[논문]대전 화강암에 대한 가압 조건하에서의 암석 균열 발생과 성장에 관한 연구

최정해; 김혜진; 채병곤

doi:10.9719/eeg.2019.52.6.587

대전 화강암에 대한 가압 조건하에서의 암석 균열 발생과 성장에 관한 연구
Research for Crack Generation and Propagation of Daejeon Granite under Stress Conditions 원문보기

자원환경지질 = Economic and environmental geology, v.52 no.6, 2019년, pp.587 - 593

최정해 (경북대학교 지구과학교육과) , 김혜진 (한국산업인력공단 경남지사) , 채병곤 (한국지질자원연구원 정책기획본부)

초록
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본 연구에서는 다초점 레이저 스캔 현미경 (confocal laser scanning microscope, CLSM)을 활용한 균열의 생성 및 성장에 대한 분석을 실시하기 위해 가압조건 및 동결/융해를 통하여 풍화를 가속시킨 실험을 수행하였다. 실험에 적용된 가압조건은 시료 3개에 각 가압틀을 이용하여 50 MPa, 55 MPa, 70 MPa로 설정하였으며 조건을 유지한 상태로 동결/융해 실험을 실시하였다. 실시된 동결/융해 실험에서 온도 조건은 -20~40℃로 설정하고, 설정 온도까지 도달시간 1시간, 유지시간 2시간을 기본으로 6시간을 1주기로 하였다. 이를 바탕으로 동결/융해 매 20주기가 끝난 후 CLSM을 활용하여 시료의 표면을 관찰하였다. 그 결과 동결/융해 실험이 반복되면서 각 시료에 발생한 균열의 개수가 7개, 10개, 19개로 가해진 압력에 따라 차이를 보였고 균열의 누적 길이도 가해진 압력이 큰 시료에서 길게 나타났다. 측정한 균열의 누적 길이와 동결/융해 실험 주기를 통해 계산한 균열의 성장 속도 역시 압력의 세기에 따라 높은 압력을 가한 시료에서 빠르게 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study were subjected to accelerated weathering test under freeze-thaw and pressure conditions to observe initiation and propagation of cracks using CLSM. Applied stress was set at 50 MPa, 55 MPa, 70 MPa for 3 samples each by using compressor and freeze-thaw experiment was conducted while samples maintained that condition. In freeze-thaw experiments, a temperature range was set to -20~40℃ which was 1 cycle for 6 hours. The freeze-thaw cycle was composed of time which reached to set temperature for 1 hour and holding time for 2 hours. On the basis of this cycle, surface of samples was observed by CLSM after each 20 freeze-thaw cycle. From this research, according to increase freeze-thaw cycle, there were 7, 10, 19 each cracks and High pressured sample's accumulate length was longer than low pressured sample's. High pressured sample's crack velocities were also faster than low pressured sample's which were calculated by accumulate length and freeze-thaw cycle.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1. Geological map of granite area (Park et al., 1977).
그림 Fig. 2. Worked specimen.
그림 Fig. 4. Freezing-thawing instrument [VH-9111H-0](left) and Freezing-thawing cycle setting pattern(right).
그림 Fig. 3. Prepared sample with compressor.
그림 Fig. 5. CLSM(Confocal Laser Scanning Microscope).
그림 Fig. 6. Image of each sample (5×(left), 50×(right)).
그림 Fig. 7. The number of crack on each sample.
그림 Fig. 8. Relationship between freezing-thawing cycle and crack number.
그림 Fig. 9. Crack length measurement for 70 MPa pressured sample (freeze-thaw 40 cycle(left) and freeze-thaw 120 cycle(right)).
그림 Fig. 10. Relationship between freezing-thawing cycle and crack length.
그림 Fig. 10. Relationship between applied stress and crack velocity.
표 Table 1. Conditions for each sample to calculate crack velocity

