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문제 정의
- 이에, 본 연구에서는 황토를 친환경적인 건축적 재료로 이용하기 위해 지역별로 대표적인 황토를 채취하여, 황토의 화학적 특성과 건축용도로 이용할 수 있는 자극제를 찾아 강도발현을 할 수 있는 기초적인 자료를 제시하는데 그 목적이 있다.
- 우리나라에 풍부하게 매장되어 있는 황토의 특성을 알아보기 위해 본 실험에서는 각 지역별 황토를 채취(採取)하여 지역별 황토 및 생석회(CaO), 소석회(Ca(OH)2)와 알칼리자극제를 비율별로 첨가하여 각 재료들간의 적정 첨가량을 고찰하고자 한다. 또한, 각 지역별 황토분체의 X선회절분석(XRD), X선 형광분석(XRF), SEM 촬영, 비중, 조립율 등 기초물성 및 화학적분석을 분석하고, 생석회(CaO), 소석회(Ca(OH)2)와 알칼리자극제를 비율별 첨가하여 X선 회절분석과 SEM 촬영분석을 통한 각 지역별 황토의 특성비교와 강도발현에 관한 분석을 하였다.
- 본 실험은 석회계열 및 자극제 선정 실험에 대한 실험으로 황토에 석회계열인 생석회와 소석회를 첨가한 후, 자극제를 첨가하여 황토에 대한 적정의 석회계열 및 자극제를 선정하는데 있다. 실험의 인자 및 수준은 다음 표 2와 같다.
제안 방법
- )와 알칼리자극제를 비율별로 첨가하여 각 재료들간의 적정 첨가량을 고찰하고자 한다. 또한, 각 지역별 황토분체의 X선회절분석(XRD), X선 형광분석(XRF), SEM 촬영, 비중, 조립율 등 기초물성 및 화학적분석을 분석하고, 생석회(CaO), 소석회(Ca(OH)2)와 알칼리자극제를 비율별 첨가하여 X선 회절분석과 SEM 촬영분석을 통한 각 지역별 황토의 특성비교와 강도발현에 관한 분석을 하였다.
- 지역별 황토에 대한 기초 분석과 석회계열 및 자극제 선정 실험이다. 각각의 흙에 대한 비중, 조립률 및 XRD/ XRF, SEM을 이용하여 각 지역의 특성을 분석하고, 강도발현에 대한 실험으로 석회계열인 생석회(CaO)와 소석회 (Ca(OH)2)를 자극제와 함께 분말황토에 첨가하여 모르터압축강도 및 해교성 실험결과를 통해 황토를 이용한 석회계열 및 자극제의 강도발현방법을 알아보고자 한다.
- 전국을 사등분하여 지역별로 강원도 영월, 경상도 산청, 충청도 부여, 전라도 무안 지역의 황토를 채취하여 각 지역별 황토에 대한 기초분석을 하였다. 그 중 강도실험의 경우, 전라도의 무안흙과 D사에서 생산되는 산청산 비소성 황토분말(비표면적은 약 3,300㎠/g)을 사용하였다.
- 본 배합은 황토에 대한 석회계열 및 자극제 선정에 관한 실험으로 무안황토와 산청산 분말황토를 이용하였다. 분말황토와 석회계열 및 자극제의 각각의 첨가량은 80 : 18 : 2의 비율이며 잔골재를 황토와 1: 1로 정하였다. 각 재료의 조건을 만족하기 위해 W/B는 52%로 고정하였다.
- 지역별 황토를 약 100℃의 온도에 24시간 건조시킨 후, 500g을 개량하고 각 표준망체에 수비로 체가름하여 조립율을 분석하였다.
- 지역별 황토내의 광물 및 화학성분 확인을 위해 X-선 형광분석기(XRF) 및 X-선 회절분석기(XRD)를 이용하여 실험을 실시하였으며, 생성광물의 확인을 위해 X-선 회절 분석기 (Philips Pw3710, Holland)를 이용하여 실시하였으며, 회절조건은 40Kv, 30A, Step size 0.04, Time per Step 0.5초로 행하였다. 이때 측정한 황토는 시편내의 수분을 완전히 제거 후 볼밀로 분쇄한 분말을 사용하였다.
- KS L 5105(수경성 시멘트 모르터의 압축강도)의거 50×50×50mm의 입방형 몰드에 실험 24시간 후 탈형하여 각 3일, 7일, 28일간 기건양생하여 압축강도를 측정하였다.
- 50×50×50mm의 입방형 몰드를 성형 후 탈형하여 실험시편을 수돗물에 30일간 넣어 물풀림을 조사하였다.
대상 데이터
- 지역별 황토의 공학적 특성에 관한 실험적 연구로서 강원도 영월, 경상도 산청, 충청도 부여, 전라도 무안 지역의 황토를 선정하여 실험에 임하였다.
