경상누층군 셰일의 내구성 특성

Slaking Characteristics of shale in the Gyoungsang Super-group, Korea

Abstract

본 연구에서는 경상누층군 셰일에 대한 슬레이크 내구성 특성을 조사하기 위하여 다양한 인자 즉, 시료형태, 시료개수, 회전속도, 총 회전수, 건조온도 및 수침용액의 산도 등을 제어하면서 실험을 수행하였다. 실험 결과, 시료형태가 정육면체인 경우 가장 낮은 내구성 지수를 보였으며 부채꼴 시료가 가장 큰 내구성 지수를 보였고, 시료개수는 증가할수록 시료들 사이의 마찰이 증가하여 내구성지수가 감소하는 경향을 보였다. 회전속도는 영향이 거의 없는 것으로 나타났으나, 총 회전수가 증가할수록 내구성 지수는 직선적으로 감소하는 경향을 보였다. 또 시료 건조온도가 증가할수록, 수침용액의 산성도가 증가할수록 내구성 지수는 감소하였다. 대기 중에 노출되어 쉽게 풍화하는 특성 때문에 낮을 것으로 예상하였던 셰일의 내구성지수가 결정질 암석과 뚜렷한 차이가 없어서 기존의 실험법은 셰일의 장기적인 안정성을 평가하는데 부적합하다고 판단되어 교결도가 양호한 경상누층군 셰일의 장기적인 내구성 특성을 확인하기 위한 새로운 내구성 실험방법이 필요할 것으로 보인다.

Because of a fissility characteristics of shale in the Gyoungsang super-group, it breaks down to debris when daylighted by construction work and causes a slope unstability. To assess the durability property of shale, a series of slake durability tests was conducted by controlling test conditions such as shape of specimen, number of specimen, revolution speed, revolution number, drying temperature and pH of submerging liquid. For the specimen shape, cube one showed relatively lower durability index than cuboid and/or fan shape one. The test with the more number of specimens showed the less durability index because of a higher friction among specimens in the drum. The durability index is linearly decreased by increasing the total number of revolution, while the revolution velocity could not affect the index. And the durability index is also decreased by increasing the drying temperature of specimen and by decreasing the pH of submerging liquid. Because the durability index of shale is almost similar to that of crystalline rocks, the disintegration characteristics of shale could not be assessed by the slake durability test recommended by ISRM, and thus a new test method by changing the total revolution number may be required for the shale having fissility characteristics.

서 론

지질개요

암석의 풍화는 지표면이나 지표면 부근에서 자연적, 인위적인 작용에 의해 물리적, 화학적, 생물학적으로 분해되거나 변질되는 현상으로 대개 강도의 열화현상(degradation)을 수반한다. 국내외적으로 암석풍화에 대한 연구는 활발히 진행되어 왔으며, 특히 비탈면 보강공법 선택 시에 암석의 풍화정도는 중요한 요소로 활용되고 있다. 하지만 국내 연구의 경우 대부분 화강암등과 같은 화성암에 집중되어 있으며, 2000년대 이후 영남지역에 널리 분포하는 중생대 백악기 경상누층군의 퇴적암의 풍화에 대한 연구가 시작되었다. 지질학적으로 경상누층군은 Fig. 1과 같이 하부로부터 신동층군, 하양층군, 유천층군으로 구분되며(Chang, 1977), 대구지역은 하양층군이 분포하는데 주 구성 암석은 역암, 사암, 셰일(shale), 이암 등과 같은 쇄설성 퇴적암으로(Kim et al., 2001) 층리면이 잘 발달되고 암석이 호층으로 발달하여 사면안정성 문제가 종종 보고되고 있다(Kim et al., 1999).

Fig. 1.Geologic map showing three groups belong to the Gyoungsang super-group (Chang, 1977).

