Influence of the Soluble Salt on the Exfoliation of the Stone Monument

Vol. 22, pp 121-134(2008) Printed in the Republic of Korea

초 록 석조문화재에서 나타나는 박리현상의 발생메커니즘과 염수용액에 의한 화학적 풍화와 관련된 그 원인을 연구하였다. 박리편에 대하여 화학적, 광물학적, 물리적 분석을 수행하여 함유하고 있는 대표적인 염이 석고임을 밝혔 다. 염의 작용을 이해하기 위하여 석고와 더불어 용해도가 상이한 황산나트륨을 공극율이 다른 응회암과 화강암에 처 리하였다. Na2SO4처리와 인공풍화를 거친 암석시료들의 모세관물흡수율은 약간 증가하였는데 이는 이 염에 의해 암 석의 표면가까이에만 변화가 있었음을 의미한다. Na2SO4는 암석의 표면공극내에서 결정화가 일어나 수화압과 결정압 을 발생하여 얇은 박리를 형성하는 것으로 보인다. CaSO4∙2H2O는 상대적으로 암석의 내부로 깊이까지 들어가서 집 적되므로 집적되는 양이 Na2SO4보다 더 많고, 표면에 집적되는 양보다 내부에 집적되는 양이 많아 물흡수량이 증가 하는 결과를 보이는 것이며, 이러한 성질로 인하여 암석에 두꺼운 박리가 야기될 것으로 판단된다. 암석종에 따른 변 화에서는 응회암의 경우, 큰 공극율과 높은 모세관물흡수율로 인하여 암석 내부의 깊이까지 들어가서 염이 집적하게 되므로 화강암에 비해 염집적율이 더 크고, 이에 따른 물흡수율이 커서 화강암에 비해 두꺼운 박리현상이 나타날 것으 로 보인다. 이에 비해 공극율과 모세관물흡수율이 낮은 화강암에서는 표면부위에서 집중적으로 염의 집적이 일어나서 얇은 박리가 발생하는 것으로 판단된다.

주제어: 수용성염, 석고, 황산나트륨, 응회암, 화강암

ABSTRACT The mechanism of stone exfoliation and its cause in relation to chemical weathering by soluble salt were studied. Chemical, mineralogical and physical analysis was performed in exfoliation samples from stone monuments.

The representative salt is gypsum in the exfoliation samples. In order to understand the salt reaction, stone samples(tuff and granite) were treated with two type of the salt, gypsum and sodium sulfate, which have different solubility. The capillary water uptakes are slight increased in impregnated with Na2SO4and weathering simulation of two rock types. It means that the rock is deteriorated in the near of the surface by Na2SO4. CaSO4∙2H²O bring out the thicker exfoliation than Na2SO4because it is penetrated into the deeper zone and amount of accumulated salt is more abundant in the inner part than in the near of the surface. The exfoliation was formed in the tuff by salt treatment and 30cycle of weathering simulation, but there are not significant symptoms of exfoliation in the granite by same condi- tion. This result was caused by the different capillary water uptakes and porosity of the rocks. In the tuff, salt solu- tions are penetrated into the inner part due to its high capillary water uptakes and porosity but the granite, which has low value relatively, can be formed thinner exfoliation.

Keywords: Soluble Salt, Gypsum, Sodium Sulfate, Tuff, Granite

Jinyoung Do∙Kwonwoong Lim

School of Cultural Assets, Gyeongju University, Gyeongju, 780-210, Korea

Influence of the Soluble Salt on the Exfoliation of the Stone Monument

도진영 | 임권웅

경주대 문화재학부

수용성염이 석조문화재 표면 박리현상에 미치는 영향

접수 ’ 08. 01. 30 / 심사 ’ 08. 2. 20.

1. 서 론

박리현상은 일반적으로 석조문화재에서 나타나는 주요 훼손현상중의 하나이다. 오랜 시간 외부환경과 직접적으 로 접하게 되는 석조문화재의 표면에서는 다양한 형태의 박리현상이 나타난다. 박리현상을 발생시키는 여러 원인 이 논의되고 있는 가운데 암석표면에 형성된 염이 그 중 요 원인이 될 수 있음이 보고되고 있다. 석회암으로 구성 된 독일 작센주 프라이베르그 Tulpenkanzel 교회돔에서 박리현상이 심각하게 나타나고 있음이 보고되었으며, 여 기에는 염이 주원인으로 작용하고 있음을 밝혔다.¹ 국외 의 연구에서 드물게 화강암의 박리현상을 다룬“Salt System on Granitic Monuments (Braga-NW Portugal)”연구에서 암석표면의 염은 암석의 표면을 박 리시키며 또한 입상분해시키는 것으로 보고하였으며, 박 리가 발생한 부위의 대부분에서는 석고성분이 검출되었다 고 하였다.²박리현상이외에 염성분이 발생시키는 암석의

