Mechanical and Compositional Characterization of Ancient Yemeni Qadhad Mortar for Sustainable Heritage Conservation

기술 요약: 고대 예멘 카드하드(Qadhad) 모르타르의 기계적 및 조성적 특성 분석

문제 제기
고대 예멘의 '카드하드(Qadhad)'는 저수조와 석조 구조물에서 탁월한 방수성과 내구성을 자랑하는 전통적인 소석회 모르타르로, 수 세기 동안 중요한 건설 재료 역할을 해왔다. 이러한 역사적 중요성과 입증된 성능에도 불구하고, 이 재료의 정확한 기계적 성질과 혼합 비율에 대한 과학적 정량화는 여전히 부족한 실정이다. 카드하드의 적용에 관한 전통적 지식(savoir-faire)은 존재하지만, 기존의 재현 실험들은 고대 재료의 조성에서 도출된 데이터가 아닌, 추정된 결합재 대 골재 비율에 의존해 왔다. 또한, 수경성 및 투과성 특성은 부분적으로 기록되었으나, 고대 카드하드의 압축 강도와 정확한 결합재 대 골재 비율은 충분히 규명되지 않았으며, 이는 유산 보존을 위한 과학적으로 호환 가능한 수리 재료 개발을 저해하고 있다.

연구 방법론
본 연구는 서로 다른 역사적 시기(16세기 및 18세기)를 대표하는 예멘의 네 곳의 고고학 유적지(아덴 저수조(AC), 세이라 요새(SF), 하라와 풀(HP), 살라마 풀(SP))에서 채취한 네 가지 고대 카드하드 모르타르 시료를 조사한다. 본 연구는 다각적인 분석 접근 방식을 채택한다:

1. 기계적 시험: 역사적 층의 제한된 두께와 취약성으로 인해 비표준 원통형 및 입방체 시편을 사용하였으며, ASTM C109 원칙에 따라 1 mm/min의 일정한 변위 속도로 압축 강도를 결정하였다.
2. 열중량 분석(TGA): 분말 샘플(0.125 mm 체)을 질소 분위기 하에서 25°C부터 1000°C까지 가열하여 질량 손실을 정량화하였다. 이를 통해 600–1000°C 범위에서의 CO₂ 방출량을 바탕으로 탄산염 함량(% CaCO₃)을 계산하고, 수경성 상(phase)의 구조적으로 결합된 물(200–600°C)을 평가하였다.
3. 산 분해 및 화학 분석: ASTM D3042에 따라 샘플을 1M 염산으로 처리하여 결합재와 골재를 분리하였다. 불용성 잔류물(IR)은 규질 골재를 나타내며, 용해된 분획(SF)과 TGA로부터 도출된 탄산염 함량을 사용하여 결합재 대 골재 비율을 계산하였다.
4. 입도 분포: 불용성 잔류물의 입자 크기 분석은 4.75 mm에서 0.15 mm까지의 체 시리즈를 사용하여 수행되었으며, 이를 통해 굵은 골재, 모래, 화산재의 비율을 분류하였다.

주요 결과

• 압축 강도: 고대 모르타르는 2.77 MPa에서 4.39 MPa 사이의 압축 강도를 나타냈다. SF(세era 요새) 샘플이 가장 높은 강도(4.39 MPa)를 보였고, SP(살라마 풀) 샘플이 가장 낮은 강도(2.77 MPa)를 보였다. 강도의 가변성은 시편의 기하학적 형태보다는 모르타르 매트릭스의 본질적인 불균질성에 기인하였다.
• 조성 분석:
  • 결합재 함량: TGA 결과, 탄산화된 석회(CaCO₃) 함량은 중량 대비 28%에서 34% 사이로 나타났다.
  • 결합재 대 골재 비율: 중량을 기준으로 계산된 비율은 1:1.93에서 1:2.7 사이였다. 모든 샘플의 평균 비율은 약 1:2.5이다.
  • 골재 조성: 골재는 규질 화산 물질(석영, 미사장석, 알바이트)과 철 산화물로 구성되었다. 분포는 유적지에 따라 달랐다:
    • AC와 SF 샘플은 굵은 골재의 비율이 높았다(각각 41% 및 63%).
    • HP와 SP 샘플은 미세 골재(모래)가 주를 이루었으며, 굵은 골재 함량이 낮았다(각각 32% 및 19%).
    • 모든 샘플에는 약 4~6%의 화산재(<0.15 mm)가 포함되어 있었다.
• 수경성 분류: TGA 데이터(특히 CO₂/H₂O 비율 및 낮은 구조적 결합수)를 바탕으로, 모든 샘플은 수경성 석회 모르타르로 분류되었다. 규산 칼슘 수화물(C-S-H) 및 알루민산 칼슘 수화물(C-A-H) 상을 형성하는 포졸란 반응의 존재가 확인되었으며, 이는 재료의 밀도와 불투과성에 기여하였다.

의의 및 주장
본 연구는 전통적인 카드하드 모르타드 재현을 위한 정량적인 과학적 기준을 확립한다. 주요 의의는 예멘 유산 구조물 보존을 위한 호환 가능한 수리 재료를 개발하는 데 필요한 정확한 기계적 및 조성적 데이터를 제공한다는 점에 있다.

저자들은 식별된 결합재 대 골재 비율(중량 기준 약 1:2.5)과 규질 화산 골재의 특정한 사용이 유산 보존과 현대적 생태 건축 적용 모두를 위한 지속 가능하고 내구성이 뛰어나며 환경적으로 책임 있는 솔루션을 제공한다고 주장한다. 본 연구는 카드하드의 우수한 성능이 단순히 석회 결합재 때문이 아니라, 다음과 같은 정교하고 경험적으로 정제된 조합의 결과임을 강조한다:

1. 석회와 화산 골재 사이의 포졸란 반응.
2. 입자 충진을 향상시키고 공극률을 줄이는 최적화된 골재 입도(굵은 입자, 미세 입자, 재 분획의 혼합).
3. 장기 양생 및 기계적 다짐을 포함한 전통적 가공 기술.

본 논문은 카드하드의 생산이 노동 집약적이지만, 그 조성을 이해함으로써 고성능의 지속 가능한 건설 재료로서 활용될 가능성이 있다고 결론짓는다. 연구 결과는 전통적 지식 체계가 경험적 정제를 통해 고성능 재료를 달성했음을 뒷받일 뿐만 아니라, 현대의 지속 가능한 건설 관행에 귀중한 통찰력을 제공한다. 본 연구는 샘플 세트(4곳의 특정 유적지)에 관한 한계를 인정하면서도, 결과가 우수한 기계적 및 수경적 특성을 가진 카드하드를 생산하기에 충분하다고 단언한다.