KR20230125043A - 흡입력의 변화 하에 불포화 토양의 가스 투과 계수를연속 테스트하는 장치와 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 일종의 흡입력의 변화 하에 불포화 토양의 가스 투과 계수를 연속 테스트하는 장치와 방법을 공개하며, 에어공급 장치, 구속압력 장치, 흡입력 제어 장치, 배기 장치를 포함하고, 테스트 장치의 내부 챔버는 토양 시료를 배치하는 데 사용되고, 외부 챔버는 미리 설정된 농도의 투석 용액을 저장하고 구속압력을 가하는 데 사용되고; 에어공급 장치는 에어 컴프레서를 포함하고, 구속압력 장치의 일단은 에어 컴프레서에 연결되고, 구속압력 장치의 다른 일단은 테스트 장치의 외부 챔버에 연결되고, 에어 컴프레서는 테스트 장치의 외부 챔버에 구속압력 가스를 입력하고 테스트 장치의 내부 챔버에 테스트 가스를 이송시키는 데 사용되고; 흡입력 제어 장치는 토양 시료에 흡입력을 가하고 제어시키는 데 사용되며; 배기 장치는 내부 챔버의 테스트 가스를 배출시키는 데 사용되고; 본 발명은 투석법을 채택하며, 흡입력을 변경했을 때 동일한 토양 시료를 바탕으로 토양 시료의 교란을 피하고, 토양 시료의 흡입력 변화를 모니터링함으로써, 수분 함유량이 상이한 상황에서 동일한 토양 시료의 가스 투과 계수를 획득할 수 있고, 테스트 장치의 조작성이 더 우수할 뿐만 아니라 더 편리하고 신속해진다.
Description
본 발명은 지질 공학 기술 분야에 속하는 것으로, 흡입력의 변화 하에 불포화 토양의 가스 투과 계수를 연속 테스트하는 장치와 방법에 관한 것이다.
가스 투과 계수는 토양층에 있는 가스의 이동 특성을 판단하는 중요한 지표로, 주로 토양 구조 및 이의 변화, 공극 굴곡률, 공극 크기 및 포화도 등과 같은 요인의 영향을 받는다. 토양 덮개층은 중국의 고체 폐기물 매립지의 폐쇄 및 덮개 시스템의 중요한 구성 부분으로, 이의 가스 투과 계수는 덮개층의 가스 이동 분석과 설계의 중요한 매개 변수이며, 매립장 온실 가스와 유해 가스 배출 감소에 중요한 영향을 끼친다.
현재 중국 국내외적으로 불포화 토양의 가스 투과 특성을 테스트할 때 대부분이 먼저 축 평행이동 기술을 통해 흡입력 제어를 실현한 후, 삼축 투과성 측정기 또는 물-증기 운동 및 연계 측정기 등 여러가지 장치를 통해 가스 투과 계수를 측정한다. 종래 방법의 문제점은 다음과 같다. (1) 축 평행이동은 공극압(pore pressure)을 양의 값으로 증가시키면서 기압도 증가하고, 이 둘의 차이값을 통해 설정한 매트릭 흡입력(matric suction)을 가한다. 하지만 현장 상태에 적용하면, 불포화 토양의 공극압이 음의 값이기 때문에, 이 기술의 적용성은 더 연구가 필요하며, 축 평행이동이 시료 변형과 내부 구조의 변화를 초래하여 실험 데이터가 부정확할 수 있다. (2) 축 평행이동 기술이 도달할 수 있는 흡입력 값이 제한적(0 내지 1500kPa)이기 때문에 흡입력이 높은 조건에서 연구 시료를 실험할 때 제한적일 수 있다. (3) 측정 시 수분 함량이 상이한 시료를 각각 준비하여 테스트해야 하며, 수분 ?t량에 따른 단일 시료의 가스 투과 계수의 변화를 직접적으로 테스트할 수 없어, 시료의 개체 차이로 인해 실험 결과가 변동될 수 있다. (4) 측정 시, 토양 시료, 연결 장치를 반복적으로 실링해야하며 조작이 번거롭다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 흡입력의 변화 하에 불포화 토양의 가스 투과 계수를 연속 테스트하는 장치와 방법을 제시한다. 본 테스트 장치는 주로 투석법을 채택하여 필요한 흡입력에 도달하며, 토양 시료의 음의 공극압은 현장의 실제 상태에 근접하며, 토양 시료 주변의 탈습 및 흡습을 채택하여 불포화 토양의 흡입력이 균형을 이루는 시간을 단축한다.
다르시(Darcy)의 법칙은 불포화 토양에 있는 가스의 투과를 설명할 수 있으므로, 본 테스트 장치는 다르시의 법칙에서 측정해야할 매개 변수에 따라 설계된다. 또한, 투석법을 채택하여 필요한 흡입력을 가하며, 이의 원리는 투석 용액의 투석력을 이용한다. 상이한 농도의 투석 용액은 반투과막의 차단 작용을 통해 막의 다른 일측의 불포화 토양 시료의 수분에 서로 다른 크기의 투과 흡입력을 생성시키므로, 토양 시료의 수분은 변화 과정에서 수분을 흡수 및 유지하는 매트릭 흡입력과 용액의 투과 흡입력이 균형을 이룰 경우에만 토양 시료의 수분이 변하지 않고 유지될 수 있다. 따라서 상이한 농도를 지닌 투석 용액을 채택하여 토양 시료를 투석하여도 토양 시료에 흡입력을 가하고 제어하는 목적을 달성할 수 있다.
