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문제 정의
- G-class 시멘트 공시체의 일축압축강도 실험은 지열정 가동 시 케이싱을 통해 전달되는 열에 의해 시멘팅 부분에 발생하는 열응력과 높은 상재하중에 견딜 수 있는지 여부를 판단하기 위해 수행하였다. 고온의 깊은 심도에서의 시멘트의 양생을 모사하기 위해 실험장비의 최고온도 조건(100℃)에서의 건조상태 양생과 지하수 조건에서 시멘트 양생 모사를 위해 상온(21℃)에서의 수중양생을 하여 시편을 준비고 일축압축강도 실험을 수행하였다.
- 본 연구에서는 G-class 시멘트의 유동성을 평가하기 위해 EFNARC(The European Federation for Specialist Construction Chemicals and Concrete Systems)와 JSCE(Japen Society of Civil Engineers)에서 추천하는 시멘트 모르타르에 대한 유동성 평가실험인 V-funnel Test와 Slump Flow Test의 두 가지 방법을 적용하였다. G-class 시멘트의 유동성에 대한 기초연구는 Jeon et al(2012)에 의해 수행되었고, 본 연구에서는 이를 바탕으로 좀 더 다양한 물/시멘트 비에 대한 영향을 검토하였다. 또한, 추가적으로 유동성 확보를 위해 응고를 지연시키거나 배합시점으로부터 원하는 시간에 응고를 유발하기 위해 시멘트 첨가제 중 한 종류인 응고지연제(Retarder, Halliburton Energy Services)를 기존 40SF 배합비에 첨가하여 응고지연제/시멘트 비를 0.
- 본 연구에서는 Kyoto Electronics에서 제조한 QTM-500장비를 이용해 G-class 시멘트 시편의 열전도도를 측정하였다. 열전도도 측정용 시료는 성형틀 안에 50mm×100mm×50mm 규격으로 제작하였고, 전체적인 열전도도 측정 모식도는 Fig.
- 본 연구에서는 실제 지열발전소 건설에 적용하기 위한 지열정 시멘팅 재료로서 G-class 시멘트의 중요한 물리적 특성을 실내실험을 통해 산정하고 적합성을 평가하였다. 또한 페놀프탈레인 지시약을 이용하여 G-class 시멘트와 시추용 이수를 구분하는 시험을 수행하였다.
- 이와 같은 배경에서 본 연구에서는 G-class 시멘트가 지열정 공벽 시멘팅 재료로서의 적합한 기능 유지에 필수적인 중요한 물리적 특성인 유동성, 일축압축강도, 열전도도 및 free fluid 함유율을 다양한 물/시멘트 비에서 실내실험을 통해 평가하고 각각의 물리적 특성에 대한 지열정 시멘팅 재료로서의 적합성을 판단하고자 한다. 본 연구에서 수행한 실내실험에서 G-class 시멘트 배합비는 미국 BNL(Brookhaven National Laboratory)의 Philippacopoulos and Berndt(2000)가 제안한 지열정 시멘트 시멘팅 재료의 기본 배합비 중 40SF type(Table 1)의 배합비를 기초로 물/시멘트 비를 변화시키면서 실험을 수행하였다.
제안 방법
- 40SF 배합비에서 물/시멘트 비 0.55, 0.6, 0.7, 0.8에 대한 G-class 시멘트 모르타르의 V-Funnel Test 측정값(Rm값)을 y축에 Slump Flow Test 측정값(Γc값)을 x축에 도식하였다(Fig. 3).
- 40SF 배합비에서 물/시멘트 비를 0.55로 고정시키고 응고지연제/시멘트 비 0.005, 0.01, 0.015, 0.02, 0.025에 대한 G-class 시멘트 모르타르의 V-Funnel Test 측정값(Rm값)을 y축에 Slump Flow Test 측정값(Γc값)을 x축에 도식하였다(Fig. 4).
