Composition and Strength Characteristics of Concrete Foundation for Affiliated Ward in Seoul Daehan Uiwon (General Hospital)

접수 16. 07. 22 / 심사종료 16. 09. 05 / 게재승인 16. 09. 19

Vol.32, No.3, pp299-311(2016)

DOI http://dx.doi.org/10.12654/JCS.2016.32.3.01 Printed in the Republic of Korea

pISSN: 1225-5459 eISSN: 2287-9781

서울 대한의원(사적 제248호) 부속병동 콘크리트 기초의 조성과 강도 특성

강산하 | 김동우 | 이찬희¹ | 김현미*

공주대학교 문화재보존과학과, *(재)한강문화재연구원 유적조사부

Composition  and  Strength  Characteristics  of  Concrete  Foundation for  Affiliated  Ward  in  Seoul  Daehan  Uiwon  (General  Hospital)

San Ha Kang | Dong Woo Kim | Chan Hee Lee¹ | Hyun Mi Kim*

Department of Cultural Heritage Conservation Sciences, Kongju National University, Gongju, 32588, Korea

*Archaeology Division, Hangang Institute of Cultural Heritage, Bucheon, 14502, Korea

1Corresponding Author: [email protected], +82-41-850-8543

초 록 사적 제248호 대한의원은 서울대학교병원의 전신으로 대한제국시기에 만들어진 초대형 의료기관이다. 대한의원 동1병동의 건축은 1908년 초축 이후 두 차례(1935년, 1954년)의 증축과정을 거쳐 크게 세 시기로 구분된다. 콘크리트 기초에 대한 재료학적 분석 결과, 모든 시기의 기초부는 모르타르와 암석 골재로 이루어져 있으나, 시기별로 골재의 특징과 비율이 다른 것으로 나타났다. 건축시기별 콘크리트의 배합비를 산출하고 초음파 속도와 반발경도를 이용하여 물성을 산정하였다. 이 결과, 모르타르와 골재의 비율은 1954년의 기초부에서 1:35로 가장 높은 골재 비율을 보였으며, 초음파 속도와 일축압축강도는 1954년 기초부에서 각각 평균 450 m/s와 18.92 MPa로 가장 낮게 나타났다. 이와 같은 시기별 물성 차이는 골재의 배합특성과 공극률에 따라 발생한 것으로 해석된다.

중심어

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ABSTRACT The Daehan Uiwon (Historic Site No. 248) in which the predecessor of Seoul National University Hospital is a crucial medical institution that built in the Korean Empire period. One of them, East 1 Affiliated Ward that attached to Daehan Uiwon was built with concrete foundation in 1908 and extended two times in 1935 and 1954. As a result of material scientific analysis for concrete foundation, all of the foundation is composed of mortar and stone aggregates, however, the mixing proportions between the aggregate and the mortar were confirmed to be different with construction periods. To determine the mixing proportion, and physical properties by ultrasonic velocity and rebound hardness, the concrete foundations by construction period were obtained. In result, 1954's mixing proportion of concrete between mortar and stone aggregate indicated the highest ratio of aggregates with 1 : 35, mean value of ultrasonic velocity and unconfined compressive strength were calculated with 450 m/s and 18.92 MPa in 1954's constructions that is the lowest values compared with other times. As a result, the difference characteristics of physical properties by construction periods are possible interpreted with porosities and mixing ratios of stone aggregates.

Key Words: Concrete, Stone aggregate, Mixing proportion, Ultrasonic velocity, Rebound hardness

Figure 1. Periodic changes of Daehan Uiwon. (A) Photograph of main building in 1908s, (B, C) Photographs of 1930s

Figure 2. General view of Daehan Uiwon (A), and East 1 affiliated ward (B) occurred by excavation works in 2015s.

1. 서 론

서울 대한의원은 1907년 대한제국 내부(內部) 소관의 서양식 병원이었던 광제원과 궁내부 소속 적십자병원, 학 부(學部) 소속 경성의학부를 통합하여 설립한 당대 최고의 국립의료기관이다. 대한의원 본관 건물은 대한제국시기인 1908년 5월에 당시 창경궁의 외원이던 함춘원의 마두산 언덕에 지은 우리나라 근대의 의학건축물로서 현재 서울 대학교병원의 전신이다(Figure 1).

이는 우리나라 최초의 서양식 국립병원이란 점을 높이 평가받아 1976년 11월 16일 사적 제248호로 지정되었다.

건축 당시에는 병동과 부검실, 의학교 등이 함께 지어졌으 나 현재는 본관 건물만이 남아있다. 2011년에 수행된 시굴 조사에서 대한의원의 부속병동과 관련된 벽돌 기초부가 확인된 후 정밀발굴조사의 필요성이 제기되어 총 2회에 걸 친 발굴조사가 진행되었다(Hangang Institute of Cultural Heritage, 2015).

대한의원 동1병동의 발굴에서는 1908년 초축된 층위 외에 1935년과 1954년에 증축된 콘크리트 모르타르 기초 부가 확인되었다(Figure 2). 각 시대별 콘크리트 기초는 육 안으로도 형태적 차이를 명확하게 식별할 수 있으나, 과학 적 방법을 통해 근대 콘크리트 기초의 재질특성, 모르타르

와 골재의 배합특성 및 내구성에 대한 연구의 필요성이 제 기되었다.

따라서 이 연구에서는 대한의원 동1병동 기초부 콘크리 트에 대해 시기별 재질과 물리적 성질 및 배합특징을 밝히 고, 초음파와 슈미트해머를 이용한 반발경도 측정을 통해 물성을 평가하였다. 이 결과는 대한의원의 시대별 건축 양 식과 변화양상을 확인하는데 근거가 될 것이며, 나아가 과 학적 분석을 통한 근대 콘크리트 기초의 이해에 중요한 자 료가 될 것이다.

