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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 국내 석조문화재 보존처리용 무기질바인더가 암석에 위해한 영향을 미치는 백화현상 제어를 위해 광물기반의 충전제와 유 ⋅ 무기 발수제를 혼합한 하이브리드 기술을 적용하여 무기질바인더 성능을 개선할 수 있는 조성물인 충전제와 발수제를 선정하였다.
- 본 연구를 통해 무기질바인더의 성능개선을 위한 조성물 탐색과 분말 발수제 배합을 통한 하이브리드 기술 적용을 시도하였다. 해당 무기질바인더는 서론에 언급한 바와 같이 부재 간 접착 목적이 아니라 파손부위 수리⋅복원, 탈락부위 복원 등 일정 형태가 요구되는 부분의 보존처리에 사용되는 것이다.
- 해당 무기질바인더는 서론에 언급한 바와 같이 부재 간 접착 목적이 아니라 파손부위 수리⋅복원, 탈락부위 복원 등 일정 형태가 요구되는 부분의 보존처리에 사용되는 것이다. 따라서 처리된 표면의 안정성, 백화현상 제어 등을 충족할 수 있는 무기질바인더의 조성물을 탐색하였다.
제안 방법
- 이와 같은 문제를 해결하기 위해 부재 간 접착을 제외한, 보존처리 대체물질로 산화마그네슘 인산염 무기질 바인더에 광물 복합체로 구성된 다양한 충전제를 혼합한 보존처리 재료를 개발하여, 익산 미륵사지 석탑(국보 제11호), 경주 불국사 다보탑(국보 제20호), 경주 불국사 삼층 석탑(국보 제21호) 등 국내 중요 석조문화재를 보존처리하였다(National Research Institute of Cultural Heritage, 2011; 2015; 2017). 그러나 해당 바인더는 강우에 따른 수분과의 반응으로 백색염을 형성하고 이 물질들은 백화현상의 원인이 되며 석조문화재에 위해한 염으로 보고되었다(Kim et al.
- 이에 올레인산 스테아레이트(Oleate Stearate, 이하 ‘OS’), 실리콘계 2종(Siloxane, 이하 ‘SI1, SI2’), 칼슘 스테아레이트(Calcium Stearate, 이하 ‘CS’), 규산염계(Siliceous, 이하 ‘SI’), 실란-실록산계(Silane-Siloxane, 이하’SS’) 발수제 6종을 사전실험 후 물리적 특성이 뛰어난 1종을 선택하여 본 실험을 진행하였다.
- 따라서 다양한 발수제의 수평적 검토를 위해 충전제는 소성황토로 고정, 실험체를(50 × 50 × 50 mm) 제작하고 6종의 발수제에 대한 선정실험(압축강도, 흡수율, 이온용출)을 진행한 후 가장 우수한 발수제를 선정하였다.
- 무기질바인더에 분말 발수제를 중량비에 맞춰 배합한 후 성형, 건조하면 발수성이 나타나기 때문에 내부의 수분 이동을 차단하여 백화현상을 방지할 수 있다. 분말 발수제는 무기질바인더의 반응기에 작용하는 등 물리적 특성에 영향을 미치기 때문에 KS F 4042(폴리머 시멘트 모르타르 품질기준)에서 제시한 해당 제품의 배합비율에 따라 모두 중량비 1%로 조정하였다. 이에 올레인산 스테아레이트(Oleate Stearate, 이하 ‘OS’), 실리콘계 2종(Siloxane, 이하 ‘SI1, SI2’), 칼슘 스테아레이트(Calcium Stearate, 이하 ‘CS’), 규산염계(Siliceous, 이하 ‘SI’), 실란-실록산계(Silane-Siloxane, 이하’SS’) 발수제 6종을 사전실험 후 물리적 특성이 뛰어난 1종을 선택하여 본 실험을 진행하였다.
- 액상발수제는 무기질바인더의 물리적 특성에는 영향을 미치지 않지만, 내부로 유입되는 수분을 차단함으로써 백화현상을 억제하는 작용을 하게 된다. 액상 표면처리는 표면코팅이라는 한정적 역할이며 물성에 영향을 미치지 않기 때문에 이온용출 실험에서만 적용하였다. 사용 재료는 모르타르 분야에서 일반적으로 사용되는 아크릴변성 실리콘수지를 사용하여 1∼2회 도포하였다.
