팽윤성 점토의 전단강도 및 유변학적 특성은 점토입자의 크기, 양이온 교환능력, 점토광물학적 조성과 형상 등에 영향을 받는다. 본 연구는 고운 분말가루의 와이오밍(Wyoming) 벤토나이트에 대해 염화나트륨 0g/L 와 30g/L 농도로 24시간 수화시킨 후 염분농도에 따른 물성-강도특성 및 유변학적 특성변화를 살펴봄으로써, 유변학적 특성, 유변화적 모델들의 적용성 및 흙 입자의 구조변화에 따른 항복응력-점도와의 상관관계를 설명하고자 한다. 실험결과에 따르면, 팽윤성 점토는 전단담화(shear thinning)와 항복응력과 소성점도로 표현가능한 Bingham 유체 거동을 보이는 것으로 조사되었다. 염분농도가 낮고 함수비가 높아질수록 벤토나이트는 완전소성거동에 가깝게 나타나며, 전단변형률속도에 따른 변화의 폭이 미미한 것으로 조사되었다. 반면, 염분농도가 높아질수록 전형적인 전단담화거동을 보이며, 전단변형률속도를 증가시킬수록 염분농도에 따른 벤토나이트의 전단강도의 차이는 커진다. S=0g/L에 대해 Carreau, Herschel-Bulkley 및 멱수법칙 모델이, S=30g/L에 대해서는 이중선형, Herschel-Bulkley 및 멱수법칙 모델 등이 흐름특성을 가장 잘 표현한다. 이것은 염분농도에 따른 흙 입자간 구조적 배열과 형상이 입자간 발생하는 인력인 능-능(EE), 능-면(EF), 및 면-면(FF) 구조를 변화시키고 역학적 특성에 영향을 미치기 때문이다.
팽윤성 점토의 전단강도 및 유변학적 특성은 점토입자의 크기, 양이온 교환능력, 점토광물학적 조성과 형상 등에 영향을 받는다. 본 연구는 고운 분말가루의 와이오밍(Wyoming) 벤토나이트에 대해 염화나트륨 0g/L 와 30g/L 농도로 24시간 수화시킨 후 염분농도에 따른 물성-강도특성 및 유변학적 특성변화를 살펴봄으로써, 유변학적 특성, 유변화적 모델들의 적용성 및 흙 입자의 구조변화에 따른 항복응력-점도와의 상관관계를 설명하고자 한다. 실험결과에 따르면, 팽윤성 점토는 전단담화(shear thinning)와 항복응력과 소성점도로 표현가능한 Bingham 유체 거동을 보이는 것으로 조사되었다. 염분농도가 낮고 함수비가 높아질수록 벤토나이트는 완전소성거동에 가깝게 나타나며, 전단변형률속도에 따른 변화의 폭이 미미한 것으로 조사되었다. 반면, 염분농도가 높아질수록 전형적인 전단담화거동을 보이며, 전단변형률속도를 증가시킬수록 염분농도에 따른 벤토나이트의 전단강도의 차이는 커진다. S=0g/L에 대해 Carreau, Herschel-Bulkley 및 멱수법칙 모델이, S=30g/L에 대해서는 이중선형, Herschel-Bulkley 및 멱수법칙 모델 등이 흐름특성을 가장 잘 표현한다. 이것은 염분농도에 따른 흙 입자간 구조적 배열과 형상이 입자간 발생하는 인력인 능-능(EE), 능-면(EF), 및 면-면(FF) 구조를 변화시키고 역학적 특성에 영향을 미치기 때문이다.
The rheological properties of Wyoming bentonites are strongly influenced by the size of particles, cation exchangeable capacity, arrangement and morphology of clay mineral. This paper presents the results of rheological investigations on the Wyoming bentonites aqueous dispersions: two types of parti...