2. 연구대상 및 방법

2.1. 현황

대한의원은 495평 규모의 벽돌조 2층 건물로, 병동 건 물은 총 150병상의 7개동으로 구성되어있다. 건물은 본관 을 중심으로 2개의 회랑을 두고 있으며, 병실은 좌우대칭 으로 전염병동을 격리하여 본관과 일직선상의 중심축을 형성하며 배치하였다. 2011년 5월의 시굴조사에서 대한의 원의 부속병동과 관련된 벽돌 기초부를 확인하였으며, 이 후 복토하여 현재까지 주차장으로 이용하고 있다. 최근 첨 단외래센터 건립이 진행됨에 따라 주차장 서쪽 및 동쪽 부

Figure 3. Floor plan of concrete foundations for East 1 affiliated ward in Daehan Uiwon.

지에 대한 조사의 필요성이 제기되어 2회에 걸친 정밀발굴 조사가 수행되었다.

현대 매립층을 걷어내어 대한의원의 부속건물이었던 동1병동의 기초부를 확인하였다. 토층의 양상으로 보아 병 동은 콘크리트와 적벽돌로 이루어진 건물 기초부를 제외 하고 철거되었으며, 이 과정에서 근대 생활면과 건물의 상 부 구조는 파괴된 것으로 나타났다(Hangang Institute of Cultural Heritage, 2015). 동1병동의 면적은 580 m²로, 항 공사진과 1935년 증축된 이후의 평면도를 비교 검토한 결 과, 병동 면적의 약 50%가 확인되었다(Hangang Institute of Cultural Heritage, 2015).

정밀발굴조사에서 나타난 동1병동 건물의 잔존형태는 장방형으로 규모는 남북 12 m, 동서 43 m이다(Figure 2B).

병동의 북동쪽은 1985년 어린이병원 개원 당시 매립된 공 동구(지하통로)에 의해 멸실되었으며, 서쪽은 조사지역 외 부로 연장되는 것으로 추정된다. 그러나 건물은 기초만 남 아있어 각 공간의 기능은 알 수 없다. 1964년 ‘국유재산도 면집 2’ 등 병동의 평면도를 참고하면 복도 양측에 간호부 실이 배치되었던 것으로 추정되나, 조사지역의 동쪽이 공 동구에 의해 손상되어 확인할 수 없다(Hangang Institute of Cultural Heritage, 2015).

병동 내부 각 칸의 규모는 북쪽 1×(1.5) m∼3×(2.5) m, 남쪽은 3×3 m∼4×3 m이며, 동서 통로의 너비는 1.2 m 이 다. 동1병동의 기초부는 풍화암반을 굴착 후 30 cm 내외의 할석 및 적벽돌편을 충전하였으며, 그 상부에 콘크리트를 타설하여 건물의 전체적인 기초를 조성하였다. 콘크리트

는 자갈이 혼합되었으며, 두께는 30 cm 내외이다. 일부 칸 막이벽의 콘크리트 줄기초는 5 cm 내외로 얇게 타설되어 있으며, 시멘트 함량이 낮아 강도가 낮은 편이다(Hangang Institute of Cultural Heritage, 2015).

2.2. 연구대상 및 방법

대한의원 동1병동 기초부는 시기별로 크게 1908년, 1935년 및 1954년도 건축으로 구분할 수 있다(Figure 3).

시대별 콘크리트는 조직적 특징, 골재의 크기 및 밀도 등이 상이하게 나타났다. 따라서 각 시기의 재질에 대해 육안관 찰을 수행하였으며, 미세구조나 조직은 실체현미경 및 편 광현미경 관찰을 통하여 재료학적 조성을 검토하였다.

이 연구에서는 동1병동 기초 콘크리트의 시대별 재질특 성을 규명하고, 강도분석을 위해 암석 및 콘크리트의 비파 괴 물성평가에 적용하는 방법을 응용하였다. 먼저 현황과 산출상태를 정밀조사하고, 현장에서 이미 탈락된 미량의 시료를 수습하여 현미경 분석을 수행하였다. 시료는 Nikon 사의 Eclipse E600W 편광/반사 겸용현미경을 사용하여 광 물학적 조성 및 조직적 특징을 관찰하였다. 또한 Rigaku제 D/MAX-II B X-선 회절분석기를 이용하여 콘크리트 구성 물질의 정밀 동정을 수행하였다. 타겟으로 사용된 X-선은 CuKα이며 양극의 가속전압 및 필라멘트 전류는 각각 40 kV 와 100 mA로 설정하였다.

또한 골재의 특성을 파악하기 위해 시기별로 콘크리트 의 전암대자율도 측정하였다. 기기는 ZH Instrument사의

Figure 4. Periodic views of concrete foundations and representative samples for East 1 affiliated ward in Daehan Uiwon.

(A, D) 1908s concrete foundation and sample, (B, E) 1935s concrete foundation and sample, (C, F) 1954s concrete founda- tion and sample.

SM30이며, 대자율의 단위는 10^-3 SI unit으로 표기하였다.

콘크리트의 기초물성은 초음파 속도와 슈미트해머를 이용 한 반발경도 측정이 동시에 적용되었다. 측정된 초음파 속 도와 반발경도 값은 기존 연구자료를 활용하여 표준화 하 였고, 이를 평면도에 표기하여 시대별 물성을 파악하였다.

