석조문화재에서 나타나는 박리현상의 발생메커니즘과 염수용액에 의한 화학적 풍화와 관련된 그 원인을 연구하였다. 박리편에 대하여 화학적, 광물학적, 물리적 분석을 수행하여 함유하고 있는 대표적인 염이 석고임을 밝혔다. 염의 작용을 이해하기 위하여 석고와 더불어 용해도가 상이한 황산나트륨을 공극율이 다른 응회암과 화강암에 처리하였다. $Na_2SO_4$ 처리와 인공풍화를 거친 암석시료들의 모세관물흡수율은 약간 증가하였는데 이는 이 염에 의해 암석의 표면가까이에만 변화가 있었음을 의미한다. Na2SO4는 암석의 표면공극내에서 결정화가 일어나 수화압과 결정압을 발생하여 얇은 박리를 형성하는 것으로 보인다. $CaSO_4{\cdot}2H_2O$는 상대적으로 암석의 내부로 깊이까지 들어가서 집적되므로 집적되는 양이 $Na_2SO_4$ 보다 더 많고, 표면에 집적되는 양보다 내부에 집적되는 양이 많아 물흡수량이 증가하는 결과를 보이는 것이며, 이러한 성질로 인하여 암석에 두꺼운 박리가 야기될 것으로 판단된다. 암석종에 따른 변화에서는 응회암의 경우, 큰 공극율과 높은 모세관물흡수율로 인하여 암석 내부의 깊이까지 들어가서 염이 집적하게 되므로 화강암에 비해 염집적율이 더 크고, 이에 따른 물흡수율이 커서 화강암에 비해 두꺼운 박리현상이 나타날 것으로 보인다. 이에 비해 공극율과 모세관물흡수율이 낮은 화강암에서는 표면부위에서 집중적으로 염의 집적이 일어나서 얇은 박리가 발생하는 것으로 판단된다.
석조문화재에서 나타나는 박리현상의 발생메커니즘과 염수용액에 의한 화학적 풍화와 관련된 그 원인을 연구하였다. 박리편에 대하여 화학적, 광물학적, 물리적 분석을 수행하여 함유하고 있는 대표적인 염이 석고임을 밝혔다. 염의 작용을 이해하기 위하여 석고와 더불어 용해도가 상이한 황산나트륨을 공극율이 다른 응회암과 화강암에 처리하였다. $Na_2SO_4$ 처리와 인공풍화를 거친 암석시료들의 모세관물흡수율은 약간 증가하였는데 이는 이 염에 의해 암석의 표면가까이에만 변화가 있었음을 의미한다. Na2SO4는 암석의 표면공극내에서 결정화가 일어나 수화압과 결정압을 발생하여 얇은 박리를 형성하는 것으로 보인다. $CaSO_4{\cdot}2H_2O$는 상대적으로 암석의 내부로 깊이까지 들어가서 집적되므로 집적되는 양이 $Na_2SO_4$ 보다 더 많고, 표면에 집적되는 양보다 내부에 집적되는 양이 많아 물흡수량이 증가하는 결과를 보이는 것이며, 이러한 성질로 인하여 암석에 두꺼운 박리가 야기될 것으로 판단된다. 암석종에 따른 변화에서는 응회암의 경우, 큰 공극율과 높은 모세관물흡수율로 인하여 암석 내부의 깊이까지 들어가서 염이 집적하게 되므로 화강암에 비해 염집적율이 더 크고, 이에 따른 물흡수율이 커서 화강암에 비해 두꺼운 박리현상이 나타날 것으로 보인다. 이에 비해 공극율과 모세관물흡수율이 낮은 화강암에서는 표면부위에서 집중적으로 염의 집적이 일어나서 얇은 박리가 발생하는 것으로 판단된다.
The mechanism of stone exfoliation and its cause in relation to chemical weathering by soluble salt were studied. Chemical, mineralogical and physical analysis was performed in exfoliation samples from stone monuments. The representative salt is gypsum in the exfoliation samples. In order to underst...
The mechanism of stone exfoliation and its cause in relation to chemical weathering by soluble salt were studied. Chemical, mineralogical and physical analysis was performed in exfoliation samples from stone monuments. The representative salt is gypsum in the exfoliation samples. In order to understand the salt reaction, stone samples(tuff and granite) were treated with two type of the salt, gypsum and sodium sulfate, which have different solubility. The capillary water uptakes are slight increased in impregnated with Na2SO4 and weathering simulation of two rock types. It means that the rock is deteriorated in the near of the surface by $Na_2SO_4$. $CaSO_4{\cdot}2H_2O$ bring out the thicker exfoliation than $Na_2SO_4$ because it is penetrated into the deeper zone and amount of accumulated salt is more abundant in the inner part than in the near of the surface. The exfoliation was formed in the tuff by salt treatment and 30cycle of weathering simulation, but there are not significant symptoms of exfoliation in the granite by same condition. This result was caused by the different capillary water uptakes and porosity of the rocks. In the tuff, salt solutions are penetrated into the inner part due to its high capillary water uptakes and porosity but the granite, which has low value relatively, can be formed thinner exfoliation.
