1. 서 론

도시화 및 산업 발전으로 인하여 폐기물의 양이 지속적으로 증가하고 있어 페기물의 적절한 수거와 처리가 매우 주요한 사회･환경적 문제로 대주되고 있다. 이런 생활에서 발생되는 쓰레기 처리문제는 그 심각성이 매우 높으며 현재 국내 쓰레기 최종처리의 대부분은 매립에만 의존하고 있는 실정이다(Chang et al., 2007). 일반적으로 폐기물 매립지에서 발생하는 침출수는 주변토양과 지하수를 오염시키는 주원인으로서 이의 효율적인 제거와 처리를 위하여 차수층 및 배수시설이 필요한다(Choi et al., 2000). 바닥 차수재로 사용되는 재료는 주로 다짐 점토 차수재 또는 흙-벤토나이트 혼함토를 사용하고 있다. 그 중에서는 벤토나이트는 현장토와 함께 혼합하여 사용이 가능하므로 시공 현장에서 널리 사용된다.

벤토나이트는 화산재나 응회암에서 변질되어 형성된 몬모릴로나이트(montmorillonite)를 주 성분으로 하는 광물로 2개의 SiO₄ 사면체판과 1개의 Al₂(OH)₆ 팔면체판으로 2:1 구조를 이루며, 층간에는 양이온이 흡착되어 존재한다(Onikata et al., 1999). 중간에 존재하는 양이온의 종류에 따라 칼슘 벤토나이트(Ca-Bentonite)와 소듐 벤토나이트로(Na-Bentonite) 구분된다. 일반적으로 우리가 이야기하는 벤토나이트는 소듐 벤토나이트를 말하는 것으로 그 이유는 소듐 벤토나이트가 칼슘 벤토나이트 보다 팽창성을 비롯한 차수 성능이 우수하여 벤토나이트를 이용한 공학적 처리에서 95%이상은 소듐 벤토나이트만을 이용하기 때문이다(Sumanta et al., 2015). 소듐 벤토나이트 차수층의 두께가 4mm～9mm일 경우 투수계수가 10^-8～10^-12 cm/s 에 달하는 불투수층을 형성하여 이는 30cm두께의 진흙의 100배에 상당하는 치밀성을 나타내는 것과 같다(Lee et al., 2003).

팽윤 및 치밀 특성을 가진 벤토나이트는 현장에서 차수시스템의 재료로 사용할 때 다음과 같은 문제점을 갖고 있다. 현재 시장에서 판매되고 있는 대부분의 벤토나이트 제품은 염수조건에서 벤토나이트의 팽창성이 감소와 투수계수가 증가하여 차수재료로서의 차수기능이 상실되는 단점을 가지고 있다(Cheong et al., 2011). 염분의 농도가 높은 해수 및 염성 침투수 등에서는 벤토나이트 성분의 Na 이온과 염수 성분의 양이온이 화학적으로 반응하지 않고 층간 구조에 밀실하게 채워져 오히려 팽창 및 Gel화를 억제시킴으로써 현탁액의 입자들이 집합되어 침강, 팽창압을 잃어버리고 부스러지는 현상이 나타나게 된다(Benson et al., 2009; Ahn et al., 2009). 이 같은 문제점으로 인해 실제 시공시에 벤토나이트 차수벽으로써의 역할을 제대로 하지 못한 사례가 있었다. 실제 인천국제공항 1단계 건설 시 벤토나이트가 차수재로 활용되었으나 염수 조건에서의 초기 누수에서 성능이 발휘되지 못했던 사례가 있었다. 또한 벤토나이트는 수분에 의한 입자의 겔화(Gelation) 팽창 이후 건조 시에 벤토나이트 입자 간의 뭉침에 의하여 차수재에 균열이 발생할 수 있다(Tay et al., 2001).

본 연구에서는 염수조건하에서 차수시설 시공 시 발생할 수 있는 벤토나이트의 문제점을 극복하기 위해 내염성(Salt-water resistant) 벤토나이트 차수재를 개발하고자 하였다. 내염성 벤토나이트의 차수성능을 염성 침투수 및 해수 조건에서도 유지할 수 있는 특성을 이용하여 해안 및 폐기물매립지 공사 시 바닥 차수층으로 역할을 할 수 있을 것이다. 벤토나이트의 팽창-수축 과정에서 발생하는 균열을 제어하기 위한 섬유상 조직을 가지고 있는 세피올라이트를 벤토나이트에 첨가하였다. 염수 조건에서도 담수 조건과 유사한 팽창성과 투수성을 확보하기 위해 내염성을 가지는 구아검을 첨가하였다. 건축수축균열 시험과 팽윤도 시험을 통한 벤토나이트, 세피올라이트와 팽창물질의 비율을 결정한다. 실험을 통하여 얻어진 각 물질의 비율에 따라 개량된 벤토나이트를 현장토를 혼합하여 다짐시험을 수행하였다. 다짐시험에서 구한 최대건조밀도와 최적함수비를 가지고 담수 및 염수 조건에서 투수성을 평가하였다.

