< Previous자연에서 찾은 해답 - 바이오시멘테이션(친환경 지반개량공법) 8 자연,터널 그리고 지하공간 정을 거쳐 형성되었다. 이 과정에서 나무 뿌리의 수분 흡수나 부패가 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다. <그림 2> 피나클스(The Pinnacles). 서부 호주 남붕 국립공원(Nambung National Park, Western Australia) 내에 있는 석회암 지형으로, 수천 개의 석회암 기둥이 특징이다. 식물 뿌리 주변에서 생화학적으로 유도된 탄산칼슘의 용해 및 재침전은 느슨한 탄산염 모래의 대규모 시멘트화를 초래하였다. 이후 바람에 의한 침식을 거쳐 시멘트화 된 모래가 드러나면서 특수한 지형을 형성하게 되었다. 3. 바이오시멘테이션이란? 적절한 기질을 제공받은 미생물은 지반 내에서 화학 반응을 유도하여 무기 미네랄의 침전 또는 용해를 야기하며, 이는 토양의 물성치를 상당히 변화시킬 수 있다고 알려져 있다. 이를 ‘미생물 유도 탄산염 광물 침전(Microbially Induced Carbonate Mineral Precipitation, MICP)’ 혹은 ‘바이오시멘테이션’이라고 일컫는다. 지구 표면에 존재하는 무기 탄소의 대부분은 생물 기원의 중요한 부분을 차지하는 석회암층으로 존재한다. 하지만 많 은 유기체가 탄산칼슘의 침전을 유도할 수 있다해도, 모든 유기체가 지반 개량 목적으로 사용될 수 있는 것은 아니다. 탄 산칼슘의 침전은 용액의 칼슘 및 탄산 이온의 양이 용해도적(solubility product)을 초과할 때, 즉 용액이 과포화 상태일 때 발생한다. 이 과정에서 미생물이 탄산칼슘 침전에 기여하는 역할은 크게 다음과 같다: ㄱ. 탄산염 이온을 생성(예: 요소의 가수분해, 미생물의 호흡 등을 통해). ㄴ. 알칼리 환경을 조성(주변의 pH를 높여 주로 중탄산염으로 존재하는 무기 탄소의 이산화로 인해 탄산염 농도가 증가 하게 한다). ㄷ.과포화된 용액에서 침전 결정 기전이 시작되는 핵으로써 작용. 예를 들어, 자가 광합성 미생물인 조류나 남조류는 CO 2 를 소비하고 pH를 상승시키며, 칼슘의 존재 하에서 탄산칼슘의 침전을 유도한다고 밝혀졌다. 다른 유기체들, 예를 들어 유공충, 산호 및 조개류는 자신의 골격을 만들기 위해 CaCO3를 사용하며, 이는 산호초와 같은 큰 석회암 구조물을 자연적으로 형성하기도 한다. 이러한 두 생물학적 과정들은 유기물에 의한 탄산칼슘 침전의 주요 원천으로 간주되지만, 공간, 산소 및 빛이 부족한 지하 환경에서는 유도될 수 없다. 일반적으 로 지하 환경은 혐기성이며, 빛이 없고 공간이 제한되어 있으며, 생화학적 전환은 주로 공극 공간에 제한된 공극수 내에 서 발생하기 때문이다. 따라서 지반 내에서 바이오시멘테이션을 촉진하려면 미생물이나 기질을 주입하여 다공성 재료 내Vol. 27, No. 1 9 에서 상당한 거리를 이동시킬 필요가 있다. ‘요소의 가수분해(urea hydrolysis)’는 바이오시멘테이션 공법과 관련된 주요 기전 중 하나이다. 요소는 저렴한 가격 과 풍부한 공급량 덕분에 지금은 확보가 어렵지 않은 유기물에 의해 생성된 탄산염의 원천 중 하나로 간주되지만, 20세기 후반부터 석회석 재료 복원, 생물학적 복원, 폐수 처리, 콘크리트 강화 및 석유회수증진을 위한 선택적 동공 차단과 같은 여러 산업적 응용 분야에서 주목받고 있다. 바이오시멘테이션에 관한 대부분의 연구가 이 ‘요소의 가수분해’를 기반으로 하고 있다. 이를 위해 우레아제(urease) 효소를 포함하는 미생물, 특히 sporosarcina pasteurii라고 하는 박테리아를 사 용한다. 이 미생물들은 실험실에서 쉽게 배양할 수 있으며, 지반 내에 추가적인 요소와 염화칼슘의 혼합 용액과 함께 공 급된다. 