지금까지의 지반개량공법은 지반의 강도증진을 중점으로 개발되어 왔으며, 경제성과 취급 성이 우수한 시멘트계 안정재를 이용한 지반개량공법이 주로 사용되고 있다. 시멘트계 안정재를 이용한 지반개량 공법은 효과가 우수하지만 환경 및 인체에 유해한 물질이 검출되며 이산화탄소 배출 및 지하수 오염 등의 환경적인 문제가 지적되고 있다. 따라서, 이런 문제를 해결할 수 있는 대체 공법의 일환으로 생물학 기술을 접목한 지반개량공법의 연구가 활발히 이루어지고 있다. 이에 이 연구는 점성토에 친환경 고결제와 미생물을 혼합하였을 때의 강도변화 특성을 파악하고자 친환경 고결제와 미생물의 혼합여부와 양생일수에 따라 일축압축시험, 직접 전단시험, SEM 분석 및 X선 회절분석 등을 실시하였으며 시험결과 미생물의 탄산칼슘생성작용으로 인한 고결화와 그로 인한 장기강도증진을 확인하였다.
지금까지의 지반개량공법은 지반의 강도증진을 중점으로 개발되어 왔으며, 경제성과 취급 성이 우수한 시멘트계 안정재를 이용한 지반개량공법이 주로 사용되고 있다. 시멘트계 안정재를 이용한 지반개량 공법은 효과가 우수하지만 환경 및 인체에 유해한 물질이 검출되며 이산화탄소 배출 및 지하수 오염 등의 환경적인 문제가 지적되고 있다. 따라서, 이런 문제를 해결할 수 있는 대체 공법의 일환으로 생물학 기술을 접목한 지반개량공법의 연구가 활발히 이루어지고 있다. 이에 이 연구는 점성토에 친환경 고결제와 미생물을 혼합하였을 때의 강도변화 특성을 파악하고자 친환경 고결제와 미생물의 혼합여부와 양생일수에 따라 일축압축시험, 직접 전단시험, SEM 분석 및 X선 회절분석 등을 실시하였으며 시험결과 미생물의 탄산칼슘생성작용으로 인한 고결화와 그로 인한 장기강도증진을 확인하였다.
The soil improvement method so far has been developed with an emphasis on enhancing the strength of the ground. A soil improvement method using a excellent cementitious stabilizer in economical efficiency and handling property is mainly used. The soil improvement method using cementitious stabilizer...
The soil improvement method so far has been developed with an emphasis on enhancing the strength of the ground. A soil improvement method using a excellent cementitious stabilizer in economical efficiency and handling property is mainly used. The soil improvement method using cementitious stabilizer is effective but environmental and human harmful substances are detected and environmental problems such as carbon dioxide emission and groundwater pollution are pointed out. Therefore, as part of an alternative method capable of solving such problems, researches on the soil improvement method incorporating biological technology are being actively carried out. This study was conducted to investigate the characteristics of strength change when mixed with environmentally friendly soil binder and microorganism in clay, and it was analyzed by uniaxial compression test, direct shear test, SEM, XRD. As a results of the test, we confirmed the cementation caused by microbially induced calcite precipitation and the strength increase enhancement by it.
The soil improvement method so far has been developed with an emphasis on enhancing the strength of the ground. A soil improvement method using a excellent cementitious stabilizer in economical efficiency and handling property is mainly used. The soil improvement method using cementitious stabilizer is effective but environmental and human harmful substances are detected and environmental problems such as carbon dioxide emission and groundwater pollution are pointed out. Therefore, as part of an alternative method capable of solving such problems, researches on the soil improvement method incorporating biological technology are being actively carried out. This study was conducted to investigate the characteristics of strength change when mixed with environmentally friendly soil binder and microorganism in clay, and it was analyzed by uniaxial compression test, direct shear test, SEM, XRD. As a results of the test, we confirmed the cementation caused by microbially induced calcite precipitation and the strength increase enhancement by it.
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제안 방법
점성토의 구조 변화와 조직의 변화 등을 확인하기 위해 무처리 시료와 친환경 고결제만 혼합한 경우, 친환경 고결제와 미생물을 혼합한 경우에 대해 24시간 양생 후 SEM 분석을 실시하였다. 또한 미생물 주입 시 발생되는 탄산칼슘의 생성과 재료 혼합 시 시료의 정성적인 변화를 평가하고자 X선 회절분석을 실시하였다.
