KR101945367B1 - 지중열교환기용 그라우팅재. - Google Patents

지중열교환기용 그라우팅재. Download PDF

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KR101945367B1
KR101945367B1 KR1020180089707A KR20180089707A KR101945367B1 KR 101945367 B1 KR101945367 B1 KR 101945367B1 KR 1020180089707 A KR1020180089707 A KR 1020180089707A KR 20180089707 A KR20180089707 A KR 20180089707A KR 101945367 B1 KR101945367 B1 KR 101945367B1
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신동현
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한국벤토나이트 주식회사
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Abstract

본 발명은 벤토나이트 및 흑연을 포함하는 혼합분말 또는 상기 혼합분말을 이용하여 제조된 성형체로 이루어지는 지중열교환기용 그라우팅재로서, 상기 그라우팅재는 규사를 포함하지 않으며, 비중이 1.18 내지 1.41이며, 열전도도가 1.80 이상인 것을 특징으로 하며, 규사의 사용에 의한 히트펌프의 열효율 저하의 문제를 해결하며 비중이 낮아 천공 깊이가 깊은 시공 현장에서도 적용할 수 있는 그라우팅재에 관한 것이다.

Description

지중열교환기용 그라우팅재.{Grouting Materials for Geothermal Exchanging System}
본 발명은 지중열교환기용 그라우팅재에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 히트펌프의 열효율 저하의 원인이 되는 규사(실리카 샌드)를 사용하지 않는 지중열교환기용 그라우팅재 및 이를 이용한 시공방법에 관한 것이다.
신재생 에너지의 일종인 지열 에너지는 비고갈성이며 환경 친화적인 에너지로서 최근 각광받고 있다. 이러한 지열 에너지 기술은 직접 이용 기술과 간접 이용 기술로 구분되는데, 직접 이용 기술은 10 내지 20℃의 지열을 열펌프와 냉동기 등의 에너지 변환 기기의 열원으로 공급하여 건물 냉난방, 각종 건조 산업, 도로 융설, 온천, 양식업, 시설영농, 지역난방 등에 활용하는 기술이다. 또한, 간접 이용 기술은 40 내지 150℃의 심부 지열 중 80℃ 이상의 증기를 끌어 올려 전기를 생산하기 위한 지열 발전에 활용하는 기술이다.
직접 이용 기술에서 가장 큰 부분을 차지하는 분야는 지열 열펌프 시스템이며, 간접 이용(지열 발전)을 제외한 나머지 분야를 일반적으로 지열 냉난방 시스템이라 한다. 이러한 지열 냉난방 시스템의 운전 방식은 개방형과 밀폐형으로 나뉘며 시공 지역의 지반 형태와 경제적인 요소를 고려하여 지중 열교환기의 설치 형태를 수평형, 수직형, 지표수/지하수를 이용하는 방식으로 선택하여 시공할 수 있다.
지열 냉난방 시스템의 운전을 위한 지열 회수 시스템은 도 1에서와 같이 지하 200m까지 천공한 후 U자관을 투입하고 천공부와 유자관(열교환기) 사이에 열매체 이동구간을 그라우팅재로 채워주는 형태로 이루어져 있다. 이러한 그라우팅재는 벤토나이트 혼합물과 규사를 주성분으로 하며 벤토나이트 혼합물, 규사, 물을 1:5:3의 중량비로 혼합한 그라우팅재 형태로서 투입된다. 또한, 대한민국 공개특허공보 10-2015-0032677호에서와 같이 벤토나이트만을 채움재로 사용할 수도 있다.
출원인은 대한민국 등록특허공보 10-1784972호를 통하여 이러한 벤토나이트 혼합물 대신 팽창성과 겔 형성 효율이 우수한 헥토라이트를 이용하여 종래의 그라우팅 시공 과정에서 발생하는 문제점을 해소할 수 있는 그라우팅용 비드를 개발한 바 있다. 상기 선행기술에서도 헥토라이트, 규사, 흑연, 및 바인더로 이루어진 조성물을 적용하고 있으며, 규사로서 7호사 또는 8호사를 사용하여 헥토라이트의 열전도도와 흐름성을 보강하고 있다.
