KR101654303B1 - 삼축 압축하 공극압 시험기 - Google Patents

삼축 압축하 공극압 시험기 Download PDF

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Abstract

본 발명의 삼축 압축하 공극압 시험기에 관한 것으로서, 공시체가 설치되는 내부 공간을 갖는 삼축실; 및 내부 공간으로 압력 유체를 공급하여, 공시체에 횡방향으로 미리 설정된 목표 횡압력을 인가하는 횡압력 인가 유닛을 포함하며; 횡압력 인가 유닛은, 삼축실의 내부 공간으로 압력 유체를 공급하는 압력 유체 공급부; 압력 유체 공급부로부터 공급된 압력 유체에 의해 공시체에 횡방향으로 실제로 인가되는 실제 횡압력을 측정하는 횡압력 센서; 및 횡압력 센서로부터 실제 횡압력을 전달받아 목표 횡압력과 비교하며, 목표 횡압력과 실제 횡압력 사이에 압력 값의 차이가 발생하면 차이가 보정되도록 압력 유체 공급부를 PID 제어하여 실제 횡압력을 목표 횡압력과 일치시키는 횡압력 제어부를 포함하며, 이에 따라 공시체에 설치된 삼축실의 내부 공간으로 압력 유체를 공급할 수 있는 유체 공급부를 PID 제어하여 공시체에 실제로 인가되는 실제 횡압력을 공시체에 인가가하고자 하는 목표 횡압력과 자동으로 일치시킬 수 있어 공시체에 대한 정확한 물성 검사를 수행할 수 있고, 시험자의 편의를 개선할 수 있다.

Description

삼축 압축하 공극압 시험기{Tester for pore pressure with triaxial compression}
본 발명은 암반에 압축력을 가하여 압출력에 따른 암반의 역학적 거동을 시험할 수 있는 삼축 압축하 공극압 시험기에 관한 것이다.
지반 공학 분야에 있어서, 암석의 거동을 연구하기 위한 실내 실험으로서 삼축 압축 시험기를 이용한 삼축 압축 시험이 가장 널리 이용되고 있다.
종래의 삼축 압축 시험기는, 삼축 압축 시험을 위한 공시체가 설치되는 내부 공간을 갖는 삼축실, 삼축실의 내부 공간에 설치된 공시체에 축압력을 인가하는 축압력 인가 유닛, 삼축실의 내부 공간에 설치된 공시체에 횡압력을 인가하는 횡압력 인가 유닛, 공시체의 공극으로 유체를 주입으로 하여 공시체를 포화시킬 수 있는 포화 유닛 등을 포함한다.
또한, 축압력 인가 유닛은 삼축실의 내부 공간에 설치된 공시체의 상부에 설치된 가압봉, 및 가압봉이 공시체에 축압력을 인가할 수 있도록 삼축실을 공시체의 축방향으로 이동시키는 리프트, 삼축실의 상부에 마련되어 가압봉에 의해 공시체에 인가된 축압력을 측정할 수 있는 축압력 센서를 포함한다. 따라서, 리프트에 의해 삼축실이 승강되면 가압봉에 의해 공시체가 축방향으로 가압되며, 공시체에 인가된 축압력은 축압력 센서에 의하여 측정된다.
또한, 횡압력 인가 유닛은 삼축실의 내부 공간으로 오일 기타 압력 유체를 주입하는 압력 유체 공급부, 및 삼축실의 내부 공간으로 주입된 압력 유체에 의해 공시체에 인가된 횡압력을 측정할 수 있는 횡압력 센서를 포함한다. 따라서, 압력 유체 공급부에 의해 삼축실의 내부 공간에 압력 유체가 주입되면 주입된 압력 유체에 의해 공시체가 횡방향으로 가압되며, 공시체에 인가된 횡압력은 횡압력 센서에 의하여 측정된다.
이와 같이 구성된 종래의 삼축 압축 시험기를 이용한 삼축 압축 시험 방법은 다음과 같다.
먼저, 축압력 인가 유닛을 가동하여 공시체에 목표 축압력을 인가하고 이와 동시에 횡압력 인가 유닛을 가동하여 공시체에 목표 축압력과 동일한 압력 값을 가지는 목표 횡압력을 인가한다.
다음으로, 공시체에 동일한 압력 값의 목표 축압력과 목표 횡압력이 인가된 상태에서 포화 유닛을 가동하여 물 기타 공극 유체를 공시체의 공극으로 공급하여 공시체를 포화시킨다.
다음으로, 공시체가 포화된 상태에서 목표 축압력보다 큰 축압력을 공시체에 인가할 수 있도록 축압력 인가 유닛을 구동하여 공시체를 파괴시킨다.
다음으로, 파괴된 암석을 대상으로 암석의 물성에 대한 검사를 수행한다.
이와 같은 시험 과정을 따라 삼축 압축 시험기를 이용하여 공시체의 거동에 대한 연구를 수행할 수 있다. 그런데, 정확한 연구 결과를 얻기 위해서는 공시체에 동일한 압력 값의 축압력과 횡압력 즉, 등방압력을 인가한 후에 나머지 시험 과정을 수행하여야 한다. 그런데, 가압봉을 이용해 공시체의 축압력이 인가됨에 따라 공시체에 체적 변화가 발생되므로, 이로 인해 삼축실의 내부 공간에도 체적 변화가 발생되어 삼축실의 내부 공간에 주입된 유체가 공시체에 인가하는 횡압력에도 변화가 발생된다. 즉, 축압력에 따른 공시체의 체적 변화로 인하여 축압력과 횡압력 사이에 압력 값의 차이가 발생된다. 공시체에 인가되는 축압력과 횡압력 사이의 압력 값의 차이를 보정하기 위하여, 삼축실의 내부 공간에 유체를 추가적으로 주입하여 횡압력을 축압력과 동일한 압력 값을 가지도록 보정할 수 있다.
이러한 횡압력을 축압력과 일치시키는 횡압력에 대한 보정 과정은 시험자가 횡압력 센서를 지켜보면서 유체를 삼축실의 내부 공간에 추가적으로 주입하는 수동 작업을 통해 이루어진다. 따라서, 종래의 삼축 압축 시험기는 횡압력에 대한 보정을 시험자가 수동으로 수행함으로 인하여 보정의 정확성이 떨어져 암석의 거동에 대한 정확한 연구 결과를 없을 수 없고, 시험자의 편의성이 떨어지는 문제점이 있었다.
