고온에 의한 암석의 물리적 특성, 미세구조 및 색 변화 연구

Abstract

암석의 풍화는 다양한 원인에 기인하여 진행되는데 그 중 고온에 의한 영향은 방사성 폐기물 처분장 설계와 지열자원의 활용, 산불 및 화재에 의한 석조문화재나 주변 암석의 영향을 평가하는데 고려할 수 있는 중요한 요소이다. 이에 본 연구에서는 방사성 폐기물 처분시설과 산불의 영향 온도를 모두 고려한 200∼600℃ 온도범위에서 암석의 물성, 미세구조, 색 변화 분석을 수행하였다. 실험대상 암석으로 가평 화강암, 경주 화강암, 섬록암, 현무암, 사암, 편마암을 선정하고 코어 시료와 연마편 시료로 가공하였다. 코어 시료에 1℃/분과 5℃/분의 승온속도를 적용하여 열을 가해준 후 건조밀도, 흡수율, P파속도, 일축압축강도 변화를 측정하였다. 연마편 시료는 반사현미경을 통해 암석 표면의 균열을 정량화하고 600℃를 가해준 시료의 동일지점 변화를 관찰하였다. 또한 주사전자현미경으로 균열의 분포를 관찰하고 균열의 발생이 우세한 광물을 규명하였다. 두 가지 형태의 시료에 대해서 디지털 카메라와 스캐너로 색 분석을 수행하여 고온에 의한 암석의 풍화영향 평가에 적용하였다. 암석의 물성변화 결과 현무암, 사암, 화강암, 편마암, 섬록암 순으로 변화가 크게 나타났다. 승온속도에 따른 물성변화 차이는 5℃/분의 승온속도를 적용한 경우 1℃/분의 승온속도보다 더 큰 물성변화를 유발하여 열충격에 의한 영향을 나타내었다. 반사현미경을 통한 균열밀도 변화는 물성변화와 일치하는 경향을 나타내었고 600℃를 가해준 시료에 대한 동일지점의 변화는 온도를 가해준 시료의 표면에서 경계균열이 뚜렷하게 나타나고 입자내 새로운 균열도 관찰되었다. 주사전자현미경을 통해 균열의 분포를 분석한 결과 200℃에서 입자의 경계균열이 관찰되기 시작하고 균열발달은 석영과 장석의 경계에서 가장 많이 관찰되었다. 특히 600℃를 가해준 경우, 석영 입자 주변에서 균열이 생성 또는 성장하였는데 이는 석영의 α-β transition에 의한 영향이라 판단된다. 스캐너를 이용한 색 분석은 온도가 증가할수록 RGB 값이 크게 변화하며 색 변화정도는 물성변화와 상관관계를 나타내었다. 디지털 카메라를 이용한 색 분석은 촬영조건의 불안정성에 의해 불규칙한 결과가 나타났는데 향후 촬영조건 통제를 위한 연구가 더 필요할 것으로 생각된다. 고온에 의한 암석의 영향 평가를 위한 색 분석은 석조문화재와 같이 비파괴 평가가 필요한 대상에 유용하게 적용할 수 있을 것이라 기대한다.

Weathering of rocks can be caused by numerous reasons for example high temperature, which is a very significant factor on nuclear waste repository, geothermal energy resources and possible damage of rocks due to forest fire. Thus, this study is focused on physical properties, microstructure, color change of rocks on 200∼600℃ considering temperature range of nuclear waste repository and forest fire. Gapyeong granite, Gyeongju granite, diorite, basalt, sandstone and gneiss were chosen for test specimens, and were prepared as cylindrical specimens and polished sections. Dry density, absorption rate, P-wave velocity and uniaxial compressive stress of cylindrical specimens were measured with two heating rates of 1℃/min and 5℃/min. Polished sections were investigated by quantifying cracks of rock surface before and after heating up to 600℃. Additionally, crack distribution was examined by SEM(Scanning Electron Microscope). Color analysis of two types of rock specimens using digital camera and scanner was performed to find weathering influence of rocks caused by high temperature. Results showed that greater differences on rocks physical properties change were as in order, basalt, sandstone, granite, gneiss, diorite. Specimens with 5℃/min heating rate showed larger change on physical properties compared to those with 1℃/min heating rate. Crack density observation through microscope brought almost the same result with change of physical properties. Those specimens heated up to 600℃ for the same spot showed clear grain boundary cracks and new intracrystalline cracks. Results of SEM observation showed that boundaries between quartz and feldspar had the most crack among all rocks. Especially with 600℃, cracks greatly appeared around quartz. This result may be attributed to the influence of α-β transition of quartz. RGB changes became bigger through scanner observation as temperature went up. This shows that color change is closely related to change of physical properties. Observation using digital camera to analyze color changes brought non-consistent outcome, which may be attributed to the irregular lighting condition. Color analysis can be applied to nondestructive evaluation of rocks such as stone monuments exposed to forest fire.