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방수 이야기 스크랩 방수재료
원장신기성 추천 0 조회 73 14.12.19 15:25 댓글 0
게시글 본문내용

제 3 장 방수재료


3.1.1 개 요

아스팔트는 암갈색 혹은 검정의 결합성이 있는 고형 또는 반고형의 물질로써, 그 주성분은 천연 혹은 원유의 증류에 의하여 얻은 역청(Bitumen)이다. 천연아스팔트는 16세기 이후에 발견되어 한동안 이용되어 왔으나 19세기말에 원유를 증류한 찌꺼기로부터 천연아스팔트와 유사한 성질의 것을 얻을 수 있음을 알게 되어 이 제품을 석유아스팔트라 불렀으며 제조법이 급속히 진보하여 현재의 아스팔트 사용량의 대부분을 차지하고 있다.

천연아스팔트는 토사류(土砂類)를 포함하기 쉬우나 석유 아스팔트는 대부분 역청으로만 되어 있다. 아스팔트의 화학적 조성은 탄화수소로써 주로 지방족 탄화수소, 나프텐족 탄화수소, 방향족 탄화수소의 세가지 혼합으로 이루어진다.

석유 아스팔트는 용제(溶劑)에 의한 용해도의 분류에 따르면 Carboids 및 Carbenes는 극히 적고, 주로 Asphaltenes와 Maltenes로 이루어진다. 이러한 비율은 아스팔트의 성상을 판단하는 중요한 자료가 된다. 일반적으로 Maltenes가 많을수록 연화점(軟化点)이 낮고, 부드러우며 신축성 및 접착력이 커지지만 안정도와 강도는 약하게 된다.

건설분야에 있어서 아스팔트의 용도는 방수용과 포장용으로 대별된다. 방수용 아스팔트는 루핑용 원료와 용융 아스팔트재(루핑 접착재)로 사용되며 방수공법의 주류를 이룬다. 과거에는 아스팔트와 돌가루, 모래 및 쇄석을 혼합한 고온의 마스틱재가 방수나 마루용으로 사용되어 왔고, 우리나라에서도 근대화 초기에 아스팔트 유제(乳劑)에 의한 마스틱 시공의 사례가 있으나 지금은 거의 사용되지 않고 있다.

포장용 아스팔트는 돌가루, 모래, 쇄석 등을 혼합해 아스팔트 콘크리트 등으로 사용된다. 아스팔트 포장은 빠른 시공, 적당한 탄력성, 용이한 보수 등의 이점이 있으며 종류로는 아스팔트 콘크리트포장, 반강성 포장(半剛性鋪裝), 투수성 포장(透水性鋪裝), 아스팔트 유제포장(乳劑鋪裝), 아스팔트 유제에 의한 간이포장(簡易鋪裝)등이 있다. 이 외에도 콘크리트 포장에 아스팔트계 줄눈재가 많이 사용된다.

최근에는 아스팔트 공사의 무공해성, 간편성을 위하여 냄새를 제거한 크린타입의 아스팔트 및 상온에서 액상형으로 할 수 있는 개량 아스팔트가 방수공사에 사용되고 있다.

3.1.2 석유 아스팔트

가. 석유 아스팔트의 제법

원유의 종류에 따라 아스팔트의 성질, 특히 감온성(感溫性)이나 화학적 성질이 다르다.

A. 스트레이트 아스팔트

원유를 상압·감압 증류장치(常壓·減壓蒸溜裝置)등을 거쳐, 연질분(軟質分)을 분류(分流)하여 남은 역청물질이다. 수증기를 불어넣어 남아 있는 연질유(軟質油)를 제거한다. 침입도(針入度) 40이하의 스트레이트 아스팔트는 주로 공업용으로, 침입도 40을 넘은 것은 주로 도로 포장용 및 수리 구조물용(水利構造物用)으로 사용한다.

B. 블로운 아스팔트

스트레이트 아스팔트를 가열하여, 공기를 불어넣어 산화 중합(酸化重合)한 것으로 방수용 및 전기 절연용 등으로 사용한다.

C. 방수공사용 아스팔트

방수층으로써 갖추어야 할 필요한 성능으로 개선한 아스팔트로 아스팔트 컴파운드라고도 부른다. 주로 철근콘크리트 구조물, 철골 구조물 및 그 외 이것에 준하는 구조물의 방수공사에 사용한다.(방수공사용 아스팔트의 품질)

D. 개량 아스팔트

석유 아스팔트에 고무나 합성수지를 배합하여 아스팔트의 감온성이나 점탄성적 성질을 개량한 것으로서 고무를 배합한 고무화 아스팔트는 아스팔트 포장이나 도로의 줄눈재로 많이 이용되고 있고, 폴리머를 배합한 개량 아스팔트는 건축용 방수재로 사용되고 있다.

나. 석유 아스팔트의 비교

블로운 아스팔트는 스트레이트 아스팔트에 비하여 수소가 적어, 중합·축합하여 고분자화가 진행된 것이다.

블로운 아스팔트는 스트레트 아스팔트에 비해 침입도(針入度), 신도(伸度)가 적고, 탄력성이 풍부하며, 감온성(感溫性)은 적어 온도변화에 둔감해 진다. 일반적으로 점도가 높고, 투수성(透水性), 피복성이 부족하며, 휨 성질이 취약하기 때문에 얇은 피막으로 사용하는 포장재료는 부적당하다.

그러나 감온성이 적고, 고점도와 함께 고탄력성을 갖고 있으므로 어느정도의 두께를 유지하는 용도, 예를 들어 콘크리트포장의 줄눈재, 강관의 코팅 등에 적절하여 널리 사용되고 있다.

블로운 아스팔트는 단체(單體:單一成分)로써 사용하기보다는 각종 배합재를 첨가하여 아스팔트 컴파운드(Asphalt Compound)로 사용되는 경우가 많다.

다. 석유 아스팔트의 특성

A. 내후성

아스팔트는 햇빛에 직접 노출되면 자외선에 의하여 서서히 산화(酸化), 중합(重合)등의 화학변화를 일으켜서 광택을 잃고, 침입도가 감소하고 접착성 줄어든다. 또한 취성(脆性)을 나타내게 되고 주름, 균열, 박리 등의 손상을 초래하게 된다. 다만 이러한 변화는 매우 표면적이다.

스트레이트 아스팔트와 블로운 아스팔트를 비교하면 전자 쪽이 변화가 현저하지만 블로운 아스팔트 중에서는 침입도가 큰 만큼 내후성이 좋다는 결과도 있다.

B. 내약품성(耐藥品性)

내알카리성은 블로운, 스트레이트 모두 양호하고 일반적으로 건축물에서 문제가 되는 Ca(OH)2용액에는 회백색 또는 갈색으로 변색되지만 잘 견딘다. 단 KOH, NaOH 등의 강알칼리 수용액에는 약하다.

내산성은 산의 종류에 따라서 큰 차이가 난다. 초산(醋酸), 초산(硝酸), 농류산(濃硫酸)등에는 견딜 수 없지만 염산(鹽酸), 유산(乳酸), 인산(燐酸)등에는 잘 견딘다.

라. 석유 아스팔트의 용도

아스팔트는 열가소성으로 사용시 가열 용융한 액상으로 하는 경우가 많으며, 또한 용제로 녹이거나 수중에 유화·분산시킨 아스팔트가 상온에서 사용된다. 아스팔트는 포장용으로 많은 양이 마스틱의 바인더로 사용된다.

3.1.3 아스팔트 제품

3.1.3.1 아스팔트 펠트

헝겊 조각이나 오래 된 종이 등을 재생하여 만든 유기 천연 섬유를 주원료로 한 원지(原紙)에 스트레이트 아스팔트를 함침시킨 것을 아스팔트펠트라 한다. KS규격에는 30㎏품과 40㎏품의 두 종류가 있다.

아스팔트 루핑에 비하여 흡수성이 상당히 커서 부식되기 쉽다. 또 내후성(耐朽性)이나 내균열성(耐龜裂性)도 낮다.

일반적인 제품의 포장상태는 폭 1m×길이 42m를 한 두름으로 한 롤 상태이다.

○ 아스팔트 펠트의 품질(KS F 4901)

○ KS F 4902 아스팔트 펠트

3.1.3.2 아스팔트 루핑

아스팔트 펠트 보다 두꺼운 원지에 함침·피복(含浸·被覆)하고 끈적거리지 않도록 광물질 분말 등을 붙인 것을 아스팔트 루핑이라 한다. KS규격에는 35kg품과 45kg품의 두 종류가 있다.

아스팔트 펠트 보다 흡습, 흡수성은 적지만 내부식성은 그다지 크지 않고, 내균열성도 적다.

일반적인 아스팔트 루핑 제품의 포장상태는 폭 1m × 길이 21m를 한 두름으로 한 롤 상태이다.

○ 아스팔트 루핑의 품질 (KS F 4902)

○ KS F 4902 아스팔트 루핑

3.1.3.3 스트레치 아스팔트 루핑

비닐론이나 폴리에스테르 등의 유기 합성섬유를 주원료로 한 부직포 원지에 방수공사용 아스팔트(KS F 4052)3종 또는 4종 적합의 아스팔트를 침투·피복하고 양면에 광물질 분말을 부착시킨 것으로 방수층을 구성하는 주요 재료의 하나이다.

다른 루핑류에 비해 기계적 성질이나 물리·화학적 성질이 뛰어나 방수층의 중핵재(中核材)로 사용되는 것 이외에 모퉁이 및 귀퉁이, 바탕재 균열이 발생하기 쉬운 개소, 슬래브의 이음매 부분 등에 보강 붙이기재로 많이 사용된다. KS규격에는 스트레치 루핑 1000, 800의 2종류가 있다. 또 그밖에 스트레치 루핑의 한쪽 면에 광물질 입자를 밀착시킨 것이 있는데 노출방수에 있어서 방수층을 겹친 마감층으로써 사용되는 모래붙임 스트레치루핑 800이 있다.

○ KS F 4904스트레치 아스팔트 루핑

3.1.3.4 구멍뚫린 아스팔트 루핑

유리섬유나 석면 등의 무기질섬유를 주원료로 한 부직포 원단에 아스팔트를 함침·피복한 루핑의 전면에 걸쳐서 규정의 크기와 간격으로 구멍을 뚫은 것으로 바탕의 움직임에 의한 방수층의 파단방지(破斷防止)와 방수층이 들뜨는 원인인 바탕재로부터의 수증기압을 넓게 확산시키기 위해 사용된다.

