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문제 정의
- 본 연구는 황토벽체(목조가구+황토벽)를 구성하는 황토의 물리적 특성을 파악하기 위한 것으로 황토와 부재료의 배합비로 제작한 시험체에 대한 균열특성, 압축강도, 휨강도, 전단강도을 파악하기 위한 실험을 수행하였으며, 결론은 다음과 같다.
- 본 연구의 범위는 황토의 이점을 최대한으로 살리기 위해 자연 보조 재료를 사용하여 황토와 보조재를 결합함으로써 시공성 향상과 강도를 최대한으로 끌어올리고 건축용 황토벽 재료로서의 가능성을 높이기 위한 실험이다. 실험은 예비시험과 본 실험으로 나누어서 수행하였으며, 예비시험에서는 본 실험에 사용할 물·황토의 비(W/H) 를 도출하기 위한 시험이었다.
- 특히 황토는 시공 후 건조수축으로 인한 균열로 내구성의 저하 및 강도의 저하, 외기의 침투 등의 문제점이 발생하게 된다. 이러한 상황을 미연에 방지하고 조금이라도 성능을 개선하기 위하여 각종 재료의 배합 및 배합재료에 따른 과학적인 성능의 평가를 토대로 황토벽의 성능향상에 조금이라도 보탬이 되고자 한다.
제안 방법
- HW시험체는 예비실험결과에 기초하여 황토(H)와 물(W)의 비를 30%로 배합하였으며, 모래를 가미한 HWS시험체의 경우는 황토(H)와 모래(S)의 중량비를 동일하게 하였으며, 물(W)은 시공성을 고려하여 처음에 20%를 넣고 비빈 후에 조금씩 추가하여 최종적으로 23%로 하였다. HSWT05시험체와 HSWT10시험체는 HSW시험체의 배합을 기본으로 하였으며, 균열을 제어하기 위해서 황토와 모래의 중량비(B)를 기준으로 짚의 혼입량을 각각 0.5%와 1.0%를 투입하였다.
- 표 2는 시험체의 배합을 나타내고 있다. HW시험체는 예비실험결과에 기초하여 황토(H)와 물(W)의 비를 30%로 배합하였으며, 모래를 가미한 HWS시험체의 경우는 황토(H)와 모래(S)의 중량비를 동일하게 하였으며, 물(W)은 시공성을 고려하여 처음에 20%를 넣고 비빈 후에 조금씩 추가하여 최종적으로 23%로 하였다. HSWT05시험체와 HSWT10시험체는 HSW시험체의 배합을 기본으로 하였으며, 균열을 제어하기 위해서 황토와 모래의 중량비(B)를 기준으로 짚의 혼입량을 각각 0.
- 균열측정은 균열이 거의 종료된 시점(시험체 제작 후 2주 경과된 시점)에서 측정하였으며, 배합별 상대적인 비교를 위해 균열이 발생하기 쉽도록 두께를 20mm로 하였다. 그림 6은 각 배합별 균열형상을 나타내고 있으며, 황토와 물로 배합된 HW시험체의 균열은 격자형으로 많은 균열이 발생하였으며, 최대균열폭도 가장 크게 나타났다.
- 본 방법은 콘크리트재료 등에 일반적으로 실시되는 방법이지만, 시험에 휨의 영향이 작용하는 것이 알려져 있다. 따라서 전단파괴가 예상되는 부분은 자유롭게 하고, 휨파괴에 의해 영향을 받는 시험체의 상하면의 일부를 금속제의 철물로 구속하여 재하시험을 수행하였다. 재하는 변위제어로 하고, 재하속도는 1mm/min로 하였으며, 전단강도는 식 3을 통하여 계산하였다.
- 본 실험은 네가지 수준의 배합을 기본으로 하고, 균열길이 및 균열면적 측정, 재령별로 압축강도, 휨강도 및 전단 강도에 대한 실험을 수행하였다. 표 2는 시험체의 배합을 나타내고 있다.
