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Physical Properties of Major Bedrocks in Chungju-Goesan Area as Aggregates
충주-괴산일대에서 산출되는 주요 기반암의 골재로서의 물성특징
Econ. Environ. Geol. 2022 Dec;55(6):649-59
Published online December 31, 2022;  https://doi.org/10.9719/EEG.2022.55.6.649
Copyright © 2022 The Korean Society of Economic and Environmental Geology.

Byoung-Woon You, Jaehyung Yu*
유병운 · 유재형*

Department of Astronomy, Space Science and Geology, Chungnam National University, Daejeon 31134, Republic of Korea
충남대학교 우주 · 지질학과
Received December 10, 2022; Revised December 15, 2022; Accepted December 16, 2022.
This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
 Abstract
This study examined the granite, quartzite, phyllite, schist, and gneiss as aggregate resources among the original rock distributed in the Chungju-Goesan area. The granite distributed in the study area is mainly composed of Jurassic biotite granite, and the quartzite layer is from the Daehyangsan quartzite Formation distributed on the upper part of the Gyemyeongsan Formation and the Hyangsan-ri dolomitic limestone Formation. In addition, phyllite is pophyrytic phyllite-schist from the Hwanggangri Formation of the Okcheon group, schist is chlorite schist, from the Munjuri Formation of the Okcheon group, and gneiss is porphyroblastic gneiss which is the upper part of the Seochangri Formation. Aggregate quality evaluation factors of these rocks included fineness modulus, absorption, unit weight, absolute dry density, solid content, porosity, resistance to abrasion, and soundness. In the case of granite, it was found to be partially unsatisfactory in terms of unit weight, solid content, porosity, and resistance to abrasion. Gneiss was found to be out of the standard values in resistance to abrasion and schist in porosity and solid content. As for the overall quality of aggregate resources, it was analyzed that quartzite, gneiss, and phyllite showed excellent quality. Aggregate quality tests are performed simply for each rock, but the rock may vary depending on the morphology of the mineral. Therefore, when analyzing and utilizing the quality evaluation of aggregate resources, it will be possible to use them more efficiently if the rock-mineralological research is performed together.
Keywords : aggregate, rock type, physical properties, aggregate quality
Research Highlights
  • Aggregates have different physical properties depending on the rock type.

  • The mineralogical and petrological properties affect the quality of the aggregate.

  • Quartzite, gneiss, and phyllite are the most suitable rock types as aggregate resources.

1. 서 론

골재는 국가건설의 기본이 되는 기초자재로 다양한 형태의 주거공간 및 사회시설 구축에 필수적인 건설자재이다. 80년대 이후부터 국내 건설경기의 꾸준한 상승에 따라 골재의 수요량은 매년 1.7억m3 이상으로 시멘트 사용량의 약 6배에 달한다. 따라서 골재자원 확보가 국가적으로 중요해짐에 따라 정부에서는 1992년부터 골재채취법을 제정하여 국토교통부 주관으로 5년 주기로 골재수급계획을 수립하여 골재 수급의 안정화를 추진하고 있다. 또한, 1993년부터 전국단위의 광역권을 분류하여 하천, 산림, 육상 골재자원 기초조사를 실시하고 있다(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2022; Korea Aggregates Research Institute, 2021). 골재는 천연자원으로 지질학적 및 지형학적 요건에 따라 부존특성이 다르며, 골재 자체중량으로 원거리 공급이 용이하지 않으며, 대체재를 개발하기도 쉽지 않다. 따라서 골재의 암석학적, 지질공학적, 광물학적 특성을 파악을 선행하여 골재의 활용가능성을 사전에 평가할 필요가 있다.

골재자원으로 활용되는 암종은 다양하며, 광물조성에 따라 다양한 물성특성을 나타낸다. 충주-괴산 지역은 옥천변성대의 북서부에 위치하고 있으며, 지리적으로 국가의 중심에 위치하여 골재자원 수급에 유리하다. 또한 복잡한 지질환경을 가진 옥천변성대를 포함하는 지역으로 고원생대부터 중생대까지 시기를 달리하는 다양한 암석이 산출되어 다양한 암종을 연구하기에 적합한 지역이다(Fig. 1).

Figure 1. Geological map of study area(Kim et al., 2020).

국내 골재자원과 관련된 기존 연구는 콘크리트 및 알칼리골재를 대상으로 하거나 화강암류에 대한 암석학적 연구가 주를 이룬다. 콘크리트 연구는 품질향상과 안정성을 위한 시험방법을 제시하거나(Lee et al., 2021), 콘크리트 물성에 관한 탄성계수 또는 내마모성에 대한 연구가 이루어졌으며(Park et al., 2017; Kim et al., 2018), 알칼리골재 연구는 품질 및 내구성에 영향을 주는 반응성과, 잠재가능성에 대한 화학적 연구가 주로 수행되었다(Lee et al., 2021; Paek et al., 2020). 화강암의 암석학적 연구는 화강암류를 대상으로 기본적인 광물조성에 관한 현미경 관찰과 내동결성 시험 및 내산저항성과 같은 물리화학적 연구가 수행되었다. 그 외 안산암, 유문암, 규장암, 점판암의 알칼리골재의 반응성에 따른 팽창성에 대해 보고된 바 있다(Min et al., 1996; Hong et al., 2004).

