KR101901578B1

KR101901578B1 - 지열 그라우팅용 벤토나이트 성형체의 제조방법

Info

Publication number: KR101901578B1
Application number: KR1020170107932A
Authority: KR
Inventors: 이형승
Original assignee: (주)유원포리머
Priority date: 2017-08-25
Filing date: 2017-08-25
Publication date: 2018-09-27

Abstract

본 발명은 고효율 지중열교환기를 위한 벤토나이트 성형체에 관한 것으로서, 보다 상세히는 여러가지 혼합물을 현장에서 믹싱하여 투입하던 그라우팅 과정을 미리 성형한 그라우팅재 형태로 만들어 현장에서는 단순하게 물만 첨가하여 시공할 수 있도록 하고, 혼합 비율을 고민하여 열전도율을 향상시킨 고효율 지중열교환기를 위한 벤토나이트 성형체 및 그 제조방법에 관한 것이다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 벤토나이트와 실리카샌드 등 혼합물의 층분리 현상을 해결하고, 균일한 혼합조성을 갖는 지열용 벤토나이트 성형체를 제공함으로서 높은 열교환 특성을 유지할 뿐 아니라, 겔화 및 고형화 특성을 균일하게 유지할 수 있고, 직경이 작은 성형된 벤토나이트 성형체를 사용함으로서 작업 현장의 분진 발생량을 최소화 할 수 있고, 현장에서는 단순히 물과 혼합하여 투입함으로 품질을 유지할 수 있고, 더 깊은 심도까지 시공할 수 있어서 작업능률을 향상시키는 효과가 있다.

Description

지열 그라우팅용 벤토나이트 성형체의 제조방법{Bentonite Grouting material including bentonite for high-efficient geothermal exchanging system}

본 발명은 고효율 지중열교환기를 위한 벤토나이트 성형체에 관한 것으로서, 보다 상세히는 여러가지 혼합물을 현장에서 믹싱하여 투입하던 그라우팅 과정을 미리 성형한 그라우팅재 형태로 만들어 현장에서는 단순하게 물만 첨가하여 시공할 수 있도록 하고, 혼합 비율을 고민하여 열전도율을 향상시킨 고효율 지중열교환기를 위한 벤토나이트 성형체 및 그 제조방법에 관한 것이다.

지열 열펌프 시스템(Ground Source Heat Pump, GSHP)은 지열(geothermal)에너지를 이용하여, 저비용으로 냉/난방을 구현하는 대표적인 환경보호 및 에너지 재생기술로서 최근에 크게 각광을 받고 있다.

지중 열펌프 시스템은 지중의 열을 흡수, 방열하기 위해 고밀도 폴리에틸렌 파이프(High Density Polyethylene PiPe HDPE)를 통하여 냉방 사이클일 때는 실내에서 흡수한 열을 지중 열교환기를 통하여 방출하고, 반대로 난방 사이클일 경우는 이와 반대의 형태로 지중에서 열을 흡수하여 실내로 공급하는 방식이다.

지열 히트펌프 시스템은, 열매체를 U자관 열교환기에 채워 순환시킴으로서 지하와 지상의 온도차 만큼의 열교환을 유도하는 시스템이다. 이 중에서, 지열 열펌프 시스템의 핵심은 지열교환기를 통하여 지반과의 열전도가 원활하게 될 수 있도록 그라우팅 작업을 하는데, 지열교환기의 설치는 보통 수직방향으로 지하 150~200m 정도 깊이의 시추공(bore holes)을 일정한 간격으로 천공한 다음, 천공된 시추공에 HDPE 열교환 파이프를 "U"형으로 직렬 삽입하고, 연결된 양쪽 끝단부에 유입구와 출입구를 히트펌프와 연결하고, 열교환용 파이프에 물을 투입하고 순환시키는 방법을 사용한다.

지중 열펌프시스템의 핵심은 지중에 설치된 지중 열교환기의 성능에 따라 좌우된다. 지중열교환기의 파이프가 설치되는 각각의 시추공에는 열교환 파이프와 지반 간의 열전도가 원활하게 이루어질 수 있도록 그라우트 작업을 시공하게 되며, 그라우트 작업의 충실도에 따라 열교환 성능의 차이가 크게 나게 된다.

그라우트에 사용되는 재료로서는 벤토나이트를 많이 사용하는데, 지하수의 오염을 방지하고 낮은 투수계수와 부착력을 향상시키는 장점이 있다. 그 외에도 시멘트, 콘크리트, 실리카샌드 등 다양한 종류의 그라우트 재료가 사용될 수 있다.

다양한 그라우트 재료는 각각의 특성을 가지고 있다. 물을 흡수하여 자체적으로 팽창하는 성질을 가지고 있어 토목공사의 차수벽이나 지중열교환기의 그라우팅재(Grout)로 많이 사용되고 있는 벤토나이트는, 기본적으로 점토 광물이며, 지중 환경보호 측면에서 타 재료보다 우수하다는 장점이 있다. 물을 흡수하여 자체적으로 팽창하는 성질을 가지고 있어 토목공사의 차수벽이나 지중열교환기의 그라우팅재(Grout)로 많이 사용되고 있다.