본 발명의 목적은 하기 기술 방안을 통해 구현된다. 본 발명의 흡입력의 변화 하에 불포화 토양의 가스 투과 계수를 연속 테스트하는 장치에 있어서, 에어공급 장치, 구속압력 장치, 테스트 장치, 흡입력 제어 장치, 배기 장치를 포함하고, 상기 테스트 장치는 내부 챔버와 외부 챔버로 나뉘고, 상기 내부 챔버는 토양 시료를 배치하는 데 사용되고, 상기 외부 챔버는 미리 설정된 농도의 투석 용액을 저장하고 구속압력을 가하는 데 사용되고; 상기 에어공급 장치는 에어 컴프레서를 포함하고, 구속압력 장치의 일단은 상기 에어 컴프레서에 연결되고, 상기 구속압력 장치의 다른 일단은 상기 테스트 장치의 외부 챔버에 연결되고, 상기 에어 컴프레서는 상기 테스트 장치의 외부 챔버에 구속압력 가스를 입력하고 상기 테스트 장치의 내부 챔버에 테스트 가스를 이송시키는 데 사용되고; 상기 흡입력 제어 장치는 토양 시료에 흡입력을 가하고 제어시키는 데 사용되며; 상기 배기 장치는 상기 테스트 장치의 상기 내부 챔버와 연결되고, 상기 배기 장치는 상기 내부 챔버의 테스트 가스를 배출시키는 데 사용된다.
흡입력 제어 장치는 제1 흡입력 통로와 제1 정량 펌프(constant flow pump) 및 제2 흡입력 통로와 제2 정량 펌프를 통해 일단에서 지속적으로 용액을 공급하고, 다른 일단에서 지속적으로 용액을 유출시킴으로써, 외부 챔버 내부에 있는 용액이 순환 이동되고, 에어 컴프레서는 메인 에어유입관을 통해 에어유입관과 구속압력 에어유입관에 연결되고, 메인 에어유입관, 에어유입관, 구속압력 에어유입관 사이에는 T형 조인트를 통해 서로 연결되고, 내부 챔버는 원통형 토양 시료로 채워지고, 에어유입관은 테스트 가스를 토양 시료 하부에 있는 하부 챔버 캐비티에 유입시키는 데 사용되고, 구속압력 장치는 에어 컴프레서로 에어 소스를 공급하고, 구속압력 에어유입관을 통해 테스트 장치의 꼭대기단과 연결되어, 투석 용액이 배치된 챔버 내부로 구속압력 가스를 이송시키는 데 사용되고, 외부 챔버로 유입된 후, 기압이 토양 시료 주변으로 유압을 내보내는 기액(Gas-liquid) 압력으로 전환되고, 측정 과정에서, 구속압력이 토양 시료 바닥부의 하부 챔버 캐비티의 기압과 동일하게 항시 보장하며, 반투과막이 토양 시료의 측벽과 밀접하게 접합되도록 보장하는 데 유리하고, 마지막에 토양 시료 바닥부의 제1 압력계, 토양 시료 꼭대기부의 제3 압력계 및 제2 전자 비누막 유량계의 데이터를 기록함으로써 가스 투과 계수를 계산한다.
상기 에어공급 장치는 상기 에어유입관을 포함하고, 상기 에어유입관의 일단은 상기 에어 컴프레서에 연결되어, 테스트 가스를 테스트 장치의 내부 챔버에 유입시키, 에어 컴프레서의 일단과 근접한 에어유입관에는 제1 조절 밸브, 제1 전자 비누막 유량계, 제1 차단 밸브, 제1 압력계가 설치된다.
에어유입관의 일단이 에어 컴프레서에 연결되고, 다른 일단이 토양 시료 바닥부에 있는 하부 챔버 캐비티에 연결되어, 테스트 가스가 하부 챔버 캐비티에 입력되고, 다공판을 통해 토양 시료로 유입된다.
상기 구속압력 장치는 구속압력 에어유입관을 포함하고, 에어 컴프레서가 에어 소스를 공급하고, 구속압력 에어유입관을 통해 구속압력 가스가 테스트 장치의 외부 챔버에 유입되고, 에어 컴프레서의 일단과 근접한 구속압력 에어유입관에는 제2 압력조절 밸브, 제2 차단 밸브, 제2 압력계가 설치된다.
구속압력 에어유입관의 일단이 에어 컴프레서와 연결되고, 다른 일단이 외부 챔버의 꼭대기부와 연결된다.
상기 테스트 장치는 시료 튜브, 베이스, 꼭대기 커버를 포함하고, 베이스가 시료 튜브의 바닥단에 설치되며, 꼭대기 커버가 상기 시료 튜브의 꼭대기단에 설치되고; 상기 시료 튜브는 외부 시료 튜브와 내부 시료 튜브로 나뉘고, 내부 시료 튜브는 테스트 장치를 내부 챔버와 외부 챔버로 나누고, 내부 챔버는 원통형 용기이고, 외부 챔버는 링형 용기이며; 내부 시료 튜브는 상부 섹션 시료 튜브, 중간 섹션 시료 튜브, 하부 섹션 시료 튜브를 포함하고, 상부 섹션 시료 튜브, 중간 섹션 시료 튜브, 하부 섹션 시료 튜브인 세 섹션이 합쳐져 내부 챔버가 형성되고, 상부 섹션 시료 튜브와 꼭대기 커버로 둘러싸여 상부 챔버 캐비티가 형성되고, 중간 섹션 시료 튜브의 상, 하 양단에는 모두 다공판이 설치되고, 중간 섹션 시료 튜브와 두 개의 다공판으로 둘러싸인 중간 챔버는 토양 시료를 배치하는 데 사용되고, 하부 섹션 시료 튜브와 베이스로 둘러싸여 하부 챔버 캐비티가 형성되고; 상기 중간 섹션 시료 튜브는 다공 구조이다.
테스트 장치는 토양 시료 튜브, 베이스 및 꼭대기 커버로 둘러싸인 용기이며, 내부 챔버와 외부 챔버로 나뉘고, 내부 챔버는 상, 하 챔버 캐비티 및 원통형의 토양 시료를 배치시키는 데 사용되는 중간 챔버로 이루어지고, 토양 시료 바닥부의 하부 챔버 캐비티에는 상기 에어공급 장치가 연결되고, 토양 시료 바닥부의 상부 챔버 캐비티의 상기 배기 장치가 연결되고, 중간 섹션 시료 튜브는 다공 구조이고, 허용된 미리 설정된 농도의 투석 용액이 통로를 통과하여 반투과막과 최대로 접촉되어 투석 시간을 단축시킬 수 있다.
