[논문]경남 함안군 백악기 이암의 동결-융해에 따른 물성변화 및 미세균열 발현특성

엄정기; 신미경

경남 함안군 백악기 이암의 동결-융해에 따른 물성변화 및 미세균열 발현특성
Variations of Physico-Mechanical Properties of the Cretaceous Mudstone in Haman, Gyeongnam due to Freeze-Thaw Weathering 원문보기

터널과 지하공간: 한국암반공학회지 = Tunnel and underground space, v.19 no.2 = no.79, 2009년, pp.146 - 157

엄정기 (부경대학교 에너지자원공학과) , 신미경 ((주)지오제니컨설턴트 자원사업부)

초록
AI-Helper

이 연구는 경상남도 함안군 일대에 분포하는 백악기 이암에 대하여 동결-융해 시험을 수행하고 동결-융해 반복 횟수의 증가에 따른 암석의 물리 역학적 특성변화를 고찰하였다. 동결-융해의 한 사이클은 24시간이며 진공 챔버에서 2시간 동안 포화시킨 시료를 $-16{\pm}1^{\circ}C$로 8시간 동결하고 상온에서 14시간 동안 융해하였다. 총 55 사이클의 동결-융해 시험 중에 물리적인 특성을 측정한 결과 비중, P파 속도는 지속적으로 감소하였으며 흡수율, 공극률은 지속적으로 증가하였다. 시험 전 풍화를 많이 받은 암석일수록 동결-융해에 따른 물성의 변화가 크며 풍화에 취약한 것으로 나타났다. 슬랩 시편에서 취득한 미세균열 트레이스의 크기 및 면적밀도는 30사이클 이후부터 급격히 증가하는 것으로 나타났다. 이는 30사이클 이후 급격히 감소하는 P파 속도의 특성과도 부합하며 암석 내부에 미세균열이 급격히 발현 확장하고 특히 층리면의 결합력이 약화되는 암석 풍화에 기인한 것으로 사료된다. 미세균열의 밀집도와 크기를 동시에 고려할 수 있는 박스 프랙탈 차원($D_B$)은 미세균열 트레이스의 변동성을 효과적으로 반영하며 중 장기적인 풍화 예측을 위한 새로운 풍화지수로 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

An experimental study of accelerated weathering on mudstone sample specimens from Haman, Gyeongnam was performed to investigate the variations of physico-mechanical properties of deteriorated rocks due to freeze-thaw weathering. Each complete cycle of freeze and thaw lasted 24 hours, comprising 2 hours of saturating in vacuum chamber, 8 hours of freezing at $-16{\pm}1^{\circ}C$ and 14 hours of thawing at room temperature. Total of 55 cycles of freeze-thaw were completed with measuring the index properties as well as geometries of microfractures. The measured specific gravity and P-wave velocity found to decrease with increasing freeze-thaw cycles. On the other hand, absorption ratio and effective porosity were continuously increased with increasing freeze-thaw cycles. It was found that the index properties of deteriorated sample specimen depend on its initial properties and flaws in rock. The size and density of the traces of the microfracture on slab specimen exhibited abrupt changes after 30 cycles of freeze-thaw weathering. The results obtained in this study show that the box fractal dimension($D_B$) given in this paper has the strong capability of quantifying the size and density of the microfracture.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

