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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 우선 경주지역 강우의 산성도를 측정하여 이와 동일한 산성도를 띄는 인공비를 제작하고, 경주지역 석조문화재에 주로 이용된 경주남산화강암에 적용하는 임상연구를 통하여, 산성비에 의해 발생되는 경주지역 석조 문화재의 손상을 직접적으로 확인하며 그 손상메커니즘을 도출하고자 한다.
- 산성비가 석조문화재에 끼치는 영향을 알아보기 위하여 경주지역 강우의 산성도와 함유이온성분을 바탕으로 다양한 산성도의 강우를 제작하여, 경주지역 석조문화재 대표적인 구성 화강암인 경주남산화강암(알칼리장석화강암)에 적용하고, 경주지역 온습도변화를 적용한 인공풍화시험을 거쳐 그 풍화형태를 관찰하였다. 이와 더불어 경주지역 석조문화재의 보수에 대량으로 사용되었던 시멘트몰탈이 산성비에 의해 손상되는 양상과 암석의 손상에 미치는 영향을 살펴보기 위해서 시멘트몰탈을 시료로 제작하여 검토하였다.
제안 방법
- 강우와 인공풍화시험 적용 후 시편의 구성광물 조성과 화학조성 변화를 조사하기 위하여 시험 전과 후에 X-선회절분석법을(포항가속기, 8C2 고분해능 분말회절 빔라인) 이용하여 시편의 구성 광물조성을 분석하였으며, 이온크로마토그래피법으로 시편에 함유된 이온성분을 분석하였다. 산성비에 의해 암석으로부터 이탈된 입자의 광물조성을 살펴보기 위하여 X-선회절분석법으로 조사 하였다.
- 경주남산화강암으로 구성된 석조문화재와 보수 물질로 사용된 시멘트몰탈의 산성비에 의한 풍화 형태 및 손상 메커니즘 규명을 위하여 인공강우와 인공풍화시험을 적용한 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 산성비에 의해 암석으로부터 이탈된 입자의 광물조성을 살펴보기 위하여 X-선회절분석법으로 조사 하였다. 더불어 시험편과 반응한 후 변화된 인공강우의 산성도와 성분변화를 조사하여 인공강우로 인한 시편의 변화를 연구하였다.
- 산성비가 석조문화재에 끼치는 영향을 알아보기 위하여 경주지역 강우의 산성도와 함유이온성분을 바탕으로 다양한 산성도의 강우를 제작하여, 경주지역 석조문화재 대표적인 구성 화강암인 경주남산화강암(알칼리장석화강암)에 적용하고, 경주지역 온습도변화를 적용한 인공풍화시험을 거쳐 그 풍화형태를 관찰하였다. 이와 더불어 경주지역 석조문화재의 보수에 대량으로 사용되었던 시멘트몰탈이 산성비에 의해 손상되는 양상과 암석의 손상에 미치는 영향을 살펴보기 위해서 시멘트몰탈을 시료로 제작하여 검토하였다.
- 산성비에 의한 암석의 변화를 짧은 시간 안에 관찰하기 위하여 온습도변화에 의한 인공풍화시험을 거쳐 시험을 가속화하였으며, 인공풍화만을 3회를 실시한 후 인공강우와 인공풍화 동시적용 3회 순으로 하여 인공풍화시험을 총 85회 시행하였다. 인공풍화시험에 적용된 온도와 습도는 경주지역에서 측정된 데이터를 기반으로 하였으며, 그 기상프로그램은 표 1에 나타내었다.
- 성인 pH 8.0 등 경주지역의 석조문화재가 접할수 있는 산성비를 제작하였다. 측정된 경주지역 강우의 구성이온성분을 바탕으로 인공강우의 이온성분을 구성하였으며 측정값의 최대값을 기준으로 제작하였다(표 4).
- 시편들을 각 시험방법을 적용하기 전, 중간, 이후의 무게를 측정하여 그 변화값을 조사하였으며, 색차계(CM-2600d, Japan)를 이용하여 색도변화를 측정하였다. 초음파측정기를(PUNDIT Plus with exponential probe TX-RX) 이용하여 시험적용 전후 시료의 초음파속도변화를 조사하고 이 값을 일축압축강도로 환산하여 강도의 변화를 살펴보았다.
- 인공강우 제작을 위해서 경주시내와 감포에서 강우를 포집하여 그 산성도와 구성이온성분을 측정하였으며 그 결과를 표 2와 3에 나타내었다.
