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문제 정의
- 먼저 기존 건조로를 이용한 방법으로 유기질토의 함수비 측정에 적합한 온도와 측정시간을 제시하고자 하였다. 또한 흙뿐만 아니라 가축사료의 수분 측정에 사용되는 전자레인지를 이용하여 적절한 측정시간과 시료 무게를 제시하고자 하였다. 전자레인지를 이용한 방법은 신속하면서도 정확한 함수비 측정이 가능하므로 국내 토목 분야에서도 충분히 이용 가능한 방법이다.
- 본 연구에서는 유기질이나 섬유질 함량이 높은 흙의 함수비를 좀 더 정확하게 측정하기 위한 방법에 대하여 연구하였다. 먼저 기존 건조로를 이용한 방법으로 유기질토의 함수비 측정에 적합한 온도와 측정시간을 제시하고자 하였다. 또한 흙뿐만 아니라 가축사료의 수분 측정에 사용되는 전자레인지를 이용하여 적절한 측정시간과 시료 무게를 제시하고자 하였다.
- 본 연구에서는 국내 KS기준에서 아직 제시하지 않은 유기질토의 정확한 함수비 측정을 위해 기존 건조로를 이용한 방법과 새롭게 전자레인지를 이용하는 방법에 대하여 연구하였다. 본 연구에 사용한 흙은 충청북도 인근에서 채취한 유기질토를 비롯하여 모래, 실트, 점토와 같은 일반 흙(Non-organic soils)으로 함수비 측정방법에 따른 흙의 함수비 차이를 분석하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 본 연구에서는 유기질이나 섬유질 함량이 높은 흙의 함수비를 좀 더 정확하게 측정하기 위한 방법에 대하여 연구하였다. 먼저 기존 건조로를 이용한 방법으로 유기질토의 함수비 측정에 적합한 온도와 측정시간을 제시하고자 하였다.
제안 방법
- 각각의 시료를 30g 또는 60g 준비한 다음 국내 S사가 제조한 700W 출력 전자레인지에 넣고 측정시간을 3, 6, 9, 12, 또는 15분으로 달리하면서 함수비를 측정하였다. 즉, 함수비 측정은 정해진 양의 시료를 전자레인지에 넣고 3분 동안 작동시킨 다음 전자레인지에서 꺼내어 1분 동안 식힌 다음 무게를 측정하고 다시 전자레인지에 넣고 3분 작동시킨 후 무게를 측정하는 방식을 15분까지 반복하여 수행하였다.
- 유기질 성분이 없는 모래, 실트, 및 카올리나이트는 건조된 상태에서 증류수를 인위적으로 15-16%(모래와 실트) 또는 33%(카올리나이트) 정도 혼합하여 함수비 측정이 가능하도록 하였다. 건조로의 온도와 측정 시간에 따른 유기질토의 함수비 변화를 비교하기 위하여 건조로의 온도를 60, 80, 110℃ 3단계로 설정한 다음 각 단계별로 3일 동안 함수비를 측정하였다.
- 유기질토는 해당지역에서 채취한 다음 밀봉하여 현장 함수비를 유지하였으며, 유기질토의 정확한 함수비 측정을 위하여 흙에서 나뭇잎, 잔가지 등과 같이 육안으로 구분이 되는 이물질들을 제거한 다음 실험에 사용하였다. 또한 유기질이 포함되지 않은 일반 흙은 110℃의 건조로에서 건조된 흙(Sand, Silt, Kaolinite)을 사용하였으며, 실험 시 일정량의 수분을 추가하여 함수비 실험을 실시하였다.
