남한산성 여장의 사춤으로 사용된 조선시대 석회 모르타르의 광물학적 특성 연구 Mineralogical Characteristics of Lime Mortars Used in Pointing of Namhansanseong Yeojang in Joseon Dynasty원문보기
본 연구는 남한산성 한봉성 여장에 사춤으로 사용된 석회 모르타르를 분석하여 조선시대에 사용된 석회의 광물학적 특성을 파악하고자 하였다. 편광현미경 관찰 결과 여장의 모르타르는 기질에 석영, 장석, 운모, 휘석과 불투명 광물을 함유하고 있으며 XRD 분석을 통해 점토 광물인 녹니석, 카올린을 추가로 확인하였다. 입도 분석 결과 시료의 입도 분포가 넓고 크기가 균일하지 않으며 입도의 60%가 모래영역에 해당되었다. XRF 분석 결과 석회의 주성분인 Ca은 8.71-11.18%로 나타났으며 토양에서 확인되는 $SiO_2$, $Al_2O_3$, $Fe_2O_3$가 주요 성분으로 확인되었다. TG-DTA 분석 결과 약 $750^{\circ}C$ 부근에서 탄산칼슘의 탈탄산반응으로 인한 흡열피크와 약 10%의 중량감소율을 확인하였으며, SEM을 통한 미세조직 관찰 결과 조밀하게 응집된 비정질, 능면상의 방해석 결정이 관찰되었다. 이를 바탕으로 여장의 사춤재는 석회와 토양이 혼합된 모르타르이며 여장의 위치나 사용부위에 따른 광물 조성 차이는 보이지 않으므로 당시 한봉성 여장은 동일한 재료와 기법을 사용하여 개축된 것으로 판단된다.
본 연구는 남한산성 한봉성 여장에 사춤으로 사용된 석회 모르타르를 분석하여 조선시대에 사용된 석회의 광물학적 특성을 파악하고자 하였다. 편광현미경 관찰 결과 여장의 모르타르는 기질에 석영, 장석, 운모, 휘석과 불투명 광물을 함유하고 있으며 XRD 분석을 통해 점토 광물인 녹니석, 카올린을 추가로 확인하였다. 입도 분석 결과 시료의 입도 분포가 넓고 크기가 균일하지 않으며 입도의 60%가 모래영역에 해당되었다. XRF 분석 결과 석회의 주성분인 Ca은 8.71-11.18%로 나타났으며 토양에서 확인되는 $SiO_2$, $Al_2O_3$, $Fe_2O_3$가 주요 성분으로 확인되었다. TG-DTA 분석 결과 약 $750^{\circ}C$ 부근에서 탄산칼슘의 탈탄산반응으로 인한 흡열피크와 약 10%의 중량감소율을 확인하였으며, SEM을 통한 미세조직 관찰 결과 조밀하게 응집된 비정질, 능면상의 방해석 결정이 관찰되었다. 이를 바탕으로 여장의 사춤재는 석회와 토양이 혼합된 모르타르이며 여장의 위치나 사용부위에 따른 광물 조성 차이는 보이지 않으므로 당시 한봉성 여장은 동일한 재료와 기법을 사용하여 개축된 것으로 판단된다.
This study investigated the mineralogical characteristics of lime mortars used in pointing of Namhansanseon Yeojang from Joseon dynasty. Polarization microscopy revealed quartz, feldspar, mica, pyroxene and opaque minerals in the lime mortars. XRD analysis also confirmed clay minerals chlorite and k...
This study investigated the mineralogical characteristics of lime mortars used in pointing of Namhansanseon Yeojang from Joseon dynasty. Polarization microscopy revealed quartz, feldspar, mica, pyroxene and opaque minerals in the lime mortars. XRD analysis also confirmed clay minerals chlorite and kaolin. As a result of particle size analysis of lime mortars, the particle size distribution was wide and size was not uniform. 60% of samples were corresponded to the sand area. The chemical components detected from XRF analysis, 8.71-11.18 % of Ca as the main component of lime and $SiO_2$, $Al_2O_3$, and $Fe_2O_3$ in soil minerals were main components. The lime mortars showed an endothermic peak due to decarbonization reaction of $CaCO_3$ at $750^{\circ}C$ and weight reduction rate of 10%. The microstructures were agglomerated amorphous and observed rhombohedral calcite crystals by scanning electron microscope. It is considered that the pointing of Yeojang is a mortar mixed with lime and soil. In addition the Hanbongseong Yeojang was constructed using the same materials and construction technique because the minerals composition is not different according to the Yeojang location and use.