여기에 사용된 기기는 Proseq사의 Pundit Lab과 Rock Schmidt L형(0.735 Nm)이며, 측정 자료는 전문 응용프로 그램을 이용하여 2D 모델링을 수행하였다.

3. 결과 및 해석

3.1. 재료학적 특성

대한의원 동1병동 기초부의 건축시기에 따른 재료학적 특성을 살펴보면, 먼저 1908년의 기초 단면에서는 골재의 크기가 일정하지 않으며 비교적 각진 형태의 석골재와 갈 색의 사질점토가 사이를 채우고 있다(Figure 4A, 4D).

1935년도 기초부 단면은 비교적 크고 일정한 둥근 석골재 가 사질 점토와 함께 충전되어 있음을 볼 수 있다(Figure 4B, 4E). 또한 1954년대의 기초부 단면은 1908년 및 1935년 에 보이던 암편 골재의 모습은 거의 보이지 않고 사질 점토 가 주를 이룬다(Figure 4C, 4F).

가장 이른 시기에 축조한 1908년도 기초의 경우, 회백 색을 띠며 전반적으로 석골재의 분급이 불량하다. 골재는

1 mm 내외의 잔골재와 5 mm 내외의 굵은 골재로 나뉘며, 주로 석영과 장석으로 구성된다. 이 중 장석은 유백색을 띠 는 것과 옅은 분홍색을 보이는 두 종류가 관찰된다. 골재의 원마도는 각형 내지 아각형으로 매우 불량한 편이다 (Figure 5A).

1935년에 축조한 기초 역시 회백색을 띠고 있으며, 5 mm 이상의 타원형 역과 잔골재로 세분된다. 역에서는 풍화테 가 관찰되며, 잔골재에는 석영, 장석, 운모가 모두 들어있 다. 역은 원형 내지 아원형의 높은 원마도를 보이며, 잔골 재는 아각형 정도이다(Figure 5B). 가장 최근에 축조한 1954년도 기초는 1908년과 1935년의 콘크리트에 비해 상 대적으로 골재의 비율이 높다. 골재는 1 mm 내외의 잔골 재만 사용하였으며 분급은 양호하다. 골재의 종류는 석영, 장석, 운모 등으로 구성되며, 원마도는 아원형 내지 아각형 으로 관찰된다(Figure 5C).

시기별 기초 콘크리트 시료에 대해 편광현미경으로 관 찰하였다. 1908년 시료의 구성광물은 대다수가 석영이며 이외에도 미량의 장석과 흑운모 및 백운모가 함께 산출된 다. 광물의 분급은 불량하며, 원마도는 각형 내지 아각형을 이룬다. 육안 및 현미경 관찰 결과를 종합할 때, 1908년 콘 크리트에 사용한 골재는 하천의 운반과정에 영향을 받았 다기보다 화강암의 풍화잔류물 또는 인위적으로 분쇄해 사용한 것으로 판단된다(Figure 5D, 5G).

1935년 기초에서는 굵은 골재와 잔골재가 명확히 구분

Figure 5. Representative microscope images of concrete foundation samples for East 1 affiliated ward in Daehan Uiwon.

(A, D, G) Photographs of 1908s samples, (B, E, H) Photographs of 1935s samples, (C, F, I) Photographs of 1954s samples, (D~F) and (G~I) show microphotographs of polarizing microscope under crossed nicols and open nicol, respectively.

Figure 6. X-ray powder diffraction patterns of analytical

된다. 굵은 골재는 석영만으로 구성된 규암과 석영, 장석, 운모가 모두 나타나는 화강암이 관찰된다. 화강암에 있던 일부 운모는 녹니석화 작용을 받아 변질되었다. 잔골재에 서는 석영, 장석, 운모가 관찰되며 분급은 비교적 양호하 다. 굵은 골재의 원마도는 원형에 가까우며, 잔골재는 아원 형 내지 아각형으로 불량하다. 이는 서로 다른 기원의 골재 를 사용했을 가능성을 지시한다. 굵은 골재는 원마도가 매 우 높으며 암종이 다양한 것으로 보아 하천의 운반작용에 의해 형성된 퇴적물로부터 기인했을 가능성이 있으며, 잔 골재는 화강암류의 풍화토나 인위적 분쇄를 통해 공급했 을 것으로 판단된다(Figure 5E, 5H).

1954년 콘크리트의 현미경 관찰 결과, 대부분 석영으로 구성되어 있으며 부분적으로 장석과 운모가 관찰된다. 이 전 시기의 시료와 달리 굵은 골재 없이 잔골재만을 사용하 였으며 분급이 양호하다. 따라서 이 골재는 하천의 운반작 용을 통해 조직의 성숙도가 어느 정도 높아진 퇴적물로부 터 기인했을 가능성이 있는 것으로 판단된다(Figure 5F, 5I).

동1병동 기초 콘크리트의 구성광물에 대한 정확한 동정

을 위해 건축연대에 따른 산출상태와 조직관찰을 완료한 시료를 대상으로 X-선 회절분석을 실시하였다(Figure 6).

이 결과, 편광현미경 관찰 결과와 동일하게 모든 시대의 시 료에서 시멘트의 주요 구성성분인 방해석이 검출되었다.

이는 골재의 구성광물이라기 보다는 모르타르 원료광물의

Table 1. Specific gravity, absorption ratio and porosity of

No. Buildingera Sample

numbers Specific

gravity Absorption

ratio (%) Porosity (%) 1 1908s DH-A1 1.693 7.907 13.386 2 1908s DH-A2 1.686 5.628 9.489 3 1935s DH-B1 1.661 15.166 25.197 4 1935s DH-B2 1.661 11.602 19.266 5 1954s DH-C1 1.850 18.018 33.333 6 1954s DH-C2 1.857 13.462 25.000

Figure 7. Magnetic susceptibility showing analytical

samples of concrete foundations for East 1 affiliated ward in Daehan Uiwon.

