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문제 정의
- 산성안개는 지속성으로 인하여 대상물을 손상시키는 정도가 산성비 보다 클 수 있다고 예상되어, 본 연구에서는 산성안개가 석조문화재의 구성암석의 손상에 미치는 영향을 임상시험을 통해 살펴보 았다. 야외에 위치하는 석조물이 많은 경주지역을 연구대상으로 하여 Fig.
- 1과 같이 여러 원인으로 다양한 형태의 손상이 발생되어 있는 경주지역 석조물의 한 손상원인으로서의 산성안개의 영향을 조사하였다. 안개의 산성도와 함유이온성분을 우선 조사하고, 이와 유사한 산성안개를 제작하여 경주 지역 석조문화재에 사용된 주요 암석종에 적용시켜 변화되는 양상을 연구하였다. 인공안개시험과 더불어 인공풍화가속화시험을 병행하여 실제 야외에 위치한 석조문화재에서 발생할 수 있는 상황으로 시험하였다.
제안 방법
- pH4.0와 pH5.6의 인공안개를 4종의 암석시편(2 × 2 × 0.5 cm) 각 3개씩에 적용하였다.
- 산성안개시험 전, 도중, 후 암석시편 표면의 동 일지점에서 관찰되는 미세구조변화를 광학현미경 (반사)으로 분석하였으나 1,000배의 배율 하에서 관찰되는 조직의 변화는 뚜렷하지 않아서 더 미세 한 영역에서의 분석이 필요하였다. 고배율 분석이 가능한 전자현미경을 이용하기 위해서는 시편에 골드 등 이물질로 코팅해야 되므로 안개시험의 경과에 따라 변화되는 동일지점에서의 이미지를 획 득하지 못하고 시험 종료 후 일반적인 부위를 대상으로 관찰하였다.
- 대기오염물의 대명사인 산성비는 “비(rain)”이기 때문에 석조물에 영향을 끼치는 것도 “acid rain” 을 주요 쟁점으로 하여 다루어졌다.
- 공극률과 흡수율은 물을 이용하여 측정하는 것이기 때문에 시험 도중 또는 종료 후 시편의 측정치는 산성안개로 인해 변화된 표면 또는 공극 내부로 들어간 안개성분이 어느 정도 물에 씻겨 나왔다고 보인다. 무게 또한 공극률과 흡 수율 측정이 끝난 후 건조무게를 측정하는 것이기 때문에 이와 동일하며, 기타 분석항목은 무게측정 이후 시행하였다. 산성안개에 의한 시편의 함유 이온성분 변화를 살펴보기기 위하여 원암시료와 시 험을 마친 시료의 표면에서 분말을 약 10 mg 긁어 내어 증류수에 넣어 녹아나오는 이온성분을 이온 크로마토그래피에서 3회 측정하여 그 평균값을 취하였다.
- 분석된 경주지역 안개의 이온성분분석 결과를 토대로 pH 4.0, pH 5.6의 안개를 인공적으로 제조 하여 암석시편에 적용하였다.
- 산성안개시험 전, 도중, 후 암석시편 표면의 동 일지점에서 관찰되는 미세구조변화를 광학현미경 (반사)으로 분석하였으나 1,000배의 배율 하에서 관찰되는 조직의 변화는 뚜렷하지 않아서 더 미세 한 영역에서의 분석이 필요하였다. 고배율 분석이 가능한 전자현미경을 이용하기 위해서는 시편에 골드 등 이물질로 코팅해야 되므로 안개시험의 경과에 따라 변화되는 동일지점에서의 이미지를 획 득하지 못하고 시험 종료 후 일반적인 부위를 대상으로 관찰하였다.
- 무게 또한 공극률과 흡 수율 측정이 끝난 후 건조무게를 측정하는 것이기 때문에 이와 동일하며, 기타 분석항목은 무게측정 이후 시행하였다. 산성안개에 의한 시편의 함유 이온성분 변화를 살펴보기기 위하여 원암시료와 시 험을 마친 시료의 표면에서 분말을 약 10 mg 긁어 내어 증류수에 넣어 녹아나오는 이온성분을 이온 크로마토그래피에서 3회 측정하여 그 평균값을 취하였다. X-선회절분석법을 이용하여 시험 전⋅후 시편의 구성광물조성을 분석하였다.
