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문제 정의
- 본 연구는 시멘트의 대안으로서 제안된 황토결합재의 물리적, 화학적 성능을 시멘트와 비교분석하여 황토 결합재의 콘크리트 적용에 있어서 그 가능성을 검토하는 것을 목적으로 한다.
- 본 연구는 시멘트의 생산에서 발생하는 많은 양의 에너지 소비, 그로 인해 발생하는 다량의 이산화탄소 등으로 인해 발생하는 환경문제를 저감할 수 있는 방안으로 황토결합재를 제시하고, 시멘트와의 물리 · 화학적 특성을 비교 분석한 다음 W/B, 단위결합재량, 혼화제 첨가량에 따른 콘크리트의 물리적 특성을 측정하고 황토결합재의 사용 가능성을 검토한다.
- 본 연구의 재료인 황토결합재와 기존의 결합재인 시멘트와의 물리 · 화학적 특성을 분석하기 위해 와 같은 항목을 측정하였다.
- 근래에 환경규약들에 의하면 이렇게 생산되는 시멘트는 소비를 줄여나가야 되며 이를 대체할 수 있는 재료의 개발이 필요로 하게 된다. 이로 인해 친환경 건축에 대한 새로운 대안으로 비소성 시멘트에 대한 연구가 진행되어지고 있으며, 본 연구는 이러한 시멘트의 사용량을 저감할 수 있는 방안으로 황토를 주 결합재로 하는 황토 콘크리트의 개발에 대한 연구이다.
가설 설정
- 2) 또한 산업폐기물 중에는 크롬뿐만 아니라 구리, 납, 수은 등의 각종 중금속이 높은 수치로 존재한다.3) 이러한 중금속을 함유한 산업폐기물이 시멘트의 재료로 사용되었을 경우 시멘트 안에 중금속이 높게 잔류하게 될 것이다. 한편, 시멘트 공장에서의 산업폐기물 사용은 외국에도 이루어지고 있으나, 외국 시멘트 회사의 경우 시멘트 제조 공정의 기술력, 특히 환경에 관련된 기술이 우리나라에 비해 우수한 것으로 나타났다.
제안 방법
- 본 연구는 황토결합재를 사용한 콘크리트(이후 황토콘크리트로 칭함)의 적정배합을 도출하기 위한 실험으로 적정 W/B, 혼화제첨가량, 단위 결합재량의 결정 등 3부분으로 나누어 실험을 실시하였다. 1차 실험에서는 적정 W/B를 찾기 위해 단위 결합재량(300)과 혼화제(1.5%)를 고정하고 W/B를 45%, 50%, 55%, 60%, 65%의 5수준으로 하여 실험을 실시하였다. 이를 바탕으로 2차 실험에서는 적정 혼화제 첨가량을 알아보기 위한 실험으로 단위 결합재량(300)과 단위 수량(50%)을 고정시키고 혼화제 첨가량을 0%, 0.
- 2) 입도분석은 레이저입도분석기 [ Laser Particle Size Analyzer ]를 이용하여 측정하였다.
- 5%, 3% 이상 7수준으로 실험을 실시하였다. 3차 실험에서는 적정 단위 결합재량을 찾기 위한 실험으로 단위 수량 (50%), 혼화제 첨가량(1.5%)로 고정시킨 다음 단위 결합재량을 200, 300, 400, 500, 600, 700의 6수준으로 하여 실험을 실시하였다. 황토콘크리트의 특성을 파악하기 위해 실시한 배합표는 <표 7>과 같으며, 슬럼프, 공기량, 건조수축, 압축강도실험 (재령 3일, 재령 7일, 재령 28일)을 실시하였다.
- 4) SEM(Scanning Electron Microscope) 측정은 시료의 응결, 경화 그리고 재령에 따른 시료의 표면을 관찰하였다.
- 4) 콘크리트 압축강도 측정은 KS F 2405에 의거하여 재령별로 3, 7, 28일 강도를 측정하였다.
- 5) EDAX(Energy Dispersive X-ray Analysis) 분석은 시료의 화학성분을 분석하기 위해 전자현미경에서 발생하는 특정 X-Ray를 검출하여 시료의 구성원소 및 구성원소의 양을 측정하였다. 측정 부위는 3곳을 선택하여 평균값으로 하였다.
