KR100284191B1 - 토목섬유 점토 차수재 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 토목섬유 점토 차수재에 관한 것으로서, 10∼15데니어의 폴리프로필렌 단섬유로 이루어지며 중량이 500g/㎡ 이하인 부직포로 되는 표면부재; 상기 표면부재 하부로부터 순차적으로 위치하는 분말상 벤토나이트와 수용성 접착제를 함유하는 제1벤토나이트층 및 과립상 벤토나이트와 수용성접착제를 함유하는 제2벤토나이트층을 포함하는 중간부재; 및 상기 중간부재 하부에 위치하는 부재로서 1500∼3500데니어의 필라멘트 스플리트얀으로 되는 직포메트, 상기 직포매트 위에 5∼10데니어의 폴리프로필렌 장섬유로 되는 중량 50g/㎡ 이하의 부직포를 부착한 것, 및 중량 200∼300g/㎡의 폴리프로필렌 또는 폴리에스테르 부직포로 이루어진 군에서 선택되는 바닥부재를 구비하는 것을 특징으로 하며, 본 발명에 의하면 인장특성 및 내구성 향상, 수화시 벤토나이트의 유실방지 및 벤토나이트의 사용량을 줄이면서 차수효과를 향상시킬 수 있는 토목섬유 점토 차수재를 낮은 생산원가로 제공할 수 있게 된다.

Description

토목섬유 점토 차수재{Geosynthetic Clay Liner}
본 발명은 토목섬유 점토 차수재[Geosynthetic Clay Liner (소위 'GCL')]에 관한 것이다.
토목섬유 점토 차수재는 보통 부직포/점토/부직포 형태의 다층제품으로 구성되어 있으며, 간혹 하부층의 단섬유 부직포 대신에 직포형 매트를 사용하기도 한다. 특히 중간층에 사용되는 점토는 물에 대한 팽윤성이 매우 큰 과립형 또는 분말형 입자이며 물과 접촉시 팽윤하여 입자간격이 거의 없어져 물이 더 이상 침투하지 못하게 되어 투수계수가 1×10-9㎝/초 정도의 차수재로서의 기능을 발휘하게 된다. 이때 상부층 및 하부층에 사용되는 재료로는 부직포, 직포매트, 방수 시이트 등이 있으며 제품의 구성은 2층 또는 3층 구조로 된 제품들이 대부분이다.
토목합성제품(geosynthetics) 중에서 방수재로 널리 사용하는 것으로 지오멤브레인이 있다. 이 재료는 투수계수가 1×10-12㎝/초 정도의 낮은 투수성을 갖고 있지만 설치할 때에 찢어지거나 구멍이 뚫림으로 (폐기물 매립지나 액체 저장소 등에 설치되었을 경우) 침출수의 유출이 발생하여 환경오염을 일으키게 된다. 이를 보완하기 위해 친수성과 팽윤성이 큰 벤토나이트 물질을 이용한 팽윤토 방수재인 토목섬유 점토 차수재를 개발 사용하게 되었다. 벤토나이트의 주성분은 몬트모릴로나이트(montmorillonite)라는 점토광물로 이것이 물에 접촉하였을 때 물을 흡수하고 건조상태와 비교하여 자기 무게의 5배, 14∼16배의 부피증가를 일으켜 3mm이내의 갈라진 틈을 자체적으로 메꾸는 기능을 발휘하게 된다. 벤토나이트의 구조는 5∼15개의 판상의 규산염층으로 구성되어있으며, 하나의 규산염층은 양이온의 총전하에 대해 음이온의 총전하의 초과분으로 층 표면에 음전하를 띠게 된다. 그래서 두 규산염층간에 반발력이 발생하지만 이온교환할 수 있는 양이온(Na+, Ca2+)에 의해층을 이룰수 있게 된다. 층간격은 건조상태에서 0.05nm이지만 물과 접촉하면 1nm 이상 벌어진다. 벤토나이트 종류에는 Na-벤토나이트, Ca-벤토나이트, 수산화나트륨 벤토나이트 등이 있는 데, 이중 팽윤성이 가장 큰 Na-벤토나이트가 토목섬유 점토 차수재 제조에 주로 사용되고 있다.