- 시험에 따른 시편의 무게변화를 정밀저울을 사용하여 측정하였고, 분광색도계를 이용하여 색도변 화를 측정하였다. 공극률과 흡수율은 독일산업규격 DIN 52106 (Determination of water absorption and saturation coefficient of natural stone and mineral aggregates, German Industry Norm, 1988)에 따라 측정하였다.
- 암석색상의 불균일성을 고려하여 측정의 오류를 피하기 위해 시편에 측정지점을 표시해두고 방향 등 모든 측정조건을 동일하게 하여 처리 전⋅후의 색 상을 측정하였다.
- 산성안개는 지속성으로 인하여 대상물을 손상시키는 정도가 산성비 보다 클 수 있다고 예상되어, 본 연구에서는 산성안개가 석조문화재의 구성암석의 손상에 미치는 영향을 임상시험을 통해 살펴보 았다. 야외에 위치하는 석조물이 많은 경주지역을 연구대상으로 하여 Fig. 1과 같이 여러 원인으로 다양한 형태의 손상이 발생되어 있는 경주지역 석조물의 한 손상원인으로서의 산성안개의 영향을 조사하였다. 안개의 산성도와 함유이온성분을 우선 조사하고, 이와 유사한 산성안개를 제작하여 경주 지역 석조문화재에 사용된 주요 암석종에 적용시켜 변화되는 양상을 연구하였다.
- 45 μm의 멤브레인 필터를 사용하여 여과한 후 산성도(pH)를 측정하였다. 이온크 로마토그래피를 사용하여 채집한 안개의 이온성분 (SO4 2-, NO3 - , Cl- , Ca2+, Mg2+, K+ , Na+ )을 분석하였다.
- 인공안개 시험기는 초음파분무기를 이용하여 제작하였으며, 이때 초음파분무기는 2.4 MHz의 초음파 진동자를 설치하여 발생되는 안개의 액적(droplet)이 약 3 ㎛ 이하의 크기로 유지되도록 설계하였다. 인공안개 적용시험에서 안개를 제조하는데 소모되는 산성 수용액의 양은 10-20 ㎖/min로 제어하였다.
- 안개의 산성도와 함유이온성분을 우선 조사하고, 이와 유사한 산성안개를 제작하여 경주 지역 석조문화재에 사용된 주요 암석종에 적용시켜 변화되는 양상을 연구하였다. 인공안개시험과 더불어 인공풍화가속화시험을 병행하여 실제 야외에 위치한 석조문화재에서 발생할 수 있는 상황으로 시험하였다.
- 채취한 안개는 0.45 μm의 멤브레인 필터를 사용하여 여과한 후 산성도(pH)를 측정하였다.
대상 데이터
- 안개의 수집을 위해 모터와 선풍기로 공기를 흡입시켜 알루미늄 코일에 수증기가 접착 하여 응결시킨 다음, 밑에 놓인 폴리에틸렌 병에모이게 하였다. 경주지역의 안개수(fog water)는 경주대 옥상에서 채집하였다. 안개는 봄, 여름, 가을에 채집되었으며, 겨울철에는 안개 채집기의 응결이 발생하여 안개채집이 불가능하였다.
- 산성안개에 의한 경주지역 석조문화재의 손상을 살피기 위하여, 우선 경주지역의 안개를 포집하여 산성도와 이온성분을 측정⋅분석하고, 그 결과를 인공안개의 제작 자료로서 활용하였다.
- 005 %). 시험 대상 응회암은 미립의 바탕질과 석기로 구성되어 있으며 바탕질의 함량이 화강암에 비해 월등히 높아서 산성 안개에 의해 바탕질이 우선 반응하여 용해되고 큰 크기의 석기들이 이탈하여 이러한 결과를 보인 것으로 판단 된다.
이론/모형
- X-선회절분석법을 이용하여 시험 전⋅후 시편의 구성광물조성을 분석하였다.
- 시험에 따른 시편의 무게변화를 정밀저울을 사용하여 측정하였고, 분광색도계를 이용하여 색도변 화를 측정하였다. 공극률과 흡수율은 독일산업규격 DIN 52106 (Determination of water absorption and saturation coefficient of natural stone and mineral aggregates, German Industry Norm, 1988)에 따라 측정하였다. 공극률과 흡수율은 물을 이용하여 측정하는 것이기 때문에 시험 도중 또는 종료 후 시편의 측정치는 산성안개로 인해 변화된 표면 또는 공극 내부로 들어간 안개성분이 어느 정도 물에 씻겨 나왔다고 보인다.