본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위한 것으로서, 압력 유체에 의해 공시체에 인가되는 실제 횡압력을 미리 설정된 목표 횡압력과 일치시킬 수 있도록 구조가 개선된 삼축 압축 시험기를 제공하는데 그 목적이 있다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 삼축 압축하 공극압 시험기는, 공시체가 설치되는 내부 공간과, 상기 공시체의 하부를 지지하도록 상기 내부 공간에 설치되는 하부 가압판과, 상기 공시체의 상부를 지지하도록 상기 내부 공간에 설치되는 상부 가압판을 포함하는 삼축실; 상기 내부 공간으로 압력 유체를 공급하여, 상기 공시체에 횡방향으로 미리 설정된 목표 횡압력을 인가하는 횡압력 인가 유닛; 상기 공시체의 공극을 포화시키는 포화 유닛; 및 상기 공시체에 축방향으로 미리 설정된 목표 축압력을 인가하는 축압력 인가 유닛;을 포함하고, 상기 하부 가압판은, 외부와 연통되는 공극 유체 유로와, 상기 공극 유체 유로와 상기 공극을 연결하는 복수의 슬릿들을 포함하고, 상기 상부 가압판은, 외부와 연통되는 공극 유체 유로와, 상기 공극 유체 유로와 상기 공극을 연결하는 복수의 슬릿들을 포함하며, 상기 포화 유닛은, 상기 공극이 불포화 상태인 경우에, 미리 정해진 공극 유체를 상기 하부 가압판의 공극 유체 유로와 상기 상부 가압판의 상기 공극 유체 유로에 공급하여 상기 하부 가압판의 슬릿들과 상기 상부 가압판의 슬릿들을 통해 상기 공극에 주입하고, 상기 포화 유닛은, 상기 공극이 포화 상태인 경우에, 미리 정해진 일정 유량의 공극 유체를 상기 하부 가압판의 공극 유체 유로와 상기 상부 가압판의 공극 유체 유로 중 어느 하나에 공급하여 상기 하부 가압판의 슬릿들과 상기 상부 가압판의 슬릿들 중 어느 하나를 통해 상기 공극에 주입함과 동시에, 미리 정해진 일정 압력의 공극 유체를 상기 하부 가압판의 공극 유체 유로와 상기 상부 가압판의 공극 유체 유로 중 다른 하나에서 배출하여 상기 하부 가압판의 슬릿들과 상기 상부 가압판의 슬릿들 중 다른 하나를 통해 상기 공극에서 인출하며, 상기 횡압력 인가 유닛은, 상기 삼축실의 상기 내부 공간으로 상기 압력 유체를 공급하는 압력 유체 공급부와, 상기 압력 유체 공급부로부터 공급된 상기 압력 유체에 의해 상기 공시체에 횡방향으로 실제로 인가되는 실제 횡압력을 측정하는 횡압력 센서와, 상기 횡압력 센서로부터 상기 실제 횡압력을 전달받아 상기 목표 횡압력과 비교하며, 상기 목표 횡압력과 상기 실제 횡압력 사이에 압력 값의 차이가 발생하면 상기 차이가 보정되도록 상기 압력 유체 공급부를 PID 제어하여 상기 실제 횡압력을 상기 목표 횡압력과 일치시키는 횡압력 제어부를 포함하고, 상기 목표 횡압력은 상기 목표 축압력과 동일한 값으로 설정되며, 상기 횡압력 제어부는 상기 압력 유체 공급부를 PID 제어하여 상기 실제 횡압력을 상기 목표 축압력과 일치시키는 것을 특징으로 한다.
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삭제
바람직하게, 횡압력 제어부는, 목표 횡압력이 설정되면 목표 횡압력의 압력 값과 대응되는 작동 신호를 압력 유체 공급부로 전달하여 압력 유체 공급부를 작동시키며, 압력 유체 공급부의 작동 후 횡압력 센서로부터 전달된 실체 횡압력과 목표 횡압력 사이에 압력 값의 차이가 발생하면 차이를 보정하기 위한 보정 신호를 압력 유체 공급부로 전달하여 실제 횡압력을 목표 횡압력과 일치시키는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 압력 유체 공급부는, 삼축실에 공입하기 위한 압력 유체가 저장된 압력 유체 저장실; 압력 유체 저장실과 연결되어 압력 유체 저장실에 저장된 압력 유체를 미리 정해진 압력으로 펌핑하는 펌프; 및 펌프와 삼축실 사이에 설치되어 펌프로부터 압력 유체를 전달받아 미리 설정된 증압비로 증압하여 삼축실의 내부 공간으로 공급하는 압력 부스터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 횡압력 제어부는, 압력 부스터의 증압비를 조절하여 실제 횡압력을 목표 횡압력과 일치시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 삼축 압축하 공극압 시험기는 다음과 같은 효과를 가진다.
첫째, 공시체가 설치된 삼축실의 내부 공간으로 압력 유체를 공급할 수 있는 유체 공급부를 PID 제어하여 공시체에 실제로 인가되는 실체 횡압력을 공시체에 인가하고자 하는 목표 횡압력과 자동으로 일치시킬 수 있으므로, 공시체에 대한 정확한 물성 검사를 수행하고 사용자의 편의성을 개선할 수 있다.
둘째, 공시체에 동일한 압력 값의 목표 축압력과 목표 횡압력을 인가할 수 있어 공시체에 대한 보다 정확한 물성 검사를 수행할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 삼축 압축하 공극압 시험기를 개략적으로 설명하기 위한 개념도.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 삼축 압축하 공극압 시험기의 횡압력 인가 유닛을 설명하기 위한 도면.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 삼축 압축하 공극압 시험기를 이용한 삼축 압축하 공극압 시험 방법을 설명하기 위한 순서도.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 삼축 압축하 공극압 시험기를 이용하여 공시에 인가되는 횡압력을 보정하는 방법을 설명하기 위한 순서도.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과하고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도면에서 각 구성요소 또는 그 구성요소를 이루는 특정 부분의 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 따라서, 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다. 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그러한 설명은 생략하도록 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 삼축 압축하 공극압 시험기는 횡압력 인가 유닛을 통해 암석에 인가하고자 하는 목표 횡압력과 공시체에 실제로 인가된 실제 횡압력 사이에 압력 값의 차이가 발생하면 실제 횡압력이 목표 횡압력과 동일한 압력 값을 가지도록 횡압력 인가 유닛에 대한 PID 제어를 수행하는 것이 특징이다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 삼축 압축하 공극압 시험기를 이용하여 수행할 수 있는 암석의 거동에 대한 연구는 특별히 한정되지는 않는다. 설명의 편의를 위하여, 암석의 공극에 초임계 상태의 CO2를 주입하여 암석을 포화시킨 상태에서 암석을 파괴한 후에 파괴된 암석의 물성을 검사하는 경우를 예로 들어 본 발명을 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 삼축 압축하 공극압 시험기를 개략적으로 설명하기 위한 개념도이며, 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 삼축 압축하 공극압 시험기의 횡압력 인가 유닛을 설명하기 위한 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 삼축 압축하 공극압 시험기(1)는, 삼축실(10), 축압력 인가 유닛(20), 횡압력 인가 유닛(30), 및 포화 유닛(40) 등을 포함한다.
삼축실(10)은 내부에 공시체(15)가 설치되어 삼축 압축하 공극압 시험이 수행되는 부재로서, 하우징(11), 내부 공간(12), 하부 가압판(13), 상부 가압판(14), 수축 튜브 등을 포함할 수 있다.
하우징(11)은 삼축실(10)의 외관을 형성하며, 본체(16), 베이스(17), 및 캡(18)으로 이루어질 수 있다. 본체(16)는 내부에 중공이 형성된 원통형 형상을 가진다. 베이스(17)는 본체(16)의 하부에 결합되어 본체(16)의 하부를 밀폐하고, 제1 내지 3 관통홀(17a)(17b)(17c)을 포함한다. 캡(18)은 본체(16)의 상부에 결합되어 본체(16)의 상부를 밀폐하고, 제4 관통홀(18a)을 포함한다.
제1 및 2 관통홀(17a)(17b)은 베이스(17)가 관통되어 각각 형성되며, 포화 유닛(40)과 연결되어 공시체(15)의 공극을 포화시키기 위한 공극 유체의 이동 통로를 제공한다. 제3 관통홀(17c)은 베이스(17)가 관통되어 형성되며, 횡압력 인가 유닛(30)과 연결되어 공시체(15)에 횡압력을 인가하기 위한 압력 유체의 이동 통로를 제공한다. 제4 관통홀(18a)은 삼축실(10)의 캡(18)이 관통되어 형성되며, 축압력 인가 유닛(20)의 가압봉(22)이 이동하게 삽입되어 가압봉(22)의 상하 이동을 가이드 할 수 있다.
