KR102621586B1 - 카제인나트륨과 트랜스글루타미나제를 사용한 내수성이 증진된 친환경 그라우트 재료의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본원 발명은 토목지반 보강기술에 있어 그라우팅(Grouting) 공법, 나아가 그라우팅 공법에 사용되는 그라우트 재료에 있어 친환경 그라우트 재료의 제조방법에 관한 것으로, 특히 바이오폴리머를 사용한 친환경 그라우트 재료를 제조함에 있어서, 카제인나트륨과 트랜스글루타미나제(Transglutaminase, 'TGase', C20H16N4O2S2)를 포함하는 친환경 그라우트 재료를 제공하는 것을 특징으로 한다.
Description
본원 발명은 토목지반 보강기술에 있어 그라우팅(Grouting) 공법, 나아가 그라우팅 공법에 사용되는 그라우트 재료에 있어 친환경 그라우트 재료의 제조방법에 관한 것으로, 특히 바이오폴리머를 사용한 친환경 그라우트 재료를 제조함에 있어서, 카제인나트륨과 트랜스글루타미나제(Transglutaminase, 'TGase', C20H16N4O2S2)를 포함하는 친환경 그라우트 재료를 제공하는 것을 특징으로 한다.
입자의 집합체인 지반재료는 취약한 입자간 결합력으로 인하여 지반붕괴, 입자의 유실에 의한 싱크홀의 발생, 및 강우나 유수에 의한 지반침식 등, 다양한 지반문제를 빈번하게 발생시키는 문제가 있다.
그라우팅 공법은 상기의 지반문제를 포함한 다양한 지반문제를 예방하기 위하여, 또는 복구하기 위하여 일반적으로 사용되고 있으며, 그라우팅 공법을 수행하기 위해 사용되는 그라우트 재료는 일반적으로 시멘트 계열, 물유리 계열, 실리카졸(sol) 계열 재료 등이 일반적이다. 그러나, 상기와 같은 그라우트 재료 내지는 주입재가 야기하는 환경오염에 대한 문제가 최근 대두되는 실정이다.
그라우팅 공법에 사용되는 그라우트 재료의 대부분은 강알칼리성으로, 지반오염 또는 지하수 오염을 야기할 우려가 있다. 시멘트 계열 재료는 시멘트를 생산하는 과정에서 발생하는 CO2가 지구 온난화의 주요 요인으로 기능하는 문제가 있으며, 또한 시멘트 계열 재료의 지반 주입 후 발암물질인 6가 크롬의 용출이 발생하기도 하는 문제 또한 있다.
이처럼 기존 그라우트 재료가 가지는 환경오염에 대한 문제를 극복하기 위하여 친환경 지반보강재료의 연구가 현재 활발하게 진행되고 있으며, 특히 접합재료로 미생물의 부산물이나 바이오폴리머를 사용한 지반 보강재료의 개발에 관한 연구가 진행되고 있고, 그 중에서도 바이오폴리머를 사용한 지반 보강재료는 기존의 재료(시멘트 계열 재료 등)와 사용 방법이 유사하면서도 상기 바이오폴리머는 식품첨가제로 사용될 만큼 인체에 대한 유해성 및 환경오염을 야기할 위험성으로부터 자유로운 장점을 가진다.
바이오폴리머는 생분해 물질로 대부분 물에 쉽게 용해되는 특징을 가지며, 그에 따른 내수성 부족이 문제점으로 지적된 바 있다. 즉, 바이오폴리머가 물에 용해되는 경우, 겔(gel)이 되어 점착력이 발현되며, 겔 상태에서 건조되면 단단하게 고화되어 시멘트와 같은 접합재료의 역할 및 기능을 수행한다. 그러나 이후 지하수위가 상승하거나, 강우에 노출되는 경우, 바이오폴리머는 물에 재용해된다.
상기와 같은 바이오폴리머의 내수성 부족을 극복하기 위한 연구의 일환으로, 카제인을 사용하여 시료를 제작하고 일축압축시험을 수행한 결과, 전체 시료 중량 대비 카제인을 5% 함유한 시료의 경우, 1일 수침 일축압축강도가 건조시료의 일축압축강도의 약 15%에 불과하여 다른 일반적인 바이오폴리머들에 비하여 매우 큰 내수성을 가짐이 보고(Chang et al., 2018)된 바 있으나, 위와 같은 내수성에도 불구하고 카제인의 수-불용성으로 인해 pH 10 정도의 수산화칼슘 수용액을 사용하여야 카제인 용액을 제조할 수 있다는 점에서, 증가된 pH가 지반을 알칼리화함에 따른 지반오염 내지는 환경오염을 야기할 수 있다는 문제점이 여전히 존재한다.
