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문제 정의
- 따라서 이 연구에서는 석조문화재의 구성암석을 인공적으로 풍화시켜 시료를 제작하고 대표적인 풍화요인인 내부 수분의 동결과 염성분의 석출에 대한 폭로 실험을 통해 강화처리의 효과를 입증하기 위한 연구를 실시하였다. 연구기간을 단축하고 명확한 결과를 얻기 위해 풍화인자를 단순화하고, 인공적으로 제어한 극단적 환경 하에서 시료를 풍화시키는 촉진 인공풍화 방법을 사용하였다.
- 이 연구에서는 대표적인 석조문화재 풍화 요인인 동결-융해와 염을 이용한 풍화 촉진 실험을 실시하여 알콕시실란 강화제(OH 100, KSE 300, 1T1G)의 중장기 성능 및 안정성을 평가하였다. 동결-융해 실험은 강화처리한 암석 시료를 증류수에 포화시킨 후 +20℃에서 -20℃의 환경에 노출하여 이로 인한 공극률 및 초음파속도의 변화 등을 살펴보았다.
- 따라서 암석의 내구성을 평가하기 위해서는 풍화에 영향을 미치는 몇 가지 요인에 대해 보다 극단적인 환경을 조성하여 손상을 촉진하는 인공풍화실험을 실시하는 것이 일반적이다. 이 연구에서는 석조문화재의 대표적인 풍화 인자인 동결-융해와 염에 의한 피해가 발생할 수 있는 환경을 조성하여 강화 처리로 인한 암석 내구성의 변화를 관찰하였다.
제안 방법
- Figure 3. Unconsolidated samples after 5 cycles salt weathering test. (A) Gyeongju Namsan granite.
- 이 연구에서는 대표적인 석조문화재 풍화 요인인 동결-융해와 염을 이용한 풍화 촉진 실험을 실시하여 알콕시실란 강화제(OH 100, KSE 300, 1T1G)의 중장기 성능 및 안정성을 평가하였다. 동결-융해 실험은 강화처리한 암석 시료를 증류수에 포화시킨 후 +20℃에서 -20℃의 환경에 노출하여 이로 인한 공극률 및 초음파속도의 변화 등을 살펴보았다. 염풍화 실험은 강화제를 처리한 암석 시료를 황산나트륨 포화 수용액에 침적과 건조를 반복하였으며, 염결정의 생성과 그에 따른 중량 변화 및 표면 파괴 현상을 관찰하였다.
- 그러나 자연 상태에서 합리적인 결과가 도출 가능하도록 재질과 풍화도가 유사한 암석을 확보하는 것은 거의 불가능하다. 따라서 이 연구에서는 신선한 4종의 암석(경주 남산화강암, 익산 화강암, 영양 사암 및 정선 대리암)을 채취하여 높이 10cm, 지름 5.4cm인 원통형 시료를 제작하고 이를 고온의 열충격을 가해 인공적으로 풍화암을 만들었다.
- 동결-융해 실험법은 미국 재료 시험 학회에 의해 규정된 콘크리트 동결시험법(ASTM C666, 2008)을 참고로 하였으나, 시료 내 모든 수분의 동결과 융해가 가능하도록 Figure 1과 같이 환경을 설정하였다. 수포화상태의 시료를 대상으로 -20℃와 +20℃에서 각각 2시간씩 유지하는 것을 1주기로 하여 총 500주기를 수행 하였으며 100주기마다 물성(비중, 공극률, 흡수율) 및 초음파속도를 측정하고 수분을 공급하였다. 실험 과정에서 증발 또는 승화되는 물의 양을 최소화하기 위해 시료는 플라스틱 필름을 이용하여 밀봉하였으며, 시험기기는 Vötsch Industrietechnik사의 Temperature Shock Test Chamber를 이용하였다.
- 실험과정은 황산나트륨 수용액에 시료를 4시간 침적한 뒤 20시간 동안 상온에서 건조하는 과정을 1회로 하여 총 50회까지 반복 실시하였으며, 매 5회 간격으로 건조 질량을 측정하여 중량의 변화를 관찰 하였다. 건조는 한 변의 길이가 1.
