지중 열교환기용 멘토나이트 뒤채움재의 화학적, 물리적 영향 요소에 관한 연구 Chemical and Physical Influence Factors on Performance of Bentonite Grouts for Backfilling Ground Heat Exchanger원문보기
벤토나이트는 팽윤성이 좋고 투수계수가 낮아 수직 밀폐형 지중 열교환기 시공 시 보어홀(borehole)의 뒤채움재로 널리 사용되고 있다. 본 연구에서는 국내에서 사용되는 3가지 벤토나이트를 선정하여 배합비에 따른 점도와 열전도도를 평가하였다. 시공 조건에 따라 다양한 벤토나이트 뒤채움재의 함수비를 고려하여 점도와 열전도도 특성을 규명하기 위해 벤토나이트를 배합비(벤토나이트 무게/(벤토나이트+물) 무게) 5%, 10%, 15%, 20%, 25%로 배합하고 시간에 따른 점도와 열전도도를 측정하였다. 그리고 벤토나이트 뒤채움재가 해안지역에서 시공될 경우 지하수의 염도에 의한 영향을 검토하기 위해 배합수의 NaCl 농도가 0.1M, 0.25M, 0.5M일 때 벤토나이트 뒤채움재의 침강 특성을 관찰하였다. 벤토나이트 뒤채움재의 낮은 점도로 인해 천연규사와 같은 첨가재가 지중 열교환기 바닥에 침전될 경우 발생할 수 있는 재료분리 현상을 저점도 벤토나이트 뒤채움재를 사용하여 실험을 통해 규명하였으며 그 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다. (1) 벤토나이트 뒤채움재의 점도는 시간이 지남에 따라 또는 배합비가 증가함에 따라 상승하는 경향을 나타내며 벤토나이트 뒤채움재의 열전도도는 배합비가 증가하면 상승하지만 통일한 배합비에서는 시간에 따른 변화가 미미하다. (2) 벤토나이트 뒤채움재의 팽창지수가 높을수록 배합수의 NaCl 농도에 따른 침강율은 상대적으로 낮게 나타난다. (3) 저점도 벤토나이트 뒤채움재는 첨가재의 재료분리로 인해 보어홀 내의 깊이별 첨가재 분포를 비균질하게 하므로 보어홀 상부의 열전도도가 하부에 비해 작게 나타날 수 있는 가능성이 있다.
벤토나이트는 팽윤성이 좋고 투수계수가 낮아 수직 밀폐형 지중 열교환기 시공 시 보어홀(borehole)의 뒤채움재로 널리 사용되고 있다. 본 연구에서는 국내에서 사용되는 3가지 벤토나이트를 선정하여 배합비에 따른 점도와 열전도도를 평가하였다. 시공 조건에 따라 다양한 벤토나이트 뒤채움재의 함수비를 고려하여 점도와 열전도도 특성을 규명하기 위해 벤토나이트를 배합비(벤토나이트 무게/(벤토나이트+물) 무게) 5%, 10%, 15%, 20%, 25%로 배합하고 시간에 따른 점도와 열전도도를 측정하였다. 그리고 벤토나이트 뒤채움재가 해안지역에서 시공될 경우 지하수의 염도에 의한 영향을 검토하기 위해 배합수의 NaCl 농도가 0.1M, 0.25M, 0.5M일 때 벤토나이트 뒤채움재의 침강 특성을 관찰하였다. 벤토나이트 뒤채움재의 낮은 점도로 인해 천연규사와 같은 첨가재가 지중 열교환기 바닥에 침전될 경우 발생할 수 있는 재료분리 현상을 저점도 벤토나이트 뒤채움재를 사용하여 실험을 통해 규명하였으며 그 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다. (1) 벤토나이트 뒤채움재의 점도는 시간이 지남에 따라 또는 배합비가 증가함에 따라 상승하는 경향을 나타내며 벤토나이트 뒤채움재의 열전도도는 배합비가 증가하면 상승하지만 통일한 배합비에서는 시간에 따른 변화가 미미하다. (2) 벤토나이트 뒤채움재의 팽창지수가 높을수록 배합수의 NaCl 농도에 따른 침강율은 상대적으로 낮게 나타난다. (3) 저점도 벤토나이트 뒤채움재는 첨가재의 재료분리로 인해 보어홀 내의 깊이별 첨가재 분포를 비균질하게 하므로 보어홀 상부의 열전도도가 하부에 비해 작게 나타날 수 있는 가능성이 있다.
