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J. Korean Soc. Hazard Mitig. > Volume 22(3); 2022 > Article
세립토의 전기력이 지배적인 입자배열에 대한 간극수의 화학적 성질의 영향: 물속의 퇴적층에 내포된 의미

Abstract

Structures to mitigate the climate change such as offshore wind farms and geological CO2 sequestration would be located on coastal regions and offshores. Understanding of fine-grained soil fabrics in submerged conditions can help evaluate the safety of coastal underground constructions such as submarine excavation and slope stability. Fall cone tests for the liquid limit, grain-settling-based sedimentation tests, and ball penetration tests were conducted to investigate soil fabrics in different pore fluids with changes in ionic concentration and permittivity. Based on particle morphology and mineralogy, fine-grained soils were influenced by pore fluid chemistry. Fall cone tests showed the influence of pore fluid chemistry on uniformly mixed soil samples. Fine-grained soils that contained clay minerals such as kaolinite and bentonite showed significant liquid limit changes. Sedimentation tests and ball penetration tests induced fabrics with particle segregation and identified the type of fine-grained soils that could form gravitational force-dominated fabric or electrical force-dominated fabric during natural sedimentation process in submerged conditions.

요지

기후변화에 필요한 해상풍력에너지 및 CO2 지중 저장 관련된 환경구조물도 해양이나 해안 주변에 위치하게 된다. 수중의 세립토에 대한 이해는 해양 굴착과 사면안정 같은 지하구조물 건설의 안정성 평가에 도움을 준다. 콘관입시험을 통한 액성한계, 입자침강시험, 볼관입시험 등을 통해서 간극수의 이온 농도와 유전률의 변화에 대한 흙입자의 배열에 대한 영향을 살펴볼 수 있었다. 입자의 모양과 광물에 의해서 세립토는 간극수의 화학적 성질에 영향을 받는다. 콘관입시험은 균질하게 혼합된 흙의 입자배열에 대해서 간극수의 영향을 보여 주었다. 카올리나이트와 벤토나이트처럼 점토광물 입자를 가지는 입자가 작은 시료는 간극수에 의한 액성한계에 큰 변화를 보여준다. 입자침강시험과 볼관입시험은 입자의 분리를 만들고, 자연적으로 수중에서 침전물이 형성하는 동안 어떤 세립토들이 입자의 배열이 중력에 의한 영향으로 생성이 되는지 아니면 전기력에 의한 영향으로 생성이 되는지를 알려준다.

