[논문]칼슘 벤토나이트-모래 혼합차수재의 투수 및 구조 특성에 관한 연구

윤성열; 안현규; 오민아; 이재영

doi:10.12814/jkgss.2019.18.2.001

[국내논문] 칼슘 벤토나이트-모래 혼합차수재의 투수 및 구조 특성에 관한 연구
A study on the Evaluation of Permeability and Structure for Calcium Bentonite-Sand Mixtures 원문보기

한국지반신소재학회논문집 = Journal of the Korean Geosynthetics Society, v.18 no.2, 2019년, pp.1 - 10

윤성열 (Department of Environmental engineering, The University of Seoul) , 안현규 (Department of Environmental engineering, The University of Seoul) , 오민아 (Department of Environmental engineering, The University of Seoul) , 이재영 (Department of Environmental engineering, The University of Seoul)

초록
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본 연구에서는 칼슘 벤토나이트를 차수재로 활용하기 위해 칼슘 벤토나이트-모래 혼합물의 투수특성 및 구조를 평가하였다. 본 연구에서는 칼슘 벤토나이트와 모래에 대한 기본적인 물리 화학적 특성 분석, 다짐시험, 투수시험 및 전자주사현미경 분석(SEM)을 진행하였다. 칼슘 벤토나이트의 혼합 비율이 증가함에 따라 칼슘 벤토나이트-모래 혼합물의 건조 밀도, 투수계수는 낮아지고 최적함수비는 증가하였다. 특히, 전자주사현미경 분석은 칼슘 벤토나이트의 비율이 증가함에 따라 칼슘 벤토나이트 내 몬모릴로나이트의 면적이 증가하는 것을 확인하였다. 결론적으로, 칼슘 벤토나이트의 혼합비가 40% 이상일 때 매립시설의 차수재 조건($1.0{\times}10^{-7}cm/sec$ 이하)을 만족하였다. 본 연구는 차수재로 칼슘 벤토나이트의 이해도를 향상시킬 수 있다. 칼슘 벤토나이트는 40% 이상 혼합 시 나트륨 벤토나이트 7%와 비슷한 투수 특성을 나타낸다. 따라서 칼슘 벤토나이트는 차수재로써 활용이 가능하다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study was intended to evaluate the water permeability and structure for calcium bentonite-sand mixtures to utilize calcium bentonite as a liner. This study conducted physico-chemical properties tests, compaction tests, permeability test and Scanning Electron Microscopy analysis (SEM) analysis. It was found the higher the ratio of calcium bentonite, the lower the dry density with coefficient of permeability, and the higher the optimum moisture content. In particular, SEM analysis was found the higher the ratio of calcium bentonite, the higher the area of the montmorillonite particles. In conclusion, the optimum coefficient of permeability that finds the landfill liner condition (must be less than $1{\times}10^{-7}cm/sec$) was obtained when the ratio of calcium bentonite was 40% or higher. These findings may improve the understanding of the calcium bentonite as a liner. Calcium bentonite shows a similar permeability to sodium bentonite 7% when mixed at 40% or more. Therefore, it is considered that calcium bentonite can be utilized as a liner.

주제어

표/그림 (18)

그림 Fig. 1. S mine calcium bentonite
그림 Fig. 2. Particle size distribution curve for calcium bentonite in this study
표 Table 1. Physical properties of S mine calcium bentonite and sodium bentonite
그림 Fig. 3. Sand
그림 Fig. 4. Particle size distribution curve for sand in this study
표 Table 2. Components of S mine calcium bentonite and sodium bentonite by X-ray fluorescence (XRF)
표 Table 3. Components of sand by XRF
표 Table 4. Physical properties of sand in this study
그림 Fig. 5. Automatic compaction tester
그림 Fig. 6. Mixture specimen in this study
그림 Fig. 7. Permeability meter
표 Table 5. Type of mixing ratio of sand and calcium bentonite for this study
표 Table 7. Compaction characteristics of sand-calcium bentonite mixtures
표 Table 8. Compaction characteristics of sand-sodium bentonite mixtures
표 Table 9. Permeability characteristics of sand-calcium bentonite mixtures
표 Table 10. Permeability characteristics of sand-sodium bentonite mixtures
그림 Fig. 8. Structural characteristics of sand-calcium bentonite mixtures by mixing ratio
그림 Fig. 9. Structural characteristics of sodium bentonite (Koh et al., 2002)

