Journal of the Korean Geotechnical Society. January 2019. 31-42
https://doi.org/10.7843/kgs.2019.35.1.31


ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 고결 재료 및 시험방법

  •   2.1 모래 및 시멘트

  •   2.2 카제인 고결제

  •   2.3 일축압축시험 및 내구성시험

  • 3. 고결모래 공시체의 일축압축시험 및 내구성시험 결과

  •   3.1 시멘트(Cement) 고결모래 결과

  •   3.2 표준 카제인(Standard casein) 고결모래 공시체 결과

  •   3.3 개선 카제인(Adjusted casein) 고결모래 공시체 결과

  •   3.4 최적의 카제인(Recommended casein) 고결모래 제시 및 평가

  • 4. 결 론

1. 서 론

해안에 퇴적된 점토나 느슨한 사질토와 같은 연약지반의 강도 증진이나 침하량 저감을 위해 일반적으로 시멘트를 혼합한 고결공법이 일본을 비롯한 국내외 현장에서 많이 적용되고 있다(Park and Hwang, 2014). 하지만, 1990년대부터 환경훼손을 최소화하거나 자원 재활용을 위해 시멘트 사용량을 줄이면서 석고나 고로슬래그 등과 같은 산업 부산물을 활용하는 다양한 고결방법이 개발 및 적용되고 있다(Park et al., 2014). 또한, 미생물이나 식물추출액, 바이오폴리머 등을 이용한 친환경 고결방법도 활발히 연구되고 있다(Chang et al., 2016, 2018; Ham et al., 2018; Park et al., 2014). 최근에는 매년 생산되는 우유의 20%가 낭비되는 가운데 우유 단백질인 카제인을 이용한 흙의 고결방법이 시도되기도 하였다(Chang et al., 2018).

카제인 고결제는 우유에서 얻을 수 있는 카제인과 생석회와 물이 만나 생성되는 소석회 수용액이 주재료이며, 내수성이 부족하여 1900년대부터 주로 목재용 접착제로 사용 및 연구되어 왔다(Butterman, 1920; Walther, 1937; Forest products laboratory, 1967). Chang et al.(2018)의 연구결과에 의하면 카제인을 5% 혼합한 고결모래 공시체의 건조 시 일축압축강도는 4.34MPa이지만, 습윤 시 강도는 0.65MPa로 현저히 감소하는 것을 알 수 있다. 이러한 카제인 고결제의 양생 후 내수성 개선을 위해 기존 연구자들은 몇 가지 가능성을 제시하고 있다. 예를 들면, Ma(1996)는 유리병에 부착되는 라벨 접착제 구성성분들의 역할에 대해 연구하였으며, 산화아연을 첨가하여 10일 동안 수침시켜도 유리병 표면에서 떨어지지 않는 접착제를 개발하였다. 위스콘신대학의 목재연구소(Forest products laboratory, 1967)는 목재 접착제로서 카제인을 연구하였으며, 칼슘, 알루미늄, 아연 등의 중금속 이온과 반응시킬 경우 수용성이 더 감소하는 것으로 나타났다.

본 연구에서는 다양한 산업 분야에서 수행한 카제인 고결제 연구를 바탕으로 깨끗한 모래를 고결시킨 다음 고결모래 공시체의 강도 및 내구성을 향상시키기 위해 개선된 카제인 고결제를 개발하고자 하였다. 또한 카제인 고결모래 공시체의 강도와 내구성을 평가하기 위해 현장에서 많이 사용되는 시멘트 혼합토도 동일한 방식으로 제작하여 비교 분석하였다.

