토목공학 에터버그한계 시험 방법

실험 제목

에터버그한계 시험

에터버그한계 시험 목적

흙 입자는 그 흙이 가지고 있는 물의 함량에 따라 성질이 많이 변화한다. 흙의 액성한계나 소성한계는 흙을 공학적으로 분류하는데 널리 이용되며, 때로는 점토의 종류를 판별하는데 쓰이기도 한다. 이번 에터버그 한계실험을 통해 흙의 액성한계와 소성한계에 대해 알아보 도록 한다.

에터버그한계 시험 원리

점성토는 함수비 에 따라 그 형상 및 성질이 달라진다. 즉, 함수비가 클 때에는 액체 상태 가 되며 함수비가 작아지면 고체상태가 된다. 이렇게 함수비에 따라 형상이 달라지는 것은 흙 입자를 둘러싸고 있는 물 즉, 함수비에 의한 적기적인 힘 때문이다. 함수비가 작을 때 에는 흙 입자 간의 결합력이 강하지만 함수비가 커지면 흡착수로 둘러싸인 흙 입자들이 서로 분리되어 흙 입자 간의 거리가 멀어져서 결합력이 약화되고, 함수비가 아주 커지면 흙 입자 간의 결합력이 소멸되어 흙 입자는 액체와 같이 자유로이 유동하게 된다. 이와 같이 점성토의 형상은 함수비에 따라 고체-반고체-소성체-유동체로 변화한다.

에터버그한계 시험 장비

1. 40번체를 통과한 시료
2. 알루미늄 용기
3. 스페츌러
4. 함수량 측정 기구
5. 시료 pan
6. 분무기
7. 막자와 막자사발
8. 증발 접시
9. 수건

에터버그한계 시험 방법

① 액성한계

1. 액성한계 측정기의 낙하 높이를 1Cm가 되도록 조절한다.
2. 40번체를 통과한 공기 중에서 말린 시료를 약 100g 정도 취하여 증류수와 반죽한다.
3. 놋쇠 접시에 담고 표면을 잘 고른다.
4. 초당 2회의 속도로 낙하시키고 중앙부분이 1.5Cm 붙을 때까지의 낙하 수를 기록한다. (5) 10 ~ 40 회의 낙하 횟수가 나오도록 함수비를 바꾸어 위 방법을 반복한다.

② 소성한계

1. 40번체를 통과한 시료 약 15g을 취하여 증류수를 타서 잘 반죽한다.
2. 반죽한 흙을 유리판 위에 놓고 손바닥으로 굴려 3mm 정도 되게 하였을 때 흙이 부스 러져 더 이상 가늘게 굴릴 수 없다면 이 흙의 함수비를 측정한다.
3. 위와 같은 방법을 2~3회 반복하여 얻은 함수비를 평균한다.

에터버그한계 시험 이 론

점성토는 함수비𝑤에 따라 그 형상 마치 성질이 달라진다. 즉, 함수비가 클 때는 액체상태 가 되며 함수비가 작아지면 고체 상태가 된다. 이렇게 함수비에 따라 형상이 달라지는 것 은 흙 입자를 둘러싸고 있는 물 즉, 흡착수에 의한 전기적인 힘 때문이다. 함수비가 작을 때에는 흙 입자 간의 거리가 멀어져서 결합력이 강하지만 함수비가 커지면 흡착수로 둘러 싸인 흙 입자들이 서로 분리되어 흙 입자 간의 거리가 멀어져서 결합력이 약화되고, 함수 비가 아주 커지면 흙 입자 간의 결합력이 소멸하여 흙입자는 액체와 같이 자유로이 유동하 게 된다. 이와 같이 점성토의 형상은 함수비에 따라 고체-반고체-소성체-유동체로 변화한다. 여기에서 흙의 형상은 다음과 같이 판별할 수 있다.

