암석의 실내시험 방법

1) 비중시험 : 밀도는 단위 부피당 질량을 말하며 단위중량은 단위부피당 중량으로 표시된다. 일반적으로 암석의 밀도는 겉보기 밀도를 말하며, 진비중은 입자밀도나 입자비중을 말한다.

① 겉보기비중 : 시료 50 gf 이상의 임의 형상의 덩어리(3개정도)를 선정하고, 자연상태 시료의 공중 중량(W1)을 측정 후, 강제습윤상태의 수중중량(W4)을 측정한다. 다음으로 시료를 수침용기로부터 꺼내어 습기찬 헝겊으로 표면수만을 닦아내고 강제습윤상태의 공중중량(W3)을 측정한후, 시료를 건조로에 넣고 80~110 ℃의 설정 온도로 24시간 이상 건조시킨 후 Desicater에 넣고 실온까지 냉각시킨다. 이 강제건조상태의 공중중량(W2)을 측정한다.

② 진비중 : 100ml 이상의 측정용기 또는 50ml 이상의 비중병의 검정을 한후 충분히 잘게 부순 자연상태 시료를 비중병에 넣고 증류수를 가한다. 다음으로 비중병중에 기포가 나오지 않을 때까지 10분 이상 조용히 끓인후 병내 기압을 수은주 100mm 이하로 내린다. 가열후 실온으로 될 때까지 방치한후 전 질량과 내용물의 온도를 측정한다.

 

2) 밀도시험 : 암석밀도란 암석의 단위체적당의 질량을 말하며 실질부분의 질량과 간극내 물의 질량을 취급시 습윤밀도 및 포화습윤밀도라고 하며, 실질부분의 질량 취급시 건조밀도라 한다.

① 부력법 : 임의 형상의 시료를 사용해 강제습윤상태 시료의 공중질량과 수중질량의 차이로 부터 구함.

② Calipers법(Nonius법) : 원주 또는 각주상으로 성형한 시료를 사용해 그 치수로부터 체적을 산출해서 구함.

③ 수은치환법 : 시료를 수은중에 넣고 치환한 수은 양으로 시료체적을 산출하는 방법.

④ 표면도포법 : 건조시료나 수주에서 체적변화를 일으키는 시료에 대하여서는 표면에 파라핀이나 플라스틱을 도포하고 물의 치환량의 체적을 산정하는 방법.

3) 흡수율시험 : 흡수율이란 암석시료의 간극에 물이 어느 정도 침투하는가를 나타내는 암석의 물성이며, 암석시료가 흡수할 수 있는 최대 물의 양이 그 시료 입자부분의 질량에 대하여 어느 정도인가를 나타내는 비를 말한다. 최소한 50g 이상의 시료를 택한 다음 캘리퍼스를 이용하여 시료의 치수를 0.1mm 오차 이내에서 측정한다. 다음 800 Pa 이내의 진공오븐에서 적어도 1시간 이상 수중에서 포화시킨 다음, 물기를 천으로 제거한 후 포화된 시료의 질량 Msat를 잰다. 다시 오븐에서 105℃ 정도로 24시간 이상 건조시킨 후 데시케이터 안에서 30분 동안 식혀서 입자질량 MS 를 측정한다.

ab =(Msat - Md)/ Md

여기서, ab : 흡수율 (Water Absorption Ratio), Msat : 포화상태의 암석중량, Md :건조상태의 암석 중량

 

4) 함수량시험 : 함수량이란 자연상태 즉, 원위치와 같은 조건하에서 암석중에 존재하는 수분을 나타내는 것이며 정량적으로 표현하는데 함수비가 사용된다. 즉, 간극중에 포함되어 있는 물의 질량과 실질부분의 질량의 비율이 함수비이다. 시험방법은 습윤시료를 용기에 넣고 시료와 용기의 무게를 측정하고 노건조시킨 후 중량을 측정하여 비율을 구하면 된다.

 

5) 간극률 시험 : 암석 중에 존재하는 간극은 열, 가스, 지하수의 유동에 큰 영향을 미치며, 간극수압을 작용시켜 강도를 저하시킨다. 간극률이란 암석 전체의 체적에 대한 간극의 비로써 피크노메타(Pychnometer)에 의해 진비중(True Specific Gravity)을 구한 다음 시료 전체의 체적에 대한 값을 n으로 하여 백분율로 표시하면 다음과 같다.

