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문제 정의
- 또한 이방성은 초음파속도에 상당한 영향을 주므로 다양한 축방향을 가지고 있는 암석의 초음파 측정 시 이를 고려하지 않고 1축 방향에서만 분석을 수행한다면 측정지점에 따라 데이터의 표준편차가 커져 신뢰도는 현저하게 떨어진다. 따라서 이 연구에서는 국내 석조문화유산을 구성하고 있는 주요 암석인 화강암, 섬록암, 사암 및 석회암을 대상으로 축 방향별 초음파 특성을 파악하였고, 이를 토대로 이방성을 고려한 초음파 측정방법을 제시하였다.
- 이처럼 석조문화유산에 적합한 초음파 측정방법은 아직까지 표준화되지 않은 실정이며, 현장조사 시 암석학적 요인인 함수율(Figure 1a, 1b)과 이방성(Figure 1c, 1d)을 고려하지 않은 경우가 많아 획득데이터의 신뢰도 문제가 발생하기도 한다. 따라서 이 연구에서는 야외에 노출된 석조문화유산의 비파괴 초음파 진단을 위해 다양한 암석학적 인자 중 함수율과 이방성에 따른 초음파 특성을 분석하였고, 측정법의 신뢰도 향상을 위한 새로운 방법론적 모델을 제안하였다.
- 그러나 연구대상 시편들은 암종별 동일 암반에서 채취하여 물성차이가 거의 없으며 대부분 신선한 물성을 가지고 있어 석조문화유산의 풍화도를 대별하기 어려웠다. 따라서 이 연구에서는 자연환경 상태의 시간 스케일로 암석을 풍화시키는 것이 거의 불가능하므로 NX 코어(거창화강암, 보령사암, 완주 석회암)를 대상으로 인공풍화실험을 수행하였다. 특히 동결-융해, 산침수, 염결정 및 열파괴 등의 다양한 인공풍화 실험 중 비교적 실험방법이 간단하고 물리적 풍화 효과가 높은 열파괴 실험을 실시하였다(Simmons and Cooper, 1978).
- 이 연구에서는 암종별 초음파속도를 측정하여 축 방향별 초음파 특성을 파악하였고, 이 결과를 통해 이방성을 고려한 초음파 측정방법을 제시하였다. 이를 위해 자연건조된 200×200×200㎜ 크기의 정방형 공시체를 암종별로 준비한 후, X, Y, Z축에 평행하게 직접전달방법과 간접전달 방법으로 초음파속도를 측정하였다(Figure 6).
- 이러한 초음파속도 변화율은 화강암과 사암에서는 볼 수 없었던 현상으로, 이 연구에서는 이에 대한 원인을 규명하기 위해 검증실험을 재차 수행하였다. 먼저 신선한 석회암을 다시 준비한 다음 105℃(24시간)로 건조한 전·후의 초음파속도를 측정하였다.
제안 방법
- 각 시편들의 초음파 측정은 암석공학 및 석조문화유산 분야에서 국내외적으로 널리 사용되고 있는 CNS Farnell사의 Pundit-plus를 이용하였으며, 이때 펄스 전압은 1200V로 설정하였다. 또한 탐촉자는 54㎑의 공칭 주파수를 가지는 원뿔형(exponential)을 이용하였으며, 이 원뿔형 탐촉자는 접촉면적(6mm)이 작아 커플링 없이 거친 표면에 사용가능한 장점이 있어 석조문화유산의 초음파 측정에 많이 활용되고 있다(Jo et al.
- 그런 다음 함침이 완료된 암석들을 20℃의 대기온도와 40% 상대습도를 유지하고 있는 실내 환경에서 50시간 동안 자연건조 시켰다. 건조 기간 중 1, 2, 3, 4, 6, 10, 18, 34, 50시간에 무게와 초음파 속도를 측정하여 주기적으로 물성변화를 모니터링 하였다. 마지막으로 모든 시편들을 105℃의 온도조건에서 24시간 동안 건조시킨 다음 최종 무게와 초음파속도를 획득하였다.
- 이처럼 암석의 함수율과 초음파속도는 일정한 상관관계를 가지고 있다. 따라서 이 연구에서는 각 시편의 풍화도와 함수율에 따른 초음파속도 변화를 분석하여 석조문화유산에 적합한 측정조건을 설정하였다.
