Sequential Biopolymer-EICP Composite Treatment for Sustainable Soil Stabilization
지속가능한 흙 안정화를 위한 순차적인 바이오폴리머 및 효소 유도 탄산칼슘 침전 복합 처리
- 주제(키워드) Biopolymer , EICP , Composite treatment , Soil stabilization
- 주제(DDC) 690
- 발행기관 아주대학교 일반대학원
- 지도교수 장일한
- 발행년도 2026
- 학위수여년월 2026. 2
- 학위명 박사
- 학과 및 전공 일반대학원 건설시스템공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000035396
- 본문언어 영어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
바이오폴리머 기반 흙 처리(Biopolymer-based Soil Treatment; BPST)와 효소 유도 탄산칼슘 침전(Enzyme-Induced Calcium Carbonate Precipitation; EICP)은 시멘트를 사용하지 않고 흙의 강도와 강성을 향상시킬 수 있는 지속 가능한 지반 안정화 기술로 주목받고 있다. 그러나 BPST, 특히 잔탄검(xanthan gum, XG) 기반 처리의 경우 수분과 접촉 시 고유한 친수성으로 인해 장기적인 강도 유지에 한계를 보이며, EICP는 반응 과정에서 생성되는 암모늄 이온 및 암모니아로 인해 잠재적인 환경적 문제를 동반한다. 이러한 개별 기술의 한계를 보완하기 위해 다양한 복합 처리 기법이 제안되어 왔으나, 바이오폴리머와 EICP의 처리 순서에 따른 강도 및 강성 증진 효과, pH 변화 및 암모니아 배출 거동, 그리고 3차원 탄산칼슘 침전 구조를 동시에 정량적으로 평가한 연구는 매우 제한적인 실정이다. 이에 본 연구에서는 선 BPST–후 EICP 처리(BAE)와 선 EICP–후 BPST 처리(EAB)의 두 가지 순차적 복합 처리 기법을 제안하고, 처리 순서에 따른 공학적 성능 및 환경적 효율성을 체계적으로 비교 및 분석하고자 하였다. 우선, 팔콘 튜브 시험을 통해 EICP의 최적 반응 조성비(1.0 M 요소, 0.67 M CaCl2, 3 g/L 우레아제)를 도출하였으며, XG의 적정 농도는 일축압축강도(UCS) 및 주입성 평가를 통해 흙 질량 대비 0.05%로 결정하였다. 직접 전단 시험 결과, EAB 처리 시료는 최대 전단 강도 및 잔류 전단 강도 모두에서 가장 우수한 전단 강도 매개변수를 나타낸 반면, BPST, EICP, 그리고 BAE 처리 시료는 서로 유사한 수준의 강도를 보였다. 한편, 탄성파 기반 강성 평가 결과에서는 처리 순서에 따른 뚜렷한 차이가 관찰되었다. BAE 처리 시료의 경우 처리 주기와 시간이 증가함에 따라 탄성파 속도가 지속적으로 증가한 반면, EAB 처리 시료는 초기 EICP 반응 단계에서 급격한 강성 증가를 보인 이후 추가적인 강성 증진은 제한적인 것으로 나타났다. 또한, BAE 시료의 포아송비는 구속 압력과 처리 횟수의 영향을 모두 받는 반면, EAB 시료는 주로 구속 압력에 의해 지배되는 경향을 보였다. 특히 재하–제하 시험 결과, EAB 시료는 최종 단계에서 주입된 XG 하이드로겔의 점탄성 거동에 기인하여 상대적으로 높은 탄성 회복 특성을 나타냈다. 두 순차적 복합 처리 기법의 차이는 환경적 평가에서도 명확하게 확인되었다. EAB 처리 조건에서는 초기 단계부터 배출수의 pH가 높고 상당량의 암모니아가 검출된 반면, BAE 처리 조건에서는 배출수 pH가 약산성에서 중성 범위를 유지하였으며 암모니아 배출이 거의 관찰되지 않았다. 이는 선행된 BPST 처리로 형성된 XG 하이드로겔이 기공 공간 내에서 암모늄 이온을 효과적으로 포획함과 동시에, 초기 용액 pH를 낮춰 암모늄이 암모니아로 기화되는 전환 반응을 억제했기 때문으로 해석된다. 즉, BAE 방식은 하이드로겔 매트릭스를 통해 암모늄 이온의 이동성과 기화 가능성을 동시에 저감시켜 암모니아의 외부 방출을 효과적으로 차단하는 특성을 보였다. 종합하면, EAB 처리 기법은 단기간 내 강도 및 강성 확보가 요구되는 지반 개량에 적합한 반면, BAE 처리 기법은 점진적인 강성 발달과 함께 암모니아 배출 저감과 같은 환경적 요소를 중시하는 조건에서 보다 유리한 대안으로 평가된다. 본 연구는 바이오폴리머–EICP 순차 복합 처리의 대표적인 두 접근법을 공학적·환경적 관점에서 종합적으로 비교함으로써, 향후 친환경 지반 개량 기술의 합리적 적용을 위한 기초 자료를 제공한다.