- 시험에 사용된 시료는 타설 또는 배합 직후의 시멘트 모르타르부터 타설 이후 10분 간격으로 모두 6회 실험을 실시하였다. V-funnel 아크릴 통과 시멘트 모르타르의 마찰을 최소화하기 위해 시험 시작 전에 아크릴 통에 소량의 물을 도포하고, 아크릴 통의 수평, 수직도를 맞추고 출구를 개방하였다. V-funnel Test에 의한 유동성 평가는 식 (1)의 Rm(Relative Funnel Speed of Mortar)값을 통해 판단한다.
- 8)에 대해 열전도도 측정을 수행하였다. 각 조건에서 열전도도를 3회 측정하고 이를 평균하여 대표 열전도도 값으로 제시하였다.
- 고온의 깊은 심도에서의 시멘트의 양생을 모사하기 위해 실험장비의 최고온도 조건(100℃)에서의 건조상태 양생과 지하수 조건에서 시멘트 양생 모사를 위해 상온(21℃)에서의 수중양생을 하여 시편을 준비고 일축압축강도 실험을 수행하였다. 고온 건조양생과 상온 수중양생 모두 시멘트 모르타르 배합 후 28일간 양생 후 일축압축강도 실험을 수행하였다.
- G-class 시멘트 공시체의 일축압축강도 실험은 지열정 가동 시 케이싱을 통해 전달되는 열에 의해 시멘팅 부분에 발생하는 열응력과 높은 상재하중에 견딜 수 있는지 여부를 판단하기 위해 수행하였다. 고온의 깊은 심도에서의 시멘트의 양생을 모사하기 위해 실험장비의 최고온도 조건(100℃)에서의 건조상태 양생과 지하수 조건에서 시멘트 양생 모사를 위해 상온(21℃)에서의 수중양생을 하여 시편을 준비고 일축압축강도 실험을 수행하였다. 고온 건조양생과 상온 수중양생 모두 시멘트 모르타르 배합 후 28일간 양생 후 일축압축강도 실험을 수행하였다.
- 본 연구에서는 실제 지열발전소 건설에 적용하기 위한 지열정 시멘팅 재료로서 G-class 시멘트의 중요한 물리적 특성을 실내실험을 통해 산정하고 적합성을 평가하였다. 또한 페놀프탈레인 지시약을 이용하여 G-class 시멘트와 시추용 이수를 구분하는 시험을 수행하였다. 연구결과를 정리하면 다음과 같다.
- G-class 시멘트의 유동성에 대한 기초연구는 Jeon et al(2012)에 의해 수행되었고, 본 연구에서는 이를 바탕으로 좀 더 다양한 물/시멘트 비에 대한 영향을 검토하였다. 또한, 추가적으로 유동성 확보를 위해 응고를 지연시키거나 배합시점으로부터 원하는 시간에 응고를 유발하기 위해 시멘트 첨가제 중 한 종류인 응고지연제(Retarder, Halliburton Energy Services)를 기존 40SF 배합비에 첨가하여 응고지연제/시멘트 비를 0.005에서 0.025까지 증가시키면서 유동성 실험을 반복 수행하였다.
- 이와 같은 배경에서 본 연구에서는 G-class 시멘트가 지열정 공벽 시멘팅 재료로서의 적합한 기능 유지에 필수적인 중요한 물리적 특성인 유동성, 일축압축강도, 열전도도 및 free fluid 함유율을 다양한 물/시멘트 비에서 실내실험을 통해 평가하고 각각의 물리적 특성에 대한 지열정 시멘팅 재료로서의 적합성을 판단하고자 한다. 본 연구에서 수행한 실내실험에서 G-class 시멘트 배합비는 미국 BNL(Brookhaven National Laboratory)의 Philippacopoulos and Berndt(2000)가 제안한 지열정 시멘트 시멘팅 재료의 기본 배합비 중 40SF type(Table 1)의 배합비를 기초로 물/시멘트 비를 변화시키면서 실험을 수행하였다.