바이오시멘테이션의 세부 메커니즘은 다음으로 설명할 수 있다. 미생물의 우레아제 효소는 요소(urea)를 가수분해하 여 암모늄(NH)과 탄산염이온(CO)으로 변환한다(식 (1)). CONH HO →NH CO (1) 이렇게 형성된 탄산염이온은 칼슘이온(Ca)과 반응하여 방해석(calcite, CaCO₃) 결정으로 침전되며(식 (2)), 이 결정 이 기존의 모래 알갱이 사이에서 결합고리를 형성하여 지반을 고결시킨다(그림 3). 이러한 과정을 통해 충분한 탄산칼슘 이 침전되면 장기적인 지반 안정화를 실현할 수 있다. Ca CO → CaCOs (2) <그림 3> 사질토에 바이오시멘테이션 처리 후 주사전자현미경(Scanning Electron Microscopy, SEM)으로 관찰한 이미지(van Paaseen, 2009). 사질토 알갱이 사이사이에 탄산칼슘 미네랄이 사방육면체 형태의 방해석, 구형의 배터라이트 방해석의 형태로 침전된 모습을 확인 할 수 있다.자연에서 찾은 해답 - 바이오시멘테이션(친환경 지반개량공법) 10 자연,터널 그리고 지하공간 4. 국내외 연구 동향 바이오시멘테이션 메커니즘은 지난 20년간 특성화 및 공학적 활용에 대한 연구가 활발하게 진행 중이다. 흙 속에 형성 된 탄산칼슘 미네랄은 흙 입자를 점착하고 빈 공간의 채움재 역할을 함으로써 지반의 강도/강성 증진 및 투수성 감소 효 과를 만들어 낼 수 있다. 지표 부근의 미생물은 많은 개체수(약 109~1012), 빠른 증식력, 극한 환경에서의 생존 가능성 덕분에, 위 메커니즘은 다양한 분야와 넓은 범위에서의 적용이 기대되고 있다. 가장 잘 알려진 공법으로는 미생물의 신진대사를 이용해 요소 (Urea, CO(NH2)2)의 가수분해를 촉진해 탄산칼슘 미네랄을 침전시키는 Microbially Induced Carbonate Precipita- tion(MICP)이 있다(그림 4). <그림 4> 바이오시멘테이션 공법의 구성요소, 메커니즘, 처리 후 기대 효과 및 장점 앞서 언급한 바와 같이 건설 분야에서 주로 사용되는 지반개량공법들은 강한 진동을 수반하는 중장비를 필요로 하고, 시멘트 중심 재료들의 높은 점성 때문에 활용의 제약이 크다. 반면에, 바이오시멘테이션 공법은 처리용액의 점성이 물과 비슷한 수준으로 넓고 깊은 주입/처리가 가능하고, 경제성의 확보와 함께 탄소를 미네랄 형태로 포집하는 공정이기에 탄 소 배출 저감이 가능하다. 해외에서는 이 공법에 대한 기술적 우위를 선점하기 위하여 유수의 연구기관들을 필두로 대규모 연구 프로젝트가 활발 히 진행 중이다. 대표적으로, 애리조나주립대학-조지아공대-캘리포니아데이비스대학-뉴멕시코주립대학 중심의 연합 연구센터(Center for Bio-mediated and Bio-inspired Geotechnics, CBBG)는 미국 국립과학재단의 지원으로 10년 간 약 350억 규모의 대형 프로젝트를 수행 중이고, 스위스 연방 로잔공과대학의 지반연구소는 단일기관으로 이래적으로 5년간 약 35억 규모의 프로젝트를 유럽연구재단(European Research Council, ERC)으로부터 지원받아 수행 중이다. 일본 히로시마대학교 연구팀은 일본 에너지 ․ 금속광물자원기구(Japan Organization for Metals and Energy Security, JOGMEC)와 미국 에너지부(United States Department of Energy, DOE)의 협력 프로젝트의 일환으로 알래스카 지역 의 셰일가스(shale gas) 추출 동공을 바이오시멘테이션 공법을 활용해 친환경적으로 복원하는 연구를 수행 중이다. 이 외 에도, 네덜란드의 위더레흐트대학(~20억/5년), 아일랜드의 국립더블린대학(~17억/5년) 등에서 관련된 주제로 원천기술 확보와 대규모 현장 적용을 위한 연구 프로젝트가 활발히 진행 중이다.Vol. 27, No. 1 11 해외에서의 관련 연구에 대한 선제적 투자 효과는 학술결과물 통계에도 잘 나타난다. 