The development of artificial materials, such as cement, has contributed to several advancements in various fields. However, it has also resulted in an increase in adverse environmental effects, such as CO2 emissions and toxicity. In the 2016 Paris Agreement on Climate Change, an agreement was reached to prevent global warming caused by global gas emissions. Consequently, soil treatment and ground reinforcement using biopolymers are being actively studied as a response to the environmental impact of ground reinforcement materials.Biopolymers, a polysaccharide produced by the metabolism of living organisms, have shown potential for soil strengthening, permeability reduction, dust control, and erosion resistance. However, most of the research on biopolymer-based soil treatment has focused on coarse-grained soils that do not have an electric charge on the surface. Moreover, few studies have been conducted on the interaction between electrically charged clay and biopolymers and the resulting macroscopic geotechnical analysis. Thus, this study aimed to analyze the geotechnical behavior of kaolin-group clays, a type of representative clay mineral, and xanthan gum biopolymer, one of the most widely used biopolymers in several industries, based on microscale interaction analysis.At the microscale, in situ liquid electron microscopy was used to assess the interaction between clay particles in an aqueous state. With an increase in salinity, the attraction force between the edge and face surfaces of the kaolin-group clays results in particle dispersion. Furthermore, the sedimentation velocity and sediment density increased due to particle aggregation induced by the xanthan gum treatment. Changes in the kaolinite fabrics induced by xanthan gum were analyzed using X-ray diffraction and environmental scanning electron microscopy. The negatively charged xanthan gum interacted with the positively charged edge surface of kaolin-group clays, resulting in a change in the alignment of the fabric to face-to-face. With respect to the content, the 0.5 % xanthan gum-to-clay ratio in mass was found to be most efficient for kaolinite-clay interactions. In addition, the viscosity of xanthan gum hydrogel and the interaction between kaolinite and xanthan gum increased the optimal moisture content and swelling characteristics, thereby reducing the maximum dry unit weight of kaolinite clays.The geotechnical properties, such as consolidation, undrained shear strength, and surface erosion resistance, of xanthan gum-treated kaolinites were assessed based on the investigation of microscale interactions among kaolinite, pore fluids, and xanthan gum. The experimental results showed that xanthan gum treatment slightly increased the compressibility of soils while drastically reducing the hydraulic conductivity and improving the undrained shear strength and erosion resistance of kaolinite. Furthermore, long-term erosion prediction was performed based on the results of EFA experiments, and an erosion depth within 1.0 m was predicted even after 10 years of xanthan gum treatment. It was confirmed that xanthan gum treatment could enhance construction efficiency by securing surface strength for the trafficability of construction equipment during dredging and reclamation. The results of this thesis can be used as a fundamental reference for analyzing the applicability of xanthan gum-treated kaolin-group minerals by analyzing microscale interactions to macroscale geotechnical behavior.
현시대 인류는 시멘트와 같은 인공재료의 개발을 통해 괄목할 만한 문명 발전을 이룩하였다. 그러나, 이에 대한 반대급부로 환경에 대한 우려가 증대되고 있다. 2016년 파리기후변화협정에서는 이산화탄소 배출에 의한 지구온난화를 방지하기 위한 합의를 이룩하였다. 최근, 지반보강재료의 환경 영향에 대한 대응으로 바이오폴리머를 활용한 흙 처리와 지반 보강 기술이 활발히 연구되고 있다. 바이오폴리머는 생물의 대사작용에서 발생하는 다당류의 일종으로서, 지반에 적용하여 토양의 강도, 투수성, 비산먼지 및 표면침식 억제 등의 효과를 보임이 밝혀졌다. 그러나, 대부분의 연구는 표면에 전하를 띄지 않는 조립토에 국한되어있으며, 전기적 전하를 띄는 점토와 바이오폴리머 간의 상호작용 및 그로 인한 거시적 지반공학적 특성에 대한 심층 연구는 이루어지지 않고 있다. 본 학위논문은 대표적인 점토광물의 일종인 카올린그룹 점토와 바이오폴리머의 일종인 잔탄검 바이오폴리머에 대하여, 미소 규모의 상호작용 분석에서부터 점진적으로 규모를 확장하여, 지반공학적 거동을 분석함을 목적으로 한다.미소 규모에서, 실시간 액상 전자현미경 기술을 도입하여, 습윤상태에서의 점토 입자 간 상호 거동을 확인했다. 염도의 증진에 따라 점토 입자 Edge-to-face 간의 결합력이 감소하여 분산되었다. 또한, 잔탄검 처리에 의한 입자 응집현상으로 카올린 그룹 점토의 침강속도와 침전밀도가 증대되었다. 잔탄검 처리에 따른 카올린 그룹 점토의 결합구조 변화를 X선 회절, 환경 주사전자현미경 등의 기술을 활용하여 분석하였다. 음전하를 띈 잔탄검이 점토 표면의 양전하와 상호작용하여, 입자 간 결합양상을 판상 결합 형태(Face-to-face)로 변화시켰으며, 이러한 거동이 흙 무게 대비 0.5% 잔탄검 함량에서 극대화되었다. 잔탄검에 의한 유체 점도 증진, 카올린 그룹 점토의 결합양상 변화는 최적 함수비, 팽창성을 증대시키며, 최대건조단위중량을 감소시켰다.미소 규모에서의 상호 거동 규명을 바탕으로 잔탄검 처리 카올린그룹 점토의 압밀, 비배수전단강도, 표면침식 등의 지반공학적 물성을 평가하였다. 연구 결과를 통해 잔탄검 처리가 압밀 시의 압축성을 소폭 증가시키지만, 투수계수를 획기적으로 저감하며 비배수전단강도, 침식저항성능을 증진함을 확인했다. 실내실험 결과를 통해 장기간의 침식해석을 수행하여 잔탄검의 처리가 10 년 간의 유수흐름에도 1 m 이내의 침식 발생을 예측했다. 준설과 매립 분야에서 표면 강도 확보의 시기를 단축하여 시공 공기를 저감할 수 있음을 계산하였다.본 학위논문 결과는 미소규모에서의 반응기작에 대한 이해를 바탕으로 하여, 실내에서의 다양한 지반공학적 물성을 검토하고, 이를 바탕으로 현장에서의 성능을 예측하는 포괄적인 연구를 통해 잔탄검 처리 카올린 그룹 점토의 적용성을 분석한 점에서 의의를 지닌다.