2. 고결 재료 및 시험방법

2.1 모래 및 시멘트

본 연구에서는 고결모래 공시체 제작을 위해 낙동강 유역에 퇴적된 낙동강모래를 사용하였다. 낙동강모래는 Fig. 1(a)과 같이 약간 모난 모양을 하고 있으며, 물로 씻어 세립분을 제거한 다음 체분석을 통해 0.075-0.85mm 사이의 입도를 가진 모래를 사용하였다. 낙동강모래의 입도분포곡선과 기본 물성치는 Fig. 1(b) 및 Table 1과 같으며, 통일분류법상 빈입도 모래(SP)로 분류된다. 카제인 고결제와 성능 비교를 위해 국내 H사의 초속경시멘트를 사용하였으며, 이를 사용한 기존 고결 연구사례도 많아 비교가 용이하다(Park et al., 2013; Park, 2011). H사의 초속경시멘트는 양생 3일만에 포틀랜드시멘트의 재령 28일 강도를 발현하며, 시멘트 페이스트의 발현 강도는 약 40MPa이다.

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Fig. 1.

Nakdong river sand

Table 1. Material properties of Nakdong river sand

GS emax emin D10
(mm)
Coef. of uniformity
Cu
Coef. of gradation
Cg
Unified soil classification
system
2.65 0.92 0.58 0.29 2.34 1.07 SP

2.2 카제인 고결제

카제인 단백질 분자는 4가지 구조로 구성되어 있으며, 각각 α, β, k, γ 카제인으로 구분된다(McGann et al., 1980). 가장 대표적인 α-카제인의 분자구조는 Fig. 2와 같으며(Min, 2016), 분자 말단부에 카복시기(-COOH)를 가지고 있다. 카제인과 같은 카복시기를 가지고 있는 단백질계 분자들은 염기성 이온(OH-)과 반응하여 산성 이온(H+)을 잃고 새로운 금속 양이온과 반응하게 되는데, 이 금속 양이온이 카제인끼리 이어주어 고결력을 발생시킨다. 이러한 반응과정은 Fig. 3과 같다(Cannon, 2015).

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Fig. 2.

Structure of casein molecule (Min, 2016)

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Fig. 3.

Progress of making casein adhesive

본 연구에서는 다양한 카제인 고결제 제조방법을 조사 분석하였다(Aubrey, 1952; Prestholdt, 1926; Julius, 1962). 주재료로 카제인, 수산화칼슘, 나트륨염이 가장 많이 사용되었으며, 위스콘신대학은 수많은 반복실험을 통해 가장 많이 사용된 카제인, 수산화칼슘, 수산화나트륨의 주 원료들 간의 우수한 배합법을 개발하였다. 이 방법은 카제인 100g을 기준으로 다른 재료들의 무게를 제시하였으며, 주재료로 사용되는 수산화칼슘, 수산화나트륨과의 최적비율을 선택하였다. 제안된 카제인 고결제 성분은 Table 2와 같다. 본 연구에서는 Table 2와 같은 구성성분을 가진 카제인 고결제(이하 “표준 카제인”이라 함)를 낙동강모래에 혼합하여 고결모래 공시체를 제작하였다. 고결제의 비(Binder ratio, BR)는 식 (1)과 같이 모래 무게(Wsand)에 대한 물을 제외한 고결제의 무게(Wbinder) 비로 나타내었다. 균질한 카제인 고결모래 제작을 위해 정제된 공업용 카제인, 수산화칼슘, 수산화나트륨, 그리고 증류수를 사용하였다.

Table 2. Binder components of standard casein (Forest products laboratory, 1967)

Casein water Casein (g) 100
Water (g) 150
Hydrated lime water Calcium hydroxide (g) 11
Water (g) 50
Sodium hydroxide water Sodium hydroxide (g) 6
Water (g) 50

$$\mathrm{Binder}\;\;\mathrm{ratio},\;\;\mathrm{BR}(\%)=\frac{W_{binder}}{W_{sand}}$$ (1)

2.3 일축압축시험 및 내구성시험

일축압축시험용 고결모래 공시체의 크기는 지름 5cm, 높이 10cm이며, 내구성시험을 위한 고결모래 공시체는 지름과 높이가 모두 3cm이다. 공시체 제작은 낙동강모래에 시멘트 고결제 2, 4, 6, 8% 또는 카제인 고결제를 1, 2, 3, 4% 혼합하고 5층으로 나누어 저다짐방법으로 제작하였다. 3일 동안 대기중에서 양생된 공시체의 강도를 평가하기 위해 1.0mm/min 속도로 일축압축시험을 실시하였다.