따라서, 기존 그라우트 재료가 야기할 수 있는 환경오염에 대한 우려를 극복하기 위하여 바이오폴리머를 채택한 그라우트 재료에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있으나, 대부분의 바이오폴리머가 불량한 내수성을 가진다는 문제점이 새롭게 발생하며, 최근 카제인을 바이오폴리머로 사용하는 경우 내수성은 기존 바이오폴리머에 비해 향상되나, 오히려 바이오폴리머의 채택을 통해 극복하고자 하는 문제점인 환경오염에 대한 우려가 높아진다는 점에서, 환경오염을 방지하면서도 우수한 내수성을 가진 바이오폴리머를 사용한 그라우트 재료의 개발이 절실하게 요구되는 실정이다.
본원 발명의 발명자들은 카제인에 비해 중성 물에 잘 녹는 카제인나트륨을 선정함에 따라 카제인 용액의 제작과 사용에 있어 야기되는 환경오염에 대한 우려를 제거하였으며, 카제인나트륨이 카제인에 비해 물에 대한 상대적으로 나은 용해성을 가짐에 따라 상대적으로 열등한 내수성을 극복하기 위한 방안으로 트랜스글루타미나제를 첨가제로 선정하여 혼합한 결과, 놀랍게도 기존 바이오폴리머를 사용한 경우에 비해 최대 108.54배로 현저하게 개선된 평균 일축압축강도를 관측하였다.
카제인나트륨(C8H15NaO8)은 카제인의 수용성을 개선하기 위해 나트륨이 결합되어 사용되는 것으로, 식품의 점착성 및 점도, 물성 및 촉감을 향상시키기 위한 식품첨가물로 널리 사용된다. 카제인나트륨은 열안정성을 가지며, 그에 따라 조리 및 가공 과정에서 변화되지 않으며 강한 유화작용을 수행한다. 또한 인체를 기준으로 안전한 단백질로서 아이스크림 등에 첨가되거나, 첨가 대상물의 조직감 개선, 저장 중 수축 또는 형태 변화 등을 방지하기 위해 사용된다.
본원 발명에서 바이오폴리머의 역학적 성능 내지는 물성의 개선을 위해 사용되는 트랜스글루타미나제(Transglutaminase, TGase)는, 자유 아민기(free amine group)와 단백질 내부에 존재하는 글루타민의 감마-카르복시아미드 기(γ-carboxyamide group) 사이에 교차결합을 형성하는 효소이다. 본원 발명에서 첨가제로 사용되는 트랜스글루타미나제는 카제인나트륨과 교차결합(cross linking) 반응을 통해 재료의 물성을 향상시킨다.
트랜스글루타미나제는 글루타미닐(Glutaminyl) 잔기의 감마-카르복시아미드 기와 Lys 잔기의 ε-amino group의 교차그룹을 하기 화학식 1과 같이 유도하여 ε-(γ-Glu)Lys 결합을 형성하는 특징을 가지며, 식품 재료의 물성을 개선하기 위해 일반적으로 사용되며, 식품에 혼합되면 기 포함된 단백질과 교차결합을 형성하여 식품 재료의 점착성 및 열안정성 등을 향상시키는 역할을 수행하는 등, 음식 제조과정에 있어 단백질을 결합시키기 위하여 일반적으로 사용된다(Kuraishi et al., 2001).
[화학식 1]
특히, 트랜스글루타미나제에 의해 우유 단백질과 이와 상이한 기타 단백질들은 교차결합되고, 그에 따라 단백질 구조가 변형됨에 따라 목적하는 제품의 열 안정성, 응고력, 유화력, 겔 형성, 수화작용, 용해성 등을 개선한다. 이에 구속되지는 않는 예시로, 트랜스글루타미나제는 냉동연육과 햄 등, 단백질을 많이 함유하는 음식의 질감을 향상시키기 위한 결합재료(binding material)로도 사용되며, 재구성 스테이크와 같은, 분리된 고기를 하나로 결합시키는 접합재료로도 사용되는 등, 일반적으로는 본원 발명이 속하는 기술분야와 상이한 기술분야에서 식품용도로 사용되며, 본원 발명이 포함되는 기술분야인 지반 보강, 나아가 토목 분야의 재료로 사용된 사례는 확인되지 않는다.
본원 발명의 개시에 따라 제공되는 그라우트 재료의 제조 방법은, 기존 그라우트 재료가 발생시키는 환경오염을 발생시키지 않거나 현저히 적게 발생시키는 친환경 바이오폴리머 그라우트 재료를 제공한다.
또한, 본원 발명의 개시에 따라 제공되는 그라우트 재료의 제조 방법은, 바이오폴리머를 사용한 그라우트 재료가 일반적으로 가지는 친환경성을 그대로 가지면서도, 바이오폴리머를 사용한 그라우트 재료가 일반적으로 가지는 불량한 내수성을 현저히 개선한, 증대된 내수성을 가지는 친환경 바이오폴리머 그라우트 재료를 제공한다.
