한국지반공학회논문집제 26 권 12 호 2010 년 12 월 pp. 19 ~ 30 지중열교환기용벤토나이트뒤채움재의화학적, 물리적영향요소에관한연구 Chemical and Physical Influence Factors on Performance of Bentonite Grouts for Backfilling Ground Heat Exchanger 이철호 1 Lee, Chulho 위지혜 2 Wi, Jihae 박문서 3 Park, Moonseo 최항석 4 Choi, Hangseok 손병후 5 Shon, Byonghu Abstract Bentonite-based grout has been widely used to seal a borehole constructed for a closed-loop vertical ground heat exchanger in a geothermal heat pump system (GHP) because of its high swelling potential and low hydraulic conductivity. Three types of bentonites were compared one another in terms of viscosity and thermal conductivity in this paper. The viscosity and thermal conductivity of the grouts with bentonite contents of 5%, 10%, 15%, 20% and 25% by weight were examined to take into account a variable water content of bentonite grout depending on field conditions. To evaluate the effect of salinity (i.e., concentration of NaCl : 0.1M, 0.25M, and 0.5M) on swelling potential of the bentonite-based grouts, a series of volume reduction tests were performed. In addition, if the viscosity of bentonite-water mixture is relatively low, particle segregation can occur. To examine the segregation phenomenon, the degree of segregation has been evaluated for the bentonite grouts especially in case of relatively low viscosity. From the experimental results, it is found that (1) the viscosity of the bentonite mixture increased with time and/or with increasing the mixing ratio. However, the thermal conductivity of the bentonite mixture did not increase with time but increased with increasing the mixing ratio; (2) If bentonite grout has a relatively high swelling index, the volume reduction ratio in the saline condition will be low; (3) The additive, such as a silica sand, can settle down on the bottom of the borehole if the bentonite has a very low viscosity. Consequently, the thermal conductivity of the upper portion of the ground heat exchanger will be much smaller than that of the lower portion. 요 지 벤토나이트는팽윤성이좋고투수계수가낮아수직밀폐형지중열교환기시공시보어홀 (borehole) 의뒤채움재로널리사용되고있다. 본연구에서는국내에서사용되는 3가지벤토나이트를선정하여배합비에따른점도와열전도도를평가하였다. 시공조건에따라다양한벤토나이트뒤채움재의함수비를고려하여점도와열전도도특성을규명하기위해벤토나이트를배합비 ( 벤토나이트무게 /( 벤토나이트 + 물 ) 무게 ) 5%, 10%, 15%, 20%, 25% 로배합하고시간에따른점도와열전도도를측정하였다. 