KR101141978B1 - 콩을 이용한 지반의 고결제 및 이를 이용한 지반의 고결화 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 흙입자 사이 공극이나 암반 내 균열 사이에 탄산칼슘을 침전시켜 흙을 고결화하는 고결제 및 이를 이용한 고결화 방법에 관한 것으로서 본 발명에 의해 미생물 대사활동을 위한 pH 및 배양액 조건, 흙입자의 크기 및 공극비, 흙의 종류, 적절한 수분함량의 범위 및 온도범위에 구애받지 않고 탄산칼슘을 침전시켜 지반을 고결화할 수 있는 고결제를 제공하여 지반의 강도와 지지력을 개선할 수 있다.

Description

콩을 이용한 지반의 고결제 및 이를 이용한 지반의 고결화 방법{Soil?binder Using Natural Bean And Its Use For Soil Cementation}
본 발명은 흙입자 사이 공극이나 암반 내 균열 사이에 탄산칼슘을 침전시켜 흙을 고결화하거나 암반의 균열을 메움으로써 지반(흙과 암반을 모두 포함)의 강도와 지지력을 향상시키거나 침하량을 감소시키는 고결제 및 이를 이용한 고결화 방법에 관한 것이다.
자연적인 흙의 고결화(cementation) 현상은 모래나 점토와 같은 흙입자 사이에 유기물질이나 칼슘염이 침전되면서 흙입자가 고결되어 강도를 발휘하는 과정이다. 인위적인 흙의 고결화는 공학적으로 불량한 흙을 시멘트와 같은 고결제를 사용하여 강제적으로 흙입자 사이에 고결물질을 생성시켜 흙입자를 고결시키는 것이다.
인위적으로 토사나 암반을 고결시키는 공법은 지반 내에 시멘트계나 약액을 주입함과 동시에 교반하여 지반을 고화처리하는 공법(예: 교반처리공법)과 단순 주입하여 지반 내의 균열이나 공극을 충전하여 지반을 보강하거나 차수하는 공법(예: 약액주입공법, 그라우팅공법)으로 나눌 수 있다. 이와 같은 지반 보강 및 차수공법에는 대부분 시멘트를 사용하고 있다. 시멘트의 원료는 국내에 풍부하게 매장되어 있으나, 1톤의 시멘트를 생산하기 위해서는 약 0.9톤의 이산화탄소가 배출될 뿐 아니라 석회석 채광으로 자연환경을 훼손시키는 단점이 있다. 미국이 교토의정서에 다시 동참할 경우 우리나라도 어쩔 수 없이 막대한 이산화탄소 배출금을 지불할 수 밖에 없는 가운데 국내에서 시멘트 생산 시 발생하는 이산화탄소는 연간 6300만 톤(2조 8천억 원에 해당) 정도이므로 탄소배출량을 절감하기 위해서 시멘트가 아닌 친환경 재료를 이용한 고결제 개발이 필요한 실정이다. 따라서 국내에서도 시멘트를 대체할 수 있는 친환경 고결제로 미생물을 이용한 흙의 고결에 관한 연구가 수행되고 있다.
흙의 고결화 방법으로 대한민국등록특허제10-1030761호에서는 연약 지반에 미생물 용액과 염화칼슘 용액을 적용함으로써 상기 미생물 용액 내의 미생물 대사활동으로부터 얻어지는 탄산염 이온과 상기 염화칼슘 용액으로부터 얻어지는 칼슘이온의 반응으로 흙입자 사이의 공극에 탄산칼슘을 침전시키는 것을 포함하는 연약 지반의 고결화 방법을 제공하고 있다.
상기 선행기술은 미생물 대사활동에 의한 우레아 분해로부터 얻어지는 탄산염 이온과 상기 염화칼슘 용액으로부터 얻어지는 칼슘이온의 반응으로 탄산칼슘을 침전시키는 방법으로서 미생물의 반응을 위한 pH 및 배양액 조건과 미생물의 원활한 통과를 위한 흙입자의 크기 및 공극비의 한계가 있는 문제점이 있으며, 적용대상인 흙의 종류도 미생물의 크기를 고려하였을 때 모래와 실트에 국한되며, 적절한 수분함량의 범위가 존재할 뿐만 아니라 미생물의 생장에 적합한 온도범위가 상온(30℃)에 국한되는 등의 적용상의 한계가 있어 왔다.
따라서 본 발명에서는 종래기술의 문제점인 pH 및 배양액 조건, 흙입자의 크기 및 공극비, 흙의 종류, 적절한 수분함량의 범위 및 온도범위에 구애받지 않고 탄산칼슘을 침전시켜 지반을 고결화할 수 있는 고결제 및 이를 이용한 지반의 고결화 방법을 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
그러므로 본 발명에 의하면, 콩추출액 및 우레아로 이루어진 제1성분액과 염화칼슘 수용액인 제2성분액으로 이루어지고 지반에 적용시 상기 제1성분액과 제2성분액을 혼합하여 사용하는 것을 특징으로 하는 콩을 이용한 지반의 고결제가 제공된다.
