건축문화유산 보수용 석회의 찹쌀풀 첨가에 따른 미세조직 변화 및 모르타르 강도 특성
Microstructure and Mortar Strength Characteristic of Lime Added with Glutinous Rice Paste Used for Repairing Architectural Cultural Heritage
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Abstract
역사적으로 석회 모르타르의 기능성을 높이기 위해 다양한 첨가물이 활용되었으며 첨가물 중에서 찹쌀풀의 기능과 재료적 특성에 대해 파악하였다. 본 연구에서는 석회 페이스트와 석회 모르타르의 시료를 제작하여 양생 기간 다양한 환경 조건에 노출한 후 미세조직 변화 및 강도 특성에 대해 종합적인 고찰을 수행하였다. 찹쌀풀 첨가의 영향으로 촉진탄산화 환경에서 생성된 방해석 광물을 X선 회절 분석한 결과 약 2.1배 높게 나타났다. 방해석 결정립의 평균 크기는 약 38.90 nm로 18%로 작아지는 경향을 나타냈다. 또한, 석회의 평균 입자 크기는 약 17.93 µm로 20% 감소하는 것으로 확인되었다. 실내양생 조건에서 찹쌀풀은 석회 모르타르의 건조수축률을 약 6.8배 감소시켰다. 강도분석 결과 압축은 2.99(±0.24) MPa로 33% 증가, 인장은 0.35(±0.03) MPa로 9% 증가, 휨은 1.11(±0.06) MPa로 22% 증가하는 것으로 나타나 기계적 강도가 모두 우세한 것으로 확인되었다.
Trans Abstract
Historically, various additives were used to increase the functionality of lime mortar, and among the additives, the function and material properties of glutinous rice paste were identified. In this study, samples of lime paste and lime mortar were manufactured and exposed to various environmental conditions during the curing period, and then a comprehensive review was conducted on microstructural changes and strength characteristics. X-ray diffraction analysis of calcite minerals generated in an accelerated carbonation environment due to the addition of glutinous rice grass showed that it was about 2.1 times higher. The average size of calcite crystal grains was about 38.90 nm, which tended to decrease by 18%. Additionally, the average particle size of lime was confirmed to be reduced by 20% to about 17.93 µm. Under indoor curing conditions, glutinous rice paste reduced the drying shrinkage rate of lime mortar by about 6.8 times. As a result of the strength analysis, compression increased by 33% to 2.99(±0.24) MPa, tensile strength increased by 9% to 0.35(±0.03) MPa, and bending increased by 22% to 1.11(±0.06) MPa, confirming that all mechanical strengths were superior.
1. 서 론
석회는 시멘트와 같은 기능을 하는 전통적인 건축 재료로 자갈, 모래, 흙 등의 골재와 함께 모르타르 형태로 사용되었으며 현재에도 건축문화유산의 보수용 재료로 쓰이고 있다. 석회는 내구성과 내화성, 심미성 등이 뛰어난 재료로 조선시대 궁궐의 담장이나 양상도회, 성곽 여장의 조적과 줄눈, 석재 간의 접합, 회곽묘 등 역사적인 전통건축물에 다양한 용도로 사용되었으며, 여기에는 쓰임새에 따라 쌀풀, 기름, 여물 등 여러 가지 물질이 첨가되었다.
중국 명나라의 종합과학기술서인 『천공개물(天工開物)』(Song, 1997)에는 회에 대한 내용이 다음과 같이 기술되어 있다. ‘묘나 저수지를 만들 때에는 석회 1에 강모래와 황토 3의 비율로 넣고, 찹쌀풀과 다래 줄기(羊桃藤)의 즙을 고르게 섞어서 사용하면 가볍게 쌓아도 견고해져서 영원히 무너지지 않으며, 이렇게 만든 것을 삼화토라 부른다.’ 이를 통해 석회는 오래전부터 골재와 다양한 첨가 재료가 함께 사용되었음을 알 수 있다.
