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문제 정의
- 따라서 이 연구에서는 무령왕릉에 사용된 전돌의 재료적 특성을 분석하기 위해 다양한 실험을 수행하고, 기존 연구에서 수행한 실험 결과와 비교하여 문화재 재료 특성에 관한 신뢰성을 확보하고, 문화재 보수 · 보강 재료 제작시 필요한 기초 자료로 활용하고자 한다.
가설 설정
- 5 %의 낮은 흡수율을 가지는 그룹과 15 %의 높은 흡수율을 가지는 그룹으로 구분되어졌다. 흡수율은 식 8과 같이 표면건조 내부포화 시편 무게에서 건조된 시편 무게를 제외한 값의 비율에 따라 결정되므로, 밀도 1의 물이 시편내부의 모든 공극으로 침투되었다고 가정하면 이론적으로 흡수율과 공극율은 100% 일치하는 결과가 나온다. 다만, 물이 침투 할 수 없는 공극의 존재 또는 실험오차로 인해 100% 일치하는 결과가 나타나지는 않지만, 공극율과 같은 내부구조에 따라 흡수율이 달라지는 것은 사실이다.
제안 방법
- 무령왕릉 전돌의 열전도도 측정은 Figure 5와 같은 열전도도 측정 장비(Mathis TCi)를 사용하여 센서 표면에 2℃이하의 열을 샘플의 한쪽 면에만 전달하는 방법으로 진행하였다. 각 시료 당 3개면에 대하여 한 면에 총 5회씩 열전도도를 측정한 후, 최대 및 최소값을 제외한 나머지의 평균값을 열전도도로 결정하였다.
- 그러나 이 연구에서는 재현 전돌에만 접촉제로 젤 타입의 수용성 글리세린(Couplant)를 사용하였으며, 무령왕릉 전돌에는 접촉제를 사용하지 않고 초음파 속도를 측정하였다. 접촉제 미사용으로 인한 오차를 줄이기 위하여 출토된 무령왕릉 전돌을 재현한 전통수제 전돌의 접촉제 사용 유무에 따른 초음파 속도 측정결과를 이용하여 보정계수를 산정하였으며, 이를 무령왕릉 전돌에 적용하였다.
- 따라서 전돌을 건조가 용이하게 진행되는 실내 조건(온도 26±1℃, 습도 40±5 %)을 가정하여 항온·항습기에 넣어두고 시간 경과에 따른 중량을 측정하였다.
- 무령왕릉 전돌 시험편 간의 흡수율 차이를 알아보기 위해 기존 연구결과를 통해 도출된 상관관계 식을 이 연구에서 사용한 시편에 적용하여 공극률을 예측하였으며, 기존 연구에서 사용한 시편 23편과 함께 Figure 12에 나타냈다. 그 결과, 기존 연구 결과와 동일하게 1.
- 무령왕릉 전돌의 열전도도 측정은 Figure 5와 같은 열전도도 측정 장비(Mathis TCi)를 사용하여 센서 표면에 2℃이하의 열을 샘플의 한쪽 면에만 전달하는 방법으로 진행하였다. 각 시료 당 3개면에 대하여 한 면에 총 5회씩 열전도도를 측정한 후, 최대 및 최소값을 제외한 나머지의 평균값을 열전도도로 결정하였다.
- 무령왕릉 전돌의 재료 특성을 알기 위해 초음파 속도, 압축강도, 열전도도, 흡수율 및 수분 잔류율 시험을 진행하였다. 문화재의 보호를 위해 실험은 기본적으로 비파괴로 진행되었으며, 재현 전돌에 한해서만 파괴 실험을 진행하였다.
- 무령왕릉 전돌의 재료 특성을 알기 위해 초음파 속도, 압축강도, 열전도도, 흡수율 및 수분 잔류율 시험을 진행하였다. 문화재의 보호를 위해 실험은 기본적으로 비파괴로 진행되었으며, 재현 전돌에 한해서만 파괴 실험을 진행하였다. 이상의 실험 계획은 Table 4에 정리하였다.