1. 서 론

자연적인 풍화, 운반, 퇴적 작용으로 해양 퇴적층은 세립자들이 많은 부분을 차지하게 된다(Kennett, 1982). 해양 주변에 세워지는 해양도시들은 연약지반과 같은 건설에 불리한 세립퇴적층에 항만, 교량 같은 구조물을 세우게 된다. 건설 시공에 불리한 지반조건이지만, 구조물의 특성상 해안에 지어져야 하고 경제적인 건설을 하는 것이 필요하다. 또한, 기후변화에 맞추어 재생에너지의 활용을 위한 방향으로 조류에너지, 해상 풍력 발전 단지처럼 해양 지반에 건설되는 구조물이 많아지게 된다. 이러한 구조물은 장기적인 반복하중과 동적인 하중에 대해 설계를 하게 되는데 주로 세립질이 포함된 지반에 건설하게 되므로 해양 세립퇴적층에 대한 문제를 지속해서 접하게 된다(Oh et al., 2018). 그리고, 공학적인 구조물의 건설로 인한 혹은 자연적 영향에 의한 해저 산사태 같은 문제 등에 대한 안정성 평가를 위해서 세립토 지반의 거동에 대한 이해가 필요하다(Sawyer and DeVore, 2015; Oehler et al., 2017).
지반공학 통일분류법(unified soil classification system, USCS; ASTM D2487, 2011)에서 세립토는 75 μm 이하의 직경을 가진 입자이고, 실트나 점토로 분류가 된다. 실트는 소성이 없고 중력에 의한 영향을 받을 수 있다. 그러나 입자의 크기가 작아지면, 입자 간의 전기적 힘이 중력에 의한 자중보다 입자의 배열에 영향을 크게 주게 된다. 점토는 일반적으로 전기적 인력으로 입자의 표면에 물 입자를 머물게 하고, 이중수층(diffuse double layer, DDL)를 구성하게 된다. 이는 물과 입자의 상호작용으로 입자의 배열에 영향을 주게 된다.
세립토에서 입자의 배열은 중력의 영향 외에 입자 간의 전기적 힘의 영향을 받게 되고, 간극수의 이온과 입자의 크기, 입자 표면의 전기적 성질에 영향을 받는다. 대표적인 3가지 경우는 Sogami-Ise model에 따른 같은 표면 전하를 가진 입자의 인력, 입자의 비균질한 표면 전기력에 따른 판상형 입자들의 배열, DLVO이론(Derjaguin-Landau-Verwey- Overbeek theory)에 따른 DDL의 두께에 따른 입자의 배열로 나타낼 수 있다(Mitchell and Soga, 2005; Jang et al., 2018). Fig. 1은 세립질 흙에서 중력에 의한 입자 배열과 전기력에 의한 입자 배열의 예시를 나타낸다.
Fig. 1
Interparticle Forces in Fine-Grained Soils and Fabric Changes Due to Ionic Concentrations: (a) Gravitational Force-Dominated Fabric, (b) Sogami-Ise Model for Like-Charge Attraction, (c) Electrical Attractions by Unbalanced Surface Charge, and (d) DDL (Diffusive Double Layer) Dominated Fabric. The Left Figures in (a), (b), (c), and (d) are the Fabric in Deionized Water and the Right Figures the Fabrics in NaCl Solution
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입자의 배열에 전기적인 영향에 대한 평가는 입자침강시험(grain-settling based sedimentation test), 액성한계(liquid limit, LL) 등을 통해서 살펴볼 수 있다. 입자의 침강은 시료를 물에 섞은 혼합액을 투명관에 침전시키는 실험으로, 입자의 침강 시의 혼합액의 경계면과 입자의 하강 되는 형태를 관찰하고 기록한다(Palomino and Santamarina, 2005). 입자가 낱알 상태로 침전이 이루어지기도 하지만, 입자의 종류, 혼합액의 이온 농도에 따라 입자들이 cluster를 형성하게 되고 침전이 늦어지거나 빨라질 수가 있다(Palomino and Santamarina, 2005). 입자의 크기와 무게에 따라서 입자들인 낱알로 각가 다른 속도로 떨어지는 입자의 분리(segregation)가 이루어지면, 중력에 의한 입자 배열이 선행되고 추후 전기력에 의한 입자 배열이 나중에 이루어 질 수 있다.
액성한계는 입자침강시험과 달리 입자의 분리없이 입자들이 균질하게 혼합된 상태의 시료에 대해 Casagrande cup을 활용한 방법(ASTM D4318, 2005)이나 콘관입시험(fall cone test; BS 1377, 1990)을 통해서 얻어지는 액체 상태를 나타낼 수 있는 함수비를 나타낸다. 입자가 전기적으로 간극수와 상호작용 정도가 높을수록 간극수의 이온의 농도(ionic concentration, IC)와 유전률(permittivity)에 따른 액성한계의 변화가 크게 나타난다(Jang and Santamarina, 2016). 콘관입시험을 통해 정의되는 액성 상태의 시료는 약 2 kPa 정도의 전단강도를 가진 상태이다(Wroth and Wood, 1978). 몬로릴로나이트(montmorillonite)나 카올리나이트(kaolinite)같은 점토광물이 주성분인 시료는 이온의 농도가 높아지면, 액성한계가 작아지는 경향이 있다(Jang and Santamarina, 2016).
통일분류법이 세립토의 소성지수와 액성한계를 이용하여 공학적으로 흙의 분류를 하는 기능이 있다. 그리고 규조토(diatoms)나 플라이애쉬(fly ash)처럼 흙 입자의 내부 간극을 가진 흙을 구분해 준다(Fig. 2). 하지만, 에너지, 환경과 관련된 새로운 산업 분야에서 사용되는 구조물과 지반의 활용은 소성의 변화와 간극수의 이온 변화에 대한 고려를 하는 경우가 존재한다. 예를 들면, 기후환경 변화에 대응하는 이산화탄소의 지중 저장 같은 방법은 흙의 간극수가 화학적으로 변화하는 과정을 거치게 된다(Jun et al., 2013; Alhosani et al., 2020). 세립토와 간극수의 이온농도에 대한 영향을 고려하여, 통일분류법에 대한 수정을 통해서 전통적인 지반공학에서 벗어나 에너지, 환경 분야에 적용할 수 있는 새로운 분류법이 제시되기도 한다(Jang and Santamarina, 2016).
Fig. 2
Implications of the Plasticity Chart in the Unified Soil Classification System (USCS): Liquid Limit Ranges Due to Particle Morphology and Mineralogy. LLmix is the Mixture of Coarseand Clayey Fine Particles, PLc the Plastic Limit of Coarse Soils, LLc the Liquid Limit of Coarse Soils, LLf the Liquid Limit of Fine-Grained Soils, and Mf the Mass of Fine-Grained Soils
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본 연구에서는 전기적 인력과 척력에 의해서 형성되는 세립자의 배열과 간극수의 이온농도에 따른 영향에 대해서 입자침강시험, 입자침강시험 후 침전된 시료에 대한 볼관입시험과 액성한계에 대한 연구를 통해서 알아보려고 한다. 자연 상태나 지반의 준설 시 자유낙하에 관련 있는 입자의 분리 현상에 대해서 입자침강시험을 통해서 알아보고, 지반공학 실내 실험의 액성한계를 통한 입자가 균질하게 섞인 상태와 비교함으로써 실험과 자연현상에 대한 차이점과 실제 현장의 상태에 대한 이해를 돕고자 한다.