상기 흡입력 제어 장치는 반투과막, 미리 설정된 농도의 투석 용액, 제1정량 펌프, 제2 정량 펌프를 포함하고; 상기 반투과막이 중간 시료 튜브 내측에 설치되되 토양 시료의 측벽에 단단히 접착되고; 상기 미리 설정된 농도의 투석 용액으로 한 층의 경질유가 떠 있는 투석 용액이 채택되고; 상기 외부 시료 튜브는 양측에 대향되게 각각 제1 흡입력 통로와 제2 흡입력 통로가 설치되고, 제1 흡입력 통로 및 제2 흡입력 통로는 외부 챔버와 서로 통하고; 제1 정량 펌프는 제1 흡입력 통로를 통해 외부 시료 튜브의 일측과 연결되면서 용액을 공급하고, 제2 정량 펌프는 제2 흡입력 통로를 통해 외부 시료 튜브의 다른 일측과 연결되면서 용액을 유출시킨다.
미리 설정된 농도의 투석 용액에 한 층의 경질유가 첨가되어 구속압력 가스가 투석 용액에 용해되는 것을 피한다. 제1 정량 펌프는 제1 흡입력 통로를 통해 외부 시료 튜브의 일측과 연결된 일단이 지속적으로 용액을 공급하고, 제2 정량 펌프는 제2 흡입력 통로를 통해 외부 시료 튜브의 다른 일측과 연결된 일단이 지속적으로 용액을 유출시킴으로써, 외부 챔버 내부의 순환 이동이 용이해지고, 토양 시료의 탈습 또는 흡습이 시작된다.
상기 반투과막이 중간 시료 튜브 내부에 씌워지고, 반투과막의 상, 하 양단이 중간 섹션 시료 튜브의 상, 하 양단에 역으로 씌워지고, 상, 하 양단에 역으로 씌워진 지점에는 닫히는 O형 링이 설치되고, 상부 섹션 시료 튜브의 하단, 하부 섹션 시료 튜브의 상단에는 모두 O형 링과 서로 매칭되는 링형 오목홈이 설치되고, 중간 섹션 시료 튜브와 상부 섹션 시료 튜브, 하부 섹션 시료 튜브의 연결 지점 및 다공판과 중간 섹션 시료 튜브의 연결 지점에는 모두 실링 수지(sealing resin)로 실링 처리된다.
반투과막의 상단이 중간 섹션 시료 튜브의 상단에 역으로 씌워지고, O형 링을 사용해 한정하고, 상부 섹션 시료 튜브의 하단에는 O형 링과 서로 매칭되는 링형 오목홈이 설치되어, O형 링을 고정시키는 데 사용되고, 반투과막의 하단은 상단과 마찬가지로 O형 링을 사용해 한정되고, 실링성을 보장하기 위해, 연결 지점은 에폭시(epoxy) 수지로 실링된다.
상기 외부 시료 튜브의 외벽에는 눈금선이 설정되며, 눈금선을 통해 흡입력의 균형 도달 여부를 관찰한다.
제1 흡입력 통로를 열고, 제1 정량 펌프를 사용하여 미리 설정된 농도의 투석 용액을 외부 챔버로 주입하고, 토양 시료보다 약간 높은 위치에 도달하면 제2 흡입력 통로와 정량 펌프가 작동되고, 일단이 지속적으로 용액을 공급하고, 다른 일단이 지속적으로 유출시키면, 외부 챔버에 있는 용액이 순환 이동되어, 토양 시료의 탈습 또는 흡습이 시작되고, 투석 용액의 액면이 변경되지 않는 경우, 이 레벨의 흡입력은 균형을 이룬다.
상기 반투과막은 비대칭막이며, 이의 분획분자량(molecular weightcut-off, MWCO)은 1000 내지 50000이고; 상기 미리 설정된 농도의 투석 용액은 고분자 용액이다.
반투과막 구조 분류는 비대칭막에 속하며, 반투과막은 공극의 직경에 따라 구분되어 한외여과막에 속하며 고분자 물질을 분리시키는 데 사용되고; 시료 튜브, 베이스, 꼭대기 커버는 모두 유기 유리에 의해 가공되어 형성된다.
상기 배기 장치는 배기관을 포함하고, 테스트 장치의 일단과 근접한 배기관에는 순차적으로 제3 압력계, 제2 전자 비누막 유량계가 설치된다.
입력의 변화 하에 불포화 토양의 가스 투과 계수를 연속 테스트하는 방법에 있어서, 상기 방법은 이하의 단계를 포함한다.
단계 1) 반투과막을 고정시키고, 중간 챔버 내부에는 원통형 토양 시료로 채워지고;
단계 2) 투석 용액의 농도와 흡입력의 수위 유량 곡선(Rating curves)을 따라 측정된 흡입력에 대응되는 미리 설정된 농도의 투석 용액(13)이 제조되고;
단계 3) 양측의 상기 정량 펌프를 열어 외부 챔버에 있는 투석 용액을 순환 이동시키고, 토양 시료의 탈습 또는 흡습이 되고 흡입력이 균형을 이룬 다음 투석 용액의 질량 변화를 칭량하여 시료의 수분 함량을 계산하고;
단계 4) 구속압력 장치와 에어공급 장치의 차단 밸브를 가동하여, 테스트 가스를 이송시키고, 측정 과정에서, 구속압력이 토양 시료 바닥부의 캐비티의 기압과 동일하게 항시 보장되고;
단계 5) 필요한 매개 변수를 기록하고, 다르시(Darcy)의 법칙에 따라 가스 투과 계수를 계산하고;
단계 6) 투석 용액의 농도를 조정하고, 상술한 방법을 채택하여 다음 레벨 흡입력의 가스 투과 계수를 측정한다.
본 발명은 다음과 같은 유익한 효과를 구비한다. 1. 본 발명에서 제공하는 상술한 투석법을 채택한 테스트 장치는 조작성이 더 우수하고, 더 편리하고 신속할 뿐만 아니라, 전체 실험 과정이 더 안정적으로 수행될 수 있다.
