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ISSN : 1225-6692(Print)
ISSN : 2287-4518(Online)
Journal of the Korean earth science society Vol.38 No.2 pp.150-160
DOI : https://doi.org/10.5467/JKESS.2017.38.2.150

A Method for Determining the Sandstone Porosity by Using a Microwave Oven

Seulgi Woo, Jinhoo Kim*
Department of Energy and Resources Engineering, Dong-A University, Busan 49315, Korea
Corresponding author: jkim@dau.ac.kr+82-51-200-7790
January 24, 2017 March 20, 2017 March 21, 2017

Abstract

In order to determine the porosity of rock, the ‘standard test method for porosity and density of rock’ proposed by the Korean Society for Rock Mechanics is commonly used. However, the standard test method, which uses a drying oven, takes 8 to 24 hours to complete the test in taking samples out of the oven every four hours and measuring the weight of the specimen. To complement these disadvantages, we devised a method for measuring rock porosity by using a microwave oven. The devised method reduced the cause of errors and the inconvenience occurred in the process of weighing samples by constructing a weight monitoring system, which monitors the drying process. A suitable heating/pause time was set up to maintain the temperature of sample below 105±3°C in drying process, and an alarm system was implemented in order to stop drying process when the weight change of the rock sample is within 0.1% of the initial weight. The porosity was determined from the dry weight of the sample, which was obtained by the curve fitting of weight monitoring data. Then, the porosities obtained by using the microwave oven were compared with those obtained by the standard test method. Test results using sandstone samples showed that the porosities obtained by a microwave oven was similar to those obtained by the standard method and the porosity difference between two methods was as large as 0.4%. In addition, repeated porosity measurement using the same specimen showed that the standard deviation of the porosity, which reflects the precision of the measurement was as good as 0.23%. Therefore, a microwave oven porosity measurement system can give the porosity of rock samples with high reliability.


마이크로웨이브 오븐을 이용한 사암의 공극률 산출 방법

우 슬기, 김 진후*
동아대학교 에너지자원공학과, 49315, 부산광역시 사하구 낙동대로 550번길 37

초록

암석의 공극률을 산출하기 위해서는 일반적으로 한국암반공학회에서 정하고 있는 ‘암석의 공극률 및 밀도 측정 표준시험법’이 사용된다. 그러나 건조로를 이용하여 공극률을 구하는 이 같은 표준시험법은 8-24시간이 소요될 뿐만 아 니라, 실험 도중 4시간 간격마다 시료를 꺼내어 무게를 측정해야 하는 번거로움이 있다. 이와 같은 단점을 보완하기 위 해 본 연구에서는 마이크로웨이브 오븐을 이용하여 암석의 공극률을 측정하는 방법을 제안하였다. 마이크로웨이브 오븐 에 무게 모니터링 시스템을 구축하여 무게 측정의 오차 발생 요인과 실험 과정의 번거로움을 줄였다. 건조과정에서 시 료의 온도를 105±3°C 이내로 유지하기 위해 적절한 가열/휴지시간을 설정하였으며, 시료의 무게 변화량이 최초 무게의 0.1% 이내에 들면 모니터링을 중단할 수 있도록 알람 시스템도 구현하였다. 무게 모니터링 데이터에 곡선접합을 실시 하여 시료의 건조무게를 구하고, 이를 이용하여 공극률을 산출하였으며, 이렇게 구한 공극률을 표준시험법으로 구한 공 극률과 비교하였다. 사암을 이용해 실험한 결과, 마이크로웨이브 오븐으로 구한 공극률은 표준시험법으로 구한 공극률 과 최대 0.4%의 오차를 보여 표준시험법의 결과와 유사하였다. 또한 동일 시료를 이용하여 공극률을 반복 측정한 결과 , 표준편차가 최대 0.23% 정도로 정밀도 또한 양호하였다. 따라서 마이크로웨이브 오븐을 사용할 경우 높은 신뢰도로 공극률 산출이 가능할 것으로 판단된다.