그러나 기존 연구들은 원암을 파쇄한 골재의 형태로 건설자재로의 활용도를 검토하는 콘크리트와 알칼리골재에 집중되고, 원암에 대한 연구도 일부 암종에 국한적으로 수행되었다. 골재의 품질이 암석의 지질학적 특성에 의해 크게 좌우되는 면을 고려하면, 기존의 연구는 원암에 따른 지질학적 및 지질공학적 특성에 대한 고찰이 부족한 편이다. 따라서 원암의 광물암석학적 연구를 통해 골재자원의 물성특성을 비교하거나 활용도를 평가하는 연구는 원암에 따른 골재자원의 효율적인 활용과 수급을 위한 기초자료로 그 의미가 깊다.

본 연구는 원암에 따른 골재자원의 활용도를 고찰하기 위해, 충주-괴산일대에서 산출하는 화강암, 편마암, 천매암, 규암 및 편암 5개 암종에 대해 노두관찰을 통한 야외지질조사와 현미경 관찰과 X선회절분석을 실시하여 광물조성과 산출양상을 고찰하였다. 또한, 암종에 따른 골재자원으로서 품질을 판단하기 위해 각 암석에 대해 조립률(fineness modulus), 흡수율(absorption), 절대건조밀도(absolute dry density), 단위용적질량(unit weight), 실적률(solid content), 공극률(porosity), 마모율(resistance of abrasion), 안정성(soundness) 등 8개 항목을 분석하고, 이를 품질기준 대비 분포특성을 비교 고찰하였다.

2. 연구지역 및 지질개요

연구지역인 충주-괴산일대(Fig. 1)는 지질도폭 상 충주, 괴산, 목계, 문경, 음성, 장호원, 제천, 증평 및 황강리 도폭에 해당하는 지역으로 국내 주요 변성대중 하나인 옥천변성대가 위치해 있다. 연구지역의 주요 지질은 하부로부터 계명산층, 향산리돌로마이트층, 대향산규암층, 문주리층, 운교리층, 황강리층 등과 이를 관입한 중생대 화성암류로 구성된다. 화성암류는 주로 조립질반상화강암, 흑운모화강암, 각섬석화강암, 화강반암, 규장암, 염기성암맥, 산성암류 등으로 이루어져 있다(Kim and Lee, 1965; Lee and Kim, 1972). 또한 연구지역의 지질을 구성하는 변성암류는 변성이질암, 화강암질편마암, 함철규암, 변성심성산성암, 변성반심성산성암, 변성화산산성암, 변성염기성암, 변성역질암, 변성사질암, 규암, 결정질 돌로마이트질석회암 등으로 구성되어 있다(Kang et al., 2017). 계명산층은 각섬암과 백색 내지 회색을 띠는 돌로마이트질 석회암을 협재하는 흑운모-석영편암, 각섬석-흑운모편마암, 적철석-자철석-석영조면암 등의 준편마암류 및 변성화산암으로 주로 구성되어 있고, 문주리층은 담녹회색의 녹니석편암으로 주로 구성되어 있다(Kim and Lee,1965). 괴산도폭에 해당하는 운교리층은 녹니석편암, 점문상사질암, 각섬석편암등을 협재하는 사질천매암으로 주로 구성되어 있고, 황강리층은 흑색 함력천매암질암과 회색 함력석회질천매암질암이 주를 이룬다(Lee and Kim, 1972).

3. 연구방법

본 연구에서는 암석학적 연구를 위해 충주-괴산일대의 5개 대표 암종 36개의 시료를 채취하여 현미경 관찰 및 XRD(X-Ray Diffraction)분석을 실시하고, 골재품질기준물성시험을 실시하여 골재활용도를 고찰하였다.

3.1. 광물동정

충주-괴산 일대에서 가장 많이 부존하고 연구지역을 대표하는 5개 암종인 화강암, 편마암, 편암, 천매암, 규암이 부존하는 지역에서 노두를 조사하고 각각의 대표시료를 박편제작용과 XRD 분석용으로 제작하여 분석하였다. 현미경 관찰은 Nikon사의 ECLIPSE Ci-POL과 OLYMPUS사의 BX53 편광현미경을 이용하여 광물 동정 및 광물사진을 취득하였다. 또한 현미경 관찰 결과를 교차검증하기 위해 X선회절분석을 실시하였다. XRD분석은 한국지질자원연구원의 Rigaku 사의 SmartLab을 이용하였다. X선의 가속전압은 40 kV, 전류는 30 mA로 작동되었으며, Cu-Kα파장(1.5406 Å)을 사용하여 0.02°의 간격으로 3-90°까지 분당 40°로 측정하여 X선회절곡선을 취득하였으며, 분석결과 해석은 Match!와 Highscore Plus 프로그램을를 이용하였다.