The rheological properties of Wyoming bentonites are strongly influenced by the size of particles, cation exchangeable capacity, arrangement and morphology of clay mineral. This paper presents the results of rheological investigations on the Wyoming bentonites aqueous dispersions: two types of particle flocculation were considered. For the Wyoming bentonite, 0g/L and 30g/L NaCl equivalent salinity were added in fresh and salt water to examine the rheological behavior. This paper examined the general rheological characteristics, compatibility of rheological models and correlation between soil structure and change in rheological properties of Wyoming bentonite caused by increasing salinity. From flow curves of bentonites hydrated with fresh water and salt water, the observed general flow behavior is very close to shear thinning with yield stress (or ideal Bingham fluid with yield stress and plastic viscosity). However, the change of shear stress at the same shear rate is clear, particularly for lower shear rate. Well-known rheological models are used to fit the data. There is a good agreement between rheological model and data: Carreau, Herschel-Bulkley and power-law for S=0g/L and bilinear, Herschel-Bulkley and power-law for S=30g/L. It may be due to the fact that the internal structural bonding (strong modification of particle-particle interactions from edge-to-edge and/or edge-to-face to face-to-face) in soil matrix is affected from the evolution of rheological properties with different salinities.
The rheological properties of Wyoming bentonites are strongly influenced by the size of particles, cation exchangeable capacity, arrangement and morphology of clay mineral. This paper presents the results of rheological investigations on the Wyoming bentonites aqueous dispersions: two types of particle flocculation were considered. For the Wyoming bentonite, 0g/L and 30g/L NaCl equivalent salinity were added in fresh and salt water to examine the rheological behavior. This paper examined the general rheological characteristics, compatibility of rheological models and correlation between soil structure and change in rheological properties of Wyoming bentonite caused by increasing salinity. From flow curves of bentonites hydrated with fresh water and salt water, the observed general flow behavior is very close to shear thinning with yield stress (or ideal Bingham fluid with yield stress and plastic viscosity). However, the change of shear stress at the same shear rate is clear, particularly for lower shear rate. Well-known rheological models are used to fit the data. There is a good agreement between rheological model and data: Carreau, Herschel-Bulkley and power-law for S=0g/L and bilinear, Herschel-Bulkley and power-law for S=30g/L. It may be due to the fact that the internal structural bonding (strong modification of particle-particle interactions from edge-to-edge and/or edge-to-face to face-to-face) in soil matrix is affected from the evolution of rheological properties with different salinities.
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문제 정의
본 연구는 염분농도에 따른 유변학적 특성들에 대해 중점적으로 살펴보고자 한다. 점토 입자사이에 작용하는 힘과 이로 인해 발생하는 입자사이의 구조적 변화는 점도 특성에 영향을 미친다.
점토 입자사이에 작용하는 힘과 이로 인해 발생하는 입자사이의 구조적 변화는 점도 특성에 영향을 미친다. 본 연구에서는 서로 다른 염분농도를 가진 와이오밍(Wyoming) 벤토나이트에 대한 항복 전후의 유변학적 특성 및 유변학적 모델의 적합성을 살펴보고자 한다. 마지막으로 점성특성과 입자 간의 배열에 의해 형성되는 3차원 망상구조와의 관련성에 대해 토의하고자 한다.
본 연구에서는 서로 다른 염분농도를 가진 와이오밍(Wyoming) 벤토나이트에 대한 항복 전후의 유변학적 특성 및 유변학적 모델의 적합성을 살펴보고자 한다. 마지막으로 점성특성과 입자 간의 배열에 의해 형성되는 3차원 망상구조와의 관련성에 대해 토의하고자 한다.
따라서 토석류의 유동성 평가를 위한 유변학적 매개변수의 결정은 반드시 선행되어야 하는 작업이다. 본 연구에서는 이와 같은 유변학의 활용성 측면에서 벤토나이트의 유변학적 매개변수의 결정방법, 염분농도에 따른 구조적 배열 및 이로 인한 유변학적 매개변수들의 변화 등에 대해 토의하고자 한다.
21)2, Letoueil 등, 1983)를 결정하였다. 결과와 고찰에서는 염분농도에 따른 와이오밍 벤토나이트의 흐름곡선 및 유변학적 모델들의 적용성을 살펴보기로 한다.
따라서 전해질 농도에 따른 흙 입자 사이의 구조적 변화와 항복응력과 소성점도의 변화는 불가피한 것으로 판단된다. 이런 이유로 와이오밍 벤토나이트의 유변학적 실험결과에 비추어 염분농도에 따른 입자간 구조의 변화가 항복응력과 소성점도에 어떻게 영향을 미치는가에 대해 간략히 토론하고자 한다.
