KR101113119B1 - 시편의 중량 측정이 가능한 항온항습장치 및 이를 이용한 상대함수율 계측방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 직접 탐사가 불가능한 지하 암반이나 토양 등의 물성 즉 조암광물, 공극률, 공극수의 전기전도도, 공극의 포화도 등을 분석하기 위한 주요 파라미터인 암석 또는 시멘트 등의 시편의 중량과 상대함수율을 계측하기 위한 시편의 중량 측정이 가능한 항온항습장치 및 이를 이용한 상대함수율 계측방법에 관한 것으로, 본 발명에 따르면 항온항습 환경에서 항온항습챔버 내부에 위치한 현수식 적재대를 이용하여 시편의 건조에 따른 중량 변화를 항온항습챔버의 외부에 설치된 저울로 측정함으로써 전자저울의 작동온도범위(operating temperature)를 넘어서는 고온 환경에서 시편의 상대함수율을 정확하게 계측할 수 있다.

암반, 암석코어, 시편, 중량, 공극, 함수율, 항온, 항습

Description

시편의 중량 측정이 가능한 항온항습장치 및 이를 이용한 상대함수율 계측방법{Constant Temperature and Humidity Apparatus Capable of Weight Measurement of a Specimen and Measuring Method of Relative Water Contents using thereof}

본 발명은 지하 암반이나 토양 등의 물성 즉 조암광물, 공극률, 공극수의 전기전도도, 공극의 포화도 등의 분석에 이용되는 시편의 중량을 전자저울의 작동온도 한계를 넘는 고온의 항온항습 환경하에서 측정할 수 있도록 이루어진 시편의 중량 측정이 가능한 항온항습장치 및 이를 이용한 상대함수율 계측방법에 관한 것이다.

직접 탐사가 불가능한 지하 암반이나 토양 등의 지구물리학적 특성을 규명하기 위하여 이용되는 물리탐사방법 중에서 전기비저항 탐사는 지하 매질의 전기비저항 차이에 의해 야기되는 이상 전위차를 측정하여 지층의 구조, 암석의 분포상태 등 지하구조, 조암광물, 공극률, 공극수의 전기전도도, 공극의 포화도 등을 규명하는데 매우 유용하게 이용되는 물리 탐사기술이다.

지하 암반 등의 물성 파악을 위해 실험실에서 이루어지는 전기비저항의 계측은 통상 현지에서 채취한 암석 등의 시편 양측에 전류 전극을 통하여 전류를 흘려보낸 뒤 그 두 전극 사이의 전위차를 측정하여 전기비저항을 계측하는 방식으로 이루어진다.

이러한 전기비저항 계측에 있어서 암석의 전기비저항을 좌우하는 가장 큰 요인은 공극률과 함수율이다. 따라서 암석 시편의 전기비저항 계측에 의한 지하 암반이나 토양의 지구과학적 물성 탐사의 정확도를 높이기 위해서는 시편의 공극률 및 함수율과 전기비저항 사이의 상관관계를 정확히 파악하고 있어야 한다.

시편의 공극률과 함수율은 시편의 중량으로 계측하게 되는데, 종래에는 상온에서 측정하였기 때문에 시시각각 변화하는 실내 온,습도의 영향으로 실제 환경과 동일한 조건의 중량 측정이 불가능하여 실제 환경에서의 공극과 함수율을 계측하는데 어려움이 있었다.

이러한 문제를 해소하기 위하여 항온항습장치에 저울을 넣고 시편의 중량을 측정하는 방법이 이용되기도 하지만, 이 경우 온도와 습도의 영향으로 저울의 정밀도가 떨어질 뿐만 아니라 저울의 작동 온도 한계를 넘어서는 고온 환경하에서는 저울이 제기능을 하지 못하기 때문에 지열이 높은 지역에 대해서는 함수율과 전기비저항 상관관계 분석을 기반으로 하는 시편에 의한 간접 탐사의 정확도가 극히 불량하거나 불가능하다는 문제점이 있었다.

