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표제지
목차
요약문 3
Executive Summary 4
제1장 연구개요 16
제2장 X-ray 영상 및 CT 기술 현황 파악 20
1. X선 영상 20
1.1. X선의 원리 20
1.2. 감쇠계수(Attenuation coefficent) 22
1.3. 디지털 영상 평가 24
2. X-ray CT의 영상 29
2.1. CT의 원리 29
2.2. CT의 재구성알고리즘의 기초연구 34
2.3. CT의 영상의 3차원 가시화 기법 37
제3장 산업용 X-ray CT 시스템의 보정 및 최적화 39
1. 보유 장비 현황 및 성능평가를 위한 팬텀 제작 39
1.1.Micro X-ray CT 장비 구축 현황 39
1.2. 성능평가를 위한 팬텀 제작 46
1.3. 디지털 시스템 성능 평가 실험 및 결과 53
2. 소프트웨어 보정 62
2.1. 링 아트펙트(Ring Artifact) 보정 62
제4장 X-ray CT를 활용한 건설재료의 정량적 분석 기법 개발 64
1. 정량적 분석 기법 개발 64
1.1. 건설재료의 정량적 분석 기법 64
1.2. X-ray CT를 이용한 시멘트계 재료의 기포간격계수 측정 65
1.3. X-ray CT를 이용한 시멘트계 재료의 페이스트-공극 분포 정량화 79
1.4. X-ray CT를 이용한 온도에 따른 콘크리트 내부 구조변화 특성파악 89
1.5. 다공질 사암의 마이크로 스케일 공극 구조 가시화 및 골격화(Skeletonization) 100
1.6. 다공질 매체의 상분리 기술 106
1.7. 건설재료 내부 다상(Soild-Air-Liquid) 분리 기술 107
1.8. X-ray CT를 이용한 암석 이방성 특성 평가 108
2. X-ray CT용 삼축 동적 거동 모니터링 시스템 구축 118
제5장 다공질 건설재료의 공극구조 특성화 120
1. 서론 120
2. 이미지 기반 크기 분포 특성 분석을 위한 이론적 배경 123
2.1. 이미지 처리 방법 123
3. 이미지 분석을 위한 실험 재료 및 장비 142
3.1. 사용 재료 142
3.2. 사용 장비 143
3.3. 실험 방법 145
3.4. 결과 및 토의 147
3.5. SCL 알고리즘 적용을 위한 민감도 분석 149
3.6. 공극 및 입자 크기 분포 기법을 이용한 정량화 160
제6장 다공질 재료의 공극특성과 수리ㆍ역학적 특성 상관관계 166
1. 서론 166
2. 다공질 사암의 공극특성 및 이방성 이론적 배경 169
2.1. 다공질 사암의 공극특성 169
2.2. 사암의 이방성 170
2.3. 횡등방성 암석 특징 171
3. 암석실험 및 X-ray CT 이미지 분석 174
3.1. 실험개요 174
3.2. X-ray CT 이미지 분석을 통한 공극구조 분석 176
3.3. 실험방법 및 평가방법 182
3.4. 실험결과 및 고찰 185
3.5. X-ray CT 이미지 분석 및 고찰 185
3.6. 물리적 특성 분석 및 고찰 200
3.7. 종합고찰 210
제7장 종합결론 212
참고문헌 216
[부록 1] 기본 원소의 물질 상수 225
[부록 2] 화합물의 구성원소 및 물질상수 228
[부록 3] 광물의 기본 물성 데이터 233
[부록 4] 광물의 선형감쇠계수 데이터 239
판권기 262
표 2.1. CT 장치의 발전과정을 보여주는 세대 분류 30
표 3.1. MXR-320HP/11AX 의 사양 41
표 3.2. 225 kV Micro-focus X-ray tube와120 kV Nano-focus X-ray tube의 사양 42
표 3.3. XRD 1621 AN3 ES의 사양 44
표 3.4. Manipulator의 사양(Specification) 45
표 3.5. 서브모터의 사양 46
표 3.6. JIMA Gauge의 사양(Specification) 47
표 3.7. Edge 팬톰(phantom)의 사양 48
표 3.8. X선 MTF 측정용 차트의 종류 및 주파수 범위 49
표 3.9. 구형파형 차트의 사양 (Line Pairs/mm value for each Resolution Group) 50
표 3.10. QRM-Micro CT의 각 부분의 크기 51
