Special Research Paper on “Research on Aggregate Resources in Korea (II)”

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Econ. Environ. Geol. 2024; 57(2): 205-217

Published online April 30, 2024

https://doi.org/10.9719/EEG.2024.57.2.205

© THE KOREAN SOCIETY OF ECONOMIC AND ENVIRONMENTAL GEOLOGY

Physical Properties of Volcanic Rocks in Jeju-Ulleung Area as Aggregates

Byoung-Woon You, Chul-Seoung Baek*, Kye-Young Joo

Aggregate Resource Research Lab, Korea Aggregates Research Institute, Seoul 05621, Republic of Korea

Correspondence to : *baekcs@ark.re.kr

Received: February 25, 2024; Revised: March 25, 2024; Accepted: March 25, 2024

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 original work is properly cited.

Abstract

This study evaluated the physical characteristics and quality of volcanic rocks distributed in the Jeju Island-Ulleung Island area as aggregate resources. The main rocks in the Jeju Island area include conglomerate, volcanic rock, and volcanic rock. Conglomerate is composed of yellow-red or gray heterogeneous sedimentary rock, conglomerate, and encapsulated conglomerate in a state between lavas. Volcanic rocks are classified according to their chemical composition into basalt, trachybasalt, basaltic trachytic andesite, trachytic andesite, and trachyte. By stratigraphy, from bottom to top, Seogwipo Formation, trachyte andesite, trachybasalt (Ⅰ), basalt (Ⅰ), trachybasalt (Ⅱ), basalt (Ⅱ), trachybasalt (Ⅲ, Ⅳ), trachyte, trachybasalt (Ⅴ, Ⅵ), basalt (Ⅲ), and trachybasalt (Ⅶ, Ⅷ). The bedrock of the Ulleung Island is composed of basalt, trachyte, trachytic basalt, and trachytic andesite, and some phonolite and tuffaceous clastic volcanic sedimentary rock. Aggregate quality evaluation factors of these rocks included soundness, resistance to abrasion, absorption rate, absolute dry density and alkali aggregate reactivity. Most volcanic rock quality results in the study area were found to satisfy aggregate quality standards, and differences in physical properties and quality were observed depending on the area. Resistance to abrasion and absolute dry density have similar distribution ranges, but Ulleung Island showed better soundness and Jeju Island showed better absorption rate. Overall, Jeju Island showed better quality as aggregate. In addition, the alkaline aggregate reactivity test results showed that harmless aggregates existed in both area, but Ulleungdo volcanic rock was found to be more advantageous than Jeju Island volcanic rock. Aggregate quality testing is typically performed simply for each gravel, but even similar rocks can vary depending on their geological origin and mineral composition. Therefore, when evaluating and analyzing aggregate resources, it will be possible to use them more efficiently if the petrological-mineralological research is performed together.

Keywords aggregate, volcanitc rock, physical properties, aggregate quality, alkali aggregate reaction

제주도 및 울릉도에서 산출되는 화산암의 골재로서의 물성 특징

유병운 · 백철승* · 주계영

한국골재산업연구원 골재자원연구실

요 약

본 연구는 제주도-울릉도 일대에 분포하는 화산암을 대상으로 골재자원으로서의 물성 특징과 골재자원으로서의 골재품질을 평가하였다. 제주도 지역의 주요 구성 암석은 역암, 화산암 및 화산쇄설암 등이다. 역암은 용암 사이에 협재된 상태로 황적색 또는 회색의 이질퇴적암, 역암, 함각력역암으로 구성되어 있다. 화산암류는 화학성분에 따라 현무암, 조면현무암, 현무암질조면안산암, 조면안산암 및 조면암류로 분류된다. 층서별로 하부에서 상부 순서대로 서귀포층, 조면안산암, 조면현무암(Ⅰ), 현무암(Ⅰ), 조면현무암(Ⅱ), 현무암(Ⅱ), 조면현무암(Ⅲ, Ⅳ), 조면암, 조면현무암(Ⅴ, Ⅵ), 현무암(Ⅲ) 및 조면현무암(Ⅶ, Ⅷ)으로 구분된다. 울릉도 지역의 기반암은 현무암, 조면암, 조면암질 현무암 및 조면암질 안산암으로 구성되어 있으며, 일부 포놀라이트와 응회암질 쇄설성 화산퇴적암으로 구성되어 있다. 기반암들의 골재품질 평가요소로 안정성, 마모율, 흡수율, 절대건조밀도 및 알칼리 골재 반응도 등이 고려되었다. 연구지역의 화산암류의 골재품질 평가 결과 대부분 골재 품질기준을 만족하는 것으로 나타났으며, 지역별로 물성 특징 및 품질이 다르게 나타났다. 마모율과 절대건조밀도는 유사한 분포 범위를 갖고 있으나, 안정성은 울릉도가, 흡수율은 제주도가 좋은 결과를 보였다. 전체적으로 제주도가 골재로서 더 좋은 품질을 나타내었다. 또한, 알칼리 골재 반응성 시험 결과 전반적으로 두 지역 모두 무해한 골재로 나타났으나, 제주도보다 울릉도 화산암류가 더 양호한 것으로 분석되었다. 골재품질시험은 암석 자갈을 대상으로 개략적으로 수행되지만 유사한 암석이라도 생성환경 및 광물조성에 따라 달라질 수 있다. 따라서 골재자원의 품질을 평가, 분석할 때 광물-암석학적 연구를 병행한다면 더욱 효율적으로 활용이 가능할 것이다.

주요어 골재, 화산암, 물성특징, 골재품질, 알칼리 골재 반응

  • Even similar rocks appear differently depending on their environment and mineral composition.

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

  • The aggregate physical quality of bedrock in the Jeju Island is better than that of the Ulleung Island, and the alkaline aggregate reactivity is slightly more stable in Ulleung Island.

골재는 자연 상태로 부존하는 암석, 모래 또는 자갈로서 건설자재의 기초재료로 쓰이는 천연자원이다. 또한,지질학적 및 지리적 특성에 따라 골재의 종류, 부존량 및산출 형태 등이 다양하게 나타난다. 국내 골재 자원은 80년대부터 건설경기의 상승에 따라 꾸준히 소비되어 부존량은 점차 감소하고 있으며, 대체재를 개발하는 것이 쉽지 않다. 특히, 제주도와 울릉도는 지질학적 및 지리적특성으로 인해 개발 면적이 제한적이고, 부존하는 암석의 종류도 한정적이며, 먼 운반거리로 인한 물류비용 상승으로 골재 수급에 어려움이 있다. 따라서, 제주도와 울릉도의 효율적인 골재 자원 확보와 순환골재의 활용을위해 기반암의 광물학적, 암석학적 및 지질공학적 특성을 파악할 필요가 있다.

골재로 활용되는 암석은 유사한 암종이라도 광물조성및 산출양상에 따라 다양한 물성특성을 나타내며, 골재품질에 많은 영향을 미친다. 제주도와 울릉도는 각각 한반도 남부와 동부에 섬으로 이루어져 있으며, 기반암의 대부분은 유사한 암종인 화산암류로 이루어져 있다. 따라서, 공간적으로 다른 유사한 암종을 대상으로 물성특성 및 골재품질 비교 연구를 하기에 적합한 지역이다(Fig. 1, Fig, 2).

Fig. 1. Geological map of Jeju-do area(Modified from Park et al., 1998).

Fig. 2. Geological map of Ulleung-do area(Modified from Hwang et al., 2012).

제주도의 골재자원에 관한 기존 연구는 순환골재를 대상으로 콘크리트 활성화, 친환경 콘크리트 활용 및 제도적 기초연구가 주를 이룬다. 제주도 현무암 골재를 활용한 중온 아스팔트 포장 적용에 관한 연구가 이루어졌으며(An et al., 2021), 제주도 현무암질 순환골재의 특성 및활용 가능성(Choi, 2021)이 보고된 바 있다. 또한, 제주도순환자원 및 현무암을 제주도 골재로서 활용하는 기술개발(KICT, 2020)관련 연구도 보고된 바 있다. 울릉도 지역은 2022년 골재자원조사를 통해 부존 현황이 보고된 바 있다(MOLIT, 2022).

그러나 기존 연구들은 콘크리트 건축물의 해체과정에서 발생하는 순환골재를 재활용하거나 활성화하는데 집중되고, 골재자원으로서 화산암에 대한 연구도 국한적으로 수행되었다. 골재의 품질은 암석학적 특성에 많은 영향을 받는 점을 고려하면, 기존의 연구들은 화산암의 지질학적 및 지질공학적 물성 특성에 대한 고찰이 부족한편이다. 따라서 제주도와 울릉도의 주요 기반암인 화산암류의 광물암석학적 연구를 통한 물성 특징 및 골재 품질을 비교하는 연구는 화산암류의 효율적인 골재자원의활용과 수급을 위한 기초자료로 활용 가치가 높다.

이 연구는 화산암의 골재자원으로서의 활용도를 고찰하기 위해, 제주도와 울릉도에서 산출하는 화산암류를 대상으로 현미경관찰과 X선회절분석을 실시하여 광물조성과 암석학적 특성을 고찰하였다. 또한, 화산암류의 골재품질을 판단하기 위해 흡수율(absorption), 절대건조밀도(absolute dry density), 마모율(resistance of abrasion), 안정성(soundness) 등 4개 항목을 분석하고, 알칼리 골재 잠재반응성 시험을 실시하여, 유사 암종의 지역별 품질대비 분포특성을 비교 고찰하였다.