내부 공간(12)은 삼축실(10)의 내부에 형성되고, 공시체(15)가 설치되어 삼축 압축하 공극압 시험을 위한 공간을 제공하며, 제1 공극 유체 유로(12a), 및 제2 공극 유체 유로(12b)를 포함할 수 있다. 공시체(15)는 본 발명에 따른 삼축 압축하 공극압 시험기(1)를 이용하여 물성을 검사하고자 하는 암석으로서 그 종류는 특별히 한정되지는 않는다.
제1 공극 유체 유로(12a)는 일측 단부가 베이스(17)의 제1 관통홀(17a)과 연결되고 타측 단부가 하부 가압판(13)의 공극 유체 유로(13a)와 연결된다. 따라서, 제1 공극 유체 유로(12a)는 포화 유닛(40)으로부터 공급된 공극 유체를 제1 관통홀(17a)로부터 전달받아 하부 가압판(13)의 공극 유체 유로(13a)에 전달하거나 하부 가압판(13)의 공극 유체 유로(13a)로부터 배출된 공극 유체를 제1 관통홀(17a)로 전달할 수 있다.
제2 공극 유체 유로(12b)는 일측 단부가 베이스(17)의 제2 관통홀(17b)과 연결되고 타측 단부가 상부 가압판(14)의 공극 유체 유로(14a)와 연결된다. 제2 공극 유체 유로(12b)는, 공시체(15)에 인가되는 축압력으로 인해 공시체(15)의 높이가 변화됨으로써 제2 공극 유체 유로(12b)에 인가되는 압축력에 의해 제2 공극 유체 유로(12b)가 파괴되는 것을 방지하기 위하여, 공시체(15)의 둘레를 따라 나선형으로 감기는 형상으로 형성될 수 있다. 따라서, 제2 공극 유체 유로(12b)는 포화 유닛(40)으로부터 공급된 공극 유체를 제2 관통홀(17b)로부터 전달받아 상부 가압판(14)의 공극 유체 유로(14a)에 전달하거나 상부 가압판(14)의 공극 유체 유로(14a)로부터 배출된 공극 유체를 제2 관통홀(17b)로 전달할 수 있다.
하부 가압판(13)은 베이스(17)의 상면과 결합되어 삼축실(10)의 내부 공간(12)에 설치되어 공시체(15)의 하부를 가압 지지하며, 공극 유체 유로(13a), 복수의 슬릿(13b) 등을 포함할 수 있다.
공시체(15)는 하부 가압판(13)의 상면에 올려놓아 삼축실(10)의 내부 공간(12)에 설치할 수 있으며, 하부 가압판(13)은 공시체(15)가 이탈되지 않도록 공시체(15)의 하부를 지지하고 축압력 인가 유닛(20)으로부터 전달받은 축압력을 공시체(15)로 인가하여 공시체(15)를 축 방향으로 가압할 수 있다.
공극 유체 유로(13a)는 하부 가압판(13)의 내부에 형성되며, 일측 단부는 내부 공간(12)에 설치된 제1 공극 유체 유로(12a)와 연결되고 타측 단부는 하부 가압판(13)의 상부에 형성된 복수의 슬릿(13b)과 연결된다. 복수의 슬릿(13b)은 하부 가압판(13)의 상면에 형성되며, 공극 유체 유로(13a)와 연결된다. 따라서, 제1 관통홀(17a)을 통해 공급된 공극 유체는 제1 공극 유체 유로(12a), 공극 유체 유로(13a), 및 복수의 슬릿(13b)을 순차적으로 통과한 후에 공시체(15)의 공극에 주입될 수 있다. 이와 반대로, 공시체(15)의 공극으로부터 배출된 공극 유체는 복수의 슬릿(13b)으로 유입된 후에 공극 유체 유로(13a), 제1 공극 유체 유로(12a), 및 제1 관통홀(17a)을 순차적으로 통과하여 외부로 배출될 수 있다.
상부 가압판(14)은 공시체(15)의 상부에 배치되고, 삼축실(10)의 내부 공간(12)에 설치된 공시체(15)의 상부를 가압 지지하며, 공극 유체 유로(14a), 및 복수의 슬릿(14b) 등을 포함할 수 있다.
상부 가압판(14)은 하부 가압판(13)의 상부에 배치된 공시체(15)의 상면에 올려놓아 설치할 수 있으며, 공시체(15)가 이탈되지 않도록 공시체(15)의 상부를 지지하고 축압력 인가 유닛(20)으로부터 전달받은 축압력을 공시체(15)로 인가하여 공시체(15)를 축 방향으로 가압할 수 있다. 또한, 상부 가압판(14)의 상면은 축압력 인가 유닛(20)의 가압봉(22)의 볼록하게 라운드진 하면과 대응되도록 오목하게 라운드질 수 있다.
공극 유체 유로(14a)는 상부 가압판(14)의 내부에 형성되며, 일측 단부는 내부 공간(12)에 설치된 제2 공극 유체 유로(12b)와 연결되고 타측 단부는 상부 가압판(14)의 상부에 형성된 복수의 슬릿(14b)과 연결된다. 복수의 슬릿(14b)은 상부 가압판(14)의 하면에 형성되며, 공극 유체 유로(14a)와 연결된다. 따라서, 제2 관통홀(17b)을 통해 공급된 공극 유체는, 제2 공극 유체 유로(12b), 공극 유체 유로(14a), 및 복수의 슬릿(14b)을 순차적으로 통과한 후에 공시체(15)의 공극에 주입될 수 있다. 이와 반대로, 공시체(15)의 공극으로부터 배출된 공극 유체는 복수의 슬릿(14b)으로 유입된 후에 공극 유체 유로(14a), 제2 공극 유체 유로(12b), 및 제2 관통홀(17b)을 순차적으로 통과하여 외부로 배출될 수 있다.
수축 튜브는 공시체(15)의 둘레를 둘러싸도록 설치되며, 공시체(15)를 삼축실(10)의 내부 공간(12)에 주입된 압력 유체로부터 실링할 수 있다. 수축 튜브의 재질은 특별히 한정되지는 않으며, 예를 들어, 수축 튜브는 열이 인가되면 수축되는 성질을 갖는 테프론의 재질을 가질 수 있다. 수축 튜브의 하부와 하부 가압판(13) 사이, 및 수축 튜브의 상부와 상부 가압판(14) 사이는 O-ring 기타 실링 부재에 의하여 밀폐될 수 있다. 따라서, 수축 튜브는 삼축실(10)의 내부 공간(12)에 주입된 압력 유체와 공시체(15) 사이를 실링할 수 있다.
축압력 인가 유닛(20)은 삼축실(10)의 내부 공간(12)에 설치된 공시체(15)에 축방향으로 축압력을 인가하며, 가압봉(22), 리프트(미도시), 및 축압력 센서(24) 등을 포함할 수 있다.
가압봉(22)은 공시체(15)에 인가하기 위한 축압력을 상부 가압판(14) 및 하부 가압판(13)에 각각 전달하며, 상부 가압판(14)의 상부에 배치되어 설치될 수 있다. 가압봉(22)은 삼축실(10)의 캡(18)에 형성된 제4 관통홀(18a)에 이동 가능하게 삽입될 수 있는 봉 형상을 가지며, 하면이 상부 가압판(14)의 오목하게 라운드진 상면과 대응되도록 볼록하게 라운드지게 형성된다. 따라서, 가압봉(22)은 상부 가압판(14)의 상면에 올려놓아 설치할 수 있으며, 리프트에 의해 삼축실(10)이 승강될 때 가압봉(22)이 축압력 센서(24)와 접촉되어 발생한 축압력을 상부 가압판(14) 및 하부 가압판(13)에 각각 전달할 수 있다.