신동층군과 하양층군이 분포하는 대구경북지역의 도로절취사면에 노출된 셰일과 이암은 대기 중에 노출되어 수년이 경과하면 풍화작용을 받아 쉽게 부수어지는 박리(fissility)특성이 강하여 사면 안정성에 문제가 되는 경우가 빈번하게 발생하였다(Kim et al., 1999; Kwon et al., 2000, Baik et al., 2000). 특히 Fig. 2의 예에서 보듯이 셰일과 사암이 호층으로 분포하는 경우에는 셰일층의 빠른 풍화특성으로 인하여 상부에 놓인 사암층의 암괴를 낙석파괴(toppling failure) 시키는 사례가 발생하게 된다. 따라서 본 연구는 상대적으로 내구성이 약한 것으로 알려진 하양층군의 셰일을 대상으로 슬레이크 내구성 실험을 실시하여 그 특성을 연구하였다.

Fig. 2.Slope feature on sedimentary rocks exposed in the Gyoungsang super-group showing differential weathering characteristics of shale and sandstone layers.

시료의 물리적 특성

본 연구에서는 경상누층군 하양층군의 흑색 셰일과 적색 셰일을 실험 대상으로 하였으며, 시료의 기본 물리적 특성은 Table 1과 같다.

Table 1.Physical properties of shale.

슬레이크 내구성 시험

슬레이킹(slaking)이란 자연상태에서 암석이 강수, 지하수위 변동 등에 의하여 물과 접촉하고 건조되는 건습의 반복으로 인해 입자간의 교결력을 잃고 세편화되는 현상이며, 이는 교결도가 낮은 퇴적암에서 주로 발생하며 점토광물을 많이 함유한 셰일 등의 암석에서 이런 현상이 심한 것으로 알려져 있다. 슬레이크 내구성시험(slake durability test)은 암석의 슬레이킹 특성을 정량적으로 나타내기 위한 대표적인 시험방법으로 Franklin and Chandra (1972)에 의해 고안되었으며, Ulusay (2014, ed.)은 슬레이킹에 대한 내구성지수 결정 표준시험법을 ISRM Suggested Methods로 규정하였다. 이는 건습의 반복과 드럼의 회전을 활용한 일종의 풍화시험으로, 시료의 중량 손실을 지수화하여 평가하는 간편한 시험법이며, 주로 셰일과 이암의 내구성 평가에 활용되고 있다. 하지만, 슬레이크 내구성지수(slake durability index)는 암석시료의 준비나 시험방법에 따라 영향을 받을 수 있다. 즉, 슬레이크 내구성시험 시 시료는 대체로 구형 모양으로 성형하도록 제시하고 있지만, 시료성형 시의 개인 오차가 있을 수 있으며, 개개 암편의 무게나 크기의 차이에 대한 오차도 있을 수 있다. 또 신선한 암편을 사용하여야 하지만 점하중강도 시험 후 파괴된 조각을 재활용하여 슬레이크 내구성과 점하중강도를 비교 연구하기도 하였는데(Kim et al., 2010; Kwag et al., 2013), 이 경우에는 파괴 시의 시편 손상에 의한 영향이 있을 수도 있다.

ASTM (2001)에서는 암석의 슬레이크 내구성지수를 평가하는 표준시험법을 다음과 같이 규정하고 있다. 시험 장치는 길이 100 mm, 지름 140 mm인 원통형 드럼으로 원주면은 체 구멍 크기 2 mm인 표준체로 한다. 물은 드럼 축 아래 20 mm까지 채워야 하며, 드럼의 회전속도는 20 rpm으로 10분간 회전시킨다. 시험시료는 질량 50 g 인 암석덩어리 10개를 사용하며, 모양은 대체로 구형 모양으로 성형하여야 한다. 시험은 암석시료를 105℃ 온도에서 6시간 동안 일정한 질량이 되도록 건조시킨 후 20℃의 물에 10분 동안 200회 회전시키고, 다시 건조시키는 과정을 2회 반복하여 다음 식과 같이 슬레이크 내구성지수(Slake durability index), Id를 구한다(식 1).

여기서 Wo: 시험 전의 전체건조중량, Wi: i 사이클 후의 전체건조중량, WD: 드럼의 중량이다. 내구성이 높은 암석에서는 사이클 수를 증가하면서 같은 방법으로 내구성 지수를 산정하기도 한다. 이 결과 얻어진 슬레이크 내구성 지수에 의하여 Gamble (1971)은 암석의 내구성 특성을 Table 2와 같이 6등급으로 분류하였다.

Table 2.Slake durability classification.

