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문제 정의
- 본 연구에서는 탄산염질 암석으로 건조되어 야외에 위치하는 석조문화재가 현재와 같은 산성 강우 조건 하에서 어떻게 변화할 것인지를 살펴보기 위해서 위에서 실시한 규산염질 암석과 동일한 조건 하에서 대리암을 대상으로 실험을 실시하였다. 경주지역 강우의 산성도를 지닌 강우, 청정한 강우, 그리고 산성 강우를 세립질의 회백색 대리암 시편에 적용한 후 온습도변화를 이용한 인공풍화시험을 수행하여 손상을 가속화하였다.
제안 방법
- 2005년도에 측정된 경주지역 강우의 산성도와 함유이온 성분을 바탕으로 유사한 범위의 pH 5.6 강우를 제조하여 세립질의 회백색 대리암 시료에 적용하고, 경주지역 온습도변화를 적용한 인공풍화 시험을 거쳐 손상을 가속화하였다.
- 5. X-ray powder diffraction pattern of the tested marble specimens and deposit in rain after reaction with rain and artificial weathering test (85cy, 200cy). (ab; albite, cal; calcite, dol; dolomite).
- 경주지역 강우의 산성도를 지닌 강우, 청정한 강우, 그리고 산성 강우를 세립질의 회백색 대리암 시편에 적용한 후 온습도변화를 이용한 인공풍화시험을 수행하여 손상을 가속화하였다. 강우 적용에 따른 암석 시편의 강도 변화와 무게 변화를 통하여 손상도를 예측하였으며, 암석과 반응한 강우의 산성도 변화로부터 간접적으로 암석의 변화를 추정하였다.
- 85이다. 강우를 대리암 시편에 적용한 후 흘러내린 강우를 모은 후 즉시 pH를 측정하여 반응 전 강우의 pH와 비교하였다.
- 강우와의 반응에 따른 암석시편의 변화를 측정하였다. 시험에 따른 시편의 무게변화를 측정하여 강우와의 반응에 의한 암석의 무게손실량을 외삽법으로 예측하였다.
- 본 연구에서는 탄산염질 암석으로 건조되어 야외에 위치하는 석조문화재가 현재와 같은 산성 강우 조건 하에서 어떻게 변화할 것인지를 살펴보기 위해서 위에서 실시한 규산염질 암석과 동일한 조건 하에서 대리암을 대상으로 실험을 실시하였다. 경주지역 강우의 산성도를 지닌 강우, 청정한 강우, 그리고 산성 강우를 세립질의 회백색 대리암 시편에 적용한 후 온습도변화를 이용한 인공풍화시험을 수행하여 손상을 가속화하였다. 강우 적용에 따른 암석 시편의 강도 변화와 무게 변화를 통하여 손상도를 예측하였으며, 암석과 반응한 강우의 산성도 변화로부터 간접적으로 암석의 변화를 추정하였다.
- 자연 상태에서는 강우뿐만 아니라 다른 요소들도 암석의 손상에 영향을 끼치며, 그중 온습도는 가장 중요한 요인이다. 그래서 본 연구에서는 산성비 적용과 더불어 인공풍화시험을 병행하여 산성비 자체의 반응요소를 살펴보고자 인공풍화시험만을 적용한 시편과 인공풍화와 산성비를 함께 적용한 시편의 결과를 비교하였으며 시험 횟수를 총 300회에 걸쳐 시행하였다.
- 암석시편과 반응한 후 변화된 인공강우의 pH 변화를 측정하여 인공강우가 암석에 미치는 영향을 확인하였다. 그리고 암석시편과 반응한 후 변화된 인공강우의 이온성분 변화를 측정하여 인공강우가 암석의 용해에 미치는 영향을 확인하였다. 이온 성분 변화는 이온 크로마토그래피(Ion Chromatograph : Dionex IC 2000, USA)를 이용하여 측정하였다.