리프트는 삼축실(10)의 하부에 설치되며 삼축실(10)을 승하강시킬 수 있다. 리프트의 구조는 특별히 한정되지는 않으며, 예를 들어, 유압에 의해 삼축실(10)을 승하강시킬 수 있는 유압 장치로 구성될 수 있다. 따라서, 리프트는 가압봉(22)이 축압력 센서(24)와 접촉되도록 삼축실(10)을 승강시켜 가압봉(22)에 공시체(15)에 전달하기 위한 축압력을 발생시킬 수 있다.
축압력 센서(24)는 가압봉(22)과 미리 정해진 간격(ℓ)만큼 이격되도록 삼축실(10)의 상부에 설치되며, 리프트에 의해 승강된 가압봉(22)과 접촉되어 가압봉(22)에 축압력을 발생시키고, 가압봉(22)에 발생된 축압력을 측정할 수 있다. 축압력 센서(24)의 종류는 특별히 한정되지는 않으며, 예를 들어, 로드셀이 사용될 수 있다. 따라서, 축압력 센서(24)는 삼축실(10)이 하강된 상태일 때는 가압봉(22)과 이격되어 가압봉(22)에 축압력을 발생시키지 않으며, 삼축실(10)이 승강된 상태일 때는 가압봉(22)과 접촉되어 가압봉(22)에 공시체(15)에 전달하기 위한 축압력을 발생시킬 수 있다.
이와 같이 축압력 인가 유닛(20)이 마련됨에 따라 축압력 인가 유닛(20)은 다음과 같은 과정을 통해 공시체(15)에 축압력을 인가할 수 있다.
먼저, 리프트가 가동되어 미리 설정된 목표 축압력에 대응되는 힘으로 삼축실(10)을 승강시켜 가압봉(22)을 축압력 센서(24)와 접촉시킨다.
다음으로, 가압봉(22)이 축압력 센서(24)와 접촉됨에 따라 가압봉(22)에 축 방향으로 목표 축압력이 발생한다.
다음으로, 가압봉(22)이 상부 가압판(14)을 목표 축압력으로 눌러줌으로써, 상부 가압판(14)과 하부 가압판(13)이 각각 공시체(15)의 상부와 하부를 공시체(15)의 축방향으로 눌러서 공시체(15)에 목표 축압력을 인가할 수 있다.
횡압력 인가 유닛(30)은 삼축실(10)의 내부 공간(12)으로 압력 유체를 공급하여 공시체(15)에 횡방향으로 미리 설정된 목표 횡압력을 인가하며, 압력 유체 공급부(31), 횡압력 센서(32), 횡압력 제어부(33) 등을 포함할 수 있다.
압력 유체 공급부(31)는 삼축실(10)의 내부 공간(12)으로 압력 유체를 공급하며, 압력 유체 저장실(34), 압력 유체 펌프(35), 어큐물레어터(36), 및 압력 부스터(37) 등을 포함할 수 있다.
압력 유체 저장실(34)은 삼축실(10)의 내부 공간(12)으로 공급하기 위한 압력 유체가 저장된다. 압력 유체의 종류는 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어, 오일이 압력 유체로 사용될 수 있다.
압력 유체 펌프(35)는 압력 유체 저장실(34)과 연결되어 압력 유체 저장실(34)에 저장된 압력 유체를 미리 정해진 일정한 압력으로 펌핑할 수 있다. 어큐물레어터(36)는 압력 유체 펌프(35)와 압력 부스터(37) 사이에 설치되며, 압력 유체 펌프(35)에서 토출된 압력 유체를 전달받아 압력 유체에 발생된 유체 맥동을 제거한 후 압력 부스터(37)로 전달할 수 있다.
압력 부스터(37)는 압력 유체 펌프(35)와 삼축실(10) 사이, 보다 구체적으로, 어큐물레어터(36)와 삼축실(10) 사이에 설치되어 압력 유체 펌프(35)로부터 미리 정해진 일정한 압력으로 토출된 압력 유체를 전달받아 미리 설정된 증압비로 증압하여 삼축실(10)의 내부 공간(12)으로 공급할 수 있다. 압력 부스터(37)의 구조는 특별히 한정되지는 않으며, 예를 들어, 압력 부스터(37)는 대구경의 실린더, 소구경의 실린더, 및 대구경의 실린더와 소구경의 실린더 내부를 왕복 행정하는 피스톤을 포함하는 이중 고압 실린더일 수 있다. 따라서, 압력 부스터(37)는 압력 유체 펌프(35)로부터 미리 정해진 일정한 압력으로 토출된 압력 유체를 전달받고, 전달받은 압력 유체를 미리 정해진 증압비로 증압하여 삼축실(10)의 내부 공간(12)으로 공급할 수 있다. 이와 같이 압력 유체 펌프(35)와 삼축실(10) 사이에 압력 부스터(37)를 설치하면, 압력 유체 펌프(35)만을 이용하여 삼축실(10)의 내부 공간(12)으로 고압의 압력 유체를 공급한 경우에 비해 상대적으로 저용량의 전동기를 이용하여 압력 유체 펌프(35)를 구동할 수 있으므로, 전력 사용량을 줄일 수 있다.
한편, 압력 부스터(37) 즉, 이중 고압 실린더의 내부가 비어 있는 상태에서 압력 유체 펌프(35)로부터 압력 유체가 공급될 경우에는 이중 고압 실린더의 내부에 수용된 에어와 압력 유체와 섞이게 된다. 따라서, 압력 유체로 포함된 에어로 인하여 삼축실(10)의 내부 공간(12)에 균일한 압력의 압력 유체를 공급할 수 없게 된다. 이를 해결하기 위하여, 압력 유체 공급부(31)는 압력 유체 펌프(35)로부터 압력 부스터(37)로 압력 유체가 공급되기 이전에 미리 압력 부스터(37)로 압력 유체를 공급하여 압력 부스터(37)의 내부에 남아있는 에어를 제거할 수 있는 에어 제거 장치(미도시)를 더 포함할 수 있다. 에어 제거 장치의 구조는 특별히 한정되지는 않으며, 예를 들어, 에어 제거 장치(미도시)는 압력 부스터(37)와 연결되어 압력 부스터(37)로 압력 유체를 공급할 수 있는 에어 실린더(미도시)를 포함할 수 있다.
한편, 압력 유체 펌프(35)의 가동이 시작되면, 비록 삼축 압축하 공극압 시험이 시작되기 전이라도 압력 유체 펌프(35)의 내부에서 압력 유체가 계속적으로 순환되면서 압력 유체의 온도가 상승하게 된다. 이와 같이 온도가 상승된 압력 유체가 삼축실(10)의 내부 공간(12a)으로 공급되는 경우에는 압력 유체의 고열로 인하여 시험기의 안정성이 저하되며, 횡압력 센서(32)에 횡압력 측정에 오류가 발생할 수 있다.
이를 해결하기 위하여, 압력 유체 공급부(31)는 압력 유체의 온도를 적정한 수준으로 유지시킬 수 있는 유체 쿨러(38)를 더 포함할 수 있다. 유체 쿨러(38)는, 압력 유체 펌프(35)와 압력 부스터(37)를 연결하는 유로(30a)를 따라 이동하는 압력 유체를 다시 압력 유체 저장실(34)로 보낼 수 있는 리턴 유로(38a), 리턴 유로(38a)와 유로(30a)의 연결점에 설치되어 유로(30a)를 통과하는 압력 유체를 리턴 유로(38a)로 선택적으로 보낼 수 있는 삼방 밸브(38b), 및 리턴 유로(38a) 상에 설치되며 리턴 유로(38a)를 통과하는 압력 유체를 감압 감온하여 압력 유체 저장실(34)로 보낼 수 있는 릴리프 밸브(38c) 등을 포함할 수 있다.