하지만 순수 벤토나이트(벤토나이트 + 물)는 보어홀 주변의 토양 또는 암반과 비교했을 때 상대적으로 낮은 열전도율을 갖는 것이 단점이다. 따라서 이러한 단점을 극복하기 위해 순수 벤토나이트에 각종 혼합재료를 섞어 사용하는데, 실리카샌드나 규사, 실리카, 흑연, 알루미나 등이 이에 해당한다. 또한, 혼합하여 주입하기 위하여 유동화제(Superplasticizer)을 추가로 사용하여야 한다. 결국 물, 유동화제, 벤토나이트 및 기타 혼합재료를 혼합한 후 주입하는 방식으로 공사를 하게 된다. 기존의 지중 열교환기용 그라우팅재는 대부분 고운 분말상태인 것을 사용하고 있으며, 작업현장에서 벤토나이트 분말과 실리카샌드 등 혼합제를 물과 섞어 슬러리를 만든 다음, 고압펌프를 이용하여 지하 수십 내지 수백미터의 지열 열교환기용 천공에 부어넣어 벤토나이트의 물 흡수에 따른 부피팽창을 유도하고, 벤토나이트의 겔화와 고형화를 통하여 차수벽을 형성하도록 하고 있다.

한편, 작업 현장에서 적정량의 유동화제와 그라우팅 재료를 사용하지 않으면 팽윤이 되지 않고, 시공기간 단축을 위해 물, 유동화제, 그라우팅 재료들을 동시에 교반시키면 재료분리현상이 발생하곤 하며, 유동화제가 충분하지 않을 경우 트레미 파이프가 막히는 현상이 발생할 수 있다. 이 과정에서 작업자의 숙련도에 크게 의존하며 품질이 일정하지 않은 단점이 있었다. 이 점은 국내 공급업체의 영세성과 전문인력의 부족으로 인해 더욱 문제점을 증폭시키고 있어서, 고품질의 시공이 필요한 경우 그라우팅 재료를 상당부분 수입에 의존하고 있는 현실이다.

기존의 지중 열교환기용 그라우팅재는 대부분 고운 분말상태인 것을 사용하고 있으며, 작업현장에서 벤토나이트 분말과 모래 등 혼합제를 물과 섞어 슬러리를 만든 다음, 고압펌프를 이용하여 지하 수십 내지 수백미터의 지열 열교환기용 천공에 부어넣어 벤토나이트의 물 흡수에 따른 부피팽창을 유도하고, 벤토나이트의 겔화와 고형화를 통하여 차수벽을 형성하도록 하고 있으나, 분말 상태의 벤토나이트와 고운 모래 등 분말 혼합제의 혼합 과정에서 많은 분진이 발생하고 취급이 용이하지 않아 현장작업자의 작업환경에 매우 좋지 않을 뿐 아니라 작업능률이 떨어진다. 또한 두 가지 이상의 분말과 물을 혼합하는 과정에서 혼합비가 균일하지 않은 상태로 지열용 천공에 공급되어 차수벽 형성과 열교환 효율 등 지열열교환기용 그라우팅재로서의 성능을 충분히 발현하지 못하는 경우도 많이 발생한다. 즉 벤토나이트와 모래 등 혼합제의 비율에 따라 지열그라우팅재의 팽윤특성, 열전도 특성, 겔화 및 고형화 특성 등이 달라져 충분한 지열효과를 기대하기 어려운 현실이다.

(특허문헌1) 한국 등록특허 10-1471003

(특허문헌2) 한국 등록특허 10-1348134

상기 등록특허에서 제공하는 그래뉼화 된 벤토나이트 성형체는 벤토나이트에 열교환 효과를 증진시키기 위해 모래, 알루미나, 흑연 등을 혼합 첨가한 후 300℃ 내지 500℃, 또는 700 내지 1200℃에서 가열 후 분쇄함으로서 형성된 벤토나이트 성형체를 다시 분쇄하여 일정한 크기의 그래뉼로 제조하는 과정을 포함하는, 그래뉼화된 벤토나이트를 개시하고 있으나, 성형체의 혼합 후 고형화를 위하여 높은 온도로 가열하는 공정과 다시 분쇄하는 공정 등 제조공정에 많은 에너지와 고온의 건조 또는 소성하는 장치를 갖추어야 하기 때문에, 제조비용이 매우 높아 토목 및 지열용 그라우팅 재료로서는 더욱 적절한 방법을 찾아야 할 필요성이 있었다.

발명자들은, 벤토나이트와 바인더의 균일한 혼합조성을 갖는 지열용 그라우팅재를 성형하여 제공함으로서 높은 열교환 특성을 유지할 뿐 아니라, 겔화 및 고형화 특성을 균일하게 유지할 수 있고, 직경이 작은 성형된 그라우팅재를 사용함으로서 작업 현장의 분진 발생량을 최소화 할 수 있음을 확인하여 본 발명을 완성하였다.

본 발명의 목적은, 지중에 설치된 지중열교환기의 성능을 높여 고효율로 하고, 혼합 시의 문제점인 그라우팅재의 품질관리와 현장작업을 용이하게 하며, 미세먼지 등 환경오염을 줄일 수 있고, 깊이에 관계없고 기계에 부하가 없이 용이하게 투입이 가능하며, 작업자의 숙련도가 아닌 제품 형태의 일체형 벤토나이트 성형체를 제공하여 시공성 향상과 시공비를 절감할 수 있는, 지중열교환기의 일체형 벤토나이트 성형체 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 (1) 벤토나이트와 바인더를 혼합하는 단계; (2) 상기 (1)단계의 혼합물에 물을 추가하여 반죽하는 단계; (3) 상기 (2)단계의 반죽을 일정한 모양의 덩어리 형태로 제조하는 단계; (4) 상기 (3)단계에서 일정한 모양의 덩어리 형태로 제조된 성형체를 건조시키는 단계;를 포함하는 벤토나이트 성형체의 제조방법을 제공한다.

