석조문화재의 풍화지수 산정을 위한 초음파속도의 평가 및 보정
이영준·김영석*·이민희·한준희·김민수
공주대학교 지질환경과학과, 314-701, 충청남도 공주시 공주대학로 56
Assessment and Calibration of Ultrasonic Velocity Measurement for Estimating the Weathering Index of Stone Cultural Heritage
Youngjun Lee, Youngseuk Keehm*, Minhui Lee, Junehee Han, and Minsu Kim Department of Geoenvironmental Sciences, Kongju National University, Chungnam 314-701, Korea
Abstract: Ultrasonic method is widely used for the evaluation of weathering index and of degree of deterioration because it is easily applicable in situ. The basic idea of the method is that the ultrasonic velocity decreases as a rock is being weathered. Thus, the difference of ultrasonic velocities between fresh rock and weathered rock indicates the degree of weathering. In this method, the ultrasonic velocity of fresh rock is assumed to be 5,000 m/s. However, this assumption can cause significant errors in estimating weathering index, especially in case that those rocks of the same type have a wide range of ultrasonic velocities such as in Korea. Therefore, we obtained twenty rock specimens and sixty core samples commonly used for stone cultural heritages in Korea, and measured ultrasonic velocities. From the results, we found that the ultrasonic velocities of the same rock type, granite samples range from 3,118 to 5,380 m/s, and that the estimated weathering index can be highly biased if we use the fixed value of 5,000 m/s. We created a database (DB) by combining the measurement data and reported it. We also measured ultrasonic velocities by direct and indirect methods to quantify the calibration coefficient for each sampling site. We found that the calibration coefficients vary widely from site to site (1.31-1.76). Other factors, such as operator bias and temperature did not show any significant effect on errors in ultrasonic velocity measurements. Lastly, we applied our ultrasonic velocity DB and calibration coefficients to a stone cultural heritage, Bonghwang-ri Buddha statue. Our estimation of the weathering index was 0.3, 0.1 smaller than that by conventional method. The degree of deterioration was also different, “moderately weathered”, while conventional method gave “highly weathered”. Since other independent studies reported that the degree of deterioration of the Buddha statue was “moderately weathered”, our estimation seems to be more accurate. Thus our method can help accurately evaluate the weathering index and the conservation planning for a stone cultural heritage.
Keywords: stone cultural heritage, ultrasonic velocity, database, measurement errors, calibration coefficient
요 약: 석조문화재의 풍화훼손도를 평가하기 위해 초음파속도를 이용하는 방법은 현장적용 및 풍화도 평가가 용이하여 널리 사용되고 있다. 이 방법은 풍화가 진행되면 초음파 속도가 감소하는 특성을 이용해 신선암과 풍화암의 초음파속도 차이를 이용하여 풍화등급을 산정한다. 그러나 풍화등급 산정에서 신선암의 초음파속도를 암석의 산출지역과 관계없이 고정값(5,000 m/s)으로 사용하기 때문에 우리나라와 같이 동일한 암종에서도 다양한 속도가 나타나는 경우 많은 문제가 발생되고 있다. 따라서 본 연구에서는 우리나라 석조문화재를 구성하는 대표 암종에 대하여 20종의 시편과 60개의 코 어시료를 획득해 신선암의 초음파속도를 측정하여 데이터베이스(DB)를 구축하고 이를 보고하였다. 이 결과, 동일한 암 종인 화강암 내에서도 초음파속도가 3,118에서 5,380 m/s까지 다양하게 나타나며 이를 무시하고 고정값을 사용할 경우 풍화등급 산정에 많은 오차를 발생시킬 수 있음을 확인하였다. 다음으로 측정 오차에 대한 보정을 위해, 현장측정에서 사용하는 두 가지 방법(직접법과 간접법)에 의해 속도를 측정하고 지역별 암종에 따른 보정계수를 산출하였는데 그 범 위는 1.31에서 1.76까지 다양하게 나타났다. 그 외 측정온도, 장비운영자에 따른 초음파속도의 차이를 확인한 결과 그 차이가 오차범위 내에 있어 풍화도 평가에 미치는 영향은 크지 않은 것으로 나타났다. 마지막으로 본 연구에서 얻어진
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초음파속도 DB와 측정보정계수를 실제 석조문화재인 봉황리 마애불상군에 적용한 결과, 풍화지수는 0.3으로 기존의 방 법보다 0.1 정도 낮게 평가되었으며 풍화등급 또한 기존의 방법이 “상당히 풍화”로 판별하는 것에 비해 “중간정도의 풍화”로 차이가 나타났다. 동일한 문화재를 대상으로 한 다른 연구결과에서 중간정도의 풍화등급을 제시하고 있어 본 연구의 결과가 보다 정확한 것으로 확인되었다. 따라서 본 연구에서 제시한 방법은 보다 정확한 풍화지수의 산정과 그 에 따른 보존대책을 수립하는데 기여할 것으로 기대된다.
주요어: 석조문화재, 초음파속도, 데이터베이스, 측정오차, 보정계수
서 론
우리나라 문화유산 중 가장 많은 비중을 차지하고 있는 석조문화재는 그 특성상 대부분이 옥외에 위치 하고 있어 강우, 기후변화, 생물서식 등에 의해 풍화 및 훼손이 진행되고 있으며 근대 산업화에 따른 대 기오염의 증가로 그 상태가 심각해지고 있는 실정이 다(김수진, 2001). 이와 같은 문제들로 인해 훼손된 석조문화재의 보존처리 및 복원의 중요성이 점차 부 각되고 있으며 여러 분야에서 이에 관한 연구가 수 행되고 있다(이종명, 2001; 이찬희 외, 2004; 이명성, 2007).