KS규격에는 모래붙임 구멍 뚫린 루핑 2500과 구멍뚫린 루핑 1100의 2종류가 있다. 모래붙임 구멍뚫린 루핑은 한쪽 면에 굵은 광물질 입자를 밀착시키고 다른 한면은 광물질 분말을 부착한 것으로 노출공법, 보호마감공법에 범용적으로 이용된다.

구멍뚫린 루핑은 양면에 광물질 분말을 부착시킨 것으로 보호마감공법에 이용되는 경우가 있지만 보호마감층을 설치하기까지의 사이에 방수층에 부풀어오르거나 주름 등이 생기지 않게 하기 위해서는 모래붙임 구멍뚫린 루핑을 이용하는 것이 바람직하다.

○구멍뚫린 아스팔트 루핑의 품질(KS F 4905)

3.1.3.5 모래붙인 아스팔트 루핑

아스팔트 루핑과 동종의 원지(原紙)로 만들어진 루핑의 한쪽 면에 지름 1∼3㎜의 광물질 입자을 피복하고, 이어 겹붙이기 편리하도록 귀 부분의 폭 100㎜만 광물질을 부착시키지 않은 루핑이다. 주로 비보행 지붕의 노출방수에 최상층 마감재로 사용한다. KS규격에는 40㎏(品)의 1종류가 있다. 일반적인 포장상태는 폭 1m×길이 10.5m를 한 두름으로 한 롤 상태이다.

○KS F 4906 모래붙인 아스팔트 루핑

3.1.3.6 직조망 아스팔트 루핑

면, 마 또는 합성수지로 만들어진 메쉬 형태의 직물에 아스팔트를 부착, 침투시킨 것이다. 바탕재 전체면에 까는 일은 거의 없고, 유연하고 잘 융화되는 성질을 이용하여 파이프 주위나 방수층 끝부분 등의 국부적인 보강 붙이기에 주로 사용된다. KS 규격에는 면, 마, 합성섬유의 3종류가 있고, 내부식성을 위해 합성섬유로 만들어진 것을 사용하는 경우가 많다. 일반적인 제품의 포장상태는 폭 1m×길이 16.5m 혹은 33m를 한 두름으로 한 롤 상태이다.

○KS F 4913 직조망 아스팔트 루핑

3.1.3.7 기타 루핑류

내부식성을 높인 석면이나 유리섬유를 원단으로 한 루핑이나 내균열성을 강화한 합성섬유의 원지(原紙)를 이용한 루핑, 금속망을 심재로 한 루핑 등이 있다.

3.1.3.8 기타 관련재료

가. 아스팔트

아스팔트 프라이머(Asphalt Primer)는 솔, 로울러 등으로 용이하게 도포 할 수 있도록 아스팔트를 휘발성 용제에 용해한 비교적 저점도의 액체로써 방수시공의 첫 번째 공정에 쓰는 바탕 처리재이다.

이것을 방수 바탕에 도포하면 표면에 침투하여 강한 부착력을 가지는 아스팔트 피막을 형성하여 바탕과 방수층의 접착성을 향상시킨다.

아스팔트 프라이머는 침도 10∼20 정도의 블로운 아스팔트(Blown Asphalt)가 많이 사용되고, 용제는 상온에서 8시간 이내에 건조하는 비속건성 형태인 솔벤트 나프타 등이 사용된다.

나. 단열재

단열재는 방수층과 조합하여 소위 외단열 방수를 형성하는 것으로, 거주성의 향상, 에너지 절약, 구체의 보호 등을 목적으로 사용한다. 단열재는 시공위치에 따라 요구성능도 다르기 때문에 패널형, 뿜칠 발포형 등의 단열재 선택에 있어서도 주의를 요한다.

다. 기타재료

기타 방수용 재료로써 프리캐스트 콘크리트 패널 및 ALC 패널 등의 접합부에 있어서 거동이 크기 때문에 방수층의 파손을 막기 위해서 사용하는 보강용 테이프, 방수의 적절한 강성과 내구성을 갖고 말단부를 확실히 고정시키는 누름고정철물, 방수층의 내후성을 강화하여 품질을 저하시키지 않도록 하는 마감도료 등이 있다.

 

3.2 개량 아스팔트 시트 방수재료

3.2.1 개요

얼마 전까지 지붕방수의 주류를 이루었던 아스팔트방수 열공법을 대신하여 합성수지(APP:Atactic Polypropylene)나 합성고무(SBS:Styrene Butadiene Styrene)등의 폴리머로 개량한 아스팔트를 주원료로 한 합성섬유 부직포 보강 방수시트를 개발하여 프로판 가스의 토오치로 시트 뒷면을 가열하여 바탕에 접착 시공하는 방수공법으로 최근 건축공사의 지붕방수에 사용되어 빠르게 보급되고 있다.

1990년대 초에 미국, 유럽, 일본제품이 수입되어 우리나라에서도 토오치공법이 선보이기 시작하였고, 1994년 건축공사 표준시방서에 시공방법으로 채택되었다.

3.2.2 재료의 특성

아스팔트에 합성고무나 합성수지를 첨가하여 성질을 개량한 아스팔트를 단독 또는 폴리에스터나 폴리프로필렌 등의 유기합성 섬유를 주원료로 한 원지나 플라스틱필름 등과 조합시켜 시트상으로 한 것이다. 표면에 광물질 분말이나 광물질 입자, 플라스틱 필름, 박리제(剝離紙)등을 부착시킨다.

주로 토오치 공법 및 상온공법에서 사용하는 재료이지만, 열공법에 있어서도 치켜올림부 등의 마무리를 위하여 사용되거나, 방수층의 중핵재(中核材)로 사용되는 일도 있다.

단, 사용하는데 있어서 상대하는 루핑류와의 접합 적합성을 확인해 둘 필요가 있다.

□개량아스팔트 시트의 특성

① 내후성이 우수하다.

② 상온접착공법, 토치공법, 도막과의 복합공법 및 열용융 아스팔트 복합공법 등 다양한 시공법을 취할 수 있다.

③ 시트 상호간의 접합 및 접착성이 양호하게 일체화시킬 수 있다.

○ 용도 및 신장률의 구분에 의한 품질(KS F 4917)

○ 온도특성 구분에 의한 품질(KS F 4917)

○ KS F 4917개량 아스팔트 방수 시트

3.2.3 폴리머 개량 아스팔트

석유 아스팔트에 고무(SBR)나 합성수지(APP)를 배합하여 아스팔트의 감온성이나 점탄성적 성질을 개량한 재료로 건축 분야의 방수용으로 만들어지게 되었다.

개량을 위해 이용되는 폴리머의 종류는 다음과 같습니다.

□고무계

열가소성 고무(SBS, SIS), 스틸렌부타디엔 고무(SBR), 부타디엔 고무(BR), 부틸 고무(IIR)

□합성수지계

폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 에틸렌초산비닐(EVA), 에틸렌 에틸 아크리에이트(EEA)

 

3.3 합성고분자 시트 방수재료

3.3.1 개요

건축물을 구성하는 콘크리트 슬래브에서의 균열발생은 피할 수 없는 상황으로 받아들여지고 있다. 또한 판재 바탕재에서의 조인트부에서는 신축거동의 반복이 나타난다.

이에 대해 합성고무, 합성수지를 원료로 한 시트방수는 신장능력이 크기 때문에, 바탕재에 대한 추종성, 순응성이 양호한 것으로 평가되고 있다.

합성고분자 시트방수재는 공장에서 시트형태로 생산되고, 재료의 품질, 치수(두께, 폭, 길이)가 적절히 관리되어지고 있는 방수재이다. 더우기 내후성(내일광, 내오존성 등), 내수성, 내열성이 충분한 내구성을 가지고, 온도변화의 영향이 적은 재료이며, 색상이 다양하여 지붕노출 방수층에 적합한 방수재료이다.

가. 재료의 일반적 특성

① 재료의 물성이 균질하다.

② 바탕재의 균열에 대해서 추종성이 있다.

③ 내구성이 우수하여 노출공법으로 적당하다.

④ 온도에 따른 물성변화가 적고, 고온에 연화(軟化)되거나, 저온시 경화(硬化)되는 일이 적다.

나. 재료의 분류

합성고분자 시트방수재는 크게 합성고무계와 합성수지계로 분류되고 합성고무계는 가황고무계, 비가황고무계, 합성고무계는 염화비닐수지계(PVC계), 에틸렌 아세트산 수지계(EVA계)로 분류된다.

3.3.2 합성고무계 시트 방수재료

최초에는 폴리이소부틸렌 고무를 주원료로 한 비가황계(非加黃系)의 방수시트가 도입되었다. 1962년 전후하여 가황고무계 방수시트가 시판되어 실제의 방수에 쓰게 되었으며 처음에는 부틸 고무(IIR)가 사용되었다.

부틸 고무는 이소부틸렌 고무과 이소프렌의 공중합체(共重合體)로 1937년 개발되어 1943년에 엣소스텐다드 회사가 공업 생산을 개시한 합성고무이다.

이소부틸렌이나 이소프렌은 모두 가솔린을 제조하는 접촉분해 장치에 의한 분해에서 얻을 수 있는 것에서 추출(抽出)분해된 것이며, 부틸고무는 다량의 이소부틸렌을 포함하기 때문에 긴 사슬모양의 구조를 지니며 불활성(不活性)이다.

규칙적인 구조를 가지고 있기 때문에 잡아늘이면 결정화(結晶化)되며 이 부분이 경화하는 경향을 나타낸다. 시트 모양의 부틸고무는 이러한 경계에서 끊어져 버리는 결점이 있다.

이러한 성질을 개량할 목적으로 에틸렌 프로필렌 고무(EPT, 또는 EPDM)와 부틸 고무의 공가황(共加黃)으로 내오존성, 내열노화성(耐熱老化性)을 크게 개선시켰다.

합성 고무계 시트에는 가황 고무계 시트와 비가황 고무계 시트가 있다.

3.3.2.1 가황고무계 시트

가황 고무시트는 천연고무나 합성고무 가운데 방수 시트로서 적합한 성질의 에틸렌 프로필렌 고무(EPT)와 부틸 고무(IIR)를 원료로 충격 등 외상에 견딜 수 있도록 기계적 강도를 높일 목적으로 보강재를 넣어 가황을 한 것이다. 또한 최근에는 가황고무의 밑에 절연재를 부착시킨 시트 도 개발되고 있다.

EPT와 IIR고무의 혼합비율은 제조회사마다 차이가 있다.

□가황고무계 시트의 특성

① 인장강도, 신장율 크다.

② 내후성이 우수하다.