- 5) 건조수축은 150×150×550의 몰드에 W.S.G(WFLM 60-11)를 매립하여 데이터 측정 · 저장 기기인 TDS303을 이용하여 배합 직후부터 20분 간격으로 재령 28일까지 측정하였다.
- 본 실험에 앞서 배합의 최밀충전을 위한 적정 잔골재율을 결정하기위해 잔골재율 40～50%까지 10가지 수준으로 하여 실험을 실시하였다. 실험 결과 잔골재율 45%일 때 가장 높은 질량을 나타났으며 이때 굵은 골재와 잔골재가 가장 적합한 비율로 혼합되어 공극을 최소화하고 밀실하게 충전된 것으로 판단된다.
- 본 실험에서는 황토결합재의 물리·화학적 특성을 분석하고, 이를 사용한 콘크리트 적용 실험을 실시하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
- 본 연구는 황토결합재를 사용한 콘크리트(이후 황토콘크리트로 칭함)의 적정배합을 도출하기 위한 실험으로 적정 W/B, 혼화제첨가량, 단위 결합재량의 결정 등 3부분으로 나누어 실험을 실시하였다. 1차 실험에서는 적정 W/B를 찾기 위해 단위 결합재량(300)과 혼화제(1.
- 5%)를 고정하고 W/B를 45%, 50%, 55%, 60%, 65%의 5수준으로 하여 실험을 실시하였다. 이를 바탕으로 2차 실험에서는 적정 혼화제 첨가량을 알아보기 위한 실험으로 단위 결합재량(300)과 단위 수량(50%)을 고정시키고 혼화제 첨가량을 0%, 0.5%, 1%, 1.5%, 2%, 2.5%, 3% 이상 7수준으로 실험을 실시하였다. 3차 실험에서는 적정 단위 결합재량을 찾기 위한 실험으로 단위 수량 (50%), 혼화제 첨가량(1.
- 황토콘크리트의 특성을 파악하기 위해 실시한 배합표는 과 같으며, 슬럼프, 공기량, 건조수축, 압축강도실험 (재령 3일, 재령 7일, 재령 28일)을 실시하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서 비교분석의 기준이 되는 시멘트 결합재에 사용된 재료로 국내의 S사의 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였다.
- 본 연구에서 사용된 잔골재는 서해바다에서 채취된 골재를 사용하였고 굵은 골재는 전남 무안군 청계면에서 채석된 쇄석을 사용하였으며 그 물리적 성질은 와 같다.
- 본 연구에서 사용된 혼화제는 국내 D사의 Polycarbone산계 고성능 AE감수제를 사용하였으며 그 물리적·화학적 성질은 과 같다.
- 본 연구에서 사용한 황토결합재는 국내의 흙자재 전문 생산업체인 C사의 제품으로 소성하지 않은 천연의 미분말 황토와 산업부산물을 혼합하여 만든 결합재로서 고강도로 이용하기 위해 개발한 분말형태의 재료이며 그 물리적·화학적 성질은 과 같다.
- 본 연구에서 사용한 황토결합재는 국내의 흙제품 전문생산업체인 C사의 제품으로 소성하지 않은 황토와 산업 부산물을 혼합하여 만든 결합재를 사용하였다.
- 5) EDAX(Energy Dispersive X-ray Analysis) 분석은 시료의 화학성분을 분석하기 위해 전자현미경에서 발생하는 특정 X-Ray를 검출하여 시료의 구성원소 및 구성원소의 양을 측정하였다. 측정 부위는 3곳을 선택하여 평균값으로 하였다.
이론/모형
- 1) 비중측정은 KS L 5110 기준에 의거하여 측정하였다.
- 2) 슬럼프실험은 KS F 2402 기준에 의거하여 측정한다.
- 3) 공기량측정은 KS F 2449기준에 의거하여 측정 한다.
- 3) 응결경화실험은 KS L 5108 기준에 의거하여 측정하였다.
- 골재의 최밀충전 실험은 콘크리트의 잔골재율(S/A)를 결정하기 위해 골재가 최밀충전 하기 위한 잔골재와 굵은 골재의 가장 적합한 혼합비율을 산정하기 위한 것으로 KS F 2505 골재의 단위용적질량 및 실적률 시험방법에 의거하여 실시한다.