이에, 본 발명은 위와 같은 종래 문제점을 해소하기 위하여 시편을 이용한 지하 암반이나 토양 등의 지구물리학적 물성 분석시 시편의 중량을 항온항습 환경하에서 경과시간에 따라 연속적으로 측정할 수 있으며, 또한 고온 환경하에서도 저울의 작동 한계 온도에 관계없이 시편의 중량을 정밀하게 측정할 수 있는 중량 측정이 가능한 항온항습장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

위와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 시편의 중량 측정이 가능한 항온항습장치는 항온항습챔버와; 상기 항온항습챔버의 외부에 설치된 저울과; 상기 항온항습챔버 내에 시편을 매달아 상기 저울이 해당 저울 보다 아래에 있는 상기 시편의 중량을 무게 하향식으로 측정할 수 있는 적재수단;을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 저울은 상기 항온항습챔버의 상부에 설치되고, 상기 적재수단은 상기 항온항습챔버의 천장을 통해 상기 항온항습 챔버 내에 현수식으로 드리워지고 시편을 적재할 수 있는 적재대로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 시편의 중량 측정이 가능한 항온항습장치를 이용한 시편의 상대함수율 계측방법은, 시편을 공극수에 수침시켜 수포화시키는 수포화단계; 수포화된 상기 시편을 상기 항온항습장치의 적재수단에 적재한 다음 항온항습 챔버 내 온도와 습도를 소정의 온도로 조정하여 유지시키는 항온항습 조정단계; 상기 항온항습장치에 설치된 저울로 상기 적재수단에 적재된 시편의 중량을 시간 경과에 따라 일 정한 시간 단위로 연속 측정하는 중량측정단계; 그리고, 상기 중량측정단계에서 최초 측정한 수포화된 시편의 중량과 소정 시간 경과 후 측정한 시편의 중량으로 시편의 상대함수율을 계측하는 상대함수율 계측단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하며, 상기 수포화단계에서, 상기 시편의 수침은 진공 하에서 이루어지도록 하는 것이 바람직하다.

이상과 같은 구성의 중량 측정이 가능한 항온항습장치 및 이 장치를 이용한 상대함수율 계측방법에 따르면, 항온항습 환경하에서 건조되면서 상대함수율이 낮아지는 시편의 중량을 경과시간에 따라 연속적으로 정밀하게 측정할 수 있으며 또한 고온 환경하에서도 저울의 작동 한계 온도에 관계없이 시편의 중량을 정밀하게 측정할 수 있다.

그리고, 그 측정된 중량을 이용하여 실제 환경에 근접한 특정 온도에서의 시편의 상대함수율을 정확하게 계측해낼 수 있다. 이에, 위 계측방법으로 계측한 상대함수율을 별도의 항온항습 환경하에서 건조하면서 시간 경과에 따라 연속적으로 측정한 전기비저항과 비교하여 전기비저항에 따른 상대함수율을 정확히 계측할 수 있게 됨으로써 현지에서 계측한 전기비저항과 위 계측방법으로 계측한 상대함수율을 상호비교하여 직접 탐사가 불가능한 지하 암반이나 토양 등의 지구물리학적 특성을 보다 정확하게 파악할 수 있다.

이상과 같은 본 발명의 중량 측정이 가능한 항온항습장치와 이 장치를 이용한 상대함수율 계측방법을 이용하는 경우 시편에 대하여 실제 환경에 근접한 조건에서 상대함수율을 계측할 수 있으므로 직접 탐사가 불가능한 지하 암반이나 토양의 지구물리학적 특성을 분석하기 위한 간접 탐사의 정확도를 향상시킬 수 있다.

또한, 종래 높은 온도에서 야기되는 전자저울의 측정오류로 인해 항온항습 챔버 내에서 정확한 측정이 불가능하였던 높은 온도(90℃ 이상)에서의 시편의 중량을 정확하게 측정할 수 있음으로써 시편에 대한 상대함수율 계측이 가능한 온도범위를 크게 확대할 수 있다. 이에, 지열로 인해 고온 상태로 유지되는 지하 암반이나 토양 등의 물성을 간접 탐사방식으로 보다 정확하게 예측할 수 있다.

이하, 바람직한 실시예를 통해 본 발명에 따른 시편의 중량 측정이 가능한 항온항습장치와 이 장치를 이용한 상대함수율 계측방법의 구성과 그 작용 효과 등을 도면을 참조하여 보다 구체적으로 살펴본다.

본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.

