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문제 정의
- 하지만 해포석의 비가 증가할수록 소성성을 가지는 벤토나이트의 함량이 감소하여 건조된 시료의 변형이 발생하였으며, 해포석의 중량비가 40% 이상인 경우 건조된 혼합점토는 시료 초기의 형태를 유지하지 못하고 큰 뒤틀림 현상이 발생하였다. 따라서 본 연구에서는 입자차수재 제조 시 벤토나이트의 균열을 제어하기 위하여 벤토나이트와 해포석의 중량비를 80 : 20으로 결정하여 혼합점토를 준비하였다.
- 본 연구에서는 차수시설 시공 시 발생할 수 있는 벤토나이트의 문제점들을 극복하기 위해 입자차수재를 제작하여 투수성을 평가하고자 하였다.
- 이에 본 연구에서는 해수 조건에서 차수재 시공 시 발생할 수 있는 벤토나이트의 문제점들을 극복하기 위해 입자차수재를 제작하여 투수성을 평가하고자 하였다. 건조수축균열 제어를 위해 섬유상의 조직을 가지는 해포석을, 해수에 의하여 감소되는 벤토나이트의 팽창성을 유지하기 위해 내염성과 팽창성을 가지는 구아검을 사용하였고, 또한 벤토나이트의 작업성을 향상시키기 위하여 벤토나이트-해포석-구아검 혼합물(이후 ‘차수물질’로 표기)을 제강슬래그에 코팅하였다.
가설 설정
- 7. Hydraulic conductivity of the particle sealant by (a) bentonite and (b) sepiolite content.
제안 방법
- 건조수축균열 실험을 통해 벤토나이트와 해포석의 비를, 팽윤도 시험을 통해 혼합점토(벤토나이트-해포석 혼합물)와 구아검의 비를, Böresson et al.(2003)의 연구를 토대로 차수물질(벤토나이트-해포석-구아검 혼합물)과 제강슬래그의 비를 각각 결정하였다.
- 제시된 비율로 혼합점토와 구아검이 충분히 혼합되도록 한 후 각 시료를 2g씩 칭량하였다. 100 mL 매스실린더에 수돗물 또는 모사 해수 90 mL 를 부은 다음 준비된 2g의 시료를 10분 간격으로 0.1 g씩 20회에 걸쳐 넣되 매스실린더의 벽면에 묻지 않도록 하였다. 시료 첨가가 끝난 후 총 물의 양이 100 mL가 되도록 메스실린더에 수돗물 또는 모사 해수를 첨가하였다.
- 건조수축균열 제어를 위해 섬유상의 조직을 가지는 해포석을, 해수에 의하여 감소되는 벤토나이트의 팽창성을 유지하기 위해 내염성과 팽창성을 가지는 구아검을 사용하였고, 또한 벤토나이트의 작업성을 향상시키기 위하여 벤토나이트-해포석-구아검 혼합물(이후 ‘차수물질’로 표기)을 제강슬래그에 코팅하였다.
- 건조수축균열 제어에 필요한 해포석과 벤토나이트의 비율을 구하기 위해 벤토나이트-해포석 혼합토(이후 ‘혼합점토’로 표기)의 건조수축균열을 측정하였으며, 해수 조건에서 팽창성 유지에 필요한 혼합점토와 구아검의 비율을 구하기 위하여 모사 해수 조건에서 팽윤도 시험을 수행하였다.
- 시료 첨가가 끝난 후 총 물의 양이 100 mL가 되도록 메스실린더에 수돗물 또는 모사 해수를 첨가하였다. 벤토나이트가 물과 충분히 반응할 수 있도록 24시간 이상 작은 진동이나 충격이 가해지지 않는 곳에서 보관하였으며 24시간이 지난 후 메스실린더의 눈금을 읽어 시료의 팽윤도를 측정하였다.
- 벤토나이트의 건조수축균열을 제어하기 위해 섬유상 조직을 가지고 있는 해포석을 벤토나이트와 혼합하였다. 해포석의 함량 증가에 따른 벤토나이트의 균열 특성을 평가하기 위하여 혼합점토(벤토나이트-해포석 혼합물) 내 해포석의 중량비를 0~50%까지 10%씩 증가시키며 총 6가지의 시료를 준비하였다.
