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문제 정의
- 본 연구에서는 강우에 의한 무기질 바인더의 변질과 이로 인한 암석에의 영향을 살펴보기 위해 무기질 바인더와 물반응 실험 및 인공풍화시험을 실시하여 무기질 바인더의 문제점과 그 대안을 토대로 대체 보수물질로서의 활용성을 가늠해보고자 하였다.
제안 방법
- 물반응에 대한 측정방법을 고려하여 두 가지 크기의 원기둥 형태(무게, 강도, 조직 관찰용 : ∅30, H 15 mm, 모세관물흡수율 측정 : ∅30 H 50 mm)로 제작하였다.
- 물반응으로 인한 무기질 바인더의 변화가 암석에 미치는 영향을 조사하기 위해 거창화강암(밀도:2.61-2.67 g/cm3, 흡수율: 0.24-0.53%, 공극률:0.64-1.39%, 압축강도: 1591-2723 kgf/cm2, 함유광물: 석영 22.6-42.8%, 사장석 37.9-57.9%, 알칼리 장석 10.0-23.8%, 운모 1.4-6.8%, 녹니석 0.1-2.3%) (50 (L) × 20 (W) × 50 (H)mm) 위에 무기질 바인더를 5 mm 두께로 처리하였다.
- 물과 반응한 무기질 바인더가 암석에 미치는 영향을 알아보기 위해 무기질 바인더가 처리된 암석에 수용액을 처리하였다. 시험 후 무기질 바인더를 제거하고 무기질 바인더가 처리되었던 암석면을 0.
- 물과 반응한 무기질 바인더가 암석에 미치는 영향을 알아보기 위해 무기질 바인더가 처리된 암석에 수용액을 처리하였다. 시험 후 무기질 바인더를 제거하고 무기질 바인더가 처리되었던 암석면을 0.3 cm, 0.5 cm 깊이로 코어링하여 암석가루를 채취하였다(Fig. 2). 채취한 가루를 분말화한 후 증류수에 넣어 녹아 나온 이온을 측정하여, 무기질 바인더 성분이 암석내부로 어느 정도까지 스며들었는지를 파악하였다.
- 2). 채취한 가루를 분말화한 후 증류수에 넣어 녹아 나온 이온을 측정하여, 무기질 바인더 성분이 암석내부로 어느 정도까지 스며들었는지를 파악하였다.
- 물반응 전⋅후의 시편의 무게를 측정하여 시험에 따른 손실량을 계산하였으며, 시편의 무게는 105℃에서 24시간 건조한 후 소수점 넷째 자리 저울을 이용하여 측정하였다.
- 6 수용액을 제작하였다. 산성비와 비교하기 위하여 약알칼리성 pH 8.0 수용액도 제작하였으며, 이온을 함유하지 않는 중성 pH 6.85 탈이온수를(J.T.Baker사 제조) 적용하여 산성도와 함유이온에 따른 무기질 바인더의 변화를 비교하였다. 제작 수용액의 산성도, 함유 이온성분과 함량, 반응량 등은 기존에 발표된 논문을 참고하였다(Do and Cho, 2010).
- 무기질 바인더 시편 및 무기질 바인더 적용 암석시편을 각 수용액에 1시간 동안 침수시킨 후 40℃에서 건조시키는 과정을 40일간 시행하였다.
- X-선형광분석기(XRF-1700, Shimadzu)를 이용하여 무기질 바인더 시편의 화학성분을, X-선 회절 분석(D/MAX 2000, Rigaku)을 통해 광물 성분을 확인하였다.
- 초음파탐상기(PUNDIT Plus with exponential probe TX-RX)를 이용하여 시험 전후 시편의 초음파속도를 측정한 후 경험식에 대입하여 평균값을 일축압축강도로 추정하였다. 각 시편의 높이 방향에서 3포인트를, 무기질 바인더가 부착된 암석 시편은 10포인트를 측정하여 평균을 내었다.
- 초음파탐상기(PUNDIT Plus with exponential probe TX-RX)를 이용하여 시험 전후 시편의 초음파속도를 측정한 후 경험식에 대입하여 평균값을 일축압축강도로 추정하였다. 각 시편의 높이 방향에서 3포인트를, 무기질 바인더가 부착된 암석 시편은 10포인트를 측정하여 평균을 내었다.
- 물반응으로 인한 무기질 바인더 표면조직의 미세한 변화와 암석 접착면의 변화를 관찰하기 위해 실체현미경을(DG-2, Scalar) 이용하여 100배의 배율로 조사하였다.
- 시편과 반응한 수용액의 산성도 변화와 함유 이온성분 변화를 측정하여 무기질 바인더의 변화를 간접적으로 확인하였다. 산성도는 pH 미터 (HM-20P, TOADKK), 함유 이온은 이온크로마토그래피를(Dionex IC 2000, USA) 사용하여 분석하였다.
