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문제 정의
- 따라서 이 연구에서는 경상북도 영양군 일월면 용화광산 선광장에 대한 관리방안의 수립과 보존처리에 필요한 자료를 제공하기 위해 다양한 비파괴진단 방법을 활용하여 손상유형에 따른 정밀진단을 실시하였다. 또한 비파괴 분석에서 나타나는 문제점을 보안하기 위해 분석결과들을 상호 비교함으로서 정밀도를 높이는 작업을 수행하였다.
제안 방법
- 이 원소들은 용화광산에서 생산되었던 광석의 주요 성분들이다. 가행당시 채광되었던 광석의 잔해들이 선광장 토양에 포함되어 있는 양을 조사하기 위해 각 열의 토양을 대상으로 성분분석을 실시하였다. 또한 선광장 내의 토양과 광석의 잔해들로부터 오염이 되지 않은 토양의 성분을 비교하기 위해 13열로부터 사면의 상부로 20m 지점의 토양도 같이 분석하였다.
- 훼손지도 작성은 현장조사 및 고해상도의 사진자료를 바탕으로 물리적 훼손, 화학적 훼손, 생물학적 훼손 상태로 세분하여 작성하였다. 각 요인별 훼손상태 조사결과를 종합하여 종합 훼손지도를 작성하고 각 손상유형별 훼손율을 산출하였다. 훼손도면 작성에 사용된 프로그램은 2D그래픽 전문응용 프로그램을 이용하였으며, 훼손율 산출은 AUTO CAD프로그램을 이용하였다.
- 구조물 표면에 발생되어 있는 오염물과 토양의 성분을 분석하기 위해 사용한 P-XRF 분석기는 Innov-X System사의 Portable XRF Analyzer를 이용하였으며, 토양 및 경원소분석 모드를 적용하여 각각 60초씩 원자번호 15번 이상의 원소에 대해서 분석을 실시하였다. 분석 과정에서 X-선이 얇은 오염물 층을 투과하여 구조물을 이루는 성분까지 분석되는 점을 감안하여 신선한 면에 대해서도 측정하였으며 오염물의 성분과 비교분석 하였다.
- 따라서 이 연구에서는 경상북도 영양군 일월면 용화광산 선광장에 대한 관리방안의 수립과 보존처리에 필요한 자료를 제공하기 위해 다양한 비파괴진단 방법을 활용하여 손상유형에 따른 정밀진단을 실시하였다. 또한 비파괴 분석에서 나타나는 문제점을 보안하기 위해 분석결과들을 상호 비교함으로서 정밀도를 높이는 작업을 수행하였다. 이 결과는 근대문화유산으로 지정된 산업시설의 가치창출과 보존방안에 수립에 기여할 수 있을 것이다.
- 가행당시 채광되었던 광석의 잔해들이 선광장 토양에 포함되어 있는 양을 조사하기 위해 각 열의 토양을 대상으로 성분분석을 실시하였다. 또한 선광장 내의 토양과 광석의 잔해들로부터 오염이 되지 않은 토양의 성분을 비교하기 위해 13열로부터 사면의 상부로 20m 지점의 토양도 같이 분석하였다.
- 선광장에 발생한 손상유형 및 훼손분포를 살펴보기 위해 훼손지도를 작성하였다. 또한 작성된 훼손지도를 바탕으로 물리적 훼손도를 평가하기 위해 초음파측정을 실시하였으며, 화학적 훼손도를 평가하기 위해 이동식 X-선 형광분석기를 활용하여 표면변색 오염물과 토양의 성분분석을 실시하였다.
- 선광장 구조물의 초음파속도 측정은 파장의 전달이 안정적으로 전달되는 탐사거리인 20cm 간격으로 측정하였다. 또한 측정의 신뢰도를 높이기 위하여 한 구조물에 대하여 여러 지점을 측정하였고, 동일지점에 발진자와 수진자를 교대로 측정하여 그 평균값을 초음파시험 속도로 하였다. 탐촉자는 불균질한 암석 내에서 초음파의 투과성이 높고, 감쇄가 적은 54kHz의 주파수를 가진 접촉부위가 뾰족한 탐촉자를 이용하였다.