Bentonite-based grout has been widely used to seal a borehole constructed for a closed-loop vertical ground heat exchanger in a geothermal heat pump system (GHP) because of its high swelling potential and low hydraulic conductivity. Three types of bentonites were compared one another in terms of vis...
Bentonite-based grout has been widely used to seal a borehole constructed for a closed-loop vertical ground heat exchanger in a geothermal heat pump system (GHP) because of its high swelling potential and low hydraulic conductivity. Three types of bentonites were compared one another in terms of viscosity and thermal conductivity in this paper. The viscosity and thermal conductivity of the grouts with bentonite contents of 5%, 10%, 15%, 20% and 25% by weight were examined to take into account a variable water content of bentonite grout depending on field conditions. To evaluate the effect of salinity (i.e., concentration of NaCl : 0.1M, 0.25M, and 0.5M) on swelling potential of the bentonite-based grouts, a series of volume reduction tests were performed. In addition, if the viscosity of bentonite-water mixture is relatively low, particle segregation can occur. To examine the segregation phenomenon, the degree of segregation has been evaluated for the bentonite grouts especially in case of relatively low viscosity. From the experimental results, it is found that (1) the viscosity of the bentonite mixture increased with time and/or with increasing the mixing ratio. However, the thermal conductivity of the bentonite mixture did not increase with time but increased with increasing the mixing ratio; (2) If bentonite grout has a relatively high swelling index, the volume reduction ratio in the saline condition will be low; (3) The additive, such as a silica sand, can settle down on the bottom of the borehole if the bentonite has a very low viscosity. Consequently, the thermal conductivity of the upper portion of the ground heat exchanger will be much smaller than that of the lower portion.
Bentonite-based grout has been widely used to seal a borehole constructed for a closed-loop vertical ground heat exchanger in a geothermal heat pump system (GHP) because of its high swelling potential and low hydraulic conductivity. Three types of bentonites were compared one another in terms of viscosity and thermal conductivity in this paper. The viscosity and thermal conductivity of the grouts with bentonite contents of 5%, 10%, 15%, 20% and 25% by weight were examined to take into account a variable water content of bentonite grout depending on field conditions. To evaluate the effect of salinity (i.e., concentration of NaCl : 0.1M, 0.25M, and 0.5M) on swelling potential of the bentonite-based grouts, a series of volume reduction tests were performed. In addition, if the viscosity of bentonite-water mixture is relatively low, particle segregation can occur. To examine the segregation phenomenon, the degree of segregation has been evaluated for the bentonite grouts especially in case of relatively low viscosity. From the experimental results, it is found that (1) the viscosity of the bentonite mixture increased with time and/or with increasing the mixing ratio. However, the thermal conductivity of the bentonite mixture did not increase with time but increased with increasing the mixing ratio; (2) If bentonite grout has a relatively high swelling index, the volume reduction ratio in the saline condition will be low; (3) The additive, such as a silica sand, can settle down on the bottom of the borehole if the bentonite has a very low viscosity. Consequently, the thermal conductivity of the upper portion of the ground heat exchanger will be much smaller than that of the lower portion.
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문제 정의
천연규사가 첨가된 벤토나이트 뒤채움재로 시공한 지중 열교환기에서 천연규사가 바닥에 침전 될 경우 지중 열교환기 상부와 하부가 균질하게 뒤채움되지 못하여 열전도도 차이가 나타나면 설계 뒤채움재의 열전도도 보다 낮은 열전도도가 발현된다. 따라서, 본 연구에서는 국내 벤토나이트 중 동일한 배합비에서 상대적으로 점도가 낮은 시료인 Bentonite 1과 Bentonite 3을 사용하여 첨가재의 재료분리 현상을 평가하였다. 본 연구에서는 낮은 점도에서 천연규사의 재료분리 현상을 알아보기 위하여 벤토나이트 배합비 10%, 20%의 경우에 대해 벤토나이트 혼합물무게의 30%에 해당하는 천연규사를 첨가하여 시험을 수행하였다.
본 연구에서는 국내에서 주로 사용하는 3종의 벤토나이트 뒤채움재의 광물 특성을 분석하고 벤토나이트 배합비 및 배합 후 시간 경과에 따른 점도와 열전도도 특성을 평가하였다. 또한, 지하수의 염도에 따른 벤토나이트 뒤채움재의 체적 변화와 저점도 벤토나이트 뒤채움재에서 천연규사의 재료분리 현상을 실험적으로 고찰하였다. 연구수행 결과를 정리하면 다음과 같다.
