아터버그 한계의 측정
재료공학에서 가장 중요한 항복한계, 소성한계 및 수축한계의 결정 시험을 설명하겠다. 이들 모든 시험은 교란된 점성토 시료에 대해 실시한다.
유동한계 측정 시험
이 시험에는 자연 함수 상태의 토양 약 200 p를 취하며, 지름이 0,5 mm를 넘는 입자는 시험 결과의 정확도를 저해하므로 제거한다. 시료는 건조로에서 건조해서는 안 되며, 바로 증류수가 담긴 도자기 컵에 넣고 충분히 적셔질 때까지 여러 시간 동안 두어야 한다. 소성지수 IP < 20인 양토의 경우 적심은 약 4시간, IP > 20인 점토의 경우 18시간까지 걸린다. 그런 다음 적셔진 시료를 유리판 위에 옮기고 실험실용 칼로 잘 섞어, 균일한 조성을 가진 되직한 반죽 상태가 되도록 한다. 0,5 mm보다 큰 입자가 보이면 혼합 중 제거한다.
이렇게 준비된 시료는 항복한계 측정용 Casagrande 장치의 황동 컵(그림 1)에 옮겨 담는데, 우리 실험실에서는 이를 Casagrande 진동기로 부른다.
도. 1. Cassagrande의 항복 한계 측정 장치
이 장치는 황동 그릇, 이를 특수한 연결부를 통해 장치에 장착하는 구조, 상부에 편심 장치와 회전 손잡이가 있는 탄성의 경질 고무 받침대로 구성되어 있으며, 편심 장치는 1 cm의 높이까지 올라가 그 결과 그릇이 떨어져 받침대를 치게 됩니다(그림 1a). 장치의 치수는 규격화되어 있습니다. 또한 정확히 정해진 치수의 성형 칼날도 있습니다(그림 1b).
숟가락처럼 파낸 시료를 황동 그릇에 넣고 칼로 평탄하게 하여 시료 표면이 완전히 평평해지도록 하고, 시료가 그릇 앞부분의 절반보다 조금 더 넓게 덮이도록 하되, 그 높이가 그릇 바닥의 최저점 위로 약 12 mm가 되게 한다. 그런 다음 그릇을 장치에 넣고 형상화된 칼로 중앙에 홈을 내되, 홈이 완전히 직선이 되고 그릇의 황동 바닥이 보이도록 하며, 이는 칼을 그릇 바닥에 수직으로 조심스럽게 끌어내려 이루어진다. 홈의 길이는 약 40 mm이어야 한다. 곧바로 장치의 손잡이를 초당 2회전의 속도로 돌리면서 그릇이 받침대에 부딪히는 횟수를 세고, 그릇이 받침대에 충돌함에 따라 홈이 좁아지는 것을 관찰하는데, 이는 절개된 시료 부분이 움직여 서로 합쳐지려 하기 때문이다. 손잡이 돌리기는 홈이 10 mm의 길이만큼 다시 붙을 때까지 계속한다. 그렇게 되면 더 이상 손잡이를 돌리지 않고, 곧바로 칼로 양쪽에서 붙은 홈 주변 부분으로부터 약 2 cm3의 시료를 떠내어 시계접시에 넣고 토양의 수분을 측정한다.
이 시험은 같은 방법으로 3-4회 반복하지만, 매번 다른 수분 상태로 실시하며, 이는 시료를 먼저 더 적은 양의 물과 섞은 뒤 나머지 시험에서 물을 추가함으로써 얻는다. 각 시험이 끝날 때마다 시료를 유리판 위에 옮기고 물을 조금 더 넣어 잘 섞어서, 매번 조금 더 묽은 균일한 반죽 상태를 얻는다.
시험을 수행하기 위해 준비된 슬러리는 너무 진하지도 너무 묽지도 않아야 합니다. 왜냐하면 항복 한계에서 너무 멀리 떨어진 토양 일관성 상태는 이 시험에 필요한 정확도를 제공하지 못하기 때문입니다. 일반적으로 타격 횟수가 10 미만이거나 50 초과이면 시험이 실패한 것으로 간주하지만, 이 한계의 범위가 10-40 타격일 때 시험의 정확도가 더 높다고 봅니다.