바람직하게는, 상기 (1)단계의 바인더는 메틸셀룰로우스(Methyl cellulose, MC) 또는 Hydroxyethyl Cellulose(HEC)일 수 있다.

바람직하게는, 상기 (1)단계의 바인더가 메틸셀룰로우스(Methyl cellulose, MC)일 때, 상기 혼합물은 혼합물 100 중량%에 대하여 벤토나이트 98.5 중량%이고, 바인더가 1.5 중량%이거나, 상기 (1)단계의 바인더가 Hydroxyethyl Cellulose(HEC)일 때, 상기 혼합물은 혼합물 100 중량%에 대하여벤토나이트99.5 중량%이고, 바인더가 0.5 중량%일 수 있다.

바람직하게는, 상기 (2)단계에서 추가하는 물의 함량은 상기(1) 단계에서의 혼합물과 물의 총 합이 100 중량%일 때, 혼합물이 50 내지 95 중량%이고, 물의 양이 5-50 중량%일 수 있다.

바람직하게는, 상기 (3)단계의 일정한 모양의 덩어리 형태로 제조하는 것은, 두 개의 롤러를 이용하는 롤러형 제환기를 이용하여, 혼합물을 롤러 사이에 통과시킴으로써 구형의 벤토나이트 성형체를 만드는 것일 수 있다.

바람직하게는, 상기 (3)단계의 일정한 모양의 덩어리 형태로 제조하는 것은, 펠렛 성형 장치를 이용하여, 혼합물에 압력을 가하여 펠렛형의 벤토나이트 성형체를 만드는 것일 수 있다.

바람직하게는, 상기 (4)단계에서 일정한 모양의 덩어리 형태로 제조된 성형체를 건조시키는 것은, 80℃내지 250℃에서 건조시키는 것일 수 있다.

또한 본 발명은, (1) 벤토나이트와 바인더를 혼합하는 단계; (2) 상기 (1)단계의 혼합물에 모래 또는 실리카샌드를 추가하여 혼합하는 단계; (3) 상기 (2)단계의 혼합물에 물을 추가하여 반죽하는 단계; (4) 상기 (3)단계의 반죽을 일정한 모양의 덩어리 형태로 제조하는 단계; (5) 상기 (4)단계에서 일정한 모양의 덩어리 형태로 제조된 성형체를 건조시키는 단계;를 포함하는 벤토나이트 그라우팅재의 제조방법을 제공한다.

바람직하게는, 상기 (1)단계의 바인더는 메틸셀룰로우스(Methyl cellulose, MC), Hydroxyethyl Cellulose(HEC)로 구성된 군에서 선택되는 물질 중 하나일 수 있다.

바람직하게는, 상기 벤토나이트 1중량부에 대해 모래 또는 실리카샌드 4 내지 8 중량부의 비율로 혼합하는 것일 수 있다.

바람직하게는, 상기 벤토나이트 100 중량부에 대해 바인더 역할을 하는 메틸셀룰로우스(Methyl cellulose, MC) 1 내지 3 중량부의 비율로 혼합하는 것일 수 있다.

바람직하게는, 상기 벤토나이트 100 중량부에 대해 바인더 역할을 하는 Hydroxyethyl Cellulose(HEC) 1 내지 3 중량부의 비율로 혼합하는 것일 수 있다.

본 발명에 따르면, 벤토나이트와 실리카샌드 등 그라우팅 혼합물의 층 분리 현상을 해결하고, 균일한 혼합조성을 갖는 지열용 벤토나이트 그라우팅재를 제공함으로써, 높은 열교환 특성을 유지할 뿐 아니라, 겔화 및 고형화 특성을 균일하게 유지할 수 있으며, 결과적으로 비산먼지를 줄이게 된다.