손상형태를 관찰하기 위하여 단일염과 혼합염으로 암석에 처리한 연구도 진행되고 있다.³ 이외에도 국외에서는 염 에 관계되는 연구가 다방면에서 이루어지고 있다.^4,5,6

2001년도에서 2005년도까지 전국 국가지정석조문화 재를 대상으로 실시한 우리나라의 석조문화재 현황조사에 서도 박리현상이 빈번히 관찰되는 손상형태로 보고되었으 며⁷, 박리부위에서는 그림 1에서 보는 바와 같이 백색, 갈색 또는 흑색등의 색을 띄는 다양한 이물질이 관찰되고 있다. 이러한 물질은 박리현상과 중요한 관련이 있는 것 들로 판단되며, 염성분에 의해 박리현상이 발생하고 있음 을 다룬 논문들이 발표되고 있다.^8,9그러나 박리의 형성 과정과 그 메커니즘이 충분하게 밝혀지지 않았기 때문에 손상과정에 대한 자세한 동정에 대해서는 다방면에서 아 직도 활발히 연구 중에 있다.

본 연구에서는 석조문화재 표면 박리현상 원인 중의 하 나인 염성분의 작용 메카니즘을 다루고자 한다. 박리가 발생하고 있는 석조문화재의 박리부위가 함유하고 있는

Figure 1. The exfoliation and its contaminants in stone monuments.

(e) Gameunsaji samchungseoktap (d) Bonggammojeon ochungseoktap

(b) Hapchon Youngamsaji

(a) Tongdosa (c) Bunhwangsaseoktap

(f) Jeongrimsaji ochungseoktap

염성분을 규명하고, 규명된 염성분을 암석시료에 처리하 여 나타나는 변화를 관찰하여 박리의 생성메카니즘을 밝 히는 것이 본 연구의 목적이다.

2. 연구방법

국내 석조문화재의 박리부위를 분석하여 함유하고 있 는 대표 염성분을 규명한 후 암석시료에 직접적으로 처리 하여 일어나는 현상을 연구하였다.

육안, 실체, 편광현미경과 주사전자현미경을 이용한 조 직 관찰을 통하여 석조문화재 박리부위의 기본적인 데이 터를 분석하며, 광물학적 특징을 이해하기 위하여 X선회 절분석(Rigaku RINT2200, 분석조건 40kV/30mA의 CuKα선)을 실시하였다. 박리부위가 함유하고 있는 수용 성 염성분을 분석하기 위하여 시료를 분말화하여 무게를 측정한 후 일정량의 증류수에 넣어 녹아 나온 이온을 측 정하였다. Cl^-, NO^3-과 SO^42-등의 음이온은 DIONEX사 의 DX-500 이온크로마토그래프를 이용하였으며 Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺및 K⁺등 양이온은 ICP-AES (SHIMADZU/

ICPS-1000Ⅳ)를 사용하여 분석하였다.

석조문화재의 박리부위에 함유된 염성분의 연구를 통 해 주요 원인으로 파악된CaSO4∙2H2O와 Na²SO⁴를 이용 하여 화강암(경주 남산주변에서 채취)과 응회암(경주 감포 주변에서 채취)으로 제작된 시편에 수용액 상태로 처리한 후에 인공풍화를 통해 박리를 발생시켰다. 시편은 직사각 형 형태(5×2×7cm)로 암석의 종류에 따른 차이를 살펴 보기 위하여 화강암과 응회암 2종의 암석으로 제작하였 다. 암석시편을 0.2% CaSO4∙2H2O와 5% Na²SO⁴수용 액에 각각 넣고 1시간씩 진공으로 함침시킨 후 60℃에서 30분간 건조시킨 후 무게를 측정하였다. 염을 6회 처리 한 후의 무게는 60℃에서 30분 건조시킨 후 실온에서 24시간 유지한 다음 측정하였다. 함침 중간에 실시한 건 조는 완전 건조를 목적으로 한 것이 아니라 재함침이 가 능한 선까지 건조시키기 위한 것으로 마지막 6회에선 최 종적으로 시편에 포함된 염의 %를 구하기 위해 무게가 일정해진 후에 24시간까지 건조시켰다. 인공풍화용 기상 프로그램은 2006년 포항지역 기상관측 자료¹⁰를 기준으

로 제작되었으며, 온습도에 따른CaSO4∙2H2O와 Na²SO⁴ 상태변화의 특성을 고려하여 설정하였다.