한 가지 방법에 따르면, 매번 손잡이를 돌려 홈이 1 cm 길이에서 맞물린 뒤, 황동 그릇 속의 시료를 즉시 칼로 섞고 그릇 속 시료 표면을 다시 평탄하게 한 다음 새 홈을 절개하고, 이어서 장치의 손잡이를 돌린다. 이 절차는 홈이 1 cm 길이에서 맞물릴 때 같은 타수의 수가 연속 세 번 얻어질 때까지 반복되며, 그때의 타수는 항복한계를 정하는 이후 절차에 사용된다. 시험 결과는 반로그 눈금의 도표(그림 2)에 나타낸다. 가로축에는 타수를 로그 눈금으로, 세로축에는 시료의 건조 중량에 대한 백분율로 수분량을 산정한다. 각 시험마다 수분량 _w_가 다르므로, 서로 다른 타수에 해당하는 A, B, C, D점을 얻게 되며, 수분량이 많을수록 타수는 적고 그 반대도 마찬가지이다. 이 점들을 연결하면 기울어진 직선이 나오며, 그 위에서 25 타수에 대한 점 _M_을 찾는다. 이 점에 해당하는 수분량을 항복한계 _wL_로 채택한다.
Sl. 2. 항복한계의 결정
소성한계의 결정
위에서 설명한 방법으로 준비하되 물의 양을 줄여서, 플라스틱 질량이 거의 질플라스틱 상태가 되도록 한 토양 시료를 2-3 cm3 정도의 공 모양으로 모은 다음, 일반 종이 또는 흡수지 위에서 손바닥으로 굴려 두께 3 mm의 가늘한 막대로 만든다. 시료가 그 두께까지 부러지지 않고 굴러가면 다시 공 모양으로 모아 같은 방법으로 굴린다. 이 과정은 막대가 두께 3 mm에서 부러지기 시작할 때까지 반복한다. 그때 부서진 막대들을 시계접시에 넣고 물의 양을 측정한다. 그 물의 양을 시료의 건조 중량에 대한 백분율로 나타낸 값이 소성한계 _wP_에 해당한다.
수축 한계의 결정
그림 3. 수축 한계의 결정
토양 시료를 _유동한계 측정 시험_에서 설명한 방법에 따라 증류수와 혼합하여, 모든 공극이 물로 포화되었을 때 그 일관성이 유동한계에 거의 이르도록 한다. 그런 다음 공 모양으로 만들어 먼저 공기 중에서 건조시키고, 이어서 105°C의 건조기에서 건조한다. 이와 같은 단계적 건조는 건조된 시료에 균열이 생겨 시험에 영향을 주는 것을 방지하기 위해 필요하다. 처음에 시료의 무게 _W1_를 측정하고, 수은 침지 시험으로 그 체적 _V1_를 구한 다음, 계속해서 공기 중에서, 이어서 건조기에서 건조하면서, 일정한 간격으로 시료를 꺼내 데시케이터에서 냉각한 뒤 그 무게 W2, W3, W4 등을 측정하고 체적 V2, V3, V4 등을 측정한다. 이렇게 하면 어느 수분 상태에서는 시료의 체적 감소가 멈추는데, 그 무게는 건조에 따라 계속 줄어드는 것을 알 수 있다. 시료가 초기 상태에서 물로 포화되어, 즉 공극에 공기가 없으면, 수축한계까지 건조로 잃는 수분량은 시료 체적 감소와 대략 일치한다. 그 후에는 체적을 측정하지 않고 계속 건조하여 시료가 완전히 건조될 때, 즉 무게가 일정해질 때까지 진행한다. 그러면 각 체적과 무게 측정마다 시료의 건조중량 대비 수분 함량을 백분율로 구하고, 시험 결과를 도표(그림 3)에 표시한다. 이렇게 하여 A, B, C, D 및 E 점을 얻고 이를 연결하면, 보통 수축한계 부근에서 뚜렷한 굴절이 있는 선이 얻어진다. 굴절점 _S_에서 수축한계 _W_S_에 해당하는 함수율 w를 얻는다.
모세관성 측정
모세관상승 수위 결정 시험은 두 가지 방법으로 수행되며, 즉 물의 모세관 상승 높이를 직접 측정하는 방법과 모세관계를 이용한 간접 측정 방법이 있다.
