사전수화 벤토나이트 방수재의 염수환경 지하구조물 적용 특성에 관한 실험적 연구 An Experimental Study on the Underground Structure Apply Properties to Salt Water Environment of Pre-hydrated Bentonite Waterproofing.원문보기
본 연구는 기존 벤토나이트 방수재가 염수환경의 지하구조물 적용에 있어서 초기 수화에 의한 팽창이 안 됨으로써 염수의 침입을 허용하여 구조물이 누수로 이어지는 문제점을 보완하기 위하여 최근 개발된 사전수화 시킨 형태의 벤토나이트 쉬트에 관하여 염수환경 적용 특성을 중심으로 연구하고자 하였다. 이를 위해 본 연구에서는 사전수화형 벤토나이트 시트를 대상으로 염수환경을 기본 전제조건으로 한 상태에서 점결성, 팽윤성, 투수성 등의 시험을 통하여 그 성능특성의 변화를 중점 고찰하였다. 본 연구결과 염수환경에서 초기 투수를 허용하지 않았으며, 최대 $3kgf/cm^2$ 수압으로 72시간까지 투수가 발생하지 않았다. 점결성과 팽윤성 확인결과 담수환경에서는 겔화의 충분한 진행이 확인 되었고, 염수환경에서는 판상구조의 갈라짐 현상이 보였으나 이는 벤토나이트가 수화하면서 결정층간이 팽윤된 것으로 판단된다. 따라서 방수재 상부에 누름층과 같은 압밀조건이 형성된다면 염수환경의 지하구 조물 적용에 있어서 기대가된다.
본 연구는 기존 벤토나이트 방수재가 염수환경의 지하구조물 적용에 있어서 초기 수화에 의한 팽창이 안 됨으로써 염수의 침입을 허용하여 구조물이 누수로 이어지는 문제점을 보완하기 위하여 최근 개발된 사전수화 시킨 형태의 벤토나이트 쉬트에 관하여 염수환경 적용 특성을 중심으로 연구하고자 하였다. 이를 위해 본 연구에서는 사전수화형 벤토나이트 시트를 대상으로 염수환경을 기본 전제조건으로 한 상태에서 점결성, 팽윤성, 투수성 등의 시험을 통하여 그 성능특성의 변화를 중점 고찰하였다. 본 연구결과 염수환경에서 초기 투수를 허용하지 않았으며, 최대 $3kgf/cm^2$ 수압으로 72시간까지 투수가 발생하지 않았다. 점결성과 팽윤성 확인결과 담수환경에서는 겔화의 충분한 진행이 확인 되었고, 염수환경에서는 판상구조의 갈라짐 현상이 보였으나 이는 벤토나이트가 수화하면서 결정층간이 팽윤된 것으로 판단된다. 따라서 방수재 상부에 누름층과 같은 압밀조건이 형성된다면 염수환경의 지하구 조물 적용에 있어서 기대가된다.
In this study, we would like to study on the apply properties to salt water environment of pre-hydrated bentonite for complement problem that water leakage to permit salt water that existing bentonite does not initial swelling. Accordingly, execute viscosity properties, swelling properties, permeabi...
In this study, we would like to study on the apply properties to salt water environment of pre-hydrated bentonite for complement problem that water leakage to permit salt water that existing bentonite does not initial swelling. Accordingly, execute viscosity properties, swelling properties, permeability and confirmed apply properties to salt water environment. Did not permit initial permeable in test result salt water environment, and permeable did not happen until 72 hours by maximum $3kgf/cm^2$ water pressure. Fresh water environment enough progress of gelation confirm that viscosity and swelling properties confirmation result and as delamination phenomenon of platy formation looked in salt water environment but this as bentonite hydrates crystallization layer swelling that is done consider. Synthetic study results, if compaction condition such as press layer is formed to bentonite upper, applied to the salt water environment of the underground structures of expectations.
