광물의 용해속도는 기후에 따라 지역적인 차이는 있으나, 일반적으로 화강암을 구성하는 광물중 장석류의 풍화속도가 다른 광물에 비해 비교적 빠르기 때문에 파손 정도는 장석의 안정성에 지배된다. 지구화학적 반응 모델링 결과, 강우에 의해서 화강암이 변질되는데 걸리는 시간은 다른 변수를 고려하지 않고 pH만을 고려한 pH=4.5인 산성수내에서의 변질속도와 비교할 때 일반적인 빗물(pH=5.7)보다 약 2.3배 더 빠른 것으로 계산되었다. 이러한 결과는 화강암질 석조문화재의 보존에 있어서 pH가 중요한 요소로 작용할 수 있음을 의미한다. 석조문화재의 풍화를 억제하기 위해서는 암석의 풍화특성이 우선적으로 규명되어야 하며, 가수분해, 산 반응 등의 화학적 풍화작용은 물과의 접촉에 의해 이루어지므로 물을 차단하기 위하여 발수코팅, 오일코팅 또는 건조환경을 조성하는 방안을 고려해야 할 것이다. 세척제와 생물방제를 이용할 시는 빗물이나 화강암과의 장기적 반응을 고려하여 중성화작용과 환원성 환경이 형성될 수 있는 재질의 선택이 매우 중요하다.
광물의 용해속도는 기후에 따라 지역적인 차이는 있으나, 일반적으로 화강암을 구성하는 광물중 장석류의 풍화속도가 다른 광물에 비해 비교적 빠르기 때문에 파손 정도는 장석의 안정성에 지배된다. 지구화학적 반응 모델링 결과, 강우에 의해서 화강암이 변질되는데 걸리는 시간은 다른 변수를 고려하지 않고 pH만을 고려한 pH=4.5인 산성수내에서의 변질속도와 비교할 때 일반적인 빗물(pH=5.7)보다 약 2.3배 더 빠른 것으로 계산되었다. 이러한 결과는 화강암질 석조문화재의 보존에 있어서 pH가 중요한 요소로 작용할 수 있음을 의미한다. 석조문화재의 풍화를 억제하기 위해서는 암석의 풍화특성이 우선적으로 규명되어야 하며, 가수분해, 산 반응 등의 화학적 풍화작용은 물과의 접촉에 의해 이루어지므로 물을 차단하기 위하여 발수코팅, 오일코팅 또는 건조환경을 조성하는 방안을 고려해야 할 것이다. 세척제와 생물방제를 이용할 시는 빗물이나 화강암과의 장기적 반응을 고려하여 중성화작용과 환원성 환경이 형성될 수 있는 재질의 선택이 매우 중요하다.
Dissolution rate of minerals may differ from climates configuration, but weathering rate of feldspars is generally proved to be relatively higher The result of geochemical reaction modeling indicates the acid water of pH 4.5 excluding any other variables, was 2.3 times higher than that in ordinary r...
Dissolution rate of minerals may differ from climates configuration, but weathering rate of feldspars is generally proved to be relatively higher The result of geochemical reaction modeling indicates the acid water of pH 4.5 excluding any other variables, was 2.3 times higher than that in ordinary rain of pH 5.7. This result proved that pH is very important factor in preservation of granite cultural properties. To prevent the weathering of stone cultural properties, weathering characteristics of stones should be studied first and constitution of dry environments, using water repellent or oil coating, isolating water which cause chemical weathering reaction like hydration and oxidization should be considered. Considering the long-term reactions between granite and rain, selection of materials, which can bring neutralization and non-oxidization conditions, are very important in using cleaning agents and biological controls.
Dissolution rate of minerals may differ from climates configuration, but weathering rate of feldspars is generally proved to be relatively higher The result of geochemical reaction modeling indicates the acid water of pH 4.5 excluding any other variables, was 2.3 times higher than that in ordinary rain of pH 5.7. This result proved that pH is very important factor in preservation of granite cultural properties. To prevent the weathering of stone cultural properties, weathering characteristics of stones should be studied first and constitution of dry environments, using water repellent or oil coating, isolating water which cause chemical weathering reaction like hydration and oxidization should be considered. Considering the long-term reactions between granite and rain, selection of materials, which can bring neutralization and non-oxidization conditions, are very important in using cleaning agents and biological controls.
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문제 정의
이 연구는 우리나라 석조물의 주된 재료인 화강암의 화학적 풍화작용에 있어서 물/암석비와 수소이온의 농도(산성도)에 따른 풍화 반응의 특 성과 반응속도에 대하여 검토하였다. 또한, 화강암- 빗물 및 산성수(산성토양수와 산성비) 상호반응에 대한 반응경로 모델링 연구를 수행하고, 풍화특성에 따른 석조문화재의 손상요인과 메카니즘을 파악하였다.
가설 설정
빗물에 의한 석조문화재의 풍화는 비가 내리는 동안은 암석이 젖어 있지만 비가 그친 후에는 표면은 쉽게 증발되고 내부로 스며든 빗물은 대기의 조건과 암석의 물리적 성질에 따라 체류시간이 결정된다. 따라서 완전한 화학적 평형 상태를 가정하는 반응 경로 모델링을 적용하는 데는 제약성이 있으나, 이 연구에서는 pH의 변화에 따른 풍화 특성과 화강암 질 석재의 파손 속도를 파악하기 위하여 평형 상태를 가정하고 반응경로 모델링을 적용하였다.