토목섬유 점토 차수재는 지오텍스타일이나 지오멤브레인 사이에 벤토나이트를 충전시키고 접착제 또는 니들펀칭이나 스티치본딩(stitch bonding)과 같은 기계적인 방법으로 결합한 복합재료이다. 이렇게 제조된 토목섬유 점토 차수재는 액체차단기능인 차수기능을 필요로하는 환경분야(액체저장소나 폐기물매립지 등의 침출수 방지), 교통분야(도로나 철도 등에서 연료유실로 인한 오염방지), 토목건설분야 (댐이나 터널들의 누수방지) 등에 사용되고 있다. 이러한 응용분야에 토목섬유 점토 차수재가 방수재로 사용될 때 특히 고려되어야 할 것이 토목섬유 점토 차수재가 어느 정도의 방수성을 갖느냐가 큰 관건이다. 이러한 기능을 갖기 위해서는 벤토나이트는 확실한 실링(sealing)성질을 지녀야 하며 부직포 지오텍스타일과 매트는 강도와 내구성을 그리고 최종제품인 토목섬유 점토 차수재는 물리적으로 안정하면서 낮은 수분 전도를 유지하여야 한다. 또한 토목섬유 점토 차수재의 제조과정중 이동이나 미끌림이 없어야 하며 선적, 운반 그리고 시공시에 표면에 수분이 침투되는 것을 방지하도록 일정한 두께를 가져야 한다. 이와같은 사항은 고려해 볼 때 제조, 운반, 시공 및 사용중에 제품의 성능저하를 유발시키지 않고 수입원료인 벤토나이트를 적게 사용하여 제조단가도 저렴하며 차수성능도 우수한 특수한 개념의 토목섬유 점토 차수재에 대한 설계가 이루어져야 한다.
지금까지 개발된 팽윤토 방수재의 종류로 잘 알려진 것은 부직포/벤토나이트 /부직포 또는 매트와 벤토나이트/지오멤브레인 제품이다. 그리고 그 제조방법으로는 부직포/부직포 사이 또는 부직포/메트 사이에 벤토나이트를 충전시키고 니들펀칭 또는 스티치 본딩하여 결합시키거나 벤토나이트를 적절한 접착제와 혼합하여 방수시트인 지오멤브레인과 접착시키는 방법들이 사용되고 있다. 한편, 이들 제품은 경사가 없는 평지에 사용할 경우 포설 후 작업중 중장비나 트럭 등의 운전시 구속하중에 의해 찢어지거나 시공 후 빗물 등에 의한 부분침수에 의해 벤토나이트가 유실되어 전체적인 차수성에 영향을 받게 된다.
이뿐만 아니라 특히, 경사면에 시공할 경우 흙과의 마찰작용에 의하여 전단 및 인발특성이 저하되고 경사구배에 기인하여 하중부가시 심한 벤토나이트 유실현상이 발생하여 어떤 경우에는 거의 부직포/부직포 또는 매트 상태가 되거나, 벤토나이트가 부분적으로 탈착된 채 지오멤브레인에 들어 있는 상태로 존재하게 되어 방수재로서의 기능을 상실하게 된다. 그리고 토목섬유 점토 차수재 봉합시 봉합부분에서의 벤토나이트 유실이나 두께 변화로 인한 투수계수 변화문제 및 벤토나이트 팽윤에 의한 봉합선의 팽창과 이로 인한 강도저하를 유발시킨다. 기존의 관련제품들은 이러한 문제점을 보완하기 위하여 벤토나이트를 다량으로 사용하기 때문에 제조단가가 높은 편으로 경제적으로도 큰 부담을 안고 있다.
