1. 서 론
2. 공시체 제작 및 실험 방법
2.1 실험 재료 및 슬레이크 내구성시험
2.2 공시체 제작 및 실험 방법
3. 강도시험 결과 및 분석
3.1 암석의 크기 및 시험방법에 따른 결과
3.2 암석의 포화 상태에 따른 결과
3.3 암석의 균열 발생에 따른 결과
4. 결 론
1. 서 론
대구경북지역은 지질학적으로 하양층군이 분포하며, 주요 구성 암석은 역암, 사암, 셰일(shale), 이암 등과 같은 쇄설성 퇴적암으로(Kim et al., 2001) 층리면이 잘 발달되고 암석이 호층으로 발달하였다(Kim et al., 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. 또한, 여름철 기온이 높은 대구경북지역(기상청 제공 2017년 최고기온 38.4℃)에는 수분에 의한 암석의 팽창 또는 수축이 물리적 풍화의 중요한 원인이 될 수 있다. 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.(2016)은 대구경북지역 셰일 시료의 모양, 개수, 드럼의 회전속도 및 건조온도가 슬레이크 내구성지수에 미치는 영향에 대해 연구하였다.
한편, 암석 풍화작용의 주요 원인인 물이나 건습으로 인한 강도 특성에 대해 해외 여러 연구자들(Hawkins and Mccnnell, 1992; Vasarhelyi, 2005)이 연구하였으며, 암석의 종류에 관계없이 암석이 포화되거나 건습이 반복됨에 따라 강도는 감소하는 것으로 나타났다(Kegang and Zhang, 2016; Zhang et al., 2014; Zhou et al., 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, 전단속도가 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.
암석이나 유리와 같은 취성재료의 균열 발생이나 전파로 인한 강도 변화는 Griffith(1921)에 의해 외부에서 시작되는 균열에 관한 연구로부터 시작되었다. 그 이후 McClintock and Walsh(1962)나 Hoek(1965)에 의해 암석 내 공극이나 서로 다른 광물의 접합부와 같이 암석 내부에서 시작되는 균열에 대한 연구로 이어졌다. Bahrani and Kaiser(2017)는 미소균열이 증가함에 따라 강도가 감소한다는 실험 결과를 발표하였으며, Baud et al.(2014)은 암석 내부 공극에서 발달하는 균열을 해석하기 위한 균열모델을 제안하기도 하였다. Wang et al.(2013)은 화강암에 700도의 열을 가하여 미세균열을 유발하고 강도시험을 실시하였으며, 순수한 암석보다 약 7%의 강도 감소가 발생하였다. 한편, 1960년대 Gray(1965)와 Maurer(1968)에 의해 전자기파를 이용한 암석 파쇄기법이 제안되었으며, 그 이후 Hassani et al.(2016)은 건조된 강한 화성암(화강암, 현무암, 반려암)에 높은 전자기파(1.2-5kW)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.
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(1.1kW)를 사용하여 포화된 암석 내 미세 균열을 유발하거나 풍화를 진행시켜 암석의 강도 변화를 비교 분석하였다.
2. 공시체 제작 및 실험 방법
2.1 실험 재료 및 슬레이크 내구성시험
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. 연일읍 지역에서 채취한 이암의 경우 수침시키면 Fig. 1과 같이 점토입자들이 빠르게 부서지거나 팽창하면서 강도를 상실하게 된다. 이렇게 풀리는 이암의 액소성한계는 각각 43% 및 31%이다. 셰일은 대구광역시 복현동(Red Shale 1)과 서변동(Red Shale 2)에서 채취하였으며, 모두 적색이지만 서변동에서 채취한 셰일이 좀 더 어두운 색을 띤다.
비중, 공극률, 흡수율 등과 같은 암석의 기본적인 물리적 특성은 Table 1과 같다. 이암의 경우 건조단위중량이 16~19kN/m3 정도로 가벼우며, 공극률과 흡수율도 평균 31%과 25% 정도로 셰일에 비해 6배 및 8배 정도 높았다. Table 2는 각 암석의 화학성분을 나타내고 있으며, 실리카(SiO2)가 대부분을 차지하고 있다. Fig. 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.
Table 1. Physical properties of sedimentary rocks
Table 2. Quantitative analysis on specimens of composition using WDS system in EPMA
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. 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. 하지만, 슬레이킹 횟수가 증가함에 따라 셰일에 비해 이암은 선형적으로 내구성지수가 감소하였다. 이는 포항지역 이암의 경우 신생대 제3기 연일층군에 속하는 지층으로 암석이 되는 과정인 속성과정 중 융기된 지표의 암석으로 미고결 퇴적암이 많이 존재하기 때문이며(Jeong at el., 2006), 특히 포항지역에 분포하는 Mudstone 2와 같은 일부 이암의 경우 습윤 상태가 되면 강도를 대부분 상실하게 된다.