제안 방법
그러나 풍화작용에 의해 형성된 풍화산물이 미세한 지구화학적 환경 변화를 야기함에 따라 매우 복잡한 양상을 띤다. pH의 변화에 따른 화강암 질 석재의 상대적인 파손 속도를 해석하기 위하여, 화강암 질 석재의 풍화속도는 Ca-사장석을 고려하여 Helgeson et al. (1984)에 의해 구해진 장석 의 용해속도 중 최대값(I。"' mol/crS/sec)을 적용하였으며, 반응면적은 고려하지 않았다.
이 연구는 우리나라 석조물의 주된 재료인 화강암의 화학적 풍화작용에 있어서 물/암석비와 수소이온의 농도(산성도)에 따른 풍화 반응의 특 성과 반응속도에 대하여 검토하였다. 또한, 화강암- 빗물 및 산성수(산성토양수와 산성비) 상호반응에 대한 반응경로 모델링 연구를 수행하고, 풍화특성에 따른 석조문화재의 손상요인과 메카니즘을 파악하였다. 반응 경로 모델링에 의한 풍 화반응 특성연구결과는 석조문화재의 보존을 위한 풍화억제 기술 개발과 처리 방법의 평가에 유용한 자료를 제공할 것이다.
, 1988; 박맹언 등, 2000; 성규열등, 2002; Park and Sung, 2002).이 연구에서는 pH의 변화에 따른 화강암의 풍화 특성과 화강암 질 석재의 파손 속도를 규명하기 위하여 화강암-빗물 반응 및 -산성수(토양수와 산성비) 반응을 각각의 조건에 따라 프로그램 SOLVEQ와 CHILLER (Reed, 1982)를 이용하여 반응경로 모델링을 실시하였다. 빗물에 의한 석조문화재의 풍화는 비가 내리는 동안은 암석이 젖어 있지만 비가 그친 후에는 표면은 쉽게 증발되고 내부로 스며든 빗물은 대기의 조건과 암석의 물리적 성질에 따라 체류시간이 결정된다.
지구 화학 반응 경로 모델링은 일정량의 화강암을 강우와 산성수에 단계적으로 적정(컴퓨터에 입력된 열역학적 데이터를 이용한 가상반응)시킨 결과로서, 매 단계마다 완전한 화학적 평형상태에 도달하도록 연속적으로 실행하였다. 반응광물의 적정 단계에서 하나의 반응광물 이 용액 내에서 포화될 때 그 광물의 적정은 중단되지만, 다른 광물종의 적정은 지속되는 조건으로 실행하였다.
이론/모형
그러므로 이때 계산된 카올리나이트의 함량은 화강암의 풍화작용에 의한 것으로 해석될 수 있다. 반응 경로 모델링에 이용된 초기 빗물은 Sanusi et al. (1996)에 의해 보고된 평균 화학 조성을 본 연구에 적합하도록 SOLVEQ (Reed, 1982)로 수정하였으며, 화강암의 성분은 익산석(한국자원연구소, 1993)의 성분을 이용하였다 (표 1).
성능/효과
화강암 질 석조 문화재는 풍화반응이 진행됨에 따라 수소이온 활동도는 점차 감소하며 (pH의 증가), 화강암-빗물상호반응에 따른 이차 생성물의 침전량은 pH의 변화와 수용액 내양이온 의 농도 변화에 의해 지배되었다. 모델링 결과에서 반응이 진행됨에 따라 침철석, 카올리나이트, 비정질의 실리카(amorphous silica) 등의 순으로 2차 생성물이 침전됨을 보여준다. 반응 초기 흑운모로부터 용해된 Fe2+는 산화반응을 거쳐 침철석(FeOOH)을 형성하였다.
후속연구
또한, 화강암- 빗물 및 산성수(산성토양수와 산성비) 상호반응에 대한 반응경로 모델링 연구를 수행하고, 풍화특성에 따른 석조문화재의 손상요인과 메카니즘을 파악하였다. 반응 경로 모델링에 의한 풍 화반응 특성연구결과는 석조문화재의 보존을 위한 풍화억제 기술 개발과 처리 방법의 평가에 유용한 자료를 제공할 것이다.
석조문화재의 풍화를 억제하기 위해서는 암석의 풍화 특성이 우선적으로 규명되어야 하며, 가수 분해, 산 반응 등의 화학적 풍화작용은 물과의 접촉에 의해 이루어지므로 물을 차단하기 위하여 발수코팅, 오일 코팅 또는 건조환경을 조성하는 방안을 고려해야 할 것이다. 파손된 석조물의 보수를 위하여 사용되는 시멘트나 석고(특수 시멘트 포함) 등은 빗물과의 접촉시 가수 분해 반응과 산반응에 의해 지나치게 pH가 증가되거나 감소되어 광물의 용해도를 증가시킬 수 있어 적합하지 않은 재료로 평가된다.
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