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 고압 및 동결/융해 환경에서 암석의 균열이 발생하고 성장하는 데 어떠한 특징이 나타나는가에 대한 기초적인 분석을 실시하였다. 이 때 암석시료에서의 균열 발생 및 성장을 보다 쉽게 관찰하기 위해 풍화를 가속화시켰으며 그 조건으로는 가압틀을 이용한 고압환경 조성, 항온기를 이용한 동결/융해 실험을 동시에 설정하였다.
본 연구에서는 기존의 연구를 바탕으로 암석시료의 균열 발생 및 성장을 관찰하기 위해 동결/융해 환경과 가압조건을 함께 적용하여 실험을 실시하였다. 동결/융해 주기에 따라 암석 시료의 표면을 관찰할 때에는 3차원 측정이 가능한 다초점 레이저 스캔 현미경(ConfocalLaser Scanning Microscope, CLSM)을 사용하여 정밀한 분석이 이루어지도록 하였다.
, 2010). 풍화는 특히 심한 온도차, 고압 환경일 경우 더욱 빠른 시간 내에 일어날 수 있으므로 본 연구에서는 균열의 발생과 성장을 관찰하기 위해 동결/융해 실험 및 가압조건을 통해 풍화를 가속시켰다.

제안 방법

이때 각 시료에 대한 압력은 50 MPa, 55 MPa. 70 MPa로 설정하였으며 압력 외에 실험 결과에 영향을 미치는 조건이 없도록 세 가지 시료는 같은 환경으로 조성하였다.
CLSM 5χ 촬영 영역은 2560χ2560 μm이며 매 주기에 촬영한 이미지를 바탕으로 각 주기에 따라 새로 발생한 균열의 유무를 확인하였다.
CLSM 50χ 촬영 영역은 256χ256 μm이며 중심점 및 발생한 균열 위치에서 촬영하여 더욱 세밀하게 관찰하였고 새로 발생한 균열의 길이를 측정하였으며 이를 바탕으로 균열 생성속도를 계산할 수 있었다.
이 때 암석시료에서의 균열 발생 및 성장을 보다 쉽게 관찰하기 위해 풍화를 가속화시켰으며 그 조건으로는 가압틀을 이용한 고압환경 조성, 항온기를 이용한 동결/융해 실험을 동시에 설정하였다. 가압틀을 활용하여 고압환경을 조성할 때에는 시료에 가한 압력에 차이를 주어 각각 다른 압력을 받은 시료의 표면에서 나타나는 균열발생의 차이점을 관찰하였다. 시료에 가한 압력은 각각 50 MPa, 55 MPa, 70 MPa이며 동결/융해 온도조건은 -20~40 ℃로 6시간을 1주기로 하였다.
각 시료에서 선택된 균열을 매 동결/융해 주기마다 CLSM 50χ로 촬영하여 256χ256 μm면적의 이미지를 획득했으며 그 길이를 CLSM 시스템 내에서 측정하였다(Fig. 9).
4).그리고 이 주기를 20회 반복하여 매 20주기마다 시료를 장비에서 꺼내어 CLSM으로 시료의 표면을 관찰하였다.
본 연구에서는 기존의 연구를 바탕으로 암석시료의 균열 발생 및 성장을 관찰하기 위해 동결/융해 환경과 가압조건을 함께 적용하여 실험을 실시하였다. 동결/융해 주기에 따라 암석 시료의 표면을 관찰할 때에는 3차원 측정이 가능한 다초점 레이저 스캔 현미경(ConfocalLaser Scanning Microscope, CLSM)을 사용하여 정밀한 분석이 이루어지도록 하였다. CLSM을 통해 획득한 이미지를 바탕으로 암석 균열의 생성 및 성장에 대한 연구를 수행한 결과 풍화가 진행됨에 따라 암석 균열이 발생하고 성장하는 것을 관찰할 수 있었으며 그 길이 또한 측정할 수 있었다.
2). 또 CLSM의 정밀한 측정을 위해 시료의 표면은 화학적으로 처리하여 반사도를 극대화 하였으며 두 면의 편평도가 약 0.001%가 되도록 제작하였다. 실험에 사용된 시료는 총 3개로 특별히 제작된 가압틀(Fig.
9). 또 측정한 균열의 길이를 통해 동결/융해 주기별 균열의 길이 증가량을 계산하였고 각 시료에서 발생한 균열의 누적 길이를 확인하였다.