3. 연구결과 및 고찰

석조문화재 박리부위에서 검출된 염성분

석조문화재 박리부위에서 관찰되는 이물질과 박리편을 채취하였다. 문화재인 점을 감안하여 이탈이 되고 있는 부위에서 채취하였으며 가능한 소량을 취하였다.

석조문화재의 박리에서 관찰되는 이물질에 대하여 화 학성분분석을 실시하여 몇 시료에 대한 결과를 표 1에 나 타내었다. 안동석빙고의 박리시료에서는 원암에서 검출되 지 않는 Ca, S과 P 등이 검출되었으며, 개심사지오층석 탑 박리시료에서는 주성분이 Ca과 S로 검출되어 석고가 형성되어 있음을 추정케한다. 수원화성 팔달문 박리부위 를 EDS로 측정한 결과 스펙트럼에서 관찰할 수 있는 것 과 같이 많은 S과 Ca가 특징적인 화학성분이다.

박리시편과 그 이물질이 함유하고 있는 광물성분을 XRD로 분석한 결과, 암석 구성광물과 상이한 석고가 대 부분의 시료에서 검출되어 위의 화학분석 결과 도출된 Ca와 S는CaSO4∙2H2O에서 기인한 성분임이 확인되었다 (그림 2). 이외에 감은사지삼층석탑(서탑) 박리부위에서 용출된 염의 광물성분에서는 석고 이외에 테나다이트 (Na²SO⁴)를 비롯한 기타 광물을⁹, 분황사석탑의 박리부위 에서는 석고와 방해석이 검출되었다고 보고한 바¹¹있어 박리부위에 형성된 광물은 석조문화재에 따라 다르기는 하나 석고가 거의 대부분 형성되어 있음을 알 수 있다.

석조문화재 박리부위에서 채취한 80여점의 시료를 증 류수에 용출시켜 나오는 음이온, 양이온을 측정하여 표 2,3에 나타냈었다. 석조문화재에 따라 상이한 이온성분 이 검출되었으며, 동일한 석조문화재에서도 검출된 양에 서 차이를 보였다. 분황사석탑, 경천사십층석탑, 영주가 흥리마애삼존불, 감은사지삼층석탑(서탑), 봉감모전오층 석탑, 개심사지오층석탑 등 석조문화재 박리부위에서 검 출된 이온들에서 공통적으로 높은 성분은 Ca²⁺와 SO^42-로 이들 성분은 황산칼슘화합물을 형성할 수 있으며, 박리부

Table 1. The Chemical compositions of the exfoliations in stone monuments (wt.%).

Andong Seokbingo exfoliation sample Gaesimsajiochungseoktap exfoliation sample

1 2 3 1 2 3

Na 0.88 1.01 0.90 - - -

Mg 0.45 2.10 3.52 0.83 0.26 -

Al 8.78 3.12 5.47 9.32 6.79 0.71

Si 29.12 19.52 15.18 19.21 10.96 0.76

P 0.48 0.17 - 0.93 0.69 -

S - 0.35 1.82 6.06 12.24 22.95

K 11.13 1.68 0.43 1.95 1.80 -

Ca 1.42 26.59 26.06 8.43 15.70 27.34

Ti 0.58 - - 0.29 0.41 -

Fe 1.15 3.41 2.75 4.29 3.17 -

Zn - - - 0.93 0.18 -

O 45.02 40.10 40.87 46.74 45.79 45.22

Total 100.01 100.05 100.00 99.98 99.99 99.98

Jeongrimsaji Ochungseoktap

Figure 2. XRD patterns of the exfoliation samples from stone monuments.

Gameunsaji Samchungseoktap(west)11

Paldalmun in Suwonhwasung (Ca, S)

Table 2. The Anion in the exfoliation samples from stone monuments (ppm).