또한, 본원 발명의 개시에 따라 제공되는 그라우트 재료의 제조 방법은, 카제인나트륨과 트랜스글루타미나제를 2액형 주입방식을 이용하는 것을 통해 제공되어, 그라우트 재료를 시공함에 있어 기존 2액형 주입방식을 활용할 수 있는 장점을 또한 가진다.
도 1.은, 본원 발명에 따른 카제인나트륨과 트랜스글루타미나제를 사용한 내수성이 증진된 친환경 그라우트 재료의 제조 공정을 나타낸 흐름도이다.
도 2.는, 기존 바이오폴리머를 사용한 시료의 1일 수침 일축압축시험 후 상태를 도시한 것이다.
도 3.은, 시료 중 카제인나트륨을 시료 중량을 기준으로 10% 첨가한 시료와, 시료 중 카제인나트륨 및 트랜스글루타미나제를 시료 중량을 기준으로 각각 10% 및 1%로 첨가한 시료를 제작하여 7일간 건조한 후, 1.5L의 물에 1일간 수침한 결과를 도시한 것이다.
도 4.는, 카제인나트륨 함유율에 따른 시료의 단위중량을 도시한 것이다.
도 5.는, 카제인나트륨 함유율이 상이한 각 시료들의 건조 일축압축시험을 수행한 결과를 도시한 것이다.
도 6.은, 카제인나트륨 함유율이 상이한 각 시료들의 탄성계수 변화를 평가한 결과를 도시한 것이다.
도 7.은, 카제인나트륨 함유율이 상이한 각 시료들의 변형률 변화를 평가한 결과를 도시한 것이다.
도 8.은, 트랜스글루타미나제의 함유율에 따른 시료의 단위중량을 도시한 것이다.
도 9.는, 트랜스글루타미나제 함유율이 상이한 각 시료들의 건조 일축압축시험을 수행한 결과를 도시한 것이다.
도 10.은, 트랜스글루타미나제 함유율이 상이한 각 시료들의 탄성계수 변화를 평가한 결과를 도시한 것이다.
도 11.은, 트랜스글루타미나제 함유율이 상이한 각 시료들의 변형률 변화를 평가한 결과를 도시한 것이다.
도 12.는, 트랜스글루타미나제 함유율이 상이한 각 시료들의 1일 수침 일축압축시험을 수행한 결과를 도시한 것이다.
도 13.은, 트랜스글루타미나제 함유율이 상이한 각 시료들의 탄성계수 변화를 평가한 결과를 도시한 것이다.
도 14.는, 트랜스글루타미나제 함유율이 상이한 각 시료들의 변형률 변화를 평가한 결과를 도시한 것이다.
도 2.는, 기존 바이오폴리머를 사용한 시료의 1일 수침 일축압축시험 후 상태를 도시한 것이다.
도 3.은, 시료 중 카제인나트륨을 시료 중량을 기준으로 10% 첨가한 시료와, 시료 중 카제인나트륨 및 트랜스글루타미나제를 시료 중량을 기준으로 각각 10% 및 1%로 첨가한 시료를 제작하여 7일간 건조한 후, 1.5L의 물에 1일간 수침한 결과를 도시한 것이다.
도 4.는, 카제인나트륨 함유율에 따른 시료의 단위중량을 도시한 것이다.
도 5.는, 카제인나트륨 함유율이 상이한 각 시료들의 건조 일축압축시험을 수행한 결과를 도시한 것이다.
도 6.은, 카제인나트륨 함유율이 상이한 각 시료들의 탄성계수 변화를 평가한 결과를 도시한 것이다.
도 7.은, 카제인나트륨 함유율이 상이한 각 시료들의 변형률 변화를 평가한 결과를 도시한 것이다.
도 8.은, 트랜스글루타미나제의 함유율에 따른 시료의 단위중량을 도시한 것이다.
도 9.는, 트랜스글루타미나제 함유율이 상이한 각 시료들의 건조 일축압축시험을 수행한 결과를 도시한 것이다.
도 10.은, 트랜스글루타미나제 함유율이 상이한 각 시료들의 탄성계수 변화를 평가한 결과를 도시한 것이다.
도 11.은, 트랜스글루타미나제 함유율이 상이한 각 시료들의 변형률 변화를 평가한 결과를 도시한 것이다.
도 12.는, 트랜스글루타미나제 함유율이 상이한 각 시료들의 1일 수침 일축압축시험을 수행한 결과를 도시한 것이다.
도 13.은, 트랜스글루타미나제 함유율이 상이한 각 시료들의 탄성계수 변화를 평가한 결과를 도시한 것이다.
도 14.는, 트랜스글루타미나제 함유율이 상이한 각 시료들의 변형률 변화를 평가한 결과를 도시한 것이다.
