그라우팅 재료인 벤토나이트와 모래의 특징

벤토나이트

벤토나이트 대부분 스멕타이트군 점토광물로 구성된 일종의 변질암으로써 주로 화산유리질 암석들 특히 응회암들이 속성변질 또는 열수변질되어 만들어진 것입니다.

팽창성을 기준으로 할 때 가장 유명한 미국 와이오밍의 벤토나이트는 백악기 시대의 화산활동에 의해 생성된 것으로 보고되고 있다.

 

벤토나이트의 광물학적 명칭은 몬모릴로나이트라 불려지고 있습니다.

그러나 엄밀히 말하면 벤토나이트는 광물의 명칭이 아니므로 몬모릴로나이트나 스멕타이트와는 다릅니다.

몬모릴로나이트를 70~90% 함유하고 있는 점토입니다.

 

처음에는 프랑스에서 발견되었으나 미국의 몬타나주 근처 "포트벤톤"에서 발견되어 이 지명의 이름을 따서 현재까지 벤토나이트라 불려지고 있습니다.

벤토나이트는 양이온치환능, 높은 흡착능력, 수화-팽윤특성, 유변학적 특성, 높은 공극율, 매우 낮은 투수성 때문에 다음 분야에 이용되고 있습니다.

 

쓰레기 매립장의 차수재, 방사성 폐기물 처분장의 인공방벽재료, 지하연속벽/지하차수벽 시공, 시추 이수, 그라우팅의 주입재료 등 토목분야입니다.

벤토나이트는 몬모릴로나이트의 층간 양이온에서 Na가 유세한 Na-형 벤토나이트와 Ca가 우세한 Ca-형 벤토나이트로 구분됩니다.

 

몬모릴로나이트의 결합 구조는 일라이트와 같으나 정팔면체판의 Al 이온이 Mg로 치환되고 각 층 사이에는 물 분자와 치환성 양이온이 존재하므로 결합력이 매우 약해 물이 침투하면 체적이 증가합니다. 

Na-형 벤토나이트는 수화되면 Ca-형 벤토나이트보다 상대적으로 훨씬 높은 분산성향 및 팽윤도 그리고 우수한 유변성을 나타냅니다.

 

미국의 소위 와이오밍 벤토나이트로 대표되는 천연산 Na-형 벤토나이트는 전 세계적으로 드물게 산출됩니다.

일반적으로 그라우팅용으로는 소디움 벤토나이트를 사용하는데 칼슘 벤토나이트는 약 3배 팽창하는데 반하여 칼슘 벤토나이트는 이중층의 두께가 크므로 약 15배까지 팽창합니다.

그리고 무게의 5배까지 물을 흡수할 수 있으며 모든 성능이 우수하여 사용되는 것입니다.

 

Ca-형 벤토나이트는 보다 흔히 산출되며 우리나라에서는 포항, 경주, 울산일대의 제3기층에서 집중되어 산출되고 있으며 산성백토라는 명칭으로 불리기도 합니다.

Ca-형 벤토나이트의 팽윤성 및 소성을 향상하기 위해서 소다회나 Na2CO3로 인위적으로 양이온 치환시킨 Na-치환형 벤토나이트를 천연산 Na-형 벤토나이트의 대체품으로 흔히 사용합니다.

Ca-형 벤토나이트는 포대에 생산자의 표시 없이 판매되고 있으므로 활성벤토나이트와 구별이 됩니다.

 

벤토나이트

 

벤토나이트 사용방법

벤토나이트는 주입재의 블리딩과 수축을 줄이고 주입성을 증대시키기 위해 첨가제로써 가장 많이 사용되고 있습니다.

시멘트와 혼합되면 Na-형 벤토나이트는 Ca-형 벤토나이트로 바뀌면서 솜처럼 뭉쳐지며 이 면상으로 뭉쳐진 것들이 아교질 모양으로 되며 커져서 시멘트 입자의 침하를 막습니다.

 

Na-형 천연산 벤토나이트를 사용하는 것이 좋으나 가격이 비싸므로 팽윤도 20ml/2g 이상의 활성벤토나이트를 사용하여도 동일한 효과를 가져올 수 있습니다.

벤토나이트 사용량은 시멘트 중량의 2~4%를 첨가하는 것이 가장 좋으며 부배합일 때는 2%를, 물/시멘트=3 보다 묽은 빈배합에서는 4% 정도 첨가하면 주입재의 침하율을 5% 이하로 줄일 수 있습니다.

 

벤토나이트를 분말의 상태로 믹서에 집어넣어 시멘트와 혼합사용하면 그 기능이 충분히 발휘되지 않으므로 사용하기 전에 고속믹서에서 회전시켜 완전히 수화된 액상의 슬러리를 첨가하여야 합니다.

벤토나이트 슬러리는 벤토나이트 종류에 따라 다릅니다.

 

그러나 벤토나이트 1kg에 물 10L를 첨가하여 고속믹서에서 수분 간 혼합한 후 10~24시간 동안 충분히 수화. 팽창되도록 하여야 합니다.

그렇지 않으면 벤토나이트가 시멘트 주입재의 물을 흡수하여 주입농도를 변화시켜 버립니다.

투입순서는 먼저 벤토나이트 슬러리를 넣고 그다음에 물을 넣으며 나중에 시멘트를 투입합니다.

 

벤토나이트 사용의 결점은 실제 시멘트와의 완전한 혼합이 어렵고 많은 양을 사용하였을 때는 강도저하를 일으키며 점성의 증가를 일으키는 점입니다.

이외에도 균열이 큰 틈새에서는 지층 중에서 비중차이로 인하여 시멘트와 분리되어 균열에 시멘트가 전혀 없는 벤토나이트만 충진 될 가능성이 크다는 점입니다.

 

모래

모래는 주입비용을 아끼기 위해 시멘트와 혼합하여 모래질 그라우트 재료로 사용합니다. 흔히 몰탈이라고 합니다.

이는 대단히 큰 절리나 뒤채움 그라우팅 등에 극히 제한적으로 이용됩니다.

몰탈의 장점은 물 시멘트비를 줄일 수 있고 수화열이 적으며 주입재의 수축이 적다는 점입니다.

 

모래의 원마도가 좋을수록 주입재 운반능력은 더욱 좋아집니다.

모래는 반드시 입도분석을 하여 굵은 크기의 입자는 체로 쳐서 제거해야 합니다.

작은 입경만을 사용하여야 하며 혼화재의 첨가 없이 모래:시멘트=2:1 정도의 몰탈 주입이 한계점입니다.

 

더욱이 주입장에서부터 주입공까지의 거리가 100m 이상으로 멀거나 주입장보다 다소 높은 위치에서 주입할 때는 주입배관이 막히는 등 시공상에 어려움이 대단히 많습니다.

몰탈은 침하현상 때문에 바람직한 주입재가 아니므로 가능하면 이의 설계. 시공은 하지 말아야 합니다.

플라이애시, 규조토, 벤토나이트 등의 혼화재를 섞어서 사용하면 모래질 그라우트의 주입이 더욱 원활해집니다.