Sample F

Cl

NO

SO

Gameunsaji Samchungseoktap 0~104 51~4490 0~19154 0~34431

Gyeongju Namsanri Samcungseoktap 624 279 1050 0

Gyeongju Madongsaji Samcungseoktap 0 282 825 547

Gyeongju Samrunggye Seokbuljoasang 0 160 623 354

Gyeongju Seoakri Samcungseoktap 7~10 51~195 0~17 30~1092

Gyeongju Seokbinggo 5 160 3 218

Gyeongchunsa Sypchungseoktap 0 2~8 0~1 21~3459

Goseonsaji Samcungseoktap 0 387 12300 14100

Gumgolsan Ochungseoktap 0 1100 1750 448

Bangosan Maebul 0 291 557 0

Borimsa Seobudo 0 803 637 1410

Bosung Yusinri Maeyeoraejoasang 0 319 1010 868

Bonggammojon Ochungseoktap 0 117~895 22~25374 71~12107

Bunhwangsa Seoktap 0~30 35~2900 51~10240 0~13507

Seonunsa Dosolam Maebul 0 192 452 257

Silsangsa Sucheolhwasang Neunggabowoltap 0 3300 6790 1200

Silsangsa Sucheolhwasang Neunggabowoltap Bi 0 3080 6220 3950

Silsangsa Jeunggakdaesa Eungnyotap 0 4060 6660 0

Silsangsa Jeunggakdaesa eungnyotap Bi 0 2040 6560 0

Andong Seokbingo 0~228 0~922 0~8241 0~10522

Yongguksa Mantapbong Samseoktap 0 3410 7330 0

Youngdong Yongguksa Seokjonghyung Budo 0 2360 6930 0

Youngdong Yongguksa Guhyung Budo 1480 2350 6990 0

Yongju Gahungri Maebulsang 0 11~216 0~538 0~451

Yechon Gaesimsaji Ochungseoktap 0 127~718 0 342~9160

Wongaksaji Sypchungseoktap 0 276 1020 2700

Wollamsaji Samchungseoktap 1050 226 502 0

Wolseong Golguram Maaeyeoraejwasang 0 293 612 0

Wolseong Nawolli Ochungseoktap 0 335 583 0

Jeongeup Eunseolli Samcungseoktap 0 199 308 0

Jeonghyesaji Sypsamseoktap 0~204 462~1804 640~2995 519~46378

Cheongdo Seokbingo 0~35 306~728 0~356 271~2814

Min 0 0 0 0

Max 1480 4490 25374 46378

Table 3. The Cation in the exfoliation samples from stone monuments(ppm).

Sample Na

Ca

K

Mg

Gameunsaji Samchungseoktap 1~2430 7~57019 101~1704 8~1957

Gyeongju Namsanri Samcungseoktap 939 1540 772 154

Gyeongju Madongsaji Samcungseoktap 853 1230 613 79

Gyeongju Samrunggye Seokbuljoasang 1310 846 575 91

Gyeongju Seoakri Samcungseoktap 811 467 467 99

Gyeongju Seokbinggo 160 629 629 112

Gyeongchunsa Sypchungseoktap 2~10 73~2014 1~9 1~4

Goseonsaji Samcungseoktap 2030 7860 6790 779

Gumgolsan Ochungseoktap 1340 1210 613 360

Bangosan Maebul 1330 970 822 267

Borimsa Seobudo 1020 1510 1610 361

Bosung Yusinri Maeyeoraejoasang 896 1030 1090 308

Bonggammojon Ochungseoktap 253~1725 569~10597 65~1320 13~2361

Bunhwangsa Seoktap 204~235580 134~21800 134~1700 12~390

Seonunsa Dosolam Maebul 1020 7880 825 318

Silsangsa Sucheolhwasang Neunggabowoltap 1360 110 540 30

Silsangsa Sucheolhwasang Neunggabowoltap Bi 1020 3290 1430 1060

Silsangsa Jeunggakdaesa Eungnyotap 710 790 630 400

Silsangsa Jeunggakdaesa eungnyotap Bi 600 550 450 90

Andong Seokbingo 757~9676 355~27290 151~2230 55~1320

Yongguksa Mantapbong Samseoktap 920 810 670 130

Youngdong Yongguksa Seokjonghyung Budo 670 80 480 10

Youngdong Yongguksa Guhyung Budo 1740 1140 930 120

Yongju Gahungri Maebulsang 115~683 84~672 103~292 11~86

Yechon Gaesimsaji Ochungseoktap 147~435 693~5328 133~321 53~324

Wongaksaji Sypchungseoktap 1080 5270 341 441

Wollamsaji Samchungseoktap 1070 900 705 77

Wolseong Golguram Maaeyeoraejwasang 738 5820 907 391

Wolseong Nawolli Ochungseoktap 1150 1210 510 191

Jeongeup Eunseolli Samcungseoktap 771 560 481 94

Jeonghyesaji Sypsamseoktap 970~1453 477~18947 420~509 66~547

Cheongdo Seokbingo 1015~1474 365~874 811~4114 84~351

Min 1 7 1 1

Max 235579 57018 6790 2360

Table 4. The formable salt in exfoliation samples by combination of the detected ions.

