• Material characteristics for concretes, bricks and earthen pipes of modern architecture

• Evaluation for ultrasonic velocity and rebound hardness of modern concrete foundation

• Interpretation for manufacturing process and technology of modern building materials

조선통감부의 원위치는 서울시 중구 소파로 126 일대이며, 조선총독부로 확대하여 1926년 경복궁 앞으로 이전하기 전까지 이곳에 있었다. 최근 고고학적 발굴에서 중심부에 해당하는 건축물의 기초시설들이 확인되었다. 특히 초축(1907년)과 1차(1910년) 및 2차(1913년) 증축건물의 기초와 기단으로 판단되는 석렬과 석재 및 무근콘크리트 줄기초 등이 드러났으며(Hangang Institute of Cultural Heritage, 2019), 발굴이 불가한 지역에서는 시굴을 통해 유적의 잔존 범위가 파악되었다(Fig. 1A, 1B).

Figure 1. Photographs showing the location and excavation sites from the Japanese Ministry of General Affairs in Joseon Dynasty. (A) Location of the study area. (B) General view of excavation site. (C, D) Building sites of the 1st and 2nd extended constructions.

일제는 1906년(광무 10년) 2월에 조선통감부를 설치하였으며, 이는 1910년(융희 4년) 8월 한일병합과 함께 총독부로 변경하고 기구와 기능을 확대할 때까지 4년 6개월 동안 조선의 국정전반을 장악했던 식민통치의 준비기구였다. 건물의 일부는 한국전쟁 때 소실되었으나 1957년부터 1976년까지 KBS방송국이 들어섰다가 1977년부터 1986년까지 국토통일원 청사로 사용되었다. 지금의 서울애니메이션센터는 1999년에 개관하였으며, 최근 재건축을 위해 발굴을 완료하였다.

콘크리트와 적벽돌 및 토관은 철골과 더불어 근대의 대표적 건축재료이다. 벽돌은 1876년 개항 이후 서양식건물이 계획될 때부터 보편적으로 이용된 재료였으며, 콘크리트와 철근은 1920대 중반부터 사용되기 시작하였다. 그러나 주로 목재나 벽돌이 구조재로 사용된 반면 철근 콘크리트는 건축물의 기초나 층간, 보 또는 바닥을 이루는 재료로 활용되었다. 전체 구조가 철근콘크리트로 계획된 것은 일부 건물에 지나지 않았고 보통 벽돌의 조적조와 병용하였다(Joo, 2012).

한국의 근대건축은 주로 인문학적 및 건축학적 연구가 대부분이나, 최근 보존과학적 및 재료학적 연구가 수행되고 있다(Cho and Kim, 2010; Kang et al., 2016; Kim et al., 2005; 2012; Son et al., 2010; Yi, 2010). 그러나 일제강점기 벽돌조 건축은 관리소홀과 보수공사에 따른 원형고증의 어려움으로 훼손이 빈번하게 발생하고 있다. 특히 기초 콘크리트와 토관은 자료의 한계로 인해 재료학적 및 과학적 연구가 거의 없었다. 따라서 근대건축의 재료와 물성을 규명하고 조적조의 이해도를 높여 근대문화재에 대한 보존연구가 활발하게 수행되어야 할 것이다.

조선통감부 유적의 층위를 보면, 풍화암반 위로 통감부 조성층과 한국전쟁 잔해물층 및 현대에 매립한 구KBS 건축물 조성층이 차례로 퇴적되어 있다. 특히 통감부의 초축지와 1차 및 2차 증축지를 확인할 수 있으며 2차 증축건물의 벽기초를 볼 수 있다(Fig. 1C, 1D). 이 연구에서는 조선통감부 건축의 기초재료인 콘크리트, 벽돌 및 토관에 대해 재료학적 특성을 분석하였으며, 콘크리트 기초의 강도와 물성을 비교하여 시대적 특성에 따른 동질성과 차별성을 검토하였다.

2.1. 역사적 배경

근대건축은 일찍부터 관심의 대상이었으며, 일제가 식민지배를 위해 도입한 서양식 시설은 근대건축의 형성에 중요한 축이자 변화를 이해할 수 있는 연구대상이기도 하였다. 개항 이후 조선에는 선교사와 외교관, 근대화를 추구하는 정부, 개화기 지식인 등 다양한 주체에 의해 서양식건축이 도입되기 시작하였다. 이는 조선통감부 산하탁지부에 건축소가 설립됨에 따라 식민지배의 기반을 구축하면서 빠르게 전파되었다(Kim, 1999).

근대시설은 식민통치의 저변을 넓히는 것과 더불어 문명화로 상징되는 명분과도 부합하여, 1910년 이후 다양한 관립시설이 건축되기 시작하였다. 통감부 청사는 1907년 남산 왜성대(예장동 8번지 일대)에 르네상스식의 2층 목조건물로 건립되었다(Kim, 1999). 당시 일본은 탈아입구의 일환으로 서양식 건축을 추종하였으나, 경제력과 기술력으로 석조양식만의 건축은 어려워 목조와 조적조를 혼용하여 관공서를 건축한 것으로 알려져 있다.

1910년대의 중요 건축은 목재를 사용하여 서양의 근대 이미지를 표현한 목조구법으로 빠르고 저렴하게 시공할 수 있었다. 양식목조구법은 강점 직후 총독부청사의 증축공사에서도 확인된다(Joo, 2012). 조선총독부 남산청사는 1907년 건립한 통감부를 계승했으나(Fig. 2A), 통감부 청사를 크게 확장하여 총독부로 사용하였다(Fig. 2B). 이때 공간 부족으로 기존의 ―자형 건물이 ㅁ자형으로 변형되었지만, 1911년에는 별도 증축이 있었다(Lee, 2010).

Figure 2. Photographs showing the first building site in 1907 year (A), and the 1st extended building site of 1910 year (B) of the Japanese Ministry of General Affairs in Joseon Dynasty.

1910년대 조선통감부는 식민지화에 맞춰 빠르고 저렴하게 다수의 근대시설을 보급해야 했던 일제의 의도가 양식목조구법으로 나타난 것이며, 통감부청사가 가장 먼저 적용된 것은 당시 관립시설 계획에 대한 대표적 사례가 필요했기 때문이라 할 수 있다(Joo, 2012). 이후 1926년에 경복궁의 신청사로 이전하면서, 1927년 5월부터 국립중앙과학관의 전신인 은사기념과학관으로 사용했다. 당시 다이쇼 덴노의 은사금 17만엔을 사용해 세웠으며, 일제의 과학기술 성취를 선전하는 역할을 하였다. 해방 이후에는 국립과학관이었으나 한국전쟁 때 소실되었다.

조선에서 적벽돌을 생산한 것은 약현성당과 명동성당을 건축하기 위해 1890년대 초 와서현에 벽돌제조소를 설치하면서 부터이다(Cho and Kim, 2010). 당시에는 적벽돌 기술자가 없어 중국인을 고용했으나, 1894년 청일전쟁으로 중국으로부터 벽돌수입이 중단되면서 명동성당을 설계한 코스트 신부가 벽돌제조소를 두고 자체적으로 생산하기 시작한 것으로 알려져 있다.

당시 적벽돌의 수요가 급증하면서 탁지부 건축소 산하공장들을 계승하여 영등포와 마포에 벽돌과 토관공장을 설립하기 위해 1907년 1월부터 공사를 시작하여 10월에 완공하였다. 1910년 이후에는 조선통감부 산하 경성감옥의 직속공장으로 운영되었다. 벽돌과 토관제작은 재료가 중요한 문제였으나, 재료의 수급 등 근대건축과 건축기술에 대한 연구는 충분하지 않다. 따라서 이 연구는 서양식 건축이 도입된 이후 역사적 발전과정의 시작단계에 해당하는 1910년대의 건축기초와 근대문화재의 재료학적 특징을 밝힐 수 있는 중요한 자료가 될 것이다.

2.2. 주변 환경

조선통감부의 원주소는 서울시 중구 예장동 8-145 번지이다. 예장동은 조선시대 군사들이 무예를 훈련하던 예장이 있던 곳이며, 무예장을 줄여 예장으로 불렀던 데서 유래한다. 예장동은 일제강점기를 거치며 일본인들이 주로 머물던 곳이 되었다. 한때 일본인들이 외장대로 잘못 인식하여 1914년 경성부의 행정구역 명칭을 정할 때 왜성대정이라는 이름을 공식화한 적이 있다(Seoul History Compilation Committee, 2006). 주변으로 남동쪽에는 남산골공원이, 남쪽으로 숭의여자대학교가, 북쪽에는 명동성당이 있다.

