입도분포 곡선

3. 입도분포 측정 방법

흙의 입도 분포를 측정하는 방법은 다음과 같다.

• '''침강 챔버''': 침강 챔버는 일반적으로 매우 큰 입자, 즉 체 트레이를 사용하여 분리할 수 있는 입자만 수집한다.
• '''원심 집진기''': 원심 집진기는 일반적으로 약 20μm까지의 입자를 수집하며, 고효율 모델은 10μm까지의 입자를 수집할 수 있다.
• '''필터''': 필터는 가장 효율적이고 비용 효율적인 집진기 유형 중 하나이며 매우 미세한 입자에 대해 99% 이상의 집진 효율을 달성할 수 있다.
• '''습식 스크러버''': 액체를 사용하는 습식 스크러버는 일반적으로 습식 스크러버로 알려져 있다. 이러한 시스템에서 스크러빙 액체(일반적으로 물)는 먼지 입자를 포함하는 가스 흐름과 접촉하며, 가스와 액체 흐름의 접촉이 클수록 먼지 제거 효율이 높아진다.
• '''전기 집진기''': 전기 집진기는 정전기력을 사용하여 배기 가스에서 먼지 입자를 분리하며, 매우 미세한 입자를 수집하는 데 매우 효율적일 수 있다.
• '''필터 프레스''': 케이크 여과 메커니즘을 통해 액체를 여과하는 데 사용되는 필터 프레스의 경우, 입도 분포는 케이크 형성, 케이크 저항 및 케이크 특성에 중요한 역할을 한다. 액체의 여과성은 입자 크기에 의해 크게 결정된다.
• '''공기 분급''': 공기 분급은 제어된 속도로 유체가 통과하는 수직 튜브가 있는 장치를 사용한다. 작은 입자는 유체 흐름에 따라 이동하고 큰 입자는 상승 기류에 반하여 침강하는 원리를 이용한다.
• '''장점''': 원심 분류를 사용하여 벌크 샘플을 분석하며, 비파괴적이다. 각 절단 지점은 향후 크기별 화학 분석을 위해 회수할 수 있다. 대기 오염 제어 산업에서 오랫동안 사용되어 왔으며, 기류에서 침강 속도의 함수로 입자 크기를 결정한다.
• '''단점''': 벌크 샘플(약 10g)을 얻어야 하며, 시간이 오래 걸리는 분석 기술이다. 실제 시험 방법^[4]은 노후화로 인해 ASME에서 철회되었으며, 기기 보정 재료는 더 이상 사용할 수 없다.
• '''사진 분석''': 사진 분석 절차를 통해 재료를 분석할 수 있다. 시간 소모적이고 부정확할 수 있는 체 분석과 달리, 측정할 재료의 샘플을 사진으로 찍어 소프트웨어를 사용하여 분석하면 빠르고 정확한 측정이 가능하다. 재료를 취급하지 않고 분석할 수 있다는 장점이 있다.

• '''현미경 측정''': 입도 분포(PSD)는 격자에 대고 크기를 측정하고 계수하여 현미경으로 측정할 수 있지만, 통계적으로 유효한 분석을 위해서는 수백만 개의 입자를 측정해야 한다. 전자 현미경 사진의 자동 분석이 현재 상용화되어 있으며, 0.2μm ~ 100μm 범위 내의 입자 크기를 결정하는 데 사용된다.
• '''콜터 계수기''': 개별 비전도성 입자가 통과할 때 발생하는 구멍을 통과하는 액체의 전도성 변화를 측정한다. 입자 수는 펄스 수를 세어 얻으며, 이 펄스는 감지된 입자의 부피에 비례한다.
• '''장점''': 매우 작은 분취량의 시료를 검사할 수 있다.
• '''단점''': 시료는 액체 매질에 분산되어야 하며, 일부 입자는 매질에 용해되어 크기 분포를 변경할 수 있다. 결과는 입자가 구멍을 통과할 때 차지하는 투영 단면적과 관련되며, 이는 물리적 직경과는 다를 수 있다.
• '''침강법''': 점성 액체에 부유된 입자가 얻는 종말 속도에 대한 연구를 기반으로 한다. 침강 시간은 가장 미세한 입자에 대해 가장 길기 때문에 이 기술은 10μm 미만의 크기에 유용하지만, 브라운 운동의 영향으로 인해 서브 마이크로미터 입자는 신뢰성 있게 측정할 수 없다.
• '''장점''': 침강 속도의 함수로 입자 크기를 결정한다.
• '''단점''': 시료를 액체 매질에 분산시켜야 하며, 일부 입자는 매질에 용해되어 입도 분포를 변경할 수 있다. 분산 매질을 신중하게 선택해야 하며, 밀도는 유체 온도에 매우 의존하므로 일정하게 유지해야 한다. X-선은 탄소(유기) 입자를 감지하지 못하며, 대량의 시료(예: 2~5g)를 필요로 할 수 있다.

