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2013년 2월 석사학위논문

석조문화재 풍화특성 평가를 위한 저주파 결함 탐지기의 적용성

조선대학교 대학원

에 너 지 자 원 공 학 과

이 찬 우

석조문화재 풍화특성 평가를 위한 저주파 결함 탐지기의 적용성

Application ofLow-Frequency UltrasonicFlaw

DetectorforEvaluating theWeathering Characteristics ofStoneCulturalHeritage

2013년 2월 25일

조선대학교 대학원

에 너 지 자 원 공 학 과

이 찬 우

석조문화재 풍화특성 평가를 위한 저주파 결함 탐지기의 적용성

지도교수 강 성 승

이 논문을 공학 석사학위신청 논문으로 제출함

2012년 10월

조선대학교 대학원

에너지자원공학과

이 찬 우

이찬우의 석사학위논문을 인준함

위원장 조선대학교 교수 고 진 석 ( 인) 위 원 조선대학교 교수 박 천 영 ( 인) 위 원 조선대학교 교수 강 성 승 ( 인)

2012년 11월

조선대학교 대학원

-목 차-

Listoftables···ⅰ Listoffigures···ⅱ

Abstract···ⅳ

1.서론 ···1

2.연구배경 ···3

2.1풍화 종류 ···4

2.1.1물리적 풍화작용 ···4

2.1.2화학적 풍화작용 ···6

2.1.3생물학적 풍화작용 ···7

2.2속도 측정 방법 ···8

2.3풍화지수 ···9 2.4저주파 결함 탐지기 ···11 3.연구지역 ···14 3.1초기물성시험 ···17 3.1.1흡수율 ···18 3.1.2종파속도 ···20 3.1.3일축압축강도 ···21 3.2초기물성시험 결과 ···22 4.예비시험 ···24 4.1실내시험 및 결과 ···24 4.2야외시험 및 결과 ···27 4.3현장시험-화순 운주사 석탑 ···32 5.현장적용-화순 운주사 석불 ···36 5.1시험방법 ···36 5.2측정결과 ···37 6.토의 ···48

7.결론 ···49 참고문헌 ···50 요약 ···54

Li stoft abl es

Table 2-1.Calculation ofweathering index,and weathering and deterioration degreeofrock(Iiev,1967)···10 Table 2-2. Conventional classification of degrees of weathering and correspondingconservationrecommendations(NRICH,2009)···10 Table3-1.Theinitialvaluesofthecorespecimens···22 Table 3-2. The Vp and UCS of rock type (Ministry of Construction &

Transportation,2007)···22 Table4-1.Theresultsofmeasured Vp by CND and low-frequency ultrasonic flaw detector(A1220MONOLITH)···26 Table4-2.TheresultsofmeasuredVponmonument···30 Table 4-3.The results of measured Vp by low-frequency ultrasonic flaw

detector(A1220MONOLITH)···34 Table5-1.Theresultofmeasured Vp and weathering index ofstoneBuddha bydirectmethod,K:weatheringindex···39 Table5-2.TheresultofmeasuredVpofstoneBuddhabysemi-directmethod

···45

Li stoff i gur es

Figure 2-1.Array methods of transducers,(a) direct method,(b) semi-direct method,(c)indirectmethod···8 Figure2-2.Componentsoflow-frequencyultrasonicflaw detector···12 Figure 2-3.A view ofdata acquisition method according to measuring mode,

(a) review mode for measuring measurement,(b) review mode for measuring ultrasonic velocity, (c) band, and (d) map mode for measuringflaw···12 Figure 2-4.Measurementmethod oflow-frequency ultrasonic flaw detector,(a) M2013sensorsonrockblock,(b)schematicdiagram ofM2013sensor···13 Figure 3-1.The study area,(a) location of Unju temple in Hwasun,(b) geologicalmapandsamplinglocation···15 Figure3-2.StatusofstoneBuddha,(a)front,(b)backand(c)side···16 Figure3-3.Surfaceconditionofstoneculturalheritage,(a)coloralternation,(b) lichen,(c)cracks,(d)exfoliation···16 Figure3-4.Corespecimen forinitialvaluesofvolcanictuff,(a)corerecovery,

(b)cutting,(c)polishing,(d)corespecimenswithadiameterof38mm andalengthof76mm···17 Figure 3-5.Measuring absorption,(a) saturation,(b) saturated weight,(c) dryinganddryweight···19 Figure3-6.MeasuringvelocityusingA1220andS1803sensors···20 Figure 3-7. Uniaxial compression test for measuring uniaxial compressive strengthinlaboratory···21 Figure3-8.Distributionofinitialvalues,(a)absorption,(b)Vp,(c)UCS···23 Figure4-1.Non-destructivedevices,(a)CND,(b)low-frequencyultrasonicflaw

detectorA1220andM2103sensors···25 Figure4-2.Pocheongranite,(a)cubespecimen,(b)schematicdiagram···25 Figure 4-3.Distribution of Vp by CND and low-frequency ultrasonic flaw

detector···26

Figure4-4.Statusofmonument,(a)front,(b)side···28 Figure4-5.Measurementmethodofmonument···28 Figure 4-6.Contactcondition ofsensor on rough surface,(a)CND and (b) low-frequencyultrasonicflaw detectorwithM2103sensor···29 Figure 4-7.Distribution ofVp by low-frequency ultrasonic flaw detector in monument···31 Figure4-8.AppearanceofVpaccordingtomeasurementpositioninmonument·

···31 Figure4-9.Statusofstonepagoda,(a)frontand(b)side···33 Figure4-10.DistributionofVpbylow-frequencyultrasonicflaw detector···35 Figure4-11.Surfaceconditionofstonepagoda···35 Figure5-1.SketchofstoneBuddha,(a)frontand(b)side···36 Figure 5-2.Distribution ofVp by low-frequency ultrasonic flaw detector,(a) leftside,(b)rightside···42 Figure 5-3.The velocity ranges of measured velocity on stone Buddha by directmethod,(a)results ofleftzone,(b)results ofrightzone,(c) resultsoftotalzone···43 Figure 5-4.Appearance of Vp according to measurement position in stone Buddha···44 Figure5-5.Distribution ofVp by semi-directmethod,(a)leftzone,(b)right zone,(c)totalarea···47

Abst r act

ApplicationofLow-FrequencyUltrasonicFlaw Detector forEvaluatingtheWeatheringCharacteristics

ofStoneCulturalHeritage

ByCHANWOO LEE

Adv.Prof.:Seong-SeungKang,Ph.D, Dept.ofEnergyandResourcesEngineering GraduateSchoolofChosunUniversity

The stone culturalheritages are widely distributed in South Korea.They aretransformed and altered,and then finally destroyed caused by naturaland artificialfactorsfora long time.Therefore,itisvery importantto understand the characteristics of weathering on the rocks,which consisted the stone cultural heritages,in order to conserve and restore them.The weathering mechanism ofrock isvery complicated duetoinfluencessuch asthephysical, chemical, and biological processes as well as mineralogical reaction. The weathered degree of rocks may be determined by various methods like absorption,uniaxialcompressivestrength,wavevelocity,andsoon.However,a non-destructive exploration method in the case ofthe stone culturalheritages hasbeenusuallyappliedinpresent,becauseitshouldnotbedestroyeddirectly.

Therefore,in this study a low-frequency ultrasonic flaw detector as one of non-destructiveexplorationmethodsarealsoused.

Thepurpose ofthis study is to examine theapplication oflow-frequency ultrasonic flaw detectorasevaluation method oftheweathering characteristics on thestoneculturalheritage.Forthispurpose,weestablished thestudy area totheUnjutemple,whichislocatedinHwasun,Jeonnam prefecture.Thestone culturalheritageofan objectofstudy isastoneBuddhaand mainly consisted ofavolcanictuff.

Asaresult,averageinitialvaluesofvolcanictuffobtainedfrom anoutcrop

inthestudyareawere5.66% inabsorption,4,008m/sinP-wavevelocity,and 70.1MPainUCS,respectively.Thesevaluesaregoodagreementwiththoseof middlehard rock.In a preparatory experimentperformed on asmooth surface, the P-wave velocity results measured by CND and low-frequency ultrasonic flaw detectorwerealmostsame.Ontheotherhand,theresultoflow-frequency ultrasonic flaw detectorcarried outon a rough surfaceshowed a good result, butthatofCND did notrepresenta good result.These results suggestthat measurementofP-wave velocity by low-frequency ultrasonic flaw detectoris betterthanthatofCND onaroughsurfaceaswellasasmoothsurface.

In the leftside ofa stone Buddha,P-wave velocities measured by direct method showed theranged from 917 m/s to 4,867 m/s.Thesevelocities were mostlyconcentratedbetween1,000m/sand3,000m/s,andaveragevelocitywas 2,257m/s.In therightsideofastoneBuddha,P-wavevelocitiesmeasuredby directmethodshowedtherangedfrom 1,083m/sto6,000m/s.Thesevelocities weremostly concentrated between 1,500m/sand 3,000m/sand between 3,500 m/sand4,500m/s,andaveragevelocity was3,437m/s.Weathering index ofa stoneBuddhawas0.45intheleftsideand0.21intherightzone.Itmeansthat theleftsideofastoneBuddharepresentshighlyweatheredstate,andtheright side shows moderately weathered state.In conclusion,it is considered that low-frequency ultrasonicflaw detectormay beapplicableasavaluablemethod onexaminingtheweatheringcharacteristicsofthestoneculturalheritage.