도 1에는 본 발명에 따른 시편의 중량 측정이 가능한 항온항습장치의 정면도가 도시되어 있고, 도 2에는 그 개략적 구성도가 도시되어 있다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 시편의 중량 측정이 가능한 항온항습장치는 외부와 차단된 항온항습 챔버(10a)를 형성하는 하우징(10)과, 상기 항온 항습 챔버(10a) 내의 온도와 습도를 일정하게 유지시키기 위한 히터(1), 가습히터(2), 송풍기(3), 응축기(4) 등으로 이루어진 공조시스템을 포함하고 있으며, 더불어 항온항습 챔버(10a) 바깥쪽 하우징(10) 상부에 설치되고 그 적재수단(5a)이 하우징(10)을 통해 현수식으로 항온항습 챔버(10a) 내로 드리워지게 설치되는 저울(5) 등을 포함하고 있다.

이상과 같은 구성의 시편의 중량 측정이 가능한 항온항습장치는 종래 전자저울을 항온항습장치 내에 설치하여 시편의 중량을 측정하는 방식에 비하여, 시편의 중량을 경과시간에 따라 연속적으로 정밀하게 측정할 수 있으며 또한 고온 환경하에서도 저울의 작동 한계 온도에 관계없이 시편의 중량을 정밀하게 측정할 수 있다.

이상의 구성에서 공조시스템은 항온항습장치에 일반적으로 포함되는 것으로서, 항온항습 챔버 내부가 사전에 설정한 온도와 습도를 벗어나는 경우 그때마다 각 장치들 즉 공기를 온도를 높이는 히터(1), 습도를 높이는 가습히터(2), 공기를 순환시켜 챔버(10a)내 공기의 온도를 균일하게 하는 송풍기(3), 공기를 냉각하여 온도를 떨어뜨리는 응축기(4) 등이 동시 또는 선택적으로 작동하면서 항온항습 챔버의 온도와 습도를 사전 설정된 값으로 유지하게 된다. 이 공조시스템에는 도면에 도시되지는 않았지만 제습을 위한 증발기를 비롯해 압축기, 팽창밸브 등의 공조시스템의 일반적인 구성들이 더 포함된다.

이상과 구성의 본 발명에 따른 중량 측정 가능한 항온항습장치를 이용하는 경우 암석 등의 시편에 대하여 본 발명에 따른 상대함수율 계측방법에 따라 다음과 같은 순서로 수행함으로써 건조에 따른 시편의 상대함수율을 시간대 별로 보다 정확하게 계측할 수 있다.

(1) 수포화단계

수포화단계는 본 발명에 따른 상대함수율 계측방법에서 가장 먼저 수행되는 단계로서, 이 단계에서는 시편을 본격 계측에 앞서 공극수 함수율이 100%로 되도록 공극수에 수침진공(진공 하에서의 수침)시킨 뒤 이를 다음 단계 진행을 위해 항온항습 챔버에 로딩하게 된다.

이 수포화단계에서 이루어지는 일련의 공정들은 시편의 초기 중량 오차를 최소화하기 위하여 다음의 예에서와 같은 형태로 규격화하는 것이 바람직하다. 즉, 시편을 이후 중량측정단계의 중량 측정시의 항온 온도와 동일한 온도로 유지되는 물(공극수)에 15시간 동안 진공 수침시킨 다음, 무게측정 1분30초 전에 상기 시편과 별도로 동일 전기전도도의 물에 담갔다가 무게측정 2분 전에 꺼내 일정한 정도로 짜낸 물수건으로 감싸고, 20초 전에 항온항습 챔버의 커버를 열고 전자저울 근처에서 대기하고 있다가 10초 전 젖은 수건을 풀고 시편(C)을 저울(5)의 적재대(5a)에 올려놓고 항온항습 챔버의 도어를 닫은 다음 즉시 중량 측정을 개시할 수 있도록 공정을 규격화한다.

(2) 항온항습단계

항온항습단계는 시편의 중량을 현지와 동일한 환경에서 측정할 수 있도록 하기 위하여 중량측정 시작 전 또는 시작과 동시에 수행하는 단계로서, 이 단계에서는 앞서 설명된 중량 측정이 가능한 항온항습장치의 제어부를 조작하여 항온항습 챔버의 온도와 습도를 현지 조건 등에 맞게 설정하게 된다. 본 발명의 경우 시편을 온도조정이 가능한 항온항습 챔버를 이용하므로 시편의 건조 환경을 90℃ 이상의 고온으로 조정할 수 있다. 따라서, 종래 높은 온도에서 야기되는 전자저울의 측정오류로 인해 항온항습 챔버 내에서 정확한 측정이 불가능하였던 높은 온도(90℃ 이상)에서의 시편의 중량 변화를 정확하게 측정할 수 있게 되어 시편에 대한 상대함수율 계측이 가능한 온도범위를 크게 확대할 수 있다. 그 결과 지열로 인해 고온 상태로 유지되는 지하 암반이나 토양 등의 물성에 대한 간접 탐사의 정확도를 개선할 수 있다.