2. 시험 재료 및 방법

2.1 시험 시료의 기본 특성

본 연구에서 벤토나이트는 중국산 Na계 벤토나이트를 사용하였으며 세피올라이트는 M사로부터 구입하였다. 벤토나이트의 팽창-수축 과정에서 발생하는 균열을 제어하기 위해 섬유상 조직을 가지고 있는 세피올라이트를 벤토나이트에 첨가해서 사용하였다. 실내시험을 통한 차수성 광물의 물리･화학적 성질을 Table 1에 정리하였다. 이 때, 비중시험은 KS F 2308, 액･소성 한계 시험은 KS F 2303의 규정을 따라 수행하였다. 본 연구에서 사용된 인도산 구아검은 비중이 0.74 이고 pH는 5.8이며 M사로부터 구입하였다.

벤토나이트와 세피올라이트의 화학성분 분석을 위해 XRF(X-ray Fluorescence Spectrometer) 분석을 실시하였으며 그 성분 분석 결과를 Table 2에 정리하였다.

Fig. 1은 벤토나이트와 세피올라이트 SEM 미세구조 분석 결과이디. 벤토나이트는 판구조로 구성되는 것이 보인다. 이런 구조는 가진 벤토나이트는 물과 접촉한 후 많은 물 분자가 벤토나이트의 층간의 공간으로 들어가서 판구조는 하우스 구조(House of cards 구조)로 변화하게 되어 부피가 증가하게 된다(Fig. 2). 세피올라이트의 미관 구조 사진을 통한 섬유상 조직을 가지는 것이 보인다. 이런 섬유상 조직을 벤토나이트와 혼합하면 벤토나이트의 입자가 서로 연결될 수 있어서 벤토나이트의 건조-수축과정에서 발생한 균열을 제어할 수 있다.

Table 1. Physicsl properties of bentonite and sepiolite in this study

Table 2. Chemical composition of bentonite and sepiolite in this study (unit: weight %)

(L.O.I = Loss on Ignition)

Fig. 1.

SEM micrographic images of bentonite and sepiolite

Fig. 2.

Chemical structure change of bentonite (Wang et al., 2009)

담수 조건은 3차 증류수를 이용하였고 염수 조건은 ASTM D 1141-98 인공해수 제조하는 규정에 따른 3차 증류수 내 NaCl 함량이 2.45%, MgCl₂ 함량이 0.52%, Na₂SO₄ 함량이 0.41%, CaCl₂ 함량이 0.12%인 모사 해수를 준비해 사용하였다.

2.2 시험 방법

2.2.1 건조수축균열 시험

벤토나이트의 팽창-수축 과정에서 발생하는 균열을 제어하기 위한 섬유상 조직을 가지고 있는 세피올라이트를 벤토나이트에 첨가하였다. 세피올라이트의 함량 변화에 따른 벤토나이트의 균열 특성을 평가하기 위하여 혼합점토(벤토나이트와 세피올라이트의 혼합물)중 세피올라이트의 중량비를 0～40%까지 증가시키며 총 6가지의 혼합점토를 준비하였다. 준비된 혼합점토에 혼합점토 무게의 2배가 되는 물을 첨가하여 반죽된 혼합점토를 직경 30mm, 두게 3mm로 시료를 성형하였다. 성형한 시료는 풍건상태로 실온(약 24℃)에서 96시간 건조 시킨 후 시료의 균열 길이를 측정하였다.

