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문제 정의
- 이와 같이 암석의 초음파 속도는 암석의 이방성을 평가하는 수단으로 주로 사용되어 왔으나, 초음파 속도의 변화를 일으키는 암석내 미세구조적인 특성에 관한 연구는 세부적으로 이루어지지 않고 있다. 따라서 본 연구는 광학 현미경을 이용하여 암석내 미세균열 및 광물입자의 형상 등 미세구조적인 특성을 파악하고 초음파 속도와 SR 시편의 파괴인성 변화를 알아보고자 한다.
- 위와 같이 동일한 암종내에서 측정한 초음파속도 및 파괴인성값의 변화는 암석내에 존재하는 미세구조적인 특징에 의해 결정되므로, 미세역학 및 미세물리학 분야에서 보다 그 관계를 심층적으로 연구하는 기초를 제공하는데 그 의미가 있다.
제안 방법
- Fig. 3의 영상에 대하여 광물의 종류, 광물입자의 장축 및 단축방향의 길이, 방위 등의 분석을 실시하였으며, 광물입자의 경계부에 존재하는 미세균열과 광물 입자내에 존재하고 있는 미세균열의 길이, 방향 등을 분석하여 Table 3, Table 4 및 Table 5에 나타내었다. 광물 입자의 형상과 관련하여 장축 및 단축방향의 길이는 광물입자를 형성하는 다각형내에서 가장 긴쪽을 장축방향의 길이로, 그리고 장축방향 길이의 중심에서 수직한 방향의 길이를 단축방향으로 설정하였다.
- ISRM에서 제안하는 표준시험법인 SR 시편을 이용하여 파괴인성실험이 3가지 암석시료에 대하여 수행되었으며, 암석의 미세구조적인 특징이 금속용 광학 현미경에 의하여 분석되었다. 분석결과 광물입자의 평균 크기는 포천 화강암이 0.
- 3의 영상에 대하여 광물의 종류, 광물입자의 장축 및 단축방향의 길이, 방위 등의 분석을 실시하였으며, 광물입자의 경계부에 존재하는 미세균열과 광물 입자내에 존재하고 있는 미세균열의 길이, 방향 등을 분석하여 Table 3, Table 4 및 Table 5에 나타내었다. 광물 입자의 형상과 관련하여 장축 및 단축방향의 길이는 광물입자를 형성하는 다각형내에서 가장 긴쪽을 장축방향의 길이로, 그리고 장축방향 길이의 중심에서 수직한 방향의 길이를 단축방향으로 설정하였다.
- 석재블록으로부터 얻어진 코어를 7 cm 길이로 절단하고, Fig. 1(b)와 같이 컷팅용 가이드를 이용한 절단 및 모델 DGS-520A의 자동 암석 연마기로 성형한 후 각 방향에 따른 암석의 이방성을 조사하기 위하여 초음파 속도를 측정하였다. 이 때 초음파 속도 측정기는 모델 PUNDIT를 사용하였으며, 센서의 주파수는 1 MHz이다.
- 시편의 미세구조적인 특징을 관찰하기 위하여 Fig. 1(b)와 같이 기준선을 중심으로 각각의 각도별로 2 cm 크기의 정방형 박편을 제작하고, 금속 연마기로 1200메쉬까지 연마한 후 모델 EPIPHOT-300U의 광학현미경을 이용하여 사진 촬영을 실시하였다. 이때 광학현미경의 주사용 배율은 40배로 하였으며, 하나의 박편당 120번의 사진을 찍고 PC 컴퓨터에 저장한 후 Photoshop 7.
- 4에서 나타낸 방법과 같이 결정하였다. 이 그림은 영주 화강암 60o 의 광물 입자 방위를 나타낸 예로서 로즈다이아그램의 윤곽을 AutoCAD로 그린 후 원의 중심에서 양쪽의 단면적이 동일한 방향을 선정하여 광물입자 우세방위를 결정하였다. 광물입자의 방위와 미세균열의 방위는 Nasseri와 Mohanty(2008) 연구결과와 동일하게 서로 유사한 방향을 가지는 것으로 분석되었으며, Fig.