- 인공강우와 인공풍화시험에 따른 암석의 광물조성변화를 살펴보기 위하여 광물조성분석을 x선회절분석을 통해 실시하였다(그림 5). 경주남산 화강암의 구성광물은 석영과 정장석, 사장석이주성분이며, 흑운모가 소량 함유되어 있는 것으로 분석되었다.
- 인공강우와 인공풍화시험에 의해 시편에서 분리된 입자의 광물조성을 미소부 X-선회절분석기를 통해 분석하였다(그림 6). 경주남산화강암이 pH 4.
- 인공강우와 인공풍화에 따른 시편의 강도변화를 살펴보기 위하여 비파괴법인 초음파속도를 측정한 후 아래의 경험식에 대입하여 일축압축강도를 추정하였다.
- 산성비에 의한 암석의 변화를 짧은 시간 안에 관찰하기 위하여 온습도변화에 의한 인공풍화시험을 거쳐 시험을 가속화하였으며, 인공풍화만을 3회를 실시한 후 인공강우와 인공풍화 동시적용 3회 순으로 하여 인공풍화시험을 총 85회 시행하였다. 인공풍화시험에 적용된 온도와 습도는 경주지역에서 측정된 데이터를 기반으로 하였으며, 그 기상프로그램은 표 1에 나타내었다.
- 5 cm)로 제작된 시편 3개씩에 적용하였다. 주사기를 이용하여 시료가 충분히 젖을 수 있는 일정량의 강우를 적용하였다.
- 시편들을 각 시험방법을 적용하기 전, 중간, 이후의 무게를 측정하여 그 변화값을 조사하였으며, 색차계(CM-2600d, Japan)를 이용하여 색도변화를 측정하였다. 초음파측정기를(PUNDIT Plus with exponential probe TX-RX) 이용하여 시험적용 전후 시료의 초음파속도변화를 조사하고 이 값을 일축압축강도로 환산하여 강도의 변화를 살펴보았다.
- 0 등 경주지역의 석조문화재가 접할수 있는 산성비를 제작하였다. 측정된 경주지역 강우의 구성이온성분을 바탕으로 인공강우의 이온성분을 구성하였으며 측정값의 최대값을 기준으로 제작하였다(표 4).
- 인공강우와 인공풍화에 따른 시편의 색상변화를 색차계로 측정하여 표 6에 나타내었다. 측정의 오류를 피하기 위해 측정지점을 표시해두고 방향과 모든 측정조건을 동일하게 준 다음 처리전 후 측정하였다. 표시된 L*a*b* 색좌표에서 L*는 명도를, a*, b*는 색의 방향을 의미한다.
대상 데이터
- 경주지역 강우의 산성도와 구성성분을 조사하기 위하여 경주시내권과 포항에 근접한 경주지역에 강우포집장치를 설치하여 산성도와 성분측정을 위한 초기 강우와 후기 강우를 채취하였다. pH meter를 이용하여 강우의 산성도를 측정하였으며 이온성분분석을 위하여 이온크로마토그래피 법을 이용하였다.
- 산성도를 맞춘 인공강우를 큰 크기(2 × 5 × 10 cm)와 작은 크기(2 × 2 × 0.5 cm)로 제작된 시편 3개씩에 적용하였다.
이론/모형
- 경주지역 강우의 산성도와 구성성분을 조사하기 위하여 경주시내권과 포항에 근접한 경주지역에 강우포집장치를 설치하여 산성도와 성분측정을 위한 초기 강우와 후기 강우를 채취하였다. pH meter를 이용하여 강우의 산성도를 측정하였으며 이온성분분석을 위하여 이온크로마토그래피 법을 이용하였다.
- 강우와 인공풍화시험 적용 후 시편의 구성광물 조성과 화학조성 변화를 조사하기 위하여 시험 전과 후에 X-선회절분석법을(포항가속기, 8C2 고분해능 분말회절 빔라인) 이용하여 시편의 구성 광물조성을 분석하였으며, 이온크로마토그래피법으로 시편에 함유된 이온성분을 분석하였다. 산성비에 의해 암석으로부터 이탈된 입자의 광물조성을 살펴보기 위하여 X-선회절분석법으로 조사 하였다. 더불어 시험편과 반응한 후 변화된 인공강우의 산성도와 성분변화를 조사하여 인공강우로 인한 시편의 변화를 연구하였다.