친환경 고결제와 미생물을 첨가한 점성토의 특성을 평가하기 위해 일축압축시험과 직접전단시험을 실시하였고, SEM 분석을 통해 간극과 흙 입자 간의 변화를 평가하고 X선 회절분석을 활용하여 정성적인 분석을 실시하였다. 또한, 무처리 시료와 비교, 분석하여 친환경 고결제와 미생물을 이용한 점성토의 강도변화 특성을 평가하였다.
또한, 전단특성을 평가하기 위해 무처리 시료와 친환경 고결제만 혼합한 경우, 친환경 고결제와 미생물을 혼합한 시료를 대상으로 직접전단시험을 실시하였으며, 미생물 혼합 시 시간경과에 따른 전단특성을 평가하기 위해 친환경 고결제와 미생물을 혼합한 경우의 시료를 1일, 7일 및 28일 양생시킨 시료로 실험을 진행하였다.
분양받은 균주의 활성화를 위해 CASO AGAR 배지에서 2번의 계대 배양을 실시하였으며, 활성화된 균주를 5mL 시험관에 접종하여, 30°C의 세이킹 인큐베이터에서 2일간 배양한 후, 멸균된 1,000mL 배지에 0.5%가 되게 접종하였다.
시료의 균질성을 확보하기 위하여 함수비 조절은 소형 믹서기를 이용하였으며 실험에 사용된 점성토 시료는 카올리나이트와 벤토나이트를 5 : 5(중량비)로 혼합하여 사용하였다. 시료의 충분한 혼합이 이루어질 때까지 충분한 교반을 실시하였으며 위치별 함수비 측정을 통하여 시료의 균질성을 확인하였다. 실험에 사용된 시료혼합장치의 제원은 아래 Table 6과 같다.
이에 이 연구에서는 친환경 고결제를 이용하여 미생물이 활착하고 증식하여 탄산칼슘형성작용으로 인한 고결화가 진행될 때까지 필요한 초기 강도와 내구성을 확보한 후, 미생물의 탄산칼슘작용으로 인한 고결화로 장기적인 강도를 발휘할 수 있도록 하였으며, 이때 지반개량의 최소 목표는 작업차량 주행을 기준으로 하였다.
점성토 시료의 물리적 특성과 강도 특성을 평가하기 위하여 비중, 함수비, 액성한계, 소성한계 시험을 실시하였으며 그 결과는 Table 2와 같다.
점성토 지반에 친환경 고결제 첨가에 따른 일축압축강도 증가특성을 평가하기 위하여 친환경 고결제를 첨가하지 않은 시료와 친환경 고결제를 토사의 중량비 기준 3%, 5% 및 7%를 첨가한 시료를 대상으로 양생기간에 따른 일축압축 강도의 변화를 평가하였으며 Fig. 2는 시간경과에 따른 시료별 일축압축강도 변화를 나타낸 것이다.
점성토 지반에 친환경 고결제 첨가에 따른 전단특성을 평가하기 위하여 친환경 고결제를 첨가하지 않은 경우와 친환경 고결제를 3%, 5% 및 7%를 첨가한 후 1일 경과 후 직접전단시험을 실시하였으며 그 결과는 Fig. 4와 같다.
점성토 지반의 미생물 첨가 시 양생기간에 따른 전단특성을 평가하기 위하여 친환경 고결제와 미생물을 같이 혼합한 경우(CAB)에 대해 양생기간을 달리하여 시험을 진행하였으며, 그 결과는 Fig. 10과 같다.
점성토 지반의 미생물 첨가에 따른 전단특성을 평가하기 위하여 무처리 시료(C)와 친환경 고결제만 혼합한 경우(CA), 친환경 고결제와 미생물을 같이 혼합하였을 경우(CAB) 3가지 시료를 1일 양생한 후 직접전단시험을 진행하였으며, 직접전단시험 결과는 Fig. 7과 같다.
점성토와 고결제 혼합지반에 미생물 첨가에 따른 일축압축강도 변화특성을 평가하기 위하여 무처리 시료(C)와 친환경 고결제만 혼합한 경우(CA), 미생물만 혼합하였을 경우(CB), 친환경 고결제와 미생물을 동시에 혼합하였을 경우(CAB) 등 4가지 경우의 시료에 대하여 0.5일, 1일, 7일, 28일로 양생기간을 변화시켜 가며 실험을 진행하였다. Fig.
