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문제 정의
- 이에 본 연구는 국내에 풍부한 황토의 건축재료써 사용을 늘리고 시멘트나 유기화학제품을 전혀 첨가하지 않은 친환경적 재료인 황토결합재를 가지고 콘크리트에 적용하여 구조적 재료로써 배합에 따른 강도성상을 살펴보고, 내구성 실험을 통하여 황토콘크리트와 시멘트콘크리트를 비교하여 건축자재로써 활용 되어질 수 있는지 그 적용 가능성에 대한 기초자료로 활용하고자 하는 것이 그 주요 목적이다.
제안 방법
- 황토콘크리트는 기존에 연구되어 있는 내용을 토대로 실험을 실시하여 황토콘크리트의 적정배합을 찾아내고 내구성 실험을 통하여 황토콘크리트와 시멘트콘리트를 비교․분석하였다. 연구의 흐름은 <표 1>과 같다.
- 본 연구의 1차 실험에서는 시멘트콘크리트 배합비에 황토콘크리트 배합을 적용하여 혼화제는 2%, 잔골재율은 45%로 고정하고, 단위분체량은 300, 400, 500㎏/㎥을 적용하여 단위분체량에 따라 단위수량을 달리하여 실험하였다. 2차 실험에서는 1차실험에서 유동성과 강도를 확보한 실험체배합의 황토콘크리트와 시멘트콘크리트의 내구성을 비교 실험하였다.
- 본 연구의 1차 실험에서는 시멘트콘크리트 배합비에 황토콘크리트 배합을 적용하여 혼화제는 2%, 잔골재율은 45%로 고정하고, 단위분체량은 300, 400, 500㎏/㎥을 적용하여 단위분체량에 따라 단위수량을 달리하여 실험하였다. 2차 실험에서는 1차실험에서 유동성과 강도를 확보한 실험체배합의 황토콘크리트와 시멘트콘크리트의 내구성을 비교 실험하였다.
- KS F 2402에 의거하여 슬럼프 콘에 혼합 완료된 황토콘크리트를 채우고 콘을 들어 올린 후 침하하는 높이를 측정하는 것으로 수밀평판을 수평으로 놓고 슬럼프콘을 평판 중앙에 놓은 후 콘안에 황토콘크리트를 1/3이 되게 채운 후 다짐막대로 25회 다지고 위의 작업을 2회 반복한 후 윗면을 고르고 슬럼프 콘을 들어 올려 측정하였다.
- KS F 2421에 의거하여 공기량 측정장치에 혼합 완료된 황토콘크리트를 3층으로 나누어 채우고 각 층을 다짐막대를 원형으로 고르게 분포시며 각 층을 25회씩 다진다. 고무망치로 용기의 측면을 다짐막대에 의한 빈틈을 막고 맨 위층은 자로 표면을 긁어내어 용기의 상면과 일치켜 건식으로 공기량을 측정하였다.
- KS F 2421에 의거하여 공기량 측정장치에 혼합 완료된 황토콘크리트를 3층으로 나누어 채우고 각 층을 다짐막대를 원형으로 고르게 분포시며 각 층을 25회씩 다진다. 고무망치로 용기의 측면을 다짐막대에 의한 빈틈을 막고 맨 위층은 자로 표면을 긁어내어 용기의 상면과 일치켜 건식으로 공기량을 측정하였다.
- KS F 2405에 의거하여 황토콘크리트는 10×20㎝ 실린더 몰드로 성형하고 기건양생하여 재령 1일에 탈형하여 재령91일까지 수중양생을 실시하면서 UTM을 이용하여 최대하중을 주어 압축강도를 3, 7, 28, 56, 91일 각각 측정하였다.
- 콘크리트 공시체를 20℃의 5%의 염산용액과 5%의 황산용액에 침적시킨 후, 공시체의 침식부분을 와이어브러쉬를 이용하여 긁어낸 다음 중량변화와 압축강도를 측정하였다. 각 약품 용액은 2주가 지나면 새롭게 5%의 황산․염산용액을 만들어 주었다.