세계적으로 해당 분야의 학술결 과물은 지난 5년간 가파르게 증가하는 추세이며, 공법에 대한 기초연구, 영향인자 연구, 현장 적용 연구와 같이 다방면으 로 접근하고 있다. 국내에서도 지난 10년간 관련 주제에 대한 연구과제가 간헐적으로 진행되어왔으나, 국내에서 생산된 학술결과물은 연간 20건 내로 최근 들어 감소하고 있는 추세이다(그림 5). 그럼에도 불구하고 몇몇 연구기관들은 해당 기 술 개발을 위한 연구를 지속하고 있다. 그 예로, 한국과학기술원-건설기술연구원 공동 연구팀은 바이오 처리를 통해 제 방의 유실을 방지하는 기술을 공개한 바 있으며, 연세대학교 연구팀은 바이오시멘테이션 기술을 활용한 매립지 침출수 유 출 방지 기술을 개발하였다. 211 259 400 487 586 638 89 1719 1415 201720182019202020212022 Worldwide 국내 <그림 5> 국내외 관련 연구 학술결과물 통계 5. 대한민국에서 바이오시멘테이션 기술의 필요성 눈앞에 다가온 탄소 중립의 시대. 대한민국의 탄소 배출량은 아시아에서 다섯 번째, 세계에서 7번째로 높은 수준이며, 총배출량의 약 1.28%를 차지한다고 한다(2023년 기준). 이는 고도로 발전된 산업 구조와 높은 에너지 수요가 주요 원인 으로, 한국은 지속 가능한 발전과 기후 위기에 대응하기 위해 역대 정부마다 중요한 기후 정책을 추진해왔다. 이명박 정 부는 2008년 저탄소 녹색 성장을 국가 전략으로 채택하고, ‘녹색 성장 기본 계획’을 통해 2020년까지 온실가스 30% 감축 목표를 설정하였다. 박근혜 정부는 2015년 파리 기후 정상회담에서 2030년까지 온실가스 배출량을 37% 줄이겠다는 목 표를 발표하였다. 문재인 정부는 2020년, 2050년 탄소 중립 목표를 설정하고, 2021년 P4G 서울 정상회의를 통해 국제 협력을 강조함으로써, 대한민국이 글로벌 기후 위기에 대응하는 선두주자로 자리매김하고자 하는 의지를 보였다. 이러한 일련의 정책들은 기술적 혁신, 특히 탄소 배출이 거의 없는 바이오시멘테이션 기술 개발의 중요성을 더욱 부각시키며, 지 속 가능한 미래로 나아가는 길에 있어 필수적인 역할을 할 것임을 시사한다. 과도한 도시 개발에 따른 지하공간 개발. 한국은 세계에서 가장 높은 도시화율과 인구 밀도를 가진 나라 중 하나이다. 특히 서울과 같은 대도시에서는 제한된 지상 공간과 높은 인구 밀도로 인해 새로운 공간 활용 방안이 필요하기 때문에 적 극적으로 지하공간을 개발, 활용하고 있다. 이러한 경우에 인근 구조물의 피해를 최소화하기 위해서는 고압 진동 장비를 사용하는 전통적 지반개량 공법 보다는 바이오시멘테이션 공법이 이점을 가질 수 있다. 기후 변화에 따른 재난 대비. 최근 한국은 이상 기후 변화가 초래하는 집중 호우의 빈도 증가로 다양한 지형적 및 인프 라적 문제를 경험하고 있다. 특히 씽크홀과 산사태 같은 재해는 심각한 피해를 끼치고 있으며, 이에 대한 대응책이 중요자연에서 찾은 해답 - 바이오시멘테이션(친환경 지반개량공법) 12 자연,터널 그리고 지하공간 한 과제로 부상하고 있다. 처리 비용을 전통적 지반 개량공법의 최대 1/100 수준으로 줄일 수 있고, 광범위한 처리가 가능 한 바이오시멘테이션 기술은 이러한 기후 변화로 인한 재해를 예방하는데 주요한 전략으로 활용할 수 있다. 6. 마치며 본 특집 기사를 통해 최근 해외에서 활발하게 개발되고 있는 바이오시멘테이션(미생물 유도 탄산염 광물 침전) 공법과 국내외 연구 동향, 한국에서 해당 공법 적용의 필요성에 대해 소개하였다. 바이오시멘테이션 기술은 비용저감 효과와 더 불어 쉽고 빠른 처리가 가능하다는 장점 때문에 사면안정, 비산먼지억제, 구조물 주변 지반 보강, 유정/가스정의 후처리 및 안정화 처리 등 다양한 공학적 솔루션으로 활용이 가능하다. 