[논문]단입자파쇄강도에 기초한 화강풍화토의 압축특성에 미치는 수분의 영향

함태규; 김욱기

doi:10.7843/kgs.2008.24.11.101

문제 정의

본 논문에서는 침수로 인한 화강풍화토의 압축 성의 변화 정도를 명확히 하기 위하여,입자 강도 특성에에 주목해 단입자파쇄시험 및 일차원압축시험을 실시하였다. 본 연구에서 도출한 결론은 다음과 같다.
제1파쇄강도(。掃는 각각의 광물(석영, 장석, 유색광물) 3。에 상응되는 입자를 사용해 실시한 광물별 제1 파쇄강도의 평균값을 의미하고, 呉初은 광물별 평균값 (0函)과 그림 2에 나타내고 있는 광물 조성의 중량비를 고려하여 산출한 평균 제1파쇄강도를 의미한다. 본 연구에서는 0血诚을 이용하여 광물 조성이 서로 다른 화강풍화토의 단입자강도특성을 평가하였다. 표 2로부터 전 시료에 있어 정도의 차이는 있으나 평균 제1 파쇄 강도 특성에는 침수로 인한 영향이 나타나는 것을 알 수 있다.
본 연구에서는 단 입자 파쇄 강도에 미치는 물의 영향을 조사하기 위하여 각 시료에 포함되어 있는 광물(석영 장석, 유색광물)별로 30개 이상의 입경 Da에 해당하는 입자에 대하여 기건 및 습윤 상태에서 단 입자파쇄시험을 실시하였다. 또한 입자파쇄 패턴의 가시화를 위하여 Silica와 SIM] 대해서는 입경 D90에 상응하는 l.
본 연구에서는 시료에 함유되어 있는 1차 광물 및 점토광물의 종류를 조사하기 위하여 X선회절 시험을 실시하였다(그림 2 참조). 그림 2로부터 Silica는 석영과 운모로 조성되어 있고, SD와 UBE, MA는 모두 석영, 장석, 운모, 그리고 점토광물인 카올리나이트(kaolinite)로 조성되어 있는 것으로 확인되었다.
또한 그 적용성은 Yasuhuku 등 (1985)과 村田 등(1987)에 의해 확인되었다. 본 연구에서는 실험방법이 용이한 강열감량을 이용하여 본 연구에서 사용된 화강풍화토의 풍화 도를 조사하였다. 강열감량은 JIS A 1226 (KS F 2104)에 의거하여 실시되었고, 건조로에서 건조시킨 시료를 750℃의 강열감량형건조로에서 한 시간 건조시킨 후 강열전후의 질량 차로 조사되었다.
본 연구에서는 입자표면의 단 입자 파쇄 특성을 의미하는 제1파쇄강도특성에 주목해 입자의 파쇄 특성에 미치는 수분의 영향을 조사하였다.
본 연구에서는 풍화도 와 광물 조성이 서로 다른 3종류의 화강풍화토와 석영으로 구성되어 있는 Silica를 대상으로, 기건, 습윤상태의 단입자파쇄시험과 일차원압축시험을 실시하여 수분에 의해 야기되는 압축특성의 변화 정도를 입자파쇄강도에 주목하여 규명하였다. 침수로 인한 화강풍화토의 입자 강도 특성 변화정도와 압축 특성과의 관계를 명확히 하는 것은 화강풍화토의 물리적 특성을 더욱 명확히 이해할 뿐 아니라, 화강풍화토를 이용해 제작된 토목구조물의 호우로 인해 발생되는 침하 거동을 예측하는데 중요한 정보를 제공한다고 할 수 있다.
수 있을 만큼 적다고 할 수 있다. 즉 일차원압축시험 중 침수로 인해 압축성이 증가하는 것은 석션 이외의 다른 요인에 의한 것으로 추론할 수 있고, 본 연구에서는 일차원압축시험 시 발생되는 입자파쇄특성에 주목하여 연구를 진행하였다. 일차원압축시험 중에 발생하는 파쇄량을 조사하기 위하여 표면적증가량(三浦.