2.2.2 팽윤도 시험

염수 조건에서도 담수 조건과 유사한 팽윤도를 확보할 수 있는 개량용 내염성 물질 선정하기 위하여 팽윤도 시험(ASTM D 5890)을 수행하였다. 팽윤도 시험을 수행하는 목적은 미리 선정된 개량용 후보 물질(구아검, 잔탄검, TSPP, 규조토) 중에 염수 조건에서 내염성 효과가 제일 좋은 물질을 선정하기 위함이다. 혼합점토 중 개량용 후보물질의 중량비는 0%, 1%, 1.25%, 2.5%, 5%, 7.5%의 6가지로 준비하였다. 위에 제시된 비율로 혼합점토와 4가지 개량용 후보물질 각각을 충분히 혼합해서 각 시료를 2g씩 정량하였다. 100mL 메스실린더에 담수 및 염수 80mL를 채우고 준비된 2g 시료를 30초 간격으로 0.1g씩 20회에 걸쳐 메스실린더에 투입하였다. 시료 첨가가 끝난 후에 메스실린더의 총 시료 부피가 100mL가 되도록 담수 또는 염수를 첨가하였다. 혼합점토가 물과 충분히 반응할 수 있도록 24시간 이상 방치하여 혼합점토의 팽윤도를 측정하였다.

2.2.3 다짐시험

풍화토와 개량 벤토나이트를 혼합된 차수재에서 개량 벤토나이트의 첨가량 변화에 다른 다짐특성 확인하기 위해 ASTM D 1557을 기초하여 다짐시험을 수행하였다. 다짐특성 파악은 입자차수재 제조에 필요한 물성 파악에 목적이 있다. 건조된 풍화토에서 개량 벤토나이트를 중량비 6%, 9%, 12%, 15%로 혼합한 각각 다짐시험을 실시하였다.

2.2.4 투수실험

담수 및 염수 조건에서 풍화토와 혼합한 개량 벤토나이트의 함량에 따른 혼합토 차수재의 투수성을 평가하였다. 투수실험기는 ASTM D 5856을 기초하여 재료의 입자 직경을 고려해서 직경 34mm, 높이 72mm의 투수실험기를 제조하여 사용하였다. 다짐시험에서 구한 최대건조밀도와 최적함수비를 가지고 192시간 동안 투수실험을 수행하여 24시간 간격으로 투수계수를 측정하였다.

3. 시험 결과 및 분석

3.1 건조수축균열 시험

건조수축균열 시험 결과(Table 3), 물을 흡수한 혼합점토는 건조에 따라 수분이 증발해 시료의 부피가 감소하여 시료의 직경이 30mm에서 약 20mm로 줄어들었다. 혼합점토의 팽창-수축 과정에서 세피올라이트 함량 증가에 따라 균열이 감소하였다. 혼합점토 중에서 세피올라이트의 중량비 15% 이상일 경우 건조된 혼합점토의 균열이 발생하지 않았다. 그러나 세피올라이트의 중량비가 증가할수록 혼합점토 중 소성성이 있는 벤토나이트의 함량이 감소하여 시료 건조한 후에 변형이 발생하였다. 혼합점토는 건조과정에서 시료 초기의 형태를 유지하기 위해 혼합점토 중 세피올라이트의 중량비가 30% 이하여야 한다. 따라서 본 연구에서 세피올라이트의 사용을 최소화하고 벤토나이트의 팽창-수축 과정에서 발생하는 균열을 제어하기 위해 벤토나이트와 세피올라이트의 중량비를 85:15로 혼합하여 결정하였다. 이 실험은 추후 입자차수재 제조 및 보관시 균열발생을 최소화하기 위하여 첨가하는 세피올라이트의 함량을 결정하기 위함이다.

Table 3. Result of drying shrinkage cracks test of bentonite- sepiolite mixture

3.2 팽윤도 시험

담수 및 염수 조건에서 벤토나이트 및 세피올라이트의 팽윤도 시험 결과를 Table 4에 정리하였다. 실험결과 염수 조건에서의 벤토나이트 팽윤도가 담수 조건에서 보다 70%정도 떨어지고 세피올라이트의 팽윤도는 담수 및 염수조건에서 큰 차이가 없는 것을 확인할 수 있었다.