24시간 이상의 수침에도 형태의 변화가 없는 고결모래 공시체를 대상으로 슬레이크 내구성시험을 실시하였다. 슬레이크 내구성시험은 Franklin and Chandra(1972)에 의해 고안된 방법이다. 암석이 강우나 지하수위 변화로 인한 반복적인 건습에 따라 발생하는 세편화 현상을 슬레이킹(slaking)이라 하며, 이 현상을 지수화하기 위해 고안되었다. 슬레이크 내구성시험의 내구성지수는 식 (2)과 같이 계산한다.

$${\mathrm I}_{\mathrm d}(\%)=\frac{200회\;회\mathrm 전\;후\mathrm 의\;\mathrm{건조중량}(\mathrm{FW})}{초\mathrm{기건조중량}(\mathrm W)}\;\times\;100$$ (2)

일반적인 암석의 슬레이크 내구성시험은 40~60g의 원형 암석시편 10개를 사용하여 마모시키는 방법을 표준으로 하고 있으나, 이는 암석에 비해 점착력이나 강도가 상대적으로 낮은 고결모래의 경우 다소 과소평가되는 경향이 있다(Park et al., 2012). 즉, 강도가 낮은 고결모래의 경우 마모뿐 아니라 회전드럼통 속에서 각 시편의 충돌로 인한 중량 손실도 상당히 크게 발생한다. 따라서, Park et al.(2012)은 아직 표준화되지 않은 고결모래의 내구성 평가를 위해 하나의 시편만 사용하였다. 본 연구에서도 고결모래의 내구성을 평가하기 위해 40g~60g의 하나의 시편을 사용하였으며, 객관적인 비교를 위해 동일한 조건의 지반고결에 주로 사용되는 동일한 크기의 시멘트 시편과 비교하였다.

3. 고결모래 공시체의 일축압축시험 및 내구성시험 결과

카제인 고결모래의 강도와 내구성을 평가하기 위해 현장에서 일반적으로 사용되는 시멘트로 고결모래 공시체를 제작하여 비교하였다. 그리고, 카제인 고결모래 공시체는 기존에 알려진 표준방법(표준 카제인 고결모래 공시체)과 본 연구에서 새롭게 개선한 방법인 개선방법(개선 카제인 고결모래 공시체)으로 제작하여 비교하였다.

3.1 시멘트(Cement) 고결모래 결과

시멘트 고결모래 공시체의 목표 건조단위중량은 시멘트와 모래의 무게를 포함하여 16.0kN/m3으로 제작하였다. 시멘트비는 고결모래 공시체와 동일하게 시멘트 무게에 대한 모래와 시멘트 혼합물 무게의 비로 계산하였으며, 함수비는 낙동강모래의 최적함수비인 15%로 제작하였다. 양생방법은 3일 동안 대기중 양생하였다. Table 3에 실험 결과를 비교하였으며, Fig. 4는 일축압축응력-축변형률 관계를 나타내고 있다. 시멘트비가 8% 혼합된 고결모래 공시체의 강도는 평균 1,475kPa로 기존 연구 사례(Park et al., 2009)와 거의 유사한 경향을 보였다. 시멘트비가 증가할수록 건조단위중량과 고결력이 증가하면서 일축압축강도는 증가하였으며, 최대강도 발현 시 축변형률도 약간 증가하는 경향을 보였다. 최종 함수비는 시멘트비가 증가할수록 공시체의 구조가 조밀해지고 투수성이 낮아지면서 증발하는 수분의 양이 감소하여 함수비가 높은 경향을 보였다. 시멘트비 4-16%로 새만금모래를 고결시킨 Park et al.(2009)도 이와 동일한 경향을 보였다.

