[국내논문]표준압밀시험 및 일정변형율 압밀시험 결과를 이용한 포화된 혼합 점성토의 열전도계수 측정에 관한 실험적 연구 Thermal Conductivity Measurement of Saturated Clayey Mixtures using Oedometer Consolidation and Constant Rate of Strain Consolidation Tests원문보기
지반 내 열전도 현상은 지구온난화에 따른 지반거동 변화 예측, 극한지 기반시설 건설, 지열 냉난방 시스템의 부하 계산 등 다양한 건설 및 환경 분야에서 중요한 고려사항이다. 열전달 해석에서 가장 중요한 변수인 열전도계수를 산정하는 방법으로 이를 정량적으로 정확하게 예측, 평가할 수 있는 기법의 필요성이 제기되고 있다. 최근 들어서는 세립토를 대상으로 열전도계수에 관한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 그러나 기존 연구자들은 세립토의 열전도계수를 정확히 측정하는데 어려움으로 인해 신뢰성 있는 데이터가 부족하다는 문제점들이 제기되고 있다. 본 연구에서는 포화된 카올리나이트와 실리카 혼합점성토를 대상으로 건조밀도 변화에 따른 열전도계수 측정 실내실험을 수행하였다. 표준압밀시험의 단점을 보완한 일정변형율 압밀시험 자동화 장비를 이용하여 건조밀도의 변화에 따른 열전도계수를 연속적으로 측정하고 실내실험 결과의 신뢰성을 분석하였다. 또한, 기존 경험식과의 비교를 통해 최적의 세립토 열전도계수 예측 방법을 제시하고자 한다.
지반 내 열전도 현상은 지구온난화에 따른 지반거동 변화 예측, 극한지 기반시설 건설, 지열 냉난방 시스템의 부하 계산 등 다양한 건설 및 환경 분야에서 중요한 고려사항이다. 열전달 해석에서 가장 중요한 변수인 열전도계수를 산정하는 방법으로 이를 정량적으로 정확하게 예측, 평가할 수 있는 기법의 필요성이 제기되고 있다. 최근 들어서는 세립토를 대상으로 열전도계수에 관한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 그러나 기존 연구자들은 세립토의 열전도계수를 정확히 측정하는데 어려움으로 인해 신뢰성 있는 데이터가 부족하다는 문제점들이 제기되고 있다. 본 연구에서는 포화된 카올리나이트와 실리카 혼합점성토를 대상으로 건조밀도 변화에 따른 열전도계수 측정 실내실험을 수행하였다. 표준압밀시험의 단점을 보완한 일정변형율 압밀시험 자동화 장비를 이용하여 건조밀도의 변화에 따른 열전도계수를 연속적으로 측정하고 실내실험 결과의 신뢰성을 분석하였다. 또한, 기존 경험식과의 비교를 통해 최적의 세립토 열전도계수 예측 방법을 제시하고자 한다.
Thermal distribution in soils must be considered in engineering designs and constructions, including estimates of frost heave and thaw settlement, infrastructure in cold regions, and geothermal systems. Because thermal conductivity is a key parameter for evaluation of thermal distribution in soils, ...
Thermal distribution in soils must be considered in engineering designs and constructions, including estimates of frost heave and thaw settlement, infrastructure in cold regions, and geothermal systems. Because thermal conductivity is a key parameter for evaluation of thermal distribution in soils, it must be accurately estimated. The thermal conductivity of fine-grained soils has been widely studied in recent years; however, few studies have reported a reliable method for experimental measurement. The present study presents the results of an experimental investigation of the thermal conductivity of a saturated kaolinite-silica mixture with respect to the variation of dry density. Thermal conductivities were measured in Constant Rate of Strain (CRS) consolidation tests, and the experimental data were analyzed to evaluate the accuracy of the new measurement system. In addition, we present an evaluation method for predicting thermal conductivity in fine-grained soils.
