암석의 물리적 특성 변화에 대해 온도의 영향을 연구하기 위해 2종의 화강암류와 대리암, 사암을 전기로에서 $400^{\circ}C$와 $600^{\circ}C$로 가열하였다. 모든 시료에서 가열 후 물리적 특성(비중, 공극률, 흡수율, 초음파속도)과 색상 변화는 보이나, 편광현미경을 이용한 광물학적 변화는 뚜렷하지 않다. 특히 물리적 특성 변화에서 공극률과 흡수율은 증가하고, 비중과 초음파 속도는 감소하는 경향을 보이며, 온도가 증가할수록 변화폭은 크게 나타난다. 여기서 측정한 공극률은 암석의 전체 공극률을 반영하지 못하고 있으나 온도에 의한 암석의 표면 상태 변화를 반영한다 반면 초음파 속도는 암석의 전체적인 손상 정도를 파악하는데 유용하다. 그러므로 온도에 의한 암석의 물리적 특성 변화를 설명하기 위해 공극률과 초음파 속도는 상호 비교해야 한다.
암석의 물리적 특성 변화에 대해 온도의 영향을 연구하기 위해 2종의 화강암류와 대리암, 사암을 전기로에서 $400^{\circ}C$와 $600^{\circ}C$로 가열하였다. 모든 시료에서 가열 후 물리적 특성(비중, 공극률, 흡수율, 초음파속도)과 색상 변화는 보이나, 편광현미경을 이용한 광물학적 변화는 뚜렷하지 않다. 특히 물리적 특성 변화에서 공극률과 흡수율은 증가하고, 비중과 초음파 속도는 감소하는 경향을 보이며, 온도가 증가할수록 변화폭은 크게 나타난다. 여기서 측정한 공극률은 암석의 전체 공극률을 반영하지 못하고 있으나 온도에 의한 암석의 표면 상태 변화를 반영한다 반면 초음파 속도는 암석의 전체적인 손상 정도를 파악하는데 유용하다. 그러므로 온도에 의한 암석의 물리적 특성 변화를 설명하기 위해 공극률과 초음파 속도는 상호 비교해야 한다.
Samples (two granites, marble, sandstone) were heated in an electric furnace at temperature $400^{\circ}C$ and $600^{\circ}C$ in order to investigate the change of physical properties of rocks depending on the heating temperature. Changes of Color and physical properties such a...
Samples (two granites, marble, sandstone) were heated in an electric furnace at temperature $400^{\circ}C$ and $600^{\circ}C$ in order to investigate the change of physical properties of rocks depending on the heating temperature. Changes of Color and physical properties such as specify gravity, porosity, absorption, p-wave velocity are visible while mineralogical changes by using polarizing microscope are not pronounced. In addition, porosity and absorption increased while specific gravity and p-wave velocity decreased at a more higher temperature ($600^{\circ}C$). Although the open porosity does not indicate total porosity of the rock. but p-wave velocity can be used to evaluate the degree of damage Therefore, porosity and p-wave velocity should be compared in order to investigate the change of physical properties of rocks depending on the heating temperature.
Samples (two granites, marble, sandstone) were heated in an electric furnace at temperature $400^{\circ}C$ and $600^{\circ}C$ in order to investigate the change of physical properties of rocks depending on the heating temperature. Changes of Color and physical properties such as specify gravity, porosity, absorption, p-wave velocity are visible while mineralogical changes by using polarizing microscope are not pronounced. In addition, porosity and absorption increased while specific gravity and p-wave velocity decreased at a more higher temperature ($600^{\circ}C$). Although the open porosity does not indicate total porosity of the rock. but p-wave velocity can be used to evaluate the degree of damage Therefore, porosity and p-wave velocity should be compared in order to investigate the change of physical properties of rocks depending on the heating temperature.
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제안 방법
2종의 화강암류(알칼리장석화강암, 흑운모화강암), 대리암 그리고 사암에 대해 가열처리한 후 광물학적 변화를 살펴보기 위해 편광현미경 분석을 실시하였다. 편광현미경 관찰에 있어서 동일한 암석 표면을 관찰하기에 제약이 따르.