- 1 g씩 20회에 걸쳐 넣되 매스실린더의 벽면에 묻지 않도록 하였다. 시료 첨가가 끝난 후 총 물의 양이 100 mL가 되도록 메스실린더에 수돗물 또는 모사 해수를 첨가하였다. 벤토나이트가 물과 충분히 반응할 수 있도록 24시간 이상 작은 진동이나 충격이 가해지지 않는 곳에서 보관하였으며 24시간이 지난 후 메스실린더의 눈금을 읽어 시료의 팽윤도를 측정하였다.
- 건조수축균열 제어에 필요한 해포석과 벤토나이트의 비율을 구하기 위해 벤토나이트-해포석 혼합토(이후 ‘혼합점토’로 표기)의 건조수축균열을 측정하였으며, 해수 조건에서 팽창성 유지에 필요한 혼합점토와 구아검의 비율을 구하기 위하여 모사 해수 조건에서 팽윤도 시험을 수행하였다. 실험을 통하여 얻어진 재료들의 비에 따라 혼합된 차수물질을 제강슬래그의 표면에 코팅하여 입자 형태를 지닌 입자차수재를 제조한 후 해수 조건에서의 투수성을 평가하기 위해 모사 해수를 이용한 강성벽체 투수실험을 수행하였으며, 현장 조건을 모사할 수 있는 연성벽체 투수실험을 수행하여 강성벽체 투수실험 결과값과 비교 분석하였다.
- 5배가 되는 물을 첨가하여 반죽한 후 반죽된 혼합점토를 높이 3 mm, 직경 30 mm가 되는 몰드에 넣어 시료를 성형하였다. 완성된 시료는 풍건상태로 상온(약 26℃)에서 48시간 이상 건조 후 1 cm 이상의 균열 유무를 평가하였다.
- 5이다. 유기물인 구아검을 제외한 벤토나이트, 해포석, 제강슬래그의 화학성분분석을 위해 XRF(X-ray Fluorescence Spectrometer) 분석을 실시하였으며 그 결과를 Table 2에 정리하였다.
- 이를 확인하기 위해 해수 조건에서 1.0 × 10−6~1.0 × 10−7 cm/sec 사이의 투수계수를 가지는 입자차수재 중 BSG 5를 선택하여 연성벽체 투수실험을 수행하였으며, BSG 5의 강성벽체 투수실험과 연성벽체 투수실험 결과 값을 Fig. 9에 나타내었다.
- (2003)은 0~20 mm 사이의 입도를 가진 쇄석골재와 벤토나이트 혼합물의 벤토나이트 중량비가 50% 이상일 경우 쇄석골재간의 간극은 벤토나이트에 의해 모두 채워진다고 보고하였다. 이에 본 연구는 제강슬래그의 입경이 9.5~11.2 mm임을 고려하여 입자차수재 내의 차수물질의 함량비를 50%와 60%로 결정하여 제강슬래그를 차수물질로 코팅하였다. Table 5는 제작된 입자차수재의 구성비를 나타내며 각 물질들의 비율에 따라 BSG 1~6로 명명하였다.
- 입자차수재 제작에 앞서 균열제어 특성을 가지는 해포석과 내염성을 가지는 구아검을 벤토나이트와 혼합하여 제강슬래그의 표면에 코팅될 차수물질을 제조하였다. 벤토나이트와 해포석과의 혼합비를 도출하기 위하여 건조수축균열을 측정한 결과, 혼합점토(벤토나이트-해포석 혼합물) 중 해포석의 함량이 20% 이상이면 해포석의 균열제어 특성으로 인해 건조된 시료에서 건조수축균열이 발생하지 않음을 확인하였다.
- 입자차수재의 제작을 위해 제강슬래그에 차수물질을 1 : 1 (차수물질 함량 50%), 2 : 3 (차수물질 함량 60%) 비율로 코팅하여 입자차수재를 제작하여 모사해수를 이용한 투수 실험을 강성벽체 조건과 연성벽체 조건으로 수행하였다. 강성벽체 투수실험 결과, 차수물질 내에 혼합점토와 구아검의 비가 1 : 0.