Thermal distribution in soils must be considered in engineering designs and constructions, including estimates of frost heave and thaw settlement, infrastructure in cold regions, and geothermal systems. Because thermal conductivity is a key parameter for evaluation of thermal distribution in soils, it must be accurately estimated. The thermal conductivity of fine-grained soils has been widely studied in recent years; however, few studies have reported a reliable method for experimental measurement. The present study presents the results of an experimental investigation of the thermal conductivity of a saturated kaolinite-silica mixture with respect to the variation of dry density. Thermal conductivities were measured in Constant Rate of Strain (CRS) consolidation tests, and the experimental data were analyzed to evaluate the accuracy of the new measurement system. In addition, we present an evaluation method for predicting thermal conductivity in fine-grained soils.
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문제 정의
본 연구에서는 기존 연구에서 제시된 열전도계수 측정 장치의 장기 발열에 따른 오차, 상대적으로 낮은 건조밀도로 인한 현장 적용의 한계성, 단계별 하중에 따른 측정치의 불연속성을 극복한 열전도계수 측정 자동화 장비를 개발하였다. 새로운 장비를 활용하여 측정된 열전도계수는 기존 연구에서 검증된 장비를 이용한 열전도계수 측정값과 비교하여 신뢰성을 검토하고, 나아가 경험식과의 비교를 통해 최적의 세립토 열전도계수 예측 방법을 제시하고자 한다.
본 연구에서는 기존 연구에서 제시된 열전도계수 측정 장치의 장기 발열에 따른 오차, 상대적으로 낮은 건조밀도로 인한 현장 적용의 한계성, 단계별 하중에 따른 측정치의 불연속성을 극복한 열전도계수 측정 자동화 장비를 개발하였다. 새로운 장비를 활용하여 측정된 열전도계수는 기존 연구에서 검증된 장비를 이용한 열전도계수 측정값과 비교하여 신뢰성을 검토하고, 나아가 경험식과의 비교를 통해 최적의 세립토 열전도계수 예측 방법을 제시하고자 한다.
CRS #1과 #2의 열전도계수 결과도 표준압밀시험에서 측정한 열전도계수와 상당히 유사한 측정값을 볼 수 있었다. 따라서 압밀시험과 열전도계수 측정결과를 토대로 본 연구에서 개발된 자동화 장비를 활용한 열전도계수 측정의 신뢰성을 확보하였다.
가설 설정
Woodside and Messmer (1961)는 흙을 구성하는 공기, 흙입자, 그리고 간극수의 열전도율을 배분하고 체적 비율에 따른 평균을 통해 열전도계수를 계산하였다. 열의 이동경로는 흙입자가 직접 접촉되어 있는 부분, 액체로 이루어진 부분, 그리고 흙입자와 액체로 이루어진 부분으로 총 3가지 경우로 가정하였으며 포화토에 적용하면 다음과 같다.
제안 방법
(2008)은 포화된 점토(Bangkok clay)시료를 대상으로 압밀시험을 수행하여 건조밀도의 변화에 따른 열전도계수를 측정하였다. 열전도계수 측정 시 시료의 상단과 하단을 일정온도로 유지하고 시료내부의 온도가 일정하게 유지되는 열평형 상태에서 열전도계수를 측정하였다. 실험결과에 따르면 상단과 하단의 온도구배가 증가할수록 측정된 열전도계수는 증가하는 문제가 있었다.
(2011)은 포화된 카올리나이트를 대상으로 압밀에 따른 다양한 건조밀도에서 열전도계수를 측정하였다. 기존 열전도계수 측정 장치의 문제점(장기 발열에 따른 함수비 구배)을 보완하기 위해 열전도계수 측정 시 발열시간과 범위를 최소화하는 니들프로브를 사용하고 주변 온도간섭을 최소화하는 아크릴몰드를 사용하여 실험을 진행하였다. 그러나 건조밀도의 변화에 필요한 상재하중 재하장치의 한계로 비교적 낮은 건조밀도(최대건조밀도 1.
본 연구에서는 카올리나이트와 실리카분말을 1:1(중량기준)로 혼합하여 시료를 제작하였다. 혼합점성토의 비중은 2.
65이며, 액소성 시험 결과를 토대로 통일분류법에 따라 CL로 분류되었다(Table 1). X선 회절시험(X-ray Diffraction test, XRD)을 이용하여 각각의 구성광물의 중량백분율을 측정하였다. 분석결과(Table 2)에 따르면 카올리나이트의 경우 석영의 함유량이 2.
