1. 서 론
2. 함수비 평가 방법
2.1 함수비 실험 방법 비교
2.2 실험 방법
3. 실험 결과
3.1 실내 실험 결과 분석
3.2 현장실험 결과
3.3 실험 방법에 따른 상관성 분석
4. 결 론
1. 서 론
최근 건설폐기물의 재활용이 활성화되면서 순환골재의 생산･공급이 증가하고 있는 추세이다. 이러한 순환골재를 생산하는 시설 중 하나인 건설폐기물 중간처리업체에서, 순환골재 원재료에 포함된 토사의 함수비가 과도하게 높을 경우, 분쇄 및 선별 과정에서의 스크린 망막힘 현상이 발생하게 된다. 망막힘 현상은 순환골재의 함수비가 높아질수록 발생확률이 커지며, 스크린의 망 주위에 점착되어 망의 공동을 좁히기 시작하여 스크린 망을 폐쇄하여 스크린의 기능을 상실하게 한다(Lee et al., 2022; Yoo, 2024). 이로 인해 생산설비의 작업 효율이 저하되고, 연속공정에 지장이 생기며, 골재의 품질과 생산량의 일관성 확보가 어려운 문제가 있다(민원･양경택, 2020; 윤훈철･윤칠중, 2022). 이에 따라, 순환골재 생산효율을 극대화할 수 있도록 현장에서는 순환골재 선별장치의 망막힘을 예방하기 위해 다양한 기술을 개발하고 있다. 궁극적으로 순환골재 선별장치의 망막힘을 예방하기 위해서는 기계적 기술 개발뿐만 아니라, 순환골재 생산시설에서 함수비를 쉽고 빠르게 함수비를 평가하여, 근본적인 문제에 대한 대응이 필요한 실정이다.
이러한 함수비 측정 방법은 건조로를 이용하는 방법, 칼슘카바이드를 이용하는 방법, 전자레인지를 이용하는 방법을 활용 중이다. 이 중 가장 일반적인 함수비 측정 방법은 항온 건조로를 이용한 시험법(ASTM International, 2019; Korean Agency for Technology and Standards, 2020)이다. 그러나 KS F 2306은 실험 시간이 18~24시간으로, 현장에서는 함수비 측정 결과가 도출될 때까지 후속 과정에 대한 신속한 의사결정이 어려운 단점이 있어 현장에서의 신속한 함수비 측정을 목적으로 칼슘카바이드를 이용한 함수비 측정방법(ASTM International, 2018), 전자레인지를 이용한 측정방법(ASTM International, 2017) 등이 활용되고 있다(Kim, 2016). 칼슘카바이드를 이용한 함수비 측정방법은 화학 반응에 의해 생성되는 가스 압력으로 함수비를 간접적으로 산정하는 방식으로, 단기간에 측정이 가능하나 반응 정도에 따라 오차가 존재하며, 흙의 세립분 함량에 민감하게 반응한다(Park et al., 2017). 전자레인지를 활용한 골재의 함수비 측정 표준시험방법인 ASTM D4643은 700 W 상용 전자레인지와 0.01 g의 민감도를 가진 저울만으로 실험이 가능하다. 칼슘카바이드나 항온 건조로에 비하여 별도의 시약, 또는 고온 장치가 불필요하며, 시험 절차의 단순성으로 인해 기기 작동 방법 외에는 특별한 기술이 요구되지 않아 작업자의 숙련도에 관계없이 반복 수행이 가능한 장점이 있다.
따라서, 본 연구에서는 전자레인지를 이용한 급속 함수비 평가방법의 정확성과 신뢰성을 검증하기 위하여 동일 시료를 대상으로 실내 실험실 평가 및 현장 평가로 구분하여 항온 건조로를 활용한 함수비 측정 결과와 비교분석하였다.
2. 함수비 평가 방법
2.1 함수비 실험 방법 비교
항온 건조로를 이용한 시험법(KS F 2306)은 시료를 규정된 질량(Table 1)에 맞게 준비하고, 질량을 측정한 뒤 110 ± 5°C의 항온 건조로에서 18~24시간 건조한 후 데시케이터에 옮겨 실온이 될 때까지 식힌 후 다시 계량하여 습윤 시료 질량과 건조 시료 질량의 관계를 통하여 함수비를 계산하는 방법이다.
Table 1.
Minimum Specimen Mass for Water-Content Determination (KS F 2306)
| Maximum particle diameter of specimen (mm) | Specimen mass (g) |
| 75 | 5000~30000 |
| 37.5 | 1000~5000 |
| 19 | 150~300 |
| 4.75 | 30~100 |
| 2 | 10~30 |
| 0.425 | 5~10 |
전자레인지를 이용한 측정방법(ASTM D4643)은 전자레인지와 건조용 용기, 측정 정밀도 0.01 g 이하의 저울을 사용하여 토사의 함수비를 신속하게 측정할 수 있는 방법으로, 시료의 질량에 관해 규정된 사항을 Table 2에 나타내었다. ASTM D4643은 전자레인지로 시료를 단계적으로 가열･계량해 두 연속 질량이 거의 변하지 않을 때까지 건조한 뒤, 습윤･건조 질량 차이로 함수비를 산정하는 방법이다. 수화광물이나 고유기질 시료는 증발･과열로 오차가 커질 수 있어 주의가 필요하다.
