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문제 정의
- 본 연구에서는 단단한 모래입자와 다양한 입자 크기별로 선분류된 연성의 고무를 혼합한 강-연성 혼합재의 电구속상태에서의 응력-변형 및 미소변형 거동특성을 분석하였다. 강성재료인 모래와 연성재료인 고무의 함유량에 따른 거동특성 파악을 위하여 다양한 모래 부피 비(sand volume fraction, sf)와 입자 크기 비(size ratio, sr) 를 가지는 시료를 준비하였다.
제안 방법
- 조성하였다. 각 층의 시료 무게는 동일하게 하였으며 탬핑 방법을 이용하여 각 층에 동일한 에너지가 전달되도록 하였다. 시료의 높이가 37mm가 되었을 때 상부캡을 설치하고 시료의 초기 높이를 측정하였다.
- 시료 준비가 완료된 시료에 연직방향 유효응력을 각하 중 단계별로 2배씩 증가시켜 630kPa까지 재하 하였으며 각 하중 단계에서 30분간 하중을 유지하였다. 각 하중 단계별로 시료의 간극비와 탄성파 트랜서듀서의 끝단 간 거리를 결정하기 위하여 시료의 연직 변위를 측정하고 전단파를 측정하였다. 하중의 재하와 제하를 반복하면서 동일한 과정을 반복 수행하였다.
- 강성재료인 모래와 연성재료인 고무의 함유량에 따른 거동특성 파악을 위하여 다양한 모래 부피 비(sand volume fraction, sf)와 입자 크기 비(size ratio, sr) 를 가지는 시료를 준비하였다. 또한 선행 연구를 바탕으로 shredded tire 및 강-연성 혼합재의 특성을 간략하게 분석하였으며 실험 재료, 시료 준비, 실험 순서 및 결과를 정리하고 분석하였다.
- 6mm(길이X너버]X두께)의 병렬 방식 벤더 엘리먼트를 적용하였다(Piezo systems PSI5H4E T226-H4-Y). 모든 벤더 엘리먼트는 방수 처리를 하였으며 누화현상(crosstalk)을 방지하기 위하여 전도성 페인트로 차폐하고 접지를 실시하였다.
- 신호발생기를 이용하여 발신 벤더 엘리먼트에서 생성된 전단파는 시료를 통하여 전파된 후 수신 벤더 엘리먼트에서 획득된다. 수신 벤더엘리먼트에서 획득된 전기적 신호는 신호 필터-증폭기를 이용하여 신호의 잡음 제거와 증폭을 실시하였으며 디지털 오실로스코프로 저장하였다. 또한 임의의 부정확한 잡음(random and uncorrected noise)을 제거하기 위하여 1, 024개의 신호를 평균하였으며 전단파의 이동 거리는 벤더 엘리먼트 끝단 간 거리(tip-to-tip distance) 로 정의하였다(Viggiani and Atkinson 1995; Fernandez 2000).
- 각 층의 시료 무게는 동일하게 하였으며 탬핑 방법을 이용하여 각 층에 동일한 에너지가 전달되도록 하였다. 시료의 높이가 37mm가 되었을 때 상부캡을 설치하고 시료의 초기 높이를 측정하였다. 실험에 사용된 모든 시료의 모래부피비에 따른 밀도를 그림 1에 나타내었다.
- 2의 간격으로 7가지 시료를 준비하였다. 시료의 모래 함유량은 무게비와 부피비로 표현할 수 있으나 응력 변화에 따른 변형 및 탄성계수의 변화는 압밀셀 내부 시료의 부피에 따른 변형율에 의존하므로 본 연구에서는 부피비를 적용하였다(Feng and Sutter 2000).
- 재료 분리에 유의하면서 고무-모래 혼합재를 5층으로 나누어 조성하였다. 각 층의 시료 무게는 동일하게 하였으며 탬핑 방법을 이용하여 각 층에 동일한 에너지가 전달되도록 하였다.
- 셀을 제작하여 실험에 이용하였다. 전단파의 발생과 감지를 위하여 토질 시험에 널리 사용되는 벤더 엘리먼트 중 11.0x4.0x0.6mm(길이X너버]X두께)의 병렬 방식 벤더 엘리먼트를 적용하였다(Piezo systems PSI5H4E T226-H4-Y). 모든 벤더 엘리먼트는 방수 처리를 하였으며 누화현상(crosstalk)을 방지하기 위하여 전도성 페인트로 차폐하고 접지를 실시하였다.
- 중간 변형 및 미소변형 수준에서의 강-연성 혼합재의 강성 특성을 분석하였다 다양한 고무-모래 입자 크기 비 및 모래부피비를 가지는 시료에 대하여 미소 변형의 전단파 전파 및 K„ 상태의 중간 응력 변형 시험을 실시하였으며 결론은 다음과 같다';
대상 데이터
- 강성재료인 모래와 연성재료인 고무의 함유량에 따른 거동특성 파악을 위하여 다양한 모래 부피 비(sand volume fraction, sf)와 입자 크기 비(size ratio, sr) 를 가지는 시료를 준비하였다. 또한 선행 연구를 바탕으로 shredded tire 및 강-연성 혼합재의 특성을 간략하게 분석하였으며 실험 재료, 시료 준비, 실험 순서 및 결과를 정리하고 분석하였다.
- 시료는 고무-모래의 입자 크기비(size ratio, sr)와 모래 부피비(sand volume fraction, sf)에 따라 달라지게 되며 두 재료의 평균 입자 크기의 비(D5S /。油)로 정의되는 고무-모래의 입자 크기비에 따라 6가지 시료를 준비하였다. 모래 부피비는 전체 부피에 대한 모래의 부피로 정의하고 0~1.