- 무기질바인더와 충전제의 배합비율은 관련 특허에 제시된 수준을 따랐으나 중량비 설정과 분말 발수제 첨가에 따른 배합비율 조정은 본 실험에 특화시켰다(Table 2)(Lee et al., 2019).
- 다음으로 진행한 충전제 선정실험에서는 충전제(4종)와 선정된 발수제를 중량비로 배합한 실험체를(50 × 50 × 50 mm) 제작한 후 물리적 특성평가와 기기분석을 통해 석조문화재 보존처리에 적합한 무기질바인더 조성 및 배합비율을 제안하였다(Figure 1).
- 시험편에 대한 XRD(Empyrean, Panalytical, NLD)을 통해 조사하였으며, 측정조건은 45 kV, 40 mA, 10~60°, Cu 타깃이며 분말 발수제 처리에 따른 새로운 결정상 확인과 백화현상을 일으킬 수 있는 성분을 검출하고자 하였다.
- 압축강도 실험은 실험체의 단위면적에 작용하는 파괴하중의 값을 계산하여 평가하는 것으로 KS L 5105(시멘트 모르타르의 압축강도 실험방법)에 따라 진행하였다. 사전실험은 14, 28, 56, 112일, 본 실험은 14, 28, 56, 112, 224일 양생 후 KS F 4042(폴리머 시멘트 모르타르 품질기준)의 기준 압축강도를(20 MPa) 충족하는 분말발수제와 충전제를 선정하였다.
- 흡수율은 전건상태의 중량에 대한 흡수량 비의 백분율로 해당 실험을 통해 실험체의 상대적인 공극량 및 내구성을 알 수 있다. 실험은 KS F 2518(석재의 흡수율 및 비중 실험 방법)에 따라 진행하였으며 사전실험은 양생 28, 56, 112일, 본 실험은 28, 56, 112, 224일 양생 후 흡수율을 측정하였다.
- 이와 같은 물리적 특성 평가를 위한 모든 실험은 발수제를 처리하지 않는 대조군을 설정한 후 진행하였다.
- 무기질바인더가 수분에 장기간 노출되었을 때 백화현상을 유발하는 양이온과 음이온을 확인하기 위해 액체 이온크로마트그래피(Dionex, ICS-3000, USA)분석을 실시하였다. 시험편은 28일 양생하고 증류수에 침지시킨 후 사전실험은 7일, 본 실험은 7, 56일 후 수용액을 추출하여 분석을 실시하였다.
- 무기질바인더가 수분에 장기간 노출되었을 때 백화현상을 유발하는 양이온과 음이온을 확인하기 위해 액체 이온크로마트그래피(Dionex, ICS-3000, USA)분석을 실시하였다. 시험편은 28일 양생하고 증류수에 침지시킨 후 사전실험은 7일, 본 실험은 7, 56일 후 수용액을 추출하여 분석을 실시하였다. 사전실험에서는 발수제를 처리하지 않는 시험편과 시멘트 모르타르 시험편을 대조군으로 설정한 후 진행하였다.
- 시험편은 28일 양생하고 증류수에 침지시킨 후 사전실험은 7일, 본 실험은 7, 56일 후 수용액을 추출하여 분석을 실시하였다. 사전실험에서는 발수제를 처리하지 않는 시험편과 시멘트 모르타르 시험편을 대조군으로 설정한 후 진행하였다.
- 시험편에 대한 XRD(Empyrean, Panalytical, NLD)을 통해 조사하였으며, 측정조건은 45 kV, 40 mA, 10~60°, Cu 타깃이며 분말 발수제 처리에 따른 새로운 결정상 확인과 백화현상을 일으킬 수 있는 성분을 검출하고자 하였다. 또한 실험체의 미세구조와 성분에 대한 반정량 분석을 위해 SEM(JSM-5410, JEOL, JPN)/EDX(OXFORD ISIS, JPN), XRF(ZSX Primus, 60 ㎸,150 ㎃, Rigaku, JPN)분석을 병행하였다. 시료는 양생 28일이 경과 된 시험편의 압축강도를 측정하고 난 후 파괴된 것을 사용하였다.
