1. 서 론

지하공간의 활용도가 증가함에 따라 암반을 기반으로 한 구조물의 안정성에 대한 관심이 높아지고 있다. 특히 대규모 지진, 산사태, 록버스터(rockbrust)와 같은 광산 안전사고의 발생 빈도가 증가함에 따라, 암반 구조물의 사고 예측, 조기 경보, 예방 및 안정성 향상을 위한 연구가 활발히 진행되고 있다(Frid et al., 2003, Prałat et al., 2005, Zhu et al., 2013). 이러한 재해는 지반의 전면적인 파괴 및 붕괴가 발생하기 이전에 미소균열 및 부분 파괴가 선행되며, 이를 조기에 감지하는 것이 재해 예방에 중요한 역할을 한다. 기존의 재해 예측 기술은 주로 암반 내에서 전파되는 탄성파(seismic wave)를 기반으로 하고 있으나, 이러한 방식은 실제 사고에 대비할 수 있는 충분한 시간 확보에 한계를 지닌다(Frid and Vozoff, 2005). 이에 따라 최근에는 암석 파괴 시 발생하는 전자기파(Electromagnetic radiation, EMR) 현상을 이용한 새로운 기법이 제안되고 있다(Wang et al., 2005, Rabinovitch et al., 2018, Dazhao et al., 2018, Li et al., 2021).

EMR 현상은 1933년 Stepanov가 염화칼륨 결정의 파괴 실험 중 처음으로 관찰하였으며(Urusovskaya, 1969), 이후 다양한 암석 재료를 대상으로 EMR에 대한 연구가 수행되어 왔다(Rabinovitch et al., 2001, Yin et al., 2021, Lin et al., 2021, He et al., 2023). 기존 선행 연구에 따르면 EMR 발생 메커니즘으로는 석영의 압전 효과(Bespal’ko et al., 2006, Wan et al., 2008, Wan and Li, 2009), 전하 이동, 균열에 의한 분극 현상, 균열면 마찰에 의한 전기화(electrification) 등이 제시되고 있다(Tomizawa and Yamada, 1995, Qian et al., 1998). 이 중에서도 석영 결정의 압전 효과와 균열 전파에 따른 분극 현상이 가장 유력한 발생 원인으로 알려져 있다.

압전 효과는 기계적 하중에 의해 결정 구조 내 전기적 분극이 유도되는 현상으로, 석영과 같은 비대칭 결정 구조를 가지는 재료에서 관찰된다(Doptman, 1985, Song et al., 2018). Fig. 1은 석영 결정에서 압전 효과를 설명한 개념도로, 실리콘(Si4+)과 산소(O2-) 원자가 결정 구조 내에서 하중 방향에 따라 상대적으로 이동하며 양극화(polarization)를 유도하고, 이로 인해 전하 분리가 발생함을 보여준다. 이때 가해지는 하중이 클수록 내부 전기장 형성이 강화되어 더 강한 EMR이 발생하게 된다.

Fig. 1.

Piezoelectric effect in quartz material (Li et al., 2022)

또한, 암석 내 균열의 전파 과정에서 발생하는 분극 현상도 중요한 발생 메커니즘 중 하나로 간주된다(Fig. 2). 암석에 하중이 가해지면 불균질성에 기인한 초기 균열 선단(crack tip)이 형성되고, 하중이 계속 가압됨에 따라 균열이 전파되면서 구성 원자 간 결합이 파괴되고 전하 재배열(charge rearrangement) 및 전하 분리(charge separation)가 발생한다. 균열이 개폐를 반복하는 진동 영역(oscillating area)에서는 균열 진동(crack vibration)에 의해 EMR 신호가 생성된다. 이처럼 급격한 균열 전파(crack propagation)는 고에너지의 전자기파를 유도하게 된다.

Fig. 2.

