1. 서 론
2. 실내 실험
2.1 EICP 용액의 최적 혼합비 산정
2.2 EICP 용액의 최적 처리량 - 콘관입실험 및 풍동시험
2.3 SEM 및 XRD 분석
3. 현장 실험
3.1 실험 방법
3.2 실험 결과
4. 결 론
1. 서 론
최근 미세먼지가 국민 건강의 위해 요소로 떠오르면서 이에 대한 관심이 증대하고 있다. 일반적으로 미세먼지(PM 10)는 직경이 10μm 미만인 입자를, 초미세먼지(PM 2.5)는 직경이 2.5μm보다 작은 입자를 의미한다(Brauer et al., 2012; Guaita et al., 2011). 미세먼지는 주로 화석연료 생산과 노후차량 등에서 발생하며, Pb, Cd, Cr 등과 같은 인체에 유해한 중금속들을 포함한다(Zereini et al., 2005). 미세먼지는 작은 입자 크기로 인해 코 점막에 의해 걸러지지 않으므로, 호흡기를 통해 인체에 유입되어 호흡기, 뇌, 신경계 등을 자극함으로써 인체 건강에 큰 피해를 입힐 수 있다(Gordian et al., 1996). 2013년 기준으로 대한민국에서 측정된 미세먼지와 초미세먼지의 배출량은 각각 246,170톤과 106,611톤이다(National Institute of Environmental Research, 2015). 이 때, 주요 배출원 중 하나인 비산 먼지는 전체 미세먼지 배출량에서 가장 많은 비율(44%)을 차지하며 전체 초미세먼지 배출량에서는 2번째로 많은 비율(16%)을 차지한다. 또한 Guo et al.(2000)에 의하면, 상하이 내 대기오염물질의 12%는 공사현장에서 발생한 것으로 알려져 있다. 이러한 공사현장에서 발생한 미세먼지는 작업장 내 근로자의 건강에 영향을 미칠 뿐만 아니라 공사현장의 외부환경 또한 크게 황폐화 시킨다(Li et al., 2010).
공사현장 내 비포장 도로에서 비산 먼지의 발생을 억제하기 위한 방법들에는 도로포장, 살수, 화학 용액 분사, 식생 등이 있다(Wu et al., 2016). 이 중 살수 및 화학 용액 분사가 편이성과 경제성으로 인해 현장에서 주로 사용되나, 살수는 억제 효과가 장기간 지속되지 않으며 물부족 국가에서는 적용하기 어려운 단점들이 있다(Gu et al., 2016). 화학 용액 살포는 살수보다 미세먼지 억제 효율이 우수한 것으로 알려져 있으나, 기계, 자동차 등의 철제 부식, 토양 환경 파괴, 지하수 오염 등을 초래하는 단점이 있다.
최근에는 지반 내에 탄산칼슘의 침전을 통해 비산 먼지의 발생을 억제하고 더불어 강도 및 강성도를 향상 시키는 친환경 공법들이 활발히 연구되고 있다(Song et al., 2017; Hamdan and Kavazanzian, 2016; Maleki et al., 2016). 이 친환경 공법들은 요소(CO(NH2)2)가 미생물(Bacteria) 또는 효소(Enzyme)에 의해 분해될 때 발생하는 탄산염(CO32-)이 칼슘 이온(Ca2+)과 결합하여 탄산칼슘(CaCO3)을 생성시키는 화학반응(식 (1))을 공통적으로 활용한다.
| $${\mathrm{CaCl}}_2+2{\mathrm H}_2\mathrm O+\mathrm{CO}{({\mathrm{NH}}_2)}_2\xrightarrow[\mathrm{enzyme}]{\mathrm{bacteria}}{\mathrm{CaCO}}_3+2{\mathrm{NH}}_4\mathrm{Cl}$$ | (1) |
탄산칼슘의 생성은 요소의 분해 방법에 따라 미생물에 의한 탄산칼슘 생성법(MICP, Microbial Induced Carbonate Precipitation)과 효소에 의한 탄산칼슘 생성법(EICP, Enzyme Induced Carbonate Precipitation)으로 나뉜다. MICP 방법은 박테리아의 배양을 위해 소요되는 시간이 필요한 반면, 배양 과정이 생략되는 EICP 방법은 용액 처리를 통해 탄산칼슘을 신속히 생성시키는 장점이 있다(Hamdan and Kavazanzian, 2016). Hamdan and Kavazanzian(2016)은 사질토에 대하여 풍동 실험(Wind tunnel test)을 수행하여 EICP 방법의 비산먼지 억제 효과가 기존의 방식에 비해 우수함을 입증하였다. 하지만 측정 대상이 상대적으로 큰 입자간 결합의 분리로 인해 발생하는 비산 먼지에 국한되었기 때문에, 미세먼지의 억제에 대한 평가를 할 수 없다는 한계가 있다. 또한 실내 규모의 실험으로는 현장적용성에 대한 평가를 할 수 없는 한계가 있다.