또한, 직경이 작으면서도 뭉쳐진 상태로 성형된 벤토나이트 그라우팅재를 사용함으로써, 작업 현장의 분진 발생량을 최소화 할 수 있고, 현장에서 단순히 물과 혼합하여 투입함으로 품질을 유지하면서 사용할 수 있고, 더 깊은 심도까지 시공할 수 있어서 작업능률을 향상시킬 수 있습니다. 시공을 위한 노력측면에서 약 30%의 노력이 덜 들게 되어 작업을 경제적으로 진행할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 벤토나이트 성형체 또는 벤토나이트 그라우팅재의 실제 사진이다. (A)는 구형으로 제환된 것이고, (B)는 펠렛 형태로 제조된 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 벤토나이트 성형체 또는 벤토나이트 그라우팅재를 제조하는 공정의 단계도이다. 압축을 가하지 않는 제환공정 (A)공정과, 압축으로 펠렛 형태로 제조하는 (B)공정이 나뉜다.
도 3은 본 발명에 따른 벤토나이트 성형체 또는 벤토나이트 그라우팅재를 제조하는 배합기, 이중 스크류, 제환기, 압착 롤러, 펠렛 성형 장치 각각의 사진이다.
도 4는 바인더((A)는 HEC, (B)는 당밀, (C)는 MC를 바인더로 사용한 경우)의 함량에 따른, 압착강도의 변화 그래프이다.
도 5는 바인더 없이 벤토나이트만을 물에 풀어 일정 시간((A)의 경우 0분, (B)의 경우 5분과 (C)의 경우 30분) 방치한 후 겔(gel)화 되는 정도를 비교하고, 그 후 2번 흔들어서 풀어지는 양상을 본 결과 사진이다.
도 6은 본 발명에 따라 당밀을 바인더로 사용한 벤토나이트 성형체를 물에 풀어 일정 시간(5분과 30분) 방치한 후 겔(gel)화 되는 정도를 비교하고, 그 후 2번 흔들어서 풀어지는 양상을 본 결과 사진이다. (A)는 0분 경과했을 때, (B)는 5분 경과했을 때, (C)는 30분 경과했을 때, (D)는 30분 경과 이후 2번 흔들었을 때의 사진이다.
도 7은 본 발명에 따라 메틸셀룰로오스(MC)를 바인더로 사용한 벤토나이트 성형체를 물에 풀어 일정 시간(5분과 30분) 방치한 후 겔(gel)화 되는 정도를 비교하고, 그 그 후 2번 흔들어서 풀어지는 양상을 본 결과 사진이다. (A)는 0분 경과했을 때, (B)는 5분 경과했을 때, (C)는 30분 경과했을 때, (D)는 30분 경과 이후 2번 흔들었을 때의 사진이다.
도 8은 본 발명에 따라 Hydroxyethyl Cellulose(HEC)를 바인더로 사용한 벤토나이트 성형체를 물에 풀어 일정 시간(5분과 30분) 방치한 후 겔(gel)화 되는 정도를 비교하고, 그 후 2번 흔들어서 풀어지는 양상을 본 결과 사진이다. (A)는 0분 경과했을 때, (B)는 5분 경과했을 때, (C)는 30분 경과했을 때, (D)는 30분 경과 이후 2번 흔들었을 때의 사진이다.
도 9는 본 발명에 따른 벤토나이트 그라우팅재로 그라우팅 시공을 하는 상황을 가정하여, 24시간 이후에 (A) 당밀을 사용한 경우, (B) MC를 사용한 경우, (C) HEC를 사용한 경우의 모습을 찍은 사진이다. 풀림 정도를 알 수 있다.
도 10은 본 발명에 따른 벤토나이트 성형체로 그라우팅 시공하였을 때, 측정된 열전도도의 수치와 그래프이다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 (1) 벤토나이트와 바인더를 혼합하는 단계; (2) 상기 (1)단계의 혼합물에 물을 추가하여 반죽하는 단계; (3) 상기 (2)단계의 반죽을 일정한 모양의 덩어리 형태로 제조하는 단계; (4) 상기 (3)단계에서 일정한 모양의 덩어리 형태로 제조된 성형체를 건조시키는 단계;를 포함하는 벤토나이트 성형체의 제조방법을 제공한다. "일정한 모양의 덩어리 형태"라는 말은, 입체로 된 다면체 또는 원통형 펠렛, 동그란 형태 등의 모양이 될 수 있다는 것을 의미한다.

상기 (3)단계 이후에 일정한 모양의 덩어리가 구체적으로는 동그란 형태의 구로 제환되는 것인 경우, 제환된 성형체의 정상 여부를 선별하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 (3)단계의 일정한 모양의 덩어리 형태로 제조하는 것은, 두 개의 롤러를 이용하는 롤러형 제환기를 이용하여, 혼합물을 롤러 사이에 통과시킴으로써 구형의 벤토나이트 성형체를 만드는 것을 특징으로 한다.

상기 롤러형 제환기는, 두 개의 롤러가 직경이 3.0 ~ 5.0mm이며 반구형으로 타공된 롤러를 맞물려 회전할 수 있도록 고안된 것을 특징으로 한다.

상기 (3)단계의 일정한 모양의 덩어리 형태로 제조하는 것은, 펠렛 성형 장치를 이용하여, 혼합물에 압력을 가하여 펠렛형의 벤토나이트 성형체를 만드는 것을 특징으로 한다.

상기 (4)단계에서 일정한 모양의 덩어리 형태로 제조된 성형체를 건조시키는 것은, 80℃내지 250℃에서 건조시키는 것을 특징으로 한다.

상기 (1)단계의 바인더는 메틸셀룰로우스(Methyl cellulose, MC), Hydroxyethyl Cellulose(HEC)로 구성된 군에서 선택되는 물질 중 하나인 것을 특징으로 한다.

상기 벤토나이트 1중량부에 대해 모래 또는 실리카샌드 4 내지 8 중량부의 비율로 혼합하는 것을 특징으로 한다.

상기 벤토나이트 100 중량부에 대해 바인더 역할을 하는 메틸셀룰로우스(Methyl cellulose, MC) 1 내지 3 중량부의 비율로 혼합하는 것을 특징으로 한다.

상기 벤토나이트 100 중량부에 대해 바인더 역할을 하는 Hydroxyethyl Cellulose(HEC) 1 내지 3 중량부의 비율로 혼합하는 것을 특징으로 한다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

실시예 1. 벤토나이트 성형체 제조

첫 단계로, 벤토나이트와 바인더를 물리적으로 혼합하며, 배합기(Mixer, 300L급, 2.2kw모터 2130L x 1200D x 1600H)를 이용한다(도 3 참조). 이 때 바인더(Binder)는 메칠셀룰로우스(MC), 액상 당밀, Hydroxyethyl Cellulose(HEC) 중 하나를 선택하여 사용할 수 있으며, 바인더의 양은 0-10wt%로 달리하여 혼합할 수 있다.