Polarization phenomenon induced by crack propagation (Wei et al., 2020, Lin et al., 2021)

현재까지 암석 파괴에 따른 EMR 발생 현상은 다양한 실험을 통해 관측되었으나, 그 발생 메커니즘과 발생 강도에 대한 정량적 분석은 미비한 실정이다. 특히, 대부분의 기존 연구는 정적 하중 조건에서의 일축압축시험을 중심으로 수행되어 왔으며(Wei et al., 2020, Lou et al., 2022, Tian et al., 2022, Yang et al., 2022, He et al., 2023), 동적 하중 조건에서의 연구는 주로 석탄을 대상으로 제한적인 비교 분석 수준에 머물러 있다(Li et al., 2012, Kobayashi et al., 2014, Wang et al., 2014, Chengwu et al., 2016).

이에 본 연구에서는 다양한 석영 함량을 가진 암석 재료(화강암, 콘크리트, 석회암)를 대상으로 정적 및 동적 파괴 시험을 수행하고, 파괴 과정에서 발생하는 EMR 신호의 특성을 실험적으로 규명하고자 하였다. 정적 조건에서는 유압식 만능시험기(Universal testing machine, UTM), 동적 조건에서는 홉킨슨 압력봉(Split Hopkinson pressure bar, SHPB) 시스템을 활용하였으며, 계측된 EMR 신호를 바탕으로 석영 함량, 파괴 모드(압축, 인장), 변형률 속도 등 주요 인자에 따른 전자기파 발생 특성을 분석하였다.

2. 실험 장치 및 시료 제작

2.1 전자기파 계측 시스템

암석이 파괴되는 과정에서 발생하는 전자기파 현상을 정량적으로 분석하기 위해서는 정밀한 전자기파 계측 시스템이 필수적이다. Fig. 3은 본 연구에서 구축한 EMR 계측 시스템을 나타내며, 본 시스템은 전자기파 신호를 수신하는 루프형 안테나(loop antenna), 신호를 증폭하는 안테나 증폭기(signal amplifier), 그리고 데이터를 저장하는 기록 장치(data recorder)로 구성되어 있다. 기존 연구에 따르면 암석 재료에서 발생하는 EMR은 주로 저주파 특성을 보이며, 수십Hz에서 수백MHz 범위의 대역에서 발생하는 것으로 보고되고 있다(Nardi and Caputo, 2009, Li et al., 2024). 일반적으로 저주파 대역은 3 MHz 이하의 주파수를 의미하며, 본 연구에서는 암석 파괴 시 발생 가능한 주파수 범위를 고려하여 20 Hz에서 2 MHz까지 측정이 가능한 루프형 안테나를 사용하였다. 또한, 실험실 규모(lab scale) 환경에서는 외부 배경 잡음에 의한 신호 왜곡을 최소화하는 장치가 요구되며, 암석 파괴로부터 발생하는 전자기 신호는 수 mV 수준의 약한 세기를 가지는 것으로 보고되고 있다(Wang et al., 2014, Chengwu et al., 2016). 이를 고려하여 본 연구에 사용된 신호 증폭기는 0.1 Hz에서 100 kHz 대역까지 측정이 가능하며, 주파수 영역별로 총 10단계의 필터 설정(저주파 : 0.1 Hz, 1 Hz, 10 Hz, 100 Hz, 1 kHz, 고주파 :10 Hz, 100 Hz, 1 kHz, 10 kHz, 100 kHz)을 지원한다. 증폭은 1배, 3배, 10배, 30배, 100배로 조정이 가능하다. 데이터 기록 장치는 최대 8채널 동시 수신이 가능하며, 최대 샘플링 주파수는 160,000 Hz까지 지원된다.

본 연구에서 수행한 EMR 계측 과정은 암석 파괴 시 발생하는 전자기 변화에 의해 루프형 안테나 주변에 유도 전류가 발생하며, 이 유도 전류에 의한 전압 변화가 신호 증폭기와 기록 장치를 통해 실시간으로 측정되고 저장되는 방식으로 진행되었다.

Fig. 3.