본 연구에서는 셰일의 슬레이킹 특성을 평가하기 위하여 ASTM에서 제안한 실험방법을 기준으로 실험관련 인자의 영향을 평가하기 위하여 후술하는 연구방법에 정리한 바와 같이 다양하게 실험 인자를 변경하였다.

 

연구방법

본 연구에서는 시료의 모양, 개수, 그리고 드럼의 회전속도 및 건조온도가 셰일의 슬레이크 내구성지수에 미치는 영향을 분석하기 위하여 ASTM에서 제안한 방법을 준용하여 다음과 같은 방법으로 각각 5회까지 반복하여 실험을 수행하고 그 결과를 그래프로 도시하였다. 실험 내용 중 회전속도, 총 회전수, 건조온도 및 산성용액 영향 평가를 위하여 수행한 실험에서는, 각 실험조의 10개의 시편을 10개의 코어에서 4등분한 시편을 하나씩 취하여 4조의 시편을 구성하여서 각 실험조사이의 시료오차를 최소화하여 실험을 수행하였다.

시료 형태의 영향평가 실험

시료의 모양은 시험의 간편성을 위해 뾰족한 모서리를 제거하고 대체로 구형 모양이 되도록 제안하고 있다(Franklin and Chandra, 1972). 하지만 일반적으로 구형이라는 모호함으로 인해 슬레이크 내구성시험 시 10개의 시료 형상이 일정하기 보다는 서로 다른 경우가 대부분이다. Agustawijaya(2004)는 슬레이크 내구성시험이 진행되는 동안 시료가 닳고 부서지는 과정을 겪게 되며 시료의 모양에 따라 그 메커니즘이 달라진다고 서술한 바 있다. 따라서 본 연구에서는 시료의 모양에 따른 내구성지수의 차이를 분석하기 위해 시료의 모양을 Fig. 3과 같이 세 가지 형태, 즉, 정육면체, 직육면체 및 부채꼴로 성형하여 사용하였다. 각 시료의 무게는 ASTM에서 제시한 바와 같이 질량이 40~60 g (부피 약 16~19 cm3)이 되도록 하였으며, 시료의 모양에 따라 정육면체 시료규격은 25 (w) × 25 (h) × 25 (d) ± 5 mm, 직육면체 시료규격은 40 (w) × 40 (h) × 10 (d) ±5mm로 성형하였으며, 부채꼴 시료는 직경 약 54 mm 코어 시료를 길이 30 mm로 자른 후 4등분 하였다. 정육면체와 직육면체시료는 대구시 북구 산격동 경북대학교 일원에서 채취한 적색 셰일이며, 부채꼴 시료는 경북 경산시 중산동 아파트 공사현장 지반조사에서 회수한 코어시료로 흑색 셰일이었다.

Fig. 3.Three different shape of specimens employed to evaluate the effect of shape on slake durability index.

이와 같이 성형된 시료는 ASTM의 규정과 같이 10개의 시편을 드럼에 넣고 20 rpm의 속도로 수침상태에서 10분간 회전시킨 후 105℃에서 6시간 이상 건조하여 중량을 측정하는 것을 한 사이클로 하여 각 5 사이클의 실험을 실시하였다. 정육면체 및 직육면체의 적색 셰일은 각각 60개의 시편으로 제작되어 각 6회의 실험을 실시하였고, 부채꼴 시료는 후술하는 다른 실험에서 얻어진 결과를 포함하여 총 10회의 실험 자료를 시료형태의 영향을 평가하는데 이용하였다.

시료 개수의 영향평가 실험

ASTM은 슬레이크 내구성 시험에서 시료의 개수를 10개로 정하였다. Gamble (1971)은 시료의 개수와 크기에 따른 슬레이크 내구성시험 결과를 발표하였는데, 시료의 개수가 많아질수록 내구성 지수도 대체로 높아지는 결과를 얻었다. 이 결과가 대구경북지역의 층리가 발달한 셰일에서도 합당한지 확인하기 위하여 본 연구에서는 시료개수를 1개, 5개, 10개 및 15개로 변화시키면서 각 6조의 실험을 수행하였다. 이 실험에 사용된 시료는 거의 수평에 가까운 층리가 잘 발달된 신선한 흑색 셰일이며 시료의 형태는 Fig. 3과 같이 시추코어를 4등분한 부채꼴로서 중량은 40~60 g이었고, 전체 시료의 중량은 개수에 따라 50 ± 10 g, 250 ± 50 g, 500 ± 100 g, 750 ± 150 g이었다.

