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문제 정의
- 남극세종과학기지 인근의 암석 샘플을 채취하여 동결-융해 풍화실험을 하고자 하였으나 현실적으로 어려움이 있었다. 따라서 본 연구에서는 국내 암석을 대상으로 동결-융해에 의한 물리적 풍화특성을 분석하고, 초기 물성만을 이용하여 회귀식의 계수를 추정하는 방향으로 연구를 진행하였다.
- 동결-융해 시 사용한 온도변화 범위는 -20℃~10℃로 선정하였다. 이는 남극 세종과학기지 기온 측정 극값의 범위(극지보고서, 2007)로 위에 언급한 바와 같이 남극 암석과의 비교 연구를 위하여 선택하였다. 동결-융해 풍화과정의 사이클 1회는 다음과 같이 구성되었다(Fig.
제안 방법
- 셋째, 실험을 통해 물성변화 양상을 연구하고 실험 결과를 이용하여 회귀식을 제안하였다(Mutlutürk et al., 2004; Yavuz, 2011; Xianjun et al., 2011; Altindag et al, 2004; Yavuz et al., 2006; Liu et al.,2008).
- 암석의 동결-융해에 따른 풍화현상 연구는 세 가지로 분류할 수 있다. 첫째, 동결-융해 시 균열 성장 특성을 시각적 분석을 통해 연구하였다. 균열의 성장은 단일 균열이 풍화 현상에 영향을 미치는 것이 아니라 기존 균열의 복합적인 성장과 더불어 암석의 강도 등이 함께 어우러져 풍화 현상을 유발한다고 알려져 있다(Nicholson and Nicholson, 2000).
- 이러한 미세균열 트레이스의 변동성은 박스프랙탈 차원을 적용할 경우 효과적으로 정량화 할 수 있다(Um and Shi, 2009). 둘째, 동결-융해를 반복함에 따라 암석의 물성(비중, 공극률, 흡수율, 탄성파 속도, 단축압축강도, 쇼어경도, 슈미트 반발경도 등) 변화양상을 분석하였다. 대부분의 연구에서 동결융해 풍화 과정이 진행됨에 따라 공극률, 흡수율 등은 증가하고 강도, 경도, 탄성파 속도 등은 감소하는 경향을 나타냈다(Yavuz et al.
- 단축압축시험과 같은 파괴실험의 경우 동일한 시험편에 대하여 동결-융해 사이클 전후의 물성을 비교할 수 없다는 단점이 있다. 따라서 본 연구에서는 비파괴실험으로 측정할 수 있는 공극률, 탄성파 속도, 쇼어경도, 비중을 이용하여 동결-융해 전후의 물성값을 비교하였다. 한편 인장강도는 동결-융해 사이클을 반복하기 전에 시험편의 초기상태에서 측정하였고, 결과 분석 시 사용하였다.
- (3) 목표 횟수만큼 동결-융해 사이클의 반복이 끝나면 시험편을 다시 건조시켜 공극률, 탄성파 속도, 쇼어경도, 비중을 측정한다.
- 각 시험편은 최대 40회까지 동결-융해 사이클을 반복하였으며 10회마다 공극률, 탄성파 속도, 쇼어경도, 비중을 측정하여 비교 분석하였다.
- 실내실험결과를 이용하여 동결-융해 풍화작용에 의한 물리적 물성변화를 예측할 수 있는 회귀식을 도출하였다. 회귀식은 1차식 형태로 식 (1)과 같이 가정하였고, 상용 프로그램인 NCSS/GESS 2007을 이용하여 구했다.
- 이는 지금까지 발표된 동결-융해 풍화작용에 의한 암석의 물성변화를 예측하는 모델들이 가지고 있는 공통적인 한계점이다. 따라서 본 연구에서는 암종의 구분 없이 암석의 초기 물성만을 이용해 회귀식의 계수를 추정할 수 있도록 동결-융해 풍화 민감도(=초기공극률 / 초기 인장강도)를 도입하였다. Table 4는 각 암종별 동결-융해 풍화 민감도를 나타낸다.