연구지역인 제주도는 한반도 남부에 섬으로 이루어진 지역으로 백록담을 중심으로 동서로 긴 형태로 형성되어있으며, 주요 구성 암석은 역암, 화산암 및 화산쇄설암등이다. 역암은 용암 사이에 협재된 상태로 황적색 또는회색의 이질퇴적암, 역암, 함각력역암으로 구성되어 있다.화산암류의 암종은 성분으로 분류하면, 현무암, 조면현무암, 현무암질조면안산암, 조면안산암 및 조면암류로 분류된다. 서귀포층은 현무암질 화산활동의 초기에 해당하는시기에 광범위하게 퇴적되었으며, 주로 역질사암, 사암,사질이암, 이암 및 유리질 쇄설암으로 구성되어 있다. 조면안산암은 소정방폭포, 정방폭포, 천지연 폭포를 구성하고 있는 암석으로 암질, 분포지, 형성시기 및 화학성분이서로 유사하다. 조면현무암(Ⅰ)은 성산읍 통오름에서 유래하여 삼달리 해안까지 분포하는 암석과 과오름에서 유래하여 곽지해수욕장으로 이어지는 응회암 주변에 분포하는 암석으로, 주변 응회암도 같은 시기에 형성된 응회암으로 분류된다. 현무암(Ⅰ)은 10~50cm 두께의 얇은 용암류가 복합적으로 형성된 암석으로 제주도 북측 해안을따라 분포한다. 조면현무암(Ⅱ)는 제주도 동측에 분포하며, 분석구 형성과 용암이 용출하여 스코리아와 용암이혼합된 양상으로 산출된다. 현무암(Ⅱ)는 다공질로 암회색 반상구조를 보이는 암석으로, 서귀포시 남원읍에서 성산읍까지 광범위하게 분포한다. 조면현무암(Ⅲ)는 흑갈색내지 흑적색을 나타내며, 다량의 각력과 스코리아 및 클링커를 함유하며, 휘석과 장석이 반정으로 함유되어 있는 용암괴가 혼재하고 외형이 불규칙하며 부분적으로 용암류 형태로 협재한다. 조면현무암(Ⅳ)은 대포동 주상절리를 구성하고 있으며, 성천포에서 월평동 해안을 따라약 3.5km의 연장 분포를 보인다. 크링커로 인해 표면이거칠거나 주상절리가 잘 발달되어 있다. 조면암은 한라산최정상부로부터 남측과 북측 방향에 산발적으로 분포하는암석으로 두께 약 30m의 용암류이다. 조면현무암(Ⅴ)은성널오름에서 유래한 암석으로 회색 내지 담회색을 띠며,소량의 기공이 함유되어 있다. 조면현무암(Ⅵ)은 한라산정상부 동측에서 유래하여 북측과 남측으로 발달하였는데, 회색 내지 암회색을 띠고 1~10mm 크기의 기공을 함유하고 있으며, 기공의 함량은 노두에 따라 큰 변화를 보인다. 현무암(Ⅲ)은 한라산 정상부로부터 북측 바다까지 발달하며, 회색 또는 암회색을 띤다. 또한, 노두에 따라1~10mm의 기공을 함유하며, 부분적으로 기공이 2cm 크기로 신장되어 있다. 조면현무암(Ⅶ)은 한라산 정상부에서 남단부 하원동 까지 분포하는 암석으로 약 1mm 내외의기공을 40%정도 함유하는 회색 내지 암회색 암석으로노두에 따라 변화가 큰 것이 특징이다. 조면현무암(Ⅷ)은제주도 최후기 화산활동에 의해 형성된 것으로 해석되며,회색 내지 암회색으로 치밀하며, 부분적으로 길게 신장된 기공을 포함한다. 또한, 다량의 각력을 함유하기도 하는데 용암괴가 불규칙하게 분포하며, 지표 가까이에서는흑갈색 내지 흑적색의 암색을 띠는 크링커 및 스코리아만 관찰되기도 한다(Park et al., 2000)(Fig. 1).

두 번째 연구지역인 울릉도는 동해 배호분지 해수면 위로 솟은 소규모 도서 및 암초로 이루어지며, 주로 화산암류로 구성되어 있다(Fig. 2). 울릉도와 관련된 지질학적 연구는 Harumoto (1970)의 화산활동사와 화산암류의암석학적 특성 연구를 기반으로 하고 있다. 울릉도 화산체의 대부분인 해수면 아래에 대해서는 잘 알려져 있지않지만, 지표에서 관찰되는 암층은 대부분 집괴암층으로 상부는 조면암질 용암층이 급경사의 산체를 이루며, 후기 조면암질 미고결 분출물층이 상부에 넓게 피복하고있다(Song et al., 2006). 지질층서는 크게 도동현무암질암류, 울릉층군, 성인봉층군과 나리층군 등의 4개 층군으로 구분할 수 있다. 울릉층군은 화산쇄설암류(3개 암층)과 상부 조면암질암류(7개 암층)로 구성되고 성인봉층군은 상부 조면암질암류(10개 암층)와 포놀라이트질암류(3개 암층)로, 나리층군은 칼데라형성 화산암류(2개 암층)와 조면안산암질암류(3개 암층)로 구성된다. 미고화퇴적층은 소규모로 분포하고 있지만, 나리층군보다는 상대적으로 크고 넓게 분포하고 있는 것이 특징이다(Hwang et al., 2012).

본 연구에서는 제주-울릉 일대에서 산출된 29개의 화산암류 시료를 현미경 관찰 및 XRD(X-Ray Diffraction)분석을 실시하고, 골재품질기준 물성시험 및 알칼리 골재 잠재 반응성 시험을 통해 골재의 활용도를 고찰하였다.

3.1. 광물동정

광물 동정은 제주도와 울릉도 일대에서 분포하는 다양한 화산암류를 대상으로 박편을 제작하고, XRD 분석을위해 적절히 분류하여 세부 광물 특성을 도출하였다. 현미경 관찰은 올림푸스사의 BX53P 편광현미경을 이용하여 광물 동정 및 광물 사진을 취득하였다. 또한, 현미경관찰 결과를 교차검증하기 위해 X선회절분석을 실시하였다. XRD분석은 한국지질자원연구원의 Philips사의 X’Pert MPD, PANalytical X’Pert3Powder을 이용하였다. X선의가속전압은 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 Highscore Plus와 Match! 프로그램을 이용하였다.

3.2. 골재물성분석

본 연구에 사용된 골재자원물성값은 한국지질자원연구원, 한국골재산업연구원 및 한국수자원공사에서 작성된제주도, 울릉도 골재자원보고서의 총 34개 시료의 골재품질기준 시험결과를 이용하였다. 제주도-울릉도 일대에서 산출하는 화산암류를 대상으로 안정성, 마모율, 흡수율 및 절대건조밀도를 분석하였다.

안정성은 KS F 2507에서 규정하는 골재의 안정성 시험방법과 KS F 2527 콘크리트용 골재 기준을 이용하였다. 황산소듐(Na2SO4) 포화 용액에 골재를 침수시키고 건조시키는 조작을 5회 반복한 후 시약에 의한 골재의 파손정도를 손실중량 백분율로 나타내었다. 마모율은 KS F 2508 규격에 따라 로스앤젤레스 시험기에 의한 방법(LA test)과 KS F 2527(콘크리트용 골재)을 기준으로 LA시험기에 골재 지름에 따라 15~20mm 및 20~25mm 크기의골재를 각각 2,500g 과 지정된 수량의 강구를 넣은 후 분당 30~33회의 속도로 1000회 회전시킨다. 이 후 시험전의 시료의 질량에서 시험 후 1.7mm 체에 남은 시료의 질량을 뺀 후 백분율로 나타내었다. 흡수율은 KS F 2503및 2054(굵은골재 및 잔골재의 밀도 및 흡수율 시험 방법)에 따라 충분히 건조된 시료를 물에 침수시킨 후 무게차이를 건조시료 무게에 대한 백분율로 계산하였다.

상기 분석결과를 정량적으로 분류하여 특성을 분석하고, 물성 특성을 박스수염그래프를 이용하여 도식화하여제주도와 울릉도 지역별로 분류하여 비교분석 하였다. 이를 활용하여 지역별 골재자원으로서의 특성 및 품질을분석하고 골재 적합도를 평가하였다.

3.3. 알칼리골재 잠재 반응성 분석

알칼리 골재 잠재 반응성 시험은 화학법으로 수행하였으며, KS F 2545 의 시험절차에 준하여 수행하였다. 1차로 20~60mm 크기로 반입된 시료들을 조크라샤를 이용하여 13~25mm 크기까지 파쇄 후 150~300μm 크기로 분쇄된시료를 사용하였다. 실험은 용기에 150~300μm 크기의 시료 25g과 1N NaOH 수용액을 넣고 80℃의 항온수조에안에서 24시간 동안 유지한 뒤에 추출한 반응용액을 1차희석하여 사용하였다. 용해실리카량 측정 방법은 질량법과 분광광도법이 사용되는데 본 연구에서는 용해실리카성분의 흡광도 측정을 위해 1차 희석된 용액을 2차 희석한 후 몰리브덴산암모늄용액, 염산 희석용액 및 옥살산용액을 가한 후 UV-VIS를 이용하여 410㎚ 파장 영역에서의 전달도를 측정하였다. 이때 전달도가 30% 미만 또는 50%를 초과한 경우 2차 희석비율을 조절하여 재측정하였다. 알칼리농도감소량 측정은 1차 희석용액 20㎖에페놀프탈레인 지시 용액을 넣은 후 0.05N 염산 표준용액을 사용하여 종말점까지 도달하는데 투입된 염산의 양을측정하였다. 측정을 통해 계산된 용해실리카량과 알칼리농도 감소량을 이용하여 알칼리 골재 잠재 가능성을 도시화 하였다.

4.1. 지역별 산출양상 및 광물조성

이 연구에서 활용한 제주도의 화산암류는 한라산을 중심으로 지표를 피복하는 형태로 넓게 분포하고 있으며, 대부분 현무암과 조면현무암군에 해당한다(Fig. 1). 현무암과 조면현무암군은 마그마 기원의 염기성 고철질 암석으로 육안으로 구분하기 어려운 미립의 입자와 어두운색을 띠고 있다. 주 구성광물은 침상의 사장석과 알칼리장석이 기질을 이루며 전형적인 조면상 조직을 나타낸다.기질을 이루는 침상의 장석류들은 유리기류정질의 조직을 잘 나타내며, 2~3mm 내외의 칼스바드 쌍정을 보이는 사장석 결정이 관찰된다. 또한, 0.1mm 내외의 감람석 결정들이 기질 내에 반정상으로 나타나며, 일부 감람석 결정은 가장자리에서 정출 후 용융작용에 의해 융식구조를보인다. 현무암과 조면현무암에서 감람석이 관찰되는 빈도와 결정 크기에는 차이가 있으며, 일부 조면현무암에서는 불투명광물들 중 대부분이 티탄철석과 자철석으로,기질부 반정질의 결정들 사이에서 관찰된다(Fig. 3).

Fig. 3. Photographs of Jeju-do volcanic rocks thin section(Left:Crossed nicol, Right:Opened nicol). Abbreviations: Andes=Andesite, Ol=Olivine, Mt=Magnetite.

울릉도 지역은 현무암, 조면암 및 포놀라이트 등 주로산출하는 암종을 대상으로 현미경 관찰을 통해 광물동정을 하였다. 주 구성광물은 알칼리 장석으로 기질부 대부분을 차지하고 있다. 알칼리 장석은 칼스바드 쌍정을 보이며, 주상 형태로 기질 내에 반정상으로 산출된다. 기질부는 침상의 알칼리 장석과 미정질의 입자들이 유리기류정질의 조직을 형성하고 있다. 또한, 소량의 감람석 결정들이 관찰되기도 한다. 일부 알칼리 장석들이 집합체를이루며 취반상 조직을 보이기도 하며, 0.2mm 내외의 휘석류 결정들이 소량 관찰된다. 일부 사장석 결정에서는누대구조를 나타내기도 한다. 현무암에서는 자형의 사장석 결정이 잘 관찰되며, 침상의 사장석 결정들로 구성된기질부 내에 0.1mm 내외의 휘석과 소량의 방비석과 하석 결정들이 반정으로 관찰되기도 한다(Fig. 4).

Fig. 4. Photographs of Ulleung-do volcanic rocks thin section(Left:Crossed nicol, Right:Opened nicol). Abbreviations: Andes=Andesine, Sa=Sanidine, Ol=Olivine, Px=Pyroxene.