회전속도의 영향평가 실험

Franklin and Chandra (1972)는 여러 차례의 실험을 통해 슬레이크 내구성지수는 시험시간에 선형적으로 반비례한다는 결과를 얻었으며, 회전속도 20 rpm에 10분 동안 총 200 회전하는 것이 가장 적절하다는 결론을 내렸다. Gamble (1971) 또한 시험 시 내구성이 높은 암석은 시간에 따라 지수가 거의 선형적으로 감소하며, 내구성이 낮은 암석의 경우 시험 시간 10분 전후로 그 기울기가 바뀌는 점을 들어 10분의 시험시간이 합리적임을 보고한 바 있다. 하지만 이는 항상 드럼의 회전과 연계되어 회전속도에 따라 그 결과가 달라질 수 있으며, 암석의 종류에 따라 제각기 다른 양상을 보인다.

본 연구에서는 드럼의 회전속도가 암석의 내구성에 어떠한 영향을 미치는지 평가하기 위해 전술한 바와 같은 형태의 신선한 흑색 셰일에 대하여 총 회전수를 200회로 고정하고 회전속도를10, 20, 30 rpm으로 변화하면서 각 4조의 실험을 실시하였다.

총 회전수의 영향평가 실험

전술한 바와 같은 부채꼴 형태의 신선한 흑색 셰일 시료에 대하여, 회전속도를 20 rpm으로 고정하고 시험시간을 5분, 10분, 15분으로 변화시켜서 총 회전수가 100회, 200회 및 300회가 되도록 하여 총 회전수의 영향을 평가하기 위하여 각 4조의 실험을 실시하였다. 이 1차 실험에서 총 회전수가 셰일의 마모에 큰 영향을 미친다는 사실을 확인하고 추가 실험으로 회전속도를 30 rpm으로 고정하고 20분 및 30분 동안 회전하여 총 600회 및 900회 회전하면서 실험을 수행하였다.

건조온도의 영향평가 실험

ASTM에서는 시료의 건조온도를 105℃로 제안하고 있으나, 본 연구에서는 이 외에도 250℃, 400℃로 변화시키면서 각 4조의 실험을 수행하였는데, 가열속도는 5℃/min로하였다. 이는 5℃/min의 가열속도가 화강암의 열 충격효과를 발생시킨다는 점을 고려하였으며(Lee and Lee, 1995), 건조시간은 소정의 목표온도까지 가열되는 시간을 포함하여 12시간으로 하였다.

수침용액 pH의 영향평가 실험

셰일의 교결물질이 방해석이라는 점과 산성비에 의하여 셰일의 풍화가 가속될 수 있다는 점에 착안하여, 산성수가 슬레이크 내구성지수에 미치는 영향에 대해 알아보고자 암석 시료를 pH 2와 pH 7의 산성 및 중성 용액에 24시간 수침시킨 후 실험을 실시하였다. 수침용액은 염산을 사용하여 산도를 조절하였으며, 실험을 5회 반복하는 동안 매번 용액의 산도를 확인하였으며 같은 시간동안 수침용액에 시료를 수침시켰다.

 

실험 결과 및 고찰

시료 형태의 영향

시료 형태에 따른 슬레이크 내구성지수를 비교하기 위해 동일한 암석 시료를 정육면체, 직육면체 및 부채꼴 형태로 제작하여 슬레이크 내구성시험을 실시하였다. 정육면체 및 직육면체 시료는 신선한 적색 셰일로서 각 6조, 부채꼴 시료는 신선한 흑색 셰일로서 10조의 실험을 각 5 사이클까지 수행하였다.