- 시험에 따른 강도변화를 살펴보기 위해 암석시편의 초음파전달속도를 가로, 세로, 높이 방향에서 10회 측정하여 그 평균값을 구하고 환산식에 대입하여 일축압축강도를 추정(초음파탐상기로 측정, PUNDIT plus, 실험진행 중으로 파괴 분석법으로의 측정은 불가함)하였다. 변화된 일축 압축강도값으로 강우와의 반응에 따른 암석의 약화 정도를 예측하였다.
- )은 12% 정도 기여하는 것으로 나타난다. 본 실험에서는 경주지역 강우가 함유하고 있는 이온성분을 토대로 인공강우를 제작하였으며, 산성비를 제작할 때 황산과 질산 및 염산을 첨가하여 제조하였다. 따라서 이러한 음이온을 함유하는 강우와 대리암 시편에서 발생하는 반응은 다음과 같다(Leysen et al.
- 시편은 실험내용에 따라 큰 크기(2 × 5 × 10 cm)와 작은 크기(2 × 2 × 0.5 cm)로 제작하였으며 시편당 3개씩 동일한 실험을 적용하여 얻어진 결과의 평균값을 취하였다(그림 1).
- 시험에 따른 시편의 무게변화를 측정하여 강우와의 반응에 의한 암석의 무게손실량을 외삽법으로 예측하였다. 시험에 따른 강도변화를 살펴보기 위해 암석시편의 초음파전달속도를 가로, 세로, 높이 방향에서 10회 측정하여 그 평균값을 구하고 환산식에 대입하여 일축압축강도를 추정(초음파탐상기로 측정, PUNDIT plus, 실험진행 중으로 파괴 분석법으로의 측정은 불가함)하였다. 변화된 일축 압축강도값으로 강우와의 반응에 따른 암석의 약화 정도를 예측하였다.
- 암석시편과 반응한 후 변화된 인공강우의 pH 변화를 측정하여 인공강우가 암석에 미치는 영향을 확인하였다. 그리고 암석시편과 반응한 후 변화된 인공강우의 이온성분 변화를 측정하여 인공강우가 암석의 용해에 미치는 영향을 확인하였다.
- 그리고 암석시편과 반응한 후 변화된 인공강우의 이온성분 변화를 측정하여 인공강우가 암석의 용해에 미치는 영향을 확인하였다. 이온 성분 변화는 이온 크로마토그래피(Ion Chromatograph : Dionex IC 2000, USA)를 이용하여 측정하였다.
- 인공강우적용과 인공풍화시험을 300회 거친 대리암 시편을 대상으로 초음파측정기를 사용하여 초음파통과시간을 가로, 세로, 높이 방향에서 10회씩 측정하고 그 평균값으로 아래의 경험식(Kim, 2007) 에 따라 추정압축강도를 산출하였다. 초음파속도 측정은 측정하는 사람과 접촉매질, 표면상태에 따라 변화가 크기 때문에 측정오차를 최소화하기 위해 동일 시험자가 측정을 실시하였으며, 시편 제작 시 표면을 매끄럽게 처리하여 프로브와의 접촉면이 균일하게 하였고, 접촉매질은 따로 사용하지 않았다.
- 인공강우적용과 인공풍화시험을 300회 거친 대리암 시편을 대상으로 초음파측정기를 사용하여 초음파통과시간을 가로, 세로, 높이 방향에서 10회씩 측정하고 그 평균값으로 아래의 경험식(Kim, 2007) 에 따라 추정압축강도를 산출하였다. 초음파속도 측정은 측정하는 사람과 접촉매질, 표면상태에 따라 변화가 크기 때문에 측정오차를 최소화하기 위해 동일 시험자가 측정을 실시하였으며, 시편 제작 시 표면을 매끄럽게 처리하여 프로브와의 접촉면이 균일하게 하였고, 접촉매질은 따로 사용하지 않았다.