성능/효과
- 1) 연구기간 중 포집된 경주지역 안개수의 평균 pH는 5.23이며, SO4 2-이 다량 함유되어 있어서 암석에 유해한 안개가 발생되고 있음이 확인된다.
- 2) 풍화된 경주남산화강암은 신선한 암에 비해 산성안개에 의한 무게감소가 더 크며 시간이 경과함에 따라 급격한 감소가 예상되고, 안개의 산성도가 강할수록 그 정도는 더 크다. 응회암은 반응시간의 증가와 안개의 산성도가 강할수록 상당히 큰 무게감소가 예측되며, 시험 매 회당 예상되는 무게감소율이 약 0.
- 24) 자체는 화강암이나 응회암보다는 적으나, 산성안개와 반응한 후의 변화율은 가장 크다. 200회 산성안개시험 이후 46-54%의 증가율을 보 였으며, 강산성 안개에 의한 증가가 더 크다.
- 3) 액상의 산성비와 기체상의 산성안개시험을 비교하였을 때 응회암과 풍화된 화강암은 액상인 산성비에 의해 무게감소가 더 크게 발생할 것이며, 대리암은 산성강우의 상태와 상관없이 무게 감소가 나타날 것으로 예측되었다.
- 4) 풍화된 화강암의 공극률과 흡수율은 산성안개와 반응한 후 월등히 증가하였으며, 안개의 산성도가 강할수록 더 커지는 결과를 보여, 풍화암이 신선한 암에 보다 산성안개에 취약할 것으로 예측 된다.
- 5) 시험 후 암석시편의 색상이 황색 쪽으로 약간 변화되었으며, 신선한 암보다는 풍화된 화강암에서 그 경향이 더 크다. 대리암은 산성안개와 반응 후 백색도가 증가하였는데, 이는 산성안개와의 반응으로 방해석이 백색의 황산칼슘염으로 일부 변화된 것에서 기인한다.
- 6) 암석시편 내 수용성 이온성분 함량이 산성안개 의 반응 후 증가하였으며, 풍화된 화강암에서 검출되는 다량의 양이온은 주로 구성광물의 분해에서 기인하며, 대리암 표면에서 검출되는 Ca2+과 Mg2+도 방해석과 백운석이 산성안개와의 반응으로 분해되어 나온 것이며, 높은 함량으로 검출된 음이온은 풍부한 양이온과 결합하여 백색의 CaSO4와 MgSO4 등의 화합물을 형성하였을 것으로 보인다.
- 신선한 경주남산화강암 G1 시편 표면에서 검출되는 수용성 이온성분의 함량은 원암에 비해 크다. 강산성 안개와 200회 반응한 시편은 Na+ , K+ 및 Ca2+ 등 양이온의 함량이 원암에 비해 약 25%, 100% 및 15% 증가하였다. pH5.
- 경주남산화강암 중 신선한 암은 pH4.0 안개적용 시험 120회 후 0.06%의 무게감소율을 보임으로서 초기 60회에 비해 26배가 감소하였고, 200회 후에는 0.13%로 초기에 비해 51배 감소하는 결과를 보 였다. 즉 반응이 진행할수록 무게감소율이 급격히 증가하는 경향을 띠었다.
- 안개의 산성도에 따른 응회암의 공극률은 증가정도는 거의 차이를 보이지 않는다. 대리암 원 암의 공극률은 0.38-0.42%이며, 산성안개 적용 후 약산성 안개 53%와 강산성 안개에 의해서는 77% 의 증가된 결과를 나타냈다. 대리암의 공극률 자체가 화강암이나 대리암에 비해 적으나 안개처리에 따른 증가율은 시험 대상 암종 가운데 가장 컸다.
- 반응시간이 증가함에 따라 그리고 안개의 산성도가 강할수록 산성안개에 의한 응회암의 무게감 소는 상당할 것으로 예측되었다(Fig. 3(a)).