이렇게 발생한 균열의 수가 다른 것은 그 길이에도 차이가 있을 것이라 예상하고 CLSM5χ촬영 이미지를 통해 확인한 균열 중 각 시료 당 뚜렷하게 발달된 균열을 선택하여 그 길이에 대한 변화를 분석하였다. 선택한 균열은 그 길이를 측정하기에 유리한 것이며 이 때 압력이 50 MPa인 시료에서는 길이를 측정하기에 적당한 균열 1개를 선택하였고 압력이 55 MPa, 70 MPa인 시료에서는 각 3개의 균열을 선택하였다. 각 시료에서 선택된 균열을 매 동결/융해 주기마다 CLSM 50χ로 촬영하여 256χ256 μm면적의 이미지를 획득했으며 그 길이를 CLSM 시스템 내에서 측정하였다(Fig.
시료에 가한 압력은 각각 50 MPa, 55 MPa, 70 MPa이며 동결/융해 온도조건은 -20~40 ℃로 6시간을 1주기로 하였다.
이 균열의 누적 길이와 균열발생 후 지속된 동결/융해 주기를 이용하여 각 균열의성장 속도 또한 계산할 수 있었다. 앞에서 비교한 각 시료의 균열 길이는 정확한 비교를 위해 각 균열의 발생시점과 마지막 관찰 시점을 동일하게 맞추었으나 균열의 성장 속도를 계산할 때에는 각 시료에서 발생한 균열의 발생시점 이후 총 관찰시간을 이용하였다. 또 균열의 누적 길이와 마찬가지로 가해진 압력이 55 MPa, 70 MPa인 시료에서 발생한 균열의 성장 속도는 선택한 3개 균열의 평균값을 사용하였다.
이 CLSM 시스템을 활용하여 동결/융해 각 20주기가 끝난 세 가지 시료의 표면을 관찰하였으며 매 주기마다 CLSM 시스템에서 각 시료 표면의 동일한 지점을 관찰하기 위해 특정 위치를 지정하였다(Fig. 6). CLSM 시스템에서 5χ 및 50χ 렌즈를 활용해 시료의 표면을 관찰할 때에는 μm 단위의 세밀한 분석이 수행되어 미세균열의 발생 및 성장을 관찰할 수 있었다.
10과 같으며 시료에 가한 압력이 55 MPa, 70 MPa인 조건의 실험에서는 길이를 측정할 균열을 각 3개씩 선택하였으므로 그 평균값을 표기하였다. 이 때 Fig. 10에서 균열의 누적 길이는 각 균열이 서로 다른 동결/융해 주기에 생성되었기 때문에 각 균열마다 그 생성 시점을 0주기로 설정하여 비교하였다. 그 결과 가해진 압력이 50 MPa인 시료에서 발생한 균열의 누적 길이는 30.
총 120시간에 걸친 20주기의 동결/융해가 끝난 시료에 발생한 균열의 개수를 측정하기 위해 CLSM 5χ 렌즈를 사용하였다. 이 때 모든 시료에서 동결/융해 220주기까지 발생한 균열의 개수를 20주기마다 측정하여 총 12개의 현미경 사진을 획득하였다.
본 연구에서는 고압 및 동결/융해 환경에서 암석의 균열이 발생하고 성장하는 데 어떠한 특징이 나타나는가에 대한 기초적인 분석을 실시하였다. 이 때 암석시료에서의 균열 발생 및 성장을 보다 쉽게 관찰하기 위해 풍화를 가속화시켰으며 그 조건으로는 가압틀을 이용한 고압환경 조성, 항온기를 이용한 동결/융해 실험을 동시에 설정하였다. 가압틀을 활용하여 고압환경을 조성할 때에는 시료에 가한 압력에 차이를 주어 각각 다른 압력을 받은 시료의 표면에서 나타나는 균열발생의 차이점을 관찰하였다.
이 실험에서 분석은 CLSM을 통해 이루어졌고, 5χ 촬영을 통해 균열 발생을 관찰하였으며 50χ 촬영을 통해 균열성장을 관찰하여 균열의 길이 변화 및 성장 속도를 분석하였다.
이렇게 발생한 균열의 수가 다른 것은 그 길이에도 차이가 있을 것이라 예상하고 CLSM5χ촬영 이미지를 통해 확인한 균열 중 각 시료 당 뚜렷하게 발달된 균열을 선택하여 그 길이에 대한 변화를 분석하였다.
총 120시간에 걸친 20주기의 동결/융해가 끝난 시료에 발생한 균열의 개수를 측정하기 위해 CLSM 5χ 렌즈를 사용하였다.