제안 방법

그림 2로부터 Silica는 석영과 운모로 조성되어 있고, SD와 UBE, MA는 모두 석영, 장석, 운모, 그리고 점토광물인 카올리나이트(kaolinite)로 조성되어 있는 것으로 확인되었다. X선 회절 결과를 이용해 각 시료의 평균 입경 00을 분리시켜, 광물을 석영, 장석, 유색광물의 3종류로 분류한 후 각 광물의 질량을 측정함으로 각 시료에 포함되어 있는 광물의 조성비를 조사하였다. 그 결과를 그림 3에 나타내었다.
본 연구에서는 실험방법이 용이한 강열감량을 이용하여 본 연구에서 사용된 화강풍화토의 풍화 도를 조사하였다. 강열감량은 JIS A 1226 (KS F 2104)에 의거하여 실시되었고, 건조로에서 건조시킨 시료를 750℃의 강열감량형건조로에서 한 시간 건조시킨 후 강열전후의 질량 차로 조사되었다. 그 결과를 표 1에 나타내었다.
그림 6과 같이 하중과 변위 관계에 있어 최초로 출현 되는 피크하중을 孔, 최대피크하중을 呂로 정의하고 이것을 이용하여 단 입자파쇄시험 결과를 분석하였다.
즉 일차원압축시험 중 침수로 인해 압축성이 증가하는 것은 석션 이외의 다른 요인에 의한 것으로 추론할 수 있고, 본 연구에서는 일차원압축시험 시 발생되는 입자파쇄특성에 주목하여 연구를 진행하였다. 일차원압축시험 중에 발생하는 파쇄량을 조사하기 위하여 표면적증가량(三浦. 山内, 1977)을 이용하여 정리하였다.
일차원압축시험은 직경 50mm의 링 안에 높이 10mm 로 소정의 상대 밀도를 목표로 공시 체를 제작하여 재하속도 O.lmm/min으로 연직하중을 증가시키는 시험으로, 본 연구에서는 일차 원 압축 특성에 미치는 물의 영향을 조사하기 위하여 기건상태와 습윤상태의 공시체를 사용하여 최대하중 90MPa까지 시험을 실시하였다. 본 연구에서는 건조시킨 시료를 상대 밀도 Dr=90% 가 되도록탬핑법으로 제작한 공시 체를 ''기건상태”, 건조시킨 시료에 포화도 Sr=100%가 되도록 물을 첨가하여 기건상태와 동일한 에너지로 탬핑법에 의해 제작한 시료를 “습윤상태”로 정의하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 풍화 도가 서로 다른 3종류의 화강풍화토의 2mm체 통과분과, 비교를 목적으로 0.18-2.0mm 로 입도분포를 조정한 비교적 입자 강도가 강한 三河珪砂(Mikawakeisa)의 실리카(Silica)를 시험에 사용흐]였다. 사용된 화강풍화토는 인천시 송도에서 채취한 송도화강풍화토, 일본 야마구치현(山口県) 우베시(宇部市)에서 채취한 우베화강풍화토, 그리고 시마네현(島根県) 마츠에시(松江市)에서 채취한 마츠에화강풍화토로 이하 3종류의 화강풍화토를 “SD”, “UBE”, “MA”, 三河珪砂를 “Silica”라고 칭한다.
0mm 로 입도분포를 조정한 비교적 입자 강도가 강한 三河珪砂(Mikawakeisa)의 실리카(Silica)를 시험에 사용흐]였다. 사용된 화강풍화토는 인천시 송도에서 채취한 송도화강풍화토, 일본 야마구치현(山口県) 우베시(宇部市)에서 채취한 우베화강풍화토, 그리고 시마네현(島根県) 마츠에시(松江市)에서 채취한 마츠에화강풍화토로 이하 3종류의 화강풍화토를 “SD”, “UBE”, “MA”, 三河珪砂를 “Silica”라고 칭한다. 표 1에 본 연구에서 사용된 시료의 물리적 특성을 나타내었^, 그림 1에 시료의 초기 입도 분포 곡선을 나타내고 있다.