풍화 시험의 목적은 극단적인 자연환경을 인공적으로 조성하고 풍화를 가속화시켜, 이에 의한 암석의 물리･역학적 특성을 정량적으로 확인하고, 자연계에서 발생하는 풍화에 따른 암석의 특성변화를 예측하기 위함이다. 이 연구는 경상남도 함안군 일대에 분포하는 백악기 퇴적암류 중 물리적 풍화과정에 민감한 이암에 대하여 동결-융해 시험을 수행하고 다음과 같은 결론을 도출하였다.
이 연구는 최근 많은 암반공학적 결함이 제기되었던 경상남도 함안군 일대에 분포하는 백악기 퇴적암류 중 물리적 풍화과정에 민감한 이암에 대하여 동결-융해 시험을 수행하고 동결-융해 반복 횟수의 증가에 따른 암석의 물리･역학적 특성변화를 파악하는데 연구목적을 두었다.
따라서 동결-융해 후의 물리적 특성은 무결암의 물리적 특성과 비교하여 암석의 풍화 정도를 정량화하는데 이용될 수 있다. 이 연구에서는 동결-융해가 암석의 물리적 특성 변화에 미치는 영향을 파악하기 위하여 실내에서 동결-융해 과정을 반복하면서 비중, 흡수율, 유효공극률, P파속도 등의 물리적 특성을 측정하였다. 각각의 물리적 특성에 대한 측정법은 한국암반공학회 표준암석시험법(2005, 2006a, 2006b)을 사용하였다.
동결-융해 시험은 암석의 균열이나 공극 내에 물이 충분히 침투되어 있어야 효과적이다. 이 연구에서는 시료가 충분히 포화된 상태에서 동결-융해에 의한 암석의 풍화를 고찰하기 위해 진공챔버를 이용한 수침을 실시하여 시료가 충분히 포화된 상태에서 동결-융해 과정을 수행하였다. 포화 액으로는 증류수 또는 pH≒2로 희석한 황산용액을 사용하였는데, 황산용액은 산 중에서 풍화에 가장 영향을 많이 미치는 것으로 알려져 있다(장현식 외, 2004).
자연계에서 발생하는 풍화에 의한 암석의 특성변화를 예측하는 것은 시간적, 공간적 한계가 있기 때문에 매우 어려운 일이다. 풍화 시험의 목적은 극단적인 자연환경을 인공적으로 조성하고 풍화를 가속화시켜, 이에 의한 암석의 물리･역학적 특성을 정량적으로 확인하고, 자연계에서 발생하는 풍화에 따른 암석의 특성변화를 예측하기 위함이다. 이 연구는 경상남도 함안군 일대에 분포하는 백악기 퇴적암류 중 물리적 풍화과정에 민감한 이암에 대하여 동결-융해 시험을 수행하고 다음과 같은 결론을 도출하였다.