- 채취한 유기질토의 유기질 함량을 측정하기 위하여 대구광역시 달성군 농업기술센터에 흙의 종류에 따른 유기질 함량 측정을 의뢰하였으며, 결과는 Table 1과 같다. 또한 흙의 기본 물성 확인을 위하여 비중시험을 본 연구실에서 직접 실시하였다. 농업기술센터에서 실시한 유기질 함량 측정방법은 강열감량법(KS F2104)으로 유기질토를 도가니에 넣고 800℃로 가열 후 무게를 측정하여 아래 식 1과 같이 시료 무게에 대한 손실된 무게의 비를 유기질 함량으로 표시하였다.
- 본 연구에서는 국내 KS기준에서 아직 제시하지 않은 유기질토의 정확한 함수비 측정을 위해 기존 건조로를 이용한 방법과 새롭게 전자레인지를 이용하는 방법에 대하여 연구하였다. 본 연구에 사용한 흙은 충청북도 인근에서 채취한 유기질토를 비롯하여 모래, 실트, 점토와 같은 일반 흙(Non-organic soils)으로 함수비 측정방법에 따른 흙의 함수비 차이를 분석하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 본 연구에서는 문헌 조사를 통하여 유기질 함량이 높은 몇몇 지역을 선택한 다음 직접 현장을 방문하여 유기질토를 채취하였다. 유기질토를 채취한 지역은 충청북도 영동읍 산이리 4곳(Sani-ri 1, Sani-ri 2, Sani-ri 3, Sani-ri 4), 화신리 2곳(Hwasin-ri 1, Hwasin-ri 2), 추풍령면 1곳(Chupungryeong-myeon)이다.
- 현장에서 채취한 흙은 함수비 측정을 위해 사전에 동일한 무게로 나누어 분리한 다음 밀봉하여 보관하였다. 유기질 성분이 없는 모래, 실트, 및 카올리나이트는 건조된 상태에서 증류수를 인위적으로 15-16%(모래와 실트) 또는 33%(카올리나이트) 정도 혼합하여 함수비 측정이 가능하도록 하였다. 건조로의 온도와 측정 시간에 따른 유기질토의 함수비 변화를 비교하기 위하여 건조로의 온도를 60, 80, 110℃ 3단계로 설정한 다음 각 단계별로 3일 동안 함수비를 측정하였다.
- 소량의 유기질이 함유된 진해지역 해성점토(Marine clay)와 유기질 성분이 없는 낙동강 모래(Sand), 낙동강 실트(Silt), 그리고 카올리나이트(Kaolinite)도 사용하였다. 유기질토는 해당지역에서 채취한 다음 밀봉하여 현장 함수비를 유지하였으며, 유기질토의 정확한 함수비 측정을 위하여 흙에서 나뭇잎, 잔가지 등과 같이 육안으로 구분이 되는 이물질들을 제거한 다음 실험에 사용하였다. 또한 유기질이 포함되지 않은 일반 흙은 110℃의 건조로에서 건조된 흙(Sand, Silt, Kaolinite)을 사용하였으며, 실험 시 일정량의 수분을 추가하여 함수비 실험을 실시하였다.
- 함수비 측정방법에 따른 일반 흙과 유기질토의 함수비 차이를 Table 5에 비교하였다. 즉, 1일 동안 건조로 온도 110℃, 80℃, 또는 60℃에서 측정한 함수비와 전자레인지에 60g의 시료를 넣고 15분 후에 측정한 함수비와 비교하였다. Fig.
- 각각의 시료를 30g 또는 60g 준비한 다음 국내 S사가 제조한 700W 출력 전자레인지에 넣고 측정시간을 3, 6, 9, 12, 또는 15분으로 달리하면서 함수비를 측정하였다. 즉, 함수비 측정은 정해진 양의 시료를 전자레인지에 넣고 3분 동안 작동시킨 다음 전자레인지에서 꺼내어 1분 동안 식힌 다음 무게를 측정하고 다시 전자레인지에 넣고 3분 작동시킨 후 무게를 측정하는 방식을 15분까지 반복하여 수행하였다.