그리고벤토나이트뒤채움재가해안지역에서시공될경우지하수의염도에의한 1 정회원, 고려대학교건축 사회환경공학부박사과정 (Member, Graduate Student, School of Civil, Environmental and Architectural Engrg., Korea Univ.) 2 고려대학교건축 사회환경공학부석사과정 (Graduate Student, School of Civil, Environmental and Architectural Engrg., Korea Univ.) 3 고려대학교건축 사회환경공학부석사과정 (Graduate Student, School of Civil, Environmental and Architectural Engrg., Korea Univ.) 4 정회원, 고려대학교건축 사회환경공학부부교수 (Member, Associate Prof., School of Civil, Environmental and Architectural Engrg., Korea Univ., hchoi2@korea.ac.kr, 교신저자 ) 5 한국건설기술연구원설비플랜트연구실전임연구원 (Associate Research Engineer, Engrg. Plant Research Center, KICT) * 본논문에대한토의를원하는회원은 2011년 6월 30일까지그내용을학회로보내주시기바랍니다. 저자의검토내용과함께논문집에게재하여드립니다. 지중열교환기용벤토나이트뒤채움재의화학적, 물리적영향요소에관한연구 19
영향을검토하기위해배합수의 NaCl 농도가 0.1M, 0.25M, 0.5M일때벤토나이트뒤채움재의침강특성을관찰하였다. 벤토나이트뒤채움재의낮은점도로인해천연규사와같은첨가재가지중열교환기바닥에침전될경우발생할수있는재료분리현상을저점도벤토나이트뒤채움재를사용하여실험을통해규명하였으며그결과다음과같은결론을얻을수있었다. (1) 벤토나이트뒤채움재의점도는시간이지남에따라또는배합비가증가함에따라상승하는경향을나타내며벤토나이트뒤채움재의열전도도는배합비가증가하면상승하지만동일한배합비에서는시간에따른변화가미미하다. (2) 벤토나이트뒤채움재의팽창지수가높을수록배합수의 NaCl 농도에따른침강율은상대적으로낮게나타난다. (3) 저점도벤토나이트뒤채움재는첨가재의재료분리로인해보어홀내의깊이별첨가재분포를비균질하게하므로보어홀상부의열전도도가하부에비해작게나타날수있는가능성이있다. Keywords : Bentonite grout, Ground heat exchanger, Segregation effect, Thermal conductivity, Viscosity 1. 서론최근우리나라는고유가시대를대비하기위한신재생에너지개발의필요성이증대되고있다. 교토의정서 (1997) 나최근발리로드맵 (2007) 에의한온실가스배출량제한과국내의 신에너지및재생에너지개발, 이용, 보급촉진법제 11조 } 등을통해정책적으로신재생에너지의사용이의무화되어가고있다. 또한 2009년코펜하겐에서개최된유엔기후변화협약과같이전세계적으로지구온난화에대한자구책마련에힘쓰고있는실정으로신재생에너지에대한관심이더욱증대되고있다. 신재생에너지중지열에너지는재생에너지 (renewable energy) 로비고갈성이며환경친화적인에너지이다. 미국 EPA 보고서에의하면지열원을이용한냉난방시스템이가장에너지효율적이고친환경적이며비용효율적인공조시스템이라고소개하였다. 국내는 2000년초에지열냉난방시스템이도입되었으며 2012년에는약 1,400억원의시장형성이예상된다. 국내에서시공되는지열냉난방시스템의지중열교환기는시공면적이상대적으로적게소요되는수직밀폐형지중열교환기 ( 그림 1) 를적용한시스템을주로시공하고있다. 수직밀폐형지중열교환기는지중으로약 150~200m까지천공한대략 15cm 직경의보어홀에 U 자관으로연결된두가닥의 HDPE 파이프를삽입하고물이나에틸알코올과같은순환수를파이프로순환시켜주변지반과열교환이이루어지는방식을갖는다. 그림 2에서설명하듯보어홀과 HDPE 파이프사이를채우는뒤채움재는지반과파이간의열교환매개체역할을담당한다. 국내에서는뒤채움재로벤토나이트를사용하 도록지중열교환기설계지침으로권장하고있다 ( 지식경제부, 2008). 벤토나이트는투수계수가낮고물과배합하였을때팽윤하는성질을가지고있어외부유입수로부터파이프를보호하고파이프손상시유출될수있는지중순환수의외부확산을방지한다. 또한, 벤토나이트의팽윤성을이용하여파이프와지반사이에열적단락이발생하는것을방지하는역할을하게된다 ( 최항석등, 2008). 국내에서사용중인벤토나이트뒤채움재의열전도도는대략 0.75~0.83W/m K( 조정식, 2006), 0.74~0.81 W/m K( 최항석등, 2008) 범위를갖는것으로보고되었으며일반적으로주변지반에비해상대적으로열전도도가낮다 (Remund와 Lund, 1993). 따라서국내시공현장에서는열전도도를높이기위해보통천연규사 (silica sand) 나모래를첨가재로사용하고있다 (Remund와 Lund, A Ground formation A Inflow Outflow U-tube pipe Borehole Grout 그림 1. 수직밀폐형지중열교환기모식도 20 한국지반공학회논문집제 26 권제 12 호