점성토의 구조 변화와 조직의 변화 등을 확인하기 위해 무처리 시료와 친환경 고결제만 혼합한 경우, 친환경 고결제와 미생물을 혼합한 경우에 대해 24시간 양생 후 SEM 분석을 실시하였다. 또한 미생물 주입 시 발생되는 탄산칼슘의 생성과 재료 혼합 시 시료의 정성적인 변화를 평가하고자 X선 회절분석을 실시하였다.
친환경 고결제와 미생물을 첨가한 점성토의 특성을 평가하기 위해 일축압축시험과 직접전단시험을 실시하였고, SEM 분석을 통해 간극과 흙 입자 간의 변화를 평가하고 X선 회절분석을 활용하여 정성적인 분석을 실시하였다. 또한, 무처리 시료와 비교, 분석하여 친환경 고결제와 미생물을 이용한 점성토의 강도변화 특성을 평가하였다.
친환경 고결제와 미생물을 혼합한 점성토의 강도변화 특성을 분석하기 위하여 재료의 혼합여부와 양생기간을 변화시켜 가며 실험을 실시하였으며 그 결과를 정리하면 다음과 같다.
친환경 고결제와 미생물을 활용한 점성토의 강도변화 특성을 평가하기 위해 무처리 시료와 친환경 고결제만 혼합한 경우의 시료, 친환경 고결제와 미생물을 혼합한 경우의 시료를 0.5일, 1일, 7일 및 28일 별로 제작 후 일축압축시험을 실시하였다.
대상 데이터
Sporosarcina pasteurii는 한국생명공학연구원 생물자원센터에서 균배양체로 균주를 분양받았으며 Sporosarcina pasteurii의 주요특성은 아래 Table 3과 같다.
미생물 성장을 위해 사용된 배지는 CASO AGAR(Merck 105485)를 사용하였으며 배지는 멸균기를 이용하여 121°C에 서 15분간 멸균 후 사용하였다.
본 연구에 사용된 Sporosarcina pasteurii KCTC 3558은 한국생명공학연구원 생물자원센터(Korea Collection for Type Cultures)에서 균배양체로 균주를 분양받았다.
시료의 균질성을 확보하기 위하여 함수비 조절은 소형 믹서기를 이용하였으며 실험에 사용된 점성토 시료는 카올리나이트와 벤토나이트를 5 : 5(중량비)로 혼합하여 사용하였다. 시료의 충분한 혼합이 이루어질 때까지 충분한 교반을 실시하였으며 위치별 함수비 측정을 통하여 시료의 균질성을 확인하였다.
실험에 사용된 미생물은 대표적인 탄산칼슘 생성 미생물인 Sporosarcina pasteurii로 보통 Bacillus균이라고 불리며 (Ferris et al., 1996), 요소를 분해시켜 탄산이온 2개와 암모늄이온을 생성하고 유기산 재료의 일부 포함되어 있는 Ca 이온과 반응하여 침전이 발생한다(Kroll, 1990).
실험에 사용된 점성토시료는 카올리나이트와 벤토나이트를 5 : 5(중량비)로 혼합하여 사용하였으며, 실험에 사용된 벤토나이트와 카올리나이트의 화학성분은 Table 1과 같다.
성능/효과
(1) 점성토에 친환경 고결제 첨가 시 일축압축강도는 무처리 시료에 비해 1.9∼13.5배 증가하는 것으로 나타났으며, 특히 1일 경과 후에는 모든 혼합률에서 Terzaghi & Peck이 제안한 연약지반의 일축압축강도 기준을 상회하는 것으로 나타나 연약점토의 초기개량효과가 우수한 것으로 나타났다.
(2) 일축압축강도와 직접전단시험 결과, 친환경 고결제와 미생물 모두 전단강도 증가에 효과가 있지만 미생물보다는 친환경 고결제의 혼합이 일축압축강도 및 전단강도에 더욱 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다.
(3) 시간경과에 따른 강도증가 특성은 친환경 고결제만을 첨가하였을 경우에는 초기강도 증가효과가 크며, 미생물을 첨가하였을 경우에는 비교적 장기강도에 효과가 큰 것으로 나타났다. 따라서 친환경 고결제와 미생물은 결합하여 사용하는 것이 강도발현과 내구성 유지에 유리할 것으로 판단된다.