영향인 것으로 판단된다.

한편 1908년, 1935년 및 1954년도 기초 콘크리트 시료 에서 공통적으로 석영과 사장석 및 알카리 장석이 동정되 었다. 또한 1935년과 1954년도 시료에서는 운모(흑운모와 백운모)가 동정되었다. 이는 화강암계통 골재의 영향으로 판단된다(Figure 6).

3.2. 물리적 특성

3.2.1. 대자율 분포

동1병동의 시기별 콘크리트를 구성하고 있는 골재의 미 세자기적 특징을 파악하기 위해 대자율을 측정하였다 (Figure 7). 대자율은 지각구성물질의 재질을 특징지어 동 질성을 파악하는 효과적인 방법으로 주로 국내외 석조문 화재 및 석기와 고대 세라믹류 태토 등의 산지를 해석하는 데 적용되어 문화재의 원형복원에 활용되어 왔다(Lee et

al., 2007; Uchida et al., 2007; Kim et al., 2009; Lee et al., 2010).

이 연구에서는 콘크리트의 골재로 사용된 암편의 재질

특성을 파악하기 위해 시기별 기초부를 대상으로 각 60회 측정하여, 대자율 분포와 특성을 파악하였다. 1908년도 기 초부의 대자율은 0.34∼1.26(평균 0.75×10^-3 SI unit)의 분 포를 보였으며, 1935년도 콘크리트의 대자율은 0.08∼

0.58(평균 0.24×10^-3 SI unit)의 범위이다. 1954년도 콘크 리트의 대자율은 0.10∼0.53(평균 0.30×10^-3 SI unit)를 보 였다(Figure 7).

이 결과를 종합하면, 동1병동 기초부 콘크리트 중 1908 년도의 것에서 상대적으로 높은 대자율을 보인다. 1908년 도 콘크리트는 화강암 골재를 특히 많이 사용한 것으로 보 아 다른 시료에 비해 대자율이 높게 나타날 수 있다. 그러 나 연구대상 시료의 골재로 사용된 대부분의 암편은 티탄 철석계열의 화강암질암 이었던 것으로 판단된다.

3.2.2. 비중, 흡수율 및 공극률

콘크리트는 치밀성을 바탕으로 재질의 내구성과 품질 을 평가할 수 있다. 일반적으로 공극률이 콘크리트의 품질 을 좌우하며 공극률이 낮을수록 상대적인 치밀도가 높아 품질은 우수하게 평가된다. 또한 기초부 재질의 물성은 건 물의 안정성과 내구성에 중요한 요소이다. 따라서 재질의 내구성을 파악하기 위해 비중, 흡수율 및 공극률을 측정하여 각 시기별 콘크리트의 물리적 특성을 검토하였다(Table 1).

비중 및 흡수율은 한국산업규격 표준에 따라 석재의 흡 수율 및 밀도 시험표(KS F 2518)를 준수하여 측정하였다.

시료는 건조기에서 105℃의 온도로 24시간 건조시켜 건조 질량을 측정하고, 상온에서 증류수에 48시간 함침시킨 후 포화질량을 측정하여 계산하였다. 이 결과, 시료별 비중은 1.661∼1.857의 범위에서 평균 1.735로 나타났다. 시기별 로 살펴보면 1935년도 시료가 가장 낮게 나타났으며 1954 년 시료가 가장 높게 산출되었다.

Figure 8. Estimation procedure of mixing proportions for concrete samples. (A) Auto CAD raster image, (B) Auto CAD

Table 2. Mixing proportions of concrete foundations for

Building

era Aggregate

(%) Mortar

(%) Aggregate:

Mortar 1908s 91.38 8.62 11:1 1935s 93.30 6.70 14:1 1954s 97.19 2.81 35:1 흡수율은 시료별로 5.628∼18.018%의 넓은 범위에서

평균 11.964%로 나타났다. 시기별로는 1908년도가 평균 6.768%로 가장 낮게 나타났으며 1954년 시료가 15.740%

로 가장 높게 산출되었다. 흡수율로 환산한 각 시기별 콘크 리트의 공극률은 9.489~33.333%의 범위를 보이나, 평균 을 구하면 1908년도; 11.439%, 1935년도; 22.232%, 1954 년도; 29.167%로 최후기의 콘크리트에서 압도적으로 높아 상대적으로 불량한 물리적 성질을 갖는 것으로 나타났다.

3.3. 배합특성

앞의 연구 결과를 검증하고 시기별 콘크리트의 배합비 를 정량적으로 파악하고자, 각 시기의 배합특징을 잘 나타 내는 시편을 선정하여 실체현미경 관찰을 실시하고 영상 을 획득하였다(Figure 8A). 이 과정에서 획득한 고화질의 실체현미경 사진을 토대로 Auto CAD 프로그램에서 골재 와 모르타르를 구분하고 각 영역을 선정하였다(Figure 8B). 이 후 그래픽 프로그램 등을 이용하여 골재와 모르타 르의 영역을 구분한 다음 양자의 구성비를 산출하였다 (Figure 8C).

골재와 모르타르의 함량비 산출 결과, 관찰한 영역 대비 양자의 백분율은 1908년 기초 콘크리트에서 각각 91.38%

와 8.62%, 1935년 콘크리트는 93.3%와 6.70%로 나타났 다. 또한 1954년 콘크리트에서는 97.19%와 2.81%로 시대 의 흐름에 따라 상대적으로 골재의 함량이 높아지는 것을 확인할 수 있다. 따라서 이를 바탕으로 시기별 골재와 모르 타르의 배합비를 계산한 결과, 각각 11:1, 14:1, 35:1의 비 율로 나타났다(Table 2).