조선통감부 유구는 남산자락에서 북북서 쪽으로 이어진 경사지 중하단의 완만한 사면에 분포한다. 현재 이 지역은 도시화로 인해 원지형이 불분명하며, 기반암과 토층의 분포도 확인하기 어렵다. 이 일대의 지질은 선캄브리아기의 경기지괴에 속하여 주로 편마암류와 이를 관입한 중생대 화강암류로 구성되며, 부분적으로 제4기의 충적층이 피복되어 있다.

조선통감부 일대의 편마암은 주로 호상 흑운모 편마암이며, 남산 정상 및 남동쪽 고지를 포함하여 남서부에 분포한다. 화강암은 흑운모 화강암이며 대보화강암체의 일부로 서울화강암으로 부르는 중생대 쥐라기의 관입암체이다. 이 흑운모 화강암은 전형적인 중조립질의 등립질석영, 사장석, 정장석 및 흑운모가 주요 조암광물이며, 인회석과 자철석 등을 포함한다(Kim, 2005).

유적 일대에 분포하는 토층은 발달정도가 비교적 낮은 인셉티솔(inceptisol)의 토양목이 우세하다(National Institute of Agricultural Science, 2022). 전체적으로 토양은 적색의 식양토와 갈색의 사토 및 적색과 갈색이 혼합된 사양토로 구분된다. 토성은 40~50% 정도의 점토를 포함하고 있는 토양으로 점토가 많은 식토와 점토가 비교적 적은 양토의 중간 성질을 갖는다.

2.3. 연구방법

이 연구에서는 먼저 선행연구 자료를 통해 일제강점기 건축물의 용도 및 이용역사를 살펴보았으며, 유적의 위치와 지형 및 지질과 토양분포를 파악하였다. 또한 수습한 연구대상 시료에 대해 물리적, 광물학적 및 지구화학적 분석을 수행하여 재료학적 성질을 규명하였으며, 건축의 기초 콘크리트에 대한 물성을 분석하여 재질특성과의 관계를 검토하였다.

모든 시료는 육안관찰을 통해 색도, 기질 및 응집상태를 기록하고 현미경을 통해 보다 정밀하게 산출상태와 기재적 특징을 관찰하였다. 연구에 활용한 휴대용 및 실체현미경은 Dino-Lite의 AD7013 MZT와 Nikon SNZ1000 모델이다. 편광현미경은 자동계수기가 장착된 Nikon Eclipse E 600W 편광 및 반사 겸용현미경이다.

콘크리트 기초의 내구성과 물성을 파악하기 위해 가비중과 공극률 및 흡수율을 구하였으며, 측정은 한국산업규격 KS L 4008 조건에 따랐다. 그러나 수습한 시료들 역시 유구의 일부로서 다량의 분석시편을 획득하기 어려워 1cm×1cm×1cm로 절단하여 측정에 활용하였다. 시료의 자화강도는 10^-7 SI unit의 측정한계를 가진 ZH Instruments사의 SM30모델을 사용하였다. 위치와 시기에 따른 모든 석회혼합층 시료의 정확한 색도를 측정하기 위해 Konica Minolta의 분광측색계 CM-2600d를 이용하였다.

일부 벽돌 및 토관의 미세조직과 정성분석을 위해 주사전자현미경(TESCAN MIRA3 LMH)을 활용하였다. 이 때의 가속전압은 20㎸로 시료는 백금으로 코팅하였으며, EDS 분석도 병행하였다. 구성광물의 정밀한 동정을 위해 Rigaku사의 DMAX2000을 사용하여 X-선 회절분석하였으며, 분석조건은 CuKα에 40㎸ 및 100㎃이다.

시료의 열이력과 광물상전이를 검토하기 위해 시차열분석과 열중량 분석을 수행하였으며, 기기는 TA Instruments의 DTQ600이다. 분석은 α-Al₂O₃ 표준시료를 사용하여 1,000℃까지 진행하였으며 승온속도는 10℃/min이다. 모든 시료의 지구화학적 정량분석은 캐나다 ACTLABS에 의뢰하여 유도결합 플라즈마 분광분석(ICP-AES)과 질량분석(ICP-MS) 및 중성자방사화분석(INAA)으로 수행하였다.

또한 콘크리트 기초를 대상으로 초음파속도 및 반발경도를 측정하여 상대적 물성을 비교하였다. 초음파속도는 Proceq사의 PL-200로 측정하였으며, 접촉매질로 엘라스토머 커버를 이용하였다. 반발경도 측정은 Proceq의 Rock Schmidt로 L형의 슈미트해머를 사용하였다.

3.1. 시료선택

연구대상 시료는 유구와 시기로 구분하여 재질별로 1개씩 총 9개를 선별하였다(Hangang Institute of Cultural Heritage, 2019; Fig. 3). 콘크리트는 초축지(1907년)와 1차 및 2차 증축지(1910년 및 1913년)에서 수습하였다. 벽돌과 토관은 초축지와 1차 증축지에서 수습하였고, 2차 증축지에서는 1950년 보수에 활용한 구KBS건물지의 시료를 선택하였다(Table 1).

Table 1 . Sample name and type of foundation materials by building years from the study site.

Sampling Site	Sample Name	Type	Munsell Color
1st Building Site	FC-01(1907)	Concrete	2.5Y 7/1	light gray (surface)
	BR-11(1907)	Brick	2.5YR 4/6	red (cross section)
	EP-11(1907)	Earthen Pipe	5YR 2.5/1	black (surface)
			2.5YR 4/6	red (cross section)
1st Extended Building Site	SC-01(1910)	Concrete	2.5Y 7/1	light gray (surface)
	BR-21(1910)	Brick	2.5YR 4/6	red (cross section)
	EP-21(1910)	Earthen Pipe	5YR 3/1	dark gray (cross section)
	2.5YR 4/6	red (cross section)
2nd Extended Building Site	TC-01(1913)	Concrete	2.5Y 7/1	light gray (surface)
	BR-31(1950)	Brick	2.5YR 4/6	red (surface)
	EP-31(1950)	Earthen Pipe	5YR 2.5/1	black (surface)
	2.5YR 4/6	red (cross section)

Figure 3. Sampling locations and zones in the excavation area from the study site.

콘크리트는 회백색을 보이며, 다양한 골재를 혼합물로 사용하였다. 전반적인 강도는 2차 증축분에서 1차 증축분 및 초축분 순으로 구분되는데 골재의 크기에 따라 다소 차이가 있다. 골재의 크기는 초축분이 가장 크고 2차 증축분 및 1차 증축분 순이다(Fig. 4A~4C). 적벽돌은 시기에 관계없이 모두 콘크리트 등으로 인해 암회색 오염물이 피복되어 있다(Fig. 4D~4F). 그러나 오염물을 제거하면 밝은 적갈색을 보이며, 표면에서는 다수의 균열과 기공이 관찰된다.

Figure 4. Representative photographs of the samples from the study site. (A to C) Concretes from 1907, 1910 and 1913 years, respectively. (D to F) Bricks from 1907, 1910 and 1950 years, respectively. (G, H) Earthen pipes from 1907 and 1910 years. (I) Internal texture showing the cross section of earthen pipe in 1950 year.

토관은 시기에 관계없이 거의 유사한 유약이 도포되어 있다. 유약층은 흑색 및 암갈색을 띠나, 단면은 벽돌과 유사한 적갈색 기질을 보인다(Fig. 4G~4I). 내부에서는 석영을 포함한 골재혼합물이 관찰되며, 후대로 갈수록 혼합물의 입자가 작아지는 경향이 있다. 또한 벽돌과 동일하게 내외부에 균열과 기공이 분포한다(Fig. 4I).

3.2. 색도 및 대자율 분포

콘크리트와 벽돌 및 토관의 색을 객관적으로 기록하기 위해 먼셀토색으로 분류하였으나(Table 1), 이는 유사한 계통의 구분에 한계가 있다. 따라서 정량적 수치를 제시하는 분광측색계로 색도를 분석하였다. 모든 시료는 24시간 자연건조하고 3회 이상 측정하여 평균값을 산출하였다(Table 2). 이는 국제조명위원회의 명도(L＊), 적색과 녹색의 정도(a＊), 황색과 청색의 정도(b＊)를 나타내는 입체좌표로, 표현에 한계가 있는 명도는 a＊와 b＊의 상관도에 표시하였다(Fig. 5).

Table 2 . Chromaticity of foundation materials by building years from the study site.

