1. 서 론
2. 시험재료 및 시험항목
2.1 시험 재료
2.2 실험항목 선정
3. 뒤채움재 기초물성 실험
3.1 입도분석
3.2 비표면적
3.3 공극률
3.4 화학조성
3.5 수분함량
3.6 점도
3.7 수분특성곡선
3.8 팽윤지수
3.9 밀도
3.10 양이온교환능(1) 및 층간 양이온 함량
3.11 양이온교환능(2)
3.12 pH
4. 결론 및 향후 연구
4.1 결론
4.2 향후 연구
1. 서 론
고준위 방사성폐기물을 인간 생활권으로부터 영구히 격리시키기 위해 다양한 방법이 제안되었으며, 이 중 지하 깊은 곳의 안정한 암반을 활용하는 심층처분 방식이 가장 안전하고 신뢰성이 높은 대안으로 고려된다. 현재 국내에서는 심층처분(DGR, Deep Geological Repository) 방식을 적용하기 위한 개념설계 및 관련 연구가 수행되고 있다(Kim et al., 2021, Kim et al., 2025).
심층처분시스템의 장기적 안전성은 방사성폐기물의 형태 및 특성, 처분용기(Canister), 완충재(Buffer), 뒤채움재(Backfill)를 포함하는 공학적방벽 및 천연방벽 등의 다중 방벽과 이들이 제공하는 다중의 안전기능에 의해 좌우된다. 이 중 뒤채움재는 처분터널의 빈 공간을 채워 근계 암반 및 완충재를 역학적으로 지지하고(Autio et al., 2013, Dixon et al., 2011), 지하수 유동을 저지하여 핵종 이동을 지연시키는 방벽 기능을 수행한다.
이에 따라, 처분 선도국에서는 뒤채움재의 성능 요건을 만족시키기 위해 재료선정, 가공 형태, 설치 방식 등을 최적화하는 연구를 진행하고 있다. 대표적으로, 핀란드 Posiva는 2015년 KBS-3V 방식의 심층처분시스템에 대한 건설허가 획득 당시에는 뒤채움재로 압축 벤토나이트 ‘블록’과 ‘펠렛’을 혼합하는 방식을 적용하였으나, 2021년 운영허가 신청 단계에서는 이를 ‘과립형(Granular)’ 방식으로 전면 교체하였다(Hjerpe et al., 2021, Posiva Oy, 2021, Posiva Oy, 2022, Toprak et al., 2024). 이러한 설계 변경은 기존 블록/펠렛 방식이 가진 기술적, 운영적 한계를 극복하기 위한 대안으로 과립형 벤토나이트가 선택되었으며, 이는 곧 새로운 설계 대안으로 활용될 가능성이 있는 과립형 뒤채움재의 공학적 특성 및 장기 거동에 대한 포괄적이고 검증된 데이터가 요구됨을 의미한다.
이러한 배경하에, 본 연구에서는 각각 핀란드(Posiva) 및 스위스(Nagra)에서 과립형 뒤채움재로 고려하고 있는 2가지 재료인 GraFi 및 GBM에 대해 입도 분포, 밀도, 공극률, 화학적 조성, 수분특성 등을 포함하는 종합적인 기초물성 실험 및 분석을 수행하였다. 이를 통해 과립형 뒤채움재의 기초 특성 데이터를 체계적으로 확보하고 재료 간의 성능을 비교 분석함으로써, 향후 국내 심층처분시설 뒤채움재의 설계 및 성능평가를 위한 핵심 기초자료를 제공하고자 한다.
2. 시험재료 및 시험항목
2.1 시험 재료
앞서 기술한 바와 같이, 핀란드 및 스위스의 심층처분 프로그램에서 각각 뒤채움재로 채택된 총 2종의 과립형 벤토나이트(GraFi 및 GBM) 재료를 대상으로 뒤채움 특성평가를 수행하였으며, 해당 시험에 적용된 벤토나이트 정보를 요약하면 Table 1과 같다.
Table 1.
Information on granular bentonite products considered in Finland and Switzerland
| Tradename | Provider | Origin | Form | Remarks |
| GraFi | Posiva | Georgia | Granular | Posiva TRFD (Trial Run of Final Disposal) |
| NationalⓇ WP1000 GBM | Nagra | Wyoming | LUCOEX FE Experiment & HotBENT |
2.2 실험항목 선정
본 연구에서는 상기 벤토나이트 재료의 수리-물리-화학-역학적 특성을 종합적으로 평가하기 위해 Table 2와 같은 기초실험을 수행하였다. 각 항목은 뒤채움재의 핵심 성능(수리전도도, 팽윤압 등)을 직접 평가하는 ‘실험(Experiment)’과 재료의 고유 특성(광물조성, 입도 등)을 분석하는 ‘분석(Analysis)’으로 구분하였다. ‘실험’으로 분류된 항목에 대해서는 자체적으로 구축한 장치를 활용하였으며, ‘분석’으로 분류된 항목에 대해서는 외부 전문 분석기관을 활용하였다(단, 아래 표에 제시된 항목 중 수리전도도 및 팽윤압 시험은 현재 진행중인 상태로 그 결과는 본 논문에 수록하지 않았다).
Table 2.