대상 데이터
- 시험편은 탄산칼슘과 탄산마그네슘의 복염인 백 운석(CaCO3 · MgCO3)과 탄산칼슘인 방해석으로 구성되어 있는 대리암이다.
- 5 cm)로 제작하였으며 시편당 3개씩 동일한 실험을 적용하여 얻어진 결과의 평균값을 취하였다(그림 1). 큰 크기의 시료에는 15 mL, 작은 크기의 시료에는 2 mL의 인공강우를 각각 적용하였다.
이론/모형
- 강우와 인공풍화시험 적용 후 시편으로부터 이탈된 부분의 화학조성과 광물조성을 조사하기 위하여 XRF (Shimadzu XRF-1700 Sequential X-ray Fluorescence Spectrometer)와 X-선회절분석법(포항가속기, 8C2 고분해능 분말회절 빔라인)을 이용하였다.
- 강우와의 반응에 따른 암석시편의 변화를 측정하였다. 시험에 따른 시편의 무게변화를 측정하여 강우와의 반응에 의한 암석의 무게손실량을 외삽법으로 예측하였다. 시험에 따른 강도변화를 살펴보기 위해 암석시편의 초음파전달속도를 가로, 세로, 높이 방향에서 10회 측정하여 그 평균값을 구하고 환산식에 대입하여 일축압축강도를 추정(초음파탐상기로 측정, PUNDIT plus, 실험진행 중으로 파괴 분석법으로의 측정은 불가함)하였다.
성능/효과
- 300회 시험 후 대리암 시편과 반응한 강우의 산성도는 모두 변화하였다(그림 2). 실험이 종료된 300회 후 pH 4.
- 2468 kg/cm2이며 강우에 접하지 않았을 때보다 2배 크다. pH 5.6와 pH 6.85 강우에서는 감소율이 각각 0.1791, 0.1280 kg/cm2로 도출되어 강우의 산성도가 셀수록 대리암의 강도는 약화됨이 예측되었다.
- 강우와 인공풍화시험에 반응에 의해 대리암으로 부터 이탈된 것들을 모아 건조시킨 후 화학성분을 분석하였을 때 pH 4.0 강우의 것에서는 CaO 35.9%, MgO 21.6%, SiO2 6.1% 등이 검출되었으며, 그 외 산성도를 지닌 강우의 것에서 분석된 결과도 거의 유사하다. XRD에 의한 광물분석에서는 모든 강우의 시료에서 백운석이 주구성광물로 검출되었으며, 방해석이 소량 검출되었다(그림 5).
- 그러나 시험 종료 후 산성도에 상관없이 대리암과 반응한 강우 속의 Ca2+ 함량은 2.4∼2.7 ppm으로 큰 차이를 보이지 않았다.
- 대리암 시편의 무게감소는 (pH 4.0 강우 + weathering) ≅ (pH 5.6 강우 + weathering) > (pH 6.85 강우 + weathering) > weathering 순으로 예측되었다.
- 대리암 시편과 인공강우와 인공풍화시험으로 인해 대리암 시편에서 이탈된 광물의 화학성분 분석 결과를 표 3에 나타내었다. 대리암 시편의 화학성분은 CaO 35.2%, MgO 19.9%, SiO2 8.5% 등이며, 이외에 Na2O, Al2O3, Fe2O3를 소량 함유하는 것으로 분석되었다. XRD에 의한 광물분석에서는 백운석(dolomite, CaMg(CO3)2)가 주구성 광물이며 이외에 방해석(calcite, CaCO3)과 석영(quartz, SiO2)이 검출되었다.
- 무게감소율을 예측한 결과, pH 4.0 강우와 반응한 대리암 시편의 무게는 시험 매회 0.00037 kg/m2감소하여 한계산성비 pH 5.6에 비해 감소율이 약 1.4배, 중성강우에 비해 약 3.1배 큰 감소율을 보였고, 같은 환경에서 강우와 직접적으로 접하지 않았을 때에 비해서는 3.7배 더 많이 감소하는 것으로 나타났다.
