1. 서 론
2. 잔탄검 바이오폴리머로 인한 흙 입자의 결합력 증대효과
3. 바이오폴리머 처리토의 건조도 및 전단강성특성평가
3.1 전기비저항을 이용한 건조도 평가
3.2 벤더엘리먼트를 이용한 전단강성특성 평가
4. 실험 구성
4.1 전기비저항-전단파 모니터링 셀
4.2 잔탄검 바이오폴리머 주입 및 측정
5. 실험 결과 및 분석
5.1 전기비저항을 이용한 건조도 평가
5.2 건조과정에 따른 전단강성특성 변화
6. 요약 및 결론
1. 서 론
전 세계적인 환경보전에 대한 관심이 증가함에 따라, 각 산업 분야별로 환경오염을 최소화하기 위한 노력이 지속되고 있다. 시멘트는 강도 발현성, 접근성, 경제성과 같은 다양한 이점들로 인하여 토목·건축산업의 건설 재료로써 활용되어 왔다(Salas et al., 2016). 그러나 시멘트 양생 시 발생하는 이산화탄소(CO2) 및 질산화물(NOx)은 대기오염 및 온실가스 배출효과 등 다양한 환경 문제를 야기하기에 시멘트 사용을 최소화할 수 있는 친환경 재료에 대한 연구가 요구된다(Chang et al., 2016).
시멘트는 건축물 시공뿐만 아니라 지반 안정화에도 이용되며, 지반안정화에 사용되는 시멘트약액을 대체하고자 다양한 친환경 공법에 대한 연구가 진행되었다(Almajed et al., 2021). 친환경 재료를 활용한 지반안정화공법은 시멘트와 마찬가지로 흙 입자의 결합력 증대에 기초한다. 흙 입자의 결합력 증대효과는 개별 흙 입자 거동을 일관된 거동이 가능하도록 하여, 강도 및 강성, 그리고 미소변형율 거동 등을 포함한 흙의 공학적 특성에 영향을 미친다(Lee et al., 2008).
친환경 공법으로 Microbial-Induced Calcite Precipitation(MICP) 및 Enzyme-Induced Calcite Precipitation(EICP)와 같은 탄산칼슘(CaCO3)을 활용한 지반안정화공법이 제시된 바 있다. MICP와 EICP는 지반에 자연적인 탄산칼슘 생성을 유도하는 공법으로서, 탄산칼슘을 유도하는 매개체(미생물 및 효소)로 인하여 지반에 생성된 탄산칼슘은 흙 입자의 결합력을 증대시키는 역할을 수행한다(Almajed et al., 2021). 탄산칼슘을 활용한 지반안정화공법 외에도 바이오폴리머 그라우트와 같이 생체고분자를 활용한 친환경 공법 또한 제시된 바 있다. 대표적 생체고분자 재료에 해당하는, 잔탄검 바이오폴리머는 주변 온도 및 pH에 대하여 점도 변화가 크지 않다는 장점이 있으며, MICP공법에서 제기된 미생물 번식환경 조성에 대한 문제점을 보완하였기에 다양한 공학적 특성을 규명하기 위한 연구가 진행되고 있다(Soldo et al., 2020).
잔탄검 바이오폴리머는 지반에 주입 시 간극 사이로 침투하며, 건조과정을 통하여 흙 입자의 결합력을 증대시키는 효과가 있다. 그러나 잔탄검 매트릭스의 흙 입자 결합력 증대효과는 건조과정이 필수적으로 요구되며, 건조도에 따라 공학적 거동 특성이 상이하다는 문제점이 존재한다. 또한 전기적으로 중성인 입자로 구성된 사질토 지반에 대하여 직접적인 전기·화학적 결합을 하지 않기 때문에 건조과정이 진행되지 않은 초기 상태에서의 흙 입자간 결합력 증대효과는 기대할 수 없다(Chang et al., 2015). 따라서 건조과정에 의존하는 잔탄검 바이오폴리머의 경우 사질토 지반개량 시 건조과정이 원활하게 진행되는 지표면에 효과적으로 적용할 수 있다.