2종의 화강암류, 대리암, 사암 시료를 코어 시추기를 이용하여 원주형 코어시료로 제작하였다. 원주형 코어시료는 절단기를 사용하여 상하의 절단면이 시편 축에 직각이 되도록 절단하였으며 각각의 암석 시료는 직경과 길이의 비가 약 1:2가 되도록 54mmX108mm (직경 x길이)로 제작하였다.
가열과정에서 가열온도는 400℃, 60CFC로 하였으며, 이는 열특성에 가장 큰 영향을 미치는 광물, 석영의 a-p전이점(573c)을 고려하였다. 가열속도는 열적 효과가 뚜렷하다고 보고된 ICFC/min(이형원, 이정인, 1995), 가열유지시간은 120분으로 동일하게 적용하였다. 가열유지시간은 연구자에 따라 30분에서 4시간까지 주장이 조금씩 차이를 보이고 있으나 국내 화강암에 대한 열파괴 연구결과 1시간 이상에서 대체로 온도구배에 의한 영향이 무시될 수 있는 것으로 보고되고 있다(윤용균, 2004).
각 암석에 대하여 가열 처리한 후 육안으로 먼저 암석 표면의 색상 변화를 관찰하였다(Fig. 4). 색은 정성적인 요소이므로 객관적 평가를 위해 BYK-Gardner에서 제직된 spectro-guide를 이용하여가 열처리 전 - 후 색도(*a*b*, L[|, 122*b*) 2를 측정하고 색차(AE)를 산출하였다(Table 2).
1992). 따라서 전체시료에 대한 공극률과 초음파 속도를 측정하였다(Fig. 2). 공극률과 초음파 속도는 동일한 암석일지라도 풍화 정도 및 암석 내부에 존재하는 균열의 발달정도에 따라 변하기 때문에 값의 차이를 보이고 있다(Fig.
4). 색은 정성적인 요소이므로 객관적 평가를 위해 BYK-Gardner에서 제직된 spectro-guide를 이용하여가 열처리 전 - 후 색도(*a*b*, L[|, 122*b*) 2를 측정하고 색차(AE)를 산출하였다(Table 2). 여기서 L* 값은 Munsell 명도와 관련하여 100에 가까울수록 백색을 0에 가까울수록 흑색을 띠며, a*(+ 적색, -녹색)와 b* (+황색, -청색)값은 채도를 표현하는 것이다.
암석에 대한 가열처리는 가열과 냉각 과정을 통해 이루어졌으며, 가열조건을 설정하는데 있어 가열속도, 온도, 유지시간, 반복횟수, 냉각방식 등이 고려되었다(Fig. 3). 가열과정에서 가열온도는 400℃, 60CFC로 하였으며, 이는 열특성에 가장 큰 영향을 미치는 광물, 석영의 a-p전이점(573c)을 고려하였다.
7). 여기에서 공극률과 초음파 속도의 변화 양상을 상대적으로 살펴보기 위해 공극률과 초음파 속도의 상관관계를 도시하였다(Fig. 8). 40(TC에서 알칼리장석화강암과 흑운모화강암은 공극률의 변화가 크지 않으나초음파 속도는 감소하였다.
가열온도가 40VC에서 600℃로 증가할 때 초음파 속도의 감소율은 증가하며 암종에 따라 다양한 패턴으로 감소할 것으로 판단된다. 여기에서는 40(TC와 60(FC에서 나타나는 초음파 속도의 감소율을 선형으로 도시하고, 기울기를 산출하였다(Fig. 9). 2종의 화강암류 및 사암은 대리암에 비해 기울기가 크게 나타난다.
이용하여 원주형 코어시료로 제작하였다. 원주형 코어시료는 절단기를 사용하여 상하의 절단면이 시편 축에 직각이 되도록 절단하였으며 각각의 암석 시료는 직경과 길이의 비가 약 1:2가 되도록 54mmX108mm (직경 x길이)로 제작하였다. 제작된 시료수는 암종별 56개로 총 224개이다.