Sample Type	Sample Name	L*	a*	b*	ΔE*
Concrete	FC-01(1907)	72.48	1.97	7.94	2.91
	SC-01(1910)	81.10	0.90	5.73	6.12
	TC-01(1913)	71.69	1.11	6.80	3.41
Brick	BR-11(1907)	56.54	11.43	16.79	4.76
	BR-21(1910)	45.97	18.83	21.34	8.95
	BR-31(1950)	56.80	12.25	17.72	4.26
Earthen Pipe (surface)	EP-11(1907)	33.72	1.30	2.69	8.32
	EP-21(1910)	44.01	2.76	8.83	5.04
	EP-31(1950)	39.81	8.20	13.41	6.58
Earthen Pipe (cross section)	EP-11(1907)	46.53	16.65	15.05	7.65
	EP-21(1910)	55.27	17.62	23.10	5.52
	EP-31(1950)	49.98	24.28	24.43	5.98

Figure 5. Diagram showing the chromaticity of analyzed materials. Sample numbers are the same as in those of Table 1.

콘크리트의 색도는 1910년 시료(SC-01)의 명도를 제외하면 거의 유사하다. 또한 전체 평균을 기준으로 색차(ΔE*)를 산출한 결과, 1907년 시료(FC-01)는 2.91, 1910년 시료는 6.12, 1913년 시료(TC-1)는 3.41을 보여 서로 비슷한 범위이나, 제작시기에 따른 원료의 차이가 색상에 반영된 것으로 해석하였다(Fig. 5).

벽돌에서는 1910년 시료(BR-21)의 명도가 다른 것보다 낮았으며, 적색도와 황색도는 각각 18.83와 21.34로 다른 벽돌보다 높았다. 색차도 1907년 벽돌(BR-11)과 1950년 벽돌(BR-31)은 각각 4.76과 4.26으로 유사한 값을 타나내나, 1910년 벽돌은 8.95로 다른 것보다 조금 높은 색차를 보인다(Table 2).

토관은 1910년 시료의 명도가 가장 높았으며, 1950년 시료는 황색이 다른 것보다 높았다. 이는 표면에 도포된 유약층의 두께 차이에서 발생하는 것으로 보인다. 시기에 따른 색차에서도 8.32, 5.04 및 6.58로 조금 다른 값을 지시하였다. 그러나 단면에서는 1950년 토관의 적색도와 황색도가 가장 높았으며, 1907년 토관의 단면이 가장 낮은 적색과 황색도를 보였다. 이는 벽돌과 유사하나 소성환경에 따라 적색도가 조금 다른 것으로 판단된다(Table 2).

연구대상 콘크리트와 벽돌 및 토관의 재료학적 특성에 따른 미세자기적 성질을 분석하기 위해 대자율을 측정하였다. 이는 고체물질의 동질성을 파악하는 효과적인 방법으로, 국내외 석조문화재와 토기 및 전벽돌의 재료학적 동질성 해석에 적용되어 원형복원에 활용되어 왔다(Kang and Lee, 2018; Kim et al., 2017; Lee et al., 2016; Lee and Jo, 2016; Park et al., 2019).

벽돌의 대자율 값은 0.04~6.26(평균 1.38×10^-3 SI unit)으로 넓은 범위를 보인다. 1907년 초축 벽돌은 평균 3.37로 높은 반면, 1910년 및 1950년 벽돌은 0.5 이하의 좁은 범위를 보여 차이가 있다. 토관은 0.21~1.16(평균 0.61×10^-3 SI unit)으로, 모든 연구대상 시료 중 시기 구분 없이 가장 유사한 값을 나타냈다. 이는 서로 유사한 태토를 사용하여 비슷한 환경에서 제작된 것을 의미하는 것으로 해석할 수 있다(Table 3).

Table 3 . Magnetic susceptibility (×10^-3 SI unit) and basic physical property for foundation materials by building years from the study site.

Sample Name		Magnetic Susceptibility			Specific gravity	Absorption ratio (%)	Porosity (%)
		min	max	mean
Concrete	FC-01(1907)	0.12	0.99	0.49	1.76	10.00	17.59
	SC-01(1910)	0.07	0.48	0.20	1.89	22.44	42.48
	TC-01(1913)	0.13	0.28	0.19	1.71	11.65	19.89
	Average	0.11	0.58	0.29	1.83	16.22	30.04
Brick	BR-11(1907)	1.02	6.26	3.37	1.55	26.30	40.76
	BR-21(1910)	0.04	0.94	0.40	1.63	16.13	26.23
	BR-31(1950)	0.17	0.06	0.36	1.55	18.99	29.48
	Average	0.41	2.42	1.38	1.58	19.55	32.34
Earthen Pipe	EP-11(1907)	0.27	0.89	0.63	1.60	11.45	18.29
	EP-21(1910)	0.25	1.04	0.54	1.63	17.18	28.04
	EP-31(1950)	0.21	1.16	0.65	1.65	16.28	26.87
	Average	0.24	1.03	0.61	1.60	16.06	26.22

콘크리트의 대자율은 0.07~0.99(평균 0.29×10^-3 SI unit)의 범위를 가진다. 특히 1910년 및 1913년 시료는 각각 0.07~0.48(평균 0.20×10^-3 SI unit)과 0.13~0.28(평균 0.19×10^-3 SI unit)로 좁고 매우 유사한 분포범위를 보였다. 초축 콘크리트도 0.12~0.99(평균 0.49×10^-3 SI unit)로 앞의 두 시료와는 거의 유사한 특징을 지시하였다.

3.3. 가비중, 흡수율 및 공극률

무기재료의 가비중과 흡수율 및 공극률 등 기초물성은 조직의 치밀도와 균질함의 척도로서 제작의 기술력을 판단할 수 있는 자료이다. 연구대상 콘크리트와 벽돌 및 토관의 가비중과 흡수율 및 공극률을 산출을 위해 105℃의 건조기에서 24시간 동안 완전히 건조시켜 중량을 측정하였고, 상온에서 48시간 침수한 후 포화중량을 측정하여 환산하였다(Table 3 및 Fig. 6).

Figure 6. Diagram showing the absorption ratio versus porosity and specific gravity of analyzed materials. Sample numbers are the same as in those of Table 1 and Figure 5.

이 결과, 콘크리트의 가비중은 1.71~1.89(평균 1.83)이다. 특히 1910년 시료에서 높은 흡수율(22.44%)과 공극률(42.48%)을 보였고, 초축과 2차 증축 콘크리트는 비슷한 비중과 흡수율이 산출되었다. 1차 증축 콘크리트에서 높은 흡수율을 보이는 것은 시료의 상태에 따른 차이일수도 있으나, 초축 및 2차 증축 콘크리트와는 조금 다른 제작조건이 반영되었을 것으로 추정된다. 생석회는 20~30%의 공극률을 갖지만 골재의 종류와 열처리 및 소결정도에 영향을 받기 때문이다.

벽돌은 시기에 관계없이 평균 1.58로 비슷한 가비중을 보이나, 흡수율과 공극률은 1907년의 벽돌이 1910년 및 1950년의 것보다 1.5배 이상 높았다. 보통 점토벽돌의 흡수율은 5~10%이나 모든 시료에서 15% 이상의 높은 흡수율을 보였다. 이는 당시 벽돌제작 기술이 조금 부족하고, 태토의 구성과 정련과정이 다소 정밀하지 못했기 때2문으로 해석할 수 있다.

토관의 가비중은 1.60~1.65의 범위를 보이며, 모두 유사한 값을 보였다. 이중 1907의 토관이 가장 낮은 흡수율과 공극률을 나타냈으며, 1910년 및 1950의 토관과 각각 5% 및 10% 정도 차이가 있다(Table 3). 이는 상대적으로 초기에 제작된 토관이 후대에 제작된 토관보다 더 치밀한 상태를 지시하는 결과이다.

모든 시료에서 흡수율과 가비중의 상관관계는 동일한 경향성과 비슷한 영역에 도시된다(Fig. 6). 초축지 벽돌도 1950년도 벽돌과 거의 동일한 가비중을 보이지만 공극률은 10% 가량 차이가 있다. 이는 시기에 따른 벽돌의 제작기술 차이도 있으나 육안 및 현미경으로 확인한 바와 같이 재료의 구성, 배합, 거칠기 및 기질의 차이로도 구분된다. 또한 균열과 박락도 영향을 줄 수 있어 종합적인 물성분석을 통한 해석이 필요하다.

3.4. 조직 및 광물학적 특징

연구대상 재료의 벽돌 및 토관의 조직적 특징과 광물 조성을 검토하기 위해 실체현미경 및 편광현미경으로 관찰한 결과, 모든 콘크리트는 다량의 골재를 포함하고 있으며 석영과 장석 등의 광물이 조립질 상태로 산출된다(Fig. 7A). 초축시료와 1차 증축시료의 골재비율은 비슷하지만, 2차 증축시료에서 골재의 비율이 조금 낮다. 이를 제외한 다른 특징들은 거의 유사하다.