- 안개의 산성도에 따른 대리암의 색상변화는 초기에는 유사하나 시간이 경과함에 따라 강산성 안개에 의해서 약간 더 커지는 결과를 보였다. 본 연구에서 결과된 대리암의 적은 색상변 화는 대기 중에 노출된 대리암 문화재에서 관찰되 는 심각한 색상변화와는 큰 차이를 보인다. 실제 대기 중에서는 산성안개 외에 공기 중에 부유되어 있는 다양한 색상의 미세입자들이 공존하며, 산성 안개와의 반응으로 방해석이 백색의 석고로 변화 될 때 이러한 미세입자들이 유입되어 함께 결정화 되기 때문에 대기 중에 노출된 대리암 문화재는 어 두운 색으로 변화된다(Bonazza et al.
- 0009% 발생할 것이며, 반응시간이 경과함에 따라 지속적으로 감소할 것으로 예측된다. 산성비에 취약한 것으로 알려진 대리암에서 보여진 산성안개에 의한 무게감소율은 위의 규산염질 암석에 비해 오히려 덜한 결과를 보였는데, 이는 큰 광물입자로 구성된 규산염질 암석에 산성안개가 적용되었을 때 미립의 바탕질이 우선 용해됨으로 인해 바탕질이 둘러싸고 있는 큰 광물입자의 이탈에서 발생한 것으로 보인다.
- 93%였으나 산성안개처리후에는 28-36% 증가하였으며, 강산성 안개에 의한 증가율이 더 크다. 산성안개 처리에 의해 풍화암의 공극률 증가폭이 신선한 화강암에 비해 더 커지는 결과를 보였다. 응회암의 공극률 증가율은 산성안개 처리전에 비해 22-25%이나 원암자체의 공극률이 9.
- 산성안개와 반응한 대리암의 표면에서는 Ca2+과 Mg2+ 및 모든 음이온성분들의 함량이 원암에 비해 월등히 높게 검출되었다.
- 산성안개와 반응한 응회암에서는 반응초기에 급 격한 색상변화를 보였으나 이후 변화정도가 완만 해졌으며 b* 의 증가가 색상변화를 주도하였으나, a * 도 증가하여 적색도가 커짐을 보였다. 응회암의 색상변화에는 안개의 산성도에 따른 차이가 거의 없다.
- 시험 전 1.22-1.35%를 보인 경주남산화강암의 흡수율은 시험 200회 후 23-39% 증가하였으며, 신선한 암에(23-35%) 비해 풍화암의 증가율이 크고 (27-39%), 시험이 진행될수록 풍화암의 증가율이 더 커진다. 산성안개의 산성도가 강할수록 흡수율 은 약간 더 커진다.
- 신선한 경주남산화강암의 공극률은 2.51-2.52% 이며, 산성안개시험 후 공극률은 증가하였는데 안 개의 산성도가 강할수록 공극률이 더 커져서 pH4.0 안개에 의해서는 200회 시험 후 약 21%, pH5.6에 서는 19%의 증가를 보였다. 풍화된 경주남산화강 암의 처리전 공극률은 2.
- 안개의 산성도에 산성 안개에 의해 변화된 대리암 시편표면의 화학성분 은 뒤에서 다룬다. 안개의 산성도에 따른 대리암의 색상변화는 초기에는 유사하나 시간이 경과함에 따라 강산성 안개에 의해서 약간 더 커지는 결과를 보였다. 본 연구에서 결과된 대리암의 적은 색상변 화는 대기 중에 노출된 대리암 문화재에서 관찰되 는 심각한 색상변화와는 큰 차이를 보인다.
- 산성안개의 산성도가 강할수록 흡수율 은 약간 더 커진다. 응회암의 흡수율은(4.55%) 화 강암에 비해 원암자체부터 4배 이상 크며, 200회 시험 후 흡수율은 약 40% 증가하였다. 반응시간이 경과함에 따라 안개의 산성도가 클수록 흡수율이 약간씩 더 커지는 결과를 보인다.
- 즉 산성안개와 의 반응으로 대리암의 백색도가 증가하는 결과를 보이는 것으로 대리암의 주구성 광물인 방해석이 산성안개 중의 음이온(SO4 2-, NO3 - , Cl- ) 등과 반응 하여 백색의 석고(CaSO4⋅2H2O) 등으로 변질되어 나타나는 결과로 판단된다.
- 6에 서는 19%의 증가를 보였다. 풍화된 경주남산화강 암의 처리전 공극률은 2.90-2.93%였으나 산성안개처리후에는 28-36% 증가하였으며, 강산성 안개에 의한 증가율이 더 크다. 산성안개 처리에 의해 풍화암의 공극률 증가폭이 신선한 화강암에 비해 더 커지는 결과를 보였다.
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