Journal of Conservation Science Vol.30, No.3, pp287-298(2014) DOI http://dx.doi.org/10.12654/jcs.2014.30.3.04 Printed in the Republic of Korea 무령왕릉에사용된전돌과재현전돌의재료학적특성 pissn: 1225-5459 eissn: 2287-9781 권양희 홍성걸 1 서울대학교건축학과 Material Characteristics of Traditional Bricks used in the Royal Tomb of King Muryeong, Gongju, Korea and Its Reproduction Bricks Yang Hee Kwon Sung Gul Hong 1 Department of Architecture & Architectural Engineering, Seoul National University, Seoul, 151-742, Korea 1 Corresponding Author: sglhong@snu.ac.kr, +82-2-880-8360 초록이연구에서는무령왕릉에사용된전돌의재료특성에관하여고찰하였다. 압축강도, 열전도도, 흡수율등의재료특성은비파괴실험으로측정하였다. 그중에서무령왕릉전돌의압축강도는초음파측정법과흡수율을이용하여추정하였다. 실험결과, 초음파속도를이용한압축강도는표면이고르지못하고두께편차가큰문화재시편특성상표준편차가크게나타났다. 그러나흡수율을적용한압축강도값 (28.69 MPa ~ 33.19 MPa) 은일반콘크리트의압축강도수준으로편차가낮게나타났다. 따라서초음파속도를이용하는방법보다흡수율을이용하는방법이무령왕릉전돌의압축강도예측법으로보다적합한것으로판단된다. 무령왕릉전돌의열전도도는시료의표면상태와두께에영향을받지않는 Mathis TCi를이용하여측정하였으며, 평균 1.58 W/mK로흙에근접한값을지닌다. 무령왕릉전돌의흡수율과수분잔류율은각각 1.6 % ~ 15 %, 0 % ~ 0.7 % 의범위를나타냈다. 중심어 : 무령왕릉, 전돌, 압축강도, 열전도도, 흡수율 ABSTRACT This study investigates the material properties of the traditional bricks used in the royal tomb of King Muryeong. Compressive strengths, thermal conductivities, absorptance and the rate of residual moisture are measured by non-destructive experiments. Compressive strength of the traditional bricks is estimated by using the ultrasonic wave velocity and the absorptance. Based on the experimental results, the predicted compressive strengths using the ultrasonic wave velocity are unsuitable for the traditional bricks due to the rough surface and thickness variation of the specimens. The strengths using the absorptance are more suitable than those using the velocity because the predicted average strengths (28.69 MPa ~ 33.19 MPa) are close to building materials like normal strength concrete. In addition, the methods using the absorptance are not influenced by surface and thickness conditions of the specimens. The average thermal conductivities of the bricks measured by using Mathis TCi are close to those of soils (1.58 W/mK). The absorptance and the rate of residual moisture of the bricks are 1.6 % ~ 15 %, 0 % ~ 0.7 %, respectively. 접수 14. 06. 16 / 심사종료 14. 08. 27 / 게재승인 14. 08. 28