Figure 7. Representative microphotographs showing the internal textures of analyzed materials. Sample numbers are the same as in those of Table 1 and Figure 5. (A) Stereoscopic image of 1907 year concrete. (B, C) Polarizing microscopic images of 1907 and 1910 year concretes. (D) Stereoscopic image of 1907 year brick. (E, F) Polarizing microscopic images of 1907 and 1950 year bricks. (G) Stereoscopic image of 1907 year earthen pipe. (H, I) Polarizing microscopic images of 1907 and 1910 year earthen pipes.

콘크리트에서는 회백색 또는 암회색 기질에 다양한 크기의 암편과 석영, 장석 및 운모 등이 관찰되며, 대부분 각형에서 아각형을 보인다. 초축과 2차 증축시료보다 1차 증축시료에서 다소 작은 경향이 있다(Fig. 7B, 7C). 특히 초축과 1차 증축시료에서 방해석이 반자형 내지 미정질 기질을 보이며, 대부분의 시료에서 정장석과 알바이트 쌍정을 보이는 사장석이 나타난다.

모든 벽돌은 많은 균열과 기공이 있으며, 초축지 시료가 다른 것에 비해 조립질로 원마도와 분급도 불량하며 기질도 불균질하다. 1차 증축 벽돌은 초축의 벽돌에 비해 균질한 기질을 가지고 있으나 균열의 발생빈도는 더 높다(Fig. 7D, 7E). 1950년 벽돌은 초축 및 1차 증축 벽돌과 달리 견고하고 치밀한 기질을 가지고 있으며 균열과 공극의 빈도도 낮았다.

또한 다양한 크기의 암편과 석영, 장석 및 운모가 확인되며 소광에서는 암적색에서 암갈색의 기질이 혼재되어 있다(Fig. 7E, 7F). 초축지 벽돌은 암갈색 바탕에 다양한 크기의 석영과 장석 및 변질된 운모가 아각형으로 다양하며 분급은 불량하다(Fig. 7E). 1차 증축지 벽돌은 암갈색 기질에 변질된 장석과 운모가 관찰되며 불량한 분급을 보인다(Fig. 7F). 초축과 1차 증축 벽돌에는 공극이 다수 분포하고 있으나 1950년도 벽돌에는 공극이 적으며 분급도 일정하다.

토관에서는 벽돌보다 조립질 석영과 장석류가 확인되며 보통 1~2mm 정도이다(Fig. 7G). 초축 및 1차 증축지 토관의 광물 함량은 비슷하나 1950년 토관에서는 다소 감소한다. 모든 시료에서 균열과 공극이 있으며 벽돌과 유사한 암적색에서 암갈색을 보이나 벽돌보다 균질한 기질을 갖는다. 현미경하에서는 원마도와 분급이 불량하고 비교적 치밀한 기질을 보이며, 변질된 적황색 철산화광물과 공극이 다수 분포한다(Fig. 7H, 7I).

기질의 미세형태 및 조직적 다양성을 주사전자현미경으로 관찰하고 성분분석도 병행하였다. 콘크리트를 구성하는 석회물질은 모두 다양한 형태와 불규칙한 기질을 보였다(Fig. 8A). 대부분 Ca을 주성분으로 하는 방해석과 이차적으로 생성된 포틀란다이트이며, 10㎛ 내외의 침주상, 판상, 주상 및 능면상 등의 다양한 결정으로 산출된다(Fig. 8B, 8C). 모든 시료에서 거의 유사한 광물조성과 성분이 검출되었으며, Ca의 함량이 10.0wt.% 이상으로 SiO₂와 반비례한다(Table 4).

Table 4 . Composition of SEM-EDS analysis (wt.%) for foundation materials by building years from the study site.

Samples	Point	Si	Al	Fe	Ca	Mg	Na	K	S	C	O
Concrete	1	23.64	1.97	-	10.51	-	-	-	-	3.14	60.74
	2	4.65	4.22	-	18.01	1.09	-	-	1.29	30.84	39.90
	3	2.03	7.78	-	20.19	0.89	-	-	3.78	13.38	51.95
	4	-	4.45	-	24.20	-	-	-	7.87	1.12	62.36
Brick	5	20.08	9.65	2.15	1.05	1.35	0.83	1.66	-	2.80	60.43
	6	15.37	12.50	4.36	-	3.35	-	0.87	-	5.92	57.63
Earthen Pipe	7	18.61	9.48	3.92	0.90	1.57	0.60	1.56	-	4.45	58.91
	8	16.30	14.37	1.21	-	1.65	0.64	1.47	-	6.28	58.08
	9	16.98	6.19	-	-	11.68	-	-	-	10.23	54.92

Analytical points are the same as in those of Figure 8..

Figure 8. Scanning electron microphotographs and energy dispersive spectra of analyzed materials. (A) Calcite and quartz aggregates of 1907 year concrete, (B, C) Fibrous and needle shape portlandite of 1910 and 1913 years concrete. (D) Altered mica in 1907 year brick. (E, F) Vitrified matrix and metamorphosed mica within earthen pipes of 1907 and 1950 years. Numbers are the same as in those of Table 4.

벽돌에서는 불규칙한 입자와 판상 및 층상결정이 관찰된다. 특히 초축지 벽돌에 비해 1차 증축지 벽돌의 기질이 다소 치밀한 조직을 보이는데, 이는 비중 및 흡수율에 영향을 준다. 또한 운모는 열변성되어 벽개면의 경계가 불분명한 층상으로 배열되어 있다(Fig. 8D). 또한 현미경으로는 확인되지 않는 유기물이 관찰되기도 하였다. 토관은 벽돌보다 치밀한 조직을 보이며, 기질은 유리질화 작용을 받아 대부분의 광물이 재결정되어 형태를 확인하기가 어렵다. 그러나 벽돌과 유사하게 열변성을 받았으나 완전하게 소결되지 않고 남아있는 판상의 운모류가 관찰되었다(Fig. 8E). 한편 가장 후대의 토관에서는 Mg 함량이 11.68 wt.%에 달하는 마그네사이트가 검출되었다(Fig. 8F, Table 4).

이들의 광물조성을 정밀하게 검토하기 위해 X-선 회절분석을 실시하였다. 콘크리트는 석영과 골재가 많아 부분적으로 정선하였으며, 벽돌과 토관은 표면오염물을 제거하고 분석하였다. 이 결과, 콘크리트에서는 방해석과 포틀란다이트(portlnadite)가 검출되었으며 초축과 2차 증축시료에서 강한 회절선을 보였다(Fig. 9).

Figure 9. Representative X-ray powder diffraction patterns of analyzed materials. Sample numbers are the same as in those of Table 1 and Figure 5. Q; quartz, Po; portlandite, Ca; calcite, P; plagioclase, K; K-feldspar, He; hematite, Mu; mullite.

벽돌의 구성광물은 석영, K-장석 및 사장석이나 적철석도 검출되었으며, 대부분 비슷한 광물조성과 회절피크를 보였다. 토관에서도 석영과 K-장석 및 사장석이 동정되었으며, 벽돌에서는 확인되지 않던 뮬라이트(mullite)가 검출되었다(Fig. 9). 이는 벽돌과는 다른 소성환경을 경험한 증거로서, 열분석과 종합하여 소성온도를 해석할 필요가 있다.

3.5. 열적 특징

연구대상 시료의 열반응을 추적하고자 시차열분석과 열중량분석을 실시하였다. 이 결과, 콘크리트는 40~200℃ 에서 1차 중량감소가 일어났으며, 700~800℃에서 2차의 중량감소가 발생하였다. 특히 초축 콘크리트가 11 wt.%로 가장 많은 중량감소율을 보였으며, 1차 및 2차 증축지 콘크리트는 8 wt.% 정도로 거의 유사한 중량감소율 을 나타냈다(Fig. 10 및 Table 5).

Table 5 . Weight loss by differential thermal and thermal gravity analysis for foundation materials by building years from the study site.

Sample Name	Weight loss (wt.%)	Sample Name	Weight loss (wt.%)	Sample Name	Weight loss (wt.%)
FC-01(1907)	11.00	BR-11(1907)	1.27	EP-11(1907)	0.61
SC-01(1910)	8.10	BR-21(1910)	1.11	EP-21(1910)	1.13
TC-01(1913)	8.01	BR-31(1950)	0.93	EP-31(1950)	0.47

Figure 10. Representative DTA and TG patterns of analyzed materials. Sample numbers are the same as in those of Table 1 and Figure 5.

콘크리트에서 700~800℃의 흡열피크가 나타나는 것은 방해석의 탈탄산반응에 의한 것으로 해석된다. 결정상태의 방해석은 고온에서 더욱 안정한 상태를 취하기 위해 CaCO₃ → CaO+CO₂(g)의 탈탄산반응을 일으키게 되며, 많은 열을 흡수하게 된다. 이 때 생성되는 CaO는 방해석의 골격을 유지하기 때문에 CO₂가 빠져나간 만큼 공극을 형성하게 되는 것이다.