Fundamental laboratory tests for characterization of granular bentonite
| No. | Test item | Type | Standard and/or method | |
| 1 |
Hydraulic (H) | Hydraulic conductivity | Experiment | ASTM D5084-03 and modified |
| 2 | Water content | Experiment | ISO 17892-1 | |
| 3 | Viscosity | Experiment | Hwang et al. (1997) | |
| 4 | Soil-Water Characteristic Curve (SWCC) | Experiment | ASTM D6836-16 | |
| 5 |
Mechanical (M) | Swelling pressure | Experiment | ASTM D4546-03 |
| 6 | Swelling index | Experiment | ASTM D5890-11 | |
| 7 | Density | Experiment | ISO 17892-2, ISO 17892-3 | |
| 8 | Porosity | Analysis | X-ray CT | |
| 9 | Particle size distribution | Analysis | CEN ISO/TS 17892-4 | |
| 10 | Specific surface area | Analysis | BET (Brunauer-Emmett-Teller) | |
| 11 |
Chemical (C) | Chemical composition | Analysis | XRF (X-ray Fluorescence) |
| 12 | Cation Exchange Capacity (CEC) | Experiment | Cu-tri (UV-Vis), Methylene blue | |
| 13 | Exchangeable Cation (EC) | Experiment | ICP-OES | |
| 14 | pH | Experiment | pH meter | |
3. 뒤채움재 기초물성 실험
3.1 입도분석
과립형 벤토나이트의 설치 건조밀도는 팽윤압 및 수리전도도 등과 같이 뒤채움재의 수리-역학적 특성을 결정하는 중요한 변수이다. 입도 분포는 재료의 공극률 예측 및 최적 건조밀도 달성을 위한 핵심 설계 인자이며, 이상적인 건조밀도 예측을 위해 풀러곡선(Fuller’s Curve)이 활용된다. Posiva 및 Nagra에서는 이미 처분시설 설계 사양에 부합하도록 압축 및 분쇄 공정을 통해 입도 분포를 최적화하였다(Schneebetger et al., 2022, Posiva Oy, 2024). 따라서, 본 연구를 통해 GraFi 및 GBM 재료의 입도분석 정보를 생산하여 국내 소재를 활용한 뒤채움재 제작 시 목표 입도 분포를 설정하기 위한 기초자료로 활용할 계획이다.
입도 분포는 체가름(Sieve test) 및 레이저회절(Laser diffraction) 등 두 가지 방법을 조합하여 평가하였다. 약 500 g의 시료 중 0.063 mm 이상의 입자는 진동식 체진탕기(POWTEQ SS2000)를 사용하여 체가름 분석을 수행하였으며, 0.063 mm 미만의 미립자에 대해서는 습식 레이저회절(HELOS, Sympatec) 방식을 적용하여 입도 분석을 수행하였다. GraFi 및 GBM에 대한 입도분석 결과를 블록/펠렛 방식 뒤채움을 위해 대표적으로 연구된 Wyoming 벤토나이트(Kiviranta et al., 2018)의 입도 분포와 함께 Table 3에 제시하였다. GraFi 및 GBM은 체가름을 우선 수행한 후 마지막 체를 통과한 시료에 대해 레이저회절 분석을 수행함에 따라 분포의 총합이 100%에 가까우며, Wyoming 벤토나이트의 경우 독립적인 시료를 사용하여 체가름 및 레이저회절 분석이 개별적으로 수행되었다.
Table 3.
Results on particle size distribution of GraFi and GBM in comparison with Wyoming raw bentonite
※ Source: (Kiviranta et al., 2018)
과립형 벤토나이트의 경우 12.5 mm 이상의 굵은 입자부터 0.063 mm 이하의 미세입자까지 다양한 크기로 분포되어 있으나, 주로 4 mm 및 1 mm 전후에서 비중이 높은 이중 분포 특성을 보여주고 있다. 반면, Wyoming 벤토나이트는 최대 입자 크기가 2.0 mm 이하로 주로 0.5~2.0 mm 구간에 분포가 집중되어 있으며, 0.063 mm 이하의 미세입자 비율은 0.1% 이하로 과립형 벤토나이트(7.3~8.6%)에 비해 비중이 매우 작음을 확인할 수 있다. 이러한 차이로 인하여, 미세입자를 압축한 블록/펠렛 방식은 침식(Erosion) 및 파이핑(Piping) 현상이 블록-블록 및 블록-펠렛 사이, 펠렛 충진층 내부 등과 같은 단일채널에서 주로 발생되나(Martikainen et al., 2019), 과립형 벤토나이트의 경우 대공극을 따라 복잡하게 얽힌 유동 구조를 보일 것으로 예상된다.
상기 결과 및 아래 식 (1)을 이용하여 GraFi 및 GBM에 대한 풀러곡선을 도출하였으며, 그 결과는 Fig. 1과 같다.
단, P : 크기 d의 체를 통과하는 누적 중량 백분율 [wt%]
d : 체 규격 [mm]
D : 최대 입자 크기 [mm]
n : 풀러곡선 지수(0.4 가정) [-]
3.2 비표면적
비표면적(SSA, Specific Surface Area)은 벤토나이트의 흡착, 팽윤 및 수리적 거동에 영향을 미치는 핵심 특성으로 몬모릴로나이트의 층간 구조 및 미세 공극 발달과 밀접하게 연관되어 있어 벤토나이트 원광의 고유 특성을 비교하는 중요 지표로 활용된다. 시료의 비표면적 평가를 위해 BET (Brunauer-Emmett-Teller) 이론에 기반한 고체 시료 표면의 기체 흡착 현상을 분석하는 기체 물리 흡착법을 적용하였다. 샘플링 절차에 따라 준비된 약 10 g의 GraFi 및 GBM 시료에 대해 Micromeritics사의 3Flex 장비를 사용하여 극저온(-195.850°C) 조건에서 시료에 질소 가스의 압력을 단계적으로 증가 및 감소시키면서 각각 흡착 등온선 및 탈착 등온선을 측정하는 방식으로 분석을 진행하였다.