제안 방법

여기서 R-1 및 G-1은 물과 산 침수에 의한 동결-융해 특성을 파악하기 위하여 각각 R-1-1(물), R-1-2(산) 및 G-1-1(물), G-1-2(산)로 구분하였다. R-1과 G-1은 각각 물과 산에 의한 동결-융해 시험을 실시하여 물과 산에 따른 물성 변화를 고찰하였으며 나머지 R-2, G-2, G-3 시료에 대해서는 산을 이용한 동결-융해 시험을 수행하였다.
각각의 슬랩에서 DB를 산정하기 위한 초기 단계의 박스 크기는 30 × 30 mm를 1/4로 분할한 4개의 15 × 15 mm 박스이며, 다음 두 번째 단계에서는 각각의 박스를 다시 1/4로 분할하여 16개의 7.5 × 7.5 mm 박스 크기를 고려하였다.
5는 동결-융해에 따른 P파 속도의 변화이다. 동결-융해 과정 중에 이암의 특성상 층리면을 따라 시료가 여러 조각으로 파괴되어 측정이 불가한 시료는 측정이 가능한 사이클까지의 속도값만을 고려하였다. 전체적으로 P파 속도는 동결-융해 사이클이 진행됨에 따라 현저히 감소하는 것으로 나타났다.
슬랩 시편에 대한 동결-융해 시험은 물성 측정을 위해 제작된 시료와 동시에 수행되었으며 미세균열의 분포 및 발현 특성을 파악하기 위하여 동결-융해 과정 중 매 10사이클마다 슬랩 시편 표면에 대한 고해상도 디지털화상을 획득하였다. 또한 미세균열의 분포 특성을 분석하기 위해서는 디지털 화상으로부터 미세균열 좌표를 취득하였다. Fig.
터키의 Yavuz 외(2006)는 터키표준시험법에 따라 시편을 증류수에 침수하여 포화시킨 후 -20℃로 2시간 동안 동결, 20℃의 물에 2시간 동안 융해하는 과정을 한 사이클로 정하였다. 본 연구에서는 기존에 국내에서 수행된 강원도 횡성일대 셰일에 대한 동결-융해 시험(장현식 외, 2004)을 참고하여 연구지역에 적합한 온도 범위와 동결-융해 반복 주기를 설정하였다.
제작된 슬랩 시편은 표면을 연마한 후 3×3 cm의 프레임을 표시하여 동결-융해 시험에 따른 미세균열 발현양상을 고해상도로 촬영하기 위한 기준으로 설정하였다. 슬랩 시편에 대한 동결-융해 시험은 물성 측정을 위해 제작된 시료와 동시에 수행되었으며 미세균열의 분포 및 발현 특성을 파악하기 위하여 동결-융해 과정 중 매 10사이클마다 슬랩 시편 표면에 대한 고해상도 디지털화상을 획득하였다. 또한 미세균열의 분포 특성을 분석하기 위해서는 디지털 화상으로부터 미세균열 좌표를 취득하였다.
이러한 포화-동결-융해의 한 사이클은 24시간 동안 수행되었다. 시험 시작 후 10사이클 까지는 매 2 사이클마다 비중, 흡수율, 유효공극률, P파속도 등의 비파괴 물성을 측정하였으며, 10사이클 이후에는 매 5사이클 마다 측정하는 방식으로 총 55 사이클의 동결-융해 시험이 수행하였다. 각각의 시료 그룹에 대한 시험 전 비파괴 물성이 Table 1에 수록되어 있다.
이 연구에서는 디지털화상으로부터 얻어진 미세균열의 패턴에 대한 기하학적 특성(면적빈도, 크기)의 통계적 모수와 풍화 사이클 간의 상관성을 고찰하기 위해서 미세균열의 밀집도와 크기를 동시에 고려할 수 있는 박스 프랙탈 차원(D_B; 엄정기 외, 2006)을 적용하여 동결융해 과정의 반복에 따른 미세균열의 발현특성에 대한 정량화를 시도하였다. 미세균열의 밀집도와 길이분포에 따라 다르게 나타날 수 있는 프랙탈 차원을 산정하기 위한 기법으로 박스집계법(box-counting method; Feder, 1988)이 유용하게 사용될 수 있다.
5 mm 박스 크기를 고려하였다. 이와 같은 방법으로 최종 7단계까지 단계별로 미세균열 트레이스를 포함하는 박스 개수를 집계한 후 ln(N(r)) vs. ln(1/r)의 선형성을 확인하고 D_B를 산정하였다. 산정된 D_B의 신뢰도는 ln(N(r)) vs.
제작된 슬랩 시편은 표면을 연마한 후 3×3 cm의 프레임을 표시하여 동결-융해 시험에 따른 미세균열 발현양상을 고해상도로 촬영하기 위한 기준으로 설정하였다.
1(b))이며, 층리가 잘 발달되어 있다. 현장에서 채취된 괴상의 암석 및 코어시료를 암상 및 풍화상태에 따라 적색이암 두 그룹(R-1, R-2), 회색이암 세 그룹(G-1, G-2, G-3)의 총 5개 그룹으로 분류하고 괴상의 암석은 실내시추기를 이용하여 코어시료를 획득하였다. 동결-융해 사이클에 따른 물성측정용 시료는 크기와 모양의 변화에 의해 생기는 가능한 효과를 제거하기 위해 지름 50 mm, 길이 100 mm의 기본 원주형 모양으로 그룹 당 6개 이상씩 제작하였다.