③ 온도에 따른 성질의 변화가 적고, 대부분의 기상조건에서 적합하게 쓰인다.

④ 바탕의 균열발생에 추종성이 있다.

가황고무계 시트는 산업규격 KS F 4911 합성 고분자 루핑 시트에 규정되어 있다.

3.3.2.2 비가황고무계 시트

원료고무는 부틸 고무(IIR) 및 에틸렌 프로필렌 고무(EPT 또는 EPTDM)이다. 가황겔 성분이나 점착겔 성분의 혼재에 의해 적정도의 탄성과 소성(塑性)을 가진 부틸고무를 기재(棋才)로 하여, 이것에 내구성과 내후성(耐朽性)을 향상시키기 위해 에틸렌 프로필렌 고무를 넣고, 여기에 충전재, 노화방지재 등을 배합·반죽하여 시트모양으로 만든 것으로 유황성분은 넣지 않았다.

□비가황고무계 시트의 특성

① 내후성이 우수하다.

② 시간이 지남에 따라 시트가 수축으로 인한 접합부의 어긋남이 생기지 않음.

③ 시트 상호의 접합 및 접합성이 양호하여 일체화된다.

④ 유연하기 때문에 바탕 형상에 잘 대응한다.

비가황고무계 시트는 KS F 4911 합성고분자 루핑 시트에 규정되어 있다.

3.3.3. 합성수지계 시트 방수재료

3.3.3.1 염화비닐계 시트

염화비닐계 시트는 주원료인 염화 비닐수지 외에 가소제, 안정제, 충전제, 착색제 등으로 구성된다. 기타 보강재, 자외선 흡수제, 대전(帶電)방지제 등이 사용목적에 따라 첨가된다. 이들의 함유율 등은 독자적인 기수로 제조회사가 거의 공개하고 있지 않기 때문에 실험이나 실적을 조사하여야 한다.

염화비닐계 시트는 주원료인 염화 비닐수지로 한 균질한 단층시트와 직포 또는 부직포 등을 적층시킨 시트로 나눌 수 있다.

□ 염화비닐수지 시트의 단면구조

① 내후성, 내약품성이 우수하다.

② 열융착 또는 용제용착에 의해 시트 접합부를 일체화한다.

③ 시트를 자유롭게 착색할 수 있다.

④ 노출방수로 경보행 할 수 있다.

염화비닐계 시트는 KS F 4911 합성 고분자 루핑 시트에 규정되어 있다.

3.3.3.2 에틸렌 아세트산 수지계 시트

에틸렌 아세트산 비닐의 공중합 수지시트로 EVA계 시트라 부른다. 원칙적으로는 염화비닐수지계 시트와 같은 시공법이 가능하다.

그러나 사용되고 있는 시공법은 표면에 식모하거나 표면에 털을 입힌 듯한 시트를 이용하여, 시멘트 페이스트로 바탕에 접착시켜, 시트사이를 접합하는 공법에 이용되는 재료이다.

□ 에틸렌 아세트산 수지계 시트의 특성

① 인장강도, 신장율이 크다.

② 내후성, 내약품성이 우수하다.

③ 접착제, 열융착 등에 의해 시트 상호간 접합 및 접착이 가능하다.

④ 바탕의 균열에 대해 추종성이 있다.

 

3.4 도막 방수재료

3.4.1 개요

도막방수재는 합성고무, 합성수지의 용액 또는 에멀젼을 콘크리트 바탕에 도포하여 2∼4㎜의 두께로 방수층으로 형성하는 멤브레인 방수재료이다.

도막방수재는 아스팔트 방수재의 결점(냄새, 열공법, 공정의 복잡화) 및 합성고분자 시트 방수재의 결점(겹침부분 및 연결부분의 수밀성 확보문제)을 개선하고, 유지관리의 간편성을 큰 장점으로 한다. 또한 도막 방수재는 방수층 종별에 따라 보강재료를 삽입하여 건조 강화시켜 방수층을 형성시키는 재료를 말한다.

도막방수재는 방수재의 품질기준에 적합해야 한다.

3.4.2 고무 아스팔트계 도막 방수재

고무 아스팔트계 도막 방수재는 천연 및 합성고무(네오프렌 고무 또는 스틸렌 부타디엔 고무)와 아스팔트로 만들어진 고농도의 고무화 아스팔트로 일반 아스팔트보다 감온성 및 탄력성이 우수하며 고형분(固形分)이 60% 전후의 일반형과 80∼85% 전후의 고농도형의 두 종류가 있다.

도막재료를 바탕재에 발라 건조경화에 의해 막을 형성하는 공법과 에멀젼 분해제(염화칼슘3∼5% 첨가는 순간경화, 규불화소다 1% 첨가는 30분경화)를 첨가하여 뿜칠 혹은 흙손바름으로 탈수건조, 자연건조에 의해 조막하는 공법이 있다. 에멀젼형은 비교적 건조가 불충분한 바탕재나 습기가 있는 실내 또는 지하 구조물의 바탕방수에 적합한 것으로 알려져 있다. 그러나 습도가 너무 높으면(85%이상) 오히려 도막형성이 늦어지고 성능이 저하될 수 있기 때문에 주의해야 한다.

고무 아스팔트 방수재는 각종 바탕에 대한 접착성이 좋고, 모서리와 같은 복잡한 형태의 바탕에도 순응하여 연속적인 도막을 형성시키기 때문에 외벽·내벽 등의 시공에 적합하다.

도막 방수재는 종류마다 독자적인 특징과 장점을 지니고 있으므로, 이를 살릴 수 있는 재료의 선택과 공법의 연구가 필요하다. 특히, 바탕의 함수 상태를 반드시 점검한다.

3.4.3 우레탄 고무계 도막방수재

우레탄 고무계 도막방수재료는 1성분형과 2성분형이 있고, 일반적으로 2성분형이 이용된다. 상온에서 액상의 주제(프리폴리머)와 경화제(컴파운드)를 현장에서 혼합하여 도포하면 고무탄성이 있는 방수층을 형성한다. 그 혼합비율은 제조업자에 따라 다르지만 1:1∼1:2의 범위이다.

2성분형 우레탄 방수재는 주재와 경화제로 이루어져 있는데 이 두가지 성분의 화학반응에 의해 상온에서 경화한다.

우레탄 도막방수층은 탄성과 경도의 조정이 가능하므로 중보행 포장마감도 가능하다. 타르 우레탄 방수재의 경화제는 충전재로 타르를 사용하며, 가교제로서 방향족 지아민을 배합, 안정제 등을 첨가하여 반죽한 것이다.

노 타르 우레탄 방수재의 경화제는 일반적으로 가교제에 폴리올을 사용하여 물성을 향상시킬 목적으로 카본블랙 등의 개량제 및 충전제, 안정제 등을 배합하여 반죽한 것을 가리킨다.

칼라 우레탄 방수재는 폴리올 또는 아민류를 사용, 카본 블랙 이외의 무색 충전제 및 개량제와 안료를 배합시킨 것을 사용하고 있는데, 색조는 그레이, 그린, 브라운 등으로 되어 있다.

우레탄 방수재는 셀프레벨링성이 좋기 때문에 치켜올림 면의 방수재는 우레탄 방수재에 요변성(탄력성)을 주어 제조한 것을 사용한다.

프라이머는 일반적으로 폴리우레탄계가 사용되고 있으며 이 외에 클로로 프렌계 등의 용제형, 아크릴 수지계 에멀젼형도 있다.

3.4.4 아크릴 고무계 도막방수재

아크릴 고무계 도막 방수재는 수분의 증발에 의해 도막을 형성하는 방수재료로 아크릴고무 에멀젼(아크릴산 부틸 등)에 충진제, 안정제 및 착색제 등을 배합한 1성분형의 재료이다.

아크릴 고무계 방수재는 고형분 70∼75%, 점도 4000cps의 것으로 외벽방수에 주로 이용되고 있고, 특별한 관리하에 지붕방수에도 사용되고 있다.

아크릴 고무 방수재는 아크릴레이트를 주원료로 한 아크릴 고무 에멀젼에 안정제, 충전제, 색제 등을 배합한 1성분 형태의 것을 말한다.

아크릴 고무 방수재는 에멀젼계인 까닭에 건조경화가 느리기 때문에 바탕이 건조하지 않은 상태에서 시공시 습도가 너무 높으면 완전한 성막(접착과 경화)을 기대할 수가 없으므로 실내방수에는 사용을 재고해야 한다.

아크릴 고무의 특징과 장점

스프레이 공법에선 두꺼운 도막이 되기 때문에 바탕균열에 대해서 안정성이 좋다.

아크릴 고무 방수재는 사용 폴리머의 개선 및 개량의 따라 내기후성, 내알칼리성, 내오존성 및 내열, 내한성이 우수하다.

아크릴 고무 방수재는 스프레이 작업으로 시공하기 때문에 플랫 지붕(슬래브 지붕)은 물론 파라펫트 등의 치켜올림 면에서의 시공성이 뛰어나다.

3.4.5 아크릴 수지계 도막방수재

아크릴 수지계 도막방수재에 사용되는 아크릴 수지 에멀젼은 일반적으로 아크릴산 에스텔의 중합체 또는 그의 공중합체를 주성분으로 한 1성분의 것으로, 증점제, 충전제, 소포제 등을 첨가하여 균일하게 혼합·제조된다.

아크릴 수지 방수재는 연속 저온하에서는 굳어지고, 거꾸로 연속 고온 하에는 연화하는 까닭에 내벽 이외의 방수층은 온난지역에 한하여 사용하고 있다. 한냉지에 사용하면 탄력성이 뒤떨어져, 바탕의 균열 움직임에 추종성이 결핍되는 성질을 가지고 있다.

3.4,6 클로로프렌 고무계 도막방수재

크로로프렌 고무계 방수재는 클로로프렌 고무를 주성분으로 하며, 이것에 무기질 충전제, 안정제 등을 가하여 혼합하여 반죽한 것을 유기용제로 녹여, 고무주걱 등으로 손쉽게 바를 수 있는 1성분형의 것이다. 이 방수공법은 일반적으로 클로로프렌 고무계) 도막방수재 만으로 방수층을 형성하는 일은 없고, 그 위에 하이파론계 도료(클로로설폰화 폴리에틸렌)을 도포하여 착색 및 방수층을 도포한다.

방수재의 보강재로 무기질의 단섬유를 섞어 넣은 것도 있다. 혼입하지 않은 것을 방수제 1류, 혼입한 것을 방수제 2류로 구별하여 호칭한다.