Electromagnetic radiation measurement system

2.2 만능시험기를 이용한 정적 파괴 시험

정적 하중 조건에서 암석 파괴 시 발생하는 전자기파 현상 및 특성을 분석하기 위해 유압식 만능 시험기를 활용하였다. Fig. 4는 본 연구에서 수행한 정적 파괴 시험의 모식도를 나타낸다. 정적 파괴 시험은 암석 시험편을 하중 가압 장치에 설치한 후, 일정한 속도로 하중을 가압하여 시편이 파괴될 때까지 진행된다. 이때 암석 파괴 시 발생하는 EMR 신호는 전자기파 계측 시스템을 통해 실시간으로 기록되며, 신호 수신을 위한 루프형 안테나는 하중 가압에 방해되지 않도록 시험편으로부터 7 cm 이격된 위치에 설치하였다. 수신된 EMR 신호는 100배 증폭된 후 데이터 수집 장치로 기록되었으며, 샘플링 주파수는 40 kHz로 설정하여 계측을 수행하였다. 특히 일축압축시험에서는 암석 파괴와 EMR 간의 상관성을 보다 정밀하게 분석하기 위해 음향 방출(Acoustic emission, AE) 센서도 함께 계측에 활용하였다. AE 센서는 Fig. 4에 도시된 바와 같이, 암석 시험편의 표면에 고정 홀더를 이용해 부착하여 수행하였다.

Fig. 4.

Schematic of static fracture test using a UTM

2.3 홉킨슨 압력봉 장치를 이용한 동적 파괴 시험

동적 하중에 의한 암석 파괴 시 발생하는 전자기파를 측정하고 분석하기 위해 홉킨슨 압력봉(Split Hopkinson pressure bar, SHPB) 시스템을 활용하였다. Fig. 5는 본 연구에서 사용한 동적 파괴 시험의 모식도를 나타낸다. SHPB 시스템은 동일한 축 상에 3개의 금속봉을 기본 구성으로 하며, 3개의 금속봉은 충격봉(strike bar), 입사봉(incident bar), 전달봉(transmission bar)으로 구성된다. 동적 하중은 가스건(gas gun)의 압력을 조절하여 충격봉을 가속시켜 입사봉을 타격함으로써 응력파를 발생시키며, 생성된 응력파는 입사봉을 따라 시험편으로 전달된다. 이때 일부 응력파는 시험편에서 반사되며, 나머지는 시험편을 통과하여 전달봉으로 전달된다. 응력파는 입사봉과 전달봉에 부착된 변형률 게이지(strain gauge)를 통해 측정되며, 이를 바탕으로 동적 하중의 크기와 파괴 거동을 해석할 수 있다. 본 연구에서는 암석이 동적 하중에 의해 파괴될 때 발생하는 전자기파 신호를 계측하기 위하여, 시험편으로부터 5 cm 이격된 위치에 안테나를 설치하여 계측을 수행하였다. 전자기파 신호는 정적 파괴 시험과 동일하게 100배 증폭된 형태로 수신되었으며, 데이터 수집 장치의 샘플링 주파수는 10 MHz로 수행하였다.

Fig. 5.

Schematic of dynamic fracture test using a SHPB

2.4 암종 선정 및 시료 제작

기존 선행 연구에 따르면, 암석 내 석영(SiO2) 성분은 대표적인 압전(piezoelectric) 물질로서 EMR 발생 특성과 밀접한 관련이 있는 것으로 보고되고 있다. 암석 파괴 시 석영 함량에 따른 EMR 발생 특성을 분석하기 위해서는 암석 내 주요 광물 조성에 대한 확인이 선행되어야 하며, 일반적으로 전자현미경(Scanning electron microsoopy, SEM) 및 X선 회절 분석(X-ray diffraction analysis, XRD) 기법을 통해 광물 조성을 정량적으로 분석할 수 있다.

본 연구에서는 실험에 사용될 암종으로 화강암, 석회암, 콘크리트를 선정하였으며, 각 암종의 주요 광물 조성과 XRD 분석 결과는 Table 1 및 Fig. 6에 제시하였다. XRD 분석 결과에 따른 석영 평균 함량은 콘크리트 37%, 화강암 28%, 석회암 0%로 나타났다. 그러나 기존 문헌에서는 석영 함량이 일반적으로 화강암, 콘크리트, 화강암 순으로 평가된 바 있으며(Lee et al., 2006a, Lee et al., 2006b, Hwang et al., 2013), 본 연구 결과는 이와 상이한 경향을 보였다. 이는 본 연구에서 사용한 콘크리트 시료가 시멘트 입자와 함께 석영 함량이 높은 화강암 골재가 혼합된 형태로 구성되어 있어, XRD 분석 시 콘크리트 시료 내 화강암 골재가 반영된 결과로 판단된다. 이에 따라 콘크리트 시료의 실질적인 석영 함량을 재산정하기 위해 화강암 골재의 영향을 보정하였고, 최종적으로 석영 함량은 화강암 28%, 콘크리트 9%, 석회암 0%로 평가되었다.