The mechanism of stone exfoliation and its cause in relation to chemical weathering by soluble salt were studied. Chemical, mineralogical and physical analysis was performed in exfoliation samples from stone monuments. The representative salt is gypsum in the exfoliation samples. In order to understand the salt reaction, stone samples(tuff and granite) were treated with two type of the salt, gypsum and sodium sulfate, which have different solubility. The capillary water uptakes are slight increased in impregnated with Na2SO4 and weathering simulation of two rock types. It means that the rock is deteriorated in the near of the surface by $Na_2SO_4$. $CaSO_4{\cdot}2H_2O$ bring out the thicker exfoliation than $Na_2SO_4$ because it is penetrated into the deeper zone and amount of accumulated salt is more abundant in the inner part than in the near of the surface. The exfoliation was formed in the tuff by salt treatment and 30cycle of weathering simulation, but there are not significant symptoms of exfoliation in the granite by same condition. This result was caused by the different capillary water uptakes and porosity of the rocks. In the tuff, salt solutions are penetrated into the inner part due to its high capillary water uptakes and porosity but the granite, which has low value relatively, can be formed thinner exfoliation.
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문제 정의
국내 석조문화재의 박리부위를 분석하여 함유하고 있는 대표 염성분을 규명한 후 암석시료에 직접적으로 처리하여 일어나는 현상을 연구하였다.
박리가 발생하고 있는 석조문화재의 박리부위가 함유하고 있는 염성분을 규명하고, 규명된 염성분을 암석시료에 처리하여 나타나는 변화를 관찰하여 박리의 생성메카니즘을 밝히는 것이 본 연구의 목적이다.
본 연구에서는 석조문화재 표면 박리현상 원인 중의 하나인 염성분의 작용 메카니즘을 다루고자 한다. 박리가 발생하고 있는 석조문화재의 박리부위가 함유하고 있는 염성분을 규명하고, 규명된 염성분을 암석시료에 처리하여 나타나는 변화를 관찰하여 박리의 생성메카니즘을 밝히는 것이 본 연구의 목적이다.
제안 방법
박리부위가 함유하고 있는 수용성 염성분을 분석하기 위하여 시료를 분말화하여 무게를 측정한 후 일정량의 증류수에 넣어 녹아 나온 이온을 측정하였다. Cl- , NO3- 과 SO42- 등의 음이온은 DIONEX사의 DX-500 이온크로마토그래프를 이용하였으며 Na+ , Ca2+, Mg2+ 및 K+ 등 양이온은 ICP-AES (SHIMADZU/ICPS-1000Ⅳ)를 사용하여 분석하였다.
수용성 염이 박리현상에 미치는 영향을 알아보기 위하여 우리나라 석조문화재 박리부위에서 가장 흔히 검출되는 석고를 물흡수율이 다른 화강암과 응회암 두 종류의 암석에 처리하였다. 물에 낮은 용해도(0.2g/100ml 물, 20℃)를 보이는 석고와 더불어 이에 상반되게 높은 용해도를 지닌 황산나트륨(5g/100ml 물, 20℃)을 동시에 처리하여 염의 용해도에 따른 박리형성과정을 연구하였다. 처리된 염수용액의 농도는 석조문화재 박리시료에서 일반적으로 검출되는 값을 취하려 하였으나, 앞의 분석결과에서 나타난 바와 같이 석고의 경우 석조문화재에서는 매우 높은 농도로 검출되고 있지만 물에 대한 석고 자체의 용해도를 고려하여 최대값인 0.
육안, 실체, 편광현미경과 주사전자현미경을 이용한 조직 관찰을 통하여 석조문화재 박리부위의 기본적인 데이터를 분석하며, 광물학적 특징을 이해하기 위하여 X선회절분석(Rigaku RINT2200, 분석조건 40kV/30mA의 CuKα선)을 실시하였다. 박리부위가 함유하고 있는 수용성 염성분을 분석하기 위하여 시료를 분말화하여 무게를 측정한 후 일정량의 증류수에 넣어 녹아 나온 이온을 측정하였다. Cl- , NO3- 과 SO42- 등의 음이온은 DIONEX사의 DX-500 이온크로마토그래프를 이용하였으며 Na+ , Ca2+, Mg2+ 및 K+ 등 양이온은 ICP-AES (SHIMADZU/ICPS-1000Ⅳ)를 사용하여 분석하였다.