288 보존과학회지 Vol.30, No.3, 2014 Key Words: The Royal Tomb of King Muryeong, Traditional Brick, Compressive Strength, Thermal Conductivity, Absorptance 1. 서론 백제전축분 ( 전돌로축조된무덤 ) 은웅진천도후새로이도입된것으로중국남조의묘제를받아들여당시현실에적응시킨것이다. 공주의송산리고분군내에있는무령왕릉과송산리 6호벽화고분이대표적인것으로알려져있으며, 이들고분의배치와내부구조는 Figure 1과같다. 송산리고분군은조선총독부에의해 1927년에처음조사되었으며이후 1971년무령왕릉의발굴로인해웅진시기공주지역에서재위하던왕들을위해만든유일한백제왕릉지역인것으로확인되었다. 무령왕릉의발견후송산리고분군에관한관심이증대되었으며, 이는곧백제고분의관심으로이어졌다. 이를계기로무령왕릉과송산리 6호분에관한다양한연구가진행되어왔으며, 연구주제로는무령왕릉과송산리 6호분의선후관계 (Yoon, 1991), 백제고분벽화와고구려고분벽화의비교 (Lee, 1997), 낙랑및고구려석실분과의연계성 (Lee, 2005; Jung, 2011) 그리고중국남조묘와의비교 (a) The Songsanri tombs site (b) Royal tomb of King (c) Tomb No.6 at Muryeong Songsanri Figure 1. Masonry Tomb of Baekje Dynasty. (Okauchi, 1980) 등이있다. 그러나백제전축분에대한건축학적고찰은문헌과고분의형태를기반으로한고분의구조 (Suh et al., 2000) 및송산리고분군의안정성 (Suh et al., 1997) 등의주제로일부연구자들에의해수행되었지만, 고분의현황과기초지반조사등과더불어전축분에직접적으로영향을주는백제전돌의물성에관한연구는극히드물다. 그외에지구물리탐사를이용하여백제고분축조방법을고찰한연구 (Suh et al., 1997) 도있지만, 이또한지반특성을이용하여고분과지반의축조관계를고찰한것에그치고있어공학적측면에서의고찰은여전히미미한상태이다. 백제전돌과구성재료및제작방식이유사한근대점토벽돌로지어진근대건축물의사례를살펴보면, 문화재에사용된건축재료에대한과학적인분석및체계적인연구과정없이수행된무분별한보수작업으로인한문화재의역학적안정성과장기적인내구성에서많은문제점이보고되고있다 (Lee and Kim, 2001). 그예로명동성당보수공사시벽돌표면일부를절삭한후적색페인트를도포하여더큰피해를입힌사례가있으며그외에도조적조건물의잘못된보수공사로인해오히려문화재에심각한피해를입힌사례가적지않다 (Ahn and Kim, 2013). 문화재는한번잘못된보수작업이시행되면원상복구가불가능하므로안정적인보존및유지관리를위해우선기존의재료에대한연구가충분히이루어진후이를토대로보수 보강이이루어져야한다. 특히, 현재까지발견된것들중무령왕릉은도굴되지않은상태로발견된유일한백제고분이고, 송산리 6호분은유일한백제의벽화고분인점을고려할때, 이들고분의주재료인전돌의특성이사전에밝혀져야혹시모를미래의재난과환경변화로인한보수 보강시보다즉각적이고합리적으로대처할수있다. 건축구조기준 (2009) 에서도조적조문화재의구조기준을명시하고있다. 특히, 보수 보강공사시기존벽돌의성능이저하되지않는방법을선택하여야하며, 손상이심한벽돌은원래벽돌과색상, 강도, 흡수율이동일한벽돌로교체해야한다고규정하고있다. 이러한기준을적용하기위해서는전돌의기초물성에대한사전정보는필수사항이다. 따라서이연구에서는무령왕릉에사용된전돌의
무령왕릉에사용된전돌과재현전돌의재료학적특성 / 권양희, 홍성걸 289 Table 1. Outline of traditional bricks of the royal tomb of King Muryeong. The bricks of the royal tomb of King Muryeong Color Size(mm) Bulk Weight(g) Number R G B Width Length Thickness density M1 #5E594E 94 89 78 64.3 79.6 35.7 309.22 2.02 M2 #3F3F3C 63 63 60 62.0 61.2 38 161.66 2.30 M3 #4B4B48 75 75 72 56.9 66.6 36 252.77 2.18 M4 #423E38 66 62 56 44.4 73.4 44.6 130.45 2.07 M5 #34312E 52 49 46 77.6 80.4 33 461.97 2.51 M6 #4F4335 79 67 53 51.3 62.7 39.3 207.29 2.34 M7 #4F4835 79 72 53 44.4 65.8 75.9 100.72 2.32 Table 2. XRF analysis results. Original soil of the reproduction bricks The bricks of tomb No.6 at Songsanri (Gongju National Museum, 2007; Jang, 2013) The bricks of royal tomb of King Muryeong (Gongju National Museum, 2007; Jang, 2013) SiO 2 62.22 66.37 63.56 AL 2O 3 21.75 20.97 20.57 Fe 2O 3 3.41 6.39 6.16 TiO 2 0.61 0.92 0.91 CaO 1.99 0.49 0.47 MgO 0.65 1.29 1.19 Na 2O 0.75 0.69 1.67 K 2O 1.55 2.74 2.26 MnO - 0.04 0.03 P 2O 6-0.14 0.12 LOI - 0.20 3.47 Total 92.93 100.20 99.40 재료적특성을분석하기위해다양한실험을수행하고, 기존연구에서수행한실험결과와비교하여문화재재료특성에관한신뢰성을확보하고, 문화재보수 보강재료제작시필요한기초자료로활용하고자한다. 