[논문]시멘트 모르타르의 물리적 특성에 미치는 맥반석 골재의 영향

추용식; 김인섭; 이종규

doi:10.4334/jkci.2003.15.3.386

문제 정의

그러므로 본 연구에서는 1mm 전후로 분쇄된 맥반석 자체의 특성 분석과 더불어 분쇄 맥반석을 시멘트 모르타르용 골재로 사용하여, 맥반석 골재가 시멘트 모르타르의 물리적 특성에 미치는 영향을 고찰해 보고자 하였다. 또한 이러한 특성 검토를 통하여 KS 규격의 기초적 물성을 만족시키며, 최적의 기능성을 갖는 시멘트 모르타르 제조 조건도 확인해 보고자 하였다.
또한 상기의 검토 결과를 토대로 맥반석 골재를 사용한 모르타르의 최적 기능성을 발현하는 제반조건을 다음과 같이 도출하였다.
또한 이러한 특성 검토를 통하여 KS 규격의 기초적 물성을 만족시키며, 최적의 기능성을 갖는 시멘트 모르타르 제조 조건도 확인해 보고자 하였다.
맥반석 골재는 BET법에 의한 가스 흡착에 의해 비표면적 및 기공율을 측정하였고, 습식법에 의해 화학분석을 행하였다. 또한 흡수율과 안정성 등을 실험하여 골재로서의 사용가능 성을 검토하였다. 흡수율은 KS F 2504(잔골재의 비중 및 흡수율 시험방법), 안정성은 KS F 2507(골재의 안정성 시험 방법)에 따라 시험하였다.
본 실험에서는 맥반석의 자체의 물리 · 화학적 특성을 분석하였으며, 맥반석 골재가 시멘트 모르타르에 미치는 물리적 특성을 검토하여 아래와 같은 결과를 도출하였다.

가설 설정

(a)에서와 같이 1mm 전후였으며, (b) 사진의 골재 표면에서는 거친 형태의 표면과 기공이 다량 관찰되었다. 주사전자현미경을 통해 확인한 기공의 함량을 확인하기 위해 BET법(Mcroiraitics社 Model:ASAP 2010)에 의한 비표면적 및 기공율을 측정하였으며, 측정 결과는 Table3 에 나타내었다.

제안 방법

또한 제조된 맥반석 모르타르를 이용하여 압축강도 보수성, 열적 특성(열전도도, 축열기능), 원적외선 방사기능 및 탈취율 등을 검토하였다. 이때 혼합수의 함량은 맥반석 모르타르의 flow 값이 100±5%가 되도록 첨가하였다.
1의 실험공정도와 같이 1mm 전후의 입도를 갖도록 분쇄된 맥반석의 자체 특성을 분석하고, 분쇄된 맥반석을 잔골재로 활용하여 시멘트 모르타르(이하 맥반석 모르타르라 한다)를 제조하였다. 맥반석 모르타르를 제조하기 위해 Table 1 에 나타낸 1종 보통 포틀랜드 시멘트와 맥반석 골재의 비율을 1:2.0, 1:2.5, 1:3.0 등으로 배합하였으며, 국내 S사의 분말 유동화제를 0.1% 고정 첨가하였다. 맥반석 골재는 BET법에 의한 가스 흡착에 의해 비표면적 및 기공율을 측정하였고, 습식법에 의해 화학분석을 행하였다.
본 연구는 Fig. 1의 실험공정도와 같이 1mm 전후의 입도를 갖도록 분쇄된 맥반석의 자체 특성을 분석하고, 분쇄된 맥반석을 잔골재로 활용하여 시멘트 모르타르(이하 맥반석 모르타르라 한다)를 제조하였다. 맥반석 모르타르를 제조하기 위해 Table 1 에 나타낸 1종 보통 포틀랜드 시멘트와 맥반석 골재의 비율을 1:2.
탈취율은 특정 냄새에 대한 제거능력 정도를 말하며, 가스농도 측정은 가스 검지관으로 측정한다. 본 연구에서는 암모니아 가스를 사용하여 초기, 30분, 60분, 90분, 120분 간격으로 가스농도를 측정하였다
제조된 맥반석 모르타르를 사용하여 원적외선 방사율과 방사에너지를 측정하였으며, 이 결과를 Table 6에 나타내었다.
축열기능은 Fig. 2에서와 같이 열전도도 측정이 완료된 시편의 옆면 중앙에 5cm 깊이로 삽입구를 만들어 온도계를 삽입하여 검토하였다. 온도계가 삽입된 모르타르를 건조기에서 가열하여 시편의 온도가 50 ℃가 되면 23 ℃의 실내로 꺼내 냉각하였으며, 이후 모르타르의 냉각 시간 변화를 45 ℃부터 30 ℃까지 5 ℃ 간격으로 측정하였다
탈취율 효과를 확인하기 위해서 플라스크에 시료를 넣은 후 시간별 탈취율 변화를 측정하였다 사용한 가스는 암모니아 가스로 초기 500ppm에서 120분까지의 시간 경과에 따라 탈취율을 측정하였으며, 이 결과를 Fig. 6에 나타내었다.

