KR20180093830A - 바이오 혼합토 고압 분사장치 - Google Patents

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Abstract

토양 침식(erosion) 저항 증진을 위한, 바이오 혼합토 고압 분사장치 및 상기 분사장치를 이용한 표층 보강 방법에 관한 것이다.

Description

바이오 혼합토 고압 분사장치{HIGH PRESSURE BIO-MIXED SOIL SPRAYING EQUIPMENT}
본원은, 토양 침식 저항 증진을 위한, 바이오 혼합토 고압 분사장치 및 상기 분사장치를 이용한 표층 보강 방법에 관한 것이다.
토양의 침식은 토양의 보유 수분, 입도 분포, 유기물 함량, 표면 식생 등의 영향을 받는다. 토양 유실이 심각한 사막의 경우 이 모든 조건들이 열악하다는 점에서 알 수 있듯이 토양의 침식에 대한 저항성을 증진시키기 위해서는 외부 요인 차단 보다는 토양 자체의 성질을 개량시켜야 한다. 이를 위해서는 토양의 보유 수분을 오래 유지하고, 토양 입자 간 결합력(점착력)을 높임과 동시에, 향후 식생이 원활히 생장할 수 있는 친환경적인 방법이 요구된다. 기존의 화학계열 처리 방법들은 1차적인 토양 강도 증진에만 초점이 맞춰져 있어 영구적인 침식을 억제하기 위한 식생 환경 조성에 대한 고려는 부족한 실정이다.
기존의 토양 보강 공법에는 옹벽, 네일, 앵커 등을 이용하는 방법이 있으며, 이러한 공법의 주재료는 시멘트 또는 강재 등이 사용된다. 예를 들어, 콘크리트 벽체 구조물을 설치하거나 지반에 보강재를 삽입하여 비탈면이나 제방의 안전성을 확보할 수 있다. 그러나, 상기과 같은 토양 보강 공법은 인공재료를 이용함으로써 환경오염을 발생시키고, 재료가 고가이며, 시공이 복잡한 단점이 있다.
미국특허 제4663067호에는 흙을 개량하여 침식에 대한 저항력을 높이고자 하는 기술이 개시되어 있다.
본원은, 토양 침식 저항 증진을 위한, 바이오 혼합토 고압 분사장치 및 상기 분사장치를 이용한 표층 보강 방법을 제공하고자 한다.
그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 기술한 과제로 제한되지 않으며, 기술되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본원의 제 1 측면은, 흙을 주입하기 위한 흙 주입부; 흙을 이동시키기 위한 흙 이송장치; 바이오폴리머 함유 용액을 주입하기 위한 바이오폴리머 주입부; 및 노즐부를 포함하는, 바이오 혼합토 고압 분사장치로서, 상기 흙 주입부는 상기 흙 이송장치에 연결되고, 상기 흙 이송장치 및 상기 바이오폴리머 주입부 각각은 상기 노즐부에 연결되어, 상기 흙 및 상기 바이오폴리머 함유 용액이 상기 노즐부에서 균질하게 혼합되어 분사되는 것인, 바이오 혼합토 고압 분사장치를 제공하고자 한다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 흙 이송장치는 공압 발생장치 및 공압이 진행하는 관을 포함하는 것이고, 상기 공압이 진행하는 관과 상기 흙 주입부를 연결하는 제 1 연결부를 추가 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 공압이 진행하는 관과 상기 흙 주입부를 연결하는 제 1 연결부에 상기 공압 발생장치에서 발생시킨 공압이 공급되면, 상기 흙 주입부에 흡입 압력이 발생하여 상기 흙 주입부의 흙이 상기 공압이 진행하는 관 내로 이동되는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 노즐부는 상기 바이오폴리머 주입부와 연결되는 한 개 이상의 제 2 연결부를 갖는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 2 연결부는 상기 노즐부를 중심으로 수직 방향이거나 경사를 가지도록 배치되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 바이오폴리머 주입부는, 상기 노즐부의 상기 한 개 이상의 제 2 연결부와 각각 연결되는 한 개 이상의 관을 포함하는 것이고, 상기 한 개 이상의 관 각각을 통해 상기 노즐부 내로 바이오폴리머 함유 용액이 