지반조건에 따른 친환경 바이오그라우팅 주입 효과에 관한 연구

정이다. 국내 건설현장에서 주로 사용되는 그라우팅공법은 물 1.1 연구배경 및 목적 유리계 약액, 우레탄, 고압분사주입 등이 단독 또는 국내에서는 연약지반 및 해안 준설 매립 지반을 기초 가지가 병행되어 쓰이고 있으나, 이러한 주입공법은 대 지반으로 활용하는 건설현장이 증가하고 있기 때문에 그 부분 지반의 강도증진에만 중점을 두었으며, 그라우팅 동안 건설부지로 고려하지 않았던 느슨한 사질토나 연약 공법에 주원료로 사용되는 시멘트 및 약액을 통해 발생 한 실트질로 구성된 연약지반 개량 공법에 대한 관심이 되는 이산화탄소 배출 및 지하수 오염 등 환경문제에 대 상당히 높아지고 있다. 또한, 해외수주 등으로 중동지역 한 구체적인 해결방안은 제시하지 못하고 있는 실정이 에 많은 건설업체가 진출하고 있어 연약지반의 개량을 다. 생산 시 발생되는 이산화탄소 위한 새로운 공법 개발이나, 신소재의 개발이 필요한 실 는 약 시멘트를 통해 발생되는 이산화탄소 This research was supported by Basic Science Research Program through the National Research Foundation of Korea (NRF) funded by the Ministry of Science, ICT and Future Planning(NRF-2013R1A1A105010106). * Corresponding Author : Sun-Hak Kim(Chosun Univ.) Tel: +82-10-6631-8075 email: Received March 23, 2015 Revised (1st April 27, 2015, 2nd May 20, 2015) Accepted June 11, 2015 Published June 30, 2015
   . 위해 2 종류의 (SP, SW) D . 살펴보았다 . , SW Bio-grouting 의

   2~3

   또한 1톤의 시멘트를 0.9톤으로서

   가 온실가스의 주원인이 되고 있으므로 최근에는 이러한 환경문제를 해결하기 위해서 근본적으로 시멘트를 절감 할 수 있는 대체재 개발이 다양하게 연구되어 지고 있다 [1]. 본 연구에서는 친환경 미생물에 의해 생성된 고결물 을 현장 주입조건과 유사한 조건으로 그라우팅기술을 적 용하여 상대다짐도에 따라 Bio-grouting이 지반의 강도 및 주입효율, 주입범위에 미치는 영향을 분석하고자 하 였다. 따라서 상대다짐도에 따라 동일한 미생물 용액과 염화칼슘 수용액을 1.5shot 그라우팅 주입방식을 적용시 켜 단층토에 Air Compressor의 150kPa 압력을 이용하 여 주입하였고, 공기건조 후 주입효율, 고결범위 및 포켓 관입시험기를 통해 일축압축강도를 분석하였다. 1.2 선행연구 친환경 미생물 반응을 통해 생성된 고결물을 이용하 여 느슨한 사질토 지반에 비빔 및 혼합을 통하여 강도효 과를 나타낸 연구는 계속적으로 수행된바 있다. 이러한 MICP(Microbial-Induced Calcite Precipitation) 기술을 이용하여 느슨한 사질토 지반의 강도를 개선하거나 고결 물이 흙 입자와 흙 입자 사이를 침투하여 차수효과를 통 해 연약지반을 개량할 수 있는 친환경 공법으로 연구되 어 왔다[2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]. 그러나 MICP 기술은 순수한 Sand 지반만 을 이용하여 강도개선의 효과를 확인하였고, 느슨하거나 연약한 지반에 고결물을 혼합하여 사용하기 위해서는 여 러 번 반복해서 주입해야하는 번거로움과 현장 적용성에 대한 한계를 가지고 있는 실정이다[10, 11]. 따라서 친환 경 미생물 고결화 공법인 MICP 기술을 보다 효율적이 고 실용적으로 현장에 적용시키고자 연약지반 처리 공법 인 그라우팅공법에 MICP 기술을 접목시켜 Bio-grouting 공법을 개발하여 현장여건과 유사한 조건으로 주입 기술 을 개발하여 연구를 수행하였다[1, 12, 13]. 이러한 Bio-grouting 공법은 국내·외적으로 연구가 미 비한 상태이며, 모두 느슨한 사질토 지반인 상대밀도 3 0~40%에 Bio-grouting 공법을 적용 하여 연구를 수행 한 바 있다. 느슨한 사질토에 Bio-grouting을 적용한 결 과, 공시체의 강도 값은 10MPa로 큰 값을 얻었으나, 정 량적인 분석이 아닌 추정치에 의한 값으로 강도를 추정 하였다[12]. 또한 큰 모형토조에서 실험을 하였으나, 강 도의 증가는 겉 표면부분을 따라서 강도가 증가되었고, 모형토조 중앙 부분에서의 강도 증가는 미미함 등의 문

   제점이 있음을 확인할 수 있었다[13]. 느슨한 SP, SW 다 층토 지반을 조성하여 실험을 하여 구근을 형성하였으며 주입노즐과 거리가 멀어질수록 강도가 감소하는 경향을 확인할 수 있었다[1]. 앞서 수행한 Bio-grouting 연구를 통해 주입기술이 상 당히 중요한 요인임을 확인 할 수 있었고, 느슨한 지반에 서 고결의 효과를 확인 할 수 있었다. 따라서 본 연구에 서는 현장에서 활용되고 있는 주입장비와 유사한 주입장 비 및 주입노즐을 제작하여 다양한 지반조건에서 Bio-grouting의 적용성을 평가하고자 하였다.