GraFi 및 GBM에 대한 BET 비표면적 분석 결과는 Table 4에 요약하였다. GraFi 시료의 경우 총 4회의 반복 측정을 통해 평균값을 도출하였으나, GBM 시료는 측정 과정 중 발생한 오류로 인해 1회의 유효 데이터만 확보되었다. 그 결과, GraFi의 평균 총 비표면적은 73.99 m2/g으로 GBM(30.80 m2/g)에 비해 약 2.4배 높게 나타났으며, 이러한 차이는 미세공극(Micropore) 면적에서도 확인되었다. GraFi 및 GBM의 미세공극 면적 비율은 각각 총 비표면적의 약 38.1%(28.21 m2/g) 및 26.3%(8.10 m2/g)를 차지하였으며, 총 기공 부피(Total pore volume) 또한 GraFi(0.116 cm3/g)가 GBM(0.092 cm3/g)보다 높게 측정되었다. BET로 측정한 비표면적은 주로 외부 표면적과 관련되며, 이러한 차이로 인하여 GraFi는 GBM에 비해 지하수 유입 초기 단계에서 물 분자와 접촉할 수 있는 유효 면적이 넓어 수화속도가 상대적으로 빠를 것으로 예상되며, 동일 질량 기준 표면 착물 형성을 위한 유효 표면적이 넓어 장기적인 핵종 이동 지연 측면에서 보다 우수한 성능을 나타낼 것으로 추정된다.
Table 4.
BET results for GraFi and GBM
| Parameters | GraFi | GBM | |
| This test | Reference (Garitte et al., 2015) | ||
| Sample mass [g] | 2.6939 | 2.7923 | - |
| BET [m2/g] | 73.9942 | 30.8003 | 22 ~ 36 |
| Micropore surface area [m2/g] | 28.2073 | 8.0953 | - |
| External surface area [m2/g] | 46.0423 | 22.7050 | - |
| Total pore volume [cm3/g] | 0.1160 | 0.0922 | - |
3.3 공극률
뒤채움재가 지하수를 흡수하며 팽윤하는 과정에서 발생하는 공극률의 변화는 건조밀도, 팽윤 성능, 수리전도도 등 벤토나이트의 핵심 성능 변화와 직결된다. 따라서, 초기 공극률에 대한 정량적 측정은 심층처분시설의 수리 거동을 파악하고, 장기적 안정성을 이해하는데 필수적인 자료를 제공한다. 본 연구에서는 시료를 투과하는 X-선의 흡수 정도가 재료의 밀도에 따라 달라지는 원리를 이용하여 내부 구조를 3차원 영상으로 재구성하는 X-선 컴퓨터 단층촬영(X-ray CT, X-ray Computed Tomography) 방식을 적용하여 공극률을 비파괴적으로 정량 분석하였다. 이 방법은 벤토나이트 과립 사이의 공극(Inter-granular pores)을 구분하여 정량화하거나, 특히 팽윤 과정에서 불균질하게 변화하는 벤토나이트의 공극 분포 분석에 적합한 것으로 알려져 있다.
시료는 직경 15 mm 및 높이 47 mm의 유리 바이알에 중력에 의해 자연스럽게 충진한 상태에서 분석을 수행하였으며, 이 과정에서 GraFi 및 GBM의 건조밀도(Dry pour density)는 각각 1.316 및 1.377 g/cm3로 계산되었다. 유리 바이알의 경계면 효과를 배제하기 위해 시료의 중심부 영역에 대해 GE Vtomex M 240D 장비를 사용하여 분석을 수행하였으며, 획득된 3D 데이터의 재구성 및 공극률 정량 분석에는 Volume Graphics/VG Studio 소프트웨어를 이용하였다. X-ray CT 분석 결과는 Fig. 2와 같으며, 그림의 회색조 및 노란색 이미지는 각각 원본 단층 이미지 및 분석 소프트웨어를 통해 공극 영역만을 식별하여 재구성한 이미지를 나타낸다. 3D 이미지 분석을 통해 GraFi 및 GBM에 대한 공극률은 각각 30.39% 및 28.71%로 평가되었다.
3.4 화학조성
벤토나이트의 화학조성은 재료의 근본적인 특성을 규명하기 위해 필수적인 요소이다. X선 형광분석(XRF, X-ray Fluorescence)을 통해 벤토나이트 총 성분 및 불순물 등을 규명할 수 있고, Na2O 및 CaO 함량 측정을 통해 벤토나이트 유형(Na 또는 Ca)을 추정할 수 있으며, 총 탄소(C) 및 총 황(S) 함량 분석을 바탕으로 벤토나이트의 장기 화학적 안정성 및 성능 유지에 영향을 미치는 탄소 및 황 함량 등을 확인할 수 있다. 이에 따라, 본 연구에서는 XRF, 감열감량(LOI, Loss on Ignition) 및 CS 분석을 수행하여 GraFi 및 GBM의 주요 산화물 및 원소 조성을 평가하였다,
벤토나이트는 입자가 불규칙하고 다양한 광물이 혼합된 복잡한 구조이므로, 분말 시편에 대해 직접 XRF 분석을 수행할 경우 X선 흡수 및 방출 효율의 차이로 인해 큰 오차가 발생할 수 있다. 이러한 문제의 해결 및 분석 정확도 확보를 위해 본 연구에서는 XRF 분석 시 테트라보레이트 용융 비드(Lithium-tetraborate fusion bead) 전처리 방법(DIN EN ISO 12677 표준)에 따라 시료를 용융제(Li2B4O7)와 혼합하여 Katanax X-600 장비로 용융시킨 후 유리 비드를 제작하였다. 정량 분석은 Shimadzu MXF-2400 장비를 사용하였으며, 표준물질을 이용한 보정 및 정확성 검증을 수행하였다.
감열감량(Loss on Ignition, LOI) 분석은 전기로(Muffle box furnace)를 사용하여 시료를 995°C 이상으로 가열했을 때의 질량 감소분을 측정하였다. 벤토나이트 층간에 존재하는 수분 또는 탄소 등은 용융 비드 제작 과정에서 방출되므로, XRF 분석 전에 별도로 분석을 수행하였다.