3.2. 골재물성분석

본 연구에 사용된 골재자원물성치는 한국골재산업연구원에서 작성된 충주-괴산 골재자원보고서의 총 36개 시료의 골재품질기준 시험결과를 이용하였다. 충주-괴산일대에서 산출하는 화강암, 편마암, 편암, 천매암, 규암을 대상으로 조립률, 흡수율, 절대건조밀도, 단위용적질량, 실적률, 공극률, 마모율, 및 안정성을 분석하였다.

조립률은 KS F 2502(골재의 체가름 시험 방법)에 따라 80㎜, 40㎜, 19㎜, 10㎜(3/8″), No.4, No.8, No.16, No.30, No.50, No.100으로 구성되는 10개의 체를 각각 사용하여 체를 통과 시킨 후 각 체에 남은 양을 전 시료에 대한 중량 백분율의 합으로 구하여 다시 100으로 나누었으며, 흡수율은 KS F 2503, 2504(굵은골재 및 잔골재의 밀도 및 흡수율 시험 방법)에 따라 충분히 건조된 시료를 물에 침수시킨 후 무게차이를 건조시료 무게에 대한 백분율로 계산하였다. 단위용적질량 및 실적률은 KS F 2505(골재의 단위용적질량 및 실적률 시험방법) 규정에 따라 10L 원통형 용기에 골재를 3층으로 나누어 다져넣고 한 층당 30번씩 다짐봉으로 다진 후 용기 내부에 남아있는 시료 질량을 용기의 용적으로 나누어 단위용적질량을 산출하고, 실적률은 단위용적질량을 골재의 절대건조밀도로 나눈 후 백분율로 나타내었다. 공극률은 1에서 실적률을 뺀 값을 백분율로 표시한 값이다. 마모율은 KS F 2508 규격에 따라 로스앤젤레스 시험기에 의한 방법(LA test)과 KSF 2527(콘크리트용 골재)을 기준으로 LA 시험기에 골재 지름에 따라 25~40㎜는 500±25g, 40~50㎜는 5000±50g의 시료를 넣은 후 분당 30~33회의 속도로 1000회 회전시킨다. 이 후 시험전의 시료의 질량에서 시험 후 1.7㎜체에 남은 시료의 질량을 뺀 후 백분율로 나타내었다. 안정성은 KS F 2507에서 규정하는 골재의 안정성 시험방법과 KS F 2527 콘크리트용 골재 기준을 이용하였다. 무수황산나트륨(Na2SO4) 포화 용액에 골재를 침수시키고 건조시키는 조작을 5회 반복한 후 시약에 의한 골재의 파손정도를 손실중량 백분율로 나타내었다.

상기 분석에 의해 나타나는 골재의 물성자료를 각 암석 별 정량적 특성을 분석하고, 물성 특성을 박스수염그래프를 이용하여 도시화하여 비교분석 하였다. 이를 활용하여 각 물성별 암석의 골재 적합도를 평가하였다.

4. 연구 결과 및 고찰

4.1. 암종별 산출양상 및 광물조성

연구지역에 분포하는 화강암은 쥬라기 흑운모화강암으로 저반형태로 충주에 넓게 분포하며, 주로 편마암류 및 변성퇴적암류를 관입하거나 경계를 따라 접촉하며 분포한다. 본 화강암은 조립질의 우백질 화강암으로 입자조직이 균일한 등립질 조직을 보이는 것이 특징이다. 현미경관찰결과 석영, 장석 및 운모류가 주 구성광물을 이루는 것으로 판단된다. 장석류는 사장석과 알칼리 장석인 미사장석이 고루 관찰되며 일부 장석이 반정으로 관찰되는 반상조직을 보인다. 운모류는 흑운모와 백운모가 서로 인접하여 산출되며, 일부 석영 및 장석에 의한 교대작용으로 미문상 조직을 보이기도 한다. 또한 운모들의 경계를 따라 일부 녹니석과 같은 변질광물들이 관찰된다(Fig. 2).

Figure 2. Photographs of Granite outcrop and thin section(Crossed nicol). Abbreviations: Qz=Quartz, Pl=Plagioclase, Mc=Microcline, Bt=Biotite, Ms=Muscovite.

연구지역의 편마암은 서창리층 부산혼성변성암에 해당하는 반상변정편마암으로 주변으로 발달하는 변성퇴적암과 경계를 이루고 있다. 본 암석은 제한적인 노두 노출을 보이며, 조립질의 회백색을 띠고, 편리가 잘 발달되어있다. 현미경 관찰 결과, 주 구성광물은 석영, 사장석 및 흑운모와 소량의 백운모가 관찰된다. 석영과 장석은 중조립질 조직을 보이고, 흑운모는 편리 방향을 따라 길게 선형으로 배열되어 산출된다. 또한, 백운모가 흑운모 사이에 미립의 입자로 소량으로 관찰되며, 일부 운모류 가장자리를 따라 점토광물이 관찰된다(Fig. 3).

Figure 3. Photographs of Gneiss outcrop and thin section(Crossed nicol). Abbreviations: Qz=Quartz, Pl=Plagioclase.

