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문제 정의
- 2 kghP이상에서 열전도계수의 실험값과 계산값의 차이를 살펴볼 필요가 있다. 또한 다양한 시료에 대한 열전도계수 평가를 실시하여 지반온도분포 해석에 필요한 최적열전도계수 산정 모델을 제시하고자 한다.
가설 설정
- Woodside and Messmer (1961)는 흙을 구성하는 공기, 흙 입자, 그리고 간극수의 열전도율을 배분하고 체적 비율에 따른 평균을 통해 열전도계수를 계산하였다. 열의 이동경로는 흙 입자가 직접 접촉되어 있는 부분, 액체로 이루어진 부분, 그리고 흙 입자와 액체로 이루어진 부분으로 총 3가지 경우로 가정하였다. Woodside and Msssmer모델은 각 상별 열전도계수의 조합으로 전체 열전도계수를 결정하므로 포화토와 불포화토, 나아가 동결토에도 적용 가능하다 (김학삼 등, 2010).
제안 방법
- (1) 포화된 카올리나이트의 압밀에 따른 열전도계수를 연속적으로 측정하여 건조밀도와 함수비의 변화에 따른 열전도계수의 관계를 연구하였다. 지금까지 열전도계수의 측정은 다양한 시료를 제작하여 각각의 함수비와 건조밀도를 통해 상관관계를 도출하였으나, 압밀은 함수비와 건조밀도를 연속적으로 비교적 정확히 측정 가능하다.
- 건조밀도 및 함수비의 변화에 따른 포화된 점토의 열전도계수를 측정하기 위하여 압밀실험을 실시하였다. 압 밀실험 중 각상재하중으로 압밀이 종료된 시점에서 열 전도 계수를 측정하였다 .
- 2에 나타내었다. 두 번(C1 과 C2)에 걸친 실험은 상재하중을 조금 다르게 하여 실시하였으며 이를 통해 다양한 간극비에서 열전도계수를 측정할 수 있었다. 압밀곡선은 반대 수용지에 나타낸 결과 비선형으로 나타났다.
- 지금까지 열전도계수의 측정은 다양한 시료를 제작하여 각각의 함수비와 건조밀도를 통해 상관관계를 도출하였으나, 압밀은 함수비와 건조밀도를 연속적으로 비교적 정확히 측정 가능하다. 또한, 니들 프로브를 이용하여 열전도계수를 측정할 경우 시료의 교란을 최소화하기 위하여니들프로브를 삽입한 상태에서 압밀 실험을 진행하였다. 따라서 본 실험 결과는 기존의 연구에 비해 열전도계수와 함수 비 또는 건조밀도 의 측정오차를 최소화하였다.
- 본 연구에서 압밀 실험 단계별 측정한 열전도계수와Woodside and Messmer (1961)가 제안한 식으로 계산한 결과를 비교하였다. Table 2는 압밀실험 결과와 측정된 열전도계수와 Woodside and Messmer 식을 사용하여 계산한 결과를 정리하였고, Fig.
- 본 연구에서는 포화된 카올리나이트를 이용하여 열전도계 수를 측정하였다. 함수비와 건조밀도가 열전도계수에 미치는 영향을 연속적으로 관찰하기 위해 압밀실험을 실시하였다.
- 약한 진공상태를 유지하여 공기를 제거하고 상부가압판을 조심스럽게 시료 위에 올렸다. 상부가압판에는 작은 구멍 24개를 눓어 간극수의 배수 및 열전도 실험용 니들프로브(needle probe) 삽입을 용이하게 하였다. 싱부가 압판을 놓고 가이드바(guide bar)를 설치하여 상부가 압판의 수평을 유지하였다.
- 실험에 사용될 시료인 카올리나이트를 이용하여 흙의 입도, 비중, 액 . 소성 한계시험을 실시하였다. 실험 결과 카올리나이트의 #200체 통과량이 100%였으며, 비중(G)은 2.
- 싱부가 압판을 놓고 가이드바(guide bar)를 설치하여 상부가 압판의 수평을 유지하였다. 시료가 준비되면 수조에 넣고 시료 높이와 동일하게 물을 채운 후, 게이지의 눈금을 읽고 바닥 배수 밸브를 열어 양면 배수를 실시하였다. 본 연구에 사용한 열전도계수 측정장비는 상용 측정장비(Quickline-30, ANTER)이며, 열전도계수 측정 범위는 0.