표 3.11. QRM-Micro CT-Barpattern-Phantom(resin)의 사양(Specifications) 51
표 3.12. Multi-hole 사각팬톰의 사양(Specification) 52
표 3.13. 'A' 부분 치수 53
표 3.14. 영상대조도 측정 실험 결과(관전압 90 kVp 100 μA 조사시간 1 sec) 57
표 3.15. CT 해상도 측정 촬영조건 61
표 4.1. ASTM C457에 따른 공기 간극 철도 공식의 요약 71
표 4.2. 추정 공기 간극 척도 75
표 4.3. 시편의 공극 특성 81
표 4.4. Power 간격계수와 비교한 CDF의 95번째 백분위 값 88
표 4.5. Composition and properties of OPC for specimens 90
표 4.6. 삼축 셀의 사양 119
표 5.1. 오일러 테이블 136
표 5.2. 골격화 알고리즘 흐름도 137
표 5.3. 사용된 재료 정보 142
표 5.4. 225kV X-ray 발생장치 장비 사양 144
표 5.5. XRD 검출기 장비 사양 144
표 5.6. 실험 변수와 실험 설정 조건 146
표 5.7. 실제 비즈 부피와 이진화 이미지에 나타난 부피값의 비교 147
표 5.8. 이진화 이미지 정보 148
표 5.9. 해상도 변화에 따른 SCL 알고리즘 적용 결과(1개 비즈) 적용 150
표 5.10. 테스트 2D 이미지에서 해상도를 달리한 SCL 결과 153
표 5.11. 해상도 수준에 따른 테스트 이미지에 대한 SCL 알고리즘 적용 결과 155
표 5.12. 민감도 분석에 사용된 2D 이미지 정보 157
표 5.13. SCL 알고리즘 입력변수에 따른 공극의 크기 분포 결과값 변화(Ⅰ) 159
표 5.14. SCL 알고리즘 입력변수에 따른 공극의 크기 분포 결과값 변화(Ⅱ) 160
표 5.15. 베레아 사암 3차원 이미지 정보와 PSD 결과 164
표 6.1. 암석종류에 따른 투수율 (Jaeger, Cook & Zimmerman, 2007) 170
표 6.2. 베레아 사암의 광물 조성비 174
표 6.3. X-ray CT 장비 사양 178
표 6.4. 베레아 사암 X-ray CT 촬영조건 179
표 6.5. 평균 공극 반지름 크기 및 표준편차 (θ＝0°) 194
표 6.6. 평균 입자 반지름 크기 및 표준편차 (θ＝0°) 195
표 6.7. 평균 공극 반지름 크기 및 표준편차 (θ＝90°) 198
표 6.8. 평균 입자 반지름 크기 및 표준편차 (θ＝90°) 198
표 6.9. 베레아 사암 일축압축 강도 측정 결과 201
표 6.10. 투수실험에 의한 투수율 측정 결과 207
표 6.11. 실험결과 및 이미지 분석결과 비교 (θ＝0°, 45°, 90°) 211
그림 1-1. 한국건설기술연구원이 보유한 Micro X-ray CT 장비 18
그림 1-2. X-ray CT 기반 평가를 위한 건설재료 DB 구축의 목표 18
그림 1-3. X-ray CT 기반 평가를 위한 건설재료 DB 구축 과정 19
그림 2-1. X선 발생 원리 20
그림 2-2. 전자선과 표적(Target)의 상호 작용 21
그림 2-3. 공기의 질량 감쇠계수 23
그림 2-4. 대조도의 정의 25
그림 2-5. 저 대조도와 고 대조도 비교 25
그림 2-6. 해상도(또는 분해능)의 정의 26
그림 2-7. 노이즈(Noise)의 정의 27
그림 2-8. 양자화검출효율(detective quantum efficiency; DQE) 측정 과정 29
그림 2-9. 최초의 두상 컴퓨터단층촬영(1970년대 영국 Hounsfield) 30
그림 2-10. CT 단면를 이루는 각 구성물질의 감약에 의해 얻어지는 X선 강도 32
그림 2-11. 컴퓨터단층촬영(CT)의 주요 개요도 33
그림 2-12. 공간영역에서 데이터 처리 방식 35
그림 2-13. 콘빔 스캔(cone beam Scan) 방식 35
그림 2-14. FDK( Feldkamp, Davis, and Kress)방법의 계략도. (Approximate X-ray cone beam reconstruction algorithm) 36