1.서론

우리나라 문화유산 중 가장 많은 비중을 차지하는 것이 건축문화재이며 약 700 건에 이른다.이들 중 석조문화재가 549건으로 78.4%를 차지한다.석조문화재 중에 는 국보급이 68건으로 12.4%,보물급이 481건으로 87.6%를 점하고 있다(문화재청, 2009).석조문화재는 대부분 야외에 위치하고 있어 자연 상태에 노출되어 있는 경 우가 많다.즉,오랜 기간을 거치는 동안 강우,기후변화,생물서식 등의 영향을 필 연적으로 받게 된다.이러한 환경에 놓여있는 석조문화재는 자연적이고 인위적인 영향을 받아 변형되거나 변질되고,이것은 다시 내외부에 크고 작은 균열을 발생시 켜 결국에는 파괴에 이르기도 한다.석조문화재를 이루고 있는 암석은 이들이 생성 될 당시의 고온 고압 환경 조건과는 다른 불안정한 저온 저압의 상태로 지표환경 에 노출됨으로써 물리적으로나 화학적으로 불안정하게 된다.이러한 이유로 암석은 시간이 지날수록 물리적으로 변형되거나 화학적으로 변질되어 박리나 박락과 같은 현상을 일으킨다.이것은 암석의 풍화현상의 한 예로서 암석 고유의 성질인 물리적 특성을 약하게 하는 요인으로 작용하게 된다.

풍화작용은 물리적(기계적)풍화작용,화학적 풍화작용,생물학적 풍화작용의 3 가지로 분류할 수 있다.화학적 풍화작용은 암석중의 화학성분과 공기,강우,침투 수가 화학적으로 반응하여,그 결과로서 암석의 색 변화,조암광물의 변질,또는 화 학적인 분해와 같은 현상이 일어나는 것이다.물리적 풍화작용은 온도변화,얼음, 염류의 결정화 등에 의해 암석을 서서히 미세하게 파괴시키는 과정이며,생물학적 풍화작용은 유기체에 의해 나타나는 현상이다.어떤 장소에 얼마만큼의 풍화작용이 현저하게 일어나는가를 결정하는 요인은 크게 두 가지로 구분할 수 있다.하나는, 풍화를 받고 있는 암질이다.이것은 석회암이 비에 용해되기 쉬운 것과 이암이 건 습 풍화되기 쉬운 것과 같다.또 다른 요인은 풍화를 일으키는 풍화환경이다.이것 은 기온이 높고 강우량이 많은 장소에서는 화학적 풍화작용이 현저하게 일어나고, 저온 지역에서는 동결융해가 활발하게 일어나는 것으로 이해할 수 있다.풍화환경 에는 기후(기온,강수량,습도 등),토양이나 식생,지하수위,지형(사면의 구배나 경 사)등 여러 가지가 있다.

이러한 풍화작용은 한 요인에 의해서 발생하기 보다는 인위적 및 자연적 환경 과 연계해서 복합적으로 나타나기 때문에 그 손상 또한 다양한 형태를 보여준다.

따라서 석조문화재에 대한 보존과 복원을 고려하기 위해서는 석조문화재를 구성하 고 있는 암석의 풍화특성을 살펴보고 정확한 원인을 분석하는 것이 선행되어야 한 다.하지만 석조문화재의 특성상 이들의 풍화특성을 검토하기 위해 화학적 및 광물 학적 반응을 대상에게 직접 일으키거나 이들로부터 시료를 채취하여 역학적․물리 적 성질을 알아내는 것은 어려운 일이다.이와 같은 문제를 해결하기 위한 방안으 로 석조문화재의 암석 재료에 대한 특성 연구는 정성적 및 정량적인 방법을 통하 여 다양하게 이루어지고 있다.대표적으로 석조문화재의 도면작성 및 고해상도 사 진촬영을 이용한 손상도 평가기법에 관한 연구(조영훈과 이찬희,2011),대자율 분 석과 X-선 측정을 이용한 석조문화재 훼손도 평가에 관한 연구(이찬희 외,2005, 김지영 외,2009),적외선 열화상분석과 비파괴 시험을 이용한 훼손도 정량 평가에 관한 연구(전유근 외,2009,이정은 외,2010)가 수행되어 왔다.또한 현장 적용성 및 휴대성이 뛰어나 암석의 내구성 평가에 널리 활용되고 있는 비파괴 탐사기술을 이용한 석조문화재의 물리적 풍화특성 평가에 관한 연구(서만철 외,2001,2002,이 찬희 외,2009,조지현 외 2010)등이 보고된 바 있다.그러나 비파괴 탐사기술의 적용에 있어 표면 풍화가 심하게 진행된 석조문화재의 경우 탐촉자의 접촉이 어려 울 뿐만 아니라 탄성파의 전달효율을 높이기 위해 사용하는 접촉매질(couplant)에 의해 문화재에 대한 2차적인 오염이 발생될 수 있다.

이러한 문제를 해결하기 위한 방안으로 본 연구에서는 저주파 결함 탐지기를 사용하여 석조문화재의 풍화특성을 조사하였다.이를 수행하기 위해 첫째,석조문 화재를 구성하는 암석과 동일한 암종의 신선한 시료를 채취하여 흡수율,종파속도, 일축압축강도를 측정하였다.둘째,실내시험과 야외시험 그리고 현장시험을 실시하 여 그 결과를 바탕으로 석조문화재에 대한 저주파 결함 탐지기의 적용 가능성을 판단하였다.마지막으로,석조문화재의 대한 속도측정을 실시하였으며,신선한 시료 와 비교분석하여 석조문화재에 대한 풍화특성과 풍화등급을 분류하였다.

2.연구배경

우리나라 문화유산 중 가장 많은 비율을 차지하고 있는 석조문화재는 그 특성 상 대부분이 자연환경에 노출되어 있다.이로 인하여 석조문화재를 구성하고 있는 재료는 오랜 기간 동안 화학적,물리적,생물학적 풍화와 함께 인위적 훼손의 영향 을 받기 쉬웠다.이와 같은 원인들로 인해 훼손된 석조문화재는 원형복원이 쉽지 않다.따라서 계속되는 훼손 발생을 억제하는 기술개발(김정아 외,2010)과 복원시 키는 기술개발(김성수 외,2010,한원식 외,2011,최용석 외,2012)이 매우 중요한 과제로 제시되고 있다.석조문화재의 보존 처리 및 복원을 위해서는 풍화특성을 정 확하게 평가하는 것이 중요하다.이를 위하여 다양한 평가방법이 개발되어 사용되 고 있으며(이명성 외,2004,박성미 외,2008,조영훈 외,2011),그 대표적인 방법 중의 하나가 비파괴 탐사기술(서만철 외,2002,강성승 외,2006,채상정 외,2007, 강대완 외,2011,이영준 외,2012)이다.

하지만,이 방법 또한 측정 대상이 존재하는 형태와 표면 상태에 따라서 측정 방법이나 탐촉자에 제약이 따른다(이찬희 외,2009).그러므로 측정하기 전 대상물 에 대한 상세한 조사가 이루어져야만 한다.또한,비파괴 탐사에는 탐촉자와 시험 편 사이에 공기층이 있을 경우에 계면에서 전반사하여 매질내로의 입사가 불가능 하다.따라서 공기층을 제거하고 초음파의 전달효율을 높이기 위해서 접촉매질을 사용하게 된다.접촉매질에는 일반적으로 글리세린(glycerin),그리스(grease),물 등 이 있으며,주로 글리세린과 그리스 등을 사용한다(이찬희 외,2009).그러나 이러 한 접촉매질을 석조문화재에 사용할 경우 잔류물질이 남아 2차적인 오염을 유발시 키게 된다.따라서 이러한 문제점들을 해결함과 동시에 정확한 석조문화재의 손상 정도를 파악할 수 있는 방법이 요구된다.본 연구에서는 이러한 목적에 맞게 석조 문화재에 접촉매질을 사용하지 않고 그 상태를 파악할 수 있는 새로운 측정 형태 의 저주파 결함 탐지기를 적용하였다.

2.1풍화 종류

풍화작용은 물리적(기계적)풍화작용,화학적 풍화작용,생물학적 풍화작용의 3 가지로 분류할 수 있다.이러한 풍화작용은 단독으로 작용하는 것 보다 복합적으로 일어나는 경우가 많다.예를 들면,염류 풍화작용은 증발과 같은 화학적 과정과 이 것으로 인해 결정화하여 압력을 발생시키는 물리적 과정이 포함된다.따라서 화학 적 작용과 물리적 작용 중 어느 것이 풍화를 일으키는 주요한 요인인지를 결정하 는 것은 매우 어렵다.