This study investigated the mineralogical characteristics of lime mortars used in pointing of Namhansanseon Yeojang from Joseon dynasty. Polarization microscopy revealed quartz, feldspar, mica, pyroxene and opaque minerals in the lime mortars. XRD analysis also confirmed clay minerals chlorite and kaolin. As a result of particle size analysis of lime mortars, the particle size distribution was wide and size was not uniform. 60% of samples were corresponded to the sand area. The chemical components detected from XRF analysis, 8.71-11.18 % of Ca as the main component of lime and $SiO_2$, $Al_2O_3$, and $Fe_2O_3$ in soil minerals were main components. The lime mortars showed an endothermic peak due to decarbonization reaction of $CaCO_3$ at $750^{\circ}C$ and weight reduction rate of 10%. The microstructures were agglomerated amorphous and observed rhombohedral calcite crystals by scanning electron microscope. It is considered that the pointing of Yeojang is a mortar mixed with lime and soil. In addition the Hanbongseong Yeojang was constructed using the same materials and construction technique because the minerals composition is not different according to the Yeojang location and use.
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문제 정의
본 연구에서는 전통 석회 재료의 복원을 위한 기초 연구로 남한산성 내 원형보존구간인 한봉성 여장에서 채취한 석회의 물리적⋅화학적 분석을 실시하였고 광물학적 특성을 파악하였다.
제안 방법
각 시료의 화학적 조성비는 서로 유사하게 나타나 한봉성 여장에 사용된 석회 모르타르의 혼합 조성비는 동일할 것으로 추정되나 정확한 판단을 위해 여장에 사용된 석회, 토양의 미량분석을 통해 심층 분석을 수행해야 한다.
관찰된 광물을 동정하기 위해 시료를 분말화하여 X선 회절분석(EMPYREAN, PANalytical, Netherlands)을 수행하였으며 분석 조건은 40 kV, 40 mA, scan range 5°-80° 2-theta, step size 0.04, time per step 200 sec/step, scan speed 0.05°2-theta/sec, spinning revolution time 2 sec이다.
남한산성 한봉성 여장에 사용된 석회 모르타르를 분석하여 조선시대 석회 모르타르의 광물학적 특성을 파악하였다. 석회 모르타르는 석회와 토양이 바탕을 이루는 기질에 석영, 장석, 운모, 휘석이 분포되어 있고 XRD 분석을 통해 점토광물인 녹니석과 카올린을 추가로 확인하였으며 시료별로 유사한 구성광물은 포함하고 있다.
석회 모르타르의 분해온도와 중량감소율을 파악하기 위해 NF01과 NF06시료의 열분석을 수행하였으며 사용기기는 STA409PC Luxx(Netzsch-Gerätebau GmbH, Germany)이고 분석조건은 승온속도 10 ℃/min로 RT-1000℃까지 측정하였다. 미세 조직은 시료를 파쇄한 후 파단면이 편평한 조각을 선정하여 주사전자현미경(JSM-IT300, Jeol, Japan)으로 관찰하였다.
분산된 시료는 입도분석기(Masterisizer 2000, Malvern, United Kingdom)를 사용하여 입도 분석을 수행하였다.
남한산성 한봉성 여장에 사용된 석회 모르타르를 분석하여 조선시대 석회 모르타르의 광물학적 특성을 파악하였다. 석회 모르타르는 석회와 토양이 바탕을 이루는 기질에 석영, 장석, 운모, 휘석이 분포되어 있고 XRD 분석을 통해 점토광물인 녹니석과 카올린을 추가로 확인하였으며 시료별로 유사한 구성광물은 포함하고 있다. 입도 분포를 분석한 결과 석회와 모래, 토양의 혼합조성으로 인해 평균적으로 넓은 입도 분포를 보이며 모래영역의 입도가 주를 이루고 있다.
