[논문]황토콘크리트의 현장적용에 따른 시공 및 품질 특성에 관한 연구

황혜주; 문제춘; 강남이

문제 정의

이러한 기계를 사용한 황토콘크리트의 적용에 있어서 기계화 시공의 가능성 여부를 확인하고 공사일정 측면에서 기존의 시멘트 콘크리트와의 공사기간이 어느 정도 차이를 보이는 지를 검토하고자 한다. 또한 거푸집 탈형 후 나타난 노출표면의 경우 구조적으로 문제되지는 않으나 미관상 중요한 영향을 미치는 부분이므로 표면 특성에 대한 연구를 실시하였다.
이에 본 연구에서는 현재 연구되고 있는 황토결합재를 사용한 황토콘크리트를 이용하여 실제 구조체에 적용하여 그 가능성을 실험한다. 또한 이때 재료의 시공(기계화시공 및 공기) 및 품질(표면, 수화열, 건조수축)에 대한 분석을 실시하고자 하며 향후 황토콘크리트의 구조체 적용에 대한 연구의 기초자료를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 연구에서는 친환경재료로 부각된 황토를 이용한 황토콘크리트의 현장적용에 관한 것으로 건물 전체에 시공하였을 때 발생되는 시공과 품질 측면에 대한 실험을 실시하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
황토콘크리트는 일반 시멘트 레미콘 공장의 플랜트를 이용할 수 없기 때문에 공장에서 재료를 건믹싱하여 톤백에 포장한 후 현장으로 이동하여 현장에서 레미콘 및 경동형 믹서기를 사용하여 믹싱 하였다. 이러한 기계를 사용한 황토콘크리트의 적용에 있어서 기계화 시공의 가능성 여부를 확인하고 공사일정 측면에서 기존의 시멘트 콘크리트와의 공사기간이 어느 정도 차이를 보이는 지를 검토하고자 한다. 또한 거푸집 탈형 후 나타난 노출표면의 경우 구조적으로 문제되지는 않으나 미관상 중요한 영향을 미치는 부분이므로 표면 특성에 대한 연구를 실시하였다.
이에 본 연구에서는 현재 연구되고 있는 황토결합재를 사용한 황토콘크리트를 이용하여 실제 구조체에 적용하여 그 가능성을 실험한다. 또한 이때 재료의 시공(기계화시공 및 공기) 및 품질(표면, 수화열, 건조수축)에 대한 분석을 실시하고자 하며 향후 황토콘크리트의 구조체 적용에 대한 연구의 기초자료를 제공하는데 그 목적이 있다.
황토콘크리트의 구조체 적용을 위한 현장적용 가능성을 검토하기 위해서 본 연구에서는 전라남도 영암군 소재의 관광안내소 건물의 신축에 황토콘크리트를 적용해 보고자 한다. 건축물의 실제 적용에 앞서 수화열과 건조수축에 대한 예비실험을 실시하였다.