2. 본 발명은 동일한 토양 시료의 실험을 바탕으로 토양 시료의 바닥부 및 꼭대기부에 캐비티가 설치되고, 상기 테스트 가스가 토양 시료 바닥부의 캐비티로부터 입력되어, 토양 시료의 교란을 피하고, 토양 시료가 힘을 균일하게 받을 수 있어, 토양의 수분 함량과 흡입력의 변화를 모니터링하여 상이한 수분 함량과 흡입력 하에 있는 토양시료의 가스 투과 계수를 얻을 수 있고; 측정 과정에서, 구속압력이 토양 시료 바닥부의 캐비티 기압과 동일하도록 항시 보장하며, 반투과막과 토양 시료의 측벽이 단단히 접합되도록 보장하고, 바닥부 캐비티의 기압이 과도하게 커져 토양 시료의 수분이 소실되는 것을 피할 뿐만 아니라, 구속압력이 과도하게 커져 토양 시료의 수분이 과도하게 많아지는 것을 피하고, 측정된 데이터의 정확성을 교란시키는 요인을 막을 수 있다.
3. 본 발명은 축 평행이동 기술을 채택하지 않아, 현장 상태에서 불포화 토양의 음(Negative)의 공극압 상태를 재현할 수 있다.
4. 본 발명은 외부 챔버에 미리 설정된 농도의 투석 용액이 주입되고, 상이한 농도의 투석 용액을 채택하여 토양 시료를 투석함으로써, 토양 시료에 흡입력을 가고 제어시킬 수 있으며, 외부 챔버 양단에는 각각 정량 펌프와 흡입력 통로가 설치되어 토양 시료의 순환 탈습 및 흡습을 구현할 수 있고, 다양한 수력학의 과거 이력 하에 불포화 토양의 가스 투과 테스트가 수행될 수 있다.
5. 본 발명의 투과 계수의 계산 방법은 간단하여 측정점의 압력 강도와 가스 유량만을 필요로 한다.
도 1은 본 발명의 구조 개략도이다.
도 2는 본 발명의 반투과막이 역으로 씌어진 지점을 나타내는 구조 개략도이다.
도 3은 본 발명의 중간 섹션 시료 튜브의 일부 단면을 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 반투과막이 역으로 씌어진 지점을 나타내는 구조 개략도이다.
도 3은 본 발명의 중간 섹션 시료 튜브의 일부 단면을 나타내는 개략도이다.
하기는 도면과 실시예를 결합하여 본 발명을 상세하게 설명하도록 한다. 아래는 본 발명에서 실시예의 도면을 결합하여, 본 발명의 실시예의 기술 방안을 상세하고 완전하게 서술하였다. 서술된 실시예는 본 발명의 일부분의 실시예일 뿐이며, 전체 실시예에 해당되지 않는다. 본 발명의 실시예에 근거하여, 통상의 기술자는 창의적인 노동이 없다는 전제 하에 획득한 기타 모든 실시예는 본 발명의 보호 범위에 속한다.
실시예 1
도 1, 도 2, 도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서 제공하는 흡입력의 변화 하에 불포화 토양의 가스 투과 계수를 연속 테스트하는 장치에 있어서, 에어공급 장치, 구속압력 장치, 테스트 장치, 흡입력 제어 장치, 배기 장치를 포함하고;
상기 에어공급 장치는 에어 컴프레서(1), 제1 조절 밸브(2-1), 제1 전자 비누막 유량계(3-1), 제1 차단 밸브(4-1), 제1 압력계(5-1)를 포함하고; 에어 소스를 공급하는 에어 컴프레서(1)는 메인 에어유입관을 통해 각각 에어유입관과 구속압력 에어유입관이 연통되고, 메인 에어유입관, 구속압력 에어유입관, 에어유입관 사이에는 T형 조인트를 통해 서로 연결된다. 에어유입관의 다른 일단과 토양 시료(6) 바닥부의 하부 챔버 캐비티가 연통되고, 상기 에어유입관은 테스트 가스를 토양 시료(6) 하부의 하부 챔버 캐비티에 유입시키는 데 사용되고, 에어 컴프레서의 일단에서부터, 에어유입관에는 순서대로 에어유입 압력을 조절하는 제1 조절 밸브(2-1), 에어유입 유량을 조절 및 측정하는 제1 전자 비누막 유량계(3-1), 테스트 가스의 유입을 제어하는 제1 차단 밸브(4-1) 및 토양 시료(6) 바닥부의 가스 압력을 측정하는 제1 압력계(5-1)가 연결된다.
상기 구속압력 장치는 마찬가지로 에어 컴프레서(1)에 의해 에어 소스를 공급되고, 구속압력 에어유입관의 일단은 테스트 장치의 외부 챔버(13) 꼭대기단과 연결되어, 투석 용액이 배치된 외부 챔버(13) 내부로 구속압력 가스를 이송시키는 데 사용된다. 에어 컴프레서의 일단에서부터, 구속압력 에어유입관에는 순서대로 구속압력 가스의 압력을 조절하는 제2 압력조절 밸브(2-2), 구속압력 가스가 유입되는 것을 제어하는 제2 차단 밸브(4-2) 및 구속압력 가스의 압력을 측정하는 제2 압력계(5-2)가 연결되고, 외부 챔버 내부에는 한층의 경질유가 떠 있는 투석 용액이 채택되어 구속압력 가스가 투석 용액에 용해되는 것을 피하고, 구속압력 가스가 구속압력 에어유입관을 통해 외부 챔버(13)로 유입되고, 가스가 토양 시료(6) 주변으로 유압을 내보내는 기액(Gas-liquid) 압력으로 전환된다.