연구지역의 편암은 옥천대 지층인 문주리층에 분포하며, 황강리층 상위에 정합적으로 분포하고 있는 녹니석편암이다. 본 암석은 노두상에서도 녹니석이 편리를 특징적으로 발달하여 담녹색을 보이며, 견운모와 같은 점토광물에 의해 견사광택을 보이는 것이 특징적이다. 주구성광물은 석영, 흑운모, 백운모, 녹니석 및 견운모와 같은 점토광물이며, 운모류와 변질광물이 편리를 따라 길게 배열된다. 편리를 따라 신장되어 배열된 운모류는 대부분 변질되어 원형을 잃거나 녹니석이나 점토광물로 변질된 양상을 보인다(Fig. 4).

Figure 4. Photographs of Phyllite outcrop and thin section(Crossed nicol and open nicol). Abbreviation: Qz=Quartz, Bt=Biotite.

천매암질암은 1~5cm 내외의 석회암 및 규질암의 역들을 함유하고 있는 함력천매암질암에 해당한다. 암회색을 띠는 해당암석은 대부분 석영, 흑운모 및 견운모와 같은 점토광물로 이루어져 있다. 현미경 관찰결과 편리를 따라 흑운모가 길게 신장되어 발달하며 일부 석영도 편리를 따라 신장되어있다. 또한 석영과 흑운모 사이를 견운모와 같은 미립의 점토광물들이 충진하고 있다(Fig. 5).

Figure 5. Photographs of Schist outcrop and thin section(Crossed nicol). Abbreviations: Qz=Quartz, Bt=Biotite, Ms=Muscovite, Chl=Chlorite.

연구지역의 규암은 충주층군의 대향산규암층으로 향산리 돌로마이트질 석회암을 따라 상부에 정합적으로 분포하고있다. 해당 암층의 노두는 도로변을 따라 쉽게 관찰할 수 있을 정도로 잘 노출되어 있으며, 대부분 순수한 규암으로 형성되어 있다. 구성광물 대부분 석영으로 구성되며, 소량의 백운모들이 세립질로 산점상으로 관찰된다(Fig. 6).

Figure 6. Photographs of Quartzite outcrop and thin section(Crossed nicol and Open nicol). Abbreviations: Qz=Quartz, Ms=Muscovite.

충주 일대에서 채취한 대표 암종 5개의 광물조성을 현미경관찰 결과와 비교분석하기 위해 X선회절분석을 실시하였다(Table 1 and 2). 그 결과, 광물조성은 대부분 현미경에서 관찰된 광물조성과 일치하였으나, 규암의 경우 현미경관찰에서 규명되지 않은 방해석 및 백운석이 분석되었다. 이는 규암과 정합적으로 위치하고 있는 향산리 돌로마이트질 석회암의 영향으로 사료된다. 또한 편마암에서는 자철석이 추가적으로 분석되었으며, 이는 충주-괴산 일대에 넓게 분포하고 있는 계명산층내에 층상형으로 산출하는 함철변성퇴적암류의 영향으로 생각된다.

Table 1 . Mineral Composition of Major Bedrocks analyzed from XRD(X-Ray Diffraction)

Sample NameComposition
GraniteQuartz, K-feldspar, Plagioclase, Mica, Chlorite
GneissQuartz, Plagioclase, K-felsapar, Mica, Magnetite
SchistPlagioclase, Amphibole, Chlorite, Biotite
PhylliteQuartz, Plagioclase, Chlorite, Calcite, Amphibole, Biotite, Dolomite
QuartziteQuartz, Calcite, Amphibole, Dolomite


Table 2 . Mineral contents of Major Bedrocks analyzed from XRD(X-Ray Diffraction)

Granitequartzplagio claseK-feld sparmusco vitechloritecalcitehorn blendebiotitekaoli nitetotal
28.335.018.08.67.42.699.9
32.935.018.62.311.2100.0
25.038.317.52.20.61.514.9100.0
39.032.119.59.4100.0
43.523.419.311.62.2100.0
33.933.222.08.62.2100.0
Gneissquartzplagio claseK-feld sparmusco vitechloritecalcitemagnetitehematitehorn blendebiotiteanthophyllitetotal
30.828.925.23.30.111.7100.0
24.527.336.82.29.3100.1
32.524.514.09.819.2100.0
20.735.727.04.61.011.1100.1
31.49.622.79.63.015.28.5100.0
38.726.226.28.9100.0
39.630.717.312.4100.0
Phyllitequartzplagio claseK-feld sparmuscovitechloritecalcitehorn blendebiotitedolomitetotal
10.813.19.70.718.343.52.41.5100.0
42.54.720.819.712.3100.0
38.27.321.23.74.225.4100.0
Quartzitequartzplagio claseK-feld sparcalciteaugitehorn blendebiotitecordieritepyriteolivineserpentinedolomitetotal
39.518.723.13.57.37.30.7100.1
8.16.610.34.64.6tr65.799.9
50.39.322.010.5tr7.9100.0
Schistquartzplagio claseK-feld sparmuscovitechloritecalcitemagnetitehorn blendebiotitetotal
3.747.213.735.399.9
42.712.29.325.92.13.74.099.9


4.2. 암종별 물성특성 및 골재품질 평가

충주-괴산일대에서 산출되는 화강암, 편마암, 편암, 천매암 및 규암의 36개 시료의 물성특성을 ‘국토교통부 시행령 제930호 순환골재 품질인증 및 관리에 관한 규칙’에 명시된 품질시험기준 8개 항목을 기준으로 비교 분석하였다(Fig. 7; Table 3).