    Dong-A University

    서 론

    암석의 공극률은 암석의 공학적 성질을 판단하거나 전통 및 비전통자원의 매장량 산출, 지하수의 함유량 산출 등에 사용되는 중요한 인자이다. 공극률을 계산 하는 방법으로는 실내에서 암석 시료의 공극률을 측 정하는 방법과 물리검층을 통한 현장실험 방법이 있 다. 일반적으로 실내에서 공극률을 측정하기 위해서 는 미국의 ASTM (American Society for Testing and Materials) D2216-10 (ASTM, 2010) 방법과 한국암반 공학회에서 정하고 있는 “암석의 공극률 및 밀도 측 정 표준시험법”(KSRM, 2006)이 있는데, 국내에서는 주로 후자가 사용된다. 건조로를 이용하여 공극률을 구하는 표준시험법은 가장 보편적으로 사용되는 수침 진공 포화법이지만 암석을 건조하는데 있어서 실험 도중 4시간 간격마다 시료를 꺼내어 일정시간 식힌 후 무게를 측정해야하기 때문에 실험 공정이 매우 까다로울 뿐 아니라 비교적 작은 코어시료(Φ 2.5 cm, L =4 cm)를 사용할 경우라도 최소 8시간 이상의 건 조시간이 필요하다. 이와 같은 단점을 보완하기 위해 서는 시료의 물성 변화를 초래하지 않으면서 건조로 보다 빠르게 시료를 건조시킬 수 있는 장치와 시료 를 꺼내지 않고도 건조 완료시점을 알 수 있는 장치 가 필요하다. 흙의 경우, 시료의 건조 시간을 단축시 키기 위해 마이크로웨이브 오븐을 이용한 연구가 꾸 준히 진행되고 있으며(Miller et al., 1974; Hagerty et al., 1990; Paul, 1988; Cho and Park, 2001; Cho et al., 2011; Park et al., 2013), 미국의 경우 ASTM D4643-08 (ASTM, 2008)에 의해 표준시험법도 제정 되어 있는 상태다. 하지만 암석의 경우, 마이크로웨 이브를 이용한 공극률 측정에 대한 표준 시험법이나 연구는 찾아보기 힘든 실정이며, 대부분 마이크로웨 이브로 암석시료를 건조시킬 때 나타나는 물성 변화 에 대한 연구가 수행되고 있다. 선행 연구결과, 물로 포화된 암석을 출력 3 kW 이상의 마이크로웨이브로 계속 가열하면 암석 내부에 균열이 발생하는 등 물 성 변화를 초래하나(Peinsitt et al., 2010; Hassani et al., 2016), 암석의 온도를 105°C 이하로 규제할 경우 물성에는 별다른 영향이 없는 것으로 알려져 있다 (Park and Park, 2016).

    시료의 건조 완료시점을 알기 위해서 표준시험법은 일정시간 경과 후 시료를 꺼내어 무게를 측정해야 하는데, Lee and Lee (2010, 2012)는 건조로를 이용 한 건조과정에서 무게 모니터링을 통해 암석 시험편 의 고체무게를 측정하여 유효공극률을 산출하는 방법 을 고안하여 기존방법의 번거로움과 오차 발생요인을 줄였다. 따라서 본 연구에서는 Lee and Lee (2010) 가 제안한 무게모니터링 시스템을 마이크로웨이브 오 븐에 적용시켜 사용함으로써 무게 측정을 위해 시료 를 일정시간마다 꺼내야 하는 과정을 생략하였다. 또 한 시료의 무게 변화량이 0.1% 이내에 들어왔을 때 알람소리가 나는 GUI (Graphical User Interface)을 구축하여 건조완료시점을 알 수 있도록 하였다. 그리 고 시료를 마이크로웨이브로 지속적으로 가열하였을 때 발생할 수 있는 물성변화를 최소화하기 위하여 표준시험법에서 요구하는 적정 온도(105±3°C)를 넘 지 않도록 적정 출력과 가열시간 및 휴지(休止)시간 을 조절하였다.

