벤토나이트 방수재료

3.10.1 개요

벤토나이트는 19C 개발된 이래 극히 제한적으로 사용되었으나, 20C 기술혁명에 발맞추어 석유, 가스탐사용 윤활제, 주물사의 Binder 그리고 댐 하부 차수용 및 지하 구조물의 방수 또는 토목용 안정액으로 점차 그 사용범위를 넓혀갔으며, 현재는 벤토나이트의 독특한 특성을 이용하여 화장품, 비료, 윤활제, 종이 등의 다양한 산업 분야에 사용되면서 인류생활에 기여하고 있다.

그럼에도 불구하고 대개의 사람들이 “기적의 흙”인 벤토나이트에 대해 잘 인식하지 못하고 있는 실정이다.

벤토나이트는 크게 대별하여 칼슘계와 소디움계, 나트륨 교환계로 나뉘어지는데, 불행하게도 국내에서 생산되는 벤토나이트는 대부분이 칼슘계이고, 화학적으로 처리하여 소디움계 벤토나이트로 치환한 경우도 있으나, 토목용이나 방수자재로 사용되는 소디움계 벤토나이트를 이용한 제품은 수입에 크개 의존하고 있다.

벤토나이트는 세계 각처에서 발견되고 있으나, 벤토나이트를 가공하여 만드는 각종 제품 중 가장 많이 요구되는 팽창성을 기준으로 볼 때, 블랙 힐 지역에서 채광되는 소디움 벤토나이트(Soidum Bentonite)가 가장 우수한 것으로 알려져 있다.

3.10.2 소디움 벤토나이트

3.10.2.1 생성

소디움 벤토나이트(Soidum Bentonite)는 화산재가 변성되는 일련의 과정에 의해 생성된다. 즉, 화산이 폭발할 때 생긴 미세한 화산재는 폭발의 힘으로 수천미터 상공으로 솟아 올라간 후, 상층기류와 같이 돌아다니다가 이중에 많은 부분은 바다 위에 떨어진다.

지질학자들에 의하면 화산재가 해저에서 염수와 작용하여 점토질 광물로 변성된 것이 다시 지층의 융기현상으로 지표면에 솟아올라 오랜 침식과 풍화를 거치면서 병성화산재 광맥을 형성하여 이른바 벤토나이트가 생성된다고 한다.

미 서부에서 채굴는 웨스턴 소디움 벤토나이트(Western Sodium Bentonite)는 약 100만년전 미국 서해안 화산지대의 화산활동에 의해 생성된 화산재가 위에서 열거한 것과 같이 해저에 존재하다가 지층의 융기현상으로 미국의 록키산맥과 블랙힐이 형성될 때 지표면으로 솟아오르게 된 것으로 보고 있다.

3.10.2.2 출토지역

소티움 벤토나이트(Sodium Bentonite)는 미국의 와이오밍(Wyoming)주 휘트 벤톤(Wheat Benton)에서 최초로 발견되었고, 오늘날은 미국의 사우스 다코다(South Dakota), 몬타나(Montana)그리고 와이오밍 주의 블랙 힐(Black Hill)지역에서 광범위하게 채굴되어 오고 있다.

3.10.2.3 명칭

소디움 벤토나이트는 광물명으로 몬모릴로나이트(Montmorillonite), 원료명으로 벤토나이트(Bentonite)라 불리워지고 있다. 또한 스멕타이트(Smectite)라는 명칭이 사용되는 경우가 있지만 스멕타이트는 광물분류상 몬모릴로나이트에 대해 상위개념을 나타낸는 것으로 몬모릴나이트 광물은 스멕타이트 광물의 일종이다.

3.10.2.4 색상과 형태

소디움 벤토나이트의 색상은 백색에서 흰색, 노란색, 초록색, 청색까지 다양하나 색상이 벤토나이트의 품질에 영향을 주는 인자는 아니다, 또한 식자들이 말하는 별칭으로는 벤토나이트가 지닌 독특한 특성으로 인해 “기적의 흙”이라 일컬어진다.

소디움 벤토나이트 광물의 분자 크기와 형태를 개념화하기는 매우 어렵지만 이해를 돕기 위해 풀어보면, 벤토나이트 결정구조상 두께에 대한 표면적 비를 살펴 볼 때, 개념적인 형태비는 1:100∼500정도로 표면적이 매우 넓은 판상형이다.

방수재료로 사용되는 형태는 분말형, 시트형, 매트형, 패널형으로 사용된다.

