[논문]벤토나이트 수화반응 특성화를 위한 X선 단층촬영 기술 적용성 평가

멜빈; 이경원; 윤서현; 김광염; 이창수; 김민섭; 김진섭

doi:10.7474/tus.2022.32.6.491

벤토나이트 수화반응 특성화를 위한 X선 단층촬영 기술 적용성 평가
Feasibility Assessment on the Application of X-ray Computed Tomography on the Characterization of Bentonite under Hydration 원문보기

터널과 지하공간: 한국암반공학회지 = Tunnel and underground space, v.32 no.6, 2022년, pp.491 - 501

멜빈 (한국해양대학교 해양에너지자원공학과) , 이경원 (한국해양대학교 해양에너지자원공학과) , 윤서현 (한국해양대학교 해양에너지자원공학과) , 김광염 (한국해양대학교 해양에너지자원공학과) , 이창수 (한국원자력연구원) , 김민섭 (한국원자력연구원) , 김진섭 (한국원자력연구원)

초록
AI-Helper

벤토나이트는 고준위 방사성 폐기물 처분장의 완충재 및 뒷채움재의 주재료로 고려되고 있다. 처분환경에서 벤토나이트는 열-수리-역학-화학적 복합적 거동을 겪게 된다. 본 연구는 제작된 수화거동 실험용 셀을 사용하여 수화 조건에서 벤토나이트의 거동 특성을 X선 단층촬영 기술을 이용하여 평가하고자 하였다. 플라스틱재료로 만들어진 원통형 셀은 상부의 탈착식 캡을 이용하여 시료 상부에 수직응력을 가하거나 팽윤압을 측정할 수 있도록 제작하였다. 수화실험은 건조밀도 1.4 g/cm³, 함수율 20%의 조건으로 제작된 경주 벤토나이트 블록시료로 수행되었다. 샘플의 직경은 27.5 mm, 높이는 34 mm 이며, 수화 실험 중 0.207 MPa의 일정한 압력으로 물을 주입하였으며, 7일 동안 수화실험을 지속하였다. 하루 동안 수화 과정을 거치면서 벤토나이트가 팽창하여 셀 내부의 공간을 채우는 것을 확인하였다. 또한, 샘플의 X선 CT값의 히스토그램 분석을 통해 수화 과정 초기의 샘플 밀도 증가와 이후 점진적인 밀도 감소가 발생함을 평가할 수 있었다. 평균 CT 값, CT값의 표준 편차, CT값 변화량에 대한 분석을 통해 샘플의 수화 과정에 대한 자세한 정보를 확인할 수 있었다. 즉, 수화 시작 후 2일 동안 시료 하부 및 상부 영역은 밀도가 감소하고 중간 영역은 밀도가 증가하였다. 그 후 수화가 진행되면서 샘플의 각 위치에서의 밀도 변화는 초기 샘플의 밀도와 비교할 때 그 차이가 점차 감소함을 확인하였다. 샘플 내 균열의 형성과정과 이후 감소되는 현상도 X선 단층촬영에 의해 확인되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Bentonite has been proposed as a buffer and backfill material for high-level radioactive waste repository. Under such repository environment conditions, bentonite is subjected to combined thermal, hydrological, mechanical, and chemical processes. This study evaluates the feasibility of applying X-ray CT technology on the characterization of bentonite under hydration conditions using a newly developed testing cell. The cylindrical cell is made of platic material, with a removable cap to place the sample, enabling to apply vertical pressure on the sample and to measure swelling pressure. The hydration test was carried out with a sample made of Gyeonju bentonite, with a dry density of 1.4 g/cm3, and a water content of 20%. The sample had a diameter of 27.5 mm and a height of 34 mm. During the test, water was injected at a constant pressure of 0.207 MPa, and lasted for 7 days. After one day of hydration, bentonite swelled and filled out the space inside the cell. Moreover, CT histograms showed how the hydration process induced an initial increase and later progressive decrease on the density of the sample. Detailed profiles of the mean CT value, CT standard deviation, and CT gradient provided more details on the hydration process of the sample and showed how the bottom and top regions exhibited a decrease on density while the middle region showed an increase, especially during the first two days of hydration. Later, the differences in CT values with respect to the initial state decreased, and were small at the end of testing. The formation and later reduction of cracks was also characterized through CT scanning.

주제어

표/그림 (7)

그림 Fig. 1. a) Testing cell with bentonite sample. Water was injected from the bottom and collected at the top of the sample. b) Schematic of a central vertical section of the hydration cell. c) Testing cell inside X-ray CT equipment for scanning. The cell is transported and placed inside the CT chamber using a moving table
그림 Fig. 2. Vertical CT sections of the bentonite sample before and after one day of hydration. The CT section before hydration shows detachment of fragments at the top of the sample. Moreover, after one day of hydration, the sample swelled and filled out the indentations at the bottom and top cap. The selected volumes for CT analysis (red dashed lines) before and after hydration were different. A diameter of 27 mm and a height of 23 mm were set for the CT analysis of the sample before hydration, while the dimensions were 27 mm in diameter and 33 mm in height for the inspected region after hydration at different times
그림 Fig. 4. Mean CT values measured at different times for bentonite sample subjected to hydration. Time zero represents the state before hydration. The mean values were computed over nearly the entire volume of the sample as indicated in Fig. 2
그림 Fig. 3. a) X-ray CT intensity distribution curves or histograms for bentonite sample before and after hydration at different times. The mean or average CT values (μ) per measure are also indicated. Comparison of histograms before and after one day of hydration (b) as well as after seven days of hydration (c). The maximum frequency and the full width at half maximum (FWHM) are also indicated
그림 Fig. 5. X-ray CT results along the sample height at different times. a) Mean CT value, b) CT standard deviation, and c) CT gradient at different points along the sample height, and measured every 24 hours after the onset of hydration
그림 Fig. 6. Sequence of cuboid regions used to display and measure the formation and reduction of cracks and voids. The analyzed volume before hydration was smaller due to the detachment of fragments at the top of the sample. However, after hydration, the analyzed volume was the same. The cracks were extracted using a range of 0 to 20 CT units defined based on CT observations.
그림 Fig. 7. Volume of cracks or voids with time. The volume of voids is expressed as a percentage of the entire analyzed volume. Time zero represents the state before hydration

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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