바이오폴리머, 지반보강에 실무 적용
바이오폴리머 활용 ‘지반보강’ ··· 무처리 토양 비 ‘강도’ 2배 ‘식생 피복도’ 50% 이상 증가
최근 친환경적이고 지속가능한 신소재로 떠오르고 바이오폴리머를 지반공학 분야에 실제적으로 적용할 수 있는 실용적 기술이 개발되고 있어 관심을 증폭시키고 있다.
서해안 고속도 서산IC 인근 비탈면에 바이오쏘일 시험 시공 적용성 확인
흙과 혼합 시 기존공법 비 토양 안정화 등 효과 시공방법 장비개발 박차
바이오폴리머를 흙과 혼합할 경우 기존 공법 대비 토양 개선과 강화, 안정화 등의 효과를 보다 효율적으로 확보할 수 있어 슬러리 월과 침투 방지, 그라우팅 등 부문에서 활발히 적용될 것으로 전망된다
전 세계적으로 온실가스 감축을 위해 전 산업분야에서 다양한 노력들이 전개되고 있는 가운데 건설 분야에서도 시멘트를 대체할 수 있는 친환경 지반건설 신재료와 이를 활용한 현장 활용 기술의 필요성이 높아지고 있다.
이를 위해 최근 토양의 강도와 수리전도도, 내구성 등 공학적 특성을 향상을 위해 전통적으로 활용되고 있는 기계적 개선과 화학적 처리기술을 대체할 수 있는 미생물 유도 중합체를 이용한 생물학적 접근법이 활발히 연구되고 있다.
이 같은 접근 중 가장 주목받고 있는 소재는 바이오폴리머다.
현재 토양 보강을 위해 시멘트 또는 강재 등으로 구성된 옹벽과 네일, 앵커 등을 활용한 공법 등이 적용되고 있다. 이 공법들은 콘크리트 벽체 구조물을 설치하거나 지반에 보강재를 삽입, 비탈면이나 제방의 안정성을 확보할 수 있다.
하지만, 이 보강 공법들은 인공재료 이용으로 인한 환경오염은 물론 고가의 재료비, 복잡한 시공 등 여러 단점이 있는 것으로 알려지고 있다.
반면, 바이오폴리머는 미생물 또는 박테리아가 만들어내는 생체 부산물로 인해 인장 강도가 뛰어나고, 생산과정에서 대량의 이산화탄소를 소비하는 친환경 재료로, 적은 양으로도 흙의 강도를 획기적으로 증진시킬 수 있다.
이에 이 연구에서는 이 같은 바이오폴리머의 특장점이 실제 현장에서 구현될 수 있는 시공방법과 장비를 개발하고 있다.
바이오폴리머 특성
바이오폴리머는 미생물의 대사활동을 통해 생산되는 고분자 유기물로, 기존에는 식품, 의약품, 화장품 등의 첨가제로 주로 사용되고 있는 친환경 소재다.
바이오폴리머는 생산 과정에서 이산화탄소가 거의 발생하지 않고, 오히려 탄소 고정효과가 있는 것으로 알려져 있다.
특히, 토양과 혼합할 경우 흙 입자 간 결합제로 작용, 토양의 응집력은 물론 강도, 침식 저항성, 투과성 감소 등 토양 강화를 촉진시킬 수 있는 소재로 평가받고 있다.
Review on biopolymer-based soil treatment (BPST) technology/ScienceDirect.com
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실제로 토양의 중량 대비 바이오폴리머를 0.5~1%만 투입해도 상당한 강도 증진 효과가 나타난다.
한편, 바이오폴리머와 흙을 혼합한 바이오쏘일(Biopolymer treated Soil)은 적절한 양의 바이오폴리머와 토양의 비율을 결정, 지반보강에 활용할 수 있다.
바이오폴리머는 토양의 강도 증진과 표면의 침식 억제는 물론 식생 성장을 촉진시킬 수 있는 잠재력을 갖고 있고, 추가적인 점토 또는 이온 화학물질을 토양에 이용할 경우 바이오폴리머의 강화 효율을 향상시킬 수 있다.
특히, 바이오쏘일 내 바이오폴리머는 물과 만나 하이드로 겔을 형성해 흙 입자 사이의 공극을 채움으로써 토양의 수리전도도를 3~4배 이상 감소시킨다.
이로 인해 바이오폴리머는 슬러리 월을 비롯해 침투 방지, 그라우팅 등 지반공학 분야에 다양하게 적용할 수 있다.
또한, 혼합, 주입, 분사, 그라우팅을 포함한 다양한 실제 적용 방식으로 바이오쏘일을 비탈면과 농지 침식 방지, 건축 자재, 도로 포장 등에도 사용 가능하다.
연구내용
토양 개선과 강화, 안정화를 위해 친환경적인 신소재로 각광받고 있는 바이오폴리머를 실제 현장에 적용하기 위해 현재 신소재 제방 연구단에서는 ‘친환경 신소재를 활용한 고강도 제방기술’을 개발하고 있다.
그 중 이 연구에서는 ‘바이오폴리머를 활용한 시공 기술 개발’을 목표로 현재 분사 공법을 이용한 현장 시공 기술을 개발하고 있다.