Table 2.
Test Specimen Masses (ASTM D4643)
| Sieve Retaining Not More Than About 10% of Sample | Recommended Mass of Moist Specimen (g) |
| 2.0 mm | 100~200 |
| 4.75 mm | 300~500 |
| 19 mm | 500~1000 |
2.2 실험 방법
급속 함수비 측정방법의 현장적용성 평가를 위해 실내실험 및 현장실험으로 구분하여 진행하였다. 실내 실험의 경우 다양한 변수의 통제가 가능하여 이상적 실험 결과의 도출이 가능하기 때문에, 실내 실험 결과만을 토대로 현장 적용성을 평가하는 것은 신뢰도가 부족하다. 따라서, 순환골재 생산시설의 현장 시료를 취득하여 실험 결과를 도출하고자 한다.
실내실험에서는 먼저, 노건조된 시료에 함수비를 8수준(2.5, 5, 7.5, 10, 12.5, 15, 17.5, 20%)으로 구분하여 수분을 함유시켜 항온 건조로 및 전자레인지를 사용하여 한 수준당 3번씩 함수비를 반복 측정하였다. 항온 건조로 실험의 경우 Fig. 1과 같이 KS F 2306 규격에 맞추어 시료의 중량을 측정한 뒤, 105°C로 24시간 노 건조하여 수행하였다. 전자레인지를 사용한 급속 함수비 측정방법은 Fig. 2에 나타낸 바와 같이 ASTM D4643에 따라 수행하였으며, 습윤 상태인 100 g의 시료를 초기 1.5분 가열 후 30초 단위로 가열하며 시료의 중량 변화가 나타나지 않을 때까지 반복 건조하였다. 현장 평가는, 현장에서 총 26개의 시료를 채취하여 현장에서의 급속 함수비 측정 결과와 동일 시료의 실험실에서의 건조로 함수비 측정 결과로 구분하여 분석하였다.
3. 실험 결과
3.1 실내 실험 결과 분석
KS F 2306에 준하는 방법으로 수행한 건조로를 이용한 실험 방법과 ASTM D4643에 따라 진행한 전자레인지를 이용한 실내 실험 결과를 Table 3으로 나타내었다. 총 24개의 시료에 대하여 각 시험 방법에 따른 함수비 결과를 도출하였으며, 편차는 KS F 2306 기준값 대비 ASTM D4643 측정값의 백분율 차이로 계산하였다. 전체적으로 KS F 2306의 결과보다 ASTM D4643의 실험값이 함수비를 -1.54% 작게 측정하였다. 편차는 -34.44%에서 +66.77%까지 분포하였으며, 함수비가 10% 미만일 때 그 편차가 커짐을 확인하였으며, 수분량이 적을수록 미소한 수분 손실에도 함수비 차이가 커지는 함수비 계산식의 특성으로 인해 차이가 커진 것으로 판단된다. 조성 함수비가 10% 이상인 구간에서의 편차는 평균 -1.39%로 미미하여, 해당 구간에서의 전자레인지를 이용한 함수비 측정 결과의 신뢰성이 큼을 확인하였다. 실내 실험 결과를 종합해 볼 때, 함수비가 10% 이상인 경우 전자레인지로 함수비를 측정하는 것이 큰 차이가 없음을 확인하였다.
Table 3.
Moisture Content Test Results (Laboratory)
3.2 현장실험 결과
현장 가동 중인 순환골재 생산시설에서 채취한 26개 시료에 대해 KS F 2306에 준하는 방법으로 수행한 건조로를 이용한 실험 방법과 ASTM D4643에 따라 진행한 전자레인지를 이용한 실험을 병행 적용한 결과를 Table 4에 정리하였다. KS F 2306 결과를 기준으로, 산정한 편차는 -33.83%에서 +55.44%까지 분포하였으며, 전체 평균 편차는 -2.68%로 전반적으로 ASTM D4643 결과가 KS F 2306 결과에 비해 낮은 함수비를 나타내었다. 함수비가 10% 미만인 저수분 시료에서 극단적인 편차가 나타나, 미세한 수분 손실이 함수비 계산식에 크게 반영되는 구간임을 재차 확인하였다. 반면 두 실험 방법에 의해 함수비가 10% 이상으로 측정된 시료에 대해서는 평균 편차 -2.88%로 수렴하였고, 일부 사례에서는 두 방법 간 측정 함수비가 완전 일치 및 1% 이내의 편차를 기록하여 중･고수분 구간에서의 측정 신뢰성을 재확인 하였다.
Table 4.
Moisture Content Test Results (Field)
3.3 실험 방법에 따른 상관성 분석
3.1 실내 실험의 24개의 실험결과와 3.2 현장 실험의 26개의 결과를 합쳐 총 50개의 데이터로 KS F 2306과 ASTM D4643의 상관성을 함수비 10% 이내 및 이상으로 나누어 분석하여 각각 Fig. 3 및 Fig. 4로 나타내었다. 상관성 분석 결과로 회귀분석을 수행하여, 식 (1) 및 식 (2)을 제안하였다.