실험결과는 Fig. 4에 정리한 바와 같이 적색 및 흑색 셰일 모두 Table 1의 분류 기준에서 “Very High Durability”에 속하는 것으로 나타났으며, 5 사이클에서의 평균 내구성 지수는 각각 98.92%, 99.23% 및 99.72%이었고, 실험 사이클이 진행될수록 내구성 지수는 거의 선형적으로 감소하는 경향을 보였다. 또, 동일한 적색 셰일 시료에서 실험 사이클이 진행될수록 정육면체 시료가 직육면체 시료보다 내구성지수가 낮게 나타나는 경향을 보여서 시료의 형태의 중요성이 확인 되었다. 정육면체 시료는 직육면체 시료에 비하여 더 구형에 가까워서 실험 중 드럼통 안에서 더 쉽게 회전할 수 있었으며 그로 인하여 더 많이 마모된 것으로 생각된다. 즉, 모든 면의 길이가 동일한 정육면체 시료는 드럼의 회전에 따라 3축 회전을 하며 자유롭게 구르고 부딪히는 동안 마모되어 중량 손실이 발생하게 된다. 반면 판상형의 직육면체 시료는 드럼이 회전하는 동안 미끄러지는 거동을 보이며 비교적 부딪힘이 적게 발생하게 된다. 이와 같은 이유로 동일한 셰일이지만 그 형태에 따라 드럼 내부에서 시료의 회전이나 부딪힘 등과 같은 활동으로 인한 마모정도가 서로 다르기 때문에 이러한 차이를 보인 것으로 판단된다. Fig. 5는 시험 사이클 증가에 따른 정육면체시료의 모서리 마모 상태를 보여주고 있다.

Fig. 4.The slake durability indices are dependant upon the shape of specimens; The cube specimens are more worn out than other shape, which may be due to easier rolling in the drum during test.

Fig. 5.Photos showing the worn-out corner of specimen with test cycle.

부채꼴 시료는 흑색 셰일로 전술한 두 적색 셰일 시료와 물리적인 특성, 특히 Table 2에서 보듯이 간극률이 다소 상이하기 때문에 시료 형태적인 면을 직접 비교하기는 어렵지만, 실험 결과에서 부채꼴 형태가 다른 형태에 비하여 상대적으로 높은 내구성 지수를 나타내는 경향임을 유추할 수는 있을 것으로 생각된다.

시료 개수의 영향

암석 시료의 개수가 슬레이크 내구성지수에 미치는 영향을 분석하기 위해 신선한 흑색 셰일을 부채꼴 형태로 성형하여 표준방법인 10개씩뿐만 아니라, 1개, 5개, 또는 15개씩을 한 세트로 하여 각 5회씩 실험하였다. 그 결과 Fig. 6과 같이 시료의 개수가 증가함에 따라 슬레이크 내구성지수는 감소하는 경향을 보였다. 시료 개수가 1개 일 때는 사이클이 반복되더라도 내구성 지수가 거의 변함이 없었으나 시료개수가 증가할수록 시험 반복 시의 평균 내구성 지수의 감소폭이 증가하는 경향을 보였는데, 이는 시료 개수가 증가함에 따라 시료 사이의 마찰 기회가 증가한 결과 때문인 것으로 판단된다. 5 사이클에서의 평균 내구성 지수는 각각 100%, 99.90%, 99.85% 및 99.57% 이었다.

Fig. 6.The slake durability indices are decreased by increasing of the number of specimens, due to the higher friction between specimens with more number of specimens in the drum.

한편, Gamble (1971)은 본 연구결과와 상반되게 시료 개수가 증가함에 따라 내구성지수도 1~3% 증가하는 경향을 보고하였다. 이는 전술한 바와 같이 시료 모양에 따라 드럼내 시료의 활동 양상이 다르기 때문인 것으로 판단된다. 본 연구에서는 3인치 코어시료를 4등분하여 거의 정방형에 가까운 부채꼴 형태의 시료를 사용했지만, Gamble (1971)은 6인치 코어시료를 원판 또는 반 원판 형태로 성형한 판상형의 시료를 사용하였기 때문에, 시료의 개수가 증가 하여도 부딪힘이 적어 슬레이크 내구성지수가 오히려 증가하는 경향을 얻은 것으로 판단된다. 물론 본 연구에서와 같이 정방형에 가까운 형태의 시료라 하더라도 시료 개수가 어느 한계에 도달하면 시료 상호 간의 마찰은 오히려 줄어 들 것이기 때문에 마모 현상이 감소하여 내구성지수가 증가될 것으로 예상되지만, 이와 같은 시료 개수의 상한은 본 연구에서 확인되지 않았다.