석조문화재의 보존처리 및 복원을 위해서는 풍화정 도를 정확하게 진단하는 것이 가장 중요한데, 여기에 는 생물학적 방법, 비파괴적 방법, 구조적인 방법, 물 리적인 방법 등 다양한 방법이 사용되고 있다(윤석봉 외, 2006; 양희재 외, 2008; 조영훈과 이찬희, 2009;
조지현 외, 2010). 비파괴적 방법 중 하나인 초음파 탐사는 신선암의 초음파속도와 풍화암의 초음파속도 차이를 이용하여 석조문화재의 풍화등급을 산정하는 방법(Iliev, 1967)으로 식 (1)에서와 같이 신선암의 초 음파속도(Vu)와 풍화암의 초음파속도(Vw) 차이를 이용 하여 풍화지수(weathering index; K)를 산정한다.
(1)
이렇게 얻어진 풍화지수를 이용하여 암석의 풍화등 급을 Table 1과 같이 산정하고 이에 따라 보존 및 복원대책이 수립된다(Table 2). 이 방법은 현장 측정 이 용이하고 측정 후 풍화등급을 즉시 알 수 있다는 장점 때문에 널리 이용되고 있다(이찬희 외, 2004;
윤석봉 외, 2006; 전유근 외, 2008; 김지영 외, 2009;
이재성, 2009). 이 방법에서는 풍화지수를 산정할 때 신선암의 속도(Vu)는 산지에 관계없이 동일한 암종이 면 하나의 값을 사용한다. 예로써 화강암과 같은 경 암의 경우는 5,000 m/s를 사용한다. 하지만 우리나라
에서는 똑같이 화강암으로 분류되는 암석들도 지역별 로 그 속도 차이가 현저하게 나기 때문에 신선암의 속도를 하나의 값으로 사용할 경우 산정된 풍화지수 의 신뢰도가 떨어지게 된다. 따라서 국내 석조문화재 를 구성하고 있는 암석들을 산지별로 신선한 샘플을 획득하여 표준화된 방법으로 속도를 측정하고 그 값 을 풍화지수의 계산에 사용하여야 석조문화재의 정확 한 풍화등급을 산정할 수 있다.
그리고 풍화지수의 산정에 사용되는 또 하나의 값 인 풍화암 속도(Vw)의 경우에는 현장에서 휴대용 측 정기기를 이용해서 얻어지기 때문에 이 기기의 운영 방법, 운영자, 측정환경 등에 의해 영향을 받아 오차 가 발생할 수 있다. 만약 이러한 오차들에 대한 보정 없이 풍화지수를 계산하게 되면 풍화등급의 신뢰도가 낮아지게 된다. 하지만 현장에서 발생하는 오차에 대 해 명확하게 제시된 보정방법이 없는 실정이며 이에 대해 체계적이고 정량적인 연구도 거의 수행되지 않 K Vu–Vw
Vu ---
=
Table 1. Weathering index and corresponding classification by Iliev (1967)
Weathering/Deterioration Degree of Rock
Weathering Index
(K) P-wave Velocity (m/s)
Fresh 0 >5,000
Slightly Weathered 0-0.2 5,000-4,000 Moderately Weathered 0.2-0.4 4,000-3,000 Highly Weathered 0.4-0.6 3,000-2,000 Completely Weathered 0.6-1.0 <2,000
Table 2. Conventional classification of degrees of weather- ing and corresponding conservation recommendations (NRICH, 2009)
풍 화 등 급 풍화지수(K) 원암대비
속도 (%) 보 존 처 리 신선 0 >100
현상 유지 약간 풍화 0-0.2 100-80
중간 풍화 0.2-0.4 80-60 단순 모니터링 상당히 풍화 0.4-0.6 60-40 주기적인 모니터링 및
부분적인 보수처리 현저히 풍화 0.6-1.0 <40 즉각 보수처리
았다. 다만 측정기기의 운용방법에 따른 보정, 즉 직 접법과 간접법 사이의 보정계수는 암종에 관계없이 1.5의 값을 일반적으로 사용하고 있다(전유근 외, 2008; 김지영 외, 2009). 이러한 문제들로 인해 측정 된 속도의 신뢰성과 그에 따른 풍화진단의 정확성 또한 낮아지게 된다.
따라서 본 연구에서는 풍화지수 산정식을 이용하여 석조문화재의 풍화정도를 파악할 때 보다 정확한 풍 화등급의 산정을 위해서 다음 두 가지 연구를 수행하 였다. 먼저 국내 석조문화재를 구성하고 있는 암석의 대표적 산지에서 신선한 샘플을 획득하고 이를 이용 하여 초음파속도를 측정한 후 신선암의 속도 DB를 구축하였다. 다음으로 현장에서 풍화암의 초음파속도 측정 시 발생할 수 있는 오차에 대한 보정방법을 제 시하여 측정된 속도의 신뢰도를 향상하고자 하였다.