총 탄소(C) 및 총 황(S) 함량은 LECO CS230 분석기를 사용하여 측정하였다. 시료를 고주파유도 가열방식으로 연소시킨 후, 발생한 이산화탄소(CO2) 및 이산화황(SO2)의 적외선 흡수 강도를 측정하여 함량을 정량 분석하였다. GraFi 및 GBM의 XRF 및 LOI, CS 분석 결과는 각각 Table 5 및 6에 요약하였으며, 수분함량에 따른 영향을 제거하기 위해 LOI를 0으로 하여 정규화하였다. XRF 측정결과는 대부분 공급사가 제시한 결과값과 유사하였으나 GraFi 및 GBM 모두 참조값에 비해 산화 알루미늄(Al2O3) 함량이 낮게 나타났으며, 이는 시료 고유의 불균질성으로 인한 편차로 판단된다. 또한, GraFi가 GBM에 비해 산화 마그네슘(MgO) 함량에서 큰 차이를 보였으며, 이는 GraFi에 마그네슘(Mg) 함량이 풍부한 녹니석(Chlorite (PDF 13-0003, Mg2Al3(Si3Al)O10(O)8))이 포함된 결과로 판단된다. 이에 대한 심층 검토를 위해 XRD 분석을 통해 광물학적 조성을 분석할 예정이다.
Table 5.
Analysis results of XRF and Loss on Ignition (LOI) for GraFi and GBM in comparison with literature data
| Material | Composition [wt%] | LOI [wt%] | ||||||||||
| SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | CaO | MgO | K2O | Na2O | TiO2 | MnO | P2O5 | |||
| GraFi | Average | 65.6 | 18.1 | 3.7 | 1.9 | 4.5 | 1.5 | 2.6 | 0.38 | 0.12 | 0.14 | 7.13 |
|
Reference (Posiva Oy, 2024) | 64.4 | 20.1 | 3.5 | 1.6 | 5.0 | 1.7 | 2.7 | 0.37 | 0.10 | 0.05 | 6.3 | |
| GBM | Average | 70.3 | 17.8 | 4.4 | 1.4 | 1.8 | 0.7 | 2.9 | 0.19 | 0.03 | 0.04 | 6.26 |
|
Reference (Schneebetger et al., 2022) | 68.3 | 20.2 | 4.3 | 1.3 | 1.8 | 0.7 | 2.9 | 0.2 | 0 | 0.1 | 11.3 | |
Table 6.
C and S analysis results for GraFi and GBM in comparison with literature data
| Material | Content [wt%] | ||
| SO2 | CO2 | ||
| GraFi | Average | 0.12 | 0.16 |
| Reference (Posiva Oy, 2024) | 0.15 | - | |
| GBM | Average | 0.24 | 0.24 |
| Reference (Schneebetger, 2022) | 0.21 | 0.20 | |
3.5 수분함량
벤토나이트의 수분함량은 재료의 수리-역학적 거동을 결정하는 가장 기본적인 변수이다. 본 연구에서는 ISO 17892-1(오븐 건조법)을 토대로 다른 모든 수리-역학적 시험(팽윤압, 수리전도도, 수분특성곡선 등)의 특성을 고려하여 각 시험 전후의 수분함량을 측정하기 위한 별도의 절차를 수립하였으며, 해당 절차에 따라 GraFi 및 GBM 시료의 초기(As-received) 수분함량을 분석하였다.
GraFi 및 GBM의 초기 수분함량은 총 2회 반복 측정하여 평균값을 도출하였으며, GraFi 가공에 사용된 Posiva의 비압축 벤토나이트 원료(Raw material)에 대해서는 1회 측정을 수행하였다(단, GBM의 원료는 공급사로부터 제공받지 못하여 분석 대상에서 제외하였다). Table 7에 제시한 바와 같이, GraFi의 평균 초기 수분함량은 약 13.53 wt%로 GBM의 평균 초기 수분함량(약 6.47 wt%)에 비해 두 배 이상 높게 나타났으며, Posiva 벤토나이트 원료의 경우 12.25 wt%로 가공된 GraFi와 유사한 수준으로 확인되었다.
Table 7.
Results of water content test for GraFi and GBM
| Material | Water content [wt%] | |
| Posiva | GraFi_1 | 13.33 |
| GraFi_2 | 13.73 | |
| Raw material | 12.25 | |
| Nagra | GBM_1 | 6.69 |
| GBM_2 | 6.25 | |
| Raw material | - (not provided by supplier) | |
3.6 점도
벤토나이트의 점도는 팽윤 및 밀봉 특성과 직접적으로 연관된다. 벤토나이트는 물을 흡수하여 점성이 높은 겔(Gel) 상태로 변화하여 공극 또는 처분터널의 균열을 메우는 자가 치유(self-healing) 능력을 통해 지하수 흐름 지연 및 핵종 이동 저지에 중요한 역할을 수행한다. 본 연구에서는 회전식 디지털 점도계(Rotational viscometer, CAS CL-1)를 사용하여 벤토나이트 현탁액의 점도를 측정하였다. 벤토나이트의 점도는 농도에 의존적이므로, 선행 연구(Hwang et al., 1997)를 참고하여 45 g/L 기준농도를 실험 조건으로 설정하였으며, 측정 조건으로는 Spindle No. 1 타입 및 Spindle 속도 60 rpm을 적용하였다.
GraFi 및 GBM 현탁액(45 g/L)의 점도 측정 결과는 Table 8과 같다. 교반기 정지 직후(T=0 hr)에는 현탁액 내의 유동이 완전히 안정화되지 않아 점도 측정값이 크게 변동하는 경향을 나타냈으며, 1시간 정치 후(T=1 hr)에는 두 시료 모두에서 점도가 증가하는 현상을 확인하였다. 1시간 경과 기준, GraFi의 점도는 9.83 cP로 GBM의 점도(6.51 cP)에 비해 약 1.5배 높게 나타났다. 물과 반응하여 저투수성의 겔층을 더 견고하게 형성하는 경우 급격한 투수성 저하 및 최대 팽윤압 도달의 지연으로 이어질 수 있으며, 추후 팽윤압 및 수리전도도 시험을 통해 해당 현상을 확인할 예정이다.
