2014 년도 한국철도학회 추계학술대회 논문집 KSR2014A383

열팽창을 이용한 암반 균열유도에 대한 연구

Study for the Induced Rock Crack using the Thermal Expansion

오준근*, 사공명*†,이종섭**

Joon-Geun Oh*, Myung Sagong*†, Jong-Sub Lee

Abstract Vibration problems caused by the blasting in conventional tunnel method have been already expressed. Experts have attempted to reduce vibration problems in various ways such as the combines the conventional blasting process with free surface on the perimeter of the tunnel face. In this study, experiments the lab tests for verifies the vibration-less tunnel excavation using the thermal cracking in the rock condition. In this experimentation, thermal energy generate using the microwave that create the high temperature condition in a very short time. And rock specimen using the Po Cheon granite in Korea. Irradiated granite increased the temperature about 250℃ in 10 minutes. Comparing and analyzing assessment results of the strength using the ultrasonic sensor, strength has clearly reduced. Some cracks are apparent to the naked eye. However, there are time limit that generate the thermal crack depend on the high temperature and the thermal expansion of the original materials. Therefore, development experimentation for thermal cracking generate quicker than before through the magnetite which is the high reaction and coefficient of thermal expansion in microwave condition. Irradiated granite that dig the hole and inserted the magnetite increased the magnetite temperature about 800℃ in 10 minutes and the granite break up. Keywords : Thermal Expansion, Microwave, Thermal Crack, Fe3O4, Granite

초 록 시민들은 과거에 비해 더 빠른 교통수단을 원한다. 철도는 고속화를 위해 노선

직선화가 필수적이며 이는 터널 인프라의 확충과 연관된다. 하지만 터널 굴착 시 재래식 공

법은 발파,진동의 위험성, 자동화 굴착은 높은 장비 비용이 문제가 된다. 이에 본 연구는

암반지반에서 진동을 일으키지 않으며 빠르게 터널을 굴착하는 방법으로 가능한 열 파괴 굴

착공법의 기초연구를 실시하였다. 시료로 쓰인 포천 화강암에 열원으로 쓰인 마이크로파를

조사하게 되면 10분 내에 온도가 평균적으로 250℃ 이상 상승한다. 초음파 센서를 이용한

평가 결과 암석강도는 약 30Mpa 정도 저하된다. 하지만 자체 물질의 열팽창을 이용해 파괴

를 일으키기에는 한계가 있다. 이에 마이크로파에 반응성이 크고, 열팽창계수가 큰 자철석

을 이용하여 균열을 빠르게 발생시키는 연구를 수행하였다. 자철석이 800℃ 이상의 상태를

10분 안에 발현하여 암석이 빠르게 파괴되는 것을 본 연구를 통해 확인 하였다.

주요어 : 열팽창, 마이크로파, 열균열, 자철석, 화강암

1. 서 론

† 교신저자: 한국철도기술연구원(Rockcore@krri.re.kr)

* 한국철도기술연구원, ** 고려대학교 건축사회환경공학부

Conventional Tunnel 굴착시 발파로 발생하는 진동에 대한 문제는 이미 많이 제기되어져

있다. 이에 자유면을 생성하여 진동을 경감시키는 논문 및 실험도 현재 다양한 방법으로 진

행되고 있는 실정이다. 본 연구는 암반지반에서 진동을 전혀 일으키지 않으며 빠르게 터널

을 굴착하는 방법으로 가능한 열파괴에 기초연구를 실험한다.

모든 물질을 이루는 입자들은 열을 받음으로 인해 운동에너지가 커진다. 이때 암석 내 광

물 입자 경계에서의 불안정성이 증가하게 되므로 국부적 열파괴가 발생하게 된다. 열에너지

는 마이크로웨이브를 이용하여 짧은 시간에 고온의 온도장 상태를 만들어 실험한다. 암석시

료는 포천화강암을 사용하여 실험한다. 암석자체의 온도상승 및 열팽창 정도에 의지하여 열

파괴를 일으키기에는 시간적인 한계가 존재한다. 따라서 마이크로웨이브에 반응성이 크고,

열팽창계수가 일반 물질보다 큰 자철석을 이용하여 암석의 균열을 보다 빠르게 발생시키는

연구를 수행하였다.

2. 본 론

2.1 초기실험

2.1.1 실험개요 및 구성

열원으로 사용되는 마이크로파 장치는 일반 가정용 마이크로 오븐을 사용하며, 본 연구에

서 사용된 제품은 삼성전자 RE-C21W 모델을 사용하였다. 소비전력은 1,100W이며 고주파 출

력은 2,450W이다. 암석시료는 포천화강암을 사용하여 실험한다. 시편의 크기는 50x150x50mm

의 직사각형 박스형태로 절단하여 사용하였다.