이하, 본원 발명을 실시하기 위한 실시예를 상세히 설명한다. 본원 발명이 개시하는 실시예는 본원 발명의 권리범위를 하기 실시예에 한정하려는 의도가 아니며, 본원 발명을 반복적으로 용이하게 재현할 수 있도록 하기 위한 목적을 가지는 것이며, 본원 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자는 위와 같은 의도와 목적을 명확하게 이해할 것이다.
또한, 본원 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자는, 하기 실시예는 본원 발명이 속하는 기술분야에서 자명하게 각 구성이 치환되어 동일하거나 동일하다고 인정될 수 있는 본원 발명의 효과가 달성될 수 있는 경우까지를 포괄하는 것임을 명확하게 이해할 것이다.
시료 제작 방법
시료는 ASTM D 7181 - 11의 시료준비방법과 Ladd (1978)의 undercompaction 방법에 기초하여 제작하였다. 몰드는 내경이 50mm인 VG2 PVC 바이프를 높이 150mm로 절단한 것을 사용하였다. 제작된 시료의 직경 및 높이는 각각 50mm 및 100mm이다. Ladd (1978)는 시료의 제작에 있어 8개 Layer 이상을 제안하였으나, 실시예 1에서 사용된 카제인나트륨 및 트랜스글루타미나제의 특성상 상온에서 일정시간 이상 노출되는 경우 시료가 쉽게 경화되므로 일정한 시료의 성형이 불가하여 4개 Layer로 나누어 제작하였다.
시료를 몰드에 투입 후 스틸 해머를 사용하여 20회 타격한 후 시료 높이에 맞는 다짐높이의 조절이 가능한 클램프가 장착된 직경 49mm, 높이 200mm, 무게 3.4kg의 다짐봉을 사용하여 10회 추가 타격하여 layer마다 시료의 높이가 25mm가 되도록 하였다. 새로운 층을 다질 때에는 상기 새로운 층의 중력방향 하단에 위치한 이전 층의 표면을 고른(scarify) 후 다짐을 진행하여 층간의 분리를 방지하였다.
몰드에서 제작된 시료를 항온항습기에서 온도 25℃, 상대습도 40%인 상태에서 24시간 동안 안정시킨 후, 탈형하여 온도 25℃, 상대습도 40%에서 총 15일간 건조시켜 시료를 준비하였다. 건조 일축압축시험은 준비된 시료를 바로 사용하여 수행하였고, 1일 수침 일축압축시험은 항온 수조에서 25℃에서 24시간 동안 수침 후 일축압축시험을 수행하였다.
내수성 평가
기존 바이오폴리머를 활용한 그라우트 재료의 내수성 평가
기존 연구된 바이오폴리머의 내수성을 평가하기 위하여, 구아 검(Guar gum), 아가(Agar), 잔탄 검(Xanthan gum), 및 젤란 검(Gellan gum)의 단일 또는 복합 재료를 사용한 시료를 통해 건조 및 1일 수침 일축압축시험을 수행하였다.
이하 '함유율'의 표현은, 시료에 포함되는 주문진표준사의 무게를 기준으로 한 비율을 의미한다. 이에 제한하고자 하는 것은 아니지만, 단지 예시로, 바이오폴리머의 함유율이 2%인 것은 주문진표준사의 무게를 기준으로 바이오폴리머의 무게가 2%인 것을 의미한다.
바이오폴리머의 함유율을 2%로 하여 시료를 제작하였다. 단일 재료를 사용한 시료의 경우 상기 단일 재료의 함유율을 2%로, 복합 재료를 사용한 시료의 경우 상기 복합 재료를 구성하는 서로 다른 재료 1 및 재료 2의 함유율을 각각 1%로 하여 시료를 제작하였다. 기존 바이오폴리머를 활용한 시료를 통한 건조 및 1일 수침 일축압축시험의 결과를 [표 1]에 나타내었다.
| 시료 | 건조상태 (kPa) |
수침상태 (kPa) |
강도감소율 (%) |
| Guar gum | 393.26 | 13.808 | 96.49 |
| Agar | 1003.64 | 54.37 | 94.58 |
| Gellan gum | 619.43 | 90.78 | 85.34 |
| Xanthan gum | 3510.16 | 10.74 | 99.69 |
| Guar gum + Agar | 562.44 | 35.91 | 93.62 |
| Guar gum + Gellan gum | 683.17 | 51.34 | 92.49 |
| Guar gum + Xanthan gum | 2523.85 | 27.01 | 98.93 |
| Agar + Gellan gum | 856.91 | 42.65 | 95.02 |
| Agar + Xanthan gum | 1976.95 | 35.65 | 98.20 |
| Xanthan gum + Gellan gum | 2214.29 | 4.14 | 99.81 |
본 평가에서 지반 보강재의 일축압축강도 기준은 1 MPa로 설정하였다. 해당 기준을 충족하는 단일시료는 Agar, Xanthan gum이며, 복합시료로는 Guar gum + Xanthan gum, Agar + Xanthan gum, Xanthan gum + Gellan gum이다. 단일 시료에서는 Xanthan gum이, 복합 시료에서는 Guar gum + Xanthan gum의 일축압축강도가 가장 크게 측정되었다.
