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문제 정의
- 본 연구에서는 ○○ 석회석 광산의 폐석으로 산출되는 화강암의 부순모래를 전색재로 활용하기 위하여 특별히 제작된 모르타르 블록 공시체의 발파시 전색재로 이용하고, 그 주변에서 구입이 용이한 바다모래, 하천모래, 점토 및 물의 전색재와 비교 실험을 통하여 그 적용성을 입증하였다. 이를 위해 선정된 전색재료에 대하여 입도분포를 조사하였고, 전단시험에 의한 강도정수의 산정 및 정적 압출저항특성 분석을 수행하였다.
- 본 연구에서는 화강암 부순모래의 전색재 활용을 위하여 모르타르 블록 시험체를 제작 후, 현장 인근에서 구입이 용이한 부순모래, 바다모래, 하천모래, 점토 및 물의 전색재와 동일한 조건하에서 발파실험을 수행하고 그 효과를 입증하였다. 이때 전색의 길이는 10 cm 및 20 cm로 다르게 하였으며, 그 주요 결과를 요약하면 다음과 같다.
제안 방법
- 강봉 상부에는 외경 12 mm, 내경 10 mm, 길이가 100 mm 규격의 강관을 삽입하였다. 강관 내부에는 Newmite Plus Ⅰ 폭약 3그램과 Hightec Plus 순발전기 뇌관을 장전한 뒤 상부로부터 전색시 전색물의 일부가 강관내로 유입됨을 방지하고자 실리콘으로 탬핑하였다. 블록의 강관 상부 발파공에 각각의 전색재를 길이 10 cm 및 20 cm로 하였으며, 다짐시는 전색재를 3그램씩 순차적으로 전색하고 각각을 직경 7 mm인 나무 다짐봉을 이용하여 각각 30회씩 다짐하였다.
- 광산 현장에서 거푸집을 이용하여 모르타르를 직접 타설한 후 강도 발현을 위하여 28일 경과한 다음 발파실험이 이루어졌다.
- 한편, 그림 5와 같이 강봉에 부착된 변형율 게이지로부터의 신호는 100 kHz의 샘플링 속도를 갖는 디지털 스트레인 증폭기를 거쳐 대용량 고속 데이터 저장용 오실로스코프에 저장하였다. 그리고 블록으로부터 10 m 이격된 거리에 1초당 1,300회의 사진을 촬영할 수 있는 Casio사의 모델 EX-F1을 설치하여 전색재의 분출되는 속도를 측정하였다.
- 모르타르 블록 공시체는 가로(50 cm)×세로(50 cm)×높이(70 cm)의 규격으로 제작하였고 물 : 시멘트 : 모래의 중량 배합비율은 1 : 2 : 6으로 하였다.
- 모르타르 블록의 발파공에 전색을 할 때 전색재를 3.0그램씩 나누어 전색하고 매번 직경 3.0 cm의 나무 다짐봉을 이용하여 각각 30회씩 다짐을 실시하였다. 이와 같이 동일한 방법으로 실험실에서 다짐하고 5회씩 측정하여 평균 다짐단위중량을 구하였다.
- 모르타르를 이용하여 가로(50 cm)×세로(50 cm)×높이(70 cm) 규격의 블록을 제작하였으며, 공시체 중심부에 비교적 작은 직경 12 mm의 만들어진 형상으로서 그림 5와 같이 하부로 직경 12 mm와 길이 300 mm인 강봉을 삽입하고, 이 강봉의 중간에 축방향으로 200,000 μst까지 측정이 가능한 2개의 변형율 게이지를 부착하였다.
- 발파시 전색재는 발파공벽의 마찰과 점착력에 의해 그 효과가 발휘될 것으로 예상되므로, 본 연구에서는 직경이 10 cm이고 길이가 30 cm인 원주형 모르타르 시편 중앙에 발파공 12 mm를 형성시키고 전색장 10 cm에 대하여 압출실험을 하였다. 이때 전색의 다짐은 7 mm의 나무 다짐봉을 사용하였으며 다짐방법은 실제 모르타르 블록의 발파와 동일한 3.
- 강관 내부에는 Newmite Plus Ⅰ 폭약 3그램과 Hightec Plus 순발전기 뇌관을 장전한 뒤 상부로부터 전색시 전색물의 일부가 강관내로 유입됨을 방지하고자 실리콘으로 탬핑하였다. 블록의 강관 상부 발파공에 각각의 전색재를 길이 10 cm 및 20 cm로 하였으며, 다짐시는 전색재를 3그램씩 순차적으로 전색하고 각각을 직경 7 mm인 나무 다짐봉을 이용하여 각각 30회씩 다짐하였다. 그리고 모르타르 블록의 하부에는 강봉의 축변형율이 원활하게 측정되도록 두께 20 mm의 강판을 설치하였다.