석회 모르타르를 구성하고 있는 광물조성과 조직 특성을 확인하기 위해 박편을 제작하여 편광현미경(DE/DM 2500P, Leica, Germany)으로 관찰하였다. 관찰된 광물을 동정하기 위해 시료를 분말화하여 X선 회절분석(EMPYREAN, PANalytical, Netherlands)을 수행하였으며 분석 조건은 40 kV, 40 mA, scan range 5°-80° 2-theta, step size 0.
분산된 시료는 입도분석기(Masterisizer 2000, Malvern, United Kingdom)를 사용하여 입도 분석을 수행하였다. 석회 모르타르의 주요 화학조성은 분말화한 시료를 bead로 제작한 후 한국지질자원연구원의 X선 형광분석기(MXF-2400, Shimadzu, Japan)로 분석하였으며 분석 조건은 maximum rating 50 kV, 100 mA, 4 kW, measuring rating 40 kV/70 mA, 2.8 kW이다. 석회 모르타르의 분해온도와 중량감소율을 파악하기 위해 NF01과 NF06시료의 열분석을 수행하였으며 사용기기는 STA409PC Luxx(Netzsch-Gerätebau GmbH, Germany)이고 분석조건은 승온속도 10 ℃/min로 RT-1000℃까지 측정하였다.
05°2-theta/sec, spinning revolution time 2 sec이다. 시료의 입도를 파악하기 위해 파쇄한 시료를 1 mm로 체거름하고 sodium hexametaphosphate (Aldrich) 1%를 사용하여 시료를 72시간 분산시켰다. 분산된 시료는 입도분석기(Masterisizer 2000, Malvern, United Kingdom)를 사용하여 입도 분석을 수행하였다.
대상 데이터
시료를 수습한 여장의 위치는 경기도 남한산성 세계유산센터에서 주관한 ‘남한산성 외성 보존관리 세부계획’의 여장 분류 기준을 활용하였으며 시료 정보는 Table 1과 같다.
시료의 기질에는 회백색의 석영이 혼합되어 있으며 일부 주홍빛의 철광물이 관찰되었다. 시편 NF03과 NF04는 동일한 여장에서 수습한 시료로 NF03은 고르게 다듬어진 표면을 가지고 있어 NF01과 같이 사춤재의 일부로 추정되며 NF04는 옥개부에서 수습하였다. 시편 NF05, NF06은 여장의 상단부에서 수습하였으며 시료의 표면이 이끼류로 덮여있었다(Fig.
시편 NF03과 NF04는 동일한 여장에서 수습한 시료로 NF03은 고르게 다듬어진 표면을 가지고 있어 NF01과 같이 사춤재의 일부로 추정되며 NF04는 옥개부에서 수습하였다. 시편 NF05, NF06은 여장의 상단부에서 수습하였으며 시료의 표면이 이끼류로 덮여있었다(Fig. 3).
여장의 구조는 크게 옥개부, 몸체부, 기초부로 나눌 수 있으며, 연구에 사용한 석회 모르타르는 한봉성 내 비교적 형태가 온전히 남아있는 여장 중 옥개부나 몸체부에서 수습된 탈락편이다(Fig. 2). 시료를 수습한 여장의 위치는 경기도 남한산성 세계유산센터에서 주관한 ‘남한산성 외성 보존관리 세부계획’의 여장 분류 기준을 활용하였으며 시료 정보는 Table 1과 같다.
석회 모르타르의 미세조직을 관찰한 결과 능면상의 방해석과 불균질한 형태와 크기를 가진 토양광물, 유기물이 응집된 미세조직을 가지고 있다. 이를 바탕으로 남한산성 한봉성의 여장에 사용된 모르타르는 석회와 토양이 혼합된 모르타르이며 동일한 재료와 기법을 사용하여 제조된 것으로 판단된다.
성능/효과
, 2016). L.O.I (loss on ignition)는 8.87-11.07 wt%의 분포를 보였으며 CaCO3에서빠져나간 이산화탄소의 영향으로 CaO 함량이 높을수록 L.O.I. 값도 높게 나타났다.
NF01과 NF06 시료의 열분석 결과 방해석의 분해온도로 추정되는 748.3℃와 757.9℃에서 흡열 피크가 측정되었으며 CaCO3가 열분해되면서 각각 11.0%, 8.64%의 중량감소율을 나타냈다(Fig. 7). 중량감소율은 앞선 XRF의 L.