2. 연구대상및방법 2.1. 연구대상전돌의재료특성을알아보기위해 Figure 2와같이무령왕릉에서출토되어국립공주박물관에보관중인전돌 7 개를연구용도로손상없이일정기간대여하는조건으로반출허가를받았다. 실험에사용된전돌의색, 크기, 무게, 겉보기비중을 Table 1에나타냈다. 전돌의색은웹색도체계값을이용하여나타내었고, 크기는비정형으로정확한크기는알수없으나시료의가장넓은면의가로와세로를측정하여대략 Figure 2. Samples (Traditional bricks of the royal tomb of King Muryeong). 적인크기를나타냈다. 가비중은전돌의무게를그겉보기부피와같은부피를가진증류수의무게로나눈값을사용하여나타냈다. 건축재료의대표적물성값인압축강도를알기위해서는재료에하중을가하여응력과변형률을측정하는것이일반적인방법이다. 그러나시료는파손이불가능하므로기존연구에서수행한송산리 6호분전돌과무
290 보존과학회지 Vol.30, No.3, 2014 Table 3. Production process of the reproduction bricks. Oder of production Explanation Aging original soil Knead original soil Forming Drying Brick loading of the kiln Firing of the kiln Taking out the bricks in the kiln Completion Spraying water on original soil and leaving the soil unused. (3 day-4 day) Mixing water and the clay to make pugging. Forming using a wooden frame. Drying alternately in shade and sunny place. (7 day-14 day) The dry bricks loading in the kiln. Baking the bricks in the kiln(1000-1050 ) during 1 day-2 day. Cooling down the kiln(2 day)and taking out the bricks in the kiln. Completion. 령왕릉전돌의물성분석결과 (Jang, 2013) 를토대로원토를선정하였으며, 재현전돌제작에사용된원토와기존백제전돌의 XRF 분석결과는 Table 2와같다. 원토의 XRF 분석에사용된기기는 Shimadzu사의 XRF-1700이다. 선정된원토는전통방식에따라압축강도실험용시편을만들어하중을가하는간접적인방법을사용하였다. 이를위해수경성시멘트모르타르압축강도측정용시편 (KATS, 2007) 과동일한크기 (50 50 50 mm) 의전통수제전돌 5 개가제작되었다. 재현전돌의제작은한국전통문화학교의중요무형문화재제91호제와장전수자를통해진행되었다. 국내에서는고대전돌의제작기법을추정할수있는문헌이거의없는반면중국에는전돌의제작방법을상세히기록한문헌인송대의이계에의해쓰여져 1103년에간행된 영조법식 (Li, 1035-1110) 과명대의송응성에의해 1637년에기술된 천공개물 (Song, 2009) 이있다. 위의두문헌에기술된방식을참고하여나무재질의성형틀을사용하였다. 또한전통방식에따라인력으로제작되었으며, 소성은고증에의해복원된전통가마에서진행되었다. 자세한제작과정은 Table 3에나타냈다. 2.2. 연구방법 무령왕릉전돌의재료특성을알기위해초음파속도, 압축강도, 열전도도, 흡수율및수분잔류율시험을진행 Table 4. Design of experiments. Classify Experiments Sample Compressiv e strength Physical properties Ultrasonic wave velocity Compressive strength Thermal conductivity Absorptance Residual rate of moisture The bricks of royal tomb of King Muryeong (7) The reproduction bricks (5) The reproduction bricks (5) The bricks of royal tomb of King Muryeong(7) The bricks of royal tomb of King Muryeong(7) The bricks of royal tomb of King Muryeong (7) 하였다. 문화재의보호를위해실험은기본적으로비파괴로진행되었으며, 재현전돌에한해서만파괴실험을진행하였다. 이상의실험계획은 Table 4에정리하였다. 2.2.1. 초음파속도 (KS F 2731) 건축문화재의훼손을막고체계적인보존방안을정립하기위해서재료의강도평가는반드시수행되어야한다. 그러나시료에손상을주어서는안되므로주로초음파속도법이비파괴강도평가시험법으로사용된다. 선진국들은자국의문화재를보다과학적이고체계적으로보존하기위해비파괴법을이용한진단및이에관한연구를활발히진행하고있으며 (Fitzner, 2004; Christaras, 2009), 국내에서도비파괴시험법이문화재연구에서많이수행되고있다. 초음파속도법은측정하고자하는시료에탐촉자를접촉시켜초음파의통과소요시간을측정하여모체의강도를예측하는비파괴실험법이다. 초음파속도측정시시료의측정면이거칠거나이물질이부착된경우초음파의감쇠현상이일어나측정불능, 펄스의오독등이발생한다. 따라서일반적으로그리스나파라핀등의접촉제로공극을충전하여감쇠를억제시킨후측정한다. 그러나이연구에서는재현전돌에만접촉제로젤타입의수용성글리세린 (Couplant) 를사용하였으며, 무령왕릉전돌에는접촉제를사용하지않고초음파속도를측정하였다. 접촉제미사용으로인한오차를줄이기위하여출토된무령왕릉전돌을재현한전통수제전돌의접촉제사용유무에따른초음파속도측정결과를이용하여보정계수