2. 1. 1물리적 풍화작용

물리적 풍화작용은 재하 작용,열풍화 또는 일사풍화,건습풍화,동결파쇄,염류 풍화 등을 포함한다.

(1)재하 작용

하중이 제거됨으로 인해서 발생하는 작용이다.예를 들면,화강암에서 볼 수 있 는 돔(dome)지형이나 절리(joint)등의 형성이 재하 작용의 결과로서 나타난다.하 지만 이 작용은 암체 규모의 크기나 지질학적 시간(수백만년 ∼ 수천만년)스케일 로 형성되므로 암석의 풍화를 고려하는 경우에는 무시될 수 있다.

(2)열풍화

고온과 저온이 반복됨으로 인한 피로파괴로서 열대 사막지역에서 관찰되는 암 석의 입상파괴나 박리현상이 열풍화 작용의 결과로서 나타난다.자연조건에서도 열 대건조지역의 경우 낮에는 암석표면이 80℃까지 가열되다가 밤에는 냉각되어 그 온도차가 심하게 나타남으로 인해서 풍화를 일으키는 원인이 된다.하지만 실험실 에서 이루어지는 열풍화 실험에 의한 암석의 파괴는 거의 인지할 수 없는 경우가 많다.이 작용이 단독으로 암석의 풍화나 열화를 일으키는지에 대해서는 아직까지 도 명확하게 규정지을 수 없다.결국 석재의 열화를 고려한 경우에는 화재에 의한 온도(800℃ ∼ 1000℃)에서의 암석 거동을 고려하지 않으면 안 된다.

(3)건습풍화

건조와 습윤이 반복됨으로 인하여 암석이 잘게 쪼개지거나,입상화 되는 현상 이다.대부분의 경우,몬모릴로나이트나 팽윤성 크로라이트 등과 같은 수분이 첨가 될 때,팽윤하는 점토광물을 함유하는 이암,응회암 등에 현저히 나타나는 작용이

다.몬모릴로나이트의 양이 많고 공극률이 작은 암석에서는 슬레이킹(slaking)속도 가 빨라 1∼2회 건습 반복 작용으로 붕괴되는 경우도 있다.이러한 풍화특성 때문 에 일반적으로 이암이 석재로서 사용되는 예는 거의 없다.

(4)동결파쇄

한랭지에서는 동결파쇄작용을 일으켜 암반에서 암괴를 박리시키거나 암괴를 더 욱더 세편화 시킨다.동결파쇄의 메커니즘은 다음과 같다.온도가 빙점 아래가 되 면 물은 얼음으로 변하고,그 체적은 9% 증가된다.이러한 체적팽창이 암석 내에서 증가하게 될 때 압력을 발생시킨다.-22℃에서는 210MPa정도의 압력이 발생된다.

또한 얼음의 결정이 성장할 때 발생하는 압력도 있다.포화된 다공질 암석이 동결 할 때 결정은 큰 간극에서 먼저 형성된다.그리고 그 결정은 작은 간극으로부터 물 을 끌어들여 성장을 계속한다.역학적 파괴는 이것과 같은 결정성장을 동반하여 일 어나는 것으로 사료된다.이것은 암석 내 작은 간극의 양이나 큰 간극과 작은 간극 의 배열 상태 등이 동결파쇄작용의 속도에 큰 영향을 미치는 것을 지시한다.암석 의 강도(특히 인발강도)가 작은 암석일수록 동결파쇄가 일어나기 쉬운 것도 주지해 야할 사항이다.

(5)염류풍화

주로 건조한 지역에서는 암석의 표면이나 표층에 탄산염,황산염,염화물과 같 은 백화물(saltefflorescence)이 형성되는 경우가 많다.이러한 염의 결정은 암석을 흐슬부슬 파괴시킴은 물론 잘게 쪼개거나 가루상태(비늘 조각,인편상)를 만들기도 하는데 이러한 작용을 염류풍화라 한다.염류풍화 메커니즘은 다음과 같은 3가지로 나누어 볼 수 있다.첫째,결정화한 염의 열에 의한 팽창(예를 들면 NaCl(halite), CaSO4․2H2O(gypsum),KCl,NaNO3등의 염류는 화강암과 같은 일반적인 암석보 다 열팽창률이 큼),둘째,수화작용에 의해 발생한 응력(예를 들면,무수석고와 석 고가 서로 수화와 탈수할 때 발생하는 체적변화),셋째,용액으로부터 결정이 성장 할 때 발생하는 응력 등이다.여기서 결정성장은 동결파쇄에서 언급한 현상과 같은 메커니즘으로 생각할 수 있다.즉,결정성장에 의해 발생하는 압력은 식 (1)으로 쓸 수 있다.

 ∙log__ (1)

여기서 P는 결정압,R은 기체정수,T는 온도,V는 결정염의 몰 체적,C는 포 화상태에서의 농도,Cs는 외부응력 하에서의 용액농도를 각각 나타낸다.용액의 피

막이 염의 결정과 암석의 경계면에서 유지될 때,염의 결정은 봉압에 대항하여 성 장을 계속한다.이러한 용액의 유지는 염과 암석,염과 용액,용액과 암석 간 각각 의 계면장력 크기에 의존한다.즉 2개의 계면장력의 합계가 최대 계면장력보다 작 으면 용액은 염과 주변 암석과의 사이에 침입이 가능하여 발생한 압력을 크게 한 다.염류풍화 과정 내에서도 이러한 결정성장이 암석파괴에 미치는 효과가 가장 크 다는 사실이 실험을 통해서도 밝혀졌다.또한 염류풍화의 강도는 존재하는 염의 종 류에 따라 다르게 나타난다.예를 들면,황산나트륨과 이것의 수화물,황산마그네 슘,Na2SO3등이 풍화에 효과적이다.해안이나 대기오염지역에서 보편적으로 볼 수 있는 NaCl이나 CaSO4등은 앞의 물질과 비교할 때 공격성이 작다.암석의 풍화에 서 열화를 고려할 경우 물리적 풍화작용 중에서도 염류풍화가 가장 중요하다.특 히,건조지역에 있어서 암석 풍화는 이러한 염류풍화작용에 의해 나타나는 것이 다 수 보고되었다.예를 들면,피라미드에 있어 황산마그네슘의 백화물이,모헨조다로 (Mohenjo-Daro)에 있어 황산나트륨의 결정이 형성되어,이러한 물질들이 암석을 흐슬부슬하게 만든다.

2. 1. 2화학적 풍화작용

화학적 풍화작용에는 탄산염화와 용해,가수분해,수화,산화 등의 여러 가지 작용이 포함된다.

(1)탄산염화와 용해

많은 광물은 물에 용해되지만,이러한 용해는 다른 과정 즉,탄산염과 결합함으 로 인해서 조장된다.석회암 위에 황산을 떨어뜨리면 기포가 발생하면서 암석이 용 해되는 것을 볼 수 있다.약산성인 비가 석회암에 내리면 아래의 식 (2)와 같이 석 회암의 광물인 방해석과 돌로마이트를 탄산화시켜 중탄산으로 만든다.그것은 물에 용해됨으로 석회암은 효과적으로 용해된다.

CaCO_ H_CO_→Ca HCO_

CaMgCO _ H_CO_→Ca^ Mg^HCO_ ⁽²⁾

암석 중에서 가장 화학적 풍화가 빠른 암석이 석회암이다.예를 들면,같은 체 적을 갖는 다른 종류의 암석에 증류수와 반응하도록 실험을 했을 때,석회암의 용 해량이 가장 크게 나타난다.또한 물의 pH가 보다 낮거나 이산화탄소가 보다 많이 함유되었을 때 석회암의 용해량은 매우 크게 된다.최근 산성비에 의해 풍화속도가

가속화되어지고 있는 것이 이러한 이유 때문이다.또한 수온의 상승도 용해량을 크 게 한다.같은 석회암일지라도 암석 물성이 다르므로 풍화속도도 각각 다르게 나타 난다.종래의 연구에 의하면 암석 중의 미세간극(<0.005mm)비율이 높고 큰 포화 계수(전간극량에 대한 일정시간 경과한 흡수량의 비율)를 가진 암석일수록 화학적 풍화가 빠르게 나타났다.

(2)가수분해

가수분해는 물의 수소이온과 광물 중의 나트륨이온이나 칼슘이온이 이온교환을 일으키는 작용이다.예를 들면,정장석이 가수분해하여 카올리나이트가 되는 반응 이다.이러한 결과 화강암은 점점 약해진다.

(3)수화

수화작용은 가수분해보다 파괴력이 작은 광물에 물이 흡착되어 체적이 팽창되 는 현상이다.이러한 작용이 계속 반복되면 암석은 서서히 약해진다.염류풍화 메 커니즘의 한 경우이다.흑요석의 표면에 수화층을 만드는 작용도 한 예이다.