본 연구에서는 EICP 방법이 미세먼지의 억제 및 지반 안정화에 미치는 영향을 조사하였다. 연구는 EICP 용액의 최적 혼합비와 처리량의 산정을 위한 실내 실험과 EICP 방법을 실제 공사현장에 적용한 현장 실험으로 나뉜다. 먼저 실내 실험에서는 EICP 용액의 주 재료인 요소, 염화칼슘, 우레아제에 대하여 탄산칼슘의 생성량을 최대로 하는 최적 혼합비를 결정하였다. 또한 EICP 처리량을 달리하여 EICP 처리한 시료들과 기존 미세먼지 억제법(살수, 염화칼슘 용액 살포)을 적용한 시료들에 풍동 실험과 콘 관입 실험을 수행하여 미세먼지 농도와 콘팁저항치를 측정하였다. 측정한 미세먼지 농도와 콘팁저항치를 기반으로 EICP 용액의 최적 처리량을 결정하였다. 또한 EICP 처리시 발생한 탄산칼슘을 구성하는 광물 종류 및 광물 간 구성비를 확인하기 위해 SEM과 XRD 분석을 실시하였다. 실내 실험에서 얻은 EICP 용액의 최적 혼합비와 처리량은 현장 실험의 EICP 처리에 그대로 적용되었다. 마지막으로 현장 실험을 위해 실제 공사현장의 도로에 test-bed를 구축한 후 EICP 처리와 살수를 각각 적용하여 미세먼지 억제 효과를 평가 및 비교하였다.
2. 실내 실험
실내 실험에서는 비산먼지 억제와 지반 안정화를 최대화하는 EICP 용액의 최적 혼합비 및 처리량을 구하였다. 최적 혼합비의 산정을 위해서는 EICP 용액의 주 재료인 요소, 염화칼슘, 우레아제의 혼합비를 달리하면서 탄산칼슘이 얼마나 생성되는지 측정하였다. 또한 최적 처리량 산정을 위해 ECIP 처리한 흙 시료들과 기존 미세먼지 억제법(살수, 염화칼슘 살포)으로 처리된 흙 시료들에 대하여 풍동 실험과 콘 관입 실험을 수행하여 미세먼지 농도와 콘팁저항치를 측정하였다. 마지막으로 SEM과 XRD 촬영으로 EICP 처리에서 생성된 탄산칼슘의 표면을 조사하였다.
2.1 EICP 용액의 최적 혼합비 산정
2.1.1 실험 방법
EICP 용액의 재료로 비료용 요소(CO(NH2)2, nitrogen > 46%), 제설용 염화칼슘(CaCl2, purity ≥ 74%), 그리고 우레아제(Urease)를 포함한 백태가루(Soybean powder)를 선택하였다. 이 세가지 재료들은 실제 현장 적용을 고려했을 때 구하기가 쉽고 비용이 저렴한 저순도의 물질이다. EICP 처리에서 우레아제는 비료용 요소의 분해를 돕는 효소이다. 분해 반응에서 생성된 탄산염은 제설용 염화칼슘의 칼슘 이온과 반응하여 최종적으로 탄산칼슘을 생성한다.
EICP 용액에 대한 염화칼슘의 몰농도는 0.5M로 고정하였다. 이 농도의 EICP 용액은 기존에 지반의 개량 및 미세먼지 억제의 효과를 입증한 바 있다(Maleki et al., 2016). EICP 용액의 제작 조건은 두 가지의 경우로 나뉜다. 첫번째는 요소와 염화칼슘의 몰농도 비율을 1에서 2.5까지 달리한 EICP 용액들을 제작하였다. 이 때 EICP 용액에 대한 백태가루의 농도는 15g/L으로 통일하였다. 두번째로는 요소와 염화칼슘의 몰농도 비율은 1.5로 고정 시킨 채, EICP 용액에 대한 백태가루의 농도를 1g/L에서 50g/L까지 달리한 EICP 용액들을 제작하였다. 두 제작 조건은 EICP 반응 시 요소-염화칼슘의 몰농도 비율과 백태가루의 농도에 따라 탄산칼슘 생성량이 달라짐을 확인하기 위함이다.
EICP 반응에서 요소와 우레아제의 반응은 신속하게 이뤄지므로, 사전에 요소-염화칼슘 용액과 백태가루 용액을 각각 제작하였다. 앞서 산정된 용액의 농도는 두 용액을 혼합한 후 부피를 기준으로 산정되었다. 각 용액은 자력교반기(HSD 180, MTOPS)에서 300rpm으로 1분간 혼합하였다. 두 용액은 15ml의 코니칼 튜브에 7.5ml씩 각각 주입되어 15ml의 EICP 용액이 제작되었다. EICP 용액을 7일 간 실온(20±1.5°C)에서 반응시킨 후, 상층액을 제거한 상태에서 다시 1일 간 80°C에서 건조시켰다. 동일한 조건의 시료를 각각 3개씩 제작하였으며 탄산칼슘의 생성량은 ASTM D4373의 방법을 통하여 측정하였다.
2.1.2 실험 결과
EICP 용액의 혼합비에 따른 탄산칼슘의 생성 효율은 Fig. 1과 같다. 탄산칼슘의 생성 효율은 탄산칼슘 생성량(CaCO3)을 최대 탄산칼슘 생성량(Max CaCO3)으로 정규화한 값으로 정의하였다. 최대 탄산칼슘 생성량은 염화칼슘의 농도인 0.5M에 의해 이론적으로 생성될 수 있는 탄산칼슘 생성량이다. Fig. 1a에서 탄산칼슘 생성 효율은 요소-염화칼슘의 몰농도비(Urea/CaCl2)가 증가함에 따라 77%에서부터 92%까지 상승한 반면, 몰농도비가 1.5 이상일 때부터는 최대값을 일정하게 유지하였다. 100%의 탄산칼슘 생성 효율을 기록하지 않은 이유는 제설용 염화칼슘이 포함하는 불순물로 인한 것으로 판단된다.