그러나 규사를 사용하는 경우 히트펌프의 열효율이 저하되는 문제가 발생하기 때문에 이를 해결하기 위하여 조성비를 최적화하거나 열효율 저하를 보상할 수 있는 추가 성분들을 혼합해야 하는 문제점이 있다.
특히, 현장에서 시공할 때 적정량의 유동화제와 그라우팅 재료를 사용하지 않으면 팽윤이 안 되는 문제점이 있다. 또한, 시공기간 단축을 위해 물, 유동화제, 그라우팅 재료를 동시에 교반시키면 재료 분리 현상이 발생하고, 유동화제가 충분하지 않을 경우 트레미 파이프가 막히는 현상이 발생할 수 있다. 또한, 작업자의 숙련도에 따라 혼합하는 형태와 배합 비율을 일정하게 유지하기가 힘들고, 특히, 규사(실리카 샌드)를 사용하는 경우, 거친 입자의 규사가 교반기와 펌프의 마모를 일으켜 잦은 피스톤 교체가 필요하고, 작업자의 숙련도에 따라 그라우트의 비율 및 형태의 변형을 요구하는 수치의 열전도도를 유지하기 힘든 문제점이 있다.
출원인은 이전에 대한민국 등록특허공보 10-1791990호를 통해 헥토라이트, 실리카 분말 및 흑연으로 표면을 코팅한 규사 및 바인더로 이루어지는 그라우팅용 비드를 통해 그라우팅 작업 시 높은 열전도도와 작업의 간편성을 확보한 바 있다. 그러나 최근 고효율화 및 신재생 에너지 의무비율 증대로 인해 좁은 지역에서도 지중열교환기 설치 작업을 해야 하는 경우가 많이 발생하고 있으며, 이 경우 천공 깊이가 기존의 200m 이하에서 250 내지 300m로 증대되고 있기 때문에, 열교환기(PE관)의 지중압력의 증대로 인해 압손압력 이 더 높아져서 그라우팅재의 저비중화가 요구되고 있다.
이러한 깊이로 시추된 상태에서 기존의 그라우팅재를 시추공에 투입하면 장비에 무리가 발생하며, 보어홀에 투입된 트래미관이 원형으로 감아져 올라와 많은 부하를 받기 때문에 실질적으로 투입이 불가능하므로 지중 열펌프 시스템을 위한 그라우팅 공정에 문제가 있다.
대한민국 등록특허공보 10-1784972호 대한민국 공개특허공보 10-2007-0111102호 대한민국 등록특허공보 10-1791990호
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 감안하여 안출된 것으로서, 규사(실리카 샌드)를 포함하지 않는 그라우팅재를 통하여 열효율을 높이고 제조비용을 절감할 수 있는 그라우팅재를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 천공 깊이가 깊은 시공 현장에서도 그라우팅 작업을 할 수 있는 비중이 낮은 그라우팅재를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 그라우팅재는 벤토나이트 및 흑연을 포함하는 혼합분말 또는 상기 혼합분말을 이용하여 제조된 성형체로 이루어지는 것으로서, 상기 그라우팅재는 규사를 포함하지 않으며, 비중이 1.18 내지 1.41이며, 열전도도가 1.80 이상인 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 벤토나이트는 상기 조성물 100 중량부에 대하여 Na계 벤토나이트 5 내지 30 중량부 및 Ca계 벤토나이트 7 내지 42 중량부를 혼합한 혼합 벤토나이트일 수 있으며, 상기 흑연은 인상흑연, 팽창흑연 및 재생흑연을 중 어느 하나로 이루어지거나 또는 상기 인상흑연, 팽창흑연 및 재생흑연을 혼합한 혼합 흑연일 수 있다.
