Soil is a natural material consisting variable minerals that differ from the parent materials in their morphological, physical, chemical, and mineralogical characteristics. Biological aspects and considerations of soil behavior is an important topic for geotechnical engineering problems. The strengthened and stabilized behavior of organic soil is induced by biological by-products such as biopolymers.
Korean residual soil (commonly known as Hwangtoh) is a common and environment-friendly material due to its high absorbency, self-purification, and far infrared ray radiation characteristics. However, its low strength and high drying shrinkage problems have restricted its broader usage and development. This dissertation centers on the treatment and strengthening behavior of Korean residual soil in relation to environment-friendly biopolymers.
Biopolymers are polymers produced by living organisms. Biopolymers are generally applied in medical, food, cosmetic, medicine fields and so on, according to their various beneficial properties. Recently, applications in the geotechnical field have been increasing; these applications are related to soil erosion control, aggregate stabilization, and drilling aspects. This study introduces typical biopolymers, such as $\beta$-1,3/1,6-glucan, Xanthan gum, Chitosan, and Gellan gum, that can be used to treat Korean residual soil with the aim of improving engineering properties.
The inter-particle behavior and strengthening mechanism of $\beta$-1,3/1,6-glucan depends on the adsorption and tensile characteristics of $\beta$-1,3/1,6-glucan fibers. Under saturated conditions, free-floating polymers attach to Hwangtoh particles, increasing the shear modulus of the soil. The hydrophilic characteristic of $\beta$-1,3/1,6-glucan fibers alter the geotechnical behavior of Hwangtoh. During drying, polymer fibers tend to adsorb Hwangtoh particles, and vice versa. The adsorption process dominates until all Hwangtoh particles are primarily attached to $\beta$-1,3/1,6-glucan polymers. Then, regular strengthening is promoted by surplus polymers, which form additional inter-particle contacts and polymer bundles, increasing the internal strength of the soil.
Xanthan gum polymers (showing a Y-form) improve the inter-particle connection between soil particles forming a web matrix. The complex particle-polymer web matrix induced by Xanthan gum shows the highest strengthening behavior among other biopolymers used in this study.
Chitosan promotes a face-to-face connection between soil particles, induced by its strong hydrogen bonding ability. Chitosan shows the lowest strengthening result. Thus, I concluded that the strengthening behavior is maximized by fiber reinforced functioning biopolymers.
Gellan gum forms quick spherical gels in soil which accumulate soil particles. Gellan gum-treated Hwangtoh initially shows the highest improvement but the fastest degradation.,
Compared with existing engineered soil treatments (e.g. ordinary cement treatment), Xanthan gum and $\beta$-1,3/1,6-glucan show suitable strengthening performance and reliable durability. However, Chitosan and Gellan gum are insufficient for improving the engineering performance of soil because of their low strength and weak resistance against weathering.
With a commercial aim, the economic efficiency of biopolymer treatment was performed with additional consideration of the environmental impact. One of the most serious problems of the existing engineered soil materials is a high amount of carbon dioxide emission. Thus, the extent of environmental-impact is calculated in a form of total carbon dioxide emission related to material production and site application. The results show that even though the material prices of biopolymers are more expensive than existing materials (e.g. cement), they decrease the emission level of carbon dioxide significantly. Therefore, the effectiveness and feasibility of biopolymer treatment is expected to continue to increase with the increase of carbon emission taxes and trade costs.
Finally, practical application results reveal that biopolymer treatment shows sufficient mechanical and physical behavior compared to existing cement or gypsum treatment. In other words, biopolymers have a high potential with many opportunities to be used for engineered soil and in various fields such as building, interior, pavement, quick setting, $CO_2$ storage, and so on.
지반, 즉 흙은 원재료(모암)의 형태학적, 물리적, 화학적, 그리고 광물 특성에 따라 다양한 구성 성분으로 이루어진 천연재료이다. 흙의 생물학적 구성 및 거동 특성은 지반공학적으로 매우 중요한 고려사항 중 하나이다. 하지만, 아직까지 유기물 함량토의 거동 특성 및 발현 메커니즘에 대한 포괄적이고 체계적인 접근이 부족한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 흙 속의 유기질 함량이 흙의 거동에 미치는 영향을 파악하기 위해 다양한 이론적, 실험적 접근 방법을 통해 미시적, 거시적 관점에서 유기질 함량토의 거동 특성을 규명하였다. 이를 위해, 미생물 및 박테리아의 생명활동 부산물인 바이오폴리머(biopolymer)를 주 재료로 삼아 다양한 조건에 따른 흙의 강도 발현 및 안정화 특성을 파악하였다.
본 연구의 대상토로 흔히 황토로 잘 알려진 화강잔류토를 사용하였다. 황토는 지반공학적으로 무기질의 실트질 점토로 분류되며, 주요 구성광물은 할로이사이트(halloysite)와 카올리나이트(kaolinite)이다. 황토는 높은 흡착능, 자정능력, 그리고 원적외선 방사 특성을 지닌 친환경 재료이다. 하지만, 낮은 강도와 내구성은 다양한 환경적, 의학적, 그리고 건강상의 장점을 지녔음에도 불구하고 건설 재료로써 황토의 공학적 적용 및 저변 확대를 저해하는 장애요소로 작용하고 있다. 따라서 본 연구에서는 친환경 바이오폴리머 기술을 이용하여 황토의 공학적 거동을 증진시키고자 하였다.