- 압 밀실험 중 각상재하중으로 압밀이 종료된 시점에서 열 전도 계수를 측정하였다 . 시료는 카올리나이트와 증류수를 혼합하여 만들었으며, 열전도계수 측정시 발생하는 몰드간섭에 의한 오차를 최소화하기 위해 대구 경 압밀몰드를 제작하였다. 측정된 열전도계수와 Woodside and Messmer (1961)가 제시한 식을 이용하여 계산한 열전도계수를 비교하였으며 결과를 정리하면 아래와 같다.
- 시료의 압밀이 진행되면서 건조 밀도와 함수비의 변화에 따른 열전도계수의 상관관계를 분석하기 위하여 열전도 실험용 몰드를 제작하였다. Fig.
- 실험의 정확성과 재현성을 확인하기 위해 두 번(C1 과 C2)에 걸쳐 실시되었다. C1 과 C2 시료의 초기간 극률은 각각 0.
- 건조밀도 및 함수비의 변화에 따른 포화된 점토의 열전도계수를 측정하기 위하여 압밀실험을 실시하였다. 압 밀실험 중 각상재하중으로 압밀이 종료된 시점에서 열 전도 계수를 측정하였다 . 시료는 카올리나이트와 증류수를 혼합하여 만들었으며, 열전도계수 측정시 발생하는 몰드간섭에 의한 오차를 최소화하기 위해 대구 경 압밀몰드를 제작하였다.
- 연구 결과를 활용하여 많은 연구자들(Mickley, 1951; de Vries, 1952; Kunii and Smith, 1960; Woodside and Messmer, 1961)이 흙의 열전도계수를 예측하기 위하여 여러 가지 방법들을 제시하였으며 불포화 토 실험 결과와 비교하였다. 그러나 Penner (1962)는 불포화토를 대상으로 열전도계수를 측정할 때 측정장치의 발열로 인해 함수 비 구배가 발생하여 측정 오차가 발생한다고 강조하였다.
- 열전도계수는 각 상재 하중에 따른 게이지에서 읽은 시간당 침하량의 변화가 미미한 시점(100% 압밀 완료 시점)에서 측정을 실시하였으며, 평균적으로 약 12분이 소요되었다. 열전도계수 측정이 완료되면 다음 상재하중을 적용하여 압밀을 진행하였으며, 이러한 일련의 과정을 반복하여 시료의 건조 밀도 및 함수비와 열전도계수를 측정하였다.
- 54 WlmK 이다. 이를 이용하여 Woodside and Messmer (1961)가 제시한 모델로 계산된 시료의 열전도 계수와 측정된 열전도계수를 비교하였다. 건조밀도가 900kg/m3 이하, 함수비가 80% 이상(액성한계 이상)에서는 측정값과 계산되어진 열전도계수가 유사한 값을 나타내었다.
- 본 연구에서는 포화된 카올리나이트를 이용하여 열전도계 수를 측정하였다. 함수비와 건조밀도가 열전도계수에 미치는 영향을 연속적으로 관찰하기 위해 압밀실험을 실시하였다. 또한 측정된 열전도계수와 건조밀도를 이용하여 Woodside and Messmer (1961)가 제시한 모델과 비교하였다.
대상 데이터
- ASTM D5334표준을 따른 장비인 니들 프로브를 삽입하여 열전도계수를 측정하였다. 니들 프로브의 규격은 길이 120mm, 지름 3 mm이며, 압밀시험이 시작되기 전에 수직으로 삽입하였다. 열전도계수는 각 상재 하중에 따른 게이지에서 읽은 시간당 침하량의 변화가 미미한 시점(100% 압밀 완료 시점)에서 측정을 실시하였으며, 평균적으로 약 12분이 소요되었다.
- 1은 열전도계수 실험용 몰드와 압밀 실험장치를 나타낸다. 몰드는 직경 10 cm, 높이 20 cm 이며 1 an 두께의 투명 아크릴을 사용하여 제작하였다. 아크릴몰드의 장점은 초기 시료의 높이를 육안으로 확인이 가능하며 수조의 물 높이를 시료 높이와 일정하게 맞추기에 용이하다.