이론/모형

1% 고정 첨가하였다. 맥반석 골재는 BET법에 의한 가스 흡착에 의해 비표면적 및 기공율을 측정하였고, 습식법에 의해 화학분석을 행하였다. 또한 흡수율과 안정성 등을 실험하여 골재로서의 사용가능 성을 검토하였다.
보수성은 KS L 5219(메이슨리 시멘트)의 보수성 시험 방법에 의해 시험하였다. 이는 모르타르 flow가 110±5% 가 되도록 준비된 모르타르의 혼합수 일부를 보수성 시험기에서 제거하고 다시 flow를 측정하여 전후 flow비를 구하는 방법이다.
이는 모르타르 flow가 110±5% 가 되도록 준비된 모르타르의 혼합수 일부를 보수성 시험기에서 제거하고 다시 flow를 측정하여 전후 flow비를 구하는 방법이다. 열전도도 측정을 위해서 8×16×4(W×L×H)cm의 크기로 시편을 성형하고, 성형된 시편을 1일 동안 습기 함에 유지한 후 27일간 23 ℃ 수중에서 양생시켰다 열전도도는 JIS R 2618(열선법에 의한 열전도율 측정 방법)에 따라 측정하였으며, 이 방법은 준비된 시편에 열선이 장착된 열전도도 측정장비를 올려놓은 후 장비내 열선에서의 열확산 속도를 측정하는 것이다.
원적외선 및 탈취율은 한국원적외선협회의 단체 규격에 따라 시험하였다. 원적외선은 적외선 방사 에너지를 이상 흑체의 방사 에너지와 동일 온도에서 대비하여 적외선 방사율을 산출하는 방법으로, 본 연구에서는 40 ℃ 조건에서 시험하였다.
맥반석 골재의 입자 크기는 (a)에서와 같이 1mm 전후였으며, (b) 사진의 골재 표면에서는 거친 형태의 표면과 기공이 다량 관찰되었다. 주사전자현미경을 통해 확인한 기공의 함량을 확인하기 위해 BET법(Mcroiraitics社 Model:ASAP 2010)에 의한 비표면적 및 기공율을 측정하였으며, 측정 결과는 Table3 에 나타내었다. 맥반석의 비표면적은 3.
또한 흡수율과 안정성 등을 실험하여 골재로서의 사용가능 성을 검토하였다. 흡수율은 KS F 2504(잔골재의 비중 및 흡수율 시험방법), 안정성은 KS F 2507(골재의 안정성 시험 방법)에 따라 시험하였다.