또한, 상기 지중열교환기용 그라우팅재는 비중 조절제 5 내지 25 중량부, 겔 강도 증진제 0.5 내지 5 중량부, 분산제 0.21 내지 3.4 중량부, 계면활성제 0.1 내지 0.28 중량부를 추가적으로 포함하는 혼합분말 또는 상기 혼합분말을 이용하여 제조된 성형체로 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 지중열교환기용 그라우팅재를 이용한 그라우팅 작업방법은 상기 그라우팅재 및 물을 1:2 내지 1:4의 중량비로 배합하여 주입액을 제조하는 단계, 상기 주입액을 열교환기와 천공 사이에 주입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 그라우팅용 비드는 규사(실리카 샌드)를 포함하지 않는 그라우팅재를 통하여 열효율을 높이고 제조비용을 절감할 수 있는 효과를 나타낸다.
또한, 그라우팅재의 비중이 1.18 내지 1.41이며 열전도율이 1.80 이상으로서 종래의 그라우팅재에 비해 저비중화되어 천공 깊이가 깊은 작업에도 효율적으로 그라우팅 작업을 할 수 있는 효과를 나타낸다.
도 1은 지열 냉난방 시스템의 운전을 위한 지열 회수 시스템을 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명에 따른 그라우팅재를 제조하는 과정을 도시한 공정도이다.
도 3은 본 발명에 따른 그라우팅재의 고형분을 성형하여 제조한 성형제의 사진이다.
도 4는 본 발명에 따른 그라우팅재의 고형분이 물에 풀어지는 상태를 나타낸 사진이다.
이하 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명의 그라우팅재는 벤토나이트와 흑연을 포함하되 규사(실리카 샌드)를 포함하지 않는 것으로서, 분말을 혼합하여 구성되는 분말 조성물 또는 상기 조성물을 성형하여 제조된 성형체로 이루어지며 지중열교환기용 그라우팅 작업에 사용되는 것이다. 이러한 그라우팅 작업에 적합하도록 본 발명의 그라우팅재는 규사를 포함하지 않는 것 외에 그라우팅재의 비중이 1.18 내지 1.41로서 저비중 재료이면서, 열전도율이 1.80 이상으로 그라우팅 작업이 용이하도록 하는 것에 기술적 특징이 있다.
일반적으로 지중열교환기로는 PE 관(PE 100)을 사용하는데 지하 200m를 넘는 경우 공칭압력인 16 bar를 초과하게 되어 압손현상(PE 관의 찌그러짐)이 발생하여 관속을 통과하는 열 유체의 원활한 흐름을 방해하고 히트펌프의 열효율을 저하시키게 된다. 특히, 규사(실리카샌드)를 그라우팅재의 성분으로 함유하는 경우 이러한 고압 상황에서 PE 관의 압손 및 손상을 가속화시키게 된다.
따라서 본 발명에서 요구되는 물성, 즉, 규사의 미사용, 비중이 1.18 내지 1.41, 열전도율이 1.80 이상은 모두 본 발명에서와 같은 깊이가 깊은 천공 작업에서 필수적으로 요구되는 물성이다.
상기 그라우팅재의 열전도율이 1.80 이하인 경우 그라우팅 작업 후 시공기간이 길어지고 재료 분리나 열교환기인 PE 관의 손상이 발생하게 된다. 또한, 비중이 1.18 내지 1.41의 범위를 벗어나는 경우 200m 이하의 깊이에서는 문제가 없으나, 본 발명에서와 같이 200m 이상의 깊이, 특히, 250 내지 300m의 천공 작업을 하는 경우 PE100 관의 압손 현상을 피할 수 없게 된다. 일반적으로 사용되는 그라우팅재의 비중은 1.63 내지 1.67로 비교적 높기 때문에, 본 발명에서와 같이 지하 250 내지 300m의 천공 후 그라우팅 작업에는 사용할 수 없다.
본 발명의 그라우팅재의 주요 구성성분인 벤토나이트는 열전도도가 0.748W/mK로 비교적 낮아서 규사를 혼합하는 경우 열전도도를 조절하는 목적으로 사용되고 있다. 그러나 본 발명에서는 규사를 전혀 사용하지 않으며, 상기 벤토나이트에 의한 열전도도 효율을 최적화해야 한다.