2.1.2 실험방법

초기시험을 위하여 암석의 함수비 조건을 영향평가를 위해 자연상태 시편과 24시간 침수

시킨 시편을 준비하여 마이크로 조사시간을 60분으로하여 실험을 실시하며 10분당 온도변화

를 확인하였다. 또한 함수비 조건의 영향평가를 위해 자연상태 시편의 침수시간을 24시간,

10분으로 다르게 하여 각 시편에 60분간 마이크로웨이브를 조사하여 실험실시하며 10분당

온도변화를 확인하였다.

마이크로웨이브가 조사된 시편을 초음파 측정하여 초음파 속도를 통해 시편 강도 변화를

확인하였다. 초음파 속도비교실험을 위해 섭씨 100도 건조로에서 24시간 가열된 시료의 평

가도 함께 실시하였다. 또한 조사된 시편의 마이크로 크랙 발생여부를 확인하기 위해 마이

크로파 조사 후에 시편에 잉크를 뿌려 잉크의 시편 내 침투 심도를 확인하였다.

2.1.3 실험결과

실험결과는 Table 1 과 같으며, 함수비는 시편에 영향을 미치지 않는 것으로 확인 되었다.

함수비 조건이 상이 하여도 초음파 속도에는 상호간 큰 변화가 없었다. 60분간 10분당 온

도 변화에 대한 그래프는 fig. 2와 같으며 최대 섭씨 400도 이상을 넘지 않는 것으로 확인

되었다.

Table 1 Result of Ultrasonics wave velocity (Saturation effect experimentation)

Heating Source [ Heating time(min.)*times]

Saturation time

Degree of saturation

Naked crack Ultrasonics

wave velocity

Heat

Microwave [10 X 6] 24hr 0.21% Y 2517.6m/s

Microwave [10 X 6] 10min. 0.14% N 2530.4m/s

Microwave [10 X 6] None 0.15% N 2471.6m/s

Drying oven [24hr] None 0.17% N 3298.2m/s

None Heat

Natural condition

N 3770.7m/s

N 3563.8m/s

N 3779.3m/s

Fig. 2 Compare the granite temperature changes

Fig. 3은 잉크실험으로 마이크로파를 받은 시료에서의 잉크 침투 심도가 자연상태의 시료

보다 더 깊은 것을 확인하여 시료 내 마이크로 균열이 생성되었다는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 3 Result of ink test

Fig. 4은 초음파센서를 이용한 평가한 결과를 나타낸 그래프로 초음파의 속도가 마이크로

웨이브 조사 전보다 현저하게 저하되는 것을 확인 할 수 있다.

Fig. 4 Result of Ultrasonics wave velocity

측정된 초음파의 속도를 초음파 속도를 일축압축 강도와 비교한 표를 통하여 비교한 결과

강도가 평균적으로 30Mpa 정도 감소하는 것을 fig. 5를 통해 확인할 수 있다.

2.2 자철석 반응 실험

2.2.1 실험개요 및 구성

기초실험 결과 몇몇 시료는 육안으로 균열이 관찰되기도 했으며 암석의 강도저하를 확인하

였다. 하지만 암석자체의 온도상승 및 열팽창 정도에 의지하여 열 파괴를 일으키기에는 시간

적인 한계가 존재했다. 따라서 마이크로웨이브에 반응성이 크고, 열팽창계수가 일반 물질보다

큰 자철석을 이용하여 암석의 균열을 보다 빠르게 발생시키는 연구를 수행한다.

2.2.2 실험방법

열원인 마이크로파 장치는 동일하며 같은 시료에 홀을 파서 마이크로웨이브에 반응정도가

큰 분말형태의 자철석을 공업용 열화본드와 1:1비율로 섞어서 삽입하여 실험을 수행하였다.

홀은 D=10mm 이며, 깊이는 90mm로 하였다. (Fig.6)

2.2.3 결과분석

자철석이 섭씨 800도 이상의 초고온 상태가 10분 안에 발현되어 암석이 빠르게 파괴되는 것

을 확인하였다. (Fig 7, Fig.8)

Fig. 5 the relationship between the P-wave velocity and UCS of rocks

Fig. 7 Result of the magnetite inserting test (microwave irradiation 15min.)

3. 결 론

본 연구는 암반지반에서 진동을 전혀 일으키지 않으며 빠르게 터널을 굴착하는 방법으로

가능한 열파괴 굴착공법의 기초연구를 실시하였다. 실험시료로 쓰인 포천 화강암에 마이크

로웨이브를 조사하게 되면 10분 내에 온도가 평균적으로 섭씨 250도 이상으로 상승하게 된

다. 60분 이상 마이크로웨이브를 조사하여도 최대 400℃ 를 넘지 않았다. 이러한 시간적인

한계 극복하고자 자철석을 삽입하여 실험하여 자철석이 섭씨 800도 이상의 초고온 상태가

평균적으로 10분 안에 발현되어 암석이 빠르게 파괴되는 것을 확인하였다.

Fig.8 Result of the magnetite temperature changes

참고문헌

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