[논문]대구경북지역 퇴적암의 포화 및 균열 유발에 따른 강도 특성

박성식; 김성헌; 배도한

doi:10.7843/kgs.2018.34.12.29

대구경북지역 퇴적암의 포화 및 균열 유발에 따른 강도 특성
Strength Characteristics of Sedimentary Rock in Daegu-Gyungbuk Area Followed by Saturation and Crack Initiation 원문보기

韓國地盤工學會論文集 = Journal of the Korean geotechnical society, v.34 no.12, 2018년, pp.29 - 42

박성식 (경북대학교 공과대학 건설환경에너지공학부) , 김성헌 (경북대학교 공과대학 건설환경에너지공학부) , 배도한 (한국토지주택공사 청년주택계획처)

초록
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대구경북지역 셰일 및 이암은 다른 암석에 비해 강도가 낮고 풍화에 약하므로 이러한 암석의 포화상태나 균열 발달 정도가 강도에 미치는 영향에 대해 분석할 필요가 있다. 이에 본 연구에서는 대구경북지역 토목공사 현장에서 셰일 및 이암을 채취한 다음 흡수율, SEM, 화학성분, 내구성시험과 같은 기본 물성시험을 실시하였으며, 셰일에 비해 이암의 공극률(흡수율)은 31%(25%) 정도로 6(8)배 정도 높은 값을 보였다. 물에 쉽게 풀리는 이암의 경우 활성도가 높은 스멕타이트 군의 점토광물이 많이 포함되어 있는 것으로 나타났다. 채취한 암석을 소형 정육면체로 가공한 다음 일축압축시험을 실시하여 암석의 건조 및 포화 상태에 따른 일축압축강도를 비교하였다. 또한, 전자레인지를 이용하여 암석 공극 내 물을 가열시켜 내부에서 균열이 발생하도록 유도하였으며, 작동시간을 달리하여 내부 균열의 발생 정도에 따른 강도를 비교하였다. 건조된 셰일과 이암의 일축압축강도는 평균 62MPa, 11MPa이며, 이를 포화시키면 일축압축강도는 셰일은 평균 33MPa, 이암은 4MPa로 47% 및 64% 정도 감소하였다. 전자레인지로 15초 작동시켜 균열을 유발할 경우 포화 상태보다 셰일은 49%, 이암은 52% 정도 강도가 감소하였다. 20초 정도 작동 시 대부분의 암석이 여러 조각으로 파쇄되었으며, 이때 소형 암석 내부의 온도는 200도 정도였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Shale and mudstone in Daegu-Gyungbuk area have low strength and resistance to weathering compared to other rocks. Therefore, it is necessary to evaluate their strength depending on the degree of saturation and crack development. In this study, shales and mudstones were collected from several construction sites in Daegu-Gyungbuk area. Their basic material properties such as porosity, SEM, chemical component, and durability were tested. A porosity (absorptivity) of mudstone was 31% (25%), which was 6 (8) times higher than that of shale. Some mudstone was easily disintegrated with water and it consisted of highly-active clay mineral such as smectite type. These rocks were prepared by small cube specimens for unconfined compression test. An unconfined compressive strength of dry rock was compared with saturated one. Microwave oven was operated step by step to stimulate void water within a saturated rock, which resulted into high temperature and micro crack initiation within rocks. A strength of microwaved rocks was compared with operation time and crack initiation. As a result, the average unconfined compressive strength of dry and saturated shale was 62 and 33 MPa, respectively. The strength of mudstone for each condition was 11 and 4 MPa. When a rock became saturated, its strength decreased by 47% and 64% for shale and mudstone at average. In addition to saturation, a rock was in the microwave for 15 secs, its strength decreased into 49% for shale and 52% for mudstone. When a microwave oven operated up to 20 sec, a rock was crushed into several pieces and its temperature was approximately 200 degrees.

주제어

표/그림 (17)

그림 Fig. 1. Mudstone 2 before and after soaking
표 Table 1. Physical properties of sedimentary rocks
표 Table 2. Quantitative analysis on specimens of composition using WDS system in EPMA
그림 Fig. 2. SEM photographs of the specimens at ×5000 magnification and result of XRD analysis (a) Red shale 1, (b) Red shale 2, (c)Mudstone 1 (d) Mudstone 2
그림 Fig. 3. Result of slake durability test
그림 Fig. 4. Rock samples (Red shale 1, Red shale 2, Mudstone 1)
그림 Fig. 5. Saturation time for rocks
표 Table 3. Results of various strength tests for sedimentary rocks
표 Table 4. Summary of unconfined compression tests under dry and saturated conditions
그림 Fig. 6. UCS of dry and saturated samples
그림 Fig. 7. Dry (left) and saturated (right) shale specimens after microwave oven operation and temperature
그림 Fig. 8. Capsule and remolded specimen
그림 Fig. 9. Crack development due to microwave oven operation
표 Table 5. Summary of unconfined compression tests under saturated and microwave conditions
그림 Fig. 10. UCS of saturated and microwave
그림 Fig. 11. Specimens after microwave oven operation and temperature
그림 Fig. 12. Rock temperature increase by drying oven and microwave oven