클로로프렌 고무계 방수재는 용제를 함유하고 있기 때문에 소방법 등 산업안전보건법 기타 관계법규의 규제를 받는다.

3.4.7 FRP 도막방수재

FRP 도막방수재는 연질 폴리에스텔 수지와 유리섬유 또는 폴리에스테르 섬유의 보강(섬유강화 플라스틱:Fiber Reinforced Plastics)을 기본으로 하여 인장 및 신장율을 상호 조정하여 제조한 것이다. 수시공에 있어서는 도막방수 적층공법이라고 부르기도 한다.

□ FRP 도막방수재의 특성

① 내마모성이 뛰어나며 강인하고 경량이며, 내수성, 내식성, 내후성이 뛰어나다.

② 콘크리트 바탕 및 모르터 마감면, 목재, 금속판 등과의 접착성이 뛰어나다.

③ 욕조나 보드류로 많이 사용되어지고 있지만 가격이 비싸고, 방수공법으로써 아직 표준화되어 있지 않아 실내방수에서의 실적은 적은 편이지만 고품질 시대의 도래와 함께 금후 고성능 방수재로서 시장성이 커질 것으로 전망된다.

3.4.8 기타 관련재료

가. 프라이머

프라이머는 합성수지, 합성고무 및 고무아스팔트의 용제형 또는 에멀젼형으로 솔, 로울러, 뿜칠기로 용이하게 도포할 수 있는 비교적 저점도의 액체로, 방수시공의 제 1공정에 사용하는 바탕 처리재이다.

합성수지(아크릴계 등), 합성고무 및 고무아스팔트의 용제형 또는 에멀젼형이 이용되고, 솔·스프레이건·고무주걱 등으로 간단히 도포할 수 있는 저점도의 액체로써 방수시의 제1공정에서 사용되는 바탕처리재이다. 성능은 바탕으로부터의 투습을 억제하고 방수층의 부풀어오름 등 박리를 방지하며, 방수층을 바탕에 잘 융합시켜 핀홀이 생기지 않도록 접착강도를 높인다.

나. 보강재

바탕재의 균열발생에 의한 도막방수층의 파단 또는 크리프 파단을 경감시킬 목적과 균일한 도막형성을 목적으로 프라이머층 위에 삽입하는 유리섬유 혹은 합성섬유 직포, 부직포를 말한다.

보강재는 방수재와 친화성이 좋고, 방수재가 보강재에 흡수 혹은 침투되어 이미 바른 방수재와 일체화하여 내균열에 대한 보강 효과를 갖고, 치수 안정성이 우수하며, 시공에 지장없는 것으로 제조업자가 지정하는 것으로 한다.

보강재 삽입효과는 바탕에 균열이 발생한 경우 도막 방수층의 동시파단 혹은 크리프 파단의 위험을 경감하며, 보강재에 균등하게 도막재를 바름으로써 균일한 도막 두께를 확보할 수 있다.

특히 치켜올림부 또는 경사면에서 도막방수재의 흘러내림을 방지할 수 있다.

보강재에는 유리섬유 장섬유를 평짜기한 직포와 폴리프로필렌, 나일론, 폴리에스테르 등의 합성섬유를 압착시켜 짠 부직포의 2종류가 있다.

유리섬유는 방수재의 투과성, 강도, 내약품성, 치수 안정성이 우수한 반면, 방향성이 있고, 신장율이 적은 것이 단점이다.

합성섬유 부직포는 내열성, 내후성, 치수 안정성이 우수한 폴리에스테르의 합성섬유가 주로 사용되고 있고, 방향성이 적어 모든 방향에 대하여 거의 동일의 물성을 나타내는 장점이 있는 반면, 방수재의 투과성은 작다.

 

3.5 무기질 침투성 도포 방수재료

3.5.1 개요

무기질 침투성 도포 방수재란, 콘크리트 구체 및 모르터, 벽돌류 등 흡수성을 갖는 바탕재에 무기질계 활성 실리카 성분을 도포하여 바탕의 조직내에 존재하는 물, Ca(OH), 미수화CaO 등과 반응시켜, 규산칼슘 수화물 및 에트링가이트와 같은 불용성의 결정체를 생성하여 조직을 치밀하게 변화시킴으로써 수밀성을 향상시킬 목적으로 사용하는 재료이다.

3.5.2 재료의 종류와 특성

무기질 침투성 도포방수재의 종류에는 시멘트 규산질계 미분말, 입도조정 모래를 주재로 혼합된 분말형의 방수재로서 무기질 단체형과 무기·유기 혼합형으로 구분하며 불안정한 실리카 성분을 물과 같은 형태로 제조한 액체형이 있다.

무기질 단체형은 시멘트, 규산질 미분말, 입도조정 모래를 혼합한 분말형 재료에 적정의 물만을 혼합하여 사용하는 재료이다.

무기·유기 혼합형은 분말형 재료에 물과 폴리머 디스퍼젼(EVA계, SBR계)을 혼합하여 사용하는 재료이다.

액체형은 실리카 성분을 주성분으로 한 액체형의 무색 무취의 방수재로 뿜칠 및 도포에 의해 콘크리트 바탕에 함침시키는 재료이다. 현재는 실용적으로 사용되지 않고 있으나 공기단축 및 노동력 절감효과가 크다.

3.5.3 침투성 방수재의 요구성능

침투성 방수제는 주로 무기질계 성분으로 구성된 것으로서 물과 수화작용을 통하여 불용성을 만들기 때문에 건조환경의 콘크리트보다 습윤환경의 콘크리트에 유효하게 사용될 수 있다.

그러나 방수층 자체는 무기질계 도포재의 성질을 지니기 때문에 건조수축에 의한 균열의 발생과 진동 및 충격 등에 의한 파손의 우려가 있어 사용상의 선택조건을 고려해야 한다.

① 도포하기 쉽고, 바탕콘크리트와 모르터의 내부에 용이하게 균일 침투해야 한다.

② 침투가 빠르고 침투 후에 콘크리트 및 모르터의 조직내부의 공극을 충전 하여 수밀성을 높여야 한다.

③ 침투후의 흡수, 침수 및 기재 침투에 대한 저항성이 커야 한다.

④ 침투후의 내수성, 내알칼리성이 양호해야 한다.

⑤ 침투후의 내후성, 내노화성이 우수하고 가능한 방수효과를 지속해야 한 다.

⑥ 내용년수와 가격과의 관계가 적절해야 한다.

 

3.6 금속판 방수재료

3.6.1 개요

금속판에 의한 방수는 완전한 수밀 연속층을 만들고자 하는 의도에서 도입된 것이다.

우리나라에서는 주로 지붕의 마감재료로 사용되어 왔지만, 기존의 방수재료인 아스팔트, 합성고분자 시트, 도막 방수재 등이 지닌 문제점(들뜸, 열화, 내구성 등)을 근본적으로 해결하고자 도입된 방수재료이다.

금속판 방수재료로는 스테인레스 강판 시트, 티탄 시트, 동판 시트, 납판 시트 등이 있으며 주로 스테인레스 강판 시트가 사용된다.

3.6.2 스테인레스 강판 시트 방수재

가. 스테인레스 강의 종류와 성질

철은 대기중에서 산화하여 녹이 발생하기 쉬우나, 크롬을 첨가하면 녹발생이 어렵고 여기에 니켈을 첨가하면 더욱 내식성이 증가한다. 스테인레스 강은 일반적으로 철에 11%이상의 크롬을 함유하는 합금강으로 알려져 있으나, 니켈, 망간, 몰리브덴 등을 함유하는 것도 있어, 그 종류는 다양하다.

현재 KS D 3700(냉간 압연 스테인레스 강대)에서 정의하고 있는 스테인레스 강의 종류로는 멀델사이트계, 페라이트계, 오스테 나이트계, 2상계 및 석출 경화계의 5종류의 합계 61강종이 있다.

이 외에도 각 스테인레스 강 제조업체가 사내 규격품으로 제조하고 있는 것을 합하면 100종류 이상의 것이 있다고 알려져 있다.

나. 지붕용 스테인레스 강판 시트

지붕용으로 사용되고 있는 스테인레스 강판은 네 종류로 한정된다.

① 무도장 스테인레스 강판

② 도장 스테인레스 강판

③ 화학발색 프테인레스 강판

④ 도금 스테인레스 강판

지붕용 스테인레스 강판은 주로 SUS 304, SUS 316, SUS 410, SUS 430이 사용된다.

다. 방수용 스테인레스 강판 시트

방수공사에 사용되는 스테인레스 강판은 KS D 3700(냉간 압연 스테인레스 강대)에서 규정하고 있는 SUS 304 또는 316이다.

무도장 스테인레스 강판을 그대로 사용하면 빛의 반사가 강열하여 시각적인 공해를 일으키므로 일반적으로 표면을 2D(회색)로 마감하여 사용한다.

최근에는 SUS 304 스테인레스 강판의 표면에 도장하기 쉽도록 마감하여 고내후성 도료를 두겹으로 코팅한 도장 스테인레스 강판(KS D 3615)이 사용되고 있다.

라. 기타 관련재료

A. 고정철물

고절철물에는 방수층을 바탕에 고정하는 목적으로 사용되는 L자형 고정철물과, 이를 바탕에 고정하는 패스너가 있다. 고정방법은 먼저, L자형 고정철물의 하단을 패스너로 바탕에 고정하고 상단에 방수용 스테인레스 강판 시트를 용접하여 고정한다.

L자형 고정철물에는 고정형과 슬라이드형의 두 가지가 있으며, 고정철물의 재질은 일반적으로 SUS 304를 사용하나, 방수층의 재질과 동일한 재질을 가지는 것을 사용한다.

패스너는 주로 스테인레스 재질을 사용하나, 탭핑 나사 또는 셀프 드릴링 나사의 역할을 동시에 하여야 하므로 SUS 410과 같은 멀덴 사이트계(13Gr계 스테인레스 강)가 적합하다.

B. 바탕깔기재

바탕깔기재는 바탕에 스테인레스 강판 시트가 잘 순응하도록 하기 위하여 사용하는 재료로, 아스팔트 루핑 22㎏ 또는 연질 발포 폴리에치렌(4㎜두께 정도)이 사용된다. 특히 연질 발포 폴리스티렌은 발포배율을 40배 정도로 조절한 것으로 결로 방지효과도 있다.

C. 단열재

① 바탕과 방수층 사이에 설치할 경우

스테인레스 강판 시트방수는 고정철물을 사용하여 기계적으로 바탕에 고정하므로, 바탕 슬래브와 방수층 사이에 단열재를 삽입하여도 바탕의 습기나 실내로부터 유입되는 습기가 방수층 단말부로 방출되므로 습기의 축적은 그다지 걱정하지 않아도 된다.