석조문화재의 박리부위에 함유된 염성분의 연구를 통해 주요 원인으로 파악된 CaSO4∙2H2O와 Na2SO4를 이용하여 화강암(경주 남산주변에서 채취)과 응회암(경주 감포주변에서 채취)으로 제작된 시편에 수용액 상태로 처리한 후에 인공풍화를 통해 박리를 발생시켰다. 시편은 직사각형 형태(5×2×7cm)로 암석의 종류에 따른 차이를 살펴보기 위하여 화강암과 응회암 2종의 암석으로 제작하였다.
수용성 염이 박리현상에 미치는 영향을 알아보기 위하여 우리나라 석조문화재 박리부위에서 가장 흔히 검출되는 석고를 물흡수율이 다른 화강암과 응회암 두 종류의 암석에 처리하였다. 물에 낮은 용해도(0.
시편은 직사각형 형태(5×2×7cm)로 암석의 종류에 따른 차이를 살펴보기 위하여 화강암과 응회암 2종의 암석으로 제작하였다.
시편은 직사각형 형태(5×2×7cm)로 암석의 종류에 따른 차이를 살펴보기 위하여 화강암과 응회암 2종의 암석으로 제작하였다. 암석시편을 0.2% CaSO4∙2H2O와 5% Na2SO4 수용액에 각각 넣고 1시간씩 진공으로 함침시킨 후 60℃에서 30분간 건조시킨 후 무게를 측정하였다. 염을 6회 처리한 후의 무게는 60℃에서 30분 건조시킨 후 실온에서 24시간 유지한 다음 측정하였다.
육안, 실체, 편광현미경과 주사전자현미경을 이용한 조직 관찰을 통하여 석조문화재 박리부위의 기본적인 데이터를 분석하며, 광물학적 특징을 이해하기 위하여 X선회절분석(Rigaku RINT2200, 분석조건 40kV/30mA의 CuKα선)을 실시하였다.
이들 염이 작용하여 발생되는 박리현상을 연구하기 위하여 석고와 황산나트륨을 응회암과 화강암에 집적시키고, 인공풍화시킨 후 얻은 결과를 토대로 다음과 같은 결론을 도출하였다.
이러한 현상이 나타나는 상황을 이해하기 위하여 시료암석의 성질을 분석하였으며, 염을 처리하기 전 시편의 물흡수도, 공극률, 참밀도, 겉보기밀도를 측정하여 표 5에 정리하였다.
2g/100ml 물, 20℃)를 보이는 석고와 더불어 이에 상반되게 높은 용해도를 지닌 황산나트륨(5g/100ml 물, 20℃)을 동시에 처리하여 염의 용해도에 따른 박리형성과정을 연구하였다. 처리된 염수용액의 농도는 석조문화재 박리시료에서 일반적으로 검출되는 값을 취하려 하였으나, 앞의 분석결과에서 나타난 바와 같이 석고의 경우 석조문화재에서는 매우 높은 농도로 검출되고 있지만 물에 대한 석고 자체의 용해도를 고려하여 최대값인 0.2%를 취하였으며, 황산나트륨도 20℃에서의 포화용액으로 제조하여 처리하였다.
염을 6회 처리한 후의 무게는 60℃에서 30분 건조시킨 후 실온에서 24시간 유지한 다음 측정하였다. 함침 중간에 실시한 건조는 완전 건조를 목적으로 한 것이 아니라 재함침이 가능한 선까지 건조시키기 위한 것으로 마지막 6회에선 최종적으로 시편에 포함된 염의 %를 구하기 위해 무게가 일정해진 후에 24시간까지 건조시켰다. 인공풍화용 기상프로그램은 2006년 포항지역 기상관측 자료10를 기준으로 제작되었으며, 온습도에 따른 CaSO4∙2H2O와 Na2SO4 상태변화의 특성을 고려하여 설정하였다.
대상 데이터
석조문화재 박리부위에서 관찰되는 이물질과 박리편을 채취하였다. 문화재인 점을 감안하여 이탈이 되고 있는 부위에서 채취하였으며 가능한 소량을 취하였다.
성능/효과
5% Na2SO4, 0.2% CaSO4∙2H2O가 처리된 응회암과 화강암 시편(각각 5점씩) 내부에 집적된 염의 양(wt.%)은 암석의 종류에 상관없이 CaSO4∙2H2O가 Na2SO4 보다 높 았으며, 염의 종류에 상관없이 응회암의 경우 화강암에 비해 2배 이상의 염이 집적되었다(표 6).