- 제조된 입자차수재의 해수 조건에서의 투수성을 확인하기 위해 강성벽체 투수실험을 실시하였으며, 현장 토압 상태에서의 입자차수재의 투수성을 확인하기 위해 연성벽체 투수실험을 수행하였고 그 결과를 강성벽체 투수실험 값과 비교하였다. 강성벽체 투수실험(Fig.
- 1과 같이 제강슬래그의 표면에 차수물질(벤토나이트-해포석-구아검 혼합물)을 코팅한 구형의 차수재를 입자차수재로 사용하였다. 차수물질을 제조하기 위하여 본 연구에서는 건조수축균열 측정 결과를 바탕으로 벤토나이트와 해포석의 비를 구하였으며, 팽윤도 시험을 통하여 혼합점토와 구아검의 비를 구하였다. 차수물질 중량의 1.
- 025 이상일 때 차수물질(벤토나이트-해포석-구아검 혼합물)이 해수 조건에서 담수 조건에서 보다 큰 팽윤도를 가짐을 확인하였다. 차수물질의 팽윤도는 입자차수재 간의 공극을 메워 입자차수재의 투수계수를 낮추는 주요한 요인이므로 본 연구에서는 모사 해수 조건에서도 모사 담수 조건보다 큰 팽윤도를 가지는 3가지 혼합비(1 : 0.025, 1 : 0.05, 1 : 0.075)를 선택하여 차수물질을 제조하였다.
- 5배가 되는 물을 분말 형태의 차수물질에 첨가하여 반죽한 후 반죽된 차수물질을 제강슬래그의 표면에 코팅하였다. 차수물질의 팽윤도를 고려하기 위하여 혼합점토와 구아검의 비를 달리하여 3종류의 차수물질을 준비하였으며, 제조된 차수물질의 함량을 고려하기 위하여 두 가지 함량 조건에 대하여 입자차수재를 제작하였다.
- 이는 구아검의 함량이 증가함에 따라 해수 조건에서도 벤토나이트의 내염성과 팽창도는 증가하여 벤토나이트가 충분히 팽창했기 때문이라 사료된다. 차수물질의 팽창도는 입자차수재 간의 공극을 메워 입자차수재의 투수계수를 낮추는 주요한 요인이므로 본 연구에서는 모사 해수 조건에서도 모사 담수 조건보다 큰 팽윤도를 가지는 3가지 혼합비(1 : 0.025, 1 : 0.05, 1 : 0.075)를 선택하여 차수물질을 제조하였다.
- 차수재에 필요한 투수계수는 1.0 × 10−7 cm/sec 이하의 값을 가져야 하므로(유동주 외, 2006) 120시간 경과 후 1.0 × 10−7 cm/sec 이상이 나오는 시료에 대해서는 실험을 중지하였고, 1.0 × 10−7 cm/sec 이하가 나오는 시료에 대해서만 지속적으로 실험을 수행하여 일정한 값을 얻을 때까지 실험을 수행하였다.
- 해수 조건에서 입자차수재의 투수계수에 가장 큰 영향을 미치는 구성 성분을 파악하기 위해 벤토나이트, 해포석, 구아검 함량 변화에 따른 입자차수재의 투수계수 변화를 각각 분석하였다. 벤토나이트 및 해포석의 함량에 따른 투수계수는 변화는 Fig.
- 해수 조건에서도 담수 조건 이상의 팽윤도를 확보할 수 있는 혼합점토와 구아검과의 비를 구하기 위하여 중량비를 1 : 0.01, 1 : 0.0125, 1 : 0.025, 1 : 0.05, 1 : 0.75로 변화시키며 팽윤도 시험(ASTM 5890)을 수행하였다. 제시된 비율로 혼합점토와 구아검이 충분히 혼합되도록 한 후 각 시료를 2g씩 칭량하였다.
대상 데이터
- 두 점토의 물리적 성질은 Table 1에 정리하였다. 구아검은 갈락토스(galactose)와 만노오스(mannose)가 합쳐진 다당류로 본 연구에 사용된 구아검은 비중이 0.68이고 pH는 5.0~6.5이며 S상사가 생산한 상업용 제품을 사용하였다. 제강슬래그의 경우 G제철소에서 발생한 전로슬래그를 사용하였으며 비중은 3.