Table 3 . Evaluation of Major Bedrocks on the parameters of Aggregate quality assessment

Rock typeGraniteGneissPhylliteQuartziteSchist
Fineness modulusMin.7.357.377.597.267.44
Max.7.707.797.687.597.67
Avg.7.557.587.637.467.55
AbsorptionMin.0.740.410.520.740.87
Max.1.601.591.641.211.52
Avg.1.231.261.181.001.17
Absolute dry densityMin.2.722.562.622.662.69
Max.2.532.782.822.912.94
Avg.2.602.632.732.802.82
Unit weightMin.1.421.461.451.481.55
Max.1.601.581.571.671.61
Avg.1.481.501.521.581.57
Solid contentMin.54.6455.0355.1055.6754.70
Max.59.6059.7058.6057.4757.84
Avg.56.7156.7555.8856.5655.91
PorosityMin.40.4040.3041.4042.5342.16
Max.45.3644.9744.9044.3345.53
Avg.43.2943.2544.1243.4444.33
Resistance of abrasionMin.9.6017.988.8011.8916.76
Max.71.3450.6819.4733.8419.66
Avg.29.6626.7513.8722.3018.67
SoundnessMin.0.300.800.200.700.70
Max.10.8011.102.006.402.60
Avg.3.094.161.142.851.80


Figure 7. Box and Whisker plot diagram of aggregate physical properties of major bedrocks.

조립률은 모든 암종이 굵은골재 품질기준인 8.0% 이하로 적합하게 나타났으며, 분포범위는 큰 차이를 보이지 않았다. 각각의 분포범위는 화강암 7.35~7.70%, 편마암 7.37~7.79%, 천매암 7.59~7.68%, 규암 7.26~7.59%, 편암 7.44~7.67% 로 나타났으며, 평균 조립률은 규암이 가장 낮게 나타났다(Fig. 7-1). 조립률은 골재입자의 지름이 길수록 높은 값을 나타내는 항목으로, 각섬석과 같이 주상으로 성장하거나 운모류와 같이 판상으로 성장하는 광물들의 영향을 많이 받는 요소이다(Baek et al., 2005; MOTIE, 2005). 따라서, 다른 암종에 비해 구성광물이 단순한 규암이 조립률 항목에서는 가장 낮은 값을 보인 것으로 생각된다. 다만, 파쇄기술에 따라 실험결과에 차이가 날 수 있음을 고려해야 한다.

암종별 흡수율은 화강암 0.74~1.6% 편마암 1.15~1.59%, 천매암 0.52~1.64%, 규암 0.74~1.21%, 편암 0.87~1.52%로 분포하였다(Fig. 7-2). 모든 암종은 3.0% 이내로 KS품질기준에 적합한 것으로 나타났다. 그 결과, 규암이 가장 낮은 평균 흡수율로 가장 적합한 암종으로 판단된다. 흡수율은 골재시료가 함유하는 수분의 양을 백분율로 나타내는 수치로 구성광물에 따라 달라진다. 예를 들면, 흡수율은 장석 및 운모류에서 생성되는 점토광물과 같은 친수성 광물의 함량이 많을 경우 상승한다(Murray, 1991; MOTIE, 2005). 따라서 규암은 다른 암종과 다르게 대부분 석영으로 구성되어 흡수율이 낮게 나타난 것으로 판단된다.

단위용적질량은 골재의 용적을 질량으로 환산하고자 할 때 필요한 값으로 골재품질기준은 1.375㎏/L 이다(Lee et al., 2021). 단위용적질량은 밀도가 커질수록 증가하고 이는 단위용적질량이 클수록 치밀해지며 공극이 작아진다고 볼 수 있다. 암종별 단위용적질량 분포범위는 화강암 1.42~1.6㎏/L, 편마암 1.46~1.58㎏/L, 천매암 1.45~1.57㎏/L, 규암 1.48~1.67㎏/L, 편암 1.55~1.61㎏/L과 같이 나타났다(Fig. 7-3). 평균값은 규암이 가장 높고, 화강암이 가장 낮게 나타났으며, 일부 화강암의 시료가 품질기준에 부적합한 것으로 나타났다. 단위용적질량은 구성광물의 영향을 받거나, 골재 입자간의 공극에도 영향을 받는다(Yoon et al., 2014; MOTIE, 2004). 따라서 조립률이 낮을수록 공극이 작아지기 때문에 평균 조립률이 가장 낮은 규암이 단위용적질량에서 높게 나타난 것으로 판단된다.

암종별 절대건조밀도는 화강암 2.72~2.53%, 편마암 2.56~2.78%, 천매암 2.62~2.82%, 규암 2.66~2.91%, 편암 2.69~2.94%로 나타났다(Fig. 7-4). 평균값은 편암이 가장 높은 값을 나타냈으며, 화강암이 가장 낮은 값을 나타냈다. 절대건조밀도는 실적율을 계산할 때 사용하는 요소이며, 값이 클수록 실적률이 낮아진다(Lee et al., 2021). 편암과 규암이 평균적으로 높은 값을 나타며 가장 적합한 것으로 판단된다.

