한국지반공학회논문집 제28권 9호 2012년 9월 pp. 85 ～ 95 ISSN 1229-2427 http://dx.doi.org/10.7843/kgs.2012.28.9.85
친환경 유기산 재료를 활용한 지반개량 공법의 현장 적용성 평가
The Evaluation of the Field Applicability of the Soil Improving Method Using the Environment-friendly Organic Acid Material
이 종 휘1 Lee, Jong-Hwi 홍 종 욱2 Hong, Jong-Ouk Jin Youngguo2 Jin, Youngguo 천 병 식3 Chun, Byung-Sik
Abstract
The method of using organic acid is more environment-friendly for it improves the strength of the ground. The method of proliferating microbes makes soil particle bonded, finally improves the strength of the ground and decreasing permeability. Although there has been the research on the effect of strength increasing, there has never been a research on the evaluation of field application. In this paper, through the light drop weight test, the dynamic cone penetration test, the field density test, the variation of strength was investigated in the mixed ground with organic acid for 56 days.
As the results of the field test, it was found that the strength and stiffness of the ground increased with organic acid, and that through SEM-EDS, the precipitation of calcium carbonate made by specified microbe obviously increased with organic acid material and so the ground was improved. Therefore, the sustainable development of this method needs to be analysed more in the future.
요 지
유기산 재료를 이용한 지반 개량은 미생물을 배양하여 지반의 고결화로 인해 친환경적으로 지반의 강도를 증대시키 는 방법으로 다양한 토질 성상에 대해 유기산 재료를 혼합 후 미생물 증식으로 강도 증대효과를 규명한 바가 있으나, 현재까지 현장 적용성을 평가한 바가 없다. 본 논문에서는 유기산재료를 이용하여 지반의 미생물 증식으로 인한 지반 고결화에 대해 연구를 실시하였으며, 이를 위해 재령 56일까지 동평판재하시험, 동적콘관입시험, 들밀도시험, SEM-EDS분석을 통해 지반강도의 변화에 대해 규명하였다. 시험 결과, 유기산 재료를 첨가한 지반의 강도와 강성은 증가하는 경향을 나타냈으며, SEM-EDS로부터 탄산칼슘의 증가를 규명할 수 있었다. 향후 유기산 재료를 활용한 친환경적인 지반개량 공법의 지속적인 연구와 관심이 필요하다고 사료된다.
Keywords : Organic acid material, Microbes, Calcium carbonate, Light drop weight test, Dynamic cone penetration test, SEM-EDS
1 정회원, 한양대학교 건설환경공학과 박사과정 (Ph.D. Candidate, Dept. of Civil and Environmental Engineering, Hanyang Univ.) 2 비회원, 한양대학교 건설환경공학과 석사과정 (Graduate student, Dept. of Civil and Environmental Engineering, Hanyang Univ.)
3 정회원, 한양대학교 건설환경공학과 교수 (Professor, Dept. of Civil and Environmental Engineering, Hanyang Univ., Tel: +82-2-2220-0326, Fax: +82-2-2298-3270, [email protected], 교신저자)
* 본 논문에 대한 토의를 원하는 회원은 2013년 3월 28일까지 그 내용을 학회로 보내주시기 바랍니다. 저자의 검토 내용과 함께 논문집에 게재하여 드립니다.