Samples Salt

Bunhwangsa Seoktap CaSO

∙2H

O, Na

SO

, KNO

, NaNO

, NaCl Gyeongchunsa Sypchungseoktap CaSO

∙2H

O, NaCl

Gyeongju Seoakri Samcungseoktap Na

SO

, KCl, NaCl, K

SO

Yongju Gahungri Maebulsang CaSO

∙2H

O, Na

SO

Gameunsaji Samchungseoktap CaSO

∙2H

O, Na

SO

, NaNO

,

Bonggammojeon Ochungseoktap CaSO

∙2H

O, KNO

, NaNO

, NaCl, KCl, MgCl

Gaesimsaji Ochungseoktap CaSO

∙2H

O, Ca(OH)

Jeongrimsaji Ochungseoktap CaSO

∙2H

O

Bunhwangsa Seoktap Bunhwangsa Seoktap

Jeongrimsaji Ochungseoktap Jeongrimsaji Ochungseoktap

Bonggammojeon Ochungseoktap

Figure 3. Microstructure of exfoliation samples from stone monuments by SEM.

Andong Seokbingo

위에서 검출된 이온성분들 중 상관관계가 높은 것들을 토 대로 형성가능한 염은 질산나트륨, 황산나트륨, 염화칼륨 과 질산칼슘 등 다수이다(표 4).

그림 3은 전자현미경하에 관찰한 박리부위의 미세구조 로, 암석구성 조직과는 다른 물질들이 암석성분과 혼재되 어 있다. 침상의 구조는 그 화학성분으로 미루어 볼 때 석고로 판단되며, 크고 작은 판상에서는 Ca, S가 주성분 으로 검출되고 이와 더불어 Si, Al가 검출되는 것으로 보 아 점토물질이 존재하는 것으로 보인다.

위의 분석결과에 따라 우리나라 석조문화재 박리부위 에서 대표적으로 관찰되는 염성분은 석고로 판단된다.

염처리와 인공풍화에 따른 박리현상 연구

수용성 염이 박리현상에 미치는 영향을 알아보기 위하 여 우리나라 석조문화재 박리부위에서 가장 흔히 검출되 는 석고를 물흡수율이 다른 화강암과 응회암 두 종류의 암 석에 처리하였다. 물에 낮은 용해도(0.2g/100ml 물, 20

℃)를 보이는 석고와 더불어 이에 상반되게 높은 용해도를 지닌 황산나트륨(5g/100ml 물, 20℃)을 동시에 처리하 여 염의 용해도에 따른 박리형성과정을 연구하였다. 처리 된 염수용액의 농도는 석조문화재 박리시료에서 일반적으 로 검출되는 값을 취하려 하였으나, 앞의 분석결과에서 나 타난 바와 같이 석고의 경우 석조문화재에서는 매우 높은 농도로 검출되고 있지만 물에 대한 석고 자체의 용해도를 고려하여 최대값인 0.2%를 취하였으며, 황산나트륨도 20℃에서의 포화용액으로 제조하여 처리하였다.

나타난 결과를 먼저 살펴보면, Na²SO⁴와 CaSO4∙

2H2O염용액으로 처리된 화강암과 응회암 암석시편을 인 공풍화시험기를 이용한 풍화실험을 실시한 결과, 5%

Na²SO⁴로 처리된 응회암시료에서 30회 풍화시험 후에 박리가 발생되었으며, 0.2% CaSO4∙2H2O4, 30cycle을 처리한 시료에서도 박리 전단계에 발생하는 균열과 박리 현상이 관찰되었으나, 화강암에서는 100회 풍화시험 후 에도 관찰되지 않았다(그림 4).

이러한 현상이 나타나는 상황을 이해하기 위하여 시료 암석의 성질을 분석하였으며, 염을 처리하기 전 시편의 물흡수도, 공극률, 참밀도, 겉보기밀도를 측정하여 표 5 에 정리하였다.

응회암시편의 물흡수도는 4.42~7.01 wt.%, 공극율 은 10.99에서 15.35 vol.%까지의 값을 나타내며, 겉보 기밀도는 2.06~2.23 g/cm³, 참밀도는 2.43~2.51 g/cm³로 측정되었다. 화강암 시편의 총물흡수율은 0.31~0.42 wt.%, 공극율은 0.69에서 2.17 vol.%, 겉보기밀도는 2.59에서 2.61 g/cm³이며, 참밀도는 2.61에서 2.63 g/cm³사이에 놓여있다.