AI 본문요약
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문제 정의

투수계수는 함수비가 증가함에 따라 감소하다 최적함수비보다 습윤 측으로 3∼4% 증가된 함수비에서 점토의구조가 면모구조에서 분산구조로 변화하면서 간극이 감소하기 때문에 최소 투수계수를 가진다고 하였다(Lee, 2006).따라서 본 연구에서는 투수계수 분석을 위해 위와 같은 조건으로 실시하기 위해 다짐 시험을 실시하였다. 모래와 칼슘 벤토나이트 배합비에 대한 다짐시험은 KS F 2312에준하여 시행하였다.
전자주사현미경(Scanning Electron Microscopy analysis,SEM)은 물질을 관찰하고 원소의 종류와 질량비, 원자비측정을 통해 물질 종류를 규명하기 위한 분석이다. 본 연구에서는 칼슘 벤토나이트 혼합비 증가에 따른 구조 변화를 관찰하기 위해 SEM 분석을 진행하였다. 또한 SEM 분석 진행 전 전자가 빠져나가는 현상을 방지하기 위한 목적으로 백금 코팅을 진행하였으며, 백금 코팅을 진행한 칼슘벤토나이트와 모래 혼합물은 가속전압 5.
본 연구에서는 칼슘 벤토나이트 혼합에 따른 다짐 및투수계수 특성을 평가하고, 혼합물 구조의 특성 변화를 살펴보고자 한다. 이를 위해 칼슘 벤토나이트의 혼합비를 0∼50%로 변화시킨 칼슘 벤토나이트-모래 혼합차수재에대해 다짐시험을 실시하여 최적함수비를 구한 후 변수위투수시험을 실시하여 칼슘 벤토나이트 혼합비에 따른 투수 특성을 평가하였다.
본 연구에서는 칼슘 벤토나이트를 폐기물 매립시설의 대표적인 차수재 중 하나인 나트륨 벤토나이트를 대체하기 위해 칼슘 벤토나이트와 모래를 배합한 혼합물의 다짐과 투수 및 구조 특성 분석을 진행하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
또한 혼합차수재의 구조 특성 변화를 규명하기 위해 전자주사현미경(Scanning Electron Microscopy analysis, SEM) 분석을 진행하였다. 이 연구는 칼슘벤토나이트를 대표적인 차수재 중 하나인 나트륨 벤토나이트를 대체하여 혼합차수재로 활용하기 위한 기초자료로 활용할 수 있으리라 판단된다.