현미경하에서 세립의 모래 입자가 다량 관찰되었던 1954년의 기초부에서는 골재의 비중이 상당히 높게 나타 났다. 이처럼 과도하게 배합된 골재의 영향으로 모르타르 가 각 골재를 충분히 지탱하지 못하기 때문에 이후 수행한

콘크리트의 물성평가에서 낮은 결과를 보인 것으로 판단 된다. 그러나 이는 초기 값으로 수화반응 등을 고려하지 않 은 겉보기 결과이다.

3.4. 물성평가

3.4.1. 초음파 속도

초음파 측정은 최근 근대문화재의 비파괴 물성진단에 높은 활용도를 보이고 있다(Chun and Lee, 2012; Kim et

al., 2012). 그러나 축조연대의 다양성, 상대적 풍화도, 표

따라서 이 연구에서는 초음파 속도의 신뢰도를 확보하 기 위해 Lee et al.(2009), Jo(2011)에 의해 제시된 초음파 속도 신뢰도 검증시험 결과를 바탕으로 측정조건을 설정 하였다. 초음파 탐상기는 Proseq사의 Pundit Lab를 사용하 였으며 탐촉자는 Proseq사의 Exponential Transducer(54 kHz)를 적용하였다. 이 탐촉자는 끝이 뾰족하여 대한의원 기초부에 사용한 콘크리트의 표면에 발생한 요철의 영향 을 거의 받지 않는 장점이 있다.

또한 초음파 측정용 접촉매질은 측정 후 잔류물질이 남

Figure 9. Measuring dotted points of ultrasonic velocity for concrete foundations from East 1 affiliated ward of Daehan

Table 3. Data of ultrasonic velocity for concrete foundations from East 1 affiliated ward of Daehan Uiwon.

Building

era Remark

values Indirect

velocity (m/s) Direct

velocity (m/s) Weathering

coefficient (K) Weathering grade

1908s

Min 735 1,213 0.70 CW

Max 1,904 2,426 0.41 HW

Mean 1,265 2,157 0.47 HW

1935s

Min 766 1,264 0.67 CW

Max 2,061 3,402 0.17 SW

Mean 1,381 2,279 0.44 HW

1954s

Min 146 241 0.94 CW

Max 636 1,050 0.74 CW

Mean 272 450 0.89 CW

지 않고 활용성이 좋은 건조성 접촉매질이 필요하다. 이 연 구에서는 Jo(2011) 및 Jo and Lee(2015)에 의해 효과가 입 증된 바 있는 엘라스토머 커버(elastomer cover)를 사용하 였다. 측정방법은 대상물 및 탐촉자의 접근성과 활용성을 고려하여 간접전달 방식을 이용하였다. 그러나 초음파의 지향성이 상대적으로 떨어져 그대로 적용하면 실제 값에 비해 낮게 나타난다. 따라서 이를 보정하기 위해 Jo(2011) 에 의해 보고된 기법과 보정계수를 적용하였다.

이를 바탕으로 간접전달 방식에 20 cm의 측정거리를 설정하여 측정하였다. 초음파 전달속도는 1908년도 콘크 리트에서 51지점, 1935년도에서 29지점, 1954년도에서 46지점으로 총 126지점을 대상으로 측정하였다(Figure 9).

초음파 측정은 속도 감쇄를 유발할 수 있는 균열 및 요철이 심한 지점을 피하였다. 또한 간접전달방법으로 측정한 초 음파 속도의 보정을 위해 Turgut and Kucuk(2006) 및 Jo(2011)가 제시한 1.65의 시멘트 모르타르 보정계수를 사 용하여 시기별로 Table 3과 같은 초음파 직접속도를 획득 하였으며, 풍화계수와 등급을 함께 표기하였다.

대한의원 동1병동 기초부의 전체 초음파 속도는 146∼

2,061 m/s의 범위로 평균 초음파속도는 929 m/s로 산출되 었다. 시멘트 모르타르의 보정계수를 적용하여 초음파 직 접속도로 환산한 결과, 1908년도는 1,213∼2,426(평균 2,157) m/s 범위의 초음파 속도를 보였다. 1935년도는 2,444∼3,402(평균 2,279) m/s의 속도를 나타냈으며, 1954

Figure 10. 2D contour map using ultrasonic velocity of concrete foundations for East 1 affiliated ward in Daehan Uiwon.

Figure 11. 2D contour map using schmidt hammer of concrete foundations for East 1 affiliated ward in Daehan Uiwon.

년도는 241∼1,050(평균 450) m/s의 속도를 보여, 1935년 기초부의 물성이 상대적으로 양호하며 1954년도의 콘크리 트가 가장 취약한 것으로 나타났다(Figure 10).

이 초음파 속도를 Iliev(1966)가 제시한 방법으로 풍화 지수(K)로 산출하면, 상대적으로 이른 시기에 축조한 1908년과 1935년도 콘크리트에서 각각 평균 0.47과 0.44 로 상당히 풍화된 단계의 비교적 높은 풍화등급(HW)을 보 였다. 반면에 가장 최근에 축조한 1954년도 기초의 풍화지 수는 0.89로 완전히 풍화된 단계(CW)의 매우 높은 풍화등 급을 지시하였다. 이러한 결과는 1954년도 기초부의 증축 과정에서 사용한 모르타르의 배합특성에 따른 영향인 것

으로 판단된다.