무령왕릉에사용된전돌과재현전돌의재료학적특성 / 권양희, 홍성걸 291 를산정하였으며, 이를무령왕릉전돌에적용하였다. 보정계수산정을위한재현전돌의초음파속도측정은압축강도시험후에진행하였다. 따라서압축강도측정시사용된시편과는별도로재현전돌그룹에서임의로선택된 3편의전돌을시편으로사용하였다. 이실험에서영국 CNS Farnell사의 PUNDIT-plus를초음파측정기로사용하였으며, 일부무령왕릉전돌의단면이 50 mm 이하이기때문에표준탐촉자 ( 접촉면적 : 50 mm) 의사용이불가능하여원뿔형탐촉자를사용하였다. 초음파속도 ( ) 는식 1과같이시편의길이 ( ) 를초음파펄스의전파시간 ( ) 으로나눈값이며, Figure 3과같이총 5회측정한후평균값을초음파속도로결정하였다. v p km sec (1) : 초음파속도 (km/sec) : 투과거리 (km) : 측정시간 (sec) 재현전돌에접촉제를사용하여측정한초음파속도는 Table 5와같이평균 1.11 km/sec이다. 반면접촉제를사용하지않고측정한초음파속도는평균 1.06 km/sec로접촉제를사용한값보다 4.7 % 낮게나타났다. 따라서무령왕릉전돌의초음파속도는접촉제미사용으로인한오차를보정하기위한보정계수는 1.047을곱하여최종결정하였다. 2.2.2. 압축강도 (KS L 4201) 압축강도측정을위한파괴실험은재현전돌만을대상으로진행하였다. 실험결과값과초음파속도의상관관계를무령왕릉전돌에적용하는방식으로압축강도를추정하였으며, 추정된무령왕릉전돌의압축강도값과기존의근대점토벽돌의압축강도제안식에전돌의흡수율과초음파속도를대입하여비교하였다. 기존연구에서근대점토벽돌의압축강도를예측한식을살펴보면, Son(2010) 은근대건축물 (1909, 1937) 2종에사용된점토벽돌 4종과현대벽돌 1종을사용하여점토벽돌의흡수율 (X) 과압축강도 (F) 의상관관계, 그리고초음파속도 (V) 를통해점토벽돌의압축강도 (F) 예측식을식 2, 3과같이제안하였다. F X R (2) F e V R (3) (a) Measuring equipment (b) Measuring method Figure 3. Equipment and method for ultrasonic wave velocity measuring. Kwon et al.(2011) 은근대건축물 (1905 ~ 1937) 6종에사용된점토벽돌 8종과현대벽돌 1종을사용하여흡수율 (X) 과압축강도 (F) 와의상관관계, 그리고초음파속도 (V) 에따른압축강도예측식을식 4, 5와같이제안하였다. Table 5. Measured results of ultrasonic wave velocity. Sample The reproduction bricks Classify Ultrasonic wave velocity (km/sec) Used a contact agent (A) Unused a contact agent(b) A/B H6 1.09 1.06 1.03 H7 1.09 1.01 1.08 H8 1.16 1.12 1.04 Mean 1.11 1.06 1.047 Standard deviation 0.09 0.10 0.026 Coefficient of variation 0.08 0.09 0.025 F e X R (4) F V R (5) Ahn and Kim(2013) 은근대건축물 (1905 ~ 1943) 8종에사용된붉은벽돌 12종을대상으로소성기술에기인한발색특성과제반물성등을과학적으로고찰하였으며흡수율 (X) 과압축강도 (F) 의상관관계를식 6과같이나타냈다. F e X R (6) 점토벽돌의압축강도는소성온도, 공극률, 흡수율, 초음파속도등다양한요인들과관련이있으며, 특히, 식 3과
292 보존과학회지 Vol.30, No.3, 2014 식 5와같은문화재압축강도추정법으로많이사용되는초음파속도법의경우결정계수 (R 2 ) 가두연구에서각각 66.3 %, 43.7 % 로나타나상관성이다른요인들을이용한경우보다높지않은것을확인할수있다. 재현전돌의압축강도 ( ) 는최대하중 ( ) 을시료의단면적 ( ) 으로나눈값으로 Figure 4와같이측정한후식 7을통해계산되었다. P MPa A (7) : 압축강도 (MPa) : 최대하중 (N) : 시료의단면적 (mm 2 ) 2.2.3. 열전도도무령왕릉전돌의열전도도측정은 Figure 5와같은열전도도측정장비 (Mathis TCi) 를사용하여센서표면에 2 이하의열을샘플의한쪽면에만전달하는방법으로진행하였다. 각시료당 3개면에대하여한면에총 5회씩열전도도를측정한후, 최대및최소값을제외한나머지의평균값을열전도도로결정하였다. 