- 전국을 사등분하여 지역별로 강원도 영월, 경상도 산청, 충청도 부여, 전라도 무안 지역의 황토를 채취하여 각 지역별 황토에 대한 기초분석을 하였다. 그 중 강도실험의 경우, 전라도의 무안흙과 D사에서 생산되는 산청산 비소성 황토분말(비표면적은 약 3,300㎠/g)을 사용하였다.
- 황토를 고결화시키는 실험에 사용된 첨가재 재료는 석회종류로는 생석회와 소석회, 석고종류에는 무수석고와 반수석고, 알칼리 자극제로는 무수염화칼슘, 이수염화칼슘, 무수황산나트륨, 십수황산나트륨, 염화나트륨을 사용하였다.
- 무안지역의 바다모래를 세척 후 2.5mm체에 걸러 사용하였으며 물리적 특성은 표 1과 같다.
- 본 배합은 황토에 대한 석회계열 및 자극제 선정에 관한 실험으로 무안황토와 산청산 분말황토를 이용하였다. 분말황토와 석회계열 및 자극제의 각각의 첨가량은 80 : 18 : 2의 비율이며 잔골재를 황토와 1: 1로 정하였다.
- 시편의 결정입자들을 확인하기 위해 주사전자현미경 (SEM; Scanning Electron Microscopy)을 사용하였으며, 사용된 재료는 시편을 분쇄하여 편형으로 분쇄된 시편 조각을 사용하였다.
이론/모형
- KS F 2308(흙의 비중 시험 방법)에 의거하여 실험하였다.
성능/효과
- 지역별 황토에 대한 비중을 측정한 결과, 표 4와 같이 각 지역별로 비중의 차이가 나타났다. 충청도 황토가 네 지역 중 가장 비중이 큰 2.61이라는 것을 알 수 있었고, 경상도 황토는 비중이 가장 낮은 2.32라는 것을 알 수 있었다. 위 측정값으로 보아 황토의 비중은 대략 2.
- 074mm이하의 입자를 나타내었다. 각 지역별로 모래 비율보다는 Silt와 Clay비율이 더 높다는 것을 알 수 있었다. 추후 Silt와 Clay비율에 의한 건축재료의 이용에 관한 세밀한 연구가 필요할 것으로 사료된다.
- 강원도 황토의 경우 다른 지역에 비해 Al2O3가 적은 반면에 CaO함량이 많은 것으로 보아 석회석 계열의 황토라는 것을 알 수 있었다. 경상도 황토의 경우 Fe2O3비율이 가장 높아 색상이 적갈색에 가깝다는 것을 알 수 있었으며, Al2O3비율이 가장 높다는 것을 알 수 있었다.
- 가 적은 반면에 CaO함량이 많은 것으로 보아 석회석 계열의 황토라는 것을 알 수 있었다. 경상도 황토의 경우 Fe2O3비율이 가장 높아 색상이 적갈색에 가깝다는 것을 알 수 있었으며, Al2O3비율이 가장 높다는 것을 알 수 있었다. 그러나 충청도 황토의 경우 SiO2 비율이 가장 높았고 전라도 황토의 경우 Fe2O3의 비율이 비교적 높은 것으로 보아 수산화철광물을 많이 포함하여 색상이 황갈색에 가깝다는 것을 알 수 있었다.
- 경상도 황토의 경우 Fe2O3비율이 가장 높아 색상이 적갈색에 가깝다는 것을 알 수 있었으며, Al2O3비율이 가장 높다는 것을 알 수 있었다. 그러나 충청도 황토의 경우 SiO2 비율이 가장 높았고 전라도 황토의 경우 Fe2O3의 비율이 비교적 높은 것으로 보아 수산화철광물을 많이 포함하여 색상이 황갈색에 가깝다는 것을 알 수 있었다. 또한, 황토는 공통적으로 SiO2 과 Al2O3를 주성분으로 가지고 있어서 포졸란 반응을 할 수 있다는 것을 알 수 있었다.
- 그러나 충청도 황토의 경우 SiO2 비율이 가장 높았고 전라도 황토의 경우 Fe2O3의 비율이 비교적 높은 것으로 보아 수산화철광물을 많이 포함하여 색상이 황갈색에 가깝다는 것을 알 수 있었다. 또한, 황토는 공통적으로 SiO2 과 Al2O3를 주성분으로 가지고 있어서 포졸란 반응을 할 수 있다는 것을 알 수 있었다.