Fig. 1. Sporosarcina pasteurii SEM pictures of microbes (Park et al., 2011)
1. 서 론
최근 원자재 값 상승과 건설 재료의 부족으로 인해 국내･외 건설업체는 많은 어려움을 겪고 있으며, 지반 개량분야에서는 수많은 공법들이 지금까지 발전에 발 전을 거듭하여 개발되어왔다(Otsuki et al., 2007). 과거 에는 연약지반의 현장조건 등을 고려하여 연약지반의 원지반 토사 자체를 치환하는 치환공법, 연직배수제인 샌드 드레인 및 페이퍼 드레인을 사용하여 압밀을 유발 하는 압밀배수공법, 동적하중을 이용하여 연약지반을 개량하는 다짐공법, 시멘트나약액 등 화학약품을 이용 하여 지반을 고결화시키는 주입공법과 혼합공법 등을 주로 사용하였다. 이러한 공법들 중 대부분은 지반의 강 도 증진에만 중점을 두었으며, 환경문제 발생에 대한 구 체적인 해결방안을 제시하지 못하고 있는 실정이다. 최 근 산업이 발달하고, 국민생활의 질이 향상됨에 따라 국 민들의 의식도 환경문제에 대해 관심을 가지게 되는 방 향으로 점차 변화되어 가고 있으며, 이러한 사회적 분위 기를 반영하여 환경문제를 극복하기 위한 다양한 연구 와 시도가 끊임없이 진행 되고 있다. 이와 더불어 경제 적이고 친환경적인 지반개량 공법 개발의 일환으로 미 생물을 활용한 지반개량 연구가 활발히 이루어지고 있 다(Park et al., 2011). 보통 토양학에서는 흙이 생물학 적･화학적인 작용으로 인해 단단해지는 것을 토양의 입 단화(Soil Aggregation)라고 하며, 토목분야에서는 고결 화(Cementation)라고 한다. 이와 아울러 De Muynck et al.(2010)은 어떤 재료의 표면이나 분리된 공간에 미생 물이 적합한 pH, 온도, 습도 내에서 증식하여 광물질이 쌓이거나 형성되는 것을 Biodeposition, 이렇게 생성된 광물질로 인해 고결을 일으키는 것을 Biocementation이 라고 하였다. 하지만 직접적으로 미생물을 이용한 지반 개량은 사전에 미생물을 배양해야 한다는 점에서 시공 비 증대의 우려가 있으며, 이에 이미 토사에 존재하는 미생물의 증식을 유도하여 지반개량을 할 수 있는 개량 공법이 필요하였다.
유기산 재료를 활용한 지반개량 공법은 일본 Osaki corp.에 의해 개발되어 콘알파 공법(Con- method)으로 불리며, 유기산 재료를 현장토에 배합하고 적정 다짐에 의해 전압이 발생하며, 압밀을 지속적으로 높여주며, 그 후 미생물 증식에 의해 호기성 호흡 및 혐기성 호흡의 반복 작용으로 간극수 및 공극의 감소 등으로 토사를 안정시키고(Osaki corp., 2011) 광물질 생성 미생물에 의
해 탄산칼슘의 형성 및 고결화를 진행시켜 강도를 증대 시킨다. Do et al.(2010)과 Kim et al.(2011)도 Chun (2010)이 연구한 결과와 마찬가지로 유기산 재료에 적 정 시멘트를 혼합시켜 강도증대를 꾀했지만, 노건조한 토사에 대해서는 강도증진에는 큰 효과가 없는 것으로 나타났다. 또한 Lee et al.(2012)은 다양한 토질 성상에 대해 유기산 재료를 혼합 후 미생물 증식으로 강도증대 효과를 규명한 바가 있으나, 현재까지 현장 적용성을 규 명한 바가 없다.
따라서, 본 연구에서는 유기산 재료를 활용하여 현장 지반의 미생물 생장으로 인한 지반특성을 규명하기 위 하여 유기산 재료 혼합에 따른 강도와 강성을 평가하였 다. 이를 위하여, 화강풍화토가 주인 현장부지를 선정하 여 재령에 따른 동평판재하시험, 동적콘관입시험, 들밀 도시험을 실시하였으며, SEM-EDS분석을 통해 지반의 고결현상 및 화학적 특성에 주목해 분석하였다.