- , 2013) 등이 수행되었으나 아직까지 암석학적 특성에 따른 방법론적 검토는 미비하다. 따라서 이 연구에서는 암석학적 인자 중 측정 환경 및 조건에 따라 민감하게 반응하는 함수율과 이방성을 고려하여 석조문화유산에 적합한 초음파 측정방법을 설정하였다.
- 건조 기간 중 1, 2, 3, 4, 6, 10, 18, 34, 50시간에 무게와 초음파 속도를 측정하여 주기적으로 물성변화를 모니터링 하였다. 마지막으로 모든 시편들을 105℃의 온도조건에서 24시간 동안 건조시킨 다음 최종 무게와 초음파속도를 획득하였다.
- 이때 암종별 풍화도를 구분하기 위해 서로 다른 온도 조건을 설정하여 세 종류의 열충격 그룹 시편을 인위적으로 제작하였다. 먼저 각 암종별 열충격을 가하지 않은 암석은 신선한 1그룹(GG-1, BS-1, WL-1)으로 구분하였고, 2그룹(GG-2, BS-2, WL-2)과 3그룹(GG-3, BS-3, WL-3)은 각각 10℃/분의 승온속도로 300℃와 500℃까지 열충격을 가한 후 최고온도에서 2시간을 유지한 다음 상온에서 냉각시켰다. 그러나 보령사암은 이러한 온도조건 하에서 뚜렷한 열파괴가 발생하지 않아 동일한 승온속도로 500℃까지 3회 열충격을 가한 다음 2그룹은 600℃까지, 3그룹은 700℃까지 온도를 올려 서로 다른 풍화도 시편을 완성하였다.
- 먼저 신선한 석회암을 다시 준비한 다음 105℃(24시간)로 건조한 전·후의 초음파속도를 측정하였다.
- 먼저 열파괴 실험을 통해 인위적으로 풍화도가 분류된 27개의 시편들을 증류수에 48시간 동안 함침한 후 무게와 초음파속도를 측정하였다(Figure 3a, 3b). 그런 다음 함침이 완료된 암석들을 20℃의 대기온도와 40% 상대습도를 유지하고 있는 실내 환경에서 50시간 동안 자연건조 시켰다.
- 이 연구에서는 함침 후 자연건조 중 나타나는 시편의 무게 및 초음파속도 변화를 이용하여 함수율(WC, %), 포화도(SD, %), P파 속도(Vp, ㎧) 및 변화율(ΔVp, %)을 산출하였다.
- 이때 암종별 풍화도를 구분하기 위해 서로 다른 온도 조건을 설정하여 세 종류의 열충격 그룹 시편을 인위적으로 제작하였다. 먼저 각 암종별 열충격을 가하지 않은 암석은 신선한 1그룹(GG-1, BS-1, WL-1)으로 구분하였고, 2그룹(GG-2, BS-2, WL-2)과 3그룹(GG-3, BS-3, WL-3)은 각각 10℃/분의 승온속도로 300℃와 500℃까지 열충격을 가한 후 최고온도에서 2시간을 유지한 다음 상온에서 냉각시켰다.
- 이를 위해 자연건조된 200×200×200㎜ 크기의 정방형 공시체를 암종별로 준비한 후, X, Y, Z축에 평행하게 직접전달방법과 간접전달 방법으로 초음파속도를 측정하였다(Figure 6).
- 따라서 이 연구에서는 자연환경 상태의 시간 스케일로 암석을 풍화시키는 것이 거의 불가능하므로 NX 코어(거창화강암, 보령사암, 완주 석회암)를 대상으로 인공풍화실험을 수행하였다. 특히 동결-융해, 산침수, 염결정 및 열파괴 등의 다양한 인공풍화 실험 중 비교적 실험방법이 간단하고 물리적 풍화 효과가 높은 열파괴 실험을 실시하였다(Simmons and Cooper, 1978).