공급되는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 바이오폴리머 함유 용액을 상기 바이오폴리머 주입부에서 상기 한 개 이상의 관으로 균질하게 공급하기 위해, 상기 한 개 이상의 관의 단면적 총합은 바이오폴리머 주입부 본체의 단면적과 동일한 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 흙 이송장치를 통해 상기 흙이 상기 노즐부에 공급되고, 상기 흙이 공급되는 부분을 중심으로, 상기 바이오폴리머 주입부과 연결된 한 개 이상의 관이 상기 노즐부의 제 2 연결부를 통해 상기 노즐부 내로 상기 바이오폴리머 함유 용액을 공급하는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 한 개 이상의 관이 서로 상이한 한 개 이상의 바이오폴리머 주입부와 연결되고, 상기 노즐부를 한 개 이상의 부분으로 구분하되, 상기 서로 상이한 한 개 이상의 바이오폴리머 주입부와 연결된 서로 상이한 한 개 이상의 관 각각은 상기 노즐부의 제 2 연결부 각각과 연결되어, 상기 노즐부의 한 개 이상의 부분에서 상기 서로 상이한 한 개 이상의 바이오폴리머 함유 용액이 공급되는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 노즐부에 서로 상이한 한 개 이상의 바이오폴리머 분사 시, 상기 서로 상이한 한 개 이상의 바이오폴리머 사이의 화학적 또는 정전기적 결합에 의한 교차결합(cross-linking) 효과로 인해 상기 각 바이오폴리머의 점착력, 강도 중 어느 하나 또는 둘다가 증가되는 것일 수 있다.
본원의 제 2 측면은, 본원의 제 1 측면에 따른 상기 바이오 혼합토 고압 분사장치를 이용하여 균질하게 혼합된 상기 흙 및 상기 바이오폴리머 함유 용액의 혼합물을 토양에 분사하는 것을 포함하는, 토양의 표층 보강 방법을 제공하고자 한다.
본원의 일 구현예에 있어서, 균질하게 혼합된 상기 흙 및 상기 바이오폴리머 함유 용액의 혼합물이 상기 토양에 1 cm 내지 30 cm의 두께로 분사되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 구현예들에 따른 바이오 혼합토 고압 분사장치는, 바이오폴리머를 함유하는 혼합토를 살포하여, 토양의 지반 투수성 저감, 강도 증진 등을 통해 토양의 침식 저항성을 증가시킬 수 있으며, 주 재료인 바이오폴리머는 탄화수소 계열의 고분자 재료로서 지하수 또는 토양생태계에 대한 영향을 최소화 시킬 수 있어 환경친화적이다.
본원의 구현예들에 따른 바이오 혼합토 고압 분사장치는, 바이오폴리머를 이용한 토양 침식 저항 증진 방법은 다양한 토양 보존 분야에 적용될 수 있을 뿐 아니라, 대형 건설 현장에서의 법면 안정화, 하천, 및 수변 공간의 제방 조성, 도로 및 철도 성토층의 안정화, 대규모 농지 조성, 사막화 방지 등 다양한 분야에 효과적으로 사용될 수 있을 것으로 판단된다.
본원의 구현예들에 따른 바이오 혼합토 고압 분사장치는, 바이오폴리머와 흙 혼합물의 직접 제조시 번거로울 수 있는 교반, 가열, 이송, 가압 등의 세부 작업들을 장치를 이용하여 매우 용이하고 정확하게 수행할 수 있도록 하는 장점이 있다.
도 1은, 본원의 일 구현예에 있어서, 바이오 혼합토 고압 분사장치의 설계도면이다.
도 2은, 본원의 일 구현예의 바이오 혼합토 고압 분사장치에 있어서, 에어 콤프레셔를 통해 공압이 발생하여 흙 주입부로터 흙이 관 내로 공급되는 모식도이다.
도 3은, 본원의 일 구현예의 바이오 혼합토 고압 분사장치 있어서, 공압 이송 관로 체계를 나타내는 설계도면이다.
도 4a는 본원의 일 구현예의 바이오 혼합토 고압 분사장치에 있어서, 노즐부의 설계도면이다.
도 4b는, 본원의 일 구현예의 바이오 혼합토 고압 분사장치에 있어서, 노즐부에 구비된 제 2 연결부를 통해 바이오폴리머 함유 용액이 공급될 수 있는 방향을 나타내는 개략도이다.
도 4c는, 본원의 일 구현예의 바이오 혼합토 고압 분사장치에 있어서, 노즐부에 구비된 제 2 연결부의 배열을 나타내는 도면이다.
도 5는, 본원의 일 실현예에 있어서, 바이오 혼합토 고압 분사장치의 주요 설계 인자를 나타내는 개략도이다.
