고흡수성 수지 혼합토양의 공학적 특성

Abstract

고흡수성 수지 (Superabsorbent Polymers, SAPs)는 자체 중량의 수백 배에 해당하는 수분을 흡수할 수 있는 합성 고분자 물질이다. 고흡수성 수지는 위생용품, 병원용품, 토양보수제, 토목용자재 등 다양한 분야에서 이용하고 있다. 고흡수성 수지는 일반적으로 토양 수분함량을 증가시키는 역할을 하기 때문에 작물 재배에 긍정적인 영향을 미치는 것으로 보고된 바 있다. 이러한 수분 흡수 성능에 의해 가뭄 등으로 인한 농작물 피해를 감소시키기 위한 토양보수제로서 고흡수성 수지는 이용되고 있지만 수분흡수능, 수분 흡수 건조 과정에 따른 재사용에 대한 분석 그리고 인접 토양에 대한 수분 방출 특성 등과 같은 기초 특성과 실제 토양에 혼합했을 때 토양 수분함량에 영향을 끼치는 정량적인 자료는 부족한 실정이다. 더불어 고흡수성 수지 혼합 토양에 대한 투수성, 강도 등과 같은 공학적 특성에 대한 기준 및 연구 사례는 미미하다. 따라서 본 연구에서는 고흡수성 수지의 수분 흡수능 및 방출 범위에 대한 기초적인 특성을 분석하고 실제 토양에 혼합한 경우을 모사하여 토양 수분함량 미치는 영향을 정량적으로 분석하였다. 또한 고흡수성 수지 혼합 토양의 투수성과 강도를 분석하여 혼합에 따른 공학적 특성 변화를 확인하였다. 고흡수성 수지의 단위 1g 당 최대 수분흡수능은 약 200 g인 것으로 나타났다. 고흡수성 수지 중량에 따라 최대 수분흡수능에 도달하는 시간은 초기 10분 사이에 중량에 관계없이 대부분의 수분을 흡수하고 2시간 이후에서 최대 수분흡수능에 도달하며 이후에도 유지되는 것으로 판단된다. 고흡수성 수지의 재사용은 가능한 것으로 판단된다. 고흡수성 수지의 수분 방출 특성을 실험한 결과 수분 방출량 및 방출 영향 범위 모두 포화도가 증가할수록 증가하는 것으로 나타났다. 방출 영향 범위의 경우 초기 대부분의 수분 방출이 이루어진 뒤 4시간 이후에는 유지되는 것으로 나타났다. 또한 포화도 100% 기준으로 고흡수성 수지의 토성 별 최대 수분 방출 거리는 사양토는 2.36 mm, 양토는 1.48 mm 그리고 미사질양토는 2.44 mm인 것으로 나타났다. 수분 방출량은 초기에 수분 방출이 급격하게 이루어지고 이로 인해 토양 수분 상승이 대폭 증가하는 것으로 나타났다. 방출 범위와 동일하게 포화도가 증가할수록 수분 방출량이 증가하는 것으로 나타났으며 토성 간의 차이는 크게 없는 것으로 나타났다. 고흡수성 수지 혼합율에 따른 토양수분함량은 혼합율이 증가할수록 토양수분의 감소가 작은 것으로 나타났다. 사양토의 경우 36시간 이내에서 비혼합 토양은 관수 필요 시점에 도달하는 것과 달리 혼합율 약 0.15 % 이상에서 토양 수분이 유지되는 것으로 확인하였다. 이와 반대로 동일 강우강도 침투 조건에도 불구하고 낮은 투수성으로 인해 침투량이 부족했기 때문에 양토는 약 40 시간, 미사질양토는 약 48 시간 이후에서 고흡수성 수지 혼합율에 따른 보수 성능 격차가 감소하는 것으로 나타났다. 따라서 충분한 수분 공급이 이루어질 때 보수력 개선 효과가 향상하는 것으로 판단된다. 고흡수성 수지를 혼합하지 않은 0 % 시료를 기준으로 비교하였을 때 혼합 후에도 투수계수에 큰 변화를 보이지 않는 것으로 나타났다. 이는 비혼합 토양과 비교 시 고흡수성 수지 혼합에 따라 투수성에 크게 영향을 미치지 않는 것으로 판단된다. 혼합 토양의 전단강도는 고흡수성 수지의 혼합율이 증가함에 따라 점착력은 감소하고 내부마찰각은 증가하는 것으로 나타났다. 이는 공극 내 팽윤된 고흡수성 수지의 입자 간 맞물림 현상이 기인한 것으로 판단되며 토심 30 cm 기준 (약 38.3 kPa)의 수직응력 조건에서 혼합율 증가에 따라 전단강도는 소폭 감소하지만 기계 주행 등에 필요한 지지력에 크게 영향을 미치지 않는 것으로 판단된다.

Superabsorbent Polymers (SAPs)are hydrophilic synthetic polymers which could absorb water by hundreds of their own weight. They are used for multiple purpose including hygienic goods, soil conditioners, and hospital supplies. It is necessary to investigate the standard of their use including the amendment rate for soil application in agricultural fields. It is also important to understand their effects on the soil water content and engineering characteristics. The objective of this study is to find the water absorbing capacity and reusability of SAPs, and the characteristics of water release and effect of them on soil water content and engineering characteristics. In the result, SAPs per unit weight (1 g)used for this research could absorb about 200 g of water in max. The water absorbing capacity decreased after SAPs were used repeatedly. Released water of SAPs could provide the soils with about 9 % of the soil water content. Soil water content increased with decreasing distance from the SAPs The distance of release was spreaded out with increasing water absorbed of SAPs. As soil texture, soil water content was different but it is Finally, when a drainage and the capacity of soil water content were considered, it is important to provide enough water to mixed layer with SAPs to maintain the reusability of water absorbing capacity. The engineering properties of mixed soil with SAPs were planed permeability and shear strength. Conclusionally, it didnt show the difference of permeability as mixed ratio of SAPs. Results shear strength as mixed ratio of SAPs by the direct shear test were confirmed. If SAPs were mixed with soil, the cohesion was decreased and the internal friction angle was increased. Also assumed the root depth of upland crops, shear strength was slightly decreased. But it was not influenced to the bearing capacity of upland soil. Finally, it was recommended to amend the SAPs with soil by more than 0.15 %.