두 종류의 염을 이용하여 응회암에 처리하였을 때, 무 게변화를 살펴보면 물흡수율, 공극율, 참밀도와 겉보기 밀도에 상관없이 일정한 패턴으로 증감하고 있음을 볼 수 있으나. 염의 종류에 따라 무게변화 패턴이 다르게 나타 나고 있다. 0.2% CaSO4∙2H2O로 처리할 때 무게변화가 심한 것으로 나타났다. 화강암의 경우에는 응회암 보다 균질한 조직을 갖고 있으며, 염처리 시의 무게변화 그래 프는 응회암의 경우와는 달리 염의 종류에 상관없이 유사 한 패턴을 보이고 있다(그림 5).

5% Na²SO⁴, 0.2% CaSO4∙2H2O가 처리된 응회암과

Figure 4. The exfoliation and crack in the tuff samples by salt impregnation and weathering simulation.

(5% Na

SO

, 30cycle) (0.2% CaSO

∙2H

O, 30cycle) (0.2% CaSO

∙2H

O

, 30cycle)

Table 5. The physical properties of the tested rock samples.

Sample Water absorption Porosity Density g/cm

Sample Water absorption Porosity Density g/cm

(wt.%) (vol%) bulk true (wt.%) (vol%) bulk true

T1-1 6.13 13.91 2.16 2.51 G4-1 0.35 0.70 2.60 2.62

T1-2 6.33 14.15 2.12 2.48 G4-2 0.36 0.94 2.59 2.62

T1-3 4.42 14.46 2.14 2.50 G4-3 0.33 0.86 2.59 2.62

T1-4 6.85 15.05 2.06 2.43 G4-4 0.31 0.71 2.59 2.61

T1-5 5.38 11.98 2.18 2.48 G4-5 0.35 0.76 2.59 2.61

T2-1 6.02 13.83 2.15 2.50 G5-1 0.40 0.70 2.59 2.61

T2-2 6.50 14.42 2.13 2.49 G5-2 0.41 0.74 2.61 2.63

T2-3 4.90 11.10 2.22 2.50 G5-3 0.32 0.69 2.59 2.61

T2-4 6.18 13.90 2.11 2.46 G5-4 0.41 0.69 2.61 2.63

T2-5 5.86 13.21 2.13 2.45 G5-5 0.37 0.73 2.59 2.61

T3-1 6.25 14.34 2.14 2.50 G6-1 0.37 0.69 2.60 2.62

T3-2 6.24 14.18 2.16 2.51 G6-2 0.43 0.69 2.60 2.62

T3-3 7.01 15.35 2.08 2.45 G6-3 0.41 2.17 2.57 2.62

T3-4 4.77 10.99 2.23 2.51 G6-4 0.35 0.70 2.59 2.61

T3-5 5.67 12.72 2.17 2.49 G6-5 0.42 0.83 2.59 2.62

Figure 5. Change of weight by impregnation of soluble salt.

화강암 시편(각각 5점씩) 내부에 집적된 염의 양(wt.%)은 암석의 종류에 상관없이CaSO4∙2H2O가 Na²SO⁴보다 높 았으며, 염의 종류에 상관없이 응회암의 경우 화강암에 비해 2배 이상의 염이 집적되었다(표 6).

염수용액이 암석시편에 스며들어가 염이 암석내부에서 집적되는 작용에는 암석의 모세관물흡수율과 모세관물흡 수속도가 매우 중요한 요인이 된다. 염수용액을 처리하기 전 응회암 시편 15점의 평균 모세관물흡수도와 평균 모

세관물흡수속도는 1.23kg/m²h^1/2, 0.78cm/h^1/2로 측정 되었으며, 화강암 시편 15점에 대해 측정한 평균값은 각 각 0.07kg/m²h^1/2, 0.40cm/h^1/2을 보였다.

염수용액 0.2% CaSO4∙2H2O로 처리한 응회암시편 5 점의 평균 모세관물흡수도는 1.10(염처리전 시편 5점의 평균값)에서 1.68kg/m²h^1/2로 증가하였으며, 5%

Na²SO⁴로 처리된 5점의 시편은 1.35kg/m²h^1/2로 측정 되어 처리전 시편에(시편 5점의 평균값 1.33kg/m²h^1/2)

Figure 6. Change of capillary water uptake and velocity of water uptake by impregnation of the soluble salt in tuff.