7) 실내투수시험 : 실내투수시험에 의하여 평가할 수 있는 것은 매우 미세한 간극을 가진 암석시료까지 이며 큰 절리에 대하여는 평가하지 못한다. 따라서 암반의 투수성 평가는 원위치시험에 의한 경우가 많으나 경계조건이 불명확하기 때문에 투수계수등의 수리정수를 명확히 할 수 없는 경우도 많아 경계조건이 명확한 실내시험은 정량적 평가를 하고자 할 때 매우 중요하다. 시험법은 시험시의 간극수 흐름 방향으로부터 방사상류에 의한 시험으로 나누어진다.

① 방사상류에 의한 시험 : 이 시험은 침투수압에 의하여 공시체에 인장응력이 발생하기 때문에 절리가 있는 시료나 연약시료에는 부적합하고 균질한 경암시료에서 실시하는 시험으로 정수위법에 의하여 실시된다.

② 일정류에 의한 시험 : 이 시험방법은 경암뿐만 아니라 연암과 미세한 간극을 가진 시료에 대하여서도 적용할 수 있으며, 시험방법은 정수위법과 변수위법이 있다.

8) 침수붕괴도 시험 : 공시체로서는 3cm 정도의 암괴를 3개 사용한다. 이들 공시체를 60℃에서 24시간 노건조한 후 Desiccator내에서 실온까지 냉각하여 비이커 등의 용기에 넣는다. 이때, 공시체 형상, 치수, 색조, 입도, 균열 상태 등을 관찰하고 기록한다. 다음으로 공시체가 들어 있는 용기에 물을 넣고 공시체를 완전히 수침시켜 정치(靜置)한다. 이 공시체의 Slaking에 의한 형태변화를 1, 2, 4 및 24시간 경과 후에 관찰, 기록한다.

 

9) SLAKING 시험 : 자연함수상태의 암석시료의 중량을 측정하고 24시간 동안 수침시킨 후 물에서 꺼내어 물기를 빼고 여과지로 물을 흡수한 후 90℃에서 48시간 노건조한다. 건조한 시료를 Desiccator 중에서 실온까지 냉각시켜 그 중량을 측정한 후 다시 수침시킨다. 이를 10번 반복한다. 빠른 시기에 붕괴되는 것에 대해서는 토사상태로 된 시점에서 중지한다.

10) 흡수팽창시험(팽창률 측정법) : 직경 40~80 mm의 원통형 공시체(높이는 직경과 같은정도)를 팽창시험장치에 넣고 공시체와 원통사이는 파라핀으로 충진한다. 공시체 양단에는 여과지를 부착하고 다공질 석판을 꼭 대고 수조중에서 공시체 윗면까지 주수하여 시간경과에 따른 축방향의 신장을 측정한다.

11) 팽윤압시험 : 유효간극이 물로 채워져도 실질부분을 구성하는 광물이 물을 흡수하여 체적변화가 발생하는 현상을 팽윤이라고 한다. 흡수팽창압 시험장치에 공시체를 설치한 후 0.1 kgf/cm2정도의 작은 축력을 작용시킨 후 주수하여 시간경과에 따른 팽창압측정을 실시한다. 시험중은 항상 공시체 팽윤량이 0으로 되도록 하중을 조절한다. 온도, 습도 변화를 가능하면 적게 하는 것이 이시험의 양부를 결정한다. 시험은 팽윤압이 일정치에 도달할 때까지 실시하는 것으로 하지만 팽윤압이 높은 암석에서는 한달 이상 계속하는 경우도 있다.

12) 동결융해시험 : 동결융해시험은 암석을 수침상태로 해서 급속히 온도변화를 시킴으로서 암석내 간극의 물을 동결융해시켜 암석의 열화를 촉진시키는 것이다. 미리 공시체를 물에 포화시켜 놓은 후 공시체를 덮고 시험조에 수침시킨 후 동결융해를 반복하여 소정의 사이클에서 물성치를 측정한다. 시험조건에 있어서 온도범위 및 주기는 다양하지만, 중요한 것은 공시체 내부에서도 확실한 동결융해가 발생하도록 하고 또한, 온도 조건이 사이클마다 일정하게 되도록 하는 것이다.

 

13) 일축압축시험 : 일축압축강도는 일반적으로 측압을 받지 않는 공시체에 대하여 축방향으로 압축하중을 가하여 공시체가 파괴될 때의 최대 압축하중을 공시체의 초기 단면적으로 나눈 값으로 정의되며, NX 코아시료의 직경:길이 비가 1:2인 시험편을 제작하여 압축파괴강도를 구하고 변형율을 측정한다. 일축압축과정에서의 응력-변형률 관계는 응력-변형률 곡선으로 나타낼 수 있으며, 이 결과로부터 탄성계수(E) 및 포아송비(v)를 구할 수 있다.