2. 이론적 배경
2.1 흙의 미생물 효과
흙의 미생물은 흙을 변화시키는데 크고 많은 영향을 미 친다. Dejong et al.(2006)은 모래로부터 탄산칼슘(CaCO3) 계 Calcite를 석출하고 고결화(cementation) 반응을 시키
Fig. 2. SEM analysis pictures before and after organic acid material (Osaki Corp., 2011)
Fig. 3. Shape of organic acid meterial
Fig. 4. SEM picture of organic acid meterial (×500)
는 선행 연구(Saxena and Lastrico, 1978; Clough et al., 1981)로부터 미생물을 이용하여 직접적으로 탄산칼슘 을 석출(Microbial Induced Calcium Precipitation; MICP) 및 지반개량을 연구한 바 있다. 이러한 탄산칼슘형성작 용(MICP)의 주된 미생물은 보통 호기성 미생물로 Fig. 1 과 같은 Sporosarcina pasteurii이다. 흔히 Bacillus pasteurii 로도 불리며 pH 9.0 정도의 알칼리 환경을 선호한다 (Park et al., 2011). 하지만 이외에도 광물질, 특히 탄산 칼슘을 형성하는 미생물은 다양한 것으로 알려져 있다 (Whiffin, 2004).
2.2 유기산 재료
2.2.1 유기산 재료의 특성 및 효과
식품첨가물에 의하여 만들어진 유기산 재료는 미생 물 증식으로 인한 지반의 고결을 일으키는 지반개량재 이다. 이러한 개량재는 일본 Osaki corp.에 의해 개발되 어 콘알파 공법(Con- method)으로 불리며, 일본, 미국, EU, 중국에서 특허를 가지고 있다. 유기산 재료의 특성 을 알아보면 유기산재료를 첨가함으로써 흙의 점착력 이 증가하고 전압에 의한 압밀을 가속시켜 미생물에 의 해 안전하게 흙을 굳히는 재료로써 무공해 지반압밀 개 량재이며, 사과산, 구연산, 포도당 등이 주성분으로 이 루어져 있고 유기산 식품첨가물로 토양오염의 걱정이
없다. Fig. 2는 유기산 재료를 이용하여 지반처리 전･후 의 모습을 SEM을 통한 분석 사진으로 공극 사이를 메 꿔주어 지반을 개량한다(Osaki Corp., 2011).
유기산 재료에 의한 개량 흙의 잔토는 일반잔토로 처 리할 수 있으며, 산업 폐기물로 처분할 필요가 없어 환 경적인 문제를 해결하기 위한 친환경 지반개량재로 다 양한 연구와 시도가 끊임없이 진행 되고 있다. 기존 고 화재와 다른 개량법으로 압밀을 가속시켜 필요 강도를 확보, 유지하여 주며 가속적 압밀효과로 흙이 조밀해져 개량한 흙 양을 감소시켜주는 효과도 있다. 유기산 재료 에 의해 개량된 토양의 pH값은 4～6이며, 유산균의 증 식으로 인해 식물이 최상의 상태를 유지하도록 도와주 는 역할도 한다(Lee et al., 2012).
2.2.2 유기산 재료의 형태
Fig. 3, 4와 같이 유기산 재료는 0.01～0.05mm 직경 의 균등한 입자로 이루어진 설탕과 비슷한 백색 조립 입자와 같은 형상이며, 산이 주성분이기 때문에 신맛을 띈다.
Fig. 5. Ground improving mimetic diagram of an organic acid material
Fig. 6. Position of field test
2.2.3 유기산 재료에 의한 지반개량 매커니즘 Fig. 5에서 보는 바와 같이 개량 전에는 토립자와 토 립자의 상태가 벌집 구조와 같은 상태로 있으며, 통상의 전압에 의해서는 흙입자의 고리 사슬이 끊어지지 않는 형태로 존재하게 된다. 또한 이 때의 흙의 밀도는 현 상 태를 유지하며 연약한 상태를 띈다. 이러한 상태에서 적 절한 함수를 가지고 있는 지반에 유기산 물질을 포설하 게 되면, 각각의 토립자의 구조적 결합은 우선 코팅 되 며, 미생물이 증식하게 된다. 다짐으로 인해 토립자 고 리 사슬을 파쇄시키게 되며 토립자 사이로부터 압밀촉 진을 시킬 수 있는 공극이 형성 된다. 1차적으로 압밀촉 진에 의해 주변의 물은 분산되어 소산되게 되며, 2차적 으로 미생물의 증식에 의해 호기성 세균과 토양 미생물 은 호기성 호흡작용으로 확산된다.