(4) SEM 분석 결과 무처리 시료에서 관측되던 많은 부분의 간극이 친환경 고결제와 미생물을 혼합함으로 조직이 치밀해짐을 관찰할 수 있었다. 따라서, 미생물에 의한 고결화로 인해 강도증진과 차수성의 증가를 예측할 수 있다.
Fig. 8은 미생물 첨가에 따른 점착력을 나타낸 것으로 무처리 시료(C)의 경우 점착력은 18.5(kPa), 친환경 고결제만 혼합한 경우(CA)의 점착력은 120.0(kPa), 친환경 고결제와 미생물을 같이 혼합한 경우(CAB)의 경우의 점착력은 171.4(kPa)로 나타나 친환경 고결제와 미생물 첨가에 따라 점착력 역시 증가하는 것으로 나타났으며, 친환경 고결제만 혼합한 경우(CA)보다 친환경 고결제와 미생물을 같이 혼합한 경우(CAB)의 점착력이 1.4배 정도 증가하는 것으로 나타났다.
5배 일축압축강도가 증가하는 것으로 나타났다. 따라서 고결제를 첨가하였을 경우에는 1일 정도의 초기강도 증가효과가 크며, 미생물을 첨가하였을 경우에는 14일 이후의 비교적 장기강도에 효과가 큰 것으로 나타났다.
3배 증가하는 것으로 나타났다. 따라서 무처리 시료의 경우보다 친환경 고결제를 첨가한 경우가 더욱 큰 일축압축강도를 보이며, 고결제의 양이 증가할수록 일축압축강도 역시 커지는 것으로 나타났다. 특히 1일 경과 후에는 모든 혼합률에서 Terzaghi & Peck이 제안한 연약지반의 일축압축강도 기준을 상회하는 것으로 나타나, 1일 경과만으로도 연약지반의 개량이 가능한 것으로 분석되었다.
6배 증가하는 것으로 나타났다. 따라서 미생물만을 첨가하였을 경우보다는 고결제를 첨가하는 것이 강도증가에 더욱 큰 효과가 있는 것으로 분석되었다.
7배 증가하는 것으로 나타났다. 따라서 첨가하지 않은 무처리 시료보다 친환경 고결제가 첨가된 경우가 더욱 큰 전단강도를 보이며, 친환경 고결제의 양이 증가할수록 전단강도는 거의 선형적으로 증가하는 것으로 분석되었다.
36배 증가하는 것으로 나타났다. 따라서, 친환경 고결제와 미생물 모두 전단강도 증가에 효과가 있지만 미생물보다는 친환경 고결제의 혼합이 더욱 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다.
또한 양생일수에 따른 일축압축강도 증가비율은 미생물 만을 첨가하였을 경우 14일 이후에 강도증가율이 4.4∼4.6배 증가하며, 고결제만을 첨가하였을 경우에는 1일 양생 후에 13.5배 일축압축강도가 증가하는 것으로 나타났다.
시험결과 단기간의 양생보다 비교적 장기간의 양생에서 더욱 큰 전단강도를 보이며, 양생일수가 증가할수록 전단강도 역시 증가하는 것으로 나타났다.
실험 결과 친환경 고결제만을 혼합한 경우(CA)의 전단응력은 무처리 시료(C)의 전단응력에 비해 7.3∼9.1배 증가하며, 친환경 고결제와 미생물을 혼합한 경우(CAB)의 전단응력은 친환경 고결제만을 혼합한 경우(CA)의 전단응력에 비해 1.26∼1.36배 증가하는 것으로 나타났다.
실험결과 28일 양생일 기준으로 무처리 시료에 비하여 친환경 고결제 3% 첨가 시 4.6배, 5% 첨가 시 6.1배, 7% 첨가 시 9.3배 증가하는 것으로 나타났다. 따라서 무처리 시료의 경우보다 친환경 고결제를 첨가한 경우가 더욱 큰 일축압축강도를 보이며, 고결제의 양이 증가할수록 일축압축강도 역시 커지는 것으로 나타났다.
실험결과 무처리 시료에 미생물을 첨가하였을 경우 일축압축강도는 양생일수에 따라 최대 4.4배 증가하며, 무처리 시료에 고결제를 첨가하였을 경우 일축압축강도는 최대 13.5배, 미생물과 고결제를 동시에 첨가하였을 경우 14.6배 증가하는 것으로 나타났다. 따라서 미생물만을 첨가하였을 경우보다는 고결제를 첨가하는 것이 강도증가에 더욱 큰 효과가 있는 것으로 분석되었다.