- 그 결과 초음파 속도를 이용한 압축강도 추정식들은 최대 33배의 평균값 차이를 나타내는 등 평균과 표준편차 값의 차이가 큰 것으로 나타났다. 반면, 흡수율을 이용한 압축강도 추정식들은 이러한 편차가 보다 낮게 나타났으며, 무령왕릉 전돌의 평균 압축강도를 28.69 MPa ~ 33.19 MPa의 범위로 추정하였다.
- 접촉제 미사용으로 인한 오차를 줄이기 위하여 출토된 무령왕릉 전돌을 재현한 전통수제 전돌의 접촉제 사용 유무에 따른 초음파 속도 측정결과를 이용하여 보정계수를 산정하였으며, 이를 무령왕릉 전돌에 적용하였다. 보정계수 산정을 위한 재현 전돌의 초음파 속도 측정은 압축강도 시험 후에 진행하였다. 따라서 압축강도 측정 시 사용된 시편과는 별도로 재현 전돌 그룹에서 임의로 선택된 3편의 전돌을 시편으로 사용하였다.
- 원토의 XRF 분석에 사용된 기기는 Shimadzu사의 XRF-1700이다. 선정된 원토는 전통방식에 따라 압축강도 실험용 시편을 만들어 하중을 가하는 간접적인 방법을 사용하였다. 이를 위해 수경성 시멘트 모르타르 압축강도 측정용 시편(KATS, 2007)과 동일한 크기(50×50×50 mm)의 전통수제 전돌 5개가 제작되었다.
- 압축강도 측정을 위한 파괴 실험은 재현 전돌 만을 대상으로 진행하였다. 실험결과 값과 초음파 속도의 상관관계를 무령왕릉 전돌에 적용하는 방식으로 압축강도를 추정하였으며, 추정된 무령왕릉 전돌의 압축강도 값과 기존의 근대 점토벽돌의 압축강도 제안식에 전돌의 흡수율과 초음파 속도를 대입하여 비교하였다. 기존 연구에서 근대 점토벽돌의 압축강도를 예측한 식을 살펴보면, Son(2010)은 근대건축물(1909, 1937) 2종에 사용된 점토벽돌 4종과 현대벽돌 1종을 사용하여 점토벽돌의 흡수율(X)과 압축강도(F)의 상관관계, 그리고 초음파 속도(V)를 통해 점토벽돌의 압축강도(F) 예측식을 식 2, 3과 같이 제안하였다.
- 국내에서는 고대 전돌의 제작기법을 추정할 수 있는 문헌이 거의 없는 반면 중국에는 전돌의 제작 방법을 상세히 기록한 문헌인 송대의 이계에 의해 쓰여져 1103년에 간행된「영조법식」(Li, 1035-1110)과 명대의 송응성에 의해 1637년에 기술된「천공개물」(Song, 2009)이 있다. 위의 두 문헌에 기술된 방식을 참고하여 나무재질의 성형틀을 사용하였다. 또한 전통방식에 따라 인력으로 제작되었으며, 소성은 고증에 의해 복원된 전통가마에서 진행되었다.
- 이러한 무령왕릉 전돌의 초음파 속도 측정값의 신뢰성을 검증하기 위해 기존 연구 결과와 비교해 보았다. 그 결과, 기존 연구(Jang, 2013)에서 수행한 무령왕릉 전돌 13편의 초음파 속도 값은 3.
- 7 % 정도로 두 연구의 실험 결과가 서로 비슷한 것으로 나타났다. 전통적인 방법으로 소성된 무령왕릉 재현 전돌의 초음파 속도와 압축강도의 상관관계를 이용하여 무령왕릉 전돌의 압축강도를 추정하였다. 추정된 압축강도 값과 기존의 근대 점토벽돌의 압축강도 제안식에 무령왕릉 전돌의 흡수율과 초음파 속도를 대입하여 비교하였다.
- 그러나 이 연구에서는 재현 전돌에만 접촉제로 젤 타입의 수용성 글리세린(Couplant)를 사용하였으며, 무령왕릉 전돌에는 접촉제를 사용하지 않고 초음파 속도를 측정하였다. 접촉제 미사용으로 인한 오차를 줄이기 위하여 출토된 무령왕릉 전돌을 재현한 전통수제 전돌의 접촉제 사용 유무에 따른 초음파 속도 측정결과를 이용하여 보정계수를 산정하였으며, 이를 무령왕릉 전돌에 적용하였다. 보정계수 산정을 위한 재현 전돌의 초음파 속도 측정은 압축강도 시험 후에 진행하였다.