17) 전단시험 : 전단의 목적은 시료의 최대전단강도와 잔류전단강도를 구하는데 있다. 전단면이 암석의 연약면(절리, 층리면, 벽개, 편리 또는 흙과 암석, 암석과 콘크리트 사이의 접촉면)과 일치하도록 시험장치에 대한 시료의 방향을 선택한다. 전단력은 단계적으로 늘려나갈 수도 있으나 전단변위속도를 제어하기 위해 대개 연속적으로 작용시킨다. 최대강도에 도달하기 전에 대략 10회 정도의 측정이 이루어져야 하며, 전단변위속도는 한 회의 측정전에 10분동안 0.1mm/min 보다 작아야 한다. 최대강도에 도달하면 0.5mm/min 까지 늘릴수 있다. 최대강도에 도달한 후 힘-변위곡선을 그리기 위해 0.5 - 5mm 단위의 전단변위마다 측정을 한다. 시험편이 일정한 수직응력하에서 전단되고 1cm의 전단변위에 대해 5% 이하의 전단응력의 변화를 보이는 측정값이 나타나면 잔류강도값을 구할 수 있다.

18) 파괴인성시험 : 파괴인성시험이란, 대상으로 하는 재료중의 균열을 보다 진전시키고자 했을 때의 재료 특유의 저항성이며 선형파괴 역학적 물성치라고 할 수 있다. 균열진전에 따르는 취성파괴 현상을 정량적으로 평가할 수 있다. 이 시험은 소정 형상․치수의 시험편에 충분히 날카로운 균열을 소정 길이까지 도입하고 초기균열로 한다. 이것을 시험기로 재하함으로써 균열첨단 응력확대계수를 증가해 간다. 균열이 진전을 개시하는 시점에서의 응력확대계수가 파괴인성의 후보치이다.

 

19) CREEP시험 : 응력을 일정하게 유지했을 때 시간 경과와 함께 변형율이 증대하는 현상을 조사하는 시험을 말한다. 변형율 측정은 Strain Gage를 사용하여 미소한 변위를 측정하는 방법과 공시체가 습기차 있다든지 측면이 거친 경우 공시체 양끝사이의 변위를 측정하는 방법이 있다.

 

20) 경도시험

① 긁기 경도시험 : 기준으로 되는 금속이나 광물을 사용해서 다른 암석이나 광물을 긁어서 흠집이나 분말의 형성 방법 등으로 경도를 결정한다.

② 압입 경도 : 금강석의 각추나 작은 강구를 암석이나 광물의 평탄한 면에 직각으로 눌러서 영구 변형률을 일으켜 압입에 필요한 하중과 표면에 생긴 움푹 패인자국의 크기나 깊이로 부터 경도를 구한다.

③ 마모경도 : 연마제를 전면에 깐 원반을 일정속도로 회전시켜 그 위에 원통형 시험체를 놓고, 일정하중을 가하면서 일정시간 또는 일정회전수만 마멸시켜 마멸감량을 구한다.

④ 반발경도 : 첨단에 금강석 또는 작은 강구를 붙인 무게 약 4g의 추를 약 25cm 높이로 부터 수평으로 놓인 시험체의 평활한 면에 낙하시켜 튀어오는 높이로 반발경도를 잰다.

⑤ 천공경도 : 이 경도는 암석의 천공성을 보이는 것이며 6~7 회/sec 회전하는 Diamond제의 선단을 평활한 암석 표면에 누르고 깊이 10μ의 구멍을 천공하는데 필요로 하는 회전수를 경도치로 한다.

 

21) 마모시험 : 마모에 대한 저항정도를 조사하는 시험이며 암석의 기계화 굴착, 굴진에서의 능률과 깊이 관련되고 있는데 수많은 시험법이 제안되어 있지만, 다음과 같이 분류된다.

① 연마시험 : 시료를 서로 문지르면서 실시한다.

② 회전마모시험 : 치수를 같게 한 암석 공시체를 강구와 함께 용기 속에 넣고 일정시간 회전시킨후 암석마모량을 측정하고 마모경도를 산정한다.

③ 천공시험 : Model Bit에 의하여 천공시험을 하고 Bit 마모, 천공속도 변화등을 측정한다.

④ 선삭시험 : 선반을 사용하여 비트에 의하여 선삭을 하고 그 때의 절삭 저항, 비트의 마모를 측정한다.

 

22) AE(Acoustic Emission)측정 : AE란 파괴음을 뜻하며, 고체재료가 파괴할 때 축적된 에너지가 급격히 해방되기 때문에 발생하는 과도적, 순간적인 탄성파동 현상으로 정의된다. 공시체 측면에 AE Sensor를 설치하여 재하를 하면 하중증대에 따라 발생하는 AE의 발생 빈도가 파괴에 접근하면서 증가하거나 파형의 특성이 달라지는 것을 분석한다.

 

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