2.1 정전기적 상호작용이론

점토는 평균 입경이 75 µm 이하인 미세 입자로 높은 비표면적으로 인하여 질량에 의한 힘(Mass-drived Forces)보다는 정전기적 힘(Electrical Forces)에 의한 영향을 주로 받는다(Lambe and Whitman, 1969). 점토 입자는 동형 치환(Isomorphous Substitution)에 의해 음전하를 형성한다. 카올리나이트와 일라이트는 실리카시트(Silica Sheet) 사이에 위치한 Si⁺⁴가 Al⁺³로 동형 치환하여 음전하를 형성한다. 이 중 음전하를 형성한 일라이트는 K⁺와 결합으로 인해 최종적으로 전기적 중성을 형성한다. 따라서, 카올리나이트는 전기적으로 음성을 띠게 되고, 일라이트는 전기적으로 중성을 나타낸다. 또한, 몬모릴로나이트는 깁사이트시트(Gibbsite Sheet)에 위치한 Al⁺³의 Mg⁺² 치환으로 전기적으로 음성을 나타낸다.

이러한 점토 표면의 전기적 음성 특성으로 인해 입자 주위에는 이중층(Double Layer)이 형성된다. 이중층은 흡착수와 자유수로 구분되며, 흡착수에는 다량의 양이온이 분포한다. 형성된 이중층은 입자 간의 반발력의 원인이 되고, 이중층의 두께는 입자의 배열에 영향을 준다.

카올리나이트와 일라이트는 쿨롱의 힘(Coulombic Forces)에 의해 입자 배열이 결정되는 특성을 나타내고 Eq. (1)과 같다.

|F|: Coulombic forces

k: Coulomb constant (8.998×109 N∙m² /C²)

q : Magnitudes of the charges

r: Distance between the charges

몬모릴로나이트와 벤토나이트는 Derjaguin, Landau, Vervey and Overbeek (DLVO) 이론에 의해 입자 배열이 결정되는 특성을 나타낸다. DLVO 이론은 Van der Waals 인력(Attraction Forces)과 이중층(Double Layer)에 의한 반발력(Repulsion forces)으로 정의한다(Fig. 1).

Fig. 1

Characteristic Curve of DLVO Theroy (Modified from Trefalt and Borkovec, 2014)

두 입자 간에 작용하는 자유 상호작용 에너지(U)는 입자 간에 작용하는 힘(F)을 적분하여 계산할 수 있다(Ep. (2)). 입자 간에 작용하는 힘(F)은 단위 표면적당 자유에너지(W)와 유효반경(R_eff)을 변수로 계산된다(Eq. (3)). 단위 표면적당 자유에너지(W)는 Van der Waals 인력(W_vdw)과 이중층 반발력(W_dl)의 합으로 표현된다(Eq. (4)). Fig. 2는 공극수 이온도에 따른 DLVO 이론 특성 곡선을 나타내고 있다. 이온도 증가에 따라 Van der Waals 인력은 증가한다.

Fig. 2

Characteristic Curve of DLVO Theory According to Ionic Strength of Pore Water (Modified from Trefalt and Borkovec, 2014)

F(h): 콜로이드 입자 간에 작용하는 힘

h: 표면 간격

W(h): 단위 면적당 두 표면의 자유에너지

Reff:R+R−R++R−, 유효면적

H: Hamker constant (10^-21 ∼10^-19)

σ₊ , σ_-: 입자 표면의 단위 면적당 전하밀도

ε₀: 진공 상태의 유전율

ε: 물의 유전 상수

k: 더비의 길이(카파의 역수)

3.1 1차원 팽창 실험 장비

점토광물의 일차원 팽창변형은 ASTM D4546-14 (2014) 기준에 부합하여 측정하였다. Figs. 3과 4는 횡방향 변형 구속 하에 일차원 팽창변형을 측정하기 위한 실험 장비의 모식도 및 사진을 각각 나타낸다. 변형률계(LPS-100S)는 시료의 변형율을 측정하고, 데이터 로거(Date Logger)는 측정된 변형율을 1초의 간격으로 저장한다.

Fig. 3

Experimental Set-Up for Soil Expansion Tests

Fig. 4

Experimental Devices for Soil Expansion Tests

3.2 시료 성형 및 실험 방법

가장 대표적인 점토 광물인 카올리나이트(Kaolinite), 일라이트(Illite), 몬모릴로나이트(Montmorillonite) 및 벤토나이트(Bentonite)를 본 연구의 시료로 사용하였다. 각 시료의 초기 함수비를 결정하기 위해 사전 실험으로 다짐실험을 수행하였다. 초기 함수비는 노상 다짐 기준으로써 최적 함수비(Optimum Moisture Content)의 건조 측 95% 함수비로 결정하였다(Table 1). 실험에 사용한 물은 증류수(distilled water, DW) 및 1 M 소금물(1 M brine)을 사용하였다. 챔버의 크기는 ASTM D4546-14 (2014) 기준에 의해 직경 6.25 cm (2.5 inch) 및 높이 2.54 cm (1 inch)이다.

Table 1

Compaction Properties of Clay Minerals

실험의 준비 과정은 다음과 같다. 최적 함수비(Optimum Moisture Content)의 건조 측 95% 함수비를 유지한 시료는 준비된 챔버 안에 성형된다. 시료의 상하부에는 공극판이 놓여 물이 자유롭게 흐를 수 있다. 상부 공극판 위에는 1 kPa의 하중이 놓이게 된다(Fig. 3). 하중판 위에 변형율계(LPS-100S)가 위치하여 시료의 팽창을 측정한다. 전체 시스템은 물로 채워진 수조에 놓이게 되어, 시료는 물에 잠기게 된다. 따라서, 시간의 흐름에 따라 수조의 물은 시료 안으로 흐르게 되어 시료의 함수비는 증가하게 된다. 함수비의 변화에 따른 시료의 변형은 변형율계를 통해 측정되고, 데이터 로거(Date Logger)를 통해 1초의 간격으로 저장된다.