도 2. 에 기존 바이오폴리머를 사용한 시료의 1일 수침 일축압축시험 후 상태를 도시하였다. 각 시료들의 1일 수침의 결과, 모든 일축압축시험에서 충분한 강도발현이 관측되지 않았다. 건조시료의 일축압축강도 대비 1일 수침시료의 일축압축강도를 강도감소율로 표현하였을 때, Gellan gum을 제외한 나머지 모든 시료의 강도감소율은 95%를 초과함을 확인하였고, 특히 Xanthan gum + Gellan gum 시료의 경우 강도감소율이 99.81%에 달함을 확인하였다. 또한 일축압축강도가 상대적으로 우수하였던 Xanthan gum 시료 및 Guar gum + Xanthan gum 시료의 강도감소율 또한 각각 99.69% 및 98.93%로 현저히 높은 수치임을 확인하였다.
선정 재료의 내수성 평가
카제인나트륨 함유율 10%인 시료와, 카제인나트륨 및 트랜스글루타미나제의 함유율이 각각 10% 및 1%인 시료를 제작하여 7일간 건조한 후, 1.5L의 물에 1일간 수침하고, 도 3. 에 그 결과를 도시하였다. 카제인나트륨 함유율 10% 시료는 1일 수침 후 대부분 용해되었으며, 용해액을 제거한 이후 시료 심부의 일부만이 잔존함을 확인하였다. 카제인나트륨 함유율 10% 및 트랜스글루타미나제 함유율 1%인 시료는 1일 수침 후 용액 하부에서 혼탁액이 형성됨을 관측하였으나, 용해액을 제거하여도 시료의 용해가 거의 발생하지 않아 내수성이 크게 증가하였음으로 평가하였다.
최적의 카제인나트륨 및 트랜스글루타미나제의 함유율 결정
바이오폴리머 용액의 준비
카제인나트륨 함유율을 하기 [표 2]와 같이 설정하고, 시료 중량 330g에 대하여 함수비 20%를 적용하여 증류수 66g을 용매로 사용하였다. 상기 소정량의 카제인나트륨을 증류수에 혼합하고 50℃에서 핫플레이트 교반을 실시하여 카제인나트륨 용액을 제조하였다.
| 카제인나트륨 함유율 (%) |
카제인나트륨 질량 (g) |
용매 (g) |
농도 (%) |
| 1 | 3.3 | 66 | 5 |
| 2 | 6.6 | 66 | 10 |
| 3 | 9.9 | 66 | 15 |
| 4 | 13.2 | 66 | 20 |
| 5 | 16.5 | 66 | 25 |
| 6 | 19.8 | 66 | 30 |
| 7 | 23.1 | 66 | 35 |
| 8 | 26.4 | 66 | 40 |
| 9 | 29.7 | 66 | 45 |
| 10 | 33.0 | 66 | 50 |
카제인나트륨 함유율 1% 내지 3% 용액은 특유의 거품이 형성됨을 관측하였다. 카제인나트륨 함유율 4% 이상인 용액은 카제인나트륨 함유율의 증가에 따라 상기 거품의 발생이 감소하고 점성이 증가하여 치즈와 같은 질감을 가짐이 관측되었다. 상기의 각 카제인나트륨 용액에서, 카제인나트륨과 물의 중량비는 각각 0.05:1, 0.1:1, 0.15:1, 0.2:1, 0.25:1, 0.3:1, 0.35:1, 0.4:1, 0.45:1 및 0.5:1이다.
트랜스글루타미나제의 함유율을 하기 [표 3]과 같이 설정하고, 시료 중량 330g에 대하여 함수비 20%를 적용하여 증류수 66g을 용매로 사용하였다. 상기 카제인나트륨을 증류수에 혼합하고 50℃에서 핫플레이트 교반을 실시하여 트랜스글루타미나제 용액을 제조하였다.
| 트랜스글루타미나제 함유율 (%) | 트랜스글루타미나제 질량 (g) | 용매 (g) |
농도 (%) |
| 1 | 3.3 | 66 | 5 |
| 2 | 6.6 | 66 | 10 |
| 3 | 9.9 | 66 | 15 |
| 4 | 13.2 | 66 | 20 |
| 5 | 16.5 | 66 | 25 |
상기의 각 트랜스글루타미나제 용액에서, 트랜스글루타미나제와 물의 중량비는 각각 0.05:1, 0.1:1, 0.15:1, 0.2:1, 및 0.25:1이다.
수득된 카제인나트륨 용액 및 트랜스글루타미나제 용액을 사용하여, 이후 카제인나트륨만을 함유하는 시료 및 카제인나트륨 및 트랜스글루타미나제를 모두 함유하는 시료를 제작하였다.