- 함수율을 고려한 석조문화유산의 초음파 측정조건을 설정하기 위해 자연 상태에서 완전히 건조된 것으로 추정되는 50시간의 초음파속도를 기준으로 변화율을 검토하였다(Figure 4d). 야외에 노출되어 있는 석조문화유산은 인위적으로 건조하지 않는 한 일정 이상의 수분을 함유하고 있기 때문이다.
대상 데이터
- 각 암석들은 실험목적에 맞도록 직경 54mm의 NX 코어와 정방형 공시체(200×200×200mm)로 제작되었다.
- 이 외에 사암과 석회암 등이 각각 4% 이하의 분포를 갖는다(National Research Institute of Cultural Heritage, 2011). 따라서 이 연구에서는 국내의 대표적 화강암 4종과 석영섬록암, 사암, 석회암 및 반려암을 실험대상으로 선정하였고, 최근 들어 시멘트로 구성된 근대문화재의 비파괴 초음파진단이 요구되고 있어 KS L 5015(2012)에 따라 시멘트 모르타르 공시체(CE)도 제작하였다.
- 먼저 함수율과 초음파 특성 실험의 경우 젤 타입의 접촉매질은 암석 표면에 침투하여 공극률에 영향을 줄 수 있으므로 Jo(2011)가 개발한 엘라스토머 커버를 사용하였다. 또한 이방성과 초음파 특성 실험에서는 가장 안정적인 초음파속도를 획득할 수 있는 젤 타입의 수용성 접촉매질을 이용하였다.
- 접촉매질이 없다면 탐촉자와 시편 사이의 임피던스 차이가 커져 초음파는 시편 내부로 잘 들어갈 수 없기 때문이다. 이 연구에서는 두 종류의 접촉매질을 활용하였다. 먼저 함수율과 초음파 특성 실험의 경우 젤 타입의 접촉매질은 암석 표면에 침투하여 공극률에 영향을 줄 수 있으므로 Jo(2011)가 개발한 엘라스토머 커버를 사용하였다.
데이터처리
- 이때 한 개의 축 방향으로 20개의 데이터를 획득하여 평균 초음파속도를 산출하였으며, 이 중 가장 빠른 속도를 보인 방향을 1결(V1), 중간 속도를 보인 방향을 2결(V2), 가장 느린 속도를 보인 방향을 3결(V3)이라고 명명하였다. 또한 측정된 초음파속도 결과를 아래 식 4에 대입하여 이방성지수(anisotropy coefficient)를 산출하였다(Birch, 1961).
이론/모형
- 이 중 포화도와 함수율은 각각 아래 식 1과 2를 이용하였으며, 초음파속도 변화율은 Vasconcelos et al.(2007)이 제시한 방법을 활용하여 계산하였다.
- 이 연구에서는 두 종류의 접촉매질을 활용하였다. 먼저 함수율과 초음파 특성 실험의 경우 젤 타입의 접촉매질은 암석 표면에 침투하여 공극률에 영향을 줄 수 있으므로 Jo(2011)가 개발한 엘라스토머 커버를 사용하였다. 또한 이방성과 초음파 특성 실험에서는 가장 안정적인 초음파속도를 획득할 수 있는 젤 타입의 수용성 접촉매질을 이용하였다.
- 이 중 흡수율과 공극률은 ASTM C97/C97M-09(2009)을 이용하였고, 공극형태지수는 Bourgès(2006)이 제시한 방법으로 계산하였다.
성능/효과
- 1. 초음파속도는 암석의 함수율이 증가할수록 지수적으로 증가하는 정의 상관관계(R2; 0.95～0.99)를 보였으나 함수율(약 34시간 이상)과 달리 자연건조 후 비교적 빠른 시간(4∼10시간) 안에 일정한 값을 유지하였다.
- 2. 수분에 완전히 포화된 상태와 자연건조 완료후의 초음파속도 차이는 화강암 447～732㎧, 사암 470～862㎧, 석회암 261～1,086㎧로 석조문화유산의 현장 초음파 측정 시 수분영향을 고려하지 않을 경우 획득결과의 오인을 야기할 수 있다.
- 3. 수분에 영향을 받은 석조문화유산의 초음파 측정을 수행할 경우, 실제 강도에 비해 최대 1등급 정도 과대평가 될 수 있기 때문에 신뢰도 높은 데이터를 획득하기 위해서는 약 10시간 정도의 자연건조가 필요할 것으로 판단된다.