실적률은 1에서 공극률(Fig. 7-6)을 뺀 값을 백분율로 나타낸 값으로 실적률과 공극률은 서로 상관관계를 갖고 있다. 실적률은 값이 클수록 강도가 커서 내구성이 강하고, 투수성이 작아짐을 의미한다. 따라서 고품질의 콘크리트를 얻는데 유리하다(MOTIE, 2004). 시험결과 각 암종의 실적률 분포범위는 화강암 54.64~59.60%, 편마암 55.03~59.70%, 천매암 55.10~58.6%, 규암 55.67~57.47%, 편암 54.70~57.84%로 나타났다(Fig. 7-5). 편마암이 가장 높은 평균값을 나타냈지만, 모든 암종의 평균값이 비슷하고, 분포범위에서도 큰 차이를 보이지 않아 적합한 암종으로 판단하기 모호하다.

마모율은 굵은 골재에만 적용하는 물성으로 풍화도에 많은 영향을 받는 요소이다(Min et al., 1996). 각 암종의 마모율 분포범위는 화강암 9.6~71.34%, 편마암 17.98~50.68%, 천매암 8.8~19.47%, 규암 11.89~33.84%, 편암 16.76~19.66%로 나타났다(Fig. 7-7). 이상치를 나타내는 편마암과 화강암 각각 1개의 시료를 제외하고, 모든 시료가 40% 이내로 굵은 골재 표층 기준에 적합하게 나타났다. 화강암에서 기준치를 크게 벗어나는 값은 풍화가 많이 진행된 시료 이거나 시험 오류로 판단된다. 다만, 풍화가 많이 진행된 화강암은 점토광물을 많이 함유하게 되어 흡수율에서도 높은 수치를 보일 가능성이 크지만, 흡수율에서 화강암이 이상치가 없는 것으로 보아 시험 오류일 가능성이 크다. 연구 대상 암석 중에서 가장 낮은 마모율을 보이는 암석은 천매암으로, 가장 좋은 마모율을 보였다.

안정성은 KS F 2507(골재의 안정성 시험방법)에서 규정하는 무수황산나트륨(Na2SO4)시약을 이용하여 손실중량을 백분율로 나타내는 지표이다. 이는 황산나트륨 결정압에 의한 파괴작용에 대한 저항성을 나타내는 것으로 안정성 값이 낮을수록 저항성이 높은 것을 의미한다(MOLIT, 2021; Jeon, 2021). 암종별 분포범위는 화강암 0.3~10.8%, 편마암 0.80~5.20%, 11.1%, 천매암 0.2~2.0%, 규암 0.7~6.40%, 편암 0.70~2.6%로 나타났다(Fig. 7-8). 화강암과 편마암에서 각각 1개의 시료가 잔골재 품질기준인 10%에는 부합하지 못하였으나, 굵은골재 품질기준인 12%에는 부합하였다. 평균 안정성은 천매암이 가장 낮아 저항성이 강하며, 적합한 것으로 나타났다.

종합적으로 판단할 때, 본 기반암들의 골재품질 평가결과 대부분이 기본 골재품질기준을 만족하는 것으로 나타났으나, 암종별 물성특성 분포범위는 다르게 나타났다. 화강암의 경우, 단위용적질량, 실적률, 공극률, 마모율에서 일부 만족하지 못하였으며, 편마암은 마모율에서, 편암은 공극률과 실적률에서 기준치를 벗어났다. 전반적인 골재자원으로서의 품질은 규암, 편마암 및 천매암이 우수한 품질을 보이는 것으로 분석되었다.

5. 결 론

본 연구에서는 암종별 산출 양상 및 광물동정을 관찰하고 골재품질시험 항목에 따라 비교 고찰 하였다. 그리고 골재로서의 물성치에 따라 적합한 암종을 제시하였다.

충주-괴산일대에서 산출되는 화강암은 등립질 우백질 화강암으로 주 구성광믈은 석영, 장석 및 운모류이다. 편마암류는 조립질의 회백색으로 석영, 사장석 및 흑운모와 소량의 백운모로 이루어져 있다. 편암류는 편리를 따라 잘 발달된 녹니석에 의해 담녹색을 보이며, 석영, 흑운모, 백운모, 녹니석 및 점토광물 등이 관찰된다. 천매암질암은 암회색을 띠며 작은 역들을 함유하는 것이 특징이며, 주로 석영, 흑운모 및 점토광물 등이 관찰된다. 규암은 대부분 석영으로 구성되며, 미립의 백운모가 관찰된다.

골재품질시험 결과를 암종별로 비교 분석한 결과 대부분이 골재자원기준에 적합하였으며, 암종별로 물성특성 분포범위는 다르게 나타났다. 조립률, 흡수율, 단위용적질량, 절대건조밀도 및 마모율에서는 규암이 가장 적합한 암종으로 판단된다. 그리고 실적률에서는 대부분 비슷한 값을 보였지만, 편마암이 가장 적합하고, 안정성에서는 천매암이 적합한 암종으로 판단된다. 전반적인 골재자원으로서의 품질은 규암, 편마암 및 천매암이 우수한 품질을 보이는 것으로 분석되었다.