직접 측정에 의한 모세관 상승 높이 측정 시험
교란 시료에서 토양 약 300 pondi를 채취하여 105°C에서 건조한 다음, 냉각 후 입자를 부수지 않고 아주 고운 분말로 빻는다. 얻어진 분말은 직경 ø 25 mm, 길이 1,5 - 2,5 m, 양쪽이 열린 유리관에 넣는데, 관의 아래쪽 끝은 미리 유리솜 또는 천 조각으로 막아 둔다. 열린 위쪽 끝에 건조한 분말을 약 10 cm 높이까지 넣은 다음, 관을 들어 올려 나무 바닥 또는 다른 탄성 지지면에 충격이 가해지도록 떨어뜨린다. 이 과정을 관 안의 분말이 침하를 보일 때까지 반복한다. 분말의 침하는 관에 기름 크레파스로 선을 표시하여 확인한다. 그런 다음 다시 10 cm의 분말을 넣고, 시험하는 토양 시료의 모세관성을 조사할 수 있도록 관이 치밀한 건조 분말로 가득 찰 때까지 같은 절차를 반복한다. 그다음 관의 바닥을 흐름이 없는 증류수가 담긴 유리 용기에 담그되, 관의 아래쪽 끝이 용기 바닥에 닿아서는 안 된다(그림 4). 유리관은 자와 함께 막대로 고정하여 관과 자가 모두 수직이 되게 한다. 이후 관 속에서의 물 상승을 관찰하는데, 이는 색으로 분명히 구분된다. 건조 시료는 밝은색이고, 습윤 시료는 어둡다. 용기 내 수면과 습윤 시료의 상단 가장자리 사이의 거리가 모세관 상승 높이 hk를 나타낸다.
그림 4. 직접 측정에 의한 물의 모세관 상승 높이 결정
관찰은 원칙적으로 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 등 시간 후에 실시한다. 관찰 결과는 도표에 기입하며, 그 가로축은 시간(시간 단위), 세로축은 물의 모세관 상승 높이(mm)를 나타낸다(그림 5).
모래질 재료에서는 모세관 상승이 처음에는 급격하고 그다음에는 느려지며, 최종 상승 높이에 빠르게 도달한다. 점토질 재료에서는 모세관 상승이 처음에는 더 느리지만 더 오래 지속되며 훨씬 더 높은 높이에 이른다.
이와 같은 모세관 높이 결정 방법은 특히 점토질 토양에서 오래 걸린다. 또한 모세관 상승 높이는 공기 온도와 그 습도에 따라 달라지므로, 이러한 요인들은 가능한 한 일정하게 유지할 필요가 있다.
그림 5. 토양에서의 물의 모세관 상승 다이어그램, a-모래; b-미사; c-점토질 토양
모세관계를 이용한 모세관 높이 측정 시험
서로 다른 구조의 모세관계가 여러 종류 있으며, 예를 들어 베스코프(Beskowa), 유르겐손(Jürgenson), 엥겔하르트(Engelhardt) 모세관계가 있다. 여기서는 가장 널리 사용되는 베스코프 모세관계의 작동 원리를 설명하겠다.
이 시험은 교란되지 않은 시료 또는 교란된 시료에 대해 수행한다. 시료가 교란된 경우에는 항복 한계 상태로 장치에 넣는다.