본 연구에서는 와이오밍 벤토나이트의 유변학적 특성과 유동모델들의 적용성을 살펴보았다. 연구 결과에 비추어, 입자들 사이에서 발생하는 3차원 망상구조와 유변학적 특성들 간의 상관관계에 대해서 토의했으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
시험전 시료는 자연건조상태로 존재하였으며, ASTM 시험기준에 따른 물성 특성 및 강도실험을 수행하기 이전에 충분한 포화 과정을 거친 후 실험을 수행하였다. 광물학적 특성을 알아보기 위해 X-선 회절 분석(XRD)을 수행하였다. 시험결과에 따르면, 점토광물은 대부분 몬모릴로나이트로 이루어져 있으며 소량의 석영 등이 존재한다饵ig.
3은 벤토나이트의 자유팽창실험(fieee swell test) 결과이다(ASTM D 5890). 2g의 벤토나이트 분말 가루를 담수(S = 0g/L)와 염수(S = 10 및 30g/L)를 담은 작은 비이커에 각각 분산시켜 24시간 동안 자유롭게 팽창하도록 하였다. 벤토나이트 분말가루의 분산시 담수 보다는 염수에서 훨씬 빠르게 침전되는 것을 육안으로 확인할 수 있었다.
벤토나이트 분말가루의 분산시 담수 보다는 염수에서 훨씬 빠르게 침전되는 것을 육안으로 확인할 수 있었다. 소량의 분말(< 1g)을 비이커내 자유 수면위에 띄워 자유침투가 발생하도록 하였다. 염수의 경우 대략 15초 내외로 침전이 완료되었으며, 담수의 경우 30~60초 이상의 시간이 소요되었다.
동축실린더의 내부 온도에 대한 영향성을 고려하여 일정한 상태(7℃)를 유지한다. 준비된 시료에 대해 점차적으로 함수비를 높여가며 유변학적 실험을 수행하였다. 이때 공기 압을 통해 추출된 간극수의 염분농도를 산정한다.
이때 공기 압을 통해 추출된 간극수의 염분농도를 산정한다. 실험의 시작과 끝에는 시료의 함수비를 측정하고, 스웨덴 타입 폴 콘 시험기를 이용한 재성형 비배수전단강도(G>(kPa) = @3.21)2, Letoueil 등, 1983)를 결정하였다. 결과와 고찰에서는 염분농도에 따른 와이오밍 벤토나이트의 흐름곡선 및 유변학적 모델들의 적용성을 살펴보기로 한다.
동일한 액성지수皿 = 2.5)의 와이오밍 벤토나이트에 대해 염분농도(0皿과 30g/L)를 달리할 경우, 앞서 언급된 유변학적 모델의 적용성을 조사하였다. Fig.
(2) 염분농도와 함수비 상태에 따라 다양한 유동 모델을 적용하였다. 와이오밍 벤토나이트의 경우, 항복응력의 유무와 모델의 적합성의 관점에서 Herschel-Bulkley 유동모델이 벤토나이트의 흐름특성을 가장 잘 표현하는 것으로 판단된다.
대상 데이터
075mm) 통과율은 99%이다. 시험전 시료는 자연건조상태로 존재하였으며, ASTM 시험기준에 따른 물성 특성 및 강도실험을 수행하기 이전에 충분한 포화 과정을 거친 후 실험을 수행하였다. 광물학적 특성을 알아보기 위해 X-선 회절 분석(XRD)을 수행하였다.
본 실험에 사용된 벤토나이트의 액성한계(响)는 140-360%, 소성한계(吟)는 51~54%이다. 염분농도에 따른 소성한계는 액성한계에 비해 큰 차이를 보이지 않지만 소성지수로 인한 활성도(Ac = Ip/CF)의 차이는 크다.
이론/모형
본 연구에서는 항복응력 및 임계 전단변형률 속도의 결정방법에 대해서는 다루지 않는 것으로 한다. 다만, 간편성을 위해서 항복응력과 소성점도를 구하는 방법은 Locat 와 Demers(1988) 방법을 따르기로 한다. 전단담화 거동을 보이는 소성유체의 경우, Fig.