실험결과 친환경 고결제를 3% 첨가 시 각 수직응력에 따른 전단응력은 3.8∼5.1배, 5% 첨가 시 각 수직응력에 따른 전단응력은 7.3∼9.1배, 7% 첨가 시 각 수직응력에 따른 전단응력은 10.8∼12.7배 증가하는 것으로 나타났다.
이와 같은 결과를 종합하여 볼 때 친환경 고결제와 미생물은 별도로 사용하기보다는 결합하여 사용하는 것이 강도 발현의 시기와 내구성 유지에 유리할 것으로 판단된다.
특히 1일 경과 후에는 모든 혼합률에서 Terzaghi & Peck이 제안한 연약지반의 일축압축강도 기준을 상회하는 것으로 나타나, 1일 경과만으로도 연약지반의 개량이 가능한 것으로 분석되었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
시멘트계 안정재를 이용한 지반개량 공법의 문제점은 무엇인가?
그러나 현재까지의 지반개량공법은 지반의 강도증진을 중점으로 개발되어 왔으며 경제성과 취급 용이성이 우수한 시멘트계 안정재를 이용한 지반개량 공법이 주로 사용되어 왔다. 시멘트계 안정재를 이용한 지반개량 공법은 효과가 우수하지만 환경 및 인체에 유해물질로 구분되는 Cr6+의 검출 및 지하수 오염 등의 환경적인 문제가 지적되며 시간이 지날수록 초기 강도개선의 효과가 감소하는 문제 등이 발생할 수 있다(Osamu et al., 2006).
지반개량이란 무엇인가?
최근 환경문제에 대한 인식이 향상됨에 따라 지반개량은 강도개선과 함께 환경문제가 중요시되고 있다. 지반개량은 연약지반이나 건설재료로서의 활용이 어려운 불량토사를 개량하는 공법으로 개량의 원리에 따라 원지반을 양질의 토사로 치환하는 치환공법, 배수제를 이용하여 압밀을 촉진시키는 압밀배수공법, 동적하중을 이용하는 다짐공법 및 석회나 시멘트, 약액 등을 지반과 혼합, 주입하여 지반을 고화시키는 고결공법 등 많은 공법들이 개발되어 있다(Otsuki et al., 2007).
미생물의 탄산칼슘 생성방법을 이용한 지반개량의 한계점은 무엇인가?
미생물의 탄산칼슘 생성방법을 이용하여 지반강도를 증진하기 위한 연구는 체계적으로 진행되고 있다. 하지만 미생물을 직접적으로 이용한 지반개량은 기후조건이나 주변 환경의 변화에 미생물의 생존율이 크게 좌우되며 미생물이 활착하고 증식하여 탄산칼슘형성작용을 통한 고결화가 이루어지기까지 일정강도 및 환경을 확보할 필요가 있다(Dejong et al., 2006).
참고문헌 (8)
Dejong, J. T., Fritzges, M. B. and Nulein, K. (2006), Microbially induced cementation to control sand response to undrained shear, Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, pp. 1381-1392.
De Muynck, W., De Belie N. and Verstraet, W. (2010), Microbial carbonate precipitation in construction materials, Ecological Engineering, Vol. 36, pp. 118-136.
Ferris, F. G., Stehmeier, L. G., Kantzas, A. and Mourits, F. M. (1996), Bacteriogenic mineral plugging, Journal of Canadian Petroleum Technology, Vol. 358, pp. 56-61.
Kroll, R. G. (1990), Microbiology of extreme environments, McGraw-Hill, New York, pp. 120-155.
Osamu, Y., Masaya, I., Yasuhiro, U. and Shunsuke, H. (2006), A method for the determination of total Cr(VI) in cement, Journal of the European Ceramic Society, Vol. 26, pp. 785-795.
Otsuki, N., Yodsudjai, W. and Nishida, T. (2007), Feasibility study on soil improvement using electrochemical technique, Construction and Building Materials., Vol. 21, pp. 1046-1051.
Oh, S. W., Kim, H. S., Bang, S. T. and JO, H. D. (2016), "Evaluation on the effect of soil pavement mixsing friendlysoil binder", Annual Conference of Korean Geo-Environmental Society, Vol. 17, No. 3, pp. 18-25.
Park, K. H. (2011), Strength improvement of soft ground with microbial reaction, Thesis for the Master of Science in Civil and Environmental Engineering, Department of Civil Engineering, Graduate School of Chosun University.
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