- 탐촉자는 불균질한 암석 내에서 초음파의 투과성이 높고, 감쇄가 적은 54kHz의 주파수를 가진 접촉부위가 뾰족한 탐촉자를 이용하였다. 또한 현장에서 측정한 직접법속도/간접법속도의 비를 고려하여 보정하였다.
- 이 선광장 구조물 표면에 발생한 변색은 백색, 녹색, 흑색 및 갈색계통으로 나뉘고 갈색계통은 세분화되어 황갈색, 갈색, 적갈색 등 다양한 색상을 나타낸다. 변색을 유발하는 원인물질의 화학적 특성을 살펴보기 위해 P-XRF를 이용하여 성분분석을 실시하였다.
- 구조물 표면에 발생되어 있는 오염물과 토양의 성분을 분석하기 위해 사용한 P-XRF 분석기는 Innov-X System사의 Portable XRF Analyzer를 이용하였으며, 토양 및 경원소분석 모드를 적용하여 각각 60초씩 원자번호 15번 이상의 원소에 대해서 분석을 실시하였다. 분석 과정에서 X-선이 얇은 오염물 층을 투과하여 구조물을 이루는 성분까지 분석되는 점을 감안하여 신선한 면에 대해서도 측정하였으며 오염물의 성분과 비교분석 하였다.
- 선광장 구조물의 초음파속도 측정은 파장의 전달이 안정적으로 전달되는 탐사거리인 20cm 간격으로 측정하였다. 또한 측정의 신뢰도를 높이기 위하여 한 구조물에 대하여 여러 지점을 측정하였고, 동일지점에 발진자와 수진자를 교대로 측정하여 그 평균값을 초음파시험 속도로 하였다.
- 이 연구에서는 다양한 비파괴 분석방법들을 활용하여 용화광산 선광장의 정밀훼손도 진단을 실시하였다. 선광장에 발생한 손상유형 및 훼손분포를 살펴보기 위해 훼손지도를 작성하였다. 또한 작성된 훼손지도를 바탕으로 물리적 훼손도를 평가하기 위해 초음파측정을 실시하였으며, 화학적 훼손도를 평가하기 위해 이동식 X-선 형광분석기를 활용하여 표면변색 오염물과 토양의 성분분석을 실시하였다.
- 용화광산 선광장 시설물의 손상정도를 파악하기 위해 훼손지도를 작성하였다. 석조문화재를 대상으로 훼손지도의 작성방법은 석조문화재 연구자들에 의해 많은 진전을 보이고 있다4-8.
- 용화광산 선광장과 같은 콘크리트 구조물의 물성을 파악하기 위해 초음파 측정을 실시하였다. 초음파 탐사는 구조물의 물성 및 안전진단을 실시하기 위한 비파괴 분석방법으로 근대 건축물 및 교량의 안정성을 평가하기 위해 널리 사용되고 있다.
- 용화광산 선광장에 남아있는 구조물의 강도 및 물리적 손상도를 평가하기 위해 초음파속도를 측정하였다. 초음파속도 측정에 사용된 기기는 CNS FARNELL사의 Model PUNDIT PLUS이며, 탐촉자는 UTREXTXRX(54㎑)를 사용하였다.
- 용화광산 선광장의 훼손도 진단 위해 훼손지도를 작성하고 각 열에 따른 물리적 및 화학적 손상에 대한 훼손율을 산출하였다. 이 선광장을 구성하고 있는 구조물들은 균열, 박리박락과 같은 물리적인 훼손과 다양한 색상의 표면변색에 의한 화학적 훼손이 발생한 것으로 나타났다.
