1. 서 론

터널, 광산 및 지하공간 개발이 증가함에 따라 다양한 암반 굴착 현장에서 기계식 굴착장비의 활용이 지속적으로 확대되고 있다. 기계식 굴착은 발파 굴착에 비해 진동, 소음 및 여굴을 감소시킬 수 있으며, 연속 굴착이 가능하다는 장점을 가진다. 그러나 화강암과 같은 고강도 경암에서는 높은 강도와 마모성으로 인해 커터에 작용하는 절삭하중이 증가하고, 이에 따라 커터 마모와 교체 빈도가 증가하여 다운타임 증가에 따른 굴진율이 저하되는 문제가 발생한다. 이는 에너지 소비 증가 및 유지관리 비용 증가를 초래하므로, 경암 굴착에서는 절삭저항을 감소시키고 파쇄효율을 향상시킬 수 있는 전처리 기술의 필요성이 지속적으로 제기되고 있다.

최근에는 기계식 굴착에 앞서 열적, 전기적 또는 전자기적 에너지를 이용하여 암석 내부에 손상을 유도하는 다양한 전처리 기술이 주목받고 있다. 마이크로웨이브 전처리는 암석 내부에 선택적으로 에너지를 전달하여 국부적인 온도 상승과 열응력을 발생시키며, 구성 광물 간 열팽창계수 차이에 의해 미세균열을 유도하는 대표적인 전처리 기술이다. 마이크로웨이브 조사에 의해 형성된 미세균열은 일축압축강도, 인장강도 및 탄성파 속도와 같은 역학적 물성을 저하시킬 수 있으며, 이러한 물성 저하는 기계식 굴착 과정에서 절삭저항 감소와 에너지 소비 저감으로 이어질 수 있다.

마이크로웨이브 전처리가 암석의 역학적 물성 및 굴착 성능에 미치는 영향은 여러 선행 연구에서 검토되어 왔다. Motlagh (2009)은 마이크로웨이브 조사가 암석의 일축압축강도를 약 30% 감소시킨다고 보고하였으며, 이러한 결과는 마이크로웨이브에 의해 유도된 열적 손상이 암석의 역학적 강도를 효과적으로 저하시킬 수 있음을 보여준다. Zheng et al.(2017)은 반려암을 대상으로 마이크로웨이브 출력과 조사 시간이 암석의 온도 분포 및 P파 속도 변화에 미치는 영향을 평가하였다. 연구 결과, 마이크로웨이브 출력과 조사 시간이 증가할수록 암석의 최대 및 평균 온도는 선형적으로 증가하는 경향을 보였다. 또한 P파 속도는 최대 80%까지 감소하였으며, 최대 온도는 시편 내부에서 발생하는 것으로 보고되었다. 이러한 결과는 마이크로웨이브 조사에 의해 암석 내부에 열적 손상과 미세균열이 발달하며, 이로 인해 역학적 물성이 저하될 수 있음을 시사한다.

이처럼 선행 연구들은 마이크로웨이브 조사가 암석 내부의 열적 손상을 유도하여 암석의 역학적 물성을 감소시키고, 기계적 파쇄가 용이하도록 약화시킬 수 있음을 보고하였다. 그러나 기존 연구는 주로 마이크로웨이브 조사에 따른 열적 손상이나 역학적 물성 변화에 초점을 맞추고 있으며, 이러한 물성 변화가 실제 픽 커터 절삭성능 및 파쇄특성에 어떠한 영향을 미치는지를 종합적으로 분석한 연구는 매우 제한적이다. 특히 국내에서 널리 분포하는 포천 화강암을 대상으로 마이크로웨이브 전처리에 따른 역학적 물성 변화와 절삭성능을 연계하여 정량적으로 평가한 연구는 거의 수행되지 않았다.