그림 2-15. MPR(multi planar reformatting) 기법의 3차원 영상기법 38
그림 3-1. Micro-X선관의 종류 39
그림 3-2. MXR-320HP/11AX 외관 40
그림 3-3. 225 kV Micro-focus X-ray tube(좌) 와 120 kV Nano-focus X-ray tube(우) 41
그림 3-4. 디지털 X선 영상장치의 구성 요소 및 구성도 43
그림 3-5. 구동축(Manipulator) 45
그림 3-6. JIMA Gauge의 모습 및 개념도 47
그림 3-7. Edge 팬텀(phantom) 48
그림 3-8. 구형파형 차트(좌) 및 획득된 구형파 차트의 X선 영상 50
그림 3-9. QRM-Micro CT 구성 요소 50
그림 3-10. QRM-Micro CT의 Line 패턴 51
그림 3-11. Multi-hole 사각팬톰 52
그림 3-12. Rod Mount 설계도면 53
그림 3-13. Rod Mount 제작 53
그림 3-14. X선 시스템 평가 모습 54
그림 3-15. 120 kVp 관전류 100 μA, 200 μA, 300 μA의 JIMA 54
그림 3-16. 90 kVp 관전류 100 μA, 200 μA, 300 μA의 JIMA 55
그림 3-17. Edge 영상 측정법에 의한 1차원 변조전달함수를 구하는 과정의 모식도 55
그림 3-18. MTF 측정결과 (10%의 MTF ＝ 1.97 lp/mm) 56
그림 3-19. 획득한 구형파 차트(a), corrected X-ray image data (b) 57
그림 3-20. 투영된 구형파 차트의 Profile 57
그림 3-21. 공간 주파수와 대조도의 관계 그래프 58
그림 3-22. NPS 측정 관련 수식 59
그림 3-23. NPS 측정 결과 60
그림 3-24. xz축으로 재구성된 QRM-Micro CT(Barpattern-Phantom) 61
그림 3-25. QRM-Micro CT(Barpattern-Phantom)의 3D 볼륨렌더링 61
그림 3-26. 현무암 CT 이미지상의 Rig artifact의 형상 62
그림 3-27. FFT filtering를 이용한 Ring artifact 제거 과정 63
그림 3-28. 최종 Ring 제거된 샘플이미지와 제거된 Ring 패턴 이미지 63
그림 4-1. 광물의 감쇠계수 계산 과정 65
그림 4-2. 시험 대상 시편들의 간극 시스템의 3D X-ray CT 영상 68
그림 4-3. 2D 단면 영상. (어두운 spot들은 간극, 밝은 spot은 cement 매트릭스를 말함.) 69
그림 4-4. Ring Artifact 제거 영상처리 절차 69
그림 4-5. 이진화된 영상 70
그림 4-6. 3D CT 영상으로부터 도출된 트래버스 선 및 단면 영상 선택을 위한 다이어그램 71
그림 4-7. 세 개의 시편에 있어서 공기 함유율 및 간격 요인의 분포 73
그림 4-8. 세 개의 시편에 대한 트래버스 선의 수 I에 따른 공기 함유율 및 간격 요인의 평균 및 한 개의 표준편차의 변이 73
그림 4-9. 평균 공기 함유율 및 간격 요인의 진화 및 선택된 영상의 증가하는 수 j. (오차 막대는 한 개의 표준편차를 나타냄) 75
그림 4-10. 이전에 보고된 자료에 적용시킨 본 연구 상의 추정 공기 간극 척도 77
그림 4-11. 공기 간극의 3D 형상 및 동등한 공기 간극 직경(5.3mm, 5.3mm, 8.9mm)의 분포 77
그림 4-12. 3D 공간에 재배치된 동등한 구형 간극 간의 거리 78
그림 4-13. X-ray 분석시 사용하는 이미지 81
그림 4-14. 시편 Non-AE, AE-1 및 AE-2의 3D 구성 83
그림 4-15. 무작위로 선택한 지점들의 변화에 따른 3개의 시험된 시편에 대한 페이스트-공극 분포의 95번째 백분위수 변화 83
그림 4-16. 등가 공극 지름 및 페이스트-공극 간격의 확률 밀도 분포 및 누적 분포 함수 84
그림 4-17. 3D 공극 시스템에 대한 선형-이동 방법의 이행 85
그림 4-18. 총 횡단 길이에 따른 간격계수 변화 86
그림 4-19. 페이스트-공극 간격에 대한 분포의 95번째 백분위수와 선형 이동 방법 및 이상화 공극에 의해 얻은 안전계수간의 비교 88
