Effect of the addition of cement on the loess stabilization: a case study of Gorgan loess from northern Iran

이란 북부 지역, 고르간시 아래에는 황토(loess)라고 알려진 독특한 토양의 광활한 영역이 펼쳐져 있습니다. 숙련되지 않은 눈에는 평범한 크림색 흙처럼 보이지만, 지반 공학 기술자에게 이것은 숨겨진 위험 요소입니다. 이 토양은 바람에 날려 온 먼지가 느슨한 벌집 구조로 쌓여 형성되었습니다. 건조할 때는 무게를 지탱할 수 있지만, 위험한 비밀을 간직하고 있습니다. 물에 젖어 포화 상태가 되는 순간, 취약한 내부 결합이 해체되어 지면이 갑자기 무너져 내리며 건물과 도로의 무게 아래로 빠르게 가라앉습니다. '붕괴성(collapsibility)'이라 불리는 이 현상은 로스 퇴적층이 70미터 이상의 깊이까지 도달할 수 있는 이 지역에서 상당한 구조적 피해를 입혀왔습니다. 엔지니어들의 과제는 이 토양을 부서지기 쉽거나 처리 비용이 많이 들지 않게 하면서도 강화하여, 비가 올 때에도 지반이 안정적으로 유지되도록 하는 방법을 찾는 것입니다.

테헤란 대학교와 콤 대학교의 연구진은 흔하고 저렴한 재료인 시멘트를 테스트함으로써 이 문제를 해결하고자 했습니다. 그들의 목표는 고르간 로스에 시멘트를 혼합하는 것이 붕괴 위험이 있는 토양을 단단한 기초로 변모시킬 수 있는지 확인하는 것이었습니다. 연구진은 현지의 토양 샘플을 채취하여 시멘트 함량을 전혀 넣지 않은 것부터 중량 대비 9퍼센트까지 다양하게 혼합했습니다. 시간이 공정에 미치는 영향을 이해하기 위해, 그들은 단순히 혼합물을 즉시 테스트하는 데 그치지 않았습니다. 대신, 실제 건설 프로젝트에서 일어나는 양생 과정을 시뮬레이션하기 위해 샘플을 밀봉된 용기에 7일, 14일, 그리고 28일 동안 두었습니다. 그 후 이 경화된 샘플들에 일련의 테스트를 실시하여, 얼마나 압축될 수 있는지, 얼마나 팽창하는지, 그리고 파괴되기 전까지 얼마나 많은 힘을 견딜 수 있는지를 측정했습니다. 또한 강력한 현미경으로 토양을 자세히 관찰하고 화학적 구성을 분석하여 미시적인 수준에서 어떤 일이 일어나고 있는지 확인했습니다.

결과는 놀라웠습니다. 처리되지 않은 로스는 압축 강도(토양이 파괴되기 전까지 견딜 수 있는 압력의 척도)가 불과 0.1 메가파스칼에 불과할 정도로 매우 약했습니다. 그러나 연구진이 시멘트를 더 많이 첨가하고 혼합물이 양생될 시간을 더 많이 주었을 때, 토양은 현저히 강해졌습니다. 가장 극적인 개선은 9퍼센트의 시멘트를 처리한 샘플에서 나타났습니다. 28일간의 양생 과정을 거친 후, 이 샘플들은 처리되지 않은 토양보다 8.5배 더 강해졌습니다. 연구진은 토양이 양생될 시간이 길어질수록 더 강해진다는 것을 관찰했는데, 이는 화학 반응이 시간이 지남에 따라 토양 입자들을 지속적으로 결합시키고 있음을 나타냅니다. 이러한 강도의 증가는 단순히 시멘트가 충전재 역할을 하는 문제가 아니라, 시멘트가 토양 내의 미네랄과 반응하여 새롭고 내구성이 강한 결합을 만들어내는 화학적 변형의 결과였습니다.

강해지는 것 외에도, 처리된 토양은 훨씬 더 안정적이 되었으며 이 지역을 괴롭히는 위험한 침하 현상에 덜 취약해졌습니다. 연구진은 젖었을 때 토양의 붕괴 경향을 측정하였고, 시멘트를 첨가하면 이 위험이 급격히 감소한다는 것을 발견했습니다. 처리되지 않은 샘플에서 붕괴 가능성은 '중등도 심각' 단계로 분류되었습니다. 하지만 9퍼센트의 시멘트를 넣은 샘플에서는 이 위험이 '경미한' 수준으로 떨어졌는데, 이는 토양이 갑작스러운 침하를 겪을 가능성이 훨씬 낮아졌음을 의미합니다. 마찬가지로, 압력에 의해 압축되거나 젖었을 때 팽창하려는 토양의 성질도 크게 줄어들었습니다. 시멘트가 더 많이 첨가될수록 토양의 움직임은 적어졌으며, 이는 느슨하고 물에 민감한 흙보다는 고체 암석처럼 행동하는 재료를 만들어냈습니다.

이러한 변화가 왜 일어났는지 이해하기 위해, 연구팀은 주사 전자 현미경과 화학 분석을 사용하여 토양 내부를 들여다보았습니다. 처리되지 않은 로스는 커다란 개방형 기공과 입자 사이의 약한 연결을 가진 혼란스러운 구조를 보여주었는데, 이는 마치 느슨하게 쌓인 모래 더미와 같았습니다. 반면, 시멘트 처리된 샘플은 완전히 다른 모습을 보여주었습니다. 현미경 이미지는 시멘트가 토양 입자 사이의 빈 공간을 채우는 바늘 모양의 구조와 젤 형태의 물질을 생성했음을 드러냈습니다. '규산칼슘수화물(calcium silicate hydrate)'로 알려진 이 새로운 형성물들은 개별 입자들을 단단하고 상호 연결된 네트워크로 묶어주는 풀 역할을 했습니다. '플록큘레이션(flocculation, 응집)'이라 불리는 이 과정은 느슨하고 열린 구조를 조밀하고 압축된 덩어리로 바꾸어 놓았습니다. 화학적 분석은 칼슘과 기타 결합 원소의 양이 증가했음을 확인해주었으며, 원래 토양의 느슨하고 분산되는 성질이 단단하고 응집력 있는 구조로 대체되었음을 입증했습니다.

연구는 시멘트를 첨가하는 것이 이란 북부의 문제적인 로스를 안정화하는 데 매우 효과적인 방법이라고 결론짓습니다. 시멘트 함량을 높이고 혼합물이 충분히 양생될 시간을 줌으로써, 엔지니어들은 훨씬 더 강할 뿐만 아니라 물이 유입되었을 때 발생하는 갑작스러운 붕괴에도 저항력을 갖춘 토양을 만들 수 있습니다. 이 연구는 9퍼센트의 시멘트를 추가하는 단순한 작업이 지질학적 위험 요소를 신뢰할 수 있는 기초로 바꿀 수 있음을 보여주며, 이 특정 유형의 토양 실패가 빈번한 지역에서 실용적이고 접근 가능한 해결책을 제시합니다. 연구 결과는 적절한 배합과 충분한 시간만 있다면, 우리 발밑의 지면을 단단하게 지탱되도록 만들 수 있음을 시사합니다.