또한 기존의 제품들은 경사면에 시공할 경우 시공과정이나 시공 후 사용중 중간층의 벤토나이트가 아래쪽으로 이동하여 유실되거나 이로 인한 두께변화로 부분적인 공동화가 발생하여 상부층/공동/하부층의 구조가 되므로 그 기능을 발휘하지 못하게 되며 심한 경우에는 펑크(puncture)에 의한 파괴가 발생하고 만다.
따라서 본 발명은 상기한 바와 같은 선행기술의 제반 문제점을 감안하여 인장특성 및 내구성 향상, 수화시 벤토나이트의 유실방지 및 벤토나이트의 사용량을 줄이면서 차수효과를 향상시킬 수 있는 새로운 구조의 토목섬유 점토 차수재를 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
도 1은 본 발명에 바람직한 실시태양에 따라 표면부직포/제1벤토나이트층/중간부직포/제2벤토나이트층/바닥부직포-b/직포매트의 순서로 적층한 후 전체를 니들펀칭한 구조를 나타낸 도면.
도 2는 본 발명에 바람직한 실시태양에 따라 표면부직포 /제1벤토나이트층/웹/제2벤토나이트층/직포매트의 순서로 적층한 후 전체를 니들펀칭한 구조를 나타낸 도면.
도 3a는 본 발명에 바람직한 실시태양에 따라 표면부직포/제1벤토나이트층/제2벤토나이트층/직포매트의 순서로 적층한 후 전체를 니들펀칭하고 스티칭 (stitching)한 구조를 나타낸 도면이고, 도3b는 스티칭상태를 설명하기 위한 도면.
도 4는 본 발명에 바람직한 실시태양에 따라 표면부직포/제1벤토나이트층/중간부직포/제2벤토나이트층/바닥부직포-c의 순서로 적층한 후 전체를 니들펀칭한 구조를 나타낸 도면.
도 5는 도4의 바닥부직포-c의 구조를 설명하기 위한 도면.
*도면의 주요부분에 대한 설명*
N : 니들펀칭 S : 스티칭
상기한 과제를 해결한 본 발명에 의하면 토목섬유 점토 차수재에 있어서, 10∼15데니어의 폴리프로필렌 단섬유로 이루어지며 중량이 500g/㎡ 이하인 부직포로되는 표면부재; 상기 표면부재 하부로부터 순차적으로 위치하는 분말상 벤토나이트와 수용성 접착제를 함유하는 제1벤토나이트층 및 과립상 벤토나이트와 수용성 접착제를 함유하는 제2벤토나이트층을 포함하는 중간부재; 및 상기 중간부재 하부에 위치하는 부재로서 1500∼3500데니어의 필라멘트 스플리트얀(split yarn)으로 되는 직포메트, 상기 직포매트 위에 5∼10데니어의 폴리프로필렌 장섬유로 되는 중량 50g/㎡ 이하의 부직포를 부착한 것, 및 중량 200∼300g/㎡의 폴리프로필렌 또는 폴리에스테르 부직포로 이루어진 군에서 선택되는 바닥부재를 구비하는 것을 특징으로 하는 토목섬유 점토 차수재가 제공된다.
이하 본 발명을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명의 토목섬유 점토 차수재는 표면부재, 중간부재 및 바닥부재를 적층하여 구성시킨다. 이와 같이 적층한 후에는 니들펀칭 및/또는 스티칭을 할 수 있다.