- 이 연구에서는 다양한 비파괴 분석방법들을 활용하여 용화광산 선광장의 정밀훼손도 진단을 실시하였다. 선광장에 발생한 손상유형 및 훼손분포를 살펴보기 위해 훼손지도를 작성하였다.
- 석조문화재를 대상으로 훼손지도의 작성방법은 석조문화재 연구자들에 의해 많은 진전을 보이고 있다4-8. 이 용화광산 선광시설의 훼손도를 정량적으로 평가하고 향후 보존처리에 이용할 수 있도록 하기 위해 고해상도 사진과 도면을 바탕으로 제작된 실측도면에 훼손지도를 작성하였다. 훼손지도를 작성하기 위해 현장조사시 훼손유형별로 균열, 탈락, 생물, 토사물, 변색으로 분류하고 변색은 색상별로 백색, 흑색, 황색, 갈색, 적갈색, 녹색으로 세분화하여 표기하였다.
- 이상의 초음파속도 측정결과를 토대로 기존에 연구된 압축강도 추정식에 적용하여 용화광산 선광장 콘크리트 구조물의 압축강도를 추정하였다. 초음파속도를 이용한 콘크리트의 압축강도 산출은 아래의 식(1)14과 같다.
- 이와 같은 방법을 통해 실시한 초음파탐사는 물리적 및 화학적 훼손이 가장 심각한 것으로 나타난 1열, 2열, 3열 구조물을 대상으로 정밀조사 하였다. 측정지점은 1열이 100지점, 2열은 177지점, 3열은 93지점으로 총 370지점에 대하여 초음파탐사를 실시하였다.
- 초음파속도 측정은 선광장 구조물의 형태를 고려하여 간접전달 방식으로 측정하였다. 초음파의 속도를 측정할 경우 발진자와 수진자 사이의 거리에 따라 속도가 달라진다.
- 훼손지도 작성은 현장조사 및 고해상도의 사진자료를 바탕으로 물리적 훼손, 화학적 훼손, 생물학적 훼손 상태로 세분하여 작성하였다. 각 요인별 훼손상태 조사결과를 종합하여 종합 훼손지도를 작성하고 각 손상유형별 훼손율을 산출하였다.
- 이 용화광산 선광시설의 훼손도를 정량적으로 평가하고 향후 보존처리에 이용할 수 있도록 하기 위해 고해상도 사진과 도면을 바탕으로 제작된 실측도면에 훼손지도를 작성하였다. 훼손지도를 작성하기 위해 현장조사시 훼손유형별로 균열, 탈락, 생물, 토사물, 변색으로 분류하고 변색은 색상별로 백색, 흑색, 황색, 갈색, 적갈색, 녹색으로 세분화하여 표기하였다. 또한 조영훈과 이찬희(2011)8가 제시한 방법을 바탕으로 종합훼손지도 작성 및 훼손율을 산출하였다.
대상 데이터
- 1939년부터 약 40여 년간에 걸쳐 일월산에서 채광한 광석을 선광장으로 운반하여 아연, 연, 동, 금, 은을 선광하였다. 특히 1943년 11월에 하루 100M/T의 부선설비가 완성된 후 본격적인 선광작업이 이루어졌으며, 1948년 8월까지 약 4만 5천M/T의 원광을 이곳에서 처리하였다.
- 이 선광장 콘크리트 구조물 중 물리적 및 화학적 훼손도가 높은 1열, 2열, 3열 구조물을 대상으로 압축강도를 산출하였다. 이 결과, 콘크리트 구조물의 평균 압축강도는 529kgf/㎝2로 나타났으며, 최대압축강도는 668kgf/㎝2, 최소압축강도는 274kgf/㎝2로 계산되었다(Figure 7).
- 이 연구의 대상인 용화광산(일월광산) 선광장은 1930년대에 나카가와광업주식회사에서 건설한 광산 시설이며 일월산에서 채굴한 광석을 이곳 선광장으로 운반하여 유용광물인 금, 은, 동, 아연 등을 생산한 산업시설이다. 부지 전체에 광업에 관한 유기적인 시설물이 잘 보존되어 있으며 각 시설물이 일월산 자락을 따라 계단식으로 배치되어 있다.
