벤토나이트의 토목공사에의 응용

[jenny]

벤토나이트의 토목공사에의 응용

서언

벤토나이트는 "The Clay with Thousand Uses"라고 할 정도로 매우 다양한 이용도를 가진 점토물질이다. 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.





토목용 벤토나이트의 이용원리


벤토나이트를 토목 기초 공사에 이용하는 주목적 중의 하나는 굴착 및 시추시 벽면의 붕괴 방지를 위한 것이다.

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).


시추, 굴착, 그라우팅에 사용되는 이수 중의 점토광물로서는 입자가 미립이고, 요변성과 팽윤성이 높은 것이 바람직하다. 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).




토목공사에서의 벤토나이트의 이용범위



토목공사에서 벤토나이트는 시추, 굴착, 그라우팅, 차수, 지반안정화 등에 주로 사용되고 있다. 이는 벤토나이트의 현탁성, 팽윤성, 요변성 등의 물리적 성질을 이용하는 것으로 주로 현탁액의 형태로 사용하지만 분말이나 입상의 형태로도 사용한다. 토목기초공사에서 벤토나이트는 지하수의 차단이나 측벽 붕괴 방지의 목적으로 주로 사용된다. 여기서도 벤토나이트는 물에 분산된 현탁액으로 사용하며, 이를 안정액이라고 부르기도 한다. 기초공사를 위해 깊이 굴착할 경우 지하수가 새나오고 측벽이 무너지는 것을 방지하기 위하여 벤토나이트 현탁액을 채워 측벽을 안정하게 한다. 이러한 기초공사에 대한 공법은 공사의 규모, 목적, 장소 등에 따라 다양하며 더욱 효과적 공법이 속속 개발되고 있다.

공법의 용어도 사용자에 따라 다른 경우가 많다.
굴착과 함께 차수벽을 만드는 것으로는 이수 트랜치 공법과 지하연속차수벽 공법이 있으며, 차수벽 공법으로는 다이아프렘 차수벽(Cut-off Diaphragm Wall in Normal Soil), 플라스틱 차수벽(Plastic Grouted Cut-off Wall), 협단 차수벽(Narrow Plastic Grouted Cut-off Wall), 콘크리트 파일 차수벽(Concrete Pile Wall) 등이 있다. 여기서 다이아프렘 차수벽은 보통 토양으로 구성된 지반에서 그랩장비로 트랜치를 파고 그곳에 벤토나이트 현탁액을 채우고 벽면을 안정화시킨 다음에 현탁액을 빼내고 콘크리트로 대체하는 방법으로 기초공사를 위한 굴착과 벽면을 만드는 것이다.

굴착을 용이하게 하기 위해 철근콘크리트 가이드 패널을 이용하여 상부층 흙의 붕괴를 막는다. 이 때 현탁액의 점성과 비중은 적절히 잘 조정해야된다. 비중이 1.27이상으로 높으면 콘크리트 타설시 현탁액이 포함될 수 있으므로 수시로 조사한 후 현탁액을 교환해야 한다. 이물질이 많이 포함되어 비중이 증가될 경우에는 스크린이나 싸이크론을 통하여 모래입자를 걸러서 재사용할 수 있다.

플라스틱 차수벽은 영구적 혹은 임시적으로 쓰레기 매립지, 정유공장, 화학공장 등에서 가능한한 지하수의 오염을 방지하기 위해 사용하는 공법이다. 협단차수벽은 H빔을 이용한 공법이며, 콘크리트파일차수벽 공법은 콘크리트파일를 밀하게 박고 사이사이를 뺀 다음에 현탁액을 주입하는 방법이다. 이러한 공법의 구체적 방법은 다르지만 우선 부분적인 지하공간을 만들고 즉시 벤토나이트 현탁액을 주입시켜 측벽을 안정하게 하고 기초공사를 타설하는 방법은 공통적이다.

그 이외도 터널 굴착 및 지반안정에 사용하는 것으로는 실드터널링/하이드로젯(Shield Tunnelling / Hydrojet) 공법, 토양주입(Soil Injection), 샤프터 싱킹(Shaft Sinking), 소일시멘트(Soil Cement), 파이프 재킹(Pipe Jecking), 토양씰링(Soil Sealing), 케이블그라우트(Cable Grout) 등이 있다.