백태가루의 농도(Bean concentration)에 따른 탄산칼슘 생성 효율은 Fig. 1b와 같다. 탄산칼슘 생성 효율은 백태가루 농도가 1g/L에서 15g/L에 이를 때까지 큰 폭으로 증가하는 반면, 농도 15g/L 이상부터는 91%의 최대 효율을 일정하게 유지한다. 요약하면, 탄산칼슘 생성량을 최대로 하는 EICP 용액의 최적 혼합비는 요소-염화칼슘의 몰농도비와 백태가루의 농도가 1.5와 15g/L일 때로 밝혀졌다. 이 최적 혼합비는 다음 챕터의 EICP 용액의 최적 처리량을 구하기 위한 EICP 용액 제작에 이용되었다.
2.2 EICP 용액의 최적 처리량 - 콘관입실험 및 풍동시험
2.2.1 실험 방법
본 연구에 사용된 흙 시료는 현장 실험이 수행된 ○○사업지구현장에서 채취하였다. 흙 시료는 80°C로 1일 간 건조시킨 후, 4번체를 통과한 흙 시료를 실험에 사용하였다(Poorly graded soil, D50 = 0.845mm, Cu = 4.2, Cc = 1.0). 흙 시료의 최대 및 최소 밀도는 각각 1.72g/cm3과 1.24g/cm3로 측정되었으며, 실험에 사용한 모든 시료들의 상대밀도는 50%(1.48g/cm3)로 조성하였다.
흙 시료들은 EICP 방법과 기존 미세먼지 처리법인 살수와 염화칼슘 수용액 살포의 세 가지로 처리되었다. 시료 표면에 살포된 처리량은 EICP 방법의 경우 1, 3, 5, 7, 9L/m2이며, 살수와 염화칼슘 수용액 살포에서는 7L/m2이다. EICP 용액은 앞서 구했던 최적 혼합비를 따라 제작하였다. 살수에는 증류수를 사용하였으며, 염화칼슘 살포에서는 증류수에 염화칼슘을 0.5M으로 희석시킨 염화칼슘 용액을 사용하였다. 세 가지 방식으로 처리한 시료들에 대하여 풍동 실험과 콘 관입 실험을 수행하여 콘팁저항치와 미세먼지 농도를 측정하였다.
Fig. 2a는 처리된 시료들의 강도 값을 측정하는 콘 관입 실험(Cone penetration test)의 구성을 보여준다. 사용된 콘의 직경과 팁의 각도는 5mm와 60°이다. 콘 내부에 위치한 스트레인 게이지(Strain gauge)는 DC 공급기(Agilent U8001A, 2V)에 의해 전력을 공급받아 작동한다. 시료는 지름 20cm와 높이 30cm의 아크릴 원통에 조성하였으며, 처리 용액은 분무기를 사용하여 3.86L/min의 속도로 시료 표면에 살포하였다. EICP 반응은 약 2일 간 실온에서 진행되었으며 용액의 증발 방지를 위해 아크릴 원통의 상단을 비닐로 덮었다. 1일 간 80°C의 온도에서 건조시킨 후, 1mm/min의 속도로 콘 관입을 진행하였다. 콘 관입 시 발생하는 콘 주변 흙의 변형율은 최초에 스트레인 게이지가 받아들인 후, 데이터로거(Agilent 34970A)에서 0.33초 간격으로 기록한다. 기록된 변형율은 최종적으로 콘팁저항치로 환산된다.
Fig. 2b는 처리된 시료들의 미세먼지 농도를 측정하는 풍동 실험(Wind tunnel test)의 구성을 보여준다. 시로코팬(Sirocco Fan: Fanzic, TFS-GD30FS)은 풍동 내부에 바람을 공급한다. 공급된 바람은 2개의 격자(Grid frame)를 통과하면서 난류 및 축방향 성분이 최소화되었다. 시료의 전방에 열선풍속계(Anemometer: Trotec, TA300)를 위치시켜 풍속을 측정하였으며, 시료 후방에는 미세먼지 측정기(Trotec, PC220, 2.83L/min)로 PM 10과 PM 2.5의 농도(μg/m3)를 동시에 측정하였다. 육면체 시료통(20×30×5cm3) 내 조성된 시료의 표면에 처리 용액을 분사하였으며 콘 관입 실험과 동일한 방식으로 반응(2일) 및 건조(1일)를 진행하였다. 건조된 시료는 풍동 실험 장비에 위치시켜 5m/s의 풍속 하에 약 6분 간 측정이 진행되었다. 5m/s는 PM 10의 입자를 충분히 부유할 수 있는 풍속(United States Environmental Protection Agency, 1996)이며, 6분은 미세먼지의 농도가 수렴하기에 충분한 시간이므로 다음과 같이 설정하였다.