여기서,
: 함수비(ASTM D4643, %)
: 함수비(KS F 2306, %)
여기서,
: 함수비(ASTM D4643, %)
: 함수비(KS F 2306, %)
제안한 ASTM D4643을 활용한 KS F 2306 예측식을 검증하기 위해, 순환골재 생산 현장에서 추가로 시료를 취득하여 ASTM D4643에 따라 함수비를 측정하였고, 그 결과를 식 (2)을 통해 KS F 2306 함수비를 예측하였다. 식(1)은 =0.3393으로 낮아 예측식으로 활용하기 어려웠으며 신뢰도 역시 부족하다고 판단하여, 본 검증 과정에서는 식 (2)만을 적용하였다. 예측한 결과와 현장 추가 시료를 통해, KS F 2306 실험을 통해 산정한 함수비를 Table 5로 나타내었다. 현장시료를 채취해 측정한 ASTM D4643의 실험결과와 KS F 2306 예측식으로 계산한 결과를 비교해보면, 예측식으로 산정한 결과가 102.98%에서 106.71%로 크게 산정되었다. 이 결과는, 실내 실험과 현장 실험 결과로 분석한 상관성에서 ASTM D4643보다 KS F 2306이 함수비를 크게 측정하기 때문에, 이에 따른 보정이 된 것이다. KS F 2306의 예측값과 실험값에 대한 비교는 Fig. 5로 도시하였다. 예측결과를 기준으로 실험결과와 비교해보면, 검증 데이터에 따라 최소 92.2%에서 최대 104%로 분포되고 있다. 예측 시험결과가 작은 경우가 5건, 예측 시험 결과가 큰 케이스가 3건으로 나타났다. 또한, 예측값과 실험값이 신뢰도 90% 범위 내에 분포하고 있어, 이 예측식을 통해, ASTM D4643 실험결과로 KS F 2306 실험 결과를 예측이 가능할 것으로 판단하였다.
4. 결 론
본 연구는 현장에서의 신속한 함수비 측정을 위하여 활용되는 전자레인지를 이용한 급속 함수비 측정방법의 현장 적용성을 평가하고자 그 신뢰성을 검증하였다. 실내 실험과 현장 실험으로 구분하여 각각의 경우에 대해 ASTM D4643 및 KS F 2306 시험법을 병행 수행하여 두 방법 간 함수비 측정값의 편차를 비교분석하였다.
1) 실내 실험 결과 ASTM D4643의 실험값이 KS F 2306의 결과보다 함수비를 평균 -1.54% 작게 측정하였으며, 함수비가 10% 미만일 때 그 편차가 커짐을 확인하였다. 함수비가 10% 이상인 구간에서 평균 편차는 -1.39%로, 이 수준에서의 전자레인지로 함수비를 측정할 때 신뢰도가 큼을 확인하였다.
2) 현장 실험 결과 전체적으로 편차는 -2.68%로, 전반적으로 ASTM D4643에 의한 함수비 결과가 KS F 2306 결과에 비해 낮게 산정되었다. 실내 실험 결과와 마찬가지로 10% 미만 함수비의 저수분 시료에서 큰 편차를 보여, 함수비 계산식의 특성으로 인해 미세한 수분 손실이 계산식에 크게 반영되어 그 차이가 커진 것으로 판단하였다.
3) 실내 실험과 현장 실험의 총 50개 데이터를 토대로 상관성 분석을 통해 식 (1)을 제안하였다. 제안식에 대한 검증을 위해, 일부 현장 시료를 대상으로 KS F 2306 실험 함수비와 제안식에 의한 예측 함수비를 비교하였으며. 예측값과 실험값이 신뢰도 90% 범위 내에 분포하는 것을 확인하여 예측이 가능할 것으로 판단하였다.
4) 전자레인지를 이용한 급속 함수비 측정 방법은 6분 이내로 시험이 완료되었으며, 18~24시간이 소요되는 KS F 2306 대비 시험 시간을 단축할 수 있다. 또한, 현장에서 전원 공급만 이루어진다면 즉시 시험이 가능한 이점을 가진다. 10% 이상 함수비를 가진 시료에서의 상호간의 결과 편차가 적은 것을 확인한 점을 토대로, 현장에서 KS F 2306을 대체하여 신속한 함수비 시험에 활용 가능할 것으로 판단하였다.
5) 향후 저함수비 구간에서의 추가 실험을 통한 편차에 대한 보정계수 도출 및 신뢰성 향상, 점토질･유기질 등 다양한 시료를 포함한 적용성 평가, 전자레인지 출력과 가열 주기 변동에 따른 재현성 검증 등에 대한 추가적인 연구가 이루어진다면 이 연구가 전자레인지를 이용한 급속 함수비 측정방법의 현장 적용성 검증에 도움이 될 것이라고 기대된다.