(4)산화

산화는 풍화에 있어 가장 보편적인 과정중의 하나이다.예를 들면,철은 산화된 수산화철의 수화물이 되며,특징적으로 적색을 띤다.황화물은 산화되어 황산염이 된다.화학적 풍화작용은 주로 암석이 물 또는 공기(산소,이산화탄소)와 반응하기 때문에,이러한 작용은 각각 별개로 일어나지 않고 복합적으로 일어난다.같은 시 기에 일어났다면,한 개 과정의 결과가 그 이후에 일어나는 다른 과정의 결과를 일 으키기 쉽게 할 수 있을 것이다.

2. 1. 3생물학적 풍화작용

생물학적 풍화작용은 박테리아에 의한 유황,철 등의 산화,곰팡이류나 지의류 등에 의한 광물의 파쇄,해초류나 이끼류에 의한 광물의 변질,나무뿌리의 압력에 의한 암석 깨진 틈의 확대 등이 있다.예를 들면,이스라엘 네게브사막에 있어서 지의류에 의해 뒤덮인 석회암을 2마리의 달팽이가 먹는데 연간 1ha에 0.7t∼ 1.1t 의 풍화를 일으키는 것을 알았다.유기질 기원의 환상구조 중에서 금속이온을 유지 하는 것을 킬레이트화(chelation)라 한다.식물은 킬레이트제가 광물로부터 이온(영 양소)을 추출하는 것을 이용하여 광물의 풍화를 촉진시키는 가능성이 있지만,자세 한 메커니즘은 밝혀지지 않았다.

2.2속도 측정 방법

일반적으로 비파괴 탐사의 측정 방법은 Figure2-1에서 보는바와 같이 탐촉자 배열방법에 따라 직접법(direct method),반직접법(semi-direct method),간접법 (indirectmethod)으로 구분 할 수 있다.이중 직접법은 일반적으로 비파괴 탐사 시 사용하는 방법으로 송신기와 수신기가 서로 마주보고 있어 초음파의 전달감도가 좋고 전달거리가 다른 측정법에 비해 짧기 때문에 초음파 속도 측정값의 신뢰도가 가장 높은 방법이다(Figure2-1(a)).그러나 직접법은 석탑과 같은 대형 석조문화재 의 경우 탐촉자의 접근이 용이하지 않아 측정 자체가 불가능하다는 단점이 있다.

또한,반직접법과 간접법은 직접법으로 측정이 불가능할 때 탐촉자의 배열을 바꾸 어 측정하는 방법이다(Figures2-1(b),(c)).하지만,이 방법들은 송신기와 수신기 사이의 거리가 증가하기 때문에 초음파의 지향성이 상대적으로 떨어져 직접법의 초음파 속도보다 항상 낮은 속도 값을 보인다.따라서 반직접법과 간접법으로 측정 시에는 측정값의 신뢰도를 향상시키기 위한 보정계수가 필요하다.보정계수를 산출 하기 위해서는 매우 풍화가 심한 암석부터 신선한 암석까지 다양한 범위에서 초음 파 속도를 측정하여 서로의 상관관계를 분석하고,석조문화재의 산지별 암석에 대 한 보정계수를 산출하여 지속적인 데이터베이스를 구축하는 것이 필요하다(이찬희 외,2009).

Figure 2-1.Array methods oftransducers,(a)directmethod,(b)semi-direct method,(c)indirectmethod.

2.3풍화지수

석조문화재는 속도 측정 결과와 풍화지수를 바탕으로 석조문화재를 구성하고 있는 암석의 풍화등급이 분류되며(Table2-1),그 풍화등급에 따라 보존 처리 대책 이 수립될 수 있다(Table2-2).풍화지수 산정 방법은 현장 측정이 용이하고 측정 후 풍화등급을 즉시 알 수 있다는 장점 때문에 널리 활용되고 있다(서만철 외, 2002,이찬희 외,2004).풍화지수 산정 시 일반적으로 신선암의 속도는 산지에 관 계없이 동일한 암종에 대한 속도 값을 사용한다.하지만 국내에서는 똑같은 화강암 으로 분류되는 암석들도 지역별로 속도 차이가 현저하게 나기 때문에 다른 지역의 신선암의 속도 값을 사용할 경우 풍화지수의 신뢰도가 떨어지게 된다(이영준 외, 2012).따라서 이 연구에서는 석조문화재를 구성하고 있는 동일한 암종을 대상으로 주변 노두에서 시료를 채취하였으며,이를 신선암이라 가정하고 시험편을 제작하였 다.각 시험편에 대한 속도측정을 실시하고,그 값을 풍화지수 계산에 적용하여 석 조문화재에 대한 풍화등급을 산정하였다.

풍화지수(weathering index;)는 석조문화재의 속도 측정 결과로부터 풍화등 급을 평가하는 방법(Iliev,1967)으로서 신선암의 초음파 속도()와 풍화암의 초음 파 속도(_)차이를 이용하여 식 (3)를 통해 산정할 수 있다.

_{ }

_

__

(3)

Table 2-1.Calculation ofweathering index and weathering and deterioration degreeofrock(Iiev,1967)

Weathering/Deterioration DegreeofRock

WeatheringIndex ( )

P-waveVelocity (m/s)

Fresh 0 >5,000

SlightlyWeathered 0-0.2 5,000-4,000 ModeratelyWeathered 0.2-0.4 4,000-3,000 HighlyWeathered 0.4-0.6 3,000-2,000 CompletelyWeathered 0.6-1.0 <2,000

Table 2-2. Conventional classification of degrees of weathering and correspondingconservationrecommendations(NRICH,2009)

Weathering/Deterioration DegreeofRock

WeatheringIndex

() Conservation Fresh 0 maintenance SlightlyWeathered 0-0.2 onlymonitoring ModeratelyWeathered 0.2-0.4 additionalandpartial

monitoring HighlyWeathered 0.4-0.6

CompletelyWeathered 0.6-1.0 promptconservation

2.4저주파 결함 탐지기

석조문화재의 속도 측정을 하기 위하여 이 연구에서는 비파괴 탐사장비인 휴대 용 저주파 결함 탐지기(Low-frequency ultrasonic flaw detector,KOSECO Co.

Ltd,ModelNo.A1220MONOLITH)를 사용하였다(Figure2-2).그림에서 보는바 와 같이 저주파 결함 탐지기는 본체,종파속도(Vp)측정에 사용되는 M2103,S1803 안테나,두께 및 결함 측정에 사용되는 M2502 안테나,데이터 전송 케이블,전용 소프트웨어로 구성되어 있다.특히,이 장치는 콘크리트,금속,복합 재료,플라스틱 의 두께 계측,결함 탐지 및 물리적 특성시험에 적용할 수 있으며,초음파 펄스 신 호를 비휘발성 메모리에 등록하고 저장하는 특징을 가지고 있다.데이터 획득은 시 험한 대상의 초음파 신호를 review,band,map mode로 내장액정에서 확인할 수 있다(Figure2-3).Review mode는 측정 파형을 두 가지 주파수 형태로 나타낼 수 있으며,대상의 두께 측정과 속도 측정 시 사용된다(Figures 2-3(a),(b)).Band mode는 일직선상에 측정 구간을 설정하여 단면의 두께 및 내부결함 탐사 시 사용 한다(Figure2-3(c)).마지막으로 map mode는 band mode와 동일한 측정원리로서 단면이 아닌 전체적인 면적을 연속적으로 탐사하는데 사용된다(Figure2-3(d)).

저주파 결함 탐지기는 시간 간격,신호 진폭,대상의 두께 계산과 결함의 좌표 가 자동 측정 되며 주로 콘크리트 건물의 두께 및 균열 계측에 사용되고 있다.이 장비는 다른 비파괴 탐사 징비와 달리 접촉매질의 사용 없이도 속도 측정이 가능 한 drypointtype이다.이 외에도 종파속도 측정이 가능한 M2103안테나는 가속도 센서가 내장된 탐촉자 12개가 하나의 안테나를 구성하고 있다.따라서 정확한 측정 값을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 안테나 내부에 스프링이 장착되어 있어 최대 1cm 정도 고르지 못한 표면의 매질에 대한 속도 측정이 가능하다.(Figure2-4).

석조문화재의 초음파 측정에서는 신뢰도가 높은 속도 값을 얻기 위해 평균입자 및 내부결함의 크기가 초음파 펄스의 파장보다 작아야 한다(ISRM,1981).대부분 암석의 초음파 속도는 주로 500m/s∼ 6,000m/s범위에서 측정되며,54kHz의 주파수를 사용한다.이러한 주파수를 갖는 탐촉자의 경우 조립질 이하의 암석까지 모두 적용될 수 있다(이찬희 외,2009).하지만,이 연구에서는 측정대상에 대한 입 자의 크기를 고려하여 중립질 이하의 암석에 적합한 100kHz주파수 대역의 탐촉 자를 사용하였다.

Figure2-2.Componentsoflow-frequencyultrasonicflaw detector.

Figure 2-3.A view ofdata acquisition method according to measuring mode, (a)review mode formeasuring measurement,(b)review mode formeasuring ultrasonicvelocity,(c)bandmodeand(d)mapmodeformeasuringflaw.

Figure 2-4.Measurementmethod oflow-frequency ultrasonic flaw detector,(a) M2013sensorsonrockblock,(b)schematicdiagram ofM2013sensor.