3.4.2. 반발경도

반발경도법은 콘크리트의 경도를 강도로 변환하는 시 험법으로서 측정방법이 간편하고 경제적이며, 빠른 시간 안에 조사가 가능하다. 또한 조사자가 편리하게 사용할 수 있는 국제적으로 표준화된 시험법이다. 슈미트해머로 경 화된 콘크리트 표면을 타격할 경우, 반발도와 압축강도 사 이의 특정 상관관계를 이용하면 강도추정이 가능하다 (Lee, 2008). 이때 반발경도와 압축강도의 관계식을 이용 하여 일축압축강도를 추정할 수 있다(Yeon et al., 1987).

Table 4. Rebound hardness and unconfined compressive

Building

era Remark

values Rebound hardness

Unconfined compressive strength (MPa)

1908s

Min 12.50 15.57 Max 40.50 39.84 Mean 21.09 21.12

1935s

Min 15.00 16.78 Max 37.50 35.25 Mean 25.12 23.70

1954s

Min 11.00 15.34 Max 23.50 24.31 Mean 16.54 17.73

국내에서도 슈미트해머를 이용하여 문화재의 물성 측 정에 적용한 사례가 있으나 측정 시 표면에 가하는 충격으 로 인해 흔적이 남는 경우가 있어 문제점으로 지적되어 왔 다. 그러나 이 연구에서는 대상의 특성상 약간의 충격이 가 능하여 각 시기별 기초부 중 일부를 선정하여 강도추정을 위해 초음파 측정과 함께 슈미트해머 적용이 적합하다고 추천되었다.

슈미트해머를 이용하여 대상을 평가할 때는 콘크리트 의 종류, 품질에 따라 기종을 적절하게 선정하여 사용해야 한다. 이 연구에서는 경량 콘크리트에 적합한 L형 슈미트 해머를 기준으로 하였으며, 한국산업규격 KS F2730 규정 에 따라 그 영향 범위 밖인 30 mm 이상을 시험점간 거리로 적용하였다. 측정 횟수는 최저 20회로 측정값의 평균에 대 한 오차가 ±20%를 초과하는 값은 제외하였다. 측정지점은 초음파 측정과 동일하게 1908년도 콘크리트 51지점, 1935 년도 29지점, 1954년도 46지점에서 수행하였다. 이 결과 를 각 시기로 반발경도 측정값과 일축압축강도로 산출하 였으며 일축압축강도를 2D모델링하여 도면에 제시하였다 (Figure 11).

측정된 동1병동 콘크리트 기초부의 전체 반발경도 값은 11.00∼40.50의 범위로 평균값은 20.36으로 산출되었다.

이를 건축 시기별로 살펴보면, 1908년도는 12.50∼40.50 의 범위로 21.09의 평균값을 갖는다. 1935년도는 15.00∼

37.50의 범위로 평균값은 25.12를 나타냈으며, 1954년도 는 11.00∼23.50의 범위로 16.54의 평균값을 보였다

(Table 4).

이를 일축압축강도로 환산하면, 1908년도 기초 콘크리 트는 15.57∼39.84 MPa의 범위로 평균은 21.12 MPa이 다. 1935년도 콘크리트는 16.78∼35.25(평균 23.82) MPa 의 범위를 보였으며, 1954년도 콘크리트는 15.34∼24.31 (평균 18.92) MPa의 범위를 나타냈다. 따라서 초음파 속도 와 유사하게 1935년, 1908년, 1954년도 콘크리트 순으로 높은 반발경도 값과 일축압축강도를 보여, 최후기의 기초 부가 가장 취약한 것으로 드러났다.

4. 고 찰

4.1. 골재의 종류와 배합

대한의원 동1병동은 1908년, 1935년 및 1954년에 초축 과 증축과정을 거쳤으며, 이 과정에서 기초부에 시대별로 조금씩 다른 배합특성의 콘크리트를 사용한 것이 확인되 었다. 특히 사용된 골재의 특징이 상이하다. 1908년도 콘 크리트 골재는 분급이 매우 불량하며, 원마도는 각형 내지 아각형으로 나타났다. 이러한 특성은 물의 운반과정에 영 향을 받은 골재를 사용했기 보다는 화강암의 풍화잔류물 또는 인위적으로 분쇄하여 사용한 것으로 판단할 수 있는 근거가 된다.

1935년도 콘크리트는 잔골재와 굵은 골재의 특성이 상 이하게 나타났다. 굵은 골재의 원마도는 원형에 가까우며 규암이 다수 관찰되고 일부 화강암이 나타난다. 잔골재는 석영, 장석, 운모를 구성광물로 하며, 아원형 내지 아각형 으로 원마도가 매우 불량하다. 이는 서로 다른 기원의 골재 를 사용했을 가능성을 지시한다. 굵은 골재 경우, 원마도와 암종 다양성으로 보아 하천의 운반작용에 의해 형성된 퇴 적물로부터 기인했을 가능성이 있다. 그러나 잔골재는 화 강암류의 풍화토나 인위적 분쇄를 통해 공급했을 것으로 판단된다.

1954년도 기초부는 이전 시대의 콘크리트와 달리 굵은 골재 없이 잔골재만을 사용하였으며, 그 성분은 석영, 장 석, 운모로 구성된다. 전반적인 분급은 양호하며 원마도는 아각형 정도인데, 이는 하천의 운반작용을 통해 조직적 성 숙도가 어느 정도 높아진 하천 사주 등의 퇴적물로부터 기 인했을 가능성이 있다.