회전속도의 영향

드럼의 회전 속도가 슬레이크 내구성지수에 미치는 영향을 알아보고자 회전속도를 10, 20 및 30 rpm으로 증가시키면서 실험 시간을 조정하여 총 회전수를 200회로 고정하고 실험한 결과는 Fig. 7에 정리하였다. 이 결과에 의하면 총 회전수가 고정된 경우에는 회전속도가 증가하더라도 내구성 지수는 거의 영향을 받지 않는 것으로 나타났다.

Fig. 7.The slake durability indices are not dependant on the revolution velocity, but on the total number of revolutions.

총 회전수의 영향

회전속도를 10, 20 및 30 rpm으로 증가시키면서 실험 시간을 10분으로 고정하여 드럼의 총 회전수가 각각 100, 200 및 300회로 증가하는 경우의 실험 결과를 분석한 결과, 회전수가 증가할수록 내구성 지수는 감소하는 경향을 보여서 추가로 회전속도를 30 rpm으로 고정하고 실험 시간을 20분 및 30분으로 연장하여 각각 총 600회 및 900회의 회전수가 되도록 한 결과는 Fig. 8에 정리하였다. 총 회전수가 100, 200, 300, 600 및 900회로 증가할 때, 5 사이클에서의 평균 내구성 지수는 각각 99.78%, 99.53%, 99.33%, 96.18% 및 95.55%로, 특히 30 rpm의 속도로 20분 및 30분 회전시킬 때인 600회 및 900회 회전시켰을 때 내구성 지수가 크게 감소하였다.

Fig. 8.The slake durability indices are decreased by increasing the total number of revolutions.

전술한 바와 같이 내구성 지수는 회전속도보다는 총 회전수에 더 큰 영향을 받는 것으로 나타났는데, 1차 실험에서는 회전수가 증가할수록 내구성 지수는 선형적으로 감소하였으나, 회전속도를 30 rpm으로 증가시키고 수행한 실험에서는 실험 사이클이 진행될수록 내구성 지수의 감소폭이 증가하는 경향을 보였다. 이 1차 실험의 결과는 Franklin and Chandra (1972)이 얻었던 회전수가 증가함에 따라 내구성지수가 선형적으로 감소한다는 결과와 부합되었지만, 규정된 회전속도와 회전수를 초과하여 실험한 결과에서는 셰일 시료의 마모율이 현저하게 증가하여 전술한 연구결과와 다소 상이하였다.

시료 건조온도의 영향

각 사이클 실험 후의 시료 건조온도가 슬레이크 내구성 지수에 미치는 영향을 평가하고자 건조온도를 105℃, 250℃ 및 400℃ 로 변화시키면서 실험을 수행하였다. 시료 건조온도가 상승할수록 Fig. 9에서 보듯이 흑색 셰일은 포함된 유기물이 산화하게 되어 점차 밝은 갈색으로 변화되었다. Fig. 10에 정리함 바와 같이 건조온도를 105℃, 250℃, 400℃ 로 증가 시킬 때 슬레이크 내구성 지수는 감소하는 경향을 보였으며, 5 사이클에서의 평균 내구성 지수는 각각 99.20%, 98.00% 및 97.10%이었다. 이는 암석 내의 일부 성분의 산화로 인한 영향이거나, 혹은 암석 구성광물이 그 종류에 따라 각기 다른 열팽창 계수를 가지고 있고 또 건조과정에서 시료 내부의 간극수의 갑작스런 팽창으로 인한 영향인 것으로 추정해 볼 수 있다. 즉, 슬레이크 내구성시험 중 암석에 흡수된 물은 가열 중 기화되어 팽창하게 되는데 가열 온도가 증가할수록 빠른 속도로 팽창하게 된다. 이로 인해 외부로 소산되지 못한 암석 내부의 증기는 팽창압을 발생시켜 암석의 미세균열을 발달시키고 슬레이크 내구성지수를 감소시킨 것으로 판단된다.

Fig. 9.Color of black shale is changed from dark grey to light brown by increasing the drying temperature.

Fig. 10.The slake durability indices are linearly decreased by increasing the drying temperature.