대상 데이터

본 연구에서 사용된 시료는 복운모 화강암으로 옥천대의 서쪽에 분포하는 대전지역의 중생대 대보화강암저반 심도 223.6m에 위치한다(Fig. 1). 이 지역에는 복운모 화강암이 대부분을 차지하고 있으며 반화강암과산성 및 염기성 암맥들이 관입하며 분포하고 있다.
본 연구에서 사용한 CLSM(Fig. 5)은 OLYMPUS사 에서 제조된 OLS4000 모델로써 상대배율 108~17,280배인 고배율 측정이 가능하고 다초점을 이용하여 선명한 3차원 영상을 구현할 수 있어 일반 현미경과 차이점이 있다. 또한 매우 짧은 파장을 갖는 레이저를 활용하여 높은 분해능을 보여주고 급경사면, 곡면의 이미지도 획득할 수 있어 암석의 균열 분석에 용이하다.
동결/융해로 인한 풍화는 암석 내의 공극이나 균열 속에 있는 물이 온도 변화에 따라 동결/융해 되면서 나타나는 응력의 변화에 의해 발생하고, 동결/융해 실험은 이러한 암석 풍화작용에 따른 현상을 관찰할 수 있는 실험이다. 본 연구에서는 VISION사에서 제조된 항온기인 VS-9111H-0모델을 사용하였다 (Fig. 4). 이 장비는 온도를 ±0.
실험에 사용된 시료는 총 3개로 특별히 제작된 가압틀(Fig. 3)에 고정하였으며 가압틀의 크기는 90χ150χ35 mm이다.
준비된 시료는 고압 환경 조성 및 CLSM 분석의 용이성을 위해 20χ40χ5 mm 크기인 직육면체로 성형하였다(Fig. 2).

데이터처리

앞에서 비교한 각 시료의 균열 길이는 정확한 비교를 위해 각 균열의 발생시점과 마지막 관찰 시점을 동일하게 맞추었으나 균열의 성장 속도를 계산할 때에는 각 시료에서 발생한 균열의 발생시점 이후 총 관찰시간을 이용하였다. 또 균열의 누적 길이와 마찬가지로 가해진 압력이 55 MPa, 70 MPa인 시료에서 발생한 균열의 성장 속도는 선택한 3개 균열의 평균값을 사용하였다. 균열의 성장 속도를 계산하기 위한 각 시료별 조건은 Table 1과 같다.