- 1과 같이 기준선(master of orien-tation line)을 표시하고 석재 블록으로부터 직경 54 mm 의 NX 코어를 채취하였다. 이 기준선은 주결(rift plane) 의 방향과 일치하도록 하였으며, 시추코어는 상단 및 측면부에 주결의 방향을 표시하여 시편의 상, 하 구별이 가능하도록 하였다. 이 때 주결의 방향은 석산 종사자들의 경험적인 판단으로 깨지기 쉬운 방향을 선택하였다.
- 또한 석영과 장석의 광물입자 구분을 위하여 연마된 시료를 불산 52% 용액에 1분동안 침전시킨 후 105oC 건조로에서 4시간을 건조시키고, 이 시료를 증류수에 포화된 소듐 코발트 니트리트(sodium cobaltinitrite)에서 1분 동안 침전시켰다. 이때 석영 입자는 짙은 회색이나 투명한 색, 미사장석은 노란색, 사장석은 밝은 회색, 그리고 흑운모와 불투명광물은 짙은 갈색이나 검은색의 색상을 보이게 되며, 전자와 동일하게 120번의 사진을 찍고 관찰된 미세균열의 사진과 합성하였다. 합성된 사진으로부터 Autocad를 이용하여 미세균열 및 광물의 형상을 그린 일례를 Fig.
대상 데이터
- 본 연구에서 사용한 시료는 국내에서 석재용으로 사용되는 입도상 중립 및 조립질에 속하는 경기도 포천 화강암, 중립질인 함열 화강암, 그리고 세립 및 중립질에 속하는 영주 화강암을 사용하였다. 이 시료에 대한편광 현미경 관찰 결과는 Table 1과 같다.
- 시편의 제작은 Fig. 1과 같이 기준선(master of orien-tation line)을 표시하고 석재 블록으로부터 직경 54 mm 의 NX 코어를 채취하였다. 이 기준선은 주결(rift plane) 의 방향과 일치하도록 하였으며, 시추코어는 상단 및 측면부에 주결의 방향을 표시하여 시편의 상, 하 구별이 가능하도록 하였다.
이론/모형
- 1(b)와 같이 컷팅용 가이드를 이용한 절단 및 모델 DGS-520A의 자동 암석 연마기로 성형한 후 각 방향에 따른 암석의 이방성을 조사하기 위하여 초음파 속도를 측정하였다. 이 때 초음파 속도 측정기는 모델 PUNDIT를 사용하였으며, 센서의 주파수는 1 MHz이다.
성능/효과
- 6% 정도이다. 3가지 암석에서 초음파 속도는 광물입자 및 미세균열의 크기가 작을수록 크게 나타났으며, 파괴인성값이 클수록 크게 나타났다. 파괴인성값은 각각의 방향별로 3회 실시하였고, 그 평균값은 포천 화강암이 1.
- 즉, 연약면인 광물입자의 장축이나 미세균열의 우세방향에 평행하게 전달되는 파괴는 가장 작은 파괴인성값을 나타내었다. 또한 평균 파괴인성값은 광물입자의 평균 크기 및 미세균열의 평균길이와 관련성이 있음을 입증하였다.
- 85 mm까지 변화를 보이는데 광물입자의 평균 크기가 클수록 미세균열의 평균길이 역시 크게 나타났다. 미세구조적 특징을 관찰한 결과 3가지 암석시료에서 분명히 파괴인성 및 초음파속도와 밀접한 관련성이 있는 것을 확인하였다. 초음파 속도 및 파괴인성값은 광물입자의 평균크기 및 미세균열의 평균길이가 큰 포천 화강암에서 낮은 값이 산출되었다.