벽돌의 중량감소율은 0.93~1.27 wt.%로 낮고, 모두 10~200℃ 영역에서 발생하였으며 이후 완만한 곡선을 보인다. 1차 증축지 벽돌의 경우 초축지 및 1950년 벽돌과 다르게 300℃ 부근과 700℃부터 완만하게 증가하는 양상을 보이며(Fig. 10), 점토광물의 재결정화에 의한 발열피크는 나타나지 않았다. 이는 산화작용에 의한 일시적인 감소현상으로 해석할 수 있다.

토관의 중량감소율은 0.47~1.13 wt.%로 낮은 편이며, 벽돌과 거의 유사하게 10~200℃ 영역에서 중량이 감소하고 이후 완만한 곡선을 보였다. 이 외에도 공통적으로 모든 시료에서 석영의 α→ β 상전이에 의한 537℃ 부근의 흡열피크가 관찰되며, 고온 영역에서 피크가 확인되지 않는 것으로 보아 조성광물의 재결정작용은 발생하지 않은 것으로 판단된다(Fig. 10).

3.6. 지구화학적 특징

연구대상 시료별 재료학적 동질성 판별을 위해 주성분, 일부 희토류 및 미량원소를 정량분석하였다. 또한 각각의 특정 기준치로 표준화하여 원소의 거동과 진화양상을 검토하였다. 기준치는 국내외 선행연구를 바탕으로, 주성분과 미량원소는 알칼리 화강암의 평균조성(Govindaraju, 1989; Nockolds, 1954), 희토류 원소는 콘드라이트 운석의 초생치(Taylor and Mclennan, 1985), 호정 및 불호정 원소는 원시맨틀 조성(Pearce, 1983)을 적용하였다.

콘크리트는 모두 CaO 함량이 높으나, 각 시료의 주성분 함량은 유사하다. SiO₂는 1차 증축지 시료에서 68.66wt.%로 가장 높은 반면 CaO는 8.46 wt.%로 가장 낮았다(Table 6). 작열감량(LOI)은 시료에 따라 차이가 있지만 비슷하며, CaO 함량이 적은 시료에서 낮게 검출되었다. 이는 콘크리트 제작을 위해 사용한 골재 함량과 광물의 풍화정도에 따른 차이로서 모두 유사하나, 1차 증축지에 골재를 조금 많이 사용한 것을 알 수 있다(Fig. 11A).

Table 6 . Composition of major (wt.%), some minor and rare earth (ppm) elements for foundation materials by building years from the study site.

	FC-01	TC-01	SC-01	BR-11	BR-21	BR-31	EP-11	EP-21	EP-31
SiO2	60.63	68.66	64.02	61.85	68.47	69.11	69.05	67.98	69.11
Al2O3	8.31	8.87	8.72	19.57	17.07	17.63	17.45	20.60	17.60
Fe2O3	1.34	1.50	1.61	7.86	6.36	6.44	6.37	3.32	6.04
MnO	0.03	0.03	0.04	0.16	0.07	0.10	0.18	0.03	0.08
CaO	12.23	8.46	10.27	1.00	0.41	0.30	0.44	0.40	0.60
MgO	1.71	0.90	1.15	2.01	1.33	1.47	1.27	0.40	1.31
Na2O	1.08	1.07	0.99	0.48	0.39	0.44	0.55	0.99	0.93
K2O	2.28	2.92	2.49	2.87	2.49	2.58	2.47	3.30	2.80
TiO2	0.18	0.21	0.23	0.93	0.88	0.97	0.83	0.52	0.88
P2O5	0.04	0.05	0.05	0.16	0.07	0.10	0.09	0.03	0.14
LOI	10.51	7.97	9.98	1.60	1.00	0.81	0.53	1.13	0.93
Total	98.34	100.64	99.55	98.49	98.54	99.95	99.23	98.70	100.42
Ba	532	653	623	887	709	601	823	306	733
Be	2	1	2	3	3	3	3	4	4
Cd	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5
Co	2	8	4	21	17	19	24	7	20
Cr	26	33	39	142	117	119	116	37	95
Cu	9	33	12	51	45	31	39	22	28
Hf	2.0	2.7	3.8	4.8	5.9	6.8	6.4	8.1	7.6
Ni	6	9	8	66	50	45	49	11	39
Pb	17	18	18	35	32	30	36	47	45
Rb	130	110	110	120	170	160	180	180	180
Sc	3.1	3.8	3.7	16.3	13.5	17.2	18.3	11.4	16.7
Sr	162	149	152	85	67	73	103	45	116
V	18	24	22	109	97	115	113	53	104
Y	0.9	1.0	1.3	2.8	2.5	3.8	3.4	5.7	3.8
Zn	22	26	25	118	94	94	101	85	116
Zr	71	90	145	194	235	272	237	202	276
La	16.0	19.1	19.3	67.1	54.7	52.9	64.9	38.2	57.3
Ce	23	33	37	108	95	102	123	81	117
Nd	10	19	15	49	61	46	89	41	38
Sm	2.1	2.5	2.4	8.3	7.3	7.3	8.9	6.5	8.1
Eu	0.5	0.6	0.5	1.6	1.2	1.5	1.7	0.9	1.6
Tb	0.5	0.5	0.5	0.5	0.9	0.6	0.5	0.5	0.6
Yb	0.9	1.0	1.3	2.8	2.5	3.8	3.4	5.7	3.8
Lu	0.05	0.09	0.07	0.24	0.29	0.51	0.32	0.67	0.39

Sample numbers are the same as in those of Table 1..

Figure 11. Normalized geochemical variation patterns of major (A), rare earth (B), and compatible and incompatible (C) elements of analyzed materials. Sample numbers are the same as in those of Table 1 and Figure 5.

벽돌과 토관은 콘크리트와 달리 점토를 주성분으로 하여, 모든 벽돌에서 SiO2가 가장 높으며 Al₂O₃ 및 Fe₂O₃의 함량도 높다. 초축지 벽돌의 Al₂O₃ 및 Fe₂O₃는 각각 19.57 wt.%와 7.86 wt.%로 가장 높았으며, 상대적으로 SiO₂는 다른 시기의 벽돌에 비해 적게 나타났다(Table 6). 토관도 SiO₂가 가장 높고, 벽돌과 같이 Al₂O₃와 Fe₂O₃의 함량도 높다. 특히 1차 증축지 토관이 다른 것에 비해 SiO₂와 Fe₂O₃는 낮고 Al₂O₃는 약간 높았다. 이외의 원소는 벽돌과 거의 유사한 함량을 보이며, 시료별 거동양상도 일치하는 것으로 나타난다(Fig. 11A).

미량 및 희토류 원소는 조암광물의 치환성에 따라 암석의 성인을 연구하는데 자주 활용된다. 최근에는 이를 암석의 지구화학적 풍화산물인 토양에 적용하여 토층, 토기, 벽돌 및 회곽묘 등의 재료에 대한 기원 및 산지해석에도 적용하고 있다(Jo and Lee, 2018; Kang and Lee, 2018; Lee et al., 2016; 2018).

미량원소 분석 결과, 콘크리트는 Sr의 함량이 높으며 미세한 차이를 제외하면 대체로 유사한 범위를 보인다. 이는 Sr이 방해석의 Ca을 치환하고 용해작용에 따라 Ca과 함께 용탈되기 때문이다. 벽돌과 토관은 상대적으로 Cr, Cu, Ni, Rb, Sr, V, Zn 및 Zr이 부화되었다(Table 6). 미량원소의 거동은 주성분의 영향을 받으며 특히 전이원소인 Fe의 함량에 민감하다. 따라서 벽돌과 토관의 Cr, Cu, Ni과 Zn 함량이 높은 것은 Fe₂O₃의 함량의 영향으로 해석된다.

연구대상 시료의 희토류 원소를 기준치로 표준화한 거동특성은 Fig. 11B와 같이, 콘크리트는 모두 표준치에 거의 평행한 경향을 보인다. 벽돌은 경희토류가 중희토류에 비해 크게 부화된 반면 중희토류는 표준치에 평행하게 나타난다. 토관도 일부(EP-11)의 Nd을 제외하면 벽돌과 대체로 유사한 경향성을 갖는다(Fig. 11B).

한편 호정 및 불호정성 원소를 선별하여 원시의 맨틀조성으로 표준화한 결과, 모든 시료에는 부화 및 결핍도에 약간의 차이가 있을 뿐 재료에 따라 거의 흡사한 거동양상을 보인다. 부분적으로 토양환경의 영향을 받는 P₂O₅의 차이가 있으며, 상대적 이동성이 강한 Sr, Rb, Ba, Th 및 Ce 등은 부화계수에서 약간의 차이가 있을 뿐이다(Fig. 11C).

