1. 서 론
2. 연구 방법
2.1 선형절삭시험기
2.2 선형절삭시험 시험체
2.3 선형절삭시험 조건
3. 시험 결과
3.1 포화에 따른 암석의 역학적 물성 변화
3.2 커터작용력
3.3 비에너지
3.4 암편의 입도분포 특성
4. 결 론
1. 서 론
암반 기계굴착 공법은 광물자원 개발 및 지하공간 시공에서 널리 적용되며, 발파공법 적용이 곤란한 도심지와 같이 제약 조건이 큰 구간이나 높은 안정성이 요구되는 해·하저터널에서 유리한 대안으로 활용된다. 로드헤더는 기계굴착 공법의 한 종류로서 TBM (Tunnel Boring Machine)과 같은 전단면 굴착기에 비해 굴착 단면 형상을 자유롭게 형성할 수 있는 장점이 있어 자유단면 굴착기로 불리며(Choi et al., 2024), 로드헤더의 커팅헤드에는 픽 커터가 소모성 굴착도구로 사용된다(Chang et al., 2023). 픽 커터의 절삭 성능은 일반적으로 커터 작용력(절삭력, 수직력 등), 비에너지, 그리고 파쇄된 암편의 입도 특성(칩 형상, 입도분포 등)으로 평가된다.
선형절삭시험(linear cutting machine test)은 기계굴착장비의 설치되어 암석을 절삭하는 디스크커터 및 픽 커터의 절삭성능을 파악하기 위해 널리 활용되고 있는 방법으로, 시험을 통해 획득되는 작용력, 비에너지 등은 기계굴착장비의 기초적인 설계에 활용된다. 선형절삭시험은 일반적으로 가로·세로 길이가 1 m 정도인 대형 시험편을 대상으로 활용되어 왔으나, 실대형 암석시험체의 획득 및 시험 수행의 어려움으로 인하여 최근에는 실험실 스케일의 시험장비도 폭넓게 사용되고 있다(Jeong and Jeon, 2018, Jeong et al., 2020, Chang et al., 2023, Choi et al., 2024).
그동안 픽 커터 절삭 성능에 대한 연구는 주로 암석의 건조 조건에서 수행되어 왔다. 선행연구에서는 일축압축강도(UCS), 간접인장강도(BTS), 취성(brittleness) 특성 등 암석의 역학적 물성이 절삭하중, 비에너지, 파쇄 양상을 크게 좌우함을 보고하였고(Bilgin et al., 2006, Jeong et al., 2023), 절삭 변수인 관입깊이, 절삭간격, 절삭각, 커터 배열 등의 영향 역시 검토되어 왔다(Choi et al., 2014, Copur et al., 2017, Jeong and Jeon, 2018, Jeong et al., 2020). 이러한 연구들은 건조 조건에서 암종과 물성의 차이, 그리고 관입깊이와 절삭간격 등의 절삭 조건 변화가 절삭 성능과 파쇄 특성에 주요한 영향을 미친다는 것을 보고하고 있다.
반면 암석이 포화된 조건에서의 절삭 거동에 대한 연구는 해외 연구자들의 연구를 통해 상대적으로 제한적으로 축적되어 왔으며, 수행된 연구들은 대부분 공극률이 비교적 큰 퇴적암을 대상으로 한 사례가 많다(Roxborough and Rispin, 1973, Mammen et al., 2009, Abu Bakar and Gertsch, 2013). 심부 터널과 지하수 영향 구간에서는 암반이 부분 또는 완전 포화 상태에 놓이는 경우가 많으며, 해·하저터널과 심부 드릴링에서도 포화 및 공극수압 환경에서 굴착이 수행된다. 이러한 포화상태에서는 기존의 많은 선행연구에서 보고된 것과 같이 암석의 강도, 강성 등이 유의미하게 변화하며(Erguler and Ulusay, 2009, Karakul and Ulusay, 2013, Choi et al., 2018), 이는 절삭 과정의 균열 전파와 파쇄 영역 발달에 영향을 미쳐 절삭하중, 비에너지, 칩 생성 및 입도분포를 변화시킬 수 있다. 그러나 공극률이 낮은 결정질 암석에서는 수분 침투가 제한적이라는 이유로 포화 영향을 정량적으로 다룬 자료가 충분하지 않은 것으로 파악되고 있다.
