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Apr 04, 2023

가혹한 풍화주기에 노출된 잔탄검 기반 바이오폴리머 처리 토양의 내구성 및 강도 저하

과학 보고서 12권,

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 19453(2022) 이 기사 인용

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바이오폴리머 기반 토양 처리는 성공적인 현장 규모 구현을 통해 토양 개선에 효과를 보였습니다. 본 연구에서는 바이오폴리머 처리 토양의 강도 내구성에 대한 순환적 습윤-건조(W-D) 및 동결-융해(F-T)의 영향을 조사했습니다. 결과는 순환적인 W-D와 F-T가 수분 흡착과 국지적 생체고분자 희석으로 인해 토양 강도를 점차적으로 저하시키는 것을 나타냅니다. 등급이 낮은 모래는 이러한 풍화 효과에 매우 취약합니다. 그러나 이 문제는 토양에 15~25%의 미세분 함량이 포함되었을 때 완화되었습니다. 이러한 바이오폴리머 처리된 토양은 W-D와 F-T의 수많은 주기에 효과적으로 저항했으며, 이는 바이오폴리머 처리된 토양이 흙사면 보강에 적합하다는 것을 나타냅니다.

최근 지반공학 엔지니어들은 지반공학 실무에서 높은 CO2 배출 시멘트와 관련된 환경 문제를 완화하기 위해 생물학적 토양 처리 및 지반 개선 방법을 개발하려고 시도했습니다1. 토양 처리 및 지반 개선을 위한 지속 가능한 접근법 중에서 바이오폴리머 기반 토양 처리(BPST)는 토양의 지반 공학적 특성(예: 강도, 투수성 제어 및 침식 감소)을 충분히 향상시키고 성공적인 현장 규모 구현을 보여주었습니다2,3, 4,5,6. 또한, BPST는 높은 수분 보유 특성과 바이오폴리머의 유기 기원으로 인해 식물의 종자 발아, 성장 및 가뭄 저항성을 촉진합니다.

개선된 지질 공학적 특성을 통해 BPST는 토양 침식/세굴 방지 및 경사면 보호를 위한 환경 친화적인 지반 개선 방법이 될 수 있습니다9,10. 그러나 순환적 습윤-건조(W-D) 및 동결-해동(F-T)과 같은 기후 관련 풍화 과정은 BPST 강화 토양의 강도를 감소시키는 것으로 의심됩니다. 또한, 이러한 반복적인 풍화 조건은 입자 침식과 표면층 분리를 가속화하여 불안정한 식생 환경을 초래하는 경우가 많습니다. 특히 여름(6~8월)의 폭우와 겨울(1~2월)의 표토 온도가 영하의 기온으로 인해(그림 1) 한국의 경사면 보강재는 필연적으로 열화에 더욱 취약해집니다12. BPST 현장 적용의 신뢰성을 보장하기 위해서는 변동하는 대기 풍화 조건에 대한 BPST의 내구성을 평가하는 것이 필요합니다.

1981년부터 2010년까지 대한민국(서울)의 평균 대기 및 표면 온도와 강우 빈도. 기상청 자료(https://www.weather.go.kr).

ASTM D559 및 D560 표준 테스트 방법은 풍화 과정에 노출된 토양-시멘트 혼합물에 대한 내구성 평가 방법을 지정하며, 두 표준 모두 W–D 또는 F–의 12주기에 노출된 후 가공 토양 샘플의 질량 손실을 모니터링하도록 제안합니다. T13,14. 그러나 샘플 브러싱은 다양한 운영자가 수집한 실험 데이터의 다양성에 취약합니다. 이에 대응하여 공학적 토양 혼합물의 내구성은 실험자의 오류를 줄여 정확성을 향상시키기 위해 무제한 압축 강도(qu)를 측정하여 평가되었습니다.

일부 연구에서는 주기적 풍화 조건에 노출된 후 qu를 측정하여 바이오폴리머 처리된 토양의 내구성을 평가했지만, 이전 연구는 주로 W-D 풍화21,22,23,24,25에 중점을 두었습니다. 그러나 지표 토양은 일반적으로 반복적인 결빙과 해빙을 경험하여 북반구 중위도 지역의 겨울철 경사면을 따라 토양의 안정성과 침식성에 심각한 영향을 미칩니다. 특히, 표면 유출로 인해 느슨해진 지표면에서 입자가 분리될 수 있는 해빙 기간 동안 침식이 주요 위험을 야기하는 것으로 보고되었습니다28. 따라서 BPST에 대한 F-T 내구성 분석이 평가되어야 합니다. 또한, BPST의 토양 조성은 강도와 ​​작업성을 향상시키지만 이러한 반응은 아직 충분히 조사되지 않았습니다.