(3) 중량측정단계

중량측정단계는 수포화단계에서 수포화된 시편을 일정한 온도와 습도 하에서 건조하면서 일정 단위시간 간격으로 중량을 측정하는 단계로서, 이 단계에서는 앞서 수포화단계에서 시편의 유효공극이 100% 수포화된 것을 전제로 항온항습 챔버내에서 시편을 건조시키면서 시간경과에 따라 점차 감소되는 무게를 측정하게 된다.

(4) 상대함수율 계측단계

상대함수율 계측단계는 시편이 공극수를 어느 정도 함유하고 있는 지를 알아내기 위한 데이터 분석단계로서, 이 단계에서 앞서 중량측정단계에서 시간의 경과에 따라 측정한 시편의 중량을 수포화된 시편의 중량(중량측정단계에서 최초로 측정한 시편의 중량)과 비교 분석함으로써 수포화된 이후 항온항습 환경에서 시간 경과에 따라 건조되는 시편의 상대함수율 변화 추이를 정확하게 계측해낼 수 있다.

위와 같은 본 발명에 따른 상대함수율 계측방법은 여러 가지 시편을 대상으로 한 상대함수율 계측 시험 결과 종래 상온에서 행하던 상대함수율 계측방법에 비해 시편의 상대함수율을 훨씬 더 정확하게 계측할 수 있는 것으로 나타났다.

다음의 표 1은 여러 가지 시편을 규격화된 수포화단계 즉 '15시간 동안 물속에 보관 → 9시간 수침진공 → t(17+24d) 시간 물속에 보관 → 7시간 무게 모니터링'을 기본 공정으로 할 때, 측정 전 물속 방치시간(t)을 17시간(d=0), 65시간(d=2), 41시간(d=1), 65시간(d=2), 17시간(d=0)으로 순차적으로 변화시키며 시편 G-36-1(Fine Sandstone), H-9(Decite), I(Cement Mortar) 각각에 대하여 5회씩 측정한 표면수포화 무게를 평균값 및 오차와 함께 보인 것이다.

그리고, 표 2는 13시간 이상 물 속에 보관한(soaking) 시편을 한국암반공학회와 ISRM의 표준시험법(암석의 공극율 및 밀도 측정 표준시험법)에 따라 800 Pa(6 torr) 이하의 진공하에서 1시간 이상 수침하여 포화시킨 후 진공을 해제하고부터 무게를 측정할 때까지 물속에 보관한 시간을 달리하며 5회씩 측정한 시험편 G-36-1과 H-9의 표면수포화 무게와 그 평균 및 오차(error)를 표로 나타낸 것이다. 이 경우, 공극율이 작은 시편(G-36-1)은 큰 시편(H-9)보다 오차가 작아서 ±0.081g (±0.14%)의 오차가 발생하였다.

위 두 시험결과의 비교를 통해 수포화단계를 규격화하여 수행하게 되면(표 1) 그렇지 않은 경우(표 2)와 비교할 때 시편의 초기중량의 오차를 시험편 G-36-1의 경우는 1/13.5로, 시험편 H-9는 1/37의 수준으로 크게 줄일 수 있음을 확인할 수 있었다. 또한 공극율이 큰 100% 시멘트 시험편 I의 경우에도 동일한 공정으로 수포화하면 오차가 ±0.078g(±0.16%)로 상대적으로 크긴 하지만 이 역시 0.16%로 매우 작다는 것을 확인할 수 있었다.

도 3의 그래프들은 유문암(Ryolite) 시편을 ISRM 표준시험법(Flanklin et al., 1979)에 의하여 수포화시킨 후 표면을 젖은 수건으로 닦아서 얻은 표면수포화 무게를 초기값으로 한 다음, 그 시편을 상온에서 건조시키며 얻은 무게변화 곡선(-●-●-)과 일정한 온,습도를 유지하는 항온?항습챔버 내에서 건조시키며 얻은 무게변화 곡선을 백분율로 나타내서 이들을 서로 비교할 수 있게 도시한 그래프이다. 그래프에서 실선과 점선은 항온항습 챔버 내의 온도와 상대습도가 각각 26.2℃와 48.4%, 26.2℃와 40.4%의 두 가지 상태로 유지될 때의 증발에 의한 무게감쇠 곡선을 온도와 상대습도의 변화와 함께 나타낸 것이다.