- 용화광산 선광장에 남아있는 구조물의 강도 및 물리적 손상도를 평가하기 위해 초음파속도를 측정하였다. 초음파속도 측정에 사용된 기기는 CNS FARNELL사의 Model PUNDIT PLUS이며, 탐촉자는 UTREXTXRX(54㎑)를 사용하였다. 측정값은 WINDOWS용 SURFER 프로그램을 이용하여 각각의 입면도에 투영하여 전체적인 손상도를 파악하였다.
- 이와 같은 방법을 통해 실시한 초음파탐사는 물리적 및 화학적 훼손이 가장 심각한 것으로 나타난 1열, 2열, 3열 구조물을 대상으로 정밀조사 하였다. 측정지점은 1열이 100지점, 2열은 177지점, 3열은 93지점으로 총 370지점에 대하여 초음파탐사를 실시하였다.
- 또한 측정의 신뢰도를 높이기 위하여 한 구조물에 대하여 여러 지점을 측정하였고, 동일지점에 발진자와 수진자를 교대로 측정하여 그 평균값을 초음파시험 속도로 하였다. 탐촉자는 불균질한 암석 내에서 초음파의 투과성이 높고, 감쇄가 적은 54kHz의 주파수를 가진 접촉부위가 뾰족한 탐촉자를 이용하였다. 또한 현장에서 측정한 직접법속도/간접법속도의 비를 고려하여 보정하였다.
데이터처리
- 초음파속도 측정에 사용된 기기는 CNS FARNELL사의 Model PUNDIT PLUS이며, 탐촉자는 UTREXTXRX(54㎑)를 사용하였다. 측정값은 WINDOWS용 SURFER 프로그램을 이용하여 각각의 입면도에 투영하여 전체적인 손상도를 파악하였다.
이론/모형
- 각 요인별 훼손상태 조사결과를 종합하여 종합 훼손지도를 작성하고 각 손상유형별 훼손율을 산출하였다. 훼손도면 작성에 사용된 프로그램은 2D그래픽 전문응용 프로그램을 이용하였으며, 훼손율 산출은 AUTO CAD프로그램을 이용하였다.
성능/효과
- 또한 대부분의 구조물에서는 수평 및 사선방향의 크고 작은 균열들이 발생되어있다. 각 구조물에 발생한 균열의 빈도수를 살펴보면 2열의 구조물은 63개로 균열이 가장 많이 발생한 것으로 나타났다. 다음으로는 5열(57개)의 구조물로 확인되었으며 1열, 3열, 4열, 6열, 8열의 구조물은 30여개의 균열이 발생한 것으로 나타났다.
- 각 열에 따른 토양의 원소함량을 살펴보면 S, Cr, Zn, As는 함량의 정도는 다르지만 선광장 상부의 토양에서는 거의 검출되지 않았으나, 13열부터 검출되기 시작하여 12열, 11열까지 증가하고 10열에서는 감소하는 경향을 보인다. 또한 8열부터 증가하기 시작하여 6열, 5열에서 최대함량을 보이다가 점차 감소하는 경향을 나타낸다.
- 이중에서 가장 높은 점유율을 차지하는 색상은 황색 변색이다. 각 열에 발생한 황색변색의 발생율을 살펴보면 7열의 구조물에서 91.5%로 가장 높게 나타났다. 그 다음으로는 1열(75.
- 구조물 표면의 녹색오염물은 구조물 성분에 비해 S, Cu, Zn의 함량이 100,000ppm 이상 높게 측정되었다(Figure 8). 일반적으로 동 광석이 부식하게 되면 녹색의 공작석(malachite)이 생성되며, 아연은 일반적으로 청색을 띠는 금속광물이다.