제안 방법

본 연구에서는 칼슘 벤토나이트 혼합비 증가에 따른 구조 변화를 관찰하기 위해 SEM 분석을 진행하였다. 또한 SEM 분석 진행 전 전자가 빠져나가는 현상을 방지하기 위한 목적으로 백금 코팅을 진행하였으며, 백금 코팅을 진행한 칼슘벤토나이트와 모래 혼합물은 가속전압 5.0kV, 작동 거리10mm로 조작하여 SEM 분석을 진행하였다(JEOL, 2019).
이를 위해 칼슘 벤토나이트의 혼합비를 0∼50%로 변화시킨 칼슘 벤토나이트-모래 혼합차수재에대해 다짐시험을 실시하여 최적함수비를 구한 후 변수위투수시험을 실시하여 칼슘 벤토나이트 혼합비에 따른 투수 특성을 평가하였다. 또한 혼합차수재의 구조 특성 변화를 규명하기 위해 전자주사현미경(Scanning Electron Microscopy analysis, SEM) 분석을 진행하였다. 이 연구는 칼슘벤토나이트를 대표적인 차수재 중 하나인 나트륨 벤토나이트를 대체하여 혼합차수재로 활용하기 위한 기초자료로 활용할 수 있으리라 판단된다.
칼슘 벤토나이트와 모래의 혼합물은 배합비에 따라 특성 변화가 매우 크므로, 다짐시험및 변수위 투수시험 진행을 통해 배합비에 따른 다짐 및투수계수 특성 변화 분석을 진행하였다. 또한, 구조 특성변화를 살펴보기 위해 배합비에 따른 전자주사현미경(Scanning Electron Microscopy analysis, SEM) 분석을 진행하였다.
0×10-7cm/sec 이하이므로, 본 연구에서는 변수위 투수시험을 실시하였다. 변수위 투수시험은 Fig. 7과 같이 토양투수성 측정기를 사용하여 진행하였다(Usem, 2019). 투수계수 분석을 위한 시편은 함수비는 다짐시험으로부터 도출된 최적함수비 보다 3% 높은 비율을 적용하여 제조하였다.
본 연구에서는 칼슘 벤토나이트와 모래의 배합비를Table 5와 같이 건조중량비 기준으로 10%, 20%, 30%,40%, 50%로 선정하였다. 칼슘 벤토나이트와 모래의 혼합물은 배합비에 따라 특성 변화가 매우 크므로, 다짐시험및 변수위 투수시험 진행을 통해 배합비에 따른 다짐 및투수계수 특성 변화 분석을 진행하였다.
본 연구에서의 투수계수 계산은 시편의 단면적 및 두께,투수량과 단위용적질량 및 수압의 관계로부터 식 (1)을 통해 계산하였으며, 식 (2)를 통해 투수계수의 온도 보정을진행하였다.
이를 위해 칼슘 벤토나이트의 혼합비를 0∼50%로 변화시킨 칼슘 벤토나이트-모래 혼합차수재에대해 다짐시험을 실시하여 최적함수비를 구한 후 변수위투수시험을 실시하여 칼슘 벤토나이트 혼합비에 따른 투수 특성을 평가하였다.
칼슘 벤토나이트 배합비에 따른 구조 특성을 확인하고자 SEM 분석을 3,000배에서 실시하였으며, SEM 분석을진행하여 얻은 SEM 이미지는 Fig. 8과 같으며, 나트륨 벤토나이트를 활용한 선행연구로부터 SEM 분석을 진행하여 얻은 SEM 이미지는 Fig. 9에 나타내었다.
칼슘 벤토나이트 투수시험을 위하여 칼슘 벤토나이트다짐시험을 하여 얻은 최적함수비보다 3% 높은 비율을 적용하여 시편을 제작하여 투수시험을 실시하였다. 칼슘벤토나이트 투수시험을 하여 얻은 변수위 투수 특성은Table 9과 같으며, 나트륨 벤토나이트를 활용한 선행연구들로부터 투수시험을 하여 얻은 변수위 투수 특성은 Table 10에 나타내었다.
본 연구에서는 칼슘 벤토나이트와 모래의 배합비를Table 5와 같이 건조중량비 기준으로 10%, 20%, 30%,40%, 50%로 선정하였다. 칼슘 벤토나이트와 모래의 혼합물은 배합비에 따라 특성 변화가 매우 크므로, 다짐시험및 변수위 투수시험 진행을 통해 배합비에 따른 다짐 및투수계수 특성 변화 분석을 진행하였다. 또한, 구조 특성변화를 살펴보기 위해 배합비에 따른 전자주사현미경(Scanning Electron Microscopy analysis, SEM) 분석을 진행하였다.
7과 같이 토양투수성 측정기를 사용하여 진행하였다(Usem, 2019). 투수계수 분석을 위한 시편은 함수비는 다짐시험으로부터 도출된 최적함수비 보다 3% 높은 비율을 적용하여 제조하였다.
폐기물 매립시설에서 차수재로 활용하기 위해서는 투수계수가 1.0×10-7cm/sec 이하이므로, 본 연구에서는 변수위 투수시험을 실시하였다.

