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문제 정의
- 편광현미경 관찰로 시클로도데칸과 구성광물간 상관관계를 파악하였고 압축강도 측정 결과를 비교 검토하였다. 또한 현장 사용 시 중탕처리, 결정화 속도조절의 문제점을 해결하기 위한 방안을 제시하여 최적화된 임시 강화처리제 사용방법을 제안하고자 한다.
제안 방법
- 가역성 실험은 세척·건조시킨 화강암 석분의 승화 전·후 무게변화를 측정하였다.
- 가역성 측정은 석재 시편에 처리약품을 도포하여 처리 전·후 현미경 관찰(Scalar DG-3, Scalar), 색차측정(CM-700d, Minolta)을 실시하였다.
- 승화과정 관찰과 무게변화 측정용 시료는 Ø 851μm~1mm 범위의 입도를 가진 석분만 분리하여 세척건조한 후 시료 제작용으로 사용했다. 건조가 완료된 석분 15g씩에 석유에테르, 펜탄, 석유에테르 중탕 각 5g씩 혼합하여 샬레에서 고체화시킨 후 실내에서 자연 승화시켰다. 포터블현미경을 이용하여 시간경과에 따른 처리약품의 변화를 관찰하고 7일 후 처리약품은 공업용 드라이기로 강제 승화시킨 후 현미경 관찰과 석분의 무게 증가여부를 측정해 처리 약품의 잔류여부를 확인하였다.
- 또한 화강암 시험편에 처리약품을 도포하여 승화 전·후 암석 표면의 색상변화와 초음파 속도변화를 비교하였다.
- 마지막으로 박리 및 균열부, 표면 보강에 필요한 강도시험은 암석강도시험기(MTS 815, MTS SYSTEMS)를 활용하여 압축강도를 측정하였다. 시험편은 원통형 거푸집(Ø41mm, ℎ84mm)에 석분과 처리약품을 충전한 후 압력을 가해 코어 시료 6개를 제작하였다.
- 이와 같은 문제를 해결하고 손상 없이 석조문화재를 해체하기 위해서는 박리부위를 완전히 충전시킬 수 있고 일정한 강도를 유지하는 내구성과 물리적 충격 없이 제거가 가능한 가역성 물질로 임시 강화처리한 후 보강작업을 실시하여야 한다. 본 연구에서는 감은사지삼층석탑에 사용된 선행연구 방법을 보완하여 승화성 결합제인 시클로도 데칸(Cyclododecane, C12H24)의 약품 특성과 승화도 및 가역성을 실험하였다. 편광현미경 관찰로 시클로도데칸과 구성광물간 상관관계를 파악하였고 압축강도 측정 결과를 비교 검토하였다.
- 처리약품을 석유에테르, 펜탄에 용해시켜 시료를 제작하였으며 시료의 보관과 측정은 항온·항습이 되는 실내(20±3℃, 45±15%)에서 실시하였다. 석유에테르(p.e.), 펜탄(p.t.), 석유에테르 용해 후 중탕(p.e.ba.) 세 가지 타입의 용액 2g에 처리약품 10g을 용해시킨 후 고체화시켰다. 최초 8시간 동안, 1시간 간격으로 무게를 측정한 후 매 24시간마다 7일간(168시간) 무게변화를 측정하였다(Figure 2).
- 처리약품을 액상으로 전환시키기 위한 용제는 제조사 및 선행연구에서 검증된 석유에테르와 펜탄, 석유에테르 혼합 후 중탕 세 가지 방법을 이용하였으며 석유에테르는 끓는점 80~110℃ 구간 제품이다(hangleiter web site/ Vanessa and John, 2004). 승화도 측정은 용제에 녹인 처리 약품을 직경 88mm 샬레에 담은 후 동일 온습도하에서 자연 승화시켜 시간별 중량 변화를 측정하여 승화도를 정량화하였다. 가역성 측정은 석재 시편에 처리약품을 도포하여 처리 전·후 현미경 관찰(Scalar DG-3, Scalar), 색차측정(CM-700d, Minolta)을 실시하였다.
- 승화성 강화제인 시클로도데칸의 적용 가능성과 작업효율 향상을 위해 승화도 실험, 고체화 속도, 가역성, 색도 및 초음파속도변화, 압축강도를 측정하였다. 연구한 결과, 승화도는 석유에테르를 용제로 사용할 경우 중탕과정을 거치지 않아도 사용가능하나 펜탄은 강제 승화하여도 처리약품이 잔류하였다.
- 시험편은 석분 200g과 80g의 처리약품을 원통형 거푸집(Ø41mm, ℎ84mm) 틀에 넣어 압력을 가해 압축시키면서 충전했다.
- 압축강도 측정용 시편은 강도측정 전에 길이 80mm로 양쪽 끝부분을 수평으로 절단한 후 연마제와 연마기를 이용해서 절단면을 연마하였고 물로 세척한 후 측정준비를 마쳤다.