- 이 선광장을 구성하고 있는 구조물들은 균열, 박리박락과 같은 물리적인 훼손과 다양한 색상의 표면변색에 의한 화학적 훼손이 발생한 것으로 나타났다. 구조물에 발생된 훼손율을 각 열별로 비교해본 결과, 6열과 7열을 기준으로 하여 상부에 있는 구조물보다 하부에 있는 구조물들의 물리적 및 화학적 훼손이 더 많이 발생한 것으로 나타났다.
- 구조물의 물성을 평가하기 위해 초음파속도를 측정한 결과, 평균 초음파속도는 2,462㎧로 나타났다. 이를 초음파 속도와 압축강도와의 경험식에 대입하여 강도를 산출해보면 529kgf/㎝2로 현재상태의 구조적 강도는 비교적 안정한 것으로 나타났다.
- 황갈색 오염물질의 평균 Fe 함량은 60,578ppm을 나타내는 반면 갈색은 181,874ppm, 적갈색은 251,371ppm으로 색상이 짙어질수록 Fe의 함량이 높아지는 경향을 보였다(Figure 8). 따라서 구조물 표면에 침전된 산화철의 함량 차이에 따라 갈색계통의 변색정도가 달라지는 것으로 나타났다.
- 표면변색 오염물질을 대상으로 한 P-XRF 분석결과에 의하면 오염물질의 주요성분은 용화광산에서 채굴하였던 광석들의 주요성분과 동일한 것으로 나타났다. 또한 각 열의 토양에 대한 성분결과에서도 표면변색을 유발하는 중금속 원소들이 상당량 검출되었다. 따라서 우천시 물의 흐름에 따라 이동하는 토사가 구조물 표면에 침착하게 되면 토양 속의 원소들과 구조물들이 반응하여 2차 훼손이 발생할 수 있다.
- 용화광산 선광장 구조물 표면에 발생한 백색오염물을 대상으로 성분분석을 실시한 결과, 구조물의 성분에 비해 S, Fe, Zn, Pb가 높은 반면 K, Ca는 상대적으로 낮은 함량을 보였다(Figure 8). 따라서 이 백색오염물은 일반 석조건조물에서 백화를 유발시키는 석고가 아닌 다른 물질인 것으로 판단된다.
- 용화광산 선광장 구조물 표면에 발생한 변색오염물의 P-XRF 분석결과를 종합해보면 변색을 유발시키는 주요원소는 S, Fe, Zn, Cu, Pb로 나타났다. 이 원소들은 용화광산에서 생산되었던 광석의 주요 성분들이다.
- 용화광산 선광장 콘크리트 구조물의 초음파속도 분포를 종합해보면 농축조와 정광탱크 출구를 축으로 일직선상에 위치한 지점들에서 낮은 초음파속도 분포를 나타냈다. 또한 1열과 2열에서는 농축조 우측면 영역에서도 저속도대가 분포하고 있다.
- 이 선광장 콘크리트 구조물 중 물리적 및 화학적 훼손도가 높은 1열, 2열, 3열 구조물을 대상으로 압축강도를 산출하였다. 이 결과, 콘크리트 구조물의 평균 압축강도는 529kgf/㎝2로 나타났으며, 최대압축강도는 668kgf/㎝2, 최소압축강도는 274kgf/㎝2로 계산되었다(Figure 7). 현재 용화광산 선광장은 운행이 중지된 상태로 구조물의 상부 및 외부로부터 받는 압력이 매우 낮은 상태이다.
- 용화광산 선광장의 훼손도 진단 위해 훼손지도를 작성하고 각 열에 따른 물리적 및 화학적 손상에 대한 훼손율을 산출하였다. 이 선광장을 구성하고 있는 구조물들은 균열, 박리박락과 같은 물리적인 훼손과 다양한 색상의 표면변색에 의한 화학적 훼손이 발생한 것으로 나타났다. 구조물에 발생된 훼손율을 각 열별로 비교해본 결과, 6열과 7열을 기준으로 하여 상부에 있는 구조물보다 하부에 있는 구조물들의 물리적 및 화학적 훼손이 더 많이 발생한 것으로 나타났다.