그림 4-20. Results of XRD analysis for specimens subjected to various temperatures 92
그림 4-21. SEM microstructural images of specimens tested at various temperature 92
그림 4-22. Image enhancement for minimizing beam-hardening effect 94
그림 4-23. Fracture initiation at moderate temperatures 95
그림 4-24. Fracture development at 1000℃ 95
그림 4-25. Average X-ray attenuation number according to temperature 96
그림 4-26. Profile of X-ray attenuation values along height according to temperature 97
그림 4-27. Imaging of fractures developed at 1000℃ 98
그림 4-28. Changes in density and XRD peak intensity with temperature 100
그림 4-29. 골격화의 구분 101
그림 4-30. 보로노이 다이어그램의 구성 103
그림 4-31. 보로노이 다이어그램의 알고리즘 104
그림 4-32. 베리아 사암의 Pore 골격화 105
그림 4-33. Pore 골격화의 정량적 길이 및 크기 105
그림 4-34. 다상재료의 phase 영상 106
그림 4-35. 히스토그램을 이용한 다상재료의 phase 분리 영상 106
그림 4-36. 주문진사와 오타와사의 시간의 따른 증발량의 변화 영상 107
그림 4-37. 주문진사와 오타와 사의 내부 상변화 특성 평가 107
그림 4-38. Schematic illustration of the proposed concept 111
그림 4-39. 3D virtual structue with laminated layers 111
그림 4-40. 이방성 구조의 존재와 방향성 평가 112
그림 4-41. Selected 2D silced images and 3D image of tested rock specimens 114
그림 4-42. Two-dimensional contour map of coefficient of variation for four rock specimens 114
그림 4-43. Profile of mean values along the normal vector line at the orientation of highest cov presented by solid lines 116
그림 4-44. Distribution of attenuation values when the slicing plane is located at the points A(high mean value) and B(low mean value) 117
그림 4-45. 대상 암석의 광물 분포 분석 결과 118
그림 4-46. 삼축 셀 조립 및 설치 118
그림 4-47. 베리아 사암 삼축셀을 이용한 동적 하중 실험 결과 119
그림 5-1. CT 단면을 이루는 각 구성물질의 감약에 의해 얻어지는 X선(Hsieh, 2009) 124
그림 5-2. CT number의 원리 126
그림 5-3. 콘빔의 투영(Kak and Slaney, 2001) 126
그림 5-4. 투영 결과로 나타난 패턴 (Turbell, 2001) 127
그림 5-5. 비즈와 비즈 이미지의 히스토그램 128
그림 5-6. 라벨링 알고리즘을 통해 수행 가능한 기능 128
그림 5-7. 건설재료 이진화 이미지의 3차원 모델 129
그림 5-8. 이웃 형태 130
그림 5-9. 라벨링 알고리즘 131
그림 5-10. 그룹화 된 공극들의 픽셀개수가 50개 이하로 된 경우에 제거하는 알고리즘의 적용 전, 후 133
그림 5-11. 골격화 알고리즘의 세분화 133
그림 5-12. 픽셀 주위 26개의 픽셀(Lee & Kashyap, 1994) 134