상기 테스트 장치는 시료 튜브, 베이스(10), 꼭대기 커버(11), 다공판(7)을 포함하고, 테스트 장치는 시료 튜브, 베이스(10), 꼭대기 커버(11)로 둘러싸인 용기이며, 시료 튜브는 외부 시료 튜브(12-1)와 내부 시료 튜브로 나뉘고, 내부 시료 튜브는 용기를 내부 챔버와 외부 챔버(13)로 나누고, 내부 챔버는 원통형 용기이고, 외부 챔버(13)는 링형 용기이며; 외부 챔버(13)를 미리 설정된 농도의 투석 용액을 저장하는 데 사용하고, 내부 챔버는 상부 섹션 시료 튜브(12-2), 중간 섹션 시료 튜브(12-3), 하부 섹션 시료 튜브(12-4)인 세 섹션이 합쳐져, 각각 상부 챔버, 중간 챔버, 하부 챔버인 세 부분으로 나뉘고; 상부 챔버는 꼭대기 커버(11)와 상부 섹션 시료 튜브(12-2)로 둘러싸인 상부 챔버 캐비티이고; 중간 챔버는 두 개의 다공판(7)과 중간 섹션 시료 튜브(12-3)로 둘러싸인 원통형 토양 시료(6)가 배치된 지점이고, 토양 시료(6)를 둘러싸는 중간 섹션 시료 튜브(12-3)의 일부는 다공 구조이며, 허용된 미리 설정된 농도의 투석 용액이 통로에 통과되어 반투과막(8)과 최대로 접촉되어 투석 시간을 단축시킬 수 있다. 상기 다공판(7)은 각각 중간 섹션 시료 튜브(12-3)의 양단에 설치되고, 연결 지점은 실링재로 실링되어, 가스 투과 계수 테스트 과정 중 가스가 공극에서 누출되는 것을 피하고, 베이스(10)는 시료 튜브의 바닥단에 설치되고, 꼭대기 커버(11)는 시료 튜브의 꼭대기단에 설치되어 링형 용기의 외부 챔버(13)와 원통형 용기의 내부 챔버를 막는다.
상기 흡입력 제어 장치는 반투과막(8), 미리 설정된 농도의 투석 용액, 제1 정량 펌프(15-1), 제2 정량 펌프(15-2)를 포함하고; 상기 반투과막(8)이 중간 섹션 시료 튜브(12-3)의 내측에 설치되면서 토양 시료(6)의 측벽에 단단히 접합되고, 중간 섹션 시료 튜브(12-3)의 가장자리 지점을 따라 뻗어 나가면서 중간 섹션 시료 튜브(12-3)의 상, 하단에 역으로 씌워지고, 상기 역으로 씌어진 지점에는 O형 링(9)을 사용하여 전체 반투과막(8)을 클램핑 및 한정시키고, 반투과막(8)이 역으로 씌어진 지점의 실링 방법의 구체적인 설계는 다음과 같다. 구체적으로, 중간 섹션 시료 튜브(12-3)의 상단 반투과막(8)이 역으로 씌어진 지점에 닫혀지는 O형 링(9)이 설치되고, 동시에, 상부 섹션 시료 튜브(12-2)와 중간 섹션 시료 튜브(12-3) 사이의 연결 부위에는 링형 오목홈이 설치되어, 링형 오목홈과 O형 링(9)이 서로 대응되어, O형 링(9)을 고정시키는 데 사용되고; 중간 섹션 시료 튜브(12-3)의 하단 반투과막(8)이 역으로 씌어진 지점에도 마찬가지로 같은 실링 방법을 채택한다. 외부 챔버(13)는 양측에 대향되게 각각 제1 흡입력 통로(14-1)와 제2 흡입력 통로(14-2)가 설치되고, 제1 흡입력 통로(14-1)를 통해 외부 시료 튜브(12-1)의 일측과 연결되는 제1정량 펌프(15-1)의 일단이 지속적으로 용액을 공급하고, 제2 흡입력 통로(14-2)를 통해 외부 시료 튜브(12-1)의 다른 일측과 연결되는 제2 정량 펌프(15-2)의 일단이 지속적으로 유출시켜, 외부 챔버(13)에 있는 용액이 순환 이동되고, 토양 시료의 탈습 또는 흡습이 시작된다. 외부 챔버(13)의 외부 시료 튜브(12-1)의 튜브 벽에는 눈금선이 표시되고, 투석 용액의 액면이 변경되지 않는 경우, 이 레벨의 흡입력은 균형을 이룬다.
더 나아가서, 상기 미리 설정된 농도의 투석 용액은 고분자 용액이다. 본 실시예에서, 폴리에틸렌글리콜(polyethylene glycol, PEG) 용액이 채택된다. PEG는폴리에틸렌 글리콜의 약칭이며, 고분자 화학 시약이다. 분자량이 상이함에 따라 PEG1500, PEG4000, PEG6000, PEG8000, PEG10000, PEG20000 등의 여러가지 유형으로 분류될 수 있다. 용액의 농도가 높을수록 이의 투과 흡입력이 커진다. 반투과막(8)은 일반적으로 분획분자량(molecular weightcut-off, MWCO)으로 물질에 통과될 수 있는 크기를 나타내고, MWCO가 클수록 반투과막(8)의 공극 직경 및 이의 투과 계수 또한 커지므로, 투석이 균형을 이루는 시간이 더 짧아진다. 본 실시예에서, 투석 시간을 단축하기 위해, 실험에는 PEG20000이 선택되고, 분획분자량(MWCO)은 14000의 반투과막이다. 구체적으로, 반투과막(8)은 비대칭막이다.
상기 배기 장치는 에어배출 유량을 정확하게 측정하는 제2 전자 비누막 유량계(3-2) 및 토양 시료 꼭대기부의 가스 압력을 측정하는 제3 압력계(5-3)로 이루어지고, 제2 전자 비누막 유량계(3-2)의 정밀도는 0.1 mL/min이고; 상기 제2 전자 비누막 유량계(3-2)의 일단이 배기관에 통과되면서, 꼭대기 커버(11)에 관통되어 원통형 토양 시료(6)의 상부 캐비티와 서로 연결되고, 다른 일단이 대기와 서로 연결된다.
더 나아가서, 본 실시예에서, 상기 O형 링 재질은 네오프렌(Neoprene)이고; 연결 지점에는 에폭시(epoxy) 수지를 채택하여 실링되고, 상기 다공판(7)은 스테인리스 강 다공판이고; 상기 시료 튜브, 베이스(10), 꼭대기 커버(11)는 모두 유기 유리에 의해 가공되어 형성되고; 사용된 테스트 가스는 공기이고; 상기 원통형 토양 시료(6)는 황토이며, 직경이 32mm이고, 높이가 25mm이다.
실시예 2
본 실시예에서 제공하는 흡입력의 변화 하에 불포화 토양의 가스 투과 계수를 연속 테스트하는 방법에 있어서, 측정 방법은 상술한 측정 장치를 채택하고, 측정 방법은 하기 단계를 포함한다.