의궤(儀軌)에 기술된 석회에 대한 기록을 살펴보면 조선시대에는 석회의 균열과 박락을 방지하기 위해 점미(粘米), 죽미(粥米), 진말(眞末) 등의 쌀풀과 교말(膠末), 유피(楡皮), 법유(法油), 명유(明油), 휴지(休紙), 숙마(熟麻), 생포(生布) 등의 첨가 재료를 사용한 것으로 기술되어 있다(National Research Institute of Cultural Heritage, 2020). 특히 영녕전수개도감의궤(永寧殿修改都監儀軌)에 나오는 양상도회 관련 내용에서 ‘회 1섬에 죽미 3되씩으로, 횡간에 따라 죽을 만들면 … 수가 부족합니다. 지급한 수로써, 매 (회) 1섬마다 죽미 1되 9홉씩으로 죽을 만들면 교합하는 힘이 없어서, 훗날 퇴락할 우환이 있을까 염려스러우니 …’라는 기록을 토대로 쌀풀은 회의 박락을 방지하는데 사용되었던 것으로 추정된다. 경국대전(經國大典)에 정리된 조선시대 도량형 단위를 근거로 양상도회에 사용된 석회와 죽미의 혼합 비율을 계산했을 때 10되(升)는 1말(斗), 15말은 1섬(石)이므로 부피비를 고려하면 약 2%(v/v)의 죽미가 사용되었음을 알 수 있다(Lee, 2016; Kim and Kang, 2022).
중국 고문헌에는 고대 건축물에 사용된 석회 모르타르의 성능 개선과 수명 연장을 위해 사용된 여러 종류의 유기물에 관한 기록이 있다(Zhang et al., 2014). 특히 수천년 동안 대기에 노출되었음에도 변형되지 않은 채 남아 있는 역사적인 모르타르의 내구성은 전통 방식으로 석회와 모래에 찹쌀을 첨가했기 때문인 것으로 알려져 있다(Zeng et al., 2008; Yang et al., 2009; Wei et al., 2012; Luo and Zhang, 2013; Xiao et al., 2014). 또한, 과학적 분석을 통해 고대 건축물 모르타르에 찹쌀이 사용되었음을 증명하기 위한 연구가 현재까지 진행되고 있다(Zheng et al., 2016; Zhai et al., 2023).
조선시대 후기 고문헌의 기록에 따르면 쌀풀은 점미(粘米), 교미(膠米), 죽미(粥米), 진말(眞末) 등으로 기술되며 찹쌀, 멥쌀, 밀 등 여러 탄수화물계 곡물로 풀을 만들어 사용하였다(National Research Institute of Cultural Heritage, 2020). 이들의 주성분은 다당류인 전분(starch)으로 긴 사슬형의 아밀로스(amylose)와 분지형의 아밀로펙틴(amylopectin) 혼합물로 구성되는데 곡물의 종류에 따라 입자의 모양과 성질이 다르다. 이 중 찹쌀은 주성분이 아밀로펙틴으로 입자는 둥글거나 다각형이고 높은 점성과 수용성의 특징을 갖는다(Song and Shin, 1998). 전분 입자는 매우 단단한 결정형이지만 물에 끓이면 수분을 흡수하여 느슨해지는 호화현상(gelatinization)이 일어나 무정형의 고분자 형태로 변하고 엉겨 붙는 성질이 생기는데 이러한 특성 때문에 점착성 재료로 사용되었다(Huang et al., 2014). 아밀로펙틴은 석회 모르타르가 탄산화(carbonation) 되는 과정에서 방해석(calcium carbonate, calcite) 결정의 성장을 조절하는 역할을 하는데 수산화물의 비표면적 증가와 함께 밀도가 높은 미세구조를 생성하여 모르타르 내구성에 기여하는 결정적인 역할을 한다고 보고되었다(Yang et al., 2010; Zhao et al., 2015; Yang et al., 2016a; Yang et al., 2016b; Otero et al., 2019). 최근에는 아밀로펙틴이 탄산칼슘의 광물화 작용에 미치는 영향과 석회 모르타르의 기계적 특성 및 찹쌀의 최적 비율에 관한 연구가 진행되었다(Zhao et al., 2021; Mydin, 2022).
석회는 석재와 조적의 접착이나 미장 등에 사용되는 전통건축물 보수용 결합재로 현재까지 사용되고 있다. 그러나 석회의 기경성(氣硬性) 특성상 수경성(水硬性) 재료보다 경화 속도가 느리고 주변 온⋅습도 변화에 의한 저항성이 부족하다. 이러한 문제점을 보완하기 위해서 건축문화유산 보수용 석회 모르타르의 기계적⋅물리적 특성에 대한 기초 연구와 함께 성능보완을 위해 전통적으로 사용된 첨가 재료에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다(Nam et al., 2020; Ahn and Kang, 2021; National Research Institute of Cultural Heritage, 2021; Kang and Kang, 2022). 이번 연구에서 쌀풀 사용에 대한 고문헌 기록들과 국외의 우수한 연구사례를 바탕으로 찹쌀풀이 석회의 미세조직 및 모르타르 강도 특성에 미치는 영향을 조사하고 건축문화유산 보수 현장에 적용 가능성을 확인해보고자 하였다.