골재품질시험의 결과는 재료 준비과정에서 파쇄 등의 기술적 편차에 결과에 영향을 받는다. 그럼에도 불구하고 암석학적 특징을 고려한 품질평가가 진행 될 필요가 있다. 본 연구에서 골재품질시험 항목별로 적합한 암종을 제시하였지만, 물성 특성은 같은 암종이라도 구성광물에 따라 다르게 나타난다. 예를 들면, 골재 원암이 각섬석과 같이 주상이거나 운모류와 같이 판상인 광물들을 많이 함유할 경우, 평균 지름이 커져 조립률이 높은 값을 나타낼 수 있다. 또한, 골재 원암이 풍화 및 변질을 받아 점토광물이 증가하면, 흡수율과 마모율이 높아지고, 함철광물이 많을 경우 산화로 인해 마모율 및 안정성에 영향을 줄 수 있다. 따라서 정확한 암종별 골재자원의 품질을 평가하기 위해서는 충분한 시료가 확보되어야 하며, 세밀한 광물암석학적 연구를 병행하는 것이 효율적일 것이다.

사 사

본 논문을 심사해주신 심사위원님들께 감사드린다. 본 연구는 충남대학교 학술 연구비에 의해 지원되었다.

References
  1. Baek, C.W., Park, C.B., Kim, J.S. and Ruy, D.H. (2005). Properties of Quality & Mortar Application of Crushed Sand According to the Producing Type. Journal of Korea Concrete Institute, v.11, p.443-446.
  2. Baek, C.S., Seo, J.H., Kim, Y.J., Cho, K.H., Kim, K.K. and Lee, J.Y. (2020) A Fundamental Study on the Potential of Alkali-Aggregate Reaction according to KS F 2545 and ASTM C 1260 Test Methods. J. Korean Inst. Resources Recycling, v.29, n.2, p.18-27. DOI : https://doi.org/10.7844/kirr.2020.29.2.18
    CrossRef
  3. Cho, S.Y., Yim, G.J., Lee, J.Y. and Ji, S.W. (2021) A Study on Mixed-use Development Cases Using Closed Quarry Site of Overseas; the UK and Australia. Economic and Environmental Geology, v.54, n.5, p.505-513. DOI : http://dx.doi.org/10.9719/EEG.2021.54.5.505
    CrossRef
  4. Hong, S.H., Han, S.H. and Yun, KK. (2005) Alkali-Silica Reactivity of Four Type of Rocks. Korean Society of Road Engineers, p.251-254.
  5. Hong, S.S. and Lee, J.Y. (2021) Aggregate of Korea in 2020. Economic and Environmental Geology, v.54, n.5, p.581-594. DOI : http://dx.doi.org/10.9719/EEG.2021.54.5.505
    CrossRef
  6. Jeon, S.M. and Kim, H.K. (2021) Basic Properties and Dimension Stability of Ultra Rapid Setting Cement Mortar Containing Low-Quality Recycled Aggregate. J. Rec. Const. Resources, v.9, n.3, p.246-252. DOI : https://doi.org/10.14190/JRCR.2021.9.3.246
  7. Kang, J.H., Lee, D.S., Noh, S.Y., Jeong, J.W. and Koh, S.M. (2017) Geology and constituent rocks of the Chungju-Goesan area in the northwestern part of Ogcheon metamorphic zone, Korea: Considering on the history of igneous activities accompanying formation and evolution processes of the Ogcheon rift basin. Journal of the Geological Society of Korea, v.53, no.1, p.51-77. DOI : http://dx.doi.org/10.14770/jgsk.2017.53.1.51
    CrossRef
  8. Kang, J.H., Hayasaka, Y. and Ryoo, C.R. (2012) Tectonic evolution of the Central Ogcheon Belt, Korea, Jour. Petrol. Soc. Korea v.21, n.2, p.129-150. DOI : https://doi.org/10.7854/JPSK.2012.21.2.129
    CrossRef
  9. Kim, H.K. and Pyo, S.H. (2018) An Experimental Study on Abrasion Resistance of Ultra High Performance Concrete according to Aggregate Type. Journal of the Korea Concrete Institute, v.30, n.1, p.173-174.
  10. Kim, J.C., Koh, H.J., Lee, S.R., Lee, C.B., Choi, S.J., Park, G.H., Kim, D.H., Hwang, J.H., Song, K.Y., Lee, B.J., Kim, Y.B., Jo, D.R., Choi, H.I., Jeon, H.Y., Kim, B.C., Ki, W.S., Kang, P.J., Jin, M.S., Park, D.H., Choi, B.Y. and Choi, Y.S. (2020) Geological report of the South Korea sheet (1:250,000), KIGAM.
  11. Kim, K.W. and Lee, H.K. (1965) Geological report of the Chungju sheet (1:50,000), Korea. Institute of Energy and Resources, 35p (in Korean with English abstract).
  12. MOTIE(Ministry of Trade, Industry and Energy) (2004) Resource evaluation and quality management of natural aggregates, Report.
  13. MOTIE(Ministry of Trade, Industry and Energy) (2005) Assessment of natural aggregate resources of Korea, Report.
  14. Lee, J.M., Choi, H.K., Hong, J.H. and Park, M.Y. (2021) Suggestion of Aggregate soil decision and Evaluation test method for Improving Concrete Quality and Securing Structure Stability. Journal of the Korea Concrete Institute, v.33, n.2, p.375-376.