이와 같이 유체 쿨러(38)가 마련됨에 따라, 시험이 시작되기 전에는 압력 유체 펌프(35)로부터 토출된 압력 유체를 삼방 밸브(38b)를 통해 리턴 유로(38a)를 보낸 후 릴리프 밸브(38c)로 통과하면서 감압 감온된 압력 유체를 압력 유체 저장실(34)로 환송할 수 있다. 따라서, 삼축실(10)의 내부 공간(12)으로 공급하기 위한 압력 유체의 온도를 적정한 수준으로 유지할 수 있다.
횡압력 센서(32)는 압력 유체 공급부(31)로부터 공급된 압력 유체에 의해 공시체(15)에 횡방향으로 실제로 인가되는 실제 횡압력을 측정할 수 있다. 횡압력 센서(32)는, 압력 부스터(37)와 베이스(17)의 제3 관통홀(17c) 사이를 연결하여 압력 부스터(37)로부터 증압되어 토출된 압력 유체를 제3 관통홀(17c)로 공급할 수 있는 압력 유체 공급 유로(30b) 상에 설치될 수 있다.
압력 유체 공급 유로(30b)는 제3 관통홀(17c)을 통해 삼축실(10)의 내부 공간(12)과 연통되어 있으므로, 횡압력 센서(32)를 이용하여 압력 유체 공급 유로(30b) 상의 압력 유체의 압력을 측정함으로써 공시체(15)에 인가되는 실제 횡압력을 측정할 수 있다. 횡압력 센서(32)의 종류는 특별히 한정되지는 않으며, 관로 상의 유체의 압력을 측정할 수 있는 일반적인 압력 센서가 사용될 수 있다. 횡압력 센서(32)는 공시체(15)에 인가되는 실제 횡압력을 측정하여 실제 횡압력의 압력 값과 대응되는 압력 신호를 생성하여 횡압력 제어부(33)로 전달할 수 있다.
횡압력 제어부(33)는 횡압력 인가 유닛(30)의 전반적인 구동을 전달할 수 있으며, 특히, 공시체(15)에 인가되는 실제 횡압력이 목표 횡압력과 동일한 압력 값을 가지도록 압력 유체 공급부(31)의 구동을 제어할 수 있다.
일반적으로 삼축 압축 시험기는 공시체에 동일한 압력 값의 축압력과 횡압력 즉, 등방압력을 인가한 상태에서 공시체를 공극 유체를 이용하여 포화시킨 후에 공시체를 파괴하여 파괴된 공시체의 잔해를 이용하여 공시체의 물성을 검사한다. 따라서, 정확한 공시체의 물성 검사를 위해서는 공시체에 등방 압력이 인가되어야 한다.
그런데, 공시체에 축압력을 인가하는 과정에서 축압력으로 인해 공시체의 체적이 감소되므로, 이로 인해 공시체의 체적의 감소분만큼 압력 유체가 충전될 수 있는 삼축실의 내부 공간의 체적이 증가된다. 이와 같이 공시체에 축압력이 인가될 때 압력 유체가 충전될 수 있는 삼축실의 내부 공간의 체적이 증가됨에 따라 압력 유체에 의하여 공시체에 인가되는 횡압력이 감소된다.
따라서, 압력 유체 공급부로부터 목표 횡압력과 동일한 압력 값을 가지는 압력 유체가 토출되더라도 공시체에 인가되는 실제 횡압력은 목표 횡압력보다 낮은 압력 값을 갖게 된다. 이와 같은 공시체의 체적 변화에 따른 요인 이외에도 압력 유체 공급부로터 삼축실의 내부 공간으로 압력 유체가 전달되는 과정에서 발생할 수 있는 압력 손실로 인하여 목표 횡압력과 실제 횡압력 사이에 압력 값의 차이가 발생할 수 있다. 이러한 목표 횡압력과 실제 횡압력 압력 값의 차이로 인하여 삼축 압축 시험의 정확성이 떨어질 수 있다.
이를 해결하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 삼축 압축하 공극압 시험기(1)의 횡압력 제어부(33)는 목표 횡압력과 실제 횡압력 사이에 압력 값의 차이가 발생하면 상기 차이가 보정되도록 압력 유체 공급부(31)를 PID 제어(PID action)하여 실제 횡압력을 목표 횡압력과 일치시킨다.
PID 제어란, 출력 신호를 그 입력 신호로 되돌림으로써 제어량의 값을 목표값과 비교하여 그들을 일치시키도록 제어 동작을 수행하는 피드백 제어의 일종이다. 보다 구체적으로, PID 제어는 피드백 제어에서 제어 동작이 P 동작(편차에 비례한 신호를 내는 비례 동작), I 동작(잔류 편차를 제거하기 위한 신호를 내는 적분 동작), 및 D 동작(응답을 신속히 하기 위한 미분 동작)을 동시에 하는 것을 할 수 있다. 또한, 각 동작의 비율은 제어부의 설정 조건에 따라 바꿀 수 있으므로, PID 제어는 매우 양한 양호한 제어를 수행할 수 있는 장점을 가진다.
이하에서는 횡압력 제어부(33)가 목표 횡압력과 실제 횡압력 사이에 발생한 압력 값의 차이를 보정하기 위해 압력 유체 공급부(31)를 PID 제어하는 구체적인 방법을 설명하기로 한다.
횡압력 제어부(33)는, 작동 신호와 보정 신호를 각각 생성하여 압력 유체 공급부(31)로 전달함으로써 압력 유체 공급부(31)를 PID 제어할 수 있다. 보다 구체적으로, 횡압력 제어부(33)는, 작동 신호와 보정 신호를 압력 유체 공급부(31)의 압력 부스터(37)로 전달함으로써, 압력 부스터(37)의 증압비를 조절하여 실제 횡압력을 목표 횡압력과 일치시킬 수 있다.
다만 이에 한정되는 것은 아니며, 예를 들어, 횡압력 제어부(33)는 작동 신호와 보정 신호를 압력 유체 공급부(31)의 압력 유체 펌프(35)로 전달하여 압력 유체 펌프(35)의 구동을 제어함으로써 실제 횡압력을 목표 횡압력과 일치시킬 수도 있다. 이하에서는, 설명의 편하여 횡압력 제어부(33)에서 생성된 작동 신호와 보정 신호를 이용하여 압력 부스터(37)의 증압비를 조절하는 경우를 기준으로 본 발명을 설명하기로 한다.
작동 신호는 수동 또는 자동으로 목표 횡압력이 설정되면 설정된 목표 횡압력의 압력 값과 대응되도록 생성되는 신호를 말한다. 즉, 목표 횡압력의 압력 값마다 이와 대응되는 고유의 작동 신호가 생성된다.
목표 횡압력은 시험자의 의하여 수동으로 설정되거나 횡압력 제어부(33)가 자동으로 설정될 수 있는데, 예를 들어, 횡압력 제어부(33)는 축압력 인가 유닛(20)으로부터 목표 축압력을 전달받아 목표 횡압력을 목표 축압력과 동일한 크기로 자동으로 설정할 수 있다.
작동 신호의 생성 방법은 특별히 한정되지는 않으며, 예를 들어, 압력 유체 제어부는 목표 횡압력과 비례하는 크기를 가지는 0 ~ 10 V 사이의 전압 값을 가지는 작동 신호를 생성할 수 있다.