연구방법
샘플획득
우리나라는 복잡한 지질 구조로 인해 동일 암종도
지역의 지질학적 특성에 따라 속도 값의 차이를 보 이고 있다. 이러한 특성을 반영하지 않고 석조문화재 의 풍화등급을 산정할 경우 많은 문제점을 발생시킬 수 있기 때문에 정확한 풍화등급 산정을 위해서는 지질학적 특성이 반영된 각 지역별 신선암의 초음파 속도를 측정한 후 그 값을 풍화지수 계산에 사용해 야 한다. 또한 다양한 석조문화재에 이러한 결과를 적용하기 위해서는 대표적 산지에서 샘플을 획득하고 속도를 측정하여 신선암 속도의 DB를 구축하여야 한다. 초음파속도 DB구축을 위해서 국가지정(국보와 보물) 석조문화재의 구성 암종을 조사하였다(국립문 화재연구소, 2002; 2003; 2004; 2005). 문헌 조사 결 과 화성암이 전체 석조문화재 중 약 87%로 거의 대 부분을 차지하고 있으며, 그 중 화강암류가 90%이상 인 것으로 확인되었다. 이 결과와 산지별 분포 특성 을 고려하여 16개 지역을 선정하고 샘플획득을 수행 하였다. 샘플획득 지역은 Fig. 1에 나타나 있는데 화 강암은 강화(KH), 포천(PC), 동해(DH), 부여(BY), 익 산(IS), 남원(NW), 담양(DY), 거창(GC), 괴산(GS), 문경(MG), 상주(SJ), 고흥(GH), 충주(CJ), 반려암은 Fig. 1. Sampling locations for the velocity measurement. Symbols denote different rock types, which are described in the leg- end.
함양(HY), 사암은 보령(BR) 그리고 대리암은 정선 (JS) 등 총 16개소이다. 원석의 획득을 위해서 먼저 지질도를 이용하여 개괄적인 분석을 수행한 후 각 지역에 위치한 채석장을 방문하여 현장조사를 수행하 고 협조를 통해 원석을 획득하였다. 한 지역에서 세 부 암상(색, 입도 등)의 차이가 확인되는 경우에는 각각의 원석을 획득하였다. 이렇게 한 가지 이상의 원석을 획득한 지역은 남원, 담양, 상주, 함양지역으 로 지역 당 2개씩의 원석을 확보하여 실험에 사용하 였고, 두 개의 원석에 대한 샘플 번호는 지역명 뒤에 A와 B를 붙여서 구별하였다. 예를 들어 두 개의 남 원지역의 샘플 번호는 NWA와 NWB와 같이 표시하 였다. 결론적으로 총 16개소의 지역에서 20개의 원석 을 확보하고 속도측정을 위해 샘플을 성형하였다. 표 준속도의 선정과 삼축시험기 및 휴대용 측정기기 사 이의 속도의 비교를 위한 코어시편은 방향에 따른 속도의 변화를 알아보기 위해 수직인 세 방향으로 NX크기(54 mm×108 mm)로 3개의 시편을 획득하였 다. 시편의 가공은 ISRM (1979)에서 제시한 방법에
따라 이루어졌다. 또한 휴대용 시험기기의 운용방법 (직접법과 간접법)에 의한 차이를 알아보기 위해 정 육면체의 공시체(200 mm×200 mm×200 mm)를 1개 씩 가공하여 사용하였다. 따라서 실험에는 총 60개의 코어샘플과 20개의 정육면체 공시체가 사용되었다 (Fig. 2).
측정장비
석조문화재는 시편의 획득이나 가공이 불가능하기 때문에 실내시험법을 이용한 속도측정 방법 대신 현 장에서 적용 가능한 비파괴적 속도측정 방법이 요구 된다. 현장에서 사용하는 대표적인 휴대용 실험장비 는 스위스 PROCEQ사의 PUNDIT (Portable Ultrasonic Non-destructive Digital Indicating Tester)으로 초음파 를 이용한 석조문화재의 속도 측정이 용이한 장비이 다. 실험에 사용된 장비는 PUNDIT Lab모델로 발신 자 전압은 500 V를 사용하고, 초음파 펄스는 1초에 10회 발생의 연속모드로 설정하였다(Fig. 3). 또한 탐 촉자에 따른 초음파속도의 차이를 확인하기 위해서 연 마면 또는 코어시편에서 사용할 수 있는 UTR-54kHz 탐촉자(Fig. 3b)와 석조문화재와 같이 곡면이나 거친 면에 사용할 수 있게 끝이 뾰족한(exponential tip) RXTX-54kHz 탐촉자(Fig. 3c)를 이용하여 실험을 수 행하였다.
휴대용 측정기기를 이용할 경우 탐촉자와 시편사이 의 접촉 불량이나 측정하는 사람이 가하는 압력이 일정하지 않은 등의 다양한 원인에 의해서 측정 속 도의 오차가 발생하게 된다. 따라서 이들의 평가를 위해서 삼축시험기(triaxial testing machine)를 이용하 여 실험실에서 일축상태(uniaxial stress)에서 속도를 측정하였다. 삼축시험기는 시편을 누르는 압력을 일 정하게 유지 시킬 수 있고, 초음파 파형을 컴퓨터로 획득하여 주파수 분석 등의 자료처리를 통해 보다 정확한 초음파속도를 산정할 수 있다. 따라서 본 연
Fig. 3. (a) PUNDIT Lab ultrasonic measurement system. (b) UTR-54kHz ultrasonic sensors. (c) RXTX-54kHz ultrasonic sen- sors.
Fig. 2. Prepared specimens for the ultrasonic measurement.
(a) Core specimens. (b) Box specimens.
구에서는 PUNDIT을 이용해 얻은 시료의 초음파속도 와 삼축시험기를 통해 얻은 초음파속도를 비교, 분석 하여 현장에서 측정한 초음파속도의 신뢰도를 분석하 고자 하였다. 초음파속도 측정에 사용된 삼축시험기 는 GCTS사의 RTX-1500 시스템으로 이 장비와 압력 셀(pressure cell) 내부에 설치된 코어시편의 사진이 Fig. 4에 나타나 있다.