- 채취한 유기질토의 유기질 함량을 측정하기 위하여 대구광역시 달성군 농업기술센터에 흙의 종류에 따른 유기질 함량 측정을 의뢰하였으며, 결과는 Table 1과 같다. 또한 흙의 기본 물성 확인을 위하여 비중시험을 본 연구실에서 직접 실시하였다.
대상 데이터
- 유기질토를 채취한 지역은 충청북도 영동읍 산이리 4곳(Sani-ri 1, Sani-ri 2, Sani-ri 3, Sani-ri 4), 화신리 2곳(Hwasin-ri 1, Hwasin-ri 2), 추풍령면 1곳(Chupungryeong-myeon)이다. 소량의 유기질이 함유된 진해지역 해성점토(Marine clay)와 유기질 성분이 없는 낙동강 모래(Sand), 낙동강 실트(Silt), 그리고 카올리나이트(Kaolinite)도 사용하였다. 유기질토는 해당지역에서 채취한 다음 밀봉하여 현장 함수비를 유지하였으며, 유기질토의 정확한 함수비 측정을 위하여 흙에서 나뭇잎, 잔가지 등과 같이 육안으로 구분이 되는 이물질들을 제거한 다음 실험에 사용하였다.
- 본 연구에서는 문헌 조사를 통하여 유기질 함량이 높은 몇몇 지역을 선택한 다음 직접 현장을 방문하여 유기질토를 채취하였다. 유기질토를 채취한 지역은 충청북도 영동읍 산이리 4곳(Sani-ri 1, Sani-ri 2, Sani-ri 3, Sani-ri 4), 화신리 2곳(Hwasin-ri 1, Hwasin-ri 2), 추풍령면 1곳(Chupungryeong-myeon)이다. 소량의 유기질이 함유된 진해지역 해성점토(Marine clay)와 유기질 성분이 없는 낙동강 모래(Sand), 낙동강 실트(Silt), 그리고 카올리나이트(Kaolinite)도 사용하였다.
이론/모형
- 또한 흙의 기본 물성 확인을 위하여 비중시험을 본 연구실에서 직접 실시하였다. 농업기술센터에서 실시한 유기질 함량 측정방법은 강열감량법(KS F2104)으로 유기질토를 도가니에 넣고 800℃로 가열 후 무게를 측정하여 아래 식 1과 같이 시료 무게에 대한 손실된 무게의 비를 유기질 함량으로 표시하였다. 유기질 함량은 Hwasin-ri 2에서 채취한 시료가 65% 이상으로 가장 높았으며, Marine clay가 7%로 가장 낮은 유기질 함량을 보였다.
성능/효과
- (1) 유기질 함량이 증가할수록 흙의 비중은 감소하였으며, 자연함수비는 증가하는 경향을 보였다.
- (2) 유기질토의 경우 건조로의 온도가 높을수록 흙 속에 포함된 유기질 성분이 분해되면서 함수비는 증가하였으며, 본 연구에 사용한 일부 시료의 경우 60℃보다 110℃에서 최대 2배 정도 높게 측정되었다. 한편 건조로 측정시간에 따른 함수비 변화는 온도나 유기질 함량에 관계없이 대부분 1일 후 함수비 변화가 미미하였다.
- (3) 전자레인지를 사용하여 흙의 함수비를 측정한 경우 시료의 양이 30g일 경우에는 12분 그리고 60g일 경우에는 15분 정도면 충분히 함수비 측정이 가능한 것으로 판단되었다. 전자레인지를 이용하여 측정한 함수비는 건조로 60℃에서 측정한 함수비와 유사한 경향을 보였으며, 30g보다는 60g을 사용한 경우에 더욱 유사한 값을 보였다.