따라서 본 연구에서는 포천 화강암을 대상으로 마이크로웨이브 조사에 따른 역학적 물성 변화와 픽 커터 절삭성능 간의 상관관계를 실험적으로 규명하고자 하였다. 먼저 마이크로웨이브 조사 시간에 따른 탄성파 속도, 일축압축강도 및 간접인장강도의 변화를 측정하여 마이크로웨이브 전처리가 포천 화강암의 역학적 물성에 미치는 영향을 분석하였다. 이후 선형절삭시험을 수행하여 마이크로웨이브 조사 전후의 절삭력, 수직력 및 비에너지를 비교하였으며, 체거름 시험을 통해 절삭 과정에서 발생한 파쇄물의 입도분포 변화를 분석하였다. 이를 통해 마이크로웨이브 전처리 공법이 경암 굴착에서 절삭하중 저감, 에너지 효율 향상 및 파쇄 효율 개선에 기여할 수 있는지를 평가하고자 하였다.

2. 연구 방법

2.1 암석 시험편

본 연구에서는 국내 포천 지역에서 채취한 포천 화강암을 시험 암석으로 사용하였다. 역학적 물성 평가를 위해 암석 시험편은 NX 규격의 원통형 코어로 제작하였다. 시험편의 직경과 길이는 각각 54.7 mm와 110 mm로 제작하였으며, 모든 시험편은 동일한 형상과 치수를 유지하도록 가공하였다.

마이크로웨이브 조사 전 시험편의 초기 물리·역학적 특성을 확인하기 위해 기본 물성시험을 수행하였다. 기본 물성시험은 탄성파 속도, 일축압축강도(Uniaxial Compressive Strength, UCS), 공극률, 간접인장강도(Brazilian Tensile Strength, BTS)를 대상으로 수행하였다. Table 1은 시험에 사용된 포천 화강암의 기본 물리·역학적 특성을 나타낸다.

2.2 마이크로웨이브 조사에 따른 역학적 물성 평가

마이크로웨이브 출력은 암석에 전달되는 에너지량을 결정하는 가장 중요한 실험 변수 중 하나이다. 출력이 증가할수록 암석 내부의 온도 상승과 열적 손상이 증가하며, 이에 따라 역학적 물성 변화도 커질 수 있다. 과도한 출력에서는 급격한 온도 증가에 따른 열손상 또는 파괴가 발생할 수 있는 반면, 지나치게 낮은 출력에서는 유의미한 물성 변화를 확인하기 어려울 수 있다. 따라서 본 연구에서는 선행연구를 참고하여 정격 출력 1,000 W 조건의 마이크로웨이브 장치를 이용하여, 조사 시간(irradiation time)에 따른 암석의 온도 변화 및 역학적 물성 변화를 분석하고자 하였다. 본 연구에서 사용한 마이크로웨이브 조사 장비를 Fig. 1에 나타내었으며, 주요 제원은 Table 2에 제시하였다.

Fig. 1.

Microwave equipment used in the experiment

마이크로웨이브 조사 시간에 따른 암석 표면 온도 변화를 적외선 온도계를 이용하여 측정하였다. Fig. 2는 마이크로웨이브 조사 후 암석 시험편의 표면 온도 측정 과정을 보여준다. 표면 온도는 조사 종료 직후 동일 위치에서 측정하였으며, 각 조건에서 3회 반복 측정한 평균값을 사용하였다. 온도 측정은 마이크로웨이브 조사 시작 후 0초부터 540초까지 60초 간격으로 수행하였다. Fig. 3은 마이크로웨이브 조사 시간에 따른 암석 시험편의 표면 온도 변화를 나타낸다. 본 연구에서 측정된 최대 표면 온도는 540초 이후 약 360°C 수준으로, 이는 선행연구(Xu et al., 2023, Sun et al., 2024)에서 보고하고 있는 화강암 내부에서 열적 미세균열이 발생하고 탄성파 속도 및 강도 저하가 시작되는 온도 범위에 해당한다. 따라서 본 연구에서는 이 조건을 이용하여 마이크로웨이브 조사에 따른 열적 손상과 절삭성능 변화를 평가하고자 하였다.

Fig. 2.

Temperature measurement of rock specimens after microwave irradiation using an infrared thermometer

Fig. 3.