와이오밍 벤토나이트의 유변학적 특성을 알아보기 위해 동축실린더형 점도계(Rotovisco RV-12)를 사용하였으며, 흙의 기본적인 물성실험은 ASTM(American Society for Testing and Matei囱s)과 BN(XBureau de Normalization du Quebec) 표준시험방법을 따랐다. 유변물성 측정시험기의 주요 구성 및 제어시스템은 Jeong(2006)에서 상세히 설명되었다.
001~1疽에서 1200疽까지 가능하다. 유변학적 실험 방법은 Torrance(1987)과 Locat 와 Demers(1988) 의 방법을 따랐으며, 다음과 같다. 동축실린더의 내부 온도에 대한 영향성을 고려하여 일정한 상태(7℃)를 유지한다.
성능/효과
2g의 벤토나이트 분말 가루를 담수(S = 0g/L)와 염수(S = 10 및 30g/L)를 담은 작은 비이커에 각각 분산시켜 24시간 동안 자유롭게 팽창하도록 하였다. 벤토나이트 분말가루의 분산시 담수 보다는 염수에서 훨씬 빠르게 침전되는 것을 육안으로 확인할 수 있었다. 소량의 분말(< 1g)을 비이커내 자유 수면위에 띄워 자유침투가 발생하도록 하였다.
Jeong 등 (2011)에 의하면, 염분농도 Og/L의 벤토나이트는 완전 소성 Bineiam 유체와 비슷한 거동을 보이는 반면, 염분농도 30g/L의 벤토나이트는 전단담화 또는 가소성에 가까운 거동을 보인다. 또한 아주 작은 전단변형률속도G~ 1广)에 있어 동일한 액성지수를 가진 벤토 나이트의 소성점도는 염수일 때 담수에 비해 대략 io배 정도 큰 값을 가지는 반면, 전단변형률속도가 커질수록 그 차이는 점차적으로 줄어드는 경향이 있음을 밝혔다. 결과적으로 와이오밍 벤토나이트의 유변학적 특성은 염분농도와 전단변형률속도 등에 영향을 받는다.
(1) 와이오밍 벤토나이트의 체적변화와 흐름특성은 염분농도에 따라 확연한 차이를 보였다. 일반적인 낮은 활성점토의 유동은 전단담화 거동에 가까운 반면, 높은 활성점토는 염분농도와 전단변형률 속도에 따라 다양한 유변학적 모델을 적용할 수 있다.
(3) 팽윤성 점토의 경우 염분농도에 따라 흙 입자 사이의 구조변화를 야기시키며, 항복응력과 소성점도에 영향을 미친다. 또한 염분농도의 증가는 항복 전후의 점도의 변화에도 크게 영향을 미친다.
일반적인 낮은 활성점토의 유동은 전단담화 거동에 가까운 반면, 높은 활성점토는 염분농도와 전단변형률 속도에 따라 다양한 유변학적 모델을 적용할 수 있다. 실험 결과에 의하면, 염분농도의 변화에 관계없이 와이오밍 벤토나이트는 전단담화 유체처럼 거동한다. 하지만, 염분농도가 낮을 경우, 벤토나이트는 Bmgham 유체에 가까운 거동을 보인다(즉, 유동지수가 1에 가까워진다).
후속연구
이럴 경우 Na-형 벤토나이트로 이온치환을 통한 점도의 증가를 향상시키는 것이 중요하겠다. 이와 관련하여 국내 벤토나이트의 유변학적 특성 및 액성지수에 따른 강도 특성은 앞으로 연구해야할 과제이다.
와이오밍 벤토나이트의 경우, 항복응력의 유무와 모델의 적합성의 관점에서 Herschel-Bulkley 유동모델이 벤토나이트의 흐름특성을 가장 잘 표현하는 것으로 판단된다. 하지만, 유동 모델의 선택은 항복응력과 소성점도의 결정문제와 직접적으로 관련되기 때문에 보다 신중한 조사가 필요하다. 유동모델의 간편성과 활용성 측면에서는 Bingham 완전소성모델을 우선적으로 고려할 수 있다.
분산구조로 이루어진 흙 입자들은 정반대의 유변학적 결과를 보인다. 따라서 향후 다양한 조건에서 흙 입자들 사이에서의 구조적 변화메커니즘 규명에 대한 보다 면밀한 조사가 이루어져야 할 것으로 사료된다.
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