이 그래프에서 알 수 있는 바와 같이 상온에서 얻은 중량 변화 곡선은 시시각각 변화하는 실내 온,습도의 영향을 받고 있기 때문에 건조과정의 재현이 불가능하다는 것을 알 수 있다. 이에 반해, 항온항습 챔버 내에서 얻은 중량 변화 곡선은 매우 안정적인 감소 추세를 보임으로써 시편의 건조과정 재현이 가능함을 확인할 수 있다.

도 4는 위와 같은 시험결과를 토대로, 시편 I(시멘트 모르타르)의 표면수포화 무게(표 1 참조)를 초기값으로 하여 온도와 상대습도를 각각 20.0℃와 30.0%로 유지한 항온?항습챔버 내에서 7시간 동안 건조시키면서 매 1분마다 무게를 측정한 무게 모니터링 곡선이다.

이 그래프를 통해 표면수포화 무게는 수침진공 후 물속에서 보관한 시간의 길고 짧음에 상관없이 실험의 순서가 후기로 갈수록 무거워지는 것을 알 수 있으며, 또한 시간 경과에 따른 무게의 감소 정도가 완만해지고 인접 곡선간의 유사성이 높아진다는 것을 알 수 있다.

이에 대한 정확한 메카니즘은 확인할 수 없으나 수침진공을 반복할수록 물이 시험편의 중앙부로 더 깊숙이 침윤되어서 동일한 온,습도 환경에서 중앙부의 수분이 덜 증발되는 것이라고 보는 것이 가장 타당한 해석으로 보인다.

이 시험에서, 4시간 경과까지는 5가지 공정 모두 비슷한 무게 감소 추이를 보였으며, 따라서 시멘트 시편(I)을 이용하여 경과 시간을 매개변수로 한 상대함수율과 전기비저항의 상관관계는 표면수포화 무게로부터 4시간 경과시까지만을 측정하여 비교하였다.

이 측정을 통해, 온도와 상대습도가 각각 20.0℃와 30.0%인 항온?항습 환경에서 4시간 동안 건조시 감소한 무게의 평균 2.129g에 대한 5회의 표면수포화 무게의 오차(0.078g) 백분율이 3.6%가 된다는 것을 확인하였다.

이상과 같이 도면과 명세서에서 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 시편의 중량 측정이 가능한 항온항습장치의 정면도.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 시편의 중량 측정이 가능한 항온항습장치의 구성도.

도 3은 본 발명에 따른 계측방법으로 측정한 시편의 중량 변화와 종래 측정방법으로 측정한 시편의 중량 변화를 비교 도시한 그래프.

도 4는 본 발명에 따른 계측방법에 따라 측정한 시편의 중량변화를 나타낸 그래프.

Claims (4)

1. 삭제
2. 삭제
3. 항온항습챔버와;

   상기 항온항습챔버의 외부에 설치된 저울과;

   상기 항온항습챔버 내에 시편을 매달아 상기 저울이 해당 저울 보다 아래에 있는 시편의 중량을 무게 하향식으로 측정할 수 있는 적재수단; 을 포함하는 항온항습장치를 이용하는 시편의 상대함수율 계측방법으로서,

   시편을 공극수에 수침시켜 수포화시키는 수포화단계;

   수포화된 상기 시편을 상기 항온항습장치의 적재수단에 적재한 다음 항온항습 챔버 내 온도와 습도를 소정의 온도로 조정하여 유지시키는 항온항습 조정단계;

   상기 항온항습장치에 설치된 저울로 상기 적재수단에 적재된 시편의 중량을 시간 경과에 따라 일정한 시간 단위로 연속 측정하는 중량측정단계; 그리고,

   상기 중량측정단계에서 최초 측정한 수포화된 시편의 중량과 소정 시간 경과 후 측정한 시편의 중량으로 시편의 상대함수율을 계측하는 상대함수율 계측단계;

   를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 시편의 중량 측정이 가능한 항온항습장치를 이용한 시편의 상대함수율 계측방법.
4. 제3항에 있어서,

   상기 수포화단계에서,

   상기 시편의 수침은 진공 하에서 이루어지도록 한 것을 특징으로 하는 시편의 중량 측정이 가능한 항온항습장치를 이용한 시편의 상대함수율 계측방법.

Images