2. 실험 방법
2.1. 석회 페이스트 제작
석회의 탄산화 과정에서 찹쌀풀 첨가에 의한 물리적인 특성 변화를 확인하기 위해 페이스트 시험체를 제작하였다. 찹쌀풀은 국내산 찹쌀가루를 사용하였고 찹쌀가루와 증류수를 2%(w/w) 농도로 칭량한 후 4시간 이상 잘 저어주면서 중탕하여 제조하였다. 석회는 소화 조건에 따라 품질 관리가 까다로운 재료로 생석회를 소석회로 직접 소화시켜 사용할 경우 소화수의 양, 소화 시간, 온⋅습도와 같은 소화 환경 등에 따라 상태가 일정하지 않을 수 있기 때문에 공업용으로 판매되고 있는 소석회를 사용하였다(Ahn and Kang, 2021). 배합비는 건축문화유산 수리현장 조사 결과와 플로시험을 통해 설정한 최적 유동성 값인 135±15 mm를 참조하여 찹쌀풀과 소석회의 중량비 60%(wt/wt)로 설정하였다(Nam et al., 2020). 페이스트 시험체는 물로 반죽한 대조군(blank)과 찹쌀풀로 반죽한 실험군(SP2) 2종이다. 시험체 제작은 문화유산 압축강도 시험용으로 특수 제작한 성형용 틀(20 mm×20 mm×20 mm)을 사용하였으며 항온⋅항습(23±2℃, 50±5%) 조건에서 2일간 건조한 후 탈형하였다(Figure 1 (a), (b)).
Preparation and aging conditions of lime paste specimens. (a) molding (b) demolding after curing 2 days (c) accelerated carbonation at 5% CO2.
석회 페이스트 시험체는 표준규격(KS F 2584)을 참고하여 탄산화 속도를 가속시킬 수 있는 환경으로 이산화탄소 농도가 5%로 제어되는 챔버에서 24시간동안 촉진탄산화 시켰다(Figure 1 (c)). 세계기상기구(WMO) 지구대기감시(GAW) 온실가스연보를 참고하면 2020년을 기준으로 전지구 지상 평균 이산화탄소 농도는 413.2±0.2 ppm으로 약 0.04%이다. 따라서 5% 농도로 제어되는 챔버 내부는 대기보다 약 125배 높은 수준으로 볼 수 있다(World Meteorological Organization, 2021).
시험체의 압축강도는 만능재료시험기(AG-X plus, Shimadzu, Japan; 시험속도 0.5 mm/min, 로드셀 20,000 N)로 측정하였다. 압축강도 측정 후 수습한 시료는 탄산화 과정을 중지시키기 위해 –20±2℃에서 24시간 냉동 후 동결건조기(FDU-1200, Eyela, Japan)에서 48시간 이상 건조 처리하였다. 습식분산장치(Hydro 2000S, Malvern instrument, United Kingdom)가 장착된 입도 분석기(Mastersizer 2000, Malvern instrument, United Kingdom)로 입도를 분석하였으며 분석조건은 탄산칼슘 굴절률 값인 1.36, 입자 흡광도 0.02, 분산 용매는 에탄올로 굴절률 1.36, 차폐율 15% 이상, 3회 측정 평균값을 사용하였다. 시험체의 미세조직은 전계방출형 주사전자현미경(SU8230, Hitachi, Japan)으로 관찰하였다. X-선 회절분석기(EMPYREAN, PANalytical Co., Netherlands; Cu-Kα radiation (λ=0.15406 nm))를 40 kV, 40 mA, scan range 5°-60°, step size 0.04, time per step 50 sec/step 조건으로 수행하여 광물 특성을 파악하였다.