- 벤토나이트-쇄석 골재 혼합체 내 쇄석 골재의 평균적인 입도를 고려하여(Böresson et al., 2003) No.3/8(9.5 mm)체와 No.7/16(11.2 mm)체 사이의 입도를 가진 슬래그를 사용하였으며 모든 재료들은 105℃에서 24시간 이상 노 건조했으며, 제강슬래그를 제외한 모든 재료는 No.200체를 통과한 재료들만 사용하였다.
- 벤토나이트는 와이오밍(Wyoming)산 천연 나트륨 벤토나이트를 사용하였으며 해포석은 R사로부터 구입하였다. 두 점토의 물리적 성질은 Table 1에 정리하였다.
- 본 연구에서 제강슬래그의 경우 작업성 향상을 위하여 입자차수재의 중심체로 이용되었으며 이러한 중심체 역할을 할 수 있는 물질로는 천연골재, 폐콘크리트, 슬래그 등이 있으나 본 연구에서는 재료의 재활용이라는 목적 아래 연간 발생량이 300만톤이 되는 제강슬래그를 사용하였다. 벤토나이트-쇄석 골재 혼합체 내 쇄석 골재의 평균적인 입도를 고려하여(Böresson et al.
- 본 연구에서는 Fig. 1과 같이 제강슬래그의 표면에 차수물질(벤토나이트-해포석-구아검 혼합물)을 코팅한 구형의 차수재를 입자차수재로 사용하였다. 차수물질을 제조하기 위하여 본 연구에서는 건조수축균열 측정 결과를 바탕으로 벤토나이트와 해포석의 비를 구하였으며, 팽윤도 시험을 통하여 혼합점토와 구아검의 비를 구하였다.
- 3)의 경우 ASTM D 5084 기초하여 실시하였다. 연성벽체 시험기에 사용된 시료는 입자차수재의 직경을 고려하여 직경 8 cm, 높이 16 cm로 제작되었으며, 질소 가스를 이용하여 투수실험이기 내에 34.47 kPa(5 psi)의 구속압과 20.68 kPa(3 psi)의 주입압을 가하였다.
- 5이며 S상사가 생산한 상업용 제품을 사용하였다. 제강슬래그의 경우 G제철소에서 발생한 전로슬래그를 사용하였으며 비중은 3.0~3.5이다. 유기물인 구아검을 제외한 벤토나이트, 해포석, 제강슬래그의 화학성분분석을 위해 XRF(X-ray Fluorescence Spectrometer) 분석을 실시하였으며 그 결과를 Table 2에 정리하였다.
- 해수 조건을 모사하기 위하여 3차 증류수(Deionized water) 내 NaCl 함량이 28‰, MgCl2 함량이 7‰인 모사 해수를 제조하였으며, 담수 조건을 모사하기 위하여 수돗물을 사용하였다.
- 벤토나이트의 건조수축균열을 제어하기 위해 섬유상 조직을 가지고 있는 해포석을 벤토나이트와 혼합하였다. 해포석의 함량 증가에 따른 벤토나이트의 균열 특성을 평가하기 위하여 혼합점토(벤토나이트-해포석 혼합물) 내 해포석의 중량비를 0~50%까지 10%씩 증가시키며 총 6가지의 시료를 준비하였다. 준비된 혼합점토에 혼합점토 무게의 1.
이론/모형
- 제조된 입자차수재의 해수 조건에서의 투수성을 확인하기 위해 강성벽체 투수실험을 실시하였으며, 현장 토압 상태에서의 입자차수재의 투수성을 확인하기 위해 연성벽체 투수실험을 수행하였고 그 결과를 강성벽체 투수실험 값과 비교하였다. 강성벽체 투수실험(Fig. 2)의 경우 ASTM D 5856을 기초하여 수행하였으며, 입자차수재의 직경을 고려하여 직경 8 cm, 높이 16 cm의 투수실험기에 입자차수재를 다짐 없이 넣은 후 모사된 해수 용액을 20.68 kPa(3 psi) 의 압력으로 주입하였다. 연성벽체 투수실험(Fig.