Table 3. Testing results of cemented sands with cement

Test
ID
Binder Binder
ratio
(%)
Water
content
(%)
Dry unit
weight
(kN/m3)
Unconfined
compressive
strength (kPa)
Axial strain at
peak strength
(%)
Max axial
strain
(%)
Durability
index,
Id
A-2-1 Cement 2 0.25 15.30 90 0.71 1.92 NA
A-2-2 0.43 15.15 85 0.73 1.32 NA
A-4-1 4 0.76 15.74 400 0.87 1.63 NA
A-4-2 0.82 15.81 450 0.82 1.85 NA
A-6-1 6 1.05 16.15 712 0.98 2.04 28.3
A-6-2 0.96 16.28 680 0.94 1.89 30.2
A-8-1 8 1.50 16.08 1,530 1.01 1.88 60.6
A-8-2 1.39 16.16 1,420 0.98 2.12 63.2
Note: NA is Not Applicable.

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Fig. 4.

Results of unconfined compression test using cement

내구성지수는 시멘트비 4%보다 낮은 공시체의 경우 물 속에서의 강도 저하로 흐트러져 내구성지수를 구할 수 없었으나, 시멘트비가 8%인 경우 60%의 내구성지수를 나타내었다.

3.2 표준 카제인(Standard casein) 고결모래 공시체 결과

Table 2에서 제시한 표준 카제인 고결제 배합비로 Table 4와 같이 표준 카제인 고결모래 공시체를 제작한 다음 3일 동안 대기중 양생하였다. 이를 이용하여 일축압축시험을 실시하였으며, 일축압축응력-축변형률 관계는 Fig. 5와 같다.

Table 4. Testing results of cemented sands with standard casein

Test
ID
Binder Binder
ratio
(%)
Water
content
(%)
Dry
unit weight
(kN/m3)
Unconfined
compressive
strength (kPa)
Axial strain at
peak strength
(%)
Max axial
strain
(%)
B-1-1 Standard
casein
1 0.32 14.90 1,420 1.75 2.48
B-1-2 0.46 15.15 1,326 1.43 2.54
B-2-1 2 0.57 15.64 3,285 1.56 2.67
B-2-2 0.34 15.71 3,472 1.83 3.30
B-3-1 3 0.48 15.18 5,778 1.90 3.51
B-3-2 0.50 15.23 5,425 2.05 3.64
B-4-1 4 0.80 15.55 7,249 2.18 4.23
B-4-2 1.26 15.22 7,082 2.28 4.48

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Fig. 5.

Results of unconfined compression test using standard casein

시멘트 고결모래와 유사하게 카제인비가 증가할수록 일축압축강도는 1,373kPa에서 7,166kPa로 선형적으로 증가하는 경향을 보였다. Chang et al.(2018)의 경우 세립분이 많이 포함된 점토질 모래에 카제인 4%를 혼합하여 3,630kPa의 강도(건조 상태)를 얻었다. 이는 본 연구에서 사용한 모래보다 세립분이 많고 점토 성분이 다수 포함되어 있어 낮은 일축압축강도를 나타낸 것으로 판단된다. 축변형률 또한 카제인비가 증가할수록 증가하는 경향을 보였다. 하지만, 시멘트 고결모래 공시체와 달리 카제인 고결모래 공시체의 경우, 최대응력 시 변형률이 1.4~2.3%로 높은 증가율을 보였다. 또한 파괴발생 후 응력이 감소하여 0에 도달하는 변형률 값인, 최대변형률은 2.5~4.5%로 최대응력 시 변형률의 약 2배 정도를 나타내었다. Table 5 및 Fig. 6은 카제인 고결모래의 고결제 비율에 따른 탄성계수(Elastic modulus), 인성계수(Toughness)를 나타내며, 선형적인 증가를 보임을 알 수 있다. 이를 통해, 카제인 바인더가 다소 연성재료의 거동특성을 보이는 것으로 판단된다.

Table 5. Elastic modulus and toughness of standard casein

Test ID B-1-1 B-1-2 B-2-1 B-2-2 B-3-1 B-3-2 B-4-1 B-4-2
Binder ratio (%) 1 1 2 2 3 3 4 4
Elastic modulus (kPa) 2,554 2,763 4,234 4,498 5,824 6,297 6,652 6,871
Toughness (kPa・%) 1,340 1,511 5,377 6,111 8,548 7,823 12,090 10,678

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Fig. 6.