성능/효과

동결/융해 주기에 따라 암석 시료의 표면을 관찰할 때에는 3차원 측정이 가능한 다초점 레이저 스캔 현미경(ConfocalLaser Scanning Microscope, CLSM)을 사용하여 정밀한 분석이 이루어지도록 하였다. CLSM을 통해 획득한 이미지를 바탕으로 암석 균열의 생성 및 성장에 대한 연구를 수행한 결과 풍화가 진행됨에 따라 암석 균열이 발생하고 성장하는 것을 관찰할 수 있었으며 그 길이 또한 측정할 수 있었다. 이 때 각 암석 시료에 주어진 압력에 따라 다른 결과가 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
가해진 압력조건 50 MPa, 55 MPa,70 MPa에서 발생한 균열의 개수는 각각 7개, 10개, 19개였으며 이 중 뚜렷하게 발달한 균열을 선택하여 관찰한 균열의 누적 길이는 각각 30.49 μm, 72.17 μm,147.20 μm로 나타났다.
그 결과 Fig. 7에서와 같이 주어진 압력이 50 MPa인 시료에서는 동결/융해 220 주기까지 총 7개의 균열이 발생하였고 압력이 55 MPa인 시료에서는 총 10개의 균열, 압력이 70 MPa인 시료에서는 총 19개의 균열이 관찰되었다. 즉, 고압 환경 하에서 동결/융해를 거친 암석 시료에 대해서 더 많은 균열이 발생하는 것을 확인하였으며 이는 같은 면적 내에서도 가해진 압력의 세기에 따라 균열 분포의 밀도가 달라진다고 말할 수 있다.
그 결과 가해진 압력이 50 MPa인 시료에서 발생한 균열의 누적 길이는 30.49 μm, 압력이 55 MPa인 시료에서 발생한 균열의 평균 누적 길이는 72.17 μm,압력이 70 MPa인 시료에서 발생한 균열의 평균 누적길이는 147.20 μm로 나타났다.
그 결과 가해진 압력이 50 MPa인 시료에서 발생한 균열의 성장 속도는 0.79 μm/day, 압력이 55 MPa인 시료에서 발생한 균열의 성장 속도는 1.60 μm/day, 압력이 70 MPa인 시료에서 발생한 균열의 성장 속도는3.06 μm/day이다.
그 결과 균열은 동결/융해와 고압 조건에 영향을 받아 생성되고 성장하였다. 특히 낮은 압력 보다 높은 압력을 가한 시료에서 균열이 더 많이 발생하였고, 길이도 더 길게 나타났다.
동일한 동결/융해조건 하에서는 주어진 압력의 차이에 따라 각 시료에 발생하는 균열의 개수가 다르다는 것을 확인하였다. 이렇게 발생한 균열의 수가 다른 것은 그 길이에도 차이가 있을 것이라 예상하고 CLSM5χ촬영 이미지를 통해 확인한 균열 중 각 시료 당 뚜렷하게 발달된 균열을 선택하여 그 길이에 대한 변화를 분석하였다.
또 균열의 발생시점으로부터 총 관찰시간 동안 계산한 균열 성장 속도는 각각 0.79 μm/day, 1.60 μm/day, 3.05 μm/day임을 확인하였다.
주어진 압력이 50 MPa인 시료에서는 동결/융해 100주기 이후에 2개의 균열이 발생하여 160주기까지 총 7개의 균열이 발생하였으며 200주기까지 7개의 균열 개수를 유지하였다. 압력이 55 MPa인 시료에서는 20주기에서 균열 6개가 발생하고 80주기까지 지속적으로 개수가 증가하여 9개가 된 후 200주기까지 유지하다 220주기에서 추가로 1개의 균열이 발생하여 총 10개의 균열이 발생하였다. 압력이 70 MPa인 시료에서는 20주기 이후에 10개의 균열이 발생한 후 60주기 이상 균열의 개수가 유지된 적 없이 220주기까지 서서히 증가하여 총 19개의 균열이 발생하였다.
발생한 균열은 가해진 압력에 따라 그 길이의 변화량에 차이가 나타났다. 이 균열의 누적 길이와 균열발생 후 지속된 동결/융해 주기를 이용하여 각 균열의성장 속도 또한 계산할 수 있었다. 앞에서 비교한 각 시료의 균열 길이는 정확한 비교를 위해 각 균열의 발생시점과 마지막 관찰 시점을 동일하게 맞추었으나 균열의 성장 속도를 계산할 때에는 각 시료에서 발생한 균열의 발생시점 이후 총 관찰시간을 이용하였다.
즉, 고압 환경 하에서 동결/융해를 거친 암석 시료에 대해서 더 많은 균열이 발생하는 것을 확인하였으며 이는 같은 면적 내에서도 가해진 압력의 세기에 따라 균열 분포의 밀도가 달라진다고 말할 수 있다. 이로써 압력이 균열 발생에 영향을 미친다는 것을 알 수 있고 그 압력의 세기에 따라 발생하는 균열의 개수도 달라진다는 것을 확인하였다.
압력이 70 MPa인 시료에서는 20주기 이후에 10개의 균열이 발생한 후 60주기 이상 균열의 개수가 유지된 적 없이 220주기까지 서서히 증가하여 총 19개의 균열이 발생하였다. 이를 통해 높은 압력을 가한 시료일수록 동결/융해 주기 초기부터 균열이 발생하며 균열의 개수 또한 초기부터 더 많이 발생하는 것을 확인하였다.
7에서와 같이 주어진 압력이 50 MPa인 시료에서는 동결/융해 220 주기까지 총 7개의 균열이 발생하였고 압력이 55 MPa인 시료에서는 총 10개의 균열, 압력이 70 MPa인 시료에서는 총 19개의 균열이 관찰되었다. 즉, 고압 환경 하에서 동결/융해를 거친 암석 시료에 대해서 더 많은 균열이 발생하는 것을 확인하였으며 이는 같은 면적 내에서도 가해진 압력의 세기에 따라 균열 분포의 밀도가 달라진다고 말할 수 있다. 이로써 압력이 균열 발생에 영향을 미친다는 것을 알 수 있고 그 압력의 세기에 따라 발생하는 균열의 개수도 달라진다는 것을 확인하였다.
06 μm/day이다. 즉, 균열의 성장 속도 또한 압력에 따라 차이가 있으며 가해진 압력이 클수록 빨라졌음을 확인하였다.
하지만 균열의 발생 시점 이후에 동결/융해 주기가 반복됨에 따라 증가하는 균열의 길이에는 차이가 있었다. 즉, 압력에 따라 균열의 누적 길이에서 차이가 있으며 가해진 압력이 클수록 그 길이가 길어졌음을 확인하였다.
그 결과 균열은 동결/융해와 고압 조건에 영향을 받아 생성되고 성장하였다. 특히 낮은 압력 보다 높은 압력을 가한 시료에서 균열이 더 많이 발생하였고, 길이도 더 길게 나타났다. 가해진 압력조건 50 MPa, 55 MPa,70 MPa에서 발생한 균열의 개수는 각각 7개, 10개, 19개였으며 이 중 뚜렷하게 발달한 균열을 선택하여 관찰한 균열의 누적 길이는 각각 30.