In this study, we would like to study on the apply properties to salt water environment of pre-hydrated bentonite for complement problem that water leakage to permit salt water that existing bentonite does not initial swelling. Accordingly, execute viscosity properties, swelling properties, permeability and confirmed apply properties to salt water environment. Did not permit initial permeable in test result salt water environment, and permeable did not happen until 72 hours by maximum $3kgf/cm^2$ water pressure. Fresh water environment enough progress of gelation confirm that viscosity and swelling properties confirmation result and as delamination phenomenon of platy formation looked in salt water environment but this as bentonite hydrates crystallization layer swelling that is done consider. Synthetic study results, if compaction condition such as press layer is formed to bentonite upper, applied to the salt water environment of the underground structures of expectations.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 벤토나이트를 사전수화 시킨 형태의 재료를 통해 재료자체의 성능을 분석, 검토하여 기존 과립형 벤토나이트의 고유 성능인 팽창성, 수밀성, 자가치유성 등을 확인하고, 기존 과립형 벤토나이트의 문제점으로 지적된 염수환경에서의 방수 성능저하 및 수압 조건에 따른 성능변화 등을 분석하고자 하며, 이를 통해 사전수화 벤토나이트 방수재의 국내 염수환경에 처한 지하구조물 적용 특성에 관하여 연구하고자 한다.
본 연구에서는 사전수화 벤토나이트 방수재의 염수환경 적용 특성에 관하여 연구하고자 하였고, 이에 따라 점결성, 팽윤성, 투수성 등의 시험을 진행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
본 시험은 KS F 4919에 준한 아웃 풋(Out-Put) 실험방식을 준용하였으며, 비압밀조건의 시험 경우 벤토나이트에 물이 닿을 수 있도록 상부PE면 중앙에 십자 형태로 2㎝의 칼집을 낸다. 다음 투수판 밑판과 윗판 사이에 벤토나이트 시험체를 결합 후 실리콘으로 실링하고, 실리콘이 경화한 후 Out-Put방식의 투수시험기를 이용하여 1㎏f/㎠의 수압으로 72시간 동안 담수와 염수(2%)를 사용하여 투수시험을 실시한다. 또한 압밀조건의 시험 경우 투수밑판 위에 Ø10 × 12.
5㎝의 원통을 올려놓고 원통 안에 직경10㎝의 다공판과 사전수화 벤토나이트를 밀착시켜 넣은 후 벤토나이트가 굳어지지 않게 잘 밀봉해 둔다. 마지막으로 실리콘이 경화하면 원통 안에 높이 10㎝의 모래를 넣고 비 압밀조건과 같은 방법으로 시험을 실시하며, 이상이 없을 시 3㎏f/㎠의 수압으로 72시간을 확인하여 총 144시간의 투수시험을 진행한다.
본 시험은 사전수화 벤토나이트 방수재를 1 × 1㎝로 단면이 손상되지 않게 단시간에 제작 후 염분농도 2%의 염수와 담수를 시료수로 사용하여 패트리 디쉬(투명필름으로 1㎜단위로 그리드 형성)위에 놓고, 각각 3개의 시험체에 염수와 담수를 가득 채워 1시간 단위로 벤토나이트의 변형 유ㆍ무를 관찰한다.
본 시험은 직경 3.5㎝의 200㎖ 매스실린더에 같은 직경으로 절단한 사전수화 벤토나이트를 바닥까지 넣은 후 염분농도 2%의 염수와 담수를 각각 3개의 시험체로 하여 매스실린더의 절반인 100㎖까지 채워 넣은 후 벤토나이트의 팽창력을 24시간 단위로 관찰하여 확인한다.
염수환경하의 지하구조물 적용에 있어서 사전수화 벤토나이트 방수재의 특성을 확인할 수 있는 시험 항목을 선정하였으며, 시험 항목 및 목적은 다음 표 1과 같다.
이론/모형
본 시험은 KS F 4919에 준한 아웃 풋(Out-Put) 실험방식을 준용하였으며, 비압밀조건의 시험 경우 벤토나이트에 물이 닿을 수 있도록 상부PE면 중앙에 십자 형태로 2㎝의 칼집을 낸다. 다음 투수판 밑판과 윗판 사이에 벤토나이트 시험체를 결합 후 실리콘으로 실링하고, 실리콘이 경화한 후 Out-Put방식의 투수시험기를 이용하여 1㎏f/㎠의 수압으로 72시간 동안 담수와 염수(2%)를 사용하여 투수시험을 실시한다.
성능/효과
(1) 점결성, 팽윤성 시험결과를 검토해볼 때 염수환경 조건에서 판상구조의 갈라짐 현상과 균열 발생은 사전수화 벤토나이트의 팽창력을 구속할 수 있는 조건이 된다면 발생하지 않을 것으로 판단된다.
(2) 비압밀조건의 투수시험 확인 결과 시험체 하부에 약 2㎜ 정도의 투수밑판 구멍을 콘크리트에 발생할 수 있는 공극 혹은 균열로 가정할 때, 염수환경에서 적절한 되메우기 작업이 이루어지지 않았을 경우 일정 수압 작용 시 사전수화 벤토나이트는 공극 및 균열을 따라 발생되는 압력에 의해 밀려나옴으로써 투수, 누수의 경로를 제공하는 것으로 판단된다.