Borehole Ground formation 지반 Grout HEPE pipe (a) 난방시 ( 지중 ) (b) 냉방시 ( 보어홀 ) 그림 2. 지중열교환기의열전달메커니즘 ( 그림 1 의 A-A 단면 ) 1993; 조정식, 2006; 손병후와신현준, 2006; 최항석등, 2008). 벤토나이트뒤채움재를현장에서시공할때혼합재료의충분한유동성확보가뒤채움시공성과지중열교환기성능유지에중요한요소이다. 일반적으로벤토나이트뒤채움재는점도가시간에따라점점증가하는성질을가지며 (Paul과 Remund, 1997; 최항석등, 2008) 종류에따라서는동일한배합비에서매우높은점도를보이는재료가있다 ( 한정상등, 2005). 따라서배합후, 시간경과에따른벤토나이트뒤채움재의점도증가는시공성측면에서반드시고려해야할특성이다. 한편, 경우에따라서벤토나이트뒤채움재의점도가과도하게낮을경우, 전열성향상을위해첨가재로사용하는천연규사가보어홀바닥에침전하는재료분리 (segregation) 현상이발생할수있으며약 200m의깊이의보어홀에혼합된천연규사가지중열교환기보어홀하부로침전하여지중열교환기상부와하부의열성능이달라져기대했던열전도도효율이나타나지않을수있다. 또한, 지중열교환기가해안지역에시공될경우, 벤토나이트뒤채움재는지하수의염도에의해영향을받을수있다. 벤토나이트입자가과도한양이온을함유한지하수에노출될경우, 벤토나이트입자의확산이중층의두께가줄어들어초기시공된벤토나이트부피보다감소하게되며장기간에걸쳐광물구조가변하면서투수계수가커질수있다 (Mesri 와 Olson, 1971; Jo 등, 2001). 본연구에서는국내에서수직형지중열교환기뒤채움재로주로사용되는 3종의벤토나이트뒤채움재를선별하여각각의광물특성을 XRD 시험을통해분석하고 배합비에따른벤토나이트뒤채움재의점도와열전도도를평가하였다. 또한, 지하수내에존재하는염도에의한영향을벤토나이트뒤채움재침강시험을통해분석하였다. 마지막으로, 벤토나이트뒤채움재시공시, 유동성확보를위해설계배합비이상으로물이첨가되어뒤채움재의점도가과도하게낮아질경우, 첨가재로사용된천연규사가보어홀저면에침전하는현상을재료분리시험을통해규명하였다. 2. 시험방법및시료특성 2.1 시료특성현재국내에서유통되는 3종의벤토나이트시료에대해 XRD(X-ray Diffraction) 시험과 Free Swell 시험 (ASTM D5890) 을수행하였다. 벤토나이트시료의 Free Swell 시험은물을채운 100ml 메스실린더에 2g의벤토나이트분말시료를약 0.1g씩최소 10분간격으로 20회가량나누어넣어시료가충분히수화하고침강할수있도록시험을진행한다. 약 16시간이후 (ASTM 기준 ) 에점토시료가충분히팽윤 (swelling) 되도록한후, 점토시료와물의경계를 ml 단위로표시하고이값을팽창지수 (swelling index) 로정의한다. XRD 분석결과와팽창지수는표 1에나타냈다. Bentonite 1은저급으로주물공정에서사용되며 Bentonite 2와 3은토목건설용으로사용되고매립지차수벽이나슬러리용으로사용되는제품이다. XRD 분석결과사장석 (Plagioclase) 과몬모릴로나이트 (Montmorillonite) 가주요구성광물임을 지중열교환기용벤토나이트뒤채움재의화학적, 물리적영향요소에관한연구 21
표 1. 벤토나이트시료의 XRD 분석결과와팽창지수 광물팽창지수 Qtz Pl K-f Hbl Cal Mnt Ill Kln Op Py Syl 시료 (Swelling Index, ml/2g) Bentonite 1 4.1 58.0 - - 1.9 30.6 - - 3.8-1.7 13.5 Bentonite 2 3.1 52.1 - - 0.3 38.8 - - 5.5-0.2 15 Bentonite 3 6.8 29.2-9.0 2.0 42.8 - - 3.3 0.9 6.0 24.5 * Qtz(Quartz: 석영 ), Pl(Plagioclase: 사장석 ), K-f(K-feldspar: 정장석 ), Hbl(Hornblende: 각섬석 ), Cal(Calcite: 방해석 ), Mnt(Montmorillonite: 몬모릴로나이트 ), Ill(Illite: 일라이트 ), Kln(Kaolinite: 고령토 ), Op(Opal: 단백석 ), Py(Pyrite: 황철석 ), Syl(Sylvite: 실바이트 ) 알수있다. XRD 시험과 Free Swell 시험으로부터몬모릴로나이트함유량이높을수록팽창지수가큰것으로나타났다. 몬모릴로나이트는팽윤성이우수한점토광물중하나로써비표면적이대략 800m 2 /g에달한다. 따라서, 몬모릴로나이트입자는많은양의양이온과물분자를흡수할수있다 (Mitchell and Soga, 2005). 광물에흡착된물분자는점토입자를분산하게하여벤토나이트뒤채움재의낮은투수성의원인이된다. Free swell 시험결과, Bentonite 3의팽창지수가 24.5ml/2g으로가장높은값을나타냈다. 일반적으로지중열교환기에사용되는벤토나이트뒤채움재는전열성을향상시키기위해천연규사나모래와같은첨가재를사용한다 (Remund와 Lund, 1993; 한정상등, 2005). 본연구에서사용한천연규사는주물이나토목용으로사용되는재료이며 SiO 2 함유량이 95% 이상이다. 시험에사용한천연규사의입도분포는그림 3에나타냈다. 시험에사용한천연규사의열전도도는포화상태에서평균적으로 2.67W/m K로보고된바있다 ( 최항석등, 2008). 2.2 점도와열전도도측정시험 D 10=0.07mm D 30=0.15mm D 60=0.30mm Cu=4.23 Cc=1.07 그림 3. 첨가재로사용한천연규사의입도분포 벤토나이트뒤채움재는현장에서보통 30mm 트레미관을사용하여보어홀에뒤채움되므로이때벤토나이트뒤채움재의점도는현장시공성과밀접한관계가있어점도가높은상태일수록현장시공성이저하된다. 벤토나이트뒤채움재는첨가재함유량에따라또는배합후시간경과에따라점도가증가하는특성이있기때문에반드시설계배합비에따라배합이조절되어야한다 (Heiberger와 Remund, 1997; 최항석등, 2008, Lee 등, 2010). 벤토나이트뒤채움재의열전도도향상을위해 (a) 진동형점도측정기 (SV-10) 그림 4. 점도측정기장비구성 (b) 항온성유지를위한아크릴케이스 22 한국지반공학회논문집제 26 권제 12 호
