[벤토나이트] 괴상(塊狀), 토상(土狀)을 이룬다. 굳기 1~1.5, 비중 2~2.5, 굴절률 1.48~1.6이다. 수분을 흡수하여 원래 부피의 7~10배로 팽윤하는 성질이 있으며, 이온 교환성이 높다. 함수량 150 %에서 점착력(粘着力)이 생기고 약 500 %의 함수량에서 점착력을 잃으며, 내부 마찰저항이 작은 점 등 특수한 성질을 가진 점토이다. 백색, 회색, 담홍색인 것이 많고, 때로 청색, 녹색을 띠며 광택이 없다. 알루미늄이 풍부한 광물이나 암석의 변질로 인하여 생기며 점토가 함유된다. 프랑스의 몽모리용 지방에서 발견되었지만 세계에 널리 분포되어 있다. 국내에는 경북 경주, 포항 울산 일대에 집중 분포되어 있다 약 47개광산. 벤토나이트와 산성백토(酸性白土)는 용도가 많으며, 특히 석유정제에 사용된다. 사용처는 토목공사의 차수용 충진제나 자동차 엔진제조시 주물용으로 주로 사용된다. 중국산이 7만원대이고 미국산이 20만원대이다. 작년수입물량 8만톤중 중국산이 5만톤 수준이다. 기타 인도, 미국 이 주수입처이고 각각 1.5 만톤 수준이다. 여러 용도 중에서도 시추용 이수(泥水)와 토목기초공사에 세계적으로 가장 많이 사용되고 있다(鈴木, 志志目, 1991). 이와 같이 시추와 토목공사에 필수적으로 이용되는 벤토나이트는 점토광물의 일종인 몬모릴로나이트(montmorillonite)를 주성분으로 하는 점토이다. 따라서 이러한 벤토나이트의 이용 원리는 주성분광물인 몬모릴로나이트의 광물학적 특성에 기초하는 것이다. 이 몬모릴로나이트는 나노 단위의 콜로이드에서부터 수 미크론에 이르는 미립의 크기를 가지는 층상규산염광물로서 이온교환성, 현탁성, 흡착성, 팽윤성 등의 많은 물리화학적 특성을 가지고 있다. 따라서 벤토나이트의 효율적 이용 및 새로운 용도개발을 위해서는 광물학적 측면에서의 검토 및 연구가 필수적이다. 그러나 아직 국내에서는 벤토나이트의 응용적 측면에 대한 연구가 매우 미흡한 실정이다. 얼마 전에 보도된 바와 같이 인천 신공항 건설 현장에서 벤토나이트의 차수벽 시공이 잘 못되어 많은 누수가 발생되어 큰 물의를 일으킨 바 있다. 이는 벤토나이트가 용액의 성질에 따라 다르게 나타나는 분산 및 응집현상을 파악하지 못한데 기인된다. 벤토나이트의 기본적 특성에 대한 이해가 있었다면 이러한 문제는 발생하지 않았을 것이다. 따라서 관련 업계 전반에서 사용량이 막대한 벤토나이트에 대한 정확한 이해가 필요할 것으로 생각된다. 이러한 이해를 돕기 위해 여기서는 토목공사에 사용하는 벤토나이트의 이용범위, 이용원리, 문제점 등에 대하여 간단히 기술한다. 벤토나이트가 물에 분산된 현탁액은 높은 점도를 나타내며, 물이나 기름과는 다르게 유동 속도가 변하면 점도도 같이 변하여 낮은 유동속도에서는 높은 점도를, 높은 유동속도에서는 낮은 점도를 나타내는 성질이 있다. 이러한 현상을 요변성(搖變性, thixotropy)라고 한다. 이 현상은 유동이 없는 안정된 상태에서는 겔(gel)상태가 되고, 급격한 이동이 일어날 때는 액상의 졸(sol) 상태로 변하게 되는 것인데, 몬모릴로나이트의 현탁액은 이 현상의 상태 변화가 특히 예민하다. 이러한 성질 때문에 시추 및 굴착시에 벤토나이트의 현탁액을 주입한다. 시추굴착시 굴착공의 선단인 비트 부분에서는 유동 속도가 빠르기 때문에 벤토나이트의 현탁액은 점도가 낮아져서 굴착속도가 높아지게 된다. 반면에 굴착공의 벽면에서는 유동 속도가 낮은 상태가 되기 때문에 현탁액의 점도가 높아지게 되어 굴착된 암편 부스러기들을 지상까지 운반하는 것이 가능하게 된다. 그리고 몬모릴로나이트는 극히 얇은 박편상의 결정형태를 가지므로 벤토나이트의 현탁액을 여과하려고 할 때, 이러한 박편상의 몬모릴로나이트의 입자가 평행하게 중첩되어 배열되므로 물이 잘 빠지지 않은 투수성이 극히 낮은 막을 형성하는 성질이 있다. 굴착 시에 굴착 벽면에 벤토나이트의 현탁액이 일정의 압력으로 작용하여 불투수성의 막(泥壁)을 형성하기 때문에 그 벽면의 붕괴를 방지하는 역할을 하게된다. 그리고 이러한 점토의 벽이 형성될 때까지의 사이에 그 현탁액의 작은 입자들이 지층 중에 침투하여 공극들을 충진하고 토양과 같은 느슨한 입자들을 점결하는 효과도 있으므로 굴착 벽면의 붕괴 방지에 크게 기여하게 된다(須藤, 1987). 또한 이수용 벤토나이트는 굴착기 선단 비트 회전의 윤할작용과 냉각작용도 하게된다. 일반적으로 벤토나이트가 약 5%인 현탁액이면 니수로서 적절한 점성을 보이는 것으로 알려져 있다(Grim and Guven, 1978). 토목공사 중 그라우팅(grouting, 藥液注入工法)에도 벤토나이트를 이용하고 있다. 이 그라우팅은 지반의 구성 입자간의 공극 혹은 암반의 열극에 유동성이 있는 약액 및 현탁액을 압력으로 침투시켜, 그 약액을 겔화 혹은 경화시켜 지반 및 암반을 강화시키고 물의 침투를 막는 약액 주입공법을 말한다. 이것도 전술한 벤토나이트의 성질을 이용한 것이다. 그라우팅에는 벤토나이트 이외에도 시멘트, 물유리, 염화칼슘, 고분자 유기물질 등 여러 재료를 사용하기도 한다(島田 등, 1989). 이에 가장 적합한 것으로 일반적으로 Na-몬모릴로나이트를 주로 사용되고 있다. Ca-몬모릴로나이트는 물을 흡수하여 단위 층간격이 20Å 정도까지만 팽윤하지만 반면에 Na-몬모릴로나이트는 150Å 이상까지 크게 팽윤이 가능하다(Fukushima, 1984). 따라서 Na이온으로 치환된 Na-몬모릴로나이트를 토목용 벤토나이트로 사용한다. 이러한 높은 팽윤성 때문에 지반의 미세한 틈을 꽉 메우게 되어 불투수층이 형성된다(石井 卓 外, 1997).
|