Table 6. The impregnation amount of soluble salt in the rock samples.

Sample Salt wt.% of impregnated salt

T1 N.T -

T2 CaSO

∙2H

O 4.20 ± 0.44

T3 Na2SO4 1.72 ± 0.22

G1 N.T -

G2 CaSO

∙2H

O 0.32 ± 0.03

G3 Na

SO

0.12 ± 0.02

비해 증가되었으나, 0.2% CaSO4∙2H2O로 처리된 시료 가 더 증가된 모세관물흡수율을 보였다. 염처리를 한 후 응회암 시편 5점의 모세관물흡수속도는 0.2% CaSO4∙ 2H2O로 처리했을 때 평균 모세관물흡수속도가 0.72(처 리전)에서 0.68cm/h^1/2(처리후)로 변화하여 원암에 비해 감소하였으며, 5% Na²SO⁴로 처리된 경우에도 0.82cm/h^1/2로 측정되어 처리전 시편(0.85)에 비해 약간 감소되었다.

화강암 시편의 경우 0.2% CaSO4∙2H2O로 처리한 시 편 5점의 평균 모세관물흡수도는 0.07(염처리전 시편 5 점의 평균값)에서 0.08kg/m2h^1/2로 증가하였으며, 5%

Na²SO⁴로 처리된 5점의 시편은 0.09kg/m2h^1/2로 측정 되어 처리전 시편에(시편 5점의 평균값0.08kg/m²h^1/2)해 약간 증가되었다. 염처리를 한 화강암 시편 5점의 모세관 물흡수속도는 0.2% CaSO4∙2H2O로 처리했을 때 평균 모세관물흡수속도가 0.24(처리전)에서 0.25cm/h^1/2 (처

리후)로 변화하여 원암에 비해 약간 증가하였으며, 5%

Na²SO⁴로 처리된 경우는 0.68cm/h^1/2로 측정되어 처리 전 시편(0.63)에 비해 증가되었다.

시간에 따라 변화되는 모세관물흡수량과 물흡수속도를 그림 6, 7에 도시하였다. 응회암에서는 0.2% CaSO4∙ 2H2O로 처리한 시료의 경우, 처리되지 않은 원암석에 비 해 1시간동안 모세관물흡수량이 꾸준히 증가하였고, 물 이 침투한 깊이가 원시료에 비해 2배 이상 높게 측정되었 으며, 처음 30초 동안 물이 침투한 깊이가 처리전 시료 에서 1시간 동안 침투한 깊이와 유사한 값을 보였다. 5%

Na²SO⁴로 처리된 시료에서는 처음 2분 동안 물흡수량이 급속하게 증가하다가 그 이후부터의 상승세는 완만해졌 다. 물이 침투한 깊이는 원시료의 1.3배 정도에 이르나, 침투 깊이의 변화양상은 원암과 유사하게 나타났다. 이와 같은 결과는 응회암 시편에 염수용액 처리와 인공풍화작 용에 의해 조직의 변화가 발생하였음을 의미하는 것이며,

Figure 7. Change of capillary water uptake and velocity of water uptake by impregnation of the soluble salt in granite.

CaSO4∙2H2O수용액이 Na2SO4수용액에 비해 깊은 곳까 지 침투, 염이 결정화되어 집적이 이루어지는 위치도 상 대적으로 깊은 것으로 파악된다. CaSO4∙2H2O수용액이 나 Na2SO4수용액이 결정화되면서 발생하는 결정압과 수 화압에 관한 위험성에 대해서는 이미 여러 연구자에 의해 보고되었다.12,13,14,15

화강암에서는 처리되지 않은 원암석이 처음 2분동안 급격한 모세관물흡수량의 증가를 보인 반면, 0.2%

CaSO4∙2H2O로 처리한 시료의 경우 원암에 비해 약간 증 가된 값이기는 하나 1시간동안 모세관물흡수량이 꾸준히 증가하였다. 물이 침투한 깊이는 처음 20분동안은 원시 료와 유사하였고, 20분이 지난 후 부터는 원암과는 달리 약간이기는 하나 침투가 더 진행되었다. 5% Na2SO4로 처리된 화강암 시료의 모세관물흡수량 변이는 이 급속하 게 증가하다가 그 이후부터의 상승세는 완만해졌다. 물 이 침투한 깊이는 0.2% CaSO4∙2H2O가 처리된 시료에 비해 2배가량 깊게 침투된 것으로 나타났으나, 이는 측 정된 모세관물흡수량과는 부합되는 않는 것으로 물이 침 투되어 들어가는 과정에서 암석면 전체를 통해 균질하게 침투하는 것이 아니라 표면쪽으로 치우쳐 스며들어가는 것에서 기인한 것으로 해석된다. 즉 염처리와 인공풍화 에 의해 암석의 내부보다는 표면쪽의 조직변화가 크다는 의미가 되기도 하는 것으로, 그림 8은 화강암에 염수용 액을 처리한 뒤 건조시킨 모습으로CaSO4∙2H2O가 처리

된 시료와는 달리 Na2SO4수용액은 암석표면 가까이에 서 결정화가 일어나고 있음이 이를 잘 뒷받침해준다.