- 실험은 예비시험과 본 실험으로 나누어서 수행하였으며, 예비시험에서는 본 실험에 사용할 물·황토의 비(W/H) 를 도출하기 위한 시험이었다. 본 실험은 예비시험에서 도출한 W/H=30%의 사용을 기본으로 하고, 보통 사용되고 있는 실제 벽체의 크기를 고려하기 위하여 200x200(mm)단면을 사용하였고 크랙길이와 크기, 압축강도, 휨강도, 전단강도를 재령별로 측정하였다.
- 압축시험은 콘크리트시험의 압축시험방법에 준하여 실시하였다. 시험시 가력은 압축시험체 위에 200x200(mm)의 가력판을 올려놓은 후 중심축력이 작용하도록 하였으며, 하중은 200kN용량의 로드셀(100kN)에 의해 측정하였다. 재하는 변위제어로 하고, 재하속도는 1mm/min로 실시하였으며, 변형도는 스트레인게이지(strain gauge)를 이용하여 측정하였다.
- 황토에 대한 물의 비(W/H)를 중량비 기준으로 하여 30%, 40%, 50%에 대하여 압축공시체(지름 10㎝, 높이 20㎝)를 제작하였으며, 2주일 후에 몰드를 탈형하고, 압축강도, 수축길이, 시공연도, 탈형 후 상태(곰보의 유무)를 고려하여 W/H를 결정하였다. 시험체가 충분히 경화된 10주 후에 압축시험과 수축률을 측정하였다. 시험체는 각각 3개씩 제작하였다.
- 본 연구의 범위는 황토의 이점을 최대한으로 살리기 위해 자연 보조 재료를 사용하여 황토와 보조재를 결합함으로써 시공성 향상과 강도를 최대한으로 끌어올리고 건축용 황토벽 재료로서의 가능성을 높이기 위한 실험이다. 실험은 예비시험과 본 실험으로 나누어서 수행하였으며, 예비시험에서는 본 실험에 사용할 물·황토의 비(W/H) 를 도출하기 위한 시험이었다. 본 실험은 예비시험에서 도출한 W/H=30%의 사용을 기본으로 하고, 보통 사용되고 있는 실제 벽체의 크기를 고려하기 위하여 200x200(mm)단면을 사용하였고 크랙길이와 크기, 압축강도, 휨강도, 전단강도를 재령별로 측정하였다.
- 압축시험체는 그림 3에 나타낸 것과 같이 현장에서 시공되어지는 황토벽체의 강도를 재현하기 위하여 실제 크기인 200x200x400(mm)로 제작하였으며, 재령별(5주, 10주, 15주, 20주)로 3개씩 총 12개씩 제작하였다. 압축시험은 콘크리트시험의 압축시험방법에 준하여 실시하였다.
- 전단시험체의 형상은 그림 5에 나타낸 것과 같이 200x200x600(mm)로 제작하였으며, 각각의 배합에 대해 전단강도를 측정하기 위하여 12개씩 제작하였다. 전단시험체의 재하시험은 그림 5에서와 같이 중앙에서 100mm 떨어진 위치를 전단면으로 하는 2면 전단시험으로 실시한다. 본 방법은 콘크리트재료 등에 일반적으로 실시되는 방법이지만, 시험에 휨의 영향이 작용하는 것이 알려져 있다.
- 황토에 대한 물의 비(W/H)를 중량비 기준으로 하여 30%, 40%, 50%에 대하여 압축공시체(지름 10㎝, 높이 20㎝)를 제작하였으며, 2주일 후에 몰드를 탈형하고, 압축강도, 수축길이, 시공연도, 탈형 후 상태(곰보의 유무)를 고려하여 W/H를 결정하였다. 시험체가 충분히 경화된 10주 후에 압축시험과 수축률을 측정하였다.