본 연구에서 사용된 자동화 장비를 활용한 실내시험을 수행하기에 앞서 기존 연구(Kim et al., 2011)에서 사용된 단계별 상재하중에 따른 표준압밀시험을 실시하였다. 두 차례 수행된 시험(Standard#1, Standard#2)의 시료는 카올리나이트-실리카분말을 중량백분율 1:1로 혼합, 증류수를 이용하여 초기 함수비 100% 슬러지 상태의 혼합점성토를 사용하였다.
상부가압판은 가드바(Guard bar)를 이용하여 수평을 유지하였다. 배수조건은 수조를 이용하여 시료의 높이와 동일하게 물을 채운 후, 바닥밸브를 열어 양면 배수 상태로 시험을 진행하였다. 표준압밀시험에서는 단계별 하중에 따른 압밀을 확인하고 압밀완료 시점에 열전도계수를 측정하였다.
배수조건은 수조를 이용하여 시료의 높이와 동일하게 물을 채운 후, 바닥밸브를 열어 양면 배수 상태로 시험을 진행하였다. 표준압밀시험에서는 단계별 하중에 따른 압밀을 확인하고 압밀완료 시점에 열전도계수를 측정하였다. 열전도계수 측정 장비는 상용측정장비(Quickline-30, ANTER)와 니들프로브이며, 측정범위는 0.
9 kPa를 적용하였다. 변형속도는 ASTM (2006)에서 CL타입시료의 경우 1%/hr 이하로 제시하고 있으며, 본 시험에서는 0.02 mm/min (0.925%/hr)을 설정하고 프로그램을 이용하여 상재하중을 60초 간격으로 측정하였다. 일정 변형율 압밀시험이 자동적으로 진행되는 동안 열전도계수도 40분 간격으로 연속적으로 측정하였다.
925%/hr)을 설정하고 프로그램을 이용하여 상재하중을 60초 간격으로 측정하였다. 일정 변형율 압밀시험이 자동적으로 진행되는 동안 열전도계수도 40분 간격으로 연속적으로 측정하였다.
실험의 일관성을 확인하기 위해 각각 두 번(표준압밀시험: Standard #1, #2와 일정변형율 압밀시험: CRS #1, #2)의 과정을 거쳐서 진행하였다. Table 4에 정리된 바와 같이 표준압밀시험의 측정된 초기 함수비는 108%, 109%의 슬러지 상태로 진행하였으며 최종함수비는 34%, 35%이다.
일정변형율 압밀시험을 통해 건조밀도의 변화에 따른 포화된 세립토의 열전도계수를 측정하였다. 압밀시험에 필요한 상재하중 재하와 열전도계수 측정은 자동화 장비를 이용하여 편의성을 높이고 연속적인 측정을 통해 시험 간 발생할 수 있는 오차 확인이 가능하다는 장점을 확보하였다.
대상 데이터
, 2011)에서 사용된 단계별 상재하중에 따른 표준압밀시험을 실시하였다. 두 차례 수행된 시험(Standard#1, Standard#2)의 시료는 카올리나이트-실리카분말을 중량백분율 1:1로 혼합, 증류수를 이용하여 초기 함수비 100% 슬러지 상태의 혼합점성토를 사용하였다. 시험에 사용된 장비와 방법은 기존연구(Kim et al.
, 2011)를 토대로 하였으며 요약하면 다음과 같다. 시험에서 사용된 몰드는 직경 10 cm, 높이 20 cm이며 1 cm 두께의 투명 아크릴로 제작되었다(Fig. 1). 슬러지 상태의 시료를 몰드에 주입 후 상부가압판을 조심스럽게 올렸다.
기존 연구에 의하면 체적백분율과 중량백분율은 유사하며, 중량백분율은 X선 회절시험(XRD)을 이용하여 상당히 정확하게 흙 시료의 구성 비율을 결정할 수 있다고 명시하고 있다(Hardy, 1992; Cote and Konrad, 2005). 본 연구에 사용된 시료의 경우, 카올리나이트와 실리카를 1:1로 혼합하여 사용하였으므로 X선 회절시험 결과와 Table 3에서 제시한 미네랄별 열전도계수를 기하평균으로 계산한 4.66 W/mK를 혼합 점성토 입자의 열전도계수(ks)로 사용하였다(Horai, 1971; Maky and Ramadan, 2010).