- 68 kPa(3 psi) 의 압력으로 주입하였다. 연성벽체 투수실험(Fig. 3)의 경우 ASTM D 5084 기초하여 실시하였다. 연성벽체 시험기에 사용된 시료는 입자차수재의 직경을 고려하여 직경 8 cm, 높이 16 cm로 제작되었으며, 질소 가스를 이용하여 투수실험이기 내에 34.
성능/효과
- 강성벽체 투수실험 결과, 차수물질 내에 혼합점토와 구아검의 비가 1 : 0.075이고, 입자차수재 내에 차수물질의 함량이 50%(BSG 3) 및 60%(BSG 6)일 때 입자차수재의 투수계수는 모두 1.0 × 10−7 cm/sec 이하의 값을 만족하였다.
- 4에 나타내었으며, Table 3에 건조된 혼합점토에서 1 cm 이상이 되는 균열의 유무를 판단하여 표시하였다. 건조수축균열 측정 결과 해포석의 함량이 증가함에 따라 균열은 감소하여 해포석의 중량비가 20% 이상일 경우 건조된 혼합점토에서 균열은 발생하지 않았다. 하지만 해포석의 비가 증가할수록 소성성을 가지는 벤토나이트의 함량이 감소하여 건조된 시료의 변형이 발생하였으며, 해포석의 중량비가 40% 이상인 경우 건조된 혼합점토는 시료 초기의 형태를 유지하지 못하고 큰 뒤틀림 현상이 발생하였다.
- 건조수축균열 측정 결과, 물을 흡수한 혼합점토가 건조됨에 따라 수분은 증발하고 혼합점토의 부피는 감소하여 시료 직경이 3 cm에서 약 2 cm로 줄어들었다. 건조된 혼합점토의 사진을 Fig.
- 벤토나이트 및 해포석의 함량에 따른 입자차수재의 투수계수는 각각 동일한 양상을 보였으나, 함량 변화에 따른 입자차수재의 투수계수는 특이한 경향성이 발견되지 않았다. 그러나 구아검의 경우 입자차수재 내 구아검의 함량이 증가함에 따라 입자차수재의 투수계수는 감소하는 경향을 보였다. 이는 입자차수재 내 차수물질의 함량과 관계없이 내염성과 팽창성을 가지는 구아검의 함량이 증가함에 따라 벤토나이트가 염수에 영향을 받지 않고 팽창할 수 있었기 때문이라 사료된다.
- 따라서 강성벽체 투수 실험으로 측정된 1.0 × 10−6~1.0 × 10−7 cm/sec 사이의 투수계수를 가지는 입자차수재를 사용하더라도 차수재 기준인 1.0 × 10−7 cm/sec을 만족할 수 있다고 판단된다.
- 따라서 혼합점토와 구아검의 비가 1 : 0.075이고 입자차수재 내 차수물질의 함량이 50% 이상이면 해수 조건에서도 1.0 × 10−7 cm/sec 이하의 투수계수를 만족할 수 있을 것으로 예상된다.
- 0 × 10−7 cm/sec 이하의 투수계수를 만족할 수 있을 것으로 예상된다. 또한 차수물질의 중량비가 50%인 입자차수재는 60%의 입자차수재보다 투수계수의 변화폭은 크게 나타났다. 이는 차수물질의 함량이 60%인 경우 증가된 차수물질이 입자차수재 간의 공극을 메우는 역할을 함으로써 입자차수재의 투수계수 변화폭은 줄어드는 것으로 판단된다.
- 8에 각각 나타내었다. 벤토나이트 및 해포석의 함량에 따른 입자차수재의 투수계수는 각각 동일한 양상을 보였으나, 함량 변화에 따른 입자차수재의 투수계수는 특이한 경향성이 발견되지 않았다. 그러나 구아검의 경우 입자차수재 내 구아검의 함량이 증가함에 따라 입자차수재의 투수계수는 감소하는 경향을 보였다.