- 고체 : 부피가 변하지 않으며 외력에 의하지 않고는 변형이 일어나지 않는다. 취성 파 괴가 일어난다.

- 반고체 : 함수비의 변화에 따라 부피는 약간 변화하나 소성성이 없다. 취성에 가까운 파괴가 일어난다. 전단력이 작용하면 변형되지 않고 부스러진다.

- 소성체 : 외력에 의하여 소성변형하며 함수비 변화에 따라 부피가 변한다.

- 유동체 : 외력이 작용하지 않아도 자중에 의하여 스스로 변형되는 액체상태이다.

① 에터버그 한계란?

점착성이 있는 흙은 함수량이 차차 감소하면 액성 → 소성 → 반고체 → 고체의 상태로 변 화하는데 함수량에 의하여 나타나는 이러한 성질을 흙의 연경도라 하고 각각의 변화 한계를 에터버그 한계라 한다.

② 액성한계란?

1. 흙이 액성에서 소성으로 변화하는 한계 함수비
2. No.40체 통과시료 100g으로 시료를 조제한 후 황동접시에 흙을 넣고 주걱으로 홈을 판 다음 1cm 높이에서 1초에 2회의 속 도로 25회 낙하시켰을 때 유동된 흙이 약 1.5cm의 길이로 양쪽 부분이 달라붙을 때의 함수비를 액성한계라 한다.

③ 소성한계란?

1. 흙이 소성에서 반고체의 상태로 변화하는 한계 함수비
2. 유리판 위에서 흙을 지름 3mm의 줄 모양으로 늘였을 때, 막 갈라지려는 상태로 되었 을 때의 함수비를 소성한계라 한다.
3. 액성ㆍ소성한계의 시험이 불가능한 흙을 비소성이라 한다

④ 수축한계란?

1. 흙이 반고체 상태를 나타내는 최소의 함수비
2. 함수량을 어떤 양 이하로 감하여도 그 흙의 용적이 감소되지 않으며 함수량을 그 양 이상으로 증가시키면 흙의 용적이 증대하려는 함수량을 함수비로서 표시한 것

⑤ 액성지수란?

흙이 어느 정도 액체상태가 되었는지 보여주는 지수. 액성지수 값이 0에 가까울수록 흙은 단단하고, 1에 가까울수록 연약하다.

액성지수(Il)가 0보다 작으면(Il<0) 흙 시료는 반고체나 고체 상태이며, 0과 1 사이면(0 <Il <1) 소성상태, 1보다 크면(Il>1) 그 흙은 액체상태로 유동하게 된다.

⑥ 소성지수란?

흙이 소성상태로 존재할 수 있는 함수비의 범위로 균열이나 점성적 흐름없이 쉽게 모양을 변형시킬 수 있는 범위이다. 점성토의 공학적 성질을 추정하는데 중요한 자료가 된다. 

⑦ 활성도란?

2 이하의 점토의 중량백분율에 대한 소성지수 의 비를 활성도라 한다.

 

⑧ 소성도표

- A 선

1. 실트와 점토의 구분선 : CL과 ML, CH와 MH
2. 관계식 PI = 0.73 (LL-20) ( PI : 소성지수, LL : 액성한계 )

- U 선

1. 액성한계와 소성지수의 관계상한선, 즉 U선 위로 시험결과가 plot 되었다면 시험이 잘못된 것을 의미함
2. 관계식 PI = 0.9 (LL-8)

- B 선

액성한계 50% 선으로 압축성의 크기 구분선. 분류 시 H, L 경계.(CL과 CH, ML과 MH)

- C 선 (1) LL < 30% : 저압축성(저소성) (2) 30% < LL < 50% : 중간압축성(중간소성) (3) LL ≥ 50% : 고압축성(고소성)

결과 및 계산과정

◆ 액성한계

 