Fig. 6.

Results of XRD analysis

본 연구에서는 정적 및 동적 파괴 시험을 위해 선정된 암종에 대한 시험편을 제작하였다. 정적 파괴 시험의 시험편(일축압축, 압열인장)의 경우, 한국암반공학회 표준시험법인 “암석의 시료채취와 시험편 제작 표준법”을 준수하여 각각 ∅50*100mm, ∅50*25mm로 제작하였다(Figs. 7과 8). 동적 파괴 시험용 시험편(동적 압축, 동적 인장)은 국제암반공학회(ISRM) 제안시험법과 관련 기준 문헌을 참조하였으며, 시험에 사용되는 SHPB의 금속봉 직경(38 mm 및 50 mm)에 따라 ∅38*17mm(화강암, 석회암), ∅50*25mm(콘크리트)로 제작하였다(Fig. 9). 제작된 시험편의 기초 물성 및 정적 파괴 물성 결과는 Table 2에 기재하였다.

Fig. 7.

Brazilian tensile test specimen

Fig. 8.

Uniaxial compression test specimen

Fig. 9.

Dynamic compression and tensile test specimen

3. 암석 파괴 과정에서의 전자기파 실험 결과

3.1 정적 파괴 시험 결과

3.1.1 정적 압축 파괴에서의 전자기파

본 연구에서는 정적 하중 조건에서의 일축압축시험을 통해 시간에 따른 응력, EMR 신호, 그리고 AE 신호를 측정하였으며, Fig. 10에는 암종별 대표적인 시험 결과를 도시하였다. 화강암과 석회암 시편에서는 급격한 취성 파괴 거동을 보였고, 파괴가 발생하는 시점에서 EMR 신호가 발생함과 동시에 AE 신호가 동반되어 나타났다.

Fig. 10.

Time history curves of stress, electromagnetic radiation, and acoustic emission (Static)

반면, 콘크리트 시편에서는 화강암 및 석회암에 비해 비교적 완만한 파괴 거동을 보였으며, 약 30초 지점에서 AE 신호가 먼저 관측된 후, 약 40초 지점에서 EMR 및 AE 신호가 동시에 확인되었다. 이는 골재가 혼합된 콘크리트 시편에서 상대적으로 약한 시멘트 부분에서 초기 균열(표면의 갈라짐)이 발생하며 AE 신호가 먼저 나타났고, 이후 균열이 확장되며 EMR 및 AE 신호가 동시에 발생한 것으로 해석된다. 결과적으로 모든 암종에서 최대 응력 이후 응력이 하강하는 구간에서 EMR과 AE 신호가 관측되었으며, 이는 암석 균열 발생 및 파괴 시점에서 EMR이 민감하게 반응함을 나타낸다.

Table 3은 화강암, 콘크리트, 석회암에 대해 일축압축시험을 수행한 결과를 기재하였다. EMR 강도(electromagnetic radiation intensity)는 측정한 EMR 신호의 진폭을 시편과 안테나와의 이격거리로 나누어 계산하였다. 화강암 시편의 압축강도는 123 MPa에서 191 MPa 범위에서 EMR 강도는 0.536 mV/m에서 2.136 mV/m로 평가되었다. 석회암과 콘크리트 시편은 83 MPa에서 119 MPa, 36 MPa와 45 MPa의 압축강도 범위에서 0.336 mV/m에서 0.519 mV/m, 0.15 mV/m와 0.183 mV/m의 EMR 강도가 평가되었다. 실험 결과에 따르면, 압축 파괴 과정에서 석영 함량이 높은 화강암은 강한 EMR을 방출하였으며, 석영을 포함하지 않는 석회암에서도 EMR이 발생하는 것이 관측되었다. 이는 EMR 발생 메커니즘이 석영의 압전 효과 외에도 다른 원인에 의해 유도될 수 있음을 시사한다.