- 02 mm까지 변화를 보였다. 미세균열의 평균길이는 3가지 암석시료에 대하여 0.25~0.85 mm까지 변화를 보이는데 광물입자의 평균 크기가 클수록 미세균열의 평균길이 역시 크게 나타났다. 미세구조적 특징을 관찰한 결과 3가지 암석시료에서 분명히 파괴인성 및 초음파속도와 밀접한 관련성이 있는 것을 확인하였다.
- 3가지 암석에 대하여 광물의 구성비는 석영과 장석의 경우 유사한 경향을 보이나 운모 및 불투명 광물은 포천 화강암이 많이 함유되어 있다. 본 연구에서는 광물의 구성비에 따라 파괴인성값이나 초음파속도에는 변화를 보이지 않는 것으로 관찰되었다.
- ISRM에서 제안하는 표준시험법인 SR 시편을 이용하여 파괴인성실험이 3가지 암석시료에 대하여 수행되었으며, 암석의 미세구조적인 특징이 금속용 광학 현미경에 의하여 분석되었다. 분석결과 광물입자의 평균 크기는 포천 화강암이 0.44~1.98 mm, 함열 화강암 0.42~1.52 mm, 영주 화강암 0.26~1.02 mm까지 변화를 보였다. 미세균열의 평균길이는 3가지 암석시료에 대하여 0.
- 3가지 시료의 주 구성광물은 석영, 사장석, 미사장석, 흑운모이며, 부 구성광물은 퍼사이트, 백운모, 견운모, 녹니석, 불투명광물로 이루어져 있다. 주요 구성광물의 구성은 3가지 암석 시료에서 유사한 분포를 보이며, 광물입자의 크기는 보편적으로 포천 화강암, 함열 화강암, 영주 화강암의 순으로 나타나며, 각각의 광물입자 내에 미세균열인 벽개가 상당히 잘 발달되어 있는 것이 특징이다.
- 각각의 시료내에서는 인장응력 방향과 수직하게 발달된 광물입자의 장축 및 미세균열의 방향이 주결에 일치할 때 보다 작은 값을 보였다. 즉, 연약면인 광물입자의 장축이나 미세균열의 우세방향에 평행하게 전달되는 파괴는 가장 작은 파괴인성값을 나타내었다. 또한 평균 파괴인성값은 광물입자의 평균 크기 및 미세균열의 평균길이와 관련성이 있음을 입증하였다.
- 미세구조적 특징을 관찰한 결과 3가지 암석시료에서 분명히 파괴인성 및 초음파속도와 밀접한 관련성이 있는 것을 확인하였다. 초음파 속도 및 파괴인성값은 광물입자의 평균크기 및 미세균열의 평균길이가 큰 포천 화강암에서 낮은 값이 산출되었다. 각각의 시료내에서는 인장응력 방향과 수직하게 발달된 광물입자의 장축 및 미세균열의 방향이 주결에 일치할 때 보다 작은 값을 보였다.
- 3가지 암석에서 초음파 속도는 광물입자 및 미세균열의 크기가 작을수록 크게 나타났으며, 파괴인성값이 클수록 크게 나타났다. 파괴인성값은 각각의 방향별로 3회 실시하였고, 그 평균값은 포천 화강암이 1.73 MPa m0.5, 함열 화강암은 1.92 MPa m0.5, 영주 화강암은 2.51 MPa m0.5로 산출되었으며, 포천 화강암과 비교하였을 때 각각 11%, 45% 증가한 값을 보이고 있다. 포천 화강암은 각 방향별로 파괴인성값의 변화는 12%, 함열 화강암은 27%, 영주 화강암은 14%의 변화를 보였다.
- 5로 산출되었으며, 포천 화강암과 비교하였을 때 각각 11%, 45% 증가한 값을 보이고 있다. 포천 화강암은 각 방향별로 파괴인성값의 변화는 12%, 함열 화강암은 27%, 영주 화강암은 14%의 변화를 보였다. 포천 화강암에서 파괴인성의 변화가 작은 것은 각각의 방위에서 광물입자 장축 및 미세균열의 방향에 대한 분산이 크기 때문인 것으로 생각된다.
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