따라서, 횡압력 제어부(33)는 목표 횡압력이 설정되면 목표 횡압력의 압력 값과 비례하는 크기를 가지는 0 ~ 10 V 사이의 전압 값을 갖는 작동 신호를 생성하여 압력 부스터(37)에 전달한다.
상술한 바와 같이 압력 유체 펌프(35)는 압력 유체 저장실(34)에 저장된 압력 유체를 미리 정해진 일정한 압력으로 펌핑하여 토출하므로 압력 부스터(37)로 공급되는 압력 유체는 일정한 압력 값을 갖는다.
따라서, 압력 부스터(37)는 압력 유체 펌프(35)로부터 전달받은 압력 유체를 작동 신호의 전압 값에 대응하는 증압비로 증압하여 토출한다. 작동 신호에 의하여 압력 부스터(37)에서 증압되어 토출된 압력 유체는 압력 유체 공급 유로(30b)와 제3 관통홀(17c)을 순차적으로 통과하여 삼축실(10)의 내부 공간(12)으로 공급되어 공시체(15)에 횡압력을 인가한다.
보정 신호는 압력 유체 공급부(31)의 작동 후 횡압력 센서(32)로부터 전달된 실제 횡압력과 목표 횡압력 사이에 압력 값의 차이가 발생하면 상기 차이를 보정하기 위해 횡압력 제어부(33)가 생성하는 신호를 말한다.
작동 신호에 의해 압력 부스터(37)가 작동되어 공시체(15)에 인가된 실제 횡압력은 횡압력 센서(32)에 의하여 측정되며, 횡압력 센서(32)는 실제 횡압력의 압력 값과 비례되는 0 ~ 10 V 사이의 전압 값을 갖는 압력 신호를 생성하여 횡압력 제어부(33)로 전달할 수 있다.
따라서, 횡압력 제어부(33)는 작동 신호의 전압 값과 압력 신호의 전압 값을 비교하여, 작동 신호와 압력 신호의 전압 값의 일치 여부에 따라 목표 횡압력과 실제 횡압력의 일치 여부를 판단할 수 있다.
만약, 목표 횡압력과 실제 횡압력 사이에 압력 값의 차이가 발생하면, 횡압력 제어부(33)는 작동 신호와 미리 정해진 크기만큼 전압 값의 차이를 갖는 보정 신호를 생성하여 압력 부스터(37)로 전달한다.
압력 부스터(37)는 횡압력 제어부(33)로부터 전달받은 보정 신호의 전압 값과 대응되는 증압비로 압력 유체 펌프(35)로부터 전달받은 압력 유체를 증압하여 삼축실(10)의 내부 공간(12)으로 공급한다. 횡압력 센서(32)는 보정 신호에 의해 압력 부스터(37)가 작동되어 공시체(15)에 새로이 인가된 실제 횡압력을 측정하여, 새로운 실제 횡압력에 비례되는 전압 값을 갖는 새로운 압력 신호를 생성하여 횡압력 제어부(33)로 전달한다.
횡압력 제어부(33)는 횡압력 센서(32)로부터 전달된 새로운 압력 신호의 전압 값과 작동 신호의 전압 값을 다시 비교하여, 새로운 실제 횡압력과 목표 횡압력의 압력 값이 일치되었는지 여부를 판단한다. 이와 같은 과정을 반복하여 횡압력 센서(32)로부터 전달된 압력 신호와 작동 신호의 전압 값을 일치시킴으로써, 실제 횡압력과 목표 횡압력의 압력 값을 일치시킬 수 있다.
이하에서는, 공시체(15)에 작용하는 축압력에 따른 공시체(15)의 체적 감소로 인하여 목표 축압력과 실제 축압력 사이에 압력 값의 차이가 발생한 경우를 예로 들어 횡압력 제어부(33)가 실제 축압력을 목표 축압력과 일치시키는 과정을 설명하기로 한다.
먼저, 목표 축압력을 설정하여 축압력 인가 유닛(20)을 이용하여 공시체(15)에 축압력을 인가함과 동시에 횡압력 인가 유닛(30)을 이용하여 목표 축압력과 동일한 압력 값을 가지는 목표 횡압력을 설정하여 공시체(15)에 횡압력을 인가한다.
보다 구체적으로, 횡압력 제어부(33)는 설정된 목표 횡압력의 압력 값과 대응되는 크기의 전압 값을 가지는 작동 신호를 생성하여 압력 부스터(37)에 전달한다. 압력 부스터(37)는 압력 유체 펌프(35)로부터 미리 정해진 일정한 압력으로 토출되어 전달받은 압력 유체를 전달받은 작동 신호의 전압 값에 대응되는 증압비로 증압하여 삼축실(10)의 내부 공간(12)으로 공급한다.
횡압력 센서(32)는 압력 유체 공급 유로(30b) 상의 압력 유체의 압력을 측정함으로써 공시체(15)에 인가되는 실제 횡압력을 측정한다. 그런데, 공시체(15)에 인가되는 목표 축압력에 인하여 공시체(15)의 체적이 감소되면서 삼축실(10)의 내부 공간(12)의 체적이 증가하므로, 이로 인해 횡압력 센서(32)에 의하여 측정되는 실제 횡압력은 목표 횡압력보다 낮은 압력 값을 갖는다. 횡압력 센서(32)는 이러한 실제 횡압력의 압력 값에 대응하는 전압 값을 갖는 압력 신호를 생성하여 횡압력 제어부(33)로 전달한다.
다음으로, 횡압력 제어부(33)는 횡압력 센서(32)로부터 전달받은 압력 신호의 전압 값과 작동 신호의 전압 값을 비교한다. 실제 횡압력은 목표 축압력보다 낮은 압력 값을 가지므로, 압력 신호 또한 작동 신호보다 낮은 압력 값을 가지며, 이를 통해 횡압력 제어부(33)는 실제 횡압력이 목표 횡압력보다 낮은 압력 값을 가짐을 인식할 수 있다.
다음으로, 횡압력 제어부(33)는 작동 신호보다 미리 정해진 크기만큼 큰 전압 값을 가지는 보정 신호를 생성하여 압력 부스터(37)에 전달한다. 압력 부스터(37)는 횡압력 제어부(33)로부터 전달받은 보정 신호의 전압 값에 대응되는 증압비로 압력 유체 펌프(35)로부터 전달받은 압력 유체를 증압하여 삼축실(10)의 내부 공간(12)으로 공급한다. 여기서, 보정 신호는 작동 신호보다 높은 전압 값을 가지므로 압력 부스터(37)의 증압비는 작동 신호가 인가된 경우보다 증가하며, 이로 인해 공시체(15)에 인가되는 실제 횡압력의 압력 값이 증가한다. 횡압력 센서(32)는 이와 같이 증가된 실제 횡압력의 압력 값과 대응되는 전압 값을 가지는 압력 신호를 새로이 재생성하여 횡압력 제어부(33)로 전달한다.
다음으로, 횡압력 제어부(33)는 횡압력 센서(32)로부터 전달받은 새로운 압력 신호와 작동 신호의 전압 값을 비교한다. 만약 새로운 압력 신호보다 작동 신호의 전압 값이 더 높다면 횡압력 제어부(33)는 다시 기존의 보정 신호보다 미리 정해진 크기만큼 큰 전압 값을 가지는 보정 신호를 재생성하여 압력 부스터(37)로 재전달한다. 이러한 실제 횡압력의 보정 과정은 실제 횡압력과 목표 횡압력이 동일한 압력 값을 가질 때까지 반복된다. 따라서, 실제 횡압력을 목표 횡압력, 다시 말하면, 목표 축압력과 동일한 압력 값으로 보정할 수 있어 공시체(15)에 등방 압력을 인가할 수 있다. 그 결과, 공시체(15)에 등방 압력이 인가시킨 후에 나머지 시험 과정을 진행할 수 있어 암석의 물성을 정확하게 검사할 수 있다.