본 연구는 공극률이 낮은 결정질 암석인 국내 마천화강암을 대상으로 건조 및 완전 포화 조건에서 픽 커터의 절삭특성 변화를 선형절삭시험으로 평가하였다. 관입깊이와 절삭간격-관입깊이비(s/d)를 변화시키며 절삭하중과 수직하중, 비에너지를 비교하고, 암편의 입도분포를 통해 파쇄 특성 변화를 분석하였다. 이를 통해 저공극률 화강암에서도 포화 조건이 절삭 특성에 미치는 영향을 실험적으로 규명하고, 수리 영향 구간에서의 기계굴착 성능 변화와 예측을 위한 기초 자료를 제시하고자 한다.
2. 연구 방법
2.1 선형절삭시험기
본 연구에서는 픽 커터의 절삭 성능을 평가하기 위해 실험실 스케일 선형절삭시험 장치(linear cutting machine, LCM)를 이용하였다. 본 연구에 사용된 LCM은 최대 300 mm × 300 mm × 300 mm 크기의 암석 시편을 장착할 수 있도록 설계되었으며, Fig. 1에 보여진 바와 같다. 커터에 작용하는 3축 직교 하중 성분을 계측할 수 있도록 로드셀이 설치되어 있으며, 각 축의 최대 계측 용량은 200 kN(20 tonf)이다. 전기 모터에 의해 시험편이 움직이는 방식을 통해 선형절삭과정을 모사하며, 3개 축은 서보 제어 방식으로 운용되어 관입깊이, 절삭간격, 절삭속도를 정밀하게 설정할 수 있다. 절삭 중 하중, 변위 및 위치 정보는 실시간 데이터 수집 시스템을 통해 연속 기록되며, 시험 중 즉시 시각화가 가능하고 이후 상세 분석을 위한 데이터 획득이 가능하도록 구성되어 있다.
절삭시험에는 경암용 로드헤더 적용을 목적으로 설계된 코니컬 타입 픽 커터를 사용하였다. 코니컬 픽 커터는 일반적으로 암석을 파쇄하면서 높은 하중을 견디는 텅스텐 카바이드 팁, 카바이드 팁이 삽입되는 강재 두부(head), 그리고 홀더(holder)에 체결되는 샤프트(shaft)로 구성된다. 텅스텐 카바이드는 높은 내마모성과 열전도율을 가져 절삭 중 팁의 탈락 및 손상 가능성을 저감하는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서 사용한 픽 커터의 형상과 장착 구성은 Fig. 2에 제시하였다.
2.2 선형절삭시험 시험체
본 연구의 절삭시험은 국내 마천화강암을 대상으로 수행하였다. 시험체는 선형절삭시험 장치(LCM)의 최대 수용 크기에 맞추어 300 mm × 300 mm × 300 mm 정육면체로 가공하였으며, 시험 전까지 건조 조건 또는 포화 조건에 따라 별도로 보관하였다. 포화 조건 시험체는 단계적 포화(progressive saturation) 절차(Colback and Wiid, 1965)를 적용하여 제작하였다. 공기 포획을 최소화하기 위해 시험체 하부만 물에 잠기도록 배치한 후 모세관 흡수에 의해 물이 상승하면서 나타나는 포화선(젖음선, wetting front)의 상승을 관찰하였다. 포화선의 상승이 일정 수준에서 안정화되면 수위를 한 단계 높였고, 동일한 과정을 반복하여 포화선이 시험체 상부까지 도달하도록 하였다. 즉, 수위를 단계적으로 상승시키고 포화선의 진전을 확인하는 과정을 반복함으로써 시험체 전체가 육안으로 포화되도록 하였다. 완전 포화가 확인된 이후에는 함수 상태를 안정화하고 건조 조건과의 비교 일관성을 확보하기 위해 시험 전까지 추가로 2개월 동안 시험체를 수중에 보관한 후 선형절삭시험을 수행하였다.
