Microbial biopolymers have recently been introduced as a new material for soil treatment and ground improvement. The engineering properties of biopolymer-treated soil are determined by the soil-water-hydrogel interactions, which allows biopolymers to show excellent performances in soil strengthening, reduction in hydraulic conductivity, dust control, reduction in surface erosion, and so on. Typical applications of biopolymer are for surface treatment and building materials, which are sensitive to weathering conditions such as rainfall and temperature. Weathering conditions determine the water distribution in biopolymer-soils as well as the relationship between water content and strengthening effects of biopolymer-soils. Furthermore, with biopolymer-soils’ controllability of water flow, it may be suggested as a hydraulic barrier or grouting material.
The aim of this study is to have an understanding of the water-related properties of biopolymer-treated soil, considering the effects of external conditions on the soil-water-hydrogel interaction. To meet the objective of this study, xanthan gum and gellan gum were used for this study. Soil-water characteristic, pressurized hydraulic conductivity, heavy metal adsorption were main laboratory tests conducted in this study. In order to introduce the applicability of biopolymer-treated soil, additional testing on vegetation growth in a controlled chamber and numerical modeling on rainfall-induced slope failure retention were carried out. Furthermore, based on the experimental data, a potential as a landfill material using of biopolymer-treated soil was also provided. Through the study, biopolymer types and optimal content were suggested for different geotechnical engineering purposes.
The drying and wetting soil-water characteristics show that biopolymer can improve the water storage in soil and reduce the capillary conductivity of soil via water absorbing and holding capacity. The presence of clay admixture can render different wetting behavior of biopolymer-treated soil corresponding to clay types. Even under a high water pressure, the water absorbing and holding capacity of thermo-gelatin biopolymers, allows the treated-soil to be able to hold its structure and restrict the water movement through the soil system. The biopolymer-kaolinite matrix enhances the hydraulic reduction performance of biopolymer. Furthermore, ion adsorbability of biopolymers enhances the heavy metal removability of soil. The metal removability from a contaminated flow increases proportionally with biopolymer concentration.
In general, the water-related properties of biopolymer-treated soil brings a promising future of using biopolymer to improve drought survivability of vegetation and rainfall-induced slope stabilization. In addition, the water flow controllability and ion removability of biopolymer allow biopolymer-treated soil can be used as a hydraulic barrier.
최근 미생물 기반 바이오폴리머를 이용한 흙 처리와 지반 보강 기술이 활발히 연구되고 있다. 바이오폴리머 처리토는 토양-수분-하이드로겔 상호작용으로 인해 강도 증진, 투수계수 감소, 비산먼지 및 표면 침식 억제 등의 공학적 특성을 갖는 것으로 알려져 있으나, 작동원리에 대한 구체적인 연구는 이루어지지 않고 있는 실정이다. 바이오폴리머의 지반공학적 적용은 강우 및 온도 등의 외부환경 영향을 많이 받는 표층 및 천층을 주 대상으로 하고 있는 실정이다. 따라서 표층의 토양 함수 특성 변화에 따른 바이오폴리머 처리토의 강도와 기타 지반공학적 물성들의 거동에 대한 연구가 필요하다. 아울러 바이오폴리머 처리토의 투수계수 조절 기능에 대한 구체적인 이해를 통해 바이오폴리머 처리토관점에서 적용 분야를 차수벽 또는 지반주입재로 확장할 수 있을 것으로 기대된다.
본 연구의 목표는 토양-수분-하이드로겔의 상호작용을 고려하여 바이오폴리머 처리토의 특성을 파악하는 것이다. 이를 위해 물 흡수 시 하이드로겔을 형성하는 바이오폴리머인 잔탄검과 젤란검을 주 재료로 사용하였다. 다양한 실내실험을 통해 바이오폴리머 처리토의 토양-수분 특성 곡선, 가압조건에서의 투수계수, 중금속 흡착능, 그리고 식생생장 거동을 평가하였다. 특히 실험결과를 통해 바이오폴리머 처리토를 매립지 등지에서 적용할 수 있는 타당성을 검토하였다. 또한 본 연구를 통해 토양-수분 관점에서 각 바이오폴리머 별 최적 적용 조건을 도출하였다.
건조 및 습윤 상태에서의 토양 - 수분 특성은 바이오폴리머가 흙의 흡습율과 수분 함유율을 증진시키는 특성과 동시에 토양의 모세관 전도성을 감소시킴을 보였다. 점토가 혼합된 흙의 경우 점토 종류에 따라 바이오폴리머 처리 토양이 매우 상이한 습윤 거동을 보임이 확인되었다. 높은 수압 조건에서도열적젤화 된 바이오폴리머 고분자 처리토는 높은 수분 흡수 및 보유 능력은 물론 투수계수 저감 효과가 높음을 실험을 통해 밝혀냈다. 특히 카올린 점토와 바이오폴리머 간 형성되는 바이오폴리머-점토 매트릭스 더 높은 압력 조건에서도 우수한 투수계수 저감 효과가 있는 것이 확인되었다. 한편, 바이오폴리머의 이온 흡착능은 토양의 중금속 제거에도 효과가 있음이 실내 중금속 여과실험을 통해 확인되었다. 표준 니켈 중금속 오염시액을 젤란검 처리된 사질토에 여과 시 니켈 중금속의 제거능은 바이오폴리머의 농도와 유효표면적이 증거함에 따라 높아짐이 확인되었다.
일반적으로 바이오폴리머 처리토의 토양-수분특성은 바이오폴리머를 활용한 토양 침식 억제, 식생 생장 증진, 강우 시 비탈면 안정화 증진 등 다양한 분야에 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 아울러 중금속 흡착능은 지하수 처리 또는 폐기물 매립지 분야 등에서 활용 가능할 것으로 보여지고, 사막화 확산 방지 등 다양한 지속가능한 공학 분야로의 적용이 기대된다.