Outflow TP-02 Materials (sample) Container Contant-Temperature-Water bath Inflow CR10X 그림 5. 열전도도측정모식도 (TP02 System) Personal computer with RS-232C cable 1reference temperature sensor (pt1000) 2heating wire 3thermocouple (hot joint) 4thermocouple(cold joint) 5 6base 그림 6. TP02 탐침의구성 크릴성형틀을사용하여열전도도를측정하였다. TP02 System의열전도도측정용탐침은 ( 그림 6) 스텐인리스 (stainless) 재질로이루어져있으며탐침의길이는 150 mm이고직경은 1.5mm이다. 현장에서벤토나이트뒤채움재의점도를낮추어시공성을높이기위해설계배합비보다많은양의물을첨가하거나현장지반에피압지하수가존재할경우, 실제시공된벤토나이트뒤채움재의함수비와열전도도가변할수있다. 이러한현장조건을모사하기위해벤토나이트배합비와배합후시간경과에따른점도와열전도도를동시에측정하였다. 사용한벤토나이트시료의배합비 ( 벤토나이트의무게 /( 벤토나이트 + 물 ) 의무게 ) 는각각 5%, 10%, 15%, 20%, 25% 를사용하였다. 그림 7은열전도도와점도를동시에측정하기위한시험모식도이다. 벤토나이트시료의점도와열전도도는 1시간간격으로총 6시간측정하였으며시험결과를토대로시간에따른점도와열전도도변화를평가하였다. Viscosity meter Bentonite sample Needle probe(tp02) 2.3 배합수염도에따른벤토나이트침강시험 Data accumulation Acrylic mold CR10X Inflow Outflow Contant-Temperature-Water bath 그림 7. 열전도도와점도측정모식도천연규사와같은첨가재가혼합될경우점도는더욱증가하게되므로점도변화에대한고려가중요하다 (Lee 등, 2010). 벤토나이트뒤채움재의점도는그림 4(a) 와같은진동형점도측정기 (SV-10, AND) 를사용하여측정하였고측정기기의측정범위는 0.003P~120P(P : Poise) 이다. 측정중온도에대한영향을배제하기위해그림 4(b) 와같은아크릴케이스에항온수조를통해일정온도의물을순환시켜시험중시료의온도를 20 로유지하였다. 벤토나이트시료의열전도도측정은비정상열선법을사용하는 TP02 system(hukesflux, US) 을사용하여측정하였다. 그림 5는 TP02 system의열전도도측정모식도이다. 시료는일정한온도를유지하기위해항온수조를이용하여시료의온도를조절하였으며벤토나이트는겔 (gel) 상태로일정형태를이루지않기때문에아 벤토나이트뒤채움재를구성하는점토광물은물을흡수하여팽윤하는성질을갖는다. 만약벤토나이트뒤채움재가다량의양이온이함유된지하수에노출될경우, 점토입자내에흡착된물이밖으로빠져나와벤토나이트뒤채움재가수축할수있다. 이는확산이중층이론 (van Olphan, 1977) 에따라광물의이중층의두께가광물의주변의자유수내양이온농도에따라변하는것으로설명할수있다. 지중열교환기가해안가와같이지하수내에양이온농도가높은곳에설치될경우, 지중열교환기에채워진벤토나이트뒤채움재의부피가줄어들어보어홀내빈공간을형성할수있으며, 이는설계시고려한지중열교환기의성능이저하될가능성을갖는다. 본연구에서는지하수내존재하는양이온농도가벤토나이트뒤채움재의체적변화에미치는영향을고려하기위해배합수염도에따른벤토나이트뒤채움재의침강시험을수행하였다. 염도조절을위해 NaCl 수용액을사용하였으며 NaCl 농도 0.1M, 0.25M, 0.5M에대한벤토나이트뒤채움재의침강량을시간에따라측정하였다. 시험은그림 8과같이 1000mL 메스실린더를사용하였다. 시험중수분의증발을막기위해메스실린더입구는봉인한상태로침강시험을수행하였다. 지중열교환기용벤토나이트뒤채움재의화학적, 물리적영향요소에관한연구 23
1.5 x 20 = 30cm 그림 8. 벤토나이트뒤채움재의침강시험모습 1.5cm (a) 분리형재료분리시험장비전경 (b) 분리형재료분리시험장비개략도 그림 9. 재료분리시험장비구성 1.5 x 5 = 7.5cm 1.5 x 5 = 7.5cm 1.5 x 5 = 7.5cm 1.5 x 5 = 7.5cm 2.4 저점도벤토나이트뒤채움재의재료분리평가시험 천연규사와같은전열성첨가재를벤토나이트뒤채움재에첨가할경우뒤채움재의열전도도향상을기대할수있다 (Lee 등, 2010). 그러나, 현장시공성향상을위해설계배합비보다많은양의물을배합하여벤토나이트뒤채움재의점도가과도하게낮아질경우, 천연규사입자와벤토나이트입자의비중차이에의해천연규사가벤토나이트뒤채움재에균질하게혼합되지못하고보어홀저면에침전될수있다. 천연규사가첨가된벤토나이트뒤채움재로시공한지중열교환기에서천 연규사가바닥에침전될경우지중열교환기상부와하부가균질하게뒤채움되지못하여열전도도차이가나타나면설계뒤채움재의열전도도보다낮은열전도도가발현된다. 따라서, 본연구에서는국내벤토나이트중동일한배합비에서상대적으로점도가낮은시료인 Bentonite 1과 Bentonite 3을사용하여첨가재의재료분리현상을평가하였다. 