- , 2009; Jo and Lee, 2014). 이런 원리를 이용하여 처리약품 보강에 따른 물성변화 및 승화 후 가역성을 검증하였다. 직사각형 Sample 4 표면에 처리약품(p.
- 정밀한 측정을 위해 불투명 필름에 분광측색계(CM-700d) 디텍터 사이즈(Ø 5.5mm)와 동일한 홈을 파서 특정부위만 측정될 수 있도록 하였다(Table 4).
- 직사각형 Sample 4 표면에 처리약품(p.e.)을 100mm(W)×100mm(L)로 도포한 후 초음파 측정을 실시하였다.
- , 1995). 처리약품과 풍화된 구성광물과의 상관관계를 파악하기 위해 박편을 제작하여 자동계수기가 장착된 편광/반사 겸용 현미경을(Eclipe E600W, Nikon)이용하였다.
- 처리약품을 석유에테르, 펜탄에 용해시켜 시료를 제작하였으며 시료의 보관과 측정은 항온·항습이 되는 실내(20±3℃, 45±15%)에서 실시하였다.
- 처리약품을 석조문화재에 적용했을 때 발생할 수 있는 색상변화 여부를 확인하기 위해 sample1-1~sample3-5(15ea) 석재시편에 처리약품의 처리 전과 제거 후 색차를 측정하였다. 정밀한 측정을 위해 불투명 필름에 분광측색계(CM-700d) 디텍터 사이즈(Ø 5.
- 처리약품의 강화 효과를 파악하기 위해 높은 풍화도를 보이고 물성이 약화된 화강암 시편으로 박편을 제작하였다. 구성광물은 석영, 알칼리 장석, 사장석 등으로 이루어져 있으며 소량으로 녹니석이 부분적으로 관찰된다.
- 처리약품의 고체화 속도는 액상에서 결정이 형성되는 시점과 완전 고체화된 시점을 승화속도 측정용 시료를 이용해서 측정하였다. 결정이 형성되었다는 것은 석조문화재 표면에 2, 3차 반복적인 도포가 가능하다는 것을 의미하며 고체화되었다는 것은 해체 또는 인양 등 다른 작업을 진행할 수 있는 것을 의미한다.
- ) 세 가지 타입의 용액 2g에 처리약품 10g을 용해시킨 후 고체화시켰다. 최초 8시간 동안, 1시간 간격으로 무게를 측정한 후 매 24시간마다 7일간(168시간) 무게변화를 측정하였다(Figure 2).
- 본 연구에서는 감은사지삼층석탑에 사용된 선행연구 방법을 보완하여 승화성 결합제인 시클로도 데칸(Cyclododecane, C12H24)의 약품 특성과 승화도 및 가역성을 실험하였다. 편광현미경 관찰로 시클로도데칸과 구성광물간 상관관계를 파악하였고 압축강도 측정 결과를 비교 검토하였다. 또한 현장 사용 시 중탕처리, 결정화 속도조절의 문제점을 해결하기 위한 방안을 제시하여 최적화된 임시 강화처리제 사용방법을 제안하고자 한다.
- 건조가 완료된 석분 15g씩에 석유에테르, 펜탄, 석유에테르 중탕 각 5g씩 혼합하여 샬레에서 고체화시킨 후 실내에서 자연 승화시켰다. 포터블현미경을 이용하여 시간경과에 따른 처리약품의 변화를 관찰하고 7일 후 처리약품은 공업용 드라이기로 강제 승화시킨 후 현미경 관찰과 석분의 무게 증가여부를 측정해 처리 약품의 잔류여부를 확인하였다.
대상 데이터
- 석재 시편의 크기는 가역성 측정을 위한 시편(7×7×2.5cm=15ea, 60×10×3cm=1ea)과 압축강도 측정을 위해 수비 후 건조시킨 화강암 석분을 사용하였다.
- 승화과정 관찰과 무게변화 측정용 시료는 Ø 851μm~1mm 범위의 입도를 가진 석분만 분리하여 세척건조한 후 시료 제작용으로 사용했다.
- 시험편은 원통형 거푸집(Ø41mm, ℎ84mm)에 석분과 처리약품을 충전한 후 압력을 가해 코어 시료 6개를 제작하였다.
- 처리약품의 가역성 및 압축강도 측정을 위해 사용한 암석 시편은 국가지정 석조문화재의 68%이상을 점유하는 화강암으로 하였다(National Research Institute of Cultural Heritage, 2011). 석재 시편의 크기는 가역성 측정을 위한 시편(7×7×2.
데이터처리
- 또한 처리약품 적용 전·후 시험편의 손상 정도를 평가하기 위해 초음파속도(PUNDIT Lab, UTR54㎑, Proceq) 측정값을 비교하였다(Hassan et al., 1995).