XRD 분석으로 광물을 동정한 결과 현미경에서 관찰된 석영, 미사장석, 사장석, 운모, 휘석과 함께 방해석, 녹니석(chlorite), 카올린(kaolin)이 검출되었다(Fig. 5). 석영, 미사장석, 운모의 회절피크는 방해석의 회절피크보다 우세하거나 거의 유사하게 나타났으며 이는 현미경에서 1 mm 크기의 석영과 장석이 다수 관찰된 것과 동일한 경향이다.
9 µm의 평균입도를 나타냈다. 그중 NF02는 평균 입도가 가장 크면서 span value가 가장 낮은 2.9를 가지고 NF03은 평균 입도가 가장 작으면서 span value가 가장 높은 7.7을 나타내어 입도가 작을수록 입도 분포 범위가 증가하는 경향을 보였다(Table 3). 분석한 시료 모두 넓은 입도 범위와 봉우리 형태의 입도 분포 곡선을 보여 석회 모르타르의 입자 크기가 균일하지 않음을 확인하였다(Fig.
또한 회절피크의 강도를 통해 간접적으로 토양광물의 성분비가 석회보다 높을 것으로 추정할 수 있다. 방해석을 제외한 석영, 장석, 운모, 녹니석, 카올린은 일반적인 토양광물이며 이를 바탕으로 한봉성 여장에 사용된 사춤재는 석회와 토양의 혼합물임을 확인하였다. 이는 고문헌에 기록된 석회 혼합재 중 삼물회의 구성과 같다.
7을 나타내어 입도가 작을수록 입도 분포 범위가 증가하는 경향을 보였다(Table 3). 분석한 시료 모두 넓은 입도 범위와 봉우리 형태의 입도 분포 곡선을 보여 석회 모르타르의 입자 크기가 균일하지 않음을 확인하였다(Fig. 6a).
5). 석영, 미사장석, 운모의 회절피크는 방해석의 회절피크보다 우세하거나 거의 유사하게 나타났으며 이는 현미경에서 1 mm 크기의 석영과 장석이 다수 관찰된 것과 동일한 경향이다. 또한 회절피크의 강도를 통해 간접적으로 토양광물의 성분비가 석회보다 높을 것으로 추정할 수 있다.
I와 동일한 결과와 경향을 보이며 상대적으로 Ca의 함량이 높은 NF01이NF06보다 높은 중량감소율을 보인다. 석회 모르타르는 약 750℃에서 흡열피크와 중량감소율을 동시에 보여 탈탄산화된 방해석의 영향임을 확인하였다.
석회 모르타르를 구성하고 있는 주요 광물을 파악하기 위해 편광현미경으로 관찰한 결과 기질에서는 미정질부터 세립질까지 다양한 크기의 석영(quartz), 미사장석(K-feldspar), 운모(mica), 휘석(pyroxene)이 관찰되었다(Fig. 4). 주로 직경 1 mm 내외의 석영과 알칼리장석인 미사장석이 다량으로 관찰되었으며 부분적으로 알바이트 쌍정을 보이는 사장석(plogioclase)과 불투명 광물 및 풍화되어 견운모화 된 장석들이 확인되었다.
09 wt%로 나타났다. 예산 목리유적에서 출토된 조선시대 회격묘에 대한 XRF 분석 결과 SiO2는 17.93-35.56 wt%, Al2O3는 3.88-7.15 wt%, CaO는 28.96-39.68 wt%, L.O.I는 22.50-33.64 wt%로 확인되었는데(Lee at al., 2016), 두 결과를 비교했을 때 여장에 사용된 석회 모르타르는 회격묘에 비해 상대적으로 토양 성분인 SiO2, Al2O3의 함량이 높고 석회의 주성분인 CaO 함량이 낮다. 따라서 여장 축조에 사용된 모르타르는 토양의 비율이 석회보다 높으며, 사용처에 따라 석회와 토양의 배합비가 다르게 사용되었음을 추정할 수 있다.
입도 분석 결과, NF01은 최소 평균입도 210 µm, 최대 256 µm를 가지고 NF02는 최소 328.12 µm, 최대 472.3 µm의 평균 입도를 나타냈다.