도 6은, 본원의 일 실시예에 있어서, 바이오 혼합토 고압 분사장치의 주요 부품을 나타내는 사진이다.
도 7은, 본원의 일 실시예에 있어서, 바이오 혼합토 고압 분사장치를 이용한 현장 시공의 모식도를 나타낸다.
도 8a 및 8b는, 본원의 일 실시예에 있어서, 바이오 혼합토 고압 분사장치를 이용한 일자별 현장시공 전경을 나타내는 사진이다.
도 9은, 본원의 일 실시예에 있어서, 바이오 혼합토 고압 분사장치를 이용한 현장시공에서 구간별 전단 강도 변화 정도를 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다.
그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예 및 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본원 명세서에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 또한, 본원 명세서 전체에서, "~ 하는 단계" 또는 "~의 단계"는 "~를 위한 단계"를 의미하지 않는다.
본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합(들)"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.
본원 명세서 전체에서, "A 및/또는 B"의 기재는, "A 또는 B, 또는 A 및 B"를 의미한다.
본원 명세서 전체에서, 용어 “토양”은 “흙”과 동일한 성분일 수 있으나, 토양은 지면(땅)을 의미하며, 흙은 본원의 토양 보강 시공 장비의 작동에 사용되는 재료를 의미하는 것으로 구분될 수 있다.
본원 명세서 전체에서, 용어 “혼합토”는 “흙”과 “바이오폴리머”를 균질하게 혼합한 혼합물을 의미한다.
이하, 도면을 참조하여 본원의 구현예들을 상세히 설명하였으나, 본원이 이에 제한되지 않을 수 있다.
도 1을 참조하면, 본원의 일 구현예에 따른 바이오 혼합토 고압 분사장치는 흙을 주입하기 위한 흙 주입부(100), 흙을 이동시키기 위한 흙 이송장치(200), 바이오폴리머 함유 용액을 주입하기 위한 바이오폴리머 주입부(300), 및 노즐부(400)를 포함하여 형성될 수 있다.
구체적으로, 상기 흙 주입부(100)는 상기 흙 이송장치(200)에 연결되고, 상기 흙 이송장치(200) 및 상기 바이오폴리머 주입부(300) 각각은 상기 노즐부(400)에 연결되어, 상기 흙 및 상기 바이오폴리머 함유 용액이 상기 노즐부(400)에서 균질하게 혼합되어 분사될 수 있다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 흙 주입부(100)는 흙의 부피를 조절하면서 흙을 주입하는 것일 수 있다. 구체적으로, 목적하는 바이오 혼합토의 혼합비율의 맞게 흙의 부피를 조절하여 흙을 주입할 수 있다. 예를 들어, 흙 주입부(100)는 호퍼 또는 컨베이어 벨트일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 또한, 흙 주입부(100)의 재질은 녹이 슬지 않는 스테인레스 강일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
흙 이송장치(200)는 흙을 이송시키기 위한 장치라면 제한 없이 사용할 수 있다. 구체적으로, 흙 이송장치(200)는 압력을 이용해 흙을 이송할 수 있으며, 이를 위해 공압 발생장치(210) 및 공압이 진행하는 관(220)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 공압 발생장치는 에어 콤프레셔(210)를 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 공압 발생장치(210)는 공압이 진행하는 관(220)의 일측 말단(221)과 연결될 수 있으며, 공압이 진행하는 관(220)은 흙 주입부(100)와 연결될 수 있으며, 공압이 진행하는 관(220)의 다른 측 말단(222)은 노즐부(400)와 연결될 수 있다.