(3) 압밀조건의 투수시험 확인 결과 사전수화 벤토나이트 상부에 구속 역할을 한 10㎝의 모래 침적이 압밀조건을 형성하여 염수조건에서 판상구조의 갈라짐 현상을 제어 하였다고 판단되어진다. 따라서 적절한 압밀조건이 갖추어진 상태에서의 사전수화 벤토나이트 방수재는 염수에 대응 가능한 방수성을 확보할 것으로 기대된다.
비 압밀조건의 시험 결과 1㎏f/㎠의 수압에서 담수에서는 24시간동안 투수가 발생하지 않았으나, 염수 시험체들은 투수가 발생하였다. 또한 압밀조건 시험 결과 염수, 담수 시험체 모두 1㎏f/㎠의 수압에서 72시간동안 투수가 발생하지 않았으며, 그 후 같은 시험체로 3㎏f/㎠의 수압으로 증압하여 72시간동안 투수 시험을 진행한 결과에서도 투수가 발생하지 않았다.
본 시험 결과 염수에서는 평균 13㎜의 팽창을 보이고, 담수에서는 평균 10.6㎜의 팽창을 보였다. 염수에서 조금 더 팽창함을 보였지만 담수와 많은 차이가 없었고, 매스실린더에 의해 구속된 사전수화 벤토나이트는 담수에서 72시간 경과까지도 분해 되지 않았으며, 염수에서도 일정 층 형성은 보이지 않았다.
시험 결과 염수, 담수 모두 시간 경과에 따라 점차 부피가 팽창 하였고, 담수에서는 겔화가 진행됨에 따라 겔화에 의한 확산이 되는 것을 확인 하였으며, 염수에서는 초기 상태의 형상을 거의 유지 하였으나 약 4배 정도의 부피팽창과 일정한 층을 형성하며 층간 갈라짐(Delamination) 현상을 보였다. 이는 사전수화형 벤토나이트가 제조 과정에서 판상구조를 가지게 되는데, 염수에서 겔(Gel)화가 원활히 진행되지 않은 채 팽창됨으로써 이러한 판상구조 계면이 염화나트륨(NaCl) 성분에 의해 분리되는 것으로 판단된다.
6㎜의 팽창을 보였다. 염수에서 조금 더 팽창함을 보였지만 담수와 많은 차이가 없었고, 매스실린더에 의해 구속된 사전수화 벤토나이트는 담수에서 72시간 경과까지도 분해 되지 않았으며, 염수에서도 일정 층 형성은 보이지 않았다. 반면 사진 5와 같이 사전수화 벤토나이트 상부는 염수에서 균열이 확인 되었으며, 이 또한 상부에 사전수화 벤토나이트를 구속할 수 있는 조건이 될 수 있다면 균열이 발생하지 않을 것으로 판단된다.
후속연구
따라서 사전수화 벤토나이트 방수재를 염수환경의 지하구조물에 적용 시 상부 되메우기에 충분한 다짐계수를 확보하는 것이 방수성능 유지에 중요한 선결조건으로 판단되며, 현장 시방조건 등에 명확한 제시와 이에 따른 면밀한 시공 관리가 이루어져야 할 것이다. 또한 향후 사전수화 벤토나이트의 성능확보에 필요한 되메우기 시의 적정 다짐계수에 대한 지속적인 연구가 필요하겠다.
(3) 압밀조건의 투수시험 확인 결과 사전수화 벤토나이트 상부에 구속 역할을 한 10㎝의 모래 침적이 압밀조건을 형성하여 염수조건에서 판상구조의 갈라짐 현상을 제어 하였다고 판단되어진다. 따라서 적절한 압밀조건이 갖추어진 상태에서의 사전수화 벤토나이트 방수재는 염수에 대응 가능한 방수성을 확보할 것으로 기대된다.
따라서 사전수화 벤토나이트 방수재를 염수환경의 지하구조물에 적용 시 상부 되메우기에 충분한 다짐계수를 확보하는 것이 방수성능 유지에 중요한 선결조건으로 판단되며, 현장 시방조건 등에 명확한 제시와 이에 따른 면밀한 시공 관리가 이루어져야 할 것이다. 또한 향후 사전수화 벤토나이트의 성능확보에 필요한 되메우기 시의 적정 다짐계수에 대한 지속적인 연구가 필요하겠다.
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