이러한 이유로, 상기 벤토나이트는 Na계 벤토나이트 및 Ca계 벤토나이트를 혼합한 혼합 벤토나이트를 사용하게 되는데, 다양한 실험을 거친 결과 조성물 100 중량부에 대하여 상기 Na계 벤토나이트를 5 내지 30 중량부로 하고 Ca계 벤토나이트를 7 내지 42 중량부로 하여 혼합할 때 최적화된 그라우팅재의 물성을 얻을 수 있는 것으로 나타났다. 상기 Na계 벤토나이트 및 Ca계 벤토나이트 중 어느 하나만을 사용하는 경우나 한 성분의 비율이 지나치게 높은 경우 목적하는 열전도도를 얻지 못하며, 열전도도를 얻는 경우에서도 시공 중 배합비의 약간의 변동에 의해 열전도도가 유지되지 않는 문제점이 발생하였다.
또한, 본 발명의 그라우팅재의 주요 성분인 흑연은 일반적으로 결정의 크기에 따라 인상흑연(鱗狀黑鉛), 토상흑연(土狀黑鉛), 팽창흑연 등으로 구분되며, 인상흑연은 육안으로 식별될 정도의 크기이고, 토상흑연은 미세한 것으로 육안 또는 현미경으로도 결정의 식별이 어려운 것으로, 흑색으로 금속광택을 내며 표면은 부드러운 지방감(脂肪感)을 주며, 모스 경도 1 정도로 매우 연하고 비중은 2.09∼2.23인 것인데, 본 발명에서는 상기 인상흑연, 토상흑연, 및 재생흑연을 비중과 열전도도를 고려하여 상기 3가지 흑연을 혼합한 혼합흑연을 사용할 수 있다.
또한, 상기 재생흑연은 사용 수명이 다하여 폐기물 처리를 하는 흑연 도가니를 분쇄하여 얻어진 분쇄물로서, 재생흑연을 사용함으로써 원가를 절감 및 자원 재활용이 가능하며, 재생품을 사용하더라도 충분한 물성을 얻을 수 있도록 배합하여 사용하고 있다.
상기 혼합흑연을 사용하는 경우, 인상흑연, 토상흑연, 및 재생흑연의 혼합 비율은 3:5:2일 때 최적의 효과를 나타내는 것을 확인하였다. 이 결과에 대해서는 후술하는 실시예를 통해 설명한다.
또한, 상기 흑연 또는 혼합흑연은 조성물 100 중량부에 대하여 10 내지 45 중량부의 범위에서 사용되는데, 흑연의 양에 따라 그라우팅재의 비중과 열전도도가 달라지기 때문에 상기 범위를 벗어나지 않는 것이 바람직하다.
또한, 비중 조절제는 그라우팅재의 비중을 저비중화하기 위하여 첨가되는 성분인데, 퍼라이트 분말, 팽창질석 분말, ALC 분쇄물, 섬유질 파이버, 무기성 파이버, 흄드 실리카, 화이트 카본 중 어느 하나 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다. 또한, 상기 비중 조절제는 조성물 100 중량부에 대하여 5 내지 25 중량부의 범위에서 사용하는 것이 바람직한데, 비중 조절제의 양이 너무 적으면 저비중화를 달성하기 어렵고, 지나치게 많으면 열효율이 저하되는 문제점이 발생할 수 있다.
또한, 상기 겔 강도 증진제는 알루미나 시멘트, CSA(Calsum Sulper Aluminite), 실리카 시멘트, 석고 혼합 전의 시멘트 크링커, 무수석고 및 반수석고 중 어느 하나 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있으며, 조성물 100 중량부에 대하여 0.5 내지 5 중량부의 범위에서 사용함으로써 물과 혼합할 때 충분한 풀어짐과 점도를 얻을 수 있는 것으로 나타났다.
또한, 상기 분산제는 고형분을 물과 혼합했을 때의 분산성을 증대시키기 위하여 사용되는 것으로 조성물 100 중량부에 대하여 0.21 내지 3.4 중량부의 범위에서 사용함으로써 충분한 분산성을 확보할 수 있다.