그러나, 방수층아래의 단열재는 여름철에 상당한 고온이 되므로 내열성이 뛰어난 단열재(예를들면, 경질 폴리이소시아누레이트 또는 폴리우레탄계의 발포체 등)을 사용하여야 한다.

② 방수층 위에 설치할 경우

방수층 위에 단열재를 설치할 경우에는 그 위에 보호층이 있으면 그다지 내열성은 문제되지 않으므로 단열성능이나 흡습성능을 중요시하여 선택하는 것이 좋다.

일반적으로 표면마감한 연속 압출성형 발포 폴리스티렌계가 사용되어지고 있다.

D. 보조재료

① 드레인

드레인은 방수층과 동질의 스테인레스 강판재의 것을 사용한다. 방수시공 현장에서는 공장 가공한 드레인과 방수층을 용접하여 일체화시킨다.

현장타설 콘크리트 바탕에 드레인을 미리 설치할 경우에는 상부를 나사로 조이는 방법으로 하고, 여기에 스테인레스 강판을 용접한다.

② 조인트 캡

조인트 캡이란 방수층을 용접하여 꺽어 올린부에 씌우는 U자형의 깊이가 20㎜정도의 보호재를 말하며 방수층과 동질의 스테인레스 강판을 사용한다.

③ 실링재

방수층 치켜올림 단말부의 물끊기나 관통재의 슬리브 등과 같이 시일할 필요가 있는 곳에 사용하는 것으로 일반적으로 실리콘계가 사용된다.

④ 보호재료

스테인레스 강판 시트 방수공법에는 노출공법과 보호재를 사용하는 누름공법이 있으며, 누름공법에는 콘크리트, 블록 또는 자갈이 사용된다.

 

3.7 실링 방수재료

3.7.1 개요

실링재란 각종 부재의 접합부나 줄눈과 같은 틈새에 충전 또는 장착하여 수밀 또는 기밀성을 부여하며, 유리등을 고정시키는 역할을 한다. 시공시의 형태에 따라 부정형 재료와 가스킷과 같은 정형 재료로 대별된다. 제품으로는 현장에서 경화제를 혼합하여 경화시키는 2성분형과 카드릿지 내에 밀봉시켜 공기 중에 노출시켜 경화시키는 1성분형이 있다.

실링재를 경화기능별로 분류하면 다음과 같다.

3.7.2 실리콘계 실링재

실리콘(올가노 폴리시록키산)을 주성분으로 한 실링재로 1성분형과 2성분형이 있다. 1성분형은 공기중의 수분과 반응하여 표면으로부터 경화하는 습기 경화형으로 고(高)모듈러스형(초산형, 옥심형)과 저(低)모듈러스형(아미드계, 아미노키시형, 아민형이 많다.)이 있다. 2성분형은 기재의 주성분인 실리콘이 경화재의 촉매와 반응하여 경화하는 반응 경화형이다.

3.7.3 실리콘계 매스틱

실리콘을 주성분으로 한 실링재로 1성분형과 2성분형이 있다. 실리콘계 실링재와 같은 경화구조로 고무상태의 피막을 형성하나, 내부는 경화하지 않는 비경화형으로 프라이머를 사용하지 않고 각종 피착체에 점착한다.

3.7.4 변성 실리콘계 실링재

변성실리콘(올가노 시로키산을 가진 유기폴리머)을 주성분으로 하는 실링재로 1성분형과 2성분형이 있다.

1성분형은 공기중의 수분과 반응하여 표면으로부터 경화하는 습기 경화형으로 고(高)모듈러스와 저(低)모듈러스형이 있다.

2성분형은 기재의 주성분인 변성 실리콘이 경화재의 촉매와 반응하여 경화하는 반응 경화형이다.

3.7.5 폴리설페이트계 실링재

폴리설페이트(결합기 이외에도 SS결합을 가지는 폴리머)를 주성분으로 하는 실링재로 1성분형과 2성분형이 있다.

1성분형은 공기중의 수분과 반응하여 표면으로부터 경화하는 습기 경화형이며, 2성분형은 기재의 주성분인 폴리설페이트가 경화재의 촉매와 반응하여 경화하는 반응 경화형이다.

3.7.6 아크릴우레탄계 실링재

아크릴우레탄(폴리우레탄의 일부를 아크릴로 치환한 폴리머)을 주성분으로 하는 실링재로 2성분형이다. 기재의 우레탄 프레폴리머와 경화재의 주성분인 활성기를 가진 아크릴오리고마가 반응하여 경화하는 반응 경화형이다.

3.7.7 폴리우레탄계 실링재

폴리우레탄(우레탄결합 등을 가진 폴리머)을 주성분으로 한 실링재로 1성분형과 2성분형이 있다.

1성분형은 공기중의 수분과 반응하여 표면으로부터 경화하는 습기 경화형으로, 고 모듈러스와 저 모듈러스형이 있다.

2성분형은 기재의 프레폴리머와 경화재의 주성분인 활성기를 가진 폴리올 등과 반응하여 경화하는 반응 경화형이다.

3.7.8 변성 폴리설페이트계 실링재

변성 폴리설페이트(결합기가 SS결합인 폴리머)를 주성분으로 한 실링재로 1성분형이다. 공기중의 산소와 반응하여 표면으로부터 경화하는 산소 경화형이다.

3.7.9 아크릴계 실링재

아크릴 수지를 주성분으로 하는 실링재로 1성분형의 에멀젼형이 있다. 함유수분이 증발하면서 표면으로부터 경화하는 건조 경화형으로 경화하면 물에는 녹지 않는 불용성을 가진다. 통상 20∼30%의 체적수축이 있다.

3.7.10 SBR계 실링재

스티렌 부타디엔 고무(SBR)를 주성분으로 하는 실링재로 1성분형의 라텍스형이 있다. 함유수분이 증발하면서 경화하는 건조 경화형으로 경화하여도 용제에는 용해된다. 통상 15∼25%의 체적수축이 있다.

3.7.11 유성 코킹재

천연 또는 합성의 건조유, 수지를 주성분으로 하는 실링재로 1성분형이다.

표면은 공기중의 산소와 반응하여 피막을 형성하나, 내부는 경화하지 않는 비경화형으로 프라이머가 없어도 접착할 수 있다.

3.7.12 보조재료

가. 백업재, 본드 브레이커

백업재는 합성수지 또는 합성고무 등으로 만들어지는 독립 기포체로 알맞은 정도의 유연성을 가지는 것이 좋다. 형상은 각형, 둥근형으로 접착제가 있는 것과 없는 것이 있으며, 접착제가 있는 경우에는 줄눈 폭보다 약간 작은 것으로 하고, 반대로 접착제가 없는 것은 줄눈 폭보다 큰 것으로 한다.

실링재가 줄눈바닥과 측벽에 붙는 3면접착을 피하기 위하여 백업재가 사용되므로 가능한 한 실링재와 강력하게 접착되는 백업재는 사용하지 않는 것이 좋다. 본드 브레이커는 줄눈 깊이가 얕아 백업재를 사용하면 소정의 실링 두께를 확보할 수 없을 때 사용되어지며, 일반적으로 폴리에티렌 테이프나 실리콘 처리 테이프가 사용된다.

나. 프라이머

실링재의 접착을 향상시키기 위하여 일반적으로 프라이머를 피착제에 도포한다. 프라이머에 함유되어지는 용제가 피착체의 표면에 영향을 미치는 경우에는 도포하지 않기도 하나, 실링재 생산업체와 상담하여 결정한다.

프라이머의 역할은 상기한 피착체와의 접착성 확보 이외에도 다음과 같은 부수적인 역할이 있다.

① 표면강도가 약한 피착체의 표면강도를 증진시킨다.

② 다공질 재료의 표면을 피복하여 접착면적을 확대하고, 내부로부터의 물, 알칼리 등의 침출을 방지한다.

③ 피착제로부터의 가소제의 이행을 방지한다.

프라이머의 종류에는 실란계, 우레탄계, 합성고무계 및 합성수지계가 있으나, 피착제의 종류에 따라서 용도가 달라지므로 주의하여 선정하여야 한다.

다. 마스킹 테이프

시공중, 주변을 더럽힐 염려가 있으므로 이를 방지하기 위해 일반적으로 종이 테이프와 비닐 테이프가 사용된다.

 

3.8 시멘트계 방수재료

3.8.1 개요

콘크리트조, 목조, 석조, 철골조 등 각종 구조물에는 반드시 물의 침입을 막기 위한 대책이 필요하고, 그 대책을 수행하기 위해서는 적절한 재료를 선택하여 사용한다.

시멘트계 방수재는 아스팔트계, 시트계, 도막계의 멤브레인 성형품 재료와는 달리 무기질 시멘트계(분말형) 및 유기질 고분자계(액체형)등의 비성형품 재료를 콘크리트 및 모르터에 혼입하거나, 표면에 도포하여 방수층을 형성하는 재료를 총칭한다.

학술적으로 시멘트계 방수재료는 초기단계에 방수재로 불러왔고, (방수재 : Integral waterproofing admixture/agent)란 콘크리트 및 모르터의 흡수, 투수에 대한 저항성능을 높이기 위하여 혼입하는 혼화제로 정의하고 있다.

건축분야에서는 주로 시멘트모르터에 혼입하여 부엌, 화장실, 발코니와 같은 건물의 실내나 수조, 지하실, 핏트, 공동구 등의 지하구조물의 바닥 및 벽에 도포하는 시멘트 모르터 방수(시멘트 액체방수)로 사용된다.

토목분야에서는 토목구조물의 콘크리트에 혼입하여 사용하는 구체혼화방수로 구분되어 사용되어 왔다. 최근에는 고분자 화합물인 아크릴 폴리머 계통의 방수재가 등장하여 시멘트와 혼합해 사용함으로써 방수성능의 개선을 꾀하고 있다.

우리나라에 있어서 사용되고 있는 시멘트계 방수재는 크게 3분야로 분류하고 있다.

3.8.2 시멘트 액체 방수재

3.8.2.1 방수특성

콘크리트나 모르터 중에 존재하는 과잉(過剩)의 혼합수에 의한 수극(水隙), 비빔시에 연행되는 공기, 블리딩 등에 의해 표면으로 향하는 모세관 등의 공극을 미세한 물질로 충전함으로써 물리적으로 흡수 및 투수에 대한 저항성을 증대시킨다.