두번째 단계로는, 상기 혼합물과 물을 반죽하는 공정으로 물의 양은 벤토나이트의 특성과 바인더의 물성에 따라 혼합물(벤토나이트+바인더)와 물의 총 합량 100 wt% 대비 약 5-50 wt% 까지 사용할 수 있다. 10-30wt%의 물을 첨가하여 사용하는 경우 원활하게 반죽이 되었다. 사용 기기로는 반죽 스크류를 이용하는데, 측면에 물 분사 노즐이 있어서 반죽을 효과적으로 수행한다. 축경 60mm, 날개두께 3.2mm 20-120 rpm 운반량: 0.2-10m3/hr 물분사 노즐: 8 point의 사양을 갖는다(도 3 참조).

세번째 단계로는, 상기 과정에서 제조된 반죽 혼합물을, 혼합 및 제환 기능이 있는 롤러형 제환기를 이용하여 구형으로 제환한다(도 3 참조).

이때 사용된 롤러형 제환기는, 1.5kw 모터를 장착하고, 제환롤러를 사용한다. 롤러가 맞물려 회전할 수 있도록 고안된 제환기를 사용하였으며, 반죽 혼합물을 롤러 사이에 통과시킴으로서 구형의 벤토나이트 성형체를 제조한다(도 1 A 참조).

한편 펠렛 형태의 모양으로 제조하기 위해 압출기를 펠렛 성형 장치로 사용할 수도 있으며, 압력을 가할 수 있고, 표면이 엠보싱 형태가 되도록 할 수 있다(도 1 B 참조).

제조된 구형의 벤토나이트 성형체는, 보다 더 구형으로 만들고 내구성을 높이기 위해, 완전히 건조되기 전에 기울어진 회전체(당의기)에서 굴리는 과정을 추가할 수 있다.

또한 건조시킨 이후에는 진동선별기를 통해 통과 기준에 맞는 벤토나이트 성형체만을 선별할 수도 있다.

네번째 단계로는, 상기 과정에서 제조된 벤토나이트 성형체를 120℃ 건조기에서 12시간 건조하여 완성하였다. 건조 온도는 80 ~ 250℃로 적용 가능하다. 건조 시간은 조건을 달리하여 줄일 수 있고 연속 생산 과정을 도입하여 연속적 건조를 하도록 할 수 있다. 컨베이어 열풍건조기(90 kW급 원적외선 히터, 폭 약 300 ?? 400mm, sus mesh 컨베이어, 1.5kw 구동모터))를 사용하여 작업을 수행할 수 있다.

위와 같은 벤토나이트 성형체 제조의 전체 과정은 (도 2)에 간략화하여 표시하였다.

실시예 2. 벤토나이트 성형체의 물성 측정

건조된 최종 벤토나이트 성형체의 물성 중 압착 강도를 측정하기 위해, 상기 방법을 통해 구형으로 제조된 직경 4.0mm의 벤토나이트 성형체를 압착강도 측정기에 올려놓고 압착 강도를 측정하였다. 압착 강도는 밑판에 로드셀(최대 15 kgf)이 부착된 스테인레스 철판에 벤토나이트 성형체를 올려놓고, 밑판과 같은 면적의 스테인레스 상판을 서보모터를 이용하여 0.02 mm/cm의 일정한 속도로 내리면서 성형체에 가해지는 힘의 세기를 디지털 데이터 수집기로 수집하여 성형체가 깨지는데 소요되는 최대 힘의 세기를 단위면적(cm2)으로 환산하여 측정하였다.

압착강도를 측정하는 이유는, 벤토나이트 성형체를 창고에 보관하는 경우, 자체의 무게 때문에 깨지지 않아야 하며, 이를 위한 기준이 필요하기 때문이다. 14.0 kgf/cm2이상의 압착강도를 보인다면, 창고에 보관할 때나 사용하기 위해 운반할 때 쉽게 부서지지 않는 정도이며 비산 먼지도 적게 발생하기 때문에, 이 기준을 사용하여 벤토나이트 성형체의 사용가능성을 확인하였다.

<표 1> 다양한 바인더 종류와 함량을 이용한 벤토나이트 성형체 및 압착강도와 열전도율 측정 결과

이러한 표에 나타난 결과를 그래프 형태로 (도 4)에 보기 쉽게 나타내었다.

(도 4)의 결과를 보면, HEC와 MC는 둘 다 바인더로서 적용 가능하다는 것을 알 수 있지만, 당밀 제립보조제는 더욱 많은 양을 넣어도 압착강도가 오히려 낮아지는 현상을 나타내므로 바인더로서 부적합하다는 것을 확인하였다. 추가로, 동일한 1 중량%일 때 바인더 3종류 중에서 MC(메틸셀룰로오스)가 19.1의 압착강도를 나타내기 때문에 가장 효과가 좋다는 것을 알 수 있다. 한편 MC(메틸셀룰로오스)를 1.5 중량%로 사용하였을때 19.7의 압착강도를 나타내어 사용가능한 범위에서 제일 좋은 수치를 나타낸다는 것을 알 수 있다. MC(메틸셀룰로오스)를 2.0 중량%로 사용하였을 때는 24.5의 압착강도를 나타내며 너무 단단하게 성형체가 되어 사용에 불편함이 있을 수 있고, 경제적으로도 바인더의 가격이 비싸기 때문에 불합리하게 된다.

압착강도 외에도, 실제 시공 시 중요한 것은 물에 잘 풀려서 층 분리가 일어나지 않아야 한다. 각각의 바인더를 사용하여 제조된 벤토나이트 성형체 2g을 100 cc의 물을 채운 메스실린더에 넣어 초기, 5분후, 30분 후, 그리고 30분 후에 두 번 손으로 흔들어 섞은 후의, 벤토나이트 성형체의 고형화(겔화) 형상을 카메라로 촬영하여 비교 정리한 결과를 (도 5)부터 (도 9)까지에서 확인할 수 있다.