Changes in surface temperature with microwave irradiation time

본 연구에서는 마이크로웨이브 조사에 따른 포천 화강암의 역학적 물성 변화를 평가하였다. 평가 항목은 탄성파 속도, 일축압축강도(Uniaxial Compressive Strength, UCS), 간접인장강도(Brazilian Tensile Strength, BTS)로 구성하였다. 마이크로웨이브 조사 조건은 무조사 조건을 포함하여 0초, 180초, 360초, 540초의 네 수준으로 설정하였다. 마이크로웨이브 조사 후 시험 결과의 일관성을 확보하기 위하여 탄성파 속도, 일축압축강도 및 간접인장강도 시험은 조사 직후 시험편의 온도 저하를 최소화한 상태에서 수행하였다.

2.3 선형절삭시험

본 연구에서는 실규모 선형절삭시험기를 축소한 소형 선형절삭시험기(SLCM)를 사용하였다. 장비에는 3축 로드셀이 장착되어 있어 절삭 과정에서 발생하는 절삭력(cutting force), 수직력(normal force) 및 측력(side force)을 동시에 측정할 수 있다. 로드셀의 최대 측정 용량은 200 kN이며, 압입깊이, 절삭거리 및 절삭간격은 제어시스템을 통해 정밀하게 제어하였다(Fig. 4).

Fig. 4.

Small-scale linear cutting machine (SLCM) used in this study

절삭시험에는 실제 로드헤더에 적용되는 SANDVIK사의 S-22 픽 커터를 사용하였다. 픽 커터의 skew angle은 5°로 고정하였다. 선행 연구에 따르면 경암에서는 약 55°의 attack angle이 가장 안정적인 절삭성능을 나타내는 것으로 보고되어 있다(Choi et al., 2014). 따라서 본 연구에서는 포천 화강암의 절삭시험에 attack angle을 55°로 적용하였다. Fig. 5는 본 연구에서 사용한 픽 커터의 모식도와 실제 사진을 나타낸다.

Fig. 5.

Schematic drawing and photo of the tested pick cutter

본 연구에서 사용한 선형절삭시험 장비는 최대 300 × 300 × 300 mm³ 크기의 암석 시험편을 거치할 수 있다. 그러나 마이크로웨이브 조사 장비 내부의 허용 규격을 고려하여, 본 연구에서는 250 × 250 × 150 mm³ 크기의 포천 화강암 블록 시험편을 사용하였다. 선형절삭시험은 무조사 조건과 540초 조사 조건에서 수행하였다. 압입깊이는 장비의 최대 하중과 암석의 강도를 고려하여 3 mm와 5 mm로 설정하였다. 선행 연구에 따르면 픽 커터를 이용한 암석 절삭에서 절삭간격과 압입깊이의 비인 S/d 비가 1–5 범위일 때 효율적인 절삭조건이 나타나는 것으로 보고되었다(Jeong and Jeon, 2018b). 이에 본 연구에서는 S/d 비를 1, 2, 3, 4, 5로 설정하여 선형절삭시험을 수행하였다. 또한 절삭속도는 절삭력에 미치는 영향이 제한적인 것으로 보고되어 있으므로(Sanio, 1985; Copur et al., 2017), 모든 시험에서 1,000 mm/min으로 일정하게 유지하였다. 각 조건에서 총 5개의 절삭선을 형성하였으며, 절삭력은 각 절삭선에서 연속적으로 측정하였다. 절삭력 분석에는 경계효과를 최소화하기 위해 최외측 절삭선을 제외한 중앙부 3개 절삭선의 평균값을 사용하였다. 최외측 절삭선은 자유면의 영향으로 인접 절삭선과의 상호작용이 충분히 발생하지 않기 때문에 분석에서 제외하였다. 모든 시험편은 시험 전 동일한 굴착면 조건을 재현하기 위해 선행절삭(pre-conditioning)을 수행하였다. 이는 반복 절삭에 의해 손상된 굴착면 조건을 모사하기 위한 과정으로, 압입깊이 2 mm, 절삭간격 10 mm 조건에서 실시하였다. Table 3은 본 연구에서 수행한 선형절삭시험 조건을 요약한 것이다.