- 전통적인 방법으로 소성된 무령왕릉 재현 전돌의 초음파 속도와 압축강도의 상관관계를 이용하여 무령왕릉 전돌의 압축강도를 추정하였다. 추정된 압축강도 값과 기존의 근대 점토벽돌의 압축강도 제안식에 무령왕릉 전돌의 흡수율과 초음파 속도를 대입하여 비교하였다. 그 결과 초음파 속도를 이용한 압축강도 추정식들은 최대 33배의 평균값 차이를 나타내는 등 평균과 표준편차 값의 차이가 큰 것으로 나타났다.
대상 데이터
- 건축 재료의 대표적 물성 값인 압축강도를 알기 위해서는 재료에 하중을 가하여 응력과 변형률을 측정하는 것이 일반적인 방법이다. 그러나 시료는 파손이 불가능하므로 기존 연구에서 수행한 송산리 6호분 전돌과 무령왕릉 전돌의 물성 분석 결과(Jang, 2013)를 토대로 원토를 선정하였으며, 재현 전돌 제작에 사용된 원토와 기존 백제 전돌의 XRF 분석 결과는 Table 2와 같다. 원토의 XRF 분석에 사용된 기기는 Shimadzu사의 XRF-1700이다.
- 보정계수 산정을 위한 재현 전돌의 초음파 속도 측정은 압축강도 시험 후에 진행하였다. 따라서 압축강도 측정 시 사용된 시편과는 별도로 재현 전돌 그룹에서 임의로 선택된 3편의 전돌을 시편으로 사용하였다. 이 실험에서 영국 CNS Farnell사의 PUNDIT-plus를 초음파 측정기로 사용하였으며, 일부 무령왕릉 전돌의 단면이 50 mm 이하이기 때문에 표준 탐촉자(접촉면적: 50 mm)의 사용이 불가능하여 원뿔형 탐촉자를 사용하였다.
- 압축강도 측정을 위한 파괴 실험은 재현 전돌 만을 대상으로 진행하였다. 실험결과 값과 초음파 속도의 상관관계를 무령왕릉 전돌에 적용하는 방식으로 압축강도를 추정하였으며, 추정된 무령왕릉 전돌의 압축강도 값과 기존의 근대 점토벽돌의 압축강도 제안식에 전돌의 흡수율과 초음파 속도를 대입하여 비교하였다.
- 그러나 시료는 파손이 불가능하므로 기존 연구에서 수행한 송산리 6호분 전돌과 무령왕릉 전돌의 물성 분석 결과(Jang, 2013)를 토대로 원토를 선정하였으며, 재현 전돌 제작에 사용된 원토와 기존 백제 전돌의 XRF 분석 결과는 Table 2와 같다. 원토의 XRF 분석에 사용된 기기는 Shimadzu사의 XRF-1700이다. 선정된 원토는 전통방식에 따라 압축강도 실험용 시편을 만들어 하중을 가하는 간접적인 방법을 사용하였다.
- 따라서 압축강도 측정 시 사용된 시편과는 별도로 재현 전돌 그룹에서 임의로 선택된 3편의 전돌을 시편으로 사용하였다. 이 실험에서 영국 CNS Farnell사의 PUNDIT-plus를 초음파 측정기로 사용하였으며, 일부 무령왕릉 전돌의 단면이 50 mm 이하이기 때문에 표준 탐촉자(접촉면적: 50 mm)의 사용이 불가능하여 원뿔형 탐촉자를 사용하였다.
- 이를 위해 수경성 시멘트 모르타르 압축강도 측정용 시편(KATS, 2007)과 동일한 크기(50×50×50 mm)의 전통수제 전돌 5개가 제작되었다.
- 재현 전돌의 제작은 한국전통문화학교의 중요무형문화재 제91호 제와장 전수자를 통해 진행 되었다. 국내에서는 고대 전돌의 제작기법을 추정할 수 있는 문헌이 거의 없는 반면 중국에는 전돌의 제작 방법을 상세히 기록한 문헌인 송대의 이계에 의해 쓰여져 1103년에 간행된「영조법식」(Li, 1035-1110)과 명대의 송응성에 의해 1637년에 기술된「천공개물」(Song, 2009)이 있다.
