Stabilization of Lateritic Soil Using PET Bottle Shreds and Periwinkle Shell Ash for Subgrade Layer of Road Pavement

모든 도로는 그 아래의 지면에서 시작됩니다. 아스팔트 층이 단 한 겹이라도 깔리기 전에, 엔지니어들은 토양이 자동차와 트럭의 무게를 견디며 가라앉거나 균열이 생기지 않도록 지반을 확보해야 합니다. 이 하부 층은 노상(subgrade)이라고 불리며, 전체 구조의 기초가 됩니다. 세계의 많은 지역에서 사용 가능한 토양은 철분과 점토가 풍부한 붉은 흙인 라테라이트입니다. 풍부하게 존재하지만, 이 토양은 특히 젖었을 때 압력을 견디는 데 어려움을 겪는 경우가 많아, 그 자체만으로는 도로를 건설하기에 부적합한 후보가 됩니다. 이를 해결하기 위해 엔지니어들은 전통적으로 토양을 강화하기 위해 다른 재료들을 혼합하지만, 이러한 첨가물은 생산하는 데 비용이 많이 들고 에너지가 많이 소비됩니다. 동시에, 세계는 점점 늘어나는 쓰레기 더미와 씨름하고 있습니다. 플라스틱 병과 소비된 해산물의 껍데기는 매립지를 막히게 하고 환경을 해치는 두 가지 폐기물 흐름입니다. 최근의 연구를 이끄는 질문은, 이 두 가지 매우 다른 문제인 약한 토양과 과도한 폐기물을, 쓰레기를 건설 도구로 바꿈으로써 함께 해결할 수 있는가 하는 것입니다.

나이지리아 코버넌트 대학교(Covenant University)의 연구팀은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 병에서 나온 잘게 부순 플라스틱과, 조개 껍데기를 태워 만든 재라는 두 가지 특정 유형의 폐기물을 사용하여 이 아이디어를 테스트하기 위해 착수했습니다. 페리윙클(periwinkle)은 서아프리카에서 널리 먹는 일종의 바다 달팽이로, 그 껍데기는 종종 대량으로 버려집니다. 연구진은 오군(Ogun) 주에서 채취한 라테라이트 토양을 수집하고, 이 폐기물들이 토양의 거동을 어떻게 변화시키는지 알아보기 위해 일련의 실험실 실험을 시작했습니다. 그들은 먼저 토양을 건조하고 균일한 가루 형태로 부수는 과정을 거쳤습니다. 그다음 사용된 플라스틱 병을 세척하여 손톱 크기 정도의 작은 조각으로 잘게 부수었습니다. 조개 껍데기의 경우, 그것들을 깨끗이 씻어 야외 불꽃에서 태운 뒤, 화학적으로 활성화되도록 용광로에서 가열한 후 고운 가루로 갈아냈습니다.

연구팀은 문제를 두 단계로 접근했습니다. 첫째, 토양이 단독으로 얼마나 많은 플라스틱 조각을 감당할 수 있는지 테스트했습니다. 그들은 토양에 전체 무게의 2%에서 10% 사이의 플라스틱 조각을 혼합했습니다. 그들은 플라스틱을 추가하면 토양이 더 강해지지만, 특정 지점까지만 그렇다는 것을 발견했습니다. 무게 기준으로 6%의 플라스틱을 추가했을 때 토양은 최대 강도에 도달했습니다. 그보다 더 많이 추가하면 오히려 토양 입자들이 빽빽하게 맞물리는 것을 방해하여 토양을 더 약하게 만들었습니다. 최적의 플라스틱 양을 확인한 후, 연구진은 플라스틱 함량을 6%로 고정하고 페리윙클 껍데기 재의 양을 변화시키는 두 번째 단계로 넘어갔습니다. 그들은 재를 2%에서 10%까지의 양으로 첨가하여 혼합물을 테스트했습니다.

결과는 개선의 명확한 패턴을 보여주었습니다. 처리되지 않은 자연 상태의 토양은 도로용 토양 강도를 측정하는 표준 테스트에서 5.5%라는 매우 낮은 값을 기록하며 하중을 견디는 능력이 매우 낮았습니다. 연구진이 6%의 플라스틱 조각과 6%의 페리윙클 껍데기 재를 결합했을 때, 토양의 강도는 3배 이상 증가하여 19.5%에 도달했습니다. 이 특정 조합은 또한 토양이 찌그러지는 것에 저항하는 능력인 압축 강도를 크게 높였는데, 이는 자연 토양의 120.5 단위에서 처리된 혼합물의 273.3 단위로 상승했습니다. 연구진은 또한 처리된 토양이 투과성이 낮아졌음을 관찰했는데, 이는 물이 처리되지 않은 흙보다 쉽게 통과할 수 없음을 의미합니다. 이는 물의 침투가 연화와 실패를 초래하는 경우가 많기 때문에 도로 기초에 있어 매우 중요한 이점입니다.

이러한 성과에도 불구하고, 연구진은 처리된 토양이 이전보다 훨씬 강해졌음에도 불구하고, 지속적인 교통량이 발생하는 도로의 무거운 층에 요구되는 높은 강도 수준에는 여전히 도달하지 못했다고 언급했습니다. 그들이 만든 최상의 혼합물은 경미한 교통량이 있는 도로의 노상 층에는 적합하지만, 주요 고속도로의 기층을 대체하기에는 아직 부족합니다. 연구는 강도가 이중 메커니즘에서 온다는 것을 시사합니다. 즉, 플라스틱 조각은 토양을 붙잡아주는 작은 섬유처럼 작용하고, 조개 껍데기 재는 토양과 화학적으로 반응하여 시멘트 같은 결합을 형성한다는 것입니다. 그러나 연구팀은 또한 재를 너무 많이, 구체적으로 6%를 초과하여 추가하면 미세한 가루가 토양과 플라스틱 사이의 결합을 방해하기 때문에 강도가 다시 떨어진다는 것을 발견했습니다.

이 연구는 지역의 토양 품질을 개선하는 동시에 환경 내 플라스틱과 껍데기 폐기물의 양을 줄이는 실질적인 방법을 보여줍니다. 연구진은 이러한 특정 폐기물을 사용하는 것이 라테라이트 토양이 흔한 지역에서 도로 건설을 위한 실행 가능한 경로라고 결론지었습니다. 그들은 결과가 유망하지만, 이 토양이 수많은 습윤 및 건조 주기를 거치며 얼마나 잘 견디는지에 대한 추가적인 테스트가 필요하다고 강조했습니다. 현재로서는, 이 연구는 공학이 어떻게 두 가지 환경적 부담을 하나의 유용한 자원으로 바꿀 수 있는지를 보여주는 구체적인 사례를 제공하며, 단, 너무 많은 것이 오히려 문제가 되는 지점을 피하기 위해 혼합물을 신중하게 조절해야 한다는 전제하에 그러합니다.