벤토나이트 성형체를 넣은 실험에서 즉각적으로 잘 풀어진다면 모래 및 물과 혼합하여 실제 교반하는 과정에서 풀어져서 성형체로서 효과가 없게 된다. 실제 그라우팅 작업에서 천공에 투입되어 안착되기 전까지는 가급적 풀어지지 않고, 1일 이상 지난 후에 풀어져야하기 때문이다.

(도 5)는 바인더 없이 벤토나이트만 넣은 것인데, 30분이 지나면 가라앉았지만, 손으로 흔들면 다시 풀어져버리는 현상을 나타낸다(도 5의 C 참조). (도 6)은 바인더(제립보조제)로 당밀을 다양한 농도로 넣고, 시간이 지난 후의 결과를 본 것인데, 역시 30분이 지난 후에 손으로 흔들면 다시 풀어지는 현상이 나타났다. (도 7)은 바인더로 메틸셀룰로오스(MC)를 넣은 것인데, 30분이 지난 후에 손으로 흔들면 2% 이상 포함했을 때만 풀어지는 현상이 나타났다. 이는 1.5% 이하일때로 메틸셀룰로오스의 함량을 조절해야 한다는 것을 의미한다. (도 8)은 바인더로 Hydroxyethyl Cellulose(HEC)를 넣은 것인데, 30분이 지난 후에 손으로 흔들면 1% 이상 포함했을 때는 풀어지는 현상이 나타났다. 이는 0.5% 이하일때로 HEC의 함량을 조절해야 한다는 것을 의미한다.

결국 가장 안정되어 풀어지지 않는 것은 MC와 HEC를 바인더로 사용한 경우라는 것을 알 수 있다. 또한 1.5% 이하의 MC와 0.5% 이하의 HEC를 사용한 경우에 잘 풀리지 않아서, 벤토나이트 성형체의 사용목적에 맞는 것을 확인하였다. MC와 HEC 중에서는 MC가 더 안 풀리는 현상이 나타나고, 앞서 실험한 대로 압착강도도 우수해서, 목적에 더 적합하게 벤토나이트 성형체를 제조할 수 있음도 확인하였으며, 압착강도는 MC가 1.5%일 때에, MC가 다른 농도로 사용되었거나 HEC를 바인더로 쓴 경우보다 더 높다는 것을 확인하였다.

(도 9)는 당밀과 MC, HEC를 각각 바인더의 양을 달리하여 제조한 성형 벤토나이트를 100cc의 물에 각각 2g 씩 넣고 24시간 후의 성형상태 풀림 정도를 확인하기 위한 실험 결과 사진이다. 당밀을 바인더로 넣은 성형 벤토나이트 시료(A)는 모두 잘 풀려있는 반면, MC를 바인더로 한 성형벤토나이트는 MC의 함량이 2%로 많아지면 24시간 후에도 잘 풀리지 않음을 확인할 수 있다. 또한 HEC를 바인더로 사용한 (C)의 그림에서도 HEC의 함량이 1% 인 시료에서는 성형체에서는 24시간이 지나도 풀리지 않고 성형상태를 유지하고 있음을 확인할 수 있다. 이는 그라우팅제가 시공 후 일정시간 후 물을 충분히 흡수하여 팽윤되어야 하나 바인더의 양이 많아지면 팽윤이 용이하지 않을 수 있어 적절량의 바인더를 첨가되어야 함을 확인하게 하였다.

(도 10)은 본 발명의 벤토나이트 성형체를 재료로, 실제의 그라우팅 시공처럼 벤토나이트, 실리카샌드(모래) 및 물과 섞은 후, 그 물리적 특성인 열전도도를 KS 및 ASTM 규정(ASTM D 5334-08)에 의해, 지열인력양성센터에서 분석한 결과이다.

시료 혼합비율은 본 발명의 벤토나이트 성형체 100g(전체 중량의 11%)에, YS-1000 실리카샌드 500g(전체 중량의 56%)과 물 300g(전체 중량의 33%)을 혼합하는 비율로 하였다. 시험환경으로 온도는 20℃ 기준으로 ±0.5℃, 습도는 60%를 기준으로 ±5%로 하였다.

그 결과, 혼합직후에는 열전도도가 1.761W/m℃로 일반적으로 1.6 이하 정도로 나타나는 다른 그라우팅재의 열전도도 보다 높은 값을 얻을 수 있다. 또한 시간이 지날수록 열전도도값이 조금씩 증가하는 것을 확인할 수 있어, 72시간 후에는 1.784W/m℃까지 수치가 증가하였다. (도 10)의 위 표에서 열전도도의 구체적 수치를 확인할 수 있고, 아래쪽 그래프에서 조금씩 열 전도도가 증가하는 것을 확인할 수 있다.

실시예 3. 벤토나이트 그라우팅재 제조와 물성 측정

실시예 1. 과 실시예 2. 에서는 벤토나이트 성형체를 만들어, 현장에서 모래(또는 실리카샌드)를 추가하여 시공할 수 있는데, 아예 처음부터 모래(또는 실리카샌드)를 포함시켜 성형함으로써 시공을 더욱 간편하게 할 수 있다. 단, 이 경우 모래(또는 실리카샌드)와의 다양한 혼합비로 시공할 수는 없다는 단점이 있다. 이를 벤토나이트 그라우팅재 라고 말할 수 있는데, 이러한 벤토나이트 그라우팅재를 제조하는 방법은 아래와 같다.