발수성 물질의 작용에 의해 주로 흡수 및 투수에 대한 저항성을 증대시킨다.

콘크리트나 모르터의 워커빌리티 개선에 의해 혼합수를 감소시켜 경화 후의 공극을 적게한다.

콘크리트나 모르터의 건조수축을 저감시켜 신장능력을 크게 함으로써 균열을 억제시킨다.

3.8.2.2 화학적 메카니즘

시멘트의 수화반응을 촉진시켜 시멘트겔(Gel)에 의해 초기 공극을 충전함으로써 주로 초기 흡수 및 투수에 대한 저항성을 향상시킨다.

시멘트 수화반응의 결과로 생성되는 가용성 물질을 불용화(不溶化)함과 동시에 불용성 혹은 발수성의 염류를 형성함으로써, 콘크리트 및 모르터 조직에서의 공극 충전 혹은 발수성 부여로 흡수와 투수에 대한 저항성을 높인다.

모르터나 콘크리트 내부에 불투수성 혹은 발수성을 갖는 층 혹은 막을 형성하여 흡수와 투수를 막는다.

3.8.2.3 염화칼슘계

모르터나 콘크리트의 수밀성은 시멘트 수화반응의 진행에 동반하여 향상하기 때문에 염화칼슘(CaCl2 혹은 CaCl·6H2O)을 혼입함으로써 시멘트의 수화반응을 촉진하여 빠르게 경화시키고 모르터나 콘크리트를 치밀하게 함으소써 방수성을 높힐 수 있다.

방수효과는 초기에 확실히 증대하지만, 그 후는 차례로 저하하기 때문에 장기에 있어서는 그 효과가 거의 인정되지 않는 한편, 염화칼슘은 철근, 매입철물 등의 녹발생을 촉진시키기 때문에 직접 강재에 접촉하는 곳에서는 사용하지 않는다. 또 모르터나 콘크리트의 건조수축을 크게 하여 균열이 생기는 폐해도 발생한다.

시멘트 수화반응의 촉진에 따라 발열이 커지기 때문에 동절기 공사에는 좋은 경우지만, 여름공사에는 그 혼입률에 충분히 주의하여 사용할 필요가 있다.

염화칼슘의 혼입율은 시멘트에 대하여 1∼2%(중량비)이지만, 이 혼입률을 적당히 변화시킴으로써 급결제나 방결제로서 사용하는 방법도 있다.

3.8.2.4 규산소다계

규산소다(Na2O, nSiO2)는 일반적으로 물유리로 불리우며 규산(SiO2)과 산화나트륨(소다 ; Na2O)의 혼합물이다.

규산소다를 모르터나 콘크리트에 혼입하면 시멘트의 수화반응 결과 생기는 수산화칼슘(Ca(OH)2)과 결합하여 불용성의 규산칼슘(nCaO·SiO2)를 생성함으로써 고정되고 이것이 모르터나 콘크리트 속의 공극을 충전하여 치밀한 조직을 만든다고 알려져 있다.

그러나 실제로 이러한 반응이 일어나기에는 높은 온도와 장시간이 필요하기 때문에 방수효과는 의문시된다.

현재 우리나라의 시판 방수재로 규산소다를 주성분으로 하는 것이 많고 값이 저렴하기 때문에 많이 사용되고 있지만 외국에서는 사용하는 일은 드물다.

규산소다의 혼입률은 시멘트에 대해서 1∼2%(중량비)이지만, 혼입률을 많게 하면 급결제로도 사용할 수 있다.

3.8.2.5 고급지방산계

현재 우리나라에서 많이 사용되고 있는 시멘트 액체방수재의 주요 재료이다. 모르터나 콘크리트에 고급지방산을 혼입하면, 시멘트의 수화반응에 따라 생기는 수산화칼슘과 결합하여, 발수성이 있는 고급지방산칼슘으로 된다. 고급지방산염(금속비누) 및 고급지방산에스텔은 그들 자체 발수성이 뛰어난 물질이며, 이러한 화합물이 모르터나 콘크리트 속의 모세관에 의한 흡수를 감소시킨다.

고급지방산계 방수재가 지닌 단점은 장기의 수침(水浸)에 의한 방수성의 저하, 혼입률의 증가에 따르는 모르터나 콘크리트의 강도감소, 겹쳐바름이나 이어치기시에 있어서 접착불량, 응결지연, 모르터나 콘크리트와 혼합되기 어려운 점이 있다. 이 계통의 방수재는 염화칼슘이나 규산소다와 병행되는 경우가 많다. 고급지방산계 방수재의 혼입률은 시멘트에 대해서 3%(중량비)정도다.

3.8.2.6 파라핀 에멀죤계 및 아스팔트 에멀죤계

파라핀 및 아스팔트는 발수성이 풍부한 물질이기 때문에 이러한 에멀죤을 모르터나 콘크리트에 혼입하면, 고급지방산 염류와 같은 모양으로 그 발수작용에 따라 모르터나 콘크리트의 모세관에서의 흡수를 감소시킨다.

특히 파라핀에멀죤의 경우, 미세한 파라핀입자의 볼베어링 작용에 의한 워커빌리티 증진, 함수효과 등을 기대할 수 있고, 시멘트겔 사이의 공극이 파라핀 입자에 의해 충전된다.

이러한 방수재의 성능은 파라핀이나 아스팔트의 발수작용보다도 에멀죤 제조시의 유화제 종류나 유화방법에 따라 현저하게 영향을 받는다. 예를 들어, 너무 많은 공기를 연행하거나 에멀죤이 응고하면 분산이 나쁘게 되기 때문에 이 점에 충분히 주의할 필요가 있다. 파라핀에멀죤계 방수재의 혼입률은 파라핀/시멘트비로서 3∼10%(중량비), 아스팔트에멀죤계의 그것은 아스팔트/시멘트비로서 10∼20%(중량비)다.

3.8.2.7 기타계

질코늄화합물의 큰 발수성에 주목하여 수산화질코늄이나 초산질코늄이 지방족아민 혹은 지방산나트륨과 함께 모르터나 콘크리트에 혼입된다. Sodium Methyl Siliconate 는 응결지연효과가 있기 때문에 모르터나 콘크리트의 시멘트에 대하여 2∼3%(중량비)의 범위로 혼입되고 그 발수효과 때문에 주로 흡수성이 작아진다.

3.8.3 폴리머 시멘트 모르터 방수재

3.8.3.1 폴리머 디스퍼죤계

수지에멀죤이나 고무라텍스같은 폴리머디스퍼죤을 혼입한 모르터 및 콘크리트를 일반적으로 폴리머 시멘트 모르터 및 폴리머 시멘트 콘크리트라고 부른다. 폴리머 시멘트 모르터나 폴리머 시멘트 콘크리트에서 시멘트는 수화하여 시멘트경화체를 만들고, 한편, 수지에멀죤이나 라텍스는 시멘트의 물을 빼앗아 탈수, 건조시켜 자착성(自着性)과 접착성이 있는 수지나 고무의 연속한 필름을 만들어 시멘트 경화체와 골재를 강고하게 결합하는 구조를 형성한다. 그러므로 모르터나 콘크리트는 투수 및 흡수에 대하여 저항성이 현저하게 증대하고 방수효과가 커진다.

일반적으로 방수재로서 사용되는 수지에멀죤이나 고무라텍스에 요구되는 성질은 다음과 같다.

① 화학적 및 기계적으로 안정할 것.

② 시멘트의 수화반응에 악영향을 주지 않을 것

③ 고무나 수지자체의 내수성, 내알칼리성, 내후성 등이 우수할 것.

④ 모르터나 콘크리트를 이겨섞을 때에 현저하게 발포하지 않을 것.

다른 방수재를 혼입한 모르터 및 콘크리트와 비교하여 폴리머 시멘트 모르터 및 콘크리트의 이점은 인장강도, 휨강도, 변형능력, 탄성, 접착성 등의 향상에 있다.

일반적으로 폴리머시멘트모르터나 콘크리트성질은 주로 수지에멀죤이나 고무라텍스의 시멘트에 대한 혼입률, 즉, 폴리머시멘트비(시멘트중량에 대한 수지에멀죤이나 고무라텍스 중 유효 고형분량을 중량(%)으로 표시한 것)에 의하여 지배된다.

일반적으로 폴리머시멘트비는 5∼30%이다. 고혼입율로 사용하면 가격이 비싸지만 방수성은 다른 방수재에 비하여 현격하게 우수하다.

재유화형 분말수지를 모르터나 콘크리트에 혼입하면 곧 재유화하여 수지 에멀죤의 경우와 같은 모양으로 거동함으로써 방수효과를 발휘한다.

3.8.3.2 수용성 폴리머계

수용성폴리머를 모르터나 콘크리트에 혼입하면 물시멘트비가 감소하고 워커빌리티, 보수성(保守性), 블리딩에 대한 저항성 등이 개선되기 때문에 비교적 치밀한 조직이 완성되며, 더욱이 수지에멀죤의 경우와 유사한 효과에 의해 방수성을 발휘한다. 특히 메틸세룰로즈 등은 물에 대한 팽윤작용으로 방수효과가 나타낸다. 이러한 종류의 방수재는 시멘트에 대한 혼입률은 0.05∼3%(중량비)이다.

이 계통의 방수재는 일반적으로 보수성의 개량에 주목하여 미장마감 모르터나 타일접착용 모르터 등의 워커빌리티 개선을 목적으로 한 혼화제로서 사용되는 경우가 많다.

3.8.4 수화응고형 도포방수재

3.8.4.1 재료특성

수화응고형(水和凝固型)방수재란 물과 반응하여 경화되는 시멘트계의 무기질(칼슘실리케이트나 알루네이트 성분)과 건조 또는 축합반응에 의해 경화하는 수중분산형의 합성수지에멀젼(폴리머 디스퍼젼)성분으로 구성된 방수재료를 말한다.

구성성분 중에 합성수지성분이 20%전후의 폴리머 시멘트모르터나 수%의 시멘트 액체방수재보다 풍부한 100∼200%정도의 신소재로서 방수바탕의 습윤상태에 크게 영향을 받지 않고, 바탕재의 거동에 대응할 수 있는 탄력성(내균열성)을 갖는 도막형의 방수재료로서 수화응고형 방수재 혹은 무기유기질 혼합 방수재, 무기질 탄성형 방수재 등으로 불려 오고 있다.

3.8.4.2 경화기구

수화응고형방수재는 물과 분리하여 경화하는 성분(합성수지 에멀젼)과 물을 끌어들여(친화)경화하는 성분(시멘트)으로 구성되어있다.