제안 방법

전라북도 김제시에 위치한 J중학교 기숙사는 흙건축의 다양한 공법에 의해 시공되었다. 건물의 외벽은 흙벽돌 조적으로 외부 치장벽돌을 시공하였으며, 내부의 각 방에는 흙미장으로 마감을 하였고, 흙미장 위에 흙뿜칠을 실시하였다. 중앙의 홀의 일부분에는 바닥에서 천정에 이르는 흙다짐 벽을 시공하여 이미지월로써 활용하였다.
수화열 측정은 콘크리트를 비빔직후 거푸집에 부어넣은 다음 열전자쌍인 열전대를 콘크리트 중앙부에 정착하여 재령 3일 이전에는 1시간 간격으로 측정하였으며 재령 3일 이후에는 24시간 간격으로 측정하였다. 건조수축의 측정은 수화열과 동시에 시험체의 중앙부에 PML-60-2L Gauge를 매립하여 측정하였으며 Datalogger TDS-302에 기록되었다.
황토콘크리트의 구조체 적용을 위한 현장적용 가능성을 검토하기 위해서 본 연구에서는 전라남도 영암군 소재의 관광안내소 건물의 신축에 황토콘크리트를 적용해 보고자 한다. 건축물의 실제 적용에 앞서 수화열과 건조수축에 대한 예비실험을 실시하였다. 재령 초기 콘크리트의 팽창과 건조수축 같은 콘크리트의 체적변화는 때때로 콘크리트 구조물에 인장응력을 야기시켜 구조물에 미세한 균열을 일으키며 이는 구조물의 역학적 성질에 영향을 미치기 때문이다.
기둥, 벽, 슬라브 타설시 크레인을 이용하여 배합된 재료를 컨베이어로 이동, 컨베이어를 통해 경동형 믹서에 건믹싱된 재료를 물과 함께 투입하여 5분간 믹싱하고 펌프카를 이용하여 타설하였다. 황토콘크리트는 슬럼프 20cm의 타설하기에 좋은 유동성이 확보되었고 1회 믹싱량은 0.
기초타설시 트럭에지데이터를 이용하여 톤백에 담긴 건믹싱된 재료를 인양하여 레미콘에 투입하고 물을 혼입하면서 믹싱 하여. 레미콘 1회 믹싱량은 3㎥, 1회 믹싱시간은 10분으로 하였다.
표면품질검사는 거푸집 탈형 직후 외부의 노출표면을 디지털카메라로 촬영한 다음 Auto CAD 프로그램을 활용하여 전체면적 중 곰보의 발생 면적을 산출하였다. 또한 육안검사를 통해 전체적인 표면 검사를 실시하였다.
기초타설시 트럭에지데이터를 이용하여 톤백에 담긴 건믹싱된 재료를 인양하여 레미콘에 투입하고 물을 혼입하면서 믹싱 하여. 레미콘 1회 믹싱량은 3㎥, 1회 믹싱시간은 10분으로 하였다. 레미콘 내에서 믹싱이 완료한 다음 기초부위에 바로 타설하였다.
예비실험은 용적 27ℓ(30*30*30cm)의 거푸집을 50mm 스티로폼을 사용하여 단열이 가능하도록 제작하여 황토콘크리트와 시멘트콘크리트를 두가지 샘플을 비교하여 측정하였다. 수화열 측정은 콘크리트를 비빔직후 거푸집에 부어넣은 다음 열전자쌍인 열전대를 콘크리트 중앙부에 정착하여 재령 3일 이전에는 1시간 간격으로 측정하였으며 재령 3일 이후에는 24시간 간격으로 측정하였다. 건조수축의 측정은 수화열과 동시에 시험체의 중앙부에 PML-60-2L Gauge를 매립하여 측정하였으며 Datalogger TDS-302에 기록되었다.
을 이루어 졌으나 기둥이나 슬라브 등의 대형 면적에 적용시 발생하는 건조수축이나 수화열에 대한 예비 실험이 필요할 것으로 판단되었다. 예비실험은 용적 27ℓ(30*30*30cm)의 거푸집을 50mm 스티로폼을 사용하여 단열이 가능하도록 제작하여 황토콘크리트와 시멘트콘크리트를 두가지 샘플을 비교하여 측정하였다. 수화열 측정은 콘크리트를 비빔직후 거푸집에 부어넣은 다음 열전자쌍인 열전대를 콘크리트 중앙부에 정착하여 재령 3일 이전에는 1시간 간격으로 측정하였으며 재령 3일 이후에는 24시간 간격으로 측정하였다.
레미콘 내에서 믹싱이 완료한 다음 기초부위에 바로 타설하였다. 총 시공량은 26㎥로 레미콘 한 대를 이용하여 총 9회를 타설 시공 하였으며 시공시간은 10시간 정도 소요되었다.
타설 기계로는 기초부위 시공은 그림 7과 같이 트럭에지데이터를 이용해 건믹싱된 재료를 레미콘에 투합하여 믹싱한 후 타설하였고, 기둥·벽·슬래브 부위는 크레인과 컨베이어벨트를 이용하여 경동형믹서로 재료를 투입한 다음 경동형 믹서를 이용해 재료 믹싱 후 펌프카를 이용하여 타설하였으며 그림 8과 같다.
품질검사는 황토콘크리트의 외부 노출 표면에 대한 검사와 수화열, 건조수축 측정을 실시하였다. 표면품질검사는 거푸집 탈형 직후 외부의 노출표면을 디지털카메라로 촬영한 다음 Auto CAD 프로그램을 활용하여 전체면적 중 곰보의 발생 면적을 산출하였다. 또한 육안검사를 통해 전체적인 표면 검사를 실시하였다.
품질검사는 황토콘크리트의 외부 노출 표면에 대한 검사와 수화열, 건조수축 측정을 실시하였다. 표면품질검사는 거푸집 탈형 직후 외부의 노출표면을 디지털카메라로 촬영한 다음 Auto CAD 프로그램을 활용하여 전체면적 중 곰보의 발생 면적을 산출하였다.
이 적용되어 시공되었으며, 구조벽은 흙타설 공법, 정면과 측면 일부에 흙다짐 공법, 내벽은 흙벽돌 공법과 흙미장 공법을 적용하였으며 본 연구에서는 대상 범위를 흙타설 공법부분만을 연구 범위로 한정 하였다. 황토콘크리트는 일반 시멘트 레미콘 공장의 플랜트를 이용할 수 없기 때문에 공장에서 재료를 건믹싱하여 톤백에 포장한 후 현장으로 이동하여 현장에서 레미콘 및 경동형 믹서기를 사용하여 믹싱 하였다. 이러한 기계를 사용한 황토콘크리트의 적용에 있어서 기계화 시공의 가능성 여부를 확인하고 공사일정 측면에서 기존의 시멘트 콘크리트와의 공사기간이 어느 정도 차이를 보이는 지를 검토하고자 한다.