바이오폴리머는 살아있는 미생물 또는 박테리아들이 생산하는 중합체로써 의가소성(pseudoplasticity), 높은 흡착력 및 인장강도, 안정화 및 팽창성을 지닌 재료로, 이미 의학, 의약, 식품, 미용 분야에서 폭넓게 사용되고 있다. 최근에는 지반공학 분야에서도 토양 안정제 및 이수(mud) 팽창제로 이용되는 사례가 보고되고 있으나, 전반적으로 그 적용 및 거동 특성에 대한 이해가 부족한 실정이다.
따라서 본 연구에서는 대표적인 바이오폴리머인 베타글루칸(beta-1,3/1,6-glucan), 잔탄검(Xanthan gum), 키토산(Chitosan), 그리고 젤란검 (Gellan gum)을 사용하여, 각 바이오폴리머들이 황토와 반응하여 어떠한 거동 특성을 보이는지 파악하였다. 이를 위해, 다양한 실험 연구를 통해 바이오폴리머를 처리한 황토의 액성한계, 다짐특성, 응력-변형률 관계, 탄성파 속도, 불구속일축압축강도, 건조수축률, 풍화저항성, 굽힘강도, SEM (주사전자현미경) 영상 등을 평가 및 분석하였고. 나아가 처리 기술에 대한 경제성 및 환경비용 분석을 실시하였다.
베타글루칸을 처리한 황토의 거동 특성은 베타글루칸 폴리머와 황토 입자간 흡착 및 인장강도에 지배되는 결과를 보였다. 포화 및 불포화 조건에서는 베타글루칸 폴리머들이 황토 입자간의 전단 강성을 증진시키고, 동시에 높은 친수성으로 인해 흙 전체의 습윤 함유량을 높이는 결과를 보였다.
반면, 건조 상태에서는 베타글루칸 폴리머들이 우선적으로 황토 입자와 흡착 관계를 형성하고자 하는 거동을 보였다. 하지만 베타글루칸 함유량이 증가하게 되면, 흡착되고 남은 잉여 폴리머들이 입자와 입자, 폴리머와 폴리머 간 결합 상태 특성을 증진시키는 작용을 하여 전체적인 흙의 강도가 증가됨을 확인할 수 있었다.
잔탄검은 황토 입자와 입자 사이를 거미줄처럼 연결하여 전체적으로 매우 견고한 황토-잔탄검 매트릭스를 형성하였다. 이로 인해 잔탄검은 본 연구에서 다룬 네 가지 바이오폴리머 중 가장 높은 강도 및 내구성을 보였다.
키토산은 아미노기($NH_3$)를 함유하고 있어 수소결합력이 매우 강한 바이오폴리머이다. 실제로 키토산을 처리한 황토는 입자와 입자들이 면-면(face-to-face)의 판상구조를 보였다. 이로 인해 폴리머 자체의 인장 특성은 저하되어 매우 낮은 압축 강도 특성을 보였다. 하지만, 건조수축 저항성은 다른 바이오폴리머 보다 높은 경향을 보여, 변형률 제어에 효과가 있는 것으로 판단되었다.
젤란검은 온도에 민감한 바이오폴리머로 가열한 후 냉각시키면서 흙 속에서 젤(gel)을 형성하여 초기 강도는 가장 높은 결과를 나타냈다. 하지만, 생분해(biodegradation) 속도가 빨라 장기 거동에서는 강도가 점점 낮아지는 결과를 보였다.
기존의 공학적 지반 개량 공법(시멘트 주입)과 비교해보면, 강도, 내구성 그리고 경제성 측면에서 베타글루칸과 잔탄검이 시멘트를 대체할 수 있는 경쟁력 있는 친환경 지반개량 재료로 판명되는 반면, 키토산과 젤란검은 낮은 강도 및 내구성으로 인해 경제성 및 효율성이 저하되는 것으로 판단되었다. 바이오폴리머의 가장 큰 장점은 시멘트 등과 비교했을 때 이산화탄소의 배출량이 현저히 낮다는 점이다. 따라서 향후 지속적으로 강화될 탄소배출규제 및 탄소세 정책을 고려하면, 바이오폴리머를 이용한 건설 기술의 개발은 매우 경쟁력 있는 분야로 성장할 것으로 전망된다.
실용화 모색 방안으로 베타글루칸을 이용한 친환경 건축 내장재의 시제품을 직접 제작하여, 기존의 황토 관련 내장 제품들과 비교하였다. 연구 결과, 베타글루칸을 이용한 친환경 건축 내장재료의 성능이 한국산업규격을 만족시킴과 동시에 기존의 제품들(천연황토 또는 석고처리 황토보드)과 비교해도 강도 및 내구성 그리고 가격 면에서 경쟁력이 있음을 검증 하였다.
본 연구에서는 바이오폴리머 응용 기술이 흙에 대한 기존의 시멘트 및 화학처리 기술들을 대체할 수 있다는 점을 공학적, 경제적, 그리고 환경적 측면에서 검증하였다. 따라서 향후 바이오폴리머와 관련된 다양한 실용화 및 상업화 기술들의 개발이 예상된다. 특히, 지반공학적 측면에서 친환경 건축 및 내장 재료, 도로포장, 급속시공 및 안정화, 이산화탄소 저장 분야 등에 폭넓게 적용할 수 있을 것으로 기대된다.