Table 8.
Viscosity measurement results of bentonite suspensions (45 g/L)
| Time [hr] | Temperature [°C] | Viscosity [cP] | |
| GraFi | GBM | ||
| 0 | 22 | 9.30 | 5.20 |
| 1 | 22 | 9.83 | 6.51 |
3.7 수분특성곡선
벤토나이트의 불포화 수리특성은 지하수 유입으로 점차 포화되는 과정에서의 수분흡입력 관계를 통해 평가할 수 있다. 이에 따라, 본 연구에서는 벤토나이트의 수분보유 특성을 설명하는 대표적인 모델인 반 게누텐(van Genuchten) 모델의 파라미터를 도출하여, PFLOTRAN 및 COMSOL 등 처분장 성능평가 코드에 활용할 수 있는 입력 데이터를 확보하기 위한 실험을 수행하였다. 수분특성곡선(SWCC) 측정에는 벤토나이트 등 매우 높은 수분흡입력을 갖는 시료에 적합할 뿐만 아니라 시스템 교란 없이 수분 포텐셜을 측정할 수 있는 ASTM D6836-16 기반의 상대습도 조절법(증기 평형법)을 적용하였다.
본 실험에서는 목표 수분함량으로 사전 조절된 벤토나이트 시료를 밀폐된 시험셀(Fig. 3)에 설치하고, 시료 공극 내의 물과 셀 내부의 수증기가 열역학적 평형에 도달했을 때의 상대습도를 정전용량형 고분자박막 습도센서(VAISALA HMP4)를 이용하여 측정하였다. 상대습도 측정결과는 Kelvin 방정식을 통해 총 수분흡입력(Total suction)으로 환산되며, 수분흡입력(P) 및 포화도(S)의 관계는 아래 식 (2)와 같은 van Genuchten 경험식(van Genuchten, 1980)을 사용하여 도출하였다.
단, Psuction : 토양의 수분흡입력 [Pa]
S : 포화도 [m3/m3]
Sr : 잔류 포화도 [m3/m3]
α : 반 게누텐 매개변수 [Pa-1] (air-entry value = 1/α)
m : 반 게누텐 매개변수 [-] (일반적으로, m = 1 - 1/n)
Posiva의 뒤채움재 건조밀도 설계 요건(1.3 ~ 1.45 g/cm3)을 참고하여(Posiva Oy, 2021), 목표 설치 건조밀도 1.4 g/cm3 및 상온조건에서 시험을 수행하였다. Table 9와 같이 수분함량은 20 wt% 이하 범위에서 약 5개의 데이터 포인트를 설정하였다.
Table 9.
Experimental conditions for Soil-Water Characteristic Curve (SWCC) tests of bentonite
잔류 포화도(Sr)를 0.05로 가정한 van Genuchten 피팅결과는 Table 10 및 Fig. 4와 같으며, 두 재료 모두 고흡입력(> 1.0E+07 Pa) 영역에서 모델이 실험값을 양호하게 모사함을 확인하였다.
Table 10.
Results on relative humidity and total suction of GraFi and GBM
본 실험 및 다수의 문헌을 통해 확인된 다양한 건조밀도 범위의 과립형 및 압축 벤토나이트의 반 게누텐 매개변수 값을 비교한 결과는 Table 11과 같다. 재료 및 제조공정의 차이로 과립형 벤토나이트에 대한 직접적인 비교는 어렵지만, α값 및 건조밀도는 높은 상관관계(즉, 건조밀도가 증가할수록 α값이 감소하는 경향)를 갖는 것으로 알려져 있다(Yoon et al., 2022). α의 역수로 계산되는 공기유입값(Air-entry value)은 토양에 공기가 유입됨에 따라 포화상태에서 불포화상태로 변화하는 시점에서의 임계 흡입력을 의미하며, 압축 벤토나이트와 같이 대공극보다 중·소형 크기의 공극이 지배적일수록 큰 값을 갖는다.
Table 11.
Results of van Genuchten parameters for GraFi and GBM in comparison with literature data
| Material |
Dry density [g/cm3] | Type | Parameters | ||
| α | n | ||||
| GraFi | This test | 1.4 | Granular | 3.59E-08 | 2.007 |
| Bulgarian (Toprak et al., 2024) | 1.315 | Granular | 4.00E-08 | 1.492 | |
| Italian (Toprak et al., 2024) | 1.372 | Granular | 2.00E-08 | 1.818 | |
| GBM | This test | 1.4 | Granular | 1.08E-07 | 1.784 |
| (Kim et al., 2022) | 1.49 | Granular | 3.50E-08 | 2.000 | |
| MX-80 (Dixon, 2019) | 1.47 | Compacted | 2.91E-09 | 1.02 | |
| FEBEX (Yoon et al., 2022) | 1.60 | Compacted | 1.11E-08 ~ 3.33E-08 | 1.471 ~ 1.818 | |
3.8 팽윤지수
팽윤지수(Swelling index)는 벤토나이트의 자유 팽윤 특성을 평가할 수 있는 지표이며, ASTM D5890-11 표준 및 Posiva Working Report(Kiviranta et al., 2018)를 참고하여 측정을 수행하였다.