성능/효과
- 6 강우와 반응한 후 31wt.% 증가하여 가장 큰 변화를 보였다. pH 8.
- 1) 경주지역에서 포집한 강우의 산성도는 2005년에 시내권에서는 pH 4.93∼5.90, 울산권에서는 pH 5.62∼6.39에 이르는 약산성을 띠고는 있으나 산성비의 임계값인 pH 5.6 이하의 값을 보이기도 하므로 경주지역은 산성비 영향권에 있다고 할 수 있다.
- 2) 경주남산화강암과 보수물질인 시멘트몰탈을 인공강우와 인공풍화시험을 85회 진행시킨 결과, 암석과 반응한 약산성비와 약알칼리성비는 중성으로 변화하였다. 강우의 중화는 암석 구성성분의 용해에 의해 일어난 것으로 판단되며, 산성비에 의해 시멘트몰탈은 쉽게 용해되는 것으로 밝혀졌는데 산성과 반응할 성분이 풍부한 점과 시멘트몰탈의 큰 공극율이 그 효과를 배가시키는 것으로 보인다.
- 3) 인공강우와 인공풍화시험을 진행하는 동안 시멘트몰탈이 가장 큰 무게변화를 보였으며 산성비에서보다 약알칼리성 강우에서 더 감소되었으며, 경주남산화강암은 약간 줄었다.
- 4) 인공강우와 인공풍화를 거친 경주남산화강암의 초음파속도는 뚜렷한 변화를 나타내지 못하였으며, pH 4.0 강우와 반응한 후 약간의 감소를 보였다. 불균일한 내부구조를 지닌 시멘트몰탈의 초음파측정결과도 산성이 강한 강우와 반응한 시료의 강도변화가 가장 큰 것으로 나타나고 있으며, 약알칼리성 강우와 접촉한 시편의 강도도 적지만 감소된 값으로 계산되었다.
- 5) 석조문화재 보수물질인 시멘트몰탈은 강우에 의해 용해된 성분이 보수의 원목적과는 달리 역효과를 보일 것으로 판단된다. 시멘트몰탈 내부로 유입된 강우에 의해 구성성분이 용해되고 이온성분이 강우에 함유되어 흘러내리면서 석조 문화재 구성암석을 거쳐 내려오면 이 용해된 성분이 석조문화재의 내부로 재유입되어 암석 구성 광물의 해리를 촉진하기 때문이다.
- 6) 인공강우와 인공풍화시험을 거친 시편들이 함유하는 수용성 이온성분들을 분석한 결과, 처리전 시료에 비해 강우를 접한 시편들에서 월등히 높은 이온성분이 검출되었으며, 이는 구성광물의 용해에서 주로 기인된 것으로 보인다.
- 85회 시험을 마친 후 측정된 시편의 함수율은 경주남산화강암과 시멘트몰탈시료에서 모두 변화를 보였다(그림 3). 경주남산화강암에서의 변화는 적었으나 pH 4.
- 시멘트몰탈의 탈락물질은 강우의 pH에 따라 다르게 분석되었다. pH 4.0 강우와 반응한 후에는 사장석, 규산삼석회, 석영, 방해석, 흑운모 및 석고 등 다양한 광물들이 이탈된 것으로 파악되 었으며, pH 5.6 강우와의 반응에서는 석영, 정장 석과 규산삼석회의 이탈이 있는 것으로 분석되었다. 산성강우에 비해 pH 8.
- 경주남산화강암과 반응한 강우의 이온성분은 정도의 차이는 있지만 함유량에 변화를 보였다(그림 1). 가장 큰 변화를 보인 성분은 Na+ 로, pH 4.0 강우와 30회 인공풍화를 거친 후에 적용전 인공강우 성분의 2배에 이르는 양으로 증가하였다가 풍화회수가 증가하면서 약간 감소하기는 하였지만 초기산성비에 비해 큰 값을 보였다. 반면에 pH 5.
- 39에 이르렀다. 강우는 나중강우에 비해 초기강우가 조금 더 강한 산성을 띠는 것으로 측정되었으며, 약산성을 띠고는 있으나 산성비의 임계값인 pH 5.6 이하의 값을 보이기도 하므로 경주지역이 산성비 영향권에 있다고 할 수 있다. 따라서 인공강우의 산성도를 임계산성비의 pH 5.