- 본 연구에서는 pH 8.2이상에서 붉게 변하는 페놀프탈레인 지시약을 이용하여 G-class 시멘트와 지열정 시공에 실제로 이용되는 시추머드를 5가지 종류의 중량비로 혼합하여 각각의 pH를 측정하고 페놀프탈레인 지시약을 첨가하여 시료의 색상 변화를 평가하였다. 따라서 G-class 시멘트와 시추용 이수를 구분하기 위해서 이수는 반드시 pH 8.
- 본 연구에서는 시편 온도에 따른 열전도도 차이를 비교하기 위해 시편의 온도가 각각 20°C와 50°C로 유지되도록 한 후 물/시멘트 비(0.55, 0.6, 0.7, 0.8)에 대해 열전도도 측정을 수행하였다.
- 8인 경우에는 지열정 시멘팅에 적용하기 적합한 유동성을 보이나 높은 물/시멘트 비 때문에 충분한 강도를 발휘하지 못할 것으로 예상할 수 있다. 부족한 G-class 시멘트의 유동성 향상을 위해 응고 지연제를 첨가한 상태에서 유동성 실험을 다시 수행하였다.
- 본 연구에서는 API(American Petroleum Institute) specification 10A에서 제안한 실험방법으로 free fluid 실험을 진행하였다(API, 2009). 시멘트 배합 후 1분 안에 시료를 플라스크에 담아서 교반기를 이용해 20분간 교반한 후 수분이 증발하지 않게 플라스크 입구를 막고 2시간 후에 시멘트 위에 형성된 free fluid의 양을 측정하는 방법으로 G-class 시멘트의 free fluid 실험을 진행하였다. 교반기는 Fig.
- 2a의 V-Funnel에 채우고 시료 상부를 평편하게 유지하고 출구에서 시료가 유출되지 않도록 출구를 닫은 상태에서 10초간 기다린 후, 출구를 개방하고 중력에 의해서만 시멘트 모르타르가 하부로 유출되도록 하여 모르타르가 모두 빠져나가는 시간을 기록하고 시험을 종료하는 과정으로 진행된다. 시험에 사용된 시료는 타설 또는 배합 직후의 시멘트 모르타르부터 타설 이후 10분 간격으로 모두 6회 실험을 실시하였다. V-funnel 아크릴 통과 시멘트 모르타르의 마찰을 최소화하기 위해 시험 시작 전에 아크릴 통에 소량의 물을 도포하고, 아크릴 통의 수평, 수직도를 맞추고 출구를 개방하였다.
- 평균 강도를 산정하기 위해 고온 건조양생과 상온 수중양생 조건에 대해 각각 4개의 공시체를 양생하여 강도평가를 수행하였다. 일축압축 하중을 재하 하여 공시체에 발생하는 응력-변형률 선도를 작성하고 탄성구간의 기울기로부터 탄성계수를 결정하였다. 일축압축강도 실험은 유동성 실험과 동일하게 Table 1의 40SF type의 배합비를 기초로 물/시멘트 비를 변화시켜가며 수행하였다.
- 일축압축강도 실험용 공시체는 직경 100mm이고 높이 200mm의 표준공시체(KSF2403) 규격을 적용하였고, 공시체에 스트레인게이지를 종방향으로 2개, 횡방향으로 1개를 부착하여 일축압축강도와 탄성계수를 측정하였다. 평균 강도를 산정하기 위해 고온 건조양생과 상온 수중양생 조건에 대해 각각 4개의 공시체를 양생하여 강도평가를 수행하였다.
- 일축압축 하중을 재하 하여 공시체에 발생하는 응력-변형률 선도를 작성하고 탄성구간의 기울기로부터 탄성계수를 결정하였다. 일축압축강도 실험은 유동성 실험과 동일하게 Table 1의 40SF type의 배합비를 기초로 물/시멘트 비를 변화시켜가며 수행하였다. 일축압축강도는 공시체가 파괴된 시점(Fig.