- 시료가 준비되면 수조에 넣고 시료 높이와 동일하게 물을 채운 후, 게이지의 눈금을 읽고 바닥 배수 밸브를 열어 양면 배수를 실시하였다. 본 연구에 사용한 열전도계수 측정장비는 상용 측정장비(Quickline-30, ANTER)이며, 열전도계수 측정 범위는 0.0015-6.0 W/mK이며, 정확도는 ±3%이다.
데이터처리
- 함수비와 건조밀도가 열전도계수에 미치는 영향을 연속적으로 관찰하기 위해 압밀실험을 실시하였다. 또한 측정된 열전도계수와 건조밀도를 이용하여 Woodside and Messmer (1961)가 제시한 모델과 비교하였다.
이론/모형
- ASTM D5334표준을 따른 장비인 니들 프로브를 삽입하여 열전도계수를 측정하였다. 니들 프로브의 규격은 길이 120mm, 지름 3 mm이며, 압밀시험이 시작되기 전에 수직으로 삽입하였다.
- Ganant (1952)와 Johansen (1975)는 흙 입자의 열전도계수는 흙의 구성 성분에 의해 지배된다고 밝혔다. 본 연구에서는 비교적 간편한 방법으로 흙 입자의 열전도 계수(ks)를 산정할 수 있는 Gemant 의 방법을 이용하였으며 다음과 같다.
- 시료는 카올리나이트와 증류수를 혼합하여 만들었으며, 열전도계수 측정시 발생하는 몰드간섭에 의한 오차를 최소화하기 위해 대구 경 압밀몰드를 제작하였다. 측정된 열전도계수와 Woodside and Messmer (1961)가 제시한 식을 이용하여 계산한 열전도계수를 비교하였으며 결과를 정리하면 아래와 같다.
성능/효과
- (2) 흙 입자의 구성 성분은 흙의 열전도계수에 많은 영향을 준다. Gemant가 제안한 흙 입자의 열전도계수(ks) 계산식을 이용한 결과, 흙 입자의 열전도계수는 2.
- 또한, 니들 프로브를 이용하여 열전도계수를 측정할 경우 시료의 교란을 최소화하기 위하여니들프로브를 삽입한 상태에서 압밀 실험을 진행하였다. 따라서 본 실험 결과는 기존의 연구에 비해 열전도계수와 함수 비 또는 건조밀도 의 측정오차를 최소화하였다. 실험 결과 포화된 카올리나이트에서는 건조밀도가 증가할수록, 함수 비가 감소할수록 열전도 계수가 증가하였다.
- 3(b)에서는 함수 비가 80% 이상, 즉시료의 액성 한계 이상에서는 열전도계수가 유사하게 나타났다. 시료의 함수 비가 작아질수록(액성 한계 이하로 내려갈수록) 측정된 열전도계수와 계산된 열전도계수의 차이가 커지는 것을 알 수 있다.
- 소성 한계시험을 실시하였다. 실험 결과 카올리나이트의 #200체 통과량이 100%였으며, 비중(G)은 2.63, 액성 한계(ZZ)는 82.1%, 소성지수(PI)는 48.7%로 나타났다. 통일분류법에 따르면 CH로 분류된다.
- 따라서 본 실험 결과는 기존의 연구에 비해 열전도계수와 함수 비 또는 건조밀도 의 측정오차를 최소화하였다. 실험 결과 포화된 카올리나이트에서는 건조밀도가 증가할수록, 함수 비가 감소할수록 열전도 계수가 증가하였다.
- 기이다. 실험이 완료된 후 시료의 크기와 함수비를 측정하여 간극률을 계산한 결과 두 가지 시료 모두 0.55로 일치하였다. 각각 실험에서 단계별 재하된 상재 하중과 간극률을 Table 1에 나타내었다.
- 건조밀도가 900kg/m3 이하, 함수비가 80% 이상(액성한계 이상)에서는 측정값과 계산되어진 열전도계수가 유사한 값을 나타내었다. 그러나 건조 밀도 900kg/n?이상에서는 건조밀도가 증가할수록 측정값과 계산값의 차이는 약 4%에서 7%로 증가한다.
후속연구
- 2kg/m3 이하에서만 확인하였다. 향후 건조 밀도 1186.2 kghP이상에서 열전도계수의 실험값과 계산값의 차이를 살펴볼 필요가 있다. 또한 다양한 시료에 대한 열전도계수 평가를 실시하여 지반온도분포 해석에 필요한 최적열전도계수 산정 모델을 제시하고자 한다.
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