벤토나이트 방수공사

1. 공법의 개요

토목/건축분야의 지하방수공법으로써 최근 벤토나이트(Bentonite)를 이용한 방수공법이 주목을 받고 있고, 이미 상당량의 벤토나이트 방수재료가 국내의 지하방수에 보급되어 왔다. 벤토나이트는 팽윤특성을 지닌 가소성이 매우 높은 광물이다. 세계 각처에서 발견되고 있으나, 가공하여 만드는 최종제품의 특성 중 가장 중요하게 요구되는 팽창성을 기준으로 할 때, 미국의 블랙힐 지역에서 채광되는 소디움 벤토나이트(Sodium Bentonite)가 가장 우수한 것으로 알려져 있다.

1) 생성과정

일반적으로 벤토나이트는 지각의 화산활동에 의해 분출된 화산재 물질로써 응회암 적성작용, 퇴적된 물질이 2차, 3차 변화를 나타낸 것을 받거나 또는 유리질 유문암(流紋巖)이 열수(熱水)작용을 받아 생성된 천연의 무기재료이다.

2) 화학적 특성

벤토나이트는 몬모릴로나이트(Montmorillonite)계통의 팽창성 3층판(Si-Ai-Si)으로 이루어진 점토이며 파이로필나이트(Pyrophyllite)(납석)화학 구조식인 AL₂Si₄(OH)로 형성되어 있다. 그 중 알루미늄옥사이드(Aluminum oxide) 중간층인 집사이트 층(Gibbsite layer)에서 3+가의 알루미늄이 2+가인 마그네슘(Magnesium)으로 대체되고 -1가 만큼의 부족한 전하(charge)를 소디움(Na)으로 만족시킨 형태가 소디움 벤토나이트(Sodium Bentonite)이다.

이때 집사이트층(Gibbsite layer)에서 알루미늄(Alumium)이 마그네슘(Mg)으로 대체되는 것 이외에 철(Iron) 등으로 대체될 수 있고, 또 이에 따라 부족한 전하(Charge)를 칼슘(Calcium)으로 만족시킬 수가 있는데 이 부족한 전하를 만족시킨 성분에 따라 벤토나이트의 종류가 구별되어 진다. 다시말해, 마그네슘(Magmesium) 또는 철(Iron)에 의해 치환된 집사이트층(Gibbsite layer)의 알루미늄(Alumium)으로 인해 벤토나이트는 표면에 교환성 이온을 가지게 되며, 이때 교환성 이온에 소디움(Na)이 흡착되면 소디움계 몬로릴로나이트로 형성이 되고, 칼슘(Calcium)이 흡착되면 칼슘계 몬모릴로나이트가 형성된다. 또한 기타의 성분이 흡착되면 기타의 몬모릴로나이트로 분류되어지게 된다. 그러나 소디움계 몬모릴로나이트는 다른계 몬모릴로나이트(특히 칼슘계)보다 많은 팽윤성을 지니게된다(그림1 참조).

그림 1. 벤토나이트의 화학적구조

2. 일 반 사 항

2.1 적용범위

본 시방은 지하벽의 외부, 굴착용 흙막이 벽, 지면 위 슬래브 하부, 흙 되메우기 밑 부분의 바닥판 방수공사와 터널주위 및 구조이음부의 실링공사에 벤토나이트를 시공할 경우에 적용한다.

2.2 방수바탕

1) 바탕의 종류

바탕의 종류는 현장타설 철근콘크리트를 표준으로 한다.

2) 바탕의 상태

방수시공 직전의 바탕 전반의 상태는 아래의 항을 표준으로 한다.

(가) 평탄하고, 들뜸, 취약부 및 현저한 돌기물 등의 결함이 없을 것.

(나) 곰보, 균열부분, 구멍 등은 두께 3mm이상, 폭 75mm이상으로 하여 벤토나이트 실 란트로 평
탄하게 메울 것.

(다) 바탕은 건조되어 있을 것.

(라) 콘크리트 이음 타설부는 벤토나이트 실란트나 채움재로 봉합되어 있을 것.

(마) 거푸집 고정재는 제거되어 있을 것.

(바) 누수되는 부위가 없을 것.

(사) 관통파이프 또는 슬리브 등은 방수시공에 지장이 없는 위치에 있을 것.