2.2 공시체 제작 및 실험 방법
암석의 강도는 일반적으로 일축압축강도(Unconfined compressive strength, UCS)로 나타내며, 일반적으로 직경 50mm, 높이 100mm인 원주형 공시체를 사용하여 강도시험을 실시하고 있다(ASTM D 2938, 2002). 한편, BS EN1926(2006)에서는 일반적으로 건축용으로 사용되는 암석은 주로 육면체 형태일뿐 아니라 기계로 가공하기가 쉬워 강도시험에는 원주형 공시체가 아닌 정육면체 모양의 공시체를 권장하고 있다(Celik, 2017). 그리고, KS F 2519(2000)에서는 직경 또는 한 변의 길이가 50mm 이상인 정육면체나 원주형 공시체를 사용하도록 규정하고 있다.
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. 4와 같이 한 변의 길이가 25mm 또는 50mm인 정육면체로 제작하였다. 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(2.207N.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. P파 트랜스듀서로는 테스트 물체의 제한으로 최대 입자크기가 34mm, 물체의 종류가 암석이며 신호강도가 강하지 않아 Proceq사에서 권장하는 수신기 게인(gain)이 높은 54kHz 신호를 이용하였다.
건조된 암석이 포화될 경우 강도 변화를 비교하기 위해 25mm 시편이 포화되는데 걸리는 시간을 측정하였다. 측정시간은 1시간에서 24시간 동안 각각 얼마나 포화되는지 무게로 측정하였다. 시료의 크기가 작아 대부분 Fig. 5와 같이 1시간 이내에 빠르게 포화되었으며, 그 이후에는 서서히 포화되었다. Fig. 5에는 12시간까지만 표시하였으며, 시료를 완전히 포화시키기 위해서 48시간 동안 시료를 물 속에 수침시킨 후 실험을 실시하였다.
3. 강도시험 결과 및 분석
3.1 암석의 크기 및 시험방법에 따른 결과
일축압축시험은 KS E 3033(2001)에 따라 시험장비의 상하 평판 사이에 시료를 거치하여 1mm/min의 재하속도로 하중을 가하여 시료가 파괴될 때까지 실험하였다. Fig. 4와 같은 건조된 소형 정육면체 공시체의 일축압축강도 비교를 위해 슈미트해머 반발계수 및 탄성파속도도 측정하였으며, 그 결과를 Table 3에 비교하였다. 암석의 종류에 관계없이 정육면체 한 변의 길이가 25mm에서 50mm로 증가함에 따라 공시체의 강도가 8-10% 정도 감소하였다. 이는 암석의 크기가 증가하면서 암석 내 공극이나 미세균열이 증가하거나 층상구조를 가지기 때문으로 판단된다. 이러한 결과는 암석 공시체의 크기나 체적이 커질수록 실내 또는 현장 강도가 감소한다는 기존 연구 결과와 유사하다(Hoek and Brown, 1980; Hawkins, 1998; Thuro et al., 2001; Van der Merwe, 2003). 예를 들면, Celik(2017)은 탄산염암 정육면체 공시체의 크기가 30mm에서 110mm로 증가함에 따라 평균 7% 정도 감소하였으며, Mogi(1962)는 직육면체 화강암 시료를 대상으로 한 변의 길이가 40mm에서 200mm로 증가함에 따라 10% 정도 강도가 감소하였다.
Table 3. Results of various strength tests for sedimentary rocks
Chung and You(1997)에 의하면 약간 풍화된 국내 셰일의 슈미트해머 반발계수(SHV)는 27-40으로 본 연구 결과와 유사하였으나, 이들이 제안한 식 (1a)을 사용하여 셰일의 일축압축강도를 계산하면 25mm 공시체의 측정된 일축압축강도보다 다소 높게 계산되었다. 이는 슈미트해머시험의 일부를 현장에서도 실시하여 상관성(결정계수 R2=0.87)이 다소 낮을 뿐 아니라 연구대상지역의 암석이 달라 차이가 난 것으로 판단된다. Min et al.(2009)이 제안한 이암에 대한 식 (1b)를 사용하면 Mudstone 1의 강도는 14MPa로 측정된 일축압축강도를 다소 과대평가하였다. 이는 제안식 (1b)가 이암 하나만의 대상이 아닌 퇴적암 모두를 대상으로 실시한 경험식이며, 본 연구의 이암 강도보다 높은 20~200MPa의 암석을 대상으로 실시한 결과로 다소 차이가 발생한 것으로 판단된다. 또한, 셰일의 탄성파속도(Vp)를 이용하여 강도를 구하는 경험식은 Kwag et al.(2013)이 제안한 식 (2)를 사용하였으며, 상당히 과대평가하였다. 이 경험식은 대구지역의 셰일에 대한 경험식이만, 본 연구에서 사용한 공시체의 크기가 작아서 식 (2)로 계산된 값이 다소 높게 나온 것으로 판단된다.
| $$UCS=exp(0.042SHV)19.6$$ | (1a) |
| $$UCS=19.09exp(SHV/31.28)-19.80$$ | (1b) |
| $$UCS=5.94Vp+54.04$$ | (2) |
3.2 암석의 포화 상태에 따른 결과
Table 4는 물에 쉽게 풀리는 Mudstone 2를 제외한 각 시료의 건조 상태와 포화 상태의 일축압축강도를 10개씩 비교하고 있다. 건조 상태의 일축압축강도의 크기는 Red shale 2, Red shale 1, Mudstone 1 순서대로 높았으며, 일반적으로 이암보다 셰일이 평균 7배 정도 높은 강도를 보였다. Fig. 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. 기존 연구(Colback and Wild, 1965)에서도 이와 유사하게 포화된 사암의 경우 최대 50% 정도까지 감소하였다.
