 공시체의 완전 유실이 발생하였으며, 0회 조건에서의 완전 유실 도달 시간은 4분 43초으로 측정되었다. 특히 동결-융해 반복 횟수 5, 7, 10회 조건에서는 유실이 매우 급격하게 진행되었으며, 완전 유실까지 소요된 시간은 각각 1분 57초, 1분 47초, 57초로 확인되었다. 동결-융해 반복 0회와 비교해보았을 때, 반복 횟수 10회 이후 약 79.9% 빠른 유실이 발생하는 양상을 보였다.
반면 BP/O는 동결–융해 반복 횟수가 증가하여도 유실률 변화가 거의 나타나지 않았다. 모든 조건에서 시험은 최대 5분까지 수행되었으며, 유실률은 2% 미만으로 유지되어 토립자 유실이 거의 발생하지 않았다.
이처럼 BP/X는 동결–융해 반복에 따라 유실 속도가 증가하면서 침식 저항성이 크게 저하된 반면, BP/O는 동결–융해 이후에도 유실이 거의 발생하지 않아 높은 침식 저항성을 유지하였다. 이는 카제인 나트륨–Tgase 기반 바이오폴리머 혼합이 동결–융해에 따른 침식 저항성 저하로 인한 토립자 유실 억제에도 효과적임을 확인할 수 있다.
5. 결 론
본 연구는 동결-융해 반복 환경에서 카제인 나트륨-Tgase 기반 바이오폴리머를 혼합한 화강풍화토의 물리적 특성 변화를 규명하고자 하였다. 이를 위해 개방 조건(open system)에서 동결-융해 반복 시험을 수행한 후, 일축압축시험, 직접전단시험 및 중공 공시체 기반 유출 시험을 실시하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
(1) 압축강도 특성
바이오폴리머를 혼합한 공시체(BP/O)는 바이오폴리머를 혼합하지 않은 공시체(BP/X)에 비해 초기 압축강도가 현저히 크게 나타났으며, 동결-융해 반복 이후에도 높은 강도 수준을 유지하였다. BP/X는 반복 횟수 1회 이후 강도 저하가 두드러진 반면, BP/O는 반복 작용 중에도 강도 발현이 유지되거나 일부 구간에서 증가하는 경향을 보여, 계절적 동결–융해 환경에서 압축강도 확보에 유리한 것으로 판단된다.
(2) 전단강도 및 전단강도 정수 변화
직접전단시험에서 바이오폴리머를 혼합하지 않은 공시체(BP/X)는 동결-융해 반복 횟수 증가에 따라 전단강도가 전반적으로 감소하였다. 반면 바이오폴리머를 혼합한 공시체(BP/O)는 초기 반복 구간(3~5회)에서 전단강도가 뚜렷이 증가하고 이후에도 비교적 안정적인 수준을 유지하였다.
전단강도 정수 분석 결과, 내부마찰각은 반복 횟수에 따라 증가와 감소가 교차하여 명확한 상관성이 확인되지 않았으나, 점착력은 BP/X에서 감소 경향이 지속되고 BP/O에서는 초기 대비 크게 증가하였다. 따라서 동결-융해 조건에서의 전단저항 변화는 내부마찰각보다 점착력 변화와의 연관성이 더 크게 나타났으며, 바이오폴리머 혼합은 전단강도 저하 억제 및 점착력 증진을 통해 전단 파괴에 대한 안정성 확보에 기여하는 것으로 확인된다.
(3) 침식 저항성 평가
중공 공시체 기반 유출 시험에서 바이오폴리머를 혼합하지 않은 공시체(BP/X)는 동결-융해 반복이 누적될수록 유실 진행이 가속화되었고, 반복 횟수 10회 이후에는 완전 유실 도달 시간이 크게 단축되었다. 반면 바이오폴리머를 혼합한 공시체(BP/O)는 반복 횟수 10회 이후에도 유실률이 2% 미만으로 유지되어 토립자 유실이 사실상 거의 발생하지 않았으며, 모든 사이클 조건에서 높은 침식 저항성을 나타냈다. 이는 바이오폴리머 혼합이 동결-융해 작용에 따른 침식 저항성 저하로 인한 입자 유실 억제에 효과적임을 의미한다.
본 연구의 결과는 카제인 나트륨-Tgase 기반 바이오폴리머가 화강풍화토의 동결-융해 취약성을 보완하고, 강도 특성과 침식 저항성을 동시에 향상시킬 수 있는 친환경 지반 보강재임을 실험적으로 입증하였다. 다만, 본 연구에서는 특정 함량비에 따른 보강 효과를 확인하였으며, 경제성과 효율성을 극대화할 수 있는 최적 함량비 도출에 한계가 있다. 또한, 온도 환경 변화에 따른 바이오폴리머 바인더 자체의 재료적 특성 변화가 지반의 장기 안정성에 미치는 영향에 대한 심도 있는 고찰이 요구된다. 향후 이러한 한계점들을 고려하여 추가적인 연구들이 수행된다면, 바이오폴리머 보강 공법의 설계 기준 정립과 실규모 현장 적용에 중요한 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