(아) 관통파이프 또는 슬리브, 위생기구 및 부착철물 등은 소정의 위치에 견고히 설치하여 결손이
없도록 할 것.

(자) 기타 바탕의 상태는 특기시방에 의한다.

2.4 시공관리

염분함유량이 2% 이상인 지하수 또는 해수와의 접촉이 예상되는 지역은 벤토나이트의 성능이 저하될 수 있으므로 방수재 제조자의 지정에 따라 시공여부를 결정해야 하며, 보관 및 취급에 있어서는 빗물, 이슬, 직사광선 등을 차단할 수 있는 적절한 조치를 취해야 한다.

2.5 특 징

벤토나이트는 19C 개발된 이래 극히 제한적으로 사용되었으나, 20C 기술혁명에 발맞추어 석유, 가스 탐사용 윤활제, 주물시의 바인더(Binder) 그리고 차수용 및 지하구조물의 방수 또는 토목용 안정액으로 점차 그 사용범위를 넓혀 갔으며, 현재는 벤토나이트의 독특한 특성을 이용하여 화장품, 비료, 윤활제, 종이 등의 다양한 산업분야에 사용되면서 인류생활에 기여하고 있다. 그러나 이직까지 건설분야의 대개의 사람들은 이 벤토나이트에 대해 잘 인식하지 못하고 있는 실정이다.

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

1) 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 사용되
어 왔다. 즉 토사와 섞어 층을 만들면 물이 침투하지 못하게 한다. 폐수처리장이나 쓰
레기 매립장의 주위를 이렇게 처리하여 주변토사나 지하수의 오염을 예방하기도 하며,
오염된 토사내에서는 오염되지 않은 공간을 만들기도 한다. 벤토나이트와 토사 또는
시멘트와의 혼합이 지하구조물의 방수에 응용이 되었을 때 방수 내지 차수효과는 물론
지층의 움직임에 적응하는 신축성이 있으므로, 댐의 차수벽이나 건축물 지하층에 이상
적인 소재로 활용할수 있다.

(2) 점착성 - 천연적인 점착성이 있어 다른 물질들과 혼합하여 점착 시킨다. 소디움 벤토나이트는
특히, 화학적으로 활성이 전혀 없으므로 점착되는 재료의 화학적 특성에 일체 영향을
주지 않는다. 높은 온도에서도 이 성질은 변하지 않으므로 주물용 모재의 점착제로 널
리 쓰인다.

(3) 농후성(濃厚性) - 매우 우수한 교질(gel)상태를 형성하므로 점성이 낮은 다른 재료들을 걸쭉하
게 하거나 농축하는 효과가 있다. 벤토나이트를 사용한 현탁액은 수년이 지나
도 침전이 생기지 않고 완벽한 콜로이트 상태를 이루므로 약품, 식물 등 각종
공업원료로 사용된다.

(4) 윤활성 - 젖은 벤토나이트는 윤활특성이 좋아서 예전에는 마차바퀴를 끼울 때 윤활제로 쓰였으
며, 파이프 밀어 넣기 작업, 천공작업 및 전선관 속으로 케이블 뽑아내는 등의 작업에
윤활제로 쓰인다.

2) 방수특성(메카니즘)

(1) 치밀성 - 소디움 벤토나이트(Sodium Bentonite)는 그 층의 두께가 4㎜∼9㎜일 경우, 그 투수
계수가 1×10^-10∼1×10^-12㎝/sec에 달하는 불투수층(투수계수 10^-7㎝/sec 이하를
일반적으로 불투수층이라고 한다)을 형성한다. 이는 30㎝두께 진흙의 100배에 상당
하는 치밀성을 나타내는 것이다.

(2) 자체보수성(Self-Sealing) - 앞에서도 열거한 바와 같이 소디움 벤토나이트는 물과 방응시 발생
하는 자체 고팽창성능에 의하여 콘크리트 구체에 3㎜이내의 갈라
진 틈(Crack)이 발생한 곳에서도 자체적으로 팽창하여 메꾸어줌
(Self-Sealing)으로서 방수능력이 지속적으로 유지된다. 이 과정
에서 순수 천연산 점토인 소디움 벤토나이트는 화학적인 변화가
없으므로 장기간의 방수능력에 큰 지장이 없으며, 세월이 지남에
따라 오히려 방수능력이 강화되는 특성이 있다.