- 인공강우와 인공풍화시험에 따른 암석의 광물조성변화를 살펴보기 위하여 광물조성분석을 x선회절분석을 통해 실시하였다(그림 5). 경주남산 화강암의 구성광물은 석영과 정장석, 사장석이주성분이며, 흑운모가 소량 함유되어 있는 것으로 분석되었다. 85회동안의 인공풍화시험과 강우가 처리된 시편의 광물조성의 변화는 미미하다.
- 85회 시험을 마친 후 측정된 시편의 함수율은 경주남산화강암과 시멘트몰탈시료에서 모두 변화를 보였다(그림 3). 경주남산화강암에서의 변화는 적었으나 pH 4.0 강우와 반응한 시편의 함수율이 약간 더 큰 값을 보였다(10.5 wt.% 증가). 반면에 시험후 시멘트몰탈시료의 함수율은 크게 증가한 것으로 나타났으며, pH 5.
- 인공강우와 인공풍화시험에 의해 시편에서 분리된 입자의 광물조성을 미소부 X-선회절분석기를 통해 분석하였다(그림 6). 경주남산화강암이 pH 4.0 강우와 반응했을 때의 주 이탈 광물은 석영이며 정장석, 사장석과 흑운모가 소량 검출되었다. pH 5.
- 강우처리를 한시편들은 오히려 어두워진 것으로 측정되었으며, 육안으로도 감지가 될 정도이다. 남산화강암은 산성비에 의해 어두워지는 방향으로의 색상 변화가 뚜렷이 감지되었으며, 약알칼리성 강우에는 거의 색상변화가 없다. 강우에 의해 이탈된 구성 광물의 빈공간으로 인해 색도는 밝아지는 것이 일반적이나, 색상이 어두워졌다는 것은 산성비에 의해 이탈된 성분이 밝은 색을 띠는 광물임을 암시한다.
- % 증가). 반면에 시험후 시멘트몰탈시료의 함수율은 크게 증가한 것으로 나타났으며, pH 5.6 강우와 반응한 후 31wt.% 증가하여 가장 큰 변화를 보였다.
- 0 강우와 반응한 후 약간의 감소를 보였다. 불균일한 내부구조를 지닌 시멘트몰탈의 초음파측정결과도 산성이 강한 강우와 반응한 시료의 강도변화가 가장 큰 것으로 나타나고 있으며, 약알칼리성 강우와 접촉한 시편의 강도도 적지만 감소된 값으로 계산되었다. 그러나 내부로까지 영향을 미치기에는 시험 기간이 아직 충분치 않아서 차후 더 확보된 값으로 비교하여야 할 것으로 보인다.
- 6 강우와의 반응에서는 석영, 정장 석과 규산삼석회의 이탈이 있는 것으로 분석되었다. 산성강우에 비해 pH 8.0의 약알칼리성 강우에 의해서 규산삼석회의 이탈이 더 많이 발생되는 것으로 나타났다.
- 시멘트와 반응한 인공강우의 함유성분 변화는 크다(그림 2). 산성도가 큰 강우와 접촉시에 Na+을 비롯하여 모든 양이온의 변화가 극적으로 변화하고 있음이 확인되며, 약산성 강우와의 반응에 의해서도 지속적으로 용해되는 결과를 보였다. Ca2+의 변화는 시험회수가 증가할수록 약간씩 감소한 반면 K+ 는 일률적인 결과를 보이지 않았다.
- 암석시편에 적용된 후의 강우 음이온변화는 Cl에서 큰 변화를 보이며, 암석의 수용성이온성분 분석결과와 비교하였을 때 암석의 구성성분의 용해에서 비롯된 것임을 알 수 있다. 산성도에 상관없이 강우를 적용한 시편에서 인공풍화시험만 적용된 것에 비해 높은 량 해리되어 나왔으며, 변화량은 pH 8.0 강우에서 가장 컸다.
- 인공강우를 주입하고 온습도의 변화가 있는 인공풍화를 거친 후 시료를 완전히 건조한 후 잰 무게는 초기무게에 비해 줄었다. 시험 후 큰 무게변화를 보인 시편은 시멘트몰탈로, 감소율로 보면 산성비에서보다 약알칼리성 강우에서 더 용해된 것으로 나타났다. 경주남산화강암은 소량 감소한 것으로 분석되었다.