단계 1: 장치를 적절한 위치에 배치하고, 배치 장소는 청결하면서 온도 및 습도가 적합하고 진동이 없고, 직사광선이 닿지 않게 보장하고, 장치의 실링 성능 검사, 측정 기구 조정 및 기능은 반드시 검사하여 최적의 조작 성능을 갖추도록 보장함으로써, 최적의 측정 결과를 얻을 수 있다.
단계 2: 반투과막(8)이 중간 섹션 시료 튜브(12-3)에 역으로 씌워지고 O형 링(9)으로 고정된 후, 일정한 수분 함량과 건조 정도를 지닌 흩어지는 토양이 제조되고, 두 층으로 나뉘어 원통형 토양 시료(6)를 채우고 다지고(compaction), 토양을 진공 포화시키고, 이어서 다공판을 배치하고, 실링성을 보장하기 위해, 다공판(7)의 가장자리에 연결되는 공극 지점에는 에폭시 수지를 사용하여 실링한다.
단계 3: PEG 용액의 각 농도가 특정 흡입력에 대응되고, 이 유형의 PEG 용액 농도와 흡입력의 수위 유량 곡선을 통해 대응되는 농도의 흡입력 값을 찾는다. 본 실시예에서, Delage 등(1998) 실험 연구의 흡입력과 PEG 용액 농도와의 관계식은 s=11c2이고; 식에서, s는 흡입력(Mpa)이고, c는 PEG 용액 농도(g/g 물)이다. 또한, 토양 시료에서 미생물로 인해 반투과막의 사용 수명이 줄어들 수 있으므로, 용액에 소량의 페니실린(penicillin)을 추가해야 한다. 먼저, 제1 흡입력 통로(14-1)를 열고, 제1 정량 펌프(15-1)를 사용하여 미리 설정된 농도의 PEG 용액을 외부 챔버(13)로 주입하고, 토양 시료(6)보다 약간 높은 위치에 도달하면 제2 흡입력 통로(14-5)와 제2 정량 펌프(15-2)가 가동되고, 농도 변경된 PEG 용액의 유출 통로로 사용한다. 제1 정량 펌프(15-1)와 외부 챔버(13)가 연결된 일단이 지속적으로 용액을 공급하고, 다른 일단의 제2 정량 펌프(15-2)가 지속적으로 용액을 유출시킴으로써, 외부 챔버에 있는 용액이 순환 이동되고 토양 시료의 탈습 또는 흡습이 시작된다. 외부 챔버(13)의 튜브 벽에는 눈금선이 표시되고, 투석 용액의 액면이 변경되지 않는 경우, 이 레벨의 흡입력이 균형을 이룬다. 토양 시료(6)는 흡입력이 균형을 이룬 후, PEG 용액의 질량 변화를 칭량하여 토양 시료의 수분 함유량을 계산한 후, 토양 시료(6)의 가스 투과 계수를 테스트한다.
단계 4: 에어유입관의 제1 차단 밸브(4-1)를 열고, 에어 컴프레서(1)는 토양 시료(6) 바닥부의 캐비티로 테스트 가스를 이송시키고, 가스가 상, 하 다공판(7)에 있는 토양 시료(6)에 투과된 후, 꼭대기부의 배기관을 거쳐 대기로 내보내고; 동시에, 구속압력 에어유입관의 제2 차단 밸브(4-2)를 열어, 에어 컴프레서(1)가 외부 챔부(13)로 구속압력 가스를 이송시키고, 이 전에 PEG 용액에 한 층의 경질유를 첨가하면 구속압력 가스가 투석 용액에 용해되는 것을 피하고, 압력조절 밸브를 통해 측정 과정에서 구속압력이 토양 시료(6) 바닥부 캐비티의 기압과 동일하게 항시 보장되고; 제2 전자 비누막 유량계(3-2)를 통해 토양 시료(6)에 통과된 유출 가스 유량 Q를 측정할 수 있고, 토양 시료(6) 바닥부 캐비티 지점에 장착된 제1 압력계(5-1)는 토양 시료(6)의 하부 챔버 압력 강도 P1를 기록하고, 토양 시료(6) 꼭대기부 캐비티 지점의 제3 압력계(5-3)를 통해 토양 시료(6)의 상부 챔버 압력 강도 P2를 기록하고; 측정점 지점의 가스 압력 강도가 일정하게 유지되고, 가스 유량이 대체로 변동되지 않으면 시스템이 안정적인 상태에 도달되고, 이때의 측정점의 가스 압력 강도가 기록된다.
단계 5: 덮개층에서의 가스 이동은 대류(convection)와 확산을 포함하고, 본 실험은 덮개층에 있는 가스의 대류를 주로 연구한다. 덮개층에 있는 가스 압력과 대기압 사이에는 기압 경도(pressure gradient)가 존재하므로, 덮개층에 있는 가스의 안정적인 유동은 Darcy 법칙을 따르며, 이는 즉 이하의 관계를 충족한다.
식에서, kg는 가스 투과 계수(m2)이고; μg는 가스의 점성 계수(Paㆍs)이고, 상온 및 상압(20℃, 하나의 표준 대기압)에서의 에어값은 1.81×10-5Paㆍs이고; Q는 토양 시료에 통과된 가스 유량(m3ㆍs-1)이고; A는 재료의 횡단면적(m2)이고; h는 토양 시료의 높이(m)이고; ΔP는 토양 시료 양단의 기압차(kPa;ΔP=P1-P2)이고; 가스 투과 계수 kg를 얻기 위해, 실험에서 측정해야 할 주요 매개 변수는 가스의 압력 경도 ΔP/h와 유량 Q이다. 유량 Q의 측정은 압력과 온도의 영향을 받으므로 실험 시 측정된 유량이 상온 및 상압(20℃, 하나의 표준 대기압)에서의 표준값으로 수정된다. 실험 과정에서, 유량은 대기로 통하는 말단에서 측정되므로, 압력 수정이 필요하지 않고; 온도는 실온 25±2℃이므로, 온도 수정이 필요하며, 가스 상태의 방정식을 이용해 이를 20℃에서의 유량으로 수정할 수 있다.