산성용액의 영향

대구경북지역의 셰일의 암석 구성입자들은 방해석으로 교결되어 있다. 방해석은 산성용액에 쉽게 용해되는 성질이 있어서 도로사면에 노출된 신선한 셰일이 산성비 등의 영향으로 시간 경과에 따라 잘게 부수어지는 특성을 나타내게 된다. 산성용액에 대한 슬레이크 내구성지수의 변화를 확인하기 위하여 시료를 24시간 pH 2.0의 산성용액과 pH 7.0의 일반 증류수에 수침시킨 후 실험을 실시한 결과는 Fig. 11과 같으며, 5 사이클에서의 평균 내구성 지수는 98.28% 및 99.28%이었다.

Fig. 11.The slake durability indices are affected by the pH of immersing solution.

실험 결과에서 보듯이 pH 2에 수침시킨 시료가 증류수에 수침한 시료보다 훨씬 적은 내구성 지수를 나타내어서 산성용액의 영향이 매우 높은 것이 확인되었다. 또 실험 사이클이 증가될수록 내구성 지수의 감소폭이 크게 증가하는 경향도 확인하였다. 비록 단기간의 산성수 침수 실험이었지만, 최근 자주 내리는 산성비가 셰일 등 퇴적암 사면의 암석풍화를 가속시킨다는 사실을 확인할 수 있었다. 도로사면의 안정성 확보 및 유지관리의 효율성 제고를 위하여 이에 대한 장기적인 실험이 필요할 것이다. 방해석(탄산염)은 식 2와 같이 산과 반응하여 이산화탄소를 발생시키며 용해된다. 즉, 방해석의 용해로 인해 붕괴된 셰일의 암석조직은 더 많은 물을 암석 내부로 흡수하고 이와 같은 과정의 반복이 셰일의 교결력을 저하시켜 슬레이크 내구성지수를 감소시키는 것으로 판단된다.

결과 토의

대구지역의 흑색 셰일은 내구성 지수, Id1≥ 99%, Id2≥99% 이어서 Table 2의 “Very high durability”에 속하는 암석으로 분류되었다. 이런 결과는 결정질 암석의 슬레이크 내구성 지수와 유사한 결과로 판단하여, 화강암, 화감섬록암 및 안산암 등에 대하여 수행한 기존 실험 자료(Cho and Park, 2016)와 비교하여 Fig. 12에 정리하였다. 5 사이클에서의 평균 내구성 지수는 화강암 99.21%, 화강섬록암 99.12%, 안산암 98.98% 및 흑색 셰일 99.11% 이었으며, 10 사이클에서는 각각 98.87%, 98.73%, 98.67% 및 98.61%로서 구분이 곤란하였다.

Fig. 12.The slake durability index of shale is very similar to those of some igneous rocks for 10 slaking cycles, and cannot be distinguished each other (data from Cho and Park, 2016).

이 결과에 의하면 셰일의 슬레이크 내구성이 결정질 암석과 매우 유사하여 절취사면의 장기적 안정성에 별 문제가 없는 것으로 오인되거나 콘크리트 골재 등 건설재료로 적합한 것으로 오판 될 가능성이 높을 것으로 생각된다. 그러나 실상은 절취사면에 노출된 신선한 셰일이 수년 이내에 푸설푸설하게 부수어지는 심각한 박리현상을 보이면서 유실되어서 호층으로 분포하는 사암층 암괴를 낙석파괴 시키는 사례가 빈번하게 발생하고 있다(Fig. 2 참조).