  15. Lee, J.S., Seo, J.H., Lee, J.Y., Baek, C.S., Kang, K.W. and Lee, H.S. (2021) Study on Alkali Aggregate Reaction in Crushed Aggregates of Domestically Local Site (Mortar-Bar Method). Journal of the Korea Concrete Institute, v.33, n.2, p.383-384.
  16. Lee, J.Y., Cheong, Y.W., Ji, S.W. and Lee, D.G. (2021) Evaluation of Some Stone Dust and Sludge Generated in the Aggregate Production Process and Research Trends for Its Use. Economic and Environmental Geology, v.54, n.5, p.605-613. DOI : http://dx.doi.org/10.9719/EEG.2021.54.5.605
    CrossRef
  17. Lee, C.H. and Kim, J.H. (1972) Geological reprot of the Goesan sheet (1:50,000), Korea. Institute of Energy and Resources, 22p (in Korean with English abstract).
  18. Min, K.W., Kim, J.D. and Im, G.J. (1996) Petrographic properties related to the durability of granite aggregate. Journal of KRMCIA, n.1, v.46, p.40-47.
  19. Min, K.W., Cho, M.S., Kwon, S.T., Kim, I.J., Nagao, K. and Nakamura, E. (1995) K-Ar ages of metamorphic rocks in the Chungju area:Late Proterozoic (675 Ma) metamorphism of the Ogcheon belt. Jour. Petrol. Soc. Korea, v.31, n.4, p.315-327. DOI : https://doi.org/10.7854/JPSK.2012.21.2.129
    CrossRef
  20. Min, T.K., Moon, J.K. and Lee, S.I. (2007) Los Angeles Abrasion Test for Estimationg Engineering Index on the Sedimentary Rocks of Kyeongsang Basin. Journal of the Korean Geotechnical Society, v.23, n.11, p.15-26.
  21. MOLIT(Ministry of Land, Infrastructure and Transport) (2021) Aggregate Resources Investigation Report : Chungju-si.
  22. MOLIT(Ministry of Land, Infrastructure and Transport) (2020) Aggregate Resources Investigation Report : Goesan-si.
  23. Murray, H.H. (1991) Overview-clay mineral applications. Applied Clay Science, v.5, n.5-6, p.379-395. DOI : https://doi.org/10.1016/0169-1317(91)90014-Z
    CrossRef
  24. Park, C.B., Back, C.W., Park, C.G., Jo, H.T. and Ryu, D.H. (2019) Properties of High Strength Concerte with Limestione Aggregate. Journal of the Korea Concrete Institute, v.31, n.1, p.419-420.
    CrossRef
  25. Park, C.K., Jeong, J.H. and Kim, J.S. (2017) Elastic Modulus of Concrete with Aggregate Type. Journal of the Korea Concrete Institute, v.29, n.1, p.551-552.
  26. Park, Y.Y., Yu, J.Y., Kim, Y.J., Chae, J.S. and Chang, B.U. (2019) Status and geochemical characteristics of the constructional aggregate in Gangwon area. Journal of the Geological Society of Korea, v.55, n.3, p.365-376. DOI : http://dx.doi.org/10.14770/jgsk.2019.55.3.365
    CrossRef
  27. Yoon, M.H., Choe, G.C., Lee, T.G. and Kim, G.Y. (2014) Evaluation on Strain Properties of 60 MPa Class High Strength Concrete according to the Coarse Aggregate Type and Elevated Temperature Condition. Journal of the Korea Concrete Institute, v.26, n.3, p.247-254. DOI : http://dx.doi.org/10.4334/JKCI.2014.26.3.247
    CrossRef
  28. Yoon, H.S., Hong, S.S., Park, D.W., Lee, B.D. and Kim, J.W. (2002) Economic and Environment Geology,
  29. You, B.W., Lee, J.Y., Lee, D.K. and Cheong, Y.W. (2022) Effect of the Degree of Weathering on the Distribution of Aggregate Particle Size and the Generation of Fine Rock Particles during Crushing of Granite. Economic and Environment Geology, v.55, n.5, p.429-438. DOI : https://doi.org/10.9719/EEG.2022.55.5.429
    CrossRef
  30. Yun, Y.H., Choi, J.O., Lee, D.G. and Jung, Y.W. (2015) Fundamental Characteristics of Concrete According to Fineness Modulus and Replacement Ratio of Crushed Sand. J. Rec. Const. Resources, v.3, n.3, p.244-251. DOI : http://dx.doi.org/10.14190/JRCR.2015.3.3.244
    CrossRef

 

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