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암석의 물리적 특성 변화에 대한 온도의 영향
A Study on Effects of Temperature for Physical Properties Change of rocks 원문보기

암석학회지 = The journal of the petrological society of korea, v.20 no.3 = no.65, 2011년, pp.141 - 149  

김재환 (국립문화재연구소 보존과학연구실) ,  이명성 (국립문화재연구소 보존과학연구실) ,  이미혜 (국립문화재연구소 보존과학연구실) ,  이재만 (국립문화재연구소 보존과학연구실) ,  박성미 (국립문화재연구소 보존과학연구실)

초록
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암석의 물리적 특성 변화에 대해 온도의 영향을 연구하기 위해 2종의 화강암류와 대리암, 사암을 전기로에서 $400^{\circ}C$$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.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

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...

주제어

AI 본문요약
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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.
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참고문헌 (15)

  1. 김영화, 장보안, 1992, 화강암의 풍화현상에 수반되는 물성 변화의 특성, The journal of Engineering, 2(1), 36-46p. 

  2. 이형원, 이정인, 1996, 암석의 강도 및 변형거동의 온도의존성에 관한 연구, 한국암반공학회, 6, 101-121p. 

  3. 이형원, 이정인, 1995, 고온하에서 암석의 열충격, 열팽창 및 열파괴에 관한 연구, 한국암반공학회, 5, 22-40p. 

  4. 윤용균, 2004, 보령사암과 여산대리암의 물리적특성에 대한 온도의 영향, 대한 화약발파공학회, 22(4), 17-22p. 

  5. Chaki, S. and Takarli, M., 2008, Influence of thermal damage on physical properties of a granite rock: porosity, permeability and ultrasonic wave evolutions, Constr Build Mater, 22, 1456-1461p. 

  6. David, C. and Menendez, B., 1999, Influence of stress-induced and thermal cracking on physical properties and microstructure of La Peyratte granite, Int J Rock Mech Min Sci, 36, 433-448p. 

  7. Darot, M. and Reuschle, T., 2000, Acoustic wave velocity and permeability evolution during pressure cycles on a thermally cracked granite, Int J Rock Mech Min Sci, 37, 1019-1026p. 

  8. Ferrero, A.M. and Maarini, P., 2001, Experimental studies on the mechanical behaviour of two thermal cracked marbles, Rock Mech Rock Eng, 34, 57-66p. 

  9. Fredrich, J.T. and Wong, T., 1986, Micromechanics of thermally induced cracking in three crustal rocks, J Geophys Res, 91, 12743-12746p. 

  10. Geraud, Y., Mazerolle, F. and Raynaud, S., 1992, Comparison between connected and overall porosity of thermal stressed granites, J Struct Geol, 14(8/9), 981-990p. 

  11. Glover, P.W.J. and Baud, P. et. al., 1995, $\alpha/\beta$ Phase transition in quartz monitored using acoustic emissions, Geophys J Int, 120, 775-782p. 

  12. Yavuz, H., Demirdag, S. and Caran, S., 2010, Thermal effect on the physical properties of carbonate rocks, International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences, 47, 94-103p. 

  13. Jason, D.P. and Carlson, S.R. et. al., 1993, Ultrasonic imaging and acoustic emission monitoring of thermally induced microcracks in Lac du Bonnet Granite, J Geophys Res, 98(B12), 22231-22243p. 

  14. Lion, M., Skoczylas, F. and Ledesert, B., 2005, Effects of heating on the hydraulic and poroelastic properties of bourgogne limestone, Int J Rock Mech Min Sci, 42, 508-520p. 

  15. 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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