일반적으로 합성수지 에멀젼은 고형분 농도가 약 80%정도이면 경화가 시작되고 시멘트 성분은 시멘트 량에 대해 약 40%의 수분을 취하면 경화가 시작된다.

수화응고형방수재의 투수억제 기능(방수성)은 사용하는 합성수지(EVA계 에멀젼, 공중합고분자 에멀젼, 아크릴 에멀젼 등)의 성분에 따라 다르기 때문에 어떠한 종류의 수지를 사용할 것인가. 어떤 계열의 분산액을 사용할 것인가가 중요하고, 또한 어떠한 조율의 수경성 시멘트를 사용할 것인가에 다라 크게 영향을 받는다.

합성수지 성분은 본래 소수성(疏水性)이 큰 물질이지만, EVA계 에멀젼 등은 수중에서 분산시키면 물과 잘 섞이고, 이것은 콘크리트 바탕에 바르면 물 및 구성성분인 시멘트와 함께 공극으로 스며들며, 농축, 경화하고 공중으로 수분이 증발함에 따라 고화(固化)한다.

또한 시멘트 성분에 기능에 의해서도 방수성능이 크게 영향을 받는다. 다시 말해, 물에 용해된 시멘트성분이 바탕콘크리트와 일체되어 방수재와 바탕재간의 강력한 결합력을 갖게 한다.

수화응고형 도포방수재는 수지성분과 시멘트성분과 환경적으로 추가되는 물을 포함한 수분의 비율을 효과적으로 관리함으로써 다습표면(多濕表面)은 물론 소습표면(所習表面)에 이르기까지 광범위한 습도 범위의 바탕에서 시공할 수 있는 재료이다.

수화응고형방수재는 도막형의 방수재로서 시멘트성분 친화성과 합성수지에멀젼이 가지고 있는 탄력성을 조화시킨 방수재로서 일반적인 우레탄고무계, 고무아스팔트계 등의 유기질 합성고분자 방수재료에서 기대하기 어려운 습윤바탕에서의 시공성의 개선, 바탕콘크리트의 수분 증발에 의한 수증기의 투과 성능 향상 등 일반 도막방수의 단점을 극복하기 위해 개발된 재료이다.

그러나 실용상의 특성에 있어서 바탕의 수분이 어느 정도 존재할 때 가장 효과적인 접착성을 보유할 것이다. 시멘트와 합성수지에멀젼의 혼합비와 수증기 투과성능의 관계 등은 더욱 연구 검토되어져야 한다.

수화응고형 방수재의 시공특성으로 도막형의 방수재료로서 방수층의 적층이나, 보강바름, 이어바름(겹쳐바름), 신구방수층의 연결 및 하자부분에 대한 보수의 간단성 등 커다란 장점도 가지고 있다.

□ 사용상의 유의 사항

① 바탕콘크리트에 유수(流水)나 고인물이 없을 것.

② 표면이 결로 상태가 아닐 것

③ 배면 혹은 측면으로부터의 침입수가 없을 것

④ 완전 건조상태가 아닐 것

 

3.9 발수재료

3.9.1 개요

발수제란 액상의 유기질 고분자 물질로 콘크리트 구체에 도포하면 공극내부에서 경화하여 발수성을 부여함으로써 외부에서 침투하는 물을 차단하는 재료이다.

발수제는 시공 후, 콘크리트와 모르터의 내부에 연속한 폴리머 필름을 형성하여 발수성을 가지고 있기 때문에, 충전효과와 발수효과의 상승 효과에 의해 방수성을 발휘한다.

이 경우에 방수재의 침투깊이는 재료자체 또는 바탕의 종류에 의존하지만, 일반적으로 2∼5㎜정도이며 바탕의 건조정도에 의해서도 침투 깊이가 다르고 반드시 균일한 침투 방수층을 형성하는 것은 아니다.

기포 콘크리트와 경량 콘크리트 등과 같은 공극이 많은 바탕에서는 방수재가 다량으로 필요하고, 비경제적인 방수가 된다. 특히, 바탕의 균열에 대한 저항성이 거의 없고, 정기적인 보수를 행하지 않으면 안된다.

특히, 콘크리트 건조물의 표면에서의 시멘트 중의 수용성 성분이 용출하여 생성되는 소위 백화현상(Efflorescence)의 방지책으로 많이 사용되고 있다.

바탕 콘크리트와 모르터 위에 침투성 도포 방수재를 시공하면 바탕에서의 균열 등의 결함이 없을 경우에 물의 침투를 저지하므로 동결융해 대한 저항성이 향상되는 효과도 있다.

3.9.2 발수제의 종류와 특성

3.9.2.1 실리콘 실러: Solvent-based Silicon Sealer

투명처리가 필요한 콘크리트 벽돌조, 석재면, 석고 미장면 및 제물치장 콘크리트 등에 사용한다.

탄화수소 용제에 탄 중합실리콘 수지의 5% 농축액을 FS SS-W-110의 기준에 맞게 사용한다. 코팅이 극히 조금 표출되는 것이 필요한 경우, 특히 밀도가 높고 흐린 색의 바탕면에서의 사용시에는 상기 기준에 따르며, 용제에 탄 중합실리콘 수지의 3% 농축액을 바탕면에 사용할 경우에는 담당원이 지시하는 대로 사용한다.

3.9.2.2 솔벤트 아크릴 실러: Solvent-based Acrylic Sealer

일반 콘크리트나 제물치장 콘크리트, 석고미장, 벽돌조 및 석재면에 젖은 광택이나, 약간의 흑화가 허용되는 경우에 사용토록 한다. 휘발성의 탄화수소 용액에 든 투명한 방수성의 아크릴수지 코팅 및 특수 바탕면 공사에는 담당원의 지시에 따르는 다른 종류의 수지나 첨가물을 사용하여야 한다.

3.9.2.3 수용성 아크릴 실러: Water-based Acrylic Sealer

수용성 아크릴 실러는 솔벤트 아크릴이 너무 유해하거나, 대기오염방지 기준 등에 의하여 사용이 금지되었을 때, 또는 젖은 광택의 외관이 허용되는 경우에 이 제품을 사용토록 한다.

3.9.3 발수제의 방수성능

모르터 및 석면 스레이트판에 염화비닐·염화비보리덴 에멀젼 침투방수재를도포한 경우, 모르터에 폴리스틸렌 침투방수재로 도포한 경우, 실리콘 침투 방수재를 모르터에 도포한 경우의 침투시험결과 방수성은 각각 다르게 나타난다.

발수성 이론에서 보면 도포침투방수재에 의한 방수층의 발수효과도 영구적으로 보정하는 것은 불가능하다. 일반적으로 친수성의 고체표면은 표면이 메칠기(-CH3)로 된 파라핀, 장쇄의 지방산, 아민, 중금속 세켄 등의 단분자막에서 상당한 발수성이 얻어진다.

실리콘은 인 화학구조를 가지고, 이것에 고체표면을 처리한 경우에는 물과 -Si-O-Si-O-구조 사이의 메칠기층이 사이에 끼어 큰 발수성을 지닌다.

3.9.4 발수제의 요구성능

① 도포하기 쉽고, 바탕콘크리트와 모르터의 내부에 용이하게 균일 침투하는 것.

② 침투는 빠르게, 콘크리트와 모르터 내부의 공극을 충진하여 가능하면 발수성을 가질 것.

③ 침투후의 흡수·침수 및 기재침투에 대한 저항성이 큰 것.

④ 침투후의 내수성, 내알칼리성이 양호한 것.

⑤ 침투후의 내후성, 내노화성이 우수하고 가능한 방수효과를 지속할 것.

⑥ 내용년수와 가격과의 관계가 적당한 것.

 

3.10 벤토나이트 방수재료

3.10.1 개요

벤토나이트는 19C 개발된 이래 극히 제한적으로 사용되었으나, 20C 기술혁명에 발맞추어 석유, 가스탐사용 윤활제, 주물사의 Binder 그리고 댐 하부 차수용 및 지하 구조물의 방수 또는 토목용 안정액으로 점차 그 사용범위를 넓혀갔으며, 현재는 벤토나이트의 독특한 특성을 이용하여 화장품, 비료, 윤활제, 종이 등의 다양한 산업 분야에 사용되면서 인류생활에 기여하고 있다.

그럼에도 불구하고 대개의 사람들이 “기적의 흙”인 벤토나이트에 대해 잘 인식하지 못하고 있는 실정이다.

벤토나이트는 크게 대별하여 칼슘계와 소디움계, 나트륨 교환계로 나뉘어지는데, 불행하게도 국내에서 생산되는 벤토나이트는 대부분이 칼슘계이고, 화학적으로 처리하여 소디움계 벤토나이트로 치환한 경우도 있으나, 토목용이나 방수자재로 사용되는 소디움계 벤토나이트를 이용한 제품은 수입에 크개 의존하고 있다.

벤토나이트는 세계 각처에서 발견되고 있으나, 벤토나이트를 가공하여 만드는 각종 제품 중 가장 많이 요구되는 팽창성을 기준으로 볼 때, 블랙 힐 지역에서 채광되는 소디움 벤토나이트(Soidum Bentonite)가 가장 우수한 것으로 알려져 있다.

3.10.2 소디움 벤토나이트

3.10.2.1 생성

소디움 벤토나이트(Soidum Bentonite)는 화산재가 변성되는 일련의 과정에 의해 생성된다. 즉, 화산이 폭발할 때 생긴 미세한 화산재는 폭발의 힘으로 수천미터 상공으로 솟아 올라간 후, 상층기류와 같이 돌아다니다가 이중에 많은 부분은 바다 위에 떨어진다.

지질학자들에 의하면 화산재가 해저에서 염수와 작용하여 점토질 광물로 변성된 것이 다시 지층의 융기현상으로 지표면에 솟아올라 오랜 침식과 풍화를 거치면서 병성화산재 광맥을 형성하여 이른바 벤토나이트가 생성된다고 한다.

미 서부에서 채굴는 웨스턴 소디움 벤토나이트(Western Sodium Bentonite)는 약 100만년전 미국 서해안 화산지대의 화산활동에 의해 생성된 화산재가 위에서 열거한 것과 같이 해저에 존재하다가 지층의 융기현상으로 미국의 록키산맥과 블랙힐이 형성될 때 지표면으로 솟아오르게 된 것으로 보고 있다.