2.3 선형절삭시험 조건
본 연구에서 고려한 주요 시험 변수는 Table 1에 정리하였다. 본 연구의 중점적인 검토사항인 시험편의 포화 조건을 포함하여, 관입깊이(depth of cut, d)와 절삭간격(cut spacing, s)의 영향을 평가할 수 있도록 설계하였다. 관입깊이는 3 mm, 5 mm, 7 mm의 세 수준으로 설정하였으며, 절삭간격은 절삭간격-관입깊이비(s/d)를 1–5 범위로 적용하여 결정하였다. 이에 따라 관입깊이 조건에 따라 절삭간격은 3–25 mm 범위로 설정되었다. 모든 시험 조건에서 attack angle은 경암 절삭용 권장값을 고려하여 55°로 고정하였고, skew angle은 6°로 설정하였다. Skew angle의 방향은 픽 커터의 절삭 성능에 영향을 줄 수 있으므로, 선행연구에서 정의한 기준에 따라 양의 방향으로 고정하여 방향성 영향에 의한 결과 편차를 최소화하였다(Park et al., 2018, Jeong et al., 2020). Skew angle은 픽 커터 홀더를 장착 플레이트에 해당 각도로 용접하여 구현하였다.
Table 1.
Testing conditions used in the linear cutting machine tests
| Parameter | Values |
| Depth of cut (d) | 3, 5, 7 mm |
| s/d ratio | 1, 2, 3, 4, 5 |
| Cut spacing (s) | 3-25 mm (varied with S/d ratio) |
| Saturation condition | dry, saturated |
LCM 시험에서는 현장에서 반복 절삭 후 나타나는 손상된 굴착면 조건을 모사하기 위해 본 시험 전에 전처리(preconditioning) 절차를 적용하였다. 전처리는 관입깊이 2 mm, 절삭간격 10 mm 조건에서 2회 절삭을 수행하여 표면에 균일한 손상대를 형성한 뒤, 해당 면을 대상으로 본 시험 데이터를 취득하는 방식으로 수행하였다. 절삭속도는 1000 mm/min로 고정하였으며, 각 조건에서 절삭거리는 220–250 mm 범위로 유지하였다. 본 절삭시험에서는 총 5개의 평행 절삭선을 형성하였으며, 외곽 절삭선은 인접 절삭선과의 상호작용이 부족하여 하중 변동성이 크게 나타날 수 있으므로 분석에서 제외하여 중앙부 3개 절삭선에서 산정한 결과를 대표값으로 사용하였다.
각 절삭 후 생성된 암편을 전량 회수하여 절삭 체적(Vcut) 산정 및 입도분포 분석을 수행하였다. 입도분포 분석을 위해 사용된 표준체의 크기는 0.03 mm부터 13.2 mm까지이며, 체가름시험을 통해 누적 통과율 곡선을 도출하였다. 최종적으로 건조 및 포화 조건에서의 절삭 성능을 종합적으로 평가하기 위해 절삭력(cutting force, Fc)과 수직력(normal force, Fn)의 평균값(Fc_mean, Fn_mean)과 최대값(Fc_peak, Fn_peak), 비에너지(specific energy, SE), 그리고 암편의 입도분포 특성을 주요 분석 지표로 적용하였다. 측력(side force)의 경우에는 절삭조건에 따라 변화하는 경향을 찾아보기 어려워 분석에서는 제외하였다. 비에너지는 암석의 기계절삭효율을 나타내는데 주로 활용되는 지표로, 단위부피의 암석을 절삭하는 데 커터가 수행한 일로 식 (1)과 같이 계산된다.
여기서, SE는 비에너지(단위: J/m3), Fc_mean는 평균절삭력(단위: kN), l은 절삭길이(mm), Vcut은 절삭부피(m3)를 의미한다.
3. 시험 결과
3.1 포화에 따른 암석의 역학적 물성 변화
본 연구에서는 선형절삭시험 결과 해석을 위해 마천화강암의 건조 및 포화 조건에서의 여러 역학적 물성을 측정하였다. NX 사이즈 코어 시편에 대하여 역학적 물성 측정 항목은 일축압축강도(uniaxial compressive strength, UCS), 간접인장강도(Brazilian tensile strength, BTS), P파 및 S파 속도(Vp, Vs), Cerchar Abrasivity Index (CAI)이며, ISRM 및 KSRM 표준시험법을 준용하여 수행되었다(ISRM, 2007, KSRM, 2010). 105°C 오븐에서, 포화 조건은 증류수에 시험편을 수침시킨 후 진공챔버에 거치시켜 2주(14일) 이상 유지함으로써 구현하였다. Fig. 3은 본 연구에서 암석의 역학적 물성 측정을 위해 사용된 시험 장비의 사진을 나타내며, Table 2는 마천화강암의 건조 및 포화 상태에서 측정된 역학적 물성 측정 결과를 요약한 것이다.