- 구조물의 물성을 평가하기 위해 초음파속도를 측정한 결과, 평균 초음파속도는 2,462㎧로 나타났다. 이를 초음파 속도와 압축강도와의 경험식에 대입하여 강도를 산출해보면 529kgf/㎝2로 현재상태의 구조적 강도는 비교적 안정한 것으로 나타났다. 그러나 가행당시 선광작업에 주로 사용되었던 농축조와 정광탱크 부분에서 저속도대가 확인되었다.
- 이상의 결과를 종합해보면, 전반적으로 6열과 7열을 기점으로 하여 용화광산 선광장 상부(7~13열)에서는 생물, 토사물의 훼손율이 높은 반면 하부(1~6열)에서는 탈락, 균열, 표면변색의 훼손율이 매우 높게 나타났다. 이와 같이 선광장의 중간 지점을 중심으로 각 유형별 손상율이 급격한 차이를 보이는 이유는 가행당시 선광과정과 많은 연관성이 있을 것으로 판단된다.
- 또한 1열과 2열에서는 농축조 우측면 영역에서도 저속도대가 분포하고 있다. 이와 같이 낮은 초음파속도 분포를 나타내는 영역을 훼손지도와 비교해 본 결과, 적갈색변색 및 흑색변색, 탈락 및 균열과 같은 물리화학적인 훼손이 집중적으로 발생한 지점들인 것으로 나타났다.
- 토양의 성분분석 결과, 선광장 정상의 상부토양은 구조물 표면을 오염시키는 주요원소인 S, Fe, Zn, Cu, Pb가 거의 검출되지 않았다. 그러나 선광장 최상부에 위치한 13열의 구조물 근처의 토양에서부터 2열에 있는 토양에서는 표면변색을 유발시키는 원소들이 다량 검출되었다(Figure 9).
- 반면 Fe는 각 색상에 따라 함량의 차이가 있는 것으로 나타났다. 황갈색 오염물질의 평균 Fe 함량은 60,578ppm을 나타내는 반면 갈색은 181,874ppm, 적갈색은 251,371ppm으로 색상이 짙어질수록 Fe의 함량이 높아지는 경향을 보였다(Figure 8). 따라서 구조물 표면에 침전된 산화철의 함량 차이에 따라 갈색계통의 변색정도가 달라지는 것으로 나타났다.
- 흑색오염물을 대상으로 성분분석을 실시한 결과, 전반적으로 선광장 구조물보다 S, Fe의 함량이 100,000~600,000ppm 정도로 매우 높은 것으로 나타났으며 Cu, Zn, Pb 등이 약 100,000~200,000ppm 정도 높은 함량을 보였다. 이와 같이 함량이 높은 원소들이 산화되면서 흑색오염물을 발생시킨 것으로 판단된다.
후속연구
- 이와 같은 공정으로 인해 하부에 있는 구조물들은 선광장의 가행당시 물리적 및 화학적 영향으로 인해 훼손이 더욱 진행된 것으로 판단된다. 따라서 선광장 구조물의 보존처리 및 모니터링은 하부에서 상부쪽으로 순차적으로 진행한다면 보다 효율적으로 보존관리 할 수 있을 것이다.
- 이는 구조물에 발생한 균열 및 탈락에 의한 것이다. 운행이 중단된 현시점에서 구조물의 전반적인 강도는 안정적일지라도 균열 및 탈락이 발생한 영역을 대상으로 보강이 실시되어야 할 것이다.
- 또한 비파괴 분석에서 나타나는 문제점을 보안하기 위해 분석결과들을 상호 비교함으로서 정밀도를 높이는 작업을 수행하였다. 이 결과는 근대문화유산으로 지정된 산업시설의 가치창출과 보존방안에 수립에 기여할 수 있을 것이다.
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