체 분석

3. 체의 종류 및 크기

와이어 메쉬 체는 ISO 3310-1의 기술적 요구 사항을 따른다.^[9] 이 체는 일반적으로 공칭 구경이 20μm에서 3.55mm 사이이며, 직경은 100mm에서 450mm 사이이다.

천공판 체는 ISO 3310-2를 준수하며, 공칭 구경이 1mm에서 125mm 사이의 원형 또는 사각형일 수 있다.^[10] 체의 직경은 200mm에서 450mm 사이이다.

미국 표준 체는 ASTM 체라고도 하며 ASTM E11 표준을 따른다.^[11] 이 체의 공칭 구경은 20μm에서 200mm 사이이지만, 직경은 약 20.32cm 및 약 30.48cm 크기만 있다.

4. 시험 방법 (KS F 2302)

KS F^영어 2302 흙의 입도 실험 기준에 따르면 함수비 측정을 생략한다면 체 분석은 다음 순서로 진행한다. 함수비 측정은 맨 처음 시료 무게 측정 전에 시료의 일부로 실시한다.^[12]

1. 시료 무게 측정 (흙 시료를 체에 넣기 전에 체의 무게부터 잰다)

2. 2mm 체가름

3. 2mm 체를 통과하지 못하는 2mm 체 잔류분^[12]에 대해 물 세척, 노건조, 무게 측정 후 체에 통과시킨다.

4. 건조로에서 건조시킨 흙 시료를 층층이 쌓아올린 표준체의 맨 위에 넣고 충분히 흔든다. 분산 장치를 이용해 흔든다.

5. 체를 다 흔들었으면 각각의 체에 있는 시료의 무게를 측정, 기록한다.

6. 2mm 체 통과분에 대해서는 선택적으로 시료 일부를 채취해 함수비 측정, 질량 측정, 시료 분산 후 비중계 분석 (0.075mm 미만 입도 범위가 필요치 않은 경우 비중계 분석을 생략할 수 있다)

7. 2mm 체를 통과하며, 0.075mm 체는 통과하지 못하는 시료^[13]에 대해 물 세척, 노건조, 무게 측정 후 체 통과

실험실에서 골재 시료에 대한 입도 시험을 수행한다. 전형적인 체 분석은 등급이 매겨진 메쉬 크기의 와이어 메쉬 스크린이 있는 일련의 체를 사용한다.

대표적인 가중 시료를 가장 큰 스크린 개구부를 가진 맨 위의 체에 붓는다. 열의 각 하위 체는 위의 체보다 작은 개구부를 갖는다. 바닥에는 수신자라고 하는 팬이 있다.

열은 일반적으로 기계식 쉐이커에 배치되어 열을 흔든다. 보통 정해진 기간 동안 모든 재료가 스크린 개구부에 노출되어 구멍을 통과할 수 있을 정도로 작은 입자가 다음 층으로 떨어질 수 있도록 한다. 흔들기가 완료된 후 각 체에 있는 재료의 무게를 측정한다. 그런 다음 각 체의 시료 질량을 총 질량으로 나누어 각 체에 남아있는 백분율을 구한다. 그런 다음 각 체의 평균 입자 크기를 분석하여 차단점 또는 특정 크기 범위를 얻은 다음 화면에 캡처한다.

이 테스트의 결과는 골재의 특성을 설명하고 콘크리트 혼합물 및 아스팔트 혼합물에 적합한 골재를 선택하고, 정수 생산 우물 스크린의 크기를 정하는 것과 같은 다양한 토목 공학적 목적에 적합한지 확인하는 데 사용된다.

이 테스트의 결과는 골재의 입도 유형을 식별하기 위해 그래프 형태로 제공된다. 이 테스트의 전체 절차는 미국 재료 시험 협회(ASTM) C 136^[4] 및 미국 고속도로 및 교통 공무원 협회(AASHTO) T 27^[5]에 요약되어 있다.

가장 작은 것을 통과하는 골재를 수집하기 위해 체 묶음 아래 골재에 적합한 체 크기를 사용한다. 그런 다음 전체 묶음을 흔들고, 직경이 메쉬 개구부보다 작은 재료는 체를 통과한다. 골재가 팬에 도달하면 각 체에 남아있는 재료의 양을 측정한다.^[6]

5. 결과 분석 및 활용

반대수 그래프에 가로축을 체의 호칭 치수, 세로축을 통과 중량 백분율로 하여 입도분포 곡선을 그린다. 그래프 상에서 D₁₀, D₃₀, D₆₀을 구하여 균등 계수 C_u, 곡률 계수 C_g를 계산한다.^[6]

입도분포 곡선에서 입경 2mm, 0.425mm, 0.075mm 통과 중량 백분율을 기록하고, 다음 표에 주어진 입경 범위별 성분의 중량 백분율도 기록한다.