팽윤지수 측정을 위해 벤토나이트 시료를 분쇄 후 0.125 mm 체로 2회 분리하여 균일한 입자 크기를 확보하고, 105°C에서 24시간 건조한 후 데시케이터에서 냉각하였다. 이후 100 mL 눈금실린더에 탈이온수 90 mL를 채운 후, 건조된 시료 2 g을 약 0.1 g/5분의 속도로 천천히 분산시켜 첨가하였다. 시료 첨가 후 실린더 벽면에 부착된 잔여물을 제거하기 위해 탈이온수 10 mL를 추가하여 최종 부피를 100 mL로 맞추었으며, 실린더를 무진동 환경에 최소 1주일 이상 정치시킨 후 팽윤된 벤토나이트 겔의 최종 부피(mL/2g)를 기록하였다. 시험장치 사진은 Fig. 5에 예시하였으며, 각 시료에 대해 동일한 절차를 4회 반복 수행하여 평균값을 도출하였다. 시험결과는 Table 12에 제시하였으며, GraFi 및 GBM의 팽윤지수 평균값은 각각 22.97 mL/2g 및 24.0 mL/2g로 모두 20 mL/2g 이상임을 확인할 수 있었으며, Wyoming 원광이 Georgia 원광에 비해 팽윤지수가 더 큰 경향을 보이는 것으로 평가되었다.
Table 12.
Comparison of swelling index for GraFi and GBM with literature data
| Material | NO. | Swelling index [mL/2g] | ||
| Measurement result | Average | |||
| GraFi | 1 | 23.00 | 22.97 | |
| 2 | 23.04 | |||
| 3 | 22.44 | |||
| 4 | 23.41 | |||
| GBM | 1 | 24.0 | 24.0 | |
| 2 | 24.0 | |||
| 3 | 24.0 | |||
| 4 | 24.0 | |||
|
Literature data (Koch, 2008) | Georgia | - | 22 ~ 26 | - |
| MX-80 | - | 28 ~ 32 | - | |
3.9 밀도
벤토나이트의 밀도, 특히 건조밀도는 뒤채움재의 수리전도도 및 팽윤압에 많은 영향을 미치는 물리적 특성으로 본 연구에서는 수리-역학적 시험의 기본 데이터로 사용되는 부피밀도, 입자밀도, 건조밀도에 대한 측정/계산을 수행하였다. 부피밀도에 대해서는 ISO 17892-2, 입자밀도에 대해서는 ISO 17892-3, 건조밀도에 대해서는 Posiva Working Report (Kiviranta and Kumpulainen, 2011)에 제시된 절차를 참고하여 측정을 수행하였으며, 각 시험사진은 Fig. 6에 제시하였다.
순수 고체 입자의 밀도를 나타내는 입자밀도의 측정에는 비중병을 이용한 액체 치환법을 적용하였다. 105°C에서 24시간 건조된 벤토나이트 시료(약 10 ~ 13 g)의 질량을 측정한 후, 시료가 담긴 플라스크에 벤토나이트의 팽윤 및 삼투압 효과를 억제하기 위해 탈이온수 대신 1M NaCl 용액을 채우고, 24시간 동안 교반 및 정치하여 공기를 제거하고 평형에 도달시킨 후, 플라스크의 총 질량을 측정하였다. 입자밀도는 이러한 측정값과 플라스크의 총 부피, 1M NaCl 용액의 밀도를 이용하여 계산하였다.
부피밀도의 측정에는 파라핀 오일 치환법을 사용하였다. 시료의 질량을 공기 중에서 측정한 후, 용기가 달린 전자저울을 이용하여 파라핀 오일 내에서 시료의 질량을 측정하여 부피밀도를 계산하였다. 추가적으로, 이러한 부피밀도와 앞서 측정한 수분함량(3.5항)을 이용하여 건조밀도를 산출하였다.
GraFi 및 GBM의 부피밀도, 건조밀도, 입자밀도 측정 결과는 Table 13에 요약하였다. 입자밀도는 GraFi가 GBM에 비해 높게 나타났으나, 부피밀도 및 건조밀도는 GBM이 GraFi에 비해 높게 측정되었다. 이는 두 가지 재료를 과립 형태로 가공하였을 때, GBM이 GraFi보다 내부 공극이 적고 더 조밀하게 형성되었음을 의미한다.
Table 13.
Experimental results for bulk, dry and grain densities of GraFi and GBM
| Parameter | GraFi | GBM | ||
| Water content [%] | 13.53 | > | 6.47 | |
| Density [g/cm3] | Bulk density | 1.984 | < | 2.051 |
| Dry density | 1.748 | < | 1.926 | |
| Grain density | 2.755 | > | 2.604 | |
3.10 양이온교환능(1) 및 층간 양이온 함량
양이온교환능(CEC, Cation Exchange Capacity)은 벤토나이트가 외부 환경과 이온을 교환하는 능력을 나타내는 핵심 지표로 오염물질 흡착 및 방사성핵종 이동 억제 성능 평가에 활용된다. 또한, Na+, Ca2+, Mg2+, K+ 등과 같은 교환성 양이온(EC, Exchangeable Cations) 함량에 대한 정량 분석은 벤토나이트의 팽윤 거동, 광물학적 조성, 수리-화학적 안정성을 이해하는데 중요한 기초자료를 제공한다.
시험을 수행하기 위해 트리에틸렌테트라민(Triethylenetetramine)과 황산구리(CuSO4)를 혼합하여 Cu(II)-TETA 복합용액을 제조하였으며, 측정 대상 시료는 분쇄 후 0.125 mm 체로 선별 및 105°C 오븐에서 24시간 건조하여 탈이온수에 분산시킨 후 초음파 분산 처리를 하였다. 이후 Cu(II)-TETA 용액을 첨가하고 진탕 배양기에서 반응시킨 뒤, 원심분리기를 이용하여 상층액을 채취하였다. 채취된 상층액의 Cu2+ 농도는 UV-Vis 분광법으로 측정하여 CEC를 계산하였고, 동일 상층액을 10배 희석하여 ICP-OES 분석을 통해 Na+, Ca2+, Mg2+, K+의 층간 양이온 농도를 정량하였다.