- 앞서 제안된 분말발수제 6종을 선정하여 사전실험용 샘플을 제작하였으며 배합비율은 KS F 4042 기준에 따라 1%이며 OS만 3%까지 증가시켜 발수제의 다변화에 따른 압축강도 변화를 살폈다. OS를 선택한 이유는 금속염과 올레이트의 장점이 이상적으로 결합되어 무기질바인더의 분산을 빨리 진행시켜 반응을 용이하게 만들고 동시에 스테아레이트 성분은 표면에 발수성이 급속히 발현되기 때문이다.
- OS를 선택한 이유는 금속염과 올레이트의 장점이 이상적으로 결합되어 무기질바인더의 분산을 빨리 진행시켜 반응을 용이하게 만들고 동시에 스테아레이트 성분은 표면에 발수성이 급속히 발현되기 때문이다. 수평적 검토를 위해 무기질바인더와 천연규사 배합에 1종의 충전제만(소성황토) 선택하여 분말발수제 종류에 따른 압축강도 변화를 확인하였다(Figure 2).
- 무기질바인더가 흡수율이 클 경우 수분 침투가 용이하고 백화현상을 유발할 수 있는 가능성이 높아진다. 따라서 발수제 처리에 따른 흡수율 변화를 확인하기 위해 압축강도 시험편과 동일한 조건으로 제작한 후 흡수율 변화를 관찰하였다(Figure 3).
- 충전제 4종(샤모트, 실리카흄, 소성황토, 플라이애시)과 사전실험에서 선정된 발수제인 실란-실록산계 발수제를 중량대비 1%와 3% 혼합한 후 재령별 압축강도를 측정하였다.
- 용출실험은 충전제별 대조군, 분말(PR) 1⋅3%첨가, 액상(WR) 1 ⋅ 2회 도포, 분말 1% + 액상1회 도포 시험편으로 구분하여 양이온과 음이온 동시분석을 실시하였다.
- 해당 실험은 무기질바인더의 표면코팅 효과도 확인하기 위해 액상 발수제를 처리한 시험편도 함께 분석하였다. 용출실험은 충전제별 대조군, 분말(PR) 1⋅3%첨가, 액상(WR) 1 ⋅ 2회 도포, 분말 1% + 액상1회 도포 시험편으로 구분하여 양이온과 음이온 동시분석을 실시하였다.
- 무기질바인더에 분말 발수제를 배합하였을 경우 중요 성분의 변화, 결정학적 특성 변화 등을 확인하고 미세조직관찰을 통해 발수제 배합에 따른 다양한 변화를 관찰하였다.
- 4종의 충전제를 포함한 무기질바인더의 분말 발수제 처리 후 재령 28일 시험편의 화학성분 분석을 실시하였다. 무기질바인더의 Mg, K 이온반응에 직접 작용하는 해당 원소는 실리카흄이 가장 높은 함량을 보이고 있으며 Al은 충전제별 함량차이를 구분하는 지시원소로서 역할을 하고 있다(Table 3).
- 분말 발수제의 수평적 검토를 위해 충전제 1종(소성황토)을 고정한 후 발수제별 압축강도, 흡수율, 이온용출 실험을 진행하였고 올레인산 스테아레이트계는 1∼3%까지 배합비를 조정하여 사전실험을 진행하였다.
- 이에 본 연구에서는 배합비율에 따라 성형한 후 실험을 진행하였기 때문에 실험체는 기본적인 성형밀도를 가지며 입자와 입자가 결합하면서 일정 강도가 유지되고 지속적인 반응을 통해 치밀도를 높이며 강도를 상승시켰다. 하지만 발수제가 포함될 경우 이온반응 간섭으로 인해 대조군보다 강도 상승률이 낮았다.
- 본 연구는 국립문화재연구소 문화유산조사연구(R&D)사업의 일환으로 수행되었으며, 해당 내용은 문화재보존과학센터에서 발간한 『원주 법천사지 지광국사탑 보존⋅복원Ⅱ』에 수록된 내용을 수정⋅가필하였다.
대상 데이터
- 파손부분에 대한 수리, 결실부분의 복원을 위해 1910년대 이후 수리 관점에서 사용된 재료는 시멘트이며 1980년 국보 제10호 실상사 백장암 삼층석탑 접착 ⋅ 복원을 시작으로 보존처리 관점에서는 에폭시수지 등 고분자 합성수지를 주로 사용하였다(Kim et al 1999; Choi et al., 2012).