대상 데이터

5와Fig. 6과 같이 자동 다짐 시험기를 사용하여 다짐시험을진행하여 시편을 제조하였다.
본 연구에서 사용된 모래는 KS L 5100에서 활용되는 압축강도 시험용 표준모래를 사용한 것으로 모습은 Fig. 3,입경분포는 Fig. 4와 같으며, 화학적 조성은 Table 3과 같다. Table 4는 압축강도 시험용 표준모래의 물리적 특성을나타내고 있다.
본 연구에서는 차수재의 균질성을 위해 0.15mm 이하의칼슘 벤토나이트만을 사용하였다. 이는 칼슘 벤토나이트의 배합비가 증가하면, 세립토의 비율이 증가하는 것을 말한다.
본 연구에서는 토양-벤토나이트 혼합토의 입경이 세립화가 될수록 압력에 대한 영향이 감소한다는 선행연구 및 시료의 균질성을 위하여 0.15mm 이하의 건조된 칼슘 벤토나이트만 사용하였다(Kim D. M. and Kim K. Y., 2006).

이론/모형

따라서 본 연구에서는 투수계수 분석을 위해 위와 같은 조건으로 실시하기 위해 다짐 시험을 실시하였다. 모래와 칼슘 벤토나이트 배합비에 대한 다짐시험은 KS F 2312에준하여 시행하였다. 또한 시공에서는 성형된 시편의 최대건조단위중량의 90∼95%를 요구하고 있기 때문에 최대건조단위중량의 95%를 이상을 목표로 성형하였다.

성능/효과

(1) 칼슘 벤토나이트의 혼합비가 증가함에 따라 최적함수비는 11.23%에서 21.25%로 증가하는 경향을 보이며,건조밀도는 1.82g/cm3에서 1.56g/cm3으로 감소하는 경향을 보이는데 이는 칼슘 벤토나이트의 혼합비가 증가함에 따라 수분 보유력 및 수화 반응의 증가에 의해 비중이 감소하기 때문으로 판단된다. 또한 혼합차수재를 구성하는 토양 및 칼슘 벤토나이트의 입경 등물성에 따라 혼합차수재의 건조밀도는 다른 경향성을보일 수 있기 때문에 혼합차수재를 구성하는 토양 및칼슘 벤토나이트의 물성 분석이 진행되어야 한다.
(2) 칼슘 벤토나이트의 혼합비가 증가함에 따라 투수계수는 2.90×10-2cm/sec에서 8.26×10-8cm/sec로 감소하는경향을 보이며, 칼슘 벤토나이트가 40% 이상 혼합 시매립지 차수재의 투수계수 조건을 만족한다.
(3) 칼슘 벤토나이트의 혼합비가 증가함에 따라 몬모릴로나이트 입자 면적이 증가하기 때문에 최적함수비와팽윤도가 증가하며, 투수계수는 감소하는 경향이 발생한다.이상과 같은 연구결과로써 칼슘 벤토나이트는 폐기물매립시설의 대표적인 차수재인 나트륨 벤토나이트를 대체하여 활용이 가능하다고 판단된다.
또한, Table 10을 보면, 선행연구들은 다양한 팽윤도(10ml/2g∼30ml/2g)를 가진 나트륨 벤토나이트를 3%∼25%로 배합하여 연구를 진행하였다. 나트륨 벤토나이트의 팽윤도가 20ml/2g 일 때 15%이상으로 혼합 시 폐기물 매립시설 차수재의 투수계수 조건을 만족하는 것으로 나타났다. 특히, 나트륨 벤토나이트 5% 혼합차수재를 보면, 팽윤도가 증가함에 따라 반드시 투수성이 감소하지는 않는다.
이는 나트륨 벤토나이트의 결정도가 칼슘 벤토나이트에 비해 우수한 것으로 관찰된다. 따라서 나트륨 벤토나이트가 칼슘 벤토나이트 보다 벤토나이트의 물성을 더 잘 나타낼 수 있는 것으로 사료된다. 이러한 결과로 나트륨 벤토나이트 혼합차수재 같은 경우 소량만 혼합하더라도 폐기물 매립시설의 차수재 투수계수 조건을 만족할 수 있는 것으로 사료된다.
일반적으로 세립토의 비율이 증가함에 따라 최적함수비는 증가하며, 건조밀도는 감소한다(Lee, 2006). 따라서 칼슘 벤토나이트 배합비가 증가함에 따라 최적함수비는 증가하고, 건조밀도는 감소하는 특성이 발생한 것으로판단된다. 이러한 특성이 발생되는 다른 이유 중 하나는 모래와 칼슘 벤토나이트의 비표면적 차이로 인해 발생한것으로 판단된다.
또한, 칼슘 벤토나이트 배합비가 20% 까지는 투수계수가 급격히 감소하는 경향을 보이며, 칼슘 벤토나이트 배합비가 40% 이상으로 혼합 시 폐기물 매립시설 차수재의 조건인 1.0×10-7 cm/sec 이하의 투수계수 조건을 만족하여 대표적인 차수재 중 하나인 나트륨 벤토나이트를 대체할 수있는 것으로 분석되었다.
본 연구에서 사용된 S 광산 칼슘 벤토나이트에 대한 XRay Diffraction(XRD) 분석 결과 몬모릴로나이트((Ca,Na)0.3Al2(Si,Al)4O10(OH)2·xH2O)가 주구성광물이고, 조장석(NaAlSi3O8)과 소량의 크리스토발라이트(SiO2)를 함유하고 있는 것으로 분석되었다.
(3) 칼슘 벤토나이트의 혼합비가 증가함에 따라 몬모릴로나이트 입자 면적이 증가하기 때문에 최적함수비와팽윤도가 증가하며, 투수계수는 감소하는 경향이 발생한다.이상과 같은 연구결과로써 칼슘 벤토나이트는 폐기물매립시설의 대표적인 차수재인 나트륨 벤토나이트를 대체하여 활용이 가능하다고 판단된다.
최적함수비는 칼슘 벤토나이트 배합비가 0%∼50%로 증가함에 따라 11.23%에서 21.25%로 증가하였다.
칼슘 벤토나이트의 비표면적은 나트륨 벤토나이트 보다 약 44% 높은 것으로 분석되었다. 특히, 차수재로써 활용시 가장 중요한 영향인자인 팽윤도는 칼슘 벤토나이트가 나트륨 벤토나이트에 비해 약 10.7배 낮은 것으로 분석되었다.