상기 표면부재로는 10∼15데니어의 폴리프로필렌 단섬유로 이루어지며 중량이 500g/㎡ 이하인 부직포(이하, '표면부직포'라 합니다.)가 적합하다. 표면부직포의 소재로 폴리프로필렌을 사용하는 이유는 화학적 안정성이 우수하기 때문이다. 상기 수지에는 또한 자외선에 대한 안정성을 고려하여 카본블랙을 배합할 수도 있다. 예를 들어 표면부직포의 시공중 또는 시공후 자외선 노출기간이 30일 이상인 경우에 가급적 카본블랙을 배합하는 것이 바람직하다. 또한 표면부직포를 구성하는 단섬유의 섬도가 10데니어 보다 가는 경우에는 단위면적당 섬유밀도가 커지기 때문에 섬유제조단가가 상승되어 경제성이 문제가 되고 섬유에 첨가제를 이용할 경우 섬유제조가 어려운 단점이 있으며, 반면에 15데니어 보다 굵은 경우에는 섬유 사이의 공간이 많아져 제조중이나 운반, 시공중에 이들 사이로 벤토나이트의 유실이 커지는 단점이 있다. 또한 표면부직포의 중량이 500g/㎡을 초과하는 경우에는 굵은 니들을 사용하여 펀칭하여야 하므로 제품의 손상이 커지고 부직포의 두께가 커지므로 펀칭효과가 저하되어 치수안정성이 결여되므로 충분한 차수재로서의 기능을 발휘하지 못하는 단점이 있다.
중간부재는 표면부재 하부로부터 순차적으로 위치하며 적어도 분말상 벤토나이트와 수용성 접착제를 함유하는 제1벤토나이트층 및 과립상 벤토나이트와 수용성 접착제를 함유하는 제2벤토나이트층을 포함한다. 수용성 접착제는 벤토나이트의 유실 및 이동을 방지하고 분산을 방지하는 작용을 한다. 분말상 벤토나이트층(제1벤토나이트층)을 과립상 벤토나이트층(제2벤토나이트층) 위에 위치시키는 이유는 다음과 같다. 우선 사용되는 벤토나이트를 모두 분말상으로 할 경우 수분흡수 및 팽윤성은 과립상 벤토나이트에 비해 우수하지만 바닥부재가 직포매트인 경우 외부하중이나 수분에 노출시 벤토나이트의 유실이 커지게 된다. 또한 사용되는 벤토나이트를 모두 과립상으로 할 경우 벤토나이트의 유실은 감소하지만 니들펀칭시 니들의 절단이나 펀칭효과가 충분하지 못하여 이로 인한 제품 제조의 어려움이 발생하게 된다. 본 발명에 따라 분말상 벤토나이트층을 과립상 벤토나이트층 위에 배치하면 니들펀칭효과가 양호하고, 벤토나이트의 유실정도가 적으며, 차수효과가 우수한 등의 효과가 있다. 본 차수재중에 벤토나이트 함량은 102∼103g/㎡가 적당하다.
이러한 벤토나이트 층들 사이에 부직포나 또는 웹을 삽입하면 벤토나이트의 유실방지 및 안정성을 향상시키고 제품의 인장성능을 향상시킬 수 있어 바람직하다. 이러한 벤토나이트 층간 적층체로는 5∼10데니어의 폴리프로필렌 장섬유로 되는 중량 50g/㎡ 이하의 부직포(이하, '중간부직포'라 합니다.) 또는 중량 100∼200g/㎡의 폴리프로필렌 웹이 적당하다.
바닥부재는 상기 중간부재 하부에 위치하며 본 토목섬유 점토 차수재의 바닥을 형성하는 요소이다. 이러한 바닥부재로 바람직한 것은 (a) 1500∼3500데니어의 필라멘트 스플리트얀으로 되는 직포메트, (b) 상기 직포매트 위에 5∼10데니어의 폴리프로필렌 장섬유로 되는 중량 50g/㎡ 이하의 부직포를 부착한 것, (c) 중량 200∼300g/㎡의 폴리프로필렌 또는 폴리에스테르 부직포이다.
(a) 및 (b)와 같이 바닥부재로 직포매트를 사용하면 부직포에 비해 직포매트가 인장특성이 우수하기 때문에 구속하중에 대한 안정성이 향상되는 장점이 있다. 직포매트의 소재로 필라멘트 스플리트 얀을 사용하는데 그 이유는 일반 얀을 사용하는 경우에 비해 제직이 용이하고 인장특성이 향상되는 장점이 있기 때문이며, 그 섬도가 1500데니어 보다 가늘면 제조단가가 상승되고 섬유간격이 많아져 벤토나이트의 유실이 커지는 문제점이 있고, 3500데니어 보다 굵으면 인장특성이 저하되어 바닥부재로서의 기능이 약화되는 문제점이 있다.