(3) 회복성 - 앞서 언급한 바와 같이 벤토나이트는 물과 반응할 때 체적의13∼16배에 달하는 팽창
성을 보이는데 물의 제거 또는 증발이 발생하는 경우, 벤토나이트는 원래의 체적으로
수축이 되는 회복성을 나타내게 된다. 이러한 팽윤, 수축은 벤토나이트 광물의 화학적
특성에 의한 현상으로서 무한 반복되어 발생될 수 있고 그 효과의 배가나 감량은 없다
고 보고 있다.

2.6 용도

1) 토목부문 적용

① 슬러리 월(Surry wall) 안정액

지하연속벽 공사중 굴착면의 붕괴방지와 지하수의 유입을 차단, 토사 및 시멘트와 혼합하여 불투수
차수벽의 건설에 사용된다.

② 연약지반 개량재 - 콘크리트 믹서를 이용하여 혼합한 벤토나이트와 토사를 로울러로 전압하여
연약한 지반을 개량한다.

2) 건축부문 적용

① 지하외벽 방수 시트 - 지하구조물의 기초 슬래브, 외벽 및 상부 슬래브의 방수에 사용된다.

② 콘크리트 시공조인트용 수팽창 지수재 - 콘크리트 시공조인트의 지수판으로 사용된다.

3. 자재

3.1 벤토나이트

최소한 90% 이상의 몬모릴로나이트(Montmorillonite)를 포함하여야 하며, 90% 이상이 KS A 5101(표준체)의 0.85mm(No.20)의 체를 90% 이상 통과하여야 하고, 0.08mm (No. 200)의 체의 통과량이 10% 이하이어야 한다.

3.2 벤토나이트 패널

5kg/㎡ 이상의 벤토나이트가 채워져 있고, 무게는 8kg/m³ 이상이어야 한다.

3.3 벤토나이트 시트

1) 규격 및 형상

두께 4.5mm이상 (HDPE층 : 0.5mm이상, 벤토나이트층 : 4mm이상)이어야 한다.

2) 방수재는 운반 및 시공이 편리하도록 두루마리로 포장되어야 하며 평면으로 펼쳐서 다음과 같은 결함이 없어야 한다.

① 매우 구부러져 있다.

② 가장자리 또는 중간면이 늘어나 있거나 기복이 있다.

③ 두루마리가 붙어 있거나 표시층이 분리되어 있다.

④ 찢어진 부분, 절단된 부분, 접힌 곳이나 주름 및 구멍뚫린 곳이 있다.

3) 품질

시트는 다음의 품질기준에 적합하여야 한다.

시 험 항 목		단 위	품질기준	시험방법
HDPE	인장강도 신장율 인열강도	kgf/cm2 % kgf/cm2	250이상 450이상 40이상	KS F 4911 (속도: 200mm/min, 시험편: 아령형 3호)
제 품	단위면적당 중량	kg/m2	4.8이상	KS K 0514
	낙구 충격시험	-	이상 없을 것	KS M 3074 (500g강구, 1.0m높이, 시험편: 10×10cm)
벤토나이트	부피 팽창율	%	750∼1,300	상온, 증류수, 48시간

3.4 벤토나이트 매트

벤토나이트 매트는 겉모양을 보아 다음과 같은 결함이 없어야 한다.

① 매우 구부러져 있는 것.

② 가장자리 또는 중간 면이 늘어져 있거나 기복이 없을 것.

③ 표시층이 분리되어 있는 것.

④ 찢어진 부분, 절단된 부분, 접힌 곳이나 주름 또는 구멍뚫린 곳이 있는 것.

3.5 벤토나이트 채움재

생물 분해성 크라프트지에 담겨진 것은 32×32mm 또는 60mm의 삼각형이어야 하며, 수용성 플라스틱에 담겨진 것은 직경 50mm로 각각 그 길이가 600mm 이상이어야 한다.

3.6 폴리에틸렌 필름

KS M 3509(포장용 폴리에틸렌 필름)에서 정하는 품질을 가지는 저밀도 폴리에틸렌 필름의 두께 0.10mm 이상의 것을 사용.

3.7 고정 못 및 와셔

고정 못은 KS D 7034(콘크리트용 철못)에서 정하는 길이 30mm 이하의 것을 사용하며, 와셔는 바깥지름이 23mm 이상의 것을 사용한다.

