고온가열 압축 목재의 소할발파용 재료화를 위한 기초적 연구 = A Basic Study on Materialization of Compressed Woods at Elevated Temperature for Boulder blasting

국문 초록 (Abstract)

중·소규모의 암석 및 콘크리트 파쇄공법에 적용되는 기존 암발파 공법과 팽창성 파쇄제의 공법 등은 비산, 소음, 진동, 민원, 환경파괴, 폐기물 처리 등에서 크고 작은 문제점이 발생하게 되는데, 이러한 문제를 개선하고자 환경친화적이고 재활용률이 높으며 경제적인 재료라고 할 수 있는 건조된 목재의 팽창성을 이용하여 암석의 파쇄 가능성을 고찰하였다. 실험방법 및 분석은 Microwave로 급속 고온가열 가압된 목재의 팽윤압을 정량적으로 측정하고 이를 암석의 강도 및 기존 팽창성 파쇄재의 팽창압력과 비교·분석하여 환경친화적이며 재사용 및 재활용률이 높은 목재 파쇄재료의 적용성을 검토하였으며 결과는 다음과 같다.
(1) 예비 시험으로써 활엽수 중 임의로 선정된 Teak, Beech, Maple을 Microwave 급속 가열 후 압축하여 PVC관과 콘크리트 블록의 파쇄 가능성을 살펴본 결과 Maple만이 파쇄가 가능한 것으로 나타났으며, 파쇄 발현 시간은 함수이후 180분～360분까지로 나타났다. Maple은 두 수종에 비하여 비중과 밀도 및 표면 경도, 건조에 따른 공극률 등이 높으므로 건조·압축 후 수분 흡습을 통한 팽윤압이 높기 때문으로 판단된다.
(2) 본 시험으로써 Maple과 유사한 특성을 지닌 수종인 Ash와 Oak를 추가하여 Microwave로 가열·건조한 결과 목표로 하는 건조함수율(4～6%)과 가열 온도(100℃ 이하)를 만족하는 출력은 2㎾, 가열시간은 2～3분으로써 가공된 목재의 유연한 압축과 팽윤성을 높이기 위한 조건을 만족하는 것으로 나타났다. 또한 가열·건조 후 φ45의 압축용 몰드로 압축이 가능한 시험편은 수종에 관계없이 φ50과 φ55 였으며 φ60의 시험편은 목재의 평균 용적 수축률 범위를 크게 벗어나 압축이 불가한 것으로 나타났다.
(3) 목재의 팽윤압은 시간이 경과할수록 지속적으로 증대하는 것으로 나타났으며 수종에 상관없이 부피가 큰 목재의 팽윤압이 높은 것으로 나타났다. 또한 Ash가 Maple이나 Oak에 비하여 매우 높은 팽윤압을 나타내었으며, 수산화나트륨 수용액이 함수된 Ash φ50의 시험편은 일반수돗물이 함수된 φ55 시험편과 유사한 팽윤압을 나타내었다. 이는 수산화나트륨의 알칼리 이온이 목재의 세포내강 및 세포벽 내에 침투함으로써 팽윤되는 압력이 증가하였으며 팽윤되는 압력은 고밀도로 압축된 시험편의 탄성에너지와 부합하여 복합적인 팽윤압을 나타낸 것으로 판단된다.
(4) 시험편의 최대 팽윤압과 암석의 인장강도를 비교한 결과 φ55의 Ash와 Oak가 대상 암석의 평균 인장강도 범위를 상회하는 것으로 나타났으며 수산화나트륨 수용액이 함수된 시험편은 Maple을 제외한 전 시험편에서 암석의 인장강도를 상회하는 것으로 나타났다. 또한 팽창성 파쇄제의 팽창압과 비교한 결과 일반 수돗물이 함수된 시험편은 파쇄제의 팽창압에 미치지 못하는 것으로 나타났지만 수산화나트륨 수용액이 함수된 시험편의 경우 φ55의 Ash 및 Oak와 φ50의 Ash만이 파쇄제의 팽창압과 유사하거나 높은 것으로 나타났다. 시험편의 팽윤압이 암석의 강도 및 파쇄제의 팽창압과 유사하더라도 실질적인 파쇄를 위해서는 매우 높은 팽윤(팽창)압이 필요하므로 Ash는 소할발파용 암석의 파쇄재로써 적용이 가능할 것으로 판단된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The existing rock blasting & expansive demolition agents methods that applied to small and midium sizes of rocks & concrete demolition have caused diverse problems such as dirty scattering, noise, tremor, public complaints, environment destruction, waste treatment, and so this researcher examined the possibility of rock demolition by using the expansibility of dried woods which are environment friendly and high in recycling rate and economical to solve such problems. Test & analysis were done through quantitative measurement of swelling pressure of compressed woods at high temperature in a microwave, and comparative analysis of it with rock density & existing expansive demolition agents' expansive pressure to find out their application as demolition materials of environment friendly and high in recycling rate and following are the results.
