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경화 황
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1 2014 년도한국철도학회추계학술대회논문집 KSR2014A383 열팽창을이용한암반균열유도에대한연구 Study for the Induced Rock Crack using the Thermal Expansion 오준근 *, 사공명 *, 이종섭 ** Joon-Geun Oh *, Myung Sagong *, Jong-Sub Lee Abstract Vibration problems caused by the blasting in conventional tunnel method have been already expressed. Experts have attempted to reduce vibration problems in various ways such as the combines the conventional blasting process with free surface on the perimeter of the tunnel face. In this study, experiments the lab tests for verifies the vibration-less tunnel excavation using the thermal cracking in the rock condition. In this experimentation, thermal energy generate using the microwave that create the high temperature condition in a very short time. And rock specimen using the Po Cheon granite in Korea. Irradiated granite increased the temperature about 250 in 10 minutes. Comparing and analyzing assessment results of the strength using the ultrasonic sensor, strength has clearly reduced. Some cracks are apparent to the naked eye. However, there are time limit that generate the thermal crack depend on the high temperature and the thermal expansion of the original materials. Therefore, development experimentation for thermal cracking generate quicker than before through the magnetite which is the high reaction and coefficient of thermal expansion in microwave condition. Irradiated granite that dig the hole and inserted the magnetite increased the magnetite temperature about 800 in 10 minutes and the granite break up. Keywords : Thermal Expansion, Microwave, Thermal Crack, Fe3O4, Granite 초록시민들은과거에비해더빠른교통수단을원한다. 철도는고속화를위해노선직선화가필수적이며이는터널인프라의확충과연관된다. 하지만터널굴착시재래식공법은발파, 진동의위험성, 자동화굴착은높은장비비용이문제가된다. 이에본연구는암반지반에서진동을일으키지않으며빠르게터널을굴착하는방법으로가능한열파괴굴착공법의기초연구를실시하였다. 시료로쓰인포천화강암에열원으로쓰인마이크로파를조사하게되면 10분내에온도가평균적으로 250 이상상승한다. 초음파센서를이용한평가결과암석강도는약 30Mpa 정도저하된다. 하지만자체물질의열팽창을이용해파괴를일으키기에는한계가있다. 이에마이크로파에반응성이크고, 열팽창계수가큰자철석을이용하여균열을빠르게발생시키는연구를수행하였다. 자철석이 800 이상의상태를 10분안에발현하여암석이빠르게파괴되는것을본연구를통해확인하였다. 주요어 : 열팽창, 마이크로파, 열균열, 자철석, 화강암 1. 서론 교신저자 : 한국철도기술연구원 (Rockcore@krri.re.kr) * 한국철도기술연구원, ** 고려대학교건축사회환경공학부

2 Conventional Tunnel 굴착시발파로발생하는진동에대한문제는이미많이제기되어져있다. 이에자유면을생성하여진동을경감시키는논문및실험도현재다양한방법으로진행되고있는실정이다. 본연구는암반지반에서진동을전혀일으키지않으며빠르게터널을굴착하는방법으로가능한열파괴에기초연구를실험한다. 모든물질을이루는입자들은열을받음으로인해운동에너지가커진다. 이때암석내광물입자경계에서의불안정성이증가하게되므로국부적열파괴가발생하게된다. 열에너지는마이크로웨이브를이용하여짧은시간에고온의온도장상태를만들어실험한다. 암석시료는포천화강암을사용하여실험한다. 암석자체의온도상승및열팽창정도에의지하여열파괴를일으키기에는시간적인한계가존재한다. 따라서마이크로웨이브에반응성이크고, 열팽창계수가일반물질보다큰자철석을이용하여암석의균열을보다빠르게발생시키는연구를수행하였다. 2. 본론 2.1 초기실험 실험개요및구성열원으로사용되는마이크로파장치는일반가정용마이크로오븐을사용하며, 본연구에서사용된제품은삼성전자 RE-C21W 모델을사용하였다. 소비전력은 1,100W이며고주파출력은 2,450W이다. 암석시료는포천화강암을사용하여실험한다. 시편의크기는 50x150x50mm 의직사각형박스형태로절단하여사용하였다 실험방법초기시험을위하여암석의함수비조건을영향평가를위해자연상태시편과 24시간침수시킨시편을준비하여마이크로조사시간을 60분으로하여실험을실시하며 10분당온도변화를확인하였다. 또한함수비조건의영향평가를위해자연상태시편의침수시간을 24시간, 10분으로다르게하여각시편에 60분간마이크로웨이브를조사하여실험실시하며 10분당온도변화를확인하였다. 마이크로웨이브가조사된시편을초음파측정하여초음파속도를통해시편강도변화를확인하였다. 초음파속도비교실험을위해섭씨 100도건조로에서 24시간가열된시료의평가도함께실시하였다. 또한조사된시편의마이크로크랙발생여부를확인하기위해마이크로파조사후에시편에잉크를뿌려잉크의시편내침투심도를확인하였다 실험결과실험결과는 Table 1 과같으며, 함수비는시편에영향을미치지않는것으로확인되었다. 함수비조건이상이하여도초음파속도에는상호간큰변화가없었다. 60분간 10분당온도변화에대한그래프는 fig. 2와같으며최대섭씨 400도이상을넘지않는것으로확인되었다.