- 본 연구의 대상이 되는 소재는 마그네슘 인산염계 무기질바인더로 SiO2, MgO, Al2O3, P2O5, K2O가 전체 91.9% 차지하며 이중 MgO는 45.2%를 점유하는 특성을 지녔다(Table 1). 반응성 MgO는 200 mesh를 100% 통과한 원료를 사용하였으며 사용된 인산염 또한 특별히 제한하지 않았고 반응 속도 지연을 위해 보조제로 붕산과 소량의 황산 금속염을 혼합하였다.
- 2%를 점유하는 특성을 지녔다(Table 1). 반응성 MgO는 200 mesh를 100% 통과한 원료를 사용하였으며 사용된 인산염 또한 특별히 제한하지 않았고 반응 속도 지연을 위해 보조제로 붕산과 소량의 황산 금속염을 혼합하였다. 산화마그네슘과 인산염 무기질바인더는 다음의 (1)식과 같이 반응하여 스트루바이트(struvite)를 형성하는 것으로 고결화가 진행되며 여기서 M = Na, K, NH4와 X = H2, Si, Ca 등이 가능하다.
- 사용 재료는 모르타르 분야에서 일반적으로 사용되는 아크릴변성 실리콘수지를 사용하여 1∼2회 도포하였다.
- 무기질바인더 중량대비 충전재의 배합비율은 선행사례 및 관련 특허를 참고하였으며, 백화현상 제어를 위한 분말발수제는 폴리머시멘트 분야에서 사용되는 재료들을 선정하였다(Hong et al., 2013; Lee et al., 2019). 따라서 다양한 발수제의 수평적 검토를 위해 충전제는 소성황토로 고정, 실험체를(50 × 50 × 50 mm) 제작하고 6종의 발수제에 대한 선정실험(압축강도, 흡수율, 이온용출)을 진행한 후 가장 우수한 발수제를 선정하였다.
- 또한 실험체의 미세구조와 성분에 대한 반정량 분석을 위해 SEM(JSM-5410, JEOL, JPN)/EDX(OXFORD ISIS, JPN), XRF(ZSX Primus, 60 ㎸,150 ㎃, Rigaku, JPN)분석을 병행하였다. 시료는 양생 28일이 경과 된 시험편의 압축강도를 측정하고 난 후 파괴된 것을 사용하였다.
- 실험 결과, 사전실험을 통해 분말 발수제 6종 중 최적화된 성능을 보인 1종(실란-실록산 1%)을 선정하였다. 분말 발수제의 수평적 검토를 위해 충전제 1종(소성황토)을 고정한 후 발수제별 압축강도, 흡수율, 이온용출 실험을 진행하였고 올레인산 스테아레이트계는 1∼3%까지 배합비를 조정하여 사전실험을 진행하였다.
이론/모형
- 압축강도 실험은 실험체의 단위면적에 작용하는 파괴하중의 값을 계산하여 평가하는 것으로 KS L 5105(시멘트 모르타르의 압축강도 실험방법)에 따라 진행하였다. 사전실험은 14, 28, 56, 112일, 본 실험은 14, 28, 56, 112, 224일 양생 후 KS F 4042(폴리머 시멘트 모르타르 품질기준)의 기준 압축강도를(20 MPa) 충족하는 분말발수제와 충전제를 선정하였다.
성능/효과
- OS 1%, SI1 ⋅ 2, SS는 기준 강도를 초과하였으며 특히 SS는 대조군의 28일 재령보다 높은 27.3 MPa의 압축강도가 확인되었다.
- 하지만 분말발수제가 포함된 경우 대조군의 27∼73.9% 수준의 압축강도이고 OS와 같이 발수제 함량이 증가할수록 압축강도는 비선형적으로 감소하는 경향도 확인되었다.
- 압축강도 결과, 발수제를 처리하지 않는 시험편(이하 ‘대조군’)은 14일(19.3 MPa), 28일(24.9 MPa), 56일(29.4 MPa), 112일(33.7 MPa)로 재령기간 동안 42.7% 상승하였고 폴리머시멘트 기준 강도(20 MPa)를 상회하는 결과를 보였다.