연구에서는 바이오폴리머를 흙과 혼합할 경우 나타나는 현상론적 특성들을 현장에 그대로 발현시키는 한편, 현장 스케일 실험을 통한 검증을 수행한 바 있다.
그동안 서해안 고속도로 서산IC 인근 비탈면에 바이오쏘일을 시험 시공하고, 적용성을 확인한 바 있다.
또한, 바이오쏘일에 특화된 장비 개발과 시공조건 수립을 위해 안동에 위치한 건설기술연구원 하천연구센터에서 약 50m 길이의 제방 사면에서 시험시공을 실시했다.
시험 결과, 강도 증진에 유리한 바이오폴리머는 무처리 토양 대비 1.5~2배 가량의 강도 증가 효과가 나타났으며, 식생에 유리한 바이오폴리머를 사용한 구간은 무처리 구간 대비 식생 피복도가 50% 이상 증가하는 것으로 나타났다.
현재 이 연구에서는 바이오 신소재의 화학적, 유동학적 특성을 고려한 최적의 시공조건을 도출, 시공 기술의 완성도를 높여 나가고 있다.
향후 그라우팅 방법을 통한 지반보강 기술 부문에서도 예비 실험과 실대형 실험을 통해 바이오쏘일 추가 시공 기술 검증에 나설 계획이다.
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현장 배합설계 분사 시공방법 개발 주력
서승환 전임연구원
한국건설기술연구원 서승환 전임연구원은 “토목 공학 분야에서의 토양 처리와 사용은 인류 문명을 통틀어 아주 오래된 기술”이라며, “산업혁명 이후 일반 시멘트가 토양 강화와 안정화를 목적으로 널리 사용되고 있지만, 지구 온난화로 인해 온실가스 의무감축이 대대적으로 이뤄지면서 시멘트를 대체할 수 있는 친환경 지반건설 재료로 바이오폴리머가 각광받고 있다”고 밝혔다.
이어 “바이오폴리머는 미생물 유도 중합체로 흙과 혼합할 경우 흙의 강도를 획기적으로 증가시키고 토양의 특성을 강화시키는 장점이 있다”며, “하지만, 이 같은 장점에도 불구하고 바이오폴리머를 현장에 구현할 수 있는 시공방법과 장비는 아직 부족한 상황”이라고 말했다.
따라서 이 연구는 바이오폴리머를 실제 현장에 적용하기 위한 시공법 개발을 중심으로 진행되고 있다.
현재 이 연구에서는 바이오폴리머와 흙을 혼합한 재료를 지반보강에 활용할 수 있는 시공 기술을 중점적으로 개발하고 있다.
서 박사는 “이 연구에서는 비탈면과 하천 제방 표면 보강 기술 개발을 목표로 분사 시공법을 개발하고 있다”며, “협동연구기관인 KAIST에서는 실내 실험을 통해 바이오폴리머 레시피를, 건설연에서는 바이오폴리머의 최적 시공법 개발을 위해 KAIST에서 개발한 레시피를 현장에 적용할 수 있도록 배합과 시공 조건을 수립하는 연구를 진행하고 있다”고 설명했다.
이어 “또한, 실내 실험을 통해 개발된 바이오 신소재의 효과를 현장에서 100% 발휘하기 위해 현장 배합설계와 재료의 유동특성을 고려한 분사 시공 방법을 개발하고 있다”며, “내년에 테스트베드를 시공하고, 개발된 시공 기술의 성능을 입증할 계획”이라고 밝혔다.
이 같은 연구를 통해 선보일 바이오폴리머를 활용한 지반보강기술은 탄소 저감이라는 국가적 차원의 현안 해소에 기여할 것으로 기대를 모으고 있다.
“내년 테스트베드 ‘시공’ 개발기술 성능 입증할 터”
서 박사는 “지금까지는 실험실 규모에서 바이오폴리머와 흙을 혼합한 재료의 효과가 입증됐지만, 실제 현장에 적용할 수 있는 기술로 발전시킨 사례는 없다”며, “기술 개발이 성공적으로 완료될 경우 보다 저렴하고 친환경적인 시공 기술로 토목 건설 다양한 분야에 확장 적용이 가능할 것”이라고 전망했다.
한편, 서 박사는 기술 수준을 현업에 즉시 활용 가능한 수준으로 끌어올리고 있다.
그는 “이론적인 계산을 통해 얻어진 결과가 실제 기술로 개발돼 현장에서 성능이 잘 발현됐을 때 가장 보람을 느꼈다”며, “아무리 정교하고 정밀한 시공 기술이 있어도 현장에서 실제 사용하는 사람들이 불편을 느끼거나 조작이 복잡하면 우수한 기술이라고 보기는 어려울 것 같다”고 말했다.
이어 “남은 연구기간 동안 현장의 목소리에 귀 기울여 보다 실용적인 시공 기술이 개발될 수 있도록 노력할 것”이라고 밝혔다.
끝으로 서 박사는 “재료 본연의 생물학적 작용으로 인한 지반 강화와 함께 기계적 또는 재료의 흐름 조건을 변화시키는 방법을 통해 다양한 환경에 활용할 수 있도록 침투 방지와 그라우팅 시공 기술 개발에 나설 계획”이라고 덧붙였다.
오성덕 기자 건설기술
http://www.ctman.kr/news/2018