6m/s Microwave [10 X 6] 10min. 0.14% N 2530.4m/s Microwave [10 X 6] None 0.15% N 2471.6m/s Drying oven [24hr] None 0.17% N 3298.

3 Table 1 Result of Ultrasonics wave velocity (Saturation effect experimentation) Heating Source [ Heating time(min.)*times] Heat None Heat Saturation time Degree of saturation Naked crack Ultrasonics wave velocity Microwave [10 X 6] 24hr 0.21% Y m/s Microwave [10 X 6] 10min. 0.14% N m/s Microwave [10 X 6] None 0.15% N m/s Drying oven [24hr] None 0.17% N m/s Natural condition N N N m/s m/s m/s Fig. 2 Compare the granite temperature changes Fig. 3은잉크실험으로마이크로파를받은시료에서의잉크침투심도가자연상태의시료보다더깊은것을확인하여시료내마이크로균열이생성되었다는것을확인할수있다. Fig. 3 Result of ink test

4 Fig. 4은초음파센서를이용한평가한결과를나타낸그래프로초음파의속도가마이크로웨이브조사전보다현저하게저하되는것을확인할수있다. Fig. 4 Result of Ultrasonics wave velocity 측정된초음파의속도를초음파속도를일축압축강도와비교한표를통하여비교한결과강도가평균적으로 30Mpa 정도감소하는것을 fig. 5를통해확인할수있다. 2.2 자철석반응실험 실험개요및구성기초실험결과몇몇시료는육안으로균열이관찰되기도했으며암석의강도저하를확인하였다. 하지만암석자체의온도상승및열팽창정도에의지하여열파괴를일으키기에는시간적인한계가존재했다. 따라서마이크로웨이브에반응성이크고, 열팽창계수가일반물질보다큰자철석을이용하여암석의균열을보다빠르게발생시키는연구를수행한다 실험방법열원인마이크로파장치는동일하며같은시료에홀을파서마이크로웨이브에반응정도가큰분말형태의자철석을공업용열화본드와 1:1비율로섞어서삽입하여실험을수행하였다. 홀은 D=10mm 이며, 깊이는 90mm로하였다. (Fig.6) 결과분석자철석이섭씨 800도이상의초고온상태가 10분안에발현되어암석이빠르게파괴되는것을확인하였다. (Fig 7, Fig.8)

5 Fig. 5 the relationship between the P-wave velocity and UCS of rocks Fig. 7 Result of the magnetite inserting test (microwave irradiation 15min.) 3. 결 론 본 연구는 암반지반에서 진동을 전혀 일으키지 않으며 빠르게 터널을 굴착하는 방법으로 가능한 열파괴 굴착공법의 기초연구를 실시하였다. 실험시료로 쓰인 포천 화강암에 마이크 로웨이브를 조사하게 되면 10분 내에 온도가 평균적으로 섭씨 250도 이상으로 상승하게 된 다. 60분 이상 마이크로웨이브를 조사하여도 최대 400 를 넘지 않았다. 이러한 시간적인 한계 극복하고자 자철석을 삽입하여 실험하여 자철석이 섭씨 800도 이상의 초고온 상태가 평균적으로 10분 안에 발현되어 암석이 빠르게 파괴되는 것을 확인하였다.

6 Fig.8 Result of the magnetite temperature changes 참고문헌 [1] W. J. Cho, S. K. Kwon, J. O. Lee (2010) Empirical model to estimate the thermal conductivity of granite with various water contents, J. of the Korean Radioactive Waste Society, Vol.8(2), P [2] H. S. Jeong, W. C. Lee, H. G. Cho, S. O. Kim (2008) Study on Adsorption Characteristics of Arsenic on Magnetite, Journal of Miner. Soc. Korea, 21(4), pp [3] Y. Meir, E. Jerby (2012) Thermite powder ignition by localized microwaves, Combustion and Flame, 159(7), pp [4] S.M. Javad Koleini, K. Barani (2012) Microwave Heating Applications in Mineral Processing, InTech

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DBPIA-NURIMEDIA 한국소음진동공학회 2015추계학술대회논문집년 Study of Noise Pattern and Psycho-acoustics Characteristic of Household Refrigerator * * ** ** Kyung-Soo Kong, Dae-Sik Shin, Weui-Bong Jeong, Tae-Hoon Kim and Se-Jin Ahn Key Words