3.10.2.5 구조

두께는 1/1000000inch 정도이며, 표면적은 1 square inch(6.45㎠)의 종이면적이 벤토나이트 1개 분자 표면적을 400배 확대시킨 면적과 같다. 1cubic inch의 벤토나이트에는 약 10조의 벤토나이트 판상결정체가 층층이 적층되어 있다고 볼 수 있는데, 이 표면적을 환산하여 보면 약 1에이커(1acre=4,0446.8㎡)에 달하는 넓은 표면적을 지닌 것과 같다.

이와 같이 체적에 대한 표면적의 비를 환산해 볼 때 벤토나이트 표면적은 상당량의 물을 흡수할 수 있는 독특한 구조를 가진 광물이다.

3.10.2.6 화학적 고찰

벤토나이트는 몬모릴로나이트(Montmorillonite)계통의 팽창성 3층판(Si-Ai-Si)으로 이루어진 점토이며 Pyrophyllite(납석)화학 구조식인 Al₂Si₄(OH)로 형성되어 있다. 그중 Aluminum oxide 중간층인 Gibbsite layer에서 3+가의 Aluminum이 2+가인Magnesium으로 대체되고 1-가 만큼의 부족한 전하를 Na(Sodium)으로 만족시킨 형태가 Sodium Bentonite이다.

0.33Na

(1.67Al 0.33Mg)Si₄(OH)₂

이때 Gibbsite layer에서 Aluminum이 Mg로 대체되는 것 이외에 Iron등으로 대체될 수 있고, 또 이에 따라 부족한 전하를 Calcium으로 만족시킬 수가 있는데 이 부족한 전하를 만족시킨 성분에 따라 벤토나이트의 종류가 구별되어진다.

Magnesium 또는 Iron에 의해 치환된 Gibbsite layer의 Aluminum으로 인해 벤토나이트는 표면에 교환성 이온을 가지게 되며, 이때 교환성 이온에 Na가 흡착되면 소디움계 몬모릴로나이트로 형성이 되고, Galcium이 흡착되면 칼슘계 몬모릴로나이트가 형성된다.

또한 기타의 성분이 흡착되면 기타의 몬모릴로나이트로 분류되어지게 된다. 그러나 소디움계 몬모릴로나이트는 다른계 몬모릴로나이트(특히 칼슘계)보다 많은 팽윤 특성을 지니게 된다.

이와 같이 벤토나이트의 중간층인 Gibbsite층에서 발생하는 전하의 불균형에 의해 벤토나이트 각층의 모서리는 양성(+), 표면은 음성(-)이 존재하는 양극성을 띄게 되며 물분자는 음성(-)인 표면에 존재하는 소디움 이온에 흡착되고 이 물분자는 다시 더욱더 많은 물분자를 끌어당기게 된다. 이리하여 벤토나이트 층간의 공간으로 물분자가 지속적으로 흡착되어 팽윤을 지속하다가 물이 고갈되거나 외부의 압력이 내부의 팽압과 일치하는 시점에서 팽윤은 정지하게 된다.

벤토나이트의 Free-swelling을 저지할 수 있는 최소 외부압력은 개략적으로 30pound/sp.ft(146㎏/㎡)에 달하는 것으로 알려져 있다.

3.10.2.7 수화팽창 원리

입자의 모양이 층을 지어있는 건조상태의 벤토나이트는 미량의 수분이 각각의 층을 분리하고 있다. 또 각 층의 표면에는 나트륨 이온이 존재한다.

각 층의 측면은 양전하, 상·하면은 음전하를 띠고 있으므로 나트륨 이온은 상·하 표면에 부착된 상태이다. 벤토나이트에 물이 첨가되면 물분자가 나트륨 이온에 이끌려 흡착된다. 물분자는 다시 다른 물분자를 끌어당긴다.

무리를 이룬 물분자를 끌어들이고 표면의 음전하도 자꾸 늘어난다. 이리하여 벤토나이트의 층은 간격이 벌어지고 급기야 파괴된다. 즉 벤토나이트는 팽창한다. 물분자는 흩어진 벤토나이트 층에 고르게 침투하여 서로 이어준다.

혼합이 중단되면 벤토나이트층 표면의 양전하와 음전하가 서로 끌어당겨 카드로 지은 집(House of Cards)과 같은 구조를 이루게 되고 점착력은 시간이 경과할수록 증가한다.(Thixotropy 현상)이 구조는 압밀된 상태에서 더 이상의 물분자를 끌어당기지 못하고 배척하게 되므로 방수효과를 발휘한다. 팽창성은 갈라진 구체의 공극을 메꾸어 주므로 방수효과는 더욱 현저하다.