벤토나이트 안정액의 성질 및 관리


토목기초공사에 이용되는 벤토나이트는 현탁액의 상태로 이용되며 이를 안정액이라 한다. 이러한 안정액의 성질이 공사의 질을 좌우하게 된다. 따라서 이 양호한 안정액의 제조 및 관리가 매우 중요하다. 토목공사에서 안정액은 무엇보다도 측벽의 안정을 유지하고, 굴착하는 토사를 현탁액으로 수송하고, 지하수의 유입과 물의 유출을 방지하는 기능을 가지고 있다. 안정액으로서 요구되는 성질은 다음과 같다. 1) 굴착벽면에 점토막을 형성해야한다. 2) 화학적으로 안정성이 있어야 된다.

지하수, 굴착지반, 콘크리트와 쉽게 반응하게 되면 안정액으로의 성질이 나빠지기 때문이다. 3) 장기간 일정의 성질이 유지될 수 있는 물리적인 안정성을 가져야 된다. 일반적으로 안정액을 실린더에 넗고 10시간 이상 정치해도 분리액이 안정액 높이의 5%이상 되는 것이 좋다. 4) 적절한 비중이 유지되어야 된다. 왜냐하면 비중이 너무 적으면 측벽의 토압과 수압을 견디기 어렵고 또한 굴착된 토사가 침전하게되며, 비중이 너무 크면 펌프의 능력이 저하되고 콘크리트와의 치환이 용이하지 못하게 되는 등의 지장이 발생하게 되기 때문이다.


안정액에 들어가는 재료에 있어서는 말할 것도 없이 벤토나이트가 주재료가 된다. 벤토나이트는 전술한 바와 같이 점토광물인 몬모릴로나이트를 주성분으로 하며, 이들 광물입자들은 표면이 부전하를 띠고 있으며, 이는 굴착지반 중의 양전하와 결합하여 벽면에서 응집을 일으켜서 얇은 막을 형성하여 결국 차수와 지반붕괴 방지에 이바지 할 수 있다. 그러나 벤토나이트 현탁액은 콘크리트 중의 Ca++이온을 흡착하기도하고 혹은 수중에 염분이 포함되어 있는 경우에는 Na+이온을 흡착하여 응집반응을 일으켜서 안정액으로서의 성질이 저하된다. 벤토나이트의 품질은 산지, 생산회사, 입도 등에 따라 아주 다를 수 있기 때문에 제품의 선택에 신중을 기하여야 한다.


안정액에 CMC (Carboxy methyl celluose)를 첨가하는 경우가 많다. 이는 친수성을 가지는 일종의 유기 콜로이드로서 안정액의 탈수감소제, 점성증가제로서의 역할을 한다. 이 CMC는 폴리머의 일종으로 긴사슬형의 분자구조를 가지고 있으므로 점토입자 자체를 피막하는 기능이 있는 것과 함께 측벽의 미세 공극을 막는 기능이 우수하기 때문에 잘 사용한다. 이는 탈수량을 적게하면서 점토막을 얇게하는 성질이 있어 점토벽형성의 개량제로서 널리 사용하고 있다. 그리고 CMC는 보호콜로이드제, 현탁상태유지제, 전해질에 대한 안정제 등에도 우수한 기능을 가지고 있다.

안정액의 성질을 잘 유지 시켜주는 역할을 하는 조정제로서 분산제, 점도증가제, 비중증가제, 염수안정제 등이 포함된다. 안정액은 지층 중의 염분이나 해수, 그리고 시멘트 성분의 혼입에 의하여 현탁성이 저하되게되고 따라서 점토막의 형성이 어렵게 될 수 있어 공사의 부실이 초래된다.

분산제는 많은 종류가 있는데 복합인산류, 알카리류, 후민산계 등으로 분류되며, 복합인산류로는 헥사메타인산소다, 트리폴리인산소다 등이 있는데 보통 사용 농도는 0.1-0.5% 정도이다. 탄산소다 및 중탄산소다 등의 알카리류의 분산제가 있다. 이 분산제를 이용할 경우에 시멘트의 오염에 의해 Ca이온과 반응하여 탄산칼슘을 만들어 Ca이온을 불활성화시킨다. 그러나 Na이온을 불활성화하지는 않으며 해수와 혼합할 경우에는 벤토나이트 현탁액을 응집시키는 작용을 하게 된다.
시멘트오염에 대해서는 분산제의 첨가 농도가 적을 때는 아주 효과적이지만 너무 농도가 높으면 효과가 감소된다. 한계 농도는 벤토나이트의 종류에 의해 다르지만 보통 0.5-1.0% 정도가 적당하다. 후민산계로는 후민산소다, 텔러나이트B 등이 있는데 이들 분산제는 담수에는 잘 녹지만 염수일 경우는 녹지 않고 침전하는 경향이 있다. 이는 벤토나이트 입자의 표면에 흡착하여 전하를 높이며 유해이온과 치환하는 성질이 있다.