Table 2.
Mechanical properties of Macheon granite in dry and saturated conditions
마천화강암은 포화 조건에서 건조 조건 대비 UCS, BTS, CAI가 모두 감소하여, 수분 포화에 의해 강도와 마모성이 저하되는 경향을 보였다. UCS는 138 MPa에서 126 MPa로 8.7% 감소하였고, BTS는 11.6 MPa에서 10.0 MPa로 13.8% 감소하였다. 또한 CAI는 2.7에서 2.0으로 25.9% 감소하여, 포화 조건에서 마모도 감소가 상대적으로 크게 나타났다. 반면 P파 및 S파 속도는 건조와 포화 조건 간 변화가 미미하여, 마천화강암의 탄성파 전파 특성은 포화에 상대적으로 민감하지 않은 것으로 나타났다. 포화에 따른 역학적 물성의 감소 정도와 메커니즘은 공극률, 공극구조, 암종, 구성광물, 응력조건 등에 따라 상이한 것으로 파악되고 있다(Li and Wang, 2019, Zhang et al., 2023). 이에 대한 자세한 토의는 본 연구의 연구범위를 넘어서므로 본 논문에서는 생략하고자 하며, 마천화강암의 포화에 따른 역학적 물성의 전반적인 감소는 선행연구에서 보고된 것과 대체로 일치하는 결과로 판단된다(Jaeger et al., 2007, Abu Bakar et al., 2014, Wong and Jong, 2014, Zhou et al., 2016, Luo, 2020).
3.2 커터작용력
Table 3은 선형절삭시험에서 계측된 커터 작용력 결과를 요약한 것으로, 건조 및 포화 조건에서 관입깊이(d)와 절삭간격-관입깊이비(s/d)에 따른 절삭력(Fc)과 수직력(Fn)의 평균값(Fc_mean, Fn_mean) 및 최대값(Fc_peak, Fn_peak)을 정리하였다. Fig. 4와 Fig. 5는 각각 건조 및 포화 상태에서 s/d 변화에 따른 평균 작용력과 최대 작용력의 변화를 함께 도시한 결과이다. 전반적으로 모든 조건에서 관입깊이가 증가할수록 작용력의 절대 수준이 증가하는 경향이 명확하며, s/d가 증가함에 따라 평균 및 최대 작용력 역시 전반적으로 증가하는 일반적인 결과가 얻어졌다. 구체적으로, Fig. 4의 건조 조건에서는 d가 3, 5, 7 mm로 증가함에 따라 절삭력과 수직력의 평균, 최대값이 모두 증가하며, 또한 s/d 증가에 따라서도 평균 수직력과 평균 절삭력이 점진적으로 증가하고, 최대 수직력과 최대 절삭력에서도 동일한 증가 추세가 나타난다. 포화 조건(Fig. 5)에서도 d 및 s/d 변화에 따라 평균 및 최대 작용력이 전반적으로 증가하는 경향이 관찰되며, 이러한 경향성은 선행연구(Bilgin et al., 2006, Jeong and Jeon, 2018)에서 보고한 것과 잘 일치한다.
Table 3.