본연구에서는낮은점도에서천연규사의재료분리현상을알아보기위하여벤토나이트배합비 10%, 20% 의경우에대해벤토나이트혼합물무게의 30% 에해당하는천연규사를첨가하여시험을수행하였다. 벤토나이트뒤채움재의낮은점도로인한천연규사의재료분리를평가하기위해층별로벤토나이트뒤채움재의구성성분을측정하여재료분리정도를가늠할수있도록그림 9와같은분리형황동링으로구성되어있는침강시험장비를고안하였다. 시험장비는황동재질로제작되었으며직경 15cm, 두께 1.5cm의 20개링으로구성되며 1.5cm간격으로층을나누어입도분석등을통해깊이별로시료성상을분석할수있다. 분리가능한 20개의링을그림 9(a) 와같이쌓아올린후, 시험장비에벤토나이트천연규사혼합물을배합하여채우고 2일간방치하고시험장비를그림 9(b) 와같이 7.5cm 간격으로 4등분하여층별재료분리정도를입도분석과실내열전도도시험으로평가하였다. 재료분리시험이완료된 20개의링을 4등분하여채취한시료를건조시켜 100번체를사용한입도분석을통해천연규사잔류율을측정하였다. 또한천연규사의재료분리가열전도도에미치는영향을알아보기위하여각층의시료를채취한후열전도도를함께측정하였다. 3. 시험결과및분석 3.1 시간에따른점도및열전도도변화벤토나이트배합비와시간에따른벤토나이트뒤채움재의점도와열전도도측정결과를각벤토나이트종류에대해그림 10~12에나타냈다. 그림에서표시한 시간 0 에해당하는측정치는배합직후시료의점도와열전도도값을나타낸다. 측정결과, 점도는기존연구 ( 최항석등, 2008; Lee 등, 2010) 에서와같이시간에따라점차증가하는것으로나타났으며열전도도는시간에따른변화가전반적으로미미하다. 그림 10은 Bentonite 24 한국지반공학회논문집제 26 권제 12 호
열전도도 (W/m. K) 0.72 0.70 0.68 0.66 0.64 0.62 5% 10% 15% 20% 25% 점도 (P) 100 80 60 40 20 0 5% 10% 15% 20% 25% 0.60 0 1 2 3 4 5 6 시간 (hour) 0 1 2 3 4 5 6 시간 (hour) (a) 시간에따른열전도도 (b) 시간에따른점도 그림 10. Bentonite 1 시료의시간에따른열전도도와점도측정결과 열전도도 (W/m. K) 0.72 0.70 0.68 0.66 0.64 0.62 5% 10% 15% 20% 25% 점도 (P) 120 100 80 60 40 20 5% 10% 15% 20% 25% 0 0.60 0 1 2 3 4 5 6 0 1 2 3 4 5 6 시간 (hour) 시간 (hour) (a) 시간에따른열전도도 (b) 시간에따른점도 그림 11. Bentonite 2 시료의시간에따른열전도도와점도측정결과 1 시료의배합비에따른점도와열전도도의시간의존적변화를나타낸다. 점도와열전도도모두벤토나이트함량에따라증가하는형태를보인다. 그러나점도는시간이지남에따라벤토나이트함량이증가하면서급격히증가하는추세를보이지만열전도도는시간이지남에따라거의일정한값으로수렴하였다. 특히, 벤토나이트배합비 5% 와 10% 의경우, 다른벤토나이트배합비에비해시간에따른점도변화가거의없다. 그림 11 에나타낸 Bentonite 2 시료는 Bentonite 1의결과와유사한경향을보인다. 벤토나이트배합비 5% 인 Bentonite 2 시료에서 6시간후최종점도증가량이 0.004~0.016 P로약 70 P 증가한벤토나이트배합비 25% 시료에비 해미소함을알수있다. 모든벤토나이트배합비에서 Bentonite 1 시료보다큰점도를나타냈으며배합비 25% 시료의경우, 배합후측정 3시간시점에점도가측정값의한계치인 120 P를넘어서서더이상측정이불가능하여점도측정은중지하고열전도도측정만지속하였다. 그림 12에나타낸 Bentonite 3 시료의경우 Bentonite 1시료에비해점도가약 2배에서크게는약 120배정도컸으며 Bentonite 2 시료에비해약 2배에서약 80배정도큰점도를보였다. Bentonite 3 시료의경우, 벤토나이트배합비 5% 에서도점도가시간에따라증가하는경향을보였으며배합비 15% 의경우, 배합후 3시간경과시점에서시료내부와표면에균열이발생 지중열교환기용벤토나이트뒤채움재의화학적, 물리적영향요소에관한연구 25
열전도도 (W/m. K) 0.72 0.70 0.68 0.66 0.64 0.62 5% 10% 15% 20% 점도 (P) 120 100 80 60 40 20 5% 10% 15% 0.60 0 1 2 3 4 5 6 0 0 1 2 3 4 5 6 시간 (hour) 시간 (hour) (a) 시간에따른열전도도 (b) 시간에따른점도 그림 12. Bentonite 3 시료의시간에따른열전도도와점도측정결과 열전도도 (W/m. K) 0.70 0.68 0.66 0.64 0.62 Bentonite 1 Bentonite 2 Bentonite 3 점도 (P) 120 100 80 60 40 20 Bentonite 1 Bentonite 2 Bentonite 3 0.60 0 5 10 15 20 25 30 벤토나이트배합비 (%) (a) 배합비에따른열전도도 0 0 5 10 15 20 25 30 벤토나이트배합비 (%) (b) 배합비에따른점도 그림 13. 배합비에따른벤토나이트시료의열전도도와점도측정결과 (1 시간 ) 하여점도측정이불가능하였다. Bentonite 3 시료는벤토나이트배합비 20% 이상에서는점도측정장비의측정범위를초과하여점도측정을중지하고시간에따른열전도도만측정하였다. Bentonite 3 시료의경우벤토나이트배합비 25% 에서시료의배합이어려워시험에서제외하였다. 