4. 시공

4.1 바탕의 점검 및 처리

1) 콘크리트 거푸집 탈형 후, 콘크리트 바탕전반에 대하여 점검하여 1. 일반사항의 1.3 방수바탕의
상태로 있음을 확인한다.

2) 이음 타설부는 물로 청소하고 벤토나이트 실란트 또는 튜브로 충전한다.

3) 거푸집 고정재에 의하여 생긴 구멍 또는 균열발생 부위는 V컷하여 벤토나이트 실란트 또는 채움
재로 채워넣는다.

4) 바탕처리 후의 충전재의 들뜸, 흘러내림 등을 점검하여 방수재 시공에 지장이 없음을 확인한다.

5) 방수재 시공면의 오염상태를 점검하고 청소한다.

6) 방수시공 장소에 물이 고여 있거나, 지속적으로 물이 흐르는 경우에는 배수로를 설치하여 완전히
물을 배제시킨다.

4.2 벤토나이트 패널의 시공

1) 수직면에서의 시공

① 벤토나이트 패널은 기초 바닥면에서 시작해서 콘크리트 못이나 접착제로 고정시키면서 설치하
고, 상·하층의 이음매가 서로 겹치지 않도록 한다.

② 파형을 수직하게 세운다. 인접한 패널과의 겹침은 50mm 이상으로 하여 못을 박아 고정시키고
끝부분을 테이프로 발라 처리한다.

③ 관통파이프 부분과 슬래브 모서리 부분은 미리 벤토나이트 패널로 덧바름하고, 그 위를 겹쳐
바른 후, 벤토나이트 실란트로 겹침 이음부를 처리한다.

④ 패널을 자를 때에는 파형에 평행하게 잘라 벤토나이트의 손실이 없도록 한다.

⑤ 시공이 끝난 패널의 끝부분은 알루미늄의 고정용 졸대를 대고 폭 20cm 간격으로 콘크리트 못
으로 바탕에 고정시킨다.

2) 슬래브 하부 수평표면 위의 시공

① 습기 차단을 위한 폴리에틸렌 필름을 10cm 정도 겹치게 설치하고, 그 위에 벤토나이트 패널을
고정시켜 깐다.

② 벤토나이트 패널은 말뚝 캡이나 슬래브 연단을 지지하는 확대기초 위에 걸치지 않도록 한다.

③ 관통파이프 부분과 슬래브 모서리 부분은 미리 벤토나이트 패널로 덧바름하고, 그 위를 겹쳐
바른 후, 이음매 밀봉재로 겹침 이음부를 실링 처리한다.

3) 지중의 수평한 콘크리트 표면 위의 시공

① 2)의 슬래브 하부 수평표면 위의 시공의 항과 같이 한다.

② 인접한 패널과의 겹침은 50mm 이상으로 한다.

③ 오목 모서리에서의 패널은 수직면 위로 30cm 이상 연장하여 수직으로 시공한 패널과 겹치도록
한다.

4.3 벤토나이트 시트의 시공

1) 수직면에서의 시공

① 방수 작업전에 벽체 및 시트의 규격, 작업여건을 고려하여 시트의 부착방향을 결정한다.

② 바닥 슬래브와 벽체의 죠인트 부위는 벤토나이트 실란트나 튜브 등으로 충전하여 둔다.

③ 시트는 벤토나이트 층이 구체에 면하도록 하여 45cm 이내의 간격으로 콘크리트 못으로 고정
한다.

④ 시트의 겹침은 최소 70mm 이상이 되도록 하고, 이음부는 접착테이프로 마감한다.

⑤ 수평방향으로 시트를 시공할 경우, 상부 슬래브와 벽체와의 겹침부위는 상부 슬래브의 시트를
벽체에 걸치도록 시공하여 벽체에서 고정될 수 있도록 한다.

⑥ 시공이 끝난 시트의 끝부분은 알루미늄의 졸대를 대고 폭 20cm 간격으로 콘크리트 못을 사용
하여 바탕에 고정시킨다.

2) 수평면에서의 시공

① 시트는 벤토나이트 층이 상면으로 하여 깔고, 이음부는 70mm 정도 겹쳐서 깐다. 이때 후속작
업을 고려하여 슬래브 단부에서 25cm 이상 더 내밀어 시공하고, 내민 부위는 수분이 침투하지
않도록 폴리에틸렌 필름으로 보양한다.