3.연구지역

저주파 결함 탐지기를 이용한 석조문화재의 풍화특성을 평가하기 위하여 전라 남도 화순군 도암면 대초리(34˚ 54`49.8``N,126˚ 52`41``E)에 위치한 운주사를 연구 대상 지역으로 선정하였다(Figure3-1).이곳 운주사 내에는 현재까지 다양한 형태의 석불과 석탑이 풍화 정도가 심한 상태로 존재하고 있다.이들 석조문화재들 은 다른 지역에서 흔히 관찰되는 화강암류가 아닌 화산암질응회암으로 구성되어 있다.연구지역 일대의 지질은 Figure3-1(b)에서 보이는 바와 같이 시대미상의 편 마암류와 편암류 그리고 이를 부정합으로 덮는 고생대의 변성퇴적암류 그리고 상 기 지층을 부정합으로 피복하고 있는 중생대 퇴적암류가 분포하고 있다(김종렬 외, 2004).연구지역의 지질은 유천층군으로 주로 안산암,유문암질석영안산암,석영안 산암,유문암 등과 그들의 응회암 및 응결응회암,그리고 이에 협재되어 있는 퇴적 암으로 구성되어 있다.퇴적암과 안산암질암은 본 층군의 하부에 발달하며,상부에 는 유문암과 응회암,석영안산암과 응회암과 같은 화산암류와 용결응회암이 개재되 어 있다.따라서 운주사의 석조문화재들을 구성하는 암석은 응회암질로서 수 cm의 화산력과 유문암질 화산회로 이루어진 화산암질응회암이 70%정도 차지한다(박성미 외,2008).

운주사에 분포되어 있는 많은 석조문화재 중 저주파 결함 탐지기를 이용한 속 도 측정이 비교적 용이하고 상태가 양호하다고 판단된 석불을 연구 대상으로 선정 하였다.또한 석불의 풍화지수 산정을 위해 주변 노두에서 시료를 채취하였다.

Figure3-2는 연구 대상인 석불을 보여준다.오랜 시간 자연환경에 노출된 결과 석 불 표면에서는 암석의 조직,색,화학조성 등이 변화된 화학적 풍화(Figure3-3(a)) 와 지의류 등에 의한 생물학적 풍화(Figure3-3(b))그리고 균열 및 박리박락과 같 은 물리적 풍화(Figures3-3(c),(d))가 복합적으로 관찰된다.

Figure 3-1.The study area,(a) location of Unju temple in Hwasun,(b) geologicalmapandsamplinglocation.

Figure3-2.StatusofstoneBuddha,(a)front,(b)backand(c)side.

Figure3-3.Surfaceconditionofstoneculturalheritage,(a)coloralternation,(b) lichen,(c)cracks,(d)exfoliation.

3.1초기물성시험

화산암질응회암으로 구성된 석조문화재의 풍화지수 산정을 위하여 연구 대상 지역 주변 노두에서 석불과 동일한 암종의 신선한 암석 시료를 채취하였다.시료의 기본 물성을 파악하기 위해 직경 38mm,높이 76mm 크기의 코어 시편 10개를 얻은 후 한국암반공학회(2010)와 ISRM(1981)에 근거하여 시험편을 제작 하였다 (Figure3-4).또한 시험은 한국암반공학회(2010)와 ISRM(1981)에서 제안한 시험법 에 근거하여 흡수율,일축압축강도(UCS),종파속도(Vp)를 각각 측정하였다.

Figure3-4.Corespecimen forinitialvaluesofvolcanictuff,(a)corerecovery, (b)cutting,(c)polishing,(d)corespecimenswith adiameterof38mm and a lengthof76mm.

3. 1. 1흡수율

흡수율 측정을 위해 한국암반공학회(2010)에 규정된 암석표준시험법에 근거하 여 3단계에 걸쳐 흡수율을 측정하였다(Figure 3-5).첫째,데시케이터와 ULVAC KIKO.Inc.(ModelNo.GLD-051)의 진공오일펌프를 이용하여 시험편을 온도 20±5˚ C의 증류수나 여과수 속에 48시간 동안 수침하여 포화시킨다(Figure3-5(a)).둘째, 포화된 시험편을 0.001g단위까지 측정이 가능한 PrecisaGravimentricsAG(Medel No.PrecisaBalances320XT series)의 전자저울을 이용하여 포화무게를 측정한다 (Figure3-5(b)).마지막으로,시험편을 한백에스티(ModelNo.HST-502S)의 강제 순환형 건조기에서 105±3˚C의 온도로 24시간 동안 건조시킨 후 건조무게를 측정한 다(Figure3-5(c)).흡수율은 식 (4)를 이용하여 계산할 수 있다.

흡수율  



× (4)

여기서 A :시험편의 건조 무게(g)

B :시험편의 표면건조 포화상태의 무게(g)

Figure 3-5.Measuring absorption,(a) saturation,(b) saturated weight,(c) dryinganddryweight.

3. 1. 2종파속도

연구 대상인 석불과 주변 노두에서 채취한 신선한 시험편의 속도 차이를 살펴 보고,석불의 풍화지수를 산정하기 위해 시험편에 대한 종파속도를 측정하였다.

석불의 종파속도 측정에 사용된 M2103안테나는 접촉 면적이 시험편의 단면적 에 비해 넓어 정확한 측정이 어렵기 때문에 시험편에 대한 종파속도는 동일한 주 파수(100kHz)를 사용하는 S1803안테나를 사용하였다(Figure3-6).종파속도는 식 (5)를 이용하여 계산할 수 있다(한국암반공학회,2010).

_ _

 (5)

여기서 _ :P파의 전파속도

_ :P파가 의 거리를 전파하는데 걸린 시간

 :수신기와 송신기와의 거리

Figure3-6.MeasuringvelocityusingA1220andS1803sensors.

3. 1. 3일축압축강도

시험편에 대한 일축압축강도(UCS)를 구하여 신선암의 암반등급을 살펴보기 위 해 한국암반공학회(2010)와 ISRM(1979)에서 규정한 암석표준시험법에 근거하여 일 축압축시험을 실시하였다.이때 사용된 일축압축 시험기는 DAEKYOUNG TECH

& TESTER MTG.Co.Ltd.(ModelNo.DTU-900HC series)의 만능재료시험기로 최대 용량은 150tf이다.데이터는 KYOWA사의 datalogger(ModelNo.UCAM-65 B-AC M14)를 이용하여 획득하였으며,모든 자료는 컴퓨터에 의해 처리되었다 (Figure3-7).일축압축강도는 식 (6)을 이용하여 계산할 수 있다(한국암반공학회, 2010).

_{ }



 (6)

여기서 _ :일축압축강도

 :시료의 단면적

 :시험편의 파괴하중

Figure 3-7. Uniaxial compression test for measuring uniaxial compressive strengthinlaboratory.

3.2초기물성시험 결과

모두 10개의 화산암질응회암 시험편에 대하여 흡수율,종파속도 그리고 일축압 축강도 등의 초기물성시험을 실시하였으며,이들 중 데이터 결과가 좋은 5개 시험 편에 대한 결과를 정리하면 Table3-1과 같다.흡수율은 5.21% ∼ 5.68% 범위이 며 평균흡수율은 5.38 %로 나타났다(Figure 3-8(a)).종파속도는 3,838 m/s ∼ 4,191m/s범위이며 평균종파속도는 4,008m/s였다(Figure3-8(b)).그리고 일축압 축강도 범위는 67.8MPa∼ 75.9MPa로서 평균일축압축강도는 70.1MPa를 보였 다(Figure3-8(c)).Table3-2는 종파속도와 일축압축강도에 따른 암석의 풍화등급 을 나눈 것이다.흡수율 결과에서 각 시험편간 차이는 있지만 평균값을 고려해 볼 때 보통암 또는 경암에 해당한다.종파속도에 있어서도 큰 편차를 보이지만 평균값 을 고려하면 보통암에 해당하는 것으로 나타났다.마지막으로,일축압축강도의 결 과를 볼 때 흡수율이나 종파속도 결과와 같이 평균값을 고려하면 보통암에 해당하 는 것으로 나타났다.이상의 결과를 바탕으로 연구지역에 분포하는 신선한 화산암 질응회암은 보통암에 해당되는 것으로 판단된다.

Table3-1.Theinitialvaluesofthecorespecimens

SpecimenNo. Absorption(%) Vp(m/s) UCS (MPa)

1 5.41 4,086 75.9

2 5.24 3,838 67.8

3 5.68 3,838 67.8

4 5.37 4,191 70.9

5 5.21 4,086 68.3

Average 5.38 4,008 70.1

Table 3-2. The Vp and UCS of rock type (Ministry of Construction &

Transportation,2007)

Theclassificationofbaserock Vp(m/sec) UCS (MPa) Weatheredrock 1,000∼ 1,800 10∼ 20

Softrock 1,800∼ 2,800 20∼ 50 Middlehardrock 2,800∼ 4,100 50∼ 80 hardrock 4,100∼ 4,200 80∼ 160 Extremelyhardrock >4,200 >160

3 4 5 6 7 8

0 1 2 3 4 5

Absortion (%)

Number of specimen

(a)

3000 3500 4000 4500 5000 5500

0 1 2 3 4 5

P-wave velocity, Vp (m/s)

(b)

Number of specimen

20 40 60 80 100 120

0 1 2 3 4 5

UCS (MPa)

(c)

Number of specimen

Figure3-8.Distributionofinitialvalues,(a)absorption,(b)Vp,(c)UCS.