3가지벤토나이트시료에대해측정된열전도도의시간에대한변화는매우미미했으나기존연구결과 ( 최항석등, 2008) 와유사하게벤토나이트함량에따라증가함을알수있다. 점도는벤토나이트의함량이증가할수록그리고배합후시간이경과할수록증가하는경향을보였다. 그림 13은배합후 1시간이경과된시점에서벤 토나이트시료의점도와열전도도비교를보여준다. 3 가지벤토나이트시료에서모두벤토나이트배합비가증가함에따라열전도도증가정도가유사함을알수있다. 하지만, 그림 13(b) 에나타나듯이벤토나이트함량증가에따른점도증가율은 Bentonite 3이가장크고그다음 Bentonite 2, Bentonite 1 순으로평가되었다. 이결과는벤토나이트시료에포함되어있는몬모릴로나이트함유량또는팽창지수차이에기인하는것으로표 1에나타난바와같이몬모릴로나이트함량과팽창지수가 Bentonite 3에서가장큰값을보이고 Bentonite 1이가장작은값을갖는것으로설명할수있다. 따라서, 몬모릴로나이트함량이높은벤토나이트뒤채움재배 26 한국지반공학회논문집제 26 권제 12 호
1.0 1.0 0.9 0.9 침강율 0.8 0.7 침강율 0.8 0.7 0.6 NaCl 0.1M NaCl 0.25M NaCl 0.5M 0.5 10 1 10 2 10 3 10 4 시간 (min) 0.6 NaCl 0.1M NaCl 0.25M NaCl 0.5M 0.5 10 1 10 2 10 3 10 4 시간 (min) 그림 14. Bentonite 1 시료의침강율 그림 15. Bentonite 2 시료의침강율 1.0 0.6 0.9 0.5 침강율 0.8 0.7 침강율 0.4 0.3 0.2 0.6 NaCl 0.1M NaCl 0.25M NaCl 0.5M 0.5 10 1 10 2 10 3 10 4 시간 (min) 0.1 Bentonite 1 Bentonite 2 Bentonite 3 0.0 0 10 20 30 40 팽창지수 (ml/2g) 그림 16. 시간에따른 Bentonite 3 시료의침강율 그림 17. 침강율과팽창지수 (swelling index) 관계 합시시간경과에따른점도증가에대한주의가요구된다. 3.2 배합수염도에따른벤토나이트침강시험결과그림 14는배합수염도에따른 Bentonite 1시료의침강율을나타낸다. 침강율은시간에따른벤토나이트시료의높이를초기벤토나이트시료의높이로나눈비율로정의한다. Bentonite 1시료의경우, 배합수의 NaCl 농도 0.1M에서벤토나이트시료가 132mm 침강하였고 0.25M에서 165mm, 0.5M에서 195mm 침강하였다. 따라서 Bentonite 1의최종침강율은배합수염도 NaCl 0.1M, 0.25M, 0.5M에따라각각 33.0%, 41.3%, 48.8% 로평가되었다. Bentonite 1은 0.1M에서 1/3가량침강하여다른 시료에비해상대적으로배합수염도에민감한것으로나타났다. 그림 15는배합수염도에따른 Bentonite 2시료의침강율을나타낸다. Bentonite 2시료의경우배합수의 Na Cl 농도 0.1M에서는측정시간동안벤토나이트시료의침강이관찰되지않았고 0.25M에서 4mm 침강하였으며 0.5M에서는 148mm 침강하였다. Bentonite 2의최종침강율은배합수의염도 NaCl 0.1M, 0.25M, 0.5M에따라각각 0%, 0.9%, 37.0% 로나타났다. 그림 16은배합수염도에따른 Bentonite 3 시료의침강율을나타낸다. Bentonite 3 시료의경우에도 Bentonite 2 시료와비슷한경향을보였으며배합수의 NaCl 농도 0.1M과 0.25M에서는측정시간동안침강현상이관찰되지않았고 0.5M에서 95mm 침강하였다. Bentonite 3 지중열교환기용벤토나이트뒤채움재의화학적, 물리적영향요소에관한연구 27
의최종침강율은 NaCl 0.5M에서 23.8% 로나타났다. 침강시험결과, 배합수의염도가증가할수록벤토나이트혼합물의체적이감소하였다. 이는앞서서언급했듯이, 점토광물의이중층의두께가혼합수에존재하는양이온농도증가에따라줄어드는결과로설명할수있다. 따라서, 지중열교환기설계와시공시, 벤토나이트뒤채움재가지하수염도에따라체적이감소할가능성을인지하여뒤채움재뒤채움시공에주의를기울여야한다. 시험결과, 최악의경우바닷물 ( NaCl 몰농도 0.5~0.6M) 이지중열교환기에유입되어지중열교환기에시공된벤토나이트뒤채움재의체적이시공직후에비해상당히줄어들수있음을알수있다. 하지만, 벤토나이트종류에따라최종침강율에차이가있었으며이를 Free swell 시험으로얻어진팽창지수와비교하면그림 17과같이나타낼수있다. 팽창지수값이클수록침강율이낮아지므로지하수염도가비교적높다고판단되는지역에서는팽창지수나몬모릴로나이트함량이높은벤토나이트를사용하여지하수염도에의한영향을최소화할수있다. 의시료에서급격한재료분리를보였다. 그림 18은배합비 10% 의 Bentonite 1에서각층의열전도도와 100번체잔류율을보여준다. 실험에사용한천연규사중 100번체를통과한입자가있을수있어 100번체잔류율은각층의실제천연규사잔류율보다는다소작을것이다. 그러나각층에서벤토나이트와천연규사를완전히분리해서무게를측정하기는실험적으로어렵기때문에, 본연구에서는천연규사입자중 100번체를통과하는양이미미할것이라는가정하에각층에서측정한 100 번체잔류량을천연규사잔류량으로간주하여실험결과를해석하였다. 