    본 연구에서는 마이크로웨이브 오븐으로 사암의 공 극률을 측정하고, 마이크로웨이브 오븐을 이용한 공 극률 측정방법의 신뢰성을 알아보기 위해 동일한 시 료를 사용하여 건조로와 마이크로웨이브 오븐에서 측 정한 공극률을 비교하였다.

    실험 장치와 공극률 산출방법

    코어시료

    건축 내장재로 사용되는 3종류의 사암(A, B, C)에 서 층리가 코어시료의 종축과 나란한 방향, 즉 수직 방향으로 배열된 코어시료 각 1개씩, 코어시료의 종 축과 직각인 방향, 즉 수평방향으로 배열된 코어시료 각 1개씩, 모두 6개의 코어시료를 채취하여 실험에 사용하였다. 시료 VA-1과 HA는 사암 A에서, 시료 VB-1과 HB는 사암 B에서, 그리고 시료 VC-1과 HC 는 사암 C에서 각각 채취한 것이며, 여기서 V는 수 직방향으로, H는 수평방향으로 층리가 배열되도록 성형한 것을 나타낸다. 그리고 표준시험법에서 규정 하고 있는 적정 가열온도를 넘기지 않도록 마이크로 웨이브의 가열시간과 휴지시간을 결정하기 위하여 수 직방향으로 층리가 배열된 코어시료 VA-2, VB-2, VC-2를 각 사암에서 채취하여 사용하였다. 사암 코 어시료의 크기 및 색은 Table 1에 정리하였다.

    코어시료의 물 포화

    공극률을 산출하기 위해서는 우선 코어시료의 물 포화가 필요하다. 시료의 물 포화방법에는 미국의 ASTM C1202-97 (ASTM, 1997)에서 제시하는 2단 계 포화법과 한국암반공학회의 공극률 측정 표준시험 법(KSRM, 2006)에서 제시하는 수침 포화법이 있다. ASTM에 의한 2단계 포화법은 시험편과 물을 별도의 용기에서 진공하여 공기를 제거한 후, 시험편에 공기 가 제거된 물을 투입하여 수침상태에서 추가로 포화 시키는 방법이며, 국내 공극률 측정 표준시험법에 의 한 수침 포화법은 시험편을 물속에 넣고 1시간 이상 800 Pa (6torr) 이하로 진공하여 포화시키는 방법이다. Lee et al. (2012)는 ASTM에 의한 2단계 포화법이 공극률 측정 표준시험법에 의한 수침 포화법보다 공 극을 점유하고 있는 공기를 더 효과적으로 물로 치 환할 수 있다고 밝힌 바 있다. 본 연구에서는 수침의 효과를 극대화하기 위하여 ASTM에 의한 2단계 포 화법을 사용하여 코어시료를 물로 포화시켰다.

    2단계 포화법의 첫 번째 단계로 Fig. 1과 같이 콜 드트랩(WCT-40, DAEHAN Scientific)과 연결되어 있는 진공 데시케이터 2 안에 있는 별도의 용기에 시료를 넣고, 6torr 이하의 진공 상태를 2시간 동안 유지하면서 진공 데시케이터 1 안에 있는 물과 코어 시료에 포함되어 있는 공기를 제거하였다. 2시간의 진공이 끝난 후 공기가 제거된 물을 코어시료가 들 어있는 용기에 투입하여 수침상태로 2시간 동안 6torr 이하의 진공상태에서 두 번째 단계를 수행하였 다. 두 번째 단계가 끝나면 진공을 해제하고 코어시 료를 수침상태로 24시간 이상 실온에서 놔둔 후 시 료의 물속질량(Msub)과 표면건조 포화무게(Msat)를 측 정하고 건조실험을 진행하였다. 시료의 물속질량은 비중계(MD-300S, Alfa mirage)를 이용하여 0.01 g 단 위까지 측정하였으며, 표면건조 물 포화 시료를 만들 기 위해 타월을 이용하여 시료 표면의 물기를 제거 하였다. 반복되는 실험에서도 암석의 표면 물기를 늘 일정한 상태로 유지하기 위해서 타월을 물로 적신 후, 타월의 무게가 항상 일정한 값(본 실험에서는 30 g)이 되도록 짜내고, 이 타월로 암석을 감싸서 약 35회 정도 문질렀으며, 이를 표면건조 물 포화 시료 로 간주하였다.