② 콘크리트 타설중 설치된 시트가 이탈하지 않도록 60cm 이내의 간격으로 콘크리트 못 등으로
고정한 후 겹침부위를 테이프로 밀폐한다.

③ 시트를 전부 깐 다음 보호 콘크리트를 타설할 경우에는 가능한 빨리 실시하여 시트의 손상 및
조기 수화팽창을 방지하여야 한다.

3) 합벽면에서의 시공

① 바탕면과 침입수와의 접촉을 차단하기 위한 폴리에틸렌 필름을 10cm 정도 겹치게 설치하고 그
위에 시트를 깐다.

② 시트는 벤토나이트 층이 구체를 향하도록 하여 설치한다.

③ 시공후 장기간 외기에 노출시킬 경우에는 우천을 대비하여 폴리에틸렌 필름을 사용하여 양생
한다.

4.4 벤토나이트 매트의 시공

1) 바닥면에서의 시공

① 바닥에 물이 많을 경우에는 배수작업을 선행하고, 폴리에틸렌 필름을 깔아 조기수화를 방지한
다.

② 매트는 직포 또는 부직포가 구조물을 향하도록 하여 깐다.

③ 겹침은 10cm이상으로 하고 30cm간격으로 콘크리트 못으로 고정한다.

2) 수직면에서의 시공

① 벤토나이트 매트는 직포 또는 부직포가 구조물을 향하도록하여 시공하며, 겹침은 10cm 이상
으로 하여 30cm 간격으로 고정한다.

② 시공이 끝난 매트의 끝부분은 이물질의 부착 또는 우천을 고려하여 벤토나이트 실란트로 처리
하여 둔다.

4.5 기타부위의 방수공사

기타 부위에서의 벤토나이트 패널 및 시트의 시공은 방수재 제조자가 지정하는 방법으로 한다.

4.6 되메우기

1) 되메우기는 방수작업 완료 후 36시간 이내에 실시하여야 한다.

2) 되메우기 작업시에는 10cm 이상의 호박돌 및 방수시트를 손상시킬 수 있는 날카로운 모서리를
갖는 골재는 제거한다.

3) 되메우기 흙의 낙하 높이가 높을 경우에는 슈트를 사용하여 방수층에 직접 충격이 가지 않도록
주의하여야 한다.

5. 보호, 마감

1) 보호

지하구조물에 설치되는 벤토나이트 방수패널 또는 시트는 우수 또는 용출 지하수에 의해 조기 수화팽창되거나 타공종 작업에 의해 손상되기 쉬우므로 각 작업공정이 끝날때 마다 PE필름 및 마감 긴결재로 보호하여야 한다.

2) 보호층

보호층에는 다음과 같은 것이 있으며, 설치에는 방수재 제조자가 지정하는 방법으로 한다.

① 하드보드 : 두께 6.4mm 이상.

② 아스팔트섬유 혼입 보호판 : 두께 3.9mm 이상.

③ 섬유형 방수성 보호판 : 두께 12.7mm 이상.

④ 습기 차단막 : 두께 0.10mm 이상의 폴리에틸렌필름(polyethlene film).

⑤ 콘크리트 : 두께 5cm이상.

6. 점검 및 유지관리

1) 벤토나이트 방수공사는 영구적으로 수밀하야 한다. 눈, 비가 예상되거나 방수층 설치 개소에 물이
고인 경우에는 배수를 하여 콘크리트 타설 전까지 수분에 접하지 않도록 보양한다.

2) 건석 벤토나이트 제품의 보관, 최급은 다른 공사에 의하여 은폐되는 경우 항상 건조한 조건이 유지
되어야 한다. 방수재는 원칙적으로 실내나 가건물에 보관한다. 부득이 실외 보관시 각재위에 합판
을 깔고 덮게를 덮어 보관해야 하며, 직접 우수나 지하수에 접촉하지 않도록 해야한다.

3) 취급시 화학적으로 인체에 무해하므로 피부에 접촉해도 무방하다.

4) 강풍 및 고온 다습일때는 시공에 주의한다.

5) 사용재료의 내열성(비교적 우수)을 고려하여 저온 및 고온시 온도변화에 의한 재질 변화를 고려
한다.

벤토나이트방수공사.hwp