- 그림 4에 나타낸 것과 같이 휨시험체의 형상은 200x200x600(mm)로 제작하였으며, 각각의 배합에 대해 휨강도를 측정하기 위하여 12개씩 제작하였다. 휨 재하시험은 스팬을 500mm로 하고, 중앙부의 휨모멘트 구간을 100mm로 하고, 전단스팬이 200mm가 되는 4점 재하시험으로 실험을 수행하였다. 휨시험체의 재하시 하중은 100kN 로드셀을 이용하고 있으며, 변위의 시험체 중앙부에 설치한 변위계로 측정하였다.
- 휨 재하시험은 스팬을 500mm로 하고, 중앙부의 휨모멘트 구간을 100mm로 하고, 전단스팬이 200mm가 되는 4점 재하시험으로 실험을 수행하였다. 휨시험체의 재하시 하중은 100kN 로드셀을 이용하고 있으며, 변위의 시험체 중앙부에 설치한 변위계로 측정하였다. 재하는 변위제어로 하고, 재하속도를 1mm/min로 하였으며 휨강도는 식 2와 같다.
대상 데이터
- 균열시험체는 각 배합에 대한 균열길이와 균열면적을 상대적으로 비교하기 위한 것으로 200×200×20(mm)의 크기로 제작하였다. 시험체는 균열을 강제적으로 발생시키기 위하여 그림 2에 나타낸 것과 같이 시험체 4면의 측면에 3개의 나사못(D6)을 사용하여 30mm정도 황토에 삽입되게 하였다.
- 그림 4에 나타낸 것과 같이 휨시험체의 형상은 200x200x600(mm)로 제작하였으며, 각각의 배합에 대해 휨강도를 측정하기 위하여 12개씩 제작하였다. 휨 재하시험은 스팬을 500mm로 하고, 중앙부의 휨모멘트 구간을 100mm로 하고, 전단스팬이 200mm가 되는 4점 재하시험으로 실험을 수행하였다.
- 시험체가 충분히 경화된 10주 후에 압축시험과 수축률을 측정하였다. 시험체는 각각 3개씩 제작하였다.
- 전단시험체의 형상은 그림 5에 나타낸 것과 같이 200x200x600(mm)로 제작하였으며, 각각의 배합에 대해 전단강도를 측정하기 위하여 12개씩 제작하였다. 전단시험체의 재하시험은 그림 5에서와 같이 중앙에서 100mm 떨어진 위치를 전단면으로 하는 2면 전단시험으로 실시한다.
이론/모형
- 압축시험체는 그림 3에 나타낸 것과 같이 현장에서 시공되어지는 황토벽체의 강도를 재현하기 위하여 실제 크기인 200x200x400(mm)로 제작하였으며, 재령별(5주, 10주, 15주, 20주)로 3개씩 총 12개씩 제작하였다. 압축시험은 콘크리트시험의 압축시험방법에 준하여 실시하였다. 시험시 가력은 압축시험체 위에 200x200(mm)의 가력판을 올려놓은 후 중심축력이 작용하도록 하였으며, 하중은 200kN용량의 로드셀(100kN)에 의해 측정하였다.
성능/효과
- (1) 짚을 혼입한 시험체(HSWT05, HSWT10)의 균열길이와 균열면적은 짚을 사용하지 않은 HW시험체와 HSW 시험체에 비해 각각 7.0%, 2.9%정도로 균열제어 효과가 매우 큰 것을 알 수가 있었다.
- (2) 압축강도, 휨강도, 전단강도는 모든 재령기간에 황토만을 사용한 HW시험체가 약간 높은 값을 나타내었다. 그리고 재령 5주에서는 완전하게 건조되지 않아서 강도가 낮게 나타났으며, 재령 20주의 경우는 재령 15주와 강도차이가 거의 나타나지 않았다.