호기성 상태에서 미생물의 활동으로 인해, 미소량의 수분이 발생하게 되지만 구조물로부터의 표면하중이나 자중 압밀에 의해 급속히 제거될 수 있는 정도의 양이 다. 또한 지반 내 공기는 호기성 호흡으로 인해 점차 감 소하게 되며, 동시에 공극이 감소된다. 이때부터는 이산 화탄소가 무기호흡의 원천으로써 사용되며 일부의 미 생물에 의해 혐기성 호흡으로 전환된다. 암모늄(NH4+), 질산염(NO2-), 황산염(S), 이산화탄소(CO2)와 같은 다른 무기물질들은 호흡에서의 전자 수용체로 사용된다 (David et al., 2005). 또한 지반에 존재하는 요소(Urea) 와 같은 물질은 미생물 증식에 의해 탄산이온과 암모늄 이온을 가수분해시키며, 탄산칼슘형성반응(MICP)을 촉 진시킨다.
이러한 반응의 결과로 미생물은 더욱더 급증하고 그 중 탄산칼슘형성반응(MICP) 미생물은 탄산칼슘을 생성 한다. 생성된 탄산칼슘은 토립자 내 기공구조를 생성하 고, 고결화를 진행시켜 점착력과 강도의 증대 및 투수계 수를 저하시키게 된다(Dejong et al., 2006).
3. 현장시험
3.1 현장시험 개요
3.1.1 현장시험 위치
현장시험 위치는 경기도 광주시 도척면 방도리 306-8 번지에 위치한 콘알파 공법 업체인 ㈜PIA 공장 부지에 서 실시하였다(Fig. 6 참조). 현장시험은 2012년 3월 29 일부터 5월 24일까지 재령에 따라 56일간 실시하였다.
최초 부지조성 이후 재령 3일, 7일, 14일, 21일, 28일, 56일 강도, 강성 평가를 실시하였다.
Fig. 7. Sectional view of field test
Fig. 8. Panorama of field
Table 1. Property of field soil
SG Water Content (%)
(kN/m3) Initial pH Liquid Limit (%)
PI (%)
m ax (kN/m3)
OMC
(%) USCS
2.55 17.6 15.4 7.35 26.9 10.6 19.5 9.5 SW
Fig. 9. Sequence of field test
3.1.2 현장시험 내용
현장부지에 총 3 CASE를 계획하였으며, 유기산 적용 지반(CASE #A) 및 미적용 지반(CASE #B)은 4m(L)×
4m(W)×1m(D) 규모로 조성하였다. 특히, CASE #A는 굴착 및 유기산을 혼합 후 다짐도 95%를 목표로 20cm 씩 5층을 다짐하여 조성하였으며, 이 때 유기산은 실내
시험에서 혼합한 발생토 총 중량의 3%를 혼합하였다.
CASE #B는 유기산을 혼합하지 않고 다짐도 95%를 목 표로 20cm씩 5층 다짐하여 조성하고, CASE #C는 원지 반을 유지하였다. CASE #B는 CASE #A의 대조군으로 써 유기산 재료의 혼합 유･무에 따른 강도, 강성 평가를 하기 위하여 조성하였으며, CASE #C는 원지반으로써, 1차적으로는 깊이에 따른 강도의 평가를 다른 CASE와 비교하기 위하여, 2차적으로는 유기산 재료를 혼합한 지반인 CASE #A가 어느 범위까지 강도증대가 일어나 는지에 대해 관찰하기 위하여 선정하였다. Fig. 7, 8은 각각 현장시험의 단면도와 실제 현장의 조성 후 부지전 경이다.
3.2 시험방법
3.2.1 현장시험 부지의 공학적 특성
현장시험을 실시할 지반의 공학적 특성은 모래를 76.54%을 포함하는 사질토 지반으로 균등계수(Cu) 20.27, 곡률계수(Cg) 1.23으로 입도 조성이 양호한 통일분류법 으로는 SW인 지반이다(Table. 1 참조).
3.2.2 현장시험 순서
현장시험 순서는 Fig. 9와 같은 순으로 실시되었다.