2.2.2 실험 결과
콘 관입 실험에서 측정한 시료들의 콘팁저항치(Cone tip resistance)는 Fig. 3과 같다. 먼저 Fig. 3a는 처리되지 않은 시료와 각각 1, 3, 5, 7, 9L/m2 처리량의 EICP 용액으로 처리된 시료들의 콘팁저항치를 보여준다. 처리되지 않은 시료와 1L/m2의 처리량으로 처리된 시료의 콘팁저항치는 심도(Depth)가 증가함에 따라 선형으로 증가하는 경향을 보였다. 반면, 3-9L/m2의 EICP 용액으로 처리된 시료들에서는 약 50mm 이하의 심도에서 콘팁저항치가 두드러지게 증가하였다가 다시 감소하는 구간이 발생한다. 이 구간 내에서 콘팁저항치의 피크 값들은 10mm 인근의 매우 얕은 심도에서 기록된다. EICP 용액의 양이 많아질수록 이 피크 값들은 증가하여 최대 65.1N을 기록한다. 또한 5L/m2 이상의 처리량으로 처리된 시료의 콘팁저항치는 전 심도에 걸쳐 향상하였다.
Fig. 3b는 7L/m2의 EICP 용액, 증류수, 0.5M 염화칼슘 용액으로 처리한 시료들과 처리되지 않은 시료의 콘팁저항치를 보여준다. Fig. 3a에서 관찰된 얕은 심도에서 EICP 처리의 효과가 두드러지게 나타난 구간은 증류수와 0.5M 염화칼슘 용액으로 처리된 시료들에서도 나타난다. 하지만 해당 구간에서의 피크값들은 증류수와 염화칼슘 용액을 사용 시 각각 33N과 30N으로, EICP 용액을 사용하여 얻은 값의 50%에 불과하다. 또한 EICP 용액을 사용한 경우, 전 심도에 걸친 콘팁저항치의 향상 정도가 가장 크게 나타났다.
본 논문에서는 Fig. 3a의 얕은 심도에서 관찰되는 콘팁저항치의 피크값을 중심으로 ±1mm에 해당되는 값들의 평균값을 최대 콘팁저항치(Peak resistance)로 정의하였다. Fig. 4a는 Fig. 3에서 추출한 최대 콘팁저항치를 처리량(Spraying per unit area)에 따라 나타낸 것이다. EICP 처리의 경우, 처리량이 7L/m2까지 많아질 때 최대 콘팁저항치가 선형적으로 증가한 반면, 7L/m2와 9L/m2에서는 거의 동일한 최대 콘팁저항치를 기록했다. 그러므로, EICP 처리에서 7L/m2의 처리량은 9L/m2보다 적으면서도 최대 콘팁저항치를 최대로 증가시키기 때문에 지반 강도의 향상에 한해서는 최적 값이라고 할 수 있다. 심지어, 7L/m2의 EICP 용액으로 처리한 시료의 최대 콘팁저항치는 증류수와 염화칼슘 용액으로 처리한 시료들에 비해 200% 증가했을 뿐만 아니라, 심도 전반에 걸쳐 콘팁저항치를 향상시켰다.
풍동 실험의 결과는 Fig. 5와 같다. Fig. 5a는 1L/m2의 EICP 용액이 처리된 시료의 시간에 따른 PM 10과 PM 2.5의 농도 변화를 보여준다. PM 10과 PM 2.5의 농도는 측정기기의 한계로 50초 측정과 20초 정지를 반복하며 불연속적으로 기록되었다. PM 10과 PM 2.5의 농도는 time = 0min에서 최대값을 보이며 시간에 따라 급격히 감소한 후 일정한 값으로 수렴한다. 초기 바람에 의해 시편으로부터 발생하는 미세먼지의 농도는 최대 값을 기록한다. 지속적인 바람에 의해 발생한 미세먼지는 풍동 실험의 후방으로 비산함으로써, 미세먼지의 농도는 실험실 내 미세먼지 농도로 수렴하게 된다. 따라서 시간에 따른 미세먼지의 농도 변화에 대한 추세선은 식 (2)와 같다.
| $$\mathrm C=\mathrm{αe}^{-\mathrm{βt}}+\mathrm\gamma$$ | (2) |
식에서 α = 시료 표면에서 발생한 순 미세먼지 농도(Net concentration), β = 감소계수, t = 소요 시간, γ = 실험실 미세먼지 농도를 의미하다. Fig. 5b는 1-9L/m2의 EICP 용액과 7L/m2의 증류수와 염화칼슘 용액으로 처리된 시료들에서 측정한 순 미세먼지 농도를 보여준다. 이때, 순 미세먼지 농도는 각 시료에서의 시간에 따른 미세먼지 농도 변화에 식 (2)를 피팅 했을 때 얻은 α 값이다. EICP 처리된 시편들의 순 농도는 처리량이 1L/m2에서 3L/m2로 증가할 때 급격히 감소하였으며 3L/m2 이상에서는 최소값으로 수렴하였다. 반면, 7L/m2의 동일한 처리량을 사용했을 때, EICP와 염화칼슘 용액들로 각각 처리된 시료들에서 측정된 순 농도는 증류수로 처리된 시료에 비해 작은 값들을 기록하였다. 그러므로 EICP 처리 시 처리량이 3L/m2 이상일 때 미세먼지 억제 효과이 최대가 되며 동시에 살수보다 효과가 좋다고 할 수 있다. 정리하면, 콘 관입 실험과 풍동 실험의 결과를 근거 했을 때 지반 안정화와 미세먼지 억제를 최대화하기 위한 EICP 용액의 최적량은 7L/m2이다.