후속연구

75m2/g으로 분석된 것과 동일한 결과이다. 세공의 관찰은 칼슘벤토나이트를 본 연구의 목적인 차수재로 활용하는 것 이외에도 오염물질 흡착제로 활용이 가능할 것이라고 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	칼슘 벤토나이트의 특징은 무엇인가?	본 연구에서는 칼슘 벤토나이트와 모래에 대한 기본적인 물리 화학적 특성 분석, 다짐시험, 투수시험 및 전자주사현미경 분석(SEM)을 진행하였다. 칼슘 벤토나이트의 혼합 비율이 증가함에 따라 칼슘 벤토나이트-모래 혼합물의 건조 밀도, 투수계수는 낮아지고 최적함수비는 증가하였다. 특히, 전자주사현미경 분석은 칼슘 벤토나이트의 비율이 증가함에 따라 칼슘 벤토나이트 내 몬모릴로나이트의 면적이 증가하는 것을 확인하였다.
	차수재의 종류는?	0×10-7cm/sec 이하로 규정하고 있다(Ministry of Environment, 2018). 이에 따라 혼합차수재, 점토차수재, 지오멤브레인 차수재, 토목섬유 점토차수재 등 현재까지 개발된 차수재의 종류는 수십 종에 이른다. 이 중 혼합차수재는 물과 접촉 시 수분을흡수하는 성질인 팽윤성(Swelling)이 높은 물질을 흙과 혼합하여 만든 차수재로써 대표적으로 흙-벤토나이트가 활용되고 있다.
	칼슘벤토나이트를 차수재로 활용해야 하는 이유는?	현재 국내에서는 칼슘 벤토나이트 원석만 채굴되고 있으며, 나트륨 벤토나이트 원석은 여러 나라로부터 수입하거나 국내에서 채굴한 칼슘 벤토나이트 원석을 공장에서 나트륨 벤토나이트로 전환하여 활용되고 있는 실정이다(MIFAFF, 2012). 이러한 국내 상황을 고려하였을 때 칼슘벤토나이트를 차수재로 활용하기 방안 모색이 필요하다.

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저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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