Elasticity and toughness of standard casein

동일한 양의 시멘트와 카제인을 함유한 공시체의 경우, 표준 카제인 고결모래 공시체의 강도가 약 17배 정도 더 높은 값을 나타내었다. 강도 측면에서는 카제인 고결모래 공시체가 시멘트 고결모래 공시체보다 매우 우수한 성능을 발휘하였다. Fig. 7은 시멘트와 카제인으로 고결된 모래의 전자현미경 사진을 비교하고 있다. 시멘트의 경우 모래입자 사이 연결부에 다수의 공극이 있지만 카제인은 공극없이 연속적으로 이어진 구조를 가지고 있다. 이로 인해 카제인으로 고결된 모래가 더 높은 강도를 발현한 것으로 판단되며, 특히 카제인비가 4%인 고결모래의 경우 모래입자 사이에 빈 틈 없이 바인더로 채워져 있음을 알 수 있다.

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Fig. 7.

SEM images of cemented sands

Fig. 8은 3시간 후 고결력을 잃고 붕괴된 표준 카제인 고결모래 공시체의 모습이다. 이와 같이 표준 카제인 고결모래 공시체의 형태는 24시간 수침 후 고결력을 잃어 분해되어 슬레이크 내구성시험이 불가능할 정도로 내구성이 낮았다. Fig. 9는 시멘트 및 표준 카제인 고결모래 공시체의 일축압축강도와 내구성지수를 비교하고 있다. 표준 카제인 고결모래 공시체는 시멘트 고결모래 공시체보다 상당히 높은 강도를 발휘하지만, 물에 대한 내구성이 약해 현장 적용 시에 반드시 이를 보완할 필요가 있다.

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Fig. 8.

Cemented specimen with standard casein under water

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Fig. 9.

Comparison of (a) unconfined compressive strength and (b) durability index for cemented sand with cement and standard casein

3.3 개선 카제인(Adjusted casein) 고결모래 공시체 결과

앞서 언급한 것처럼 표준 카제인 고결모래 공시체의 내구성을 개선하기 위해 기존 연구사례들을 조사 분석하였다. 먼저, 표준 카제인 고결제에 구리나 아연과 같은 불용성 금속을 첨가할 경우 수용성은 개선되지만(Ma, 1996), 토양 및 주변 환경에 영향을 미치는 지반 고결제에 불용성 금속을 혼합하는 것은 바람직하지 않다고 판단된다(Lee et al., 2004). 따라서, 표준 카제인 고결제 구성성분의 기능을 분석한 다음, 이들 함유량을 조절하거나 새로운 성분을 추가하여 내구성을 개선시키고자 하였다.

표준 카제인 고결제의 주원료들의 역할은 다음과 같다. 주원료는 수산화나트륨과 수산화칼슘이며, 수산화나트륨이 첨가될수록 공시체의 강도 증가 및 겔 상태로 사용 가능한 시간이 늘어난다(Forest products laboratory, 1967). 수산화칼슘은 내수성을 증진시키지만 겔 상태의 시간과 강도를 떨어뜨린다. 따라서, 흙 입자를 결합시키는 고결제로서 기존 표준 배합비는 충분한 강도를 발현하므로 내수성 증진을 위해 먼저 수산화칼슘의 비율을 높이도록 배합비를 조정하였다. 수산화칼슘의 배합비를 높이는 방법으로는 (i) 수산화칼슘 함유량 증가(C-1 방법), (ii) 수산화나트륨 함유량 감소(C-2 방법), (iii) 수산화칼슘 함유량 증가 및 수산화나트륨 함유량 감소(C-3 방법)의 3가지 방법을 고려하였다.