이와 같이 벽돌과 토관은 시료에 따라 거의 차이 없이 대부분 유사한 지구화학적 거동특성을 보이는 것은 성인적으로 동질성이 높은 것을 지시하는 것이다. 따라서 벽돌과 토관은 거의 동일한 종류의 토양을 태토로 사용하였을 가능성이 높으며, 소성환경이 태토를 구성하는 원소의 거동특성에는 별다른 영향을 주지 않은 것으로 해석된다.

4.1. 초음파 물성측정

콘크리트 기초에 대한 초음파속도 측정은 초음파의 물리적 특성을 이용하여 강도 및 결함 등을 검사하는 비파괴시험으로, 재료의 물성평가를 위해 국내외에서 널리 활용하고 있다. 그러나 초음파속도는 측정방법, 표면요철, 이방성, 측정자의 경험 등 여러 요인에 따라 신뢰도가 좌우되는 단점이 있어, 이를 정량화 및 체계화하고자 다양한 연구가 수행되어 왔다(Lee et al., 2009; Jo and Lee, 2015; Lee and Jo, 2017).

특히 Lee et al.(2009)과 Lee and Jo(2017)는 다양한 초음파 측정조건을 교차검증하였고, 이를 바탕으로 문화유산의 초음파 측정에 적합한 측정조건 및 물성평가 기술을 제시하였다. 접촉매질은 측정 후에도 잔류하지 않는 건조성 매질로 Lee et al.(2009), Lee and Jo (2017)의 연구로 효과가 입증된 탄성중합체(elastomer) 커버를 사용하였다. 또한 표면요철의 영향을 거의 받지 않는 지수형 탐촉자(54kHz)를 선택하고 펄스전압은 400V로 설정하여 조선통감부 콘크리트 기초의 물성을 분석하였다(Jo and Lee, 2015).

그러나 명확한 공시체의 초음파속도를 획득할 수 없고, 콘크리트 보정계수를 적용하기도 어려워 간접 초음파속도 만으로 상대적 강도를 분석하였다. 초음파는 초축기초(F구역)에서 30회, 1차 증축기초(A구역)에서 총 27회, 2차 증축기초인 N구역과 R구역에서 각각 42회 및 32회씩 측정하여 속도를 획득하였다(Fig. 3). 이 속도는 절대값의 의미는 크지 않으나 상대적 물성을 비교하는데 유용하다. 그러나 보존상태가 일정하지 않아 가능한 범위에서 측정하였으며, 측정지점 당 3회 이상 계측하여 평균을 적용하였으며 이를 2차원으로 모델링하였다(Fig. 12).

Figure 12. Maps showing the 2D modelling of ultrasonic velocity in the study site. (A) F and A zones of construction area in 1907 and 1910 years. (B) N and R zones of construction area in 1913 year.

4.2. 물성등급 및 분포

1907년 초축지(F구역)는 중앙부를 동서로 가로지르는 ―자형의 줄기초이다. 이 구역의 초음파 속도는 407~3,466(평균 2,483)m/s로 나타났다. 이를 그룹별로 살펴보면, F3이 가장 저속도를 보였으며 F1이 최고 속도를 기록하였다. F3 구역은 부분적인 파손과 균열이 발생하여 상대적으로 낮은 초음파 물성을 보였다(Table 7).

Table 7 . Summary on ultrasonic velocity and rebound hardness of concretes by building years from the study site.

Building year	Building Zone	Ultrasonic Velocity (m/s)			Rebound Hardness (kg/cm2)
		Min	Max	Mean	Min	Max	Mean
1907	F1	2,832	3,466	3,136	14.00	41.50	28.58
	F2	2,762	3,424	3,133	21.00	37.00	26.47
	F3	407	2,430	1,634	5.50	27.00	15.17
	F4	2,239	2,493	2,366	15.00	20.00	17.00
	F Zone	407	3,466	2,483	5.50	41.50	21.42
1910	A1	2,350	3,067	2,845	13.50	36.50	23.03
	A2	2,770	3,316	3,009	11.50	32.00	20.51
	A3	2,962	3,717	3,178	14.00	48.50	28.66
	A Zone	2,350	3,717	2,999	11.50	48.50	23.50
1913	N1	1,476	2,849	2,169	11.50	43.00	20.79
	N2	1,886	2,971	2,405	12.00	27.50	18.13
	N Zone	1,476	2,971	2,281	11.50	43.00	19.55
	R1	2,512	3,067	2,860	11.50	37.00	20.95
	R2	2,481	3,030	2,751	12.50	32.50	22.55
	R Zone	2,481	3,067	2,799	11.50	37.00	21.80
Whole Zones		407	3,717	2,605	5.50	48.50	21.56

Zones area the same as in those of Figure 3..

1차 증축지로 알려진 A구역은 기존의 ―자형 건물에 ㄴ자 모양의 2층 건물을 덧붙여 증축하였다. 건물이 없던 동쪽 부분은 회랑으로 연결하여 ㄷ자형 또는 ㅁ자형 건물을 조성하였다. 이 A구역 증축기초의 초음파 속도는 2,350~3,717(평균 2,999)m/s의 범위를 보였다. A1이 최저속도를 나타냈으며 A3이 최고속도를 기록하였다. A구역은 다른 곳에 비하여 보존상태가 양호하여 비교적 강한 물성을 지시하였다(Fig. 12).

2차 증축지인 N구역과 R구역은 청사 남쪽부지에 새롭게 건립한 것이다. 신축부지 서쪽에 남북으로 ―자형 건물이 계획되었으나 ㅂ자형으로 조성하였으며, N구역이 R구역 보다 상단에 있다. N구역의 초음파속도는 1,476~2,971(평균 2,281)m/s를 보였으며, R구역의 속도는 2,481~3,067(평균 2,799)m/s로 나타났다(Table 7).

전반적으로 조선통감부 콘크리트 기초시설의 초음파속도는 잔존상태에 따라 상이하게 나타나지만 평균 2,605m/s를 보여 다소 약한 물성상태를 갖는 것으로 판단된다. 측정구역 중 보존상태가 양호한 A구역(1차 증축)의 평균 초음파속도는 약 3,000m/s로 Whitehurst(1966)가 제시한 신선한 콘크리트의 초음파속도(4,500m/s)와 비교할 때 차이가 있다. 그러나 손상된 일부를 제외하면 통감부 콘크리트 기초시설의 초음파속도는 비교적 건전한 물성을 유지하는 것으로 보인다.

1900~1910년대 콘크리트는 당시 고도의 건축기술이지만 현재와는 다른 재료와 시공을 거쳤기 때문에 상대적으로 강도는 낮은 편이다. 또한 공학적으로 정확한 콘크리트 배합비를 맞추기 보다는 기술자의 숙련도를 토대로 타설한 것으로 보이며, 초축과 증축에 따른 기술력의 차이도 크지 않은 것으로 추정된다. 그러나 전체구역에서 초음파속도의 큰 차이가 없는 것으로 보아 조선통감부 콘크리트 기초는 비교적 일정한 양생과 기술력이 적용되었을 것으로 판단된다.

4.3. 반발경도

콘크리트는 파괴시험을 통해 압축강도를 구할 수 있으나, 문화재는 제한이 많아 초음파속도와 반발경도시험을 통한 간접적 방법이 적용되어 왔다. 슈미트해머는 콘크리트의 물성에 따라 반발경도가 변하는 점을 이용하여 강도를 추정하기 위해 사용하기 시작하였다. 이는 방법과 상황에 따라 차이가 있어 이를 보정하기 위한 다양한 연구가 수행되었다. 특히 측정값을 일축압축강도로 변환하는 보정식에 대한 연구를 통해 다양한 강도추정식이 제안되었다(Kim et al., 2002).

슈미트해머는 연구대상을 타격하기 때문에 문화재에 널리 활용하기 어렵다. 주로 자연문화재 인근 암반의 사면안정성 및 물성분석을 위해 사용되었으며, 회곽묘와 근대건축의 물성평가에 적용되어 효과적인 방법임을 입증하였다(Kang et al., 2016; Lee and Kang 2018). 슈미트 해머 측정은 한국산업표준 KS F 2730에 명시되어 있으며, 연구에서는 이를 따랐다. 측정은 구역별 콘크리트 기초에서 초음파 측정과 동일면을 피해 수직으로 수행하였다. 타격지점은 3㎝ 간격으로 5×4로 정하였지만, 표면의 불균질성을 반영하여 3㎝ 이상이 되도록 설정하였다.