또한 본 발명에 의하면, 상기 고결제를 이용하여 지반 내 흙입자 사이 공극에 탄산칼슘을 침전시켜 지반을 고결화하는 것을 특징으로 하는 지반의 고결화 방법이 제공된다.
이하 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 지반 내의 흙입자 사이 공극이나 암반 균열 내에 탄산칼슘을 침전시켜 지반을 고결화하여 지반의 강도 및 지지력을 증대시키고 침하량을 감소시킬 수 있는 고결제에 관한 것이다.
고결화(cementation)는 흙이 단단해지는 일련의 과정으로서, 흙입자간의 공극을 통하여 고결물(cement)이라 부르는 고형물질들이 공극 내에 침전되어 흙입자들을 서로 묶어주어 흙입자들을 단단하게 형성하도록 하는 것이다.
본 발명의 고결제는 지반의 흙입자 공극에 탄산칼슘을 침전시켜 지반을 고결화하는데 사용하는 것으로서, 콩추출액 및 우레아로 이루어진 제1성분액과 염화칼슘 수용액인 제2성분액으로 이루어지고 지반에 적용시 상기 제1성분액과 제2성분액을 혼합하여 사용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 제1성분액은 콩추출액 5~50 중량%, 우레아 50~95 중량%인 것이 특징인데, 콩추출액 5 중량% 미만에서는 탄산이온의 발생량이 충분하지 못하여 탄산칼슘형성능이 저하되는 문제점이 발생할 수 있다. 이렇게 본 발명에서는 콩추출액에 함유되어 있는 우레아제와 우레아를 반응시켜 탄산이온을 형성시킴으로써, 후술할 제2성분액인 염화칼슘 수용액으로부터 얻어지는 칼슘이온과의 반응으로 탄산칼슘을 형성시키게 된다. 상기 제2성분액인 염화칼슘 수용액은 염화칼슘 10~50% 수용액인 것이 탄산칼슘 석출에 바람직하다.
콩추출액속의 우레아제 성분은 우레아와 화합하여 탄산이온과 암모니아 이온을 형성하면서 주변의 pH를 9.2 정도까지 상승시킬 수 있으며, 이는 콩추출액의 우레아제가 우레아를 분해하였다는 증거가 될 수 있다.
콩추출액에 의한 우레아 분해 반응은 다음의 식 (1)로 나타낼 수 있다.
Figure 112011082694207-pat00001
(식 1)
이렇게 분해된 상기 탄산이온과 암모니아이온은 제2성분액인 염화칼슘 수용액의 칼슘이온과 만나 아래 식 (2)와 같이 탄산칼슘을 석출하게 된다.
Figure 112011082694207-pat00002
(식 2)
상기 제1성분액과 제2성분액의 비는 1:1 ~ 2:1인 것이 탄산칼슘 석출에 바람직하다.
상기 콩추출액은 작두콩, 강낭콩, 검은콩, 흰콩을 포함하는 콩류에서 어느 하나 이상의 콩으로부터 추출된 것을 특징으로 하며, 콩을 분쇄하여 고형분과 함께 사용하여도 무방하나 분쇄 후 고형분을 제외한 액체부분만을 사용하는 것이 콩추출액속의 우레아제 성분의 활성을 극대화하고, 콩류에서 발생하는 고형분에 의한 간섭을 배제하는 데에 바람직하다.
본 발명에서는 상기 고결제를 이용하여 지반 내 흙입자 사이 공극에 탄산칼슘을 침전시켜 지반을 고결화하는 것을 특징으로 하는 지반의 고결화 방법이 제공된다. 상기 고결제의 제1성분액을 고결화의 대상이 되는 지반의 흙속에 주입하여 골고루 혼합한 후 제2성분액을 순차적으로 투입하여 지반 내에 제1성분액과 제2성분액이 균일하게 분포할 수 있도록 하여 지반 내 흙입자 사이 공극에 탄산칼슘이 골고루 침전될 수 있도록 한다.
본 발명의 고결화 방법은 특히 느슨한 점토질, 실트질 또는 모래질로 구성된 연약지반이나 암반의 균열을 메우는데 바람직하다. 한편 각종 토목 및 건축공사에 사용되는 시멘트를 대신할 수 있는 친환경 고결제로서 흙이나 암반뿐만 아니라 다양한 건설재료의 고결이나 결합에 시멘트 대용으로 사용될 수 있다.
흙의 종류는 크게 자갈, 모래, 실트, 점토로 구분되어지는데, 기존의 미생물을 이용하는 경우에는 미생물의 크기로 인하여 모래와 실트에 국한되었으나, 본 발명의 고결제를 사용하는 경우에는 흙의 종류에 구애받지 않고 여러 가지 흙의 종류에 널리 적용될 수 있다. 사질, 실트질, 점토층 및 암반 중 어느 하나 이상의 지반에 적용할 수 있다. 한편 미생물을 사용할 경우 미생물의 대사활동에 사용되는 배양액의 준비과정이나 시간이 많이 소요되며 배양액 자체가 고가이지만, 콩을 직접 분쇄하여 사용하는 본 발명의 고결제의 경우는 고결재료가 저렴하고 단순하여 고결제의 준비 기간과 과정을 단축시켜 지반의 고결화 비용을 절감하고 고결제의 대량생산 및 현장적용을 가능케 한다.