공압 발생장치(210)로서, 에어 콤프레셔(210)는 8 HP 내지 12 HP의 압력을 사용할 수 있으며, 흙의 이송을 위한 공압이 진행하는 관(220)은 1 내지 2 인치의 관경일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 또한, 공압이 진행하는 관(220)은 일체형 또는 분리가 가능한 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 따른 바이오 혼합토 고압 분사장치는 공압이 진행하는 관(220)과 흙 주입부(100)를 연결하는 제 1 연결부(500)를 포함할 수 있다. 공압 발생장치(210)에서 발생시킨 공압이 제 1 연결부(500)에 공급되면, 제 1 연결부(500)와 연결된 흙 주입부(100)에서는 흡입 압력이 발생하게 되고, 흙 주입부(100) 내의 흙이 공압이 진행하는 관(220) 내로 이동될 수 있다. 이후, 공압으로 인해 관(220) 내에서 흙은 노즐부(400) 방향으로 이동될 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 바이오폴리머 함유 용액을 주입하기 위한 바이오폴리머 주입부(300)는 바이오폴리머 및 용매를 이용하여 설계 농도에 적합한 바이오폴리머 함유 용액을 제조할 수 있으며, 제조된 바이오폴리머 함유 용액의 부피를 조절하면서 바이오폴리머 함유 용액을 노즐부(400)로 공급할 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 바이오폴리머는 생물체로부터 생성되는 고분자 물질이라면 제한 없이 사용될 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 바이오폴리머는 글루코오스(glucose)를 기본 단위(monomer)로서 가지는 물질을 포함하는 것일 수 있고, 크게 다당류(polysaccharide)와 아미노산(amino-acid) 계열로 분류할 수 있으며, 상기 다당류 계열의 바이오폴리머는 그 형상에 따라 고분자 사슬형(high-molecularchains)과 겔화(gelation) 바이오폴리머로서 구분할 수 있다. 예를 들어, 상기 고분자 사슬형 바이오폴리머는 베타-1,3/1,6-글루칸, 알파글루칸, 커들란 (curdlan) 등을 포함할 수 있고, 상기 겔화 바이오폴리머로는 웰란검(wellan gum), 젤란검(gellan gum), 잔탄검(xanthan gum), 아가검(agar gum), 석시노글리칸검(succinoglycan gum) 등을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 아미노산 계열의 바이오폴리머는 키토산(chitosan)과 감마피지에이(γPGA) 등을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 또한, 상기 바이오폴리머는 카제인(casein) 및/또는 폴리리신(polylysine)을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 바이오폴리머 함유 용액은 용매 약 100 중량부에 대하여 바이오폴리머 0.01내지 100 중량부를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 구체적으으로, 0.01 내지 100, 0.01 내지 90, 0.01 내지 60, 0.01 내지 40, 0.01 내지 20 또는 1 내지 100, 10 내지 100, 20 내지 100, 40 내지 100, 60 내지 100, 80 내지 100 중량부일 수 있으나 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기와 같이 다양한 농도를 가지는 바이오폴리머 함유 용액을 제조할 수 있으나, 상기 바이오폴리머의 비율이 너무 낮은 경우, 예를 들어, 0.01 중량부 미만인 경우, 상기 바이오폴리머의 토양 보강을 위한 효과가 미미할 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 용매는 물, pH 약 7 이상의 알칼리성 용매, 및/또는 양이온계 수용액을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 바이오폴리머는 토양 내의 공극을 확장시키고 흙 입자간의 결합력을 증가시키는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 또한, 상기 바이오폴리머는 고온에서는 낮은 점성을 나타내고, 냉각됨에 따라 점성이 증가하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 고온은 약 80℃ 이상인 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 약 80℃ 미만의 온도에서는 상기 바이오폴리머가 용해될 수는 있으나, 용해 시간이 오래 걸리는 단점이 있을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 바이오폴리머는 고온에서 액체화되고, 저온으로 갈수록 점점 고체화되므로, 적정 고온에서 액체 상태를 유지하는 것이 토양 보강 작업에 유리하므로, 본원에 따른 기초 지반 보강 