잔탄검 바이오폴리머가 친환경 지반안정화재료로서 활용되기 위해서는 흙의 종류 및 다양한 농도, 건조환경에서의 일관된 공학적 특성을 규명할 필요가 있다. 따라서 잔탄검 바이오폴리머를 사용한 흙 시료에 대하여 직접전단시험 및 삼축압축시험을 통한 전단거동을 규명한 바가 있다(Chen et al., 2019; Lee et al., 2019). 그러나, 선행연구는 일정 심도 및 응력조건에서의 흙시료에 대한 평가로서 규명된 바 상재압력이 존재하지 않는 지표면 조건에서 건조과정에 따른 전단강성특성에 대한 평가가 요구된다.
흙의 최대전단강성계수는 미소변형률 영역에서의 잠재적 액상화 평가, 동적하중하의 기초설계, 지반변형예측, 지진안정성과 같이 동적설계와 관련된 분야에서 이용되는 공학 정수이다(Lee and Lee, 2006). 흙의 최대전단강성계수는 일반적으로 공진주시험을 사용하여 평가할 수 있다. 공진주시험의 경우 현장응력 체계를 재현하는 시험으로서 높은 재현성으로 전단강성특성을 평가할 수 있다(Kim and Choo, 2010). 공진주시험을 사용한 방법 외에도 벤더엘리먼트를 사용하여 최대전단강성계수를 평가할 수 있다. 벤더엘리먼트의 경우 하중단계에 따른 전단강성특성변화를 연속적으로 측정가능하며, 흙의 고결화에 따른 전단강성특성을 평가할 수 있다(Kim et al., 2023; Lee and Lee, 2006). 또한 전기비저항 측정을 병행하여 다양한 응력상태 및 간극 내 구성 물질에 따른 흙 시료의 전단강성특성 또한 규명된 바가 있다(Hoang et al., 2022; Kim et al., 2022).
본 연구에서는 사질토로 구성된 지반에 대하여 지표 안정화 시 바이오폴리머 주입으로 인한 전단강성 증대효과를 규명하고자 하였다. 사질토에 주입된 잔탄검 수용액의 건조·양생도에 따른 전단강성 증대효과를 평가하고자 전극 및 벤더엘리먼트가 설치된 셀을 이용하여 전기비저항 및 전단파속도를 측정하였다. 잔탄검 수용액 농도에 따른 흙 시료의 전단강성특성을 비교하기 위하여 증류수 대비 잔탄검 분말의 중량농도(Wb/Ww)가 0.5% 및 1.0%인 잔탄검 수용액을 동일 건조밀도의 사질토에 주입함으로써 포화도 100%인 시료를 조성하였으며, 주입 후 336시간까지의 건조과정에 따라 전단파속도 및 전기비저항을 측정하였다. 본 논문에서는 잔탄검 바이오폴리머의 건조·양생도 및 농도에 따른 전단강성 증대효과 규명을 위한 실험구성, 결과 및 분석내용을 다룬다.
2. 잔탄검 바이오폴리머로 인한 흙 입자의 결합력 증대효과
일반적으로 잔탄검은 물에 용해된 후 흙에 주입된다. 잔탄검의 카복실기는 물과 혼합 시 카복실기 이온(COOH-)과 수소 이온(H+)으로 용해되며, 극성을 띄는 물질과 전기적 상호작용을 한다(Moghal and Vydehi, 2021). 물에 용해된 잔탄검 사슬 사이에는 물 분자가 존재하며, Fig. 1와 같이 건조과정이 진행됨에 따라 잔탄검 사슬 사이의 물 분자가 이탈하는 경향을 보인다. 건조과정이 진행됨에 따라 잔탄검 매트릭스의 겔화가 진행되며, 잔탄검 매트릭스가 건조 및 수축한다(Chang et al., 2015). 점토와 같이 전기적 극성을 띄는 흙 입자의 경우 잔탄검 수용액과의 전기적 상호작용으로 인하여 흙 입자 간의 결합력 증대효과를 기대할 수 있다. 그러나 사질토와 같이 전기적으로 중성상태인 흙 입자와 직접적인 전기·화학적 상호작용을 하지 않으므로 사질토 입자의 경우 잔탄검 매트릭스의 건조 및 수축으로 인한 흙의 결합력 증대효과가 발현된다(Chang et al., 2015).