또한, 상기 계면활성제는 그라우팅재를 물에 혼합했을 때의 분산성 및 점도를 최적화하며 열전도도를 향상시키기 위한 목적으로 분산제와 함께 추가되며 통상적으로 사용하는 계면활성제라면 어떠한 것이라도 사용할 수 있는데 특히 공정 및 환경적인 측면에서 중성 계면활성제를 사용하는 것이 바람직하며, 조성물 100 중량부를 기준으로 0.1 내지 0.28 중량부의 범위에서 사용하는 것이 바람직하다.
상기와 같은 그라우팅재를 구성하기 위한 조성물은 도 2에 도시된 바와 같은 제조방법에 의해 제조될 수 있다. 즉, 조성물 형태의 그라우팅재의 경우, 벤토나이트, 흑연 및 기타 성분(비중 조절제, 겔 강도 증진제, 분산제, 및 계면활성제)를 혼합하는 공정을 통해 제조될 수 있다. 또한, 흑연 및 비중 조절제, 겔 강도 증진제, 분산제, 및 계면활성제 등의 기타 성분을 혼합하고 이를 성형하여 성형체를 제조한 후 건조 및 분쇄 후 스크리닝하여 균일한 입도의 파형 조성물을 얻고 이를 다시 벤토나이트와 혼합하여 상기 조성물을 제조할 수도 있다.
이 경우, 상기 성형체는 다이스 성형에 의하여 제조될 수 있으며, 간접 열풍에 의해 건조한 후 롤 분쇄기를 이용하고 분쇄하고 0.5 내지 3㎜의 크기로 스크리닝하는 것이 바람직하다.
또한, 벤토나이트와 흑연 및 기타 성분을 혼합하여 조성물을 제조한 후 이를 성형하여 성형체를 제조할 수도 있다. 분말 제품의 경우 비산이나 분진이 문제가 되기 때문에 물과 혼합하여 그라우팅 작업을 하기 전까지 안정한 상태를 유지하기 위하여 상기 조성물을 성형체로 제조할 수 있다. 상기 성형체는 통상적인 성형 방법에 의해 제조될 수 있는데, 성형체의 모양은 타원형이나 원기둥 형상으로 할 수 있으며, 연속식 프레스, 타정기, 브리켓트 롤, 롤링 성형기, 다이스 성형기 등의 통상적인 성형 장치를 이용하여 제조할 수 있다.
도 3에서는 상기 조성물을 성형하여 제조된 원기둥 형상의 성형체를 예시하고 있는데, 배합 비율과 흑연의 양에 따라 흑연이 상대적으로 적은 경우 도 3(a)와 같은 성상을 나타내며 흑연이 상대적으로 많은 경우 도 3(b)와 같은 성상을 나타낸다.
본 발명의 지중열교환기용 그라우팅재를 이용한 그라우팅 작업방법은 상기 그라우팅재 및 물을 1:2 내지 1:4, 바람직하게는 1:2 내지 1:2.5의 중량비로 배합하여 주입액을 제조하는 단계, 상기 주입액을 열교환기와 천공 사이에 형성된 균열 및 틈새에 주입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 그라우팅재와 물의 배합비율에 따라 비중 또는 열전도도가 변화하며 물의 함량이 지나치게 많거나 지나치게 적은 경우 열전도도가 1.80 이하인 것으로 나타나 시공 불량을 유발하는 것으로 나타났다.
본 발명에서 혼합 흑연을 적용함에 따른 효과를 확인하기 위하여 그라우팅재를 제조한 후 물과 혼합하여 그라우팅 작업용 주입액을 제조하였다. 지하 250m 천공 후 열교환기인 PE관을 삽입하고 PE관과 천공된 지반과의 공간을 채운 후 시간에 따른 물성 변화를 측정하였다.
실험에서는 도 3에서와 같은 성형체를 물과 혼합하여 주입액을 제조하였는데, 물을 혼합한 직후에는 도 4(a)에서와 같이 성형체의 형상을 유지하고 있으나, 30초 후에는 도 4(b)에서와 같이 급속으로 풀어져 용해되므로 현장에서 쉽게 그라우팅 작업을 수행할 수 있는 것으로 나타났다.