장비의 각 요소들, 예를 들어, 배관, 혼합 장치, 및 공급 장치 내에 가열 시스템을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 바이오폴리머 함유 용액의 바이오폴리머는 높은 pH에서는 낮은 점성을 나타내고, pH가 낮아짐에 따라 점성이 증가하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 바이오폴리머는 pH 약 7 이상의 상태에서는 낮은 점성을 나타내고, pH값이 약 7 보다 낮아짐에 따라 점성이 증가하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 바이오폴리머 함유 용액은 바이오폴리머의 특성으로 인해, 점성이 높으므로 이송되기 위해서는 높은 압력을 지닌 장치(310)를 이용할 수 있다. 예를 들어, 상기 높은 압력을 지닌 장치는 승압 펌프(310)일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 일 구현예에서, 승압 펌프는 10 내지 15 HP를 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 바이오폴리머 주입부(300)는 한 개 이상의 관(320)을 통해 상기 노즐부(400)로 연결될 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 바이오폴리머 함유 용액을 바이오폴리머 주입부 본체(330)에서 상기 한 개 이상의 관(320)으로 균질하게 공급하기 위해, 상기 한 개 이상의 관(320)의 단면적 총합은 바이오폴리머 주입부 본체(330)의 단면적과 동일한 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
도 1 및 도 4a 내지 도 4c를 참조하면, 본원의 일 구현예에 있어서, 노즐부(400)는 상기 바이오폴리머 주입부 본체(330)와 연결되는 한 개 이상의 제 2 연결부(410)를 가질 수 있다. 또한, 상기 제 2 연결부(410)는 상기 노즐부의 중심(420)으로 수직 방향이거나 경사를 가지도록 배치되는 것일 수 있다. 상기 제 2 연결부(410)가 상기 노즐부의 중심(420)으로 수직 방향으로 배치되는 경우, 바이오폴리머 주입부(300)를 통해 공급된 바이오폴리머 함유 용액은 노즐부 중심(420)을 향해 수직분사될 수 있으며, 상기 제 2 연결부(410)가 상기 노즐부를 중심(420)으로 경사 배치되는 경우, 바이오폴리머 함유 용액이 경사분사될 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 노즐부(400)는 짧은 시간 동안 상기 흙 및 상기 바이오폴리머 함유 용액을 균질 혼합하기 위해, 상기 노즐부(400)를 둘러싼 한 개 이상의 제 2 연결부(410)가 배치되고, 제 2 연결부(410)로 공급되는 상기 바이오폴리머 함유 용액을 다양한 방향에서 공급하여 흙과 균질하게 혼합되도록 할 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 바이오폴리머 주입부(300)는 한 개 이상의 관(320)을 통해 상기 노즐부(400)의 상기 한 개 이상의 제 2 연결부(410)와 연결되고, 상기 관(320) 각각을 통해 상기 노즐부(400) 내로 바이오폴리머 함유 용액이 공급될 수 있다. 이 때, 한 개 이상의 관(320)은 바이오폴리머 주입부 본체(330)에 위치한 한 개 이상의 제 3 연결부(340)에 연결되는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 흙 이송장치(200)를 통해 상기 흙이 상기 노즐부(400)에 공급되고, 상기 흙이 공급되는 부분을 중심(420)으로, 상기 바이오폴리머 주입부(300)와 연결된 한 개 이상의 관(320)이 상기 노즐부(400)의 제 2 연결부(410)를 통해 상기 노즐부(400) 내로 상기 바이오폴리머 함유 용액을 공급할 수 있다.
상기 제 2 연결부(410)와 연결된 한 개 이상의 관(320)이 서로 상이한 바이오폴리머 주입부(300)와 연결될 수 있으며, 이때, 시공의 연속성(sequential mixing)을 위해, 상기 노즐부(400)를 한 개 이상의 부분으로 구분하되, 상기 서로 상이한 한 개 이상의 바이오폴리머 주입부(300)와 연결된 서로 상이한 한 개 이상의 관(320) 각각은 상기 한 개 이상의 부분으로 구분된 노즐부의 제 2 연결부(410) 각각과 연결되어, 상기 노즐부(400)의 한 개 이상의 부분에서 상기 서로 상이한 바이오폴리머 함유 용액이 공급될 수 있다. 예를 들어, 노즐부(400)의 둘레를 따라 8 개의 제 2 연결부를 배치할 수 있으며, 둘레를 따라 배치된 8개의 제 2 연결부를 1 개의 세트로 구성할 때, 노즐부에 3 개의 세트가 구성될 수 있다. 이 경우, 총 24 개의 제 2 연결부가 배치될 수 있으며, 3 개의 세트에서 동일한 바이오폴리머를 공급할 수 있을 뿐 아니라, 서로 상이한 폴리머를 각각 주입할 수 있다. 또한, 다수의 제 2 연결부를 배치함으로 인해 노즐부 내에서 흙과 균질하게 혼합되도록 바이오폴리머를 공급하기 위한 압력 조절을 용이하게 할 수 있다.