AI 본문요약
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문제 정의

5도까지 상승하지만, 포화된 Red shale 1의 경우 공극 내 간극수의 온도 상승으로 189도까지 상승하면서 두 조각으로 파쇄되는 것을 알 수 있다. 따라서 본 연구에서는 구성광물의 팽창률 차이에 따른 균열보다는 간극수의 온도 상승과 팽창에 따른 균열을 유도하고자 하였다.
하지만, 대구경북지역에 많이 분포하고 공극률이 높은 퇴적암의 습윤 상태나 건습의 반복, 균열 발생 정도에 따른 강도 변화에 대한 국내 연구사례는 많지 않은 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 함수비에 따라 팽창하고 부서지는 성질을 가지는 셰일과 이암의 건조 상태와 포화 상태에 따른 강도 변화 특성을 소형 정육면체 공시체를 이용하여 평가하고자 하였다. 또한, 가정용 전자레인지(1.
본 연구에서는 대구경북지역 대표적인 퇴적암인 이암 및 셰일을 대상으로 암석의 건조 및 포화 상태에 따른 강도 차이와 내부 균열로 인한 강도 저하를 실험적으로 연구하였다. 일축압축강도시험을 위해 25, 50mm 정육면체 공시체를 사용하였으며, 암석 내부 균열 유발을 위해 포화된 암석을 전자레인지에 넣고 20초까지 단계적으로 작동시켜 짧은 시간에 암석 내부 간극수를 진동 및 가열시켜 균열을 유발하였다.

가설 설정

즉, 충분히 수침시킨 암석 시편 내부 공극에 물이 채워지고 전자레인지로 가열하면 공극 내 간극수의 진동으로 암석 내부에서 미세한 균열이 발생한다고 가정하였다. 이러한 가정을 검증하기 위해 물에 풀리는 이암(Mudstone 2)에 초속경 시멘트비 40%와 물 52%를 혼합하고 내부에 Fig.

제안 방법

따라서, 본 연구에서는 함수비에 따라 팽창하고 부서지는 성질을 가지는 셰일과 이암의 건조 상태와 포화 상태에 따른 강도 변화 특성을 소형 정육면체 공시체를 이용하여 평가하고자 하였다. 또한, 가정용 전자레인지(1.1kW)를 사용하여 포화된 암석 내 미세 균열을 유발하거나 풍화를 진행시켜 암석의 강도 변화를 비교 분석하였다.
본 연구에서는 가정용으로 사용되는 1.1kW 전자레인지를 사용하여 암석의 균열을 유발하고자 하였으며, 기기 내부 및 암석의 중심부를 Therm-App사의 열화상 카메라를 이용하여 온도를 측정하였다. 전자기파로 건조한 암석을 균열시키는 방식은 전자기파로 발생한 열에 대한 암석 구성광물의 팽창률 차이로 입자 사이의 응력과 균열이 발생하게 된다(Hassani et al.
본 연구에서는 암석 공시체를 50mm의 정육면체로 제작하였으나, 파쇄된 퇴적암의 크기가 작아 대부분 25mm로 가공한 정육면체 공시체를 이용하여 강도를 평가하였다. 시험에 사용한 시료는 파쇄암을 암석절단기를 이용하여 Fig.
셰일의 경우 축과 층리면의 각도가 수직을 이루도록 성형하여 실험을 진행하였다. 일축압축강도시험뿐 아니라, 측정된 압축강도를 비교하기 위해 슈미트해머시험과 탄성파시험(P파)도 실시하였다. 슈미트해머시험에 사용한 장비는 일본 Kamekura사의 N타입(2.
본 연구에서는 대구경북지역 대표적인 퇴적암인 이암 및 셰일을 대상으로 암석의 건조 및 포화 상태에 따른 강도 차이와 내부 균열로 인한 강도 저하를 실험적으로 연구하였다. 일축압축강도시험을 위해 25, 50mm 정육면체 공시체를 사용하였으며, 암석 내부 균열 유발을 위해 포화된 암석을 전자레인지에 넣고 20초까지 단계적으로 작동시켜 짧은 시간에 암석 내부 간극수를 진동 및 가열시켜 균열을 유발하였다. 주요 연구 결과를 요약하면 다음과 같다.

