미생물에 의한 자류철석과 티탄철석의 물성변화 특성

Abstract

풍화는 작용 메커니즘에 따라 물리적, 화학적, 생물학적 풍화작용으로 구분할 수 있으며, 암석의 공학적 성질을 좌우하는 중요한 요소 중에 하나이다. 물리적 풍화작용은 온도변화, 물, 염류의 결정화 등에 의하여 암석이 서서히 쪼개져 파쇄되는 현상이며, 화학적 풍화작용은 화학성분, 공기, 물 등이 화학적으로 반응하여 암석의 색 변화, 조암광물의 변질, 화학적 분해와 같은 형상이 발생하는 것이며, 생물학적 풍화작용은 미생물에 의한 산화나 지의류 등에 의한 광물 변질 등이 발생하는 현상을 나타낸다. 더군다나 이들 풍화작용은 개별적으로 발생하면 암반을 구성하는 암석의 강도가 저하되고, 그로 인해 결국에는 구조물 전체가 붕괴되는 결과를 가져온다. 따라서 암석의 저하 원인으로서의 풍화 메커니즘을 규명하는 것이 중요하고 이를 평가할 수 있는 방법이 필요하다. 일반적으로 암석의 풍화에 관한 연구는 주로 역학적이고 지질학적 특성에 초점이 맞추어져 있으며, 현재 풍화에 대한 많은 연구들은 주로 물리적, 화학적 풍화특성에 대하여 수행되어 왔다. 하지만 생물학적 풍화에 의한 물성 특성에 관한 연구는 매우 미미하다. 이 연구의 목적은 슬레이크 내구성, 공극률, 흡수율, Vp 및 일축압축강도와 같은 다양한 실내실험을 통하여 미생물에 의한 자류철석과 티탄철석의 풍화 특성을 살펴보는 것이다. 이를 위하여 첫째, 미생물 배양기간에 따른 pH를 측정하였다. 둘째, 배양기간에 따라 슬레이크 내수성, 흡수율, Vp 및 일축압축강도와 같은 실내실험을 실시하였다. 그리고 배양 전후 물성 변화에 대한 결과들을 비교분석하였다. 마지막으로, 미생물 풍화에 의한 암석의 물성값에 대하여 정규화된 식을 이용하여 이들의 결과로부터 정량적으로 분석하였다. 그 결과, 자류철석의 경우 배양기간 90일 동안 측정된 pH는 이론적인 미생물의 성장주기 곡선과 매우 잘 일치하였다. 미생물 성장주기에 따른 pH와 다양한 물성시험의 결과를 비교해보면, 미생물 배양기간에 따른 흡수율은 0일 ∼ 30일은 적응기, 30일 ∼ 40일은 지수성장기, 40일 ∼ 90일은 정체기와 사멸기에 해당하였다. Vp는 0일 ∼ 30일은 적응기, 30일 ∼ 40일은 지수성장기, 40일 ∼ 70일은 정체기, 70일 ∼ 90일은 사멸기에 해당하였다. 일축압축강도는 0일 ∼ 40일은 적응기와 지수성장기, 40일 ∼ 90일은 정체기와 사멸기에 해당하였다. 슬레이크 내구성 시험 횟수에 따른 중량 및 내구성 지수 변화는 미생물의 성장주기 곡선과 같은 경향을 보이지 않았지만, 미생물을 배양한 경우는 미생물을 배양하지 않은 경우의 변화보다 더 감소하였다. 티탄철석의 경우 배양기간 45일 동안 측정된 무기적 산화 시험에 의한 pH는 3.82 ∼ 4.26의 범위에 분포를 보인 반면, 생물학적 산화 시험은 2.20 ∼ 2.57의 범위에 분포를 보였다. 미생물 유무와 배양기간에 따라 정규화된 흡수율은 무기적 산화 시험의 경우 최종단계에서 0.052 %, 생물학적 산화 시험의 경우 0.073 %를 나타냈다. 공극률은 최종단계에서 무기적 산화 시험의 경우 0.206 %, 생물학적 산화 시험의 경우 0.281 %를 나타냈다. 전반적으로, 흡수율과 공극률은 무기적 산화 시험에 비해 생물학적 산화 시험이 더 큰 증가를 보였다. 배양기간에 따른 정규화된 Vp의 변화는 전반적으로 초기 평균값에 비해 낮은 속도 분포를 보였으나, 최종단계에서 무기적 산화 시험에 의한 Vp는 1886.4 m/s, 생물학적 산화 시험은 1410.6 m/s를 나타냈다. 일축압축강도는 배양기간 동안 모든 시험편에서 증가하였으며, 최종단계에서 무기적 산화 시험에 의한 일축압축강도는 241.1 MPa, 생물학적 산화 시험은 140.0 MPa을 나타냈다. 결론적으로, 이 연구에서 자류철석과 티탄철석의 물성 특성은 미생물에 의한 영향을 크게 받은 것으로 판단된다.