신선암의 초음파속도 DB구축
앞에서 얻어진 60개의 코어시편에 대하여 PUNDIT 과 삼축시험기를 이용하여 속도를 측정하였다. 하나 의 코어시편에 대해 두 가지의 탐촉자(UTR-54kHz와 RXTX-54kHz)를 이용해 각각 10회씩 속도를 측정하 였으며, 두 사람이 독립적으로 실험을 반복하였다.
측정된 값들 중 최대값과 최소값을 제외하고 평균을 내어 각 시편별로 UTR-54kHz와 RXTX-54kHz 탐촉 자에 의한 속도값을 도출하였다. 다음으로 삼축시험 기를 이용하여 코어샘플의 초음파속도를 측정하였는 데 시편과 센서 사이의 접촉을 향상시키기 위해 모 든 샘플에 대하여 1 MPa의 일축압력 상태에서 속도 를 측정하였다. 각 시료별로 5회씩 파형을 획득하여 속도를 분석하였으며 2인의 실험자가 독립적으로 실 험을 반복하여 삼축시험기에 의한 속도 값을 도출하 고, 이를 PUNDIT의 결과와 비교하였다.
측정방법에 따른 오차
현장에서 석조문화재의 초음파속도 측정 시에는 시 편을 사용할 때처럼 시편의 양 끝에 발진기와 수진 기를 위치시켜 속도를 측정하는 방법을 사용하기가 어려울 때가 많다. 따라서 PUNDIT과 같이 휴대용 측정기기를 이용하는 경우에는 Fig. 5와 같이 현장조 건에 따라 세 가지의 측정방법, 즉 직접법(direct), 간
접법(indirect), 반직접법(semi-direct)을 이용한다. 직 접법은 상대적으로 정확한 속도 측정이 가능하지만 현장적용에 많은 한계가 있고, 반직접법은 그 보정이 복잡하고 정확하지 않기 때문에, 실제 석조문화재에 서 속도측정에는 간접법이 주로 이용된다. 간접법이 나 반직접법의 경우에는 초음파 전파경로가 두 탐촉 자의 거리보다 길어져 실제 속도보다 낮게 나타나기 때문에 측정치에 보정계수를 곱하여 직접법으로 측정 한 값으로의 환산이 필요하다. 기기 제조사는 보정을 위하여 콘크리트를 이용한 시험의 결과를 이용해 1.05의 보정계수를 제시하고 있으나 실제로 이 값을 암석에 적용하였을 때 많은 오차가 발생하였다. 그래 서 이찬희 외(2009)는 국내 6종의 신선한 암석에 대 하여 시험을 수행하여 암석에 대해서는 1.5의 보정계 수를 제시하였고 현재 이 값이 널리 사용되고 있다.
하지만 다양한 암상에서 체계적으로 직접법과 간접법 을 적용하여 암석의 산지에 따른 보정계수 변화에 대한 연구는 전무한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 Fig. 4. (a) Triaxial rock testing machine (RTX-1500). (b) A core sample in the testing machine for the velocity measurement.
Fig. 5. Measurement methods for the PUNDIT Lab system.
정육면체 공시체를 이용하여 직접법과 간접법을 이용 해 체계적으로 속도를 측정하여 지역별 암석에 대한 보정계수를 산정하고자 하였다. 간접법을 이용한 속 도의 측정에서는 한 면에서 방향에 따라 각각 4개의 측정점을 19 cm의 거리를 두고 선정하여 각각 10회 씩 측정하고, 이를 서로 수직인 세 개의 면에 대해 반복하였다. 직접법의 경우에는 서로 마주 보는 면에 대해 각각 9개의 측정점을 선정하여 10회씩 속도를 측정하였고 서로 수직인 세 개의 면의 쌍에 대해서 반복하였다. 따라서 하나의 정육면체 공시체에 대해 간접법은 12개의 속도가 직접법은 27개의 속도가 도 출되었고 이 값을 평균해서 사용하였다. 실제 측정이 이루어질 때의 사진과 측정지점에 대한 그림은 Fig.
6에 잘 나타나 있다.
장비 운영자에 의한 오차
초음파속도 측정 시 PUNDIT을 운영하는 사람에 따라 그 측정값이 영향을 받을 수 있는데 이는 현장 에서 수행하는 풍화암의 속도측정에 오차 요인이 될 수 있다. 이러한 오차를 살펴보기 위하여 남·여 실험 자가 각 지역별로 동일한 시편을 대상으로 동일지점 을 10회씩 번갈아 가며 측정한 초음파속도를 최고값 와 최저값을 제외하고 평균값을 구해 운영자에 따른 초음파속도를 비교하고 분석하였다.
온도에 의한 오차
마지막으로 우리나라는 사계절의 변화가 뚜렷하여 대부분의 지역에서 기온이 영하에서 영상 30oC 이상 까지 변화한다. 석조문화재의 특성상 옥외에 위치하 고 있는 경우가 대부분인데 연간 기온의 변화나 일 교차에 의한 기온 변화는 암석 내 존재하고 있는 유 체의 부피변화에 영향을 미쳐 공극구조의 변형을 야 기하게 된다. 이러한 과정의 반복은 암석의 풍화 속 도를 증가시키는 주요인으로 알려져 있다. 하지만 이 러한 기온변화는 오랜 시간에 걸친 암석의 풍화뿐만 아니라 매우 짧은 시간 내에 동일한 풍화정도를 가 진 암석의 속도를 변화시킬 수도 있다. 예를 들어 석 조문화재의 초음파속도 측정이 기온이 높은 여름 낮 에 이루어졌을 때와 추운 겨울에 측정되었을 때 그 속도의 차가 많이 난다면 정확한 풍화도의 평가를 위해서는 이에 대한 보정이 필요하다. 따라서 본 연 구에서는 인공기후실에서 암석의 온도를 변화시키며 초음파속도를 측정하여 온도에 따른 변화를 관찰하 였다. 측정 온도는 우리나라 사계절 기온을 고려하여
−15, 0, 15, 30oC의 네 가지 대표 온도를 선정하였다.