2. 시료와 실험 방법

2.1 시료와 간극수의 선정

본 연구에서 사용된 간극수는 Table 1에 물성치와 표시되어 있다. 간극수에서 전기적 성질에 영향을 주는 인자는 간극수 이온의 농도, 유전률이다. 이온의 논도는 입자의 이중수층에 대한 영향을 주고, 유전률은 전기력이 입자 간에 퍼지는 정도에 영향을 준다. 그리고 시료는 입자의 광물, 입자의 크기, 입자의 모양등을 고려하여 각각에 대한 경우에 대표성이 있는 시료로 벤토나이트(bentonite), 일라이트(illite), 카올리나이트, 실리카가루(silica flour), 규조토, 플라이애쉬, Ottawa 20/30 모래를 선정하였다. Table 2는 시료의 종류와 물성치를 나타내고 있다.
Table 1
Pore Fluids Used in this Study
Water K-1 Kerosene Dispersant Solution NaCl Solution
Molecular Formula H2 O N/A (NaPO3)6 40 g/L(a) NaCl 1-2 mol/L
Relativity Permittivity at 20 °C 80.4 1.8-2.0 1 mol/L: 65(b) 2 mol/L: 55(b)
Table 2
Physical Properties of Samples (Additional Data After Jang and Santamarina, 2016)
Ottawa Sand 20/30 Silica Flour Diatom Fly Ash Kaolinite Illite Bentonite
Median size, d50 [µm] 7201) 201) 102) 20 0.361) 0.51) 0.0731)
Specific surface area, Ss [m2/g] 0.0033) 0.6 104 2.4 46 128 661
Liquid limit [%] deionized water, LLDW 22 31 121 50 67 67 276
NaCl solution, LLbrine 191) 26 110 47 52 62 92
LLbrine,corr4) 19 27 126 50 55 67 103
kerosene, LLker 201) 28 138 45 82 37 39
LLker,corr4) 24 33 162 53 96 44 46
Plastic limit, PL [%]5) 201) 26 113 47 31 29 44
Sedimentation weight [g] 40 20 5 20 5 5 5
Sedimentation height in air [mm] 46.5 42 43 45 23.8 13.3 12.5

1) Literature (see details in Jang and Santamarina, 2016)

2) Specification

3) Calculation: LL = 19 + 0.56Ss (Farrar and Coleman, 1967; Santamarina et al., 2001); Ss,sphere = 6/(d50ρ), where ρ is density