- (3) 파괴형상에서 HW시험체와 HSW시험체는 최대내력 이후에 내력이 급격하게 저하하지만, 짚을 혼입한 HSW T05시험체와 HSWT10시험체는 짚의 가교작용으로 인해 최대내력 이후에 내력이 완만하게 저하되었다. 따라서 짚을 혼입한 시험체의 경우는 취성적 파괴를 제어할 수 있을 것으로 사료된다.
- ① W/H=30%인 시험체의 압축강도는 0.98MPa로 W/H=40%, 50%인 시험체 보다 1.31배, 1.58배로 높은 값을 나타내었다.
- ③ 시공연도와 탈형 후 상태를 분석한 결과, W/H=30%인 시험체의 경우는 양호하지만, W/H가 높아질수록 나빠지는 경향을 나타내었다.
- 균열방지를 위해 황토와 모래의 중량비(B)에 대해서 짚을 0.5% 투입한 HSWT05시험체의 경우, 재령 5주와 10주에서 전단강도는 0.025N/mm2, 0.091N/mm2으로 나타났으며, 재령 15주와 20주의 전단강도는 0.105N/mm2, 0.110N/mm2으로 나타났다. 즉, 재령 10주까지의 전단강도는 크게 상승하지만, 그 이후는 큰 변화가 없는 것을 알 수가 있었다.
- 43N/mm2으로 거의 차이를 나타내지 않았다. 그리고, 황토와 모래를 중량을 기준으로 1:1로 배합한 HSW시험체에서 재령 5주의 휨강도는 0.13N/mm2이었으며, 재령 10주와 15주의 휨강도는 각각 0.18N/mm2, 0.34N/mm2으로 증가하였다. 한편, 재령 20주의 휨강도은 0.
- 모든 시험체의 중앙에서 휨균열이 발생하여 내력이 저하되었다. 단, 짚을 삽입하지 않은 HW시험체와 HSW 시험체의 경우는 최대내력 후에 급격하게 내력이 저하되었지만, 짚을 혼입한 경우 짚의 가교작용으로 인하여 내력이 완만하게 저하되는 것을 알 수가 있었다.
- 58배 정도 높게 나타난 것을 알 수가 있었다. 또한, HSWT10시험체에서 재령 15주와 20주의 전단강도는 0.101N/mm2, 0.103N/mm2으로 차이가 거의 없는 것으로 나타났다.
- 위의 내용으로 보아 W/H가 30%일 때 강도, 수축 길이, 탈형 후 상태, 시공연도 등 모든 면에서 적합한 것으로 판단되며, W/H=30%이하의 경우는 물이 부족하여 비빔자체가 힘들었다.
- 37N/mm2으로 나타났다. 이상에서 알 수 있는 것과 같이 짚의 혼입률에 의한 휨강도의 차이는 거의 없는 것으로 나타났다.
- 110N/mm2으로 나타났다. 즉, 재령 10주까지의 전단강도는 크게 상승하지만, 그 이후는 큰 변화가 없는 것을 알 수가 있었다. 한편, 짚을 중량비(B)에 대해서 1.
- 5%정도이었다. 한편, 균열을 제어하기 위하여 짚을 황토와 모래의 중량비 기준으로 0.5%, 1.0%를 혼입한 HSWT05시험체와 HSWT10시험체의 균열면적은 69.3mm2, 21.9mm2으로 HW시험체의 균열면적에 비해 2.96%, 0.94%정도로 균열방지에 매우 효과적으로 나타났다.
- 18N/mm2으로 나타났으며, 짚의 혼입률에 의한 차이가 크지 않는 것을 알 수가 있다. 한편, 재령 10주와 15주에서는 짚을 0.5%를 혼입한 HSWT05시험체의 압축강도가 짚을 황토와 모래의 중량비(B)에 1.0%를 혼입한 HSWT10시험체보다 19%, 20%정도 높은 값을 나타내었다. 이는 HSWT10시험체의 경우는 짚의 혼입량이 많기 때문에 분산성의 문제에 의해 결함부위가 발생한 것으로 판단된다.