또한 카제인 고결제의 화학반응과 관련성이 다소 낮은 성분을 추가하는 세 가지 방법은 다음과 같다. 먼저, (iv) 요소(urea)를 추가하였다(C-4 방법). 요소는 주로 단백질 간의 결합을 끊는데 사용되며, 카제인 연구에서 분자구조를 펼쳐 접촉면적을 넓히고 점성을 낮춰 결과적으로 유동성을 높이는 재료로 사용된다(Manson, 1962). 또한 카제인, 포름알데히드와 암모니아를 결합한 고결제의 원료로도 사용되는데(Raval et al., 2005), 이는 상당히 우수한 강도 성능을 발현하나, 포름알데히드와 반응하면서 인체에 유해한 독성물질을 생성한다. 한편, Seo (2016)는 칼사이트 고결모래의 내구성을 향상시키기 위해 요소를 사용하기도 하였다. 따라서, 요소 단일 성분이 카제인 고결모래의 내구성 향상에 미치는 영향을 분석하고자 하였다. (v) 점토(kaolinite)를 추가하였다(C-5 방법). 점토의 경우, 물리적인 투수계수를 낮추어 외부로부터의 간극수 침투를 막아주며, 벤토나이트나 카올리나이트와 같은 점토는 자체적인 결정구조로 인해 수분을 상당 부분 흡수해 현장의 차수재로 사용되기도 한다. 따라서, 점토를 이용한 차수효과를 고려하였다. 마지막으로 (vi) 아마유(linseed oil)를 추가하였다(C-6 방법). 아마유는 페인트, 목재의 코팅제로 사용된다. 아마유는 건조과정에서 공기 중의 산소와 반응하여 리녹신을 생성하는데 이렇게 생성된 리녹신은 물과 기름 모두에 녹지 않아 방수 코팅제로 사용된다. 또한, 고결제의 내수성을 증진시키기 위해 카제인과 혼합하여 사용하기도 하였다(Cannon, 2015). Wright et al.(1993)은 콘크리트 코팅제로 아마유를 사용해 성능을 시험하였으며, 끓인 아마유가 가장 효과적인 것을 확인하였다. 따라서, 본 연구에서도 끓인 아마유를 사용하여 코팅 성능을 확인하고자 하였다. 각 첨가제는 바인더 재료 총중량의 약 10%(40g) 첨가하였다. 이와 같은 총 6가지 방법으로 개선된 공시체에 대한 일축압축강도와 내구성지수를 평가하였으며, Table 6에 그 결과를 정리하였다.

Table 6. Testing results of cemented sand with adjusted casein

Test ID
C-1 C-2 C-3 C-4 C-5 C-6
Casein (g) 100 100 100 100 100 100
Water (g) 250 250 250 250 250 250
Sodium hydroxide (g) 11 5(-6) 5(-6) 11 11 11
Calcium hydroxide (g) 30(+10) 20 26(+6) 20 20 20
Additive (g) - - - 40 40 40
Unconfined compressive
strength (kPa)
6,935 5,647 6,325 312 1,659 4,382
Durability index (%) 32 NA 93 NA NA 10
Remarks Calcium
increased
Sodium
decreased
Calcium increased &
Sodium decreased
Urea
added
Kaolinite
added
Linseed oil
added

Fig. 10(a)는 6종류의 개선된 공시체의 일축압축응력-축변형률 곡선을 나타내고 있으며, Fig. 10(b)는 일축압축강도(qu)와 내구성지수(durability)를 비교하고 있다. Fig. 8로부터 개선된 공시체 중에서 C-3방법이 가장 우수한 내구성과 강도를 발휘하였다. Pizzi et al.(2017)은 카제인 접착제에 수산화칼슘의 비율에 따른 수용성을 연구하였으며, 수산화칼슘을 카제인 무게의 25% 정도 사용할 경우 가장 우수한 것으로 나타났다. C-3 또한 카제인에 대한 수산화칼슘의 무게비가 약 26% 정도이다. Fig. 11은 C-3 공시체가 24시간 수침 후에도 일정 강도와 형태를 유지하고 있는 모습이다. 따라서, C-3 배합비를 최적의 카제인 고결제로 선정하고, 카제인비에 따른 강도와 내구성 평가를 3.4절에 실시하였다.

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Fig. 10.

Results of unconfined compression and durability tests using adjusted casein

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Fig. 11.