기계식 굴착의 절삭효율은 절삭력뿐만 아니라 제거된 암석 부피를 함께 고려하여 평가할 필요가 있다. 이에 따라 본 연구에서는 단위 부피의 암석을 제거하는 데 필요한 에너지를 나타내는 비에너지(specific energy)를 절삭성능 평가 지표로 사용하였다. 비에너지는 단위 부피의 암석을 절삭하는 데 소요되는 에너지로 정의되며, 동일한 절삭 조건에서 비에너지 값이 낮을수록 보다 적은 에너지로 많은 양의 암석을 제거할 수 있음을 의미한다. 즉, 비에너지는 마이크로웨이브 조사에 따른 암석의 열적 손상 및 역학적 물성 저하가 절삭 성능 개선으로 이어지는지를 평가할 수 있는 주요 지표로 활용될 수 있다. 본 연구에서 비에너지는 절삭 과정에서 측정된 평균 절삭력과 절삭 후 회수된 암편을 이용하여 산정하였다. 제거된 암석의 부피는 회수된 암편의 질량을 측정한 후 암석의 밀도로 나누어 계산하였으며, 비에너지는 식 (1)과 같이 산정하였다.

여기서 SE는 비에너지(MJ/m³), F_{c_mean}은 평균 절삭력(kN), l은 절삭거리(m), 그리고 V_cut은 절삭에 의해 제거된 암석의 부피(m³)를 의미한다. 제거된 암석의 부피(V_cut)는 절삭 후 회수된 암편의 질량을 측정한 후 암석의 밀도(2.6 g/cm³)로 나누어 산정하였다. 비에너지 값이 낮을수록 단위 부피의 암석을 제거하는 데 필요한 에너지가 적어 절삭효율이 우수한 것으로 평가된다.

2.4 체거름 시험

마이크로웨이브 전처리가 절삭 과정에서 생성된 암편의 입도분포에 미치는 영향을 평가하기 위해 선형절삭시험 후 회수한 암편을 대상으로 체거름 시험을 수행하였다. 체거름 시험은 절삭 과정에서 발생한 암편의 입도분포를 정량적으로 분석하여 암석의 전반적인 파쇄 양상을 평가할 수 있어 절삭 특성과 파쇄효율을 평가하는 중요한 지표로 활용된다. 본 연구에 사용한 체의 규격과 체눈 크기는 Table 4에 나타내었다. 절삭 후 회수된 암편은 충분히 건조한 후 체거름 시험을 수행하였으며, 각 체에 잔류한 질량을 측정하여 누적 통과율을 산정하였다.

체거름 시험 결과를 이용하여 각 조건의 입도분포곡선을 작성하고, 균등계수(coefficient of uniformity, Cc), 곡률계수(coefficient of curvature, Cu), 거칢계수(coarseness index, CI)를 산정하여 마이크로웨이브 조사 전후의 입도특성을 비교하였다. 균등계수는 입도분포의 균일성을, 곡률계수는 입도분포곡선의 형태를 나타내는 대표적인 지표이다. 거칢계수는 각 체에 잔류한 누적 질량 백분율의 합으로 계산되는 지수로, 값이 클수록 상대적으로 조립질 암편의 비율이 높음을 의미한다. 다만 CI는 체거름 시험에 사용된 체의 개수와 체눈 크기 구성에 영향을 받기 때문에, 따라서 본 연구에서는 동일한 체 구성과 동일한 시험 조건에서 산정된 CI를 이용하여 마이크로웨이브 조사 전후의 상대적인 파쇄 특성을 비교하였다.

여기서 D₁₀, D₃₀ 및 D₆₀은 각각 누적 통과율이 10%, 30%, 60%일 때의 입경(mm)을, W_i는 각 체에 잔류한 암편의 질량(g)이며, W_t는 전체 회수된 암편의 총질량(g)을 의미한다.