첫 단계로, 벤토나이트와 바인더에 모래(또는 실리카샌드)를 물리적으로 혼합하며, 배합기(Mixer, 300L급, 2.2kw모터 2130L x 1200D x 1600H)를 이용한다(도 3 참조). 이 때 바인더(Binder)는 메틸셀룰로우스(MC), Hydroxyethyl Cellulose(HEC) 중 하나를 선택하여 사용할 수 있다.

벤토나이트와 모래(또는 실리카샌드)를 다양한 비율로 첨가하여 혼합한 슬러리를 만든 후, (실시예 1)의 방법과 동일한 방법으로 성형하고, 생성된 여러 비율의 혼합 그라우팅재에 대해 압착강도와 열전도도를 측정하였다.

그 결과 아래의 (표 2)과 같은 결과를 얻을 수 있었는데, 표의 결과는 보면, 압착강도는 벤토나이트와 모래(또는 실리카샌드)의 비율이 1:6을 넘어가 1:7 이상이 되면 압착강도가 너무 낮아져서(6.5 kg/cm²이하)가 되어 표면이 부슬부슬해지면서 부서지기 쉬우며, 투수계수도 너무 높아져(8.5 X 10^-8 이상이 되어 버림) 사용하기 어려워 진다는 것을 확인하였다. 벤토나이트와 모래(또는 실리카샌드)의 비율이 1:4에서는 압착강도가 충분(6.5 kg/cm²이상)한 대신, 열전도도가 1.7 이하로 전반적으로 낮아서, 충분한 효율을 달성할 수가 없다는 것도 확인하였다. 따라서 벤토나이트와 모래(또는 실리카샌드)의 비율이 1:4 내지 1:6일 때, 필요한 정도의 압착강도, 낮은 투수계수와 고효율의 열전도도 성질을 동시에 가진다는 것을 확인하였다. 1:5의 비율일 때, 그리고 물도 동량으로 포함시켜 그라우팅재를 만들었을 때, 1.793W/m℃의 열 전도도를 나타냈는데, 이는 앞에서 외부기관에 의뢰해 측정한 데이터값 1.784W/m℃와 거의 같다.

<표 2> 벤토나이트와 모래 비율을 따른 벤토나이트 그라우팅재 측정 결과

다음 단계로, 벤토나이트와 모래(또는 실리카샌드)를 1:4로 혼합한 슬러리에 바인더 역할을 하는 메틸셀룰로오스(MC)를 다양한 양으로 첨가한 후 성형하여, 생성된 다양한 바인더 비율의 벤토나이트 그라우팅재에 대해, 각각의 압착강도와 제환 양호 여부를 측정하였다.

그 결과 아래의 (표 3)과 같은 결과를 얻을 수 있었는데, 표의 결과를 보면, 벤토나이트와 모래(또는 실리카샌드)와 물의 비율이 1:4:1 이며 총 6000g인 경우를 기준으로 하여, 메틸셀룰로오스(MC)가 10g를 넘어가지 않으면 제환과정에서 구형이 잘 유지되지 않고 표면이 부슬부슬해지는 현상이 나타났다. 메틸셀룰로오스가 10.0g 이상이면 이러한 현상이 없어졌고, 메틸셀룰로오스의 바인더 효과로 인해 압착강도도 25 kg/cm²이상이 되어, 그라우팅재 저장 뿐 아니라 각종 공사에서도 사용하기 편리한 것을 확인하였다. 바인더를 30.0g까지 넣은 경우까지는 실제 사용가능한데, 40.0g 이상 넣는 경우에는 바인더로 인한 고형화가 심하게 되어서 실제 사용할 때 그라우팅재 투입이 힘들어지고, 투입 이후에도 고형화 현상 때문에 문제가 된다. 또한 불필요하게 많은 양의 바인더를 넣게 되어 경제성이 떨어지게 된다. 메틸셀룰로오스(MC) 바인더의 경우 10kg에 8만원 정도의 가격을 형성 중이다.

환산하면, 혼합 그라우팅제 전체 중량 100에 대해, 메틸셀룰로오스 바인더를 0.16 내지 0.5 중량 비율로 추가하였을 때 25 kg/cm²이상의 압착강도와, 양호한 제환 성능을 얻을 수 있음을 확인하였다.

<표 3> 메틸셀룰로오스 바인더를 이용한 혼합 그라우팅제의 압착강도와 제환여부 측정 결과

그 다음 단계로, 바인더 역할을 하는 메틸셀룰로오스(MC)를 Hydroxyethyl Cellulose(HEC)로 바꾸고 다양한 양으로 첨가한 후 그라우팅재로 성형하여, 생성된 다양한 바인더 비율의 벤토나이트 그라우팅재에 대해, 각각의 압착강도와 제환 양호 여부를 측정하였다.

그 결과 아래의 (표 4)와 같은 결과를 얻을 수 있었는데, 표의 결과를 보면, 벤토나이트와 모래(또는 실리카샌드)와 물의 비율이 1:4:1 이며 총 6000g인 경우를 기준으로 하여, HEC가 10g를 넘어가지 않으면 제환과정에서 구형이 잘 유지되지 않고 표면이 부슬부슬해지는 현상이 나타났다. HEC가 10.0g 이상이면 이러한 현상이 없어졌고, 셀룰로오즈에테르의 바인더 효과로 인해 압착강도도 25 kg/cm²이상이 되어, 그라우팅재 저장 뿐 아니라 각종 공사에서도 사용하기 편리한 것을 확인하였다. 바인더를 30.0g까지 넣은 경우까지는 실제 사용가능한데, 40.0g 이상 넣는 경우에는 바인더로 인한 고형화가 심하게 되어서 실제 사용할 때 그라우팅재 투입이 힘들어지고, 투입 이후에도 고형화 현상 때문에 문제가 된다. 또한 불필요하게 많은 양의 바인더를 넣게 되어 경제성이 떨어지게 된다. HEC 바인더의 경우 10kg에 100만원 정도의 가격을 형성 중이다.