2.3 SEM 및 XRD 분석
앞서 선정된 최적 혼합비의 EICP 용액으로 생성시킨 탄산칼슘 침전물에 대하여 SEM(Scanning electron microscopic)과 XRD(X-ray diffraction) 분석을 하였다(Fig. 6). SEM 촬영은 탄산칼슘 침전물의 박편에 대해서 수행되어 시편 표면의 관찰을, XRD 분석은 분말 상태의 탄산칼슘에 대해서 수행되어 탄산칼슘을 구성하는 광물의 조성 정보를 제공한다. Fig. 6a는 탄산칼슘의 광물 형태를 보여주는 SEM 이미지로 탄산칼슘은 방해석(Calcite), 아라고나이트(Aragonite), 바테라이트(Vaterite)의 총 세가지 동질이상체(Polymorph)를 가진다. 방해석은 능면체형(Rhombohedral shape), 바테라이트는 구형(Spherical shape), 아라고나이트는 바늘형(needlelike shape)의 각기 다른 광물 형태를 띈다(Al Omari et al., 2016). 세가지 광물들의 형태를 참고했을 때, SEM 이미지 내의 탄산칼슘은 방해석과 바테라이트로 구성되어 있으며 EICP 처리에서 생성된 방해석과 바테라이트의 크기는 각각 20-40μm와 15μm에 해당한다.
Fig. 6b는 EICP 처리에서 생성된 탄산칼슘의 XRD 분석 결과이다. XRD 분석에서 X선이 물질 표면에 부딪히면 그중 일부는 회절이 발생하며, 이 회절 X선의 회절각(2θ)과 강도(Intensity)에 따라 물질을 구성하는 광물 종류 및 광물 간 구성비가 결정된다. XRD 결과에 따르면 생성된 탄산칼슘은 92.8%의 방해석과 7.2%의 바테라이트로 구성되어 있다. 바테라이트는 열역학적으로 불안정한 상태이며 자연 상태에서는 존재할 수 없는 것으로 알려져 있다. 오브알부민과 같은 일부 단백질의 존재 하에 바테라이트가 방해석으로의 변형이 지연되는 것으로 알려져 있으며(Wang et al., 2009), EICP 용액 내 함유된 물질에 의해 바테라이트가 인위적으로 생성된 것으로 보인다.
3. 현장 실험
현장 실험은 ○○사업지구현장에서 EICP 처리와 살수에 의한 미세먼지 억제 실험을 진행하였다. EICP 처리에 사용되는 EICP 용액의 최적 혼합비와 처리량은 실내 실험으로 선정한 값들을 사용하였다. EICP 처리와 살수의 두가지 방식을 현장의 test-bed에 각각 적용한 후 덤프트럭의 통행에 따라 발생한 미세먼지 농도를 측정하여 비교하였다.
3.1 실험 방법
Test-bed의 면적은 160m2(16×10m2)이며 현장 내 덤프트럭이 통행하는 구간에 위치한다. 동일한 Test-bed에 대해서 살수 실험이 진행된 후 EICP 실험이 다음으로 진행되었다. 먼저, 3주 동안의 살수 실험에서는 하루에 약 30회의 살수가 test-bed에서 수행되었고 살수 실험 기간 중 덤프트럭이 통행한 12일의 측정값들을 분석에 사용하였다.
EICP 실험은 EICP 처리와 측정에 총 5일이 소요되었다. EICP 처리에 소요되는 1120L의 EICP 용액을 제작하기 위해 제설용 염화칼슘, 요소, 백태가루, 물을 82.32kg, 50.4kg, 16.8kg, 1.2톤 준비하였다. EICP 용액의 혼합비와 처리량은 실내 실험에서 선정한 최적 값들을 사용하였다. 1120L의 EICP 용액은 고압 펌프(JASAN, 25HD-1FST25HD-1)를 사용하여 총 28회(40L/회)에 걸쳐 test-bed의 표면에 분사하였다(Fig. 7a). 각 회마다 요소-염화칼슘 용액 20L와 백태가루 용액 20L를 각각 전동 믹서에서 1분간 혼합하여 준비한 후, 고압 펌프에 주입하여 40L의 EICP 용액을 만들었다. EICP 반응은 증발 방지를 위해 test-bed 표면을 비닐로 덮은 채, 2일간 수행되었다(Fig. 7b). 차량 통행을 제한한 상태에서 비닐 제거 후, 2일간의 건조를 추가로 진행하였으며 1일간 미세먼지 농도 측정을 수행하였다.
미세먼지 농도, 현장의 온도 및 습도, 덤프트럭의 통행량 및 통행시각을 동시에 측정하였다. 미세먼지 측정기(Xi’an Yima Opto-Electrical Tech, SDL607)는 덤프트럭 통행로의 양측에 각각 배치하여 미세먼지 농도를 측정하였다. 또한, 미세먼지 측정기는 하단부가 제거된 육면체 아크릴 박스의 내부에 설치하여 방수하였다(Fig. 7c). 측정한 시간에 따른 미세먼지 농도의 변화에 식 (3)의 추세선을 피팅하여 각 덤프트럭이 통과할 때의 순 미세먼지 농도를 계산하였다. 각 덤프트럭이 통과할 때의 PM 2.5와 PM 10의 순 농도는 양의 상관관계(PM 10 순 농도[μg/m3] = 3.63 × PM 2.5 순 농도[μg/m3], R2 = 0.978)를 가지므로, PM 2.5로 순 미세먼지 농도를 나타냈다. 또한, 순 미세먼지 농도는 덤프트럭과 측정기 간의 근접성을 고려하여 두 개의 측정기 중 높은 값을 측정한 것을 기록하였다. 현장의 온도 및 습도는 온습도계(HOBO, S-THB-M00x)에서 측정된 다음, 데이터로거(HOBO, H21-USB)에서 1분 간격으로 기록되었다. 온습도계가 기록하는 상대습도는 식 (3)에 의해 절대 습도로 변환하였다.