Results of cutter forces measured in linear cutting tests on Macheon granite under dry and saturated conditions
Table 3 및 Fig. 6은 동일한 관입깊이와 s/d 조건에서 건조 및 포화 상태의 커터 작용력을 직접 비교한 결과이다. 전 조건에서 포화 상태의 절삭력과 수직력은 건조 상태보다 낮게 나타났으며, 이러한 감소경향은 평균값과 최대값 모두에서 일관되게 확인된다(Fig. 6). 관입깊이 3 mm에서는 포화 조건의 Fc_mean이 건조 대비 25.7–34.0% 감소하였고, Fn_mean은 21.9–50.4% 감소하였다(s/d = 1–5). 최대 작용력의 경우 Fc_peak은 7.8–17.0% 감소한 반면, Fn_peak은 38.6–47.5% 감소하여 수직력 저감이 상대적으로 두드러졌다. d = 5 mm에서는 저감 수준이 더욱 크게 나타났으며, Fc_mean은 47.4–62.5%, Fn_mean은 59.9–68.4%, Fc_peak는 44.6–61.9%, Fn_peak는 57.7–69.1%의 감소를 보였다. d = 7 mm에서도 포화 조건의 작용력은 전반적으로 낮았고, Fc_mean 60.9–67.4%, Fn_mean 49.4–60.8%, Fc_peak 57.9–64.8%, Fn_peak 45.1–57.8% 범위의 감소가 나타났다(s/d = 1–5). 요약하면, 마천화강암에서 포화 조건은 관입깊이와 s/d 전 범위에서 평균 및 최대 커터 작용력을 유의하게 저감시키는 것으로 나타났으며, 저감 수준은 관입깊이에 따라 차이를 보였다.
선행연구에서도 포화 조건에서 커터 작용력이 감소하는 경향이 보고된 바 있으며(Mammen et al., 2009, Abu Bakar et al., 2014), 본 연구 결과는 이러한 경향을 저공극률 화강암에서도 확인한 사례로 정리될 수 있다. 포화 조건에서 관찰된 절삭력 및 수직력의 전반적인 감소는 포화에 따른 UCS 및 BTS 등 역학적 물성 저하와 연관되어 절삭 과정에서 요구되는 절삭 및 파쇄 저항이 감소한 결과로 판단된다. 특히 마천화강암은 공극률이 낮음에도 불구하고 건조 대비 포화 조건에서 작용력 저감이 일관되게 나타나, 포화에 의한 절삭저항 저감 메커니즘이 저공극률 암석에서도 충분히 발현될 수 있음을 시사한다.
3.3 비에너지
Table 4는 마천화강암의 건조 및 포화 조건에서 관입깊이와 s/d 변화에 따른 비에너지(SE)를 정리한 결과이다. Fig. 7에는 s/d 변화에 따른 비에너지의 변화를 건조와 포화조건으로 나누어 도시하였으며, Fig. 8은 압입깊이별로 건조와 포화조건에서의 비에너지를 비교하여 나타낸 것이다. 건조와 포화 조건 모두에서 SE는 s/d 증가에 따라 전반적으로 감소하다가 s/d = 4 부근에서 최소값을 보인 뒤 s/d = 5에서 소폭 증가하는 형태를 나타내며, 본 연구 조건에서는 s/d = 4가 효율적 절삭조건으로 확인된다. 선행연구(Bilgin et al., 2006)에서는 픽 커터의 경우 일반적으로 s/d = 1–5의 범위에서 최적절삭조건이 나타난다고 보고하고 있으므로 합리적인 결과로 판단된다.
Table 4.
Results of specific energy obtained in linear cutting tests on Macheon granite under dry and saturated conditions
Fig. 7에서 주목할 점은 관입깊이에 따른 SE의 변화 양상이 건조와 포화 조건에서 서로 다르게 나타난다는 것이다. 건조 조건에서는 관입깊이가 증가할수록 SE가 증가하는 경향이 뚜렷하며, 이는 관입깊이 증가에 따라 커터 작용력이 지속적으로 증가하면서 단위 체적을 파쇄하는 데 필요한 에너지 소요가 커지는, 즉 비효율적인 절삭조건으로 전환된다는 것을 의미한다. 반대로 포화 조건에서는 관입깊이가 증가할수록 SE가 감소하는 경향이 나타났는데, 이는 포화에 따른 강도 저하 때문인 것으로 해석된다. 암석의 포화로 절삭저항이 감소하면서, 관입깊이가 증가하더라도 픽 커터가 과도한 저항 없이 파쇄를 유도할 수 있어 절삭 효율이 향상되는 경향으로 해석할 수 있다. 이는 관입깊이가 증가할수록 포화 조건에서 작용력 저감이 더 뚜렷하게 나타난 앞선 3.2절의 결과와 잘 부합한다.