3.1.2 정적 인장 파괴에서의 전자기파

Table 4는 동일한 암종에 대해 정적 압열인장시험을 수행한 결과를 기재하였다. 화강암 시편의 인장강도는 8.3 MPa에서 10.1 MPa 범위였으며, EMR 강도는 0.305 mV/m에서 0.391 mV/m로 평가되었다. 석회암과 콘크리트 시편은 5.4 MPa에서 6.1 MPa과 2.4 MPa 에서 4.2 MPa의 인장강도 범위에서 0.162 mV/m에서 0.284 mV/m, 0.156 mV/m에서 0.397 mV/m의 EMR 강도로 평가되었다. 실험 결과에 따르면, 인장 파괴 시에는 암종 간 석영 함량의 차이와 무관하게 모든 시편에서 유사한 수준의 EMR 강도가 발생하였으며, 이는 압축 파괴에서 나타나는 암종 간 EMR 강도 차이와 뚜렷한 대조를 이룬다.

3.2 동적 파괴 시험 결과

3.2.1 동적 압축 파괴에서의 전자기파

동적 하중에 의한 압축 파괴 과정에서 측정된 응력 및 EMR 이력 곡선을 Fig. 11에 도시하였다. Fig. 11은 모든 암종에 대해 응력 평형 상태를 확인한 결과로, 입사파와 반사파의 중첩 파형이 전달파와 일치함을 통해 응력 평형 조건이 충족되었음을 나타낸다. 실험 결과, 모든 암종에서 최대 응력 이후 응력이 급격히 감소하는 구간에서 EMR 진폭이 최대값을 나타내는 경향이 확인되었으며, 이는 정적 하중 조건과 마찬가지로 시편의 균열 발생 및 파괴에서 EMR이 발생함을 의미한다.

Fig. 11.

Time history curves of stress, electromagnetic radiation (Dynamic)

한편, 정적 하중 조건과는 달리, 동적 조건에서는 하중이 증가하는 구간에서도 EMR 신호가 관측되었으며, 이는 순간적으로 큰 하중이 가해지는 동적 환경에서 하중이 가압되는 도중에도 균열이 생성되고 전파되기 때문인 것으로 해석된다. 특히, 화강암과 같이 석영 함량이 높은 암종의 경우, 압전 효과로 인해 하중이 가압되는 초기 단계에서도 EMR이 발생하는 현상이 명확하게 나타났다. 이는 석영의 압전 특성이 동적 하중 조건에서 EMR 발생을 유도하는 주요 인자 중 하나임을 시사한다.

Table 5는 동적 압축시험을 수행한 결과를 기재하였으며, 정적 조건과 다르게 변형률 속도(strain rate)가 추가로 기재하였다. 화강암 시편은 변형률 속도 60.75 s-1에서 243.12 s-1 범위에서 압축강도 240.37 MPa에서 362.73 MPa, EMR 강도 11.37 mV/m에서 45.56 mV/m로 평가되었다. 석회암과 콘크리트 시편에서는 변형률 속도가 38.79 s-1에서 272.9 s-1, 32.07 s-1에서 125.94 s-1 범위이며, 압축강도는 126.94 MPa에서 204.78 MPa, 46.32 MPa에서 81.88 MPa, 전자기파 강도는 5.12 mV/m에서 10.74 mV/m, 3.15 mV/m에서 6.24 mV/m로 평가되었다.

3.2.2 동적 인장 파괴에서의 전자기파

Table 6은 동적 인장시험을 수행한 결과를 기재하였다. 화강암 시편은 변형률 속도 3.84 s-1에서 5.7 s-1 범위에서 인장강도는 28.39 MPa에서 35.06 MPa, EMR 강도는 2.125 mV/m에서 5.325 mV/m로 평가되었다. 석회암과 콘크리트 시편에서는 변형률 속도가 3.37 s-1에서 5.12 s-1, 2.53 s-1에서 6.92 s-1 범위이며, 인장강도는 15.59 MPa 에서 34.06 MPa, 12.61 MPa에서 15.95 MPa, 전자기파 강도는 1.937 mV/m에서 3.087 mV/m, 2.925 mV/m에서 3.582 mV/m로 평가되었다.