- 일축압축강도 실험용 공시체는 직경 100mm이고 높이 200mm의 표준공시체(KSF2403) 규격을 적용하였고, 공시체에 스트레인게이지를 종방향으로 2개, 횡방향으로 1개를 부착하여 일축압축강도와 탄성계수를 측정하였다. 평균 강도를 산정하기 위해 고온 건조양생과 상온 수중양생 조건에 대해 각각 4개의 공시체를 양생하여 강도평가를 수행하였다. 일축압축 하중을 재하 하여 공시체에 발생하는 응력-변형률 선도를 작성하고 탄성구간의 기울기로부터 탄성계수를 결정하였다.
대상 데이터
- 열전도도 측정용 시료는 성형틀 안에 50mm×100mm×50mm 규격으로 제작하였고, 전체적인 열전도도 측정 모식도는 Fig. 6과 같다.
이론/모형
- 본 연구에서는 API(American Petroleum Institute) specification 10A에서 제안한 실험방법으로 free fluid 실험을 진행하였다(API, 2009). 시멘트 배합 후 1분 안에 시료를 플라스크에 담아서 교반기를 이용해 20분간 교반한 후 수분이 증발하지 않게 플라스크 입구를 막고 2시간 후에 시멘트 위에 형성된 free fluid의 양을 측정하는 방법으로 G-class 시멘트의 free fluid 실험을 진행하였다.
- 따라서 시추지역이나 시추심도 등을 종합적으로 고려하여 시멘팅을 위한 최적의 유동성을 확보하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 G-class 시멘트의 유동성을 평가하기 위해 EFNARC(The European Federation for Specialist Construction Chemicals and Concrete Systems)와 JSCE(Japen Society of Civil Engineers)에서 추천하는 시멘트 모르타르에 대한 유동성 평가실험인 V-funnel Test와 Slump Flow Test의 두 가지 방법을 적용하였다. G-class 시멘트의 유동성에 대한 기초연구는 Jeon et al(2012)에 의해 수행되었고, 본 연구에서는 이를 바탕으로 좀 더 다양한 물/시멘트 비에 대한 영향을 검토하였다.
- 는 이때의 열선의 온도(℃)가 된다. 시료성형 틀에 시멘트 시편을 양생시킨 후 열전도도 측정 시, Lee(2012)가 제안한 방법을 적용하여 시편 온도는 항온 수조와 연결된 시료성형 틀 외부에 목표 온도의 물을 순환시켜 시편을 일정한 온도로 유지한 상태에서 열전도도를 측정하였다(Fig. 5). 본 연구에서는 시편 온도에 따른 열전도도 차이를 비교하기 위해 시편의 온도가 각각 20°C와 50°C로 유지되도록 한 후 물/시멘트 비(0.
- 일축압축강도는 공시체가 파괴된 시점(Fig. 5)에서 측정된 압축강도로 산정하였고, 탄성계수는 파괴시 압축강도의 40%에 해당하는 지점과 변형률 5.0×10-5에 해당하는 지점 사이의 기울기를 이용하여 탄성계수를 산정하는 ASTM(American Society for Testing Material)에서 제시하는 방법을 적용하였다.
성능/효과
- (1) G-class 시멘트의 유동성은 응고지연제 첨가에 의해 크게 향상되므로 심부에서 G-class 시멘트 경화속도를 감소시키기 위해 G-class 시멘트 배합시 응고지연제의 첨가는 유동성 측면에서 필수적이다. 또한 일정비율 이상의 응고지연제를 첨가할 시 G-class 시멘트 타설 후 상당한 시간동안 유동성 확보가 가능하다.
- (2) 물/시멘트 비 0.55∼0.8 범위에서 기존문헌에서 제시한 G-class 시멘트의 일축압축강도 기준을 충족시킬 수 있다.
