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문제 정의
- 국내에서 사용 중인 7종의 벤토나이트 시료의 광물 구성비를 파악하고자 광물분석 시험인 XRD 시험을 수행하였다. XRD 분석 결과, Table 1 에서 보는 바와 같이 Bentonite 2 시료가 가장 많은 몬모릴로나이트를 함유한 것으로 나타났으며 Bentonite 1, Bentonite 3과 Bentonite 7°] 비교적 낮은 몬모릴로나이트 함유량을 갖는 것으로 나타났다.
- 따라서 본 연구에서는 벤토나이트 그라우트에 흑연을 첨가하여 지중 열교환기의 효율을 증대시킬 수 있도록 하고자 한다.
제안 방법
- 한다. 20% 벤토나이트의 경우에 한하여 벤토나이트 1과 3의 각 경우에 흑연을 5%에서 30%까지 증가 시켜 첨가한 후 시간에 따른 점도변화를 측정하였다. 30% 벤토나이트의 경우와 벤토나이트 1과 3을 제외한 나머지의 경우는 혼합기로 교반 중 빠르게 팽윤하여 점도계의 측정 한계치를 초과하여 측정하지 못하였다.
- 3.1 벤토나이트-흑연 그라우트의 열전도도 첨가제로서 흑연을 혼합하였을 경우의 열전도도 향상 정도를 측정하기 위하여 물과 벤토나이트 전체 중량 중 벤토나이트의 중량 비율이 20% (이하 20% 벤토나이트)일 경우와 30%(이하 30% 벤토나이트)일 경우인 순수 벤토나이트 시료에 전체 중량의 5%에서 최대 30%까지 흑연을 첨가하여 열전도도를 측정하였다. 아래 Fig.
- 실험에 사용된 시료는 모두 점성을 갖는 교질화(gel-type) 재료이므로 일정한 시료의 형태를 유지하기 어렵기 때문에 가로 110mm, 세로 60 mm 크기의 시료 성형 틀을 제작하여 사용하였다. 그리고 시료 성형 틀에 water jacket를 이용하여 항온 수조를 연결하고 일정온도(20℃)를 유지 시켜 외부 온도의 영향을 최소화시켰다.
- 분말을 물과 혼합하여 사용한다. 따라서 20% 및 30%를 기준으로 순수 벤토나이트(물 + 벤토나이트)의 열전도도를 측정하였다. Fig.
- 벤토나이트-흑연 혼합물 시료를 제조하기 위해 먼저 벤토나이트, 물, 흑연의 중량을 배합비에 따라 측정하여 혼합기 (mixer)를 이용하여 혼합하였다. 실험에 사용된 시료는 모두 점성을 갖는 교질화(gel-type) 재료이므로 일정한 시료의 형태를 유지하기 어렵기 때문에 가로 110mm, 세로 60 mm 크기의 시료 성형 틀을 제작하여 사용하였다.
- 본 연구에서 그라우트 재의 열전도도와 더불어 그라우트 교반 후 시간에 따른 점도의 변화를 분석하였다. 점도측정은 Fig.
- 본 연구에서는 지중 열교환기 보어 홀 그라우팅 재료로 사용되고 있는 7종의 벤토나이트에 대하여 새로운 첨가제인 흑연을 적용하고 열전도도와 점도를 측정하였다. 연구수행 결과를 종합하면 다음과 같다.
- 그라우트를 대상으로 하였다. 이에 새로운 첨가제인 흑연을 순수 벤토나이트에 혼합하였을 때 혼합비율에 따른 열전도도와 점도의 변화를 측정하여 결과를 분석하였다.
- 점도는 교반 완료 즉시 점도계용 케이스에 넣고 시간에 따른 점도를 측정하였다. 점도계 케이스 역시 외부 온도 영향을 최소화시켜 일정한 온도를 유지하기 위해 water jacket을 가진 시료 용기를 제작하여 항온수조를 이용해 일정온도(20 ℃)를 유지시켰다.
- 003~120P까지 이다. 점도는 교반 완료 즉시 점도계용 케이스에 넣고 시간에 따른 점도를 측정하였다. 점도계 케이스 역시 외부 온도 영향을 최소화시켜 일정한 온도를 유지하기 위해 water jacket을 가진 시료 용기를 제작하여 항온수조를 이용해 일정온도(20 ℃)를 유지시켰다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 흑연은 순도 98.5% 이상이며 평균입도 8㎛, 입도 분포는 0 ~ 50/zm 범위를 갖는다. 흑연의 결정형은 육방정계로 탄소가 육각형 모양으로 연결되어 있고 이러한 육각형이 판 상체를 이루면서 연속된 층을 형성한다.
- 본 연구에서는 국내에서 현재 지중 열교환기 보어 홀 그라우팅 재료로 사용되는 7종의 벤토나이트 그라우트를 대상으로 하였다. 이에 새로운 첨가제인 흑연을 순수 벤토나이트에 혼합하였을 때 혼합비율에 따른 열전도도와 점도의 변화를 측정하여 결과를 분석하였다.