2.2.4. 흡수율및수분잔류율 (KS L 4201) 전축분은흙으로덮혀있기때문에흙이다습한경우수분이모세관작용으로전돌을통해내부로전해지는경우가많으며, 전돌에존재하는수분과고분내공기와의온도차이로인해전돌표면에미생물이번식하기쉬운환경이조성된다. 이들의뿌리로부터분비되는유기산으로인하여전돌이풍화되어문화재를훼손시킨다는점을고려할때 (Kim, 2010) 전돌의흡수율은전축분에서중요하게다루어져야할재료특성중하나이다. 흡수율및수분잔류율측정방법을 Figure 6에나타냈다. 우선, 흡수율은 KS 기준에따라시편을 110 에서 24 시간건조시킨건조무게 와물속에 24시간정치시킨후꺼내어시료의표면을젖은헝겊으로닦은표면건조무게 를백분율로나타낸것으로식 8과같이결정된다. m m a m (8) : 흡수율 (%) : 건조무게 (g) : 수분을포함한무게 (g) 수분잔류율은흡수율실험후전돌을일정한온도와습도상태에두었을때남아있는수분함량을의미한다. 전돌이위치하는무령왕릉내부는밀폐된구조특성상상대습도평균이 98 % 로다습한환경이므로, 고분내에서는전돌이자연건조되는상황이연출되기어렵다. 따라서전돌을건조가용이하게진행되는실내조건 ( 온도 26±1, 습도 40±5 %) 을가정하여항온 항습기에넣어두고시간경과에따른중량을측정하였다. 전돌의수분함량은전돌의질량손실로부터계산되며, 수분잔류율은흡수율과동일하게식 8을이용하여산정하였다. Figure 4. Measuring method for compressive strength. (a) Measuring equipment (b) Measuring method Figure 5. Equipment and method for thermal conductivities measuring. (a) Measure of weight after dry (m 1) (b) Measure of weight after submerge (m 2) Figure 6. Equipment and method for absorptance measuring.
무령왕릉에사용된전돌과재현전돌의재료학적특성 / 권양희, 홍성걸 293 Table 6. Ultrasonic wave velocity and compressive strength of the reproduction bricks. The reproduction bricks Classify Sample Thickness (mm) Ultrasonic wave velocity (km/sec) Used a contact agent Compressive strength (MPa) H1 50.00 1.01 13.47 H2 50.00 1.10 14.54 H3 50.00 1.12 17.03 H4 50.00 1.16 20.64 H5 50.00 1.31 21.34 Mean 50.00 1.14 17.40 Standard deviation 0 0.09 2.88 Coefficient of variation 0 0.08 0.17 Table 7. Material characteristics of the bricks of royal tomb of King Muryeong. Sample Classify Thickne ss (mm) Ultrasonic wave velocity (km/sec) Used a contact agent Applicat ion of scaling factor (1.047) Thermal conductivi ty (W/mK) Absorpt ance (%) Residual rate of moisture (%) Estimated compressive strength (MPa) Application of absorptance Application of ultrasonic wave velocity (scaling factor 1.047) Eq(2) Eq(4) Eq(6) Eq(3) Eq(5) Eq(9) M1 35.70 3.42 3.58 1.63 6.20 0.07 36.47 28.66 31.96 33.62 89.80 86.63 M2 38.00 3.92 4.10 1.54 1.60 0.02 52.02 52.11 58.12 40.06 170.50 101.42 M3 36.00 2.71 2.84 1.55 4.40 0.70 42.56 36.21 40.39 24.45 36.06 65.58 The M4 44.60 6.97 7.30 1.56 4.30 0.00 42.90 36.68 40.92 79.71 8815.98 192.14 bricks M5 33.00 3.74 3.92 1.61 15.00 0.30 6.73 9.13 10.18 37.83 136.56 96.16 of royal tomb of M6 39.30 2.90 3.04 1.61 9.20 0.00 26.33 19.40 21.64 26.92 46.14 71.27 King Muryeo M7 75.90 3.82 4.00 1.53 9.50 0.00 25.32 18.66 20.81 38.82 150.72 98.57 ng Mean 43.21 3.93 4.11 1.58 7.17 0.16 33.19 28.69 32.00 40.20 1349.39 101.68 Standard deviation 13.76 1.31 1.38 0.04 4.12 0.24 13.91 13.30 14.84 17.06 3048.59 39.06 Coefficient of variation 0.32 0.33 0.33 0.02 0.57 1.56 0.42 0.46 0.46 0.42 2.26 0.38 3. 