특히 CASE #A와 CASE #B는 굴착 후 저면에 폴리에틸
렌 차수 비닐을 설치하여 조성 후 주변에 수분이 조성지 반으로 침투하여 결과 값에 영향을 미치는 것을 방지하 였다. 되메우기 시 최대건조밀도 건조측 95%를 목표로 각층 다짐을 실시하였으며, 최후에는 층당 마무리 전압 을 실시하였다.
3.2.3 동평판 재하시험
동평판 재하시험은 원위치 시험장치인 평판재하시험 의 대안으로 FWD를 독일에서 대용으로 개발한 것이다.
기존 평판 재하시험에 비해 시험이 간편하고 반력으로 차량하중이 불필요하며 협소한 공간이나 높은 곳에서 도 시험이 가능하다(Park et al., 2003). 본 시험을 통하여 동적변형계수(Evd)를 구할 수 있으며, 지반의 지지력과 도 관련이 있다. 재하시험으로 구한 탄성계수를 이용하 여 지지력 계수로 환산 할 수 있다. 탄성계수는 처짐 측 정과 기록된 하중에 의해서 산출되며, 지반의 강성을 현 장에서 측정하기 위해서 사용되고 있다. 본 연구에서는 독일제 “Light Drop Weight Tester ZFG2000”을 사용하 여 유기산 재료가 혼합된 지반의 경우, 재령에 따른 강 성의 변화를 측정하기 위하여 실시하였다. 즉, 강성의 크기에 따른 동적변형계수(Evd)의 기준값에 주목하여 지지력 또는 다짐정도를 판별하였다.
3.2.4 동적콘관입시험
동적콘관입시험은 도로포장과 노상의 지지력을 측정 하기 위해 1950년대에 처음 고안된 것으로, 일정 무게의 자유낙하에 의한 힘이 Cone Tip을 타고 실험 지표면을 뚫고 들어가는 능력을 측정하여 지지력을 계측할 수 있 게 한 장비이다.
동적 콘 관입시험은 steel rod 하단에 팽이 모양의 콘 (cone)을 부착하고 상부에 있는 해머(hammer)를 통해 노상 또는 입상재료 등에 낙하･관입하여 콘의 관입량에 달하는 타격횟수를 연속적으로 실측하는 시험이다. 보 통 상부는 575mm 높이에서 8kg의 추를 떨어뜨릴 수 있 도록 되어 있고, 하부는 끝부분이 60°이며, 직경이 20mm 인 교체 가능한 콘으로 구성되어 있다(Sun et al., 2011).
동적콘관입시험은 많은 평가방법들과 융통성을 발휘 할 수 있어 동적콘관입시험의 PR(penetration rate)값은 CBR, 동적변형계수 E 값과 비교 산정할 수 있다. 또한, 다른 어떤 실험방법보다 간단한 측정방법을 보여주어 최근에는 많은 실험 데이터 값의 축척과 다양한 경험 값들이 축척되어 있으며 ASTM D6951에서도 도로포장
적용에 동적콘관입시험의 사용을 새로운 표준실험방법 으로 사용하고 있다(ASTM, 2003).
본 시험은 유기산 재료가 혼합된 지반의 PR값을 산정 하여 깊이에 따른 강도를 분석하기 위하여 실시하였다.
3.2.5 들밀도시험
들밀도시험은 흙의 단위체적중량을 현장에서 직접 구하는 시험으로 흙의 단위체적중량은 흙의 단위체적 당 중량을 말하며, 흙 입자만을 고려할 경우 건조단위체 적중량을 말한다. 본 시험은 유기산 재료가 혼합이 된 지반의 경우, 미생물의 증식으로 인한 지반의 고결화가 지반의 밀도에 어떤 영향을 미치는지 알아보기 위해 수 행하였다.
3.2.6 SEM-EDS 분석
SEM-EDS 분석은 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope)과 에너지 분산형 X-ray 분광분석기(Energy Dispersive X-ray Spectrometer)가 결합된 X선 분광분석 기술이다. 본 논문에서는 유기산 재료를 첨가한 현장지 반의 고결화 상태와 성분의 변화를 분석하기 위하여 사 용하였다.