- 지역별 황토의 XRD성분분석 결과, SiO2와 Halloysite 및 Kaolinite, Dolomite 성분을 확인할 수 있었으며 그림 3a)의 강원도 지역 황토에서는 Dolomite 성분으로 보아 석회암층으로 확인할 수 있었고, 알칼리 골재반응을 일으킬 수 있는 황토로 판단된다. 경상도지역의 황토에서는 그림 2의 b)에서 보는 바와 같이 완만한 피크점들을 이루고 메타카올린(Meta-Kaolin)의 원료인 Kaolinite과 Halloysite 성분을 확인할 수 있어 향후 이러한 성분을 이용하여 비결정질의 유리질로서 잠재 수경성의 특징을 가지는 새로운 건축재료의 개발 가능성을 확인할 수 있었다.
- 충청도와 전라도 황토의 경우, 국내에서 산출되는 카올린의 대부분인 Halloysite를 확인할 수 있었다. 또한, 강원도를 제외한 세 지역에서는 Halloysite를 많이 발견할 수 있는 것으로 보아 우리나라에 분포되어 있는 황토는 카올린계의 Halloysite가 많이 분포되어 있음을 알 수 있었다. 특히, 산청황토의 경우 Kaolinite과 Halloysite의 두가지 성분을 모두 확인할 수 있어서 다른 지역의 황토성분과 다른 경상도 황토에 대한 심도 있는 연구가 필요할 것으로 사료된다.
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4) 지역별 황토의 SEM 사진
사진1에서 보는바와 같이 각 지역별황토의 SEM사진을 통해 황토의 입자간 공극률 50~55%를 차지하는 다공질의 개기공 구조로 지역별 황토구조의 차이가 뚜렷하게 구별되지 않았고, 일부분에서 불규칙한 판상형의 입자모양을 확인할 수 있었다.
- 실험결과, 표 7,8과 그림 4에서 보는 바와 같이 순수 황토만을 이용한 배합에서는 강도발현이 전혀되지 않았다. 반면에 석회계열과 자극제를 배합한 결과, 전체적으로 초기강도는 두 종류의 석회계열 모두 뚜렷한 차이가 나타나지 않았고, 28일 장기강도에서는 석회계열과 자극 제의 종류에 따른 차이가 있는 것으로 나타났다. 또한, 산청황토의 강도가 전라도 무안황토에 비해 장기강도가 더 발현하여 앞으로 건축재료에 이용할 황토로는 산청황토 지역이 더 좋다는 것을 알 수 있었다.
- 반면에 석회계열과 자극제를 배합한 결과, 전체적으로 초기강도는 두 종류의 석회계열 모두 뚜렷한 차이가 나타나지 않았고, 28일 장기강도에서는 석회계열과 자극 제의 종류에 따른 차이가 있는 것으로 나타났다. 또한, 산청황토의 강도가 전라도 무안황토에 비해 장기강도가 더 발현하여 앞으로 건축재료에 이용할 황토로는 산청황토 지역이 더 좋다는 것을 알 수 있었다.
- 반면, 소석회의 경우, 염화칼슘을 첨가한 배합이 초기강도에는 높은 발현을 하지 못하였으나 장기강도인 재령28일의 경우 150kgf/cm2으로 가장 높은 강도를 나타냈다. 이에 황토의 강도발현에 적합한 석회계열의 재료는 생석회보다 소석회가 장기강도발현 시 안정된 석회계열이라 사료되며, 소석회중에서 가장 높은 장기강도발현의 자극제로는 그림3에서와 같이 CaCl2가 가장 적합한 것으로 나타났다.
- 실험결과를 볼 때 황토만 사용한 배합은 단순히 응집작용에 의해 물에 쉽게 풀린 반면, 석회계열과 자극제를 첨가한 실험배합 모두 30일 동안 물에 풀리지 않음을 확인할 수 있었다. 이는 황토의 실리카 성분이 석회의 수산화칼슘과 결합하여 화학적 응결을 일으켜 포졸란 반응을 하여 불용성의 결합물이 되었음을 알 수 있었다.
- 사진 2에서 보는바와 같이 황토와 석회가 서로 반응하기 전인 원황토의 SE M에서의 많은 공극이 조금씩 줄어들고 서로간의 치밀한 구조로 되어 시간이 지남에 따라 강도가 증진하는 과정을 확인할 수 있었고, 그 원인은 황토와 석회가 수화반응에 의해 포졸란 반응물인 CSH gel과 CASH gel의 생성에 의한 것이라 사료되어진다.
- 1) 각 지역별 황토의 비중은 충청도 황토의 경우, 네 지역 중 가장 비중이 크고, 경상도 황토의 경우 비중이 가장 낮다는 것을 알 수 있었고 황토의 비중이 대략 2.5정도 되는 것을 알 수 있었다. 또한 입도분석결과 경상도 지역의 황토가 Silt와 Clay가 가장 많은 것을 알 수 있었다.
