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문제 정의
- 본 연구에서는 연약한 지반인 느슨한 사질토 지반에 미생물에 의해 생성된 탄산칼슘을 적용시 지반의 강도에 어떤 영향을 미치는지 분석하기 위하여 탄산칼슘을 시멘트와 같은 분말형태로 제작하였으며, 무처리, 탄산칼슘, 시멘트, 탄산칼슘+시멘트의 비(1:9, 3:7, 5:5)의 공시체를 7일, 28일 기간으로 제작하여 일축압축 실험을 통해 강도를 분석하였다. 또한 고결된 모래 입자에 #200체 통과된 시료를 0, 5, 15%를 혼합하여 동일한 다짐방법을 통해 일축 압축실험을 수행하였으며, 기존 연구된 순수한 Sand외의 실트함유가 함유된 지반의 강도 변화를 분석하였다.
제안 방법
- 본 연구에서는 연약한 지반인 느슨한 사질토 지반에 미생물에 의해 생성된 탄산칼슘을 적용시 지반의 강도에 어떤 영향을 미치는지 분석하기 위하여 탄산칼슘을 시멘트와 같은 분말형태로 제작하였으며, 무처리, 탄산칼슘, 시멘트, 탄산칼슘+시멘트의 비(1:9, 3:7, 5:5)의 공시체를 7일, 28일 기간으로 제작하여 일축압축 실험을 통해 강도를 분석하였다. 또한 고결된 모래 입자에 #200체 통과된 시료를 0, 5, 15%를 혼합하여 동일한 다짐방법을 통해 일축 압축실험을 수행하였으며, 기존 연구된 순수한 Sand외의 실트함유가 함유된 지반의 강도 변화를 분석하였다.
- 무처리 시료는 7일, 28일에 해당하는 공시체를 제작하였으며, 탄산칼슘, 시멘트, 탄산칼슘+시멘트(1:9, 3:7, 5:5) 공시체는 중량비 4%, 8%의 공시체에 세립분 #200체 통과 시료를 0, 5, 15%로 제작한 후 각각의 양생일(7일, 28일)에 따라 측정하였다. Table 2는 무처리, 탄산칼슘, 시멘트, 탄산칼슘+시멘트(1:9, 3:7, 5:5) 공시체의 배합비를 나타낸 표이다.
- 본 연구에서는 미생물 반응으로 생성된 탄산칼슘과 시멘트, 탄산칼슘+시멘트의 공시체는 일축압축강도를 측정하기 위해 동일한 다짐에너지를 가하는 방법으로서 공시체를 5층으로 나누고 층당 30회로 일정하게 유지하였고, 일축압축시험은 공시체에 대하여 1%/mm의 전단속도로 일축압축강도시험을 실시하였다.
- 시멘트의 경우 포졸란 반응으로 인한 강도효과가 확연히 들어나지만 미생물에 의해 생성된 탄살칼슘의 경우 포졸란 반응 없이 수분증발에 의한 결합 강도를 가지므로 시멘트와 혼합하여 시멘트 양을 줄이면서 최적의 효율을 갖는 혼합비를 찾고자 다음과 같이 시멘트 대비 1:9, 3:7, 5:5의 비를 시료에 혼합하여 일축압축강도를 측정하였다.
- 일축압축시험은 F0의 공시체 2개씩을 각각 제작하여 유사한 값을 나타냄을 확인 한 후 압축강도실험을 수행하였고, 파괴 형상은 다음 Fig. 4와 같다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 시료는 전북 남원시 송동면에 위치하고 있는 섬진강변에서 채취된 모래를 주재료로 사용하여 일축압축시험용 공시체를 제작하였다. 채취된 시료는 일축압축시험을 통해 강도를 측정할 수 있도록 시료(체가름시험을 통해 #60 체(0.
- 본 연구에서 사용된 B. pasteurii 균(KCTC 3558)은 한국생명공학연구원 생물자원센터에서 균 배양제로 균주를 분양받아 사용하였다. B.
- 실제 토목현장에서 쓰이는 흙의 경우 실트부터 점토 성분 등 다양한 종류의 세립분이 섞여 있기 때문에 본 연구에서는 모래 입자 사이에 포함되는 세립분으로 섬진강유역에서 채취한 흙을 체가름하여 #200번체 통과 시료인 세립분 0, 5, 15% 혼합하였으며, 모래와 세립분을 고결시키기 위한 고결제는 국내 S사의 포틀랜드 시멘트를 사용하였다.