3. 시험결과

3.1 마이크로웨이브 조사에 따른 암석의 역학적 물성 변화

Table 5는 마이크로웨이브 조사 시간에 따른 포천 화강암의 P파 및 S파 속도 측정 결과를 나타내며, 무조사 조건에서 P파 및 S파의 평균속도는 각각 4,856 m/s와 3,172 m/s로 측정되었다. 마이크로웨이브 조사 시간이 증가함에 따라 두 탄성파 속도는 모두 지속적으로 감소하였다.P파 평균속도는 조사 시간이 180초, 360초 및 540초로 증가함에 따라 각각 4,270 m/s, 3,991 m/s 및 3,731 m/s로 감소하였다. 같은 조건에서 S파 평균속도는 각각 3,017 m/s, 2,789 m/s 및 2,662 m/s로 감소하였다. 540초 조사 조건에서 P파 및 S파 속도는 무조사 조건보다 각각 23.2%와 16.1% 감소하였으며, P파 속도의 상대적 감소율이 S파 속도보다 크게 나타났다. 이러한 탄성파 속도 감소는 마이크로웨이브 조사에 의해 암석 내부의 열적 손상이 점진적으로 증가하였음을 간접적으로 시사한다. 이는 마이크로웨이브 조사 과정에서 구성 광물 간 가열 특성과 열팽창계수의 차이로 불균일한 열응력이 발생하고, 광물 입자 경계와 기존 결함 주변에서 손상이 발달하였기 때문으로 판단된다.

Table 6은 마이크로웨이브 조사 시간에 따른 포천 화강암의 일축압축강도와 간접인장강도 측정 결과를 나타내며, Fig. 6은 각 조건에서 산정된 평균 강도의 변화를 나타낸다. 무조사 조건에서 포천 화강암의 평균 일축압축강도는 121 MPa였으며, 조사 시간이 180초, 360초 및 540초로 증가함에 따라 각각 103 MPa, 98.7 MPa 및 89.9 MPa로 감소하였다. 무조사 조건과 비교하면 일축압축강도는 180초 조사 후 14.8%, 540초 조사 후 25.5% 감소하여, 조사 시간 증가에 따른 점진적인 강도 저하가 확인되었다.

Fig. 6.

Changes in (a) uniaxial compressive strength and (b) brazilian tensile strength with microwave irradiation time

간접인장강도 역시 마이크로웨이브 조사 시간이 증가함에 따라 감소하는 경향을 보였다. 무조사 조건의 12.2 MPa에서 조사 시간이 180초, 360초 및 540초로 증가함에 따라 각각 9.95 MPa, 8.22 MPa 및 7.89 MPa로 감소하였다. 540초 조사 후 간접인장강도는 무조사 조건보다 35.2% 감소하여, 같은 조건에서의 일축압축강도 감소율인 25.5%보다 크게 나타났다.

이러한 결과는 마이크로웨이브 조사가 포천 화강암의 역학적 강도 저하를 유발하였음을 보여준다. 마이크로웨이브 조사 과정에서 암석 내부의 국부적 온도 상승, 잔류 수분의 증발 가능성, 그리고 석영·장석·운모류 등 구성 광물 간 열팽창 차이에 의해 열응력이 발생할 수 있다. 이러한 불균일한 열응력은 광물 입자 경계와 기존 결함 주변의 손상을 촉진하여 일축압축강도와 간접인장강도를 저하시킨 것으로 해석된다. 탄성파 속도와 역학적 강도가 조사 시간에 따라 함께 감소한 결과는 마이크로웨이브 조사에 따른 내부 손상의 누적 가능성을 뒷받침하며, 이러한 물성 저하는 이후 선형절삭시험에서 나타나는 절삭하중과 비에너지 변화의 주요 원인으로 작용할 수 있다.

3.2 마이크로웨이브 조사에 따른 커터작용력 변화

Table 7은 마이크로웨이브 조사 전후의 절삭력과 수직력 측정 결과를 나타내며, Fig. 7은 압입깊이와 S/d 비에 따른 평균 및 최대 절삭하중의 변화를 보여준다. 픽 커터를 이용한 암석 절삭 과정에서는 커터 선단부에 절삭력(cutting force), 수직력(normal force) 및 측력(side force)이 작용한다. 측력은 절삭력과 수직력보다 상대적으로 작았으며, S/d 비에 따른 일관된 변화도 나타나지 않았다. 따라서 마이크로웨이브 조사에 따른 절삭성능 변화는 절삭력과 수직력을 중심으로 분석하였다.

마이크로웨이브 조사 여부와 관계없이 S/d 비가 증가함에 따라 평균 및 최대 절삭력과 수직력은 전반적으로 증가하였다. 압입깊이가 3 mm에서 5 mm로 증가함에 따라 평균 및 최대 절삭력과 수직력도 모두 증가하였다. 압입깊이가 증가하면 커터와 암석의 접촉영역 및 절삭 면적이 증가하므로, 암석 파괴에 필요한 작용력도 증가한 것으로 판단되며, 이러한 경향은 선행연구에서도 일관되게 보고된 바 있다(Bilgin et al., 2006; Jeong and Jeon, 2018a; Jeong and Jeon, 2018b; Jeong et al., 2020).