점도증가제는 안정액이 지하수의 영향으로 희석될 경우 점성이 저하될 경우에 사용되며, 굴착된 토사의 현탁부유성을 좋게하고 염분이나 시멘트 등에 대한 보호콜로이드적인 역할도 하게 된다. 이것에도 CMC를 주로 많이 사용한다.

비중증가제로는 중정석, 사철, 제련슬래그 등이 사용되지만 중정석이 가장 일반적이다. 중정석은 비중이 4.1-4.2으로 높으며, 중정석을 안정액에 혼합하면 점성과 겔강도가 증가된다. 일반적으로 안정액의 비중은 1.03-1.07인데 지하수압이 높을 경우 혹은 토압이 매우 클 경우에 압력의 불균형에 의해 벽면이 불안정하게 될 때 비중증가제를 첨가한다.
염수안정제는 해안 부근의 공사 등 염분에 의해 안정액이 오염될 경우에 사용된다. 염수안정액으로서는 염수 및 해수 중에도 팽윤할 수 있는 내염성 점토 즉 세피오라이트(sepiolite), 팔리고르스카이트(palygorskite), 크리소타일(chrysotile) 등이 사용된다. 이들 광물은 섬유상을 나타내는 것으로 특히 높은 점성을 나타낼 수 있고, 염분 농도에 의한 현탁성의 차이가 없기 때문에 해양 굴착 등의 특수 지역 시추 및 그라우팅의 현탁액에 사용하기도 한다. 최근에 벤토나이트를 대체하여 고분자의 유기폴리머를 사용하기도 한다. 이러한 폴리머를 사용할 경우는 저농도에서도 필요한 점성과 막형성이 가능하며 비중이 적어 굴착토사의 분리가 용이하고 용해시간이 길다는 등의 장점을 가지고 있다.


사용할 안정액은 공사현장의 지층의 성질과 시공조건 등에 맞추어 제조해야되며, 제조시 혼합할 수질의 검토와 함께 벤토나이트 및 분산제 등의 재료에 대한 검토가 필요하다. 일반적으로 수돗물인 경우는 별 문제가 없으나 지하수, 하천수 및 해수 등을 사용할 경우에 수질검사를 잘 해야된다. 특히 해안에 가까운 지하수에는 염분이 많이 함유되어 있으므로 주의를 요한다. 염분이 많을 경우는 벤토나이트 입자의 응집현상이 나타나게 되므로 사전에 시험을 행하여 수질을 바꾸든지 내염성의 재료를 사용하는 등의 조치가 필요하다.

공사의 진행에 따라 굴착된 토사, 시멘토 및 지하수의 혼입이 안정액의 성질을 변화시키게된다. 이러한 공사중에서도 계속해서 안정액의 시험 및 관리가 필요하다. 비중, 점성, 수량, 함유토사량, pH 등의 시험을 행하고, 그 결과에 따라 전술한 바와 같은 재료의 첨가 및 기타 조치를 행해야 된다. 이 중에서 가장 먼저 pH의 조정이 필요한데 이러한 조정에 의해 안정액의 성질이 상당히 개선되게 된다. 그 뒤에 다른 재료들의 조정이 이루어진다. 굴착과 함께 콘크리트의 타설이 이루어질 경우 타설된 콘크리트의 접촉면에 가까운 곳의 안정액은 비중, 점도, pH 등의 성질이 나빠진다. 따라서 그 접촉면에서 약 4∼5 m까지의 이수를 폐기하여 일반적인 안정액과 혼합되지 않도록 하는 것이 중요하다(堀井, 1982).




국내 토목용 벤토나이트의 특성



국내 벤토나이트에 대한 연구로는 몇몇 연구자들에 의한 지질학적 및 광물학적인 측면의 연구가 행하여졌다. 그러나 제품화된 벤토나이트의 특성에 대한 응용적인 측면의 연구는 별로 이루어지지 않았다. 국내에서 벤토나이트를 생산하는 수 개의 회사가 있으나, 일부의 벤토나이트는 미국 등지에서 수입하고 있다. 이들 국내외 제품들은 생산회사에 따라 그 품질도 다양하여 이들에 대한 비교검토가 필요하다.
건설업체에서 사용하고 있는 대표적인 몇몇 토목용 벤토나이트 제품을 대상으로하여 팽윤도, 함수량, 메칠렌불루흡착량, 양이온교환용량, 입도, 화학성분, 구성광물 성분 등의 물리화학적 특성을 조사한 결과(황진연 외, 1997)를 간단히 기술한다. 분석한 제품들에서 팽윤도는 약 5∼24 mL/2g, 함수량 5.4∼10.5 %, 메칠렌불루흡착량 40∼77 mmol/100g, 양이온교환용량 37∼119 meq/100g 으로 제품에 따라 상당한 차이를 나타내었다.