4) LLbrine,corr=LLbrine1cLLbrine,LLker,corr=LLkerGs,ker, where c is the NaCl concentration in weight, and Gs,ker = 0.85, specific gravity of the kerosene in this study

5) Rolling thread method in ASTM D4318

벤토나이트는 몬모릴로나이트를 포함한 시료이고, 일라이트는 몬모릴로나이트와 마찬가지로 알루미늄팔면체와 규소사면체의 2:1 구조를 가지면서 몬모릴로나이트와 달리 입자 사이에 칼륨을 가지고 있다. 카올리나이트는 알루미늄팔면체와 규소사면체의 1:1 구조를 가지고 입자가 몬모릴리나이트보다 상대적으로 커서 벤토나이트보다 DDL의 영향을 상대적으로 적게 받지만, 입자가 판상형으로, 표면의 전기력으로 간극수의 이온에 따라 분산구조, 면모구조를 가지게 된다(Lambe and Whitman, 1969). 규조토는 미생물이 죽어서 남기긴 외부껍질의 잔여물이고, 내부적으로 간극이 존재한다. 플라이애쉬는 인공적인 석탄 화력발전에 의한 부산물로 내부적인 간극이 존재한다. 실리카가루와 Ottawa 20/30 모래는 소성이 없는 세립자와 모래로 다른 세립질 시료와 비료를 위하여 사용되었다.
간극수의 입자에 대한 전기적 성질에 대한 영향을 살펴보기 위하여 간극수의 비전률과 이온에 변화를 주는 유체를 선정하였다. 이온의 농도 영향을 알아보기 위하여 초순수물(deionized water, DW)과 소금물(NaCl solution)을 사용하였는데, 침강시험에 대해서는 최대 농도를 1 M의 농도, 액성한계의 최대 농도는 2 M을 사용하였다. 이온의 농도와 달리 이온 입자의 세립자 표면에 대한 흡착 효과를 알 수 있는 분산제 sodium-hexametaphospate (NaPO3)6를 사용하여 소금물의 효과와 비교 하였다. 비전률에 대한 영향을 살펴보기 위하여 유전률이 매우 낮은 등유(kerosene)를 사용하였다. Table 2는 간극수의 성질에 대해서 나타낸다.

2.2 실험 방법

Fig. 3은 실험 종류와 방법에 대해 간략하게 보여준다. 비표면적(specific surface area, Ss) 시험은 메틸렌블루(methylene blue) 용액을 이용하여 입자에 메틸렌블루 분자가 흡착되어 나타나는 성질을 활용한 방법을 이용하였다(Santamarina et al., 2002). 시료는 건조 시킨 뒤 DW에 섞어서 24시간 기다렸으며, 5 g/L 메틸렌블루 용액 0.5 mL씩 추가 하면서 입자의 주변에 메틸렌블루 용액이 번지는 것을 관찰하여 비표면적을 계산하여 추정하게 된다.
Fig. 3
Experimental Methods: (a) Water-Based Methylene Blue Method for Specific Surface Area (Ss), (b) Fall Cone Test for Liquid Limit (LL), (c) Grain-Settling-Based Sedimentation Test for Fabric Formation by Gravitational Segregation, and (d) Insertion Test After Sedimentation Test of (c)
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액성한계 시험은 콘관입시험을 시행하였으며, 시험방법은 BS 1377을 따랐다. 콘의 모서리 각도는 30도 이고, 낙하체의 총 무게는 80 g이다. 액성한계는 콘이 시료 컵의 시료에 관입 깊이가 20 mm일 때의 함수비로 나타낸다. 사용하는 간극수는 DW, 2 M 소금물, 등유를 사용하였다. 시료를 준비할 때 소성이 있는 시료는 콘관입시험 시료 컵에 공기가 들어가지 않도록 하였으며, 소성이 없는 시료에 대해서는 입자의 배열을 조밀하게 하여 실험을 진행하였다.
입자침강시험은 시료를 초순수물, 소금용액, 등유, 분산제 용액에 각각 섞은 후 16시간 이상 기다린 후에 사용하였다. 각 시료의 침전 높이를 고려하여 사용된 시료의 무게는 Table 2에 표시되어 있다. 직경 25.4 mm, 높이 200 mm 원형관에 165 mm 높이의 혼합 시료액를 맞추고, 1분간 흔든 후 입자들이 자유낙하 하여 침강하도록 하였다. 침강하면서 밑에 쌓이는 시료의 높이와 관속에서 부유물의 침전 속도를 기록 하였다. 공기 중에서 자유낙하시킨 경우는 유체의 항력이 적은 경우 입자의 배열로 볼 수 있다.
입자침강 시험 후 원형관을 조금씩 두드려 입자들이 조밀하게 만들어 준 후 12시간 기다린 후에 볼관입시험을 실시하였다. 볼관입시 사용하는 장비는 총 무게 31 g, 직경 3.2 mm, 길이 320 mm의 막대기 끝에 12.7 mm 직경의 볼을 고정한 스테인레스 스틸(stainless steel) 재질의 막대형 기구이다. 입자침강시험 후 혼합물의 경계면 혹은 아래에 쌓인 시료의 표면에 기구를 위치시킨 후 자유낙하로 침전된 시료의 표면에서 부터 볼의 관입 깊이를 측정하게 된다.
입자침강시험에서 입자의 크기와 유속의 관계는 Stoke’s law를 통해서 산정할 수 있다. 입자의 분리 현상이 일어나는 실리카가루와 규조토는 사이펀(siphon) 현상을 이용하여 상층액(supernatant)를 제거하고 입자가 7 μm 이상의 입자를 모을 수 있다. 침전되어 쌓은 입자들만을 사용하여 입자침강시험과 관입시험을 실시하였다.