대상 데이터

건믹싱된 재료를 전라남도 영암군 관광안내소의 현장으로 운반하여 현장 내에서 믹싱 하여 직접 시공하였으며, 적용한 공법으로는 흙타설 공법을 사용하였다. 타설 기계로는 기초부위 시공은 그림 7과 같이 트럭에지데이터를 이용해 건믹싱된 재료를 레미콘에 투합하여 믹싱한 후 타설하였고, 기둥·벽·슬래브 부위는 크레인과 컨베이어벨트를 이용하여 경동형믹서로 재료를 투입한 다음 경동형 믹서를 이용해 재료 믹싱 후 펌프카를 이용하여 타설하였으며 그림 8과 같다.
본 시공에서 사용한 황토콘크리트는 국내의 흙자재 전문생산업체인 C사의 황토결합재를 사용하였다. 황토결합재의 물리적 특성과 화학적 특성은 표 4와 표5과 같다.
비교 실험용으로 사용된 시멘트콘크리트는 D사의 시멘트를 사용하였고, 압축강도는 황토콘크리트의 강도를 고려하여 24MPa로 설계하였으며 배합표는 표 2와 같다.
5%의 특성을 갖는다. 시공에 사용된 재료는 황토결합재, 잔골재, 굵은 골재를 대형 팬믹서를 이용하여 건믹싱한 다음 톤백에 단위 포장하였다.
신축 예정인 관광안내소는 다양한 흙건축 공법¹⁾이 적용되어 시공되었으며, 구조벽은 흙타설 공법, 정면과 측면 일부에 흙다짐 공법, 내벽은 흙벽돌 공법과 흙미장 공법을 적용하였으며 본 연구에서는 대상 범위를 흙타설 공법부분만을 연구 범위로 한정 하였다. 황토콘크리트는 일반 시멘트 레미콘 공장의 플랜트를 이용할 수 없기 때문에 공장에서 재료를 건믹싱하여 톤백에 포장한 후 현장으로 이동하여 현장에서 레미콘 및 경동형 믹서기를 사용하여 믹싱 하였다.
실험에 적용된 황토콘크리트 배합은 표1 과 같고, 재령 28일 압축강도 23MPa, 슬럼프 20cm, 공기량 8.5%의 특성을 갖는다.
적용하고자 하는 건축물은 전라남도 영암군의 관광안내소로서, 건축물의 개요는 표 3과 같다.
최근 생태 건축에 대한 관심이 고조되면서 학부모들에 의해 시도된 목포 어린이집 건축의 주요 공법은 흙벽돌 조적조이며 황토벽돌을 내부, 외부 마감에 그대로 노출하였으며, 내부 바닥 또한 황토결합재를 이용하여 마감한 다음 장판을 깔았다. 황토결합재를 사용한 콘크리트는 전면부의 피아노 건반 모양을 본뜬 이미지월 부분에 시공하였으며, 다음 그림 2와 같다.