- 실험장치로는 신호발생기 (Agilent 33220A), 신호 필터-증폭기(Krohn-Hite 3364), 그리고 오실로스코프(Agilent 54624A) 등을 활용하였다. 신호발생기를 이용하여 발신 벤더 엘리먼트에서 생성된 전단파는 시료를 통하여 전파된 후 수신 벤더 엘리먼트에서 획득된다.
- 압밀 시험과 동일하게 횡방향 변위가 구속된 경계면 조건에서 응력에 따른 침하량과 전단파 속도를 측정할 수 있는 직경 74mm, 높이 63mm, 두께 16mm의 황동 재질의 셀을 제작하여 실험에 이용하였다. 전단파의 발생과 감지를 위하여 토질 시험에 널리 사용되는 벤더 엘리먼트 중 11.
- 조각 타이어로부터 입자크기 별로 분류한 6종류의 고무와 단단하고 모나며 균등한 주문진 모래(端讪=0.60, emax=0.87, D5o=O.725mm)를 혼합하여 강-연성 혼합재를 준비하였다. 균질한 크기의 모래 입자를 얻기 위하여 사전에 수세식 체분석을 실시하여 일정한 크기의 입자만을 선별하고 완전히 건조시켰다.
성능/효과
- (1) 고무■모래 입자크기비에 상관 없이 강-연성 혼합재의 강성은 모래부피비가 증가함에 따라 증가하나 미소 및 중간 변형 강성은 모래부피비에 따라 선형관계를 가지지는 않는다.
- 다음과 같은 현상을 관찰할 수 있다. (1) 전단파 속도는 연직 유효 응력 이 증가함에 따라 증가한다. (2) 높은 강성으로 인하여 동일한 연직 유효 응력 하에서는 모래 부피 비가 클수록 더 빠른 전단파 속도를 보인다.
- (2) 강-연성 혼합재의 미소변형 거동은 모래 부피비에 따라 유사고무거동과 유사모래거동 집단으로 나눌 수 있으며, Gmax=A(oWa)^ 관계에서 모든 입자 크기 비 시료에 대하여 모래부피비 sf = 0.4-0.6 시료에서 A 계수의 급격한 증가와 C 지수의 최대값이 관찰되었다. 또한 전이 혼합재는 구속 응력에 매우 민감한 거동을 보였다.
- 8 인 시료는 유사고무거동과 유사모래거동을 보이므로 고무-모래 입자 크기비에 상관없이 횡방향 구속 탄성계수는 일정한 값을 보였다. (2) 횡방향 구속 탄성 계수는 입자 크기비 sr 1을 경계로 서로 다른 값을 보였으며 sr 1이상에서 급격한 증가를 보였다. 이는 단단한 입자와 연약한 입자로 구성된 혼합재의 하중 전달이 두 입자의 크기비에 영향을 받기 때문이다.
- (4) 미소 변형 전단탄성계수는 입자들의 접촉 특성에 의해 영향을 받으며 혼합재 내에 작은 입자의 양이 증가할수록 접촉점 수 또는 접촉면적이 늘어나게 된다. 따라서 고무 입자 및 모래 입자의 크기 차이가 증가할수록 미소변형 전단 탄성계수는 큰 값을 가지며 이러한 경향은 모래부피비가 증가할수록 더욱 명확해 진다.
- 실험에 사용된 모든 시료의 모래부피비에 따른 밀도를 그림 1에 나타내었다. 고무모래 혼합재의 밀도는 두 재료의 비중 차이로 모래부피비가 증가함에 따라 증가하였으며, 동일한 모래부피비의 시료는 고무모래 크기 비가 달라도 유사한 밀도를 보였다. 또한 혼합재의 밀도는 Lee et aL(2007)가 제시한 선형 모델 pmix = (sf) psand + (1-sf) Prubber과 유사한 값을 보였다.
- 8이상의 시료에서는 고무와 모래의 입자 크기비에 상관없이 정규화된 연직 변형율이 일정한 것으로 나타났다. 또한 정규화된 연직변형율은 모래부피비와 크기비가 감소할수록 증가하는 경향을 보였다.
- 그림 2에 보는 바와 같이 입자 크기비가 서로 다름에도 불구하고 전체적으로 유사한 거동을 나타내고 있다. 시료의 연직변형율은 모래부피비가 감소할수록 증가하며 모든 시료에서 하중을 제하한 이후에도 상당한 크기의 잔류 변형이 생기는 것으로 나타났다.
- 7과 Q5인 시료의 횡방향 구속 탄성계수의 변화를 그림 4에 도시하였다. 횡방향 구속 탄성계수는 모래부피비가 증가함에 따라 증가하였으며 특히 모래부피비 0.8이상에서는 급격한 증가를 보였다. 이와 같은 현상은 고무모래 입자 크기비가 다른 시료에서도 유사한 결과를 보였다.
- 3kPa로 응력이 변화할 때의 횡방향 구속탄성계수의 변화를 나타낸다. 횡방향 구속탄성계수는 일정한 값을 보이는 집단과 양분된 (bisected) 값을 보이는 집단으로 나누어진다: (1) 모래부피비가 0.2이하이거나 0.8 인 시료는 유사고무거동과 유사모래거동을 보이므로 고무-모래 입자 크기비에 상관없이 횡방향 구속 탄성계수는 일정한 값을 보였다. (2) 횡방향 구속 탄성 계수는 입자 크기비 sr 1을 경계로 서로 다른 값을 보였으며 sr 1이상에서 급격한 증가를 보였다.
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