2종의 회강암류는 남산화강암과 익산 화강암이며, 대리암은 정선대리임-, 사암은 영양사암이다 (Fig 1). 육안과 편광현미경분석을 통해 각 암석을 구성하고 있는 광물의 종류를 파악하였다. 남산화강암은 알칼리장석화강암이며 우백질의 중 .
냉각과정은 가열이 끝난 시험편을 전기로의 전원을 끈 후 전기로에 그대로 방치하여 자연적으로 냉각이 되도록 하였다. 이러한 예열조건을 충족하기 위해서 예열속도, 온도, 유지 시간, 반복회수 등을 자동적으로 조절할 수 있는 프로그램 입력식 자동조절 전기로를 이용하였다.
2). 이에 온도에 의한 암석의 물리적 특성 변화를 살펴보기 위해 암석별로 상대적으로 공극률이 낮고, 초음파 속도가 높은 A그룹과 공극률이 높고, 초음파 속도가 낮은 B그룹으로 세분하였다(Table 1).
암석의 미세구조 변화에 미치는 다양한응력 중에서 온도변화는 광물학적으로 암석을 구성하는 광물의 다양성 및 상전이 때문에 암석 내에서 미세균열이 발생하게 된다고 보고되었으며, 이러한 암석의 열적 손상을 분석하기 위해 많은 연구가 진행되어 왔다(Darot M, Reuschle T, 2000; Chaki S, Takarli M, 2008; Lion M, Skoczylas F, Ledesert B, 2005; Fredrich JT, Wong T, 1986; Ferrero AM, Maarini P, 2001; David C, Menendez B, 1999). 이연구에서는 암석의 물리적 특성 변화에 대한 온도의 영향에 대해 알아보기 위해 401TC와 60CTC로 가열처리한 후 물리적 특성 변화를 비교하였다.
대상 데이터
이번 연구에 사용된 시료는 2종의 화강암류와 대리암, 사암이다. 2종의 회강암류는 남산화강암과 익산 화강암이며, 대리암은 정선대리임-, 사암은 영양사암이다 (Fig 1).
원주형 코어시료는 절단기를 사용하여 상하의 절단면이 시편 축에 직각이 되도록 절단하였으며 각각의 암석 시료는 직경과 길이의 비가 약 1:2가 되도록 54mmX108mm (직경 x길이)로 제작하였다. 제작된 시료수는 암종별 56개로 총 224개이다. 기본적인 물성은 ASTM C97/ C97JM과 ISRM에서 제시하고 있는 방법으로 측정하였으며, 초음파 속도는 CNS Famell에서 제조된 pimdit plus를 이용하였다.
이론/모형
제작된 시료수는 암종별 56개로 총 224개이다. 기본적인 물성은 ASTM C97/ C97JM과 ISRM에서 제시하고 있는 방법으로 측정하였으며, 초음파 속도는 CNS Famell에서 제조된 pimdit plus를 이용하였다.
성능/효과
1. 2종의 화강암류, 대리암, 사암을 동일한 온도 (400℃, 60CTC)로 가열처리한 후 색상변화, 광물학적 변화, 물리적인 특성을 측정하여 비교하였다 모든 암석에서 온도에 따른 색상변화와 물리적 특성(비중, 유효 공극류 흡수율-, 초음파 속도 변화는 보이나, 광물학적 변화는 보이지 않았다.
2. 온도에 따른 물성 변화를 살펴보면 40(FC에서비중, 공극률, 흡수율의 변화는 거의 없으나, 60(rc에서 비중은 감소하고 공극률과 흡수율은 증가하는 경향을 보인다.가열온도에 따른 평균 초음파 속도의 감소율을 살펴보면 40CTC에서 대리암 > 알칼리장석화강암 > 흑운모화강암 > 사암 순으로 감소하였으며, 60(rc에서는 흑운모화강암 > 대리암>알칼리장석화깅암 > 사암 순으로 감소하였다.