2.2. 석회 모르타르 제작
찹쌀풀이 첨가된 석회 모르타르의 길이 변화와 강도 특성을 평가하기 위해 시험체를 제작하였다. 석회는 건축 문화유산 보수 현장의 기준에 따라 생석회(CaO, ≥90%)와 동량의 물로 소화시켜 사용하였다. 표준규격에 따라 소석회와 강도시험용 표준사를 1:2(wt/wt)로 배합하고 플로값 140 mm을 만족하는 배합수량으로 모르타르를 반죽하였다(Figure 2 (a)). 길이 변화 측정용 시험체(KS F 2424)는 내부에 매립형 게이지를 설치하고 40 mm×40 mm×160 mm 크기로 제작하였다. 압축강도(KS L 5105) 시험체는 50 mm 입방 시험체로 제작하고 인장강도(KS L 5104) 시험체는 길이 76.2 mm, 너비 25.4 mm, 두께 25.4±0.5 mm의 땅콩 모형 시험체로 제작하였다(Figure 2 (b), (c)). 그리고 휨강도(KS L ISO679) 시험체는 40 mm×40 mm×160 mm 크기로 제작하였다(Figure 2 (d)). 압축, 인장, 휨강도 시험용으로 제작된 시험체는 모두 항온⋅항습(23±2℃, 60±5%) 조건에서 장기간 양생하였다.
Preparation and tests of compressive, tensile, and flexural strength specimens of lime mortar. (a) lime mortar mixing (b) compressive strength specimens (c) tensile strength specimens (d) flexural strength specimens (e) length change tests (f) compressive strength tests (g) tensile strength tests (h) flexural strength tests.
길이 변화율은 시험체 내부에 설치된 게이지에서 1시간 간격으로 데이터를 수집하는 방식으로 항온⋅항습 환경(23±2℃, 60±5%)에서 28일간 측정하였다(Figure 2 (e)). 압축강도는 만능재료시험기(KSU-30M, Kyungsung Testing Machine Co., Ltd., Korea, test speed 1 mm/min)를 사용하여 측정하였다(Figure 2 (f)). 인장강도와 휨강도는 다른 모델의 만능재료시험기(SFM-10E, United Calibration Corp., test speed 1 mm/min)에서 각각 인장 지그와 휨강도 지그를 변경하여 측정하였다(Figure 2 (g), (h)). 강도 측정 시료의 탄산화율은 X-선 회절분석(EMPYREAN, PANalytical Co., Netherlands) 결과를 통해 검토하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1. 석회 페이스트 특성
찹쌀풀 첨가에 따른 석회 페이스트 촉진탄산화 시험체의 입도 분석 결과를 비교하였다(Figure 3). 찹쌀풀이 첨가되지 않은 Blank 시료의 평균 입자 크기(Dv(50))는 탄산화 전 약 8.16 µm에서 탄산화 후 약 22.30 µm로 증가하였으며, 찹쌀풀이 첨가된 SP2 시료는 탄산화 전 약 8.44 µm에서 탄산화 후 약 17.93 µm로 나타났다. 촉진탄산화 시킨 시험체의 평균 입자 크기는 SP2가 Blank 시료에 비해 20%가 감소하였다. 입도 분포 그래프를 확인한 결과 두 시료 모두 쌍봉 형태의 이원상 분포를 보였으며 Blank 시료는 약 1.44 µm(Dv(10))에서 약 148 µm(Dv(90)) 크기의 분포로 나타났고, SP2 시료는 약 1.11 µm(Dv(10))에서 약 128 µm(Dv(90))였다. 찹쌀풀 첨가 시료의 평균 입자 크기가 감소한 것으로 나타난 것은 입도 분포가 미세입자 쪽으로 이동했기 때문이다. Zeng 등은(2008) 고대 모르타르 시료에 대한 연구 논문에서 찹쌀 성분이 탄산칼슘 결정의 성장을 제어하는 주형으로 기능하기 때문에 석회 모르타르의 미세 구조와 내구성에 중요한 역할을 할 수 있다고 시사했다(Otero et al., 2019). 찹쌀풀 첨가 시료의 평균 입도가 감소하는 것은 위와 같은 작용에 대한 결과로 판단된다.
Particle size analysis of lime paste specimens under accelerated carbonation conditions.
찹쌀풀 첨가에 따른 미세조직의 차이를 확인하고자 FE-SEM을 통해 촉진탄산화 시료를 관찰하였다. 찹쌀풀이 첨가되지 않은 Blank 시료는 무정형의 불규칙한 결정조직 형태를 보이며 µm 크기의 편평한 결정면이 일부 관찰되었다(Figure 4 (a), (b)). SP2 시료는 미세한 결정면들이 보이는 조직 형태를 나타내었고 일부 결정면을 뒤덮은 형태가 관찰되어 찹쌀풀 첨가로 인한 미세조직의 형태가 차이나는 것을 확인할 수 있었다(Figure 4 (c), (d)).