- 즉, 재령 10주까지의 전단강도는 크게 상승하지만, 그 이후는 큰 변화가 없는 것을 알 수가 있었다. 한편, 짚을 중량비(B)에 대해서 1.0%를 혼입한 HSWT10시험체의 재령 5주의 전단강도는 0.026N/mm2이지만, 재령 10주의 전단강도는 0.093N/mm2으로 재령 5주에 비해서 3.58배 정도 높게 나타난 것을 알 수가 있었다. 또한, HSWT10시험체에서 재령 15주와 20주의 전단강도는 0.
- 8%정도로 나타났다. 한편, 짚을 혼입한 HSWT05시험체와 HSWT10시험체의 균열길이는 각각 60mm, 40mm로 HS 시험체의 균열길이에 비해서 7.3%, 4.8%로 매우 적은 것으로 나타났다. 이는 짚의 혼입에 따른 균열제어 효과가 뛰어난 것을 알 수가 있다.
- 한편, 황토와 모래의 비를 1:1로 한 HSW시험체의 경우는 모래의 혼입에 의해 물의 혼입량을 황토와 모래의 중량비(B)의 23%로 줄일 수 있어서, HW시험체에 비해서 균열량과 최대균열폭도 크게 저감되는 것으로 나타났다. 한편, 짚을 황토와 모래의 중량에 대해서 각각 0.5%, 1.0%씩 혼입한 HSWT05시험체와 HSWT10시험체는 균열이 거의 발생하지 않았으며, 균열의 제어효과가 상당히 높은 것을 알 수가 있었다.
- 그림 6은 각 배합별 균열형상을 나타내고 있으며, 황토와 물로 배합된 HW시험체의 균열은 격자형으로 많은 균열이 발생하였으며, 최대균열폭도 가장 크게 나타났다. 한편, 황토와 모래의 비를 1:1로 한 HSW시험체의 경우는 모래의 혼입에 의해 물의 혼입량을 황토와 모래의 중량비(B)의 23%로 줄일 수 있어서, HW시험체에 비해서 균열량과 최대균열폭도 크게 저감되는 것으로 나타났다. 한편, 짚을 황토와 모래의 중량에 대해서 각각 0.
- 그림 7에 나타낸 배합별 균열길이(crack length)는 그림 6을 스캔한 후 캐드프로그램을 이용하여 균열폭(crack width)은 고려하지 않고 균열길이 만을 합산한 것이다. 황토만을 사용한 HW시험체는 균열의 총연장길이가 825mm로 나타났으며, 황토와 모래를 사용한 HSW시험체는 총연장 균열길이가 370mm로 HW시험체의 44.8%정도로 나타났다. 한편, 짚을 혼입한 HSWT05시험체와 HSWT10시험체의 균열길이는 각각 60mm, 40mm로 HS 시험체의 균열길이에 비해서 7.
- 재령 5주에서 전단강도가 매우 낮은 것은 균열방지를 위해 실내에서 건조시키기 때문에 완전하게 건조가 되지 않았기 때문이다. 황토에 의한 균열발생을 위해 황토와 모래를 중량비(B)를 기준으로 5:5로 배합한 HSW시험체의 경우, 재령 5주와 10주의 전단강도는 0.023N/mm2, 0.088N/mm2으로 나타났으며, 재령 15주와 20주의 전단강도는 각각 0.093N/mm2, 0.096N/mm2으로 HW시험체의 전단강도에 비해서 상대적으로 낮은 값을 나타내었다.
- 46N/mm2으로 15주와 차이가 거의 없었다. 황토의 균열을 방지하기 위하여 짚을 첨가한 HSWT05시험 체와 HSWT10시험체는 재령 5주의 압축강도가 각각 0.20N/mm2, 0.18N/mm2으로 나타났으며, 짚의 혼입률에 의한 차이가 크지 않는 것을 알 수가 있다. 한편, 재령 10주와 15주에서는 짚을 0.
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