대상 데이터

현장에서 채취된 괴상의 암석 및 코어시료를 암상 및 풍화상태에 따라 적색이암 두 그룹(R-1, R-2), 회색이암 세 그룹(G-1, G-2, G-3)의 총 5개 그룹으로 분류하고 괴상의 암석은 실내시추기를 이용하여 코어시료를 획득하였다. 동결-융해 사이클에 따른 물성측정용 시료는 크기와 모양의 변화에 의해 생기는 가능한 효과를 제거하기 위해 지름 50 mm, 길이 100 mm의 기본 원주형 모양으로 그룹 당 6개 이상씩 제작하였다. 시료의 풍화 등급은 기존에 발표된 분류기준(Dearman, 1974, IAEG, 1979, ISRM, 1981)을 적용하였다.
본 연구지역은 경상남도 함안군 일대로 백악기 육성퇴적층인 함안층이 분포하는 지역이다. 함안층은 1:50,000 지질도 마산도폭(김과 김, 1963), 진동도폭(박과 지, 1963), 의령도폭(최와 김, 1963) 등에서 설정되었으며, 경남 사천에서 대구에 이르기 까지 북동-남서 방향으로 분포되어 있다.
연구지역 이암의 동결-융해에 따른 미세균열의 발현 양상을 관찰하기 위한 시험편은 각각의 시료 그룹에서 층리면에 평행한 수평 및 층리면을 가로지르는 수직으로 5, 10, 15, 20 mm의 두께 및 4×4 cm 면적의 제원을 갖는 슬랩 형태로 총 48개가 제작되었다.

이론/모형

이 연구에서는 동결-융해가 암석의 물리적 특성 변화에 미치는 영향을 파악하기 위하여 실내에서 동결-융해 과정을 반복하면서 비중, 흡수율, 유효공극률, P파속도 등의 물리적 특성을 측정하였다. 각각의 물리적 특성에 대한 측정법은 한국암반공학회 표준암석시험법(2005, 2006a, 2006b)을 사용하였다. 비중, 흡수율, 공극률의 측정은 아르키메데스의 원리에 기초한 부력 이용 방법을 사용하였는데, 이는 측정 과정이 간편하며 비교적 정확한 결과를 제공하는 장점이 있다.
동결-융해 사이클에 따른 물성측정용 시료는 크기와 모양의 변화에 의해 생기는 가능한 효과를 제거하기 위해 지름 50 mm, 길이 100 mm의 기본 원주형 모양으로 그룹 당 6개 이상씩 제작하였다. 시료의 풍화 등급은 기존에 발표된 분류기준(Dearman, 1974, IAEG, 1979, ISRM, 1981)을 적용하였다. 적색이암 그룹인 R-1, R-2는 둘 다 풍화등급 중 I등급(F)에 해당하며 회색이암 그룹인 G-1, G-2, G-3은 각각 I등급(F), II등급(SW), III등급(MW) 이다.