3. 실험 결과 및 논의

비표면적과 액성한계의 결과는 Table 2에 표시되어 있다. Ottawa 20/30 모래 비표면적은 입자의 크기가 커서 중간입경의 크기에 해당하는 구체의 이론적인 비표면적으로 예측하였다. 규조토와 플라이애쉬는 자연적 그리고 인공적으로 입자내부에 공극이 있어서 비슷한 입자 크기의 실리카가루보다 비표면적이 확실히 크다. 입자의 크기가 작을 수록 비표면적이 작아 지는 것을 확인할 수 있다.
초순수물를 사용한 액성한계(LLDW) 외에는 간극수의 특성에 따라 보정을 하여 흙입자 무게에 대한 물의 무게의 비로 수정을 하였다. Table 2에서 LLbrine과 LLker은 NaCl의 결정화된 무게와 물과 등유의 비중에 대해서 보정하는 식을 통해서 각각 LLbrine,corr과 LLker,corr로 나타낼 수 있다.
간극수에 따른 액성한계는 Ottawa 20/30 모래와 실리카가루의 경우 간극수에 따라 큰 차이를 보이지 않으며 이는 입자의 전기적 영향이 적은 것으로 파악된다. 점토광물인 카올리나이트, 일라이트, 벤토나이트는 2 M 소금물에 의한 이온농도로 인하여 DDL의 영향이 적어지거나 면모구조의 입자배열에서 분산구조의 입자 배열로 인한 액성한계의 감소가 있음을 알 수 있다. 그리고 등유의 경우 유전률이 낮아서 전기적 힘이 간극수를 통해서 전달되지 않는 경우 액성한계를 낮추는 것으로 파악된다. 벤토나이트는 등유에서는 DDL의 형성이 되지 않아서 액성한계 값이 매우 낮아 진다.
간극수의 화학적 성질에 대응해서 변하는 액성한계를 활용한 전기적 민감성(electrical sensitivity, SE)를 이용하여 세립토에 대한 흙의 분류를 나타낼 수도 있다(Jang and Santamarina, 2016). 간극수의 이온농도가 변할 수 있는 CO2의 관입, 오염물질의 이동은 에너지 및 환경 문제 해결과 관계있으며, 이에 관한 부분을 고려한 세립토의 흙을 분류라고 할 수 있다.
콘의 관입 형태도 간극수의 변화에 따라 변하게 된다. Fig. 4는 규조토에 대한 초순수물(DW)을 사용한 액성한계의 콘관입시험 후 시료가 콘관입으로 부풀어 오른 모습을 보여준다. 집중 하중에 의한 dilation이 생기는 것을 알 수 있다. 그러나 소금물이나 등유를 사용한 시료에서는 이러한 모습을 보이지 않는다. 이는 흙입자의 배열과 간극수와 입자간의 상호 작용이 변함으로써 생기는 현상이다. 초순수물로 인한 입자의 배열이 조밀한 형태로 나타났다고 볼 수 있다.
Fig. 4
Deformed Surface of Diatom During the Fall Cone Test with Deionized Water
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Fig. 5는 입자의 침강 실험에서 시간에 따라 입자가 가라앉는 경계면의 위치를 기록 하였다. 입자가 부유하는 경우와 침강하여 실험관 아래에 퇴적되는 경우가 있는데 부유하는 경우의 경계면을 중심으로 결과가 기록되었다. 액성한계의 결과에 따르면 Ottawa 20/30 모래, 실리카가루, 규조토 등은 간극수의 영향이 적은 시료들이다. 침강실험에서 Ottawa 20/30 모래는 간극수의 영향에 없이 침전에 대해서 모든 간극수에 대해서 같은 양상을 보인다. Fig. 1(a)의 경우라고 할 수 있다. 하지만, 실리카가루는 2 μm보다 작은 입자(점토 크기 입자)를 포함하며, 물과 입자들간의 전기적 척력의 영향으로 초순수물에서 쉽게 부유한다. 하지만 다른 간극수에서는 Fig. 1(b)처럼 전기적 인력으로 상층액이 깨끗해지고 모든 입자들이 침전되어 가라앉는다. 그리고 규조토는 침전의 양상이 부유되는 정도에 따라 초순수물, 분산제의 경우와 등유와 소금용액의 경우로 나뉘어 질 수 있다. 균질하게 섞인 액성한계의 시료와 달리 입자의 크기에 따른 분리가 일어나는 침강시험에서 같은 시료일지라도 서로 다른 입자배열을 나타낸다고 볼 수 있다.
Fig. 5
Turbid Height Measurements with Time During Sedimentation Tests Using Different Pore Fluids: (a) Ottawa 20/30 Sand, (b) Silica Flour, (c) Diatoms, (d) Kaolinite, (e) Bentonite