- 이온용출 실험결과, SS가 양 ⋅ 음이온 검출량이 가장 낮게 확인되었으며 압축강도 및 흡수율 데이터 검토 시에도 SS가 가장 우수한 효과를 보인다.
- 대조군은 28일 7.3%에서 112일 5.2%로 재령기간 동안 선형적으로 감소하였고 분말발수제가 포함된 경우 모든 시험편이 대조군보다 흡수율이 낮아 상대적으로 수분 침투가 용이하지 않는 것으로 판단된다. 해당 시험편 중 SI1(2.
- 2%로 재령기간 동안 선형적으로 감소하였고 분말발수제가 포함된 경우 모든 시험편이 대조군보다 흡수율이 낮아 상대적으로 수분 침투가 용이하지 않는 것으로 판단된다. 해당 시험편 중 SI1(2.9%), SS(3.0%)가 대조군의 대비 40%대의 흡수율로 수분 저항성이 큰 것으로 확인되었고 특히 SS는 28일 재령 대비 감소율이 가장 높아 장기적 관점에서는 가장 양호한 충전재로 판단된다.
- 시멘트 모르타르는 수화반응에 의한 급격한 반응성으로 인해 K(67.3 ppm), Na(7.5 ppm), NO3(14.4 ppm) 이온 용출이 높게 확인되었고 석고(Gypsum)의 기원물질인 Ca(3.1 ppm)도 무기질바인더에 보다 높게 검출되었다(Figure 4).
- 양이온 용출량의 감소율은 대조군 18.4%, 분말 발수제(1%) 43.5%, 분말 발수제(3%) 14.1%, 액상 발수제(1회) 28.7%, 액상 발수제(2회) 28.7%, 분말 1% +액상 1회 22.9%로 분말 발수제(1%) 감소율이 가장 높은 것으로 확인되었다. 하지만 분말 발수제의 감소율은 재령 7일 대비 기준이며 데이터 평균 용출량 비교 시 분말 4.
- 9%로 분말 발수제(1%) 감소율이 가장 높은 것으로 확인되었다. 하지만 분말 발수제의 감소율은 재령 7일 대비 기준이며 데이터 평균 용출량 비교 시 분말 4.4 ppm, 액상 3.3 ppm, 분말 + 액상 2.6 ppm으로 분말 1% + 액상1회 도포 처리한 시험편의 양이온 용출이 적은 것을 알 수 있다.
- 반면, 음이온의 반응 보조 물질인 황산염(SO4)과 인산염(PO4)은 대조군, 분말, 액상 시험편 모두에서 지속적으로 줄어드는 경향을 보였으며, 특히 황산염은 액상 2회 도포 시 평균 66.7% 최대 용출량 감소효과가 확인되었다(Figure 8).
- 전체 분포는 충전제에 따른 성분 변화는 확인되나 분말 발수제 함량에 따른 변화는 미미하여 분말 발수제가 무기질바인더 결정상 형성에 관여하지 않는 것을 알 수 있다.
- 무기질바인더의 28일 재령 시험편의 XRD분석 결과, 플라이애시, 실리카흄, 소성황토, 샤모트 모두 유사한 결정구조를 보이고 있다. 샤모트에서는 α-Al2O3의 피크가 검출되었고 소성황토에서는 kaolinite피크가 보이고 있다.
- 분말 발수제를 배합한 시험편의 회절분석 결과도 대조군과 유사한 패턴을 가진 것을 확인할 수 있다(Figure 9ⓑ). 분말 발수제 첨가로 새로운 결정상의 생성은 보이지 않으며 피크의 강도 변화도 없는 것으로 확인되며 백화원인 물질인 CaCO3피크도 관찰되지 않았다.
- 소성황토는 측정범위를 넘어선 크기로 입자로 확인되는 것은 없다. 이와 달리 실리카흄은 비표면적이 220,000 ㎠/g의 입자특성으로 치밀한 구조와 더불어 매우 작은 입자들만 세라믹 결정 위에 존재하는 것을 확인할 수 있다.