• '''레이저 회절법''': 레이저 빔이 공기 또는 액체에 분산된 입자를 통과할 때 생성되는 회절된 빛의 "헤일로" 분석에 의존한다. 회절 각도는 입자 크기가 감소함에 따라 증가하므로 이 방법은 0.1μm ~ 3000μm 사이의 크기를 측정하는 데 적합하다.
• '''레이저 회절 측정''': 레이저 빔이 분산된 입자 샘플을 통과할 때 산란된 빛의 각도 변화를 측정하여 입도 분포를 측정한다. 큰 입자는 작은 각도로, 작은 입자는 큰 각도로 빛을 산란시킨다. 프라운호퍼 회절 또는 미(Mie) 이론을 사용하여 입자 크기를 계산하며, 입자 크기는 부피 등가 구형 직경으로 보고된다.
• '''집속 빔 반사 측정''': 집속된 레이저 빔은 일정한 주파수로 회전하며 시료 매질 내의 입자와 상호 작용한다. 각각 무작위로 스캔된 입자는 레이저 빔을 전용 광다이오드로 가리며, 이 광다이오드는 가림 시간을 측정한다. 가림 시간은 알려진 빔 회전 속도에 직접 측정된 가림 시간을 곱하여 입자의 직경을 계산한다(D=V*t).
• '''초음파 감쇠 분광법''': 빛 대신 초음파를 사용하여 유체에 분산된 입자에 대한 정보를 수집한다. 레이리 경이 최초의 ''초음파 산란'' 이론을 개발하고 1878년에 "The Theory of Sound"라는 책을 출판하면서 알려지게 되었다.^[5] ''주파수에 따른 투과 에너지''를 측정하는 것이 더 나은 선택임이 밝혀졌으며, 결과적인 초음파 감쇠 주파수 스펙트럼은 입자 크기 분포를 계산하기 위한 원시 데이터가 된다. 희석이나 다른 시료 준비 없이 모든 유체 시스템에서 측정할 수 있다는 큰 장점이 있다.

3. 1. 체 분석 (Sieve Analysis)

체 분석은 단순하고 저렴하며 해석이 쉽기 때문에 자주 사용된다. 체 분석 방법은 시료를 체에 넣고 잔류량이 거의 일정해질 때까지 흔드는 것이다. 또는 시료를 비반응성 액체(보통 물)로 씻어내거나 기류로 불어낼 수도 있다.
장점: 이 기술은 벌크 재료에 적합하다. 많은 양의 재료를 약 20.32cm 지름의 체 트레이에 쉽게 넣을 수 있다. 분말 산업에서 두 가지 일반적인 용도는 분쇄된 석회석의 습식 체질과 분쇄된 석탄의 건식 체질이다.
단점: 많은 입도 분포(PSD)는 체질로 분리하기에는 너무 작은 입자와 관련되어 있다. 37 μm 체와 같은 매우 미세한 체는 극도로 약하며, 재료가 통과하도록 하는 것이 매우 어렵다. 또 다른 단점은 시료를 체질하는 데 사용되는 에너지의 양이 임의로 결정된다는 것이다. 과도한 에너지를 가하면 입자가 마모되어 PSD가 변경되고, 에너지가 부족하면 느슨한 응집체가 분해되지 않는다. 수동 체질 절차는 비효율적일 수 있지만, 이미지 단편 분석 소프트웨어를 사용하여 자동 체질 기술을 사용할 수 있다. 이러한 기술은 재료의 사진을 캡처하고 분석하여 재료를 체질할 수 있다.

3. 2. 비중계 분석 (Hydrometer Analysis)

비중계 분석(Hydrometer Analysis^영어)은 흙 입자가 물 속에서 침강하는 속도가 입자의 크기에 따라 다르다는 원리를 이용하는 방법이다. 흙 시료를 물에 분산시킨 후 시간에 따른 밀도 변화를 측정하여 입도 분포를 구한다. 주로 실트나 점토와 같이 미세한 입자의 입도 분포를 분석하는 데 사용된다.^[4]

4. 입도분포의 중요성

입도 분포는 암석과 흙의 강도, 하중 지지 특성, 고체의 반응성, 그리고 토너, 화장품, 의약품 제조와 같은 산업 제품에 영향을 미치는 중요한 요소이다.^[1]

4. 1. 흙의 공학적 특성

4. 2. 재료 공학적 중요성

참조

_[1] 간행물 Particle Size Characterization NIST Special Publication 960-1 2001
_[2] 강연 Soil Classification James Cook University Geoengineering lecture handout 2000
_[3] 서적 Powder sampling and particle size determination https://books.google[...] Elsevier 2011-08-22
_[4] 웹사이트 ASME Shop – Standards, Courses, Journals, Books and Proceedings – ASME https://archive.toda[...] Catalog.asme.org 2011-11-18
_[5] 서적 The Theory of Sound Macmillan and Co 1896
_[6] 서적 Characterization of liquids, nano- and micro- particulates and porous bodies using Ultrasound Elsevier 2017
_[7] 논문 Experimental verification of nanofluid shear-wave reconversion in ultrasonic fields
_[8] 웹사이트 State of California Air Resources Board: Method 501 – Determination of Size Distribution of Particulate Matter from Stationary Sources http://www.arb.ca.go[...] State of California Air Resources Board 2011-11-18
_[9] 논문 The pattern of natural size distributions
_[10] 논문 A new method for environmental analysis of particle size distribution data from shoreline sediments
_[11] 서적 Wills' Mineral Processing Technology: an introduction to the practical aspects of ore treatment and mineral recovery Elsevier 2006
_[12] 서적 토목기사 과년도 - 토질 및 기초 성안당 2015