카제인나트륨 용액만을 사용하는 시료의 준비
상기 수득된 카제인나트륨 용액을 스테인리스 그릇에 담고 주문진표준사 330g을 첨가하였다. 혼합물을 오버헤드 스틸러로 교반하고 50℃의 핫플레이트 교반을 추가로 실시하여 시료 전구체를 수득하였다.
카제인나트륨 및 트랜스글루타미나제를 모두 함유하는 시료의 준비
카제인나트륨 용액에 트랜스글루타미나제를 직접 혼합하는 경우 교반이 곤란한 수준으로 점성이 증가하므로, 상기 수득된 카제인나트륨 용액을 스테인리스 그릇에 담고 주문진표준사 330g을 첨가하였다. 이후 트랜스글루타미나제를 가루 형태로 첨가하고 추가 교반하여 시료 전구체를 수득하였다. 트랜스글루타미나제의 첨가량, 즉 시료 중량 대비 함유율은 이후 개시되는 바와 같이 1 내지 5%이다.
최적 카제인나트륨 함유율 결정
카제인나트륨 함유율에 따른 시료의 단위중량을 도 4. 에 도시하였다. 카제인나트륨 함유율이 3% 이하인 경우, 카제인나트륨 용액을 제조하는 과정에서 발생하는 거품으로 인해 시료 제작 과정에서의 단위중량에 대한 영향이 있음이 관측되었고, 또한 시료 제작 후 몰드에서 Bleeding 현상이 발생함이 관측되었다. 카제인나트륨 함유율이 4% 이상인 경우 위와 같은 현상의 발생이 감소함이 관측되었다. 일반적으로 시료의 단위중량의 증가는 시료의 일축압축강도의 증가와 유의미한 상관관계를 가짐이 알려져 있다.
카제인나트륨 함유율이 상이한 각 시료들의 일축압축시험의 응력-변형률을 평가하였다. 카제인나트륨 함유율이 1% 및 2%인 시료의 경우 각각에서 낮은 일축압축응력이 관측되었고 변형률 1% 미만에서의 파괴가 관측되었다. 이는 카제인나트륨 함유율이 3% 미만인 경우 관측되는 Bleeding 현상의 발생이 함유율이 3% 이상인 시료에 비해 매우 크기 때문인 것으로 추측된다. 또한 카제인나트륨 함유율이 증가할수록 파괴 일축압축응력이 증가하고, 파괴 변형률도 증가함 또한 관측되었다.
상이한 카제인나트륨 함유율을 가지는 각 시료들의 파괴형상을 관찰하였다. Bleeding이 발생한 카제인나트륨 함유율 1% 시료의 경우, 시료 외곽은 고화되었으나 내부는 시료 파괴와 함께 모래가 쏟아졌다. Bleeding이 발생하면 시료 내부의 카제인나트륨 용액이 유출되며, 공기와의 접촉이 용이하고 건조가 용이한 바깥 부분만 고화되어 소정의 강도가 측정되었다.
카제인나트륨 함유율이 상이한 각 시료들의 파괴형상을 관찰하였다. Bleeding이 발생한 카제인나트륨 함유율 1% 시료의 경우, 시료 외각은 고화되었으나 내부는 시료가 파괴됨과 함께 모래가 쏟아졌다. Bleeding이 발생하면 시료 내부의 카제인나트륨 용액이 유출되며, 공기와의 접촉이 용이하고 건조가 용이한 바깥 부분만 고화되어 소정의 강도가 측정되었다. 카제인나트륨 함유율 4% 및 5% 시료의 경우 연성파괴가 관측되었고, 함유율 6% 이상의 시료에서는 갑작스러운 취성파괴가 관측되어 시료의 완전 파단이 관측되었다. 카제인나트륨 함유율이 3% 이상인 시료에서는 시료 하부가 쐐기형태로 솟아 시료가 파괴되는 것이 관측된다.
카제인나트륨 함유율이 상이한 각 시료들의 건조 일축압축시험을 수행하였다. 결과를 도 5. 에 도시하였다. 상기 시험의 수행 결과는 단위중량의 변화에 대한 관측의 결과와 유사한 양상이 관측되었다. 카제인나트륨 함유율 1% 및 2% 시료는 심한 Bleeding으로 인하 매우 낮은 일축압축강도의 값을 보이며, 함유율 3% 이상의 시료를 사용한 시험의 결과부터 일축압축강도의 값이 선형적으로 증가함이 관측되었으며, 함유율 7% 이상의 시료를 사용한 시험의 결과부터는 거의 일정한 일축압축강도의 값이 관측되었다.