more초록/요약
Biopolymer-based Soil Treatment (BPST) and Enzyme-Induced Calcite Precipitation (EICP) are emerging as sustainable soil improvement technologies capable of enhancing soil strength and stiffness without using cement. However, BPST, particularly xanthan gum (XG)-based treatment, faces challenges in maintaining long-term strength due to its inherent hydrophilic nature upon moisture contact. EICP, meanwhile, carries the limitation of potential environmental concerns due to ammonium ions and ammonia generated during the reaction process. Although various composite treatment techniques have been attempted to overcome these issues, no study has simultaneously and quantitatively evaluated the strength and stiffness development, pH changes, ammonia emissions, and three-dimensional calcium carbonate precipitation structure based on the treatment sequence of biopolymer–EICP. This study aims to address this issue by proposing two sequential composite treatments—Biopolymer-Assisted EICP (BAE) and EICP-Assisted BPST (EAB)—and systematically investigating their engineering and environmental efficiency. First, the optimal composition for EICP (1.0 M urea, 0.67 M CaCl2, 3 g/L urease) was determined through Falcon tube tests. The appropriate concentration of XG was determined to be 0.05% relative to soil mass through UCS and injectability evaluations. Direct shear test results confirmed that the highest shear strength parameters were observed in the EAB treatment at both peak and residual states, while BPST, EICP, and BAE exhibited similar levels of strength. In the elastic wave-based stiffness analysis, BAE continuously increased elastic wave velocities with increasing treatment cycles and time, whereas EAB showed a sharp increase during the initial EICP reaction phase but no further enhancement thereafter. The Poisson's ratio of the BAE was influenced by both confining pressure and number of treatments, while EAB was affected by confining pressure. During the loading–unloading process, EAB showed higher elastic recovery, interpreted as a result of the viscoelasticity of the injected XG hydrogel in the final stage. The difference between the two treatment methods was also evident in the environmental assessment. EAB effluent contained high pH and significant amounts of ammonia from the initial stage, whereas BAE effluent maintained a range from slightly acidic to neutral, with no ammonia discharge observed. This is interpreted as the XG hydrogel formed by the prior biopolymer treatment effectively trapping ammonium ions within the pore spaces of the solution. Simultaneously, the initial solution pH was lowered due to biopolymer injection, inhibiting the conversion reaction where ammonium (NH4⁺) vaporizes into ammonia (NH3). In other words, the BAE method exhibits a characteristic where the hydrogel matrix simultaneously reduces the mobility and vaporization potential of ammonium ions, ultimately preventing ammonia from being released externally. Overall, EAB is suitable for ground improvement requiring immediate strength and stiffness enhancement, while BAE is considered a favorable alternative when prioritizing environmental aspects such as gradual stiffness development and reduced ammonia emissions. This study provides a comprehensive performance comparison of the two representative methods of sequential biopolymer–EICP composite treatment, thereby offering crucial foundational data for the future application of eco-friendly ground improvement technologies.