성능/효과
- 시멘트의 부원료, 보조연료의 대체현황은 <표 1>에서 보는 바와 같으며 그 사용량은 해마다 증가하는 추세이다.1) 이러한 부원료와 보조연료의 사용이 시멘트의 성능에는 문제가 없으나 시멘트의 성질에는 영향이 있는 것으로 나타났다. 한국양회공업연구협회가 요업기술원에 의뢰하여 이러한 부원료와 보조 연료를 사용한 국내의 시멘트 제조사 10곳을 대상으로 6가크롬의 함량을 조사한 결과 대부분의 회사들이 기준치를 초과하는 수치를 나타내었다.
- 1) 황토결합재와 시멘트를 비교분석한 결과 황토결합재의 입자가 시멘트에 비해 작으며 비중이 낮고 분말도는 높게 나타났다. 화학성분은 CaO의 함량이 25%이상 낮으며 Al2O3, SiO2의 함량은 약 10%정도 많이 함유하고 있는 것으로 나타났다.
- 한국양회공업연구협회가 요업기술원에 의뢰하여 이러한 부원료와 보조 연료를 사용한 국내의 시멘트 제조사 10곳을 대상으로 6가크롬의 함량을 조사한 결과 대부분의 회사들이 기준치를 초과하는 수치를 나타내었다.2) 또한 산업폐기물 중에는 크롬뿐만 아니라 구리, 납, 수은 등의 각종 중금속이 높은 수치로 존재한다.3) 이러한 중금속을 함유한 산업폐기물이 시멘트의 재료로 사용되었을 경우 시멘트 안에 중금속이 높게 잔류하게 될 것이다.
- 2) 황토콘크리트의 슬럼프는 단위 수량, 혼화제 첨가량, 단위 결합재량이 증가함에 따라 슬럼프가 증가 하는 경향을 보였으며 공기량은 2.2%이하로 대부분 일반 시멘트 콘크리트에 비해 낮은 결과를 나타냈다. 건조수축은 양생 초기에 팽창이 발생하나 초기 반응이 종료된 후부터는 안정화 되면서 수축이 발생하는 것으로 사료된다.
- 3) 압축강도 측정 결과 W/B 55%이하, 혼화제 첨가량 2%이하, 단위결합재량 300~400에서 보통콘크리트강도 210kg/㎠(20.58MPa) 이상의 강도발현을 나타냈으며, 적용 가능한 것으로 판단된다.
- 4) 본 연구 결과 황토콘크리트의 적용 가능 범위는 W/B의 경우 45～50%, 단위 분체량의 경우 300～400, 혼화제의 첨가량 2% 미만으로 한다.
- 혼화제의 첨가량이 증가함에 따라 배합초기의 팽창률이 낮게 나타났으며 안정화 단계의 건조수축은 1%를 기점으로 증가에서 감소하는 경향으로 나타났다. 단위 결합재량에 따른 건조수축 변화는 결합재량이 증가함에 따라 초기의 팽창 및 후기의 건조 수축이 크게 나타났다. 단위 결합재가 300일 경우 초기 팽창은 약 100×10-6이 발생했으며 수축은 약 150×10-6이 발생했다.
- 혼화제 첨가량의 경우 슬럼프와 강도는 비례 관계를 나타냈으며 동일 조건에서 혼화제 첨가량이 2%일 경우 강도 및 워커빌리티를 모두 만족하는 것으로 나타났다. 단위 분체량의 경우 분체량 300에서의 강도는 25MPa이상으로 우수하나 소요의 워커빌리티를 확보하지 못하는 것으로 나타났으며 분체량 400의 경우 강도는 만족하나 재료분리의 가능성을 보이는 것으로 사료된다.
- 포틀랜드 시멘트와 비교했을 때 CaO의 함량이 25%이상 낮으며 Al2O3, SiO2의 함량은 약 10%정도 많이 함유하고 있는 것으로 나타났다. 또한 산업부산물을 이용한 혼합시멘트(고로시멘트, 실리카시멘트, 플라이애시 시멘트)와 비교하였을 경우 Ca0의 함량은 약 20% 적으며, SiO2, Al2O3의 함량은 15%정도 많은 것으로 나타났다. 또한 알루미나시멘트와 비교하였을 경우 Ca0의 함량은 오히려 35% 높으며 Al2O3의 함량은 약 40%정도 낮게 나타났다.