- 4. 9종 12개의 암석 시편을 대상으로 초음파를 이용하여 이방성을 분석한 결과, 구성입자의 방향성 및 미세 균열에 의해 이방성이 발생하는 화강암(5.4∼26.5%)과 층리 및 엽리에 의한 구조적 이방성이 두드러지는 석회암(13.1%)이 다른 재질에 비해 높은 이방성지수를 보였다.
- 5. 직접전달방법은 초음파 펄스가 종방향의 1축으로만 전달되어 암석의 이방성을 그대로 반영하는 반면 간접전달방법은 초음파 펄스가 구면파를 형성하면서 종방향 뿐만 아니라 횡방향으로도 발생되어 상대적으로 이방성에 둔감한 특성을 나타냈다.
- 6. 이방성을 고려한 석조문화유산의 초음파 측정을 수행하기 위해서는 간접법 측정 시 최소 2축 또는 3축 방향으로 초음파속도를 획득해야 하고, 직접전달방법은 대상 유산의 형태에 따라 많은 제약을 받으므로 초음파 전달방향을 기록하여 분석결과의 오차를 방지해야 한다.
- 먼저 함수율과 초음파 특성을 종합해보면, 수분에 포화된 암석들은 건조 초기에 포화도와 함수율이 급격히 감소하다가 50시간까지 변화율이 서서히 줄어드는 지수함수 형태를 나타냈고, 105℃로 완전히 건조한 이후에는 선형적으로 급격한 변화를 보였다. 그러나 초음파속도 및 변화율은 각 암종의 풍화도에 따라 약간의 차이가 있지만 공통적으로 10시간의 자연건조 이후에 큰 변화 없이 안정된 수치를 유지하였다.
- 69%를 보였다. 또한 경주 남산 알칼리장석화강암은 7.3%, 양주화강암은 5.4%가 산출되었으며, 두 종류의 석영섬록암은 7.9%와 3.9%로 확인되었다. 충주반려암은 3.
- 5%로 계산되었다. 또한 두 종류의 석영섬록암은 각각 6.3%와 6.2%를 나타냈고, 반려암은 3.8%, 보령사암은 3.3%, 완주석회암은 8.5%, 시멘트 모르타르는 1.7%의 이방성지수가 확인되었다(Figure 8a).
- 전반적으로 익산화강암과 거창화강암이 구성입자의 배열과 미세 균열에 의한 높은 이방성을 나타냈고, 경주 남산 알칼리장석화강암과 양주화강암은 뚜렷한 방향성을 보이지 않았다. 또한 석영섬록암, 반려암 및 보령사암은 미세한 이방성만이 관찰되었으며, 시멘트 모르타르는 이방성이 존재하지 않는 것으로 확인되었다. 그러나 육안으로도 층리가 확인되는 석회암은 2결과 3결에 평행한 방향으로 구성입자가 배열되어 상대적으로 높은 이방성지수를 보였다.
- 이 결과를 살펴보면, 모든 암석의 초음파속도는 건조 초기 2시간 이내에 가장 높은 감소율을 보였으며, 이러한 경향은 풍화도가 높은 암석일수록 좀 더 뚜렷하였다. 또한 수분에 완전히 포화된 상태와 자연건조 완료 후의 초음파속도 차이는 화강암 447～732㎧, 사암 470～862㎧, 석회암 261～1,086㎧를 나타냈다. 이는 수분에 의해 석조문화유산의 물성이 최대 1등급 정도 과대평가 될 수 있음을 의미한다.
- 이 중 2축에 가까운 암석은 익산화강암, 경주 남산 알칼리장석화강암, 공주석영섬록암, 충주반려암 및 완주석회암이며, 3축은 거창화강암, 양주화강암 및 보령사암으로 확인되었다(Figure 7a, 7b). 또한 암종별 직접전달방법으로 측정된 초음파속도를 이용하여 이방성지수를 산출한 결과, 두 종류의 거창화강암은 각각 14.7%와 15.1%를 나타냈고, 중립질 및 세립질의 익산화강암은 각각 26.5%와 13.69%를 보였다. 또한 경주 남산 알칼리장석화강암은 7.