Fig. 7.

Variations in cutting and normal forces with S/d ratio before and after microwave irradiation

마이크로웨이브를 조사한 후 절삭력과 수직력은 모든 시험조건에서 무조사 조건보다 감소하였다. 평균 절삭력은 압입깊이 3 mm에서 5.64–10.58 kN에서 3.30–6.78 kN으로 감소하였으며, 압입깊이 5 mm에서는 10.14–15.01 kN에서 7.76–14.34 kN으로 감소하였다. 평균 수직력도 압입깊이 3 mm에서 5.73–14.62 kN에서 4.70–14.33 kN으로, 압입깊이 5 mm에서는 12.84–24.27 kN에서 9.61–23.65 kN으로 감소하였다. 이러한 결과는 앞서 확인된 탄성파 속도, 일축압축강도 및 간접인장강도와 함께 고려할 때, 마이크로웨이브웨이브 조사에 따른 열적 손상이 암석의 절삭 저항을 감소시킨 결과로 판단된다. 압입깊이 3 mm에서 평균 절삭력과 평균 수직력은 무조사 조건보다 각각 35.9–55.4%와 2.0–42.1% 감소하였다. 압입깊이 5 mm에서는 각각 4.5–23.5%와 2.6–25.2% 감소하여, 마이크로웨이브 조사에 따른 작용력 저감 효과는 압입깊이 3 mm에서 상대적으로 크게 나타났다. 이러한 차이는 마이크로웨이브 조사에 따른 손상영역의 공간적 불균질성 또는 압입깊이에 따른 파쇄 메커니즘 변화와 관련되었을 가능성이 있으나, 본 연구의 한정된 결과만으로는 그 원인을 단정하기는 어렵다.

3.3 마이크로웨이브 조사에 따른 비에너지 변화

Table 8은 마이크로웨이브 조사 전후의 압입깊이와 S/d 비에 따른 비에너지 및 감소율을 나타내며, Fig. 8은 각 조건에서의 비에너지 변화를 비교한 것이다(조사 전: Before-MW, 조사 후: After-MW). 비에너지는 단위 부피의 암석을 제거하는 데 필요한 절삭에너지로, 값이 낮을수록 절삭효율이 높음을 의미한다.

Fig. 8.

Effect of microwave irradiation on specific energy at different cutting conditions

시험 결과, 마이크로웨이브 조사 여부와 관계없이 압입깊이 3 mm와 5 mm 모두 S/d=3에서 비에너지가 가장 낮게 도출되어, 최적절삭조건을 나타내었다. 압입깊이 3 mm에서 S/d=3의 비에너지는 조사 전 306.27 MJ/m³에서 조사 후 174.23 MJ/m³로 감소하였으며, 압입깊이 5 mm에서는 231.59 MJ/m³에서 134.75 MJ/m³로 감소하였다. 동일한 S/d 비에서 압입깊이 5 mm의 비에너지는 압입깊이 3 mm보다 모든 조건에서 낮게 나타났다. 압입깊이가 증가하면 절삭력도 증가하지만, 제거되는 암석 부피가 절삭력보다 상대적으로 크게 증가하므로 단위 부피당 절삭에너지는 감소할 수 있다. 따라서 압입깊이 5 mm에서 비에너지가 상대적으로 낮게 산정된 것으로 판단된다.

마이크로웨이브 조사 후 비에너지는 모든 절삭조건에서 감소하였다. 감소율은 압입깊이 3 mm에서 28.34–43.53%, 압입깊이 5 mm에서 10.82–41.82%로 나타났으며, S/d=3에서는 각각 43.11%와 41.82% 감소하였다. 이러한 결과는 앞서 확인된 역학적 강도와 커터 작용력의 감소와 일관되며, 마이크로웨이브에 의한 열적 손상에 의해 단위 제거부피당 기계적 절삭에너지가 감소되었음을 보여준다.