- 재령28일간 수중양생한 황토콘크리트 공시체와 시멘트콘크리트 공시체를 20℃의 포화상태의 염화나트륨(NaCl)용액에 침적시킨 후, 공시체의 침식부분을 와이어브러쉬를 이용하여 긁어낸 다음 중량변화와 압축강도를 측정하였다. 각 약품 용액은 2주가 지나면 새롭게 포화상태의 염화나트륨용액을 만들어 주었다.
- KS F 2456에 의거하여 재령28일간 수중양생한 황토콘크리트 공시체와 시멘트콘크리트 공시체를 동결융해시험기에 100Cycle이 지난 다음에 무게 변화와 압축강도를 측정하였다. 침적에 의한 중량 감소율과 성능저하 지수는 내약품성 실험과 같이 적용하였다.
- 배합비에 따른 황토콘크리트의 슬럼프, 공기량, 압축강도를 측정하고 분석한다.
- 황토콘크리트와 시멘트콘크리트를 내화학성, 내염성, 급속․동결 융해 실험을 통해 비교 분석한다.
- 1차 실험은 AE감수제는 2%로 고정하고 단위결합재 300(㎏/㎥)에서는 W/B를 45, 50, 55(%), 단위결합재 400(㎏/㎥)에서는 W/B를 35, 40, 45(%), 단위결합재 500(㎏/㎥)에서는 W/B를 25, 30, 35(%)로 두어 9배합을 실시하였다. 10×20㎝ 실린더 몰드로 성형하고 기건 양생하여 재령 1일에 탈형하여 재령 91일까지 수중양생을 실시하면서 UTM을 이용하여 최대하중을 주어 압축강도를 재령 3, 7, 28, 56, 91일에 각각 측정하였다.
- 1차 실험은 AE감수제는 2%로 고정하고 단위결합재 300(㎏/㎥)에서는 W/B를 45, 50, 55(%), 단위결합재 400(㎏/㎥)에서는 W/B를 35, 40, 45(%), 단위결합재 500(㎏/㎥)에서는 W/B를 25, 30, 35(%)로 두어 9배합을 실시하였다. 10×20㎝ 실린더 몰드로 성형하고 기건 양생하여 재령 1일에 탈형하여 재령 91일까지 수중양생을 실시하면서 UTM을 이용하여 최대하중을 주어 압축강도를 재령 3, 7, 28, 56, 91일에 각각 측정하였다. 황토콘크리트의 실험인자 및 수준은 <표 6>과 같다.
- 2차 실험은 1차 실험을 통해 유동성과 강도를 확보한 배합을 선정하여 황토콘크리트와 시멘트콘크리트를 비교해 보았다. 실험인자 및 수준은 <표 8>과 같다.
- 1차 실험에서는 단위수량, 단위결합재량에 따른 황토콘크리트 강도실험을 통하여 황토콘크리트의 적정 배합조건에 따른 강도성상을 분석하고, 2차 실험에서는 1차 실험에서 유동성과 강도를 확보한 배합의 황토콘크리트와 시멘트콘크리트를 비교․분석하여 현장에서 시공 가능성여부에 관해 살펴보았다.
대상 데이터
- 본 실험에 사용한 황토결합재는 국내 황토제품 전문 생산업체인 C사의 황토결합재를 사용하였고 그 물리적 성질은 와 같다.
- 목포지역의 해사를 표건 상태로 사용하였으며 물리적 성질은 와 같다.
- 목포지역의 쇄석을 표건 상태로 사용하였으며 물리적 성질은 와 같다.
- 본 연구에서 사용된 혼화제는 국내 D사의 Polycarbone산계 고성능 AE감수제를 사용하였으며 그 특성은 와 같다.
이론/모형
- 성능 실험들은 KS에 규정된 방법에 의거하여 행하였으며, 각 성능 실험별 관련 규격은 다음과 같다.
성능/효과
- 실험결과 와 에서 보듯이 단위 수량이 증가할수록 반죽질기가 크게 개선되어 슬럼프 값이 증가하는 것으로 나타났다.