Table 4. Summary of unconfined compression tests under dry and saturated conditions
3.3 암석의 균열 발생에 따른 결과
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., 2016). 황철석(pyrite)과 같은 광물은 전자기파를 흡수하고, 석영이나 방해석은 전자기파를 통과시키므로 모든 암석에 이러한 방법을 적용시키기는 어렵다(Chen et al., 1984; Walkiewicz et al., 1991). 특히, 본 연구에서 사용한 퇴적암의 구성성분은 대부분 석영질로 전자기파를 일부 통과시키므로 단시간에 높은 온도에 도달하기 어렵다. Ferri et al.(2016)의 경우도 석영질이 많은 화강암을 1.2kW와 3.0kW의 전자레인지로 10초에서 2분 동안 가동시켰지만 균열은 거의 발생하지 않았다. 한편, Fig. 7과 같이 전자레인지에 Red shale 1을 넣고 20초 동안 가동시킨 경우 건조한 Red shale 1은 46.5도까지 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.
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. 8과 같이 색소가 들어간 캡슐을 넣고 원기둥 모양의 직경 3cm, 높이 3cm 공시체를 다짐 제작하였다. 이렇게 목표 단위중량 19kN/m3으로 재성형된 시료를 전자레인지에 넣고 단계적으로 가열하면서 내부 균열 발생 여부를 공시체를 절단하여 관찰하였다.
동일한 공시체 여러 개를 대상으로 가열이 진행됨에 따라 Fig. 9와 같이 내부 캡슐에서 균열이 시작되고 시간이 지남에 따라 균열 개수와 진행 정도가 증가하였으며, 최종적으로 여러 조각으로 파쇄되었다. 5초 가열 시 균열이 발생하기 시작하는 단계로 한 방향으로 발달하여 평균 길이는 7mm 정도였다. 가열시간이 10, 15초로 증가할수록 온도는 150도까지 상승하며, Fig. 9와 같이 균열도 여러 방향으로 길이도 10mm 이상 발달하는 것을 확인할 수 있었다.
본 연구에서 사용한 전자레인지 가열시간은 암석의 공극과 포화도에 따라 비열용량(specific heat capacity)이 다르기 때문에 정확한 에너지를 계산하기 어려워(Griffiths, 2005; Scharli and Rybach, 2001) 경험적으로 결정하였으며, 이 값은 공시체의 크기에 따라 또한 달라질 수 있다. Table 5는 포화 상태 공시체의 강도를 비롯하여 이를 전자레인지에 5, 10, 15초 동안 가열시킨 공시체의 중량과 일축압축강도를 비교하고 있다. 포화 상태의 암석과 비교하여 전자레인지를 이용하여 내부 균열을 유도한 암석의 강도가 전반적으로 낮게 나타났다. Fig. 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. 이러한 포화 및 균열로 인한 암석의 강도 저하를 암반 비탈면 설계에 충분히 고려할 필요가 있으며(An and Lee, 2016), 이러한 실험 결과는 Damage law(Han et al., 2017)와 같은 수치해석방법의 검증에도 활용될 수 있다.
Table 5. Summary of unconfined compression tests under saturated and microwave conditions
Fig. 11은 전자레인지 가열시간에 따른 공시체의 균열 발생 및 온도 변화를 보여주고 있으며, 최종적으로 여러 조각으로 파쇄되며 그 순간 최대온도는 200도 정도였다. 앞서 이암 재성형 공시체를 대상으로 실시한 실험과 유사하게 전자레인지 가열시간마다 공시체를 절단하여 내부 모습을 관찰하였으며, 시간이 지남에 따라 암석 내부에서 외부로 균열이 발달하는 것을 확인할 수 있었다. Fig. 12는 건조로와 전자레인지를 이용한 가열방식에 따른 암석의 온도 상승을 비교하고 있다. 건조로의 경우 암석의 온도가 200도까지 도달하기 위해서 1시간 이상이 소요되지만, 전자레인지의 경우 20초 정도의 짧은 시간에 급작스런 가열로 암석 내 물의 순간적인 부피 팽창이 균열을 유발한 것으로 판단된다. 예를 들면, 포화된 25mm 암석 내부 물의 온도가 100도까지 상승할 경우 암석 내부 물의 팽창률은 4.2%이며, 이로 인한 팽창 압력은 약 0.88MPa이다.
4. 결 론
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.
(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. 이러한 결과는 암석의 크기가 증가하면서 암석 내 공극이나 미세균열이 증가하거나 층상구조를 가지기 때문으로 판단된다.
(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.
(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.