4. 시험결과 분석 및 고찰
4.1 동평판재하시험 결과
각 CASE별 재령별 동평판재하시험 결과는 Fig. 10과 같다. 전반적으로 시간이 경과함에 따라 모든 CASE에 서 동적변형계수(Evd)는 증가하는 경향을 나타냈다. 하 지만 원지반(CASE #C)과 미적용 지반(CASE #B)은 재 령 56일까지 평균 11～24.4MPa(CASE #B의 경우), 5～ 16MPa(CASE #C의 경우) 정도로 재령에 따라 동적변형 계수값은 크게 변하지 않는 것으로 나타났으며, 특히 재 령 28일과 재령 56일 사이에서는 비가 오지 않고 기온 의 상승으로 높은 온도로 인해 지반의 수분 증발로 강성 이 일부 증가하는 경향을 나타냈다.
원지반(CASE #C)은 독일공업규격(DIN 18196)에 따 라 재령 56일을 제외하고는 도로 노상의 기준인 상대다 짐도(Dr) 95%을 만족하지 않았으며, 미적용 지반(CASE
#B)은 다짐도 95% 이상을 만족하여 다짐이 잘 된 것으 로 나타났다(Fig. 10, Table. 2 참조). 또한 우기 후인 지 반에 대하여 동평판재하시험은 실시하지 않았다. 이는
Fig. 10. Result of light drop weight test
Table 2. Relationship of compaction (Proctor, Dpr) and Evd
Sub-layer Compaction Dpr Deformability modulus Ev2
Dynamic deformability modulus Evd
DIN 18196 % MN/m2 MN/m2
GW, GI
(ex: Stone soil and Mineral Mixture)
≥103 ≥120 ≥60
≥100 ≥100 ≥50
≥98 ≥80 ≥40
≥97 ≥70 ≥35
GE, SE, SW, SI
≥100 ≥80 ≥40
≥98 ≥70 ≥35
≥97 ≥60 ≥32
Mixed and microparticles ground
≥100 ≥45 ≥25
≥97 ≥30 ≥15
≥95 ≥20 ≥10
Fig. 11. Change of water content followed pictures
유기산 적용 지반(CASE #A)의 경우 초기 부지조성 후 유기산 재료가 주변 토사의 수분을 대량으로 흡수하여 (Lee et. al., 2012) 지반이 연약해지는 현상으로 인해 측 정이 불가능하였다. 하지만 재령 56일까지 평균 동적변 형계수는 약 29.3MPa로 시간이 경과함에 따라 다른 CASE보다 강성은 증가하는 것으로 나타났다. 독일공업 규격(DIN 18196, 2006)에 따라 다짐도(%)를 추정하면 상대밀도가 100% 이상으로 증가한 것으로 추정할 수 있으며, 이는 4.3절에서 언급될 지반 밀도의 증대 경향 과 일치한다.
또한 유기산 적용 지반(CASE #A)은 Fig. 11에서 보 는 바와 같이 재령에 따른 지반의 함수비 변화에도 차이 가 있는 것을 나타내준다. 이는 들밀도 측정 시 산출한 각 CASE별 함수비로 각 측정 point에서 구한 값을 평균 하였다. 초기에는 CASE #A에서 높은 함수비(평균 23.5%)를 나타냈으나 동일한 기후조건에서도 시간이 경과함에 따라 재령 56일에서 평균 9.5%의 함수비를 보
여주는 바와 같이 유기산 재료를 함유한 지반의 경우, 탁월한 간극수의 소산 능력을 보여준다. 이는 Osaki corp.(2011)이 연구한 바와 같이 유기산 재료가 혼합되 는 경우, 빠른 건조 및 고화작용으로 함수비가 빠르게 소산되어 연약지반에도 유용할 것이라 판단된다.