- 암석 시료는 대표적인 3종의 강화제[SILRES BS OH 100(Wacker-Chemie GmbH, 이하 OH 100으로 표기), KSE 300(Remmers Baustofftechnik GmbH), 1T1G(국내 개발품)]를 이용하여 함침, 부분침적, 분무의 세 방법으로 처리하였으며, 약 한 달간의 양생을 실시하였다. 각 암석 시료의 강화처리 전과 후의 물성은 Table 2에 제시하였다.
- 따라서 이 연구에서는 석조문화재의 구성암석을 인공적으로 풍화시켜 시료를 제작하고 대표적인 풍화요인인 내부 수분의 동결과 염성분의 석출에 대한 폭로 실험을 통해 강화처리의 효과를 입증하기 위한 연구를 실시하였다. 연구기간을 단축하고 명확한 결과를 얻기 위해 풍화인자를 단순화하고, 인공적으로 제어한 극단적 환경 하에서 시료를 풍화시키는 촉진 인공풍화 방법을 사용하였다. 이 연구의 결과는 보존처리제의 선택에 있어서 중요한 판단 기준을 제시하는데 기초 자료로 활용될 수 있을 것이다.
- 열처리를 실시하지 않은 신선암(SS; Sound Stone)을 제외하고 풍화암(WS; Weathered Stone)과 심한풍화암(HWS; Highly Weathered Stone)의 시료를 제작하기 위해 각각 400℃와 600℃의 전기로에서 두 시간 동안 가열하였다(Table 1). 이렇게 제작한 시료는 원암과 비교하여 색상의 변화가 다소 발생하였으며, 전체적으로 공극률이 증가하고 초음파속도가 감소하는 등 풍화암에서 발생하는 변화가 관찰되었다.
- 동결-융해 실험은 강화처리한 암석 시료를 증류수에 포화시킨 후 +20℃에서 -20℃의 환경에 노출하여 이로 인한 공극률 및 초음파속도의 변화 등을 살펴보았다. 염풍화 실험은 강화제를 처리한 암석 시료를 황산나트륨 포화 수용액에 침적과 건조를 반복하였으며, 염결정의 생성과 그에 따른 중량 변화 및 표면 파괴 현상을 관찰하였다.동결-융해와 염은 기본적으로 물의 결빙과 염결정의 성장에 따라 암석의 내부에서 외부로 작용하는 인장력에 의해 암석의 손상이 발생한다.
- 이러한 현상은 기존의 견해와 배치되는 결과이나 공극률의 측정 방법이 시료의 표면 상태에 의해 크게 영향을 받을 수 있다는 점을 고려하여 초음파속도를 이용한 교차 검증을 실시하였다. 그 결과 초음파속도는 강화처리 시료의 경우 암종에 따라 6.
대상 데이터
- 실험 과정에서 증발 또는 승화되는 물의 양을 최소화하기 위해 시료는 플라스틱 필름을 이용하여 밀봉하였으며, 시험기기는 Vötsch Industrietechnik사의 Temperature Shock Test Chamber를 이용하였다.
- 염풍화 실험은 황산나트륨(Na2SO4)을 사용하였다. 황산나트륨은 과거 석조문화재의 보수 시 사용된 시멘트모르타르에 의해 석조문화재의 훼손을 야기하는 요인으로 작용하며, 침상의 결정을 생성하고 특히 수화작용에 의한 급격한 체적 증가에 의해 암석에 가장 큰 손상을 입힌다(Goudie and Viles, 1997).
- 황산나트륨은 과거 석조문화재의 보수 시 사용된 시멘트모르타르에 의해 석조문화재의 훼손을 야기하는 요인으로 작용하며, 침상의 결정을 생성하고 특히 수화작용에 의한 급격한 체적 증가에 의해 암석에 가장 큰 손상을 입힌다(Goudie and Viles, 1997). 이 연구에서 사용한 염은 Sigma-aldrich 사의 Sodium sulfate(powder, 순도 99% 이상)이며, 증류수를 이용하여 염 수용액을 제조하였다. 이 때 염 수용액의 농도는 시료 내부에 발생한 염 결정의 재용해의 방지 및 실험 기간의 단축을 위해 포화 상태에서 실시하였다.
이론/모형
- 동결-융해 실험법은 미국 재료 시험 학회에 의해 규정된 콘크리트 동결시험법(ASTM C666, 2008)을 참고로 하였으나, 시료 내 모든 수분의 동결과 융해가 가능하도록 Figure 1과 같이 환경을 설정하였다. 수포화상태의 시료를 대상으로 -20℃와 +20℃에서 각각 2시간씩 유지하는 것을 1주기로 하여 총 500주기를 수행 하였으며 100주기마다 물성(비중, 공극률, 흡수율) 및 초음파속도를 측정하고 수분을 공급하였다.