4.예비시험

4.1실내시험 및 결과

현재 비파괴 탐사장비는 암반공학,토목공학,지질학,그리고 문화재분야 등 다 양한 분야에 폭넓게 이용되고 있다.비파괴 탐사장비는 사용 목적에 따라 그 종류 가 달라진다(한국지구물리탐사학회,2002).이 연구에서는 석조문화재의 풍화상태를 알아보기 위하여 비파괴 탐사장비 중의 하나인 저주파 결함 탐지기를 이용하였다.

이 장비는 아직까지 국내에선 활용 사례(오홍섭 외,2008)가 많지 않고,더군다나 석조문화재분야에서는 적용된 사례가 없다.

Figure 4-1(a)는 일반적으로 실내에서 사용되고 있는 MISUNG C & S INSPECTION Co.Ltd.(Model No. CND02-02)의 초음파 속도 측정 장비이다 (ConcreteNon-DestructiveTester,CND).그리고 Figure4-1(b)는 앞서 설명했던 저주파 결함 탐지기(A1220 MONOLITH)를 보여준다.이 연구에서는 기존의 초음 파 속도 측정 장치인 CND와 저주파 결함 탐지기의 속도 측정 결과를 비교하고, 그 결과로부터 저주파 결함 탐지기의 실내 및 현장 적용 가능성을 판단하였다.시 험 대상은 가로 300mm × 세로 300mm × 높이 300mm인 정입방체의 화강암 시 료로서 경기도 포천지역의 화강암에 속한다(Figure4-2). 속도 측정은 A-A`와 B-B`단면에서 각각 6회씩 총 12회 측정하였다.측정 시 CND와 저주파 결함 탐지 기의 정확한 종파속도 값을 비교하기 위해 동일 지점에서 측정을 실시하였다.

정입방체의 포천 화강암에 대한 CND와 저주파 결함 탐지기의 종파속도 측정 결과를 정리하면 Table4-1과 같다.이들 결과 중 신뢰도가 높은 값들을 분석하여 그래프로 표현하면 Figure4-3과 같다.그림에서 보는바와 같이 CND는 최저 2,120 m/s∼ 최고 4,019m/s의 종파속도 분포를 보이며,평균 3,187m/s를 나타냈다.저 주파 결함 탐지기는 측정이 되지 않은 한 지점을 제외하고 최저 2,089m/s∼ 최 고 4,202m/s의 종파속도를 나타냈으며,평균 3,138m/s였다.CND와 저주파 결함 탐지기의 평균종파속도는 49m/s로 약간의 차이를 보이지만 거의 동일한 속도분포 를 나타냈다.이러한 결과는 암석에 대한 종파속도를 측정하는데 있어 어떤 특정한 상황의 경우 CND대신 저주파 결함 탐지기를 이용하여도 문제가 없음을 의미한다.

Figure4-1.Non-destructivedevices,(a)CND,(b)low-frequencyultrasonicflaw detectorA1220andM2103sensors.

Figure4-2.Pocheongranite,(a)cubespecimen,(b)schematicdiagram.

Table4-1.Theresultsofmeasured Vp by CND and low-frequency ultrasonic flaw detector(A1220MONOLITH)

No. CND

Vp(m/s)

A1220MONOLITH Vp(m/s)

1 3,718 3,912

2 3,670 -

3 3,571 3,868

4 2,120 2,092

5 3,156 2,742

6 5,876 3,030

7 4,019 4,202

8 3,378 3,435

9 3,093 3,190

10 2,117 2,089

11 3,032 2,952

12 6,016 3,010

Average 3,187 3,138

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

0 2 4 6 8 10 12

CND A1220

P -w a ve v el oc ity , V p ( m /s )

Number of measurement

Figure 4-3.Distribution of Vp by CND and low-frequency ultrasonic flaw detector.

4.2야외시험 및 결과

비파괴 탐사장비를 이용한 속도 측정에 있어서 속도값에 영향을 미치는 요인 중의 하나가 탐촉자와 측정대상과의 접촉상태이다.이들 상태에 따라 탄성파의 전 달효율이 달라지며,이는 곧 측정값의 신뢰도에 영향을 미친다.일반적인 비파괴 시험 장비는 속도 측정 시 결과 값의 신뢰도를 높이기 위해 접촉매질을 사용한다.

하지만 표면상태가 매우 거친 석조문화재의 경우 많은 양의 접촉매질을 사용하더 라도 접촉이 잘되지 않아 정확한 결과를 얻기가 곤란할 때가 있다.뿐만 아니라 접 촉매질을 사용함으로써 석조문화재가 2차적인 오염을 일으킬 수도 있다(이찬희 외, 2009).

이러한 문제를 해결하기 위한 방안으로서 본 연구에서는 저주파 결함 탐지기를 사용하였다.또한 실내시험의 결과를 바탕으로 표면상태가 거친 시험 대상에 대한 실외시험을 추가적인 실시하여 CND와 비교분석하였다.시험은 석조문화재와 비슷 한 표면 상태를 보이는 교내에 위치한 표면상태가 거친 석조구조물인 기념비를 대 상으로 CND와 저주파 결함 탐지기를 사용하여 속도 측정을 실시하였다(Figure 4-4).Figure4-5는 석조구조물의 모식도를 보여준다.그림과 같이 이 구조물은 상 부에서 하부로 갈수록 두께가 두꺼워지는 사다리꼴 형태로 각 측정 지점의 두께가 다르다.속도 측정 방법은 Figure4-5와 같이 기념비의 A-A`와 B-B`단면으로 구 분하여 순서에 따라 각각 28회와 14회를 측정하였다.CND의 경우 실내시험과는 다르게 야외시험에서는 종파속도 측정이 불가능 하였다.이에 대한 주된 원인으로 는 CND 센서의 경우 측정 대상의 표면이 거칠 때 매질과 센서 사이의 접촉이 불 량하여 측정이 불가능했기 때문으로 판단된다(Figure4-6(a)).따라서 이러한 문제 점을 해결하기 위해 저주파 결함 탐지기 사용하였다(Figure4-6(b)).측정 결과를 Table4-2에 정리하였으며,이를 Figure4-7로 나타냈다.그림과 같이 종파속도는 3,901 m/s ∼ 4,453 m/s의 분포를 보이며,평균은 4,191 m/s를 나타냈다.Figure 4-8은 저주파 결함 탐지기의 속도 측정 결과를 근거로 기념비에 대한 측정위치에 대한 속도분포 모식도를 나타낸 것이다.A-A`단면의 경우 중심부의 속도는 일정 하게 나타난 반면,외각부는 불규칙한 분포를 보였으며,B-B`단면은 왼쪽부분보다 오른쪽부분의 속도가 더 낮게 나타났다.

Figure4-4.Statusofmonument,(a)front,(b)side.

Figure4-5.Measurementmethodofmonument.

Figure 4-6.Contactcondition ofsensor on rough surface,(a)CND and (b) low-frequencyultrasonicflaw detectorwithM2103sensor.

이상에서와 같이 CND와 저주파 결함 탐지기를 이용한 야외에서의 석조구조물 의 속도 측정 시험 결과를 정리하면 다음과 같다.첫째,표면요철로 인한 CND의 속도 측정은 불가능한 반면,저주파 결함 탐지기는 양호한 측정 결과를 얻었다.둘 째,저주파 결함 탐지기를 활용할 경우 접촉매질 사용 없이도 속도 측정이 가능하 여 접촉매질을 사용하여 발생할 수 있는 석조문화재의 2차적인 오염 방지가 가능 할 것으로 판단된다.또한 저주파 결함 탐지기를 이용할 경우 표면이 거친 석조문 화재에 대한 속도도 충분히 가능할 것으로 사료된다.

Table4-2.TheresultsofmeasuredVponmonument

No. Thickness (mm)

A1220MONOLITH Vp(m/s) 1

330

4,400

2 4,094

3 4,094

4 3,901

5

340

4,439

6 4,177

7 4,136

8 4,348

9

345

4,367

10 4,157

11 4,117

12 4,367

13

360

3,952

14 4,138

15 4,096

16 4,337

17

378

4,043

18 4,149

19 4,149

20 4,426

21

388

3,980

22 4,150

23 4,150

24 4,414

25

395

3,954

26 4,085

27 4,119

28 4,413

29 610 4,453

30 4,113

31 625 4,082

32 3,956

33 630 4,390

34 4,158

35 640 4,411

36 4,159

37 648 4,060

38 4,101

39 660 4,427

40 4,156

41 675 4,432

42 3,968

Totalaverage 4,191

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

0 6 12 18 24 30 36 42

A - A` B - B`

P -w a ve v el oc ity , V p ( m /s )

Number of measurement

Figure 4-7.Distribution ofVp by low-frequency ultrasonic flaw detector in monument.