3. 바이오폴리머 처리토의 건조도 및 전단강성특성평가
3.1 전기비저항을 이용한 건조도 평가
흙에서의 전기비저항은 흙 입자의 종류, 구속상태뿐만 아니라 간극 내 유체 및 포화도에 영향을 받으므로 지반의 지하수위 및 유체분포 조사와 관련된 지구물리탐사 기법에 주로 이용되고 있다. 그러므로 흙에서의 전기비저항을 평가함으로써 흙의 포화상태를 도출할 수 있으며, 대상 흙 시료의 전기비저항을 모니터링함으로써 흙 시료의 건조과정을 관찰할 수 있다. 실내실험의 경우 전기저항(R)을 측정함으로써 전기비저항(ρ)을 산정할 수 있으며, 전기저항과 전기비저항 간의 관계는 식 (1)과 같다(Hong et al., 2022).
여기서, 관계계수(α)는 측정 대상의 면적과 길이에 영향을 받는 계수로서 별도의 보정실험을 통하여 도출할 수 있다.
3.2 벤더엘리먼트를 이용한 전단강성특성 평가
최대전단강성계수는 전단파속도와 흙의 건조밀도에 연관되며, 전단파속도 측정을 위하여 벤더엘리먼트가 활용될 수 있다(Lee and Lee, 2006). 벤더엘리먼트는 분극화된 두개의 세라믹판 사이에 금속판을 결합한 구조로 구성되어 있으며, 물리적 에너지와 전기적 에너지를 상호 변환할 수 있는 트랜스듀서로서 이용된다. 발신 벤더엘리먼트는 특정 주파수의 전압을 인가하였을 때 해당 전압에 따른 변위 발생 및 접촉한 시료에 대하여 전단파를 발생시키며, 시료를 따라 전파하는 전단파는 수신 벤더엘리먼트에 도달 시 시간에 대한 전압으로 변환되어 전압 형태의 전단파를 관측할 수 있다(Lee et al., 2006). 벤더엘리먼트는 흙 입자와의 높은 커플링, 낮은 지향성, 전단파 전파 시 미소변형과 같은 장점으로 인하여 고결화로 인한 전단강성 증대효과 관측에 활용될 수 있다(Lee and Lee, 2006).
전단파의 속도는 Fig. 2와 같이 전단파의 전파방향과 입자의 진동 방향의 유효응력에 연관된다(Lee et al., 2006). 입자의 진동방향과 전단파의 전파방향이 지면과 수평평면에 존재하는 경우 전단파의 속도(Vs(HH))는 수평유효응력에 영향을 받는다. 반면에 전단파의 전파방향이 지면에 수평하나 입자의 진동방향이 지면의 수직평면에 존재하는 경우 전단파의 속도(Vs(HV))는 수직유효응력과 수평유효응력 모두에 영향을 받는다(Lee et al., 2006). 송신용 벤더엘리먼트에서 발생된 전단파는 벤더엘리먼트 끝단에서 수신용 벤더엘리먼트 끝단으로 전파되며, 전단파의 속도(Vs)는 식 (2)와 같이 계산할 수 있다(Lee et al., 2008).
여기서, L 및 Δt는 각각 벤더엘리먼트 끝단 간의 거리 및 전단파의 전파시간을 의미한다. 측정된 전단파의 속도와 흙의 건조밀도(ρd)를 통하여 식 (3)과 같이 최대전단강성계수를 산정할 수 있다.
4. 실험 구성
4.1 전기비저항-전단파 모니터링 셀
바이오폴리머 처리된 혼합토의 전단파속도 및 전기비저항 평가를 위하여 Fig. 3과 같이 내경 64mm, 내부 높이 70mm의 원통형 셀이 제작되었다. 셀 중앙부에는 Vs(HH)와 Vs(HV) 측정을 위하여 송신용(Transmitter) 및 수신용(Receiver) 벤더엘리먼트를 각각 설치하였으며, 전기비저항 측정을 위하여 벤더엘리먼트와 동일한 높이에 직경 6mm인 전극(Electrode pair)을 설치하였다.