3.10.2.2 출토지역

소티움 벤토나이트(Sodium Bentonite)는 미국의 와이오밍(Wyoming)주 휘트 벤톤(Wheat Benton)에서 최초로 발견되었고, 오늘날은 미국의 사우스 다코다(South Dakota), 몬타나(Montana)그리고 와이오밍 주의 블랙 힐(Black Hill)지역에서 광범위하게 채굴되어 오고 있다.

3.10.2.3 명칭

소디움 벤토나이트는 광물명으로 몬모릴로나이트(Montmorillonite), 원료명으로 벤토나이트(Bentonite)라 불리워지고 있다. 또한 스멕타이트(Smectite)라는 명칭이 사용되는 경우가 있지만 스멕타이트는 광물분류상 몬모릴로나이트에 대해 상위개념을 나타낸는 것으로 몬모릴나이트 광물은 스멕타이트 광물의 일종이다.

3.10.2.4 색상과 형태

소디움 벤토나이트의 색상은 백색에서 흰색, 노란색, 초록색, 청색까지 다양하나 색상이 벤토나이트의 품질에 영향을 주는 인자는 아니다, 또한 식자들이 말하는 별칭으로는 벤토나이트가 지닌 독특한 특성으로 인해 “기적의 흙”이라 일컬어진다.

소디움 벤토나이트 광물의 분자 크기와 형태를 개념화하기는 매우 어렵지만 이해를 돕기 위해 풀어보면, 벤토나이트 결정구조상 두께에 대한 표면적 비를 살펴 볼 때, 개념적인 형태비는 1:100∼500정도로 표면적이 매우 넓은 판상형이다.

방수재료로 사용되는 형태는 분말형, 시트형, 매트형, 패널형으로 사용된다.

3.10.2.5 구조

두께는 1/1000000inch 정도이며, 표면적은 1 square inch(6.45㎠)의 종이면적이 벤토나이트 1개 분자 표면적을 400배 확대시킨 면적과 같다. 1cubic inch의 벤토나이트에는 약 10조의 벤토나이트 판상결정체가 층층이 적층되어 있다고 볼 수 있는데, 이 표면적을 환산하여 보면 약 1에이커(1acre=4,0446.8㎡)에 달하는 넓은 표면적을 지닌 것과 같다.

이와 같이 체적에 대한 표면적의 비를 환산해 볼 때 벤토나이트 표면적은 상당량의 물을 흡수할 수 있는 독특한 구조를 가진 광물이다.

3.10.2.6 화학적 고찰

벤토나이트는 몬모릴로나이트(Montmorillonite)계통의 팽창성 3층판(Si-Ai-Si)으로 이루어진 점토이며 Pyrophyllite(납석)화학 구조식인 Al2Si4(OH)로 형성되어 있다. 그중 Aluminum oxide 중간층인 Gibbsite layer에서 3+가의 Aluminum이 2+가인Magnesium으로 대체되고 1-가 만큼의 부족한 전하를 Na(Sodium)으로 만족시킨 형태가 Sodium Bentonite이다.

0.33Na

(1.67Al 0.33Mg)Si4(OH)2

이때 Gibbsite layer에서 Aluminum이 Mg로 대체되는 것 이외에 Iron등으로 대체될 수 있고, 또 이에 따라 부족한 전하를 Calcium으로 만족시킬 수가 있는데 이 부족한 전하를 만족시킨 성분에 따라 벤토나이트의 종류가 구별되어진다.

Magnesium 또는 Iron에 의해 치환된 Gibbsite layer의 Aluminum으로 인해 벤토나이트는 표면에 교환성 이온을 가지게 되며, 이때 교환성 이온에 Na가 흡착되면 소디움계 몬모릴로나이트로 형성이 되고, Galcium이 흡착되면 칼슘계 몬모릴로나이트가 형성된다.

또한 기타의 성분이 흡착되면 기타의 몬모릴로나이트로 분류되어지게 된다. 그러나 소디움계 몬모릴로나이트는 다른계 몬모릴로나이트(특히 칼슘계)보다 많은 팽윤 특성을 지니게 된다.

이와 같이 벤토나이트의 중간층인 Gibbsite층에서 발생하는 전하의 불균형에 의해 벤토나이트 각층의 모서리는 양성(+), 표면은 음성(-)이 존재하는 양극성을 띄게 되며 물분자는 음성(-)인 표면에 존재하는 소디움 이온에 흡착되고 이 물분자는 다시 더욱더 많은 물분자를 끌어당기게 된다. 이리하여 벤토나이트 층간의 공간으로 물분자가 지속적으로 흡착되어 팽윤을 지속하다가 물이 고갈되거나 외부의 압력이 내부의 팽압과 일치하는 시점에서 팽윤은 정지하게 된다.

벤토나이트의 Free-swelling을 저지할 수 있는 최소 외부압력은 개략적으로 30pound/sp.ft(146㎏/㎡)에 달하는 것으로 알려져 있다.

3.10.2.7 수화팽창 원리

입자의 모양이 층을 지어있는 건조상태의 벤토나이트는 미량의 수분이 각각의 층을 분리하고 있다. 또 각 층의 표면에는 나트륨 이온이 존재한다.

각 층의 측면은 양전하, 상·하면은 음전하를 띠고 있으므로 나트륨 이온은 상·하 표면에 부착된 상태이다. 벤토나이트에 물이 첨가되면 물분자가 나트륨 이온에 이끌려 흡착된다. 물분자는 다시 다른 물분자를 끌어당긴다.

무리를 이룬 물분자를 끌어들이고 표면의 음전하도 자꾸 늘어난다. 이리하여 벤토나이트의 층은 간격이 벌어지고 급기야 파괴된다. 즉 벤토나이트는 팽창한다. 물분자는 흩어진 벤토나이트 층에 고르게 침투하여 서로 이어준다.

혼합이 중단되면 벤토나이트층 표면의 양전하와 음전하가 서로 끌어당겨 카드로 지은 집(House of Cards)과 같은 구조를 이루게 되고 점착력은 시간이 경과할수록 증가한다.(Thixotropy 현상)이 구조는 압밀된 상태에서 더 이상의 물분자를 끌어당기지 못하고 배척하게 되므로 방수효과를 발휘한다. 팽창성은 갈라진 구체의 공극을 메꾸어 주므로 방수효과는 더욱 현저하다.

3.10.2.8 물리적 특성

① 팽창성

양질의 소디움 벤토나이트는 물과 반응하면 원래의 체적보다 약 13∼16배가 팽창하며 무게의 5배까지 물을 흡수한다. 이 특성으로 인해 벤토나이트는 흔히 씰란트로 사용되어 왔다. 즉, 토사와 섞어 층을 만들면 물이 침투하지 못하게 한다.

폐수처리장이나 쓰레기 매립장의 주위를 이렇게 처리하여 주변토사나 지하수의 오염을 에방하기도 하며, 오염된 토사내에서는 오염되지 않는 공간을 만들기도 한다.

벤토나이트와 토사 또는 시멘트와의 혼합이 지하구조물의 방수에 응용이 되었을 때 방수 내지 차수효과는 물론 지층의 움직임에 적응하는 신축성이 있으므로, 댐의 차수벽이나 건축물지하층에 이상적인 소재로 활용한다.

② 점착성

천연적인 점착성이 있어 다른 물질들과 혼합하여 점착을 시킨다. 소디움 벤토나이트는 특히 화학적으로 활성이 전혀 없으므로 점착되는 재료의 원래의 화학적 특성에 일체 영향을 주지 않는다. 높은 온도에서도 이 성질은 변하지 않으므로 주물용모래의 점착제로 널리 쓰인다.

③ 농후성(濃厚性)

매우 우수한 교질(膠質:Gel)상태를 형성하므로 점성이 낮은 다른 재료들을 걸쭉하게 하거나 농축하는 효과가 있다. 벤토나이트를 사용한 현탁액은 수년이 지나도 침전이 생기지 않고 완벽한 콜로이드 상태를 이루므로, 도료, 약품, 식물 등 각종 공업원료로 사용된다.

④ 윤활성

젖은 벤토나이트는 윤활특성이 좋아서 예전에는 마차 바퀴를 끼울 때 윤활제로 쓰였으며, 파이프 밀어넣기 작업, 천공 작업 및 전시관 속으로 케이블을 뽑아내는 등의 작업에 윤활제로 쓰인다.

3.10.2.9 방수특성

방수에 사용되는 소디움 벤토나이트(Sodium Bentonite)는 40여년 전부터 댐 하부의 누수방지를 위하여 사용되어 오고 있으며 방수특성은 다음과 같다.

① 치밀성

소디움 벤토나이트(Sodium Bentonite)는 그 층의 두께가 4㎜∼9㎜일 경우 그 투수계수가 1×10-8∼1×10-12㎝/sec에 달하는 불투수층을 형성한다. 이는 30㎝ 두께 진흙의 100배에 상당하는 치밀성을 나타내는 것과 같다.

② 자체 보수성(self-sealing)

앞에서도 열거한 바와 같이 소디움 벤토나이트는 물과 반응시 발생하는 자체에 고 팽창성능에 의하여 콘크리트 구체에 3㎜이내의 갈라진 틈(Crack)이 발생한 곳에서도 자체적으로 팽창하여 메꾸어 줌(self-sealing)으로서 방수능력이 지속적으로 유지된다.

③ 이 과정에서 순수 천연산 점토인 소디움 벤토나이트는 화학적인 변화가 전혀 발생치 않으므로 차후에도 과거와 같이 무수한 세월동안 방수 능력에 전혀 지장이 없으며, 세월이 지남에 따라 능력이 더욱 강화된다.

④ 회복성

앞에 언급한 바와 같이 벤토나이트는 물과 반응할 때 체적의 13∼16배에 달하는 팽창성을 보이는데, 물의 제거 또는 증발이 발생하는 경우, 벤토나이트는 원래의 체적으로 수축되는 회복성을 나타내게 된다.

이러한 팽윤, 수축은 벤토나이트 광물의 화학적 전기에 의한 현상으로서 무한히 반복되어 발생될 수 있고 그 효과의 배가나 감량은 있을 수 없다.

3.10.2.10 용도

□ 토목분야

① Slurry wall 안정액

지하연속벽 공사중 굴착면의 붕괴방지와 지하수의 유입을 차단, 토사 및 시멘트와 혼합하여 불투수 차수벽(Cut-off 또는 plastic wall)의 건설에 사용한다.

② 연약지반 개량재

□ 건축분야

① 지하외벽 방수시트

지하구조물의 기초 슬래브, 외벽 및 상부슬래브의 방수에 사용한다.

② 콘크리트 시공 조인트용 수팽창 지수재

콘크리트 시공 조인트의 지수판에 사용한다.

 

 
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