상기 그라우팅재를 제조하기 위한 조성물은 Na계 벤토나이트 및 Ca계 벤토나이트를 1:1.5의 중량비로 혼합한 혼합 벤토나이트 45 중량부, 비중 조절제, 겔 강도 증진제, 분산제, 계면활성제를 총합 15 중량부로 하고 여기에 흑연 60 중량부를 혼합하여 제조하였다. 상기 흑연은 표 1에서와 같은 비율로 혼합된 혼합 흑연을 사용하였다. 또한, 상기 그라우팅재 120 중량부와 물 240 중량부를 혼합하여 주입액을 제조하였다. 표 1에서 열전도도는 3회 측정하였다.
시험1 시험2 시험3
인상흑연:토상흑연:재생흑연 3:5:2 2:6:2 1:4:5
비중 1.15 1.19 1.20
작업 직후 열전도도(W/mK) 2.386
2.132
2.226		 1.248
1.274
1.361		 1.642
1.690
1.573
작업 3일후 열전도도(W/mK) 2.621
2.594
2.673		 1.547
1.631
1.683		 1.703
1.712
1.730
표 1의 결과를 살펴보면, 혼합 흑연의 배합비에 따라 그라우팅재의 비중, 열전도도에서 큰 편차를 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 시험 1 내지 3에서 모두 작업 직후와 3일 후의 열전도도가 안정되게 유지되는 것으로 나타났다. 다만 시험 1에서는 열전도도가 1.80 이상의 값을 나타내었으나, 시험 2, 3에서는 열전도도가 낮은 것으로 나타나 흑연의 혼합비율을 3:5:2로 할 때에만 본 발명에서 목적하는 물성을 달성할 수 있는 것으로 나타났다.
또한, 흑연의 혼합량에 따른 열전도도의 변화를 측정하였다. 시험을 위하여 Na계 벤토나이트 및 Ca계 벤토나이트를 1:1.5의 중량비로 혼합한 혼합 벤토나이트 45 중량부, 비중 조절제, 겔 강도 증진제, 분산제, 계면활성제를 총합 15 중량부로 하고 여기에 혼합 흑연을 40 중량부(시험 4), 60 중량부(시험 5), 및 80 중량부(시험 6)로 하여 조성물을 제조하고 성형하여 성형체 형태의 그라우팅재를 제조한 후 전술한 바와 같은 방법으로 그라우팅 작업을 실시하였다. 따라서 시험 4에서는 그라우팅재 100 중량부 및 물 240 중량부로 배합되었으며, 시험 5에서는 그라우팅재 120 중량부 및 물 240 중량부로 배합되었고, 시험 6에서는 그라우팅재 140 중량부 및 물 240 중량부로 배합되었다. 본 실험에서 혼합 흑연은 인상흑연, 토상흑연, 및 재생흑연을 3:5:2의 중량비로 배합하였다. 표 2에서 열전도도는 3회 측정하였다.
시험4 시험5 시험6
비중 1.15 1.19 1.23
작업 직후 열전도도(W/mK) 1.856
1.838
1.842		 1.872
1.872
1.791		 2.386
2.132
2.269
작업 3일후 열전도도(W/mK) 2.048
2.164
2.231		 2.281
2.310
2.386		 2.621
2.594
2.601
표 2의 결과를 살펴보면, 혼합 흑연의 함량에 따라 비중 및 초기 열전도도가 조금씩 증가하는 경향을 나타내었다. 그러나 시간 경과에 따른 열전도도가 안정한 것으로 나타났으며, 열전도도 1.80 이상의 요구되는 물성을 달성하는 것으로 나타났다. 다만, 시험 4의 경우 본 발명에서 목적하는 비중을 달성하지 못하는 것으로 나타났는데, 지나치게 비중이 낮은 시험 4의 경우 PE관의 압손 압력은 낮았으나, 주입액의 충전이 불충분하여 일부 균열이 발생하는 것으로 나타났다. 따라서 저비중화를 달성하더라도 비중이 1.18 이상은 되어야 안정한 그라우팅 작업이 가능한 것으로 나타났다.