    가열/휴지 시간 및 건조 완료시점 결정

    이렇게 준비된 표면건조 물 포화 시료를 마이크로 웨이브 오븐에 넣고 가열과 휴지를 반복하면서 시료 를 완전히 건조시키면, 표면건조 물 포화 시료의 무 게와 건조 시료의 무게차는 공극수의 증발에 의한 것으로 간주되어 시료의 함수율과 공극률을 산출할 수 있다. 이 때 마이크로웨이브의 가열과 휴지 시간 을 적절히 설정해야 시료의 온도가 특정 온도 이상 올라가는 것을 막을 수 있으며, 건조 완료시점을 결 정하기 위해서는 시간에 따른 시료의 무게변화를 꾸 준히 관찰하여야 한다.

    공극률 측정 표준시험법(KSRM, 2006)에 의하면 건 조로를 이용하여 공극률을 측정할 경우 암석의 표준 건조온도는 105±3°C로 규정하고 있다. 마이크로웨이 브 오븐을 이용하여 시료를 건조시킬 경우 표준 건조 온도 이하에서 건조시키기 위해서는 마이크로웨이브 오븐의 출력 및 가열/휴지 시간을 적절히 설정하는 것 이 필요하다. 본 연구에서는 마이크로웨이브 오븐의 출력을 700W로 설정하였고, 가열 시간에 따른 온도변 화를 파악하기 위하여 적외선 온도계(FLUKE-566, FLUKE)를 이용하여 설정된 가열 시간이 끝난 직후 코어시료의 표면 온도를 측정하였다. 마이크로웨이브 오븐의 특성상 시료의 온도가 일정하지 않고 위치에 따라 다르기 때문에 적외선 온도계에서 측정한 값들 중 최댓값을 시료의 온도로 사용하였다.

    건조 완료시점을 결정하기 위해 공극률 측정 표준 시험법에서 규정하고 있는 암석의 건조 질량을 정하 는 방법에 착안하여, 건조과정에서 마이크로웨이브의 가열/휴지를 반복하면서 가열이 시작될 때의 무게와 다음 가열이 시작될 때의 무게를 비교하여 시료의 무게 변화량이 표면건조포화무게의 0.1% 이내에 연 속해서 두 번 들어왔을 때를 건조 완료시점으로 결 정하였다.

    무게 모니터링

    마이크로웨이브 오븐에서 코어시료를 건조시키면서 실시간으로 무게를 모니터링하고 건조완료시점을 파 악하기 위하여 코어시료의 무게 변화를 모니터링하는 장치와 건조완료시점을 알려주는 알람시스템을 구현 하였다.

    무게 모니터링 장치는 저울의 정밀도가 0.001 g인 전자저울(Model EX-623, OHAUS)을 이용하여 무게 를 측정하고, 전자저울을 컴퓨터와 연결해 일정한 시 간 간격마다 시료의 무게변화를 기록하였다. 마이크 로웨이브 오븐은 마그네트론(2M246-03, LG전자)과 출력조절기 및 타이머 등 부속 장치들로 구성되어 있다. Fig. 2는 마이크로웨이브 오븐과 전자저울 및 컴퓨터로 구성되어 있는 무게 모니터링 시스템의 구 성도를 보여준다. 전자저울 하부 후크에 녹는점 1760°C인 실리카윅(silica wick) 재질의 실을 매달고 오븐의 상부 구멍으로 실을 관통시켜 시료가 오븐 내에서 건조되는 동안 연속해서 무게를 측정할 수 있도록 제작하였다. 마그네트론 가동에 따른 진동의 영향을 최소화하기 위하여 전자저울을 오븐과 분리되 어 있는 별도의 테이블 위에 위치시켰으며, 오븐 상 부에 있는 구멍을 통한 마이크로웨이브의 외부 유출 을 막기 위해서 원통형의 철제 파이프를 구멍 상부 에 설치하였고, 오븐의 후면에는 오븐 내에서 발생되 는 수증기를 배출하도록 굴뚝을 설치하였다. 마이크 로웨이브 오븐에 부착되어 있는 전력공급 장치로 전 원의 On/Off와 마이크로웨이브의 출력을 100-1000 W 범위에서 임의로 조절할 수 있으며, 컨트롤 박스 를 통해 출력 시간을 조절할 수 있다. 컨트롤 박스의 출력모드를 Flicker모드로 설정하면 사용자 임의로 마이크로웨이브의 가열시간과 휴지시간을 정하여 무 한정 반복시킬 수 있다.