대상 데이터

본 연구에서는 대구경북지역에서 채취한 셰일 및 이암 4 종류를 대상으로 각종 실험을 실시하였다. 이암은 포항지역에서 채취하였으며, 포항시 우현동에서 채취한 이암(Mudstone 1)은 밝은 황색을 띠고 있으며, 포항 연일읍에서 채취한 이암(Mudstone 2)은 흑색을 띠고 있다.
슬레이크 내구성시험에 사용한 시료는 ASTM D 4644(2004)에 따라 질량 40~60g인 암석 덩어리 10개로 시료의 총 질량은 450~550g이 되도록 제작하였다. 각 암석 덩어리의 뾰족한 부분을 제거하여 대체로 구형 모양으로 성형하였으며, 실험 결과는 Fig.

데이터처리

일축압축강도시험뿐 아니라, 측정된 압축강도를 비교하기 위해 슈미트해머시험과 탄성파시험(P파)도 실시하였다. 슈미트해머시험에 사용한 장비는 일본 Kamekura사의 N타입(2.207N.m) 디지털 기록식 슈미트해머를 이용하였으며, ISRM 표준시험법에 따라 20개의 타격 값 중 높은 값 10개를 평균한 값을 사용하였다. 탄성파시험에 사용한 장비는 스위스 Proceq사의 초음파 탐상기 Pundit Lab을 이용하여 50mm 정육면체 암석의 층리면과 평행하도록 양쪽 면에 트랜스듀서와 수신기를 설치하여 P파 속도를 측정하였다.
m) 디지털 기록식 슈미트해머를 이용하였으며, ISRM 표준시험법에 따라 20개의 타격 값 중 높은 값 10개를 평균한 값을 사용하였다. 탄성파시험에 사용한 장비는 스위스 Proceq사의 초음파 탐상기 Pundit Lab을 이용하여 50mm 정육면체 암석의 층리면과 평행하도록 양쪽 면에 트랜스듀서와 수신기를 설치하여 P파 속도를 측정하였다. P파 트랜스듀서로는 테스트 물체의 제한으로 최대 입자크기가 34mm, 물체의 종류가 암석이며 신호강도가 강하지 않아 Proceq사에서 권장하는 수신기 게인(gain)이 높은 54kHz 신호를 이용하였다.

이론/모형

일축압축시험은 KS E 3033(2001)에 따라 시험장비의 상하 평판 사이에 시료를 거치하여 1mm/min의 재하속도로 하중을 가하여 시료가 파괴될 때까지 실험하였다. Fig.

성능/효과

(1) 대구경북지역 셰일과 이암은 일반적으로 석영, 장석, 점토광물 등으로 구성되었으며, 일부 포항지역 이암의 경우 1시간 이내에 물에 쉽게 풀리며, 공극률과 흡수율은 31%와 25% 정도로 셰일에 비해 6배 및 8배 정도 높았다.
(2) 암석시편 25mm에 비해 50mm의 정육면체의 일축압축강도는 8-10% 정도 감소하였다. 기존 연구사례에서도 공시체의 크기나 체적이 증가할수록 실내 또는 현장 강도는 감소하였다.
(3) 건조된 셰일과 이암의 일축압축강도는 평균 62MPa, 11MP이며, 이를 포화시키면 일축압축강도는 셰일은 평균 33MPa, 이암은 4MPa로 47% 및 64% 정도 감소하였다. 이는 수침 시 암석 내 미세균열이나 공극으로 물이 흡수되고 압축시험 시 하중을 받아 간극수압이 상승하면서 강도가 약해진 것으로 판단된다.
(4) 포화된 소형 정육면체 공시체를 전자레인지에 20초 작동 시 200도까지 상승하였으며, 일축압축강도는 단순 포화된 시료에 비해 50% 정도 감소하였다. 이는 급작스런 온도 상승 및 진동으로 암석 내 물의 부피 팽창으로 내부 균열이 발생한 것으로 판단된다.
2는 암석의 주사전자현미경(SEM) 사진과 XRD 분석 결과이다. WDS(Wavelength Dispersive X-ray Spectroscopy)를 이용하여 화학성분을 분석하였으며, XRD 분석 결과 셰일은 석영(Q), 장석(Ab), 방해석(Ca), 백운모(Mu), 점토광물 등을 포함하고 있으며, 이암의 경우 Mudstone 1은 석영(Q)이 대부분을 차지하며 장석(Ab), 점토광물 등을 포함하고 있고, Mudstone 2는 석영(Q), 장석(Ab)과 팽창하는 성질 및 여러 가지 치환성 양이온들이 존재하는 것으로 보아 스멕타이트(smectite) 군의 점토광물 등을 포함하고 있다.
3과 같다. 암석의 종류에 관계없이 횟수가 증가함에 따라 내구성지수는 감소하였다. 셰일의 내구성지수(2회 기준)는 99 정도로 매우 높으며, Mudstone 1도 97 정도로 높은 편이다.
10은 10개 공시체의 평균값을 표시하고 있다. 전자레인지 5초 가열한 공시체의 강도는 단순 포화된 공시체에 비해 평균 15% 감소하였으며, 10초 가열한 공시체는 30%, 15초 가열한 공시체는 50% 정도 감소하였다. 이는 전자레인지를 가열함에 따라 암석 내 물분자의 진동에 따른 온도 상승과 부피 팽창으로 내부 균열이 시작된 것으로 판단되며, 전자레인지 가열 시간이 증가함에 따라 균열의 개수나 발달 정도가 더 심해지면서 20초 정도 가열 시에는 암석 공시체 전체가 파쇄되는 결과를 보였다.
6은 셰일과 이암의 건조 및 포화 상태의 강도와 평균값을 비교하고 있다. 포화된 암석의 평균 강도는 건조 상태보다 Mudstone 1은 61%, Red Shale 1은 56%, Red Shale 2은 40% 정도 감소하였다. 암석의 종류에 관계없이 강도가 감소하는 이유는 이암이나 셰일의 수침 시 미세균열이나 공극 내부로 물이 흡수되고 압축시험 시 하중을 받아 간극수압이 상승하면서 강도가 약해진 것으로 판단된다.