본 연구에서는 국내에서 수직형 지중 열교환기 뒤채움재로 주로 사용되는 3종의 벤토나이트 뒤채움재를 선별하여 각각의 광물 특성을 XRD 시험을 통해 분석하고 배합비에 따른 벤토나이트 뒤채움재의 점도와 열전도도를 평가하였다. 또한, 지하수 내에 존재하는 염도에 의한 영향을 벤토나이트 뒤채움재 침강시험을 통해 분석하였다.
본 연구에서는 국내에서 주로 사용하는 3종의 벤토나이트 뒤채움재의 광물 특성을 분석하고 벤토나이트 배합비 및 배합 후 시간 경과에 따른 점도와 열전도도 특성을 평가하였다. 또한, 지하수의 염도에 따른 벤토나이트 뒤채움재의 체적 변화와 저점도 벤토나이트 뒤채움재에서 천연규사의 재료분리 현상을 실험적으로 고찰하였다.
본 연구에서는 지하수내 존재하는 양이온 농도가 벤토나이트 뒤채움재의 체적 변화에 미치는 영향을 고려하기 위해 배합수 염도에 따른 벤토나이트 뒤채움재의 침강 시험을 수행하였다. 염도 조절을 위해 NaCl 수용액을 사용하였으며 NaCl 농도 0.
가설 설정
실험에 사용한 천연규사 중 100번체를 통과한 입자가 있을 수 있어 100번체 잔류율은 각층의 실제 천연규사 잔류율 보다는 다소 작을 것이다. 그러나 각 층에서 벤토나이트와 천연규사를 완전히 분리해서 무게를 측정하기는 실험적으로 어렵기 때문에, 본 연구에서는 천연규사 입자 중 100번체를 통과하는 양이 미미할 것이라는 가정 하에 각 층에서 측정한 100번체 잔류량을 천연규사 잔류량으로 간주하여 실험결과를 해석하였다. 상부 세 개 층의 천연규사 잔류율은 2% 이하이고, 특히 첫 번째 층의 경우 거의 0%에 가깝지만, 최하부 층인 네 번째 층(0～7.
그림 18은 배합비 10%의 Bentonite 1에서 각 층의 열전도도와 100번체 잔류율을 보여준다. 실험에 사용한 천연규사 중 100번체를 통과한 입자가 있을 수 있어 100번체 잔류율은 각층의 실제 천연규사 잔류율 보다는 다소 작을 것이다. 그러나 각 층에서 벤토나이트와 천연규사를 완전히 분리해서 무게를 측정하기는 실험적으로 어렵기 때문에, 본 연구에서는 천연규사 입자 중 100번체를 통과하는 양이 미미할 것이라는 가정 하에 각 층에서 측정한 100번체 잔류량을 천연규사 잔류량으로 간주하여 실험결과를 해석하였다.
제안 방법
5cm간격으로 층을 나누어 입도 분석 등을 통해 깊이별로 시료 성상을 분석할 수 있다. 분리 가능한 20개의 링을 그림 9(a)와 같이 쌓아올린 후, 시험장비에 벤토나이트 천연규사 혼합물을 배합하여 채우고 2일간 방치하고 시험장비를 그림 9(b)와 같이 7.5cm 간격으로 4등분하여 층별 재료분리 정도를 입도분석과 실내 열전도도 시험으로 평가하였다.
Bentonite 3 시료의 경우, 벤토나이트 배합비 5%에서도 점도가 시간에 따라 증가하는 경향을 보였으며 배합비 15%의 경우, 배합 후 3시간 경과 시점에서 시료 내부와 표면에 균열이 발생하여 점도 측정이 불가능하였다. Bentonite 3 시료는 벤토나이트 배합비 20% 이상에서는 점도 측정 장비의 측정 범위를 초과하여 점도 측정을 중지하고 시간에 따른 열전도도만 측정하였다. Bentonite 3 시료의 경우 벤토나이트 배합비 25%에서 시료의 배합이 어려워 시험에서 제외하였다.
벤토나이트와 천연규사의 재료분리 여부를 확인하고 재료분리가 열전도도에 미치는 영향을 알아보고자 각각의 혼합 기준에 대한 재료분리 현상을 검토하였다. 그리고 재료분리 현상이 발생한 시료에 대해 각 층별 입도분석과 열전도도 측정 시험을 수행하여 재료분리 정도를 평가하였다.
재료분리 시험이 완료된 20개의 링을 4등분하여 채취한 시료를 건조시켜 100번체를 사용한 입도 분석을 통해 천연규사 잔류율을 측정하였다. 또한 천연규사의 재료분리가 열전도도에 미치는 영향을 알아보기 위하여 각 층의 시료를 채취한 후 열전도도를 함께 측정하였다.