- 측정 시 탐촉자간 거리는 150mm, 간접법으로 5지점을 3회 측정한 평균값을 사용하였다(Figure 8). 처리약품 도포 후 30.
이론/모형
- 제작과 성형과정을 거친 시험편은 ASTM / D2664-95 시험방법에 따라 암석강도시험기(MTS 815)에서 5,000kg의 압력을 10여분 간 가해서 압축강도를 측정했다. 처리약품의 탄성으로 인해 시험편의 형태가 파괴되지 않고 20mm정도 길이가 변형되었다.
성능/효과
- 1일 간격으로 7일 동안 측정된 질량의 감소량은(Figure 3) 펜탄 0.91g, 석유에테르 1.81g, 석유에테르 중탕 2.09g 감소하였다. 석유에테르에 혼합한다면 중탕과정을 거치지 않아도 승화도에는 큰 영향을 미치지 않는 것으로 판단된다.
- 따라서 공업용 드라이를 사용하여 처리약품을 강제 승화시켰다(Figure 4). 고체화가 진행 된 90분 후 공업용 드라이로 10초간 가열하여 무게 감소율을 측정한 결과 펜탄 6.22g, 석유에테르 8.64g, 석유에테르 중탕 8.67g 감소하여 자연 승화 감소율 보다 월등히 높은 것을 알 수 있다. 또한 석유에테르 용제로 처리한 경우 5시간 후 전량 승화된 것으로 확인되었다.
- 이는 해체 전 처리약품 처리를 통해 입상분해 또는 박리박락 현상이 발생한 풍화된 석재의 표면을 보강할 수 있는 것을 의미한다. 또한 승화 후 처리 전 물성 값과 유사 값이 확인되는바 전량 또는 대부분 승화된 것으로 가역성 또한 우수한 것으로 확인되었다.
- 17g이다. 석유에테르 중탕이 펜탄보다 138%이상 무게 감소율을 보여 승화도가 좋은 것으로 판단된다.
- 손상된 표면의 보강 및 강화는 초음파 속도 30% 향상, 압축강도 평균 57.63kgf/cm2로 충분한 강도를 확보하여 입상분해, 박리박락이 발생한 석재의 표면 안정성이 확보될 수 있을 것이다.
- 승화성 강화제인 시클로도데칸의 적용 가능성과 작업효율 향상을 위해 승화도 실험, 고체화 속도, 가역성, 색도 및 초음파속도변화, 압축강도를 측정하였다. 연구한 결과, 승화도는 석유에테르를 용제로 사용할 경우 중탕과정을 거치지 않아도 사용가능하나 펜탄은 강제 승화하여도 처리약품이 잔류하였다.
- 측정 시 탐촉자간 거리는 150mm, 간접법으로 5지점을 3회 측정한 평균값을 사용하였다(Figure 8). 처리약품 도포 후 30.9%, 24.4% 속도 상승이 확인되어 화강암 가루의 공극이 처리약품으로 인해 효과적으로 충전‧강화된 것으로 판단된다. 이는 해체 전 처리약품 처리를 통해 입상분해 또는 박리박락 현상이 발생한 풍화된 석재의 표면을 보강할 수 있는 것을 의미한다.
- 측정결과, 석유 에테르를 용제의 사용방식에 따른 시클로도데칸의 화강암 가루 강도증진 효과는 다소의 차이는 있으나 각각 5.3MPa와 6MPa로 나타났으며, 중탕의 과정을 거치지 않은 석유 에테르를 사용해도 비슷한 강도 증진 효과가 나타난 것이다. 한편 시클로도데칸을 사용한 화강암 가루의 강도증진 효과가 풍화된 석조문화재의 해체를 위한 부재의 내구성 향상을 증명하기에는 다소 부족한 점이 있으나 입상분해, 박리박락이 발생한 석재의 표면 안정성은 확보될 수 있을 것으로 예측된다(Table 5).
후속연구
- 처리약품이 석영 입자의 내부 균열과 석영 입자 경계면에서만 반응한 원인과 단순히 충전된 것이 충분한 강화효과를 입증할 수 있는지는 미세균열 부위의 침투가 모세관 현상과 관련되고 용액의 농도 즉, 점도와 관련해 있으므로 이에 대해서는 추가 실험을 통해 검증할 필요성이 있다.
- 3MPa와 6MPa로 나타났으며, 중탕의 과정을 거치지 않은 석유 에테르를 사용해도 비슷한 강도 증진 효과가 나타난 것이다. 한편 시클로도데칸을 사용한 화강암 가루의 강도증진 효과가 풍화된 석조문화재의 해체를 위한 부재의 내구성 향상을 증명하기에는 다소 부족한 점이 있으나 입상분해, 박리박락이 발생한 석재의 표면 안정성은 확보될 수 있을 것으로 예측된다(Table 5).
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