KR101334918B1 - 하중과 건도 밀도의 변화에 따른 세립토의 열전도계수 측정 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 세립토의 열전도 계수를 측정하기 위한 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 건조밀도를 연속적으로 비교적 정확히 측정할 수 있고, 하중 조건의 변화를 추가로 반영할 수 있으며, 열전도계수 측정 시 시료교란을 최소화하고, 열전도계수와 건조밀도의 측정 오차를 최소화할 수 있는 하중과 건도 밀도의 변화에 따른 세립토의 열전도계수 측정 장치를 제공하는데 그 목적이 있다. 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 실험 시료를 수용하는 시료 수용체; 상기 시료 수용체 상부에 위치되어 시료를 평면적으로 가압하는 가압 유닛; 상기 시료 수용체의 바닥면을 이루며, 복수의 유공을 갖는 바닥 부재; 상기 시료 수용체의 시료의 열전도계수를 측정하기 위한 열전도계수 측정 수단; 상기 가압 유닛에 의한 시료의 침하 정도를 측정하기 위한 침하측정 수단; 상기 시료 수용체를 수용하는 수용체; 상기 시료 수용체를 상기 수용체의 바닥에서 이격되게 유지하는 지지 수단; 상기 바닥 부재로부터 상기 지지 수단을 통해 수용체 내부 일측으로 연장되는 배수 수단; 및 상기 시료 수용체와 수용체 사이의 공간에 충전되는 충전 부재를 포함하는 세립토의 열전도계수 측정 장치를 제공한다.

Description

하중과 건도 밀도의 변화에 따른 세립토의 열전도계수 측정 장치{EXPERIMENTAL APPARATUS AMD METHOD FOR COEFFICIENT THERMAL CONDUCTIVITY OF FINE-GRAINED SOIL BY VARIATION OF LOAD AND DRY DENSITY}

본 발명은 세립토의 열전도 계수를 측정하기 위한 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 건조밀도를 연속적으로 비교적 정확히 측정할 수 있고, 하중 조건의 변화를 추가로 반영할 수 있으며, 열전도계수 측정 시 시료교란을 최소화하고, 열전도계수와 건조밀도의 측정 오차를 최소화할 수 있는 하중과 건도 밀도의 변화에 따른 세립토의 열전도계수 측정 장치에 관한 것이다.

통상적으로 흙의 통일분류법 입도에 의한 분류에서 크게 조립토와 세립토로 나눠지는데, 세립토(fine-grained soil)는 흙의 통일분류법 입도에 의한 분류에서 입경(粒徑)이 75㎛ 이하인 흙 입자를 말하는 것으로, 다시 말해서 조립토와 세립토는 통일 분류법에 의해서 살펴보면 No. 200 체의 통과율이 50%를 넘으면 세립토라 하고 50%를 넘지 않으면 조립토라 한다.

세립토는 그의 압밀특성에 있어서 침하가 크고 장기간에 발생한다. 또한, 투수 특성에 있어서는 투수계수가 적어 배수가 불량하고, 점토에서는 동상가능성이 크며, 히이빙(heaving) 발생할 수 있고 비배수층으로 활용될 수 있다.

최근 들어 핵폐기물 매립에 사용되는 세립토 벽체와, 아열대성 기후에서 존재하는 연약지반의 개량에 필요한 압밀 배수재의 성능평가와 같이 세립토를 대상으로 정확한 열전도계수 산정의 필요성이 제기되었다.

기존 연구에서 세립토의 열전도계수 측정은 시료를 몰드 크기에 맞추어 성형하고, 상판과 하판의 온도차가 시료 내에서 온도 구배가 평형상태(steady state)를 유지하여 실내 실험을 수행하였다.

그러나 실내 실험에 필요한 시료 성형 과정에서 교란이 발생하며, 세립질 불포화토의 경우 시료 내 온도차로 인한 함수비 구배로 인한 열전도계수 측정에서 오차가 발생하는 문제점이 있다.