또한 탄소를 미네랄 형태로 포집하는 기술적 특징 때문에 본 기술의 활용이 증가한다면, 한국의 탄소배출권 확보 및 2050년 탄소중립 실현에 우리 건설 분야가 주도적인 역할을 수행할 수 있을 것으로 기대한다. [본 기사는 저자 개인의 의견이며 한국터널지하공간학회의 공식입장과는 무관합니다.]Vol. 27, No. 1 13 기술기사 1 1. 배 경 최근 들어 도심지 과밀화 및 지상 공간의 환경을 개선하기 위하여 지하공간을 이용하는 사례가 늘고 있는 가운데 도심 지 지하공간 및 터널 공사를 위해 발파로 인한 민원 및 환경에 관한 문제 또한 증가하고 있다. 이들 문제를 해결하기 위해 발파 소음 및 진동에 유리한 TBM(Tunnel Boring Machine) 적용하는 사례가 늘고 있으나, TBM 특성 상 지반 조건에 영향을 받는 자재 소모량의 예측 불확실성이 높아 정확한 공사비 산정에 어려움을 겪고 있다. 대표적인 소모성 자재로써 디스크 커터는 TBM 커터헤드에 설치되어 지반을 굴착하는 역할을 하며 지반 굴착 중 마모가 발생하기 때문에 적정 시기 에 교체해야 한다. 사전 설계단계에서 디스크 커터 소모량을 사전에 예측하기 위해서는 인근 유사 조건의 실적 자료가 가 장 유용하나, 실제 유사 조건의 자료 확보가 어렵기 때문에 통상적으로 국외 연구된 디스크 커터 소모량 예측 모델을 활용 하고 있다. 그러나 국외 지반을 대상으로 개발된 모델의 국내 검증은 부족하기 때문에, 국외 모델의 국내 검증과 함께 국 내 지반을 대상으로 자체적인 기술 개발이 필요한 실정이다. 본 기술기사에서는 국내에서 자체 개발된 디스크 커터 예측 모델(NAT, New Abrasion Tester)과 현장 검증 사례를 소개하고자 한다. 2. 디스크 커터 마모 예측을 위한 기존 기술 디스크 커터의 마모 예측 모델은 주로 디스크 커터 마모도 시험 결과로부터 얻어지는 마모지수 또는 수명지수와 실제 디스크 커터의 마모도 관계로써 대표적인 시험 장비로는 프랑스에서 개발된 세르샤 시험장비와 노르웨이에서 개발된 NTNU(Norwegian University of Science and Technology) 시험장비가 있다(그림 1). 세르샤 시험은 일정하중 상태 로 세르샤 핀으로 암석을 일정 거리 긁었을 때 핀의 마모량으로써 세르샤 마모지수(Cerchar abrasivity index, CAI)를 TBM 디스크 커터 마모 예측을 위한 NAT(New Abrasion Tester) 개발 및 검증 사례 정재훈 현대건설 기술연구원 책임연구원 강한별 현대건설 기술연구원 책임연구원 이재원 현대건설 기술연구원 책임연구원 김지영 현대건설 기술연구원 책임연구원 임주휘 현대건설 기술연구원 연구원 신영진 현대건설 기술연구원 책임연구원14 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 TBM 디스크 커터 마모 예측을 위한 NAT(New Abrasion Tester) 개발 및 검증 사례 평가하는 시험이다. 시험 방법이 비교적 간편하고 현장 데이터가 풍부한 장점이 있지만, 핀의 이동거리가 짧아 시험결과 의 변동성이 큰 단점이 있다. NTNU 시험은 노르웨이에서 개발된 시험으로써 NTNU 시험 3종 중 2종인 AVS와 Siever’s J 시험 결과를 조합하여 디스크 커터의 수명지수(Cutter life index, CLI)를 얻을 수 있다. NTNU 시험은 세르샤 시험에 비해 암석의 천공저항지수와 마모지수를 함께 고려할 수 있고 결과의 변동성이 비교적 작은 장점이 있다. 