데이터처리
- 무령왕릉 전돌의 초음파 속도는 2.84 km/s ~ 7.30 km/s의 범위를 가지며, 신뢰성을 확보하기 위해 기존연구와 비교하였다. 기존의 다른 연구결과와의 평균값 차이가 4.
이론/모형
- 이러한 관계식과 선행 연구(Son, 2010; Kwon, 2011; Ahn and Kim, 2013)에서 제안한 압축강도 예측식(식 2 ~ 식 6)을 무령왕릉 전돌 시편에 적용시켜 압축강도를 추정하였다. 무령왕릉 전돌의 추정 압축강도는 재현 전돌의 압축강도 측정결과와 Table 8에 제시된 전돌의 품질 기준과 함께 Figure 8에 나타냈다.
성능/효과
- 추정된 압축강도 값과 기존의 근대 점토벽돌의 압축강도 제안식에 무령왕릉 전돌의 흡수율과 초음파 속도를 대입하여 비교하였다. 그 결과 초음파 속도를 이용한 압축강도 추정식들은 최대 33배의 평균값 차이를 나타내는 등 평균과 표준편차 값의 차이가 큰 것으로 나타났다. 반면, 흡수율을 이용한 압축강도 추정식들은 이러한 편차가 보다 낮게 나타났으며, 무령왕릉 전돌의 평균 압축강도를 28.
- 무령왕릉 전돌 시험편 간의 흡수율 차이를 알아보기 위해 기존 연구결과를 통해 도출된 상관관계 식을 이 연구에서 사용한 시편에 적용하여 공극률을 예측하였으며, 기존 연구에서 사용한 시편 23편과 함께 Figure 12에 나타냈다. 그 결과, 기존 연구 결과와 동일하게 1.6 % ~ 9.5 %의 낮은 흡수율을 가지는 그룹과 15 %의 높은 흡수율을 가지는 그룹으로 구분되어졌다. 흡수율은 식 8과 같이 표면건조 내부포화 시편 무게에서 건조된 시편 무게를 제외한 값의 비율에 따라 결정되므로, 밀도 1의 물이 시편내부의 모든 공극으로 침투되었다고 가정하면 이론적으로 흡수율과 공극율은 100% 일치하는 결과가 나온다.
- 흡수율은 수분과 접촉 3 ~ 5시간 내에 포화 상태에 이르며, 수분 잔류율은 대기와 접촉 20 ~ 30시간 내에 수렴 상태에 이른다. 따라서 전돌 내부에 물이 흡수되는 시간이 건조되는 속도보다 약 4 ~ 6배 정도 빠르다는 것을 확인할 수 있었다.
- 무령왕릉 전돌의 흡수율과 수분 잔류율은 각각 1.6 % ~15 %, 0 % ~ 0.7 %의 범위로 시험편 간 편차가 크게 나타났으며, 평균 7.2 %, 0.16 %의 값을 나타낸다. 흡수율은 수분과 접촉 3 ~ 5시간 내에 포화 상태에 이르며, 수분 잔류율은 대기와 접촉 20 ~ 30시간 내에 수렴 상태에 이른다.
- Figure 11은 시간에 따른 흡수율을 시편별로 나타낸 것이다. 무령왕릉 전돌의 흡수율은 1.6 % ~ 15.0 %(평균 7.2%)로 시험편 간 편차가 크게 나타났으며, 수분과 접촉 3 ~5시간 내에 포화 상태에 이르는 것으로 나타났다.
- 11 km/sec이다. 반면 접촉제를 사용하지 않고 측정한 초음파 속도는 평균 1.06 km/sec로 접촉제를 사용한 값보다 4.7 % 낮게 나타났다. 따라서 무령왕릉 전돌의 초음파 속도는 접촉제 미사용으로 인한 오차를 보정하기 위한 보정계수는 1.
- 14 km/s로 무령왕릉 전돌의 초음파 속도 평균값의 36 % 수준이었다. 변동계수 비교결과, 무령왕릉 전돌 초음파 속도는 33 %의 다소 높은 변동률을 나타냈지만, 재현 전돌은 8 %의 보다 안정적인 결과를 보였다. 무령왕릉 전돌의 초음파 속도 측정값이 높은 변동률을 나타내는 원인은 전돌이 가지고 있는 물성, 즉 흡수율과 공극률에 의한 것으로 판단된다.