그림 6. 베스코프 모세관계
Beskov의 모세관계는 두 개의 용기(그림 6)로 이루어지며, 아래쪽 부분이 철선으로 보강된 고무 호스로 서로 연결되어 있다. 용기 1에는 여과 바닥 위에 토양 시료를 넣고, 그 아래의 용기는 부분적으로는 증류수, 부분적으로는 수은으로 채워지며, 수은은 아래쪽에서 호스 전체와 용기 2의 하부까지 채우도록 되어 있다. 시험 시작 시 두 용기에서 수은의 수위는 같다. 그런 다음 용기 2를 아래로 내리면 용기 1의 여과 바닥 아래에 음압이 생긴다. 이 음압이 시료 내의 모세관력보다 커지면 공기가 시료를 통해 여과 바닥으로 침투하고, 그 직후 용기 2를 내림으로써 두 용기의 수은 수위가 즉시 같아진다. 음압과 모세관력이 같아지는 순간, 즉 공기가 시료로 침투하기 직전에 한쪽과 다른 쪽 용기 수은 수위의 차 _Hg_를 물기둥 높이로 환산하고, 시료 아래의 물기둥 높이 h를 더하면 모세관 높이 hk가 된다. 수은은 물보다 13,6배 무거우므로, 모세관 상승 높이 hk는 다음과 같다:
hk = 13,6 Hg + h
토양 투수성의 결정
토양의 투수성을 판정하는 실험실 시험은 _투수계_라 불리는 특수한 장치를 사용하여 수행한다. 투수계에는 여러 가지 구조가 있으나, 그것들은 두 그룹으로 나눌 수 있다. _수압이 일정한 투수계_는 조립질 토양에, _수압이 감소하는 투수계_는 세립질 토양에 사용된다. 두 경우 모두 시험은 교란되지 않은 시료로 수행한다.
실험실 시험을 통해 토양의 투수계수를 결정하며, 그 값은 기준 온도에서 표시한다. 이는 온도에 따라 물의 점성이 달라지고, 이것이 투수계수 _k_의 값에 영향을 미치기 때문이다. 일반적으로 t =10°C의 온도에서의 계수 _k_로 표시한다. 따라서 10°C인 경우, _k_를 결정할 때의 물의 온도가 _T_로서 t = 10°C와 다르면 그 값은 다음 식으로 환산한다:
k10oC = ηt /η10oC * kT
여기서 _ηt_와 _η10oC_는 작업 온도 _T_에서의 물의 점도, 즉 채택된 온도 t =10°C에서의 점도를 뜻한다.
_kT_는 작업 온도 _T_에서의 토양 투과계수의 산출값입니다.
서로 다른 온도 T에 대한 점도 값은 표 1에 제시되어 있습니다.
정수압 일정 시험
그림 7. 정수압이 일정한 투수계
이 시험에는 직경 D, 높이 _h_의 금속 실린더에 바닥이 뾰족하게 처리된 교란되지 않은 토양 시료를 지반에 직접 밀어 넣거나 더 큰 교란되지 않은 시료에 압입하여 사용한다. 시료의 상하 표면을 실린더 가장자리와 맞춘 뒤, 실린더 속 시료를 장치(그림 7)의 상부와 하부 필터 사이에 넣는다. 하부 필터는 치밀한 체와 여과석으로 이루어져 있으며, 시료를 통해 물이 흐를 수 있도록 하고 토양 입자의 유실을 방지한다. 상부 필터는 입자 유실 가능성이 더 작으므로 체가 없다. 시료로의 물 공급은 수위 _N_에서 이루어지며, 넘침 장치를 통해 일정하게 유지되므로 정수압 _H_가 일정하다. 이 압력 하에서 물은 두께 _h_의 시료를 통과하고, 장치 상부에 연결된 관을 통해 유리 메스실린더 _M_에 도달하여 떨어진다.
물의 흐름이 시료를 통해 메스실린더로 시작되는 즉시 스톱워치를 작동시키고, t 시간 동안 메스실린더로 유입되는 물의 양 _q_를 관찰한다. Darcy의 법칙에 따르면
q = k*A*t*i
여기서 _k_는 cm/sec 단위의 투수계수, _A_는 시료의 단면적, _i_는 수두경사이며, i = H/h.
위 식으로부터 k= qh/Ath [cm/sec] 를 얻는다.
시료를 통과한 물의 양은 관찰 시작부터 종료까지 각 시간 간격마다 읽어 들이며, 이에 따라 시료를 통과한 개별 물의 양과 총 물의 양을 모두 얻는다.
시료와 물 속의 공기 방울은 시험 결과를 오차가 나게 할 수 있으므로, 시험 전에 시료는 포화 상태여야 하며, 시험 수행에는 끓인 물 또는 적어도 오래 두어 안정된 물을 사용해야 한다.
앞서 설명한, 수위 차 _H_에 따른 정수압을 이용한 장치 대신, 공기압 10부터 15 kp/cm2로 생성된 정수압을 압축기를 통해 일정하게 유지하는 장치도 있다.