카제인나트륨 함유율이 상이한 각 시료들의 탄성계수 및 변형률 변화를 평가하였다. 결과를 각각 도 6. 및 도 7. 에 도시하였다. 탄성계수는 초기 접선탄성계수를 사용하였다. 시료의 일축압축강도의 증가에 따라 탄성계수도 함께 증가함이 관측되었고, 카제인나트륨 함유율이 7%인 시료에서 최대값인 608.04 MPa가 측정되었다. 변형률은 도 7. 에서 확인되는 바와 같이, 카제인나트륨의 함유율이 증가함에 따라 선형 증가함이 관측되었다.
카제인나트륨 함유율이 상이한 각 시료들의 1일 수침 일축압축시험을 수행하였다. 카제인나트륨 10%만을 함유한 시료를 1일 수침하였다. 수침결과는 도 3. 의 (b)에 도시되었다. 카제인나트륨 단일시료는 물에 쉽게 용해되어 내수성이 없으며 1일 수침 일축압축시험의 수행이 불가하였다.
따라서 건조 일축압축시험의 결과를 바탕으로, 카제인나트륨 함유율은 7% 이상, 바람직하게는 7%인 것이 적절하다. 카제인나트륨 함유율이 7%인 경우, 평균 일축압축강도의 값은 6,425.4 kPa이다.
최적 트랜스글루타미나제 함유율의 결정
시료 중 카제인나트륨 함유율 7%를 기준으로, 트랜스글루타미나제를 시료의 중량을 기준으로 1%, 2%, 3%, 4% 및 5%로 첨가한 시료를 각각 제작하여 건조 및 1일 수침 일축압축시험을 수행하였다.
트랜스글루타미나제의 함유율에 따른 시료의 단위중량을 도 8. 에 도시하였다. 트랜스글루타미나제를 첨가하면 시료의 단위중량이 첨가 전보다 1.2 내지 2.8% 증가함이 관측되었지만, 트랜스글루타미나제의 함유율이 증가하여도 시료의 단위중량의 큰 변화는 관측되지 않았다.
트랜스글루타미나제 함유율이 상이한 각 시료들의 일축압축시험의 응력-변형률을 평가하였다. 그림 1 내지 6에 그 결과를 나타내었다. 트랜스글루타미나제 함유율이 1%인 경우에도 파괴 변형률이 5%이상, 함유율이 5%인 경우에는 파괴 변형률이 최대 10%로 관측되었다. 이는 트랜스글루타미나제가 첨가되면 조직의 치밀화가 이루어지기 때문인 것으로 추측된다.
그림 1. 추가 트랜스글루타미나제 함유율 0% 시료의 응력-변형률
그림 2. 추가 트랜스글루타미나제 함유율 1% 시료의 응력-변형률
그림 3. 추가 트랜스글루타미나제 함유율 2% 시료의 응력-변형률
그림 4. 추가 트랜스글루타미나제 함유율 3% 시료의 응력-변형률
그림 5. 추가 트랜스글루타미나제 함유율 4% 시료의 응력-변형률
그림 6. 추가 트랜스글루타미나제 함유율 5% 시료의 응력-변형률
트랜스글루타미나제 함유율이 상이한 각 시료들의 파괴형상을 관찰하였다. 일반적인 일축압축시험 시료의 파괴형상이 사선방향으로, 모든 시료에서 연성파괴가 발생하였다.
트랜스글루타미나제 함유율이 상이한 각 시료들의 건조 일축압축시험을 수행하였다. 결과를 도 9.에 도시하였다. 카제인나트륨만을 함유하는 시료의 경우에 비해 트랜스글루타미나제가 추가로 함유된 경우 시료의 일축압축강도의 값이 3.5 내지 12.3% 증가함이 관측되었다. 트랜스글루타미나제 함유율이 증가하여도 시료의 일축압축강도의 큰 변화는 관측되지 않았다.
트랜스글루타미나제 함유율이 상이한 각 시료들의 탄성계수 및 변형률 변화를 평가하였다. 결과를 각각 도 10. 및 도 11.에 도시하였다. 탄성계수는 초기 접선탄성계수를 사용하였다. 트랜스글루타미나제 함유율이 증가할수록 파괴시 변형률이 증가함이, 탄성계수는 감소함이 관측되었다.
트랜스글루타미나제 함유율이 상이한 각 시료들의 1일 수침 일축압축시험을 수행하였다. 결과를 도 12.에 도시하였다. 1일 수침 일축압축시험에서는 트랜스글루타미나제 함유량이 증가함에 따라 대응되는 시료의 일축압축강도도 증가함이 관측되었다.