4. 토의 및 고찰

4.1 석영 함량에 따른 전자기파 발생 특성

Fig. 12는 화강암, 석회암, 콘크리트를 대상으로 정적 및 동적 압축/인장 결과를 분석하고, 석영 함량에 따른 EMR 발생 특성을 도시한 것이다. Fig. 12(a)는 정적 하중 조건에서의 결과로, 화강암은 압축시험에 평균 EMR 강도가 약 1.25 mV/m로 다른 암석에 비해 매우 높은 값을 나타냈다. 인장에서는 약 0.25 mV/m로 압축에 비해 낮았으나, 여전히 다른 암석보다 높은 EMR 강도를 보였다. Fig. 12(b)는 동적 하중 조건에서도 화강암은 가장 높은 EMR 강도를 나타냈으며, 정적 조건과 유사한 경향이 확인되었다. 정적 및 동적 조건 모두에서 석영 함량이 증가할수록 EMR 강도가 증가하는 경향을 보였으며, 특히 석영을 28% 함유한 화강암에서 가장 뚜렷한 응답을 보였다. 이러한 결과는 석영의 압전 특성에 기인한 것으로, 석영 함량이 높을수록 하중 가압 시 파단면에서 전하 축적이 증가하고, 파괴로 인한 전하 방출이 활발해져 EMR 강도가 증가하는 것으로 해석된다. 또한, 동적 조건에서는 정적 조건 대비 약 20배 이상의 EMR 강도를 나타냈으며, 이는 Fig. 11에서 확인된 바와 같이 화강암의 파괴 이전 하중 가압 구간에서도 EMR이 발생한 점에서 압전 효과의 영향이 뚜렷하게 나타났음을 의미한다.

Fig. 12.

Effect of quartz content on EMR intensity

한편, EMR 강도의 편차는 Fig. 1에 제시된 석영 입자의 배열 방향 및 암석 내 불균질한 석영 분포에 기인한 것으로 해석되며, 이는 Song et al.(2018) 선행 연구에서 보고된 바 있다. 따라서 석영의 압전 특성은 EMR 발생에 있어 중요한 역할을 하는 것으로 판단된다.

추가적으로 석영 함량이 0%인 석회암에서도 EMR이 관측되었으며, 이는 EMR 발생이 석영의 압전 효과뿐만 아니라 다른 메커니즘에 의해서도 유발될 수 있음을 시사한다. 이는 Fig. 2에서 제시된 균열 전파에 따른 분극 현상으로 설명될 수 있으며, Fig. 10 및 Fig. 11의 시간에 따른 응력, EMR 이력 곡선을 통해 이를 확인할 수 있다. 실제로 석회암은 석영을 포함하고 있지 않음에도 불구하고, 정적 및 동적 조건 모두에서 파괴에 따른 응력 감소 구간에서 EMR이 발생하였다. 이는 균열 개폐 과정에서 발생하는 분극 현상이 EMR 발생에 기여하고 있음을 나타내며, 결국 압전효과와 더불어 분극 현상 역시 EMR 발생에 중요한 영향을 미치는 요인임을 시사한다.

4.2 파괴 모드에 따른 전자기파 발생 특성

상기 Fig. 12의 압축 및 인장 조건을 비교한 결과, 정적 콘크리트 시험을 제외한 모든 조건에서 공통적으로 압축 하중 조건에서의 EMR 강도가 인장 조건보다 높은 값을 나타냈다. 이러한 경향은 석영 함량이 높을수록 더욱 뚜렷하게 나타났으며, 이는 압전 효과에 의해 EMR이 유발된다는 간접적인 증거로 해석된다. 즉, 압축 하중이 인장 하중보다 압전 효과를 효과적으로 유도함을 시사한다.