4.2 동적콘관입시험
Fig. 12는 CASE별, 재령별 동적콘관입시험 결과이며, Fig. 13은 CASE별 PR경향을 나타낸 그림이다. CASE
#A의 경우는 동평판재하시험 결과와 마찬가지로 재령 초기에는 콘관입률(PR)이 100mm/blow에 전･후로 하여 아주 연약한 지반을 나타내나 시간이 경과함에 따라서 관입깊이가 20～30mm/blow로 전 심도에 걸쳐서 단단 해졌다. CASE #C의 경우는 전반적으로 콘관입률이 20mm 전･후로 상당히 단단한 지반을 나타내고 있으며, 이는 본 현장의 경우 상당히 오랜 시간에 걸쳐 형성된
(a) CASE #A (b) CASE #B
(c) CASE #C
Fig. 12. Result of dynamic cone penetration test according to CASE and material age
Fig. 13. The PR value according to the CASE
Fig. 14. Field density test result
지반이기 때문으로 판단된다. CASE #B의 콘관입률은 50mm/blow로 재령과는 무관하게 거의 비슷한 값을 나 타내고 있으며, 초기 강도와 큰 차이를 볼 수 없었다.
동적콘관입시험의 시험결과로 CASE #A와 CASE #B 를 비교 하였을 때 유기산 재료를 첨가한 지반이 재령에 따라 지반이 단단해지는 것을 볼 수 있다. 이는 유기산 재료의 첨가로 지반에 고결화가 일어나며, 시간에 따라 콘관입률은 낮아져 강도가 높아지는 것을 보여준다.
4.3 들밀도 시험 결과
들밀도 시험의 결과는 아래의 Fig. 14와 같다. CASE
#A의 경우 재령 56일까지의 들밀도 시험을 시행한 결과 단위 중량이 상승하는 것을 볼 수 있다. 이는 유기산 재 료를 첨가한 지반의 경우 미생물 증식으로 인하여 지반 이 고결화로 인하여 단위 중량이 소량 증가하였다고 판 단된다. 하지만 재령 28일에서는 약간 감소하였는데, 이 는 기후적인 요인으로 인해 일시적으로 감소한 것으로
판단된다.
CASE #B의 경우 교란된 지반으로 우기 또는 기타 주변 환경에 의하여 재령 21일까지에 대하여 단위중량 이 상승하는 경향을 보여주지만 재령 56일에는 초기와 유사한 값을 나타내고 있다.
전반적으로 앞서 언급한 동평판재하시험 및 동적콘 관입시험의 결과와 마찬가지로 유기산 재료에 의해 지 반의 강도가 커진다는 것을 알 수 있으며, CAES #A의 경우에는 이러한 단위중량의 증가와 함께 4.4절의 SEM-EDS분석 결과를 고찰해보면, 공극과 공극 사이에 미생물의 탄산칼슘의 생성으로 인한 지반 고결화가 강 도증대의 주요 원인으로 파악된다.
4.4 SEM-EDS 분석 결과
Fig. 15(a), (b)는 재령 56일 때 CASE #A에서 채취한 SEM-EDS 분석 결과이며, Fig. 16(a), (b)는 재령 56일 때 CASE #B 채취한 시료의 SEM-EDS 분석 결과이다.
대부분에서 Si, Al 원소가 검출되어 대부분의 토사가 보 유하고 있는 실리카(silica)와 알루미나(alumina)의 결정
(a)
(b)
Fig. 15. 56 days of age CASE # A SEM-EDS analysis
(a)
(b)
Fig. 16. 56 days of age CASE # B SEM-EDS analysis
판(crystalline sheet)으로 이루어져 있는 것을 알 수 있다 (David et al., 2005). 유기산 재료 적용 지반(CASE #A) 에서는 토사 입자와 입자 사이에 생성된 고결체에서 탄 산칼슘으로 추정되는 Ca, C, O 원소가 대량으로 검출되 었으며, 이는 탄산칼슘형성작용(MICP)에 의한 탄산칼 슘의 생성으로 판단된다. 이러한 탄산칼슘은 SEM 결과 에서 볼 수 있듯이 토사 입자 공극 사이에 생성되어 고 결화를 진행시키며 강도증대와 투수성을 감소시키게 된다.