- 시편과 반응한 수용액의 산성도 변화와 함유 이온성분 변화를 측정하여 무기질 바인더의 변화를 간접적으로 확인하였다. 산성도는 pH 미터 (HM-20P, TOADKK), 함유 이온은 이온크로마토그래피를(Dionex IC 2000, USA) 사용하여 분석하였다. 시험전, 무기질 바인더 시편을 수용액에 넣은 직후, 20일 경과 후 그리고 최종 시험 후 수용액으로부터 일정량을 채취하였다.
- 시멘트모르타르나 석회에 비해서 양호하기는 하지만 물과의 반응에서 물성저하, 그리고 다량의 용해물질 용출 등의 문제를 지닌 무기질 바인더의 성질을 보완하여 활용하는 방법을 시도하였다. 그 한방법으로 무기질 바인더 시편에 암석 보존처리제인 강화제와 발수제를 적용하는 것이다.
- 그 한방법으로 무기질 바인더 시편에 암석 보존처리제인 강화제와 발수제를 적용하는 것이다. 무기질 바인더 시편을 제작하는 과정에서 처리제를 혼합하여 양생시키는 것과, 양생이 완료된 후 처리제를 침투시키는 방법으로 물반응시험과 인공풍화시험을 거쳤다. 이 부분은 차후에 좀 더 심화된 결과와 논의를 거쳐 정리할 것이나 우선 그 결과만을 언급 하면, 양생이 완료된 후 처리제를 침투시킨 시험에서 우수한 결과를 보였다는 것이다.
- 문화재 보수물질로 거론되고 있는 무기질 바인 더의 안정성 확인을 위해 무기질 바인더와 첨가제를 배합하여 시편을 제작하여 산성도가 다른 수용액을 적용한 후 인공풍화시험을 거친 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.
대상 데이터
- 문화재 분야의 보존처리제로 적용 가능한 순수 무기질 바인더 1종과 이를 바탕으로 첨가제가 배합된 무기질 바인더 3종 등 총 4종의 무기질 바인더를 선정하였다(Table 1). 순수 무기질 바인더는 A, 무기질 바인더에 첨가제를 넣은 3종의 무기질 바인더는 B, C, D 시편으로 칭하였다.
- 무기질 바인더에 적용할 수용액은 우리나라 강우의 산성도와 함유이온을 바탕으로 가장 극한 산성에 해당하는 pH 4.0와 한계산성비인 pH 5.6 수용액을 제작하였다. 산성비와 비교하기 위하여 약알칼리성 pH 8.
이론/모형
- Baker사 제조) 적용하여 산성도와 함유이온에 따른 무기질 바인더의 변화를 비교하였다. 제작 수용액의 산성도, 함유 이온성분과 함량, 반응량 등은 기존에 발표된 논문을 참고하였다(Do and Cho, 2010).
성능/효과
- , 2008). 이를 통해 무기질 바인더의 한 종류인 친환경적인 플라이 애시나 고로슬래그 등과 같은 산업 부산물의 재활용을 통한 연구를 바탕으로 무기질 바인더의 성질이 안정적이라는 결과가 발표되었다. 바인더란 결합재라고도 불리며 이는 응집력이나 접착력이 있어 물질을 결합하는 데 쓰는 고화제로 입자끼리 뭉쳐, 기계적 강도, 균질 접합성, 표면 피복 시 접착성을 향상하며 다른 물질을 고착시키는 물질의 총칭으로 재료로는 점토, 시멘트, 석회와 수지 등이 있다.
- 물반응에 대한 측정방법을 고려하여 두 가지 크기의 원기둥 형태(무게, 강도, 조직 관찰용 : ∅30, H 15 mm, 모세관물흡수율 측정 : ∅30 H 50 mm)로 제작하였다. 제작된 시편은 실외에서 3주간, 60℃에서 24시간 동안 충분한 건조와 양생시간을 거쳤다.
- 화학성분 분석 결과, 순수 무기질 바인더인 A 시편의 주 구성성분은 MgO (40.18%), SiO2 (21.34%), K2O (24.75%)이며, 그 외 P2O5 (5.60%) Al2O3 (2.17%)를 포함하고 있다. 순수 무기질 바인더는 Mg, Si, K의 3성분계이며 Al2O3는 합성 중 필러에 의해 첨가된 성분이다.
- O를 기반으로 인산마그네슘, 마그네슘 실리케이트 인산염 등의 분말을 적절한 비율로 혼합하여 이온 반응을 통하여 결합시킨 무기화합물이다. 무기질 바인더와 첨가물을 시편으로 제작하여 양생한 후, 분말화하여 X-선 회절분석을 실시한 결과, A 시편과 D 시편의 구성 물질은 금운모(phlogopite, K2Mg6Si8O20 (OH)4), biphosphammite (K0.11(NH4) 0.89(H2PO4)), 석영 등이며, B 시편과 C 시편에서는 사장석(앨바이트)이 추가로 검출되었다(Fig. 3).
- 변화율은 D > A > B > C의 순이며, D 시편의 모세관흡수계수가 가장 크게 변화된 것이 확인하였다.