- 연구에 사용된 전색재의 재료특성을 알아보기 위하여 공내 다짐중량, 입도분포, 전단 및 압출시험을 실시하였다.
- 발파시 전색재는 발파공벽의 마찰과 점착력에 의해 그 효과가 발휘될 것으로 예상되므로, 본 연구에서는 직경이 10 cm이고 길이가 30 cm인 원주형 모르타르 시편 중앙에 발파공 12 mm를 형성시키고 전색장 10 cm에 대하여 압출실험을 하였다. 이때 전색의 다짐은 7 mm의 나무 다짐봉을 사용하였으며 다짐방법은 실제 모르타르 블록의 발파와 동일한 3.0그램씩 나누어 전색하고 30회씩 다짐하였다. 시험에 사용된 장치는 별도 제작한 시험 설치대와 출력신호 100 kHz인 디지털 스트레인 Amp.
- 본 연구에서는 ○○ 석회석 광산의 폐석으로 산출되는 화강암의 부순모래를 전색재로 활용하기 위하여 특별히 제작된 모르타르 블록 공시체의 발파시 전색재로 이용하고, 그 주변에서 구입이 용이한 바다모래, 하천모래, 점토 및 물의 전색재와 비교 실험을 통하여 그 적용성을 입증하였다. 이를 위해 선정된 전색재료에 대하여 입도분포를 조사하였고, 전단시험에 의한 강도정수의 산정 및 정적 압출저항특성 분석을 수행하였다. 제작된 모르타르 기둥 공시체에 다소 약장약인 3.
- 0 cm의 나무 다짐봉을 이용하여 각각 30회씩 다짐을 실시하였다. 이와 같이 동일한 방법으로 실험실에서 다짐하고 5회씩 측정하여 평균 다짐단위중량을 구하였다. 이때 전색재는 105℃의 건조로에서 24시간 경과 후 사용하였으므로, 함수비는 0으로 모두 동일하게 적용하였다.
- 전색의 길이를 각각 10 cm와 20 cm의 두 가지 경우로 하여 실험을 수행하였다. 그림 6은 20 cm 점토 전색재의 축방향 변형율을 측정하기 위하여 기록된 오실로스코프의 결과의 한 예이며, 요약하면 표 4와 같다.
- 0그램의 Newmite Plus Ⅰ 폭약을 장전한 후 전색재별로 각각 10 cm, 20 cm의 전색장을 적용한 후 발파시험을 수행하였다. 전색재별로 발파효과를 분석하기 위하여 특별히 제작된 12 mm 강봉에 축방향으로 2개의 스트레인게이지를 부착하여 폭발 충격압에 따른 강봉의 축방향 변형율과 고성능 디지털 카메라를 이용하여 분출속도를 측정하였다.
- 이를 위해 선정된 전색재료에 대하여 입도분포를 조사하였고, 전단시험에 의한 강도정수의 산정 및 정적 압출저항특성 분석을 수행하였다. 제작된 모르타르 기둥 공시체에 다소 약장약인 3.0그램의 Newmite Plus Ⅰ 폭약을 장전한 후 전색재별로 각각 10 cm, 20 cm의 전색장을 적용한 후 발파시험을 수행하였다. 전색재별로 발파효과를 분석하기 위하여 특별히 제작된 12 mm 강봉에 축방향으로 2개의 스트레인게이지를 부착하여 폭발 충격압에 따른 강봉의 축방향 변형율과 고성능 디지털 카메라를 이용하여 분출속도를 측정하였다.
- 초당 1300회의 사진을 연속적으로 측정이 가능한 고속카메라를 이용하여 발파시 분출되는 전색재의 속도를 측정하였다. 그림 7은 전색길이 10 cm로 하였을 때 전색물이 분출되기 전부터 초고속 카메라로 1.
대상 데이터
- 모르타르 블록 공시체는 가로(50 cm)×세로(50 cm)×높이(70 cm)의 규격으로 제작하였고 물 : 시멘트 : 모래의 중량 배합비율은 1 : 2 : 6으로 하였다. 시멘트는 1종 포틀랜드 시멘트를 사용하였으며 측정 결과 슬럼프치는 0.003 mm이었다. 이 모르타르에 대한 28일 경과 후 실내시험 결과는 표 1과 같다.
이론/모형
- 전색재의 강도정수를 구하기 위하여 한국산업규격 KSF2343에 의거 직접전단시험을 실시하였다. 이때 전색재의 단위중량은 표 2의 다짐단위중량과 동일하게 하였으며, 함수비는 0인 조건이다.