석회 모르타르는 석회와 토양이 바탕을 이루는 기질에 석영, 장석, 운모, 휘석이 분포되어 있고 XRD 분석을 통해 점토광물인 녹니석과 카올린을 추가로 확인하였으며 시료별로 유사한 구성광물은 포함하고 있다. 입도 분포를 분석한 결과 석회와 모래, 토양의 혼합조성으로 인해 평균적으로 넓은 입도 분포를 보이며 모래영역의 입도가 주를 이루고 있다. 석회 모르타르는 석회의 CaO와 토양의 SiO2, Al2O3, Fe2O3, K2O가 주요성분이며 CaO는 10% 내외의 함량을 나타냈으며 시료가 수습된 여장의 위치나 사용 부위에 따른 화학적 조성의 차이는 보이지 않는다.
주사전자현미경을 사용하여 시료의 미세조직을 관찰한 결과 여장의 위치나 사용부위와 관계없이 시료마다 불규칙한 크기의 입상 결정들이 응집된 비정질 형태를 보였다(Fig. 8). 일부 시료에서 Ca으로 이루어진 5 µm 크기의 능면(rhombohedral)형태로 성장한 방해석 결정을 확인하였다(Fig.
분석 결과는 Table 4와 같다. 주성분인 SiO2는 54.44-59.09wt%, Al2O3는 11.46-14.13 wt%, Fe2O3는 2.43-3.68 wt%, CaO는 8.71-11.18 wt%, MgO는 1.74-3.74 wt%, K2O는 2.85-3.73 wt%, Na2O는 0.37-0.67 wt%, TiO2는 0.27-0.43 wt%, MnO는 0.04-0.06 wt%, P2O5는 0.07-0.09 wt%로 나타났다. 예산 목리유적에서 출토된 조선시대 회격묘에 대한 XRF 분석 결과 SiO2는 17.
편광현미경과 XRD를 통해 분석한 결과 여장의 위치나 사용 부위에 따른 광물 조성의 차이가 없음을 확인하였다. 따라서 한봉성 여장은 석회, 세사, 황토가 혼합된 삼물이 위치에 상관없이 동일하게 사용된 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
석회 시공법이 현대에 쓰이지 못하는 이유는 무엇인가?
특히 조선시대에서는 유회(油灰), 수회(水灰), 양상도회(樑上塗灰), 삼물회(三物灰) 등 석회를 주재료로 한 혼합재가 관영건축의 주요 재료로 활용되었다. 하지만 근대를 거치면서 석회 시공법의 전수가 거의 이뤄지지 못하였으며 고문헌에 기록되어 있는 시공법이 정량적이지 않아 현재 문화재 수리에는 현대 재료가 대체되어 사용되고 있다. 최근 남한산성의 보수 공사를 계기로 성곽에 사용되었던 석회에 대한 관심이 높아지면서 건축용 전통 석회 재료에 대한 연구의 필요성 또한 증대되고 있다.
남한산성 한봉성 여장에 사용된 석회 모르타르의 구성광물은 어떠한가?
남한산성 한봉성 여장에 사용된 석회 모르타르를 분석하여 조선시대 석회 모르타르의 광물학적 특성을 파악하였다. 석회 모르타르는 석회와 토양이 바탕을 이루는 기질에 석영, 장석, 운모, 휘석이 분포되어 있고 XRD 분석을 통해 점토광물인 녹니석과 카올린을 추가로 확인하였으며 시료별로 유사한 구성광물은 포함하고 있다. 입도 분포를 분석한 결과 석회와 모래, 토양의 혼합조성으로 인해 평균적으로 넓은 입도 분포를 보이며 모래영역의 입도가 주를 이루고 있다.
KS 규격에서 석회를 어떻게 분류하는가?
석회는 칼슘을 포함하고 있는 탄산염 광물로 주로 석회석(lime stone)에서 얻어지며 KS 규격에서는 석회석을 소성한 산화칼슘을 생석회(quick lime), 생석회를 소화(消和)시킨 수산화칼슘을 소석회(slaked lime)로 규정하고 있다(Korean Standards Association, 2014). 자연 상태의 석회석(CaCO3)은 고온에서 소성하면 탈탄산반응(decarbonization reaction)을 통해 산화칼슘(CaO)과 이산화탄소(CO2)로 분해된다(Fig.
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