석재 조사

석재에 대한 조사 연구는 보존과학적 측면에서는 석재 풍화훼손도에 대한 정량적 평가와 더불어 소실된 석재를 동종 암석으로 교체 또는 보강하기 위한 암석학적 연구 및 산지추정이 주를 이루고 있다.

풍화훼손도 평가

초음파 물성 측정

초음파는 가청 주파수 영역이상에서 200MHz 사이의 주파수를 가진 진동파를 지칭하며, 다른 음파 영역대와 비교하여 주파수가 크고 파장이 짧아 지향성이 우수한 특징이 있다. 매질에서 발생한 초음파는 종파(P파), 횡파(S파), 표면파의 형태로 진행하며, 동일 재질에서 초음파속도는 일정한 특징이 있어 이 특징을 이용하여 암석의 훼손도를 정량적으로 평가하고 있다.

보정계수 산출

초음파 측정은 탐촉자의 위치 및 배열방법에 따라 직접법, 반직접법, 간접법으로 나뉜다. 부재의 정확한 물성을 파악할 수 있는 방법은 직접법으로 부재 하나하나의 풍화도를 산정하기에는 적합한 방법이나 대형 부재 혹은 직접법을 적용할 수 없는 부위에 대해서는 간접법으로 초음파 탐사를 실시해야 한다. 간접법을 이용한 초음파 측정을 실시할 때는 측정방법에 따른 보정이 필요하다.

초음파속도 측정

초음파속도는 발신지에서 수신지까지의 측정거리와 전달시간을 측정하여 계산할 수 있으며 산출식은 아래와 같다. 간접법으로 측정한 초음파속도는 측정방법에 따른 보정을 하기 위해 보정계수를 곱하여 계산한다. 또한 탐상기에서 측정된 초음파 전달시간은 ㎲로 측정되므로 국제적으로 통용되는 m/s단위로 환산하여 초음파속도를 산출한다.

풍화도지수 측정

풍화도지수는 신선함 암석과 풍화된 암석의 초음파속도 차이를 이용하여 풍화도를 나타낸 것으로 풍화의 심화에 따라 민감하게 변화하는 인자들의 영향을 종합적으로 반영한다. 따라서 풍화도지수는 해당 석조국가유산과 동일한 신선한 암석의 초음파속도 기준으로 산출한다.

풍화도지수 측정

풍화도지수 측정 - 풍화등급, 풍화도지수, 초음파속도

풍화등급	풍화도지수(k)	초음파속도(m/s)
1등급	0	〉5,000
2등급	0~0.2	5,000~4,000
3등급	0.2~0.4	4,000~3,000
4등급	0.4~0.6	3,000~2,000
5등급	0.6~1.0	〈2,000

에코팁 경도 측정

암석의 강도 및 경도를 측정하는 방법으로는 슈미트해머, 초음파, 침관입 강도 측정 등의 추정방법이 있으나, 주로 콘크리트, 토양 등의 분야에 널리 사용하고 있기 때문에 표면이 불균질하고 다양한 종류의 암석으로 이루어진 석조국가유산에는 그대로 적용할 수 없다. 특히 슈미트해머는 커다란 타격에너지를 측정 대상에 가해 국가유산에 사용이 불가능하다. 그러나 에코팁 경도계는 비교적 적은 타격력으로 측정되며 측정 방향도 제약이 없어 석조국가유산의 표면물성에 대한 비파괴 측정이 가능하다.

적외선 열화상 분석

석조국가유산의 주요 손상유형 중에 하나인 박리는 표면 하부층에 생성되기 때문에 육안으로 발생 위치와 면적을 쉽게 확인 할 수 없다. 이로 인해 다른 손상유형에 비해 쉽게 간과되어 보수 및 보강이 실시되지 못하는 경우가 많다. 현재 이러한 박리를 검출하기 위한 비파괴 기술로는 적외선 열화상 분석이 대표적이며, 이 방법은 석조국가유산와 같이 규모가 큰 경우에도 신속하고 정확한 상태진단이 가능하다.
열화상 촬영 대상에 적외선 할로겐 히터로 건전부와 박리부의 상대적 온도차를 극대화시켜 선명한 열화상 이미지를 획득하도록 한다.

적외선 열화상 분석

출처 : 국립문화재연구소, 2014, 「비파괴 기술을 활용한 석조문화재 보존관리」

전암대자율 측정

이 측정방법은 암석의 성인적 환경이 원인으로 이런 성인적 환경과 암석학적 동질성을 규명하여 석조국가유산의 산지해석에 적용되고 있는 가장 일반적인 방법이다.
전암대자율은 암석의 전체 자화강도를 구분하기 위한 수단으로 외부 자기장에 대한 자화강도를 의미하며, I = k × H로 정의된다. 여기서 I는 자화강도(magnetization intensity), H는 자기장(magnetic field)이며, k는 대자율(magnetic susceptibility)로서 물질의 자기적 특성을 결정하는 상수이다. 이는 암석 내 불투명 광물로 나타나는 강자성 광물인 자철석 함량에 따라 그 세기가 좌우되며, 자철석 함량과 정의 상관관계를 가진다. 대자율을 통해 자철석을 함유한 암석의 광역적 분포를 확인할 수 있다. 이 값은 진공에서 k=0이며 일반적인 화강암의 평균 대자율은 2.512(×10-3 SI unit)이다. 대자율 값은 1.256(×10-3 SI unit)을 기준으로 이보다 높은 경우는 자철석 계열, 낮은 경우에는 티탄철석계열로 대별되는 차이를 보인다(Ishihara, 1998).

광물학적 특성

암석의 광물학적 특성을 파악하기 위해서는 편광현미경 관찰을 통해 구성 조암광물의 분포 및 변질 광물의 생성등을 확인한다.
편광현미경은 두 개의 편광렌즈(상부니콜, 하부니콜)가 장착되어 하부 니콜은 전후 방향으로 진동하는 평면편광으로 빛을 통과시키는 데 비해 상부니콜은 좌우 방향으로 진동하는 빛만을 통과시키도록 장치되어 있다.
다음은 대표적인 성인별 암석의 편광현미경 관찰 결과이다.

암석의 편광현미경 관찰 결과

출처 : 국립문화재연구소, 2014, 「비파괴 기술을 활용한 석조문화재 보존관리」

편광현미경 관찰 결과를 토대로 세부적인 암석의 분류를 실시할 수 있으며, 풍화도의 기초자료로 활용가능하다.