more목차
CHAPTER 1. INTRODUCTION 1
1.1 Scope of Research 1
1.2 Organization 2
CHAPTER 2. LITERATURE REVIEW 4
2.1 Introduction 4
2.2 Biopolymer-based Soil Treatment (BPST) 5
2.2.1 Xanthan gum biopolymer 5
2.2.2 Strengths 6
2.2.3 Limitations 8
2.3 Enzyme-Induced Calcite Precipitation (EICP) 9
2.3.1 Reaction Mechanism and Fundamental Principles 9
2.3.2 Strengths 10
2.3.3 Limitations 11
2.4 State of the Art on Composite Treatment with Biopolymer and EICP 12
2.5 Research Gap 16
CHAPTER 3. DEVELOPMENT OF COMPOSITE TREATMENT 18
3.1 Introduction 18
3.2 Conceptual Framework 19
3.2.1 Biopolymer-Assisted EICP (BAE) 19
3.2.2 EICP-Assisted BPST (EAB) 20
3.3 Hypotheses 21
3.4 Considerations for Experimental Design 23
CHAPTER 4. PHYSICAL AND CHEMICAL BEHAVIOR OF COMPOSITE TREATMENT SOLUTION 25
4.1 Introduction 25
4.2 Materials and Methods 27
4.2.1 Falcon Tube Tests for Determining the Optimal Ratio of EICP 27
4.2.2 Rheological properties of XG hydrogels 28
4.2.3 UCS and Injection Tests for Determining the Optimal Ratio of Biopolymer 29
4.2.4 Quantitative Image Tests 31
4.3 Falcon Tube Test Results 34
4.4 Rheometer Test Results 39
4.5 Results of UCS and Injectability for Each Biopolymer Concentration 42
4.6 Quantitative Image Analysis Results 49
4.7 Summary 65
CHAPTER 5. SHEAR STRENGTH OF SAND AMENDED VIA SEQUENTIAL BPST AND EICP 67
5.1 Introduction 67
5.2 Materials and Methods 68
5.2.1 Jumunjin Sand 68
5.2.2 EICP Solution Preparation 69
5.2.3 Biopolymer Solution Preparation 70
5.2.4 Sequential BPST and EICP Treatment 70
5.2.5 Laboratory Direct Shear Tests 71
5.3 Results and Discussion 72
5.4 Summary 75
CHAPTER 6. TIME-DEPENDENT STIFFNESS ENHANCEMENT AND ELASTIC RECOVERY BEHAVIOR 77
6.1 Introduction 77
6.2 Materials and Methods 80
6.2.1 Soil Properties 80
6.2.2 Soil Treatment 81
6.2.3 Soil Preparation for Composite Treatment 83
6.2.4 Experimental Programs 84
6.3 Wave Velocity and Elastic Modulus of Jumunjin Sand 86
6.4 Time-domain Stiffness Enhancement Effects of Composite Treatments 88
6.4.1 BAE – Biopolymer-assisted EICP 88
6.4.2 EAB – EICP-assisted BPST 89
6.5 Effects of Treatment Cycles and Confinements 91
6.5.1 Stiffness Enhancement 91
6.5.2 Poisson's Ratio 94
6.6 Elastic Recovery Behavior Under Loading-Unloading Process 101
6.7 Summary 105
CHAPTER 7. CHEMICAL AND MICROSTRUCTURAL MECHANISMS OF COMPOSITE-TREATED SOILS 106
7.1 Introduction 106
7.2 Materials and Methods 107
7.2.1 Measurement of Calcite Precipitation 107
7.2.2 Measurements of pH in Effluent 108
7.2.3 X-ray CT Analysis 109
7.3 Calcium Carbonate Distribution 110
7.4 pH Variation with Increasing Treatment Cycles 114
7.5 Microstructure Analysis of Composite-treated Soils 116
7.6 Summary 120
CHAPTER 8. CONCLUSIONS AND FUTURE RESEARCH 122
8.1 Summary 122
8.2 Conclusions 123
8.3 Limitations and Future Work for Field Application 126
REFERENCES 128
국문초록 143