   2.1 미생물 반응에 의한 고결물 생성과정 본 연구에서 사용된 B. pasteurii 균(KCTC 3558)은 한국생명공학연구원 생물자원센터에서 균 배양제로 균 주를 분양받아 사용하였다. B. Pasteurii 균을 배양하기 위해 배양배지는 Nutrient Broth 8g/L, Urea 20g/L로 시 료를 증류수 1L에 혼합하여 배양하였으며, 30°C에서 180RPM의 쉐이킹 인큐베이터에서 배양하였다. 이러한 B. paseurii 균은 요소를 섭취하여 Urease 반응을 통해 탄산 이온(CO 32- )을 발생시키고 이러한 탄산이온과 염화 칼슘(CaCl 2 ) 수용액의 칼슘 이온(Ca 2+ )이 반응하여 탄산 칼슘(CaCO 3 )이 생성시켜 지반 내의 간극을 채워 입자간 결합력을 높임으로서 지반의 고결화(Cementation)가 진 행되어진다. 2.2 Bio-grouting 공법의 개념 Bio-grouting 공법은 환경오염에 많은 영향을 미치는 시멘트 및 약액 등을 대신하여 친환경 신소재 미생물을 이용함으로 탄산칼슘 침전을 통해 입자사이의 빈 간극을 채움으로써 지반의 강도 증가효과 및 차수효과를 기대하 는 공법이며, Fig. 1은 고결작용을 통한 흙 입자간의 간 극변화를 나타내고 있다. 주입공법 중 하나인 Bio-grouting 공법은 약액주입공 법에 해당되며, 약액주입공법은 고결시간을 기준으로 gel-time이 20분 이상일 경우에는 1.0shot(약액과 반응약 액을 미리 혼합하여 주입), 2~10분일 경우에는 1.5shot (약액과 반응약액을 중간에서 혼합 주입), 혼합되는 순간 반응의 경우 2.0shot(약액과 반응약액을 각각 따로 주입)

   주입방식으로 구분된다. 특히, Bio- grouting 공법의 경 우 기존 선행연구인 미생물 고결화 공법인 MICP 기술 의 선행연구 결과를 통해 약액과 반응약액을 중간에 혼 합 주입하는 1.5shot 주입방식과 혼합되는 순간반응을 일으키는 2.0shot 주입방식 둘 다 가능한 것으로 나타났 으나, 현장조건을 재현하고자 1.5shot 주입방식을 실험 에 적용하였다[1].
  #200dmax 3 )SW 2.64 4.34 16.44 N.P N.P 7.7 1.55
    Fig. 2는 본 연구를 위한 공시체 제작에 사용된 SP, SW 시료의 입도분포곡선을 나타낸 것이다.

    Table 2는 D150 × H300(mm)

   실험을 수행하였다. SP시료를 70, 80, 85, 90, 95%로 공시체를 SW시료의 경우도

   KS F 2308

   1은
  
   Air compressor

   150kPa를

   1.5shot 1:1 비율로

   2000ml를 1회

   D150 × H300(mm)에서

   200mm의

   Over flow를

   50mm를 상부에 30mm의

   3.3 실험방법 장비의 전경 모습이다. 염화칼슘 수용액으로서 오른쪽 노란색의 용액 은 미생물 용액으로서 일반농도를 사용하였다. 상부의 압력게이지 표기판 의 하부의 배출 노즐을 친환경 미생물 반응으로 생성되는 고결물이 주입노즐을 따라 시료에 골 고루 주입되도록 제작하였다. 주입노즐 시료에 골 고루 주입되도록 주입장비로 제 작된 공시체에 주입하는 모습이다. 유사하며 주입을 하며 고압주입시 주변 피해 발생율이 높아지기 때문에 유의해야 한다. 또 한 주입량의 산정은 다음 식 2와 같이 결정한다.