이런 사실은 ASTM 규정에 의한 슬레이크 내구성 시험으로 화강암 등 결정질암석과 셰일의 내구성을 비교하여 셰일의 장기적인 내구성을 평가하는데 한계가 있다는 것을 시사한다. 따라서 경상누층군 셰일의 장기적 슬레이크 내구성 특성 평가를 위한 새로운 시도가 필요할 것으로 판단되었다. Fig. 8(a)의 결과에서 회전속도를 30 rpm으로 하고 회전시간을 20분 및 30분으로 증가하여 매회 당 600회전, 혹은 900회전 시키는 경우에 슬레이크 내구성 지수가 현저하게 감소하는데 착안하여 화강섬록암 시료를 같은 부채꼴 형상으로 성형하여 동일 조건으로 추가 실험을 실시한 결과는 Fig. 13에 정리한 바와 같이 3 사이클 이상으로 실험이 진행되는 경우 셰일의 내구성지수가 현격하게 감소하여 화강암과의 차이가 뚜렷하게 나타났다. 이 결과를 참고하여 추가적인 보완연구를 수행하는 경우 슬레이크 내구성 지수에 의한 경상누층군 셰일의 장기적인 안정성 평가를 위한 새로운 실험 기준안을 제시할 수도 있을 것으로 사료된다. 즉, 중생대 백악기에 형성된 경상누층군 셰일은 교결도가 상당히 양호하여 ASTM 규정에 의한 회전속도 20 rpm으로 10분간의 실험에서는 화강암 등 결정질 암석과 슬레이크 내구성 지수의 구분이 모호하였으나, 회전속도를 30 rpm으로 증가시키고 20분 혹은 30분 동안 3회 이상 진행하는 경우에는 뚜렷한 차이를 나타내었다.

Fig. 13.The difference in slake durability index between shale and granite is increased with slaking cycles.

 

결 론

본 연구에서는 대구지역의 경상누층군 셰일에 대하여 시료 형태, 시료 개수, 회전속도, 총 회전수, 건조온도 및 산성수 수침이 슬레이크 내구성지수에 미치는 영향을 평가하기 위하여 다양한 조건으로 실험을 수행하고 다음과 같은 결론을 도출하였다.

(1) 시료 형태의 영향을 평가하는 실험결과는 정육면체-직육면체-부채꼴의 순으로 내구성 지수가 높았으며, 5 사이클에서의 평균 내구성 지수는 각각 98.92%, 99.23% 및 99.72%이었다. 이는 시료 형태에 따라서 드럼통 안에서의 시료 상호 간의 활동양상의 차이에 기인한 것으로 판단된다.

(2) 시료 개수가 1, 5, 10, 15로 증가함에 따라 슬레이크 내구성 지수는 감소하는 경향을 보였다. 이는 시료 개수가 증가함에 따라 시료 사이의 마찰 기회가 증가한 결과 때문인 것으로 판단되는데, 5 사이클에서의 평균 내구성 지수는 각각 100%, 99.90%, 99.85% 및 99.57%이었다.

(3) 슬레이크 내구성 지수는 드럼의 회전 속도에 거의 영향을 받지 않았으나 총 회전수에 크게영향을 받는 것으로 나타났다. 총 회전수가 100, 200, 300, 600 및 900회로 증가할 때, 5 사이클에서의 평균 내구성 지수는 각각 99.78%, 99.53%, 99.33%, 96.18% 및 95.55% 로, 특히 30 rpm의 속도로 20분 및 30분 회전시킬 때인 600회 및 900회 회전시켰을 때 내구성 지수가 크게 감소하였다.

(4) 시료 건조온도를 105℃, 250℃, 400℃로 증가 시킬때 슬레이크 내구성 지수는 직선적으로 감소하는 경향을 보였으며, 흑색 셰일은 온도 증가에 따라 점차 밝은 갈색으로 변화되었는데, 5 사이클에서의 평균 내구성 지수는 각각 99.20%, 98.00% 및 97.10% 이었다.

(5) 시료를 pH 2.0과 pH 7.0 용액에 24시간 수침시킨 결과, pH가 낮아질수록 내구성지수는 감소하는 경향을 보였으며, 5 사이클에서의 평균 내구성 지수는 각각 98.28% 및 99.28% 이었다.

(6) 경상누층군의 신선한 흑색 및 적색 셰일은 슬레이크 내구성 분류상 “very high durability”에 속하며, 결정질 암석의 내구성 지수와 매우 유사한 결과를 보인다. 즉, 5 사이클에서의 평균 내구성 지수는 화강암 99.21%, 화강섬록암 99.12%, 안산암 98.98% 및 흑색 셰일 99.11%이었으며, 10사이클에서는 각각 98.87%, 98.73%, 98.67% 및 98.61%로서 구분이 곤란하였다. 그러나 회전속도 30 rpm에서 20분 동안 3 사이클 이상 실험한 경우 셰일의 내구성 지수가 약96%를 보여서 결정질 암석과 뚜렷하게 구별되는 사실을 확인하였다.