상기 노즐부에 서로 상이한 한 개 이상의 바이오폴리머 분사 시, 상기 서로 상이한 한 개 이상의 바이오폴리머 사이의 화학적 또는 정전기적 결합에 의한 교차결합(cross-linking) 효과로 인해 상기 각 바이오폴리머의 점착력, 강도 중 어느 하나 또는 둘다가 증가되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 노즐부(400)에서 상기 흙 이송장치(200)를 통해 이송된 상기 흙과 상기 바이오폴리머 주입부(300)를 통해 이송된 상기 바이오폴리머 함유 용액이 균질하게 혼합될 수 있으며, 혼합된 상기 흙과 상기 바이오폴리머 함유 용액은 노즐부의 일측 말단에 배치된 분사부와 연결된 측(430)를 통해 분사될 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 바이오폴리머 및 흙 혼합물은 흙 약 100 중량부에 대하여 바이오폴리머 0.01 내지 100 중량부를 포함하는 것 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 바이오 혼합토 고압 분사장치는 상기 흙 및 상기 바이오폴리머 함유 용액을 균질하게 혼합하여 토양에 분사하는 것을 통해 토양의 표층보강에 사용될 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 바이오 혼합토 고압 분사장치는 친환경적인 조성물인 바이오폴리머 함유 용액 및 흙 혼합물을 토양에 살포하여, 상기 바이오폴리머에 의해 토양의 지반 투수성 저감, 강도 증진 등을 통해 침식에 대한 저항성을 증진시킬 수 있는 장치이다.
구체적으로, 바이오 분사 장치 제작을 위한 설계 요소로서 이송토량, 콤프레셔 압력, 고압분무기 압력, 바이오신소재 혼합액의 점성, 바이오신소재와 흙 혼합 각도, 바이오신소재와 흙의 균질 혼합 정도 등이 있다. 본원의 구현예들에 의하여, 바이오 혼합토를 이용한 토양의 표층보강을 위한 다양한 설계 인자들을 반영한 최적화된 바이오폴리머 분사 장치를 제작하여, 현장 흙의 입도분포, 밀도, 다양한 현장 환경에 적합한 분사 요소를 결정할 수 있는 종합적인 분사 시스템을 구축한 것에 특징이 있다.
이하, 실시예의 기재는 상기 본원의 구현예들을 반영하는 것이나, 이에 제한되는 것은 아니다.
[실시예]
1. 바이오폴리머 처리한 공법과 기존 표층공법과의 성능비교
본 실시예에 따른 바이오폴리머를 함유하는 혼합토를 사용한 바이오폴리머 처리 공법은 1 cm 내지 30 cm 의 두께로 분사하여 사용할 수 있으며, 이는 엔쏘일이나 EMA(Eco-Mat Anchoring) 공법에 비해 5 배 이상 얇은 두께로 설계할 수 있는바, 실제 시공에서 용이할 수 있음을 확인하였다. 또한, 강도에 있어서, 일축압축강도를 비교한 결과, 바이오폴리머 처리 공법은 1629 kPa를 나타내어, 785 kPa을 나타내는 엔쏘일에 비해 2 배 이상 압축강도가 높음을 확인할 수 있었다. 이로써 바이오폴리머 처리 공법은 타공법에 비해 토양의 침식 보강에 유효하게 사용될 수 있음을 알 수 있었다. 또한, 비용에 있어서도, 본원의 바이오폴리머 처리 공법은 20,395(원/m3)을 나타내어 엔쏘일 공법에 비해 2배 이상, EMA 공법에 비해 4 배 가량 저렴한 것을 확인하여, 경제적으로도 종래의 타 공법에 비해 표층보강에 유용하게 사용할 수 있음을 알 수 있었다.
엔쏘일(종래기술) EMA(Eco-Mat Anchoring)(종래기술) 바이오폴리머 처리 공법(본원 실시예)
재료 -제지회(플라이애쉬)를 주 원료로 함
-제지회를 흙과 교반한혼합토 사용 		Civil Anchor 및 고성능 식생매트(Pyramat)을 설치 후 취부 -바이오신소재
-바이오신소재와 흙을 교반한 혼합토
수량 엔쏘일:
약 100 kg/m 2
(t = 1 m 기준) 		- 바이오신소재:
약　 1.3 kg/m 2
(t = 0.1 m 기준)
시공법 계획면 절취 및 성토→ 엔쏘일포설→ 엔쏘일교반→
성토 및 다짐→ 녹화(네트)→ 완공 		침식 발생 사면 정리→ 고성능 식생매트(Pyramat) 설치→Civil Anchor및 착지핀 시공→ 완공 사면 정리 → 바이오신소재혼합토 취부
두께 50 - 100 cm 3 cm(취부)
90 cm(앵커근입) 		5 - 20 cm
성
능 		강도 일축압축강도: 785 kPa (7일 양생 기준) 인장강도: 2558 kPa 일축압축강도:
1629 kPa(건조 기준), 237 kPa(포화 기준)
내구성 - 고성능 식생매트
내구연한: 50년 		5 - 20 cm
침식저항 330 mm 강우량에도 유로 형성 되지 않고 국부적으로 홈이 파임 0.41kg/m 2 /yr
(RUSLE방법 이용시) 		8 m/s의 고압수분사시침식률: 약 10%
비용(원/m 3 ) 47,856(t = 1 m 기준) 74,700 20,395(t = 10 cm 기준)
2. 시공의 설계
본 실시예에 따른 바이오 혼합토 고압 분사장치를 설계하여(도 1 내지 6 참고), 종래의 비탈면 표층보강 공법과의 비교를 위해 실제 시공을 수행하였다.