- 실험 결과 무령왕릉 전돌의 열전도도는 평균 1.58 W/mK의 값을 나타냈다. Figure 10과 같이 일반적으로 사용되는 재료들의 열전도도와 비교해 볼 때, 무령왕릉 전돌은 흙에 더 근접한 값으로 흙과 콘크리트, 석재 사이에 위치한다.
- 다만, 물이 침투 할 수 없는 공극의 존재 또는 실험오차로 인해 100% 일치하는 결과가 나타나지는 않지만, 공극율과 같은 내부구조에 따라 흡수율이 달라지는 것은 사실이다. 이상의 결과는 무령왕릉 전돌과 같이 동시대의 재료와 방법을 사용하여 제작된 시편에서 나타난 현상이며, 원토가 다른 시편의 경우 재질 차이로 인해 공극율과 흡수율 간의 상관성이 약화 될 수 있다.
- 이는 일반 콘크리트의 압축강도 수준으로, 초음파 속도로 예측한 압축강도와 비교해 볼 때 재료 및 제작 시기에 따른 편차가 작게 나타났다. 이상의 결과로 부터 표면이 고르지 못하고 두께 편차가 큰 문화재 시편 특성상 초음파 속도를 이용하는 방법보다 흡수율을 이용하는 방법이 무령왕릉 전돌의 압축강도예측법으로 보다 적합한 것으로 판단된다. 더불어 흡수율을 이용한 압축강도 예측법이 향후 보다 많은 연구를 통해 상관성이 입증될 수 있을 것으로 기대된다.
- 재현 전돌의 압축강도는 평균 17.40 MPa로, 무령왕릉 전돌의 추정 강도보다 낮지만 기준강도 보다는 높은 것으로 나타났다.
- 실험에 사용된 전돌의 색, 크기, 무게, 겉보기 비중을 Table 1에 나타냈다. 전돌의 색은 웹 색도체계 값을 이용하여 나타내었고, 크기는 비정형으로 정확한 크기는 알 수 없으나 시료의 가장 넓은 면의 가로와 세로를 측정하여 대략적인 크기를 나타냈다. 가비중은 전돌의 무게를 그 겉보기 부피와 같은 부피를 가진 증류수의 무게로 나눈 값을 사용하여 나타냈다.
- 점토벽돌의 압축강도는 소성온도, 공극률, 흡수율, 초음파 속도 등 다양한 요인들과 관련이 있으며, 특히, 식 3과 식 5와 같은 문화재 압축강도 추정법으로 많이 사용되는 초음파 속도법의 경우 결정계수(R2)가 두 연구에서 각각 66.3 %, 43.7 %로 나타나 상관성이 다른 요인들을 이용한 경우 보다 높지 않은 것을 확인 할 수 있다.
- 흡수율과 수분 잔류율 실험 결과 전돌 내부에 물이 흡수되는 시간이 건조되는 속도보다 약 4 ~ 6배 정도 빠른 것으로 확인되었다. 만약, 다량의 수분이 장시간 유지되면 조류와 같은 생물이 발생할 수 있으며 이로 인해 전돌의 손상이 가중될 수 있기에 이러한 점을 염두 해 두고 문화재를 관리 및 보존해야 한다.
후속연구
- 이상의 결과로 부터 표면이 고르지 못하고 두께 편차가 큰 문화재 시편 특성상 초음파 속도를 이용하는 방법보다 흡수율을 이용하는 방법이 무령왕릉 전돌의 압축강도예측법으로 보다 적합한 것으로 판단된다. 더불어 흡수율을 이용한 압축강도 예측법이 향후 보다 많은 연구를 통해 상관성이 입증될 수 있을 것으로 기대된다.
- 위와 같은 연구는 무령왕릉과 송산리 6호분의 구조 안정성평가를 위한 물성정보 및 벽화의 보존 대책 수립을 위한 기초자료로 활용될 수 있을 뿐만 아니라, 백제시대 전돌 문화재의 보수・보강을 위한 재료 제작시 기초적인 자료로 활용될 수 있다.
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