- 국내에서 쉽게 접할 수 있는 화강암(w), 석회암, 사암, 응회암, 셰일, 현무암 등 6개 암종에 대하여 –20℃~10℃의 온도범위에서 동결-융해 풍화실험을 수행하였다.
대상 데이터
- 각 암종별로 4개의 원기둥 형태의 시험편을 만들었고 시험편 사이즈는 50mm(D) × 50mm(L)이다.
- 실험에 사용한 시험편은 국내에서 쉽게 접할 수 있는 암종으로 화강암, 석회암, 사암, 응회암, 셰일, 현무암이상 총 6가지이다. 화강암, 석회암, 사암, 응회암, 셰일은 현장 시추코어에서 채취하였고, 현무암은 강원도 철원 석산에서 채취한 것을 사용하였다.
- 실험에 사용한 시험편은 국내에서 쉽게 접할 수 있는 암종으로 화강암, 석회암, 사암, 응회암, 셰일, 현무암이상 총 6가지이다. 화강암, 석회암, 사암, 응회암, 셰일은 현장 시추코어에서 채취하였고, 현무암은 강원도 철원 석산에서 채취한 것을 사용하였다. 각 암종별로 4개의 원기둥 형태의 시험편을 만들었고 시험편 사이즈는 50mm(D) × 50mm(L)이다.
데이터처리
- 실내실험결과를 이용하여 동결-융해 풍화작용에 의한 물리적 물성변화를 예측할 수 있는 회귀식을 도출하였다. 회귀식은 1차식 형태로 식 (1)과 같이 가정하였고, 상용 프로그램인 NCSS/GESS 2007을 이용하여 구했다. Table 3은 공극률, 탄성파 속도, 쇼어경도, 비중의 각 암종별 1차항의 계수(A)와 회귀식의 상관계수(r2)값을 나타난 표이다.
성능/효과
- 하지만 공극의 분포가 비교적 큰 현무암, 화강암에서는 비중이 감소한 것을 미세하게나마 확인할 수 있다. 쇼어경도는 화강암 48%, 석회암 13%, 사암 4%, 응회암 4%, 셰일 29%, 현무암 45% 가 감소하였다. 화강암, 현무암이 크게 감소한 것은 미세 균열이 동결-융해 작용에 의해 성장함에 따라 40회에 이르러서 표면의 경도를 크게 감소시킨 것으로 판단된다.
- 화강암, 현무암이 크게 감소한 것은 미세 균열이 동결-융해 작용에 의해 성장함에 따라 40회에 이르러서 표면의 경도를 크게 감소시킨 것으로 판단된다. 탄성파 속도는 화강암 24%, 석회암 8%, 사암 1%, 응회암 3%, 셰일 18%, 현무암 21% 가 감소하였다. 공극이 발달하고 인장강도 값이 작은 화강암, 현무암, 셰일의 탄성파 속도 감소율이 큰 것으로 나타났다.
- 탄성파 속도는 화강암 24%, 석회암 8%, 사암 1%, 응회암 3%, 셰일 18%, 현무암 21% 가 감소하였다. 공극이 발달하고 인장강도 값이 작은 화강암, 현무암, 셰일의 탄성파 속도 감소율이 큰 것으로 나타났다. 이는 동결-융해 작용에따라 내부 균열이 성장하여 탄성파 속도의 감소를 일으킨 것으로 판단된다.
- 이는 동결-융해 작용에따라 내부 균열이 성장하여 탄성파 속도의 감소를 일으킨 것으로 판단된다. 공극률은 화강암 2.6%, 석회암 0.1%, 사암 0.3%, 응회암 0.25%, 셰일 0.4%, 현무암 1.2% 가 증가하였다. 화강암, 현무암의 공극률 증가가 눈에 띄는 이유는 상대적으로 작은 인장강도로 인해 동결-융해로 인해 야기되는 공극의 팽창을 억제하지 못했기 때문으로 생각된다.