각 온도에서 암석 시편을 인공기후실에 넣어 12시간 경과 후 시편별로 10회씩 속도를 측정하였다.
Fig. 6. Velocity measurement layouts using the PUNDIT Lab system by (a) the direct method, and (b) the indirect method. (c) Schematic diagrams for the measurements locations.
연구결과
신선암의 초음파속도
각 장비를 이용해 측정된 초음파속도의 결과는 Table 3에 제시되어 있다. 결과 값은 지역별로 세 개 의 코어시편을 측정기기별로 10회 이상 측정하여 최 대, 최소값을 제외하고 평균을 구해 도출된 값이다.
국내 석조문화재의 대부분을 차지하는 화강암 시편들 의 삼축시험기 속도를 살펴보면, 남원 지역의 약 3,500 m/s에서 부여 지역의 거의 6,500 m/s까지 매우 넓은 분포를 보이는 것을 확인할 수 있다. 이는 국내 에서 화강암으로 분류되는 많은 산지의 암석들이 다
양한 생성환경과 화학조성을 가진다는 것을 시사하며 암석 내의 미소균열의 발달 등의 차이도 있을 것으 로 생각된다. 물론 이 시험은 일축압력이 작용한 상 태에서 수행하였기 때문에 암석의 실제 속도보다는 약간 높게 나타나며 미소균열이 발달한 암석의 경우 에는 이 차이가 커질 것으로 예측된다(Mavko et al., 2009). 그리고 방향에 대한 속도 차이를 알아보기 위 한 서로 수직인 세 방향의 코어시편 사이의 차이는 약 2-3% 정도로 모든 시료에서 무시할 수 있을 정도 로 작았다.
다음으로 측정기기에 대한 차이를 살펴보면(Fig.
7), 일축응력 상태에서의 결과가 UTR-54kHz 탐촉자 Fig. 7. Comparison of three velocity measurement data by the triaxial testing machine (square), UTR-54kHz (cross), and RXTX-54kHz (circle).
Table 3. Summary of ultrasonic velocity data for different fresh-rock samples
Site Rock Type
Uniaxial Test (1 MPa)
PUNDIT
Site Rock Type
Uniaxial Test (1 MPa)
PUNDIT UTR-54kHz RXTX-54kHz UTR-54kHz RXTX-54kHz KH Granite 4,109 m/s 3,604 m/s 3,481 m/s GS Granite 4,156 m/s 3,779 m/s 3,653 m/s PC Granite 4,376 m/s 3,717 m/s 3,625 m/s MG Granite 4,584 m/s 4,454 m/s 4,342 m/s DH Granite 4,488 m/s 4,403 m/s 4,313 m/s SJA Granite 4,550 m/s 4,648 m/s 4,175 m/s BY Granite 6,415 m/s 5,643 m/s 5,380 m/s SJB Granite 4,468 m/s 4,456 m/s 4,111 m/s IS Granite 4,315 m/s 3,282 m/s 3,139 m/s GH Granite 5,328 m/s 4,672 m/s 4,589 m/s NWA Granite 3,677 m/s 3,445 m/s 3,242 m/s CJ Granite 4,655 m/s 4,611 m/s 4,379 m/s NWB Granite 3,440 m/s 3,342 m/s 3,118 m/s HYA Gabbro 4,505 m/s 4,518 m/s 4,245 m/s DYA Granite 5,992 m/s 5,601 m/s 5,104 m/s HYB Gabbro 4,865 m/s 4,599 m/s 4,340 m/s DYB Granite 5,747 m/s 5,584 m/s 5,174 m/s BR Sand-
stone 5,122 m/s 4,523 m/s 4,458 m/s GC Granite 4,356 m/s 4,002 m/s 3,898 m/s JS Marble 4,519 m/s 4,332 m/s 3,799 m/s
의 결과보다 평균 7% 정도 높게 나타났다. 특히 익 산지역의 화강암은 매우 큰 차이를 보이고 있는데 이는 익산화강암은 신선한 암석의 경우에도 미소균열 을 많이 포함하고 있는 것으로 추정된다. 그리고 UTR-54kHz와 RXTX-54kHz의 차이, 즉 탐촉자와 시 편사이의 접촉에 의한 영향은 UTR-54kHz 탐촉자를 이용한 경우가 평균 5% 정도 높았으며 지역별로 그 편차는 그리 크지 않은 것으로 나타났다.
실제로 현장에서 석조문화재의 속도를 측정할 때 RXTX-54kHz 탐촉자를 사용하는 경우가 거의 대부 분이기 때문에 풍화지수의 계산에 사용되는 신선암의 속도는 Table 3의 RXTX-54kHz의 결과를 사용해야 할 것으로 생각된다. 따라서 이 속도를 신선암의 속 도로 사용하였고, 화강암 시료의 결과를 살펴보면 평 균은 4,108 m/s, 표준편차는 716 m/s, 최대 및 최소 값은 각각 5,380와 3,118 m/s로 나타났다. 따라서 기 존 방법에서 사용하는 신선한 화강암의 속도를 5,000 m/s로 고정해서 사용하는 것은 국내 실정에 맞지 않 으며, 또한 이를 단순하게 측정값들의 평균인 4,100 m/s로 대체해서 사용하는 것도 정확도를 향상시키지 못할 것으로 판단된다. 결론적으로 의미 있는 풍화지 수의 평가를 위해서는 Table 3에서 제시된 지역별 RXTX-54kHz의 평균속도를 이용해야 한다. 신선암의 속도가 풍화지수 평가에 미치는 영향은 뒤에서 살펴 볼 실제 문화재의 적용사례에서 살펴보기로 한다.