이론/모형

西松, 1971), 파쇄 하중을 직접 측정할 수 있는 가압 판을 이용해 얻은 파쇄 하중을 입자의 접촉면적으로 나누는 방법(Hobbs, 1963), 입자를 14면체로 가정하여 가압 판과 입자의 접촉면적을 산줄하여 파괴하중을 구하는 방법(福本, 原, 1998) 등이 있다. 본 연구에서는 加登 등(2001)과 같이 재하 하중을 입자 초기높이 자승으로 나누는 방법 (MecDowll 등, 1996)을 적용시켜 식 (1) 을 이용해 최대파쇄 강도 o/를정의하였다.

성능/효과

(1) 석영과 장석의 최대파쇄 강도 특성에 침수의 영향이 확인되지 않는 반면, 입자 표면의 강도를 의미하는 제1 파쇄 강도 특성에는 침수의 영향이 현저히 나타나는 것으로 확인되었다.
(2) 기건, 습윤상태 모두 강열감량이 큰 화강풍화토는광물조성을 고려하여 산정한 평균 제1 파쇄 강도가 작은 값을 나타내는 상관관계가 확인되었다.
(3) 광물 조성을 고려하여 산정된 평균 제1 파쇄 강도는 입자가 침수됨에 따라 저하되고, 풍화가 진행된 화강풍화토일수록 그 저하 정도는 크다.
(4) 화강풍화토의 일차원압축시험 중에 발생되는 침수로 인한 압축성의 증가는 입자 강도의 저하로 인한 입자파쇄 증가가 주요 원인이다.
(5) 일차 원 압축 특성에 나타나는 침수로 인한 압축 성의 증가 정도는 평균 제1파쇄강도특성에 의존되며, 그 증가 정도는 풍화가 진행된 화강풍화토일수록 현저하게 나타난다.
여기에서 Ocm-a//(wetyOcm-a«(<lry)4r 광물조성을 고려한 침수로 인한 평균 제1파쇄강도의 저하정도를 의미한다. 강열감량과 평균 제1파쇄강도로부터 기건, 습윤상태 모두 강열감량이 큰 화강풍화토는 작은 평균 제1 파쇄 강도를 나타내는 좋은 상관관계가 확인되었다. 또한, 모든 시료에 있어 습윤상태의 평균 저H파쇄강도는 기건상태보다 저하되는 경향을 보였고, 이것은 久保(1971)에 의해 밝혀진 기계화학(Mechanochemistry) 개념 중 “물은 입자 표면의 에너지를 저하시키는 작용이 강한 액체”인 것에 그 원인이 있다고 할 수 있다.
그림 10으로부터 Silica는 기건, 습윤상태 모두 동일한 곡선을 나타내는 것을 알 수 있다. 또한 3종류의 화강풍화토는 기건상태에서는 거의 동일한 압축특성을 나타내는 반면, 습윤상태에서의 압축성은 모든 시료에 있어 기건상태보다 증가하고 있으며, 시료의 종류에 따른 압축 특성의 차이가 현저히 나타나는 것을 알 수 있다. 연 직 응력«对 20MPa에 있어 습윤상태의 축변형율(&)은 Silica는 11.
그림 3으로부터 Silica는 석영이 96%로 광물의 대부분이 석영으로 구성되어 있는 것을 알 수 있다. 또한, UBE와 SD는 비슷한 광물조성을 나타내며, M仏는 장석이 70%를 차지하고 있는 것으로 확인되었다.