상부세개층의천연규사잔류율은 2% 이하이고, 특히첫번째층의경우거의 0% 에가깝지만, 최하부층인네번째층 (0~7.5cm) 의천연규사잔류율은다른세개층에비해 40배정도높은약 80% 에이르고있다. 즉, 대부분의천연규사가실험장비바닥에침전되었음을알수있다. 천연규사잔류율의차이는열전도도의변화에도크게영향을주었다. 천연규사잔류율 3.3 저점도벤토나이트뒤채움재의재료분리시험결과 벤토나이트와천연규사의재료분리여부를확인하고재료분리가열전도도에미치는영향을알아보고자각각의혼합기준에대한재료분리현상을검토하였다. 그리고재료분리현상이발생한시료에대해각층별입도분석과열전도도측정시험을수행하여재료분리정도를평가하였다. 벤토나이트의배합비를 10%, 20% 로고정하여재료분리시험을수행한결과, 벤토나이트의종류에따라상이한결과가나타났다. Bentonite 1은벤토나이트배합비 10% 와 20% 모두에서재료분리현상이나타난반면 Bentonite 2의경우에는벤토나이트배합비 10% 에서만재료분리현상이나타났다. 재료분리현상이일어날경우, 천연규사가전체층을통해균질하게분포되어있지않기때문에천연규사의재료분리정도를평가하기위해시험이완료된시료를 4층으로나누어채취하여건조시키고 100번체를통과시켜잔류율 ( 각층의 100번체에남은건조시료무게 / 각층의건조시료총무게 ) 로표시하였다. Bentonite 1은벤토나이트배합비 10% 와 20% 모두에서재료분리가일어났고, 특히벤토나이트배합비 10% 그림 18. 각층의열전도도와천연규사 100 번체잔류율 ( 배합비 10% Bentonite 1) 그림 19. 각층의열전도도와천연규사 100 번체잔류율 ( 배합비 20% Bentonite 1) 28 한국지반공학회논문집제 26 권제 12 호
보다많은양의물을배합하여점도를과도하게낮출경우, 시공된지중열교환기의전체열전달효율이변할수있다. 즉, 200m 깊이의보어홀에서재료분리가발생할경우상부에서열전도도향상을기대할수없어당초설계한지중열교환기의열전달성능이발휘되지못할수있다. 그러므로천연규사와같은첨가재를포함한벤토나이트뒤채움재시공시, 뒤채움재의배합비에따른점도와재료분리현상을고려하여과도하게점도를낮추지않는것이바람직하다. 그림 20. 각층의열전도도와천연규사 100 번체잔류율 ( 배합비 10% Bentonite 2) 이매우낮은상부의세개층에서는 0.68~0.77W/m K의열전도도를보이지만, 네번째층 (0~7.5cm) 의열전도도는첫번째층에비해 170% 인 1.16W/m K로측정되었다. 벤토나이트배합비 20% 의 Bentonite 1의시험결과는그림 19에나타내었다. 벤토나이트배합비 10% 의경우보다재료분리가명확하게발생하지않았다. 네개의층에서천연규사의 100번체잔류율이 38~42% 정도로차이가나타났으며이에따른열전도도는 0.87~0.93W/m K 으로배합비 10% 의시험결과에비해상대적으로변화폭이작았다. 그림 20은 Bentonite 2에대한시료높이별천연규사 100번체잔류율과열전도도를보여준다. Bentonite 2는배합비 10% 에서만재료분리가발생하였고, 시험종료후 4개의층으로나누어각층에서의천연규사의양을측정한결과그림 20에서와같이실험장비의가장아래층인 0~7.5cm에서천연규사의양이가장많게측정되었다. 특히, 상부 22.5~30cm 구간과가장하부 0~7.5cm 구간의천연규사양을비교해보면약 2배정도의차이를보이고있다. 천연규사의잔류율이가장높은하부 (0~7.5cm) 구간에서열전도도가 0.88W/m K로가장높게측정된반면, 하부에비해약 50% 의천연규사잔류율을보인상부첫번째층에서는열전도도가 0.85 W/m K로다소작게측정되었다. 낮은점도를갖는벤토나이트뒤채움재에서천연규사의재료분리는보어홀내에천연규사의분포를비균질하게만들므로지중열교환기보어홀의깊이별열전도도가다르게나타날수있는가능성이있다. 따라서, 뒤채움재의뒤채움시공성을높이기위해설계배합비 4. 결론본연구에서는국내에서주로사용하는 3종의벤토나이트뒤채움재의광물특성을분석하고벤토나이트배합비및배합후시간경과에따른점도와열전도도특성을평가하였다. 또한, 지하수의염도에따른벤토나이트뒤채움재의체적변화와저점도벤토나이트뒤채움재에서천연규사의재료분리현상을실험적으로고찰하였다. 연구수행결과를정리하면다음과같다. (1) 벤토나이트배합비 ( 벤토나이트무게 /( 벤토나이트 + 물 ) 무게 ) 5%, 10%, 15%, 20%, 25% 에대한점도와열전도도측정결과, 점도는시간에따라, 그리고배합비가증가함에따라증가하나열전도도는벤토나이트배합비가증가할경우에만증가하고동일한벤토나이트배합비에서는시간경과에따른변화가매우적었다. 따라서, 시공성향상을위해설계배합비보다많은물을배합하여점도를낮출경우벤토나이트뒤채움재의열전도도감소하므로주의해야한다. 또한, 몬모릴로나이트함량이높은벤토나이트뒤채움재는배합후점도가급격히증가하여시공성이낮아질수있으므로배합시주의가요구된다. (2) 벤토나이트뒤채움재는배합수의염도에의해시간에따라체적이감소하며팽창지수가높을수록최종침강율 ( 시간에따른벤토나이트시료의높이 / 초기벤토나이트시료의높이 ) 이작다. 배합수의 NaCl 농도 0.5M의경우, 벤토나이트혼합물은최대 48.8% 의침강율을보였으나몬모릴로나이트함량이가장높은벤토나이트시료 (Bentonite 3) 는침강율이 23.8% 로다른시료에비해상대적으로작게나타났다. 따라서, 배합수염도에의한영향이우려되는지역에서는팽창지수가높거나몬모릴로나이트함량이높 지중열교환기용벤토나이트뒤채움재의화학적, 물리적영향요소에관한연구 29