본 연구에서는 국내에서 수직형 지중 열교환기 뒤채움재로 주로 사용되는 3종의 벤토나이트 뒤채움재를 선별하여 각각의 광물 특성을 XRD 시험을 통해 분석하고 배합비에 따른 벤토나이트 뒤채움재의 점도와 열전도도를 평가하였다. 또한, 지하수 내에 존재하는 염도에 의한 영향을 벤토나이트 뒤채움재 침강시험을 통해 분석하였다. 마지막으로, 벤토나이트 뒤채움재 시공 시, 유동성 확보를 위해 설계 배합비 이상으로 물이 첨가되어 뒤채움재의 점도가 과도하게 낮아질 경우, 첨가재로 사용된 천연규사가 보어홀 저면에 침전하는 현상을 재료분리 시험을 통해 규명하였다.
또한, 지하수 내에 존재하는 염도에 의한 영향을 벤토나이트 뒤채움재 침강시험을 통해 분석하였다. 마지막으로, 벤토나이트 뒤채움재 시공 시, 유동성 확보를 위해 설계 배합비 이상으로 물이 첨가되어 뒤채움재의 점도가 과도하게 낮아질 경우, 첨가재로 사용된 천연규사가 보어홀 저면에 침전하는 현상을 재료분리 시험을 통해 규명하였다.
016 P로 약 70 P 증가한 벤토나이트 배합비 25% 시료에 비해 미소함을 알 수 있다. 모든 벤토나이트 배합비에서 Bentonite 1 시료 보다 큰 점도를 나타냈으며 배합비 25% 시료의 경우, 배합 후 측정 3시간 시점에 점도가 측정값의 한계치인 120 P를 넘어서서 더 이상 측정이 불가능하여 점도 측정은 중지하고 열전도도 측정만 지속하였다. 그림 12에 나타낸 Bentonite 3 시료의 경우 Bentonite 1시료에 비해 점도가 약 2배에서 크게는 약 120배 정도 컸으며 Bentonite 2 시료에 비해 약 2배에서 약 80배 정도 큰 점도를 보였다.
벤토나이트 뒤채움재의 낮은 점도로 인한 천연규사의 재료분리를 평가하기 위해 층별로 벤토나이트 뒤채움재의 구성 성분을 측정하여 재료분리 정도를 가늠할 수 있도록 그림 9와 같은 분리형 황동링으로 구성되어 있는 침강시험 장비를 고안하였다. 시험장비는 황동 재질로 제작되었으며 직경 15cm, 두께 1.
현재 국내에서 유통되는 3종의 벤토나이트 시료에 대해 XRD(X-ray Diffraction) 시험과 Free Swell 시험(ASTM D5890)을 수행하였다. 벤토나이트 시료의 Free Swell 시험은 물을 채운 100ml 메스실린더에 2g의 벤토나이트 분말시료를 약 0.1g씩 최소 10분 간격으로 20회가량 나누어 넣어 시료가 충분히 수화하고 침강할 수 있도록 시험을 진행한다. 약 16시간 이후(ASTM 기준)에 점토 시료가 충분히 팽윤(swelling) 되도록 한 후, 점토 시료와 물의 경계를 mL 단위로 표시하고 이 값을 팽창지수(swelling index)로 정의한다.
그림 7은 열전도도와 점도를 동시에 측정하기 위한 시험모식도이다. 벤토나이트 시료의 점도와 열전도도는 1시간 간격으로 총 6시간 측정하였으며 시험 결과를 토대로 시간에 따른 점도와 열전도도 변화를 평가하였다.
벤토나이트와 천연규사의 재료분리 여부를 확인하고 재료분리가 열전도도에 미치는 영향을 알아보고자 각각의 혼합 기준에 대한 재료분리 현상을 검토하였다. 그리고 재료분리 현상이 발생한 시료에 대해 각 층별 입도분석과 열전도도 측정 시험을 수행하여 재료분리 정도를 평가하였다.
따라서, 본 연구에서는 국내 벤토나이트 중 동일한 배합비에서 상대적으로 점도가 낮은 시료인 Bentonite 1과 Bentonite 3을 사용하여 첨가재의 재료분리 현상을 평가하였다. 본 연구에서는 낮은 점도에서 천연규사의 재료분리 현상을 알아보기 위하여 벤토나이트 배합비 10%, 20%의 경우에 대해 벤토나이트 혼합물무게의 30%에 해당하는 천연규사를 첨가하여 시험을 수행하였다.