| $$\mathrm D=\frac{\mathrm H}{100}\times\frac{0.794\mathrm e}{1+0.00366\mathrm t}$$ | (3) |
여기서, D = 절대 습도 [g/m3], H = 상대습도 [%], e = 해당 온도에서의 포화수증기압 [hPa], t = 온도 [°C]를 의미한다. 마지막으로, test-bed를 통행하는 덤프트럭의 통행량 및 통행시각 측정을 위해 CCTV 카메라 (HIKVISION, 4MP CMOS image sensor)를 설치하였다. 설치된 센서들의 사양은 Table 1과 같다.
Table 1. Performance of dust, temperature, and humidity sensors
| Measurement | Range | Resolution | Accuracy |
| Dust | 0 - 999.9 μg/m3 | 0.1 μg/m3 | - |
| Temperature | -40 - 75°C | 0.02°C | ±0.21°C |
| Humidity | 0 - 100% | 0.1% | ±2.5% |
3.2 실험 결과
Fig. 8a와 8b는 살수 실험(Watering test)과 EICP 실험(EICP test)에서 1일 간 측정한 온도(Temperature), 절대 습도(Humidity), 순 미세먼지 농도(Net concentration)를 보여준다. 순 미세먼지 농도의 값들은 덤프트럭이 통과할 때 마다 측정한 값이며 2시간 간격으로 누적 덤프트럭 통행량을 기록하였다. 살수 실험 중에 덤프트럭은 살수에 의해 영향 받은 습윤 영역(Wet area) 혹은 영향 받지 않은 건조 영역(Dry area)을 지난다. Fig. 8a에서 덤프트럭이 습윤 영역과 건조 영역을 지나갈 때 측정한 순 미세먼지 농도를 빨간 원형 심볼과 파란 원형 심볼로 각각 표시하였다. 덤프트럭이 습윤 영역 혹은 건조 영역 통과 여부는 CCTV 영상에서 육안으로 식별하였다. 수직의 파란 선들은 각 살수가 수행된 시점들을 가리키며 31회의 살수가 수행되었다.
두가지 실험 기간 동안, 덤프트럭은 06:00과 18:30의 사이에 통행하였다. 초기 통행량은 각각 21대, 60대로 비교적 큰 차이를 보이나, 이후 발생한 통행량의 경우 서로 유사한 통행량을 보였다. 현장 온도는 16:00까지 서서히 증가하다가 이후에 다시 감소하였다. 절대 습도 또한 16:00를 기점으로 서서히 감소하다가 증가하였다. 두 실험에서 측정한 온도와 절대 습도는 30°C와 10g/m3 이하인 반면, EICP 실험에서 상대적으로 높은 온도와 절대 습도를 기록하였다. 살수 실험 동안 측정한 순 미세먼지 농도는 살수 시점이나 시간 흐름에 크게 영향을 받지 않는 것으로 보인다. 그러나 EICP 실험에서는 순 미세먼지 농도가 08:00까지 낮은 값을 유지한 후 그 이후부터 통행이 끝날 때까지 살수 실험에 비해 전반적으로 큰 값들을 기록하였다.
Fig. 9a와 9b는 12일 동안의 살수 실험에서 측정한 건조 영역과 습윤 영역에서의 순 미세먼지 농도와 살수 시간(Watering time)을 보여준다. 각 순 미세먼지 농도 값에 해당하는 살수 시간은 실제 측정 시점과 측정 이전에 최근 수행된 살수의 시점과의 차이로 정의하였다. 즉, Fig. 9에서 살수 시간이 0분 일 때는 각 살수가 수행된 시점과 동일하다. 또한, y축의 값은 10분 간격 내 순 미세먼지 농도 값들의 평균값으로 나타냈다. Fig. 9는 각 살수 마다 처리량이 일정하지 않음에도 불구하고, 1회 살수가 일반적으로 순 미세먼지 농도의 변화에 어떻게 영향을 주는지 파악하는데 용이하다. Fig. 9a의 건조 영역에서 측정한 순 미세먼지 농도 값들은 평균값(αdry = 39.23μg/m3)을 기준으로 살수 시간마다 편차가 상당히 크게 발생하였다. 살수가 수행된 시점 직후에 건조 영역에서 측정값이 존재하는 이유는 살수가 test-bed의 일부 영역만 습윤 상태로 만들고 나머지는 건조 상태로 그대로 있기 때문이다. Fig. 9b의 습윤 영역에서 측정한 순 미세먼지 농도는 건조 영역에서 측정한 값들에 비해 상당히 감소하였고 살수 시간에 따라 거의 일정한 값을 유지하였다. 습윤 영역에서 측정한 순 미세먼지 농도의 평균값(αwet = 8.01μg/m3)은 건조 영역에서의 평균값의 20%에 불과하였다. 순 미세먼지 농도가 200분의 살수 시간까지 측정된 것은 살수 1회에 의한 습윤 상태가 최대 200분까지 지속된다는 것을 의미한다. 정리하면, 살수는 습윤 영역에 한해서는 최대 200분까지 미세먼지 억제의 뚜렷한 효과를 유지하는 것으로 확인되었다. 하지만 살수가 덤프트럭이 통행하는 전 영역을 습윤 상태로 만들 수 없기 때문에, 건조 영역에서는 여전히 상당한 미세먼지가 발생한다는 단점이 있다.