전단파속도 측정에 이용된 벤더엘리먼트의 길이, 너비 및 두께는 각각 10mm, 5mm 및 0.6mm이며, 시료에 접촉된 길이는 5mm가 되도록 하였다. 또한, 병렬타입 벤더엘리먼트를 사용하여 전기적 간섭현상을 최소화하였다. 제작된 벤더엘리먼트는 에폭시를 이용하여 코팅되었으며, 전도성 접착제를 얇게 도포함으로써 외부 잡음을 차단하였다(Lee and Lee, 2006). 송신용 벤더엘리먼트로부터 전단파를 발생시키기 위하여 파형발생기(Function generator)의 단일정현파를 입력하여 사용하였다. 송신용 벤더엘리먼트로부터 발생된 전단파는 시료를 통과하여 수신용 벤더엘리먼트로 전파된다. 수신된 신호는 대역 필터 및 증폭기를 사용하여 잡음제거 및 증폭작업을 진행한 후 오실로스코프(Oscilloscope)로 수집되며, 해당 수신 신호의 변칙적인 잡음(Random noise)을 제거하기 위하여 1024개의 신호를 중첩하였다.
전극은 LCR미터와 연결되었으며, 50개의 저항을 측정한 후 평균하여 사용하였다. 제작된 셀로부터 측정된 대상 시료의 전기저항과 전기비저항의 상관관계를 정립하기 위하여 별도의 보정시험을 실시하였다. 전기저항 측정 시 사용주파수가 10kHz인 교류 전류가 적용되었으며, 전기저항과 전기비저항의 관계계수 도출을 위하여 전기전도도가 각각 200, 400, 600, 800μS/cm로 조성된 NaCl 수용액을 사용하여 전기저항을 측정하였다. 사용주파수 10kHz에서 측정된 전기저항과 전기전도도에 역수를 취함으로써 계산된 전기비저항의 상관관계를 Fig. 4에 도시하였으며, 모니터링 셀로부터 측정된 전기저항은 전극 간 매질의 전기비저항과 0.0051의 관계계수를 가지는 것으로 평가되었다.
4.2 잔탄검 바이오폴리머 주입 및 측정
바이오폴리머의 주입에 따른 사질토의 전단강성 증대효과를 평가하고자 24시간동안 70℃의 온도로 건조된 표준사를 건조밀도가 1.45g/cm3이 되도록 셀 내부에 조성하였으며, 잔탄검 바이오폴리머 수용액을 주입하여 포화도(S)가 100%인 시료를 조성하였다. 이때, 바이오폴리머 수용액 농도에 따른 흙 시료의 전단강성특성을 비교하기 위하여 두개의 시험셀을 준비하였으며, 각 셀에 주입된 바이오폴리머 수용액의 증류수(Ww) 대비 잔탄검 분말(Wb)의 중량 농도(Wb/Ww)는 0.5%(Cell1), 1.0%(Cell 2)에 해당한다. 바이오폴리퍼 수용액 제조 시 잔탄검 분말의 용해도를 높이기 위하여 50℃에서 30분간 혼합하였으며, Fig. 5와 같이 별도의 주입시스템을 적용하여 주입 시 발생할 수 있는 기포 및 공기주머니(Air pocket) 생성을 방지하였다. 또한, 주입 과정에서 발생할 수 있는 흙 시료의 교란을 최소화하기 위하여 셀 하단에서부터 약 30분간 낮은 주입속도를 유지하며 시료를 조성하였다.
잔탄검 수용액 주입 후 잔탄검 매트릭스 형성을 위한 충분한 건조 기간 및 매트릭스 형성과정에서의 전기비저항과 전단파속도의 변화 양상을 관측하기 위하여 잔탄검 바이오폴리머 주입 후 336시간까지의 전단파와 전기저항을 측정하였다. 전단파 측정시에는 1kH~50kHz의 대역필터가 적용되었으며, 실내온도를 20℃으로 일정하게 유지하여 온도로 인한 전기비저항의 영향을 최소화할 수 있도록 하였다.