- 본 연구에 사용된 시료는 전북 남원시 송동면에 위치하고 있는 섬진강변에서 채취된 모래를 주재료로 사용하여 일축압축시험용 공시체를 제작하였다. 채취된 시료는 일축압축시험을 통해 강도를 측정할 수 있도록 시료(체가름시험을 통해 #60 체(0.25mm), #100 체(0.15mm), #200 체(0.075mm)에 잔류하는 시료)를 1:1:1의 비율로 물과 배합하여 공시체를 제작하였다.
성능/효과
- (1) 세립분의 함유량이 5%, 15% 증가할수록 시멘트비에 따라 105～135%까지, 탄산칼슘의 비에 따라 104～128%까지 증가하는 경향을 확인할 수 있었으며, 이는 세립분이 조립분 사이를 채섬1우면서 단위중량이 증가한 것으로 판단되었다. 또한 세립분이 없는 공시체보다 세립분이 포함된 경우에서 시멘트비의 증가에 따른 강도증가율이 높게 나타났다.
- (3) 중량비 및 재령일에 따른 일축압축강도를 측정한 결과, 중량비와 재령일이 높아짐에 따라 일축압축강도는 증가하였으며, 탄산칼슘으로 재령된 공시체 보다 시멘트로 재령된 공시체에서 대부분 약 2.2배 높은 강도의 효과를 나타내었는데, 이는 시멘트 공시체에서 발생하는 수화반응으로 인한 강도증가로 확인되며, 탄산칼슘의 경우는 물의 증발로 인해 모래 입자들을 결속하는 수축작용이 발생함에 따라 강도가 증가한 것으로 나타나 시멘트에 비해 강도의 증가효과는 크지 않았음을 확인 할 수 있었다.
- (4) 기존 고결제인 시멘트와 미생물에 의한 탄산칼슘 고결제의 경제성을 분석한 결과, 일반 시멘트 약 18배, 초속경 시멘트 약 3배 정도의 차이가 났다. 하지만 시멘트 생산 시에 발생하는 이산화탄소 배출금 및 자연환경 훼손 등 사회적비용을 고려하였을 때 경쟁력은 충분히 있다고 판단된다.
- Fig. 5(a), 5(b)는 혼합비 4%, 8%에 대한 세립분이 없는 공시체의 재령일에 따른 일축압축강도의 결과이며, 실험 결과 혼합비에 상관없이 분말화한 탄산칼슘이 혼합된 공시체에서는 물과 섞여 모래입자 주변에서 건조되므로 물의 증발로 인해 모래입자와 입자를 잡아주는 수축작용이 발생함에 따라 탄산칼슘 공시체의 일축압축강도가 양생기간에 따라 최대 122.2%까지 강도가 증가한 것으로 나타났다.
- 측정결과, Fig. 7(a), 7(b)에 나타난 바와 같이 재령 7일 차 시멘트 대비 시멘트 강도에 비해 1:9의 경우 약 95.8% 수준, 3:7의 경우 약 82.4% 수준, 5:5의 경우 약 70.6% 수준의 일축압축강도를 나타내었으며, 재령일 28일차 시멘트 대비 시멘트 강도에 비해 1:9의 경우 약 93.5% 수준, 3:7의 경우 약 82.5% 수준, 5:5의 경우 약 65.2% 수준의 일축압축강도 비를 나타내었다. 이때, 재령 7일차 시멘트 대비 시멘트 강도에 비해 1:9의 경우 약 95.
- Fig. 6(a), 6(b)의 결과처럼 세립분의 함유량이 5%, 15% 증가할수록 일축압축강도는 증가하는 경향을 보였다. Fig.
- (1) 세립분의 함유량이 5%, 15% 증가할수록 시멘트비에 따라 105～135%까지, 탄산칼슘의 비에 따라 104～128%까지 증가하는 경향을 확인할 수 있었으며, 이는 세립분이 조립분 사이를 채섬1우면서 단위중량이 증가한 것으로 판단되었다. 또한 세립분이 없는 공시체보다 세립분이 포함된 경우에서 시멘트비의 증가에 따른 강도증가율이 높게 나타났다.