Lee(2011)는 일제강점기 모르타르는 골재의 분쇄가 양 호하지 못해 굵은 입자가 많은 것으로 보고하였다. 실제 대 한의원의 1908년 및 1935년도 콘크리트는 1 mm부터 5 mm

Figure 12. Correlation between unconfined compressive

에 이르기 까지 다양한 크기의 골재들을 확인할 수 있다.

원마도 역시 각형을 띠는 것이 우세한 것으로 보아 하천퇴 적물에서 수급한 골재는 아닌 것으로 판단된다. 1918년 Abrams의 ‘Design of Concrete Mixes’에 의해 물-시멘트 비 이론이 정립되어 설계기준 강도에 준한 성능설계가 이 루어지기 이전인 일제강점기의 콘크리트 배합비는 경험에 의해 조절하였으며, 건축용으로는 기질과 잔골재 및 굵은 골 재의 비율이 1:2:4, 토목용으로는 1:3:6 비율을 주로 사용 하였다. 당시 모르타르는 상당히 고가였기 때문에 많은 양 의 시멘트를 배합하지 못한 것으로 해석하였다(Lee, 2011).

이 연구에서 추정된 시기별 배합비는 시기에 따라 골재 의 양이 다른 양상을 보이며, 이 비율이 초축 당시의 비율 과 차이가 있다. 모르타르는 생석회(CaO)를 물 및 골재 등 과 함께 혼합하여 만들며, 이 과정에서 반응을 통해 소석회 (Ca(OH)2)가 형성되며 단단하게 굳는다. 그러나 외부에 노 출되면 빗물 등과 반응하여 일부가 용출되어 나온다. 따라 서 시간의 흐름에 따라 모르타르의 비율이 자연 감소하게 된다.

이 과정에서 굵은 골재를 사용한 1935년도 콘크리트는 상대적으로 외부에 노출된 골재의 비율이 크고, 드러난 모 르타르의 단면적이 작아 풍화에 비교적 강한 특성을 보였 을 것이다. 반면 세립의 사질 골재를 사용한 1954년도의 콘크리트는 외부에 노출된 골재의 비율이 적을 수 밖에 없

으며, 상대적으로 넓은 면적의 모르타르가 노출되기 때문 에 풍화에 취약한 특성을 보였을 것이다. 따라서 시기별 콘 크리트의 물성차이는 사용된 골재의 특성과 시멘트의 함 량 및 공극률이 직접적인 영향을 미쳤을 것으로 판단된다.

4.2. 물성 검토

대한의원 동1병동 기초부 콘크리트에 대한 재질특성 및 성분분석 결과, 시기별로 재료의 배합비에 따라 나타나는 차이를 확인할 수 있다. 기초 콘크리트의 전체 비중은 1.661∼1.857의 범위를 보이나, 1935년도 시료가 가장 낮 고 1954년도에서 가장 높게 산출되었다. 흡수율은 5.628

∼18.018(평균 11.964)%의 넓은 범위에서, 1954년 시료 (15.740%)가 가장 높았다. 공극률도 1954년 콘크리트가 평균 29.167%로 전체 값(9.489~33.333%)에 비해 매우 높 았다. 또한 시멘트와 골재의 배합비도 1954년 시료에서 1:35로 가장 적은 시멘트가 사용된 것으로 나타났다.

현대에 일반적으로 사용하는 무근콘크리트의 비중은 2.3이며 철근콘크리트는 2.4의 비중값을 갖는다(Baek et

al., 2009). 대한의원 기초부 가운데 가장 높은 비중을 보이

앞서 산출한 초음파 직접속도와 반발경도 측정값으로 변환한 일축압축강도의 상관도를 도시하여 경향성을 비교 하였다(Figure 12). 콘크리트 기초부의 전체 반발경도 값 은 11.00∼40.50의 범위이나, 가장 최근에 증축된 1954년 도에서 가장 낮은 강도를 보였다. 초음파 전달속도도 1935년 에서 가장 높은 값을 보였으며 1908년, 1954년 순으로 감 소하였다. 이는 1954년 콘크리트의 기초물성이 가장 약한 것으로 볼 수 있으며, 공극률 및 배합특성과 관련이 있다.

한편 동일지점의 초음파 속도와 일축압축강도는 거의 일치하며 비교적 양호한 양의 상관관계를 갖는다. 1908년도 및 1935년도 콘크리트는 상관도도 높으며 상대적으로 비 교적 우수한 물성을 갖는 것으로 나타났다. 그러나 1954년도 콘크리트는 가장 후대의 건축물임에도 불구하고 초음파 속도와 일축압축강도에서 모두 불량한 물성을 보였다(Figure 12). 또한 이전 시대에 증축된 기초부에 비해 공극률도 높 았다. 이는 한국전쟁 이후 당시의 어려운 환경과 사회상을 반영하는 것으로 해석할 수 있을 것이다.

5. 결 론

1. 대한의원 동1병동 기초 콘크리트는 1908년 초축 이 후 1935년과 1954년에 증축하였다. 전반적인 기질의 색상 은 회백색으로 거의 동일하나 각 시기도 골재의 종류와 배 합비를 달리한 것으로 나타났다. 1908년도 기초부는 잔골 재와 굵은 골재를 혼합하여 사용했으며 골재의 원마도가 불량하다. 1935년도 콘크리트에는 원마도가 불량한 잔골 재와 원마도가 높은 타원형의 역을 사용하였다. 1954년도 콘크리트는 시멘트에 비해 골재의 비율(1:35)이 아주 높으 며, 골재는 원마도가 비교적 좋은 잔골재만을 사용하였다.

2. 광물조성을 볼 때, 1908년 기초의 골재는 대다수가 석영이며 미량의 장석과 운모가 산출된다. 1935년도의 굵 은 골재는 거의 원형에 가까운 규암과 화강암이 모두 관찰 되며, 잔골재는 아각형의 석영과 장석이 주를 이룬다.