그러나 NTNU 시험은 세르샤 시험에 비해 절차가 복잡하고 준비에 비교적 긴 시간이 소모되고 NTNU 기관을 포함한 소수 기관 만이 장 비를 보유하고 있어 활용에 한계점이 있다. (a) 세르샤 시험(b) AVS 시험(NTNU)(c) Siever’s 시험(NTNU) <그림 1> 세르샤 시험 및 NTNU 시험 시험으로부터 얻어진 암석의 마모지수(또는 디스크 커터의 수명지수)와 실제 디스크 커터의 마모도 관계 모델을 구하 기 위한 많은 연구가 수행되었다. 세르샤 마모지수를 활용하는 대표적 모델로써 콜로라도 광산대학에서 개발한 CSM (Colorado School of Mines) 모델(Rostami, 1993)과 Gehring(1995), Frenzel(2011) 등이 있고, NTNU의 CLI를 활용 하는 모델로는 Rostami et al. (2005)이 개발한 NTNU 모델이 대표적이다 이들 시험 모델은 모두 국외에서 개발된 모델 로써, 국내 적용을 위해서는 충분한 검증이 요구되며 더 나아가 국내 지반을 대상으로 예측모델 개발이 필요하다. (a) Gehring 모델(1995)(b) NTNU 모델(2005) <그림 2> Gehring 모델 및 NTNU 모델Vol. 27, No. 1 15 3. NAT 시험 및 디스크 커터 마모 예측 모델 소개 3.1 NAT 개요 NAT는 기존의 세르샤 시험의 장점과 NTNU 시험의 장점을 고려하여 국내에서 독자적으로 개발된 시험이다. NAT는 실제 TBM의 굴착 원리를 반영시킨 축소시험장비와 유사하다. 특히 TBM의 디스크 커터 역할을 하는 소형 디스크를 회전 수평이동함으로써 충분한 회전이동거리를 가지면서, 세르샤 시험과 같이 간편하게 시험을 수행할 수 있다. 그림 3과 같이 디스크 커터의 작용력을 하중으로 작용시키면서 디스크가 회전 및 선형 수평이동을 하면서 암석을 긁어 디스크 마모를 유 발시킨다(그림 4). 시험 전후의 디스크 무게 차이는 NAT 시험 마모지수인 DWI(Disc Wear Index)로 정의된다. <그림 3> TBM과 NAT 비교 <그림 4> NAT 및 원리16 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 TBM 디스크 커터 마모 예측을 위한 NAT(New Abrasion Tester) 개발 및 검증 사례 3.2 시험 방법 NAT 시험은 대상 암석의 암석시편을 가지고 시험장비에 설치하여 다음의 절차와 같이 시험을 수행한다. ① 암석 시편 준비 자연적으로 발생된 암석면이 확인되는 시편을 준비한다. 시추공 암편의 경우 암편을 쪼개 쪼개진면이 디스크에 접촉 시킨다. ② 암석 시편과 장비 결합 장비에 시편 결합부에 시편을 놓고 나사로 고정시킨다. ③ 암석 시편에 상부 하중 작용 상부 플레이트 고정된 결합핀을 해제함으로써 상부 하중이 그대로 시편에 작용되도록 한다 ④ 디스크 회전이동 일정 하중이 작용되도록 디스크가 일정속도 및 거리를 회전이동하면서 암석을 긁는다. ⑤ 마모지수 측정 디스크가 50바퀴를 이동할 때 디스크 마모량을 무게로 재서 DWI를 측정한다. <그림 5> NAT 시험 순서 3.3 NAT 모델 개발 새로운 디스크 커터의 마모 예측 모델을 개발하기 위해 DWI와 실제 디스크 커터 마모량 관계를 분석하였다. 표 1과 같 이 디스크 커터의 마모도를 굴착 부피당 마모량(g/m3)으로써 SCWL(Specific Cutter Weight Loss)로 정의된다. DWI 와 실제 디스크 커터의 마모도인 SCWL에 대한 국내외 현장의 자료를 이용하여 분석한 결과 다음의 그림의 초기 예측 모 델이 개발되었다(그림 6).Vol. 27, No. 1 17 <표 1> NAT Index 정의 디스크 커터 마모량 (Wear loss per cutter, gram/cutter) 디스크 커터 당 굴착 부 (Excavation volume per cutter, m3/cutter) 굴착 부피 당 커터 마모도 (SCWL, Specific weight loss)(g/m3) <그림 6> NAT 초기 모델Next >