후속연구

이러한 고압 및 동결/융해 환경에서 나타나는 암석의 균열 발생과 성장 분석은 지하 시설의 건축, 고준위 방사성 폐기물 처분과 같은 분야에 활용될 수 있을 것으로 기대되며 추후 연구에서는 균열의 발생에 대한 creep의 영향 및 열적요인에 대한 영향의 분석도 실시할 계획이다. 이를 통해 보다 자세한 물리적 풍화현상을 관찰할 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	풍화는 어떤 경우 더욱 빠른 시일 내에 일어날 수 있는가?	, 2010). 풍화는 특히 심한 온도차, 고압 환경일 경우 더욱 빠른 시간 내에 일어날 수 있으므로 본 연구에서는 균열의 발생과 성장을 관찰하기 위해 동결/융해 실험 및 가압조건을 통해 풍화를 가속시켰다.
	우리나라에서 암석의 물리적인 풍화의 주요 원인은?	일반적으로 암석의 물리·화학적 풍화작용은 공학적으로 불안정한 상태를 초래하며 이는 건축물이나 구조물의 장기적인 안정성 등에도 영향을 미칠 수 있는 중요한 특성 가운데 하나로 작용할 수 있다. 우리나라의 경우 계절에 따른 온도 변화가 뚜렷하여 미세균열을 가지는 암석의 경우 물리적인 풍화의 주요 원인가운데하나는 동결/융해에 의한 영향을 꼽을 수 있다 (Janget al., 2004; Um et al.
	복운모화강암이 대부분을 차지하고 있으며 반화강암과산성 및 염기성 암맥들이 관입하며 분포하는 지역은?	본 연구에서 사용된 시료는 복운모 화강암으로 옥천대의 서쪽에 분포하는 대전지역의 중생대 대보화강암저반 심도 223.6m에 위치한다(Fig. 1).

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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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