    ASTM의 2단계 포화법으로 포화된 암석 시료를 상기에 설명된 마이크로웨이브 오븐의 무게 모니터링 시스템에 매달아 일정시간동안 가열과 휴지를 반복하 고, 건조 완료시점이 되면 그 동안 관측된 무게 모니 터링데이터를 이용하여 곡선접합을 통해 건조무게와 공극률을 산출한다. 이러한 무게 모니터링 시스템에 대한 일련의 실험 공정을 flow chart로 요약하면 Fig. 3에서 보는 바와 같다. 건조과정에서 무게모니터링을 실시하여 암석의 무게 변화량이 0.1% 이내에 들어왔 을 때 알람소리가 나는 GUI를 구축하여 사용함으로 써 4시간마다 시료를 꺼내어 측정하는 과정을 생략 하고 암석의 건조 완료시점을 소리로 알 수 있도록 하였다. Fig. 4는 암석의 무게 변화량이 0.1% 이내에 들어와 알람소리를 내며 모니터링을 중단한 GUI의 예를 보여준다.

    공극률 측정방법

    무게모니터링 데이터에 곡선접합(curve fitting)을 실시하여 나온 건조무게로 공극률을 구하는 방법(Lee and Lee, 2010; Ko, 2013)으로 공극률을 측정하였다. 무게모니터링에서 얻은 건조무게를 식 (1)을 이용하 여 표면건조포화무게에 대한 정규화 무게로 변환한 다음 식 (2)를 사용하여 곡선접합을 실시하였다. 여 기서 y는 정규화 무게를, x는 건조시간을 각각 나타 낸다.

    y = M M sat
    (1)
    y = 1 b e ax + b
    (2)

    건조시간 x =0일 때 물 포화율이 100%이므로 정 규화 무게 y =1이 되도록 구성하였고, 시간이 경과하 면 시료는 건조되고 궁극적으로 시료의 정규화 무게 yb로 수렴하도록 하였다. 곡선접합으로부터 b값 이 결정되면 이로부터 시료의 건조무게(Mdry)는

    M dry = b M sat
    (3)

    과 같다.

    건조모니터링으로 얻은 시료의 건조무게로부터 공 극률(n)은 다음의 식 (4)로 산출할 수 있다(Lee et al, 2012).

    n = M sat M dry M sub M dry × 100 %
    (4)

    마이크로웨이브 오븐을 이용한 공극률 산출방법으 로 얻은 결과를 건조로를 이용한 공극률 측정 표준 시험법으로 구한 결과와 비교하였다. 동일한 시료를 사용하여 건조로와 마이크로웨이브 오븐으로 공극률 을 측정하였으며, 각 시료에 대하여 3회 반복 측정하 여 평균한 값으로 공극률을 결정하였다.