FE-SEM images of lime paste specimens under accelerated carbonation conditions. (a) blank, ×10k (b) blank, ×50k (c) SP2, ×10k (d) SP2, ×50k.
포틀란다이트(Calcium hydroxide, Portlandite)로 이루어진 소석회(hydrated lime or slaked lime)는 대기 중의 이산화탄소와 상호 작용하여 방해석을 형성하는 탄산화 과정을 통해 강도를 발휘한다. 이때 형성되는 결정 조직의 형태도 석회의 강도 물성에 영향을 미친다. 따라서 구성광물 분석을 통해 시료의 탄산화 수준을 파악하고 결정립 크기를 계산하기 위해 석회 페이스트 시험체의 촉진탄산화 전후 시료를 X-선 회절 분석하였다. 촉진탄산화 결과 찹쌀풀이 첨가되지 않은 Blank 시료에서 방해석 광물 피크는 23.01°, 26.62°, 29.37°, 35.90°, 39.35°, 43.07°, 47.51°, 48.45°에서 검출되었으며 찹쌀풀이 첨가된 SP2 시료에서는 23.01°, 29.38°, 35.89°, 39.34°, 43.08°, 47.51°, 48.46°에서 검출되었다(Figure 5). 찹쌀풀이 첨가된 시료의 방해석 광물 피크가 미첨가보다 우세하게 나타나는 것을 그래프로 확인할 수 있었다.
X-ray diffraction pattern of lime paste specimens under accelerated carbonation conditions.
X-선 회절 분석 결과를 통해 확인한 방해석과 포틀란다이트의 광물 피크를 반정량하고 방해석의 비율을 압축 강도 값과 함께 도시하였다(Figure 6). 촉진탄산화 결과 Blank 시료의 압축강도 값은 탄산화 전 3.44±0.23 MPa에서, 탄산화 후 8.17±1.84 MPa로 증가하였으며 방해석 비율은 약 42.6%로 확인되었다. SP2 시료의 압축강도 값은 탄산화 전 2.33±0.28 MPa에서, 탄산화 후 14.80±2.22 MPa로 증가하였으며 방해석 비율은 약 90.0%로 확인되었다. SP2 시료는 Blank 시료와 비교하였을 때 탄산화 비율은 약 2.1배, 압축강도 값은 약 1.8배 높은 것으로 파악되었다. 이를 통해 찹쌀풀 첨가로 인한 석회 페이스트의 초기 강도 증진 효과를 확인하였다.
Compressive strength (MPa) and ratio of carbonation (%) of lime paste specimens under accelerated carbonation conditions.
X-선 회절 분석 그래프의 반치폭을 이용하여 방해석의 결정립 크기를 계산하고 평균값을 Table 1에 정리하였다(Langford and Wilson, 1978; Monshi et al., 2012; Adnyani, 2020). 결정립 크기 계산에 사용한 Scherrer 식은 Equation 1에 나타내었다.
The results of the calculation of crystallite size from XRD data using the Scherrer equation of lime paste specimens under accelerated carbonation conditions
D는 결정립 크기(crystallite size)이고 K는 상수(shape factor), λ는 입사파의 파장(x-ray wavelength), β는 반치폭(full width at half maximum; FWHM), θ는 입사각(bragg angle)이다.
결정립의 평균 크기를 비교한 결과 Blank 시료는 약 47.25 nm, SP2 시료는 약 38.90 nm로 나타나 SP2 시료의 평균 크기가 18% 감소한 것을 확인하였다. 전분 사슬은 이중 나선의 층상배열을 형성하는 경향이 있는데 사슬 표면이 음전하를 띠게 되면 Ca2+이 표면에 흡착되고 탄산화 과정에서 방해석 결정의 핵생성 부위가 된다(Gashti et al., 2013; Yang et al., 2016a). 이러한 환경은 방해석의 결정 크기에 영향을 주기 때문에 석회의 미세구조와 탄산화 특성에 영향을 미친 것으로 판단되며 찹쌀풀은 석회가 탄산화하는 과정동안 내구성 증진에 유리한 환경을 형성하는 기능이 있을 것으로 추정된다.