측정방법에 따른 보정계수 산출
앞에서 기술한 바와 같이 현장의 석조문화재에는 직접법을 적용하기가 어려운 경우가 거의 대부분이기 때문에 Fig. 5에 나타나 있는 간접법이 주로 사용된 다. 간접법은 파동의 발생방향과 진행방향이 수직이
기 때문에 실제 파가 진행하는 경로가 두 탐촉자 간 의 직선경로가 아닌 곡선을 이루게 되고 속도가 낮 게 측정된다(이찬희 외, 2009). 일반적으로 이 보정에 는 이찬희 외(2009)가 제시한 1.5의 보정계수를 암종 이나 지역의 차이에 관계없이 사용하고 있다. 따라서 이 보정계수의 신뢰성 검증 및 산지별 차이를 알아 보기 위해 정육면체 공시체에 RXTX-54kHz 탐촉자 를 이용해 직접법과 간접법으로 속도를 측정하였다.
자세한 측정방법은 연구내용에서 언급하였다.
직접법 및 간접법에 의해 측정된 속도 및 각 산지 별 보정계수는 Table 4와 Fig. 8에 제시되어 있다.
실제 공시체에서 직접법으로 측정된 속도는 코어시편 에서 RXTX-54kHz로 측정된 속도와는 약간 차이가 나는데 이는 크게 두 가지의 원인으로 예측된다. 첫 번째는 같은 산지에서 획득된 시편이라도 완전히 균 질하지 않기 때문에 공간적으로 차이가 날 수 있고, 두 번째는 실제 암석의 속도나 강도는 시편의 크기 에 좌우되는데 일반적으로 시편의 크기가 커지면 코 어규모에는 그 영향이 적은 미소균열이나 불연속면의 존재가 속도에 영향을 미치기 때문이다(De Vallejo and Ferrer, 2011). 몇몇 지역을 제외하고는 이 차는 5% 이내였으나 몇 가지의 시편에서는 10%가 넘는 차이도 관찰되었다. 시료 전체의 평균적인 차이는 약 3% 정도였다. 하지만 이번 실험의 목적은 직접법과 간접법으로 측정된 속도의 비율을 판별하기 위한 것 이기 때문에 이러한 차이는 두 측정방법에 동일한 영향을 주고 그 결과가 도출되는 보정계수에는 큰 영향을 주지 않는 것으로 가정하였다.
획득된 보정계수의 결과를 분석해 보면 평균은 1.51로 현재 사용되고 있는 값과 유사하였다. 하지만 지역별로 무시할 수 없는 편차가 존재하는데 최대값 Table 4. Calibration factors between direct and indirect measurements
Site Ultrasonic Velocity (m/s) Calibration
Factors Site Ultrasonic Velocity (m/s) Calibration Factors
Direct Indirect Direct Indirect
KH 3,405 2,401 1.42 GS 3,124 2,362 1.32
PC 3,482 2,425 1.44 MG 3,812 2,563 1.49
DH 4,147 2,612 1.59 SJA 3,600 2,541 1.42
BY 5,267 3,749 1.41 SJB 3,631 2,399 1.51
IS 3,255 2,177 1.50 GH 4,343 2,778 1.56
NWA 3,031 2,098 1.44 CJ 3,972 3,028 1.31
NWB 3,063 2,136 1.43 HYA 4,581 2,733 1.68
DYA 5,345 3,031 1.76 HYB 4,767 2,938 1.62
DYB 5,344 3,036 1.76 BR 4,859 2,826 1.72
GC 3,549 2,463 1.44 JS 3,866 2,637 1.47
은 1.76, 최소값은 1.31, 표준편차는 0.13으로 나타났 다. 따라서 이러한 암석의 지역별 특성을 고려하지 않는다면 간접법으로 측정된 속도를 환산할 때 담양, 괴산, 충주, 함양, 보령의 경우에는 10% 이상의 오차 가 발생하게 되며, 지역별로 조사된 보정계수를 사용 하는 것이 이러한 오차를 줄일 수 있을 것으로 판단 된다.
운영자 및 온도에 따른 초음파속도 변화
다음으로 장비 운영자에 따른 초음파속도의 차이를 알아보기 위해 실험한 결과가 Table 5에 나타나 있 다. 예상과는 달리 운영자의 차이나 성별의 차이에 의한 측정속도의 변화는 거의 관찰되지 않았으며 최
대 6%, 평균 2% 미만의 차이를 나타내었다. 이 결 과로부터 현장에서 석조문화재의 초음파속도 측정 시 장비 운영자에 따른 오차는 크게 고려하지 않아도 될 것으로 생각된다.
마지막으로 온도 변화에 따른 초음파속도의 차이가 Fig. 9에 나타나 있다. 거의 모든 시편에서 그 차이는 3% 이내로 무시할 수 있을 정도로 나타났다. 또한 건조암석으로 실험을 수행하여 물의 동결에 의한 효 과는 나타나지 않았기 때문에 온도가 낮아질수록 초 음파속도가 증가할 것으로 예측했으나 실제 이러한 경향을 확인하기는 어려웠다. 결론적으로 현장에서 석조문화재의 초음파속도 측정 시 온도의 영향은 크 지 않을 것으로 예상되며 그 차이도 측정 오차의 범 Fig. 8. Comparison of velocity data by the direct method (square) and by the indirect method (triangle).