성능/효과

1) 동결-융해 과정이 반복됨에 따라 비중, P파 속도는 감소하며 흡수율, 공극률은 증가한다. 시험 전 풍화가 진전된 암석일수록 물리적 특성의 변화가 크며 동결-융해 풍화에 취약하다.
2) 동결-융해에 따른 미세균열 트레이스의 크기 및 면적밀도는 30사이클 이후부터 급격히 증가한다. 이는 30사이클 이후 급격히 감소한 P파 속도의 특성과도 부합하며 연구지역의 이암 시료 내부에 미세균열이 급격히 발현･확장하고 특히 층리면의 결합력이 약화되는 암석 풍화에 기인한 것으로 사료된다.
3) 미세균열의 밀집도와 크기를 동시에 고려할 수 있는박스프랙탈 차원을 적용한 결과 산정된 박스프랙털 차원은 동결-융해 풍화에 따른 미세균열 트레이스의 변동성을 효과적으로 정량화할 수 있으며 연구지역의 이암은 D_B =1.4 전후에서 미세균열의 확장에 의한 슬랩 시편의 해체가 일어난다.
특히 15 사이클 이후의 흡수율은 15 사이클 이전에 비하여 급격히 증가함을 관찰할 수 있다. 50 사이클 이후의 흡수율은 초기값보다 F등급의 시료(R-1, R-2, G-1)에서 0.23~0.48%, SW 등급의 시료(G-2)에서 0.98%, MW 등급의 시료(G-3)에서 1.25% 증가한 것으로 측정되었다. 이에는 초기 풍화 등급이 높은 암석일수록 동결-융해에 의해 흡수율의 증가가 크게 나타남을 지시한다.
9(c)는 물과 산을 각각 사용한 R-1-1, R-1-2에서 층리면에 수직 또는 평행하게 제작된 시료에서 두께별로 산정된 D_B의 평균값을 도시한 것이다. 각각의 시료 그룹에서의 평균 D_B는 동결-융해 사이클이 증가함에 따라 선형적인 증가를 보이며 산과 물에 의한 차이는 나타나지 않는 것으로 판단된다. 또한 층리에 수직으로 제작한 시편의 평균 D_B는 층리에 평행하게 제작한 시편의 평균 D_B 보다 크게 나타났다.
McGreevy와 Whalley(1985)는 무결암에 비하여 수분함량이 상대적으로 집중된 미세균열 부근에서 동결에 의한 손상이 크다고 논의하였다. 더불어 미세균열의 확장이 이론적인 파괴압보다 낮은 응력에서 나타난다는 것을 인지하였다.
각각의 시료 그룹에서의 평균 D_B는 동결-융해 사이클이 증가함에 따라 선형적인 증가를 보이며 산과 물에 의한 차이는 나타나지 않는 것으로 판단된다. 또한 층리에 수직으로 제작한 시편의 평균 D_B는 층리에 평행하게 제작한 시편의 평균 D_B 보다 크게 나타났다. 이와 같은 D_B의 변화 양상은 Fig.
이와 같이 산정된 D_B 값은 시편 두께에 따라 차이를 보이지만 불규칙한 양상으로 시편의 두께 증가에 따른 D_B 값의 증감 경향을 보이지 않는데, 이는 D_B 값이 시편의 두께보다는 초기 결함에 더 큰 영향을 받기 때문인 것으로 사료된다. 또한, 전체적으로 층리에 수직으로 제작한 시편에서 산정된 D_B 값이 층리에 평행으로 제작한 시편에서 산정된 D_B 값 보다 높음을 확인할 수 있다. 연구지역의 이암에 발달한 층리는 동결-융해 풍화에 중요한 요소로 작용할 것으로 판단된다.
이와 같이 산정된 D_B는 이론적으로 트레이스의 평면밀도와 길이분포에 따라 1에서 2사이의 값을 갖는다(엄정기 외, 2006). 이 연구에서는 30사이클 이상에서 산정된 D_B 값에서 높은 신뢰도를 나타냈다. 30 사이클 미만인 경우에는 미세균열의 발달이 미약한 슬랩 시편(G-1-1, G-1-2)에서 산정된 D_B가 1 미만의 값을 나타내기도 하는데, 이는 미세균열의 발달이 미약하여 박스프랙털 차원을 적용하기 위한 조건인 자체유사성(self-similar)을 만족하지 못하기 때문인 것으로 사료된다.
동결-융해 과정 중에 이암의 특성상 층리면을 따라 시료가 여러 조각으로 파괴되어 측정이 불가한 시료는 측정이 가능한 사이클까지의 속도값만을 고려하였다. 전체적으로 P파 속도는 동결-융해 사이클이 진행됨에 따라 현저히 감소하는 것으로 나타났다. 다른 물리적 특성과 비슷하게 P파 속도에서도 적색이암, 회색이암 공히 산의 영향은 관찰되지 않았다.
2에 나타나 있다. 측정된 비중은 적색이암, 회색이암 공히 동결-융해 사이클이 진행함에 따라 지속적으로 감소하는 양상을 보이지만 암석 시료의 초기 상태에 따라 시험 전과 50사이클 이후의 변화가 G-1-2 시료에서 최소 0.02, G-3에서 최대 0.08의 감소로 나타났다. 초기 풍화 등급이 F인 적색이암(R-1-1, R-1-2, R-2)과 회색이암(G-1-1, G-1-2)은 0.
공극률은 흡수율과 비슷한 양상으로 동결-융해가 반복됨에 따라 증가하는 양상을 보인다. 흡수율과 마찬가지로 공극률 역시 산에 의한 영향은 관찰되지 않으며 상대적으로 초기 풍화 정도가 높은 G-2와 G-3 시료에서 초기 값보다 각각 2.6%, 3.2%의 비교적으로 높은 공극률 증가가 관찰되었다. 이는 동결-융해의 반복에 의하여 쇄설성 물질 간의 결합력이 약화되고 결빙에 의한 쐐기효과에 의해서 미세균열의 개수 및 크기가 증가하기 때문인 것으로 해석된다.