또한, 종래의 세립토 실험에서는 시료의 실험 시 온도 구배의 평형상태를 유지하기 위해서 많은 시간과 시료 수분유지를 위한 복잡한 장비가 필요로 하는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 건조밀도를 연속적으로 비교적 정확히 측정할 수 있고, 하중 조건의 변화를 추가로 반영할 수 있으며, 열전도계수 측정 시 시료교란을 최소화하고, 열전도계수와 건조밀도의 측정 오차를 최소화할 수 있는 하중과 건도 밀도의 변화에 따른 세립토의 열전도계수 측정 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 해결과제는 이상에서 언급한 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어질 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, 실험 시료를 수용하는 시료 수용체; 상기 시료 수용체 상부에 위치되어 시료를 평면적으로 가압하는 가압 유닛; 상기 시료 수용체의 바닥면을 이루며, 복수의 유공을 갖는 바닥 부재; 상기 시료 수용체의 시료의 열전도계수를 측정하기 위한 열전도계수 측정 수단; 상기 가압 유닛에 의한 시료의 침하 정도를 측정하기 위한 침하측정 수단; 상기 시료 수용체를 수용하는 수용체; 상기 시료 수용체를 상기 수용체의 바닥에서 이격되게 유지하는 지지 수단; 상기 바닥 부재로부터 상기 지지 수단을 통해 수용체 내부 일측으로 연장되는 배수 수단; 및 상기 시료 수용체와 수용체 사이의 공간에 충전되는 충전 부재를 포함하는 세립토의 열전도계수 측정 장치를 제공한다.

상기 가압 유닛은 상기 시료 수용체의 상부 측에 위치되는 가압 이동체; 상기 가압 이동체로부터 직교되게 연장되는 가압 축 부재; 및 상기 가압 축 부재에 연결되고 상기 시료의 상면에 위치되는 가압 접촉 부재를 포함할 수 있다.

또한, 상기 가압 유닛은 상기 가압 축 부재가 선형으로 이동하도록 지지하는 가이드 부재를 더 포함할 수 있다.

상기 가압 유닛의 가압 접촉 부재에는 복수의 구멍이 형성될 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 가압 접촉 부재의 하면과 상기 바닥 부재의 상면 중 적어도 하나에 여과 시트 부재를 구비하는 것이 바람직하다.

본 발명에 의한 하중과 건도 밀도의 변화에 따른 세립토의 열전도계수 측정 장치에 따르면, 건조밀도를 연속적으로 비교적 정확히 측정할 수 있고, 하중 조건의 변화를 추가로 반영할 수 있으며, 열전도계수 측정 시 시료교란을 최소화하고, 열전도계수와 건조밀도의 측정 오차를 최소화할 수 있는 효과를 갖는다.

또한, 본 발명에 따르면 종래의 세립토 실험에서와 같이 시료의 실험 시 온도 구배의 평형상태를 유지하기 위해서 많은 시간과 시료 수분유지를 위한 복잡한 장비를 필요로 하는 것에 반하여 상대적으로 간단한 구성으로 얻고자 하는 실험값을 구현할 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 하중과 건도 밀도의 변화에 따른 세립토의 열전도계수 측정 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 세립토의 열전도계수 측정 장치에 의해 실험된 결과인 건조밀도와 열전도계수 간의 관계를 나타내는 그래프.
도 3은 본 발명에 따른 세립토의 열전도계수 측정 장치에 의해 실험된 결과인 유효응력과 열전도계수 간의 관계를 나타내는 그래프.

본 발명의 추가적인 목적들, 특징들 및 장점들은 다음의 상세한 설명 및 첨부도면으로부터 보다 명료하게 이해될 수 있다.

본 발명의 상세한 설명에 앞서, 본 발명은 다양한 변경을 도모할 수 있고, 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 아래에서 설명되고 도면에 도시된 예시들은 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도는 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 명세서에 기재된 "...부", "...유닛", "...모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

이하 본 발명에 따른 하중과 건도 밀도의 변화에 따른 세립토의 열전도계수 측정 장치를 도 1을 참조하여 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 하중과 건도 밀도의 변화에 따른 세립토의 열전도계수 측정 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 구성도이다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 세립토의 열전도계수 측정 장치는 실험 시료를 수용하기 위한 내부 공간을 갖는 시료 수용체(100); 상기 시료 수용체(100)에 수용된 시료의 상면에 위치되어 시료를 평면적으로 가압하는 가압 유닛; 상기 시료 수용체(100)의 바닥면을 이루며, 복수의 유공을 갖는 바닥 부재(200); 상기 시료 수용체(100)의 시료의 열전도계수를 측정하기 위한 열전도계수 측정 수단(300); 상기 시료 수용체(100) 내에서 가압 유닛에 의한 시료의 침하 정도를 측정하기 위한 침하측정 수단(400); 상기 시료 수용체(100)를 수용하는 수용체(500); 상기 시료 수용체(100)를 수용체(500)의 바닥에서 이격되게 유지하며 소정 공간을 갖는 지지 수단(600); 상기 바닥 부재(200)로부터 지지 수단(600)을 통해 수용체(500) 내부 일측으로 연장되는 배수 수단(700); 및 상기 시료 수용체(100)와 수용체(500) 사이의 공간에 충전되는 충전 부재(A)를 포함한다.