성능/효과
- 이러한 현상은 시료의 내외부에 형성된 염결정에 의한 것으로 주기를 반복할수록 체적이 증가하여 시료 표면으로부터 암석 입자의 탈락이 시작되며 중량이 점차 감소하였다. 경주 남산화강암 및 영양 사암의 미처리 시료는 5회 이후부터 표면 입자의 탈락이 발생하였으며(Figure 3), 횟수를 반복할수록 풍화가 서서히 진전하여 모든 암석 시료에서 염의 석출, 부피 팽장, 입자 탈락 등 특징적인 염풍화 현상이 발견되었다.
- 이러한 현상은 기존의 견해와 배치되는 결과이나 공극률의 측정 방법이 시료의 표면 상태에 의해 크게 영향을 받을 수 있다는 점을 고려하여 초음파속도를 이용한 교차 검증을 실시하였다. 그 결과 초음파속도는 강화처리 시료의 경우 암종에 따라 6.6%에서 37.9% 감소한데 반해 미처리 시료는 6.0%에서 28.8% 감소하여 강화처리 시료가 비교적 빠르게 손상되는 것으로 나타났다(Table 4). 그러나 대부분의 경우 동일 주기에서 미처리 시료의 초음파속도보다 빠른 상태를 유지하였으며, 500주기 처리 후에도 강화 처리 이전의 초음파속도와 유사하거나 빠른 값을 보이는 것으로 나타났다.
- 이러한 효과는 부분침적과 분무로 처리한 경우에도 유사하게 관찰되었다. 그러나 부분침적의 경우 함침과 유사하거나 소폭 낮은 효과를 보인 반면, 분무의 경우에는 주기의 경과에 따른 풍화 지연 효과는 비교적 낮은 것으로 나타났다.
- 그러나 분무처리를 실시한 일부 시료의 경우에는 풍화 실험에 의한 공극률의 증가율이 미처리 시료보다 크거나 균열이 발생하는 등 오히려 풍화가 촉진된 것으로 보이는 현상이 나타났다. 특히 심한풍화(HWS) 상태의 영양 사암은 강화처리 방법에 관계없이 미처리 시료보다 더 큰 공극률의 감소가 발생하였으며, 심한풍화(HWS) 상태의 경주남산화강암과 정선 대리암 시료의 경우에는 일부 시료에서 균열이 발생하는 등 시료의 손상이 관찰되었다.
- 공극률에서는 실험 전후 값에서 다소 차이를 보였으나 표면 변화는 거의 발생하지 않아 내부 공극의 확장에 따른 결과로 보인다. 따라서 이를 입증하기 위해 초음파속도를 측정하였으며 모든 시료에서 초음파속도는 감소하였다.
- 암석의 상태에 따른 염풍화 양상을 파악하기 위해 염풍화 이전의 각 물성 값(Table 5)과 염풍화 후의 중량 감소량을 비교한 결과, 동종 암석일 경우 밀도와 초음파속도가 낮고 공극률과 흡수율이 높을수록 손상이 큰 것으로 나타났다. 또한 이종 암석 간에도 공극률 및 흡수율이 높을수록 비교적 빠르게 파괴되는 경향이 발견되었다. 그러나 경주남산화강암 보다 초음파속도가 낮은 익산 화강암 시료가 염풍화에 대한 내구성은 상대적으로 우세한 것으로 보아 초음파속도는 염풍화와 관련성이 적은 것으로 보인다.
- 암석의 상태에 따른 염풍화 양상을 파악하기 위해 염풍화 이전의 각 물성 값(Table 5)과 염풍화 후의 중량 감소량을 비교한 결과, 동종 암석일 경우 밀도와 초음파속도가 낮고 공극률과 흡수율이 높을수록 손상이 큰 것으로 나타났다. 또한 이종 암석 간에도 공극률 및 흡수율이 높을수록 비교적 빠르게 파괴되는 경향이 발견되었다.