환산하면, 혼합 그라우팅제 전체 중량 100에 대해, 셀룰로오즈에테르 바인더를 0.16 내지 0.5 중량 비율로 추가하였을 때 25 kg/cm²이상의 압착강도와, 양호한 제환 성능을 얻을 수 있음을 확인하였다.

<표 4> HEC 바인더를 이용한 혼합 그라우팅제의 압착강도와 제환여부 측정 결과

이상, 본 발명내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의해 정의된다고 할 것이다.

Claims

(1) 벤토나이트와 바인더를 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계;
(2) 상기 (1)단계의 혼합물에 물을 추가하여 반죽하는 단계;
(3) 상기 (2)단계의 반죽을 일정한 모양의 덩어리 형태로 제조하는 단계;
(4) 상기 (3)단계에서 일정한 모양의 덩어리 형태로 제조된 성형체를 건조시키는 단계;를 포함하며,
상기 (1)단계의 바인더는 메틸셀룰로우스(Methyl cellulose, MC) 또는 Hydroxyethyl Cellulose(HEC)인 것을 특징으로 하는 벤토나이트 성형체의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 (1)단계의 바인더가 메틸셀룰로우스(Methyl cellulose, MC)일 때, 상기 혼합물은 혼합물 100 중량%에 대하여 벤토나이트 98.5 중량%이고, 바인더가 1.5 중량%인 것을 특징으로 하는 벤토나이트 성형체의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 (1)단계의 바인더가 Hydroxyethyl Cellulose(HEC)일 때, 상기 혼합물은 혼합물 100 중량%에 대하여 벤토나이트 99.5 중량%이고, 바인더가 0.5 중량%인 것을 특징으로 하는 벤토나이트 성형체의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 (2)단계에서 추가하는 물의 함량은 상기(1) 단계에서의 혼합물과 물의 총 합이 100 중량%일 때, 혼합물이 50 내지 95 중량%이고, 물의 양이 5-50 중량%인 것을 특징으로 하는 벤토나이트 성형체의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 (3)단계의 일정한 모양의 덩어리 형태로 제조하는 것은, 두 개의 롤러를 이용하는 롤러형 제환기를 이용하여, 혼합물을 롤러 사이에 통과시킴으로써 구형의 벤토나이트 성형체를 만드는 것을 특징으로 하는 벤토나이트 성형체의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 (3)단계의 일정한 모양의 덩어리 형태로 제조하는 것은, 펠렛 성형 장치를 이용하여, 혼합물에 압력을 가하여 펠렛형의 벤토나이트 성형체를 만드는 것을 특징으로 하는 벤토나이트 성형체의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 (4)단계에서 일정한 모양의 덩어리 형태로 제조된 성형체를 건조시키는 것은, 80℃내지 250℃에서 건조시키는 것을 특징으로 하는 벤토나이트 성형체의 제조방법.
(1) 벤토나이트와 바인더를 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계;
(2) 상기 (1)단계의 혼합물에 모래 또는 실리카샌드를 추가하여 혼합하는 단계;
(3) 상기 (2)단계의 혼합물에 물을 추가하여 반죽하는 단계;
(4) 상기 (3)단계의 반죽을 일정한 모양의 덩어리 형태로 제조하는 단계;
(5) 상기 (4)단계에서 일정한 모양의 덩어리 형태로 제조된 성형체를 건조시키는 단계;를 포함하며,
상기 (1)단계의 바인더는 메틸셀룰로우스(Methyl cellulose, MC) 또는 Hydroxyethyl Cellulose(HEC)이며,
상기 벤토나이트 1 중량부에 대해 모래 또는 실리카샌드 4 내지 6 중량부의 비율로 혼합하는 것을 특징으로 하는 벤토나이트 그라우팅재의 제조방법.
삭제
제 8항에 있어서,
상기 (4)단계의 일정한 모양의 덩어리 형태로 제조하는 것은, 두 개의 롤러를 이용하는 롤러형 제환기를 이용하여, 혼합물을 롤러 사이에 통과시킴으로써 구형의 벤토나이트 그라우팅재를 만드는 것을 특징으로 하는 벤토나이트 그라우팅재의 제조방법.
제 8항에 있어서,
상기 (4)단계의 일정한 모양의 덩어리 형태로 제조하는 것은, 펠렛 성형 장치를 이용하여, 혼합물에 압력을 가하여 펠렛형의 벤토나이트 그라우팅재를 만드는 것을 특징으로 하는 벤토나이트 그라우팅재의 제조방법.
삭제
제 8 항에 있어서,
벤토나이트 100 중량부에 대해 바인더 역할을 하는 메틸셀룰로우스(Methyl cellulose, MC) 1 내지 3 중량부의 비율로 혼합하는 것을 특징으로 하는 벤토나이트 그라우팅재의 제조방법.
제 8 항에 있어서,
벤토나이트 100 중량부에 대해 바인더 역할을 하는 Hydroxyethyl Cellulose(HEC) 1 내지 3 중량부의 비율로 혼합하는 것을 특징으로 하는 벤토나이트 그라우팅재의 제조방법.