제주도와 울릉도 일대에서 채취한 화산암류 29개 시료의 광물조성을 현미경 관찰 결과와 비교 분석하기 위해X선 회절분석을 실시하였다(Table 1 and 2). 광물조성 대부분은 현미경에서 관찰된 광물과 일치하였으며, 미립의입자로 관찰된 흑운모, 백운모 등이 분석되었다. 또한, 녹니석, 백운모 및 가빈사이트(gobbinsite) 등 변질광물들도소량 분석되었다. 제주도 시료에서는 안데신(andesine),단사휘석(augite), 새니딘(sanidine)이 주구성광물로 분석되었으며, 사장석인 안데신의 비율이 가장 높게 나타났다. 반면에 울릉도에서는 주구성광물이 알칼리 장석인 새니딘과 사장석인 안데신으로 나타났으며, 새니딘 함량이더 높게 분석되었다.

Table 1 Mineral contents of Jeju-do Volcanic rocks analyzed from XRD(X-Ray Diffraction)

SampleAndesineAugiteSanidineForsteriteMagnetiteIlmeniteTotal
JJ-0153.518.612.17.85.92.1100.0
JJ-0259.114.511.88.75.50.4100.0
JJ-0352.821.79.88.26.50.999.9
JJ-0461.310.816.13.17.41.3100.0
JJ-0552.620.49.48.37.22.099.9
JJ-0657.413.418.05.84.60.8100.0
JJ-0743.320.317.010.96.91.6100.0
JJ-0856.715.015.96.44.81.3100.1
JJ-0958.99.418.65.35.72.2100.1
JJ-1051.721.38.411.96.70.1100.1
JJ-1153.419.113.38.24.02.0100.0
JJ-1253.914.814.67.57.61.6100.0
JJ-1353.112.516.210.27.30.7100.0


Table 2 Mineral contents of Ulleung-do Volcanic rocks analyzed from XRD(X-Ray Diffraction)

SampleSanidineAndesineMagnetiteAnalcimeNephelineBiotiteAugiteHorn blendeIlmeniteChloriteGobbin siteApatiteMusco viteTotal
UL-0160.237.32.4trtr99.9
UL-0258.126.12.49.72.90.8100.0
UL-0351.528.73.85.810.2100.0
UL-0455.838.31.64.3100.0
UL-0558.832.31.47.5100.0
UL-0786.73.17.13.2100.1
UL-0853.144.42.5100.0
UL-0966.025.62.26.2100.0
UL-1058.437.02.62.0100.0
UL-1171.420.51.46.50.2100.0
UL-1247.931.91.918.3100.0
UL-1357.840.41.8100.0
UL-1460.834.23.12.0100.1
UL-1597.61.90.5100.0
UL-1650.09.213.918.63.15.199.9
UL-1758.37.113.110.21.410100.1


4.2. 지역별 물성특성 및 골재품질 평가

제주-울릉일대에서 산출되는 화산암류의 34개 시료의물성특성을 ‘국토교통부 시행령 제930호 순환골재 품질인증 및 관리에 관한 규칙’에 명시된 품질시험기준에서4개 항목을 기준으로 비교 분석하였다(Fig. 5; Table 3).

Table 3 Evaluation of Jeju and Ulleung Area Volcanic rocks on the parameters of Aggregate quality assessment

Jeju-doUlleung-do
SampleSoundnessResistance of abrasionAbsorptionAbsolute dry densitySampleSoundnessResistance of abrasionAbsorptionAbsolute dry density
JJ-012.0022.701.072.67UL-010.6021.801.442.52
JJ-021.8018.900.862.76UL-020.4026.502.602.35
JJ-037.4033.201.782.47UL-031.1028.404.332.31
JJ-041.9025.701.302.71UL-040.4017.801.022.54
JJ-05-16.7031.502.632.42UL-050.3019.201.302.51
JJ-05-22.1020.700.942.79UL-071.9024.903.652.33
JJ-061.7016.100.822.82UL-080.4020.401.372.51
JJ-072.0019.400.872.83UL-090.8037.202.922.40
JJ-082.1021.501.292.70UL-100.7025.701.682.48
JJ-092.5023.401.172.71UL-110.5024.802.082.44
JJ-102.4026.601.102.66UL-120.5018.301.562.46
JJ-111.8017.300.552.81UL-130.7026.102.412.44
JJ-12-12.9022.200.822.83UL-141.1026.204.982.25
JJ-12-28.4042.203.852.22UL-150.6024.903.812.21
JJ-137.1036.502.222.39UL-161.2026.703.502.48
JJ-143.7024.801.042.74UL-171.6016.404.162.37
JJ-151.7018.400.662.84
JJ-162.2014.200.692.84
Avg.3.3624.181.312.68Avg.0.8024.082.682.41
Max.8.4042.203.852.84Max.1.9037.204.982.54
Min.1.7014.200.552.22Min.0.3016.401.022.21


Fig. 5. Box and Whisker plot diagram of aggregate physical properties of Jeju-Ulleung volcanic rocks.

안정성은 KS F 2507(골재의 안정성 시험방법)에서 규정하는 황산소듐(Na2SO4)시약을 이용하여 손실중량을 백분율로 나타내는 지표이다. 시험법은 황산소듐 결정압에의한 파괴작용에 대한 저항성을 나타내는 것으로 안정성값이 낮을수록 저항성이 높은 것을 의미한다(MOLIT, 2022; Jeon, 2021). 지역별 분포범위는 제주도 1.70~8.40%,울릉도 0.3~1.90%로 나타났다(Fig. 5-1). 제주도와 울릉도 모두 잔골재 품질기준인 10% 미만으로 안정성 품질기준에 적합한 것으로 나타났으며, 평균 안정성은 3.36%인 제주도에 비해 0.80%로 나타난 울릉도가 더 좋은 것으로 나타났다.

마모율은 풍화도에 많은 영향을 주는 요소로 굵은 골재의 품질기준에만 적용하는 물성이다(Min et al., 1996).지역별 마모율 분포범위는 제주도는 14.20~42.20%로 나타났으며, 울릉도는 16.40~37.20%로 나타났다(Fig. 5-2).제주도에서 1개의 시료가 굵은 골재의 품질 기준인 40%를 충족하지 못하였으며, 울릉도 시료에서도 1개의 시료가 이상치를 보였다. 다만, 울릉도 1개 시료는 부순골재의 품질기준인 40%에는 미치지 못하였지만, 굵은 골재의 품질 기준에는 충족하였다. 나머지 시료는 모두 마모율 품질기준에 적합한 것으로 나타났으며, 두 지역의 평균 마모율은 유사하게 나타났다.

흡수율은 제주도가 0.55~3.85%, 울릉도는 1.02~4.98%의 분포 범위를 나타냈다(Fig. 5-3). 지역별 흡수율에서는제주도는 1개 울릉도는 6개의 시료가 품질기준인 3% 미만을 충족시키지 못하였다. 평균 흡수율은 제주도가 1.31%,울릉도가 2.68%로 울릉도가 다소 높게 나타났다. 흡수율은 골재시료가 함유하는 수분의 양을 백분율로 나타내는수치로 구성광물에 따라 달라진다. 예를 들면, 흡수율은장석 및 운모류에서 생성되는 점토광물과 같은 친수성광물의 함량이 많을 경우 상승한다(Murray, 1991). 울릉도 지역의 기반암에서는 제주도와 다르게 XRD 분석결과 방비석(analcime)이나 가빈사이트(gobbinsite)와 같은점토광물이 산출되어, 흡수율에 영향을 주어 높게 나타난 것으로 판단된다.

지역별 절대건조밀도는 제주도가 2.22~2.84g/cm3이고,울릉도가 2.21~2.54g/cm3 로 나타났다(Fig. 5-4). 두 지역모두 화산암류로 구성된 기반암으로 구성광물이 거의 유사하지만, 절대건조밀도에서 울릉도에서 산출되는 화산암류의 대부분은 대체로 낮은 절대건조밀도 값을 나타내었다. 평균 절대건조밀도는 제주도가 2.68g/cm3, 울릉도가2.41g/cm3로 나타났다. 울릉도에서 채취된 시료의 대부분은 골재품질기준인 2.5g/cm3에 적합하지 않은 것으로 나타났다. 이에 반해 제주도에서 채취된 시료는 1개를 제외한 모든 시료가 골재품질기준에 적합한 절대건조밀도값을 나타내었다. 절대건조밀도는 골재의 간극을 제외한골재 자체의 밀도를 나타내는 것으로(Lee et al., 2021)분포하는 기반암이 유사한 화산암류로 이루어져 있지만,공간적으로 다른 제주도와 울릉도의 특성을 비교해볼 수있는 요소이다.

종합적으로 판단할 때, 제주도 화산암류의 골재품질은대체로 기본 기준을 충족하나, 지역별로 골재품질시험 결과값에서 마모율을 제외하고는 다른 경향을 나타냈다. 흡수율에서는 점토광물의 함량이 높은 울릉도에서 더 높은결과를 보였으며, 절대건조밀도에서는 고철질 암석인 현무암류가 주를 이룬 제주도에서 더 높은 결과값을 나타냈다. 또한, 안정성에서는 연구지역 모두 골재품질기준에적합한 것으로 나타났으나, 분포양상은 다르게 나타났다.전체적인 평균 품질은 울릉도보다 제주도가 우수한 품질을 보이는 것으로 분석되었다.

4.3. 지역별 알칼리 골재 잠재 반응성 분석

제주도와 울릉도에서 산출하는 화산암류의 알칼리 골재반응 시험결과를 ASTM C 289 유해성 판정 기준도표및 JIS A 5308에서 제시된 기준을 이용하여 도표에 도시하여 비교 분석 하였다(Fig. 6; Table 4).

Table 4 Alkali aggregates reactivity result of Jeju and Ulleung area

Jeju-doUlleung-do
SampleDissolved SiO2 (mmol/L)(Sc)Reduction in Alkalinity (mmol/L)(Rc)Rate of change in LengthSampleDissolved SiO2 (mmol/L)(Sc)Reduction in Alkalinity (mmol/L)(Rc)Rate of change in Length
JJ-0159.70121.210.49UL-019.4073.090.13
JJ-0248.0097.970.49UL-0213.10287.630.05
JJ-0346.9098.670.47UL-0322.60258.990.09
JJ-04181.10207.320.87UL-0474.0085.240.87
JJ-05199.40204.600.97UL-0578.9089.510.88
JJ-0681.10144.030.56UL-0781.10426.070.19
JJ-0787.40128.930.68UL-0850.30103.210.49
JJ-0826.3028.580.92UL-0989.1096.990.92
JJ-09176.60195.030.91UL-1036.30103.490.35
JJ-1050.3091.560.55UL-1118.0096.820.19
JJ-11118.90153.250.78UL-1257.70171.080.34
JJ-12101.40188.120.54UL-1389.10113.960.78
JJ-1374.60144.220.52UL-1456.30284.280.2
UL-1558.90141.520.42
UL-1619.10240.050.08
UL-1761.10328.470.19
Avg.96.28138.730.67Avg.50.94181.280.39
Max.199.40207.320.97Max.89.10426.070.92
Min.26.3028.580.47Min.9.4073.090.05


Fig. 6. Alkali aggregate reactivity standard diagram for identify of Jeju and Ulleung volcanic rocks.