- 또한 산업부산물을 이용한 혼합시멘트(고로시멘트, 실리카시멘트, 플라이애시 시멘트)와 비교하였을 경우 Ca0의 함량은 약 20% 적으며, SiO2, Al2O3의 함량은 15%정도 많은 것으로 나타났다. 또한 알루미나시멘트와 비교하였을 경우 Ca0의 함량은 오히려 35% 높으며 Al2O3의 함량은 약 40%정도 낮게 나타났다. 또한 황토결합재는 다른 모든 시멘트보다 MgO의 함량이 약 3～5% 정도 많은 것으로 나타났다.
- 또한 알루미나시멘트와 비교하였을 경우 Ca0의 함량은 오히려 35% 높으며 Al2O3의 함량은 약 40%정도 낮게 나타났다. 또한 황토결합재는 다른 모든 시멘트보다 MgO의 함량이 약 3～5% 정도 많은 것으로 나타났다.
- 단위결합재량이 증가할 경우 콘크리트의 압축강도 또한 증가하는 경향을 보인다. 본 실험에서는 W/B와 혼화제 첨가량을 고정하고 단위 결합재량을 증가시키는 실험을 실시하였으며 그 결과 단위결합재량의 증가에 따른 압축 강도의 변화는 단위결합재량이 300일 경우 가장 높은 강도를 나타냈으며 그 이상 첨가시 강도가 저하되는 것으로 나타났다. 하지만 단위 결합재 400일 경우에도 보통강도에 비해 높은 강도 발현을 한 것으로 판단된다.
- 비중 측정 결과 와 같이 시멘트에 비해 약 0.27 낮은 것으로 나타났으며 분말도 측정 결과 황토결합재가 시멘트에 비해 높은 것으로 나타났다.
- 실험 결과 에 나타난 것처럼 황토결합재는 시멘트에 비해 초결과 종결 시간이 조금 더 빠르게 진행되었으며 초결의 경우 약 40분, 종결의 경우 약 90분의 빠르게 진행된 것으로 나타났다.
- 본 실험에 앞서 배합의 최밀충전을 위한 적정 잔골재율을 결정하기위해 잔골재율 40～50%까지 10가지 수준으로 하여 실험을 실시하였다. 실험 결과 잔골재율 45%일 때 가장 높은 질량을 나타났으며 이때 굵은 골재와 잔골재가 가장 적합한 비율로 혼합되어 공극을 최소화하고 밀실하게 충전된 것으로 판단된다. 이에 콘크리트 배합 실험에 적용하였다.
- 입도 분석 실험 결과 실험에 사용될 잔골재와 굵은 골재 모두 표준입도범위를 벗어나지 않는 적정 입도를 확보한 것으로 나타났다.
- 입도분석 결과 황토결합재는 기존의 결합재인 시멘트에 비해 미세한 입자들이 많이 포함된 것으로 나타났으며 이는 시멘트 입자에 비해 황토결합재의 분말도가 높기 때문인 것으로 판단된다. 또한 콘크리트 배합시 유동성 확보를 위해 필요한 단위수량이 시멘트에 비해 높게 요구될 것으로 사료된다.
- 재령 28일 압축강도와 슬럼프의 관계를 살펴보면 W/B 가 증가할 경우 슬럼프와 강도는 반대의 양상을 나타내며 동일 조건에서 소요 기준 강도 이상 발현과 워커빌리티를 만족시키는 적정 W/B는 55%인 것으로 나타났다. 혼화제 첨가량의 경우 슬럼프와 강도는 비례 관계를 나타냈으며 동일 조건에서 혼화제 첨가량이 2%일 경우 강도 및 워커빌리티를 모두 만족하는 것으로 나타났다.
- 황토결합재를 다른 결합재들과 비교해 본 결과 화학성분은 <표 6>과 같이 나타났다. 포틀랜드 시멘트와 비교했을 때 CaO의 함량이 25%이상 낮으며 Al2O3, SiO2의 함량은 약 10%정도 많이 함유하고 있는 것으로 나타났다. 또한 산업부산물을 이용한 혼합시멘트(고로시멘트, 실리카시멘트, 플라이애시 시멘트)와 비교하였을 경우 Ca0의 함량은 약 20% 적으며, SiO2, Al2O3의 함량은 15%정도 많은 것으로 나타났다.