실험결과및고찰이연구에서수행한실험결과를모두 Table 6과 Table 7에정리하였다. 3.1. 초음파속도 Table 7에서확인할수있듯이, 보정계수를적용한무 령왕릉전돌의초음파속도는 2.84 km/s ~ 7.30 km/s의범위를보였으며, 최대값을가지는하나의시편을제외하면모두 2.84 km/s ~ 4.10 km/s 구간에속했다. 반면, Table 6 에서나타나듯이재현전돌의초음파속도평균값은 1.14 km/s로무령왕릉전돌의초음파속도평균값의 36 % 수준이었다. 변동계수비교결과, 무령왕릉전돌초음파속도는 33 % 의다소높은변동률을나타냈지만, 재현전돌은 8 % 의보다안정적인결과를보였다. 무령왕릉전돌의초음파
294 보존과학회지 Vol.30, No.3, 2014 속도측정값이높은변동률을나타내는원인은전돌이가지고있는물성, 즉흡수율과공극률에의한것으로판단된다. 이는 Table 7에서전돌의흡수율이 1.6 % ~ 15 % 범위로나타난것에서도입증이된다. 그리고초음파측정에서가장중요한요인중하나는시편의두께인데실험에사용된시편의두께편차가크고대부분 50 mm 이하의두께를가지고있기때문에초음파측정에영향을준것으로판단된다. 이러한무령왕릉전돌의초음파속도측정값의신뢰성을검증하기위해기존연구결과와비교해보았다. 그결과, 기존연구 (Jang, 2013) 에서수행한무령왕릉전돌 13편의초음파속도값은 3.5 km/s ~ 4.5 km/s 범위로이연구결과값과크게다르지않았다. 비록, 서로다른무령왕릉전돌을시편으로사용했지만, 기존연구에서측정한초음파속도평균값 (3.92 km/s) 과이연구에서측정한평균값 (4.11 km/s) 의차이는 4.7 % 정도로두연구의실험결과가서로비슷한것으로나타났다. 3.2. 압축강도실험을통해측정된재현전돌의압축강도와초음파속도의상관관계를 Figure 7에나타낸결과, 압축강도 (F) 와초음파속도 (X) 간에식 9와같은상관관계가성립하였다. F MPa X R (9) 이러한관계식과선행연구 (Son, 2010; Kwon, 2011; Ahn and Kim, 2013) 에서제안한압축강도예측식 ( 식 2 ~ 식 6) 을무령왕릉전돌시편에적용시켜압축강도를추정하였다. 무령왕릉전돌의추정압축강도는재현전돌의압 축강도측정결과와 Table 8에제시된전돌의품질기준과함께 Figure 8에나타냈다. 재현전돌의압축강도는평균 17.40 MPa로, 무령왕릉전돌의추정강도보다낮지만기준강도보다는높은것으로나타났다. 초음파속도로압축강도를예측할수있는식중에서, 식 9에의해추정된무령왕릉전돌의압축강도는평균 101.68 MPa이며, 이는일반콘크리트압축강도의약 4배정도로매우높은수치다. 기존연구 (Hoyeon, 2012; Kim, 2010) 에서제시된통일신라시대전돌의평균압축강도가 19.02 MPa인것을고려하면, 식 9는무령왕릉전돌의압축강도를매우높게추정하는것으로볼수있다. 이렇게높은값이추정된원인은초음파속도의오차요인이었던전돌의물성과시편두께로인한편차가기여하는것으로판단된다. 또한재현전돌제작시적용한무령왕릉전돌의소성온도는점토광물의소성에의해생성및파괴된물질을근거로추정된것으로 (Jang, 2013) 온도범위가넓어정확한소성온도를밝히기에는한계가있다. 이때문에무령왕릉전돌과재현전돌의소성온도차이가발생하여내부구조가달라졌을가능성도있다. 기존연구결과 (Son, 2010; Kwon, 2011) 에서도압축강도에영향을주는다양한요인들중에서특히초음파속도와의상관성이다른요인들에비해낮게나타났다. 근대점토벽돌의압축강도를초음파속도로예측할수있는식 3 과식 5 및재현전돌의압축강도를예측할수있는식 9에무령왕릉전돌의초음파속도측정값들을적용하여 Figure 9와 Table 7에나타냈다. Figure 9와 Table 7에서확인할수있듯이식 3과식 5에무령왕릉전돌의평균초음파속도인 4.11 km/s를적용하면 1349.39 MPa, 40.20 MPa이각각결정된다. 비슷한시기의근대점토벽돌실험결과를통해만들어진압축강도식임에도불구하고최대 33배의결과값차이를나타냈다. Figure 7. Relationship between ultrasonic wave velocity and compressive strength of the reproduction bricks. Table 8. Quality standard of traditional bricks (Cultural Heritage Repair Standard Specification, 2013). Traditional bricks made in factory Traditional bricks made by hand Absorptan ce (%) Compressive strength (MPa) Specific gravity 10 or under 20.59 or over - 16 or under 14.71 or over 1.8-2.1