C-3 specimen under water

3.4 최적의 카제인(Recommended casein) 고결모래 제시 및 평가

3.3절에서 제시한 최적의 카제인 고결제(C-3 방법)로 카제인비를 1, 2, 3, 4%로 달리하면서 공시체를 제작한 다음, 3.1절의 기존 시멘트 혼합토와 3.2절의 표준 카제인 고결모래 공시체와 비교하였다. Table 7은 최적의 카제인 고결모래 공시체의 일축압축강도와 내구성지수를 비교하고 있다. Fig. 12는 최적의 카제인비에 따른 일축압축응력-축변형률 곡선과 내구성지수를 비교하고 있다. 표준 카제인 고결모래 공시체와 동일하게 고결제 함유량이 증가함에 따라 강도와 최대강도 발현 시 변형률이 증가하는 결과를 보였다. 카제인비가 4%인 경우 일축압축강도는 6,253kPa이고 내구성지수는 92%로 나타났다.

Table 7. Testing results of cemented sands with recommended casein

Test ID Binder Binder ratio
(%)
Water content
(%)
Dry unit weight
(kN/m3)
Unconfined compressive
strength (kPa)
Durability index
(%)
D-1-1 Recommend
casein
1 0.62 14.96 727 51.4
D-1-2 0.83 14.92 656 55.4
D-2-1 2 0.53 15.25 2,366 67.0
D-2-2 0.42 15.31 2,753 69.5
D-3-1 3 1.02 15.62 4,706 80.3
D-3-2 0.75 15.35 4,594 84.4
D-4-1 4 0.82 15.68 6,500 91.7
D-4-2 0.98 15.83 6,005 92.8

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Fig. 12.

Results of unconfined compression and durability tests using recommended casein

Fig. 13은 기존 시멘트, 표준 카제인, 그리고 최적의 카제인 고결모래 공시체들의 고결제 함유량 증가에 따른 일축압축강도와 내구성지수를 비교하고 있다. 본 연구에서 제시한 최적의 카제인 고결모래 공시체(고결제비 4% 기준)는 위스콘신대학에서 제시한 표준 카제인 고결모래 공시체보다 강도는 13% 정도 낮지만, 내구성지수는 92% 더 높은 것으로 나타났다. 그리고, 시멘트 고결모래 공시체(고결제비 4% 기준)보다는 일축압축강도 및 내구성지수 모두 15배 및 92% 더 높은 것으로 나타났다.

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kgs/2019-035-01/N0990350103/images/kgs_35_01_03_F13.jpg
Fig. 13.

Comparison of unconfined compressive strength and durability for cemented sand with different binders

최적의 카제인 고결모래를 현장에 적용할 경우, 강도 측면에서는 충분하지만 반복적인 건습작용에 의한 내구성 변화를 분석할 필요가 있다. 현장에서는 10% 이내의 빈배합으로 시멘트를 혼합하므로 시멘트비가 8%인 고결모래와 유사한 내구성을 가진 카제인비 2% 및 3%의 고결모래를 대상으로 건조와 수침을 3회 반복하면서 내구성지수를 측정하였다. 수침은 22-25°C의 1L 물에 24시간 수침 후 건조로를 통해 12시간 건조시키며 반복 수행하였다. 내구성지수는 Table 8 및 Fig. 14와 같으며, 시멘트비 8%와 카제인비 2%의 고결모래는 유사한 내구성 변화를 보여주었다. 카제인비 3% 고결모래의 경우, 3회 반복 수침 후에도 뚜렷한 내구성 감소가 발생하지 않는 것으로 나타났다. 이는 3.2절에서 언급한 것처럼 카제인과 시멘트로 고결된 모래 입자 사이의 연결 구조의 차이로 판단된다. 배합비를 수정하면서 카제인의 내구성은 상당히 개선되었으나, Fig. 7에서 카제인 2%의 경우 모래입자 주변에 카제인이 고르게 분포되어 있지 않아 이에 따른 모래입자 사이의 미세 공극에 수분이 침투하여 내구성을 감소시킨 것으로 판단된다. 반면 3% 이상의 카제인 고결모래의 경우 바인더가 고결모래 입자 사이에 전체적으로 분포되어 있어 수분 침투를 막고, 외부 철망의 충격에 의한 겉 표면의 소량의 모래입자만이 분리되어 우수한 내구성을 나타낸 것으로 판단된다. 한편, Mindess et al.(1981)에 의하면 포화된 콘크리트의 강도 감소 현상에 대하여 콘크리트 시편 내부에 수분이 침투할 시 Si-O-Si 결합력을 떨어뜨리고, 침투된 수분이 윤활제 역할을 하여 기계적인 맞물림을 약하게 만드는 경향이 있다. 콘크리트에 비해 내부 공극이 크고 많아 투수성이 높은 시멘트 고결모래의 경우 이러한 현상이 더 심화되어 수침이 반복될수록 내구성이 10% 이상씩 감소된 것으로 판단된다.