종합하면, 마이크로웨이브 전처리는 포천 화강암의 역학적 강도와 커터 작용력을 감소시켜 절삭단계의 비에너지를 저감하는 효과를 나타냈다. 다만 본 연구에서 산정한 비에너지는 마이크로웨이브 조사에 소비된 에너지를 포함하지 않으므로, 전처리와 절삭을 포함한 전체 굴착공정의 에너지 효율을 평가하기 위해서는 추가적인 소요에너지 분석이 필요하다.

3.4 암편의 입도분포 특성

Table 9와 Table 10은 각각 압입깊이 3 mm와 5 mm에서 마이크로웨이브 조사 전후 선형절삭시험 후 발생한 암편의 체눈 크기별 누적 통과율을 나타낸 것이다. 시험 결과, 마이크로웨이브 조사 후 입도분포곡선은 전반적으로 조사 전보다 상향 이동하는 경향을 보였으며, Fig. 9는 압입깊이 3 mm와 5 mm 조건에서 마이크로웨이브 조사 전후의 입도분포곡선을 대표 절삭조건인 S/d = 2에서 비교하여 나타낸 것이다. 이는 동일한 체눈 크기에서 누적 통과율이 증가하였음을 의미하며, 마이크로웨이브 조사 후 상대적으로 작은 입경의 파쇄물이 더 많이 생성되었음을 나타낸다.

마이크로웨이브 조사 후 세립분 증가 경향은 앞서 제시한 탄성파 속도 감소, 일축압축강도 및 간접인장강도 저하 결과와도 연관된다. 마이크로웨이브 조사에 의해 암석 내부에서 국부적 온도 상승, 광물 간 열팽창 차이 및 열응력이 발생하면 미세균열이 발달할 수 있다. 이러한 내부 손상은 절삭 과정에서 균열의 발생과 전파를 용이하게 하며, 결과적으로 암석이 더 작은 입자로 파쇄되는 데 기여한 것으로 판단된다.

Fig. 9.

Size distribution curves of Pocheon granite fragments before and after microwave irradiation at S/d=2: (a) d = 3 mm and (b) d = 5 mm

따라서 체거름 시험 결과는 마이크로웨이브 전처리가 포천 화강암의 파쇄 특성을 변화시켰음을 보여준다. 특히 마이크로웨이브 조사 후 입도분포곡선의 상향 이동은 절삭 과정에서 세립 파쇄물이 증가하였음을 의미하며, 이는 마이크로웨이브 조사에 따른 암석의 취성적 파괴 촉진 및 입자 간 결합력 약화 가능성을 시사한다. 이러한 결과는 마이크로웨이브 전처리가 절삭하중 및 비에너지 감소뿐만 아니라 파쇄물의 입도 분포 변화에도 영향을 미쳤음을 나타낸다.

Table 11은 마이크로웨이브 조사 전후에 생성된 암편의 균등계수(C_u), 곡률계수(C_c) 및 거칢계수(CI) 산정 결과를 나타낸 것이다. 마이크로웨이브 조사 후 C_u는 대부분의 절삭조건에서 감소하는 경향을 나타내었는데, 이는 조사 후 암편의 입도분포 범위가 상대적으로 좁아졌음을 의미한다. 또한 앞서 제시한 입도분포곡선의 상향 이동과 함께 고려할 때 세립 파쇄물의 비율이 증가한 결과로 해석할 수 있다.

C_c는 절삭조건에 따라 증가하거나 감소하였으며, 조사 전후에 일관된 변화는 나타나지 않았다. 따라서 마이크로웨이브 조사에 따른 입도분포곡선의 형상 변화는 압입깊이와 S/d비에 따라 상이하였다. 한편, CI는 모든 절삭조건에서 감소하였다. 이는 마이크로웨이브 조사 후 조립질 암편의 비율이 감소하고 상대적으로 작은 암편의 비율이 증가했음을 의미한다. 이러한 결과는 Fig. 9에 나타난 입도분포곡선의 상향 이동 결과와 일치한다.