후속연구

(5) 실내시험으로부터 구한 암석의 강도로 현장 암반 비탈면 설계에 적용할 시에는 반드시 현장 암석의 크기, 포화상태, 그리고 균열 발달 정도를 충분히 고려할 필요가 있다. 또한 본 연구 결과는 균열로 인한 암석의 강성 저하를 고려할 수 있는 Damage law와 같은 수치해석방법의 검증에도 활용될 수 있다.
2-5kW)를 조사(radiation)하여 암석의 온도 변화 및 팽창률이 서로 다른 광물 입자 사이 균열로 인한 강도 특성에 대해 연구하였으며, 전자기파에 취약한 암석은 반려암, 현무암, 화강암으로 순으로 나타났다. 이러한 연구 결과는 암석 천공작업의 효율성을 높이기 위한 사전 조치작업에 활용 가능하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	슬레이킹은 무엇인가요?	일반적으로 화강암보다 퇴적암이 이러한 풍화에 더 민감한 것으로 알려져 있으며, 2000년대 이후 대구경북지역을 중심으로 퇴적암의 풍화에 대한 연구가 시작되었다. 이러한 암석의 풍화현상을 정량적으로 평가 또는 표현하기 위해 일반적으로 슬레이킹(slaking)이라는 용어를 사용하고 있으며, 이러한 평가방법을 슬레이크 내구성시험(slake durability test)이라 한다. 최근 Park et al.
	셰일과 이암의 특징은?	, 1999). 그 중 셰일과 이암은 세립질 쇄설암으로 물리 화학적 풍화작용으로 인하여 부서지거나 팽창하는 현상을 보이며, 특히 일부 이암은 물을 만나면 강도를 잃어버리는 성질을 가진다. 이러한 이암이 많이 분포하고 있는 포항지역의 지층은 신생대 3기에 퇴적된 약한 지층으로 우기에는 비탈면 붕괴가 자주 발생하고 있다.
	암석이 포화되거나 건습이 반복됨에 따라 강도는 감소한다는 것을 보여준 연구 사례는 어떤 것이 있나요?	, 2016). 예를 들면, Colback and Wild(1965)에 의하면 포화된 사암의 경우 건조된 경우에 비해 일축압축강도가 최대 50%까지 감소하였으며, Broch(1979)에 의하면 포화된 화성암 및 변성암의 경우 일축압축강도가 33-53%까지 감소하는 것으로 나타났다. Split Hopkinson Pressure Bar(SHPB) 방법을 이용한 Zhou et al.(2016)에 의하면 건조 및 포화된 암석의 강도 차이는 1.4배 정도였으며, 전단 속도가 증가함에 따라 강도 차이는 감소하는 것으로 나타났다. 국내 사례의 경우 Lee and Lee(1995)가 슈미트 해머를 이용하여 건조 및 습윤 화강암 시료에 대한 실험을 실시하였으며, 습윤 시료의 반발수치가 2-3 정도 낮은 것으로 나타났다.

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저자의 다른 논문 :

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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