3.2. 석회 모르타르 특성
석회 모르타르의 수축률을 확인하기 위해 항온⋅항습 조건(23±2℃, 60±5%)에서 28일간 길이 변화율을 측정하였다(Figure 7). 측정 결과, 찹쌀풀이 첨가되지 않은 Blank 시편은 28시간 이내에, 찹쌀풀이 첨가된 SP2 시편은 32시간 이내에 급격한 수축 현상이 일어난 후 다시 팽창하였다. 최고 수축률은 Blank 시편이 0.079%, SP2 시편이 0.036%로, SP2 시편과 비교해서 Blank 시편의 수축률이 약 2.2배 높게 나타났다. 또한, 양생 28일에 측정된 최종 수축률은 Blank 시편이 0.021%, SP2 시편이 0.003%로, SP2 시편과 비교해서 Blank 시편의 수축률이 약 6.8배 높은 것으로 확인되었다.
Length change of lime mortar specimens under RTRH conditions.
석회 모르타르는 양생 초기 모르타르 조직 내에 포함된 수분이 증발하면서 빠르게 수축하며 응결 상태가 되는 것으로 추정된다. 이후 표면의 탄산화 과정이 진행되면서 수축률이 감소하는 건조수축 특성을 나타낸다. SP2 시편의 건조수축률이 Blank 시편보다 낮은 것은 표면의 경화로 내부에 유지되는 수분이 높기 때문으로 탄산화 반응이 상대적으로 높게 나타났을 경우를 유추할 수 있다. 이러한 수축저감의 효과는 석회 모르타르의 물성 보완에 필요한 부분이라고 판단된다. 다만 석회의 탄산화 수축 메커니즘은 온도, 상대습도와 같은 양생 환경의 영향을 받으며 탄산화 과정에서 건조와 습윤 상태가 반복되는 것으로 알려져 있다(Swenson and Sereda, 1968). 따라서 상대습도가 높거나 낮은 경우 영향을 받을 수 있는 표면의 상태에 따라 건조수축의 정도가 달라질 수 있기 때문에 환경 조건에 따른 영향을 고려해야 할 것이다.
석회 모르타르의 찹쌀풀 첨가에 따른 기계적 강도 특성을 평가하기 위해 항온⋅항습 환경에서 양생시킨 시험체를 7일, 28일, 90일, 180일, 365일마다 수집하여 압축, 인장, 휨강도를 측정하였다. 강도를 측정한 시료는 X-선 회절 분석으로 탄산화율을 계산하고 측정된 강도 값과 탄산화율 사이의 상관관계를 파악하였다.
양생 기간에 따른 압축강도를 측정한 결과(Figure 8), Blank 시편은 양생 7일 차 압축강도 값 0.72(±0.01) MPa에서, 365일 양생 결과 2.25(±0.08) MPa로 212% 증가하였다. SP2 시편은 양생 7일 차 압축강도 값 0.95(±0.04) MPa에서, 365일 양생 결과 2.99(±0.24) MPa로 214% 증가하였다. Blank 시편의 탄산화율은 양생 기간에 따라 초기 10.0%에서 88.6%로 증가하였으며, SP2 시편은 초기 4.9%에서 88.9%로 증가하였다. 압축강도와 탄산화율의 상관관계를 확인한 결과 탄산화율이 높아짐에 따라 압축강도가 비례하여 높아지는 것으로 나타났다. 찹쌀풀 첨가에 따른 압축강도 값을 비교한 결과 SP2 시편이 Blank 시편보다 높게 나타났고 365일 차 양생을 기준으로 할 때 약 33% 증가하였다.
Compressive strength of lime mortar specimens under RTRH conditions.
양생 기간에 따른 인장강도를 측정한 결과(Figure 9), Blank 시편은 양생 7일 차 인장강도 값 0.11(±0.01) MPa에서, 365일 양생 결과 0.32(±0.03) MPa로 194% 증가하였다. SP2 시편은 양생 7일 차 인장강도 값 0.12(±0.01) MPa에서, 365일 양생 결과 0.35(±0.03) MPa로 191% 증가하였다. Blank 시편의 탄산화율은 양생 기간에 따라 초기 8.5%에서 88.0%로 증가하였고, SP2 시편은 초기 6.0%에서 89.3%로 증가하였다. 인장강도와 탄산화율의 상관관계를 확인한 결과 180일 양생 시험체의 강도 값을 제외하면 인장강도 역시 탄산화율이 증가함에 따라 비례적으로 높아지는 것을 확인하였다. 찹쌀풀 첨가에 따른 인장강도 값을 비교한 결과 SP2 시편은 Blank 시편에 비해 높게 나타났고 365일 차 양생을 기준으로 약 9% 증가하였다.