정적 조건에서의 콘크리트 시험은 다른 조건과 달리 인장시험에서 압축시험보다 높은 EMR 강도를 나타냈으며, 이에 대한 원인을 분석하기 위해 시험 후 시편의 파괴 패턴을 Fig. 13에 따라 관찰하였다. 정적 압축시험에서는 하중이 가압되면서 골재에 비해 상대적으로 약한 시멘트 부분에서 파괴가 발생하였고, Fig. 13에서 골재 자체는 파괴되지 않은 채 골재 주변을 따라 파괴가 진행되었다. 반면, 인장시험에서는 골재 자체의 파괴가 관찰되었으며, 이로 인해 강한 EMR 응답이 유발된 것으로 판단된다.

또한, 석영 함량이 0%인 석회암 경우에도 압축 조건에서 인장 조건보다 높은 EMR 강도가 나타났으며, 이는 압축 하중이 인장 하중에 비해 시편 내부에 더 많은 균열을 유발하고, 이로 인해 균열 전파에 따른 분극 현상이 활발하게 발생했음을 시사한다. 결과적으로 EMR 발생은 석영 함량뿐만 아니라 하중 형태(압축/인장), 그리고 이에 따른 균열 생성 및 전파와 같은 복합적인 인자들이 작용한 결과로 해석된다.

Fig. 13.

Analysis of concrete failure pattern under static condition (Left : Compression test, Right : Tensile test)

4.3 변형률 속도에 따른 전자기파 발생 특성

암석이나 콘크리트와 같은 비금속 취성 재료는 외부에서 작용하는 하중속도(loading rate)나 이에 따라 유도되는 변형률 속도(strain rate)에 따라 역학적 거동이 크게 달라지는 것으로 보고되고 있다(Oh et al., 2021). 이러한 현상은 일반적으로 재료의 하중속도 또는 변형률 속도에 대한 민감도로 표현되며, 특히 동적 하중 환경에서 그 차이가 더욱 두드러지게 나타난다. Fig. 14는 변형률 속도에 따른 EMR 강도의 변화를 선형 회귀분석을 통해 나타낸 결과로, 정적과 동적 조건 간 변형률 속도의 차이를 고려하여 가로축은 로그 스케일(log scale), 세로축은 선형 스케일(linear scale)로 표현하였다. 모든 암종에서 변형률 속도가 증가할수록 EMR 강도 또한 증가하는 경향을 보였으며, 이러한 경향은 인장 및 압축 조건 모두에서 일관되게 나타났다.

Fig. 14.

Effect of strain rate on EMR intensity

실험 결과를 바탕으로 변형률 속도(ε˙)와 EMR 강도(EMRG, EMRC, EMRL) 간의 관계를 아래 식 (1)에서 식 (6)과 같이 도출하였으며, 모든 조건에서 결정계수(R2)가 0.8 이상으로 높은 신뢰성을 나타냈다. 인장 조건에서는 화강암의 회귀 기울기(2.0668)가 가장 크게 나타나 변형률 속도에 가장 민감하게 반응하는 특성을 보였고, 압축 조건에서도 화강암의 기울기(0.1701)가 타 암종에 비해 가장 높은 값을 보였다. 또한, 압축 조건에서는 전반적으로 인장 조건에 비해 기울기는 작지만, 절편값이 높게 나타나 일정 수준 이상의 EMR 강도를 유지하는 것으로 평가되었다.

4.4 전자기파 강도 예측모델 제안

앞서 서술한 바와 같이, 변형률 속도는 EMR 강도에 뚜렷한 영향을 미치는 주요 인자로 확인되었으며, 그 영향은 암종(즉, 석영 함량) 및 하중 조건(압축 또는 인장)에 따라 상이하게 나타나는 것으로 평가되었다. Fig. 15는 석영 함량(Qrock), 변형률 속도(ε˙), 그리고 EMR 강도(EMRTensile, EMRCompression) 간의 관계를 회귀분석을 통해 분석한 결과를 시각화한 것이며, 이를 기반으로 도출된 전자기파 발생 예측 모델은 아래 식 (7)과 (8)과 같다.