    공극률 산출 결과

    물 포화과정의 반복성

    동일한 시료를 사용하여 건조로와 마이크로웨이븐 오븐으로 공극률을 산출하기 위해서는, 동일한 조건 으로 시료의 물 포화가 반복되어야 한다. 진공 포화 과정에서 진공압력의 변화를 관찰하기 위해 진공 데 시케이터 안에 층리방향이 서로 같은 6개의 시료를 넣고 진공 포화과정을 3회 반복하면서 진공 압력을 측정하였다. Fig. 5는 진공 포화과정 동안 진공압력 의 변화를 나타내는 그래프로, 수침을 시작하고 4시 간 동안 일정 시간 간격마다 코어 시료가 들어있는 진공 데시케이터 내의 압력을 측정한 것이다. Fig. 5a는 6개의 수직 층리를 가진 암석, Fig. 5b는 6개의 수평 층리를 가진 시료의 경우를 각각 나타낸다. 압 력 변화를 살펴보면, 1단계 포화과정을 시작한 후 30 분 이내에 진공압력은 약 2.4-2.8torr 까지 급격하게 떨어지고, 2단계 포화과정이 시작된 이후(120분 경과 후) 진공을 해소하는 시점까지 압력이 약 2.2torr를 중심으로 ±4% 오차 범위 내에서 거의 일정하게 유 지됨을 볼 수 있다. 따라서 코어시료를 물 포화시키 기 위한 진공 포화과정에서는 거의 동일한 조건을 유지하였음을 알 수 있다.

    가열/휴지시간 결정

    마이크로웨이브 오븐의 적절한 가열/휴지시간을 설 정하기 위하여 세 종류의 물 포화시료 VA-2, VB-2, VC-2를 마이크로웨이브 오븐에서 700W의 출력으로 각각 가열하면서 서로 다른 가열/휴지시간에 따른 코 어시료의 온도변화를 관찰하였으며, 그 결과를 Table 2에 나타내었다. 가열시간이 짧은(1분) 경우 VA-2 시 료의 표면 온도가 낮게 측정되면서 암석이 건조되는 데 많은 시간이 소요되고, 가열시간이 긴(4-5분) 경우 VA-2와 VB-2의 표면온도가 표준시험법에서 규정하 고 있는 105±3°C보다 높아져 시료의 물성변화를 초 래할 가능성이 있다. 가열시간을 3분으로 한 결과, VA-2, VB-2, VC-2에서 105±3°C 보다 낮은 온도를 보였다. 이와 같은 결과를 토대로 본 연구에서는 가 열시간과 휴지시간을 각각 3분으로 하여 실험을 진 행하였고, 3분 가열/3분 휴지를 10회 반복하여 측정 한 시료의 표면온도는 Fig. 6과 같다.