- (4) 유기질토의 함수비는 ASTM D2216에서 제안한 것처럼 60℃의 건조로로 실험하는 것이 타당할 것으로 판단되며, 현장에서 즉시 유기질토나 일반 흙의 함수비 측정을 위해 전자레인지를 이용할 경우에는 100g 이하의 시료로 ASTM D4643에서 제시한 3분보다는 15분 정도의 작동시간이 필요한 것으로 판단된다. 한편 KS기준에도 이와 같은 유기질토에 대한 함수비 측정방법을 비롯하여 전자레인지를 이용한 함수비 측정방법에 대한 제안도 필요할 것으로 판단된다.
- 그리고 80℃ 정도에서 대부분의 유기질 성분이 분해되고 남은 일부 유기질 성분이 110℃에서 분해된 것으로 판단된다. 1일 동안 측정한 건조로의 온도 증가에 따른 동일한 유기질 토의 함수비 증가는 3.01～28.36% 정도로 유기질 함량이 높은 흙일수록 함수비 변화가 크게 나타났다. 특히 화신리 지역 흙인 Hwasin 1과 Hwasin 2의 유기질 함량은 60% 이상으로 이 흙의 온도 변화에 따른 함수비 변화는 28.
- 2는 함수비가 비교적 높은 흙과 낮은 흙으로 구분하여 건조로 온도 변화에 따른 1일 후 측정한 함수비 결과를 비교하고 있다. 60℃에서 함수비가 가장 낮고 온도가 80℃로 증가함에 따라 함수비가 크게 증가하였다가 110℃에서는 일정하거나 조금 증가하는 경향을 보였다. 이것은 건조로의 온도가 높을수록 건조과정에서 흙 시료 내 섬유질과 같은 유기질이 분해되면서 수분 이외의 중량이 감소하기 때문으로 판단된다.
- 결론적으로 전자레인지를 이용하여 함수비를 측정할 경우 30g을 사용하거나 60g을 사용하거나 15분 이후에는 서로 유사한 함수비가 측정되었으며, 특히 60g을 사용한 경우는 Table 3의 60℃의 함수비와 유사하게 나타났다. 따라서 전자레인지를 이용하여 함수비를 측정할 시에는 시료 무게를 100g 이내로 15분 동안 측정하면 적절할 것으로 판단된다.
- 38% 이내로 일부를 제외하면 대체적으로 유사한 경향을 보였다. 따라서 100g 이하의 흙을 전자레인지에 넣고 15분 동안 가동하면 짧은 시간 내에 흙의 유기질 함량에 관계없이 비교적 정확한 함수비를 측정할 수 있을 것으로 판단된다.
- 결론적으로 전자레인지를 이용하여 함수비를 측정할 경우 30g을 사용하거나 60g을 사용하거나 15분 이후에는 서로 유사한 함수비가 측정되었으며, 특히 60g을 사용한 경우는 Table 3의 60℃의 함수비와 유사하게 나타났다. 따라서 전자레인지를 이용하여 함수비를 측정할 시에는 시료 무게를 100g 이내로 15분 동안 측정하면 적절할 것으로 판단된다.
- 99%로 가장 높게 나타났다. 따라서, 건조로를 이용한 유기질토의 함수비 측정 시 ASTM D2216에서 언급한 것처럼 110℃가 아닌 60℃에서 측정해야 보다 정확한 함수비 측정이 되리라 판단된다.
- 본 연구에서 사용한 시료의 종류와 양을 고려할 경우 12분에서 15분 사이에서 함수비 변화가 거의 나타나지 않았다. 따라서 전자레인지를 이용하여 함수비를 측정할 경우, 측정시간은 시료에 양에 따라 달라질 수 있으나, 시료 양이 60g 이하일 경우 작동시간은 15분이면 충분할 것으로 판단된다.
- 5와 같이 60g 일 경우에는 12분 정도에서 수렴하는 경향을 보였다. 시료의 양이 많을수록 측정시간에 따른 함수비 변화는 더 크게 발생하였으나, 15분 작동 후의 함수비의 차이는 시료의 양이 30g이냐 60g이냐에 따라 크게 차이 나지 않았다.