포화 유닛(40)은 공시체(15)의 공극으로 공극 유체를 공급하거나 공시체(15)의 공극으로부터 공극 유체를 배출시켜 공시체(15)를 포화 상태로 만들 수 있으며, 공극 유체 저장실(41), 제1 공극 유체 펌프(42), 제2 공극 유체 펌프(43), 제1 공극 유체 압력 센서(44), 제2 공극 유체 압력 센서(45) 등을 포함할 수 있다. 공시체(15)의 공극에 주입할 수 있는 공극 유체의 종류는 특별히 한정되지는 않으며, 예를 들어, 포화 유닛(40)은 CO2를 공시체(15)의 공극에 주입하여 공시체(15)를 포화시킬 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위하여 CO2를 공시체(15)의 공극에 주입하여 공시체(15)를 포화시키는 경우를 예로 들어 본 발명을 설명하기로 한다.
공극 유체 저장실(41)은 공시체(15)에 주입하기 위한 CO2가 저장될 수 있다. CO2는 액체 상태로 공극 유체 저장실(41)에 저장되는 것이 바람직하나 이에 한정되는 것은 아니다.
제1 공극 유체 펌프(42)는 공극 유체 저장실(41)과 연결된 유로(40a)를 통해 공극 유체 저장실(41)로부터 액체 상태의 CO2를 전달받으며, 제1 공극 유체 펌프(42)로 공급된 CO2는 온도가 상승되어 초임계 상태가 된다.
유로(40a)에는 밸브(46)가 설치되어 제1 공극 유체 펌프(42)로 공급되는 CO2의 양을 조절할 수 있다. 제1 공극 유체 펌프(42)로부터 토출된 초임계 상태의 CO2는 유로(40b)를 따라 이동하다가 삼방 밸브(48)에 의하여 유로(40d)와 바이패스 유로(40c)로 분기된다. 또한, 유로(40d)로 분기된 CO2는 유로(40d)와 연결된 제1 관통홀(17a)로 공급되어 공시체(15)의 공극으로 주입될 수 있고, 바이패스 유로(40c)로 분기된 CO2는 삼방 밸브(49)에 의해 유로(40e)로 안내되며 다시 유로(40e)와 연결된 제2 관통홀(17b)로 공급되어 공시체(15)의 공급으로 주입될 수 있다.
제2 공극 유체 펌프(43)는 삼방 밸브(49)와 연결된 유로(40f)를 통해 공시체(15)로부터 배출된 초임계 상태의 CO2를 전달받으며, 제2 공극 유체 펌프(43)의 일측에는 냉각기(43a)가 설치되어 제2 공극 유체 펌프(43)에 수용된 CO2를 미리 정해진 온도로 냉각시킬 수 있다.
제2 공극 유체 펌프(43)와 공극 유체 저장실(41)을 연결하는 유로(40g)에는 밸브(47)가 설치가 설치되어 제2 공극 유체 펌프(43)로부터 공극 유체 저장실(41)로 배출되는 CO2의 양을 조절할 수 있다. 공시체(15)의 공극으로부터 배출된 CO2는 상부 가압판(14), 제2 공극 유체 유로(12b), 및 제2 관통홀(17b)을 통해 유로(40e)로 안내되며, 유로(40e)로 안내된 CO2는 다시 삼방 밸브(49)에 의해 유로(40f)로 안내되어 제2 공극 유체 펌프(43)로 공급될 수 있다.
제1 공극 유체 압력 센서(44)는 유로(40d)를 통과하는 CO2의 압력을 측정할 수 있으며, 제2 공극 유체 압력 센서(45)는 유로(40e)를 통과하는 CO2의 압력을 측정할 수 있다.
이하에서는 포화 유닛(40)을 이용하여 공시체(15)에 CO2를 주입하여 공시체(15)를 포화시키는 방법에 대해 설명하기로 한다.
먼저, 밸브(46)를 개방하여 공극 유체 저장실(41)에 저장된 액체 상태의 CO2를 제1 공극 유체 펌프(42)로 개방한다. 제1 공극 유체 펌프(42)로 공급된 CO2는 제1 공극 유체 펌프(42)의 내부에선 가열하여 초임계 상태가 된다.
다음으로, 제1 공극 유체 펌프(42)는 초임계 상태의 CO2를 유로(40b)로 배출하며, 유로(40b)로 배출된 CO2는 삼방 밸브(48)(49), 바이패스 유로(40c), 및 유로(40d)(40e)를 따라 유동하다가 하부 및 상부 가압판(14)을 통해 공시체(15)의 하부 및 상부로 각각 공급되어 공시체(15)의 공극에 주입된다. 여기서, 삼방 밸브(49)는 유로(40f)로 CO2가 유입되지 않도록 유로(40f)를 차단한다. 이와 같은 방법을 통해 공시체(15)의 공극에 CO2가 계속적으로 주입됨에 따라 공시체(15)는 포화 상태가 되며, 공시체(15)의 포화 여부는 삼축실(10)의 일측에 마련된 벤트 벨브(미도시)를 통해 알 수 있다.
다음으로, 공시체(15)가 포화 상태가 되면 삼방 밸브(48)는 바이패스 유로(40c)로 유동하는 CO2를 차단하여 제1 공극 유체 펌프(42)로부터 배출된 CO2를 하부 가압판(13)을 통해 공시체(15)의 하부로부터 공급하며, 삼방 밸브(49)는 유로(40f)를 개방하여 공시체(15)의 하부로 공급된 CO2의 압력으로 인해 공시체(15)의 상부에서 배출되어 유로(40e)로 안내된 CO2를 제2 공극 유체 펌프(43)로 안내할 수 있다.
보다 구체적으로, 제1 공극 유체 펌프(42)는 공시체(15)로 일정 유량의 CO2를 공급하며, 제2 공극 유체 펌프(43)는 공시체(15)로부터 일정 압력의 CO2를 배출시킨다. 제2 공극 유체 펌프(43)는 공시체(15)와 연통되어 있으므로, 제2 공극 유체 펌프(43)의 압력은 공시체(15)의 공극 압력과 동일한 값을 가지게 된다. 이에 따라, 일정 유량의 CO2가 유입되는 공시체(15)의 하부와 일정 압력의 CO2가 배출되는 공시체(15)의 상부 사이에 일정한 CO2의 흐름을 형성하고, 공시체(15)의 공극 압력을 일정하게 유지할 수 있다.
한편, 삼축실(10)의 내부 공간(12)에 공시체(15)의 변형 정도를 측정할 수 있는 센서(미도시)를 설치하여 CO2의 주입 중에 CO2의 주입에 따른 공시체(15)의 변형 정도를 측정할 수도 있다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 삼축 압축하 공극압 시험기를 이용한 삼축 압축하 공극압 시험 방법을 설명하기 위한 순서도이며, 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 삼축 압축하 공극압 시험기를 이용하여 공시에 인가되는 횡압력을 보정하는 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
이하에서는, 도 3 및 4를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 삼축 압축하 공극압 시험기(1)를 이용한 삼축 압축하 공극압 시험 방법을 설명하기로 한다.
먼저, 공시체(15)에 동일한 압력 값의 목표 축압력과 목표 횡압력을 인가하는 단계(S 10)가 수행된다.