- 실험에 사용된 시료는 모두 점성을 갖는 교질화(gel-type) 재료이므로 일정한 시료의 형태를 유지하기 어렵기 때문에 가로 110mm, 세로 60 mm 크기의 시료 성형 틀을 제작하여 사용하였다. 그리고 시료 성형 틀에 water jacket를 이용하여 항온 수조를 연결하고 일정온도(20℃)를 유지 시켜 외부 온도의 영향을 최소화시켰다.
- 023~12 의 측정범위 및 ±5%의 정밀도와 ±3%의 재현성을 갖으며 1회 측정 시간은 60초이다. 프로브는 PD-13 모델을 사용하였고 크기는 가로 95 mm , 세로 40 mm이다. 표면에 폭이 Iram인 콘스탄탄 열선이 부착되어 있고, 열선의 중앙에 K-Type 열전대가 용접되어 있다.
이론/모형
- 표면에 폭이 Iram인 콘스탄탄 열선이 부착되어 있고, 열선의 중앙에 K-Type 열전대가 용접되어 있다. 열전도도를 측정하는 방식으로는 매질 내의 열선에 일정 열량을 공급하고, 시간에 따른 열선의 상승관계를 구하여 매질의 열전도도를 구하는 비정상 열선법 (transient hot wire method) 을 사용하였다.
- 지중 열교환기 보어 홀 그라우팅 재료의 열전도도를 측정하기 위하여 본 연구에서는 Fig. 4의 QTM-500(Kyoto Electronics)을 사용하였다. 본 연구에서 사용한 열전도도 측정기는 0.
성능/효과
- (1) 순수 벤토나이트에 첨가제인 흑연을 함유량을 증가시키면서 열전도도를 측정한 결과 순수 벤토나이트의 열전도도에 비해 최대 325%까지 열전도도가 증가하였다. 벤토나이트-흑연의 열전도도는 20% 벤토나이트 전체 중량의 10%씩 혹연 함유량을 증가시킴에 따라 열전도도 값은 약 0.
- (2) 20% 벤토나이트 1과 벤토나이트 3에 흑연을 첨가하여 함유량을 증가시키면서 시간에 따른 점도변화를 측정한 결과, 흑연 함유량이 증가할수록 점도가 시간에 따라 매우 급격히 증가하는 경향을 보였다.
- 20% 벤토나이트 1에 흑연을 첨가하였을 경우를 살펴보면 흑연 첨가 비율이 30%일 경우를 제외한 나머지 경우는 6시간이 지나도 점도가 지속적으로 증가하는 경향을 보이며 흑연 함유량이 높을 수록 점도가 크게 증가하였다.
- 있다. 20% 벤토나이트에 흑연의 중량비를 10%씩 증가시킴에 따라 열전도도 값은 약 0.2~씩 증가하며, 30% 벤토나이트의 경우에는 약 0.2 ~ L22 阿mK씩 증가하였다.
- 수행하였다. XRD 분석 결과, Table 1 에서 보는 바와 같이 Bentonite 2 시료가 가장 많은 몬모릴로나이트를 함유한 것으로 나타났으며 Bentonite 1, Bentonite 3과 Bentonite 7°] 비교적 낮은 몬모릴로나이트 함유량을 갖는 것으로 나타났다. 벤토나이트의 팽윤성과 낮은 투수 계수 특성은 점토광물 중 몬모릴로나이트의 햠량과 관계가 깊다.
- 벤토나이트-흑연의 열전도도는 20% 벤토나이트 전체 중량의 10%씩 혹연 함유량을 증가시킴에 따라 열전도도 값은 약 0.2~0.8 阿mK씩 증가하였고, 30% 벤토나이트의 경우에는 약 Q2~1.22 阿씩 증가하였다.
- 4의 QTM-500(Kyoto Electronics)을 사용하였다. 본 연구에서 사용한 열전도도 측정기는 0.023~12 의 측정범위 및 ±5%의 정밀도와 ±3%의 재현성을 갖으며 1회 측정 시간은 60초이다. 프로브는 PD-13 모델을 사용하였고 크기는 가로 95 mm , 세로 40 mm이다.
- 1 阿mK)와 비슷한 열전도도를 갖는 것이 효율적이다. 이를 고려할 때 흑연의 첨가비율은 20%, 30% 벤토나이트 두 경우 모두 10%~ 20% 정도의 흑연 함유가 적합하다.
- 흑연 자체의 열전도도가 물이나 벤토나이트 보다 월등히 높아 흑연함유량이 증가할수록 혼합물의 열전도도가 증가하는 경향을 확인할 수 있다. 20% 벤토나이트에 흑연의 중량비를 10%씩 증가시킴에 따라 열전도도 값은 약 0.
후속연구
- 최적의 그라우팅 재료는 또한 파이프의 길이나 보어흘 천공 깊이 등의 감소를 유도하여 시공비 절감을 가져와 경제적인 측면에서 효율이 증대된다. 하지만이 경우 기본적인 그라우트 재와 첨가제의 혼합 비율이나 점도 및 유동성 등을 정량적으로 규명할 필요가 있으며 새로운 첨가제들의 개발시도를 통한 지속적인 연구가 요구된다.
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