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카올리나이트와 벤토나이트는 액성한계에서 간극수의 영향을 분명하게 받는 입자들이다. 카올리나이트는 분산제가 들어간 용액에서 가장 늦게 침강하고 가장 낮은 침전 높이를 기록한다. 그리고 이온농도가 높을수록 천천히 침강한다. 판상형 입자가 Fig. 1(c)처럼 입자의 배열을 형성하는 경우라 할 수 있다. 벤토나이트는 분산제가 있는 경우 분산된 배열로 서로 전기적 척력으로 밀어내고 가라앉지 않는다. Fig. 1(d)처럼 초순수물에서도 DDL이 완전히 나타나고 서로의 척력으로 분산된 입자들이 가라 않지 않지만, 소금물 이온의 증가로 DDL이 수축 되고 가라앉는 모습을 보인다.
모든 시료에서 등유에서 시료의 침전은 다른 액체보다 빠르게 나타난다. 이는 유체의 유전률이 매우 낮아 입자들과 전기적 상호 작용이 작기 때문이다. 등유에서 침전 높이는 Table 1의 공기 중에서 자유낙하에 의한 입자의 침전 높이 보다 높은 것은 등유에서 유체에 의한 항력이 조금 더 크기 때문이다.
입자의 낙하 속도는 입자의 크기와 간극수와의 상호 작용에 의해서 결정된다. Fig. 6은 혼합액의 경계면이 초기의 혼합액의 높이에서 그 절반에 해당하는 높이에 도달했을 때의 시간(t50)을 소금용액의 t50에 정규화한 결과이다. 초순수물, 소금용액, 분산제 용액의 결과를 보면 간극수의 화학적 성질의 영향이 적을수록 정규화된 값이 1에 가깝다. 입자가 큰 규조토(coarse diatoms > 7 μm)와 실리카가루(coarse silica flour > 7 μm)는 작은 입자가 부유하는 것들을 입자침강시험을 통해서 제거하고 시험관 아래에 중력에 의해 침전된 시료만 사용하여 다시 입자침강실험을 실시한 결과이다. 원래의 시료보다 더 빠른 침강속도를 보여주고 있다.
Fig. 6
Ratios of t50 of Each Fluid to t50 of NaCl Solution. The t50 is the Sedimentation Time When the Water-Suspension Interface is Nearly at the Half of the Initial Suspension Height During the Sedimentation Test
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입자침강시험 후의 볼관입시험 결과는 Fig. 7에 나타나 있다. 최종 혼합물의 경계면에서 볼을 천천히 내리면서 볼관입시험은 간극수의 화학적성질에 따른 침전물의 입자의 배열 변화에 대한 전단저항 저항 정도를 상대적으로 평가 할 수 있다. 0에 가까울수록 침전물의 관입이 적은 것으로 나타난다. Ottawa 20/30 모래의 경우 입자의 전단저항이 간극수에 따라 다르지 않는 것을 보인다.
Fig. 7
Penetration Ratios by Ball Insertion Tests After Sedimentation Tests. The Penetration Ratio is the Ball Rod Penetration Depth through the Sediment Interface to the Sedimentation Height
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관입깊이비(penetration ratio)는 부유물에 대한 관입을 포함하므로 실리카가루의 경우 부유물의 혼합액 높이로 인하여 초순수물의 관입 깊이는 상당히 깊게 나타난다. 그러나 상대적으로 중력의 영향을 받는 입자는 침전물 아래에서 저항을 하게 되므로 완전히 볼의 관입은 이루어지지 않는다. 등유의 경우 입자가 모두 아래로 침전하여 전기력에 영향을 받는 작은 입자와 중력에 영향을 받는 큰 입자 모두 아래로 침전하고 입자의 배열을 이룬다. 이 경우 입자가 느슨한 구조를 만들고 침전물의 깊이에 대해서 볼이 모두 관입하므로 관입깊이비는 1이 된다. 규조토도 입자 분리의 영향으로 관입깊이비가 달라지게 된다. 벤토나이트, 일라이트, 카올리나이트는 모두 전기적인 영향으로 입자의 배열이 결정되므로 모두 관입깊이비가 매우 높다. 관입깊이비로 입자분리가 일어나는 세립토와 전기적 영향을 받는 세립토가 구분이 된다. 그리고 해수와 담수에서 생기는 입자의 분리 현상의 차이로 해수의 경우 퇴적층의 표면의 입자 배열이 매우 느슨한 경우로 나타나고, 퇴적층에 의한 압밀의 영향이 없다면, 이로 인한 연약한 지반이 일정한 두께를 형성하게 된다.