      ×  ×  ×    (2) 여기서, V : 주입개량범위의 총 체적, n : 지반의 간극 률,  : 지반간극에 대한 주입재의 충진률,  : 주입재 의 손실계수로 사용된다.
(a) Injection of liquid chemical (b) Air compressor(c) Injection nozzle (d) Injection equipment
   주입범위 측정은 주입노즐 주변으로 형성된 고결화 작용으로 두께의 고결을 평가하였으며 Air compressor 150kPa의 압력으로 주입 후, SP시료에서 탄산칼슘의 침 전이 공시체 옆 표면으로 많은 양이 발생하여 Fig. 4(a) 와 같이 아크릴 표면에 백색의 띠를 나타냄을 볼 수 있 었다. 이는 SP시료의 큰 간극사이로 침투하여 탄산칼슘 이 주입된 것으로 판단되었다. Fig. 4는 SP시료에 대하 여 상대다짐도에 따른 주입 후 고결범위를 나타내었다.
(a) After injection (b) SP-70%(c) SP-80% (d) SP-85%(e) SP-90% (f) SP-95%
   SW시료에서는 Fig. 5(a)와 같이 탄산칼슘의 주입된 백색의 띠를 아크릴 표면에서 확인 할 수 없었고, 주입이 원활하지 않아 주입 고결물인 탄산칼슘이 Over flow되 어 시료 표면 상부에 탄산칼슘이 쌓이는 현상을 육안으 로 확인할 수 있었다. Fig. 5는 SW시료에 대하여 상대다 짐도에 따른 주입 후 고결범위를 나타내었다.
(a) After injection
   2000ml,

   4000ml의

   2000ml와 1.5shot을

   4000ml에서
따른 주입률을 측정한 결과 Fig. 6과 같이 나타났으며, SW시료에서는 RC 70%에서 약 77%의 주입률을 보였 으나, RC 80% 이상의 경우 주입률이 확연히 떨어짐을 확인 할 수 있었고 RC 85%이상에서는 주입률이 10% 이하로 주입이 거의 불가능하였다. SP시료에서는 RC 70%∼85%까지 100% 주입률을 나타내었고, RC 85% 이상에서 주입률이 낮아짐을 확인 할 수 있었다. Air compressor의 최대 압력은 500kPa이지만 실험상 어려 움이 있어 추후 추가적인 연구를 통해 주입압력에 따라 서 주입효율을 평가해야 할 필요성이 있다고 판단된다.
    Fig. 7과
개략적인 강도를 평가한 결과, RC 95%대비 RC 75% 로 감소할수록 일축압축강도가 약 40% 증가하는 경향 을 확인할 수 있었다. 또한 SP시료의 경우 Fig. 8과 같이 RC 95%대비 RC 75%로 감소할수록 고결 범위의 직경 은 약 20%, 높이는 약 30% 증가하는 경향을 나타냄을 확인할 수 있었다.(a) Cementation range of SP specimens(b) qu of SP specimens
   SW시료의 Fig. 9와 RC 70% D 138.5mm, H 140.5mm의 고결 범위를 축압축 강도 측정 결과 180kPa으로 SP시료에 가 낮게 나타났다. RC 80%의 공시체에서도 는 D 104mm, H 82mm로 일축압축 강도 100kPa의 강도를 나타내어 SP시료와 으로 RC가 감소할수록 고결 범위의 직경은 25%, 이는 약 60% 증가하는 경향을 강도는 약 80% 증가하는 경향을 RC 85% 이상에서는 주입률이 10%가 되지
(a) Cementation range of SW specimens(b) qu of SW specimens
   본 연구는 느슨한 사질토 지반에 친환경 미생물에 의 해 생성된 탄산칼슘을 현장과 유사한 방법으로 1.5shot system을 이용하여 주입 후 지반의 상대다짐도(RC)에 따라 Bio-grouting이 지반의 강도 및 주입범위에 미치는 영향을 분석하고자 하였다. SP, SW 지반에 Air Compressor의 공기압을 이용하여 주입하였으며, 일축압 축강도 및 주입범위를 분석한 결과 다음과 같다. (1) 주입효율을 측정한 결과, SP 시료에서 RC 70∼ 85%까지 주입 효율은 100%로 나타났으나 90% 이상에 서 약 15% 이상의 주입효율이 감소하는 경향을 나타냈 으며 SW시료에서는 RC 85% 이상에서는 주입율이 10% 미만으로 나타났다. 따라서 SP 지반에서는 RC와 상관없이 주입을 할 수 있을 것으로 판단되었으며, SW 지반에서는 일정 RC가 올라갈수록 주입의 어려움이 있 음을 확인 할 수 있었다. 추후 주입압력에 따라 주입률 평가를 통해 보완해야할 필요성이 있다고 판단된다. (2) SP, SW 시료의 RC가 감소할수록 고결범위는 20%~60%, 일축압축강도는 40%~80% 증가하는 경향 을 확인 할 수 있었다. 이를 통해 Bio-grouting 기술이 지반의 간극 상태와 크기에 밀접한 관련이 있음을 확인 할 수 있었으며 알갱이가 일정하고 비교적 지반의 간극 이 있는 SP지반에서 주입효율이 높음을 확인 할 수 있었 다.

   (3) SP, SW의 RC에 따라 Bio-grouting을 현장과 유 사한 방법으로 재현한 결과, 공기건조를 통해 강도를 나 타내었으며 Bio-grouting 공법을 현장에서 실용적으로 활용하기 위해서는 추후 이러한 고결물을 친환경 혼화재 로 개발하여 시멘트 양을 효율적으로 줄이면서 차수 및 강도효과를 증대시킬 수 있는 Bio-grouting 공법을 개발 해야할 것으로 판단된다.