- 또한 시멘트, 탄산칼슘의 중량비가 4%에서 8%로 증가함에 따라 세립분 함유량에 관계없이 일축압축강도는 증가하였으며, 세립분이 없는 공시체보다 세립분이 포함된 경우에서 시멘트비의 증가에 따른 강도증가율이 높게 나타났다.
- 또한 재령일에 따른 일축압축강도는 탄산칼슘으로 재령된 공시체 보다 시멘트로 재령된 공시체에서 대부분 약 2.2배 높은 강도의 효과를 나타내었는데, 이는 시멘트 공시체에서 발생하는 수화반응으로 인한 강도증가로 확인되며 양생기간이 증가함에 따라 무처리, 탄산칼슘 공시체의 강도 증진효과보다 약 1.22배 높은 폭의 강도 증진효과를 나타냄을 확인 할 수 있었다.
- 무처리 공시체에서 나타나는 일축압축강도의 증가는 겉보기 점착력의 영향으로 양생기간에 따라 공시체의 일축압축강도가 약간 증가함을 확인 할 수 있었다.
- 본 연구에서 기존 고결제인 시멘트와 미생물에 의해 생성된 탄산칼슘과의 경제성을 비교해보면 공시체 제작에 사용된 시멘트 22g을 사용할 경우 비용은 약 3원(5,500원/40kg)이고, 초속경 시멘트의 경우 22g을 사용할 경우 약14원(25,000/40kg)이다. 미생물에 의한 탄산칼슘 22g 제조시 비용은 Urea 0.5g, 7원(15,000원/1,000g), NB 0.2g, 44원(110,000/500g), 염화칼슘 2.85g, 3원(920원/1,000g)으로 총 약 54원이 소요되므로 일반시멘트 약 18배, 초속경 시멘트 약 3배정도의 차이가 나타났다. 그러나 유해성 물질 절감 및 시멘트 1t제조 시 CO2, 870kg을 배출하기 때문에 CO2 배출금(탄소배출권의 경우 CO2 1톤당 30달러 부과)을 고려하고, 석회석 채광을 위한 생산시설 가동 및 운영에 소요되는 비용(Kwak and Kim, 2003)으로 일반비용 : 273,620,000천원, 투자비용 : 23,000,000천원, 부두시설 사용료 : 670,846천원과 석회석 채광시 생기는 환경 절감 가능액 임야 1ha당 1,284만원(2000년 기준 – 광산 개발 기간동안 지속 될 것으로 가정), 수원함양기능의 총 가치 22,554만원, 이산화탄소흡수량을 채광면적 1ha당 환산한 이산화탄소 흡수량 약 5만원, 산림휴양기능(한 사람이 산에 가기 위한 지불 비용 : 약 6만원 x 횟수), 산림 정수 기능(부유물질 제거하기 위한 비용 : 658.
- 본 연구에서 기존 고결제인 시멘트와 미생물에 의해 생성된 탄산칼슘과의 경제성을 비교해보면 공시체 제작에 사용된 시멘트 22g을 사용할 경우 비용은 약 3원(5,500원/40kg)이고, 초속경 시멘트의 경우 22g을 사용할 경우 약14원(25,000/40kg)이다. 미생물에 의한 탄산칼슘 22g 제조시 비용은 Urea 0.
후속연구
- (2) 미생물에 의해 생성된 탄산칼슘의 비에 따른 일축압축강도 측정한 결과, 1:9에서 시멘트 대비 약 93.5～95.8%, 3:7의 경우 82.5%, 5:5의 경우 65.2～70.6%로 혼합 비율은 3:7이 가장 효율적인 것으로 판단되나 추후 추가적인 혼합재료를 통하여 현장 그라우팅 사용 시에 알맞은 최적의 혼합비를 구해야할 필요성이 있다.
- 이를 통하여 미생물에 의해 생성된 CaCO3의 강도비율은 3:7의 비율이 가장 효율적일 것으로 판단되나, 추후 추가적인 혼합재료를 통하여 현장 그라우팅 사용 시에 알맞은 최적의 혼합비를 구해야할 필요성이 있다.
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