Table 8. Results of slaking test

Test
ID
Binder Binder ratio
(%)
Initial dry weight
(g)
Dry weight (g) Durability index (%)
1st 2nd 3rd 1st 2nd 3rd
E-1 Cement 8 35.39 22.05 9.93 3.19 62 48 32
E-2 Recommended casein 2 35.59 24.75 13.09 5.41 70 53 41
E-2 Recommended casein 3 35.83 30.25 24.85 20.25 84 82 81

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kgs/2019-035-01/N0990350103/images/kgs_35_01_03_F14.jpg
Fig. 14.

Results of slaking test

4. 결 론

현장 지반의 고결을 위해 아직까지도 대부분 시멘트를 사용하고 있다. 하지만, 친환경적인 측면이나 자원 재활용을 위해 칼사이트 석출이나 미생물 고결제, 바이오폴리며, 고로슬래그와 같은 다양한 고결제가 개발 또는 적용되고 있다. 본 연구에서는 우유에서 추출한 카제인 단백질을 활용한 기존 접착제를 흙의 고결에 적용하기 위한 연구를 수행하였다. 특히, 물에 쉽게 용해되어 내수성이 약한 카제인 고결제를 개선시키기 위해 함유량을 조절하거나 새로운 성분을 추가하여 고결모래 공시체를 제작하고 일축압축시험과 내구성시험을 수행하였다. 그 결과를 정리하면 다음과 같다.

(1) 위스콘신대학에서 제시한 표준 카제인 고결제로 낙동강모래를 고결시킨 경우, 일축압축강도는 카제인비 4%인 경우 7,166kPa로 동일한 함유량을 가진 시멘트 고결모래보다 17배 높은 강도를 나타냈다. 하지만, 시멘트 혼합토에 비해 물에 쉽게 풀리면서 현장 적용 시에는 이를 보완할 필요가 있었다.

(2) 표준 카제인 고결제의 내수성을 향상시키기 위해 6가지 방법을 제시하였다. 먼저 3가지 방법은 수산화칼슘의 배합비를 높이거나 조절하는 방법이다. 나머지 3가지 방법은 요소, 점토, 아마유를 추가하는 방법이다. 이 6가지 방법 중에서 일축압축강도와 내수성지수가 모두 우수한 방법은 3번째 방법으로 수산화칼슘을 30% 증가시키고 수산화나트륨을 50% 감소시킨 방법이었다.

(3) 본 연구에서 제시한 최적의 카제인 고결방법으로 제작한 공시체는 위스콘신대학에서 제시한 표준 카제인 고결모래(고결제비 4% 기준)보다는 강도는 13% 낮지만 내구성지수는 92% 정도로 상당히 높은 내구성을 가지는 것으로 나타났다. 동일한 함유량을 가진 시멘트 고결모래와 비교하면 일축압축강도 및 내구성지수 모두 15배 및 92% 더 높은 것으로 나타났다.

(4) 2% 정도의 카제인비를 가진 최적의 카제인 고결모래는 시멘트비 8%인 고결모래 보다 강도 및 내수성 측면에서 우수한 것으로 나타났다.

Acknowledgements

본 연구는 2018년도 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구이며(No. NRF-2018R1A5A1025137), 이에 감사드립니다.

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