알칼리 골재 반응 시험은 골재에 포함된 반응성 실리카가 시멘트의 알칼리성분인 Na+와 K+ 등이 pH가 높은환경에서 경화된 콘크리트 공극 용액 속에 존재하면서 ‘팽창성 반응겔(gel)’을 생성하는 반응정도를 평가하는 시험이다. 이러한 팽창성 반응겔은 수분과 만나게 되면 팽창이 발생하여 콘크리트 강도에 영향을 주어 균열, 분화 등과 같은 현상을 유발한다(Hasan, 2020). JIS A 5308 기준으로 Sc≥10mmol 이고, Rc<700mmol 일때 Rc≤Sc 이면 유해 잠재성 골재로 분류되며, ASTM C 289 : Standard Test Method for Potential Alkali-Silica Reactivity of Aggregates (Chemical Method) 기준에 따르면 용해실리카량이 80~100mmol 이상이며 상대적으로 알칼리농도감소량이 낮으면, 알칼리골재 잠재가능성이 있거나 해로운골재로 분류한다(Owsiak, 2014, Bukhari, 2019).

제주도와 울릉도에서 산출하는 화산암류 대부분은 무해한 골재에 해당하는 것으로 나타났다. 다만, 제주도 시료중에서 5개의 시료가 각각 용해실리카양(Sc)이 181.1mmol, 199.4mmol, 176.6mmol, 118.9mmol, 101.4mmol으로 나타나고, 알칼리농도감소율(Rc)가 207.32mmol, 204.6mmol, 195.03mmol, 153.25mmol, 188.12mmol 로 나타나며, ASTM C 289 기준으로 유해 잠재 가능성이 있는 것으로나타났다. 하지만, JIS A 5308 기준을 적용하면 Sc/Rc의비율이 0.87, 0.97, 0.91, 0.78, 0.54로 무해한 골재로 분류되었다. 평균 용해실리카양(Sc)은 제주도가 96.28mmol이고 울릉도는 50.94mmol로 나타났으며, 평균 알칼리농도감소율(Rc)은 제주도가 138.73mmol 이고, 울릉도는181.28mmol로 나타났으며, 길이변화율(Sc/Rc)은 제주도가 0.67, 울릉도가 0.39로 나타났다.

일반적으로 화산암류는 지표로 분출시 급격하게 냉각되면서, 비정질 실리카와 은미정질의 석영들이 함유되게된다. 알칼리 골재 반응은 결정질 실리카의 경우 규칙적이고 질서정연한 격자구조를 갖고 있어 결정표면에서만알칼리와 반응을 일으키는 반면, 비정질 실리카에서는 불규칙적인 실리카 격자 구조로 인해 알칼리 이온 표면 뿐만 아니라, 내부에까지 침투하여 반응하기 때문에 반응속도가 빨라져 안정성에 문제를 일으킬 가능성이 커진다(Yang, 1997).

종합적으로, 제주도와 울릉도지역의 대부분은 무해한골재로 분류되지만, 주요 기반암들이 화산암류로 이루어져 있어 비정질 실리카의 함량이 높게 나타날 수 있다.따라서, 골재로 활용되는 기반암의 경우 다양한 시료를대상으로 광물조성과 경하에서 유리질로 관찰되는 비정질 실리카의 산출양상을 면밀히 관찰하고 분석되야 한다.일부 제주도 시료는 ASTM C 289 기준에서 유해 잠재가능성있는 골재로 분류 되었으며, 평균적으로 울릉도 지역의 화산암류가 알칼리 골재 반응성 시험결과 양호한편으로 나타났다.

이 연구에서는 공간적으로 다르지만 기반암의 종류가 유사한 제주도와 울릉도의 화산암류를 대상으로 광물동정을 하고 골재품질시험 항목과 알칼리 골재 반응성에따라 비교 고찰하였다. 그리고 제주도와 울릉도 화산암류의 골재로서 적합도와 물성특성을 제시하였다.

제주도의 화산암류는 주로 대부분 현무암과 조면현무암군에 해당하며, 주 구성광물은 얇고 긴 형태를 나타내는 침상의 사장석과 단사휘석 및 알칼리 장석이 기질을이루며 전형적인 조면상 조직을 나타낸다. 일부 감람석결정들이 융식구조를 보이며, 기질내에 반정상으로 관찰된다.

울릉도 지역의 화산암류는 현무암, 조면암 및 포놀라이트 등이 관찰되며, 주 구성광물은 알칼리 장석인 새니딘과 사장석인 안데신이 기질부 대부분을 채우고 있다.알칼리 장석은 칼스바드 쌍정을 보이며 주상으로 기질내에 반정상으로 산출되며, 기질부는 침상의 장석류와 은미정질의 유리질입자들로 구성된다. 침상의 사장석 결정들로 구성되는 기질부 내에 0.1mm 내외의 휘석과 소량의 방비석과 하석 결정들이 반정으로 관찰되기도 한다.

골재품질시험 결과를 지역별로 비교 분석한 결과 제주도와 울릉도 기반암인 화산암류 대부분이 골재품질기준에 적합하였으며, 지역별로 물성특성 분포범위는 다르게나타났다. 마모율에서는 유사한 분포범위를 갖고 있으며,안정성에서는 울릉도가 제주도 보다 안정한 것으로 나타났으나 두 지역 모두 골재품질기준에는 적합한 것으로나타났다. 흡수율과 절대건조밀도에서는 제주도가 품질이 더 좋은 것으로 분석되었으며, 지역별로 분포 범위는다르게 나타났다. 전체적인 평균 품질은 울릉도보다 제주도가 우수한 품질을 보이는 것으로 분석되었다.

알칼리 골재 반응성 시험결과 평균 용해실리카양(Sc)및 평균 알칼리농도감소율(Rc) 모두 울릉도가 더 좋은 결과를 나타내었으며, 또한, 평균 길이변화율(Sc/Rc)도 제주도가 0.67, 울릉도가 0.39로 울릉도 화산암류가 더 무해한 골재로 분석되었다. 다만, 연구지역의 주요 기반암이 비정질 실리카를 함유하는 화산암류로 구성되어 있어,골재로 활용되는 기반암은 알칼리 골재 반응성에 대한정밀한 시험과 세밀한 광물학적 관찰 및 연구가 수반되어야 한다.

골재자원의 품질시험 결과는 시료 전처리 과정 등 여러 요인에 의해 기술적 편차를 받을 수 있지만, 원암의광물암석학적 특징을 고려해야 할 필요가 있다. 본 연구에서 제주도와 울릉도를 대상으로 지역별 골재로서의 물성 특성 및 골재 품질을 제시하였지만, 암종의 물성특성은 암종의 지질구조, 생성환경 및 구성광물에 따라 매우다양하게 나타난다. 예를 들면, 화산암류인 현무암류에서조면암류로 나타날수록 SiO2의 함량이 증가하여 알칼리골재 반응성이 증가하거나, 함철광물의 함량이 증가함에따라 산화로 인해 마모율 및 안정성에 영향을 줄 수 있다. 또한, 본 연구결과처럼 형성환경이 유사하거나 같은화산암류임에도 불구하고 물성특성이 다르게 나타날 수있다. 따라서, 정확한 골재자원의 품질을 평가하기 위해서는 다양한 지점에서 충분한 시료가 확보되어야 하며,면밀한 광물암석학적 연구가 병행되는 것이 효과적일 것이다.

Korea Agency for Infrastructure Technology Advancement (KAIA) grant funded by the Ministry of Land, Infrastructure and Transport (RS-2022-00143644) & Ministry of Land, Infrastructure and Transport “Aggregates Resource Survey and Management Project”.

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Article

Special Research Paper on “Research on Aggregate Resources in Korea (II)”

Econ. Environ. Geol. 2024; 57(2): 205-217

Published online April 30, 2024 https://doi.org/10.9719/EEG.2024.57.2.205

Copyright © THE KOREAN SOCIETY OF ECONOMIC AND ENVIRONMENTAL GEOLOGY.

Physical Properties of Volcanic Rocks in Jeju-Ulleung Area as Aggregates

Byoung-Woon You, Chul-Seoung Baek*, Kye-Young Joo

Aggregate Resource Research Lab, Korea Aggregates Research Institute, Seoul 05621, Republic of Korea

Correspondence to:*baekcs@ark.re.kr

Received: February 25, 2024; Revised: March 25, 2024; Accepted: March 25, 2024

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 original work is properly cited.

Abstract

This study evaluated the physical characteristics and quality of volcanic rocks distributed in the Jeju Island-Ulleung Island area as aggregate resources. The main rocks in the Jeju Island area include conglomerate, volcanic rock, and volcanic rock. Conglomerate is composed of yellow-red or gray heterogeneous sedimentary rock, conglomerate, and encapsulated conglomerate in a state between lavas. Volcanic rocks are classified according to their chemical composition into basalt, trachybasalt, basaltic trachytic andesite, trachytic andesite, and trachyte. By stratigraphy, from bottom to top, Seogwipo Formation, trachyte andesite, trachybasalt (Ⅰ), basalt (Ⅰ), trachybasalt (Ⅱ), basalt (Ⅱ), trachybasalt (Ⅲ, Ⅳ), trachyte, trachybasalt (Ⅴ, Ⅵ), basalt (Ⅲ), and trachybasalt (Ⅶ, Ⅷ). The bedrock of the Ulleung Island is composed of basalt, trachyte, trachytic basalt, and trachytic andesite, and some phonolite and tuffaceous clastic volcanic sedimentary rock. Aggregate quality evaluation factors of these rocks included soundness, resistance to abrasion, absorption rate, absolute dry density and alkali aggregate reactivity. Most volcanic rock quality results in the study area were found to satisfy aggregate quality standards, and differences in physical properties and quality were observed depending on the area. Resistance to abrasion and absolute dry density have similar distribution ranges, but Ulleung Island showed better soundness and Jeju Island showed better absorption rate. Overall, Jeju Island showed better quality as aggregate. In addition, the alkaline aggregate reactivity test results showed that harmless aggregates existed in both area, but Ulleungdo volcanic rock was found to be more advantageous than Jeju Island volcanic rock. Aggregate quality testing is typically performed simply for each gravel, but even similar rocks can vary depending on their geological origin and mineral composition. Therefore, when evaluating and analyzing aggregate resources, it will be possible to use them more efficiently if the petrological-mineralological research is performed together.