상기 시료 수용체(100)는 투명 아크릴 등의 몰드체로 구성될 수 있다.

상기 가압 유닛은 상기 시료 수용체(100)의 상부 측에 위치되는 가압 이동체(810); 상기 가압 이동체(810)의 중심으로부터 직교되게 연장되는 가압 축 부재(820); 상기 가압 축 부재(820)에 연결되고 상기 시료의 상면에 위치되는 가압 접촉 부재(830)를 포함한다.

또한, 상기 가압 유닛은 상기 가압 이동체(810)의 수평 상태를 유지하며, 상기 가압 축 부재(820)가 선형으로 이동하도록 지지하는 가이드 부재(도면에서는 판형 가이드 부재로 나타냄)(840)를 더 포함한다.

상기 가압 유닛의 가압 접촉 부재(830)는 복수의 구멍(831)이 형성된다.

또한, 본 발명은 상기 가압 접촉 부재(830)의 하면과 상기 바닥 부재(200)의 상면 중 적어도 하나에 여과 시트 부재(250)를 구비한다. 도면에서 여과 시트 부재(250)는 가압 접촉 부재(830)의 하면과 바닥 부재(200)의 상면 모두에 구비된 경우를 나타내고 있다.

다음으로, 상기 열전도계수 측정 수단(300)은 시료 측에 삽입되어 열전도계수를 측정하는 니들프로브로 구성될 수 있다. 도면부호 310은 니들프로브의 발열체이다.

상기 침하측정 수단(400)은 침하계이며, 이러한 구성은 잘 알려져 있으므로 이에 대한 설명은 생략한다.

상기 지지 수단(600)은 시료 수용체(100)의 하면에 설치되어 전체적으로 시료 수용체(100)를 수용체(500)로부터 이격시켜 지지하는 박스형 구조체이다.

상기 배수 수단(700)은 상기 가압 유닛에 의해 시료가 가압되어 시료로부터 나오는 수분을 수용체(500) 내로 배출되도록 구성된다.

이하에서는 상기와 같이 구성되는 세립토의 열전도계수 측정 장치를 통해 세립토의 일종인 포화된 카올리나이트를 시료로 하여 본 발명자가 실행한 실험에 대하여 설명한다.

구체적으로, 본 발명자는 세립토의 일종인 포화된 카올리나이트 시료의 압밀이 진행되면서 하중조건과 건조밀도의 변화에 따른 열전도계수의 상관관계를 분석하기 위한 실험장치로서 도 1과 같은 측정 장치를 제작하였다.

시료 수용체(100)의 몰드 규격은 직경 10cm, 높이 20cm 이며 1cm 두께의 투명 아크릴을 사용하여 제작하였다.

시료는 증류수와 카올리나이트를 교반하여 초기 높은 함수율(95%)의 슬러리 상태로 아크릴 시료 수용체(100)에 주입하였다. 그런 다음, 약한 진공상태를 유지하여 공기를 제거하고 가압 접촉 부재(상부 가압판)(830)을 시료 위에 올려놓는다.

상기 제작된 측정 장치에서 가압 접촉 부재(830)의 작은 구멍(831)은 24개 형성하였고, 그 구멍(831)을 통해 간극수의 배수 및 열전도실험용 니들프로브(needle probe)(300)의 삽입을 용이하게 하였다.

상기 가압 접촉 부재(830)를 놓고 가이드 부재인(840)인 가이드바(guide bar)를 설치하여 가압 접촉 부재(830)의 수평을 유지하였다.

열전도계수 측정 장비는 ASTM D5334 표준을 따른 장비인 니들프로브(300)를 삽입하여 열전도계수를 측정하였다. 니들프로브의 규격은 길이 120mm, 지름 3mm이며, 압밀시험이 시작되기 전에 수직으로 삽입하였다.

열전도계수는 각 상재 하중에 따른 게이지(침하계)(400)에서 읽은 시간당 침하량의 변화가 미미한 시점(100% 압밀완료 시점)에서 측정을 실시하였으며, 평균적으로 약 12분이 소요되었다.