(b)와 같이 직포매트 위에 부직포(이하, '바닥부직포-b'라 합니다.)를 적층시키면 벤토나이트가 부직포에 의해 차단되어 직포매트 사이로 유실되는 현상을 방지할 수 있으며, 제품 전체의 인장특성이 향상되는 장점이 있다. 이때 바닥부직포-b를 상기한 바와 같이 특정하는 이유는 섬도가 5데니어 보다 가는 경우에는 특수한 부직포 제조공정이 필요하며 제조단가가 상승되는 단점이 있고, 10데니어 보다 굵은 경우에는 섬유 상호간의 간격이 커져 부직포에 의한 벤토나이트 차단효과가 저하되며 인장특성도 저하되는 단점이 있으며, 또한 중량이 50g/㎡을 초과하는 경우에는 두께가 너무 두꺼워 펀칭효과의 저하로 인한 제품제조의 어려움이 수반된다.
바닥부재로서 부직포 만을 사용하는 (c)의 경우 공정이 간편하고 제품제조가 용이한 장점이 있으며, 이때 부직포(이하, '바닥부직포-c'라 합니다.)의 중량을 200∼300g/㎡으로 한정하는 이유는 200g/㎡ 미만에서는 니들펀칭시 부직포가 쉽게 찢어지거나 파열되는 문제점이 있고, 300g/㎡을 초과하는 경우에는 니들펀칭의 어려움과 제품의 최종중량이 커지는 문제점이 있기 때문이다.
본 발명의 토목섬유 점토 차수재는 특히 첨부도면에 나타낸 바와 같은 다음의 구조를 가질 때 특히 바람직하다:
- 표면부직포/제1벤토나이트층/중간부직포/제2벤토나이트층/바닥부직포-b/직포매트의 순서로 적층한 후 전체를 니들펀칭한 구조(도1 참조),
- 표면부직포/제1벤토나이트층/웹/제2벤토나이트층/직포매트의 순서로 적층한 후 전체를 니들펀칭한 구조(도2 참조),
- 표면부직포/제1벤토나이트층/제2벤토나이트층/직포매트의 순서로 적층한 후 전체를 니들펀칭하고 스티칭(stitching)한 구조(도3a 및 도3b 참조),
- 표면부직포/제1벤토나이트층/중간부직포/제2벤토나이트층/바닥부직포-c의 순서로 적층한 후 전체를 니들펀칭한 구조(도4 참조).
이와 같은 본 발명에 의하면 벤토나이트의 사용량을 줄이면서 차수효과가 우수한 토목섬유 점토 차수재를 제공할 수 있게 된다.
본 발명에 의해 제조되는 토목섬유 점토 차수재는 벤토나이트 함량 102∼103g/㎡, 플럭스(flux) 10-8∼10-14㎥/㎡/s, 스웰지수 20∼30분, 유체손실 18∼20㎖ 및 평균롤중량 800∼2,000㎏을 만족한다.
상기한 바와 같은 본 발명의 특징 및 기타의 장점은 후술되는 실시예로부터 보다 명백하게 될 것이다. 단, 본 발명은 하기 실시예로 한정되지 않는다.
[실시예]
하기 표 1과 같이 적층하여 토목섬유 점토 차수재를 제조하였다. 이때 사용된 적층요소들은 다음과 같았다:
표면부직포 : 카본블랙을 혼입시킨 폴리프로필렌으로 제조한 섬도 12데니어의 단섬유를 니들펀칭하여 제조한 중량 256.5g/㎡인 부직포.
제1벤토나이트층 : 수용성 접착제를 혼입한 분말상 벤토나이트.
제2벤토나이트층 : 수용성 접착제를 혼입한 과립상 벤토나이트.
직포매트: 250데니어의 필라멘트 스플리트얀으로 중량 138.3g/㎡으로 제직.