Keywords aggregate, volcanitc rock, physical properties, aggregate quality, alkali aggregate reaction

제주도 및 울릉도에서 산출되는 화산암의 골재로서의 물성 특징

유병운 · 백철승* · 주계영

한국골재산업연구원 골재자원연구실

Received: February 25, 2024; Revised: March 25, 2024; Accepted: March 25, 2024

요 약

본 연구는 제주도-울릉도 일대에 분포하는 화산암을 대상으로 골재자원으로서의 물성 특징과 골재자원으로서의 골재품질을 평가하였다. 제주도 지역의 주요 구성 암석은 역암, 화산암 및 화산쇄설암 등이다. 역암은 용암 사이에 협재된 상태로 황적색 또는 회색의 이질퇴적암, 역암, 함각력역암으로 구성되어 있다. 화산암류는 화학성분에 따라 현무암, 조면현무암, 현무암질조면안산암, 조면안산암 및 조면암류로 분류된다. 층서별로 하부에서 상부 순서대로 서귀포층, 조면안산암, 조면현무암(Ⅰ), 현무암(Ⅰ), 조면현무암(Ⅱ), 현무암(Ⅱ), 조면현무암(Ⅲ, Ⅳ), 조면암, 조면현무암(Ⅴ, Ⅵ), 현무암(Ⅲ) 및 조면현무암(Ⅶ, Ⅷ)으로 구분된다. 울릉도 지역의 기반암은 현무암, 조면암, 조면암질 현무암 및 조면암질 안산암으로 구성되어 있으며, 일부 포놀라이트와 응회암질 쇄설성 화산퇴적암으로 구성되어 있다. 기반암들의 골재품질 평가요소로 안정성, 마모율, 흡수율, 절대건조밀도 및 알칼리 골재 반응도 등이 고려되었다. 연구지역의 화산암류의 골재품질 평가 결과 대부분 골재 품질기준을 만족하는 것으로 나타났으며, 지역별로 물성 특징 및 품질이 다르게 나타났다. 마모율과 절대건조밀도는 유사한 분포 범위를 갖고 있으나, 안정성은 울릉도가, 흡수율은 제주도가 좋은 결과를 보였다. 전체적으로 제주도가 골재로서 더 좋은 품질을 나타내었다. 또한, 알칼리 골재 반응성 시험 결과 전반적으로 두 지역 모두 무해한 골재로 나타났으나, 제주도보다 울릉도 화산암류가 더 양호한 것으로 분석되었다. 골재품질시험은 암석 자갈을 대상으로 개략적으로 수행되지만 유사한 암석이라도 생성환경 및 광물조성에 따라 달라질 수 있다. 따라서 골재자원의 품질을 평가, 분석할 때 광물-암석학적 연구를 병행한다면 더욱 효율적으로 활용이 가능할 것이다.

주요어 골재, 화산암, 물성특징, 골재품질, 알칼리 골재 반응

Research Highlights

  • Even similar rocks appear differently depending on their environment and mineral composition.

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

  • The aggregate physical quality of bedrock in the Jeju Island is better than that of the Ulleung Island, and the alkaline aggregate reactivity is slightly more stable in Ulleung Island.

1. 서론

골재는 자연 상태로 부존하는 암석, 모래 또는 자갈로서 건설자재의 기초재료로 쓰이는 천연자원이다. 또한,지질학적 및 지리적 특성에 따라 골재의 종류, 부존량 및산출 형태 등이 다양하게 나타난다. 국내 골재 자원은 80년대부터 건설경기의 상승에 따라 꾸준히 소비되어 부존량은 점차 감소하고 있으며, 대체재를 개발하는 것이 쉽지 않다. 특히, 제주도와 울릉도는 지질학적 및 지리적특성으로 인해 개발 면적이 제한적이고, 부존하는 암석의 종류도 한정적이며, 먼 운반거리로 인한 물류비용 상승으로 골재 수급에 어려움이 있다. 따라서, 제주도와 울릉도의 효율적인 골재 자원 확보와 순환골재의 활용을위해 기반암의 광물학적, 암석학적 및 지질공학적 특성을 파악할 필요가 있다.

골재로 활용되는 암석은 유사한 암종이라도 광물조성및 산출양상에 따라 다양한 물성특성을 나타내며, 골재품질에 많은 영향을 미친다. 제주도와 울릉도는 각각 한반도 남부와 동부에 섬으로 이루어져 있으며, 기반암의 대부분은 유사한 암종인 화산암류로 이루어져 있다. 따라서, 공간적으로 다른 유사한 암종을 대상으로 물성특성 및 골재품질 비교 연구를 하기에 적합한 지역이다(Fig. 1, Fig, 2).

Figure 1. Geological map of Jeju-do area(Modified from Park et al., 1998).

Figure 2. Geological map of Ulleung-do area(Modified from Hwang et al., 2012).

제주도의 골재자원에 관한 기존 연구는 순환골재를 대상으로 콘크리트 활성화, 친환경 콘크리트 활용 및 제도적 기초연구가 주를 이룬다. 제주도 현무암 골재를 활용한 중온 아스팔트 포장 적용에 관한 연구가 이루어졌으며(An et al., 2021), 제주도 현무암질 순환골재의 특성 및활용 가능성(Choi, 2021)이 보고된 바 있다. 또한, 제주도순환자원 및 현무암을 제주도 골재로서 활용하는 기술개발(KICT, 2020)관련 연구도 보고된 바 있다. 울릉도 지역은 2022년 골재자원조사를 통해 부존 현황이 보고된 바 있다(MOLIT, 2022).

그러나 기존 연구들은 콘크리트 건축물의 해체과정에서 발생하는 순환골재를 재활용하거나 활성화하는데 집중되고, 골재자원으로서 화산암에 대한 연구도 국한적으로 수행되었다. 골재의 품질은 암석학적 특성에 많은 영향을 받는 점을 고려하면, 기존의 연구들은 화산암의 지질학적 및 지질공학적 물성 특성에 대한 고찰이 부족한편이다. 따라서 제주도와 울릉도의 주요 기반암인 화산암류의 광물암석학적 연구를 통한 물성 특징 및 골재 품질을 비교하는 연구는 화산암류의 효율적인 골재자원의활용과 수급을 위한 기초자료로 활용 가치가 높다.

이 연구는 화산암의 골재자원으로서의 활용도를 고찰하기 위해, 제주도와 울릉도에서 산출하는 화산암류를 대상으로 현미경관찰과 X선회절분석을 실시하여 광물조성과 암석학적 특성을 고찰하였다. 또한, 화산암류의 골재품질을 판단하기 위해 흡수율(absorption), 절대건조밀도(absolute dry density), 마모율(resistance of abrasion), 안정성(soundness) 등 4개 항목을 분석하고, 알칼리 골재 잠재반응성 시험을 실시하여, 유사 암종의 지역별 품질대비 분포특성을 비교 고찰하였다.

2. 연구지역 및 지질개요

연구지역인 제주도는 한반도 남부에 섬으로 이루어진 지역으로 백록담을 중심으로 동서로 긴 형태로 형성되어있으며, 주요 구성 암석은 역암, 화산암 및 화산쇄설암등이다. 역암은 용암 사이에 협재된 상태로 황적색 또는회색의 이질퇴적암, 역암, 함각력역암으로 구성되어 있다.화산암류의 암종은 성분으로 분류하면, 현무암, 조면현무암, 현무암질조면안산암, 조면안산암 및 조면암류로 분류된다. 서귀포층은 현무암질 화산활동의 초기에 해당하는시기에 광범위하게 퇴적되었으며, 주로 역질사암, 사암,사질이암, 이암 및 유리질 쇄설암으로 구성되어 있다. 조면안산암은 소정방폭포, 정방폭포, 천지연 폭포를 구성하고 있는 암석으로 암질, 분포지, 형성시기 및 화학성분이서로 유사하다. 조면현무암(Ⅰ)은 성산읍 통오름에서 유래하여 삼달리 해안까지 분포하는 암석과 과오름에서 유래하여 곽지해수욕장으로 이어지는 응회암 주변에 분포하는 암석으로, 주변 응회암도 같은 시기에 형성된 응회암으로 분류된다. 현무암(Ⅰ)은 10~50cm 두께의 얇은 용암류가 복합적으로 형성된 암석으로 제주도 북측 해안을따라 분포한다. 조면현무암(Ⅱ)는 제주도 동측에 분포하며, 분석구 형성과 용암이 용출하여 스코리아와 용암이혼합된 양상으로 산출된다. 현무암(Ⅱ)는 다공질로 암회색 반상구조를 보이는 암석으로, 서귀포시 남원읍에서 성산읍까지 광범위하게 분포한다. 조면현무암(Ⅲ)는 흑갈색내지 흑적색을 나타내며, 다량의 각력과 스코리아 및 클링커를 함유하며, 휘석과 장석이 반정으로 함유되어 있는 용암괴가 혼재하고 외형이 불규칙하며 부분적으로 용암류 형태로 협재한다. 조면현무암(Ⅳ)은 대포동 주상절리를 구성하고 있으며, 성천포에서 월평동 해안을 따라약 3.5km의 연장 분포를 보인다. 크링커로 인해 표면이거칠거나 주상절리가 잘 발달되어 있다. 조면암은 한라산최정상부로부터 남측과 북측 방향에 산발적으로 분포하는암석으로 두께 약 30m의 용암류이다. 조면현무암(Ⅴ)은성널오름에서 유래한 암석으로 회색 내지 담회색을 띠며,소량의 기공이 함유되어 있다. 조면현무암(Ⅵ)은 한라산정상부 동측에서 유래하여 북측과 남측으로 발달하였는데, 회색 내지 암회색을 띠고 1~10mm 크기의 기공을 함유하고 있으며, 기공의 함량은 노두에 따라 큰 변화를 보인다. 현무암(Ⅲ)은 한라산 정상부로부터 북측 바다까지 발달하며, 회색 또는 암회색을 띤다. 또한, 노두에 따라1~10mm의 기공을 함유하며, 부분적으로 기공이 2cm 크기로 신장되어 있다. 조면현무암(Ⅶ)은 한라산 정상부에서 남단부 하원동 까지 분포하는 암석으로 약 1mm 내외의기공을 40%정도 함유하는 회색 내지 암회색 암석으로노두에 따라 변화가 큰 것이 특징이다. 조면현무암(Ⅷ)은제주도 최후기 화산활동에 의해 형성된 것으로 해석되며,회색 내지 암회색으로 치밀하며, 부분적으로 길게 신장된 기공을 포함한다. 또한, 다량의 각력을 함유하기도 하는데 용암괴가 불규칙하게 분포하며, 지표 가까이에서는흑갈색 내지 흑적색의 암색을 띠는 크링커 및 스코리아만 관찰되기도 한다(Park et al., 2000)(Fig. 1).

두 번째 연구지역인 울릉도는 동해 배호분지 해수면 위로 솟은 소규모 도서 및 암초로 이루어지며, 주로 화산암류로 구성되어 있다(Fig. 2). 울릉도와 관련된 지질학적 연구는 Harumoto (1970)의 화산활동사와 화산암류의암석학적 특성 연구를 기반으로 하고 있다. 울릉도 화산체의 대부분인 해수면 아래에 대해서는 잘 알려져 있지않지만, 지표에서 관찰되는 암층은 대부분 집괴암층으로 상부는 조면암질 용암층이 급경사의 산체를 이루며, 후기 조면암질 미고결 분출물층이 상부에 넓게 피복하고있다(Song et al., 2006). 지질층서는 크게 도동현무암질암류, 울릉층군, 성인봉층군과 나리층군 등의 4개 층군으로 구분할 수 있다. 울릉층군은 화산쇄설암류(3개 암층)과 상부 조면암질암류(7개 암층)로 구성되고 성인봉층군은 상부 조면암질암류(10개 암층)와 포놀라이트질암류(3개 암층)로, 나리층군은 칼데라형성 화산암류(2개 암층)와 조면안산암질암류(3개 암층)로 구성된다. 미고화퇴적층은 소규모로 분포하고 있지만, 나리층군보다는 상대적으로 크고 넓게 분포하고 있는 것이 특징이다(Hwang et al., 2012).