그림 5-13. 8개의 픽셀(Octant)(Lee, 1994) 135
그림 5-14. SCL 알고리즘에서의 길이 탐색 과정 138
그림 5-15. 1개의 부분적인 공극의 골격화 결과에서 적용된 SCL 결과의 예 140
그림 5-16. SCL 순서도 141
그림 5-17. 비즈(상), 베레아 사암(하) 142
그림 5-18. X-ray CT 장비 사진 143
그림 5-19. 225kV X-ray 발생장치 144
그림 5-20. 지그와 실험 기구 145
그림 5-21. 지름 5 mm, 1개의 비즈와 히스토그램 분포 147
그림 5-22. 베레아 사암의 3차원 모델 148
그림 5-23. 비즈 1개의 이미지 149
그림 5-24. 각각의 해상도에서 1개의 비즈에 적용한 SCL 결과와 비즈의 모양변화 151
그림 5-25. 로그-정규(log-normal)분포 모델로 회귀 (μ＝10.27 mm, σ＝0.3892) 152
그림 5-26. 테스트 2D 이미지 (이미지 크기＝ 3000 mm × 3000 mm, 16300 × 16300 pixels, 픽셀 길이 0.1840 mm) 152
그림 5-27. SCL 결과의 로그-정규 분포 154
그림 5-28. 픽셀 해상도에 따른 SCL 결과값 변화 156
그림 5-29. 민감도 분석을 위한 2D 이미지 157
그림 5-30. 이미지 처리 순서 162
그림 5-31. 이미지처리 후 공극과 골격화 3차원 결과 (이미지 크기 1.7436 mm × 1.7436 mm × 1.7436 mm) 163
그림 5-32. SCL방법을 이용한 공극의 3차원 모델과 크기 분포 (1) 165
그림 5-33. SCL방법을 이용한 입자의 3차원 모델과 크기 분포 (2) 165
그림 6-1. 암석의 이방성 (고재만, 1994) 171
그림 6-2. 암석의 구조적 모델(이병주 & 선우춘, 2010) 172
그림 6-3. 좌표변환 174
그림 6-4. 베레아 사암의 광학 현미경 분석 175
그림 6-5. 베레아 사암 블록 (300 mm ×300 mm) 176
그림 6-6. 시험용 시편제작 176
그림 6-7. X-ray CT 장비 177
그림 6-8. 이미지 처리 순서에 따른 결과 180
그림 6-9. 이미지 처리 과정 181
그림 6-10. Superseding algorithm을 적용한 공극크기분석 182
그림 6-11. 탄성파 속도 측정 장비 182
그림 6-12. 일축압축강도 측정 장비 183
그림 6-13. 투수실험 184
그림 6-14. 층리방향에 따라 코어링 된 베레아 사암 (D＝38 mm, H＝80mm) 186
그림 6-15. X-ray CT를 이용한 층리방향에 따른 시편 이미지 187
그림 6-16. 층리각(θ)에 따른 면공극률 분포 추이(1,024 slices) 189
그림 6-17. 단면의 면공극률 굴곡도 190
그림 6-18. 평균 면공극률과 평균표준편차 (20 slices) 191
그림 6-19. X-ray CT 종단면 이미지 및 면공극률 변화 추이(θ＝0°) 192
그림 6-20. Loose zone과 tight zone의 그레이 스케일 및 이진화 횡단면 193
그림 6-21. 베레아 사암의 공극 및 입자 크기 분포 (θ＝0°) 196
그림 6-22. X-ray CT 종단면 이미지 및 면공극률 변화 추이 (θ＝90°) 197
그림 6-23. 베레아 사암의 공극 및 입자 크기 분포 (θ＝90°) 199
그림 6-24. 베레아 사암의 P파 속도 측정 결과(그림누락) 200
그림 6-25. 베레아 사암 일축압축강도 202
그림 6-26. 불연속면이 존재하는 일반적인 암석에서의 압축강도 경향 (Al-Harthi, 1998) 203
그림 6-27. 베레아 사암과 Adamswiller 사암의 일축압축강도 비교 204
그림 6-28. 베레아 사암의 일축압축 파괴 형태 205
그림 6-29. 투수율 측정 결과 208
그림 6-30. 투수실험과 이차텐서를 통한 투수율 산정결과 209
그림 6-31. 투수율과 변동계수의 상관성 210
그림 7-1. 물리적 실험 이등방비 215
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