종합하면, 마이크로웨이브 조사 후 C_u와 CI는 전반적으로 감소한 반면 C_c는 일정한 변화 경향을 보이지 않았다. 이는 마이크로웨이브 전처리가 암편의 크기와 입도분포 범위를 변화시켰으며, 입도분포곡선의 형상 변화는 절삭조건에 따라 달라졌음을 보여준다. 또한 커터 작용력과 비에너지가 함께 감소한 결과는 마이크로웨이브 조사가 포천 화강암의 절삭저항과 파쇄거동에 모두 영향을 미쳤음을 보여준다

4. 결 론

본 연구에서는 포천 화강암을 대상으로 마이크로웨이브 조사에 따른 역학적 물성 변화와 픽 커터 절삭성능 변화를 평가하였다. 주요 결론은 다음과 같다.

(1) 마이크로웨이브 조사 시간이 증가함에 따라 P파 및 S파 속도, 일축압축강도와 간접인장강도가 지속적으로 감소하였다. 540초 조사 조건에서 P파 및 S파 속도는 각각 23.2%와 16.1% 감소하였으며, 일축압축강도와 간접인장강도는 각각 25.5%와 35.2% 감소하였다. 특히 간접인장강도의 감소율이 상대적으로 크게 나타나 마이크로웨이브 조사에 따른 열적 약화가 인장 저항에 더 큰 영향을 미친 것으로 나타났다.

(2) 마이크로웨이브 조사 후 절삭력과 수직력은 모든 시험조건에서 수치상 감소하였으며, 절삭력 감소율은 압입깊이 3 mm에서 상대적으로 크게 나타났다. 이는 마이크로웨이브 조사에 따른 역학적 물성 저하가 픽 커터의 절삭저항 감소로 이어졌음을 보여준다.

(3) 마이크로웨이브 조사 후 비에너지는 모든 절삭조건에서 감소하였으며, 압입깊이 3 mm와 5 mm 모두 S/d=3에서 가장 낮은 값을 나타냈다. 이는 마이크로웨이브 전처리가 기계적 절삭에너지를 감소시킬 수 있음을 보여준다.

(4) 조사 후 입도분포곡선은 대체로 높은 누적 통과율을 나타냈고 CI는 모든 조건에서 감소하였다. 따라서 마이크로웨이브 조사는 절삭 과정에서 생성되는 암편의 크기와 파쇄거동에도 영향을 미친 것으로 확인되었다

종합적으로, 마이크로웨이브 전처리는 포천 화강암의 탄성파 속도, 일축압축강도 및 간접인장강도를 감소시켰으며, 이는 암석 내부의 열적 손상과 미세균열 발달에 기인한 것으로 판단된다. 이러한 역학적 물성 저하는 선형절삭시험에서 절삭력과 수직력의 감소, 비에너지 저감, 파쇄물 세립화로 이어졌다. 따라서 마이크로웨이브 전처리 공법은 경암 굴착에서 픽 커터에 작용하는 하중을 낮추고 절삭 효율을 향상시키는 데 효과적인 보조 공법으로 활용될 가능성이 있다. 다만 본 연구에서 물성 시험에 사용한 NX 코어 시편과 선형절삭시험에 사용한 블록 시편은 크기와 질량이 서로 다르므로, 동일한 마이크로파 출력과 조사 시간을 적용하였더라도 두 시편에서 발생한 온도 상승 및 열적 손상 수준은 동일하지 않을 수 있다. 마이크로파에 의한 암석의 가열 및 손상 깊이는 시편의 크기와 형상, 마이크로파 주파수와 출력, 광물 조성, 전자파 흡수 특성 및 함수 상태 등에 영향을 받는다. 따라서 NX 코어 시편에서 관찰된 일축압축강도 및 간접인장강도의 감소율이 선형절삭시험에 사용된 블록 시편 전체에 동일하게 발생하였다고 해석하기에는 한계가 있다. 따라서 본 연구의 선형절삭시험 결과는 코어 시편의 강도 저하율을 블록 시편에 직접 적용한 결과라기보다는, 동일한 마이크로파 조사 조건 전후에 나타난 절삭력, 수직력, 비에너지 및 파쇄물 입도분포 변화로 해석하는 것이 타당하다. 또한 제한된 마이크로웨이브 출력, 조사 시간 및 암종 조건에서 수행되었으므로, 향후 다양한 암종, 출력 조건, 조사 방식 및 연속 절삭 조건을 고려한 추가 연구가 필요하다.