이러한 현장 조건을 모사하기 위해 벤토나이트 배합비와 배합 후 시간 경과에 따른 점도와 열전도도를 동시에 측정하였다. 사용한 벤토나이트 시료의 배합비(벤토나이트의 무게/(벤토나이트+물)의 무게)는 각각 5%, 10%, 15%, 20%, 25%를 사용하였다. 그림 7은 열전도도와 점도를 동시에 측정하기 위한 시험모식도이다.
그림 5는 TP02 system의 열전도도 측정 모식도 이다. 시료는 일정한 온도를 유지하기 위해 항온수조를 이용하여 시료의 온도를 조절 하였으며 벤토나이트는 겔(gel) 상태로 일정 형태를 이루지 않기 때문에 아크릴 성형틀을 사용하여 열전도도를 측정하였다. TP02 System의 열전도도 측정용 탐침은(그림 6) 스텐인리스(stainless) 재질로 이루어져 있으며 탐침의 길이는 150mm이고 직경은 1.
시험은 그림 8과 같이 1000mL 메스실린더를 사용하였다. 시험 중 수분의 증발을 막기 위해 메스실린더 입구는 봉인한 상태로 침강 시험을 수행하였다.
본 연구에서는 지하수내 존재하는 양이온 농도가 벤토나이트 뒤채움재의 체적 변화에 미치는 영향을 고려하기 위해 배합수 염도에 따른 벤토나이트 뒤채움재의 침강 시험을 수행하였다. 염도 조절을 위해 NaCl 수용액을 사용하였으며 NaCl 농도 0.1M, 0.25M, 0.5M에 대한 벤토나이트 뒤채움재의 침강량을 시간에 따라 측정하였다. 시험은 그림 8과 같이 1000mL 메스실린더를 사용하였다.
현장에서 벤토나이트 뒤채움재의 점도를 낮추어 시공성을 높이기 위해 설계 배합비보다 많은 양의 물을 첨가하거나 현장 지반에 피압 지하수가 존재할 경우, 실제 시공된 벤토나이트 뒤채움재의 함수비와 열전도도가 변할 수 있다. 이러한 현장 조건을 모사하기 위해 벤토나이트 배합비와 배합 후 시간 경과에 따른 점도와 열전도도를 동시에 측정하였다. 사용한 벤토나이트 시료의 배합비(벤토나이트의 무게/(벤토나이트+물)의 무게)는 각각 5%, 10%, 15%, 20%, 25%를 사용하였다.
재료분리 시험이 완료된 20개의 링을 4등분하여 채취한 시료를 건조시켜 100번체를 사용한 입도 분석을 통해 천연규사 잔류율을 측정하였다. 또한 천연규사의 재료분리가 열전도도에 미치는 영향을 알아보기 위하여 각 층의 시료를 채취한 후 열전도도를 함께 측정하였다.
Bentonite 1은 벤토나이트 배합비 10%와 20% 모두에서 재료분리 현상이 나타난 반면 Bentonite 2의 경우에는 벤토나이트 배합비 10%에서만 재료분리 현상이 나타났다. 재료분리 현상이 일어날 경우, 천연규사가 전체 층을 통해 균질하게 분포되어 있지않기 때문에 천연규사의 재료분리 정도를 평가하기 위해 시험이 완료된 시료를 4층으로 나누어 채취하여 건조시키고 100번체를 통과시켜 잔류율(각 층의 100번체에 남은 건조 시료 무게 / 각 층의 건조 시료 총 무게)로 표시하였다.
현재 국내에서 유통되는 3종의 벤토나이트 시료에 대해 XRD(X-ray Diffraction) 시험과 Free Swell 시험(ASTM D5890)을 수행하였다. 벤토나이트 시료의 Free Swell 시험은 물을 채운 100ml 메스실린더에 2g의 벤토나이트 분말시료를 약 0.
대상 데이터
시료는 일정한 온도를 유지하기 위해 항온수조를 이용하여 시료의 온도를 조절 하였으며 벤토나이트는 겔(gel) 상태로 일정 형태를 이루지 않기 때문에 아크릴 성형틀을 사용하여 열전도도를 측정하였다. TP02 System의 열전도도 측정용 탐침은(그림 6) 스텐인리스(stainless) 재질로 이루어져 있으며 탐침의 길이는 150mm이고 직경은 1.5mm이다.
일반적으로 지중 열교환기에 사용되는 벤토나이트 뒤채움재는 전열성을 향상시키기 위해 천연규사나 모래와 같은 첨가재를 사용한다(Remund와 Lund, 1993; 한정상 등, 2005). 본 연구에서 사용한 천연규사는 주물이나 토목용으로 사용되는 재료이며 SiO2 함유량이 95% 이상이다. 시험에 사용한 천연규사의 입도분포는 그림 3에 나타냈다.