이론/모형

중앙의 홀의 일부분에는 바닥에서 천정에 이르는 흙다짐 벽을 시공하여 이미지월로써 활용하였다. 또한 진입로의 기둥에는 흙타설공법인 황토콘크리트를 타설하였고 진입로는 바닥을 흙블럭으로 포장하였다. 그림 1은 J중학교 기숙사이다.

성능/효과

1) 황토콘크리트는 시멘트콘크리트에 비해 수화열 및 건조수축이 낮게 나타났으며 대형 스판을 갖는 건축물에 그 적용가능성이 높은 것으로 판단된다.
2) 황토콘크리트의 시공은 시공 현장에서 사용되고 있는 레미콘 및 펌프카의 사용을 통한 기계화 시공이 가능하며 건축물에의 적용이 가능한 것으로 판단된다.
3) 노출표면에서 발생한 곰보는 전체 면적의 약 2%정도 나타났으며 이는 황토콘크리트의 큰 점성에 의해 발생된 것이지만 충분한 진동다짐을 통해 개선이 가능하다.
첫째, 시멘트콘크리트에 비해 상대적으로 점성이 큰 황토콘크리트의 경우 봉형 진동기 조작시 많은 힘이 소요되기 때문에 거푸집의 구석구석을 충분히 다지는데 어려움이 있었을 것이다. 둘째, 점성이 큰 황토콘크리트의 경우 불필요한 공기가 외부로 빠져나오는 시간이 시멘트콘크리트에 비해 상대적으로 길게 소요되며, 빠지나오지 못한 공기가 거푸집표면으로 이동하면 곰보가 발생한 것으로 사료된다. 셋째, 점성이 큰 황토콘크리트의 경우 다짐봉을 뽑아 올리는 속도 또한 곰보 발생의 원인으로 판단된다.
황토콘크리트의 수축량은 -400이였고 시멘트콘크리트는 -800으로 황토콘크리트는 시멘트콘크리트에 비교하여 50% 적은 수축량을 보여주고 있다. 또한 초기 8시간 후의 시멘트콘크리트의 수축량과 황토콘크리트의 수축량을 비교하면 황토콘크리트에 비해 시멘트콘크리트의 수축량이 재령이 경과함에 따라 커지는 것으로 나타났다. 건조수축의 결과를 볼 때 매스콘크리트나 건조수축에 민감한 구조물에 대하여 황토콘크리트를 적용할 경우 시멘트콘크리트 대체 사용재료로서 효과적일 것으로 사료된다.
둘째, 점성이 큰 황토콘크리트의 경우 불필요한 공기가 외부로 빠져나오는 시간이 시멘트콘크리트에 비해 상대적으로 길게 소요되며, 빠지나오지 못한 공기가 거푸집표면으로 이동하면 곰보가 발생한 것으로 사료된다. 셋째, 점성이 큰 황토콘크리트의 경우 다짐봉을 뽑아 올리는 속도 또한 곰보 발생의 원인으로 판단된다. 발생된 곰보는 보수를 통하여 보수할 수 있으나 향후 깨끗한 노출면 마감을 위해서는 황토콘크리트의 경우 시멘트콘크리트에 비해 상대적으로 긴 다짐시간과 다짐봉을 뽑아올리는 속도를 늦춰야 깨끗한 노출표면을 얻을 수 있을 것으로 사료된다.
이러한 곰보의 발생은 시공시 진동다짐에 의한 것으로 다음 세 가지에 요인에 의한 것으로 판단된다. 첫째, 시멘트콘크리트에 비해 상대적으로 점성이 큰 황토콘크리트의 경우 봉형 진동기 조작시 많은 힘이 소요되기 때문에 거푸집의 구석구석을 충분히 다지는데 어려움이 있었을 것이다. 둘째, 점성이 큰 황토콘크리트의 경우 불필요한 공기가 외부로 빠져나오는 시간이 시멘트콘크리트에 비해 상대적으로 길게 소요되며, 빠지나오지 못한 공기가 거푸집표면으로 이동하면 곰보가 발생한 것으로 사료된다.
강우로 인하여 공사가 지연된 5일을 제외한 실공사기간은 22일이었다. 황토콘크리트 배합시 공장배합이 아닌 현장 배합을 실시한 것을 제외하면 전체 공정은 시멘트콘크리트와 유사하여 공기측면에서도 적용가능성이 높음을 알 수 있었다. 시멘트콘크리트와 황토콘크리트의 일정 비교는 표 7과 같다.
황토콘크리트의 기계화 시공상 발생된 문제는 없었으며 믹싱과 타설을 병행한 레미콘의 이용보다는 경동형 믹서와 펌프카를 이용하여 믹싱과 타설을 분리․시공한 경우 시간을 절약할 수 있었다.