- 3) 이러한 중금속을 함유한 산업폐기물이 시멘트의 재료로 사용되었을 경우 시멘트 안에 중금속이 높게 잔류하게 될 것이다. 한편, 시멘트 공장에서의 산업폐기물 사용은 외국에도 이루어지고 있으나, 외국 시멘트 회사의 경우 시멘트 제조 공정의 기술력, 특히 환경에 관련된 기술이 우리나라에 비해 우수한 것으로 나타났다.4)
- 재령 28일 압축강도와 슬럼프의 관계를 살펴보면 W/B 가 증가할 경우 슬럼프와 강도는 반대의 양상을 나타내며 동일 조건에서 소요 기준 강도 이상 발현과 워커빌리티를 만족시키는 적정 W/B는 55%인 것으로 나타났다. 혼화제 첨가량의 경우 슬럼프와 강도는 비례 관계를 나타냈으며 동일 조건에서 혼화제 첨가량이 2%일 경우 강도 및 워커빌리티를 모두 만족하는 것으로 나타났다. 단위 분체량의 경우 분체량 300에서의 강도는 25MPa이상으로 우수하나 소요의 워커빌리티를 확보하지 못하는 것으로 나타났으며 분체량 400의 경우 강도는 만족하나 재료분리의 가능성을 보이는 것으로 사료된다.
- W/B, 혼화제의 첨가량이 증가함에 따라 슬럼프가 증가하는 경향을 보이며 특히 W/B 55%. 혼화제의 첨가량이 2.5%를 기준으로 슬럼프가 크게 증가하는 것으로 나타났다. 이는 적정 W/B가 50～55%, 혼화제의 첨가량이 1.
- 황토콘크리트의 경우 초기 팽창은 W/B가 증가함에 따라 증가하는 경향을 보였으며 모든 시험체에서 150×10-6 이상 발생하였고, 후기의 안정기에 들어서면서 본래의 체적과 비슷한 수준으로 수축하는 것으로 나타났다. 혼화제의 첨가량이 증가함에 따라 배합초기의 팽창률이 낮게 나타났으며 안정화 단계의 건조수축은 1%를 기점으로 증가에서 감소하는 경향으로 나타났다. 단위 결합재량에 따른 건조수축 변화는 결합재량이 증가함에 따라 초기의 팽창 및 후기의 건조 수축이 크게 나타났다.
- 1) 황토결합재와 시멘트를 비교분석한 결과 황토결합재의 입자가 시멘트에 비해 작으며 비중이 낮고 분말도는 높게 나타났다. 화학성분은 CaO의 함량이 25%이상 낮으며 Al2O3, SiO2의 함량은 약 10%정도 많이 함유하고 있는 것으로 나타났다.
- 황토 결합재를 이용한 콘크리트의 건조수축은 반응 초기 팽창이 발생하며 이후 재령이 경과함에 따라 수축이 진행되는 것으로 나타났다. 이는 초기 수화반응 결과 결합재 내부의 화학반응에 의해 팽창성 물질이 발생하는 것으로 판단되며 이로 인해 초기에 팽창이 일어나며 초기 반응이 종료된 후부터는 안정화 되면서 수축이 발생하는 것으로 사료된다.
- 일반적으로 산업부산물(플라이애시, 고로슬래그)의 경우 동일 공기량을 얻기 위해서는 많은 양의 AE제가 필요로 하게 되기 때문으로 판단된다. 황토콘크리트의 단위 분체량이 증가함에 따라 AE제의 첨가량은 증가하게 되어 연행공기의 발생량은 증가하나 공기량은 감소하는 것으로 나타났다.
후속연구
- 본 연구는 황토결합재의 콘크리트 적용 가능성에 대한 것으로서 실험 결과 210kg/㎠(20.58MPa) 이상의 압축강도 발현으로 사용 가능성을 확인하였으며, 향후 강도 이외의 동결융해, 내화학성, 내수성, 내마모성, 부착력 등의 실험이 추가적으로 진행 되어야 될 것으로 사료된다.
- 단위 분체량이 증가함에 따라 슬럼프는 증가하는 것으로 나타났으며 이는 단위 분체량의 증가에 따라 물량의 증가와 골재의 감소로 인해 나타나는 것으로 사료된다. 분체량이 500 이상일 경우 재료분리 현상이 나타났으며 W/B, 혼화제 첨가량에 따른 검토가 필요할 것으로 판단된다.
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