그리고 구성광물은 몬모릴로나이트 이외에 장석, 석영, 크리스토발라이트, 제올라이트, 운모 등이 포함되며 그 함량은 제품에 따라 다양하다. 몬모릴로나이트의 함량도 50∼79 %의 비교적 넓은 범위를 나타내었다. 이들 시료에서 몬모릴로나이트 함량의 증가에 따라 점도, 팽윤도, 함수량, 메칠렌불루 흡착량, 양이온 교환용량, 점토입도 함량 등이 대체적으로 증가하는 상관관계가 나타났다. 이들 특성간에서도 서로의 상관관계가 잘 나타나므로 간접적인 특성의 파악이 가능한 것으로 나타났다. 그러나 원광석의 성질과 제조방법 즉 광산 및 생산회사에 따라 품질에 상당한 차이를 보이기 때문에 벤토나이트 제품의 선정에 많은 검토가 필요하다.


분석한 것 중에서 몬모릴로나이트의 함량이 가장 적은 제품은 토목용 벤토나이트의 역할에 요구되는 여러 물리화학적 특성이 모두 매우 열세한 것으로 나타났다. 이러한 벤토나이트 제품의 사용은 건설공사의 부실문제와도 관계될 수 있다. 따라서 토목용 벤토나이트의 품질의 개선 및 효과적 관리를 위해서는 객관적으로 특성을 분석하고 평가할 수 있는 기준의 마련이 필요할 것으로 생각된다.



전망과 과제


벤토나이트는 토목공사에 필수적인 재료이지만, 아직 국내의 건설업계에서는 벤토나이트의 품질평가, 관리, 사후처리 등에 대한 체계 및 연구가 미흡한 상황이다. 구조물의 붕괴, 지반 침하, 누수 등 부실공사에 의한 피해가 일어나는 것도 기초공사에서 불량 재료의 사용과 오용에서 기인되는 것이므로 벤토나이트에 대해서 더 많은 관심과 연구가 필요하다. 특히 벤토나이트의 이용은 극미립의 광물결정의 역할에 의한 것이므로 보다 미시적으로 검토가 요구된다.

굴착, 시추, 그라우팅에 사용되는 토목용 벤토나이트는 흙이나 암석의 지반에 직접 사용하는 것이므로 지반의 성질에 따라서도 그 결과는 다를 수 있다. 따라서 보다 효율적인 이용을 위해서는 벤토나이트 혹은 안정액의 자체성질과 함께 지반의 세세한 성질에 대한 검토도 필요하다. 벤토나이트의 이용에 관련되는 광물학, 지질학, 토목공학 등의 세부분야간의 상호 이해와 협력이 이러한 문제해결에 도움이 될 것이다. 이러한 환경이 조성되면 새로운 재료 및 이용법의 개발과 함께 품질의 표준화와 불량재료의 퇴치가 가능해 질 것으로 예상된다.

그리고 벤토나이트의 사용 후 처리문제에 대해서도 보다 효과적인 폐기방법과 재사용법도 개발되어야 될 것이다. 벤토나이트에 의한 토목공사의 완료 후에도 차수와 같은 효과의 지속성과 구조변형 등에 대한 검토도 필요하다. 즉 시간에 따라 지하의 물리화학적 변화가 수반되므로 그에 따른 벤토나이트와 지반 광물질들의 변질에 의한 투수도의 변화 등이 일어나게 되기 때문이다.

따라서 시공 후의 변화에 대한 검토도 미래지향적 정밀한 구조물의 건설을 위해서는 필요한 사항이다. 인구의 증가와 도시화에 따라 갈수록 토목공사가 많아지고 이에 따라 벤토나이트의 소비량도 급격히 증가될 것으로 생각된다. 이에 걸맞는 벤토나이트의 제품생산, 관리, 사용, 사후처리 등의 이용과정에 있어서 새로운 기술개발이 많이 나오게 되기를 기대한다.

출 처 : [인터넷] http://imb.kangwon.ac.kr/n-11.htm

[돌발사태]

공부좀 해야 하는데 좋은 정보 감사드립니다