2% CaSO4∙ 2H2O로 처리한 시료의 경우, 처리되지 않은 원암석에 비해 1시간동안 모세관물흡수량이 꾸준히 증가하였고, 물이 침투한 깊이가 원시료에 비해 2배 이상 높게 측정되었으며, 처음 30초 동안 물이 침투한 깊이가 처리전 시료에서 1시간 동안 침투한 깊이와 유사한 값을 보였다. 5% Na2SO4로 처리된 시료에서는 처음 2분 동안 물흡수량이 급속하게 증가하다가 그 이후부터의 상승세는 완만해졌다. 물이 침투한 깊이는 원시료의 1.
CaSO4∙2H2O로 처리한 응회암의 모세관물흡수도는 Na2SO4로 처리된 것에서 보다 더 큰 값으로 증가하였으며, 처리되지 않은 원암석에 비해 모세관물흡수량이 꾸준히 증가하였고, 물의 침투깊이가 원시료에 비해 2배 이상 높게 측정되었다.
나타난 결과를 먼저 살펴보면, Na2SO4와 CaSO4∙2H2O 염용액으로 처리된 화강암과 응회암 암석시편을 인공풍화시험기를 이용한 풍화실험을 실시한 결과, 5% Na2SO4로 처리된 응회암시료에서 30회 풍화시험 후에 박리가 발생되었으며, 0.2% CaSO4∙2H2O4, 30cycle을 처리한 시료에서도 박리 전단계에 발생하는 균열과 박리 현상이 관찰되었으나, 화강암에서는 100회 풍화시험 후에도 관찰되지 않았다(그림 4).
박리시편과 그 이물질이 함유하고 있는 광물성분을 XRD로 분석한 결과, 암석 구성광물과 상이한 석고가 대부분의 시료에서 검출되어 위의 화학분석 결과 도출된 Ca와 S는 CaSO4∙2H2O에서 기인한 성분임이 확인되었다(그림 2). 이외에 감은사지삼층석탑(서탑) 박리부위에서 용출된 염의 광물성분에서는 석고 이외에 테나다이트 (Na2SO4)를 비롯한 기타 광물을9 , 분황사석탑의 박리부위 에서는 석고와 방해석이 검출되었다고 보고한 바11 있어 박리부위에 형성된 광물은 석조문화재에 따라 다르기는 하나 석고가 거의 대부분 형성되어 있음을 알 수 있다.
석조문화재에 따라 상이한 이온성분이 검출되었으며, 동일한 석조문화재에서도 검출된 양에서 차이를 보였다. 분황사석탑, 경천사십층석탑, 영주가 흥리마애삼존불, 감은사지삼층석탑(서탑), 봉감모전오층 석탑, 개심사지오층석탑 등 석조문화재 박리부위에서 검출된 이온들에서 공통적으로 높은 성분은 Ca2+와 SO42-로 이들 성분은 황산칼슘화합물을 형성할 수 있으며, 박리부위에서 검출된 이온성분들 중 상관관계가 높은 것들을 토대로 형성가능한 염은 질산나트륨, 황산나트륨, 염화칼륨과 질산칼슘 등 다수이다(표 4).
석조문화재 박리부위에서 검출된 염성분은 문화재에 따라 달랐으나 분석결과, 문화재에 가장 보편적으로 형성되어 있는 것은 석고였고, 이외에 질산나트륨, 황산나트륨, 염화칼륨과 질산칼슘 등 다수가 분석되어 이들 염이 박리에 영향을 미치는 요소로 판단된다.
응회암에서는 황산나트륨보다 석고가 더 많이 집적되는 결과를 보였고, 화강암에서는 염의 종류에 상관없이 소량씩 집적되었다. 암석시편내부에 집적된 염의 양은 암석의 종류에 상관없이 CaSO4∙2H2O가 Na2SO4 보다 높았으며, 염의 종류에 상관없이 응회암의 경우 화강암에 비해 2배 이상의 염이 집적되었다. CaSO4∙2H2O로 처리한 응회암의 모세관물흡수도는 Na2SO4로 처리된 것에서 보다 더 큰 값으로 증가하였으며, 처리되지 않은 원암석에 비해 모세관물흡수량이 꾸준히 증가하였고, 물의 침투깊이가 원시료에 비해 2배 이상 높게 측정되었다.