벤토나이트 뒤채움재의 낮은 점도로 인한 천연규사의 재료분리를 평가하기 위해 층별로 벤토나이트 뒤채움재의 구성 성분을 측정하여 재료분리 정도를 가늠할 수 있도록 그림 9와 같은 분리형 황동링으로 구성되어 있는 침강시험 장비를 고안하였다. 시험장비는 황동 재질로 제작되었으며 직경 15cm, 두께 1.5cm의 20개 링으로 구성되며 1.5cm간격으로 층을 나누어 입도 분석 등을 통해 깊이별로 시료 성상을 분석할 수 있다. 분리 가능한 20개의 링을 그림 9(a)와 같이 쌓아올린 후, 시험장비에 벤토나이트 천연규사 혼합물을 배합하여 채우고 2일간 방치하고 시험장비를 그림 9(b)와 같이 7.
이론/모형
벤토나이트 시료의 열전도도 측정은 비정상 열선법을 사용하는 TP02 system(Hukesflux, US)을 사용하여 측정하였다. 그림 5는 TP02 system의 열전도도 측정 모식도 이다.
성능/효과
(1) 벤토나이트 배합비(벤토나이트 무게/(벤토나이트+물) 무게) 5%, 10%, 15%, 20%, 25%에 대한 점도와 열전도도 측정 결과, 점도는 시간에 따라, 그리고 배합비가 증가함에 따라 증가하나 열전도도는 벤토나이트 배합비가 증가할 경우에만 증가하고 동일한 벤토나이트 배합비에서는 시간 경과에 따른 변화가 매우 적었다. 따라서, 시공성 향상을 위해 설계 배합비보다 많은 물을 배합하여 점도를 낮출 경우 벤토나이트 뒤채움재의 열전도도 감소하므로 주의해야 한다.
(2) 벤토나이트 뒤채움재는 배합수의 염도에 의해 시간에 따라 체적이 감소하며 팽창지수가 높을수록 최종 침강율(시간에 따른 벤토나이트 시료의 높이 / 초기 벤토나이트 시료의 높이)이 작다. 배합수의 NaCl 농도 0.
(3) 저점도 벤토나이트와 천연규사를 배합한 결과, 천연규사가 바닥에 침강하는 재료분리 현상이 관찰되었으며 재료분리가 발생 하였을 때 시료의 상부와 하부에 열전도도 차이가 발생하였다. 벤토나이트 종류에 따라 시료 상부와 하부의 열전도도 차이가 다르게 나타났으나 점도가 가장 낮은 시료(Bentonite 1)의 경우 시료의 상하부 열전도도 차이는 0.
그림 13은 배합 후 1시간이 경과된 시점에서 벤토나이트 시료의 점도와 열전도도 비교를 보여준다. 3가지 벤토나이트 시료에서 모두 벤토나이트 배합비가 증가함에 따라 열전도도 증가 정도가 유사함을 알 수 있다. 하지만, 그림 13(b)에 나타나듯이 벤토나이트 함량 증가에 따른 점도 증가율은 Bentonite 3이 가장 크고 그 다음 Bentonite 2, Bentonite 1 순으로 평가되었다.
8%로 평가되었다. Bentonite 1은 0.1M에서 1/3가량 침강하여 다른 시료에 비해 상대적으로 배합수 염도에 민감한 것으로 나타났다.
벤토나이트의 배합비를 10%, 20%로 고정하여 재료분리 시험을 수행한 결과, 벤토나이트의 종류에 따라 상이한 결과가 나타났다. Bentonite 1은 벤토나이트 배합비 10%와 20% 모두에서 재료분리 현상이 나타난 반면 Bentonite 2의 경우에는 벤토나이트 배합비 10%에서만 재료분리 현상이 나타났다. 재료분리 현상이 일어날 경우, 천연규사가 전체 층을 통해 균질하게 분포되어 있지않기 때문에 천연규사의 재료분리 정도를 평가하기 위해 시험이 완료된 시료를 4층으로 나누어 채취하여 건조시키고 100번체를 통과시켜 잔류율(각 층의 100번체에 남은 건조 시료 무게 / 각 층의 건조 시료 총 무게)로 표시하였다.
그림 20은 Bentonite 2에 대한 시료 높이 별 천연 규사 100번체 잔류율과 열전도도를 보여준다. Bentonite 2는 배합비 10%에서만 재료분리가 발생하였고, 시험 종료 후 4개의 층으로 나누어 각 층에서의 천연 규사의 양을 측정한 결과 그림 20에서와 같이 실험 장비의 가장 아래층인 0～7.5cm에서 천연 규사의 양이 가장 많게 측정되었다. 특히, 상부 22.