시료의 최대 입경도 기록한다.

결과는 통과 백분율 대 체 눈금 그래프로 표시된다. 그래프에서 체 눈금은 로그 눈금이다. 각 체를 통과하는 골재의 백분율을 구하기 위해 각 체에 잔류하는 백분율을 다음 식으로 구한다.

%잔류 = W_체 / W_총계 × 100%

(W_체는 체 내 골재의 질량, W_총계는 골재의 총 질량)

다음으로, 각 체에 잔류하는 골재의 누적 백분율을 구한다. 이는 각 체에 잔류하는 골재의 총량과 이전 체의 양을 더하여 계산한다. 골재의 누적 통과 백분율은 100%에서 누적 잔류 백분율을 빼서 구한다.

%누적 통과 = 100% - %누적 잔류

이 값들을 y축에 누적 통과 백분율, x축에 로그 체 크기를 사용하여 그래프에 표시한다.^[6]

%통과 식에는 두 가지 버전이 있다. 0.45 차수 식은 0.45 차수 입도 분포도에, 더 간단한 %통과 식은 반대수 입도 분포도에 표시된다.

0. 45 차수 통과 백분율 식:

% 통과 = P_i = 체_최대 / 골재_최대크기 × 100%

(체_최대는 사용된 가장 큰 직경 체(mm), 골재_최대크기는 샘플에서 가장 큰 골재 조각(mm))

통과 백분율 식:

%통과 = W_아래 / W_총계 × 100%

(W_아래는 현재 체 아래 체 내 골재의 총 질량, W_총계는 샘플 내 모든 골재의 총 질량)

입도 분포는 겉보기 밀도, 물리적 안정성, 투수성을 포함한 골재의 여러 특성에 영향을 미친다. 입도 분포를 신중하게 선택하면 높은 겉보기 밀도, 높은 물리적 안정성 및 낮은 투수성을 얻을 수 있는데, 이는 포장 설계에서 시공 가능하고 안정적이며 내수성이 있는 혼합물이 중요하기 때문이다.

개방 입도 분포의 경우 미세 입자가 부족하여 겉보기 밀도가 상대적으로 낮고, 물리적 안정성은 보통이며, 투수성은 매우 높다. 입도가 풍부한 경우 겉보기 밀도도 낮고, 물리적 안정성은 낮으며, 투수성도 낮다. 따라서 입도 분포는 특정 공학적 적용 분야에 필요한 특성을 얻도록 조정할 수 있다.^[8]

체 분석은 주어진 토양 시료의 입도 분포를 결정하여 토양의 기계적 특성을 쉽게 파악할 수 있도록 돕는다. 이러한 기계적 특성은 주어진 토양이 제안된 공학적 구조를 지지할 수 있는지 여부를 결정하며, 토양에 적용할 수 있는 수정 사항과 최대 토양 강도를 달성하는 최적의 방법을 결정하는 데에도 활용된다.

6. 입도 구분에 따른 분류

입도분포 곡선에서 입경 2mm, 0.425mm, 0.075mm 통과 중량 백분율을 기록한다. 다음 성분의 중량 백분율도 기록한다.

시료의 최대 입경도 기록한다.

; 조밀 입도

: 조밀 입도는 다양한 크기의 골재가 거의 동일한 양으로 혼합된 시료를 말한다. 조밀 입도를 가지면 재료 사이의 대부분의 공극이 입자로 채워진다. 조밀 입도는 입도 분포 그래프에서 완만한 곡선을 나타낸다.^[8]

; 좁은 입도

: 균등 입도라고도 하며, 좁은 입도는 거의 동일한 크기의 골재로 이루어진 시료이다. 입도 분포 그래프의 곡선은 매우 가파르며 골재의 작은 범위에 걸쳐 있다.^[6]

; 갭 입도

: 갭 입도는 중간 크기 범위의 골재가 거의 없는 시료를 말한다. 이로 인해 조립 골재와 세립 골재만 존재하게 된다. 입도 분포 그래프에서 곡선은 중간 크기 범위에서 수평을 이룬다.^[6]

; 개방 입도

: 개방 입도는 세립 골재 입자가 거의 없는 골재 시료를 말한다. 이렇게 되면 세립 입자가 공극을 채우지 못하기 때문에 많은 공극이 발생한다. 입도 분포 그래프에서는 작은 크기 범위에서 수평을 이루는 곡선으로 나타난다.^[6]

; 풍부 입도

: 풍부 입도는 작은 크기의 입자 비율이 높은 골재 시료를 말한다.^[8]

7. 체 분석의 한계

체 분석은 일반적으로 입자 크기에 따라 재료의 품질을 모니터링하기 위해 수십 년 동안 사용되어 왔다. 조대 재료의 경우 #100 메쉬(150μm)까지의 크기에 대해 체 분석 및 입도 분포가 정확하고 일관성이 있다.