본 연구에서 실시한 일차원압축시험 중 기건 상태는 포화도(Sr)가 0%, 습윤상태는 포화상태(Si=100%)에 매우 가까우므로 공시 체에 작용하는 석션의 영향은 무시할 수 있을 만큼 적다고 할 수 있다. 즉 일차원압축시험 중 침수로 인해 압축성이 증가하는 것은 석션 이외의 다른 요인에 의한 것으로 추론할 수 있고, 본 연구에서는 일차원압축시험 시 발생되는 입자파쇄특성에 주목하여 연구를 진행하였다.
그림 7로부터 석영은 기건 및 습윤상태 모두 하중이 증가됨에 따라 1회의 피크가출현되고 최대피크하중에서 2, 3개의 입자로 파쇄가 일어나는 패턴(즉 0/ 만이 출현 되는 패턴)과 하중 증가에 따라 입자의 끝단이 서서히 파쇄된 후 입자의 중심이 파쇄 되어 이때 최대피크 하중이 줄현되는 패턴(즉 Oc 이 나타난 후 0/■가 나타나는 패턴)의 두 가지 패턴이 주류를 이루고 있는 것을 알 수 있다. 습윤상태에 있어서 석영의 최대피크하중은 기건상태와 비교해 약간 큰 입자파쇄로 인한 입경의 감소율(&必°)에서 출현되는 경향이 있는 것으로 확인되었다. 또한 장석에 있어서는 기건, 습윤상태 모두 흐卜중이 증가됨에 따라 입자의 돌기 부분의 파쇄가 발생된 후 중심 부분의 파쇄가 발생되어 피크 하중이 출현되는 패턴(즉 Q이 나타난 후 0/가 나타나는 패턴)。] 주류를 이루고 있는 것으로 확인되었다.
그 결과를 표 1에 나타내었다. 실험 결과로부터 강열감량은 SD, UBE, MA, Silica 순으로 SD의 풍화 도가 가장 높은 것을 확인할 수 있다.
유색광물은 피크 하중이 출현 되지 않고 하중이 증가됨에 따라 입자가 서서히 파쇄되는 패턴만을 나타내는 것으로 확인되었다.
0%, 10%에 있어서는 강열감량이 큰 시료일수록 현저히 저하되는 경향이 있는 것으로 확인되었다. 이로써, 일차 원 압축 특성에 나타나는 침수로 인한 압축성의 증가 정도는 평균 제1파쇄강도특성에 의존되며, 그 증가 정도는 풍화가 진행된 화강풍화토 일수록 현저히 나타나는 결론을 도출할 수 있다.
이상의 결과는 화강풍화토를 사용한 성토와 같은 토구 조 물에 있어 화강풍화토의 종류에 있어서는 예측할 수 없는 침하를 유발할 가능성이 있다는 것을 시사한다.
이상의 결과로부터 석영과 장석의 최대파쇄 강도 특성에 침수의 영향이 확인되지 않는 반면 입자표면의 강도를 의미하는 저H파쇄강도특성에는 침수의 영향이 현저히 나타나는 것으로 평가되었다.
또한, 모든 시료에 있어 습윤상태의 평균 저H파쇄강도는 기건상태보다 저하되는 경향을 보였고, 이것은 久保(1971)에 의해 밝혀진 기계화학(Mechanochemistry) 개념 중 “물은 입자 표면의 에너지를 저하시키는 작용이 강한 액체”인 것에 그 원인이 있다고 할 수 있다. 침수로 인한 평균 제1 파쇄 강도 저하정도를 의미하는 喝M(wet)/o까赫町) 는 Silica가 0.9, MA가 0.82, UBE가 0.77, SD가 0.69로, 광물조성을 고려하여 산정한 평균 제1파쇄강도는 입자가 침수됨에 따라 저하되고, 풍화가 진행된 화강풍화토일수록 그 저하 정도가 큰 것으로 평가되었다.

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