그러므로 본 발명에 의하면, 미생물 대사활동을 위한 pH 및 배양액 조건, 흙입자의 크기 및 공극비, 흙의 종류, 적절한 수분함량의 범위 및 온도범위에 구애받지 않고 탄산칼슘을 침전시켜 지반을 고결화할 수 있는 고결제를 제공하여 지반의 강도와 지지력을 개선하고 침하량을 저감하여 친환경적이고 경제적으로 토목구조물의 안정성을 향상시킬 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예 1에 의해 얻어진 고결 물질의 사진이며,
도 3은 실시예 1에 의해 생성된 광물의 XRD 분석 결과도이다.
도 4는 실시예 1에 따른 탄산칼슘 석출에 대한 XRD 분석 결과도이며,
도 5는 비교예 1에 따른 탄산칼슘 석출에 대한 XRD 분석 결과도이며,
도 6은 실시예에 의해 생성된 탄산칼슘 내 CO3 음이온의 정량 분석 결과도이다.
이하 다음의 실시 예에서는 본 발명의 콩을 이용한 지반의 고결제에 대한 비한정적인 예시를 하고 있다.
[실시예 1 및 비교예 1]
호모게나이져(Homogenizer)로 콩(작두콩)을 분쇄하고 얻어진 고형물과 액체를 침전법에 의해 분리한 후, 액체를 12,000rpm, 15 분, 4℃에서 원심분리(centrifuge)시킨 후에 상층액을 취하여 콩추출액 5g을 준비한 후 우레아(CO(NH2)2) 10g을 혼합하여 제1성분액을 준비하였다. CaCl2(Ca2+25.2mM) 및 121℃에서 1.5기압 15분 동안 고압 멸균한 멸균수를 교반기에 넣고 24 시간 동안 교반한 후 Filltering 하여 제2성분액을 준비한 후, 상기 준비한 제1성분액 15g과 제2성분액 15g을 혼합하여 총 30g이 되도록 한 후 두껑을 닫고 72 시간동안 28℃에서 배양을 하여 고결물질이 생성되는지 확인하였다. 72 시간 후 용기 안의 물질을 거름종이로 액체를 분리한 후 건조하여 도 1 및 도 2와 같은 고결 물질을 얻었다.
구 분 콩추출액 (g)
실시예 1 5
비교예 1 0
상기 도 1 및 도 2의 고결물질이 탄산칼슘(calcite)인지의 여부를 확인하기 위해 XRD 분석을 실시하였다. 분석 결과, 도 3 같이 석출된 고결물질은 탄산칼슘임을 확인하였다.
또한, 탄산칼슘의 석출되는 양을 확인하기 위해 XRD 분석을 통해 생성되는 고결물질이 탄산칼슘임을 재확인하고(도 4), 생성된 탄산칼슘을 증류수에 용해시켜 해리되는 CO3 음이온을 HPIC로 정량 분석하여 생성된 탄산칼슘의 양이 첨가해 준 콩추출액의 양과 비례한다는 것을 확인하였다(도 6).
도 5에서 보는 바와 같이 콩추출액이 들어가지 않은 용액(비교예 l)에서는 고결물질이 생성되지 않았으나, 콩추출액이 함유된 용액(실시예 1)은 소량의 콩추출액 첨가로도 탄산칼슘이 생성된다는 것을 확인하였다(도 4). 즉, 콩추출액이 소량 함유되어도 콩추출액내 우레아제가 활성화되어 탄산칼슘을 석출하는 것으로 확인된 것이다. 도 6에서는 콩추출액의 양에 따라 생성된 탄산칼슘을 정량하기 위해 탄산칼슘 내 CO3 음이온을 정량 분석한 결과이다. 첨가해 준 콩추출액(SPNTs)의 양이 증가할수록 생성되는 CO3 음이온의 양이 증가함을 나타내었다.

Claims (6)

  1. 작두콩, 강낭콩, 검은콩, 흰콩을 포함하는 콩류에서 어느 하나 이상의 콩으로부터 추출된 콩추출액 및 우레아로 이루어진 제1성분액과 염화칼슘 수용액인 제2성분액으로 이루어지고 지반에 적용 시 상기 제1성분액과 제2성분액을 혼합하여 사용하는 것을 특징으로 하는 콩을 이용한 지반의 고결제.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제1성분액은 콩추출액 5~50 중량%, 우레아 50~95 중량%이고, 상기 제2성분액인 염화칼슘 수용액은 염화칼슘 10~50% 수용액인 것을 특징으로 하는 콩을 이용한 지반의 고결제.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 제1성분액과 제2성분액의 비는 1:1 ~ 2:1인 것을 특징으로 하는 콩을 이용한 지반의 고결제.
  4. 삭제
  5. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항의 고결제를 이용하여 지반 내 흙입자 사이 공극에 탄산칼슘을 침전시켜 지반을 고결화하는 것을 특징으로 하는 지반의 고결화 방법.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 지반은 사질, 실트질, 점토층 및 암반 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 지반의 고결화 방법.
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