Fig. 9.
Dust net concentration with watering time measured in (a) dry and (b) wet area for 12 days of watering test. The watering time was defined as the difference between the measurement time and the latest watering time before the measurement. For example, watering time = 0 indicated the time of watering. The average value of the dust net concentration was calculated for 10 minutes of watering time.
살수의 습윤 영역에 대한 미세먼지 억제 효과는 일정 기간 동안 유지됨에도 불구하고, 수분 증발로 인해 그 효과는 결국 사라진다. 그러므로, 하루 동안 미세먼지 억제를 하기 위해서는 일정한 시간 간격으로 지속적인 살수가 필요하다. 이렇듯 살수에서는 시간 변수가 중요하게 작용하는 반면, EICP 처리에 의한 미세먼지 억제 효과는 시간이 아닌 덤프트럭의 통행량이 크게 결정한다. 덤프트럭의 하중이 EICP 처리된 지반에 가하는 충격이 미세먼지 억제 기능을 하는 흙-탄산칼슘 결합을 분리시키기 때문이다. Fig. 10은 1일간 누적된 차량 통행량(Cumulative traffic volume)에 따른 순 미세먼지 농도의 변화를 나타낸다. 분산된 데이터(사각형 심볼)에 대하여 30개 데이터의 폭으로 Smoothing 기법을 적용하여 추세선(검은선)을 나타냈다. 순 미세먼지 농도의 변화는 E와 F점을 기준으로 세 구간(A, B, C)으로 구분하였다. 우선, D점 이전 구간에서는 통행량이 증가하더라도 순 미세먼지 농도가 일정한 값을 보였다. 이는 EICP 처리된 지반 내 흙-탄산칼슘 결합이 온전히 유지되기 때문으로 판단된다. D점 이후, 순 미세먼지의 농도는 서서히 증가하여 살수에 의한 순 미세먼지 농도와 동일한 E점에 도달하였으며, 구간 A는 살수에 의한 미세먼지 억제와 유사한 효율을 보이는 구간을 의미한다. B 구간에서는 통행량과 함께 순 미세먼지 농도가 서서히 증가하였다. 통행량 26대의 D점에서부터 흙-탄산칼슘 결합이 분리되기 시작하여 미세먼지 억제 효과가 점점 감소하는 것으로 보인다. Fig. 9a의 건조 영역에서 측정한 순 농도값들의 불규칙한 분포와 달리 B구간에서 관찰되는 증가의 경향은 여전히 미세먼지 억제 효과가 있다는 것을 의미한다. C 구간에서는 통행량이 증가할 때 순 농도가 불규칙하게 진동하며, Fig. 9a의 건조 영역에서 측정한 순 농도 값들의 분포와 같이 상당히 임의적인 것으로 보인다. 즉, F 시점에서 흙-탄산칼슘이 완전히 분리되어 EICP 처리된 지반이 자연 건조 상태로 돌아간 것으로 판단된다. 정리하면, 해당 실험에서 EICP 처리된 지반에서는 통행량 26대(D점)에서부터 흙-탄산칼슘 결합이 분리되기 시작하지만 통행량 152대(F점)까지는 여전히 미세먼지 억제 효과를 발휘하고 있다. 흙-탄산칼슘 결합이 온전한 D점에서의 순 농도는 Fig. 9b의 습윤 영역에서 측정한 순 농도의 평균값(αwet)과 근소한 차이나, EICP 처리가 더 나은 미세먼지 억제 효과를 보였다. 또한, 통행량 55대에 도달 후, EICP 처리된 지반에서 측정한 순 농도가 습윤 영역에서 측정한 순 농도의 평균값과 동일한 값을 보였다. 하지만 EICP 처리와 살수의 미세먼지 억제 효과가 실제로 동일하게 되는 통행량은 55대보다 클 것으로 예상된다. 살수에서는 습윤과 건조 영역을 동시에 고려되므로, 살수에 의해 발생하는 순 미세먼지 농도의 평균값은 습윤 영역에서만 측정한 순 농도의 평균값보다 크기 때문이다.