Fig. 3는 염수 조건에서 혼합점토와 4가지 개량용 후보물질(구아검, 잔탄검, TSPP(Sodium Pyrophosphate), 규조토(Diatomite))의 중량비 변화에 따른 팽윤도 시험의 결과이다. 시험 결과, 염수조건에서 내염성을 가지는 4가지 개량용 후보물질의 함량이 증가에 따라 개량된 벤토나이트의 팽윤도는 증가하였다. 규조토가 혼합될 경우 염수 조건에서 규조토 함량 7.5%일 때 첨가량 0%일 때 보다 팽윤도가 50% 증가하였다. 다른 3가지 후보물질은 7.5% 첨가될 때 팽윤도가 250～300% 증가하였다. 이 수치는 담수 조건의 팽윤도와 유사하거나 초과하는 값이다. 위에 결과를 통해 이론적 배경과는 달리 규조토는 염수조건에서 개량 효과가 크게 개선되지 않다고 판단하였다. 혼합점토 중 구아검과 잔탄검의 중량비가 7.5%일 때, TSPP의 중량비 5.0% 이상일 때, 염수 조건에서 개량된 혼합점토의 팽윤도가 담수 조건에서의 팽윤도(18.5mL/2g)와 같거나 초과하였다. 팽윤도 시험 결과를 통한 4가지 개량용 후보물질의 내염성을 평가하고 점착성 및 경제성 등을 추가로 고려해서 구아검을 최종 개량용 첨가 물질로 선정하였다. 벤토나이트-세피올라이트 혼합점토 염수조건에서도 팽윤도 유기하기 위해 벤토나이트, 세피올라이트와 구아검의 중량비 78.6:13.9:7.5로 혼합하여 최종 결정하였다.

Fig. 3.

Free swelling capacity of bentonite-sepoilite mixing with salt resistance additives in salt water condition

Table 4. Swelling capacity of bentonite and sepiolite in fresh water and salt water condition

3.3 다짐시험

내염성 물질(구아검) 첨가 전･후 풍화토-개량 벤토나이트 혼합토의 염수 조건에서 투수성을 평가하기 위한 다짐시험을 수행하였다. 풍화토에 벤토나이트-세피올라이트 혼합점토 10%으로 혼합한 후 다짐시험을 수행하여 최대건조밀도(1.638g/cm³)와 최적함수비(18.5%)의 관계는 Fig. 4 다짐곡선에서 나타내었다.

Fig. 4.

Dry density-water content for weathered granite soil mixed with 10% mixing clay (bentonite-sepiolite mixing clay)

풍화토에 개량 벤토나이트(세피올라이트, 구아검 첨가)를 중량비 6%, 9%, 12%, 15%로 혼합하여 다짐 실험을 수행하였다. 다짐시험에서 얻은 최대건조밀도와 최적함수비는 Table 5에 정리하였고 최대건조밀도와 최적함수비의 관계는 Fig. 5 다짐곡선에서 나타내었다.

Fig. 5.

Dry density-water content for weathered granite soil mixed with modified bentonite (bentonite-sepiolite-guar gum mixing clay) (6%, 9%, 12%, 15%)

Table 5. Compaction characteristics of weathered granite soil and modified bentionite mixtures

다짐시험 결과를 보면 개량 벤토나이트의 첨가량이 증가할수록 최대건조단위중량은 감소하고 최적함수비는 증가하는 것을 판단된다. 이는 벤토나이트가 친수성이 크기 때문에 벤토나이트 함량이 증가함에 따라 보유되는 물의 양이 많아지기 때문인 것으로 볼 수 있다(Lee et al., 1999). 또한 풍화토와 개량 벤토나이트 혼합 차수재 중 구아검의 함량(0.7%) 낮아서 혼합 차수재의 다짐특성에 미치는 영향을 무시할 수 있었다.

3.4 투수실험

풍화토와 개량 벤토나이트 혼합하여 담수 및 염수조건에서 투수성을 평가하기 위해 투수실험을 실시하였다. 투수실험의 시료는 다짐시험의 결과에 바탕으로 제조하였다. Fig. 6 담수 및 염수조건에서 풍화토와 벤토나이트-세피올라이트 혼합점토를 혼합된 차수재의 투수실험 결과이다. 혼합된 차수재는 담수조건에서 48시간 후 1×10^-7cm/s 이하의 투수계수를 가진다. 그러나 염수조건에서는 이보다 약 2,000배 증가한 투수계수를 나다냈다. 안정화 이후의 염수조건 투수계수가 3.9×10^-5cm/s으로 매립지 기준에 부합하지 않는 것을 알 수 있다.

Fig. 6.

Hydraulic conductivity of weathered granite soil mixed with bentonite-sepiolite mixing clay (10%) under salt and fresh water condition