- 또한 자연건조가 완료된 것으로 판단되는 50시간의 암종별 함수율은 풍화도에 따라 약간의 차이가 있지만 화강암 0.07∼0.10%, 사암 0.08∼0.09%, 석회암 0.01∼0.03%로 석회암이 압도적으로 낮은 수치를 나타냈다.
- 또한 자연건조가 완료된 것으로 판단되는 50시간의 초음파속도를 기준으로 약 3% 이내의 변화율을 나타내는 건조시간을 살펴본 결과, 화강암은 6시간 이후, 사암은 6∼10시간 이후, 석회암은 4시∼10시간 이후로 관찰되었다.
- 1%)이 다른 재질에 비해 높은 이방성지수를 보였다. 또한 측정방법별로는 간접전달방법이 직접전달방법에 비해 이방성지수가 급격히 감소하는 특징을 나타냈다. 이처럼 동일한 암석이라도 간접전달방법으로 측정할 경우 이방성지수가 급격히 감소하는 것은 초음파의 전달방향과 관련된 것으로 판단된다.
- 먼저 각 암종별 이방성지수를 종합해보면, 전체적으로 재질별로 다양한 이방성(0.7∼26.5%)을 가지고 있는 것을 알 수 있었다.
- 먼저 함수율과 초음파 특성을 종합해보면, 수분에 포화된 암석들은 건조 초기에 포화도와 함수율이 급격히 감소하다가 50시간까지 변화율이 서서히 줄어드는 지수함수 형태를 나타냈고, 105℃로 완전히 건조한 이후에는 선형적으로 급격한 변화를 보였다. 그러나 초음파속도 및 변화율은 각 암종의 풍화도에 따라 약간의 차이가 있지만 공통적으로 10시간의 자연건조 이후에 큰 변화 없이 안정된 수치를 유지하였다.
- 각 시편의 함침 후 자연건조 시간에 따른 함수율, 포화도, 초음파속도 및 변화율을 Table 2에 제시하였다. 분석 결과를 살펴보면, 암종별 함수율과 포화도는 공극률이 낮은 신선한 암석일지라도 건조 직후 급격히 줄어들었고(Nur and Simmons, 1969), 풍화도에 따라 서로 다른 거동 경향을 보이면서 건조 시간이 증가할수록 지수적으로 감소하였다(Figure 4a, 4b).
- 먼저 신선한 석회암을 다시 준비한 다음 105℃(24시간)로 건조한 전·후의 초음파속도를 측정하였다. 이 결과, 건조 전 3,773㎧의 초음파속도를 보였으나 건조 후 2,864㎧로 약 909㎧ 만큼 감소한 것을 알 수 있다. 이러한 석회암의 물성저하는 가열과정 중 방해석이 이산화탄소(CO2)의 해리를 수반하는 하소반응(calcination)에 의해 발생한 것으로 판단된다.
- 야외에 노출되어 있는 석조문화유산은 인위적으로 건조하지 않는 한 일정 이상의 수분을 함유하고 있기 때문이다. 이 결과를 살펴보면, 모든 암석의 초음파속도는 건조 초기 2시간 이내에 가장 높은 감소율을 보였으며, 이러한 경향은 풍화도가 높은 암석일수록 좀 더 뚜렷하였다. 또한 수분에 완전히 포화된 상태와 자연건조 완료 후의 초음파속도 차이는 화강암 447～732㎧, 사암 470～862㎧, 석회암 261～1,086㎧를 나타냈다.
- 이 중 흡수율과 공극률은 ASTM C97/C97M-09(2009)을 이용하였고, 공극형태지수는 Bourgès(2006)이 제시한 방법으로 계산하였다. 이 결과를 살펴보면, 전체적으로 모든 암석들은 열충격 온도가 증가함에 따라 비중은 감소한 반면 흡수율, 공극률 및 공극형태지수는 증가하는 경향을 나타냈다. 특히 공극형태지수의 상관도에 따르면 화강암과 사암의 1그룹 및 2그룹과 석회암 1그룹은 미세 공극 및 균열이 공존하는 특징을 나타냈고, 화강암과 사암의 3그룹을 포함한 석회암 2그룹 및 3그룹의 경우 미세 균열이 전체적인 공극을 형성하고 있는 것으로 확인되었다.