Fig. 8은 관입깊이별로 건조와 포화 조건의 SE를 직접 비교한 결과이다. 전반적으로 포화 조건에서 SE가 더 낮게 나타나며, 이는 포화에 따른 강도 저하가 에너지 관점의 절삭 효율 향상으로 반영된 결과로 볼 수 있다. 다만 Fig. 7에서 언급한 관입깊이 의존적 경향 때문에 d = 3 mm에서는 건조와 포화의 차이가 상대적으로 작게 나타나는 반면, d = 5 mm와 d = 7 mm에서는 포화에 따른 SE 저감 효과가 더욱 뚜렷해진다(Fig. 8). d = 3 mm에서는 감소율이 0.6–18.8%로 제한적인 구간이 존재하지만, d = 5 mm에서는 52.1–62.2%, d = 7 mm에서는 59.4–75.0% 범위의 감소가 나타나 관입깊이가 증가할수록 포화에 의한 절삭 효율 개선 효과가 강화되는 특성을 확인할 수 있다.
3.4 암편의 입도분포 특성
Table 5와 6은 각각 건조 조건과 포화 조건에서 수행된 선형절삭시험으로부터 회수된 암편에 대한 체거름 결과를 요약한 것이다. 한편, Fig. 9는 모든 케이스에서 공통적으로 나타난 최적절삭조건인 s/d = 4에서 관입깊이 d = 3, 5, 7 mm에 대해 건조 및 포화 조건에서 생성된 암편의 누적 통과율 곡선을 비교한 것이다. 전반적으로 포화 조건의 누적 통과율은 미립 및 중간 입경 구간에서 건조 조건보다 낮게 나타나, 동일한 체 눈금에서 포화 조건이 상대적으로 큰 암편의 비율이 높음을 보여준다. 반면 더 큰 체 눈금 구간에서는 포화 조건의 누적 통과율이 상대적으로 급격히 증가하며 최종적으로 건조 조건과 유사한 수준으로 수렴하는 형태를 보인다. 이는 포화 조건에서 입도분포가 조립질 방향으로 이동하는 경향을 반영하며, 이러한 특징은 모든 관입깊이 조건에서 공통적으로 관찰된다. 이 경향은, 앞 절에서 포화 조건에서 비에너지가 감소하여 절삭 효율이 향상된 결과와 일치한다. 즉, 포화 상태에서는 상대적으로 큰 암편이 생성되는 파쇄 양상이 관찰되며, 이러한 파쇄 양상의 변화가 에너지 소요의 감소와 함께 나타나는 것으로 해석될 수 있다.
Table 5.
Summary of sieve-analysis of rock chips produced under dry conditions
Table 6.
Summary of sieve-analysis of rock chips produced under saturated conditions
Table 7은 건조 및 포화 조건에서 생성된 암편의 대표 입도지표(D50)와 분포계수(Cu, Cc), 그리고 누적 잔류율 합으로 정의한 CI (Coarseness index)를 요약한 것이다. Cu(균등계수)는 D60과 D10의 비로 정의되며, 입도분포의 폭을 나타내는 지표이다. Cu가 클수록 미립부터 조립까지 입경 범위가 넓고 분급이 불량(well-graded)한 분포를 의미하며, Cu가 작을수록 입경이 비교적 좁은 범위에 집중된(균등한) 분포를 의미한다. Cc(곡률계수)는 D10, D30, D60의 관계로부터 산정되며, 누적입도분포곡선의 형태(중간 입경대의 굴곡 및 분포의 균형)를 나타내는 지표로, 분포가 특정 입경대에 편중되었는지 또는 중간 입경대가 상대적으로 충실한지를 정성적으로 판단하는 데 활용된다. CI (coarseness index)는 각 체 눈금에서의 누적 잔류율(100 − 누적 통과율)을 합산한 값으로, 값이 클수록 조립분의 비중이 높아 전반적으로 더 조립질인 암편이 생성되었음을 의미하며, 값이 작을수록 미세분의 비중이 커 상대적으로 세립질 분포임을 의미한다(Tuncdemir et al., 2008, Abu Bakar and Gerstch, 2013, Jeong and Jeon, 2018). D50은 건조 조건에서 0.23-1.11 mm, 포화 조건에서 0.52-2.16 mm 범위로 나타났으며, 동일한 관입깊이와 s/d 조건에서 포화 조건의 D50이 건조 조건보다 일관되게 크게 나타나 포화 상태에서 암편이 조립화되는 경향을 확인할 수 있다. 또한 관입깊이가 증가할수록 D50과 CI가 전반적으로 증가하는 경향이 나타나, 관입깊이 증가에 따라 상대적으로 큰 암편이 더 많이 생성되는 파쇄 양상이 강화됨을 시사한다. Cu와 Cc 역시 포화에 따라 변화하였으며, 특히 Cu는 건조 대비 포화에서 변동폭이 상대적으로 작게 나타나 입도분포 폭의 변화가 함께 수반되었음을 보여준다. CI 또한 건조조건에 비해 포화 조건에서 더 크게 나타나, 누적입도분포곡선에서 확인된 조립화 경향과 일치하는 결과를 보여준다.