- 다음은 EDX분석을 통한 반응 생성물에 대한 분석결과이다(Figure 11). 플라이애시는 대조군과 분말 발수제 처리 시험편 모두에서 Fe, Mg, P, Si, Al, K 등이 주 구성성분으로 확인되었는데 미량의 Ca도 검출되었다. 해당 성분은 백화 발생 가능성이 매우 높기 때문에 주의하여야 한다.
- 또한 실리카흄은 충전제만 비교한 대조군에서도 가장 양호한 물성과 물리⋅화학적 안정성을 보였다.
- 해당 성분은 백화 발생 가능성이 매우 높기 때문에 주의하여야 한다. 실리카흄은 분말 발수제 처리 후 Mg 함량이 높게 확인되는데 이온용출실험과 유사하나 미량 검출되었고 지속적인 반응과정에서 줄어들 것으로 판단된다. 소성황토와 샤모트는 공통적으로 Al2O3에 기반이기 때문에 Al 검출되었고 그 외 분말 발수제 처리 후 대조군과 비교 시 큰 차이는 없는 것으로 확인되었다.
- 실리카흄은 분말 발수제 처리 후 Mg 함량이 높게 확인되는데 이온용출실험과 유사하나 미량 검출되었고 지속적인 반응과정에서 줄어들 것으로 판단된다. 소성황토와 샤모트는 공통적으로 Al2O3에 기반이기 때문에 Al 검출되었고 그 외 분말 발수제 처리 후 대조군과 비교 시 큰 차이는 없는 것으로 확인되었다.
- 분말 발수제의 배합비는 올레인산 스테아레이트 첨가량을 검토한 결과, 1% 내외가 적당한 것으로 판단된다. 이를 초과할 경우 압축강도는 비선형적으로 감소하였고 흡수율은 급격히 높아진 것으로 확인되었다.
- 분말 발수제의 배합비는 올레인산 스테아레이트 첨가량을 검토한 결과, 1% 내외가 적당한 것으로 판단된다. 이를 초과할 경우 압축강도는 비선형적으로 감소하였고 흡수율은 급격히 높아진 것으로 확인되었다. 또한 발수제의 배합비가 증가할수록 Ca, Mg, K, Cl 용출량도 함께 증가하여 백화현상을 유발할 것으로 판단된다.
- 이를 초과할 경우 압축강도는 비선형적으로 감소하였고 흡수율은 급격히 높아진 것으로 확인되었다. 또한 발수제의 배합비가 증가할수록 Ca, Mg, K, Cl 용출량도 함께 증가하여 백화현상을 유발할 것으로 판단된다.
- 선정된 실란-실록산 발수제와 충전제 4종의 최적화된 조성 비율을 탐색하기 위한 본 실험에서는 실란-실록산 1% + 실리카흄이 물리적 특성평가 및 기기분석에서 가장 양호한 것으로 확인되었다. 또한 실리카흄은 충전제만 비교한 대조군에서도 가장 양호한 물성과 물리⋅화학적 안정성을 보였다.
- 이온용출 결과도 백화현상에 직⋅간접적으로 작용하는 이온의 검출량이 대조군보다 작게 검출되었기 때문에 비교적 안정적인 것으로 판단된다.
- 이와 같은 결과를 바탕으로 무기질바인더의 충전제(실리카흄 3.4%)와 발수제(실란-실록산 1%)를 선정하였으며, 해당 중량비율은 백화물질 제어에 효과가 있는 것으로 판단되며, 압축강도 또한 대조군의 80% 수준이지만 상당수가 기준강도를 상회하였고 흡수율은 낮아 투수저항성이 높은 것을 확인하였다. 이온용출 결과도 백화현상에 직⋅간접적으로 작용하는 이온의 검출량이 대조군보다 작게 검출되었기 때문에 비교적 안정적인 것으로 판단된다.
- 224일 재령 기준, 대조군보다 평균 20.9% 낮은 압축강도가 측정되었는데 분말발수제 1% 포함 시 10.8%, 3% 포함 시 31%로 급격한 강도 저하가 확인되었다. 하지만 샤모트-3%, 소성황토-3%를 제외하고 기준압축강도(20.
후속연구
- 향후 하이브리드 기술을 접목하여 박리부분 보강을 위한 라텍스수지 첨가 등 무기질바인더의 성능을 향상시킬 수 있는 다양한 연구를 진행할 예정이다.
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