데이터처리
1) 표준압밀시험 결과와 일정변형율 압밀시험을 활용한 열전도계수 측정 결과의 비교를 통해 본 연구에서 사용된 자동화 장비의 신뢰성을 확보하였다. 또한 최대건조밀도 1.
이론/모형
두 차례 수행된 시험(Standard#1, Standard#2)의 시료는 카올리나이트-실리카분말을 중량백분율 1:1로 혼합, 증류수를 이용하여 초기 함수비 100% 슬러지 상태의 혼합점성토를 사용하였다. 시험에 사용된 장비와 방법은 기존연구(Kim et al., 2011)를 토대로 하였으며 요약하면 다음과 같다. 시험에서 사용된 몰드는 직경 10 cm, 높이 20 cm이며 1 cm 두께의 투명 아크릴로 제작되었다(Fig.
2는 자동화 장비를 보여주고 있다. 압밀시험의 경우, 일정변형율(Constant Rate of Strain, CRS) 압밀 시험으로 ASTM D4186-06 (2006)에 준하여 혼합점성토 슬러지를 대상으로 시험을 진행하였다. 우선 시료 준비가 완료되면 상부가압판 위에 기존 표준압밀시험에 사용하는 추를 이용하여 상재하중(seating load) 3.
성능/효과
열전도계수 측정 시 시료의 상단과 하단을 일정온도로 유지하고 시료내부의 온도가 일정하게 유지되는 열평형 상태에서 열전도계수를 측정하였다. 실험결과에 따르면 상단과 하단의 온도구배가 증가할수록 측정된 열전도계수는 증가하는 문제가 있었다. 이러한 배경에는 세립토의 열전도계수를 측정할 때 측정 장치의 장기 발열로 인해 함수비 구배가 발생하여 측정 오차가 발생하기 때문이다(Penner, 1962).
본 연구에서는 카올리나이트와 실리카분말을 1:1(중량기준)로 혼합하여 시료를 제작하였다. 혼합점성토의 비중은 2.65이며, 액소성 시험 결과를 토대로 통일분류법에 따라 CL로 분류되었다(Table 1). X선 회절시험(X-ray Diffraction test, XRD)을 이용하여 각각의 구성광물의 중량백분율을 측정하였다.
X선 회절시험(X-ray Diffraction test, XRD)을 이용하여 각각의 구성광물의 중량백분율을 측정하였다. 분석결과(Table 2)에 따르면 카올리나이트의 경우 석영의 함유량이 2.6%, 카올린 79%, 백운모 18.3%로 구성되어 있으며, 실리카분말의 경우 석영의 함유량이 100%로 측정되었다.
슬러지 상태의 시료를 몰드에 주입 후 상부가압판을 조심스럽게 올렸다. 24개의 구멍이 뚫려있는 상부가압판은 열전도계수 측정 시 니들프로브를 수직으로 삽입하는데 필요하고 배수에도 용이하게 사용되었다. 상부가압판은 가드바(Guard bar)를 이용하여 수평을 유지하였다.
Table 4에 정리된 바와 같이 표준압밀시험의 측정된 초기 함수비는 108%, 109%의 슬러지 상태로 진행하였으며 최종함수비는 34%, 35%이다. 다양한 건조밀도에서 열전도계수를 측정하기 위해 일정변형율 압밀시험의 경우에는 초기함수비 88%, 89%로 시료를 제작하였고 시험이 완료된 후 최종함수비는 23%, 24%로 측정되었다.
표준압밀시험을 통해서는 최대 625 kPa의 상재하중을 재하하였지만 일정변형율 압밀시험은 표준압밀시험의 상재하중보다 약 6배 정도 높은 4000 kPa의 상재하중을 재하하였다. 따라서, 최종적으로 표준압밀시험에서 측정 가능한 건조밀도보다 높은 건조밀도까지 열전도계수를 측정할 수 있었다. Table 4에 최종 함수비에서도 일정변형율 압밀시험의 시료가 표준압밀시험과 비교하여 약 10% 낮게 나타나 높은 건조밀도를 반영하고 있다.