    건조방법에 따른 공극률 비교

    마이크로웨이브 오븐으로 측정한 무게 모니터링 데 이터에 식(2)를 이용해 곡선접합을 실시하여 건조무 게를 산정하였다. Fig. 7은 VA-1과 HB 시료로 얻은 무게 모니터링 데이터를 각 시료의 표면건조 포화무 게로 정규화하여 곡선접합을 실시한 모습을 보여준다. Table 3은 95% 신뢰구간에서 곡선접합에 따른 계수 b와 그로부터 계산된 건조무게를 나타낸 것이다. 이 렇게 얻은 건조무게를 이용하여 건조밀도와 공극률을 3회 반복시험을 통해 구하여 Table 4에 나타내었다. 건조밀도의 경우 표준편차가 0.0003-0.0018 g/cm3로 매우 양호한 반복성을 보인다. 공극률의 경우 표준편 차는 0.0127-0.2298%이며, 상대표준편차 또한 최대 2.16%로 양호한 반복성을 보이고 있다. 한편, 동일한 시료를 이용하여 표준시험법으로 구한 건조밀도와 공 극률을 Table 5에 나타내었다. 건조밀도의 경우 표준 편차가 0.0003-0.0010 g/cm3로 매우 양호한 반복성을 보이며, 공극률의 경우 표준편차는 0.0003-0.055%, 상대표준편차는 최대 0.65%를 얻었다. 이렇게 건조 밀도 및 공극률 산출에 있어서 표준시험법으로 구한 값의 표준편차가 마이크로웨이브 오븐으로 구한 값에 비해 작게 나타나는 것은 표준시험법이 마이크로웨이 브 오븐을 사용하는 것에 비해 측정의 정밀도가 더 높은 것을 의미한다. 건조로에서 표준시험법으로 산 출한 공극률의 평균값과 마이크로웨이브 오븐으로 산 출한 공극률과의 차이를 Fig. 8에 나타내었다. 그림 에서 빗금 친 영역은 건조로에서 측정한 공극률의 평균값을 기준으로 건조로에서 3회 산출한 공극률의 편차 범위를 나타낸 것이다. 마이크로웨이브 오븐으 로 산출된 공극률은 VC-1, HB 시료를 제외한 나머 지 시료에서 건조로에서 측정된 공극률의 분포 범위 를 벗어나고 있다. 건조로와 마이크로웨이브 오븐에 서 구한 공극률의 차이를 Table 6에 요약하였다. 마 이크로웨이브 오븐에서 구한 공극률은 건조로에서 구 한 공극률에 비해 VA-1 시료의 경우 평균 0.07%p 낮게 측정되었고, VB-1 시료는 평균 0.28%p, VC-1 시료는 평균 0.16%p 높게 측정되었다. 또한 HA 시 료는 평균 0.44%p, HB 시료는 평균 0.02%p, HC 시 료는 평균 0.17%p 높게 측정되었다. 이상의 비교에 서 보듯이 VA-1 시료를 제외하고는 전체적으로 표준 시험법으로 구한 값에 비해 크게 나타나고 있는데, 이는 마이크로웨이브 오븐에서 측정한 무게모니터링 데이터를 곡선접합하면서 무한대의 건조시간 경과를 가정했을 때의 무게를 건조무게로 간주하고 공극률을 산출했기 때문에, 건조로 안에서 일정 시간이 경과한 후의 무게로 공극률을 산출하는 표준시험법에 비해 크게 나오는 것으로 생각된다. Fig. 7b의 HB 시료의 경우에서 보듯이 시료가 완전히 건조되어 무게가 일 정한 값에 수렴이 되지 않더라도 곡선접합을 통하여 건조무게를 추정하고 공극률을 산출하면(n =8.18%), 비록 시료가 마이크로웨이브에 의해 완전히 건조되지 않더라도 이에 따른 영향을 최소화할 수 있으며, 건 조로에서 측정한 공극률(n =8.16%)에 근사한 공극률 을 얻을 수 있는 것을 볼 수 있다.

    층리 방향에 따른 공극률 비교

    건조에 따른 수증기의 배출 경로는 층리 방향에 영 향을 받을 것으로 예상되며, 이에 따라 완전 건조에 이르는 시간에 차이가 발생하여, 궁극적으로 공극률 산출 값에도 영향을 미칠 것으로 예상된다. 층리 방향 이 공극률 산출에 미치는 영향을 알아보기 위해 앞에 서 구한 공극률을 층리방향에 따라 재정리하고 이를 Table 7에 나타내었다. 표에서 층리가 수평(horizontal) 이라 함은 층리가 코어시료의 단면과 나란한 방향으 로 성형되어 있음을 의미하며, 수직(vertical)이라 함 은 층리가 코어시료의 종축과 나란한 방향으로 성형 되어 있음을 의미한다. 표에서 보는 바와 같이 건조 로를 이용한 표준시험법으로 공극률을 산출했을 경우 수평과 수직층리 시료의 공극률 차이는 0.14-0.29% 에 불과한 반면, 마이크로웨이브 오븐을 이용하여 공 극률을 산출했을 경우에는 그 차이가 −0.12-0.79%로 상대적으로 크게 나타나고 있다. 이밖에 수평층리 시 료의 공극률이 수직층리 시료의 공극률에 비해 대체 적으로 크게 나타나고 있는데, 이는 수평층리 시료의 경우 수증기 배출 경로가 수직층리 시료에 비해 다 양하고 짧았기 때문으로 생각할 수 있다. 그러나 본 실험의 경우 수평층리 시료의 크기가 수직층리 시료 에 비해 작기 때문에 완전건조에 더 빨리 도달했을 가능성도 배제할 수 없다.