3. 공극률과 초음파 속도의 상관관계에서 40(FC에서 유효공극률의 변화는 거의 없으나, 초음파 속도는 현저하게 감소하였다. 여기서 측정한 공극률은 격리된 공극을 100% 반영하지 못하지만 400。。와 600℃ 에서 표면 상태의 변화는 간접적으로 반영한다고 판단되는반면 공극률과 달리 초음피속도는 암석의 전체적인 손상 정도를 파악하는데 유용하다.
8). 40(TC에서 알칼리장석화강암과 흑운모화강암은 공극률의 변화가 크지 않으나초음파 속도는 감소하였다. 대리암은 공극률이 증가하는 경향을 보이나 변화는 크지 않고 초음파 속도역시 변화가 거의 없다.
따라서 온도에 의한 공극률과 초음파 속도의 변화 양상으로 미루어 볼 때 고온하에서 온도의 영향은 암석 표면보다는 암석 내부에서 연결된 공극(b) 및 격리된 공극(c)의 발달을 야기시키고, 고온으로 갈수록 표면에 미치는 영향을 클 것으로 판단된다. 가열온도에 따른 평균 초음파 속도의 감소율을 살펴보면 40(TC에서 대리암>알칼리장석화강암 > 흑운모화강암 > 사암 순으로 감소하였으며, 60(rc에서는 흑운모화강암 > 대리암>알칼리장석화강암 > 사암 순으로 감소하였다. 가열온도가 40VC에서 600℃로 증가할 때 초음파 속도의 감소율은 증가하며 암종에 따라 다양한 패턴으로 감소할 것으로 판단된다.
온도에 따른 물성 변화를 살펴보면 40(FC에서비중, 공극률, 흡수율의 변화는 거의 없으나, 60(rc에서 비중은 감소하고 공극률과 흡수율은 증가하는 경향을 보인다.가열온도에 따른 평균 초음파 속도의 감소율을 살펴보면 40CTC에서 대리암 > 알칼리장석화강암 > 흑운모화강암 > 사암 순으로 감소하였으며, 60(rc에서는 흑운모화강암 > 대리암>알칼리장석화깅암 > 사암 순으로 감소하였다. 가열온도가 40(rc에서 600℃로 증가할 때 초음파 속도의 감소율은 증가하며 암종에 따라 다양한 패턴으로 감소할 것으로 판단된다.
또한 윤용균(2004)에 따르면 대리암은 온도가 증가할수록 공극률은 계속적으로 증가하고, 초음파 속도는 계속적으로 감소하였다. 반면 사암은 400℃이하에서 변화가 거의 없으며, 400℃ 이상에서 공극률은 증가하고, 초음파 속도는 감소하여 사암의 열에 대한 저항력이 대리암보다 큰 것으로 해석 하였다. 이번 연구에서 40(rc이하에서 변화 양상은 살펴볼 수 없으나, 400℃와 600℃에서 암석의 공극률과 초음파 속도의 변화 경향은 기존 연구 결과와 잘 일치하고 있다.
기울-기가 클수록 초음파 속도의 변화가 심함을 의미한다. 이것으로 보아 사암이 온도에 의한 손상이 가장적으며, 대리암은 400P와 60(TC사이에 암석 물성 변화가 적다고 판단된다.
반면 사암은 400℃이하에서 변화가 거의 없으며, 400℃ 이상에서 공극률은 증가하고, 초음파 속도는 감소하여 사암의 열에 대한 저항력이 대리암보다 큰 것으로 해석 하였다. 이번 연구에서 40(rc이하에서 변화 양상은 살펴볼 수 없으나, 400℃와 600℃에서 암석의 공극률과 초음파 속도의 변화 경향은 기존 연구 결과와 잘 일치하고 있다.
참고문헌 (15)
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Chaki, S., Takarli, M. and Agbodjan, W.P., 2008, Influence of thermal damage on physical properties of a granite rock: Porosity, permeability and ultrasonic wave evolutions. Construction and Building Materials, 22, 1456-1461.
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