- 실험결과 <표 10>와 <그림 2>에서 보듯이 단위 수량이 증가할수록 반죽질기가 크게 개선되어 슬럼프 값이 증가하는 것으로 나타났다. 또한, 실험체 HC4, HC9에서 단위수량은 35%인 경우 단위 결합재량이 300(㎏/㎥)에서 400(㎏/㎥)로 증가함에 따라 슬럼프값이 1.5㎝에서 23.7㎝로 증가하는 것으로 보아 단위 분체량이 증가함에 따라 슬럼프 값이 증가하는 것으로 보인다. 이는 단위 분체량의 증가에 따라 물량의 증가와 골재량의 감소로 인해 나타나는 것으로 사료된다.
- 이는 단위 분체량의 증가에 따라 물량의 증가와 골재량의 감소로 인해 나타나는 것으로 사료된다. 공기량은 단위 결합재 300, 400 (㎏/㎥)에서는 단위 수량의 증가함에 공기량이 증가하였으나 단위 결합재 500(㎏/㎥)에서는 W/B가 25%에서 30%증가한 경우 공기량이 4.3%에서 5.3%으로 증가하였지만 W/B가 35%에서는 3.2%로 감소하였다.
- 이는 배합에 필요한 수량 이상의 잉여수가 포함된 것으로 사료되며 W/B를 낮출 경우 압축강도가 증진될 것으로 사료된다. 단위 결합재량의 증가에 따른 압축강도의 변화는 단위결합재량이 400(㎏/㎥)일때 재령91일 압축강도는 35·28·25MPa로 가장 높은 강도를 고루 나타난 것으로 보아 혼화제 첨가량이 2%의 경우에는 단위 결합재량이 400(㎏/㎥)일 때 가장 좋은 배합인 것으로 사료된다. 가장 높은 압축강도를 나타내는 시험체는 HC7로 단위결합재가 500(㎏/㎥)일 때 재령91일 압축강도가 39MPa를 나타내었지만 슬럼프가 0으로 유동성이 없는 것으로 나타내었다.
- 단위 결합재량의 증가에 따른 압축강도의 변화는 단위결합재량이 400(㎏/㎥)일때 재령91일 압축강도는 35·28·25MPa로 가장 높은 강도를 고루 나타난 것으로 보아 혼화제 첨가량이 2%의 경우에는 단위 결합재량이 400(㎏/㎥)일 때 가장 좋은 배합인 것으로 사료된다. 가장 높은 압축강도를 나타내는 시험체는 HC7로 단위결합재가 500(㎏/㎥)일 때 재령91일 압축강도가 39MPa를 나타내었지만 슬럼프가 0으로 유동성이 없는 것으로 나타내었다. 황토결합재는 단위결합재량은 많고 단위수량은 작게한 경우 강도발현이 잘되는 것으로 나타났으며 황토결합재의 고강도와 유동성을 확보하기 위해서는 향후 혼화제 첨가비에 따른 기초물성실험을 통한 연구가 필요할 것으로 보인다.
- 황산에 의한 내약품성 실험 결과, 중량감소율은 황토콘크리트는 0.46%, 시멘트콘크리트는 8.77%로 시멘트콘크리트가 약 20배 이상 크게 나타났다. 강도저감율은 황토콘크리트는 13.
- 39%로 2배 이상 나타났다. 위 실험 결과 황토콘크리트는 시멘트콘크리트보다 황산에 대한 저항성이 높은 것으로 보여지며 해양구조물에 적용하면 그 활용도가 높을 것으로 예상된다.
- 염산에 의한 내약품성 실험 결과, 중량감소율은 황토콘크리트는 4.89%, 시멘트콘크리트는 8.92%로 황토콘크리트가 약 2배 가까이 작게 나타났다. 강도저감율은 황토콘크리트가 14.
- 92%로 황토콘크리트가 약 2배 가까이 작게 나타났다. 강도저감율은 황토콘크리트가 14.14%, 시멘트콘크리트가 15.12%로 황토콘크리트가 좀 더 작은 결과가 나타났다. 위 실험 결과 황토콘크리트는 염산에도 시멘트콘크리트 보다 저항성이 높은 것을 알 수 있었으며 화학공장등의 약품에 침식위험이 있는 건축물에 그 활용도가 높을 것으로 예상되어 진다.