Table 7.
The results of size distribution parameters under dry and saturated conditions
|
Depth of cut, d (mm) | s/d ratio | D50 (mm) | Cu* | Cc* | Coarseness index, CI | ||||
| Dry | Saturated | Dry | Saturated | Dry | Saturated | Dry | Saturated | ||
| 3 | 1 | 0.233 | 0.521 | 6.40 | 6.39 | 0.60 | 0.80 | 360.1 | 451.9 |
| 2 | 0.236 | 0.860 | 5.27 | 19.96 | 0.58 | 0.53 | 374.8 | 491.0 | |
| 3 | 0.303 | 1.075 | 9.56 | 29.93 | 0.56 | 0.42 | 396.9 | 516.0 | |
| 4 | 0.343 | 0.999 | 10.80 | 33.14 | 0.54 | 0.24 | 416.2 | 518.9 | |
| 5 | 0.334 | 0.679 | 7.82 | 20.26 | 0.43 | 0.45 | 409.8 | 499.9 | |
| 5 | 1 | 0.319 | 0.698 | 7.94 | 6.26 | 1.25 | 0.63 | 401.6 | 556.7 |
| 2 | 0.356 | 1.032 | 11.73 | 15.21 | 1.13 | 0.43 | 447.0 | 580.7 | |
| 3 | 0.390 | 1.206 | 11.43 | 15.12 | 0.46 | 0.42 | 484.5 | 588.9 | |
| 4 | 0.517 | 1.340 | 17.00 | 23.44 | 0.27 | 0.37 | 503.8 | 590.8 | |
| 5 | 0.416 | 1.140 | 17.34 | 25.82 | 0.19 | 0.54 | 483.7 | 569.8 | |
| 7 | 1 | 0.604 | 1.046 | 20.45 | 20.14 | 0.26 | 0.33 | 530.2 | 597.0 |
| 2 | 0.800 | 1.290 | 25.60 | 23.91 | 0.20 | 0.29 | 555.6 | 605.8 | |
| 3 | 0.743 | 2.149 | 51.65 | 31.52 | 0.22 | 0.37 | 559.5 | 621.5 | |
| 4 | 1.109 | 2.158 | 33.62 | 26.72 | 0.13 | 0.39 | 569.0 | 635.8 | |
| 5 | 0.800 | 1.645 | 41.72 | 23.99 | 0.15 | 0.40 | 558.9 | 615.7 | |
Fig. 10은 관입깊이별로 s/d 변화에 따른 CI를 건조 및 포화 조건에서 비교한 결과이다. 모든 관입깊이에서 포화 조건의 CI가 건조 조건보다 크게 나타나, 포화 상태에서 조립분 비중이 증가하는 경향이 일관되게 확인된다. 또한 CI는 비에너지의 변화 경향과 유사하게 변화하였다. s/d = 4 부근에서 상대적으로 큰 값을 보인 뒤 s/d = 5에서 소폭 감소하는 형태를 보여, 입도 관점에서도 s/d = 4 조건이 효율적인 절삭조건으로 작용함을 시사한다. 이러한 경향은 포화에 따른 암석의 파괴 거동 변화와 관련지어 해석할 수 있다. 일반적으로 포화 상태에서는 공극수의 작용으로 유효응력이 감소하고 입자 경계에서의 결합력이 약화되어 균열의 개시와 전파가 보다 용이해진다. 그 결과 절삭 과정에서 미세 분쇄보다는 상대적으로 큰 균열의 성장과 연결이 촉진될 수 있으며, 이는 포화 조건에서 더 큰 CI가 나타난 원인 중 하나로 판단된다. 다시 말해, 포화 상태는 절삭 저항을 낮추는 동시에 조립분 형성을 유도하여 절삭 효율 향상에 기여한 것으로 해석된다. 또한 선행연구에서도 포화 조건에서 커터 작용력과 비에너지가 감소하는 경향이 보고된 바 있으며(Mammen et al., 2009, Abu Bakar et al., 2014), 본 연구 결과는 이러한 경향이 저공극률 화강암에서도 나타날 가능성을 시사한다. 다만 이러한 경향은 보편적으로 일반화할 수 있는 현상이라기보다는 암종, 절삭 조건, 포화 정도에 따라 달라질 수 있으므로, 본 연구에서는 이를 본 실험 조건에서 관찰된 경향으로 한정하여 해석하였다.