단계 6: 외부 챔버(13)의 용액을 배출하고, 다음 레벨 흡입력에 대응되는 PEG 용액을 교체하고, 상술한 단계 3, 단계 4, 단계 5, 단계 6을 채택하여 마찬가지로 해당 등급의 흡입력에 있는 가스 투과 계수를 측정한다. 위 내용은 도면을 결합하여 본 발명의 구체적인 실시예를 설명하였으나, 이러한 설명은 본 발명의 범위를 한정하는 것으로 이해될 수 없다. 본 발명의 보호 범위는 첨부된 청구항에 의해 한정될 수 있으며, 본 발명의 청구항을 바탕으로 행하는 임의의 변경 모두 본 발명의 보호 범위에 속한다.
1: 에어 컴프레서
2-1: 제1 압력조절 밸브
2-2: 제2 압력조절 밸브
3-1: 제1 전자 비누막 유량계
3-2: 제2 전자 비누막 유량계
4-1: 제1 차단 밸브
4-2: 제2 차단 밸브
5-1: 제1 압력계
5-2: 제2 압력계
6: 토양 시료
7: 다공판
8: 반투과막
9: O형 링
10: 베이스
11: 꼭대기 커버
12-1: 외부 시료 튜브
12-2: 상부 섹션 시료 튜브
12-3: 중간 섹션 시료 튜브
12-4: 하부 섹션 시료 튜브
13: 외부 챔버
14-1: 제1 흡입력 통로
14-2: 제2 흡입력 통로
15-1: 제1 정량 펌프(constant flow pump)
15-2: 제2 정량 펌프
2-1: 제1 압력조절 밸브
2-2: 제2 압력조절 밸브
3-1: 제1 전자 비누막 유량계
3-2: 제2 전자 비누막 유량계
4-1: 제1 차단 밸브
4-2: 제2 차단 밸브
5-1: 제1 압력계
5-2: 제2 압력계
6: 토양 시료
7: 다공판
8: 반투과막
9: O형 링
10: 베이스
11: 꼭대기 커버
12-1: 외부 시료 튜브
12-2: 상부 섹션 시료 튜브
12-3: 중간 섹션 시료 튜브
12-4: 하부 섹션 시료 튜브
13: 외부 챔버
14-1: 제1 흡입력 통로
14-2: 제2 흡입력 통로
15-1: 제1 정량 펌프(constant flow pump)
15-2: 제2 정량 펌프
Claims (10)
- 흡입력의 변화 하에 불포화 토양의 가스 투과 계수를 연속 테스트하는 장치에 있어서,
에어공급 장치, 구속압력 장치, 테스트 장치, 흡입력 제어 장치, 배기 장치를 포함하고, 상기 테스트 장치는 내부 챔버와 외부 챔버(13)로 나뉘고, 내부 챔버는 토양 시료(6)를 배치하는 데 사용되고, 외부 챔버(13)는 미리 설정된 농도의 투석 용액을 저장하고 구속압력을 가하는 데 사용되고; 상기 에어공급 장치는 에어 컴프레서(1)를 포함하고, 구속압력 장치의 일단은 에어 컴프레서(1)에 연결되고, 구속압력 장치의 다른 일단은 테스트 장치의 외부 챔버(13)에 연결되고, 상기 에어 컴프레서(1)는 테스트 장치의 외부 챔버(13)에 구속압력 가스를 입력하고 테스트 장치의 내부 챔버에 테스트 가스를 이송시키는 데 사용되고; 상기 흡입력 제어 장치는 토양 시료(6)에 흡입력을 가하고 제어시키는 데 사용되며; 상기 배기 장치는 테스트 장치의 내부 챔버와 연결되고, 배기 장치는 내부 챔버의 테스트 가스를 배출시키는 데 사용되는 것을 특징으로 하는 흡입력의 변화 하에 불포화 토양의 가스 투과 계수를 연속 테스트하는 장치. - 제1항에 있어서,
상기 에어공급 장치는 에어유입관을 포함하고, 에어유입관의 일단은 에어 컴프레서(1)에 연결되어, 테스트 가스를 테스트 장치의 내부 챔버에 유입시키고, 에어 컴프레서(1)의 일단과 근접한 에어유입관에는 제1 조절 밸브(2-1), 제1 전자 비누막 유량계(3-1), 제1 차단 밸브(4-1), 제1 압력계(5-1)가 설치되는 것을 특징으로 하는 흡입력의 변화 하에 불포화 토양의 가스 투과 계수를 연속 테스트하는 장치. - 제1항에 있어서,
상기 구속압력 장치는 구속압력 에어유입관을 포함하고, 에어 컴프레서(1)가 에어 소스를 공급하고, 구속압력 에어유입관을 통해 구속압력 가스가 테스트 장치의 외부 챔버(13)에 유입되고, 에어 컴프레서(1)의 일단과 근접한 구속압력 에어유입관에는 제2 압력조절 밸브(2-2), 제2 차단 밸브(4-2), 제2 압력계(5-2)가 설치되는 것을 특징으로 하는 흡입력의 변화 하에 불포화 토양의 가스 투과 계수를 연속 테스트하는 장치. - 제1항에 있어서,
상기 테스트 장치는 시료 튜브, 베이스(10), 꼭대기 커버(11)를 포함하고, 베이스(10)가 시료 튜브의 바닥단에 설치되며, 꼭대기 커버(11)가 상기 시료 튜브의 꼭대기단에 설치되고;
상기 시료 튜브는 외부 시료 튜브(12-1)와 내부 시료 튜브로 나뉘고, 내부 시료 튜브는 테스트 장치를 내부 챔버와 외부 챔버(13)로 나누고, 내부 챔버는 원통형 용기이고, 외부 챔버(13)는 링형 용기이며;
내부 시료 튜브는 상부 섹션 시료 튜브(12-2), 중간 섹션 시료 튜브(12-3), 하부 섹션 시료 튜브(12-4)를 포함하고, 상부 섹션 시료 튜브(12-2), 중간 섹션 시료 튜브(12-3), 하부 섹션 시료 튜브(12-4)인 세 섹션이 합쳐져 내부 챔버가 형성되고; 상부 섹션 시료 튜브(12-2)와 꼭대기 커버(11)로 둘러싸여 상부 챔버 캐비티가 형성되고, 중간 섹션 시료 튜브(12-3)의 상, 하 양단에는 모두 다공판(7)이 설치되고, 중간 섹션 시료 튜브(12-3)와 두 개의 다공판(7)으로 둘러싸인 중간 챔버는 토양 시료(6)를 배치하는 데 사용되고, 하부 섹션 시료 튜브(12-4)와 베이스(10)로 둘러싸여 하부 챔버 캐비티가 형성되고; 상기 중간 섹션 시료 튜브(12-3)는 다공 구조인 것을 특징으로 하는 흡입력의 변화 하에 불포화 토양의 가스 투과 계수를 연속 테스트하는 장치. - 제4항에 있어서,