    결 론

    암석의 공극률은 암석의 기본 물성 중의 하나로 자원의 매장량 산출에 있어서 매우 중요한 인자이므 로 이를 산출함에 있어서 높은 정밀도와 정확성이 요구된다. 실내에서 암석의 공극률을 산출하기 위해 서는 일반적으로 한국암반공학회에서 정하고 있는 “암석의 공극률 및 밀도 측정 표준시험법”이 사용된 다(KSRM, 2006). 그러나 이 방법은 실험 공정이 매 우 까다롭고, 시간이 오래 걸리는 단점이 있다. 본 연구에서는 이러한 단점을 극복하기 위한 방법으로 마이크로웨이브 오븐을 이용한 공극률 산출방법을 제 안하였으며, 본 연구 결과를 다음과 같이 요약할 수 있다.

    1. 700W 출력의 마이크로웨이브 오븐을 이용하여 암석을 건조시킬 경우 ‘3분 가열/3분 휴지’를 반복하 는 것이 암석의 온도를 105±3°C 이내로 규제하는데 적절하였다.

    2. 6개의 시료에 대하여 3회 반복하여 공극률을 산출한 결과, 공극률의 표준편차는 0.01-0.23%로 높 은 반복성과 정밀도를 보이고 있다.

    3. 마이크로웨이브 오븐으로 산출한 공극률과 표 준시험법으로 산출한 공극률의 차이는 −0.06-0.44% 범위를 보여 8-15%의 공극률을 갖는 사암의 경우 ±0.5% 이내의 정확도로 공극률을 산출할 수 있었다.

    4. 무게 모니터링 시스템이 장착된 마이크로웨이 브 오븐과 곡선접합 기법을 이용할 경우 약 1시간 정도면 공극률을 산출할 수 있어 8-24시간이 걸리는 기존의 표준시험법보다 시험 시간을 획기적으로 줄일 수 있었다. 따라서 단축된 시험 시간을 이용하여 마 이크로웨이브 오븐으로 공극률을 반복 측정 한다면 표준시험법으로 구한 공극률의 정확도를 충분히 얻을 수 있을 것으로 판단된다.

    5. 수평층리 시료가 수직층리 시료에 비해 공극률 이 대체적으로 크게 산출되었는데, 이는 층리 방향에 따른 수증기 배출경로의 다양성과 길이의 영향을 받 는 것으로 생각되나 시료의 크기 효과도 배제할 수 없어 추가적인 연구가 필요할 것으로 본다.

    사 사

    이 논문은 동아대학교 교내연구비 지원에 의하여 연구되었음.

    Figure

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    Schematics of dry and wet vacuum saturation.

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    Microwave oven drying system and weight monitoring system.

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    A flow chart for porosity measurements with microwave oven and weight monitoring system in drying process.

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    A GUI which monitors the weight variations of a sample in a microwave oven and gives an alarm signal when drying ends.

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    Vacuum pressure change in vacuum desiccator during vacuum process when 6 samples with vertical bedding planes lie inside the desiccator (a), and when 6 sample with horizontal bedding planes lie inside the desiccator (b).

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    Temperature variations of rock samples by repetition of microwave heating/pausing.

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    Curve fitting of normalized weight variation of rock samples. (a) For VA-1 sample and (b) for HB sample.

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    Comparison of porosity differences between drying oven (DO) and microwave oven (MO) methods. Porosity differences are based on the average porosity obtained by DO method for each sample.

    Table

    Descriptions of sandstone core samples used in this study

    Surface temperature of r°Ck with respect to heating/pausing time

    Coefficient and dry weight determined by curve fitting

    Dry densities and effective porosities obtained by microwave oven

    Dry densities and effective porosities obtained by drying oven

    Effective porosity differences

    Porosity differences with respect to the direction of bedding plane

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