하지만 미적용 지반(CASE #B)에서 일부는 Ca 이온 이 검출되나 그 양이 매우 미미하여(약 전체 중량의 1%
정도) 탄산칼슘으로 보기에는 무리가 있다. 이는 보통 토사의 양이온 교환능력(CEC, cation exchange capacity) 에 의해 K 또는 Ca 이온을 보유하는 능력으로 인한 이 온상태로 토사 내에 존재하는 양으로 판단할 수 있다 (Chapman, 1965). 하지만 보통의 토사 내에도 미생물은 존재하며, 일부 탄산칼슘형성 미생물(calcite forming bacteria, CFB)에 의해 소량의 탄산칼슘은 생성될 수 있
다(Kim, 2011). 또한 Fig. 16(b)에서 보는 바와 같이 넓 은 범위에서는 Ca 이온이 전혀 검출되지 않는 등 유기 산 재료 적용 지반(CASE #A)과 비교 시 유기산 재료의 혼한 유무에 따라 탄산칼슘 생성량의 확연한 차이를 보 여주고 있다.
5. 결 론
본 연구에서는 유기산 재료를 첨가한 현장지반의 미 생물 증식을 유발하여 친환경적으로 지반을 개량하고 자 하였으며, 지반 고결화로 인한 강도를 분석하기 위하 여 동평판재하시험, 동적콘관입시험, 들밀도시험, SEM- EDS분석을 수행하였으며, 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
(1) 동평판재하시험 결과, CASE #A(교란, 혼합 및 다 짐)의 경우 29.3MPa의 값이 측정되었으며, 이는 독 일공업규격(DIN 18 196)에 따라 다짐도(%)를 추정 하면 상대밀도가 100%이상으로 증가한 것으로 추 정할 수 있다. 따라서, 유기산 재료에 의해 강성이 증가하였다고 판단할 수 있다. 하지만, CASE #B(교 란 및 다짐)와 CASE #C(원지반)의 경우 평균 11～
24.4MPa, 5～16MPa로 초기 동적변형계수 값에 비 해 약간의 증가와 감소가 교차하는 변화를 보이지 만 재령에 따른 큰 차이점은 보이지 않았다. 이는 우기 후 기온 상승과 높은 온도로 인해 수분 증발로 인하여 강도의 변화가 있는 것으로 판단된다. 또한 CASE #A의 함수비는 초기 23.5%에서 재령 56일 후 9.5%로 다른 CASE에 비해 빠른 건조 및 고화로 인한 간극수의 소산을 보여주었다. 이는 연약지반 의 개량에 있어서 유용할 것으로 사료된다.
(2) 동적콘관입시험 결과, CASE #A 와 CASE #B를 비 교하여 분석한 결과, 콘관입률은 20～30mm/blow, 50mm/blow로 측정 되었다. 유기산 재료를 첨가한 CASE #A는 초기 콘관입률이 100mm/blow에 비하 여 상당히 감소하는 것을 볼 수 있었으며, 유기산 재료를 첨가하지 않고 교란을 시킨 CASE #B의 경 우 초기 관입률과 차이는 크지 않았다.
(3) 들밀도 시험을 실시하여 단위중량을 알아본 결과 CASE #B, CASE #C과 다르게 CASE #A에서의 높 은 변화를 볼 수 있었다. 이는 지반의 미생물 증식으 로 고결화가 일어나 지반의 강도를 증가시켰다는
점을 보여주며, SEM-EDS 분석 결과에서 보는 바와 같이 유기산 재료에 의한 미생물 증식으로부터 탄 산칼슘의 생성이 강도와 강성의 증대가 주요 메커 니즘이라는 것을 알 수 있었다.
(4) 향후에는 유기산 재료에 의한 탄산칼슘 형성 미생 물이 좀 더 상세하게 규명이 될 필요성이 있으며, 친환경적인 지반개량을 위하여 본 연구와 같은 미 생물을 활용한 공법의 연구와 활용이 지속되어야 할 것으로 판단된다.
감사의 글
본 연구는 Osaki Corp.에 의한 기술지원으로 수행되 었음을 밝히며, PIA(주)의 부지제공 및 콘알파 공법의 지원으로 연구가 진행되었습니다. 이에 감사를 드립니다.
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(접수일자 2012. 6. 25, 심사완료일 2012. 8. 10)
