본 연구는 플라즈마 블라스팅을 토사층에 적용하여 유체 확산 및 투수성 개선에 효과가 있는 지를 평가함으로써 지중처리기술과의 결합 가능성을 판단할 목적으로 수행하였다.
시험은 플라즈마 발생 장치를 제작하여 토사를 충전한 컬럼에 플라즈마 블라스팅을 실시하는 방법으로 수행하였다. 플라즈마 블라스팅은 아크 방전 시 형성되는 고열에 의해 물이 플라즈마화하면서 기화․팽창하여 발생하는 충격파가 주변 지반으로 방사되는 과정으로 진행된다.
플라즈마 브라스팅 시 페인트가 혼합된 물을 사용하여 유체의 침투와 균열 형성을 육안으로 관찰하였다. 플라즈마 블라스팅을 실시하지 않고 단순히 수압에 의해 압력주입(50MPa)만 실시한 경우 컬럼 중심부의 종단면에서 백색 페인트가 28%의 면적비로 침투되었다. 플라즈마 블라스팅을 실시한 경우에는 31%(7kV, 1회 발파)에서 51%이상(14kV, 5회 발파)으로 침투가 이뤄졌다. 저인가 에너지 조건(7kV, 1회 발파)에서 대조군(단순 압력주입)과 침투 면적의 차이가 크지 않은 것은 사용된 토사가 모래질이므로 고유 투수계수가 크기 때문인 것으로 판단된다. 대체로 방전 전압 및 발파 횟수가 증가할수록 침투 면적이 확대되었다.
단순 수압 주입의 경우 주로 토사의 다짐면을 따라 수평 방향으로 페인트가 침투하였다. 플라즈마 블라스팅을 실시한 경우에도 다짐면을 따라 페인트가 침투하였으나 인가 에너지가 증가함에 따라 구형의 입체적 침투가 이뤄졌다.
플라즈마 블라스팅 시 발파 지점을 중심으로 수평방향과 수직방향의 균열이 형성되는 것을 확인하였다. 모래질 토사를 충전한 컬럼에서는 이러한 현상을 명확히 관찰할 수 없었으나 석회나 시멘트를 혼합하여 점성과 강도를 부여한 경우는 균열 형성이 확인되었다.
플라즈마 블라스팅의 방전 에너지 및 발파 횟수에 따른 투수성 향상 효과에 대한 시험도 수행하였다. 플라즈마 블라스팅을 실시하지 않은 대조군(1.36×10-4cm/sec)에 비해 플라즈마 블라스팅 후 최대 7.9배(1.08×10-3cm/sec) 까지 투수계수가 증가하는 것을 확인하였다. 플라즈마 블라스팅 시 단발파를 실시한 경우에는 인가 에너지에 따른 투수성 증가가 선형의 상관성을 갖는 것으로 나타났다. 그러나 동일한 방전 전압으로 다중 발파를 실시한 경우에는 다짐현상으로 인해 투수계수가 오히려 감소하였으며, 이 상태에서 재차 고 에너지를 인가하면 투수계수가 다시 증가하였다. 따라서 모래질 토사층에서는 단발파가 다중발파 보다 약액의 침투에 더 효과적일 수 있으며 균열을 형성하기 위해서는 다짐 에너지보다 더 큰 에너지가 필요한 것으로 판단된다.
인가 에너지와 투수성이 정의 상관관계를 갖기 위해서는 임계 에너지 이상의 에너지가 가해져야 한다. 본 연구에서 인가 에너지와 투수성의 상관성이 뚜렷이 확인되지 않은 것은 시험장비의 한계로 인해 충분한 에너지가 가해지지 않았기 때문인 것으로 추정된다.
연구 성과를 종합해 볼 때 충분한 에너지 조건 하에서 플라즈마 블라스팅을 실시한다면 특정 방향에 편중되지 않는 방사상의 고른 약액 침투가 가능하며 균열 형성을 통해 침투 범위를 더욱 확대시킬 수 있을 것으로 판단된다.