이와 같이 조선통감부 콘크리트에 대하여 초축기초(F구역)에서 58회, 1차 증축기초(A구역)에서 103회, 2차 증축기초 N구역과 R구역에서 105회 및 85회 등 351회를 측정하였다(Fig. 13). 초음파속도 측정과 동일하게 각 구역별 상단 단면을 타격하였으며, 각 지점 당 3회씩 측정하여 평균값을 사용하였다(Table 7).

Figure 13. Maps showing the 2D modelling of rebound hardness in the study site. (A) F and A zones of construction area in 1907 and 1910 years. (B) N and R zones of construction area in 1913 year.

이 결과, 초축기초(F구역)는 5.0~41.5(평균 21.42)를 1차 증축기초(A구역)는 11.50~48.5(평균 23.50)의 범위를 보였다. 또한 2차 증축기초(N구역과 R구역)에서는 11.50~43.00(평균 19.55) 및 11.50~37.00(평균 21.80)의 범위를 나타냈다. 이들의 2차원 모델링 결과에서도 초음파속도와 유사한 상태를 보였으며 측정지점의 연약대가 확인되었다(Fig. 13). 특히 A와 N구역 기초가 상대적으로 강한 물성을 보여, 초축지에 비해 1차 및 2차 증축지로 가며 강한 강성을 갖는 콘크리트가 적용된 것으로 해석할 수 있으나, 손상정도가 심하고 불균질하여 신중하게 평가해야 한다.

5.1. 재료학적 검토

한반도의 시멘트산업은 1919년 일본 오노타시멘트사가 평양 승호리에 연간 30만 톤 규모의 건식시멘트공장을 건설한 것이 시초로 알려져 있다. 조선통감부는 1907년에 건축된 것으로 보아 일본의 원료를 사용한 것으로 보인다. 당시 콘크리트는 경험적으로 건축용은 시멘트, 잔골재, 굵은 골재의 비율을 1:2:4로, 토목용은 1:3:6의 배합이 활용되었다(Kaga, 1983). 이를 밀도로 환산하면 1:3:6으로, 시멘트가 고가였던 점을 원인으로 파악하였다(Lee et al., 2012).

조선에서 적벽돌 생산은 1891년 약현성당과 명동성당 건축을 위해 와서현에 벽돌제조소(한강통연와소)를 설치할 때이다. 당시에는 중국에서 벽돌을 수입하거나 기술자를 초빙해 왔으나 1894년 청일전쟁 이후 어려움을 겪기도 하였다(Mutel, 2002). 근대문화재 중 자체기술로 적벽돌을 사용한 최초의 건축은 용산신학교와 원효로성당으로 알려져 있다(Yi, 2010). 당시 서양식 건축과 함께 적벽돌의 수요가 크게 증가하였지만 생산기술이 보편화되지 못한 것으로 보아, 조선통감부가 완공되던 1907년에도 대부분의 재료들은 일본이나 중국에서 가져왔을 것으로 추측된다.

조선통감부 건축 재료의 화학조성을 SiO₂-Al₂O₃-(CaO+MgO) 삼각도에 적용하여 석회질과 규산염광물의 상대적 함량 및 벽돌과 토관의 동질성을 유추하였다. 이 결과, 콘크리트는 CaO+MgO 선과 인접하여 높은 SiO₂ 영역에 집중된다. 시기별로 비슷한 비율을 가져 콘크리트는 균일한 배합특성을 갖고 비교적 규격화되어 있었던 것으로 판단된다. 벽돌과 토관도 SiO₂-Al₂O₃ 함량선에 근접하여 일정한 점토질 원료를 사용하여 유사한 제작과정을 거친 것으로 볼 수 있다.

이들의 화학조성을 A-CN-K 그래프에 도시하면, 콘크리트는 CaO+Na₂O에 벽돌과 토관은 Al₂O₃ 가까이 분포한다(Fig. 14). 이는 시기적 차이가 있지만 거의 동일한 태토를 활용한 것을 지시하며, A-CNK-FM 삼각도에서도 동일한 성인적 특성이 나타난다. 콘크리트는 A-CNK 선에 근접하는 것으로 보아 장석과 운모의 혼합이 입증되며, 벽돌과 토관은 고령석과 깁사이트 방향에 도시되어 비교적 정선이 이루어진 태토를 사용한 것으로 판단된다(Fig. 14).

Figure 14. Plotted on diagrams showing the A-CN-K and A-CNKFM of analyzed materials. Sample numbers are the same as in those of Table 1 and Figure 5.

벽돌과 토관의 조성을 SiO₂/Fe₂O₃와 SiO₂/Al₂O₃ 관계도에 도시할 때도 점토화 정도가 비슷한 것으로 나타났다. 그러나 콘크리트는 Al₂O₃와 Fe₂O₃의 함량이 낮아 풍화에 민감하지 않았다. 산성산화물(RO₂)과 염기성산화물(RO+R₂O)의 상관도에서도 재료별로 유사한 영역에 밀집되는 것으로 보아 건축시기에 따라 재료와 배합비의 큰 차이는 없었던 것으로 해석된다(Fig. 15).

Figure 15. Plotted on diagrams showing the Al₂O₃/SiO₂ versus Fe₂O₃/SiO₂ and RO₂ versus and RO+R2O of analyzed materials. Sample numbers are the same as in those of Table 1 and Figure 5.

5.2. 소성온도 해석

벽돌과 토관을 구성하는 물질은 암석의 풍화작용에 따라 생성된 점토광물이 주성분이나, 이들은 물과 반응에 의해 점성을 가지며 소성을 통해 강도를 유지한다. 토제 유물의 소성온도 해석에 지질온도계를 적용하는 것은 이미 잘 알려져 있다(Lee et al., 2016; 2018; Jang and Lee, 2014; Yi, 2010). 이와 같이 광물의 상전이를 활용하여 연구대상 벽돌 및 토관의 광물조성과 열이력 분석을 바탕으로 소성온도를 추정하였다.

이 결과, 벽돌은 모두 열분석에서 고온의 발열피크는 확인되지 않았다. 운모는 보통 900℃에서 소멸이 시작되나 X-선 회절분석에서 운모가 동정되지 않는 것으로 보아 벽돌은 950℃ 이상의 소성온도를 경험한 것으로 보인다. 또한 모든 벽돌에서 적철석이 검출되는 것으로 볼 때 적어도 1,000℃ 이상의 소성을 거친 것으로 보인다.

특히 벽돌에서 철의 함량이 토관보다 높게 나타나며, 색도도 벽돌의 적색도가 강한 것은 적철석이 벽돌의 색도발현에 영향을 준 것으로 판단된다. 그러나 적철석의 회절선이 강하지는 않았으며, 사멸온도가 1,100℃ 이상인 사장석이 검출되는 것으로 보아 대부분의 벽돌은 1,000~1,050℃의 소성을 거쳤을 것으로 해석하였다.

토관에서도 고온의 발열피크는 확인되지 않았으나, 뮬라이트가 동정되었다. 이는 1,000℃ 이상에서 생성되는데 산화와 환원에 따라 차이가 있어 환원환경에서는 조금 높은 온도에서 검출된다. 또한 1907년 및 1950년의 토관에서는 사장석이 관찰되는 것으로 볼 때 전체적으로 1,000~1,100℃의 소성온도를 거쳤을 것으로 판단된다.

5.3. 콘크리트 물성평가

초음파속도와 반발경도를 일축압축강도로 환산하는 방법은 건축구조와 암석역학분야에 잘 알려져 있다. 또한 비파괴 시험결과를 조합하여 강도를 추정하는 연구와 다양한 추정식이 제안되었다(Kim et al., 2002). 특히 일본건축학회와 일본재료학회에서 제시한 식을 많이 활용하나, 최근 국내 연구자들도 실험을 통해 추정식을 제시하고 있다(Ju et al., 2017). 이 연구에서는 양자 모두 일본건축학회 추정식을 적용하였다.

압축강도는 국제단위인 MPa로 변환하였으며, 콘크리트의 초음파속도와 반발경도로 일축압축강도를 산출한 결과, 양자 모두 1차 증축기초(A구역)에서 평균 45.30 및 46.33 kgf/cm²로 가장 높았다. 그러나 2차 증축기초(N구역)에서 모두 가장 낮은 평균 20.05와 24.76 kgf/cm²로서로 유사한 경향이 확인되었다(Table 8).

Table 8 . Summary on unconfined compressive strength (kgf/cm²) calculated by ultrasonic velocity and rebound hardness of concretes building years from the study site.

Building year	Building Zone	Ultrasonic Velocity FC = 215VP-620			Rebound Hardness FC = 7.3R+100
		Min	Max	Mean	Min	Max	Mean
1907	F	3.33	62.20	37.58	14.30	41.11	26.15
1910	A	21.80	71.30	45.30	18.77	40.74	46.33
1913	N	1.31	44.30	20.05	18.77	42.23	24.76
	R	26.55	47.77	38.05	18.77	37.76	26.42
Whole Zones		1.31	71.30	33.98	14.30	42.23	26.26

Zones are the same as in those of Figure 3..