Figure4-8.AppearanceofVpaccordingtomeasurementpositioninmonument.

4.3현장시험-화순 운주사 석탑

예비시험 마지막으로 운주사 내에 자리하고 있는 석탑을 대상으로 저주파 결함 탐지기를 이용한 현장시험을 수행하였다.석탑의 전체적인 형상과 크기는 Figure 4-9와 같다.속도 측정은 석탑의 1층 ∼ 3층까지 탑층을 목표로 하였다.그림에서 보는바와 같이 각 탑층은 탑신(body stone)과 옥개(capstone)로 구분되어 있으며 두께와 면적이 서로 다르다.속도 측정은 A-A`와 B-B`단면에 대하여 1층 탑신 (target1)16회,2층 탑신(target2)12회,3층 탑신(target3)12회,그리고 탑층의 옥개석(target4,5,6)은 각 2회로 총 46회를 측정하였다.

석탑에 대한 속도 측정결과는 Table4-3과 같으며,이들 결과를 Figure4-10으 로 나타냈다.그림에서 보는바와 같이 target1의 경우,A-A`단면에서의 평균종파 속도는 3,458 m/s이며,B-B`단면에서는 3,294 m/s로 나타나 이들 속도 차이는 154m/s였다.Target2에서 A-A`단면의 평균종파속도는 2,798m/s,B-B`단면은 3,283 m/s로 나타났다.이들의 속도 차이는 485 m/s로서 비교적 크게 나타났다.

Target3의 경우,A-A`단면에서의 평균종파속도는 1,300 m/s,B-B`단면에서는 3,424m/s로,B-B`단면이 A-A`단면보다 약 2.6배 빠른 속도를 나타냈다.Target 4,5,6에서는 각 단면에 대한 속도분포가 거의 비슷하게 나타났다.하지만,target 4와 target6의 속도를 target5와 비교해 볼 때,target4와 target6이 target5보 다 약 700m/s∼ 900m/s정도의 속도 값을 보였다.석탑에 대한 부재별 속도측정 결과를 살펴보면,Target3의 A-A`단면,target4,그리고 target5에서 가장 낮은 속도분포를 나타내었다.이러한 사실은 Target3의 A-A`단면,target4,5의 경우 다른 곳 보다 풍화 정도가 더 많이 진행되었음을 지시한다.특히 target3의 A-A`

단면 결과는 Figure4-11에서 보는바와 같이 부재의 표면이 매우 거칠고 심한 균 열로 인하여 낮은 속도를 보인 것으로 관찰된다.이상의 현장시험 결과를 통해 살 펴볼 때,표면이 고르지 못한 석조문화재에 대한 속도 측정 평가는 저주파 결함 탐 지기를 활용함으로써 가능할 것으로 판단되며,또한 세밀한 분석을 통하여 석조문 화재에 대한 풍화특성과 풍화지수 산정도 가능할 것으로 여겨진다.

Figure4-9.Statusofstonepagoda,(a)frontand(b)side.

Table 4-3.The results of measured Vp by low-frequency ultrasonic flaw detector(A1220MONOLITH)

Target Thickness (mm)

A -A` B -B`

No. Vp(m/s) No. Vp(m/s)

target1 473

1 3,583 24 2,849 2 3,428 25 3,262 3 3,478 26 3,285 4 3,453 27 3,403 5 3,285 28 3,530 6 3,583 29 3,240 7 3,478 30 3,379 8 3,379 31 3,403 Average 3,458 Average 3,294

target2 375

9 - 32 2,820

10 1,856 33 3,472

11 - 34 3,178

12 3,080 35 3,378 13 2,717 36 3,440 14 3,538 37 3,409 Average 2,798 Average 3,283

target3 338

15 - 38 3,469

16 1,300 39 3,542

17 - 40 3,208

18 - 41 3,617

19 1,300 42 3,469

20 - 43 3,238

Average 1300 Average 3,424 target4 100 21 1,266 44 1,266 target5 100 22 3,125 45 3,125 target6 80 23 1,404 46 1,404 Average 1,932 Average 1,932

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

0 3 6 9 12 15 18 21 24

A - A` B - B`

target 2 target 3 target 4,5,6

P -w a ve v el oc ity , V p ( m /s )

Number of measurement

target 1

Figure4-10.DistributionofVpbylow-frequencyultrasonicflaw detector.

Figure4-11.Surfaceconditionofstonepagoda.

5.현장적용-화순 운주사 석불

5.1시험방법

화순 운주사 내에 있는 다양한 석탑과 석불 중 이 연구를 수행하기 위해 적합 한 대상 석불 1개를 선정하였다.석불은 Figure3-2와 같으며,이것을 모식도로 나 타내면 Figure5-1과 같다.석불에 대한 종파속도 측정은 저주파 결함 탐지기를 이 용하여 직접법과 반직접법으로 실시하였다.측정방법은 Figure5-1(a)과 같이 석불 중심을 기준으로 왼쪽과 오른쪽으로 구분하여 직접법 각 120회씩 총 240회,반직접 법각 60회씩 총 120회 측정하였다.직접법에 의한 속도 측정 시 측정위치마다 두께 가 서로 다르지만,대략적으로 16.5±2cm 정도의 차이를 나타내어 석불에 대한 속 도는 두께를 16.5cm로 산정하여 계산하였다(Figure5-1(b)).또한 반직접법에 의 한 속도 측정은 측정영역을 세 부분으로 구분하였으며,첫 번째 5cm,두 번째 13 cm,세 번째 20cm간격으로 속도 측정을 실시하였다.

Figure5-1.SketchofstoneBuddha,(a)frontand(b)side.

5.2측정결과

직접법에 의해 측정된 석불의 종파속도 결과와 이로부터 계산된 풍화지수를 정 리하면 Table5-1과 같으며,이것을 그래프로 나타내면 Figure5-2와 같다.그림에 서 보는바와 같이 왼쪽 영역의 종파속도 범위는 917m/s∼ 4,867m/s사이에 분 포하였으며,대부분 1,000m/s∼ 3,000m/s사이에 집중되었다.왼쪽 영역의 평균 종파속도는 2,257m/s였다.오른쪽 영역은 1,083m/s∼ 6,000m/s사이에 분포하 였으며,대부분 1,500m/s∼ 3,000m/s와 3,500m/s∼ 4,500m/s의 두 그룹에 집 중되어 나타났다.오른쪽 영역의 평균종파속도는 3,437 m/s였다.이러한 불규칙한 속도 분포는 석불을 구성하고 있는 암종이 화산암질응회암으로써 수 mm ∼ 수 cm이상의 강한 암편에 의해 나타난 속도이거나,또는 표면요철에 의한 속도로 인 해서 편차가 크게 나타난 것으로 판단된다.이상의 속도 결과만을 고려하여 Table 2-1에서의 종파속도에 따른 풍화등급을 분류해 볼 때,왼쪽 영역은 평균종파속도 2,257m/s로 상당한 풍화 그리고 오른쪽 영역은 평균종파속도 3,437m/s로 보통풍 화로 분류된다.따라서 석불의 왼쪽 영역이 오른쪽 영역보다 풍화의 영향을 더 많 이 받은 것으로 나타났다.

Figure5-3은 신선한 암석인 시험편의 평균종파속도 4,008m/s와 직접법의 속 도 측정 결과를 바탕으로 석불의 풍화등급을 분류하였다.그림과 같이 풍화는 풍화 상태에 따라 신선(F:Fresh),다소풍화(SW:Slightly Weathered),보통풍화(MW:

Moderately Weathered), 상당한 풍화(HW: Highly Weathered), 완전풍화(CW:

CompletelyWeathered)로 5단계로 분류할 수 있다.Figure5-3(a)로부터 왼쪽 영역 의 풍화상태를 살펴보면 신선한 부분이 12회,다소풍화 7회,보통풍화 15회,상당한 풍화 46회,완전풍화 40회로 나타났다.상당한 풍화와 완전풍화가 전체 측정구간의 약 72%에 해당하는 결과를 나타냈다.또한 왼쪽 영역의 전체 평균풍화지수는 0.45 로 상당한 풍화가 진행된 것으로 판단되었다.오른쪽 영역의 풍화상태를 살펴보면 신선한 부분이 44회,다소풍화 22회,보통풍화 20회,상당한 풍화 25회,완전풍화 9 회로 나타났다.오른쪽 영역은 다소풍화와 보통풍화 그리고 상당한 풍화가 비슷한 분포로 나타났으며,이는 전체 측정구간의 약 56%에 해당하는 분포를 보였다.또 한 풍화영향을 받지 않은 신서한 구간도 약 37%로 왼쪽 영역에 비해 상당히 많 은 부분을 차지하고 있다(Figure5-3(b).오른쪽 영역의 전체 평균풍화지수는 0.21

로 보통풍화에 해당하며,이것은 종파속도에 따른 풍화등급분류 결과와 동일한 결 과로서 왼쪽 영역이 오른쪽 영역에 비해 풍화작용을 더 많이 받았음을 시사한다.