현장에서 열전도계수 예측값이 측정값과 최대 25% 오차 범위에서 허용 가능하다는 기존 연구결과(Farouki, 1986)를 바탕으로 De Vries와 Johansen의 경험식을 이용하여 세립토의 열전도계수를 산정하면 현장에서 사용 가능하다고 판단된다. 또한, 본 연구의 결과는 Sass et al. (1971)이 밝힌 흙을 구성하는 성분들의 열전도계수가 10배 이상 차이가 나지 않을 때에는 다른 경험식들과 비교하여 상대적으로 간편한 열전도계수의 기하평균만으로도 비교적 정확히 예측가능하다는 연구결과를 뒷받침하고 있다.
일정변형율 압밀시험을 통해 건조밀도의 변화에 따른 포화된 세립토의 열전도계수를 측정하였다. 압밀시험에 필요한 상재하중 재하와 열전도계수 측정은 자동화 장비를 이용하여 편의성을 높이고 연속적인 측정을 통해 시험 간 발생할 수 있는 오차 확인이 가능하다는 장점을 확보하였다. 측정된 열전도계수를 토대로 결론을 정리하면 다음과 같다.
2) De Vries의 경험식과 Johansen의 경험식은 흙의 구성성분이 차지하는 체적배분율에 따른 열전도계수의 평균값으로 비교적 정확하게 포화된 세립토의 열전도계수를 예측하고 있다. 기존 연구에서 명시된 바와 같이 흙을 구성하는 성분들의 열전도계수가 10배 이상 차이가 나지 않을 때에는 다른 경험식들과 비교하였을 때, 상대적으로 간편한 열전도계수의 기하평균만으로도 정확한 예측이 가능하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
열전달 해석에서 가장 중요한 변수는 무엇인가?
지반 내 열전도 현상은 지구온난화에 따른 지반거동 변화 예측, 극한지 기반시설 건설, 지열 냉난방 시스템의 부하 계산 등 다양한 건설 및 환경 분야에서 중요한 고려사항이다. 열전달 해석에서 가장 중요한 변수인 열전도계수를 산정하는 방법으로 이를 정량적으로 정확하게 예측, 평가할 수 있는 기법의 필요성이 제기되고 있다. 최근 들어서는 세립토를 대상으로 열전도계수에 관한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
일정변형율 압밀시험을 통해 건조밀도의 변화에 따른 포화된 세립토의 열전도계수를 측정하여 얻은 결론을 요약하면 무엇인가?
1) 표준압밀시험 결과와 일정변형율 압밀시험을 활용한 열전도계수 측정 결과의 비교를 통해 본 연구에서 사용된 자동화 장비의 신뢰성을 확보하였다. 또한 최대건조밀도 1.64 g/cm3 이상에서도 열전도계수 측정이 가능하여 현장과 유사한 조건에서 세립토의 열전도계수 평가에 활용 가능하다.
2) De Vries의 경험식과 Johansen의 경험식은 흙의 구성성분이 차지하는 체적배분율에 따른 열전도계수의 평균값으로 비교적 정확하게 포화된 세립토의 열전도계수를 예측하고 있다. 기존 연구에서 명시된 바와 같이 흙을 구성하는 성분들의 열전도계수가 10배 이상 차이가 나지 않을 때에는 다른 경험식들과 비교하였을 때, 상대적으로 간편한 열전도계수의 기하평균만으로도 정확한 예측이 가능하다.
지반 내 열전도 현상은 무엇에 중요한 고려사항인가?
지반 내 열전도 현상은 지구온난화에 따른 지반거동 변화 예측, 극한지 기반시설 건설, 지열 냉난방 시스템의 부하 계산 등 다양한 건설 및 환경 분야에서 중요한 고려사항이다. 열전달 해석에서 가장 중요한 변수인 열전도계수를 산정하는 방법으로 이를 정량적으로 정확하게 예측, 평가할 수 있는 기법의 필요성이 제기되고 있다.
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