무령왕릉에사용된전돌과재현전돌의재료학적특성 / 권양희, 홍성걸 295 초음파속도는재료의밀실한정도에따라결정되므로점토가소성되면서만들어지는입자간화학적결합과미세구조의차이점은반영되기힘들다. 일반적으로점토, 콘 Figure 8. Comparison between estimated compressive strength. 크리트와같은세라믹계열의재료에서내부가밀실할수록압축강도는증가하지만, 각입자간결합구성및형태역시압축강도를비롯한다른재료물성에적지않은영향을미친다. 따라서초음파속도와압축강도의상관관계만으로는재료의압축강도값을추정하는것은한계가있다. 근대점토벽돌의압축강도를흡수율로예측할수있는식 ( 식 2, 4, 6) 에무령왕릉전돌의흡수율값을적용하여 Figure 9와 Table 7에나타냈다. Figure 9와 Table 7에서확인할수있듯이식 2, 4, 6에무령왕릉전돌의평균흡수율인 7.17 % 를적용하면압축강도가각각 33.19 MPa, 28.69 MPa, 32.00 MPa로결정된다. 이는일반콘크리트의압축강도수준으로, 초음파속도로예측한압축강도와비교해볼때재료및제작시기에따른편차가작게나타났다. 이상의결과로부터표면이고르지못하고두께편차가큰문화재시편특성상초음파속도를이용하는방법보다흡수율을이용하는방법이무령왕릉전돌의압축강도예측법으로보다적합한것으로판단된다. 더불어흡수율을이용한압축강도예측법이향후보다많은연구를통해상관성이입증될수있을것으로기대된다. 3.3. 열전도도 (a) Relationship between Ultrasonic wave velocity and Compressive strength 실험결과무령왕릉전돌의열전도도는평균 1.58 W/mK의값을나타냈다. Figure 10과같이일반적으로사용되는재료들의열전도도와비교해볼때, 무령왕릉전돌은흙에더근접한값으로흙과콘크리트, 석재사이에위치한다. 이결과를근거로흙과접해있는고분의경우, 전돌을통해흙의온도가고분안으로그대로전달되는것을예측할수있다. 특히, 송산리 6호분과같은벽화고분에서는수분과온도전달이벽화의보존에있어매우중요한요 (b) Relationship between absorptance and compressive strength Figure 9. Relationship between ultrasonic wave velocity, absorptance and compressive strength. Figure 10. Comparison between thermal conductivities.
296 보존과학회지 Vol.30, No.3, 2014 소로작용한다. 따라서무려왕릉전돌의열전도도와흡수율및수분잔류율등의재료특성은송산리 6호분의보존방안수립에도유용하게활용될수있다. 3.4. 흡수율과수분잔류율 Figure 11은시간에따른흡수율을시편별로나타낸것이다. 무령왕릉전돌의흡수율은 1.6 % ~ 15.0 %( 평균 7.2 %) 로시험편간편차가크게나타났으며, 수분과접촉 3 ~ 5시간내에포화상태에이르는것으로나타났다. 흡수율은재료가다공질일수록높기때문에전돌내부의공극구조와직접적인관계가있으며, 전돌내부구조는유리질화와같은소성공정의영향을받는다. 여기서, 소성공정은원토에물리 화학적변화가단계적으로이루어지는과정이다. 기존의다른연구 (Jang, 2013) 에서측정한동시대에제작된백제전돌 23편의공극률과흡수율을 Figure 12에나타냈다. 그림과같이흡수율 10 % 를기준으 Figure 11. Absorptance according to time. 로크게두그룹으로구분되었으며, 공극률과흡수율은일치율이 100% 에가까운선형비례관계를나타냈다. 무령왕릉전돌시험편간의흡수율차이를알아보기위해기존연구결과를통해도출된상관관계식을이연구에서사용한시편에적용하여공극률을예측하였으며, 기존연구에서사용한시편 23편과함께 Figure 12에나타냈다. 그결과, 기존연구결과와동일하게 1.6 % ~ 9.5 % 의낮은흡수율을가지는그룹과 15 % 의높은흡수율을가지는그룹으로구분되어졌다. 흡수율은식 8과같이표면건조내부포화시편무게에서건조된시편무게를제외한값의비율에따라결정되므로, 밀도 1의물이시편내부의모든공극으로침투되었다고가정하면이론적으로흡수율과공극율은 100% 일치하는결과가나온다. 다만, 물이침투할수없는공극의존재또는실험오차로인해 100% 일치하는결과가나타나지는않지만, 공극율과같은내부구조에따라흡수율이달라지는것은사실이다. 이상의결과는무령왕릉전돌과같이동시대의재료와방법을사용하여제작된시편에서나타난현상이며, 원토가다른시편의경우재질차이로인해공극율과흡수율간의상관성이약화될수있다. 한편, 수분잔류율측정결과는 Figure 13에서확인할수있듯이무령왕릉전돌은평균 0.16 % 의수분잔류율을가지며, 대기와접촉 20 ~ 30시간내에수렴상태에이른다. 흡수율과수분잔류율실험결과전돌내부에물이흡수되는시간이건조되는속도보다약 4 ~ 6배정도빠른것으로확인되었다. 만약, 다량의수분이장시간유지되면조류와같은생물이발생할수있으며이로인해전돌의손상이가중될수있기에이러한점을염두해두고문화재를관리및보존해야한다. Figure 12. Relationship between absorptance and Porosity. Figure 13. Residual rate of moisture according to time.