석불 전체영역의 평균풍화지수는 0.33으로 보통풍화에 해당하는 결과를 나타냈다.

Figure5-4는 직접법에 의한 속도분포를 모식도로 나타낸 것이다.그림에서 보이는 바와 같이 왼쪽 영역의 속도가 오른쪽 영역에 비해 낮은 속도를 보이는 것을 확인 할 수 있다.

반직접법으로 측정한 석불의 속도 결과를 정리하면 Table 5-2와 같으며, Figure5-5은 그 결과를 그래프로 나타낸 것이다.그림에서 보이는바와 같이 왼쪽 영역의 종파속도는 375m/s∼ 2,424m/s사이에 분포하였으며,500m/s∼ 1,500 m/s사이에 집중되었다.왼쪽 영역의 평균종파속도는 1,122m/s로 나타났다.오른 쪽 영역의 종파속도는 590m/s∼ 2,699m/s사이에 분포하였으며,1,000m/s∼

2,300m/s사이에 집중되었다.오른쪽 영역의 평균종파속도는 1,603m/s였다.반직 접법을 이용한 석불의 측정 결과 왼쪽영역이 오른쪽 영역보다 481m/s정도의 속도 차이를 보여 왼쪽영역이 오른쪽 영역보다 풍화의 영향을 더 많이 받은 것으로 나 타났다.이 결과는 직접법으로 측정한 결과와도 잘 일치한다.

Table5-1.Theresultofmeasured Vp and weathering index ofstoneBuddha bydirectmethod,K:weatheringindex

Leftzone Rightzone

No. Vp(m/s) K No. Vp(m/s) K 1 1,901 0.53 1 5,000 0.00 2 1,321 0.67 2 1,368 0.66 3 2,515 0.37 3 3,541 0.12 4 2,515 0.37 4 2,437 0.39 5 2,052 0.49 5 2,515 0.37 6 2,052 0.49 6 2,227 0.44 7 2,598 0.35 7 5,002 0.00 8 3,000 0.25 8 4,105 0.00 9 1,813 0.55 9 1,624 0.59 10 4,105 0.00 10 2,890 0.28 11 3,716 0.07 11 2,890 0.28 12 2,165 0.46 12 2,890 0.28 13 1,083 0.73 13 4,331 0.00 14 1,054 0.74 14 2,000 0.50 15 1,321 0.67 15 3,119 0.22 16 1,344 0.66 16 3,119 0.22 17 1,392 0.65 17 2,364 0.41 18 1,418 0.65 18 3,000 0.25 19 1,392 0.65 19 4,583 0.00 20 3,000 0.25 20 2,598 0.35 21 1,444 0.64 21 3,541 0.12 22 2,000 0.50 22 1,418 0.65 23 1,278 0.68 23 2,165 0.46 24 2,292 0.43 24 3,716 0.07 25 1,219 0.70 25 1,772 0.56 26 2,364 0.41 26 4,583 0.00 27 2,437 0.39 27 1,368 0.66 28 2,364 0.41 28 2,227 0.44 29 1,012 0.75 29 3,716 0.07 30 2,052 0.49 30 5,010 0.00 31 2,437 0.39 31 3,716 0.07 32 2,107 0.47 32 4,105 0.00 33 1,012 0.75 33 1,772 0.56 34 2,437 0.39 34 3,901 0.03 35 1,772 0.56 35 4,331 0.00 36 999 0.75 36 1,733 0.57 37 1,499 0.63 37 4,331 0.00 38 2,364 0.41 38 3,716 0.07

Table5-1.Continued

Leftzone Rightzone

39 3,000 0.25 39 4,105 0.00 40 1,471 0.63 40 6,000 0.00 41 1,529 0.62 41 1,948 0.51 42 2,000 0.50 42 4,105 0.00 43 2,227 0.44 43 4,583 0.00 44 917 0.77 44 3,541 0.12 45 4,331 0.00 45 4,867 0.00 46 4,331 0.00 46 4,331 0.00 47 3,541 0.12 47 3,901 0.03 48 2,364 0.41 48 1,772 0.56 49 1,813 0.55 49 2,107 0.47 50 3,901 0.03 50 6,496 0.00 51 2,165 0.46 51 2,437 0.39 52 1,012 0.75 52 3,248 0.19 53 2,598 0.35 53 3,541 0.12 54 3,541 0.12 54 2,515 0.37 55 2,052 0.49 55 4,331 0.00 56 1,813 0.55 56 3,248 0.19 57 1,238 0.69 57 4,583 0.00 58 3,000 0.25 58 2,000 0.50 59 3,000 0.25 59 3,541 0.12 60 3,000 0.25 60 3,541 0.12 61 4,867 0.00 61 2,165 0.46 62 2,598 0.35 62 2,292 0.43 63 3,000 0.25 63 3,901 0.03 64 1,856 0.54 64 3,716 0.07 65 4,867 0.00 65 4,867 0.00 66 3,119 0.22 66 4,105 0.00 67 3,716 0.07 67 2,227 0.44 68 2,000 0.50 68 1,813 0.55 69 4,331 0.00 69 6,496 0.00 70 2,437 0.39 70 1,418 0.65 71 2,000 0.50 71 1,624 0.59 72 1,901 0.53 72 2,515 0.37 73 2,364 0.41 73 6,000 0.00 74 1,238 0.69 74 4,331 0.00 75 3,541 0.12 75 1,772 0.56 76 1,392 0.65 76 6,000 0.00 77 1,114 0.72 77 3,388 0.15 78 1,560 0.61 78 3,901 0.03 79 1,772 0.56 79 1,278 0.68

Table5-1.Continue

Leftzone Rightzone

80 1,901 0.53 80 2,783 0.31 81 2,292 0.43 81 3,901 0.03 82 2,598 0.35 82 4,105 0.00 83 3,901 0.03 83 2,687 0.33 84 2,364 0.41 84 1,529 0.62 85 1,733 0.57 85 3,716 0.07 86 2,227 0.44 86 4,105 0.00 87 2,165 0.46 87 5,205 0.00 88 1,471 0.63 88 2,364 0.41 89 1,238 0.69 89 3,901 0.03 90 2,165 0.46 90 5,574 0.00 91 2,364 0.41 91 2,364 0.41 92 4,583 0.00 92 4,105 0.00 93 1,068 0.73 93 2,364 0.41 94 2,165 0.46 94 4,105 0.00 95 2,364 0.41 95 3,248 0.19 96 2,364 0.41 96 2,687 0.33 97 928 0.77 97 4,105 0.00 98 715 0.82 98 5,574 0.00 99 650 0.84 99 4,105 0.00 100 1,591 0.60 100 2,687 0.33 101 1,856 0.54 101 3,901 0.03 102 987 0.75 102 4,331 0.00 103 2,437 0.39 103 4,331 0.00 104 4,867 0.00 104 3,901 0.03 105 1,772 0.56 105 4,105 0.00 106 4,331 0.00 106 4,105 0.00 107 1,418 0.65 107 3,248 0.19 108 1,321 0.67 108 3,901 0.03 109 1,392 0.65 109 2,783 0.31 110 1,219 0.70 110 4,105 0.00 111 4,583 0.00 111 3,901 0.03 112 4,867 0.00 112 2,598 0.35 113 4,867 0.00 113 6,000 0.00 114 1,258 0.69 114 5,574 0.00 115 2,165 0.46 115 4,867 0.00 116 1,164 0.71 116 1,083 0.73 117 2,364 0.41 117 1,948 0.51 118 2,890 0.28 118 4,583 0.00 119 1,418 0.65 119 2,364 0.41 120 1,418 0.65 120 2,364 0.41 Average 2,257 0.45 Average 3,437 0.21

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

0 20 40 60 80 100 120

Left zone

(a)

P -w av e ve lo ci ty , V p ( m /s )

Number of measurement

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

0 20 40 60 80 100 120

Right zone

(b)

P -w av e ve lo ci ty , V p ( m /s )

Number of measurement

Figure 5-2.Distribution ofVp by low-frequency ultrasonic flaw detector,(a) leftside,(b)rightside.

CW HW MW SW F

0 20 40 60 80 100 120

W ea th er in g d eg re e

Number of classification

I

II

III IV

V

I : 0.6 - 1 II : 0.4 - 0.6 III : 0.2 - 0.4 IV : 0 - 0.2 V : 0 Left zone

(a)

0 20 40 60 80 100 120

W e at h er in g de gr ee

I

II

III

IV

V

I : 0.6 - 1 II : 0.4 - 0.6 III : 0.2 - 0.4 IV : 0 - 0.2 V : 0 Right zone

(b)

F SW MW HW CW

Number of classification

Figure 5-3.The velocity ranges of measured velocity on stone Buddha by directmethod,(a)resultsofleftzone,(b)resultsofrightzone,(c)resultsof totalzone.

Figure 5-4.Appearance of Vp according to measurement position in stone Buddha.