5M에서는 148mm 침강하였다. Bentonite 2의 최종 침강율은 배합수의 염도 NaCl 0.1M, 0.25M, 0.5M에 따라 각각 0%, 0.9%, 37.0%로 나타났다.
Bentonite 1은 저급으로 주물공정에서 사용되며 Bentonite 2와 3은 토목 건설용으로 사용되고 매립지 차수벽이나 슬러리용으로 사용되는 제품이다. XRD 분석 결과 사장석(Plagioclase)과 몬모릴로나이트(Montmorillonite)가 주요 구성 광물임을 알 수 있다.
XRD 시험과 Free Swell 시험으로부터 몬모릴로나이트 함유량이 높을수록 팽창지수가 큰 것으로 나타났다. 몬모릴로나이트는 팽윤성이 우수한 점토 광물 중 하나로써 비표면적이 대략 800m2/g에 달한다.
점도와 열전도도 모두 벤토나이트 함량에 따라 증가하는 형태를 보인다. 그러나 점도는 시간이 지남에 따라 벤토나이트 함량이 증가하면서 급격히 증가하는 추세를 보이지만 열전도도는 시간이 지남에 따라 거의 일정한 값으로 수렴하였다. 특히, 벤토나이트 배합비 5%와 10%의 경우, 다른 벤토나이트 배합비에 비해 시간에 따른 점도 변화가 거의 없다.
벤토나이트 배합비 10%의 경우보다 재료분리가 명확하게 발생하지 않았다. 네 개의 층에서 천연규사의 100번체 잔류율이 38～42% 정도로 차이가 나타났으며 이에 따른 열전도도는 0.87～0.93W/m･K으로 배합비 10%의 시험결과에 비해 상대적으로 변화폭이 작았다.
5M에서 195mm 침강하였다. 따라서 Bentonite 1의 최종 침강율은 배합수 염도 NaCl 0.1M, 0.25M, 0.5M에 따라 각각 33.0%, 41.3%, 48.8%로 평가되었다. Bentonite 1은 0.
(2) 벤토나이트 뒤채움재는 배합수의 염도에 의해 시간에 따라 체적이 감소하며 팽창지수가 높을수록 최종 침강율(시간에 따른 벤토나이트 시료의 높이 / 초기 벤토나이트 시료의 높이)이 작다. 배합수의 NaCl 농도 0.5M의 경우, 벤토나이트 혼합물은 최대 48.8%의 침강율을 보였으나 몬모릴로나이트 함량이 가장 높은 벤토나이트 시료(Bentonite 3)는 침강율이 23.8%로 다른 시료에 비해 상대적으로 작게 나타났다. 따라서, 배합수 염도에 의한 영향이 우려되는 지역에서는 팽창지수가 높거나 몬모릴로나이트 함량이 높은 벤토나이트를 사용하여 염도에 의한 영향을 최소화하는 것이 필요하다.
벤토나이트의 배합비를 10%, 20%로 고정하여 재료분리 시험을 수행한 결과, 벤토나이트의 종류에 따라 상이한 결과가 나타났다. Bentonite 1은 벤토나이트 배합비 10%와 20% 모두에서 재료분리 현상이 나타난 반면 Bentonite 2의 경우에는 벤토나이트 배합비 10%에서만 재료분리 현상이 나타났다.
시험 결과, 최악의 경우 바닷물(≈NaCl 몰농도 0.5～0.6M)이 지중 열교환기에 유입되어 지중 열교환기에 시공된 벤토나이트 뒤채움재의 체적이 시공 직후에 비해 상당히 줄어들 수 있음을 알 수 있다.
하지만, 그림 13(b)에 나타나듯이 벤토나이트 함량 증가에 따른 점도 증가율은 Bentonite 3이 가장 크고 그 다음 Bentonite 2, Bentonite 1 순으로 평가되었다. 이 결과는 벤토나이트 시료에 포함되어 있는 몬모릴로나이트 함유량 또는 팽창지수 차이에 기인하는 것으로 표 1에 나타난 바와 같이 몬모릴로나이트 함량과 팽창지수가 Bentonite 3에서 가장 큰 값을 보이고 Bentonite 1이 가장 작은 값을 갖는 것으로 설명할 수 있다. 따라서, 몬모릴로나이트 함량이 높은 벤토나이트 뒤채움재 배합 시 시간 경과에 따른 점도 증가에 대한 주의가 요구된다.