- 입자차수재 제작에 앞서 균열제어 특성을 가지는 해포석과 내염성을 가지는 구아검을 벤토나이트와 혼합하여 제강슬래그의 표면에 코팅될 차수물질을 제조하였다. 벤토나이트와 해포석과의 혼합비를 도출하기 위하여 건조수축균열을 측정한 결과, 혼합점토(벤토나이트-해포석 혼합물) 중 해포석의 함량이 20% 이상이면 해포석의 균열제어 특성으로 인해 건조된 시료에서 건조수축균열이 발생하지 않음을 확인하였다. 이 비율을 이용하여 구아검과 혼합할 혼합점토를 준비하였으며, 준비된 혼합점토와 구아검과의 적절한 비율을 구하기 위하여 팽윤도 시험을 수행한 결과, 혼합점토와 구아검의 비가 1 : 0.
- Table 4는 모사 담수 및 모사 해수 조건에서 혼합점토와 구아검의 중량비를 팽윤도 시험을 수행한 결과이다. 시험 결과, 모사 해수 조건에서 내염성을 가지는 구아검의 함량이 증가함에 따라 차수물질의 팽윤도는 증가하였으며, 혼합점토와 구아검의 비가 1 : 0.025 이상일 때 모사 담수 조건에서 혼합점토의 팽윤도인 16.9 mL/2 g보다 큰 팽윤도를 가짐을 확인하였다. 이는 구아검의 함량이 증가함에 따라 해수 조건에서도 벤토나이트의 내염성과 팽창도는 증가하여 벤토나이트가 충분히 팽창했기 때문이라 사료된다.
- 실험 결과 입자차수재 내 차수물질 중량비가 50% 및 60%일 경우 입자차수재 내의 구아검 함량이 증가함에 따라 입자차수재의 투수계수는 각각 감소하였으며, 입자차수재 내의 혼합점토와 구아검의 비가 1 : 0.075(BSG 3, BSG 6)인 경우 입자차수재의 투수계수는 차수재 기준 즉 1.0 × 10−7 cm/sec 이하의 값을 각각 만족하였다.
- 실험 결과, 강성벽체 투수실험에 의한 최종 투수계수는 2.37 × 10−7 cm/sec이였고 연성벽체 투수실험에 의한 최종 투수계수는 3.83 × 10−8 cm/sec이었다.
- 벤토나이트와 해포석과의 혼합비를 도출하기 위하여 건조수축균열을 측정한 결과, 혼합점토(벤토나이트-해포석 혼합물) 중 해포석의 함량이 20% 이상이면 해포석의 균열제어 특성으로 인해 건조된 시료에서 건조수축균열이 발생하지 않음을 확인하였다. 이 비율을 이용하여 구아검과 혼합할 혼합점토를 준비하였으며, 준비된 혼합점토와 구아검과의 적절한 비율을 구하기 위하여 팽윤도 시험을 수행한 결과, 혼합점토와 구아검의 비가 1 : 0.025 이상일 때 차수물질(벤토나이트-해포석-구아검 혼합물)이 해수 조건에서 담수 조건에서 보다 큰 팽윤도를 가짐을 확인하였다. 차수물질의 팽윤도는 입자차수재 간의 공극을 메워 입자차수재의 투수계수를 낮추는 주요한 요인이므로 본 연구에서는 모사 해수 조건에서도 모사 담수 조건보다 큰 팽윤도를 가지는 3가지 혼합비(1 : 0.
- 현장 조건을 모사하는 연성벽체 투수실험 결과, 강성벽체 투수실험 시 차수재 조건을 만족하지 못하는 BSG 5는 1.0 × 10−7 cm/sec 이하의 값을 가짐으로써 차수재 기준을 만족하였다.
후속연구
- 0 × 10−7 cm/sec 이하의 값을 만족하였다. 따라서 보다 적은 양의 차수물질의 사용하는 것이 경제적이므로 입자자수재 중 차수물질의 비중이 50%가 되는 BSG 3의 비율을 사용하여 입자차수재를 제조한다면 시공 시 발생할 수 있는 벤토나이트의 문제점을 극복하는 동시에 경제적으로 입자차수재를 제조할 수 있을 것이라 기대된다. 현장 조건을 모사하는 연성벽체 투수실험 결과, 강성벽체 투수실험 시 차수재 조건을 만족하지 못하는 BSG 5는 1.
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