보다 구체적으로, 공시체(15)에 동일한 압력 값의 목표 축압력과 목표 횡압력을 인가하는 단계(S10)는, 압력 부스터(37)에 작동 신호를 전달하는 단계(S 12), 목표 횡압력과 실제 횡압력이 동일한지 여부를 판단하는 단계(S 14), 목표 횡압력과 실제 횡압력이 동일하지 않은 경우에는 압력 부스터(37)로 보정 신호를 전달하여 실제 횡압력을 목표 횡압력와 일치시키는 단계(S 16)를 포함할 수 있다.
다음으로, 공시체(15)의 공극에 CO2를 주입하는 단계(S 20)가 수행된다.
이후에, 공시체(15)가 포화되었는지 여부를 판단하는 단계(S 30)가 수행된다. 공시체(15)의 포화 여부는 삼축실(10)의 일측에 설치되는 벤트 벨트를 통해 판단되며, 공시체(15)가 포화되지 않았다면 공시체(15)에 계속적으로 CO2를 주입하여 공시체(15)를 포화시킬 수 있다.
다음으로, 공시체(15)의 공극에 대한 CO2의 주입을 안정화시키는 단계(S 40)가 수행된다.
보다 구체적으로, 제1 공극 유체 펌프(42)를 통해 공시체(15)의 하부에 일정 유량의 CO2을 주입하고, 제2 공극 유체 펌프(43)를 통해 공시체(15)의 상부로부터 일정 압력의 CO2를 배출시켜 공시체(15)의 하부로부터 상부를 향해 일정한 CO2의 흐름을 형성할 수 있다.
이후에, 공시체(15)에 파괴 축압력을 인가하여 공시체(15)를 파괴하는 단계(S 50)가 수행된다.
보다 구체적으로, 축압력 인가 유닛(20)을 통해 공시체(15)에 목표 축압력보다 높은 압력 값을 가지는 파괴 축압력을 인가하여 공시체(15)를 파괴할 수 있다.
다음으로, 파괴된 공시체(15)의 물성 검사를 수행하는 단계(S 60)가 수행된다.
보다 구체적으로, 파괴된 공시체(15)의 잔해로부터 CO2의 주입에 따른 공시체(15)의 물성 변화를 검사할 수 있다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
1 : 삼축 압축 실험기
10 : 삼축실 12 : 내부 공간
13 : 하부 가압판 14 : 상부 가압판
15 : 공시체 16 : 본체
17 : 베이스 18 : 캡
20 : 축압력 인가 유닛 22 : 가압봉
24 : 축압력 센서 30 : 횡압력 인가 유닛
31 : 압력 유체 공급부 32 : 횡압력 센서
33 : 횡압력 제어부 34 : 압력 유체 저장실
35 : 압력 유체 펌프 36 : 어큐물레이터
37 : 압력 부스터 40 : 포화 유닛
41 : 공극 유체 저장실 42 : 제1 공극 유체 펌프
43 : 제2 공극 유체 펌프 44 : 제1 공극 유체 압력 센서
45 : 제2 공극 유체 압력 센서

Claims (6)

  1. 공시체가 설치되는 내부 공간과, 상기 공시체의 하부를 지지하도록 상기 내부 공간에 설치되는 하부 가압판과, 상기 공시체의 상부를 지지하도록 상기 내부 공간에 설치되는 상부 가압판을 포함하는 삼축실;
    상기 내부 공간으로 압력 유체를 공급하여, 상기 공시체에 횡방향으로 미리 설정된 목표 횡압력을 인가하는 횡압력 인가 유닛;
    상기 공시체의 공극을 포화시키는 포화 유닛; 및
    상기 공시체에 축방향으로 미리 설정된 목표 축압력을 인가하는 축압력 인가 유닛;을 포함하고,
    상기 하부 가압판은, 외부와 연통되는 공극 유체 유로와, 상기 공극 유체 유로와 상기 공극을 연결하는 복수의 슬릿들을 포함하고,
    상기 상부 가압판은, 외부와 연통되는 공극 유체 유로와, 상기 공극 유체 유로와 상기 공극을 연결하는 복수의 슬릿들을 포함하며,
    상기 포화 유닛은, 상기 공극이 불포화 상태인 경우에, 미리 정해진 공극 유체를 상기 하부 가압판의 공극 유체 유로와 상기 상부 가압판의 상기 공극 유체 유로에 공급하여 상기 하부 가압판의 슬릿들과 상기 상부 가압판의 슬릿들을 통해 상기 공극에 주입하고,
    상기 포화 유닛은, 상기 공극이 포화 상태인 경우에, 미리 정해진 일정 유량의 공극 유체를 상기 하부 가압판의 공극 유체 유로와 상기 상부 가압판의 공극 유체 유로 중 어느 하나에 공급하여 상기 하부 가압판의 슬릿들과 상기 상부 가압판의 슬릿들 중 어느 하나를 통해 상기 공극에 주입함과 동시에, 미리 정해진 일정 압력의 공극 유체를 상기 하부 가압판의 공극 유체 유로와 상기 상부 가압판의 공극 유체 유로 중 다른 하나에서 배출하여 상기 하부 가압판의 슬릿들과 상기 상부 가압판의 슬릿들 중 다른 하나를 통해 상기 공극에서 인출하며,
    상기 횡압력 인가 유닛은, 상기 삼축실의 상기 내부 공간으로 상기 압력 유체를 공급하는 압력 유체 공급부와, 상기 압력 유체 공급부로부터 공급된 상기 압력 유체에 의해 상기 공시체에 횡방향으로 실제로 인가되는 실제 횡압력을 측정하는 횡압력 센서와, 상기 횡압력 센서로부터 상기 실제 횡압력을 전달받아 상기 목표 횡압력과 비교하며, 상기 목표 횡압력과 상기 실제 횡압력 사이에 압력 값의 차이가 발생하면 상기 차이가 보정되도록 상기 압력 유체 공급부를 PID 제어하여 상기 실제 횡압력을 상기 목표 횡압력과 일치시키는 횡압력 제어부를 포함하고,
    상기 목표 횡압력은 상기 목표 축압력과 동일한 값으로 설정되며, 상기 횡압력 제어부는 상기 압력 유체 공급부를 PID 제어하여 상기 실제 횡압력을 상기 목표 축압력과 일치시키는 것을 특징으로 하는 삼축 압축하 공극압 시험기.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 횡압력 제어부는,
    상기 목표 횡압력이 설정되면 상기 목표 횡압력의 압력 값과 대응되는 작동 신호를 상기 압력 유체 공급부로 전달하여 상기 압력 유체 공급부를 작동시키며,
    상기 압력 유체 공급부의 작동 후 상기 횡압력 센서로부터 전달된 상기 실제 횡압력과 상기 목표 횡압력 사이에 압력 값의 차이가 발생하면 상기 차이를 보정하기 위한 보정 신호를 상기 압력 유체 공급부로 전달하여 상기 실제 횡압력을 상기 목표 횡압력과 일치시키는 것을 특징으로 하는 삼축 압축하 공극압 시험기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 압력 유체 공급부는,
    상기 삼축실에 공입하기 위한 상기 압력 유체가 저장된 압력 유체 저장실;
    상기 압력 유체 저장실과 연결되어 상기 압력 유체 저장실에 저장된 상기 압력 유체를 미리 정해진 압력으로 펌핑하는 펌프; 및
    상기 펌프와 상기 삼축실 사이에 설치되어 상기 펌프로부터 상기 압력 유체를 전달받아 미리 설정된 증압비로 증압하여 상기 삼축실의 상기 내부 공간으로 공급하는 압력 부스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 삼축 압축하 공극압 시험기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 횡압력 제어부는,
    상기 압력 부스터의 상기 증압비를 조절하여 상기 실제 횡압력을 상기 목표 횡압력과 일치시키는 것을 특징으로 하는 삼축 압축하 공극압 시험기.
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