도 6에 나타낸 바와 같이, 본 실시예에 이용된 주요 장비로서, 흙 주입부로서 호퍼를 사용하였으며, 노즐부 및 바이오폴리머 주입부 각각은 본체 둘레를 따라 총 8개의 연결부를 구비되도록 설계하였다. 바이오폴리머 주입부 본체를 따라 8개의 관을 연결하여 노즐부로 총 8방향으로 바이오폴리머 함유 용액을 주입하도록 하였다. 노즐부는 세 개의 세트로 구분하여, 총 24개의 연결부(제 2 연결부)를 통해 노즐부로 바이오폴리머 함유 용액이 공급되도록 설계하였다. 이후 노즐부에서 혼합된 흙과 바이오폴리머 함유 용액을 분사부를 통해 비탈면에 살포하였다.
도 7과 같이, 총 구간 15m를 시공 목적에 따라 세 구간으로 나누어 시험 시공을 수행하였으며, 각 구간별로제 1 구간은 녹화토, 2 구간은 녹화용보강토, 3 구간은 보강토를 사용하였다. 또한, 1 구간과 3 구간 내에서도 각각 두 개의 구간으로 나누어 A레시피에서는 보강용 바이오폴리머와 코팅용 바이오폴리머의 서로 상이한 바이오폴리머를 모두 사용하여, 상기 노즐부의 서로 상이한 제 2 연결부로 각각 상이한 바이폴리머가 공급되도록 하였으며(각, 1-1 및 3-1 구간), B 레시피에서는 보강용 바이오폴리머만을 사용(각 1-2 및 3-2 구간)하여 분사살포하였다.
구체적으로, 굴삭기를 이용하여 체를 친 흙을 에어 콤프레셔에서 나오는 압축 공기를 이용해 분사했으며, 고점성 상태의 바이오폴리머를 물탱크에 주입하여 전동 교반기를 이용하여 용매와 혼합한 뒤, 고압분무기를 이용해 압력을 주어 이송하였다.
이송시킨 바이오폴리머 함유 용액을 분사 노즐부와 연결시켜 흙과 바이오폴리머 함유 용액이 혼합되고, 이후 분출부를 통해 사면에 뿜어져 붙을 수 있도록 하였다.
3. 시공의 결과 확인
세 구간으로 구분한 시험 구간에서 베인 전단 시험을 실시하였으며, 그 결과, 세 구간 전체에서 바이오폴리머를 공급하지 않은 자연구간에 비해 전단강도가 증가함을 확인할 수 있었다. 구체적으로, 시공일로부터 10일 차에 3 배 이상의 전단강도가 증가함을 확인할 수 있었으며, 도 8a 내지 9와 같이, 시험 시공일로부터 10일, 16일, 23일, 37일 및 60일이 경과하더라도 토양에 침식이 발생하지 않음을 확인하여 본 실시예가 침식 방지에 효과가 있음을 알 수 있었다.
또한, 세 구간에서의 식생 모니터링 결과, 바이오폴리머 처리한 구간이 무처리대비 식생 증진의 효과(발아량 증가)가 나타났다. 구체적으로, 1 구간과 3-2 구간에 사용한 바이오폴리머가 식생 증진의 효과를 보임을 확인할 수 있었다.