염수용액 0.2% CaSO4∙2H2O로 처리한 응회암시편 5점의 평균 모세관물흡수도는 1.10(염처리전 시편 5점의 평균값)에서 1.68kg/m2h1/2로 증가하였으며, 5% Na2SO4로 처리된 5점의 시편은 1.35kg/m2h1/2로 측정되어 처리전 시편에(시편 5점의 평균값 1.33kg/m2h1/2) 비해 증가되었으나, 0.2% CaSO4∙2H2O로 처리된 시료가 더 증가된 모세관물흡수율을 보였다.
08kg/m2h1/2)해 약간 증가되었다. 염처리를 한 화강암 시편 5점의 모세관물흡수속도는 0.2% CaSO4∙2H2O로 처리했을 때 평균 모세관물흡수속도가 0.24(처리전)에서 0.25cm/h1/2 (처리후)로 변화하여 원암에 비해 약간 증가하였으며, 5% Na2SO4로 처리된 경우는 0.68cm/h1/2로 측정되어 처리전 시편(0.63)에 비해 증가되었다.
2% CaSO4∙2H2O로 처리된 시료가 더 증가된 모세관물흡수율을 보였다. 염처리를 한 후 응회암 시편 5점의 모세관물흡수속도는 0.2% CaSO4∙ 2H2O로 처리했을 때 평균 모세관물흡수속도가 0.72(처리전)에서 0.68cm/h1/2(처리후)로 변화하여 원암에 비해 감소하였으며, 5% Na2SO4로 처리된 경우에도 0.82cm/h1/2로 측정되어 처리전 시편(0.85)에 비해 약간 감소되었다.
시간에 따라 변화되는 모세관물흡수량과 물흡수속도를 그림 6, 7에 도시하였다. 응회암에서는 0.2% CaSO4∙ 2H2O로 처리한 시료의 경우, 처리되지 않은 원암석에 비해 1시간동안 모세관물흡수량이 꾸준히 증가하였고, 물이 침투한 깊이가 원시료에 비해 2배 이상 높게 측정되었으며, 처음 30초 동안 물이 침투한 깊이가 처리전 시료에서 1시간 동안 침투한 깊이와 유사한 값을 보였다. 5% Na2SO4로 처리된 시료에서는 처음 2분 동안 물흡수량이 급속하게 증가하다가 그 이후부터의 상승세는 완만해졌다.
응회암에서는 황산나트륨보다 석고가 더 많이 집적되는 결과를 보였고, 화강암에서는 염의 종류에 상관없이 소량씩 집적되었다. 암석시편내부에 집적된 염의 양은 암석의 종류에 상관없이 CaSO4∙2H2O가 Na2SO4 보다 높았으며, 염의 종류에 상관없이 응회암의 경우 화강암에 비해 2배 이상의 염이 집적되었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
박리현상을 발생시키는 여러 원인 중 암석표면에 형성된 염이 중요한 원인이라 판단되는 사례는?
박리현상을 발생시키는 여러 원인이 논의되고 있는 가운데 암석표면에 형성된 염이 그 중요 원인이 될 수 있음이 보고되고 있다. 석회암으로 구성된 독일 작센주 프라이베르그 Tulpenkanzel 교회돔에서 박리현상이 심각하게 나타나고 있음이 보고되었으며, 여기에는 염이 주원인으로 작용하고 있음을 밝혔다.1 국외의 연구에서 드물게 화강암의 박리현상을 다룬“Salt System on Granitic Monuments (Braga-NW Portugal)”연구에서 암석표면의 염은 암석의 표면을 박리시키며 또한 입상분해시키는 것으로 보고하였으며, 박리가 발생한 부위의 대부분에서는 석고성분이 검출되었다고 하였다.
박리현상이란 무엇인가?
박리현상은 일반적으로 석조문화재에서 나타나는 주요 훼손현상중의 하나이다. 오랜 시간 외부환경과 직접적으로 접하게 되는 석조문화재의 표면에서는 다양한 형태의 박리현상이 나타난다.
전국 국가지정석조문화재를 대상으로 실시한 우리나라의 석조문화재 현황조사는 언제부터 언제까지 이루어졌는가?
2001년도에서 2005년도까지 전국 국가지정석조문화재를 대상으로 실시한 우리나라의 석조문화재 현황조사에서도 박리현상이 빈번히 관찰되는 손상형태로 보고되었으며7 , 박리부위에서는 그림 1에서 보는 바와 같이 백색, 갈색 또는 흑색등의 색을 띄는 다양한 이물질이 관찰되고 있다. 이러한 물질은 박리현상과 중요한 관련이 있는 것 들로 판단되며, 염성분에 의해 박리현상이 발생하고 있음을 다룬 논문들이 발표되고 있다.
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