5. 실험 결과 및 분석
5.1 전기비저항을 이용한 건조도 평가
Cell 1(Wb/Ww = 0.5%)과 Cell 2(Wb/Ww = 1.0%)로부터 건조시간 경과에 따라 측정된 전기비저항을 Fig. 6에 도시하였다. 두 시료 모두 잔탄검 바이오폴리머 주입 후 24시간동안 전기저항이 증가 후 수렴하는 양상을 보였다. 전기비저항은 온도에 영향을 받으며, 온도가 감소함에 따라 전기비저항은 증가하는 양상을 보여준다(Jung et al., 2015). 잔탄검 바이오폴리머 온도가 흙의 온도보다 높았을 것으로 판단되는 바, 주입 초기의 전기비저항은 낮게 측정되었다. 이후 혼합토의 온도가 감소 후 수렴하여 전기비저항 또한 동일한 양상을 보이는 것으로 판단된다. 혼합토의 온도가 수렴한 후(24시간 이후) 전기비저항은 72시간까지 감소하는 양상을 보였다. 전기비저항은 전기전도도의 역수이며, 전기전도도는 이온농도와 비례관계를 가지는 것으로 알려져 있다(Zhou et al., 2015). 따라서 잔탄검 바이오폴리머 제조과정에서 융해되지 못한 잔탄검 시료가 융해되면서 이온농도가 증가하였고, 전기비저항이 감소한 것으로 판단된다.
건조시간에 따라 각 셀에서 측정된 전기비저항은 증가하는 양상을 보였으며, 이는 건조과정에 따른 혼합토의 수분함량 감소에 기인하는 것으로 판단된다(Zhou et al., 2015). 또한 288시간 이후 저농도 혼합토(Wb/Ww = 0.5%)에서 급격한 전기비저항 증가양상이 확인되었다. 전기전도도는 흙 입자, 간극 내 유체에 연관되며, 건조과정이 진행됨에 따라 간극 내 유체의 전기전도도가 감소하여 전기비저항이 급격하게 증가한 것으로 판단된다. 저농도 혼합토의 경우 고농도(Wb/Ww = 1.0%)의 혼합토와 비교하였을 때 상대적으로 전기비저항이 높게 측정되었으며, 이는 잔탄검 바이오폴리머에 존재하는 카복실이온과 수소이온의 이온농도 차이에 기인하는 것으로 판단된다.
5.2 건조과정에 따른 전단강성특성 변화
두 시료에 대하여 바이오폴리머 수용액 주입 후 건조과정에 따라 0시간부터 336시간까지 24시간 간격으로 전단파를 측정하였다. 잔탄검 바이오폴리머 주입 후 초기에는 명확한 전단파가 관측되지 않았으며, 건조 192시간 이후 초동시간을 결정할 수 있는 명확한 전단파가 측정되었다. 잔탄검 바이오폴리머는 건조과정이 진행됨에 따라 겔화가 진행되며, 사슬구조 사이의 물 분자가 충분히 빠져나가지 않은 상태에서는 액체와 같은 거동을 보여주는 것으로 알려져 있다(Chen et al., 2019). 따라서 잔탄검 바이오폴리머 주입으로 인하여 혼합시료가 액체와 같은 거동을 보임으로써 전단파가 전파하지 못한 것으로 판단된다. 192시간이 지난 시점부터 측정된 전단파를 Fig. 7에 도시하였다. 시간에 따라 전단파의 초동시간이 감소하는 양상을 보였으며, 이는 잔탄검 매트릭스의 수축으로 인한 흙 입자의 결합력 증대효과에 기인하는 것으로 판단된다.
