동결-융해 작용에 의한 암석의 물리적 및 미세구조적 성질 변화 분석

Abstract

동결-융해 작용에 의한 암석의 풍화는 고위도 지역과 고산 지역을 포함한 저온 지역뿐만 아니라 한국을 포함한 중위도 지역에서도 겨울철에 활발하게 일어난다. 이로 인해 지질재해, 구조물 손상, 문화재 훼손 등의 문제가 발생하고 특징적인 지형을 형성하기도 한다. 이와 같은 동결-융해 풍화를 연구하기 위해 많은 실내 실험이 이루어져 왔으나 대부분 물리적 성질의 변화에 초점을 맞추어 진행되어 왔고 미세구조의 변화를 고려한 연구도 대부분 표면 분석에 초점을 맞추었다. 본 연구에서는 이러한 기존 연구의 한계점을 극복하기 위해 동결-융해 실내시험을 수행하며 물리적 성질과 미세구조적 성질을 통합적으로 분석하고 그 상관성을 도출하였다. 이를 위해 남극 세종과학기지, 국내 석회석 산지, 화순 공룡발자국화석 산지의 지질 및 기후 조건을 모사하여 동결-융해 풍화 실내시험을 수행하였다. 동결-융해 반복 횟수에 따른 변화를 통계적으로 분석한 결과 동결-융해의 반복에 따라 일축압축강도 감소, 점하중강도 감소, 탄성계수 감소, 건조무게 감소, 건조밀도 감소, 흡수율 증가, 탄성파속도 감소 등 물리적 성질의 약화가 관찰되었다. 주사전자현미경 영상에서 광물입자의 탈락, 공극의 연결, 균열의 확장 등이 관찰되었고, 표면에서 관찰되는 시료의 약화를 정량적으로 분석하였다. X선 단층촬영 기법을 통해 취득한 3차원 고해상도 영상 분석 결과 공극률 증가, 등가직경의 빈도 및 크기 증가, 국부두께의 빈도 및 증가가 확인되었고, 균열방향성 분석을 통해 균열 성장 및 공극 생성 방향에 기존에 존재하는 층리 또는 세맥이 미치는 영향을 분석하였다. 본 연구에서는 독자적인 실험설계 및 분석기법, 다양한 실내실험을 통해 물리적 성질과 미세구조적 성질을 통합적으로 연구하였다. 특히 고해상도 X선 단층촬영 영상을 이용한 암석시료의 정량적 분석 기법은 암석 풍화뿐만 아니라 비전통 에너지자원, 이산화탄소지중저장 등 다양한 분야에 적용가능하다. 본 연구는 저온지역에서의 구조물 건설 및 유지보수, 자원개발활동과 동토지역에서 간절기에 발생하는 지질재해 방재에 적용될 수 있다. 또한 석조문화재 훼손을 분석하기 위한 자료로 효과적으로 이용될 수 있다.