후속연구

4) 박스프랙털 차원은 중･장기적인 풍화 예측을 위한 새로운 풍화지수로 유용하게 활용될 수 있다고 판단되며 이를 위해서는 표준화된 시험법의 제정이 선행되어야한다.
동결-융해 사이클의 증가에 따른 D_B의 특성은 전절의 물리적 특성 결과와도 부합하며 D_B는 암석내 미세균열의 발현 및 발달 양상을 정량화할 수 있는 파라미터로 유용하게 사용될 수 있다고 사료된다. 또한 D_B는 이암과 같은 퇴적암에 있어서 중･장기적인 풍화 예측을 위한 새로운 풍화지수로 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
물리적 풍화는 암석의 해체와 물리적 특성의 변화를 수반한다. 따라서 동결-융해 후의 물리적 특성은 무결암의 물리적 특성과 비교하여 암석의 풍화 정도를 정량화하는데 이용될 수 있다. 이 연구에서는 동결-융해가 암석의 물리적 특성 변화에 미치는 영향을 파악하기 위하여 실내에서 동결-융해 과정을 반복하면서 비중, 흡수율, 유효공극률, P파속도 등의 물리적 특성을 측정하였다.
는 암석내 미세균열의 발현 및 발달 양상을 정량화할 수 있는 파라미터로 유용하게 사용될 수 있다고 사료된다. 또한 D_B는 이암과 같은 퇴적암에 있어서 중･장기적인 풍화 예측을 위한 새로운 풍화지수로 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 이를 위해서는 표준화된 시험법의 제정이 필요하며 앞으로도 지속적인 후속 연구가 요구된다.
또한 D_B는 이암과 같은 퇴적암에 있어서 중･장기적인 풍화 예측을 위한 새로운 풍화지수로 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 이를 위해서는 표준화된 시험법의 제정이 필요하며 앞으로도 지속적인 후속 연구가 요구된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	암석의 풍화과정은 어떻게 구분되는가?	암석의 풍화과정은 기본적으로 역학적인 분해와 화학적 성분 변화로 구분되는데, 전자에 해당하는 물리적 풍화는 광물 성분의 변화 없이 암석과 광물입자를 작은 결정으로 깨트려 암석을 해체하며, 후자의 화학적 풍화는 광물의 성분적 특성을 변화시킨다. 대부분의 풍화는 상기 두 과정이 복합적으로 진행되는 과정이지만 물리적 풍화는 지표면 근처에서 주로 발생하며 화학적 풍화는 지표면에서 수십 혹은 수백 미터 아래까지도 발생하는 것으로 알려져 있다(Chorley, 1969).
	풍화란 무엇인가?	풍화는 대기권, 수권 및 생물권과 접하는 암석권에서 평형을 이루기 위한 물질의 반응이다(Rieche, 1950). 물과 대기에 의한 작용에 따라 암석은 변화하고 붕괴되어 풍화물질을 생성한다.
	퇴적암의 풍화가 야기되는 기후조건은 무엇인가?	이와 같은 풍화 과정이 어느 위치에서 활발하게 작용할 것인가는 기후에 의해 결정된다(Price, 1995). 특히 퇴적암은 온도, 습도의 변화에 노출된 경우 풍화가 야기된다. 이암의 경우에는 지표 근처의 물리적, 화학적 과정이 풍화를 제어하지만 물리적 풍화가 선행적으로 작용하여 후의 화학적 풍화에 필요조건이 된다.

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저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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