성능/효과
- 1. 전색재의 평균입자크기는 하천모래, 부순모래, 바다모래, 점토 순으로 작으며, 발파공내 다짐단위중량은 양입도를 갖는 부순모래가 가장 크며 점토가 가장 작았다. 또한 전색재의 전단강도 및 압출강도는 부순모래, 하천모래, 바다모래, 점토 순으로 작은 값을 보였다.
- 2. 전색재별 축방향 변형율은 부순모래, 바다모래, 하천모래, 물, 점토 순으로 작게 측정되었으며, 이 값은 압출강도 및 전단강도의 크기에 비례하였다. 다만 물과 점토는 그 값이 반비례하는데, 이것은 간극비의 차이에 따른 것으로 추정된다.
- 3. 전색재의 분출속도는 전단강도 및 압출강도가 가장 큰 부순모래에서 가장 작은 값을 나타내며, 물의 전색재가 가장 큰 값을 나타낸다.
- 4. 전색재의 분출속도와 발파공내 강봉의 축방향 변형율은 서로 지수적으로 반비례하는 관계를 보인다. 즉 분출속도가 작고 축방향 변형율이 큰 전색재가 발파로 인한 전색효과를 잘 발휘하는 것으로 판단된다.
- 944이므로, 간극의 차이에 따라 점토 전색재가 발파충격압에 대하여 완충역할을 하기 때문인 것으로 여겨진다. 다짐 단위중량, 압출강도, 전단강도가 가장 크고 입도분포가 양호한 화강암 부순모래가 축방향 변형율이 가장 크며, 다짐 단위중량, 압출강도, 전단 강도 및 입도의 크기가 가장 작은 점토에서 가장 작은 값을 보이고 있다. 그리고 전색재 물과 전색하지 않은 경우 모르타르 블록의 파괴현상은 발생하지 않았으며, 10 cm 전색장에서는 블록의 파괴가 발생하지 않았다.
- 전색재의 평균입자크기는 하천모래, 부순모래, 바다모래, 점토 순으로 작으며, 발파공내 다짐단위중량은 양입도를 갖는 부순모래가 가장 크며 점토가 가장 작았다. 또한 전색재의 전단강도 및 압출강도는 부순모래, 하천모래, 바다모래, 점토 순으로 작은 값을 보였다.
- 압출하중에 따른 변위 관계는 그림 4와 같으며 압출저항은 부순모래, 바다모래, 하천모래, 점토 순으로 작았다. 압출저항은 입도분포가 양호하고 다짐단위중량 및 전단저항이 큰 부순모래에서 가장 크며, 전단저항 및 다짐단위중량이 작은 점토에서 가장 작았다.
- 전색의 길이를 20 cm로 한 경우 역시 10 cm의 경우와 마찬가지로 부순모래가 가장 크게 나타난다. 위 두 가지 경우를 평균하면 부순모래, 바다모래, 하천모래, 물, 점토 및 무전색의 순서로 작은 값을 보이고 있다. 이 결과로부터 점토와 물을 제외하고는 압출강도가 클수록 축방향 변형율도 크게 나타난다.
- 전색의 길이를 20 cm로 하는 경우는 바다모래가 가장 작게 나타나며, 화강암 부순모래, 하천모래, 점토, 물의 순으로 크게 측정되었다. 위 두 가지 경우를 평균하면 부순모래, 바다모래, 하천모래, 점토 및 물의 순으로 크게 나타난다. 즉 전색재의 압출강도가 클수록 분출속도는 느리게 나타나는 경향을 보이고 있다.
- 위에서 살펴본 바와 같이 발파공내에 삽입된 강봉의 축방향 변형율과 전색재의 분출속도로부터 축방향의 변형율이 크게 나타나고 전색재의 분출속도가 작은 화강암 부순모래를 사용한 전색재가 다른 전색재보다 전색효과가 크다는 것을 알 수 있으며, 이것은 다른 전색재에 비하여 입도분포가 양호하고 전단강도 및 압출강도가 큰 화강암 부순모래가 전색재로서 활용가능하다는 것을 의미한다. 이 결과는 분출속도가 작은 전색재가 발파공내에서 폭발로 인한 가스가 적게 발파공 입구로 방출되어 전색효과를 발휘한다는 Jack(1994), Tang et al.
- 전색재의 분출속도와 발파공내 강봉의 축방향 변형율은 서로 지수적으로 반비례하는 관계를 보인다. 즉 분출속도가 작고 축방향 변형율이 큰 전색재가 발파로 인한 전색효과를 잘 발휘하는 것으로 판단된다.
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