Table 5. Operator bias in velocity measurements
Site Ultrasonic Velocity (m/s) Relative Error
(%) Site Ultrasonic Velocity (m/s) Relative Error Operator 1 Operator 2 Operator 1 Operator 2 (%)
KH 3,391 3,416 0.7 GS 3,592 3,531 1.7
PC 3,624 3,637 0.4 MG 4,473 4,491 0.4
DH 4,369 4,446 1.7 SJA 4,358 4,173 4.3
BY 5,449 5,446 0.1 SJB 4,141 4,047 2.3
IS 3,077 3,149 2.3 GH 4,510 4,581 1.6
NWA 3,316 3,315 0.0 CJ 4,326 4,285 1.0
NWB 2,761 2,738 0.8 HYA 4,276 4,224 1.2
DYA 5,314 5,025 5.6 HYB 4,238 4,250 0.3
DYB 5,301 5,162 2.7 BR 4,498 4,549 1.1
GC 3,902 3,942 1.0 JS 3,758 3,694 1.7
위를 이내로 크게 고려하지 않아도 될 것으로 판단 된다. 하지만 본 실험은 건조한 신선암을 대상으로 수행하였기 때문에 풍화가 심한 암석이나 수분을 함 유한 암석에 대해서는 추가 연구가 필요할 것으로 예상된다.
연구결과의 적용 사례
연구결과에서 살펴본 바와 같이 우리나라의 경우 같은 화강암이라도 지역에 따라 신선암의 속도의 차 이가 크게 나며 5,000 m/s의 고정된 속도를 사용하는 것이 풍화지수의 산정과 풍화등급의 판정에 많은 오 차를 야기할 것으로 예측된다. 따라서 측정된 신선암 의 초음파속도를 실제 석조문화재에 적용하여 풍화지 수 및 등급을 산정해 보고 고정된 속도(5,000 m/s)를 사용할 때와 비교해 보았다.
연구결과를 적용하기 위한 석조문화재는 보물 제 1401호인 충주 봉황리 마애불상군이다. 충주 봉황리 마애불상군은 충청북도 충주시 가금면 봉황리에 위치 하고 있으며 1982년 12월 17일 충청북도유형문화재 제131호로 지정되었다가, 2004년 3월 3일 보물 제 1401호로 승격 지정되었다. 충주 봉황리 마애불상군 은 내동 햇골산의 동쪽 암벽 두 곳에 8구의 불상과 보살상이 양각되어 있다. 상부 쪽에는 본존으로 추정 되는 높이 2 m의 대마애불좌상이 큰 바위의 전면에 결가부좌로 앉아 있으며 머리 주위에 높이 34 cm의 화불 5구가 배치되어 있다(Fig. 10). 본 연구에서는
대마애불좌상 부분을 조사대상으로 선정하여 속도측 정 및 분석을 수행하였다.
충주 봉황리 마애불상군의 초음파속도는 PUNDIT 의 RXTX-54kHz 탐촉자를 이용하여 간접법으로 측 정하였다. 측정 거리는 20 cm로 설정하였으며 측정간 격은 10 cm, 측정모드는 1초에 10회씩 자동 모드를 이용하였다. 방향에 따른 속도 변화를 고려하기 위해 4개의 방향(0, 45, 90, 135o)으로 측정하였다. 총 측정 지점은 555개이며 총 2,220개의 초음파속도를 획득 하였다(Fig. 11). 지질도와 주변 암석을 이용한 분석 결과 마애불상군의 암종은 충주 화강암일 것으로 추 정되어, 측정된 초음파속도는 Table 4의 충주 화강암 의 보정계수로 제시된 1.31을 이용하여 보정하였다.
Fig. 10. Site photo of the Buddha statue at the Bonghwang- ri area.
Fig. 9. Velocity changes by temperature.
보정된 초음파속도는 1,601-4,886 m/s의 범위를 보였 으며, 3,022 m/s의 평균값을 보였다.
다음으로 풍화등급 산정을 위하여 Iliev (1967)의 식을 이용하여 풍화지수의 분포를 계산하였다. 비교 를 위해 신선암의 속도를 일반적으로 이용되는 5,000 m/s로 사용하여 계산한 풍화지수와 본 연구에서 제시 한 충주 화강암의 속도인 4,400 m/s를 사용한 풍화지 수를 각각 계산하여 신선암의 속도가 풍화지수에 미 치는 영향을 살펴보았다(Fig. 12). 먼저 풍화지수의 분포를 보면 신선암의 속도를 5,000 m/s로 사용했을 때는 0-0.7의 범위, 평균 0.4의 풍화지수를 보였다.
반면 실제 신선암의 초음파속도인 4,400 m/s를 사용 하여 풍화지수를 선정하면 0-0.6의 풍화지수 범위를 보이며 평균은 0.3으로 5,000 m/s를 사용할 시보다 전체의 평균이 0.1 정도 낮아지는 것을 확인할 수 있 었다. 이 결과를 Table 2에 제시된 풍화등급의 산정 에 적용해 보면 5,000 m/s를 사용했을 때는 상당히 풍화, 즉 보수처리가 필요하다는 결과를 얻을 수 있 지만 실제 측정된 속도인 4,400 m/s를 이용하면 중간
정도의 풍화로 단순 모니터링이 필요하다는 서로 상 이한 결과를 보인다. 봉황리 마애불상군의 다른 연구 결과에서는 풍화등급은 중간정도이며 단순 모니터링 이 필요하다는 결과를 제시하고 있는데(국립문화재연 구소, 2011), 이는 실제 측정된 속도를 사용해야 정 확한 풍화지수를 계산할 수 있고, 신뢰성 있는 풍화 지수를 산정할 수 있다는 것을 보여준다. 또한 이 결 과는 본 연구에서 제시된 방법이 석조문화재 풍화훼 손도의 정확한 평가에 기여할 수 있다는 것을 시사 한다.