중간부직포 : 8데니어의 폴리프로필렌 장섬유를 니들펀칭하여 제조된 중량 32.4g/㎡ 또는 23.2g/㎡의 부직포
웹 : 중량 146.8g/㎡의 폴리프로필렌 웹
바닥부직포-b: 8데니어의 폴리프로필렌 장섬유를 니들펀칭하여 제조된 중량 32.4g/㎡의 부직포
바닥부직포-c : 중량 287.6g/㎡의 폴리프로필렌 부직포
상기 실시예의 토목섬유 점토 차수재에 대하여 다음 항목의 물성을 검토, 분석하여, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
- 기본특성
* 벤토나이트의 팽윤도
* 토목섬유 점토 차수재의 중량 및 두께
- 역학적 성질
* 인장특성: 길이방향 및 폭방향 인장강도 및 신도
* 파열강도
* 길이방향 및 폭방향 섬유층 분리강도
* 찢김특성
* 마찰성질 - 직접전단, 인발특성
- 수리적 성질
* 프리 스웰(free swell) - 스웰지수(swell index)
* 유체손실(fluid loss)
* 흡수율(moisture absorption)
* 투과성능(permeability)- 투수계수(Hydraulic conductivity)
유체손실(fluid loss) 등
- 내한성 : 영하 20℃, 24시간에서 180°굴곡후 외관변화로 판단. ◎는 외관변화없음을 나타냄.
구 분 실시예
1 2 3 4
벤토나이트의 팽윤도(㎖/2g) 27.4 27.4 27.4 27.4
중량(g/㎡) 표면부직포 256.5 256.5 256.5 256.5
제1벤토나이트층 1623.7 1623.7 1623.7 1623.7
중간부직포 32.4 - - 32.4
웹 - 146.8 - -
제2벤토나이트층 3788.6 3788.6 3788.6 3788.6
바닥부직포-b 32.4 - - -
직포매트 138.3 138.3 138.3 -
바닥부직포-c - - - 287.6
전체중량 5871.9 5953.9 5807.1 5988.8
인장강도(㎏) 길이방향 157.7 151.3 148.6 154.4
폭방향 96.4 92.7 88.2 98.5
인장신도(%) 길이방향 98.5 104.6 105.3 100.2
폭방향 118.4 122.2 124.5 111.2
파열강도(㎏) 58.3 544.4 53.6 60.3
섬유층분리강도(㎏) 길이방향 21.4 19.8 17.6 23.7
폭방향 16.6 15.7 14.3 18.5
유체손실(㎖) 14 16 18 15
흡수율(%) 584 603 645 822
내한성* ◎ ◎ ◎ ◎
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면 인장특성 및 내구성 향상, 수화시 벤토나이트의 유실방지 및 벤토나이트의 사용량을 줄이면서 차수효과를 향상시킬 수 있는 토목섬유 점토 차수재를 낮은 생산원가로 제공할 수 있게 된다.

Claims (1)

  1. 토목섬유 점토 차수재에 있어서, 10∼15데니어의 폴리프로필렌 단섬유로 이루어지며 중량이 500g/㎡ 이하인 부직포로되는 표면부재; 상기 표면부재 하부로부터 순차적으로 위치하는 분말상 벤토나이트와 수용성 접착제를 함유하는 제1벤토나이트층 및 과립상 벤토나이트와 수용성 접착제를 함유하는 제2벤토나이트층을 포함하는 중간부재; 및 상기 중간부재 하부에 위치하는 부재로서 1500∼3500데니어의 필라멘트 스플리트얀(split yarn)으로 되는 직포메트, 상기 직포매트 위에 5∼10데니어의 폴리프로필렌 장섬유로 되는 중량 50g/㎡ 이하의 부직포를 부착한 것, 및 중량 200∼300g/㎡의 폴리프로필렌 또는 폴리에스테르 부직포로 이루어진 군에서 선택되는 바닥부재를 구비하는 것을 특징으로 토목섬유 점토 차수재.
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