- 본 실험을 위해 구입한 탈이온수(J.T. Baker사)의 초기 산도는 pH 7.0이었으나 실험진행과정 중 pH가 6.85로 변화되었는데, 이는 개봉시 탈이온수에 공기 중의 이산화탄소가 용해되어 나타난 결과로 보인다. 따라서 실험에 사용한 탈이온수와 대리암 시편 중 방해석의 반응은 아래와 같이 진행될 것으로 보인다.
- 본 연구의 결과에서는 대리암이 산성강우와 반응시 시험 일회당 260∼370 mg/m2의 무게감소가 예측되었다.
- 99로 낮아지는 결과를 보였다. 산성비 한계값인 pH 5.6 강우는 30회 후에 7.52, 60회 후에 7.37로 증가하다가, 85회에서 7.88로 증가, 200회에서 7.47, 300회에서 7.32로 감소하여 산도의 변화시점이 pH 4.0 강우와는 달랐으며, 전체적으로 시편과 반응한 후 변화된 강우의 산도수치는 pH 4.0에서 보다 높다. 탈이온수인 pH 6.
- 의 무게감소가 예측되었다. 시험 대상 암석, 강우의 산성조건 및 인공풍화조건이 달리 실시되었기 때문에 결과값을 타 연구결과와 절대적인 수치로 비교할 수는 없지만, 실험이 더 진행될수록 산성비 속의 이온종과 반응하여 용해성이 훨씬 큰 이러한 변질물질이 많이 형성될 것이므로 대리암 시편에서 예측되는 무게의 감소율은 더 커질 것으로 보인다.
- 3 ppm 증가하였다. 시험 종료 후 대리암과 반응한 산성강우 속의 Ca2+ 함량은 3.7 ppm이었으며, pH 6.85 탈이온 강우에서는 2.7 ppm으로 산성강우보다는 약간 낮은 값을 보였다. Na+은 pH 4.
- 300회 시험 후 대리암 시편과 반응한 강우의 산성도는 모두 변화하였다(그림 2). 실험이 종료된 300회 후 pH 4.0, 5.6 강우는 대리암과 반응 후 각각 pH 6.99와 7.32로, pH 6.85 강우는 218회 시험 후 7.14로 변화되었다. 산성도가 강한 pH 4.
- , 2009; Do and Cho, 2010). 이 연구를 통하여 경주지역 석조문화재의 피해를 살펴보기 위해 규산염질 암석에 20개월 동안 경주지역 강우의 산성도를 기준한 산성비를 반응시키고 인공풍화시험을 병행하였을 때 산성비와의 반응으로 인한 암석의 변화는 미미하다는 결론이 도출되었다.
- 탈이온수인 pH 6.85 강우와 반응한 시편에서의 무게감소는 y = -0.00012 × (r2 = 0.93)로 도출되어 이온함유 산성강우에 비해서는 감소율이 낮았으나 인공풍화만 실시한 시편에서보다는 약간 더 큰 것으로 예측되었다.
후속연구
- 문화재청에 의하면 전국 국가지정 석조문화재의 구성암석은 화강암이 약 56%으로 집계되어 규산암질 암석을 대상으로 한 위의 연구과제에 해당한다. 그러나 구성암석 중에는 소량이기는 하나 석회암, 대리암 등의 탄산염질 암석이 각각 약 2%를 차지하며(Cultural Heritage Administration of Korea, 2001; 2002;2003; 2004; 2005), 그중 대리암으로 건조된 국보 2호 원각사지 십층석탑과 국보 86호 경천사 십층 석탑은 서울 도심 최중심에 위치하지만, 여주 신륵사 다층석탑(보물 225호), 신륵사 대장각기비(보물 230호) 등과 같이 비도심에 위치한 것들도 있기 때문에 탄산염질 암석을 대상으로 한 산성비의 영향 연구도 필요하다.
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