Fig. 7에서 결정된 전단파의 초동시간을 바탕으로 192시간부터 336시간까지 전단파속도를 도출하였으며 이를 Fig. 8에 도시하였다. 시간이 지남에 따라 모든 시료에서 전단파의 속도는 증가하는 양상을 보였으며, 고농도 바이오폴리머 혼합토의 경우 저농도 바이오폴리머 혼합토와 비교하였을 때 상대적으로 높은 전단파의 속도를 나타내었다. 0.5% 잔탄검 수용액을 주입한 혼합토의 경우 336시간에서의 Vs(HH), Vs(HV)는 192시간 대비 각각 131.0% 및 111.1%만큼 증가하였으며, 1.0% 잔탄검 수용액을 주입한 혼합토의 경우 336시간에서의 Vs(HH), Vs(HV)는 192시간 대비 각각 120.7% 및 126.2%만큼 증가하였다. 각 시료에서 측정된 192시간에서 336시간까지의 Vs(HH), Vs(HV)의 증가율은 상이했으며, 이는 자유면이 존재하는 연직방향면과 구속상태의 횡방향면에서의 건조과정 중 발생하는 수축율 및 응력 이방성에 기인하는 것으로 판단된다. 또한, 264시간에서의 전단파속도 증가 양상은 시료 내 건조 깊이가 벤더엘리먼트 설치 위치 도달함에 따라 해당 위치에서 형성된 잔탄검 매트릭스에 의한 영향을 받은 것으로 판단된다. 바이오폴리머 수용액 농도에 따른 최종적인 전단파속도를 비교하였을 때 저농도 바이오폴리머보다 고농도 바이오폴리머에서 높은 전단파속도를 관측했으며, Vs(HH), Vs(HV) 각각 108.4% 및 141.4% 높게 측정되었다. 따라서 잔탄검 바이오폴리머의 농도가 높을수록 흙 입자 결합력 증대효과 및 전단강성 증대효과가 높은 것으로 평가되었다.
6. 요약 및 결론
시멘트 그라우트로 인한 환경오염이 대두됨에 따라 친환경 지반안정제인 바이오폴리머 그라우트에 대한 관심이 높아지고 있다. 대표적인 친환경 그라우트인 잔탄검 바이오폴리머는 지반 내 주입 시 흙 입자의 결합력을 증대해주는 효과가 존재한다. 잔탄검 바이오폴리머 처리된 사질토의 경우 흙 입자 결합력 증대효과는 잔탄검 수용액 건조과정으로 인한 잔탄검 매트릭스 형성을 통하여 발현되며, 건조도에 따라 증대되는 특성을 보인다. 따라서, 잔탄검 매트릭스의 건조과정이 원활하게 진행될 수 있는 지표면에 대하여 효과적인 적용이 가능하며, 흙 입자 간의 마찰 및 전기적 인력과 같은 외력 저항성이 없는 지표면 사질토 지반에 대하여 지반 안정화를 기대할 수 있다.
본 연구에서는 전기비저항과 전단파를 이용하여 중량농도(Wb/Ww) 0.5% 및 1.0%의 잔탄검 바이오폴리머 수용액으로 포화된 사질토의 건조·양생에 따른 전단강성 증대효과를 규명하였다. 잔탄검 바이오폴리머 수용액을 주입한 사질토에 대하여 건조과정이 진행됨에 따라 벤더엘리먼트 설치 방향에 따른 전단파의 속도(Vs(HH) 및 Vs(HV))가 증가하는 양상을 보여주었으며, 이는 잔탄검 수용액이 주입된 사질토에 대하여 전단강성이 증대되었음을 의미한다. 또한 저농도의 잔탄검 수용액과 비교하였을 때 고농도의 잔탄검 수용액에서 전단파속도가 높게 평가되었다. 0.5% 잔탄검 수용액을 주입한 혼합토의 경우 336시간에서의 Vs(HH), Vs(HV)는 192시간 대비 각각 131.0% 및 111.1%만큼 증가하였으며, 1.0% 잔탄검 수용액을 주입한 혼합토의 경우 336시간에서의 Vs(HH), Vs(HV)는 192시간 대비 각각 120.7% 및 126.2%만큼 증가하였다. 또한, 농도 0.5% 및 1.0% 잔탄검 수용액을 주입한 사질토의 최종적인 전단파속도를 비교하였을 때 Vs(HH)의 경우 108.4%, Vs(HV)의 경우 141.4% 높게 측정되었으며, 해당 결과를 통하여 고농도의 바이오폴리머에서 더 높은 전단강성 증대효과를 보여주는 것으로 평가되었다. 전기비저항을 측정함으로써 잔탄검 수용액을 주입한 사질토의 건조 양상을 확인하였으며, 이를 통하여 잔탄검 바이오폴리머를 주입한 사질토의 건조과정에 따른 강성 증대효과를 확인하였다. 본 연구에서 도출된 바이오폴리머 농도 및 건조과정에 따른 전단강성 변화 특성은 사질토 지반개량 시 잔탄검 수용액 주입에 의한 전단강성 개량효과 예측에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