- 황토콘크리트와 시멘트콘크리트의 급속·동결융해 실험은 <표 14>, <그림 7>와 같이 나타났다. 황토콘크리트의 중량감소율은 0.03%, 시멘트콘크리트는 0%으로 나타났다. 강도저감율은 황토콘크리트는 0.
- 38%로 나타났다. 두 시험체가 큰 차이는 없었지만 황토콘크리트가 시멘트콘크리트보다 동결․융해에 대한 저항성이 낮게 나타났다. 100Cycle의 데이터는 미미한 차이를 보여주기 때문에 향후 실험을 통한 300Cycle 이상의 데이터를 통한 연구 분석이 필요할 것으로 여겨진다.
- 1) 황토콘크리트의 단위분체량이 증가함에 따라 슬럼프 값이 증가하는 것으로 나타났는데, 이는 단위 분체량의 증가에 따라 물량의 증가와 골재의 감소로 인해 나타나는 것으로 사료된다.
- 2) 황토콘크리트는 혼화제 2%일 때 단위 결합재 400 (kg/㎥)에서 압축강도가 대체적으로 높게 발현되었으며 가장 높은 압축강도는 39MPa로 일반구조체로 적용가능 할 것으로 보여진다. 향후 강도와 유동성을 확보하기 위해서는 혼화제 첨가비에 따른 기초물성실험이 필요할 것으로 보여진다.
후속연구
- 가장 높은 압축강도를 나타내는 시험체는 HC7로 단위결합재가 500(㎏/㎥)일 때 재령91일 압축강도가 39MPa를 나타내었지만 슬럼프가 0으로 유동성이 없는 것으로 나타내었다. 황토결합재는 단위결합재량은 많고 단위수량은 작게한 경우 강도발현이 잘되는 것으로 나타났으며 황토결합재의 고강도와 유동성을 확보하기 위해서는 향후 혼화제 첨가비에 따른 기초물성실험을 통한 연구가 필요할 것으로 보인다.
- 12%로 황토콘크리트가 좀 더 작은 결과가 나타났다. 위 실험 결과 황토콘크리트는 염산에도 시멘트콘크리트 보다 저항성이 높은 것을 알 수 있었으며 화학공장등의 약품에 침식위험이 있는 건축물에 그 활용도가 높을 것으로 예상되어 진다.
- 강도저감율 역시 황토콘크리트와 시멘트콘크리트는 크게 차이가 나지는 않았다. 두 시험체 모두 염화나트륨에 의한 큰 차이는 보이지 않았으며 위 시험은 28일 데이터이므로 향후 실험을 통한 재령 56일, 91일 이상의 데이터를 통한 연구 분석이 필요할 것으로 보여진다.
- 두 시험체가 큰 차이는 없었지만 황토콘크리트가 시멘트콘크리트보다 동결․융해에 대한 저항성이 낮게 나타났다. 100Cycle의 데이터는 미미한 차이를 보여주기 때문에 향후 실험을 통한 300Cycle 이상의 데이터를 통한 연구 분석이 필요할 것으로 여겨진다.
- 2) 황토콘크리트는 혼화제 2%일 때 단위 결합재 400 (kg/㎥)에서 압축강도가 대체적으로 높게 발현되었으며 가장 높은 압축강도는 39MPa로 일반구조체로 적용가능 할 것으로 보여진다. 향후 강도와 유동성을 확보하기 위해서는 혼화제 첨가비에 따른 기초물성실험이 필요할 것으로 보여진다.
- 3) 황토콘크리트는 시멘트콘크리트보다 황산, 염산에 대한 저항성이 높은 것으로 보아 해양구조물과 화학공장등에 그 활용도가 높을 것으로 예상되어지며 그에 관련된 실험들이 더 이루어져야 할 것으로 보여진다.
- 본 실험결과, 황토결합재를 사용한 황토콘크리트는 강도 및 내구성면에서 친환경 건축 재료로써 그 활용도가 상당히 높을 것으로 보여지며 보다 안정적으로 사용되어지기 위해서는 향후 혼화제 첨가비에 따른 기초물성실험 및 내구성에 관한 실험들이 더 필요 할 것으로 사료된다.
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