산성비 속의 황산 성분이 대리석의 주성분인 탄산칼슘과 반응하여 석고를 형성하고, 이 과정에서 부피 팽창과 용해도 변화가 석조물의 디테일을 어떻게 파괴하는지 궁금합니다.

Question

이충흔 · Accepted Answer

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.산성비에 포함된 황산이 대리석과 만나면 탄산칼슘 성분을 녹여내고 그 자리에 석고라 불리는 황산칼슘 수화물을 생성하는 화학적 변이가 일어납니다. 이 과정은 단순히 표면이 깎여 나가는 수준을 넘어 석조물의 물리적 구조를 내부에서부터 파괴하는 치명적인 결과를 초래합니다.​가장 심각한 문제는 탄산칼슘이 석고로 변할 때 발생하는 부피 팽창에 있습니다. 화학 반응의 결과물인 석고는 원래의 탄산칼슘보다 부피가 거의 두 배 가깝게 커집니다. 대리석 내부의 미세한 틈새에서 새롭게 형성된 석고가 주변 조직을 강하게 밀어내면서 내부 압력을 유발하고, 이 힘을 견디지 못한 대리석 표면은 미세한 균열이 생기거나 껍질이 벗겨지듯 떨어져 나가게 됩니다. 이로 인해 조각상의 정교한 손가락 끝이나 날카로운 조각선들이 힘없이 부서져 내립니다.​또한 용해도의 급격한 변화도 디테일 파괴를 가속화합니다. 물에 거의 녹지 않는 대리석과 달리, 반응으로 생긴 석고는 물에 훨씬 잘 녹는 성질을 가지고 있습니다. 비가 내릴 때마다 팽창하며 일어난 석고 입자들이 빗물에 씻겨 내려가면서 조각상의 표면은 마치 비누가 녹는 것처럼 뭉툭하게 마모됩니다.​결국 산성비는 대리석 내부에서는 부피 팽창으로 균열을 일으키고, 외부에서는 용해 현상으로 세밀한 묘사를 지워버리는 이중의 파괴를 자행합니다. 이러한 무기 화학적 반응은 세월이 쌓아 올린 정교한 예술적 디테일을 단기간에 형체를 알아볼 수 없는 덩어리로 변모시키며 인류의 문화유산에 회복 불가능한 상처를 남깁니다.

김지호 · Answer

안녕하세요.대리석이나 석회암 조각상의 주성분은 탄산칼슘인데요, 산성비에 포함된 황산 성분은 이 탄산칼슘과 반응하여 표면을 화학적으로 변질시킵니다. 즉 탄산칼슘이 석고로 바뀌고, 이산화탄소가 빠져나오면서 미세 구조가 바뀌며 조각의 세부 형상이 무너지는 복합 손상이 일어납니다. 원래 대리석의 방해석 결정은 치밀하게 맞물려 있지만 반응 후 생성되는 석고는 물 분자 두 개를 포함한 수화 결정으로, 기존 탄산칼슘보다 더 느슨하고 다른 결정 형태를 가집니다. 이때 같은 표면 공간 안에서 새로운 석고 결정이 자라면서 미세공극 내부를 밀어내고 결정립 경계에 압력을 가하면서 미세균열, 박리, 층상 탈락이 진행됩니다. 다음으로 탄산칼슘은 약산성 물에 비교적 잘 반응해 녹고, 석고는 물에 아주 불용성은 아니며 일정 부분 용해됩니다. 따라서 비가 오면 생성된 석고층 일부가 녹아 흘러내리고, 마르면서 다시 결정화할 수 있는데요, 이 과정이 반복되면서 표면을 점차 거칠게 만들고, 원래 매끈한 조각면을 가루화시키거나 둥글게 마모시킵니다. 미세 홈, 눈썹선, 문자 각인 같은 섬세한 음각은 가장 먼저 무뎌집니다. 또한 검은 크러스트가 형성됩니다. 도시 대기에서는 석고 표면이 매연 입자, 금속 먼지, 탄소 입자를 잘 붙잡기 때문에 검고 단단한 오염 껍질이 생기는데, 내부는 이미 약해져 있습니다. 겉껍질이 떨어질 때 아래의 원래 대리석 표면도 함께 뜯겨 나가므로 세부 조각이 한 번에 소실되기도 합니다. 마지막은 물리적 풍화 작용이 일어납니다. 석고층은 수분을 잘 머금고, 젖었다 마르기를 반복하며 추운 지역에서는 틈 속 물이 얼며 팽창해 균열을 넓힐 수 있고, 건조 시 수축도 반복됩니다. 즉 화학 반응이 시작점이 되고, 이후 물리적 풍화가 가속되는 것입니다. 감사합니다.