토의 및 결론
석조문화재 풍화훼손도의 평가에는 초음파속도를 사용하는 비파괴적 기법이 널리 사용되고 있다. 본 연구에서는 초음파속도를 이용한 풍화지수 산정에 사 용되는 신선한 암석의 속도(Vu)와 현장에서 측정하는 속도(Vw)의 정확성 향상과 오차분석을 위한 연구를 수행하였으며 이로부터 얻어진 결과는 다음과 같다.
Fig. 11. Schematic locations of the indirect ultrasonic measurements for the Bonghwang-ri Buddha statue.
Fig. 12. Maps of weathering index of the Bonghwang-ri Buddha statue in cases that the fresh-rock velocities are (a) 5,000 m/s, and (b) 4,400 m/s.
1. 먼저 신선암의 초음파속도 DB구축을 위해 국가 지정 석조문화재를 구성하고 있는 대표 암종에 대해 16개의 지역에서 20개의 정육면체 공시체와 60개의 코어시료를 획득하여 삼축시험기, UTR-54kHz, RXTX- 54kHz를 이용하여 초음파속도를 측정하고 그 결과를 DB화하여 Table 3으로 제시하였다.
2. 측정 결과 동일한 화강암이라도 각 지역에 따라 초음파속도가 3,118에서 5,380 m/s까지 변화가 매우 큰 것으로 나타났으며 신선암의 속도를 하나의 고정 값으로 사용하면 풍화지수 평가에 많은 오차를 야기 할 수 있다는 것을 확인하였다.
3. 현장에서는 대부분 RXTX-54kHz를 사용하여 속 도를 측정하므로 풍화지수의 평가에 사용되는 신선암 의 속도 또한 DB에 제시되어 있는 값 중에서 RXTX- 54kHz의 결과를 사용하여야 풍화에 의한 속도 차가 정확히 평가될 수 있을 것으로 생각된다.
4. 간접법의 측정값을 직접법의 결과로 환산하는 보정계수의 지역별 특성을 알아보기 위해 산지별로 시편을 선정하여 직접 및 간접법으로 측정하고 각각 보정계수를 산정하여 그 결과를 Table 4에 제시하였 다. 보정계수의 평균값은 1.51로 기존에 사용하고 있 는 1.5와 거의 동일한 값을 보여 주었다. 하지만 산 지별로 무시할 수 없는 차이가 있어 단순히 평균값 을 적용할 경우 5개소 이상의 지역에서는 오차가 10%를 초과할 것으로 나타났다. 따라서 현장에서 간 접법으로 측정할 때 지역별로 서로 다른 보정계수를 사용하여야 신뢰성 높은 속도를 얻을 수 있을 것으 로 생각된다.
5. 장비 운영자 및 온도에 따른 초음파속도의 차이 는 대부분 오차 범위 내에 있으며 풍화도 산정에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 확인되었다.
6. 본 연구에서 제시된 결과를 이용해 봉황리 마애 불상군의 풍화도 평가에 적용한 결과, 산정된 풍화지 수는 기존의 방법으로 추정된 값과 큰 차이가 있었 고 풍화등급 또한 상당히 풍화에서 중간정도의 풍화 로 바뀌는 것을 확인할 수 있었다. 기존의 다른 분석 결과와 비교했을 때 본 연구에서 제시한 방법으로 평가한 결과가 보다 정확한 것으로 확인되어 석조문 화재의 정확한 풍화훼손도의 평가에 본 연구의 결과 가 큰 도움이 될 것으로 기대된다.
끝으로 보다 정확한 풍화등급 및 보존처리방법의 산정을 위해서는 몇 가지 추가 연구가 필요할 것으 로 생각된다. 첫 번째로 코어시료와 육면체 공시체의
측정결과에서 나타났듯이 시편의 크기에 따른 초음파 속도의 변화에 따른 추가적인 분석과 그 영향을 평 가하는 것이 필요하다. 두 번째로 본 연구에서 제시 한 정확한 신선암의 속도 및 신뢰성 높은 현장 속도 를 이용하여 풍화지수를 산정하여도 이를 이용해서 풍화등급 및 보존처리방법을 평가하는 Table 2의 분 류기준에 대한 검토가 필요하다. 실제 풍화가 진행되 면서 풍화지수가 0.2씩 감소할 때마다, 즉 속도가 20%씩 감소할 때마다 풍화등급과 보존처리방법이 선 형적으로 바뀐다는 것은 이론적 근거가 미약하며 보 다 체계적인 검증이 요구된다. 마지막으로 더 많은 지역에서 다양한 시편을 이용한 속도분석과 보정계수 에 대한 연구를 통한 체계적인 DB의 완성이 있어야 다양한 석조문화재에 대한 정밀한 진단과 보존대책 수립이 가능할 것으로 생각된다.
사 사
시편 획득과 속도 측정에 많은 도움을 준 공주대 학교 지구물리연구실과 암석물리연구실의 연구생들에 게 감사드립니다. 좋은 지적과 제안을 통해 논문의 질을 높일 수 있게 세심한 심사를 해주신 한국지질 자원연구원의 홍세선 박사님과 익명의 심사위원님께 도 감사의 말씀을 드립니다. 본 연구는 문화재청 국 립문화재연구소 국가연구개발사업의 지원을 받아 이 루어졌습니다(No. NRICH-1107-B01F).
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2012년 2월 28일 접수 2012년 4월 3일 수정원고 접수 2012년 4월 4일 채택