- 시험을 거친 경주남산화강암의 초음파속도에 의해 추정된 압축강도는 초음파속도변화값 보다 더 적은 변화값을 보였으며, 산성이 강한 강우와 접촉 했던 시편들에서 조차도 압축강도의 변화는 아주미미하였다. 반면에 시멘트몰탈의 압축강도는 산성이 강한 강우와 반응한 후 뚜렷한 변화를 보였다.
- 즉 약알칼리성 강우는 경주남산화강암과 반응하여 초기에는 산성비보다 더 심각하게 암석의 구성성분을 용해시킴을 의미이며, 반응이 진행될수록 용해되는 정도는 산성비에 비해 낮아짐을 지시한다. 암석시편에 적용된 후의 강우 음이온변화는 Cl에서 큰 변화를 보이며, 암석의 수용성이온성분 분석결과와 비교하였을 때 암석의 구성성분의 용해에서 비롯된 것임을 알 수 있다. 산성도에 상관없이 강우를 적용한 시편에서 인공풍화시험만 적용된 것에 비해 높은 량 해리되어 나왔으며, 변화량은 pH 8.
- 인공강우와 인공풍화시험을 거친 시편들이 함유하는 수용성 이온성분들을 분석하여 그 결과를 그림 4에 나타내었다. 원암시료와 시험을 마친 시료들을 분쇄한 후 증류수에 넣어 녹아나오는 이온성분을 분석한 결과, 경주남산화강암 원암에 비해 강우를 접한 시편들의 이온성분은 월등히 높게 나왔다. 강우를 적용하는 과정에서 강우 함유성분이 시편에 주입된 영향도 있겠지만 시편 구성광물의 용해에서 기인된 성분이 클 것으로 보인다.
- 인공강우를 주입하고 온습도의 변화가 있는 인공풍화를 거친 후 시료를 완전히 건조한 후 잰 무게는 초기무게에 비해 줄었다. 시험 후 큰 무게변화를 보인 시편은 시멘트몰탈로, 감소율로 보면 산성비에서보다 약알칼리성 강우에서 더 용해된 것으로 나타났다.
- 시멘트몰탈 시료에서는 암석시료들과 다른 양상을 보인다. 인공풍화만을 거친 시료와 원시료의 색차가 이미 3.32를 보임으로써 육안으로도 식별이 될 정도이며, 측정된 L* 값의 변화량은 색상이 밝은 쪽으로 변화하였음을 지시한다. 그러나 강우와 반응한 후에는 모든 시료의 색상이 약간 더 어두워진 것으로 측정되어, 이는 산성비뿐만이 아니라 알칼리성 강우에 의해서도 시멘트몰탈의 구성성분 중 밝은 색상성분이 용해되어 빠져나가 나타난 것으로 볼 수 있다.
- 즉 Na을 함유하고 있는 광물은 산성도가 강한 비뿐만 아니라 약산성의 비와도 반응하여 쉽게 해리되는 것으로 보이며, Ca을 함유한 광물은 산성이 강한 비에 더 많이 용해되는 것으로 해석된다.
후속연구
- 불균일한 내부구조를 지닌 시멘트몰탈의 초음파측정결과도 산성이 강한 강우와 반응한 시료의 강도변화가 가장 큰 것으로 나타나고 있으며, 약알칼리성 강우와 접촉한 시편의 강도도 적지만 감소된 값으로 계산되었다. 그러나 내부로까지 영향을 미치기에는 시험 기간이 아직 충분치 않아서 차후 더 확보된 값으로 비교하여야 할 것으로 보인다.
- 불균일한 내부구조를 지닌 시멘트몰탈의 초음파측정결과도 산성이 강한 강우와 반응한 시료의 강도변화가 가장 큰 것으로 나타나고 있으며, 약알칼리성 강우와 접촉한 시편의 강도도 적지만 감소된 값으로 계산되었다. 그러나 내부로까지 영향을 미치기에는 시험 기간이 아직 충분치 않아서 차후 더 확보된 값으로 비교하여야 할 것으로 보인다.
- Ca2+의 변화는 시험회수가 증가할수록 약간씩 감소한 반면 K+ 는 일률적인 결과를 보이지 않았다. 약산성 강우와 반응하였을 때 약 100배의 증가를 보였는데 여기에 대해서는 조금 더 연구를 진행한 후에 해석을 내리는 것이 바람직할 듯하다. 약알칼리성 강우의 구성성분은 큰 변화를 보였는데 시간이 지날수록 그 정도는 적어졌다.
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