1-1 구간 1-2 구간 2 구간 3-1 구간 3-2 구간
Vegetation 2200 sprouts/m2 2500 sprouts/m2 None None >3000 sprouts/m2
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 흙 주입부
200: 흙 이송장치
210: 공압 발생장치
220: 공압이 진행하는 관
221: 공압이 진행하는 관의 일측 말단
222: 공압이 진행하는 관의 다른측 말단
300: 바이오폴리머 주입부
310: 승압 펌프
320: 바이오폴리머와 노즐부를 연결하는 관
330: 바이오폴리머 주입부 본체
340: 제 3 연결부
400: 노즐부
410: 제 2 연결부
420: 노즐부 중심
430: 노즐부의 분사부와 연결된 측

Claims (12)

  1. 흙을 주입하기 위한 흙 주입부;
    흙을 이동시키기 위한 흙 이송장치;
    바이오폴리머 함유 용액을 주입하기 위한 바이오폴리머 주입부; 및
    노즐부를 포함하는, 바이오 혼합토 고압 분사장치로서,
    상기 흙 주입부는 상기 흙 이송장치에 연결되고, 상기 흙 이송장치 및 상기 바이오폴리머 주입부 각각은 상기 노즐부에 연결되어, 상기 흙 및 상기 바이오폴리머 함유 용액이 상기 노즐부에서 균질하게 혼합되어 분사되는,
    바이오 혼합토 고압 분사장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 흙 이송장치는 공압 발생장치 및 공압이 진행하는 관을 포함하는 것이고,
    상기 공압이 진행하는 관과 상기 흙 주입부를 연결하는 제 1 연결부를 추가 포함하는, 바이오 혼합토 고압 분사장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 공압이 진행하는 관과 상기 흙 주입부를 연결하는 제 1 연결부에 상기 공압 발생장치에서 발생시킨 공압이 공급되면, 상기 흙 주입부에 흡입 압력이 발생하여 상기 흙 주입부의 흙이 상기 공압이 진행하는 관 내로 이동되는 것인, 바이오 혼합토 고압 분사장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 노즐부는 상기 바이오폴리머 주입부와 연결되는 한 개 이상의 제 2 연결부를 갖는 것인, 바이오 혼합토 고압 분사장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 2 연결부는 상기 노즐부를 중심으로 수직 방향이거나 경사를 가지도록 배치되는 것인, 바이오 혼합토 고압 분사장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 바이오폴리머 주입부는 상기 노즐부의 상기 한 개 이상의 제 2 연결부와 각각 연결되는 한 개 이상의 관을 포함하는 것이고,
    상기 한 개 이상의 관 각각을 통해 상기 노즐부 내로 바이오폴리머 함유 용액이 공급되는 것인, 바이오 혼합토 고압 분사장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 바이오폴리머 함유 용액을 상기 바이오폴리머 주입부에서 상기 한 개 이상의 관으로 균질하게 공급하기 위해, 상기 한 개 이상의 관의 단면적 총합은 바이오폴리머 주입부 본체의 단면적과 동일한 것인, 바이오 혼합토 고압 분사장치.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 흙 이송장치를 통해 상기 흙이 상기 노즐부에 공급되고, 상기 흙이 공급되는 부분을 중심으로, 상기 바이오폴리머 주입부와 연결된 상기 한 개 이상의 관이 상기 노즐부의 상기 한 개 이상의 제 2 연결부 각각을 통해 상기 노즐부 내로 상기 바이오폴리머 함유 용액이 공급되는 것인, 바이오 혼합토 고압 분사장치.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 한 개 이상의 관이 서로 상이한 한 개 이상의 바이오폴리머 주입부와 연결되고,
    상기 노즐부를 한 개 이상의 부분으로 구분하되, 상기 서로 상이한 한 개 이상의 바이오폴리머 주입부와 연결된 상기 서로 상이한 한 개 이상의 관 각각은 상기 노즐부의 상기 한 개 이상의 제 2 연결부 각각과 연결되어, 상기 노즐부의 한 개 이상의 부분에서 한 개 이상의 서로 상이한 바이오폴리머 함유 용액이 공급되는 것인, 바이오 혼합토 고압 분사장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 노즐부에 서로 상이한 한 개 이상의 바이오폴리머 분사 시, 상기 서로 상이한 한 개 이상의 바이오폴리머 사이의 화학적 또는 정전기적 결합에 의한 교차결합(cross-linking) 효과로 인해 상기 각 바이오폴리머의 점착력, 강도 중 어느 하나 또는 둘다가 증가되는 것인, 바이오 혼합토 고압 분사장치.
  11. 제 1 항 내지 제 10항 중 어느 한 항의 바이오 혼합토 고압 분사장치를 이용하여 균질하게 혼합된 상기 흙 및 상기 바이오폴리머 함유 용액의 혼합물을 토양에 분사하는 것을 포함하는,
    토양의 표층 보강 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    균질하게 혼합된 상기 흙 및 상기 바이오폴리머 함유 용액의 혼합물이 상기 토양에 1 cm 내지 30 cm의 두께로 분사되는 것인, 표층 보강 방법.
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