EMR 발생 모델에서 석영 함량과 변형률 속도에 대한 회귀 계수를 비교한 결과, 인장 조건에서는 석영 함량의 계수가 0.0795, 변형률 속도의 계수가 1.342로 나타났다. 반면, 압축 조건에서는 석영 함량과 변형률 계수가 각각 0.3621, 0.1338로 평가되었다. 이와 같은 결과는 인장 조건에서는 변형률 속도의 영향이 지배적으로 작용하여, 속도 증가가 EMR 강도 증가에 결정적인 역할을 함을 시사한다. 반면, 압축 조건에서는 석영 함량 계수가 더 크게 나타나, 석영 함유량이 높은 시편일수록 EMR 강도가 더 크게 증가함을 의미한다. 따라서 하중 조건에 따라 EMR 발생에 영향을 미치는 주요 인자가 상대적으로 달라짐을 확인할 수 있다.

Fig. 15.

Empirical model of EMR intensity with respect to quartz content and strain rate

5. 결 론

본 연구에서는 만능 시험기와 SHPB 시스템을 활용하여 정적 및 동적 하중 조건에서 암석 파괴 시 발생하는 EMR 현상을 관찰하였으며, 석영 함량, 파괴 모드, 변형률 속도에 따른 EMR 발생 특성을 고찰하였다. 본 연구를 통해 도출한 주요 결론은 다음과 같다.

(1) 정적과 동적 파괴 시험을 통해 화강암, 콘크리트, 석회암에서의 전자기파 발생 현상을 관찰한 결과, 정적과 동적 조건 모두에서 최대 응력 이후 응력이 감소하는 구간에서 전자기파가 발생하는 경향이 나타났다. 이는 전자기파 발생이 암석의 파괴와 밀접한 관련이 있음을 시사한다. 한편, 동적 조건에서는 하중이 증가하는 구간에서도 전자기파가 발생하는 것이 확인되었으며, 이러한 경향은 특히 화강암에서 두드러지게 나타났다.

(2) 석영 함량과 파괴 모드에 따른 전자기파 발생 특성을 고찰한 결과, 석영 함량이 높을수록 EMR 강도가 증가하였으며, 압축 조건이 인장 조건보다 더 높은 EMR 강도를 나타내었다. 이는 석영 함량이 높은 시편에서 압축 하중에 의해 유도되는 압전 효과가 두드러지며, 동시에 압축에 의해 시편 내부에서 다수의 균열 전파가 발생하여 분극 현상이 유발됨을 시사한다. 기존 연구에서는 EMR 발생 메커니즘으로 압전 효과와 분극 현상이 주요 원인으로 추정되어 왔으며, 본 연구 결과는 이러한 이론을 실험적으로 지지하는 근거를 제공한다는 점에 학술적 의의가 있다.

(3) 변형률 속도에 따른 EMR 발생 특성을 고찰한 결과, 변형률 속도는 EMR 강도에 영향을 미치는 주요 인자로 확인되었으며, 이러한 영향은 석영 함량과 하중 형태(압축, 인장)에 따라 상이하게 나타났다. 석영 함량, 변형률 속도, EMR 강도 간의 회귀분석을 통해 전자기파 발생 예측 모델을 도출하였으며, 그 결과 인장 조건에서는 변형률 속도가, 압축 조건에서는 석영 함량이 EMR 강도에 지배적인 영향을 미치는 것으로 평가되었다. 다만, 본 연구는 석영 함량과 변형률 속도가 제한된 범위 내에서 수행되었으며, 일반화된 모델 제시를 위해 향후 추가적인 연구가 필요하다.

(4) 본 연구는 기존 선행 연구에서 주로 다루어진 정적 하중 조건뿐만 아니라, 동적 하중 조건에서도 EMR 발생 특성을 평가하였으며, 석영 함량에 따른 암종별 EMR 발생 특성을 함께 분석하였다. 이를 바탕으로 주요 영향 인자에 대한 EMR 발생 예측 모델을 도출하였으며, 본 결과는 향후 지반 관련 재해의 감지 및 예방을 위한 기초 연구로서 중요한 학술적 및 실용적 의의를 지닌다.