그러나 100 메쉬보다 더 미세한 재료의 경우 건식 체 분석은 상당히 덜 정확할 수 있다. 이는 입자가 구멍을 통과하는 데 필요한 기계적 에너지와 입자 자체 간, 그리고 입자와 스크린 간의 표면 인력이 입자 크기가 감소함에 따라 증가하기 때문이다. 분석된 재료가 액체의 영향을 받지 않는 경우(분산시키는 경우 제외) 습식 체 분석을 활용할 수 있다. 적절한 액체에 입자를 현탁시키면 건조 재료를 흔드는 것보다 미세 재료가 체를 훨씬 더 효율적으로 통과한다.

체 분석은 모든 입자가 둥글거나(구형) 거의 둥글며 입자 직경이 스크린의 정사각형 구멍 크기보다 작으면 정사각형 구멍을 통과한다고 가정한다. 길쭉하고 평평한 입자의 경우 체 분석은 신뢰할 수 있는 질량 기반 결과를 생성하지 못하는데, 보고된 입자 크기는 입자가 구형이라고 가정하지만, 실제로는 길쭉한 입자가 끝이 닿은 상태로 스크린을 통과할 수 있지만 옆면이 닿은 상태에서는 그렇게 하지 못할 수 있기 때문이다.

8. 체 분석 방법의 종류

체 분석에는 여러 가지 방법이 있으며, 측정할 재료에 따라 적절한 방법을 선택해야 한다.
던짐 동작 체 분석 (Throw-action sieving)시료에 수직적인 던짐 동작과 원운동을 가하여 체 표면에 시료를 분산시키는 방법이다. 입자가 위로 던져졌다가 자유 회전하며 떨어지면서 체의 구멍과 상호작용한다. 입자가 구멍보다 작으면 체를 통과하고, 크면 다시 던져진다. Throw-action sieving^영어 최신 체 진동기는 전자기 구동 장치를 사용하여 진동을 체 스택에 전달한다. 진폭과 체질 시간은 디지털 방식으로 설정 및 지속적으로 관찰되므로, 재현 가능하고 정확한 결과를 얻을 수 있다. 이 방법은 실험실에서 가장 일반적으로 사용된다.^[7]
수평 체 분석 (Horizontal sieving)체 스택이 평면에서 수평 원운동을 하는 방법이다. 바늘 모양, 평평한, 길거나 섬유질 형태의 시료에 주로 사용된다. 수평 방향 운동으로 인해 입자들이 메쉬에 잘못된 방향으로 들어가는 경우가 적어 체가 빠르게 막히지 않는다. 넓은 체 분석 면적은 많은 양의 시료를 체 분석할 수 있게 해주므로, 건설 자재 및 골재의 입도 분석에 유용하다. Horizontal sieving^영어
태핑 체 분석 (Tapping sieving)수평 원운동에 수직적인 태핑 충격을 더하는 방법이다. 손으로 체질하는 것과 유사하며, 연마재와 같이 밀도가 높은 입자에 대해 더 높은 수준의 체질을 생성한다. Tapping sieving^영어

참조

_[1] 서적 Construction Materials for Civil Engineering https://books.google[...] Juta and Company Ltd 2000
_[2] 서적 Albright's Chemical Engineering Handbook https://books.google[...] CRC Press 2008-11-20
_[3] 서적 Characterisation of bulk solids CRC Press 2005
_[4] 웹사이트 ASTM C136-06 http://www.astm.org/[...] ASTM International - Standards Worldwide 2006
_[5] 웹사이트 T0 27 http://bookstore.tra[...] AASHTO The Voice of Transportation 2006
_[6] 웹사이트 Gradation Test http://pavementinter[...] Pavement Interactive 2007
_[7] 웹사이트 Test Procedure for Sieve Analysis of Fine and Coarse Aggregates https://ftp.dot.stat[...] Texas DOT 2016-01
_[8] 서적 Materials for Civil and Construction Engineers Addison-Wesley 1999
_[9] 서적 Test sieves -- Technical requirements and testing -- Part 1: Test sieves of metal wire cloth http://www.iso.org/i[...] ISO
_[10] 서적 Test sieves -- Technical requirements and testing -- Part 2: Test sieves of perforated metal plate http://www.iso.org/i[...] ISO
_[11] 서적 Standard Specification for Woven Wire Test Sieve Cloth and Test Sieves http://www.astm.org/[...] ASTM International
_[12] 문서 조립분
_[13] 문서 세립분