3. 연구방법

본 연구에서는 제주-울릉 일대에서 산출된 29개의 화산암류 시료를 현미경 관찰 및 XRD(X-Ray Diffraction)분석을 실시하고, 골재품질기준 물성시험 및 알칼리 골재 잠재 반응성 시험을 통해 골재의 활용도를 고찰하였다.

3.1. 광물동정

광물 동정은 제주도와 울릉도 일대에서 분포하는 다양한 화산암류를 대상으로 박편을 제작하고, XRD 분석을위해 적절히 분류하여 세부 광물 특성을 도출하였다. 현미경 관찰은 올림푸스사의 BX53P 편광현미경을 이용하여 광물 동정 및 광물 사진을 취득하였다. 또한, 현미경관찰 결과를 교차검증하기 위해 X선회절분석을 실시하였다. XRD분석은 한국지질자원연구원의 Philips사의 X’Pert MPD, PANalytical X’Pert3Powder을 이용하였다. X선의가속전압은 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 Highscore Plus와 Match! 프로그램을 이용하였다.

3.2. 골재물성분석

본 연구에 사용된 골재자원물성값은 한국지질자원연구원, 한국골재산업연구원 및 한국수자원공사에서 작성된제주도, 울릉도 골재자원보고서의 총 34개 시료의 골재품질기준 시험결과를 이용하였다. 제주도-울릉도 일대에서 산출하는 화산암류를 대상으로 안정성, 마모율, 흡수율 및 절대건조밀도를 분석하였다.

안정성은 KS F 2507에서 규정하는 골재의 안정성 시험방법과 KS F 2527 콘크리트용 골재 기준을 이용하였다. 황산소듐(Na2SO4) 포화 용액에 골재를 침수시키고 건조시키는 조작을 5회 반복한 후 시약에 의한 골재의 파손정도를 손실중량 백분율로 나타내었다. 마모율은 KS F 2508 규격에 따라 로스앤젤레스 시험기에 의한 방법(LA test)과 KS F 2527(콘크리트용 골재)을 기준으로 LA시험기에 골재 지름에 따라 15~20mm 및 20~25mm 크기의골재를 각각 2,500g 과 지정된 수량의 강구를 넣은 후 분당 30~33회의 속도로 1000회 회전시킨다. 이 후 시험전의 시료의 질량에서 시험 후 1.7mm 체에 남은 시료의 질량을 뺀 후 백분율로 나타내었다. 흡수율은 KS F 2503및 2054(굵은골재 및 잔골재의 밀도 및 흡수율 시험 방법)에 따라 충분히 건조된 시료를 물에 침수시킨 후 무게차이를 건조시료 무게에 대한 백분율로 계산하였다.

상기 분석결과를 정량적으로 분류하여 특성을 분석하고, 물성 특성을 박스수염그래프를 이용하여 도식화하여제주도와 울릉도 지역별로 분류하여 비교분석 하였다. 이를 활용하여 지역별 골재자원으로서의 특성 및 품질을분석하고 골재 적합도를 평가하였다.

3.3. 알칼리골재 잠재 반응성 분석

알칼리 골재 잠재 반응성 시험은 화학법으로 수행하였으며, KS F 2545 의 시험절차에 준하여 수행하였다. 1차로 20~60mm 크기로 반입된 시료들을 조크라샤를 이용하여 13~25mm 크기까지 파쇄 후 150~300μm 크기로 분쇄된시료를 사용하였다. 실험은 용기에 150~300μm 크기의 시료 25g과 1N NaOH 수용액을 넣고 80℃의 항온수조에안에서 24시간 동안 유지한 뒤에 추출한 반응용액을 1차희석하여 사용하였다. 용해실리카량 측정 방법은 질량법과 분광광도법이 사용되는데 본 연구에서는 용해실리카성분의 흡광도 측정을 위해 1차 희석된 용액을 2차 희석한 후 몰리브덴산암모늄용액, 염산 희석용액 및 옥살산용액을 가한 후 UV-VIS를 이용하여 410㎚ 파장 영역에서의 전달도를 측정하였다. 이때 전달도가 30% 미만 또는 50%를 초과한 경우 2차 희석비율을 조절하여 재측정하였다. 알칼리농도감소량 측정은 1차 희석용액 20㎖에페놀프탈레인 지시 용액을 넣은 후 0.05N 염산 표준용액을 사용하여 종말점까지 도달하는데 투입된 염산의 양을측정하였다. 측정을 통해 계산된 용해실리카량과 알칼리농도 감소량을 이용하여 알칼리 골재 잠재 가능성을 도시화 하였다.

4. 연구 결과 및 고찰

4.1. 지역별 산출양상 및 광물조성

이 연구에서 활용한 제주도의 화산암류는 한라산을 중심으로 지표를 피복하는 형태로 넓게 분포하고 있으며, 대부분 현무암과 조면현무암군에 해당한다(Fig. 1). 현무암과 조면현무암군은 마그마 기원의 염기성 고철질 암석으로 육안으로 구분하기 어려운 미립의 입자와 어두운색을 띠고 있다. 주 구성광물은 침상의 사장석과 알칼리장석이 기질을 이루며 전형적인 조면상 조직을 나타낸다.기질을 이루는 침상의 장석류들은 유리기류정질의 조직을 잘 나타내며, 2~3mm 내외의 칼스바드 쌍정을 보이는 사장석 결정이 관찰된다. 또한, 0.1mm 내외의 감람석 결정들이 기질 내에 반정상으로 나타나며, 일부 감람석 결정은 가장자리에서 정출 후 용융작용에 의해 융식구조를보인다. 현무암과 조면현무암에서 감람석이 관찰되는 빈도와 결정 크기에는 차이가 있으며, 일부 조면현무암에서는 불투명광물들 중 대부분이 티탄철석과 자철석으로,기질부 반정질의 결정들 사이에서 관찰된다(Fig. 3).

Figure 3. Photographs of Jeju-do volcanic rocks thin section(Left:Crossed nicol, Right:Opened nicol). Abbreviations: Andes=Andesite, Ol=Olivine, Mt=Magnetite.

울릉도 지역은 현무암, 조면암 및 포놀라이트 등 주로산출하는 암종을 대상으로 현미경 관찰을 통해 광물동정을 하였다. 주 구성광물은 알칼리 장석으로 기질부 대부분을 차지하고 있다. 알칼리 장석은 칼스바드 쌍정을 보이며, 주상 형태로 기질 내에 반정상으로 산출된다. 기질부는 침상의 알칼리 장석과 미정질의 입자들이 유리기류정질의 조직을 형성하고 있다. 또한, 소량의 감람석 결정들이 관찰되기도 한다. 일부 알칼리 장석들이 집합체를이루며 취반상 조직을 보이기도 하며, 0.2mm 내외의 휘석류 결정들이 소량 관찰된다. 일부 사장석 결정에서는누대구조를 나타내기도 한다. 현무암에서는 자형의 사장석 결정이 잘 관찰되며, 침상의 사장석 결정들로 구성된기질부 내에 0.1mm 내외의 휘석과 소량의 방비석과 하석 결정들이 반정으로 관찰되기도 한다(Fig. 4).

Figure 4. Photographs of Ulleung-do volcanic rocks thin section(Left:Crossed nicol, Right:Opened nicol). Abbreviations: Andes=Andesine, Sa=Sanidine, Ol=Olivine, Px=Pyroxene.

제주도와 울릉도 일대에서 채취한 화산암류 29개 시료의 광물조성을 현미경 관찰 결과와 비교 분석하기 위해X선 회절분석을 실시하였다(Table 1 and 2). 광물조성 대부분은 현미경에서 관찰된 광물과 일치하였으며, 미립의입자로 관찰된 흑운모, 백운모 등이 분석되었다. 또한, 녹니석, 백운모 및 가빈사이트(gobbinsite) 등 변질광물들도소량 분석되었다. 제주도 시료에서는 안데신(andesine),단사휘석(augite), 새니딘(sanidine)이 주구성광물로 분석되었으며, 사장석인 안데신의 비율이 가장 높게 나타났다. 반면에 울릉도에서는 주구성광물이 알칼리 장석인 새니딘과 사장석인 안데신으로 나타났으며, 새니딘 함량이더 높게 분석되었다.

Table 1 . Mineral contents of Jeju-do Volcanic rocks analyzed from XRD(X-Ray Diffraction).

SampleAndesineAugiteSanidineForsteriteMagnetiteIlmeniteTotal
JJ-0153.518.612.17.85.92.1100.0
JJ-0259.114.511.88.75.50.4100.0
JJ-0352.821.79.88.26.50.999.9
JJ-0461.310.816.13.17.41.3100.0
JJ-0552.620.49.48.37.22.099.9
JJ-0657.413.418.05.84.60.8100.0
JJ-0743.320.317.010.96.91.6100.0
JJ-0856.715.015.96.44.81.3100.1
JJ-0958.99.418.65.35.72.2100.1
JJ-1051.721.38.411.96.70.1100.1
JJ-1153.419.113.38.24.02.0100.0
JJ-1253.914.814.67.57.61.6100.0
JJ-1353.112.516.210.27.30.7100.0


Table 2 . Mineral contents of Ulleung-do Volcanic rocks analyzed from XRD(X-Ray Diffraction).

SampleSanidineAndesineMagnetiteAnalcimeNephelineBiotiteAugiteHorn blendeIlmeniteChloriteGobbin siteApatiteMusco viteTotal
UL-0160.237.32.4trtr99.9
UL-0258.126.12.49.72.90.8100.0
UL-0351.528.73.85.810.2100.0
UL-0455.838.31.64.3100.0
UL-0558.832.31.47.5100.0
UL-0786.73.17.13.2100.1
UL-0853.144.42.5100.0
UL-0966.025.62.26.2100.0
UL-1058.437.02.62.0100.0
UL-1171.420.51.46.50.2100.0
UL-1247.931.91.918.3100.0
UL-1357.840.41.8100.0
UL-1460.834.23.12.0100.1
UL-1597.61.90.5100.0
UL-1650.09.213.918.63.15.199.9
UL-1758.37.113.110.21.410100.1


4.2. 지역별 물성특성 및 골재품질 평가

제주-울릉일대에서 산출되는 화산암류의 34개 시료의물성특성을 ‘국토교통부 시행령 제930호 순환골재 품질인증 및 관리에 관한 규칙’에 명시된 품질시험기준에서4개 항목을 기준으로 비교 분석하였다(Fig. 5; Table 3).

Table 3 . Evaluation of Jeju and Ulleung Area Volcanic rocks on the parameters of Aggregate quality assessment.