- 동일 시편 내 수용액의 산성도에 따른 무게감소율 차는 적으며 시편별로 수용액의 산성도에 의한 감소율이 달라서, 수용액의 산성도에 따른 무게 감소 경향은 찾아보기 어렵다. 시편의 유형에 따른 차이는 큰 편으로 A와 D 시편의 무게 감소율이 B, C 시편에 비해 2배 이상 크며, 수용액의 적용에 의해 C 시편의 무게 감소율이 가장 낮았고, 특히 수용액의 산성도가 pH 5.6일 때 2.13%로 가장 낮았다. 이 모든 결과는 무기질 바인더 시편이 수용액과 반응하여 용해되거나 구성입자가 이탈됨을 의미한다.
- 4에서 보는 바와같이 B, C 시편에 비해서는 높지만 D 시편에 비해서는 3배 정도 낮은 결과를 보여 무게 감소와 강도 감소가 일치하지 않음을 나타내었다. 무게 변화의 결과와 마찬가지로 수용액의 산성도에 따른 동일 시편 내 추정압축강도는 큰 차이를 보이지 않았고, 시편별로 적용 수용액의 산성도에 의한 강도변화가 달라서(A, C 시편 : pH 4.0, B 시편 : pH 8.0, D 시편: pH 5.6 강우에서 강도감소율이 가장 큼), 수용액의 산성도에 의한 강도 감소의 경향성은 보이지 않는다.
- 무기질 바인더 시편과 반응 후 변화된 수용액내 이온성분을 Table 5에 정리하였다. Na+ , K+ , Mg2+의 함량이 반응 초기보다 월등히 증가하였으며, pH 4.0과 pH 6.85 수용액에 없던 Mg2+는 무기질 바인더 시편과 반응 후 큰 값으로 증가하였다. 이 결과를 통해 무기질 바인더에는 다량의 수용성 K과 Mg 함유염이 존재함을 알 수 있다.
- 85 수용액에 없던 Mg2+는 무기질 바인더 시편과 반응 후 큰 값으로 증가하였다. 이 결과를 통해 무기질 바인더에는 다량의 수용성 K과 Mg 함유염이 존재함을 알 수 있다.
- 이온은 K+ > Mg2+ > Na+ > Ca2+ 순으로 산성용액보다 탈이온수인 pH 6.85 중성 수용액과 반응한 시편에서 더 많은 이온이 검출되었다.
- 이 부분은 차후에 좀 더 심화된 결과와 논의를 거쳐 정리할 것이나 우선 그 결과만을 언급 하면, 양생이 완료된 후 처리제를 침투시킨 시험에서 우수한 결과를 보였다는 것이다. ①강화제 (SILRES BS OH100, Wacker) 처리, ②발수제(BS 1001, Wacker) 처리, ③강화제 처리후 발수제 처리를 거친 시편 모두에서 물과의 반응에 있어서 용해되어 나오는 이온함량이 현저히 줄었으며, 강화제와 발수제를 모두 처리한 시편에서 가장 효과가컸다(Table 7).
- 1) 순수 무기질 바인더와 첨가재 배합에 따른 시편의 특성에 차이가 있으며 강도는 순수 무기질 바인더로만 제작된 것에서 가장 높았고, 흡수율은 실리카, 모래, 백색점토가 배합된 것이 가장 높았다.
- 5) 물과의 반응에 의해 무기질 바인더로부터 용해된 이온은 K+ > Mg2+ > Na+ > Ca2+ 순이며 이들은 건조시 무기질 바인더 원래의 성분과 수용액 속에 함유되어 있던 이온과 결합하여 생성된 Mg(OH)2, KOH, KNO3, K3PO4, MgSO4⋅nH2O 등의 백색염을 형성한다.
- 2) 산성도가 다른 물과의 반응 후 무기질 바인더시편의 무게는 줄었으며, 강도는 저하되었고, 흡수율은 증가, 미세조직에서는 공극과 균열이 발생한 결과를 보임으로서 무기질 바인더 시편의 구성물질이 물과의 반응에 의해 이탈됨을 확인하였다.
- 3) 물의 산성도와 무기질 바인더 시편의 변질과의 상관성은 적다.
- 4) 수용액에 무기질 바인더로부터 용해된 이온량은 실리카, 모래, 백색점토가 배합된 시편, 순수 무기질 바인더 시편에서 많았으며, 용출된 이온함량과 모세관흡수율의 상관성은 크다.
- 6) 무기질 바인더를 암석시편에 적용한 상태에서 물과 반응시켰을 때 용해된 무기질 바인더 성분이 물과 함께 암석 내부 5 mm까지도 스며들어 축적됨이 확인되었다.
후속연구
- 7) 무기질 바인더가 양생된 후 암석강화제와 발수제를 처리하였을 때 무기질 바인더로부터 용해되어 나오는 이온량이 월등이 감소함이 확인되므로 문화재에 적용하고자 할 시에는 강화제와 발수제를 함께 적용할 필요가 있다.
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