은벤토나이트를사용하여염도에의한영향을최소화하는것이필요하다. (3) 저점도벤토나이트와천연규사를배합한결과, 천연규사가바닥에침강하는재료분리현상이관찰되었으며재료분리가발생하였을때시료의상부와하부에열전도도차이가발생하였다. 벤토나이트종류에따라시료상부와하부의열전도도차이가다르게나타났으나점도가가장낮은시료 (Bentonite 1) 의경우시료의상하부열전도도차이는 0.48W/m K로심하게나타났다. 따라서, 천연규사와같은첨가재를포함한벤토나이트뒤채움재시공시, 뒤채움재의배합비에따른점도와재료분리현상을고려하여과도하게점도를낮추지않는것이바람직하다. 감사의글본연구는한국건설교통기술평가원건설기술혁신사업 (06건설핵심D04) 과 BK21 글로벌리더양성사업단교내특별연구비지원사업 (T0901451) 지원으로수행되었으며, 이에깊은감사를드립니다. 참고문헌 1. 손병후, 신현준 (2006), 지중열교환기보어홀그라우팅재료의열전도도측정, 설비공학회논문집, 대한설비공학회, Vol.18, No.6, pp.493-500. 2. 조정식 (2006), 지중열교환기전열성능향상을위한뒤채움재조성에관한연구, 산업자원부, 최종보고서, 2004-N-GE08-P-01. 3. 지식경제부 (2008), 건축물의냉방설비에대한설치및설계기준, 지식경제부고시제2008-17호. 4. 최항석, 이철호, 최효범, 우상백 (2008), 지중열교환기용뒤채움재의물리적특성연구, 한국지반공학회논문집, 한국지반공학회, Vol.24, No.1, pp.37-49. 5. 한정상, 한규상, 한혁상, 한찬 (2005), 지열펌프냉난방시스템, 한림원. 6. Jo, H. Y., Katsumi, T. Benson, C. H. and Edil, T. B. (2001), Hydraulic conductivity and swelling of nonprehydrated GCLs Permeated with single-species salt solutions, Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, Vol.127, Issue 7, pp.557-567. 7. Lee C., Lee K., Choi H. and Choi H-P. (2010), Characteristics of thermally-enhanced bentonite grouts for geothermal heat exchanger in South Korea, Science in China Series E: Technological Sciences, China, Vol.53, No.1, pp.123-128. 8. Mesri, G. and Olson R. E. (1971), Mechanisms controlling the permeability of clays, Clays and Clay mineral, Vol.19, pp.15-158. 9. Mitchell, J. K. and K. Soga (2005), Fundamentals of Soil Behavior 3rd edition, John Wiley & Sons, Hoboken, New Jersey, pp.157-169. 10. Heiberger, J.A. and Remund, C.P. (1997), Evaluation of the pumpability of bentonite-based grouts, Final Report TR-109163, Electric Power Research Institute. 11. Paul, N. D. and Remund, C. P. (1997), Physical, thermal and hydraulic properties of bentonite-based grouts, Final Report No.TR 109160, ERI Project RP38 81-1, Electric Power Research Institue. 12. Remund C.P., and Lund J.T. (1993), Thermal enhancement of bentonite grouts for vertical G SHP system, ASME, Heat Pump and Refrigeration System-Design, Analysis, and Applications, Vol. 29, pp.95-106. 13. UNFCCC (1997), The Kyoto Protocol, The United Nations Framlelework Convention on Climate Change. 14. UNFCCC (2007), The Bali Roadmap, The United Nations Framework Convention on Climate Change. 15. van Olphen, H. (1977), An introduction to Clay Colloid Chemistry, A Wiley-Interscience Publication. ( 접수일자 2010. 8. 20, 심사완료일 2010. 10. 20) 30 한국지반공학회논문집제 26 권제 12 호