4. 결 론

석조문화재 박리부위에서 검출된 염성분은 문화재에 따라 달랐으나 분석결과, 문화재에 가장 보편적으로 형성 되어 있는 것은 석고였고, 이외에 질산나트륨, 황산나트 륨, 염화칼륨과 질산칼슘 등 다수가 분석되어 이들 염이 박리에 영향을 미치는 요소로 판단된다.

이들 염이 작용하여 발생되는 박리현상을 연구하기 위 하여 석고와 황산나트륨을 응회암과 화강암에 집적시키 고, 인공풍화시킨 후 얻은 결과를 토대로 다음과 같은 결 론을 도출하였다.

응회암에서는 황산나트륨보다 석고가 더 많이 집적되 는 결과를 보였고, 화강암에서는 염의 종류에 상관없이 소량씩 집적되었다. 암석시편내부에 집적된 염의 양은 암석의 종류에 상관없이 CaSO4∙2H2O가 Na2SO4 보다 높았으며, 염의 종류에 상관없이 응회암의 경우 화강암 에 비해 2배 이상의 염이 집적되었다. CaSO4∙2H2O로 처리한 응회암의 모세관물흡수도는 Na2SO4로 처리된 것 에서 보다 더 큰 값으로 증가하였으며, 처리되지 않은 원 암석에 비해 모세관물흡수량이 꾸준히 증가하였고, 물의

Figure 8. The crystallized soluble salt in granite samples.

granite, Na

SO

granite, CaSO

∙2H

O

침투깊이가 원시료에 비해 2배 이상 높게 측정되었다.

Na²SO⁴로 처리된 시료에서는 처음 2분 동안 물흡수량이 급속하게 증가하다가 그 이후부터의 상승세는 완만해졌 으며 물의 침투깊이는 원시료의 1.3배 정도로CaSO4∙ 2H2O에 비해서는 짧다. 이와 같은 결과는 상대적으로 응회암 시편이 Na²SO⁴수용액에 의해서 보다는CaSO4∙ 2H2O처리로 인해 암석의 깊은 곳까지 변화가 왔음을 의미하는 것이며, 침투해 온 염수용액이 이 깊이에서 결 정화되어 집적이 이루어진다는 것이다. 화강암에서도 수 분의 침투깊이라든지, 모세관물흡수량이 응회암에 비해 월등히 적은 값을 보이기는 하였으나, 이와 유사한 경향 을 보였다. 염종류에 따른 박리발생 양상을 정리하면, Na²SO⁴는 암석의 표면공극내에서 결정화가 일어나 수화 압과 결정압을 발생하여 얇은 박리를 형성하는 것으로 보인다. CaSO4∙2H2O는 상대적으로 암석의 내부로 깊이 까지 들어가서 집적되므로, 집적되는 양이 Na²SO⁴보다 더 많고, 표면에 집적되는 양보다 내부에 집적되는 양이 많아 물흡수량이 증가하는 결과를 보이는 것이며, 이는 암석에게는 두꺼운 박리발생을 야기시키는 것으로 해석 된다.

암석 종류에 의한 변화에서는 응회암의 경우, 큰 공극 율과 높은 모세관물흡수율로 인하여 암석 내부의 깊이까 지 들어가서 염이 집적하게 되므로 화강암에 비해 염집적 율이 더 크고, 이에 따른 물흡수율이 커서 화강암에 비해 두꺼운 박리현상이 나타날 것으로 보인다. 이에 비해 공 극율과 모세관물흡수율이 낮은 화강암에서는 표면부위에 서 집중적으로 염의 집적이 일어나서 얇은 박리가 발생하 는 것으로 판단된다.

사 사

본 연구는 2007년도 국립문화재연구소 R&D 연구비 의 지원으로 이루어졌으며, 실험에 도움을 준 경주대 문 화재학부 정성윤, 이덕민 학생께 감사드립니다.

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