- 농업기술센터에서 실시한 유기질 함량 측정방법은 강열감량법(KS F2104)으로 유기질토를 도가니에 넣고 800℃로 가열 후 무게를 측정하여 아래 식 1과 같이 시료 무게에 대한 손실된 무게의 비를 유기질 함량으로 표시하였다. 유기질 함량은 Hwasin-ri 2에서 채취한 시료가 65% 이상으로 가장 높았으며, Marine clay가 7%로 가장 낮은 유기질 함량을 보였다. Fig.
- Table 3은 각 지역에서 채취한 시료에 대한 함수비 측정 결과를 비교하고 있다. 유기질을 포함하고 있지 않은 흙은 온도에 따라 함수비 변화가 거의 없는 것으로 나타났으나, 모든 유기질토의 경우 건조로 온도가 증가함에 따라 함수비도 증가하는 경향을 보였다.
- (3) 전자레인지를 사용하여 흙의 함수비를 측정한 경우 시료의 양이 30g일 경우에는 12분 그리고 60g일 경우에는 15분 정도면 충분히 함수비 측정이 가능한 것으로 판단되었다. 전자레인지를 이용하여 측정한 함수비는 건조로 60℃에서 측정한 함수비와 유사한 경향을 보였으며, 30g보다는 60g을 사용한 경우에 더욱 유사한 값을 보였다.
- Table 4는 전자레인지를 이용하여 측정한 함수비 결과를 비교하고 있으며, 시료 양이 동일한 경우 측정시간이 늘어날수록 수분 증발에 따라 함수비는 증가하는 경향을 보였다. 즉, 측정시간이 3분에서 15분으로 증가함에 따라 흙의 함수비는 해성점토, 모래 및 실트의 경우 10-30% 정도만 증가하였지만, 유기질토는 2배에서 Sani-ri 1의 경우에는 최대 9배까지 함수비가 증가하였다. 유기질 성분이 많은 흙보다는 상대적으로 입경이 크고 공극이 많은 사질토에서 수분 증발이 빠르게 발생하면서 시간 증가에 따른 차이가 작게 발생한 것으로 판단된다.
- 36% 정도로 유기질 함량이 높은 흙일수록 함수비 변화가 크게 나타났다. 특히 화신리 지역 흙인 Hwasin 1과 Hwasin 2의 유기질 함량은 60% 이상으로 이 흙의 온도 변화에 따른 함수비 변화는 28.36%와 23.99%로 가장 높게 나타났다. 따라서, 건조로를 이용한 유기질토의 함수비 측정 시 ASTM D2216에서 언급한 것처럼 110℃가 아닌 60℃에서 측정해야 보다 정확한 함수비 측정이 되리라 판단된다.
- 3은 일부 흙에 대하여 측정시간에 따른 함수비 변화를 비교하고 있다. 한편 일반 흙은 건조로 온도나 측정시간에 관계없이 함수비가 거의 동일하였으나, 유기질을 포함한 흙은 1일 보다 3일 후 함수비가 온도에 관계없이 약간(최대 0.71%) 감소하는 경향을 보였다. 하지만 그 영향은 미미하여 건조로에 의한 유기질토의 함수비 측정은 1일이면 충분할 것으로 판단되었다.
후속연구
- (4) 유기질토의 함수비는 ASTM D2216에서 제안한 것처럼 60℃의 건조로로 실험하는 것이 타당할 것으로 판단되며, 현장에서 즉시 유기질토나 일반 흙의 함수비 측정을 위해 전자레인지를 이용할 경우에는 100g 이하의 시료로 ASTM D4643에서 제시한 3분보다는 15분 정도의 작동시간이 필요한 것으로 판단된다. 한편 KS기준에도 이와 같은 유기질토에 대한 함수비 측정방법을 비롯하여 전자레인지를 이용한 함수비 측정방법에 대한 제안도 필요할 것으로 판단된다.
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