무령왕릉에사용된전돌과재현전돌의재료학적특성 / 권양희, 홍성걸 297 4. 결론무령왕릉전돌의초음파속도는 2.84 km/s ~ 7.30 km/s 의범위를가지며, 신뢰성을확보하기위해기존연구와비교하였다. 기존의다른연구결과와의평균값차이가 4.7 % 정도로두연구의실험결과가서로비슷한것으로나타났다. 전통적인방법으로소성된무령왕릉재현전돌의초음파속도와압축강도의상관관계를이용하여무령왕릉전돌의압축강도를추정하였다. 추정된압축강도값과기존의근대점토벽돌의압축강도제안식에무령왕릉전돌의흡수율과초음파속도를대입하여비교하였다. 그결과초음파속도를이용한압축강도추정식들은최대 33배의평균값차이를나타내는등평균과표준편차값의차이가큰것으로나타났다. 반면, 흡수율을이용한압축강도추정식들은이러한편차가보다낮게나타났으며, 무령왕릉전돌의평균압축강도를 28.69 MPa ~ 33.19 MPa의범위로추정하였다. 무령왕릉전돌의열전도도는 1.48 W/mK~1.63 W/mK 의범위로평균 1.58 W/mK의값을가지며, 흙과콘크리트, 석재의사이값이지만흙과더근접한값을지닌다. 이값은흙과인접해있는전돌문화재의경우흙의온도를그대로전달하는것을의미한다. 무령왕릉전돌의흡수율과수분잔류율은각각 1.6 % ~ 15 %, 0 % ~ 0.7 % 의범위로시험편간편차가크게나타났으며, 평균 7.2 %, 0.16 % 의값을나타낸다. 흡수율은수분과접촉 3 ~ 5시간내에포화상태에이르며, 수분잔류율은대기와접촉 20 ~ 30시간내에수렴상태에이른다. 따라서전돌내부에물이흡수되는시간이건조되는속도보다약 4 ~ 6배정도빠르다는것을확인할수있었다. 위와같은연구는무령왕릉과송산리 6호분의구조안정성평가를위한물성정보및벽화의보존대책수립을위한기초자료로활용될수있을뿐만아니라, 백제시대전돌문화재의보수 보강을위한재료제작시기초적인자료로활용될수있다. REFERENCE Ahn, J.C. and Kim, K.S., 2013, The Historical Analysis by Estimation of Heating Temperature and Properties of Clay Brick in Modern Korea, Journal of Architectural Institute of Korea, 29(9), 89-96. (in Korean with English abstract) Chong, C.Y., 2009, A Basic Study on the Tiles of Hanseong Period of Baekje, Journal of Paekche Culture, 49, 1-39. (in Korean with English abstract) Christaras, B., 2009, P-wave Velocity and Quality of Building Materials, Proceedings of the 3rd IASME / WSEAS International Conference on Geology and Seismology (GES'09), Cambridge, United Kingdom, 41-46. Cultural Heritage Repair Standard Specification, 2013, Cultural Heritage Repair standard specification, Sinkwangsa, Daejeon, 351. Fitzner, B., 2004, Documentation and Evaluation of Stone Damage on Monuments, 10th International Congress on Deterioration and Conservation of Stone, Stockholm, Sweden, 677-690. Gongju National Museum, 2007, The royal tomb of King Muryeong : Analysis Report of Excavated Remains, 3, 231. (in Korean) Ho-Yeon Architecture Cultural Heritage Institute, 2012, Renewal plan of Conservation treatment of JoTapdong Five-storied Brick Pagoda at Andong, Andong-City, 319. Jang, S.Y., 2013, Archaeometric characteristics and provenance interpretation of bricks from the royal tomb of King Muryeong of Baekje kingdom, Doctor's Thesis in Kongju National University, 270. (in Korean with English abstract) Jung, H.S., 2011, A study on the mural painting tomb of Baekje, The Journal of Korean Ancient History, 61, 301-336. (in Korean with English abstract) Kim, J.H., 2010, A Study on the Estimation of Compressive Strength by the Nondestructive Test of Stone Structures, Doctor's Thesis in Chosun University, 29-31. (in Korean with English abstract) Korean Agency for Technology and Standards(KATS), 2007, Testing Methods of Compressive Strength of Hydraulic Cement Mortar(KS L 5105), Korean Standards Association(KSA), 5. Korean Agency for Technology and Standards(KATS), 2008, Testing Methods of Ultrasonic Pulse Velocity
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