4. 결 론

본 연구는 콘관입시험을 통한 액성한계시험, 입자침강시험, 볼관입시험을 이용하여, 간극수의 영향에 따른 입자의 배열에 대해서 고찰하였으며, 다음과 같은 결론을 도출할 수 있다.
  1. 입자침강시험은 입자의 침전시 입자 크기와광물의 종류, 간극수에 따라 입자들 끼리 낱알로 다른 속도로 떨어지는 입자 분리가 일어날 수 있으며, 혼합액의 경계면은 불분명할 수 있다.

  2. 세립토에 대한 입자침강시험과 액성한계시험은 간극수의 화학적 성질에 따라 다른 입자배열을 보여준다. 입자침강시험은 입자의 분리가 일어나는 경우에 대한 입자의 배열이고, 액성한계는 균질하게 섞인 시료에 대한 입자의 배열이다.

  3. 볼관입시험은 세립토의 전기적 상호작용 입자 배열과 중력에 의한 입자 배열을 구분해 줄 수 있다.

  4. 다양한 입자크기를 가진 비소성시료는 소금물에서 모든 입자를 포함한 느슨한 입자배열을 가질 수 있으며 이는 전단저항력이 낮을 수 있다. 하지만 초순수물에서는 입자 분리가 되어 작은 입자는 뜨고, 중력에 의한 입자만 가라앉아서 침전물의 전단저항력이 높아질 수 있다.

감사의 글

이 성과는 2021년도 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구입니다(NRF- 2021R1F1A1060406). King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) Earth Science and Engineering의 Professor J. Carlos Santamarina의 논문에 대한 조언에 감사드립니다.

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