- (3) G-class 시멘트의 열전도도는 시편 내 설정온도 20℃와 50℃의 조건 모두 물/시멘트 비가 높아질수록 열전도도는 낮아지는 경향을 보였다. 또한, 본 논문에서 사용한 G-class 시멘트와 배합비는 비교적 낮은 열전도도를 보이므로 지열발전 효율성 측면에서 지열정 시멘팅 재료로써 적합한 것을 확인하였다.
- (4) G-class 시멘트의 산정된 free fluid 함유율은 API의 한계기준 보다 매우 낮은 값을 보였다. 이는 본 연구에서 G-class 시멘트 배합시 적용한 물/시멘트 비와 관계없이 free fluid에 의한 문제는 미미함을 알 수 있다.
- (5) 페놀프탈레인 지시약은 시추용 이수에 G-class 시멘트가 소량만 함유되어 있어도 붉게 변하므로 지열정 시공시에 지표면에서 시추용 이수만 지상으로 반출하기 위한 지시약으로써 적합할 것으로 판단된다.
- Free fluid 측정 실험을 수행한 결과 전체적으로 물/시멘트 비가 증가할수록 free fluid 함유율이 증가하는 경향을 보였다. 하지만, 물/시멘트 비 0.
- G-class 시멘트와 시추용 이수 배합시료의 pH 측정결과 G-class 시멘트의 중량비가 늘어날수록 pH가 증가하는 경향을 보였다. 또한, G-class 시멘트 중량비 0.
- 즉, 응고지연제의 첨가는 G-class 시멘트 모르타르의 경화속도를 효과적으로 감소시켜 시간에 따른 유동성 감소 정도를 최소화 할 수 있을 것으로 판단된다. 결론적으로 유동성 확보 측면에서 지열정 시멘팅 재료로써 G-class 시멘트에 응고지연제의 첨가는 매우 효과적이라 할 수 있다.
- 따라서, 본 논문에서 수행한 G-class 시멘트 배합 시 물/시멘트 비 0.55∼0.8 구간에서는 낮은 일축압축강도로 인한 구조적 문제가 발생할 소지가 없다고 판단된다.
- 015구간에서 가장 큰 폭의 유동성 상승을 보였다. 또한 응고지연제/시멘트 비가 0.015이상이 되면 G-class 시멘트 모르타르 배합 후 50분이 경과하여도 충분한 유동성을 보였다. 즉, 응고지연제의 첨가는 G-class 시멘트 모르타르의 경화속도를 효과적으로 감소시켜 시간에 따른 유동성 감소 정도를 최소화 할 수 있을 것으로 판단된다.
- 이 상당히 증가한 것을 확인할 수 있다. 또한 응고지연제/시멘트 비가 증가할수록 유동성이 증가하는 경향을 보였다. 특히, 응고지연제/시멘트 비 0.
- (3) G-class 시멘트의 열전도도는 시편 내 설정온도 20℃와 50℃의 조건 모두 물/시멘트 비가 높아질수록 열전도도는 낮아지는 경향을 보였다. 또한, 본 논문에서 사용한 G-class 시멘트와 배합비는 비교적 낮은 열전도도를 보이므로 지열발전 효율성 측면에서 지열정 시멘팅 재료로써 적합한 것을 확인하였다.
- 물/시멘트비가 0.55와 0.6인 경우에는 Γc값과 Rm값이 거의 0에 가깝고 물/시멘트 비가 0.7인 경우에는 Rm이 측정되지만 매우 작은 값을 보이며 시멘트 모르타르 배합 후 30분부터는 모르타르의 유동성이 급격히 감소하여 G-class 시멘트의 시간에 따른 경화정도가 매우 빠르게 진행되었다.