위에 풍화토-벤토나이트 혼합점토는 염수조건에서 투수계수 증가하는 것을 극복하기 위해 내염성 가진 구아검을 첨가하였다. 벤토나이트-세피올라이트 혼합점토 중 구아검을 중량비 2.5%, 5%, 7.5%, 10%으로 첨가해서 내염성 벤토나이트를 제조하였다. 제조된 내염성 벤토나이트와 풍화토를 1:9 비율로 혼합하여 투수실험을 수행하였다. 투수실험의 결과를 통한 내염성 벤토나이트 중 혼합 점토와 구아검의 최적 혼합비를 결정하였다. Fig. 7는 염수 조건에서 구아검의 첨가량 변화에 따른 풍화토-내염성 벤토나이트 혼합토의 투수실험을 결과이다. 염수 조건에서 내염성 벤토나이트 중 구아검의 첨가량이 증가할수록 풍화토-내염성 벤토나이트 혼합토의 투수계수가 감소하였다. 특히 구아검의 첨가량이 5% 보다 크면 염수 조건에서 혼합 차수재의 투수계수가 10^-7cm/s 이하를 만족하였고 구아검의 첨가량이 7.5%일 때, 혼합 차수재의 투수계수가 담수 조건의 투수계수와 유사하였다. 팽창물질의 투수계수 10^-7cm/s 이하를 만족시키기 위해 구아검과 혼합점토(벤토나이트:세피올라이트=85:15)의 중량비를 0.075:1로 선정하였다.

Fig. 7.

Hydraulic conductivity relation of guar gum content in weathered granite soil-modified bentonite mixture in salt water condition

Fig. 8는 염수조건에서 풍화토에 구아검(7.5%) 첨가된 혼합 점토 중량비 6%, 9%, 12%, 15%로 혼합하여 다짐 후 투수실험을 수행하였다. 염수 조건에서 풍화토 중 내염성 벤토나이트의 첨가량이 증가할수록 투수계수가 감소하였다(Fig. 9). 특히 내염성 벤토나이트 첨가량이 9% 보다 크면 염수 조건에서 풍화토-내염성 벤토나이트 혼합토의 투수계수가 10^-7cm/s 이하를 만족하였다.

Fig. 8.

Hydraulic conductivity of weathered granite soil mixed with bentonite-sepiolite-guar gum mixing clay (6%, 9%, 12%, 15%) in salt water condition

Fig. 9.

Hydraulic conductivity relation of weathered granite soil mixed with modified bentonite in salt water condition

4. 결 론

본 연구에서는 염분의 농도가 높은 해수 및 염성 침투수조건에서 적용 가능한 내염성 벤토나이트를 개발하였다. 개발된 내염성 벤토나이트와 풍화토의 혼합토에 대한 다짐 및 투수실험을 수행하여 염수 조건에서 매립장 관리 기준치를 만족하는 풍화토/내염성 벤토나이트의 혼합비를 도출하였다. 

(1)벤토나이트의 팽창-수축 과정에서 발생하는 균열을 제어하기 위한 섬유상 조직을 가지고 있는 세피올라이트를 첨가하였다. 건조수축균열시험의 결과를 통해 벤토나이트의 팽창-수축 과정에서 발생하는 균열을 제어하기 위해 벤토나이트와 세피올라이트의 중량비를 85:15로 혼합하여 결정하였다.

(2)팽윤도 시험을 통해 점착성 및 경제성 등을 추가로 고려해서 구아검을 최종 개량용 첨가 물질로 선정하여 염분 조건에서 내염성 벤토나이트의 팽창특성을 평가하였다. 벤토나이트-세피올라이트 혼합점토 염수 조건에서도 팽윤도를 유지하기 위해 벤토나이트, 세피올라이트와 구아검의 중량비 78.6:13.9:7.5로 혼합하여 결정하였다.

(3)풍화토에 내염성 벤토나이트를 첨가하여 다짐시험을 수행한 결과 벤토나이트의 첨가량이 증가할수록 풍화토-내염성 벤토나이트 혼합토의 최대건조단위중량 1.66～1.63g/cm³로 감소하여, 최적함수비가 17.1～ 19.9%로 증가하는 것을 관찰하였다.

(4)염수 조건에서 팽윤도 시험 중 선정된 구아검의 첨가량 검증 및 투수계수가 10^-7cm/s 이하로 만족되는 풍화토와 내염성 벤토나이트의 혼합비를 걸정하기 위한 투수실험을 수행하였다. 풍화토와 내염성 벤토나이트 혼합토의 투수계수는 내염성 벤토나이트 함량 증가에 따라 감소하여 내염성 벤토나이트의 함량 9% 이상일 때 투수계수가 10^-7cm/s 이하로 만족되었다.

(5)내염성 벤토나이트 중 벤토나이트, 세피올라이트와 구아검의 중량비는 78.6:13.9:7.5로 만족해야 되고 풍화토- 내염성 벤토나이트 혼합토 염수조건에서 도 투수계수가 10^-7cm/s 이하 만족하여 혼합토 중 내염성 벤토나이트의 함량 9% 이상이 만족되어야 한다.