- 이상의 결과를 종합하면 염풍화에 대해 강화제는 1T1G 와 OH 100이 우수한 효과를 보였으나 KSE 300은 상대적으로 부족한 것으로 나타났다. 암종별로는 경주 남산화강암의 경우 OH 100, 익산 화강암과 영양 사암은 1T1G가 가장 효과적으로 작용하였다. 그러나 정선 대리암은 미처리 시료의 염풍화에 의한 중량 손실이 거의 없는 반면 강화처리 시료에서는 표면 침식이 발견되어 오히려 풍화가 촉진된 것으로 보인다.
- 염에 의한 암석의 손상은 동종 암석의 경우 공극률이 높거나 초음파속도가 느린 시료에서 더 빠르게 진행되었으나, 이종 암석의 경우 초음파속도와 풍화속도는 관련성이 적은 것으로 나타났다. 처리방법에 따라서는 함침이 가장 효과적이나 부분침적 역시 충분한 효과가 발현되었으며,경주 남산화강암의 경우에는 OH 100이, 익산 화강암과 영양 사암의 경우에는 1T1G가 우수한 것으로 나타났다.
- 이 연구에서 사용한 강화제는 각 풍화 요인에 대해 미처리 시료와 동일한 풍화 양상을 보이되 손상 속도는 지연시키는 효과를 발휘하였다. 즉 암석의 물성은 크게 변화시키지 않으면서 풍화에 대한 내구성을 향상시키는 것으로 나타났으나, 분무로 처리한 시료의 경우에는 암석의 종류와 상태에 관계없이 뚜렷한 효과가 없었다.
- 열처리를 실시하지 않은 신선암(SS; Sound Stone)을 제외하고 풍화암(WS; Weathered Stone)과 심한풍화암(HWS; Highly Weathered Stone)의 시료를 제작하기 위해 각각 400℃와 600℃의 전기로에서 두 시간 동안 가열하였다(Table 1). 이렇게 제작한 시료는 원암과 비교하여 색상의 변화가 다소 발생하였으며, 전체적으로 공극률이 증가하고 초음파속도가 감소하는 등 풍화암에서 발생하는 변화가 관찰되었다. 그러나 이 연구에서 인위적으로 제작한 풍화암은 자연 풍화암과 근본적으로 같을 수는 없으므로 혼동을 방지하기 위해 일반적으로 사용되는 암석학적 분류기준은 따르지 않았다.
- 이상의 결과를 종합하면 염풍화에 대해 강화제는 1T1G 와 OH 100이 우수한 효과를 보였으나 KSE 300은 상대적으로 부족한 것으로 나타났다. 암종별로는 경주 남산화강암의 경우 OH 100, 익산 화강암과 영양 사암은 1T1G가 가장 효과적으로 작용하였다.
- 또한 영양 사암 시료의 경우 심한 풍화암은 5회에서, 신선암과 풍화암은 10회에서 표층 분리 현상이 관찰되었다. 전체적인 부피의 팽창은 관찰되지 않았으며 표층 일부의 들뜸과 탈락의 반복적 생성에 따른 체적 감소가 나타났다. 사암 시료는 화강암 시료와 같이 급격한 붕괴 현상은 발생하지 않았으며, 50회 이후에도 대부분의 시료가 잔류하여 암석으로서 충분한 강도를 유지하였다.
- 이 연구에서 사용한 강화제는 각 풍화 요인에 대해 미처리 시료와 동일한 풍화 양상을 보이되 손상 속도는 지연시키는 효과를 발휘하였다. 즉 암석의 물성은 크게 변화시키지 않으면서 풍화에 대한 내구성을 향상시키는 것으로 나타났으나, 분무로 처리한 시료의 경우에는 암석의 종류와 상태에 관계없이 뚜렷한 효과가 없었다. 석조문화재의 경우 대형의 건조물의 형태를 띠고 있는 경우가 대부분이므로 스프레이 분무로 처리하는 것이 보통이다.
- 염에 의한 암석의 손상은 동종 암석의 경우 공극률이 높거나 초음파속도가 느린 시료에서 더 빠르게 진행되었으나, 이종 암석의 경우 초음파속도와 풍화속도는 관련성이 적은 것으로 나타났다. 처리방법에 따라서는 함침이 가장 효과적이나 부분침적 역시 충분한 효과가 발현되었으며,경주 남산화강암의 경우에는 OH 100이, 익산 화강암과 영양 사암의 경우에는 1T1G가 우수한 것으로 나타났다. 그러나 1T1G의 경우에는 향상된 코팅력에 의해 염결정이 암석 내부에 축적되는 것을 확인하였으며, 이 경우 급격한 피해를 야기할 수 있으므로 주의가 필요하다.