4.1 팽창(Swellling) 실험 결과

Figs. 5와 6은 카올리나이트(Kaolinite), 일라트(Illite), 몬모릴로나이트(Montmorillonite) 및 벤토나이트(Bentonite)의 증류수(distilled water, DW) 및 1 M 소금물(1 M brine)에서의 팽창률 실험결과를 나타낸다. 모든 실험은 3번씩 수행되었고, Figs. 5와 6은 평균값 및 표준편차를 나타낸다. 그 결과, 증류수(distilled water, DW)에서 카올리나이트는 10.95%, 일라이트는 12.51%, 벤토나이트는 26.60%의 평균 팽창률을 나타내고 있다. 하지만, 몬모릴릴로나이트는 152.6%로써 상대적으로 매우 큰 팽창률을 나타내고 있다(Fig. 5). 하지만, 1 M 소금물(1 M brine)에서 카올리나이트는 12.42%, 일라이트는 16.23%, 그리고 벤토나이트는 21.91%의 팽창률을 보이고 있다. 하지만, 몬모릴릴로나이트는 0.83% 로써 상대적으로 매우 작은 팽창률을 나타내고 있다(Fig. 6).

Fig. 5

Swelling Ratio of Clay Minerals in Distilled Water

Fig. 6

Swelling Ratio of Clay Minerals in 1 M Brine

증류수(distilled water, DW)에 비해 소금물(1 M brine) 내에서의 팽창률을 비교하면 카올리나이트는 0.88%, 일라이트는 0.77% 및 벤토나이트는 1.21%의 상대적으로 작은 팽창률 변화를 보이고 있다. 하지만, 몬모릴릴로나이트는 18,385.54%의 상대적으로 매우 큰 팽창률 감소를 보이고 있다(Table 2). 몬모릴로나이트는 공극수의 염분 농도가 증가하면 이중층수의 두께가 감소하여, DLVO 이론에 의해 공극수의 염분 농도가 증가할수록 Van der Waals 인력이 지배적인 영향을 준다(Cao et al., 2019). 따라서, 1 M 소금물(1 M brine)에서 몬모릴로나이트 입자는 팽창률이 크게 감소하게 된다.

Table 2

Relative Swelling Ratio of Clay Minerals between Distilled Water and 1 M Brine

4.2 X-Ray Diffraction (XRD) 및 Energy Dispersive Spectroscopy (EDS) 분석

본 연구에서 사용한 점토광물의 X-Ray Diffraction (XRD) 및 Energy Dispersive Spectroscopy (EDS) 분석을 수행하였다. Table 3은 점토광물의 EDS 결과를 나타내며, Fig. 7은 XRD 분석 결과를 나타낸다. EDS 분석 결과, 카올리나이트(Kaolinite), 일라이트(Illite), 몬모릴로나이트(Montmorillonite) 및 벤토나이트(Bentonite) 모두 산소(O)를 가장 많이 함유하고 있다. 이러한 결과는, 본 연구에 활용된 네 가지 점토 광물이 문헌에서 나타나는 고유 광물 특성과 매우 유사하게 나타나고 있음을 나타낸다(GTK, 2006; POSIVA, 2007; Egirani et al., 2018; Zimmermann et al., 2019).

Table 3

Energy Dispersive Spectrometer Analysis Data of Clay Minerals

Fig. 7

X-ray Diffraction Data of Clay Minerals

XRD 분석 결과 카올리나이트와 일라이트는 Muscovite와 Alpha-SiO₂로 구성되어 있음을 확인하였다. 두 광물 모두 비 팽창성 광물로 알려져 있다. 몬모릴로나이트와 벤토나이트는 Beidellite, Sauconite, Nontronite, Berinite 및 Stevensite를 다수 포함하고 있음을 확인하였다. 위의 광물들은 Smectite 족에 속하는 광물로써, 팽창성 광물 그룹으로 알려져 있다(Hwang et al., 1997; Viani et al., 2002; Jiang et al., 2010; Wang et al., 2017).

XRD 분석은 팽창실험에서 몬모릴로나이트(152.6% DW) 및 벤토나이트(26.60%, DW)가 카올리나이트(10.95% DW)와 일라이트(12.51% DW)보다 상대적으로 팽창률이 높게 나온 결과와 일치하고 있음을 보여주고 있다.

4.3 점토 팽창에 따른 지반의 공극막힘과 투수계수 저하

하이드레이트 지층에서의 가스 생산은 메탄 및 담수가 동시에 해리되어 나오기 때문에, 다상 유동 흐름 흐름뿐만 아니라 지반 내 공극수의 전해도 저하를 유발한다. 따라서, 몬모릴로나이트를 다수 포함한 지반의 경우, 입자의 이동과 함께 입자의 재배열에 따른 팽창에 의해 공극 막힘이 예상된다. 이는 지반 투수계수의 저하에 영향을 끼칠 것이다. 또한, 메탄생산을 위한 지속적인 하이드레이트의 해리는 가스 및 담수의 공급에 의해 지반 내 과잉간극수압의 증가를 유발한다. 이로 인해, 지반의 인장파괴의 가능성까지 내포 한다(Jung et al., 2012).

본 연구의 결과 몬모릴로나이트 및 공극수의 전해도 증가 조건이 만족될 경우에 입자이동에 따른 공극 막힘이 예상된다고 판단된다.