- 값은 무의미하다고 할 수 있다. 그 이외의 결과를 살펴보면 대부분 r2=0.64 (r=0.8) 보다 높으므로, 동결-융해 풍화작용에 의한 암석의 물성변화양상을 예측함에 있어 본 연구에서 제안한 회귀식의 적용이 타당하다고 할 수 있다. 하지만 실제 사용함에 있어 각 암종마다 계수가 달라 위 실험을 통해 구하지 않은 기타 암종에는 적용이 불가한 상황이다.
- 국내에서 쉽게 접할 수 있는 화강암(w), 석회암, 사암, 응회암, 셰일, 현무암 등 6개 암종에 대하여 –20℃~10℃의 온도범위에서 동결-융해 풍화실험을 수행하였다. 공극률이 큰 화강암(w), 셰일, 현무암은 표면의 박탈이 눈으로 관찰되었고 동결-융해 사이클을 반복함에 따라 탄성파 속도, 쇼어경도, 비중은 증가하고 공극률은 감소하는 경향을 뚜렷이 나타냈다. 반면, 석회암, 사암, 응회암은 변화가 미미하게 나타났다.
- 이는 공극률과 인장강도의 상호작용에 의해, 공극수가 동결되면서 발생하는 팽창압이 인장강도보다 클 경우 공극에 균열이 발생하고, 동결-융해 사이클이 반복됨에 따라 균열이 누적되어 전체적인 물성변화를 야기한 것으로 판단된다. 동결-융해 풍화 민감도(=초기 공극률/ 초기 인장강도)를 도입하여 본 연구에서 도출한 회귀식의 계수(A)와의 상관관계를 살펴본 결과 음지수 혹은 선형 관계를 가진 것으로 분석된다. 하지만 본 연구는 동결-융해 횟수(40회)와 실험에 사용한 암종(6종)이 충분치 못했던 관계로 회귀식을 선형으로 가정했고 동결-융해 민감도와 회귀식의 계수(A)와의 상관관계를 명확히 밝히지 못한 한계를 가지고 있다.
후속연구
- 대부분 음지수형태의 모델을 제안하였고, 실험결과를 잘 모사하는 것으로 나타났다. 하지만 이러한 연구결과들이 제안하는 회귀식은 암종에 따른 특정한 계수를 지정하여 사용하고 있기 때문에 해당 암종의 계수가 없을 경우 사용이 불가능하다는 한계가 존재한다.
- , 2004). 따라서 현무암, 응회암의 실험 결과는 추후 남극 암석과 국내 암석의 동결-융해 특성을 비교하는 목적으로 사용할 수 있을 것이다. 각 암종별 시험편의 초기 물성값은 Table 1과 같다.
- 하지만 현재 연구단계에서는 공극률의 경우와 같이 경향에서 벗어나는 실험 결과가 존재한다. 따라서 추후 연구를 통해 부족한 실험 데이터를 보완한다면 동결-융해 풍화 민감도와 회귀식 계수(A)와의 정확한 상관성을 밝혀낼 수 있을 것으로 판단된다.
- 동결-융해 풍화 민감도(=초기 공극률/ 초기 인장강도)를 도입하여 본 연구에서 도출한 회귀식의 계수(A)와의 상관관계를 살펴본 결과 음지수 혹은 선형 관계를 가진 것으로 분석된다. 하지만 본 연구는 동결-융해 횟수(40회)와 실험에 사용한 암종(6종)이 충분치 못했던 관계로 회귀식을 선형으로 가정했고 동결-융해 민감도와 회귀식의 계수(A)와의 상관관계를 명확히 밝히지 못한 한계를 가지고 있다. 따라서 추가 실험을 통해 이를 보완하는 연구가 필요할 것으로 생각된다.
- 하지만 본 연구는 동결-융해 횟수(40회)와 실험에 사용한 암종(6종)이 충분치 못했던 관계로 회귀식을 선형으로 가정했고 동결-융해 민감도와 회귀식의 계수(A)와의 상관관계를 명확히 밝히지 못한 한계를 가지고 있다. 따라서 추가 실험을 통해 이를 보완하는 연구가 필요할 것으로 생각된다.
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