또한, 그라우팅재와 물의 배합비율에 따른 물성을 평가하기 위하여, Na계 벤토나이트 및 Ca계 벤토나이트를 1:1.5의 중량비로 혼합한 혼합 벤토나이트 45 중량부, 비중 조절제, 겔 강도 증진제, 분산제, 계면활성제를 총합 15 중량부로 하고 여기에 인상흑연, 토상흑연, 및 재생흑연을 3:5:2의 중량비로 혼합한 혼합 흑연을 60 중량부 혼합하여 조성물을 제조하고 성형하여 성형체 형태의 그라우팅재를 얻은 후 물과의 배합비를 달리하는 실험을 실시하였다. 그 결과는 표 3과 같으며, 열전도도는 각각 2회 측정하였다.
시험7 시험8 시험9 시험10
그라우팅재:물(중량부) 120:240 120:480 120:500 120:600
작업 직후 열전도도(W/mK) 2.386
2.132		 2.132
2.036		 1.731
1.694		 1.438
1.435
작업 3일후 열전도도(W/mK) 2.621
2.594		 2.217
2.245		 1.794
1.763		 1.561
1.640
표 3의 결과를 살펴보면, 시험 9 및 10에서는 열전도도가 1.80 이하인 것으로 나타나 물성이 불충분한 것으로 나타났다. 또한, 그라우팅재와 물의 함량 비율이 120:240 및 120:480인 시험 7 및 8에서는 열전도도 및 열전도도의 지속성이 우수한 것으로 나타나 본 발명에서 목적하는 그라우팅 작업에 적합한 것으로 나타났다.
이러한 실험결과로부터 본 발명의 그라우팅재는 저비중 소재로서 200m 이상의 깊이의 천공에 대한 그라우팅 작업에도 열교환기의 압손 등 손상이 없는 효과를 나타내는 것으로 파악되었다.
본 발명은 상술한 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 설명하였으나, 상기 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형과 변경이 가능하다. 그러한 변형예 및 변경예는 본 발명과 첨부된 특허청구범위의 범위 내에 속하는 것으로 보아야 한다.

Claims (5)

  1. Na계 벤토나이트 및 Ca계 벤토나이트를 1:1.5의 중량비로 혼합한 혼합 벤토나이트 및 인상흑연, 토상흑연 및 재생흑연을 3:5:2의 중량비로 혼합한 혼합 흑연을 포함하는 혼합분말 또는 상기 혼합분말을 이용하여 제조된 성형체로 이루어지며,
    250 내지 300m 깊이의 천공에 대한 그라우팅 작업에 적용하기 위한 지중열교환기용 그라우팅재로서,
    상기 그라우팅재는 규사를 포함하지 않으며, 비중이 1.18 내지 1.41이며, 그라우팅 작업 3일 후의 열전도도가 1.80 W/mK 이상인 것을 특징으로 하는 지중열교환기용 그라우팅재.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 혼합분말은 비중 조절제 5 내지 25 중량부, 겔 강도 증진제 0.5 내지 5 중량부, 분산제 0.21 내지 3.4 중량부, 계면활성제 0.1 내지 0.28 중량부를 추가적으로 포함하며, 상기 혼합분말 또는 상기 혼합분말을 이용하여 제조된 성형체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 지중열교환기용 그라우팅재.
  5. 청구항 1에 따른 지중열교환기용 그라우팅재를 이용한 그라우팅 작업방법에 있어서,
    상기 그라우팅재 및 물을 1:2 내지 1:4의 중량비로 배합하여 주입액을 제조하는 단계;
    상기 주입액을 열교환기와 천공 사이에 주입하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 지중열교환기용 그라우팅재를 이용한 그라우팅 작업방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20230055742A (ko) 2021-10-19 2023-04-26 한국원자력연구원 고열전도도 벤토나이트 복합재, 이를 포함하는 고준위방사성폐기물 처리 장치, 그리고 그 제조 방법

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