지반 보강재의 일축압축강도의 기준을 1MPa로 설정하고 평가하였다. 시료의 트랜스글루타미나제 함유율이 3% 이상인 경우 시료의 평균 일축압축강도가 1MPa를 초과함이 관측되었다. 시료의 트랜스글루타미나제 함유율이 각각 3% 및 4%인 시료 3개 중 각각 1개의 시료의 개별 일축압축강도가 1MPa 미만임이 관측되었고, 시료의 트랜스글루타미나제 함유율이 5%인 시료 3개 중 3개 모두의 개별 일축압축강도가 1MPa 초과임이 관측되었다. 따라서 트랜스글루타미나제의 함유율은 3% 이상, 바람직하게는 4% 이상, 보다 바람직하게는 5%인 것이 적절하다. 트랜스글루타미나제의 함유율이 5%인 경우, 평균 일축압축강도의 값은 1165.677 kPa이며, 이는 Chang et al. (2018)에서 카제인을 사용한 시료의 1일 수침 일축압축시험의 결과 측정된 일축압축강도의 값으로 개시한 650 kPa에 대해 약 1.8배의 값을 가진다.
트랜스글루타미나제 함유율이 상이한 각 시료들의 1일 수침 일축압축시험의 탄성계수 및 변형률 변화를 평가하였다. 결과를 각각 도 13. 및 도 14.에 도시하였다. 탄성계수는 초기 접선탄성계수를 사용하였다. 1일 수침시 탄성계수는 건조 시료에 비해 크게 감소하며, 건조 시료의 경우와 유사하게 트랜스글루타미나제 함유율이 증가할수록 파괴시 변형률이 증가함이, 탄성계수는 감소함이 관측되었다.
시공순서
카제인나트륨과 트랜스글루타미나제는 혼합시 반응성이 커 단기간에 경화된다. 이에 두 재료의 혼합액이 주입에 앞서 제작되는 경우 주입이 어려우므로 그라우트 주입 방법 중 2액형 주입방법을 사용하였다. 2액형 주입방법에 있어 제1액은 카제인나트륨 용액, 제2액은 트랜스글루타미나제 용액으로 설정하였다. 시공순서도를 도 1. 에 도시하였다. 카제인나트륨 23.1g을 증류수 66g에 용해하여 카제인나트륨 함유율 7% 용액을 제조하여 제1액을 수득하였다. 트랜스글루타미나제 16.5g을 증류수 66g에 용해하여 트랜스글루타미나제 함유율 5% 용액을 제조하여 제2액을 수득하였다. 카제인나트륨과 트랜스글루타미나제의 적정 혼합온도인 50℃를 기준으로 각 용액의 온도를 50℃로 설정하였다. 제1액과 제2액을 주입시 혼합하였다.
Claims (8)
- 토목지반 보강을 위한 그라우팅 공법에 사용되는 친환경 그라우트 재료의 제조방법에 있어서,
카제인나트륨과 물을 혼합하여 카제인나트륨 함유율 7중량％ 이상의 제1액을 제조하는 단계;
트랜스글루타미나제와 물을 혼합하여 제2액을 제조하는 단계; 및
상기 제1액과 제2액을 혼합하여 주입하는 단계를 포함하는, 친환경 그라우트 재료의 제조방법. - 제1항에 있어서, 일축압축강도가 1MPa 이상인, 친환경 그라우트 재료의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 카제인나트륨과 물은 0.35:1 내지 0.5:1의 중량비로 혼합되는, 친환경 그라우트 재료의 제조방법.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 트랜스글루타미나제와 물은 0.05:1 내지 0.25:1의 중량비로 혼합되는, 친환경 그라우트 재료의 제조방법.
- 제4항에 있어서, 상기 트랜스글루타미나제와 물은 0.15:1 내지 0.25:1의 중량비로 혼합되는, 친환경 그라우트 재료의 제조방법.
- 토목지반 보강을 위한 그라우팅 공법에 사용되는 친환경 그라우트 재료로서,
카제인나트륨과 물의 혼합물인 카제인나트륨 함유율 7중량％ 이상의 제1액, 및 트랜스글루타미나제와 물의 혼합물인 제2액을 포함하는, 친환경 그라우트 재료. - 제6항에 있어서, 상기 제1액은 카제인나트륨과 물이 0.35:1 내지 0.5:1의 중량비를 가지는, 친환경 그라우트 재료.
- 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 제2액은 트랜스글루타미나제와 물이 0.05:1 내지 0.25:1의 중량비로 혼합되는, 친환경 그라우트 재료.
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Citations (4)
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| JP2005344078A (ja) | 2004-06-07 | 2005-12-15 | Mitsui Kagaku Sanshi Kk | 懸濁型地盤改良材及びその製造方法 |
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-
2021
- 2021-09-09 KR KR1020210120471A patent/KR102621586B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (4)
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Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| CONSTRUCTION AND BUILDING MATERIALS VOLUME 167. 10 APRIL 2018. PAGES 813-821 |
| 김강현, 바이오폴리머와 천연섬유를 이용한 친환경 지반보강재 연구, 박사학위논문, 건국대학교 인프라시스템공학과(2021.02.28.)* |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20230037306A (ko) | 2023-03-16 |
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