- 전반적으로 익산화강암과 거창화강암이 구성입자의 배열과 미세 균열에 의한 높은 이방성을 나타냈고, 경주 남산 알칼리장석화강암과 양주화강암은 뚜렷한 방향성을 보이지 않았다. 또한 석영섬록암, 반려암 및 보령사암은 미세한 이방성만이 관찰되었으며, 시멘트 모르타르는 이방성이 존재하지 않는 것으로 확인되었다.
- 전체적으로 간접전달방법으로 측정된 이방성지수는 직접전달방법에 비해 급격히 감소하는 특징을 보였다. 특히 이러한 차이는 구성입자의 배열과 미세 균열에 의한 이방성을 가지는 거창화강암(8.
- 또한 자연건조가 완료된 것으로 판단되는 50시간의 초음파속도를 기준으로 약 3% 이내의 변화율을 나타내는 건조시간을 살펴본 결과, 화강암은 6시간 이후, 사암은 6∼10시간 이후, 석회암은 4시∼10시간 이후로 관찰되었다. 최단 시간은 암종별 약간의 차이가 있으나 공통적으로 10시간 이후에 초음파속도의 큰 변화 없이 안정적인 수치를 유지하였다. 완전 건조(105℃) 이후의 초음파속도 변화를 살펴보면, 화강암(-0.
- 특히 각 암석들의 초음파속도는 함수율이 증가할수록 지수적으로 증가하는 정의 상관관계가 뚜렷이 확인되었으며, 이때 두 측정 인자 사이의 상관관계(R2) 역시 0.95∼0.99의 매우 높은 수치를 나타냈다(Figure 5).
- 이 결과를 살펴보면, 전체적으로 모든 암석들은 열충격 온도가 증가함에 따라 비중은 감소한 반면 흡수율, 공극률 및 공극형태지수는 증가하는 경향을 나타냈다. 특히 공극형태지수의 상관도에 따르면 화강암과 사암의 1그룹 및 2그룹과 석회암 1그룹은 미세 공극 및 균열이 공존하는 특징을 나타냈고, 화강암과 사암의 3그룹을 포함한 석회암 2그룹 및 3그룹의 경우 미세 균열이 전체적인 공극을 형성하고 있는 것으로 확인되었다.
- 특히 구성입자의 방향성 및 미세 균열에 의해 이방성이 발생하는 화강암(5.4∼26.5%)과 층리 및 엽리에 의한 구조적 이방성이 두드러지는 석회암(13.1%)이 다른 재질에 비해 높은 이방성지수를 보였다.
- 특히 함수율은 풍화도와 정비례 관계를 보이면서 34시간 이후 거의 변화가 없는 일정한 값을 유지한 반면 포화도는 50시간까지 서서히 감소하는 특징을 보였다. 이는 함수율이 포화도에 비해 수분 영향에 좀 더 둔감한 측정인자 임을 의미한다.
- 한편 간접전달방법으로 측정된 초음파속도를 이용하여 이방성지수를 산출한 결과, 두 종류의 거창화강암은 각각 2.7%와 6.9%를 보였고, 중립질 익산화강암은 14.7%, 세립질 익산화강암은 1.7%, 알칼리장석화강암은 2.8%, 양주화강암은 1.5%로 계산되었다. 또한 두 종류의 석영섬록암은 각각 6.
후속연구
- 7)은 미약하게나마 존재하였다. 따라서 이방성에 의한 초음파법의 신뢰도 감소를 보완하기 위해서는 다양한 축 방향을 고려한 측정방법의 개선이 필요할 것으로 판단된다.
- 64%)은 상대적으로 낮은 감소율을 나타냈다(Figure 8b). 따라서 이방성을 고려한 초음파탐사의 신뢰도를 향상시키기 위해서는 2축 또는 3축 방향을 반영할 수 있는 측정방법의 개선이 필요할 것으로 판단된다. 이는 1축 방향에 의한 초음파 측정은 대상 석조문화유산의 물성보다는 이방성에 의존한 결과를 제시할 수 있기 때문이다.
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