성능/효과

1) 맥반석의 주요 화학성분은 SiO₂와 Al₂O₃ 이었으며, 주요 결정상은 quartz와 silimanite 이었다.
1) 맥반석의 함량이 증가할수록 압축강도는 감소하였으며, 맥반석 배합비가 1:2.5 이하에서는 KS 규격을 만족시키는 결과를 도출하였다. 보수성은 맥반석의 함량이 증가함에 따라 향상되는 경향을 나타내었다
1:3.0 미만의 배합비에서는 KS L 5220(건조 시멘트 모르타르-바닥용)의 규정치인 7일 강도 140kgf/cm² 이상, 28일 강도 210kgf/cm² 이상을 만족하는 수준이나, 1:3.0에서는 규정치를 만족시키지 못하였다. 그러므로 맥반석 모르타르의 배합비는 1:2.
2) 맥반석 골재의 미세구조 관찰 결과, 골재의 표면은 매우 거친 형태이며 입자 표면에 다수의 기공이 관찰되었다.
2) 맥반석의 함량이 증가함에 따라 열전도도는 낮아졌으며, 축열기능은 우수하여 냉각 시간이 길어지는 경향을 나타내었다. 골재 비율이 1:2.
3) 맥반석 골재를 사용하였을 경우 모래보다 방사율 및 방사에너지가 크게 얻어짐을 확인하였으며, 특히 맥반석 골재 배합비가 1:3.0인 모르타르에서는 방사율이 91.6%, 방사에너지는 353 W/m² . ㎛ 로 매우 높은 값을 나타내어, 맥반석의 함량이 증가함에 따라 원적외선 방사율과 방사에너지는 증가함을 알 수 있었다.
3) 맥반석 골재의 흡수율은 2.09 %이었고, 안정성은 2.6% 를 나타내어 KS F 2527의 콘크리트용 부순골재 규격을 만족시키는 수준이었다
4) 모래가 1:2.5로 배합된 모르타르는 120분이 지난 후 63 %의 탈취효과를 보였으나, 동일 배합비의 맥반석 모르타르에서는 77%의 탈취효과를 나타내었다. 그러므로 맥반석 모르타르의 탈취효과가 우수함을 알 수 있었으며, 또한 맥반석의 함량이 증가함에 따라서도 탈취율은 큰 폭으로 증가하였다
국내에서는 1990년대 들어서 모르타르 시공이 일반화되기 시작하였으며, 최근에는 고성능 혼화제의 사용에 따라 모르타르 사용량이 증가하고 있는 추세이다.⁴⁾ 모르타르 시공은 현장배합 시의 모래를 체로 치고 시멘트와 손비빔하는 조공이 필요 없어 인건비가 절감되고, 공기가 단축될 수 있으며, 도심지 공사인 경우 협소한 작업공간에서도 손쉽게 작업할 수 있다는 장점이 있기 때문이다.
5) 맥반석 골재 함량이 증가하면 축열기능, 원적외선 방사율 및 탈취효과가 우수하나, 맥반석 모르타르의 압축강도 및 열전도도 특성은 불량해지는 경향을 나타내었다. 그러므로 본 연구에서는 맥반석 모르타르 배합비 1:2.
6%, 방사에너지는 353 W/m² . ㎛ 로 매우 높은 값을 나타내어, 맥반석의 함량이 증가함에 따라 원적외선 방사율과 방사에너지는 증가함을 알 수 있었다.
0%, 방사에너지는 351 W/m² . ㎛ 이었다 즉 모래보다는 맥반석 활용시 방사율 및 방사에너지가 높음을 알 수 있었다 또한 맥반석 함량이 증가함에 따라 방사율과 방사에너지는 증가하는 경향을 나타내었으며, 1:3.0 배합비에서는 방사율이 91.6%, 방사에너지는 353 W/m² . ㎛ 로 높은 값을 나타내었다.
5로 배합된 모르타르는 120분이 지난 후 63 %의 탈취효과를 보였으나, 동일 배합비의 맥반석 모르타르에서는 77%의 탈취효과를 나타내었다. 그러므로 맥반석 모르타르의 탈취효과가 우수함을 알 수 있었으며, 또한 맥반석의 함량이 증가함에 따라서도 탈취율은 큰 폭으로 증가하였다
나타내었다. 그러므로 본 연구에서는 맥반석 모르타르 배합비 1:2.5 (W/C=0.55) 조건에서 KS 규정치의 기초적 물성을 만족시키며, 최적의 기능성을 발현하는 것으로 판단하였다.
동일한 배합비 조건에서 모래 사용시보다 맥반석 골재를 사용했을 경우 열전도도가 낮아짐을 확인할 수 있었다. 이는 맥반석 모르타르 제조시 혼합수의 증가에 따라 발생하는 기공의 증가 및 맥반석 골재 자체의 기공이 열전도도에 좋지 못한 영향을 미치는 것으로 판단된다.
주사전자현미경을 통해 확인한 기공의 함량을 확인하기 위해 BET법(Mcroiraitics社 Model:ASAP 2010)에 의한 비표면적 및 기공율을 측정하였으며, 측정 결과는 Table3 에 나타내었다. 맥반석의 비표면적은 3.0048 m²/g, 기공율은 1.179xl0^-3cm³/g이었으며, 모래의 결과값과 비교시에 비표면적은 7.75배, 기공률은 6.89배로 매우 높은 수치를 나타내었다.
모래가 1:2.5로 배합된 모르타르는 120분이 지난후 63 %의 탈취효과를 나타내는 반면, 동일한 배합비의 맥반석 모르타르에서는 77 %의 탈취효과를 나타내어 맥반석 모르타르의 탈취 효과가 좀 더 우수함을 확인할 수 있었다. 이는 맥반석 골재 자체의 기공 및 배합비 증가에 따른 수화물의 기공 증가에 의해 가스 흡착이 우수해 지기 때문으로 판단된다.
나타내었다. 모래를 사용한 모르타르의 열전도도는 모래 함량이 증가함에 따라 감소하였으며, 맥반석 골재를 사용한 경우에도 함량 증가에 따라 열전도도가 감소하였다.
본 연구에 사용한 맥반석 골재의 흡수율은 2.09%이었으며, 이는 KS 규정치³⁾인 3.0 %보다 낮으나, 일반 부순 잔골재의 흡수율(1% 전후의 값을 갖음)에 비교하면 높은 수치이다. 이는 맥반석의 주사전자현미경 사진, 맥반석의 비표면적 및 기공율 측정 결과에서와 같이 맥반석 골재에 기공이 존재하여, 이들 기공 내부로 수분이 흡수되기 때문으로 판단된다.
이는 황산나트륨 용액에 골재를 넣은 후 용액의 결정화에 따라 압력을 받도록 하는 방법으로, 이 결정압에 의해 골재의 일부가 손실되는 정도를 평가하는 방법이다. 본 연구에서 사용한 맥반석 골재의 안정성은 2.6 %로 KS 규정치³⁾인 10% 이내를 충분히 만족시키는 수준이었다.
5 배합에서 모래와 비교할 경우, 냉각 시간은 14분 지연되었다. 즉 축열 기능은 맥반석 골재를 사용한 모르타르가 우수하였으며, 맥반석 함량이 증가할수록 축열 기능은 더욱 향상된다는 것을 확인할 수 있었다.

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