89. 점토의 비표면적(specific surface of clay)

 비표면적은 시표의 건조질량당 고체부의 전표면적으로서 S_s(cm^2/g 또는 m^2/g)포 표시되는 양이다.

흙입자를 구로 가정하면 비표면적 Ss는 6/ρs d 로 표시되며, ρs는 흙입자의 밀도, d는 지름이다. 이 값은 d 치가 작아지면 비표면적이 크게 됨을 의미하며 흙입자의 밀도를 2.65g/cm3 로 하면 d = 1mm 일 때 Ss=22.64cm2/g, d=1μm 이며 Ss=2.264m2/g, d=0.01μm 이면 Ss =  226.4m2/g으로 변화한다. 그러나 실제 점토입자는 구형에서 크게 벗어나는 형상인 경우가 많으므로 Ss 값은 구형으로 가정할 경우와 크게 다르며, 흙입자가 파쇄하거나 조밀한 집합체로 되면 그 재료의 고유치를 갖는 것으로 생각된다.

한편 실측에 의하면 Ss는 점토광물의 종류에 따라 다르며, 이는 흙입자의 크기뿐만 아니라 흙입자의 결정구조에도 관계되기 때문이다. 예를 들면 몬모릴로나이트와 같이 결정층 사이에 물이나 흡착제가 침입된 경우는 층 사이의 양면도 비표면적으로 측정되므로 Ss는 상당히 크게 된다. 그런데 이같이 흙입자의 내부에 존재하는 간극의 표면적은 내부 표면적, 흙입자 외부의 물 또는 별도의 흙입자내 공극의 대소나 측정에 사용한 흡착제의 분자반경에 따라서도 변하는 것이 예상되며, 흙의 거동을 해명할 경우 중요한 요소 중 하나이다.

흙입자가 구조를 형성하여 집합상태(토괴)로 되면 토립자는 서로 접촉하여 흙입자 사이의 간극도 작고 또한 복잡하므로 토괴로서의 비표면적은 일반적으로 분체보다도 작게 실측된다. 이에 대하여 확립된 정의 는 없으나 우선 겉보기 비표면적(Ss)이라고 부르기도 한다. Ss는 측정법에 따라 값이 변하는 경우가 많으며 흙입자의 집합상태, 구조 등에 관계되는 정보를 주는 것으로 생각된다.

비표면적의 측정법은 분체공학분야에서 오래 전부터 연구되어 왔으며, 그 주된 것은 ① 유체투과법 ② 기체흡착법 ③ 액체흡착법 ④ 용해법 ⑤ 현미경법 등이 있으며, 이들 중 일반적으로 점토에 실제 사용되고 있는 것은 ①, ②, ③의 3가지 방법이다. 유체투과법은 비교적 조작이 간단하고, 원리는 기체 또는 액체가 입상체층을 투과할 때의 투과량, 압력차, 시간을 측정하여 Kozeney-Carman의 식에 의해 비표면적을 계산하는 것인데 입경이 작고 표면적이 클수록 투과저항이 큰 것을 이용한 것이다. 이 방법의 하나로서 시멘트의 분말도 시험법(브레인법)이 있으며, 흙에 대하여도 이용할 수 있는 기구가 개발되고 있으며, 흙의 경우 흙입자의 형상에 관한 계수를 결정하기 어려운 점이 문제이다.

다음에 간편법으로 잘 이용되는 것은 액체 흡착법으로 액체로서 그리세롤과 에틸렌그리콜이 사용되고 있다. 그리세롤인 경우 110°C에서 그리세롤이 점토입자 표면에 안정된 하나의 분자층을 흡착하므로 이 흡착량을 질량측정하여 비표면적을 구하는 것이다.(Kinter-Diamond). 이 경우 비중 1.26인 1g 그리세롤의 흡착면적은 1.765m2이다 단 몬모릴로나이트인 경우 층 사이가 팽창하므로 내부표면 양면에 흡착되어 1g 당 표면적은 3.530m2이 된다. 그런데 가열하지 않을 경우 흡착량을 a mg/g, 600°C로 가열하여 내부표면에 흡착시키지 않을 경우 흡탁량을 b mg/g 라 하면 내부표면적 = (a-b)X3.530m2/g, 회부표면적=bX1.765m2/g, 전표면적=(aX3.530)-(bX1.765) m2/g 으로 계산 에칠렌그리콜을 사용할 경우는 1m2 당 흡착량은 0.00031g이 필요하며, 이로부터 비표면적을 계산한다(Dyal-Hendricks).

이들의 방법은 환산계수에 따라 값이 크게 변하는데 어디까지나 간편법이라 한다. 다음으로 가장 정밀도가 좋은 것은 기체흡착법이다. 이는 일명 BET법이라 부르며, 질소 또는 수증기를 일정온도에서 압력을 변화하여 흡착시켜 BET이론을 사용하여 1분자층 흡착량(Vm)을 구하고 Vm을 분자수로 환산하여 1분자면적(Sm)에 분자수를 곱하여 비표면적을 산출하는 것이다. 질소 1분자의 면적은 16.2 2m 물분자는 10.9 2이다 어떠한 기체를 사용하는가는 측정목적에 따라 다르며, 공학적으로 흙이 물과 불가분의 관계가 있으므로 수증기에 의한 경우가 의의가 크다. 물분자의 지름은 질소의 지름보다 작고 흙입자 내부공극이 물분자의 침입을 침입을 허용하고 질소분자는 침입하지 않을 sruddn는 수증기에 의한 비표면적에서 질소에 의한 값을 빼면 흙입자의 내부표면적을 계산할 수 있다. 그러나 물분자는 극성분자로서 분자간 작용력이 크고 흡착이 불균일하게 되기 쉬운 것, 질소 분자는 무극성, 불활성 가스이므로 흡착은 균일하게 되는 것이 특징이며, 이들의 특징이 측정치에도 영향을 주는 것으로 생각된다.

토질공학에서 비표면적의 응용은 이미 여러 가지 연구가 있으며, 먼저 컨시스턴시와의 관계에 대하여는 R.E.Grim, D.M.Farran & J.D.Coleman, 幕上, 尾崎, 中谷 등의 연구가 있다. Grim에 의하면 비표면적이 증대하면 PI가 증대하는데, 그의 경향은 점토광물의 종류에 따라서 다르며, 또 Farran, Coleman, 幕上 등에 의한면 벤토나이트를 포함한 시료의 LL 값에서 몬모릴로나이트의 층 상이의 물을 빼면, 비팽윤성 흙과 같은 경향을 가지므로 흙의 유동이나 변형에 관여하는 수분은 주로 외부표면의 수분이라는 것을 시사하고 있다.

山內, 0本은 비표면적과 염기치환용량 사이에 직선관계가 있는 것을 나타내고 있으며, 西田은 다져진 토괴의 동결건조 후 공시체의 비표면적(Sa)이 다짐시의 함수비에 따라 다르므로 흘그이 구조판정의 노력을 기울였다.

토질별 비표면적의 측정 예를 나타내면 표 89-1과 같다.