3.10.2.8 물리적 특성

① 팽창성

양질의 소디움 벤토나이트는 물과 반응하면 원래의 체적보다 약 13∼16배가 팽창하며 무게의 5배까지 물을 흡수한다. 이 특성으로 인해 벤토나이트는 흔히 씰란트로 사용되어 왔다. 즉, 토사와 섞어 층을 만들면 물이 침투하지 못하게 한다.

폐수처리장이나 쓰레기 매립장의 주위를 이렇게 처리하여 주변토사나 지하수의 오염을 에방하기도 하며, 오염된 토사내에서는 오염되지 않는 공간을 만들기도 한다.

벤토나이트와 토사 또는 시멘트와의 혼합이 지하구조물의 방수에 응용이 되었을 때 방수 내지 차수효과는 물론 지층의 움직임에 적응하는 신축성이 있으므로, 댐의 차수벽이나 건축물지하층에 이상적인 소재로 활용한다.

② 점착성

천연적인 점착성이 있어 다른 물질들과 혼합하여 점착을 시킨다. 소디움 벤토나이트는 특히 화학적으로 활성이 전혀 없으므로 점착되는 재료의 원래의 화학적 특성에 일체 영향을 주지 않는다. 높은 온도에서도 이 성질은 변하지 않으므로 주물용모래의 점착제로 널리 쓰인다.

③ 농후성(濃厚性)

매우 우수한 교질(膠質:Gel)상태를 형성하므로 점성이 낮은 다른 재료들을 걸쭉하게 하거나 농축하는 효과가 있다. 벤토나이트를 사용한 현탁액은 수년이 지나도 침전이 생기지 않고 완벽한 콜로이드 상태를 이루므로, 도료, 약품, 식물 등 각종 공업원료로 사용된다.

④ 윤활성

젖은 벤토나이트는 윤활특성이 좋아서 예전에는 마차 바퀴를 끼울 때 윤활제로 쓰였으며, 파이프 밀어넣기 작업, 천공 작업 및 전시관 속으로 케이블을 뽑아내는 등의 작업에 윤활제로 쓰인다.

3.10.2.9 방수특성

방수에 사용되는 소디움 벤토나이트(Sodium Bentonite)는 40여년 전부터 댐 하부의 누수방지를 위하여 사용되어 오고 있으며 방수특성은 다음과 같다.

① 치밀성

소디움 벤토나이트(Sodium Bentonite)는 그 층의 두께가 4㎜∼9㎜일 경우 그 투수계수가 1×10^-8∼1×10^-12㎝/sec에 달하는 불투수층을 형성한다. 이는 30㎝ 두께 진흙의 100배에 상당하는 치밀성을 나타내는 것과 같다.

② 자체 보수성(self-sealing)

앞에서도 열거한 바와 같이 소디움 벤토나이트는 물과 반응시 발생하는 자체에 고 팽창성능에 의하여 콘크리트 구체에 3㎜이내의 갈라진 틈(Crack)이 발생한 곳에서도 자체적으로 팽창하여 메꾸어 줌(self-sealing)으로서 방수능력이 지속적으로 유지된다.

③ 이 과정에서 순수 천연산 점토인 소디움 벤토나이트는 화학적인 변화가 전혀 발생치 않으므로 차후에도 과거와 같이 무수한 세월동안 방수 능력에 전혀 지장이 없으며, 세월이 지남에 따라 능력이 더욱 강화된다.

④ 회복성

앞에 언급한 바와 같이 벤토나이트는 물과 반응할 때 체적의 13∼16배에 달하는 팽창성을 보이는데, 물의 제거 또는 증발이 발생하는 경우, 벤토나이트는 원래의 체적으로 수축되는 회복성을 나타내게 된다.

이러한 팽윤, 수축은 벤토나이트 광물의 화학적 전기에 의한 현상으로서 무한히 반복되어 발생될 수 있고 그 효과의 배가나 감량은 있을 수 없다.

3.10.2.10 용도

□ 토목분야

① Slurry wall 안정액

지하연속벽 공사중 굴착면의 붕괴방지와 지하수의 유입을 차단, 토사 및 시멘트와 혼합하여 불투수 차수벽(Cut-off 또는 plastic wall)의 건설에 사용한다.

② 연약지반 개량재

□ 건축분야

① 지하외벽 방수시트

지하구조물의 기초 슬래브, 외벽 및 상부슬래브의 방수에 사용한다.

② 콘크리트 시공 조인트용 수팽창 지수재

콘크리트 시공 조인트의 지수판에 사용한다.