3가지 벤토나이트 시료에 대해 측정된 열전도도의 시간에 대한 변화는 매우 미미했으나 기존 연구 결과(최항석 등, 2008)와 유사하게 벤토나이트 함량에 따라 증가함을 알 수 있다. 점도는 벤토나이트의 함량이 증가할수록 그리고 배합 후 시간이 경과 할수록 증가하는 경향을 보였다. 그림 13은 배합 후 1시간이 경과된 시점에서 벤토나이트 시료의 점도와 열전도도 비교를 보여준다.
천연규사 잔류율의 차이는 열전도도의 변화에도 크게 영향을 주었다. 천연규사 잔류율이 매우 낮은 상부의 세 개 층에서는 0.68～0.77W/m･K의 열전도도를 보이지만, 네 번째 층(0～7.5cm)의 열전도도는 첫 번째 층에 비해 170%인 1.16W/m･K로 측정되었다.
5cm 구간의 천연규사 양을 비교해 보면 약 2배 정도의 차이를 보이고 있다. 천연규사의 잔류율이 가장 높은 하부(0～7.5cm) 구간에서 열전도도가 0.88W/m･K로 가장 높게 측정된 반면, 하부에 비해 약 50%의 천연규사 잔류율을 보인 상부 첫 번째 층에서는 열전도도가 0.85W/m･K로 다소 작게 측정되었다.
그림에서 표시한 ‘시간 0’에 해당하는 측정치는 배합 직후 시료의 점도와 열전도도 값을 나타낸다. 측정 결과, 점도는 기존 연구(최항석 등, 2008; Lee 등, 2010)에서와 같이 시간에 따라 점차 증가하는 것으로 나타났으며 열전도도는 시간에 따른 변화가 전반적으로 미미하다. 그림 10은 Bentonite 1 시료의 배합비에 따른 점도와 열전도도의 시간 의존적 변화를 나타낸다.
그림 16. 시간에 따른 Bentonite 3 시료의 침강율
침강시험 결과, 배합수의 염도가 증가 할수록 벤토나이트 혼합물의 체적이 감소하였다
. 이는 앞서서 언급했듯이, 점토 광물의 이중층의 두께가 혼합수에 존재하는 양이온 농도 증가에 따라줄어드는 결과로 설명할 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
국내에서 주로 시공되는 지열 냉난방 시스템의 지중 열교환기는 무엇인가?
국내에서 시공되는 지열 냉난방 시스템의 지중 열교환기는 시공 면적이 상대적으로 적게 소요되는 수직 밀폐형 지중 열교환기(그림 1)를 적용한 시스템을 주로 시공하고 있다. 수직 밀폐형 지중 열교환기는 지중으로 약 150～200m까지 천공한 대략 15cm 직경의 보어홀에 U자관으로 연결된 두 가닥의 HDPE 파이프를 삽입하고 물이나 에틸알코올과 같은 순환수를 파이프로 순환시켜 주변 지반과 열교환이 이루어지는 방식을 갖는다.
수직 밀폐형 지중 열교환기는 어떤 방식으로 이루어지는가?
국내에서 시공되는 지열 냉난방 시스템의 지중 열교환기는 시공 면적이 상대적으로 적게 소요되는 수직 밀폐형 지중 열교환기(그림 1)를 적용한 시스템을 주로 시공하고 있다. 수직 밀폐형 지중 열교환기는 지중으로 약 150～200m까지 천공한 대략 15cm 직경의 보어홀에 U자관으로 연결된 두 가닥의 HDPE 파이프를 삽입하고 물이나 에틸알코올과 같은 순환수를 파이프로 순환시켜 주변 지반과 열교환이 이루어지는 방식을 갖는다. 그림 2에서 설명하듯 보어홀과 HDPE 파이프 사이를 채우는 뒤채움재는 지반과 파이간의 열교환 매개체 역할을 담당한다.
국내에서 사용하는 뒤채움재 중, 벤토나이트의 특징과 역할은?
국내에서는 뒤채움재로 벤토나이트를 사용하도록 지중 열교환기 설계 지침으로 권장하고 있다(지식경제부, 2008). 벤토나이트는 투수계수가 낮고 물과 배합하였을 때 팽윤하는 성질을 가지고 있어 외부 유입수로부터 파이프를 보호하고 파이프 손상 시 유출될 수 있는 지중 순환수의 외부 확산을 방지한다. 또한, 벤토나이트의 팽윤성을 이용하여 파이프와 지반 사이에 열적 단락이 발생하는 것을 방지하는 역할을 하게 된다(최항석 등, 2008).
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