상기 흡입력 제어 장치는 반투과막(8), 미리 설정된 농도의 투석 용액, 제1 정량 펌프(15-1), 제2 정량 펌프(15-2)를 포함하고; 상기 반투과막(8)이 중간 시료 튜브 (12-3) 내측에 설치되면서 토양 시료(6)의 측벽에 단단히 접착되고; 상기 미리 설정된 농도의 투석 용액으로 한 층의 경질유가 떠 있는 투석 용액이 채택되고; 상기 외부 시료 튜브(12-1)는 양측에 대향되게 각각 제1 흡입력 통로(14-1)와 제2 흡입력 통로(14-2)가 설치되고, 제1 흡입력 통로(14-1) 및 제2 흡입력 통로(14-2)는 외부 챔버(13)와 서로 통하고; 제1 정량 펌프(15-1)는 제1 흡입력 통로(14-1)를 통해 외부 시료 튜브(12-1)의 일측과 연결되면서 용액을 공급하고, 제2 정량 펌프(15-2)는 제2 흡입력 통로(14-2)를 통해 외부 시료 튜브(12-1)의 다른 일측과 연결되면서, 용액을 유출시키는 것을 특징으로 하는 흡입력의 변화 하에 불포화 토양의 가스 투과 계수를 연속 테스트하는 장치. - 제5항에 있어서,
상기 반투과막(8)이 중간 섹션 시료 튜브(12-3) 내부에 씌워지고, 반투과막(8)의 상, 하 양단이 중간 섹션 시료 튜브(12-3)의 상, 하 양단에 역으로 씌워지고, 상, 하 양단에 역으로 씌워진 지점에는 닫히는 O형 링(9)이 설치되고, 상기 상부 섹션 시료 튜브(12-2)의 하단과 중간 섹션 시료 튜브(12-3)의 연결 지점, 하부 섹션 시료 튜브(12-4)의 상단과 상기 중간 섹션 시료 튜브(12-3)의 연결 지점에는 모두 O형 링(9)과 서로 매칭되는 링형 오목홈이 설치되고, 중간 섹션 시료 튜브(12-3)와 상부 섹션 시료 튜브(12-2), 하부 섹션 시료 튜브(12-4)의 연결 지점 및 다공판(7)과 중간 섹션 시료 튜브(12-3)의 연결 지점에는 모두 실링 수지(sealing resin)로 실링 처리되는 것을 특징으로 하는 흡입력의 변화 하에 불포화 토양의 가스 투과 계수를 연속 테스트하는 장치. - 제4항에 있어서,
상기 외부 시료 튜브(12-1)의 외벽에는 눈금선이 설정되며, 눈금선을 통해 흡입력의 균형 도달 여부를 관찰하는 것을 특징으로 하는 흡입력의 변화 하에 불포화 토양의 가스 투과 계수를 연속 테스트하는 장치. - 제5항에 있어서,
상기 반투과막은 비대칭막이며, 이의 분획분자량(molecular weightcut-off, MWCO)은 1000 내지 50000이고; 상기 미리 설정된 농도의 투석 용액은 고분자 용액인 것을 특징으로 하는 흡입력의 변화 하에 불포화 토양의 가스 투과 계수를 연속 테스트하는 장치. - 제1항에 있어서,
상기 배기 장치는 배기관을 포함하고, 테스트 장치의 일단과 근접한 배기관에는 순차적으로 제3 압력계(5-3), 제2 전자 비누막 유량계(3-2)가 설치되는 것을 특징으로 하는 흡입력의 변화 하에 불포화 토양의 가스 투과 계수를 연속 테스트하는 장치. - 제1항 내지 제9항에 따른 흡입력의 변화 하에 불포화 토양의 가스 투과 계수를 연속 테스트하는 장치를 이용하는 방법에 있어서,
상기 방법은 이하의 단계,
단계 1) 반투과막(8)을 고정시키고, 중간 챔버 내부에는 원통형 토양 시료(6)로 채워지고;
단계 2) 투석 용액의 농도와 흡입력의 수위 유량 곡선(Rating curve)을 따라 측정된 흡입력에 대응되는 미리 설정된 농도의 투석 용액(13)이 제조되고;
단계 3) 양측의 정량 펌프를 열어 외부 챔버(13)에 있는 투석 용액을 순환 이동시키고, 토양 시료의 탈습 또는 흡습이 시작되고 흡입력이 균형을 이룬 다음 투석 용액의 질량 변화를 칭량하여 시료의 수분 함량을 계산하고;
단계 4) 구속압력 장치와 에어공급 장치의 차단 밸브를 가동하여, 테스트 가스를 이송시키고, 측정 과정에서, 구속압력이 토양 시료 바닥부의 캐비티의 기압과 동일하게 항시 보장되고;
단계 5) 필요한 매개 변수를 기록하고, 다르시(Darcy)의 법칙에 따라 가스 투과 계수를 계산하고;
단계 6) 투석 용액의 농도를 조정하고, 상술한 방법을 채택하여 다음 레벨 흡입력의 가스 투과 계수를 측정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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Cited By (1)
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-
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| CN117606936B (zh) * | 2024-01-23 | 2024-04-09 | 成都理工大学 | 一种岩石应力溶蚀试验装置及其方法 |
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