- 하지만 실제 심부 지열정의 환경은 양생조건이 본 연구의 실험조건(100℃)보다 더 고온일 수 있는 동시에 지하수도 존재할 수 있으므로 본 연구를 통해 실제 G-class시멘트가 지열정 시멘팅에 적용될 때 실제 양생조건에서의 탄성계수를 정확하게 예측하기는 어렵다. 본 연구에서 탄성계수가 물/시멘트 비가 높아질수록 다소 낮아지는 경향을 보이나 물/시멘트 비 0.55와 0.6 간의 경향성이 다소 불확실하게 나타났다. 고온 건조양생의 경우 물/시멘트 비 0.
- 열전도도 실험 결과, 시편 온도 20℃와 50℃ 모두 물/시멘트 비가 높아질수록 열전도도는 낮아지는 경향을 보였다. 또한 Santoyo et al.
- 유동성 실험 결과, 물/시멘트 비가 증가할수록 Γc값과 Rm값이 증가하는 것으로 나타났다.
- 응고지연제를 첨가한 후, G-class 시멘트 모르타르의 유동성이 크게 향상되어 소량의 응고지연제 첨가만으로도 응고지연제 첨가 전과 비교할 때 동일한 물/시멘트 비에서 Γc값과 Rm이 상당히 증가한 것을 확인할 수 있다.
- (4) G-class 시멘트의 산정된 free fluid 함유율은 API의 한계기준 보다 매우 낮은 값을 보였다. 이는 본 연구에서 G-class 시멘트 배합시 적용한 물/시멘트 비와 관계없이 free fluid에 의한 문제는 미미함을 알 수 있다.
- 015이상이 되면 G-class 시멘트 모르타르 배합 후 50분이 경과하여도 충분한 유동성을 보였다. 즉, 응고지연제의 첨가는 G-class 시멘트 모르타르의 경화속도를 효과적으로 감소시켜 시간에 따른 유동성 감소 정도를 최소화 할 수 있을 것으로 판단된다. 결론적으로 유동성 확보 측면에서 지열정 시멘팅 재료로써 G-class 시멘트에 응고지연제의 첨가는 매우 효과적이라 할 수 있다.
- 탄성계수와 일축압축강도는 모두 고온 건조양생한 공시체가 상온 수중양생한 공시체에 비해 낮게 평가되었다. 이 결과를 토대로 고온에서 G-class시멘트가 양생 되는 경우 파괴나 변형에 매우 취약할 것임을 유추해 볼 수 있다.
후속연구
- 이 결과를 토대로 고온에서 G-class시멘트가 양생 되는 경우 파괴나 변형에 매우 취약할 것임을 유추해 볼 수 있다. 하지만 실제 심부 지열정의 환경은 양생조건이 본 연구의 실험조건(100℃)보다 더 고온일 수 있는 동시에 지하수도 존재할 수 있으므로 본 연구를 통해 실제 G-class시멘트가 지열정 시멘팅에 적용될 때 실제 양생조건에서의 탄성계수를 정확하게 예측하기는 어렵다. 본 연구에서 탄성계수가 물/시멘트 비가 높아질수록 다소 낮아지는 경향을 보이나 물/시멘트 비 0.
- 지열발전이란 시추공을 통하여 지하에 저류되어 있는지열 유체를 분출시키거나 주입정에 인공적으로 물을 주입시켜 고온의 물이나 수증기를 추출한 후, 고온의 물이나 수증기가 발전기 터빈을 작동하는 발전방식이다. 향후 지열발전은 종래의 투수성이 양호한 지열 저류층에서 생산되는 열수를 직접 이용하여 전기를 생산했던 재래식 방법에서 탈피하여 고온 건조암체(Hot Dry Rock) 내에 부존된 지열을 개발 이용하는 공학적 지열시스템(Enhanced Geothermal System, EGS)과 2차 작동유체와 열 교환방식을 이용하는 2차 지열발전(binary cycle power plant)방법을 병용하는 기법이 주를 이룰 것으로 예상된다(Han et al., 2010). Fig.
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