대기 중의 습도가 높을수록 지면으로부터 발생하는 비산먼지는 감소한다. 이처럼 미세먼지 농도를 결정하는 주요 기상 변수 중 하나는 습도이다. 그러므로, EICP 실험에서 통행량 55대 이하일 때 EICP 처리의 미세먼지 억제 효과가 살수에 비해 나은 것은 높은 습도로 인한 것일 수 있다. EICP 실험에서 55대의 통행량이 발생한 시간은 06:54와 07:51 사이에 속한다(Fig. 8b). 이 시간대의 습도는 9.0-10.3g/m3이며 하루 중에 가장 높은 값을 기록하였다. Fig. 11은 EICP 처리된 지반과 살수 실험의 건조 영역에서 측정한 순 미세먼지 농도와 절대 습도의 관계를 보여준다. EICP 실험에서 측정한 순 농도 값들 중 9.0-10.3g/m3의 습도 범위에 속한 것들은 06:54와 07:51 사이에 운행한 55대의 통행량에 의한 것이다. 이 습도 범위에서 EICP 처리에 의한 순 농도 값들은 더 높고 넓은 습도 범위인 9.0-12.1g/m3에 속한 건조 영역의 순 농도 값들보다 전반적으로 낮은 값을 보였다. 또한, 9.0-12.1g/m3의 습도 범위에 속한 건조 영역의 순 농도 값들은 습도가 증가함에 따라 감소하는 반면, 9.0-10.3g/m3 내 EICP 처리에 의한 순 농도 값들은 습도에 관계없이 일정한 값을 유지하였다. 이 두 결과는 EICP 실험에서 통행량 55대 이하 일 때의 미세먼지 억제 효과는 습도에 관계 없을 뿐만 아니라 EICP 처리에 의해 결정된다는 것을 의미한다. 따라서 EICP 처리는 외력이 가해지는 지반보다 외력이 가해지지 않는 사면이나 넓은 부지에 살포하는 것이 미세먼지 억제에 지속적이며 나은 효과를 볼 수 있을 것으로 판단된다.
4. 결 론
미세먼지 억제를 위한 EICP 처리의 현장 적용성을 평가하기 위하여 실내 및 현장 실험을 수행하였다. 실내실험에서는 EICP 용액의 최적 혼합비 및 처리량, 침전된 탄산칼슘의 광물 종류 및 광물 간 구성비를 구하였다. 이 최적 혼합비 및 처리량은 현장 실험의 EICP 용액 제작에 그대로 활용되었다. 현장 실험에서는 EICP 처리와 살수를 test-best에 적용하여 각 방법의 미세먼지 억제 효과를 비교 및 평가하였다. 실내 및 현장 실험의 결론은 다음과 같다.
(1) 탄산칼슘 생성 효율을 최대로 하는 EICP 용액의 최적 혼합비는 요소-염화칼슘 몰농도비와 백태가루의 농도가 각각 1.5와 15g/L인 경우다.
(2) 콘 관입 실험에서 3L/m2 이상의 EICP 용액으로 처리한 흙 시료는 약 50mm 이하의 심도에서 콘팁저항치가 증가하였다. 심도 10mm 부근에서 관찰되는 최대 콘 관팁저항치는 EICP 용액의 처리량이 많아질수록 증가하며 7L/m2에서 최대값을 기록하였다. 또한, 7L/m2로 EICP 처리된 흙 시료는 기존 미세먼지 억제 방식인 살수와 염화칼슘 살포를 적용한 시료들에 비해 최대 콘팁저항치가 200% 증가했을 뿐만 아니라, 심도 전반에 걸쳐 콘팁저항치가 향상되었다.
(3) 풍동 실험에서 EICP 용액의 처리량이 증가할수록 순 미세먼지 농도가 감소하는 반면, 3L/m2 이후로는 최소값을 일정하게 유지하였다. 또한, 3L/m2 이상의 EICP 용액으로 흙 시료를 처리하면 7L/m2의 살수로 처리한 것보다 미세먼지 억제 효과가 미미한 차이나, 더 우수한 것으로 나타났다. 따라서 콘 관입 실험과 풍동 실험에 의해, 지반 안정화와 미세먼지 억제 효과를 최대로 하는 EICP 용액의 최적 처리량은 7L/m2로 판단된다.
(4) SEM과 XRD 분석 결과를 통해 EICP 처리에서 침전된 탄산칼슘은 92.8%의 방해석과 7.2%의 바테라이트로 구성되어 있음을 알 수 있다. 이는 EICP 용액 내 함유된 물질에 의해 불안정한 상태인 바테라이트가 일부 생성된 것으로 판단된다.
(5) 현장 실험에서 살수 1회는 습윤 영역에 한해서 최대 200분까지 미세먼지 억제 효과가 일정하게 지속된다. 그럼에도 불구하고 살수가 영향 받지 못한 건조 영역에서는 순 미세먼지 농도가 5배까지 증가한다. 또한 살수는 수분 증발에 의해 미세먼지 억제 효과가 결국 사라지므로 하루 동안 일정 시간 간격으로 지속적인 살수를 해야한다. 그러므로 살수의 미세먼지 억제 효과는 건조 영역을 최소화하는 살수 제어와 습윤 상태의 유지 시간에 결정된다.
(6) EICP 처리의 미세먼지 억제 효과는 살수와 다르게 누적되는 차량 통행량에 의해 결정된다. 이는 차량의 하중이 EICP 처리된 지반 내 흙-탄산칼슘 결합을 분리시키는 외력으로 작용하기 때문이다. EICP 실험에서 통행량 28대까지는 흙-탄산칼슘 결합은 온전한 상태로 미세먼지 억제 효과가 살수보다 낫다. 통행량 28대와 152대 사이의 구간에서는 흙-탄산칼슘 결합들이 외력에 의해 점점 분리되면서 미세먼지 억제 효과도 감소하였다. 통행량 152대 이후부터는 결합이 완전히 분리되어 자연 건조 상태와 유사한 것으로 보인다. 실험 결과에 따르면 미세먼지 억제를 위한 EICP 처리는 상대적으로 긴 소요시간과 외력에 민감한 점이 있으나, 흙-탄산칼슘 결합이 상대적으로 온전한 상태에서는 미세먼지의 억제 효율이 있으며 습도에 의한 영향이 미미하다는 장점이 있다.