Jeju-doUlleung-do
SampleSoundnessResistance of abrasionAbsorptionAbsolute dry densitySampleSoundnessResistance of abrasionAbsorptionAbsolute dry density
JJ-012.0022.701.072.67UL-010.6021.801.442.52
JJ-021.8018.900.862.76UL-020.4026.502.602.35
JJ-037.4033.201.782.47UL-031.1028.404.332.31
JJ-041.9025.701.302.71UL-040.4017.801.022.54
JJ-05-16.7031.502.632.42UL-050.3019.201.302.51
JJ-05-22.1020.700.942.79UL-071.9024.903.652.33
JJ-061.7016.100.822.82UL-080.4020.401.372.51
JJ-072.0019.400.872.83UL-090.8037.202.922.40
JJ-082.1021.501.292.70UL-100.7025.701.682.48
JJ-092.5023.401.172.71UL-110.5024.802.082.44
JJ-102.4026.601.102.66UL-120.5018.301.562.46
JJ-111.8017.300.552.81UL-130.7026.102.412.44
JJ-12-12.9022.200.822.83UL-141.1026.204.982.25
JJ-12-28.4042.203.852.22UL-150.6024.903.812.21
JJ-137.1036.502.222.39UL-161.2026.703.502.48
JJ-143.7024.801.042.74UL-171.6016.404.162.37
JJ-151.7018.400.662.84
JJ-162.2014.200.692.84
Avg.3.3624.181.312.68Avg.0.8024.082.682.41
Max.8.4042.203.852.84Max.1.9037.204.982.54
Min.1.7014.200.552.22Min.0.3016.401.022.21


Figure 5. Box and Whisker plot diagram of aggregate physical properties of Jeju-Ulleung volcanic rocks.

안정성은 KS F 2507(골재의 안정성 시험방법)에서 규정하는 황산소듐(Na2SO4)시약을 이용하여 손실중량을 백분율로 나타내는 지표이다. 시험법은 황산소듐 결정압에의한 파괴작용에 대한 저항성을 나타내는 것으로 안정성값이 낮을수록 저항성이 높은 것을 의미한다(MOLIT, 2022; Jeon, 2021). 지역별 분포범위는 제주도 1.70~8.40%,울릉도 0.3~1.90%로 나타났다(Fig. 5-1). 제주도와 울릉도 모두 잔골재 품질기준인 10% 미만으로 안정성 품질기준에 적합한 것으로 나타났으며, 평균 안정성은 3.36%인 제주도에 비해 0.80%로 나타난 울릉도가 더 좋은 것으로 나타났다.

마모율은 풍화도에 많은 영향을 주는 요소로 굵은 골재의 품질기준에만 적용하는 물성이다(Min et al., 1996).지역별 마모율 분포범위는 제주도는 14.20~42.20%로 나타났으며, 울릉도는 16.40~37.20%로 나타났다(Fig. 5-2).제주도에서 1개의 시료가 굵은 골재의 품질 기준인 40%를 충족하지 못하였으며, 울릉도 시료에서도 1개의 시료가 이상치를 보였다. 다만, 울릉도 1개 시료는 부순골재의 품질기준인 40%에는 미치지 못하였지만, 굵은 골재의 품질 기준에는 충족하였다. 나머지 시료는 모두 마모율 품질기준에 적합한 것으로 나타났으며, 두 지역의 평균 마모율은 유사하게 나타났다.

흡수율은 제주도가 0.55~3.85%, 울릉도는 1.02~4.98%의 분포 범위를 나타냈다(Fig. 5-3). 지역별 흡수율에서는제주도는 1개 울릉도는 6개의 시료가 품질기준인 3% 미만을 충족시키지 못하였다. 평균 흡수율은 제주도가 1.31%,울릉도가 2.68%로 울릉도가 다소 높게 나타났다. 흡수율은 골재시료가 함유하는 수분의 양을 백분율로 나타내는수치로 구성광물에 따라 달라진다. 예를 들면, 흡수율은장석 및 운모류에서 생성되는 점토광물과 같은 친수성광물의 함량이 많을 경우 상승한다(Murray, 1991). 울릉도 지역의 기반암에서는 제주도와 다르게 XRD 분석결과 방비석(analcime)이나 가빈사이트(gobbinsite)와 같은점토광물이 산출되어, 흡수율에 영향을 주어 높게 나타난 것으로 판단된다.

지역별 절대건조밀도는 제주도가 2.22~2.84g/cm3이고,울릉도가 2.21~2.54g/cm3 로 나타났다(Fig. 5-4). 두 지역모두 화산암류로 구성된 기반암으로 구성광물이 거의 유사하지만, 절대건조밀도에서 울릉도에서 산출되는 화산암류의 대부분은 대체로 낮은 절대건조밀도 값을 나타내었다. 평균 절대건조밀도는 제주도가 2.68g/cm3, 울릉도가2.41g/cm3로 나타났다. 울릉도에서 채취된 시료의 대부분은 골재품질기준인 2.5g/cm3에 적합하지 않은 것으로 나타났다. 이에 반해 제주도에서 채취된 시료는 1개를 제외한 모든 시료가 골재품질기준에 적합한 절대건조밀도값을 나타내었다. 절대건조밀도는 골재의 간극을 제외한골재 자체의 밀도를 나타내는 것으로(Lee et al., 2021)분포하는 기반암이 유사한 화산암류로 이루어져 있지만,공간적으로 다른 제주도와 울릉도의 특성을 비교해볼 수있는 요소이다.

종합적으로 판단할 때, 제주도 화산암류의 골재품질은대체로 기본 기준을 충족하나, 지역별로 골재품질시험 결과값에서 마모율을 제외하고는 다른 경향을 나타냈다. 흡수율에서는 점토광물의 함량이 높은 울릉도에서 더 높은결과를 보였으며, 절대건조밀도에서는 고철질 암석인 현무암류가 주를 이룬 제주도에서 더 높은 결과값을 나타냈다. 또한, 안정성에서는 연구지역 모두 골재품질기준에적합한 것으로 나타났으나, 분포양상은 다르게 나타났다.전체적인 평균 품질은 울릉도보다 제주도가 우수한 품질을 보이는 것으로 분석되었다.

4.3. 지역별 알칼리 골재 잠재 반응성 분석

제주도와 울릉도에서 산출하는 화산암류의 알칼리 골재반응 시험결과를 ASTM C 289 유해성 판정 기준도표및 JIS A 5308에서 제시된 기준을 이용하여 도표에 도시하여 비교 분석 하였다(Fig. 6; Table 4).

Table 4 . Alkali aggregates reactivity result of Jeju and Ulleung area.

Jeju-doUlleung-do
SampleDissolved SiO2 (mmol/L)(Sc)Reduction in Alkalinity (mmol/L)(Rc)Rate of change in LengthSampleDissolved SiO2 (mmol/L)(Sc)Reduction in Alkalinity (mmol/L)(Rc)Rate of change in Length
JJ-0159.70121.210.49UL-019.4073.090.13
JJ-0248.0097.970.49UL-0213.10287.630.05
JJ-0346.9098.670.47UL-0322.60258.990.09
JJ-04181.10207.320.87UL-0474.0085.240.87
JJ-05199.40204.600.97UL-0578.9089.510.88
JJ-0681.10144.030.56UL-0781.10426.070.19
JJ-0787.40128.930.68UL-0850.30103.210.49
JJ-0826.3028.580.92UL-0989.1096.990.92
JJ-09176.60195.030.91UL-1036.30103.490.35
JJ-1050.3091.560.55UL-1118.0096.820.19
JJ-11118.90153.250.78UL-1257.70171.080.34
JJ-12101.40188.120.54UL-1389.10113.960.78
JJ-1374.60144.220.52UL-1456.30284.280.2
UL-1558.90141.520.42
UL-1619.10240.050.08
UL-1761.10328.470.19
Avg.96.28138.730.67Avg.50.94181.280.39
Max.199.40207.320.97Max.89.10426.070.92
Min.26.3028.580.47Min.9.4073.090.05


Figure 6. Alkali aggregate reactivity standard diagram for identify of Jeju and Ulleung volcanic rocks.

알칼리 골재 반응 시험은 골재에 포함된 반응성 실리카가 시멘트의 알칼리성분인 Na+와 K+ 등이 pH가 높은환경에서 경화된 콘크리트 공극 용액 속에 존재하면서 ‘팽창성 반응겔(gel)’을 생성하는 반응정도를 평가하는 시험이다. 이러한 팽창성 반응겔은 수분과 만나게 되면 팽창이 발생하여 콘크리트 강도에 영향을 주어 균열, 분화 등과 같은 현상을 유발한다(Hasan, 2020). JIS A 5308 기준으로 Sc≥10mmol 이고, Rc<700mmol 일때 Rc≤Sc 이면 유해 잠재성 골재로 분류되며, ASTM C 289 : Standard Test Method for Potential Alkali-Silica Reactivity of Aggregates (Chemical Method) 기준에 따르면 용해실리카량이 80~100mmol 이상이며 상대적으로 알칼리농도감소량이 낮으면, 알칼리골재 잠재가능성이 있거나 해로운골재로 분류한다(Owsiak, 2014, Bukhari, 2019).

제주도와 울릉도에서 산출하는 화산암류 대부분은 무해한 골재에 해당하는 것으로 나타났다. 다만, 제주도 시료중에서 5개의 시료가 각각 용해실리카양(Sc)이 181.1mmol, 199.4mmol, 176.6mmol, 118.9mmol, 101.4mmol으로 나타나고, 알칼리농도감소율(Rc)가 207.32mmol, 204.6mmol, 195.03mmol, 153.25mmol, 188.12mmol 로 나타나며, ASTM C 289 기준으로 유해 잠재 가능성이 있는 것으로나타났다. 하지만, JIS A 5308 기준을 적용하면 Sc/Rc의비율이 0.87, 0.97, 0.91, 0.78, 0.54로 무해한 골재로 분류되었다. 평균 용해실리카양(Sc)은 제주도가 96.28mmol이고 울릉도는 50.94mmol로 나타났으며, 평균 알칼리농도감소율(Rc)은 제주도가 138.73mmol 이고, 울릉도는181.28mmol로 나타났으며, 길이변화율(Sc/Rc)은 제주도가 0.67, 울릉도가 0.39로 나타났다.

일반적으로 화산암류는 지표로 분출시 급격하게 냉각되면서, 비정질 실리카와 은미정질의 석영들이 함유되게된다. 알칼리 골재 반응은 결정질 실리카의 경우 규칙적이고 질서정연한 격자구조를 갖고 있어 결정표면에서만알칼리와 반응을 일으키는 반면, 비정질 실리카에서는 불규칙적인 실리카 격자 구조로 인해 알칼리 이온 표면 뿐만 아니라, 내부에까지 침투하여 반응하기 때문에 반응속도가 빨라져 안정성에 문제를 일으킬 가능성이 커진다(Yang, 1997).

종합적으로, 제주도와 울릉도지역의 대부분은 무해한골재로 분류되지만, 주요 기반암들이 화산암류로 이루어져 있어 비정질 실리카의 함량이 높게 나타날 수 있다.따라서, 골재로 활용되는 기반암의 경우 다양한 시료를대상으로 광물조성과 경하에서 유리질로 관찰되는 비정질 실리카의 산출양상을 면밀히 관찰하고 분석되야 한다.일부 제주도 시료는 ASTM C 289 기준에서 유해 잠재가능성있는 골재로 분류 되었으며, 평균적으로 울릉도 지역의 화산암류가 알칼리 골재 반응성 시험결과 양호한편으로 나타났다.