- 2% 감소한 것으로, 상당부분 기질의 파괴가 발생한 것으로 생각할 수 있다. 특히 미처리 시료의 초음파속도 감소율(28.8%)과 비교하여 큰 차이가 나타나지 않으며 1T1G 처리 시료는 오히려 더 높은 것으로 보아 정선 대리암에 대한 강화처리의 효과는 거의 없는 것으로 보인다.
- 그러나 분무처리를 실시한 일부 시료의 경우에는 풍화 실험에 의한 공극률의 증가율이 미처리 시료보다 크거나 균열이 발생하는 등 오히려 풍화가 촉진된 것으로 보이는 현상이 나타났다. 특히 심한풍화(HWS) 상태의 영양 사암은 강화처리 방법에 관계없이 미처리 시료보다 더 큰 공극률의 감소가 발생하였으며, 심한풍화(HWS) 상태의 경주남산화강암과 정선 대리암 시료의 경우에는 일부 시료에서 균열이 발생하는 등 시료의 손상이 관찰되었다.
- 암석의 풍화는 필연적으로 표면 침식에 의한 중량 감소를 수반하므로 이것은 강화처리로 인해 내구성이 향상되었다고 해석할 수 있다. 특히 이 과정에서 풍화 특성에 큰 변화가 발생하지 않아 이 연구에서 사용한 강화처리제 및 처리방법은 암석의 물성을 크게 변화시키지 않으면서 풍화에 대한 내구성을 향상시키는 것으로 나타났다.
- 특히, 경주 남산화강암 중 강화제를 미처리한 풍화암(WS)과 심한풍화암(HWS) 시료가 각각 40회 및 20회에서 완전히 파괴된데 비해 함침처리한 시료 중 풍화암(WS)은 50회 후에도 상당부분 남아있었으며 심한풍화암(HWS)은 35회에 파괴되었다. 이러한 효과는 부분침적과 분무로 처리한 경우에도 유사하게 관찰되었다.
- 동결-융해 실험 결과, 균열 또는 파손이 발생한 시료가 일부 있었으나, 500주기 진행 후에도 대부분의 시료는 양호한 상태였다. 표면의 입자 탈락 및 전체적인 부피 팽창은 거의 발생되지 않았으며, 중량 감소도 작았다. 공극률에서는 실험 전후 값에서 다소 차이를 보였으나 표면 변화는 거의 발생하지 않아 내부 공극의 확장에 따른 결과로 보인다.
후속연구
- 함침처리 시료의 경우 미처리 시료와 비교하여 대부분 낮은 공극률과 빠른 초음파속도를 유지하였다. 그러나 이 연구 결과는 동결-융해 실험의 조건에 따라 달라질 수 있으며, 풍화의 직접적 원인으로 작용하는 수분의 공급이 원활하지 못한 점, 급격한 온도 변화로 인해 시료 표면에서 풍화 현상이 나타나지 않은 점은 개선해야할 것이다.
- 그러나 미처리 시료와 비교하여 더 빠른 속도로 풍화가 진행된 이유는 설명하기 어렵다. 따라서 석회암을 비롯한 탄산칼슘계 암석에 대한 알콕시실란의 적용에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 보인다. 또한 보존처리제의 성능 및 안정성에 대한 연구는 국내외 석조문화재의 구성암석 및 풍화 특성을 고려한 보존처리제의 선정 및 효과적인 처리 방법 도출에 기여할 것이라 판단된다.
- 따라서 석회암을 비롯한 탄산칼슘계 암석에 대한 알콕시실란의 적용에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 보인다. 또한 보존처리제의 성능 및 안정성에 대한 연구는 국내외 석조문화재의 구성암석 및 풍화 특성을 고려한 보존처리제의 선정 및 효과적인 처리 방법 도출에 기여할 것이라 판단된다.
- 연구기간을 단축하고 명확한 결과를 얻기 위해 풍화인자를 단순화하고, 인공적으로 제어한 극단적 환경 하에서 시료를 풍화시키는 촉진 인공풍화 방법을 사용하였다. 이 연구의 결과는 보존처리제의 선택에 있어서 중요한 판단 기준을 제시하는데 기초 자료로 활용될 수 있을 것이다.
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