GraFi 및 GBM의 CEC 및 EC 분석 결과(4회 반복 측정 평균값)는 Table 14에 요약하였다. 교환성 양이온 분석 결과, GraFi 및 GBM 모두 Na+가 가장 높은 함량을 나타냈으며, 이를 통해 두 가지 재료 모두 팽윤 성능이 우수한 Na-벤토나이트 계열임을 확인하였다. 한편, GraFi는 GBM에 비해 Ca2+, Mg2+, K+의 함량이 상대적으로 높게 나타났으며, 특히 GBM에서는 K+가 검출되지 않았다. 또한, CEC 분석 결과, GraFi(90.15 meq/100 g)가 GBM(67.52 meq/100 g)에 비해 약 34% 높은 양이온 교환 능력을 갖는 것으로 나타났다. GraFi는 상대적으로 높은 CEC로 인해 지하수 유입시 팽윤압 발달, 자가 치유 능력 및 양이온 방사성핵종의 이동 지연 능력이 GBM에 비해 우수할 것으로 추정된다. CEC 값이 참고문헌에 제시된 수치에 비해 낮게 측정된 GBM의 경우, 추후 XRD 분석을 통하여 팽윤성 및 비팽윤성 광물 조성을 평가할 예정이다.
Table 14.
Cation exchange capacity and exchangeable cation of GraFi and GBM in comparison with literature data
| Parameter |
Results (Average) |
Reference (Garitte et al., 2015) | |||
| GraFi | GBM | MX-80 | GBM | ||
| EC [meq/100 g] | Na+ | 60.06 | 58.19 | 57 ~ 158 | 53 ~ 156 |
| Ca2+ | 23.94 | 15.49 | 33 ~ 135 | 23 ~ 18 | |
| Mg2+ | 2.26 | 0.83 | 5 ~ 8 | 4 ~ 17 | |
| K+ | 3.12 | 0.00 | 2 | 1 ~ 12 | |
| ∑cations [meq/100 g] | 89.38 | 74.51 | 97 ~ 103 | 81 ~ 193 | |
| CEC – Cu(Ⅱ)-TETA [meq/100 g] | 90.15 | 67.52 | 82 | 78 ~ 187 | |
3.11 양이온교환능(2)
본 연구에서는 Cu(II)-TETA 방법을 이용한 CEC 측정결과의 비교ㆍ검증을 위해 메틸렌블루 흡착법 시험을 추가적으로 수행하였다. CEC 측정방법 중 Cu(II)-TETA 방법이 상대적으로 신뢰도가 높은 것으로 알려져 있으나, 메틸렌블루(Methylene Blue, MB) 흡착법 또한 벤토나이트의 양이온교환능(CEC)과 높은 상관관계를 갖는다.
메틸렌블루 흡착법은 벤토나이트 입자 표면 및 층간(Interlayer)에 양이온인 메틸렌블루가 흡착되는 원리를 이용하며, 포화되는 지점을 찾아 흡착된 메틸렌블루의 총량을 역산하는 방식으로 벤토나이트 시료 1.0 g을 탈이온수에 분산시켜 현탁액을 제조한 후, 농도 2.0 g/L의 메틸렌블루 용액을 일정량씩 적정하였다. 적정 과정에서는 적정액을 주기적으로 여과지에 떨어뜨려 스팟 테스트(Spot test)를 수행하였다. 적정이 진행되어 흡착 부위가 포화되면 옅은 파란색의 후광(Halo)이 형성되기 시작하며, 본 실험에서는 이러한 후광이 1 mm 이상으로 명확하게 관찰되는 시점을 적정 종말점으로 판단하였다.
메틸렌블루 흡착법을 이용한 스팟 테스트 결과 사진은 Fig. 7, 시험결과는 Table 15와 같다. 적정 종말점은 약한 후광(Weak halo, 1 mm 수준)이 최초로 나타나는 시점과 1 mm 이상의 강한 후광(Strong halo)이 명확히 나타나는 시점의 범위로 설정하였다. GBM은 125 mL (약한 후광)와 135 mL (강한 후광) 사이, GraFi는 183 mL (약한 후광)와 189 mL (강한 후광) 사이에서 종말점이 관찰되었다. 벤토나이트 단위질량에 흡착된 메틸렌블루 양이온의 총 전하량을 정량화한 메틸렌블루 지수(MBI, Methylene Blue Index) 값은 다음 식 (3)에 따라 계산할 수 있다.
단, MBIeq/kg : 메틸렌블루 지수 [eq/kg]
MMB : 메틸렌블루 분자량 [= 319.86 g/mol]
C : 메틸렌블루 농도 [= 2.0 g/L]
V : 소모된 메틸렌블루 용액의 부피 [L]
ZMB : 메틸렌블루 당량수 [= 1 eq/mol]
m : 시료 질량 [= 1.0 g]
Table 15.
Comparison of methylene blue adsorption test for GraFi and GBM with literature data
| Parameter | GraFi | GBM | Wyoming (Kiviranta, 2018) |
| Sample mass [g] | 1.0 | 1.0 | N/A |
| MB Solution concentration [g/L] | 2.0 | 2.0 | N/A |
| Titration endpoint [mL] | 183 ~ 189 | 125 ~ 135 | N/A |
| Methylene Blue Index (MBI) [eq/kg] | 1.144 ~ 1.182 | 0.782 ~ 0.844 | 0.79 |
Table 15에 제시한 바와 같이, 메틸렌블루 흡착법에 근거한 GraFi 및 GBM의 CEC 측정 결과는 모두 Cu(II)-TETA 방식을 적용한 경우와 일치하는 경향을 나타냈다. 메틸렌블루 흡착법은 벤토나이트 내 몬모릴로나이트에 흡착될 수 있는 최대 메틸렌블루 양이온을 측정하며, 메틸렌블루 양이온은 몬모릴로나이트 내 기존 양이온과 치환된다. 따라서, 몬모릴로나이트에 흡착된 메틸렌블루의 최대량은 몬모릴로나이트의 비표면적 및 양이온교환능에 비례하게 된다(Miyoshi et al., 2018). 이를 고려할 때, MBI 값이 GBM에 비해 크게 나타난 GraFi가 상대적으로 큰 팽윤 잠재능 및 우수한 양이온교환능을 보유한 것으로 추정된다.