1954년도 골재는 아각형 및 아원형으로 이루어진 석영과 장석이 대부분이다. 또한 모든 시대의 모르타르에서는 방 해석이 동정되었다.

3. 시기에 따라 골재와 모르타르의 면적을 바탕으로 배 합비를 산출한 결과, 1908년대는 11:1, 1935년대는 14:1, 1954년대는 35:1을 보였다. 1954년 콘크리트에서 평균 1.854의 비중을 보였으나, 현대 사용되는 콘크리트의 비중 (2.3∼2.4)에 비해 상당히 낮다. 또한 1954년 콘크리트의 공극률은 평균 29.167%로 1908년 및 1935년 콘크리트 공 극률(11.439%, 22.232%)보다 상당히 높다. 이 값들이 콘 크리트의 물성에 영향을 미친 것으로 해석된다.

4. 전체적인 콘크리트의 초음파 속도는 146∼2,061 m/s 의 범위이다. 특히 1908년과 1935년도의 평균 초음파 속 도(2,157 m/s, 2,279 m/s)에 비해 1954년 콘크리트(평균 450 m/s)에서 아주 느린 속도를 보였다. 반발경도는 11.00

∼40.50의 범위에서 평균 20.36의 값을 보였다. 이를 일축 압축강도로 변환하면 1908년과 1935년에서 21.12 MPa, 23.82 MPa의 평균값을 가지나, 가장 최근의 1954년에 증 축된 기초부에서 평균 18.92 MPa로 가장 낮다. 이와 같이 기본물성이 약한 것은 당시의 어려운 환경과 사회상을 반 영하는 것으로 해석할 수 있다.

REFERENCES

Baek, D.I., Han, H.S., Kim, M.S., Jang, H.S. and Kim, C.H., 2009, An experimental study on the fundamental

properties of lightweight aggregate concrete. Concrete Journal, 21, 335-336. (in Korean with English abstract) Chun, Y.G. and Lee, C.H., 2012, Nondestructive deterioration

diagnosis for the former ore dressing plant in the Yongwha mine of registered cultural property No. 255. Journal of Conservation Science, 28(3), 235-245. (in Korean with English abstract)

Hangang Institute of Cultural Heritage, 2015, Culture heritage detailed excavation work on advanced outpatient medical center extension work area in Seoul National University Hospital. Informality Report, 1-44. (in Korean) Iliev, I.G., 1966, An attempt to estimate the degree of

weathering of intrusive rocks from their physical- mechanical properties. Proceedings of the International Congress on Rock Mechanics, 1, 109-114.

Jo, Y.H., 2011 Physical deterioration evaluation and structural safety diagnosis of stone cultural heritage using nondestructive precision technology. Ph.D. thesis, Kongju National University, Gongju, 89-193. (in Korean with English abstract)

Jo, Y.H. and Lee, C.H., 2015, A study on selection of ultrasonic transducer and contact material for surface irregularities of stone cultural heritage. Journal of Conservation Science, 31(3), 267-278. (in Korean with English abstract)

Kim, J.Y., Ha, E.Y., Lee, M.S. and Lee, C.H., 2012, Material analysis and deterioration evaluation of foundation stones and holy stone relics in Myeongdongseongdang cathedral, Korea. Journal of Conservation Science, 28(4), 305-319.

(in Korean with English abstract)

Kim, R.H., Lee, S.M., Jang, S.Y. and Lee, C.H., 2009, Interpretation of firing temperature and material characteristics of the potteries excavated from the Nongseori site in Giheung, Korea. Journal of Conservation Science, 25(3), 255-271. (in Korean with English abstract)

Lee, C.H., Jo, Y.H. and Chun, Y.G., 2009, Establishment of ultrasonic measurement and correlations of direct-indirect method for weathering evaluation of stone cultural heritage. Journal of Conservation Science, 25(3), 233-244.

(in Korean with English abstract)

Lee, C.H., Kim, J. and Lee, M.S., 2010, Petrography and provenance interpretation of the stone moulds for bronze daggers from the Galdong prehistoric site, Republic of Korea. Archaeometry, 52, 31-44.

Lee, C.H., Kim, Y.T. and Lee, M.S., 2007, Provenance presumption for rock properties of the five storied stone pagoda in the Jeongrimsaji temple site, Buyeo, Korea.

Journal of the Geological Society of Korea, 43, 183-196.

(in Korean with English abstract)

Lee, I.S., 2011, A study on the material properties of reinforced concrete used in modern concrete structures.

Master's thesis, Dong-a University, Busan, 1-30. (in Korean with English abstract)

Lee, S.H., 2008, Study using schmidt hammer-impact-echo test method for the comparison of the compressive strength of concrete. Master's thesis, Hanyang University,

Seoul, 10-14. (in Korean with English abstract) Turgut, P. and Kucuk, O.F., 2006, Comparative relationships

of direct, indirect and semi-direct ultrasonic pulse velocity measurements in concrete. Russian Journal of Nondestructive Testing, 42(11), 745-751.

Uchida, E., Cunin, O., Suda, C., Ueno, A. and Nakagawa, T., 2007, Consideration on the construction process and the sandstone quarries during the Ankor period based on the magnetic susceptibility. Journal of Archaeological Science, 34, 924-935.

Yeon, G.W., Yoon, S.C. and Song, I.C., 1987, An inference of the compressive strength of concrete by the combined rebound value-ultrasonic pulse velocity method.

Architectural Institute of Korea, 3, 161-168. (in Korean with English abstract)