Tensile strength of lime mortar specimens under RTRH conditions.
양생 기간에 따른 휨강도를 측정한 결과(Figure 10), Blank 시편은 양생 7일 차 휨강도 값 0.27(±0.01) MPa에서, 365일 양생 결과 0.91(±0.08) MPa로 236% 증가하였다. SP2 시편은 양생 7일 차 휨강도 값 0.29(±0.03) MPa에서, 365일 양생 결과 1.11(±0.06) MPa로 276% 증가하였다. Blank 시편의 탄산화율은 양생 기간에 따라 초기 7.0%에서 88.3%로 증가하였으며, SP2 시편은 초기 6.1%에서 90.8%로 증가하였다. 휨강도와 탄산화율의 상관관계를 확인한 결과 마찬가지로 휨강도 또한 탄산화율이 높아짐에 따라 비례하여 높아지는 것으로 나타났다. 찹쌀풀 첨가에 따른 휨강도 값을 비교한 결과 SP2 시편은 Blank 시편에 비해 높게 나타났고 365일 차 양생을 기준으로 약 22% 증가하였다.
Flexural strength of lime mortar specimens under RTRH conditions.
위의 결과를 통해 압축강도, 인장강도, 휨강도 모두 찹쌀풀을 첨가한 시편의 강도가 첨가하지 않은 시편보다 높게 나타났으며 이러한 강도 증진 효과는 석회의 탄산화 과정에서 찹쌀풀이 미세구조에 영향을 주었기 때문인 것으로 판단된다.
4. 결 론
건축문화유산 보수에 사용되는 석회의 재료 특성 연구의 일환으로 전통 석회의 첨가물로 사용되었던 찹쌀풀의 영향을 조사하였다. 먼저 석회의 미세조직에 미치는 영향을 확인하고자 석회 페이스트 시험체를 촉진탄산화 하여 입자의 크기를 분석하고 광물분석을 통해 미세 결정립의 크기 변화를 비교하였다. 그 결과 찹쌀풀의 영향으로 평균 입자 크기가 약 22.30 µm에서 약 17.93 µm로 20% 감소하였다. 탄산화율은 42.6%에서 90.0%로 약 2.1배 높게 나타나 찹쌀풀이 탄산화에 유리한 환경을 제공하는 것으로 판단된다. 또한, 석회의 방해석 결정립의 평균 크기는 47.25 nm에서 38.90 nm로 찹쌀풀 첨가로 인해 18% 줄어드는 것을 확인하였다.
찹쌀풀이 미세 결정 조직에 미치는 영향의 결과로 강도 증진의 효과가 있는지 확인하고자 석회 모르타르 시험체를 제작하고 길이변화 및 강도 분석을 진행하였다. 항온⋅항습 환경(23±2℃, 60±5%)에서 28일 경화 결과 건조 수축률이 0.021%에서 0.003%로 찹쌀풀의 첨가로 인해 86% 감소하였다. 365일 양생 시편의 압축강도 결과 2.25(±0.08) MPa에서 2.99(±0.24) MPa로 강도가 33% 증가하였고, 인장강도는 0.32(±0.03) MPa에서 0.35(±0.03) MPa로 9% 증가하였다. 휨강도는 0.91(±0.08) MPa에서 1.11(±0.06) MPa로 22% 증가하여 압축, 인장, 휨강도 모두 찹쌀풀 첨가로 강도 증진의 효과가 나타났다.
미세조직 변화 및 강도 분석 결과를 통해 석회가 탄산화 되는 과정 동안 찹쌀풀이 방해석의 결정 성장을 제어하는 기능을 하고 그 결과 밀도 높은 미세 구조를 생성하기 때문에 모르타르의 내구성 증진에 효과가 나타나는 것으로 판단된다. 연구 결과를 통해 전통적으로 석회에 첨가되어 사용되었던 찹쌀풀의 기능을 밝히고 찹쌀풀이 석회의 초기 강도발현에 효과가 있는 것으로 판단되어 건축 문화유산 보수 현장에 적용 가능성을 확인하였다.
Acknowledgements
이 연구는 문화재청 국립문화재연구원 문화유산조사연구(R&D)의 일환으로 수행되었습니다.