시험 번호	액 1	액 2	액 3	타격 횟수
13	32	38	21.33	50.56
중량 (g) (통조림 습기 샘플)	중량 (g) (통조림 건조 샘플)	통조림 중량 (g)	건조 샘플 중량 (g)	수분 함유량 (g)	습기 함유량 (%)
19.15	44.18	25.21	12.13	20.83	15.92
7.02	23.35	9.29	2.18	6.38	2.31
31.05	27.32	24.87

 

액성한계, LL = 28.69%

◎ 건조시료 무게 (Ws)

◎ 함수량(Ww)

◎ 함수비 (w)

◎ 액성한계 (LL)

액성한계는 실험을 통한 data를 가지고 유동곡선을 그렸을 때 횟수 25에 당하는 함수비이다. 따라서 위의 식에 25를 대입하면 액성한계는 28.69%가 나온다. 그래프에서의 기울기가 -0.05 이므로 Flow index를 0.05이라고 할 수 있다. 공식을 통해 유동곡선의 기울기 Flow index를 구할 수도 있다.

이므로 횟수가 가장 작은 13회일 때의 함수비 31.05과 가장 많은 38회 일때의 함수비 24.87을 넣으면 5.87이 나온다.

◆ 소성한계

◎ 건조시료 무게 (Ws)

 

◎ 함수량 (Ww)

◎ 함수비 (w)

◎ 소성한계 (PL)

함수비들의 평균값 - [23.02 + 19.75] / 2 = 21.39%

◆ 소성지수

PI(소싱지수) = 액성한계(LL)-소성한계(PL) = 28.69 - 21.39 = 7.30%

에터버그한계 시험 분석 및 고찰

이번 실험의 주제는 애터버그 한계 실험이다. 이 실험은 흙의 함수비에 따른 액성한계와 소성한계를 알아보는데 그 목적이 있다. 이렇게 액성한계와 소성한계를 알아보는 이유는 흙의 성질을 파악하기 위함이다. 흙이 많은 함수비로 인해 액성상태인지 소성상태인지 파악하고 공학적으로 흙을 사용함에 있어 연구하고 분석이 가능하다.

우선 이 실험은 40번째를 통과한 시료에 일정량의 물을 함수하여 적당히 반죽을 한다. 함수비를 충분히 많이 하여 먼저 실험을 하였고 시료를 첨가하여 점차 함수비를 줄여가며 실험이 진행됐다. 열심히 반죽을 한 후 액성한계 시험대에 높이 약 1cm가 되도록 반죽된 시료를 평평하게 담는다. 홈파기 날로 이등분한 후에 시험대를 1초에 약 2회가 되는 속도로 돌리다 보면 반죽된 시료가 붙게 된다. 붙었을 때 시험대의 타격 횟수를 알아보고 이 타격회수와 함수비에 의해 액성한계를 얻을 수 있다.

필자는 총 2번의 실험을 하고 1번은 앞 반 실험값을 이용하여 데이터를 완성 하였다. 이렇게 완성된 데이터를 이용하여 그래프를 그릴 수 있었고, 추세선을 유추해 25번째 타격 시 함수비를 얻을 수 있었다. 이렇게 25번째 함수비가 중요한 이유는 25번째 타격 시 대응되는 함수비가 바로 액성한계이기 때문이다.

그래프를 보면 알겠지만 약 28.69%의 함수비가 나왔다. 이는 액채상태와 소성상태의 경계가 되는 함수비로 해석가능하다. 즉 흙이 소성거동을 보이는 최대함수비인 것이다. 소성한계값을 얻기 위해 우리 조원 모두는 같은 포즈로 한참이나 반죽된 시료를 굴려야 했다. 다른 사람들은 못 봤겠지만 모두 타일에 눈을 붙이고 열심히 반죽된 시료와 싸우는 모습이 웃음을 터뜨렸다. 분위기상 웃을 순 없었지만 우린 진지한 작업을 하고 있었다.