후속연구

또한 초기 8시간 후의 시멘트콘크리트의 수축량과 황토콘크리트의 수축량을 비교하면 황토콘크리트에 비해 시멘트콘크리트의 수축량이 재령이 경과함에 따라 커지는 것으로 나타났다. 건조수축의 결과를 볼 때 매스콘크리트나 건조수축에 민감한 구조물에 대하여 황토콘크리트를 적용할 경우 시멘트콘크리트 대체 사용재료로서 효과적일 것으로 사료된다.
셋째, 점성이 큰 황토콘크리트의 경우 다짐봉을 뽑아 올리는 속도 또한 곰보 발생의 원인으로 판단된다. 발생된 곰보는 보수를 통하여 보수할 수 있으나 향후 깨끗한 노출면 마감을 위해서는 황토콘크리트의 경우 시멘트콘크리트에 비해 상대적으로 긴 다짐시간과 다짐봉을 뽑아올리는 속도를 늦춰야 깨끗한 노출표면을 얻을 수 있을 것으로 사료된다. 그림 10은 황토콘크리트의 노출표면에 발생한 문제점과 보수를 통해 표면처리를 한 것이다.
시공에 앞서 황토콘크리트의 기초적인 강도에 대한 실험²⁾을 이루어 졌으나 기둥이나 슬라브 등의 대형 면적에 적용시 발생하는 건조수축이나 수화열에 대한 예비 실험이 필요할 것으로 판단되었다. 예비실험은 용적 27ℓ(30*30*30cm)의 거푸집을 50mm 스티로폼을 사용하여 단열이 가능하도록 제작하여 황토콘크리트와 시멘트콘크리트를 두가지 샘플을 비교하여 측정하였다.
친환경건축재료로서 황토콘크리트의 시공 및 품질에 대한 연구를 통하여 황토콘크리트를 사용한 건축물 시공이 가능함을 알 수 있었으며, 앞으로 경제성 및 구조적 안정성, 디자인 적용 등에 대한 다양한 연구가 진행되어져야 될 것으로 사료된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	과거 건축물에서 흙 이용은 저층인 주거부분에 국한되어 사용된 이유는?	흙은 아주 오래전부터 우리의 건축 활동에서 일반적으로 사용되어온 친환경 건축 재료이다. 하지만 강도와 내구성이 약하여 과거 건축물에서 흙 이용은 저층인 주거부분에 국한되어 사용되었다. 그러나 최근에 들어와서 흙의 친환경적인 장점을 살리고 강도와 내구성을 보완하여 현대적인 건축재료로서 이용하려는 노력이 이루어지고 있으며 일부 현장에 적용되기도 하였다.
	황토콘크리트의 장점은?	결합재로써 기존의 시멘트 대신 황토결합재를 사용하여 물, 잔골재, 굵은골재, 혼화재료와 혼합하여 만든 콘크리트를 말한다. 황토콘크리트는 생산시 자연상태의 흙을 사용하므로 COx, NOx 등 환경 오염 물질의 발생이 적으며 재료의 생산시 에너지 소비가 거의 없으므로 에너지 저감형 건축 재료라고 할 수 있다. 기존의 시멘트 결합재에 비해 강도는 다소 낮지만 소요의 워커빌리티를 확보한 황토콘크리트의 재령 28일 강도의 경우 21MPa 이상의 강도를 나타내며, 유동성을 고려하지 않을 경우 최고 강도는 34MPa를 나타내 향후 구조 재로써의 높은 가능성을 나타내고 있다.

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