4. 결 론
본 연구에서는 국내 마천화강암을 대상으로 선형절삭시험을 수행하여, 건조 및 포화 조건에서 관입깊이(d = 3, 5, 7 mm)와 절삭간격-관입깊이비(s/d = 1-5)에 따른 픽 커터 절삭특성(커터작용력, 비에너지, 암편 입도분포)을 비교 평가하였다. 본 연구에서 얻어진 주요 결론을 요약하면 다음과 같다.
(1) 포화 조건에서는 모든 관입깊이와 s/d 범위에서 커터작용력이 건조 조건 대비 일관되게 감소하였다. d = 3 mm에서 평균절삭력과 평균수직력은 각각 25.7–34.0% 및 21.9–50.4% 감소하였고, d = 5 mm에서는 각각 47.4–62.5% 및 59.9–68.4% 감소하였다. d = 7 mm에서도 평균절삭력 60.9–67.4%, 평균수직력 49.4–60.8%의 감소가 확인되어, 저공극률(0.9%) 화강암에서도 포화에 따른 절삭저항 저감이 뚜렷하게 나타남을 확인하였다.
(2) 비에너지는 s/d 증가에 따라 전반적으로 감소하다가 s/d = 4 부근에서 최소값을 보인 뒤 s/d = 5에서 소폭 증가하는 경향이 나타나, 본 연구 조건에서는 s/d = 4가 대표적인 절삭조건으로 확인되었다. 또한 건조 조건에서는 관입깊이 증가에 따라 비에너지가 증가하는 경향을 보인 반면, 포화 조건에서는 관입깊이 증가에 따라 비에너지가 감소하는 경향이 나타났다. 건조 대비 포화 조건의 비에너지 감소율은 d = 3 mm에서 0.6-18.8%, d = 5 mm에서 52.1-62.2%, d = 7 mm에서 59.4-75.0%로 관입깊이가 증가할수록 포화에 의한 절삭 효율 개선 효과가 더욱 뚜렷하였다.
(3) 암편의 누적입도분포곡선 비교 결과, 포화 조건에서는 미립 및 중간 입경 구간에서 누적 통과율이 건조 조건보다 낮고, 이후 큰 체 눈금 구간에서 누적 통과율이 상대적으로 급격히 증가하는 형태가 나타났다. 이는 포화 조건에서 입도분포가 조립질 방향으로 이동하는 경향을 의미하며, 입도지표(D50, Cu, Cc, CI) 분석에서도 이러한 조립화 경향이 전반적으로 확인되었다.
(4) 종합하면, 마천화강암에서는 포화 조건에서 커터작용력과 비에너지가 전반적으로 감소하고, 암편 입도분포가 조립화되는 특징이 나타났다. 이러한 결과는 암석의 포화로 인한 역학적 물성 저하가 절삭저항과 절삭 효율에 유의한 영향을 미칠 수 있으며, 저공극률 화강암에서도 포화 효과가 실험적으로 확인될 수 있음을 시사한다.