이 작업이 어려웠던 이유는 시료를 3mm의 얇은 크기로 만들어 손으로 굴려 함수비를 낮춰야하는데, 너무 얇다 보니 잘 부서지기 때문이다. 또한 이 시료가 스스로 끊어진 건지 아니면 힘을 너무 가하여 힘에 의해 끊어진 건지 애매한 부분이 있어 상당한 오차를 유발할 수 있다.

이렇게 저절로 끊어진 시료를 모아서 함수비를 얻는다. 계산과정은 위에서 언급한 것처럼 비교적 간단하다. 소성한계값은 21.39%가 나왔고 이는 각 함수비의 평균값을 산출한 것이다. 또한 소성지수값 역시 간단한 계산에 의해 얻을 수 있는데 7.30%의 값을 얻었다. 즉 소성거동을 나타내는 함수비 범위의 최소치가 21.39%인 것이다.

소성지수는 다음표를 참고해보자.

위 표에서 보는 바와같이 7.30%에 해당되는 부분은 slightly plastic이다. 약간 플라스틱이라는 말로 직역할 수 있다. 이는 소성도표에서 A선 아래에 위치한다고 볼 수 있다. 또한 액성한계는 28.69%가 나온 결과를 이용하여 다시 소성도표에 적용해 보자. 소성도표는 액성한계 50%를 기준으로 고소성과 저소성으로 구분할 수 있다. 28.69%은 저소성에 포함되므로 이 점토는 ML로 분류된다. 추가적으로 액성한계를 1점 법으로 구하는 방법도 있다.

이 방법은 경험식을 이용하는 방법으로 식을 이용한다. 분모에 있는 25는 타격횟수 25를 의미한다. 이식을 이용하여 추가적으로 액성한계를 1점 법으로 구하는 방법도 있다. 이 방법은 경험식을 이용하는 방법으로 식을 이용한다. 분모에 있는 25는 타격 횟수 25를 의미한다. 이식을 이용하여 N에는 38, 에는 24.87% 값을 대입한 다음 액성한계를 구해보면 결과는 26.15%를 얻게 된다.

실험에서 얻은 28.69%와 비슷하지만 1점법은 1개의 데이터만 이용하는 방법이므로 정확도가 떨어진다고 볼 수 있다. 이번 실험을 통해서 흙의 액성한계와 소성한계를 알아볼 수 있는 방법을 배웠다. 처음 이 실험을 시작하기 전엔 애터버그라는 생소한 이름 때문에 어렵게 느껴졌는데 상당히 간단하고 평이한 실험이었던 것 같다. 그럼에도 불구하고 오차는 생기기 마련이다.

시료를 시험대에 올리고 타격을 가할 때 이 시료가 몇 번째 붙었는지 눈으로 짐작해서 결과를 도출하는 것이기 때문에 분명 오차가 생긴다. 또한 중량을 여러번 얻는 과정에서 기계적인 부분에서 생긴 오차와 can에 남았던 시료에 의해 오차가 발생했을 것으로 보인다. 그러나 이런 오차는 점토의 성질들이 포함하고 있는 범위 내에서 이루어지기 때문에 흙을 분석하는 데 있어 큰 문제가 생겨 보이진 않는다. 이번 실험에서 흙의 액성과 소성의 경계점을 파악해 분석하여 활용하는데 상당히 실용적이고 실직적인 지식을 습득할 수 있었던 것 같아 매우 뿌듯하다.

하지만 애터버그 한계는 어디까지나 흙의 개략적인 성질을 아는 좋은 지침이 될 수 있으나, 교란된 시료에 대한 실험으로 결정된 값이므로 자연상태의 토립자의 배열이나 점착력 등 전단강도에 관계되는 요소까지 포함될 수 없으며 단지 추정된 값에 불과하다는 점에 유의하여야 한다. 남은 실험도 기대가 되며 이렇게 실무에 직접적으로 도움이 되는 과목을 공부할 수 있어서 행운이라고 생각한다.