- 5정도 되는 것을 알 수 있었다. 또한 입도분석결과 경상도 지역의 황토가 Silt와 Clay가 가장 많은 것을 알 수 있었다.
- 2) 지역별 황토의 XRF/XRD를 분석한 결과 경상도지역의 황토에서는 주로 메타카올린(Meta-Kaolin)의 원료라 할 수 있는 카올리나이트(Kaolinite)와 할로이사이트(Halloysite)성분을 확인할 수 있어서 향후 이러한 특성을 이용하여 비결정질의 유리질로서 잠재 수경성의 특징을 가지는 새로운 건축재료의 개발 가능성을 확인할 수 있었다.
- 3) 황토에 대한 석회계열의 적정재료는 생석회(CaO)보다는 소석회(Ca(OH)2)가 자극제인 CaCl2와 함께 첨가되었을 시 28일의 장기강도발현이 잘 되었음을 확인할 수 있었다.
- 4) 황토의 강도발현원리 규명을 위한 XRD분석결과 같은 지역의 시편과 XRD분석결과 피크점들이 완만하여 비결정질의 유리질로 잠재수경성을 확인할 수 있으며, 경상도 황토의 경우 XRD기초자료 분석결과 비결정질의 유리질로서 잠재수경성을 나타낸바, 차후 다른 혼화재의 첨가량에 따라 고강도발현의 가능성을 가지고 있었다.
- 5) 실험시편에 대한 해교성 실험결과 황토만을 사용한 배합의 경우 단순히 응집작용만을 하여 물에 쉽게 풀린 반면, 석회계열과 자극제를 첨가한 배합 모두 해교성이 없는 것을 확인할 수 있었다. 이는 물에 대한 저항성 및 포졸란 반응에 의해 황토를 건축재료로 사용할 수 있는 가능성을 확인하였고, 경상도 황토의 강도가 전라도 황토에 비해 장기강도가 높아 앞으로 건축 재료에 이용할 경우 경상도 지역 황토가 석회계열 및 자극제와의 반응성이 더 좋다는 것을 알 수 있었다.
- 5) 실험시편에 대한 해교성 실험결과 황토만을 사용한 배합의 경우 단순히 응집작용만을 하여 물에 쉽게 풀린 반면, 석회계열과 자극제를 첨가한 배합 모두 해교성이 없는 것을 확인할 수 있었다. 이는 물에 대한 저항성 및 포졸란 반응에 의해 황토를 건축재료로 사용할 수 있는 가능성을 확인하였고, 경상도 황토의 강도가 전라도 황토에 비해 장기강도가 높아 앞으로 건축 재료에 이용할 경우 경상도 지역 황토가 석회계열 및 자극제와의 반응성이 더 좋다는 것을 알 수 있었다.
- 6) SEM측정결과 각각의 배합에서는 원황토의 많은 공극이 조금씩 줄어들고 서로간의 치밀한 구조로 되어 강도를 증진하는 과정을 확인할 수 있었고, 그 원인은 포졸란 반응에 의한 것이라 사료된다.
후속연구
- 각 지역별로 모래 비율보다는 Silt와 Clay비율이 더 높다는 것을 알 수 있었다. 추후 Silt와 Clay비율에 의한 건축재료의 이용에 관한 세밀한 연구가 필요할 것으로 사료된다.
- 와 Halloysite 및 Kaolinite, Dolomite 성분을 확인할 수 있었으며 그림 3a)의 강원도 지역 황토에서는 Dolomite 성분으로 보아 석회암층으로 확인할 수 있었고, 알칼리 골재반응을 일으킬 수 있는 황토로 판단된다. 경상도지역의 황토에서는 그림 2의 b)에서 보는 바와 같이 완만한 피크점들을 이루고 메타카올린(Meta-Kaolin)의 원료인 Kaolinite과 Halloysite 성분을 확인할 수 있어 향후 이러한 성분을 이용하여 비결정질의 유리질로서 잠재 수경성의 특징을 가지는 새로운 건축재료의 개발 가능성을 확인할 수 있었다. 충청도와 전라도 황토의 경우, 국내에서 산출되는 카올린의 대부분인 Halloysite를 확인할 수 있었다.
- 또한, 강원도를 제외한 세 지역에서는 Halloysite를 많이 발견할 수 있는 것으로 보아 우리나라에 분포되어 있는 황토는 카올린계의 Halloysite가 많이 분포되어 있음을 알 수 있었다. 특히, 산청황토의 경우 Kaolinite과 Halloysite의 두가지 성분을 모두 확인할 수 있어서 다른 지역의 황토성분과 다른 경상도 황토에 대한 심도 있는 연구가 필요할 것으로 사료된다.
- 7) 추후, 위의 실험결과를 토대로 혼화재 첨가율에 따른 고강도배합의 심도있는 검토와 연구가 필요하다고 하겠다.
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