3.12 pH
심층처분시설에서 벤토나이트는 주변의 지하수, 처분용기 및 콘크리트 등의 구조물과 복합하게 상호작용하므로, pH는 뒤채움재 및 주변 환경에서의 화학적 안정성에 영향을 미치는 중요한 인자이다. 본 연구에서는 GraFi 및 GBM의 pH를 측정하여 장기 안정성 평가를 위한 기초 자료로 활용하고자 하였다.
pH 측정은 Posiva Working Report (Kiviranta et al., 2018)의 절차를 참고하여 벤토나이트 현탁액의 상층액을 대상으로 Mettler Toledo SevenExcellence Multiparameter pH 미터를 사용하여 수행하였다. 전극은 InLab Expert Pro-ISM 모델을 사용하였으며, 측정 전 5가지 표준용액(pH 1.68, 4.01, 7.00, 10.01, 12.46)을 사용하여 전극을 보정하였다.
벤토나이트 시료 10 g을 탈이온수 1 L에 넣고 1주일간 현탁 시킨 후, 추가로 2~3일간 정치과정을 거쳐 침전물이 충분히 가라앉도록 하였다. 이후 안정화된 상층액을 채취하여 보정된 pH 전극을 이용하여 pH 값을 측정하였다. GraFi 및 GBM 현탁액의 pH 측정 결과, GraFi는 약 9.89, GBM은 약 9.90으로 약알칼리 조건을 나타냈다.
4. 결론 및 향후 연구
4.1 결론
본 연구에서는 핀란드 및 스위스 심층처분시설의 과립형 뒤채움재로 고려되고 있는 GraFi 및 GBM 소재의 물리·화학·수리·역학적 기초특성을 종합적으로 비교 평가하였으며, 그 결과는 다음과 같이 요약할 수 있다.
1) 재료 특성 규명: 두 재료는 모두 Na-벤토나이트 계열로 팽윤지수는 20 mL/2 g 이상으로 확인되었으며, 원광의 차이로 인해 GraFi(조지아)가 GBM(와이오밍)에 비해 스멕타이트 함량, 양이온교환능(CEC), 비표면적, 점도 등 점토의 활성도를 나타내는 모든 지표가 상대적으로 높게 나타났다.
2) 공극 및 밀도 구조: X-ray CT 분석 결과, GBM 및 GraFi는 초기 상태에서의 과립 간 공극률은 28~30% 수준으로 나타났다. 한편, 과립 자체의 밀도 분석 결과, GBM이 GraFi에 비해 보다 조밀하게 제조되었음을 확인하였다.
3) 포화거동 영향: GraFi는 상대적으로 높은 CEC로 인해 초기 팽윤압이 빠르게 발달할 수 있으며, 이 과정은 공극 폐쇄, 공극구조 재배치, 팽윤압 재상승을 수반하는 복합적인 거동을 야기할 수 있다. 또한, 상대적으로 높은 점도는 포화 과정에서 보다 견고한 겔층을 형성하여 수리전도도를 급격히 하락시키므로, 결과적으로 전체 시료가 완전 포화에 도달하는 시간에도 큰 영향을 미칠 것으로 예상된다.
4) 해석코드 입력값 생산: 건조밀도 1.4 g/cm3 조건에서 수분특성곡선의 van Genuchten 모델 파라미터를 도출하였으며, 이는 향후 불포화 수리-역학적 거동 해석을 위한 핵심 입력 자료로 활용될 것이다.
4.2 향후 연구
본 연구를 통해 확보된 기초 물성 데이터는 향후 수행될 장기 성능 및 복합 거동 평가 연구의 기반으로 활용될 수 있다. 현재 계획하고 있는 후속 연구는 Table 16에 제시하였으며, 주요 내용을 요약하면 다음과 같다.
Table 16.
Future experimental evaluation plan for granular bentonite
1) 과립형 벤토나이트의 불균질한 포화 거동을 모사하기 위한 수리-팽윤 특성 평가: 이를 위해 축방향(Axial) 및 방사방향(Radial) 팽윤압을 동시에 측정할 수 있을 뿐만 아니라, 시험 후 시편을 샘플링하여 공극 및 수분특성을 분석할 수 있는 개선된 시험셀을 활용할 예정이다.
2) 처분터널 축소 모사 시험(1:10 및 1:20 규모): 다양한 지하수 유입 시나리오 및 완충재 융기 조건에 따른 뒤채움재의 팽윤 및 변형 특성을 평가할 예정이다.
3) 투명 아크릴 가시화 시험설비(1:10 규모 처분터널 모사): 해당 설비를 이용하여 지하수 유입 위치에 따른 초기 습윤 거동, 파이핑 및 침식 현상을 평가할 예정이다. 이 과정에서는 파이핑 및 침식에 주로 영향을 미치는 지하수 압력 및 유량, 지하수 조성 및 농도, 초기 건조밀도 및 초기 함수비 등 주요 영향인자를 고려할 것이다(Hong et al., 2022).
4) 롤 컴팩터(Roll compactor) 공정 변수(롤러갭, 공급압력, 속도 등) 도출: 본 연구에서 확보된 GraFi 및 GBM의 목표 물성(입도분포, 건조밀도 등)을 기준으로, 국내 심층처분시설 뒤채움 후보 소재 중 하나로 고려되고 있는 GTC4를 사용하여 한국형 과립형 벤토나이트 제작을 위한 기반을 마련할 것이다.