5. 결론

이 연구에서는 공간적으로 다르지만 기반암의 종류가 유사한 제주도와 울릉도의 화산암류를 대상으로 광물동정을 하고 골재품질시험 항목과 알칼리 골재 반응성에따라 비교 고찰하였다. 그리고 제주도와 울릉도 화산암류의 골재로서 적합도와 물성특성을 제시하였다.

제주도의 화산암류는 주로 대부분 현무암과 조면현무암군에 해당하며, 주 구성광물은 얇고 긴 형태를 나타내는 침상의 사장석과 단사휘석 및 알칼리 장석이 기질을이루며 전형적인 조면상 조직을 나타낸다. 일부 감람석결정들이 융식구조를 보이며, 기질내에 반정상으로 관찰된다.

울릉도 지역의 화산암류는 현무암, 조면암 및 포놀라이트 등이 관찰되며, 주 구성광물은 알칼리 장석인 새니딘과 사장석인 안데신이 기질부 대부분을 채우고 있다.알칼리 장석은 칼스바드 쌍정을 보이며 주상으로 기질내에 반정상으로 산출되며, 기질부는 침상의 장석류와 은미정질의 유리질입자들로 구성된다. 침상의 사장석 결정들로 구성되는 기질부 내에 0.1mm 내외의 휘석과 소량의 방비석과 하석 결정들이 반정으로 관찰되기도 한다.

골재품질시험 결과를 지역별로 비교 분석한 결과 제주도와 울릉도 기반암인 화산암류 대부분이 골재품질기준에 적합하였으며, 지역별로 물성특성 분포범위는 다르게나타났다. 마모율에서는 유사한 분포범위를 갖고 있으며,안정성에서는 울릉도가 제주도 보다 안정한 것으로 나타났으나 두 지역 모두 골재품질기준에는 적합한 것으로나타났다. 흡수율과 절대건조밀도에서는 제주도가 품질이 더 좋은 것으로 분석되었으며, 지역별로 분포 범위는다르게 나타났다. 전체적인 평균 품질은 울릉도보다 제주도가 우수한 품질을 보이는 것으로 분석되었다.

알칼리 골재 반응성 시험결과 평균 용해실리카양(Sc)및 평균 알칼리농도감소율(Rc) 모두 울릉도가 더 좋은 결과를 나타내었으며, 또한, 평균 길이변화율(Sc/Rc)도 제주도가 0.67, 울릉도가 0.39로 울릉도 화산암류가 더 무해한 골재로 분석되었다. 다만, 연구지역의 주요 기반암이 비정질 실리카를 함유하는 화산암류로 구성되어 있어,골재로 활용되는 기반암은 알칼리 골재 반응성에 대한정밀한 시험과 세밀한 광물학적 관찰 및 연구가 수반되어야 한다.

골재자원의 품질시험 결과는 시료 전처리 과정 등 여러 요인에 의해 기술적 편차를 받을 수 있지만, 원암의광물암석학적 특징을 고려해야 할 필요가 있다. 본 연구에서 제주도와 울릉도를 대상으로 지역별 골재로서의 물성 특성 및 골재 품질을 제시하였지만, 암종의 물성특성은 암종의 지질구조, 생성환경 및 구성광물에 따라 매우다양하게 나타난다. 예를 들면, 화산암류인 현무암류에서조면암류로 나타날수록 SiO2의 함량이 증가하여 알칼리골재 반응성이 증가하거나, 함철광물의 함량이 증가함에따라 산화로 인해 마모율 및 안정성에 영향을 줄 수 있다. 또한, 본 연구결과처럼 형성환경이 유사하거나 같은화산암류임에도 불구하고 물성특성이 다르게 나타날 수있다. 따라서, 정확한 골재자원의 품질을 평가하기 위해서는 다양한 지점에서 충분한 시료가 확보되어야 하며,면밀한 광물암석학적 연구가 병행되는 것이 효과적일 것이다.

사사

Korea Agency for Infrastructure Technology Advancement (KAIA) grant funded by the Ministry of Land, Infrastructure and Transport (RS-2022-00143644) & Ministry of Land, Infrastructure and Transport “Aggregates Resource Survey and Management Project”.

Fig 1.

Figure 1.Geological map of Jeju-do area(Modified from Park et al., 1998).
Economic and Environmental Geology 2024; 57: 205-217https://doi.org/10.9719/EEG.2024.57.2.205

Fig 2.

Figure 2.Geological map of Ulleung-do area(Modified from Hwang et al., 2012).
Economic and Environmental Geology 2024; 57: 205-217https://doi.org/10.9719/EEG.2024.57.2.205

Fig 3.

Figure 3.Photographs of Jeju-do volcanic rocks thin section(Left:Crossed nicol, Right:Opened nicol). Abbreviations: Andes=Andesite, Ol=Olivine, Mt=Magnetite.
Economic and Environmental Geology 2024; 57: 205-217https://doi.org/10.9719/EEG.2024.57.2.205

Fig 4.

Figure 4.Photographs of Ulleung-do volcanic rocks thin section(Left:Crossed nicol, Right:Opened nicol). Abbreviations: Andes=Andesine, Sa=Sanidine, Ol=Olivine, Px=Pyroxene.
Economic and Environmental Geology 2024; 57: 205-217https://doi.org/10.9719/EEG.2024.57.2.205

Fig 5.

Figure 5.Box and Whisker plot diagram of aggregate physical properties of Jeju-Ulleung volcanic rocks.
Economic and Environmental Geology 2024; 57: 205-217https://doi.org/10.9719/EEG.2024.57.2.205

Fig 6.

Figure 6.Alkali aggregate reactivity standard diagram for identify of Jeju and Ulleung volcanic rocks.
Economic and Environmental Geology 2024; 57: 205-217https://doi.org/10.9719/EEG.2024.57.2.205

Table 1 . Mineral contents of Jeju-do Volcanic rocks analyzed from XRD(X-Ray Diffraction).

SampleAndesineAugiteSanidineForsteriteMagnetiteIlmeniteTotal
JJ-0153.518.612.17.85.92.1100.0
JJ-0259.114.511.88.75.50.4100.0
JJ-0352.821.79.88.26.50.999.9
JJ-0461.310.816.13.17.41.3100.0
JJ-0552.620.49.48.37.22.099.9
JJ-0657.413.418.05.84.60.8100.0
JJ-0743.320.317.010.96.91.6100.0
JJ-0856.715.015.96.44.81.3100.1
JJ-0958.99.418.65.35.72.2100.1
JJ-1051.721.38.411.96.70.1100.1
JJ-1153.419.113.38.24.02.0100.0
JJ-1253.914.814.67.57.61.6100.0
JJ-1353.112.516.210.27.30.7100.0

Table 2 . Mineral contents of Ulleung-do Volcanic rocks analyzed from XRD(X-Ray Diffraction).

SampleSanidineAndesineMagnetiteAnalcimeNephelineBiotiteAugiteHorn blendeIlmeniteChloriteGobbin siteApatiteMusco viteTotal
UL-0160.237.32.4trtr99.9
UL-0258.126.12.49.72.90.8100.0
UL-0351.528.73.85.810.2100.0
UL-0455.838.31.64.3100.0
UL-0558.832.31.47.5100.0
UL-0786.73.17.13.2100.1
UL-0853.144.42.5100.0
UL-0966.025.62.26.2100.0
UL-1058.437.02.62.0100.0
UL-1171.420.51.46.50.2100.0
UL-1247.931.91.918.3100.0
UL-1357.840.41.8100.0
UL-1460.834.23.12.0100.1
UL-1597.61.90.5100.0
UL-1650.09.213.918.63.15.199.9
UL-1758.37.113.110.21.410100.1

Table 3 . Evaluation of Jeju and Ulleung Area Volcanic rocks on the parameters of Aggregate quality assessment.

Jeju-doUlleung-do
SampleSoundnessResistance of abrasionAbsorptionAbsolute dry densitySampleSoundnessResistance of abrasionAbsorptionAbsolute dry density
JJ-012.0022.701.072.67UL-010.6021.801.442.52
JJ-021.8018.900.862.76UL-020.4026.502.602.35
JJ-037.4033.201.782.47UL-031.1028.404.332.31
JJ-041.9025.701.302.71UL-040.4017.801.022.54
JJ-05-16.7031.502.632.42UL-050.3019.201.302.51
JJ-05-22.1020.700.942.79UL-071.9024.903.652.33
JJ-061.7016.100.822.82UL-080.4020.401.372.51
JJ-072.0019.400.872.83UL-090.8037.202.922.40
JJ-082.1021.501.292.70UL-100.7025.701.682.48
JJ-092.5023.401.172.71UL-110.5024.802.082.44
JJ-102.4026.601.102.66UL-120.5018.301.562.46
JJ-111.8017.300.552.81UL-130.7026.102.412.44
JJ-12-12.9022.200.822.83UL-141.1026.204.982.25
JJ-12-28.4042.203.852.22UL-150.6024.903.812.21
JJ-137.1036.502.222.39UL-161.2026.703.502.48
JJ-143.7024.801.042.74UL-171.6016.404.162.37
JJ-151.7018.400.662.84
JJ-162.2014.200.692.84
Avg.3.3624.181.312.68Avg.0.8024.082.682.41
Max.8.4042.203.852.84Max.1.9037.204.982.54
Min.1.7014.200.552.22Min.0.3016.401.022.21

Table 4 . Alkali aggregates reactivity result of Jeju and Ulleung area.

Jeju-doUlleung-do
SampleDissolved SiO2 (mmol/L)(Sc)Reduction in Alkalinity (mmol/L)(Rc)Rate of change in LengthSampleDissolved SiO2 (mmol/L)(Sc)Reduction in Alkalinity (mmol/L)(Rc)Rate of change in Length
JJ-0159.70121.210.49UL-019.4073.090.13
JJ-0248.0097.970.49UL-0213.10287.630.05
JJ-0346.9098.670.47UL-0322.60258.990.09
JJ-04181.10207.320.87UL-0474.0085.240.87
JJ-05199.40204.600.97UL-0578.9089.510.88
JJ-0681.10144.030.56UL-0781.10426.070.19
JJ-0787.40128.930.68UL-0850.30103.210.49
JJ-0826.3028.580.92UL-0989.1096.990.92
JJ-09176.60195.030.91UL-1036.30103.490.35
JJ-1050.3091.560.55UL-1118.0096.820.19
JJ-11118.90153.250.78UL-1257.70171.080.34
JJ-12101.40188.120.54UL-1389.10113.960.78
JJ-1374.60144.220.52UL-1456.30284.280.2
UL-1558.90141.520.42
UL-1619.10240.050.08
UL-1761.10328.470.19
Avg.96.28138.730.67Avg.50.94181.280.39
Max.199.40207.320.97Max.89.10426.070.92
Min.26.3028.580.47Min.9.4073.090.05

References

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Apr 30, 2024 Vol.57 No.2, pp. 107~280

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Economic and Environmental Geology

pISSN 1225-7281
eISSN 2288-7962
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