열전도계수 측정이 완료된 다음, 상재하중을 재하(loading) 또는 제하(unloading)하여 압밀시험을 진행하였으며, 이러한 일련의 과정을 반복하여 시료의 건조밀도, 함수비, 그리고 하중조건에 따른 열전도계수를 측정하였다.

도 2 및 도 3은 상기한 실험결과를 나타낸 것이다. 도 2는 본 발명에 따른 세립토의 열전도계수 측정 장치에 의해 실험된 결과인 건조밀도와 열전도계수 간의 관계를 나타내는 그래프이며, 도 3은 본 발명에 따른 세립토의 열전도계수 측정 장치에 의해 실험된 결과인 유효응력과 열전도계수 간의 관계를 나타내는 그래프이다.

세립토를 대상으로 한 기존의 열전도계수 실내 실험은 시료를 시료 수용체에 주입하기 위해 성형하고 열적 평형상태를 유지하여 열전도계수를 측정하였다. 이로 인해 시료 교란과 시료 내부 온도상승에 따른 함수비 변화로 열전도계수 측정에 오차가 발생한다.

이에 반하여, 상기한 본 발명의 세립토의 열전도계수 측정장치를 활용하면, 건조밀도를 연속적으로 비교적 정확히 측정가능하고, 하중조건의 변화를 추가로 반영할 수 있다.

또한, 압밀 시작 전에 니들프로브를 삽입하여 압밀 시험을 진행하므로 열전도계수 측정 시 시료 교란을 최소화하고 니들프로브법을 활용하기 때문에 비교적 짧은 시간에 열전도계수를 측정할 수 있다.

따라서 본 발명에 따를 세립토의 열전도 측정장치는 기존의 장비에 비해 열전도계수와 건조밀도의 측정오차를 최소화할 있고, 앞서 설명된 실험 결과에서 알 수 있듯이 포화된 세립토에서 건조밀도와 유효 응력이 증가할수록 열전도계수가 증가하는 것임을 알 수 있다.

또한, 종래의 세립토 실험에서와 같이 시료의 실험 시 온도 구배의 평형상태를 유지하기 위해서 많은 시간과 시료 수분유지를 위한 복잡한 장비를 필요로 하는 것에 반하여 본 발명은 상대적으로 간단한 구성으로 얻고자 하는 실험값을 구현할 수 있다.

본 명세서에서 설명되는 실시 예와 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 예시적으로 설명하는 것에 불과하다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아님은 자명하다. 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시 예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100: 시료 수용체
200: 바닥 부재
250: 여과 시트 부재
300: 열전도계수 측정 수단
400: 침하 측정 수단(침하계)
500: 수용체
600: 지지 수단
700: 배수 수단
810: 가압 이동체
820: 가압 축 부재
830: 가압 접촉 부재
831: 구멍
A: 충전 부재

Claims (5)

1. 세립토의 열전도계수를 측정하기 위한 장치에 있어서,
   실험 시료를 수용하는 시료 수용체;
   상기 시료 수용체 상부에 위치되어 시료를 평면적으로 가압하는 가압 유닛;
   상기 시료 수용체의 바닥면을 이루며, 복수의 유공을 갖는 바닥 부재;
   상기 시료 수용체의 시료의 열전도계수를 측정하기 위한 열전도계수 측정 수단;
   상기 가압 유닛에 의한 시료의 침하 정도를 측정하기 위한 침하측정 수단;
   상기 시료 수용체를 수용하는 수용체;
   상기 시료 수용체를 상기 수용체의 바닥에서 이격되게 유지하는 지지 수단;
   상기 바닥 부재로부터 상기 지지 수단을 통해 수용체 내부 일측으로 연장되는 배수 수단; 및
   상기 시료 수용체와 수용체 사이의 공간에 충전되는 충전 부재를 포함하고,
   상기 가압 유닛은 상기 시료 수용체의 상부 측에 위치되는 가압 이동체와, 상기 가압 이동체로부터 직교되게 연장되는 가압 축 부재, 및 상기 가압 축 부재에 연결되고 상기 시료의 상면에 위치되는 가압 접촉 부재를 포함하고,
   상기 가압 유닛의 가압 접촉 부재에는 복수의 구멍이 형성되며,
   상기 가압 접촉 부재의 하면과 상기 바닥 부재의 상면에 여과 시트 부재를 구비하는
   세립토의 열전도계수 측정 장치.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 가압 유닛은 상기 가압 축 부재가 선형으로 이동하도록 지지하는 가이드 부재를 더 포함하는
   세립토의 열전도계수 측정 장치.
4. 삭제
5. 삭제

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