초음파속도에 비해 반발경도가 더욱 일정한 경향이 있으며, 물성이 비교적 양호한 A구역을 제외하면 다른 구역들은 비슷한 상태를 보인다. 그러나 초음파속도는 매질의 탄성계수 및 밀도와 밀접한 관계가 있어 변화량이 큰 곳에 비해 상대적으로 균질하고 결함도 적다. 따라서 N구역에 비해 A구역의 콘크리트가 균질하고 내부결함이 적은 상태임을 알 수 있다.

콘크리트의 강도와 품질을 결정하는 Ca을 기준으로 물성변화를 살펴보면, Ca과 비중 및 흡수율이 적을수록 초음파속도와 반발경도가 높았다. 일축압축강도 결과와 동일하게 A구역(1910년 증축)이 양호한 물성을 가졌으며, 비중과 흡수율이 높은 2차 증축기초는 불균질한 물성을 보였다. 이는 일제강점기 콘크리트가 비슷한 배합비를 사용했음에도 골재의 상태나 기질의 구성에 따라 조금씩 다른 강도를 발현할 수 있음을 제시하는 결과이다.

5.4. 조달체계 검토

세종실록지리지에는 소성석회의 제조법이 설명되어 있다. 회곽묘 등에 비교적 시멘트와 유사한 재료들이 이용되었지만 현대 시멘트와 유사한 포졸란(pozzolan) 시멘트가 우리나라에 알려진 것은 18세기말 영정조시대 실학자 박제가(1750~1805)에 의해서이다. 박제가는 청나라 학자들과 교류하여 얻은 지식과 발전된 문물을 직접 관찰하여 정리한 북학의를 저술하였으며, 내편의 벽돌에 대한 항목에 자세히 기술되어 있다(Kang and Chung, 2009).

그러나 포틀랜드 시멘트가 국내에 수입된 시기는 1899년에 개통된 경인철도상의 교량 하부구조 교각과 기초건설에 활용된 것으로 보는 견해가 유력하다. 수입연도와 수량 및 금액 등을 밝혀 주는 자료가 통감부통계연표에 기록되어 있다. 당시 국내에는 시멘트를 만들기 위한 공장은 설립되지 않은 상태였다.

일본의 시멘트기업은 모두 메이지시대에 설립되었으므로 우리나라에 유입된 시멘트의 대부분은 이들 기업에서 수입되었을 것으로 보인다. 현재 일본의 시멘트공장은 대부분 1900년대 공장을 공유하며, 원활한 공급을 위해 주로 해안가에 있는 것을 볼 수 있다. 한반도에서는 1920년대에 오노다시멘트회사가 북한지역에 다수의 공장을 설립하여 자체적으로 시멘트를 생산하였다(Kim, 2003). 따라서 조선통감부 건축에 사용한 시멘트는 대부분 일본에서 수입한 것으로 보인다.

벽돌과 토관도 일부 수입되었을 가능성은 있으나, 조선총독부에 따르면 관공서 건축에 필요한 벽돌과 토관 등의 건축자재는 자급자족하기 위해 용산의 연와공장에서 벽돌을 만들기도 하였으며, 1907년에는 영등포에 토관공장을 설립하기도 하였다. 벽돌과 토관 제작을 담당한 이 공장들은 토질 및 교통관계 등의 이유로 용산과 영등포에 세우게 되었고 공장 일대에는 기와나 벽돌을 제작하기 좋은 점토질 토양이 있었다고 알려져 있다. 따라서 조선통감부가 건축되던 1907년을 제외하고 1910년의 벽돌은 이들 공장에서 생산되었을 가능성이 있다.

통감부통계연보에 의하면 벽돌과 기와의 수입은 1901년부터 지속적으로 있었으며, 1908년을 기준으로 수입량이 급증한 것을 볼 수 있어 1910년 통감부 건축에 사용된 벽돌도 수입했을 수 있다. 이 공장들은 중일전쟁(1936)과 태평양전쟁(1942)으로 노동력이 감소하고 연료통제가 강화되어 소수의 군납과 관납 외에는 생산이 중단되었다.

이를 종합하면 조선통감부 건축에 사용한 시멘트는 초축과 1차 증축은 일본에서 수입되었을 가능성이 높으며, 1907년대에 사용한 벽돌과 토관 역시 일본 또는 중국에서 수입한 것으로 보인다. 이후 1910년에 서울에 설립한 벽돌 및 토관공장을 통해 자체적으로 제작하여 조달했거나 수입된 것을 혼용한 것으로 해석할 수 있다. 1950년 경으로 추정되는 벽돌과 토관은 일제강점기에 사용된 공장에서 제작되었거나 소규모 공장에서 생산된 것을 활용했을 것으로 추정된다. 그러나 현시점에서 원재료의 명확한 산지를 규명하기에는 어려움이 있다.

1. 조선통감부 터의 중심부에서 콘크리트 기초와 토관 및 벽체가 발굴되었으며, 이를 건축연대에 따라 세분하여 재료학적 특성을 분석하였다. 콘크리트는 모두 비슷한 가비중과 흡수율 및 공극률을 보였으나, 벽돌은 모두 유사한 비중을 보이는데 반해 초축 벽돌의 흡수율과 공극률이 1910년 및 1950년 벽돌보다 1.5배 정도 높았다. 모든 토관도 유사한 비중을 보였으나 초기의 것이 후대의 것보다 치밀한 것으로 나타났다.

2. 콘크리트는 다량의 골재를 포함하고 있으며 조립질 석영, 장석, 방해석 및 포틀란다이트 등이 산출되었다. 벽돌과 토관에서는 많은 균열과 기공이 관찰되며, 벽돌에 비해 토관의 기질이 균질하다. 이 벽돌과 토관은 암적색에서 암갈색을 보이며, 벽돌에서는 석영, K-장석, 사장석 및 적철석이 검출된 반면 토관에서는 석영 및 장석과 함께 뮬라이트가 확인되었다.

3. 열분석 결과, 콘크리트는 40~200℃와 700~800℃의 범위에서 중량감소를 보였다. 벽돌과 토관도 10~200℃에서 중량이 감소하였다. 중량감소율은 콘크리트가 8~11%로 높으나, 벽돌과 토관은 0.5~1.3% 정도로 유사하다. 벽돌에서는 적철석이 검출되며 토관에서는 뮬라이트가 동정되는 것으로 보아, 이들은 1,000~1,100℃의 소성온도를 거친 것으로 해석된다.

4. 모든 콘크리트는 CaO 함량이 유사하나, 벽돌과 토관은 초축과 1차 증축시료에서 SiO₂가 낮고 Al₂O₃가 많아 1950년도 재료에 비해 상대적으로 높은 점토화도를 보였다. 연구대상 시료는 시기구분 없이 재료에 따라 유사한 지구화학적 거동특성을 갖는 것으로 보아, 성인적으로 동질성이 높은 것으로 해석된다. 특히 벽돌과 토관은 동일한 종류의 태토를 사용하여 제작되었음을 시사하며, 소성환경의 영향도 없었던 것으로 보인다.

5. 콘크리트 기초의 초음파속도와 반발경도는 잔존상태에 따라 다르나 약한 물성을 나타냈다. 이를 일축압축강도로 환산하면 1차 증축구역이 평균 45.30 및 46.33 kgf/cm²로 높은 반면 2차 증축구역이 낮은 평균치(20.05 및 24.76 kgf/cm²)를 보였다. 이는 부분적인 손상이 영향을 준 것이나 비교적 양호한 물성을 유지하고 있는 것으로 반발경도가 보다 안정적인 값을 지시하였다.

6. 조선통감부 기초에 활용한 시멘트는 초축과 증축지 모두 일본에서 수입한 것으로 판단된다. 초축에 사용한 벽돌과 토관도 일본 또는 중국에서 조달한 것으로 해석하였다. 이후 1910년에는 서울에 설립한 공장을 통해 자체적으로 제작한 벽돌과 토관을 이용했을 것이다. 1950년으로 알려진 벽돌과 토관은 일제강점기에 사용된 공장에서 제작되었거나 소규모 공장에서 생산된 상품을 이용한 것으로 보인다.

7. 이들의 재료학적 특성으로 보아, 조선통감부 건축에 활용한 콘크리트는 시기별로 거의 비슷한 비율을 가져 일제강점기 콘크리트는 균일한 배합특성과 비교적 규격화되어 있었던 것으로 보인다. 또한 벽돌과 토관은 거의 동일한 점토질 원료물질을 사용하여 유사한 소성과정을 거쳐 제작한 것으로 해석하였다.