(1) The randomly chosen Teak, Beech, Maple broadleaf trees for a preliminary test were rapidly heated, compressed and then tested of their capabilities of demolishing PVC tube and concrete blocks and the result was seen that only maple tree could do that with the time taken for demolition of 180～360minutes after functioning. It seemed to be attributed to the Maple tree' s weight, density & surface hardness, and porosity due to dryness all of which were higher compared with them of other two trees which raise the swelling pressure by moisture absorbtion after dry. compression.
(2) Ash and Oak that quite similar to maple in properties was additionally heated and dried in a microwave as the final test and showed the results that it needed 2kw of outputs, 2～3 minutes heating time to get the target drying-moisture content(4～6%) and heating temperature(below 100℃), the satisfied condition for flexible compression and higher swelling property of the processed woods. And the test specimen that could be compressed by compression molding of φ 45 after heating. drying showed φ50 and φ55 irrespective of tree species and the test specimen of φ60 got out greatly of the average capacity range of contraction percentage of woods revealing the impossibility of compression.
(3) The swelling pressure showed to increase continually as time goes by, and the bigger woods appeared to have the higher swelling pressure disregarding the tree species. And Ash showed very high swelling pressure compared with the Maple or Oak, and the Ash test specimen of φ50 hydrating sodium hydroxide aqueous solution appeared to have similar swelling pressure to that of the test specimen φ55 hydrating general tap water. It seemed to have caused by the increased swelling pressure by the alkaline ion of sodium hydroxide that has penetrated the lumen & cellular walls of woods, and the swelling pressure appeared to be complicated condition by corresponding with the elastic energy of densely compressed test specimen.
(4) The maximum swelling pressure of the test specimen and the tensile strength of rock were compared and it showed that φ55 Ash and Oak exceeded the range of average tensile strength of the target rock, and in the test specimen hydrating sodium hydroxide aqueous solution appeared to have exceeded the average tensile strength of the rock in the whole test specimen excepting Maple. When compared with the swelling pressure of expansive demolition agents, the test specimen that containing tap water appeared to be inferior to the swelling pressure of demolition agents, but in test specimen containing hydrating sodium hydroxide aqueous solution, φ55 Ash & Oak and φ50 Ash appeared to be similar or superior to the swelling pressure of demolition agents. Provided the swelling pressure of test specimen should be similar to the strength of rock or the swelling pressure of demolition agents, as a realistic demolition requires very high swelling(expansion), Ash seems to be able to act as a demolition material for boulder blasting in demolishing rock.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1. 연구배경 및 목적 1
• 2. 연구범위 및 방법 2
• Ⅱ. 이론적 고찰 4
• 1. 발파공법 4
• 가. 발파의 정의 및 목적 4
• 나. 소할발파 및 도심지 무소음·무진동 발파 5
• 다. 무진동 팽창성 파쇄제 공법 9
• 2. 고온가열 가압 목재 15
• 가. Microwave 이용 급속 고온가열 15
• 나. 목재의 수축·팽윤 특성 17
• 다. 팽윤압 측정 21
• 3. 암석의 강도 특성 24
• 가. 암석의 강도 조건 범위 24
• 나. 압축 및 전단강도 25
• 다. 인장강도 26
• Ⅲ. 실험 28
• 1. 실험 재료 및 장비 28
• 가. 목재 28
• 나. Microwave 건조장비 30
• 다. PVC관 및 콘크리트 블록 31
• 라. 계측장비 및 응력계 32
• 마. 가압 및 압축방법 33
• 2. 실험순서 및 방법 34
• 가. 실험순서 34
• 나. 실험방법 36
• 다. 실험적용 수준 38
• Ⅳ. 실험결과 및 고찰 39
• 1. PVC관 및 콘크리트 블록 파쇄 39
• 가. PVC관 파쇄 39
• 나. 콘크리트 블록 파쇄 40
• 2. Microwave 건조스케줄 및 가압 특성 41
• 가. Microwave 건조 스케줄 41
• 나. Microwave 가열 후 가압 및 압축 특성 42
• 3. 목재의 팽윤압 43
• 가. 일반 수돗물 함수 43
• 나. 수산화나트륨 수용액 함수 45
• 4. 팽윤압에 따른 암석의 파암 가능 여부 47
• 가. 암석의 인장강도와 목재의 팽윤압 47
• 나. 팽창성 파쇄제의 팽창압과 목재의 팽윤압 50
• Ⅴ. 결론 52
• 참고문헌 54
• Abstract 56